Электрический нагревательный элемент

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим нагревательным элементам, предназначенным для оснащения трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов), защищенных от перегрева. Первый вариант конструкции содержит: спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, термозвено в виде трубки, изготовленной из легкоплавкого металлического сплава, металлическую пробку, введенную внутрь спирали на ее конце, расположенном со стороны термозвена, и закрепленный в ней контакт, выполненный из металлической трубки, частично надетый на термозвено и жестко соединенный с ним. Витки спирали на длине от края конца спирали, и, по меньшей мере, до пробки соединены между собой, образуя жесткую часть спирали. Жесткая часть спирали частично надета на термозвено, жестко соединена с ним таким образом, что расстояние по оси симметрии между жесткой частью спирали и контактом обеспечивает разрыв электрической цепи нагревательного элемента, при превышении критической температуры термозвена, равной температуре плавления его материала. Во втором исполнении первого варианта конструкции термозвено соединено пайкой с металлической пробкой. Второй вариант конструкции содержит: две спирали, выполненные из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, и аналогично первому выполнена установка термозвена с двух сторон. Изобретение упрощает конструкцию и уменьшает время срабатывания термозвена. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим нагревательным элементам, предназначенным для оснащения трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов), защищенных от перегрева.

Известна конструкция трубчатого электронагревателя с термовыключателем по патенту на изобретение №2141745, Н 05 В 3/48, 1/02 // Н 01 Н 37/76, 1999. Электрический нагревательный элемент в этой конструкции содержит два контактных (электрических) вывода, спираль (нагреватель, выполненный в виде спирально намотанной проволоки), один конец которой электрически соединен с контактным выводом, другой конец - со стержнем, частично введенным в один из двух контактов термовыключателя, имеющего термозвено (термочувствительный элемент) в виде герметично закрытой трубки из легкоплавкого токопроводящего материала, заполненной веществом-активатором, два контакта, выполненные из трубок теплотокопроводящего материала. Часть контактов жестко закреплена на наружной поверхности термозвена, а между ними образован зазор, обеспечивающий безотказное срабатывание термовыключателя. Часть другого контактного вывода введена внутрь другого контакта. Стержень и контактный вывод зажаты контактами и могут из них выдвигаться. Внутри контактов между термозвеном и стержнем, также контактным выводом образованы полости, сообщаемые с внешней средой (газопроницаемые объемы).

Недостатком этой конструкции является ограниченность ее применения. Эта конструкция практически применима лишь для ТЭНов с алюминиевой оболочкой. В ТЭНах с другими типами оболочек сопротивление изоляции во время достижения критической температуры термозвена, равной температуре плавления его материала, понижается до недопустимых величин.

Наиболее близким известным техническим решением, взятым за прототип, для первого варианта электрического нагревательного элемента является конструкция нагревательного термозащищенного элемента ЭНТЗ 1.1,0.220-02, изготавливаемого серийно предприятием ООО “ЭНТЗ”, г. Н.Новгород. Эти нагревательные элементы используются, как комплектующие изделия для электрокипятильников, серийно изготавливаемых ООО “ВЕКТОР”, г. Н.Новгород, для реализации. Указанное техническое решение изложено в пат. №2219610, 20.12.03.

Конструкция прототипа для первого варианта электрического нагревательного элемента содержит спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, термозвено (термочувствительный элемент) в виде трубки, изготовленной из легкоплавкого металлического сплава, металлическую пробку, помещенную внутри спирали и закрепленную в ее конце, расположенном со стороны термозвена, контакт, выполненный из металлической трубки, частично надетый на термозвено, и жестко соединенный с ним.

Недостатком конструкции прототипа для первого варианта заявляемого технического решения является сложность и относительно высокая трудоемкость изготовления, которая особо проявляется при изготовлении нагревательных элементов мощностью менее 1 кВт, предназначенных для комплектования ТЭНов со стальной оболочкой.

Наиболее близким известным техническим решением, взятым за прототип, для второго варианта электрического нагревательного элемента, также является конструкция нагревательного термозащищенного элемента ЭНТЗ 1.1,0.220-01.

Указанная конструкция содержит спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, термозвено (термочувствительный элемент) в виде трубки, изготовленной из легкоплавкого металлического сплава, металлическую пробку, помещенную внутри спирали и закрепленную в ее конце, расположенном со стороны термозвена.

Недостатком конструкции прототипа для второго варианта, заявляемого технического решения, является относительно большое время срабатывания термозвена.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления изделий, уменьшение времени срабатывания термозвена.

Технический результат от использования изобретения для первого варианта устройства - упрощение конструкции, снижение трудоемкости ее изготовления.

Технический результат от использования изобретения для второго варианта устройства - улучшение качества.

Указанный технический результат для электрического нагревательного элемента по первому варианту предлагаемой конструкции достигается за счет того, что витки части спирали, на конце, расположенном со стороны термозвена, соединены между собой на длине от края конца спирали и, по меньшей мере, до пробки, образуя жесткую часть спирали, частично надетую на термозвено, и жестко соединенную с ним. Расстояние по оси симметрии между спиралью и контактом обеспечивает разрыв электрической цепи нагревательного элемента при превышении критической температуры термозвена, равной температуре плавления материала термозвена.

В этом варианте конструкции витки на одном конце спирали соединены жестко между собой, и этот конец непосредственно соединен с термозвеном. В сравнении с прототипом конструкция имеет лишь один контакт. Короткий контакт, имеющий в прототипе, наибольшую трудоемкость изготовления, исключен в предлагаемой конструкции. Этот технический прием упрощает конструкцию и снижает трудоемкость изготовления изделия.

С целью упрощения технологии сборки изделия металлическая пробка может быть соединена пайкой с термозвеном.

Указанный технический результат для электрического нагревательного элемента по второму варианту предлагаемой конструкции достигается за счет того, что он содержит вторую спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением и вторую металлическую пробку, помещенную внутри этой спирали, и закрепленную на ее конце со стороны термозвена. Витки на концах спиралей, в которые введены пробки, соединены между собой на длине от краев концов спиралей и, по меньшей мере, до пробок, образуя жесткие части спиралей, которые частично надеты на термозвено и жестко соединены с ним. Расстояние по оси симметрии между спиралями обеспечивает разрыв электрической цепи нагревательного элемента при превышении критической температуры термозвена, равной температуре плавления материала термозвена.

В этом варианте витки конструкции на одном из двух концов каждой спирали соединены жестко между собой и эти концы непосредственно соединены с термозвеном. В сравнении с прототипом в конструкции отсутствуют контакты термовыключателя и имеется вторая спираль. Этот технический прием снижает время срабатывания термозвена.

С целью упрощения технологии сборки изделия металлические пробки могут быть соединены пайкой с термозвеном.

Время срабатывания защиты от перегрева у этого варианта конструкции меньше, чем у первого варианта.

На фиг.1 показан электрический нагревательный элемент по первому варианту предлагаемой конструкции. На фиг.2 показан электрический нагревательный элемент по первому варианту предлагаемой конструкции второго исполнения. На фиг.3 показан электрический нагревательный элемент по второму варианту предлагаемой конструкции. На фиг.4 показан электрический нагревательный элемент по второму варианту предлагаемой конструкции второго исполнения На фиг.5 показано сечение ТЭНа со встроенным электрическим нагревательным элементом по первому варианту предлагаемой конструкции. На фиг.6 показано сечение ТЭНа со встроенным электрическим нагревательным элементом по второму варианту предлагаемой конструкции. На фиг.7 показано сечение ТЭНа, изображенного на фиг.3, после расплавления термозвена и разрыва электрической цепи нагревательного элемента. На фиг.8 показано сечение ТЭНа, изображенного на фиг.6, после расплавления термозвена и разрыва электрической цепи нагревательного элемента.

Конструкция электрического нагревательного элемента по первому варианту состоит из спирали 1 (см. фиг.1), выполненной из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, термозвена 2 в виде трубки, изготовленной из легкоплавкого металлического сплава, например, оловянно-свинцового сплава, металлической пробки 3, помещенной внутри спирали 1, и закрепленной в ее конце со стороны термозвена 2, контакта 4, выполненного из металлической трубки, частично надетого на термозвено 2, и жестко соединенного с ним. Витки спирали на длине L1 от края конца спирали и, по меньшей мере, до пробки (на длине до 12 мм) соединены между собой, образуя жесткую часть спирали 5. Эта часть частично надета на термозвено 2 и жестко соединена с ним. Другой конец термозвена 2 частично введен в контакт 4 и жестко соединен с ним.

Расстояние L3 по оси симметрии между спиралью и контактом, выполнено таким, чтобы обеспечить разрыв электрической цепи во время превышения критической температуры - при расплавлении термозвена. Это расстояние, обычно, больше величины наружного диаметра термозвена D1. Соединения витков в жесткой части спирали 5 между собой, а также соединение термозвена 2 с контактом 4 выполнено пайкой. Внутренний диаметр контакта D4 выполнен не более наружного диаметра термозвена D1.

Рекомендуется выполнять: диаметр D1 не менее 0,7 от величины внутреннего диаметра спирали D3, внутренний диаметр термозвена D2 от 0,3D1 до 0,6D1, длину термозвена L2 не менее 1,5D1.

Металлическая пробка 3 выполнена из свитых проволок и имеет длину L4, обычно, не более 12 мм. Металлическая пробка закреплена в спирали. Расстояние L5 между металлической пробкой 3 и термозвеном 2 выполнено таким, чтобы обеспечить разрыв электрической цепи. То есть внутри жесткой части спирали 5, от металлической пробки 3 до термозвена 2 образовано свободное пространство 6, необходимое для размещения расплава термозвена, втягиваемого жестким концом спирали при разрыве электрической цепи. При этом выход газа из свободного пространства 6 обеспечивается через каналы в металлической пробке 3, существующие между отдельными проволоками, из которых она выполнена, то есть в этом случае пробка является газопроницаемой. В случае выполнения металлической пробки 3 в виде стержня, отвод газов из пространства 6 может осуществляться через каналы, выполненные в соединении жесткой части спирали 5 с металлической пробкой 3 или через неплотности в соединениях витков жесткой части спирали между собой, которые можно получить при встраивании электрического нагревательного элемента в ТЭН, во время редуцирования оболочки ТЭНа.

С целью упрощения технологии сборки изделия металлическая пробка 3 может быть соединена пайкой с термозвеном 2 см. Фиг.2.

Трубка термозвена в конструкциях, изображенных на фиг.1, 2, может быть заполнена веществом - активатором с температурой плавления и удельной электрической проводимостью меньше, чем у материала указанной трубки, например канифолью, или покрыта тонким слоем этого вещества. В этих случаях увеличится срок хранения изделий до встройки в ТЭН. Заполнение трубки термозвена веществом - активатором может применяться для конструкций, используемых для комплектования ТЭНов с алюминиевой оболочкой, в которых нет резкого снижения сопротивления электрической изоляции при расплавлении термозвена.

Конструкция электрического нагревательного элемента по второму варианту состоит из двух спиралей 1, 7 (см. фиг.3), выполненных из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, термозвена 2 в виде трубки, изготовленной из легкоплавкого металлического сплава, например, оловянно-свинцового сплава, двух металлических пробок 3, 8, помещенных внутри спиралей 1, 7, и закрепленных в их концах, расположенных со стороны термозвена 2. Витки спиралей на длине L1 от края конца спирали и, по меньшей мере, до металлической пробки (обычно, на длине до 12 мм) соединены между собой, образуя жесткие части спиралей 5, 9. Эти части спиралей частично надеты на термозвено 2 и жестко соединены с ним. Соединения витков между собой в жесткой части спиралей выполнено пайкой. Расстояние по оси симметрии между жесткими частями спиралей L3, выполнено таким, чтобы обеспечить разрыв электрической цепи при расплавлении термозвена во время достижения критической температуры, равной температуре плавления материала термозвена, и, обычно, составляет не менее величины наружного диаметра термозвена D1.

Рекомендуется выполнять: диаметр D1 не менее 0,7 от величины внутреннего диаметра спирали D3, внутренний диаметр термозвена D2 от 0,3D1 до 0,6D1, длину термозвена L2 не менее 1,5D1.

Металлические пробки 3, 8 изготовлены из свитых проволок. Они выполнены длиной L4, составляющей, обычно, не более 12 мм и закреплены в спирали. Расстояния между металлическими пробками и термозвеном L5 выполнено таким, чтобы обеспечить размещение частей расплава термозвена, втягиваемых жесткими концами спиралей во время достижения критической температуры - при расплавлении термозвена, и составляет не менее 0,1 мм. То есть внутри жестких частей спиралей 5, 9 от металлических пробок 3, 8 до термозвена 2 образованы свободные пространства 6, 10, необходимые для разрыва электрической цепи. Свободное пространства 6, 10 соединены с внешней средой через каналы в пробках 3, 8, существующие между отдельными проволоками, из которых она выполнена, то есть в этом случае металлическая пробка является газопроницаемой. В случае выполнения металлических пробок в виде стержней, отвод газов из пространств 6, 10 может осуществляться через каналы, выполненные в соединениях жестких частей спиралей с металлическими пробками или через неплотности в соединениях витков жестких частей спиралей между собой, которые можно получить при встраивании электрического нагревательного элемента в ТЭН, во время редуцирования оболочки ТЭНа.

С целью упрощения технологии сборки изделия металлические пробки 3, 8 могут быть соединены пайкой с термозвеном 2, см. Фиг.4.

Трубка термозвена в конструкциях, изображенных на фиг.3, 4, может быть заполнена веществом - активатором с температурой плавления и удельной электрической проводимостью меньше, чем у материала указанной трубки, например канифолью, или покрыта тонким слоем этого вещества. В этих случаях увеличится срок хранения изделий до встройки в ТЭН. Заполнение трубки термозвена веществом - активатором может применяться для конструкций, используемых для комплектования ТЭНов с алюминиевой оболочкой, в которых нет резкого падения сопротивления электрической изоляции при расплавлении термозвена.

Электрический нагревательный элемент по первому варианту предлагаемой конструкции устанавливается в металлическую оболочку ТЭНа 11 (см. фиг.5). Перед установкой спираль 1 соединяется с контактным выводом 12, контакт 4 - с контактным выводом 13. В ТЭНе контактные выводы 12, 13, спираль 1, контакт 4 и термозвено 2 изолированы от оболочки 11 сыпучим электроизоляционным наполнителем 14. Металлическая пробка 3 не пропускает электроизоляционный наполнитель в свободное пространство 6. Выход контактных выводов 12, 13 из оболочки 11 осуществлен через электроизоляционные втулки 15. Внутри контакта 4 образовано свободное пространство 16, сообщающееся с пространством, окружающим контакт через газоотводные каналы, образованные, например, в соединении контакта 4 с контактным выводом 13.

Электрический нагревательный элемент по второму варианту предлагаемой конструкции устанавливается в металлическую оболочку ТЭНа 11 (см. фиг.6.) Перед установкой спирали 1, 7 соединяются с контактными выводами 12, 13. В ТЭНе контактные выводы 12, 13, спирали 1, 7 и термозвено 2 изолированы от оболочки 11 сыпучим электроизоляционным наполнителем 14. Металлические пробки 3, 8 не пропускает электроизоляционный наполнитель в полости 6, 10. Выход контактных выводов 12, 13 из оболочки 11 осуществлен через электроизоляционные втулки 15.

Электрический нагревательный элемент по первому варианту конструкции, встроенный в ТЭН, работает следующим образом.

К контактным выводам 12, 13 (см. фиг.5, 7) подводится напряжение электрической сети. Ток, проходящий по спирали 1, разогревает ее до температуры 400...500°С. От спирали тепло передается на термозвено 2. При нормальной работе, когда ТЭН охлаждается нагреваемой средой, например водой, температура на оболочке ТЭНа составляет приблизительно 105...110°С. Температура термозвена 2 не превышает величины температуры плавления его материала. В случае выкипания воды или включения ТЭНа без воды увеличивается поток тепла от спирали к термозвену. Термозвено расплавляется, расплав материала термозвена собирается в капли 17, 18, которые под воздействием капиллярного эффекта втягивается в жесткую часть спирали 5 и контакт 4, заполняя пространства 6, 16. При этом газ, имеющийся в пространствах 6, 16, вытесняется из них через газоотводные каналы, имеющиеся в металлической пробке 3 и в соединении контакта 4 с контактным выводом 13. Электрическая цепь питания ТЭНа разрывается. После разрыва электрической цепи рост температуры ТЭНа прекращается.

В случае выполнения электрического нагревательного элемента по первому варианту конструкции второго исполнения, разрыв электрической цепи производится за счет перехода свободного пространства, имеющегося в трубке термозвена, в разрывной электрический промежуток.

Электрический нагревательный элемент по второму варианту конструкции, встроенный в ТЭН, работает следующим образом.

К контактным выводам 12, 13 (см. фиг.6, 8) подводится напряжение электрической сети. Ток, проходящий по спиралям 1, 7, разогревает их до температуры 400...500°С. Тепло передается от спиралей на термозвено 2. При нормальной работе, когда ТЭН охлаждается нагреваемой средой, например водой, температура на оболочке ТЭНа составляет приблизительно 105...110°С. Температура термозвена 2 не превышает величины температуры плавления его материала. В случае выкипания воды или включения ТЭНа без воды увеличивается поток тепла от спиралей к термозвену. Термозвено расплавляется, расплав материала термозвена собирается в капли 17, 18, которые под воздействием капиллярного эффекта втягиваются в жесткие части спиралей 5, 9, заполняя пространства 6, 10. При этом газ, имеющийся в пространствах 6, 10, вытесняется из них через газоотводные каналы, имеющиеся в металлических пробках 3, 8. Электрическая цепь питания ТЭНа разрывается. После разрыва электрической цепи рост температуры ТЭНа прекращается.

В случае выполнения электрического нагревательного элемента по второму варианту конструкции второго исполнения, разрыв электрической цепи производится за счет перехода свободного пространства, имеющегося в трубке термозвена, в разрывной электрический промежуток.

Предлагаемые электрические нагревательные элементы имеют малую трудоемкость изготовления, простую конструкцию, высокие технические характеристики, высокую надежность.

Промышленная применимость предлагаемых конструкций очевидна. Эти конструкции прошли опытные испытания в Нижнем Новгороде на предприятии ООО “ЭНТЗ” и показали хорошие результаты.

1. Электрический нагревательный элемент, содержащий спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, термозвено в виде трубки, изготовленной из легкоплавкого металлического сплава, металлическую пробку, помещенную внутри спирали и закрепленную в ее конце, расположенном со стороны термозвена, контакт, выполненный из металлической трубки, частично надетый на термозвено и жестко соединенный с ним, отличающийся тем, что витки части спирали на конце, расположенном со стороны термозвена, соединены между собой на длине от край конца спирали, и, по меньшей мере, до пробки, образуя жесткую часть спирали, которая частично надета на термозвено и жестко соединена с ним, при этом расстояние по оси симметрии между спиралью и контактом обеспечивает разрыв электрической цепи нагревательного элемента при превышении критической температуры термозвена, равной температуре плавления его материала.

2. Электрический нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что металлическая пробка соединена пайкой с термозвеном.

3. Электрический нагревательный элемент, содержащий спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением, термозвено в виде трубки, изготовленной из легкоплавкого металлического сплава, металлическую пробку, помещенную внутри спирали и закрепленную в ее конце, расположенном со стороны термозвена, отличающийся тем, что он содержит вторую спираль, выполненную из металлической проволоки с высоким удельным электрическим сопротивлением и вторую металлическую пробку, помещенную внутри этой спирали и закрепленную в ее конце, расположенном с другой стороны термозвена, витки части спиралей, на концах, расположенных у термозвена, соединены между собой на длине от краев концов спиралей и, по меньшей мере, до металлических пробок, образуя жесткие части спиралей, которые частично надеты на термозвено и жестко соединены с ним, при этом расстояние по оси симметрии между спиралями обеспечивает разрыв электрической цепи нагревательного элемента при превышении критической температуры термозвена, равной температуре плавления его материала.

4. Электрический нагревательный элемент по п.3, отличающийся тем, что металлические пробки соединены пайкой с термозвеном.