ТЕРМОРЕГУЛЯТОР
TEMPERATURE REGULATOR

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к источникам генерации тепловой энергии с автоматической механической регулировкой тепловой мощности.
Известен терморегулятор (патент РФ №2032835) на основе термобиметаллических пластин, состоящих из двух прочно соединенных металлов или сплавов, обладающих разным температурным коэффициентом линейного расширения, способных изгибаться при нагревании. Недостатками такого терморегулятора являются низкая нагрузочная способность, небольшая амплитуда перемещения свободного конца пластины и обратная зависимость развиваемой силы от амплитуды перемещения свободного конца пластины.
В качестве прототипа выбран терморегулятор для отопительного котла (Евразийский патент №005303 от 30.12.2004 г.), работа которого основана на тепловом расширении корпуса котла относительно его кожуха. Поскольку в качестве активного элемента терморегулятора используется корпус котла, то при его нагреве до рабочих температур он удлиняется на небольшую величину (в зависимости от высоты корпуса на 1-1,5 мм). Для получения необходимой амплитуды перемещения исполнительного элемента (привода заслонки) приходится использовать рычаг с большой разницей длины плечей. Это приводит к снижению силы, развиваемой на приводе, и уменьшает точность регулировки температуры. Кроме того, поскольку управляющее воздействие формируется относительно кожуха котла, то на точность регулировки влияет не одинаковый нагрев кожуха, в зависимости от качества теплоизоляции и условий охлаждения кожуха в процессе работы котла. Следствием этого является ограниченная область применения терморегулятора, практически только в отопительных приборах с большой высотой корпуса (~ 2 м), имеющих небольшое распространение.
Техническим результатом является расширения области применения терморегулятора за счет увеличения амплитуды рабочего хода привода заслонки при обеспечении высокой точности регулировки и необходимого усилия на приводе.
Технический результат достигается тем, что в терморегулятор, содержащий корпус отопительного прибора, заслонку с опорой, введены закрепленные на корпусе упоры, на которых подвижно установлены коромысла, последовательно подвижно соединенные тягами, одна из которых соединена с упором, при этом коромысла с тягами размещены на упорах снаружи кожуха отопительного прибора, а выходное коромысло подпружинено и подвижно соединено с толкателем или тягой заслонки.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где схематически показан терморегулятор в двух плоскостях на примере котла. На фиг. 1-2 обозначено: 1 - корпус котла, 2 - кожух, 3 - теплоноситель, 4 - теплоизоляция, 5 - воздухозаборный патрубок, 6 - заслонка воздухозаборного отверстия, 7 - опора заслонки, 8 - упор, 9 - коромысло, 10 - тяга, 11 - выходное коромысло, 12 - толкатель, 13 - пружина. Корпус 1, кожух 2, теплоноситель 3, теплоизоляция 4, воздухозаборный патрубок 5, заслонка 6 широко известны и используются по прямому назначению, поэтому подробно не рассматриваются. Упоры 8 выполняются из того же материала, что и корпус отопительного котла. Упоры 8 могут быть выполнены в виде штырей с круглым или треугольным сечением. В последнем случае ребра штырей развернуты в противоположную сторону относительно друг друга, чтобы на них опирались коромысла. Площадь сечения упоров должна выбираться такой, чтобы практически исключить их деформацию в процессе работы терморегулятора. Жесткость упоров 8 может быть также увеличена использованием металлических пластин, например в виде косынок. Если корпус котла имеет сравнительно небольшую толщину, то для повышения его жесткости между упорами 8 на корпусе 1 устанавливается ребро жесткости. Для крепления защитной крышки терморегулятора (не показана) на торцах упоров 8 могут быть выполнены углубления (или выступы) с резьбой. Коромысло 9 выполняется из металлической пластины, в которой на одной линии на концах выполняются отверстия для крепления тяг 10 и в центре отверстие для установки на упор 8. Если упор 8 в сечении имеет треугольную форму, то в коромысле 9 может быть выполнен вырез соответствующей формы, чтобы при этом обеспечивалась возможность поворота коромысла на угол 10-20°. Коромысло 9 может быть как равноплечим, то есть иметь одинаковое расстояние от центра до отверстий для тяг, так и иметь разную длину плечей. Количество коромысел зависит от требуемого коэффициента усиления. Тяги 10 предназначены для последовательного соединения одного из упоров 8, коромысел 9 и выходного коромысла 11. Тяги 10 выполняются, например, из стальной проволоки. Для подвижного соединения с коромыслами концы тяг в простейшем случае загибаются на 180°. Для обеспечения возможности компенсации неточностей изготовления элементов терморегулятора и его настройки, тяга 10, соединяемая с упором 8, может быть выполнена регулируемой по длине. На противоположном от крепления тяги плече выходного коромысла 11 подвижно крепится толкатель 12. Длина этого плеча зависит от требуемого хода толкателя для управления заслонкой, с учетом коэффициента усиления получаемого на коромыслах 9. Для возвращения коромысла 11 в исходное положение при остывании корпуса 1 используется пружина 13. Для отопительных приборов, в которых воздухозаборный патрубок расположен в нижней части корпуса или роль заслонки выполняет дверца отопительного прибора, выходное коромысло может быть размещено на нижнем упоре, а толкатель 12 выполнен в виде тяги, приводящей в движение заслонку или дверцу. В зависимости от конструкции отопительного прибора упоры 8 терморегулятора могут быть сориентированы не только в вертикальной плоскости, но и горизонтально или по диагонали корпуса.
Работа предлагаемого терморегулятора основана на многократном сложении теплового удлинения корпуса котла между упорами 8 на рычажном механизме из упоров 8, коромысел 9, тяг 10 и выходного коромысла 11. За счет выноса тяг 10 за пределы теплоизолирующего кожуха 2 они сохраняют температуру, близкую к температуре окружающего воздуха, и их длина не изменяется в процессе нагрева теплоносителя 3 и корпуса 1. При нагреве корпуса 1 расстояние  между упорами 8 увеличивается на величину теплового расширения Δ. Это означает, что расстояние между коромыслами на упорах 8 увеличивается на величину Δ. За счет того, что тяги 10 при этом не изменяют свою длину, коромысла 9 и 11 поворачиваются относительно упоров 8, последовательно увеличивая амплитуду перемещения тяг на каждом коромысле. Поэтому конец коромысла 11 перемещает толкатель 12 (управляющий заслонкой 6) на расстояние, пропорциональное произведению количества коромысел на удлинение Δ корпуса между упорами 8. Например, для случая, когда длина плечей коромысел 9 и 11 равны, коэффициент усиления такого рычажного механизма определяется из выражения K=Δ (2n+1)/2, где n - количество коромысел, последовательно соединенных тягами и размещаемых на упорах 8, включая выходное коромысло 11. Для коромысел с неодинаковыми плечами, в зависимости от их сочетания, коэффициент усиления может быть как больше, так и меньше указанного. В практических конструкциях терморегулятора на различных типах отопительных приборов (независимо от их размеров) амплитуда перемещения толкателя 12 может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, с необходимым для управления заслонкой усилием.
Как видно из описания конструкции и принципа работы предлагаемого терморегулятора в нем имеется возможность получения требуемой амплитуды перемещения исполнительного элемента (толкателя) путем увеличения коэффициента усиления при ограниченных размерах корпуса отопительного прибора и при сохранении высокой точности управления. Это достигается тем, что в описанном терморегуляторе увеличение хода исполнительного элемента обеспечивается не за счет увеличения длины плеча рычага, а за счет увеличения эффективной длины активного элемента. Поэтому точность управления оказывается выше, чем у прототипа.
Благодаря своим свойствам описанный терморегулятор может быть использован в различных типах отопительных приборов (котлы, печи пиролизного типа, котлы и печи с верхним горением и т.д.), что существенно расширяет области его использования. Этому способствует также низкая стоимость терморегулятора, поскольку в нем используются не дорогие материалы и простые в изготовлении элементы.
Уровень разработки находится в стадии разработки чертежей для котла с верхним горением и верхней загрузкой после проверки экспериментального образца терморегулятора на печи с верхним горением.