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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Sicherung vom Legierungstyp
und insbesondere eine Verbesserung einer thermischen Sicherung vom
Legierungstyp mit einer Auslösetemperatur von
65 bis 75°C,
und ebenso ein Schmelzsicherungselement, das eine solche Sicherung
konstituiert und das aus einer niedrig schmelzenden Schmelzlegierung
besteht.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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In
einer herkömmlichen
thermischen Sicherung vom Legierungstyp wird ein Stück einer
niedrig schmelzenden Schmelzlegierung, auf das ein Flussmittel aufgebracht
wird, als Schmelzsicherungselement verwendet. Wenn eine elektrische
Einrichtung, an der eine solche Sicherung angebracht ist, in anormaler
Weise Wärme
erzeugt, tritt daher ein Phänomen
auf, bei dem das Stück
der niedrig schmelzenden Schmelzlegierung durch die erzeugte Wärme verflüssigt wird,
das geschmolzene Metall aufgrund der Oberflächenspannung bei gleichzeitigem
Vorhandensein des bereits geschmolzenen Flussmittels sphäroidisiert
wird und das Legierungsstück
schließlich
infolge des Fortschreitens der Sphäroidisierung bricht, wodurch
die Stromversorgung der Einrichtung unterbrochen wird.
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Die
erste Anforderung, die an eine solche niedrig schmelzende Schmelzlegierung
gestellt wird, ist die, dass die fest-flüssige Region zwischen der Soliduslinie
und der Liquiduslinie eng ist.
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In
einer Legierung besteht normalerweise zwischen der Soliduslinie
und der Liquiduslinie eine fest-flüssige Region. In dieser Region
sind Partikel der festen Phase in einer flüssigen Phase verteilt, so dass
die Region ebenfalls Eigenschaften hat, die derjenigen einer flüssigen Phase ähneln, und
daher kann es zu dem oben erwähnten
Bruch aufgrund von Sphäroidisierung
kommen. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass ein Stück einer
niedrig schmelzenden Schmelzlegierung in einem Temperaturbereich
(mit ΔT
bezeichnet) sphäroidisiert
und bricht, der unterhalb der Liquidustemperatur (mit T bezeichnet)
und in der fest-flüssigen
Region liegt. Daher muss eine thermische Sicherung, in der ein Stück einer
solchen niedrig schmelzenden Schmelzlegierung verwendet wird, als
Sicherung behandelt werden, die bei einer Schmelzsicherungselementtemperatur
im Bereich von (T – ΔT) bis T
auslöst.
Da ΔT kleiner
ist bzw. da die fest-flüssige
Region enger ist, ist die Auslösetemperatur
einer thermischen Sicherung weniger weit gestreut, so dass eine
thermische Sicherung entsprechend genau bei einer vorbestimmten
Temperatur auslösen
kann. Von einer Legierung, die als Schmelzsicherungselement einer
thermischen Sicherung verwendet werden soll, wird daher verlangt, dass
sie eine enge fest-flüssige
Region aufweist.
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Die
zweite Anforderung, die an eine solche niedrig schmelzende Schmelzlegierung
gestellt wird, ist die, dass der elektrische Widerstand niedrig
ist. Wenn der Temperaturanstieg durch normale Wärmeentwicklung aufgrund des
Widerstandes des Stückes der
niedrig schmelzenden Schmelzlegierung mit ΔT' bezeichnet wird, liegt die Auslösetemperatur
im Wesentlichen um ΔT' niedriger, als wenn
ein solcher Temperaturanstieg nicht auftritt. Weil ΔT' nämlich größer ist,
ist der Betriebsfehler wesentlich größer. Daher wird von einer Legierung,
die als Schmelzsicherungselement einer thermischen Sicherung verwendet
werden soll, ein niedriger spezifischer Widerstand verlangt.
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Herkömmlicherweise
ist als Schmelzsicherungselement einer thermischen Sicherung vom
Legierungstyp mit einer Auslösetemperatur
von 65 bis 75°C
eine Bi-Pb-Sn-Cd-Legierung bekannt (50% Bi, 26,7% Pb, 13,3% Sn und
10% Cd (% steht für
ein Gewichts-Prozent; dies gilt auch für die folgende Beschreibung)),
die bei 70°C
eutektisch ist. Die Legierung ist jedoch nicht, wie in jüngerer Zeit
global verlangt wird, für
den Umweltschutz geeignet, da von den Stoffen Pb, Cd, Hg und Tl,
die für
das ökologische
System offenbar schädlich
sind, Pb und Cd in der Legierung enthalten sind.
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Damit
entsprechend der jüngeren
Entwicklung hin zu einer weiteren Miniaturisierung elektrischer
oder elektronischer Einrichtungen die Größe einer thermischen Sicherung
vom Legierungstyp verringert wird, muss ein Schmelzsicherungselement sehr
dünn gestaltet
sein (ca. 300 μm).
Eine Legierung, die eine große
Menge Bi enthält,
ist jedoch so zerbrechlich, dass ein Vorgang des Ziehens der Legierung
zu einem solchen sehr dünnen
Draht kaum durchzuführen
ist. Außerdem
bewirkt in einem solchen sehr dünnen
Schmelzsicherungselement der relativ hohe spezifische Widerstand
der Legierungszusammensetzung zusammen mit der Dünne einen extremen Anstieg
des Widerstandes, mit dem Ergebnis, dass es zwangsläufig zu
einer Fehlfunktion durch Selbsterhitzung des Schmelzsicherungselementes kommt.
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Eine
In-Bi-Legierung (66,3% In und 33,7% Bi), die bei 72°C eutektisch
ist, ist ebenfalls bekannt. In der Legierung kommt es bei einer
Temperatur zwischen 53°C
und 56°C
zu einer Festphasenumwandlung. Aufgrund der Relationen zwischen
der Temperatur und der Auslösetemperatur
von 65 bis 75°C
fällt die
Temperatur mit einer Temperatur zusammen, der ein Schmelzsicherungselement
während
des normalen Betriebs einer Einrichtung ausgesetzt ist.
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Daher
entsteht in dem Schmelzsicherungselement Beanspruchung aufgrund
einer Festphasenumwandlung. Infolgedessen wird der Widerstand des Schmelzsicherungselementes
erhöht,
und es ergibt sich die Möglichkeit,
dass es zu einer Fehlfunktion aufgrund von Selbsterhitzung des Schmelzsicherungselementes
kommt.
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Um
dem Rechnung zu tragen, hat der Erfinder vorgeschlagen, dass eine
Legierungszusammensetzung von 25 bis 35% Bi, 2,5 bis 10% Sn und
In zum Ausgleich als Schmelzsicherungselement einer thermischen
Sicherung vom Legierungstyp verwendet wird, bei dem die Auslösetemperatur
im Bereich von 65 bis 75°C
liegt, das kein toxisches Metall enthält, bei dem der Durchmesser
des Schmelzsicherungselementes auf ca. 300 μm⌀ verringert werden kann und
die Selbsterhitzung unterdrückt
werden kann, damit ein normales Auslösen des Schmelzsicherungselementes
ermöglicht
wird (japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-291459, die als nächster Stand
der Technik angesehen wird).
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In
der thermischen Sicherung vom Legierungstyp wird durch In und Bi
in den oben angegebenen Verbindungsanteilen der Schmelzpunkt provisorisch
in der Nähe
von 70°C
eingestellt, die angemessene, für
das Ziehen zu einem dünnen
Draht erforderliche Duktilität
erzielt und durch Beimischung von Sn der Bereich der Solidus- und
der Liquidustemperatur schließlich
auf 65 bis 75°C
gesetzt sowie der spezifische Widerstand auf einen niedrigen Wert
eingestellt. Wenn die untere Grenze des Verbindungsanteils von Sn
unter 2,5% liegt, ist die Menge an Sn so unzureichend, dass ein
Auftreten der oben erwähnten
Festphasenumwandlung nicht wirksam verhindert werden kann. Wenn
die obere Grenze des Verbindungsanteils von Sn über 10% liegt, entsteht eine
eutektische In-Bi-Sn-Struktur (58% In, 29% Bi und 13% Sn) mit einem
Schmelzpunkt von 62°C,
und der Bereich der Solidus- und der Liquidustemperatur kann nicht
so eingestellt werden, dass er zwischen 65°C und 75°C liegt. In dieser Zusammensetzung kann
der gesamte spezifische Widerstand ausreichend gesenkt werden, da
die Gesamtmenge an In und Sn, die einen relativ niedrigeren spezifischen
Widerstand aufweisen, größer ist
als die Menge an Bi mit höherem
spezifischem Widerstand. Selbst bei einem sehr dünnen Draht von 300 μm⌀ kann
ein niedriger Widerstand eines Schmelzsicherungselementes leicht
erzielt werden (25 bis 35 μΩ·cm), eine
Festphasenumwandlung tritt an einem niedrigere Temperatur aufweisenden
Bereich einer Auslösetemperatur von
65 bis 75°C
nicht auf, und auch eine Veränderung
des Widerstandes aufgrund einer Festphasenumwandlung eines Schmelzsicherungselementes bei
einer Temperatur während
eines normalen Betriebs einer Einrichtung hinsichtlich der Auslösetemperatur
von 65 bis 75°C
kann unterbunden werden. Daher kann die Auslösetemperatur der thermischen Sicherung
so eingestellt werden, dass sie, bezogen auf 70°C, in einem Bereich von ±5°C liegt.
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In
der Legierungszusammensetzung des Schmelzsicherungselementes macht
In 72,5 bis 55% aus bzw. nimmt den größten Teil der Zusammensetzung
ein. Da In teuer ist, werden die Produktionskosten für ein solches
Schmelzsicherungselement zwangsläufig
erhöht.
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Eine
solche thermische Sicherung wird durch die Wärmezyklen einer Einrichtung
wiederholt erwärmt
und abgekühlt.
Während
der Wärmezyklen entsteht
daher bis zur Elastizitätsgrenze
eine thermische Beanspruchung von α·Δt·E, wobei α der Koeffizient der thermischen
Ausdehnung des Schmelzsicherungselementes, ΔT der Temperaturanstieg und E
der Elastizitätsmodul
(Young's modulus)
ist, und es wird eine Druckverformung (compression strain) von α·Δt auferlegt.
In der oben genannten Legierungszusammensetzung (25 bis 35% Bi,
2,5 bis 10% Sn und In zum Ausgleich) ist aufgrund des hohen In-Gehaltes
(55 bis 72,5%) die Elastizitätsgrenze
so niedrig, dass es in dem Grenzbereich zwischen unterschiedlichen
Phasen in der Legierungsstruktur durch Beanspruchung, die geringer
ist als die Druckverformung von α·Δt, zu einer
starken Gleitung kommt. Wenn die Beanspruchung wiederholt wird,
verändern
sich die Querschnittsfläche
und die Länge
des Schmelzsicherungselementes, und der Widerstand des Schmelzsicherungselementes
selbst wird instabil. Anders ausgedrückt: Die thermische Stabilität kann nicht
gewährleistet
werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Schmelzsicherungselement, in
dem eine Legierungszusammensetzung aus In-Sn-Bi verwendet wird,
sowie eine thermische Sicherung vom Legierungstyp, die ein solches
Schmelzsicherungselement verwendet, zur Verfügung zu stellen, wobei die
Auslösetemperatur
relativ niedrig bzw. im Bereich von 65 bis 75°C, liegt, Umweltschutzanforderungen
erfüllt
werden können,
der Durchmesser des Schmelzsicherungselementes sehr dünn gestaltet
bzw. auf ca. 300 μm⌀ verringert
werden kann, die Selbsterhitzung ausreichend unterdrückt werden
kann und die thermische Stabilität
zufriedenstellend gewährleistet
werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die thermische Sicherung vom Legierungstyp
eine thermische Sicherung, bei der eine niedrig schmelzende Schmelzlegierung
als Schmelzsicherungselement verwendet wird, wobei die niedrig schmelzende
Schmelzlegierung eine Legierungszusammensetzung von 37 bis 43% In,
10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich aufweist.
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Gemäß einer
weiteren, bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die thermische Sicherung vom Legierungstyp
eine thermische Sicherung, bei der eine niedrig schmelzende Schmelzlegierung
als Schmelzsicherungselement verwendet wird, wobei die niedrig schmelzende Schmelzlegierung
eine Legierungszusammensetzung aufweist, in der insgesamt 0,01 bis
3,5 Gewichtsanteile von wenigstens einem Bestandteil, der aus der
Gruppe ausgewählt
ist, die aus Ag, Cu und Ni besteht, zu 100 Gewichtsanteilen einer
Zusammensetzung von 37 bis 43% In, 10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich
zugesetzt sind.
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Bei
den oben genannten Sicherungen dürfen die
Legierungszusammensetzungen unvermeidbare Verunreinigungen enthalten,
die bei der Herstellung von Metallen aus Ausgangsmaterialien und
auch beim Schmelzen und Rühren
der Ausgangsmaterialien entstehen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Ansicht eines Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung vom
Legierungstyp;
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2 ist
eine Ansicht eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen
Sicherung vom Legierungstyp;
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3 ist
eine Ansicht eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen
Sicherung vom Legierungstyp;
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4 ist
eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung
vom Legierungstyp; und
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5 ist
eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung
vom Legierungstyp.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In
der erfindungsgemäßen thermischen
Sicherung vom Legierungstyp kann ein kreisförmiger Draht mit einem Außendurchmesser
von 200 bis 600 μm⌀, vorzugsweise
250 bis 350 μm⌀, oder
ein flacher Draht mit demselben Querschnittsflächeninhalt wie demjenigen des
kreisförmigen
Drahtes als Schmelzsicherungselement verwendet werden.
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Das
Schmelzsicherungselement besteht aus einer Legierung von 37 bis
43% In, 10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich; vorzugsweise 39 bis
42% In, 11 bis 16% Sn und Bi zum Ausgleich, wobei die Referenzzusammensetzung
40% In, 14% Sn und 46% Bi ist. Die Liquidustemperatur beträgt 72°C, und die Breite
der fest-flüssigen
Region beträgt
3°C.
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Bei
der erfindungsgemäßen thermischen
Sicherung ist das Schmelzsicherungselement wie folgt konfiguriert:
- (1) Es wird In-Sn-Bi verwendet, das kein umweltschädliches
Metall enthält;
- (2) der Verbindungsanteil von In wird auf 50% oder weniger reduziert,
um die thermische Stabilität
gegenüber
dem oben erwähnten
Wärmezyklus zu
gewährleisten;
- (3) das Schmelzsicherungselement hat einen Schmelzpunkt, mit
dem die Auslösetemperatur auf
65 bis 75°C
eingestellt werden kann, und die Breite ΔT der fest-flüssigen Region
wird auf maximal ca. 4°C
unterdrückt,
um die Streuung des oben erwähnten
Auslösetemperaturbereiches ausreichend
zu reduzieren;
- (4) es wird ein Ziehen zu einem sehr dünnen Draht von ca. 300 μm⌀ ermöglicht;
und
- (5) das Schmelzsicherungselement weist eine Legierungszusammensetzung
von 37 bis 43% In, 10 bis 18% Sn und dem Rest Bi auf damit der Widerstand
ausreichend gesenkt wird und ein Betriebsfehler aufgrund joulescher
Wärme unterdrückt wird.
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Erfindungsgemäß wird In
so gesteuert, dass es einen Gewichtsanteil im Bereich von 37 bis
43% aufweist, und Sn und Bi werden in einem Gewichtsanteil im oben
genannten Bereich gemischt, wodurch der Schmelzpunkt auf eine Temperatur
eingestellt werden kann, bei der eine Auslösetemperatur von 65 bis 75°C erfüllt wird,
ohne dass ein Festphasenumwandlungspunkt bei niedriger Temperatur
entsteht, und die Breite der fest-flüssigen Region kann auf 4°C oder weniger
unterdrückt
werden. Wenn die Menge an In kleiner ist als 37%, entsteht eine
eutektische Bi-In-Sn-Struktur (57,5% Bi, 25,2% In und 17,3% Sn) mit
einem Schmelzpunkt von 81°C,
und wenn die Menge an In größer ist
als 43%, entsteht eine eutektische Bi-In-Sn-Struktur (51% In, 32,5% Bi und 16,5% Sn)
mit einem Schmelzpunkt von 62°C,
mit dem Ergebnis, dass die gewünschte
Auslösetemperatur nicht
erzielt werden kann und die Breite der fest-flüssigen Region nicht auf 4°C oder darunter
unterdrückt werden
kann.
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Erfindungsgemäß ist die
Menge an Sn aus den folgenden Gründen
auf 10 bis 18% eingestellt:
Der Schmelzpunkt wird durch Steuerung
der Menge an Bi auf die Nähe
von 70°C
eingestellt, und die Duktilität
wird erhöht,
so dass eine Legierung, die aus In, das geringe Festigkeit und sehr
hohe Duktilität
aufweist, und Bi, das hohe Festigkeit und sehr hohe Sprödigkeit
aufweist, gebildet ist, einem Verfahren unterzogen werden kann,
bei dem die Legierung zu einem sehr dünnen Draht von ca. 300 μm⌀ gezogen wird.
Wenn die Menge an Sn unter 10% liegt, kann die Auslösetemperatur
nicht auf 65 bis 75°C
eingestellt werden, und die Erhöhung
der Duktilität
kann nicht zufriedenstellend erreicht werden, so dass das Verfahren
zur Erzielung des dünnen
Drahtes kaum durchzuführen
ist, und wenn die Menge an Sn über 18%
liegt, wird die Festigkeit verringert, es entsteht durch die reduzierte
Menge an Bi übermäßige Duktilität, und die
Beständigkeit
gegenüber
Prozessbeanspruchung (process strain) wird extrem verringert, so dass
das Verfahren zur Erzielung des dünnen Drahtes kaum durchzuführen ist.
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Gemäß der weiteren
bevorzugten Ausführungsform
werden 0,01 bis 3,5 Gewichtsanteile von wenigstens einem der Bestandteile
Ag, Cu und Ni zugesetzt, und zwar aus Gründen wie etwa den folgenden:
Der spezifische Widerstand der Legierung wird weiter verringert,
so dass ein Betriebsfehler aufgrund joulescher Wärme strikter unterbunden wird;
die Breite ΔT
der festflüssigen
Region wird weiter verengt, ohne dass die Auslösetemperatur von 65 bis 75°C wesentlich
verändert
würde,
so dass die Streuung der Auslösetemperatur
strikter unterdrückt
wird; und die für
das Verfahren zur Erzielung des dünnen Drahtes erforderliche
Festigkeit und Duktilität
werden weiter verbessert, so dass die Verformbarkeit weiter verbessert
wird. Die zugesetzte Menge ist aus folgendem Grund auf 0,01 bis
3,5 Gewichtsanteile eingestellt. Wenn die Menge unter 0,01 Gewichtsanteilen liegt,
können
die oben genannten Wirkungen nicht zufriedenstellend erzielt werden,
und wenn die Menge über
3,5 Gewichtsanteilen liegt, wird der Schmelzpunkt variiert, und
die Auslösetemperatur
kann nicht auf 65 bis 75°C
eingestellt werden.
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Das
Schmelzsicherungselement der thermischen Sicherung gemäß der Erfindung
kann durch Ziehen eines Basismaterials aus einer Legierung hergestellt
werden und mit einer weiterhin kreisförmigen Form verwendet werden
oder zusätzlich
einem Verdichtungsvorgang unterzogen werden, so dass es eine flache
Form erhält.
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1 zeigt
eine bandartige thermische Sicherung vom Legierungstyp gemäß der Erfindung.
In der Sicherung sind bandförmige
Anschlussleiter 1 mit einer Dicke von 100 bis 200 μm mit einem
Klebemittel oder durch Schmelzbonden an einer Basisfolie aus Kunststoff 41 mit
einer Dicke von 100 bis 300 μm
befestigt. Ein Schmelzsicherungselement 2 mit einem Durchmesser
von 250 bis 500 μm⌀ wird
zwischen den bandförmigen
Anschlussleitern verbunden. Ein Flussmittel 3 wird auf
das Schmelzsicherungselement 2 aufgebracht. Das mit dem
Flussmittel versehene Schmelzsicherungselement wird durch Befestigen
einer Deckfolie aus Kunststoff 42 mit einer Dicke von 100
bis 300 μm
durch ein Klebemittel oder durch Schmelzbonden abgedichtet.
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Die
thermische Sicherung vom Legierungstyp gemäß der Erfindung kann in Form
einer Sicherung des Gehäusetyps,
des Substrattyps oder des Kunstharztauchtyps umgesetzt werden.
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2 zeigt
eine Sicherung vom Zylindergehäusetyp.
Ein Schmelzsicherungselement 2 ist zwischen einem Paar
Drahtleiter 1 verbunden, und ein Flussmittel 3 wird
auf das Schmelzsicherungselement 2 aufgebracht. Das mit
dem Flussmittel versehene Schmelzsicherungselement wird durch ein
isolierendes Rohr 4 mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit
und thermischer Leitfähigkeit
geführt,
beispielsweise ein Keramikrohr. Zwischenräume zwischen den Enden des
isolierenden Rohres 4 und den Drahtleitern 1 werden
mit einem kalthärtenden
Klebemittel 5 wie etwa einem Epoxidharz abdichtend verschlossen.
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3 zeigt
eine Sicherung vom Radialgehäusetyp.
Ein Schmelzsicherungselement 2 wird durch Schweißen zwischen
Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbunden, und ein
Flussmittel 3 wird auf das Schmelzsicherungselement 2 aufgebracht. Das
mit dem Flussmittel versehene Schmelzsicherungselement wird mit
einem isolierenden Gehäuse 4 umschlossen,
an dem ein Ende geöffnet
ist, z.B. ein Keramikgehäuse.
Die Öffnung
des isolierenden Gehäuses 4 wird
mit einem Dichtungsmittel 5 wie etwa einem Epoxidharz abdichtend
verschlossen.
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4 zeigt
eine Sicherung vom Substrattyp. Auf einem isolierenden Substrat 4 wie
etwa einem keramischen Substrat wird durch Aufdrucken von Leitpaste
(z.B. Silberpaste) ein Paar Schichtelektroden 1 gebildet.
Anschlussleiter 11 werden jeweils durch Schweißen oder
dergleichen mit den Elektroden 1 verbunden. Ein Schmelzsicherungselement 2 wird
durch Schweißen
zwischen den Elektroden 1 verbunden, und ein Flussmittel 3 wird
auf das Schmelzsicherungselement 2 aufgebracht. Das mit dem
Flussmittel versehene Schmelzsicherungselement wird mit einem Dichtungsmittel 5 wie
z.B. einem Epoxidharz bedeckt.
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5 zeigt
eine Sicherung vom radialen Kunstharz-Tauchtyp. Ein Schmelzsicherungselement 2 wird
durch Schweißen
zwischen Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbunden,
und ein Flussmittel 3 wird auf das Schmelzsicherungselement 2 aufgebracht.
Das mit dem Flussmittel versehene Schmelzsicherungselement wird
in eine Kunstharzlösung
getaucht, um das Element mit einem isolierenden Dichtungsmittel 5 wie
etwa einem Epoxidharz abzudichten.
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Die
Erfindung kann in der Form einer Sicherung umgesetzt werden, die
ein elektrisches Heizelement aufweist, wie zum Beispiel einer Sicherung
vom Substrattyp mit einem Widerstand, wobei z.B. zusätzlich ein
Widerstand (Schichtwiderstand) auf einem isolierenden Substrat einer
thermischen Legierungsschmelzsicherung vom Substrattyp angeordnet wird
und, wenn eine Einrichtung sich in einem anormalen Zustand befindet,
dem Widerstand Energie zugeführt
wird, so dass Wärme
erzeugt wird und ein Stück
aus einer niedrig schmelzenden Schmelzlegierung durch die erzeugte
Wärme durchbrennt.
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Als
Flussmittel wird allgemein ein Flussmittel mit einem Schmelzpunkt
verwendet, der unter demjenigen des Schmelzsicherungselementes liegt. Zweckmäßig ist
zum Beispiel ein Flussmittel, das 90 bis 60 Gewichtsanteile Kolophonium,
10 bis 40 Gewichtsanteile Stearinsäure und 0 bis 3 Gewichtsanteile
eines Aktivierungsmittels enthält.
In diesem Fall kann als Kolophonium ein natürliches Kolophonium, ein modifiziertes
Kolophonium (z.B. ein hydriertes Kolophonium, ein inhomogenes Kolophonium
oder ein polymerisiertes Kolophonium) oder ein daraus gereinigtes
Kolophonium verwendet werden. Als Aktivierungsmittel können Diethylaminhydrochlorid, Diethylaminhydrobromid
oder dergleichen verwendet werden.
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Es
werden nun Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung als Beispiele detaillierter beschrieben,
wobei 50 Probestücke
vom Substrattyp verwendet wurden, jedes der Probestücke in ein Ölbad eingetaucht
wurde, in dem die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1°C/min erhöht wurde,
während
dem Probestück
ein Strom von 0,1 A zugeführt wurde,
und die Temperatur des Öls
gemessen wurde, wenn die Stromzufuhr durch Durchbrennen unterbrochen
wurde.
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Hinsichtlich
des Einflusses von Selbsterhitzung wurden 50 Probestücke verwendet,
und eine Beurteilung wurde vorgenommen, während dem jeweiligen Probestück ein normaler
Nennstrom (1 bis 2A) zugeführt
wurde.
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Hinsichtlich
der durch Wärmezyklen
verursachten Veränderung
des Widerstandes eines Schmelzsicherungselementes wurden 50 Probestücke verwendet,
und eine Beurteilung erfolgte durch Messen einer Veränderung
des Widerstandes nach einer Prüfung
mit 500 Wärmezyklen,
in denen die Probestücke
jeweils für
30 Minuten auf 50°C
erwärmt und
für 30
Minuten auf –40°C abgekühlt wurden.
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Beispiel (1)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 40% In, 14%
Sn und 46% Bi wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser von 300 μm⌀ gezogen.
Das Ziehverhältnis
pro Werkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug 45 m/min.
In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand des
Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand
von 48 μΩ·cm. Der
Draht wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden kleine thermische Sicherungen
vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als Schmelzsicherungselemente
verwendet wurden. Eine Zusammensetzung aus 80 Gewichtsanteilen Kolophonium,
20 Gewichtsanteilen Stearinsäure
und 1 Gewichtsanteil Diethylaminhydrobromid wurde als Flussmittel
verwendet. Ein kalthärtendes
Epoxidharz wurde als bedeckende Komponente verwendet.
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Die
Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Die entstandenen Auslösetemperaturen lagen im Bereich
von 72°C ± 2°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei normalem Nennstrom kein Selbsterhitzungseinfluss entsteht.
Außerdem
wurde eine Veränderung
des Widerstandes des Schmelzsicherungselementes, die durch die Wärmezyklen
verursacht wurde und die zu einem schwerwiegenden Problem werden
könnte,
nicht festgestellt. Es wurde bestätigt, dass in einem Bereich
von 37 bis 43% In, 10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich die Ziehbarkeit
zu dünnem
Draht, der niedrige spezifische Widerstand und die thermische Stabilität, die oben
beschrieben wurden, ausreichend gewährleistet werden können und
die Auslösetemperatur
so eingestellt werden kann, dass sie in einem Bereich von 70°C ± 5°C liegt.
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Beispiel (2)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 38,6% In,
13,5% Sn, 44,5% Bi und 3,4% Ag wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser
von 300 μm⌀ gezogen.
Das Ziehverhältnis pro
Werkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug 45 m/min.
In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand des
Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand
von 41 μΩ·cm.
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Der
Draht wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Schmelzsicherungselemente verwendet wurden. Die Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Die entstandenen Auslösetemperaturen lagen im Bereich
von 71°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei normalem Nennstrom kein Selbsterhitzungseinfluss entsteht.
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Außerdem wurde
eine Veränderung
des Widerstandes des Schmelzsicherungselementes, die durch die Wärmezyklen
verursacht wurde und die zu einem schwerwiegenden Problem werden
könnte, nicht
festgestellt. Es wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung
aus 37 bis 43% In, 10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01
bis 3,5 Gewichtsanteilen Ag die Ziehbarkeit zu dünnem Draht, der niedrige spezifische
Widerstand und die thermische Stabilität, die oben beschrieben wurden,
ausreichend gewährleistet
werden können
und die Auslösetemperatur
so eingestellt werden kann, dass sie in einem Bereich von 70°C ± 4°C liegt.
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Beispiel (3)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 39,7% In,
13,9% Sn, 45,7% Bi und 0,7% Cu wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser
von 300 μm⌀ gezogen.
Das Ziehverhältnis pro
Werkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug 45 m/min.
In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand des
Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand
von 42 μΩ·cm.
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Der
Draht wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Schmelzsicherungselemente verwendet wurden. Die Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Die entstandenen Auslösetemperaturen lagen im Bereich
von 71°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei normalem Nennstrom kein Selbsterhitzungseinfluss entsteht.
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Außerdem wurde
eine Veränderung
des Widerstandes des Schmelzsicherungselementes, die durch die Wärmezyklen
verursacht wurde und die zu einem schwerwiegenden Problem werden
könnte, nicht
festgestellt. Es wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung
aus 37 bis 43% In, 10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01
bis 3,5 Gewichtsanteilen Cu die Ziehbarkeit zu dünnem Draht, der niedrige spezifische
Widerstand und die thermische Stabilität, die oben beschrieben wurden,
ausreichend gewährleistet
werden können
und die Auslösetemperatur
so eingestellt werden kann, dass sie in einem Bereich von 70°C ± 4°C liegt.
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Beispiel (4)
-
Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 39,7% In,
13,9% Sn, 45,7% Bi und 0,7% Ni wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser
von 300 μm⌀ gezogen.
Das Ziehverhältnis pro
Werkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug 45 m/min.
In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand des
Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand
von 47 μΩ·cm. Der
Draht wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Schmelzsicherungselemente verwendet wurden. Die Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Die entstandenen Auslösetemperaturen lagen im Bereich
von 71°C ± 1°C.
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Es
wurde bestätigt,
dass bei normalem Nennstrom kein Selbsterhitzungseinfluss entsteht.
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Außerdem wurde
eine Veränderung
des Widerstandes des Schmelzsicherungselementes, die durch die Wärmezyklen
verursacht wurde und die zu einem schwerwiegenden Problem werden
könnte, nicht
festgestellt. Es wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung
aus 37 bis 43% In, 10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01
bis 3,5 Gewichtsanteilen Ni die Ziehbarkeit zu dünnem Draht, der niedrige spezifische
Widerstand und die thermische Stabilität, die oben beschrieben wurden,
ausreichend gewährleistet
werden können
und die Auslösetemperatur
so eingestellt werden kann, dass sie in einem Bereich von 71°C ± 4°C liegt.
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Beispiel (5)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 38,6% In,
13,5% Sn, 44,5% Bi, 2,7% Ag und 0,7% Cu wurde zu einem Draht mit
einem Durchmesser von 300 μm⌀ gezogen.
Das Ziehverhältnis
pro Werkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug 45
m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand
des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand
von 38 μΩ·cm.
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Der
Draht wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Schmelzsicherungselemente verwendet wurden.
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Die
Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Die entstandenen Auslösetemperaturen lagen im Bereich
von 70°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei normalem Nennstrom kein Selbsterhitzungseinfluss entsteht.
Des Weiteren wurde eine Veränderung
des Widerstandes des Schmelzsicherungselementes, die durch die Wärmezyklen
verursacht wurde und die zu einem schwerwiegenden Problem werden
könnte,
nicht festgestellt.
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Es
wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus
37 bis 43% In, 10 bis 18% Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01 bis
3,5 Gewichtsanteilen einer Gesamtheit von Ag und Cu die Ziehbarkeit
zu dünnem Draht,
der niedrige spezifische Widerstand und die thermische Stabilität, die oben
beschrieben wurden, ausreichend gewährleistet werden können und
die Auslösetemperatur
so eingestellt werden kann, dass sie in einem Bereich von 71°C ± 4°C liegt.
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Vergleichsbeispiel (1)
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In
gleicher Weise wie in den Beispielen wurde versucht, einen Draht
von 300 μm⌀ Durchmesser zu
ziehen, wobei ein Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung
von 50% Bi, 26,7% Pb, 13,3% Sn und 10% Cd verwendet wurde. Es kam
jedoch häufig
zu Drahtbruch. Deshalb wurde das Ziehverhältnis pro Werkzeug auf 5,0%
reduziert, und die Ziehgeschwindigkeit wurde auf 20 m/min gesenkt. Unter
diesen Umständen
einer reduzierten Prozessbeanspruchung wurde der Versuch unternommen, Draht
zu ziehen. Es kam jedoch häufig
zu Drahtbruch, und ein Durchführen
des Ziehvorgangs war unmöglich.
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Da
ein Vorgang des Ziehens zu dünnem Draht
wie oben beschrieben im Wesentlichen unmöglich ist, wurde ein dünner Draht
von 300 μm⌀ Durchmesser
im Rotationstrommel-Spinnverfahren [rotary
drum spinning method] erzeugt. Der spezifische Widerstand des dünnen Drahtes
wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand von 61 μΩ·cm.
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Der
dünne Draht
wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Schmelzsicherungselemente verwendet wurden. Die Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass viele Probestücke nicht
auslösten,
selbst wenn die Temperatur weitgehend über dem Schmelzpunkt (70°C) lag.
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Der
Grund hierfür
scheint folgender zu sein. Durch das Rotationstrommel-Spinnverfahren
bildet sich eine dicke Hülle
aus einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Schmelzsicherungselementes,
und selbst wenn die Legierung innerhalb der Hülle schmilzt, schmilzt die
Hülle nicht,
und daher bricht das Schmelzsicherungselement nicht.
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Vergleichsbeispiel (2)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 66,3% In und
33,7% Bi wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser von 300 μm⌀ gezogen.
Das Ziehverhältnis
pro Werkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug 45
m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand
des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand
von 37 μΩ·cm.
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Der
Draht wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Schmelzsicherungselemente verwendet wurden. Die Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden wie in den Beispielen gemessen. Es ergab sich eine breite
Vielfalt an Auslösetemperaturen,
die im Bereich von ca. 60°C
bis ca. 74°C
lagen. Es wurde also beobachtet, dass die Auslösetemperaturen deutlich gestreut
waren. Das Auslösen
in der Nähe
von 74°C
beruht auf dem normalen Schmelzen, und das Auslösen in der Nähe von 60°C scheint
durch eine Festphasenumwandlung bewirkt zu werden.
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Vergleichsbeispiel (3)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 63,5% In,
3,8% Sn und 32,7% Bi wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser
von 300 μm⌀ gezogen.
Das Ziehverhältnis
pro Werkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug 45 m/min.
In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand des
Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich ein spezifischer Widerstand
von 32 μΩ·cm.
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Der
Draht wurde in Stücke
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Schmelzsicherungselemente verwendet wurden. Die Auslösetemperaturen
der entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Die entstandenen Auslösetemperaturen lagen im Bereich
von 71°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei normalem Nennstrom kein Selbsterhitzungseinfluss entsteht.
Nach einer Prüfung
der Wärmebeständigkeit über 500 Wärmezyklen
trat jedoch in einigen der Probestücke eine starke Veränderung
des Widerstandes auf. Solche Probestücke wurden auseinandergenommen, und
die Schmelzsicherungselemente wurden untersucht. Als Ergebnis wurde
bestätigt,
dass die Querschnittsflächen
der Schmelzsicherungselemente teilweise reduziert werden und die
Längen
der Elemente verkürzt
werden. Der Grund hierfür
scheint folgender zu sein. Da ein solches Schmelzsicherungselement eine
große
Menge In enthält,
ist die Elastizitätsgrenze
niedrig. Daher gibt das Schmelzsicherungselement infolge thermischer
Beanspruchung nach, und es kommt zu einer Gleitung in der Legierungsstruktur. Infolge
wiederholten Auftretens einer solchen Gleitung ändern sich die Querschnittsfläche und
die Länge
des Schmelzsicherungselementes, so dass der Widerstand des Elementes
selbst verändert
wird.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind folgende:
Es ist möglich, eine
thermische Sicherung vom Legierungstyp zur Verfügung zu stellen, bei der ein
sehr dünnes
Schmelzsicherungselement mit einem Durchmesser in der Größenordnung
von 300 μm⌀ verwendet
wird, das durch ein einfaches Verfahren des Ziehens des Basismaterials
aus einer niedrig schmelzenden Bi-In-Sn-Schmelzlegierung erzeugt wird,
die für
das ökologische
System unschädlich
ist und bei der die Auslösetemperatur
65 bis 75°C
beträgt,
das Auftreten eines Betriebsfehlers durch Selbsterhitzung ausreichend
verhindert werden kann und aufgrund der ausreichend verringerten
Menge an In eine ausgezeichnete thermische Stabilität gewährleistet
werden kann.