JP2839570B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、真空バルブに係り、特に低サージ特性およ
び大電流遮断性能に優れた電極構造を有する真空バルブ
に関する。

（従来の技術） 従来、低サージ性能を考慮した真空バルブとしては、
例えば特開昭58−38425号公報に示すものが公知であ
る。この真空バルブの構造は、第４図に示すように、絶
縁円筒１の両端開口部を端板2,3で気密に封着して真空
容器４を形成し、この内部に接離自在とした一対の電極
5,6を配設して構成したもので、電極４の固定通電軸７
は端板２に固定して取付られ、電極６の可動通電軸８は
端板３にベローズ９を介して移動自在に取付られ、電極
5,6の周りを囲むアークシールド10は絶縁円筒１に取付
られ、ベローズカバー11は可動通電軸８に取付けられて
いる。

次に、電極5,6の構造を第５図，第６図を用いて説明
する。電極体14、15は、対向する接触面が銀−タングス
テンカーバイト（以下、Ag−WCと表記）焼結材からな
り、接点を兼ねたもので、この裏面に通電部16a,17aに
より電気的に接続されたコイル電極16,17が設けられて
いる。このコイル電極16,17には、固定および可動通電
軸7,8から電流が直線状の分流腕部16b,17bにより分流さ
れ、円弧状のコイル円弧部16c,17cに流れる。このコイ
ル円弧部16c,17cに流れる電流により、電極空間に軸方
向の磁界が発生する。こと軸方向の磁界いわゆる縦磁界
は、接点間に点弧したアークを一様に拡散させ、接点の
損傷を軽微にするため、平板電極やスパイラル電極、コ
ントレイト電極よりも大電流を遮断することが可能であ
った。

しかも、電極体14,15の対向する接触面が低サージ接
点材例えばAg−WC焼結材から形成され、接点を兼ねてい
るので、さい断電流を1A以下に抑制することのできる低
サージ性能を併せ有していた。

（発明が解決しようとする課題 しかしながら、Ag−WCのような低サージ接点材は、一
般的に熱伝導率が低く、かつ、タングステンカーバイト
（以下、WCと表記）の微粉末の焼結材であるため、脆
く、しかも熱衝撃に弱かった。

大電流アークが接点上に点弧し、アークが広がらず集
中すると、熱衝撃により接点に割れを生じ、遮断性能を
低下させる場合がある。アークの集中を防止するために
は、軸方向磁界を利用した電極構造が有効であるが、低
サージ接点材は、他の接点材例えばCu−Cr等に比べアー
クの広がりが悪く、遮断低能が低く、低サージ特性を有
し、かつ大電流遮断性能を併せ有する構造とはなり得な
かった。

そこで、本発明の目的は、低さい断電流特性を有して
低サージ性能に優れ、しかも大電流遮断性能にも優れた
真空バルブを提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、真空容器の内部に接離自在に対向配置した
固定電極および可動電極からなる一対の電極を備え、こ
の電極に中心から半径方向に伸びる直線状の分流腕部を
ｎ本等配し、その先端から円弧状のコイル円弧部をｎ本
等配し、等価的に1/nの電流が円周方向電流経路を得る
ようにしたコイル電極を配置し、このコイル電極を流れ
る電流により、電極空間に一様な縦磁界を発生する縦磁
界電極を有する真空バルブにおいて、電極表面に、その
外径がコイル電極のコイル円弧部の内径以上となる接点
を固着し、この接点の導電率をρ、厚さをｔとした時、 となるようにし、かつ、接点材料として、導電性成分を
AgおよびCuとし、耐弧性成分をWCとし、導電性成分の含
有量は、AgとCuとの総計量（Ag＋Cu）が25〜65重量％で
あり、AgとCuの総計量中に占めるAgの比率［Ag/（Ag＋C
u）］が40〜80重量％であり、耐弧性成分の含有量は35
〜75重量％であり、接点材料の組織は高導電性成分のマ
トリックスおよび厚さまたは幅５μｍ以下の不連続相
と、１μｍ以下の耐弧性成分の不連続粒とからなり、高
導電性成分の不連続相が、そのマトリックス中で５μｍ
以下の間隔で、微細にかつ均一に分散されている材料か
ら接点を形成したものである。

（作 用） 上記したように構成することにより、大電流遮断性能
が優れ、かつ、低さい断電流特性を有する真空バルブが
得られる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。本発明も概略構成は従来の同じであり、可動電極，
固定電極とも構成がほぼ同じであるため、以下可動電極
についてのみ説明し、固定電極の説明は省略する。

第１図は本発明の一実施例の可動電極を接点面側から
見た平面図、第２図はこの可動電極の一部を切断して示
す側面図である。

両図において、可動電極20は、可動通電軸８の端部に
一端が固着され、軸方向磁界を発生させるためのコイル
電極21と、このコイル電極21の他端に固着された電極体
22と、この電極体22に固着された接点23で構成されてい
る。

コイル電極21は、中心部21aから２本の直線状の分流
腕部21bが半径方向に伸び、その先端から円弧状のコイ
ル円弧部21cが他の分流腕部21bに接しない位置まで伸
び、このコイル円弧部21cの先端部に軸方向に一体的に
設けられた突出部21dまたは導電性の良好な通電ピンを
介して電極体22の裏面で電気的に接続されている。

電極体22は、銅からなり、表面側の中央に円形凹部が
設けられ、ここに接点23が固着されている。

接点23は、その外径をコイル電極21のコイル円弧部23
cの内径より大きく、ほぼ円弧部21cの中心径とし、その
厚さｔは、接点の導電率をρとした時、 を満足するようにし、本実施例では とした。

また、接点23の材料は、導電性成分をAgおよびCuと
し、耐弧性成分をWCとし、導電性成分の含有量はAgとCu
との総計量（Ag＋Cu）が25〜65重量％であり、AgとCuと
の総計量中に占めるAgの比率［Ag/（Ag＋Cu）］が40〜8
0重量％であり、耐弧性成分量の含有量は35〜75重量％
であり、接点材料の組織は、高導電性成分のマトリック
スおよび厚さまたは幅５μｍ以下の不連続相と、１μｍ
以下の耐弧性成分の不連続粒とからなり、高導電性成分
の不連続相が、そのマトリックス中で５μｍ以下の間隔
で、微細にかつ均一に分散されている材料（特願昭63−
205965号参照）である。

一方、コイル電極21により発生する縦磁界強度は、接
点中心部で約70ガウス/KAとした。また、電極体22には
スリット22aを設ける。

なお、接点23に用いる接点材、すなわちAg−Cu−WCの
添加材として、10重量％以下のCoを含有させることもで
きる。

次に、以上のように構成された真空バルブの電極の作
用について説明する。相間短絡や地絡事故などが発生
し、数万アンペアの大電流を遮断するため、図示しない
操作機構部により可動電極が固定電極から引き離される
と、接点23上にアークが点弧する。この場合、大電流
は、可動通電軸８から可動電極20へ流れ、電極間のアー
クを介して固定電極から固定通電軸７へと流れる（また
は逆方向に流れる）。この時、固定および可動コイル電
極のコイル円弧部に流れる電流により、電極間には軸方
向の磁界、いわゆる縦磁界が発生する。この縦磁界によ
り、アークは拡散アーク状態を維持でき、遮断性能を向
上することができる。

しかしながら、縦磁界強度が強いと、アークが集中ア
ーク状態となり、接点の局部加熱が発生し、その部分よ
り過剰な金属蒸気が発生し、遮断性能を低下させる。こ
の縦磁界強度は、コイル電極により発生する磁界によ
り、電極体や接点には渦電流が流れ、この渦電流により
縦磁界強度を低下させてしまう。また、この渦電流の影
響により、電流と磁界の位相がずれてしまう。このよう
な渦電流の影響を少なくすれば、縦磁界は有効に発生
し、遮断性能が向上する。

上述した渦電流の影響は、電極や接点の構造により変
化する。銅電極を用いた場合の電極厚さと縦磁界強度の
関係は、第３図に示すように電極の厚さが増加すると、
磁界強度が急激に低下する。これは、電極の厚さが増加
すると、渦電流が流れる経路の抵抗が小さくなり渦電流
が増加するためである。この渦電流をなくすためには、
渦電流の流れる経路の抵抗を∞にすれば可能であるが、
実際に抵抗を∞にすることはできない。したがって、渦
電流の影響を小さくすることが有効であり、渦電流の影
響により減小した磁界強度が、渦電流が無い場合に比
べ、約70％以上にする必要がある。また、渦電流の経路
の抵抗は、経路の厚さｔと経路での材料の導電率ρの影
響を受ける。第３図から、銅電極の導電率ρが100％で
磁界強度が70％となるのは、厚さが2mmである。従っ
て、 となる。厚さｔが小さくなれば、また導電率ρが小さく
なれば、 は小さくなり、性能は向上する。従って の条件を満たし、 が小さい程、渦電流の影響を小さくすることができる。

従って、本発明の接点構造によれば、第３図で電極の
無い条件の70％以上の磁界強度の条件にすることができ
る。つまり、導電性が良く、アークによる熱衝撃に強い
材料に対しては、接点厚さを薄くすることにより、磁界
を十分に発生させることができる。また導電率が低く熱
衝撃に弱い材料に対しては、導電性の良い材料に比べ厚
くしても磁界を十分に発生することができ、かつ、材料
を厚くすることにより、熱衝撃による割れを防止するこ
とができる。

このように、本発明によれば、磁界を十分に発生する
ことができるため、遮断性能を向上することができる。

このような渦電流を小さくする方法として、接点にス
リットを設ける方法がある。この方法によれば、渦電流
の流れる経路の長さが増加するため、その経路の抵抗値
が増加し、渦電流による磁界の低下を小さくすることが
できる。

しかしながら、このような方法では、特にAg−WCのよ
うなアーク広がりが遅く、熱衝撃に弱い材料では、次の
ような点により遮断性能を向上することは困難であっ
た。アークが広がる場合、平面である方が良い。しかし
ながら、スリットがあると、その部分にアークが集中す
る場合がある。この場合、スリット部への熱衝撃が大き
くなる。また、熱衝撃に対しては、スリットがあると、
そのスリットの先端部、つまり、接点の内径側の端部が
切欠き効果により強度が低下しているため、このスリッ
トの先端部より割れが生じる。このような割れが生じる
と、再にその割れ部にアークが集中し、遮断性能を低下
させてしまう。

本発明によれば、前記スリットの状態で渦電流を小さ
く制御でき、かつ、接点表面を平滑な面とすることがで
きるため、アーク集中を防止でき、遮断性能を向上させ
ることができる。

以上述べたように本発明の構成によれば、従来の接点
材料を使用した場合でも、遮断性能を向上することがで
きる。

さらに、接点材料にAg−Cu−WCを使用することによっ
て、Ag−WCに比べ、アークの広がりが向上する。このア
ークの広がりは、材料固有の現象である。このアークの
広がりが向上すると、アークの集中が抑えられ、遮断性
能が向上する。また、導電率は、Agが107に対して、Ag
−Cuでその成分比Ag:Cu≒7:3では87となる。

従って、Ag−WCに比べ、Ag−Cu−WCの方が導電率が低
くなるため、同一形状とすると、渦電流が小さくなり、
十分な磁界を発生させることができ、遮断性能を向上さ
せることができる。

また、渦電流の影響が小さい範囲内では、接点の厚さ
を増加させることができるため、熱衝撃に強くなり、割
れが防止でき、遮断性能を向上させることができる。

さらに、同程度の縦磁界強度でも接点材料により遮断
性能は異なる。接点材料には、遮断性能だけではなく、
低電流さい断特性を有することが好ましい。低さい断電
流特性を有する材料として、Ag−WCが一般的によく使用
されているが、遮断容量が十分ではなかった。このAg−
WCに比べ、Ag−Cu−WCでは、アークの広がりがよく、集
中アークになり難いため、遮断性能が向上する。また、
アークの広がりは、材料の均一性などに深く係り合って
いるため、Agの比率［Ag/（Ag＋Cu）］が40〜80重量％
とし、マトリックスを５μｍ以下の細かさにし、均一に
する必要があり、低電流さい断特性の面から（Ag＋Cu）
の量を25〜65重量％とする必要がある。

一方、軸方向の磁界強度は、磁界強度とアーク電圧の
関係はＶ字特性を示し、そのＶ字特性の最小値を示す磁
界以上の磁界を印加するのが望ましい。この最小値を示
す磁界強度は、接点材料により異なり、Ag−Cu−WCでは
約60ガウス/KAである。

従って、電極間の中心部では、60ガウス/KA以上にす
るのが良いが、本発明の構造にすれば同一のコイル電極
を使用しても渦電流による磁界の低下が小さくなるた
め、従来構造に比べ遮断性能を向上することができる。

また、上記した実施例では、電極体22を用いた場合を
示しているが、電極体を無くし、コイル電極から直接接
点に接続した構造としても、同様の効果が得られる。

さらに、接点材料にAg−Cu−WCを用いることにより、
さい断電流特性が向上する。これにより、従来に比べ低
さい断電流特性を有する真空バルブとすることができ
る。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、低サージ特性の改善がで
き、接点構成により縦磁界強度を弱める原因となる渦電
流を抑制することができ、有効な縦磁界強度を得ること
ができ、かつ、接点表面形状がアークの広がりを向上さ
せる構成があり、大電流遮断性能を有する電極構造を備
えた真空バルブを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の可動電極を右半分を切断し
て示す平面図、第２図は第１図のＡ−Ｏ−Ａ線に沿って
切断し矢印方向に見た断面図、第３図は本発明に関連す
る接点厚さと縦磁界強度の関係を示す線図、第４図は従
来の真空バルブの構成を示す断面図、第５図は従来の真
空バルブの電極構造を右半分を切断し示す平面図、第６
図は第５図のＡ−Ｏ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に見
た断面図である。 ４……真空容器 20……可動電極 21……コイル電極 21c……コイル円弧部 22……電極体 23……接点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大川 幹夫 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 (72)発明者 乙部 清文 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝府中工場内 (56)参考文献 特開 平２−54819（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−38425（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01H 33/66

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器の内部に接離自在に対向配置した
   固定電極および可動電極からなる一対の電極を備え、前
   記電極に中心から半径方向に伸びる直線状の分流腕部を
   ｎ本等配し、その先端から円弧状のコイル円弧部をｎ本
   等配し、等価的に1/nの電流が円周方向電極経路を得る
   ようにしたコイル電極を配置し、このコイル電極を流れ
   る電流により、前記電極空間に一様な軸方向の磁界を発
   生する縦磁界電極を有する真空バルブにおいて、前記電
   極表面に、その外径が前記コイル電極のコイル円弧部の
   内径以上となる接点を固着し、接点材料の導電率ρと厚
   さｔが、 を満足するようにし、かつ、接点材料として、その導電
   性成分をAgおよびCuとし、耐弧性成分をWCとし、導電性
   成分の含有量は、AgとCuとの総計量Ag＋Cuが25〜65重量
   ％であり、AgとCuとの総計量中に占めるAgの比率［Ag/
   （Ag＋Cu）］が40〜80重量％であり、耐弧性成分量の含
   有量は35〜75重量％であり、該接点材料の組織は、高導
   電性成分のマトリックスおよび厚さまたは幅５μｍ以下
   の不連続相と、１μｍ以下の耐弧性成分の不連続粒とか
   らなり、高導電性成分の該不連続相が、該マトリックス
   中で５μｍ以下の間隔で、微細にかつ均一に分散されて
   いる材料から接点が形成されていることを特徴とする真
   空バルブ。
2. 【請求項２】コイル電極による軸方向の磁界強度が、電
   極中心部で60ガウス/KA以上であることを特徴とする第
   １項記載の真空バルブ。
3. 【請求項３】接点とコイル電極との間に電極を配置し、
   電極にはコイル電極の直線状の分流腕部の本数ｎの整数
   倍のスリットを放射状に等配したことを特徴とする第１
   項および第２項記載の真空バルブ。