A műszaki gyakorlatban sűrűn előfordul, hogy valamely szerkezet működését akkor kívánjuk létrehozni, amikor egy berendezés, gép, készülék vagy helyiség hőmérséklete egy adott érték fölé emelkedik, vagy az alá süllyed.
Ennek megvalósítására kiválóan alkalmazhatók az ún. ikerfémes működtetők, amelyeknek legfontosabb eleme az ikerfém. Az ikerfém a hőmérsékletváltozás hatására megváltoztatja az alakját és erőhatást fejt ki. Ezen hatásokat használjuk ki a különböző vezérlések működtetésére.
Az ikerfémes működtetőben az ikerfém közvetlenül is érzékelheti a hőmérséklet megváltozását, de villamos gépek, berendezések és vezetékek áramával, vagy azzal arányos árammal fűtött ikerfémmel közvetett túlterhelés elleni védelem is megvalósítható. Ezen utóbbi, hagyományosnak is nevezhető, és széles körben elterjedt védelmi megoldás a melegedési folyamatok időbeli hasonlóságán alapul. Az ikerfémes túlterhelésvédelemnek az egyszerű felépítéséből, megbízható működéséből és olcsóságából származó előnyei mellett eltörpül azon hátránya, amely az esetleges pontatlanságából adódik. Ezért még manapság is - az elektronikus védelmek korszakában - túlnyomóan az ikerfémes működtetőket használják, illetve ezeket gyártják tömegméretben. Ilyen ikerfémes működtető pl. a motorvédő hőrelé és a kismegszakítók hőkioldója. Ezek indokolják, hogy részletesebben is foglalkozzunk ezen lényeges készülékelemmel.
4.1. Az ikerfém működése és jellemzői
5.42. ábra.Szabadon görbülő ikerfém
Az ikerfémet két, egymástól - minél nagyobb mértékben - különböző hőtágulási együtthatóval rendelkező fémből készült lemez összehengerlésével állítják elő. Az 5.42. ábrán látható, hogy ha a v vastagságú és ϑ o hőmérsékletű egyenes ikerfém hőmérséklete ϑ 1 -re növekszik, akkor a nagyobb α 1 (1/ o C) hőtágulási együtthatójú (jelen esetben a felső) fém jobban nyúlik meg, mint a kisebb α 2 együtthatójú, amelynek hatására az ikerfém szabadon elgörbül és közelítőleg a ρ görbületi sugárral jellemezhető körív-alakot veszi fel. A meggörbült ikerfémben a nagyobb hőtágulási együtthatójú fémben nyomó, a másikban pedig húzó erő ébred.
Ezen belső erőknek egyensúlyban kell lenniük. Nem túlságosan nagy hőmérsékletváltozás esetén, az ikerfém görbülete (1/ρ) a következő képlettel számítható ki:
(5-89)
Az (5-89) képlet levezetésekor - számos elhanyagolás mellett - érvényesítették azt a feltételt, hogy az ikerfém határrétegében a hőtágulásból, a már említett belső erőkből és a görbületből eredő nyúlásoknak azonosnak kell lenniük.
5.43. ábra. Egyik végén befogott ikerfém lehajlása
Az ikerfémet az egyik végén gyakran rögzítik, tehát befogják egy szerkezetbe. Az 5.43. ábra alapján, az ikerfémnek az l hosszúságához képest kis mértékű f lehajlása:
(5-90) és
(5-91) tehát
(5-92)
Ebbe behelyettesítve az (5-89) képletből 1/ρ értékét:
(5-93)
adódik a lehajlásra. A lehajlás tehát az ikerfém hosszának négyzetével egyenesen és a vastagságával fordítottan arányos.
A gyakorlatban az összehengerelt ikerfémre jellemző k (1/ o C) fajlagos lehajlást adják meg. Ez egy l =100 mm hosszú és v =1 mm vastag ikerfémszalag lehajlása 1 o C hőmérsékletváltozás hatására, amellyel az ikerfém lehajlása:
(5-94)
Az 5.4. táblázatban három ikerfémtípus jellemzői találhatók meg ( ϑ ü az üzemi, ϑ max a maximális hőmérséklet, ρ a fajlagos ellenállás, k a fajlagos lehajlás, E a rugalmassági modulus, ζ meg a megengedett mechanikai feszültség).
Látható, hogy az ikerfémek fajlagos ellenállása nagy mértékben hőmérsékletfüggetlen a 20…100 o C tartományban (a növekedés mindössze 3…12%). Ez kedvező, mert, ha az ikerfémet a rajta árfolyó áram fűti, akkor az ikerfém melegedése a fűtőáram négyzetével gyakorlatilag arányos marad. Egyébként réz esetében a fajlagos ellenállás növekedése ebben a tartományban 32 % lenne.
5.4 . Táblázat
Ha az ikerfém szabad lehajlását megakadályozzuk, akkor erőt fejt ki. Ez erőhatás azonos azzal az F ellenerővel, amellyel a szabadon elhajolt ikerfémet abba a helyzetbe nyomnánk vissza, ahol megakadályoztuk a szabad elhajlást. Az ellentétes irányban működtetett F erő pedig a fűtetlen ikerfém ugyanekkora f lehajlását hozza létre.
A szilárdságtanból ismert képlet szerint a lehajlás:
és a b szélességű és v vastagságú ikerfém keresztmetszetére érvényes másodrendű nyomaték
(5-96)
A lehajlás tehát:
(5-97)
Az (5-97) és (5-903) egyenletből kifejezve erőhatást:
(5-98)
ahol a méreteket mm-ben, és E -t N/mm 2 -ben behelyettesítve, az erőt N -ban kapjuk, csakúgy, mint az (5-94) egyenlet felhasználásával nyert
(5-99)
képlettel. Az (5-98) és (5-99) összefüggések alapján látható, hogy az erőhatás az ikerfém szélességével és vastagságának négyzetével egyenesen, a hosszával pedig fordítottan arányos. Itt jegyezzük meg, hogy az ikerfém erőhatása csak legfeljebb akkora lehet, hogy annak hatására ne jöjjön létre maradó alakváltozás, tehát megengedettnél nagyobb (az 5.43. ábra szerint pl. a felső részben húzó, az alsóban nyomó) igénybevétel. A
(5-100)
igénybevételnek kisebbnek kell lennie a 3.4 táblázatban szereplő megengedett értéknél ( ζ <; ζ meg ).
5.44. ábra.Köteges ikerfém
Az ikerfém működése során - a melegedés hatására - először elhajlik, majd a további melegedés hatására erőt fejt ki. Kívánatos, hogy az ikerfém adott hőmérsékletváltozás hatására minél jobban elhajoljon és minél nagyobb erőt fejtsen ki. Ezen követelmény azonban egy adott ikerfémmel nem elégíthető ki, amint az az (5-93), (5-94), (5-98) és (5-99) képletekből is következik. A nagy lehajláshoz ugyanis hosszú és vékony, a nagy erőhatáshoz pedig rövid és vastag ikerfémet kell használni. Megoldást jelent, ha az ikerfém b szélességi méretét növeljük, de hely hiányában ennek lehetősége korlátozott a gyakorlatban. Ezen módszer helyett köteges ikerfémek használatával növeljük meg az erő értékét (5.44 ábra). A lemezek egymáson való súrlódásából eredő lehajláscsökkenést leszámítva, azonos lehajlás mellett, az erő a lemezek számával arányosan növelhető.
5.45. a) ábra Ikerfém fűtési módok a)
5.45. b) ábra Ikerfém fűtési módok b)
5.45. c) ábra Ikerfém fűtési módok c)
Az ikerfémeket közvetlenül (5.45 a. ábra), közvetetten (5.45 b. ábra) vagy vegyesen (5.45 c. ábra) lehet árammal fűteni. A vegyes fűtés előnye nem abban mutatkozik meg, hogy a fűtőszál árama az ikerfémen átfolyva, azt is melegíti, mert az ikerfém ellenállása sokkal kisebb a fűtőszálénál. A megoldás tényleges előnye, hogy - a csak egy rétegben tekercselhető fűtőszál - hozzávezetése az ikerfém rögzített (befogott) végénél alakítható ki, tehát nem szükséges az 5.45 b. ábra szerinti hajlékony hozzávezetésről gondoskodni az ikerfém szabad végénél. Ha a védendő berendezés árama túlságosan nagy, az ikerfémet vasmagos áramváltó közbeiktatásával is lehet fűteni.
Ennek előnye, hogy az áramváltó vasmagja zárlati áramok esetén telítődik és korlátozza a szekunder áramot, miáltal védi az ikerfémet, illetve annak fűtését.
5.46. ábra. Kompenzált ikerfém
környezet változó hőmérséklete hibát okoz az ikerfémes működtetők üzemében. Az ikerfém ugyanis nemcsak a fűtőáram által keltett hő hatására hajlik el, hanem a környezeti hőmérsékletváltozás hatására is. Igényesebb szerkezetekben a környezeti hőmérsékletváltozás hatását kompenzálják. Ennek egyik megoldási módja látható az 5.46. ábrán. Ebben a szerkezetben a környezeti hőmérsékletváltozás hatására a fűtöttel együtt görbül egy fűtetlen (kompenzáló) ikerfém, miközben a fűtött ikerfém és a kioldó zárószerkezete közötti δ alaptávolság - alaphelyzetben, ha fűtött ikerfémet nem fűtjük - állandó marad.
4.2. Az ikerfémes túlterhelés elleni védelem
5.47. ábra. Ikerfémes túlterhelés elleni védelem, melegedések időfüggvényei
Az ikerfém lehajlása és erőhatása az ikerfém melegedésével arányos. Ha ez a melegedés a működtetőre jellemző η k értéket t k kioldási idő elteltével eléri, akkor egy zárószerkezetet kioldásával pillanatszerű működés következik be (5.47. ábra). A kioldási idő a ikerfém melegedési időfüggvényétől függ. Ez csak több melegedési időállandóval írható le, hiszen az ikerfém melegedésére a vele kapcsolódó más szerkezeti elemek (pl. a befogás, és a fűtőelemek) melegedése is hatással van. Amennyiben - az egyszerűség kedvéért - csak egy - a védelemre jellemző - T melegedési időállandóval számolunk, a rövid idejű melegedésre érvényes összefüggés alapján a kioldási idő:
(5-101)
Ez az idő a védendő berendezés η meg megengedett melegedéséhez tartozik. Mivel ezen berendezés T ber
melegedési időállandója nagyobb, mint a védelemé ( T ), tehát η k >; η meg adódik. Így ezen a módon nem valósítható meg - az egyébként kívánatos - hőmás ( T ber = T ) védelem.