CN103107027A - 动力推动装置及包括该动力推动装置的微型断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，该动力推动装置包括：底座、加热元件、膨胀介质、密封挡圈、密封圈、腔体、动力部件和取电针；用于在通电后对膨胀介质进行加热，利用膨胀介质相变产生的体积变化提供可控的动力，推动动力部件发生可控的位移；以及在断电后，膨胀介质冷却并恢复到相变前的状态，动力部件恢复到初始位置。本发明提供的动力推动装置及MCB，通过膨胀介质的可预测相变能够提供一个可控的动力，从而为开关等低压电气设备提供可控的自动开合闸控制。

Description

动力推动装置及包括该动力推动装置的微型断路器

技术领域

本发明涉及低压电气设备技术领域，尤其涉及一种动力推动装置及包括该动力推动装置的微型断路器。

背景技术

目前，自动化程度越来越高，在低压电气设备技术领域，如开关(微型断路器MCB)，迫切需要能够自动进行开合闸的开关；因此，如何提供可控制的动力实现自动地开合闸成为本领域亟待解决的一项技术问题。

综上所述，提供适用于家庭和/或商用的、实现成本经济、占用空间小、并且安全可靠的动力可控制的动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器成为本领域亟待解决的一项重要的技术问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，通过该动力推动装置提供可控制的动力，并且该动力装置具有结构紧凑，成本经济，占用空间小、安全可靠等特点。

本发明的一个方面提供了一种动力推动装置，该动力推动装置用于在通电后对膨胀介质进行加热，利用膨胀介质相变产生的体积变化提供可控的动力，推动动力部件发生可控的位移；以及在断电后，膨胀介质冷却并恢复到相变前的状态，动力部件恢复到初始位置。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，该动力推动装置包括：底座、加热元件、膨胀介质、密封挡圈、密封圈、腔体、动力部件和取电针。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，密封挡圈容纳动力部件的一端，并与该动力部件的一端共同密封膨胀介质。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，腔体用于容纳底座、加热元件、膨胀介质、密封挡圈、密封圈以及动力部件的一端。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，动力推动装置包括：推杆组件、执行器组件、取电针。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，推杆组件包括推杆和动力部件；其中所述动力部件嵌入所述推杆的安装孔中，当所述动力部件向上运动，可以平稳的推动所述推杆直线运动。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，执行器组件包括外壳、密封圈、密封衬套、油脂类液体、膨胀薄膜、加热元件、膨胀介质、底座。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，执行器组件采用双腔密封结构，其中第一级密封腔由执行器外壳、底座、膨胀薄膜构成；以及第二级密封腔主要由膨胀薄膜、密封衬套、密封圈、活塞杆和外壳上端组成。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，执行器的下边缘经过旋压后，产生塑性变形，能够很好的贴紧在底座的倒锥面上，从而将膨胀介质密封在外壳的下部，形成第一级密封腔的下端密封。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，膨胀薄膜受到第一级密封腔内膨胀介质推动向上翻时，会挤压第二密封腔内油脂类液体，从而使得油脂类液体推动活塞杆向上运动。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，底座采用锥台形状的密封底座。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，加热元件为正温度系数的加热元、丝状或片状加热电阻。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，加热元件采用内置式的加热方式。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，加热元件采用加热面积最大化的双平板型、环形、内接多边形、内接六角形的构造。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，膨胀介质为石蜡或石蜡混合物。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，石蜡或石蜡混合物添加了绝缘并且具有良好导热性的颗粒。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，颗粒选自钻石、人造金刚石、三氧化二铝、氧化锆、氧化锌中的至少任意一种。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，动力部件为柱状杆。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，取电针包括N线端和L线端，分别穿过底座与加热元件电连接。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，动力推动装置还包括：弹性薄膜，包覆在底座、腔体、动力部件的外侧，用于提供复原的反力使动力部件恢复到初始位置。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，动力推动装置还包括：反力簧，安装在动力部件的顶端和/或两侧，用于提供复原的反力使动力部件恢复到初始位置。

本发明的另一个方面提供了一种微型断路器，该微型断路器包括前述任意一个实施例中的动力推动装置。

本发明供的动力推动装置及包括该动力推动装置的微型断路器，通过膨胀介质的可预测相变能够提供一个可控的动力，从而为开关等低压电气设备提供可控的自动开合闸控制。

附图说明

图1示出本发明实施例提供的一种动力推动装置的结构示意图(其中，图1a示出该动力装置的总体装配图；图1b示出该动力装置的剖视图；图1c示出该动力装置的分解图)；

图2示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图(其中，图2a为单个加热元件内置式的动力推动装置；图2b为多个加热元件内置式的动力推动装置；图2c为底部加热外置式的动力推动装置；图2d为侧壁加热外置式的动力推动装置)；

图3示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图；

图4示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图；(其中，图4a为顶部加装反力簧的动力推动装置；图4b为两侧加装复位拉簧的动力推动装置)；

图5示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图；其中，图5a为动力推动装置的主视图；图5b为动力推动装置的剖视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

图1示出本发明实施例提供的一种动力推动装置的结构示意图。其中，图1a示出该动力装置的总体装配图；图1b示出该动力装置的剖视图；如图1a所示，该动力推动装置用于在通电后对膨胀介质进行加热，利用膨胀介质相变产生的体积变化提供可控的动力，推动动力部件发生可控的位移；以及在断电后，膨胀介质冷却并恢复到相变前的状态，动力部件恢复到初始位置。

具体来说，图1c示出该动力装置的分解图。如图1c所示，该动力推动装置包括：底座10、加热元件12、膨胀介质13、密封挡圈14、密封圈15、腔体16、动力部件17和取电针18/19。

其中，底座可以采用下部为逐渐收窄形状的锥台，从而提供良好的密封底座。加热元件为正温度系数的加热元，如本领域技术人员所熟知的PTC。

膨胀介质可以选用石蜡，由于石蜡在由固体转变为液体的相变过程中，体积会膨胀增大15％，将会产生一个强大的动力，推动动力部件快速向外顶出，移动一个可以计算的直线行程。在具体应用中，石蜡是在真空状态下以液体形态填充在腔体中、加热元件(如PTC)的四周，当PTC通电后，瞬间会释放一个非常大的热容量，从而将其四周的石蜡迅速融化变为液体，进而推动动力部件发生预定的直线位移。

需要说明的是：根据本发明的教导，本领域技术人员可以清楚的知晓，为了改善膨胀介质的某些特性，例如使其适用于更加宽广的温度范围或应用环境，可以对该膨胀介质进行添加某些杂质而进行性能改进，从而形成以石蜡为基质的混合物。

密封挡圈容纳动力部件的一端，并与该动力部件的一端共同密封膨胀介质。为了进一步提供良好的密封性能，在所述密封挡图的上部还设置有密封圈。当动力部件运动到预定位置，断开电源，PTC停止产生热量；由于PTC及腔体具有的良好散热性能，石蜡会很快冷却；鉴于密封挡圈和密封圈密封为所述腔体提供的真空性能，在石蜡冷却并恢复到原相状态(固态)过程中，动力部件会逐渐被吸回至初始位置。

本发明中，动力部件可以是具有与所述密封挡圈、所述密封圈中间孔隙匹配的柱状杆，如活塞杆，优选为圆柱状杆。本领域技术人员根据本发明的教导可以清楚的知晓，可以根据密封挡圈中预留的孔隙的形状来选取与之匹配的动力部件。

腔体用于容纳底座、加热元件、膨胀介质、密封挡圈、密封圈以及动力部件的一端，所述腔体的外形可以是中空的圆柱形、棱柱形或者锥台形，又或者是任意一种适于机械加工的腔体形状。确定所述腔体的形状及尺寸后，密封挡圈和密封圈具有与该腔体匹配的形状和尺寸。取电针包括N线端和L线端，分别穿过底座与加热元件电连接。图1所示的动力推动装置中，加热元件(PTC)固定安装于密封底座上，并且该PTC两个侧电极分别通过镶嵌在底座上的取电针引出。

本发明的一个优选实施例中，在PTC四周布满的石蜡其最大臂厚不超过2mm；而且所有部件同在真空环境下封装于腔体内。在真空封装前，腔体的颈部内侧封装有合适尺寸的密封圈及压紧密封圈的密封挡圈，同时穿入活塞杆，活塞杆下端面与密封挡圈的底侧端面处于同一水平位置。腔体由导热良好的金属材料或合金材料制成，其下端通过旋转挤压变形密封在底座的锥形表面上。

图2示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图；其中，图2a为单个加热元件内置式的动力推动装置；图2b为多个加热元件内置式的动力推动装置；图2c为底部加热外置式的动力推动装置；图2d为侧壁加热外置式的动力推动装置。

如图2所示，动力推动装置包括底座10、加热元件12、膨胀介质13、密封挡圈14、密封圈15、腔体16、动力部件17和取电针18/19。其中，底座、膨胀介质、密封挡圈、密封圈、腔体、动力部件和取电针可以分别是与图1c所示的部件相同或相似。为简洁起见，这里不再赘述。

如图2所示，加热元件，如PTC，可以不是内置在膨胀介质中的一个整体部件，而是两个或多个部件的组合，又或者是外置式的构造。

具体来说，图2a示出的动力推动装置中，一个PTC加热元件内置于腔体中，该PTC加热元件外包覆着膨胀介质(如石蜡)；图2b示出的动力推动装置中，多个加热元件12构成组合型的加热部件沿着腔体的轴向排列；根据本发明的教导，本领域技术人员可以清楚的知晓：还可以在轴向排列两个的加热元件构成的加热部件沿着腔体的轴向排列，或者在径向排列的多组加热元件以获得更加高效、更加均匀的加热效果。

图2c示出的动力推动装置中，加热元件分布于导热型的底座下部，PTC 12通过导热底座的传到作用对膨胀介质进行加热。图2d示出的动力推动装置中，加热元件12被包覆于腔体20的外壁上，通过该导热性的外壁对内部的膨胀介质进行加热。这两种实施方式中的加热元件可以是一整体构造，也可以是多个子部件的组合构造。根据本发明的教导，本领域技术人员可以清楚的知晓，将加热元件设置于底部或者外壁有利于增加腔体容纳膨胀介质的空间，从而在提供相同行程的动力推动时，降低动力推动装置的高度，节约空间。

需要说明的，本领域技术人员根据本发明的教导可以清楚的知晓：还可以同时在轴向和径向方向上设置加热元件，其各种排布的组合方式均可以实现对石蜡等膨胀介质高效加热效果。

理想状态下，断电后，真空条件下封装的膨胀介质能够在冷却固化的过程中促使动力部件恢复到初始位置，但是为了确保复原的效果，并进一步提高恢复的效率，也可以采用外界附加力来促使动力部件复原。

图3示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图。

如图3所示，动力推动装置包括底座10、加热元件12、膨胀介质13、密封挡圈14、密封圈15、腔体16、动力部件17、取电针18/19和弹性薄膜21。其中，底座、加热元件、膨胀介质、密封挡圈、密封圈、腔体、动力部件和取电针可以分别是与图1c、2a、2b所示的部件相同或相似。为简洁起见，这里不再赘述。

如图3所示，动力推动装置还包括：弹性薄膜，包覆在底座、腔体、动力部件的外侧，用于提供复原的反力使动力部件恢复到初始位置。

图4示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图；其中，图4a为顶部加装反力簧的动力推动装置；图4b为两侧加装复位拉簧的动力推动装置。

如图4所示，动力推动装置包括底座10、加热元件12、膨胀介质13、密封挡圈14、密封圈15、腔体20、动力部件17、取电针18/19和反力簧22。其中，底座、加热元件、膨胀介质、密封挡圈、密封圈、腔体、动力部件和取电针可以分别是与图1c、2a、2b所示的部件相同或相似。为简洁起见，这里不再赘述。

如图4所示，动力推动装置还包括：弹簧，用于提供复原的反力使动力部件恢复到初始位置。

具体来说，如图4a所示，在所述动力推动装置的顶部安装反力簧，用于在动力部件被推动时，直接提供压缩的反向力。

如图4b所示，在所述动力推动装置的两侧分别安装复位拉簧23，从而对动力部件提供恢复原位的反向力。

图5示出本发明提供的动力推动装置的另一个实施例的结构示意图；其中，图5a为动力推动装置的主视图；图5b为动力推动装置的剖视图。

如图5a所示，动力推动装置主要由推杆组件33、执行器组件34、反力拉簧(31/32)、取电针18/19四部分组成。

具体来说，如图5b所示，该推杆组件33由推杆29和动力部件30(如活塞杆)组成；其中活塞杆30嵌入推杆29的安装孔中，推杆上沿为凸轮轨迹，当活塞杆30向上运动，可以平稳的推动推杆29运动，推杆利用凸轮轨迹推动开关手柄转动。

执行器组件34主要由执行器外壳21、密封圈22、密封衬套23、油脂类液体24、膨胀薄膜25、加热元件26，27、膨胀介质28、底座10组成。该执行器组件采用双腔密封结构，其中第一级密封腔由执行器外壳21、底座10、膨胀薄膜25构成。该执行器外壳21，可以选用具有一定韧性和强度的金属材料；其下边缘经过旋压(即旋转挤压成型)后，产生塑性变形，能够很好的贴紧在底座10的倒锥面上，从而将膨胀介质28密封在外壳21的下部，形成第一级密封腔的下端密封。该第一级密封腔的上端(膨胀介质28的上部分)被膨胀薄膜25密封在外壳21内，当膨胀介质28由固体变为液体膨胀时，推动膨胀薄膜25向上翻转、膨胀。

第二级密封腔主要由膨胀薄膜25、密封衬套23、密封圈22和活塞杆30和外壳21上端组成，当膨胀薄膜25受到第一级密封腔内膨胀介质28推动向上翻时，会挤压第二密封腔内油脂类液体24，从而使得油脂类液体24推动活塞杆30向上运动。

采用该双腔密封结构的优点包括但不限于：首先，可以更好的将膨胀介质28有效的密封在第一密封腔体内，从而不会造成膨胀介质被油脂、密封圈等有机物溶解而导致泄漏和膨胀体积衰减；其次，通过第一级密封腔的膨胀薄膜25使得活塞杆30和加热元件26、27之间有效绝缘；第三，膨胀薄膜25在向上翻时还会产生一定的恢复力(反力)，从而能够辅助推动膨胀介质恢复倒初始状态；第四，第一级密封腔内的膨胀介质可以采用成型固体方式装入，制造工艺简单便捷；第五，第二级密封腔采用的液压径向轴密封的动密封方式，完全独立于第一级密封腔，进一步有效保证了密封效果。

本发明的一个实施例中，该动力推动装置的第二级密封腔采用的是倒锥V型密封圈；当活塞杆30向外运动时，油脂类液体24可以被有效的密封在第二级密封腔内；当活塞杆30复位时，由于采用倒锥V型密封圈，其反力比其它密封方式的会更小。本发明的其它实施例中，当然也可以采用O型、X型密封圈进行密封。

为了在有限的空间内有效地提高活塞杆30的运动速度，本发明的执行器组件34采用了三点创新性设计：第一，采用内置式的加热方式(如图5b所示的加热元件26、27)，从而能够有效地将加热元件的热量高效的提供给膨胀介质28；因此采用内置式的加热方式，在同样的加热效率下，能够大大缩小该动力推动装置的体积，有利于装置的小型化设计；第二，该加热元件26、27采用双平板型结构的PTC，其有效地增加了加热面积，从而在有限的空间内加快了膨胀介质由固液相变的转变速度；第三、本发明采用的膨胀介质28(相变物质)可以是在石蜡中混入绝缘且具有高导热系数的颗粒(例如，钻石/人造金刚石颗粒，纳米三氧化二铝、氧化锆、氧化锌等类似颗粒)，从而大大提高热传导效率，使得膨胀介质快速相变，进而提高本动力推动装置的运动速度；第四，基于该高导热性的颗粒，在加热元件停止加热时，膨胀介质散热加快；因此，该相变物质由液体向固体的相变也得到加快，有利于执行器快速复位。

本发明提供的动力推动装置的一个实施例中，加热元件也可以采用丝状、片状加热电阻；形状上可以尽量使得加热面积最大化的设计，如环形，内接多边形、内六角形等蜂窝状结构。

根据本发明的一个实施例，该执行器组件34采用的加热元件26、27直接通过注塑镶嵌的方式固定在底座上，从而保证了加热元件固定的牢靠性；两个L极18和N极19与加热元件26、27电连接(如镶嵌在加热元件26、27的两侧)，并穿过底座引出到该动力推动装置的外侧，从而保证了良好的导电接触。

本发明提供的动力推动装置，在加热元件26、27停止加热后，相变物质28会随着时间的推移，迅速向外散热并发生由液态向固态的相变，推杆组件33在真空吸力和反力弹簧31、32的作用下快速恢复到初始位置。

本发明的另一个方面提供了一种微型断路器，该微型断路器包括前述任意一个实施例中的动力推动装置，通过该动力推动装置提供的可控的动力来推动开关执行自动开合闸操作。

参考前述本发明示例性的描述，本领域技术人员可以清楚的知晓本发明具有以下优点：

1、本发明提供的动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，通过膨胀介质的可预测相变能够提供一个可控的动力，从而为开关等低压电气设备提供可控的自动开合闸控制。

2、本发明提供的动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，结构简洁，使用方便；并提供多种变型方式，为实际应用提供多种解决方案。

3、本发明提供的动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，采用双密封腔设计可以更好的将膨胀介质有效的密封在第一密封腔体内，从而不会造成膨胀介质被油脂、密封圈等有机物溶解而导致泄漏和膨胀体积衰减；第二级密封腔采用的液压径向轴密封的动密封方式(密封圈的密封方式，密封圈可以为O形、X形或Y形)，完全独立于第一级密封腔，进一步有效保证了密封效果。

4、本发明提供的动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，采用内置式的加热方式，从而能够有效地将加热元件的热量高效的提供给膨胀介质；并且在同样的加热效率下，能够大大缩小该动力推动装置的体积，有利于装置的小型化设计。

5、本发明提供的动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，加热元件采用双平板型结构的PTC，其有效地增加了加热面积，从而在有限的空间内加快了膨胀介质由固液相变的转变速度。

6、本发明提供的动力推动装置以及包括该动力推动装置的微型断路器，采用的膨胀介质(相变物质)可以是在石蜡中混入绝缘且具有高导热系数的颗粒，从而大大提高热传导效率，使得膨胀介质快速相变，进而提高本动力推动装置的运动速度；此外，基于该高导热性的颗粒，在加热元件停止加热时，膨胀介质散热加快；因此，该相变物质由液体向固体的相变也得到加快，有利于执行器快速复位。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (13)

1.一种动力推动装置，其特征在于，所述动力推动装置用于在通电后对膨胀介质进行加热，利用所述膨胀介质相变产生的体积变化提供可控的动力，推动动力部件发生可控的位移；以及

在断电后，所述膨胀介质冷却并恢复到相变前的状态，所述动力部件恢复到初始位置。

2.根据权利要求1所述的动力推动装置，其特征在于，所述动力推动装置包括：底座、加热元件、膨胀介质、密封挡圈、密封圈、腔体、动力部件和取电针；

所述密封挡圈容纳所述动力部件的一端，并与该动力部件的一端共同密封所述膨胀介质；以及

所述腔体用于容纳所述底座、所述加热元件、所述膨胀介质、所述密封挡圈、所述密封圈以及所述动力部件的一端。

3.根据权利要求1所述的动力推动装置，其特征在于，所述动力推动装置包括：推杆组件、执行器组件、取电针；以及

所述推杆组件包括推杆和动力部件；其中所述动力部件嵌入所述推杆的安装孔中，当所述动力部件向上运动，可以平稳的推动所述推杆直线运动。

4.根据权利要求3所述的动力推动装置，其特征在于，所述执行器组件包括外壳、密封圈、密封衬套、油脂类液体、膨胀薄膜、加热元件、膨胀介质、底座。

5.根据权利要求4所述的动力推动装置，其特征在于，所述执行器组件采用双腔密封结构，其中第一级密封腔由执行器外壳、底座、膨胀薄膜构成；以及第二级密封腔主要由膨胀薄膜、密封衬套、密封圈、活塞杆和外壳上端组成。

6.根据权利要求4所述的动力推动装置，其特征在于，所述执行器的下边缘经过旋压后，产生塑性变形，能够很好的贴紧在底座的倒锥面上，从而将膨胀介质密封在外壳的下部，形成第一级密封腔的下端密封。

7.根据权利要求4所述的动力推动装置，其特征在于，所述膨胀薄膜受到第一级密封腔内膨胀介质推动向上翻时，会挤压第二密封腔内油脂类液体，从而使得油脂类液体推动活塞杆向上运动；优选的，根据权利要求2或4所述的动力推动装置，其特征在于，所述底座采用锥台形状的密封底座。

8.根据权利要求2或4所述的动力推动装置，其特征在于，所述加热元件为正温度系数的加热元、丝状或片状加热电阻；优选的，所述加热元件采用加热面积最大化的双平板型、环形、内接多边形、内接六角形的构造。

9.根据权利要求2或4所述的动力推动装置，其特征在于，所述加热元件采用内置式的加热方式；优选的，所述加热元件采用加热面积最大化的双平板型、环形、内接多边形、内接六角形的构造。

10.根据权利要求2或4所述的动力推动装置，其特征在于，所述膨胀介质为石蜡或石蜡混合物；优选的，所述石蜡或石蜡混合物添加了绝缘并且具有良好导热性的颗粒；优选的，所述颗粒选自钻石、人造金刚石、三氧化二铝、氧化锆、氧化锌中的至少任意一种。

11.根据权利要求2或4所述的动力推动装置，其特征在于，所述动力部件为柱状杆；优选的，所述取电针包括N线端和L线端，分别穿过所述底座与所述加热元件电连接。

12.根据权利要求2所述的动力推动装置，其特征在于，所述动力推动装置还包括：弹性薄膜，包覆在所述底座、所述腔体、所述动力部件的外侧，用于提供复原的反力使所述动力部件恢复到初始位置；进一步优选的，根据权利要求2或4所述的动力推动装置，所述动力推动装置还包括：反力簧，安装在所述动力部件的顶端和/或两侧，用于提供复原的反力使所述动力部件恢复到初始位置。

13.一种微型断路器，其特征在于，所述微型断路器包括：根据前述任意一项权利要求所述的动力推动装置。

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