温控开关、其应用方法及使用该温控开关的报警系统

摘要

本发明涉及一种温控开关，其包括一双稳态电阻元件，该双稳态电阻元件包括一高分子载体及分散在该高分子载体中的多个金属颗粒。该双稳态电阻元件具有一低阻态与一高阻态两个工作状态。在低阻态，所述多个金属颗粒表面形成有金属导电丝，该多个金属颗粒通过该金属导电丝形成一导电通路。在高阻态，所述多个金属颗粒表面的金属导电丝断裂，使所述导电通路断开。所述低阻态的触发信号为一激励电场。所述高阻态的触发信号为一温差信号。本发明还涉及一种应用该温控开关的方法及一种使用该温控开关的报警系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种温控开关、应用该温控开关的方法及使用该温控开关的报警系统。

背景技术

在一些要求工作温度稳定的场合，如生产车间、反应炉等，需要一温控开关来监控工作温度的变化。该温控开关不仅能感测所述所述工作温度，还能够根据该工作温度的变化，在所述工作温度的变化大于或小于一设定值时，使该温控开关保持在一个固定的工作状态，从而使与该温控开关连接的一报警系统能够保持在报警状态，即便所述场合的工作温度的变化消除。

为使所述温控开关能够在监测到温度变化时保持在固定的工作状态，该温控开关不仅包括一感测工作温度的温度传感器，还包括一具逻辑运算能力的集成芯片或电路。所述集成芯片或电路根据温度传感器感测到的温度信号判断所述工作温度的变化是否大于等于所述设定值。当所述工作温度的变化大于或小于所述设定值时，所述集成芯片发出操作指令并使所述温控开关保持在固定的工作状态。

从上述描述可以看出，为使所述温控开关能够监测到工作温度的变化而工作在固定的工作状态，该温控开关必须包括复杂的逻辑运算元件，如上述集成芯片，从而使得所述温控开关所包括的器件较多，结构比较复杂。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种结构简单的温控开关、应用该温控开关的方法及使用该温控开关的报警系统。

一种温控开关，其包括一双稳态电阻元件，该双稳态电阻元件包括一高分子载体及分散在该高分子载体中的多个金属颗粒。该双稳态电阻元件具有一低阻态与一高阻态两个工作状态。在低阻态，所述多个金属颗粒表面形成有金属导电丝，该多个金属颗粒通过该金属导电丝形成一导电通路。在高阻态，所述多个金属颗粒表面的金属导电丝断裂，使所述导电通路断开。所述低阻态的触发信号为一激励电场。所述高阻态的触发信号为一温差信号，所述温差信号为所述导电通路形成时直接作用在该双稳态电阻元件的一初始温度与所述导电通路断开时直接作用在该双稳态电阻元件的一触发温度的绝对差值。

一种温控开关，其包括一双稳态电阻元件，该双稳态电阻元件包括一高分子载体及分散在该高分子载体中的多个金属颗粒。一激励电场产生单元，用于产生一激励电场使所述多个金属颗粒形成一导电通路并记忆一初始温度。一温差信号产生单元，用于产生一大于等于一最小温差的温差信号使所述导电通路断开。

一种温控开关，其包括一双稳态电阻元件、一发出激励电场的激励电场产生单元及一发出温差信号的温差信号产生单元。该双稳态电阻元件包括一高分子载体及分散在该高分子载体中的多个金属颗粒。该激励电场作用于所述双稳态电阻元件使所述多个金属颗粒形成一导电通路并使该双稳态电阻元件记忆一初始温度；该温差信号产生单元用于产生一大于等于一最小温差的温差信号使所述导电通路断开。

一种应用温控开关的方法，包括以下步骤：提供一双稳态电阻元件，该双稳态电阻元件包括一高分子载体及分散在该高分子载体中的多个金属颗粒；当需要监测所述温控开关所处环境的工作温度变化时，在初始温度T1施加一激励电场作用于该双稳态电阻元件，使该双稳态电阻元件处于并维持低阻态；当所述双稳态电阻元件的温度变化超过最小温差ΔT时，该双稳态电阻元件由低阻态变成高阻态并维持于高阻态。

一种报警系统，其包括一报警装置及一温控开关。该温控开关用于控制所述报警装置报警。该温控开关包括一双稳态电阻元件、一激励电场产生单元及温差信号产生单元。该双稳态电阻元件包括一高分子载体及分散在该高分子载体中的多个金属颗粒。该激励电场产生单元，用于施加一激励电场使该双稳态电阻元件工作于低阻态。该温差信号产生单元，用于产生一温差信号使该双稳态电阻元件工作于高阻态。

与现有技术相比较，所述温控开关中的双稳态电阻元件通过该激励电场与所述温差信号在低阻态与高阻态之间进行转换，且在感应到该温差信号后自动切换到高阻态。从而使该温控开关不需要结构复杂的逻辑运算元件，仅需要一双稳态电阻元件就能监测该温控开关所处环境的工作温度的变化，且能在监测到该工作温度的变化时保持在固定的工作状态，如高阻状态，从而使得所述温控开关结构简单。进一步地，该双稳态电阻元件在所述激励电场作用下又工作在低阻态，可用来再次监测所述温差信号。

附图说明

图1为本发明实施例提供的温控开关的结构示意图。

图2为图1中温控开关中的双稳态电阻元件的结构示意图。

图3为图2中的双稳态电阻元件形成有导电通路的结构示意图。

图4为图3中的双稳态电阻元件在导电通路断开时的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的初始工作温度在24摄氏度的温控开关外接一电源时的电流变化曲线示意图。

图6为本发明实施例提供的初始工作温度在14摄氏度的温控开关外接一电源时的电流变化曲线示意图。

图7为本发明实施提供的另一种温控开关在未包括温差产生装置的结构示意图。

图8为应用本发明实施例提供的温控开关的流程示意图。

图9为具本发明实施例提供的温控开关的一种报警系统的连接示意图。

主要元件符号说明

温控开关            100

双稳态电阻元件      10

金属颗粒            11

高分子载体          12

金属导电丝          13

激励电场产生单元    20

温差信号产生单元    30

电极                40

报警系统            200

电源                210

报警装置            220

具体实施方式

以下将结合附图对本发明实施例进行详细说明。

请参见图1，本发明实施例提供一种温控开关100，其包括一双稳态电阻元件10、一激励电场产生单元20及一温差信号产生单元30。

请参见图2至图4，所述双稳态电阻元件10为一复合材料，其包括多个金属颗粒11及一高分子载体12，该多个金属颗粒11分散在高分子载体12中。所述双稳态电阻元件10具有一低阻态与一高阻态两个工作状态。在低阻态，所述多个金属颗粒11表面形成有金属导电丝13(Filament)，该多个金属颗粒11通过该金属导电丝13形成一导电通路。在高阻态，所述多个金属颗粒11表面的金属导电丝13断裂，使所述导电通路断开。所述高分子载体12为具有明显地热胀冷缩效应的绝缘材料，用于支撑所述金属颗粒11，并在受热或受冷时产生热胀冷缩。在本实施例中，金属颗粒11为粒径在1微米～6微米左右的镍颗粒，该镍颗粒在所述双稳态电阻元件10中的体积比在9％～11％之间；所述高分子载体12为具有较大热膨胀系数的硅橡胶，用于支撑所述金属颗粒11，具体地，该高分子载体12为与镍颗粒的热膨胀系数的比值大于等于40的聚二甲基硅氧烷(PDMS：PolyDimethylsiloxane)；所述双稳态电阻元件10在高阻态时的电阻与在低阻态时的电阻的比值大致在103∶1与104∶1之间。

所述激励电场产生单元20用于产生一激励电场，该激励电场直接作用于双稳态电阻元件10，使该双稳态电阻元件10工作在低阻态，即该激励电场为所述双稳态电阻元件10工作在低阻态的触发信号。具体地，请参阅图3，所述双稳态电阻元件10种的多个金属颗粒11在该激励电场的激励下从表面延伸出多个金属导电丝13，从而使相邻的两个金属颗粒11之间通过金属导电丝相互连接，从而使相互电连接的金属颗粒11的个数增多，进而形成一个导电通路，该双稳态电阻元件10的电阻产生跃迁，使该双稳态电阻元件10工作在低阻态。在本实施例中，所述激励电场产生单元20为一脉冲信号产生装置，所述激励电场为一脉冲电场。该脉冲电场的宽度在1毫秒～10秒之间，强度在0.3伏特每毫米～3伏特每毫米之间。所述激励电场可通过任意方式加载在所述双稳态电阻元件10，如将该双稳态电阻元件10放置于一具有该激励电场的环境中，如电容中。

所述温差信号产生单元30用于产生一温差信号使所述双稳态电阻元件10发生温度变化。所述温差信号为直接作用于所述双稳态电阻元件10的热量变化。当该温差信号超过一最小温差时，即所述双稳态电阻元件10的温度变化的绝对值大于一预定值时，所述双稳态电阻元件10工作在高阻态，即所述温差信号为使所述双稳态电阻元件10工作于高阻态的触发信号。定义所述导电通路形成时该双稳态电阻元件10的温度为一初始温度，所述温差信号产生单元30产生温差信号，使所述双稳态电阻元件10工作在高阻态时，该双稳态电阻元件10温度为一触发温度，所述温差信号为所述触发温度与初始温度的绝对差值。譬如在该导电通路形成时所述初始温度为20度，而温差信号产生单元30作用于该双稳态电阻元件10后，使所述双稳态电阻元件10工作在高阻态，所述触发温度为15度，则所述温差信号为5度。即，所述温差信号为所述导电通路在形成与断开时该双稳态电阻元件10所处环境的温度变化强度或温度变化值。另外，依据形成导电通路时所述双稳态电阻元件10的温度的不同，所述双稳态电阻元件10可具有不同的初始温度，即上述该双稳态电阻元件10形成导电通路时的初始温度是可变化的。当所述双稳态电阻元件10在不同的温度下被激励电场多次触发形成导电通路时，该双稳态电阻元件10即可具有多个数值不等的初始温度，又可具有多个数值相等的初始温度。即当所述双稳态电阻元件10在高阻态与低阻态之间多次切换时具有的初始温度的数值是可变的。譬如，该双稳态电阻元件10在第一次工作在低阻态时的初始温度为20度，切换到高阻态时的触发温度为15度。此时，若在15度时给所述双稳态电阻元件10施加一激励电场使所述双稳态电阻元件10工作于低阻态，则所述双稳态电阻元件10第二次工作在低阻态时的初始温度为15度。故，所述初始温度是根据施加一激励电场使所述双稳态电阻元件10工作于低阻态时双稳态电阻元件10的温度而确定的，是可以变化的。另外，所述温差信号的产生方式及其采用的温差信号产生单元30的构成不限，只要能使直接作用于该双稳态电阻元件10温度产生变化即可。譬如，所述温差信号可为放置该双稳态电阻元件10的空间内的环境温度的变化，如反应炉中气体温度的变化、自然环境中气温的变化、生产车间的温度变化等；也可为直接作用于该双稳态电阻元件10上的热源，该热源包括靠近所述双稳态电阻元件10的电子元件、照射在该双稳态电阻元件10的加热灯、浸泡该双稳态电阻元件10的液体等。

在工作时，该双稳态电阻元件10在不同的初始温度下对应有不同的最小温差。当该双稳态电阻元件10在一初始温度接收到一激励电场时，所述多个金属颗粒11形成一导电通路，此时，所述双稳态电阻元件10工作在低阻态。此时，该双稳态电阻元件10在该初始温度下具有一个对应的最小温差。请参见图4，当该双稳态电阻元件10接收到一大于所述最小温差的温差信号时，所述双稳态电阻元件10在所述温差信号的作用下产生热胀冷缩，引起该双稳态电阻元件10中分子链的滑动，从而破坏导电通路，使所述双稳态电阻元件10工作在高阻态。具体地，由于该高分子载体12的热膨胀系数远大于所述金属颗粒11的热膨胀系数，所述高分子载体12在所述温差信号下产生热胀冷缩效应，使所述多个金属颗粒11之间产生相对滑移，使该金属颗粒11之间的距离产生变化，从而使所述多个金属导电丝13断裂。且，所述温差信号对所述导电通路的作用为非可逆的，即便是该温差信号撤销，或者再次施加不同的温差信号，所述导电通路依然在断开状态，使该双稳态电阻元件10依然工作在高阻态。

请参阅图5，为本实施例中双稳态电阻元件10电连接一电源时的电流变化曲线示意图。具体的，在一个初始温度大致为24摄氏度时给该双稳态电阻元件10一激励电场使该双稳态电阻元件10工作在低阻态，此时，所述双稳态电阻元件10的电流大于等于0.15毫安，输出一个高电平信号；同时，记录所述初始温度，此时，与初始温度对应的最小温差为1.4摄氏度。而当作用于该双稳态电阻元件10的温度升高或降低1.4摄氏度以上时，即所述温差信号大于等于最小温差时，所述双稳态电阻元件10工作在高阻态，此时，所述双稳态电阻元件10的电流基本为0毫安，输出一个低电平信号。请参阅图6，与图5中的双稳态电阻元件10的测试原理相似，用一激励电场使所述双稳态电阻元件10工作在低阻态时，该初始温度大致为14度，此时，与初始温度对应的最小温差为2摄氏度。当所述双稳态电阻元件10所处环境的温度升高或降低2摄氏度以上时，所述双稳态电阻元件10中的导电通路断开，工作在高阻态。从上述描述还可以看出，所述最小温差为使所述导电通路断开的最小温差信号。

除了本实施例中所列举的材料及结构，所述双稳态电阻元件10中金属颗粒11的种类、粒径、在所述双稳态电阻元件10中的体积比及该高分子载体12的种类并没有特别限制。只要能满足该金属颗粒11在一激励电场下才能形成导电通路，且该导电通路在所述高分子载体12的热胀冷缩下能够断开即可。具体的，所述金属颗粒11还可为金、银、锡、铁、铜或铂等，所述金属颗粒11的粒径范围可为2纳米到20微米，所述金属颗粒11在双稳态电阻元件10中所占的体积比可为5％到40％。所述高分子载体12还可为除聚二甲基硅氧烷外的其他硅橡胶系列；该高分子载体12还可为聚合物，如聚乙烯乙二醇、聚丙烯；该高分子载体12还可为聚酯、环氧树脂系列、缺氧胶系列或压克力胶系列等。所述双稳态电阻元件10在高阻态时的电阻与在低阻态时的电阻的比值也可大于等于10²。进一步地，请参见图7，所述温控开关100还可包括两个电极40，该两个电极40分布在该双稳态电阻元件10相对的两个表面，如该双稳态电阻元件10为一膜状结构时，该两个电极40可将该膜状结构夹持形成一三明治结构。该温控开关100可通过所述两个电极与外部电路电连接，如一控制电路、一报警装置等。为操作方便，所述激励电场产生单元20可通过所述两个电极40与所述双稳态电阻元件10电连接。所述电极40的材料不限，包括金属、导电胶、金属性碳纳米管等。

所述温控开关100中的双稳态电阻元件10通过该激励电场与所述温差信号在低阻态与高阻态之间进行转换，且在感应到该温差信号后自动切换到高阻态。从而使该温控开关100不需要结构复杂的逻辑运算元件，仅需要一双稳态电阻元件10就能监测该温控开关100所处环境的工作温度的变化，且能在监测到该工作温度的变化时保持在固定的工作状态，如高阻状态，从而使得所述温控开关100结构简单。进一步地，该双稳态电阻元件10在所述激励电场作用下又工作在低阻态，可用来再次监测所述温差信号。

请参见图8，为应用所述温控开关100的方法，包括以下步骤。

步骤S101，提供一双稳态电阻元件10，该双稳态电阻元件10包括一高分子载体12及分散在该高分子载体12中的多个金属颗粒11。

步骤S102，当需要监测所述温控开关100所处环境的工作温度变化时，在初始温度T1施加一激励电场作用于该双稳态电阻元件10，使该双稳态电阻元件10处于并维持低阻态。所述初始温度T1为施加该激励电场时所述双稳态电阻元件10的温度。

步骤S103，当所述双稳态电阻元件10的温度变化超过最小温差ΔT时，该双稳态电阻元件10由低阻态变成高阻态并维持于高阻态。即，当所述双稳态电阻元件10的温度变化|T2-T1|≥ΔT时，该双稳态电阻元件10的工作状态发生变换并固定工作在高阻态。

由上述描述可看出，在应用所述温控开关100时，可先确定一个最佳工作温度，如20摄氏度。在该最佳工作温度对该双稳态电阻元件10进行电场激励使其工作在低阻态。此时，所述温控开关100即可用来监控所处环境的工作温度变化。而，当所述工作温度上升或者下降的幅度大于ΔT时，所述双稳态电阻元件10自动切换到高阻态，直到下一个激励电场的激励。

请参见图9，为使用本发明实施例提供的温控开关100的一种报警系统200，该报警系统200还包括一电源210及一报警装置220。

所述电源210分别与所述温控开关100及报警装置220电连接组成一回路。该电源210用于为所述回路提供电压，且该电源210在该双稳态电阻元件10所产生的电场不会触发该双稳态电阻元件10使该双稳态电阻元件10工作在高阻态。

所述温控开关用于控制所述报警装置220报警。具体地，当所述激励电场产生单元20产生一激励电场使所述温控开关100工作在低阻态时，所述报警装置220用来监控温差信号产生单元30的温差变化。当该温差信号产生单元30产生一温差信号使该温控开关100工作在高阻态时所述报警装置220发出一报警信号。即该报警装置220仅在该温控开关100记忆有温差信号时发出报警信号，直到该温控开关100接收到一激励电场。

所述报警装置220与所述温控开关100可串联在所述回路中，也可并联在该回路中。在本实施例中，所述报警装置220可与所述温控开关100串联，当该温控开关100工作在高阻态时，所述回路电流降低，从而使所述报警装置220发出报警信号。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。