JP4855836B2 - 真空バルブの接点と通電軸の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空遮断器等に使用される真空バルブの接点と通電軸の製造方法に関する。

真空バルブは、真空中でのアーク拡散性を利用したもので、接離可能な１対の接点を真空中で開離させて電流遮断を行うものである。図６を参照して、真空バルブの一般的な構成を説明する。図６は真空バルブの構成例を示す概略説明図である。

図６において、アルミナ磁器からなる円筒形の絶縁容器１の両端開口端面が固定側封着金具２ａと可動側封着金具２ｂとで気密に封止されて、内部圧力１×１０^−２Ｐａ以下とした真空容器３が形成されている。

この真空容器３の内部には、一方の電路となる固定側通電軸４ａおよびその端部に固着した固定側電極５ａがあり、その中間には固定側コイル６ａが配設されている。

さらに、他方の電路となる可動側通電軸４ｂおよびその端部に固着した可動側電極５ｂがあり、その中間には可動側コイル６ｂが配設されている。そして、固定側電極５ａの端部には固定側接点５Ａが固着され、可動側電極５ｂの端部には可動側接点５Ｂが固着され、固定側接点５Ａと可動側接点５Ｂとは接離自在の構成となっている。

可動側通電軸４ｂは、一方の端部が可動側封着金具２ｂに固着されたベローズ７の他方の端部に固着され、真空容器３の真空度を維持しながら軸方向の移動が可能になっている。

また、真空容器３の内部には、固定側接点５Ａと可動側接点５Ｂの開閉時に両電極から発生する金属蒸気や溶融金属がベローズ７に付着しないようにベローズカバー８が設けられている。さらに、発生した金属蒸気や溶融金属が絶縁容器１の内壁に付着して絶縁抵抗が低下するのを防止するため、固定側接点５Ａと可動側接点５Ｂとを囲むようにしたシールド９が設けられている。

なお、固定側電極５ａ、可動側電極５ｂ、固定側コイル６ａ、可動側コイル６ｂは、遮断性能を向上させたり、各接点と各通電軸とを接続させたりするために付与するものであり、必ずしも必要ではない。

従来、このような真空バルブを製造するに当たっては、一例として、固定側については、固定側接点５Ａ、固定側電極５ａ、固定側通電軸４ａ、固定側封着金具２ａをロウ付けなどにより固着し、固定側部分組立部品とする。また、可動側については、可動側接点５Ｂ、可動側電極５ｂ、可動側通電軸４ｂ、ベローズカバー８、ベローズ７、可動側封着金具２ｂをロウ付けなどにより固着し、可動側部分組立部品とする。

さらに、絶縁容器１に対してシールド９が著しく動くことがないように、絶縁容器１にシールド９を取り付け、絶縁容器組立部品を製作する。そして、製作した固定側部分組立部品、可動側部分組立部品、絶縁容器組立部品を真空雰囲気中にてロウ付けなどにより固着して真空容器を製作し、真空バルブの形状を作り上げる。

上述のように、真空バルブは多くの部品を有し、製作するに当たっては、それらの部品を種々の固着方法にて接合しなければならず、例えばロウ付け回数も増え、容易に真空バルブを製造することができなかった。

また、多くの部品を有することから、各々の部品を製作するに当たっての加工上の歩留まりも関連し、高価なものになる。さらに、各種の部品を固着するに当たっては、ロウ付けが一般的であり、ロウ材料分のコスト高になることも製品製造上の問題となっていた。

そこで、部品点数の削減を図るため、特許文献１〜５に記載されているような種々の技術が提案されている。

特許文献１には、導電成分の溶融により、接点部、電極部、コイル部、通電軸部を部分的にでも一体成形する技術が開示されている。

特許文献２には、通電加熱により、接点部、電極部、コイル部、通電軸部を部分的にでも一体化する技術が開示されている。

特許文献３には、ＨＩＰ処理により、接点部、電極部、コイル部、通電軸部を部分的にでも一体化する技術が開示されている。

特許文献４には、塑性加工により、コイルと通電軸とを一体成形する技術が開示されている。

特許文献５には、粉末冶金法や溶融により、接点部、電極部、コイル部、通電軸部を部分的にでも一体化する技術が開示されている。
特許第３６２７７１２号公報 特開平９−２３１８８１号公報 特開平７−３３５０９２号公報 特開平１１−３０６９３２号公報 特開平１１−２６０２０６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているように、導電成分の溶融により、接点部分と他の部品とを一体に製造する場合には、銅を溶解或いは溶浸し、基となる部材を製作した後、機械加工を施さなければならない。このため、当該部品に油などの汚れが付着しやすく、それを除去するために、接点部分を含む部品全体を洗浄脱脂したり酸洗したりする必要があり、作業効率上が良くないという欠点がある。また、銅の溶解上がりの部品には種々の引け巣が発生しやすく、この状態で真空気密を維持しなければならない部品として使用するには、信頼性の観点から問題がある。

また、特許文献２に開示されているように、通電加熱により一体成形する場合や、特許文献３に開示されているように、ＨＩＰ処理などにより一体成形する場合も、前述と同様に、真空気密を維持しなければならない部品として使用するには、信頼性の観点から問題がある。

また、特許文献４に開示されているように、塑性加工により、コイルと通電軸とを一体成形した場合には、ある程度部品点数を減らすことはできるが、未だ、他の部品を必要とし、一層の部品点数の低減化が望まれる。

このような中で、特許文献５に開示されているように、接点と通電軸とを一体成形し、しかも通電軸となる銅部分の引け巣を抑制した製法は有望であるが、気密接合部分に要求されるような厳しい寸法公差の部品とするためには、若干の機械加工を要求され、これに伴い前述のような洗浄などの部品処理が必要になってくるという問題がある。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、部品点数を削減し、しかも、気密という信頼性をも確保する真空バルブの接点と通電軸の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の真空バルブの接点と通電軸の製造方法は、絶縁容器の両端開口部を封着金具で気密封止した真空容器内に、互いに接離可能に対向して設けられ、それぞれが通電軸に装着される１対の接点を有する真空バルブの接点と通電軸の製造方法であって、ＣｒまたはＷの少なくとも一方を含む耐弧成分粉末とＣｕを含む導電成分粉末とを混合した接点用粉末と、Ｃｕを主成分とする通電部用粉末とを積層し、加圧成形して圧粉体を生成する工程と、Ｃｕを主成分とする溶解材料からなる気密部材を、前記圧粉体の前記通電部用粉末側に重ね、Ｃｕの融点以下の温度で加熱して、前記圧粉体を焼結するとともに前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程とを含み、前記圧粉体は、前記接点と前記通電軸との間に設けられるコイル、または前記通電軸に設けられるベローズカバーの少なくとも一方を含むことを特徴とする。

また、真空バルブの接点と通電軸の製造方法は、絶縁容器の両端開口部を封着金具で気密封止した真空容器内に、互いに接離可能に対向して設けられ、それぞれが通電軸に装着される１対の接点を有する真空バルブの接点と通電軸の製造方法であって、ＷＣを含む耐弧成分粉末とＡｇを含む導電成分粉末とを混合した接点用粉末と、Ｃｕを主成分とする通電部用粉末とをＮｉ箔を介して積層し、加圧成形して圧粉体を生成する工程と、Ｃｕを主成分とする溶解材料からなる気密部材を、前記圧粉体の前記通電部用粉末側に重ね、Ａｇの融点以下の温度で加熱して、前記圧粉体を焼結するとともに前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程とを含み、前記圧粉体は、前記接点と前記通電軸との間に設けられるコイル、または前記通電軸に設けられるベローズカバーの少なくとも一方を含むことを特徴とする。

本発明によれば、接点用粉末と通電部用粉末とを加圧成形して圧粉体を生成し、溶解材料からなる気密部材と圧粉体とを重ね合わせ、圧粉体の融点以下で加熱して圧粉体と気密部材とを接合することにより、部品点数を削減し、しかも、気密という信頼性をも確保する真空バルブの接点と通電軸を製造することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本実施の形態に係る真空バルブの接点と通電軸の製造方法においては、真空気密を必要としない部分には粉末冶金法をベースとした部品を使用し、真空気密を必要とする部分、つまり大気側と真空側とに接する部分には、溶解法によって製造された真空部品用の銅材を使用する。粉末冶金法をベースとした部品と真空部品用の銅材とを一体化するに当たっては、粉末冶金法の焼結プロセスを用いる。

この際、粉末冶金法のニヤネットシェイプ加工を使用すれば、真空部品用の銅材のみを精密に加工するだけで済み、切削加工による材料ロスは殆ど発生しないという利点がある。また、粉末冶金法において相対密度を向上させる方法として、成形と焼結とを複数回繰り返すのは周知の方法であるが、この複数回の繰り返しと焼結プロセスとを使用して、徐々に部品化および接合することにより、真空バルブの部品として完成させることが可能である。

次に、本実施の形態に係る真空バルブの接点と通電軸の製造方法の具体例を説明する。

（実施例１）
耐弧成分粉末として用いる＃１００／＃２５０の粗さのＣｒ（クロム）粉末と、導電成分粉末として用いる＃３２５以下の粗さのＣｕ（銅）粉末とを重量比で１：３になるように配合した後、ボールミルで１時間混合し、これを接点用粉末とした。

図１に示すように、予め製作しておいた金型１３に下パンチ１１をセットした後に接点用粉末１２を充填し、その上に通電部用粉末１４として＃３２５以下の粗さのＣｕ粉末を充填した。その後、上パンチ１５をセットし、９ｔｏｎ／ｃｍ^２の加圧力で成形し、圧粉体１９とした。

その後、図２に示すように、予め溶解材料を用いて機械加工で製作したＣｕを主成分とする気密部材１６と、圧粉体１９の通電部用粉末１４側との間にロウ材料１７を鋏み込んで組み立てた。この状態で、接合部を加圧し、そして１×１０^−２Ｐａより良好な真空雰囲気で、１０５０℃×３時間の条件で加熱し、一体成形品を製作した。

この場合、加熱することにより圧粉体１９の焼結が進行し、収縮を生じがちになる。この収縮が圧粉体１９と気密部材１６との間の密着力を低下させる懸念があるため、以下のような点に気をつけて製作を行った。

まず、Ｃｕ粉末は、例えば＃３２５以下の粗めの粉末を使用した。粗めの粉末のほうが細かい粉末に対して圧粉体１９での密度を向上させやすくなるためである。

次に、圧粉体１９が焼結により収縮しても、溶解材料で製作した気密部材１６と固着できるように、圧粉体１９と気密部材１６とを凹凸の嵌めあい形式にし、凸部を圧粉体１９に設けた。

圧粉体１９と気密部材１６とを嵌めこみ、上方に加重を加えながらＣｕの融点以下で加熱焼結することにより、圧粉体１９と気密部材１６との固着部の収縮の差による割れなどを抑制しながら圧粉体１９と気密部材１６とを接合することができる。

（実施例２）
平均粒径３μｍのＷ（タングステン）粉末（耐弧成分粉末）と、＃３２５以下の粒径の粉末を軽く粉砕したＣｕ粉末（導電成分粉末）とを重量比で８：２、および５：５になるように配合した後、各混合粉末をボールミルで１時間混合した。

図１に示すように、予め製作しておいた金型１３に下パンチ１１をセットし、重量比８：２の混合粉末を充填した後、重量比５：５の粉末を充填し（各々接点用粉末１２の下側と上側）、さらに通電部用粉末１４として＃３２５以下の粗さのＣｕ粉末を充填した。

その後、上パンチ１５をセットし、８ｔｏｎ／ｃｍ^２の加圧力で成形し圧粉体１９とした。この圧粉体１９を水素雰囲気にて１０５０℃×３時間の条件で焼結し、さらに、圧粉体１９を８ｔｏｎ／ｃｍ^２にて再加圧した。

その後、図２に示すように、ロウ材料１７を鋏み込み、予め溶解材料で製作したＣｕを主成分とする気密部材１６と圧粉体１９とを組み立てた。この状態で、水素雰囲気中で、１０５０℃×１時間の条件で加熱し、一体成形品を製作した。

（実施例３）
平均粒径３μｍのＷＣ（炭化タングステン）粉末（耐弧成分粉末）とＡｇ（銀）粉末（導電成分粉末）とを重量比で６：４になるように配合した後、ボールミルで１時間混合し、これを接点用粉末とした。

図３に示すように、予め製作しておいた金型１３に下パンチ１１をセットした後に接点用粉末１２を充填し、その上にＮｉ（ニッケル）箔１８を挿入し、さらに、通電部用粉末１４として＃３２５以下の粗さのＣｕ粉末を充填した。

その後、上パンチ１５をセットし、８ｔｏｎ／ｃｍ^２の加圧力で成形し圧粉体１９とした。この圧粉体１９を水素雰囲気にて９３０℃×３時間の条件で焼結し、さらに、圧粉体１９を８ｔｏｎ／ｃｍ^２にて再加圧した。実施例３では、焼結時に接点用粉末１２と通電部用粉末１４との材料が混合されないように接合面の分離をするため、Ｃｕより融点が高いＮｉ箔１８を挿入した。

その後、実施例１，２と同様に、図２に示すように、ロウ材料１７を鋏み込み、予め溶解材料で製作したＣｕを主成分とする気密部材１６と圧粉体１９とを組み立てた。ロウ材料１７としては、銀ロウ材料を用いた。この状態で、水素雰囲気中で、９３０℃×１時間の条件で加熱し、一体成形品を製作した。

（実施例４）
＃１００／＃２５０の粗さのＣｒ粉末（耐弧成分粉末）と＃３２５以下の粗さのＣｕ粉末（導電成分粉末）とを重量比で１：３になるように配合した後、ボールミルで１時間混合し、これを接点用粉末とした。

図１に示すように、予め製作しておいた金型１３に下パンチ１１をセットした後に接点用粉末１２を充填し、その上に通電部用粉末１４として＃３２５以下の粗さのＣｕ粉末を充填した。その後、上パンチ１５をセットし、９ｔｏｎ／ｃｍ^２の加圧力で成形し、圧粉体１９とした。この状態で、真空雰囲気中で、１０５０℃×３時間の条件で加熱し焼結した。

さらに、この焼結した圧粉体１９に、ベローズカバーを製作すべく、図４に示すように、金型２２に下パンチ２１をセットした後、下パンチ２１に圧粉体１９を載せ、さらに、ベローズカバー用粉末２５として＃３２５以下の粗さのＣｕ粉末を充填した。その後、上パンチ２４をセットし、９ｔｏｎ／ｃｍ^２の加圧力で成形した。

その後、図５に示すように、ロウ材料１７を挿入した状態で、予め溶解材料で製作したＣｕを主成分とする気密部材２６と組み立てた。この状態で、真空雰囲気中で、１０５０℃×３時間の条件で加熱し、一体成形品を製作した。

上述の実施例１〜４で製造した部品を使用して真空バルブを製作し、真空度を測定したが、いずれの真空バルブも１×１０^−２Ｐａよりも良好な真空度を有し、良好な特性であった。

以上のように、溶解材料を用いて機械加工で製作した気密部材と圧粉体とを重ね合わせ、圧粉体の融点以下の温度で加熱し、気密部材と圧粉体とを接合することによって、部品点数を削減し、しかも、気密という信頼性をも確保する真空バルブの接点と通電軸を容易に製造することができる。

なお、上記実施例１〜４には記載していないが、圧粉体を製造する段階で、所定の接点形状の金型を有することにより、接点部分の加工を必要としないのは明白であり、また、通電軸部分やベローズカバーについても同様である。

また、溶解材料によって製造した大気側および真空側と接する気密部材も予め所定の寸法に仕上げることにより、加熱後の機械加工が不要になる。

また、これらの部品に、電極およびコイルを付加しても同様のプロセスで製造できることは明白である。

本発明の実施例１における圧粉体を製作する工程を説明するための図である。 本発明の実施例１における圧粉体と気密部材とを接合する工程を説明するための図である。 本発明の実施例３における圧粉体を製作する工程を説明するための図である。 本発明の実施例４における圧粉体を製作する工程を説明するための図である。 本発明の実施例４における圧粉体と気密部材とを接合する工程を説明するための図である。 真空バルブの構成例を示す概略説明図である。

符号の説明

１ 絶縁容器
２ａ 固定側封着金具
２ｂ 可動側封着金具
３ 真空容器
４ａ 固定側通電軸
４ｂ 可動側通電軸
５Ａ 固定側接点
５Ｂ 可動側接点
５ａ 固定側電極
５ｂ 可動側電極
６ａ 固定側コイル
６ｂ 可動側コイル
７ ベローズ
８ ベローズカバー
９ シールド
１１ 下パンチ
１２ 接点用粉末
１３ 金型
１４ 通電部用粉末
１５ 上パンチ
１６，２６ 気密部材
１７ ロウ材料
１８ Ｎｉ（ニッケル）箔
１９ 圧粉体
２１ 下パンチ
２２ 金型
２４ 上パンチ
２５ ベローズカバー用粉末

Claims (4)

1. 絶縁容器の両端開口部を封着金具で気密封止した真空容器内に、互いに接離可能に対向して設けられ、それぞれが通電軸に装着される１対の接点を有する真空バルブの接点と通電軸の製造方法であって、
   ＣｒまたはＷの少なくとも一方を含む耐弧成分粉末とＣｕを含む導電成分粉末とを混合した接点用粉末と、Ｃｕを主成分とする通電部用粉末とを積層し、加圧成形して圧粉体を生成する工程と、
   Ｃｕを主成分とする溶解材料からなる気密部材を、前記圧粉体の前記通電部用粉末側に重ね、Ｃｕの融点以下の温度で加熱して、前記圧粉体を焼結するとともに前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程とを含み、
   前記圧粉体は、前記接点と前記通電軸との間に設けられるコイル、または前記通電軸に設けられるベローズカバーの少なくとも一方を含むことを特徴とする真空バルブの接点と通電軸の製造方法。
2. 前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程は、前記気密部材と前記圧粉体の前記通電部用粉末側との間にロウ材料を挿入し、Ｃｕの融点以下の温度で加熱して、前記圧粉体を焼結するとともに前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程であることを特徴とする請求項１に記載の真空バルブの接点と通電軸の製造方法。
3. 絶縁容器の両端開口部を封着金具で気密封止した真空容器内に、互いに接離可能に対向して設けられ、それぞれが通電軸に装着される１対の接点を有する真空バルブの接点と通電軸の製造方法であって、
   ＷＣを含む耐弧成分粉末とＡｇを含む導電成分粉末とを混合した接点用粉末と、Ｃｕを主成分とする通電部用粉末とをＮｉ箔を介して積層し、加圧成形して圧粉体を生成する工程と、
   Ｃｕを主成分とする溶解材料からなる気密部材を、前記圧粉体の前記通電部用粉末側に重ね、Ａｇの融点以下の温度で加熱して、前記圧粉体を焼結するとともに前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程とを含み、
   前記圧粉体は、前記接点と前記通電軸との間に設けられるコイル、または前記通電軸に設けられるベローズカバーの少なくとも一方を含むことを特徴とする真空バルブの接点と通電軸の製造方法。
4. 前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程は、前記気密部材と前記圧粉体の前記通電部用粉末側との間にロウ材料を挿入し、Ａｇの融点以下の温度で加熱して、前記圧粉体を焼結するとともに前記圧粉体と前記気密部材とを接合する工程であることを特徴とする請求項３に記載の真空バルブの接点と通電軸の製造方法。

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