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Dokumentenidentifikation DE3177291T2 19.05.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0038715
Titel Schaltungsschutzeinrichtung.
Anmelder Raychem Corp. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Menlo Park, Calif., US
Erfinder Middleman, Lee Mark, Portola Valley California 94025, US;
Doljack, Frank, Pleasanton California 94566, US
Vertreter Popp, E., Dipl.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing.Dr.rer.pol.; Sajda, W., Dipl.-Phys., 8000 München; Bolte, E., Dipl.-Ing., 2800 Bremen; Reinländer, C., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Bohnenberger, J., Dipl.-Ing.Dr.phil.nat., 8000 München; Möller, F., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 2800 Bremen
DE-Aktenzeichen 3177291
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 21.04.1981
EP-Aktenzeichen 813017662
EP-Offenlegungsdatum 28.10.1981
EP date of grant 14.10.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse H01C 7/02
IPC-Nebenklasse H02H 9/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Schaltungsschutzvorrichtungen.

PTC-leitfähige Polymerzusammensetzungen und -vorrichtungen einschließlich sie enthaltende Schaltungsschutzvorrichtungen sind bekannt, siehe z. B. OS-PS'en 2 978 665, 3 243 753, 3 351 882, 4 017 715 und 4 177 376; in bezug auf neuere Entwicklungen kann beispielsweise verwiesen werden auf DE-OS'en 2 948 350, 2 948 281, 2 949 173 und 3 002 721; auf die EP- Veröffentlichungen EP-A-0020081 und EP-0022611 (USSN 41 071), EP-A-0026571 (USSN 67 207) und EP-A-0028142 (USSN 88 344); sowie auf die gleichzeitig angemeldeten EP- Anmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern EP-A-0038718 (USSN 141 984 und USSN 141 988), EP-A-0038713 (USSN 141 989), EP-A-0038714 (USSN 141 991), EP-A-0038716 (USSN 142 053), EP-A-0038717 (USSN 142 054)

Zum Beispiel zeigen die EP-A-0038714 und EP-A-0038718 eine Schaltungsschutzvorrichtung mit einer vernetzten polymeren Komponente; die EP-A-0038714 zeigt PTC-Zusammensetzungen, die Metallteilchen als Füllstoff sowie eine polymere Komponente mit einer Kristallinität von wenigstens 10% enthalten.

Bei weiteren Untersuchungen der Verwendung von bereits vorgeschlagenen Schaltungsschutzvorrichtungen, die PTC- leitfähige Polymerelemente aufweisen, haben wir ein Problem erkannt, das bisher nicht berücksichtigt wurde: Wenn nämlich eine solche Vorrichtung verwendet wurde, um eine Schaltung gegen eine sehr schnelle Stromerhöhung (die beispielsweise durch einen Kurzschluß oder die Einführung einer neuen Stromquelle verursacht war) zu schützen, gab es viele Kombinationen von Spitzenstrom durch die Vorrichtung und Spitzenspannungsabfall über die Vorrichtung, so daß die Fähigkeit der Vorrichtung, mehrfach wirkungsvoll zu funktionieren, erheblich beeinträchtigt wurde. Wenn dagegen die Auslösung der Vorrichtung (d. h. ihre Umstellung in einen Zustand hohen Widerstands und hoher Temperatur) langsam stattfand, beispielsweise als Folge eines langsamen Stromanstiegs oder eines Temperaturanstiegs des die Vorrichtung umgebenden Mediums, traten keine derartigen Probleme auf. Wir haben beispielsweise gefunden, daß früher vorgeschlagene Vorrichtungen, wie sie insbesondere in den DE-OS'en 2 948 281 und 3 002 721 beschrieben sind, fähig waren, einen wirkungsvollen Schutz bei wiederholter Auslösung zu bieten, und zwar entweder (a) bei Spitzenströmen von weniger als 1 A und selbst bei Spannungen bis zu 240 V (und wir glauben, daß das auch bei noch höheren Spannungen der Fall wäre) oder (b) bei Spannungen von weniger als 50 V selbst bei Spitzenströmen von 200 A (und wir glauben, daß das auch bei noch höheren Strömen der Fall wäre). Andererseits haben wir auch gefunden, daß solche Vorrichtungen einen wirkungsvollen Schutz für höchstens vier Auslösungen und häufig weniger bieten, wenn sie unter Bedingungen größerer elektrischer Beanspruchung, z. B. einer Spannung von ca. 200 V oder höher und einem Spitzenstrom von 10 A oder höher, ausgelöst werden. In einigen Fällen hörten die Vorrichtungen auf, wirksamen Schutz zu bieten, weil sich ihr Widerstand auf einen Wert erhöht hatte, bei dem sie unter den normalen Betriebsbedingungen der Schaltung auslösten, jedoch bei anderen ein katastrophaler Ausfall beim Auslösen in Verbindung mit einer Explosion oder Flammenbildung stattfand.

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltungsschutzvorrichtungen, die verbessertes Leistungsvermögen haben, wenn sie einer wiederholten Auslösung unterworfen werden, die durch einen raschen Anstieg des Stroms bewirkt ist, sowie Schaltungen, die Schutzvorrichtungen enthalten.

Durch die Erfindung wird daher eine PTC-leitfähige Polymervorrichtung angegeben,

(1) bei der es sich um eine Schaltungsschutzvorrichtung handelt:

(2) die folgendes aufweist:

ein PTC-Element, aufgebaut aus einer PTC-Zusammensetzung, welche

(A) eine Schalttemperatur Ts hat und

(B) aufweist:

(i) eine kristalline Polymerkomponente,

(ii) in dieser Polymerkomponente dispergiert

a) einen Lichtbogenlöschzusatz und

b) eine teilchenförmige Füllstoffkomponente, die einen leitfähigen Füllstoff aufweist, bei dem es sich um einen oder mehrere von Ruß und Graphit handelt und der in solcher Menge vorhanden ist, daß der spezifische Widerstand der Zusammensetzung bei 23ºC weniger als 10 Ohm-cm ist; und

mindestens zwei Elektroden, die an eine Quelle für elektrischen Strom angeschlossen werden können und, wenn sie angeschlossen sind, veranlassen, daß Strom durch das PTC-Element fließt;

(3) die einen Widerstandswert bei 23ºC von 23oRd hat und

(4) die dadurch gekennzeichnet ist, daß:

wenn die Vorrichtung Teil eines ersten Testkreises ist, der einer Vorrichtungstestroutine unterworfen wird, oder wenn die Vorrichtung Teil eines zweiten Testkreises ist, der einer Vorrichtungstestroutine unterworfen wird, dann bei jedem der Testzyklen der Testroutine das Ergebnis des Schalterschließens darin besteht, daß

(a) anfangs die Vorrichtung Wärme erzeugt durch I²R- Erwärmung mit einer Geschwindigkeit, die die Geschwindigkeit übersteigt, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, was verursacht, daß der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigt und der Schaltkreisstrom absinkt, und

(b) danach die Vorrichtung einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung

Wärme erzeugt durch I²R-Erwärmung, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht, und

nach Beendigung der Testroutine die Vorrichtung einen Widerstandswert bei 23ºC hat, der kleiner ist als 3 · 23oRd Ohm, vorzugsweise weniger als 2 · 23oRd Ohm; wobei der erste Testkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus der PTC-leitfähigen Polymerschutzvorrichtung, umgeben von ruhiger Luft bei 0ºC, 23ºC oder 70ºC, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert von R&sub1; Ohm und einer 120-Volt- Gleichstromquelle besteht, wobei R&sub1; so ist, daß die errechnete Stromdichte, definiert als der größte Wert von

(i) dem Strom, dividiert durch den wirksamen oberflächenbereich einer ersten Elektrode,

(ii) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer zweiten Elektrode, und

(iii) dem Strom, dividiert durch die Minimumquerschnittsfläche des PTC-Elements rechtwinklig zur Richtung des Stromflusses,

in dem PTC Element der Vorrichtung in dem ersten Testzyklus der Vorrichtungstestroutine ein Maximum von 155 A/cm² erreicht;

wobei der wirksame Oberflächenbereich einer Elektrode die Querschnittsfläche der Elektrode bei Betrachtung in Richtung des Stromflusses ist (wobei jegliche Öffnungen in der Elektrode außer acht gelassen werden, die so klein sind, daß die Elektrode über ihre Gesamtfläche im wesentlichen eine Äquipotential-Oberfläche bildet);

wobei der zweite Testkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus der PTC-leitfähigen Polymerschutzvorrichtung, umgeben von ruhiger Luft bei 0ºC, 23ºC oder 70ºC, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert R&sub2; Ohm und einer 240-Volt- Gleichstromquelle besteht, wobei R&sub2; so ist, daß der Spitzenstrom durch die Vorrichtung im ersten Testzyklus der Vorrichtungstestroutine der größere Strom von 1 A und 3 · iaircrit ist, wobei iaircrit der maximale Strom im eingeschwungenen Zustand ist, der, wenn er durch die Vorrichtung fließt, verursacht, daß die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung in einer Geschwindigkeit erzeugt, die gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann; und

wobei eine Vorrichtungstestroutine ein Verfahren ist, bei dem ein erster oder zweiter Testkreis N aufeinanderfolgenden Testzyklen unterworfen wird, worin N gleich 5 ist, und bei jedem dieser Testzyklen der Schalter entweder für 5 Sekunden (für den ersten Testkreis) oder 30 Sekunden (für den zweiten Testkreis) geschlossen wird, der Schalter dann geöffnet wird, und man die Vorrichtung auf 23ºC abkühlen läßt, ehe der nächste Testzyklus durchgeführt wird.

Die Erfindung sieht ferner eine elektrische Schaltung vor,

(1) die folgendes aufweist:

eine Spannungsquelle mit einer Spannung von V Volt,

eine PTC-leitfähige Polymerschutzvorrichtung, die ein PTC-Element aufweist, welches aus einer PTC-Zusammensetzung aufgebaut ist, die eine kristalline Polymerkomponente und in der Polymerkomponente dispergiert einen Lichtbogenlöschzusatz sowie eine teilchenförmige Füllstoffkomponente aufweist, die einen leitfähigen Füllstoff aufweist, bei dem es sich um einen oder mehrere von Ruß und Graphit handelt und der in solcher Menge vorhanden ist, daß der spezifische Widerstand der Zusammensetzung bei 23ºC weniger als 10 Ohm-cm ist, und

ein beschädigbares Schaltungsbauteil;

(2) die einen ersten normalen Betriebszustand hat, bei dem

(A) ein Strom durch die Vorrichtung fließt,

(B) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Tdn befindet und einen Widerstandswert Rdn hat,

(C) die Vorrichtung mit einem Medium in Kontakt steht, welches eine Temperatur Tn hat,

(D) ein Strom von weniger als idamage durch das beschädigbare Schaltungsbauteil fließt, und

(E) ein stabiles Gleichgewicht besteht zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, und der Geschwindigkeit, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht; und

(3) die dadurch gekennzeichnet ist, daß:

wenn ein erster Fehlerkreis, der die Vorrichtung enthält, geschaffen und einer Schaltkreistestroutine unterworfen wird, und/oder wenn ein zweiter Fehlerkreis, der die Vorrichtung enthält, geschaffen und einer Schaltkreistestroutine unterworfen wird, dann ist bei jedem der Testzyklen der Testroutine das Ergebnis des Schalterschließens, daß

(a) anfangs die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die die Geschwindigkeit übersteigt, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, wodurch verursacht wird, daß der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigt und der Schaltkreisstrom absinkt, und

(b) danach der Strom durch das beschädigbare Schaltungsbauteil einen stabilen Wert erreicht, der geringer ist als idamage, wobei der Potentialabfall über der Vorrichtung einen stabilen Wert erreicht, der der höhere Wert ist von 120 Volt und 1,5 · V, und die Vorrichtung einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren wird; und

nach Beendigung der Testzyklen die Vorrichtung einen Widerstandswert bei Tdn hat, der geringer ist als 3 · Rdn, vorzugsweise geringer als 2 · Rdn; wobei der erste Fehlerkreis ein Schaltkreis ist, der geschaffen wird durch Einführen neuer elektrischer Elemente, die eine neue Stromquelle und einen Schalter aufweisen, in die Schaltung, und bei dem im ersten Testzyklus der Schaltkreistestroutine

(a) ein anfänglicher Fehlerstrom durch das beschädigbare Schaltungsbauteil fließt, der idamage übersteigt;

(b) ein anfänglicher Fehlerstrom durch die Vorrichtung fließt, der zu einer berechneten Stromdichte führt; definiert ist als der größte Wert von

(i) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer ersten Elektrode,

(ii) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer zweiten Elektrode, und

(iii) dem Strom, dividiert durch die Minimumquerschnittsfläche des PTC-Elements rechtwinklig zur Richtung des Stromflusses,

in dem PTC-Element der Vorrichtung, wobei die Stromdichte ein Maximum von 155 A/cm² erreicht, wobei der wirksame Oberflächenbereich einer Elektrode die Querschnittsfläche der Elektrode bei Betrachtung in Richtung des Stromflusses ist (wobei jegliche Öffnungen in der Elektrode außer acht gelassen werden, die so klein sind, daß die Elektrode über ihre Gesamtfläche im wesentlichen eine Äquipotential-Oberfläche bildet);

(c) die Vorrichtung und das beschädigbare Schaltungsbauteil in Reihe geschaltet sind; und

(d) die Spannung so ist, daß der spitzenpotentialabfall über der Vorrichtung der höhere Wert von 120 Volt und 1,5 · V ist;

wobei eine Schaltkreistestroutine ein Verfahren ist, bei dem ein erster oder zweiter Fehlerkreis aufeinanderfolgenden Zyklen N unterworfen wird, wobei N gleich 5 ist, in jedem der Testzyklen der Schalter entweder 5 Sekunden (für den ersten Fehlerkreis) oder 30 Sekunden (für den zweiten Fehlerkreis) geschlossen wird, der Schalter dann geöffnet wird, und man die Vorrichtung auf Tdn abkühlen läßt, ehe der nächste Testzyklus durchgeführt wird; und

wobei der zweite Fehlerkreis ein Schaltkreis ist, der geschaffen wird durch Einführen neuer elektrischer Elemente, die eine neue Stromquelle und einen Schalter aufweisen, in den Stromkreis, und bei dem im ersten Testzyklus der Schaltkreistestroutine

(a) ein anfänglicher Fehlerstrom durch das beschädigbare Schaltungsbauteil fließt, der idamage übersteigt,

(b) ein anfänglicher Fehlerstrom durch die Vorrichtung fließt, der den höheren Wert von 1 A und 3 · icrit hat, wobei icrit der maximale Strom ist, der, wenn er durch die Vorrichtung im Schaltkreis fließt, veranlaßt, daß die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann;

(c) die Vorrichtung und das beschädigbare Schaltungsbauteil in Reihe geschaltet sind, und

(d) die Spannung so ist, daß der Spitzenpotentialabfall über der Vorrichtung 240 Volt beträgt;

wobei ein beschädigbares Schaltungsbauteil ein Bauteil ist, welches beschädigt wird, wenn der durch es hindurchfließende Strom einen Wert idamage A während einer Zeit von t Sekunden übersteigt, wobei t gleich 30 ist.

Durch die Erfindung wird ferner eine elektrische Schaltung angegeben,

(1) die folgendes aufweist:

eine PTC-leitfähige Polymerschutzvorrichtung, die ein PTC-Element aufweist, welches aus einer PTC- Zusammensetzung aufgebaut ist, die eine kristalline Polymerkomponente und in der Polymerkomponente dispergiert einen Lichtbogenlöschzusatz sowie eine teilchenförmige Füllstoffkomponente aufweist, die einen leitfähigen Füllstoff aufweist, bei dem es sich um einen oder mehrere von Ruß und Graphit handelt und der in solcher Menge vorhanden ist, daß der spezifische Widerstand der Zusammensetzung bei 23ºC weniger als 10 Ohm-cm ist, und

eine Spannungsquelle, die eine Spannung von V&sub1; Volt hat, die mindestens 120 Volt beträgt (z. B. 200 bis 250 Volt, normalerweise eine Wechselspannungsquelle), und

weitere Schaltungselemente, die mit der Vorrichtung in Reihe geschaltet sind und eine Impedanz von RL Ohm haben, die bevorzugt im wesentlichen konstant ist, d. h. die sich in dem Temperaturbereich des Betriebs der Schaltung um nicht mehr als ±25% ändert;

(2) die einen zweiten normalen Betriebszustand hat, bei dem

(A) ein Strom in durch die Vorrichtung fließt,

(B) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Tdn befindet und einen Widerstandswert Rdn hat, der kleiner ist als 0,5 · RL Ohm (vorzugsweise kleiner als 0,1 · RL Ohm, insbesondere kleiner als 0,04 · RL Ohm) und kleiner als V&sub1; Ohm (vorzugsweise 0,03 · V&sub1; bis 0,3 · V&sub1; Ohm, insbesondere 0,05 · V&sub1; bis 0,2 · V&sub1; Ohm),

(C) die Vorrichtung mit einem Medium in Kontakt steht, welches sich auf einer Temperatur Tn befindet, und

(D) ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit besteht, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, und der Geschwindigkeit, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht;

(3) die ein positives Ansprechen auf Stromauslösen hat; und

(4) die dadurch gekennzeichnet ist, daß:

wenn die Vorrichtung, nachdem sie aus der Schaltung entfernt wurde, in einen modifizierten ersten Testkreis eingebaut wird, der dann einer modifizierten Vorrichtungstestroutine unterworfen wird, und/oder wenn sie in einen modifizierten zweiten Testkreis eingebaut wird, der dann einer modifizierten Vorrichtungstestroutine unterworfen wird,

die Vorrichtung dann nach dem Durchführen der modifizierten Vorrichtungstestroutine

(i) einen Widerstandswert bei Tn hat, der kleiner ist als 3 · Rdn, kleiner als 0,5 · RL und kleiner als V&sub1; Ohm, und

(ii) ein solches Verhältnis von elektrischem Strom/Temperatur hat, daß die Schaltung, wenn die Vorrichtung wieder in die Schaltung eingesetzt wird, einen zweiten normalen Betriebszustand und ein positives Ansprechen auf Stromauslösen hat;

wobei der abgewandelte erste Testkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus der Schutzvorrichtung vom Schaltkreis mit fester Spannung, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert von R&sub1; Ohm und einer Spannungsquelle besteht, die die gleiche Spannung V&sub1; hat wie die Spannungsquelle im Schaltkreis mit fester Spannung,

wobei die Vorrichtung mit dem gleichen Medium bei der gleichen Temperatur Tn in Kontakt steht wie in dem Schaltkreis mit fester Spannung, und R&sub1; so ist, daß die berechnete Stromdichte, definiert als der größte Wert von

(i) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer ersten Elektrode,

(ii) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer zweiten Elektrode, und

(iii) dem Strom, dividiert durch die Minimumquerschnittsfläche des PTC-Elements rechtwinklig zur Richtung des Stromflusses,

in dem PTC-Element der Vorrichtung im ersten Testzyklus der modifizierten Testroutine ein Maximum von 155 A/cm² erreicht;

wobei der wirksame Oberflächenbereich einer Elektrode die Querschnittsfläche der Elektrode bei Betrachtung in Richtung des Stromflusses ist (wobei jegliche Öffnungen in der Elektrode außer acht gelassen werden, die so klein sind, daß die Elektrode über ihre Gesamtfläche im wesentlichen eine Äquipotential-Oberfläche bildet);

wobei eine modifizierte Vorrichtungstestroutine ein Verfahren ist, bei dem ein modifizierter erster Meßkreis oder ein modifizierter zweiter Meßkreis aufeinanderfolgenden Zyklen N unterworfen wird, wobei H gleich 5 ist, bei jedem Testzyklus der Schalter entweder 5 Sekunden (für den ersten modifizierten Meßkreis) oder 30 Sekunden (für den zweiten modifizierten Meßkreis) geschlossen wird, wodurch die Vorrichtung anfangs Wärme durch I²R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die die Geschwindigkeit übersteigt, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, wodurch verursacht wird, daß der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigt und der Schaltkreisstrom absinkt, und danach die Vorrichtung einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme erzeugt, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht, der Schalter geöffnet wird, und man die Vorrichtung auf Tn abkühlen läßt, ehe der nächste Testzyklus durchgeführt wird;

wobei ein modifizierter zweiter Meßkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus einer Schutzvorrichtung aus einem Schaltkreis mit fester Spannung, in dem die spannungsquelle eine Spannung V&sub2; hat, die mindestens 240 Volt beträgt, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert R&sub2; Ohm und einer spannungsquelle besteht, die die gleiche Spannung V&sub2; hat wie die spannungsquelle im Schaltkreis mit fester Spannung, wobei die Vorrichtung mit dem gleichen Medium bei der gleichen Temperatur Tn im Schaltkreis mit fester Spannung in Kontakt steht und R&sub2; so ist, daß im ersten Testzyklus der modifizierten Vorrichtungstestroutine der Spitzenstrom durch die Vorrichtung der höhere von 1 A und 3 · icrit ist, wobei icrit der maximale Strom ist, der, wenn er durch die Vorrichtung im Schaltkreis fließt, verursacht, daß die Vorrichtung Wärme durch R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeitwe erzeugt, die gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengehen kann;

wobei ein positives Ansprechen auf stromauslösen definiert ist als dasjenige, welches ein Festspannungskreis hat,

(a) wenn Elemente des Schaltkreises so geändert werden, daß durch die Vorrichtung fließender Strom langsam zunimmt, während die Umgebungstemperatur im wesentlichen konstantgehalten wird, dann die Temperatur der Vorrichtung langsam zunimmt, bis der Schaltkreis einen kritischen Betriebszustand erreicht, bei dem (i) das Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, und der Geschwindigkeit, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht, instabil ist, (ii) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Tdtrip befindet und einen Widerstandswert Rdtrip hat, (iii) die Geschwindigkeit, mit der der Widerstandswert der Vorrichtung sich mit der Temperatur ändert, also

dRd trip/dTdtrip

positiv ist, und (iv) der Strom einen Wert icrit hat; und

(b) wenn Elemente des Schaltkreises ferner so geändert werden, daß der durch die Vorrichtung fließende Strom auf 2 · icrit ansteigt, während die Umgebungstemperatur im wesentlichen konstantgehalten wird, dann die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, die Geschwindigkeit übersteigt, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, und dadurch verursacht wird, daß die Temperatur und der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigen und der Schaltkreisstrom absinkt, und danach der Schaltkreis einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem (i) die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht;

und (ii) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Tdlatch befindet, die so ist, daß das Verhältnis der Energie im Schaltkreis bei normalem Betriebszustand zur Energie im Schaltkreis bei dem stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur, das Umschaltverhältnis, mindestens 8, im allgemeinen mindestens 10, bevorzugt erheblich höher, beispielsweise mindestens 20, bevorzugt mindestens 40 ist; die Vorrichtung im allgemeinen "einrasten" wird (d. h. sie bleibt in einem Zustand hohen Widerstands und hoher Temperatur, auch wenn der Fehlerzustand behoben ist).

Bevorzugt verhält sich die Vorrichtung auf die definierte Weise sowohl in dem modifizierten ersten Testkreis als auch dem modifizierten zweiten Testkreis.

Es wird bevorzugt, daß die Vorrichtung der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie (a) zwei Elektroden enthält, die jeweils eine elektrisch aktive Oberfläche von im allgemeinen säulenartiger Gestalt haben, und sie (b) einen Widerstandswert bei 23ºC von 1 bis 100 Ohm und einen iaircrit von 0,05 bis 2 A hat. Die "elektrisch aktive Oberfläche" einer Elektrode ist die Oberfläche der Elektrode, durch die Strom fließt, wenn Strom durch die Vorrichtung geleitet wird.

Vorstehend wurde auf die Stromdichte Bezug genommen. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß dann, wenn die Elektrode keine ebene Oberfläche rechtwinklig zu der Richtung des Stromflusses hat (z. B. wenn Drahtelektroden verwendet werden, wie nachstehend beschrieben wird), die Stromdichte sich über der Elektrode und dem PTC-Element auf komplexe Weise ändert.

Die Werte von (i) und (ii) in den obigen Definitionen von berechneter Stromdichte sind normalerweise die gleichen, und der Wert von (iii) kann kleiner, gleich oder größer sein. Bei einigen der oben definierten Vorgänge wird darauf Bezug genommen, daß die "errechnete Stromdichte in dem PTC-Element ... einen Maximalwert von 155 A/cm² erreicht".

Bevorzugt ist die Vorrichtung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß (a) jede der Elektroden eine Länge l von 0,76 bis 2,5 cm und eine Breite w von 0,05 bis 0,25 cm hat; (b) der Abstand zwischen den Elektroden, t, konstant ist; und (c) w weniger als 0,5 t beträgt. Der Ausdruck "Abstand zwischen den Elektroden", t, soll den kürzesten geometrischen Abstand zwischen zwei Elektroden bezeichnen. Die Breite einer Elektrode, w, ist hier als die kleinste Dimension des wirksamen Oberflächenbereichs definiert. Die Länge einer Elektrode, l, ist hier als die größte Dimension des wirksamen Oberflächenbereichs definiert. Der äquivalente Durchmesser einer Elektrode ist hier als der Durchmesser eines Kreises definiert, der die gleiche Fläche wie der wirksame Oberflächenbereich der Elektrode hat.

Die Minimumquerschnittsfläche des PTC-Elements, Amin, ist die Fläche des kleinsten Querschnitts des PTC-Elements zwischen den Elektroden rechtwinklig zu der Richtung des Stromflusses.

Die Vorrichtungen nach der Erfindung sind durch Bezugnahme auf ihr Leistungsvermögen definiert, wenn sie von ruhiger Luft bei 0ºC, 23ºC oder 70ºC umgeben sind und Teil eines von zwei definierten Testkreisen bilden. Somit gibt es sechs mögliche Testkreise, und die Vorrichtungen brauchen das definierte Leistungsvermögen in nur einem davon zu haben. Eine bestimmte Vorrichtung hat aber häufig das definierte Leistungsvermögen in mehr als einem der Testkreise, bevorzugt sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Testkreis, wenn die Luft eine bestimmte Temperatur hat, insbesondere in beiden Kreisen, wenn die Luft 23ºC hat.

Die Vorrichtungen in den Schaltungen der Erfindung sind im allgemeinen (aber nicht notwendigerweise) Vorrichtungen der Erfindung gemäß der obigen Definition, insbesondere, wenn die Vorrichtung in der Schaltung von Luft bei 0 bis 70ºC umgeben ist. Ein Festspannungskreis kann eine für eine Einführung geeignete Schaltung sein (d. h. eine Schaltung, die folgendes aufweist: (i) eine Spannungsquelle mit einer Spannung von V Volt, (2) eine PTC-leitfähige Polymerschutzvorrichtung und (3) ein beschädigbares Schaltungsbauelement), bei der die Spannung der Spannungsquelle mehr als 120 Volt beträgt. Die Definitionen der Schaltungen der Erfindung beziehen sich auf Fehlerzustände, denen die Schaltungen unterworfen sein können, z. B. das Einführen einer neuen Stromquelle in eine für eine Einführung geeignete Schaltung oder ein vollkommener Kurzschluß in einem Festspannungskreis, sowie auf den normalen Betriebszustand der Schaltung und die thermische Umgebung der Vorrichtung.

Die vorliegende Erfindung betrifft speziell Vorrichtungen, die wirkungsvollen Schutz gegen Fehlerzustände bieten, bei denen eine rasche Zunahme des Stroms auf mindestens 1 A von einer Spannung von mindestens 150 Volt begleitet ist und bei denen die früher vorgeschlagenen Vorrichtungen keinen wiederholten Schutz bieten; somit haben früher vorgeschlagene Vorrichtungen nicht das erforderliche Leistungsvermögen in den verschiedenen obigen Testroutinen. Es versteht sich aber, daß die vorliegenden Vorrichtungen auch Schutz gegen andere Fehlerzustände bieten, die die Vorrichtung zur Auslösung veranlassen (z. B. ein übermäßiger Anstieg der Temperatur des Mediums, das die Vorrichtung umgibt, oder ein langsamer Anstieg des Stroms auf einen übermäßig hohen Wert), wobei früher vorgeschlagene Vorrichtungen ebenfalls wirkungsvoll funktionieren.

Wenn nichts anderes gesagt wird, können die hier angegebenen Stromdichten und Spannungen entweder Gleichstrom oder Wechselstrom sein (oder dazu führen), wobei der letztere Ausdruck den Fall einschließt, in dem die Schaltung oder der Testkreis sowohl eine Wechselstromquelle als auch eine Gleichstromquelle aufweist. Hier angegebene Wechselstromwerte sind Effektivwerte. Ebenso umfaßt der hier verwendete Ausdruck "Widerstand" die Impedanz, und die Schaltungen der Erfindung können Lasten aufweisen, die ohmsch, kapazitiv oder induktiv oder irgendeine Kombination davon sind. Der Ausdruck "Festwiderstand" wird verwendet, um einen Widerstand anzugeben, dessen Widerstandswert während der gesamten Testroutine im wesentlichen konstant bleibt.

Wir haben gefunden, daß bei den oben angegebenen Testroutinen die Wahrscheinlichkeit, daß eine gegebene Vorrichtung den Testanforderungen genügt, größer ist, wenn eine Gleichstromquelle verwendet wird, als sie ist, wenn eine Wechselstromquelle der gleichen Effektivspannung verwendet wird. Die Vorrichtungen genügen bevorzugt nicht nur den Testanforderungen, wenn eine Gleichstromquelle verwendet wird, sondern auch, wenn eine Wechselstromquelle verwendet wird. Bei den definierten Testroutinen ist die Zahl von Testzyklen, N, gleich 5. Bevorzugt haben die Vorrichtungen die verlangten Leistungsvermögen-Charakteristika, wenn N gleich 10 oder mehr ist.

Ein Fehlerzustand, bei dem eine rasche Zunahme des Stroms auf mindestens 1 A von einer Spannung von mindestens 120 Volt begleitet ist, kann in einer Schaltung auftreten, die eine Stromquelle hat, deren Spannung mindestens 120 Volt beträgt und die die einzige Stromquelle im Fehlerzustand bleibt. Ein solcher Fehlerzustand kann außerdem in einer Schaltung auftreten, in der die normale Stromquelle über oder unter 120 Volt liegt, die aber in dem Fehlerzustand der Einführung einer anderen Stromquelle unterliegt, die eine Spannung von mindestens 120 Volt und mindestens dem 1,5fachen der normalen Spannung hat oder, wenn die normale Stromquelle ein Teil des Fehlerkreises ist, in Kombination mit der normalen Stromquelle eine Spannung von mindestens 120 Volt und mindestens dem 1,5fachen der normalen Spannung hat. Die normale Stromquelle der Schaltung kann eine Gleich- oder Wechselstromquelle sein. Wenn der Fehlerzustand aus der Einführung einer neuen Stromquelle resultiert, kann die neue Stromquelle eine Wechsel- oder Gleichstromquelle sowie eine direkt angeschlossene Stromquelle oder eine induzierte Stromquelle sein. Wir haben die Erfindung besonders nützlich in Schaltungen gefunden, die normalerweise mit Gleichspannungen von weniger als 75 Volt, beispielsweise um 50 Volt, wie sie von Batterien geliefert werden können, arbeiten und die Fehlerzuständen unterliegen können, die aus der Einführung von Gleichstromquellen mit einer Spannung von mindestens 200 Volt, z. B. einer Hetzversorgungsspannung wie etwa 220, 330 oder 660 Volt, resultieren. Besonders wichtige Beispiele für solche Schaltungen findet man in Fernmeldeeinrichtungen, wie noch weiter unten beschrieben wird.

Die Zeit, die benötigt wird, um eine Vorrichtung in den Zustand hohen Widerstands und hoher Temperatur umzuschalten (die hier als "Auslösezeit" bezeichnet wird), hängt von dem Fehlerzustand ab und kann stark veränderlich sein, z. B. zwischen nur einem Bruchteil einer Sekunde bei Strömen, die um ein Vielfaches größer als icrit sind, bis zu 30 Minuten bei Strömen, die nur geringfügig über icrit liegen. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Vorrichtungen haben eine Auslösezeit von weniger als 5 Sekunden, insbesondere weniger als 1 Sekunde, in jedem der Testzyklen der Vorrichtungstestroutine oder der Schaltungstestroutine oder der modifizierten Vorrichtungstestroutine.

Es ist zu beachten, daß es einer der Vorteile der bei der Erfindung verwendeten Vorrichtungen ist, daß sie zwar auslösen, wenn sie einem entsprechenden Fehlerzustand unterworfen sind, der über einen ausreichenden Zeitraum erhalten bleibt, um ein Auslösen zu veranlassen, daß sie aber weder ausgelöst noch beschädigt werden durch einen Übergangs-Fehlerzustand, wie etwa den, der auftritt, wenn die Schaltung einem Blitzschlag unterliegt, der beispielsweise zu einem Strom der Größenordnung von 40 A über einen Zeitraum von 100 Mikrosekunden führen kann.

Wie vorstehend gesagt, können die früher vorgeschlagenen Schaltungsschutzvorrichtungen häufig nicht den wiederholten Schutz vor plötzlichen Anstiegen des Stroms auf einen Wert von mindestens 1 A und eine Spannung von mindestens 120 Volt bieten, und insbesondere können sie nicht die jetzt anerkannten Testanforderungen für die Vorrichtungen und Schaltungen der Erfindung erfüllen. Die Gründe für diese Unfähigkeit sind nicht vollständig klar, unsere Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, daß sie unter vielen, wenn nicht allen, Umständen mit einer Lichtbogenbildung in dem leitfähigen Polymerelement angrenzend an die Elektroden zusammenhängt. Wir haben gefunden, daß die Vorrichtungen der Erfindung bevorzugt ein oder mehrere der folgenden Merkmale haben, die zu der Fähigkeit der Vorrichtung beitragen, wiederholten wirkungsvollen Schutz vor Fehlerzuständen zu bieten, die das Versagen von früher vorgeschlagenen Vorrichtungen veranlassen.

(1) Die Verwendung einer leitfähigen Polymerzusammensetzung, die einen Lichtbogenlöschzusatz wie Aluminiumoxidhydrat enthält, der die Anfälligkeit der PTC-Zusammensetzung für die Bildung von kohlenstoffhaltigen leitfähigen Pfaden infolge einer Lichtbogenbildung verringert durch Herabsetzen der Tendenz der Zusammensetzung zur Lichtbogenbildung, und/oder durch Sicherstellen, daß die Zersetzungsprodukte der Lichtbogenbildung nichtleitfähig sind. Solche Zusammensetzungen sind im einzelnen in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung entsprechend der USSN 141 989 (MPO715) beschrieben.

(2) Die Verwendung von Vorrichtungskonstruktionen, die auch nach einer teilweisen Erosion eines PTC-Elements, das aus einer Zusammensetzung gemäß der Beschreibung in (1) besteht, infolge von Lichtbogenbildung noch Strompfade zum anschließenden Auslösen aufweist, die elektrisch im wesentlichen äquivalent sind.

(3) Die Verwendung von Vorrichtungskonstruktionen, die die elektrische Beanspruchung angrenzend an die Elektroden verringern, insbesondere Konstruktionen, die dazu führen, daß die Teile des PTC-Elements, die während des Auslösens am raschesten aufgeheizt werden (die sogenannte "heiße Zone"), von den Elektroden getrennt sind, und zwar bevorzugt um einen Abstand, der größer ist als derjenige, der von einem Lichtbogen bei der angelegten Spannung und dem angelegten Strom überbrückt werden kann. [Siehe die Anmeldung entsprechend der USSN 41 071 (MPO295) und die beiden gleichzeitig angemeldeten Anmeldungen entsprechend den USSN 142 053 und USSN 142 054 (MPO724 und MPO725).]

(4) Die Verwendung von Sauerstoffbarrieren um die Elektroden und das PTC-Element herum, die aus einem Material bestehen oder von dem PTC-Element durch ein Material getrennt sind, das keine Zersetzungsprodukte des PTC- Materials, die aus der Lichtbogenbildung resultieren, einfängt und das nicht selber durch Lichtbogenbildung des PTC-Elements zersetzt oder beschädigt wird, z. B. ein dichtes Gehäuse, das mindestens teilweise aus einem Metall besteht und das PTC-Element umgibt, aber davon durch ein Inertgas oder ein Vakuum getrennt ist (siehe DE-OS 2 949 173). Die Innenfläche der Sauerstoffbarriere besteht bevorzugt aus Isoliermaterial.

(5) Die Verwendung von PTC-Zusammensetzungen, die im wesentlichen frei von Vernetzung sind.

Die Elektroden in den Vorrichtungen, die bei der Erfindung verwendet werden, können ein oder mehrere der folgenden Charakteristika haben.

(a) Sie bestehen aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 10&supmin;&sup4; Ohm-cm und haben eine solche Dicke, daß sie keine erheblichen Wärmemengen im Betrieb der Vorrichtung erzeugen. Die Elektroden bestehen typischerweise aus einem Metall, wobei Nickelelektroden oder vernickelte Elektroden bevorzugt werden.

(b) Sie haben die Form von Drähten oder dünnen Streifen, bevorzugt mit den gleichen Dimensionen und parallel zueinander, und sind bevorzugt vollständig in dem PTC- Element eingebettet. Solche Elektroden können beispielsweise einen wirksamen Oberflächenbereich von 0,065 bis 0,65 cm², einen Wert 1 von 0,76 bis 2,5 cm und einen Wert w von 0,13 bis 0,25 cm haben.

(c) Sie haben die Form von ebenen Flächenkörpern, sind im allgemeinen viereckig oder kreisrund, und haben bevorzugt die gleiche Fläche und sind parallel und einander gegenüberliegend auf beiden Seiten eines flachen PTC- Elements angeordnet. Solche Elektroden können beispielsweise einen wirksamen Oberflächenbereich von 1,93 bis 5,2 cm² sowie einen Wert l und einen Wert w von 1,25 bis 2,5 cm haben. Elektroden dieses Typs sind in der DE-OS 2 948 281 (MPO281) beschrieben.

(d) Sie sind in physischem (sowie elektrischem) Kontakt mit dem PTC-Element oder davon durch eine Schicht eines weiteren leitfähigen Materials, z. B. eine Schicht einer leitfähigen Polymerzusammensetzung mit relativ konstanter Wirkleistung, getrennt.

Das PTC-Element in den bei der Erfindung verwendeten Vorrichtungen besteht aus einer leitfähigen Polymerzusammensetzung, bevorzugt einer, bei der der leitfähige Füllstoff Ruß oder Graphit oder beide aufweist, insbesondere einer, bei der Ruß der einzige leitfähige Füllstoff ist, und zwar insbesondere ein Ruß mit einer Teilchengröße D von 20 bis 50 nm und einem solchen Oberflächenbereich e in m²/g, daß S/D nicht größer als 10 ist. Der spezifische Widerstand der Zuammensetzung bei 23ºC ist im allgemeinen kleiner als 100 Ohm-cm, speziell kleiner als 10 Ohm-cm. Die Zusammensetzung ist bevorzugt im wesentlichen vernetzungsfrei, da gefunden wurde, daß die Anwesenheit von Vernetzung dazu tendiert, die Wahrscheinlichkeit der Bildung von kohlenstoffhaltigen leitfähigen Pfaden zu erhöhen, wenn eine Lichtbogenbildung erfolgt. Das PTC-Element ist im allgemeinen durchweg von gleichmäßiger Zusammensetzung, kann aber Segmente einer verschiedenen Zusammensetzungen z. B. angrenzend an die Elektroden aufweisen.

Die bei der Erfindung verwendeten Vorrichtungen haben im allgemeinen einen Widerstand von weniger als 100 Ohm, bevorzugt weniger als 50 Ohm, und können beispielsweise einen Widerstand von 0,1 bis 25 Ohm haben. Häufig ist die Größe der Vorrichtung einschließlich einer eventuellen Sauerstoffbarriere um das PTC-Element und die Elektroden herum ein wesentlicher Faktor, und die Auslegung der Vorrichtung sowie der spezifische Widerstand des PTC-Elements sollten im Hinblick darauf (sowie natürlich den Widerstand und weitere erwünschte elektrische Eigenschaften) gewählt werden. Bevorzugte Vorrichtungen haben ein Volumen von weniger als 32,8 cm³, speziell weniger als 16,4 cm³, insbesondere weniger als 8,2 cm³; die größte Dimension der Vorrichtung ist bevorzugt kleiner als 7,6 cm, insbesondere kleiner als 5,1 cm, speziell kleiner als 2,5 cm.

Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht; die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 in verallgemeinerter Form die Kombinationen von Spitzenstrom und Spitzenspannung, die die Fähigkeit von früher vorgeschlagenen Vorrichtungen und von Vorrichtungen gemäß der Erfindung beeinträchtigen, eine Reihe von Malen wirkungsvoll zu funktionieren;

Fig. 2 etwas mehr im einzelnen, aber immer noch verallgemeinert, wie eine Änderung des Spitzenstroms durch die Vorrichtung bei einer bestimmten Spannung oberhalb 75 V die Fähigkeit einer Vorrichtung beeinträchtigt, eine Reihe von Malen wirkungsvoll zu funktionieren;

Fig. 3 den Testkreis, der bei der Bestimmung der Fähigkeit einer Vorrichtung, eine Reihe von Malen wirkungsvoll zu funktionieren, verwendet wird;

Fig. 4 bis 7 Vorrichtungen gemäß der Erfindung; und

Fig. 8 und 9 Schaltungen, die Vorrichtungen nach der Erfindung aufweisen.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen sind die Fig. 4A, 4B und 4C, 5A, 5B und 5C sowie 6A, 6B und 6C Vorderansichten, Seitenansichten und Draufsichten von drei Vorrichtungen, die Beispiele einer bevorzugten Klasse von Vorrichtungen sind, wobei jede der Elektroden wenigstens teilweise in dem PTC- Element eingebettet ist, so daß dessen elektrisch wirksame Oberfläche im allgemeinen säulenförmige Gestalt hat. In jeder Figur sind Elektroden 1 und 2 wenigstens teilweise in dem PTC-Element 3 eingebettet, wobei der Abstand zwischen Elektroden t, die eingebettete Länge der Elektrode 1 und die Breite der Elektrode w ist (und ihr wirksamer Oberflächenbereich daher 2 · w ist). In jeder der Fig. 4B, 5B und 6B ist die Fläche, die zum Berechnen der errechneten Stromdichte verwendet wird, d. h. der wirksame Oberflächenbereich jeder Elektrode in den Fig. 4B und 6B und die Minimumquerschnittsfläche des PTC-Elements in Fig. 5B, schraffiert. Bei Vorrichtungen dieser Klasse ist t bevorzugt konstant; und w ist bevorzugt kleiner als t, insbesondere kleiner als 0,75 t, speziell kleiner als 0,5 t.

Je kleiner w im Verhältnis zu t ist und je kleiner die Minimumbreite (und die Minimumquerschnittsfläche) des PTC-Elements zwischen den Elektroden ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß sich die heiße Ebene entfernt von den Elektroden ausbildet, was erwünscht ist. Je kleiner andererseits die Minimumbreite des PTC-Elements ist, umso geringer ist der Betrag der Erosion, der erforderlich ist, bevor die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung verändert werden. Daher sollte die Beziehung zwischen der Minimumbreite des PTC-Elements und der Breite der Elektroden im Hinblick auf die zu erwartenden Fehlerzustände und die Anzahl Auslösungen gewählt werden, die von der Vorrichtung bis zum Ausfall verlangt werden.

Bei Vorrichtungen dieser bevorzugten Klasse hat das PTC-Element bevorzugt eine Breite an sämtlichen Punkten zwischen den Elektroden, die mindestens 0,2 · w, z. B. 0,3 · w bis 2 · w ist und die in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung 0,4 · w bis 0,8 · w oder 0,8 · w bis 1,5 · w betragen kann.

Wir haben beispielsweise gefunden, daß wiederholtes Auslösen einer Vorrichtung, wie sie nachstehend in Beispiel 1 im einzelnen beschrieben wird und die eine Vorrichtung der in Fig. 4 gezeigten Art ist, das PTC-Element veranlaßt, allmählich entlang einer Ebene in der Mitte zwischen den Elektroden und rechtwinklig zu der Richtung des Stromflusses erodiert zu werden, und daß die Vorrichtung häufig fortgesetzten wirkungsvollen Schutz bietet, bis sie durch die Erosion halbiert wird. Es wird bevorzugt, daß die Elektroden derart sind, daß dann, wenn eine Vorrichtung auf diese Weise ausfällt, die Elektroden durch Federkraft vorgespannt sein sollten oder die Vorrichtung anderweitig so angeordnet sein sollte, daß die beiden Hälften des PTC-Elements auseinanderfallen, so daß die Vorrichtung in der Offenposition ausfällt.

Vorrichtungen dieser bevorzugten Klasse können beispielsweise einen Widerstand bei 23ºC von 1 bis 100 Ohm, bevorzugt 10 bis 30 Ohm, und einen icrit von 0,05 bis 2 A, bevorzugt 0,08 bis 0,5 A haben.

Bei einer anderen Klasse von Vorrichtungen haben die Elektroden die Form von ebenen Flächenkörpern mit einem flachen PTC-Element zwischeneinander. Solche Vorrichtungen tendieren dazu, für einen Ausfall aufgrund von Lichtbogenbildung anfälliger zu sein als Vorrichtungen der bevorzugten Klasse, aber sie können einen niedrigeren Widerstand haben, beispielsweise 0,05 bis 1 Ohm, bevorzugt 0,08 bis 0,3 Ohm. Bei solchen Vorrichtungen ist es höchst erwünscht, daß die Minimumquerschnittsfläche des PTC-Elements kleiner als der wirksame Oberflächenbereich der Elektroden und davon um mindestens 1,27 mm (0,05 inch) getrennt ist und daß das PTC-Element aus einer Zusammensetzung besteht, die einen Lichtbogenlöschzusatz enthält. Eine Vorrichtung dieses Typs ist in den Fig. 7A,B und 7C gezeigt. Fig. 7A,B zeigt die Vorder- und Seitenansicht der Vorrichtung (die identisch sind), und Fig. 7C zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung. Ebene Metallgitterelektroden 1 und 2 stehen in Kontakt mit jeder Seite des PTC-Elements 3, bei dem Kanäle 4 in jeden Rand eingeschnitten sind. Der schraffierte Bereich von Fig. 7C zeigt die Fläche, über die die errechnete Stromdichte berechnet wird.

Fig. 1 zeigt für drei Vorrichtungen A, B und C längs den unterbrochenen Kurven die Größe des Spitzenstroms (oder Einschaltstroms) für verschiedene Spannungen über jeder Vorrichtung, wobei die Steilheit der Kurve durch den Widerstand der Vorrichtung nach Maßgabe des Ohmschen Gesetzes vorgegeben ist. Die Vollinien sind ein Maß für die Fähigkeit jeder Vorrichtung, wiederholten und wirkungsvollen Schutz bei einer bestimmten Spannung und einem bestimmten Strom zu bieten. Wenn Spannung und Strom unter die Vollinie fallen, hat die Vorrichtung das erforderliche Leistungsvermögen, wenn sie über der Vollinie liegen, hat die Vorrichtung nicht das erforderliche Leistungsvermögen. Die Vorrichtung A ist eine der früher vorgeschlagenen Vorrichtungen, die Vorrichtungen B und C sind Vorrichtungen nach der Erfindung, wobei die Vorrichtung B beispielsweise eine laminare Vorrichtung des in Fig. 7 gezeigten Typs und die Vorrichtung C beispielsweise eine Vorrichtung des in Fig. 4 gezeigten Typs ist.

Die Positionen der Vollinien in Fig. 1 hängen natürlich von dem jeweiligen Standard des Leistungsvermögens ab, der für eine Vorrichtung verlangt wird, um sie als befriedigend anzusehen, z. B. der Fähigkeit, fünfmal oder zehnmal auszulösen. Außerdem sollte nicht verkannt werden, daß bei einer Reihe von Vorrichtungen, die aufidentische Weise hergestellt sind, häufig einige Unterschiede zwischen den Vorrichtungen vorhanden sind, und daß die Positionen der Vollinien daher ebenfalls von der Entscheidung abhängig sind, welcher Prozentsatz von Vorrichtungen den jeweiligen Leistungsvermögens-Standard haben muß. Der letztgenannte Faktor wird aus Fig. 2 besser verständlich, die ein typisches Ergebnis der Prüfung einer Partie von identisch hergestellten Vorrichtungen bei einer bestimmten Spannung, jedoch bei verschiedenen Spitzenströmen zeigt, wobei eine Reihe von Vorrichtungen bei jedem Stromwert getestet und beobachtet wird, wie viele Auslösungen jede der Vorrichtungen überlebt. Fig. 2 ist ein zweidimensionales Diagramm des Stroms (X-Achse), der Anzahl von Auslösungen (Y-Achse) und des Bestands- Prozentsatzes (Z-Achse).

Fig. 3 zeigt den Testkreis, der zum Erhalt der Resultate gemäß den Fig. 1 und 2 und in den oben definierten Testroutinen verwendet wird. Der Testkreis weist eine Gleichspannungsquelle 6, z. B. von 120 oder 240 V, einen Festwiderstand 7, dessen Widerstandswert geändert werden kann, um die gewünschten Testbedingungen zu schaffen, der aber für jede spezielle Testroutine fest ist, einen Schalter 8 und die Vorrichtung 9 auf.

Fig. 8 ist ein Ersatzschaltbild für ein Telefonsystem (d. h. eine Schaltung, in der Komponenten weggelassen sind, die zwar für andere Zwecke benötigt werden, aber beim Verhalten der Schaltung unter einem Fehlerzustand gemäß der folgenden Erläuterung keine wesentliche Rolle spielen). Dies ist ein Beispiel einer für Einführungen anfälligen Schaltung der Erfindung.

Ein Telefon 10, das allgemein als Kasten gezeigt ist, weist einen Schalter 11 auf, der in der Offenposition gezeigt ist, d. h. das Telefon ist nicht in Gebrauch. Das Telefon ist mit einer Vermittlungsstelle über Leitungen 12 und 13 verbunden, deren Widerstand in Abhängigkeit von der Entfernung des Telefons von der Vermittlungsstelle beispielsweise 40 bis 500 Ohm beträgt. Wenn das Telefon nicht in Gebrauch ist, sind die Leitungen 12 und 13 über Relaiskontakte 14 und 15 mit einem Widerstand 16, der typischerweise einen Widerstandswert von ca. 700 Ohm hat, und einer Batterie 17, die typischerweise eine Spannung von ca. 50 V hat, verbunden. PTC-Schutzvorrichtungen 18 und 19 sind mit den Relais 14 bzw. 15 in Reihe geschaltet. Wenn das Telefon nicht in Gebrauch ist, sind die Relais 14 und 15 geöffnet, und die Leitungen 14 und 15 sind über Relais 20 und 21 mit dem Kontrollkreis der Telefonvermittlungsstelle verbunden, der zwei Widerstände 22 und 23, die jeweils typischerweise einen Widerstandswert von ca. 200 Ohm haben, und eine Batterie 24 aufweist, die typischerweise eine Spannung von ca. 50 V hat. PTC-Schutzvorrichtungen 25 und 26 liegen in Reihe mit Relais 20 bzw. 21. Bei dieser Schaltung ist der Fehlerzustand, gegen den Schutz vorgesehen sein muß, die Einführung einer Hetzwechselspannung, z. B. von 240 V oder mehr, was beispielsweise daraus resultiert, daß eine Starkstromleitung über eine oder beide Leitungen 12 und 13 fällt oder die Leitungen mit einer Wechselstromquelle verbunden werden. Eine Netzwechselspannung erzeugt Ströme, die die Relais 14, 15, 20 und 21 oder die Widerstände 16, 22 und 23 oder Leiterbahnen auf Leiterplatten, die Teil der Schaltung bilden, beschädigen.

Es versteht sich natürlich, daß die Vorrichtungen 18 und 19 entfallen könnten, wenn nur der Schutz des Kontrollkreises verlangt wird, und daß die Vorrichtungen 25 und 26 entfallen könnten, wenn nur der Schutz des Leitungskreises verlangt wird. Die Vorrichtungen 18, 19, 25 und 26 könnten durch ein Paar von Schutzvorrichtungen ersetzt werden, die in die Leitungen 12 und 13 eingesetzt sind, so daß ein Fehlerstrom durch sie fließen würde, ob nun die Relais 14, 15 geschlossen und die Relais 20 und 21 geöffnet wären oder umgekehrt.

Fig. 9 ist ein Beispiel eines Festspannungskreises gemäß der Erfindung. Eine Wechselspannungsquelle 30, die eine Spannung von mindestens 120 V, z. B. 220 V, hat, ist über eine Schaltungsschutzvorrichtung 31 mit einer Steckdose 32 verbunden, an die ein elektrisches Gerät 33 mit einem Widerstand RL angeschlossen ist. Die Vorrichtung 31 schützt die Schaltung gegenüber übermäßigen Strömen, die beispielsweise durch Kurzschließen der Zuleitungen zu dem Gerät 33 oder, wenn das Gerät nicht angeschlossen ist, durch Kurzschließen der Pole der Steckdose erzeugt werden.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele verdeutlicht.

Beispiel 1

Die Bestandteile und ihre Mengen, die in der folgende Tabelle angegeben sind, wurden bei diesem Beispiel verwendet.

TABELLE
GRUNDMISCHUNG Gew.-% Vol.-% ENDMISCHUNG Ruß (Furnex N765) Polyethylen (Marlex 6003) Füllstoff (Hydral 705) Antioxidans

BEMERKUNGEN:

Furnex N765 (erhältlich von City Services Co.) hat eine Teilchengröße (D) von 60 nm, eine Dichte von 1,8 g/cm³ und einen Oberflächenbereich (s) von 32 m²/g.

Marlex 6003 ist ein Polyethylen hoher Dichte mit einem Schmelzfluß-Index von 0,3, das von Phillips Petroleum Co. erhältlich ist.

Das eingesetzte Antioxidans war ein Oligomer von 4,4-Thiobis(3-methyl-6-t-butylphenol) mit einem mittleren Polymerisationsgrad von 3-4, wie in der US-PS 3 986 981 beschrieben.

Hydral 705 ist ein Aluminiumoxidhydrat, erhältlich von Aluminium Company of America.

Die Bestandteile für die Grundmischung wurden trockenvermischt und dann für 8 min in einem schnellaufenden Banbury- Mischer vermischt. Das Gemisch wurde ausgeschüttet, abgekühlt und granuliert. Die Endmischung wurde hergestellt durch Trockenvermischen von 948 g Hydral 705 mit 2439 g der Grundmischung und anschließendes Vermischen des Trockengemischs für 4-5 min in einem schnellaufenden Banbury-Mischer. Das Gemisch wurde ausgeschüttet, abgekühlt, granuliert und getrocknet (bei 70ºC, 1 Torr über 16 h).

Die granulierte Endmischung wurde als Streifen von 1,27 cm Breite und 0,27 cm Dicke unter Verwendung eines Querspritzkopfs schmelzextrudiert um ein Paar von vorgeheizten 20 AWG (Durchmesser 0,095 cm) 19/32 vernickelten Kupferlitzen, deren Mitten um 0,61 cm voneinander entfernt waren. Das extrudierte Produkt wurde in Abschnitte von 2,54 cm (1 inch) Länge geschnitten, und die Polymerzusammensetzung wurde von der Hälfte jedes Abschnitts entfernt, um eine Vorrichtung gemäß Fig. 4 herzustellen.

BEISPIEL 2

Die Bestandteile und ihre Mengen, die in der folgenden Tabelle angegeben sind, wurden bei dem Beispiel verwendet.

TABELLE
GRUNDMISCHUNG Gew.-% Vol.-% ENDMISCHUNG Ruß (Statex G) Polyethylen (Marlex 6003) Füllstoff (Hydral 705) Antioxidans

Bemerkungen:

Statex G, erhältlich von Columbian Chemicals, hat eine Dichte von 1,8 g/cm³, einen Oberflächenbereich (S) von 35 m²/g und eine mittlere Teilchengröße (D) von 60 nm.

Hach Trocknen des Polymers bei 70 ºC und des Rußes bei 150ºC 16 h lang in einem Vakuumofen wurden die Bestandteile für die Grundmischung trockenvermischt und dann 12 min lang in einem schnellaufenden Banbury-Mischer vermischt. Das Gemisch wurde ausgeschüttet, abgekühlt und granuliert. Das Endgemisch wurde hergestellt durch Trockenvermischen von 948,3 g Hydral 705 mit 2439,2 g der Grundmischung und anschließendes Vermischen des Trockengemischs über 7 min in einem Banbury-Mischer. Das Gemisch wurde ausgeschüttet, abgekühlt, granuliert und dann bei 70ºC und 1 Torr 16 h lang getrocknet.

Unter Verwendung eines Querspritzkopfs wurde die granulierte Endmischung als Streifen mit 1 cm Breite und 0,25 cm Dicke um drei Drähte herum schmelzextrudiert. Zwei der Drähte waren vorgeheizte 20 AWG (0,095 cm Durchmesser) 19/32 vernickelte Kupferlitzen, deren Mitten 0,76 cm voneinander entfernt waren, und der dritte Draht, ein 24 AWG (0,064 cm Durchmesser) vernickelter Volldraht, war zwischen den beiden anderen mittig angeordnet. Abschnitte mit 1 cm Länge wurden von dem extrudierten Produkt abgeschnitten, und von jedem Abschnitt wurde die Polymerzusammensetzung etwa über die halbe Länge entfernt, und der gesamte mittlere 24 AWG-Draht wurde entfernt, so daß eine Öffnung verblieb, die durch das Polymerelement verlief. Die Produkte wurden in Stickstoff bei 250ºC 340 min lang und dann in Luft bei 110ºC 60 min lang wärmebehandelt und dann bestrahlt. Jedes Produkt wurde dann in einem Metallbehälter mit einer Polypropylenumhüllung zwischen dem leitfähigen Element und dem Behälter dicht eingeschlossen.


Anspruch[de]

1. PTC leitfähige Polymervorrichtung:

(1) bei der es sich um eine Schaltungsschutzvorrichtung handelt:

(2) die folgendes aufweist:

ein PTC Element, aufgebaut aus einer PTC Zusammensetzung, welche

(A) eine Schalttemperatur TS hat und

(B) aufweist:

(i) eine kristalline Polymerkomponente,

(ii) in dieser Polymerkomponente dispergiert

a) einen Lichtbogenlöschzusatz und

b) eine teilchenförmige Füllstoffkomponente, die einen leitfähigen Füllstoff aufweist, bei dem es sich um einen oder mehrere von Ruß und Graphit handelt und der in solcher Menge vorhanden ist, daß der spezifische Widerstand der Zusammensetzung bei 23ºC weniger als 10 Ohm-cm ist; und

mindestens zwei Elektroden, die an eine Quelle für elektrischen Strom angeschlossen werden können und, wenn sie angeschlossen sind, veranlassen, daß Strom durch das PTC Element fließt;

(3) die einen Widerstandswert bei 23ºC von 23oRd hat und

(4) die dadurch gekennzeichnet ist, daß: wenn die Vorrichtung Teil eines ersten Testkreises ist, der einer Vorrichtungstestroutine unterworfen wird, oder wenn die Vorrichtung Teil eines zweiten Testkreises ist, der einer Vorrichtungstestroutine unterworfen wird, dann bei jedem der Testzyklen der Testroutine das Ergebnis des Schalterschließens darin besteht, daß

(a) anfangs die Vorrichtung Wärme erzeugt durch I² R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeit, die die Geschwindigkeit übersteigt, bei der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, was verursacht, daß der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigt und der Schaltkreisstrom absinkt, und

(b) danach die Vorrichtung einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme erzeugt durch I²R-Erwärmung, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht, und

nach Beendigung der Testroutine die Vorrichtung einen Widerstandswert bei 23ºC hat, der kleiner ist als 3 · 23oRd Ohm, vorzugsweise weniger als 2 · 23oRd Ohm;

wobei der erste Testkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus der PTC leitfähigen Polymerschutzvorrichtung, umgeben von ruhiger Luft bei 0ºC, 23ºC oder 70ºC, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert von R&sub1; Ohm und einer 120 Volt Gleichstromquelle besteht, wobei R&sub1; so ist, daß die errechnete Stromdichte, definiert als der größte Wert von

(i) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer ersten Elektrode,

(ii) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer zweiten Elektrode, und

(iii) dem Strom, dividiert durch die Minimumquerschnittsfläche des PTC Elements rechtwinklig zur Richtung des Stromflusses,

in dem PTC Element der Vorrichtung in dem ersten Testzyklus der Vorrichtungstestroutine ein Maximum von 155 A/cm² erreicht;

wobei der wirksame Oberflächenbereich einer Elektrode die Querschnittsfläche der Elektrode bei Betrachtung in Richtung des Stromflusses ist (wobei jegliche Öffnungen in der Elektrode außer acht gelassen werden, die so klein sind, daß die Elektrode über ihre Gesamtfläche im wesentlichen eine Äquipotential-Oberfläche bildet);

wobei der zweite Testkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus der PTC leitfähigen Polymerschutzvorrichtung, umgeben von ruhiger Luft bei 0ºC, 23ºC oder 70ºC, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert von R&sub2; Ohm und einer 240 Volt Gleichstromquelle besteht, wobei R&sub2; so ist, daß der Spitzenstrom durch die Vorrichtung im ersten Testzyklus der Vorrichtungstestroutine der größere Strom von 1 A und 3 · iaircrit ist, wobei iaircrit der maximale Strom im eingeschwungenen Zustand ist, der, wenn er durch die Vorrichtung fließt, verursacht, daß die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung in einer Geschwindigkeit erzeugt, die gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann; und

wobei eine Vorrichtungstestroutine ein Verfahren ist, bei dem ein erster oder zweiter Testkreis N aufeinanderfolgenden Testzyklen unterworfen wird, worin N gleich 5 ist, und bei jedem dieser Testzyklen der Schalter entweder für 5 Sekunden (für den ersten Testkreis) oder 30 Sekunden (für den zweiten Testkreis) geschlossen wird, der Schalter dann geöffnet wird, und man die Vorrichtung auf 23ºC abkühlen läßt, ehe der nächste Testzyklus durchgeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektroden die Form von Drähten oder dünnen Streifen haben und vollständig in dem PTC Element eingebettet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektroden die Form von ebenen Flächenkörpern haben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Vorrichtung einen Widerstandswert bei 23ºC von weniger als 100 Ohm hat.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das PTC Element mit den Elektroden in direktem physischem und elektrischem Kontakt steht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung das definierte Leistungsvermögen sowohl im ersten Testkreis als auch im zweiten Testkreis hat, wenn sich die Vorrichtung in ruhiger Luft bei 23ºC befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie (a) zwei Elektroden enthält, die jeweils eine elektrisch aktive Oberfläche von im allgemeinen säulenartiger Gestalt haben, und sie (b) einen Widerstandswert bei 23ºC von 1 bis 100 Ohm und iaircrit von 0,05 bis 2 A hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (a) jede der Elektroden eine Länge l von 0,76 bis 2,5 cm und eine Breite w von 0,05 bis 0,25 cm hat; (b) der Abstand zwischen den Elektroden, t, konstant ist; und (c) w weniger als 0,5 t beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie (a) zwei Elektroden in Form von ebenen Flachkörpern und ein sandwichartig zwischen den Elektroden angeordnetes, leitfähiges, polymeres PTC Element enthält, wobei die Minimumquerschnittsfläche des PTC Elements kleiner ist als der wirksame Oberflächenbereich der Elektroden und sie (b) einen Widerstandswert bei 23ºC von 0,05 bis 1 Ohm hat.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die PTC Zusammensetzung vernetzt ist.

11. Elektrische Schaltung,

(1) die folgendes aufweist:

eine Spannungsquelle mit einer Spannung von V Volt, eine PTC leitfähige Polymerschutzvorrichtung, die ein PTC Element aufweist, welches aus einer PTC Zusammensetzung aufgebaut ist, die eine kristalline Polymerkomponente und in der Polymerkomponente dispergiert einen Lichtbogenlöschzusatz sowie eine teilchenförmige Füllstoffkomponente aufweist, die einen leitfähigen Füllstoff aufweist, bei dem es sich um einen oder mehrere von Ruß und Graphit handelt und der in solcher Menge vorhanden ist, daß der spezifische Widerstand der Zusammensetzung bei 23ºC weniger als 10 Ohm cm ist, und

ein beschädigbares Schaltungsbauteil;

(2) die einen ersten normalen Betriebszustand hat, bei dem

(A) ein Strom in durch die Vorrichtung fließt,

(B) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Tdn befindet und einen Widerstandswert Rdn hat,

(C) die Vorrichtung mit einem Medium in Kontakt steht, welches eine Temperatur Tn hat,

(D) ein Strom von weniger als idamage durch das beschädigbare Schaltungsbauteil fließt, und

(E) ein stabiles Gleichgewicht besteht zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, und der Geschwindigkeit, mit der Wärme von der Vorrichtung verlorengeht; und

(3) die dadurch gekennzeichnet ist, daß:

wenn ein erster Fehlerkreis, der die Vorrichtung enthält, geschaffen und einer Schaltkreistestroutine unterworfen wird, und/oder wenn ein zweiter Fehlerkreis, der die Vorrichtung enthält, geschaffen und einer Schaltkreistestroutine unterworfen wird,

dann ist bei jedem der Testzyklen der Testroutine das Ergebnis des Schalterschließens, daß

(a) anfangs die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die die Geschwindigkeit übersteigt, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, wodurch verursacht wird, daß der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigt und der Schaltkreisstrom absinkt, und

(b) danach der Strom durch das beschädigbare Schaltungsbauteil einen stabilen Wert erreicht, der geringer ist als idamage, wobei der Potentialabfall über der Vorrichtung einen stabilen Wert erreicht, der der höhere Wert ist von 120 Volt und 1,5 xV, und die Vorrichtung einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit dem die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren wird; und

nach Beendigung der Testzyklen die Vorrichtung einen Widerstandswert bei Tdn hat, der geringer ist als 3 · Rdn, vorzugsweise geringer als 2 · Rdn; wobei der erste Fehlerkreis ein Schaltkreis ist, der geschaffen wird durch Einführen neuer elektrischer Elemente, die eine neue Stromquelle und einen Schalter aufweisen, in die Schaltung, und bei dem im ersten Testzyklus der Schaltkreistestroutine (a) ein anfänglicher Fehlerstrom durch das beschädigbare Schaltbauteil fließt, der idamage übersteigt;

(b) ein anfänglicher Fehlerstrom durch die Vorrichtung fließt, der zu einer berechneten Stromdichte führt;

definiert als der größte Wert von

(i) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer ersten Elektrode,

(ii) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer zweiten Elektrode, und

(iii) dem Strom, dividiert durch die Minimumquerschnittsfläche des PTC Elements rechtwinklig zur Richtung des Stromflusses,

in dem PTC Element der Vorrichtung, wobei die Stromdichte ein Maximum von 155 A/cm² erreicht, wobei der wirksame Oberflächenbereich einer Elektrode die Querschnittsfläche der Elektrode bei Betrachtung in Richtung des Stromflusses ist (wobei jegliche Öffnungen in der Elektrode außer acht gelassen werden, die so klein sind, daß die Elektrode über ihre Gesamtfläche im wesentlichen eine Äquipotential-Oberfläche bildet);

(c) die Vorrichtung und das beschädigbare Schaltungsbauteil in Reihe geschaltet sind; und

(d) die Spannung so ist, daß der Spitzenpotentialabfall über der Vorrichtung der höhere Wert von 120 Volt und 1,5 xV ist.

wobei eine Schaltkreistestroutine ein Verfahren ist, bei dem ein erster oder zweiter Fehlerkreis aufeinanderfolgenden Zyklen N unterworfen wird, wobei N gleich 5 ist, in jedem der Testzyklen der Schalter entweder 5 Sekunden (für den ersten Fehlerkreis) oder 30 Sekunden (für den zweiten Fehlerkreis) geschlossen wird, der Schalter dann geöffnet wird, und man die Vorrichtung auf Tdn abkühlen läßt, ehe der nächste Testzyklus durchgeführt wird; und

wobei der zweite Fehlerkreis ein Schaltkreis ist, der geschaffen wird durch Einführen neuer elektrischer Elemente, die eine neue Stromquelle und einen Schalter aufweisen, in den Stromkreis, und bei dem im ersten Testzyklus der Schaltkreistestroutine

(a) ein anfänglicher Fehlerstrom durch das beschädigbare Schaltungsbauteil fließt, der idamage übersteigt,

(b) ein anfänglicher Fehlerstrom durch die Vorrichtung fließt, der den höheren Wert von 1 A und 3 · icrit hat, wobei icrit der maximale Strom ist, der, wenn er durch die Vorrichtung im Schaltkreis fließt, veranlaßt, daß die Vorrichtung Wärme durch I²R- Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann;

(c) die Vorrichtung und das beschädigbare Schaltungsbauteil in Reihe geschaltet sind, und

(d) die Spannung so ist, daß der Spitzenpotentialabfall über der Vorrichtung 240 Volt beträgt;

wobei ein beschädigbares Schaltungsbauteil ein Bauteil ist, welches beschädigt wird, wenn der durch es hindurchfließende Strom einen Wert idamage A während einer Zeit von t Sekunden übersteigt, wobei t gleich 30 ist.

12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung V höchstens 75 Volt beträgt, wobei die Schaltung vorzugsweise ein Leitungskreis eines Telefonsystems ist.

13. Elektrische Schaltung,

(1) die folgendes aufweist:

eine PTC leitfähige Polymerschutzvorrichtung, die ein PTC Element aufweist, welches aus einer PTC Zusammensetzung aufgebaut ist, die eine kristalline Polymerkomponente und in der Polymerkomponente dispergiert einen Lichtbogenlöschzusatz sowie eine teilchenförmige Füllstoffkomponente aufweist, die einen leitfähigen Füllstoff aufweist, bei dem es sich um einen oder mehrere von Ruß und Graphit handelt und der in solcher Menge vorhanden ist, daß der spezifische Widerstand der Zusammensetzung bei 23ºC weniger als 10 Ohm cm ist, und

eine Spannungsquelle, die eine Spannung von V&sub1; Volt hat, die mindestens 120 Volt beträgt, und weitere Schaltungselemente, die mit der Vorrichtung in Reihe geschaltet sind und eine Impedanz von RL Ohm haben;

(2) die einen zweiten normalen Betriebszustand hat, bei dem

(A) ein Strom in durch die Vorrichtung fließt,

(B) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Tdn befindet und einen Widerstandswert Rdn hat, der kleiner ist als 0,5 · RL Ohm (vorzugsweise kleiner als 0,1 · RL Ohm, insbesondere kleiner als 0,04 · RL Ohm) und kleiner als V&sub1; Ohm (vorzugsweise 0,03 · V&sub1; bis 0,3 · V&sub1; Ohm, insbesondere 0,05 · V&sub1; bis 0,2 · V&sub1; Ohm),

(C) die Vorrichtung mit einem Medium in Kontakt steht, welches sich auf einer Temperatur Tn befindet, und

(D) ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit besteht, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, und der Geschwindigkeit, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren geht;

(3) die ein positives Ansprechen auf Stromauslösen hat; und

(4) die dadurch gekennzeichnet ist, daß:

wenn die Vorrichtung, nachdem sie aus der Schaltung entfernt wurde, in einen modifizierten ersten Testkreis eingebaut wird, der dann einer modifizierten Vorrichtungstestroutine unterworfen wird, und/oder wenn sie in einen modifizierten zweiten Testkreis eingebaut wird, der dann einer modifizierten Vorrichtungstestroutine unterworfen wird,

die Vorrichtung dann nach dem Durchführen der modifizierten Vorrichtungstestroutine

(i) einen Widerstandswert bei Tn hat, der kleiner ist als 3 · Rdn, kleiner als 0,5 · RL und kleiner als V&sub1; Ohm, und

(ii) ein solches Verhältnis von elektrischem Strom/Temperatur hat, daß die Schaltung, wenn die Vorrichtung wieder in die Schaltung eingesetzt wird, einen zweiten normalen Betriebszustand und ein positives Ansprechen auf Stromauslösen hat;

wobei der abgewandelte erste Testkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus der Schutzvorrichtung vom Schaltkreis mit fester Spannung, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert von R&sub1; Ohm und einer Spannungsquelle besteht, die die gleiche Spannung V&sub1; hat wie die Spannungsquelle im Schaltkreis mit fester Spannung, wobei die Vorrichtung mit dem gleichen Medium bei der gleichen Temperatur Tn in Kontakt steht wie in dem Schaltkreis mit fester Spannung, und R&sub1; so ist, daß die berechnete Stromdichte,

definiert als der größte Wert von

(i) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer ersten Elektrode,

(ii) dem Strom, dividiert durch den wirksamen Oberflächenbereich einer zweiten Elektrode, und

(iii) dem Strom, dividiert durch die Minimumquerschnittsfläche des PTC Elements rechtwinklig zur Richtung des Stromflusses,

in dem PTC Element der Vorrichtung im ersten Testzyklus der modifizierten Testroutine ein Maximum von 155 A/cm² erreicht;

wobei der wirksame Oberflächenbereich einer Elektrode die Querschnittsfläche der Elektrode bei Betrachtung in Richtung des Stromflusses ist (wobei jegliche Öffnungen in der Elektrode außer acht gelassen werden, die so klein sind, daß die Elektrode über ihre Gesamtfläche im wesentlichen eine Äquipotentialoberfläche bildet);

wobei eine modifizierte Vorrichtungstestroutine ein Verfahren ist, bei dem ein modifizierter erster Meßkreis oder ein modifizierter zweiter Meßkreis aufeinanderfolgenden Zyklen N unterworfen wird, wobei N gleich 5 ist, bei jedem Testzyklus der Schalter entweder 5 Sekunden (für den ersten modifizierten Meßkreis) oder 30 Sekunden (für den zweiten modifizierten Meßkreis) geschlossen wird, wodurch die Vorrichtung anfangs Wärme durch I²R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die die Geschwindigkeit übersteigt, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, wodurch verursacht wird, daß der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigt und der Schaltkreisstrom absinkt, und danach die Vorrichtung einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme erzeugt, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren geht, der Schalter geöffnet wird, und man die Vorrichtung auf Tn abkühlen läßt, ehe der nächste Testzyklus durchgeführt wird;

wobei ein modifizierter zweiter Meßkreis ein Schaltkreis ist, der im wesentlichen aus einer Schutzvorrichtung aus einem Schaltkreis mit fester Spannung, in dem die Spannungsquelle eine Spannung V&sub2; hat, die mindestens 240 Volt beträgt, einem Schalter, einem Festwiderstand mit einem Widerstandswert R&sub2; Ohm und einer Spannungsquelle besteht, die die gleiche Spannung V&sub2; hat wie die Spannungsquelle im Schaltkreis mit fester Spannung, wobei die Vorrichtung mit dem gleichen Medium bei der gleichen Temperatur Tn im Schaltkreis mit fester Spannung in Kontakt steht und R&sub2; so ist, daß im ersten Testzyklus der modifizierten Vorrichtungstestroutine der Spitzenstrom durch die Vorrichtung der höhere von 1 A und 3 · icrit ist, wobei icrit der maximale Strom ist, der, wenn er durch die Vorrichtung im Schaltkreis fließt, verursacht, daß die Vorrichtung Wärme durch 1²R-Erwärmung mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren gehen kann;

wobei ein positives Ansprechen auf Stromauslösen definiert ist als dasjenige, welches ein Festspannungskreis hat,

(a) wenn Elemente des Schaltkreises so geändert werden, daß durch die Vorrichtung fließender Strom langsam zunimmt, während die Umgebungstemperatur im wesentlichen konstantgehalten wird, dann die Temperatur der Vorrichtung langsam zunimmt, bis der Schaltkreis einen kritischen Betriebszustand erreicht, bei dem (i) das Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, und der Geschwindigkeit, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren geht, unstabil ist, (ii) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Td trip befindet und einen Widerstandswert Rd trip hat, (iii) die Geschwindigkeit, mit der der Widerstandswert der Vorrichtung sich mit der Temperatur ändert

dRd trip/dTd trip

positiv ist, und (iv) der Strom einen Wert icrit hat; und

(b) wenn Elemente des Schaltkreises ferner so geändert werden, daß der durch die Vorrichtung fließende Strom auf 2 · icrit ansteigt, während die Umgebungstemperatur im wesentlichen konstantgehalten wird, dann die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R-Erwärmung erzeugt, die Geschwindigkeit übersteigt, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren werden kann, und dadurch verursacht wird, daß die Temperatur und der Widerstandswert der Vorrichtung rasch ansteigen und der Schaltkreisstrom absinkt, und danach der Schaltkreis einen stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur erreicht, bei dem (i) die Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung Wärme durch I²R- Erwärmung erzeugt, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der Wärme von der Vorrichtung verloren geht; und (ii) die Vorrichtung sich auf einer Temperatur Td latch befindet, die so ist, daß das Verhältnis der Energie im Schaltkreis bei normalem Betriebszustand zur Energie im Schaltkreis bei dem stationären Betriebszustand bei hoher Temperatur, das Umschaltverhältnis, mindestens 8 ist.

14. Schaltung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 ist.







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