ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК G01K5/16 

Изобретение относится к термочувствительным устройствам, в частности к устройствам контроля температуры окружающей среды, когда под средой подразумеваются воздушные или иные газовые потоки и решается задача подогрева или охлаждения этой среды, или контроль граничной температуры. Основное назначение - использование в качестве датчика для термостатирования окружающей среды.

Известны термовыключатели и термостаты ведущих мировых фирм в области контроля температуры таких, как "Elmwood Sensors (GB), "Otter" (GB), "Texas Instruments"(USA) и других. Такие термовыключатели изготовлены на основе термобиметалических дисков и имеют невысокие характеристики по точности термостатирования, т. к. биметаллические диски обладают высоким гистерезисом и обеспечивают возврат в исходное состояние при температуре ниже температуры срабатывания на 10-20^oС. Диски, обеспечивающие свойства термостата, т.е. точность ±2^oС, являются большой редкостью и имеют высокую стоимость.

Целью предлагаемого изобретения является создание конструктивной схемы и принципов выбора материалов конструкций, обеспечивающих появление в промышленности и в быту наиболее дешевых термостатов для воздушной среды с достаточно высокой точностью термостатирования ±1^oС.

Актуальность цели определена проблемами энергосбережения при теплоснабжении зданий и помещений, а также необходимостью создания термостатированной воздушной среды в производстве. Предлагаемая конструкция может быть использована как тепловой датчик в средствах пожарной сигнализации.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве термочувствительного элемента - теплоприемника выбрана развитая, увеличенная по площади тонкостенная теплообменная поверхность, свернутая в компактную фигуру-обруч, диск, полусферу, полупирамиду, прямоугольник, ромб и в другие возможные геометрические фигуры.

При нагреве теплоприемник, за счет коэффициента температурного расширения (КТР), деформируется, при этом деформации элемента, т.е. геометрической фигуры, ограничиваются таким образом, чтобы преобразовать неэффективные, бесполезные температурные деформации в полезные, а именно в обеспечение перемещения подвижных контактов, определяющих чувствительность устройства. Чувствительность определена как удельное перемещение контактов на единицу изменения температуры.

Достигнуто это преобразование за счет использования стяжки, ограничивающей деформаций по оси, пересекающей ось расположения контактов. При этом температурная деформация стяжки ничтожна, т.к. материал стяжки и стержней, на которых крепятся контакты, выбраны из материала с максимально низким значением коэффициента температурного расширения /КТР/, а материал термочувствительного элемента-теплоприемника выбран с максимально высоким значением КТР.

Предлагаемое теплоэлектрическое устройство, как вариант на фиг.1 содержит:
1 - основание - защитный кожух, предназначенное для монтажа в местах контроля температуры окружающей среды,
2 - термочувствительный элемент-теплоприемник в виде обода, опирающийся через ребра на кольцо, которое крепится к основанию 1,
3 - условно неподвижный и подвижный контакты, которые через жесткие стрежни 4 прикреплены к теплоприемнику 2,
4 - контактные стержни,
5 - стяжка, расположенная по оси, пересекающей ось размещения и перемещения контактов 3.

Контактное давление в паре подвижный-неподвижный контакт обеспечено при сборке и регулировке устройства за счет перемещения стержня по осевой линии и поджатия стержня с заданным контактным давлением при определенной температуре.

В качестве термочувствительного материала теплоприемника использован органический материал с необходимыми упругими и диэлектрическими свойствами, что обеспечивает электрическую изоляцию выводов и работоспособность конструкции при подсоединении выводов к электрической цепи.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при пониженной температуре контакты 3 замкнуты. При этом обеспечено необходимое электрическое сопротивление контактной группы. Устройство подключено к источнику питания и к аппаратуре управления или контроля. При повышении температуры до контрольной, размер окружности теплоприемника увеличивается на величину ΔL, а диаметр D увеличивается на величину ΔD. Так как перемещение в направлении оси стяжки ограничено, относительное перемещение контактов по оси их размещения и перемещения определяется величиной 2 D. Относительное перемещение контактов приводит к обрыву электрической цепи и, как следствие, к прекращению работы средств нагрева окружающей среды или к выдаче сигнала на контрольно-приемное устройство о достижении критической температуры.

При снижении температуры окружающей среды снижается температура теплоприемника 2, диаметр обода уменьшается до первоначального значения D и контакты замыкаются, восстанавливая проводимость электрической цепи, т.е. работу средств нагрева среды, или восстанавливая функцию контроля температуры в дежурном режиме. Как вариант предлагается исполнение теплоприемника в виде плоской фигуры, имеющей геометрическую форму плоского кольца, прямоугольной рамки или иной геометрической или криволинейной фигуры плоской формы, обладающей упругими свойствами по взаимопересекающимся осям в пределах величины температурных деформаций в заданном интервале температур.

Увеличенная по площади тонкостенная теплообменная поверхность теплоприемника в форме обруча, кольца, полусферы, полупирамиды, прямоугольника и в форме иных геометрических фигур может иметь недостаточную жесткость по центральным осям, так как стремление к тонкостенности с целью обеспечения малой тепловой инерционности приводит к снижению жесткости формы. При этом обеспечивается необходимый уровень контактного давления в контактной паре. Для создания необходимого уровня жесткости тонкостенную теплообменную поверхность теплоприемника(например, обруч или кольцо) необходимо посадить на жесткие ребра, опирающиеся на крепежное кольцо или основание. При этом конструктивно теплоприемник получается в виде полусферы или усеченного конуса или многогранной усеченной пирамиды, в которой форму полусферы, усеченного конуса или усеченной пирамиды создают формообразующие ребра, опирающиеся на верхние и нижние основания (кольца) как на составляющие части поверхностей этих геометрических фигур. Нижнее основание такой фигуры (большое кольцо, обруч и др. ) выполняет непосредственно функцию теплоприемника, а формообразующие ребра выполняют функцию балок необходимой жесткости. Верхнее основание (малое кольцо, обруч) выполняет функцию базы закрепления формообразующих ребер, а также элемента закрепления устройства по месту расположения.

При ограниченных габаритах предлагается вариант термоэлектрического устройства, составленный из нескольких теплоприемников, которые объединяются в один блок (фиг.2). При этом каждый теплоприемник, как элемент, имеет собственную стяжку, а общий контактный стержень расположен по оси, пересекающей оси стяжек каждого из этих элементов.

Изобретение относится к устройствам контроля температуры окружающей среды и может быть использовано в качестве датчика для термостатирования окружающей среды. Устройство для контроля температуры окружающей среды содержит основание с элементами ограждения для защиты от механических воздействий, термочувствительный элемент в виде тонкостенной упругой фигуры, контактную группу и стяжку, ограничивающую неэффективные температурные деформации теплоприемника. Для повышения эффективности устройства материал стяжки и материал стержней, на которых крепятся контакты, изготовлены из материала с малым КТР, максимально разным с КТР материала теплоприемника. Взаимное расположение оси стяжки и оси расположения контактов, закрепленных с помощью стержней на периферии теплоприемника, выбраны по перекрестным направлениям. При повышении температуры окружающей среды термочувствительный элемент в виде определенной геометрической фигуры за счет КТР увеличивается в размерах, что приводит к увеличению диаметра оси, диагонали геометрической фигуры и вызывает размыкание контактов, расположенных по этим осям. При снижении температуры окружающей среды происходит обратный процесс. Технический результат выражается в увеличении функциональных возможностей устройства. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство термоэлектрическое для контроля определенных значений температур окружающей среды, содержащее основание, теплоприемник, выполненный в виде упругой тонкостенной геометрической фигуры с высоким значением КТР (коэффициент температурного расширения), подвижный и неподвижный контакты, контактные стержни для крепления контактов, отличающееся тем, что контактные стержни расположены по оси геометрической фигуры теплоприемника, а точки закрепления стержней размещены на противоположных периферийных частях теплоприемника, образуя ось контактов, периферийные части теплоприемника стянуты стяжкой в направлении оси, пересекающейся с осью контактов под прямым или иным углом, обеспечивающим относительной перемещение по оси контактов элементов контактной группы и ограниченное изменение размеров теплоприемника от температурных деформаций по оси стяжки, материал стяжки и жестких стержней, к которым крепятся контактные элементы, выбраны по значению КТР, который меньше КТР материала теплоприемника, причем теплоприемник выполнен из материала, имеющего электроизоляционные свойства, а контактное давление обеспечено упругими свойствами системы теплоприемник - стяжка и создается при монтаже и регулировке устройства на срабатывание при заданной температуре, при этом сохранение упругих свойств системы теплоприемник - стяжка во времени обеспечено термостабильными механическими свойствами используемых материалов или дополнительными металлическими элементами - металлическими пружинами. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплоприемник выполнен в форме обруча цилиндрической или эллиптической формы, или в виде любой другой криволинейной фигуры как плоской так и объемной формы. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплоприемник выполнен в виде полусферы, или усеченного конуса, или многогранной усеченной пирамиды, в которой форму полусферы усеченного конуса или пирамиды создают формообразующие ребра, опирающиеся на верхние и нижние кольца как на составляющие части поверхностей этих геометрических фигур. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплоприемник выполнен в виде рамки прямоугольной или ромбовидной формы, в которой ось расположения контактов направлена по диагонали из угла в угол, а ось расположения стяжки направлена по другой диагонали. 5. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что устройство собрано в блок из последовательно соединенных между собой устройств как элементов, при этом каждый из составляющих элементов имеет собственную стяжку, а общий контактный стержень проходит по оси пересекающей оси всех составляющих элементов, по которым расположены стяжки.