ТЕРМОУПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H01H37/46 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в коммутационной аппаратуре в качестве термореле для пожарной сигнализации, терморегулятора, индикатора температуры, коммутационного элемента в счетчиках расхода горячей воды и прочее.

Известен термоэлектрический выключатель, содержащий корпус, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты, и термочувствительный элемент, выполненный из материала с памятью формы (ЭПФ) в виде пластины и установленный с возможностью воздействия на подвижный контакт (1).

Недостатками известного термоэлектрического выключателя являются большие размеры термочувствительного элемента, что обуславливает значительное время для его прогрева или остывания, и невысокая надежность, особенно в условиях повышенной вибрации, что связано с консольным выполнением термочувствительного элемента.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран термочувствительный выключатель, содержащий корпус, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты, и термочувствительный элемент, выполненный из материала с эффектом памяти формы и установленный между подвижным контактом и корпусом с возможностью воздействия на подвижный контакт, причем термочувствительный элемент изготовлен в виде замкнутой криволинейной фигуры с жестким соединением ее концов и ему задана память формы в виде криволинейной фигуры (2).

Недостатки известного устройства заключаются в следующем.

Незначительные отличия формы термочувствительного элемента в "холодном" и "горячем" состояниях обуславливают небольшую величину рабочего хода и развиваемого усилия и, как следствие, снижают надежность работы термовыключателя и технологичность его изготовления (так как при малом рабочем ходе приходится предъявлять повышенные требования к изготовлению отдельных компонентов термовыключателя).

Отсутствие жесткой связи термочувствительного элемента с другими частями устройства снижает механическую стойкость при повышенных вибрационных нагрузках, увеличивает степень разброса при изменениях температуры.

Указанные недостатки известного термочувствительного выключателя обусловлены конструктивной реализацией термочувствительного элемента и геометрией его расположения в устройстве.

Задача, решаемая изобретением - повышение надежности, виброустойчивости и технологичности изготовления термоуправляемого выключателя.

Указанная задача решается тем, что в термоуправляемом выключателе, содержащем корпус, в котором расположены подвижные и неподвижные контакты и термочувствительный элемент, выполненный из материала с эффектом памяти формы и установленный с возможностью коммутации контактов, термочувствительный элемент жестко закреплен в выпрямленном состоянии своими концами на подвижном контакте над выполненным в нем вогнутым участком, при этом термочувствительному элементу задана память формы незамкнутой криволинейной фигуры, а его протяженность 1 выбирается из условия
0,7L≅1≅1,5L,
где L - длина криволинейной фигуры в замкнутом состоянии.

Термочувствительному элементу может быть задана память формы, например дуги окружности.

Как установлено авторами экспериментально, протяженность (длина) 1 термочувствительного элемента, жестко закрепленного своими концами на подвижном контакте в выпрямленном состоянии, должна быть равна 0,7 - 1,5 длины L незамкнутой криволинейной фигуры (например, окружности или эллипса), память формы которой придана термочувствительному элементу, что обеспечивает развитие термочувствительным элементом максимального усилия, которое при этом расходуется наиболее рационально, так как направление его действия максимально совпадает с направлением перемещения подвижного контакта.

Под криволинейной фигурой понимаются, например, такие фигуры, как окружность или эллипс. Длина криволинейной фигуры (окружности) в замкнутом состоянии соответствует классическому определению C = 2 πR, а под незамкнутой криволинейной фигурой понимается, в случае окружности, ее дуга, протяженность которой может быть как меньше, так и больше C (но не более 1,5C). Можно сказать, что в последнем случае термочувствительный элемент в диапазоне рабочих температур стремится вспомнить форму частично накрытой окружности (понятие накрытия используется в высшей математике, в частности, в теории групп Ли и при рассмотрении симметрических пространств).

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 изображен вариант исполнения термоуправляемого выключателя с нормально разомкнутыми контактами, на фиг. 2 - вариант исполнения с нормально замкнутыми контактами.

Термоуправляемый выключатель (фиг. 1) содержит герметичный корпус (стеклянный баллон) 1, в торцы которого с противоположных сторон впаяны подвижный 2 и неподвижный 3 контакты (контакт - детали), причем подвижный контакт 2 размещен под неподвижным контактом 3. Подвижный контакт 2 имеет вогнутый участок, над которым, замыкая его с двух сторон, жестко закреплен в выпрямленном состоянии, без напряжения, термочувствительный элемент 4 из материала с эффектом памяти формы, например из сплава TiNi, изготовленного в виде отрезка ленты. Элементу 4 предварительно задана память формы окружности с помощью навивки на цилиндрическую оправку и термической обработки. Длина 1 термочувствительного элемента 4 выбрана в пределах (0,7- 1,5) L, где L - длина дуги окружности.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении контакты 2 и 3 разомкнуты. При нагреве выше температуры срабатывания термочувствительный элемент 4 вспоминает заданную ему форму и деформируется, отклоняясь от первоначального выпрямленного состояния. В результате этого подвижный контакт 2 под действием тангенциальной составляющей развиваемого элементом 4 усилия отклоняется, проходит межконтактный зазор и, встретив неподвижный контакт 3, создает с ним контактное нажатие Fk, которое равно
Fk = F_э-F_у,
где F_э - максимальное усилие, развиваемое элементом 4 под действием температуры срабатывания,
F_у - усилие, необходимое для пересечения зазора концом подвижного контакта 2.

Выполнение в подвижном контакте вогнутого участка повышает его упругость, в результате чего уменьшается величина F_у и увеличивается контактное нажатие F_к.

Замыкание контактов 2 и 3 под действием элемента 4 обеспечивается подбором параметров подвижного контакта 2 и термочувствительного элемента 4, в результате чего сила упругости (жесткости) контакта 2 меньше усилия, развиваемого элементом 4 в горячем (выше температуры срабатывания) состоянии, но превышает жесткость элемента 4 в холодном (ниже температуры срабатывания) состоянии.

При охлаждении термочувствительный элемент 4 под действием силы упругости подвижного контакта 2 возвращается в исходное состояние, так как его жесткость становится меньше силы упругости контакта 2. Контакты 2 и 3 размыкаются, восстанавливая межконтактный зазор.

В варианте исполнения с нормально замкнутыми контактами (фиг. 2) подвижный контакт 2 располагается над неподвижным контактом 3. При нагреве выше температуры срабатывания деформация термочувствительного элемента 4 приводит к отклонению подвижного контакта 2 и образованию межконтактного зазора (размыканию контактов). При охлаждении термочувствительный элемент 4 возвращается в исходное состояние, замыкая контакты 2 и 3.

Заявляемое изобретение может быть реализовано и в переключающем варианте (не показан), являющимся комбинацией конструктивных исполнений, приведенных на фиг. 1 и 2. Подвижный контакт в этом случае расположен между двумя неподвижными контактами, образуя с нижним контактом нормально замкнутую пару, а с верхним контактом - нормально разомкнутую.

По предлагаемому изобретению были изготовлены и испытаны опытные образцы герметизированных термоуправляемых выключателей (или, по другой терминологии, герметизированных термоуправляемых контактов (гертеконов)). Контакты были изготовлены из сплава 52Н - ВИ, корпус - из стекла С-93-3. Термочувствительный элемент имел рабочую температуру 61 - 64^oC, температура срабатывания выключателей находилась в диапазоне 65 - 68^oC. Таким образом, разница по температуре составила в среднем 5^oC.

Максимальное усилие развивается термочувствительным элементом при T = 75-80^oC, поэтому в устройстве усилие используется не полностью, вследствие чего при достижении указанных температур контактное нажатие значительно усиливается, что очень важно при пропускании больших токов.

Испытания на воздействие внешних механических факторов показали высокую стойкость устройства к виброударным нагрузкам без нарушения герметичности.

Заявляемый термоуправляемый выключатель по сравнению с прототипом обладает более высокой надежностью, повышенной стойкостью к механическим воздействиям, более узким диапазоном термочувствительности, более технологичен в изготовлении (что позволяет осуществить микроминиатюризацию выключателя). Это, в конечном итоге, повышает надежность работы коммутационной аппаратуры, в состав которой входит термоуправляемый выключатель, расширяет область его применения.

Литература
1. Патент США N 4335478, кл. 340 - 593, 1986 г.

2. Патент РФ N 2040819, кл. H 01 H 37/46, 1995 г. (прототип).

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в коммутационной аппаратуре в качестве термореле для пожарной сигнализации. Терморегулятора, индикатора температуры, коммутационного элемента в счетчиках расхода горячей воды. Технический результат - повышение надежности, виброустойчивости и технологичности изготовления термоуправляемого выключателя. Термоуправляемый выключатель содержит корпус, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты, и термочувствительный элемент, жестко закрепленный на подвижном контакте, при этом элементу задана память формы незамкнутой криволинейной фигуры, а его протяженность 1 выбирается из условия: 0,7L ≅ 1 ≅ 1,5L, где L - длина криволинейной фигуры в замкнутом состоянии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термоуправляемый выключатель, содержащий корпус, в котором расположены подвижные и неподвижные контакты и термочувствительный элемент, выполненный из материала с эффектом памяти формы и установленный с возможностью коммутации контактов, отличающийся тем, что термочувствительный элемент жестко закреплен в выпрямленном состоянии на подвижном контакте над выполненным в нем вогнутым участком, при этом термочувствительному элементу задана память формы незамкнутой криволинейной фигуры, а его протяженность l выбирается из условия:
0,7L ≅ l ≅ 1,5L,
где L - длина криволинейной фигуры в замкнутом состоянии. 2. Термоуправляемый выключатель по п.1, отличающийся тем, что термочувствительному элементу задана память формы дуги окружности.