バイメタルストリップ

バイメタルストリップとは、加熱時に膨張率が異なる2種類の金属ストリップを組み合わせたものです。この膨張率の違いにより、加熱するとストリップは一方の方向に曲がり、初期温度以下に冷却されると反対方向に曲がります。つまり、バイメタルストリップは温度変化を機械的な変位に変換します。熱膨張係数の大きい方の金属は、加熱時には曲線の外側に、冷却時には内側に位置します。一般的な用途としては、温度検出（温度計）や温度制御（サーモスタット）などがあります。

バイメタルストリップの発明は、一般的に18世紀の時計職人ジョン・ハリソンによるものとされており、彼は1759年に製作した3番目の航海用クロノメーター（H3）のために、温度変化によるテンプのバネの変化を補正するためにこれを作った。^{[ 1 ]}ハリソンの発明は、イングランドのウェストミンスター寺院にある彼の記念碑で認められている。

このストリップは、加熱時に膨張率が異なる2種類の金属（通常は鋼と銅、場合によっては鋼と真鍮）のストリップで構成されています。ストリップは、リベット留め、ろう付け、または溶接によって全長にわたって接合されています。膨張率の違いにより、平らなストリップは加熱されると一方の方向に曲がり、初期温度以下に冷却されると反対方向に曲がります。熱膨張係数の大きい金属は、ストリップが加熱されているときは曲線の外側にあり、冷却されているときは内側にあります。ストリップの横方向の変位は、どちらの金属の縦方向のわずかな膨張よりもはるかに大きくなります。

用途によっては、バイメタルストリップは平らな形状で使用される。また、コンパクト化のためにコイル状に巻かれる場合もある。コイル状に巻いた方が長さが長くなるため、感度が向上する。

曲率半径${\displaystyle R}$バイメタルストリップの特性は温度に依存する${\displaystyle T}$1863年にフランスの物理学者イヴォン・ヴィラルソーが時計の精度向上に関する研究で導き出した式によれば、次のようになる。 ^{[ 2 ]}

${\displaystyle {\frac {1}{R}}-{\frac {1}{R_{0}}}={\frac {3}{2a}}{\frac {(\alpha _{2}-\alpha _{1})(T-T_{0})}{h}}={\frac {3}{2a}}{\frac {\Delta \epsilon }{h}}}$、

どこ ${\displaystyle h=h_{1}+h_{2}}$バイメタルの総厚は、${\displaystyle a=1+(E_{1}h_{1}^{2}-E_{2}h_{2}^{2})^{2}/(4\ E_{1}h_{1}\ E_{2}h_{2}\ h^{2})}$は無次元係数です。各金属ストリップについて：${\displaystyle E_{i}}$はヤング率です。$\displaystyle \alpha _{i}}$は熱膨張係数であり、${\displaystyle h_{i}}$は厚さです。この式は、熱的ミスフィット歪みの関数として書き直すこともできます。${\displaystyle \Delta \epsilon =(\alpha _{2}-\alpha _{1})(T-T_{0})}$。そして、弾性率と高さが同じであれば、単純に次のようになります。${\displaystyle a\simq 1}$。

梁理論から同等の式を導き出すことができる。^{[ 3 ] [ 4 ]}

現存する最古のバイメタルストリップは、18世紀の時計職人ジョン・ハリソンによって作られたもので、一般的にその発明者として認められています。彼は、1759年に製作した3番目の航海用クロノメーター（H3）のために、温度変化によるテンプのバネの変動を補正するためにこれを製作しました。^{[ 5 ]}これは、彼のグリッドアイアン振り子の熱膨張を補正するためのバイメタル機構と混同してはいけません。彼の初期の作品では、2つの個別の金属ストリップがリベットで接合されていましたが、彼は後に溶融真鍮を鋼鉄の基板に直接融着させる技術も発明しました。このタイプのストリップは、彼の最後の時計であるH5に取り付けられました。ハリソンの発明は、イングランドのウェストミンスター寺院にある彼の記念碑で認められています。

バイメタルストリップを構成する金属は、熱膨張係数が大きく異なれば、組成が異なっていても構わない。熱膨張係数の低い方の金属をパッシブ（または低膨張）金属、もう一方の金属をアクティブ（または高膨張）金属と呼ぶ。

一般的な材料の組み合わせには以下のようなものがあります。

• 鉄と銅
• 鋼鉄と真鍮
• インバー（ニッケル鉄合金）と真鍮

線膨張係数（×10⁻⁶ /K）の代表値：

• インバー：1～2
• 鋼材（軟鋼）：11～13
• ニッケル：13
• 銅：16～17
• 金管楽器：18～19

材料の選択は、バイメタルストリップの動作温度範囲と感度に大きな影響を与える。組み合わせによっては500℃まで動作可能なものもあれば、約150℃に制限されるものもある。

バイメタルストリップは通常、2種類の異なる金属を接合することによって製造されます。一般的な方法には以下のようなものがあります。

• ロールボンディング（最も一般的な方法）：2枚の金属片を高温高圧のローラーに通すことで、強力な冶金結合を実現する。
• 爆発溶接
• ろう付けまたははんだ付け
• 電気めっき、または一方の金属をもう一方の金属に鋳造すること（ジョン・ハリソンが鋼鉄に真鍮を鋳造したように）。

接合後、ストリップは内部応力を緩和するために焼きなまし（熱処理）処理されることが多く、その後、所望の厚さに圧延または引き抜き加工される。2つの層の厚さ比を正確に制御することは、最終的なストリップの感度と曲率に直接影響するため、非常に重要である。

現代の製造プロセスにより、非常に薄いバイメタルストリップ（0.1mm以下）や長いコイルの製造が可能になり、小型回路ブレーカーや精密サーモスタットなどの小型機器への使用が可能になった。

バイメタルストリップは、温度変化を機械的な動きに変換する能力があるため、多くの温度検知装置や制御装置に使用されている。

• サーモスタット：温度変化に応じてストリップが曲がり、電気接点を開閉することで、暖房または冷房システムのオン/オフを切り替えます。
• 温度計：機械式ダイヤル温度計では、温度を示す指針を動かすために、コイル状のバイメタルストリップが一般的に使用されています。
• 回路ブレーカー：小型回路ブレーカーや熱過負荷保護装置では、過電流によって過熱されるとストリップが曲がり、ブレーカーが作動して回路を保護します。
• その他の用途：火災報知器、熱時限リレー、ガスオーブンの安全弁、蛍光灯の始動器、旧式の方向指示器フラッシャーなどにも使用されています。

サーモスタット

暖房や冷房の調節には、幅広い温度範囲で動作するサーモスタットが使用されます。これらのサーモスタットでは、バイメタルストリップの一端が機械的に固定され、電源に接続されています。一方、もう一方の（可動）端には電気接点があります。調節可能なサーモスタットでは、もう一方の接点が調節ノブまたはレバーで位置調整されます。このように設定された位置によって、設定温度と呼ばれる調節温度が制御されます。

一部のサーモスタットは、両方の電気リード線に接続された水銀スイッチを使用しています。機構全体の角度を調整することで、サーモスタットの設定温度を制御できます。

用途によっては、高温になると接点が開く場合（ヒーター制御など）もあれば、接点が閉じる場合（冷蔵庫やエアコンなど）もある。

電気接点は、電源を直接制御する場合（家庭用アイロンなど）と、リレーを介して電力を切り替えたり、電気バルブを介して天然ガスや燃料油の供給を切り替えたりするなど、間接的に制御する場合があります。一部の天然ガスヒーターでは、パイロットランプ（小さな常時燃焼する炎）で加熱される熱電対によって電源が供給される場合があります。点火用のパイロットランプがない機器（最新のガス衣類乾燥機のほとんど、一部の天然ガスヒーター、装飾用暖炉など）では、接点への電力は、抵抗ヒーターまたは電気で駆動する火花発生装置である電子点火装置を制御するリレーを作動させる、家庭用電力の低減によって供給されます。

温度計

家庭用機器（パティオ温度計や肉用温度計など）によく見られる直接指示式ダイヤル温度計は、最も一般的な設計では、コイル状に巻かれたバイメタルストリップを使用しています。コイルは、金属膨張の直線運動を、その螺旋形状によって円運動に変換します。コイルの一端は固定点として機器の筐体に固定され、もう一端は円形指示器内の指示針を駆動します。バイメタルストリップは、記録式温度計にも使用されています。ブレゲ温度計は、より正確な結果を得るために、三金属螺旋で構成されています。

• サーモタイムスイッチ

• 氷水で小型モーターを動かす円形バイメタルワイヤーの動画。2011年2月閲覧。
• バイメトリクコイルがエンジン（キュリー、スターリング、ヒーローなど）を動かす様子を映した動画