JP7163051B2 - 真空バルブ用通電部品、真空バルブ、及び真空バルブ用通電部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、真空バルブ用通電部品、真空バルブ、及び真空バルブ用通電部品の製造方法に関する。

真空バルブは、電力系統の受変電設備や、ビル、工場などに設置されたスイッチギア等の配電設備などに設けられ、電流を遮断するために用いられる。この真空バルブは、内部が真空の絶縁容器と、絶縁容器内に対向して設けられた固定側電極及び可動側電極を有し、固定側電極に対し可動側電極が接離することで、電流の投入と遮断とを切り替える。この固定側電極及び可動側電極は、互いの電極が接する接点と、接点が接合される通電部材とから構成される。

従来から、この真空バルブの電極は、接点基材と通電部材とをろう接することにより接合して構成していた。すなわち、接点基材と通電部材の間に、Ａｇ－Ｃｕ系などの合金からなるろう材を挟み、所定の温度でろう材を溶融させ、接合面に濡れ拡がらせることによって接合していた。

特開２００４－３６２９１８号公報

ろう接は、ろう材を接合面に濡れ拡がらせて接合する技術であるため、接合面の状態によっては接合面全体に濡れ拡がらない濡れ不良を引き起こし、或いは、濡れ拡がりが不十分であることにより接合面間でろう材の厚みが異なることにより、接点基材と通電部材との接合強度が弱くなるという問題があった。

また、ろう材自体が電気抵抗を有するので、通電時のジュール熱によって真空バルブの通電容量を制限する一因になっていた。

本発明の実施形態は、上記のような問題を解決するものであり、接点基材と通電部材の接合強度を向上させるとともに、通電容量を大きくすることができる真空バルブ用通電部品、真空バルブ、及び真空バルブ用通電部品の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態の真空バルブ用通電部品は、主成分となるＣｕと添加成分を含んでなる接点基材と、Ｃｕを主成分とする通電部材と、前記通電部材のＣｕと前記接点基材の添加成分とが複合化してなり、前記接点基材と前記通電部材とを接合する原子拡散層と、を備えたこと、を特徴とする。

また、本実施形態の真空バルブ用通電部品は、主成分となるＡｇと添加成分を含んでなる接点基材と、Ｃｕを主成分とする通電部材と、前記通電部材のＣｕと前記接点基材の主成分Ａｇとが固溶してなり、前記接点基材と前記通電部材とを接合する原子拡散層と、を備えたこと、を特徴とする。

本実施形態の真空バルブは、上記真空バルブ用通電部品を用いて構成する。

本実施形態の真空バルブ用通電部品の製造方法は、主成分となるＣｕ又はＡｇと添加成分を含んでなる接点基材及びＣｕを主成分とする通電部材の何れか一方を固定し、他方を軸周りに回転させ、前記一方の端部と前記他方の端部とを摩擦圧接し、前記接点基材と前記通電部材との前記摩擦圧接は、１０秒以上とすること、を特徴とする。

実施形態に係る真空バルブ用通電部品の構成を示す図である。 実施形態に係る真空バルブ用通電部品の製造方法を説明するための図である。 実施形態の製造方法により得られた真空バルブ用通電部材の接点基材と通電部材の界面部分の断面写真である。

（実施形態）
（構成）
図１は、実施形態に係る真空バルブ用通電部品の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の真空バルブ用通電部品は、接点基材１と、通電部材２と、原子拡散層３とを有する導電体であり、原子拡散層３を介して接点基材１と通電部材２とが一体化している。真空バルブ用通電部品は、真空バルブの通電部品として用いられ、例えば、接点を含んだ電極とこの電極に続く通電軸とからなる。より具体的には、真空バルブ用通電部品は、固定側の電極及び通電軸、又は、可動側の電極及び通電軸として用いることができる。

接点基材１は、真空バルブの電極同士の接触部分である接点を構成する導電体であり、主成分となるＣｕと添加成分とを含んでなる。添加成分は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏの少なくとも何れかを含む。接点基材１は、Ｃｕ及び添加成分を含む合金又はＣｕ及び添加成分を含む複合材であり、例えば、銅クロム（Ｃｕ－Ｃｒ）合金である。

通電部材２は、真空バルブの電極又は当該電極に続く通電軸を構成するＣｕを主成分とする導電体である。通電部材２は、例えば無酸素銅で構成された、真空バルブの固定側通電軸又は可動側通電軸である。

原子拡散層３は、接点基材１と通電部材２とを接合する。原子拡散層３は、接点基材１と通電部材２との間に介在しており、ここでは、通電部材２のＣｕと接点基材１の添加成分とが複合化してなる。原子拡散層３は、例えば、接点基材１が銅クロム合金である場合、通電部材２のＣｕ原子と、接点基材１の添加成分であるＣｒ原子とが混合して形成されている。この混合とは、摩擦圧接時のせん断力によってＣｒ粒子が破砕されＣｕ中に微細に分散した粒子分散状態となっていることをいう。この場合、原子拡散層３は、接点基材１のＣｒ原子が通電部材２の接点基材１との接合端部内に拡散して通電部材２のＣｕ原子を混合されて形成されている。なお、接点基材１の材料が通電部材２の接点基材１との接合端部内に拡散して通電部材２の材料と混合されている場合、及び、通電部材２の材料が接点基材１の通電部材２との接合端部内に拡散して接点基材１の材料と混合されている場合も、原子拡散層３が接点基材１と通電部材２と間に介在していることに含まれる。原子拡散層３の厚みは、１ｍｍ以下であることが好ましい。

次に、本実施形態に係る真空バルブ用通電部品の製造方法を、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る真空バルブ用通電部品の製造方法を説明するための図である。なお、本製造方法の一例として、接点基材１及び通電部材２は、円柱状であるとして説明する。

図２に示すように、接点基材１と通電部材２とを対向させ、接点基材１を治具により固定するとともに、通電部材２を中心軸周りに回転速度１０００ｒｐｍ～３０００ｒｐｍで回転させ、接圧５０ＭＰａ～２００ＭＰａで接点基材１に１０秒～２０秒押し付けて摩擦圧接する。

この摩擦圧接により、接点基材１と通電部材２の接合面が発熱し、接点基材１及び通電部材２の接合部分の材料が塑性流動を引き起こし、原子拡散層３を形成する。そして、塑性流動により接合部分に発生するバリＢを除去することで、真空バルブ用通電部品を得る。

（作用）
図３は、本実施形態の製造方法により得られた真空バルブ用通電部材の接点基材１と通電部材２の界面部分の断面写真である。なお、図３は、接点基材１を主成分としてＣｕ、添加成分としてＣｒを含む金属で構成し、通電部材２を主成分としてＣｕを含む金属で構成し、通電部材２の回転速度を２０００ｒｐｍとし、接圧を１００ＭＰａとし、通電部材２を接点基材１に押しつける時間を１０秒とした時の写真である。

図３に示すように、接点基材１と通電部材２との間に原子拡散層３が形成されていることが確認できる。接点基材１の粒状の部分がＣｒ粒子であり、通電部材２側に近づくにつれ、Ｃｒ粒子が粉砕され、Ｃｒ粒子の大きさが微細化していることが分かる。すなわち、摩擦圧接時に接点基材１の材料と通電部材２の材料とが、接合面の発熱により各構成１，２が溶融はしないものの柔らかくなって塑性変形する。また、通電部材２が回転しながら接点基材１に１０秒以上という長時間押圧されているので、各構成１，２の材料が、微細な粒状まで粉砕されて微細化した各粒子が混じり合って複合化する。この過程で、微細化したＣｒ粒子が拡散し、原子拡散層３が形成される。換言すれば、この押圧時間が長いほど、材料粒子の拡散現象が進行すると考えられる。

通電部材を回転させながら接点基材に１０秒未満の短い時間押しつけることでも接点基材と通電部材との接合は完了するが、接合後の界面の組織は不連続な状態のままであるため、接合信頼性は低い。

これに対し、通電部材２を回転させながら接点基材１に１０秒以上という長時間押し付けているので、原子拡散層３が形成される。接点基材１の添加成分の粒子の大きさが接点基材１側から原子拡散層３側の方向に向けて徐々に微細になって各構成１，２の材料が混ざり合って複合化することにより、接合界面の組織の連続性が改善され、接点基材１と通電部材２の接合信頼性を高めることができる。また、接点基材１と通電部材２との間にろう材が介在することなく接合されるので、濡れ不良による接合強度が低下することもなく、本実施形態の通電部品を電極として使用した真空バルブの通電容量が大きくなる。

（効果）
本実施形態の真空バルブ用通電部品は、主成分となるＣｕと添加成分を含んでなる接点基材１と、Ｃｕを主成分とする通電部材２と、通電部材２のＣｕと接点基材１の添加成分とが複合化してなり、接点基材１と通電部材２とを接合する原子拡散層３と、を備えるようにした。

これにより、接点基材１と通電部材２との接合強度を向上させることができるとともに、通電容量を大きくすることができる真空バルブ用通電部品を得ることができる。

また、原子拡散層３の厚みは、１ｍｍ以下とした。これにより、真空バルブ用通電部品の靱性を向上させることができる。原子拡散層３の厚みが１ｍｍ超では、原子拡散層３の強度は向上するものの、脆くなりやすく、接合信頼性が低下する。また、原子拡散層３が存在することにより接合強度が向上するが、より接合強度を高めるため、原子拡散層３の厚みは、０．０００１ｍｍ（０．１μｍ）以上であることが好ましい。

接点基材１の添加成分は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏの少なくとも何れかを含むようにした。これにより、接点基材１の絶縁破壊電圧を向上させることができる。

（変形例）
上記実施形態の変形例について説明する。上記実施形態と同じ構成、作用については説明を省略する。

接点基材１は、主成分となるＡｇと添加成分を含んで構成しても良い。この場合、原子拡散層３は、通電部材２のＣｕと接点基材１の主成分Ａｇとが固溶してなり、接点基材１と通電部材２とを接合する。すなわち、接点基材１と通電部材２とは、摩擦圧接により各材料が塑性変形し、接点基材１のＡｇ元素が固体状態で、通電部材２のＣｕの結晶構造の形を保って当該結晶構造の中に入り込んで混じり合って原子拡散層３が構成されている。原子拡散層３では、接点基材１側がＡｇ元素の数が多く、通電部材２側に行くにつれてＡｇ元素の数が少なくなっており、接点基材１と通電部材２の接合界面の組織の連続性を有し、接合強度が向上するとともに、真空バルブの通電容量を高めることができる。

なお、接点基材１には、サージ電流抑制するために、炭化タングステン（タングステンカーバイド）、又は炭化モリブデンが含まれていても良い。すなわち、真空バルブは交流電圧のゼロ点になる前に電流を急激に遮断する場合がある。その場合、サージ電流が発生するが、炭化タングステン及び炭化モリブデンは、ゼロ点まで真空バルブ内の接点間に形成されるアークを維持することができ、サージ電流の発生を抑制することができる。

（他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上記実施形態では、接点基材１を治具で固定し、通電部材２を回転させたが、逆であっても良く、通電部材２を固定し、接点基材１を回転させ通電部材２に押しつけて摩擦圧接をするようにしても良い。この場合でも接点基材１と通電部材２との間に原子拡散層３が形成される。

接点基材１と通電部材２との摩擦圧接により、接点基材１と通電部材２との接合部分が発熱するため、原子拡散層３には、接点基材１の材料と通電部材２の材料との化合物が含まれていても良い。例えば、接点基材１に添加成分として、テルル（Ｔｅ）、ビスマス（Ｂｉ）が含まれている場合、銅テルル、銅ビスマスが化合物として含まれていても良い。また、チタン銅が含まれていても良い。

１ 接点基材
２ 通電部材
３ 原子拡散層
Ｂ バリ

Claims (3)

1. 主成分となるＣｕと添加成分を含んでなる接点基材と、
   Ｃｕを主成分とする通電部材と、
   前記通電部材のＣｕと前記接点基材の添加成分とが複合化してなり、前記接点基材と前記通電部材とを接合する原子拡散層と、
   を備えたこと、
   を特徴とする真空バルブ用通電部品。
2. 前記原子拡散層の厚みは、１ｍｍ以下であること、
   を特徴とする請求項１記載の真空バルブ用通電部品。
3. 前記添加成分は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏの少なくとも何れかを含むこと、
   を特徴とする請求項１又は２記載の真空バルブ用通電部品。

Images