CN1607626A - 金属与陶瓷的接合构造及使用该接合构造的真空开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供金属与陶瓷的接合构造及使用该接合构造的真空开关。确定金属体(4、7)与陶瓷体(12)的接合面的各外径尺寸，具体地说，在接合端部将金属杆侧的外径形成得比陶瓷筒状体的外径小0.2mm或更多，与陶瓷筒状体对接，通过钎料接合对接部；或在其间设置应力缓和用复合构件(13)，具体地说，将热膨胀率小的中心构件配合到热膨胀率大的外环构件的内孔形成圆盘状复合构件，将其作为应力缓和构件设置到金属体(10)与陶瓷体(9)之间，对其进行接合，以不产生陶瓷体的裂纹等破损。这样，可在用于真空开关的陶瓷与金属的接合构造中确实地降低接合部的残余应力，提高接合构造的强度。

Description

金属与陶瓷的接合构造及使用 该接合构造的真空开关

技术领域

本发明涉及一种真空开关，特别是涉及用于使收容于真空容器的通电触头绝缘的陶瓷绝缘子与金属构件的接合构造。

背景技术

图6示出已有技术的真空开关的一般的内部构造的断面。图7示出已有技术的真空开关的陶瓷与金属的接合断面，图8示出已有技术的陶瓷与金属的接合构造的应力分布。

如图6所示，真空开关在真空容器1内收容多对将固定电极2和可动电极3对置的主回路开闭部，可动电极3由柔性导体6相互连接，固定电极2通过固定电极杆5和固定电极座10连接到负荷侧导体11。另外，由设于真空容器1外的操作机构的驱动力通过驱动杆7、陶瓷绝缘子8、及可动电极杆4使铜或铜合金的可动电极3上下移动，实现与处于绝缘气氛的铜或铜合金的固定电极2的接离。

在上述真空开关中，在可动电极3和固定电极2等电触头与驱动杆7和真空容器1等其它金属(例如不锈钢)之间设置陶瓷(例如氧化铝Al₂O₃)的绝缘子8和绝缘子9。在陶瓷与电触头或陶瓷与金属制容器的连接部一般采用陶瓷与金属的接合构造。

对于金属和陶瓷，由于其热膨胀差大，所以，当从接合构造的接合温度恢复到室温时，在接合界面产生高残余应力。过去，作为使热膨胀率不同的构件对接地进行接合的方法，已知有在两者的界面设置比两构件的热膨胀率低的中间层的接合方法(例如参照专利文献1)。在该专利文献1中，作为陶瓷与金属的接合构造，公开了在两者的界面设置W材或Mo材的接合方法。

可是，在按照引用文献1的方法中，界面中心部的残余应力缓和到相当程度，但随着冷却的进行，金属的收缩在接合界面端部特别是在陶瓷一方作用大拉伸应力，当外部负荷也施加时，可能在界面部或界面部近旁的陶瓷产生裂纹。

因此，作为解决这样的问题的手段，提出有可缓和图7所示那样的残余应力的陶瓷与金属的接合构造(例如参照专利文献2)。按照引用文献2，在通过中间构件C对接地接合的陶瓷与金属的接合构造中，中间构件C的屈服应力比陶瓷和金属构件的屈服应力小，而且在中间构件的外周面具有朝陶瓷构件侧增大外径的那样的锥部的构造。这样，即使由热膨胀差产生的拉伸应力作用于接合界面端，也可由中间构件的塑性变形缓和界面间的残余应力，提高界面的接合强度。

(专利文献1)日本实开昭59-160533号公报

(专利文献2)日本特开平6-48853号公报

然而，在上述专利文献2所示利用中间构件的塑性变形缓和残余应力的方法中，由于薄的中间构件的塑性变形量受到限制，所以，对于残余应力大的大直径接合构件，缓和残余应力的效果减弱，接合体具有的本来的强度不能充分发挥。

由于异种材料界面的应力特异性的原因，使得随着冷却的进行由金属的收缩产生的残余应力在接合止端部出现最大残余应力。例如图8所示那样，接合体的表面的最大的主应力产生于接合止端部近旁的陶瓷侧，具有大应力的范围变宽(即使直径增大最大应力值也基本不变化)。在图8中，示出由银钎料接合铜与氧化铝的圆形断面的接合构造体，纵轴表示圆形接合面的外缘部(称为止端部)的最大主应力。从残余应力降低的观点考虑，金属与陶瓷的接合面构成为圆形(在本发明中也适用的构造)。

一般情况下，陶瓷的破坏以构件表面和内部潜在的缺陷为起点。具有高应力的范围越宽，则包含于其范围内的缺陷也越多，破坏概率增大。因此，为了强化陶瓷与金属的接合体的可靠性，降低接合止端部(接合面的外缘部)的残余应力最有效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力设备的真空开关，在电力设备的真空开关中使用的陶瓷与金属的接合构造采用起到接合构造的具体的改良或应力缓和效果的中间构件，可靠地使接合部的残余应力降低，提高接合构造的强度，强度可靠性高。

为了解决上述问题，本发明主要采用以下那样的构成。

真空开关包括真空容器，收容于上述真空容器内的多个可动电极和固定电极对置的多个电极对，连接到上述可动电极的可动电极杆，固定上述固定电极的固定电极杆，相互连接上述多个可动电极杆的柔性导体，及驱动上述可动电极杆的驱动杆；其中：

具有设于上述驱动杆与上述可动电极杆之间的第1陶瓷体和设于上述真空容器与上述固定电极杆之间的第2陶瓷体；

在上述第1陶瓷体、和由上述驱动杆和上述可动电极杆构成的金属杆的接合构造中，上述金属杆的外径比上述陶瓷体的外径小0.2mm或更多，由钎料接合上述金属杆和上述陶瓷体。

另外，真空开关包括真空容器，收容于上述真空容器内的多个可动电极和固定电极对置的多个电极对，连接到上述可动电极的可动电极杆，固定上述固定电极的固定电极杆，相互连接上述多个可动电极杆的柔性导体，及驱动上述可动电极杆的驱动杆；其中：

具有设于上述驱动杆与上述可动电极杆之间的第1陶瓷体和设于上述真空容器与上述固定电极杆之间的第2陶瓷体；

在上述第2陶瓷体与上述固定电极杆的接合构造中，用于缓和上述固定电极杆的收缩所产生的上述第2陶瓷体的应力的应力缓和用复合构件处于上述第2陶瓷体与上述固定电极杆之间进行接合。

另外，在上述真空开关中，上述应力缓和用复合构件由外径比上述第2陶瓷体的外径大的圆盘状中心构件和配合于上述中心构件的外周侧的外环构件构成，

上述外环构件的内径形成为比上述固定电极杆的外径小的构成。

另外，应力缓和用复合构件用于缓和真空开关中的陶瓷体的应力；该真空开关包括真空容器，收容于上述真空容器内的多个可动电极和固定电极对置的多个电极对，连接到上述可动电极的可动电极杆，固定上述固定电极的固定电极杆，相互连接上述多个可动电极杆的柔性导体，驱动上述可动电极杆的驱动杆，及设于上述真空容器与上述固定电极杆之间的陶瓷体；其中：

上述应力缓和用复合构件由外径比上述陶瓷体的外径大的圆盘状中心构件和配合于上述中心构件的外周侧的外环构件构成；

上述外环构件的内径形成为比上述固定电极杆的外径小的构成。

通过采用这样的构成，在用于真空开关的陶瓷与金属的接合构造中，可确实地降低接合部的残余应力，提高接合构造的强度。

按照本发明，可确实地降低残余应力，实现可靠性高的陶瓷与金属的接合构造，提高适用该接合构造的真空断路器。

附图说明

图1为示出本发明实施形式的真空开关的接合构造的第1和第2构成例的断面图。

图2为示出本实施形式的真空开关的接合构造的第1构成例的详细断面图。

图3为示出本实施形式的真空开关的接合构造的第2构成例的详细断面图。

图4为与已有技术比较示出本实施形式的接合构造和该接合构造下的最大主应力特性的图。

图5为说明本实施形式的第2构成例的应力缓和用复合构件的制造方法的图。

图6为示出已有技术的真空开关的一般的内部构造的断面图。

图7为示出已有技术的真空开关的陶瓷与金属的接合断面的图。

图8示出已有技术的陶瓷与金属的接合构造的应力分布的图。

具体实施方式

下面，参照图1～图5详细说明本发明实施形式的真空开关。图1为示出本发明实施形式的真空开关的接合构造的第1和第2构成例的断面图。图2为示出本实施形式的真空开关的接合构造的第1构成例的详细断面图。图3为示出本实施形式的真空开关的接合构造的第2构成例的详细断面图。图4为与已有技术比较示出本实施形式的接合构造和该接合构造下的最大主应力特性的图。图5为说明本实施形式的第2构成例的应力缓和用复合构件的制造方法的图。

在图中，符号1为真空容器，符号2为固定电极，符号3为可动电极，符号4、14为可动电极杆，符号5为固定电极杆，符号6为柔性导体，符号7为开关驱动杆，符号8、9、12、21为陶瓷构件，符号10为固定电极座，符号11为负荷侧导体，符号13、19为应力缓和用复合构件，符号15为槽，符号16为接合面，符号17、20、30为钎料，符号18为凸出部，符号21、26为应力缓和用复合构件的中心构件，符号22、25为应力缓和用复合构件的外环构件，符号23为真空炉，符号24为试样台，符号27为导向件，符号28为碳片，符号29为角部。

首先，参照图1和图2说明本发明实施形式的真空开关的接合构造的第1构成例。图2示出接合图1的可动电极杆4与驱动杆7的陶瓷绝缘子12的详细构造。如图2所示，不锈钢制的驱动杆7和铜制的可动电极杆14由氧化铝制的陶瓷绝缘子12机械连接而非电连接。作为例子，说明不锈钢制的驱动杆7和膨胀系数比其小的氧化铝制的陶瓷绝缘子12的接合方法。根据本来的构造，驱动杆7的外径D1比陶瓷绝缘子12的外径D2大，但在本实施形式的第1构成例中，使驱动杆7的接合面的外径D3比陶瓷绝缘子12的外径D2小0.2mm或更多。为此，在驱动杆7的接合端部制作深1mm或1mm以上的槽15，由加热通过钎料(作为一例为银钎料)17接合该槽的内侧的接合面16。

为了容易进行硬钎焊作业，朝具有空心部的圆筒形的陶瓷绝缘子12在驱动杆7的接合端面具有凸出部18，形成易于将该凸出部插入到陶瓷绝缘子12的内孔(空心部)定位的接合构造。

另外，对于氧化铝绝缘子12与铜制的可动电极杆14的接合方法，由于不锈钢制驱动杆7与铜制可动电极杆14的备热膨胀率与氧化铝的热膨胀率相比基本相同，所以，可与驱动杆7与氧化铝的接合构造和接合方法相同。

简单地说，在图2所示那样的本实施形式的第1构成例中，在金属杆与陶瓷筒状体的接合面，将金属杆侧的外径制作得比陶瓷筒状体的外径小0.2mm或更多，与陶瓷筒状体对接，通过钎料接合该对接部，另外，在金属杆设置凸出部，配合到陶瓷筒状体的内孔。

下面参照图4说明这样的第1构成例的作用效果。图4的(1)示出金属杆和氧化铝绝缘子中的残余应力的分布，较白的图示分布示出高应力范围，较黑的图示分布示出低应力的范围。另外，接合面的外缘部(在图4中称为止端部)的详细放大构造示于圆形内。图4的(1)的左侧面为金属杆与氧化铝绝缘子的直径相等的场合的残余应力分布，右侧图示出如本构成例那样使金属杆的直径比氧化铝绝缘子小一些的场合的残余应力分布的实验结果。由图4(1)可看出，更白的部分的高应力范围特别是在氧化铝绝缘子变小，低应力范围扩大。

另外，图4(2)示出金属杆和氧化铝绝缘子的3个接合构造的最大主应力特性。这样，通过使金属杆(在图4的实验中，将Cu作为材料)比氧化铝绝缘子的外径稍小，从而使加到氧化铝绝缘子的应力减小。如图所示，在氧化铝绝缘子的接合面近旁和稍离开的部位，第1构成例的残余应力都与另外的2个构造例小得多。

从图4所示实验结果可知，通过使金属杆的接合面的外径比陶瓷筒状体的外径稍小，可使示出最大应力和高应力的范围双方都显著减小。按照实验结果，当使图2所示D3的直径比D2的直径小0.2mm时，最大应力和高应力范围急剧减小。其原因在于，对于由冷却过程中金属收缩产生的位伸应力，在陶瓷绝缘子侧受到该应力的体积显著增加，所以，该拉伸应力分散。观看图4的(1)的左侧图可知，金属杆的收缩直接加到相同直径的氧化铝绝缘子，所以，最大应力和高应力范围分布较宽，可导致氧化铝绝缘子的破坏。

下面，参照图1和图3说明本发明实施形式的真空开关的接合构造的第2构成例。图3示出图1的固定电极座10与氧化铝绝缘子9的接合的详细尺寸关系。按照图3所示那样的第2构成例，由铜制的固定电极座10、氧化铝制的陶瓷筒状体9、及应力缓和用复合构件19构成。在铜制的固定电极座10与氧化铝制的陶瓷筒状体9的接合部设置预先形成的应力缓和用复合构件19，在应力缓和用复合构件19的两接合面通过钎料20由加热进行接合。

应力缓和用复合构件19将与接合配对的陶瓷筒状体9同样材质(作为一例采用氧化铝)作为中心构件21，在其外周侧配合铜制的外环构件22。中心构件21的外径D5比固定电极座10的外径D4小，而且比陶瓷筒状体9的外径D6大。

简单地说，在图3所示那样的本实施形式的第2构成例中，将热膨胀率小的中心构件配合到热膨胀率大的外环构件的内孔形成圆盘状的复合构件，将其作为应力缓和用构件，设置到金属体与陶瓷体之间，对其进行接合。

在第2构成例中，陶瓷绝缘子接合到与其同样或比其小的热膨胀率的中心构件(例如氧化铝、W、Mo)，所以，接合界面两侧的热膨胀率差减小，可抑制陶瓷绝缘子的高热残余应力的发生。为此，可有效地防止接合面的剥离和陶瓷绝缘子的裂纹。

在应力缓和用复合构件中，中心构件和外环构件由硬钎焊接合，而且中心构件的热膨胀率比外环构件的热膨胀率小，由此产生热装效果，此外，还可获得足够的接合界面强度。另外，冷却过程中的固定电极座的收缩在接合于固定电极座的外环构件22(例如Cu)产生拉伸应力，但由于为金属体，所以，破坏的危险小(由于金属具有伸长特性)，另外，在中心构件产生压缩应力，由氧化铝等制成的中心构件虽然易于由拉伸应力的作用而产生裂纹，但对压缩应力的强度大，所以，不会产生裂纹。作为将应力缓和用复合构件接合于陶瓷绝缘子和固定电极座的方法，也可使用软钎焊接合、扩散接合、摩擦压接接合或玻璃接合，代替硬钎焊(上述第1构成例的接合也相同)。

下面，参照图5说明本发明实施形式的第2构成例的应力缓和用复合构件的制造方法。在真空炉23中，如图5所示那样在试样台24上设置外环构件25、中心构件26、重块26、及圆筒导向件27。为了使得热处理后的拆卸作业容易，在外环构件25与导向件27和重块26等之间通过碳片28进行组合。在圆筒形的外环构件25的端部的内侧倾斜地形成边缘29，在中心构件26与边缘29的间隙充填适量的钎料30。

在室温下，使外环构件25的内径d1比中心构件26的外径d2小(d1＜d2)，不使中心构件26落下。在高温下，热膨胀率大的外环构件(例如Cu)25比热膨胀率小的中心构件(例如氧化铝)26大地膨胀，d2＜d1，由重块31使中心构件26落下到外环构件25的中心孔。与此同时，熔化的钎料30沿外环构件的内壁面流往下方，充填于外环构件25与中心构件26间的间隙。

当恢复为室温时，外环构件25与中心构件26的接合完成，在由钎料30产生的接合强度增加热装力，可获得高可靠性的接合界面。此后，如图5所示那样切断制作的杆状的应力缓和用复合构件，磨削切断面，使其金属化，制作圆盘状应力缓和用复合构件。由在长筒状外环构件的内侧配合杆状中心构件后切断的制造方法可大量生产图3所示那样的应力缓和用复合构件19，降低成本。另外，也可由硬钎焊接合、软钎焊接合、扩散接合、热装、利用压粉体的一体烧结中任一种方法将圆盘状的中心构件配合于上述外环构件的内孔而形成。

如以上说明的那样，在本发明实施形式的真空开关中，特别是确定金属体与陶瓷体的接合面的各外径尺寸(具体地说，在接合端部将金属杆侧的外径形成得比陶瓷筒状体的外径小0.2mm或更多，与陶瓷筒状体对接，通过钎料接合对接部)，或在其间设置应力缓和用复合构件(具体地说，将热膨胀率小的中心构件配合到热膨胀率大的外环构件的内孔形成圆盘状复合构件，将其作为应力缓和构件设置到金属体与陶瓷体之间，对其进行接合)，以不在与金属体相接的陶瓷体产生大的残余应力，从而可不产生陶瓷体的裂纹等破损。

Claims (12)

1.一种真空开关，包括真空容器，收容于上述真空容器内的多个可动电极与固定电极对置的多个电极对，连接到上述可动电极的可动电极杆，固定上述固定电极的固定电极杆，相互连接上述多个可动电极杆的柔性导体，及驱动上述可动电极杆的驱动杆；其特征在于：

具有设于上述驱动杆与上述可动电极杆之间的第1陶瓷体和设于上述真空容器与上述固定电极杆之间的第2陶瓷体；

上述第1陶瓷体、和由上述驱动杆与上述可动电极杆构成的金属杆的接合构造是，上述金属杆的外径比上述陶瓷体的外径小0.2mm或更多，由钎料接合上述金属杆和上述陶瓷体。

2.一种真空开关，包括真空容器，收容于上述真空容器内的多个可动电极与固定电极对置的多个电极对，连接到上述可动电极的可动电极杆，固定上述固定电极的固定电极杆，相互连接上述多个可动电极杆的柔性导体，及驱动上述可动电极杆的驱动杆；其特征在于：

具有设于上述驱动杆与上述可动电极杆之间的第1陶瓷体和设于上述真空容器与上述固定电极杆之间的第2陶瓷体；

上述第2陶瓷体与上述固定电极杆的接合构造是，用于缓和上述固定电极杆的收缩所产生的上述第2陶瓷体的应力的应力缓和用复合构件，接合在上述第2陶瓷体与上述固定电极杆之间。

3.根据权利要求2所述的真空开关，其特征在于：上述应力缓和用复合构件由外径比上述第2陶瓷体的外径大的圆盘状中心构件和配合于上述中心构件的外周侧的外环构件构成；

上述外环构件的内径比上述固定电极杆的外径小。

4.根据权利要求3所述的真空开关，其特征在于：上述圆盘状中心构件由热膨胀率与上述第2陶瓷体相同或较小的材料制成；

上述外环构件由热膨胀率与上述固定电极杆的差别小的材料制成。

5.根据权利要求3或4所述的真空开关，其特征在于：所述圆盘状的中心构件由硬钎焊接合、软钎焊接合、扩散接合、热装、和利用压粉体一体烧结中的任一种方法配合于上述外环构件的内孔而形成。

6.一种应力缓和用复合构件，用于缓和真空开关中的陶瓷体的应力；该真空开关包括真空容器，收容于上述真空容器内的多个可动电极与固定电极对置的多个电极对，连接到上述可动电极的可动电极杆，固定上述固定电极的固定电极杆，相互连接上述多个可动电极杆的柔性导体，驱动上述可动电极杆的驱动杆，及设于上述真空容器与上述固定电极杆之间的陶瓷体；其特征在于：

上述应力缓和用复合构件由外径比上述陶瓷体的外径大的圆盘状中心构件和配合于上述中心构件的外周侧的外环构件构成；

上述外环构件的内径比上述固定电极杆的外径小。

7.根据权利要求6所述的应力缓和用复合构件，其特征在于：上述圆盘状中心构件由热膨胀率与上述第2陶瓷体相同或较小的材料制成；

上述外环构件由热膨胀率与上述固定电极杆的差别小的材料制成。

8.一种权利要求6或7所述的应力缓和用复合构件的制造方法，其特征在于：

预先将长杆状中心构件配合于同样长度的筒状外环构件的内孔；

切断由上述配合的杆状的中心构件和外环构件构成的复合构件，制作适当厚度的圆盘状的应力缓和用复合构件。

9.根据权利要求1所述的真空开关，其特征在于：使用软钎焊接合、扩散接合、摩擦压接接合或玻璃接合代替接合上述金属杆与上述陶瓷体的硬钎焊接合。

10.根据权利要求2、3或4所述的真空开关，其特征在于：上述应力缓和用复合构件与上述第2陶瓷体及固定电极杆的接合为硬钎焊接合、软钎焊接合、扩散接合、摩擦压接接合或玻璃接合。

11.根据权利要求1所述的真空开关，其特征在于：在上述金属杆的接合面中央部设置凸部，同时，在上述第1陶瓷体的中央部设置中央孔；

将上述凸部插入到上述中央孔。

12.根据权利要求2、3或4所述的真空开关，其特征在于：在上述固定电极杆的接合面中央部设置凸部，同时，在上述第2陶瓷体的中央部

设置中央孔；

将上述凸部插入到上述中央孔。

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