JP3790055B2

JP3790055B2 - 真空バルブ用接点材料

Info

Publication number: JP3790055B2
Application number: JP34961898A
Authority: JP
Inventors: 功奥富; 敦史山本; 貴史草野; 隆宣西村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: JP2000173373A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、真空バルブ用接点材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空遮断器は、優れた遮断性能を有する反面、電流遮断時の急激な電流変化（電流裁断現象）により発生するサージが系統や負荷に及ぼす影響が問題であった。特に、モーターなどの高サージインピーダンスの負荷に用いる場合、大きなサージが発生するため、サージ保護装置を併用する場合が多かった。しかし、このようなサージ保護装置は、油を含むのが一般的で、真空遮断器の持つ環境調和及び不燃構造といった利点を阻害するものとなっていた。
【０００３】
そこで、近年電流遮断瞬時の電流の落差（裁断電流値）が小さい低サージ型真空遮断器が発明され、７．２ｋＶクラスの分野において使用されるようになってきた。
【０００４】
このような遮断器には、Ａｇ−ＷＣ−Ｃｏ、あるいは、Ａｇ／Ｃｕ−ＷＣ−ＣｏのようなＡｇを主成分とする導電性金属と高融点炭化物のＷＣとを組み合わせた接点材料が用いられている。
【０００５】
このうちＡｇ−ＷＣ−Ｃｏの電流裁断特性は非常に優れているが、導電成分の蒸気圧が高すぎるため、遮断能力は十分とはいえず、高々２０ｋＡ級の遮断器への適用のみにとどまっている。
【０００６】
また、Ａｇ／Ｃｕ−ＷＣ−Ｃｏは、Ａｇ−ＷＣ−Ｃｏに比べて幾分高い遮断特性を有するが、３１．５ｋＡ及び４０ｋＡといったさらに大きな遮断電流値の定格に適用するにはやはり遮断性能が不十分なため、非常に大きな接点を用いざるを得ない。
【０００７】
そこで、Ａｇ系導電成分に比べ蒸気圧の低いＣｕを用いたＣｕ−ＴｉＣ接点材料が開発されてきた。この接点材料では、裁断特性面で不利な蒸気圧の低いＣｕを用いながらも、熱電子放出特性の優れたＴｉＣを耐アーク成分としてＷＣの替わりに用いることで、低裁断化を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
Ｃｕ−ＴｉＣは、Ａｇ−ＷＣに比べ優れた裁断特性と遮断特性を有しているが、その裁断特性が最適な組成領域の接点材料を実現するためには解決が必要な製造上の問題がある。
【０００９】
金属炭化物接点の場合、低裁断特性は、炭化物５０〜６０ｖｏｌ％の範囲で最も良好となる。この炭化物の量は、溶浸前の炭化物スケルトンの空隙量で制御するのが一般的である。目標の空隙量を、成形圧力の調整により達成しようとした場合、非常に高い圧力を要するので、従来Ａｇ−ＷＣ−Ｃｏ接点では、ＷＣの焼結助材として有効な成分であるＣｏのスケルトンヘの添加により、１〜２ｔｏｎの比較的低い圧力で成形しても焼結時にスケルトンの空隙が低減し、所定の空隙量にすることが可能であった。
【００１０】
しかし、Ｃｕ−ＴｉＣは導電成分にＣｕを用いているため、このようなＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉといった焼結助材はＣｕの固溶により導電率を低減させてしまう。
本発明は、第１に、上記の問題に鑑みなされたものであり、最適組成のＣｕ−ＴｉＣを実現することにより、優れた裁断特性を有する接点材料を提供することを第１の目的とする。
【００１１】
本発明のもう一つの目的は、Ｃｕ−ＴｉＣ接点の遮断能力の向上である。Ｃｕ−ＴｉＣの遮断能力はＡｇ−ＷＣより優れているが、汎用の真空バルブ用接点であるＣｕ−Ｃｒにはまだ及ばない。接点材料の遮断能力は、遮断瞬時の接点表面の温度が低く、熱電子放出量や蒸気発生量が少ないほど良好である。従って、Ｃｕ−ＴｉＣの場合、ＴｉＣの量をある程度減少させた方が遮断性能は高まるが、同時に裁断特性は低下してしまう。
【００１２】
本発明は、第２に、上記に鑑みなされたもので、接点材料組織形態を最適化することにより、優れた裁断特性と同時に遮断特性を兼備させることを、第２の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の目的を達成するために、焼結助材を用いずに、スケルトンの相対密度の必要な値に到達するには、成形時に密度を高める必要がある。
そこで、本発明では、原料ＴｉＣ粉の粒度分布の調整により、この目的が達成できることを見出した。
【００１４】
すなわち、請求項１の真空バルブ用接点材料は、ＴｉＣの粒径が平均０．４〜０．９μｍで最大粒径が５μｍ以下の粒度分布を有する粉末１０〜５０ｖｏｌ％と、ＴｉＣの粒径が平均１．０〜３．０μｍで最大粒径が１０μｍ以下である粉末５０〜９０ｖｏｌ％とで成形体を形成し、この成形体にＣｕを溶浸した、５０ｖｏｌ％以下のＣｕと残部がＴｉＣからなる真空バルブ用接点材料であって、ＴｉＣにおける５〜３０ｖｏｌ％のＴｉＣ粒子の粒径が０．８μｍ以下で、残りのＴｉＣ粒子の粒径が平均０．８〜１０．０μｍであることを要旨とする。これにより、粗いＴｉＣ粉末の間に細かいＴｉＣ粉末が充填され、粉末の充填密度及び成形密度が高まるので、比較的低い圧力でスケルトンの密度が溶浸後の接点組成を最適組成とするのに適切な範囲とすることが可能となり、過大な裁断電流値の発生を抑制することが可能となる。
【００１５】
更に、被アーク面を５０ｖｏｌ％以下のＣｕと５０ｖｏｌ％以上のＴｉＣとし、接点の厚さ方向にＣｕとＴｉＣの比が変化し、被アーク面の裏側の面に向かって、Ｃｕの割合が段階的に増加させる、すなわちＴｉＣの割合を減少させるようにしても良い。これにより、過大な裁断電流値の発生を抑制すると同時に、接点内部に向かってＴｉＣの割合を減らすことにより、遮断時に発生する熱を熱伝導によって接点表面から拡散し易く、優れた大電流遮断特性を発揮させることも可能となる。
【００１６】
一方、請求項１のような真空バルブ用接点材料を得るために、請求項３の真空バルブ用接点材料の製造方法は、ＴｉＣの粒径が平均０．４〜０．９μｍで最大粒径が５μｍ以下の粒度分布を有する粉末１０〜５０ｖｏｌ％と、ＴｉＣの粒径が平均１．０〜３．０μｍで最大粒径が１０μｍ以下である粉末５０〜９０ｖｏｌ％とを混合した粉末を成形し、この成形体にＣｕを溶浸して製造することを要旨とする。これにより、粗い粉末の間に細かい粉末が充填され、粉末の充填密度及び成形密度が高まる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。
まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る真空バルブ用接点材料が適用される真空バルブの構成例を説明する。
【００２６】
１において１は遮断室であり、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、その両端に封止金属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。
【００２７】
遮断室１内には、電極棒５，６の対向する端部に取り付けられた電極７，８が配設され、図面上部の電極７は固定電極、下部の電極８は可動電極となっている。可動電極８と電極棒６との間にはベローズ９が取り付けられ、遮断室１内を真空気密に保持しながら、電極棒６を軸方向に移動可能としている。
【００２８】
ベローズ９の上部には、金属製のアークシールド１０が設けられ、アーク生成物の蒸着膜等がベローズ９に付着するのを防止している。また、遮断室１内には、固定電極７及び可動電極８を覆うように、アークシールド１１が設けられ、アーク生成物の蒸着膜等が絶縁容器２に付着するのを防止している。
【００２９】
可動電極８は、図２に示すように、電極棒６に、ろう付け層１２によりろう付けされ（あるいはかしめにより）接続されている。
電極７、８の接触部には、本発明により製造される接点材料が配設されている。図２には、第１、第２、及び第３の層１５，１６，１７からなる接点１３ｂがろう付け層１４により可動電極８にろう付けされ接続されたものが示されている。
【００３０】
次に本発明の実施形態に係る真空バルブ用接点材料及びその製造方法を図３及び図４を用いて順に説明する。
図３に、各実施例及び比較例の製造方法について示す。最大粒径１０μｍのＴｉＣと平均粒径４０μｍのＣｕとを体積比で８４対１６の混合比で混ぜ、６ｔｏｎで成形し、１１５０℃で３０分間の熱処理で成形体の空隙の１．０５倍の体積のＣｕを溶かして溶浸する製造プロセスを本実施形態の第１の基本プロセスとする。
【００３１】
この第１の基本プロセスの成形圧を変化させ、空隙率の異なる数種類のＴｉＣ−Ｃｕ混合粉末の成形体を作成し、これらを積層して成形体よりわずかに大きい径を有する型に入れ、重ねた方向に再度成形圧力を加えることにより一体化した後、Ｃｕを溶浸して表面から裏面に段階的にＴｉＣ含有量が低下する接点を製造するプロセスを第２の基本プロセスとする。
【００３２】
これらの基本プロセスの製造パラメータを変化させて、種々の接点を製造し、成形時に成形体のクラックの有無を調べ、クラック無しあるいはわずかな成形体のみＣｕを溶浸し、材料組成、ガス含有量を調べ、後述の方法に従い、遮断特性及び裁断特性を評価した。
【００３３】
図４に示す各実施例及び比較例で製造した接点材料の材料的特性及び電気的特性のデータを得た方法及び評価条件について述べる。
本発明の製造方法で製造される接点材料は、大電流遮断特性、裁断特性及び大電流通電特性の兼備を目的としているので、これらのうち大電流遮断特性、裁断特性を下記に示す電気的特性評価により行った。また、通電特性については接点材料の導電率を渦電流測定方式の導電率計により測定し評価した。
１）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、合格、不合格を図４に示した。
２）電流裁断特性：各接点を取り付けて１０-5Ｐａ以下に排気した組み立て式バルブを作成し、この装置を０．８ｍ／秒の開極速度で開極させ小電流を遮断した時の裁断電流値を測定した。遮断電流値は２０Ａ（実効値）、５０Ｈｚとした。開極位相はランダムに行い、５００回遮断したときの裁断電流値を電極数３組につき測定し、その平均値及び最大値を図４に示した。なお、数値は、実施例２の裁断電流値の平均値及び最大値を１．０としたときの相対値で示した。
【００３４】
［実施例１〜３及び比較例１〜２］
第１の基本プロセスのＣｕ配合量を６〜３０ｖｏｌ％の範囲で変化させ、６ｔｏｎで成形して、４０〜６０ｖｏｌ％のＣｕを含有する接点を作成して調べた。Ｃｕ含有量が４０ｖｏｌ％の比較例１は、成形体にクラックが幾分生じた。Ｃｕ含有量が４５〜５０ｖｏｌ％の実施例２〜３ではクラックが全く発生せず、遮断性能、裁断特性及び通電性能も良好である。しかし、Ｃｕ含有量が６０ｖｏｌ％の比較例２では、裁断特性が不十分となっている。
【００３５】
［実施例４〜５及び比較例３］
第１の基本プロセスのＴｉＣの最大粒径を５〜１５μｍの範囲で変化させて調べた。ＴｉＣの最大粒径が１５μｍの比較例３では、最大裁断電流値が著しく高いが、ＴｉＣの最大粒径が１０μｍ以下の実施例４〜５では遮断性能及び裁断特性はともに良好である。
【００３６】
［実施例６〜７及び比較例４〜５］
粒径が平均０．５μｍで最大粒径が５μｍのＴｉＣ粉末５〜６０ｖｏｌ％と、粒径が平均２．０μｍで最大粒径が１０μｍのＴｉＣ粉末４０〜９５ｖｏｌ％を配合した混合粉末を用いて、ＴｉＣ粒子の３〜３５ｖｏｌ％の粒径が０．８μｍ以下で、残りのＴｉＣ粒子の粒径が平均２．０μｍである混合粉末を作成し、この混合粉末８４ｖｏｌ％とＣｕ１６ｖｏｌ％とを混合した後溶浸後のＣｕの含有量が４５ｖｏｌ％となるように成形圧力を２〜８ｔｏｎの範囲で調整し、Ｃｕを溶浸して接点を製造し調べた。
【００３７】
粒径が０．８μｍ以下のＴｉＣの割合が３ｖｏｌ％の比較例４では、微細なＴｉｃ粒子が少ないため、平均裁断電流値が高いが、この割合が５〜３０ｖｏｌ％の実施例６〜７では平均裁断電流値が低く良好で、遮断性能も良好である。一方粒径が０．８μｍ以下のＴｉＣの割合が３５ｖｏｌ％の比較例５では、接点中のガス含有量が高く、遮断特性が不合格となっている。また粉末の成形性も悪いため成形に８ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力が必要である。
【００３８】
［実施例８〜９及び比較例６］
３つの層から成る接点を製造する第２の基本プロセスにおいて、第２層のＴｉＣ含有率を４０ｖｏｌ％、厚さを１ｍｍ、第３層のＴｉＣの含有率を３５％、厚さを１ｍｍとし、被アーク面となる厚さ１．５ｍｍの第１層のＴｉＣ含有率を４５〜６０ｖｏｌ％の間で変化させて調べた。
【００３９】
第１層のＴｉＣ含有量が５０ｖｏｌ％以上の実施例８〜９では、遮断特性、裁断特性ともに優れているが、ＴｉＣ量が５０ｖｏｌ％より少ない比較例６では、裁断特性が不十分である。
【００４０】
［実施例１０〜１１及び比較例７］
２つの層から成る接点を製造する第２の基本プロセスにおいて、第２層のＴｉＣ含有率を４０ｖｏｌ％、被アーク面となる第１層のＴｉＣ含有率を５５ｖｏｌ％（即ち、第２層のＴｉＣ含有率を、第１層のＴｉＣ含有率の２／３以下）とし、第１層と第２層の厚さの合計を２．５ｍｍとし、第１層の厚さを０．５ｍｍから１．５ｍｍの間で変化させて調べた。
【００４１】
第１層の厚さが１ｍｍ以上の実施例１０〜１１では、遮断特性、裁断特性ともに優れているが、０．５ｍｍの比較例７では、遮断特性が不十分である。これは、被アーク面からの熱の放散が不十分なため、接点の溶融、変形及びエロージョンが激しいためである。
【００４２】
［実施例１２〜１３及び比較例８］
２つの層から成る接点を製造する第２の基本プロセスにおいて、第１層のＴｉＣ含有率を５５ｖｏｌ％、厚さを１．５ｍｍとし、厚さ１ｍｍの第２層のＴｉＣの含有率を３７〜４５ｖｏｌ％の間で変化させて調べた。
【００４３】
第２層のＴｉＣ含有量が第１層の３／４（４２ｖｏｌ％）以下の実施例１２〜１３では、遮断特性、裁断特性ともに優れているが、ＴｉＣ量が第１層の３／４（４２ｖｏｌ％）より多い比較例８では、遮断特性が不十分である。
【００４４】
［実施例１４〜１５］
２つの層からなる接点を製造する基本プロセスにおいて、Ｃｕを溶浸した後ＴｉＣ含有量の少ない第２層のＴｉＣスケルトン側の成形体表面からはみだしたＣｕを用いて第３層の純Ｃｕ層を形成した接点を製造し、第１層のＴｉＣ含有率を５５ｖｏｌ％、厚さを１．５ｍｍとし、第２層のＴｉＣの含有率を４０ｖｏｌ％、厚さ１ｍｍとし、第３層を厚さ１ｍｍの純Ｃｕとした。比較のため、実施例１５として、この接点と第１、第２層の組成が同じで、第３層のＴｉＣの含有率を３５％とした接点を実施例８と同じ方法で製造した。
【００４５】
実施例１４〜１５は、遮断特性、裁断特性ともに優れているが、第３層が純Ｃｕの実施例１４の方が、第３層のＴｉＣ量が３５ｖｏｌ％の実施例１５より、遮断特性がより優れている。
【００４６】
［実施例１６］
３つの層から成る接点を製造する第２の基本プロセスにおいて、単層の実施例６及び７と同様に、粒径が平均０．５μｍで最大粒径が５μｍのＴｉＣ粉末２０ｖｏｌ％と、粒径が平均２．０μｍで最大粒径が１０μｍのＴｉＣ粉末８０％を配合した混合粉末を用いて、ＴｉＣ粒子の１２ｖｏｌ％の粒径が０．８μｍ以下で、残りのＴｉＣ粒子の粒径が平均２．０μｍである混合粉末を作成し、この混合粉末８４ｖｏｌ％とＣｕ１６ｖｏｌ％とを混合した後３ｔｏｎで成形して第１層の成形体を形成し、これに、実施例１１と同様の方法で第２層の成形体を形成し、Ｃｕを溶浸して接点を製造した。
【００４７】
各層は、第１層のＴｉＣ含有率を５５ｖｏｌ％、厚さを１．５ｍｍとし、第２層のＴｉＣの含有率を４０ｖｏｌ％、厚さ１ｍｍとし、第３層を厚さ１ｍｍの純Ｃｕとした。
第１層のＴｉＣが微細粒子を多く含んでいるため、平均裁断電流値が低く良好で、また、成形時の成形圧力が３ｔｏｎと低く抑えられている。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、優れた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が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる真空バルブ用接点材料が適用される真空バルブの一例を示す縦断面図。
【図２】本発明の実施例８に係わる真空バルブ用接点材料の構成を示す断面図。
【図３】本発明の各実施例及び比較例の製造方法及びクラックの有無を示す表図。
【図４】本発明の各実施例及び比較例の材料的特性及び電気的特性を示す表図。
【符号の説明】
１…遮断室
２…絶縁容器
３ａ，３ｂ…封止金具
４ａ，４ｂ…蓋体
５，６…導電棒
７，８…電極
９…ベローズ
１０，１１…アークシールド
１２…ろうづけ層
１３ａ，１３ｂ…接点
１４…ろうづけ層
１５…第１の層
１６…第２の層
１７…第３の層

Claims

ＴｉＣの粒径が平均０．４〜０．９μｍで最大粒径が５μｍ以下の粒度分布を有する粉末１０〜５０ｖｏｌ％と、ＴｉＣの粒径が平均１．０〜３．０μｍで最大粒径が１０μｍ以下である粉末５０〜９０ｖｏｌ％とで成形体を形成し、この成形体にＣｕを溶浸した、５０ｖｏｌ％以下のＣｕと残部がＴｉＣからなる真空バルブ用接点材料であって、前記ＴｉＣにおける５〜３０ｖｏｌ％のＴｉＣ粒子の粒径が０．８μｍ以下で、残りのＴｉＣ粒子の粒径が平均０．８〜１０．０μｍであることを特徴とする真空バルブ用接点材料。
被アーク面を５０ｖｏｌ％以下のＣｕと５０ｖｏｌ％以上のＴｉＣとし、接点の厚さ方向にＣｕとＴｉＣの比が変化し、被アーク面の裏側の面に向かって、Ｃｕの割合が段階的に増加す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。