Биметаллический терморегулятор

Биметаллический терморегулятор — это устройство автоматического регулирования температуры, принцип действия которого основан на использовании биметаллической пластины, изгибающейся при изменении температуры. Относится к классу термомеханических датчиков и исполнительных механизмов, применяется в системах отопления, вентиляции, бытовой и промышленной технике для поддержания заданной температуры или защиты от перегрева.

Устройство и принцип действия

Основным элементом биметаллического терморегулятора является биметаллическая пластина (или мембрана), состоящая из двух слоёв металлов с различными коэффициентами термического линейного расширения (КТЛР). Обычно один слой выполняется из инвара (сплава с низким КТЛР, около 1,5×10⁻⁶ 1/°C), а второй — из стали, латуни или другого материала с высоким КТЛР (порядка 18×10⁻⁶ 1/°C). При нагреве пластина изгибается в сторону слоя с меньшим расширением; при охлаждении — в обратную сторону.

Величина прогиба пластины пропорциональна изменению температуры. Этот механический прогиб используется для замыкания или размыкания электрических контактов, либо для перемещения регулирующего органа (например, клапана). В большинстве бытовых терморегуляторов биметаллическая пластина соединена с подвижным контактом; при достижении заданной температуры контакты размыкаются (или замыкаются), отключая или включая нагревательный элемент.

Конструктивные особенности

В зависимости от назначения, биметаллические терморегуляторы могут иметь различную конструкцию:

• Пластинчатые — наиболее распространённый тип, где пластина работает на изгиб.
• Дисковые — используют выпуклую биметаллическую мембрану, которая при достижении определённой температуры «щелкает», переключая контакты (эффект биметаллического диска). Такие регуляторы часто применяются в утюгах, электрочайниках и обогревателях.
• Спиральные — пластина свёрнута в спираль, что позволяет увеличить длину рабочего элемента и, соответственно, чувствительность.

История

Первые упоминания о биметаллических пластинах относятся к XVIII веку, когда английский часовщик Джон Харрисон использовал биметаллический маятник для компенсации температурных погрешностей в хронометрах. Однако промышленное применение биметаллических терморегуляторов началось в конце XIX — начале XX века.

В 1880-х годах американский изобретатель Уоррен С. Джонсон запатентовал первый комнатный термостат с биметаллическим элементом. В 1906 году компания Honeywell (США) начала массовое производство термостатов для систем отопления. В СССР биметаллические терморегуляторы широко применялись с 1930-х годов в бытовой технике и промышленности, в частности, в электрических плитах, утюгах и холодильниках.

Классификация

Биметаллические терморегуляторы классифицируются по нескольким признакам:

По типу регулирования

• Двухпозиционные (вкл/выкл) — наиболее распространённые, работают по принципу гистерезиса: включаются при одной температуре, выключаются при другой (обычно с разницей в 2–10 °C).
• Пропорциональные — обеспечивают плавное регулирование, изменяя положение регулирующего органа пропорционально отклонению температуры от заданной. Встречаются реже, обычно в промышленных системах.

По способу настройки

• С фиксированной уставкой — заводская настройка на определённую температуру (например, 90 °C в электрочайнике).
• С регулируемой уставкой — пользователь может изменять заданную температуру с помощью ручки или винта.

По области применения

• Бытовые — для утюгов, электрочайников, обогревателей, духовок, холодильников.
• Промышленные — для систем отопления, вентиляции, кондиционирования, технологических процессов.
• Автомобильные — для контроля температуры охлаждающей жидкости, масла, салона.

Применение

В бытовой технике

Биметаллические терморегуляторы являются основным типом термостатов в большинстве бытовых нагревательных приборов. В утюгах и паровых станциях они отключают нагрев при достижении заданной температуры подошвы. В электрочайниках и кофеварках — отключают кипятильник при закипании. В электрических духовках и плитах поддерживают заданную температуру в камере.

В системах отопления

Комнатные термостаты на биметаллической пластине до сих пор широко используются в индивидуальных системах отопления (газовые котлы, электрические конвекторы). Они замыкают или размыкают цепь управления котлом или насосом при изменении температуры воздуха в помещении.

В автомобильной технике

Биметаллические терморегуляторы применяются в качестве датчиков температуры охлаждающей жидкости (включают вентилятор радиатора) и в системах автоматического пуска двигателя.

В промышленности

Используются в термостатах для технологических печей, сушильных камер, холодильных установок, а также в системах противопожарной защиты (тепловые извещатели).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции и низкая стоимость.
• Высокая надёжность и долговечность (ресурс — до 100 000 циклов).
• Не требуют внешнего питания (работают за счёт механической энергии).
• Устойчивость к электромагнитным помехам.
• Компактность.

Недостатки

• Относительно низкая точность (погрешность ±2–5 °C).
• Зависимость от механического износа контактов.
• Ограниченный диапазон рабочих температур (обычно от −30 до +300 °C).
• Невозможность плавного регулирования в двухпозиционных моделях.

Интересные факты

• Биметаллические терморегуляторы являются одними из самых старых типов автоматических регуляторов, используемых в быту. Первые электрические утюги (начало XX века) уже оснащались биметаллическими термостатами.
• В СССР массово выпускались терморегуляторы типа ТР-1 (для утюгов) и ТР-2 (для электрочайников), которые производились миллионами штук в год.
• Некоторые современные биметаллические терморегуляторы имеют встроенный микропереключатель для управления мощными нагрузками (до 16 А при 250 В).

Источники

• ГОСТ 14254-96 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP)» (раздел, касающийся терморегуляторов).
• «Справочник по автоматическому регулированию» под ред. В. В. Солодовникова, 1977.
• «Бытовые электрические приборы: устройство и ремонт» — А. И. Кравченко, 2005.
• Патент US 132,909 (Warren S. Johnson, 1872) — первый комнатный термостат.
• «Терморегуляторы биметаллические: конструкция и применение» — журнал «Электротехника», № 3, 2010.