CN101162632A - 过电流保护组件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种过电流保护组件，其包含二金属箔片、一叠设于所述二金属箔片间的正温度系数(PTC)材料层。所述PTC材料层包含：(1)一高分子聚合物基材，其所占体积百分比介于35－60％，且包含一熔点高于150℃的含氟的结晶性高分子聚合物(例如聚氟化亚乙烯(polyvinylidine fluoride；PVDF))；以及(2)一散布于所述高分子聚合物基材中的导电陶瓷填料(例如碳化钛)。所述导电陶瓷填料所占体积百分比介于40－65％，且其体积电阻值小于500μΩ－cm。所述PTC材料层的体积电阻值小于0.1Ω－cm，且于25℃时的维持电流对PTC材料层面积的比率为介于0.05至0.2A/mm2之间。
Description
技术领域
本发明是关于一种过电流保护组件，更具体说来，是关于一种具有高维持电流(holdcurrent)的过电流保护组件。
背景技术
由于具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性的导电复合材料的电阻具有对温度变化反应敏锐的特性，可作为电流感测组件的材料，且目前已被广泛应用于过电流保护组件或电路组件上。由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运作。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(至少104ohm以上)，即所谓的触发(trip)，而将过量的电流反向抵销，以达到保护电池或电路组件的目的。
应用于高温环境的过电流保护组件通常需符合以下两种特性：(1)至触发时间(timeto trip)不能太快，例如于30安培、80℃的情况下必须大于2秒；以及(2)在室温25℃、12安培的情况下必须能够触发。一般说来，所述过电流保护组件的尺寸较小，常规使用碳黑作为导电填料的PTC组件不易达到上述需求。也曾有人使用镍粉作为导电填料进行试验，但是镍粉与含氟的聚合物混合时在高温时易产生氢氟酸，而无法采用。
举例而言，应用于汽车的过电流保护组件因为常曝晒于强烈阳光下，故需具备良好的散热特性。传统使用碳黑为导电填料的组件的电阻较高，其维持电流Ihold较小，(维持电流为在不触发情况下的最大电流)，故无法有效增加散热效率。
综上可知，如何增加过电流保护组件的散热效率，而得以符合上述两种特性，是亟需突破的，以符合应用于例如汽车等高温环境的需要。
发明内容
本发明是提供一种过电流保护组件，通过含氟的结晶性高分子聚合物及导电陶瓷填料的加入，可有效增加过电流保护组件的维持电流(即在所述维持电流下，不会有触发(trip)发生)，进而增加组件的散热效率。因此，本发明的具有高维持电流的过电流保护组件可应用于汽车等易处于高温的环境。
本发明揭示一种过电流保护组件，其包含二金属箔片、一叠设于所述二金属箔片间的PTC材料层。所述PTC材料层包含：(1)一高分子聚合物基材，其所占体积百分比介于35-60％，且包含一熔点高于150℃的含氟的结晶性高分子聚合物(例如聚氟化亚乙烯(polyvinylidine fluoride；PVDF)，其熔点约165℃)；以及(2)一导电陶瓷填料(例如碳化钛(TiC))，其是散布于所述高分子聚合物基材中。所述导电陶瓷填料所占体积百分比介于40-65％，且其体积电阻值小于500μΩ-cm。所述PTC材料层的体积电阻值小于0.1Ω-cm，且25℃时的维持电流对PTC材料层面积的比率为介于0.05至0.2A/mm2之间。
因为导电陶瓷填料的电阻远小于碳黑，故可有效提供组件较高的维持电流。另外，所述含氟的结晶性高分子聚合物因为相较于聚乙烯(PE)具有较高熔点，因此包含所述含氟的结晶性高分子聚合物的组件处于高温环境时(例如车内温度约80℃时)仍可维持足够的维持电流，而具有迅速散热的特性
附图说明
图1是本发明一实施例的过电流保护组件的示意图；
图2是图1的过电流保护组件的上视图；
图3是本发明另一实施例的过电流保护组件的示意图；以及
图4是本发明又一实施例的过电流保护组件的示意图。
具体实施方式
以下将就添加不同比例的PVDF为例，用以说明本发明的导电性聚合物和由其组成的过电流保护组件的特性。
表一显示各实验组(Ex.1至Ex.6)和对照组(Comp.1及Comp.2)以体积百分比显示的配方成份，其中作为导电填料的碳黑是选用哥伦比亚化学公司(Columbian ChemicalCompany)所生产的型号RAVEN 430 ULTRA产品，作为导电填料的碳化钛陶瓷粉是选用Micron Metals，Inc.所生产的型号TI-302产品；聚烯类聚合物基材的高密度聚乙烯(HDPE)选用台塑化学公司(Formosa Plastics，Inc)所生产的型号TAISOX HDPE-8010产品，PVDF则选自ATOFINA化学公司的型号KYNAR741及KYNAR761产品。
表一
| 碳化钛TiC | 碳黑R430U | PVDF741 | PVDF761 | HDPE | |
| Ex.1 | 59.00％ | - | 41.00％ | - | - |
| Ex.2 | 52.00％ | - | 48.00％ | - | - |
| Ex.3 | 52.00％ | - | 38.40％ | - | 9.60％ |
| Ex.4 | 55.00％ | - | 42.75％ | - | 2.25％ |
| Ex.5 | 52.00％ | - | - | 48.00％ | - |
| Ex.6 | 50.00％ | 50.00 | |||
| Comp.1 | - | 50.00％ | 50.00％ | - | - |
| Comp.2 | 52.00％ | - | - | - | 48.00％ |
上述的各实验组和对照组以所示的体积百分比例加入HAAKE公司生产的双螺杆混练机中进行混练。混练的温度设定为215℃，预混的时间为3分钟，而混练的时间则为15分钟。
经混练完成的导电性聚合物以热压机于210℃和150kg/cm2的压力压成厚度约1.0至1.9毫米(mm)的薄片。此后再将所述薄片切成约20厘米×20厘米的正方形，并由热压机以210℃的温度和150kg/cm2的压力将两镀镍铜箔贴合至所述薄片的两面，最后以冲床冲压出如图1所示的PTC芯片10，其即为本发明的过电流保护组件。所述PTC芯片10包含由所述导电性聚合物所组成的正温度系数(PTC)材料层11及由所述镀镍铜箔所组成的一第一电极层12和一第二电极层13。图2是图1的PTC芯片10的上视图，所述PTC芯片10的面积为8mm×10mm，即80mm2。
参照图3，将所述第一和第二电极层12、13的外表面涂上锡膏，将两片厚度为0.5mm的铜片电极14、15分别置于第一和第二电极层12、13的外表面的锡膏上，再将此组装的组件经300℃回焊工艺即得厚度1.9mm至2.9mm的PTC组件20。
上述混合后的高分子聚合物基材(PVDF或PVDF加HDPE)的体积百分比都介于35-60％之间。导电陶瓷填料碳化钛所占体积百分比则介于40-65％，较佳的体积百分比则介于50-60％。
所述PTC组件20依不同的配方各取5个作为样本进行下列测量：(1)起始电阻Ri；(2)组件总厚度；(3)80℃、12V、30A的至触发时间(time-to-trip)；(4)25℃、12V时的维持电流；和(5)15V、35A、10次循环(on：10秒；off：60秒)的测试。表二显示各实验组Ex.1～6和对照组Comp.1～2的测试结果。
表二
| Ri(mΩ) | 厚度(mm) | 至触发时间@80℃/12V/30A(sec) | Ihold@12V/25℃(A) | Ihold@12V/25℃/面积mm2(A/mm2) | 循环测试@15V/35A(10次循环) | |
| Ex.1 | 4.3 | 2.90 | 4.6 | ＞10 | ＞0.15 | 通过 |
| Ex.2 | 4.3 | 2.90 | 3.2 | ＞8 | ＞0.1 | 通过 |
| Ex.3 | 4.1 | 1.95 | 2.9 | ＞8 | ＞0.1 | 通过 |
| Ex.4 | 5.5 | 1.92 | 2.2 | ＞8 | ＞0.1 | 通过 |
| Ex.5 | 4.0 | 2.02 | 4.3 | ＞8 | ＞0.1 | 通过 |
| Ex.6 | 6.2 | 1.98 | 2.1 | ＞4 | ＞0.05 | 通过 |
| Comp.1 | 80.0 | 2.90 | ＜1.0 | ＜4 | ＜0.05 | 未通过 |
| Comp.2 | 6.0 | 1.92 | ＜1.8 | ＞6 | ＞0.07 | 通过 |
表二中可见添加碳化钛者，其PTC材料层的起始体积电阻值都远小于0.1Ω-cm，且其维持电流对PTC材料层面积的比率是以介于0.05和0.15A/mm2为佳。
对照组Comp.1是采用碳黑作为导电填料，其初始电阻Ri为80mΩ明显大于其它添加碳化钛作为导电陶瓷填料的实验组Ex.1～6和对照组Comp.2，且其维持电流(Ihold)为最低者(＜4A)。显见本发明使用碳化钛等导电陶瓷填料可降低组件电阻且有效增加维持电流，而提升组件的散热效果。另外，采用碳化钛作为导电陶瓷填料时，其添加的体积百分比可超过50％甚至接近60％，例如实验组Ex.1的59％，而仍具有良好的效果。
上述实验组Ex.1～6于自动车锁转子(automotive lock rotor)80℃、12V、30A的测试条件下的至触发时间介于2.1至4.8秒之间，都符合至触发时间大于2秒的需求，而所述两对照组Comp.1和Comp.2的至触发时间分别为小于1秒和1.8秒，其都小于2秒而未通过测试。
实验组Ex.5与6和比较组Comp.2的差异在于Ex.5和Ex.6的聚合物为PVDF，而Comp.2为HDPE，Ex.5和Ex.6的至触发时间明显较长。显然选用PVDF可增加至触发时间。另外，一般说来，维持电流会随温度增加而降低，即所谓的热降(thermal derating)效应。因为HDPE的熔点较低约为130℃，而PVDF的熔点较高约在165℃，故使用PVDF可减缓维持电流下降的趋势，而于80℃时仍可维持足够的维持电流。
实验组Ex.3和4除了PVDF外，另加入体积百分比9.60％和2.25％的HDPE，虽然其至触发时间略有下降为2.9秒及2.2秒，但仍在需求范围内。因此本发明中PTC材料层中的含氟聚合物也可以混加其它聚乙烯(PE)，只要PVDF仍具足够的比例而主导混合后聚合物的性质，其仍可得到良好的功效。
本发明的含氟结晶性聚合物是以选择熔点大于150℃为佳。而混合后的高分子聚合物基材的体积百分比以介于35-60％为佳。所述导电陶瓷填料所占体积百分比介于40-65％，且其体积电阻值小于500μΩ-cm；
本发明添加的含氟的结晶性高分子聚合物并不限定使用PVDF，其它具有类似特性且熔点高于150℃的高分子聚合物，也为本发明所涵盖。除了上述的材料选用外，导热高分子聚合物也可选用聚四氟乙烯(poly(tetrafluoroethylene)；PTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(tetrafluoroethylene-hexafluoro-propylene copolymer；FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer；PETFE)、全氟烃氧改质四氟乙烯(perfluoroalkoxy modified tetrafluoroethylenes；PFA)、聚(氯三-氟四氟乙烯)(poly(chlorotri-fluorotetrafluoroethylene)；PCTFE)、二氟乙烯-四氟乙烯共聚物(vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer；VF-2-TFE)、聚二氟乙烯(poly(vinylidene fluoride))、四氟乙烯-全氟间二氧杂环戊烯共聚物(tetrafluoroethylene-perfluorodioxole copolymers)、二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(vinylidenefluoride-hexafluoropropylene copolymer)、二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三聚物(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer)和四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚(tetrafluoroethylene-perfluoromethylvinylether)加上固化域的单体三聚物(cure site monomer terpolymer)等。
导电陶瓷填料可选自体积电阻值小于500μΩ-cm的(1)金属碳化物(例如：实施例中的碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、碳化钒(VC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化钼(MoC)、碳化铪(HfC))、(2)金属硼化物(例如：硼化钛(TiB2)、硼化钒(VB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化铌(NbB2)、硼化钼(MoB2)、硼化铪(HfB2))或(3)金属氮化物(例如：氮化锆(ZrN))。
参照图4，于两电极14和15间设置两PTC芯片10，而所述两PTC芯片10间叠设一金属散热片16。因此，可进一步增加维持电流，而增加散热效果。
图4所示仅是本发明的一个实施例，关于PTC芯片10和金属散热片16的数量和设计，可依需求选择搭配而成。
本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为以下的权利要求书所涵盖。
Claims (7)
1.一种过电流保护组件，包含：
二金属箔片；以及
一正温度系数(PTC)材料层，是叠设于所述二金属箔片之间，其包含：
(1)一高分子聚合物基材，其所占体积百分比介于35-60％，且包含一熔点高于150℃的含氟的结晶性高分子聚合物；及
(2)一导电陶瓷填料，散布于所述高分子聚合物基材中，所述导电陶瓷填料所占体积百分比介于40-65％，且其体积电阻值小于500μΩ-cm；
其中所述PTC材料层的体积电阻值小于0.1Ω-cm，且25℃时的维持电流对PTC材料层面积的比率为介于0.05至0.2A/mm2之间。
2.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其特征在于所述含氟的结晶性高分子聚合物是聚氟化亚乙烯(PVDF)或乙烯-四氟乙烯共聚物(PETFE)。
3.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其特征在于所述导电陶瓷填料是选自金属碳化物、金属硼化物或金属氮化物。
4.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其特征在于所述导电陶瓷填料是选自碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化锆、碳化铌、碳化钽、碳化钼、碳化铪、硼化钛、硼化钒、硼化锆、硼化铌、硼化钼、硼化铪或氮化锆中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的过电流保护组件，其特征在于另包含分别连接于所述两金属箔片表面的两电极。
6.一种过电流保护组件，包含：
二PTC组件，各PTC组件等同于如权利要求1所述的过电流保护组件；
一金属散热片，叠设于所述二PTC组件之间；以及
二电极，分别连接所述二PTC组件。
7.根据权利要求6所述的过电流保护组件，其特征在于所述金属散热片连接所述二PTC组件的第一表面，所述二电极连接所述二PTC组件的第二表面。
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