ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2001 года по МПК H01H61/06 H01H71/18 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к электротермическим силовым элементам, которые могут быть использованы, в частности, в электроаппаратостроении в качестве электрического дистанционного управляющего элемента для включения (отключения) различного типа кнопок, выключателей, переключателей и др. электрических аппаратов, а также при работе в автоматическом режиме могут быть использованы в качестве привода, кинематически связанного с различными механизмами, преобразующими возвратно-поступательное движение в повороты или вращательное, с механическим накоплением энергии или исполнительным механизмом.

Известные устройства с использованием электротермического рабочего силового элемента, выполненного из материала с обратимой термической памятью формы (см. а. с. СССР N 1170525, М. Кл.⁵ H 01 H 33/42, Бюл. N 28 от 30.07.85г. ) в виде С-образно изогнутой пластины, которая установлена в корпусе, в качающих опорах, которые упираются в антифрикционные подпятники, один из которых неподвижно укреплен в корпусе устройства, а другой соединен с подвижным прямоходовым штоком, который содержит возвратную пружину и кинематически связан с элементами, преобразующими возвратно-поступательное движение штока во вращательное.

Описанное устройство с одной внутренней стороны корпуса, вдоль С-образного рабочего силового элемента, содержит нагревательный элемент, повторяющий его форму, а с противоположной стороны корпуса выполнены сквозные отверстия для охлаждения воздухом.

Нагревательным элементом при работе управляют (включают-выключают) конечные выключатели.

К недостаткам описанного устройства следует отнести следующие:
- единственный С-образный рабочий силовой элемент не в состоянии разрывать большие тяговые усилия;
- сквозные отверстия в массивном корпусе не обеспечивают быстрого охлаждения рабочего силового элемента при работе;
- корпус устройства аккумулирует тепло за счет своей массивности и теплопроводности;
- возвратная пружина при работе потребляет часть полезной энергии, чем снижает КПД;
- в силу значительной толщины силового рабочего элемента в нем при знакопеременных нагрузках в режиме работы возникают усталостные явления, снижающие надежность.

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому устройству является "Электротермический силовой элемент" (см. а. с. N 1795859 от 29.05.93г., М.Кл. H 02 N 10/00), который содержит основание с нагревательным элементом, подвижный элемент с резьбовым гнездом для кинематической связи с исполнительным механизмом и рабочий элемент из материала с обратимой термической памятью формы, установленный на корпусе, выполненный в виде тонкостенной многогранной трубы, образующей в сечении правильный многоугольник (к примеру, шестигранный), с узкими сквозными прорезями по углам граней, в рабочей зоне, вдоль трубы. Причем нагревательный элемент расположен в центре нее, вдоль оси.

Описанное устройство электротермического силового элемента имеет следующие недостатки:
а) при работе, в момент сокращения (уменьшения) длины устройства, значительно увеличивается диаметр окружности вписанного многоугольника рабочего элемента (т.е. увеличение в поперечном сечении);
б) предусмотрена работа устройства только в автоматическом режиме, т.е. при включении устройство будет совершать циклические возвратно-поступательные движения, что ограничивает диапазон его использования;
в) создает недостаточно высокие тяговые усилия;
г) устройство недостаточно устойчиво вдоль своей продольной оси при работе.

Задачей предлагаемого изобретения является создание более совершенного электротермического силового элемента, то есть;
- при работе не увеличивающегося в поперечном сечении;
- предусматривающего работу устройства как в автоматическом, так и неавтоматическом режимах;
- создающего достаточно высокие тяговые усилия;
- устойчивого вдоль своей продольной оси при работе.

Задача решается тем что предлагаемое устройство электротермического силового элемента содержит основание с нагревательным элементом, подвижный элемент и рабочий элемент из материала с обратимой термической памятью формы, выполненный в виде тонкостенного сильфона, внутри которого по центру вдоль продольной оси его установлен в основании нагревательный элемент трубчатого типа с прямоходовым подвижным штоком внутри него, причем внутренний конец указанного штока закреплен в подвижном элементе, а противоположный, наружный, конец установлен в подшипнике скольжения и связан кинематически с конечным переключателем.

Новизна предлагаемого изобретения состоит в том, что рабочий элемент из материала с обратимой термической памятью формы выполнен в виде тонкостенного сильфона, а нагревательный элемент выполнен трубчатого типа с прямоходовым подвижным штоком внутри него, внутренний конец которого закреплен в подвижном элементе, а противоположный, наружный, конец установлен в подшипнике скольжения и связан кинематически с конечным переключателем.

Новым также является наличие шунтирующего элемента (к примеру, проводящей перемычки), обеспечивающего (при необходимости) изменение режима работы электротермического силового элемента.

Благодаря новой форме рабочего элемента (т.е. в виде сильфона) и трубчатого нагревательного элемента с прямоходовым подвижным штоком внутри него один конец которого закреплен в подвижном элементе, а противоположный - в подшипнике скольжения, появляются новые свойства, такие как: устойчивость устройства вдоль своей продольной оси при работе, не увеличивается диаметр поперечного сечения рабочего элемента более номинального, возможность (при необходимости) изменять режим работы устройства.

Указанные свойства позволяют получить дополнительный положительный эффект - увеличение мощности тяговых усилий и высокую надежность, а также дают возможность работы устройства в автоматическом или в неавтоматическом режиме.

К технико-экономическим преимуществам, по сравнению с прототипом, относятся следующие:
д) создаются большие тяговые усилия;
е) возможность работы в автоматическом и в неавтоматическом (ручное управление) режиме;
ж) устройство более компактно, т.е. при работе не увеличивается габариты его в поперечном сечении;
з) более устойчиво по своей продольной оси;
и) бифилярный высокоомный проводник нагревательного элемента не создает индуктивности, т.е. помех;
к) более надежно.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показано устройство электрического силового элемента в продольном сечении, вдоль оси, в обесточенном состоянии, т.е. без нагрева (в холодном);
на фиг. 2 показано устройство по стрелке А, в обесточенном состоянии (в холодном);
на фиг. 3 показано устройство в продольном сечении, т.е. в нагретом состоянии.

На чертежах буквами обозначено:
P - направление развиваемых тяговых усилий при работе;
L - длина силового рабочего элемента во включенном состоянии;
l - длина силового рабочего элемента в отключенном состоянии;
D - диаметр силового рабочего элемента в отключенном состоянии;
Предлагаемый электротермический силовой элемент (см. фиг. 1; 2 и 3) содержит основание 1 (с отверстиями для крепления при установке), на котором жестко установлено кольцо 2 с фланцем, которое жестко соединено (к примеру, припаяно) с торцом силового рабочего элемента 3, выполненного в виде сильфона из материала с обратимой термической памятью формы (к примеру, из никелево-титанового сплава или из сплава меди с цинком, алюминием, марганцем и железом по а.с. СССР N 153483).

С другого торца рабочего элемента 3 установлен (к примеру: припаян или с помощью крепящих элементов 4 (винтов или болтов) подвижный элемент 5, который содержит сквозные отверстия 6 (для прохода воздуха при работе).

По центру основания 1 установлен нагревательный элемент 7 трубчатого типа, который на своей наружной поверхности содержит винтовые пазы-канилюры для укладки бифилярного высокоомного нагревательного проводника.

Внутри нагревательного элемента 7, по центру его, проходит прямоходовой подвижный шток 8, установленный своим внутренним концом в подвижном элементе 5, а противоположный, наружный, конец установлен в подшипнике скольжения 9 и кинематически связан с конечным переключателем 10.

От конечного переключателя 10 выведены наружные зажимы для установки шунтирующего элемента 11 (к примеру: перемычки, кнопочного переключателя и пр.) для шунтирования его при переходе на другой режим работы устройства.

С наружной стороны подвижного элемента 5 содержится резьбовое гнездо 12 для установки к примеру, стержня 13, осуществляющего кинематическую связь с исполнительным механизмом (не показан).

Включение и отключение устройства производиться выключателем 14. В исходном положении (см. фиг. 1 и 2) нагревательный элемент 7 отключен и устройство находиться в обесточенном состоянии ("холодном") и в этом положении рабочий элемент 3 имеет минимальную длину "l" и диаметр силового рабочего элемента - D.

При работе (см. фиг. 2 и 3) в начальный момент рабочий элемент 3 (сильфон) имеет исходную температуру, т.е. температуру окружающей среды и длину "l", причем конечный переключатель 10 замкнут, но при замыкании внешнего выключателя 14 замыкается цепь электропитания нагревательного элемента 7 и происходит нагревание изнутри рабочего элемента 3 (сильфона) и при достижении определенной величины повышения температуры, заложенной в термическую память формы, длина рабочего элемента 3 дискретно увеличивается до длины "L", создавая тяговые усилия по стрелке "P" (рабочий ход).

При этом наружный конец прямоходового подвижного штока 8 освобождает конечный переключатель 10, в результате чего цепь электропитания нагревательного элемента 7 разомкнется и будет проходить интенсивное охлаждение рабочего элемента 3 (сильфона), который охладившись до исходной пониженной температуры, также заложенной в термическую память формы, вернется в исходное положение длиной "l" (холостой ход).

Наружный конец прямоходового подвижного штока 8 при этом воздействует на конечный переключатель 10, замыкая его, в результате чего вновь замыкается цепь электропитания нагревательного элемента 7 и рабочий элемент 3 вновь нагревается и увеличивается до размера "L", создавая тяговые усилия по стрелке "Р" (рабочий ход).

При работе охлаждение может происходить как естественным путем за счет конвекции воздуха (при этом имеет значение расположение устройства в пространстве), так и искусственно, принудительно, за счет обдувания, к примеру, холодным воздухом.

Предлагаемое устройство будет совершать циклические возвратно-поступательные движения в автоматическом режиме необходимое число раз в зависимости от заданной программы.

Для остановки устройства достаточно разорвать электроцепь питания нагревательного элемента 7 выключателем 14.

При этом из любого положения при отключении устройство возвращается в исходное положение.

Таким образом устройство работает в автоматическом режиме и стержень 13 совершает возвратно-поступательные движения, преобразуя их в поворотное или вращательное, т.е. работает в качестве привода.

При установке шунтирующего элемента 11 происходит блокирование конечного переключателя 10 и устройство в таком случае будет работать в неавтоматическом (ручном) режиме, т. е. будет управляться вручную выключателем 14: при включении его последует единичный импульс силы (рабочий ход), достаточный для включения, к примеру, электрического аппарата, а при отключении - возврат устройства в исходное положение (холостой ход).

Наиболее рационально использовать предлагаемое устройство в области электроаппаратостроения, к примеру, в качестве привода для различных аппаратов и машин или в качестве дистанционного включающего устройства для электрических аппаратов, там где требуется и необходим простой, бесшумный и компактный силовой элемент.

Учитывая все вышеприведенные преимущества (см. пункты: "д", "е", "ж", "з", "и" и "к") и низкую стоимость устройства, очевидно, что оно быстро окупится при изготовлении и эксплуатации и даст значительный экономический эффект.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электротермическим силовым элементам, которые могут быть использованы как в качестве привода, так и в качестве включающего силового элемента. Электротермический силовой элемент содержит основание 1 с нагревательным элементом 7, подвижный элемент 5 и рабочий элемент в виде сильфона из материала с обратимой термической памятью формы. Внутри рабочего элемента 3 по центру вдоль его продольной оси установлен нагревательный элемент 7 трубчатого типа с прямоходовым подвижным штоком 8 внутри него. Внутренний конец штока 8 закреплен в подвижном элементе 5, а противоположный установлен в подшипнике скольжения 9 и связан кинематически с конечным переключателем 10. В устройстве предусмотрена для смены режима автоматической работы на неавтоматическую (ручную) установка шунтирующего элемента 11. Техническим результатом является расширение области применения за счет обеспечения возможности работы в любом режиме, увеличение тяговых усилий и повышение надежности в работе. 3 ил.

Электротермический силовой элемент, содержащий основание с нагревательным элементом, подвижный элемент и рабочий элемент из материала с обратимой термической памятью формы, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен в виде тонкостенного сильфона, внутри которого по центру вдоль продольной оси его установлен в основании нагревательный элемент трубчатого типа с прямоходовым подвижным штоком внутри него, причем внутренний конец указанного штока закреплен в подвижном элементе, а противоположный, наружный, конец установлен в подшипнике скольжения и связан кинематически с конечным переключателем.