Биметаллическая пластина

Биметаллическая пластина — это устройство, состоящее из двух или более слоёв металлов с различными коэффициентами теплового линейного расширения (КТР), жёстко соединённых по всей поверхности. Основным свойством биметаллической пластины является способность изгибаться при изменении температуры, что обусловлено разницей в удлинении слоёв. Данное явление используется для преобразования тепловой энергии в механическое перемещение, применяемое в терморегуляторах, термометрах, автоматических выключателях и других устройствах.

История

Идея использования разницы теплового расширения металлов для создания движущей силы возникла в XVIII веке. Одним из первых устройств, основанных на этом принципе, стал биметаллический термометр, созданный английским часовщиком Джоном Гаррисоном в 1726 году для компенсации температурных погрешностей в морских хронометрах. Однако массовое применение биметаллических пластин началось в конце XIX — начале XX века с развитием электротехники и промышленной автоматики.

В 1880-х годах французский инженер Шарль Гийом разработал сплавы с низким КТР (инвар) и высоким КТР (платинит), что позволило создавать более точные и стабильные биметаллические элементы. В 1900-х годах биметаллические пластины стали использоваться в первых термостатах для регулировки температуры в паровых котлах и отопительных системах. В СССР и России разработка и производство биметаллических пластин велись в рамках создания терморегуляторов для бытовой техники, авиационного и ракетного оборудования.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Биметаллическая пластина представляет собой многослойную структуру, где два основных слоя — активный и пассивный — соединены методом прокатки, сварки или пайки. Активный слой изготавливается из металла с высоким КТР (например, латунь, сталь 12Х18Н10Т, сплавы на основе меди или никеля), а пассивный — из металла с низким КТР (инвар — сплав железа с 36% никеля, ковар, платинит). В некоторых конструкциях добавляется третий слой для улучшения коррозионной стойкости или электропроводности.

Физический принцип

При нагревании активный слой расширяется сильнее пассивного, что приводит к изгибу пластины в сторону пассивного слоя. При охлаждении происходит обратный процесс — пластина выпрямляется или изгибается в противоположную сторону. Величина прогиба (стрела прогиба) зависит от разницы КТР слоёв, толщины пластины, её длины и перепада температур. Для расчёта используется формула: \[ \Delta x = \frac{3 \cdot L^2 \cdot (\alpha_1 - \alpha_2) \cdot \Delta T}{2 \cdot h} \] где \( \Delta x \) — прогиб, \( L \) — длина пластины, \( \alpha_1 \) и \( \alpha_2 \) — КТР слоёв, \( \Delta T \) — изменение температуры, \( h \) — общая толщина.

Типы биметаллических пластин

Плоские (прямые) — простейшая форма, используется в термометрах и реле.
Спиральные (биметаллические спирали) — свёрнутые в спираль для увеличения длины и чувствительности, применяются в термостатах.
Дисковые (биметаллические диски) — имеют форму тарелки, при достижении критической температуры резко перещёлкиваются (эффект «щелчка»), используются в защитных автоматах.

Классификация биметаллических материалов

Биметаллические пластины классифицируются по нескольким признакам:

Классификация	Типы	Примеры
По температурному диапазону	Низкотемпературные (до 200 °C), среднетемпературные (200–500 °C), высокотемпературные (свыше 500 °C)	Для бытовых терморегуляторов — до 150 °C; для промышленных печей — до 600 °C
По материалу слоёв	Сталь-латунь, сталь-инвар, никель-инвар, медно-никелевые сплавы	Инвар-сталь (КТР 1,2·10⁻⁶ /°C и 12·10⁻⁶ /°C)
По форме	Плоские, спиральные, дисковые, изогнутые	Плоские для термометров, спиральные для термостатов
По назначению	Термочувствительные, силовые, коммутационные	Силовые — для выключателей, коммутационные — для реле

Применение

Терморегуляция и автоматика

Наиболее распространённое применение — в термостатах и терморегуляторах. Биметаллическая пластина замыкает или размыкает электрическую цепь при достижении заданной температуры. Такие устройства используются в:

Бытовых утюгах, электрочайниках, обогревателях (например, в российских моделях «Термопот»).
Промышленных системах отопления и вентиляции.
Автомобильных термостатах системы охлаждения двигателя.

Электротехника

В автоматических выключателях (например, в модульных автоматах серии ВА-47, производимых в России) биметаллическая пластина служит тепловым расцепителем. При превышении номинального тока пластина нагревается, изгибается и размыкает контакты, защищая цепь от перегрузки.

Измерительные приборы

Биметаллические термометры (например, манометрические термометры типа ТБМ) используются для измерения температуры в диапазоне от -60 до +500 °C. Стрелка прибора соединена с биметаллической спиралью, которая поворачивается пропорционально температуре.

Часовые механизмы

В механических часах биметаллические пластины применяются для компенсации температурных погрешностей баланса. В 1950–1980-х годах в СССР выпускались часы «Победа» и «Мир» с биметаллическими маятниками.

Авиация и космонавтика

В системах управления ракетных двигателей и авиационных газотурбинных установок биметаллические пластины используются как датчики температуры и исполнительные элементы. Например, в российских двигателях НК-33 и РД-180 применяются биметаллические термоклапаны для регулировки подачи топлива.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Простота конструкции и низкая стоимость.
Высокая надёжность и долговечность (ресурс до 10⁶ циклов).
Возможность работы без внешнего источника питания.
Широкий диапазон рабочих температур (от -60 до +600 °C).

Недостатки

Невысокая точность (погрешность 2–5% от диапазона).
Инерционность (время срабатывания от 0,5 до 10 секунд).
Зависимость от температуры окружающей среды (необходимость компенсации).
Ограниченное усилие на выходе (не подходит для прямого управления мощными механизмами).

Интересные факты

В 1910 году российский инженер А. Н. Лодыгин предложил использовать биметаллические пластины в первых электрических лампах накаливания для автоматического отключения при перегорании.
В СССР в 1970-х годах была разработана серия биметаллических терморегуляторов «ТР-2» для бытовых холодильников, которые выпускались до 2000-х годов.
Биметаллические пластины используются в некоторых моделях пожарных извещателей (датчики дыма и температуры) — при нагреве пластина деформируется и замыкает контакт сигнализации.

Критика и ограничения

Основной недостаток биметаллических пластин — невозможность точного регулирования в условиях резких перепадов температур или вибраций. В современных системах автоматики их часто заменяют электронными датчиками (термисторами, термопарами), которые обеспечивают более высокую точность и быстродействие. Однако в простых и недорогих устройствах биметаллические пластины остаются востребованными благодаря своей надёжности и неприхотливости.

Источники

ГОСТ 19838-82 «Пластины биметаллические. Технические условия».
Справочник по физике и технике. Под ред. А. С. Еноховича. — М.: Просвещение, 1989.
А. Н. Гусев, В. А. Козлов. «Терморегуляторы и термостаты». — М.: Энергоатомиздат, 1985.
Патент РФ № 2156512 «Биметаллический терморегулятор».
Каталог продукции ОАО «Теплоприбор» (Россия), 2020.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →