Élément thermostatique. Cette invention concerne un élément ther- inostatique comprenant des parties en mé taux de coefficients de dilatation différents.
11 est bien connu que le fer pur; lors qu'il est chauffé, passe par un point de trans formation à approximativement 900 C et qu'après .un chauffage ultérieur il passe par un second point de transformation à environ 1400 C. La structure du fer en dessous de 900 C est communément connue comme structure alpha-cristalline. Entre 900 C et 1400 C, la structure cristalline du fer pur est connue comme austenite ou fer gamma, et au-dessus de 1400 C, la structure cris talline- change. en celle -connue comme fer delta.
Lorsqu'il est chauffé, le fer pur se dilate uniformément jusqu'à 900 C et a un coeffi cient de dilatation thermique d'approximati- vement 12X10-1 cm par degré centigrade et entre 900 C et 1400 C, ou entre son premier et _aou second point de transforma- tion, il se dilate uniformément, mais dans une mesure beaucoup plus élevée, le coeffi cient de dilatation étant environ de 20X10-1 cm par degré centigrade. Au-dessus de 1400 C le fer pur se dilate dans une mesure plus faible que le fer ayant une struc ture austenitique.
L'invention présente la particularité que le métal à coefficient de dilatation le plus élevé est un alliage contenant du fer et du manganèse. Un pareil alliage possède prati quement la même caractéristique de dilata tion au chauffage que le fer ayant une struc ture cristalline d'austenite sur une étendue de température de + 150 C à -j- 500 C. Cet alliage est réversible dans ses caracté ristiques thermiques sur cette étendue de température; c'est-à-dire qu'il suit la même courbe de dilatation au chauffage qu'au re froidissement.
Entre 100 C et environ 125 Q C, l'alliage fer-manganèse a un coeffi cient de dilatation thermique qui ne diffère pas de façon appréciable de celui d'un alliage fer-nickel, mais au-dessus de 125 0 C, l'alliage fer-manganèse a un coefficient de dilatation thermique beaucoup plus élevé. L'alliage fer- manganèse assemblé avec. un alliage ayant un coefficient de dilatation relativement bas pour former un élément bimétallique, est très utile dans des éléments thermostatiques comme on le décrira plus loin.
Une addition de nickel, ou de tout autre élément d'alliage ayant le même effet, à l'alliage à coefficient de dilatation thermique le plus élevé peut également être employée pour élever la transformation de gamma en delta au-dessus de la susdite étendue de température. Comme le manganèse n'est pas d'un prix si élevé que le nickel, il est désirable d'employer du manganèse comme élément d'alliage prédominant en tant que les autres caractéristiques de l'alliage le per mettent. On a trouvé qu'avec 10 0% de nickel on obtient la caractéristique de dilatation élevée de l'austenite ou du fer gamma sur une étendue de température entre au moins -100<B>0</B> C et -f- 400 0 C.
L'alliage à coefficient de dilatation ther mique le plus élevé contenant du fer, du manganèse et du nickel peut contenir jus qu'à environ 15 % de manganèse, et on dé crira plus loin des exemples ayant moins de 8 % et entre 8 et 15 % de nickel.
La fig. 1 du dessin annexé montre les courbes de dilatation thermique de deux al liages de fer, dont l'un contient du fer et du manganèse, et d'un élément bimétallique com prenant ces alliages.
La fig. 2 ',montre les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage de fer contenant du," manganèse et 8 -15 % de nickel et d'un second alliage de fer conte nant du nickel, représentées diagrammatique- ment au moyen de courbes, et également la différence de dilatation entre ces deux al liages qui est une mesure de la déviation ou déflexion à toute température qui puisse être obtenue lorsque ces alliages sont assemblés dans une bande bimétallique.
La fig. 3 montre les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage fer-man- ganèse-nickel avec moins de 80/0 de manga nèse, puis d'un alliage fer-nickel et ensuite la différence de dilatation entre ces deux alliages.
La fig. 4 montre les caractéristiques de dilatation thermique d'un autre alliage fer- nickel-manganèse avec moins de 8 % de man ganèse, puis d'un alliage fer-nickel et ensuite la différence de dilatation entre ces deux alliages.
Dans les diagrammes du dessin, l'or donnée représente la dilatation en millièmes par unité de longueur et l'abscisse représente la température en degrés centigrades. A la fig. 1, la courbe de dilatation ther mique désignée par 11 représente la carac téristique de dilatation d'un alliage contenant du fer, du manganèse et un faible pourcen tage de carbone. La courbe désignée par 12 représente les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage fer-nickel formant un élément bimétallique avec l'alliage représenté par la courbe 11.
La courbe 13 indiquée par une ligne pointillée représente la diffé rence de dilatation entre les alliages des courbes 11 et 12, à laquelle la déviation ou déflexion d'un élément bimétallique composé de ces alliages est directement proportionnelle dans des conditions appropriées.
L'alliage représenté par la courbe 11 a un coefficient de dilatation thermique très élevé entre 100 0 C et 500 0 C. Entre 100 0 C et - 150 0 C le coefficient de dilatation di minue et se rapproche du coefficient de dila tation thermique de l'alliage représenté par la courbe 12. On notera qu'entre - 150 0 C et -r 100 0 C la différence dans les ordonnées des courbes 11 et 12 est sensiblement zéro comme indiqué par la courbe 13. De<B>100'</B> C à 400 0 C, la différence de dilatation des al liages des courbes 11 et 12 est très marquée et d'un caractère uniforme. L'élément bi métallique dont les caractéristiques sont re présentées par la courbe 13 conserve sa dé formation à une température d'environ 500 0 C.
La caractéristique thermique de l'alliage représenté par la courbe 11 peut être changée en modifiant la teneur en manganèse entre les limites de sensiblement 15 O/o et<B>30</B> 11/o et par des additions modérées d'autres sub stances d'alliage. L'alliage représenté par la courbe 12 peut être un alliage fer-nickel ayant tout coefficient de dilatation thermique désiré qui soit applicable pour l'emploi avec l'alliage. fer-manganèse.
Un élément bimétallique comprenant une partie en un alliage fer-nickel à 45 % et une partie en un alliage de fer contenant 23 % de manganèse et 0,1 % de carbone est très sensible à des changements de tempéra ture entre les températures de sensiblement 150 o C à 400 o C. Entre 150 o C et -150 o C, cet élément bimétallique a pour des buts pratiques une dilatation zéro.
Par conséquent, il n'est pas sujet à des efforts mécaniques élevés dans cette étendue de température.
On comprend que la teneur en nickel de l'alliage représenté par la courbe 12 peut être changée suivant la quantité de manga nèse ou autre substance d'alliage additionnelle dans l'alliage représenté par la courbe 11 en vue de réaliser un élément bimétallique pour des dispositifs thermostatiques qui soit appli cable sur une étendue de température rela tivement grande dans laquelle il doit être capable de réagir, et qui n'obéisse pratique ment pas à des températures qui ne sont pas comprises dans l'étendue de travail désirée.
A la fig. 2, la courbe 11 représente les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage de fer contenant approximativement des parties égales de manganèse et de nickel. La courbe 12 représente la caractéristique de dilatation thermique d'un alliage de fer à dilatation relativement faible qui contient approximativement _ 38 /o de nickel, et la courbe 13 représente la caractéristique de la déviation par effet thermique d'un élément bimétallique composé des alliages representés par les courbes 11 et 12. Les ordonnées de la courbe 13 sont obtenues en soustrayant les ordonnées de la courbe 12 des ordonnées correspondantes de la courbe 11.
On notera que la courbe 11 et concave de - 150 à approximativement -<B>751</B> C, et de - 75 o C à + 450 o C la courbe est pra tiquement une ligne droite, dont la régula rité indique que l'alliage composé de fer, manganèse et nickel se dilate pratiquement uniformément dans l'étendue de température de -- 75 o C à -[-450 o C.
La courbe 12 représente approximative ment titi alliage de fer-nickel à 38 /o qui coopère avec l'alliage représenté par la courbe 11 et il est à noter que la caractéristique de dilatation de l'alliage fer-nickel et pratique ment uniforme entre -100 o C à -r 250 o C.
La caractéristique de dilatation thermique d'un Bimétal composé des alliages représen tés par les courbes 11 et 12 est représentée en particulier par la courbe 13. On notera qu'un Bimétal composé de ces alliages a une déviation ou déflexion pratiquement uniforme à partir de - 75 o C jusqu'à pratiquement 250<B>OC.</B> A des températures plus élevées que 300' C, la déviation du Bimétal aura lieu dans une mesure plus petite qu'entre -100 o C et 300 o C, la courbe se rapprochant de l'horizontale, ce qui indique que la dévia tion diminue avec une augmentation ul térieure de la température.
L'étendue de température pour une carac téristique uniforme du coefficient de dévia tion thermique entre 0 o C et 250 o C peut être agrandie à des températures plus élevées que 250<B>OC.</B> Ainsi, un Bimétal composé de l'alliage de la courbe 11 et d'un alliage ayant une teneur en nickel plus élevée que l'alliage de la courbe 12 aura une caractéristique de déviation rectiligne à partir de -100o C jus qu'à une température plus élevée que -r300 o C, ce qui dépend de l'augmentation en nickel de l'alliage correspondant à la courbe 12.
Il est désirable que la teneur en nickel ajoutée à deux fois et demi la teneur en manganèse ne soit pas inférieure à 30% de l'alliage total. Le nickel et le manganèse peuvent être présents en quantités plus gran des, pourvu que les caractéristiques ther miques générales de l'alliage représenté par la courbe 11 ne s'en écarte pas sensiblement.
Un alliage de fer - du caractère considéré, contenant 10 % de manganèse et 10 % de nickel obéit particulièrement bien à des chan gements de température et a une caracté ristique de dilatation thermique uniforme.
L'étendue de la déformation thermique du Bimétal suivant la fis. 2 peut être amenée à varier en augmentant ou en diminuant la teneur en nickel de l'alliage fer-nickel. Les caractéristiques de dilatation thermique du Bimétal peuvent également être variées sui vant l'application à laquelle celui-ci est des tiné en faisant varier la teneur en manga nèse ou eu nickel ou les deux dans l'alliage fer-nickel-manganèse et la teneur en nickel dans l'alliage fer-nickel.
A la fis. 3, la courbe 11 représente les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage de fer à dilatation élevée contenant du nickel et moins de 8 % de manganèse, et la courbe 12 représente les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage fer-nickel à 420 % à dilatation relativement faible. La courbe<B>13</B> représente la caractéristique de déviation thermique d'une bande bimétallique composée des alliages représentés par ces courbes I1 et 12.
Dans la fis. 4, la courbe 14 représente la caractéristique de dilatation thermique d'un alliage de fer à dilatation élevée contenant du nickel et du manganèse en différentes proportions en comparaison de l'alliage re présenté par la courbe 11. La courbe 15 re présente les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage fer-nickel à 42 0/0, et la courbe 16 montre la caractéristique ther mique d'une bande bimétallique établie par des pièces assemblées de ces alliages repré sentés par les courbes 14 et 15.
La dilatation de l'alliage représenté par la courbe 11 de la fis. 3 augmente gra duellement de 00 C jusqu'à approximative ment 100 C, mais à partir de 100 C jus qu'à des températures plus élevées - que 4000 C, sa dilatation se produit dans urne mesure plus élevée et est sensiblement- uni forme. La dilatation de l'alliage -représenté par la courbe 12 est sensiblement uniforme de 0 à 300 0 C, mais à des températures au- dessus de<B>3000</B> C, la dilatation augmente très rapidement.
La courbe 13 montre la déformation d'un Bimétal composé des al liages des courbes 11 et 12 et on notera qu'à partir de 0 0 C jusqu'à environ 100 0 C, sa déformation n'est pas appréciable, mais à partir de 100 0 C jusqu'à environ 350 0 C, la déformation est tout à fait uniforme et se produit dans une mesure très rapide.
Le coefficient de déformation thermique entre ces dernières températures est relativement élevé, et en effet il est supérieur aux carac téristiques de déformation d'un Bimétal coin- posé de métal monel et d'un acier nickel. L'alliage correspondant à la courbe 13 est en particulier utile pour des températures entre 150 0 C et 350 0 C. Au-dessous de<B>150'</B> C, la déformation n'est pas si grande et, par conséquent, lorsque le dispositif n'est pas en action, les efforts dans le métal sont consi dérablement réduits, de façon que sa dura- bilité se trouve prolongée.
A la fis. 4, l'alliage fer. nickel-manganèse représenté par la courbe 14 diffère en teneur de manganèse-nickel de l'alliage représenté par la courbe 11 de la fis. 3. Il est à noter qu'entre 0 0 C et 200 0 C la dilatation de ce métal ne diffère pas de façon appréciable de la dilatation de l'alliage acier-nickel à 42 %. Ceci se voit en particulier dans la courbe 16 en ce sens que la partie de celle-ci entre 0 0 C et 200 est sensiblement droite et est située un peu au-dessous de la ligue de dila tation zéro. En effet, le Bimétal a la cour bure de sa courbe légèrement inversée entre ces températures.
A partir de 200 0 C jusqu'à 400 0 C, le Bimétal se déforme dans une me sure relativement élevée. Son coefficient de dilatation thermique est particulièrement élevé entre ces températures: La teneur en nickel des alliages caracté risés par: -les courbes I1 et 14 peut varier pratiquement entre les limites de 15 % et 40 0/0, et la teneur en manganèse peut varier pratiquement.
entre-les limites de. 10/a. et 8 /o_ ta teneur en nickel des alliages reprà- sentés par les courbes 12 et 15 peut varier entre les limites pratiques de 38 /o et 45 %.
Un Bimétal composé des alliages repré senté par les courbes 14 et 15 et particu lièrement utile entre 200 0 C et .100 <B>OC,</B> atten du que c'est là son étendue la plus sensible à des changements de température. Lorsque ce Bimétal se refroidit au-dessous de 200 0 C, les coefficients de dilatation thermique des deux métaux sont sensiblement égaux, ré duisant par là les efforts entre eux au-dessous de cette température. La teneur en manga- nèse-nickel de l'alliage à dilatation élevée peut varier en concordance avec l'étendue de température à laquelle un birnétal, dans le quel il forme un des éléments coopérants, doit être soumis.
Comme la déviation ou déflexion d'un Bimétal correspondant à la courbe 13 est très faible à 150 0 C, les efforts qui sont directement proportionnels à la dé viation, sont relativement petits et sensible ment nuls pour des buts pratiques. Ce phé nomène est désirable parce qu'il réduit les efforts à des températures relativement éle vées et permet d'employer le Bimétal à ces températures sans sacrifice de sensibilité.
Bien que les courbes de caractéristique de dilatation thermique de l'élément à dila tation inférieure soient données comme se référant à un alliage de fer contenant du nickel, l'invention n'est pas limitée a l'em ploi de cet alliage, étant donné qu'on peut employer d'autres alliages ayant un coeffi cient de dilatation thermique bas. Cependant la teneur en nickel de l'alliage mentionné ci-dessus peut dans certains cas être sen siblement inférieure à 45 0/u de l'alliage total.
Un Bimétal préféré de la caractéristique donnée par les courbes des fig. 3 et 4 est composé dune partie en un alliage de fer contenant 38 % de nickel et 4,6 % de man- ganèse,
et d'une partie coopérante en un al- liage de fer contenant sensiblement 42 % de nickel et est très utile dans l'étendue de température entre 200 0 C et 400 0 C. A par tir de 0 0 C à 200 0 C, ce Bimétal présente pour des buts pratiques un coefficient de déviation ou de fléchissement thermique égal à zéro.