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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisch ansprechendes Element, das in einem Temperaturschalter wie etwa einem Thermostat verwendet wird, und ein Herstellungsverfahren dafür.
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[Stand der Technik]
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In einer Abtauvorrichtung an einem Kühlschrank und in Ausrüstung, die in kalten Regionen verwendet wird, oder einer Anti-Gefrier-Heizung, die in einem Wasserrohr, Produktionseinrichtungen einer chemischen Anlage und Ähnlichem eingebaut ist, dient ein Temperaturschalter wie etwa ein Thermostat zur Verhinderung einer Überhitzung und zum Regeln der Temperatur. Beim Gefrierschutz für ein Wasserrohr wird ein Temperaturschalter verwendet, der zum Beispiel bei 3°C mit der Zufuhr von Elektrizität zu einer Heizeinrichtung beginnt und bei 10°C die Zufuhr von Elektrizität zu der Heizeinrichtung beendet. Industrielle und gewerbliche Anwendungen erfordern zunehmend einen Temperaturschalter, der die Temperatur einer Gefriereinrichtung zwischen -30°C und -20°C regeln kann, und einen Temperaturschalter, der die Temperatur einer Heizeinrichtung von 90°C bis 100°C regeln kann.
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Wenn als thermisch ansprechendes Element für solche Temperaturschalter ein Bimetall verwendet wird, wird eine relativ kleine Differenz benötigt.
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Im Patentdokument 1 wird beschrieben, dass ein Bimetall hergestellt werden kann, bei dem eine Verformungstemperatur und eine Rückstelltemperatur frei angepasst werden können und der Temperaturbereich von circa -30°C bis circa 200°C reicht.
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Im Patentdokument 2 wird eine Bimetallscheibe beschrieben, bei der ein Temperaturunterschied (eine Differenz) zwischen Verformung und Rückstellung klein ist. Durch das Biegen einer Bimetallscheibe mit der Form einer flachen Platte an einer Position, die vom Mittelpunkt um eine bestimmte Distanz beabstandet ist, über den gesamten Umfang, und durch die geradlinige Ausbildung der Querschnittsform sowohl für einen zentralen Abschnitt als auch für einen Randabschnitt, ist die Bimetallscheibe zu einer Schalenform mit Rand gebildet. Wie beschrieben, wird der Betrieb bei einer Temperatur unterhalb der Raumtemperatur möglich, indem die Bimetallscheibe zu der Seite mit niedriger Ausdehnung hin gebogen wird.
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Im Patentdokument 3 wird ein scheibenartiges Bimetall beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Oberflächeninhalt vergrößert ist, indem mindestens eine Fläche eines Bereiches, an dem ein Wölbungsprozess durchgeführt wird, mit einer Konkavität und einer Konvexität versehen sind. Wie beschrieben, sind bei dem scheibenartigen Bimetall die Umkehrungstemperatur und die Rückstelltemperatur niedrig, und ein Temperaturunterschied zwischen der Umkehrungstemperatur und der Rückstelltemperatur ist klein.
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[Liste zitierter Druckschriften]
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[Patentdokumente]
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- [Patentdokument 1] Japanische Offenlegungsschrift Nr. 63-16285
- [Patentdokument 2] Japanische Offenlegungsschrift Nr. 58-198788
- [Patentdokument 3] Japanische Offenlegungsschrift Nr. 48-10429
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[Zusammenfassung der Erfindung]
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[Technische Aufgabe]
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Es ist bekannt, dass bei der Verwendung eines Bimetalls als thermisch ansprechendes Element die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur des Bimetalls weitgehend von seiner Form abhängen. Im Patentdokument 1 wird jedoch nur eine kugelartige Form beschrieben und kein spezifisches Verfahren zum freien Einstellen der Temperatur in verschiedenen Temperaturzonen angegeben. Im Patentdokument 2 wird beschrieben, dass ein Bimetall gewonnen werden kann, das bei einer Temperatur unterhalb der Raumtemperatur arbeitet, jedoch werden kein spezifisches Verfahren und keine spezifische Betriebstemperatur beschrieben. Der Prozess für die konkaven und konvexen Oberflächen im Patentdokument 3 wird für kompliziert erachtet.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also in der Bereitstellung eines thermisch ansprechenden Elements, bei dem ein hoher Freiheitsgrad beim Einstellen einer Differenz über einen breiten Bereich von Temperaturzonen besteht, von einer Niedrigtemperaturzone, die die Raumtemperatur unterschreitet, zu einer Hochtemperaturzone, die 100°C übersteigt, und bei dem eine relativ kleine Differenz einstellbar ist.
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[Lösung der Aufgabe]
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Bei einem thermisch ansprechenden Element, das ein plattenartiges Bauteil ist und eine Form hat, die sich entsprechend einer Temperaturveränderung verändert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein Querschnitt des thermisch ansprechenden Elements bei Raumtemperatur die Form einer zusammengesetzten Krümmung, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist, wobei ein Querschnitt eines zentralen Abschnitts des thermisch ansprechenden Elements und ein Querschnitt eines äußeren Randabschnitts, der den zentralen Abschnitt umgibt, jeweils eine unterschiedliche gekrümmte Form haben. Die Form des thermisch ansprechenden Elements verändert sich, wenn eine vorbestimmte Temperatur außerhalb des Raumtemperaturbereichs erreicht wird, ein Querschnitt des thermisch ansprechenden Elements nach der Formänderung hat die Form einer zusammengesetzten Krümmung, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist, wobei ein Querschnitt des zentralen Abschnitts des thermisch ansprechenden Elements und ein Querschnitt des äußeren Randabschnitts, der den zentralen Abschnitt umgibt, jeweils eine unterschiedliche gekrümmte Form haben und eine Grenze zwischen dem zentralen Abschnitt und dem äußeren Randabschnitt vor und nach der Formänderung des thermisch ansprechenden Elements gleich ist.
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[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann also ein thermisch ansprechendes Element bereitgestellt werden, bei dem der Freiheitsgrad beim Einstellen der Differenz über einen breiten Bereich von Temperaturzonen hoch ist, von der Niedrigtemperaturzone, die die Raumtemperatur unterschreitet, zu der Hochtemperaturzone, die 100°C übersteigt, und bei dem die relativ kleine Differenz einstellbar ist.
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[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
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- [1] 1 ist eine Draufsicht auf ein thermisch ansprechendes Element gemäß einer ersten Ausführungsform.
- [2] 2 ist eine Querschnittsansicht aus 1 entlang der Linie A-A'.
- [3] 3 ist eine Querschnittsansicht des thermisch ansprechenden Elements nach der Umkehrung.
- [4A] 4A ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [4B] 4B ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen zweiten Schritt des Prozesses zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [5A] 5A ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen ersten Schritt eines weiteren Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [5B] 5B ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen zweiten Schritt des weiteren Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [6] 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Stempels, der im zweiten Schritt verwendet wird.
- [7] 7 ist eine Querschnittsansicht im zweiten Schritt.
- [8] [8] 8 ist eine Draufsicht auf ein thermisch ansprechendes Element gemäß einer zweiten Ausführungsform.
- [9] 9 ist eine Querschnittsansicht aus 8 entlang der Linie B-B'.
- [10] 10 ist eine Querschnittsansicht des thermisch ansprechenden Elements nach der Umkehrung.
- [11A] 11A ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [11B] 11B ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen zweiten Schritt des Prozesses zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [12A] 12A ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen ersten Schritt eines weiteren Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [12B] 12B ist eine verdeutlichende Ansicht, die einen zweiten Schritt des weiteren Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements zeigt.
- [13A] 13A ist eine Draufsicht auf ein thermisch ansprechendes Element gemäß einer dritten Ausführungsform.
- [13B] 13B ist eine weitere Draufsicht auf das thermisch ansprechende Element gemäß der dritten Ausführungsform.
- [13C] 13C ist noch eine weitere Draufsicht auf das thermisch ansprechende Element gemäß der dritten Ausführungsform.
- [14A] 14A ist eine Draufsicht auf ein thermisch ansprechendes Element gemäß einer vierten Ausführungsform.
- [14B] 14B ist eine weitere Draufsicht auf das thermisch ansprechende Element gemäß der vierten Ausführungsform.
- [14C] 14C ist noch eine weitere Draufsicht auf das thermisch ansprechende Element gemäß der vierten Ausführungsform.
- [15] 15 ist eine Draufsicht auf ein thermisch ansprechendes Element gemäß einer fünften Ausführungsform.
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[Beschreibung von Ausführungsformen]
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand dargestellter Ausführungsformen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die Maßverhältnisse der in den Zeichnungen gezeigten Formen sind möglicherweise nicht die tatsächlichen Maßverhältnisse. Die Maßverhältnisse sind möglicherweise verändert, um die Formen leicht verständlich beschreiben zu können.
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In der vorliegenden Spezifikation bedeutet „Raumtemperatur“ (oder „Normaltemperatur“) eine Temperatur von 18°C oder mehr und 38°C oder weniger.
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Erste Ausführungsform
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Ausbildung
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1 ist eine Draufsicht auf ein Bimetall 100, bei dem es sich um ein thermisch ansprechendes Element gemäß der vorliegenden Ausführungsform handelt. 2 ist eine Querschnittsansicht aus 1 entlang der Linie A-A'. Beide Zeichnungen zeigen die Form des Bimetalls 100, das durch einen mehrstufigen Pressprozess mit einem Stempel und einer Matrize geformt ist, bei Raumtemperatur.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, ist das Bimetall 100 ein plattenartiges Bauteil und hat eine Schicht mit niedriger Ausdehnung 111 sowie eine Schicht mit hoher Ausdehnung 112, die unter der Schicht mit niedriger Ausdehnung angeordnet ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Schicht mit hoher Ausdehnung 112 ist größer als der des Materials der Schicht mit niedriger Ausdehnung 111.
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Das Bimetall 100 hat einen zentralen Abschnitt 121, einen äußeren Randabschnitt 122, der den zentralen Abschnitt umgibt, und eine Grenze 123 zwischen dem zentralen Abschnitt 121 und dem äußeren Randabschnitt 122. Das Bimetall 100 hat von oben gesehen eine konkave Form, bei der der zentrale Abschnitt 121 vertieft ist, und hat von unten gesehen eine konvexe Form, bei der der zentrale Abschnitt 121 absteht. Man kann sagen, dass das Bimetall 100 die Form einer Schale mit Rand hat. Ein durch den zentralen Abschnitt 121 und den äu-ßeren Randabschnitt 122 gebildeter Winkel α1 ist ein stumpfer Winkel. Die Querschnittsstruktur des Bimetalls 100 hat die Form einer zusammengesetzten Krümmung, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist. Genauer gesagt, hat die Querschnittsstruktur des zentralen Abschnitts 121 eine gekrümmte Form, die aufwärts konvex ist, und die Querschnittsstruktur des äußeren Randabschnitts 122 auf beiden Seiten des zentralen Abschnitts 121 hat ebenfalls eine gekrümmte Form, die aufwärts konvex ist. An dem zentralen Abschnitt 121 und jedem äußeren Randabschnitt 122 kann der Krümmungsradius der einzelnen Krümmungen gleich oder unterschiedlich sein.
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In Draufsicht hat der zentrale Abschnitt 121 eine Kreisform und der äußere Randabschnitt 122 eine abgerundete Vierecksform.
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Die Grenze 123 liegt auf einem Umfang eines konzentrischen Kreises mit einer Durchmesserlänge L12, die 1% bis 50% einer Durchmesserlänge L11 eines Umkreises 131 beträgt, der um den äußeren Randabschnitt 122 umschrieben ist. Die Durchmesserlänge L12 des konzentrischen Kreises ist jedoch kleiner als die Breite der oben beschriebenen abgerundeten Vierecksform.
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Als Material des Bimetalls 100 kann beispielsweise für die Schicht mit niedriger Ausdehnung 111 eine Ni-Fe-Legierung verwendet werden und für die Schicht mit hoher Ausdehnung 112 eine Cu-Ni-Mn-Legierung verwendet werden. Länge, Breite, Winkelform und Plattendicke der oben beschriebenen abgerundeten Vierecksform können entsprechend einer angezielten Umkehrungstemperatur frei eingestellt sein.
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Wenn die Temperatur des Bimetalls abnimmt und gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Temperatur (Rückstelltemperatur) wird, die niedriger als die Raumtemperatur ist, wird das Bimetall durch eine Schnappwirkung umgekehrt und wechselt aus der in 2 gezeigten Form zu der in 3 gezeigten Form. Nach der Umkehrung hat das Bimetall 100 von oben gesehen eine konvexe Form, bei der der zentrale Abschnitt 121 absteht, und von unten gesehen eine konkave Form, bei der der zentrale Abschnitt 121 vertieft ist.
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Die Form nach der Umkehrung ist eine zusammengesetzte Krümmung, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist. Die Grenze 123 zwischen dem zentralen Abschnitt 121 und dem äußeren Randabschnitt 122 ändert sich vor und nach der Umkehrung nicht.
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In 3 hat die Querschnittsstruktur des zentralen Abschnitts 121 eine gekrümmte Form, die aufwärts konvex ist, und die Querschnittsstruktur des äußeren Randabschnitts 122 auf beiden Seiten des zentralen Abschnitts 121 hat ebenfalls eine gekrümmte Form, die aufwärts konvex ist. Der Krümmungsradius der einzelnen Krümmungen kann gleich oder unterschiedlich sein.
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Ein Winkel β1, den der zentrale Abschnitt 121 und der äußere Randabschnitt 122 in 3 bilden, ist ein stumpfer Winkel, der größer als der Winkel α1 ist.
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Aufgrund des Merkmals, dass der Winkel β1 größer als der Winkel α1 ist und der zentrale Abschnitt 121 sowie beide äußeren Randabschnitte 122 vor und nach der Umkehrung jeweils weiter eine gekrümmte Form haben, die aufwärts konvex ist, kann auch eine relativ kleine Differenz von circa 10 Grad eingestellt sein. Wie in 2 gezeigt, haben der zentrale Abschnitt 121 und jeder äußere Randabschnitt 122 eine (gekrümmte und aufwärts konvexe) Form, die in der gleichen Richtung (nach innen) gekrümmt ist, so dass die Einstellung einer extrem niedrigen Rückstelltemperatur möglich wird.
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Wenn die Temperatur des Bimetalls ansteigt und gleich oder höher als eine vorbestimmte Temperatur (Betriebstemperatur) wird, die niedriger als die Raumtemperatur ist, wird das Bimetall durch eine Schnappwirkung umgekehrt und kehrt aus der in 3 gezeigten Form zu der in 2 gezeigten Form zurück. Diese Betriebstemperatur ist eine Temperatur, die höher als die oben beschriebene Rückstelltemperatur ist.
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In der zusammengesetzten Krümmung kann ein Grenzabschnitt zwischen einer bestimmten Krümmung und einer anderen Krümmung abgerundet oder winklig sein.
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Ein Merkmal eines Querschnitts entlang einer Geraden, die zur Längsrichtung des Bimetalls parallel ist und durch den Mittelpunkt des Umkreises verläuft, wurde als Querschnitt beschrieben, jedoch hat ein Querschnitt entlang einer frei gewählten Geraden, die durch den Mittelpunkt verläuft, ebenfalls ein ähnliches Merkmal.
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In 2 wurde die Form bei Raumtemperatur beschrieben, die durch einen mehrstufigen Pressprozess mit dem Stempel und der Matrize gewonnen wird. Über ein ähnliches Merkmal mit Bezug auf die Form bei Raumtemperatur verfügt jedoch auch ein Bimetall, das mit der Durchführung einer thermischen Bearbeitung nach der Formung durch den Pressprozess gewonnen wird.
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Herstellungsverfahren
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Ein Verfahren zur Herstellung des Bimetalls 100 umfasst den Schritt, ein Bimetallmaterial, das durch zwei Arten von Metallschichten ausgebildet ist, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich unterscheiden, zu einer frei gewählten Form zuzuschneiden, und den Schritt, das Bimetallmaterial nach dem Zuschneiden zu dem Bimetall 100 durch einen mehrstufigen Pressprozess mit einer Pressmaschine zu formen. Der mehrstufige Pressprozess wird in einem Zustand durchgeführt, in dem das Bimetallmaterial und Werkzeuge, die einen Stempel und eine Matrize umfassen, sich in einem Zustand befinden, in dem sie bei einer Temperatur (18°C oder mehr und 38°C oder weniger) im Bereich der Raumtemperatur gehalten werden. Der mehrstufige Pressprozess kann jedoch auch nach einem Abkühlen oder Erwärmen des Bimetallmaterials und der Werkzeuge durchgeführt werden. Der Stempel ist aus Metall hergestellt, wobei Legierungs-Werkzeugstahl und Ähnliches verwendet wird. Die Matrize ist aus elastischem Material hergestellt.
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4A zeigt einen ersten Schritt der Durchführung eines Pressprozesses an einem Bimetallmaterial 100a nach dem Zuschneiden. Das Bimetallmaterial 100a wird nach dem Zuschneiden auf einer Matrize D mit ebener Oberfläche angeordnet. Dabei wird das Bimetallmaterial 100a so angeordnet, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung 111 auf der Seite eines aus Metall hergestellten Stempels P1 liegt und die Schicht mit hoher Ausdehnung 112 auf der Seite der Matrize D liegt. Der Stempel P1, der als Endfläche eine konvexe Oberfläche aufweist, wird abgesenkt und das Bimetallmaterial 100a gepresst. Durch den obigen ersten Schritt wird ein Bimetallmaterial 100b (4B) gewonnen.
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4B zeigt einen zweiten Schritt (einen Pressschritt der letzten Stufe), bei dem das durch den ersten Schritt geformte Bimetallmaterial 100b weiter gepresst wird. Das durch den ersten Schritt gewonnene Bimetallmaterial 100b wird auf der Matrize D mit der ebenen Oberfläche angeordnet. Dabei wird das Bimetallmaterial 100b so angeordnet, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung 111 auf der Seite eines aus Metall hergestellten Stempels P2 liegt und die Schicht mit hoher Ausdehnung 112 auf der Seite der Matrize D liegt. Der Stempel P2, der eine Endfläche mit einem darauf gebildeten abstehenden Abschnitt aufweist, wird abgesenkt und das Bimetallmaterial 100b gepresst. Durch den obigen zweiten Schritt wird das in 1 und 2 gezeigte Bimetall 100 gewonnen.
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Wie in 5A gezeigt, kann im ersten Schritt, wenn das Bimetallmaterial 100a nach dem Zuschneiden auf der Matrize D angeordnet wird, das Bimetallmaterial 100a so angeordnet werden, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung 112 auf der Seite des Stempels P1 und die Schicht mit niedriger Ausdehnung 111 auf der Seite der Matrize D liegt. Wie oben angegeben, kann die Anordnung zu der in 4A gezeigten Anordnung des Bimetalls Material 100a entgegengesetzt sein. Durch den ersten Schritt wird ein Bimetallmaterial 100c (5B) gewonnen.
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Bei dem in 5B gezeigten zweiten Schritt wird, wie in 4B, ein Pressprozess durchgeführt, indem das Bimetallmaterial 100c so angeordnet wird, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung 111 auf der Seite des Stempels P2 und die Schicht mit hoher Ausdehnung 112 auf der Seite der Matrize D liegt.
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Wie in 6 gezeigt, ist ein abstehender Abschnitt X mit einer im Wesentlichen säulenartigen Form im Wesentlichen in der Mitte einer Endfläche Y des Stempels P2 mit einer im Wesentlichen säulenartigen Form gebildet. Eine Durchmesserlänge L13 des abstehenden Abschnitts X beträgt 1% bis 50% der Durchmesserlänge L11 des Umkreises 131, der um die oben beschriebene abgerundete Vierecksform umschrieben ist. Ein Abstehbetrag H des abstehenden Abschnitts X von der Endfläche Y beträgt 0,05 mm bis 1 mm. Eine Endfläche des abstehenden Abschnitts X und die umliegende Endfläche Y können eine ebene Oberfläche sein oder eine Schalenform (Vertiefungsform) haben. Bevorzugt ist jedoch eine Durchmesserlänge L14 der Endfläche Y gleich oder größer als die Durchmesserlänge L11 des Umkreises 131.
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Die Endfläche Y ist nicht auf eine Kreisform beschränkt und kann auch eine ovale Form oder eine Vierecksform (nicht dargestellt) sein.
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Mit Bezug auf 7 wird eine Wirkung des zweiten Schritts (des Pressschritts der letzten Stufe) mit dem Stempel P2 und der Matrize D aus elastischem Material beschrieben. Wenn das Bimetallmaterial 100b (oder das Bimetallmaterial 100c), das dem ersten Schritt unterzogen wurde, auf der Matrize D angeordnet ist und der Stempel P2 zum Absenken gebracht wird, liegen ein zentraler Abschnitt 121b und ein äußerer Randabschnitt 122b des Bimetallmaterials 100b zwischen dem Stempel P2 und der Matrize D und sind fixiert. Bei der Durchführung des Pressens mit dem Stempel P2 wird durch den Gegendruck der aus einem elastischen Körper hergestellten Matrize D eine zusammengesetzte gekrümmte Querschnittsform gebildet, wie sie oben beschrieben ist. Anders als im Stand der Technik erhält der Umfang der Grenze 123 einen hohen Grad an Bearbeitung, der durch die einfache Durchführung eines Pressens mit einem Stempel, der eine einfache gekrümmte Oberfläche hat, nicht erreichbar ist. Als Ergebnis ist auch das Einstellen einer extrem niedrigen oder extrem hohen Betriebstemperatur und Rückstelltemperatur sowie einer relativ kleinen Differenz von circa 10 Grad möglich.
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In 7 wurde das Herstellungsverfahren mit dem aus Metall hergestellten Stempel und der aus elastischem Material hergestellten Matrize gezeigt, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Nach der Bearbeitung der äußeren Form des Bimetallmaterials kann das Bimetallmaterial zwischen obere und unteren Werkzeugen liegen, die aus Metall hergestellt sind und eine gekrümmte Form haben, die der angezielten gekrümmten Form des Bimetalls entspricht. Auf das Bimetallmaterial wird nach dem Pressprozess beispielsweise eine thermische Bearbeitung für eine Stunde bei einer Temperatur von 50°C bis 300°C angewandt.
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Wirkungen
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Das Material (die Zusammensetzung, die Plattendicke und die Temperatur) des Bimetalls, die Form nach dem Zuschneiden, das Pressen (Kraft, Zeit und Temperatur) jeweils im ersten Schritt und im zweiten Schritt, die Endflächenform des Stempels P1, die Endflächenform (die Durchmesserlängen L13 und L14 und der Abstehbetrag H) des Stempels P2 sowie die Qualität des Materials der Matrize werden bei dem Herstellungsverfahren in geeigneter Weise gewählt. Als Ergebnis kann eine Betriebstemperatur unterhalb der Raumtemperatur eingestellt sein und die Rückstelltemperatur frei eingestellt sein. Auch die Einstellung einer relativ kleinen Differenz von circa 10 Grad ist möglich. Die Betriebstemperatur, die Rückstelltemperatur und die Differenz können auch angepasst werden, indem die Form der Endfläche des Stempels P1 im ersten Schritt verändert wird.
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Wenn die Durchmesserlänge L12 des zentralen Abschnitts 121 weniger als 1% der Durchmesserlänge L11 des Umkreises 131 beträgt, wird die Anpassungswirkung der Differenz für klein erachtet. Wenn die Durchmesserlänge L12 des zentralen Abschnitts 121 50% der Durchmesserlänge L11 überschreitet, wird erwartet, dass das Bimetall nur schwer durch eine Schnappwirkung umgekehrt wird und auch bei einer Umkehrung des Bimetalls die Höhe nach der Umkehrung gering ist. Anders gesagt: Im Hinblick auf die Verwendung in einem Temperaturschalter und Ähnlichem wird es nicht als vorzuziehen erachtet (kann nicht wirksam zum Öffnen und Schließen eines elektrischen Kontakts verwendet werden).
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Zweite Ausführungsform
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Ausbildung
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8 ist eine Draufsicht auf eine Bimetall 200, das ein thermisch ansprechendes Element gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist. 9 ist eine Querschnittsansicht aus 8 entlang der Linie B-B'. Beide Zeichnungen zeigen die Form des Bimetalls 200, das durch einen mehrstufigen Pressprozess mit einem Stempel und einer Matrize geformt ist, bei Raumtemperatur.
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Wie in 8 und 9 gezeigt, ist das Bimetall 200 ein plattenartiges Bauteil und hat eine Schicht mit niedriger Ausdehnung 211 sowie eine Schicht mit hoher Ausdehnung 212, die unter der Schicht mit niedriger Ausdehnung angeordnet ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Schicht mit hoher Ausdehnung 212 ist größer als der des Materials der Schicht mit niedriger Ausdehnung 211.
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Das Bimetall 200 hat einen zentralen Abschnitt 221, einen äußeren Randabschnitt 222, der den zentralen Abschnitt umgibt, und eine Grenze 223 zwischen dem zentralen Abschnitt 221 und dem äußeren Randabschnitt 222. Das Bimetall 200 hat von oben gesehen eine konvexe Form, bei der der zentrale Abschnitt 221 absteht, und von unten gesehen eine konkave Form, bei der der zentrale Abschnitt 221 vertieft ist. Man kann sagen, dass das Bimetall 200 die Form einer Schale mit Rand hat. Ein durch den zentralen Abschnitt 221 und den äußeren Randabschnitt 222 gebildeter Winkel α2 ist ein stumpfer Winkel. Die Querschnittsstruktur des Bimetalls 200 hat die Form einer zusammengesetzten Krümmung, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist. Genauer gesagt, hat die Querschnittsstruktur des zentralen Abschnitts 221 eine gekrümmte Form, die abwärts konvex ist, und die Querschnittsstruktur des äußeren Randabschnitts 222 auf beiden Seiten des zentralen Abschnitts 221 hat ebenfalls eine gekrümmte Form, die abwärts konvex ist. An dem zentralen Abschnitt 221 und jedem äußeren Randabschnitt 222 kann der Krümmungsradius der einzelnen Krümmungen gleich oder unterschiedlich sein.
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In Draufsicht hat der zentrale Abschnitt 221 eine Kreisform und der äußere Randabschnitt 222 eine abgerundete Vierecksform.
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Die Grenze 223 liegt auf einem Umfang eines konzentrischen Kreises mit einer Durchmesserlänge L22, die 1% bis 50% einer Durchmesserlänge L21 eines Umkreises 231 beträgt, der um den äußeren Randabschnitt 222 umschrieben ist. Die Durchmesserlänge L22 des konzentrischen Kreises ist jedoch kleiner als die Breite der oben beschriebenen abgerundeten
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Vierecksform.
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Als Material des Bimetalls 200 kann beispielsweise für die Schicht mit niedriger Ausdehnung 211 eine Ni-Fe-Legierung verwendet werden und für die Schicht mit hoher Ausdehnung 212 eine Cu-Ni-Mn-Legierung verwendet werden. Länge, Breite, Winkelform und Plattendicke der oben beschriebenen abgerundeten Vierecksform sind entsprechend einer angezielten Umkehrungstemperatur frei eingestellt.
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Wenn die Temperatur des Bimetalls sich erhöht und gleich oder höher als eine vorbestimmte Temperatur (Betriebstemperatur) wird, die höher als die Raumtemperatur ist, wird das Bimetall durch eine Schnappwirkung umgekehrt und wechselt aus der in 9 gezeigten Form zu der in 10 gezeigten Form. Das Bimetall 200 hat nach der Umkehrung von oben gesehen eine konkave Form, bei der der zentrale Abschnitt 221 vertieft ist, und von unten gesehen eine konvexe Form, bei der der zentrale Abschnitt 221 absteht.
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Die Form nach der Umkehrung ist eine zusammengesetzte Krümmung, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist. Die Grenze 223 zwischen dem zentralen Abschnitt 221 und dem äußeren Randabschnitt 222 ändert sich vor und nach der Umkehrung nicht.
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In 10 hat die Querschnittsstruktur des zentralen Abschnitts 221 eine gekrümmte Form, die abwärts konvex ist, und die Querschnittsstruktur des äußeren Randabschnitts 222 auf beiden Seiten des zentralen Abschnitts 221 hat ebenfalls eine gekrümmte Form, die abwärts konvex ist. Der Krümmungsradius der einzelnen Krümmungen kann gleich oder unterschiedlich sein.
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In 10 ist ein Winkel β2, den der zentrale Abschnitt 221 und der äußere Randabschnitt 222 in 10 bilden, ein stumpfer Winkel, der größer als der Winkel α2 ist.
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Aufgrund des Merkmals, dass der Winkel β1 größer als der Winkel α1 ist und der zentrale Abschnitt 221 sowie beide äußeren Randabschnitte 222 vor und nach der Umkehrung jeweils weiter eine gekrümmte Form haben, die abwärts konvex ist, kann auch eine relativ kleine Differenz von circa 10 Grad eingestellt sein. Wie in 9 gezeigt, haben der zentrale Abschnitt 221 und die äußeren Randabschnitte 222 jeweils eine (gekrümmte und abwärts konvexe) Form, die in der gleichen Richtung (nach innen) gekrümmt ist, so dass die Einstellung einer extrem niedrigen Rückstelltemperatur möglich wird.
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Wenn die Temperatur des Bimetalls abnimmt und gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur (Rückstelltemperatur) wird, wird das Bimetall durch eine Schnappwirkung umgekehrt und kehrt aus der in 10 gezeigten Form zu der in 9 gezeigten Form zurück. Die Rückstelltemperatur ist eine niedrigere Temperatur als die oben beschriebene Betriebstemperatur.
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In der zusammengesetzten Krümmung kann ein Grenzabschnitt zwischen einer bestimmten Krümmung und einer anderen Krümmung abgerundet oder winklig sein.
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Ein Merkmal eines Querschnitts entlang einer Geraden, die zur Längsrichtung des Bimetalls parallel ist und durch den Mittelpunkt des Umkreises verläuft, wurde als Querschnitt beschrieben, jedoch hat ein Querschnitt entlang einer frei gewählten Geraden, die durch den Mittelpunkt verläuft, ebenfalls ein ähnliches Merkmal.
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In 9 wurde die Form bei Raumtemperatur beschrieben, die durch einen mehrstufigen Pressprozess mit dem Stempel und der Matrize gewonnen wird. Über ein ähnliches Merkmal mit Bezug auf die Form bei Raumtemperatur verfügt jedoch auch ein Bimetall, das mit der Durchführung einer thermischen Bearbeitung nach der Formung durch den Pressprozess gewonnen wird.
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Herstellungsverfahren
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Ein Verfahren zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements 200 gemäß der Ausführungsform ist im Wesentlichen das gleiche wie das Verfahren zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements 100 gemäß der ersten Ausführungsform. Allerdings wird im zweiten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements 100 das Bimetallmaterial von der Seite der Schicht mit niedriger Ausdehnung aus gepresst, dagegen wird im zweiten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des thermisch ansprechenden Elements 200 das Bimetallmaterial von der Seite der Schicht mit hoher Ausdehnung aus gepresst.
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11A zeigt einen ersten Schritt der Durchführung eines Pressprozesses an einem Bimetallmaterial 200a nach dem Zuschneiden. Das Bimetallmaterial 200a wird nach dem Zuschneiden auf der Matrize D mit ebener Oberfläche angeordnet. Dabei wird das Bimetallmaterial 200a so angeordnet, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung 212 auf der Seite des Stempels P1 liegt und die Schicht mit niedriger Ausdehnung 211 auf der Seite der Matrize D liegt. Der Stempel P1, der als Endfläche eine konvexe Oberfläche aufweist, wird abgesenkt und das Bimetallmaterial 200a gepresst. Durch den obigen ersten Schritt wird ein Bimetallmaterial 200b (11B) gewonnen.
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11B zeigt einen zweiten Schritt (einen Pressschritt der letzten Stufe), bei dem das durch den ersten Schritt gewonnene Bimetallmaterial 200b weiter gepresst wird. Das durch den ersten Schritt gewonnene Bimetallmaterial 200b wird auf der Matrize D mit der ebenen Oberfläche angeordnet. Dabei wird das Bimetallmaterial 200b so angeordnet, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung 212 auf der Seite des Stempels P2 liegt und die Schicht mit niedriger Ausdehnung 211 auf der Seite der Matrize D liegt. Der Stempel P2, der eine Endfläche mit einem darauf gebildeten abstehenden Abschnitt aufweist, wird abgesenkt und das Bimetallmaterial 200b gepresst. Durch den obigen zweiten Schritt wird das in 8 und 9 gezeigte Bimetall 200 gewonnen.
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Wie in 12A gezeigt, kann im ersten Schritt bei der Anordnung des Bimetallmaterials 200a auf der Matrize D nach dem Zuschneiden das Bimetallmaterial 200a so angeordnet werden, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung 211 auf der Seite des Stempels P1 und die Schicht mit hoher Ausdehnung 212 auf der Seite der Matrize D liegt. Wie oben angegeben, kann die Anordnung zu der in 11A gezeigten Anordnung des Bimetalls Material 200a entgegengesetzt sein. Durch den ersten Schritt wird ein Bimetallmaterial 200c (11B) gewonnen.
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In dem in 12B gezeigten zweiten Schritt wird, wie bei 11B, ein Pressprozess durchgeführt, indem das Bimetallmaterial 100c so angeordnet wird, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung 212 auf der Seite des Stempels P2 und die Schicht mit niedriger Ausdehnung 211 auf derjenigen der Matrize D liegt.
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Die Stempel P1 und P2 sind aus Metall hergestellt, wobei Legierungs-Werkzeugstahl und Ähnliches verwendet wird. Die Matrize D ist aus elastischem Material hergestellt. Auf das bearbeitete Bimetall wird beispielsweise eine thermische Bearbeitung für eine Stunde bei einer Temperatur von 100°C bis 500°C angewandt.
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Wirkungen
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Das Material (die Zusammensetzung, die Plattendicke und die Temperatur) des Bimetalls, die Form nach dem Zuschneiden, das Pressen (Kraft, Zeit und Temperatur) jeweils im ersten Schritt und im zweiten Schritt, die Endflächenform des Stempels P1, die Endflächenform (die Durchmesserlängen L13 und L14 und der Abstehbetrag H) des Stempels P2 sowie die Qualität des Materials der Matrize werden bei dem Herstellungsverfahren in geeigneter Weise gewählt. Als Ergebnis kann eine Betriebstemperatur über der Raumtemperatur eingestellt sein und die Rückstelltemperatur frei eingestellt sein. Die Einstellung einer relativ kleinen Differenz von circa 10 Grad ist ebenfalls möglich. Die Betriebstemperatur, die Rückstelltemperatur und die Differenz können auch angepasst werden, indem die Form der Endfläche des Stempels P1 im ersten Schritt verändert wird.
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Wenn die Durchmesserlänge L22 des zentralen Abschnitts 221 weniger als 1% der Durchmesserlänge L21 des Umkreises 231 beträgt, wird die Anpassungswirkung der Differenz für klein erachtet. Wenn die Durchmesserlänge L22 des zentralen Abschnitts 221 50% der Durchmesserlänge L21 überschreitet, wird erwartet, dass das Bimetall nur schwer durch eine Schnappwirkung umgekehrt wird und auch bei einer Umkehrung des Bimetalls die Höhe nach der Umkehrung gering ist. Anders gesagt: Im Hinblick auf die Verwendung in einem Temperaturschalter und Ähnlichem wird es nicht als vorzuziehen erachtet (kann nicht wirksam zum Öffnen und Schließen eines elektrischen Kontakts verwendet werden).
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Dritte Ausführungsform
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13A bis 13C sind Draufsichten auf Bimetalle, deren äußere Formen sich von denen der Bimetalle gemäß der erste und zweiten Ausführungsform unterscheiden.
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Wie in 13A gezeigt, ist ein Bimetall 300 in Draufsicht kreisförmig und hat einen zentralen Abschnitt 321 mit einer Kreisform und einen äußeren Randabschnitt 322. Eine Durchmesserlänge L2 des zentralen Abschnitts 321 beträgt 1% bis 50% einer Durchmesserlänge L1 des Bimetalls 300.
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Wie in 13B gezeigt, hat ein Bimetall 400 in Draufsicht eine ovale Form und weist einen zentralen Abschnitt 421 mit einer Kreisform und einen äußeren Randabschnitt 422 auf. Die Durchmesserlänge L2 des zentralen Abschnitts 421 beträgt 1% bis 50% der Durchmesserlänge L1 eines Umkreises 431, der um einen äußeren Randabschnitt des Bimetalls 400 umschrieben ist.
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Wie in 13C gezeigt, ist ein Bimetall 500 in Draufsicht rautenförmig und hat einen zentralen Abschnitt 521 mit einer Kreisform und einen äußeren Randabschnitt 522. Die Durchmesserlänge L2 des zentralen Abschnitts 521 beträgt 1% bis 50% der Durchmesserlänge L1 eines Umkreises 531, der um einen äußeren Randabschnitt des Bimetalls 500 umschrieben ist.
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Die Querschnittsformen der Bimetalle 300, 400, und 500 sind der Querschnittsform des Bimetalls 100 oder 200 ähnlich. Auch mit den Bimetallen 300, 400 und 500 können ähnliche Wirkungen wie die obigen erzielt werden.
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Vierte Ausführungsform
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14A bis 14C sind Draufsichten auf Bimetalle, bei denen sich die Formen der zentralen Abschnitte von denen der Bimetalle gemäß der erste und zweiten Ausführungsform unterscheiden.
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Wie in 14A gezeigt, ist ein Bimetall 600 in Draufsicht viereckig und hat einen zentralen Abschnitt 621 mit einer ovalen Form und einen äußeren Randabschnitt 622. Eine große Achse des zentralen Abschnitts 621 erstreckt sich in der Breitenrichtung des Bimetalls 600. Die Länge L2 der großen Achse beträgt 1% bis 50% der Durchmesserlänge L1 eines Umkreises 631, der um einen äußeren Randabschnitt des Bimetalls 600 umschrieben ist. Der Mittelpunkt des zentralen Abschnitts 621 ist der Mittelpunkt des Umkreises 631.
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Wie in 14B gezeigt, ist ein Bimetall 700 in Draufsicht viereckig und hat einen zentralen Abschnitt 721 mit einer ovalen Form und einen äußeren Randabschnitt 722. Eine große Achse des zentralen Abschnitts 721 erstreckt sich in der Längsrichtung des Bimetalls 600. Die Länge L2 der großen Achse 421 beträgt 1% bis 50% der Durchmesserlänge L1 eines Umkreises 731, der um einen äußeren Randabschnitt des Bimetalls 700 umschrieben ist. Der Mittelpunkt des zentralen Abschnitts 721 ist der Mittelpunkt des Umkreises 731.
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Wie in 14C gezeigt, ist ein Bimetall 800 in Draufsicht viereckig und hat einen zentralen Abschnitt 821 und einen äußeren Randabschnitt 822. Der zentrale Abschnitt 821 hat die Form einer Erdnuss (eine in der Mitte verengte und an beiden Seiten erweiterte Form), und die Längsrichtung des zentralen Abschnitts 821 ist parallel zur Längsrichtung des Bimetalls 800. Die Länge L2 des zentralen Abschnitts 821 beträgt 1% bis 50% der Durchmesserlänge L1 eines Umkreises 831, der um einen äußeren Randabschnitt des Bimetalls 800 umschrieben ist. Der Mittelpunkt des zentralen Abschnitts 821 ist der Mittelpunkt des Umkreises 831.
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Bei der Herstellung der Bimetalle 600, 700, und 800 kann die Form des abstehenden Abschnitts X des Stempels P2 oval oder erdnussförmig sein. Die Querschnittsformen der Bimetalle 600, 700, und 800 sind der Querschnittsform des Bimetalls 100 oder 200 ähnlich. Auch mit den Bimetallen 600, 700 und 800 können ähnliche Wirkungen wie die obigen oben erzielt werden.
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Indem die große Achse der ovalen Form oder der Erdnussform des zentralen Abschnitts als Längsrichtung oder Breitenrichtung der äußeren Form des Bimetalls eingestellt wird, kann die Differenz angepasst werden, und die Umkehrungshöhe beim Umkehren des Bimetalls kann verändert werden. Indem die große Achse der ovalen Form oder Erdnussform des zentralen Abschnitts als Breitenrichtung der äußeren Form des Bimetalls eingestellt wird, vergrößert sich die Höhe des Bimetalls nach der Umkehrung gegenüber der Einstellung der großen Achse als Längsrichtung der äußeren Form des Bimetalls. Die vergrößerte Höhe des Bimetalls nach der Umkehrung kann die Höhe vergrößern, bei der eine bewegliche Platte mit einem beweglichen Kontakt von dem Bimetall nach oben gedrückt wird, beispielsweise bei Verwendung des Bimetalls in einem Temperaturschalter, wodurch sich eine Stromunterbrechungskapazität erhöht. Wie oben angegeben, wird die Erzeugung verschiedener Bimetall-Umkehrungseigenschaften möglich, indem dem zentralen Abschnitt andere Formen als eine Kreisform gegeben werden.
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Fünfte Ausführungsform
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Ein Bimetall 150 ist in 15 gezeigt. Das Bimetall 150 wird gewonnen, indem im zentralen Abschnitt 121 des Bimetalls 100 gemäß der ersten Ausführungsform ein Lochabschnitt 151 vorgesehen wird. Ein Lochabschnitt kann im zentralen Abschnitt 221 des Bimetalls 200 gemäß der zweiten Ausführungsform vorgesehen sein.
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Der Lochabschnitt ist zum Anordnen und Fixieren des Bimetalls verwendbar, wenn das Bimetall in einem Temperaturschalter und Ähnlichem verwendet wird. Es besteht keine Einschränkung des Lochabschnitts auf eine Kreisform, er kann auch eine ovale Form (nicht dargestellt) aufweisen. Bevorzugt passt der Lochabschnitt jedoch ins Innere der Grenze 123 zwischen dem zentralen Abschnitt 121 und dem äußeren Randabschnitt 122, und der Mittelpunkt des Lochabschnitts ist gleich dem Mittelpunkt des Umkreises 131.
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Die Bildung des Lochabschnitts kann vor dem Pressschritt durchgeführt werden oder kann in der Mitte des Pressschritts (zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt) oder nach dem Schritt der letzten Stufe durchgeführt werden.
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Mit den vorstehend genannten Bimetallen können ebenfalls ähnliche Wirkungen wie oben erzielt werden.
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Die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform sind in angemessener Weise abwandelbar und können unter Kombination der äußeren Formen der Bimetalle, der Formen des zentralen Abschnitts und des Lochabschnitts, wie in der dritten bis fünften Ausführungsform beschrieben, ausgeführt sein. Der Pressschritt wurde in Form von insgesamt zwei Schritten beschrieben, d.h. des ersten und des zweiten Schritts, er kann jedoch drei oder mehr Schritte haben. Beim Pressprozess der letzten Stufe wird jedoch das Bimetall durch den Stempel mit dem abstehenden Abschnitt und die Matrize mit dem ebenen Oberflächenabschnitt geformt. Als Ergebnis können die oben beschriebenen Wirkungen erzielt werden.
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In den Ausführungsformen 1 und 2 wird der erste Schritt nach dem Zuschneiden des Bimetallmaterials durchgeführt. Der Pressprozess des ersten Schritts kann jedoch gleichzeitig mit dem Zuschneiden des Bimetalls durchgeführt werden. Die Prozesse des Lochstanzens, Ausstanzens, Pressens und Zuschneidens des Bimetalls können mit einem progressiven Stanzvorgang durchgeführt werden.
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Die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur können durch die Temperatur und die Zeit der thermischen Bearbeitung des Bimetalls nach dem Pressprozess angepasst werden. Die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur können durch eine Erhöhung der Temperatur und die Zeit der thermischen Bearbeitung erhöht werden.
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Beispiel
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Mit Verweis auf Tabelle 1 werden nun Versuche, die zur Prüfung der Wirkungen der ersten bis dritten sowie der fünften Ausführungsform durchgeführt wurden, und ihre Ergebnisse beschrieben. Bei allen Versuchen wurde eine Pressmaschine verwendet, das Material des Stempels war Legierungs-Werkzeugstahl, und als Material der Matrize wurde Urethan verwendet, das ein elastisches Material ist. Die Presskraft im ersten Schritt und im zweiten Schritt wurde mithilfe eines Kraftaufnehmers (Lastwandlers) gemessen. Betriebstemperatur und Rückstelltemperatur wurden mit einem Verfahren gemessen, bei dem eine Wirkung der Umkehrung des Bimetalls erfasst wurde, indem die Temperatur in einem Tank mit einer Luftzirkulations-Untersuchungsvorrichtung für die Bimetalltemperatur verändert wurde. Die Temperatur, bei der entsprechend dem Temperaturanstieg die Form in
3 zu der Form in
2 umgekehrt wird oder die Form in
9 zu der Form in
10 umgekehrt wird, wurde wie oben beschrieben als Betriebstemperatur definiert, und die Temperatur, bei der entsprechend dem Temperaturabfall die Form in
2 zu der Form in
3 umgekehrt wird oder die Form in
10 zu der Form in
9 umgekehrt wird, wurde als Rückstelltemperatur definiert. Bei dem Versuch erfolgte die Messung unter Veränderung der Temperatur in dem Tank bei einer Anstiegsrate von 1°C / 1 Minute für die Betriebstemperatur und mit einer Verringerungsrate von 1°C / 1 Minute für die Rückstelltemperatur. [Tabelle 1]
| | | Äußere Form | erster Schritt | zweiter Schritt | Temperatureigenschaften | Bemerkungen |
| Stempelseite / Matrizenseite | Presskraft (kgf) | Stempelseite / Matrizenseite | Durchmesser des konvexen Abschnitts des Stempels (L13) | Presskraft (kgf) | Betriebstemperatur (°C) | Rückstelltemperatur (°C) | Differenz (deg) | |
| Beispiel 1-1 Beispiel 1-2 Beispiel 1-3 Beispiel 1-4 Beispiel 1-5 Beispiel 2-1 Beispiel 2-2 Beispiel 2-3 Beispiel 2-4 Beispiel 2-5 | erste Ausführungsform | abgerundete Vierecksform (14 mm × 10 mm) | Schicht mit niedriger Ausdehnung / Schicht mit hoher Ausdehnung | 101,0 | Schicht mit niedriger Ausdehnung / Schicht mit hoher Ausdehnung | 5 mm | 100,7 | -3,3 | -17,2 | 13,9 | |
| 100,4 | 121,4 | -12,0 | -25,6 | 13,6 | |
| 101,6 | 140,0 | -18,6 | -30,1 | 11,5 | |
| 101,1 | 157,2 | -21,4 | -32,3 | 10,9 | |
| Schicht mit hoher Ausdehnung / Schicht mit niedriger Ausdehnung | 100,8 | 120,2 | 14,2 | 1,9 | 12,3 | |
| Schicht mit niedriger Ausdehnung / Schicht mit hoher Ausdehnung | 105,8 | 1,2 mm | 53,3 | 16,0 | 9,6 | 6,4 | |
| 100,5 | 3 mm | 140,0 | -6,4 | -13,1 | 6,7 | |
| 100,4 | 143,6 | -8,5 | -14,3 | 5,8 | |
| 104,4 | 151,5 | -12,4 | -16,9 | 4,5 | |
| 101,2 | 6,4 mm | 82,5 | 15,3 | 5,7 | 9,6 | |
| Beispiel 3 | fünfte Ausführungsform | 101,7 | 5 mm | 143,7 | -14,4 | -26,5 | 12,1 | Loch mit 2 mm Durchmesser |
| Beispiel 4 | dritte Ausführungsform | Kreisform (Durchmesser 13 mm) | 100,2 | 122,8 | -4,8 | -10,7 | 5,9 | |
| Beispiel 5-1 Beispiel 5-2 Beispiel 5-3 | zweite Ausführungsform | abgerundete Vierecksform (14 mm × 10 mm) | Schicht mit hoher Ausdehnung / Schicht mit niedriger Ausdehnung | 101,7 | Schicht mit hoher Ausdehnung / Schicht mit niedriger Ausdehnung | 102,2 | 98,1 | 89,1 | 9,0 | |
| 101,9 | 120,7 | 103,5 | 95,6 | 7,9 | |
| 102,9 | 143,6 | 114,3 | 110,2 | 4,1 | |
| Vergleichsbeispiel 1 | | abgerundete Vierecksform (14 mm × 10 mm) | Schicht mit niedriger Ausdehnung / Schicht mit hoher Ausdehnung | 101,7 | Schicht mit niedriger Ausdehnung / Schicht mit hoher Ausdehnung | 7,6 mm | 84,8 | - | - | - | Temperatureigenschaften nicht messbar |
| Vergleichsbeispiel 2 | | 101,6 | Schicht mit hoher Ausdehnung | / | 102,2 | 66,2 | 29,9 | 36,3 | Als Stempel im zweiten Schritt wird derselbe Stempel wie im |
| | | | | | / Schicht mit niedriger Ausdehnung | | | | | | ersten Schritt mit einem Krümmungsradius von 24 mm am entfernt gelegenen Ende verwendet. |
| Vergleichsbeispiel 3 | | Schicht mit hoher Ausdehnung / Schicht mit niedriger Ausdehnung | 101,3 | Schicht mit niedriger Ausdehnung / Schicht mit hoher Ausdehnung. | | 100,2 | 62,0 | 26,5 | 35,5 |
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Beispiel 1 (entspricht der ersten Ausführungsform)
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Ein Bimetall (die Schicht mit geringer Ausdehnung war eine Ni-Fe-Legierung und die Schicht mit hoher Ausdehnung eine Cu-Ni-Mn-Legierung) mit einer Plattendicke von 0,15 mm wurde zu der in 1 gezeigten abgerundeten Vierecksform zugeschnitten. Die äußere Form hatte eine Größe von 14 mm × 10 mm, und die vier Winkelabschnitte hatten gekrümmte Formen mit einem Krümmungsradius von jeweils 3 mm. Der Durchmesser des Umkreises des Bimetalls betrug 14,9 mm. Das Bimetall und die Werkzeuge, einen Stempel und eine Matrize umfassten, wurden bei einer Temperatur gehalten, die im selben Bereich wie die Raumtemperatur lag.
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Als erster Schritt wurde das Bimetall auf der Matrize mit ebener Oberfläche angeordnet, der Stempel mit einem entfernt gelegenen Ende mit einem Krümmungsradius von 24 mm wurde abgesenkt, und das Bimetall wurde circa eine Sekunde lang mit einer Kraft von circa 100 kgf gepresst. Dabei war das Bimetall so platziert, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag oder die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag.
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Als nächstes wurde im zweiten Schritt (einem Pressschritt der letzten Stufe) das im ersten Schritt geformte Bimetall auf der Matrize mit ebener Oberfläche angeordnet, der Stempel mit einem konvexen Abschnitt wurde abgesenkt und das Bimetall gepresst. Dabei war das Bimetall so platziert, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag. Die Form des konvexen Abschnitts war der in 6 gezeigten Form ähnlich, eine Endfläche des abstehenden Abschnitts X und die Endfläche Y waren ebene Oberflächen, die Durchmesserlänge L13 der Endfläche des abstehenden Abschnitts X betrug 5 mm, der Abstehbetrag H betrug 0,3 mm, und die Durchmesserlänge L14 der Oberfläche Y betrug 15 mm. Die Durchmesserlänge L13 (5 mm) betrug circa 34% des Durchmessers des Umkreises, der 14,9 mm betrug. Das Pressen wurde circa eine Sekunde lang durchgeführt, und nach dem Pressprozess erfolgte eine thermische Bearbeitung für eine Stunde bei 200°C.
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In Tabelle 1 ist das Ergebnis der Durchführung eines Versuchs unter Veränderung der Presskraft im zweiten Schritt als Beispiele 1-1 bis 1-5 gezeigt. Wie in Tabelle 1 gezeigt, waren die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur gleich der Raumtemperatur oder niedriger. Wie in den Beispielen 1-1 bis 1-4 gezeigt, nahmen die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur mit zunehmender Presskraft ab, als tiefsten Punkt erreichte die Betriebstemperatur -21,4°C und die Rückstelltemperatur -32,3°C. Unter allen Bedingungen wurde eine enge Differenz von 10-19 Grad erreicht.
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Beispiel 2 (entspricht der ersten Ausführungsform)
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Das Beispiel 2 wurde unter den gleichen Bedingungen wie das Beispiel 1 durchgeführt, nur dass die Durchmesserlänge L13 des konvexen Abschnitts des im zweiten Schritt verwendeten Stempels auf 1,2 mm, 3 mm oder 6,4 mm eingestellt war und die Presskraft verändert wurde. Die Durchmesserlänge L13 von 1,2 mm, 3 mm oder 6,4 mm betrug circa 8%, circa 20% oder circa 43% des Durchmessers des Umkreises, der 14,9 mm betrug. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 als Beispiele 2-1 bis 2-5 dargestellt. Die Temperatureigenschaften konnten durch die Presskraft des Stempels im zweiten Schritt und die Durchmesserlänge L13 des konvexen Abschnitts verändert werden. Eine Differenz von weniger als 10 Grad konnte mithilfe des Stempels erzielt werden, der den konvexen Abschnitt mit einem Durchmesser von 1,2 mm, 3 mm oder 6,4 mm aufwies, wie oben angegeben.
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Beispiel 3 (entspricht der fünften Ausführungsform)
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Das Ergebnis der Durchführung eines Versuchs ähnlich wie im Beispiel 1, bei der ein Bimetallmaterial mit einem Loch vorgelegt wurde, das einen Durchmesser von 2 mm aufwies, ist als Beispiel 3 ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Auch bei Verwendung des Bimetalls mit Loch konnte ein Bimetall mit den Temperatureigenschaften einer extrem niedrigen Temperatur und einer engen Differenz von 10-19 Grad hergestellt werden.
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Beispiel 4 (entspricht der dritten Ausführungsform)
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Die äußere Form des Bimetalls war eine Kreisform, wie in 13A dargestellt, und der Durchmesser betrug 13 mm. Das Ergebnis eines Versuchs, der unter gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 durchgeführt wurde, mit Ausnahme der äußeren Form des Bimetalls, ist ebenfalls in Tabelle 1 dargestellt (Beispiel 4). Auch bei einer Kreisform als äußerer Form des Bimetalls konnte ein Bimetall mit den Temperatureigenschaften einer extrem niedrigen Temperatur und einer Differenz von weniger als 10 Grad hergestellt werden. Die Durchmesserlänge L13 der Endfläche des abstehenden Abschnitts X des Stempels im zweiten Schritt betrug 5 mm und circa 38% des Durchmessers der äußeren Form des Bimetalls, der 13 mm betrug.
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Beispiel 5 (entspricht der zweiten Ausführungsform)
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Ein Bimetallmaterial (die Schicht mit geringer Ausdehnung war eine Ni-Fe-Legierung und die Schicht mit hoher Ausdehnung eine Cu-Ni-Mn-Legierung) mit einer Plattendicke von 0,15 mm wurde zu der in 8 gezeigten abgerundeten Vierecksform zugeschnitten. Die äu-ßere Form hatte eine Größe von 14 mm × 10 mm, und die vier Winkelabschnitte hatten gekrümmte Formen mit einem Krümmungsradius von jeweils 3 mm. Der Durchmesser des Umkreises des Bimetalls betrug 14,9 mm. Das Bimetall und die Werkzeuge, die den Stempel und die Matrize umfassten, wurden bei einer Temperatur gehalten, die im selben Bereich wie die Raumtemperatur lag.
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Als erster Schritt wurde das Bimetallmaterial auf der Matrize mit ebener Oberfläche angeordnet, der Stempel mit einer entfernt gelegenen Endfläche mit einem Krümmungsradius von 24 mm wurde abgesenkt, und das Bimetallmaterial wurde circa eine Sekunde lang mit einer Kraft von circa 100 kgf gepresst. Dabei war das Bimetall so platziert, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag.
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Als nächstes wurde im zweiten Schritt (einem Pressschritt der letzten Stufe) das im ersten Schritt geformte Bimetall auf der Matrize mit der ebenen Oberfläche angeordnet, der Stempel mit einem abstehenden Abschnitt wurde abgesenkt und das Bimetall gepresst. Dabei war das Bimetall so platziert, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag. Die Form des abstehenden Abschnitts war der in 6 gezeigten Form ähnlich, eine Endfläche des abstehenden Abschnitts X und die Endfläche Y waren ebene Oberflächen, die Durchmesserlänge L13 der Endfläche des abstehenden Abschnitts X betrug 5 mm, der Abstehbetrag H betrug 0,3 mm, und die Durchmesserlänge L14 der Oberfläche Y betrug 15 mm. Die Durchmesserlänge L13 (5 mm) betrug circa 34% des Durchmessers des Umkreises, der 14,9 mm betrug. Das Pressen wurde circa eine Sekunde lang durchgeführt, und nach dem Pressprozess erfolgte eine thermische Bearbeitung für eine Stunde bei 200°C.
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In Tabelle 1 ist das Ergebnis der Durchführung eines Versuchs unter Veränderung der Presskraft des zweiten Schritts als Beispiele 5-1 bis 5-5 gezeigt. Wie das Ergebnis zeigt, waren die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur gleich der Raumtemperatur oder höher, die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur nahmen entsprechend der Presskraft des Stempels im zweiten Schritt zu, und es konnte eine Differenz von weniger als 10 Grad erzielt werden.
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Vergleichsbeispiel 1
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Das Beispiel 2 wurde unter den gleichen Bedingungen wie das Beispiel 1 durchgeführt, nur dass die Durchmesserlänge L13 des konvexen Abschnitts des im zweiten Schritt verwendeten Stempels auf 7,6 mm eingestellt war und die Presskraft verändert wurde. Die Durchmesserlänge L13 (7,6 mm) betrug circa 51% des Durchmessers des Umkreises, der 14,9 mm betrug. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 als Vergleichsbeispiel 1 gezeigt. Ein unter diesen Bedingungen hergestelltes Bimetall wurde nicht durch Schnappwirkung umgekehrt, und die Umkehrungstemperatur war mit der Untersuchungsvorrichtung für die Bimetalltemperatur nicht messbar. Hieraus wurde der Schluss gezogen, dass eine Umkehrung durch Schnappwirkung nicht auftritt, wenn der konvexe Abschnitt des Stempels (anders gesagt, die Grenze 123 des Bimetalls) 50% des Umkreisdurchmessers überschreitet.
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Vergleichsbeispiele 2 und 3
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Als Stempel im zweiten Schritt wurde ein Stempel mit einem entfernt gelegenen Ende mit einem Krümmungsradius von 24 mm verwendet, der der gleiche ist wie der im ersten Schritt verwendete Stempel. Im Vergleichsbeispiel 2 war das Bimetall im ersten Schritt so platziert, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag, und im zweiten Schritt war das Bimetall so platziert, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag. Im Vergleichsbeispiel 3 war das Bimetall im ersten Schritt so platziert, dass die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag, und im zweiten Schritt war das Bimetall so platziert, dass die Schicht mit niedriger Ausdehnung auf der Seite des Stempels und die Schicht mit hoher Ausdehnung auf der Seite der Matrize lag. Das Ergebnis eines Versuchs, der unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 durchgeführt wurde, mit Ausnahme des vorstehend Angegebenen und unter Veränderung der Presskraft des zweiten Schritts, ist ebenso in Tabelle 1 dargestellt (Vergleichsbeispiele 2, 3).
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Auch bei einer Änderung der Richtung, in der das Bimetall gepresst wurde, veränderten sich die Betriebstemperatur und die Rückstelltemperatur nicht stark, und die Differenz überschritt 35 Grad. Die Querschnittsstrukturen bei Raumtemperatur, wenn diese Bimetalle bei der Rückstelltemperatur oder darunter umgekehrt wurden, hatten gekrümmte Formen, bei denen die Schicht mit niedriger Ausdehnung aufwärts konvex war, wie in 3, hatten jedoch nur eine einzige Krümmung (nicht dargestellt) und keine zusammengesetzten Krümmungen. Die bei der Betriebstemperatur oder darüber umgekehrten Querschnittsstrukturen hatten ebenfalls eine einzige Krümmung (nicht dargestellt) und keine zusammengesetzten Krümmungen. Das Bimetall mit einer durch eine einzige Krümmung gebildeten Querschnittsstruktur, wie oben angegeben, wies nicht den Freiheitsgrad bei der Einstellung der Betriebstemperatur, der Rückstelltemperatur und der Differenz auf, und es war keine Einstellung einer relativ engen Differenz von circa 10 Grad möglich.
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Wie oben angegeben, kann mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein thermisch ansprechendes Element bereitgestellt werden, bei dem die eine freie Einstellung der Differenz über einen breiten Bereich von Temperaturzonen möglich ist und das eine relativ kleine Differenz von circa 10 Grad sowie als Betriebstemperatur und Rückstelltemperatur extrem niedrige Temperaturen gleich der Raumtemperatur oder darunter aufweist.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind auch auf andere thermisch ansprechende Elemente als das Bimetall anwendbar, etwa auf eine Formgedächtnislegierung (100°C oder darunter) und Trimetall.
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Die folgenden Anmerkungen werden mit Bezug auf die oben beschriebenen Ausführungsformen vorgelegt.
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Ergänzungsartikel 1
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Ein thermisch ansprechendes Element, wobei das thermisch ansprechende Element ein plattenartiges Bauteil ist und eine Form hat, die sich entsprechend einer Temperaturveränderung verändert, wobei:
- ein Querschnitt des thermisch ansprechenden Elements bei Raumtemperatur die Form einer zusammengesetzten Krümmung hat, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist, wobei ein Querschnitt eines zentralen Abschnitts des thermisch ansprechenden Elements und ein Querschnitt eines äußeren Randabschnitts, der den zentralen Abschnitt umgibt, jeweils eine unterschiedliche gekrümmte Form haben;
- die Form des thermisch ansprechenden Elements sich verändert, wenn eine vorbestimmte Temperatur außerhalb eines Raumtemperaturbereichs erreicht wird;
- ein Querschnitt des thermisch ansprechenden Elements nach der Formänderung die Form einer zusammengesetzten Krümmung hat, die durch Kombinieren mehrerer Krümmungen gebildet ist, wobei ein Querschnitt des zentralen Abschnitts des thermisch ansprechenden Elements und ein Querschnitt des äußeren Randabschnitts, der den zentralen Abschnitt umgibt, jeweils eine unterschiedliche gekrümmte Form haben; und
- eine Grenze zwischen dem zentralen Abschnitt und dem äußeren Randabschnitt vor und nach der Formänderung des thermisch ansprechenden Elements gleich ist.
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Ergänzungsartikel 2
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Das thermisch ansprechende Element gemäß Anmerkung 1, wobei:
- das thermisch ansprechende Element ein Bimetall ist, das Folgendes aufweist:
- eine erste Metallschicht und
- eine zweite Metallschicht, die unter der ersten Metallschicht liegt und die einen grö-ßeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die erste Metallschicht hat;
- die vorbestimmte Temperatur eine Temperatur ist, die die Raumtemperatur unterschreitet;
- das thermisch ansprechende Element bei Raumtemperatur eine Form hat, die als Ganzes abwärts konvex ist, wobei der zentrale Abschnitt abwärts absteht; und
- das thermisch ansprechende Element nach der Formänderung eine Form hat, die als Ganzes aufwärts konvex ist, wobei der zentrale Abschnitt aufwärts absteht.
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Ergänzungsartikel 3
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Das thermisch ansprechende Element nach Anmerkung 1, wobei:
- das thermisch ansprechende Element ein Bimetall ist, das Folgendes aufweist:
- eine erste Metallschicht und
- eine zweite Metallschicht, die unter der ersten Metallschicht liegt und die einen grö-ßeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die erste Metallschicht hat;
- die vorbestimmte Temperatur eine Temperatur ist, die die Raumtemperatur überschreitet;
- das thermisch ansprechende Element bei Raumtemperatur eine Form hat, die als Ganzes aufwärts konvex ist, wobei der zentrale Abschnitt aufwärts absteht; und
- das thermisch ansprechende Element nach der Formänderung eine Form hat, die als Ganzes abwärts konvex ist, wobei der zentrale Abschnitt abwärts absteht.
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Ergänzungsartikel 4
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Das thermisch ansprechende Element gemäß einer der Anmerkungen 1 bis 3, wobei:
- das thermisch ansprechende Element in Draufsicht eine abgerundete Vierecksform hat und
- die Grenze auf einem Umfang eines konzentrischen Kreises liegt, der einen Durchmesser mit einer Länge hat, die 1% bis 50% eines Durchmessers eines an der abgerundeten Vierecksform umschriebenen Umkreises beträgt.
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Ergänzungsartikel 5
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Das thermisch ansprechende Element gemäß einer der Anmerkungen 1 bis 3, wobei:
- das thermisch ansprechende Element in Draufsicht eine Kreisform hat und
- die Grenze auf einem Umfang eines konzentrischen Kreises liegt, der einen Durchmesser mit einer Länge hat, die 1% bis 50% eines Durchmessers der Kreisform beträgt.
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Ergänzungsartikel 6
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Ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch ansprechenden Elements gemäß einer der Anmerkungen 1 bis 5, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, ein Material des thermisch ansprechenden Elements durch einen mehrstufigen Pressprozess mit einer Pressmaschine zu formen, in der ein Stempel, der aus Metall hergestellt ist und der eine Form mit einem abstehenden zentralen Abschnitt hat, und eine aus elastischem Material hergestellte Matrize in einem Pressprozess einer letzten Stufe in dem mehrstufigen Pressprozess verwendet werden.
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Ergänzungsartikel 7
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Verfahren zur Herstellung eines thermisch ansprechenden Elements gemäß einer der Anmerkungen 1 bis 5, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, einen Pressprozess durchzuführen, während dessen ein Material des thermisch ansprechenden Elements zwischen aus Metall hergestellten oberen und unteren Werkzeugen liegt.
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Oben wurden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und auf Basis der technischen Idee der vorliegenden Erfindung können verschiedene Arten von Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden.
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[Liste der Bezugszeichen]
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- 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800
- Bimetall
- 111, 211
- Schicht mit niedriger Ausdehnung
- 112, 212
- Schicht mit hoher Ausdehnung
- 121, 221
- zentraler Abschnitt
- 122, 222
- äußerer Randabschnitt
- 123, 223
- Grenze
- 131, 231
- Umkreis
- 151
- Lochabschnitt
- L1, L11, L21
- Länge
- L2, L12, L22
- Länge
- P1, P2
- Stempel
- D
- Matrize
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 6316285 [0006]
- JP 58198788 [0006]
- JP 4810429 [0006]
