JP4330421B2 - 金属体とセラミックスとの接合構造及びこれを用いた真空開閉器 - Google Patents

Description

本発明は、真空開閉器に係り、特に、真空容器に収納された通電接触子を絶縁するためのセラミック絶縁子と金属部材との接合構造に関する。

図６には従来技術における真空開閉器の一般的な内部構造の断面を示す、図７には従来技術における真空開閉器のセラミックスと金属との接合断面を示し、図８には従来技術のセラミックスと金属との接合構造における応力分布を示す。

図６に示すように、真空スイッチは、真空容器１内に固定電極２と可動電極３が相対向して配置された主回路開閉部が複数対収納され、可動電極３がフレキシブル導体６により互いに連結され、固定電極２が固定電極ロッド５と固定電極ベース１０を通って負荷側導体１１に接続される。また、真空容器１の外に設けた操作機構の駆動力によって、駆動ロッド７、セラミック絶縁子８及び可動電極ロッド４を介して、銅あるいは銅合金の可動電極３を上下移動させて、絶縁雰囲気にある銅あるいは銅合金の固定電極２との接離を実現する。

上述した真空開閉器においては、可動電極３及び固定電極２等の電気接触子と、駆動ロッド７及び真空容器１等の他の金属（例えば、ＳＵＳ）と、の間にセラミックス（例えば、アルミナＡｌ_２Ｏ_３）の絶縁子８及び絶縁子９が設けられている。セラミックスと電気接触子またはセラミックスと金属製容器との連結部では、セラミックスと金属との接合構造が一般に採用されている。

金属とセラミックスとではその熱膨張差が大きいため、接合構造における接合温度から室温に戻った際には、接合界面に高い残留応力が生じる。従来、熱膨張率の異なる部材を突合わせて接合する方法としては、両者の界面に両部材より熱膨張率の低い中間層を設けて接合する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この特許文献１においては、セラミックスと金属との接合構造として両者の界面にＷ材またはＭｏ材を介在させて接合する方法が開示されている。

ところで、引用文献１による方法では、界面中心部の残留応力が相当程度に緩和できるが、冷却と共に金属の収縮により接合界面端部で、特に、セラミックの方に高い引張り応力が加わり、外部負荷も加わって、界面部あるいは界面部近傍のセラミックスに割れが生じ得るという課題がある。

そこで、このような課題を解決する手段として、図７に示すような残留応力の緩和できるセラミックスと金属との接合構造が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。引用文献２によると、セラミック部材Ａと金属部材Ｂを、中間部材Ｃを介して突き合せて接合するセラミックスと金属との接合構造において、中間部材Ｃは、その降伏応力がセラミック及び金属部材の降伏応力より小さく、且つ中間部材の外周面にセラミック材側に向けて外径が大きくなるようなテーパを有する構造が開示されている。これによると、熱膨張差によって生じる引張り応力が接合界面端に加わっても中間部材の塑性変形により界面間の残留応力を緩和し、界面の接合強度を向上することができる。
実開昭５９−１６０５３３号公報 特開平６−４８８５３号公報

しかしながら、上記の特許文献２に示す中間部材の塑性変形を利用して残留応力を緩和する方法では、薄い中間部材の塑性変形量が限られているため、残留応力が高い大直径の接合部材には残留応力の緩和効果が弱くなり、接合体のもつ本来の強度が十分発揮し得ないという課題がある。

異種材料界面での応力特異性を原因として、冷却と共に金属の収縮により生じた残留応力は接合止端部で最大残留応力を示す。例えば、図８に示したように、接合体における表面の最大主応力は、接合止端部近傍のセラミック側に生じ、高い応力を有する範囲が広くなる（直径が大きくなっても最大応力値はそれほど変わらない）。なお、図８において、銅とアルミナとを銀ろうで接合した断面円形の接合構造体を示し、円形の接合面の外縁部（止端部と称する）における最大主応力を縦軸に示している。残留応力低減の観点からも、金属とセラミックスとの接合面は円形形状をなしている（本発明においても適用される構造である）。

一般的に、セラミックスの破壊は部材の表面と内部に潜在する欠陥を起点とする。高応力を有する範囲が広いほど、その範囲内に含まれた潜在欠陥が多くなり、破壊確率が高くなる。従って、セラミックスと金属との接合体の信頼性を強化するには、接合止端部（接合面の外縁部）の残留応力を低減させることが最も効果的であると云える。

本発明の目的は、電力機器の真空開閉器に使われているセラミックスと金属との接合構造において、接合構造の具体的改良又は応力緩和効果を果たす中間部材の採用によって、接合部の残留応力を確実に低減させ、接合構造の強度を高め、強度信頼性の高い真空開閉器を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
真空容器と、前記真空容器内に収納された複数の可動電極と固定電極が相対向する複数の電極対と、前記可動電極に繋がる可動電極ロッドと、前記固定電極を固定する固定電極ロッドと、前記複数の可動電極ロッドを互いに連結するフレキシブル導体と、前記可動電極ロッドを駆動する駆動ロッドと、を備えた真空開閉器において、
前記駆動ロッドと前記可動電極ロッドとの間に介在する第１のセラミック体と、前記真空容器と前記固定電極ロッドとの間に介在する第２のセラミック体と、を有し、
前記第１のセラミック体と、前記駆動ロッド及び前記可動電極ロッドからなる金属ロッドと、の接合構造が、前記金属ロッドの外径が前記セラミック体の外径より０．２ｍｍ以上小さく、前記金属ロッドと前記セラミック体とをろう材で接合する構成とする。

また、真空容器と、前記真空容器内に収納された複数の可動電極と固定電極が相対向する複数の電極対と、前記可動電極に繋がる可動電極ロッドと、前記固定電極を固定する固定電極ロッドと、前記複数の可動電極ロッドを互いに連結するフレキシブル導体と、前記可動電極ロッドを駆動する駆動ロッドと、を備えた真空開閉器において、
前記駆動ロッドと前記可動電極ロッドとの間に介在する第１のセラミック体と、前記真空容器と前記固定電極ロッドとの間に介在する第２のセラミック体と、を有し、
前記第２のセラミック体と前記固定電極ベースとの接合構造が、前記固定電極ベースの縮みによる前記第２のセラミック体の応力を緩和する応力緩和用複合部材を前記第２のセラミック体と前記固定電極ベースとの間に介在させて接合する構成とする。

また、前記真空開閉器において、前記応力緩和用複合部材は、前記第２のセラミック体の外径より大きい外径を有する円盤状中心部材と、前記中心部材の外周側に嵌合される外環部材と、から構成され、
前記外環部材の内径は、前記固定電極ロッドの外径より小さい構成とする。

また、真空容器と、前記真空容器内に収納された複数の可動電極と固定電極が相対向する複数の電極対と、前記可動電極に繋がる可動電極ロッドと、前記固定電極を固定する固定電極ロッドと、前記複数の可動電極ロッドを互いに連結するフレキシブル導体と、前記可動電極ロッドを駆動する駆動ロッドと、前記真空容器と前記固定電極ロッドとの間に介在するセラミック体と、を備えた真空開閉器における、前記セラミック体の応力を緩和する応力緩和用複合部材であって、
前記応力緩和用複合部材は、前記セラミック体の外径より大きい外径を有する円盤状中心部材と、前記中心部材の外周側に嵌合される外環部材と、から構成され、
前記外環部材の内径は、前記固定電極ロッドの外径より小さい構成とする。

このような構成を採用することによって、真空開閉器に使われているセラミックスと金属との接合構造において、接合部の残留応力を確実に低減させて接合構造の強度を高めることができる。

本発明によれば、残留応力を確実に低減でき、信頼性の高いセラミックスと金属との接合構造を実現できることが可能となり、この接合構造を適用した真空遮断器の信頼性を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る真空開閉器について、図１〜図５を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第１と第２の構成例を示す断面図である。図２は本実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第１の構成例を示す詳細断面図であり、図３は本実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第２の構成例を示す詳細断面図である。図４は本実施形態に関する接合構造とその接合構造での最大主応力特性を、従来技術と比較して、表す図である。図５は本実施形態の第２の構成例でる応力緩和用複合部材の製造方法を説明する図である。

図面において、１は真空容器、２は固定電極、３は可動電極、４，１４は可動電極ロッド、５は固定電極ロッド、６はフレキシブル導体、７は開閉器駆動ロッド、８，９，１２，２１はセラミック材、１０は固定電極ベース、１１は負荷側導体、１３，１９は応力緩和用複合部材、１５は溝、１６は接合面、１７，２０，３０はろう材、１８は突出部、２１，２６は応力緩和用複合部材の中心部材、２２，２５は応力緩和用複合部材の外環部材、２３は真空炉、２４は試料台、２７はガイド、２８はカーボンシート、２９は角部、をそれぞれ表す。

まず、本発明の実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第１の構成例を図１と図２を参照しながら説明する。図１における可動電極ロッド４と駆動ロッド７とを結合するセラミック絶縁子１２の詳細構造は図２に示す。図２に示すように、ＳＵＳ製の駆動ロッド７と銅製の可動電極ロッド１４とは、アルミナ製のセラミック絶縁子１２によって、機械的に連結し且つ電気的に非連結である。例として、ＳＵＳ製の駆動ロッド７とこれより熱膨張係数の小さいアルミナ製のセラミック絶縁子１２との接合方法を説明する。本来の構造からして、駆動ロッド７の外径Ｄ１はセラミック絶縁子１２の外径Ｄ２より大きいが、本実施形態の第１の構成例では、駆動ロッド７の接合面の外径Ｄ３をセラミック絶縁子１２の外径Ｄ２より０．２ｍｍ以上小さくしている。このため、駆動ロッド７の接合端部に深さ１ｍｍ以上の溝１５を作成し、この溝の内側の接合面１６をろう材（一例として、銀ろう材）１７を介して加熱により接合した。

さらに、ろう付け作業を容易に進行するために、中空部を有する筒形状のアルミナ絶縁子１２に向けて駆動ロッド７の接合端面に突出部１８を備え、この突出部をアルミナ絶縁子１２の内孔（中空部）に挿入して位置決めし易い接合構造としている。

また、アルミナ絶縁子１２と銅製の可動電極ロッド１４との接合方法についても、アルミナの熱膨張率に比べてＳＵＳ製駆動ロッド７と銅製可動電極ロッド１４のそれぞれの熱膨張率は殆ど同じであるので、駆動ロッド７とアルミナの接合構造及び接合方法と同じで良い。

敷衍して説明すると、図２に示すような本実施形態に関する第１の構成例においては、金属ロッドとセラミック筒状体との接合面で、金属ロッド側の外径をセラミック筒状体の外径より０．２ｍｍ以上小さく作成し、セラミック筒状体と突合せてその突合せ部をろう材を介して接合する構成であり、更に、金属ロッドに突出部を設けてセラミック筒状体の内孔に嵌合する構成である。

このような第１の構成例による作用乃至効果を図４を参照しながら説明する。図４の（１）は、金属ロッドとアルミナ絶縁子における残留応力の分布を示しており、より白い図示分布が高い応力範囲を示し、より黒い図示分布が低い応力範囲を示している。また、接合面の外縁部（図４では止端部と称している）の詳細拡大構造を円形内に示している。そして、図４の（１）の左側図は、金属ロッドとアルミナ絶縁子の径が等しい場合の残留応力分布であり、右側図は、本構成例のように金属ロッドをアルミナ絶縁子に比べてその径を若干小とした場合の残留応力分布の実験結果を示している。図４の（１）をみると、より白い部分の高い応力範囲は、特にアルミナ絶縁子において小さくなっており低い応力範囲が拡大していることが解る。

また、図４の（２）は、金属ロッドとアルミナ絶縁子における３つの接合構造における最大主応力特性を示している。これによると、金属ロッド（図４の実験ではＣｕを材料としている）をアルミナ絶縁子の外径よりも若干小さくすることによってアルミナ絶縁子に加わる応力が小さくなっていることが解る。図示するように、アルミナ絶縁子における接合面近傍でもやや離れた箇所でも第１の構成例における残留応力は、他の２つの構造例に比べて格段に小さい。

図４に示す実験結果から、金属ロッドの接合面の外径をセラミック筒状体の外径より微小に小さくすることにより、最大応力並びに高応力を示す範囲は双方ともに著しく小さくできることが解る。実験結果によると、図２に示すＤ３の径をＤ２の径よりも０．２ｍｍ小さくすると、最大応力並びに高応力範囲が急激に小さくなった。その原因としては、冷却過程に金属の縮みにより生じた引張り応力は、セラミック絶縁子側でその応力を受ける体積が著しく増加するために、その引っ張り応力が分散されたことに因ると考えられる。図４の（１）の左側図をみると、金属ロッドの縮みが、同径のアルミナ絶縁子に直に加わることになるので、最大応力並びに高応力範囲が広く分布してアルミナ絶縁子の破壊に繋がり得る。

次に、本発明の実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第２の構成例を図１と図３を参照しながら説明する。図１における固定電極ベース１０とアルミナ絶縁子９との接合における詳細な寸法関係を図３に示す。図３に示すような第２の構成例によると、銅製の固定電極ベース１０とアルミナ製のセラミック筒状体９と応力緩和用複合部材１９から構成される。銅製の固定電極ベース１０とアルミナ製のセラミック筒状体９の接合部には予め作成した応力緩和用複合部材１９を設け、応力緩和用複合部材１９の両接合面にろう材２０を介し加熱により接合している。

応力緩和用複合材１９は、接合相手のセラミック筒状体９と同様の材質（一例として、アルミナ）を中心部材２１とし、その外周側に銅製の外環部材２２を嵌合したものである。そして、中心部材２１の外径Ｄ５は、固定電極ベース１０の外径Ｄ４より小さく、且つセラミック筒状体９の外径Ｄ６より大きくなるように構成されている。

敷衍して説明すると、図３に示すような本実施形態に関する第２の構成例においては、熱膨張率の小さい中心部材を熱膨張率の大きい外環部材の内孔に嵌合し形成した円盤状複合部材を応力緩和用部材として、金属体とセラミック体の間に介在させてこれらを接合したものである。

第２の構成例においては、セラミック絶縁子がこれと同様またはより小さい熱膨張率の中心部材（例えば、アルミナ、Ｗ、Ｍｏ）に接合されているため、接合界面の両側の熱膨張率差が小さくなり、セラミック絶縁子における高い熱残留応力の発生を抑止することができる。そのため、接合面のはく離やセラミック絶縁子の割れを効果的に防止することができる。

そして、応力緩和用複合部材では、中心部材と外環部材がろう付けにより接合されている上に中心部材の熱膨張率が外環部材の熱膨張率より小さいことにより生じた焼嵌め（やきばめ）効果を加え、十分な接合界面強度が得られる。また、冷却過程にける固定電極ベースの縮みによって、固定電極ベースに接合している外環部材２２（例えば、Ｃｕ）には引っ張り応力が生じるが金属体であるので破壊するおそれは少なく（金属は伸び特性を有しているから）、更に、中心部材には圧縮応力が生じるがアルミナなどからなる中心部材は、引っ張り応力には割れが発生しやすいが圧縮応力には強いので、割れるおそれはないのである。なお、応力緩和用複合部材をセラミック絶縁子及び固定電極ベースに接合させる方法として、ろう付け接合に代えて、はんだ付け接合、拡散接合、摩擦圧接接合又はガラス接合でも良い（前述した第１の構成例における接合も同様）。

次に、本実施形態の関する第２の構成例である応力緩和用複合部材の製造方法について図５を参照しながら説明する。真空炉２３において、試料台２４の上に外環部材２５、中心部材２６、重り２６およびシリンダーガイド２７を図５に示すように設置する。熱処理後の取外し作業を容易にするため、外環部材２５とガイド２７及び重り２６などの間にカーボンシート２８を介して組み合わせる。筒形状の外環部材２５の端部の内側に斜めにかど２９を形成し、中心部材２６とかど２９の隙間に適量のろう材３０を充填する。

室温では、外環部材２５の内径ｄ１を中心部材２６の外径ｄ２より小さく（ｄ１＜ｄ２）作成しており、中心部材２６を落下させない。高温では、熱膨張率の大きい外環部材（例えば、Ｃｕ）２５が熱膨張率の小さい中心部材（例えば、アルミナ）２６より大きく膨張して、ｄ２＜ｄ１となり、重り３１により中心部材２６が外環部材２５の中心孔に落下する。それと同時に、溶けたろう材３０が外環部材の内壁面に沿って下方へ流れ、外環部材２５と中心部材２６間の隙間に充填する。

室温に戻ると、外環部材２５と中心部材２６の接合が完成し、ろう材３０による接合強度に焼嵌め力を加え、信頼性の高い接合界面が得られる。その後、図５に示すように製作した棒状の応力緩和用複合材を切断し、切断面を研磨、メタライズ化して円盤状応力緩和用複合部材を製作する。このように、長い筒状外環部材の内側に棒状中心部材を嵌合した後に切断による製造方法により、図３に示すような応力緩和用複合部材１９を大量生産でき、コストの削減も図れる。また、円盤状の中心部材を、ろう付け接合、はんだ付け接合、拡散接合、焼き嵌め、圧粉体による一体焼結のいずれかの方法によって、前記外環部材の内孔に嵌合して形成しても良い。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る真空開閉器においては、特に、金属体と接するセラミック体に大きな残留応力を発生させないように、金属体とセラミック体の接合面におけるそれぞれの外径寸法を特定したり（具体的には、接合端部で金属ロッド側の外径をセラミック筒状体の外径より０．２ｍｍ以上小さく作成し、セラミック筒状体と突合せ、突合せ部をろう材を介して接合すること）、応力緩和用複合部材をそれらの間に介在させること（具体的には、熱膨張率の小さい中心部材を熱膨張率の大きい外環部材の内孔に嵌合し形成した円盤状複合材を応力緩和材として金属体とセラミック体の間に介在させて接合すること）によって、セラミック体の割れ等の破損を生じないようにするものである。

本発明の実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第１と第２の構成例を示す断面図である。 本実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第１の構成例を示す詳細断面図である。 本実施形態に係る真空開閉器の接合構造に関する第２の構成例を示す詳細断面図である。 本実施形態に関する接合構造とその接合構造での最大主応力特性を、従来技術と比較して、表す図である。 本実施形態の第２の構成例でる応力緩和用複合部材の製造方法を説明する図である。 従来技術における真空開閉器の一般的な内部構造を示す断面図である。 従来技術における真空開閉器のセラミックスと金属との接合断面を示す図である。 従来技術のセラミックスと金属との接合構造における応力分布を示す図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ 固定電極
３ 可動電極
４，１４ 可動電極ロッド
５ 固定電極ロッド
６ フレキシブル導体
７ 開閉器駆動ロッド
８，９，１２，２１ セラミック材（一例として、アルミナ絶縁子）
１０ 固定電極ベース
１１ 負荷側導体
１３，１９ 応力緩和用複合部材
１５ 溝
１６ 接合面
１７，２０，３０ ろう材
１８ 突出部
２１，２６ 応力緩和用複合部材の中心部材
２２，２５ 応力緩和用複合部材の外環部材
２３ 真空炉
２４ 試料台
２７ ガイド
２８ カーボンシート
２９ 角部
３１ 重り

Claims (6)

1. 真空容器と、前記真空容器内に収納された複数の可動電極と固定電極が相対向する複数の電極対と、前記可動電極に繋がる可動電極ロッドと、前記固定電極を固定電極ロッドを介して固定する固定電極ベースと、前記複数の可動電極ロッドを互いに連結するフレキシブル導体と、前記可動電極ロッドを駆動する駆動ロッドと、を備えた真空開閉器において、
   前記駆動ロッドと前記可動電極ロッドとの間に介在する第１のセラミック体と、前記真空容器と前記固定電極ベースとの間に介在する第２のセラミック体と、を有し、
   前記固定電極ベースの縮みによる前記第２のセラミック体の応力を緩和する応力緩和用複合部材を前記第２のセラミック体と前記固定電極ベースとの間に介在させて接合し、
   前記応力緩和用複合部材は、前記第２のセラミック体の外径より大きい外径を有する円盤状中心部材と、前記中心部材の外周側に嵌合される外環部材と、から構成され、前記外環部材の内径は、前記固定電極ベースの外径より小さい
   ことを特徴とする真空開閉器。
2. 請求項１において、
   前記円盤状中心部材は、前記第２のセラミック体と同じ又は小さい熱膨張率を有する材料からなり、
   前記外環部材は、前記円盤状中心部材より熱膨張率の大きな金属材料からなる
   ことを特徴とする真空開閉器。
3. 請求項１又は２において、前記円盤状中心部材を、ろう付け接合、はんだ付け接合、拡散接合、焼き嵌め、圧粉体による一体焼結のいずれかの方法によって、前記外環部材の内孔に嵌合して形成する
   ことを特徴とする真空開閉器。
4. 真空容器と、前記真空容器内に収納された複数の可動電極と固定電極が相対向する複数の電極対と、前記可動電極に繋がる可動電極ロッドと、前記固定電極を固定電極ロッドを介して固定する固定電極ベースと、前記複数の可動電極ロッドを互いに連結するフレキシブル導体と、前記可動電極ロッドを駆動する駆動ロッドと、前記真空容器と前記固定電極ベースとの間に介在するセラミック体と、を備えた真空開閉器において、前記セラミック体と前記固定電極ベースとの間に介在させた応力緩和用複合部材であって、
   前記応力緩和用複合部材は、前記セラミック体の外径より大きい外径を有する円盤状中心部材と、前記中心部材の外周側に嵌合される外環部材と、から構成され、
   前記外環部材の内径は、前記固定電極ベースの外径より小さい
   ことを特徴とする応力緩和用複合部材。
5. 請求項４において、
   前記円盤状中心部材は、前記セラミック体と同じ又は小さい熱膨張率を有する材料からなり、
   前記外環部材は、前記円盤状中心部材より熱膨張率の大きな金属材料からなる
   ことを特徴とする応力緩和用複合部材。
6. 請求項４又は５に記載の応力緩和用複合部材の製造方法であって、
   予め長い棒状中心部材を同様長さの筒状外環部材の内孔に嵌合し、
   前記嵌合された棒状の中心部材と外環部材からなる複合部材を切断して適宜の厚さの円盤状の応力緩和用複合部材を作成する
   ことを特徴とする応力緩和用複合部材の製造方法。

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