バイメタルとは（用語説明）

バイメタル（bimetal）とは、熱膨張率の異なる2種類の金属板を張り合わせた複合材料のこと
温度変化によってそれぞれの金属の膨張・収縮の度合いが異なるため、全体として湾曲したり、ねじれたりする性質を持つ。

バイメタルの原理

温度変化: バイメタル全体の温度が変化
異なる膨張・収縮: 張り合わされた2種類の金属は、それぞれ固有の熱膨張率を持っている。
熱膨張率の高い金属はより大きく膨張・収縮し、熱膨張率の低い金属は
より小さく膨張・収縮する。
変形: 2つの金属の膨張・収縮量の差によって、バイメタル全体に内部応力が発生する。
　　 この応力を解消するために、バイメタルは湾曲したり、ねじれたりといった変形を起こす。
機械的な動き: この変形が、スイッチのオン・オフ、弁の開閉、指針の移動など、機械的な動きとして利用される。

バイメタルの種類と特徴

バイメタルは、用途や必要な特性に応じて様々な種類がある。

• 感温バイメタル: 温度変化に対する感度が高く、小さな温度変化でも大きく変形するように設計され、温度計、サーモスタットなどに用いられる
• 高抵抗バイメタル: 電気抵抗が高く電流を流すと自己発熱しやすい性質を持つ。過電流保護素子などに用いられる。
• 耐食性バイメタル: 腐食に強い材料を組み合わせることで、過酷な環境下でも使用できるように設計されている。

バイメタルの主な用途例

• 温度制御:
  • サーモスタット: 冷暖房器具、湯沸かし器、アイロンなどの温度制御に用いられる。
    設定温度に達するとバイメタルが変形し、スイッチをオフにするなどの動作を行う。
  • 温度計: バイメタルの変形量を針の動きに変換し、温度を表示する。
  • 自動温度調節弁: 温度変化に応じて弁の開度を自動的に調整する。
• 過電流保護:
  • サーマルリレー (熱動形過負荷継電器): モーターなどの過負荷保護に用いられる。過電流によってバイメタルが発熱・変形し、回路を遮断する。
  • ブレーカー (一部): 小型ブレーカーにもバイメタルを利用した過電流保護機構が組み込まれている場合がある。
  • 温度ヒューズ (一部): 特定の温度以上になるとバイメタルが変形して接点を切り離し、回路を遮断する。
• その他:
  • バイメタル式温度スイッチ: 特定の温度でON/OFFするスイッチ。
  • 自動車部品: エンジン冷却ファンの制御、排気系の温度制御などに利用されることがある。
  • 時計: 温度補償機構の一部に利用されることがある。
  • 玩具: 温度変化で動くおもちゃなどに利用されることがある。

バイメタルのメリット・デメリット

メリット

自己作動性: 温度変化を直接機械的な動きに変換するため、外部電源や複雑な制御回路が不要な場合がある。
信頼性: シンプルな構造で、比較的高い信頼性がある。
低コスト: 大量生産に適しており、比較的安価に入手できる。
幅広い用途: 様々な温度範囲や動作特性を持つものが製造可能。

デメリット

応答速度: 温度変化に対する応答速度は、他のセンサーやアクチュエータに比べて遅い場合がある。
精度: 動作温度や変形量には、ある程度のばらつきがある。
繰り返し精度: 長期間の使用や繰り返しの動作によって、特性が変化する可能性がある。
外部環境の影響: 周囲の温度や湿度などの影響を受けることがある。