Термоуправляемый выключатель
THERMAL SWITCH

Изобретение относится к термочувствительным устройствам, в частности к сигнализаторам предельной температуры, и может быть использовано в качестве термодатчика, термореле, термопереключателя, терморегулятора для индикации температуры, для пожарной сигнализации, для термостатирования, для контроля за технологическими процессами.
2
3
7
Известен тепловой извещатель, содержащий основание с выходными электрическими контактами, надетый на него защитный кожух с отверстиями, жесткие металлические проводники, подключенные одними концами к выходным электрическим контактам, а также чувствительный элемент, выполненный в виде трехслойной пластины и подключен в торцевых частях к другим концам жестких металлических проводников, имеющих электрическое соединение по крайней мере со вторым слоем чувствительного элемента, выполненным из материала YBaМеSe, где Ме - металл золото (Аu) или серебро (Аg), многократно увеличивающего электрическое сопротивление при превышении температуры 99±1°С, а первый и третий слои чувствительного элемента выполнены из материала с большим удельным сопротивлением (патент RU 2181505, МПК G08B 17/06, 2002 год).
Однако недостатком известного устройства является узкий рабочий диапазон температур, а также сложная конструкция чувствительного элемента, обусловленная необходимостью использования трех различных материалов.
Известен термовыключатель разового действия, содержащий термочувствительный элемент в виде трубки, открытой хотя бы с одного конца, из легкоплавкого металла или сплава металлов, заполненный веществом-активатором с температурой плавления и удельной электрической проводимостью ниже, чем у материала термочувствительного элемента, два контакта, выполненные из металлической трубки, частично надетые на противоположные концы термочувствительного элемента и соединенные пайкой с его наружной поверхностью, расстояние между которыми составляет не менее 0,6 мм, при этом вещество - активатор нанесено тонким слоем на наружную или внутреннюю, или наружную и внутреннюю поверхности термочуствительного элемента, или на все поверхности термовыключателя (патент RU 2219610; МПК H01H 37/76, H05B 3/46; 2003 год).
Однако недостатком известной конструкции является сложность и трудоемкость изготовления.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является 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, при этом термочувствительный элемент жестко закреплен в выпрямленном состоянии на подвижном контакте над выполненным в нем вогнутым участком, и ему 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 (патент RU 2164046; МПК H01H 37/46; 2001 год)(прототип).
Однако недостатками известной конструкции являются невысокий порог срабатывания при узком рабочем диапазоне температур, сложность изготовления, в результате чего может быть получен недостаточно тесный контакт термочувствительного элемента и криволинейного участка контакта, что, в свою очередь, скажется на надежности срабатывания.
Таким образом, перед авторами стояла задача с целью расширения номенклатуры термоуправляемых выключателей разработать упрощенную конструкцию выключателя, срабатывающего при достаточно высокой температуре и обладающего более широким диапазоном рабочих температур.
4
7
4
7
0
0
4
7
Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции термоупраляемого выключателя, содержащего корпус, в котором расположены два контакта и термочувствительный элемент, выполненный из материала, меняющего структуру при достижении температуры срабатывания выключателя, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFeO и представляет собой спрессованную из порошка при давлении 1000-1200 атм. и спеченую при температуре 1150°С в атмосфере водорода CaBaFeO пластину, установленную между двумя неподвижными контактами, при этом в случае расположения контактов навстречу друг другу пластина установлена между ними и жестко прикреплена к концу каждого из контактов, а в случае параллельного расположения контактов пластина жестко прикреплена к одному из контактов, а расстояние от конца пластины до второго контакта определяют по формуле : X=L(0.04T-14.6)/100, где L - длина пластины из термочувствительного материала CaBaFeO (мм), T - температура срабатывания выключателя (°С).
4
7
В настоящее время из патентной и научно-технической информации не известна конструкция термоупраляемого выключателя, в котором термочувствительный элемент выполнен из сложного феррита кальция и бария состава CaBa FeO и представляет собой спрессованную и спеченую пластину, расположенную между двумя неподвижными контактами.
4
7
4
7
4
8
3
4
7
0
0
P
mc
P
m
Исследования, проведенные авторами, выявили неожиданный эффект резкого температурного расширения феррита состава CaBaFeO в области температур 400-600°С. Как выяснилось в ходе исследования, резкое изменение размера керамических образцов ферритов при нагревании обусловлено фазовым переходом оксида CaBaFeO в CaBaFeO. Данные соединения, включающие различное содержание кислорода, обладают кристаллическими структурами, с различным набором железо-кислородных полиэдров. Так, фаза с содержанием кислорода 7 кристаллизуется в гексагональной симметрии с пространственной группой 6, в то время как более окисленный вариант стабилизируется в рамках тригональной структуры с пространственной группой -31. Переход из одной модификации в другую происходит резко, при достижении температуры 400-600°С в воздушной атмосфере. Феррит с содержанием кислорода 7 при этом активно поглощает большое количество кислорода из окружающей среды, который встраивается в структуру оксида. При этом происходит окисление ионов железа до трехвалентного состояния, изменение их кислородного окружения, и существенная перестройка структуры, сопровождающаяся изменением параметров элементарной ячейки и значительным увеличение размеров поликристаллических образцов. Таким образом, работа выключателя основана на увеличении длины образца (например, пластины), выполненного из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFeO, при достижении температуры окружающей среды 400 - 600°С. Причем эффект сохраняется в интервале температур 400 - 600°С, что позволяет адаптировать размеры функциональной пластины для получения сигнала датчика при строго определенной температуре. Расстояние между концом пластины из термочувствительного материала (X) и вторым контактом при параллельном расположении контактов рассчитывается с учетом удлинения пластины при достижении рабочего диапазона температур (400-600°С) по формуле: X=L(0.04T-14.6)/100, где L - длина пластины из термочувствительного материала (феррита)(мм), T - температура срабатывания выключателя (°С). В случае расположения контактов навстречу друг другу пластина имеет фиксированную длину и при достижении температуры срабатывания датчика ломается за счет сил напряжения, возникающих вследствие ее удлинения.
4
7
4
7
0
0
Предлагаемый термоупраляемый выключатель (фиг.1, 2) содержит корпус (1), выполненный из жаропрочного изолирующего материала, содержащий два отверстия, через которые к нему жестко зафиксированы два токопроводящих контакта (2)(3), расположенные в одной плоскости, между которыми установлен термочувствительный элемент (4), выполненный из сложного феррита кальция и бария состава CaBaFeO и представляющий собой керамическую пластину, спрессованную из порошка состава CaBaFeO при давлении 1000-1200 атм. и спеченую при температуре 1150°С в атмосфере водорода . При этом в случае параллельного расположения контактов (2) и (3) пластина (4) установлена между ними и жестко прикреплена к одному из контактов (см. фиг. 1) посредством высокотемпературного клея, а расстояние от конца пластины (4) до второго контакта (2) определяют по формуле: X=L(0.04T-14.61)/100, где L - длина пластины из термочувствительного материала (феррита)(мм), T - температура срабатывания выключателя (°С). В случае расположения контактов (2)(3) навстречу друг другу пластина (4) жестко прикреплена к концам обоих контактов (2) (см. фиг. 2).
На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого выключателя в случае параллельного расположения контактов.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение предлагаемого выключателя в случае расположения контактов навстречу друг другу.
0
0
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В случае исходного параллельного расположения контактов (2) и (3), зафиксированных на корпусе (1) и установленной пластины (4) между ними (см. фиг. 1), жестко прикрепленной к контакту (3), а расстояние от конца пластины до второго контакта (2) определено по формуле : X=L(0.04T-14.6)/100, где L - длина пластины из термочувствительного материала (феррита)(мм), T - температура срабатывания выключателя (°С) (см. фиг. 1), цепь находится в разомкнутом состоянии. При нагреве выше температуры срабатывания (в диапазоне 400-600°С) происходит резкое увеличение длины пластины вплоть до соприкосновения с контактом (2). Цепь замкнута, сигнал (световой или звуковой) появляется. В случае расположения контактов (2)(3) навстречу друг другу пластина (4) жестко прикреплена к концам каждого из контактов (2)(3) с помощью высокотемпературного клея. При нагреве выше температуры срабатывания (в диапазоне 400-600°С) происходит увеличение длины пластины(4) за счет перестройки кристаллической структуры и отслаивание от контактов (2) и (3). Цепь разомкнута, сигнал (световой или звуковой) отсутствует.
Таким образом, авторами предлагается термоуправляемый выключатель простой конструкции, позволяющий увеличить рабочий диапазон температур, что расширяет номенклатуру применяемых термовыключателей.