УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ЖИДКОСТИ, СОДЕРЖАЩЕЕ ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ
LIQUID HEATER WITH SAFETY FUSE

Настоящее изобретение относится, в целом, к области электронагревательных устройств.
Более конкретно, изобретение относится к устройствам нагревания жидкости, содержащим трубчатый змеевик с циркулирующей в нем жидкостью, электрические нагревательные элементы, размещенные для нагрева жидкости, циркулирующей в змеевике, и переключатель, который электрически соединен с электрическими нагревательными элементами; этот переключатель селективно переходит из позиции подачи электрической энергии на указанные электрические нагревательные элементы в позицию отключения для предотвращения подачи электрической энергии, которая должна подаваться на указанные нагревательные элементы.
Может случиться так, что такое устройство достигнет температуры, превышающей критическую. Такое явление часто происходит, когда устройство нагревается без наличия в нем жидкости, например, когда трубчатый змеевик более не содержит достаточного количества жидкости или не содержит ее вообще.
Это явление происходит, например, в случае выхода из строя термостата, служащего для измерения температуры устройства.
Для того чтобы предотвратить риск перегрева устройства, что может приводить к разрушению установки, в которую вмонтировано устройство, производители нагревательных устройств разработали системы, которые в случае перегрева позволяют отключить электрические нагревательные элементы.
Устройство указанного выше типа, содержащее два термостата, установленные на концах электрических соединений нагревательных элементов, известно из документа FR 2 778 729. Вероятность перегрева такой сборки приблизительно соответствует вероятности неисправности каждого из этих двух термостатов, взятых отдельно.
Устройство указанного выше типа известно также из документа EP 0 485 211, который содержит предохранитель, смонтированный последовательно с нагревательными элементами таким образом, что при плавлении предохранителя отключается электрическая энергия, подаваемая на нагревательные элементы. С помощью подобных систем не всегда происходит четкое отключение электрической энергии при одноразовом достижении критической температуры.
В этом контексте целью изобретения было предложить решение, направленное на то, чтобы отключить подачу электроэнергии на электрические нагревательные элементы, в случае когда устройство нагрева жидкости оказалось нагретым выше какого-то критического порога срабатывания.
Устройство согласно изобретению, которое, в ином случае, соответствовало бы типичному описанию, приведенному в преамбуле, характеризуется, главным образом, тем, что плавкий предохранитель размещается вблизи указанных электрических нагревательных элементов, для того, чтобы нагреваться при этом во время эксплуатации; при этом указанный плавкий предохранитель спроектирован так, что он плавится, по меньшей мере, частично, когда, по меньшей мере, температура одной области указанного электрического нагревательного элемента выходит за критический порог; это делается также для того, чтобы переводить переключатель из положения энергоснабжения в позицию отключения энергии.
Комбинация из переключателя, способного фиксироваться в двух возможных положениях, и предохранителя, функция которого заключается в том, чтобы вызывать перевод переключателя в положение отключения энергии в случае перегрева, делает возможным следующее:
- с одной стороны, иметь четкое отключение электрической энергии благодаря конструкции переключателя, который предназначен для этой функции;
- с другой стороны, иметь преимущества надежного установления того, что критический температурный порог преодолен благодаря конструкции плавкого предохранителя, который предназначен для этой функции.
Благодаря изобретению разделяются функции установления того, что критический температурный порог был преодолен, и того, что энергоснабжение было надежно отключено; это способствует тому, что каждый элемент выполняет одну предназначенную ему функцию.
Например, возможно устроить переключатель таким образом, чтобы он имел некую упругость, которая, естественным образом, заставляет его переводиться в положение отключения электроэнергии; переключатель удерживается в положении подачи энергии за счет удерживающей силы со стороны части плавкого предохранителя до тех пор, пока  температура указанной области указанных нагревательных элементов не превысила указанный порог.
В таком варианте как только плавкий предохранитель расплавится хотя бы частично, удерживающая сила более не действует на переключатель, который тогда сам по себе перемещается в отключающее положение. Энергоснабжение в этом случае необратимо отключается до тех пор, пока переключатель вручную не переводится в положение подачи энергии и пока плавкий предохранитель не заменен на новый.
Устройство может включать в себя основной корпус и дополнительный элемент, частично закрывающий основной корпус для того, чтобы поместить указанный змеевик между основным корпусом и внутренней поверхностью дополнительного элемента; указанный переключатель содержит соединительный разъем, электрически подключенный к электрическим нагревательным элементам и размещенный на внешней поверхности дополнительного элемента, который находится на противоположной стороне указанной внутренней поверхности.
Тот факт, что разъем переключателя размещен непосредственно на дополнительном элементе дает преимущества, поскольку он:
- дает возможность упростить соединение переключателя с электрическими нагревательными элементами;
- устраняет необходимость иметь соединительный кабель между разъемом переключателя и нагревательными элементами;
- улучшает работу устройства в целом за счет уменьшения числа частей, необходимых для его производства.
Соединительный разъем размещен предпочтительно на одном конце указанного электрического нагревательного элемента, так что этот разъем является как частью электрического нагревательного элемента, так и частью переключателя, что экономически выгоднее.
Указанный переключатель может содержать металлический контактор, один конец которого присоединен к основному корпусу; этот контактор:
- выборочно занимает позицию энергоснабжения, в которой он контактирует с указанным соединяющим разъемом; переключатель тогда находится в положении энергоснабжения;
- выборочно занимает позицию отключения, в которой он отключается от соединяющего разъема; переключатель тогда находится в положении отключения; указанная упругость переключателя создается за счет упругости части контактора, который естественным образом вынуждает последний переключаться в положение отключения энергии.
В этом предпочтительном варианте изобретения переключатель исполняется просто, сгибанием/штамповкой металлической части (такой как медь или нержавеющая сталь) для создания металлического контакта и фиксации его на основном корпусе посредством одного из своих концов. Во время указанного сгибания/штамповки тогда легко сформировать:
- первую жесткую, продольно расположенную часть контактора, имеющую функцию установления электрического контакта с соединяющим разъемом;
- вторую жесткую, продольно расположенную часть контактора, имеющую назначение соединения с главным корпусом; когда такое соединение получается, например, путем вставки этой второй жесткой части контактора в дополнительный паз, сделанный в дополнительном корпусе;
- гибкая и упругая часть, размещенная между первой и второй жесткими частями, позволяет этим жестким частям упруго перемещаться относительно друг друга.
Эта гибкая часть позволяет переключателю занимать стабильное положение в позиции отключения энергии.
Вероятно, для электрических нагревательных элементов можно выполнить, по меньшей мере, один нагревающий резистор, нанесенный на внешнюю сторону дополнительного элемента. Благодаря такому воплощению тепло, производимое этим резистором, передается непосредственно на воду в змеевике через стенку, образованную дополнительным элементом, уменьшая, таким образом, потери тепла и уменьшая тепловую инерцию устройства; в результате вода внутри змеевика тогда быстро нагревается.
Аналогичным образом можно так выполнить плавкий предохранитель, чтобы он представлял собой кольцо, окружающее, по меньшей мере, часть указанного змеевика с циркулирующей в нем жидкостью и, по меньшей мере одну часть указанного электрического нагревательного контура; этот плавкий предохранитель опирается на опорную зону указанного змеевика и/или на указанные электрические нагревательные элементы для того, чтобы нагреваться от них.
Плавкий предохранитель кольцевой формы дает симметричное распределение нагрузок от переключателя на плавкий предохранитель; эта часть имеет, таким образом, очень высокую степень механической прочности без того, чтобы использовать большое количество конструктивного материала.
Кольцевая форма позволяет также делать симметричным тепловой обмен между плавким предохранителем и нагревательными элементами.
Аналогичным образом можно выполнить плавкий предохранитель так, чтобы он имел уменьшенное поперечное сечение в месте размещения на опорной области.
Этот признак позволяет создать предпочтительную область плавления, в которой благодаря такой форме легко можно выбрать размеры и легко локализовать. Во время изготовления устройства создаются условия для того, чтобы предпочтительная зона плавления была размещена так, чтобы на нее существенным образом воздействовали внутренние растягивающие силы, создаваемые переключателем(переключателями). Таким образом, когда эта предохранительная зона плавится, она разрушается полностью под действием растягивающих сил, образуемых переключателями, позволяя, таким образом, осуществить чистый и быстрый слом. Когда кольцо ломается, имеется меньше риска, что оно воспрепятствует или заблокирует перемещение переключателей в положение отключения энергии.
Вероятность того, что устройство будет функционировать надлежащим образом, таким образом, увеличивается по сравнению с тем, что было бы, если бы зона слома находилась в месте изгиба кольца, и по сравнению с тем, что было бы, если бы предпочтительная зона слома не была заготовлена при производстве.
Плавкая часть делается из пластика, потому что температура плавления такой части может быть заблаговременно определена и отрегулирована с помощью химии композитов. Более того, это кольцо сделано из непроводящего материала, что позволяет избежать необходимость изолирования контакторов от кольца.
Аналогичным образом можно выполнить указанный контактор так, чтобы разместить на нем секцию отключения, в которую помещен плавкий предохранитель; таким образом, возникает возможность механического объединения указанного плавкого предохранителя и контактора, по меньше мере, на то время, пока контактор находится в положении подачи энергии.
Такое воплощение позволяет иметь механически устойчивую сборку из переключателя и плавкого предохранителя до тех пор, пока этот плавкий предохранитель не расплавился.
Можно также аналогичным образом выполнить устройство так, чтобы оно имело два переключателя, которые идентичны друг другу и электрически соединены с указанными электрическими нагревательными элементами, для того чтобы дать возможность выборочно подавать на них электроэнергию; возможно также расположить часть плавкого предохранителя таким образом, чтобы механически взаимодействовать с каждым из переключателей одновременно; эта часть предохранителя спроектирована далее так, чтобы:
- удерживать эти переключатели в положении подключения энергии до тех пор, пока температура в указанной области указанных электрических нагревательных элементов не преодолеет критической порог;
- заставлять эти переключатели переходить из положения подключения энергии в положение отключения энергии, когда температура у указанной области указанных электрических нагревательных элементов преодолеет критической порог.
Два переключателя, которые удерживаются в положении подключения энергии единым предохранительным элементом, переводятся одновременно в положение отключения энергии, увеличивая, таким образом, зоны отключения электроэнергии в том же контуре и уменьшая количество энергии на прерывание цепи, которая должна поглотиться отдельно в каждом прерывателе.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятны из последующего описания, которое приводится для иллюстративных целей в прилагаемых чертежах, но не ограничиваются этим.
на Фиг. 1А дана проекция устройства нагрева жидкости по данному изобретению с контакторами в положении отключения энергии и без части плавкого предохранителя;
на Фиг. 1B дан вид нагревательного устройства по данному изобретению в разрезе, на котором показан контактор в положении отключения энергоснабжения;
на Фиг. 2А показано устройство по данному изобретению с переключателями в положении подачи энергии и с еще не расплавленным  плавким предохранителем;
на Фиг. 2В представлен продольный разрез секции устройства на Фиг. 2А;
на Фиг. 3А показано устройство по данному изобретению с переключателями в положении отключения энергоснабжения и с частью плавкого предохранителя, разрушенного в результате перегрева;
на Фиг. 3В представлен продольный разрез устройства по Фиг. 3А;
на Фиг. 4 представлена фронтальная проекция предохранительной части кольцевой формы.
Как указано выше, изобретение относится к устройствам нагревания жидкости, имеющим трубчатый змеевик и электрические нагревательные элементы, которые в данном случае представляют собой два резистора, размещенные параллельно друг другу и расположенные так, чтобы нагревать жидкость, проходящую через змеевик теплообменника. Нагревательное устройство по данному изобретению является улучшенным вариантом нагревательного устройства, описанного в патенте FR 2 855 359.
Устройство 1 содержит основной корпус 2 цилиндрической формы, вокруг которого размещен дополнительный элемент 3 в форме трубы. Между основным корпусом 2 и внутренней поверхностью 10 дополнительного элемента 3 образуется промежуток 5а для того, чтобы между дополнительным элементом 3 и основным корпусом 2 разместить трубчатый змеевик с жидкостью 5.
Змеевик с жидкостью 5 изготовлен в виде кольцевой навивки вокруг основного корпуса вдоль внутренней поверхности 10 дополнительного элемента. Для этой цели основной корпус изготовлен из материала, имеющего низкую температурную инерцию (инерция меньше, чем у алюминия); на своей периферийной части напротив внутренней поверхности 10 он имеет прорезь спиральной формы. Вход 19а и выход 19b для жидкости, соединенные с трубкой теплообменника, позволяют подсоединять устройство по данному изобретению к внешней системе, содержащей жидкость.
Резисторы 4, представляющие собой электрические нагревательные элементы, являются резисторами, нанесенными на внешнюю поверхность 12 дополнительного элемента 3; они образуют две резистивные ленты, идущие параллельно друг другу и покрывающие около 50% наружной поверхности 12. Эти резисторы 4 образуют соединение между двумя питающими разъемами 11а и 11b, размещенными на внешней поверхности 12 дополнительного элемента 3, имеющего форму трубы. Эти питающие разъемы 11а и 11b подсоединены к концам резисторов, практически одинаковы и имеют практически симметричную форму в продольном направлении дополнительного элемента. К питающим разъемам 11а и 11b имеется электрический доступ снаружи устройства для того, чтобы иметь возможность независимо обеспечить контакт каждого подвижного контактора 13а и 13b с соответствующим разъемом (разъем 11а с контактором 13а и разъем 11b с контактором 13b).
Контакторы представляют собой продолговатые металлические пластины, имеющие по своей длине три участка, каждый из которых выполняет свою функцию.
Первый участок контактора представляет собой жесткий концевой элемент, помещаемый в паз, предназначенный для размещения этого контактора сверху периферической выступающей части основного корпуса 2. В этих целях основной корпус электрически изолирован, по меньшей мере, в этом месте; для этого указанный корпус может быть изготовлен полностью из пластика.
Каждый первый участок контактора сконструирован так, чтобы конструктивно соответствовать разъему соединительного устройства.
Второй участок контактора - это локально упругий участок 9, также называемый упругим участком переключателя. Функция этого второго участка заключается в том, чтобы с усилием отводить третий участок контактора от соединительного разъема, 11а или 11b в соответствии с контактором. Этот второй участок имеет плоское сечение.
Третий участок контактора - это тот участок контактора, который имеет жесткую структуру по всей длине для того, чтобы создать прижимающее давление контактора на соответствующий соединительный разъем 11а или 11b. Этот третий участок в сечении, в основном, имеет U-образную форму для того, чтобы придать ей жесткость. Третий участок имеет углубление 16 на своей поверхности для того, чтобы в него помещался участок плавкого предохранителя 7.
Зона контактора, предпочтительно расположенная на второй части, согнута в форме V по длине контактора для того, чтобы получался контакт для протекания тока между контактором и соединительным разъемом дополнительного элемента; эта контактная зона располагается на вершине V-образного изгиба.
Плавкий предохранитель 7 показан отдельно на Фиг. 4 в форме жесткого кольца, внутренний диаметр которого больше, чем внешний диаметр дополнительного элемента. Этот плавкий предохранитель показан также на Фиг. 2а и 2b, но в этом случае вместе с остальным устройством. На этих Фиг. 2а и 2b плавкий предохранитель 7 окружает дополнительный элемент 3 и находится в соединении со всеми контакторами в соответствующем положении, предназначенном для подачи энергии.
Как показано на Фиг. 4, плавкий предохранитель имеет два сегмента арочного типа 17а и 17b, имеющие диаметр практически одинаковый с внешним диаметром дополнительного элемента, который показан пунктирной линией, обозначенной цифрой 2. Четыре стрелки показывают, соответственно, четыре силы, действующие на плавкий предохранитель со стороны контакторов. Эти силы приводят к надавливанию арочных сегментов 17а и 17b на дополнительный элемент. Эти арочные элементы 17а и 17b находятся напротив друг друга для того, чтобы образовать область опоры для удержания плавкого предохранителя на дополнительном элементе. Плавкий предохранитель там, где он опирается на дополнительный элемент, имеет зону 15 с уменьшенной толщиной в поперечном сечении. Эта зона сделана для того, чтобы сформировать здесь предпочтительное место для разлома плавкого предохранителя, когда дополнительный элемент перегрет. Таким образом, во время нормальной работы это кольцо позволяет поддерживать контактное давление между контакторами и электрическим соединительным разъемом резистора. При перегреве кольцо плавится в зоне 15 с уменьшенным поперечным сечением, снимая, таким образом, давление на контакт и размыкая цепь электроснабжения, предназначенную для целей нагрева.
В варианте изобретения, представленного на Фиг. 1а, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, используются четыре отдельных контактора для образования четырех практически идентичных переключателей (каждый переключатель имеет разъем, закрепленный на основном корпусе, и соединительный разъем, размещенный на дополнительном элементе 3).
Два из этих переключателей предназначены для подачи или отключения подачи электричества на разъемы нагревательных средств, а два других используются для подачи или отключения подачи электричества на разъемы резистора с положительным температурным коэффициентом, который укреплен на дополнительном элементе 3 для измерения его температуры.
В упрощенной схеме могут использоваться только две переключающие пластины для управления подачей электроэнергии на отдельные резисторы.
Создается предпочтительная зона 8, так чтобы нормальная рабочая температура в этой зоне 8 была сопоставима с рабочей температурой плавкого предохранителя; это делается для того, чтобы предотвратить его преждевременное плавление.
В конктретном случае для того, чтобы ограничить температуру резистивных лент, последние покрыты проводниковым слоем 18, который улучшает прохождение тока и предотвращает перегрев в этой зоне 8.
В другой схеме конструкция резистивных лент может быть сделана таким образом, чтобы поместить резистивные ленты на существенном расстоянии или вблизи к плавкому предохранителю 7.
В этом конкретном случае в качестве материала для плавкого предохранителя выбирается пластик, который создает хороший компромисс между температурным сопротивлением и стоимостью. Кристаллический материал используется, предпочтительно, когда область плавящих температур уменьшена.
В данном практическом случае материалом плавкого предохранителя, температура плавления которого приблизительно равна 285°С, является полифенилсульфид с наполнением из 32% стекловолокна и 32% минерального наполнителя.
Зона 15 с уменьшенным поперечным сечением, содействующая быстрому плавлению материала плавкого предохранителя, в этом конкретном месте имеет предпочтительно размер 2,8мм х 1,4мм.
Эти отличительные признаки, такие как форма плавкого предохранителя в зоне 15 и выбор материала для плавкого элемента, зависят от конструкции резистивных лент, необходимости улучшать условия прохождения тока в зоне 14, типа резистивных лент, материала дополнительного элемента и конструкции основного корпуса; все это по этой причине не может рассматриваться как единственное решение для этого типа сборки.