Bimetall

Ein Bimetall (auch Thermobimetall) ist ein Metallstreifen aus zwei Schichten unterschiedlicher Metalle, die miteinander stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sind. Charakteristisch ist die Veränderung der Form bei Temperaturänderung. Diese äußert sich als Verbiegung. Ursache ist der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizient der verwendeten Metalle. Diese Metalle können zum Beispiel Zink und Stahl sein oder auch Stahl in Kombination mit der Legierung Messing.

Prinzip

Prinzipskizze Bimetall: Metall 1 hat in diesem Fall den größeren Längenausdehnungskoeffizienten

Zwei Metalle mit unterschiedlichem Längenausdehnungskoeffizienten verlängern sich bei Erwärmung um unterschiedliche Strecken. Verbindet man die beiden Enden zweier Metallstreifen, zum Beispiel durch Nieten oder Walzen, führt die unterschiedliche Verlängerung zu einer Verbiegung des Bimetallstreifens.

Herstellung

Bimetalle werden üblicherweise in Blech- oder Bandform hergestellt.

Die blanken, von Oxidschichten freien Metallbleche werden dabei unter Druck aufeinander gewalzt. In der Kontaktzone entsteht durch Kaltverschweißung und einer anschließenden Diffusionsglühbehandlung eine unlösbare Verbindung.

Bei einer anderen Ausführung werden die Metallenden deckungsgleich mit Durchgangsbohrungen versehen und miteinander vernietet oder auch verschraubt.

Anwendung

Bimetallfeder für Startautomatik

Bei Automobil-Vergasern mit einer Startautomatik wird die Starterklappe der Automatik mit einer beheizten Spiral-Bimetallfeder nach der Warmlaufphase des Motors wieder in Normalstellung gebracht.

Zeigerthermometer mit gewickelten Bimetallstreifen

Wegen der temperaturabhängigen Formänderung von Bimetallen lassen sich Bimetallthermometer oder Temperaturschalter herstellen. Dazu wird ein Ende eines solchen Streifens befestigt; bei einer Temperaturveränderung verbiegt sich der Streifen, das freie Ende verändert seine Position und bewegt einen Zeiger (zum Beispiel im Thermometer oder ähnlichen Dinge ) oder einen Kontakt.

Anwendung in einem amerikanischen, elektromechanischen Dämmerungsschalter für die Straßenbeleuchtung. Aufbau aus einem lichtabhängigen Widerstand (LDR, rechts), der in Reihe mit der Heizspule (orange) des Thermo-Bimetallschalter geschaltet ist. Im Dunkeln steigt der elektrische Widerstand des LDR, durch das Erkalten verbiegt sich das Bimetall und schaltet den Stromkreis ein.

Bimetalle werden zu Steuerungszwecken, wie zur temperaturabhängigen automatischen Betätigung von Ventilen, Schaltvorgängen und teilweise auch in Messinstrumenten verwendet.

In einem Temperaturschalter öffnet bzw. schließt ein Bimetallstreifen - im Zusammenwirken mit einem bistabilen Federelement oder magnetischem Haften - in Abhängigkeit von der Temperatur einen Kontakt, der zum Beispiel eine Heizung ein- bzw. ausschaltet.

Dauerbrandöfen besitzen teilweise einen kräftigen Bimetallstreifen, der direkt einen Schieber für die Zuluft betätigt.

Historische Kühlwasserthermostate im Kraftfahrzeug enthielten ein Bimetall, heutige Thermostate werden dagegen durch eine im Kühlmittelstrom liegende Kapsel betätigt, die mit einem so genannten Dehnstoff (einem Wachs) gefüllt ist. In Blinkerrelais heizte der Strom durch die Leuchten eine isolierte Drahtwicklung um den Bimetallstreifen, der öffnete und dann abkühlen musste. Fiel eine der Leuchten aus war das Blinken auf weniger als die halbe Frequenz verlangsamt. Heute wird diese Funktion durch das Laden eines Kondensators und Halbleiter nachgebildet.

Anwendung finden Bimetallschalter in vielen Wärmegeräten, zum Beispiel bei der Temperaturregelung von Bügeleisen und Boilern, zur Steuerung von Kaffeemaschinen, Toastern, Wasserkochern und zur Auslösung von Leitungsschutzschaltern (Sicherungsautomaten).

Statt eines länglichen Streifens kann eine leicht gewölbte Kreisscheibe von etwa 2 cm Durchmesser aus dünnem Bimetallblech verwendet werden. Bei Erwärmen soll sich das Material der Schaleninnenseite ausdehnen und daher dazu tendieren die Wölbung umzustülpen. Dieses Bauelement ist schon in sich bistabil. Es schaltet plötzlich und kraftvoll um, und erst bei starker Abkühlung wieder zurück, weist somit hohe Hysterese und Zuverlässigkeit auf.

Blinkende Glühlampe mit Bimetallschalter (die Animation in Zeitlupe zeigt den Augenblick, in dem der Schalter öffnet)

Wird ein Bimetall in den Stromfluss einer Glühlampe eingebaut und in der Nähe der Glühwendel platziert, so beginnt die Lampe nach kurzer Aufheizzeit zu blinken. Durch das Aufheizen wird der Stromfluss unterbrochen; beim Abkühlen wird der Stromkreis wieder geschlossen. Entsprechend funktioniert ein Bimetallrelais.

Im Schiffbau werden Bimetalle auch zum Fügen unterschiedlicher Metalle verwendet (dort in der Regel Stahl und Aluminium). Da die Metalle sich nicht konventionell verschweißen lassen, werden Bimetallstreifen eingesetzt, die durch Sprengschweißen vorgefertigt wurden. Am Bauplatz können dann die im Schiffbau gebräuchlichen Verfahren (MAG/MIG) angewendet werden, um beispielsweise die eine Seite mit dem Rumpf aus Stahl, die andere Seite mit dem Deckshaus aus Aluminium zu verschweißen.

Probleme durch den Bimetalleffekt

In vielen Bereichen führt der Bimetalleffekt zu Problemen bzw. es muss ein konstruktiver Aufwand betrieben werden, um solche zu vermeiden.

Die oben beschriebenen Bimetalle sind bewusst flache Bauteile („Streifen“). Wenn man jedoch dreidimensionale Bauteile (z.B. L-Profile, T-Profile, H-Profile, Bauteile mit rechteckigem Querschnitt) aus Metallen mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten aneinanderfügt (z.B. schraubt, nietet, klebt) und das Konstrukt stark erwärmt, dann verbiegt sich das Konstrukt oft so, dass es auch nach dem Wieder-Abkühlen verbogen bleibt.

Die auftretende Kraft kann so stark sein, dass Verbindungen (z. B. Schrauben) zwischen den beiden Metallen zerstört werden.

Siehe auch

• Stromsensor – In Motorschutzschaltern und Leitungsschutzschaltern werden Bimetall-Streifen verwendet, die entweder selbst vom Strom durchflossen werden oder eine dicke Heizwicklung tragen
• der Bimetall-Thermostat wurde 1830 in England von Andrew Ure (1778–1857) erfunden
• Invar - eine Eisen-Nickel-Legierung mit 36 % Gehalt an Nickel (FeNi36 / 1.3912). „Invar“ verwendet man auch als Oberbegriff für eine Gruppe von Legierungen und Verbindungen, welche die bemerkenswerte Eigenschaft besitzen, in bestimmten Temperaturbereichen anomal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben.
• Aktor (Wandler; auch: Aktuator) - setzt ein Signal in mechanische Bewegung um und greift so regulierend in das Regelungssystem ein
• K-Jetronic - ein mechanisch-hydraulisch gesteuertes, antriebsloses Einzel-Einspritzsystem für Ottomotoren, bei dem der Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt wird. Hersteller Robert Bosch GmbH, seit 1973 eingesetzt.

Verschiedenes

In Linz im Donaulände-Park steht die schlanke Skulptur „Thermocouple“ (Piotr Kowalski, 1977) aus zwei etwa 6 m aufragenden 50 cm breiten und 3 cm dicken Bimetallplatten. Sie kommen in einer vertikalen, uferparallelen Ebene knapp nebeneinander aus dem Boden und bleiben bei 0 °C plan, verbiegen sich jedoch bei Erwärmung oder stärkerer Abkühlung gegengleich aus dieser Ebene heraus.

Der linke Streifen zeigt einem die rostige Stahlfläche (Sorte OR37), der rechte jedoch seine glänzend rostfreie. Bei Erwärmung dehnt sich der rostfreie Chromnickelstahl stärker aus und biegt das silbrige erscheinende rechte Blatt vom Betrachter weg und das andere, das rostbraune her. Somit krümmen sich beide Blätter mit ihren braunen Seiten aus der gemeinsamen Ebene heraus und stehen damit oben bei 30 °C Sommerhitze bis zu 1/2 Meter auseinander. Die Blätter haben sich dabei nur unmerklich gelängt doch deutlich gebogen, weil sich der rostende Stahl nur um 2 mm strecken wollte, der rostfreie jedoch um 3 mm.