ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ С ТЕРМОВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H05B3/48 H05B1/02 H01H37/76 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к трубчатым электронагревателям (ТЭНам) с установкой внутри трубки термовыключателя, предназначенного для защиты электронагревателя от перегрева при возникновении неисправностей, и способу его изготовления.

Известно большое количество технических решений по созданию ТЭНов с термовыключателями, например, патент Германии N 4014753 (реферативный журнал ИСМ N 3/93 стр.8), патент Великобритании N 2261770 (реферативный журнал ИСМ 3/95 стр. 12), патент США N 5020128 (реферативный журнал ИСМ 3/93 стр. 70). В последнее время чаще термовыключатель стремятся разместить внутри оболочки ТЭНа, например, как по заявке ФРГ N 3204875 H 05 B 3/48, однако конструкции сложны и ненадежны.

Более близким техническим решением является решение по заявке РФ N 96100788/07 от 11.01.96 г. , в котором трубчатый электронагреватель имеет металлическую оболочку, закрытую с обоих концов электроизоляционными элементами, имеющими отверстия, через которые проходят два вывода, частично входящие в оболочку, нагреватель, выполненный в виде спиральнонамотанной проволоки, расположенной в оболочке. Один конец нагревателя электрически соединен с одним из двух электродов термовыключателя, который имеет термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренняя полость которой заполнена веществом-активатором, не проводящим электрический ток. Недостатком данной конструкции является сложность технологии изготовления из-за необходимости выполнения пайки проволочных выводов к закрытой трубке из легкоплавкого токопроводящего материала, а также невысокая надежность.

Заявителю известно о заявке РФ N 97106291 от 17.04.97 г. "Термовыключатель", техническое решение которой признано патентоспособным, но открытой публикации по ней не производилось. Однако данная информация известна по рекламным проспектам фирмы НПП "УЗЭП" г. Нижнего Новгорода. Указанное в данной заявке решение конструкции трубчатого нагревателя с термовыключателем принято за прототип.

В данной заявке предложена конструкция трубчатого нагревателя с термовыключателем, который имеет металлическую оболочку, закрытую с обоих концов электроизоляционными элементами, имеющих отверстия. В эти отверстия проходят два электрических вывода. Расположенный в оболочке нагреватель выполнен в виде спирально намотанной проволоки. Его один конец электрически соединен с выводом или является им, а другой электрически соединен в свою очередь с одним из двух электродов термовыключателя. Сам термовыключатель имеет термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренний объем которой заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток. Электроды, выполненные в виде трубок из теплотокопроводящего материала, например, из меди или латуни, и стержней, жестко закрепленных в трубках, а часть трубок жестко закреплена на наружной поверхности термочувствительного элемента и между ними образован зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя. Торцы термочувствительного элемента, внутренние поверхности трубок и торцы стержней образуют газопроницаемые объемы, при этом весь остальной внутренний объем заполнен теплостойким электроизоляционным материалом.

Данным решением автор пытается улучшить технические характеристики термовыключателя, тем самым повысить надежность трубчатого нагревателя с термовыключателем.

Однако данной конструкцией не достигнуты та надежность и качество, которые достигает автор настоящего изобретения.

Известен способ изготовления трубчатого нагревателя по заявке Японии N 3-18318 (ИСМ N3/92 стр.78), при осуществлении которого вводят электронагревательную проволоку в металлическую трубку и заполняют пространство между проволокой и трубкой порошком электроизоляционного материала. После заполнения порошком трубки и уплотнения его посредством подачи давления, производят термообработку в восстановительной атмосфере при t ≥ 900^oC. Затем удаляют электроизоляционный порошок у открытых частей трубки.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления трубчатого электронагревателя с термовыключателем по заявке РФ N 97106291 от 17.04.97 г. "Термовыключатель", при осуществлении которого вводят спирально намотанную проволоку, соединенную электрически с одной стороны с выводом, а с другой - через контактный стержень или напрямую - с термовыключателем, который имеет термочувствительный элемент к виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренняя полость которой заполнена веществом-активатором, не проводящим электрический ток, два электрода, закрепленные с противоположных сторон термочувствительного элемента, заполняют пространство между спирально намотанной проволокой, термовыключателем, выводами и металлической оболочкой сыпучим, теплостойким материалом, например, периклазом, закрывают с обоих концов трубку технологическими заглушками и производят редуцирование в валках, после чего осуществляют термообработку, затем заменяют технологические заглушки электроизоляционными элементами.

Недостатком данного способа является низкое качество выпускаемой продукции из-за того, что в процессе редуцирования вероятен отрыв выводов термовыключателя от термочувствительного элемента, а в процессе термообработки - возможное срабатывание термовыключателя, то есть выход из строя всего трубчатого электронагревателя, а из-за неоптимального соотношения газопроницаемых объемов и объема сплава в зазоре между трубками возможны повторные включения термовыключателя, что недопустимо из-за увеличения времени срабатывания.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение надежности и качества трубчатого электронагревателя с термовыключателем.

Технический результат изобретения - повышение надежности и качества трубчатого электронагревателя с термовыключателем.

Указанный технический результат достигается за счет того, что определена зависимость величины газопроницаемых объемов от величины зазора между электродами, что при выполнении с оптимальными размерами термовыключателя является существенным фактором для достижения его надежности и качества. Ранее при установке термовыключателя в трубчатый электронагреватель не учитывался тот фактор, что величина удлинения при редуцировании металлической оболочки бывает разной, а как следствие, и разная плотность сыпучего теплостойкого материала, который непосредственно прилегает к термовыключателю и изолирует его от оболочки. Поэтому в предлагаемой конструкции достигнута возможность устанавливать величины газопроницаемых объемов в зависимости от величины удлинения металлической оболочки трубчатого нагревателя, тем самым повышая надежность конструкции.

Это достигается за счет того, что стержни установлены в трубки плотно, однако с возможностью их перемещения в процессе редуцирования оболочки трубчатого нагревателя, причем окончательная величина суммы газопроницаемых объемов V₁+V₂, после редуцирования определяется неравенством
0,8 V₃≤V₁+V₂≤2,5 V₃,
где V₁ - газопроницаемый объем, образованный торцом трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренней поверхностью теплотокопроводящей трубки и торцом стержня, другой конец которого соединен с нагревателем;
V₂ - газопроницаемый объем, образованный торцом трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренней поверхностью теплотокопроводящей трубки и торцом стержня, являющийся выводом;
V₃ - объем сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре между трубками.

Газопроницаемость указанных выше объемов может быть осуществлена за счет выполнения на трубках отверстий либо в трубках кагалов на длину установки стержней.

При осуществлении предлагаемого способа изготовления трубчатого электронагревателя с термовыключателем электроды термовыключателя, выполненные из трубок теплотокопроводящего материала, расположенные на термочувствительном элементе и имеющие в продольном направлении между собой зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя, выступающие за его габариты, и контактных стержней, плотно вставленных во внутренние полости, образованные внутренней поверхностью трубок и торцами термочувствительного элемента, в процессе редуцирования оболочки трубчатого нагревателя обеспечивают газопроницаемые объемы V₁, V₂, образованные между торцами термочувствительного элемента, внутренней поверхностью трубок и торцами контактных стержней, величина которых определяется неравенством
0,8 V₃≤V₁+V₂≤2,5 V₃,
где V₃ - объем сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре между трубками,
а в процессе термообработки осуществляют защиту участка металлической оболочки, где расположен термовыключатель по меньшей мере на расстоянии 20 мм от нагрева ее по крайней мере на 20^oC ниже температуры срабатывания термовыключателя.

На фиг. 1 изображен продольный разрез трубчатого электронагревателя с термовыключателем при нормальной работе.

На фиг. 2 изображен продольный разрез трубчатого электронагревателя с термовыключателем, имеющим минимальные газопроницаемые объемы у термовыключателя, в момент после его срабатывания, когда он имеет минимальный зазор h₁ между частями сплава, обеспечивающий надежное отключение электронагревателя от сети.

На фиг.3 изображен продольный разрез трубчатого электронагревателя с термовыключателем, имеющим максимальные газопроницаемые объемы у термовыключателя, в момент после его срабатывания, надежно обеспечивающим электрический зазор между частями сплава после разрыва термочувствительного элемента.

Изображенный на фиг.1 продольный разрез трубчатого электронагревателя с термовыключателем представляет собой металлическую оболочку 1, закрытую с обоих концов электроизоляционными элементами 2, например, в виде втулок, имеющих отверстия 3, через которые проходят электрические выводы 4, один из которых может являться концом нагревателя 5 (который изображен в виде спираленамотанной проволоки) или электрически соединен с ним. Другой конец нагревателя 5 соединен с одним из двух электродов термовыключателя, имеющего термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки 6 из легкоплавкого токопроводящего материала (сплава). Его внутренний объем 7 заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток. Электроды, выполненные из теплотокопроводящих трубок 8, часть которых жестко закреплена на термочувствительном элементе 6, причем каждая из них выступает за габариты термочувствительного элемента 6, а между ними образован зазор h, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя. Электроды, кроме того, имеют стержни 9, плотно установленные во внутренние полости, образованные трубками 8, торцами термочувствительного элемента 6, образовывая газопроницаемые объемы 10 между внутренними поверхностями теплотокопроводящих трубок 8, торцами термочувствительного элемента 6 и торцами стержней 9. Причем величина суммы образовавшихся объемов 10 после редуцирования оболочки 1 должна быть по меньшей мере равна 0,8 объема сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре h между трубками, но не более 2,5 величины этого объема. Газопроницаемость объемов 10 может быть осуществлена, например, за счет выполнения отверстий в трубках 8 либо за счет выполнения каналов в трубках 8 на длину установки стержней 9. После редуцирования оболочки ТЭНа наименьшее продольное расстояние S между торцами стержней 9 и концами соответствующих трубок 8 должно быть не менее 1,0 мм. Другой электрод электрически соединен с другим выводом 4 или является им, при этом все остальное внутреннее пространство оболочки заполнено уплотненным, сыпучим, теплостойким материалом 11, непосредственно прилегающим к электронагревателю, к термовыключателю и выводам.

Трубчатый электронагреватель с термовыключателем работает следующим образом.

При нормальной работе оболочка 1 ТЭНа омывается снаружи водой, температура термочувствительного элемента 6 термовыключателя не превышает 120^oC и срабатывания термовыключателя не происходит. При выкипании воды или включении электронагревателя без воды увеличивается поток тепла от спирали 5 через стержень электрода 9, оболочку ТЭНа 1 и периклаз 11. Если теплопроводность оболочки ТЭНа 1 невелика (оболочка из нержавеющей стали), основное количество теплоты, необходимое для расплавления вещества активатора 7, а затем трубки 6 термовыключателя, передается от спирали нагревателя 5 через электрод 9. Трубка 8 имеет хорошую теплопроводность и способствует увеличению количества передаваемого трубке 6 тепла за единицу времени. При достижении температуры плавления расплавляются вещество-активатор 7 и трубка термочувствительного элемента 6. Вещество-активатор 7, уменьшая поверхностное натяжение, способствует собиранию расплава термочувствительного элемента 6 в капли. Электрическая цепь питания прибора разрывается, при этом возникает электрическая дуга, под воздействием которой происходит разложение вещества-активатора 7, образование газообразных продуктов разложения и повышение давления в зоне горения электрической дуги. Существенной особенностью конструкции является то, что при срабатывании термовыключателя под действием давления газов и электромагнитных сил происходит направленный выброс расплава термочувствительного элемента по электродам в газопроницаемые объемы. Это исключает попадание капель расплава на оболочку 1 ТЭНа и создание цепи короткого замыкания. Следует особо отметить, что в отличие от прототипа газопроницаемые объемы имеют величины, которые пропорциональны величине усилия при редуцировании оболочки ТЭНа. Определена зависимость величины суммы газопроницаемых объемов от величины объема термочувствительного элемента, находящегося в зазоре между трубками электродов. Действительно, для достижения оптимальных характеристик термовыключателя целесообразно выполнять газопроницаемые объемы такой величины, чтобы при срабатывании термовыключателя объем сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре h между трубками, смог при расплавлении переместиться в газопроницаемые объемы V₁, V₂, создав надежный электрический зазор между электродами, с другой стороны величина суммы газопроницаемых объемов V₁, V₂ не должна быть велика, так как это ухудшает технические характеристики термовыключателя, а следовательно, снижает надежность конструкции трубчатого нагревателя. Величина суммы газопроницаемых объемов должна быть по меньшей мере равна 0,8 объема сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре h между трубками, но не более 2,5 величины этого объема. Образовавшийся зазор (разрыв электрической цепи) между трубками 8, заполненной расплавом трубки 6 и расплавом вещества активатора 7, осуществляется за счет перемещения сплава термочувствительного элемента в газопроницаемые объемы (см. фиг.2, 3). При оптимальном соотношении объемов V₁, V₂ и зазора h термовыключателя исключается его повторное включение, что недопустимо. Как показали эксперименты, увеличение суммы газопроницаемых объемов больше 2,5 величины объема сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре h влечет за собой ухудшение технических характеристик термовыключателя, а следовательно, и надежности всей конструкции трубчатого электронагревателя.

Изготовление трубчатого электронагревателя с термовыключателем осуществляется следующим образом.

В металлическую оболочку 1 трубчатого электронагревателя вводят электронагреватель 5 в виде спирально намотанной проволоки, с концом которого электрически соединен электрод термовыключателя, представляющего собой термочувствительный элемент 6 в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренняя полость которой заполнена веществом-активатором. Электроды выполнены в виде трубок и стержней, установленных в них плотно, с возможностью перемещения при редуцировании оболочки. Между торцами термочувствительного элемента, внутренней поверхностью трубок и торцами стержней образованы газопроницаемые объемы. Один из выводов электронагревателя электрически соединен с концом спирально намотанной проволоки или является им. Другой вывод электронагревателя электрически соединен с электродом термовыключателя или является им. Все свободное внутреннее пространство оболочки заполняют сыпучим, теплостойким материалом, например, периклазом, закрывают с обоих концов металлическую оболочку технологическими заглушками, через отверстия которых пропускают выводы. Затем осуществляют редуцирование металлической оболочки в валках. После редуцирования величина суммы газопроницаемых объемов термовыключателя определяется неравенством
0,8 V₃≤V₁+V₂≤2,5V₃,
где V₃ - объем сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре между трубками.

В дальнейшем осуществляют процесс термообработки, при этом осуществляют защиту участка металлической оболочки, где расположен термовыключатель, по меньшей мере на расстоянии 20 мм от нагрева ее по крайней мере на 20^oC ниже температуры срабатывания термовыключателя. Это может быть осуществлено любыми известными способами, например, подачей в эту зону охлажденного воздуха. После термообработки заменяют технологические заглушки электроизоляционными элементами 2.

Проведенные испытания показали, что предлагаемая конструкция при оптимальных размерах термовыключателя имеет более высокую надежность и качество по сравнению с аналогичными конструкциями за счет исключения отрывов выводов термовыключателя при редуцировании, исключается выход из строя термовыключателя при термообработке оболочки ТЭНа, а также исключаются повторные включения термовыключателя после его срабатывания.

Промышленная применимость предлагаемой конструкции очевидна. Данная конструкция прошла опытные испытания на Нижегородском предприятии АООТ " Термаль" и показала хорошие результаты. Выпуск данной конструкции трубчатого электронагревателя с термовыключателем и предложенный способ его изготовления намечен на 2 квартал 1998 года. Простота предлагаемой конструкции трубчатого электронагревателя с термовыключателем и способ его изготовления позволяют осуществить его на любом из предприятий, занимающихся изготовлением трубчатых электронагревателей.

Перечисленные признаки отличают предлагаемые технические решения от прототипа и обуславливают соответствие этих решений требованиям изобретения.

Изобретение относится к области злектроприборостроения и может быть использовано при изготовлении трубчатого электронагревателя с защитой от перегрева при ненормальной работе. В предложенном трубчатом электронагревателе с термовыключателем, расположенным в его оболочке, определена оптимальная зависимость размеров газопроницаемых объемов, образованных торцами термочувствительного элемента, внутренними поверхностями трубок, являющихся частью электродов, и торцами стержней, плотно установленных в указанные трубки, от объема сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре между трубками. Способ изготовления трубчатого электронагревателя с термовыключателем отличается от известного тем, что в процессе редуцирования оболочки трубчатого нагревателя обеспечивают газопроницаемые объемы V₁, V₂, образованные торцами термочувствительного элемента термовыключателя, внутренними поверхностями трубок, являющихся частью его электродов, и торцами стержней, плотно установленных в указанные трубки, причем их величина определяется неравенством 0,8 V₃ ≤ V₁ + V₂ ≤ 2,5 V₃, где V₃ - объем сплава термочувствительного элемента, расположенного в зазоре между трубками, а в процессе термообработки осуществляют защиту участка металлической оболочки, где расположен термовыключатель, по крайней мере на расстоянии 20 мм от нагрева ее по меньшей мере на 20^oC ниже температуры срабатывания термовыключателя. Изобретение позволяет повысить безопасность, качество и надежность в работе. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Трубчатый электронагреватель с термовыключателем, содержащий металлическую оболочку, закрытую с обоих концов электроизоляционными элементами, например, в виде втулок, имеющих отверстия, через которые проходят два электрических вывода, частично входящие в оболочку, нагреватель, выполненный в виде спирально намотанной проволоки, расположенной в оболочке, один конец которой электрически соединен с выводом или является им, а другой конец электрически соединен с одним из двух электродов термовыключателя, имеющего термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренний объем которой заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток, а электроды выполнены в виде трубок из теплотокопроводящего материала, например из меди или латуни, и стержней, установленных в трубках, часть трубок жестко закреплена на наружной поверхности термочувствительного элемента, а между ними образован зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя, причем внутренняя поверхность трубок, торцы стержней и торцы термочувствительного элемента образуют газопроницаемые объемы, другой электрод электрически соединен с другим выводом или является им, при этом все остальное внутреннее пространство оболочки заполнено уплотненным сыпучим теплостойким материалом, непосредственно прилегающим к электронагревателю, к термовыключателю и выводам, электрически изолируя их от оболочки, отличающийся тем, что стержни установлены в трубки плотно, однако с возможностью их перемещения в процессе редуцирования оболочки трубчатого нагревателя, причем окончательная величина суммы газопроницаемых объемов V₁ + V₂ после редуцирования определяется неравенством 0,8 V₃ ≤ V₁ + V₂ ≤ 2,5 V₃, где V₁ - газопроницаемый объем, образованный торцом трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренней поверхностью теплотокопроводящей трубки и торцом стержня, другой конец которого соединен с нагревателем, V₂ - газопроницаемый объем, образованный торцом трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренней поверхностью теплотокопроводящей трубки и торцом стержня, являющегося выводом или соединенного с ним, V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между теплотокопроводящими трубками. 2. Трубчатый электронагреватель с термовыключателем по п.1, отличающийся тем, что продольные расстояния между торцами стержней, расположенных в трубках, и концами соответствующих трубок, не закрепленных на термочувствительном элементе, после редуцирования оболочки не менее 1 мм. 3. Способ изготовления трубчатого электронагревателя с термовыключателем, при котором в металлическую оболочку вводят электронагреватель с термовыключателем, представляющий собой спирально намотанную проволоку, один конец которой является выводом или электрически соединен с ним, а другой соединен электрически с одним из двух электродов термовыключателя, который имеет термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренняя полость которой заполнена веществом-активатором, не проводящим электрический ток, два электрода, выполненные в виде трубок из теплотокопроводящего материала и стержней, установленных в них, часть трубок жестко закреплена на термочувствительном элементе и имеет в продольном направлении между собой зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя, между торцами термочувствительного элемента, внутренней поверхностью трубок и торцами стержней образованы газопроницаемые объемы, затем заполняют пространство между спирально намотанной проволокой, термовыключателем и металлической оболочкой сыпучим теплостойким материалом например, периклазом, закрывают с обоих концов металлическую оболочку технологическими заглушками, через отверстия которых пропускают выводы, и производят редуцирование в валках, после чего осуществляют термообработку, а затем заменяют технологические заглушки электроизоляционными элементами, отличающийся тем, что за счет перемещения стержней в трубках в процессе редуцирования оболочки трубчатого нагревателя обеспечивают газопроницаемые объемы V₁, V₂, величина суммы которых определяется неравенством 0,8 V₃ ≤ V₁ + V₂ ≤ 2,5 V₃, где V₁ - газопроницаемый объем, образованный торцом трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренней поверхностью теплотокопроводящей трубки и торцом стержня, другой конец которого соединен с нагревателем, V₂ - газопроницаемый объем, образованный торцом трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренней поверхностью теплотокопроводящей трубки и торцом стержня, являющегося выводом, V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между теплотокопроводящими трубками, а в процессе термообработки осуществляют защиту участка металлической оболочки, где расположен термовыключатель, по крайней мере на расстоянии 20 мм от нагрева ее по меньшей мере на 20^oС ниже температуры срабатывания термовыключателя.