ТЕРМОРЕЛЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к терморегулятору для бытовых нагревательных приборов, в частности, водонагревателей с тепловым аккумулятором, а именно, с источником электропитания.
Более точно, предложенное решение относится к устройству управления, регулирования и защиты таких электрических водонагревателей с тепловым аккумулятором, в котором функции управления и регулирования электронной системы реализованы в одном компактном устройстве в сочетании с защитными характеристиками электромеханической системы.
В патентах, ранее выданных на имя настоящей компании-заявителя (или компаний, входящих в ту же промышленную группу), уже предлагались конструктивные решения, применимые для усовершенствования работы термореле и устройств тепловой защиты, используемых в электрических водонагревателях с тепловым аккумулятором.
В целях исчерпывающего описания уровня техники в области, к которой относится настоящее решение, следует привести патенты ЕР 0651412 и ЕР 1652017; в качестве обобщения достаточно указать, что электрические водонагреватели с тепловым аккумулятором содержат термореле двух типов, обычно совмещенных в одном устройстве и служащих для регулирования температуры воды, содержащейся в водяном баке: первым из них является термореле-регулятор для поддержания температуры воды в нагревателе на уровне, установленном изготовителем и/или выбранном пользователем, а вторым является термореле тепловой защиты для отключения подачи питания на электрические сопротивления после того, как достигнута предельная температура. В водонагревательных устройствах этого типа широко распространено применение термочувствительного элемента, который расположен внутри водяного бака и состоит из расширяющейся под действием тепла трубки, обычно из латуни, внутри которой проходит имеющий общую с ней ось стержень с низким коэффициентом теплового расширения, обычно из инвара (далее пара "расширяющаяся под действием тепла трубка/стержень с низким коэффициентом теплового расширения" кратко именуется "трубчато-стержневым приводом"). По мере повышения температуры воды в баке латунная трубка удлиняется, в результате чего находящийся внутри нее стержень из инвара перемещается на самый дальний конец. Соответственно, стержень механически приводит в действие контакты термореле, прерывая/возобновляя подачу питания на электрические сопротивления.
В наиболее простых и известных моделях трубчато-стержневой привод служит датчиком и приводом только механизма терморегулирования, поскольку посредством него управляется однопозиционный упругий пластинчатый микропереключатель, обеспечивающий последовательное размыкание/замыкание контактов источника электропитания нагревательных элементов. При этом тепловая защита обеспечивается приводом в виде известного двухпозиционного термочувствительного биметаллического элемента (обычно называемого "кликсоном"), помещающегося в корпусе термореле достаточно близко к расширяющейся под действием тепла трубке трубчато-стержневого привода, в результате чего на его температуру значительно влияет температура в водонагревателе посредством той же самой расширяющейся под действием тепла трубки, которая служит пассивным проводником тепла. Если температура, достигнутая кликсоном, превышает безопасное значение, он необратимо срабатывает, размыкая электрические контакты.
В то же время, согласно упомянутому выше патенту ЕР 0651412 помимо терморегулирования трубчато-стержневой привод также обеспечивает тепловую защиту. Как описано в упомянутом патенте, трубчато-стержневой привод также воздействует на двухпозиционный биметаллический диск, способный необратимо преобразовывать свою вогнутость в выпуклость под действием стержня после того, как достигнута предельная температура, чтобы вызывать размыкание контактов и обеспечивать безопасное состояние водонагревателя.
В то же время, в упомянутом патенте ЕР 1652017 описано целиком электронное термореле с функциями терморегулирования и тепловой защиты.
Согласно известному уровню техники на узкой и продолговатой плате, размеры которой сходны с размерами трубчато-стержневого привода, установлен микропроцессор электронного термореле с соответствующими датчиками температуры, что позволяет легко размещать его вместо пары "расширяющаяся под действием тепла трубка/стержень из инвара" в таком же корпусе.
За счет применения электроники и соответствующих электронных датчиков (обычно NTC) обеспечивается точность регулировки, недостижимая при использовании электромеханических термореле, и возможность управления рядом функций водонагревателя (включая температуру, обучение режиму использования и др.), что значительно повышает его кпд по энергии.
При этом помимо более низкой стоимости, чем у целиком электронного устройства, описанное электромеханическое устройство обеспечивает тепловую защиту с высоким уровнем надежности, отвечающую всем действующим требованиям безопасности.
Соответственно, без сомнения, предпочтительно, не теряя экономические и эксплуатационные выгоды известного из техники электромеханического защитного устройства, также использовать преимущества, обеспечиваемые электроникой электронного устройства регулирования.
Тем не менее, невозможно разместить как плату электронного терморегулятора, так и трубчато-стержневой привод электромеханического устройства тепловой защиты в одном корпусе существующих размеров.
В основу настоящего решения положена задача создания единого компактного устройства управления, применимого в качестве электронного терморегулятора и электромеханического устройства тепловой защиты в электрическом водонагревателе с тепловым аккумулятором, за счет чего надежность электромеханической системы сочетается с точностью регулировки и гибкостью управления электронной системы.
Дополнительной задачей является обеспечение размещения всех датчиков температуры таких устройств в корпусах существующих размеров, используемых в настоящее время для альтернативного размещения платы электронного терморегулятора или трубчато-стержневого привода.
Решение этих и других задач, которые станут ясны далее, достигается за счет устройства, рассмотренного в следующем далее описании и заявленного в прилагаемой формуле полезной модели, которая является неотъемлемой частью самого описания.
Дополнительные признаки настоящей полезной модели будут лучше поняты из следующего далее описания одного из предпочтительно вариантов осуществления в соответствии с формулой и со ссылкой на сопровождающие чертежи. На таких чертежах, которые следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничивающие:
на фиг.1 показан вид в перспективе устройства согласно первому варианту осуществления,
на фиг.2 показаны подробности проиллюстрированного на фиг.1 вида,
на фиг.3 показана внутренность устройства согласно второму варианту осуществления,
на фиг.4 показано изображение по частям предложенного устройства,
на фиг.5 показан вид в перспективе устройства согласно одной из особенностей,
на фиг.6 показана внутренность устройства согласно дополнительной особенности.
Идеи решения особо полезны для облегчения сборки и установки в водонагревателе термореле с электронным терморегулированием и электромеханической тепловой защитой.
Идеи решения также полезны для облегчения сборки термореле с электронным терморегулированием и тепловой защитой.
Существенные признаки полезной модели будут описаны далее со ссылкой на чертежи.
Как показано на фиг.1, позицией 1 в целом обозначено устройство, применимое для выполнения по меньшей мере функций терморегулирования и тепловой защиты, в частности, электрического водонагревателя с тепловым аккумулятором. Далее устройство 1 обозначается родовым термином "термореле". Следует также отметить, что любой обозначающий размеры и пространственные измерения термин (такой как "нижний", "верхний", "ниже" и т.п.) относится к положению, в котором показаны устройства на прилагаемых чертежах.
Термореле 1 содержит защитный корпус 2, состоящий из основания 2.1 и крышки 2.2, в котором помещается электронная плата 8 (фиг.2, 3, 4 или 6), в том числе, микропроцессор для управления по меньшей мере функцией терморегулирования.
На основании 2.1 корпуса 2 находятся соединительные клеммы 2.6 (или аналогичные электрические соединители) для питания одного или нескольких электрических сопротивлений (не показанных на чертежах), предназначенных для нагревания воды, находящейся в водяном баке.
По меньшей мере в предпочтительных вариантах осуществления корпус 2 также содержит элементы, предназначенные для выполнения функции безопасности (не показанные на чертежах).
От основания 2.1 корпуса 2 отходит держатель 3 датчика.
Как показано на фиг.1, в основном варианте осуществления держатель 3 датчика состоит из металлической трубки 3, служащей опорой для датчиков, предназначенных для электронного терморегулирования. Тем не менее, такой держатель 3 датчика также является одним из существенных элементов электромеханической тепловой защиты.
Если используется электромеханическая тепловая защита традиционного типа, обеспечиваемая термочувствительным биметаллическим элементом (кликсоном), держатель 3 датчика действует как проводник тепла, чтобы на температуру кликсона значительно влияла температура в водонагревателе.
В то же время, если используется электромеханическая тепловая защита типа, описанного в патенте ЕР 0651412, держателем 3 датчика является расширяющаяся под действием тепла трубка трубчато-стержневого привода.
Как было сказано, в корпусе 2 термореле 1 помещается не только исполнительное средство защиты, приводимой в действие перемещением держателя 3 датчика и предназначенное для размыкания/замыкания электрических контактов цепи питания соединительных клемм 2.6 сопротивлений, но также электронная плата 8, способная принимать сигналы, поступающие от особых электронных датчиков, и затем передавать их микропроцессору, которым оснащен электрический прибор.
Электронные датчики обозначены позицией 5 и установлены на держателе 3. Как известно из уровня техники, такими электронными датчиками 5 предпочтительно являются датчики типа NTC, число которых зависит от функций, которые они должны выполнять. Может использоваться один датчик, но обычно используется несколько расположенных на различной высоте датчиков, что позволяет приводить в действие различные усовершенствованные сопутствующие функции или функции помимо терморегулирования, такие как расчет средней температуры или энергоемкости водонагревателя. В любом случае для упрощения описания далее рассматривается вариант осуществления с двумя электронными датчиками 5, как показано на прилагаемых чертежах.
Одной из технических задач, решаемых в настоящем техническом решении, является конкретный вариант осуществления токопроводящих дорожек и способов соединения датчиков 5 и таких дорожек с электронной платой 8.
Общей для всех вариантов осуществления особенностью является то, что электрические токопроводящие дорожки, которые соединяют датчики 5 с корпусом 2 термореле и/или непосредственно с электронной платой 8, изготавливаются методом трафаретной печати, который долгое время применяется, хотя и не в термореле.
В качестве исчерпывающего описания метода трафаретной печати элементов, применимых в электрическом оборудовании сошлемся на заявку №1290381, поданную заявителем настоящей заявки, в которой описано трубчатое электрическое сопротивление с обработанной методом трафаретной печати наружной поверхностью, то есть поверхностью, на которую последовательно нанесен один или несколько слоев диэлектрического материала, и электрическая печатная схема, полученная путем нанесения проводящей пасты, образующей фактическую электрическую схему.
На фиг.1 и 2 показан первый вариант осуществления предложенного термореле, в котором токопроводящие дорожки 6, нанесенные методом трафаретной печати непосредственно на участок держателя 3 датчика, который проходит от датчиков 5 до нижнего конца держателя 3 датчика, соприкасающегося с основанием 2.1 корпуса термореле 1.
Дополнительное соединение токопроводящих дорожек 6 с электронной платой 8 обеспечивается за счет проводящего гибкого элемента 7, который соединяет нижний конец дорожек с 6 с разъемом 7.1 электронной платы 8.
Таким проводящим гибким элементом 7 является гибкая печатная схемная плата (FPCB), иными словами гибкая лента, на которой методом трафаретной печати выполнена одна или несколько резистивных дорожек, в результате чего образуется токопроводящая дорожка, полностью аналогичная токопроводящим дорожкам 6.
Таким способом сигналы, регистрируемые электронными датчиками 5, достигают электронной платы 8, расположенной внутри корпуса 2 термореле 1, а затем соответствующим образом направляются в сторону микропроцессора водонагревателя посредством обычного разъема, который может быть вставлен в соединительный штепсель 2.3. На фиг.3 показан второй вариант осуществления способа соединения датчиков 5 и электронной платы 8; в этом случае держатель 3 датчика не просто соприкасается с основанием 2.1 корпуса 2, а проходит внутрь него вплоть до непосредственного соприкосновения с электронной платой 8 или, что лучше, с соединением 8.1, установленным на плате. В этом варианте осуществления токопроводящие дорожки 6 выполнены методом трафаретной печати на участке по длине держателя 3 датчика, проходящем от датчиков 5 до нижнего конца держателя и соприкасающемся с соединением 8.1, которое с технической точки зрения состоит из разъема для контактного приема электрических сигналов, переносимых токопроводящими дорожками 6.
Соответственно в таком втором варианте осуществления токопроводящие дорожки 6, выполненные на держателе 3 датчика, преимущественно соприкасаются с электронной платой 8 без помощи дополнительного проводящего кабеля, такого как FPCB 7 из первого варианта осуществления, в результате чего сигнал, регистрируемый электронными датчиками 5, передается на плату 8 посредством остающихся без изменения токопроводящих дорожек, выполненных методом трафаретной печати.
В любом из описанных вариантов осуществления электронными датчиками 5 являются стандартные термисторы NTC или РТС, приваренные или в случае РТС также выполненные непосредственно методом трафаретной печати, в этом последнем случае преимущественно таким же методом, который используется применительно к соответствующим токопроводящим дорожкам 6.
Следует отметить, что только что описанная технология может выгодно применяться для изготовления держателей 3 датчиков исключительно электронного термореле.
Это проиллюстрировано на только что описанных фигурах, на которых держатель 3 датчика может состоять из трубки, но необязательно теплопроводящей. Тем не менее, держатель 3 датчика также может быть выполнен, как показано на фиг.5 и 6.
Как показано на фиг.5, держатель 3 датчика служит опорой для плоского стержня 9, на котором установлены электронные датчики 5 и выполнены токопроводящие дорожки 6. В этом случае такие токопроводящие дорожки 6 состоят из такой же FPCB 7, проходящей по всему участку стержня 9 между от датчиков 5 до их нижнего конца контакт с соприкасающейся с основанием 2.1 корпуса термореле 1.
Такая же FPCB 7, не прерываемая токопроводящими дорожками 6, также служит соединительным элементом между нижним концом держателя 3 датчика и стержня 9 в сборе и разъемом 7.1 электронной платы 8.
На фиг.6 показан дополнительный упрощенный вариант осуществления, сравнимый с вариантом осуществления, показанным на фиг.3, в том, что касается непосредственного соединения токопроводящих дорожек 6 с электронной платой 8, но сходный с вариантом осуществлении, показанным на фиг.5, в том, что касается опорного элемента датчиков 5 и токопроводящих дорожек 6.
По существу, в такой конфигурации отсутствует трубка 3 в значении описанного держателя датчика, поскольку датчики 5 и соответствующие токопроводящие дорожки 6 методом трафаретной печать выполнены непосредственно на плоском стержне 9, который соприкасается с электронной платой 8, более точно, с соединением 8.1, прикрепленным к плате. Соответственно, в этом случае тот же плоский стержень 9 служит держателем датчика.
На фиг.4 показано изображение по частям термореле 1 и выделена возможная особенность описанного выше термореле, заключающаяся в том, что роль электрических соединителей платы электронной платы 8 с электрическими сопротивлениями и сетью электропитания также выполняют штыри 2.4 (применимые для механического крепления основания 2.1 корпуса 2 к нижележащей электронной плате 8 через взаимно соответствующие отверстия 2.5) или по меньшей мере один из них.
Те же самые штыри 2.4 также выполняют роль распорок, отделяющих электронную плату 8 от основания 2.1 защитного корпус 2 во избежание нежелательного перегрева платы и для создания соответствующего пространства для ее компонентов, таких как реле 8.2 регулирования и/или тепловой защиты 8.2 (путем размыкания/замыкания которого регулируется подача питания на сопротивления) и предохранители для защиты контактов различных реле от токов перегрузки, вызывающих их залипание.
Как можно понять из описания настоящей полезной модели, основное преимущество термореле 1 состоит в сочетании типичных защитных характеристик электромеханического устройства с возможностями регулирования электронного устройства в одном корпусе с использованием элементов и размеров стандартного стержневого термореле.
Эта особенность реализована, в частности, в варианте осуществления, в котором держатель 3 датчика представляет собой трубчато-стержневой привод; в этом случае держатель 3 датчика уже рассчитан на выполнение функции тепловой защиты и без необходимости дополнительных опорных элементов также служит опоров для электронных датчиков 5 и токопроводящих дорожек 6, используемых для выполнения функции терморегулирования. Специалистам в данной области техники ясно, что возможны несколько вариантов осуществления заявленного термореле 1, не выходящих за пределы существа полезной модели, а также, что при практическом осуществлении различные описанные выше компоненты могут быть заменены техническими эквивалентами.