Термоуправляемый выключатель Российский патент 2023 года по МПК H01H37/46 

Изобретение относится к термочувствительным устройствам, в частности к сигнализаторам предельной температуры, и может быть использовано в качестве термодатчика, термореле, термопереключателя, терморегулятора для индикации температуры, для пожарной сигнализации, для термостатирования, для контроля за технологическими процессами.

Известен тепловой извещатель, содержащий основание с выходными электрическими контактами, надетый на него защитный кожух с отверстиями, жесткие металлические проводники, подключенные одними концами к выходным электрическим контактам, а также чувствительный элемент, выполненный в виде трехслойной пластины и подключен в торцевых частях к другим концам жестких металлических проводников, имеющих электрическое соединение по крайней мере со вторым слоем чувствительного элемента, выполненным из материала YBa₂Ме₃Se₇, где Ме - металл золото (Аu) или серебро (Аg), многократно увеличивающего электрическое сопротивление при превышении температуры 99±1°С, а первый и третий слои чувствительного элемента выполнены из материала с большим удельным сопротивлением (патент RU 2181505, МПК G08B 17/06, 2002 год).

Однако недостатком известного устройства является узкий рабочий диапазон температур, а также сложная конструкция чувствительного элемента, обусловленная необходимостью использования трех различных материалов.

Известен термовыключатель разового действия, содержащий термочувствительный элемент в виде трубки, открытой хотя бы с одного конца, из легкоплавкого металла или сплава металлов, заполненный веществом-активатором с температурой плавления и удельной электрической проводимостью ниже, чем у материала термочувствительного элемента, два контакта, выполненные из металлической трубки, частично надетые на противоположные концы термочувствительного элемента и соединенные пайкой с его наружной поверхностью, расстояние между которыми составляет не менее 0,6 мм, при этом вещество - активатор нанесено тонким слоем на наружную или внутреннюю, или наружную и внутреннюю поверхности термочуствительного элемента, или на все поверхности термовыключателя (патент RU 2219610; МПК H01H 37/76, H05B 3/46; 2003 год).

Однако недостатком известной конструкции является сложность и трудоемкость изготовления.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является 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, при этом термочувствительный элемент жестко закреплен в выпрямленном состоянии на подвижном контакте над выполненным в нем вогнутым участком, и ему 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 (патент RU 2164046; МПК H01H 37/46; 2001 год)(прототип).

Однако недостатками известной конструкции являются невысокий порог срабатывания при узком рабочем диапазоне температур, сложность изготовления, в результате чего может быть получен недостаточно тесный контакт термочувствительного элемента и криволинейного участка контакта, что, в свою очередь, скажется на надежности срабатывания.

Таким образом, перед авторами стояла задача с целью расширения номенклатуры термоуправляемых выключателей разработать упрощенную конструкцию выключателя, срабатывающего при достаточно высокой температуре и обладающего более широким диапазоном рабочих температур.

Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции термоупраляемого выключателя, содержащего корпус, в котором расположены два контакта и термочувствительный элемент, выполненный из материала, меняющего структуру при достижении температуры срабатывания выключателя, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFe₄O₇ и представляет собой спрессованную из порошка при давлении 1000-1200 атм. и спеченую при температуре 1150°С в атмосфере водорода CaBaFe₄O₇ пластину, установленную между двумя неподвижными контактами, при этом в случае расположения контактов навстречу друг другу пластина установлена между ними и жестко прикреплена к концу каждого из контактов, а в случае параллельного расположения контактов пластина жестко прикреплена к одному из контактов, а расстояние от конца пластины до второго контакта определяют по формуле : X=L₀(0.04T-14.6)/100, где L₀ - длина пластины из термочувствительного материала CaBaFe₄O₇ (мм), T - температура срабатывания выключателя (°С).

В настоящее время из патентной и научно-технической информации не известна конструкция термоупраляемого выключателя, в котором термочувствительный элемент выполнен из сложного феррита кальция и бария состава CaBa Fe₄O₇ и представляет собой спрессованную и спеченую пластину, расположенную между двумя неподвижными контактами.

Исследования, проведенные авторами, выявили неожиданный эффект резкого температурного расширения феррита состава CaBaFe₄O₇ в области температур 400-600°С. Как выяснилось в ходе исследования, резкое изменение размера керамических образцов ферритов при нагревании обусловлено фазовым переходом оксида CaBaFe₄O₇ в CaBaFe₄O₈. Данные соединения, включающие различное содержание кислорода, обладают кристаллическими структурами, с различным набором железо-кислородных полиэдров. Так, фаза с содержанием кислорода 7 кристаллизуется в гексагональной симметрии с пространственной группой P6₃mc, в то время как более окисленный вариант стабилизируется в рамках тригональной структуры с пространственной группой P-31m. Переход из одной модификации в другую происходит резко, при достижении температуры 400-600°С в воздушной атмосфере. Феррит с содержанием кислорода 7 при этом активно поглощает большое количество кислорода из окружающей среды, который встраивается в структуру оксида. При этом происходит окисление ионов железа до трехвалентного состояния, изменение их кислородного окружения, и существенная перестройка структуры, сопровождающаяся изменением параметров элементарной ячейки и значительным увеличение размеров поликристаллических образцов. Таким образом, работа выключателя основана на увеличении длины образца (например, пластины), выполненного из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFe₄O₇, при достижении температуры окружающей среды 400 - 600°С. Причем эффект сохраняется в интервале температур 400 - 600°С, что позволяет адаптировать размеры функциональной пластины для получения сигнала датчика при строго определенной температуре. Расстояние между концом пластины из термочувствительного материала (X) и вторым контактом при параллельном расположении контактов рассчитывается с учетом удлинения пластины при достижении рабочего диапазона температур (400-600°С) по формуле: X=L₀(0.04T-14.6)/100, где L₀ - длина пластины из термочувствительного материала (феррита)(мм), T - температура срабатывания выключателя (°С). В случае расположения контактов навстречу друг другу пластина имеет фиксированную длину и при достижении температуры срабатывания датчика ломается за счет сил напряжения, возникающих вследствие ее удлинения.

Предлагаемый термоупраляемый выключатель (фиг.1, 2) содержит корпус (1), выполненный из жаропрочного изолирующего материала, содержащий два отверстия, через которые к нему жестко зафиксированы два токопроводящих контакта (2)(3), расположенные в одной плоскости, между которыми установлен термочувствительный элемент (4), выполненный из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFe₄O₇ и представляющий собой керамическую пластину, спрессованную из порошка состава CaBaFe₄O₇ при давлении 1000-1200 атм. и спеченую при температуре 1150°С в атмосфере водорода . При этом в случае параллельного расположения контактов (2) и (3) пластина (4) установлена между ними и жестко прикреплена к одному из контактов (см. фиг. 1) посредством высокотемпературного клея, а расстояние от конца пластины (4) до второго контакта (2) определяют по формуле: X=L₀(0.04T-14.61)/100, где L₀ - длина пластины из термочувствительного материала (феррита)(мм), T - температура срабатывания выключателя (°С). В случае расположения контактов (2)(3) навстречу друг другу пластина (4) жестко прикреплена к концам обоих контактов (2) (см. фиг. 2).

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого выключателя в случае параллельного расположения контактов.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение предлагаемого выключателя в случае расположения контактов навстречу друг другу.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В случае исходного параллельного расположения контактов (2) и (3), зафиксированных на корпусе (1) и установленной пластины (4) между ними (см. фиг. 1), жестко прикрепленной к контакту (3), а расстояние от конца пластины до второго контакта (2) определено по формуле : X=L₀(0.04T-14.6)/100, где L₀ - длина пластины из термочувствительного материала (феррита)(мм), T - температура срабатывания выключателя (°С) (см. фиг. 1), цепь находится в разомкнутом состоянии. При нагреве выше температуры срабатывания (в диапазоне 400-600°С) происходит резкое увеличение длины пластины вплоть до соприкосновения с контактом (2). Цепь замкнута, сигнал (световой или звуковой) появляется. В случае расположения контактов (2)(3) навстречу друг другу пластина (4) жестко прикреплена к концам каждого из контактов (2)(3) с помощью высокотемпературного клея. При нагреве выше температуры срабатывания (в диапазоне 400-600°С) происходит увеличение длины пластины(4) за счет перестройки кристаллической структуры и отслаивание от контактов (2) и (3). Цепь разомкнута, сигнал (световой или звуковой) отсутствует.

Таким образом, авторами предлагается термоуправляемый выключатель простой конструкции, позволяющий увеличить рабочий диапазон температур, что расширяет номенклатуру применяемых термовыключателей.

Изобретение относится к термочувствительным устройствам, в частности к сигнализаторам предельной температуры. Технический результат заключается в упрощении конструкции выключателя. Термоуправляемый выключатель содержит корпус, в котором расположены два контакта и термочувствительный элемент, выполненный из материала, меняющего структуру при достижении температуры срабатывания выключателя, причем термочувствительный элемент выполнен из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFe₄O₇ и представляет собой спрессованную и спеченную из порошка состава CaBaFe₄O₇ пластину, установленную между двумя неподвижными контактами. В случае расположения контактов навстречу друг другу пластина установлена между ними и жестко прикреплена к концу каждого из контактов, а в случае параллельного расположения контактов пластина жестко прикреплена к одному из контактов, а расстояние от конца пластины до второго контакта определяется температурой срабатывания выключателя. 2 ил.

Термоуправляемый выключатель, содержащий корпус, в котором расположены два контакта и термочувствительный элемент, выполненный из материала, меняющего структуру при достижении температуры срабатывания выключателя, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFe₄O₇ и представляет собой спрессованную и спеченную из порошка состава CaBaFe₄O₇ пластину, установленную между двумя неподвижными контактами, при этом в случае расположения контактов навстречу друг другу пластина установлена между ними и жестко прикреплена к концу каждого из контактов, а в случае параллельного расположения контактов пластина жестко прикреплена к одному из контактов, а расстояние от конца пластины до второго контакта определяют по формуле X = L₀(0.04T-14.6)/100, где L₀ – длина пластины из термочувствительного материала состава CaBaFe₄O₇ (мм), T – температура срабатывания выключателя (°С).