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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Sicherung vom Legierungstyp,
insbesondere eine Verbesserung einer thermischen Sicherung vom Legierungstyp
mit einer Betriebstemperatur (Auslösetemperatur) von 57 bis 67°C, und außerdem ein
Sicherungselement, aus dem eine solche Sicherung ausgebildet ist
und das aus einer niedrig schmelzenden Schmelzlegierung gefertigt
ist.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Bei
einer herkömmlichen
thermischen Sicherung vom Legierungstyp wird ein Stück einer
niedrig schmelzenden Schmelzlegierung, auf das ein Flussmittel aufgetragen
wird, als Sicherungselement verwendet. Eine solche thermische Sicherung
wird an einer zu schützenden
elektrischen Einrichtung angebracht. Wenn die elektrische Einrichtung
anormal Wärme
erzeugt, kommt es zu einem Phänomen,
bei dem das Stück
der niedrig schmelzenden Schmelzlegierung durch die erzeugte Wärme verflüssigt wird, das
geschmolzene Metall durch die Oberflächenspannung bei gleichzeitigem
Vorhandensein des bereits geschmolzenen Flussmittels sphäroidisiert
und das Legierungsstück
schließlich
infolge des Fortschreitens der Sphäroidisierung bricht, wodurch
die Stromzufuhr zu der Einrichtung unterbrochen wird.
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Die
erste an eine solche niedrig schmelzende Schmelzlegierung gestellte
Anforderung ist die, dass die fest-flüssige Region zwischen der Solidus- und
der Liquiduslinie eng ist. Bei einer Legierung besteht normalerweise
eine fest-flüssige
Region zwischen der Solidus- und der Liquiduslinie. In dieser Region
sind Partikel der festen Phase in einer flüssigen Phase verteilt, so dass
die Region auch eine Eigenschaft ähnlich derjenigen einer flüssigen Phase aufweist,
und daher kann es zu dem oben erwähnten Bruch aufgrund von Sphäroisierung
kommen. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass ein Stück einer
niedrig schmelzenden Schmelzlegierung in einem Temperaturbereich
(bezeichnet mit ΔT)
sphäroidisiert
und bricht, der unter der Liquidustemperatur (bezeichnet mit T)
liegt und zur fest-flüssigen
Region gehört.
Daher ist eine thermische Sicherung, in der ein solches Stück einer
niedrig schmelzenden Schmelzlegierung verwendet wird, so zu behandeln wie
eine Sicherung, die bei einer Sicherungselementtemperatur im Bereich
von (T – ΔT) bis T auslöst. Wenn ΔT kleiner
ist bzw die fest-flüssige
Region enger ist, ist die Betriebstemperatur einer thermischen Sicherung
weniger weit gestreut, so dass eine thermische Sicherung entsprechend
genau bei einer vorgegebenen Temperatur auslösen kann. Daher ist es erforderlich,
dass eine Legierung, die als Sicherungselement einer thermischen
Sicherung verwendet werden soll, 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, ist die Betriebstemperatur
bezüglich ΔT' wesentlich niedriger
als in dem Fall, in dem ein solcher Temperaturanstieg nicht auftritt.
Wenn ΔT' nämlich größer ist,
ist der Auslösefehler
wesentlich größer. Daher
ist es erforderlich, dass eine Legierung, die als Sicherungselement
einer thermischen Sicherung verwendet werden soll, einen niedrigen spezifischen
Widerstand aufweist.
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Eine
thermische Sicherung wird durch die Wärmezyklen einer Einrichtung
wiederholt erwärmt und
abgekühlt.
Während
der Wärmezyklen
wird eine Rekristallisation eines Sicherungselementes gefördert. Wenn
die Duktilität
des Sicherungselementes übermäßig hoch
ist, kommt es im Grenzbereich zwischen unterschiedlichen Phasen
zu größerer Verformung
(Gleitung). Wird die Verformung wiederholt, so kommt es in extremer
Weise zu einer Veränderung der
Querschnittsfläche
und einer Erhöhung
der Länge
des Sicherungselementes. Infolgedessen wird der Widerstand des Sicherungselementes
selbst instabil, und die thermische Stabilität kann nicht gewährleistet werden.
Als weitere Anforderung, die an eine solche niedrig schmelzende
Schmelzlegierung gestellt wird, muss daher auch die thermische Stabilität hervorgehoben
werden.
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Um
eine Einrichtung genau zu steuern, werden in jüngerer Zeit thermische Sicherungen
mit einer Betriebstemperatur von ca. 60°C verlangt. Bei einem Sicherungselement
einer solchen thermischen Sicherung ist es notwendig, dass der festflüssige Bereich
in der Nähe
von 60°C
liegt und das oben erwähnte ΔT (der Temperaturbereich,
der zur fest-flüssigen
Region gehört)
innerhalb eines zulässigen
Bereichs liegt (nicht größer als
4°C). Als
niedrig schmelzende Schmelzlegierung mit einem solchen Schmelzpunkt
sind z.B. bekannt: eine In-Bi-Cd-Legierung (61,7% In, 30,8% Bi und
7,5% Cd; "%" bedeutet ein Gewichtsprozent;
dasselbe gilt für
die folgende Beschreibung), die bei 62°C eutektisch ist, eine In-Bi-Sn-Legierung
(51% In, 32,5% Bi und 16,5% Sn), die bei 60°C eutektisch ist, und eine Bi-In-Pb-Sn-Legierung
(49% Bi, 21% In, 18% Pb und 12% Sn), die bei 58°C eutektisch ist.
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Jedoch
ist die In-Bi-Cd-Legierung, die bei 62°C eutektisch ist, entgegen einer
globalen Anforderung der jüngeren
Zeit nicht für
den Umweltschutz geeignet, da von den Bestandteilen Pb, Cd, Hg und Tl,
die für
das ökologische
System offenbar schädlich sind,
Cd in der Legierung enthalten ist. In der Legierung macht In, das
hohe Duktilität
aufweist, den Hauptteil der Zusammensetzung aus, und daher ist die
Elastizitätsgrenze
eng. Daher gibt das Sicherungselement infolge thermischer Belastung
aufgrund von Wärmezyklen
nach, und es tritt eine Gleitung in der Legierungsstruktur auf.
Infolge der Wiederholung einer solchen Gleitung werden die Querschnittsfläche und
die Länge
des Sicherungselementes verändert,
so dass der Widerstand des Elementes selbst instabil wird und die
thermische Stabilität nicht
gewährleistet
werden kann.
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Die
Bi-In-Pb-Sn-Legierung, die bei 58°C
eutektisch ist, eignet sich entgegen einer globalen Anforderung
der jüngeren
Zeit nicht für
den Umweltschutz, da die Legierung Pb, ein für das ökologische System schädliches
Metall, enthält.
Die Legierung enthält
eine große
Menge an Bi und ist daher so zerbrechlich, dass ein Vorgang des
Ziehens der Legierung zu einem sehr dünnen Draht von 300 μmø kaum durchzuführen ist.
Daher ist die Legierung kaum geeignet für die Miniaturisierung einer
thermischen Sicherung vom Legierungstyp, wie sie entsprechend der
neueren Tendenz zu einer weiteren Größenverringerung elektrischer
bzw. elektronischer Einrichtungen durchgeführt wird. Außerdem wirkt
bei einem solchen sehr dünnen
Sicherungselement der relativ hohe spezifische Widerstand der Legierungszusammensetzung
mit der Dünne
zusammen, so dass der Widerstand extrem erhöht wird, mit dem Ergebnis, dass
es unvermeidlich zu einem Funktionsausfall aufgrund von Selbsterhitzung
des Sicherungselementes kommt.
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In
der In-Bi-Sn-Legierung, die bei 60°C eutektisch ist, ist kein schädliches
Metall enthalten, ein Vorgang des Ziehens der Legierung zu einem
sehr dünnen
Draht von 300 μmø kann
durchgeführt
werden, und der spezifische Widerstand ist niedrig. Jedoch macht
wie bei der In-Bi-Cd-Legierung, die bei 62°C eutektisch ist, In, das hohe
Duktilität
aufweist, den Großteil
der Zusammensetzung aus, und daher ist die Elastizitätsgrenze
eng. Deshalb gibt das Sicherungselement durch thermische Belastung
aufgrund von Wärmezyklen
nach, und es kommt zu einer Gleitung in der Legierungsstruktur.
Infolge der Wiederholung einer solchen Gleitung werden die Querschnittsfläche und
die Länge
des Sicherungselementes verändert,
so dass der Widerstand des Elementes selbst instabil wird und die
thermische Stabilität
nicht gewährleistet
werden kann.
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Die
JP-A-2001291459, die als der nächstkommende
Stand der Technik angesehen wird, offenbart ein Sicherungselement
mit einer Legierungszusammensetzung, bei der 0,5 bis 3,5 Gewichtsanteile Ag
zu 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus 25% bis 35% Bi,
2,5 bis 10% Sn und In zum Ausgleich zugesetzt werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine thermische Sicherung vom Legierungstyp
zur Verfügung zu
stellen, bei der eine Legierungszusammensetzung aus In-Sn-Bi als
Sicherungselement verwendet wird, die Betriebstemperatur im Bereich
von 57 bis 67°C
liegt, Umweltschutzanforderungen genügt werden kann, der Durchmesser
des Sicherungselementes sehr dünn
gestaltet bzw. auf ca. 300 μmø reduziert
werden kann, Selbsterhitzung ausreichend unterdrückt werden kann und die thermische
Stabilität ausreichend
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 Sicherungselement verwendet wird, wobei die niedrig schmelzende
Schmelzlegierung eine Legierungszusammensetzung aufweist, in der
insgesamt 0,01 bis 7 Gewichtsanteile von wenigstens einem Bestandteil, der
aus der Gruppe ausgewählt
ist, die Au, Cu, Ni und Pd enthält,
zu 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus 48 bis 60% In,
10 bis 25% Sn und Bi zum Ausgleich zugesetzt wird.
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Bei
der obigen Sicherung darf die Legierungszusammensetzung unvermeidliche
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 anderen 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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Bei
der erfindungsgemäßen thermischen
Sicherung vom Legierungstyp kann ein runder Draht mit einem Außendurchmesser
von 200 bis 600 μmø, vorzugsweise
250 bis 350 μmø, oder
ein flacher Draht mit demselben Querschnittsflächeninhalt wie demjenigen des
runden Drahtes als Sicherungselement verwendet werden.
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Das
Sicherungselement besteht aus einer Legierung mit einer Zusammensetzung,
in der insgesamt 0,01 bis 7 Gewichtsanteile von wenigstens einem
Bestandteil, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Au, Cu, Ni
und Pd besteht, zu 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus
48 bis 60% In, 10 bis 25 % Sn und Bi zum Ausgleich zugesetzt wird. Die
Legierung weist ein einzelnes Schmelzmaximum und einen scharfen
Schmelzpunkt von 57 bis 67°C auf.
Außerdem
wird kein Festphasenumwandlungspunkt bei niedriger Temperatur erzeugt,
und ein unbeabsichtigtes Auslösen
aufgrund eines Bruchs bei der Festphasenumwandlung bei einer Temperatur, die
niedriger ist als die Betriebstemperatur, kann sicher eliminiert
werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen thermischen
Sicherung ist das Sicherungselement wie folgt ausgestaltet:
- (1) Es wird In-Sn-Bi verwendet, das kein umweltschädliches
Metall enthält;
- (2) das Sicherungselement weist einen Schmelzpunkt auf, durch
den die Betriebstemperatur auf 57 bis 67°C eingestellt werden kann, und
die Breite ΔT
der fest-flüssigen
Region wird auf maximal ca. 4°C
gedrückt,
um die Streuung des oben genannten Betriebstemperaturbereiches ausreichend
zu verringern;
- (3) ein Ziehen zu einem sehr dünnen Draht von ca. 300 μmø wird
ermöglicht;
- (4) das Sicherungselement hat eine Legierungs-Grundzusammensetzung
von 48 bis 60% In, 10 bis 25% Sn und Bi zum Ausgleich, um den Widerstand
ausreichend zu senken und einen Auslösefehler durch Joulesche Wärme zu unterdrücken; und
- (5) insgesamt 0,01 bis 7 Gewichtsanteile von wenigstens einem
Bestandteil, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Au, Cu, Ni
und Pd besteht, werden zu 100 Gewichtsanteilen der Grundzusammensetzung
zugesetzt, um eine intermetallische Verbindung mit In von hoher
Duktilität
zu erzeugen und die thermische Stabilität gegenüber den oben erwähnten Wärmezyklen
durch einen Keileffekt zu erhöhen,
bei dem durch die intermetallische Verbindung das Auftreten einer
interkristallinen Gleitung verhindert wird.
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Die
insgesamt zugesetzte Menge an wenigstens einem der Bestandteile
Au, Cu, Ni und Pd wird aus dem Grund auf 0,01 bis 7 Gewichtsanteile
eingestellt, dass, wenn die zugesetzte Menge kleiner ist als 0,01
Gewichtsanteile, der obige Punkt (5) kaum zu erreichen ist und,
wenn die Menge größer ist
als 7 Gewichtsanteile, die obigen Punkte (2) und (3) nicht zufriedenstellend
zu erreichen sind.
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Das
Sicherungselement der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung kann
durch Ziehen eines Basismaterials einer Legierung hergestellt werden
und mit weiterhin runder Form verwendet werden oder außerdem einem
Kompressionsverfahren unterzogen werden, so dass es eine flachere
Form erhält.
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1 zeigt
eine bandartige thermische Sicherung vom Legierungstyp gemäß der Erfindung. Bei
der Sicherung werden bandförmige
Anschlussleiter 1 mit einer Dicke von 100 bis 200 μm mit einem Klebemittel
oder durch Schmelzschweißen
an einer Kunststoff Basisfolie 41 mit einer Dicke von 100
bis 300 μm
befestigt. Ein Sicherungselement 2 mit einem Durchmesser
von 250 bis 500 μmø wird
zwischen den bandförmigen
Anschlussleitern verbunden. Ein Flussmittel 3 wird auf
das Sicherungselement 2 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel
versehene Sicherungselement wird durch Befestigen einer Kunststoff-Deckfolie 42 mit
einer Dicke von 100 bis 300 μm mit
einem Klebemittel oder durch Schmelzschweißen abgedichtet.
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Die
erfindungsgemäße thermische
Sicherung vom Legierungstyp kann in Form einer Sicherung vom Gehäusetyp,
vom Substrattyp oder vom Harztauchtyp umgesetzt sein.
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2 zeigt
eine Sicherung vom Typ mit einem zylindrischen Gehäuse. Ein
Stück 2 einer
niedrig schmelzenden Schmelzlegierung ist zwischen einem Paar Anschlussdrähte 1 verbunden,
und ein Flussmittel 3 wird auf das Stück 2 der niedrig schmelzenden Schmelzlegierung
aufgetragen. Das mit dem Flussmittel versehene Stück der niedrig
schmelzenden Schmelzlegierung 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 Anschlussdrähten 1 werden
mit einem kalthärtenden
Klebemittel 5 wie z.B. einem Epoxidharz abdichtend verschlossen.
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3 zeigt
eine Sicherung vom Radialgehäusetyp.
Ein Sicherungselement 2 ist durch Schweißen zwischen
Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbunden, und ein
Flussmittel 3 wird auf das Sicherungselement 2 aufgetragen.
Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement wird mit einem
isolierenden Gehäuse 4 umschlossen,
in dem ein Ende geöffnet
ist, beispielsweise ein Keramikgehäuse. Die Öffnung des isolierenden Gehäuses 4 wird
mit einem Dichtungsmittel 5 wie z.B. einem Epoxidharz abdichtend
verschlossen.
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4 zeigt
eine Sicherung vom Substrattyp. Ein Paar Schichtelektroden 1 sind
durch Aufdrucken einer Leitpaste (z.B. Silberpaste) auf einem isolierenden
Substrat 4 wie z.B. einem keramischen Substrat ausgebildet.
Anschlussleiter 11 sind jeweils durch Schweißen oder
dergleichen mit den Elektroden 1 verbunden. Ein Sicherungselement 2 wird
durch Schweißen
zwischen den Elektroden 1 verbunden, und ein Flussmittel 3 wird
auf das Sicherungselement 2 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel
versehene Sicherungselement wird mit einem Dichtungsmittel 5 wie
z.B. einem Epoxidharz bedeckt.
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5 zeigt
eine Sicherung vom radialen Kunstharz-Tauchtyp. Ein Sicherungselement 2 wird durch
Schweißen
zwischen Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbunden,
und ein Flussmittel 3 wird auf das Sicherungselement 2 aufgetragen.
Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement 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 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 Legierungstyp-Sicherung 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
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 Sicherungselementes 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 zur Messung der Betriebstemperaturen in Beispielen und Vergleichsbeispielen,
die später
beschrieben werden, 50 Probestücke
des Substrattyps verwendet wurden, jedes der Probestücke in ein Ölbad getaucht
wurde, in dem die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1°C/min. erhöht wurde,
während
dem Probestück
ein Strom von 0,1 A zugerführt
wurde, und die Temperatur des Öls
gemessen wurde, wenn die Stromzufuhr durch Durchbrennen unterbrochen
wurde. Hinsichtlich des Einflusses der Selbsterhitzung wurden 50
Probestücke verwendet,
und eine Beurteilung erfolgte, während jedem
Probestück
ein üblicher
Nennstrom (1 bis 2A) zugeführt
wurde.
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Hinsichtlich
der durch Wärmezyklen
verursachten Änderung
des Widerstandes eines Sicherungselementes 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 53% In, 28%
Bi, 18% Sn und 1 % Au wurde zu einem Draht von 300 μmø Durchmesser
gezogen. Das Ziehverhältnis
pro Ziehwerkzeug (dice) betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit
betrug 45 m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf.
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Der
spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich,
dass der spezifische Widerstand 29 μΩ·cm betrug. Der Draht wurde zu
Stücken
von 4 mm geschnitten, und es wurden kleine thermische Sicherungen
vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als Sicherungselemente verwendet
wurden. Eine Zusammensetzung aus 80 Gewichtsanteilen Kolophonium,
20 Gewichtsanteilen Stearinsäure
und einem Gewichtsanteil Diethylaminhydrobromid wurde als Flussmittel
verwendet. Ein kalthärtendes
Epoxidharz wurde zur Abdeckung verwendet.
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Die
Betriebstemperaturen der entstandenen Probestücke wurden gemessen. Die enstndenen
Betriebstemperaturen lagen in einem Bereich von 60°C ± 2°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei dem üblichen Nennstrom
kein Einfluss durch Selbsterhitzung entsteht. Außerdem wurde eine durch die
Wärmezyklen verursachte
Veränderung
des Widerstandes des Sicherungselementes, die zu einem ernsten Problem werden
könnte,
nicht beobachtet. Die Probestücke wiesen
stabile Wärmebeständigkeit
auf.
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Es
wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus
48 bis 60% In, 10 bis 25 % Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01 bis
7 Gewichtsanteilen Au die Ziehbarkeit zu einem dünnen Draht, der niedrige spezifische
Widerstand und die thermische Stabilität, die oben beschrieben wurden,
ausreichend erzielt werden können
und die Betriebstemperatur so eingestellt werden kann, dass sie
in einem Bereich von 61°C ± 3°C liegt.
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Beispiel (2)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 52% In, 28%
Bi, 18% Sn und 2% Cu wurde zu einem Draht von 300 μmø Durchmesser
gezogen. Das Ziehverhältnis
pro Ziehwerkzeug betrug 6,5%, und die Ziehgeschwindigkeit betrug
45 m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf.
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Der
spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich,
dass der spezifische Widerstand 28 μΩ·cm betrug. Der Draht wurde zu
Stücken
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Sicherungselemente verwendet wurden.
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Die
Betriebstemperaturen der entstandenen Probestücke wurden gemessen. Die entstandenen Betriebstemperaturen
lagen in einem Bereich von 62°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei dem üblichen
Nennstrom kein Einfluss durch Selbsterhitzung entsteht.
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Außerdem wurde
eine durch die Wärmezyklen
verursachte Veränderung
des Widerstandes des Sicherungselementes, die zu einem ernsten Problem werden
könnte,
nicht beobachtet.
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Es
wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus
48 bis 60% In, 10% bis 25 % Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01 bis
7 Gewichtsanteilen Cu die Ziehbarkeit zu einem dünnen Draht, der niedrige spezifische
Widerstand und die thermische Stabilität, die oben beschrieben wurden,
ausreichend erzielt werden können
und die Betriebstemperatur so eingestellt werden kann, dass sie
in einem Bereich von 62°C ± 5°C liegt.
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Beispiel (3)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 52% In, 28%
Bi, 18% Sn, 0,1 % Ni und 1,9% Cu wurde zu einem Draht von 300 μmø Durchmesser
gezogen. Das Ziehverhältnis
pro Ziehwerkzeug 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, dass der spezifische
Widerstand 26 μΩ·cm betrug.
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Der
Draht wurde zu Stücken
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Sicherungselemente verwendet wurden.
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Die
Betriebstemperaturen der entstandenen Probestücke wurden gemessen. Die entstandenen Betriebstemperaturen
lagen in einem Bereich von 61°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei dem üblichen
Nennstrom kein Einfluss durch Selbsterhitzung entsteht.
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Außerdem wurde
eine durch die Wärmezyklen
verursachte Veränderung
des Widerstandes des Sicherungselementes, die zu einem ernsten Problem werden
könnte,
nicht beobachtet.
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Es
wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus
48 bis 60% In, 10 bis 25 % Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01 bis
7 Gewichtsanteilen einer Gesamtmenge an Cu und Ni die Ziehbarkeit
zu einem dünnen
Draht, der niedrige spezifische Widerstand und die thermische Stabilität, die oben
beschrieben wurden, ausreichend erzielt werden können und die Betriebstemperatur
so eingestellt werden kann, dass sie in einem Bereich von 62°C ± 4°C liegt.
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Beispiel (4)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 52% In, 28%
Bi, 18% Sn, 0,3% Pd und 1,7% Cu wurde zu einem Draht von 300 μmø Durchmesser
gezogen. Das Ziehverhältnis
pro Ziehwerkzeug 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, dass der spezifische
Widerstand 27 μΩ·cm betrug.
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Der
Draht wurde zu Stücken
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Sicherungselemente verwendet wurden.
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Die
Betriebstemperaturen der entstandenen Probestücke wurden gemessen. Die entstandenen Betriebstemperaturen
lagen in einem Bereich von 61°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei dem üblichen
Nennstrom kein Einfluss durch Selbsterhitzung entsteht.
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Außerdem wurde
eine durch die Wärmezyklen
verursachte Veränderung
des Widerstandes des Sicherungselementes, die zu einem ernsten Problem werden
könnte,
nicht beobachtet.
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Es
wurde bestätigt,
dass in einem Bereich von 100 Gewichtsanteilen einer Zusammensetzung aus
48 bis 60% In, 10 bis 25 % Sn und Bi zum Ausgleich sowie 0,01 bis
7 Gewichtsanteilen einer Gesamtmenge an Pd und Cu die Ziehbarkeit
zu einem dünnen
Draht, der niedrige spezifische Widerstand und die thermische Stabilität, die oben
beschrieben wurden, ausreichend erzielt werden können und die Betriebstemperatur
so eingestellt werden kann, dass sie in einem Bereich von 62°C ± 5°C liegt.
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Vergleichsbeispiel (1)
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Ein
Basismaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 54% In, 28%
Bi und 18% Sn wurde zu einem Draht von 300 μmø Durchmesser gezogen. Das
Ziehverhältnis
pro Ziehwerkzeug 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, dass der spezifische
Widerstand 13 μΩ·cm betrug.
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Der
Draht wurde zu Stücken
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Sicherungselemente verwendet wurden. Die Betriebstemperaturen der
entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Die entstandenen Betriebstemperaturen lagen in
einem Bereich von 61°C ± 1°C. Es wurde
bestätigt,
dass bei dem üblichen
Nennstrom kein Einfluss durch Selbsterhitzung entsteht. Nach einer
Wärmewiderstandsprüfung mit 500
Wärmezyklen
trat jedoch in einigen der Probestücke eine große Veränderung
des Widerstandes auf. Solche Probestücke wurden auseinandergenommen,
und die Sicherungselemente wurden untersucht. Als Ergebnis wurde
bestätigt,
dass die Querschnittsflächen
der Sicherungselemente teilweise verringert werden und die Längen der Sicherungselemente
erhöht
werden. Das scheint folgenden Grund zu haben. Da ein solches Sicherungselement
eine große
Menge In enthält,
ist die Elastizitätsgrenze eng.
Daher gibt das Sicherungselement bei thermischer Belastung nach,
und es kommt zu einer Gleitung in der Legierungsstruktur. Infolge
der Wiederholung einer solchen Gleitung werden die Querschnittsfläche und
die Länge
des Sicherungselementes verändert,
so dass der Widerstand des Elementes selbst variiert wird.
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Dieses
Vergleichsbeispiel entspricht den Beispielen, bei denen die zugesetzte
Menge an Au, Ag, Cu, Ni, Pd oder dergleichen null ist. Es lässt sich bestätigen, dass
erfindungsgemäß Au, Ag,
Cu, Ni, Pd und dergleichen die thermische Stabilität wirksam verbessern.
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Vergleichsbeispiel (2)
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Es
wurde versucht, unter Verwendung eines Basismaterials mit einer
Legierungszusammensetzung von 49% Bi, 21% In, 18% Pb und 12% Sn
in gleicher Weise wie in den Beispielen einen Draht von 300 μmø Durchmesser
zu ziehen. Es kam jedoch häufig
zum Bruch des Drahtes. Daher wurde das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug auf
5,0% verringert und die Ziehgeschwindigkeit auf 20 m/min herabgesetz.
Unter diesen Bedingungen einer verringerten Prozessbelastung wurde
versucht, den Draht zu ziehen. Es kam jedoch häufig zum Bruch des Drahtes, und
eine Durchführung
des Ziehvorgangs war unmöglich.
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Da
ein Prozess zum Ziehen eines dünnen Drahtes,
wie oben beschrieben, im Wesentlichen unmöglich ist, wurde ein dünner Draht
von 300 μmø Durchmesser
im Rotationstrommel-Spinnverfahren erzeugt.
Der spezifische Widerstand des dünnen Drahtes
wurde gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand 61 μΩ·cm betrug.
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Der
dünne Draht
wurde zu Stücken
von 4 mm geschnitten, und es wurden wie in Beispiel (1) thermische
Sicherungen vom Substrattyp hergestellt, wobei die Stücke als
Sicherungselemente verwendet wurden. Die Betriebstemperaturen der
entstandenen Probestücke
wurden gemessen. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass viele Probestücke selbst
dann nicht funktionierten, wenn die Temperatur wesentlich höher lag
als der Schmelzpunkt (58°C).
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Der
Grund des oben Beschriebenen scheint folgender zu sein. Durch das
Rotationstrommel-Spinnverfahren
bildet sich an der Oberfläche
eines Sicherungselementes eine dicke Hülle aus einer Oxidschicht,
und selbst wenn die Legierung in der Hülle schmilzt, schmilzt die
Hülle nicht,
und daher bricht das Sicherungselement nicht.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind folgende:
Erfindungsgemäß ist es
möglich,
eine thermische Sicherung vom Legierungstyp zur Verfügung zu
stellen, bei der ein sehr dünnes
Sicherungselement mit einem Durchmesser in der Größenordnung
von 300 μmø verwendet
wird, das in einem einfachen Verfahren durch Ziehen des Basismaterials
aus einer niedrig schmelzenden Bi-In-Sn-Schmelzlegierung erzeugt
wird, die für
das ökologische
System unschädlich
ist, und wobei die Betriebstemperatur 57 bis 67°C beträgt, das Auftreten eines Auslösefehlers
aufgrund von Selbsterhitzung ausreichend unterdrückt werden kann und aufgrund
der Wirkung der Verhinderung einer interkristallinen Gleitung (Keileffekt)
ausgezeichnete thermische Stabilität gewährleistet werden kann, und
zwar aufgrund einer intermetallischen Verbindung aus In und Au,
Cu, Ni, Pd oder dergleichen.