JP2009283313A - 真空バルブ用接合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】真空バルブに用いられるステンレス部品や銅部品を強固に接合できる接合材料を得る。
【解決手段】真空バルブを構成するステンレス部品、銅部品、真空絶縁容器をろう材１７で接合する真空バルブ用接合材料において、ろう材１７は、ステンレス部品と同種材料のステンレス板１５と、銅部品と同種材料の銅板１６とを並べて配置し、境界上に載置して溶融、凝固させたとき、互いの板１５、１６上での濡れ広がり面積が同様となることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、アークシールドやベローズなどのステンレス部品や電極、通電軸などの銅部品をろう付けする真空バルブ用接合材料に関する。

従来、真空バルブのステンレス部品の接合材料には、１〜１０重量％Ｓｎ、２．５〜１０重量％、残部がＡｇからなるろう材や、１〜１０重量％Ｓｎ、２．５〜１０重量％、６重量％以下のＭｎ、残部がＡｇからなるろう材による技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、第１と第２との接合相を備え、第１の接合相が９０重量％以上のＡｇと１０重量％以下のＣｕとからなるろう材、第２の接合相が８重量％以下のＡｇと５〜３５重量％のＣｕと残部がＮｉまたはＳｎからなるろう材による接合技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−３６１４７８号公報 （第３ページ、図１） 特開２００５−２０９５７８号公報 （第４ページ、図１）

上記の従来の真空バルブ用接合材料においては、次のような問題がある。真空バルブは多頻度開閉化や大容量化などが進み、ベローズなどのステンレス部品や通電軸などの銅部品の接合においても、これに耐え得るものにする必要がでてきた。即ち、多頻度開閉化に伴う繰り返し衝撃や大容量化に伴う応力の増大に耐え得るものにしなくてはならない。

真空バルブの機能を充分に発揮させるためには、電極開閉時の機械的、熱的衝撃により、ろう付け部が剥離や分離を起こさないようにしなくてはならない。剥離や分離が起きると、接合部分が位置ずれを起こしたり、気密性が維持できなくなったりし、耐電圧特性や遮断特性などを低下させる。

このため、多頻度開閉化や大容量化されても、これに耐え得るような接合材料が望まれていた。ここでは、接合材料のろう材が溶融、凝固すると、材料配合比により様々な様相を示すので、その溶融、凝固した状態と接合強度との相関性を求めたものである。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、ステンレス部品や銅部品を強固に接合し得る真空バルブ用接合材料を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の真空バルブ用接合材料は、真空バルブを構成する部品をろう材で接合する真空バルブ用接合材料において、前記ろう材は、ステンレス部品と同種材料のステンレス板と、銅部品と同種材料の銅板とを並べて配置し、境界上に載置して溶融、凝固させたとき、互いの板上での濡れ広がり面積が同様となることを特徴とする。

本発明によれば、並べて配置したステンレス板と銅板との境界上で接合材料を溶融、凝固させると、互いの板上での濡れ広がり性が同様になるような接合材料を用いているので、真空バルブに用いられるステンレス部品、銅部品などを強固に接合することができ、多頻度開閉化や大容量化に適するものにすることができる。

真空バルブ用接合材料は、Ｃｕ、Ａｇの少なくとも一方を主成分とするろう材であり、ステンレス板と銅板とを並べて配置し、境界上で溶融、凝固させると異種金属であるのにも係らず同様な濡れ広がり性を示すものである。以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例に係る真空バルブ用接合材料を図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る真空バルブの構成を示す断面図、図２は、本発明の実施例に係る真空バルブの一方の接点構成を示す断面図、図３は、本発明の実施例に係る接合材料を溶融、凝固させたときの広がり状態を説明する図である。

先ず、真空バルブ用接合材料が用いられる真空バルブを説明する。図１に示すように、筒状の真空絶縁容器１の両端開口面には、固定側封着金具２と可動側封着金具３とがろう付けにより封着されている。固定側封着金具２には、固定側通電軸４が貫通固定され、端部に固定側電極５および固定側接点６が固着されている。固定側接点６に対向して、接離自在の可動側接点７が可動側電極８に固着されている。可動側電極８は、可動側封着金具３の中央開口部を移動自在に貫通する可動側通電軸９端部に固着されている。また、可動側通電軸９と可動側封着金具３の中央開口部間には、伸縮自在のベローズ１０がろう付けにより封着されている。

これにより、真空絶縁容器１内の真空を保ちながら、可動側通電軸９を軸方向に移動させることができるようになっている。また、接点６、７間を包囲するような筒状のアークシールド１１の外周には、環状のサポート１２がろう付けされ、真空絶縁容器１の内面に突出した突出部に固定されている。

固定側接点６は、図２に示すように、固定側電極５とろう付け部１３で固着されている。固定側電極５と固定側通電軸４は、ろう付け部１４によって固着されるか、かしめによって圧着接続されている。可動側も同様の構成である。

ここで、アークシールド１１、サポート１２、ベローズ１０、封着金具２、３がステンレスまたはステンレスを含んだ合金からなり、これらがステンレス部品となる。また、通電軸４、９、電極５、８、接点６、７が銅部品となる。

次に、このような真空バルブの組立方法を説明する。真空バルブは、接点６、７と電極５、８、アークシールド１１とサポート１２などを部分組立てする工程と、部分組立てした部品を組み合わせて真空絶縁容器１と封着金具２、３とを封着する全体封着工程で製造される。部分組立てする工程と全体封着工程は、溶融温度の異なるろう材を用いて２段階ろう付けで製造する場合と、これらの工程を同時にろう付けで製造する場合とがある。ここでは、部分組立てする工程と全体封着工程とを同時に行った。

次に、接合材料の評価方法を図３を参照して説明する。ステンレス部品と同種のステンレス板１５と銅部品と同種の銅板１６とを並べて配置し、境界上にろう材１７を載置（ａ）する。ろう材１７を所定の温度で溶解（ｂ）させ、そして冷却し凝固（ｃ）させたときの、ろう材１７の濡れ広がり性を求めた。即ち、ステンレス板１５側の濡れ広がり面積をＳＦとし、銅板１６側の濡れ広がり面積をＳＣとし、面積比ＳＦ／ＳＣを算出した。

更に、同一条件のろう材１７を用いて真空バルブを試作し、１０００回の開閉試験後の内部をＸ線で観察した。接合性を３段階に分けて評価するとともに、耐電圧特性を求めた。耐電圧特性は、供試した真空バルブに課せられる所定耐電圧値を１．０として相対値で示した。

以下、ろう材１７の成分や熱処理条件などを変化させたときの結果を、表１を参照して説明する。

（比較例１、２、実施例１〜３）
比較例１では、ろう材１７として貴金属元素であるＰｄを１０重量％含有したＢＰｄ−２（Ａｇ−３１．５Ｃｕ−１０Ｐｄ、各元素の前の数値はｍａｓｓ％を表しており、以下、ｍａｓｓ％を省略する）を使用し、９００℃の真空中で熱処理した。並べて配置した互いにメッキなしのステンレス板１５と銅板１６のろう材１７は、ステンレス板１５上では広がりが小さく、銅板１６上では広がりが大きく、面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．４５であった。真空バルブでの評価では、開閉試験においてステンレス部品である互いにメッキなしのアークシールド１１／サポート１２の接合個所で、アークシールド１１が脱落していた。

ここで、ろう材１７の濡れ広がり性はステンレス板１５と銅板１６とで測定しておき、このろう材１７を用いてステンレス相互のアークシールド１１とサポート１２とを接合し評価するものである。以下、ろう材の濡れ広がり性と真空バルブの評価は同様である。

比較例２では、ろう材１７としてＡｇ−２８Ｃｕ（共晶銀ろう）を使用し、９００℃の真空中で熱処理した。ろう材１７の広がりは、面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．２８であり、真空バルブ製造直後にアークシールド１１が脱落した。

実施例１〜３では、ろう材１７としてＣｕ−１０Ａｇ、Ｃｕ−２５Ａｇ、Ｃｕ−５０Ａｇをそれぞれ使用し、９００℃の真空中で熱処理した。ステンレス板１５上と銅板１６上でのろう材１７の広がりは、それぞれ面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．７７、０．６５、０．５２であった。真空バルブでの評価では、アークシールド１１が強固に接合され、接合性はいずれも良好であり、耐電圧特性は所定の耐電圧値の１．１倍であった。

以上のように、接合したアークシールド１１をサポート１２から脱落させないためには、ろう材１７の濡れ広がり面積がステンレス板１５上と銅板１６上で同様になるものを用いるとよい。後述する条件を含め、面積比を０．５≦ＳＦ／ＳＣ≦１．１とすれば、アークシールド１１を強固に接合することができる。これらは、ろう材１７溶融時の粘性、凝固時の収縮率、下地の表面粗さなどに大きく影響され、実施例１〜３の成分はステンレス部品の接合に適するものである。一般的に濡れ広がり性は銅よりもステンレスが悪く、ステンレスの濡れ広がりを大きくすれば接合性のよいものにすることができる。ここでは、面積比が０．５≦ＳＦ／ＳＣ≦１．１の範囲にあるものをステンレス板１５と銅板１６とで同様の濡れ広がり性を示すと称する。

（実施例４〜６）
実施例４ではろう材１７としてＣｕ−１５Ｓｎ、実施例５ではろう材１７としてＡｇ−２０Ｓｎ、実施例６ではろう材１７としてＡｇ−２８Ｃｕ−１Ｎｉをそれぞれ使用し、９００℃の真空中で熱処理した。ステンレス板１５上と銅板１６上でのろう材１７の広がりは、それぞれ面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．９１、０．８８、１．０６であった。真空バルブでの評価では、アークシールド１１が強固に接合され、接合性はいずれも良好であり、耐電圧特性は所定の耐電圧値の１．１倍であった。

実施例４〜６では添加元素としてＳｎとＮｉについて述べたが、ＩｎやＴｉを加えた４種類の元素を１種類以上添加しても同様の効果を得ることができる。添加元素の合計量が２０重量％以下ならば、ろう材１７自体の強度低下を抑えることができる。

（実施例７〜９）
実施例７〜９では、熱処理を水素雰囲気、アルゴン雰囲気、窒素雰囲気の不活性雰囲気中で実施した。ろう材１７は、Ａｇ−２８Ｃｕ−１Ｓｎ−１Ｎｉを使用した。ろう材１７の広がりは、面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．９３〜０．５１であり、接合性と耐電圧特性とも良好であった。また、外観に金属光沢があり良好であった。

（比較例３、４、実施例１０〜１２）
比較例３ではろう材１７としてＡｇ−２８Ｃｕ−１Ｓｎ−１Ｎｉを使用し、９５５℃の真空中で熱処理した。実施例１０〜１２ではろう材１７としてＡｇ−２８Ｃｕ−１Ｉｎ−１Ｎｉを使用し、９５０℃〜７００℃の真空中で熱処理した。比較例４ではろう材１７としてＡｇ−２８Ｃｕ−１Ｉｎ−１Ｎｉを使用し、６８０℃の真空中で熱処理した。ろう材１７の広がりは、実施例１０〜１２で面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．８３〜０．６２であり、接合性と耐電圧特性とも良好であった。

比較例３では、真空バルブ内の銀系部品の表面が一部溶融した痕跡が観察され、製品には適さないと判断し、評価は行わなかった。この原因としては、熱処理温度が９５５℃であり純銀の溶融温度に近いためと推測できる（設定値が９５５℃でも過昇温により真温がそれ以上になったり、銀系部品への不純物の混入による溶融温度の低下の複合的要因）。また、比較例４では熱処理温度が低く、ろう材１７の広がりは面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．４７であり、開閉試験中にアークシールド１１が脱落していた。原因としては、ろう材１７が充分に溶融しなかったことが考えられる。

（実施例１３〜１６）
比較例１〜４、実施例１〜１２では、ステンレス部品相互の接合について説明したが、銅部品などとの接合についても検討した。

実施例１３〜１６では、ろう材１７としてＡｇ−２８Ｃｕ−１Ｔｉ−１Ｎｉを使用し、９００℃の真空中で熱処理した。実施例１３のステンレス部品のベローズ１０と銅部品の可動側通電軸９では、面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．５２であり、接合性と耐電圧特性とも良好な結果であった。また、実施例１４のステンレス部品のベローズ１０とステンレス合金（Ｆｅ−Ｎｉ合金）の可動側封着金具３でも、面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．６４であり、接合性と耐電圧特性とも良好な結果であった。また、実施例１５の固定側封着金具２と固定側通電軸４でも、面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．５３であり、接合性と耐電圧特性とも良好な結果であった。また、実施例１６の固定側封着金具２と真空絶縁容器１でも、面積比ＳＦ／ＳＣ＝０．６１であり、接合性と耐電圧特性とも良好な結果であった。真空絶縁容器１では、接合部にＭｏ−ＭｎメタライズとＮｉメッキを施している。

上記実施例の真空バルブ用接合材料によれば、並べて配置したステンレス板１５と銅板１６との境界上でろう材１７を溶融、凝固させたとき、互いの板１５、１６上での濡れ広がり性が同様なものを用いているので、真空バルブに用いられるアークシールド１１やサポート１２などのステンレス部品、通電軸４、９などの銅部品、更には真空絶縁容器１などを強固に接合することができ、多頻度開閉化や大容量化に適するものにすることができる。

本発明の実施例に係る真空バルブの構成を示す断面図。 本発明の実施例に係る真空バルブの一方の接点構成を示す断面図。 本発明の実施例に係る接合材料を溶融、凝固させたときの広がり状態を説明する図。

符号の説明

１ 真空絶縁容器
２ 固定側封着金具
３ 可動側封着金具
４ 固定側通電軸
５ 固定側電極
６ 固定側接点
７ 可動側接点
８ 可動側電極
９ 可動側通電軸
１０ ベローズ
１１ アークシールド
１２ サポート
１３、１４ ろう付け部
１５ ステンレス板
１６ 銅板
１７ ろう材

Claims (8)

1. 真空バルブを構成する部品をろう材で接合する真空バルブ用接合材料において、
   前記ろう材は、ステンレス部品と同種材料のステンレス板と、銅部品と同種材料の銅板とを並べて配置し、境界上に載置して溶融、凝固させたとき、互いの板上での濡れ広がり面積が同様となることを特徴とする真空バルブ用接合材料。
2. 前記ろう材は、Ｃｕ、Ａｇの少なくとも一方を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ用接合材料。
3. 前記ろう材は、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｔｉのうち少なくとも１種類を含有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空バルブ用接合材料。
4. 前記ろう材を不活性雰囲気中で溶解、凝固させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブ用接合材料。
5. 前記ろう材を純銀の溶融温度以下で溶融させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブ用接合材料。
6. 前記ろう材を前記ステンレス部品相互の接合に用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブ用接合材料。
7. 前記ろう材を前記ステンレス部品と前記銅部品との接合に用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブ用接合材料。
8. 前記ろう材を封着金具と真空絶縁容器との接合に用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブ用接合材料。

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