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熱雙金屬在溫控器，溫控開(kāi)關(guān)中的實(shí)際應(yīng)用

摘要：介紹了機(jī)械式溫控器中的核心元件———熱雙金屬的主要生產(chǎn)廠家，原材料及生產(chǎn)方式，工作原理及在熱保護(hù)器、溫控器、過(guò)載保護(hù)器中的實(shí)際應(yīng)用。

：熱雙金屬；熱保護(hù)器；溫控器；溫度開(kāi)關(guān)；過(guò)載保護(hù)器；恒溫器應(yīng)用

自1858年英國(guó)Wilson公司用黃銅和鋼制成熱雙

金屬并取得以來(lái)，熱雙金屬的生產(chǎn)和應(yīng)用已有一百多年的歷史。由于熱雙金屬具有穩(wěn)定可靠靈敏的記憶合金的特性，在我國(guó)溫控開(kāi)關(guān)，熱保護(hù)器等控溫器行業(yè)中更大量應(yīng)用，現(xiàn)將熱雙金屬的生產(chǎn)廠家、工作原理等及在熱保護(hù)器，溫控開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)介如下：

1 熱雙金屬簡(jiǎn)介

1.1 主要生產(chǎn)廠家

目前上生產(chǎn)熱雙金屬的主要生產(chǎn)廠家仍集中在歐美和日本，我國(guó)近幾年來(lái)在熱雙金屬的研究和生產(chǎn)上也有較大的發(fā)展，其中我們搜集到的代表性企業(yè)列在表1。 表1

1.2 熱雙金屬片原材料及生產(chǎn)方式簡(jiǎn)介

1.2.1 原材料的成分

各廠家的熱雙金屬原材料基本相同，基體均為鐵質(zhì)和銅質(zhì)合金，加入鎳錳等元素改變其膨脹系數(shù)，產(chǎn)生高膨脹側(cè)和低膨脹側(cè)合金，再?gòu)?fù)合組成。有時(shí)為了改變材料的電阻率，會(huì)加入中間合金。高膨脹側(cè)（主動(dòng)層）：鎳鉻合金、鎳錳合金、銅鋅合金。

如：Mn72Ni10Cu18、Ni22Cr3、Ni20Mn6等。

低膨脹側(cè)（被動(dòng)層）：鎳合金、鉻合金。

如：Ni36、Ni45、Crl7等。

中間層：銅、鎳、低碳鋼

高膨脹側(cè)和低膨脹側(cè)的合金成分配比不同，厚度不同，加上中間層金屬的調(diào)節(jié)，可得

到近百種熱雙金屬材料（具體的材料及性能可查閱各熱雙金屬?gòu)S家說(shuō)明書(shū)）。

1.2.2 生產(chǎn)方式

熱雙金屬的生產(chǎn)方式經(jīng)歷了由熔合法、接合法、塊狀軋制復(fù)合法到連續(xù)固相復(fù)合法的發(fā)展階段?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外較的廠家均使用連續(xù)固相復(fù)合法。其工藝流程為：原材料-清洗-復(fù)合-退火-精軋-蝕印-分條-平整-精整-包裝，連續(xù)固相復(fù)合法又分為室溫固相復(fù)合法和連續(xù)熱復(fù)合法。其生產(chǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。表2

1.3 工作原理

當(dāng)溫度變化時(shí)，因?yàn)殡p金屬高膨脹側(cè)的

膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低膨脹側(cè)的膨脹系數(shù)，故產(chǎn)生彎曲，我們就利用這種彎曲工作。用圖1示意之。

圖1

2 熱雙金屬在熱保護(hù)器、溫控器、溫控開(kāi)關(guān)。過(guò)載保護(hù)器中的應(yīng)用分析

在熱保護(hù)器、溫控器、過(guò)載保護(hù)器，溫控開(kāi)關(guān)中，首先將熱雙金屬帶材沖裁落料成片狀，而后預(yù)先成型成碟型。此時(shí)的碟型熱雙金屬片已有固定的動(dòng)作、復(fù)位溫度。單片動(dòng)作溫度一般在50~180℃左右，復(fù)位溫度一般在0~150℃左右。再裝入熱保護(hù)器中，并形成一定的機(jī)械預(yù)應(yīng)力，使熱保護(hù)器終動(dòng)作溫度分布在A+5℃（AE50~160，每5℃為一檔）。

熱保護(hù)器，溫控開(kāi)關(guān)及雙金屬接入電路有四種形式，如圖2所示。種結(jié)構(gòu)為熱雙金屬直接通過(guò)電流，第四種結(jié)構(gòu)為熱雙金屬不直接通過(guò)電流，僅為接受電熱絲等產(chǎn)生的熱而突跳。

A-碟型熱雙金屬B-電熱絲C- 圖2

2.1 選用過(guò)程

（1）設(shè)計(jì)選用熱雙金屬時(shí)應(yīng)考慮的范圍：

工作溫度范圍熱敏元件承受大溫度所需動(dòng)作產(chǎn)生的力和轉(zhuǎn)矩元件動(dòng)作極限的高溫和低溫點(diǎn)元件加靜載空間容積元件承受電流

（2）應(yīng)考慮的雙金屬主要參數(shù)有：

比彎曲 彈性模量 硬度 尺寸精度 電阻率 使用溫度范圍

（3）選用的方法

在雙金屬的幾個(gè)參數(shù)中，在不同的條件下重點(diǎn)各不相同，首先要根據(jù)自己的實(shí)際使用要求和各熱雙金屬?gòu)S的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，選擇合適使用溫度范圍的雙金屬（一般來(lái)說(shuō)，家用電器控溫器，溫控開(kāi)關(guān)一般均在200℃內(nèi)工作，熱雙金屬可在370~540℃內(nèi)正常工作，完勝任

之。）。而后考慮雙金屬應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)作的力及轉(zhuǎn)矩，選擇合適的比彎曲和彈性模量。再選

擇適合各自的成型工藝及設(shè)備的熱雙金屬的尺寸、硬度、彈性模量。再根據(jù)保護(hù)器電流時(shí)

間要求及熱容腔的效應(yīng)，選擇合適的電阻率。比彎曲則一般來(lái)說(shuō)，大的比小的能產(chǎn)生更大

的推力和位移。

2.2 雙金屬電阻率、形狀的影響

設(shè)計(jì)熱保護(hù)器時(shí)，核心技術(shù)為殼體（即熱容腔）、電熱絲和雙金屬三者之間的匹配。這

是一組相互矛盾的統(tǒng)一體，他們?nèi)咧腥我庾兓?，溫度開(kāi)關(guān)，匹配合理，則可以確定一種熱保護(hù)器，溫控開(kāi)關(guān)的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，由于模具及生產(chǎn)成本的原因，每一間生產(chǎn)熱保護(hù)器的公司均只有1~3種殼體，而電熱絲也受大允許電流條件的約束而只能在一個(gè)有限的范圍之內(nèi)變化。當(dāng)電熱絲和殼體已不能再做調(diào)整時(shí)，變換雙金屬材料或形狀則會(huì)起到非常好的效果。如在圖2的①~③結(jié)構(gòu)中，雙金屬通過(guò)電流時(shí)發(fā)熱，雙金屬的電流熱效應(yīng)公式為：

根據(jù)此公式可以計(jì)算雙金屬的電阻值變化對(duì)熱能貢獻(xiàn)的大小。選擇電阻高的雙金屬會(huì)產(chǎn)生更多的熱，使熱保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間變短，小動(dòng)作電流變小。選擇電阻低的雙金屬則相反。

雙金屬的電阻受電阻率高低、形狀的大小及厚度影響。

其中電阻率影響為明顯，如以EMS公司的雙金屬中選幾個(gè)典型列于表3。表3

從表3可見(jiàn)，電阻率從15~850均有，其熱效應(yīng)差50多倍。對(duì)保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流的作用是相當(dāng)明顯的。

2.3 雙金屬?gòu)椥阅Ａ?、比彎曲的影響在圖2的結(jié)構(gòu)④中，因?yàn)殡p金屬不通過(guò)電流，所以電阻率此時(shí)已不重要。此時(shí)要求雙金屬能產(chǎn)生較大的推力和位移以頂起雙金屬片上的。而根據(jù)以下公式：

從公式可見(jiàn)，K值越大，則雙金屬產(chǎn)生的推力和位移均加大，增大厚度h可以加大推力，但卻使位移縮小。所以在此結(jié)構(gòu)中，華恒欣科技?選擇大比彎曲值的雙金屬，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到了佳效果。

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