專利名稱：易熔塞用合金及易熔塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為冷凍裝置的保護機構(gòu)發(fā)揮作用的易熔塞用合金，特別是在70～75℃及95～100℃下工作的易熔塞用合金，以及使用了此易熔塞用合金的易熔塞。
背景技術(shù)：
大型的冷凍裝置，若冷凍裝置內(nèi)部的壓力異常上升，或制冷劑的溫度上升，則不僅冷凍機自身會破損，而且高壓的氣體噴出，周圍也會遭到破壞。大型的冷凍裝置，作為使冷凍機的破損和破壞防患于未然的機構(gòu)，安裝保證冷凍設(shè)備的制冷劑氣體的壓力處于安全的裝置被規(guī)定為一種義務(wù)(經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)少冷凍保安規(guī)則第7條1項8號)，一般具有易熔塞等安全裝置。冷凍裝置的安全裝置根據(jù)其使用的制冷劑而進行了各種各樣的動作設(shè)計。另外，冷凍裝置所使用的制冷劑，歷來最為使用氟利昂，CFC(ChloroFluoro-Carbons)系制冷劑?？墒牵薈FC系制冷劑在平流層中在太陽光的紫外線作用下進行光分解而成生活性氯，存在該活性氯會導(dǎo)致臭氧層破壞這樣的問題，在全球環(huán)境水平上對其使用的規(guī)定很嚴格。為此，現(xiàn)在作為代替，氟利昂被替換為HCFC(Hydro，Chloro，F(xiàn)luoro-Carbons)系制冷劑，此外，還發(fā)現(xiàn)對臭氧層的破壞系數(shù)小的HFC(Hydro，F(xiàn)luoro-Carbons)系制冷劑，冷凍機所使用的制冷劑也發(fā)生改變。被用于冷凍裝置的易熔塞需要配合所使用的制冷劑來設(shè)計。即在冷凍裝置上，根據(jù)波義耳-查理(Boyle-Charle′s)定律，若冷凍裝置使用的制冷劑的壓力上升，則所使用的制冷劑的溫度上升，因此根據(jù)使用的制冷劑的冷凝壓力而使用的易熔塞的工作溫度被決定。例如，現(xiàn)在作為HCFC系制冷劑需要最多的是以R22(HCFC22)作為冷凍裝置制冷劑，選定其作為空調(diào)用冷凍裝置的情況下，因為冷凝壓力為1.94Ma，所以R22的臨界溫度成為96.2℃，易熔塞的工作溫度約被設(shè)計為95～100℃。
另外冷凍裝置所使用的易熔塞因為根據(jù)制冷劑臨界溫度會變化，所以在制冷劑切換時需要再設(shè)計其工作溫度。采用作為對臭氧層的破壞系數(shù)小的替代制冷劑被使用的HCF系制冷劑的R407時，因為冷凝壓為2.11MPa，臨界溫度為85.6℃，所以使用設(shè)計溫度約90～95℃的易熔塞，此外，在將壓縮效率良好的HCFC系制冷劑的R401a作為冷凍裝置用制冷劑而選擇的易熔塞中，冷凝壓為3.06MPa，臨界溫度為71.5℃，制冷劑的臨界溫度上升，因此必須將易熔塞的設(shè)計溫度作為約70～75℃來設(shè)計冷凍裝置。
可是，因為在冷凍裝置所使用的易熔塞中采用的是低熔點的焊料合金，所以使用了含有作為有害物質(zhì)的Pb和Cd的焊料合金。作為制冷劑使用R22時，因為易熔塞的設(shè)計溫度為96℃，所以采用Sn-52Bi-32Pb(96℃共晶)，作為制冷劑使用410時，因為易熔塞的設(shè)計溫度為70～75℃，所以采用Sn-50Bi-10Cd-26.7Pb(固相溫度69℃，峰值溫度76℃，液相溫度81℃)等的焊料合金。
不過易熔塞與冷凍裝置一同被回收，在冷凍裝置廢棄時當然也被廢棄，但需要根據(jù)法則進行處理。特別是近年來地球環(huán)境保護的運動日益活躍，處在使有害成分從冷凍裝置等的機器類所使用的元件中排除的傾向。特別是Cd和Pb成分會對人體造成不良影響，因此成為制約的對象。
作為不含有害的Cd和Pb等的成分的易熔塞用合金，有使用了從Sn、Bi、In、Zn、Ga中選擇了2種以上的合金(特開2002-115940)，有錫-銦-鉍系合金，其是具有如下特征的易熔塞用低溫熔融合金其組成比設(shè)為SnXwt％、InYwt％、BiZwt％時，X+Y+Z＝100，且4≤X≤10，56≤Y≤63(特開2001-214958)，以及在由鉍、銦、錫構(gòu)成的易熔合金中添加了金屬微粒子的合金(特開2003-130240)。
專利文獻1特開2002-115940號公報專利文獻2特開2001-214985號公報專利文獻3特開2003-130240號公報作為冷凍裝置的安全裝置使用的易熔塞采用了含有有害物質(zhì)的Pb和Cd的焊料合金，但是近年來地球環(huán)境保護的運動日益活躍，具有使有害成分從冷凍裝置等的機器類所使用的元件中排除的傾向。特別是Cd和Pb成分會對人體造成不良影響，因此成為制約的對象。作為不含有害的Cd和Pb等的成分的易熔塞用合金，如前述的專利文獻1公開有錫(Sn)-銦(In)-鉍(Bi)系合金，但該易熔塞用合金在低溫域的蠕變性差，在作為冷凍裝置的安全裝置使用中，日積月累在壓力作用下合金會被擠出，經(jīng)過一定時期則需要停止冷凍裝置來更換易熔塞。
雖然不是冷凍裝置的易熔塞用合金，但公開有一種含有34重量％以上、63重量％以下的鉍和1重量％以上、24重量％以下的錫，余量是銦的溫度熔絲用合金(特開2003-13165)。因為溫度熔絲被作為電子設(shè)備應(yīng)對異常高溫用的負荷而使用，所以根據(jù)溫度斷電即可，由于在使用中不施加壓力而不用考慮合金的蠕變特性等的機械性的強度，因此其不能直接作為易熔塞用合金使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明者們提供一種不含有有害成分的Cd和Pb，即使作為冷凍裝置的安全裝置長時間使用，合金也不會被從易熔塞擠出，是一種蠕變特性等機械強度高的易熔塞。
本發(fā)明者針對現(xiàn)有的在65～75℃和85～95℃具有固相溫度及峰值溫度的合金的缺點進行反復(fù)銳意研究，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Bi-In-Sn系合金中，被限定的組成域的合金在約70～75℃和約90～95℃具有固相溫度及峰值溫度，此溫度域也非常狹小，適于易熔塞用合金，從而完成本發(fā)明。而且該合金不含任何作為有害成分的Cd和Pb。
本發(fā)明的約在70～75℃下熔化的合金是一種易熔塞用合金，其含有0.1～2.0質(zhì)量％的Sn、31～37質(zhì)量％的Bi，余量是In。
另外本發(fā)明的約在90～95℃下熔化的合金是一種易熔塞用合金，其含有0.05～0.4質(zhì)量％的Zn、43～55質(zhì)量％的Bi，余量是In。
本發(fā)明的易熔塞用合金不含任何有害成分的Cd和Pb，合金不會從易熔塞被擠出，因此作為冷凍裝置的安全裝置，能夠不必更換易熔塞而長時間地使用。


圖1是易熔塞的剖面圖。
圖2是在耐壓試驗后通過加壓而被擠出的易熔塞的照片。
符號說明1 間隔材2 易熔塞合金3 螺栓具體實施方式
易熔塞雖然依存于易熔塞用合金的熔化溫度，但是由于平時會施加來自冷凍機的壓力，所以若是蠕變特性等的機械性的強度弱，則無法作為安全裝置使用。本發(fā)明的作為在約70～75℃下具有固相·峰值溫度的合金的Bi-In-Sn系合金中，Sn的量低于0.1質(zhì)量％時，合金自身的機械性強度低，因此有所謂耐壓試驗中的合金的飛出超過規(guī)定量這樣的缺點，若Sn的量比2.0質(zhì)量％多，則Bi-In-Sn系合金的固相溫度降低，因此合金的熔化溫度接近所使用的溫度域，發(fā)生合金的強度的劣化，使工作溫度域下的蠕變特性劣化。為此在本發(fā)明的Bi-In-Sn系合金中，Sn含量必須為0.1～2.0質(zhì)量％。另外，Bi含量低于31質(zhì)量％時，Bi-In-Sn系合金的液相溫度過度上升，合金的熔融性變差，在熔融試驗中不合格，若Bi的量比37質(zhì)量％多，則脫離Sn-In合金的共晶點，因此液相溫度過度上升，合金的熔融性變差，在熔融試驗中不合格。因此本發(fā)明的Bi-In-Sn系合金其Bi含量必須為31～37質(zhì)量％。在本發(fā)明中，通過作為Sn為0.1～2.0質(zhì)量％、Bi為31～37質(zhì)量％、余量為In，能夠得到在70～75℃的使用溫度域中具有強蠕變特性的易熔塞用合金。更優(yōu)選Sn為0.5質(zhì)量％、Bi為35質(zhì)量％、余量為In的合金，將能夠得到在使用溫度域蠕變特性最強度的易熔塞用合金。作為本發(fā)明的易熔塞用合金的基本構(gòu)成成分的Sn、Bi脫離上述的組成時，熔融溫度域變寬，有損工作穩(wěn)定性。
其次，本發(fā)明的作為在約90～95℃下具有固相·峰值溫度的合金的Bi-In-Zn系合金中，Zn的量低于0.05質(zhì)量％時，合金自身的機械性強度低，因此有所謂耐壓試驗中的合金的飛出超過規(guī)定量這樣的缺點，若Zn的量比0.4質(zhì)量％多，則Bi-In-Zn系合金的固相溫度降低，因此合金的熔化溫度接近所使用的溫度域，使工作溫度域下的蠕變特性劣化。因此在本發(fā)明的Bi-In-Zn系合金中，Zn含量必須為0.05～0.4質(zhì)量％。另外本發(fā)明的Bi-In-Zn系合金的Bi含量低于43質(zhì)量％時，Bi-In-Zn系合金的液相溫度過度上升，合金的熔融性變差，在熔融試驗中不合格，若Bi的量比37質(zhì)量％多，則脫離Sn-In合金的共晶點，因此液相溫度過度上升，合金的熔融性變差，在熔融試驗中不合格。因此本發(fā)明的Bi-In-Zn系合金其Bi含量必須為43～55質(zhì)量％。在本發(fā)明中，通過作為Zn為0.05～0.4質(zhì)量％、Bi為43～55質(zhì)量％、余量為In的合金，能夠得到蠕變特性強的易熔塞用合金。更優(yōu)選Zn為0.2質(zhì)量％、Bi為48質(zhì)量％、余量為In的合金，將能夠得到在使用溫度域蠕變特性最強度的易熔塞用合金。作為本發(fā)明的易熔塞用合金的基本構(gòu)成成分的Zn、Bi脫離上述的組成時，熔融溫度域變寬，作為易熔塞的工作穩(wěn)定性受損。
另外，在本發(fā)明的Bi-In-Sn系合金和Bi-In-Zn系合金中，能夠添加Cu、Sb、Ge、Ag、Au、Zn、Ni、La族等的強度添加元素。所謂La族也稱為鑭系元素，是指La及Ce、Pr、Nd、Pm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu這些與La具有近似特性的元素。這些強度添加元素單獨或組合都有效果。在本發(fā)明的Bi-In-Sn系合金和Bi-In-Zn系合金中，尤其作為強度添加元素的Cu的添加最能夠提高蠕變特性。但是這些強度添加元素與前述的專利文獻3的發(fā)明不同，一定要使之熔融在Bi-In-Sn系合金和Bi-In-Zn系合金中使用，因此若添加量過多，則會使合金的熔融溫度上升。因此強度添加元素的合計量優(yōu)選處于2.0質(zhì)量％以下。最優(yōu)選的各強度添加元素的添加量如下Cu為0.1～1.0質(zhì)量％、Sb為0.2～2.0質(zhì)量％、Ge為0.1～1.0質(zhì)量％、Ag為0.1～0.7質(zhì)量％、Au為0.1～0.6質(zhì)量％、Zn為0.2～0.6質(zhì)量％、Ni為0.02～0.1質(zhì)量％、La族為0.01～0.1質(zhì)量％，若比該量少則體現(xiàn)不出合金的強度提高效果，若在此以上添加則使液相溫度上升的目標溫度域下無法工作。
本發(fā)明的易熔塞，是使Bi-In-Sn系合金和Bi-In-Zn系合金熔融而密封在間隔材中，根據(jù)間隔材的形狀，能夠適應(yīng)單螺栓型、雙螺栓型、錐管型、多孔型等的易熔塞。
實施例1制作本發(fā)明的易熔塞用合金和易熔塞，比較其特性。
制作表1和表2所示的易熔性合金，測定來自各合金組成的示差熱分析的加熱曲線，包括吸熱峰值的起點、吸熱峰值的最低點、吸熱峰值的結(jié)束點，測定固相溫度、峰值溫度、液相溫度。在表1和表2中顯示各合金的熔融溫度。
在表1之中比較例4和5是專利文獻2和3的易熔塞用合金。
熔融溫度的測定條件如下。
1.示差熱分析的測定·示差熱分析測定裝置SII制示差掃瞄熱量計·升溫速度5deg/min·試料重量10mg[表1]


實施例2其次，在圖1所示的單螺栓型的易熔塞的間隔材1中填充表1和表2的易熔塞合金制作易熔塞，測定各合金組成的蠕變特性(稱為耐壓試驗)及該易熔塞的工作溫度。在耐壓試驗、工作試驗中使用全長28mm、前端部的內(nèi)徑為3mm的易熔塞。
2.耐壓試驗1.)在Bi-In-Sn系合金中設(shè)定為65℃，Bi-In-Zn系合金中設(shè)定為85℃的恒溫室中放入易熔塞，并連接在壓縮機上，施加15MPa的壓力。
2.)24小時后從恒溫室中取出易熔塞，解除其與壓縮機的連接。
3.)放熱24小時后，測定填充的易熔塞合金從間隔材中拔出來的長度。
4.)表1和表2中顯示的是實施了耐壓試驗時延伸了的合金長度，圖2中顯示的是在65℃的條件下，測定了表1的實施例和比較例的合金組成的代表性的照片。在照片之中，1是實施例8的易熔塞的結(jié)果，2是比較例4的易熔塞的結(jié)果，3是比較例5的易熔塞的結(jié)果。
3.工作溫度1.)將易熔塞連接到壓縮機上，并施加3MPa的壓力。
2.)將連接于壓縮機上的易熔塞投入水槽中，加熱水槽中的水。
3.)從水槽中的易熔塞中一口氣放掉空氣，將此溫度作為工作溫度進行測定。
觀看圖2的照片，作為比較例的易熔塞的2和3其固相溫度與實施例的易熔塞比較相對低，因此易熔塞用合金拔出伸長。特別是作為比較例5的易熔塞3在試驗條件為65℃的加熱下成為半熔融狀體。相對于此，本發(fā)明的實施例的易熔塞1其易熔塞用合金拔出少，易熔塞用合金不伸長。
本發(fā)明的易熔塞在約70～75℃及約95～100℃下工作，因為易熔塞合金的低溫蠕變特性良好，所以即使在高溫下長時間施加壓力，易熔塞合金仍不會從間隔材中拔出，因此在使用于冷凍裝置的保護裝置時能夠長時間的使用，起到現(xiàn)有的易熔塞所不能起到的效果。
工業(yè)上的利用可能性本發(fā)明的易熔塞合金，不僅是使用于冷凍裝置的保護裝置的易熔塞，而且與易熔塞一樣，也能夠作為時常受到壓力的噴霧器(sprinkler)用合金使用。
權(quán)利要求
1.一種易熔塞用合金，其特征在于，含有Sn為0.1～2.0質(zhì)量％、Bi為31～37質(zhì)量％，余量為In。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的易熔塞用合金，其特征在于，在所述易熔塞用合金中，還可以添加合計為2.0質(zhì)量％的如下強度添加元素之中最少1種元素以上Cu為0.1～1.0質(zhì)量％、Sb為0.2～2.0質(zhì)量％、Ge為0.1～1.0質(zhì)量％、Ag為0.1～0.7質(zhì)量％、Au為0.1～0.6質(zhì)量％、Zn為0.2～0.6質(zhì)量％、Ni為0.02～0.1質(zhì)量％、La族為0.01～0.1質(zhì)量％。
3.一種工作溫度為70～75℃的易熔塞，其特征在于，使用了權(quán)利要求1或2所述的易熔塞用合金。
4.一種易熔塞用合金，其特征在于，含有Zn為0.05～0.4質(zhì)量％、Bi為47～55質(zhì)量％、余量為In。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的易熔塞用合金，其特征在于，在所述易熔塞用合金中，還可以添加合計為2.0質(zhì)量％的如下強度添加元素之中最少1種元素以上Cu為0.1～1.0質(zhì)量％、Sb為0.2～2.0質(zhì)量％、Ge為0.1～1.0質(zhì)量％、Ag為0.1～0.7質(zhì)量％、Au為0.1～0.6質(zhì)量％、Zn為0.2～0.6質(zhì)量％、Ni為0.02～0.1質(zhì)量％、La族為0.01～0.1質(zhì)量％。
6.一種工作溫度為90～95℃的易熔塞，其特征在于，使用了權(quán)利要求4或5所述的易熔塞用合金。
全文摘要
現(xiàn)有的易熔塞用合金，因為含有Cd和Pb等的有害元素，所以有害元素有可能造成污染。本發(fā)明提供一種易熔塞，其不含作為有害成分的Cd和Pb，即使作為冷凍裝置的安全裝置長時間使用，合金也不會從易熔塞中擠出，蠕變特性等機械性的強度強。解決方法是使用的易熔塞采用了如下的易熔塞用合金約在70～75℃下熔化的合金采用Sn為0.1～2.0質(zhì)量％、Bi為31～37質(zhì)量％、余量In構(gòu)成的易熔塞用合金，以及在90～95℃下熔化的合金采用Zn為0.05～0.4質(zhì)量％、Bi為47～55質(zhì)量％、余量為In構(gòu)成的易熔塞用合金。
文檔編號F16K17/36GK101065604SQ200480044460
公開日2007年10月31日 申請日期2004年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者加藤力彌, 菊池哲郎, 出口睦 申請人:千住金屬工業(yè)株式會社