JP3039552B2

JP3039552B2 - 真空インタラプタの電極材料及びその製造方法

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Publication number: JP3039552B2
Application number: JP63269341A
Authority: JP
Inventors: 佳行柏木
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 2000-05-08
Anticipated expiration: 2015-05-08
Also published as: JPH02117027A

Description

【発明の詳細な説明】 A. 産業上の利用分野本発明は、電流さい断値や接触抵抗値を長期間に亙っ
て低く保つことが可能な真空インタラプタの電極材料及
びその製造方法に関する。

B. 発明の概要骨格金属の粉末上に導電金属と軟化金属との合金を載
置し、これらを加熱して骨格金属の空隙部分に導電金属
及び軟化金属を溶浸させたのち、急冷して骨格金属と導
電金属との界面に軟化金属を析出させた真空インタラプ
タの電極材料であり、耐電圧特性や電流しゃ断性能を損
なうことなく電流さい断値や接触抵抗値を長期間に亙っ
て低い値に保持できるようにしたものである。

C. 従来の技術真空しゃ断器は他の型式のしゃ断器と比較すると、小
形で消弧性能も優れているため、閉鎖配電盤を収納する
キュービクル中に多段に積み重ねられた状態で使用され
ることが多くなって来ている。このようにキュービクル
の実装密度が高くなると、キュービクル内の温度上昇を
無視できなくなるが、この温度上昇の原因となる最大の
ものは、真空しゃ段器の主要部の一つである真空インタ
ラプタの電極の接触抵抗である。従って、接触抵抗の小
さな電極が組込まれた真空インタラプタを使用すること
が、キュービクル内の温度上昇を抑える上で有効であ
る。

ところで、真空インタラプタの電極材料として要求さ
れる主な性能としては、（１）電流しゃ断性能が高いこと（２）電流さい断値が低いこと等を挙げることができる。

しかし、電極材料の電流しゃ断性能を高くすることと
電流さい断値を低くすることとは、互いに矛盾する物理
的特性に起因するため、単一の電極材料で上述した全て
の特性を満たすことは難しく、真空インタラプタの仕様
に最も適合した電極材料を選択しているのが現状であ
る。

例えば、特公昭41−12131号公報等に開示された銅ビ
スマス合金は、銅（Cu）に蒸気圧の高い低融点のビスマ
ス（Bi）を0.5重量％添加したものであり、耐溶着性や
電流しゃ断性能が良好であることは周知の通りである。
又、特公昭54−36121号公報等に開示されたタングステ
ン銅焼結金属は、蒸気圧の低い高融点のタングステン
（Ｗ）に銅を20重量％添加したものであり、電流さい断
値が低い利点を有する。

D. 発明が解決しようとする課題銅ビスマス合金でビスマスを0.5重量％含むものは電
流しゃ断性能が良好である反面、電流さい断値が例えば
10Aと高く、電流しゃ断値にさい断サージを発生するこ
とがある。このため、遅れ小電流を良好にしゃ断するこ
とが困難であり、負荷側の電気機器の絶縁破壊を引き起
こす虞がある。

又、タングステン銅焼結金属は、電流さい断値が低い
半面、電流しゃ断性能が悪く、短絡電流の如き大電流を
しゃ断することができない。

特に、上述した銅ビスマス合金はその金属組織のＸ線
マイクロアナライザによる二次電子像を表す第10図、こ
の試料における銅の分布状態のＸ線像を表す第11図及び
ビスマスの分布状態のＸ線像を表す第12図に示すよう
に、ビスマスは銅にほとんど固溶しないことから、銅の
結晶粒が大きくなってビスマスは銅の結晶粒間に析出し
た状態となる。このため、真空インタラプタの電極を頻
繁に開閉操作した場合、電極表面にビスマスが安定供給
されず、電流さい断値が不安定となってしまう。しか
も、真空インタラプタを製造する過程において真空イン
タラプタ内を真空排気する場合、加熱操作によりビスマ
スが電極表面に球状に溶融析出し、電極材料の耐溶着性
が悪化すると共に接触抵抗値の増大を招来する虞があっ
た。なお、第11図及び第12図で白い部分が各金属元素の
存在箇所である。

E. 課題を解決するための手段本発明による真空インタラプタの電極材料は、スケル
トンを構成する骨格金属と、この骨格金属のスケルトン
内に充填され且つ当該骨格金属よりも低融点の導電金属
と、この導電金属と共に前記スケルトン内に充填され且
つ前記骨格金属と前記導電金属との界面に分散すると共
に該導電金属よりも低融点の軟化金属とからなるもので
ある。

なお、骨格金属としてはクロム（Cr）やコバルト（C
o），ニッケル（Ni），鉄（Fe），モリブデン（Mo），
タングステン（Ｗ），チタン（Ti），ニオブ（Nb），タ
ンタル（Ta）の他、クロムの化合物，モリブデンの化合
物，タングステンの化合物，ステンレス鋼等の少なくと
も一種類が該当する。又、導電金属としてはこれらの骨
格金属よりも融点の低い銀（Ag）や銅（Cu）等の導電率
の優れた金属の少なくとも一種類が該当する。更に、軟
化金属としてはこれら導電金属よりも更に融点の低いビ
スマス（Bi）や鉛（Pb），テルル（Te），アンチモン
（Sb）等の少なくとも一種類が該当する。この軟化金属
は、電極材料の硬度を下げて接触抵抗値を下げる目的で
使用しているため、１重量％未満ではその機能が充分に
発揮されず、逆に20重量％を越えると電極材料自体の強
度が低下して耐久性が無くなる。このため、軟化金属の
割合は１から20重量％の範囲に収めることが望ましい。

一方、本発明による真空インタラプタの電極材料の製
造方法は、骨格金属の粉末上にこの骨格金属よりも低融
点の導電金属と該導電金属よりも低融点の軟化金属との
合金を載置し、これらを前記軟化金属の蒸気を含む非酸
化性雰囲気にて前記合金の融点以上に加熱保持し、前記
導電金属及び前記軟化金属を前記骨格金属の空隙部分に
溶浸させたのち、急冷することを特徴とするものであ
る。

F. 作用加熱により、まず骨格金属の粉末が相互に拡散結合し
て多孔質化し、これによって形成されるスケルトンの空
隙部分に導電金属及び軟化金属が溶浸して行く。溶浸後
の急冷操作により、軟化金属は導電金属の結晶粒間にで
はなく、骨格金属と導電金属との界面に析出するため、
軟化金属の分布状態は全体として微細に分散することと
なる。

G. 実施例真空インタラプタは、その概略構造の一例を表す第９
図に示すようなものであり、相互に一直線状をなす一対
のリード棒11,12の対向端面には、それぞれ電極13,14が
一体的に設けてある。これら電極13,14を囲む筒状のシ
ールド15の外周中央部は、このシールド15を囲む一対の
絶縁筒16,17の間に挾まれた状態で保持されている。一
方の前記リード棒11は一方の絶縁筒16の一端に接合され
た金属端板18を気密に貫通した状態で、この金属端板18
に一体的に固定されている。図示しない駆動装置に連結
される他方のリード棒12は、他方の絶縁筒17の他端に気
密に接合された他方の金属端板19にベローズ20を介して
連結され、駆動装置の作動に伴って電極13,14の対向方
向に往復動可能に可動側の電極14が固定側の電極13に対
して開閉動作するようになっている。

本実施例の電極13,14は、骨格金属であるクロム（C
r）と、導電金属である銅（Cu）と、これら骨格金属と
導電金属との界面に分散する軟化金属であるビスマス
（Bi）とからなる複合金属で構成される。

この電極材料の製造法の一例を以下に記すと、まず−
100メッシュの粒度のクロムの粉末を内径68mmのアルミ
ナセラミックス製の容器に約160g入れると共に該クロム
の粉末の上に銅ビスマス合金を約400g載置した状態で容
器に蓋を被せ、これらを真空炉内にて脱ガスしつつ第７
図に示す如き加熱処理を施し、まずクロム粒子を拡散結
合させ、多孔質の溶浸母材を得る。しかるのち、この溶
浸母材の空隙部分に銅及びびすますを溶浸させるが、こ
の際、容器内はビスマス蒸気を多量に含んだ雰囲気とな
る。そして、得られる電極材料を容器から出して所定の
寸法形状に機械加工する。

なお、溶浸後の冷却操作は毎分10度から20度程度の降
温速度で少なくとも800℃程度まで続けることが望まし
く、これによってビスマスをクロムと銅との界面に効果
的に分散状態で析出させることができる。

このようにして Cr:38重量％ Bi:12重量％ Cu:残りからなる電極材料を第一試料として作成し、その金属組
織の状態をＸ線マイクロアナライザにて調べた。金属組
織の二次電子像は第１図に示す通りであり、この試料に
おける銅の分布状態を表すＸ線像が第２図、クロムの分
布状態を表すＸ線像が第３図、ビスマスの分布状態を表
すＸ線像が第４図にそれぞれ示されている。第２図〜第
４図で白い部分が各金属元素の存在箇所であり、クロム
からなる多孔質の溶浸母材の空隙部分に銅及びビスマス
が溶浸漬すると共にビスマスがクロムと銅との界面、つ
まり第１図からも明らかなように、クロム粒子の周囲に
微細に分散析出していることが判る。

以上の第一試料の他に、 Cr:35重量％ Bi:15重量％ Cu:残りからなる第二試料及び Cr:32重量％ Bi:18重量％ Cu:残りからなる第三試料を用意し、それぞれ直径50mmで厚さが
6.5mmの円盤状に加工すると共にその外周縁に4mmの曲率
半径の丸味を付けたものを第９図に示す真空インタラプ
タの電極13,14として組込み、耐溶着性及び電流しゃ断
性能及び電流さい断値を調べた。

接触抵抗に関しては、200V,120Aで真空インタラプタ
を負荷開閉し、この時の加圧力を150kgfとした場合の百
回後，千回後，一万回後，十万回後の接触抵抗値をそれ
ぞれ求めた結果、第５図に示すように十万回後でも初期
値とほとんど変わらず、15μΩ程度の低い値に収まっ
た。なお、は第一試料，が第二試料，が第三試料の各接触抵抗値の推移を表す。又、比較とし
て銅にクロムを50重量％添加した銅クロム合金の場合をで示した。

また、電流しゃ断性能に関しては、7.2kVの電圧条件
にて第一試料では26kA（r.m.s.）の電流をしゃ断でき、
第二試料では24kA（r.m.s.）の電流をしゃ断でき、第三
試料では22kA（r.m.s.）の電流をしゃ断することができ
た。

一方、電流さい断値に関しては、200V,120Aで真空イ
ンタラプタを負荷開閉し、百回後，千回後，一万回後，
十万回後の電流さい断値をそれぞれ求めた結果、第６図
に示すように十万回後でも1A以下に収まる好結果が得ら
れた。なお、この第６図に示す○印，△印，×印はそれ
ぞれ50回測定の平均値を表しており、が第一試料，が第二試料，が第三試料の各電流さい断値の推移を示す。

ここで、銅が20重量％未満の場合には、導電率が低下
して発熱量が多くなり、逆に銅が70重量％を越えると、
耐溶着性の低下や電流さい断値の増大をもたらす。又、
クロムが２重量％未満の場合やビスマスが１重量％未満
の場合には、電流さい断値がそれぞれ増大することとな
る。更に、クロムが75重量％を越える場合には、電流し
ゃ断性能が低下してしまう。一方、ビスマスが20重量％
を越えると電極及び真空インタラプタとしての耐久性が
急激に低下する。従って、銅は20から70重量％の範囲、
クロムは２から75重量％の範囲、ビスマスは１から20重
量％の範囲であることが望ましい。

次に、骨格金属としてクロム，コバルト（Co），モリ
ブデン（Mo）、導電金属として銅、軟化金属としてビス
マス，鉛（Pb）を採用した場合の一実施例について記
す。まず−100メッシュの粒度のクロム及びコバルト及
びモリブデンの粉末を機械的に混合し、この混合粉末を
アルミナセラミックス製の容器に所定量装入すると共に
該混合粉末上に銅ビスマス鉛合金の塊を載置した状態で
容器に蓋を被せ、これらを真空炉内にて脱ガスしつつ加
熱処理し、まずクロム粒子とコバルト粒子とモリブデン
粒子とを拡散結合させ、多孔質の溶浸母材を得る。しか
るのち、この溶浸母材の空隙部分に銅及びビスマス及び
鉛を溶浸させ、得られる電極材料を容器から出して所定
の寸法形状に機械加工する。

このようにして Cr:35重量％ Co: 1重量％ Mo:25重量％ Bi:15重量％ Pb: 4重量％ Cu:残りからなる電極材料を第四試料として作成し、この第四試
料の他に、 Cr:25重量％ Co: 5重量％ Mo:10重量％ Bi:12重量％ Pb:10重量％ Cu:残りからなる第五試料及び Cr:30重量％ Co: 3重量％ Mo: 5重量％ Bi:15重量％ Pb: 6重量％ Cu:残りからなる第六試料を用意し、それぞれ直径50mmで厚さが
6.5mmの円盤状に加工すると共にその外周縁に4mmの曲率
半径の丸味を付けたものを第９図に示す真空インタラプ
タの電極13,14として組込み、耐溶着性及び電流しゃ断
性能及び電流さい断値を調べた。

耐溶着性に関しては、可動側の電極13を固定側の電極
14に対して130kgfで加圧し、この状態で25kA（r.m.s.）
の電流を３秒間通過した後、200kgfの静的な引張り力を
電極13に加えた所、三つの試料とも電極14から電極13を
問題なく引き離すことができた。又、その後の接触抵抗
の増加は三つの試料とも20％以内に収まった。

また、電流しゃ断性能に関しては、7.2kVの電圧条件
にて第一試料では20kA（r.m.s.）の電流をしゃ断でき、
第二試料では22kA（r.m.s.）の電流をしゃ断でき、第三
試料では25kA（r.m.s.）の電流をしゃ断することができ
た。

一方、電流さい断値に関しては、200V,120Aで真空イ
ンタラプタを負荷開閉し、百回後，千回後，一万回後，
十万回後の電流さい断値をそれぞれ求めた結果、第８図
に示すように十万回後でも1A以下に収まる好結果が得ら
れた。なお、この第１図に示す○印，△印，×印はそれ
ぞれ50回測定の平均値を表しており、が第四試料，が第五試料，が第六試料の各電流さい断値の推移を示す。又、接触抵
抗値に関しては先の実施例のものとほぼ同じ値に収まる
ことを確認した。

ここで、銅が20重量％未満の場合には、導電率が低下
して発熱量が多くなり、逆に銅が70重量％を越えると、
耐溶着性の低下や電流さい断値の増大をもたらす。クロ
ムが２重量％未満の場合やモリブデンが２重量％未満の
場合或いはビスマスが１重量％未満の場合には、電流さ
い断値がそれぞれ増大することとなる。更に、クロムが
75重量％を越えたり、モリブデンが75重量％を越える場
合には、電流しゃ断性能がそれぞれ低下してしまう。一
方、ビスマスが20重量％を越えたり、鉛が10重量％を越
えると電極及び真空インタラプタとしての耐久性が急激
に低下し、逆に鉛が0.5重量％未満の場合には、鉛を使
用したことによる電極材料としての物理的，電気的特性
を長期に亙って安定化させる機能が充分に発揮されなく
なる。又、コバルトが10重量％を越える場合には、銅と
の反応が進んで導電率の低下をもたらし、逆にコバルト
が0.1重量％未満の場合には、耐電圧特性が低下する。

H. 発明の効果本発明の真空インタラプタの電極材料及びその製造方
法によると、骨格金属の粉末に導電金属及び軟化金属を
溶浸させ、これらを急冷して骨格金属と導電金属との界
面に軟化金属を分散析出させたため、十万回の開閉後で
も電流さい断値を1A以下並びに接触抵抗を15μΩ程度の
低い値にそれぞれ保つことのできる真空インタラプタを
提供できる。

又、多数回の開閉操作後でも接触抵抗値が低く安定し
ているため、開閉のための操作装置を小形化できると共
に発熱が少ないことと相俟ってキュービクルを小形化で
きる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による真空インタラプタの電極材料の一
実施例において、Ｘ線マイクロアナライザによる金属組
織の二次電子像を表す顕微鏡写真、第２図はその銅の分
布状態を表す顕微鏡写真、第３図はクロムの分布状態を
表す顕微鏡写真、第４図はビスマスの分布状態を表す顕
微鏡写真、第５図は本発明を真空インタラプタに応用し
た場合の銅クロム合金及び本実施例の接触抵抗値を比較
したグラフ、第６図は本発明を真空インタラプタに応用
した場合の電流さい断値の特性を表すグラフ、第７図は
本実施例による熱処理操作の過程を表すグラフ、第８図
は第二の実施例における電流さい断値の特性を表すグラ
フ、第９図はその真空インタラプタの一例を表す断面
図、第10図はＸ線マイクロアナライザによる従来の銅ビ
スマス合金の金属組織の二次電子像を表す顕微鏡写真、
第11図はその銅の分布状態を表す顕微鏡写真、第12図は
ビスマスの分布状態を表す顕微鏡写真である。図中の符号で11,12はリード棒、13,14は電極である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】スケルトンを構成する骨格金属と、この骨
格金属のスケルトン内に充填され且つ当該骨格金属より
も低融点の導電金属と、この導電金属と共に前記スケル
トン内に充填され且つ前記骨格金属と前記導電金属との
界面に分散すると共に該導電金属よりも低融点の軟化金
属とからなる真空インタラプタの電極材料。
【請求項２】骨格金属の粉末上にこの骨格金属よりも低
融点の導電金属と該導電金属よりも低融点の軟化金属と
の合金を載置し、これらを前記軟化金属の蒸気を含む非
酸化性雰囲気にて前記合金の融点以上に加熱保持し、前
記導電金属及び前記軟化金属を前記骨格金属の空隙部分
に溶浸させたのち、前記低融点の軟化金属を前記骨格金
属と前記導電金属との界面に分散析出させるべく急冷す
ることを特徴とする真空インタラプタの電極材料の製造
方法。