УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОГО ПРИБОРА ОТ ПЕРЕГРЕВА Российский патент 1997 года по МПК H01H37/76 

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

Известно устройство защиты электронагревательных приборов от перегрева с помощью плавкого элемента по авт. св. СССР N 1547689, 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.

Признаком данного устройства, совпадающим с существенным признаком заявляемого устройства, является наличие плавкого элемента, контактирующего с двумя электропроводами контактами.

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 малой теплопроводностью изоляционной оболочки и невозможностью обеспечить тепловой контакт с нагревающейся частью защищаемого электронагревательного прибора, и связи с этим, большая зона срабатывания термовыключателя и его значительная инерционность.

Известно устройство защиты электронагревательных приборов от перегрева с использованием термочувствительных материалов с памятью формы (заявка Японии N 136648, Н 01 Н 37/52, ИСМ-127-5-90, 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.

Признаком данного устройства, совпадающим с существенным признаком заявляемого изобретения, является наличие двух контактов, спаянных легкоплавким припоем.

Недостатком данного устройства является восстановление электрического контакта после остывания за счет памяти формы материалов контакта и повторное включение электронагревательного прибора, что недопустимо для таких приборов, как, например, электроутюги, кухонные электроводонагреватели.

Известно устройство защиты электронагревательного прибора от перегрева по авт. св. 725109, кл. Н 01 Н 37/16, содержащее корпус с запрессованными неподвижными контактами, шток, имеющий возможность перемещаться в направляющих отверстиях, контактную шайбу, закрепленную на штоке и сжимающую пружину до состояния охвата термочувствительным, плавким элементом конца штока. Термочувствительный элемент залит в металлическую камеру, закрепленную на корпусе. При нагреве выше нормы термочувствительный элемент расплавляется и освобождает шток, который под действием пружины вместе с контактной шайбой перемещается вверх и разрывает электрическую цепь между контактами.

Признаки данного устройства, совпадающие с существенными признаками заявляемого устройства: два неподвижных контакта; подвижный контакт; пружина, прижимающая подвижный контакт к неподвижным; термочувствительный плавкий элемент.

Устройство имеет следующие недостатки:
низкая надежность, что объясняется наличием двух последовательных электрических соединений шайбы с неподвижными контактами, которые, испытывая воздействие окружающей среды, окисляются и загрязняются с течением времени, что приводит к их перегреву и выходу из строя;
сложность обеспечения одинакового контактного давления между контактной шайбой 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 штока с термочувствительным элементом и силой упругости пружины. С течением времени под действием силы контактного давления и силы упругости пружины материал термочувстительного 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 или на крышку корпуса электроводонагревателя) 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.

Наиболее близким устройством прототипом является устройство, предотвращающее перегрев по патенту США N 4536641, кл. Н 01 Н 37/76 (ИСМ 75-5-86, с. 30), содержащее два электрически изолированных контакта, замкнутые третьим подпружиненным контактом, который удерживается в прижатом состоянии с помощью плавкого вещества. При перегреве электронагревательного прибора плавкое вещество расплавляется и третий контакт отходит от первых двух под действием силы упругости пружины и размыкает электрическую цепь питания электронагревательного прибора.

Признаки устройства прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого устройства:
первый и второй неподвижные контакты, установленные с постоянным зазором между ними на теплопроводной и электрически изолирующей пластине;
третий контакт, соединенный внахлест с первым и вторым контактами;
пружина, поджимающая третий контакт;
плавкое вещество, соединяющее третий контакт с двумя неподвижными контактами и имеющее температуру плавления, равную необходимой температуре отключения электронагревательного прибора;
корпус (в качестве корпуса использован корпус утюга);
Недостатками устройства прототипа являются:
низкая надежность, что объясняется возможностью преждевременного срабатывания устройства, т.е. при нормальной работе электронагревательного прибора, когда его температура меньше температуры плавления плавкого вещества. Действительно, для увеличения быстродействия термовыключателя и обеспечения надежности разъединения контактов необходимо обеспечить достаточно быстрый отрыв третьего (подвижного) контакта от первых двух при расплавлении плавкого вещества и подъем его на достаточную большую высоту, исключающую образование нитяного мостика из расплавленного вещества и электрической дуги между контактами. Эти требования вызывают необходимость использования пружины с относительно большим усилием, действующим на трети контакт, припаянный плавким веществом к первым двум контактам. Это объясняется тем, что в начале движения третьего контакта при расплавлении плавкого вещества усилие пружины должно преодолеть силы сопротивления плавкого вещества (силы межмолекулярного взаимодействия, поверхностного натяжения) и обеспечить большое ускорение его подъема. Однако плавкое вещество значительно снижает свою прочность при приближении его температуры к температуре плавления, что при действии силы упругости пружины вызывает его пластическую деформацию. Поэтому при длительной эксплуатации электронагревательного прибора, нагревающегося до температуры близкой, но не достигающей температуры плавления плавкого вещества, возможен отрыв третьего контакта и необоснованное отключение электронагревательного прибора.

Кроме этого низкая надежность устройства прототипа объясняется окислением электрических контактов, т.к. к ним имеется доступ воздуха, что приводит к увеличению их сопротивления, дополнительному нагреву и необоснованному срабатыванию устройства;
большие габариты в плане, что объясняется горизонтальным расположением выводов неподвижных контактов. Это ограничивает применение термовыключателя для электронагревательных приборов с малой площадью контролируемой нагревающейся поверхностью, например, для малогабаритных водонагревателей.

Предлагаемое изобретение предназначено для устранения указанных недостатков, т.е. для повышения надежности и уменьшения габаритов в плане устройства для тепловой защиты электронагревательного прибора.

Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, заключается в повышении надежности устройства для тепловой защиты электронагревательного прибора путем предотвращения ложного срабатывания, исключения окисления контактов, а также в уменьшении габаритов в плане путем размещения деталей по высоте устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для тепловой защиты электронагревательного прибора, содержащем корпус, первый и второй неподвижные контакты, установленные с постоянным зазором между ними на теплопроводной и электрически изолирующей пластине и соединенные внахлест с третьим подпружиненным контактом посредством плавкого вещества с температурой плавления, равной необходимой температуре отключения электронагревательного прибора, первый и второй неподвижные контакты снабжены вертикальными выводами, использовано электропроводное плавкое вещество, введенное между контактирующими плоскостями двух неподвижных и третьего контактов, причем расстояние между третьим подпружиненным контактом и вертикальным выводом второго неподвижного контакта превышает величину контактного перекрытия третьего и первого неподвижного контактов, в качестве пружины третьего контакта использована цилиндрическая пружина, один из концов которой соединен с третьи контактом, а второй с вертикальным выводом второго неподвижного контакта таким образом, что отстоит от этого вывода на расстоянии, превышающем половину наружного диаметра цилиндрической пружины, с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через точку соединения указанного второго конца цилиндрической пружины с вертикальным выводом второго неподвижного контакта параллельно продольной оси корпуса, а ось цилиндрической пружины отклонена от вертикали на угол, удовлетворяющий неравенству:

где β угол отклонения оси пружины от вертикали;
а величина контактного перекрытия третьего и первого неподвижного контактов;
Н расстояние между точкой крепления второго конца пружины относительно контактной поверхности второго неподвижного контакта.

В частном случае реализации устройства по п. 2 формулы изобретения корпус снабжен дном, выполненным из теплопроводного материала, и вертикальной перегородкой, причем упомянутая пластина из изоляционного теплопроводного материала зажата между корпусом и дном, а вертикальная перегородка выполнена так, что прижимает к ней первый неподвижный контакт.

Существенными признаками заявленного устройства, отличительными от прототипа являются:
первый и второй неподвижные контакты снабжены вертикальными выводами;
электропроводное плавкое вещество введено между контактирующими плоскостями двух неподвижных и третьего контактов;
третий контакт отстоит от вертикального вывода второго неподвижного контакта на расстоянии, превышающем величину перекрытия третьего и первого неподвижного контактов;
в качестве пружины третьего контакта использована цилиндрическая пружина, один из концов которой соединен с третьи контактом, а второй с вертикальным выводом второго неподвижного контакта таким, что отстоит от этого вывода на расстоянии, превышающем половину наружного диаметра цилиндрической пружины, с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через точку соединения указанного второго конца цилиндрической пружины с вертикальным выводом второго неподвижного контакта параллельно продольной оси корпуса;
ось цилиндрической пружины отклонена от вертикали на угол, удовлетворяющий неравенству:

где β угол отклонения оси пружины от вертикали;
а величина контактного перекрытия третьего и первого неподвижного контактов;
H расстояние между точкой крепления второго конца пружины относительно контактной поверхности второго неподвижного контакта
Снабжение первого и второго неподвижного контактов вертикальными выводами позволяет уменьшить габариты устройства в плане.

Введение электропроводного плавкого вещества между контактирующими плоскостями двух неподвижных и третьего контактов необходимо для исключения окисления контактирующих контактов, благодаря слою припоя, их соединяющего.

Использование цилиндрической пружины и ее установка под углом к вертикали необходимо для повышения надежности устройства за счет исключения его ложного срабатывания.

Действительно, для исключения ложного срабатывания, вызванного снижением прочности плавкого вещества при нагреве, необходимо уменьшить силу упругости пружины, а чтобы при этом не изменить быстродействие устройства уменьшить силы сцепления расплава и поверхностного натяжения, действующие на третий контакт до его отрыва. Величина этих сил пропорциональна площади смоченной расплавом поверхности взаимодействия контактов. Поэтому уменьшив эту площадь после расплавления плавкого вещества, можно оторвать третий контакт от неподвижного контакта пружиной с меньшей силой упругости. Расположение цилиндрической пружины под углом к вертикали позволяет создать горизонтальную составляющую силы упругости, под действием которой осуществляется горизонтальный сдвиг третьего контакта относительно первого неподвижного контакта и следовательно, уменьшение сил межмолекулярного взаимодействия и поверхностного натяжения, действующих на третий контакт. Выбор угла b,, удовлетворяющего неравенству (1), обеспечивает действие горизонтальной составляющей силы упругости до полного исчезновения перекрытия третьего и первого неподвижного контактов.

Установка третьего контакта на расстоянии от вертикального вывода второго неподвижного контакта, превышающем величину перекрытия третьего и первого неподвижного контактов, обеспечивает свободу горизонтального перемещения третьего контакта до полного исчезновения его перекрытия с первым неподвижным контактом.

Крепление второго конца цилиндрической пружины к вертикальному выводу второго неподвижного контакта на расстоянии, превышающем половину наружного диаметра пружины с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через точку соединения указанного второго конца цилиндрической пружины с вертикальным выводом второго неподвижного контакта параллельно продольной оси корпуса, необходимо для обеспечения свободного поворота пружины при горизонтальном движении третьего контакта.

На чертеже показана схема устройства для тепловой защиты электронагревательного прибора, которое содержит первый 1 и второй 2 неподвижные контакты с вертикальными выводами, установленные с постоянным зазором между ними и опирающиеся на теплопроводную и электрически изолирующую пластину 3, выполненную, например из слюды, третий контакт 4, припаянный посредством плавкого вещества 5 внахлест к первым двум контактам 1 и 2, причем температура плавления плавкого вещества 5 равна необходимой температуре отключения электронагревательного прибора, цилиндрическую пружину 6, первым концом присоединенную к третьему контакту 4, а вторым концом к вертикальному выводу контакта 2, корпус 7, дно корпуса 8, выполненное из теплопроводного материала, причем пластина 3 зажата между дно 8 и корпусом 7, а вертикальная перегородка корпуса 7 прижимает первый неподвижный контакт 1 к пластине 3.

Расстояние "b" от третьего контакта 4 до вертикального вывода второго неподвижного контакта 2 превышает величину перекрытия "а" третьего 4 и первого 1 контактов. Расстояние "с" от точки крепления второго конца пружины от вертикального вывода второго неподвижного контакта 2 превышает половину наружного диаметра цилиндрической пружины 6. Присоединение второго конца пружины 6 к вертикальному выводу второго неподвижного контакта 2 обеспечивает возможность вращения цилиндрической пружины 6 вокруг оси, параллельной продольной оси корпуса. Ось пружины 6 отклонена от вертикали на угол β, удовлетворяющий неравенству:

где β угол отклонения оси пружины от вертикали;
a величина контактного перекрытия третьего и первого неподвижного контактов;
Н расстояние между точкой крепления второго конца пружины относительно контактной поверхности второго неподвижного контакта.

Устройство при установке на электронагревательном приборе прижимается к нему теплопроводны дном 8, а выводы контактов 1 и 2 включаются в цепь питания электронагревательного прибора.

Устройство работает следующим образом.

При перегреве электронагревательного прибора тепловая энергия, передаваемая через теплопроводные дно 8, пластину 3, контакты 1 и 2 к плавкому веществу 5, вызывает его расплавление и под действием силы упругости пружины 6 начинается движение третьего контакта 4. В первой фазе движения контакт 4 преимущественно совершает горизонтальное движение под действием горизонтальной составляющей силы упругости пружины 6, что объясняется малостью сил сопротивления, возникающих при сдвиге слоев жидкого расплава (жидкостное трение), по сравнению с силами поверхностного натяжения и сцепления со смачиваемой поверхностью контактов 1, 2 и 3. По мере уменьшения площади перекрытия контактов 1 и 4 силы поверхностного натяжения и сцепления уменьшаются и начинается отрыв левого конца контакта 4 от контакта 1 под действием пружины 6. При этом контакт 4 начинает поворачиваться вокруг правой грани и разрывает электрическую цепь питания электронагревательного прибора.

Использование: в области электротехники, для защиты от перегрева бытовых электронагревательных приборов при возникновении в этих приборах неисправности регулятора температуры. Существо изобретения заключается в том, что устройство содержит корпус, первый и второй неподвижные контакты, установленные с постоянным зазором между ними на теплопроводной и электрически изолирующей пластине и соединенные внахлест с третьим подпружиненным контактом посредством плавкого вещества с температурой плавления, равной необходимой температуре отключения электронагревательного прибора. Первый и второй неподвижные контакты снабжены вертикальными выводами, электропроводное плавкое вещество введено между контактирующими плоскостями двух неподвижных и третьего контактов, последний из которых отстоит от вертикального вывода второго неподвижного контакта на расстоянии, превышающем величину перекрытия третьего и первого неподвижного контактов и соединен с первым концом цилиндрической пружины, второй конец которой прикреплен к вертикальному выводу второго неподвижного контакта на расстоянии от этого вывода, превышающем половину наружного диаметра пружины с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через точку крепления второго конца пружины параллельно противолежащим сторонам неподвижных контактов, а ось пружины отклонена от вертикали на угол, удовлетворяющий неравенству: где β - угол отклонения оси пружины от вертикали; а - величина контактного перекрытия третьего и первого неподвижного контактов; Н - расстояние между точкой крепления второго конца пружины относительно верхней плоскости второго неподвижного контакта. Корпус может быть снабжен дном, выполненным из теплопроводного материала, и вертикальной перегородкой, причем теплопроводная и электрически изолирующая пластина зажата между корпусом, и дном, а вертикальная перегородка прижимает к ней первый неподвижный контакт. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для тепловой защиты электронагревательного прибора от перегрева, содержащее корпус, первый и второй неподвижные контакты, установленные с зазором между ними на пластине, выполненной из изоляционного теплопроводного материала, третий подпружиненный контакт, причем неподвижные контакты и третий подпружиненный контакт соединены при помощи электропроводного плавкого вещества с температурой плавления, равной температуре отключения электронагревательного прибора, отличающееся тем, что первый и второй неподвижные контакты снабжены вертикальными выводами, указанное электропроводное плавковое вещество расположено между контактирующими поверхностями всех контактов, причем расстояние между третьим подпружиненным контактом и вертикальным выводом второго неподвижного контакта превышает величину контактного перекрытия третьего и первого неподвижного контактов, в качестве пружины третьего контакта использована цилиндрическая пружина, первый из концов которой соединен с третьим контактом, а второй с вертикальным выводом второго неподвижного контакта таким образом, что отстоит от этого вывода на расстоянии, превышающем половину наружного диаметра цилиндрической пружины, с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через точку соединения указанного второго конца цилиндрической пружины с вертикальным выводом второго неподвижного контакта параллельно продольной оси корпуса, а ось цилиндрической пружины отклонена от вертикали на угол, удовлетворяющий неравенству
β≥arctg a/H
где β угол отклонения оси пружины от вертикали;
а величина контактного перекрытия третьего и первого неподвижного контактов;
Н расстояние между точкой крепления второго конца пружины относительно контактной поверхности второго неподвижного контакта. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус снабжен дном, выполненным из теплопроводного материала, и вертикальной перегородкой, причем пластина из изоляционного теплопроводного материала зажата между корпусом и дном, а вертикальная перегородка выполнена так, что прижимает к ней первый неподвижный контакт.