專利名稱：電氣設備安全電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及與電氣設備連接使用的安全電路在電氣設備中，有時需要斷開工作電源以防止過熱引起的損壞或傷害。在完成該任務的、與電熱毯和床罩相連的安全裝置方面的研究已取得實質性進展。
電熱毯一般設有纖維套，它具有通過毯子整個區(qū)域的通道，其中穿過彎曲的低瓦數(shù)加熱元件。為了給加熱元件過熱提供保護，已知將雙金屬熱動開關或持續(xù)傳感線放在靠近加熱元件處以便感應過熱狀態(tài)。這種安全裝置通過操作繼電器或類似開關設備對過熱狀態(tài)作出反應，斷開電路并關斷加熱元件的工作電源。
在更先進的電熱毯中，加熱元件由正溫度系數(shù)(PTC)材料密封的兩彼此隔開的導體構成。這種加熱元件本身限制溫度，它能均衡一定的過熱狀態(tài)而不需斷開工作電源。但是如果存在極度過熱狀態(tài)例如有關PTC加熱元件的兩導體之一出現(xiàn)斷路或開路時，則分隔裝置還需要斷開工作電源這種安全裝置一般在發(fā)展至危險狀態(tài)前通過燒斷熔絲而中斷電路本發(fā)明提供一種改進的裝置在過熱狀態(tài)下中斷電氣設備的工作電源。
本發(fā)明以一種安全電路實現(xiàn)，它具有熱性能接近至少電氣設備的電路元件之一的導電元件，該電氣設備由工作電源供電。構成導電元件使之響應于高溫快速斷開。
安全電路包括與導電元件和工作電源相連的開關電路，且其響應于導電元件的斷開而中斷電氣設備的工作電源。
參照下述說明，權利要求和附圖，本領域的技術人員將進一步理解本發(fā)明的上述及其它特點，優(yōu)點和目的。


圖1是實現(xiàn)本發(fā)明的電熱毯示意圖；圖2是本發(fā)明正溫度系數(shù)加熱元件的放大截面圖；圖3是本發(fā)明安全電路的示意性電路圖。
本發(fā)明的安全裝置可在包括電熱毯，電熱墊，電馬達和建筑物線路，但不局限于此的各種電路電氣設備和電力線中實施。下面為了說明，描述本發(fā)明應用于電熱毯的情形。
參見圖1，該圖所示為可使用本發(fā)明安全裝置的電熱毯10。毯10包括細長加熱元件12，它來回循環(huán)通過電熱毯套14中形成的通道，以公知的方式在毯面上均勻供熱。雖然只顯示了一個通常約100英尺長的加熱元件，但一個毯中可含有兩個或兩個以上的加熱元件?？刂破?6連接加熱元件12，它包括on/off開關18，啟動按鈕20，以及使毯10的使用者可調節(jié)加熱元件12產(chǎn)生的熱量的調熱控制22?？刂破?6通過插頭24將毯10連至適當?shù)碾娏ぷ麟娫础?br> 圖2是電熱毯10中所用的本發(fā)明加熱元件12的截面圖。加熱元件12使用正溫度系數(shù)(PTC)材料26，該材料在一對彼此隔開的導體28和30之間擠壓并圍繞其，且該材料呈狗骨(dogbone)形。適當?shù)碾娊^緣涂層32壓在PTC材料26上。雖然PTC加熱元件的特定結構可廣泛變化。但這種加熱元件的優(yōu)選實施例在Kelly的美國專利No.4,277,673，1981年7月7日出版，名稱“電導體自調節(jié)制品”，和Crowley的美國專利No.4,309,596，1982年1月5日出版，名稱“靈活的自限制加熱電纜”中詳細公開，這里以此兩專利作參考。通常，加熱元件中的PTC材料具有限高的表面電阻，并由聚乙烯，硅橡膠或具有混合碳黑顆粒的類似物構成，從而給出特定的溫度/電阻特性。在優(yōu)選實施例中，每個導體28和30都具有導體線螺旋纏繞其上的絕緣芯，每一芯涂覆導電碳擴散，如Crowley的美國專利No.4,309,596所述。加在每一芯上的涂層抵消PTC材料26的高表面電阻結果在PTC材料26與每一導體28和30之間為低電阻電結合。在運行中，電流在導體28與30之間流動并通過其間的材料26。PTC材料26在加熱元件12的整個長度上提供電阻性加熱區(qū)，并且，雖然圖3所示為不連續(xù)并列電阻但PTC材料在導體28和30之間形成一個連續(xù)的電阻加熱器。
選擇PTC材料26的成分和其擠壓的物理尺寸，使電阻與每英尺長度的散熱在任何給定的溫度下合理穩(wěn)定。在低溫下，每英尺散熱將大于正常室溫下的。而在過熱或高溫狀態(tài)時，散熱將低于正常情況。PTC材料26自限制，對每一不同環(huán)境和絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生給定的散熱或線溫度。以此方式，就散熱而言，在部分毯10捆扎或被反常約束(例如，由放在毯頂上的某些東西引起的)時，加熱元件12對新環(huán)境起反應并降低其在該區(qū)域的散熱，試圖維持合理的穩(wěn)定溫度。
本發(fā)明的加熱元件12中含有導電元件34(圖2)，它與導體28和30平行通過加熱元件的長度。在優(yōu)選實施例中，元件34為絲或纖維并位于PTC材料26與絕緣層32之間的間隙中(圖2中稍夸大)。如此定位纖維34熱接近導體28和30。但是，不象導體28和30，導電纖維34未涂覆導電碳消散。所以，PTC材料26的高表面電阻使導電纖維34實質上電絕緣，從而在纖維34和導體28與30之間流過的泄漏電流幾乎沒有。在優(yōu)選實施例中，導體28與30分離，距離約0.040英寸，而導電纖維34與每一導體分離，距離約0.031英寸。纖維34的成分如下，該成分使它在遇到與極端過熱狀態(tài)相關的高溫，而通過PTC材料26的自限制特性不能補償時，將斷開。有許多種材料和成分可用于導電元件34。可使用任何金屬，合金，或導電材料，及其混合物，包括但不局限于不銹鋼鋯/銅銅和銅合金鎳和鎳合金鉑鉛與鉛合金銀鎳/鉻金鎳/鉻/鐵鋁黃銅鋅合金鈹/銅青銅鐵鐵/鉻/鋁鎘合金錫與錫合金碳磷/青銅同樣，任何金屬或導電涂覆纖維或線可用于導電纖維34，包括但不局限于涂覆銀的線涂覆鎳的線涂覆石墨的線涂覆銅的線涂覆銅/銀的線涂覆銀/鎳的線涂覆石墨/氧化鐵的線涂覆碳的線而且，任何具有金屬混合物或導電纖維的線可用于導電纖維34，包括但不局限于填充銀的塑料線填充鎳的塑料線填充碳的塑料線填充石墨的塑料線填充銅/銀的塑料線填充銀/鎳的塑料線填充鋁的塑料線填充銅的塑料線填充金的塑料線多種類型的光纖也可用于導電纖維34。
測試上述幾種材料與成分，以確定哪種構成導電纖維34的優(yōu)選實施例。測試不銹鋼纖維，纏繞聚脂線的不銹鋼纖維，涂覆銀的聚酯線，涂覆銀的聚乙烯線，以及涂覆銀的聚丙烯線。雖然所有被測試材料與成分都性能良好，但確定纏繞聚酯線的不銹鋼纖維是最佳材料。實際測試的這種特定類型最佳材料由纏繞兩股150登尼爾(等于約0.006英寸直徑)聚酯線的四股35微米不銹鋼纖維構成它可從Bekaert Fibre Technology得到，作為VN 35/4聚酯不銹鋼線。這種優(yōu)選材料中所含聚酯通常熔點為256℃，而不銹鋼熔點通常為約1500℃。
在為導電纖維34而測試的其它材料中，確定第二最佳材料是不銹鋼纖維(無聚酯線)。實際測試的這種特定類型第二優(yōu)選材料由90股14微米不銹鋼纖維(通常熔點為約1500℃)構成它可從Bekaert Fibre Technology得到，作為Bekinox #VN 14/1X90/90Z。
為導電纖維34優(yōu)選上述兩種最佳成分是因為其強度足以承受電熱毯的正常彎曲，整理和洗滌，并足夠靈活，不會使電熱毯過于僵硬。而且，因為下面更仔細討論的原因，不銹鋼的絞合足夠少，熱量使導電纖維34在毯織品燃燒前斷開。最佳實施例中的聚酯有益于增加不銹鋼纖維股的強度，以利于制造處理。
參見圖3，該圖是本發(fā)明安全電路37的示意性電路圖，其大部分裝在控制器16內(圖1)。插頭24將安全電路連至適當?shù)碾娏ぷ麟娫?，該電源通常為交流線電壓。熔絲38與電源線40串連，并用于在流經(jīng)的電流超過預定值時中斷電路在優(yōu)選實施例中，熔絲38為額定5安培，這說明如果電流為至少4.5安培(其額定值的90％)，則熔絲將斷開電路。熔絲38的額定值足夠高，從而在首次向毯10供電時，瞬時經(jīng)歷通常約4安培的正常高合閘電流，而熔絲38不燒斷。這種高合閘電流是PTC材料引起的，冷卻時，該材料具有極低的電阻，該電阻隨加熱元件12的供電而快速升高。但是，如果加熱元件12中出現(xiàn)短路熔絲38將快速燒斷并斷開電路如下所述。
與熔絲38串聯(lián)的是on/off開關18，它由毯10的使用者控制(圖1)。開關18在“on”位置時閉合以連接其余安全電路與電力工作電源。安全電路包括由繼電器線圈42和正常斷開繼電器開關44構成的繼電器。在優(yōu)選實施例中，繼電器具有115伏交流電壓線圈和單極開關，并由Comell DubilierCorporation(公司)制造。與繼電器線圈42相連的啟動按鈕20，在使用者瞬間按一下使on/off開關18閉合(″on″)時，使得形成完整的回路由此繼電器線圈42被激勵并具有流經(jīng)的足夠電流使繼電器開關44閉合釋放啟動按鈕20后，雖然經(jīng)過繼電器線圈42的感應電流小于按下啟動按鈕20時，但導電纖維34形成的完整回路(下面說明)隨后將使繼電器線圈42被充分激勵以便保持繼電器開關44閉合在優(yōu)選實施例中，啟動按鈕20是由Grayhill公司制造的單極單擲正常斷開瞬時開關。
安全電路包括氣體管46，它在繼電器開關44和on/off開關18閉合時激勵。如此激勵時氣體管46發(fā)光。并用作顯示器燈光表示電熱毯在使用中。與氣體管46串連的是限流電阻R1。在優(yōu)選實施例中，氣體管46是氖燈，電阻R1是62千歐電阻，而管46和電阻R1的組合為額定120伏。
安全電路中還包括雙金屬熱動開關48，其物理和熱性能接近電阻R2。連接電阻R2，使其每當加熱元件12產(chǎn)生熱時就激勵并產(chǎn)生熱，且電阻R2在優(yōu)選實施例中為62千歐碳電阻器。在本領域普通技術人員公知的方式中，熱動開關48象與其溫度相關的開關一樣工作，該溫度由電阻R2發(fā)出的熱決定。具體地當其溫度在某一臨界值以下時熱動開關48“閉合”，而當超過臨界溫度時“斷開”。通過控制器16的調熱控制22(圖1)控制臨界溫度，以及相應的熱動開關48的靈敏度。超過臨界溫度且熱動開關48斷開時，電阻R2和加熱元件12均不激勵，使其停止發(fā)熱并開始冷卻。當電阻R2冷卻到熱動開關48的溫度降到低于臨界溫度的點時，熱動開關48閉合使電阻R2和加熱元件12再次激勵。這種周期性能使毯10的使用者利用調熱控制22可有效控制加熱元件12產(chǎn)生的熱量。
圖3還顯示了加熱元件12。當on/off開關18，繼電器開關44和雙金屬熱動開關48閉合時，加熱元件12被激勵并通過在導體28與30之間流過并流經(jīng)電阻性PTC材料26的電流而產(chǎn)生熱量。由于下述原因，導體28的兩端50和52連接在一起，而導體30的兩端54和56連接在一起。如上所述，加熱元件12包括導電元件或纖維34，如圖3所示，它與工作電源相連并從點58延伸至點60且通過加熱元件12的長度。與PTC材料26和導體28與30絕緣的導電纖維34連接繼電器線圈42并在on/off開關18閉合時形成傳導電流的完整環(huán)流路徑。如上所述，該電流激勵繼電器線圈42，從而保持繼電器開關44閉合通常以與非電熱毯非常相似的方式使用如上所述的電熱毯。具體地在使用期間，使用之間或洗滌時，通常反復彎曲并折疊電熱毯。從這些對電熱毯的要求出發(fā)，這種電熱毯中所含的加熱元件必須由適當?shù)某叽绾筒牧现瞥桑蛊淠芊磸蛷澢粩嗔鸦虺霈F(xiàn)其它問題。盡管仔細設計并制造這種加熱元件，但是如果毯連接工作電源時產(chǎn)生嚴重過熱狀態(tài)，可能損壞加熱元件。這種嚴重過熱狀態(tài)可燃燒加熱元件并帶來危險。對加熱元件的這種損壞例子包括在加熱元件所含的一個或多個導體中出現(xiàn)斷裂或故障，或在導體之間產(chǎn)生短路。嚴重過熱狀態(tài)通常是由能達到幾千攝氏度的電弧引起。
本發(fā)明的上述安全電路防止或消除這類問題。在導體28或30中出現(xiàn)單一斷裂的情況下，由于每一導體的兩端連接在一起并接至工作電源，斷點兩端產(chǎn)生的壓降即使有，也相當小。該壓降的精確幅值取決于相對導體端的斷裂位置。在導體28或30的中間斷裂時斷點上無壓降，而導體一端處的斷裂產(chǎn)生最大壓降，其等于導體長度上的總壓降。導體上的壓降取決于導體的內部電阻，它保持足夠低，使得即使在最大壓降的情況下，斷裂處也不會產(chǎn)生電弧。以上述方式，Crowley的美國專利No.2,168,580，名稱“電熱毯或墊”中有更詳細的說明，在此作參考，安全電路防止在導體28和30的一個或兩個中的單一斷裂產(chǎn)生過熱狀態(tài)。
但是，在導體28或30中出現(xiàn)兩個斷點時，一個或兩個斷點上的壓降通常很高，從而產(chǎn)生電弧。如上所述，這種電弧可產(chǎn)生過多熱量，如果工作電源不中斷這種過熱會引起危險，燃燒PTC材料26，絕緣層32，最后燃燒毯10的纖維本發(fā)明安全電路的導電纖維34在導體28或30中出現(xiàn)兩個斷點時防止危險情況發(fā)展。如上所述，纖維34物理和熱性能接近導體28與30，且由遇到高溫時使其斷開的材料形成。這樣，在加熱元件12產(chǎn)生期望熱量的毯10正常工作期間，導電材料34不斷開，但如果發(fā)展到如電弧引起的極端過熱狀態(tài)則導電材料34將快速斷開。導電材料34中的斷開將打開正常導引電流通過繼電器線圈42的電流路徑于是斷開使繼電器線圈42去激勵，繼電器開關44斷開并中斷加熱元件12的工作電源。如上所述，選擇用于導電纖維34的材料使纖維34在發(fā)展到危險狀態(tài)之前斷開，并中斷工作電源。
在導體28和30之間發(fā)生短路時，通過安全電路的電流將增加。如果短路嚴重，而工作電源不中斷，通過導體28和30的已增大電流可引起加熱元件12過熱，甚至出現(xiàn)電弧，發(fā)展到危險情況。如果流過安全電路的熔絲38的電流超過預定值，它通過斷開電路，從而中斷工作電源防止這種過熱狀態(tài)，在優(yōu)選實施例中，該預定值為約5.0安培。但是，在熔絲38碰巧失靈的可能性很小情況下，導電纖維34將防止危險狀態(tài)發(fā)展。以上述方式，如果由于短路加熱元件12的溫度達到危險的高值時，纖維34將斷開，從而中斷工作電源。
從上述描述可見，導電纖維34和本發(fā)明的安全電路在幾乎任何條件下都能容易地實現(xiàn)防止過熱狀態(tài)。而且，在各種電路，電氣設備，和電線中，不管電源是交流或直流，都能實現(xiàn)這種安全電路的優(yōu)點。
上述只是優(yōu)選實施例。本領域的技術人員和利用本發(fā)明的人將修改本發(fā)明。所以，應明白附圖所示及以上描述的實施例是為了說明而不是限制本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明的保護范圍由按專利法原理闡明的下述權利要求確定。
權利要求
1.一種電氣安全電路，用于具有由工作電源激勵的電路元件的電氣設備，該安全電路包括導電元件，其熱性能接近至少一個由工作電源激勵的電路元件，構成所述導電元件以響應于高溫而斷開；以及連接所述導電元件和工作電源的開關電路，所述開關電路響應于所述導電元件的斷開而中斷電氣設備的工作電源。
2.如權利要求1的安全電路，其特征在于所述導電元件包括纏繞聚酯線的不銹鋼纖維。
3.如權利要求1的安全電路，其特征在于所述導電元件包括不銹鋼纖維。
4.如權利要求1的安全電路，其特征在于所述開關電路包括繼電器。
5.如權利要求1的安全電路，還包括連接工作電源的熔絲，超過預定電流值時所述熔絲中斷電氣設備的工作電源。
6.如權利要求1的安全電路，其特征在于電氣設備是電熱毯。
7.如權利要求6的安全電路，其中至少一個電路元件是具有兩個彼此分開導體的正溫度系數(shù)加熱元件，且其中所述導電元件包含在加熱元件內并與導體并聯(lián)運行。
8.如權利要求7的安全電路，其特征在于兩個彼此分開的導體的每一個具有連在一起的兩端。
9.如權利要求1的安全電路，其特征在于所述導電元件在電氣設備中著火前斷開。
10.如權利要求1的安全電路，其特征在于如果電氣設備中出現(xiàn)開路或短路時，所述導電元件斷開。
11.一種電氣安全電路，用于具有由工作電源激勵的電路元件的電氣設備，該安全電路包括導引電流的裝置，所述導電裝置的熱性能接近至少一個由工作電源激勵的電路元件，構成所述導電裝置以響應于至少一個電路元件的反常高溫而斷開；以及連接所述導電裝置和工作電源的開關裝置，所述開關裝置響應于所述導電裝置的斷開而關斷電氣設備的工作電源。
12.一種保護電氣設備的方法，該電氣設備由工作電源激勵且其中存在過熱狀態(tài)，該方法包括斷開熱性能接近過熱狀態(tài)的導電元件；以及響應于所述導電元件的斷開而關斷電氣設備的電源。
全文摘要
一種電氣安全電路,用于在存在過熱狀態(tài)時中斷電氣設備的工作電源。
文檔編號H01H37/76GK1170261SQ9711483
公開日1998年1月14日 申請日期1997年5月23日 優(yōu)先權日1996年5月23日
發(fā)明者J·L·思雷什 申請人:陽光產(chǎn)品有限公司