RU23525U1

RU23525U1 - THERMOSENSITIVE SWITCH

Info

Publication number: RU23525U1
Application number: RU2001121826/20U
Authority: RU
Inventors: В.Г. Пушин; И.А. Фетисов
Original assignee: Пушин Владимир Григорьевич; Фетисов Игорь Александрович
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2002-06-20

Abstract

1. Термочувствительный переключатель, содержащий корпус, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты и термочувствительный элемент, выполненный из материала с эффектом памяти формы и установленный в изогнутом виде с возможностью воздействия на подвижный контакт, отличающийся тем, что термочувствительному элементу задана память формы в виде прямолинейного отрезка, и оба его конца жестко закреплены внутри корпуса переключателя.2. Термочувствительный переключатель по п.1, отличающийся тем, что термочувствительный элемент закреплен в форме дуги.3. Термочувствительный переключатель по п.1, отличающийся тем, что термочувствительный элемент закреплен в форме кольца.4. Термочувствительный переключатель по п.1, отличающийся тем, что термочувствительный элемент закреплен на подвижном контакте.5. Термочувствительный переключатель по п.1, отличающийся тем, что термочувствительный элемент расположен между корпусом и подвижным контактом, при этом оба его конца крепятся к корпусу, или к подвижному контакту, или один его конец крепится к корпусу, а другой - к подвижному контакту.1. A thermosensitive switch comprising a housing in which movable and fixed contacts and a thermosensitive element are arranged, made of material with a shape memory effect and installed in a curved form with the possibility of acting on a movable contact, characterized in that the thermally sensitive element is assigned a shape memory in the form of a rectilinear segment, and both its ends are rigidly fixed inside the switch housing. 2. The heat-sensitive switch according to claim 1, characterized in that the heat-sensitive element is fixed in the form of an arc. The heat-sensitive switch according to claim 1, characterized in that the heat-sensitive element is fixed in the form of a ring. The heat-sensitive switch according to claim 1, characterized in that the heat-sensitive element is mounted on a movable contact. The thermosensitive switch according to claim 1, characterized in that the thermosensitive element is located between the housing and the movable contact, while both ends are attached to the housing, or to the movable contact, or one end thereof is attached to the housing, and the other to the movable contact.

Description

ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬTHERMOSENSITIVE SWITCH

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к термочувствительным устройствам и может быть использовано для автоматического управления, регулирования и контроля различных тепловых и технологических процессов в коммутационной аппаратуре, в частности в качестве термореле для пожарной сигнализации, защитных термопереключателей при отклонении температуры контролируемой среды от заданных значений предельных температур, индикаторов температуры (или перегрева), устройств термостатирования и т.п.The invention relates to electrical engineering, namely to heat-sensitive devices and can be used for automatic control, regulation and control of various thermal and technological processes in switching equipment, in particular as a thermal relay for fire alarms, protective thermal switches when the temperature of the controlled medium deviates from the set values temperature limits, temperature indicators (or overheating), temperature control devices, etc.

Известны различные термоэлектрические переключатели, которые содержат неподвижный и подвижный контакты и термочувствительный элемент, выполненный из биметалла или материала с тсрмомеханическими эффектами памяти формы (ЭПФ) и установленный с возможностью воздействия на подвижный контакт 1. При пониженной температуре контролируемой среды термочувствительный элемент деформирован под действием силы упругости подвижного контакта, а при нагреве до заданной температуры срабатывания термочувствительный элемент за счет внутренних физических причин (различие коэффициентов термического расширения в биметаллическом устройстве или фазовое превращение, как в сплаве с ЭПФ) стремится восстановить заданную ему заранее форму и перемещает подвижный контракт, преодолевая его упругость.Various thermoelectric switches are known that contain fixed and movable contacts and a thermosensitive element made of bimetal or material with mechanical mechanical effects of shape memory (EPF) and installed with the possibility of acting on the movable contact 1. At a low temperature of the controlled medium, the thermosensitive element is deformed under the action of elastic force mobile contact, and when heated to a predetermined response temperature, the thermosensitive element due to internal physical reasons (the difference in the coefficients of thermal expansion in a bimetallic device or phase transformation, as in an alloy with EPF) tends to restore the shape given to it in advance and moves the mobile contract, overcoming its elasticity.

Недостатком этого переключателя являются сравнительно большие размеры, сложность конструкции, необходимость дополнительной калибровки его на заданную температуру, опасность перегревов, ведущих к утрате заданных температурных параметров срабатывания при многократщшшш©The disadvantage of this switch is its relatively large size, the complexity of the design, the need for additional calibration of it at a given temperature, the risk of overheating, leading to the loss of the set temperature parameters for operation during repeated

j . -Q fl .Mi|HIi III j. -Q fl .Mi | HIi III

МКИ7НО1 H37/46, 61/06MKI7NO1 H37 / 46, 61/06

НОМ действии переключателя, большая инерционность, что увеличивает температурный диапазон и время срабатывания, невысокая механическая надежность, особенно в условиях повышенной вибрации.NOM action of the switch, a large inertia, which increases the temperature range and response time, low mechanical reliability, especially in conditions of increased vibration.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является термочувствительный переключатель 2, содержащий корпус, в котором расположен подвижный и неподвижный контакты и термочувствительный элемент, выполненный из материала с эффектом памяти формы в виде криволинейной фигуры, изготовленный из фольговой ленты в виде замкнутой криволинейной фигуры с жестким соединением ее концов, и размещенный между подвижным контактом и корпусом с возможностью воздействия на подвижный контакт. Однако это устройство обладает рядом недостатков. Размещение термочувствительного элемента между подвижным контактом и корпусом с возможностью воздействия на подвижный контакт обуславливает в момент его взаимодействия нефиксируемое направление рабочего хода и не обеспечивает тем самым его перпендикулярность к участку подвижного контакта в месте их касания, что, в свою очередь, неконтролируемо увеличивает величину рабочего хода.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed one is a heat-sensitive switch 2, comprising a housing in which movable and fixed contacts and a heat-sensitive element are made of material with a shape memory effect in the form of a curved figure, made of foil tape in the form of a closed curved figure with a rigid connection of its ends, and placed between the movable contact and the housing with the possibility of impact on the movable contact. However, this device has several disadvantages. The placement of the heat-sensitive element between the movable contact and the housing with the possibility of influencing the movable contact determines the unstable direction of the stroke at the moment of its interaction and does not thereby ensure its perpendicularity to the portion of the movable contact at the point of contact, which, in turn, uncontrollably increases the stroke .

Незначительные отличия формы термочувствительного элемента в «исходном и «рабочем состояниях при этом также варьируют величину рабочего хода и развиваемого усилия и, как следствие, снижают точность работы (увеличивают разброс температуры срабатывания в партии изделий) и технологичность его производства (так как приходится предъявлять повышенные требования к изготовлению отдельных деталей реле). Такое размещение термочувствительного элемента относительно других частей этого устройства резко снижает надежность конструкции (уменьшает механическую стойкость и создает неопределенность местоположения элемента) при срабатывании и вибрационных воздействиях, увеличивает степень разброса усилия и температуры срабатывания. Кроме того, известно.Slight differences in the shape of the heat-sensitive element in the "initial and" operating conditions also vary the stroke and the developed effort and, as a result, reduce the accuracy (increase the variation in the response temperature in the batch of products) and the manufacturability of its production (as you have to make increased demands to the manufacture of individual relay parts). This placement of the heat-sensitive element relative to other parts of this device dramatically reduces the reliability of the structure (reduces mechanical resistance and creates uncertainty about the location of the element) during operation and vibration, increases the degree of variation in force and temperature of operation. Also known.

что данный тонкофольговый термочувствительный элемент с ЭПФ развивает усилия существенно меньшие, чем реализует даже аналогичный материал с ЭПФ при восстановлении формы в процессе нагрева в жестких схемах деформации (до 1000 МПа), Наконец, серьезным недостатком в ряде случаев использования (пожарные извещатели, контактные датчики температуры) является наличие электрического соединения одного из выводов с корпусом термовыключателя через термочувствительный элемент с ЭПФ.that this thin-foil thermosensitive element with EPF develops much less effort than even a similar material with EPF realizes when the mold is restored during heating in rigid deformation schemes (up to 1000 MPa). Finally, a serious drawback in some cases of use (fire detectors, contact temperature sensors ) is the presence of an electrical connection of one of the terminals to the case of the thermal switch through a temperature-sensitive element with an electronic phase converter.

Рассмотренные недостатки данного термочувствительного выключателя обусловлены конструктивными особенностями реализации самого термочувствительного элемента и его расположения в устройстве.The considered disadvantages of this thermosensitive switch are due to structural features of the implementation of the thermally sensitive element and its location in the device.

В основу изобретения положена задача создания термочувствительного переключателя, обеспечивающего повышение надежности его работы, точности, чувствительности, при упрощении и миниатюризации конструкции и технологичности и экономичности его производства.The basis of the invention is the task of creating a thermosensitive switch, providing increased reliability, accuracy, sensitivity, while simplifying and miniaturizing the design and manufacturability and cost-effectiveness of its production.

Поставленная задача решается тем, что в термочувствительном переключателе, содержашем корпус, в котором расположены подвижный и неподвижный контакт и термочувствительный элемент, выполненный из материала с эффектом памяти формы (например, из полосы проката, проволоки, ленты, фольги), установленный в изогнутом виде с возможностью воздействия на подвижный контакт, согласно изобретению термочувствительному элементу задана исходная форма в виде прямолинейного отрезка, и оба его конца жестко закреплены внутри корпуса переключателя. При этом термочувствительный элемент в переключателе может быть закреплен в форме дуги или кольца обоими своими концами либо на подвижном контакте, либо на корпусе. Кроме того, один конец термочувствительного элемента может быть закреплен на подвижном контакте, а другой - на корпусе.The problem is solved in that in a heat-sensitive switch containing a housing in which are movable and fixed contact and a heat-sensitive element made of material with a shape memory effect (for example, from a strip of rolled metal, wire, tape, foil), installed in a bent form with the possibility of influencing the movable contact, according to the invention, the heat-sensitive element is given the initial shape in the form of a straight segment, and both ends are rigidly fixed inside the switch housing. In this case, the heat-sensitive element in the switch can be fixed in the form of an arc or ring with both ends either on a movable contact or on the housing. In addition, one end of the temperature-sensitive element can be mounted on a movable contact, and the other on the housing.

в фиксированной силовой паре «подвижный контакт - термочувствительный элемент при детерминированном упругом взаимодействии первый работает на изгиб, а второй - на изгиб и одновременно сжатие-растяжение. Данные обстоятельства позволяют реализовать необходимые и строго воспроизводимые максимальную генерацию механических напряжений и их геометрическую направленность, тем самым значительно повысить величину механического усилия при срабатывании термочувствительного элемента, а при сохранении заданного усилия уменьшить геометрические размеры силовых элементов и, прежде всего более дорогостоящего термочувствительного элемента с ЭПФ. Они обеспечивают стабильность деформационных, силовых, температурных характеристик переключателя. В результате достигаются необходимые жесткость и фиксация положения контактов, быстродействие и точность (минимальный разброс) срабатывания переключателя по температуре, высокая циклическая стойкость. Также упрощается и миниатюризируется конструкция переключателя за счет минимизации размеров контактов и силовых элементов и уменьшения количества деталей в конструктивной схеме.in a fixed power pair “moving contact is a thermosensitive element with deterministic elastic interaction, the first works on bending, and the second on bending and at the same time compression-tension. These circumstances make it possible to realize the necessary and strictly reproducible maximum generation of mechanical stresses and their geometric orientation, thereby significantly increasing the amount of mechanical force when a thermosensitive element is triggered, and while maintaining a given force, reduce the geometric dimensions of the power elements and, above all, the more expensive thermosensitive element with electronic phase conjugation. They provide stability of deformation, power, temperature characteristics of the switch. As a result, the necessary stiffness and fixation of the position of the contacts, speed and accuracy (minimum variation) of the operation of the switch in temperature, high cyclic resistance are achieved. The design of the switch is also simplified and miniaturized by minimizing the size of contacts and power elements and reducing the number of parts in the design.

Следует подчеркнуть, что надежность работы переключателя обеспечивается за сч,ет точного и строгого выполнения (и воспроизведения при термоциклах) условий возврата силовых характеристик и формы термочувствительного элемента по отношению к подвижному контакту при охлаждении и нагреве за счет жесткого крепления его концов. При нагреве протекание в нем обратного фазового превращения мартенситного типа осуществляет обратимое восстановление структуры высокотемпературной фазы и, как следствие, ее физико-механических свойств и исходной формы, в данном случае плоской или прямолинейной. Силовые характеристики и в том числе усилие формовосстановления в соответствии с конструктивным исполнением должны превышать силу упругости подвижного контакта, чем обеспечивается его перемещение относительно неподвижного.It should be emphasized that the reliability of the switch is ensured by accurate and strict fulfillment (and reproduction during thermal cycles) of the conditions for returning the power characteristics and the shape of the thermally sensitive element with respect to the movable contact during cooling and heating due to the rigid fastening of its ends. During heating, the occurrence of the martensitic type reverse phase transition in it carries out a reversible restoration of the structure of the high-temperature phase and, as a consequence, its physicomechanical properties and the initial shape, in this case flat or rectilinear. Power characteristics, including the form-restoration force in accordance with the design, must exceed the elastic force of the movable contact, which ensures its movement relative to the stationary one.

При охлаждении материал термочувствительного элемента испытывает прямое фазовое мартенситное превращение, его атомная и микрокристаллическая структура изменяются, как и физико-механические свойства, причем силовые характеристики в несколько раз снижаются, а способность к деформированию и формоизменению возрастает. Если в таком случае пружинящий упругий подвижный контакт, сохраняя свои упругие свойства, сможет преодолеть силу сопротивления термочувствительного элемента, изменив его форму, он восстановит исходное положение по отнощению к неподвижному контакту. Обеспечение строго обратимого по силовым, деформационным, температурным, геометрическим параметрам процесса функционирования силовой пары «подвижный контакт - термочувствительный элемент обеспечивает рещение задачи, поставленной в заявляемом техническом устройстве.During cooling, the material of the thermosensitive element undergoes a direct phase martensitic transformation, its atomic and microcrystalline structure change, as well as the physicomechanical properties, and the force characteristics decrease several times, and the ability to deform and form increases. If, in this case, the springy elastic movable contact, while maintaining its elastic properties, can overcome the resistance force of the thermosensitive element by changing its shape, it will restore its original position with respect to the fixed contact. Providing strictly reversible in terms of force, deformation, temperature, geometric parameters of the process of functioning of the power pair "movable contact - thermosensitive element provides a solution to the problem posed in the claimed technical device.

Таким образом, основное преимущество предложенного технического решения в целом состоит в повышении надежности, универсальности и расширении функциональных возможностей переключателя, в сравнении с прототипом и другими известными решениями, при том, что повышается простота и миниатюрность его конструкции, повышается технологичность и экономичность производства. Так, линейные размеры высокопрочного нанокристаллического термочувствительного силового элемента могут составить при толщине 40-50 мкм 1-2 мм в ширину и 1-2 мм по диаметру дуги или кольца, сравнимы линейные размеры и подвижного контакта. Поэтому могут быть получены минимальные геометрические размеры всего термочувствительного переключателя.Thus, the main advantage of the proposed technical solution as a whole is to increase the reliability, versatility and expand the functionality of the switch, in comparison with the prototype and other known solutions, while increasing the simplicity and miniature of its design, increasing manufacturability and economy of production. Thus, the linear dimensions of a high-strength nanocrystalline heat-sensitive power element can be 1-2 mm wide and 1-2 mm in diameter with an arc or ring with a thickness of 40-50 microns, linear dimensions and movable contact are comparable. Therefore, the minimum geometric dimensions of the entire temperature-sensitive switch can be obtained.

На фиг. 1-6 приведены конструктивные схемы вариантов конкретного исполнения термочувствительного переключателя, который может содержать термочувствительный силовой элемент в сборке в виде дуги (фиг. 1-3) или кольца (фиг. 4-6) как с размыкающими, так и с замыкающими в момент срабатывания при нагреве контактами. Возможно техническое исполнение с переключающей контактной группой, с герметичным корпусом. Взаимная ориентация осей вращения (изгиба) термочувствительного силового элемента (дуги, кольца) и изогнутой части подвижного контакта может быть параллельной (соосное расположение, фиг. 1-6) или под углом (например 90°).In FIG. Figures 1-6 show structural diagrams of options for a specific implementation of a thermosensitive switch, which may contain a thermosensitive power element in an assembly in the form of an arc (Fig. 1-3) or a ring (Fig. 4-6) with both opening and closing at the moment of operation when heated by contacts. Technical execution is possible with a switching contact group, with a sealed housing. The mutual orientation of the axis of rotation (bending) of the heat-sensitive power element (arc, ring) and the curved part of the movable contact can be parallel (coaxial location, Fig. 1-6) or at an angle (for example 90 °).

Устройство содержит корпус 1, неподвижный и подвижный контакты 2 и 3, термочувствительный элемент 4, диэлектрические изоляторы 5 одного или обоих контактов 2 и 3. Место 6 жесткого крепления концов элемента 4 расположено либо на контакте 3, либо на корпусе 1, либо на контакте 3 и корпусе 1.The device comprises a housing 1, fixed and movable contacts 2 and 3, a heat-sensitive element 4, dielectric insulators 5 of one or both of the contacts 2 and 3. The place 6 of the rigid fastening of the ends of the element 4 is located either on contact 3, or on the housing 1, or on contact 3 and housing 1.

Устройство работает следующим образом. В дежурном исходном положении контакты 2 и 3 замкнуты (или разомкнуты в другом исполнении). Нагрев выще температуры начала обратного мартенситного перехода инициирует процесс восстановления высокотемпературной фазы, ее свойств и формы термочувствительного элемента 4; при определенной температуре, на которую рассчитан переключатель, усилие его формовосстановления превысит силу упругости подвижного контакта 3, контакты 2, 3 разомкнутся (или замкнутся в другом исполнении) и переключатель сработает. При последующем охлаждении под деформирующей нагрузкой пружинного упругого контакта 3 термочувствительный элемент 4 начинает испытывать прямое мартенситное превращение, теряет свою упругость за счет эффекта сверхэластичности и меняет форму за счет обратимого ЭПФ, в итоге он отжимается подвижным контактом 3 до замыкания последнего с неподвижным контактом 2 (или размыкания в другом случае). Термоциклирование повторяет циклы срабатывания переключателя. Задание температуры срабатывания переключателя обеспечивается путем выбора химического состава материала с ЭПФ, технологии его обработки и, соответственно, микроструктуры, и может варьировать в широком интервале температур (от 4-5 до 1000 К).The device operates as follows. In the standby initial position, contacts 2 and 3 are closed (or open in another design). Heating above the temperature of the beginning of the reverse martensitic transition initiates the process of restoration of the high-temperature phase, its properties and the shape of the thermosensitive element 4; at a certain temperature for which the switch is designed, the force of its form restoration will exceed the elastic force of the movable contact 3, contacts 2, 3 will open (or close in another design) and the switch will work. Upon subsequent cooling under the deforming load of the springy elastic contact 3, the heat-sensitive element 4 begins to experience a direct martensitic transformation, loses its elasticity due to the superelasticity effect and changes shape due to the reversible EPF, as a result, it is pressed by moving contact 3 until the latter closes with fixed contact 2 (or opening in another case). Thermal cycling repeats the switch cycles. The switch response temperature is set by choosing the chemical composition of the material with the electron-phase transition, its processing technology and, accordingly, the microstructure, and can vary over a wide temperature range (from 4-5 to 1000 K).

1.Патент RU 2011238, С1,кл.Н01Н37/54. 15.04.1994.1. Patent RU 2011238, C1, class H01N37 / 54. 04/15/1994.

2.Патент RU 2040819, Cl, кл. H01H37/46. 25.07.1995 (прототип).2. Patent RU 2040819, Cl, cl. H01H37 / 46. 07/25/1995 (prototype).

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

Claims

1. A thermosensitive switch comprising a housing in which movable and fixed contacts and a thermosensitive element are arranged, made of material with a shape memory effect and installed in a curved form with the possibility of acting on a movable contact, characterized in that the thermally sensitive element is assigned a shape memory in the form of a rectilinear segment, and both ends are rigidly fixed inside the switch housing.

2. The thermosensitive switch according to claim 1, characterized in that the thermally sensitive element is fixed in the form of an arc.

3. The thermosensitive switch according to claim 1, characterized in that the thermally sensitive element is fixed in the form of a ring.

4. The thermosensitive switch according to claim 1, characterized in that the thermosensitive element is mounted on a movable contact.

5. The thermosensitive switch according to claim 1, characterized in that the thermosensitive element is located between the housing and the movable contact, while both ends are attached to the housing, or to the movable contact, or one end thereof is attached to the housing, and the other to the movable contact .