Termostat w żelazku nie ma termometru. Wyłącza go blaszka z dwóch metali

Żelazko rozgrzewa się, cyka i na chwilę przestaje grzać. W środku nie ma termometru, który podawałby temperaturę w stopniach. Jest cienka blaszka z dwóch zgrzanych metali. Pod wpływem ciepła wygina się tak mocno, że rozłącza styki i przerywa prąd.

Dwie warstwy, które rosną inaczej

Każdy metal wydłuża się przy ogrzewaniu, ale nie każdy tak samo. W tabeli współczynników rozszerzalności liniowej mosiądz ma około 19 milionowych na stopień Celsjusza, a stal i żelazo około 12 ^[1]. Gdyby osobno rozgrzać dwa pięciocentymetrowe paski takich metali o 200 stopni, mosiądz wydłużyłby się o 0,19 mm, a stal o 0,12 mm. Różnica 0,07 mm zostaje po zgrzaniu, ale warstwy nie mogą się już rozsunąć. Zamienia się w wygięcie.

Dłuższa warstwa wygina cały pasek w łuk, krótsza zostaje po wewnętrznej stronie. Swobodny koniec unosi się albo opada, zależnie od tego, która warstwa jest po której stronie i czy temperatura rośnie, czy spada. Ta sama blaszka, włożona do ciekłego azotu i położona nad palnikiem, wygina się w przeciwne strony ^[2]. Ruch jest niewielki, ale powtarzalny, a to wystarcza, żeby przesunąć styk elektryczny.

Blaszka, która nie jest zwykłym paskiem

Bimetal to nie jednolity pasek metalu. To arkusz złożony z dwóch lub więcej warstw o różnych współczynnikach rozszerzalności, zgrzanych i walcowanych na gorąco, a potem na zimno ^[3]. Najtańsze zestawy łączą mosiądz z inwarem, stopem żelaza i niklu, który prawie nie zmienia długości. Wersje do wyższych temperatur zamiast mosiądzu dostają stop żelaza, niklu i chromu. Grubość warstwy bywa liczona w dziesiątych częściach milimetra, a mimo to wystarcza, żeby zamienić zmianę temperatury na wyraźne wygięcie.

Po co w ogóle dwa metale? Pojedynczy pasek też się wydłuża, ale robi to słabo i bez kierunku: trudno z tego zrobić pewny przełącznik. Zgrzanie dwóch warstw zamienia różnicę wydłużeń na wygięcie, a wygięcie można zwiększyć, wydłużając pasek albo zwijając go w spiralę. Im większa różnica współczynników, tym mocniejszy ruch przy tej samej zmianie temperatury. Dlatego inwar, który prawie nie reaguje na ciepło, jest tak przydatny jako jedna z warstw.

W termometrze tarczowym ten sam pasek jest zwinięty w spiralę. Długi czujnik mieści się w małej okrągłej obudowie, a jego koniec porusza wskazówką. W termostacie pasek jest krótszy i zamiast wskazówki naciska na styk. Różnica jest niewielka, skutek zupełnie inny: jeden przyrząd pokazuje temperaturę, drugi jej pilnuje.

Dlaczego styki rozwierają się z trzaskiem

Wygięty koniec blaszki niesie styk. Kiedy blaszka odchodzi, między stykami powstaje przerwa i prąd przestaje płynąć. Gdyby działo się to powoli, na kilku dziesiątych milimetra powstałby łuk elektryczny. Jego długość zależy od napięcia; przy 230 V trwa dłużej i potrafi nadpalić albo zespawać styki. Dlatego wiele termostatów nie pozwala im rozsuwać się stopniowo. Sprężyna, magnes albo odpowiednio wygięta blaszka gromadzi napięcie i przeskakuje w jednej chwili, a styki rozchodzą się z prędkością około metra na sekundę. Potrzebną przerwę, zwykle 0,3-0,4 mm, osiągają w mniej niż tysięczną sekundy ^[4]. Ten trzask, który słychać przy prasowaniu, to właśnie ten przeskok.

Przerwa ma jeszcze jedną konsekwencję. Styki nie zamykają się dokładnie w tej temperaturze, w której się rozwarły. Blaszka musi ostygnąć nieco bardziej, żeby wrócić na miejsce, a sprężyna musi pokonać opór. Powstaje martwy przedział: termostat włącza się poniżej progu wyłączenia. Bez niego styki drgałyby wokół jednej temperatury i iskrzyły bez przerwy. Zbyt szeroki przedział oznacza duże wahania temperatury, zbyt wąski przyspiesza zużycie styków. Projektant wybiera kompromis.

Żelazko trzyma przedział, nie jedną liczbę

W żelazku termostatycznym blaszka leży blisko płyty grzejnej. Pokrętło nie zmienia mocy grzałki. Zmienia odległość i nacisk między stykiem ruchomym a nieruchomym, czyli temperaturę, przy której blaszka zdąży je rozdzielić. Zakres nastawy bywa podawany jako 60-250 stopni Celsjusza ^[5].

Blaszka nie dotyka tkaniny. Siedzi przy płycie, a od materiału dzieli ją warstwa metalu, która nagrzewa się i stygnie z własnym opóźnieniem. Kiedy para ucieka w materiał albo żelazko przesuwa się po chłodnym fragmencie, płyta oddaje ciepło szybciej, niż zdąża zareagować czujnik. Termostat nie widzi tej różnicy. Widzi tylko własną temperaturę i na jej podstawie zamyka albo otwiera obwód.

Dlatego temperatura płyty nie stoi w miejscu. Blaszka reaguje z opóźnieniem, płyta ma własną bezwładność cieplną, a styki zwierają się dopiero po ochłodzeniu poniżej progu rozwarcia. Żelazko pracuje w wąskim przedziale wokół nastawy: grzeje, przestaje, stygnie i włącza się ponownie. Różnica bywa rzędu kilku stopni, choć zależy od konstrukcji i ustawienia.

Od pieca węglowego do deski do prasowania

Termostat nie powstał dla żelazka. W 1886 roku Albert M. Butz opatentował regulator do pieca węglowego. Jego czujnik był złożonym paskiem: metalową listwą z gutaperką albo dwoma metalami o różnej rozszerzalności. Gdy w pokoju robiło się zimno, pasek zamykał obwód, mały silnik podnosił klapę pieca i ogień dostawał więcej powietrza. Drugi obwód włączał alarm, gdy temperatura spadała tak nisko, że trzeba było dorzucić węgla ^[6].

W zbiorach Hennepin History Museum w Minneapolis jest mosiężny, podłużny termostat z napisem Electric Heat Regulator Co. Minneapolis, Minn. Urządzenie składało się z termostatu, baterii i silnika, a firma po kilku zmianach nazw stała się później Honeywellem ^[7]. Później podobne czujniki trafiły do żelazek i grzejników.

Czego blaszka nie wie

Blaszka nie mierzy temperatury płyty ani tkaniny. Mierzy własną temperaturę, a ta zależy od tego, jak blisko grzałki została zamocowana i jak szybko oddaje ciepło. Styki zużywają się przy każdym rozłączeniu, a nalot i iskrzenie zmieniają ich opór. Po latach pracy punkt przełączenia potrafi się przesunąć, dlatego stary termostat bywa kapryśny nawet wtedy, gdy blaszka wygląda na całą.

To wystarcza, żeby od dziesięcioleci regulować temperaturę bez termometru i bez procesora. Blaszka nie odpowiada na pytanie, ile stopni ma żelazko. Odpowiada na pytanie, czy wygięła się już wystarczająco. Cała regulacja polega na przesuwaniu tego progu.

Źródła

1. OpenStax, „College Physics 2e”, rozdział 13.2 „Thermal Expansion of Solids and Liquids”, tabela 13.2. https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/13-2-thermal-expansion-of-solids-and-liquids
2. R. Nave, „Bimetallic strip with liquid nitrogen”, HyperPhysics, Georgia State University. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/bimetal.html
3. E. R. Howard, „Thermostatic Bimetal”, „Engineering and Science”, t. 5, nr 4, czerwiec 1942. https://calteches.library.caltech.edu/82/01/Howard.pdf
4. JPC France, „Electrical contacts”, sekcje o styku wolnym i przeskokowym. https://www.jpcfrance.eu/technical-informations/electrical/electrical-contacts/
5. Patent US 7,637,041 B2, „Electric iron”, opublikowany 29 grudnia 2009. https://patents.google.com/patent/US7637041B2/en
6. Patent US 341,092, A. M. Butz, „Thermo-electric damper-regulator and alarm”, 4 maja 1886. https://patents.google.com/patent/US341092A/en
7. Hennepin History Museum, „The Invention of the Damper Flapper and the Birth of Honeywell”, 3 października 2018. https://hennepinhistory.org/the-story-of-the-damper-flapper/
8. Zdjęcie: Raimond Spekking, „Clatronic HTD 2939 – heating coil – bimetallic switch”, CC BY-SA 4.0, plik przycięty do proporcji 16:9 i przeskalowany, kadr na tej samej licencji. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Clatronic_HTD_2939_-_heating_coil_-_bimetallic_switch-3034.jpg https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/