RU2164046C2 - Temperature-controlled switch - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; miscellaneous circuit-opening devices. SUBSTANCE: temperature- controlled switch that may be used as thermal relay in fire alarm circuit- opening equipment, as temperature controller, temperature indicator, switching member in hot-water flowmeters has case accommodating movable and fixed contacts as well as heat-sensing element fixed on movable contact; mentioned element is assigned open curvilinear figure shape memory effect and its length l is chosen from condition 0,7L ≅ 1 ≅ 1,5L, where L is length of curvilinear figure in closed state. EFFECT: improved reliability and vibration resistance; facilitated manufacture. 2 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to electrical engineering and can be used in switching equipment as a thermal relay for a fire alarm, a temperature regulator, a temperature indicator, a switching element in hot water flow meters and so on.

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). Known thermoelectric switch containing a housing in which are movable and fixed contacts, and a thermosensitive element made of a material with shape memory (EPF) in the form of a plate and installed with the possibility of influencing the movable contact (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. The disadvantages of the known thermoelectric switch are the large size of the thermally sensitive element, which leads to considerable time for heating or cooling, and low reliability, especially in conditions of increased vibration, which is associated with the console execution of the thermally sensitive element.

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). As a prototype of the claimed technical solution, a thermosensitive switch is selected, comprising a housing in which movable and fixed contacts are located, and a thermosensitive element made of material with a shape memory effect and installed between the movable contact and the housing with the possibility of acting on the movable contact, the thermally sensitive element being made in the form of a closed curvilinear figure with a rigid connection of its ends and it is given a shape memory in the form of a curvilinear figure (2).

Недостатки известного устройства заключаются в следующем. The disadvantages of the known device are as follows.

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). Insignificant differences in the shape of the thermally sensitive element in the “cold” and “hot” conditions cause a small amount of working stroke and developed force and, as a result, reduce the reliability of the thermal switch and the manufacturability of its manufacture (since with a small working stroke it is necessary to make increased demands on the manufacture of individual components thermal switch).

Отсутствие жесткой связи термочувствительного элемента с другими частями устройства снижает механическую стойкость при повышенных вибрационных нагрузках, увеличивает степень разброса при изменениях температуры. The absence of a rigid connection of the heat-sensitive element with other parts of the device reduces the mechanical resistance under increased vibration loads, increases the degree of dispersion with temperature changes.

Указанные недостатки известного термочувствительного выключателя обусловлены конструктивной реализацией термочувствительного элемента и геометрией его расположения в устройстве. These disadvantages of the known thermosensitive switch due to the structural implementation of the thermosensitive element and the geometry of its location in the device.

Задача, решаемая изобретением - повышение надежности, виброустойчивости и технологичности изготовления термоуправляемого выключателя. The problem solved by the invention is to increase the reliability, vibration resistance and manufacturability of the manufacture of thermally controlled circuit breaker.

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.This problem is solved in that in a thermally controlled switch containing a housing in which movable and fixed contacts and a thermosensitive element are made, made of material with a shape memory effect and installed with the ability to switch contacts, the thermosensitive element is rigidly fixed in a straightened state with its ends on a movable contact over the concave portion made therein, while the thermally sensitive element is given a shape memory of an open curved figure, and its length 1 is selected from the condition
0.7L≅1≅1.5L,
where L is the length of the curved figure in the closed state.

Термочувствительному элементу может быть задана память формы, например дуги окружности. The temperature-sensitive element may be given a shape memory, such as a circular arc.

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. As experimentally established by the authors, the length (length) of 1 thermally sensitive element, rigidly fixed with its ends to the movable contact in the rectified state, should be equal to 0.7 - 1.5 of the length L of an open curved figure (for example, a circle or an ellipse), the shape memory of which attached to the thermally sensitive element, which ensures the development of the maximum temperature force by the thermally sensitive element, which is spent most rationally, since the direction of its action coincides with the direction by moving the movable contact.

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). A curvilinear figure refers, for example, to figures such as a circle or an ellipse. The length of a curved figure (circle) in a closed state corresponds to the classical definition of C = 2 πR, and an open curved figure means, in the case of a circle, its arc, the length of which can be either less or more than C (but not more than 1.5C) . We can say that in the latter case, a temperature-sensitive element in the range of operating temperatures tends to recall the shape of a partially covered circle (the concept of covering is used in higher mathematics, in particular, in the theory of Lie groups and when considering symmetric spaces).

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 изображен вариант исполнения термоуправляемого выключателя с нормально разомкнутыми контактами, на фиг. 2 - вариант исполнения с нормально замкнутыми контактами. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows an embodiment of a thermally controlled circuit breaker with normally open contacts, FIG. 2 - version with normally closed contacts.

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. The thermally controlled switch (Fig. 1) contains a sealed housing (glass bottle) 1, into the ends of which the movable 2 and the stationary 3 contacts (contact - parts) are soldered, the movable contact 2 is placed under the stationary contact 3. The movable contact 2 has a concave a section over which, locking it from two sides, is rigidly fixed in a straightened state, without stress, a heat-sensitive element 4 of a material with a shape memory effect, for example, of a TiNi alloy made in the form of a piece of tape. Element 4 is pre-assigned a circumference shape memory by winding onto a cylindrical mandrel and heat treatment. The length 1 of the heat-sensitive element 4 is selected in the range (0.7-1.5) L, where L is the length of the circular arc.

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.The device operates as follows. In the initial position, contacts 2 and 3 are open. When heated above the response temperature, the thermosensitive element 4 recalls the shape given to it and deforms, deviating from the initial rectified state. As a result of this, the movable contact 2 under the influence of the tangential component of the force developed by the element 4 is deflected, passes the contact gap and, having met the fixed contact 3, creates a contact pressing Fk with it, which is equal to
Fk = F _e -F _y ,
where F _e - the maximum force developed by element 4 under the action of the response temperature,
F _y - the force required to cross the gap with the end of the movable contact 2.

Выполнение в подвижном контакте вогнутого участка повышает его упругость, в результате чего уменьшается величина F_у и увеличивается контактное нажатие F_к.Performing a concave section in the movable contact increases its elasticity, as a result of which the value of F _y decreases and the contact pressing F _k increases.

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. The closure of contacts 2 and 3 under the action of element 4 is ensured by the selection of the parameters of the movable contact 2 and the heat-sensitive element 4, as a result of which the elasticity (stiffness) of contact 2 is less than the force developed by element 4 in the hot state (above the operating temperature), but exceeds the rigidity of element 4 in a cold (below the response temperature) state.

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. When cooling, the temperature-sensitive element 4 under the action of the elastic force of the movable contact 2 returns to its original state, since its rigidity becomes less than the elastic force of the contact 2. Contacts 2 and 3 open, restoring the contact gap.

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. In the embodiment with normally closed contacts (Fig. 2), the movable contact 2 is located above the fixed contact 3. When heated above the response temperature, deformation of the heat-sensitive element 4 leads to the deviation of the movable contact 2 and the formation of an intercontact gap (opening contacts). When cooling, the temperature-sensitive element 4 returns to its original state, closing contacts 2 and 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. The claimed invention can also be implemented in a switching version (not shown), which is a combination of the designs shown in FIG. 1 and 2. In this case, the movable contact is located between two fixed contacts, forming a normally closed pair with the lower contact, and a normally open pair with the upper contact.

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.According to the invention, prototypes of sealed thermo-controlled switches (or, in other terminology, sealed thermo-controlled contacts (gertecons)) were manufactured and tested according to the invention. The contacts were made of 52N - VI alloy, the casing was made of S-93-3 glass. The temperature-sensitive element had an operating temperature of 61 - 64 ^o C, the operating temperature of the circuit breakers was in the range of 65 - 68 ^o C. Thus, the temperature difference was on average 5 ^o C.

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.The maximum force develops by a thermosensitive element at T = 75-80 ^o C, therefore, the force is not fully used in the device, as a result of which, when the indicated temperatures are reached, contact pressing is significantly enhanced, which is very important when passing high currents.

Испытания на воздействие внешних механических факторов показали высокую стойкость устройства к виброударным нагрузкам без нарушения герметичности. Tests for the influence of external mechanical factors showed a high resistance of the device to vibration shock loads without violating the tightness.

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. The inventive thermally controlled circuit breaker in comparison with the prototype has higher reliability, increased resistance to mechanical stress, a narrower range of thermal sensitivity, more technologically advanced to manufacture (which allows for micro-miniature circuit breaker). This, ultimately, increases the reliability of switching equipment, which includes a thermally controlled switch, expands its scope.

Литература
1. Патент США N 4335478, кл. 340 - 593, 1986 г.Literature
1. US patent N 4335478, CL. 340-593, 1986

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

Claims (2)

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.1. The thermally-controlled switch containing a housing in which movable and fixed contacts and a thermosensitive element are located, made of material with a shape memory effect and installed with the ability to switch contacts, characterized in that the thermosensitive element is rigidly fixed in a straightened state on a movable contact over a concave portion, while the temperature-sensitive element is given a shape memory of an open curved figure, and its length l is selected from the condition:
0.7L ≅ l ≅ 1.5L,
where L is the length of the curved figure in the closed state. 2. Термоуправляемый выключатель по п.1, отличающийся тем, что термочувствительному элементу задана память формы дуги окружности. 2. The thermally-controlled switch according to claim 1, characterized in that the temperature-sensitive element is given a shape memory of a circular arc.

Images