冰箱壓縮機電路控制保護器之關(guān)鍵技術(shù)“記憶金屬元件設(shè)計應(yīng)用”

嚴英仕

(廣州萬寶集團有限公司，廣州 510220)

在引進日本松下設(shè)備技術(shù)生產(chǎn)冰箱壓縮機保護器的基礎(chǔ)上，我公司通過向國內(nèi)外同行學習，勇于開發(fā)，自行設(shè)計了幾百個規(guī)格品種保護器，全國市場占有率一度為33%，產(chǎn)品供應(yīng)國內(nèi)名牌壓縮機公司與出口日本、新加坡、伊朗，1996年被認定為市高新技術(shù)企業(yè)。在開發(fā)設(shè)計過程中我們深感核心技術(shù)中的雙金屬片應(yīng)用技術(shù)之重要，下面謹介紹筆者的一點粗淺的理解、認識。

電冰箱壓縮機保護器一般采用碟形雙金屬片作為過電流過負荷的感溫元件。冰箱工作條件復(fù)雜多變，在壓縮機運行過程中，產(chǎn)生過負荷電流的可能性是存在的。由于電冰箱壓縮機運行過程中會因壓縮機堵轉(zhuǎn)、冷凝器或壓縮機被隔絕散熱(如厚窗簾卷蓋住冰箱后側(cè)及兩邊)、門封條失效、熱水放入冰箱內(nèi)等等，這些都可能產(chǎn)生過流，或過熱，或過流過熱。如果過載保護器動作不可靠或其參數(shù)選擇不合理，在壓縮機電機過負荷和過電流的過程中，壓縮機就有被燒壞的危險。過載保護器的斷開溫度和復(fù)位溫度直接影響壓縮機電機的過電流時間和過載保護器的恢復(fù)時間、以及壓縮機的殼體溫升。過載保護器的動作時間應(yīng)適當短一些，以縮短壓縮機的每次過電流時間，而恢復(fù)時間應(yīng)適當長一些，給冰箱制冷系統(tǒng)高低壓力平衡提供更多時間，以減小壓縮機的起動負載。但長短應(yīng)有度，因電熱元件與感溫雙金屬元件在殼體有限條件內(nèi)，動作溫度、動作時間、感動電流三個參數(shù)是互相制約的。而這些溫度時間的感覺、動作往往是由雙金屬片完成的，所以雙金屬片應(yīng)用技術(shù)是保護器的核心技術(shù)。

1 雙金屬的基本特性與工作原理

1.1 雙金屬的基本特性

保護器用的雙金屬是一種復(fù)合金屬，通常為條狀或板狀，由兩層或多層膨脹系數(shù)不同的金屬組成。當這幾層金屬永久性地被粘在一起后，如果溫度有變化，各層金屬便迫使整個材料(雙金屬板)改變其曲率。這種隨溫度而改變曲率或彎曲性的特性(撓性)是所有雙金屬的基本特性。

1.2 雙金屬的工作原理

如果雙金屬元件開始時是直的或者其曲率是一致的，由于溫度的均勻變化而導(dǎo)致的曲率是一致的，也就是說，是一個半徑不變的真正園弧。

而兩條長度相同的金屬條，其熱脹系數(shù)高低不同，當溫度升高時，它們的相對長度便有變化。當這兩條金屬被粘在一起時，而且溫度升高了，膨脹系數(shù)高的那條金屬受到壓縮，膨脹系數(shù)低的那條金屬則受到拉伸。這些力造成一種力矩，使元件彎曲成一個均勻的園弧。曲率的變化正比于膨脹系數(shù)之差；元件之溫度變化，反比于組合金屬條之厚度。彎曲量亦受到兩條金屬之彈性模量之比及厚度之比的影響(即亦反比于“高側(cè)厚度/低側(cè)厚度”，正比于“高側(cè)彈性模量/低側(cè)彈性模量”)。

2 雙金屬元件供應(yīng)的規(guī)格

以美國TI公司為例(0.0762～3.175mm):

厚度：0.0762～0.018mm

寬度：0.508～3.048mm，每檔之間增加1/1625.6mm。一般的規(guī)律是最小寬度等于3倍厚度。

長度：雙金屬條在供貨時一般是園盤線圖狀或切割成扁平的條狀料，扁平條最大長度3657.6mm。

表1 標準尺寸公差

(1)帶材邊拱(側(cè)向彎曲)在76.2mm長度內(nèi)最大為7.14mm

邊拱是指元件側(cè)向邊沿對直線的偏差。測量方法是將914.4mm長的直尺放在元件的凹側(cè)，測量直尺的中點至狀條元件邊沿的距離。

(2)縱向平度-0.0005/t

在167℃于914.4mm長度內(nèi)的最大值，t為厚度。測量方法是將914.4mm長度的直尺放在凹側(cè)(不論凹側(cè)是高膨脹側(cè)還是低膨脹側(cè))，測量直尺中點至雙金屬的距離。

(3)橫向曲度

橫向曲度在不超過398.9℃時測得、按下式算出之值：

cc=10%t+(0.00025W2/t)

式中：cc—橫向曲度(弦高)；W—材料寬度；t—材料厚度。

橫向曲率方向應(yīng)為高膨脹側(cè)的凹曲方向。

(4)邊沿狀況(毛刺)

邊沿應(yīng)為ASTM#3(切成長條狀時)或ASTM#5(至平的)，按內(nèi)部加工過程而定。ASTM3#邊沿，當厚度為0.508mm以下時，毛刺最大為材料厚度的10%，厚度大于0.508mm時為0.0508mm。

3 標準試驗方法

表2的標準試驗方法是由美國試驗材料學會(ASTM)B04委員會創(chuàng)立的。這些試驗方法在雙金屬規(guī)格方面的應(yīng)用將有助于防止由于使用其它方法而產(chǎn)生的錯誤理解。

表2 標準試驗方法

* 這幾個試驗專為測量雙金屬的具體特性。

供應(yīng)商TI公司建議用上述ASTM試驗方法測量雙金屬的各種特性。

在這些方法中，如有修改，在基本試驗方法號的后面便會加上一個后輟以標明是最新版本。為避免混亂，上面沒有列出后輟；不過，在進行試驗時還是要采用最新版的試驗方法。

4 指標與性能

4.1 曲率半徑

曲率正比于膨脹性之差和溫度變化，但反比于條材厚度。厚度比對曲率半徑有影響，果彈性模量相等，則在t1/t2=1時為最佳狀況。因為其對溫度特性下影響最小。等厚曲率最大，溫度特性下降百分比最小，厚度越相近曲率越大，對溫度特性影響越小。曲率半徑還受兩個元件的彈性模量比的影響。

溫度特性對彈性模量比的敏感程度要比對最大曲率區(qū)中的元件厚度比的敏感性要小，對于上面例子中的數(shù)值即彈性模量比0.5變到2.0時，雙金屬的溫度特性僅損失3%。這—3%的損失，在實用中是通過采用較高百分比的弱合金，較低百分比的強合金來補償?shù)?，從而使雙金屬能達到100%最大曲率，因而能最大限度地工作。

4.2 撓性和熱變形

公制英制國標比變形f撓性F溫曲率F

撓性是雙金屬的最重要特性，是為變形率的一種度量。它的定義是“單位厚度的試樣的縱向中心線在單位溫度變化時的曲率變化”，由下面的公式表示：

F—撓性；R2，R1—曲率半徑；T2，T1—溫度；T—厚度；B—運動量。

(2)比變形f

比變形f單位為mm/mm℃。

(3)溫曲率：GB4461-84P14

式中：F—溫曲，mm/mm℃；R2、R1—曲率半徑，mm；T2、T1—溫度，℃；h—厚度，mm

“機械和物理特性”表中列出了溫度范圍內(nèi)的撓性(得克薩斯儀器公司的標準試驗范圍及靈敏度最大的溫度范圍。此外，“物理和機械性能——公制單位”表列出了各型雙金屬包括本文中的各型雙金屬的20個溫度下的瞬時撓性。用此表便能確定任何要求的溫度范圍內(nèi)的平均撓性值。

4.3 彈性模量和機械力

彈性模量(E)是衡量要用多少力將能使材料彎曲的尺度。彈性模量越高，要求的力便越大。計算任何構(gòu)件在彎曲時的機械力用的公式(不管材料的形狀以及是否雙金屬)內(nèi)均有彈性模量(E)。

在70種材料的彈性模量范圍是18.0×106(TruflexA1)至28.5×106(TruflexBN)。

盡管彈性模量隨溫度各有變化，這種變化并不足以使我們執(zhí)行不同于室溫時的數(shù)值。對于多數(shù)雙金屬來說，隨著溫度的增加，彈性模量是保持恒定的，因為低膨脹側(cè)的模量在增大而高膨脹側(cè)的模量則在減小。

雙金屬能做的功與撓性的平方及彈性模量成正比。復(fù)合的雙金屬之彈性模量可由它的各元件之彈性模量和厚度計算出來。

對于有兩種元件的情形：

為能得到最大撓性因而得到最大的功，我們將元件的厚度選成與彈性模量的平方根成反比：

t1，t2=(E2/E2)1/2

于是式(6)便簡化為比較簡單的關(guān)系式：

式中：E—雙金屬的彈性模量；E1及E2—各元件的彈性模量；t1和t2—各元件的厚度；t—雙金屬的厚度。

對于有3層或多層的恒溫器金屬，曲率半徑和彈性模量的式要復(fù)雜得多。因此，得克薩斯儀器公司寫成計算機程序以便于新型恒溫器金屬的設(shè)計。

4.4 溫度力

如果雙金屬在受熱或冷卻時是完全受到約束的，它便產(chǎn)生一個力而不產(chǎn)生變形。所產(chǎn)生的這種力等于在零件能不受約束而自由地變形的情況下。將零件從彎曲狀態(tài)矯回原來狀態(tài)時所需的力。因此，約束力取決于前面各段所說的撓性(F)與彈性模量(E)的乘積。

4.5 應(yīng)力與溫度的關(guān)系

像許多其它特殊用途的材料那樣，雙金屬也有它們的限制，其中最重要的是在不同溫度下的允許工作應(yīng)力。雙金屬也如其它金屬那樣，隨溫度的升高而材料強度降低。

雙金屬內(nèi)的應(yīng)力要正確地加以分析是困難的，因為牽涉到的因素很復(fù)雜。加工好的雙金屬元件內(nèi)是有應(yīng)力的，這種應(yīng)力產(chǎn)生的原因是：1)溫度變化，2)機械負荷，3)條材制造過程中的原有影響(如滾軋、切割、壓平)。因素(1)和(2)的影響計算起來較簡單，但(3)卻大多是不定的。

在能自由運動的受熱條件之粘合外的應(yīng)力為：

其中低膨脹元件受拉，高膨脹元件受壓。兩個元件的外層纖維應(yīng)力均為結(jié)合應(yīng)力的一半，低膨脹元件在受壓縮狀態(tài)，高膨脹元件在拉伸狀態(tài)。零應(yīng)力出現(xiàn)在兩外表面向內(nèi)1/6總厚度處。在均勻的加熱和均勻的約束下，其結(jié)果與式(9)相同。其中低膨脹元件處于拉伸狀態(tài)，高膨脹元件處壓縮狀態(tài)。在此情況下，條材的整個厚度上，應(yīng)力是均勻的。這些應(yīng)力與自由變型的條材的結(jié)合應(yīng)力相等。如果一條直的懸臂梁形雙金屬條材受到加熱、且其自由端被約束在原來位置，則機械約束力和因加熱而出現(xiàn)的應(yīng)力，在夾持點或接近夾持點處為最大值。以下公式給出了外層纖維的最大應(yīng)力：

但是，就象自由變形或受均勻約束的條材那樣，結(jié)合應(yīng)力保持不變。上述的直懸臂梁式條材，其橫截面積是均一的，而且明顯地是不夠有效的，因為只有它的被夾緊端才是以全容量工作。成錐形梁地指向某一點的三角形元件具有最高的效率。如果落料時沒有碎屑，其最大材料節(jié)省量為25%；也就是說，在性能相同時三角形元件的體積為矩形元件的體積之75%。實際上，通常用的是梯形的元件。

如果把元件認為是一種單一的而不層壓的材料，由于機械負荷而產(chǎn)生的應(yīng)力可以用一般公式計算。但是，如前面所說的那樣，由于退火、結(jié)合、滾軋、切割、壓平及其它制造工序所產(chǎn)生的復(fù)雜而未知的應(yīng)力是難以確定的。

而且，確定溫度——機械應(yīng)力用的式子全部都是假定內(nèi)部應(yīng)力為零的，但情況不一定這樣。由于這些原因，在計算出簡單溫度和機械應(yīng)力之后，在規(guī)定許用應(yīng)力時必須采用大的安全系數(shù)，而且元件還應(yīng)經(jīng)過壽命試驗。

對于雙金屬不受約束的使用場合，每種金屬短期可受的最高溫度的特性不同。如果時間較長、允許有的標定值改變很小，此數(shù)值便要低些。所以在最終投產(chǎn)之前最好作樣品實際試驗。

對于雙金屬是部份或完全受約束而不能運動的情形，最好是負荷隨溫度升高而減小。如果負荷必須隨溫度增加而增加，最好是負荷保持在相當于約37.8℃時的約束力以下。對于零件受約束的情形，建議在投產(chǎn)前造出樣品進行檢查。

4.6 物理和機械性能

(一)電阻率和電阻

許多電阻率各不相同的雙金屬是用在這樣的使用場合的，即在雙金屬內(nèi)通入電流而產(chǎn)生熱。改變一種雙金屬的尺寸和形狀便可得到不同的額定值。

雙金屬元件的電阻率與電阻的關(guān)系式：

式中：R—雙金屬的電阻率；r—電阻；w—寬度；t—厚度；L—長度。

為了滿足電路斷路器制造商們的需要，TI公司設(shè)計了3個系列的、具有人工控制的電阻率的雙金屬。因為同戶希望用同一物理尺寸但截流能力不同的雙金屬元件制造斷路器系列產(chǎn)品。這一設(shè)計內(nèi)有一層導(dǎo)電性合適的合金分路層，分路層位于高低膨脹層之間，目的是控制電阻率。

如將這三個元件考慮為并聯(lián)電路，電阻率的計算便甚為簡單：

式中：X，Y，Z—元件X，Y，Z的厚度占總厚度的百分數(shù)；r1，r2，r3—3個元件的電阻率；R—組合金屬之電阻率。

一條電路的發(fā)熱效應(yīng)為：

H=Ri2

(13)

式中：H—熱量(J)；r—電阻(a§Ωa§)；i度—電流(A)；Q—時間(s)。

一個電阻(不計熱損失時)的溫升：

式中：R—電阻率；△T—溫度變化(℃×9/5+32)；W—寬度；t—總厚度。

發(fā)熱效應(yīng)正比于i2r。i相當于斷路器的電流值，r相當于雙金屬的電阻。在斷路器的整個產(chǎn)品系列中，與i2r成正比的發(fā)熱效應(yīng)必須恒定，這樣脫扣時間才會一致。因此，雙金屬系列的電阻率須隨電流值的平方而改變。以下公式用于在規(guī)劃斷路器產(chǎn)品系列時，因為按一種電流參數(shù)用實驗確定了材料類型之后，其它便可以通過計算近似地得到：

I2R=常數(shù)

(15)

式中：I—斷路器的電流值；R—雙金屬的電阻。

該公式在確定斷路器產(chǎn)品系列是否最佳地利用了材料的電阻率范圍方面也是有用的。

(二)標準電阻率與電阻的允差

(1)對于電阻率或電阻屬道要設(shè)計因素的場合，不宜使用A1、Jl，J7和PJ型雙金屬；(2)相對于厚度為0.020和0.020以上的材料而言，厚度小于0.020、直至0.015的材料，±1%。對厚度小于0.015至0.010的材料，±2%。

(三)硬度

由于雙金屬是由通常不能通過熱處理而硬化的合金組成，硬度是由于冷軋而造成的。彈性也是由冷軋控制的。硬度大時彈性也大，所以，如果不是成型作業(yè)很困難或要進行大幅度的彎制，從而要材料較軟的話，雙合金材料總是硬度高些為好。

對任何洽定厚度，如果客戶沒有特殊規(guī)定，總是按標準硬度值生產(chǎn)的。如果在此標準硬度下，成型作業(yè)困難，也可以供應(yīng)較軟的材料。對于要求具有彈簧特性的彎片，供應(yīng)商也可供應(yīng)大于標準硬度的材料。所有雙金屬的軋制和軋制過程中的退火都是精心控制的，以保持最佳晶粒尺寸。

多數(shù)雙金屬的厚度都是比較小的，而且由于高、低膨脹側(cè)(有時還有第三層中間層)每層只屬零件的總橫截面積的一部分，硬度試驗應(yīng)在如Vickers，Tukon和Knoop硬度機上進行，因為這類硬度機負荷小，壓入量小。即使使用這類機器，要準確地測定千分之幾英寸厚的材料的硬度也是困難的。參見標準試驗方法E92。

4.7 穩(wěn)化熱處理

由于雙金屬內(nèi)保留有軋制、切割、校直、切斷沖裁成型焊觸點工序的殘余應(yīng)力，所有雙金屬件均應(yīng)進行熱處理。熱處理將這些應(yīng)力消除或加以重新分布，從而使雙金屬件的工作穩(wěn)定、準確和均一；否則雙金屬件會在溫度升高時或隨著時間的流逝而偏離校驗值。

在熱處理過程中，必須要讓雙金屬件自由地變形。熱處理溫度應(yīng)至少為高于工作溫度或裝配后加工中所碰到的最大工作溫度50℃以上。建議最低溫度用200℃，但TI公司的Al除外。最高熱處理溫度見有關(guān)物理與機械特性表，一般低于540℃。在溫度很高的情況下，必須考慮到由于材料軟化而在強度方面有損失，甚至恢復(fù)軋制雙金屬片的原狀。

由于熱處理不是一種退火或正火過程，它對雙金屬的物理特性影響很小。淬火造成的應(yīng)力在正火消除但保護硬度。建議采用的熱處理不會造成硬度的改變，對溫度變形率和機械力比率也只造成很小的變化。但是在制造雙金屬件時應(yīng)考慮由熱處理引起的形狀改變，以便對此形狀改變進行補償。

在熱處理過程中，已成形的雙金屬件有回復(fù)到其原先形狀的趨勢。因為由于成形過程所形成的某些應(yīng)力消除了。熱處理前是平的一片雙金屬在熱處理后會有曲率、高膨脹側(cè)會凹進去。條狀材料在進入壓力機之前可以用輥子壓平機加以予先彎曲(彎曲方向與由熱處理造成的曲度方向相反)。這兩種方向的曲率互相抵消，結(jié)果便可得到成品片的要求曲率。

消除應(yīng)力處理過程的持續(xù)時間約2～3小時。消除應(yīng)力的溫度越低，處理過程的持續(xù)時間越長。在200℃溫度以下的時交處理很少采用，因為其處理過程持續(xù)太長。在消除應(yīng)力的過程中，雙金屬片元件的變形可能發(fā)生。這種變形就所涉及的彎曲零售總額來說尤為明顯，通常被認為是在雙金屬片零件加工過程中產(chǎn)生。

為滿足高要求的精確動作特性及保留雙金屬片的形狀，選片油槽中多次動作復(fù)位或多次時效處理(二次至三次)的過程是有幫助的。在進行第二次和第三次處理期間，其熱處理溫度比第一次要低一些。就這個消除應(yīng)力過程來說，不必要保護環(huán)境，如果在熱處理之后雙金屬片零件進行焊接、鍍銅等表面處理可以被推薦。

有一種方法能使金屬片消除應(yīng)力提高雙金屬片的穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性，那就是幾次通以堵轉(zhuǎn)電流。但這樣方法工藝性不良，難以在大規(guī)模生產(chǎn)中采用。熟處理之后。如果在正常大氣中減輕壓力，將產(chǎn)生一個高發(fā)射率的深色表面，這樣便提高了材料與周圍物體的熱交換。

老化一般在電熱對流爐中進行，這種爐可以提供精確的溫度控制。如果老化后定形的要求特別高且熱處理溫度適中，那么雙金屬材料的老化可以在油浴或鹽溶爐中進行(例如空調(diào)壓縮機使用要求)。

老化后雙金屬表面會失去保護層，建議涂上一層防銹油，尤其是在材料要求長期貯存時。

4.8 耐腐蝕性及保護

所有雙金屬在一般大氣中是耐腐蝕的，大多數(shù)雙金屬在海邊城市使用也是滿意的。J7是建議能浸在冷、熱水中使用的金屬(水的腐蝕性要比蒸汽強)。為提高使用壽命，雙金屬件(除了P系列的各型外)可以鍍銀、鎳、錫、鎘、鋅或金。一般地說，電鍍對溫度變形和溫度或機械力的物理特性的影響可以忽略；但是，在將雙金屬件裝到其它金屬件上時，應(yīng)注意保證無電鍍作用產(chǎn)生。

由于高膨脹合金的含錳量大，P系列雙金屬容易受到應(yīng)力腐蝕。如果是長時間暴露在高溫度或鹽溶液之中，應(yīng)避免采用這種雙合金。

由于篇幅所限，本文難免有不詳細之處和不正確之處，敬請原諒。

5 結(jié)束語

通過探討電冰箱壓縮機電路控制保護器的工作機理、結(jié)合實踐探討關(guān)鍵記憶金屬元件雙金屬片材料基礎(chǔ)理論，包括雙金屬片的基本特性，如何工作，規(guī)格品種，標準試驗方法，主要指標，應(yīng)力與溫度關(guān)系，物理和機械性能，穩(wěn)化熱處理，耐腐蝕性及保護，特別是蠕變式園盤的熱變形與溫度力的組合、“熱變形與溫度力”和溫度、直徑、厚度的關(guān)系等規(guī)律，從而我們可以掌握電冰箱壓縮機保護器設(shè)計與工藝編制中所需雙金屬片核心技術(shù)得應(yīng)用知識。

[1] THERMOSTAT METALS DESIGNERS GUIDE

[2] 周茂祥等.低壓電器設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992