바이메탈은 열을 받았을때 늘어나는 정도가 다른 두 금속판을 붙여 놓은 것으로 주로 열을 감지하여 동작하는 기구의 자동 스위치에 많이 사용되어지는 것입니다.
이것은 팽창계수가 매우 다른 두 종류의 얇은 금속편을 맞붙인 것으로 온도의 변화에 따라 현저하게 구부러지는 성질을 이용하여, 온도변화의 검출, 온도조정 등의 목적으로 널리 사용되고 있습니다. 재료는 팽창이 적은 쪽에는 니켈과 철의 합금, 팽창이 큰 쪽에는 구리와 아연의 합금, 니켈 ·망간 ·철의 합금, 니켈 ·몰리브덴 ·철의 합금, 망간 ·니켈 ·구리의 합금 등 여러 가지가 있죠.
가장 간단한 바이메탈은, 저온때에는 수평이던 것이 고온이 되면 니켈 ·철 합금 쪽으로 구부러지며, 따라서 저온에서는 바이메탈을 통해 전류가 흐르지만, 고온 때는 접점이 떨어져 전류가 흐르지 않게 됩니다. 이와 같은 기구를 보온밥통 내에 장치하면 밥통 안의 온도가 오르내림에 따라 접점이 떨어졌다 붙었다 하여 온도를 어느 범위 내에서 유지할 수가 있습니다. 그러나 이런 바이메탈은 접점이 떨어질 때 불꽃이 발생하여 접점이 빨리 열화하므로, 구성을 연구하여 접점의 동작이 빨라지도록 해야 합니다. 가정용 ·공업용 ·수송용 ·군사용 등 각 방면에 사용되고 있다. 특히 가정용 전기기구의 온도 조절장치나, 일반 전기기구류 안에서 전류제한기 ·자동개폐기 등 넓은 범위에 걸쳐 사용되고 있습니다.
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우리가 가정에서 사용하는 보일러나 전기 장판, 보온 밥솥 등은 일정한 온도를 유지하기 위해 자동온도조절을 한다. 모든 물체는 외부로 열을 빼앗기고 이렇게 빼앗긴 열만큼을 계속 보충 받아야만 일정한 온도를 유지할 수 있다.
물체가 열을 잃는 원인은 전도, 대류, 복사 등에 의한 것임을 "전자레인지의 원리"에서 살펴 보았다. 이렇게 잃은 열 때문에 물체의 온도는 내려가게 된다.
자동온도조절의 필요성
음식이나 집안을 일정한 온도로 따뜻하게 유지하기 위해서 우리는 보온 밥솥이나 보일러를 작동하여 열을 공급한다. 하지만, 마냥 계속 열을 공급하면 음식은 타버리고 집안의 온도는 숨 쉴 수 없을 정도로 계속 올라가게 된다.
그러므로 적정의 온도를 유지하기 위한 장치가 필요하다. 즉, 적정 온도 이상이면 열 공급을 중단하고 적정 온도 이하이면 열을 공급하게 하는 조절 시스템이 필요한 것이다.
바이메탈
바이메탈이란 상온에서는 평행한 판이지만, 열을 받으면 한쪽으로 휘는 성질을 가지고 있다. 따라서, 다음과 같이 온도에 의한 자동 단락회로를 꾸미는데 효과적이다.
바이메탈에 열이 가해지면 한쪽 방향으로 휘어 열린 회로를 닫힌 회로로 만들어 전구에 불이 들어 오게 만들 수 있다.
위 경우와는 반대로 바이메탈의 위 아래 방향을 바꾸어 수위치가 닫힌 상태로 두면 어떻게 될까?
즉, 바이메탈이 열을 받으면 닫힌 회로에서 열린 회로로 바뀌게 될 것입니다.
그리고 두번째 경우가 우리가 고민하던 자동온도조절에 사용될 수 있다. 즉, 온도가 올라가면 전원이 차단되어 보일러나 보온장치가 작동을 멈추고, 온도가 다시 내려가면 바이메탈이 원래상태로 돌아가므로 닫힌 회로를 구성하여 보일러나 보온장치가 작동하여 열을 공급하게 되는 것이다.
금속의 팽창
고체를 구성하는 분자는 일정한 간격으로 배열되어 있고 제자리에서 진동만 한다(중2 분자관련 단원). 그러나 온도가 올라가면 분자의 운동 에너지가 증가하여 분자간 결합의 길이가 길어져서 팽창이 일어난다.
▶ 선팽창
고체는 고유의 팽창률을 가지고 있다. 초기에 Lo인 길이의 고체에 열을 가하면 L의 길이로 증가한다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
L = Lo ( 1 + αΔt)
즉, 온도의 변화에 따른 α만큼의 일정한 변화율을 가지고 있고 이 α는 고체마다 다른 물체의 고유의 양이며, 이를 선팽창 계수라 한다.
▶ 부피팽창
입체는 3D(Dimention)로 표현이 된다. 3D라는 것은 3개의 방향이 모여 하나의 입체를 구성함을 의미하고 있다. 위에서 선팽창에 대한 비율인 선팽창 계수 α를 배웠다. α는 1차원에 대한 변화율이므로 3차원에 대한 변화율은 1차원의 3배가 된다. 즉 부피의 팽창은 다음과 같은 식으로 표현된다.
V = Vo ( 1 + βΔt) = Vo ( 1 + 3αΔt)
β도 α와 관련된 양이므로 고체마다 다르며, 물체의 고유의 양이 된다. 이를 부피팽창 계수라 한다.(※ 기체의 경우 β는 1/273 의 값을 갖는다.)
바이메탈의 원리와 인체의 항상성에 대하여 생각해 보자.
바이메탈은 온도에 따른 열팽창 계수가 다른 두 금속을 붙여 자동적으로 온도가 조절되도록 하는 장치로서, 보일러의 경우 온도가 낮을 때에는 전원과 연결되어 보일러를 가동시키고, 온도가 높을 때에는 전원을 차단하여 보일러의 가동을 중지시켜 실내 온도를 일정하게 유지시키는 장치이다. 이와 같은 원리에 의해 우리의 몸에서 일정한 상태를 유지하는 작용을 항상성이라 한다.
바이메탈과 같이 자동적인 조절 기능의 원리를 피드백의 원리라 한다. 이 과정은 음(-)의 피드백으로서 고온으로 올라가면 바이메탈이 떨어져 전원이 차단되고, 온도가 내려가면 바이메탈이 이어져 전원이 연결되어 자동적으로 일정 범위의 온도를 유지할 수 있게 된다. 호르몬의 조절은 거의 이와 같은 음의 피드백에 의해서 조절된다. 양의 피드백은 원인이 결과에 의해 점점 촉진되는 경우로서 자극을 강하게 주면 더욱 더 강하게 반응하는 경우가 이에 해당한다.
바이메탈과 관련된 것
Bimetal을 구성하는 두 금속판의 팽창계수 차이가 무척 크다면 바이메탈은 온도조절장치에서 기능을 잘 발휘할 수 있는가?
바이메탈을 구성하는 두 금속판의 팽창계수 차이가 무척 크다면 너무 바이메탈이 낮은 온도변화에도 쉽게 휘어 온도조절에 적당하지 않다. 그 이유는 온도의 짧은 변화에도 민감히 반응하지 못 하기 때문이다.
또, 팽창계수 차이가 아주 큰 차이를 잃으키면 어느정도 높은 온도변화를 견디지 못하고 바이메탈이 분해될 우려도 있다.
바이메탈이 활용하여 측정기구를 만들수 있나요?
바이메탈은 실재로 온도계에 사용되고 있다. 실제로 모대학에서 실험한 다음의 동영상 화면을 통해서 알 수 있다.
바이메탈을 구성하는 두 금속핀의 팽창계수가 비슷하지만 틀린 것을 이용하여 작은 온도변화의 변화를 민감히 측정하여 바이메탈 온도 측정기를 만들 수 있다.
(출처 : '자동 온도 조절의 원리 바이메탈' - 네이버 지식iN)
이전에 초등학교때 전자석에 대해 배운적이 있을것입니다. 이전자석에 철판으로 된 스위치를 두어 전기를 넣어주면 스위치가 붙고, 전기를 끊어주면 스위치가 떨어지게 만든 것이 릴레이(또는 계전기)라 합니다.
이러한 릴레이를 사용하는 이유는
1.낮은 전압,전류는 보다 높은전압,전류를 ON,OFF 할수 있다
코일에 인가되는 전원은 보통 5~24V,수백mA인 반면 스위치되는 전원은 수백V에 수십A도 가능하죠
2.전기적인 신호를 스위치를 제어할수 있다. 이 말은 사람이나 기구가 아닌 전기적인 신호로 전원을 ON,OFF 할수 있다는 의미입니다.
3.제어하는전원과 제어되는 전원을 서로 절연시킬수 있다.
(즉 코일에 인가되는 전원과 스위칭되는 전원을 서로 분리할수 있다는 것이죠)
Snap-Action Thermostat
The 36T series of 1/2'' bimetal thermostats from Therm-O-Disc? offers proven reliability in a compact, versatile, cost-effective design. The snap action of the bimetal disc provides high-speed contact separation resulting in excellent life cycle characteristics at electrical loads up to 15 amps at 120VAC and 10 amps at 250VAC. A wide variety of terminal and mounting configurations are available for maximum design flexibility. The quality, reliability, affordability, versatility and world-wide agency approvals of the 36T Series makes it the snap-action thermostat of choice for a wide variety of temperature control applications.
Switch Actions:
The 36T is available in three single-pole, single-throw (SPST) switch actions:
Automatic Reset – Can be built to either open or close its contacts on temperature rise.
Manual Reset – Available with contacts that open on temperature rise. The contacts can be reset by depressing the button after the control has cooled down.
Single Operation Fuse Disc – Available with contacts that open on temperature rise, and which never reclose unless the ambient temperature drops below +32°F (0°C) or below -31°F (-35°C).
Typical Applications:
The 36T is applied to a wide variety of applications as either a regulating control or a safety limit. Examples of applications include:
• Automatic drip coffeemakers
• Water heaters
• Sandwich toasters
• Furnaces
• Dishwashers
• Boilers
• Dryers
• Electric heaters
• Washing machines
• Office equipment
• Refrigerators
• Automotive car seat heaters
• Microwave ovens
36T Terminals:
Most 36Ts are supplied with 1/4” x .032” (6.3mm x .8mm) quick connect blade terminals that are available in unplated brass, tin-plated brass and nickel-plated steel. We also have 3/16” (4.8mm) blade terminals available in both .020” (0.5mm) and .032” (0.8mm) thicknesses. Most of these blade terminals are available in 0, 45 and 90 degree angles. The 36T can also be supplied with various weld tab and crimp/solder terminals. Other configurations/platings may be available if our standard offerings do not satisfy your application.