Термоотключатель

 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для использования в качестве термоотключателя в электрических цепях для отключения последних при превышении определенной температуры. Термоотключатель содержит корпус, электроды, образующие зазор, заполненный плавкой вставкой, флюс, нанесенный на плавкую вставку и на часть электродов, находящихся в диэлектрическом корпусе, геометрические размеры термоотключателя соответствуют совокупности соотношений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для использования в качестве термоотключателя в электрических цепях для отключения последних при определенной температуре.

Известна конструкция цилиндрической плавкой вотавки резьбового предохранителя [1], состоящего из диэлектрического корпуса-трубки, на торцах которого расположены внутренние металлические колпачки, служащие основанием для припайки концов плавкого элемента, выполненного в форме проволоки, наружных колпачков, напрессованных на внутренние и являющихся контактами плавкой вставки.

Несмотря на значительную конструктивную схожесть с термоотключателем, предохранитель не может выполнять его функциональных действий.

Известна конструкция термоотключателя [2], основным элементом которого является биметаллическая пластинка, которая в зависимости от ее температуры меняет свои геометрические размеры, при этом размыкая (или замыкая) цепь питания нагревательного элемента.

Недостатком данной конструкции термоотключателя является его конструктивная сложность, а также недостаточная надежность, обусловленная разрушением ("эалипанием") контактных поверхностей.

Известна конструкция термоотключателя, являющегося составной частью термостатирующего устройства [3] электрического аппарата и состоящего из нагревательного элемента, на поверхности которого расположена плавкая вставка, имеющая форму шайбы, которая фиксирует переключатель в состоянии замыкания цепи питания нагревательного элемента. При температуре нагревательного элемента выше температуры плавления материала плавкой вставки последняя переходит в жидкое состояние, при этом происходит размыкание цепи питания нагревательного элемента.

Недостатком данной конструкции является ее низкая механическая надежность при относительно высокой конструктивной сложности.

Известна конструкция термоотключателя [4] (прототип), состоящая из электроизоляционного твердого основания, на поверхности которого, на некотором расстоянии один от другого, созданные методом тонкопленочной технологии, расположены два электрода, покрытые слоем из первого плавкого материала, температура плавления которого выше определенной температуры срабатывания термоотключателя. На части поверхности электроизоляционного основания, в зазоре между электродами, находится плавкая вставка, состоящая на второго плавкого материала и соединенная с первым плавким материалом. Температура плавления второго плавкого материала соответствует определенной температуре срабатывания термоотключателя. Часть поверхности электроизоляционного основания и электродов, а также поверхности деталей, состоящих из плавких материалов, покрыта флюсом, поверхность которого и часть поверхности электроизоляционного основания и электродов для защиты от внешней среды покрыты слоем диэлектрика. Слой диэлектрика и электроизоляционное основание образуют герметичный корпус термоотключателя, в котором флюс занимает некоторый объем (полость).

В процессе нагревания термоотключателя первоначально в жидкое состояние переходит флюс, при этом увеличивается его объем и на границе флюс - диэлектрик возникают силы, направленные по нормали к границе в сторону диэлектрика. Далее, второй плавкий материал переходит из твердого состояния в жидкое, при этом также увеличивается объем последнего, и как следствие, дополнительно растет величина расширяющих сил. В ситуации, когда диапазон рабочих температур циклически изменяется от температуры ниже температуры плавления флюса до температуры выше плавления флюса, но ниже температуры плавления плавкой вставки, слой диэлектрика претерпевает циклические механические давления со стороны флюса, что приводит к возникновению нарушений герметичности, окислению материала плавкой вставки и в итоге к несрабатыванию термоотключателя. На другой границе, образованной диэлектрическим основанием и металлом электродов и плавкой вставки, также возникают механические напряжения, приводящие, в первую очередь, к отслаиванию металла электродов с поверхности диэлектрического основания.

Этот процесс также вызван большим различием коэффициентов теплового расширения металла и диэлектрика. При увеличении тока, проходящего через термоотключатель, необходимо увеличивать сечение электродов и объем плавкой вставки, что приведет к дальнейшему увеличению механических напряжений на границе, образованной электродами и диэлектрическим основанием, и, как следствие, к увеличению площади образовавшихся нарушений. Вышеперечисленные процессы приводят к снижению надежности термоотключателя, что и является его основным недостатком.

Целью данного изобретения является повышение надежности термоотключателя.

Поставленная цель достигается тем, что геометрические размеры термоотключателя определяются из совокупности соотношений 2,5•V_э≤V_в≤(V_о-V_э)/2; А_э=(4,1-4,3)•(S_э)^1/2, где V_в - объем плавкой вставки; V_о - внутренний объем диэлектрического корпуса; V_э - объем электродов в диэлектрическом корпусе; S_э - площадь сечения электродов; A_э - расстояние между торцами электродов в плавкой вставке.

В данных соотношениях связываются объемы плавкой вставки, внутренний объем диэлектрического корпуса и объем электродов, находящихся в диэлектрическом корпусе, а также расстояние между торцами электродов в плавкой вставке с их площадью сечения. Для случая, когда диэлектрический корпус образован диэлектрической втулкой и герметизирующими вставками и при цилиндрической конфигурации плавкой вставки, диэлектрической втулки и электродов, дополнительно используется следующая совокупность соотношений: А_э=(3,6-3,8)•Д_э; Д_в=(2,5-2,6)•Д_э;
Д_д=(2,7-2,9)•Д_э,
где Д_э - диаметр электродов;
А_э - расстояние между торцами электродов в плавкой вставке;
Д_в - диаметр плавкой вставки;
Д_д - внутренний диаметр диэлектрической втулки.

При температуре выше температуры плавления плавкой вставки для данной совокупности соотношений последняя, находясь в жидком состоянии, "перетекает" на электроды, осуществляя тем самым разрыв электрической цепи.

На чертеже приведен вид сечения конструкции термоотключателя, где
1 - плавкая металлическая вставка:
2 - электроды;
3 - диэлектрическая втулка;
4 - герметизирующие диэлектрические вставки;
5 - флюс;
6 - покрытие электродов.

Данные соотношения подучены экспериментально в процессе разработки термоотключателя. Задачей разработки была оптимизация геометрических соотношений деталей конструкции термоотключателя с целью повышения надежности его работы в условиях одновременного воздействия температурных, механических и токовых нагрузок при минимальных размерах термоотключателя.

Термоотключатель состоит из диэлектрической втулки (3), герметизирующих диэлектрических вставок (4), плавкой вставки (1), электродов (2), слоя флюса (5) и покрытия (6). Перечисленные детали конструкции термоотключателя симметричны относительно центральной оси, проходящей через электроды, плавкую вставку, герметизирующие диэлектрические вставки, и относительно оси, перпендикулярной центральной оси и проходящей через центр плавкой вставки. Диэлектрическая втулка (3) и герметизирующие диэлектрические вставки (4), расположенные в торцах диэлектрической втулки (3), образуют диэлектрический корпус, т. е. являются его составными частями. Через центры герметизирующих диэлектрических вставок (4) проходят электроды (2). Расстояние между торцами электродов (2) в плавкой вставке равно (А_э) и заполнено материалом плавкой вставки (1), осуществляющим гальваническую связь электродов (2) между собой.

Поверхности электродов (2), находящихся в диэлектрическом корпусе термоотключателя, имеют покрытие (6) либо из материала плавкой вставки, либо из другого материала, например из золота. Объем порытия (6) не превышает сотых долей процента от объема электродов (2). На поверхность плавкой вставки (1) и на часть поверхности электродов (2), имеющих покрытие (6), нанесен слой флюса (5) толщиной (0,1÷0,3)мм. Суммарный объем флюса (5) и покрытия (6) не превышает нескольких десятых долей процента от общего внутреннего объема герметичного диэлектрического корпуса, поэтому суммарный объем флюса (5) и покрытия (6) в приведенных соотношениях не учитывался. В случае, когда колебания температуры плавкой вставки (1) не превышают ее температуру плавления, в процессе проведения механических испытаний на границе раздела плавкая вставка (1) - электроды (2) возникают механические напряжения, приводящие к разрушению гальванической связи плавкой вставки (1) с электродами (2) и к ложному срабатыванию термоотключателя.

Для исключения этого объем плавкой вставки (1), объем корпуса и объем электродов (2), расположенных в нем, а также расстояние (А_э) между торцами электродов (2) в плавкой вставке и площадь сечения электродов (2) связываются соотношениями
2,5•V_э≤V_в≤(V_о-V_э)/2;
А_э=(4,1-4,3)•(S_э)^1/2,
а отношение диаметра плавкой вставки (1) к диаметру электродов (2) должно быть равно (2,5÷2,6). При этом происходит механическое упрочнение соединения электродов (2) с плавкой вставкой (1) за счет армирования плавкой вставки (1) электродами (2). Промежуток между внутренней поверхностью диэлектрического корпуса и поверхностью слоя флюса (5) должен быть не менее 0,1 мм. При температуре плавкой вставки выше (или равной) ее температуры плавления также возможно несрабатывание термоотключателя.

Для исключения этого объем плавкой вставки (1), при условии когда материал плавкой вставки (1) полностью перетекает на один из электродов (2), не должен превышать (V_о-V_э)/2, а отношение внутреннего диаметра диэлектрической втулки (3), являющейся частью диэлектрического корпуса, к диаметру электродов (2) должно быть равно (2,7÷2,9) (при условии, что диаметр плавкой вставки (1) равен (2,5÷2,6) диаметра электродов (2)). При этих же температурах, если объем плавкой вставки (1) меньше 2,5 объемов электродов (2), находящихся внутри диэлектрического герметичного корпуса (3) термоотключателя, также возможно несрабатывание термоотключателя, связанное с наличием сил поверхностного натяжения расплавленного материала плавкой вставки (1).

Данные значения были получены путем проведения экспериментов, в которых варьировались геометрические размеры деталей термоотключателя, затем были определены оптимальные для максимальной надежности соотношения между заданным диаметром электродов (2) и другими геометрическими размерами термоотключателя. При достижении температуры окружающей среды температуры плавления материала плавкой вставки (1) разрыв электрической цепи в термоотключателе будет осуществляться за счет сил, возникающих в процессе смачивания при наличии флюса (5), расплавленным материалом плавкой вставки (1) поверхности покрытия электродов.

В настоящее время на одном из предприятий выпускается термоотключательное устройство, используемое в бытовых электрических приборах.

ЛИТЕРАТУРА
1. К.К. Намитоков и др. "Плавкие предохранители", М.: Энергия, 1979 г., стр.139.

2. Ф. Кашпар, "Термобиометаллы в электротехнике", М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961 г., стр.365, 356.

3. Франция, кл. Н 01 Н 37/76, дата публикации 12.07.1991 г., N з-ки 2656952.

4. США (US), кл. Н 01 Н 37/76, дата публикации 03.06.1991 г., з-ки 5097247.

Формула изобретения

1. Термоотключатель, содержащий герметичный диэлектрический корпус, электроды, образующие зазор, заполненный плавкой вставкой, флюс, нанесенный на плавкую вставку и на часть электродов, находящихся в диэлектрическом корпусе, отличающийся тем, что геометрические размеры термоотключателя соответствуют совокупности следующих соотношений:
2,5 • V_э ≤ V_в ≤ (V_o - V_э)/2;
А_э = (4,1 - 4,3) • (S_э)^1/2,
где V_в - объем плавкой вставки;
V_o - внутренний объем диэлектрического корпуса;
V_э - объем электродов в диэлектрическом корпусе;
S_э - площадь сечения электродов;
А_э - расстояние между торцами электродов в плавкой вставке.

2. Термоотключатель по п. 1, отличающийся тем, что при цилиндрической конфигурации электродов, плавкой вставки и диэлектрической втулки, являющейся частью диэлектрического корпуса, дополнительно используется следующая совокупность соотношений:
А_э = (3,6 - 3,8) • Д_э;
Д_в = (2,5 - 2,6) • Д_э;
Д_д = (2,7 - 2,9) • Д_э,
где Д_э - диаметр электродов;
Д_в - диаметр плавкой вставки;
Д_д - внутренний диаметр диэлектрической втулки.

РИСУНКИ

Рисунок 1