CN102598182B - 过电压保护元件和可热膨胀的材料作为功能材料的应用 - Google Patents

Abstract

介绍和阐述一种带有壳体的过电压保护元件，其具有设置在壳体中的过电压限制器件特别是变阻器或充气的过电压防护放电器，且具有两个连接元件，用于使得该过电压保护元件与要保护的电流或信号线路电连接，其中在过电压保护元件的正常状态下，连接元件分别与过电压限制器件的一极导电地接触。就本发明的过电压保护元件而言，既要保证正常状态下的可靠良好的电连接，又要保证有缺陷的过电压限制器件可靠地分离，其措施为，在壳体内部设置有可热膨胀的材料，使得在过电压限制器件热过载时，由于可热膨胀的材料膨胀，过电压限制器件的位置相对于连接元件的位置可发生改变，致使过电压限制器件的至少一个极不再与对应的连接元件导电地接触。

Description

过电压保护元件和可热膨胀的材料作为功能材料的应用

本发明涉及一种带有壳体的过电压保护元件，具有设置在壳体中的至少一个过电压限制器件特别是变阻器或充气的过电压防护放电器，且具有至少两个连接元件，用于使得该过电压保护元件与要保护的电流或信号线路电连接，其中在过电压保护元件的正常状态下，连接元件分别与过电压限制器件的一极导电地接触。

由DE 42 41 311 A1已知一种过电压保护元件，为了监视变阻器的状态，该过电压保护元件具有热的分离装置。这种过电压保护元件的第一连接元件通过柔性导线与刚性的隔离元件连接，该隔离元件的背离柔性导线的一端通过焊点与设置在变阻器上的连接片连接。另一连接元件通过柔性导线牢固地与变阻器或者与变阻器上的连接片连接。隔离元件被弹簧***施加力，该力导致隔离元件在钎焊连接断开时直线地移动离开连接片，从而在热过载时使得变阻器电分离。在钎焊连接断开时，通过弹簧***同时触动通讯触点，由此可以对过电压保护元件的状态进行远程监视。

DE 20 2004 006 227 U1也公开了一种过电压保护元件，其中按照温度开关的原理对变阻器的状态进行监视，使得在变阻器过热时断开在变阻器与隔离元件之间设置的钎焊连接，从而引起变阻器的电分离。此外，在钎焊连接断开时，塑料元件通过弹簧的复位力而从第一位置移动至第二位置，在该第二位置，构造成弹性金属簧片的隔离元件通过塑料元件与变阻器在热和电方面分离，从而消除可能在金属簧片与变阻器接触点之间产生的电弧。由于塑料元件具有两个并排布置的彩色标记，故该塑料元件还用作视觉上的状态指示，由此可以直接在现场得知过电压保护元件的状态。

DE 699 04 274 T2也披露了一种带有热分离机构的过电压保护元件。这种过电压保护元件的刚性的被弹性加载的滑块的一端在过电压保护元件的正常状态下既与第一连接元件钎焊在一起，又与同变阻器连接的连接片钎焊在一起。在这里，不允许的变阻器发热还导致焊点变热，从而滑块基于作用于其上的弹簧力而从在第一连接元件与连接片之间的连接部位拉开，这引起变阻器的电分离。

DE 695 03 743 T2公开了一种带有两个变阻器的具有两个隔离机构的过电压保护元件，这些隔离机构可以使得变阻器分别在其寿命结束时各自分离。这些隔离机构都有弹性的分离簧片，其中分离簧片的第一端与第一连接件牢固地连接，分离簧片的第二端在过电压保护元件的正常状态下通过焊点固定在变阻器上的连接簧片上。在变阻器出现不允许的发热时，就会导致钎焊连接熔断。由于分离簧片在钎焊状态（过电压保护元件的正常状态）下偏移离开其静止位置，进而受到预应力，所以，分离簧片的自由端在钎焊连接软化时就弹性地离开变阻器的连接簧片，由此使得变阻器电分离。为了保证所要求的绝缘强度和防泄漏电流能力并消除在分离部位断开时产生的电弧，需要在分离簧片摆动时在分离簧片的第二端与过电压限制器件的连接簧片之间实现尽可能大的间距。

已知的过电压保护元件通常被构造成“保护开关”，其与设备下部一起形成过电压保护设备。这种过电压保护设备例如要保护相导线L1、L2、L3以及中性导线N，必要时还保护接地导线PE，为了安装这种过电压保护设备，就已知的过电压保护设备而言，在设备下部上设置有用于各个导线的相应的连接夹头。为了在机械和电方面简便，设置各个导线。为了在机械和电方面简便地使得设备下部与相应的过电压保护元件接触，把过电压保护元件的连接元件构造成插销，在设备下部中设置有与插销对应的和连接夹头连接的插座，从而可简便地把过电压保护元件插到设备下部上。

由于可插上过电压保护元件，可以非常简便且节省时间地对这种过电压保护设备进行安装和装配。附加地，这种过电压保护设备部分地还具有转换触头作为信号发生器，以及在各个过电压保护元件中具有光学状态指示器，所述信号发生器用于通告至少一个过电压保护元件的状态。通过状态指示器来表明设置在过电压保护元件中的过电压限制器件是否还功能可靠。作为过电压限制器件，在此特别是使用变阻器，然而根据过电压保护元件的使用目的还可以采用充气的过电压防护放电器、火花隙或二极管。

应用于已知的过电压保护元件的前述热分离装置以钎焊连接的熔断为依托，且具有多种目的要实现。在过电压保护元件的正常状态下，也就是在未分离的状态下，必须保证在第一连接元件与过电压限制器件之间的可靠良好的电连接。在超过一定的极限温度时，分离部位必须保证过电压限制器件可靠地分离，以及保证持久的绝缘强度和防泄漏电流能力。然而这里的问题是，在过电压保护元件的正常状态下，由于弹簧元件的弹力，或者由于偏移离开其静止位置的分离簧片的弹力，钎焊连接持久地受到前切应力负荷。

因此，本发明的目的在于，提供一种开头部分所述的过电压保护元件，其中前述缺点得到了避免。在这里，既保证正常状态下的可靠良好的电连接，又保证有缺陷的过电压限制器件可靠地分离。

就开头部分所述的过电压保护元件而言，该目的的实现方式为，在壳体内部设置有可热膨胀的材料，使得在过电压限制器件热过载时，由于可热膨胀的材料膨胀，过电压限制器件的位置相对于连接元件的位置可发生改变，致使过电压限制器件的至少一个极不再与对应的连接元件导电地接触。

可热膨胀的材料优选由低熔点的塑料例如聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）和发泡剂（Treibmittel）组成，在过电压保护元件的正常状态下，这种材料处于固态。若由于过电压限制器件自身不断发热致使可热膨胀的材料温度升高，可热膨胀的材料就会改变其物态而成为液态。在超过一定的极限温度之后，可热膨胀的材料发生反应，伴随着体积急剧增大；可热膨胀的材料起泡。就本发明的过电压保护元件而言，这种因温度升高引起的可热膨胀的材料的体积急剧增大，用于使得过电压限制器件移动离开连接元件，从而将过电压限制器件电分离。

由于可热膨胀的材料在相应地发热时，也就是在过电压限制器件热过载时才被激活，故在连接元件与过电压限制器件的极之间的电接触在正常状态下不因可热膨胀的材料而受到机械负载。

根据本发明的过电压保护元件的一种设计，在连接元件与过电压限制器件的极之间的电接触―基本上如由现有技术已知―通过钎焊连接来实现。为此，在过电压保护元件的正常状态下，过电压限制器件的极分别通过焊点与连接元件连接。在这种情况下，当过电压限制器件的温度超过预定的极限温度时，由膨胀的材料作用到过电压限制器件上的力大于焊点的仍留有的保持力，钎焊连接由此断开。

但根据本发明的过电压保护元件的一种优选设计，代替钎焊连接而设有能承受冲击电流的插塞连接。为此，在过电压保护元件的正常状态下，过电压限制器件的两个极分别通过插塞连接与连接元件连接。在这种情况下，设置在壳体内部的可热膨胀的材料既承担传感器的功能，又承担执行器的功能，所述传感器探测过电压限制器件的不允许的自身发热，所述执行器使得过电压限制器件在热过载时移动离开连接元件。以钎焊连接的熔断为依托的已知的过电压保护元件与此不同，其传感器的功能由焊点来承担，而执行器的功能则由弹簧来承担或者由偏移离开其静止位置的发泡剂来承担。

原则上也可行的是，过电压限制器件的一个极通过焊点与连接元件连接，而另一个极例如通过插塞连接或柔性导线与第二连接元件连接。同样也可行的是，在过电压保护元件的正常状态下，过电压限制器件的一个极通过插塞连接与连接元件连接，而另一个极通过柔性导线与另一连接元件连接。如果过电压限制器件的一个极通过柔性导线与连接元件连接，在过电压限制器件因可热膨胀的材料膨胀而改变位置时，就会只有一个极不再与对应的连接元件导电地接触，但这同样使得过电压限制器件电分离。

但按照本发明的过电压保护元件的一种有利设计，在过电压限制器件热过载时，两个极都与连接元件分离，从而在分离完毕之后，过电压限制器件的两个极与连接元件不再电接触。构造两个分离部位有利于消除可能出现的电弧，因为两个分离部位形成一种串联连接，从而通过两个分离部位的串联连接增加了整个电弧长度，进而也增大了电弧点火电压。在此有利的是，过电压限制器件的两个极―如前所述―分别通过插塞连接与连接元件连接，因为这样就使得电连接的断开主要取决于可热膨胀的材料的温度特性，而不是（还）取决于焊点的断开特性。

根据本发明的过电压保护元件的另一有利设计，过电压限制器件的两个极分别与连接片或连接销导电地连接。构造连接片或连接销在过电压限制器件的极与连接元件之间可以简单地既实现钎焊连接，又实现插塞连接。在第一种情况下，焊点分别设置在连接片或连接销与连接元件之间，而在插塞连接情况下，连接元件在面向连接片或连接销的一侧具有插座。

根据本发明的有利的构造设计，壳体具有外壳和设置在该外壳中的一侧敞开的内壳，其中内壳可相对于外壳移动。在这里，连接元件位置固定地与外壳连接，而过电压限制器件设置在内壳中。在过电压保护元件的正常状态下，盖罩式的内壳包围可热膨胀的材料，使得在可热膨胀的材料膨胀时，内壳与过电压限制器件一起相对于外壳―进而也相对于两个连接元件―移动。因过电压限制器件发热而激活的可热膨胀的材料由此使得内壳与设置于其中的过电压限制器件一起受到压迫而离开连接元件，从而过电压限制器件的极不再与连接元件导电地接触。

为了确保在内壳移动时过电压限制器件也随之移动，该过电压限制器件优选通过保持元件与内壳连接。该保持元件例如可以为杆状结构，其两端固定在壳体的内壁上，因而它在过电压限制器件的横向上延伸。

根据本发明的过电压保护元件的一种优选设计，其带有外壳和可移动地设置在外壳中的内壳，内壳的位置变化用于在视觉上指示过电压限制器件的状态。为此，在过电压保护元件的正常状态下，内壳在外壳中处于其第一位置，使得内壳的顶面不突出于外壳的顶面。而在过电压保护元件热过载时，内壳由于材料膨胀而移动至第二位置，此时，内壳的顶面突出于外壳的顶面。在过电压保护元件热过载时出现的内壳移动因而用于指示过电压保护元件的功能状态。

根据本发明的过电压保护元件的一种替代的构造设计，壳体具有两个相互绝缘的导电的保持元件，其中在过电压保护元件的正常状态下，这些保持元件分别与过电压限制器件的一个极或者连接销或连接片导电地接触。在这种情况下，这些保持元件包围可热膨胀的材料，从而过电压限制器件在不允许地发热时由于材料膨胀而相对于这些保持元件移动。过电压限制器件于是不再与保持元件导电地接触，并且电分离。按照这种设计，导电的保持元件既用作壳体，又用作连接元件，所述壳体用于容纳过电压限制器件和可热膨胀的材料，所述连接元件用于电连接过电压限制器件的极。

在过电压防护放电器的极或与极连接的连接片或连接销和用作连接元件的保持元件之间的导电的接触既可以通过钎焊连接来实现，又可以通过插塞连接来实现，其中在以插塞连接来实现时，可以在保持元件与连接片或连接销的连接区域中设置有对应的插座。特别是在把充气的过电压防护放电器用作过电压限制器件时适宜采用这种过电压保护元件，其中过电压防护放电器可以通过例如保持元件例如与电路板连接。

视保持元件的设计情况和过电压限制器件以及可热膨胀的材料在保持元件之间的布置方式而定，过电压限制器件在热过载时被膨胀的材料要么向上―垂直于纵向延伸方向―挤压，要么水平地朝向旁侧挤压。不言而喻，当然也可以采用如下设计：过电压限制器件被膨胀的材料既向上挤压，又朝向旁侧挤压。在任何情况下，通过可热膨胀的材料的膨胀和由此引起的过电压限制器件的位置改变来负责使得过电压限制器件的极不再与保持元件导电地接触。

为了保证高绝缘强度和防泄漏电流能力，并消除在过电压限制器件的极与连接元件之间的接触断开时所产生的电弧，在现有技术中必须实现使得过电压限制器件的极或连接片与连接元件之间的间距尽可能大。而就本发明的过电压保护元件而言，根据一种有利的设计规定，可热膨胀的材料在过电压限制器件热过载时挤入到在过电压限制器件的至少一个极或一个连接片或一个连接销与至少一个连接元件之间形成的中间空间内，从而在电接触断开时所产生的电弧被绝缘的可热膨胀的材料抑制住或消除。替代地或附加地，可以在连接元件的区域中设置有至少一个例如由POM构成的塑料部件，该塑料部件在加热时放出气体。如果在塑料部件的附近出现电弧，就利用通过塑料部件分解而产生的灭弧气体的吹风来消除该电弧。

根据本发明的过电压保护元件的另一有利的设计，这里还要简短地提及，替代于或附加于前述视觉上的状态显示，设有可远程传递的状态显示，为此在壳体内部设置有通讯触点，在过电压限制器件因材料膨胀而改变位置时触动该触点。

应用于本发明的过电压保护元件的可热膨胀的材料优选具有大于80℃的激活温度。可热膨胀的材料的激活温度，也就是材料膨胀时的温度，优选介于120℃-150℃。由此使得可热膨胀的材料的激活温度最佳地适应于过电压保护元件的通常约为80℃的最大允许工作温度。

如前面已经介绍过，可热膨胀的材料使得过电压限制器件移动离开其第一位置。因此希望在该材料已达到其激活温度时该材料明显地膨胀。可热膨胀的材料的体积在此优选至少增大200％，也就是说，至少为可热膨胀的材料在其激活之前的体积的两倍。由于在过载情况下需要过电压限制器件迅速分离，故可热膨胀的材料经过优选的设计，使得其激活反应时间小于一秒。

为了实现前述边缘条件，即所希望的激活温度、体积增大和反应时间，可热膨胀的材料优选由载体材料和发泡剂构成。作为载体材料特别是可以采用热塑性聚合物，这种聚合物优选选自具有如下成分的组：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、聚交酯（PLA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚烯烃比如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚异丁烯（PIB）、聚丁烯（PB）、聚苯乙烯（PS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和赛璐珞。替代地也可以采用肖氏A硬度小的弹性体作为载体材料，其中肖氏A硬度优选小于20。

作为发泡剂，可以要么采用化学作用的发泡剂，要么采用物理作用的发泡剂。根据一种优选的设计，采用一种物理作用的由极小的空心基体构成的发泡剂，这些空心基体充满以液态存在的气体。这种发泡剂也称为微小球（Mikrosphären）。空心基体的大小处于一位数的至二位数的微米范围内。基体的包裹物是不可扩散的，且在激活温度以下为刚性，而在达到激活温度时为弹性。温度上升引起相变，使得空心基体内的液体从液态变为气态，引起体积非常明显地增大。适当地选择液体或气体，即可调节激活温度，使得发泡剂能适应于相应的应用情况。

发泡剂的份额相比于载体材料优选约为5-15％。这种混合比例可实现使得由载体材料和发泡剂构成的可热膨胀的材料的体积足够好地符合实际地增大。总之，由此可实现体积增大5倍。

所选取的载体材料的软环温度应处于发泡剂激活温度的数量级内。按照这种观点，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）也特别好地适宜作为载体材料。根据应用情况来选取载体材料或发泡剂，使得发泡剂的激活温度大于或小于载体材料的软化温度。有些应用需要尽快分离构件或触动开关，此时有利的是，发泡剂的激活温度略小于载体材料的软化温度。于是这导致发泡剂在达到载体材料的软化温度之前就已经开始反应。由此在可热膨胀的材料中产生预应力，使得在达到软化温度时体积非常迅速地增大。

如果选取的载体材料和发泡剂使得发泡剂激活温度大于载体材料软环温度，就会引起载体材料在发泡剂反应之前就已经软化，致使材料体积在达到激活温度时开始增大，而增大到最大体积或者再次低于激活温度时结束增大。这种情况下的过程进展速度明显慢于激活温度小于软化温度的情况。这种进展缓慢的过程例如适合于在视觉上的状态指示改变。为了改变因可热膨胀的材料体积增大引起的视觉上的状态指示，可以采用具有不同激活温度的发泡剂的材料组合，由此可以实现根据各次出现的温度而梯级式地改变状态指示。

根据一种替代的设计，可热膨胀的材料由两种在非激活状态下相互隔离的组分构成，其中这些组分在取消隔离时相互反应，伴随着体积增大。这两种组分例如可以是碳酸氢钠和酸如柠檬酸，它们起初被隔离层相互隔离。当例如在机械或热作用下取消隔离时，两种组分就会相互反应而释放出气体，引起体积增大。也可以采用多组分聚氨酯或者借助例如在点燃式燃烧过程中进行的快速氧化来实现类似的反应。

按照可热膨胀的材料的惯常设计，体积增大是不可逆的。然而，适当地选取和布置发泡剂和载体材料，就能实现使得载体材料再次转变为其初始状态，在冷却的情况下发泡剂也会转变为其初始状态，从而可以使得材料的体积增大逆转。

由于可热膨胀的材料尤其是发泡剂的激活取决于把热量引入到可热膨胀的材料中，所以需要使得良好的热量输入适应于要监视的过电压限制器件。为了增加引入到可热膨胀的材料中的热量或者对此加以改善，可以额外地把能量从外面输入到材料中，以此进行主动加热。

为此可以在可热膨胀的材料中例如嵌入加热电阻，加热电阻自身的损耗功率排放引起材料的额外发热。替代地也可以在材料中埋入加热管线或导热能力大的例如铜制的导线。最后，也可以给材料掺入导电的组成部分，例如石墨粉末或铜粉末，以此来额外地加热可热膨胀的材料。这样就使得材料自身具备导电性，从而在施加电压时利用流经材料的电流对材料进行全面加热。在达到激活温度时，材料体积开始增大，在这种情况下电阻增大，这是因为每单位体积的可导电组件的数量减少了。优选由此造成电流彻底中断，进而切断附加的热量输入。

除了前述过电压保护元件外，本发明还涉及可热膨胀的材料作为功能材料的应用，用于探测电的或电子的器件因器件过载或老化所致的不允许的发热，其中可热膨胀的材料在发热高于一定的激活温度时膨胀，通过可热膨胀的材料的膨胀来中断对器件的电能供应。所述器件优选是前述过电压保护元件中的过电压限制器件。

具体而言，本发明的过电压保护元件现有多种设计和改进方案。对此既参见权利要求1之后的那些权利要求，又参见结合附图对优选实施例的如下说明。附图中：

图1为处于正常状态下的过电压保护元件的第一实施例的剖视图；

图2为根据图1的过电压保护元件的剖视图，其中变阻器分离；

图3为根据图1的过电压保护元件的另一剖视图，其中变阻器分离；

图4为处于正常状态下的过电压保护元件的第二实施例的剖视图；

图5为处于正常状态下的根据图4的过电压保护元件的俯视图；

图6为根据图4的过电压保护元件的剖视图，其中过电压防护放电器分离；

图7为处于正常状态下的过电压保护元件的第三实施例的剖视图；

图8为根据图7的过电压保护元件的俯视图；

图9为根据图8的过电压保护元件的俯视图，其中过电压防护放电器分离；

图10-12示出根据图6的过电压保护元件的三种方案，其中过电压防护放电器分离。

这些附图示出一种带有壳体2的过电压保护元件1，其中在壳体2中设置有过电压限制器件。在根据图1-3的实施例中，该过电压限制器件是变阻器3，而根据图4-12的过电压保护元件1是充气的过电压防护放电器3′。

根据图1-3的过电压保护元件1可以是保护插头，它具有两个连接元件4、5，这些连接元件可***到这里未示出的壳体下部的对应的连接插座中。在过电压保护元件1的正常状态下，连接元件4、5分别与变阻器3的一极连接，从而变阻器3通过两个连接元件4、5与要保护的电流或信号线路连接。

如由图1、4和7可见，在过电压保护元件1的正常状态下，在壳体2中设置有可热膨胀的材料6，该材料例如可以是发泡型材料，这种材料起初是固态的，而在温度上升时其物态就会改变为液态。在超过激活温度时，可热膨胀的材料6发生反应，体积急剧增大，也就是说，材料6发泡膨胀。于是这导致变阻器3或过电压防护放电器3′的位置相对于连接元件4、5的位置发生改变，因为可热膨胀的材料6压迫变阻器3或过电压防护放电器3′离开其第一位置。在这种情况下，变阻器3或过电压防护放电器3′在根据图2和6的实施例中受到压迫向上离开，而在根据图9的实施例中受到压迫向旁侧离开。

根据图1-3的过电压保护元件1与根据图4-12的过电压保护元件1相互间的区别首先是，作为过电压限制器件在第一实施例中采用变阻器3，而在其它实施例中则采用充气的过电压防护放电器3′。这些过电压保护元件1的区别还在于，变阻器3和连接元件4、5之间的电接触方式不同于过电压防护放电器3′和连接元件4、5之间的电接触方式。

若在根据图4和7的两个实施例中，在过电压保护元件1的正常状态下，过电压防护放电器3′的两极分别通过焊点7、8与两个连接元件4、5连接，则变阻器3的两极通过插塞连接件9、10与两个连接元件4、5导电地接触。在这里，变阻器3的两极通过两个连接片11、12与连接元件4、5连接，其中连接元件4、5在面向连接片11、12的侧面分别具有插座13、14。在过电压保护元件1的图4所示的实施例中，过电压防护放电器3′的两极分别与连接销15、16连接，从而焊点7、8在连接销15、16与连接元件4、5之间形成。

在根据图1-3的本发明的过电压保护元件1的实施例中，壳体2具有外壳17和内壳18，内壳可移动地设置在该外壳17中。如由图可见，内壳18的底面敞开，从而内壳18盖罩式地包围变阻器3和可热膨胀的材料6。如果因变阻器3过载或老化致使变阻器3的阻抗减小，就会有不允许的泄漏电流流经变阻器3，引起变阻器3发热。由于变阻器3至少部分地被可热膨胀的材料6包围，故变阻器3的自身发热还引起材料6发热，从而该材料在超过一定的激活温度时急剧膨胀。这引起被外壳17和内壳18包围的空间内的压力升高，从而当内壳18在外壳17中的保持力和连接片11、12与插座13、14之间的接触力被膨胀的材料6的力超过时，内壳18被膨胀的材料6向上顶压。

为了利用内壳18还使得变阻器3向上移动，变阻器3通过保持元件19与内壳18连接，其中保持元件19设置在变阻器3的下方，且在根据图1-3的视图中垂直于图面延伸，也就是在变阻器3的横向上延伸。内壳18因而类似于活塞在外壳17中移动，其中图中未示出的止挡负责向上限制内壳18的升程运动。

如由图1可见，在过电压保护元件1的正常状态下，内壳18在外壳17中处于第一位置，此时，内壳18的顶面20基本上与外壳17的顶面21齐平地终止，因而内壳18的顶面20并不突出于外壳17。与此不同的是，在过电压保护元件1的热过载情况下，在变阻器3电分离之后，内壳18处于―图2所示的―第二位置，此时，内壳18的顶面20突出于外壳17的顶面21。内壳18的位置因而用作视觉上的状态指示，用于指示过电压保护元件1的状态。

此前已介绍过，作为可热膨胀的材料6，优选使用发泡型材料，这种材料在过电压保护元件1的正常状态下是固态的，而在温度上升时起初为液态。为了可靠地防止出现液态发泡的材料6，按照所示实施例，在连接元件4、5的上方，也就是在内壳18的敞开底面的对面，在外壳17中设置有密封膜22。在过电压保护元件1的正常状态下，连接片11、12延伸穿过在密封膜22上开设的狭缝，从而连接片11、12与插座13、14接触，进而与连接元件4、5导电地接触。

图3示出根据图1的过电压保护元件1，其中内壳18处于第二位置，从而变阻器3分离。然而与根据图2的视图不同，在根据图3的视图中，变阻器3或内壳18并非因可热膨胀的材料6膨胀而向上移动，而是由于过压才向上移动，由于极端过载使得变阻器3破裂而引起这种过压。极端过载会使得变阻器3突然转变为低阻抗状态，从而在这种极端情况下会有电流流经变阻器3，这种电流是在电网上产生的，大小为短路电流。在此种情况下流经变阻器3的电流会造成变阻器3损坏进而破裂。在这种情况下产生的压力通过在设置于变阻器3下面的保持元件19上开设的开口23传递到由外壳17、内壳18和密封膜22构成的空间24中。在该空间24中产生的压力于是导致内壳18从其第一位置被向上压迫到其第二位置，由此也使得变阻器3移动离开连接元件4、5，从而连接片11、12不再与插座13、14导电地接触。过载的变阻器3由此可靠地迅速地分离。

在内壳18的图3所示的位置，在空间24中产生的升高的压力可以经由在外壳17上开设的开口25卸压。这些开口25适当地布置在外壳17上，使得它们被内壳18封闭，只要内壳18尚未处于其第二位置。

按照过电压保护元件1的图4所示的实施例，壳体2并非由外壳和内壳构成，而是由两个横截面为U形的保持元件26、27构成，这些保持元件除了用于容纳可热膨胀的材料6外，还用于在过电压保护元件1的正常状态下保持和接触过电压防护放电器3′的连接销15、16。按照过电压保护元件1的图4-12所示的实施例，两个相互绝缘的导电的保持元件26、27由此同时用作充气的过电压防护放电器3′的连接元件4、5。由图4可见，在过电压保护元件1的正常状态下，在两个连接销15、16和保持元件26、27之间分别构造有焊点7、8。

若该过电压保护元件1的过电压防护放电器3′出现发热，则这也会引起设置在过电压防护放电器3′下面的可热膨胀的材料6发热，从而该可热膨胀的材料在达到其激活温度时膨胀。于是，在由可热膨胀的材料6施加的力大于软化的焊点7、8的保持力时，过电压防护放电器3′就会被向上顶压。在过电压防护放电器3′的图6所示的该第二位置，两个连接销15、16不再与保持元件26、27导电地接触，从而过电压防护放电器3′通过保持元件26、27也不再与要保护的信号线路连接。在根据图4-12的实施例中，保持元件26、27与电路板28连接，由此使得保持元件26、27与要保护的信号线路进行电连接。

代替图中所示的在连接销15、16与保持元件26、27之间的钎焊连接，原则上也可以规定根据图1-3的插塞连接。在这种情况下，保持元件26、27在面向连接销15、16的侧面将具有相应的插座。

若在根据图4-6的实施例中适当地构造保持元件26、27并把可热膨胀的材料6适当地设置在保持元件26、27之间，使得在过电压防护放电器3′热过载时该过电压防护放电器被可热膨胀的材料6向上顶压，则在根据图7-9的实施例中，过电压防护放电器3′被可热膨胀的材料6挤压离开而水平地朝向旁侧。

原则上，在断开电流所流过的电触点时会出现电弧，这对于过电压保护元件1来说会造成即使在过电压限制器件真正地分离的状态下通过电弧仍有不允许的电流流动。这种电弧在过电压保护元件1的图2所示的实施例中采取如下措施予以避免：使得可热膨胀的材料6在变阻器3热过载时挤入到在连接片11、12与插座13、14之间形成的中间空间中。可能的开关电弧通过连接片11、12的周围起泡（Umschäumen）得到消除。这相应地也适用于过电压防护放电器3′的图9所示的左边的连接销15。

此外在过电压保护元件1的图3所示的状况下，同样为了消除在连接片11、12与插座13、14之间的电连接断开时所产生的电弧，用塑料部件29包围两个连接元件4、5，使得在产生电弧时放出气体。因而在产生电弧时通过塑料部件29的分解来参产生电弧吹风，由此消除电弧。

图10-12示出了过电压保护元件1的三种不同的方案，它们均有别于根据图6的设计，而它们相互间的区别仅在于可热膨胀的材料6的构造。

在根据图10的实施例中，在可热膨胀的材料6内设置有导电颗粒30，这种导电颗粒例如可以是石墨粉末或铜粉末。掺入导电颗粒30将实现材料6的自身导电性，从而在施加电压时有电流流经可热膨胀的材料6，材料6被该电流全面地加热。在材料6达到其激活温度时，就会出现体积增大，这也引起每单位体积的导电组件数量减少，因而随着体积增大而减小了材料6的导电性，优选减小到一定程度，致使在体积增到最大时不再有电流流经材料6。

在根据图11和12的实施例中，在可热膨胀的材料6内埋入加热管线31或电阻线32，由此在有电流流经加热管线31或电阻线32时也会使得材料出现附加的发热。加热管线31和电阻线32的接头在此可以要么―如图11和12中所示―分开地制造，要么与连接元件4、5连接。在第二种情况下，过电压防护放电器3′上的电流还用于通过加热管线31或电阻线32附加地加热可热膨胀的材料6。

可见，可热膨胀的材料6的前述方案或设计不仅可以应用于根据图6的带有充气的过电压防护放电器3′的过电压保护元件1，而且可以应用于根据图1的带有变阻器3的过电压保护元件1。

Claims (28)

1.一种带有壳体（2）的过电压保护元件，具有设置在壳体（2）中的至少一个过电压限制器件（3），且具有两个连接元件（4、5），用于使得该过电压保护元件（1）与要保护的电流线路或信号线路电连接，其中在过电压保护元件（1）的正常状态下，连接元件（4、5）分别与过电压限制器件（3）的一极导电地接触，

其特征在于，

在壳体（2）内部设置有可热膨胀的材料（6），使得在过电压限制器件（3、3′）热过载时，由于可热膨胀的材料（6）膨胀，过电压限制器件（3、3′）的位置相对于连接元件（4、5）的位置可发生改变，致使过电压限制器件（3、3′）的至少一个极不再与对应的连接元件（4、5）导电地接触，

在过电压保护元件（1）的正常状态下，过电压限制器件（3、3′）的两个极通过插塞连接（9、10）与连接元件（4、5）连接，并且

在过电压限制器件(3、3′)因可热膨胀的材料(6)膨胀而改变位置时，所述插塞连接(9、10)分离。

2.如权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，所述过电压限制器件（3）是变阻器或充气的过电压防护放电器。

3.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，过电压限制器件（3、3′）的两个极分别与连接片（11、12）或连接销（15、16）导电地连接。

4.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，壳体（2）具有外壳（17）和设置在该外壳（17）中的、一侧敞开的内壳（18）；连接元件（4、5）位置固定地与外壳（17）连接；过电压限制器件（3、3′）设置在内壳（18）中；在过电压保护元件（1）的正常状态下，内壳（18）包围可热膨胀的材料（6）；在因过电压限制器件（3、3′）变热致使可热膨胀的材料（6）膨胀时，内壳（18）可与过电压限制器件（3、3′）一起相对于外壳（17）移动。

5.如权利要求4所述的过电压保护元件，其特征在于，过电压限制器件（3、3′）通过保持元件（19）与内壳（18）连接，其中，该保持元件（19）以其两端固定在内壳（18）的内壁上。

6.如权利要求5所述的过电压保护元件，其特征在于，该保持元件（19）在过电压限制器件（3）的横向上延伸。

7.如权利要求4所述的过电压保护元件，其特征在于，在过电压保护元件（1）的正常状态下，内壳（18）在外壳（17）中处于第一位置，在该第一位置，内壳（18）的顶面（20）不突出于外壳（17）的顶面（21）；在过电压保护元件（1）热过载时，内壳（18）可移动至第二位置，在该第二位置，内壳（18）的顶面（20）突出于外壳（17）的顶面（21）。

8.如权利要求4所述的过电压保护元件，其中，过电压限制器件（3、3′）的两个极分别与连接片（11、12）导电地连接，其特征在于，在内壳（18）的面向连接元件（4、5）的敞开的一侧设置有密封膜（22），其中在过电压保护元件（1）的正常状态下，连接片（11、12）延伸穿过密封膜（22），从而连接片（11、12）与连接元件（4、5）导电地接触。

9.如权利要求8所述的过电压保护元件，其特征在于，在设置于过电压限制器件（3、3′）下面的保持元件（19）上开设有开口（23），在由于极端过载致使电压限制器件（3、3′）损坏时产生的压力可以经由该开口卸压，从而使得带有过电压限制器件（3、3′）的内壳（18）的位置相对于外壳（17）改变，过电压限制器件（3、3′）的极因而不再与连接元件（4、5）导电地接触。

10.如权利要求7所述的过电压保护元件，其特征在于，在外壳（17）上开设有至少一个开口（25），当内壳（18）处于所述第二位置时，压力可以经由所述至少一个开口（25）卸压。

11.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，壳体（2）具有两个相互绝缘的导电的保持元件（26、27）；在过电压保护元件（1）的正常状态下，所述保持元件（26、27）分别与过电压限制器件（3、3′）的一个极或者一个连接片（11、12）或连接销（15、16）导电地接触，并包围可热膨胀的材料（6）；在由于过电压限制器件（3、3′）发热致使可热膨胀的材料（6）膨胀时，过电压限制器件（3、3′）可相对于保持元件（26、27）移动。

12.如权利要求11所述的过电压保护元件，其特征在于，过电压限制器件（3、3′）在热过载时由于可热膨胀的材料（6）膨胀而被向上挤压，使得过电压限制器件（3、3′）的极不再与保持元件（26、27）导电地接触。

13.如权利要求11所述的过电压保护元件，其特征在于，过电压限制器件（3、3′）在热过载时由于可热膨胀的材料（6）膨胀而被水平地朝向旁侧挤压，使得过电压限制器件（3、3′）的极不再与保持元件（26、27）导电地接触。

14.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，可热膨胀的材料（6）在过电压限制器件（3、3′）热过载时挤入到在过电压限制器件（3、3′）的至少一个极或一个连接片（11、12）或一个连接销（15、16）与至少一个连接元件（4、5）之间形成的中间空间内，从而在至少一个极与至少一个连接元件（4、5）之间的电接触断开时所产生的电弧被绝缘的可热膨胀的材料（6）抑制住或消除。

15.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，在连接元件（4、5）的区域中设置有至少一个塑料部件（29），该塑料部件在加热时放出气体。

16.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，在壳体（2）内部设置有通讯触点，在过电压限制器件（3、3′）由于可热膨胀的材料（6）膨胀而改变位置时触动该通讯触点。

17.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，在热过载时，由于可热膨胀的材料（6）膨胀和/或过电压限制器件（3、3′）改变位置，引起视觉上的状态指示发生改变。

18.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，可热膨胀的材料（6）的激活温度大于80℃。

19.如权利要求18所述的过电压保护元件，其特征在于，可热膨胀的材料（6）的激活温度在120℃和150℃之间。

20.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，可热膨胀的材料（6）的体积至少增大200％。

21.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，可热膨胀的材料（6）具有载体材料和发泡剂。

22.如权利要求21所述的过电压保护元件，其特征在于，所述载体材料是热塑性聚合物或肖氏硬度小的弹性体。

23.如权利要求21所述的过电压保护元件，其特征在于，所述发泡剂为采用物理作用的发泡剂。

24.如权利要求23所述的过电压保护元件，其特征在于，所述发泡剂是微小球。

25.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，可热膨胀的材料（6）具有两种在非激活状态下相互隔离的组分，其中所述组分在取消隔离时相互反应，伴随着体积增大。

26.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，额外地从外面输入能量，以此进行主动加热，由此支持对可热膨胀的材料（6）的激活。

27.如权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，可热膨胀的材料（6）是发泡型材料。

28.可热膨胀的材料作为功能材料的应用，用于探测电的或电子的器件因器件过载或老化所致的不允许的发热，所述器件是在根据权利要求1至27中任一项的过电压保护元件中的过电压限制器件，其中可热膨胀的材料在发热高于一定的激活温度时膨胀，通过可热膨胀的材料的膨胀来中断对器件的电能供应。