一種新型防塵散熱開關工作原理

吳俊江

(首都師范大學附屬中學高三（5）班，北京，100048)

1 研究背景

開關為一個可以使電路開路、使電流中斷或使其流到其他電路的電子元件分類較多。現有的散熱開關在使用時存在一定的弊端，這些弊端就是產生各種事故的根源，很多劣質開關在通電瞬間被強大電流燒毀，為消除隱患，現有的開關制作方法和流程需要進一步改進[1]。為解決這一問題，曹葉飛等在大電流中壓交流設備中采用氣體絕緣金屬封閉開關[2]，鐘寧帆等在傳統的硬開關高頻模式下在本安電源Buck變換器中發明了軟開通和關斷[3]，韓喜俊則解決了兩線制接近開關中防水、防震、耐腐蝕金屬的使用問題[3]，但對于220-380V家用開關的防塵散熱問題，國內相關研究較少。針對以上問題，受到電器柜結構散熱與通風工作原理的啟發[5]，本文提出了一種新型防塵散熱開關，創新點在于改進了常用開關的保護蓋、熒光條、防護門和散熱板。

2 工作原理

2.1 技術原理

對開關進行技術改造，改造步驟如下。

改進保護蓋：該保護蓋的一端外表面固定安裝有連接轉軸，且連接轉軸的一端外表面設有阻燃底座，阻燃底座的一端外表面固定安裝有面板，且面板的外表面設有一號插孔，靠近面板的外表面一號插孔的下方設有二號插孔，且靠近面板的外表面一號插孔的一側設有控制鈕；固定螺孔的數量為四組，且固定螺孔分別平行放置；連接轉軸的數量為兩組，且連接轉軸分別平行放置。

改進散熱板：將散熱板安裝于阻燃底座的下端，且阻燃底座的一側外表面設有火線端，靠近阻燃底座的一側外表面火線端的下方設有地線端，且靠近地線端的一側設有零線端。

新增熒光條：熒光條位于控制鈕的外表面，阻燃底座的內部內表面設有阻燃支架，且阻燃支架的外表面設有固定螺孔，靠近阻燃底座的內部內表面阻燃支架的下方設有二號阻燃支架；熒光條的一端外表面通過控制鈕的一端外表面與面板的外表面固定連接，且控制鈕的外表面涂有疏水疏油層。

改進防護門：兒童防護門位于靠近二號阻燃支架的下方，其下方設有導電配件。

在安裝過程中，需要注意以下四點要求：二號阻燃支架的外表面設有暗盒，暗盒的數量為兩組，暗盒為一種PVC材質的構件。

2.2 實施方案

在設計防塵散熱開關時，通過設置的保護蓋1，能夠起到防塵防水的作用圖1(a），防止水漬與灰塵進入到開關內部影響使用壽命，保護蓋1上安裝有連接轉軸2，連接轉軸2的一端與面板4固定連接，可方便用戶在使用時打開保護蓋1，面板4上有一號插孔5與二號插孔6（圖2），可方便適應不同種類的插頭，以滿足用戶的不同需要，通過設置的控制鈕7，可控制開關內的電源接連的關系，控制鈕7的外表面有熒光條8，在光線昏暗的環境里，能夠起到提示醒目的作用，即使在昏暗的環境里也可以進行操作，通過設置的兒童防護門12，采用了獨立的安全門設計，單控需要較大的力氣才能打開，而當普通插頭插入時，只需適當的力就可以打開，能夠防止由兒童好奇而引起的觸點事故，散熱板14被設置在阻燃底座3的下端，相比較于傳統的設置在開關的背部，現在的散熱板14更加便于開關的散熱降溫，并且不容易積累灰塵，延長了開關的使用壽命，通過設置的阻燃支架9，阻燃支架9上有固定螺孔10，可方便與面板4與二號阻燃支架11固定連接，便于安裝拆卸，通過設置的導電配件13，主要負責開關內部的電力傳輸，火線端15和零線端17構成供電的主要電源，地線端16又稱做避雷線，是用來將電流引入大地的導線，電氣設備出現漏電與電壓過高的問題時，電流通過地線進入大地，較為安全，面板4為一體化壓鑄而成，更加高硬，耐磨，耐刮花，不易變色，較為實用圖1(b）。

圖1 (a) 防塵散熱開關的整體結構示意圖

圖1 (b) 防塵散熱開關剖析圖

圖2 防塵散熱開關的阻燃底座局部放大圖

2.3 性能參數

新型防塵散熱開關主要的性能參數如下。

（1）工作環境：工作溫度:0～50℃(-20℃到70℃儲存)，相對濕度:10～95% @ 40℃(不凝露)，電磁干擾符合FCC/VDE A級標準。

（2）接觸電阻：開關接通時，“接觸對”(兩觸點)導體間的電阻值叫做接觸電阻。該值要求越小越好，其數值按電路的工作要求及開關的結構類型各有不同的規定，如小型瓷質波段開關及微動開關等的常態接觸電阻大于0.01ω，電源開關則大于0.02ω，—般開關多在0.02ω以下。

（3）觸點容量：指觸點能通過電流的能力。有的開關在規定電流容量的同時，對負載性質也有所要求，如無感性負載的觸點在有感參量的電路中工作時電流定額應相應減小。

（4）耐壓：分和觸點要保證一對觸點斷開時不擊穿，各種開關的技術條件中都規定了其額定工作電壓的數值。本次設計的新型開關的耐壓至少大于380 v交流電(頻率50 hz)。

（5）絕緣電阻：不相接觸的開關導體之間的電阻稱為絕緣電阻。本次設計的新型開關的絕緣電阻要求在100 mω以上。

（6）壽命與可靠性：壽命是指開關在正常條件下能工作的有效次數（使用次數），本次設計要求在10000~50000次以上。長壽命的幵關可達100萬次，有的鈕子開關壽命可達4000萬次，微動開關則可高達1~2億次。可靠性是指開關在工作過程中接觸可靠以及不產生誤動作。

3 實驗測試

該新型開關經過了一系列實驗測試，其散熱防塵性能總體表現穩定（表1），證實本方案設計具有實用性和可靠性。

表1 防塵散熱開關測試結果表

4 討論

由于新型防塵散熱開關設有保護蓋、熒光條、兒童防護門、散熱板[6]，因此能夠起到防塵防水的作用，防止水漬與灰塵進入到開關內部影響使用壽命，在光線昏暗的環境里，能夠起到提示醒目的作用，即使在昏暗的環境里也可以進行操作，獨立的安全門設計，單控需要較大的力氣才能打開，而當普通插頭插入時，只需適當的力就可以打開，能夠防止由兒童好奇而引起的觸點事故，提高了開關的散熱效果。其電壽命達到10萬次，該方案可適用于企事業單位各類電器，具有廣闊的應用前景。

在采用本方案進行產品生產時，需要注意四個方面：首先是接線端子建議采用速接端子，該端口采用TodayHot端口，接線簡單快速，且安全可靠；其次觸點采用硬度較高的彈簧，以降低接觸電阻；熒光開關電源發光型(如氖泡)，可長期發光；絕緣材料要求質地堅硬，成型后結構嚴密，且分量較重的PVC材料，并對其核心部件做燃燒實驗；開關觸電建議選擇銀鋰合金觸電，該類型觸電即保證了銀的良好導電性，又有效提高

了其熔點和硬度，可以有效預防反復使用后變形等問題。