ДАТЧИК-РЕЛЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1997 года по МПК H01H37/40 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для автоматического управления, регулирования и контроля различных тепловых процессов, в частности для включения-выключения электрической цепи при отклонении температуры контролируемой среды от заданного значения.

Известны биметаллические датчики-реле температуры, содержащие корпус, основание с цилиндрическим углублением, биметаллический диск, контактную систему и толкатель, установленный между биметаллическим диском и контактной системой.

Недостатком данного термореле является низкая надежность, вызванная широким разбором температур срабатывания биметаллических дисков даже из одной партии из-за неоднородности материала по толщине дисков, что требует калибровки каждого термочувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности /прототипом/ к предлагаемому является термореле, содержащее корпус с основанием и крышкой с цилиндрическим углублением, диск из биметалла, толкатель, связанный с термочувствительным элементом, контактную систему и элемент настройки в виде регулировочного винта, расположенного в основании.

Недостатком этого термореле является невысокая надежность срабатывания при заданной температуре из-за неоднородности материала биметаллического диска и изменения его формы прямо пропорционально температуре, что требует калибровки каждого термочувствительного элемента и необходимости подпружинивания термочувствительного элемента вплоть до температуры срабатывания, чтобы не произошел отход подвижного контакта от неподвижного. Кроме того, действие термочувствительного элемента из биметалла ограниченно направлением, перпендикулярным плоскости соединения составляющих его металлов. Поэтому исключается возможность изменения формы термочувствительного элемента другим типом деформации, кроме изгиба. В биметаллических дисках из-за нарушения этого правила происходит постепенное "старение" материала, в результате чего возникает необходимость регулирования температуры срабатывания элементом настройки. Толщина биметалла ограничивает предельные размеры дисков, их гибкость и возможность менять свою кривизну на обратную без ухудшения качества и точности срабатывания при значительном уменьшении размеров самого термореле.

Задачей изобретения является создание датчика-реле температуры с повышенной точностью срабатывания, увеличенным диапазоном коммутируемых токов, упрощенной конструкции и с уменьшенными габаритами.

В соответствии с поставленной задачей в известном датчике-реле температуры, элементами которого являются корпус, установленные в нем коммутирующие контакты, толкатель, мембрана в форме профилированного диска, соединенная с толкателем, и чувствительный к температуре силовой элемент, в качестве одного из контактов использована указанная мембрана или указанный толкатель, а чувствительный к температуре силовой элемент выполнен из металла с термомеханической памятью формы.

Другое отличие предлагаемого датчика-реле температуры состоит в том, что в нем все указанные элементы выполнены симметричными относительно направления размыкания указанных контактов.

Предпочтительно снабдить по крайней мере один из контактов кольцеобразной контактной поверхностью. Целесообразно также использование мембраны в качестве стенки корпуса датчика-реле и/или электровывода одного из контактов. При этом предпочтительно выполнение стенки, противоположной вышеуказанной, в форме другого контакта датчика-реле. Целесообразно выполнение упомянутой стенки корпуса в виде профилированного диска. Целесообразно также выполнить чувствительный к температуре элемент в виде цилиндрической или конической спирали.

На фиг.1 показана конструктивная схема датчика-реле температуры в соответствии с изобретением; на фиг. 2 конструкция датчика-реле температуры с силовым элементом, чувствительным к температуре, в виде цилиндрической спирали, в котором одним из контактов является мембрана; на фиг.3 конструкция датчика-реле температуры, отличающаяся тем, что в качестве одного из контактов используется толкатель; на фиг.4 конструкция датчика-реле температуры, в котором мембрана образует стенку корпуса и электровыводов; на фиг. 5 конструктивная схема изобретения, в котором стенки корпуса образуют контакты, электровыводы и мембрану.

Предлагаемый датчик-реле температуры в предпочтительном воплощении содержит осесимметричный корпус 1 (фиг.1), противоположные стенки 2 и 3 которого электропроводны и образуют электровыводы датчика, мембраны 4 в качестве одного контакта, электрически замкнутого (соединенного) со стенкой 3, другой контакт 5 в виде стержня с кольцеобразной контактной поверхностью 6, образованной выемкой 7, на одном конце и соединенный на другом конце со стенкой 2 резьбовым соединением. Предлагаемый на фиг.1 датчик-реле также содержит толкатель 8 в виде цилиндрической втулки из электроизолятора, с которым связан чувствительный к температуре силовой элемент 9 в виде двух идентичных пластин, одним концом утопленных в тело корпуса 1 и закрепленных в нем, а другим опирающийся на толкатель 8.

Чувствительный к температуре силовой элемент может быть выполнен в виде цилиндрической спирали 10 (фиг. 2). датчик-реле может быть также снабжен регулирующей втулкой 11 с внутренней и наружной винтовыми резьбами, соединяющими втулку 11 соответственно со стержнем 5 и стенкой 2 корпуса 1. С помощью шайбы 12 втулка 11 соединена с цилиндрической спиралью 10.

Толкатель может быть выполнен электропроводным и использоваться в качестве одного из контактов датчика-реле температуры. В таком качестве и в виде полого стержня 13, постоянно соединенного с мембраной 4, он показан на фиг. 3. При этом стержень 13 снабжен дисковым выступом 14, фиксирующим положение цилиндрической спирали 10 ЧТСЭ. Втулка 15 из диэлектрика центрирует положение и перемещение стержня 13.

На фиг. 4 и 5 показаны модификации датчика-реле, где стенка 3 корпуса 1 выполнена в виде мембраны 4 и образует один из его контактов. При этом на фиг. 5 противоположная стенка 2 корпуса 1 выполнена в форме профилированного диска и образует другой контакт.

На фиг. 2-5 элемента конструкции датчика-реле, функционально аналогичные элементам на фиг.1, образованы совпадающими номерами позиций.

Чувствительный к температуре силовой элемент (9 на фиг.1, 5 и 4, а также 10 на фиг. 2 и 3) выполнен из материала с термомеханической памятью формы, например из никелида титана [3] (Ni 54-56% остальное титан), в виде проволоки (для цилиндрических спиралей 10 на фиг. 2 и 3) или в виде ленты предпочтительного сечения 0,3 х 0,7 мм (для элементов 9 на фиг.1, 5 и 4). Заготовке из никелида титана при температуре выше температуры срабатывания датчика-реле придают заданную форму (в виде прямых отрезков ленты для модификаций на фиг. 1, 4, 5 или цилиндрических спиралей заданной длины для модификаций на фиг. 2, 3). В процессе сборки датчика-реле чувствительный к температуре силовой элемент деформируется путем сжатия продольно оси цилиндрической спирали 10 (фиг. 2 и 3)или изгиба пластин 9 (фиг. 1, 4, 5).

Мембрану 4 (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) изготавливают из бронзы или иного материала в виде профилированного диска с усилием упругого возврата в исходное положение, превышающим усилие низкотемпературной деформации ЧТСЭ.

Корпус 1 и толкатель 8 изготавливают из известных диэлектриков, например фотопласта. Стенки 2 и 3 корпуса 1 выполнены из электропроводного коррозионностойкого материала. Толкатель 13, используемый в качестве одного из контактов датчика-реле, выполнен из электропроводного материала.

Работу датчика-реле рассмотрим на примере осуществления, приведенном на фиг. 1. Вместе с ростом температуры окружающей среды нагревают все детали датчика-реле температуры, включая ЧИСЭ 9. При превышении температуры формовосстановления криволинейные пластины 9 выпрямляются и развиваемым при этом усилием формовосстановления давят через посредством толкателя 8 на выпуклую мембрану 4, которая прогибается и отводится от стержня 5, т.е. контакты размыкаются. Мембрана 4 в форме профилированного диска, выпуклого со стороны стержня 5, под действием выпрямленных пластин 9 и толкателя 8 фиксируется в относительно устойчивом вогнутом положении, показанном на фиг. 1 пунктиром. При понижении температуры ЧТСЭ благодаря обратному мартенситному переходу теряет свою жесткость, т.к. переходит в сверхэластичное состояние, вогнутая мембрана 4 под действием возвратного усилия, превышающего сопротивление пластин 9, деформирует их в исходное криволинейное состояние, сама возвращается в выпускное состояние и замыкается с торцом стержня 5. Датчик-реле температуры готов к следующему циклу коммутации в термочувствительной электрической цепи.

Выемка 7 (фиг. 1) или сквозная продольная полость в стержне 13 (фиг. 3) обеспечивают образование кольцеобразных контактных поверхностей на торцах стержней 5 и 13. При осесиметричности конструкции относительно направления перемещения контактов, исключающей перекосы, это обеспечивает надежность соединения контактов на большой площади, т.е. увеличенный в сторону больших токов диапазон их коммутации.

Стержень 5 (фиг. 1) соединен со стенкой 2 винтовой резьбой. При этом стержень 5 может выполнять дополнительную функцию подстроечного элемента, регулирующего вблизи температуры формовосстановления ЧТСЭ 9 температуру срабатывания датчика-реле.

ЧТСЭ в виде цилиндрической спирали 10 (фиг. 2, 3) имеет увеличенную амплитуду изменения размера при формовосстановлении и вместе с тем при сравнительно слабых усилиях деформируется в исходное положение, обеспечивающее замыкание контактов. Кроме того, ЧТСЭ в форме цилиндрической спирали 10 позволяет уменьшить поперечные габариты датчика-реле.

Модификации предлагаемого датчика-реле, представленные на фиг. 2-5, работают аналогично вышеприведенному описанию, и поэтому приведем лишь особенности их работы.

Втулка 11 (фиг. 2) благодаря резьбовому соединению со стержнем 5, образующим с мембраной 4 контакты датчика-реле, позволяет регулировать поджатие контактов в исходном состоянии. Резьбовое соединение втулки 11 со стенкой 2 корпуса 1 позволяет через посредство шайбы 12 и ЧТСЭ 10 регулировать поджатие толкателя 8 к подвижному контакту-мембране 4. Таким образом осуществляется регулировка температуры коммутации электрической цепи, обусловленной исходным положением мембраны 4 цилиндрической спирали 10.

Отличие в работе датчика-реле на фиг. 3 состоит в том, что коммутация осуществляется путем замыкания и размыкания электропроводных стенки 2 и полого стержня 13.

На фиг. 4 показано, что ЧТСЭ 9 может быть выполнен в виде одной пластины, своей серединой жестко скрепленной с контактом, выполненным единым элементом со стенкой 2 корпуса 1. Концы пластины 9 опираются на диаметральные области толкателя 8. Другой контакт образован стенкой 3 корпуса 1, выполненной в виде прогибающегося профилированного диска-мембраны. Прямая пластина 9, деформированная дугообразно при низкой температуре, при достижении температуры формовосстановления выпрямляется и посредством толкателя 8 прогибает профилированный диск стенки 3, т.е. контакты датчика-реле размыкаются. Такой датчик-реле, как и показанный на фиг. 5, имеет минимальные габариты по высоте, минимальное количество деталей.

Приведенные модификации датчики-реле температуры выполнены так, что его контакты замкнуты при низкой температуре, например комнатной, и размыкаются при высокой температуре. Не меняя конструктивного решения, можно осуществить замыкание контактов при повышенной температуре, а размыкание при пониженной температуре. На примере устройства, приведенного на фиг. 5, для этого достаточно изменить на обратные (рокировать) формы ЧТСЭ 9 при низкой и высокой температурах.

Выполнение ЧТСЭ 9 или 10 из материала с термомеханической памятью формы позволит исключить калибровку этого элемента, использовать любые виды деформации (изгиб, кручение, растяжение). При этом в отличие от биметалла, в котором усилие формоизменения пропорционально его температуре, в предлагаемом материала усилие формовосстановления, под действием которого размыкаются контакты, развивается только при температуре формовосстановления. Следовательно, повышается точность срабатывания по температуре.

Предлагаемый датчик-реле температуры имеет упрощенную конструкцию за счет совмещения нескольких функций в одном элементе, например стенки 3 в качестве мембраны, мембраны в качестве одного контакта, толкателя 13 в качестве другого контакта и т.п. Малое количество деталей и их простые формы позволяют выполнить датчик-реле с малыми габаритами при увеличенном диапазоне значений коммутируемых токов, т.к. размеры контактов при этом могут быть значительными. Осесимметричность конструкции в сочетании с выполнением движения контактов строго вдоль оси симметрии обеспечивает высокую точность исполнения температуры электрической коммутации.

Конструктивное совмещение в едином элементе стенки 3 и мембраны 4 способствует дальнейшему упрощению датчика-реле, снижает его инерционность. Выполнение мембраны 4 или стенки-мембраны 3 (фиг. 4, 5) в виде профилированного диска позволяет достигнуть оптимального сочетания ее гибкости под действием формовосстановления ЧТСЭ 9 или 10 и упругости при возвращении мембраны 4 в исходное положение.

Выполнение ЧТСЭ в виде цилиндрической или конической спирали позволяет уменьшить поперечные габариты датчика-реле и получить наилучшее сочетание значительного усилия ее формовосстановления и малого усилия возвратной деформации, что обеспечивает надежность осуществления коммутирующих циклов датчика-реле.

Использование: для автоматического управления, регулирования и контроля различных тепловых процессов, в частности, для включения и выключения электрической цепи при отклонении температуры контролируемой среды от заданной. Датчик-реле температуры имеет повышенную точность срабатывания, увеличенный диапазон коммутируемых токов, упрощенную конструкцию и уменьшенные габариты. Сущность изобретения: в датчике-реле температуры, элементами которого являются корпус, установленные в нем коммутирующие контакты, толкатель, мембрана в форме профилированного диска, соединенная с толкателем, и чувствительный к температуре силовой элемент, в качестве одного из контактов использована указанная мембрана или толкатель, а чувствительный к температуре силовой элемент выполнен из материала с памятью формы. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Датчик-реле температуры, элементами которого является корпус, установленные в нем коммутирующие контакты, толкатель, мембрана в форме профилированного диска, соединенная с толкателем, и чувствительный к температуре силовой элемент, отличающийся тем, что в нем в качестве одного из контактов использована указанная мембрана или толкатель, а чувствительный к температуре силовой элемент выполнен из материала с памятью формы. 2. Датчик-реле по п.1, отличающийся тем, что в нем все указанные элементы выполнены симметричными относительно направления размыкания указанных контактов. 3. Датчик-реле по п.2, отличающийся тем, что в нем по крайней мере один из контактов снабжен кольцеобразной контактной поверхностью. 4. Датчик-реле по п.2 или 3, отличающийся тем, что в нем указанная мембрана образует стенку корпуса и/или электровывод одного из контактов. 5. Датчик-реле по п.4, отличающийся тем, что в нем стенка корпуса, противоположная вышеуказанной, образует другой контакт. 6. Датчик-реле по п.5, отличающийся тем, что в нем упомянутая противоположная стенка выполнена в виде профилированного диска. 7. Датчик-реле по любому из пп.4, 5 и 8, отличающийся тем, что в нем чувствительный к температуре силовой элемент выполнен в виде цилиндрической или конической спирали.