專利名稱：快速熱動執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般與具有窄溫差的快速熱動執(zhí)行器有關(guān)，它對控制熱驅(qū)動開關(guān)的電接觸點的動作特別有用。
控制熱動開關(guān)接觸點的熱動執(zhí)行器已為眾所周知。一般，這種執(zhí)行器有一個雙金屬構(gòu)件，如園盤，這構(gòu)件具有一個高溫度穩(wěn)定狀態(tài)和一個低溫度穩(wěn)定狀態(tài)。構(gòu)件在加熱時從低溫度穩(wěn)定狀態(tài)快速躍至高溫度穩(wěn)定狀態(tài)，而在冷卻時返回到低溫度穩(wěn)定狀態(tài)。在這種裝置中，雙金屬構(gòu)件在一個叫做上置位點的預(yù)定溫度上躍到其高溫度穩(wěn)定狀態(tài)，而在一個叫做下置位點的低溫度上返回到它的低溫度穩(wěn)定狀態(tài)。上、下置位點間的溫度差叫做溫差。一個執(zhí)行器的溫差可以用調(diào)整雙金屬盤的幾何尺寸加以控制，以便適合所需應(yīng)用。
熱動開關(guān)的接觸點動作時，希望動作迅速，保證接觸點快速斷開和閉合，以便減小電弧和接觸電阻，從而延長接觸點的壽命?？焖佘S動用一種采用一個雙金屬構(gòu)件的執(zhí)行器不難達到，只要這個構(gòu)件的溫差較高即可。然而當溫差減小時，躍動質(zhì)量就降低，接觸點的開合變慢。
提供一種快速溫度控制的電開關(guān)的嘗試在美國專利NO.1，918，491中有所說明。專利1，918，491中所揭示的裝置采用裝有相對的接觸點的二個雙金屬盤。當達到斷開溫度時，這二個具有不同熱特性的盤協(xié)同動作來保持加在接觸點上的壓力。然而專利1，918，491所示裝置在使用具有低溫差的盤時躍動仍較為拖沓。設(shè)計也比較復(fù)雜，而且不能方便地控制外裝接觸點。因此，這種設(shè)計不易結(jié)合到現(xiàn)存的開關(guān)設(shè)計中去。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種克服了以前技術(shù)的熱動執(zhí)行器的許多缺點的熱動執(zhí)行器。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種專用于控制熱動開關(guān)動作的熱動執(zhí)行器。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種即使在低溫差應(yīng)用時也能快速躍動的熱動執(zhí)行器。
本發(fā)明還有一個目的提供一種富有建設(shè)性的、能改型后適用于各現(xiàn)存設(shè)計的簡單快速執(zhí)行器。
因此，按照本發(fā)明所推薦的一個具體裝置，將二個雙穩(wěn)定雙金屬構(gòu)件機械地連在一起，以便整體運動。每一個構(gòu)件的溫差都比較高，保證了很好的快速動作。但這二個構(gòu)件的上、下置位點不同，可選擇得使一個構(gòu)件控制接觸點分開而另一個構(gòu)件控制接觸點閉合。這樣，通過適當選擇這二個構(gòu)件的置位點可以獲得低于每一單個構(gòu)件溫差的二構(gòu)件組合溫差。
通過以下詳述及對附圖的討論，本發(fā)明的各個目的和優(yōu)點就十分明白了。其中附圖有

圖1為用來控制開關(guān)動作的本發(fā)明執(zhí)行器的側(cè)剖視圖，示出了執(zhí)行器處于低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置的情況;
圖2為類似于圖1的側(cè)剖視圖，示出了執(zhí)行器處于高溫度穩(wěn)定狀態(tài)的情況;以及圖3為例示本發(fā)明執(zhí)行器工作原理的溫度柱圖。
現(xiàn)參照附圖，特別要注意圖1。所示為按本發(fā)明所設(shè)計的一個熱動執(zhí)行器，以數(shù)字10標記。為了說明起見，執(zhí)行器10安裝在一個熱動開關(guān)上，因為它特別適用于這類應(yīng)用，但要知道執(zhí)行器10也能用來驅(qū)動其它裝置。在所例示的具體裝置中，執(zhí)行器10由一對雙穩(wěn)定雙金屬構(gòu)件(即盤12和14)組成。所以說盤12和14是雙金屬的是因為它們由具有不同膨脹系數(shù)的殷鋼(一種鐵、鎳、碳、錳和硅的合金，具有很低的膨脹系數(shù))和鋼制成，它們可以用其它具有不同膨脹系數(shù)的材料制成，無論是金屬或非金屬都行，所謂雙金屬是指包括采用溫度系數(shù)不同的材料作成熱動執(zhí)行器的各種結(jié)構(gòu)。用易彎曲的高溫材料制成的第三個盤16夾在盤12和14之間。一種適用盤16的材料為由杜邦特(Dupont)制造、商標為卡普通(Kapton)的聚酰亞胺膜片。選擇盤16的厚度使盤12和14之間的距離為最佳，以便執(zhí)行器躍動最大。這三個盤之間有間隙，以增大執(zhí)行器的動作，這在下面將作說明。盤12、14和16被裝有熱動開關(guān)的內(nèi)殼20卡在外罩18內(nèi)。由于盤12和14的運動，熱動開關(guān)的可動接觸點20與不動接觸點20接合和斷開。分別從外罩18和內(nèi)殼19伸出的臺肩24和26卡住盤12、14和16的周邊，用來將盤12、14和16定位。調(diào)整臺肩24和26之間的間距，使得臺肩24和26之間的距離比盤12、14和16的組合厚度大5密耳左右，這樣保持盤12、14和16寬松就位，留有增大動作的間隙。彈性構(gòu)件28在執(zhí)行器10處于其高溫度位置時使接觸點20和22保持閉合(圖2)，當執(zhí)行器達到其低溫位置時由于執(zhí)行器10通過撞針30對構(gòu)件28施加壓力，接觸點被斷開(圖1)，這樣就打開和閉合了接在一對端子32和34之間的電路。
雖然執(zhí)行器10結(jié)合一個簡單的機械開關(guān)來予以說明，應(yīng)該看到這種執(zhí)行器可以用來操縱各種適用裝置(包括固態(tài)開關(guān)在內(nèi)的其它一些開關(guān)，調(diào)制電流或控制電路工作的裝置)，甚至用于諸如控制熱敏液壓或氣壓控制系統(tǒng)的閥那樣的機械控制器。
盤12和14每個都有一個高溫度穩(wěn)定狀態(tài)和一個低溫度穩(wěn)定狀態(tài)。例如，二個盤的低溫度穩(wěn)定狀態(tài)可以是這樣在室溫每個盤都凹側(cè)向下(圖1)，而當加熱到一個較高溫度時，盤躍到其高溫度穩(wěn)定狀態(tài)-盤凹側(cè)向上的狀態(tài)(圖2)。逐漸冷卻時，盤依舊保持凹側(cè)向上，直到盤冷卻到足夠時再翻轉(zhuǎn)到低溫度穩(wěn)定狀態(tài)。
盤12和盤14的熱動特性例示于圖3。柱圖49的區(qū)段50示出了盤12的熱動特性盤12的上置位點52和下置位點54。類似地，柱圖49的區(qū)段56示出了盤14的熱動特性盤14的上置位點58和下置位點60。柱圖區(qū)段50和56的各上、下置位點52、54和58、60規(guī)定了相應(yīng)的盤12和14由于加熱從低溫度穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷囟确€(wěn)定狀態(tài)和由機冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏囟确€(wěn)定狀態(tài)時的溫度。例如，在室溫時盤12(單獨工作)處于低溫度穩(wěn)定狀態(tài)凹側(cè)向下。由于受熱，盤12的下側(cè)面膨脹得比上側(cè)面快，因此要使盤躍動，使盤的凹側(cè)朝上。這種躍動發(fā)生在上置位點52。因此，高于上置位點(對盤12來說相應(yīng)為華氏145°)盤將繼續(xù)處于其高溫度穩(wěn)定狀態(tài)，盤的凹側(cè)朝上。由于冷卻，溫度跌到上置位點52(華氏145°)以下時，盤並不翻轉(zhuǎn)到其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)，而繼續(xù)保持在與高溫度穩(wěn)定位置相應(yīng)的位置上，直到溫度下降到下置位點54(在所示具體裝置中相應(yīng)的華氏110°)。低于下置位點54，盤12將翻轉(zhuǎn)到其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)。
低于下置位點54，盤12將保持處在其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)，并抵制任何使它變到高溫度穩(wěn)定狀態(tài)的機械壓力，一旦這類機械壓力除去，盤將返回到其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)。類似地，高于上置位點52，盤12將抵制任何使它呈現(xiàn)低溫度穩(wěn)定狀態(tài)的壓力，去除了這種壓力盤將返回到高溫度穩(wěn)定狀態(tài)。然而，在柱圖區(qū)段50所示的上置位點52和下置位點54之間的溫度范圍內(nèi)，盤12處于不定區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)，盤12既可以呈現(xiàn)高溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置也可以呈現(xiàn)低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置。沒有任何機械壓力，盤將保持在進入不定區(qū)時所處的那一個狀態(tài)，但可用機械壓力將盤機械地在高溫度和低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置之間移動，並且保持在它被移動到的那個位置上。上述說明也適用于盤14的工作情況，只是盤14的上、下置位點相應(yīng)的溫度比盤12的低，如在表示盤14的不定區(qū)的柱圖區(qū)段56二端的上、下置位點58和60所示(圖3)。
如由圖3可見，盤12和14每一個盤的上、下置位點之間的溫度差都近似為華氏35°，也就是說，盤12為華氏110°和華氏145°之間，盤14為華氏80°和華氏115°之間。上、下置位點之間的溫度差叫做盤的溫差。一般說來，較高的溫差(如圖3所示的那種)在高、低溫度穩(wěn)定狀態(tài)之間躍變時給出較強的躍動。
然而，在許多應(yīng)用中，例如在將溫度保持在很窄的溫度范圍內(nèi)的應(yīng)用中，由于另外一些原因並不希望溫差大到足以保證強勁的躍動。在這類應(yīng)用中要求采用具有小溫差的熱動開關(guān)。按本發(fā)明所設(shè)計的執(zhí)行器采用二個具有較高溫差、不同的上、下置位點的雙金屬構(gòu)件，就能完成這項任務(wù)。二個不定區(qū)有所重疊的雙金屬構(gòu)件機械上連在一起，這樣當一個構(gòu)件改變狀態(tài)時，將會對另一構(gòu)件施加機械壓力。由于這二個構(gòu)件具有重疊的不定區(qū)，當一個改變狀態(tài)時，另一個處在不定區(qū)。因此，當一個構(gòu)件改變狀態(tài)時，由于對另一個構(gòu)件施加了壓力，迫使它也改變狀態(tài)。上面所提到的構(gòu)件間的間隙使改變狀態(tài)的那個構(gòu)件在驅(qū)動另一個構(gòu)件前獲得動量，從而提供更為有利的躍動。例如，在所例示的具體裝置中，每個雙金屬盤的厚度為8密耳，卡普通盤的厚度為5密耳，而為了提供所需的間隙，臺肩24、26之間的間距則為26密耳。間隙的值根據(jù)實驗確定，隨所用具體盤的熱和機械特性的不同有所變化。如上面提到的那樣，盤16的厚度對最佳躍動來說也是至關(guān)重要，當采用上述8密耳的雙金屬盤時，實驗已經(jīng)確定厚度為5密耳為最佳。
如圖所示，具有較高的溫度置位點的盤12配置成其凸側(cè)面與具有較低溫度置位點的凹側(cè)面相鄰。諸如盤16的第三個盤用來在盤12和14之間傳遞能量。采用圖1所示的配置，盤12和14都處于它們的低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置，它們的凹側(cè)面朝下。在加熱過程中，首先碰到盤14的下置位點60。在這點，盤14進入其不定區(qū)，但盤12仍然處于其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)，因此沒有發(fā)生什么變化。隨著進一步加熱，達到盤12的下置位點54，而在該點，盤12和盤14都處于它們的不定區(qū)。因此，如果沒有什么機械壓力，也不會發(fā)生變化。
再進一步加熱，就要達到盤14的上置位點58，在這一點，盤14從其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)改變?yōu)楦邷囟确€(wěn)定狀態(tài)，對盤12施加壓力。由于盤12是處于其不定區(qū)，盤14所施加的壓力使它改變位置，從其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置改變?yōu)楦邷囟确€(wěn)定狀態(tài)位置，該組件就躍到與高溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置相應(yīng)的位置，從而驅(qū)動開關(guān)。組件將繼續(xù)保持在高溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置，直到溫度降到盤12的低置位點為止。在這下置位點，盤12將翻轉(zhuǎn)到其低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置，對處于其不定區(qū)的盤14施加壓力，從而組件就回到低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置。
因此，在所例示的具體裝置中，從低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置躍變到高溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置由盤14決定，而從高溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置躍變到低溫度穩(wěn)定狀態(tài)位置則由盤12控制。結(jié)果，通過適當選擇這二個盤的上、下置位點就可以獲得小溫差(在所示具體裝置中為5°)而不降低快速開關(guān)的有效性，因為快速地開關(guān)是由各單個盤的溫差來控制，而這溫差仍可以保持在一個相當高的值上。
權(quán)利要求
1.一種熱動執(zhí)行器，其中包括一個具有一個規(guī)定高溫度穩(wěn)定狀態(tài)的上置位點(52)和一個規(guī)定低溫度穩(wěn)定狀態(tài)的下置位點(54)的第一雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(12)；和一個具有一個規(guī)定高溫度穩(wěn)定狀態(tài)的上置位點(58)和一個規(guī)定低溫度穩(wěn)定狀態(tài)的下置位點(60)的第二雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(14)，所述第二雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(14)的上置位點(58)在第一雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(12)的上、下置位點(52、54)之間，而所述第二雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(14)的下置位點(60)低于第一雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(12)的下置位點(54)，所述第一、第二雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(12、14)機械相連，形成一個具有一個由所述第二雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(14)的上置位點(58)確定的高溫度穩(wěn)定狀態(tài)和一個由所述第一雙穩(wěn)雙金屬構(gòu)件(12)的下置位點(54)確定的低溫度穩(wěn)定狀態(tài)的雙穩(wěn)熱動執(zhí)行器(10)。
2.一種在權(quán)利要求1中所提出的熱動執(zhí)行器，其中所述雙金屬構(gòu)件(12、14)呈盤形。
3.一種在權(quán)利要求1中所提出的熱動執(zhí)行器，該執(zhí)行器還包括含有一個夾在所述盤形雙金屬構(gòu)件(12、14)之間以將所述盤形雙金屬構(gòu)件機械相連的一個第三盤形構(gòu)件(16)的裝置。
4.一種在權(quán)利要求3中所提出的熱動執(zhí)行器，其中所述第三盤形構(gòu)件(16)用來在所述第一、第二盤形構(gòu)件(12、14)之間提供一個精確的間距。
5.一種在權(quán)利要求3中所提出的熱動執(zhí)行器，該執(zhí)行器還包括具有一對用來寬松地支承所述盤形構(gòu)件(12、14和16)的有間距構(gòu)件(24、26)、在所述盤形構(gòu)件(12、14和16)與所述有間距構(gòu)件(24、26)之間存有間隙的裝置(24、26)。
6.一種在權(quán)利要求5中所提出的熱動執(zhí)行器，其中所述盤形構(gòu)件(12、14和16)之間的總間隙大致為5密耳量級。
7.一種在權(quán)利要求6中所提出的熱動執(zhí)行器，其中所述盤形雙金屬構(gòu)件(12、14)每一個的厚度大致為8密耳量級。
8.一種在權(quán)利要求7中所提出的熱動執(zhí)行器，其中所述第三盤形構(gòu)件(16)的厚度大致為5密耳量級。
9.一種在權(quán)利要求3中所提出的熱動執(zhí)行器，其中所述第三盤形構(gòu)件(16)由一種高溫、易彎曲材料制造。
10.一種在權(quán)利要求9中所提出的熱動執(zhí)行器，其中所述材料為聚酰亞胺膜片。
11.一種在權(quán)利要求1中所提出的熱動執(zhí)行器，該執(zhí)行器還包括操作上連到一個所述二金屬構(gòu)件、用來控制一個電路工作的裝置(20、22、28、30)。
全文摘要
具有低溫差的熱動執(zhí)行器一般說來躍動性能不好。為了克服這個問題，即使在要求低溫差的情況下也能提供一個快速、可靠躍動的熱動執(zhí)行器，快速熱動執(zhí)行器(10)用了一對具有不同溫度特性、機械相連的雙金屬構(gòu)件(12、14)。這種執(zhí)行器對于控制熱動開關(guān)中電接觸點(20、22)的動作特別有用。
文檔編號H01H37/54GK1042799SQ8910860
公開日1990年6月6日 申請日期1989年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月18日
發(fā)明者卡爾·H·華來士 申請人:標準數(shù)字控制公司