регулятор температуры

Формула изобретения

1. РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ , включающий pазмещенные в коpпусе теpмочувствительный элемент и контактный исполнительный оpган с подвижным контактом, пpисоединенный к источнику питания, отличающийся тем, что он снабжен стабилизатоpом, pегулиpуемым задатчиком темпеpатуpы сpабатывания с огpаничителем хода и подпpужиненным pазмыкателем, а теpмочувствительный элемент выполнен в виде пpужины из матеpиала с теpмомеханической памятью фоpмы и один ее конец связан с одним из полюсов источника питания и шаpниpно - с неподвижной опоpой, а дpугой - чеpез стабилизатоp шаpниpно связан с подвижным контактом, выполненным подпpужиненным и плотно сопpикасающимся с неподвижным контактом исполнительного оpгана, котоpый пpисоединен к дpугому полюсу источника питания, пpи этом подвижный контакт установлен с возможностью упоpа в pазмыкатель, напpотив котоpого pасположен огpаничитель хода pегулиpуемого задатчика темпеpатуpы сpабатывания.

2. Регулятоp по п. 1, отличающийся тем, что стабилизатоp выполнен в виде планки с кpонштейнами на концах, установленными с возможностью пеpемещения по напpавляющим, жестко закpепленным на неподвижных опоpах, а на каждой из напpавляющих, между одной из неподвижных опоp и кpонштейном закpеплены взводящие пpужины.

3. Регулятоp по п. 1, отличающийся тем, что pазмыкатель выполнен в виде планки с пpоpезью для неподвижного контакта, pасположенной на напpавляющей, установленной на кpонштейнах.

4. Регулятоp по п. 1, отличающийся тем, что pегулиpуемый задатчик темпеpатуpы сpабатывания выполнен в виде задатчика интеpвала темпеpатуpы, связанного со штоком и соосной штоку втулкой, обpазующими винтовую паpу, пpи этом втулка выполнена с огpаничителем хода, вставленным в напpавляющую пpоpезь в неподвижном кpонштейне.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для управления температурными режимами преимущественно мартенситных приводов, а также может быть использовано в электротехнике и коммутационных аппаратах.

Известны устройства для регулирования температуры, содержащие контактный размыкающий и замыкающий чувствительные элементы и контактный термочувствительный исполнительный элемент, при этом подвижный контакт замыкающего чувствительного элемента соединен штоком с подвижными контактами первого чувствительного элемента и контактного исполнительного элемента, что позволяет повысить точность регулирования температуры [1] .

Недостатками таких устройств являются малый ход термочувствительного элемента, а также невозможность автоматического регулирования включения-выключения в пределах заданного интервала, например, в пределах интервала мартенситных превращений при регулировании температуры включения-выключения теплового привода на основе материала с термохимической памятью формы, при этом интервал температур в процессе работы может меняться от цикла к циклу из-за изменения, например, внешней нагрузки на привод.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является регулятор температуры, содержащий термочувствительный элемент, компенсатор, регулировочный винт, пружинящий элемент со штоком, подвижный и неподвижный контакты, ограничитель хода в виде рычага, при этом термочувствительный элемент связан с компенсатором через коромысло, а свободный конец термочувствительного элемента через ограничитель хода и шток связан с пружинящим элементом, причем свободный конец компенсатора через регулировочный винт связан с корпусом [2] .

Недостатки этого устройства заключаются в невозможности автоматического регулирования включения-выключения мартенситного привода в пределах интервала температур мартенситных превращений из-за циклического характера работы мартенситного привода (или иного теплового привода) и в связи с этим необходимости точности включения мартенситного привода (подачи тока питания) при комнатной температуре и нагрева его силовых элементов из материала с термомеханической памятью формы вплоть до температуры конца обратного мартенситного перехода, а затем отключения привода при данной температуре и остывания его вплоть до комнатной температуры (конца прямого мартенситного перехода) и далее новое включение с повторением описанного цикла. При этом необходимо в течение всего цикла нагрева постоянно подавать ток питания на силовые элементы мартенситного привода. Кроме того, с изменением нагрузки на привод изменяется его рабочий ход. Поэтому для автоматического управления мартенситным приводом не может быть применен, например, регулятор температуры или концевой выключатель, имеющий два положения: включения и выключения. Кроме того, как известно, с повышением нагрузки, которую преодолевает мартенситный привод, повышаются температуры мартенситных превращений, поэтому возникает необходимость синхронного регулирования интервала температур включения мартенситного привода в пределах интервала мартенситного превращения при наличии нагрузки.

Целью изобретения является автоматическое регулирование в пределах заданного режима работы и повышение точности включения-выключения мартенситного привода в пределах интервала мартенситных превращений путем увеличения хода термочувствительного элемента.

Цель достигается тем, что регулятор температуры, включающий размещенные в корпусе термочувствительный элемент и контактный исполнительный орган с подвижным контактом, присоединенный к источнику питания, снабжен стабилизатором, регулятором температуры срабатывания с ограничителем хода и подпружиненным размыкателем, при этом термочувствительный элемент выполнен в виде пружины из материала с термомеханической памятью формы, один конец пружины электрически связан с одним из полюсов источника питания и шарнирно с неподвижной опорой, другой через стабилизатор шарнирно связан с подпружиненным подвижным контактом, упирающимся в подпружиненный размыкатель и контактной поверхностью плотно соприкасающимся с неподвижным контактом исполнительного органа, связанного с другим полюсом источника питания, а напротив размыкателя расположен ограничитель хода регулятора температуры срабатывания.

Для стабилизации направления действия создаваемого термочувствительным элементом и создания взводящего усилия стабилизатор выполнен в виде планки, имеющей на концах с двух сторон кронштейны с возможностью свободно перемещаться по направляющим, жестко закрепленных на неподвижных опорах, а между ними на направляющих расположены взводящие пружины. При этом размыкатель выполнен в виде планки с двумя кронштейнами, и планка имеет продольную прорезь для неподвижного контакта. Регулятор температуры срабатывания выполнен в виде задатчика интервала температуры, связанного с винтовой парой в виде штока и соосно расположенной с ним втулки с ограничителем хода, вставленным в направляющую прорезь в неподвижном кронштейне. Для изменения нижней границы температурного интервала срабатывания исполнительный орган имеет регулятор хода размыкателя в виде винтовой пары, винт которой торцом упирается в кронштейн размыкателя.

Указанные отличия обуславливают соответствие заявленного технического решения критерию "новизна".

Однако известен единичный признак в другой области техники [3] . Известно устройство которое содержит две пружины, выполненные из материала с термомеханической памятью формы и расположенные на штоке. Пружины взаимно компенсируют друг друга, а затем при очередном нагреве замыкается одна из пар контактов. В отличие от заявляемого технического решения известное устройство не позволяет включить пружины в общую с мартенситным приводом цепь, так как для включения контактов требуется предварительный подогрев пружин. Причем для непрерывной работы выключателя необходим постоянный подогрев.

В предложенном терморегуляторе в исходном положении подвижный и неподвижный контакты замкнуты, что позволяет осуществить нагрев пружин синхронно с нагревом силовых элементов мартенситного привода и отключить последний лишь после нагрева до заданной температуры. При этом отключается одновременно и терморегулятор и мартенситный привод.

Признаки, отличающие заявленное техническое решение, неизвестны, они ранее не использовались в полной их совокупности. При этом свойства каждого отличительного признака сами по себе не обуславливают свойства всего объекта в целом. Действительно, основное свойство предложенного технического решения в целом заключается в том, что оно позволяет повысить точность включения-выключения мартенситного привода в пределах интервала мартенситных превращений по сравнению с базовым объектом, за который принят прототип. Каждый из отличительных признаков сам по себе таким свойством не обладает, т. е. совокупность всех признаков проявляет свойство, отличное от свойств неизвестных признаков. Следовательно, признаки вступили во взаимодействие, а заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже изображен терморегулятор, продольный разрез.

Терморегулятор состоит из корпуса 1 с размещенным в нем термочувствительным элементом 2 из материала с термохимической памятью формы, подвижного контакта 3, через шарнир 4 связанного со стабилизатором, включающим планку 5 с кронштейнами 6 и 7, расположенными на ее концах с двух сторон, взводящие пружины 8 и 9, расположенные на направляющих 10 и 11, жестко опирающихся на неподвижные опоры 12 и 13 и проходящих через отверстия в опорах 14 и 15, размыкателя в виде планки 16, имеющей кронштейны 17 и 18, свободно скользящие по направляющим 19, закрепленным на неподвижной опоре 20, опору 21 и пружину 22, неподвижного контакта 23, входящего в прорезь 24 в планке 16 и электрически связанного с одним из полюсов 25 источника питания, регулятора температуры срабатывания, имеющего задатчик интервала температуры в виде ручки 26 со шкалой, связанной через пару зубчатых колес 27 и 28 со штоком 29, образующим пару с втулкой 30, имеющей резьбу и снабженной ограничителем 31 хода, вставленным в направляющую прорезь 32 в неподвижном кронштейне 33. Термочувствительный элемент 2 одним концом крепится к зажиму 34, соединенному через шарнир 35 с корпусом 1 и электрически с другим полюсом 36 внешней цепи, например мартенситного привода, другим концом - через зажим 37 с планкой 5 стабилизатора. Подвижный контакт 3 имеет кронштейн 38, соединенный с пружиной 39 растяжения, прикрепленной к рэмболту 40. Терморегулятор последовательно с мартенситным приводом 41 подключается к питающей сети.

Зубчатые колеса 27 и 28 имеют разное число зубьев, что позволяет отградуировать на шкале с достаточной точностью весь температурный интервал мартенситных превращений материала силовых элементов мартенситного привода 41.

Для регулирования нижней границы температуры интервал мартенситных превращений, т. е. температуры охлаждения, терморегулятор имеет винтовую пружину в виде винта 42 в опоре 20 для винта и ручку 43 для установки нижней границы температурного интервала на шкале.

Термочувствительный элемент в виде пружины изготавливается, например, из сплава 54- 56% никеля, остальное титан. Для придания ему "горячей" памяти заготовку в виде пружины, изготовленной из проволоки с поперечным сечением, равным поперечному сечению силовых элементов мартенситного привода, заневоливают в специальной оправке и отжигают, например, в муфельной печи при температуре 450-600^оС в течение 30-60 мин, а затем охлаждают вместе с печью до комнатной температуры. После извлечения из печи оправки пружина деформируется путем ее растяжения, а затем подвергается нагреву до температуры на 5-10^оС выше температуры конца обратного мартенситного превращения. По достижении требуемой температуры нагрев прекращается, а пружина нагружается усилием, равным суммарному усилию пружин, 8, 9, 22 и 39, и охлаждается до комнатной температуры, при которой термочувствительный элемент 2 разгружается. Далее цикл повторяется. После 50-70 циклов пружина 2 приобретает стабильную память и ее устанавливают в термореле, фиксируя зажимами 34 и 37. Практика показывает, что пружину можно устанавливать сразу после отжига в регулятор и затем проводить несколько циклов терморегулирования путем нагрева ее и охлаждения. Наличие стабилизаторов упрощает технологию изготовления пружин 2, так как при этом не требуется большой точности при их изготовлении.

В регуляторе при нагревании термочувствительный элемент 2 из материала с термомеханической памятью формы генерирует механические напряжения [4] , достаточные для преодоления суммарного усилия пружин 8, 9, 22 и 39, так как они в данном случае выполняют функцию усилия, препятствующего изменению формы пружины 2 из "холодной" в "горячую" (пружину в сжатом состоянии).

Для взведения термочувствительного элемента подбираются пружины 8, 9, 22 и 39 из расчета 0,1-0,3 от максимальной величины генерируемого пружиной 2 усилия.

Планка размыкателя 16 изготавливается из диэлектрического материала (гетинакса, стеклотекстолита, фторопласта и т. д. ), и на торце, примыкающем к подвижному контакту, устанавливается скос для соскальзывания при усилии, превышающем заданное при данной температуре.

Терморегулятор работает следующим образом.

Перед включением питания мартенситного привода с помощью регулятора температуры устанавливаются границы температуры включения путем вращения ручки 26, а через нее зубчатыми колесами 27 и 28 и штоком 29. При этом втулка 30, накручиваясь на резьбу штока 29, перемещается по нему, тем самым устанавливая ограничитель 31 хода на заданном от размыкателя 16 расстоянии, соответствующем заданной температуре. При этом ограничитель 31 перемещается вдоль прорези 32, которая выполняет функцию направляющей, и ограничивает размыкатель 16 от прокручивания вместе с втулкой 30.

При включении питания мартенситного привода 41 электрический ток идет через зажим 34, термочувствительный элемент 2, зажим 37, планку 5, подвижный контакт 3 и неподвижный контакт 23, нагревая силовые элементы мартенситного привода 41 и термочувствительный элемент 2, который начнет "вспоминать" свою "горячую" форму, подтягивая в сторону зажима 34 стабилизатор с подвижным контактом 3. Перемещаясь, подвижный контакт 3, прижимаясь к неподвижному контакту 23 пружиной 39, упирается в торец размыкателя 16 и начнет перемещать его в сторону ограничителя 31, сжимая при этом пружину 22 кронштейном 18 и неподвижной опорой 21. Одновременно происходит растяжение пружины 39 и сжатие взводящих пружин 8 и 9 стабилизатора, так как они с одной стороны упираются в кронштейны 14 и 15 соответственно, а с другой - в направляющие 11, которые жестко связаны с планкой 5. Стабилизатор ориентирует создаваемое термочувствительным элементом 2 усилие строго в горизонтальном положении вдоль планки 5, кронштейн 6 скользит по направляющим 10 и 11. Даже в случае, когда по каким-либо причинам происходит перекос элемента 2, стабилизатор ориентирует его усилие в нужном направлении за счет поворота термочувствительного элемента 2 вокруг шарнира 35 на требуемый угол, устранив тем самым перекос.

При нагреве силовых элементов мартенситного привода 41 и термочувствительного элемента 2 до заданной температуры, размыкатель 16 упирается в ограничитель 31, а подвижный контакт 3 под действием создаваемого пружиной 2 усилия соскальзывает вверх (показано пунктиром) с планки размыкателя 16, который под действием усилия пружины 22 возвращается в исходное состояние (показано пунктиром), электрическая цепь разорвана, так как между подвижным 3 и неподвижным 23 контактами располагается верхняя часть планки размыкателя 16. Охлаждаясь, термочувствительный элемент 2 начинает вновь "вспоминать" свою "холодную" форму (проявляя обратимую память формы) и под действием запасенной при взводе энергии пружин 8, 9 и 39 скользит по поверхности размыкателя 16, прижимаясь к нему пружиной 39. По достижении комнатной температуры, установленной на шкале с помощью ручки 26, термочувствительный элемент 2 полностью возвращается в исходное "холодное" положение, а подвижный контакт 3 соскальзывает с планки размыкателя 16 на неподвижный контакт 23, прижимается к нему пружиной 39 и замыкает вновь электрическую цепь. Дале цикл повторяется.

Для изменения нижней границы срабатывания терморегулятора, например, выше комнатной температуры, вращая ручку 43 винта 42 по шкале, устанавливают нужную температуру, т. е. между кронштейном 18 и опорой 20 устанавливается определенный зазор, и размыкатель 16 смещается влево (относительно чертежа). После охлаждения силовых элементов мартенситного привода 41 и пружины 2 до установленной температуры подвижный контакт 3 соскальзывает с планки 16 размыкателя на неподвижный контакт 23 и вновь замыкает цепь.

При подключении терморегулятора к мартенситному приводу, силовые элементы которого имеют сечение, отличное от сечения пружины 2, вместо пружины 2 устанавливается пружина с требуемым поперечным сечением или параллельно терморегулятору устанавливаются шунты из проволоки из материала с термомеханической памятью формы, обеспечивающие получение требуемого сопротивления электрическому току.

Однако терморегулятор может быть использован и как обычное термореле, т. е. для включения и отключения электрической цепи при нагревании пружины 2 окружающей средой до заданной температуры.

Использование заявляемого технического решения в народном хозяйстве по сравнению с прототипом [2] позволяет автоматически регулировать в пределах заданного режима работы и повысить точность включения-выключения привода в пределах интервала мартенситных превращений путем увеличения хода термочувствительного элемента. Кроме того, предлагаемое техническое решение значительно упрощает управление мартенситным приводом или иным устройством, в котором необходимо регулировать режим работы в зависимости от температуры окружающей среды. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 620950, кл. G 05 D 23/00, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР N 983663, кл. G 05 D 23/08, 1982.

3. Авторское свидетельство СССР N 575473, кл. H 01 H 37/50, 1979.

4. Хачин В. Н. Память формы. Серия Физика, 1984, N 6, с. 35, 40.