JP6251274B2 - 導電性を改善するための電気的接続粉末およびペースト - Google Patents
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Description
本発明は２つの金属導体間の電気的接続の改善技術に関するもので、中でも、特に、２つの金属導体間の電気的接続の伝導性を改善するための粉末およびペーストに関する。
金属による電気的接続を使用するあらゆる分野において、中でも特に、パワーエレクトロニクスの分野では、２つの金属が接触する電気的接続部は時間の経過とともに劣化する。この劣化により導体間の電気抵抗が次第に増大し、大きな電気損失をもたらすことになる。これが導体表面全域における電流密度変動の原因である。この変動は熱損失を伴うために温度上昇を引き起こすことになる。接触面の劣化は接続部だけでなく導体の劣化も加速させ、導体が溶解する結果に至ることさえある。このような劣化は回復することはないため、歩留まり損失が生じ、このような電気的接続部を設ける装置の性能に影響を与える。
また、該電気的接続部は、伝導性ストランドからなるケーブルの端部に端子が使用される場合に損傷することもある。こうした劣化は該端子とケーブルの外部ストランドとの間やストランド自体間の電気的接点が傷んだ結果として生じ、このことにより抵抗が増すために起こる。上述のように、電気的接続部には加熱による高温が生じるだけでなく、時にはケーブルストランドが溶解する現象が起こることもある。
このような２つの金属導体間の電気的接続を改善する趣旨で、特許文献１には、電気的接続部で２つの導体の２つの接触面間に挿入される銀発泡体製の伝導性エレメントを設ける接触装置が開示されている。残念ながら銀発泡体は特別に高価である。
特許文献２では、鉄、コバルト、ニッケルおよびこれらの合金からなる群から選択される金属発泡体の骨格からなり、錫、インジウムまたはこれらの合金の少なくとも1種類からなるメッキで被覆される伝導性挿入エレメントを含む接触装置が開示されている。
この特許は図１に示す通り、２つの導体１２および１４は金属発泡体製の伝導性挿入エレメント１０により隔てられるものの、その表面は該発泡体と接触状態となっている。導体１２および１４間の電気的接続は両導体と該伝導性挿入エレメントとを貫通する固定ボルト１６などの締付手段を用いた密接な接触によってもたらされる。
同特許は図２に示す通り、該挿入部材は周辺シール２０を有し、接触面周辺にタイトな障壁を作ることによって有害な外部薬剤の浸透が弱められることが好ましい。
主に経済的な理由で、アルミニウムからなる導体は、アルミニウムが相当安価でありながらも電気伝導性が銅のそれに極めて近い金属であることから、現在あらゆる接続部において銅製導体と置き換えられている。しかし、アルミニウムの欠点は、アルミナの層が形成され、この層が導体間の抵抗を増大させることにより接続部間の接続に問題を生じる点にある。
従って、本発明の主たる目的は電気的接続部の電気伝導性を改善できる電気的接続手段を提供して、特に、複数本のストランドから構成されるケーブルを使用して接続部が提供される場合において、該接触面の劣化を遅らせることにある。
本発明の第１の発明は、鉄、コバルト、ニッケルおよびこれらいずれかの合金からなる群から選択される粉末であって、錫、インジウムまたはこれらいずれかの合金のうちの少なくとも１種類からなるメッキで被覆される気泡開放孔金属発泡体粒子から構成される電気的接続粉末である。
本発明の第２の発明は、上記粉末と該粉末が分散されたバインダーとを含む電気的接続ペーストである。
本発明のその他の狙い、目的および特徴は添付の図面を参照しながら以下の説明を読めばさらに明瞭になろう。
図１に本発明の原理により提供される電気的接続部を示す。特許文献２内と同様に、本接続部に含まれるのは両導体１２と１４間に伝導性挿入エレメント１０であって良いものの、この挿入エレメントは本発明の対象物の粉末またはペーストからなる。
導体１２および１４間の電気的接続部は２つの導体と伝導性挿入層１０を貫通する締付ボルト１６などの締付手段を用いた密接な接触により設けられる。
２つの導体が一体に緊結されるとともに該挿入部材が圧縮されると同時に、粉末粒子または該粉末が分散されたペーストのバインダーが該挿入エレメントの周辺に押し出されることもあって、当該部分の厚みが減少することが特徴である。従って、特許文献２で説明される実施例とは異なり、該挿入エレメント廻りのシールは不要である。
少なくとも、片方の導体はアルミニウム製であることが望ましい。しかし、本発明はこのケースに限定はされず、例えば、銅製導体といった導体すべてに適用可能である。
該金属発泡体は、鉄、コバルト、ニッケルおよびこれらの合金からなる群から選択される金属発泡体の骨格が、例えば、錫、インジウムのメッキ、またはこれらいずれかの合金のメッキなどのうちの少なくとも１種類の金属メッキで直接被覆された連続気泡の気泡タイプからなる発泡体である。
該発泡体の骨格は特許文献２内で説明された数種の手法を用いて得ることができる。
該発泡体は気泡構造を有し、低密度であり、その物理特性としては主として多孔性や変形能が高いので、接続部の電気抵抗が低下する。
本発明の特徴の１つはこの金属発泡体の骨格が、例えば、直接的に、電気分解またはその他の任意方法（吹付け、浴内への浸漬など）によって別の金属のメッキで目付されて、気泡表面全面がそうした別の金属で被覆される点にある。該メッキ金属としては、骨格を構成する金属とは異なり、錫、インジウムまたはこれらのいずれかの合金など、延性があるために該骨格を構成する金属各点の接触面が増えて該導体表面の縞状部に浸透して該発泡体骨格と導体構成金属との間の電気化学的適合性を改善する金属が望ましい。
第１のメッキに追加して該第１のメッキとは異なる金属の別のメッキで目付しても良い。例えば、第１のメッキが錫である場合、第２のメッキはインジウムであっても良い。この金属発泡体は、その後、任意の適当な手段により粉末状にされる。
こうして得られた粒子の直径の変動幅は約０．５ｍｍから５ｍｍまでであるのが好ましく、また、１ｍｍから２ｍｍまで、例えば１．６ｍｍであればさらに好ましい。
その後、該金属発泡体は気泡構造の維持が可能な任意の適切な手段を用いて、粉末状にされ、粒径変動幅が１ｍｍから２ｍｍまでの粉末粒子が得られる。該粉末は、好ましくは発泡体の気泡構造に影響を与えることがなく発泡体のすべての電気的機械的特性の維持を可能にするレーザーを利用して、該気泡を裁断して得ることもできる。また、該レーザー裁断はまた発泡体細片にシャープなエッジを生じさせることで、該発泡体を接触導体内部に浸透し易くすることも可能である。
得られる粉末はその気泡構造故にその構成主体が空隙である。このように粉末粒子表面は１ミクロンオーダーの複数の接触点から構成されその接触点の個数は平方ミリ当たり３０個に達しうる。これらの接触点のおかげで、挿入エレメント１０は多数の接点を有するため、高い伝導率と同時に低い抵抗をもたらす。
本発明の第２側面によると、該粉末がバインダー内に分散されてペーストが形成され、このペーストが粉末同様に電気接続の電気伝導性の改善を可能にする。このようなバインダーはゼリー状の油脂または石油でよく、発泡体粒子の気泡を完全に埋めることで該表面を酸化または劣化させる恐れのある汚染物質あるいは作用物質の浸透を防止する。
また、この油脂には使用寿命を延ばす抗酸化生成物や数ミクロンの金属粒子を混ぜることができる。該粒子はかなり良い導電体である銀、金、または任意のその他金属の粒子でよい。代替方案によれば、該発泡体粉末にはアルミニウム製導体上にアルミナなどの導体表面上の抵抗の大きな層の形成を防止することおよび/または導体表面を酸洗いすることを意図した成分を浸透させたり、あるいは、目一杯に詰め込んでもよい。
本発明の対象物である該粉末およびペーストは年月を経た電気的接続部に、あるいは、新設の電気的接続部に使用出来る。
新設の電気的接続部では、該接触はその位置が締付手段または締付ボルト１６に近接しているため特に影響が大きい。すなわち、その抵抗は、電気的接続部の電気的損失が接触している導体１２および１４から構成されるため、締付手段１６付近で最小値でありそこからの距離が増すにつれて大きくなる。このような一様ではない電流分布のためより電流集中度が増す領域、すなわち、急速に損傷を受ける領域が拡大する。伝導性粉末粒子またはペーストが層１０に添加されることで２つの導体１２および１４間の接触点が増すため、接触面全表面にわたり一様な電流分布が可能となる。このような一様な分布のおかげにより電流集中のない領域、つまり、ストレスがかかってより急速な劣化に接することのない領域が生まれる。
本発明の対象物である粉末やペーストは劣化したり、あるいは歪んだ電気的接続部の接点向けの利用にもメリットがある。このような劣化は酸化物層形成原因である空気中の酸素が理由である。言い換えると、アルミニウム製導体の場合にはこの酸化物がアルミナであるために接続部の抵抗が増す。
挿入エレメント１０においては、粉末粒子表面上の点では導体１２および１４の表面上に連続的に生成するこのアルミナなどの酸化物層が清掃されることもあって、接続部が使い古されたものであっても、予めその掃除を行わずともその電気伝導性を向上させることができる。
ペーストを利用することに関する上述のメリットは電気的接続がケーブルにより行われる場合には極めて大きい。実は、複数の伝導性ストランドから構成される電気ケーブルとして端子に連結されるその端部が有する抵抗は、該ストランドの相互接続が電気的に十分ではないために時間の経過とともに徐々に高くなる。この抵抗は、一方では、締付リングにより該ケーブルが該端子に接続されて該ケーブルの外部ストランドが劣化した接点から、他方では、該ケーブルの外部ストランドと内部ストランド間の劣化した接点からも生ずる。
本発明によるペーストのもう１つのメリットはストランドに酸化を防止するメッキを施すことにある点が特徴である。
図３はケーブルを用いた電気的接続部を示す。端部は通常、平型の端子２０で構成され、別の平型導体に該端子を緊結するために使用される穴２２が設けられる。該端部と他方の導体間の接点は、本発明の対象物である粉末またはペーストの中間層を用いて上述のごとく改善される。
端子２０とケーブル２４との間に良好な電気的接点を得るためには、端子２０は締付リング２６を利用して組立する時にそこに強い圧力を作用させてケーブル２４に連結する。
ケーブル２４のリング２６を使った締付に先立ち、該ケーブルを粉末、すなわち、本発明の対象物中に浸すか、あるいは、ケーブルストランドにペースト、すなわち、本発明の対象物を、例えば、吹付けにより塗布して、該ペーストによりケーブルストランド間の隙間、例えば、隙間３６を埋める。ケーブル２４がリング２６で締付けられるとき、該粉末またはペーストはそこに作用する圧のため隙間内により深く入り込む。
該粉末やペースト、すなわち、本発明の対象物は、特に、それらの効能が温度とともに増大するだけになお一層メリットがある。実は、錫で目付された発泡ニッケルをもとにした本発明による粉末またはペーストを用いる１ｄｍ2接続部の電圧降下は、５０００Ａの強度を有する電流の場合温度８０℃において数ｍＶのオーダーである。この際立った特徴は該温度効果の影響を受けて発泡点がこれらと接触している導体と一緒に溶解するという事実による。
上述のように、本発明による粉末やペーストは、両方の導体がアルミニウム製である場合だけでなく、片方の導体が銅製であって他方がアルミニウム製である場合、または、２つの導体がともに銅製である場合にも、電気的接続部の伝導性の改善に特別なメリットがある。
つまるところ、これらの導体が招来する電気的損失の低減のおかげで、本粉末やペースト、すなわち、本発明の対象物は、特に、例えば、１０００Ａを越える強度を有する強電流にマッチしている。
この場合、該発泡粒子は弛緩してもなおこの接触面に対してより少ない圧力犠牲で接触面に順応するため、弾性変形可能な発泡体粒子を使用することには締付手段の緩みの影響を低減するメリットがある点が特徴である。
本粉末およびペースト、すなわち、本発明の対象物は高電流に訴える電気工学技術のあらゆる分野に応用可能である。例えば、電解槽や製鋼炉においては、高電流や高温にさらされる電気的接続部の損耗は主に電気的接続部の接触面の変形が原因で起こる。このため、接続部当たり数ＫＷに達することもある電気的損失やこのような接触面を通過する電流強度の変動が生ずる。
本発明の対象物の本粉末やペーストは、アルミニウム電気分解に使用される陽極接点などの重工業における滑り接点を改善するために使用されても良い点が特徴である。
まさに今開示されたばかりの本発明のおかげで、劣化し歪んだ接点表面を有する電気的接続部は1ミリオーダーの変形の場合であっても大幅に改善が可能である。実は、本発明の対象物の本粉末あるいはペーストは導体の劣化した接触面の特性に順応するという理由で接触面が増える。
Claims (10)
- 連続気泡からなる発泡体粒子で構成される電気的接続粉末であって、前記発泡体が、鉄、コバルト、ニッケルおよびこれらの合金からなる群から選択される金属発泡体の骨格を有し、錫、インジウムまたはこれらの合金のうちの少なくとも１種類からなるメッキで被覆されることを特徴とする電気的接続粉末。
- 前記発泡体がニッケル発泡体の骨格を含むことを特徴とする請求項１に記載の粉末。
- 前記ニッケル発泡体の骨格が錫メッキで被覆されることを特徴とする請求項２に記載の粉末。
- 請求項１、２または３のうちのいずれか１項に記載の粉末と該粉末が分散されたバインダーを含むことを特徴とする電気的接続ペースト。
- 前記バインダーが脂肪を含有することを特徴とする請求項４に記載のペースト。
- 前記バインダーが抗酸化生成物および数ミクロンの金属粒子を含むことでその使用寿命を延ばすことを特徴とする請求項４または５に記載のペースト。
- 前記金属粒子が銀、金または良好な電気導体である金属粒子であることを特徴とする請求項６に記載のペースト。
- 気泡で構成された発泡体の骨格を発達させるステップと、次いで、該発泡体の気泡構造を維持する手段を用いて同骨格を０．５ｍｍから５ｍｍまでの変動範囲の粒径を有する粒子に裁断するステップとを備える、請求項１、２、または３のいずれか１項に記載の粉末を製造する方法。
- 前記粒子が１ｍｍから２ｍｍの変動範囲の粒径を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 該発泡体を裁断するための前記手段がレーザー装置であることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
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