Universiẗat, Diss., 2003--Kiel.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Unterbrechungs- und Langzeitverhalten von Schmelzleitern aus Silber mit Lot aus Zinn in Sicherungen für die Anwendung in Photovoltaik-Anlagen untersucht. Ziel war es, Sicherungen so zu gestalten, dass sie langzeitstabil betrieben werden können und bei unzulässigen Überströmen möglichst kurze Unterbrechungszeiten aufweisen. Hierfür wurden Schmelzleiter mit unterschiedlichen Geometrien untersucht, bei denen sich durch den Überstrom unterschiedliche Temperaturen und –verteilungen entlang des Lots einstellten. Die Geometrien der Schmelzleiter wurden so gewählt, dass entweder die Temperaturen oder die Temperaturverteilungen entlang des Lots vergleichbar waren. Bildete sich durch den Überstrom ein Temperaturgradient über dem Lot des Schmelzleiters, veränderte dies den Vorgang beim Unterbrechen von Überströmen maßgeblich. An modellhaften Schmelzleitern mit nur einer Engstelle wurden bei Belastung mit Überströmen die Temperaturen ermittelt, welche zum Unterbrechen des Schmelzleiters führen. Die sich am Lot des Schmelzleiters bildende Temperatur und -verteilung ist von der Geometrie des Schmelzleiters und der Stromstärke des Überstroms abhängig. Bei einer Belastung mit Überströmen beginnt der Schmelzleiterwerkstoff aus Silber ab der Grenztemperatur ϑGrenz = 218 °C in den Lotwerkstoff zu diffundieren. Das bedeutet, dass der Querschnitt des Schmelzleiters sich verringert, welcher direkt den Widerstand des Schmelzleiters in diesem Bereich veränderte (vgl. Kapitel 4.1). Der Widerstand wurde zeitsynchron zur Temperatur gemessen, um die Grenztemperatur zu ermitteln. Jedoch unterbrachen die Schmelzleiter den Überstrom bei der Grenztemperatur noch nicht zuverlässig. Schmelzleiter, bei denen sich jedoch eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur des Zinns ϑLiq = 232 °C am Lot und ein Temperaturgradient Δϑ > 0 K über dem Lot einstellte, unterbrachen den Strom innerhalb der konventionellen Prüfdauer von tk = 2 h. Mit diesen Kriterien zur Temperatur und -verteilung am Lot konnten Typen von Schmelzleitern mit der FEM Berechnung ausgewählt werden, welche den Strom zuverlässig beim großen Prüfstrom If = 1,35 In unterbrachen. Außerdem konnten die Typen der Schmelzleiter so gewählt werden, dass sie den kleinen Prüfstrom Inf = 1,13 In mindestens für die konventionelle Prüfdauer tk zuverlässig übertrugen. Die Geschwindigkeit, in welcher sich der Querschnitt des Schmelzleiters vollständig im Zinnlot löste, war oberhalb der Liquidustemperatur des Zinns abhängig von der sich bildenden Temperaturverteilung über dem Lot (vgl. Kapitel 4.2). Bildete sich ein Temperaturgradient über dem Lot des Schmelzleiters, diffundierten die Silberatome vorwiegend an der wärmeren Seite in das Lot. Durch den Temperaturgradienten bildete sich innerhalb des Lots eine thermokapillare Konvektion aus, welche die im Zinn gelösten Silberatome von der warmen zur kalten Seite des Lots transportierte. An der kälteren Seite des Lots teilte sich die Schmelze aufgrund der kälteren Temperatur in die feste silberhaltige ε Phase und reines flüssiges Zinn auf. Dadurch war der Konzentrationsgradient zwischen dem Lot und dem Schmelzleiter an der warmen Seite stets hoch. Bei einem hohen Konzentrationsgradienten diffundierte der Schmelzleiterwerkstoff schneller in den Lotwerkstoff, wodurch die Zeit zum Unterbrechen der Überströme gering war. Beim Überstrom If kann die Unterbrechungszeit tu in die Heizzeit tHeiz und die Flüssigzeit tLiq unterteilt werden. In der Heizzeit hatte das Lot einen festen Aggregatszustand. Innerhalb der konventionellen Prüfzeit war der Diffusionsstrom zwischen Feststoffen vernachlässigbar. In der Heizzeit trat also keine Alterung des Schmelzleiters durch Interdiffusion auf. Mit der FEM konnten stationäre Temperaturen am Lot berechnet werden, welche die Diffusionsprozesse zwischen Schmelzleiter- und Lotwerkstoff vernachlässigten. Je höher die berechneten stationären Temperaturen am Lot waren, desto kürzer war die Heizzeit tHeiz des Schmelzleiters bei Belastung mit dem Überstrom If (Bild 79). Die Flüssigzeit tLiq, in der der Schmelzleiterwerkstoff in den Lotwerkstoff diffundierte, war kürzer, je größer der Temperaturgradient über dem Lot war. Abhängig vom Typ des Schmelzleiters entstanden beim Überstrom If unterschiedliche Temperaturgradienten über dem Lot des Schmelzleiters. In der Flüssigzeit ist der Diffusionsprozess deutlich stärker ausgeprägt als in der Heizzeit, wodurch sich der Querschnitt der Schmelzleiter in diesem Bereich verringert und die Schmelzleiter altern. Innerhalb der Unterbrechungszeit tu sollte daher die Heizzeit deutlich länger als die Flüssigzeit tHeiz >> tLiq sein. Dadurch wären Schmelzleiter robuster bei einer Belastung mit volatilen Überströmen, wie sie in Photovoltaik-Anlagen auftreten können. Länger andauernde Überströme würden dennoch zuverlässig und zügig unterbrochen. Bei den Unterbrechungsversuchen wurden die unterschiedlichen Typen der Schmelzleiter so gewählt, dass sich beim Überstrom If ähnliche Temperaturen und -gradienten am Lot bildeten. Dadurch konnten folgende Zusammenhänge gezogen werden. Engstellen direkt neben dem Lot verringerten die Heizzeit im Vergleich zu Schmelzleitern ohne angrenzende Engstelle am Lot (vgl. Kapitel 4.3). Je größer das Volumen des Lots und je dünner der Schmelzleiter war, desto schneller konnte der gesamte Querschnitt des Schmelzleiterwerkstoffs im Zinnlot gelöst werden. Dadurch verringerte sich die Flüssigzeit. Je größer das Volumen des Lots war, desto größer war jedoch die Temperatur ϑf beim Unterbrechen. Auch waren die Temperaturen beim Unterbrechen ϑf größer, wenn sich eine Engstelle neben dem Lot befand, verglichen zu Schmelzleitern ohne Engstelle neben dem Lot. Je größer der Temperaturgradient über dem Lot war, desto geringer war die Temperatur beim Unterbrechen ϑf, bei welcher der Lichtbogen einsetzen würde. Außerdem war die Streuung der Unterbrechungszeiten Δtu bei Schmelzleiteitern mit großem Temperaturgradienten geringer als bei Schmelzleiten mit geringem Temperaturgradienten über dem Lot. Bild 79: Einflüsse für ein zuverlässiges und robustes Betriebs- und Unterbrechungsverhalten In den Langzeitversuchen von bis zu 4000 h, die deutlich länger als die konventionelle Prüfzeit von 2 h waren, wuchsen bei hohen Temperaturen intermetallische Phasen (IMP) zwischen dem Lot und dem Schmelzleiter. Deren Wachstum war direkt von der Temperatur und Dauer der Belastung abhängig, wie dies das parabolische Zeitgesetz beschreibt. Schmelzleiter, die mit Gleichstrom oder im Wärmeschrank bis zu einer konstanten Temperatur von ϑLot ≤ 200 °C für 4000 h gealtert wurden, wiesen trotz der gebildeten IMP ein zuverlässiges Langzeit- und Unterbrechungsverhalten auf. Bei konstanten Temperaturen von ϑLot = 220 °C im Wärmeschrank diffundierte das Lot bereits nach einer Belastungsdauer von t = 380 h entlang der Oberfläche des Schmelzleiters. Bei anschließenden Unterbrechungsversuchen mit diesen Schmelzleitern verringert sich die Unterbrechungszeit teilweise deutlich. Wurden Schmelzleiter für 4000 h mit 6000 Zyklen bei Temperaturen von bis zu ϑLot ≤ 200 °C am Lot belastet, riss das Volumen des Lots auf. Dies war unabhängig davon, ob die Schmelzleiter zyklisch mit Gleichstrom oder in einem verfahrbaren Ofen gelagert wurden. Auch Schmelzleiter, die in Atmosphäre aus Stickstoff in einem verfahrbaren Ofen gelagert wurden, wiesen diese Risse auf. Bei ϑLot ≤ 185 °C waren die Risse im Lot deutlich weniger stark durch die zyklische Beanspruchung ausgeprägt. Schmelzleiter, die bei zyklischer Wechsellast gealtert wurden, wiesen geringfügig längere Unterbrechungszeiten bei Überströmen auf als neue Schmelzleiter. Schmelzleiter sollten daher so ausgelegt sein, dass sich beim Nennstrom Temperaturen am Lot einstellen, die kleiner als ϑLot ≤ 200 °C sind.:1 Einleitung 1 2 Aufbau, Funktion und Auslegung von Sicherungen 4 2.1 Aufbau und Funktion von Sicherungen 4 2.2 Betriebsverhalten von Sicherungen 6 2.2.1 Normalbetrieb 7 2.2.2 Abschalten von Kurzschlussströmen 7 2.2.3 Abschalten von Überströmen 8 2.3 Physik des Unterbrechungsvorgangs bei Überströmen 10 2.3.1 Lösen des Schmelzleiterwerkstoffs im flüssigen Lotwerkstoff 11 2.3.2 Konvektive Strömungen im flüssigen Zinn auf dem Schmelzleiter 13 2.4 Konstruktive Auslegung von Schmelzleitern zum Unterbrechen von Überströmen 16 2.4.1 Temperatur am Lot 17 2.4.2 Ort des Lots 18 2.4.3 Lotvolumen 20 2.5 Langzeitverhalten des Schmelzleiters im Bereich des Lots 21 2.5.1 Langzeitverhalten abhängig von Interdiffusion 22 2.5.2 Kurzzeitige Alterung durch Diffusion bei flüssigem Zinn 25 2.5.3 Weitere Alterungsmechanismen 25 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 29 4 Verhalten von Schmelzleitern beim Unterbrechen von Überströmen 31 4.1 Temperatur am Lot als Kriterium zum Unterbrechen 33 4.1.1 Methodik zum Analysieren der Einflussparameter 35 4.1.2 Grenzeinsatztemperatur des Unterbrechens 40 4.1.3 Temperatur für zuverlässiges Unterbrechen von Überströmen 44 4.1.4 Einfluss der Abmessungen der Engstelle auf das Unterbrechungsverhalten 46 4.2 Temperaturgradient und Dauer des Unterbrechens 48 4.2.1 Temperaturverteilung an Schmelzleitern aus Silber mit Lot aus Zinn 49 4.2.2 Metallographische Analyse 52 4.2.3 Einfluss der Einbaulage auf die Unterbrechungszeit 58 4.2.4 Untersuchungen mit rein thermischer Belastung 61 4.2.5 Diskussion des Temperaturgradienten über dem Lot beim Unterbrechen von Überströmen 67 4.3 Einfluss der Konstruktion des Schmelzleiters auf das Unterbrechen von Überströmen 70 4.3.1 Einfluss der Temperaturverteilung am Schmelzleiter auf die Unterbrechungszeit 71 4.3.2 Unterbrechungszeit abhängig vom Volumen des Lots 74 4.3.3 Einfluss der Dicke des Schmelzleiters auf die Unterbrechungszeit 78 4.4 Zusammenfassung der konstruktiven Einflussgrößen auf das Unterbrechungsverhalten 80 5 Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 83 5.1 Versuchsaufbau und -durchführung der Langzeitversuche 84 5.1.1 Konstante und zyklische stromlose Langzeitbelastung 85 5.1.2 Konstante und zyklische Langzeitversuche bei Gleichstrom 87 5.1.3 Vergleich von Temperaturprofilen der stromlosen und stromdurchflossenen Versuche 88 5.2 Ergebnisse der Langzeitversuche 89 5.2.1 Visuelle Analyse der definiert gealterten Schmelzleiter 90 5.2.2 Analyse der Schliffbilder gealterter Schmelzleiter 92 5.2.3 Elektrischer Widerstand der Schmelzleiter während der Alterung 95 5.3 Einfluss der Alterung auf das Unterbrechungsverhalten 97 5.3.1 Unterbrechungsverhalten von Schmelzleitern nach konstanter thermischer Belastung im Wärme-, Tiefkühlschrank oder mit Gleichstrom 97 5.3.2 Unterbrechungsverhalten nach zyklischer Belastung im Wärmeschrank oder bei Gleichstrom 102 5.3.3 Voralterung durch kurzzeitig zulässige Überströme 103 5.4 Diskussion zum Langzeitverhalten 105 6 Zusammenfassung 107 7 Ausblick 111 8 Literaturverzeichnis 113 Anhang 126

Vid extrudering av aluminiumprofiler introduceras en temperaturgradient i götmaterialet för att motverka den extra värme som uppstår under processen och tros påverka de mekaniska egenskaperna hos profilen. Detta examensarbete, utfört i samarbete med Hydro Extrusions, undersökte hur götets temperaturgradient påverkar de mekaniska egenskaperna hos extruderade aluminiumprofiler. Arbetet grundade sig i en modifierad DMAIC-metodik där Control-delen exkluderats. Dragprov genomfördes för att undersöka sträckgräns, brottgräns, töjning och elasticitetsmodul hos T4- och T6-åldrade profiler av legeringarna EN AW-6060 och EN AW-6082. Även profilernas utlöpningstemperatur, utlöpningshastighet och kylningshastighet undersöktes. Resultaten visade att temperaturgradienten inte direkt påverkade de mekaniska egenskaperna hos profilerna. Istället bidrog den till att maximera profilens utlöpningshastighet. De största faktorerna som påverkade de mekaniska egenskaperna var vilken åldring och kylningsmetod som användes. / During the extrusion of aluminum profiles, a temperature gradient is introduced into the billet to counteract the extra heat generated during the process and is believed to affect the mechanical properties of the profile. This thesis, carried out in collaboration with Hydro Extrusions, examined how the temperature gradient in the billet affects the mechanical properties of extruded aluminum profiles.  The work was based on a modified DMAIC methodology where the Control phase was excluded. Tensile tests were conducted to investigate the yield strength, ultimate tensile strength, elongation, and modulus of elasticity of T4- and T6-aged profiles of the alloys EN AW-6060 and EN AW-6082. The profile’s exit temperature, exit speed, and cooling rate was also investigated. The results showed that the temperature gradient did not directly affect the mechanical properties of the profiles. Instead, it contributed to maximizing the profile's exit speed. The largest factors influencing the mechanical properties were the aging and cooling methods used.

<p><strong><p>Studie av koldioxidgradienter i havets ytskikt</p><p>Sofia Söderholm</p></strong></p><p>Denna studie bygger på ett nyligen utvecklat instrument som har mätt koldioxidkoncentrationer på tre olika djup i vattnet samt en nivå i luften. Då detta instrument var oprövat i vatten har en utvärdering av mätmetodens lämplighet för vattenmätningar utförts. Syftet med mätningarna var att undersöka ytvattnets vertikala koldioxidgradient för att med hjälp av denna kunna beskriva flödet av koldioxid mellan hav och atmosfär bättre. Detta flöde är en viktig del av den globala kolcykeln och en djupare förståelse för koldioxidflödets beteende kan i framtiden bidra till mer noggranna klimatprognoser. Hur de beräknade flödena från profilinstrumentet påverkas av temperaturgradienterna i vattnets ytskikt har även det studerats. Mätningarna utfördes i vattnet utanför mätstationen på Östergarnsholm, öster om Gotland. En del av studien fokuserar på de horisontella koldioxidgradienterna i ytvattnet som erhållits genom fartygsdata.</p><p>Instrumentet som har använts vid mätningarna bygger på hydrofoba, luftgenomträngliga membran och förefaller fungera mycket väl i vatten. Vid vindhastigheter som inte är högre än 3 - 4 m/s kan tydliga koldioxidgradienter i vattnets ytskikt ses, men detta samband behöver verifieras med en större mängd mätdata. Temperaturgradienten i vattnets ytskikt har ingen större påverkan på vare sig koldioxidgradienten eller flödet av koldioxid och dess effekt kan försummas i detta fall. De horisontella koldioxidgradienterna påverkas huvudsakligen av temperaturen, den biologiska aktiviteten samt transport av vattenmassor. På en större skala kan tydliga effekter av temperaturen på koldioxidhalterna ses och på en mindre skala samt nära kuster och under våren är den biologiska aktiviteten dominerande.</p><p><em><p>Nyckelord: Koldioxidgradient, koldioxidflöde, temperaturgradient, hydrofoba luftgenomträngliga membran, transferhastighet, vindhastighet, biologisk aktivitet.</p></em></p> / <p><strong><p>A study regarding the carbon dioxide gradients in the surface water.</p><p>Sofia Söderholm</p></strong></p><p>This study is based on a recently developed instrument that measures the concentration of carbon dioxide at three different depths in the water and one level in the air. Since this instrument has not previously been used for measurements in water, an evaluation regarding the usefulness of the instruments for measurements in water was made. The purpose of the measurements was to study the vertical gradient of carbon dioxide in the surface water and to describe the vertical flux of carbon dioxide between the ocean and the atmosphere in an improved way. This flux is an important part of the global carbon cycle and a deeper understanding of the behavior of the air-sea exchange of carbon dioxide could contribute to more accurate forecasts of the future climate. The impact on the calculated carbon dioxide flux by the temperature gradients in the surface waters was also analyzed. The measurements were performed in the waters outside of the island of Östergarnsholm, east of Gotland. Part of the study focuses on the horizontal carbon dioxide in the surface water, which was obtained by ship data.</p><p>The instrument used when performing the measurements is based on hydrophobic, air-permeable membranes and appears to function very well in water. During wind speeds below 3 - 4 m/s distinct carbon dioxide gradients can be seen for the investigated data, but more data is needed to quantify this gradient for different situations. The temperature gradient in the surface water doesn't have a significant effect on the carbon dioxide gradient or the flow of carbon dioxide, and the effect of the temperature gradient can in this particular case be neglected. The horizontal gradients of carbon dioxide are mainly affected by temperature, biological activity and transportation of water mass. On a larger scale the effects of temperature on the concentrations of carbon dioxide are visible and on a smaller scale along with the coastal areas and during springtime, the biological activity is the dominating influence.</p><p><em><p>Keywords: Carbon dioxide gradient, carbon dioxide flux, temperature gradient, hydrophobic airpermeable membranes , transfer velocity, wind speeds, biological activity.</p></em></p>

Studie av koldioxidgradienter i havets ytskikt Sofia Söderholm Denna studie bygger på ett nyligen utvecklat instrument som har mätt koldioxidkoncentrationer på tre olika djup i vattnet samt en nivå i luften. Då detta instrument var oprövat i vatten har en utvärdering av mätmetodens lämplighet för vattenmätningar utförts. Syftet med mätningarna var att undersöka ytvattnets vertikala koldioxidgradient för att med hjälp av denna kunna beskriva flödet av koldioxid mellan hav och atmosfär bättre. Detta flöde är en viktig del av den globala kolcykeln och en djupare förståelse för koldioxidflödets beteende kan i framtiden bidra till mer noggranna klimatprognoser. Hur de beräknade flödena från profilinstrumentet påverkas av temperaturgradienterna i vattnets ytskikt har även det studerats. Mätningarna utfördes i vattnet utanför mätstationen på Östergarnsholm, öster om Gotland. En del av studien fokuserar på de horisontella koldioxidgradienterna i ytvattnet som erhållits genom fartygsdata. Instrumentet som har använts vid mätningarna bygger på hydrofoba, luftgenomträngliga membran och förefaller fungera mycket väl i vatten. Vid vindhastigheter som inte är högre än 3 - 4 m/s kan tydliga koldioxidgradienter i vattnets ytskikt ses, men detta samband behöver verifieras med en större mängd mätdata. Temperaturgradienten i vattnets ytskikt har ingen större påverkan på vare sig koldioxidgradienten eller flödet av koldioxid och dess effekt kan försummas i detta fall. De horisontella koldioxidgradienterna påverkas huvudsakligen av temperaturen, den biologiska aktiviteten samt transport av vattenmassor. På en större skala kan tydliga effekter av temperaturen på koldioxidhalterna ses och på en mindre skala samt nära kuster och under våren är den biologiska aktiviteten dominerande. Nyckelord: Koldioxidgradient, koldioxidflöde, temperaturgradient, hydrofoba luftgenomträngliga membran, transferhastighet, vindhastighet, biologisk aktivitet. / A study regarding the carbon dioxide gradients in the surface water. Sofia Söderholm This study is based on a recently developed instrument that measures the concentration of carbon dioxide at three different depths in the water and one level in the air. Since this instrument has not previously been used for measurements in water, an evaluation regarding the usefulness of the instruments for measurements in water was made. The purpose of the measurements was to study the vertical gradient of carbon dioxide in the surface water and to describe the vertical flux of carbon dioxide between the ocean and the atmosphere in an improved way. This flux is an important part of the global carbon cycle and a deeper understanding of the behavior of the air-sea exchange of carbon dioxide could contribute to more accurate forecasts of the future climate. The impact on the calculated carbon dioxide flux by the temperature gradients in the surface waters was also analyzed. The measurements were performed in the waters outside of the island of Östergarnsholm, east of Gotland. Part of the study focuses on the horizontal carbon dioxide in the surface water, which was obtained by ship data. The instrument used when performing the measurements is based on hydrophobic, air-permeable membranes and appears to function very well in water. During wind speeds below 3 - 4 m/s distinct carbon dioxide gradients can be seen for the investigated data, but more data is needed to quantify this gradient for different situations. The temperature gradient in the surface water doesn't have a significant effect on the carbon dioxide gradient or the flow of carbon dioxide, and the effect of the temperature gradient can in this particular case be neglected. The horizontal gradients of carbon dioxide are mainly affected by temperature, biological activity and transportation of water mass. On a larger scale the effects of temperature on the concentrations of carbon dioxide are visible and on a smaller scale along with the coastal areas and during springtime, the biological activity is the dominating influence. Keywords: Carbon dioxide gradient, carbon dioxide flux, temperature gradient, hydrophobic airpermeable membranes , transfer velocity, wind speeds, biological activity.