JPH0534406B2

JPH0534406B2 -

Info

Publication number: JPH0534406B2
Application number: JP58176764A
Authority: JP
Inventors: Yoshuki Kashiwagi; Taiji Noda; Kaoru Kitakizaki
Original assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1983-09-24
Filing date: 1983-09-24
Publication date: 1993-05-24
Also published as: KR890002304B1; EP0137350B1; US4554425A; KR850002651A; IN163592B; EP0137350A2; EP0137350A3; JPS6067634A; DE3478533D1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、真空インタラプタの電極材料とその
製造方法とに関する。

一般に、真空インタラプタの電極は、 (1) 大電流を遮断する能力が高いこと、 (2) 絶縁強度が大きいこと、 (3) 耐溶着性が良好なこと、及び (4) 小電流を良好に遮断できること（さい断電流
値が小さいこと）等の電極条件を満足することが要求されている。

従来、上記の電極条件を満足すべく、種々の電
極材料が提案されている。が、いずれの電極材料
も、上記の電極条件を十分には満足しないのが現
状である。

例えば、銅に微量の高蒸気圧・低融点材料を含
有せしめた種々の電極、例えば、特公昭41−
12131号公報（米国特許証第3246979号参照）に示
されている、銅に0.5重量％のビスマスを含有せ
しめてなるもの（以下、Cu−0.5Bi電極という）、
または、特公昭48−36071号公報（米国特許証第
3596027号参照）に示されているもの等が知られ
ている。

これら高蒸気圧・低融点材料を含有してなる電
極にあつては、上記の電極条件から観て、大電流
遮断能力、耐溶着性および導電率に優れているも
のの、絶縁強度、特に大電流遮断後の絶縁強度が
著しく低下する欠点があり、しかも、さい断電流
値が10Aと高いために電流遮断時にさい断サージ
を発生することがあるので、遅れ小電流を良好に
遮断し得ない欠点があり、したがつて、負荷側、
の電気機器の絶縁破壊を引起す虞れがあつた。

また、例えば、上記高蒸気圧・低融点材料を含
有する電極の上述したような欠点を解消するのを
目的とした電極として、銀と低蒸気圧・高融点材
料との合金から成るもの、例えば、特公昭53−
6710号公報に示されているAg−WC合金から成
るもの（以下、Ag−WC電極という）が知られ
ている。この低蒸気圧・高融点材料を含有する電
極にあつては、上記の電極条件から観て、さい電
流値が小さくなる利点はあるものの、遮断性能が
低く、さらに、銀を用いているために、電極が高
価となるとともにこの電極は950℃以上の温度で
ろう付け（特に、真空ろう付け）できない欠点が
あつた。

本発明は、上述した技術水準に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、耐溶着性を実
用上不都合とならない程度に良好に維持しつつ、
さい断電流値を極めて小さくし、絶縁強度を極め
て大きくし得るとともに、大電流および小電流の
いずれをも良好に遮断し得るようにした、真空イ
ンタラプタの電極材料とその製造方法を提供する
ことである。

上記の目的を達成するための特定発明にかかる
真空インタラプタの電極材料は、29〜74重量％の
銅と、15〜60重量％のクロムと、10〜35重量％の
鉄と、0.5〜15重量％の炭素と、0.5〜15重量％の
炭素と、0.5〜15重量％の硅素とからなる複合金
属である。

また、上記の目的を達成するための第２発明に
かかる真空インタラプタの電極材料は、29〜74重
量％の銅と、残りがフエロクロムとから成り、こ
のフエロクロムが含有する、炭素と硅素とを含め
て、炭素及び硅礎の含有率がいずれも0.5〜15重
量％となる複合金属である。

また、上記の目的を達成するための第３発明に
かかる、真空インタラプタの電極材料の製造方法
は、クロム、鉄、炭素及び硅素で多孔質基材を形
成し、この多孔質基材に銅を溶浸するようにした
ものである。

また、上記の目的を達成するための第４発明に
かかる、真空インタラプタの電極材料の製造方法
は、クロム、鉄、炭素及び硅素からなる混合物
を、非酸化性雰囲気中で、かつ、これらクロム、
鉄、炭素及び硅素の融点よりも低い温度で、加熱
して多孔質基材を形成し、この多孔質基材に非酸
化性雰囲気中で銅を溶浸するようにしたものであ
る。

以下、図面および写真等の図を参照して、本発
明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明にかかる電極を備えた真空イ
ンタラプタの縦断面図である。真空インタラプタ
は、円筒状に成形した絶縁ガラスもしくはセラミ
クス等の絶縁材料から成る複数（本実施例におい
ては、２本）の絶縁筒１，１を、各絶縁筒１の両
端に固着したFe−Ni−CO、Fe−Ni合金等の金
属から成る薄肉円環状の封着金具２，２……の一
方を介し、同軸的に接合することにより一体の絶
縁筒とするとともに、この一体の絶縁筒の開口部
を、他方の封着金具２，２を介し、ステンレス銅
等から成る円板状の両金属端板３，３により閉塞
し、かつ、一体の絶縁筒と両金属端板３，３とか
ら成る容器の内部を高真空に排気して真空容器４
を形成し、この真空容器４内に、一対の円板状の
電極５，５を、各金属端板３の中央部から、真空
容器４の気密性を保持しつつ、相対的に接近離反
自在に導入した対をなす電極棒６，６を介し、接
触離反（接離）自在に設けて概略構成されてい
る。

なお、第１図において、７は金属ベローズ、８
は各電極５と同心状に囲繞する中間シールドであ
る。

各電極５は、29〜74重量％の銅と、15〜60重量
％のクロムと、10〜35重量％の鉄と、0.5〜15重
量％の炭素と、0.5〜15重量％の硅素とを複合し
た電極材料から成る。

以下、上述した電極材料を製造する方法につい
て説明する。

第１の製造方法まず、クロム15〜60重量％、鉄10〜35重量％、
炭素0.5〜15重量％及び硅素0.5〜15重量％の組成
比となるように調整され、例えば−100メツシユ
の粒径を有する、所定量のクロム粉末と、鉄粉末
と、炭素粉末と、硅素粉末とを（例えば、加工し
ろを加えた電極１個分相当）機械的に混合する。
ついで、得られた混合粉末を、クロム、鉄、炭
素、硅素および銅のいずれとも反応しない材料、
例えば、アルミナセラミクスから成る円形断面の
容器に収納し、この収納物を、非酸化性雰囲気中
（例えば、５×10^-5Torr以下の真空、水素ガス、
窒素ガスまたはアルゴンガス中等）において、銅
の融点より低い温度で加熱保持（例えば、600〜
1000℃で５〜60分間）し、クロム粉末と、鉄粉末
と、炭素粉末と、硅素粉末とを相互に拡散結合し
て、これら粉末から成る多孔質基材を製造する。
最後に、上記拡散結合の工程と同一又は異なる非
酸化性雰囲気中において、多孔質の基材上に銅ブ
ロツク又は銅粉末等の固形の銅材を載置し、か
つ、多孔質器材と銅材とを銅の融点（1083℃）以
上で、かつ、多孔質基材の融点より低い温度で、
５〜20分間程度、加熱保持して、溶融した銅材を
多孔質基材に溶浸させ、この多孔質基材を冷却す
る。これにより、真空インタラプタの電極材料が
得られる。

なお、上記製造法において多孔質基材のための
素材として市販フエロクロムを使用する場合、こ
の市販フエロクロムが高炭素フエロクロム（JIS
規格で、FCrH0からFCrH5まで）及び中炭素フ
エロクロム（JIS規格で、FCrM3及びFCrM4）
のときは、これら高炭素もしくは中炭素フエロク
ロムをそのまま使用でき、他方、市販フエロクロ
ムが低炭素フエロクロム（JIS規格で、FCrL1か
らFCrL4まで）のときは、所定量の炭素粉末及び
硅素粉末を追加すればよい。もちろん、高炭素も
しくは中炭素フエロクロムを使用する場合も、必
要に応じて炭素粉末及び／又は硅素粉末を追加す
ることができる。なお、上記フエロクロムは55〜
70重量％のクロムと、９重量％以下の炭素と、８
重量％以下の硅素と、残りが鉄とからなる組成比
である。

第２の製造方法第２の製造方法は、第１の製造方法と同様に、
拡散結合工程前にクロムと鉄と炭素と硅素との混
合粉末と、固形の銅材とを円形断面の同一容器内
に納置し、混合粉末の拡散結合工程及び銅材の溶
浸工程を同一非酸化性雰囲気中での加熱温度の変
更のみで分ける点に特徴がある。

すなわち、まず、クロム15〜60重量％、鉄10〜
35重量％、炭素0.5〜15重量％及び硅素0.5〜15重
量％の組成比となるように調整され、例えば、−
100メツシユの粒径を有する、クロム粉末と、鉄
粉末と、炭素粉末と、及び硅素粉末とを所定量機
械的に混合する。ついで、得られた金属混合粉末
を、クロム、鉄、炭素、硅素及び銅のいずれとも
反応しない材料、例えば、アルミナセラミクスか
ら成る円形断面の容器に収納するとともに、混合
粉末上に固形の銅材を載置する。ついで、容器中
の収納物を非酸化性雰囲気中（例えば、５×
10^-5Torr以下の真空中）において、まず、銅の
融点より低い温度で加熱保持（例えば、600〜
1000℃で５〜60分間）し、これにより、クロム粉
末と、鉄粉末と、炭素及び硅素粉末とを相互に拡
散結合して、多孔質基材を製造し、ついで、得ら
れた多孔質基材と固形の銅材とを銅の融点以上
で、かつ、多孔質基材の融点より低い温度（例え
ば、1100℃）で、５〜２分間程度、加熱保持し、
溶融した銅材を多孔質基材に溶浸させる。これに
より、クロム、鉄、炭素、硅素及び銅から成る真
空インタラプタの電極材料を製造する。

なお、第２の製造方法において、多孔質基材の
ための素材として市販フエロクロムを使用する場
合、その使用法は、第１の製造方法の場合と同一
である。

上記第１及び第２の製造方法において、クロ
ム、鉄、炭素及び硅素粉末の粒径は、−60メツシ
ユ（250μｍ以下）であればよい。しかし、粒径
の上限が低下するにしがつて、各成分粉末の均一
な混合、すなわち、各成分粒子の均一な分散は、
一般的に、より困難となり、各成分粒子は、より
酸化し易くなるため、取扱いが一層面倒になると
共に使用に際して前処理を必要とする。

他方、各成分粉末の粒径が60メツシユより大き
い場合には、各成分粉末の粒子を拡散結合させる
とき、拡散距離の増大に伴つて加熱温度を高くし
たり、または、加熱時間を長くしたりすることが
必要となり、拡散結合工程の生産性が低下する。
したがつて、各成分粉末の粒径の上限は、種々の
条件を勘案して選定される。

上記実施例において、各成分粉末の粒径を−
100メツシユとした理由は、各成分粒子のより均
一な分散が得られ、より良好な拡散結合が得ら
れ、したがつて、優れた諸特性を有する電極材料
が得られるからである。各成分粒子間の良好な相
互拡散が行われない場合には、各成分の欠点が相
互補完されず、各成分の利点も発揮されない。特
に、各成分粒子の粒径が60メツシユよりも大きく
なる場合には、絶縁強度の小さい銅が電極の表面
を占める割合が著しく大きくなるか、又は、粒径
が大きくなつた各成分粒子及び各成分粒子間の合
金粒子が電極の表面に現われるから、銅を含めて
各成分のそれぞれの欠点が各成分のそれぞれの利
点よりも顕著となる。

また、上記実施例において、拡散結合工程にお
ける加熱保持時間は、加熱保持温度及び得べき多
孔質基材の個数によつて異なり、例えば、長過ぎ
る場合、各成分相互の拡散結合が過度に行われ、
所期の性質を有する電極材料が得られない。

以下、第１の製造方法により製造した電極材料
の実施例にかかる金属組織を第２図Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，ＥおよびＦに示す。これら第２図Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦは、銅、クロム、鉄、炭素お
よび硅素の各組成比を、それぞれ50重量％、30重
量％、12重量％、３重量％および５重量％とした
電極材料のＸ線マイクロアナライザによる特性写
真で、第２図Ａは、金属組織の二次電子像を示す
特性写真である。後述の第２図Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅお
よびＦから判るように各図で白い部分として示さ
れたクロムCr、鉄Fe、炭素Ｃおよび硅素Siは、
ほぼ均一に混り合い多孔質の基材を形成するとと
もに、この多孔質の基材に銅Cuが溶浸されてい
る。第２図Ｂは、分散したクロムの特性Ｘ線像
で、島状に点在する白い部分がクロムCrである。
第２図Ｃは、分散した鉄の特性Ｘ線像で、白い部
分が鉄、第２図Ｄは、分散した炭素の特性Ｘ線像
で、白点群が炭素Ｃである。第２図Ｅは、分散し
た硅素の特性Ｘ線像で、白点群が硅素である。第
２図Ｆは、溶浸された銅の特性Ｘ線像で、白い部
分が銅Cuである。

以上の通り図示し詳述した金属組織を有する電
極材料を、直径50mm、厚み6.5mmの円板に形成し、
かつ、その周縁にＲ＝４mmの丸味を付けた一対の
電極とし、これらの電極を第１図に示す構成の真
空インタラプタに組込んで、この真空インタラプ
タの諸性能を検証した。この検証結果は、以下の
通りであつた。

(i) 耐溶着性両電極５，５同士を130Kgｆの力で加圧し、
これら電極５，５間に25KA（rms）の電流を３
秒間通電した（IEC短時間電流規格）後に、両
電極５，５は、200Kgｆの静的な引外し力で問
題なく引外すことができ、その後の接触抵抗の
増加は、２〜８％に止まつた。

また、両電極５，５同士を1000Kgｆの力で加
圧し、これら電極５，５間に50KA（rms）の電
流を３秒間通電した後（IEC短時間電流規格）
に、両電極５，５は、200Kgｆの静的な引外し
力で問題なく引外すことができ、その後の接触
抵抗の増加は２〜10％に止まつた。

したがつて、耐溶着性は、実用上不都合とな
らない程度に良好に維持された。

(ii) さい断電流値平均0.6A（標準偏差σ_o＝0.6、標本数ｎ＝100） (iii) 遮断後のさい断電流値平均0.6A（σ_o＝0.4、ｎ＝100）であり、ほと
んど変化しなかつた。

(iv) 絶縁強度極間ギヤツプを3.0mmに維持し、インパルス
耐電圧試験を行なつたところ、±100kV（バラツ
キ±10kV）の耐電圧値を示した。

(v) 遮断後の絶縁強度極間ギヤツプを3.0mmに維持し、インパルス
耐電圧試験を行つたところ、±100kV（バラツキ
±10kV）の耐電圧値を示した。

(vi) 大電流遮断能力 12KA（rms）の電流を遮断することができ
た。

(vii) 小電流開閉後の絶縁強度電流80Aで小電流連続開閉試験を10000回行
なつた。耐電圧値は、初期〜10000回の間にお
いて、ほとんど変化しなかつた。

(viii) 進み小電流遮断能力電圧36×1.25／√３kV、電流80A（rms）の進み小電流遮断試験（JEC181）を10000回行なつ
た。両電極５，５間に再点弧は発生しなかつ
た。

上述の(i)〜(viii)項から判るように、本発明の電極
材料から成る電極を備えた真空インタラプタ（以
下、第１真空インタラプタという。）は、優れた
諸性能を有するものであり、第１真空インタラプ
タの諸性能と本発明にかかる電極と同一形状の
Cu−Bi電極を備えた真空インタラプタ（以下、
第２真空インタラプタという。）の諸性能、およ
び本発明にかかる電極と同一形状のAg−WC電
極を備えた真空インタラプタ（以下、第３真空イ
ンタラプタという。）の諸性能とを比較したころ、
下記の通りであつた。

(a) 大電流遮断能力第１および第２真空インタラプタについて
は、同一であつた。第３真空インタラプタにつ
いては、第１真空インタラプタの30％であつ
た。

(b) 絶縁強度一対のCu−0.5Bi電極およびAg−WC電極が
極間ギヤツプ10mmにおいて示すインパルス耐電
圧値と本発明にかかる一対の電極が極間ギヤツ
プ3.0mmにおいて示すインパルス耐電圧値とは、
同一であつた。したがつて、第１真空インタラ
プタは、第２および第３真空インタラプタの３
倍強の絶縁強度を有する。

(c) 耐溶着性第１および第３真空インタラプタについて
は、第２真空インタラプタの80％であつた。
が、実用上ほとんど問題なく、必要ならば、電
極開離瞬時の引外し力を若干増加させればよ
い。

(d) 進み小電流遮断能力第１真空インタラプタは、第２および第３真
空インタラプタに比較して、それぞれ強さが
1.5倍および３倍の容量性電流を遮断すること
ができる。

(e) さい断電流値第１真空インタラプタのさい断電流値は、第
２および第３真空インタラプタのものに比較し
て、それぞれ６％および60％と小さくなつた。

しかして、クロムが15重量％未満の場合には、
さい断電流値が急に大きくなり、他方、60重量％
を越える場合には、大電流遮断能力が急に低下し
た。

また、鉄が10重量％未満の場合には、さい断電
流値が急に大きくなり、他方35重量％を越える場
合には、大電流遮断能力が急に低下した。

また、炭素が0.5重量％未満の場合には、さい
断電流値が急に大きくなり、他方、15重量％を越
える場合には、絶縁強度が急に低下した。

また、硅素が0.5重量％未満の場合には、さい
断電流値が急に大きくなり、他方15重量％を越え
る場合には、大電流遮断能力が低下した。

また、銅が29重量％未満の場合には、短時間電
流試験の結果から判るように通電後の接触抵抗が
急に大きくなり、すなわち、電極の導電率が急に
低下するので、定格電流通電時のジユール熱が大
きく、銅29重量％未満の電極の実用性が低下し
た。

他方、銅が74重量％を越える場合には、絶縁強
度が急に低下するとともに、耐溶着性が急に低下
した。

以上の如く、特定発明は、29〜74重量％の銅
と、15〜60重量％のクロムと、10〜35重量％の鉄
と、0.5〜15重量％の炭素と、0.5〜15重量％の硅
素とから成る電極材料であるから、この電極材料
から成る真空インタラプタの電極は、Cu−0.5Bi
電極のように高蒸気圧・低融点材料を含有して成
る従来の電極およびAg−WC電極のように低蒸
気圧・高融点材料を含有して成る従来の電極に比
して、真空インタラプタの絶縁強度を飛躍的に大
きくし、かつ、さい断電流値を飛躍的に小さくす
ることができる。したがつて、特定発明にかかる
電極材料は、大電流遮断、進み小電流遮断および
遅れ小電流遮断を良好に行うことができる。

また、融点の最も低い構成元素としては融点が
1083℃の銅を使用しているので、950℃以上での
ろう付、特に真空ろう付けが可能である。

また、高価な銀ではなく安価な銅を使用してい
るので、安価な電極材料が得られる。

また、第２発明は、29〜74重量％の銅と、残り
がフエロクロムとから成り、このフエロクロムが
含有する炭素と硅素とを含めて、炭素及び硅素の
含有量がいずれも0.5〜15重量％となる真空イン
タラプタの電極材料であるから、各成分別粉末の
混合工程を省略し得る。

また、第３発明は、クロム、鉄、炭素及び硅素
で多孔質基材を形成し、この多孔質基材に銅を溶
浸して成る真空インタラプタの電極材料の製造方
法であるから、銅を多孔質基材に溶浸したことに
よる機械的強度の向上した電極を得ることができ
る。

また、第４発明は、クロム、鉄、炭素及び硅素
からなる混合物を、非酸化性雰囲気中で、かつ、
硅素の融点よりも低い温度で、加熱して多孔質基
材を形成し、この多孔質基材に非酸化性雰囲気中
で銅を溶浸した真空インタラプタの電極材料の製
造方法であるから、電極材料の電気的特性及び機
械的特性を優れたものとすることができる。

また、第４発明の一実施態様は、多孔質基材を
形成する各成分の粉末を混合して得られた混合粉
末に固形の銅材を載せ、まず、銅の融点より低い
温度で上記混合粉末を加熱して多孔質基材を形成
し、ついで、この多孔質基材を、銅の融点以上
で、かつ、多孔質基材の融点より低い温度で加熱
して銅を多孔質基材に溶浸した製造方法であるか
ら、多孔質基材の形成及び銅材の溶浸工程を加熱
保持温度の変更のみで区別し、全体の製造工程を
時間的に連続して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる電極材料により成る
電極を有する真空インタラプタの縦断面図、第２
図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦは、銅50重量％、
クロム30重量％、鉄12重量％、炭素３重量％およ
び硅素５重量％の組成を有する電極材料のＸ線マ
イクロアナライザによる特性写真で、第２図Ａ
は、電極材料の組織の二次電子像を示し、第２図
Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦは、分散状態にある、ク
ロム粒子、鉄粒子、炭素粒子、硅素粒子および溶
浸された銅の特性Ｘ線像を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１ 29〜74重量％の銅と、15〜60重量％のクロム
と、10〜35重量％の鉄の、0.5〜15重量％の炭素
と、0.5〜15重量％の硅素とから成る真空インタ
ラプタの電極材料。２ 29〜74重量％の銅と、残りがフエロクロムと
から成り、このフエロクロムは55〜70重量％のク
ロムと、９重量％以下の炭素と、８重量％以下の
硅素と、残りが鉄とを含有し、銅以外の各成分は
フエロクロムとして含有することからなる特許請
求の範囲第１項に記載の真空インタラプタの電極
材料。３所定量のクロム粉末と、鉄粉末と、炭素粉末
と、硅素粉末とを混合し、得られた混合粉末を圧
粉体に成形し、しかる後、これを焼結して多孔質
基材を製造し、この多孔質基材に所定量の銅を溶
浸して、29〜74重量％の銅と、15〜60重量％のク
ロムと、10〜35重量％の鉄と、0.5〜15重量％の
炭素と、0.5〜15重量％の硅素とから成る真空イ
ンタラプタの電極材料の製造方法。４多孔質基材をフエロクロムで形成した特許請
求の範囲第３項に記載の真空インタラプタの電極
材料の製造方法。５多孔質基材を形成する各成分の粉末を混合し
て得られた混合粉末に固形の銅材を載せ、まず、
銅の融点より低い温度で上記混合粉末を加熱して
多孔質基材を形成し、この多孔質基材を、つい
で、銅の融点以上で、かつ、多孔質基材の融点よ
り低い温度で加熱して銅を多孔質基材に溶浸した
特許請求の範囲第３項又は第４項に記載の真空イ
ンタラプタの電極材料の製造方法。