JPH02117027A - 真空インタラプタの電極材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 入、　産業上の利用分野 本発明は、電流さい断値や接触抵抗値を長期間に亙って
低く保つことが可能な真空インタラプタの電極材料及び
その製造方法に関する。

Ｂ　発明の概要 骨格金属の粉末上に導電金属と軟化金属との合金を載置
し、これらを加熱して骨格金属の空隙部分に導電金属及
び軟化金属を溶浸させたのち、急冷して骨格金属と導電
金属との界面に軟化金属を析出させた真空インタラプタ
の電極材料であり、耐電圧特性や電流しゃ断性能を損な
うことなく電流さい断値や接触抵抗値を長期間に亙って
低い値に保持できろようにしたものである。

Ｃ３従来の技術 真空しゃ断器は他の型式のしゃ断器と比較すると、小形
で消弧性能も優直ているため、閉鎖配電盤を収納するキ
ユービクル中に多段に積み重ねられた状態で使用される
ことが多くなって来ている。このようにキユービクルの
実装密度が高くなると、キユービクル内の温度上昇を無
視できなくなるが、この温度上昇の原因となる最大のも
のは、真空しゃ段器の主要部の一つである真空インタラ
プタの電極の接触抵抗である。従って、接触抵抗の小さ
な電極が組込まれた真空インタラプタを使用することが
、キユービクル内の温度上昇を抑える上で有効である。

ところで、真空インタラプタの電極材料として要求され
る主な性能としては、 （１）電流しゃ断性能が高いこと （２）電流さい断値が低いこと 等を挙げろ乙とができる。

しかし、電極材料の電流しゃ断性能を高くすることと電
流さい断値を低くすることとは、互いに矛盾する物理的
特性に起因するため、単一の電極材料で上述した全ての
特性を満たすことは難しく、真空インタラプタの仕様に
最も適合した電極材料を選択しているのが現状である。

例えば、特公昭４１−１２１３１号公報等に開示されｔ
−鋼ビスマス合金は、鋼（Ｃｕ）に蒸気圧の高い低融点
のビスマス（Ｂｉ）を０．５重量％添加したものであり
、耐溶着性や電流しゃ断性能が良好であることは周知の
通りである。又、特公昭５４−３６１２１号公報等に開
示されたタングステン鋼焼結金属は、蒸気圧の低い高融
点のタングステン（Ｗ）に銅を２０重量％添加したもの
であり、電流さい断値が低い利点を有する。

Ｄ　発明が解決しようとする課題 銅ビスマス合金でビスマスを０．５重量％含むものは電
流しゃ断性能が良好である反面、電流さい断値が例えば
ＩＯＡと高く、電流しゃ断時にさい断サージを発生する
ことがある。

このため、遅れ小電流を良好にしゃ断する乙とが困難で
あり、負荷側の電気機薔の絶縁破壊を引き・起こす虞が
ある。

又、タングステン銅焼結金属は、電流さい断値が低い半
面、電流しゃ断性能が悪く、短絡電流の如き大電流をし
ゃ断することができない。

特に、上述した銅ビスマス合金はその金属組織のＸ線マ
イクロアナライザによる二次電子像を表す第１０図、こ
の試料における鋼の分布状態のＸ線像を表す第１１図及
びビスマスの分布状態のＸ線像を表す第１２図に示すよ
うに、ビスマスは銅にほとんど固溶しないことから、銅
の結晶粒が大きくなってビスマスは銅の結晶粒間に析出
した状態となる。このため、真空インタラプタの電極を
頻繁に開閉操作した場合、電極表面にビスマスが安定供
給されず、電流さい断値が不安定となってしまう。しか
も、真空インタラプタを製造する過程において真空イン
タラプタ内を真空排気する場合、加熱操作によりビスマ
スが電極表面に球状に溶融析出し、電極材料の耐溶着性
が悪化すると共に接触抵抗値の増大を招来する虞があっ
た。なお、第１１図及び第１２図で白い部分が各金属元
素の存在箇所である。

Ｅ　課題を解決するための手段 本発明による真空インタラプタの電極材料は、スケルト
ンを構成する骨格金属と、この骨格金属のスケルトン内
に充填され且つ当該骨格金属よりも低融点の導電金属と
、この導電金属と共に前記スケルトン内に充填され且つ
前記骨格金属と前記導電金属との界面に分散すると共に
該導電金属よりも低融点の軟化金属とからなるものであ
る。

なお、骨格金属としてはクロム（Ｃｒ）やコバルト（Ｇ
ｏ）、ニッケル（Ｎｉｌ、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（
Ｎｂ）。

タンタル（Ｔａ）の他、クロムの化合物、モリブデンの
化合物、タングステンの化合物。

ステンレス鋼等の少なくとも−ａ！類が該当する。又、
導電金属としてはこれらの骨格金属よりも融点の低いＷ
ｉ（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）等の導電率の優れた金属の少な
くとも一種類が該当する。更に、軟化金属としてはこれ
ら導電金属よりも更に融点の低いビスマス（Ｂｉ）や鉛
（Ｐｂ）、テルル（Ｔｏ）、アンチモン（ｓｂ）等の少
なくとも一種類が該当する。

この軟化金属は、電極材料の硬度を下げて接触抵抗値を
下げる目的で使用しているため、１重量％未満ではその
機能が充分に発揮されず、逆に２０重量％を越えると′
Ｒ極材料自体の強度が低下して耐久性が無くなる。この
ため、軟化金属の割合は１から２０重量％の範囲に収め
ることが望ましい。

一方、本発明による真空インタラプタの電極材料の製造
方法は、骨格金属の粉末上にこの骨格金属よりも低融点
の導電金属と該導電金属よりも低融点の軟化金属との合
金を載置し、これらを前記軟化金属の蒸気を含む非酸化
性雰囲気にて前記合金の融点以上に加熱保持し、前記導
電金属及び前記軟化金属を前記骨格金属の空隙部分に溶
浸させたのち、急冷することを特徴とするものである。

Ｆ、　　作　　　　　用 加熱により、まず骨格金属の粉末が相互に拡散結合して
多孔質化し、これによって形成されるスケルトンの空隙
部分に導電金属及び軟化金属が溶浸して行く。溶浸後の
急冷操作により、軟化金属は導電金属の結晶粒間にでは
なく、骨格金属と導電金属との界面に析出するなめ、軟
化金属の分布状態は全体として微細に分散することとな
る。

Ｃ９ 実施例 真空インタラプタは、その概略構造の一例を表す第９図
に示すようなものであり、相互に一直線状をなす一対の
り−ド棒１１，１２の対向端面には、それぞれ電極１３
．１４が一体的に設けである。これら電１”Ｊ１３．１
４を囲む筒状のシールド１５の外周中央部は、このシー
ルド１５を囲む一対の絶縁筒１６゜１７の間に挾まれた
状態で保持されている。

一方の前記リード棒１１は一方の絶縁筒１６の一端に接
合された金ｙ１４端板１８を気密に貫通した状態で、こ
の金属端板１８に一体的に固定されている。図示しない
駆動装置に連結されろ他方のリード棒１２は、他方の絶
縁筒１７の他端に気密に接合された他方の金属端板１９
にベローズ２０を介して連結され、駆動装置の作動に伴
って電極１３．１４の対向方向に往復動可能に可動側の
電極１４が固定側の電極１３に対して開閉動作するよう
になっている。

本実施例の電極１３，１４は、骨格金属であるクロム（
Ｃｒ）と、導電金属である銅（Ｃｕ）と、これら骨格金
属と導電金属との界面に分散する軟化金属であるビスマ
ス（Ｂｉ）とからなる複合金属で構成されろ。

この電極材料の製造法の一例を以下に記すと、まず−１
００メツシユの粒度のクロムの粉末を内径６８ｍのアル
ミナセラミックス製の容器に約１６０ｇ入れろと共に該
クロムの粉末の上に鋼ビスマス合金を約４００ｇ載置し
た状態で容器に蓋を被せ、これらを真空炉内にて脱ガス
しつつ第７図に示す如き加熱処理を施し、まずクロム粒
子を拡散結合させ、多孔質の溶浸母材を得る。しかるの
ち、この溶浸母材の空隙部分に銅及びビスマスを溶浸さ
せるが、この際、容器内はビスマス蒸気を多最に含んだ
雰囲気となる。そして、得られる電極材料を容器から出
して所定の寸法形状に機械加工する。

なお、溶浸後の冷却操作は毎分１０度から２０度程度の
降温速度で少なくとも８００℃程度まで続けることが望
ましく、これによってビスマスをクロムと胴との界面に
効果的に分散状態で析出させることができる。

このようにして Ｃｒ：　　３８重量％ Ｂｉ：　　１２重量％ Ｃｕ：　残り からなろ電極材料を第一試料として作成し、その金属組
織の状態をＸＩ！マイクロアナライザにて調べた。金属
組織の二次電子像は第１図に示す通りであり、この試料
における銅の分布状態を表すＸ線像が第２図、クロムの
分布状態を表すＸ線像が第３図、ビスマスの分布状態を
表すＸ線像が第４図にそれぞれ示されている。第２図〜
第４図で白い部分が各金属元素の存在箇所であり、クロ
ムからなる多孔質の溶浸母材の空隙部分に銅及びビスマ
スが溶浸すると共にビスマスがクロムと銅との界面、つ
まり第１図からも明らかなように、クロム粒子の周囲に
微細に分散析出していることが判る。

以上の第一試料の他に、 Ｃｒ：　　３５重量％ Ｂｉ：　　１５重量％ Ｃｕ：　残り からなる第二試料及び Ｃｒ：　　３２重量％ Ｂｉ：　　１８重量％ Ｃｕ：　残り からなる第三試料を用意し、それぞれ直径５０閣で厚さ
が６．５ｍの円盤状に加工すると共にその外周縁に４＋
ｍｓの曲率半径の丸味を付けたものを第９図に示す真空
インタラプタの電極１３．１４として組込み、耐溶着性
及び電流しゃ断性能及び電流さい断値を調べた。

接触抵抗に関シテハ、２００Ｖ、１２０Ａで真空インタ
ラプタを負荷開閉し、この時の加圧力を１５０　ｋｇｆ
とした場合の百回後、千回後、−万回後、十万回後の接
触抵抗値をそれぞれ求めた結果、第５図に示すように十
万回後でも初期値とほとんど変わらず、１５μΩ程度の
低い値に収まった。なお、ωツは第一試料、フ込が第二
試料、Ｈが第三試料の各接触抵抗値の推移を表す。又、
比較として銅にクロムを５０重量％添加した銅クロム合
金の場合を訃七で示した。

又、電流しゃ断性能に関しては、７．２ｋＶの電圧条件
にて第一試料では２６　ｋＡ　（ｒ、ｍｓ、）の電流を
しゃ断でき、第二試料では２４　ｋＡ（、、，３，１の
電流をしゃ断でき、第三試料では２２　ｋＡ　（ｒＩＬ
ｓ、　）の電流をしゃ断することができた。

一方、電流さい断値に関しては、２００Ｖ。

１２０Ａで真空インタラプタを負荷開閉し、百回後、千
回後、−万回後、十万回後の電流さい断値をそれぞれ求
めた結果、第６図に示すように十万回後でもＩＡ以下に
収まる好結果が得られた。なお、この第６図に示すＯ印
。

Δ印、Ｘ印はそれぞれ５０回測定の平均値を表しておす
、ωつが第一試料、キ咄が第二試料、トヘが第三試料の
各電流さい断値の推移を示す。

ここで、鋼が２０重量％未満の場合には、導電率が低下
して発熱量が多くなり、逆に銅が７０重量％を越えると
、耐溶着性の低下や電流さい断値の増大をもたらす。又
、クロムが２重量％未満の場合やビスマスが１重量％未
満の場合には、電流さい断値がそれぞれ増大することと
なる。更に、クロムが７５重量％を越えろ場合には、電
流しゃ断性能が低下してしまう。一方、ビスマスが２０
重１％を越えろと電極及び真空インクラブタとしての耐
久性が急激に低下する。従って、銅は２０から７０重量
％の範囲、クロムは２から７５重量％の範囲、ビスマス
は１から２０重量％の範囲であることが望ましい。

次に、骨格金属としてクロム、コバルト（Ｃｏ）、モリ
ブデン（Ｍｏ）、導電金属として銅、軟化金属としてビ
スマス、鉛（ｐｂ）を採用した場合の一実施例について
記す。まｆ−１００メツシユの粒度のクロム及びコバル
ト及びモリブデンの粉末を機械的に混合し、この混合粉
末をアルミナセラミックス製の容器に所定量装入すると
共に該混合粉末上に銅ビスマス鉛合金の塊を載置した状
態で容器に蓋を被せ、これらを真空炉内にて脱ガスしつ
つ加熱処理し、まずクロム粒子とコバルト粒子とモリブ
デン粒子とを拡散結合させ、多孔質の溶浸母材を得る。

しかるのち、との溶浸母材の空隙部分に銅及びビスマス
及び鉛を溶浸させ、得られる電極材料を容器から出して
所定の寸法形状に機械加工する。

このようにして Ｃｒ：　　１０重量％ Ｃｏ：　　　１重量％ Ｍｏ：２５重量％ Ｂｉ：　　１５重量％ Ｐｂ：　　４重量％ Ｃｕ；　残り からなろ電極材料を第四試料として作成し、この第四試
料の他に、 Ｃｒ：２５重量％ Ｃｏ：　　５重量％ Ｍｏ：１０重量％ Ｂｉ：１２重量％ Ｐｂ：　　１０重置部 Ｃｕ：　残り からなる第五試料及び Ｃｒ：　　３０重量％ Ｃｏ：　　　３重量％ Ｍｏ：５重量％ Ｂｉ：　　１５重量％ Ｐｂ：　　　６重量％ Ｃｕ：　残り からなる第六試料を用意し、それぞれ直径５０鵬で厚さ
が６．５鴫の円盤状に加工すると共にその外周縁に４ｍ
の曲率半径の丸味を付けたものを第９図に示す真空イン
タラプタの電極１３．１４として組込み、耐溶着性及び
電流しゃ断性能及び電流さい断値を調べた。

耐溶着性に関しては、可動側の電極］３を固定側の電ｆ
Ｉｉ１４に対して１３０　ｋｇｆで加圧し、この状態で
２５　ｋＡ　（ｒ、ｍｓ、　）の電流ｌｅ３秒間通電し
た後、２００　ｋｇｆの静的な引張り力を電極１３に加
えた所、三つの試料とも′ｗｉ極１４から電極１３を問
題なく引き離すことができた。又、その後の接触抵抗の
増加は三つの試料とも２０％以内に収まった。

又、電流しゃ断性能に関しては、？、２ｋＶの電圧条件
にて第一試料では２０ｋＡ（口１．）の電流をしゃ断で
き、第二試料では２２　ｋＡ（、、、ｆｆ、）の電流を
しゃ断でき、第三試料では２５　ｋＡ　（ｒ、ｍｓ、　
）の電流をしゃ断することができた。

一方、電流さい断値に関しては、２００Ｖ。

１２０Ａで真空インタラプタを負荷開閉し、百回後２千
回後、−万回後、十万回後の電流さい断値をそれぞれ求
めた結果、第８図に示すように十万回後でもＩＡ以下に
収まる好結果が得られた。なお、この第１図に示すＯ印
。

Δ印、Ｘ印はそれぞれ５０回測定の平均値を表しており
、チくが第四試料、さ・シが第五試料、　ｘ−−−−ｘ
が第六試料の各電流さい断値の推移を示す。又、接触抵
抗値に関しては先の実施例のものとほぼ同じ値に収まる
ことを確認した。

ここで、銅が２０重量％未満の場合に（ま、導電率が低
下して発熱量が多くなり・、逆に銅が７０重量％を越え
ろと、耐溶着性の低下や電流さい断値の増大をもたらす
。クロムが２重量％未満の場合やモリブデンが２重量％
未満の場合或いはビスマスが１重量％未満の場合には、
電流さい断値がそれぞれ増大することとなる。更に、ク
ロムが７５重産量を越えたり、モリブデンが７５重量％
を越える場合には、電流しゃ断性能がそれぞれ低下して
しまう。一方、ビスマスが２０重量％を越えたり、鉛が
１０重量％を越えると電極及び真空インタラプタとして
の耐久性が急激に低下し、逆に鉛が０．５重量％未満の
場合には、鉛を使用したことによる電極材料としての物
理的。

電気的特性を長期に互って安定化させる機能が充分に発
揮されなくなる。又、コバルトが１０重量％を越えろ場
合には、銅との反応が進んで導電率の低下をもたらし、
逆にコバルトが０．１重量％未満の場合には、耐電圧特
性が低下する。

■、　発明の効果 本発明の真空インタラプタの電極材料及びその製造方法
によると、骨格金属の粉末に導電金属及び軟化金属を溶
浸させ、これらを急冷して骨格金属と導電金属との界面
に軟化金属を分散析出させたため、十万回の開閉後でも
電流さい断値をＩＡ以下並びに接触抵抗を１５μΩ程度
の低い値にそれぞれ保つことのできる真空インタラプタ
を提供できる。

又、多数回の開閉操作後でも接触抵抗値が低く安定して
いるため、開閉のための操作装置を小形化できろと共に
発熱が少ないことと相俟ってキユービクルを小形化でき
る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による真空インタラプタの電極材料の一
実施例において、Ｘ！ＩＫマイクロアナライザによる金
属組織の二次電子像を表す顕微鏡写真、第２図はその銅
の分布状態を表す顕微鏡写真、第３図はクロムの分布状
態を表す顕微鏡写真、第４図はビスマスの分布状態を表
す顕ｔｅａ写真、第５図は本発明を真空インタラプタに
応用した場合の銅クロム合金及び本実施例の接触抵抗鎗
を比較したグラフ、第６図は本発明を真空インタラプタ
に応用した場合の電流さい断値の特性を表すグラフ、第
７図は本実施例による熱処理操作の過程を表すグラフ、
第８図は第二の実施例における電流さい断値の特性を表
すグラフ、第９図はその真空インタラプタの一例を表す
断面図、第１０図はＸ＠マイクロアナライザによる従来
の銅ビスマス合金の金属組織の二次電子像を表す顕微鏡
写真、第１１図はその銅の分布状態を表す顕微鏡写真、
第１２図８−ビスマスの分布状態を表す顕微鏡写真であ
る。 図中の符号で１１，１２はリード棒、１３゜１４は電極
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スケルトンを構成する骨格金属と、この骨格金属
   のスケルトン内に充填され且つ当該骨格金属よりも低融
   点の導電金属と、この導電金属と共に前記スケルトン内
   に充填され且つ前記骨格金属と前記導電金属との界面に
   分散すると共に該導電金属よりも低融点の軟化金属とか
   らなる真空インタラプタの電極材料。
2. （２）骨格金属の粉末上にこの骨格金属よりも低融点の
   導電金属と該導電金属よりも低融点の軟化金属との合金
   を載置し、これらを前記軟化金属の蒸気を含む非酸化性
   雰囲気にて前記合金の融点以上に加熱保持し、前記導電
   金属及び前記軟化金属を前記骨格金属の空隙部分に溶浸
   させたのち、急冷することを特徴とする真空インタラプ
   タの電極材料の製造方法。