热双金属在温控器，温控开关中的实际应用

摘要：介绍了机械式温控器中的核心元件———热双金属的主要生产厂家，原材料及生产方式，工作原理及在热保护器、温控器、过载保护器中的实际应用。

关键词：热双金属；热保护器；温控器；温度开关；过载保护器；恒温器应用

自1858年英国Wilson公司用黄铜和钢制成热双

金属并取得专利以来，热双金属的生产和应用已有一百多年的历史。由于热双金属具有稳定可靠灵敏的记忆合金的特性，在我国温控开关，热保护器等控温器行业中更大量应用，现将热双金属的生产厂家、工作原理等及在热保护器，温控开关中的应用的一些实践经验简介如下：

1 热双金属简介

1.1 主要生产厂家

目前世界上生产热双金属的主要生产厂家仍集中在欧美和日本，我国近几年来在热双金属的研究和生产上也有较大的发展，其中我们搜集到的代表性企业列在表1。 表1

1.2 热双金属片原材料及生产方式简介

1.2.1 原材料的成分

各厂家的热双金属原材料基本相同，基体均为铁质和铜质合金，加入镍锰等元素改变其膨胀系数，产生高膨胀侧和低膨胀侧合金，再复合组成。有时为了改变材料的电阻率，会加入中间合金。高膨胀侧（主动层）：镍铬合金、镍锰合金、铜锌合金。

如：Mn72Ni10Cu18、Ni22Cr3、Ni20Mn6等。

低膨胀侧（被动层）：镍合金、铬合金。

如：Ni36、Ni45、Crl7等。

中间层：铜、镍、低碳钢

高膨胀侧和低膨胀侧的合金成分配比不同，厚度不同，加上中间层金属的调节，可得

到近百种热双金属材料（具体的材料及性能可查阅各热双金属厂家说明书）。

1.2.2 生产方式

热双金属的生产方式经历了由熔合法、接合法、块状轧制复合法到连续固相复合法的发展阶段。现国内外较先进的厂家均使用连续固相复合法。其工艺流程为：原材料-清洗-复合-退火-精轧-蚀印-分条-平整-精整-包装，连续固相复合法又分为室温固相复合法和连续热复合法。其生产的优缺点见表2。表2

1.3 工作原理

当温度变化时，因为双金属高膨胀侧的

膨胀系数远远高于低膨胀侧的膨胀系数，故产生弯曲，我们就利用这种弯曲工作。用图1示意之。

图1

2 热双金属在热保护器、温控器、温控开关。过载保护器中的应用分析

在热保护器、温控器、过载保护器，温控开关中，首先将热双金属带材冲裁落料成片状，电机热保护器认证，而后预先成型成碟型。此时的碟型热双金属片已有固定的动作、复位温度。单片动作温度一般在50~180℃左右，复位温度一般在0~150℃左右。再装入热保护器中，并形成一定的机械预应力，吸尘器电机电机热保护器，使热保护器终动作温度分布在A+5℃（AE50~160，每5℃为一档）。

热保护器，温控开关及双金属接入电路有四种形式，如图2所示。前三种结构为热双金属直接通过电流，第四种结构为热双金属不直接通过电流，仅为接受电热丝等产生的热而突跳。

A-碟型热双金属B-电热丝C-簧片 图2

2.1 选用过程

（1）设计选用热双金属时应考虑的范围：

工作温度范围热敏元件承受大温度所需动作产生的力和转矩元件动作极限的高温和低温点元件加静载空间容积元件承受电流

（2）应考虑的双金属主要参数有：

比弯曲 弹性模量 硬度 尺寸精度 电阻率 使用温度范围

（3）选用的方法

在双金属的几个参数中，在不同的条件下重点各不相同，首先要根据自己的实际使用要求和各热双金属厂的产品说明书，选择合适使用温度范围的双金属（一般来说，家用电器控温器，温控开关一般均在200℃内工作，热双金属可在370~540℃内正常工作，完全能胜任

之。）。而后考虑双金属应产生的动作的力及转矩，选择合适的比弯曲和弹性模量。再选

择适合各自的成型工艺及设备的热双金属的尺寸、硬度、弹性模量。再根据保护器电流时

间要求及热容腔的效应，选择合适的电阻率。比弯曲则一般来说，大的比小的能产生更大

的推力和位移。

2.2 双金属电阻率、形状的影响

设计热保护器时，核心技术为壳体（即热容腔）、电热丝和双金属三者之间的匹配。这

是一组相互矛盾的统一体，他们三者之中任意变化，匹配合理，则可以确定一种热保护器，温控开关的参数。一般来说，由于模具及生产成本的原因，每一间生产热保护器的公司均只有1~3种壳体，而电热丝也受大允许电流条件的约束而只能在一个有限的范围之内变化。当电热丝和壳体已不能再做调整时，变换双金属材料或形状则会起到非常好的效果。如在图2的①~③结构中，双金属通过电流时发热，双金属的电流热效应公式为：

根据此公式可以计算双金属的电阻值变化对热能贡献的大小。选择电阻高的双金属会产生更多的热，使热保护器的动作时间变短，小动作电流变小。选择电阻低的双金属则相反。

双金属的电阻受电阻率高低、形状的大小及厚度影响。

其中电阻率影响为明显，如以EMS公司的双金属中选几个典型列于表3。表3

从表3可见，电阻率从15~850均有，其热效应差50多倍。对保护器的动作时间和动作电流的作用是相当明显的。

2.3 双金属弹性模量、比弯曲的影响在图2的结构④中，因为双金属不通过电流，所以电阻率此时已不重要。此时要求双金属能产生较大的推力和位移以顶起双金属片上的簧片。而根据以下公式：

从公式可见，K值越大，则双金属产生的推力和位移均加大，增大厚度h可以加大推力，但却使位移缩小。所以在此结构中，华恒欣科技?选择大比弯曲值的双金属，使产品设计达到了佳效果。

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温控开关知识，

双金属片知识温控开关双金属温度传感器及其应用双金属温度传感器(bimetallic temperature Sensor)，是用来作开关使用的，常称为温控开关。该传感器的构成，主要是将两种不同的金属片熔接在一起。因为金属的热膨胀系数不同，当加热时，膨胀系数大的一方，因迅速膨胀而使得材料的长度变长；而膨胀系数小的一方，因膨胀系数小，而使得材料的长度略为伸长。但由于二金属片是熔接在一起的，因此．两金属片上作用的结果，使得材料弯曲。下面以双金属温度传感器在电熨斗、电饭锅两种电器中的应用电路为例，介绍双金属温度传感器的工作原理。用电熨斗熨衣服，若温度过高会烫坏衣服，而且对于不同的衣料，熨衣时所需温度也不同，因此需要调温装置。图1是电熨斗调温原理示意图。电熨斗调温电路主要组件是双金属片，电熨斗工作时，动、静触点接触，电热组件通电发热。当温度达到选定温度时，双金属片受热下弯，使动触点离开静触点，自动切断电源；当温度低于选定温度时，双金属片复原，两触点闭合。再接通电路，通电后温度又上升，达到选定温度时又再断开，如此反复通断，就能使熨斗的温度保持在一定范围内。通过调节螺丝选定温度的高低，越往下旋，静触点越下移，选定的温度就越高。为什么双金属片受热会弯曲呢？这是由于它是两种不同的金属片紧铆在一起的，若在室温时，它是平直的，那么当它受热温度升高时，由于两种金属的热膨胀程度不同，双金属片便逐渐向热膨胀较小的一边弯曲，如图1(b)所示。温度降低时，它又逐渐恢复原状。电饭锅是常用的炊具，它能把米烧成饭，还能保温，全过程自动化，使用很方便。电饭锅的温度控制电路图如图2所示。电饭锅内部有一个磁钢限温开关S1和一个双金属片保温开关S2。开始烧饭时，按下开关S1，电路接通，电热丝通电烧饭。锅中有水时，饭锅的温度不会超过100℃；饭熟后，水干了，饭锅温度将超过100℃。当温度上升到103℃时，限温开关S1就会自动断开，电路断电，达到自动控温目的。这时温度较高，S2处于断开状态。当温度下降至60℃时，S2接通；加热至80℃时，S2又断开。S2的不断开合，使锅内温度保持在60-80℃之间。为什么磁钢限温开关在103℃时会自动断开呢？通过参照图2(b)所示的磁钢限温组件工作示意图就可以明白了。按下按键后，动触点接触静触点而通电，同时， 长期磁钢与感温软磁体接触，软磁体被磁化而吸住 长期磁钢，这时手不需要按着按键，电路仍然接通。感温软磁体有一独特性质，当温度达到103℃时，磁性便消失，不能吸住 长期磁钢。因此，当锅底温度达到103℃时， 长期磁钢便因重力作用而下落，动触点离开静触点而断开电源，电机热保护器图片，从而达到保护。

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