CN1042799A - 快速热动执行器 - Google Patents

Abstract

具有低温差的热动执行器一般说来跃动性能不好。为了克服这个问题，即使在要求低温差的情况下也能提供一个快速、可靠跃动的热动执行器，快速热动执行器(10)用了一对具有不同温度特性、机械相连的双金属构件(12、14)。这种执行器对于控制热动开关中电接触点(20、22)的动作特别有用。

Description

本发明一般与具有窄温差的快速热动执行器有关，它对控制热驱动开关的电接触点的动作特别有用。

控制热动开关接触点的热动执行器已为众所周知。一般，这种执行器有一个双金属构件，如园盘，这构件具有一个高温度稳定状态和一个低温度稳定状态。构件在加热时从低温度稳定状态快速跃至高温度稳定状态，而在冷却时返回到低温度稳定状态。在这种装置中，双金属构件在一个叫做上置位点的预定温度上跃到其高温度稳定状态，而在一个叫做下置位点的低温度上返回到它的低温度稳定状态。上、下置位点间的温度差叫做温差。一个执行器的温差可以用调整双金属盘的几何尺寸加以控制，以便适合所需应用。

热动开关的接触点动作时，希望动作迅速，保证接触点快速断开和闭合，以便减小电弧和接触电阻，从而延长接触点的寿命。快速跃动用一种采用一个双金属构件的执行器不难达到，只要这个构件的温差较高即可。然而当温差减小时，跃动质量就降低，接触点的开合变慢。

提供一种快速温度控制的电开关的尝试在美国专利NO.1，918，491中有所说明。专利1，918，491中所揭示的装置采用装有相对的接触点的二个双金属盘。当达到断开温度时，这二个具有不同热特性的盘协同动作来保持加在接触点上的压力。然而专利1，918，491所示装置在使用具有低温差的盘时跃动仍较为拖沓。设计也比较复杂，而且不能方便地控制外装接触点。因此，这种设计不易结合到现存的开关设计中去。

因此，本发明的一个目的是提供一种克服了以前技术的热动执行器的许多缺点的热动执行器。

本发明的另一个目的是提供一种专用于控制热动开关动作的热动执行器。

本发明的再一个目的是提供一种即使在低温差应用时也能快速跃动的热动执行器。

本发明还有一个目的：提供一种富有建设性的、能改型后适用于各现存设计的简单快速执行器。

因此，按照本发明所推荐的一个具体装置，将二个双稳定双金属构件机械地连在一起，以便整体运动。每一个构件的温差都比较高，保证了很好的快速动作。但这二个构件的上、下置位点不同，可选择得使一个构件控制接触点分开而另一个构件控制接触点闭合。这样，通过适当选择这二个构件的置位点可以获得低于每一单个构件温差的二构件组合温差。

通过以下详述及对附图的讨论，本发明的各个目的和优点就十分明白了。其中附图有：

图1为用来控制开关动作的本发明执行器的侧剖视图，示出了执行器处于低温度稳定状态位置的情况;

图2为类似于图1的侧剖视图，示出了执行器处于高温度稳定状态的情况;以及

图3为例示本发明执行器工作原理的温度柱图。

现参照附图，特别要注意图1。所示为按本发明所设计的一个热动执行器，以数字10标记。为了说明起见，执行器10安装在一个热动开关上，因为它特别适用于这类应用，但要知道执行器10也能用来驱动其它装置。在所例示的具体装置中，执行器10由一对双稳定双金属构件（即盘12和14）组成。所以说盘12和14是双金属的是因为它们由具有不同膨胀系数的殷钢（一种铁、镍、碳、锰和硅的合金，具有很低的膨胀系数）和钢制成，它们可以用其它具有不同膨胀系数的材料制成，无论是金属或非金属都行，所谓双金属是指包括采用温度系数不同的材料作成热动执行器的各种结构。用易弯曲的高温材料制成的第三个盘16夹在盘12和14之间。一种适用盘16的材料为由杜邦特（Dupont）制造、商标为卡普通（Kapton）的聚酰亚胺膜片。选择盘16的厚度使盘12和14之间的距离为最佳，以便执行器跃动最大。这三个盘之间有间隙，以增大执行器的动作，这在下面将作说明。盘12、14和16被装有热动开关的内壳20卡在外罩18内。由于盘12和14的运动，热动开关的可动接触点20与不动接触点20接合和断开。分别从外罩18和内壳19伸出的台肩24和26卡住盘12、14和16的周边，用来将盘12、14和16定位。调整台肩24和26之间的间距，使得台肩24和26之间的距离比盘12、14和16的组合厚度大5密耳左右，这样保持盘12、14和16宽松就位，留有增大动作的间隙。弹性构件28在执行器10处于其高温度位置时使接触点20和22保持闭合（图2），当执行器达到其低温位置时由于执行器10通过撞针30对构件28施加压力，接触点被断开（图1），这样就打开和闭合了接在一对端子32和34之间的电路。

虽然执行器10结合一个简单的机械开关来予以说明，应该看到这种执行器可以用来操纵各种适用装置（包括固态开关在内的其它一些开关，调制电流或控制电路工作的装置），甚至用于诸如控制热敏液压或气压控制系统的阀那样的机械控制器。

盘12和14每个都有一个高温度稳定状态和一个低温度稳定状态。例如，二个盘的低温度稳定状态可以是这样：在室温每个盘都凹侧向下（图1），而当加热到一个较高温度时，盘跃到其高温度稳定状态-盘凹侧向上的状态（图2）。逐渐冷却时，盘依旧保持凹侧向上，直到盘冷却到足够时再翻转到低温度稳定状态。

盘12和盘14的热动特性例示于图3。柱图49的区段50示出了盘12的热动特性：盘12的上置位点52和下置位点54。类似地，柱图49的区段56示出了盘14的热动特性：盘14的上置位点58和下置位点60。柱图区段50和56的各上、下置位点52、54和58、60规定了相应的盘12和14由于加热从低温度稳定状态转变为高温度稳定状态和由机冷却转变为低温度稳定状态时的温度。例如，在室温时盘12（单独工作）处于低温度稳定状态凹侧向下。由于受热，盘12的下侧面膨胀得比上侧面快，因此要使盘跃动，使盘的凹侧朝上。这种跃动发生在上置位点52。因此，高于上置位点（对盘12来说相应为华氏145°）盘将继续处于其高温度稳定状态，盘的凹侧朝上。由于冷却，温度跌到上置位点52（华氏145°）以下时，盘並不翻转到其低温度稳定状态，而继续保持在与高温度稳定位置相应的位置上，直到温度下降到下置位点54（在所示具体装置中相应的华氏110°）。低于下置位点54，盘12将翻转到其低温度稳定状态。

低于下置位点54，盘12将保持处在其低温度稳定状态，并抵制任何使它变到高温度稳定状态的机械压力，一旦这类机械压力除去，盘将返回到其低温度稳定状态。类似地，高于上置位点52，盘12将抵制任何使它呈现低温度稳定状态的压力，去除了这种压力盘将返回到高温度稳定状态。然而，在柱图区段50所示的上置位点52和下置位点54之间的温度范围内，盘12处于不定区，在这个区域内，盘12既可以呈现高温度稳定状态位置也可以呈现低温度稳定状态位置。没有任何机械压力，盘将保持在进入不定区时所处的那一个状态，但可用机械压力将盘机械地在高温度和低温度稳定状态位置之间移动，並且保持在它被移动到的那个位置上。上述说明也适用于盘14的工作情况，只是盘14的上、下置位点相应的温度比盘12的低，如在表示盘14的不定区的柱图区段56二端的上、下置位点58和60所示（图3）。

如由图3可见，盘12和14每一个盘的上、下置位点之间的温度差都近似为华氏35°，也就是说，盘12为华氏110°和华氏145°之间，盘14为华氏80°和华氏115°之间。上、下置位点之间的温度差叫做盘的温差。一般说来，较高的温差（如图3所示的那种）在高、低温度稳定状态之间跃变时给出较强的跃动。

然而，在许多应用中，例如在将温度保持在很窄的温度范围内的应用中，由于另外一些原因並不希望温差大到足以保证强劲的跃动。在这类应用中要求采用具有小温差的热动开关。按本发明所设计的执行器采用二个具有较高温差、不同的上、下置位点的双金属构件，就能完成这项任务。二个不定区有所重叠的双金属构件机械上连在一起，这样当一个构件改变状态时，将会对另一构件施加机械压力。由于这二个构件具有重叠的不定区，当一个改变状态时，另一个处在不定区。因此，当一个构件改变状态时，由于对另一个构件施加了压力，迫使它也改变状态。上面所提到的构件间的间隙使改变状态的那个构件在驱动另一个构件前获得动量，从而提供更为有利的跃动。例如，在所例示的具体装置中，每个双金属盘的厚度为8密耳，卡普通盘的厚度为5密耳，而为了提供所需的间隙，台肩24、26之间的间距则为26密耳。间隙的值根据实验确定，随所用具体盘的热和机械特性的不同有所变化。如上面提到的那样，盘16的厚度对最佳跃动来说也是至关重要，当采用上述8密耳的双金属盘时，实验已经确定厚度为5密耳为最佳。

如图所示，具有较高的温度置位点的盘12配置成其凸侧面与具有较低温度置位点的凹侧面相邻。诸如盘16的第三个盘用来在盘12和14之间传递能量。采用图1所示的配置，盘12和14都处于它们的低温度稳定状态位置，它们的凹侧面朝下。在加热过程中，首先碰到盘14的下置位点60。在这点，盘14进入其不定区，但盘12仍然处于其低温度稳定状态，因此没有发生什么变化。随着进一步加热，达到盘12的下置位点54，而在该点，盘12和盘14都处于它们的不定区。因此，如果没有什么机械压力，也不会发生变化。

再进一步加热，就要达到盘14的上置位点58，在这一点，盘14从其低温度稳定状态改变为高温度稳定状态，对盘12施加压力。由于盘12是处于其不定区，盘14所施加的压力使它改变位置，从其低温度稳定状态位置改变为高温度稳定状态位置，该组件就跃到与高温度稳定状态位置相应的位置，从而驱动开关。组件将继续保持在高温度稳定状态位置，直到温度降到盘12的低置位点为止。在这下置位点，盘12将翻转到其低温度稳定状态位置，对处于其不定区的盘14施加压力，从而组件就回到低温度稳定状态位置。

因此，在所例示的具体装置中，从低温度稳定状态位置跃变到高温度稳定状态位置由盘14决定，而从高温度稳定状态位置跃变到低温度稳定状态位置则由盘12控制。结果，通过适当选择这二个盘的上、下置位点就可以获得小温差（在所示具体装置中为5°）而不降低快速开关的有效性，因为快速地开关是由各单个盘的温差来控制，而这温差仍可以保持在一个相当高的值上。

Claims (11)

1、一种热动执行器，其中包括：

一个具有一个规定高温度稳定状态的上置位点(52)和一个规定低温度稳定状态的下置位点(54)的第一双稳双金属构件(12)；和

一个具有一个规定高温度稳定状态的上置位点(58)和一个规定低温度稳定状态的下置位点(60)的第二双稳双金属构件(14)，所述第二双稳双金属构件(14)的上置位点(58)在第一双稳双金属构件(12)的上、下置位点(52、54)之间，而所述第二双稳双金属构件(14)的下置位点(60)低于第一双稳双金属构件(12)的下置位点(54)，所述第一、第二双稳双金属构件(12、14)机械相连，形成一个具有一个由所述第二双稳双金属构件(14)的上置位点(58)确定的高温度稳定状态和一个由所述第一双稳双金属构件(12)的下置位点(54)确定的低温度稳定状态的双稳热动执行器(10)。

2、一种在权利要求1中所提出的热动执行器，其中所述双金属构件（12、14）呈盘形。

3、一种在权利要求1中所提出的热动执行器，该执行器还包括含有一个夹在所述盘形双金属构件（12、14）之间以将所述盘形双金属构件机械相连的一个第三盘形构件（16）的装置。

4、一种在权利要求3中所提出的热动执行器，其中所述第三盘形构件（16）用来在所述第一、第二盘形构件（12、14）之间提供一个精确的间距。

5、一种在权利要求3中所提出的热动执行器，该执行器还包括具有一对用来宽松地支承所述盘形构件（12、14和16）的有间距构件（24、26）、在所述盘形构件（12、14和16）与所述有间距构件（24、26）之间存有间隙的装置（24、26）。

6、一种在权利要求5中所提出的热动执行器，其中所述盘形构件（12、14和16）之间的总间隙大致为5密耳量级。

7、一种在权利要求6中所提出的热动执行器，其中所述盘形双金属构件（12、14）每一个的厚度大致为8密耳量级。

8、一种在权利要求7中所提出的热动执行器，其中所述第三盘形构件（16）的厚度大致为5密耳量级。

9、一种在权利要求3中所提出的热动执行器，其中所述第三盘形构件（16）由一种高温、易弯曲材料制造。

10、一种在权利要求9中所提出的热动执行器，其中所述材料为聚酰亚胺膜片。

11、一种在权利要求1中所提出的热动执行器，该执行器还包括操作上连到一个所述二金属构件、用来控制一个电路工作的装置（20、22、28、30）。

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