JP4619821B2

JP4619821B2 - 接点材料および真空バルブ

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Publication number: JP4619821B2
Application number: JP2005051430A
Authority: JP
Inventors: 貴史草野; 敦史山本; 清長部; 経世関; 功奥富
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: JP2006236847A

Description

本発明は、真空遮断器等に使用される真空バルブに用いられる接点材料および前記接点材料を用いた真空バルブに関する。

真空バルブ用の接点材料に要求される特性としては、耐電圧特性，遮断特性，耐溶着特性の基本三特性があり、この他に電気抵抗（バルク抵抗と接触抵抗）と温度上昇が低く安定していることが重要な要件となっている。しかしながら、これらの要件の中には相反するものがある関係上、単一の金属種によって全ての要件を満足させることは不可能である。このため、実用化されている多くの接点材料においては、不足する特性を相互に補えるような２種以上の物質、例えば導電成分と耐弧成分を組合せて大電流用または高電圧用等のように特定の用途に合った接点材料の開発が行われ、ある程度すぐれた特性を有するものが開発されている。これらの接点材料は、開閉器という使用目的から高確率で電流の開閉が可能である（特許文献１）。

真空バルブの遮断特性と耐電圧特性を向上させるには、接点材料中のＣｒ等の耐弧成分の粒径を調整する必要があり、数μｍ〜十数μｍの微細な耐弧成分の粒子が接点材料中に多く存在していることが望ましい。しかし、微細な耐弧成分だけを使用すると、耐弧成分の総表面積が極端に増大するので、接点製造後にガス含有率が増大することにより遮断特性が低下してしまう。
特開２００３−７７３７５号公報

上記のように、真空バルブの耐電圧性能や遮断性能を充分に発揮させるには、接点材料の組織には微細な粒子が存在し、さらに接点材料中のガス含有量は小さいことが好ましい。

しかし従来の接点材料では、微細粒子の存在のためには、微細な原料粉末を使用することが多く、その際には、原料粉末の比表面積が極端に増大して接点材料中のガス含有量も増大してしまい、安定した遮断性能や耐電圧性能が得られないことが多い。
そこで本発明は、耐電圧性能と遮断性能のすぐれた接点材料および真空バルブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、導電成分の粉末と粒度分布が異なる複数種類の耐弧成分の粉末を混合し、焼結した接点材料において、前記導電成分は、少なくともＣｕまたはＡｇの内のどちらか一方を主成分とし、前記耐弧成分は、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１種類からなり、前記耐弧成分の含有率は５ｗｔ％以下であり、前記導電成分と耐弧成分は、非酸化性雰囲気中で導電成分の溶融温度を基準にして−200℃以上＋200℃以下の温度で焼結され、前記接点材料中の耐弧成分は、粒径をｘ，頻度をｙとしたとき、粒度分布ｙ＝ｆ（ｘ）が複数の極大値を有し、かつ粒径の中央値（メジアン径）ｘ_medが、前記複数の極大値を与える粒径の最小値ｘ_minと最大値ｘ_maxの間にある構成とする。

また、請求項５の発明の真空バルブは、内部を真空に保たれた絶縁容器内に相対向して接離可能に設けられた固定側接点と可動側接点を備え、前記固定側接点と可動側接点の少なくとも一方が請求項１ないし４のいずれかに記載の接点材料によって構成されている構成とする。

本発明によれば、耐電圧性能と遮断性能のすぐれた接点材料および真空バルブを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を具体的な実施例に基づいて説明するが、はじめに、本発明の接点材料が適用される真空バルブの構成を、図１，図２を参照して説明する。
図１において、１は遮断室を示し、この遮断室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、その両端に封着金具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。遮断室１内には、導電棒５，６の対向する端部に取り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。可動電極８の電極棒６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。１１は、電極７，８を覆うようにして遮断室１内に設けられた金属製のアークシールドで、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。

可動電極８は、図２に拡大して示すように、導電棒６にロウ付け部１２によって固着されるか、また、かしめによって圧着接続されている。可動側接点１３ａは、可動電極８にロウ付け部１４で固着されている。なお、図１における１３ｂは固定側接点である。可動側接点１３ａおよび固定側接点１３ｂに本発明の接点材料が用いられる。

本発明に係る接点材料は、少なくとも導電成分と耐弧成分と必要により補助成分とで構成される接点材料において、耐弧成分の粒径をｘ，頻度をｙとしたとき、粒度分布を示す関数ｙ＝ｆ（ｘ）が２個以上の極大値を有し、かつｘの中央値（メジアン径）が、ｙの極大値を与えるｘの最小値ｘ_minと最大値ｘ_maxの間にある構成とする。

真空バルブ用の接点材料、例えばＣｕ−Ｃｒ接点の耐電圧性能や遮断性能を充分に発揮させるには、接点材料中に微細なＣｒ粒子の存在と低ガス量の兼備が必要である。本発明の特徴は、微細組織と低ガス量の兼備にある。それを得るための具体的手段としては、Ｃｕにほとんど固溶しない補助成分を添加して液相焼結をして補助成分の近傍にＣｒを晶出させて製造する。

本発明はＣｕ−Ｃｒ接点に限るものではなく、Ｃｕ以外の導電成分とＣｕ以外の耐弧成分と必要により補助成分からなる接点材料についても適用可能である。
本発明の接点材料においては、微細組織と低ガス量が兼備され、耐電圧性能と遮断性能が安定化し、接点性能が向上する。

次に図３を参照して、本発明にかかる接点材料の構成、製造方法及び遮断特性と耐電圧特性の測定結果について述べる。
（比較例１〜３，実施例１〜２）
比較例１では、固相焼結法でＣｕ−50Ｃｒの接点材料を製造した。Ｃｕ粉末とＣｒ粉末を重量比１：１となるように混合して直径60ｍｍの金型で1000ＭＰａで成形した圧粉体を、水素雰囲気中で、1000℃×５時間の条件で固相焼結し、Ｃｕ−50Ｃｒ合金を得た。このＣｕ−50Ｃｒ合金を、所定の接点形状(直径50ｍｍ，厚さ５ｍｍ)に加工した。

加工の際に生じた切粉より、Ｃｕ−50Ｃｒ合金中のＣｒ粒径の分布を測定した。具体的には、Ｃｕ−50Ｃｒの切粉中のＣｕ成分のみを弱硝酸(３ｍｏｌ／ｌ程度のＨＮＯ₃)で加熱溶解し、不溶解物(Ｃｒ成分)をろ過により分離して、粒度分布測定装置(例えば堀場製作所製ＬＡ−700)で測定した。その結果、図３に示したように、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径は135μｍであり、メジアン径は140μｍであった（なお、メジアンとは中央値のことで、例えば、101個のデータがある場合は、データを小さい順に並べ替えた場合に丁度中央の値、即ち51番目の値である）。

また加工した接点材料は真空バルブに組み込んで遮断試験と耐電圧試験を実施した。遮断試験は、５ｋＡから徐々に電流値を上げていく方法で最大遮断電流を測定した。また遮断試験後の接点について、耐電圧試験を実施した。耐電圧試験は、電極間隔を一定(約５ｍｍ)にして絶縁破壊電圧を100回測定し、その平均値を算出した。これらの比較例１の測定結果を基準とし、他の比較例および実施例の測定結果は相対値で示した。

比較例２と実施例１と比較例３では、比較例１で使用した原料Ｃｒ粉末と、それよりも微細な原料粉末の２種類を、重量比でそれぞれ９：１と１：１と１：９に混合して、比較例１と同じ工程によって３種類のＣｕ−50Ｃｒ接点材料を得た。

まず比較例２では、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径は30μｍと132μｍ、メジアン径は137μｍであり、電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.0倍と0.9倍であった。Ｃｒ粒子の微細化の効果が達成できず、耐電圧特性は比較例１より若干低下してしまった。

次に実施例１では、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径は28μｍと138μｍ、メジアン径は80μｍであり、電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.1倍と1.1倍であった。両特性ともに、比較例１より向上した。

さらに比較例３では粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径は32μｍと135μｍ、メジアン径は30μｍであり、電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ0.8倍と1.2倍であった。Ｃｒ粒子の微細化効果は充分であったが、微細なＣｒ粒子を添加し過ぎたため、ガス含有率が極端に増大し、遮断特性が比較例１より低下してしまった。

実施例２では、粒径が異なる３種類の原料Ｃｒ粉末を使用して比較例１〜３や実施例１と同じ工程でＣｕ−50Ｃｒ接点材料を製造した。粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径は5.5μｍ，33μｍ，132μｍ、メジアン径は70μｍであり、電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.2倍と1.2倍であった。両特性ともに、比較例１より向上した。

以上の比較例１〜３と実施例１〜２の結果より、粒度分布が異なる２種類以上の原料Ｃｒ粉末を使用して固相焼結で製造したＣｕ−50Ｃｒ接点材料で比較したところ、Ｃｒ粒度分布が２個以上の極大値を有し、かつＣｒ粒径のメジアン径が極大値を与えるＣｒ粒径の最小値と最大値の間にある時には、遮断特性と耐電圧特性という電気特性の向上が可能となるといえる。

（実施例３〜７）
実施例３〜７では、粒径の異なる２種類の原料Ｃｒ粉末を使用し、そのＣｒ粉末の組み合わせをパラメータとして、真空中の焼結溶浸法でＣｕ−45Ｃｒの接点材料を作製した。なお接点材料中のＣｒ粒径の分布は、断面組織写真から、画像解析装置により測定した。

実施例３では、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径の最小値ｘ_minは1.1μｍ、最大値ｘ_maxは135μｍ、メジアン径ｘ_medは130μｍであり、その結果(ｘ_min×ｘ_max)^0.5／ｘ_med＝0.09であった。また電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.1倍と1.1倍であり、両特性ともに、比較例１よりも若干向上した。

実施例４では、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径の最小値ｘ_minは1.5μｍ、最大値ｘ_maxは137μｍ、メジアン径ｘ_medは133μｍであり、その結果(ｘ_min×ｘ_max)^0.5／ｘ_med＝0.11であった。また電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.2倍と1.2倍であり、両特性ともに、比較例１よりも若干向上した。

実施例５では、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径の最小値ｘ_minは30μｍ、最大値ｘ_maxは135μｍ、メジアン径ｘ_medは70μｍであり、その結果(ｘ_min×ｘ_max)^0.5／ｘ_med＝0.91であった。また電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.2倍と1.3倍であり、両特性ともに、比較例１よりも向上した。

実施例６では、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径の最小値ｘ_minは1.5μｍ、最大値ｘ_maxは137μｍ、メジアン径ｘ_medは133μｍであり、その結果(ｘ_min×ｘ_max)^0.5／ｘ_med＝0.11であった。また電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.2倍と1.2倍であり、両特性ともに、比較例１よりも向上した。

実施例７では、粒度分布の極大値を与えるＣｒ粒径最小値ｘ_minは35μｍ、最大値ｘ_maxは180μｍ、メジアン径ｘ_medは38μｍであり、その結果(ｘ_min×ｘ_max)^0.5／ｘ_med＝2.1であった。また電気特性の評価結果は、遮断特性と耐電圧特性は比較例１のそれぞれ1.1倍と1.1倍であり、両特性ともに、比較例１よりも若干向上した。

以上のように実施例３〜７の結果より、粒度分布が異なる２種類以上の原料Ｃｒ粉末を使用して焼結溶浸法で製造したＣｕ−45Ｃｒ接点材料で比較したところ、Ｃｒ粒度分布が２個の極大値を有し、かつ極大値を与えるｘの小さい方の値ｘ_min，極大値を与えるｘの大きい方の値ｘ_max，ｘの中央値（メジアン径）ｘ_medの間に、0.1≦(ｘ_min×ｘ_max)^0.5／ｘ_med≦２の関係式が成立する時には、遮断特性と耐電圧特性という電気特性のこれまで以上の向上が可能となるといえる。

（比較例４〜５，実施例８〜９）
前記比較例１〜３と実施例１〜７では、焼結温度を1000℃と1150℃の２通り、即ち導電成分Ｃｕの融点(1083℃)を基準にして±90℃以内の温度で焼結した事例について述べたが、本発明の構成はこれに限るものではない。

比較例４，実施例８〜９，比較例５では、焼結温度をそれぞれ850℃，900℃，1250℃，1300℃として、Ｃｕ−25Ｃｒ接点材料を、粒径が異なる２種類のＣｒ粉末または１種類のＣｒ粉末を使用して作製した。このうち、1300℃で焼結した比較例５では、ＣｕとＣｒが分離してしまったので、接点材料としての電気評価に値しないと判断した。残りの３種類のＣｕ−25Ｃｒ接点材料のＣｒ粒度分布を評価したところ、極大値を与えるＣｒの粒径は３種類ともに、約40μｍと約140μｍであった。なお原料粉末の平均粒径は、約90μｍであった。

比較例４では、微細なＣｒ粒子が存在せず、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.0倍と0.9倍であり、向上されなかった。これは焼結温度が低いために、焼結が進まず、密度が低かった(相対密度85％)からである。

実施例８では、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.1倍と1.1倍であった。
実施例９では、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.2倍と1.2倍であった。
このように本発明の接点材料は、導電成分の溶融温度を基準にして−200℃以上＋200℃以下の温度で非酸化性雰囲気の中で焼結するのがよい。

（実施例１０〜１４）
実施例１０〜１４では、Ｃｕ−20Ｃｒ接点材料を真空雰囲気中の固相焼結で作製した後に真空雰囲気中で30分の熱処理を行い、熱処理温度をパラメータとした。
実施例１０では、1070℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.2倍と1.1倍であった。

実施例１１では、1050℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.2倍と1.1倍であり、熱処理により遮断特性が若干向上されていた。これは熱処理により導電率が改善されたからである。

実施例１２では、850℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.3倍と1.1倍であり、熱処理により遮断特性がさらに向上されていた。

実施例１３では、700℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.2倍と1.1倍であり、熱処理により遮断特性が若干向上されていた。

実施例１４では、650℃で熱処理して、電気特性を評価したところ、遮断特性と耐電圧特性は、比較例１のそれぞれ1.1倍と1.1倍であり、熱処理により遮断特性はほとんど向上されていなかかった。これは熱処理温度が低く、導電率の改善効果が小さかったからである。

以上の実施例１０〜１４の結果より、液相焼結後に非酸化性雰囲気中で熱処理すると電気特性、特に遮断特性の向上が可能となるといえる。特に熱処理温度は、導電成分Ｃｕの融点（1083℃）を基準にして、−20℃以下−400℃以上の時に特性向上が顕著である。

（実施例１５〜２０）
前記比較例１〜５と実施例１〜１４では、導電成分がＣｕ、耐弧成分がＣｒである接点材料の事例について述べたが、本発明の構成はこれに限るものではない。
実施例１５では、導電成分をＡｇ、耐弧成分をＷＣ（粒径が異なる２種類の原料粉末を使用）として液相焼結法で作製し、遮断特性と耐電圧特性を評価した。その結果、遮断特性と耐電圧特性は、１種類の原料ＷＣ粉末を使用した通常の液相焼結法で製造した時のＡｇ−ＷＣ接点の、それぞれ1.1倍と1.2倍であった。

実施例１６では、導電成分をＡｇ+Ｃｕ、耐弧成分をＷＣ（粒径が異なる２種類の原料粉末を使用）として液相焼結法で作製し、遮断特性と耐電圧特性を評価した。その結果、遮断特性と耐電圧特性は、１種類の原料ＷＣ粉末を使用した通常の液相焼結法で製造した時のＡｇ−ＷＣ接点の、それぞれ1.1倍と1.2倍であった。

実施例１７〜２０では、導電成分をＣｕとし、耐弧成分をそれぞれ、Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ+Ｗ（Ｗ,Ｎｂ,Ｍｏ: 粒径が異なる２種類の原料粉末を使用，Ｃｒ+Ｗ:ＣｒとＷの粒径が異なる）として、液相焼結により接点材料を製造して電気特性を評価した。遮断特性は、実施例１７〜２０全て、通常の液相焼結で製造した時の接点の1.2倍であり、耐電圧特性は1.2倍であった。

（実施例２１〜２３）
前記比較例１〜５と実施例１〜２０では、導電成分と耐弧成分で構成される接点材料の事例について述べたが、本発明の構成はこれに限るものではない。
実施例２１〜２３では、補助成分としてそれぞれＢｉ，Ｔｅ，Ｔｅ+Ｓｂを用い、実施例３と同様に液相焼結法の１種である焼結溶浸法で接点材料を製造した。電気特性を評価した結果、遮断特性は、実施例２１〜２３全て、１種類の原料耐弧粉末しかし使用していない通常の焼結溶浸法で製造した接点材料の1.2倍であり、耐電圧特性は1.1倍であった。

以上のデータが示すように、本発明の接点材料は遮断特性と耐電圧特性を向上させることができる。
なお、導電成分については、上記実施例では、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ+Ｃｕでの記載しかないが、ＣｕまたはＡｇを主成分とするならば、同様の効果が得られる。

また耐弧成分については、上記実施例では、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，ＷＣ，Ｃｒ+Ｗでの記載しかないが、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１つを耐弧成分として使用しても、同様の効果が得られる。そして耐弧成分の含有率は５ｗｔ％（重量％）以下とするのがよい。

さらに補助成分についても、上記実施例では、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｔｅ+Ｓｂとした場合のみ記載しているが、Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂの内の少なくとも１つを補助成分としても、同様の効果が得られる。そして補助成分の含有率は５ｗｔ％以下とするのがよい。

本発明の接点材料が適用される真空バルブの断面図。図１の接点部の拡大断面図。本発明の接点材料の実施例および比較例を示す表。

符号の説明

１…遮断室、２…絶縁容器、３ａ，３ｂ…封着金具、４ａ，４ｂ…蓋体、５，６…導電棒、７…固定電極、８…可動電極、９…ベローズ、１０，１１…アークシールド、１２，１４…ロウ付け部、１３ａ…可動側接点、１３ｂ…固定側接点。

Claims

導電成分の粉末と粒度分布が異なる複数種類の耐弧成分の粉末を混合し、焼結した接点材料において、前記導電成分は、少なくともＣｕまたはＡｇの内のどちらか一方を主成分とし、前記耐弧成分は、Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ及びこれらの炭化物の内の少なくとも１種類からなり、前記耐弧成分の含有率は５ｗｔ％以下であり、前記導電成分と耐弧成分は、非酸化性雰囲気中で導電成分の溶融温度を基準にして−200℃以上＋200℃以下の温度で焼結され、前記接点材料中の耐弧成分は、粒径をｘ，頻度をｙとしたとき、粒度分布ｙ＝ｆ（ｘ）が複数の極大値を有し、かつ粒径の中央値（メジアン径）ｘ_medが、前記複数の極大値を与える粒径の最小値ｘ_minと最大値ｘ_maxの間にあることを特徴とする接点材料。
前記最小値ｘ_min，前記最大値ｘ_max，および前記中央値（メジアン径）ｘ_medの間に、0.1≦(ｘ_min×ｘ_max)^0.5／ｘ_med≦２の関係式が成立していることを特徴とする請求項１記載の接点材料。
前記導電成分と耐弧成分は、焼結後に非酸化性雰囲気中で熱処理され、前記熱処理温度は導電成分の溶融温度を基準にして−20℃以下−400℃以上であることを特徴とする請求項１記載の接点材料。
Ｂｉ，Ｔｅ，Ｓｂの内の少なくとも１種類からなる補助成分を５ｗｔ％以下含有することを特徴とする請求項１記載の接点材料。
内部を真空に保たれた絶縁容器内に相対向して接離可能に設けられた固定側接点と可動側接点を備え、前記固定側接点と可動側接点の少なくとも一方が請求項１ないし４のいずれかに記載の接点材料によって構成されていることを特徴とする真空バルブ。