CN102568958B - 自保持型过电流保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种性能更可靠的自保持型过电流保护装置，包含塑料壳体、可分断电路、PTC元件、双金属元件四部分，可分断电路由可动电极、动触点、静触点和固定电极串联构成；塑料壳体形成的中空腔体被并列分隔成两个腔体，一腔体放置PTC元件和另一腔体放置双金属片；PTC元件为载流型安装，与可分断电路并联；双金属片为非载流型安装，自身不连入电路，为可分断电路的分断和导通提供驱动力，正常状态下，电流由动静触点和PTC元件组成的并联电路流过，异常时双金属片变形，带来可动电极的位移，从而切断可分断电路，当双金属片变形恢复时，可动电极的位移恢复，从而可分断电路导通；PTC元件的常温电阻为不少于100倍可分断电路的电阻。

Description

自保持型过电流保护装置

技术领域

本发明涉及到自保持型过电流保护装置，尤其是一种同时涉及到双金属片和PTC元件，并能实现故障时保持自锁状态和故障消除后实现自恢复的电路保护装置。

背景技术

过热过流保护装置安装在电路中，在电路异常工作状态发生时，切断或限制电路的电流，起到保护电路的作用。对于这种保护装置，一种期望的效果是实现故障时保持自锁状态和故障消除后能够自恢复，从而实现智能化的保护。为了达成上述目的，在保护装置中同时涉及到双金属片和PTC元件已成为一种公知技术。进一步的，随着电子工业的小型化发展趋势，也要求小型化的电路保护装置。同时，作为安全保护装置，希望其本身功能具有高的可靠性和稳定性。

专利JP 2005203277(A) 提出了一种同时涉及到双金属片和PTC元件的小型化的电路保护装置。在该专利中，陶瓷PTC元件安装在双金属片下方，可动电极安装在双金属片上方。在正常工作状态下，电流依次通过上端子、可动电极、动触点、静触点、下端子。在异常工作状态发生时，双金属片动作，从而带动可动电极位移，使动触点和静触点相互分离。电流依次通过上端子、可动电极、双金属片、陶瓷PTC元件、下端子。对于上述电路保护装置，我们注意到，双金属片在突跳形变时，会产生较大的形变弹力，将陶瓷PTC元件安装在双金属片下方，众所周知的，由于陶瓷PTC元件很脆，双金属片动作时可能会击碎PTC元件，当PTC元件被损坏时，会导致电路保护装置丧失自保持性（即在故障排除以前，电路保护装置始终保持保护状态），从而不能有效的起到保护作用。另一方面，将PTC元件安装在双金属片下方，可动电极安装在双金属片上方，在双金属片发生动作后电流依次通过可动电极、双金属片、PTC元件这种电路设计模式，JP 2001035330(A) 中指出了因为双金属片表面由于氧化等原因而具有不好的表面形态并还有很高的电阻，在与PTC电阻面相接触时稳定性不足，存在着双金属片动作后PTC元件不能流过适当加热电流的可能性，从而可能会导致保护的失效。

JP 2002056755 (A)公布了一种带双金属片的电路保护装置。该装置中，引出端在可动电极直接引出，通过上下壳体焊缝伸出。这使得当加载在引出端两端的拉力较大时，存在着可动电极从塑壳体中拉出，从而导致动静触点接触脱离的风险。同时，引出端引出部分的上下壳体焊缝处容易密封不良，水汽、电解液等更容易进入腔内，从而引起氧化、短路等问题。JP 2005203277(A)中，引出端包埋在塑料壳体中，可动电极再与引出端向连接，同时为了增强，在上壳中使用金属片增强（见图3），解决了上述问题，但存在零部件较多，加工制作较复杂的问题。

发明内容

鉴于上述存在的不足，本发明目的在于提出一种结构简化、便于加工制作的自保持型过电流保护装置，通过电路原理的改进和结构排布的优化设计，增强器件保护电路的稳定性。

本发明的再一目的在于，通过引出端连接部位的改变，解决引出端两端的拉力破坏和密封失效导致的可靠性降低的问题。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种自保持型过电流保护装置，包含塑料壳体、可分断电路、PTC元件、双金属元件四个部分，其中：

1）所述的可分断电路由可动电极、动触点、静触点和固定电极串联构成；

2）所述的塑料壳体形成的中空腔体被并列分隔成两个腔体，一腔体放置PTC元件和另一腔体放置双金属片；

3）所述的PTC元件为载流型安装，与可分断电路并联；

4）所述的双金属片为非载流型安装，自身不连入电路，为可分断电路的分断和导通提供驱动力，在正常工作状态下，电流由动静触点和PTC元件组成的并联电路流过；在异常情况发生时，当双金属片变形时，带来可动电极的位移，从而切断可分断电路，当双金属片变形恢复时，可动电极的位移恢复，从而可分断电路导通；

5）所述的PTC元件的常温电阻为不少于100倍可分断电路的电阻。

上述结构简化、便于加工制作，PTC元件不会被双金属片动作时产生的弹力损坏，并且由PTC元件组成的加热电阻不受双金属片连入电路而带来的影响，从而增强了器件保护电路的稳定性。

在上述方案基础上，所述放置双金属片的腔体中，设有一个凸台。

在上述方案基础上，所述的塑料壳体具有上壳体和下壳体，在上壳体上包埋有一金属片，金属片上面有一向下突起的平台，下壳体与固定电极组合成一个整体，下壳体的中空腔体被分隔成两个部分，放置双金属片的腔体一与固定电极电绝缘，该腔体中心有一向上突起的平台，双金属片覆盖在凸台上。

在上述方案基础上，所述上壳体包埋的金属片与一引出端相集成，且可动电极与该金属片形成电接触。

在上述方案基础上，所述可动电极与上壳体包埋的金属片之间通过焊接直接相连或者通过镀刷贵金属镀接触连接。

在上述方案基础上，所述可动电极上设置有两个固定翼，且固定翼上设置有两个小突起，安装时与PTC元件形成弹性接触。

具体的，在正常工作状态下，可动端子上的动触点与固定电极上的静触点相互接触，可分断电路导通，与PTC元件形成并联电路，流经器件的电流同时从动静触点和PTC元件流过。同时，由于PTC元件的常温电阻远远大于可分断电路的电阻，例如，至少100倍以上，更优的，1000倍以上，电流的绝大部分依次通过可动电极、动触点、静触点、固定电极流出，只有极小部分的电流经过可动电极、PTC元件、固定电极流出。在过流或过热发生时，双金属片发生翘曲变形，双金属片与可动电极相接触并带来可动电极的位移，从而使动触点和静触点相互分离，流经器件的电流的全部依次经过可动电极、PTC元件、固定电极流出。此时，PTC热敏电阻会迅速动作而呈现高阻态并产生热量，维持双金属片保持在反转状态，直至故障排除电路自行导通。

本发明采用上述技术方案，有以下优点：

1，双金属片和PTC元件并排放置的设计，避免了器件在长期使用过程中，双金属片在动作时击碎PTC元件的可能性。

2，双金属片不连入电路和双金属片动作后电流直接通过PTC元件的设计，避免了双金属片影响导致PTC中不能流过适当电流的可能性。

3，装置引出端直接与上壳金属片相集成，且可动电极与上壳金属片形成电接触的设计，避免了引出端两端的拉力破坏和密封失效导致的可靠性降低的风险，且结构简化，便于加工。

以上优点的存在，提高了器件保护电路的可靠性。

附图说明

图1是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例一动作前的侧视剖面图；

图2是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例一的立体图；

图3是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例一的动作后的侧视剖面图；

图4是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例一的可动电极的侧视图；

图5是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例一可动电极的安装后的受力分析图；

图6是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例二的立体图；

图7是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例二的侧视剖面图；

图8是根据本发明的PTC元件安装的后视剖面图。

图中标号说明：

1—上壳体； 2—下壳体； 3—金属片；

4—下凸平台； 5—固定电极； 6—腔体一；

7—上凸平台； 8—双金属片； 9—腔体二；

10—PTC元件； 11—突起点； 12—挡板；

13—可动电极； 14—定位柱； 15—定位孔。

16—引出端； 17—固定翼； 18—活动臂；

19—定位孔； 20—定位柱； 21—突起点；

22—动触点； 23—静触点； 24—凸点；

25—焊接点。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例一的侧视剖面图。图2是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例一的立体图。在图示实施例一中，保护装置包含一塑料壳体，该塑料壳体具有上壳体1和下壳体2两个部分。在上壳体上包埋有一金属片3，金属片上面有一向下突起的平台4。下壳体与固定电极5组合成一个整体，下壳体的中空腔体被分隔成两个部分，腔体一6与固定电极电绝缘，腔体中心有一向上突起的平台7，双金属片8放置在腔体一中，覆盖在凸台上。腔体二9与固定电极相互连通，其中放置PTC元件10，固定电极在腔体二的部位上设置有数个突起点11，与PTC元件的下表面相接触。腔体一和腔体二之间被一挡板12隔开。可动电极13放置在双金属片和PTC元件的正上方。在上壳体和下壳体上还具有定位柱14和定位孔15，下壳体和上壳体通过这些定位柱和定位孔相互配合。

在图示实施例一中，器件在正常工作状态下，双金属片8不与可动电极13相接触，在腔体一6中的状态是自由可活动的。如果电路发生异常并且流过过量电流时，在动静触点22、可动电极13的温度会升高，热量经过内部空间被传导至双金属片8，当达到临界温度时，使双金属片8致动（即双金属片8形状发生曲翘反转）。另一种情况，当器件所处环境温度过高达到临界温度时，也会使双金属片8致动。结果，使得双金属片8中央部位于下壳体的凸台7相接触，其边缘向上弯曲与可动电极13上的凸点相接触并抬高可动电极，如图3所示。这一过程在极短的时间内发生，通常的，在几个微秒之内。在这极短的时间内，双金属片8发生曲翘形变的弹力会带来较大的冲击力。作为可自恢复的电路保护装置，其在电路保护中是重复使用的，即意味着在长期使用过程中，双金属片8会多次发生致动形变和形变恢复，从而导致反复的冲击。而陶瓷PTC元件很脆，尤其当出于器件小型化要求，厚度较薄的陶瓷PTC元件很容易在反复的受冲击过程损坏。当PTC元件被损坏时，会导致电路保护装置丧失自保持性（自保持性指在故障排除以前，电路保护装置能够始终保持保护状态），从而不能有效的起到保护作用。因此，将双金属片8和PTC元件10并排独立放置在各自腔体中并之间被挡板隔开，避免了这种冲击力对PTC元件造成的影响，能够提高器件稳定性。更进一步的，并排放置的结构模式也有益于减小器件在厚度方向上的尺寸。

可动电极包含引出端16、固定翼17、活动臂18三个部分。在引出端和固定翼之间设置有一个定位孔19，该定位孔与下壳体的定位柱20相互配合，对可动电极在壳体中的位置起定位限制作用，防止产生前后移动。固定翼的长度略小于下壳体中空腔体的宽度，两者之间形成紧密配合。固定翼的存在，对可动电极在壳体中的位置起定位限制作用，防止产生左右移动。因此，可动电极在下壳体中的位置被固定，不会因分断动作而产生较大幅度的位移。固定翼的位置，设置于PTC元件的正上方。在固定翼的两侧，各设置有一个突起点21，在装配完成后，该突起点与PTC元件的上表面形成弹性接触。在活动臂的前端部，安装有一动触点22。该动触点通过焊接或铆接的方式与可动电极相连接。而固定电极在可动电极前端部对应的位置上，复合有一层触点材料，形成一个静触点23，该静触点通过层压复合或电镀的方式与固定电极相连接。静触点和动触点形成相互配合。

如图4所示，可动电极的活动臂部分与固定翼部分形成一个θ角的向下弯折。该折弯角度大于当安装完成后、下壳体完全压下时，可动电极的活动臂部分与固定翼部分形成的弯折角度为α角（见图5），并且，优选的，大于2~4度。由于该折弯角度大于安装后的折弯角，在安装过程中上壳体尚未压下时，静触点和动触点相互接触，而活动臂与固定翼之间的部分高于其安装平面。因而，当上壳体压下时，上壳金属片上突起的平台与活动臂与固定翼之间的部分相接触，并对可动电极产生压力引起可动电极变形。当安装完成后，下壳体完全压下时，可动电极的活动臂部分与固定翼部分形成的弯折角度为α角。因而，在静触点和动触点之间形成一种弹性压力，该弹性压力保持了静触点和动触点之间的紧密接触，防止装置在使用过程中遭受外力冲击时，静触点和动触点意外脱开而导致的误动作，提高了器件保护的可靠性。另外的，如图4所示，可动电极上面还包含两个向下的凸点24，这两个凸点在双金属片致动之后，与双金属片的上表面相接触（见图3），有助于增加可动电极的位移距离，从而增加动静触点分开的距离，有利于增加器件的电气安全性。

同时，根据发明人在上述保护装置的研究经验，为了保证PTC元件连在电路中的可靠性，PTC元件与电极之间必须保持一种弹性接触，尤其是在器件处于动作保护状态时。因而，如图6所示，固定电极在腔体二的部位上设置有数个突起点，与PTC元件的下表面相接触。在固定翼的两侧，各设置有一个突起点，与PTC元件的上表面相接触。在完成装配后，由于可动电极产生的形变，使得在固定翼的突起点与PTC元件的上表面产生弹性压力，因而，PTC元件与可动电极、固定电极之间都能保持一种弹性接触。当异常状况发生，双金属片动作将可动电极向上顶开时，可动电极产生的形变进一步加大，从而固定翼的突起点与PTC元件的上表面之间的弹性压力也会进一步加大，确保器件处于动作保护状态时，PTC元件与电极之间始终保持一种弹性接触。

图1所示自保持型过电流保护装置安装在电路中，由于PTC元件与可分断电路相电并联，电流从可动电极的引出端流入后，经过固定翼，一部分通过可动电极、动触点、静触点、固定电极流出；一部分通过PTC元件、固定电极流出。流经PTC元件的电流会使PTC元件发热，从而可能对器件产生不利影响，因此，应尽可能的减小流经PTC元件的电流。在所述的自保持型过电流保护装置，PTC元件的常温电阻为可分断电路的至少100倍以上，优选的为1000倍以上。因此，在可分断电路断开以前，绝大部分的电流从可分断电路流过，流经PTC元件的电流可以忽略，因而不会对器件产生影响。

在图示实施例一中，如果电路发生异常并且流过过量电流时，双金属片致动。另一种情况，当器件所处环境温度过高时，也会使双金属片致动。结果，双金属片发生反转，从而使得其中央部位于下壳体的凸台相接触，其边缘向上弯曲与可动电极上的凸点相接触并抬高可动电极，动触点和静触点相互分离，即，两者之间的电连接被切断。因此，可分断电路与PTC元件形成的并联电路中，可分断电路转变为分断状态，所有的电流流向PTC元件，电流流过器件的途径转变为可动电极的引出端、固定翼、PTC元件、固定电极。使得PTC元件转变为高温、高电阻状态，基本切断流经器件的电流，起到保护作用。同时，由于PTC元件和双金属片都与可动电极相接触，PTC元件的热量通过此接触部分直接向双金属片传递，把双金属片保持在动作状态，并继续保持可分断电路在分断状态。换言之，在这种自保持型过电流保护装置中，无需切换电流，并且双金属片始终不连入电路，提高了动作的可靠性。

如果过流或过热的异常情况消除，则双金属片的形变恢复，动触点和静触点相互闭合，器件恢复到初始状态。器件可以重复使用。

图6是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例二的立体图。图7是根据本发明的自保持型过电流保护装置实施例二的侧视剖面图。装置一头的引出端16直接与上壳金属片3相集成，且当上壳体压下时，上壳金属片对可动电极13产生压力引起可动电极变形，从而在可动电极与上壳金属片之间形成电接触。可动电极与上壳金属片之间（位置25）通过焊接直接相连，或者通过镀刷贵金属镀层降低两者之间的接触电阻。电流从引出端流入后，经过上壳金属片，一部分通过可动电极、动触点、静触点、固定电极流出；一部分通过固定翼、PTC元件、固定电极流出。可动电极在器件中的装配位置通过固定翼17与挡板12形成的腔体二9的相互配合来确定。通过引出端直接与上壳金属片相集成，由于上壳金属片直接包埋于塑壳体之中，两者结合强度较大。当使用过程中在引出端两头受到拉力时，抗拉性能也更好。避免了当引出端从可动电极直接引出时，塑壳体尾部容易被破坏，可动电极从塑壳体中拉出，从而导致动静触点接触脱离的风险。同时，上下壳体之间可以四周紧密焊接，不存在引出端引出部分的上下壳体焊缝处，避免了容易密封不良导致水汽、电解液等更容易进入腔内，从而引起双金属片和触点氧化、可动电极和固定电极间短路等问题。并且结构简化，便于加工。

同时，这种设计的另外一个关键在于，在装配完成之后，可动电极的固定翼与上壳体的金属片之间留有间隙，不互相接触（见图8）。因此，在器件装配中需要承受的压力，如在超声波焊接时需要加在上下壳体之间的压力，不会直接传导到PTC元件上，从而防止PTC元件受到破坏。

Claims (6)

1.一种自保持型过电流保护装置，包含塑料壳体、可分断电路、PTC元件、双金属片四个部分，其特征在于：

1）所述的可分断电路由可动电极、动触点、静触点和固定电极串联构成；

2）所述的塑料壳体形成的中空腔体被并列分隔成两个腔体，一腔体放置PTC元件和另一腔体放置双金属片；

3）所述的PTC元件为载流型安装，与可分断电路并联；

4）所述的双金属片为非载流型安装，为可分断电路的分断和导通提供驱动力，在正常工作状态下，电流由动触点、静触点和PTC元件组成的并联电路流过；在异常情况发生时，当双金属片变形时，带来可动电极的位移，从而切断可分断电路，当双金属片变形恢复时，可动电极的位移恢复，从而可分断电路导通；

5）所述的PTC元件的常温电阻为不少于100倍可分断电路的电阻。

2.根据权利要求1所述的自保持型过电流保护装置，其特征在于：所述放置双金属片的腔体中，设有一个凸台。

3.根据权利要求1或2所述的自保持型过电流保护装置，其特征在于：所述的塑料壳体具有上壳体和下壳体，在上壳体上包埋有一金属片，金属片上面有一向下突起的平台，下壳体与固定电极组合成一个整体，下壳体的中空腔体被分隔成两个部分，放置双金属片的腔体与固定电极电绝缘，该放置双金属片的腔体中心有一向上突起的凸台，双金属片覆盖在凸台上。

4.根据权利要求3所述的自保持型过电流保护装置，其特征在于：所述上壳体包埋的金属片与一引出端相集成，且可动电极与该金属片形成电接触。

5.根据权利要求4所述的自保持型过电流保护装置，其特征在于：可动电极与上壳体包埋的金属片之间通过焊接直接相连或者通过镀刷贵金属镀接触连接。

6.根据权利要求1所述的自保持型过电流保护装置，其特征在于：所述的可动电极上设置有两个固定翼，固定翼的位置，设置于PTC元件的正上方，且固定翼上设置有两个小突起，安装时，该小突起与PTC元件的上表面形成弹性接触。