JP2006147263A

JP2006147263A - 真空遮断器用電極，真空バルブ及びその製法

Info

Publication number: JP2006147263A
Application number: JP2004333837A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Taguchi; 真実田口; Shigeru Kikuchi; 茂菊池; Noboru Baba; 昇馬場; Kenji Tsuchiya; 賢治土屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】
裁断電流値が小さい真空バルブ用電極、およびそれを用いた真空バルブを提供する。
【解決手段】
本発明の特徴は、Ｃｕ，Ｃｒなどの高導電性金属とカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを組み合わせることにある。具体的には、高導電性金属と、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーと、炭化物から構成されることを特徴とする真空バルブ用電極、およびそれを用いた真空バルブである。また、前記の真空バルブ用電極を作製する方法にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空遮断器に用いられる新規な真空バルブとそのための電極及び製造法に関する。

真空遮断器に設置される真空バルブ内の電極に求められる特性の一つに、裁断電流値が小さいことが挙げられる。これは、真空バルブを誘導性回路に用いて電流を遮断すると、異常サージ電圧が発生して負荷機器の絶縁破壊などを引き起こす恐れがあるためで、異常サージ電圧を抑制するために裁断電流値を小さくする必要がある。

裁断電流値の小さい低サージ型の電極としては、例えばＣｏ−Ａｇ−Ｓｅ系電極やＣｏ−Ａｇ−Ｔｅ系電極などが挙げられる（特開平０９−１７１７４６号公報、特許文献１）。但し、Ｃｅ，Ｔｅ等の元素は、低サージ化には有効であるが、電極の耐電圧性を低下させる傾向があり、高耐電圧化と低サージ化は背反の関係にあると認識されている。

一方、近年、新素材の開発が活発に行われている。中でもカーボンナノチューブは注目を集めている。カーボンナノチューブにおいて注目されている特性の一つが、電子の放出特性であり、主にディスプレイや電子顕微鏡等への応用が期待されている。

特開平０９−１７１７４６号公報

従来の低サージ型電極であるＣｏ−Ａｇ−Ｓｅ系あるいはＣｏ−Ａｇ−Ｔｅ系の電極は、有毒な金属であるＳｅおよびＴｅを用いており環境に対する影響が危惧されることから、環境負荷の小さい真空遮断器用低サージ型電極の開発が望まれる。また、昨今の電力流通の大容量化に伴い、低サージ性と高耐電圧性を兼ね備えた電極の開発が望まれる。

本発明の目的は、環境負荷が小さい成分で構成される真空遮断器用低サージ型電極および、それを搭載した真空バルブと真空遮断器を提供することにある。

上記目的を解決するための手段はＣｕ，Ｃｒなどの高導電性金属とカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを組み合わせることにある。

具体的には、高導電性金属と、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーと、炭化物から構成されることを特徴とする真空バルブ用電極、およびそれを用いた真空バルブである。

本発明による真空バルブ用電極は、高導電性金属とカーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーを組み合わせることにより、裁断電流値の小さい低サージ性能に優れた電気接点を有するものである。本発明により、耐電圧性を殆んど低下させることなく、裁断電流値を小さくできる。また、電気接点を構成する成分は、環境負荷が小さい環境にやさしい低サージ型電極である。

以下に、上記目的を達成するための、本発明に関る電極の構成および製造方法を説明する。

本発明の真空バルブ用電極は、高導電性金属と、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを主成分とする。高導電性金属は通電を担うため、電気伝導度が高いＣｕあるいはＡｇがよい。コストを考慮すれば、安価なＣｕが望ましい。また、高導電性金属は、電極の開極時には電流の遮断を担う。遮断特性は一般にＣｒが優れている。従って、高導電性金属のＣｕあるいはＡｇ、耐電圧性に優れるＣｒを主成分として構成される。特に、ＣｕとＣｒの組合せで用いることが好ましい。

一方、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーは真空における電子放出特性に優れ、電極が開極した際に発生する電界により電子を放出し、サージ電流を大幅に低減することができる。特にカーボンナノチューブ，グラファイトナノファイバーの低サージ化の原理は、従来のＣｅ，Ｔｅ添加電極材とは異なり、金属蒸気に起因するものでは無いため、耐電圧性への影響を極めて小さく抑えることができる。

従って、当該電極は、Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｒおよびカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを主成分とする。尚、別途、不可避的に混入する酸素，窒素や、電極原料のＣｕ，Ａｇ，Ｃｒ，カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーに微量に含まれる不純物を含むこともある。

尚、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーをＣｒ等のカーバイドを形成しやすい元素と同時に用いた場合は、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの一部はカーバイドに変化するため、金属炭化物が分散した組織となる。炭化物の分散は耐電圧性の向上に寄与する。

カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの主効果はカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーからの電子放出によるサージ電流の低減である。低サージ化に有効なカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの量は、電極のスペックおよび製法，カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの配向性（個々のカーボンナノチューブが向く方向の分布等）にも依存するが、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーがランダムに電極材に分散している場合は、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの面積率が大よそ０.１％以上から低サージ化の効果が確認できるようになる。一方、電極として、高導電性金属同士の接触面積は電極表面の大よそ１０％を必要とすることから、残りのカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの占める面積は９０％程度が上限である。従ってカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの電極表面に閉める割合の範囲は０.１〜９０％に限定する。ここで、電極表面とは、対となる電極に対面する面のことであり（対の電極からの視点）、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの面積率は、目視（等倍の写真）あるいは光学顕微鏡で観察したときにカーボンが視野に占める割合である。

カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーは比重がＣｕ，Ａｇ等と大きく異なるため、均一に分散させるためには粉末冶金法による製造が有効である。粉末冶金法で作製した場合、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーは高導電性金属粉末の粉末間に存在する状態となるため、粉末間に隙間が残るような無加圧焼結は適さず、ホットプレスあるいはＨＩＰのような加圧焼結が有効である。通常の加圧焼結のみで作製した場合、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの分散状態はほぼランダムである。カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーがランダムな方向を向いている場合、電界が負荷された際に電子を放出するカーボンナノチューブは限られている。ここで、加圧焼結したものに塑性加工を加えることにより、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを配向させることができる。塑性加工としては、鍛造法，圧延法，押出し法が特に有効であり、少ないカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの添加でも効果的に低サージ化することができる。例えば、圧延であれば圧延方向に対し、押出し法であれば押出し方向に平行になるように、加工によってカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバーは配向する。配向の程度は、その加工度によるが加工度が大きいほど強く配向させることができる。

これらの添加したカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーが配向する機構は、加工により金属のマトリックスが塑性流動することによる。

本発明の電極を製造するときにおける焼結温度は、マトリックスとなる高導電性金属の融点以下とすることが望ましい。その理由は、マトリックスとなる高導電性金属の融点以上に加熱した場合、溶湯が流れ出し坩堝を使わない場合形状を維持することが困難になる。また、坩堝を使う場合は著しく作業性が悪くなるため、融点以下で固相焼結プロセスにより作製することが望ましい。

カーボンナノチューブ，グラファイトナノファイバーは別途作成したものを混合すること、または電極表面に生成させることにより混合することが可能である。

化学的気相成長法により電極表面にカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを生成する方法を用いると、霜柱が地面から成長するように、ストローを何本も細密充填して立てたような状態のカーボンナノチューブ膜，グラファイトナノファイバー膜を作成できる。これらの膜は、表面のほぼ全面にカーボンナノチューブの先端が見えている状態（表面全体がカーボンナノチューブで覆われた状態）となり、その結果これらの膜は粉末冶金法に比べカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーの表面に閉める割合を飛躍的に大きくすることができ、かつ配向性の高い膜が得られるので極めて有効な手段である。化学的気相成長法により生成したカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを当該電極に用いる場合、カーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを製膜した板を別の部品とすれば、その他の電極の組成および製造法は任意である。

本発明の真空バルブは、上記のカーボンナノチューブあるいはグラファイトナノファイバーを含む電極を真空バルブの電極として用いた点にある。上記の電極は、固定側電極及び可動側電極のいずれかに採用してもよく、また両方に採用してもよい。また、本発明の真空遮断器は上記の真空バルブを用いたことを特徴としている。

本発明に関する第１実施例として、高導電性金属にカーボンナノチューブを分散させた電気接点を有する電極を作製した。作製手法は、ＣｕおよびＣｒ粉末にカーボンナノチューブを０.０１〜０.２ｗｔ％添加し撹拌したのち、１０００℃×３ｈのＨＩＰ処理を行い固化成形し、電極形状に加工した。

また、一部の試料においてはＨＩＰ処理後に押出し比を５として、８００℃で熱間押出しを行った。電極の密度はいずれも１００％であった。尚、密度は、光学顕微鏡の観察で、気孔の面積率は画像処理によって求め、気孔が一切ない状態のものを密度１００％と判断した。尚、光学顕微鏡の観察で、気孔が観察した面積の５％を占める場合は、体積にしても５％の空隙があると考えられ、その場合の密度は９５％とする。

また、光学顕微鏡から観察されるカーボンナノチューブの電極表面の面積率は約0.01〜０.５％である。

図１は、作製した電極の構造を示す図である。図１において、１は電気接点、２はアークに駆動力を与えて停滞させないようにするためのスパイラル溝、３はステンレス製の補強板、４は電極棒、５はろう材である。電極の作製方法は次の通りである。電極棒４を無酸素銅で、また、補強板３をＳＵＳ３０４であらかじめ機械加工により作製しておき、前記の方法で得られた電気接点１及び補強板３の中央孔と電極棒４の凸部とを、ろう材５を介して嵌め合わせ、また電気接点１と補強板３との間にもろう材５を載置し、これを8.2×１０^-4Ｐａ以下の真空中で９８０℃×８分間加熱し、図１に示す電極を作製した。この電極は定格電圧７.２ｋＶ，定格電流６００Ａ，定格遮断電流２０ｋＡ用の真空バルブに用いられる電極である。なお、電気接点１の強度が十分であれば、補強板３は省いてもよい。

また、図２は、ＣＮＴのカーボンナノチューブをＳｉＣウエハ上に成膜したセラミックス板を取り付けた電極である。図２において、１は電気接点、２はアークに駆動力を与えて停滞させないようにするためのスパイラル溝、３はステンレス製の補強板、４は電極棒、５はろう材である。ＳｉＣ上へのカーボンナノチューブの製膜は化学的気相成長法により行い、膜厚（長さ）はおよそ１５０ｎｍである。電極表面（対となる電極を視点とした場合）に占めるカーボンナノチューブの面積率は４０％である。電極の作製方法は次の通りである。電極棒４を無酸素銅で、また、補強板３をＳＵＳ３０４であらかじめ機械加工により作製しておき、電気接点１及び補強板３の中央孔と電極棒４の凸部とを、ろう材５を介して嵌め合わせ、また電気接点１と補強板３との間にもろう材５を載置し、これを
８.２×１０^-4Ｐａ以下の真空中で９８０℃×８分間加熱し、図２に示す電極を作製した。この時の、電気接点１の材質は６０Ｃｕ−４０Ｃｒである。この電極は定格電圧７.２ｋＶ，定格電流６００Ａ，定格遮断電流２０ｋＡ用の真空バルブに用いられる電極である。なお、電気接点１の強度が十分であれば、補強板３は省いてもよい。

本発明に関する第２実施例として、実施例１で作製した電極を搭載した真空バルブを作製した。
真空バルブの仕様は、定格電圧７.２ｋＶ，定格電流６００Ａ，定格遮断電流２０ｋＡである。

図３は、本実施例に係わる真空バルブの構造を示す図である。図３において、１ａ，
１ｂはそれぞれ固定側電気接点，可動側電気接点、３ａ，３ｂは補強板、４ａ，４ｂはそれぞれ固定側電極棒，可動側電極棒で、これらをもってそれぞれ固定側電極６ａ，可動側電極６ｂを構成する。可動側電極６ｂは、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シールド８を介して可動側ホルダー１２にろう付け接合される。これらは、固定側端板９ａ，可動側端板９ｂ、及び絶縁筒１３によって高真空にろう付け封止され、固定側電極６ａ及び可動側ホルダー１２のネジ部をもって外部導体と接続される。絶縁筒１３の内面には、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐシールド７が設けられ、また、可動側端板９ｂと可動側ホルダー１２の間には摺動部分を支えるためのガイド１１が設けられる。可動側シールド８と可動側端板９ｂの間にはべローズ１０が設けられ、真空バルブ内を真空に保ったまま可動側ホルダー１２を上下させ、固定側電極６ａと可動側電極６ｂを開閉させることが出来る。

このように、実施例１で作製した電気接点１ａ，１ｂを有する図１に示す電極６ａ，
６ｂを用いて、本発明にかかわる図３に示す真空バルブを作製した。

本発明に関する第３実施例として、実施例２で作製した真空バルブを搭載した真空遮断器を作製した。図４は、本実施例に係わる真空バルブ１４とその操作機構を示す真空遮断器の構成図である。

真空遮断器は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ１４を支持する３相一括型の３組のエポキシ筒１５を配置した構造である。真空バルブ１４は、絶縁操作ロッド
１６を介して、操作機構によって開閉される。

遮断器が閉路状態の場合、電流は上部端子１７，電気接点１，集電子１８，下部端子
１９を流れる。電極間の接触力は、絶縁操作ロッド１６に装着された接触バネ２０によって保たれている。電極間の接触力および短絡電流による電磁力は、支えレバー２１およびプロップ２２で保持されている。投入コイル３０を励磁すると開路状態からプランジャ
２３がノッキングロッド２４を介してローラ２５を押し上げ、主レバー２６を回して電極間を閉じたあと、支えレバー２１で保持している。

遮断器が引き外し自由状態では、引き外しコイル２７が励磁され、引き外しレバー２８がプロップ２２の係合を外し、主レバー２６が回って電極間が開かれる。

遮断器が開路状態では、電極間が開かれたあと、リセットバネ２９によってリンクが復帰し、同時にプロップ２２が係合する。この状態で投入コイル３０を励磁すると閉路状態になる。なお、３１は排気筒である。

本発明に関する第４実施例として、第１実施例で作製した電極の遮断試験を行い、裁断電流値の測定を行った。なお、比較材として、一般的な真空バルブ用電極材である60Ｃｕ−４０Ｃｒ接点部材、及び従来の低サージ型電極材の一つであるＣｏ−４３
（Ａｇ−１０Ｔｅ）接点部材も併せて作製した。

作製した電極を、実施例２で示した定格電圧７.２ｋＶ，定格電流６００Ａ，定格遮断電流２０ｋＡの真空バルブに搭載し、実施例３で示した真空遮断器に組込んで遮断試験を行った。

遮断試験の結果を表１に示す。

なお、遮断性能及び耐電圧性能については、Ｎo.１の接点部材の場合を１として表した。一般的な真空バルブ用電極材である６０Ｃｕ−４０Ｃｒ接点部材（Ｎo.８）では裁断電流値が２.５〜５.０Ａであり、また低サージ型電極材の一つであるＣｏ−４３（Ａｇ−
１０Ｔｅ）接点部材（Ｎo.９）では１.５〜２.５Ａである。これに対し、本発明にかかわる接点部材Ｎo.１，Ｎo.２では、サージ電流の優位性はわずかであるが、Ｎo.３，Ｎo.４，Ｎo.５では、一般的な真空バルブ用電極である６０Ｃｕ−４０Ｃｒ接点部材に比べて低い裁断電流値を示した。また、Ｎo.３を押出ししたＮo.６では同じ組成に対して、裁断電流値が改善できていることがわかる。

一方、Ｎo.７においては、Ｎo.９の従来の６０Ｃｕ−４０Ｃｒの遮断性能および耐圧性を大きく損なうことなく、大幅にサージ電流を低下させることができている。

本発明にかかわる電気接点を有する電極は、一般的な真空バルブ用電極材に比べて裁断電流値が小さく、従来の低サージ型電極と同等の低サージ性能を有することを確認した。

本発明の第１実施例に係わる電極の構造を表す図。本発明の第１実施例に係わる電極の構造を表す図。本発明の第２実施例に係わる真空バルブの構造を表す図。本発明の第３実施例に係わる真空遮断器の構造を表す図。

符号の説明

１…電気接点、１ａ…固定側電気接点、１ｂ…可動側電気接点、２…スパイラル溝、３，３ａ，３ｂ…補強板、４…電極棒、５…ろう材、６ａ…固定側電極、６ｂ…可動側電極、７…シールド、８…可動側シールド、９ａ…固定側端板、９ｂ…可動側端板、１０…ベローズ、１１…ガイド、１２…可動側ホルダー、１３…絶縁筒、１４…真空バルブ、１５…エポキシ筒、１６…絶縁操作ロッド、１７…上部端子、１８…集電子、１９…下部端子、２０…接触バネ、２１…支えレバー、２２…プロップ、２３…プランジャ、２４…ノッキングロッド、２５…ローラ、２６…主レバー、２７…引き外しコイル、２８…引き外しレバー、２９…リセットバネ、３０…投入コイル、３１…排気筒。

Claims

高導電性金属と、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーと、炭化物とを含むことを特徴とする真空バルブ用電極。
真空バルブの真空容器内に設置され、少なくともＣｕ，Ａｇ，Ｃｒの内いずれかと、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーと、を含む真空バルブ用電極。
真空バルブの真空容器内に設置され、カーボンナノチューブ膜またはグラファイトナノファイバー膜の形成された板状体と、主としてＣｕ，Ａｇ，Ｃｒの内いずれかを含む電気接点とを有することを特徴とする真空バルブ用電極。
請求項２に記載された真空バルブ用電極であって、電極の少なくともひとつの面の0.1〜９０％にカーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーが現れていることを特徴とする真空バルブ用電極。
請求項２または３に記載された真空バルブ用電極であって、Ｃｒカーバイドを含有することを特徴とする真空バルブ用電極。
真空容器内に設置される真空バルブ用電極の製造方法であって、
Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｒの内少なくともいずれかの金属粉末と、カーボンナノチューブまたはグラファイトナノファイバーとを混合し、前記混合粉末を前記金属の融点以下で加熱焼結することを特徴とする真空バルブ用電極の製造方法。
請求項６に記載された真空バルブ用電極の製造方法であって、
前記加熱焼結体を塑性加工することを特徴とする真空バルブ用電極の製造方法。
真空容器内に一対の固定側電極及び可動側電極とを備えた真空バルブであって、前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が請求項１ないし５のいずれかに記載の電極からなることを特徴とする真空バルブ。
真空容器内に一対の固定側電極及び可動側電極とを備えた真空バルブと、該真空バルブ内の前記固定側電極及び可動側電極の各々に前記真空バルブ外に接続された導体端子と、前記可動側電極を駆動する開閉手段とを備えた真空遮断器であって、前記真空バルブは請求項８に記載の真空バルブからなることを特徴とする真空遮断器。