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バイメタルストリップの解説:熱を機械的動きに変える仕組み

バイメタルストリップの原理

バイメタルストリップは、熱エネルギーを機械的運動に変換するシンプルなデバイスです。熱作動スイッチや温度指示計として用いられ、加熱された異種金属の膨張差の原理で動作します。バイメタルストリップは、二種の異なる金属を接合して直線フラットストリップまたは同心コイル状に形成します。加熱されると、一方の金属が他方より速く加熱・膨張し、ストリップが曲がります。この機械的たわみを様々な方法で活用し、電気回路のオンオフやダイヤル指針を動かして温度値を表示します。

熱膨張と拘束による曲がり

固体・流体・気体を加熱すると分子が互いに離れ合い膨張します。加熱材料がどこかで拘束されていない限り、バランスよく膨張します。何らかの理由で材料が表面の一つに沿って拘束・膨張防止されると、他部分の自由膨張によりたわみ・曲がりが生じます。分子構造により、材料ごとに加熱速度や膨張度は異なります。このような異種材料を接合すると、遅く加熱する方が他方の一面拡張を拘束し、このたわみ現象が発生します。

実用化:材料組み合わせと形状

この異種材料熱たわみ原理は、幅広い電気・計測機器で熱関連機械運動供給に利用されます。バイメタルストリップは一般に、真鍮-鋼、銅-鋼など典型的組み合わせの二種異種金属で構成。二材料は通常溶接・ろう付け・リベットで接合し、二接触面間で均一・確実な結合を作ります。直線型または同心コイルスプリング型に形成。加熱時の物理的たわみを多様な方法で活用し、異なる機能を実現します。

主要応用:サーモスタット・温度計・過負荷保護

バイメタルストリップたわみ活用の最も一般的手法は、電気接点として回路遮断・接続に用いること。ヒーターサーモスタットが好例で、直線・未加熱ストリップでスイッチポイントと接触維持しヒーター回路を活性化。温度が所定点に上昇するとストリップ加熱・曲がり、回路遮断でヒーター停止。冷却で再び直線化しヒーター回路再活性化。一定温度範囲維持が可能。

コイル型バイメタルストリップは加熱で巻き戻り、ダイヤル式温度計の針を動かして温度値表示。熱過負荷デバイスとしても用いられ、電気機器が過電流引き起こしや物理的過熱時に電源遮断。異種金属の既知膨張特性により、これらデバイスを正確な温度で動作하도록精密調整可能。熱を制御・計測入力として用いる信頼性・安価な手段です。

産業機器

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