JP4387229B2 - 合金型温度ヒューズの使用方法及び合金型温度ヒューズ - Google Patents
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Description
合金型温度ヒューズのヒューズエレメントにおいても、鉛フリー化が進められている。
使用実績の多い合金型温度ヒューズの動作温度は、120℃〜150℃に属する。
従来、動作温度120℃〜150℃の合金型温度ヒューズの鉛フリーヒューズエレメントとして、In−Sn系合金を使用することが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3)。
この長期直流電流通電破断の一例を示すと、In74%,Sn26%のIn−Sn合金を線引きして得た直径500μmφの線材をヒューズエレメントとした筒型温度ヒューズ(箇数50箇)を動作温度より35℃低い恒温槽に入れ、直流5Aを3000時間通電したところ、ヒューズエレメントが融点以下の固溶体の状態であるにもかかわらず、試料のほぼ50%がヒューズエレメントの中間で剪断破壊した。
これに対し、実効値が前記直流値に等しい交流(波高値√2×5A),3000時間通電では何らの異常も認められなかった。
導体を通電すると周方向磁界が発生し、この周方向磁界と導体電流との間に電流を導体中心に吸引する力が作用する。前記ヒューズエレメントの長期直流通電破断の原因として、推測の域をでないが、直流通電のためにヒューズエレメントの全長にわたり前記電磁作用により中心方向圧縮力が作用し、その結果ポアソン比に基づく軸方向圧縮応力が作用し、多量に含有するInのために柔らかいIn−Sn合金ヒューズエレメントが前記軸方向圧縮応力に基づき剪断応力が発生する面で剪断破壊することが想定できる。
この剪断破壊が直流で生じても、交流では生じない理由としては、交流では角周波数をωとすると、前記斜面での剪断応力が周波数を2ωとする交番力となり、その交番応力が0となる間に結晶間の歪が回復されてしまうのに対し、直流では周波数が0であり、結晶間の歪が累積されていき、遂には剪断破壊に至る破壊機構を想像できる。
しかしながら、In−Sn系合金をヒューズエレメントとして使用した合金型温度ヒューズは、前記プロテクタの動作温度条件を充足するにもかかわらず、前記した長期直流通電による不具合、例えば長期直流通電破壊性のためにサーモプロテクタとして使用し難い。
請求項2に係る合金型温度ヒューズの使用方法は、請求項1記載の合金型温度ヒューズの使用方法において、交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの組成であることを特徴とする。
請求項3に係る合金型温度ヒューズの使用方法は、請求項1記載の合金型温度ヒューズの使用方法において、交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの100重量部にAg、Au、Ni、Pd、Pt、Sbの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加した組成であることを特徴とする。
請求項4に係る合金型温度ヒューズの使用方法は、請求項2または3記載の合金型温度ヒューズの使用方法において、直流用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成を20%≦Bi≦56.5%,43%<Sn≦70%、0.5%≦In≦10%、または20%≦Bi≦56.5%,43%<Sn≦70%、0.5%≦In≦10%の100重量部にAg、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb、Ga、Ge、Pの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加した組成であることを特徴とする。
請求項5に係る合金型温度ヒューズの使用方法は、ヒューズエレメントを(In%+Sn%)>93.4%かつIn%>48.5%のIn−Sn系合金製とした動作温度120〜150℃の交流専用合金型温度ヒューズを交・直流電子・電気機器のうちの交流電子・電気機器のみの過熱からの保護に使用することを特徴とする。
請求項6に係る合金型温度ヒューズの使用方法は、請求項5記載の合金型温度ヒューズの使用方法において、交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの組成であることを特徴とする。
請求項7に係る合金型温度ヒューズの使用方法は、請求項5記載の合金型温度ヒューズの使用方法において、交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの100重量部にAg、Au、Ni、Pd、Pt、Sbの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加した組成であることを特徴とする。
請求項8に係る合金型温度ヒューズの使用方法は、請求項1〜7何れかの合金型温度ヒューズの使用方法において、合金型温度ヒューズにヒューズエレメントを溶断させるための発熱体を付設したことを特徴とする。
この範囲では、β固溶体→β固溶体と溶液Lとの共存相→溶液Lの相変化で溶融していき、共存域でヒューズエレメントが球状分断される。すなわち、ヒューズエレメントの温度が固相線温度を越えると溶融フラックスの活性作用との相乗効果で前記共存相が合金型温度ヒューズのリード導体や電極に表面張力により濡れ拡がり球状化されつつ分断される。従って、合金型温度ヒューズの動作温度は固相線温度と液相線温度との間の温度となるが、その間の温度巾が3℃程度と狭く、動作温度のバラツキを僅小にできる。
使用頻度の高い合金型温度ヒューズの動作温度は120℃〜150℃であるが、In−Sn系合金の前記In85〜52%の範囲はこの動作温度を充足している。
In単体では延性が大き過ぎて線引きが困難であるが、In85〜52%のIn−Sn系合金では、適度の延性のために良好な歩留りで、しかも500μmφ以下の細線への線引きも容易である。
しかしながら、In85〜52%のIn−Sn系合金をヒューズエレメントとする合金型温度ヒューズでは、長期直流通電による不具合、例えば長期直流通電破壊のために、かかる両用使用に問題があることは既述した通りである。
すなわち、ヒューズエレメントの電流密度をiとすると、半径rの箇所での磁界Hは、H=ir/2で与えられ、その箇所での半径方向の圧縮力をfとすると、
で与えられ、ヒューズエレメント中心に至るほど圧縮力fが大となり、ヒューズエレメントがその軟質のためにクリープ破断することが推察される。
そこで、前記In−Sn合金の52%≦In≦85%、残部Snの100重量部にAg、Au、Ni、Pd、Pt、Sbの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加することが有効である。Ag、Au、Ni、Pd、Pt、Sbの少なくとも一種を0.01重量部以上添加する理由は、Ag、Au、Ni、Pd、Pt、Sbの少なくとも一種の金属とInまたはSnとの金属間化合物を生成させ、その金属間化合物によるくさび効果で結晶間のすべりを生じ難くさせ、前記ヒートサイクル下でのヒューズエレメントの変形を抑制して抵抗値変化を軽減するためであり、7重量部以下とする理由は、液相線温度の上昇及び固液共存温度巾の増加が大きくなり過ぎ、動作温度120℃〜150℃のもとでの動作温度のバラツキの狭小化を達成し難くなるからである。
かかる条件を満足する合金としては、20%≦Bi≦56.5%,43%<Sn≦70%、0.5%≦In≦10%、または20%≦Bi≦56.5%,43%<Sn≦70%、0.5%≦In≦10%の100重量部にAg、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb、Ga、Ge、Pの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加した組成を使用できる。
この合金組成においては、Sn量(43%<Sn≦70%)とBi量(20%≦Bi≦56.5%)により線引き加工を可能とする延性が与えられ、これらとIn量(0.5%≦In≦10%)とにより融点が120℃〜150℃の範囲を含むように設定される。SnやInに対して殆ど固溶しないBi相(α相)とSn相(γ相)とが混在する中にInが入ると硬く脆いα相とSn−In金属間化合物相が析出し相間の機械的特性差が大となって加工性が劣悪となり、Inが多くなるほど線引き加工が困難となるので、In量を10%以下に抑えている。
Ag、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb、Ga、Ge、Pの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加する理由は、合金の比抵抗を低減すると共に結晶組織を微細化させ合金中の異相界面を小さくして加工歪や応力の分散をは図るためであり、0.01重量部未満ではその効果を得難く、7重量部を越えると合金型温度ヒューズの動作温度を120℃〜150℃の範囲内に設定することが困難になる。
本発明において、ヒュ−ズエレメントは線引き後の断面丸形のまま、または、さらに扁平に圧縮加工して使用でき、ヒュ−ズエレメントの径は、円形線の場合、外径200μmφ〜1050μmφとされる。
合金型温度ヒューズの動作温度は、試料数を50箇とし、0.1アンペアの電流を通電しつつ、昇温速度1℃/分のオイルバスに浸漬し、溶断による通電遮断時のオイル温度を測定した。
長期直流通電エージング評価については、試料数を50箇とし、動作温度よりも35℃低い恒温槽内に入れ、DC5Aを3000時間通電し、その通電後にヒューズエレメントの破断の有無を軟長期直流通電による不具合、例えば線観察装置で検査し、全数破断無しの場合を合格とした。
長期直流通電エージング試験後の動作温度は、0.1アンペアの電流を通電しつつ、昇温速度1℃/分のオイルバスに浸漬し、溶断による通電遮断時のオイル温度を測定した。
この長期直流通電破壊が直流固有のものであることを確認するために、試料数を50箇とし、前記と同温度の恒温槽内に入れ、実効値がDC5Aと同一値であるAC電流(波高値√2×5A)を3000時間通電し、その通電後にヒューズエレメントの破断の有無を軟長期直流通電による不具合、例えば線装置で検査する試験(長期通電エージング試験)を行なった。
ヒューズエレメントの線引き加工においては、1ダイスについての引落率を6.5%とし、線引き速度を45m/minとして直径300μmφに線引した。
動作温度は前者が129.2±1℃であり、後者が129.7±1℃であって実質的に同一動作温度であった。
交流用では長期直流通電エージング試験でヒューズエレメントが破断したものは50箇中28箇あり、長期直流通電エージングに対する評価は不合格であったが、直流用では長期直流通電エージング試験でヒューズエレメントが破断したものは皆無であり、長期直流通電エージングに対する評価は合格であった。
長期直流通電エージング試験後の試料50箇の動作温度を測定したところ、エージング試験前に対し実質的な変化は認められず、動作性能を安定に維持できた。
直流用ヒューズエレメントの線引き加工は交流用に較べて困難であったが、断線したものはなかった。
長期交流通電エージング試験では、交流用・直流用の何れにおいてもヒューズエレメントが破断したものは皆無であった。
In74%,Sn26%のIn−Sn合金をヒューズエレメントとした筒型温度ヒューズを従来通り交流用・直流用に併用した。
この比較例では、直流用で長期わたって使用する間に直流通電破壊が生じることが予測でき、直流用電子・電気機器を安全に保護できない。
2 ヒューズエレメント
3 フラックス
4 絶縁体
5 封止材
Claims (9)
- ヒューズエレメントを(In%+Sn%)>93.4%かつIn%>48.5%のIn−Sn系合金製とした動作温度120〜150℃の交流専用合金型温度ヒューズにより交流電子・電気機器を過熱から保護し、同温度の過熱に対する直流電子・電気機器の保護は、ヒューズエレメントの合金組成を前記交流専用合金型温度ヒューズのそれとは合金元素を異ならしめた直流用合金型温度ヒューズにより行なうことを特徴とする合金型温度ヒューズの使用方法。
- 交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの組成である請求項1記載の合金型温度ヒューズの使用方法。
- 交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの100重量部にAg、Au、Ni、Pd、Pt、Sbの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加した組成である請求項1記載の合金型温度ヒューズの使用方法。
- 直流用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成を20%≦Bi≦56.5%,43%<Sn≦70%、0.5%≦In≦10%、または20%≦Bi≦56.5%,43%<Sn≦70%、0.5%≦In≦10%の100重量部にAg、Au、Cu、Ni、Pd、Pt、Sb、Ga、Ge、Pの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加した組成である請求項2または3記載の合金型温度ヒューズの使用方法。
- ヒューズエレメントを(In%+Sn%)>93.4%かつIn%>48.5%のIn−Sn系合金製とした動作温度120〜150℃の交流専用合金型温度ヒューズを交・直流電子・電気機器のうちの交流電子・電気機器のみの過熱からの保護に使用することを特徴とする合金型温度ヒューズの使用方法。
- 交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの組成である請求項5記載の合金型温度ヒューズの使用方法。
- 交流専用合金型温度ヒューズのヒューズエレメントの合金組成が52%≦In≦85%、残部Snの100重量部にAg、Au、Ni、Pd、Pt、Sbの少なくとも一種を0.01〜7重量部添加した組成である請求項5記載の合金型温度ヒューズの使用方法。
- 合金型温度ヒューズにヒューズエレメントを溶断させるための発熱体を付設したことを特徴とする請求項1〜7何れか記載の合金型温度ヒューズの使用方法。
- 請求項1〜8何れか記載の合金型温度ヒューズの使用方法において使用する、ヒューズエレメントがIn−Sn系合金製の交流専用合金型温度ヒューズであり、交流専用または直流使用禁止の指示を直接または間接的に表示したことを特徴とする合金型温度ヒューズ。
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