УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОГО ПРИБОРА Российский патент 1996 года по МПК H01H37/76 H05B1/02 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты от перегрева бытовых электронагревательных приборов при возникновении в этих приборах неисправности регулятора, в частности, для электроутюгов.

Известно устройство защиты электронагревательных приборов от перегрева с помощью плавкого элемента по а.с. СССР N 1647689, Н 01 Н 37/76. Термовыключатель содержит трубчатый термочувствительный элемент, к торцевым концам которого припаяны выводы. Трубчатый элемент заполнен активатором, повышающим надежность разрыва цепи за счет улучшения смачиваемости плавкого материала при расплавлении. Трубчатый термочувствительный элемент заливается защитной оболочкой (например, эпоксидной смолой), для понижения адгезии его поверхность предварительно покрывается слоем флюса.

Недостатками известного устройства являются недостаточная надежность разрыва цепи за счет возможности образования нитяного мостика на дне оболочки в связи с большим объемом плавкого материала внутри замкнутой оболочки, большая температурная инерция, связанная с плохой теплопроводностью изоляционной оболочки и невозможностью обеспечить тепловой контакт с нагревающейся металлической частью (подошвой) электроутюга, и в связи с этим большая зона срабатывания термовыключателя и его значительная инерционность.

Известно устройство защиты электронагревательных приборов от перегрева и использованием термочувствительных материалов с памятью формы (заявка Японии N 1-36648 Н 01 Н 37/52. Изобретения стран мира (ИСМ), вып. 127, 1990, N 5, с. 51).

Контакты, выполненные из материала с памятью формы, для усиления механического взаимодействия в месте стыка дополнительно спаяны легкоплавким припоем, рассчитанным на температуру срабатывания при перегреве.

Кроме отмеченных выше недостатков в известном устройстве возможно самостоятельное восстановление цепи после остывания за счет памяти фурмы материала контактов и повторное включение нагревательного элемента, что для электроутюга, оставляемого без присмотра, недопустимо.

Известно устройство защиты электронагревательногоо прибора от перегрева с использованием термомагнитных свойств ферромагнитных материалов при их взаимодействии с постоянным магнитом, по а.с. СССР N 1597955, Н 01 Н 37/58.

Устройство, представляющее собой реле температуры, содержит корпус, выполненный из теплопроводного материала, в котором установлен термочувствительный элемент, выполненный в виде диска с двумя пластинами из термомагнитной ленты. В корпусе симметрично по оси установлен постоянный магнит, взаимодействующий своими полюсами с пластинами и имеющий возможность поворачиваться вокруг оси. Постоянный магнит связан с контактной группой и упругим элементом, который противодействует усилию, создаваемому магнитным полем постоянного магнита.

При температуре, когда термомагнитный материал чувствительного элемента обладает ферромагнитными свойствами, полюса постоянного магнита притягиваются к пластинам, преодолевая усилие упругого элемента и замыкают цепь между подвижным и одним неподвижным контактами. При повышении температуры и при приближении ее к температуре точки Кюри магнитные свойства термочувствительного элемента исчезают, и за счет усилия упругого элемента магнит с подвижным контактом поворачивается, и контактная группа размыкается. При понижении температуры ферромагнитные свойства восстанавливаются, и магнит, преодолевая усилие упругого элемента, поворачивается в противоположную сторону, вновь замыкая контакты электрической цепи.

Недостатками известного устройства с использованием ферромагнитного термочувствительного элемента, механически размыкающего электрическую контактную группу, являются нечеткость потери ферромагнитным материалом магнитных свойств, что приводит к образованию значительной зоны срабатывания и линейному характеру размыкания контактов. Это приводит к образованию между ними электрической дуги и создает возможность сваривания контактов, которые уже не могут быть разомкнуты упругим элементом из-за небольшого усилия, которое он развивает. (Это усилие должно быть меньше усилия прижатия контактов магнитом при рабочей температуре).

Кроме того это устройство имеет все недостатки, связанные с размыканием и самовозвратом в исходное состояние контактной группы, проводящей большой ток при высоком напряжении, рассмотренные выше.

Известно устройство защиты электронагревательного прибора от перегрева с использованием биметаллического датчика температуры, нормально-замкнутые контакты которого включены последовательно с нагревательным элементом прибора по а.с. СССР N 1597954, Н 01 Н 37/40.

Недостатками этого устройства защиты являются недостаточное усилие прижатия контактов друг к другу термобиметаллической мембраной, при этом с увеличением времени эксплуатации, эрозия контактов увеличивается, контакты в течение времени окисляются и свариваются, и усилия термобиметаллической мембраны не хватает для их расцепления, что приводит к отказу устройства.

Другим недостатком этого устройства является возможность самовозврата датчика после охлаждения электроутюга и повторный его нагрев, что делает это устройство неприемлемы для обеспечения пожаробезопасности электроутюга при выходе из строя регулятора температуры.

Общими недостатками известных устройств защиты электронагревательного прибора от перегрева с использованием механической контактной группы, работающей на размыкание в силовой цепи питания нагревательного элемента, являются:
наличие устройства замыкания-размыкания контактной пары, имеющего в зоне температуры размыкания значительную линейность размыкания, что недопустимо для замкнутой контактной пары, включенной последовательно с нагревательным элементом и находящейся под высоким напряжением и большим импульсным током включения выключения (5-10 А) нагревательного элемента. Условия работы контактной пары особенно усложняются при температуре, близкой к температуре срабатывания, когда усилие сжатия контактов значительно уменьшается, и между контактами создаются условия искрообразования и окисления поверхности, что в дальнейшем к концу срока эксплуатации снижает надежность контактирования и может вывести контактную группу из строя;
возможность самовозврата в рабочее состояние контактной группы после охлаждения устройства:
необходимость согласования усилий, обеспечивающих надежное замыкание токовых контактов, усилиями, обеспечивающими их размыкание при срабатывании.

Известно устройство защиты электронагревательного прибора с помощью размыкания механических контактов, приводимых в действие плавким элементом (заявка ФРГ N 3744238, Н 01 Н 37/76, ИСМ 127-02-90, с. 23). Устройство защиты содержит изолированный корпус с электрическими выводами, к которым приварены электрические подвижный и неподвижный контакты. С источником тепла термически связана вставка с плавким предохранителем в виде теплового расцепления. С помощью механического передаточного элемента плавкая вставка удерживает подпружиненный подвижный контакт против действия сил, создаваемых контактами в положении их замыкания. При превышении температурой заданной величины плавкая вставка плавится, передаточный элемент опускается и отпускает подпружиненный контакт, и контакты размыкаются, разрывая цепь питания электронагревательного прибора.

Недостатками известного устройства являются длительное время размыкания контактов из-за нерелейного расплавления плавкой вставки из-за большой зоны фазового перехода материала вставки, что при высоком напряжении и большом токе через контакты ведет к образованию дуги и свариванию контактов. При использовании в электроутюге устройство защиты должно срабатывать в любом пространственном положении, а в известном устройстве возможно заклинивание механического передаточного элемента расплавленным материалом плавкой вставки при наклоне.

Недостатком устройства является также использование усилия контактной пары не только на размыкание контактов, но и на отталкивание передаточного элемента между плавкой вставкой и контактной парой и на раздвижение размягченного материала плавкой вставки. Это требует наличия мощной по усилию контактной пары, что усложняет устройство и делает его громоздким.

Кроме того, при температуре начала расплавления есть такое состояние, когда все давление контактной пары уравновешивается сопротивлением плавкого материала, в этот момент контакты находятся в нейтральном положении (без контактного давления). В этом режиме между контактами возникает дуга и эрозия контактов, что делает устройство ненадежным, с низкой эксплуатационной ремонтопригодностью, недолговечным.

Наиболее близким устройством прототипом является термический выключатель по а.с. 725109, МКИ Н 01 Н 37/16, содержащий корпус 1 с запрессованными неподвижными контактами 3, 4, шток 5, имеющий возможностью перемещаться в направляющих отверстиях, контактную шайбу 6, закрепленную на штоке 5 и сжимающую пружину 7 до состояния охвата термочувствительным элементом 8 конца штока 5. Термочувствительный элемент 8 размещен (залит) в металлической камере 2, закрепленной на корпусе 1, при нагреве выше нормы термочувствительный элемент 8 расплавляется и освобождает шток 5, который под действием пружины 7 вместе с контактной шайбой перемещается вверх и разрывает цепь между контактами 3 и 4.

Устройство-прототип имеет следующие недостатки:
наличие контактной шайбы, замыкающей два неподвижных контакта, создает в электрической цепи два переходных контактных сопротивления, соединенных последовательно, что приводит:
а) к увеличению переходного сопротивления контактной группы и выделению дополнительного тепла в корпусе;
б) снижению надежности контактирования, т.к. вероятность нарушения электрической цепи при двух последовательно соединенных контакта выше чем при одном;
сложность обеспечения одинакового контактного давления между контактной пластиной и каждым неподвижным контактом из-за невозможности точной установки неподвижных контактов на одном уровне, а также возможного перекоса штока и контактной шайбы, вследствие неточностей при изготовлении;
зависимость величины контактного давления контактов в электрической цепи от упругости пружины и ползучести термочувствительного элемента и невозможность установки и контроля необходимой величины контактного давления.

Действительно, сила давления в контактах равна разности силы сцепления конца штока с термочувствительным элементом и силой упругости пружины. С течением времени под действием силы контактного давления и силы упругости пружины материал термочувствительного элемента "ползет", особенно при повышенных температурах, а т.к. величина пластической деформации соизмерима с упругой деформацией жестких запрессованных в корпус и в контактную шайбу контактов, то это приведет к значительному уменьшению контактного давления;
медленное размыкание контактной группы за счет плавного расплавления термочувствительного элемента, который, прежде чем перейти в жидкое состояние, размягчается и предварительно сжатая пружина через шток вызывает медленную пластическую деформацию термочувствительного элемента. Медленное увеличение зазора между контактами вызывает образование электрической дуги и их эрозию;
наличие выступающей металлической камеры ограничивает сферу применения устройства, т.к. для установки его на контролируемый твердый объект (например, на подошву электроутюга) в ней должно быть место для углубления на длину этой камеры, что в большинстве случаев не обеспечивается;
большая тепловая инерционность и, как следствие, большое время запаздывания отключения, что объясняется наличием стенок камеры, отделяющих термочувствительный элемент от контролируемого объекта.

Предлагаемое изобретение направлено на:
упрощение контактной группы;
увеличение надежности устройства;
уменьшение времени запаздывания срабатывания устройства;
упрощение присоединения устройства к твердому контролируемому объекту с плоской поверхностью.

Это достигается тем, что устройство для тепловой защиты электронагревательного прибора, содержащее корпус со сквозным отверстием, термочувствительный элемент, выполненный в виде плавкого элемента, контактную группу, состоящую из подвижного и неподвижного контактов, причем неподвижный контакт закреплен на корпусе, подпружиненный шток, соединенный с термочувствительным элементом и размещенный в отверстии корпуса, снабжено держателем, подвижный контакт выполнен упругим и аналогично неподвижному закреплен на корпусе таким образом, что его нерабочая часть расположена над штоком с зазором, а термочувствительный элемент установлен в дне корпуса заподлицо с его наружной поверхностью.

Выполнение подвижного упругим, его закрепление на корпусе и расположение своей нерабочей частью над штоком с зазором позволяет упростить контактную группу, т.к. отпадает необходимость использования двух контактных пар как в прототипе, а также стабилизировать контактное давление, поскольку оно определяется только силой упругости подвижного упругого контакта, а не силой сцепления штока с термочувствительным элементом как у прототипа, и тем самым повысить надежность устройства.

Применение держателя и установки термочувствительного элемента в дне корпуса заподлицо с его наружной поверхностью обеспечивает упрощение присоединения устройства к твердому контролируемому объекту с плоской поверхностью и уменьшает время срабатывания устройства, за счет уменьшения времени расплавления термочувствительного элемента, благодаря непосредственному тепловому контакту его с поверхностью контролируемого объекта.

Выполнение нижней части корпуса в месте расположения термочувствительного элемента из теплопроводного материала с образованием теплового контакта с боковой поверхностью термочувствительного элемента, по п. 2 формулы изобретения, позволяет дополнительно уменьшить время срабатывания устройства, за счет дополнительного притока тепла от контролируемого объекта через теплопроводную часть корпуса к боковой поверхности термочувствительного элемента.

Выполнение держателя из теплопроводного материала, имеющего отверстие с выступом, и его соединение с корпусом со стороны дна так, что отверстие держателя расположено над сквозным отверстием корпуса, и соединение термочувствительного элемента с выступом держателя по п. 3, формулы изобретения дополнительно уменьшает время срабатывания устройства за счет передачи тепла от объекта термочувствительному элементу.

Выполнение упора в виде пластины, надетой на конец штока и заштифтованной термочувствительным элементом по п. 4 формулы изобретения, позволяет дополнительно уменьшить время срабатывания устройства за счет уменьшения массы термочувствительного элемента при сохранении прочности соединения.

Выбор величины зазора между концом штока и подвижным контактом больше величины пластической деформации термочувствительного элемента перед его расплавлением, по п. 5 формулы изобретения, позволяет дополнительно увеличить скорость расхождения контактов при размыкании исключить образование электрической дуги при больших токах нагрузки, и следовательно, надежность устройства.

Действительно, перед полным расплавлением термочувствительного элемента, когда наблюдается медленное движение штока под действием пружины, контакты остаются замкнутыми, т.к. шток при этом еще не касается подвижного контакта (зазор между контактом и штоком больше величины пластической деформации термочувствительного элемента). Разгон штока под действием (деформа-) пружины еще до соприкосновения с подвижным контактом сопровождается увеличением его кинетической энергии. При ударе штока о подвижный контакт скорость движения последнего при размыкании будет больше, чем в прототипе, за счет накопленной кинетической энергии штока.

На фиг. 1 представлено устройство тепловой защиты продольный разрез; на фиг. 2 вид сверху; на фиг. 3 выполнение устройства по п. 2 формулы изобретения; на фиг. 4 выполнение устройства по п. 3 формулы изобретения; на фиг. 5 вид сверху; на фиг. 6 выполнение устройства по п. 4 формулы изобретения.

Устройство (см. фиг. 1) содержит корпус 1, контактную группу, состоящую из неподвижного контакта 2, нормально-замкнутого подвижного упругого контакта 3, шток 4, пружину 5, термочувствительный элемент 6, выполненный в виде плавкого элемента, держатель 7. Устройство устанавливается на основание 8, например, на подошву электроутюга.

Устройство по п. 2 формулы изобретения (см. фиг. 3) дополнительно содержит теплопроводную часть корпуса 9.

Устройство по п. 3 формулы изобретения (фиг. 4, 5) содержит держатель 7, выполненный из теплопроводного материала, соединенный с корпусом со стороны дна, например, винтами 10. Держатель 7 имеет выступ 11.

Устройство по п. 4 формулы изобретения (см. фиг. 6) содержит пластину 12, надетую на конец штока 4 и заштифтованную термочувствительным элементом 6.

Корпус 1 выполнен из изоляционного материала, на верхней части корпуса закреплены неподвижный контакт 2 и нормально-замкнутый упругий подвижный контакт 3 так, что создается необходимое контактное давление контактной группы, например, за счет разного уровня закрепления контактов или за счет наклона линии закрепления контакта 3 по отношению к контакту 2.

Корпус 1 имеет сквозное отверстие 13 с уступом 14 у дна корпуса, сопрягающееся с продольным пазом 15 для размещения пружины 5.

Нижняя часть 9 корпуса 1 (см. фиг. 3) выполнена из теплопроводного материала, например, из латуни, высотой приблизительно равной толщине плавкого элемента 6 для лучей передачи температуры основания 8 плавкому элементу 6.

Контактная группа, состоящая из неподвижного контакта 2 и нормально-замкнутого подвижного контакта 3, предназначена для пропускания тока питания нагревательного элемента электронагревательного прибора (на фиг. не показан), который нагревает основание 8, например, подошву электроутюга. При нормальном регулируемом нагреве контакты 2 и 3 замкнуты. При выходе из строя регулятора, когда происходит нерегулируемое повышение температуры основания 8, контакты должны разомкнуться и отключить нагревательный элемент от сети питания для предотвращения перегрева основания 8.

Контакты 2 и 3 закрепляются на корпусе, например, винтами, а контактное давление обеспечивается, например, превышением уровня закрепления контакта 2 над уровнем закрепления контакта 3 или необходимым наклоном плоскости закрепления контакта 3 по отношению к контакту 2.

Шток 4 предназначен для удержания пружины 5 и после расплавления термочувствительного элемента 6 для подъема подвижного контакта 3 и размыкания контактной группы.

Шток 4 соединен жестко с термочувствительным элементом 6, например, путем ввинчивания его в термочувствительный элемент 6 или путем опасивания его термочувствительным элементом 6 при изготовлении.

Между термочувствительным элементом и промежуточным торцом штока 4 свободно размещена пружина 5, вставленная отверстием на своем втором конце в ось штока 4 до про межуточного торца или вставленная в эту ось концом, выполненным в виде вилки.

Пружина после установки ее на шток 4 и закрепления термочувствительным элементом 6 имеет по отношению к оси штока 4 острый угол, так что когда эта сборка (шток 4, термочувствительный элемент 6, пружина 5) вставляется в корпус и прижимается к основанию 8 выступом корпуса 13, пружина 5 напрягается упором корпуса 13. Упор 13, в частности, может быть выполнен в виде винта в корпусе, которым можно регулировать упругую силу пружины 5.

Часть корпуса 9 (см. фиг. 3) выполнена из теплопроводного материала и представляет собой часть корпуса 1. Отверстие 15 с уступом охватывает термочувствительный элемент 6 для лучшей передачи ему тепла от основания 8.

Держатель 7 (см. фиг. 1) предназначен для закрепления корпуса 1 на основании 8 и представляет собой П-образную скобу с отогнутыми концами, в которых выполнены отверстия для закрепления держателя 7, а вместе с ним корпуса 1 к основанию 8 (фиг. 1 вид А-А не показан).

В варианте по п. 3 формулы изобретения (см. фиг. 4 и 5) держатель 7 выполнен из теплопроводного материала, скреплен с корпусом винтами и имеет выступ для закрепления пружины 6 и термочувствительного элемента 6. Через отверстия держатель 7 крепится к основанию 8.

В варианте по п. 4 формулы изобретения (см. фиг. 1) пластина 9 предназначена для создания упора второму концу пружины 5 за счет штифтовки ее по оси штока 4 термочувствительным элементом 6, выполненным в виде штифта произвольной формы (цилиндрическая, прямоугольная, U-образная-, имеющего тепловой контакт с основанием 8.

До установки устройства на основание 8 в сквозное отверстие корпуса 1 вставляют соединенные шток 4, пружину 5 и термочувствительный элемент 6 до упора в уступ 14.

Устанавливают корпус 1 дном на основание 8 и закрепляют его держателем 7 к основанию 8.

Выступом 13 корпуса 1 создается напряжение пружине 5.

При нагреве основания 8 в пределах рабочей температуры нагрева устройство находится в статическом состоянии и контакты 2 и 3 замкнуты между собой за счет контактного давления контактной группы.

При увеличении температуры и при достижении ею предельного значения термочувствительный элемент 5 расплавляется, освобождает шток 4 и пружина 5, упиравшаяся в его промежуточный торец, резко выталкивает шток 4, который, упираясь и толкая контакт 3, размыкает контакты 2 и 3, разрывая цепь питания электронагревательного прибора.

При остывании основания 8 контакт 3 под действием пружины 5 остается в разомкнутом положении.

В устройстве по п. 2 формулы изобретения температура основания 8 передается теплопроводной части 9 корпуса 1, которая охватывая термочувствительный элемент 6, обеспечивает его более быстрое расплавление, повышая быстродействие устройства.

В устройстве по п. 3, формулы изобретения теплопроводный держатель 7 передает тепло основания 8 термочувствительному элементу 6, обеспечивая уменьшение инерционности устройства и повышение его быстродействия.

Действие устройства по п. 4 формулы изобретения аналогично вышеописанному. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в области электротехники, может быть использовано для защиты от перегрева электронагревательных приборов при неисправности в них регулятора, в частности, для электроутюгов. Существо изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее корпус со сквозным отверстием, термочувствительный элемент, выполненный в виде плавного элемента контактную группу, состоящую из неподвижного и подвижного упругого контакта, причем неподвижный контакт закреплен на корпусе, подпружиненный шток соединенный с термочувствительным элементом и размещенный в отверстии корпуса снабжено держателем, подвижный контакт выполнен упругим и аналогично неподвижному закреплен на корпусе таким образом, что его нерабочая часть расположена под штоком с зазором, а термочувствительный элемент установлен в дне корпуса заподлицо с его наружной поверхностью. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для тепловой защиты электронагревательного прибора, содержащее корпус со сквозным отверстием, термочувствительный элемент, выполненный в виде плавкого элемента, контактную группу, состоящую из подвижного и неподвижного контактов, причем неподвижный контакт закреплен на корпусе, подпружиненный шток, соединенный с термочувствительным элементом и размещенный в отверстии корпуса, отличающееся тем, что оно снабжено держателем, подвижный контакт выполнен упругим и аналогично неподвижному закреплен на корпусе так, что его нерабочая часть расположена над штоком с зазором, а термочувствительный элемент установлен в дне корпуса заподлицо с его наружной поверхностью. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нижняя часть корпуса в месте расположения термочувствительного элемента выполнена из теплопроводного материала и образует тепловой контакт с боковой поверхностью термочувствительного элемента. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что держатель выполнен из теплопроводного материала, имеет отверстие и выступ и соединен с корпусом со стороны дна так, что отверстие держателя расположено под сквозным отверстием корпуса, а термочувствительный элемент соединен с выступом держателя. 4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на штоке выполнен упор в виде пластины, надетой на конец штока и заштифтованной термочувствительным элементом. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что величина зазора между концом штока и подвижным контактом больше величины пластической деформации термочувствительного элемента перед его расплавлением.