JP2008507810A

JP2008507810A - アークシュートに対するアークスプリッタ

Info

Publication number: JP2008507810A
Application number: JP2007521915A
Authority: JP
Inventors: ベーレンス，フォルカー; ホーニヒ，トーマス
Original assignee: AMI Doduco GmbH
Current assignee: Doduco Contacts and Refining GmbH
Priority date: 2004-07-24
Filing date: 2005-07-23
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2025-07-23
Also published as: JP4959560B2; US20080135524A1; DE102004036113A1; WO2006010572A1; RU2007106424A; BRPI0513769A; DE102004036113B4; CN101023504A; EP1782445A1

Abstract

本発明は、アークチャンバに使用される強磁性マテリアルで作られた被覆されたアークスプリッタに関するものである。本発明は、少なくとも二つの成分からなる複合層から作られた層を有し、前記成分の第１の成分は、電導性であって、融点が前記強磁性マテリアルのそれを越さず、気化点が前記強磁性マテリアルのそれを越さないものであり、第２の成分は、融点が前記第１の成分よりも高く、気化点が前記第１の成分よりも高いものであるアークスプリッタを提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、スイッチ装置、特に保護回路遮断器におけるアークシュートに対する被覆されたアークスプリッタに関するものである。この種のアークスプリッタは、Ｅ．Ｖｉｎａｒｉｃｋｙ”ＷｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅＫｏｎｙａｋｔｅ，ＷｅｒｋｓｔｏｆｆｅｕｎｄＡｎｗｅｎｄｕｎｇｅｎ（電気接点、マテリアルズおよび応用），ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌａｇ２００２，ＩＳＢＮ３−５４０−４２４３１−８，ＰＰ．１３４−１４２から知ることができる。

電気回路の開放と閉止の間、電圧とアンペアに応じて種々の放電現象が電気接点に発生する。電圧とアンペアが十分に高いと、前記接点の面には、各スイッチング作用の間にアーク作用が作用し、前記接点の耐用寿命に多大の影響を与える。このアーク作用が接点マテリアルの損失（腐食）につながる。保護回路遮断器に存在するような種類の接触間隙が大きな場合は、腐食された接点マテリアルは、環境に顕著な損失を与える。このようなマテリアルの腐食を抑えるために、接点面にアークが接している時間をできるかぎり短縮するようにしている。閉止時、アークの燃焼時間は、主としてスイッチ接点の反発時間と生じる電流の波形によりきまる。交流をブレークするとき、アーク現象は、交流波形の開放時点から続くゼロクロッシングにわたる臨界電流以下でも継続する。

臨界電流を越すと、特別な手段が取られて、消弧する。この目的のために、アークを冷却したり、スプリットしたりすることが知られている。その目的のために、スイッチ装置にアークシュートが設けられている。アークシュートでは、アークを部分、部分にスプリットすることが行われていて、前記シュートには、脱イオン理論により作用するアークシュートにおいて、代表的には１ｍｍの厚みをもつ複数の金属シートを並列または扇形に配置し、これらを互いに絶縁しておく。アークスポウリッタに用いるマテリアルズは、強磁性材料であり、これは、強磁性材料近辺においては、アークを伴う磁界が高磁力導通性をもつアークルスプリッタを経て常時流れるようになるからである。これによって、前記アークスプリッタに向く方向で吸引作用が生じる。前記アークそれ自体により生じる磁気ブローフィールドに加えて、前記吸引作用は、前記アークを前記アークスプリッタの配列に向けて動かし、これら配列の間でスプリットされる。

前記アークスプリッタを軟鋼から作ることは、知られている。前記アークスプリッタのアークベースにおける過熱を防ぎ、かくして前記アークの劣化冷却を防ぐために、前記アークスプリッタにおいてアークベースを早く移動させる点を探究している。そのために前記アークスプリッタをガルヴァニ銀めっきまたは銅めっきすることが知られている。さらに、前記アークスプリッタのマテリアルの部分的融解および融解したマテリアルのスパッタリングがまたまたアーク作用で遭遇する。発光フラッシュのように音速に達し、それら自体大きな音を発するガスの流れをアークが伴う点で、スパッタリングには危険が伴う。急速なガスの流れは、鉄の溶融粒を含む。これらの溶融粒は、個々のアークスプリッタに当たり、これらを駄目にしてしまう。他方、しかしながら、これらは、またスイッチ装置に漂い、例えば、接触面に付着し、これによって，接触抵抗が高まる。

さてここで、本発明の目的は、既知のアークシュートの欠点を減らし、耐用年数を長くし、そして／またはそのようなアークシュートに備えられているスイッチ装置の短絡ブレーキング容量を改善する点にある。

この目的は、請求項１に定義の特徴をもつアークスプリッタにより達成される、本発明によるアークスプリッタの有利な製造方法は、請求項２７，２８に定義されている。

本発明の有利なさらなる発展は、従属請求の範囲の主題である。

本発明によるアークスプリッタは、強磁性基体マテリアルからなり、コーティングされている。しかしながら、融点が強磁性マテリアルのそれよりも高くなく、好ましくは、強磁性マテリアルよりも電導性が高い銀または銅のような一つの金属で単に被覆されている代わりに、前記アークスプリッタは、融点が強磁性マテリアルのそれよりも高くなく、強磁性マテリアルよりも電導性が高い第１の成分に加えて、融点が強磁性マテリアルのそれよりも高く、気化点が前記第１の成分よりも高い第２の成分からなる複合マテリアルから作られる層が設けられている。前記第２の成分は、融点が高く、当初はアークの作用では融解しないもので、アークの作用で電導性またはより高い電導性の第１の成分がスパッタリングされるのを防ぐ。第２の成分の量と融点は、前記作用を達成するために適切に選択される。

従来技術と較べて、本発明によるアークスプリッタを備えたアークシュートが設けられているスイッチング装置は、耐用年数が長く、そして／または改善された短絡ブレーク力に秀でている。短絡ブレーク能力は、値ｌ^２ｔ（ｌ＝電流強度、ｔ＝ブレークタイム）により規定される所定の電流に達する前に、回路短絡が発生する電気回路を反復して遮断する保護回路ブレーカーの能力による。

導電性または高い導電性の第１の成分は、前記アークスプリッタのアークの動きを助け、前記アークにより運ばれる電流を前記強磁性マテリアルへ向ける。前記第１の成分は、その気化点が前記アークの作用で同じようになるように選ばれることが好ましく、これは、第１の成分の気化が遮断されるアークからの多大のエネルギーで行われるからである。

前記強磁性マテリアルは、軟鋼に限定されるものではなく、ソフトな磁性材料、特に、ニッケルおよびコバルトならびに鉄、ニッケルおよびコバルトのソフトな磁性合金からなるものでもよい。

前記層の第２の成分は、アーク作用により前記アークスプリッタに前記第１の成分を効果的にバインドすることができるように選びことが好ましい。この目的に特に適したマテリアルズは、前記強磁性マテリアルよりも融点が高く、気化点も同様に前記強磁性マテリアルよりも高いものである。前記第２の成分の融点は、前記第１の成分の気化点よりも高いことが好ましい。特に適しているものは、耐熱性の金属、タングステン、モリブデンおよびタンタルならびにそれらの炭化物類、窒化物類および珪化物類であって、これらは、単独または組み合わされて使用される。

第１の成分と第２の成分の間の容量比は、５：９５から８５：１５、さらに好ましくは３０：７０から８０：２０、もっと好ましくは、４０：６０から７０：３０である。第１の成分が一番大きな部分を占めることが好ましい。

好ましくは、前記複合層は、さらに第３の成分を含み、これは、元素周期率表の主グループＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ，ＶＩＩＩとサブグループＩＩＩ〜ＶＩＩに属する元素の酸化物類、炭化物類、ホウ化物類および窒化物のグループから選ばれるものである。前記第３のグループの一つまたは複数の物質の添加で被覆されたアークスプリッタにおけるアーク走行挙動が改善され、これによって、アークは、アークシュートにおけるアークスプリッタの構成へ向かった動き、前記構成、特に互いに並列にまたは扇形に配置の複数のアークスプリッタからなるパッケージにより簡単に、より早く入ることになる。

前記複合マテリアルの第３の成分として特に適しているものは、二酸化チタン（ＴｉＯ_２），酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化マンガン（ＭｎＯ），酸化ニオビウム（ＮｂＯ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化セリウム（ＣｅＯ_２），酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３），酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３），酸化ジルコン（ＺｒＯ），酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３），炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ），炭化珪素（ＳｉＣ），炭化ジルコニウム（ＺｒＣ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ），ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）およびホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）のグループから選ばれる。酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウムは、特に好ましい。

前記第３の成分は、前記複合マテリアルにおいて前記第２の成分に添加されることが好ましい。前記第１の成分と第２の成分および第３の成分の合計との容量比率は、したがって、５：９５から８５：１５の間、さらに好ましくは３０：７０と８０：２０、最も好ましくは、４０：６０と７０：３０の比率にあるこが実用的である。前記第１の成分の部分は、この場合も同様に、前記第２の成分と第３の成分の合計よりも多いことが好ましい。

前記複合マテリアルから作られた前記層の厚みは、０．０５ｍｍから０．３ｍｍ、好ましくは、約０．１ｍｍであることが好ましい。前記複合マテリアルのストリップを強磁性ストリップへ、ローリング、特にホットロールめっきにより施すことができる。前記層の成分類を溶射（thermal spraying）方式（火焔スプレイ方式）により強磁性シートへ施すこともでき、この場合には、被覆層を圧縮し、ローリングで平滑化することが好ましい。

前記複合マテリアルから本発明による層を有するアークスプリッタを形成するためには、強磁性マテリアルの上に前記複合マテリアルのすべての成分を付与したり、接着したりすることは必ずしも必要ではない。その代わりに、前記成分の一つ、特に、第２の成分、そしてもしできれば、好ましくは、第３の成分をパウダー状で前記シートに付与し、前記強磁性シートの面にロールかけし、これによって、前記強磁性シートのマテリアルが表面層にわたり前記複合マテリアルの一部になるようにするもので、前記層の厚さは、ロールかけされた粒子の浸透深さにより特徴される。例えば、炭化タングステンの粉末を軟鋼シートに施し、冷間ロール加工により炭化タングステンの粉末を軟鋼の面に加圧させて鉄と炭化タングステンからなる複合層を形成できる。

さらに前記複合層と前記強磁性ベースマテリアルとの間に結合作用を改善し、拡散しないようにする中間層を設けることが好ましい。この目的に特に適したマテリアルは、ニッケルであって、これが強磁性に大きく貢献する。前記中間層は、３μｍから２０μｍ、特に好ましくは１０μｍの厚さで電気めっきすることが好ましい

１．７０容量％の銅と３０容量％のタングステンからなる厚さ０．２５ｍｍの複合層を厚さ１ｍｍの軟鋼へ溶射（thermal spray）する。処理後、前記層を冷間圧延加工により圧縮する。このようにできたアークスプリッタを曲げ成形し、パンチングし、低電圧のスイッチ装置に設置する。

２．５５容量％の銀と４５容量％のモリブデンからなるストリップを鉄・コバルト合金から作られた強磁性ストリップに冷間圧延加工により圧延する。冷間圧延後のアークスプリッタの厚さは、１ｍｍ、銀・モリブデンの複合層の厚みは、０．１ｍｍである。このようにして作られたアークスプリッタを曲げ成形し、パンチングし、低電圧のスイッチ装置に設置する。

３．１ｍｍの厚さの軟鋼シートに厚さ１μｍのニッケル層をガルヴァニ電気めっきした後、４０容量％の銅と６０容量％の炭化タングステンからなる厚さ０．２ｍｍの複合層を融着した。このようにして得られたシートを曲げ成形し、パンチングしてアークスプリッタに形成し、これを低電圧のスイッチ装置に設置する。

４．強磁性鉄・ニッケル合金からなるストリップを熱間圧延加工により５０容量％の銀と５０容量％のタンタルからなる複合マテリアルから得られたストリップを被着する。熱間圧延被着後のストリップの厚さは、１．２ｍｍ、銀とタンタルからなる複合層の厚さは、０．１５ｍｍである。このストリップを曲げ成形し、パンチングしてアークスプリッタに形成し、これを低電圧のスイッチ装置に設置する。

５．炭化タングステン粉末を厚さ１．２ｍｍの軟鋼シートに付与し、冷間圧延により前記軟鋼シートの面に加圧する。前記軟鋼シートに付与した粉末の量は、該粉末がアークスプリッタの面の５０から６０％の間に存在する量である。かくして、鉄と炭化タングステンからなるファンクショナルな層が前記軟鋼の面に得られる。このようにして作ったシートを曲げ成形し、パンチングしてアークスプリッタに形成し、これは、低電圧のスイッチ装置に設置できる。

６．７０容量％の炭化タングステン粉末と３０容量％の酸化アルミニウム粉末を厚さ１．２ｍｍの軟鋼シートに溶射し、冷間圧延加工により前記軟鋼スチールの面に加圧する。前記軟鋼に付与される粉末の量は、該粉末がアークスプリッタの面の５０から６０％の間に存在する量である。かくして、鉄、酸化アルミニウムおよびタングステンカーバイドからなるファンクショナルな層が前記軟鋼の面に得られる。このようにして作ったシートを曲げ成形し、パンチングしてアークスプリッタに形成し、これは、低電圧のスイッチ装置に設置できる。

Claims

アークシュートに使用される強磁性マテリアルのシートから作られた被覆されたアアークスプリッタであって、前記アークスプリッタが少なくとも二つの成分からなる複合マテリアルから作られた層を有し、その内の第１の成分は、電導性であって、その融点が前記強磁性マテリアルの融点よりも低く、気化点が前記強磁性マテリアルの気化点を越えないものであって、第２の成分は、融点が前記第１の成分の融点よりも高く、気化点が前記第１の成分の気化点よりも高いものであることを特徴とするもの。
前記第２の成分の融点が前記強磁性マテリアルの融点よりも高く、前記第２の成分の気化点が前記強磁性マテリアルの気化点よりも高いことを特徴とする請求項１に定義のアークスプリッタ。
第２の成分の融点が前記第１の成分の気化点よりも高いことを特徴とする請求項１に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分と前記第２の成分の容量比率が５：９５から８０：２０の間にあることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分と前記第２の成分の容量比率が３０：７０から８０：２０の間にあることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分と前記第２の成分の容量比率が４０：６０から７０：３０の間にあることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分と前記第２の成分の容量比率が１より大きいことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に定義のアークスプリッタ。
前記複合マテリアルから作られた層の厚さが０．０５ｍｍから０．３ｍｍ、好ましくは、約０．１ｍｍであることを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記複合マテリアルから作られた層が前記複合マテリアルから作られた層の厚さに達する前記第１の成分の粒子層および／または前記第２の成分の粒子層を含むことを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記粒子層の厚さが０．５ｍｍから２ｍｍ、特に０．８ｍｍから１．２ｍｍであることを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分が銀または銅またはこれらの合金からなることを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分が強磁性マテリアルであることを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記第２の成分がタングステン、モリブデンおよび／またはタンタルおよび／またはこれらの炭化物、窒化物および珪化物からなることを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
少なくとも一つの中間層が前記複合マテリアルと前記強磁性マテリアルとの間で、その下位に設けられていることを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記中間層が拡散を防ぐために選ばれているものであることを特徴とする請求項１４に定義のアークスプリッタ。
前記中間層は、強磁性であって、特にニッケルからなることを特徴とする請求項１４または請求項１５に定義のアークスプリッタ。
前記中間層の厚さは、３μｍから２０μｍ、特に１０μｍであることを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記中間層は、ガルヴァニ電気めっきで施されることを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記複合マテリアルから作られた層は、前記強磁性マテアリアルの両側に設けられていることを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記複合マテリアルは、第３の成分を備え、これは、元素の周期率表の主グループＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶおよびＶＩＩＩとサブグループＩＩＩ〜ＶＩＩに属する元素の酸化物、炭化物、ホウ化物および窒化物のグループから選ばれた物質の一つまたは複数のものを包含することを特徴とする前記請求項のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記複合マテリアルにおける第３成分の部分は、前記複合マテリアルの３容積％から２０容積％であることを特徴とする請求項２０に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分に対する第２の成分および第３の成分の合計の容積比率は、９：９５と８５：１５の間であることを特徴とする請求項４から請求項７を除く請求項２０または請求項２１に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分に対する第２の成分および第３の成分の合計の容積比率は、３０：７０と８０：２０の間であることを特徴とする請求項４から請求項７を除く請求項２０または請求項２１に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分に対する第２の成分および第３の成分の合計の容積比率は、４０：６０と７０：３０の間であることを特徴とする請求項４から請求項７を除く請求項２０または請求項２１に定義のアークスプリッタ。
前記第１の成分に対する他の成分の合計の容積比率は、１よりも大きいものであることを特徴とする請求項４から請求項７を除く請求項２０または請求項２１に定義のアークスプリッタ。
前記第３の成分は、二酸化チタン（ＴｉＯ_２），酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化マンガン（ＭｎＯ），酸化ニオブ（ＮｂＯ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化セリウム（ＣｅＯ_２），酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３），酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ），酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３），炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ），炭化珪素（ＳｉＣ），炭化ジルコニウム（ＺｒＣ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ホウ素（ＢＮ），窒化チタン（ＴｉＮ），ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）およびホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）のグループから選ばれるもので、酸化アルミニウムと酸化マグネシウムが特に好ましいものであることを特徴とする請求項２０から請求項２５のいずれかに定義のアークスプリッタ。
前記複合マテリアルから作られた前記層がロール圧延または溶射法で施されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つによるアークスプリッタの製造方法。
前記第１の成分および／または前記第２の成分および／または前記第３の成分を粉末状で前記シートに付与し、下位の前記強磁性マテリアルにロール圧延することを特徴とする請求項１から請求項２６によるアークスプリッタの製造方法。
前記層の第２の成分のみが前記強磁性シートにロール圧延されることを特徴とする請求項２８に定義の方法。
前記層の第３の成分も、存在すれば、同様に前記強磁性シートにロール圧延されることを特徴とする請求項２９に定義の方法。
前記第２と第３の成分は、一緒になって前記シートにロール圧延されることを特徴とする請求項３０に定義の方法。
前記シートは、冷間圧延されることを特徴とする請求項２７から請求項３１のいずれか一つに定義の方法。