ТЕРМОВЫКЛЮЧАТЕЛЬ РАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ И ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ТЕРМОВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к тепловым выключателям, предназначенным для защиты электроприборов, в том числе трубчатых электронагревателей от перегрева при ненормальной работе, в условиях ограниченного рассеивания тепла, и к электронагревательным элементам, предназначенным для оснащения трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов), защищенных от перегрева при ненормальной работе.
Известны конструкции термовыключателей разового действия по патентам РФ №2115972, Н 01 Н 37/76, Н 05 В 3/48, 1998; №2189658 H 01 H 37/76, H 05 В 3/48, 2002.
Недостатком этих конструкций является нестабильность времени срабатывания и ограниченность их применения.
Известны конструкции электронагревательных элементов с термовыключателем по патентам РФ №2097943, Н 05 В 3/48, 1997; №21411745, Н 05 В 3/48, 1/02//Н 01 Н 37/76, 1999.
Недостатком этих конструкции является низкая надежность и ограниченность их применения.
Наиболее близким техническим решением для термовыключателя разового действия является конструкция по патенту РФ №2219610 Н 01 Н 37/76, Н 05 В 3/46 2003, пункт 2 формулы, фиг.2. Термовыключатель разового действия, далее по тексту термовыключатель, этой конструкции содержит термочувствительный элемент в виде трубки из легкоплавкого металла или сплава металлов, два контакта, выполненные из металлической трубки, каждый из которых соединен пайкой крайней частью своей внутренней поверхности с термочувствительным элементом, расположенные друг от друга на расстоянии, обеспечивающем разрыв электрической цепи при срабатывании термовыключателя.
Недостатком этой конструкции является сложность изготовления, заключающейся в обеспечении малых допусков в диаметрах соединяемых
пайкой деталей, а именно, внутреннего диаметра контакта и наружного диаметра термочувствительного элемента.
Наиболее близким техническим решением для электронагревательного элемента с термовыключателем является конструкция по патенту РФ №2219610 Н 01 Н 37/76, Н 05 В 3/46 2003, пункт 6 формулы, фиг.7. Электронагревательный элемент с термовыключателем, этой конструкции содержит термовыключатель, имеющий термочувствительный элемент в виде трубки из легкоплавкого металла или сплава металлов и два контакта, выполненные из металлических трубок, каждый из которых соединен пайкой крайней частью своей внутренней поверхности с термочувствительным элементом, расположенные друг от друга на расстоянии, обеспечивающем разрыв электрической цепи при срабатывании термовыключателя, спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, электрически соединенную с одним из двух контактов термовыключателя, при этом прямой проход из внутреннего пространства спирали через этот контакт внутрь термочувствительного элемента перекрыт.
Недостатком этой конструкции является сложность изготовления, заключающаяся в обеспечении малых допусков в диаметрах соединяемых пайкой деталей, а именно, для внутреннего диаметра контакта +0,02 мм и для наружного диаметра термочувствительного элемента -0,02 мм. Стандартные трубки по ГОСТ 11383 и ГОСТ 21931 выпускаются с большими допусками. Если для изготовления контактов использовать стандартные медные или латунные трубки повышенной точности по ГОСТ 11383, имеющие допуска от ±0,03 мм до ±0,04 мм по толщине стенки и ±0,05 мм по наружному диаметру, то для каждой партии таких трубок после замера их поперечных размеров должна изготавливаться трубка из легкоплавкого сплава с соответствующими размерами, обеспечивающими стыковку, термочувствительного элемента, изготовленного из этой трубки, с контактом. Такие не стандартные трубки можно изготавливать лишь на специально спроектированном и изготовленном для этих целей технологическом оборудовании.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью термовыключателя и электронагревательного элемента с термовыключателем - снижение трудоемкости изготовления.
Технический результат от использования полезной модели термовыключателя и электронагревательного элемента с
термовыключателем - снижение трудоемкости изготовления, за счет использования стандартных покупных материалов.
Указанный технический результат для термовыключателя достигается за счет того, что в нем каждый контакт соединен с термочувствительным элементом также, по меньшей мере, торцовой поверхностью, а по большей мере, торцовой и крайней частью наружной поверхностей. То есть контакты перед пайкой не надеваются на термочувствительный элемент. В этом случае наружный диаметр термочувствительного элемента выполняется больше внутреннего диаметра контакта.
Отверстие в термочувствительном элементе может быть запаяно, по меньшей мере, с одного торца.
Термовыключатель может содержать пробку, введенную внутрь одного контакта и закрепленную в нем.
Запайка торца термочувствительного элемента или оснащение термовыключателя пробкой позволяют упростить соединение этого термовыключателя со спиралью нагревателя ТЭНа. Спираль, в этом случае можно обжимать на контакте. Такой термовыключатель должен встраиваться в ТЭН таким образом, чтобы набивка оболочки ТЭНа изолирующим сыпучим материалом производилась со стороны контакта, прямой проход через который внутрь термочувствительного элемента перекрыт перегородкой, выполненной запайкой торца термочувствительного элемента, либо пробкой, введенной в этот контакт.
С целью обеспечения лучшей сохранности термовключателя и стабильности времени его срабатывания, он может оснащаться веществом-активатором с температурой плавления и удельной электрической проводимостью ниже, чем у материала термочувствительного элемента, введенным внутрь этого термочувствительного элемента.
Для обеспечения стыковки с некоторыми нагревательными элементами термовыключатель может оснащаться электровыводом, выполненным из металлической проволоки, частично введенным в один из контактов и зажатым им.
Для обеспечения стыковки с контактным выводом ТЭНа термовыключатель может быть снабжен спиралью, выполненной из металлической проволоки, частично введенной в другой контакт, и зажатой им, при этом часть спирали, введенная в другой контакт термовыключателя, выполнена зауженной, с меньшим диаметром витков, чем диаметр витков остальной части спирали, а внутри этого контакта между концом спирали и термочувствительным элементом образовано свободное пространство, причем прямой проход в это свободное пространство из внутреннего пространства спирали перекрыт, например, витками самой спирали, расположенными в конце зауженной ее части, выполненными с переменным диаметром, уменьшающимся к этому концу.
Указанный технический результат для электронагревательного элемента с термовыключателем достигается за счет того, что в нем каждый контакт соединен с термочувствительным элементом также, по меньшей мере, торцовой поверхностью, а по большей мере, торцовой и крайней частью наружной поверхностей.
Прямой проход из внутреннего пространства спирали через контакт термовыключателя внутрь его термочувствительного элемента в различных исполнениях электронагревательного элемента с термовыключателем может быть перекрыт или перегородкой, образованной в торце термочувствительного элемента из его материала, или веществом-активатором, размещенным в нем, причем температура плавления и удельная электрическая проводимость вещества-активатора ниже, чем у материала термочувствительного элемента.
Вещество-активатор также обеспечивает хорошую сохранность и стабильность времени срабатывания термовыключателя нагревательного элемента.
Соединение конца спирали с контактом термовыключателя в различных исполнениях электронагревательного элемента с термовыключателем может быть выполнено или обжатием части спирали, надетой на контакт термовыключателя, или обжатием контакта на части
спирали, введенной в этот контакт, при этом эта часть опирали выполнена зауженной, с витками, диаметр которых, меньше диаметра витков другой части спирали.
Прямой проход из внутреннего пространства спирали через контакт термовыключателя к торцу термочувствительного элемента может быть перекрыт, например, пробкой. Это предотвращает попадание в контакт посторонних частиц, могущих оказать отрицательное влияние на работу термовыключателя.
Для обеспечения однотипного соединения электронагревательного элемента с контактными выводами ТЭНа, он может содержать вторую спираль, выполненную из металлической проволоки или частично надетую на другой контакт термовыключателя и обжатую на нем, или частично введенную в другой контакт термовыключателя и зажатую им, причем эта часть спирали выполнена зауженной, с диаметром витков меньшим, чем диаметр витков другой части этой спирали, при этом внутри другого контакта между концом зауженной части второй спирали и термочувствительным элементом образовано свободное пространство.
Для исключения попадания в свободное пространство, имеющееся внутри другого контакта, каких либо частиц прямой проход в это пространство из внутреннего пространства второй спирали может быть перекрыт, например, витками этой спирали, расположенными в конце зауженной ее части, выполненными с переменным диаметром, уменьшающимся к этому концу.
На фиг.1 показан продольный разрез термовыключателя;
На фиг.2 показан продольный разрез термовыключателя, отверстие в термочувствительном элементе которого запаяно с одного торца;
На фиг.3 показан продольный разрез термовыключателя, один из контактов которого закрыт пробкой, введенной внутрь;
На фиг.4 показан продольный разрез термовыключателя, содержащего вещество-активатор;
На фиг.5 показан продольный разрез термовыключателя, содержащего электровывод;
На фиг.6 показано сечение термовыключателя, изображенного на фиг.5;
На фиг.7 показан продольный разрез термовыключателя содержащего электровывод и спираль с пробкой;
На фиг.8 показано сечение термовыключателя, изображенного на фиг.7;
На фиг.9 показан продольный разрез терм о выключателя, содержащего электровывод и спираль с витками переменного диаметра;
На фиг.10 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, содержащего спираль, конец которой обжат на контакте термовыключателя;
На фиг.11 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, содержащим вещество-активатор;
На фиг.12 показано сечение электронагревательного элемента с термовыключателем, изображенного на фиг.10;
На фиг.13 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, имеющего спираль, конец которой зажат в контакте термовыключателя;
На фиг.14 показано сечение электронагревательного элемента с термовыключателем, изображенного на фиг.13;
На фиг.15 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, имеющего спираль, конец которой обжат на контакте термовыключателя, закрытом пробкой;
На фиг.16 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, имеющего спираль, витки на части которой, введенной в контакт выполнены с переменным уменьшающимся к концу диаметром;
На фиг.17 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, имеющего две спирали, концы которых обжаты на контактах термовыключателя;
На фиг.18 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, имеющего две спирали, в концы которых введены пробки и они зажаты в контактах термовыключателя;
На фиг.19 показано сечение электронагревательного элемента с термовыключателем, изображенного на фиг.18;
На фиг.20 показан продольный разрез электронагревательного элемента с термовыключателем, имеющего две спирали, у которых витки на концах, зажатых в контактах термовыключателя, выполнены с переменным диаметром;
На фиг.21 показан продольный разрез ТЭНа со встроенным термовыключателем, изображенным на фиг.9;
На фиг.22 показан продольный разрез ТЭНа со встроенным электронагревательным элементом с термовыключателем, изображенным на фиг.17;
На фиг.23 показан продольный разрез ТЭНа со встроенным электронагревательным элементом с термовыключателем, изображенным на фиг.13;
На фиг.24 показан продольный разрез ТЭНа со встроенным электронагревательным элементом с термовыключателем, изображенным на фиг.18;
На фиг.25 показан продольный разрез ТЭНа, изображенного на фиг.22 в состоянии, наступившем после срабатывания термовыключателя;
На фиг.26 показан продольный разрез ТЭНа, изображенного на фиг.24 в состоянии, наступившем после срабатывания термовыключателя.
Конструкция термовыключателя состоит из термочувствительного элемента 1 (см. фиг.1), в виде трубки из легкоплавкого металла или сплава металлов, например, оловянно - свинцового сплава, двух контактов 2, 3, выполненных из металлической, например, медной или латунной, трубки. Каждый контакт припаян частично внутренней поверхностью «В», также, по меньшей мере, торцовой поверхностью «Т», а по большей мере, торцовой поверхностью «Т» и частично наружной поверхностью «Н» к термочувствительному элементу 1. Контакты 2, 3 расположены друг от друга
на расстоянии «L», обеспечивающем разрыв электрической цепи при срабатывании термовыключателя.
Для исключения попадания внутрь термочувствительного элемента термовыключателя, встраиваемого в ТЭН, сыпучего изоляционного наполнителя отверстие в термочувствительном элементе может быть запаяно - перекрыто перегородкой 4 (см. фиг.2)., по меньшей мере, с одного торца. В случае использования термовыключателя для защиты ТЭНа, набивка в его оболочку сыпучего изоляционного наполнителя должна вестись со стороны запаянного торца термочувствительного элемента термовыключателя.
Также для исключения попадания внутрь термочувствительного элемента термовыключателя, встраиваемого в ТЭН, сыпучего изоляционного наполнителя он может быть оснащен пробкой 5 (см. фиг.3), выполненной, например, из кремнеорганического герметика, введенной внутрь одного из контактов и закрепленной в нем.
. С целью обеспечения лучшей сохранности и стабильности времени срабатывания термовыключатель может быть оснащен веществом-активатором 6 (см. фиг.4), например, канифолью, с температурой плавления и удельной электрической проводимостью ниже, чем у материала термочувствительного элемента, введенным внутрь этого термочувствительного элемента.
Для обеспечения стыковки с некоторыми исполнениями нагревательных элементов термовыключатель может оснащаться электровыводом 7 (см. фиг.5), выполненным из металлической проволоки, частично введенным в контакт 2 и зажатым им (см. фиг.6).
1
2
- Для обеспечения стыковки термовыключателя с контактным выводом ТЭНа он может содержать спираль 8 (см. фиг.7), выполненную из металлической проволоки, частично введенную в контакт 3, и зажатую им. Часть спирали 9, введенная в контакт термовыключателя, выполнена зауженной. Витки зауженной части 9 спирали 8, выполнены с диаметром D, меньшим чем диаметр D другой части спирали. Внутри контакта 3 между концом зауженной части 9 спирали 8 и термочувствительным элементом 1 образовано свободное пространство 10. Объем свободного пространства 10 выполняется таким, чтобы при заполнении его расплавом материала
термочувствительного элемента в зоне между контактами образовался электроизоляционный промежуток, обеспечивающий надежный разрыв электрической цепи ТЭНа. Обычно, этот объем, ориентировочно, равен объему материала термочувствительного элемента, находящегося между контактами 2 и 3. Прямой проход в свободное пространство 10 из внутреннего пространства спирали 8, перекрыт пробкой 11, выполненной, например, из кремнеорганического материала, введенной в конец зауженный части 9 спирали 8 и закрепленной в ней. Зажатие зауженной части 9 спирали 8 в контакте 3 выполнено таким образом, что между контактом 3 и спиралью 8 образованы шесть газоотводных каналов 12 (см. фиг.8) по которым свободное пространство 10 сообщается с внешней средой.
Прямой проход в свободное пространство 10 из внутреннего пространства спирали 8 может быть перекрыт витками 13 самой спирали 8 (см. фиг.9), расположенными в конце зауженной ее части 9, выполненными с переменным диаметром, уменьшающимся к этому концу.
Электронагревательный элемент с термовыключателем содержит термовыключатель, имеющий термочувствительный элемент 1 (см. фиг.10), выполненный в виде трубки из легкоплавкого металла или сплава металлов, например, из оловянисто-свинцового сплава, два контакта 2, 3, выполненные из металлических трубок, например, медных или латунных. Контакты 2, 3 соединены пайкой крайними частями своих внутренних поверхностей «В», также, по меньшей мере, торцовыми поверхностями «Т», а по большей мере, торцовыми поверхностями «Т» и частично наружными поверхностями «Н» к термочувствительному элементу 1. Контакты 2, 3 расположены друг от друга на расстоянии «L», обеспечивающем разрыв электрической цепи при срабатывании термовыключателя. Конструкция содержит также спираль 14, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, например, из нихромовой проволоки. Конец спирали 14 электрически соединен с контактом 2 термовыключателя. Прямой проход из внутреннего пространства спирали 14 через контакт 2 внутрь термочувствительного элемента 1 перекрыт перегородкой 4, образованной запайкой торца термочувствительного элемента.
Прямой проход из внутреннего пространства спирали 14 (см. фиг.11) через контакт 2 внутрь термочувствительного элемента 1 может быть перекрыт веществом-активатором 6, например канифолью, с температурой плавления и удельной электрической проводимостью ниже, чем у материала термочувствительного элемента, введенным внутрь термочувствительного элемента 1.
3
4
Соединение конца спирали с контактом термовыключателя может быть выполнено обжатием спирали 14 на контакте 2 термовыключателя (см. фиг.12) или обжатием контакта 2 на части 15 спирали 14, введенной в этот контакт (см фиг.13, 14), при этом часть 15 спирали 14 выполнена зауженной, с витками, диаметр «D» которых, меньше диаметра «D» витков другой части спирали.
Прямой проход из внутреннего пространства спирали 14 через контакт 2 внутрь термочувствительного элемента 1 может быть перекрыт пробкой 16 (см. фиг.13), выполненной, например, из кремнеорганического герметика, введенной внутрь конца зауженной части 15 спирали 14 и закрепленной в ней.
Прямой проход из внутреннего пространства спирали 14 (см. фиг.15) через контакт 2 внутрь термочувствительного элемента 1 может быть перекрыт пробкой 4, выполненной, например, из кремнеорганического герметика, введенной внутрь контакта 2 и закрепленной в нем.
Прямой проход из внутреннего пространства спирали 14 (см. фиг.16) через контакт 2 внутрь термочувствительного элемента 1 может быть перекрыт витками 16 зауженной части 15 спирали 14, выполненными с переменным диаметром, уменьшающимся к концу спирали.
Электронагревательный элемент с термовыключателем может содержать вторую спираль 17 (см. фиг.17), выполненную из металлической проволоки, часть которой надета на контакт 3 термовыключателя и обжата на нем.
1
Электронагревательный элемент с термовыключателем может содержать вторую спираль 17 (см. фиг.18), выполненную из металлической проволоки, часть 18 которой выполнена зауженной, с диаметром «D» витков
2
меньшим, чем диаметр «D» витков другой части этой спирали, причем зауженная часть 18 второй спирали 17 введена в контакт 3 термовыключателя и зажата им. Между концом зауженной части 18 второй спирали 17 и термочувствительным элементом 1, внутри контакта 3 образовано свободное пространство 10. Объем этого свободного пространства выполняется таким, чтобы при заполнении его расплавом материала термочувствительного элемента в зоне между контактами 2, 3 образовался электроизоляционный промежуток, обеспечивающий надежный разрыв электрической цепи ТЭНа. Обычно, этот объем, ориентировочно, равен объему материала термочувствительного элемента 1, находящегося между контактами 2 и 3. Зажатие зауженной части 18 второй спирали 17 в контакте 3 выполнено таким образом, чтобы между контактом и спиралью образованы шесть газоотводных каналов 12 (см. фиг.19), по которым свободное пространство 10 сообщается с внешней средой.
Прямой проход в свободное пространство 10, имеющееся внутри контакта 3, из внутреннего пространства второй спирали 17 может быть перекрыт пробкой 11 (см. фиг.18), выполненной, например, из кремнеорганического материала, введенной внутрь второй спирали 17 в конце зауженной ее части 18, и закрепленной в ней.
Прямой проход в свободное пространство 10, имеющееся внутри контакта 3, из внутреннего пространства второй спирали 17 может быть перекрыт витками 20 (см.фиг.20) этой спирали, расположенными в конце зауженной ее части 18, выполненными с переменным диаметром, уменьшающимся к этому концу.
Термовыключатель используется для тепловой защиты электрических нагревательных приборов, в том числе для встроенной защиты ТЭНов. Обычно, токоподводящие проводники или спираль ТЭНа соединяются с контактами термовыключателя опрессовкой. Термовыключатель электрически изолируется от корпуса защищаемого электроприбора.
В качестве примера, рассмотрим установку в ТЭН (см. фиг.21) термовыключателя, изображенного на фиг.7.
Перед установкой в ТЭН спираль 21 нагревателя соединяется с контактным выводом ТЭНа 22 и электровыводом термовыключателя 7.
Спираль термовыключателя 8 соединяется с контактным выводом ТЭНа 23. Соединение может быть сварным или прессовым. Спирали растягиваются с равномерным шагом витков до нужной длины. Собранный узел устанавливается в оболочку ТЭНа 24, выполненную из металлической трубки. Выход контактных выводов 22, 23 из оболочки 24 может осуществляться через электроизоляционные втулки 25, 26. Контактные выводы, спираль и термовыключатель изолируются от оболочки сыпучим электроизоляционным наполнителем 27, например, кварцевым песком или периклазом. Набивка электроизоляционного наполнителя осуществляется со стороны элетровывода 7 термовыключателя. Оболочка ТЭНа обжимается, например, редуцируется для уплотнения сыпучего электроизоляционного наполнителя. Для обеспечения изгибания ТЭНа его оболочка может подвергаться отжигу. Отжиг должен производится с охлаждением места нахождения термовыключателя.
При установке в ТЭН исполнения конструкции электронагревательного элемента с термовыключателем, изображенного на фиг. 17, спирали 14, 17 соединяются с контактными выводами ТЭНа 22, 23. (см. фиг.22) Набивка электроизоляционного наполнителя 27 осуществляется со стороны контакта 2.
При установке в ТЭН исполнения конструкции электронагревательного элемента с термовыключателем, изображенного на фиг. 13, спираль 14 (см. фиг.23) соединяется с контактным выводом ТЭНа 22. Контакт термовыключателя 3 пропускается через электроизоляционную втулку 26 и выходит из оболочки ТЭНа 24. В этом случае контакт 3 одновременно выполняет функции контактного вывода ТЭНа. Набивка электроизоляционного наполнителя 27 осуществляется со стороны контакта 2. Пробка 16 предотвращает попадание электроизоляционного наполнителя 27 внутрь термочувствительного элемента 1.
При установке в ТЭН исполнения конструкции электронагревательного элемента с термовыключателем, изображенного на фиг. 18, спирали 14, 17 (см. фиг. 24) соединяются с контактными выводами ТЭНа 22, 23. Набивка электроизоляционного наполнителя 27 осуществляется со стороны контакта 2. Пробка 16 предотвращает попадание
электроизоляционного наполнителя 27 к торцу термочувствительного элемента 1.
Электронагревательный элемент с термовыключателем, встроенный в ТЭН, работает следующим образом:
К контактным выводам ТЭНа 22, 23 (см. фиг.25, фиг.26) подводится напряжения электрической сети. Ток разогревает спираль 14 до температуры  400...500°С. Тепло передается от спирали 14 на термочувствительный элемент термовыключателя. При нормальной работе, когда ТЭН охлаждается нагреваемой средой, например, водой, температура на оболочке ТЭНа 24 составляет, приблизительно, 105...110°С. Температура термочувствительного элемента термовыключателя не превышает величины температуры плавления его материала и срабатывания термовыключателя не происходит. В случае выкипания воды или включения ТЭНа без воды увеличивается поток тепла от спирали 14 к термочувствительному элементу термовыключателя. Термочувствительный элемент термовыключателя расплавляется. Под воздействием капиллярного эффекта расплав термочувствительного элемента 28 втягивается в контакты термовыключателя. Электрическая цепь питания ТЭНа разрывается. При разрыве электрической цепи рост температуры ТЭНа прекращается. Если время срабатывания термовыключателя составляет около 20 секунд, то температура оболочки ТЭНа, обычно, не превышает 200°С.
В случае если термовыключатель содержит вещество - активатор 6, то, его расплав 29 (см. фиг.25, 26), очищая поверхности контактов и термочувствительного элемента от окислов, способствует втягиванию контактом расплава термочувствительного элемента, затем частично впитывается в электроизоляционный наполнитель.
Проведенные испытания показали, что предлагаемые конструкции термовыключателя и электронагревательного элемента с термовыключателем просты в изготовлении, несложно встраиваются в ТЭНы, надежны в работе.
Промышленная применимость предлагаемых конструкций очевидна. Эти конструкции прошли опытные испытания на предприятии ООО «ЭНТЗ», в г.Нижнем Новгороде и показали хорошие результаты.