Электронный термостат с безопасным активированием посредством сопротивлений

Изобретение относится к предохранительным терморегуляторам для нагревательных приборов, в частности электрических водонагревателей с тепловым аккумулятором. При этом тепловая защита осуществляется двухпозиционным биметаллическим элементом (4), который приводится в действие посредством одного или нескольких сопротивлений (6), помещающихся на электронной плате (8) термореле (1). На одно или несколько сопротивлений (6) поступает электрическое питание от микропроцессора электронной платы (8), когда один или несколько электронных датчиков температуры регистрируют достижение критической безопасной температуры. Технический результат - создание устройства тепловой защиты с двухпозиционным биметаллическим элементом, на работу которого существенно влияет только температура в контролируемой зоне. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к предохранительному терморегулятору (также именуемому в описании устройством тепловой защиты) для нагревательных приборов, в частности электрических водонагревателей с тепловым аккумулятором.

Настоящее изобретение также относится к устройствам регулирования температуры (также именуемым в описании терморегуляторами), в которых применяется упомянутое устройство тепловой защиты.

Известно, что функция тепловой защиты предназначена предотвращать превышение температурой регулируемого нагревательного прибора опасных предельных уровней в случае неисправности функции теплорегуляции.

В патентной заявке AN2010A000131, поданной заявителем настоящей заявки, описано термореле, отличием которого является, в том числе, электронная плата с функцией регулирования, помещающаяся в том же корпусе, в котором расположены электромеханические приводы функции безопасности.

В целях полного описания известного уровня техники в области электронных терморегуляторов и электромеханических или электронных устройств тепловой защиты сошлемся на содержание упомянутой заявки AN2010A000131, а также патенты EP 0651412 и EP 1652017, ранее выданные на имя заявителя настоящей заявки.

Тем не менее для облегчения понимания настоящего изобретения и соответствующих новаторских идей далее будет кратко описано электромеханическое терморегулирующее и теплозащитное реле, изготовленное согласно технологии, проиллюстрированной на фиг.1. На фиг.1 показано изображение в разобранном виде устройства (далее обобщенно именуемого "термореле"), корпус 2 которого состоит из основания 2.1 и крышки 2.2.

Позицией 3' обозначен термочувствительный элемент, расположенный снаружи основания 2.1 и обращенный в сторону регулируемой среды, в частности водяного бака водонагревателя.

В наиболее широко распространенной реализации термочувствительный элемент 3' преимущественно состоит из расширяющейся под действием тепла трубки, обычно из латуни, внутри которой проходит имеющий общую с ней ось стержень 5 с низким коэффициентом теплового расширения, обычно из инвара. По мере повышения температуры воды в баке расширяющаяся под действием тепла трубка 3' удлиняется, в результате чего находящийся внутри нее стержень 5 из инвара перемещается на самый дальний конец. За счет воздействия на стержень 5, который в свою очередь воздействует на однопозиционный упругий пластинчатый микропереключатель 7, стержень из инвара выполняет терморегулирующую роль механического привода в отношении контактов внутри термореле, прерывая/возобновляя подачу питания на электрические сопротивления.

В то же время функция тепловой защиты обеспечивается приводом в виде двухпозиционного биметаллического элемента 4 (обычно называемого "кликсоном"), помещающегося в корпусе 2 термореле на лотке 2.4 в основании 2.1 достаточно близко к трубке 3', в результате чего она значительно влияет на его температуру.

Соответственно, упомянутая расширяющаяся под действием тепла трубка 3' служит пассивным проводником тепла в том, что касается функции тепловой защиты, но также входит в состав фактического привода (состоящего из сочетания "расширяющаяся под действием тепла трубка/стержень с низким коэффициентом теплового расширения").

Как было сказано, кликсон 4 состоит из двухпозиционного биметаллического диска, выпуклость которого при достижении заданной критической температуры может быстро превращаться в вогнутость, в результате чего посредством движка 5.2 происходит размыкание особых контактов 2.5 и тем самым прекращается подача энергии на электрические сопротивления.

Что касается функции тепловой защиты, проиллюстрированное на фиг.1 описанное термореле эффективно выполняет свою задачу; в частности, механизм размыкания контактов 2.5 за счет действия кликсона 4 является простым и надежным. Тем не менее, устройство тепловой защиты в целом имеет ряд хорошо известных недостатков, связанных с достаточно большим допуском на точность калибровки кликсона и довольно приблизительной зависимостью между температурой перегрева вверху водонагревателя, предотвращать который должна функция тепловой защиты, и температурой, регистрируемой кликсоном 4.

Следует также отметить, что в этих термореле лоток 2.4, в котором помещается кликсон 4, намеренно размещен преимущественно в соприкосновении с фланцем водонагревателя, на котором установлено термореле, в результате чего на сам кликсон 4 также влияет температура фланца.

Иными словами, температура, достигаемая кликсоном 4, является функцией температуры фланца и температуры воды на протяжении всей расширяющейся под действием тепла трубки 3', а не только температуры в верхней части водонагревателя, которая должна контролироваться.

Небольшие погрешности позиционирования термореле на фланце или необычные, но не аномальные распределения температуры воды на протяжении всей расширяющейся под действием тепла трубки 3' в дополнение к неточностям, получаемым при калибровке, могут приводить к ошибочному выключению устройству тепловой защиты даже при отсутствии каких-либо аномалий в терморегуляторе.

В этих случаях, как известно, требуется вмешательство технического персонала для осуществления так называемого ручного "сброса" устройства тепловой защиты.

Разумеется, что при конструировании таких приборов и калибровке кликсона 4 с достаточным запасом предусмотрено предотвращение противоположного случая, а именно, когда устройство тепловой защиты не выключается при действительном отказе терморегулятора. Тем не менее, чтобы иметь запас безопасности, может потребоваться посредством терморегулятора ограничить максимальную температуру водонагревателя значительно меньшими величинами, чем в действительности установлены правилами. Это может означать ограничение тепловой энергии, которая может аккумулироваться. Одним из дополнительных недостатков упомянутых до сих теплозащитных термореле является то, что вследствие тепловой инерции масс, которые должны быть преодолены, происходит неизбежная задержка в несколько секунд между моментом достижения аномальной температуры и моментом, когда такая температура оказывает воздействие на само устройство тепловой защиты.

Одним из дополнительных недостатков упомянутых до сих термореле является то, что с конструктивной точки зрения они рассчитаны на водонагреватели с тепловым аккумулятором и неприменимы в других нагревательных приборах.

Основной задачей настоящего изобретения является преодоление таких недостатков путем создания устройства тепловой защиты, которое по-прежнему содержит двухпозиционный биметаллический элемент, но на работу которого существенно влияет только температура в контролируемой зоне.

Второй задачей настоящего изобретения является создание устройства тепловой защиты, в котором не имеет значения тот факт, что температура двухпозиционного биметаллического элемента может быть калибрована лишь грубо.

Третьей задачей настоящего изобретения является создание устройства тепловой защиты, в котором двухпозиционный биметаллический элемент необязательно должен находиться в таких положениях, в которых в него из водонагревателя через фланец или другое теплопередающее средство поступает тепло из контролируемой зоны.

Одной из дополнительных задач настоящего изобретения является создание устройства тепловой защиты с уменьшенным по сравнению с известным уровнем техники временем срабатывания после достижения аномальных температур.

Одной из дополнительных задач настоящего изобретения является создание единого и компактного термореле, применимого в качестве терморегулятора и устройства тепловой защиты и позволяющего решить одну или несколько из упомянутых задач.

Одной из дополнительных задач настоящего изобретения является создание устройства тепловой защиты или терморегулятора и теплозащитного термореле с возможностью применения не в непосредственной близости от бака водонагревателя.

Одной из дополнительных задач настоящего изобретения является создание устройства тепловой защиты или терморегулятора и теплозащитного термореле, взаимозаменяемого с известными из уровня техники термореле в том, что касается размеров и электрических соединений.

Одной из дополнительных задач настоящего изобретения является создание устройства тепловой защиты или терморегулятора и теплозащитного термореле с возможностью применения в других нагревательных прибора, отличающихся от водонагревателя с тепловым аккумулятором.

Решение этих и других задач, которые станут ясны далее, достигается за счет устройства, рассмотренного далее в описании и заявленного в прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью самого описания.

Дополнительные признаки настоящего изобретения будут лучше поняты из следующего далее описания одного из предпочтительных вариантов осуществления в соответствии с формулой изобретения, проиллюстрированного на прилагаемых чертежах. На таких чертежах, которые следует рассматривать как наглядные и не ограничивающие:

на фиг.2 показан вид в перспективе термореле согласно изобретению,

на фиг.3 показан преимущественно вид сбоку по частям термореле согласно изобретению,

на фиг.4 показан преимущественно вид снизу по частям термореле согласно изобретению.

Далее признаки изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи.

Как показано на фиг.2, позицией 1 в целом обозначено термореле, содержащее, как и в известном уровне техники, корпус 2, имеющий основание 2.1 и крышку 2.2. Расположенные поверх основания 2.1 особые фастоны 2.6 (или эквивалентные электрические соединители) питают одно или несколько электрических сопротивлений (не показанных на чертежах), предназначенных для нагревания воды, содержащейся в водяном баке.

От основания 2.1 корпуса 2 отходит держатель 3 датчика, на который может опираться один или несколько электронных датчиков (не показанных на чертежах), таких как NTC или PTC или термоэлектрические термисторы или датчики других известных как таковые типов, применимые для передачи электрических сигналов, коррелированных с регистрируемой температурой, электронным средствам обработки, также необязательно способами и средствами, уже описанными в заявке AN2010A000131.

В частности, держатель 3 датчика может состоять из традиционного трубчатого элемента или, как показано на чертежах, из плоского стержня. Обычно может применяться любой элемент, предназначенный для выполнения роли только опоры одного или нескольких электронных датчиков, поскольку не требуется, чтобы он также действовал как существенный элемент функции тепловой защиты; по существу, в настоящем изобретении такая функция безопасности полностью обеспечивается другими средствами и, соответственно, не требуется, чтобы держатель 3 датчика являлся приводом, как в случае сочетания "расширяющаяся под действием тепла трубка/стержень с низким коэффициентом теплового расширения", или проводником тепла. Помимо обычных кинематических средств возврата для осуществления терморегулирования и функций тепловой защиты, которые будут описаны далее, в корпусе 2 также помещается электронная плата 8, содержащая микропроцессор (смотри фиг.3 и 4), способный обрабатывать электрические сигналы, передаваемые электронными датчиками, и генерировать на выходе последующие электрические сигналы посредством обычного соединителя, который может быть вставлен в розетку 2.3. Согласно известному уровню техники электронная плата 8 с соответствующим микропроцессором обычно предназначена для управления функцией теплорегуляции путем сообщения входных данных для размыкания/замыкания электрических контактов цепи, питающей фастоны 2.6 сопротивлений, в зависимости от значений температуры, регистрируемых электронными датчиками, установленными на держателе 3 датчика.

С другой стороны, в соответствии с настоящим изобретением функцией тепловой защиты также управляют упомянутые электронные средства, которые также сообщают входные данные для воздействия на двухпозиционный биметаллический элемент 4 (кликсон), который в свою очередь известным способом размыкает контакты цепи обеспечения безопасности и отключает подачу питания на электрические сопротивления посредством кинематических средств возврата.

На фиг.3 и 4 проиллюстрированы подробности средств и способов для осуществления функции тепловой защиты, обеспечиваемой термореле 1.

В электронной плате 8 помещается по меньшей мере одно сопротивление 6; следует отметить, что далее термином "сопротивление" без различия обозначается сопротивление или терморезистор, предпочтительно типа РТС или в любом случае любой резистивный электрический компонент, подверженный нагреву при прохождении через него электрического тока. Хотя в варианте осуществления, проиллюстрированном на чертежах, для этого достаточно одного сопротивления 6, предусмотрено применение пары сопротивлений 6.1 и 6.2, при этом второе сопротивление выполняет поставленную задачу в случае отказа первого сопротивления.

Когда термореле регулярно выполняет функцию терморегулирования, на одно или несколько сопротивлений 6 не поступает электропитание из электронной платы 8.

С другой стороны, когда электронные датчики регистрируют, что достигнута критическая безопасная температура, микропроцессор разблокирует подачу электронной платой 8 электропитания на одно или несколько сопротивлений 6.

По меньшей мере одно сопротивление 6 находится вблизи кликсона 4 в таком положении (предпочтительно на дне), чтобы быть способным нагревать кликсон 4 вплоть до выключения. После того, как в этот момент его выпуклость превращается в вогнутость, кликсон 4 срабатывает преимущественно таким же образом, как в известном из техники термореле, показанном на фиг.1, иными словами, размыкает электрические контактов 2.5, питающие фастоны 2.6 электрических сопротивлений.

Более точно, кликсон 4 имеет стержень 7, который после превращения выпуклости в вогнутость тянет соединенный с ним фиксатор 7.2, который в свою очередь размыкает пластины, образующие электрические контакты 2.5.

Было доказано, что достаточная для выполнения описанной операции энергия, которую должно обеспечивать каждое сопротивление 6, достаточно мала для того, чтобы повредить электронную плату 8. Кроме того, как упоминалось, для выключения кликсона 4 уже достаточно одного сопротивления или термистора 6, а дополнительное сопротивление служит лишь для обеспечения операции в случае отказа первого сопротивления; по существу, может быть предусмотрен вариант осуществления, в котором особая электронная схема, соединенная с платой 8, способна обнаруживать правильное срабатывание или возможный отказ первого сопротивления 6.1, и в этом втором случае блокировать подачу питания на него и приводить в действие второе сопротивление 6.2 или дополнительные сопротивления. Сопротивлениями 6 являются PTC, поскольку они обладают известной способностью автоматически регулировать максимальную температуру, которой они могут достигать. Одно или несколько сопротивлений 6 обычно приводятся в действие микропроцессором посредством цепи низкого напряжения; в качестве альтернативы, также возможно их непосредственное питание от линии высокого напряжения посредством одного или нескольких направляющих симисторов.

Соответственно, двухпозиционный биметаллический защитный элемент в виде кликсона 4 подвержен воздействию одного или нескольких сопротивлений 6, питающихся от электронной платы 8, то есть в отличие от известного уровня техники такой кликсон больше не приводится в действие держателем 3 датчика, когда он представляет собой "расширяющуюся под действием тепла трубку/стержень с низким коэффициентом теплового расширения" или простой проводник тепла. С другой стороны, такая конфигурация держателя 3 датчика является абсолютно излишней в настоящем изобретении, поскольку он выполняет лишь роль опоры электронных датчиков и обеспечивает достижение регистрируемым ими сигналом нижележащей электронной платы 8 также способами и средствами, уже описанными в заявке AN2010A000131.

Преимущества термореле 1 с точки зрения точности его работы являются очевидными за счет чувствительности, обеспечиваемой электронными сигналами, которые обрабатываются особыми электронными схемами.

Ясно, что в изобретении решены все поставленные задачи.

Устройство тепловой защиты срабатывает после приема сигналов от электронных датчиков, которые могут находиться в наиболее приемлемой точке.

На положение кликсон 4 не влияет необходимость поступления в более или менее прямой форме тепла из зоны, температура в которой должна контролироваться.

Калибровка кликсона 4 с точностью до нескольких градусов больше не является недостатком, поскольку в любом случае он достигает температуры выключения.

На фиг.4 проиллюстрирована возможная дополнительная особенность описанного термореле, состоящая в том, что штифты 2.7 (для механического крепления основания 2.1 корпуса 2 к нижележащей электронной плате 8) или по меньшей мере один из них также выполняют роль электрического соединителя платы 8 с электрическими сопротивлениями и с сетью.

Эти же штифты 2.7 также служат разделителями электронной платы 8 и основания 2.1 корпуса 2 с целью предотвращения нежелательного перегрева платы и создания соответствующего пространства для ее компонентов, таких как одно или несколько сопротивлений 6, реле-регулятор 8.1 и любые предохранители, которые защищают контакты различных реле от токов перегрузки, которые вызвали бы их склеивание.

Как и аналогичное известное устройство, термореле 1 также допускает ручной сброс кликсона 4 после восстановления нормальных условий работы водонагревателя; через особое отверстие 7.1 в крышке 2.2 можно воздействовать на конец стержня 7, соединенного с кликсоном, нажав на него, чтобы тем самым восстановить изначальную вогнутость выпуклости кликсона 4.

1. Устройство тепловой защиты электронагревателя, в частности, водонагревателя с тепловым аккумулятором, содержащее:
двухпозиционный биметаллический элемент (4),
соединители (2.6), питающие одно или несколько электрических сопротивлений,
кинематические средства возврата (7, 7.2; 2.5), связанные с двухпозиционным биметаллическим элементом (4) и служащие для замыкания/размыкания соединителей (2.6),
отличающееся тем, что двухпозиционный биметаллический элемента (4) приводится в действие посредством его нагрева одним или несколькими сопротивлениями (6), которые находятся достаточно близко к двухпозиционному биметаллическому элементу (4), чтобы нагревать его до температуры срабатывания, и на которые поступает электрическое питание от микропроцессора электронной платы (8), когда один или несколько электронных датчиков температуры регистрируют достижение критической безопасной температуры.

2. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что только одного сопротивления (6.1) из одного или нескольких сопротивлений (6) достаточно для приведения в действие двухпозиционного биметаллического элемента (4), при этом дополнительные сопротивления (6.2) приводятся в действие только в случае отказа первого сопротивления (6.1).

3. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что одно или несколько сопротивлений (4) расположены на электронной плате (8) ниже двухпозиционного биметаллического элемента (4) в таком положении, чтобы их тепловая энергия распределялась по его поверхности в достаточном количестве для выполнения им функции тепловой защиты без повреждения электронной платы (8).

4. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что одно или несколько сопротивлений приводятся в действие электронной платой (8) посредством цепи низкого напряжения.

5. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что одно или несколько сопротивлений приводятся в действие электронной платой (8) посредством питающей линии высокого напряжения через один или несколько направляющих симисторов.

6. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что одним или
несколькими сопротивлениями (6) являются резисторы РТС-типа.

7. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что двухпозиционный биметаллический элемент (4) помещается в лотке (2.4) в основании (2.1) корпуса (2).

8. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что двухпозиционный биметаллический элемент (4) может снова приводиться в действие после восстановления нормальных условий работы оборудования повторно путем нажатия на конец стержня (7), доступный через отверстие (7.1) в крышке (2.2) корпуса (2).

9. Устройство тепловой защиты по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один из штифтов (2.7) для механического крепления основания (2.1) корпуса (2) к электронной плате (8) является электрическим соединителем для соединения электронной платы (8) с сетью электропитания и с одним или несколькими электрическими сопротивлениями.

10. Терморегулирующее термореле (1) электронагревателя, в частности, водонагревателя с тепловым аккумулятором, в которое встроено устройство тепловой защиты по любому из пп. 1-9, содержащее:
электронную плату (8) с микропроцессором,
держатель (3) датчика, который отходит от основания (2.1) корпуса (2) и служит опорой для одного или нескольких датчиков температуры, применимых для электронного терморегулирования,
средства электрического соединения одного или нескольких датчиков и электронной платы (8),
отличающееся тем, что используется та же самая электронная плата (8) и тот же самый один или несколько датчиков температуры, которые используются в указанном устройстве тепловой защиты по пп. 1-9.