JPH0677420B2

JPH0677420B2 - 真空コンタクタ

Info

Publication number: JPH0677420B2
Application number: JP60165011A
Authority: JP
Inventors: ハインリツヒ、ヘスラー; ライナー、ミユラー; ホルスト、キツペンベルク; ウイルフリート、クール; ヨアヒム、グローセ
Original assignee: シ−メンス、アクチエンゲゼルシヤフト
Priority date: 1984-07-30
Filing date: 1985-07-25
Publication date: 1994-09-28
Anticipated expiration: 2009-09-28
Also published as: US4780582A; JPS6142828A; EP0172411A1; DE3565907D1; EP0172411B1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、真空コンタクタとから成る溶融生成材料を
新たに使用することに関する。

［従来の技術］銅とクロムとから成る材料は現在の技術水準において周
知である。この材料が接点材料として使用される限りに
おいて、この材料は一貫して真空遮断器のために用いら
れている。かかる遮断器例えば高圧遮断器においては、
KV領域における高い電圧とKA領域における大きい電流と
を同様に遮断することが重要である。遮断器における遮
断頻度は比較的小さいので、遮断器の寿命はニ、三万回
の遮断回数に設計される。

遮断器の外に真空コンタクタもまた真空開閉機器の部類
に属する。真空コンタクタはその長い寿命に特色があ
り、通常は定格電流において百万回以上の遮断回数を目
指している。

真空コンタクタの接触子のための材料については、必要
な長寿命に基づいて特に焼損特性に関して特別に高い要
求が設けられる。一方では全寿命期間中約5KAの短絡電
流を確実に遮断しなければならず、他方では同時に良好
な溶着特性すなわち低い溶着力を要求されるので、短絡
投入電流の後にでも接触子の開極が保障されている。最
大頻度のさい断電流値はその際明らかに5A未満とすべき
である。

真空コンタクタのための接点材料としてタングステンと
銅とをベースにした複合材料を用いることが知られてい
る。その際タングステン（Ｗ）は高融点の従って特別に
焼損に耐える成分として利用され、一方銅（Cu）は電気
的及び熱的に伝導性の良い材料として接触面の過熱を防
ぐ。高融点の成分から成る骨組みの焼結とそれに続く低
融点の成分の骨組みへの含浸とによりかかるW-Cu材料が
作られるので、比較的沸点の低い材料による骨組み冷却
効果も同様に過熱を防ぐために利用できる。溶着力とさ
い断電流を低下するために、通常他の金属成分例えばテ
ルル又はアンチモンが添加される。

タングステンと銅とのベースから成る材料は、遮断電流
約3KAまでの高電圧領域における真空コンタクタのため
に採用されて好成績である。特に1KVまでの低電圧領域
における遮断電流と遮断回数とに関する高まった技術的
要求により、W-Cu材料が条件付きでしか満たすことがで
きない接点材料の改良が必要である。その理由はこのシ
ステムの特別な焼損機構にある。すなわちアーク負荷の
際に陰極足点においては極端に高い温度に起因して銅と
タングステンとが同時に溶融気化するけれども、しかし
ながら比較的温度負荷が少ない足点の周辺においては主
として銅が骨組みから蒸発する。それによってごく多数
の定格電流遮断又は一連の大電流遮断の経過後に、組織
の中の局部的な銅欠乏従って接触面におけるタングステ
ン富化箇所の形成に至る。それ故に頻度の高い遮断によ
り負荷されたW-Cu接触面の典型的な構造はき裂の入った
領域やうろこ状の領域を含む。

上記の表面構造は絶縁上の理由と熱的な理由とから当然
遮断特性を制限し、従って接点材料の寿命を制限する。
従来適切な組成比と特別な粒度との選択により接点材料
は特別に要求された特性に向けて最適化された。しかし
ながら特に低電圧領域において改善された焼損特性を有
する別の接点材料を探し求めることが要求されている。

［発明が解決しようとする問題点］この発明は、タングステン・銅（WCu）からなる接触子
を有するコンタクタの初期状態におけるスイッチング特
性とできるだけ等しい良好な特性を有し、しかも高い投
入、遮断特性を保持しながらより良好な焼損特性によっ
て安全な長寿命を有する真空コンタクタを提供すること
にある。

［問題点を解決するための手段］この目的を達成するため、この発明の真空コンタクタに
よれば、接触面を対向配置させた接触子を有する低電圧
領域及び高電圧領域のための真空コンタクタにおいて、
接触子が銅とクロムとの溶融生成材料から成り、この溶
融生成材料は銅マトリックスと銅マトリックス中に均一
に分布した微細な樹枝状のクロム析出体とで形成され、
75〜40％質量成分の銅と25〜60％質量成分のクロムとよ
り成り、前記溶融生成材料は、銅及びクロムのあらかじ
め与えられた組成の素材を作り、この素材を溶解し、生
じた溶融物の少なくとも部分領域において少なくとも22
73Kの過熱状態が得られるようにし、次いで溶融物を水
冷式の銅型鋳型内で溶融ブロックとして凝固せしめるこ
とにより、クロムの偏析なしに、微細分散析出されたク
ロム樹枝状晶を持った銅マトリックスからなる均一なク
ロム組織が生じるような冷却速度で溶融物を冷却するこ
とにより製造されたものである。

本出願人により提案された特開昭59-143031号公報に記
載の方法により製造された銅クロム溶融合金が、低電圧
領域及び高電圧領域における真空コンタクタの真空バル
ブの中の接点材料としてすばらしく適していることが発
見された。

発明に先立って冶金学的及び特に熱力学的の関係の解析
が行われた。複合の接点材料の有利な特性を利用するた
めに、探し求める材料は複合材料であることが望まれ
た。上記のタングステン−銅の不利な焼損機構の原因
は、とりわけ従来使用された両金属の著しく異なる蒸気
圧のせいであることが認められた。この発明は、その構
成要素が他の特性は異なってもできるだけ類似の蒸気圧
を有するような、金属組み合わせを探さなければならな
いという知見に基づいていた。かかる組み合わせは特に
クロムと銅とをベースとする材料により与えられる。

既に述べたようにクロムと銅とをベースとする材料は接
点材料としてそれ自体知られている。しかしながらこの
材料は従来、電流的にもまた電圧的にも高負荷の中圧真
空遮断器の接触子として有利に使用された。この用途に
対しては、有利な平らな焼損形状とそれに由来する良好
な絶縁強度とが利用された。そこでは多い遮断回数が要
求されないので、クロム−銅の大遮断電流のときの高い
焼損率は容易に許容できる。

特に真空遮断器において予想された焼損率に基づいて、
従来クロム−銅材料は専門板達から真空コンタクタに対
しては役に立たないと見なされた。例えば既知の接点材
料のかかる適用区分は、アー・カイル（A.Keil）らの研
究書“電気接点とその材料（Elektrische Kontakte und
ihre Werkstlff）”、シュプリンガー（Springer）出
版社、1984年、第4.3章、“開閉機器（Schaltgeraet
e）”、特に第4.7表、第359ページから引用できる。

この発明により驚くべきことに、クロム−銅をベースと
する材料もまた真空コンタクタに使用可能であることが
認められた。それにより専門家達において支配的であっ
た先入観が打破された。

予期に反してこの材料の耐焼損強度が特にコンタクタの
条件の下で証明できた。この条件においてかかる材料は
短絡電流遮断能力を維持しながら、定格電流における要
求された百万回以上の遮断回数を容易に満たす。例えば
600Aの定格電流による測定において、約百万回の遮断の
際に焼損高さは接触子当り1mm未満であった。２倍の定
格電流では遮断回数三十万回において同様に接触子当り
1mm未満の焼損が確認された。

上記の予測しなかった良好な焼損特性の解明は、真空コ
ンタクタにおける遮断器とは異なったアーク形状に探し
求めることができるであろう。その際特に両成分の非常
に近い蒸気圧に基づく類似の気化特性が重要な根拠とな
る。

この発明の枠内において重量成分比でクロム約25％ない
し60％の組成を有する溶融生成材料が上記の使用に対し
適することが実験により確認できた。好ましくはアーク
溶融による溶融冶金的な構造の後、すなわち焼結とは異
なり銅とクロムとの両者を溶融させて合金とすることに
より、かかる接点材料は真空コンタクタとしての十分な
特性を有することが判明した。この材料は既にクロムの
樹枝状結晶の列状の配向を有する。このクロムの樹枝状
結晶の列状の配向が接触子の接触面に対し垂直に延びる
ように、溶融生成材料は押し出し変形されるのが有利で
あり、それによって接触面に対し垂直な指向性組織が生
まれる。押し出し変形は完全前方押し出し成形機を用い
60％を越える変形率により行われるのが有利である。

特に低い溶着力と低いさい断電流のような材料について
の要求は、一般的にクロム−銅基本材料により満たすこ
とができることが示された。しかしながら特別の場合に
は要求された特性がテルル、アンチモン、ビスマス及び
／又はスズの特殊添加物によっても改善できる。かかる
添加物を添加するために種々の方法、例えば溶かし込
み、拡散浸透又は凹所への挿入が可能である。

更に、遮断動作における有利な特性を失うことなく、真
空コンタクタの真空バルブが添加物の異なる溶融生成材
料から成る接触子による対になっていない接触子配置を
有することができることもまた示された。

［実施例］この発明の更に別の特徴及び詳細を複数の実施例につい
ての下記の説明の中で述べる。その際部分的に図面を参
照する。

実施例1: 重量成分比で銅（Cu）60％及びクロム（Cr）40％の組成
の混合粉末から、アーク溶融法により溶融生成ブロック
を作る例を説明する。例えばこの素材は直径80mm、長さ
400mmの寸法を持つものとする。このために対応する組
成の粉末混合物は均衡状態で3000barの圧力の下でプレ
スされ、続いて真空中で銅融点の下すれすれの温度で、
又は液相形成の場合は銅融点の約50°Ｃ上の温度で焼結
される。焼結された素材は消耗電極としてアーク溶融炉
の中に挿入され、保護ガスとしてのヘリウムの中で溶か
し直される。要求される高いエネルギー密度を達成する
ために、上記寸法においてアーク電流は少なくとも1000
Aでなければならない。溶け落ちた電極材料は水冷の銅
鋳型の中で凝固する。

重量成分比で銅60％とクロム40％の組成の代わりに、ク
ロム25％ないし60％の範囲の他の組成を選ぶこともでき
る。

こうしてアーク溶融により造られた溶融生成ブロックか
ら、続いて完全前方押し出し成形機により接触子のため
の半製品が製作される。その際変形率は60％を超えた値
例えば78％が適用される。

この場合溶融生成ブロックの押し出し変形により75mmの
素材直径から半製品としての35mmの棒直径が生まれる。
この半製品は指向性組織を有し、この組織において今や
特に、材料の中に存在するクロムの樹枝状結晶が優位偏
光方位を有する列状の配向の中に存在する。そしてこの
棒から、場合によっては汚れた表面の旋削の後に、例え
ば5mmの厚さの円板が接触子として切り出されるので、
存在する指向性組織に垂直な接触面が必然的に生じる。

実施例2: 実施例１に示すような溶融冶金的製造の後に、80mmの直
径の溶融生成ブロックが厚さ5mmの円板に切断される。
そしてこの円板から直径35mmnの三つの接触子を打ち抜
くことができる。

実施例１又は実施例２により仕上げられた接触子は真空
コンタクタの真空バルブの中に組み込むことができる。
しかしながら実施例３ないし実施例５で図を引用して記
述したように、前もって特殊な添加成分を接触子の中に
添加することもできる。

実施例3: 重量成分比で銅（Cu）58.5％、クロム（Cr）38.5％及び
テルル（Te）３％の組成の接触子を作る例を説明する。
この目的のためにまず実施例１に従ってアーク溶融と続
いて押し出し変形とにより銅とクロムとから成る接触子
が製作される。このために重量成分比で銅60％とクロム
40％の組成が選ばれる。押し出し変形と切断の後に作ら
れた接触子円板の中にテルルを合金として溶かし込もう
とする。

後者の工程を第１図a,bを参照しながら明らかにする。C
uCr円板１は適切な形状のグラファイトるつぼ２の中に
グラファイト紙３を中間ライナとして挿入される。CuCr
円板１の上面上にはテルル粉末４が過剰に載せられる。
続いてるつぼ２は1150℃に加熱され、保護ガスの中で約
１時間保持される。こうして要求された組成の接触子５
が生まれ、その際提供されたテルルは定量的に合金とし
て溶かし込まれている。

テルル含有量は溶着力とさい断電流とに対する要求に応
じて0.1％ないし10％とすることができる。

テルル（Te）に対して述べた同様な方法で、アンチモン
（Sb），ビスマス（Bi）又はスズ（Sn）又はこれら金属
の組み合わせを接触子の中に添加することができる。

実施例4: 重量成分比で銅（Cu）48.5％、クロム（Cr）48.5％及び
アンチモン（Sb）３％の組成の接触子を作る例を説明す
る。まず再び重量成分比で銅50％とクロム50％の組成の
接触子が、アーク溶融とそして続いて押し出し変形とに
より造られる。円板に切断分離後アンチモンが拡散によ
り添加される。このために接触子に凹所が切り込み加工
され、この凹所の中にアンチモンが挿入される。

後者の工程を第２図a,bにより明らかにする。銅−クロ
ム接触子20は凹所21を備えほぼ皿鉢形に形成されてい
る。接触子はAl₂O₃製の板22の上に置かれている。接触
子20の凹所の中にアンチモン粉末23が入れられる。保護
ガスの中で約1000°Ｃに加熱し約２時間保持した後に、
上記の組成比を有する拡散領域24が銅−クロム円板の中
に発達する。拡散領域24の深さの形成並びにアンチモン
濃度は温度保持時間並びにアンチモン供給量により制御
できる。

第３図a,bを参照しながら別の可能性を明らかにする。
ここではAl₂O₃製のるつぼ31の中に銅−クロム円板30が
置かれ、るつぼは炭素から成る板32をかぶせられてい
る。Al₂O₃製るつぼ31の底面と銅−クロム円板30との間
にはアンチモン粉末33が過剰に存在する。約1000°Ｃに
加熱後約２時間保つと、下の方から拡散領域34が発達す
る。拡散領域の深さは期待される焼損に応じて設定され
る。

同様な方法でアンチモン（Sb）の代わりに、スズ（Sn）
もしくはアンチモン、テルル及び／又はスズから成る組
み合わせもまた接触子に添加することができる。

実施例5: 局部的に添加物を添加した接触子を作る例を説明する。
このために実施例１又は実施例２において記述した方法
により、再び重量成分比で例えば銅50％とクロム50％の
組成の円板形接触子がまず造られる。この接触子の上面
の適切な場所に凹所が、例えば中心穴として、又は複数
の穴の形で、又はリング溝として切り込み加工される。
続いてこの凹所の中に銅−クロム共融混合物の融点より
低い融点を有する金属又は合金が、か粒又は適切な形状
で挿入される。金属；テルル、アンチモン又は合金；テ
ルル化アンチモン、テルル化ビスマス又はテルル化スズ
が有利であることが判明した。添加成分は凹所の中で溶
融される。

後者の工程を第４図a,bを参照しながら明らかにする。
中心穴41を有するCu-Cr円板40が、蓋43を有するグラフ
ァイトるつぼ42の中に置かれる。穴41の中に添加成分が
入れられる。溶融の後に、接触面として用いられる接触
子40の上面上の薄い層46がこの添加成分から形成され
る。

本発明によれば、真空コンタクタに適用するために、対
になっていない配置を構成するという可能性が特に生じ
る。真空バルブの中に鉛直に組み込むための接触子配置
は、一つの接触子が実施例１又は実施例２に示された組
成の銅−クロムから成り、一方これに従属する対向する
接触子が特殊な添加物を含有する銅−クロムから成るよ
うに、設計されるのが有利であることが示された。後者
の接触子は実施例３ないし実施例５に相応して構成する
ことができる。真空バルブにおいて特に上側の接触子
は、押し出し変形有り又は無しの純粋な溶融生成材料か
ら成ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は接触子円板の中に特殊添加物を添
加するための種々の方法を示す説明図である。 1,20,30,40……接触子円板、 4,23,33,45……添加物粉末、5,24,34,46……添加領域、
21,41……凹所。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ホルスト、キツペンベルクドイツ連邦共和国ヘルツオーゲンアウラツハ、ズデーテンリング24 (72)発明者ウイルフリート、クールドイツ連邦共和国ウエンデルシユタイン、リンデンシユトラーセ４ (72)発明者ヨアヒム、グローセドイツ連邦共和国エルランゲン、インデルロイト126 (56)参考文献特開昭58−115728（ＪＰ，Ａ) 特開昭47−33005（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−143031（ＪＰ，Ａ) 特公平４−71970（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接触面を対向配置させた接触子を有する低
電圧領域及び高電圧領域のための真空コンタクタにおい
て、接触子が銅とクロムとの溶融生成材料から成り、こ
の溶融生成材料は銅マトリックスと銅マトリックス中に
均一に分布した微細な樹枝状のクロム析出体とで形成さ
れ、75〜40％質量成分の銅と25〜60％質量成分のクロム
とより成り、前記溶融生成材料は、銅及びクロムのあら
かじめ与えられた組成の素材を作り、この素材を溶解
し、生じた溶融物の少なくとも部分領域において少なく
とも2273Kの過熱状態が得られるようにし、次いで溶融
物を水冷式の銅製鋳型内で溶融ブロックとして凝固せし
めることにより、クロムの偏析なしに、微細分散析出さ
れたクロム樹枝状晶を持った銅マトリックスからなる均
一なクロム組織が生じるような冷却速度で溶融物を冷却
することにより製造されたものであることを特徴とする
真空コンタクタ。
【請求項２】溶融生成材料が指向性組織を有し、接触子
の接触面がこの指向性組織に垂直に配置されていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の真空コンタク
タ。
【請求項３】接触子内に溶着力を低減するための金属の
テルル（Te）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）及び
／又はスズ（Sn）もしくはこれらの合金の内の少なくと
も一つの添加物が存在することを特徴とする特許請求の
範囲第１項または第２項記載の真空コンタクタ。
【請求項４】添加物の質量成分が0.1〜10％であること
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の真空コンタク
タ。
【請求項５】添加物が接触子の接触面を出発点として定
められた浸透深さまで存在することを特徴とする特許請
求の範囲第３項または第４項記載の真空コンタクタ。
【請求項６】添加物が接触子の接触面上のあらかじめ定
められた場所にだけ局部的に存在することを特徴とする
特許請求の範囲第３項または第４項記載の真空コンタク
タ。
【請求項７】一方の接触子が純粋のCuCr溶融生成材料よ
り成り、対向する接触子が添加物を含むCuCr溶融生成材
料より成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
し第６項のいずれか１項に記載の真空コンタクタ。