バイメタルの作動特性について

Question

現在製品にバイメタルを使用しているのですが、作動(変形)特性が
いまいち理解出来ません。
何故反る温度と元の状態に戻る温度が異なるのでしょうか？

例えば、常温から加熱していき50℃で反ったとしても、そこから冷却していっても反りが解消され元に戻る温度は必ず50℃以下になると思います。

これはヒステリシスというものなのでしょうか？
金属は一度反る(膨張する)と、エネルギーが蓄えられ
元に戻る(収縮する)には、より温度を冷やさないといけないということなのでしょうか？

また、これらの温度差は何に依存するのしょうか？
(張り合わせる材料、形、板厚など)

どなたかご回答いただけますようお願いいたします。

Accepted Answer

基本的なバイメタル自体の温度と変位特性は、ヒステリシスはなく、
温度上昇方向と、温度下降方向の変位の差異は無視できるほど小さいと
思います。

しかしながら、電気接点を動作させる場合は、上記のような特性では都合が
悪いのです。動作温度の周辺では、接点の間隔がとても小さい範囲で、アナ
ログ的に接点間距離が変化すると、接点間に放電が生じて、意図した通りの
電流オン／オフができずに、また放電により接点の消耗も著しくなります。

このような不都合を防ぐために、わざとヒステリシスを生じる構造として、
接点オン／オフの際の動作速度を速めるとともに、オフの際の接点間距離を
ある一定以上確保できるように設計してあるためです。
このような機能を“スナップ アクション”といいます。

ヒステリシスを持たせる構造は、押しボタンスイッチにクリック感覚を
持たせる構造と共通するものです。
このような観点で、参考として示したＵＲＬの資料をご覧下さい。

回答(2)さん
　アニメーションのご提供を感謝します。

“座屈”

http://yamakei.b-smile.jp/user_data/futa.php

ペコンと音をたてて変形する一斗缶の蓋も座屈の応用例ですね。

Answer

機械的には『座屈』という現象を使ってます。
　　http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/design/ch02/ch02_01.html
　　(4) 座屈
細長い柱で上からの荷重を増やしていくと、ある時点で急に横に曲がってしまう。
不安定現象で建造物などは事故になるので起きない限界を知って設計。

バイメタルはこの座屈を積極利用しヒシテリシスを作っている（理由は既説明どおり）。
実感するには、プラ／スチール等のスケールを立てて、
　　上から押さえ少し曲がった状態に、
　　横から指で曲がりを押さえ逆方向へ曲げようとする、
　　途中、真直ぐな位置に保とうとしても（上から押え続けると）安定しにくく、貯めがあって
　　一気に動く、すなわちヒシテリシス。

（２）さん呈示のアニメも面白いが、バイメタル自体は素直な動きをし「跳躍バネ」が座屈するのでやや複雑かと。

単純な構造の製品　太く短い製品（↑はペンシル型）
　　http://www.asahikeiki.co.jp/product/whats-thermostat/
　　サーモスタットの動作原理
下の薄い板がバイメタル。
　　動作前は凹状に反っている。接点はＯＮ。
　　温度変化により反りが小さくなり、平らに近づき貯め状態、そして一気に逆向きの凸に反る。
　　接点はＯＦＦ。
　　逆方向の動作も同じような挙動。

調整ネジが外に出てるものでなし、いじるより買い直し。メーカーに仕様特注。
温度コントロールの精度を高めたいからでしょうが、バイメタルでは所詮しれてます。
（１）（２）指摘のように本質的に必要な特性なので、最適化を望むなら電子制御に変える。

http://www.nippon-heater.co.jp/products/tc/tmqttm/
　　※２：DIFF.(ディファレンシャル)＝ON/OFF動作の温度差（ヒステリシス）

メーカは DIFF を決め打しており所望タイプを買うしかない。

◦Ａランク：3.5±1.5℃（設定温度　0～50℃）

小さい値ではない。電子制御は投入ワッテージを可変できオーバーシュートも細かくなるが、バイメタルでは出来なく粗いドリフトを繰返すことは不可避です。

Answer

概ね、回答（１）さんで正解なのですが
サーモスタット動作のアニメーション
http://www.matsuo-ele.com/products/060_principle.html
因みにこの会社ではヒステリシスの事を「デファレンシャル」と呼んでます

もし、ヒステリシスが有るのが都合が悪ければ
サーモスタットは諦めて電子制御するしかありません　＜高価ですが高精度です
http://www.fa.omron.co.jp/products/family/3101/lineup.html
http://www.rkcinst.co.jp/seihin/multi-j.htm

用途は何でしょう？
現代の日本国内では電気炬燵や熱帯魚ヒータでさえも電子制御になってるのに

バイメタルは、安価最優先で高精度な温度制御は不要な場合に限られるのですが？
質問文の行間には安価で且つ高精度な温度制御が必要と書いてあるのが見える

>ヒスを変えるにはバイメタルのどこをいじればいいのでしょうか？
サーモスタットメーカ以外でヒステリシスを変更する事は事実上不可能です

必ずしも不可能ではないかも知れませんが
バネのどこかにキズ等を付ければそれなりに変化するであろうと予測は可能でも
深さ何ｍｍで長さ何ｍｍのキズを何処に付ければ良いのかは不明です
数百個のサーモスタットを分解して実験すればそれなりのノウハウは積めるでしょうが
どーころんでも金と時間の無駄でしかない

そんな金が有るなら電子制御にすれば一発でオシマイ　＜最安値

バイメタルの作動特性について