Термовыключатель (варианты)

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к тепловым выключателям, предназначенным для защиты электрических приборов от перегрева при возникновении неисправностей. Предлагаемые термовыключатели содержат термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренний объем которой заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток, два электрода, выполненные в виде трубок из теплотокопроводящего материала, и стержней, жестко закрепленных в трубках, часть которых расположена на наружной поверхности термочувствительного элемента и между ними образован зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя. Внутренние поверхности трубок, торцы термочувствительного элемента и торцы стержней образуют газопроницаемые объемы, при этом поверхность термочувствительного элемента и по меньшей мере ближайшие к нему наружные участки трубок электродов покрыты теплостойким электроизоляционным материалом. Определена зависимость величины суммы газопроницаемых объемов V₁+ V₂ от объема сплава термочувствительного элемента V₃, расположенного в зазоре между трубками. Данная величина определяется неравенством 0,5 V₃ ≅ V₁ + V₂ ≅ 2,0 V₃. В одном из вариантов стержни, входящие в трубки, установлены плотно, но с возможностью перемещения. Технический результат: повышение надежности и качества термовыключателя. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к тепловым выключателям, предназначенным для защиты электрических приборов от перегрева при возникновении неисправностей.

Известно техническое решение по авторскому свидетельству СССР N 1647689, в котором термовыключатель содержит трубку из легкоплавкого сплава, внутренность которой заполнена непроводящим электрический ток веществом-активатором, температура которого ниже температуры плавления материала трубки. К концам трубки жестко прикреплены проволочные выводы, которые одновременно осуществляют герметизацию трубки.

Недостатком данной конструкции является ее низкая надежность. Данный термовыключатель нельзя использовать для защиты бытовых электроприборов мощностью свыше 100 Вт: утюгов, электроводонагревателей и т.п., из-за разрушения оболочки, возникающего при срабатывании термовыключателя от избыточного давления газообразных продуктов, выделяемых веществом-активатором под воздействием электрической дуги.

Известна конструкция термовыключателя по патенту РФ N 2026582 (БИ "Изобретения" N 1 от 10.01.95). Данный термовыключатель содержит газопроницаемую оболочку из электроизоляционного термостойкого материала, два частично входящих в нее электрода, термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренняя полость которой заполнена веществом- активатором, не проводящим электрический ток.

Недостатками данного решения являются сложность конструкции, низкое качество из-за ненадежного крепления проволочных электродов в термочувствительный элемент, а следовательно, незначительная надежность, особенно это сказывается при установке в трубчатый нагреватель при его редуцировании.

Более близким техническим решением является решение по заявке РФ N 96100788/07 от 11.01.96 г., в котором термовыключатель содержит термочувствительный элемент в 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.

Недостатками данной конструкции являются сложность технологии изготовления из-за необходимости выполнения пайки проволочных выводов к закрытой трубке из легкоплавкого токопроводящего материала, узкая область использования (невозможно использовать без доработки в качестве защиты электрических чайников, самоваров при установке в подпружиненные электрические контакты), а также в ряде случаев возникают неудобства монтажа термовыключателя из-за проволочных выводов.

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 "У3ЭП", г. Нижний Новгород. Указанное в данной заявке решение термовыключателя принято за прототип. В данной заявке термовыключатель содержит термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренний объем которой заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток, два электрода, выполненные в виде трубок из теплотокопроводящего материала, например, из меди или латуни, и стержней, установленных в данных трубках. Часть трубок жестко закреплена на наружной поверхности термочувствительного элемента, между ними образован зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя, а внутренние поверхности трубок, торцы термочувствительного элемента и торцы стержней образуют газопроницаемые объемы, при этом внешняя поверхность термочувствительного элемента и по меньшей мере ближайшие к нему наружные участки трубок покрыты теплостойким электроизоляционным материалом.

Автор данной заявки пытается расширить область применения термовыключателя и улучшить его технические характеристики. Однако данными техническими решениями не достигнуты те надежность и качество, которых достигает автор настоящего изобретения при применении предлагаемых конструкций термовыключателя. Дело в том, что заявителем по заявке РФ N 97106291 от 17.04.97 г. не определена величина газопроницаемых объемов, что при выполнении с оптимальными размерами термовыключателя является существенным фактором для достижения его надежности и качества. А при установке термовыключателя в трубчатый электронагреватель не учитывался тот фактор, что величина обжатия при редуцировании металлической оболочки бывает разной, и как следствие - 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 обжатия металлической оболочки трубчатого нагревателя, тем самым повышая надежность термовыключателя.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение надежности и качества термовыключателя, ускорение его срабатывания.

Технический результат изобретения - повышение надежности и качества термовыключателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что выполняемые газопроницаемые объемы V₁, V₂ имеют величину, сумма которых определяется неравенством 0,5 V₃≅V₁+V₂≅0,2V₃ где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками. Трубки закреплены на термочувствительном элементе на участке не более 5 мм. Длина трубок не более 20 мм, предпочтительно 2 - 15 мм.

У термовыключателя стержни, жестко установленные в трубки, могут не выступать в продольном направлении за их габариты.

У одного из вариантов термовыключателя, который предназначен для установки в трубчатый электронагреватель, электроды выполнены из теплотокопроводящих трубок, часть которых жестко установлена на термочувствительном элементе, а в образовавшиеся полости между торцами термочувствительного элемента и внутренними поверхностями трубок плотно установлены стержни, с возможностью их перемещения, выступая в продольном направлении за габариты трубок и образуя газопроницаемые объемы между торцами термочувствительного элемента, внутренними поверхностями трубок и торцами стержней, величина суммы которых определяется неравенством 0,5 V₃≅V₁+V₂≅0,2V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками. Соотношение меньшего газопроницаемого объема, расположенного между торцем термочувствительного элемента внутренней поверхности трубки и торцем стержня, к большему аналогичному объему, расположенному с противоположной стороны термочувствительного элемента, составляет от 0 до 1, предпочтительно от 0,2 до 1.

На фиг. 1 изображен продольный разрез термовыключателя, электроды которого выполнены в виде трубок и стержней, и образующие газопроницаемые объемы, величина суммы которых определяется неравенством 0,5V₃≅V₁+V₂≅ 0,2V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками. Причем термочувствительный элемент и ближайшие к нему участки трубок снаружи покрыты теплостойким электроизоляционным материалом.

На фиг. 2 изображен продольный разрез термовыключателя, у которого стержни, жестко установленные в трубки, не выступают в продольном направлении за их габариты, а термочувствительный элемент и ближайшие к нему участки трубок снаружи покрыты теплостойким электроизоляционным материалом.

На фиг.3 изображен продольный разрез термовыключателя, представлений на фиг.1, с установкой его на контролируемой поверхности.

На фиг.4 изображен продольный разрез термовыключателя, представленный на фиг.2 с установкой его в подпружиненных электрических контактах.

На фиг. 5 изображен продольный разрез термовыключателя, у которого электроды выполнены в виде теплотокопроводящих трубок, часть которых закреплена на наружной поверхности термочувствительного элемента, а в образовавшиеся полости между торцами термочувствительного элемента и внутренними поверхностями трубок плотно установлены стержни, с возможностью их перемещения, выступая в продольном направлении за габариты трубок и образуя газопроницаемые объемы между торцами термочувствительного элемента, внутренними поверхностями трубок и торцами стержней, величина суммы которых определяется неравенством 0,5V₃≅V₁+V₂≅ 0,2V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками.

На фиг. 6 изображен продольный разрез термовыключателя, представленный на фиг. 5, с установкой его в трубчатый электронагреватель.

Конструкция термовыключателя, представленного на фиг.1, представляет собой термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки 1 из легкоплавкого токопроводящего материала (сплава). Его внутренний объем 2 заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток. На наружной поверхности термочувствительного элемента закреплены электроды, выполненные в виде трубок 3 из теплотокопроводящего материала, и стержней 4, установленных в трубки 3. Между трубками 3 образован зазор h, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя. Часть трубок 3 закреплена на участке H₁= H₂≅ 5 мм. Длина трубок L₁, L₂ должна быть не более 20 мм, предпочтительно от 2 до 15 мм. Торцы термочувствительного элемента 5, внутренняя поверхность трубок 3 и торцы 8 стержней 4 образуют газопроницаемые объемы V₁ - поз.6 и V₂ - поз. 7, величина суммы которых определяется неравенством 0,5V₃≅V₁+V₂≅ 0,2V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материалы трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками. Причем термочувствительный элемент и по крайней мере ближайшие к нему наружные участки трубок, опирающиеся на контролируемую поверхность, покрыты теплостойким электроизоляционным материалом 9. Газопроницаемость объемов обеспечивается за счет выполнения, например, отверстий 10 или каналов в трубках на длину установки стержней, имеющих четырехугольный или шестиугольный профиль, и получаемых при опрессовке трубок.

Отличительной особенностью термовыключателя, изображенного на фиг.2, относительно термовыключателя, изображенного на фиг. 1, является то, что стержни 4 не выступают за габариты трубок 3.

Термовыключатель, изображенный на фиг. 5, выполнен в виде герметично закрытой трубки 1 из легкоплавкого токопроводящего материала (сплава). Его внутренний объем 2 заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток. Электроды, выполненные из трубок 3, изготовленные из теплотокопроводящего материала, и закрепленные на наружной поверхности термочувствительного элемента, имеющих между собой зазор h, а также стержней 4, плотно установленных в образовавшиеся полости между торцами термочувствительного элемента 5 и внутренними поверхностями трубок, с возможностью их перемещения, выступая в продольном направлении за габариты трубок и образуя газопроницаемые объемы V₁, V₂ поз.6,7 между торцами термочувствительного элемента 5, внутренними поверхностями трубок и торцами 8 стержней 4, величина суммы которых определяются неравенством 0,5V₃≅V₁+ V₂≅ 0,2V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками, причем продольные расстояния между торцами стержней и соответствующими концами трубок, не закрепленными на термочувствительном элементе, должны быть не менее 2 мм.

Трубки 3 должны быть закреплены на участке H=H₂≅ 5 мм. Длина трубок L₁, L₂ должна быть не более 20 мм, предпочтительно от 5 до 15 мм. Газопроницаемость объемов V₁, V₂ обеспечивается за счет выполнения отверстий 9 или каналов в трубках 3 на длину установки стержней 4.

Изображенный на фиг. 6 продольный разрез трубчатого электронагревателя с термовыключателем показывает возможность обходиться без теплостойкого электроизоляционного материала, который применен в ранее рассматриваемых конструкциях. Термовыключатель помещается в трубчатый нагреватель, имеющий оболочку 10, когда все остальное внутреннее пространство оболочки заполняется уплотненным, сыпучим, теплостойким материалом 11, непосредственно прилегающим к электронагревателю, к термовыключателю и выводам.

Термовыключатель работает следующим образом.

При перегреве электрического прибора, например, в случае неисправности терморегулятора, вместе с контролируемой поверхностью, на которую устанавливается термовыключатель (см. фиг.3, 4), или внутри ТЭНа (см. фиг.6), нагревается и термочувствительный элемент. При достижении температуры плавления расплавляются вещество-активатор 2 и трубка сплава термочувствительного элемента 1. Вещество-активатор 2, уменьшая поверхностное натяжение, способствует собиранию расплава термочувствительного элемента 1 в капли. Электрическая цепь питания прибора разрывается, при этом возникает электрическая дуга, под воздействием которой происходят разложение вещества-активатора 2, образование газообразных продуктов разложения и повышение давления в зоне горения электрической дуги. Существенной особенностью конструкций термовыключателей как по прототипу, так и по предлагаемому решению является то, что при срабатывании термовыключателя под действием давления газов происходит выброс расплава термочувствительного элемента. Для этого необходимо минимальное определенное свободное пространство, куда мог бы быть осуществлен выброс расплава. Однако и значительно увеличенное свободное пространство выполнять нецелесообразно, так как это снижает качество термовыключателя.

Многочисленные эксперименты показали, что оптимальная величина суммы газопроницаемых объемов V₁ и V₂ зависит от величины зазора между трубками и определяется неравенством 0,5V₃≅V₁+V₂≅ 0,2V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре расположенного в зазоре между трубками. Для исключения попадания выбрасываемых капель расплава на металлические детали электроприбора и создание по ним цепей короткого замыкания с электродами последние должны быть изолированы на длину по меньшей мере более, чем участок, на который опирается термовыключатель (см. фиг. 4), а это как правило не менее 6 мм. Для варианта термовыключателя, устанавливаемого в трубчатый ТЭН, возникает дополнительный неожиданный результат. Дело в том, что в процессе редуцирования оболочки 10 ТЭНа, стержни 4, вставленные в трубки 3, выдвигаются из трубок на определенную величину, зависящую от материала оболочки и величины редуцирования. Таким образом, чем пластичнее материал оболочки и чем плотнее обжимается уплотненный, сыпучий, теплостойкий материал 11, непосредственно прилегающий к электронагревателю, к термовыключателю и выводам, тем больше по величине образуются газопроницаемые объемы 6,7.

Проведенные испытания показали, что предлагаемые конструкции значительно надежней известных аналогичных конструкций, не требуют при установке в защищаемый прибор ориентации оболочки и дополнительной изоляции электродов, что упрощает их монтаж, позволяет использовать с установкой одного из них в подпружиненных электрических контактах, повышает их надежность.

Промышленная применимость предлагаемых конструкций очевидна. Данные конструкции прошли опытные испытания на Нижегородском предприятии АООТ " Термаль" и показала хорошие результаты. Простота предлагаемых конструкций термопредохранителя позволяет осуществить изготовление их на любом из предприятий, занимающихся изготовлением термопредохранителей.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Формула изобретения

1. Термовыключатель, содержащий термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренний объем которой заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток, два электрода, выполненные в виде трубок из теплотокопроводящего материала, например, из меди или латуни, и стержней, жестко закрепленных в трубках, часть которых расположена на наружной поверхности термочувствительного элемента и между ними образован зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя, а внутренние поверхности трубок, торцы термочувствительного элемента и торцы стержней образуют газопроницаемые объемы V₁, V₂, при этом поверхность термочувствительного элемента и по меньшей мере ближайшие к нему наружные участки трубок электродов, опирающиеся на контролируемую поверхность, покрыты теплостойким электроизоляционным материалом, отличающийся тем, что сумма газопроницаемых объемов V₁ + V₂ имеет величину, определяемую неравенством 0,5 V₃ ≅ V₁ + V₂ ≅ 2,0 V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками электродов.

2. Термовыключатель по п.1, отличающийся тем, что трубки электродов закреплены на термочувствительном элементе на участке не более 5 мм.

3. Термовыключатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что длина трубок электродов не более 20 мм, предпочтительно от 2 до 15 мм.

4. Термовыключатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что стержни не выступают в продольном направлении за габариты трубок электродов.

5. Термовыключатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что газопроницаемость объемов V₁, V₂ обеспечена за счет выполнения в трубках каналов на длину установки стержней.

6. Термовыключатель, содержащий термочувствительный элемент в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, внутренний объем которой заполнен веществом-активатором, не проводящим электрический ток, два электрода, выполненные в виде трубок из теплотокопроводящего материала, например, из меди или латуни, и стержней, расположенных в трубках, часть трубок жестко закреплена на наружной поверхности термочувствительного элемента, между ними образован зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя, а внутренние поверхности трубок, торцы термочувствительного элемента и торцы стержней образуют газопроницаемые объемы V₁, V₂, отличающийся тем, что стержни установлены в трубки плотно, однако с возможностью их перемещения, выступая в продольном направлении за габариты трубок, а сумма газопроницаемых объемов V₁ + V₂ имеет величину, определяемую неравенством 0,5 V₃ ≅ V₁ + V₂ ≅ 2,0 V₃, где V₃ - объем материала трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, расположенного в зазоре между трубками электродов, причем величины продольных расстояний между торцами стержней, установленных в полостях, и концами трубок, не закрепленных на термочувствительном элементе, не должно быть менее 2 мм.

7. Термовыключатель по п.6, отличающийся тем, что трубки закреплены на термочувствительном элементе на участке не более 5 мм.

8. Термовыключатель по п.6 или 7, отличающийся тем, что длина трубок не более 20 мм, предпочтительно от 5 до 15 мм.

9. Термовыключатель по пп.6 - 8, отличающийся тем, что соотношение меньшего газопроницаемого объема V₂ к большему объему V₁ составляет от 0 до 1, предпочтительно от 0,2 до 1.

10. Термовыключатель по пп.6 - 9, отличающийся тем, что газопроницаемость объемов V₁, V₂ обеспечена за счет выполнения в трубках каналов на длину установки стержней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6