JP3150516B2 - 真空バルブ用接点材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電流裁断特性および電
流遮断特性を改善した真空バルブ用接点材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空中でのアーク拡散性を利用して、高
真空中で電流遮断を行わせる真空バルブの接点は、対向
する固定、可動の２つの接点から構成されている。この
真空バルブを用いて、電動機負荷などの誘導性回路の電
流を遮断する時、過度の異常サージ電圧が発生し、負荷
機器を破壊させる恐れがある。

【０００３】この異常サージ電圧の発生原因は、例え
ば、真空中における小電流遮断時に発生する裁断現象
（交流電流波形の自然ゼロ点を待たずに強制的に電流遮
断が行われる事）、あるいは高周波消弧現象などによる
ものである。裁断現象による異常サージ電圧の値Ｖｓ
は、回路のサージインピーダンスＺｏ・Ｉｃで表され
る。従って、異常サージ電圧Ｖｓを低くするためには電
流裁断値Ｉｃを小さくしなくてはならない。

【０００４】低裁断電流特性を有する接点には、主とし
て溶解法によって作られるＣｕ−Ｂｉ系の接点と、焼結
溶浸法によって作られるＡｇ−ＷＣ系接点とがある。Ａ
ｇ−ＷＣ系合金接点（米国特許第３６８３１３８）は、 （１）ＷＣの介在が電子放射を容易にさせる。 （２）電界放射電子の衝突による電極面の加熱に基づく
接点材料の蒸発を促進させる。 （３）接点材料の炭化物がアークにより分解し、荷電体
を生成してアークを接続する。 などの点で優れた低裁断電流特性を発揮し、この合金接
点を用いた真空開閉器が開発され、これが実用化されて
いる。

【０００５】また、この接点にＣｕを複合化し、Ａｇと
Ｃｕとの比率をほぼ７：３としたＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ合金
がある（特公昭６３−５９２１２）。この合金におい
て、従来にない限定をしたＡｇとＣｕとの比率を選択す
るので、安定した裁断電流特性を発揮する。

【０００６】さらに、特願昭６０−２１６６４８には、
耐弧性材料の粒界（例えば、ＷＣの粒界）を0.2 〜１μ
ｍとすることにより、低裁断電流特性の改善に有効であ
ることが示唆されている。

【０００７】Ｃｕ−Ｂｉ系合金接点（特公昭３５−１４
９７４、特公昭４１−１２１３１）では、Ｂｉの選択蒸
発により電流裁断特性を改善している。この合金のう
ち、Ｂｉを10重量％（以下、ｗｔ％という。）としたも
の（特公昭３５−１４９７４）は、その適度な蒸気圧特
性を有するので低い裁断電流特性を発揮し、またＢｉを
0.5 ｗｔ％としたもの（特公昭４１−１２１３１）は、
結晶粒界に偏析して存在する結果、合金自体を脆化して
低い溶着引き外し力を実現し、大電流遮断性に優れてい
る。

【０００８】一方、真空遮断器は本来の責務として大電
流遮断が行えなければならない。大電流遮断のために
は、接点材料表面全体にアークを点弧させ、接点材料の
単位表面積あたりの熱入力を小さくすることが重要とな
っている。その一手段として、接点材料をマウントして
いる電極部において、極間の電界と平行な方向に磁界を
発生させる縦磁界電極構造が、例えば特公昭５４−２２
８１３に開示されている。これには、このような方向に
磁界を適度に生じさせることにより、アークプラズマを
接点表面に均一に分布させることが可能となり、大電流
遮断能力が高められるとされている。

【０００９】また接点材料自体については、Ａｇ−Ｃｕ
−ＷＣ−Ｃｏ系接点材料において、ＷＣ−Ｃｏの粒子間
距離を0.3 〜３μｍ程度とすることにより、アーク陰極
点の易動度が良好となり、大電流遮断特性の向上が図れ
ることが特開平４−２０６１２１に示されている。ま
た、Ｃｏなど鉄属の補助成分の含有量を高めることによ
り、遮断性能が高められることが示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】真空遮断器には低サー
ジ性が要求され、そのためには、従来では、上述のよう
に低裁断電流特性（低チョッピング特性）が要求されて
いた。しかしながら、真空バルブは、近年、大容量電動
機等の誘導性回路に適用されることが一層増えると共
に、高サージ・インピーダンス負荷も出現したため、一
層安定した低裁断特性を持つことが望まれるのは勿論の
こと、大電流遮断特性についても兼備しなくてはならな
い。

【００１１】従来、これらの両特性を同時に満足させる
接点材料はなかった。すなわち、10ｗｔ％のＢｉとＣｕ
とを複合化した合金（特公昭３５−１４９７４）では、
開閉回数の増大と共に電極空間への金属蒸気の供給量が
減少し、低裁断電流特性の劣化が現れ、高蒸気圧元素量
に依存して耐電圧特性の劣化も指摘されている。0.5ｗ
ｔ％のＢｉとＣｕとを複合化した合金（特公昭４１−１
２１３１）では、要求される低裁断電流特性を満足する
には不十分である。このように、高蒸気圧成分の選択蒸
発のみによっては、安定した低裁断性を有することは不
可能である。

【００１２】一方、ＷＣとＡｇを複合化した合金の接点
（米国特許第３６８３１３８）、ＡｇとＣｕとの重量比
率をほぼ７：３としたＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ合金（特公昭６
３−５９２１２）、およびＷＣ等の耐弧性成分の粒径を
0.2 〜１μｍとする合金（特公平５−６１３３８）で
は、大容量遮断特性の改善に何等配慮がなされていな
い。また、このような焼結法によるＡｇ−ＷＣ系の接点
材料では、組織的なばらつきは避けられず、安定した低
裁断電流特性が得難い。

【００１３】また、大電流遮断のために、縦磁界電極に
よって磁界を発生させると、接点材料内部にこの磁界を
打ち消すような渦電流を生じさせるため、従来では接点
にスリットを入れ、渦電流をもれにくくしているが、こ
のスリットのような接点表面の特異形状部は場合によっ
てはアークの集中を招き、遮断能力を低下させてしま
う。

【００１４】接点材料のＣｏ含有量の増加により遮断性
能の向上を図った場合には、これにより低電流裁断特性
が阻害されてしまうため、やはり大電流遮断特性と低裁
断電流特性とを兼備することはできない。本発明の目的
は、優れた低裁断特性と大電流遮断特性を兼備した真空
バルブ用接点材料を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らが研究を進めた結果、高導電性材料であ
るＡｇもしくはＣｕの含有量およびこのうちのＡｇの比
率を最適化すると共に、耐弧性材料の存在形態を最適に
すれば良いことが判明した。すなわち、含有量が25〜50
容積％で、このうちのＡｇの比率［Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃ
ｕ）］が40〜１００容積％である高導電性材料と、含有
量が５０〜75容積％で、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａのうちの
いずれか１種の炭化物から成る耐弧性材料とを有し、耐
弧性材料は分散された直径30μｍ以下の長繊維状とし、
その間隙に高導電性材料を存在させると共に、この耐弧
性材料が同一方向に向いていることを特徴とするもので
ある。

【００１６】

【作用】接点材料の平均裁断電流値は、主として接点材
料の組成と表面形態で決定される。これは、裁断電流値
を支配する接点材料のイオン生成能力と熱電子放出能力
が材料組成と接点表面形態に関与しているためである。
組成的には、Ａｇ−Ｃｕ−ＷＣ系接点が最適であり、最
も低い平均裁断電流値を有する。

【００１７】しかし、裁断電流値のばらつきは、接点材
料の組織的均一性によるところがかなり大きい。このた
め、実用上最も問題となる裁断電流値の最大値は、組織
の均質性に依存する。従来、Ａｇ−Ｃｕ−ＷＣ系接点の
製造に用いられている焼結溶浸法では、このばらつきを
十分に低減する程、組織を均質にすることは難しい。

【００１８】本発明では、このような極めて高度な接点
材料組織の均質化の要求を考慮し、例えばＡｇ−Ｃｕ−
ＷＣ接点の裁断電流値のばらつきを低減して最大裁断電
流値の低減を図るべく、Ａｇ−Ｃｕマトリックス中に繊
維状耐弧材料を均質に配置した組織を形成させた。

【００１９】この耐弧成分繊維の方向を全て同一方向に
した場合、接点材料はその機械的および電気的特性に異
方性を有する。例えば、接点表面と垂直な方向にした場
合、接点表面に垂直な方向の導電率は、半径方向および
円周方向の導電率に比べて非常に大きくなる。このよう
な異方性を有すれば、通電方向における接点の導電率を
高い値に維持したまま、渦電流が流れる円周方向の導電
率を低くし、渦電流とこれによって生ずる発生磁界の低
下を抑制することができる。このことは、接点にこれま
で必要とされていた渦電流防止用スリットを不要とし、
このスリットに起因するアークの集中をも防ぐことがで
きる。

【００２０】さらに、接点組織の繊維強化により、接点
材料の靭性を増加させ、大電流遮断時の熱衝撃によるク
ラック発生を抑制し、クラックによるアークの集中も防
ぐことが可能である。

【００２１】また、この耐弧材料繊維の方向を半径方向
に垂直で表面と30〜90°をなすようにすると、接点材料
内部の電気伝導度の良い方向が螺旋方向となるため接点
自体によっても磁界を発生させることが可能となり、大
電流遮断にさらに有利となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照しつ
つ、より具体的に説明する。図１は本発明の真空バルブ
用接点材料を適用した真空バルブの断面図である。同図
において、遮断室１は、絶縁材料によりほぼ円筒状に形
成された絶縁容器２と、この両端に封止金具３ａ、３ｂ
を介して設けた金属製の蓋体４ａ、４ｂとで真空気密に
構成されている。

【００２３】遮断室１内には、導電棒５，６の対向する
端部に取付けられた一対の電極７，８が配設され、上部
の電極７を固定電極、下部の電極８を可動電極としてい
る。また、この電極８の電極棒６には、ベローズ９が取
付けられ遮断室１内を真空密に保持しながら電極８の軸
方向の移動を可能にしている。ベローズ９上部には金属
製のアークシールド10が設けられ、ベローズ９がアーク
蒸気で覆われることを防止している。また、電極７，８
を覆うように、遮断室１内に金属製のアークシールド11
が設けられ、これにより絶縁容器２がアーク蒸気で覆わ
れることを防止している。さらに、電極８は図２に拡大
して示す如く、導電棒６にろう付け部12によって固定さ
れるか又は、かしめによって圧着接続されている。接点
13ａは電極８にろう付け14によってろう付けで取付けら
れる。なお、接点13ｂは、電極７にろう付けにより取付
けられる。

【００２４】次に、本発明の真空バルブ用接点材料の実
施例データを得た評価方法、および評価条件につき述べ
る。 （１）電流裁断特性 各接点を取付けて10Ｐａ以下に排気した組立て式バルブ
を製作し、この装置を0.8 ｍ／秒の開極速度で開極させ
遅れ小電流を遮断した時の裁断電流を測定した。遮断電
流は、20Ａ（実効値）、50Ｈｚとした。開極位相はラン
ダムに行い、500 回遮断されたときの裁断電流を接点数
３個につき測定し、その最大値を表１，表２に示した。
なお、数値は、実施例５の裁断電流値の最大値を1.0 と
した場合の相対値で示した。 （２）大電流遮断特性 遮断試験をＪＥＣ規格の５号試験により行い、これによ
り遮断特性を評価した。

【００２５】次に耐弧成分がＷＣの場合を例にあげ、こ
の接点材料の製造方法の１例につき説明する。先ず、所
定の直径の耐弧成分繊維を束ね、これを高真空雰囲気ま
たは、水素雰囲気中において、所定温度、例えば1150
℃、１時間の条件にて仮焼結し、仮焼結体を得る。この
仮焼結体の残存空孔中に所定量および所定比率のＡｇ−
Ｃｕを1150℃、１時間で溶浸しＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ合金を
得る。

【００２６】なお、合金中の導電成分量の比率Ａｇ／
（Ａｇ＋Ｃｕ）の制御は、次の様にして行った。例えば
あらかじめ所定比率のＡｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）を有するイ
ンゴットを、温度1200℃、真空度1.3 ×10Ｐａで真空溶
解を行い、切断し溶浸用素材として用いる。

【００２７】表１、表２に供試接点の材料内容とその対
応する特性データを示す。Ａｇ−Ｃｕ−ＷＣ−Ｃｏ合金
中の導電成分量、すなわちＡｇ＋Ｃｕ量を25.2〜70.2 v
ol％ｗｔ％、Ａｇの導電成分中に占める割合いＡｇ／
（Ａｇ＋Ｃｕ）を０〜１００ ｖｏｌ％の範囲に変化さ
せ、また、耐弧成分繊維直径は、３〜１００ μｍの範
囲で変化させた。さらに、半径方向と垂直な方向に配向
する耐弧成分繊維が接点表面となす角度を０〜90°の範
囲で変化させた。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】以下、実施例データを詳細に検討する。 実施例−１，２および比較例−１，２ 高導電性成分の含有量を25.2〜70.2 vol％の範囲で変化
させ、高導電性成分中に占めるＡｇの割合を約69 vol
％、耐弧成分の繊維径を３μｍ、耐弧成分繊維が接点表
面となす角を90°で一定として評価を行った。高導電成
分が50 vol％以下の実施例１および２では、裁断特性、
遮断特性ともに良好であるが、高導電性成分が50 vol％
以上の比較例１および２では、裁断特性、遮断特性とも
に不良となる。これは、裁断特性が耐弧成分の含有量が
多いほど、また、遮断特性がその平均繊維間距離が小さ
いほど良好になるためである。 実施例−３，４，５および比較例−３，４ 耐弧成分繊維直径を３〜100 μｍの範囲で変化させ、高
導電成分の含有量を40vol％、高導電成分中に占めるＡ
ｇの割合を約69 vol％、耐弧成分繊維が接点表面となす
角を90°で一定として評価を行った。耐弧成分繊維直径
が30μｍ以下の実施例３，４および５では、裁断特性、
遮断特性ともに良好であるが、耐弧成分繊維直径が30μ
ｍ以上の比較例３および４では、裁断特性、遮断特性と
もに不良となる。これは、耐弧成分繊維直径が大きくな
るほど裁断特性のばらつきが大きくなり、また、平均繊
維間距離も大きくなるため遮断特性が低下するためであ
る。 実施例−６，７，８，９および比較例−５，６ 高導電成分中に占めるＡｇの割合を０〜100 vol ％の範
囲で変化させ、高導電成分の含有量を約40 vol％、耐弧
成分繊維直径を３μｍ、耐弧成分繊維が接点表面となす
角を90°で一定として評価を行った。高導電成分中のＡ
ｇの割合が40 vol％以上の実施例６，７，８および９で
は、裁断特性、遮断特性ともに良好であるが、高導電性
成分中のＡｇ含有量が40 vol％以下の比較例５および６
では、裁断特性が不良となる。これは、蒸気圧の高いＡ
ｇの含有量が大きいほど裁断特性が良くなる傾向にある
ためである。 実施例−10，11，12および比較例−７，８ 耐弧成分繊維が接点表面となす角を０〜90°の範囲で変
化させ、高導電成分の含有量を約40 vol％、高導電成分
中に占めるＡｇの割合を約69 vol％、耐弧成分繊維直径
を３μｍで一定として評価を行った。耐弧成分繊維が接
点表面となす角が30°以上の実施例10，11および12で
は、裁断特性、遮断特性ともに良好であるが、耐弧成分
繊維が接点表面となす角が30°以下の比較例７および８
では、裁断特性がやや不良となり、遮断特性は大きく低
下する。これは耐弧成分繊維が接点表面となす角が小さ
くなると接点表面に現れる耐弧成分が繊維状になるた
め、良好な遮断特性および裁断特性を得るために不可欠
な耐弧成分の分散性が損なわれるためである。 実施例−13，14，15 以上の実施例では、耐弧成分をＷＣとして示したが、こ
の他、耐弧成分として熱電子放出能力の優れるＨｆＣ、
ＴａＣ、ＺｒＣを用いても同様な効果が得られる。この
うち、最も熱電子放出能力の優れるＨｆＣを用いた実施
例−13では、最も良い裁断特性を示している。ＴａＣを
用いた実施例−14、ＺｒＣを用いた実施例−15でも、Ｗ
Ｃを用いた実施例−２よりも良好な裁断特性が得られて
いる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、含有量が
25〜50容積％で、このうちのＡｇの比率［Ａｇ／（Ａｇ
＋Ｃｕ）］が40〜100 容積％である高導電性材料と、含
有量が50〜75容積％で、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａのうちの
いずれか１種の炭化物から成る耐弧性材料とを有し、耐
弧性材料は分散された直径30μｍ以下の長繊維状とし、
その間隙に高導電性材料を存在させると共に、この耐弧
性材料が同一方向に向くようにしたので、電流裁断特性
および電流遮断特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空バルブ用接点材料を適用した真空
バルブの断面図。

【図２】［図１］の電極８の断面図。

【符号の説明】

７，８…電極、13ａ，13ｂ…接点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−288034（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−170120（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−26723（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−191222（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−191911（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01H 33/66 H01H 1/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 含有量が25〜50容積％で、このうちのＡ
   ｇの比率［Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）］が40〜100 容積％で
   ある高導電性材料と、含有量が50〜75容積％で、Ｗ、Ｚ
   ｒ、Ｈｆ、Ｔａのうちのいずれか１種の炭化物から成る
   耐弧性材料とを有し、前記耐弧性材料は分散された直径
   30μｍ以下の長繊維状とし、その間隙に前記高導電性材
   料を存在させると共に、この耐弧性材料が同一方向に向
   いていることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
2. 【請求項２】 前記耐弧性材料は、電極表面に垂直に向
   いていることを特徴とする請求項１記載の真空バルブ用
   接点材料。
3. 【請求項３】 前記耐弧性材料は、電極半径方向に垂直
   で、且つ電極表面と30〜90°の方向を向いていることを
   特徴とする請求項１記載の真空バルブ用接点材料。