ТЕРМОВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H01H37/76 H05B3/48 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к тепловым выключателям, предназначенным для защиты электрических приборов от перегрева при их ненормальной работе.

Наиболее близким техническим решением является конструкция термовыключателя по патенту РФ N 2026582, H 01 H 37/76, 1995, в котором термовыключатель содержит оболочку из электроизоляционного термостойкого материала, два электрода, частично входящие в нее, термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренняя полость которой заполнена непроводящим электрический ток веществом-активатором, температура плавления которого ниже температуры плавления материала трубки.

Недостатком данной конструкции является значительное время срабатывания и невозможность использования термовыключателя для встроенной защиты электронагревательных элементов.

Цель предлагаемого изобретения - уменьшение времени срабатывания термовыключателя и повышение стабильности его технических характеристик.

Технический результат при использовании изобретения - улучшение технических характеристик термовыключателя и расширение возможностей его применения.

Указанная цель достигается тем, что термовыключатель снабжен металлической обечайкой с внутренним диаметром, приблизительно равным наружному диаметру трубки термочувствительного элемента, закрепленной на наружной поверхности этой трубки и расположенной по длине по меньшей мере от ее начала, находящегося со стороны электрода приборного, в сторону электрода сетевого, не заступая за его конец, находящийся со стороны трубки термочувствительного элемента. Обечайка выполняется, например, из ленты или трубки, имеющей более высокий коэффициент теплопроводности, чем материал трубки термочувствительного элемента и может иметь луженую внутреннюю поверхность. Термовыключатель может иметь вторую обечайку, закрепленную на наружной поверхности трубки термочувствительного элемента и расположенную по длине по меньшей мере от конца этой трубки в сторону электрода приборного, не доходя до первой обечайки на величину зазора, обеспечивающего надежное срабатывание термовыключателя. Термовыключатель может иметь хотя бы один электрод, жестко соединенный своим концом, находящимся со стороны трубки термочувствительного элемента, с обечайкой таким образом, что образуется электрическая цепь через электрод, обечайку и трубку термочувствительного элемента. Между торцами электрода и трубки термочувствительного элемента в обечайке образована свободная полость, сообщающаяся с атмосферой, например, через одно или несколько отверстий или прорезь, выполненные в оболочке. Отверстия или прорезь могут быть закрыты легкоплавкими пробками. Термовыключатель может иметь электрод и обечайку, выполненные единой деталью. Термовыключатель может иметь электроизоляционную оболочку, выполненную, например, из термостойкого полимера и охватывающую часть электрода приборного, обечайку, трубку термочувствительного элемента, и часть электрода сетевого, не герметичную для встраиваемых в электронагреватели термовыключателей, по крайней мере, со стороны электрода сетевого, причем между электроизоляционной оболочкой и трубкой термочувствительного элемента для уменьшения агдезии может быть нанесен тонкий слой вещества-активатора.

На фиг.1 изображен продольный разрез термовыключателя; на фиг.2 - продольный разрез термовыключателя, в котором электрод приборный жестко соединен с обечайкой таким образом, что в обечайке образована свободная полость между торцами электрода приборного и трубкой термочувствительного элемента; на фиг. 3 - продольный разрез термовыключателя, в котором электрод приборный и обечайка выполнены единой деталью; на фиг.4 - продольный разрез термовыключателя, снабженного второй обечайкой; на фиг. 5 - продольный разрез термовыключателя, снабженного электроизоляционной оболочкой, охватывающей обечайку, трубку, часть электрода приборного и электрода сетевого, причем между оболочкой и трубкой нанесен тонкий слой вещества-активатора; на фиг.6 - продольный разрез трубчатого электронагревателя со встроенным внутрь его оболочки термовыключателем, выполненным по п.1 формулы изобретения; на фиг. 7 - продольный разрез трубчатого электронагревателя после срабатывания термовыключателя.

Конструкция термовыключателя состоит из герметично закрытой с двух сторон трубки 1 (см. фиг. 1) из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренняя полость которой заполнена веществом-активатором 2, не проводящим электрический ток. В качестве термочувствительного элемента можно использовать трубку из оловянно-свинцового сплава, заполненную, например, канифолью. С одной стороны к трубке жестко подсоединен электрод приборный 3, с другой стороны - электрод сетевой 4. Электроды могут быть выполнены из стали, латуни, меди. На наружной поверхности 5 трубки 1 со стороны электрода приборного 3 установлена металлическая обечайка 6, выполненная, например, из ленты или трубки, имеющей более высокий коэффициент теплопроводности, чем материал трубки термочувствительного элемента, с луженой, например, материалом трубки внутренней поверхностью, с внутренним диаметром, приблизительно равным наружному диаметру трубки термочувствительного элемента, и жестко закрепленная на ней, расположенная со стороны электрода приборного 3 по меньшей мере от начала трубки 1 и не заступающая в продольном направлении за конец 7 электрода сетевого 5, расположенный со стороны трубки. Электрод приборный 3 может быть выполнен в виде круглого стержня 8 (см. фиг.2), с диаметром на конце, приблизительно равным внутреннему диаметру обечайки 6, причем он жестко соединен с обечайкой 6 таким образом, что между электродом 3 и трубкой 1 в обечайке 6 образована полость. Для исключения образования в обечайке воздушной пробки, препятствующей втягиванию расплава трубки 1 в обечайку 6, свободная внутренняя полость обечайки 6 соединена с атмосферой через отверстие 10, выполненное в обечайке 6. Отверстие может быть закрыто легкоплавкой пробкой 11, выполненной, например, из материала трубки термочувствительного элемента или вещества-активатора. Как один из вариантов электрод приборный 3 и обечайка могут быть выполнены единой деталью 12 (см. фиг.3).

Термовыключатель может быть снабжен второй обечайкой 13 (см. фиг.4). Термовыключатель может быть снабжен электроизоляционной оболочкой 14, выполненной, например, из термостойкого полимера (см. фиг.5), охватывающей трубку 1, обечайку 6, часть электрода приборного 3 и электрода сетевого 5, причем между оболочкой и трубкой для уменьшения агдезии может быть нанесен тонкий слой вещества-активатора 15. Электроизоляционная оболочка 14 может выполняться герметичной со стороны электрода приборного 3.

Предлагаемый термовыключатель может устанавливаться в оболочку трубчатого электронагревателя (ТЭНа) вместо одного из контактов (см. фиг.6). Оболочка ТЭНа 16 изолирована от термовыключателя, например, периклазом 17. Электрод приборный 3 жестко соединен со спиралью 18 нагревателя ТЭНа. Электрод сетевой 4 выходит из оболочки ТЭНа 16 через электроизоляционную втулку 19 и выполняет функцию контакта ТЭНа.

Термовыключатель работает следующим образом.

При нормальной работе оболочка ТЭНа 16 омывается снаружи водой, температура трубки 1 термовыключателя не превышает 120^oC и срабатывания термовыключателя не происходит. При выкипании воды или включении электронагревателя без воды увеличивается поток тепла от спирали 18 к термочувствительному элементу термовыключателя через электрод приборный 3, обечайку 6, оболочку ТЭНа 16 и периклаз 17. Если теплопроводность оболочки ТЭНа 16 невелика (оболочка из нержавеющей стали), основное количество теплоты, необходимое для расплавления вещества-активатора 2, а затем трубки 1 термочувствительного элемента передается от спирали нагревателя 18 через электрод приборный 3 и обечайку 6. Обечайка 6 имеет высокую теплопроводность и способствует увеличению количества передаваемого трубке 1 тепла за единицу времени. Сплав трубки 1 по мере расплавления от воздействия расплава вещества-активатора 2, уменьшающего поверхностное натяжение расплава трубки и способствующего появлению смачивания расплавом трубки 1 луженой внутренней поверхности обечайки 6, под воздействием капиллярного эффекта втягивается в обечайку, вытесняя из нее вещество-активатор (см. фиг.7). Электрическая цепь питания разрывается.

Образовавшийся зазор (разрыв электрической цепи) между обечайкой 6, заполненной расплавом трубки 20, и нерасплавленной частью трубки 21 заполнен расплавом вещества-активатора 22 (см. фиг.7). В дальнейшем часть трубки 21 под воздействием теплоты, продолжающей поступать от нагретых до высокой температуры частей ТЭНа, расплавляясь, может опять замкнуть электрическую цепь. Для исключения этого в конструкцию может быть введена вторая обечайка 13 (см. фиг. 4), удерживающая расплав за счет смачивающего эффекта и предохраняющая его соединение с обечайкой 6, причем для обеспечения собирания расплава вещества-активатора 22 в электрическом зазоре обечайка может быть не замкнута в цилиндр.

С целью уменьшения времени срабатывания термовыключателя внутри обечайки 6 между электродом приборным 3 и термочувствительным элементом может быть образована свободная полость, которая сообщается с атмосферой через выполненное в обечайке отверстие 10 (см. фиг.2). Наличие свободной полости позволяет уменьшить массу термочувствительного элемента, а следовательно, при этом уменьшается количество теплоты для его плавления и время срабатывания термовыключателя. Для исключения попадания периклаза 17 в свободную полость оболочки отверстие 10 закрывается легкоплавкой пробкой 11. Перед срабатыванием термовыключателя пробка расплавляется, обеспечивая выход газов через отверстие 10. Пробка 11 может быть выполнена, например, из материала вещества-активатора или трубки термочувствительного элемента.

Для ТЭНов, имеющих оболочку с низкой теплопроводностью, например, из нержавеющей стали, в зоне электрода приборного 3 температура периклаза 17 при ограниченном охлаждении оболочки ТЭНа достигает такой величины, при которой вещество-активатор, попавшее в периклаз, образует токопроводящие мостики, приводящие к короткому замыканию электрода приборного 3 на оболочку ТЭНа 16. Для исключения этого на трубку 1, обечайку 6 и часть электрода приборного 3 одета электроизоляционная оболочка 14 (см. фиг.5), исключающая попадание расплава вещества-активатора 22 в часть периклаза 17, расположенную в зоне высокой температуры. Оболочка выполняется, например, из термостойкого полимера, герметичной со стороны электрода приборного 3. Для невстраиваемых термовыключателей электроизоляционная оболочка выполняется таким образом, чтобы ее внутренняя полость, занятая термочувствительным элементом, сообщалась с атмосферой через зазоры между электродами 3, 4 и электроизоляционной оболочкой 14.

Проведенные испытания показали, что предлагаемые конструкции в 3-5 раз ускоряют время срабатывания и позволяют защитить от перегрева нагревательный элемент с любыми металлическими оболочками. Ранее такой тип термовыключателей нельзя было применять для защиты электронагревательных элементов.

Следует особо подчеркнуть, что именно такие конструкции термовыключателей создают неожиданный дополнительный эффект - ускорение срабатывания термовыключателей такого типа. Действительно, для того чтобы увеличить скорость передачи тепла от спирали нагревателя к термовыключателю используется оболочка из хорошо проводящего тепло материала (см. заявку ФРГ N 3204875, H 05 B 3/48). В данном случае основная причина ускорения срабатывания термовыключателя не за счет увеличения теплопроводности установленной обечайки, а за счет действия капиллярного эффекта обечайки. Кроме того, если в обечайке имеется свободная внутренняя полость, то масса плавкого элемента берется значительно меньше - это пропорционально уменьшает время его расплавления, а значит, и время срабатывания термовыключателя. Разрыв электрической цепи происходит всегда на конце обечайки, а не как у прототипа в произвольном месте. Это повышает стабильность времени срабатывания, а для встраиваемых в ТЭН термовыключателей позволяет регулировать время срабатывания, удлиняя или укорачивая обечайку.

Промышленная применимость предлагаемой конструкции очевидна. Данная конструкция прошла опытные испытания на Нижегородском предприятии ТОО НПП "УЗЭП" и показала хорошие результаты. Простота предлагаемой конструкции термовыключателя позволяет осуществить изготовление ее на любом из предприятий, занимающихся изготовлением термовыключателей.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Изобретение имеет электроды и термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутрення полость которой заполнена веществом-активатором, не проводящим электрический ток, и обечайку, жестко закрепленную на трубке со стороны нагрева. Обечайка имеет более высокий коэффициент теплопроводности, чем материал трубки с луженой внутренней поверхностью. Термовыключатель сохраняет работоспособность после деформации обжатия и может встраиваться внутрь оболочки трубчатого нагревателя вместо одного из его контактов. 8 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Термовыключатель, содержащий термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренний объем которой заполнен веществом-активатором не проводящим электрический ток, сетевой и приборный электроды, отличающийся тем, что он снабжен металлической обечайки, имеющей более высокий коэффициент теплопроводности, чем материал трубки термочувствительного элемента, с внутренним диаметром, приблизительно равным наружному диаметру трубки, и жестко закрепленной на ней, расположенной со стороны приборного электрода по меньшей мере от начала трубки и не заступающей в продольном направлении за конец сетевого электрода, расположенный со стороны трубки. 2. Термовыключатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность обечайки облужена. 3. Термовыключатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен второй обечайкой, расположенной со стороны сетевого электрода на наружной поверхности трубки и закрепленной на ней по меньшей мере от конца трубки, причем обечайки образуют между собой зазор, обеспечивающий надежное срабатывание термовыключателя. 4. Термовыключатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что хотя бы один из электродов соединен с обечайкой, образуя электрическую цепь. 5. Термовыключатель по пп.4, отличающийся тем, что между электродом и трубкой в обечайке образована свободная полость, сообщаемая с атмосферой, например, через выполненные в ней одно или несколько отверстий или прорезь. 6. Термовыключатель по пп.5, отличающийся тем, что выполненные в оболочке отверстия или прорезь закрыты легкоплавками пробками. 7. Термовыключатель по любому из п.1 - 6, отличающийся тем, что хотя бы один из электродов выполнен единой деталью с обечайкой. 8. Термовыключатель по любому из п.1 - 7, отличающийся тем, что он снабжен электроизоляционной оболочкой, охватывающей трубку, обечайку, часть приборного и сетевого электродов, не герметизирующей их по крайней мере со стороны электрода сетевого. 9. Термовыключатель по п.8, отличающийся тем, что между оболочкой и трубкой термочувствительного элемента нанесен тонкий слой вещества-активатора.