1、熱雙金屬簡介及在熱保護器中的應用周亦武,程建蕊(萬寶冷機廣州電器有限公司,廣州市510220摘要:介紹了控溫器中的核心元件熱雙金屬的主要生產廠家,原材料及生產方式,工作原理及在熱保護器中的實際應用。A b s t r a c t :T h i s p a pe r i n t r o d u c e s t h ec e n t e r e l e m e n tof t h e r m o s t a t -t h e r m o -b i m e t a l s h e e t ,c o v e r i ng th em a n u f a c t u r e r si n s i d e

2、 a n d o u t s i d eC h i n a ,t h e r a w m a t e r i a l a n d p r o -c e s s i n g m e t h o d a sw e l l a s t h e i rw o r k i n g p r i n c i l e a n d a c t u a l a p p l i c a t i o n o n t h e r m o -p r o -t e c t o r s .關鍵詞:熱雙金屬;熱保護器;應用K e yw o r d s :t h e r m o -b i m e t a l ;t h e r m

3、 o -p r o t e c t o r ;a p p l i c a t i o n 中圖分類號:T M 582.2文獻標識碼:C 文章編號:1004-0056(200103-0042-03自1858年英國W i l s o n 公司用黃銅和鋼制成熱雙金屬并取得專利以來,熱雙金屬的生產和應用已有一百多年的歷史。由于熱雙金屬具有穩定可靠靈敏的記憶合金的特性,在我國控溫器行業中更大量應用,現將熱雙金屬的生產廠家、工作原理等及在熱保護器中的應用的一些實踐經驗簡介如下:1熱雙金屬簡介1.1主要生產廠家目前世界上生產熱雙金屬的主要生產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上也有較

4、大的發展,其中我們搜集到的代表性企業列在表1。表1美國歐洲日本中國T e x a s I n s t r u -m e n t s H o o dP M C C H A C EW I L C O德國V A C A M G 瑞典K A N T H A L 法國I M P H Y 住友日立東芝佛山精密電工合金有限公司上海鋼研所1.2熱雙金屬片原材料及生產方式簡介1.2.1原材料的成分各廠家的熱雙金屬原材料基本相同,基體均為鐵質和銅質合金,加入鎳錳等元素改變其膨脹系數,產生高膨脹側和低膨脹側合金,再復合組成。有時為了改變材料的電阻率,會加入中間合金。高膨脹側(主動層:鎳鉻合金、鎳錳合金、銅鋅合金。如

5、:M n 72N i 10C u 18、N i 22C r 3、N i 20M n 6等。低膨脹側(被動層:鎳合金、鉻合金。如:N i 36、N i 45、C r l 7等。中間層:銅、鎳、低碳鋼高膨脹側和低膨脹側的合金成分配比不同,厚度不同,加上中間層金屬的調節,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生產方式242001年第3期電機電器技術=材料與工藝熱雙金屬的生產方式經歷了由熔合法、爆炸接合法、塊狀軋制復合法到連續固相復合法的發展階段。現國內外較先進的廠家均使用連續固相復合法。其工藝流程為:原材料-清洗-復合-退火-精軋-蝕印-分條-平整-精整-包

6、裝連續固相復合法又分為室溫固相復合法和連續熱復合法。其生產的優缺點見表2。表2室溫固相復合法連續熱復合法優點1.室溫下固相復合,不需復雜的溫控設備;2.軋制后產品表面光潔度高;3.板形保證良好。1.壓下量小,軋機小;2.加工前表面光潔度要求較低;3.退火時間短,退火目的是以消除應力為主,擴散退火次之;4.復合強度高;5.內應力低。缺點1.壓下比大,高達70%,軋機噸位大;2.加工前表面清潔要求嚴格;3.擴散退火時間長,加熱設備龐大;4.需在合金表面打磨粗糙,并要立即合成,否則又會氧化;5.復合強度相對較低。1.加熱時必須通保護性氣體,增加成本;2.高低膨漲側加溫時不同,溫度控制設備要精確;3.

7、加熱時表面易氧化,要預先除磷處理,光潔度稍差;4.潤滑困難,潤滑劑要耐高溫;5.張力控制困難(較大張力,板形難保證;6.控溫保溫要求嚴格,軋制時均溫控制困難。1.3工作原理當溫度變化時,因為雙金屬高膨脹側的膨脹系數遠遠高于低膨脹側的膨脹系數,故產生彎曲,我們就利用這種彎曲工作。用圖1示意之。a代表高膨脹側b代表低膨脹側圖12熱雙金屬在熱保護器中的應用分析A-碟型熱雙金屬B-電熱絲C-簧片2.1選用過程(1設計選用熱雙金屬時應考慮的范圍:工作溫度范圍熱敏元件承受最大溫度所需動作產生的力和轉矩元件動作極限的高溫和低溫點元件加靜載空間容積元件承受電流(2應考慮的雙金屬主要參數有:比彎曲彈性模量硬度尺

8、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參數中,在不同的條件下重點各不相同,首先要根據自己的實際使用要求和各熱雙金屬廠的產品說明書,選擇合適使用溫度范圍的雙金屬(一般來說,家用電器控溫器一般均在200內工作,熱雙金屬可在370540內正常工作,完全能勝任之。而后考慮雙金屬應產生的動作的力及轉矩,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備的熱雙金屬的尺寸、硬度、彈性模量。再根據保護器電流時間要求及熱容腔的效應,選擇合適的電阻率。比彎曲則一般來說,大的比小的能產生更大的推力和位移。2.2雙金屬電阻率、形狀的影響設計熱保護器時,核心技術為殼體(即熱容腔、電熱絲和雙金屬三者

9、之間的匹配。這是一組相互矛盾的統一體,他們三者之中任意變化,匹配合理,則可以確定一種熱保護器的參數。一般來說,由于模具及生產成本的原因,每一間生產熱保護器的公司均只有13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有限的范圍之內變化。當電熱絲和殼體已不能再做調整時,變換雙金屬材料或形狀則會起到非常好的效果。如在圖2的結構中,雙金屬通過電流時發熱,雙金屬的電流熱效應公式為:Q E t 0I 2R d t 式中:Q 熱量/JI 電流/AR 電阻/AT 時間/s根據此公式可以計算雙金屬的電阻值變化對熱能貢獻的大小。選擇電阻高的雙金屬會產生更多的熱,使熱保護器的動作時間變短,最小動作電流變小

10、。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。R E pL /S 式中:R 電阻/Ap電阻率/A m L 長度/mS 截面積/m m2其中電阻率影響最為明顯,如以T I 公司的雙金屬中選幾個典型列于表3。表3F 15RF 50R F 100R B 1P 675P 850電阻率(歐姆.園密爾/英尺1550100475675850從表3可見,電阻率從15850均有,其熱效應差50多倍。對保護器的動作時間和動作電流的作用是相當明顯的。2.3雙金屬彈性模量、比彎曲的影響在圖2的結構中,因為雙金屬不通過電流,所以電阻率此時已不重要。此時要求雙金屬能產生較大的推力和位移以頂起雙金屬片上的簧片。而根據以下公式:P EK (T 2-T 1E h 2f EK (D -d (T 2-T 1/4h 2442001年第3期電機電器技術=材料與工藝!式中:P 推力/10NK 比彎曲/(1/(T 2T 1溫度差/E 彈性模量/(10M P a h 厚度/m m f 撓度/m mD 碟片半徑/m md 中心孔徑/m m從公式可見,K 值越大,則雙金屬產生的推力和位移均加