保护元件 本发明涉及按照权利要求1的前序部分所述的在过载之前保护电流用电器的保护元件及其应用。很久就知道具有聚合物矩阵和在其中埋入有由导电材料构成的粉末形状的填料的电阻元件,即所谓的PTC元件。当电阻元件的温度达到切换温度时,该元件的电阻可以跃升到更高的数量级。此温度相应于聚合物的熔化温度,此时填充材料的一部分通过矩阵的熔化进行分开。
此效果为了限制电流尤其用于断开过载电流。电阻元件的温度在额定电流时处于高导电的范围,而且通过过载电流如此加热以达到切换温度,该电阻元件作为保护元件与电流用电器串联。
在已经给出的情况(J.Mater.Res.6/1(1991))下,在用于阻止聚合物的过热的PTC电阻含有另一个粉末形状的填料时,该粉末低于位于此切换温度之上的状态转换的临界温度,在此该粉末吸收转换热量,以使另一个电阻体的加热被阻止或者尽可能地延迟。
保护元件具有某一特性曲线以用于各种应用,其触发特性,即反应时间是过载电流系数的函数。如果过载电流达到额定电流的某一倍数,保护元件在一定时间之后中断该电流,这依赖于此系数。这尤其应用在电机保护电路中与一个电机串联并且必须阻止上升的电机起动电流,该电流例如低于额定电流的5-10倍,该时间例如是1-10秒。在此限制值下,电机保护电路中断该电流以使该电流低于额定电流,以使较小的过载电流能够被承受较长的时间以避免电机的热过载。
这种电机保护电路只能够通过串联的不同切换元件的相对精制的装置实现,例如一个熔丝很快的起反应以进行短的高水平的过载电流,例如这些通过电火花引起,一个开关用于更加延时的更加适度的例如是短路电流的过载电流,并且如果此过载电流持续的话,则一个热继电器中断较低的过载电流。
本发明的任务是给出一个保护元件,其含有用于此任务的与过载电流系数适合的反应时间,并且其足够于用在相对简单的电路中,优选的单独或者与一个开关或者断路器串联以实现该保护任务。
此任务通过本发明按照权利要求1的特征部分解决。如果该电阻设置在短时间的较高过载电流和长时间的较低负载电路的范围内,传统的PTC电阻具有一个触发特性曲线,其在通常的电机起动电流时进行快速反应,或者相反的允许所需要的电机起动电流,但是在短时间的较高的过载电流时进行慢的反应,并且尤其是在低的长时间的过载电流的情况下,这根据本发明能够通过测量进行修正,其中在电机起动电流的范围内的电阻元件的加热被延迟并且因此反应时间被扩展。
本发明的优点尤其是能够产生保护元件以用于敏感元件相对于过载电流的保护,该元件是结构简单的、可靠的并且能够以较低的费用进行生产。本发明的保护元件尤其适合于用于电机或者作为此电路的元件的电机保护电路。
下面结合实施例通过附图对本发明进行详细解释。
图1示出了含有一个电机和具有本发明的保护元件的电机保护电路的电路图,
图2示出了作为过载电流系数的函数的反应时间,该系数是用于通用型的已知电阻元件和用于本发明的保护元件,以及作为用于允许的电机起动电流的限制值。
本发明的保护元件在每种情况下以已知的方式具有带有两个接触电极的电阻芯。根据第一实施例,该电阻芯如下组成:一热阻值的热塑料,优选为ETFE,例如Hoechst公司的Hostaflon,其作为矩阵材料熔点位于210-270℃之间,至少为200℃。该部分在电阻芯的物质中占到40%(体积)。TiB2作为第一填充材料进行混合并且也达到40%(体积)。该材料含有非常高的导电性,以使保护元件在低温时也具有较小的电阻。剩余的20%(体积)填充第二种填料季戊四醇,其也以相似的粉末形式添加。这种状态转换材料在临界温度Tc=187℃时具有一个固-固状态转换点,在此其吸收505J/cm3的传输热量。
在第二实施例的保护元件的情况下,相同的矩阵材料和相同的填料与第一实施例中具有相同的比例进行使用。UHMWPE以粉末的形式作为第二种填料进行添加,其相似的具有20%(体积)的比例。这种在135℃熔化的聚合物能够相似的从Hoechst公司得到。这种状态转换材料在熔化期间吸收186J/cm3的传输热量。其具有较高的黏性,以使其状态转换在电阻芯的状态上没有明显的效果。
也能够使用其他电阻材料的组合物用于保护元件。具体的,铁氧体材料,例如NaNO2或者NaNO3能够作为第二种填料。这些状态转换材料在Tc=162℃和275℃时分别具有固-固状态转换点,并且分别吸收40.1和209J/cm3的传输热量。
另外状态转换材料在相对的低温时能够熔化,也就是说具有一个固-液状态转换点。在此尤其应该考虑的材料是金属和合金,例如具有熔点Tc=157℃的Sn和Tc=183℃的Sn/Pb-63/37,具有Tc=172℃的醌醇。熔化材料优选的以小囊化(Microgekapselt)的形式使用,因为危险是该熔化材料会影响电阻芯的非反向的改变。这种材料例如通过三角研究和发展公司进行了提供。优选使用的状态转换材料具有相对大的热量传输,例如至少为40J/cm3。
与高熔点的热塑料不同的能够在大约135℃熔化的聚乙烯也可以考虑作为矩阵材料使用。这相应于保护元件的切换温度,以使第二种填料的临界温度能够更低。当然,除了TiB2的材料也能够选择作为第一种填料。
在电流上升到额定值时,第一种填料的粒子相互接触并且形成连续的电流通路。此电阻芯的温度是稳定的并且保护元件具有较低的电阻。在较高电流时,所述的粒子被连续加热并且通过与其接触使聚合物矩阵被加热,直到其达到转换温度时进行熔化。第一种填料的粒子因此分开,并且保护元件的电阻迅速上升若干个阶数。在转换温度达到之前反应时间依赖于能量的消耗,并且也依赖于过载电流系数,即实际电流I和额定电流In之间的比例I/In。
在本发明的保护元件的情况下,当过载电流系数不是很高时,在电阻芯中上升的温度通过热量传输被减慢,该热量被第二填料在状态转换时吸收。因此,达到转换温度被延时并且反应曲线被提高。另一方面,在每一个高的过载电流的情况下,在发生状态转换之前达到转换温度,以致所述转换对反应时间没有任何影响。在较低的过载电流系数的情况下,反应时间是很大的,以致通过状态转换所造成的延时是微不足道的。通过状态转换形成的反应时间的增加在每种情况下能够通过第二种填料的分配和热量传输而受到影响。在依赖于某一系数的情况下,在该电流下能够发生该效果,并且以此速度进行状态转换,通过第二种填料的粒子尺寸这可以是受控制的,至少是在某一限制之内。当然也能够设置更多更复杂的特性,例如第二种填料由两个或者更多的状态转换材料组成,该材料在不同的临界温度时承担状态转换的任务。
如上所解释的,第二种填料的状态转换使保护元件的反应时间有了较大的扩展,尤其是在某一过载电流的范围内。这能够如图1所示应用在电机保护电路中。参考附图,电机1与电机保护电路2和电源3串联。电机保护电路2根据本发明含有一个保护元件4和一个开关5,其在保护元件4的任何反应之后导通。
在图2中,通用类型的含有50%(体积)的ETFE作为矩阵材料和50%(体积)的第一种填料的典型已知的保护元件的反应时间T是通过间断线表示的过载电流系数F=I/In的函数和本发明的保护元件的函数,其中实线表示了40%(体积)的ETFE混合以40%(体积)的TiB2和20%(体积)的UHMWPE。相似的通过实线表示允许的电机起动电流的周期和相应于后者的允许限制值的过载电流系数。
两个保护元件是成比例的以使其反应时间在高的和低的过载电流系数的情况下保持一致。在最大的允许电机起动电流的范围内,已知的保护元件的反应时间T是很低的。另一方面,本发明的保护元件的反应时间被提高,以致该时间刚刚高于电机起动电流的允许周期。