JP2010061935A - 電気接点とその製造方法および電力開閉器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐アーク成分として適正な耐火性金属を用い、Ｃｕマトリックスとの界面の制御により、溶着引離し力を低減するための低強度と、通電・遮断性能を確保するための高密度とを両立し、開閉器等の大幅な小型化を可能にする電気接点を提供する。
【解決手段】耐火性金属であるＣ，Ｍｏ，またはＷのうちの一種の粉末と、高導電性金属Ｃｕの粉末とを混合後、加圧して相対密度６５％以上の成形体とし、この成形体をＣｕの融点以下の温度に加熱して焼結することにより、耐火性金属の含有量Ｖ（体積％）が、その原子量をＭとするとき、式（１）及び（２）から求められる範囲にあり、かつ、任意断面における前記耐火性金属と高導電性金属の界面は、その長さの７０％以上が物理的に乖離している電気接点を得る。
Ｖ＝Ｍ×ｃ／９５．９４ ・・・・・・（１）
８≦ｃ≦３２ ・・・・・・・・・・・（２）
【選択図】図１

Description

本発明は、真空中および気中雰囲気において電流を通電・遮断する電気接点に関する。

電力受配電系統の保護機器である各種遮断器や開閉器には、小型化、低価格化、高性能化などが求められており、機器の簡素化が必要となる。そのため、電流を通電・遮断するための電気接点は、ジュール熱によって電気接点同士が溶着した際の引離し力が小さいことが望ましく、これにより電気接点の開閉動作を行う操作機構部を小型化することができる。また、電気接点は真空中のみならず、大気などの気中においても支障なく通電・遮断できることが望ましい。これにより真空容器などが不要となり、構造が簡素化できるとともに、雰囲気異常による機能低下などの不具合を防止できる。

一方で、電気接点は良好な通電性能を備える必要があるため、金属材料からなる従来の電気接点は、溶融プロセスを用いて緻密化し、高融点金属微粒子の分散などにより引離し力の低減を図ってきた。

従来、電力開閉機器に用いられてきた電気接点は、耐アーク成分であるＣｒと良導体のＣｕとを組み合わせたＣｒ−Ｃｕを主成分系とし、その製法は、たとえば、特許文献１，２に開示されているような、高密度化が容易な溶融・含浸プロセスが主流であった。

特開平１０−２４１５１２号公報 特開２０００−１７３４１５号公報

この電気接点は、緻密かつ高強度であるがゆえに、接点同士を突き合わせたときの接触抵抗が大きく、ジュール熱による溶融・溶着が生じた際の引離しに要する力が大きく、操作機構部が大型となっていた。引離し力低減の手段として、硬質で高融点の金属微粒子を分散させるなどの改善が図られてきたが、通電性能の低下や、それに伴うジュール熱増大などの不具合を誘発し、根本的な対策となっていなかった。

本発明の目的は、耐アーク成分として適正な耐火性金属を用い、溶着引離し力を低減する低強度と、通電・遮断性能を確保する高密度とを両立し、開閉器等の小型化を可能にする電気接点を提供することにある。

本発明による電気接点は、その一面において、耐火性金属と高導電性金属と不可避の不純物からなり、耐火性金属の含有量Ｖ（体積％）は、その原子量をＭとするとき、式（１）及び（２）から求められる範囲にあるとともに、前記耐火性金属と高導電性金属との界面長さの７０％以上が物理的に乖離した断面組織を有することを特徴とする。

Ｖ＝Ｍ×ｃ／９５．９４ ・・・・・・（１）
８≦ｃ≦３２ ・・・・・・・・・・・（２）
本発明による電気接点は、他の一面において、耐火性金属がＣ，Ｍｏ，またはＷのいずれか１種であり、高導電性金属がＣｕであり、耐火性金属の粒径が１０〜１０４μｍの範囲にあることを特徴とする。

本発明の電気接点は、さらに他の一面において、耐火性金属と高導電性金属との界面長さの７０％以上が物理的に乖離した断面組織を有するとともに、気孔率が０．２〜５体積％の範囲にあることを特徴とする。

本発明の電気接点の製造方法は、その一面において、耐火性金属の粉末と高導電性金属の粉末とを混合後、加圧して相対密度６５％以上の成形体とし、この成形体を高導電性金属の融点以下の温度に加熱して焼結することを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、耐アーク成分として適正な耐火性金属を用い、溶着引離し力を低減する低強度と、通電・遮断性能を確保する高密度とを両立し、開閉器等の小型化を可能にする電気接点を提供することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

本発明者らは、電気接点材料の高密度化と低強度化の両立には、耐火性金属粒子とＣｕマトリックスの界面に物理的乖離を生じさせることが有効で、このような組織が得られる耐火性金属とその含有量を見出した。ここで、電気接点に用いられる耐火性金属成分とは、一般的に融点が約１８００℃以上のものである。

この知見を基に、耐火性金属と高導電性金属と不可避の不純物からなり、耐火性金属の含有量Ｖ（体積％）を、その原子量をＭとするとき、次の式（１）及び（２）から求められる範囲とした。この範囲の量にある耐火性金属を含むことにより、良好な通電・遮断性能と耐溶着性を両立することができる。耐火性金属の含有量がこの範囲より少ないと、耐火性金属粒子と高導電性金属マトリックスとの界面乖離による低強度化効果が十分でなく、この範囲より多いと、緻密化不十分や電気抵抗増大などによって耐溶着性や通電性能が低下する。

Ｖ＝Ｍ×ｃ／９５．９４ ・・・・・・（１）
８≦ｃ≦３２ ・・・・・・・・・・・（２）
本発明の実施形態における電気接点に用いる耐火性金属は、Ｃ，Ｍｏ，またはＷのいずれか１種とし、高導電性金属はＣｕとすることで、上記の効果を十分に得ることができる。これは、耐火性金属のうち、特に、Ｃ，Ｍｏ，またはＷは、いずれもＣｕとの反応や固溶がなく、界面乖離が比較的容易に生ずるためである。また、用いる耐火性金属の粒径は、１０〜１０４μｍの範囲にあることが望ましい。耐火性金属と高導電性金属マトリックスの界面には、両者の熱膨張差に起因する残留応力が生ずる。しかし、耐火性金属の粒径がこの範囲より小さいと、残留応力が小さく両者の乖離は十分でなく、この範囲より大きいと耐火性金属の分散が不均一になり、接点の電気的性能が不安定になる。

本発明の実施形態における電気接点の断面組織は、任意断面における耐火性金属と高導電性金属との界面長さの７０％以上が物理的に乖離し、それに伴い、接点材料の気孔率は０．２〜５体積％の範囲にあるものである。このような組織を有することにより、前述の高密度と低強度の両立を図ることができる。

本発明の電気接点の望ましい製造方法においては、耐火性金属の粉末と高導電性金属の粉末とを混合後、加圧して相対密度６５％以上の成形体とし、この成形体を高導電性金属の融点以下の温度に加熱して焼結する。この方法により、耐火性金属と高導電性金属が均一に混合した組織が得られ、かつ、両者の界面に空隙を形成した乖離状態を得ることができ、溶着後の引離し力を大幅に低減することが可能となる。この界面における空隙は、焼結過程における冷却時に耐火性金属と高導電性金属との熱膨張差から生ずる収縮差によるものと考えられる。すなわち、上記の耐火性金属に比べて高導電性金属の熱膨張率が大きいため、冷却時には高導電性金属が大きく収縮し、界面近傍の高導電性金属マトリックスには引張応力が生ずる。この状態で断面観察のために切断すると、応力が開放されて界面で乖離し、空隙が形成される。引張応力を印加した場合も同様に、破断により高導電性金属マトリックスの応力が開放され、クラックが乖離した界面を進展し、空隙となる。このように、焼結過程において界面近傍の高導電性金属マトリックスに引張残留応力を生じさせることが有効で、そのための焼結過程における冷却速度は６〜３５℃／分とすることが望ましい。なお、この方法では、電気接点の最終形状を有する金型を用いることにより、ニアネット形状の成形体を得ることが可能で、焼結後の機械加工が不要となり、低コストで製造できる。

本発明の実施例による電力開閉器は、上記の電気接点を向かい合わせに突き合わせて一対として用い、電流を通電および遮断する機能を有するものである。これにより、優れた遮断性能や通電性能を有し、電気接点同士が溶着した際の引離し力が小さく、操作機構部を小型化することができ、小型で低価格の電力開閉機器が得られる。

表１に示す組成の電気接点材料を作製し、簡易的な性能評価試験を行った。電気接点材料の製造方法は次の通りである。まず、表１に示す粒径のＣ粉末またはＭｏ粉末またはＷ粉末と、６０μｍ以下のＣｕ粉末とを、表１の組成となるような配合比でＶ型混合器により混合した。次に、この混合粉末を、円盤形状の金型に充填し、油圧プレスにより２９４ＭＰａの圧力で加圧成形した。成形体の密度は、およそ７２％であった。これを約１０^−２Ｐａの真空中で、１０６０℃×２時間加熱した後、約１３℃／分で冷却して電気接点材料を作製した。なお、性能評価上の基準とするため、Ｃｕ粉末のみを用いた接点材料も同様の方法で作製した。得られた接点材料の気孔率は、水中アルキメデス法により測定した。

得られた接点材料から直径２０×厚さ２０ｍｍの電気接点を機械加工により採取し、気中（大気中）における性能評価試験を行った。試験には、接触・開離操作のできる対抗した一対の通電ロッドを有する簡易的装置を用い、採取した電気接点は通電ロッド先端にろう付けして評価に供した。この評価試験により、投入電圧×投入電流５０（ｋＶ・ｋＡ）を通電後、接点同士を引離すのに要する力（引離し力）を測定し、さらに、１２５０Ａの電流遮断の可否を検証した。また、渦電流式導電率測定器を用いて導電率（通電性）を求めた。これらの評価結果を、表１に併せて示す。

表１において、導電率と引離し力は、Ｃｕのみからなる電気接点（Ｎｏ．１０）を基準とした相対値で示した。

本発明の実験例に関わるＮｏ．１〜Ｎｏ．９の電気接点は、いずれも導電率が０．６５以上で良好な通電性能を維持できており、また、引離し力は０．７５以下で十分な低減効果が見られる。さらに、いずれも１２５０Ａの電流遮断が可能であった。なお、気孔率は０．２〜５．０体積％の範囲である。

これに対し、比較材を見ると、Ｃの含有量が本発明の範囲より少ないＮｏ．１１では引離し力の低減効果が不十分で、本発明の範囲よりも多いＮｏ．１２では電流遮断性能が劣る。Ｍｏの含有量が本発明の範囲より少ないＮｏ．１３では引離し力の低減効果が不十分で、本発明の範囲よりも多いＮｏ．１４では導電率（通電性）が不足する。Ｗの含有量が本発明の範囲より少ないＮｏ．１５では引離し力の低減効果が不十分で、本発明の範囲よりも多いＮｏ．１６では導電率の低下が著しく、遮断性能も劣る。また、Ｍｏの粒径が本発明の範囲よりも小さいＮｏ．１７では導電率が不足し、本発明の範囲よりも大きいＮｏ．１８では引離し力の低減効果が不十分である。Ｎｏ．１１では気孔率が本発明の範囲よりも小さいことから、ＣとＣｕの乖離が不十分なために引離し力が大きくなったものと思われ、Ｎｏ．１６では気孔率が本発明の範囲よりも大きく、導電率が著しく低下したことにより遮断性能が不十分となったものと考えられる。

本発明の実験例に関わるＮｏ．１〜Ｎｏ．９の電気接点の断面組織を、走査電子顕微鏡により観察した。

図１は、本発明の一実施例による電気接点の一例として、表１のＮｏ．５の電気接点断面の電子顕微鏡像である。このように、本発明の実施例による電気接点においては、耐火性金属粒子とＣｕマトリックスとの界面に、幅１μｍ弱の空隙が存在し、両者が物理的に乖離していた。また、界面に対する空隙の割合は、電子顕微鏡像から測定した結果、いずれの電気接点においても７０〜９０％の範囲にあった。本実施例に関わる電気接点は、この空隙により引離し力の低減がなされたものである。

このように、本実施例に関わる電気接点は、気中における接点として優れた性能を有することが確認され、約１０^−１Ｐａの真空チャンバー内での評価試験においても同様の傾向が得られた。

実施例１で得た電気接点材料を用いて、電力開閉機器用の電極を作製した。

図２は本発明の実施例２により作製した電極の構造を示す断面図である。図２において、１は電気接点、２はアークに駆動力を与えるためのスリット溝、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、前記の電気接点１、補強板３、電極棒４それぞれの間にろう材５を載置した。これを８．２×１０^−４Ｐａ以下の真空中で９７０℃×１０分間加熱し、図２に示す電極を作製した。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。この電極は、開閉機器の気中遮断部にろう付けなどの冶金的方法によって一体に接合することにより、気中接点として用いることができる。なお、４４は中央孔である。

このような複雑形状の電気接点１を作製する場合、最終形状を形作ることのできる金型に混合粉末を充填し、焼結する方法によっても電気接点１を得ることができ、この方法では機械加工などの後加工が不要であるため、容易に製作が可能である。

実施例２で作製した電極を用いて、真空容器の中に一対の電極を向かい合わせて設けた真空バルブを作製した。

図３は、本発明の実施例３により作製した真空バルブの構造を示す図である。図３において、１ａおよび１ｂは、それぞれ固定側電気接点および可動側電気接点である。３ａ，３ｂは補強板、４ａおよび４ｂはそれぞれ固定側電極棒および可動側電極棒で、これらをもってそれぞれ固定側電極６ａおよび可動側電極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できる。

このように、実施例１で作製した電気接点を図３に示す電気接点１ａおよび１ｂに用いて、真空バルブを作製した。

実施例３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、本発明の実施例４によって作製した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、リセットばね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。

本発明の実施例１に関わる電気接点材料の組織の一例を示す電子顕微鏡像。 本発明の実施例２により作製した電極の構造を示す断面図。 本発明の実施例３により作製した真空バルブの構造図。 本発明の実施例４によって作製した真空遮断器の構成図。

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…スリット溝、３，３ａ，３ｂ…補強板、４，４ａ，４ｂ…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…リセットばね、３０…投入コイル、３１…排気筒、４４…中央孔。

Claims (7)

1. 耐火性金属と高導電性金属と不可避の不純物からなり、前記耐火性金属の含有量Ｖ（体積％）は、その原子量をＭとするとき、式（１）及び（２）から求められる範囲にあり、かつ、任意断面における前記耐火性金属と高導電性金属の界面は、その長さの７０％以上が物理的に乖離していることを特徴とする電気接点。
   Ｖ＝Ｍ×ｃ／９５．９４ ・・・・・・（１）
   ８≦ｃ≦３２ ・・・・・・・・・・・（２）
2. 前記耐火性金属は、Ｃ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種であり、前記高導電性金属はＣｕであることを特徴とする請求項１に記載の電気接点。
3. 前記耐火性金属の粒径は、１０〜１０４μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の電気接点。
4. 気孔率が０．２〜５体積％の範囲にある請求項１〜３のいずれかに記載の電気接点。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電気接点の一対と、この一対の電気接点を接離する機構とを備えた電力開閉器。
6. 耐火性金属の粉末と高導電性金属の粉末とを混合し、混合後に加圧して相対密度６５％以上の成形体とし、この成形体を高導電性金属の融点以下の温度に加熱して焼結することを特徴とする電気接点の製造方法。
7. 前記耐火性金属の粉末は、粒径１０〜２２μｍのＣ，粒径４５〜７５μｍのＭｏ，または粒径４５〜１０４μｍのＷの粉末であることを特徴とする請求項６に記載の電気接点の製造方法。

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