JPS6273510A - 電気回路遮断器用の状態変化接点材料 - 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】 発明の背景 本発明は電気回路遮断器用の状態変化接点材料に関する
ものである。

固体回路部品と分離可能な回路遮断器接点との併用によ
る無アーク電流遮断の出現は、接点の劣化を大幅に低減
させた。このことは接点の小形化をもたらし、ひいては
より低い電流レベルにおいても電流波形の初期において
接点を開くことを可能にする。遮断過程中における回路
電流の低減はまた、固体回路遮断器内により安価な固体
回路部品を使用することを可能にするという相乗効果を
ももたらす。かかる固体回路遮断器の一例は、イー・ケ
イ・ハウエル（Ｅ、に、！Ｉｏｗｅｌ　１）の名義で１
９８４年５月１６日に提出された、［ソリッドステ願明
細書は、参考用として本明細書中に併合されるものとす
る。

１対の電流接点間において実際に電流を流す金属間界面
は、接点同士を接触状態に保持するために加えられる力
によって形成される。このような導電界面の面ｉ　（Ａ
Ｃ）は、次式によって示されるごとく、加えられる閉鎖
力（Ｆｃ　）および接点金属の硬さくＨ）によって決定
される。

Ｃ Ａｃα−□ 面積ＡＣの界面が円形であると仮定すれば、対応する半
径（ａｃ）は次式によって表わされる。

ａｃ＋ｍ　（ＡＣ／π）　１１２＝　（Ｆｅ　／Ｉｉπ
）　１ノ２半径ａ、の界面に電流が局限されることによ
り、実効圧接抵抗（ｅｆｆ’ｅｃｉｕｖｅ　ｃｏｎｓｔ
ｒｕｃｔｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）　（ＲＣ）が
生じる。抵抗率ｐを有する均質な材料については、次式
が成り立つ。

Ｒｃ　”　　□　　−１）　（ＷＨ／ＦＣ）　”２Ｑ それ故、低い圧接抵抗（ＲＣ）を得るためには、硬さお
よび抵抗率の小さい材料を使用しかつ大きい閉鎖力を加
えることが望ましい。圧接抵抗は材料の硬さと閉鎖力と
の比によって決定されるから、一定の抵抗値に対しては
、材料の硬さが小さくなるほど閉鎖力を小さくすること
ができるわけてあ最小の硬さおよび最小の閉鎖力は水銀
のごとき液体金属を用いれば得られるが、それは以前に
接点材料として使用されたことがある。水銀は非常に高
い抵抗率を有するばかりでなく、接点材料として使用し
た場合に他の点でも問題がある。すなわち、清浄な表面
の維持や液体金属の閉込めなどの問題を生じるのである
。また、高い電流および電圧レベル下で生じる水銀アー
クを消弧することも困難である。水銀で濡らした固体金
属接点材料を使用すれば、抵抗率の小さい固体金属接点
の間に抵抗率の大きい水銀を薄膜として閉込めることに
よって低い抵抗を達成することができる。しかしながら
、この場合にも表面汚染の問題や水銀薄膜の蒸発および
除去をもたらすアーク発生の問題は解決されなかった。

満足すべき接点抵抗とは、過度の電圧降下または発熱な
しに十分なレベルの電流を流し得るようなものでなけれ
ばならない。銀のごとき常用接点材料について言えば、
かかる抵抗は主として前述のごとき圧接抵抗である。従
って、大部分の熱は圧接領域内において発生し、そして
接点の温度を上昇させる。過度の温度は接点材料と周囲
の雰囲気との急速な化学反応を引起こし、また接点材料
を融解して接点同士の溶着をもたらすことがある。

以前から認められていた通り、銀接点を通って流れる電
流を徐々に増加させた場合、圧接領域の温度は約１８０
℃にも達する。この温度は銀の軟化点であって、接点の
硬さくＨ）を低下させる結果、閉鎖力によって導電面積
は増大し、従って圧接抵抗は低下する。この圧接抵抗は
電流か減少した後でもそのまま低下した状態にある。し
、かじながら、接点の硬さの低下によって生じるこのよ
フな降伏作用は、冷却後において接点同士の軽度の焼（
＝Ｉきまたは低強度の溶着をもたらすことか多い。また
、電流が急速に増加する場合には、可動接点の慣性質量
に加えられる閉鎖力は導電面積を増加させるのに十分な
速さに接点を移動させることができないため、表面の融
解、沸騰または蒸発が起こっ゛Ｃ損傷や溶着をもたらす
ことがある。

接点の開放速度は、閉鎖力（Ｆｃ　）を上回る開放力（
Ｆｏ）を加え、それにより可動接点の慣性質量に作用す
る加速力（Ｆａ−Ｆｏ−ＦＣ）を発生させることによっ
て決定される。高速動作のためには、質量および閉鎖力
（Ｆｃ　）をできるだけ小さくすることが望ましい。接
点の分離時におけるアーク発生低減およびとりわけそれ
の排除により、可動接点の質量を顕著に小さくすること
は既に達成されている。

そこで本発明の目的は、所定の接点抵抗を得るために必
要な閉鎖力を小さくし、それによって接点をより早い速
度で開放可能にすることにある。

発明の概要 本発明に従えば、接点の基層を成す銀の表面上に配置さ
れた中間の合金層を含む電気回路遮断装置用の状態変化
接点が提供される。その場合、大きい引張強さおよび比
較的高い融点を持った金属から成る外層により、融解可
能な合金の保護と共に、液体状態にある合金の封じ込め
が達成される。

好適な実施例の説明 第１図を見ると、配線用遮断装置内において使用される
接点機構１０が示されている。かかる接点機構１０は閉
鎖状態にある上部接点１１および下部接点１２から成っ
ていて、両者間に形成された界面１３を通して電流１１
を流すことができる。

大きい故障電流の遮断時に生じる苛酷なアーク発生条件
に耐え得るようにするため、接点１１および１２用の接
点材料は銀粉末とタングステン粉末との混合物を圧縮焼
結して得られたブリネル硬さ約１８０の独立円柱体から
成っている。かかる銀−タングステン接点材料の硬さは
非常に大きいため、接点間に小さくても十分な圧接面積
を持った接触領域を得るためには大きな閉鎖力（Ｆｃ　
）が必要である。両接点中を通る回路電流１１の流路は
、１４とし−て示されるような形状を取る。銀−タング
ステン接点材料の融点が高いため、銀の局部的な融解が
起こることが知られている極めて大きい過負荷電流条件
が生じた場合を除けば、接点は固体状態のままに保たれ
る。電流の流路１４が集束する界面の表面積は、図示の
ごとき圧接直径Ｄ１によって規定される。

次の第２図には、本発明に基づく状態変化接点２０が示
されている、銀から成る基層１６上には、。

銀よりも顕著に小さい硬さを有しかつ１００〜２００℃
の範囲、内において融解する合金から成る中間層１５が
設置されている。なお、硬さおよび融解温度は合金の組
成あるいは単一成分金属の選択によって決定されること
になる。外層１７は、大きい引張強さを有する高融点金
属、たとえば約１４５３℃の融点を示すニッケルから成
っている。

かかる外層を設置する目的は、強靭で柔軟な導電性被膜
を決定することにより、２〜１０の範囲内のブリネル硬
さを有する軟質の中間層の保護および閉込めを達成する
と共に接点の接触面同士の焼付きまたは溶着を防止する
ことにある。かかるニッケル外層は、中間層内の軟質の
合金または金属の一体性を保持して離散させないために
役立つ。

第３図に示されるような銀接点１１および状態変化接点
２０から成る１対の混成接点を互いに接触させて界面１
８を形成した場合、回路電流Ｉ２の流路２１は第１図に
関連して、前述されたものにほぼ類似している。ただし
、圧接領域の直径Ｄ２はこの場合の方が大きい。なぜな
ら銀接点１１の表面２３によって加えられる力の下では
、軟質の中間層１５はより大きい面積の接触表面２２を
与えるからである。銀基層１６および中間層１５内の合
金はそれぞれの融点より低い温度下にあり、従って適度
の回路電流レベルにおいては固体状態のままに保たれる
。閉鎖力（Ｆｏ）が小さいこと、回路電流Ｉ２が大きい
こと、あるいは軟質の中間層１５の加工硬化によって接
触面積が不十分になることの結果として、圧接領域内に
おけるエネルギー放散が温度を顕著に上昇させるような
場合には、接点１１および接点２０の基層１６を構成す
る銀は固体状態に保たれるのに対し、中間層１５の一部
は第３図中に破線に示されるごとく融解して液相を成す
。液体金属の硬さは実質的にゼロであるから、接触面積
は増大し、従って接触抵抗および電流密度は減少する。

それに対応する温度の低下により、中間層内の溶融金属
は凝固することになる。そのような場合でも外層１７は
元のままの状態に保たれ、そして中間層内の溶融金属を
封じ込めるための柔軟な隔膜として役立つのである。

一方が第２および３図に示された中間層を有するような
１対の混成接点間の抵抗を更に低下させるためには、第
４図に示されるような状態変化接点２５を使用すればよ
い。かかる接点は、銀基層１６、低融点金属の中間層、
および中間層を成す金属か溶融状態になった場合に接点
の一体性を保持するために役立つ外層１７を含んでいる
。更に、外層１７上には銀の表面層２４が設置されてい
る。

かかる表面層の存在により、外層１７の表面の化学反応
が防止され、かつ接点の温度がさらに低下することにな
る。外層１７を形成するための材料としては、融点が高
くかつ引張強さが比較的大きいという点でニッケルが優
れている。なお、適当な融点および引張強さを有するそ
の他の材料たとえば銅、銀、モリブデンおよびタングス
テンを使用することもできる。中間層１５としては、１
５０℃より低い軟化点を有するインジウム、ビスマス、
鉛およびスズのごとき材料を使用することができる。中
間層１５の厚さは、あらゆる条件下で相手の接触面の輪
郭に順応し得る限り、できるだけ小さいことが好ましい
。外層１７の厚さは、中間層１５が融解または変形した
場合に生じる静圧力の下で破裂しない限り、できるだけ
小さいことが好ましい。外層１７および中間層１５の好
適な厚さはいずれも圧接直径Ｄ２に比べて小さいから、
これら両層を通る電流の流路２１は第３図に最も良く示
されるごとくに長さ／直径比の小さい円柱を形成する。

それ故、これらの層を構成する金属の抵抗率が銀に比べ
て大きくても、これら両層の抵抗は非常に低くなる。

状態変化接点２０および２５は、接点温度が通常の接点
動作温度範囲内に選定された中間層１５の融点に達する
と、抵抗を低下させるような自己補正作用を示す。従っ
て、銀および銀−タングステン接点の場合よりも閉鎖力
（Ｆｃ　）を実質的に小さくすることができるのである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は銀−タングステン組成物から成る１対の遮断器
接点の拡大側断面図、第２図は本発明の実施の一態様に
基づく状態変化接点の拡大側断面図、第３図は一方が第
２図に示された構造を有するような１対の接点の拡大側
断面図、そして第４図は本発明の別の実施の態様に基づ
く状態変化接点の拡大側断面図である。 図中、１１は銀接点、工５は中間層、１６は基層、１７
は外層、１８は界面、２ｏは状態変化接点、２１は電流
の流路、そして２４は表面層を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）第１の融解温度、第１の抵抗率および第１の
   硬さを持った第１の金属から成りかつ電気回路への接続
   に役立つ基層、（ｂ）第２の融解温度、第２の抵抗率お
   よび第２の硬さを持った第２の金属から成りかつ前記基
   層上に配置された中間層、並びに（ｃ）第３の融解温度
   および第３の抵抗率を持った第３の金属から成りかつ前
   記中間層を少なくとも部分的に覆って配置された外層か
   ら構成されていて、前記基層、前記中間層および前記外
   層を通って前記電気回路の電流が流れることによって前
   記中間層が変形した場合には前記外層が前記中間層を閉
   込めるために役立つことを特徴とする回路遮断器用状態
   変化接点。 ２、前記第２の融解温度が前記第１および第３の融解温
   度より低いことにより、前記中間層は所定の温度に到達
   すると少なくとも部分的に融解する特許請求の範囲第１
   項記載の回路遮断器用状態変化接点。 ３、前記第２の硬さが前記第１の硬さより小さいことに
   よって前記中間層が選択的に変形する特許請求の範囲第
   １項記載の回路遮断器用状態変化接点。 ４、前記第２の金属の前記第２の融解温度が２００℃よ
   り低い特許請求の範囲第１項記載の回路遮断器用状態変
   化接点。 ５、前記基層を成す前記第１の金属の前記第１の抵抗率
   が前記中間層を成す前記第２の金属の前記第２の抵抗率
   および前記外層を成す前記第３の金属の前記第３の抵抗
   率より小さい特許請求の範囲第１項記載の回路遮断器用
   状態変化接点。 ６、前記第１の金属が銅および銀から成る群より選ばれ
   る特許請求の範囲第１項記載の回路遮断器用状態変化接
   点。 ７、前記第２の金属がインジウム、ビスマス、スズおよ
   び鉛から成る群より選ばれる特許請求の範囲第１項記載
   の回路遮断器用状態変化接点。 ８、前記外層を成す前記第３の金属が銀の引張強さと同
   等以上の引張強さを有する特許請求の範囲第１項記載の
   回路遮断器用状態変化接点。 ９、前記中間層を成す前記第２の金属が銀の硬さよりも
   小さい硬さを有する特許請求の範囲第１項記載の回路遮
   断器用状態変化接点。 １０、前記外層を成す前記第３の金属が銅、銀、ニッケ
   ル、モリブデンおよびタングステンから成る群より選ば
   れる特許請求の範囲第１項記載の回路遮断器用状態変化
   接点。 １１、前記第３の金属よりも耐酸化性の大きい第４の金
   属から成りかつ前記外層上に配置された表面層を追加包
   含する特許請求の範囲第１項記載の回路遮断器用状態変
   化接点。 １２、（Ａ）（ａ）第１の抵抗率および第１の融解温度
   を持った第１の金属から成りかつ電気回路中への接続に
   役立つ基層、（ｂ）第２の抵抗率および第２の融解温度
   を持った第２の金属から成りかつ前記基層上に配置され
   た中間層、並びに（ｃ）第３の抵抗率および第３の融解
   温度を持った第３の金属から成りかつ前記中間層上に配
   置された外層を含み、しかも前記中間層の前記第２の融
   解温度が前記第１および第３の融解温度より低くかつ前
   記第１の抵抗率が前記第２および第３の抵抗率より小さ
   いような第１の接点と、（Ｂ）前記第２および第３の抵
   抗率より小さい抵抗率を持った金属から成りかつ前記第
   １の接点に接触して前記電気回路中への電気的接続を達
   成するために役立つ第２の接点とから構成されていて、
   閉鎖状態においては前記第１および第２の接点間に電流
   を流し得ることを特徴とする回路遮断器用接点機構。 １３、前記第１および第２の接点間に接点閉鎖力を加え
   て前記第１および第２の接点間の接触抵抗を低下させる
   ための手段を追加包含する特許請求の範囲第１２項記載
   の回路遮断器用接点機構。 １４、前記第１の接点において、前記第１の金属が銅お
   よび銀から成る群より選ばれ、また前記第３の金属が銅
   、銀、ニッケル、モリブデンおよびタングステンから成
   る群より選ばれる特許請求の範囲第１２項記載の回路遮
   断器用接点機構。 １５、前記第１の接点において、前記第２の金属がイン
   ジウム、ビスマス、スズおよび鉛から成る群より選ばれ
   る特許請求の範囲第１２項記載の回路遮断器用接点機構
   。 １６、前記第２の接点を成す金属が銀または銅である特
   許請求の範囲第１２項記載の回路遮断器用接点機構。 １７、（Ａ）（ａ）第１の抵抗率および第１の融点を持
   った第１の金属から成る基層、（ｂ）第２の抵抗率およ
   び第２の融点を持った第２の金属から成りかつ前記基層
   上に配置された中間層、並びに（ｃ）第３の抵抗率およ
   び第３の融点を持った第３の金属から成りかつ前記中間
   層上に配置された外層を含み、しかも前記第１の抵抗率
   が前記第２および第３の抵抗率より小さくかつ前記中間
   層の前記第２の融点が前記第１および第３の融点より低
   いような、電気回路中への接続に役立つ第１の接点、（
   Ｂ）前記第１の抵抗率を持った前記第１の金属から成り
   かつ前記電気回路中への接続に役立ち、しかも前記第１
   の接点との間に回路電流を流し得るように配置された第
   ２の接点、並びに（Ｃ）前記第２の接点と前記第１の接
   点との分離前または分離中において前記回路電流を前記
   第１および第２の接点から転移させることにより前記第
   １および第２の接点の分離時にアークが発生するのを防
   止するため前記第１および第２の接点間に電気的に接続
   された固体スイッチから構成されることを特徴とする、
   無アークの回路遮断を可能にする接点機構。 １８、前記固体スイッチが少なくとも１個のトランジス
   タを含む特許請求の範囲第１７項記載の接点機構。 １９、前記固体スイッチが少なくとも１個のサイリスタ
   を含む特許請求の範囲第１７項記載の接点機構。