熱雙金屬在溫控器,溫控開關中的實際應用
摘要：介紹了機械式溫控器中的核心元件———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、溫控器、過載保護器中的實際應用。

關鍵詞：熱雙金屬；熱保護器；溫控器；溫度開關；過載保護器；恒溫器應用

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，熱雙金屬的生產和應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，熱保護器等控溫器行業(yè)中更大量應用，現(xiàn)將熱雙金屬的生產廠家、工作原理等及在熱保護器，溫控開關中的應用的一些實踐經(jīng)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(shù)，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：Mn72Ni10Cu18、Ni22Cr3、Ni20Mn6等。

低膨脹側（被動層）：鎳合金、鉻合金。

如：Ni36、Ni45、Crl7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(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 生產方式

熱雙金屬的生產方式經(jīng)歷了由熔合法、爆炸接合法、塊狀軋制復合法到連續(xù)固相復合法的發(fā)展階段。現(xiàn)國內外較先進的廠家均使用連續(xù)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-包裝，連續(xù)固相復合法又分為室溫固相復合法和連續(xù)熱復合法。其生產的優(yōu)缺點見表2。表2

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(shù)遠遠高于低膨脹側的膨脹系數(shù)，故產生彎曲，我們就利用這種彎曲工作。用圖1示意之。

圖1

2 熱雙金屬在熱保護器、溫控器、溫控開關。過載保護器中的應用分析

在熱保護器、溫控器、過載保護器，溫控開關中，首先將熱雙金屬帶材沖裁落料成片狀，而后預先成型成碟型。此時的碟型熱雙金屬片已有固定的動作、復位溫度。單片動作溫度一般在50~180℃左右，復位溫度一般在0~150℃左右。再裝入熱保護器中，并形成一定的機械預應力，使熱保護器最終動作溫度分布在A+5℃（AE50~160，每5℃為一檔）。

熱保護器，溫控開關及雙金屬接入電路有四種形式，如圖2所示。前三種結構為熱雙金屬直接通過電流，第四種結構為熱雙金屬不直接通過電流，僅為接受電熱絲等產生的熱而突跳。

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(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

在雙金屬的幾個參數(shù)中，在不同的條件下重點各不相同，首先要根據(jù)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，溫控開關一般均在200℃內工作，熱雙金屬可在370~540℃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(jù)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之間的匹配。這

是一組相互矛盾的統(tǒng)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，溫控開關的參數(shù)。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①~③結構中，雙金屬通過電流時發(fā)熱，雙金屬的電流熱效應公式為：

根據(jù)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。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④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(jù)以下公式：

從公式可見，K值越大，則雙金屬產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。所以在此結構中，華恒欣科技?選擇最大比彎曲值的雙金屬，使產品設計達到了最佳效果。

溫控開關，熱保護器，溫控器