熱雙金屬在溫控器,溫控開關(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、過載保護(hù)器中的實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:熱雙金屬;熱保護(hù)器;溫控器;溫度開關(guān);過載保護(hù)器;恒溫器應(yīng)用
自1858年英國Wilson公司用黃銅和鋼制成熱雙
金屬并取得專利以來,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,在我國溫控開關(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
目前世界上生產(chǎn)熱雙金屬的主要生產(chǎn)廠家仍集中在歐美和日本,我國近幾年來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,再復(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廠家說明書)。
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、爆炸接合法、塊狀軋制復(fù)合法到連續(xù)固相復(fù)合法的發(fā)展階段。現(xiàn)國內(nèi)外較先進(jìn)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、溫控開關(guān)。過載保護(hù)器中的應(yīng)用分析
在熱保護(hù)器、溫控器、過載保護(hù)器,溫控開關(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)器最終動(dòng)作溫度分布在A+5℃(AE50~160,每5℃為一檔)。
熱保護(hù)器,溫控開關(guān)及雙金屬接入電路有四種形式,如圖2所示。前三種結(jié)構(gòu)為熱雙金屬直接通過電流,第四種結(jié)構(gòu)為熱雙金屬不直接通過電流,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-簧片 圖2
2.1 選用過程
(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最大溫度所需動(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廠的產(chǎn)品說明書,選擇合適使用溫度范圍的雙金屬(一般來說,家用電器控溫器,溫控開關(guān)一般均在200℃內(nèi)工作,熱雙金屬可在370~540℃內(nèi)正常工作,完全能勝任
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。比彎曲則一般來說,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)咧腥我庾兓ヅ浜侠恚瑒t可以確定一種熱保護(hù)器,溫控開關(guān)的參數(shù)。一般來說,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,而電熱絲也受最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,最小動(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。
其中電阻率影響最為明顯,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,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 雙金屬彈性模量、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簧片。而根據(jù)以下公式:
從公式可見,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®選擇最大比彎曲值的雙金屬,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到了最佳效果。