JPWO2011024228A1 - 真空バルブ用電気接点及びその電気接点を用いた真空遮断器及び真空開閉機器 - Google Patents
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Abstract
導電性と熱伝導性を保持すると共に、電気接点部材の強度を電流遮断時に電気接点が支障なく引き離せる程度の所望の値に低下させた真空バルブ用電気接点である。導電性金属からなる基材４６と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層４５を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成して真空バルブ用の電気接点を構成した。
Description
本発明は、真空バルブ用電気接点及びその電気接点を用いた真空遮断器及び真空開閉機器に関する。
真空遮断器等の真空を媒体とした真空開閉機器は、環境への影響が小さいことからガス遮断器等の代替が進められ、大容量化が求められている。この真空開閉機器に用いられる耐火性金属と導電性金属からなる大電流遮断のための電気接点の部材は、通電容量を大きくして良好な熱伝導を保つために、高密度であることが必要である。
そのため、たとえば一般の真空開閉機器に用いられるＣｒ−Ｃｕ系の電気接点は、高密度化が可能な溶浸法や焼結法により製造されている。
例えば、特許２８７４５２２号公報に開示された技術では、Ｃｒ−Ｃｕ低密度成形体にＣｕを溶融含浸して電流開閉機器の電気接点を製造している。
また、特開２００５−１３５７７８号公報に開示された技術では、Ｃｒ−Ｃｕ系の高密度成形体を不活性雰囲気中で焼結することにより、電流開閉機器に使用する高密度の電気接点を得ている。
そこで、特許２８７４５２２号公報に開示された技術では、硬質・高融点金属を均一分散させることで電気接点同士が溶着した電気接点部材を破壊する起点としている。
また、特開２００５−１３５７７８号公報に開示された技術では、微量の低融点金属を添加し、ＣｒとＣｕの界面結合力を低下させることによって電気接点部材の低強度化を図っている。
電流開閉機器に使用する電気接点部材の強度低減を目的とした高融点金属分散は、その分散状態によって効果が不安定になるだけでなく、高融点金属が硬質であるため加工性が低下する。また低融点金属添加は、その添加量が適正でないと通電部材へのろう付け工程において溶融・揮散し、ろう付け不良などの不具合を招くとともに、電流遮断時における揮散によってアークが持続して遮断不能や耐電圧性能低下を誘発する。
本発明の目的は、導電性と熱伝導性を保持すると共に、電気接点部材の強度を電流遮断時に電気接点が支障なく引き離せる程度の所望の値にした真空バルブ用電気接点、及びその電気接点を用いた真空開閉機器を提供することにある。
本発明の真空バルブ用電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成したことを特徴とする。
本発明の真空バルブは、真空容器内に一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極とを備えた真空バルブにおいて、 前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が、円盤形状の前記接点層及び前記基材を構成する円盤状部材と、前記円盤状部材の裏面側に設置された汚損防止板と、前記円盤状部材の前記基材及び汚損防止板に一体に接合された電極棒に用いられる電気接点であり、前記電極棒に用いられる電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成されていることを特徴とする。
本発明の真空遮断器は、真空容器内に一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極を備えた真空バルブと、前記真空バルブ内の前記固定側電極および可動側電極の各々に前記真空バルブ外へ接続された導体端子と、前記可動側電極を駆動する開閉手段とを備えた真空遮断器において、 前記真空バルブは前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が、円盤形状の前記接点層及び前記基材を構成する円盤状部材と、前記円盤状部材の裏面側に設置された汚損防止板と、前記円盤状部材の前記基材及び汚損防止板に一体に接合された電極棒とを有する真空バルブ用電極を備えており、前記電極棒に用いられる電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成されていることを特徴とする。
本発明の真空開閉機器は、真空容器内に一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極を備えた真空バルブを導体によって複数接続し、前記可動側電極を駆動する開閉手段を備えた真空開閉機器において、 前記真空バルブは前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が、円盤形状の前記接点層及び前記基材を構成する円盤状部材と、前記円盤状部材の裏面側に設置された汚損防止板と、前記円盤状部材の前記基材及び汚損防止板に一体に接合された電極棒とを有する真空バルブ用電極を備えており、前記電極棒に用いられる電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、導電性と熱伝導性を保持すると共に、電気接点部材の強度を電流遮断時に電気接点が支障なく引き離せる程度の所望の値にした真空バルブ用電気接点、及びその電気接点を用いた真空開閉機器が実現できる。
本発明の一実施例である真空バルブ用の電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を有し、前記基材と接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成したことにより、接点開閉時に剥離・脱落などの不具合が生じず、通電性に優れた電気接点が得られる。
また、接点層における耐火性金属および導電性金属は、結晶粒径が５〜２０μｍの範囲であることにより耐火性金属が均一に分散した微細組織となり、以下に示す理由により安定した遮断性能および耐電圧性能が得られる。
遮断性能に関しては、例えばＣｕなどの導電性金属からなる母相が連続的なネットワークを形成することで、熱伝導性および導電性が高くなり、安定化する。このとき、母相の熱流または電流を阻害、散乱する溶質原子、析出物、偏析、結晶粒界などを極力排除することが重要である。
溶質原子、析出物、偏析などは、原料や製造時に混入する不純物を低減すればよい。結晶粒界を排除、すなわち単結晶化することは、耐火性金属および導電性金属からなる複合材料であるが故に困難であるが、本用途である真空遮断器用の電気接点では、概ね５μｍ以上の結晶粒径であれば、その結晶粒界が導電性に及ぼす影響は無視できる。
一方、耐電圧性能に関しては、耐火性金属および導電性金属の結晶粒を、均一かつ微細化することで、安定化する。すなわち電極間で生じたアークは、時々刻々電極表面を移動する。このとき、電極表面は耐火性金属および導電性金属からなる複合材料であるが故に、それら二つの相が均一かつ微細に分散することで、アークの軌道上に耐火性金属が均一に存在し、アークの持続性が低下する。
真空遮断器用の電気接点では、概ね２０μｍ以下の結晶粒径であれば、アーク径に対する耐火性金属の均一分布が実現できる。但し、真空遮断器用の電気接点では、万が一接点同士が溶着した場合に備えた設計が必要である。
溶着した接点を引き離し易くするためには、接点の低強度化が有用な手段である。しかし、前記アーク持続性低下のための均一かつ微細化は、むしろ高強度化する。したがって、これら二つの要求特性を満足するためには、耐火性金属と導電性金属の間の結合力を制御する必要がある。
結合力を制御するためには、耐火性金属と導電性金属の間の拡散あるいは反応を防止することが重要である。真空遮断器用の電気接点では、前記接点層における耐火性金属と導電性金属の間の拡散相または反応相の厚さが概ね５０ｎｍ以下であり、また耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が概ね２０μｍ以下であれば、均一分散する耐火性金属一個を導電性金属から引き剥がす力が小さくてすむため、引き離し性能に及ぼす影響は無視できる。
なお、電気接点は一般に、真空バルブに組み込んだ後、電気接点同士を開いてギャップを設けた状態で放電させ、接点表面層の組織を微細化し、性能安定性を高める処理が施されるが、結晶粒径が５〜２０μｍの範囲で均一に微細化した組織であれば、前記処理が不要となる。
拡散相または反応相はいずれも温度が高いほど成長が進行するものであるため、製造工程中に高温に曝されないようにする。熱力学的な反応速度論に基づけば、温度が数百℃上昇すると、反応速度は一桁以上速くなる。例えば耐火性金属にＣｒ、導電性金属にＣｕを用いた場合、従来の方法である焼結法では１０００℃以上に数時間曝されるため、拡散相または反応相が成長しやすい。
拡散相または反応相の厚さが概ね５０ｎｍ以下とするには、製造時のプロセス温度を８００℃程度に低温化することが必要である。すなわちＣｕの融点は１０８０℃程度であり、またＣｒの融点はそれより遥かに高いため、必然的に材料の溶融を伴わない固相状態での製造プロセスがよい。
以上のような組織および構造の電気接点は、摩擦攪拌プロセスを用いることで実現可能である。一般にＣｕの摩擦攪拌プロセスでは、プロセス温度は７００〜８００℃程度であり、得られるＣｕの結晶粒径は１０〜２０μｍの範囲となる。
また摩擦攪拌プロセスは、母相となる材料よりも高い融点の材料粉末を同時に用いることで、母相中に粉末を分散させることが可能である。例えばＣｒ粉末を用いた場合、Ｃｒの融点はＣｕよりも８００℃以上高いため、摩擦攪拌プロセス温度は７００〜８００℃程度では熱力学的に非常に安定である。
このためＣｕとともに攪拌されてもＣｒのまま安定に存在するため、Ｃｕ／Ｃｒ界面には拡散相または反応相は生成されない。また摩擦攪拌プロセス特有の高い歪み速度により、硬くて脆いＣｒ粉末は粉砕され、かつＣｕ母相に均一に微細分散される。
摩擦攪拌プロセスでは、基材となる導電性金属の円板の接点層を形成する面に、溝やくぼみなどの凹部を機械加工により設け、その中に耐火性金属粉末を充填する。なお凹部の形成方法は鍛造などの一般的な金属加工方法でよい。
次に、その面に対し、ツールと呼ばれる回転工具を接点層の厚さに応じた深さで食い込ませ、摩擦熱による軟化が生じた後、全面に渡ってツールを走査させて耐火性金属と導電性金属とを攪拌する。
このとき、耐火性金属粉末を充填した溝やくぼみの表面を、導電性金属の板状部材でふたをするように塞ぎ、その上からツールを走査すると、回転ツールの走査によって耐火性金属粉末が飛散するのを防ぐことができ、所望の接点層組成が得やすくなる。
また、ツールの先端に、ピンと呼ばれるツールよりも小径の突起を設けることにより、数ｍｍオーダーの深さまでツールを食い込ませることが容易になる。さらに、ツールの材質を耐火性金属と導電性金属からなる合金とすることで、ツールが損耗・混入しても所望の組成を有する接点層が得られる。
この摩擦攪拌プロセスによれば、溶浸法や焼結法と異なり、８００℃以下の比較的低温で接点層成分を複合化できるため、結晶の粗大化を生じることなく、導電性金属自体の結晶粒径は１０μｍ程度に微細化されるとともに、耐火性金属粉末自体も同程度に粉砕・微細化され、かつ均一分散される。また、耐火性金属と導電性金属の間における拡散・反応などが極めて少なく、両者は物理的・機械的に結合しているのみであり、従来の製法に比べて低強度となる。
従来の焼結法の場合、耐火性金属と導電性金属の間の拡散あるいは反応の範囲は、成分や焼結条件によって異なるが少なくとも１００ｎｍは存在することになる。これに対して、摩擦攪拌プロセスを用いた場合にはその範囲は５０ｎｍ以下である。
さらにこの摩擦攪拌プロセスによれば、電気接点においてアークにさらされる接点層のみを耐火性金属と導電性金属の複合組織とし、アークに直接接しない基材を導電性金属で構成する複層構造とすることができるため、従来の溶浸法や焼結法による接点層のみからなる電気接点に比べて通電性能に優れ、発生ジュール熱を抑えることができ、電気接点同士の溶着が生じにくい。
本発明の一実施例である真空バルブ用電気接点において、前記接点層における耐火性金属はＣｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂのいずれか１種または２種以上の混合物あるいは化合物であり、前記接点層における導電性金属はＣｕまたはＣｕを主成分としたＣｕ合金とすることで、真空バルブ用電気接点として必要な遮断性能、耐電圧性能、通電性能などが得られる。
前記接点層の組成は、耐火性金属が１５〜４０重量％、導電性金属が６０〜８５重量％の範囲にあることが望ましい。
耐火性金属が１５重量％未満であると耐電圧性能が不十分になり、４０重量％を超えると電気抵抗が高くなり通電性能が低下するとともに、十分な遮断性能が得られない。
また、接点層の酸素量は０．４重量％以下がよく、これ以上含まれると電流遮断時に放出される酸素ガスが多くなり、アークを持続させて遮断不能が生じるとともに、耐電圧性能が著しく低下する。
本発明の一実施例である真空バルブ用電気接点の形状は、一体に結合して構成された前記接点層及び基材は円盤形状にそれぞれ形成されており、円盤形状の前記接点層及び前記基材の円中心に中心孔を形成すると共に、該中心孔に対して非接触で円中心から外周部に向かって複数本の貫通したスリット溝を形成し、前記スリット溝によって前記接点層に相互に分離された羽根型の平面形状部を形成することが望ましい。
この中心孔は、電流遮断時に発生するアークが電気接点の中心に点弧するのを防ぎ、アークの停滞による遮断不能を回避するためのものである。またスリット溝は、電磁力によってアークを外周側へ駆動し、電流遮断を促進する効果をもつ。
本発明の一実施例である電気接点を用いた電極は、円盤形状を有する電気接点の接点層の面に、通電部材である電極棒が一体に接合されることにより、良好な通電性能を有するとともに、接点部で発生したジュール熱を速やかに真空バルブ外へ導くことができる。
なお、円盤状の電気接点は、その円中心に中央孔を設け、さらに曲線形状をもつスパイラル型のスリット溝によって羽根型に分離された形状を有することが望ましい。中央孔を設けることにより、電流遮断時に発生するアークが接点面の中央で発生し、停滞するのを防ぐことができる。
また、スリット溝を設けることにより、発生したアークを電気接点の外周側へ移動させ、速やかに電流を遮断することができる。
なお、本発明の一実施例である電気接点を用いた電極は、円盤状の電気接点の接点層側に、Ｃｕからなるカップ形状をなすコイル電極を一体に接合し、そのコイル電極の底部に電極棒を一体に接合した構造でもよい。これにより、電流遮断時に発生する磁界を利用してアークを消滅させ、優れた遮断性能を得ることができる。
本発明の一実施例である真空バルブは、真空容器内に一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極とを備えた真空バルブにおいて、前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が本発明の真空バルブ用電気接点を用いた電極からなるものである。
また、本発明の一実施例である真空遮断器は、少なくとも一方に本発明の電気接点を用いた一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極を真空容器内に備えた真空バルブと、この真空バルブ内の固定側電極および可動側電極の各々に真空バルブ外へ接続された導体端子と、前記可動側電極を駆動する開閉手段とを備えたものである。
さらに、本発明の一実施例である真空開閉機器は、少なくとも一方に本発明の電気接点を用いた一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極を真空容器内に備えた真空バルブを導体によって複数接続し、前記可動側電極を駆動する開閉手段を備えたものである。
これらの本発明の実施例によれば、通電時に接点部で発生するジュール熱を抑え、電気接点同士の溶着が発生しにくく、通電性能および耐溶着性能に優れた真空遮断器、さらには各種真空開閉機器が得られる。
本発明の各実施例について図面を引用して以下に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本発明の電気接点の一実施例として、接点層４５が表１に示す組成の金属からなり、基材４６が導電性金属であるＣｕからなる電気接点を作製し、これらの接点層４５と基材４６を用いて図１に示した真空バルブ用電極１を作製した。
前記基材４６を形成する導電性金属として、ＣｕまたはＣｕを主成分としたＣｕ合金を用いた。
図１は、表１に記載した各実施例のＮｏ．９乃至Ｎｏ．１４にそれぞれ示された耐火性金属および導電性金属からなる接点層組成によって製作された接点層４５からなる電気接点１を、導電性金属からなる基材４６の表面側に設置した電極の構造を示す上面図であり、図２はこの図１の電極の縦断面である。
前記接点層４５を形成する耐火性金属は、Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂのいずれか１種または２種以上の混合物あるいは化合物であり、接点層４５を形成する導電性金属は、ＣｕまたはＣｕを主成分としたＣｕ合金である。
図１及び図２において、円盤状に形成された接点層４５と基材４６とからなる真空バルブ用電極を構成する電気接点１には、アークに駆動力を与えるためのスリット溝２がこの接点層４５と、接点層４５を載置した基材４６とを共に貫通して形成されている。
そして、電流遮断時に溶融した電気接点１の成分がスリット溝２を通って裏面を汚損するのを防ぐために、基材４６の裏面側にはステンレス製の汚損防止板３が設置されている。
電極棒４には、基材４６及び汚損防止板３が、ろう材５によってそれぞれ接合されている。また、円盤状の接点層４５の円中心には前記接点層４５及び基材４６を貫通する中央孔４４が形成されており、前記電極棒４の軸先端がこの中央孔４４に下方側から嵌合している。
図１及び図２に示した電気接点１の作製方法は、次の通りである。まず、基材４６を構成することになる無酸素銅の円板（直径６０ｍｍ、厚さ約１１ｍｍ）の片側の平面に深さ４ｍｍ、幅３ｍｍの溝を任意の間隔で複数本設け、この溝に粒径７５μｍ以下の耐火性金属粉末を充填する。
このとき、溝は直線に限らず任意の形状でよく、耐火性金属と基材４６のＣｕとが所望の接点層の組成になるように溝の間隔や耐火性金属粉末の充填量などを調整する。
この無酸素銅の円板の表面に対し、厚さ０．５ｍｍの無酸素銅で作製したふた状の板をかぶせ、その上からツール（回転工具）を回転させながら深さ約４ｍｍまで食い込ませ、摩擦熱で温度が上昇した後、溝を設けた前記円盤の全面に渡りツールを移動させ、基材４６の成分と耐火性金属粉末を混合する摩擦攪拌プロセスを施した。
この摩擦攪拌プロセスを施すことにより、無酸素銅で作製したふた状の板に相当する部分は接点層４５と一体となる。
この際、混合する層が酸化しないよう、不活性ガスであるアルゴンガスをツール周辺に吹き付けながら処理した。ツールの回転数は１２００ｒｐｍ、移動速度は４００ｍｍ／ｍｉｎである。
本実施例では、ツールを円板の処理面の中心から外周にかけてらせん状に全面に渡り移動させたが、例えば直線状に全面に渡って走査させる方法でも良い。以上の方法により、直径６０ｍｍ、全体厚さが約１０ｍｍで、片面の表面に約４ｍｍの接点層４５が形成された電気接点１の部材を作製した。
このように作製した電気接点１の部材の外周面および接点層４５の面を所定の寸法となるように切削し、さらにスリット溝２、中央孔４４を機械加工により形成して直径５５ｍｍ、全体厚さが９ｍｍで、接点層４５の厚さが３ｍｍの図１に示す電気接点１を得た。
なお、耐火性金属粉末を充填するための溝は、深さ方向に狭くなる断面形状とすることにより、接点層４５から基材４６に渡って組成を傾斜させることが可能となり、電気接点１への通電時におけるジュール熱による層間熱膨張差を緩和して熱変形を抑制することができる。
本実施例の電気接点１と比較するために、従来製法である焼結法および溶浸法による電気接点１も併せて作製した。従来製法の焼結法による作製方法は、次の通りである。粒径７５μｍ以下の耐火性金属粉末と６０μｍ以下のＣｕ粉末とを、表１の比較例品としてＮｏ．１、２、４、５に示す接点層組成となるような配合比でＶ型混合器により混合し、接点層の原料とした。
この混合粉を円盤状の金型に充填後、さらに上記Ｃｕ粉末を充填し、油圧プレスにより４００ＭＰａの圧力で一体で加圧成形した。この際、各層の所望の厚さを確保できるように、原料粉の充填量を調整した。これにより得られた成形体の相対密度は、およそ６８〜７３％であった。
これらを真空中で、１０６０℃×２時間加熱して焼結し、電気接点１の素材となる焼結体を作製した。この焼結体の相対密度は、およそ９３〜９７％である。なお、表１の比較例品におけるＮｏ．２およびＮｏ．５の焼結体は、接点層４５と基材４６の層界面における熱膨張差により外周端部で剥離が生じた。
一方、従来製法の溶浸法による作製方法は、次の通りである。原料には上記の耐火性金属粉末およびＣｕ粉末を用い、Ｃｒ粉末を５５重量％、Ｃｕ粉末を３８重量％、Ｎｂ粉末を７重量％の割合でＶ型混合器により混合し、これを円盤状の金型に充填し、油圧プレスにより１４５ＭＰａの圧力で加圧成形してスケルトン（低密度成形体）を作製した。
このスケルトンを黒鉛るつぼに入れ、その上にＣｕインゴットを載置し、真空中において１２００℃×２時間加熱し、スケルトンにＣｕを溶融含浸させることによって、表１のＮｏ．３の接点層組成を有し、Ｃｕからなる基材と一体化した溶浸体を作製した。以上で得られた焼結体および溶浸体を機械加工し、図１に示した電気接点１と同じ形状をなす直径５５ｍｍ、全体厚さが９ｍｍで、接点層４５の厚さが３ｍｍの比較例の電気接点１を作製した。
次に、前記した電気接点１を備える真空バルブ用電極を作製した。電極の作製方法は次の通りである。電極棒４を無酸素銅で、また、汚損防止板３をＳＵＳ３０４であらかじめ機械加工により作製しておき、前記で得られた電気接点１、汚損防止板３、電極棒４のそれぞれの間にろう材５を載置し、これを８．２×１０−４Ｐａ以下の真空中で９７０℃×１０分間加熱し、図１に示す構成の電極を作製した。
前記した本発明の実施例品である表１に示したＮｏ．９〜Ｎｏ．１４の電気接点は、表１の接点層の酸素量（ｐｐｍ）の欄、及び接点層における高導電性金属の最大結晶粒径（μｍ）の欄にそれぞれ記載したように、いずれも接点層の酸素量が４０００ｐｐｍ（０．４重量％）以下、結晶粒径は５〜２０μｍの範囲内となっており、遮断性能および耐溶着性能を満足している。
この電極は後述する定格電圧２４ｋＶ、定格電流１２５０Ａ、定格遮断電流２５ｋＡ用の真空バルブ１００に用いられる電極である。なお、電極の汚損防止板３は、開閉動作による電気接点１の過度な変形を防ぐための補強板の役目もするが、電気接点１の強度が十分であれば汚損防止板３は省いてもよい。
本実施例の接点における接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲に設定され、前記接点層における耐火性金属と導電性金属の間の拡散の範囲が５０ｎｍ以下の範囲に設定されたことによる作用効果は、表１を引用した後述する第２実施例の真空バルブ１００の説明を参照されたい。
本実施例によれば、導電性と熱伝導性を保持すると共に、電気接点部材の強度を電流遮断時に電気接点が支障なく引き離せる程度の所望の値にした真空バルブ用電気接点、及びその電気接点を用いた真空開閉機器が実現できる。
次に本発明の一実施例である真空バルブ１００について説明する。
仕様が定格電圧２４ｋＶ、定格電流１２５０Ａ、定格遮断電流２５ｋＡの真空バルブ１００を作製した。
図５は、図１及び図２に示した実施例の電気接点１を有する電極を備えた真空バルブ１００の実施例を示す断面図である。
図５に示した真空バルブ１００は電極となる固定側電極６ａと可動側電極６ｂとを備えている。固定側電極６ａは固定側電気接点１ａと、この固定側電気接点１ａを備えた固定側電極棒４ａと、固定側電気接点１ａと固定側電極棒４ａとの間に設置された汚損防止板３ａとから構成されている。
可動側電極６ｂは固定側電極６ａの固定側電気接点１ａに対して離接する可動側電気接点１ｂと、この可動側電気接点１ｂを備えた可動側電極棒４ｂと、可動側電気接点１ｂと可動側電極棒４ｂとの間に設置された汚損防止板３ｂとから構成されている。
なお、本実施例の真空バルブ１００では、固定側電気接点１ａと可動側電気接点１ｂは図１及び図２に示した実施例の電気接点１と同じ構造を備えているものである。そして、固定側電気接点１ａと可動側電気接点１ｂにそれぞれ形成したスリット溝２は、両者の接触面において一致するように設置されている。
真空バルブ１００は、その側面の周囲が絶縁筒１３によって囲まれており、この絶縁筒１３の内部に固定側電極６ａと、この固定側電極６ａに対向して可動側電極６ｂとが配設されている。そして絶縁筒１３の上部と下部には、この絶縁筒１３と固定側電極６ａ及び可動側電極６ｂを接続する固定側端板９ａ及び可動側端板９ｂがそれぞれ設けられている。
絶縁筒１３の内部にそれぞれ配設された固定側電極６ａの先端に設けた固定側電気接点１ａ及び可動側電極６ｂの先端に設けた可動側電気接点１ｂの外周側には、電気接点の遮断時における金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シールド７が配設されている。
可動側電極６ｂは、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シールド８を介して可動側ホルダー１２にろう付け接合されている。
固定側端板９ａ、可動側端板９ｂ、及び絶縁筒１３は相互にろう付けによって高真空に封止されており、固定側電極６ａ及び可動側ホルダー１２に設けたネジ部をもって外部導体（図示せず）と接続される。可動側端板９ｂと可動側ホルダー１２との間には可動側ホルダー１２の摺動部分を支えるためのガイド１１が可動側端板９ｂに設けられている。
また、絶縁筒１３内部の可動側シールド８と可動側端板９ｂとの間にはべローズ１０が設けられており、真空バルブ１００内を真空に保ったまま可動側ホルダー１２を絶縁筒１３内で上下させて、固定側電極６ａと可動側電極６ｂとを開閉させることができるように構成されている。
表１に示す実施例品の電気接点に関し、実施例１で作製した電気接点を有する真空バルブ１００を備えた真空遮断器２００を用いて遮断試験を行い、電流２５ｋＡの遮断、並びに２５ｋＡ通電後の電極引き離し（開離）の可否を評価した。この際、電気接点の接点層における含有酸素量や結晶粒径の影響を検証するため、放電による表面層微細化処理は行わずに遮断試験に供した。
表１の右側欄は、電気接点における接点層の酸素量、結晶粒径、および遮断試験の結果を示すものであり、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８が比較例品、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１４が本発明の実施例品である。
焼結法および溶浸法で作製したＮｏ．１〜５の比較例品の電気接点は、摩擦攪拌プロセスで作製した本発明の実施例品の電気接点に比べて接点層の酸素含有量が少なく、いずれも２５ｋＡの電流遮断が可能である。
しかしながら、前記比較例品の電気接点は、接点層の結晶粒径が、前記表１にて、接点層における導電性金属の最大結晶粒径（μｍ）の欄に示したように、数１０〜数１００μｍと大きいため、大電流通電後に接点層の導電性金属成分が融出して溶着が生じやすく、前記表１にて、２５ｋＡ通電後の開離可否の欄に、開離不可×として示したように、いずれも電極引き離し（開離）が不可能であった。
前記比較例品の摩擦攪拌プロセスで作製したＮｏ．６の電気接点は、接点層の耐火性金属が１５重量％未満のもので、接点層の電気抵抗が比較的小さく、大電流通電後も溶着せずに開離できたが、耐火性金属が不足しているため、遮断性能が不十分であった。
また、前記比較例品のＮｏ．７は耐火性金属が４０重量％を超えるものであるが、これは遮断性能は満足するものの、接点層の電気抵抗が大きく、溶着が生じて開離不可能であった。
さらに、前記比較例品のＮｏ．８は摩擦攪拌プロセスで作製する際、アルゴンガスを吹付けずに処理したもので、接点層には４０００ｐｐｍ（０．４重量％）以上の酸素を含み、電流遮断時において酸素の放出によりアークが持続し、遮断不能が生じた。
以上のように、焼結法および溶浸法で得られた前記比較例品の電気接点は、接点層の結晶が大きく耐溶着性に劣り、また摩擦攪拌プロセスによる電気接点では、接点層の耐火性金属量および酸素含有量が本発明の所望の範囲外にあると、遮断性能や耐溶着性能が不十分であることが確認された。
これに対して、本発明の実施例品であるＮｏ．９〜Ｎｏ．１４の電気接点は、表１の接点層の酸素量（ｐｐｍ）の欄、及び接点層における高導電性金属の最大結晶粒径（μｍ）の欄にそれぞれ示したように、いずれも接点層の酸素量が４０００ｐｐｍ（０．４重量％）以下、結晶粒径は５〜２０μｍの範囲内となって、遮断性能および耐溶着性能を満足した。
また、接点層における耐火性金属成分は、表１の接点層組織の欄に示したように、Ｃｒのみであっても、Ｃｒと他のＷ、Ｍｏ、Ｎｂとの混合であっても、耐火性金属（重量％）が１５〜４０重量％の範囲内にあれば性能を満足できることが確認された。
ここで、焼結法で作製した比較例品のＮｏ．１と本発明の実施例品であるＮｏ．９の電気接点に関して、エネルギー分散型Ｘ線分析装置を用い、接点層におけるＣｒ／Ｃｕ界面の元素分布を分析した結果を図３及び図４に示す。
図３及び図４に示した接点層におけるＣｒ／Ｃｕ界面の元素分布の分析結果において、図３は比較例品のＮｏ．１の電気接点についての接点層におけるＣｒ／Ｃｕ界面の元素分布の分析結果、図４は本発明の実施例品であるＮｏ．９の電気接点について接点層におけるＣｒ／Ｃｕ界面の元素分布の分析結果である。
比較例品のＮｏ．１の電気接点では、実線で示すＣｒと破線で示すＣｕの拡散範囲がおよそ１８０ｎｍである。これは、高温で焼結することにより、ＣｒがＣｕに拡散するためと考えられ、これによりＣｒとＣｕの界面強度が大きく、接点同士が溶着した際に容易に界面で破壊が生じず、大電流通電後の開離が不可能となったものである。
これに対して、本発明の実施例品であるＮｏ．９では、実線で示すＣｒと破線で示すＣｕの拡散範囲がおよそ３０ｎｍと極めて小さい。これは、比較的低温での摩擦攪拌プロセスにより、ＣｒとＣｕの界面で拡散が生じず、両者は機械的あるいは物理的に結合しているためと考えられる。これにより、界面強度が小さいため、溶着後の開離が容易になるものである。
したがって、本発明の実施例品の電気接点は、接点層における耐火性金属と導電性金属の間の拡散相あるいは反応相の厚さが５０ｎｍ以下であることにより、低融点金属を添加することなく、優れた耐溶着性を有することが確認された。
尚、接点層における耐火性金属と導電性金属の間の拡散相あるいは反応相の厚さは５０ｎｍ以下となるように形成すべきであり、望ましくはこの拡散相あるいは反応相の厚みは限りなくゼロに近い値、或いはゼロであることが望ましい。
本実施例によれば、導電性と熱伝導性を保持すると共に、電気接点部材の強度を電流遮断時に電気接点が支障なく引き離せる程度の所望の値にした真空バルブ用電気接点、及びその電気接点を用いた真空開閉機器が実現できる。
次に本発明の一実施例である真空遮断器２００について図６を用いて説明する。
図５に示した構成の真空バルブ１００を搭載した本発明の実施例の真空遮断器２００を作製した。
図６は、図５に記載した実施例の真空バルブ１００とその操作機構を備えた本発明の一実施例である真空遮断器２００の構成を示す構成図である。
図６において、真空遮断器２００は、操作機構部を前面（図６の右側）に配置し、背面（図６の左側）に真空バルブ１００を支持する３相一括型の３組のエポキシ筒１５を配置した構造である。真空バルブ１００は、絶縁操作ロッド１６を介して、操作機構によって固定側電極棒４ａの固定側電気接点１ａと可動側電極棒４ｂの可動側電気接点１ｂとの開閉が操作される。
真空遮断器２００の真空バルブ１００が閉路状態の場合、電流は上部端子１７、電気接点を構成する固定接点１ａ、可動接点１ｂ、集電子１８を順次経由して下部端子１９に流れる。
固定接点１ａと可動接点１ｂをそれぞれ備えた固定側電極棒４ａと可動側電極棒４ｂとの間の接触力は、可動側電極棒４ｂと前記可動側電極棒４ｂを操作する絶縁操作ロッド１６との間に設置され、絶縁操作ロッド１６に装着された接触バネ２０のバネ力によって保たれている。
固定側電極棒４ａと可動側電極棒４ｂの電極間の接触力、および短絡電流による電磁力は、前記絶縁操作ロッド１６と主レバー２６を介して連結された支えレバー２１およびプロップ２２によって保持されている。
真空バルブ１００を操作する操作機構部には、投入コイル３０と、この投入コイル３０の励磁によって駆動され、ノッキングロッド２４を備えたプランジャ２３と、ノッキングロッド２４を介して押し上げられるローラ２５が設置されている。
また、真空バルブ１００を操作する操作機構部には、引き外しコイル２７と、この引き外しコイル２７の励磁によって駆動され、主レバー２６を固定側電極棒４ａの固定側電気接点１ａと可動側電極棒４ｂの可動側電気接点１ｂとの電極間が閉じる方向に回動させてプロップ２２との係合を外す引き外しレバー２８が設置されている。
操作機構部の投入コイル３０を励磁すると真空遮断器２００の真空バルブ１００が開路状態からプランジャ２３の駆動によってノッキングロッド２４を介してローラ２５を押し上げ、固定側電極棒４ａの固定側電気接点１ａと可動側電極棒４ｂの可動側電気接点１ｂとの電極間が閉じる方向に主レバー２６を回動させた後に、前記主レバー２６の動きを支えレバー２１によって保持する。
また、真空遮断器２００の真空バルブ１００が引き外し自由状態においては、引き外しコイル２７が励磁され、引き外しレバー２８がプロップ２２の係合を外して固定側電極棒４ａの固定側電気接点１ａと可動側電極棒４ｂの可動側電気接点１ｂとの電極間が開く方向に主レバー２６を回動させることによって前記電極間が開操作される。
真空遮断器２００の真空バルブ１００が開路状態では、前記電極間が開かれたあと、ローラ２５に設けたリセットバネ２９によってリンクが復帰し、同時にプロップ２２が係合する。この状態で投入コイル３０を励磁すると閉路状態になる。なお、排気筒３１は真空バルブ１００に配設されている。
以上のように、図１に示した実施例の電気接点１を用いて図５に示した実施例の真空バルブ１００を作製し、この真空バルブ１００とその操作機構を備えた真空遮断器２００を構成した。この真空遮断器２００は、定格電圧２４ｋＶ、定格電流１２５０Ａ、定格遮断電流２５ｋＡ仕様の真空遮断器である。
本実施例の真空遮断器２００に備えた真空バルブ１００の接点における接点層の耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲に設定し、前記接点層の耐火性金属と導電性金属の間の拡散の範囲が５０ｎｍ以下の範囲に設定したことによる作用効果は、表１を引用した前述した第２実施例の真空バルブ１００の説明を参照されたい。
以上説明したように、本発明の実施例である電気接点によって、優れた遮断性能と耐溶着性能を有する真空バルブおよび真空遮断器を得ることができる。
本実施例によれば、導電性と熱伝導性を保持すると共に、電気接点部材の強度を電流遮断時に電気接点が支障なく引き離せる程度の所望の値にした真空バルブ用電気接点、及びその電気接点を用いた真空開閉機器が実現できる。
次に本発明の一実施例である負荷開閉器３００について説明する。
図５に示した実施例１の真空バルブ１００を、真空遮断器以外の真空開閉装置に搭載した本発明の一実施例である負荷開閉器３００について説明する。
図７は、図５に記載した実施例の真空バルブ１００を搭載した本発明の一実施例である路肩設置変圧器用の負荷開閉器３００である。
図７において、負荷開閉器３００は、主回路開閉部に相当する真空バルブ１００が、真空封止された外側真空容器３２の内部に複数個収納（本実施例では３台）されたものである。外側真空容器３２は、上部板材３３と下部板材３４及び上部板材３３と下部板材３４との間に側部板材３５を備えて構成されており、各板材の周囲（縁）が互いに溶接によって接合されているとともに、負荷開閉器３００の本体に設置されている。
外側真空容器３２を構成する上部板材３３には、上部貫通孔３６が複数個形成されており、各上部貫通孔３６の縁には環状の絶縁性上部ベース３７が各上部貫通孔３６を覆うように固定されている。
そして、各上部ベース３７の中央に形成された円形空間部には、各真空バルブ１００の電極の一方を構成する円柱状の可動側電極棒４ｂが往復動（上下動）自在に挿入されている。すなわち、各上部貫通孔３６は上部ベース３７と可動側電極棒４ｂによって閉塞されている。
この真空バルブ１００を構成している可動側電極棒４ｂの軸方向端部（上部側）は、外側真空容器３２の外部に設置される図示していない操作器（電磁操作器）に連結されるようになっている。
また、外側真空容器３２の内部となる上部板材３３の下部側には、各上部貫通孔３６の縁に沿って外側ベローズ３８が可動側電極棒４ｂの軸方向に沿って往復動（上下動）自在に配置されており、各外側ベローズ３８は、その軸方向の一端側が上部板材３３の下部側に固定され、軸方向の他端側が各可動側電極棒４ｂの外周面に装着されている。
すなわち、外側真空容器３２を密閉構造とするために、各上部貫通孔３６の縁には各可動側電極棒４ｂの軸方向に沿って外側ベローズ３８が配置されている。また、上部板材３３には排気管（図示省略）が連結され、この排気管を介して外側真空容器３２内が真空排気されて真空状態に保持されるようになっている。
一方、外側真空容器３２を構成する下部板材３４には下部貫通孔３９が複数個形成されており、各下部貫通孔３９の縁には絶縁性ブッシング４０が各下部貫通孔３９を覆うように固定されている。各絶縁性ブッシング４０の底部には、環状の絶縁性下部ベース４１がそれぞれ固定されている。
そして、各下部ベース４１の中央の円形空間部には、各真空バルブ１００の電極の他方を構成する円柱状の固定側電極棒４ａが挿入されている。
すなわち、下部板材３４に形成された下部貫通孔３９は、それぞれ絶縁性ブッシング４０、下部ベース４１、及び固定側電極棒４ａによって閉塞されている。そして、固定側電極棒４ａの軸方向の一端側（下部側）は、外側真空容器３２の外部に配置された図示していないケーブル（配電線）に連結されるようになっている。
外側真空容器３２の内部には、負荷開閉器３００の主回路開閉部に相当する真空バルブ１００が複数台収納されており、これらの真空バルブ１００を構成する各可動側電極棒４ｂは、２つの湾曲部を有するフレキシブル導体（可撓性導体）４２を介して互いに連結されている。
このフレキシブル導体４２は、２つの湾曲部を有する導電性板材としての銅板とステンレス板を交互に複数枚積層して構成されている。
フレキシブル導体４２には貫通孔４３が形成されており、各貫通孔４３に各可動側電極棒４ｂを挿入して前記フレキシブル導体４２と可動側電極棒４ｂとを互いに連結させている。
以上の説明では、図５に示した実施例の真空バルブ１００を作製し、この真空バルブ１００を真空遮断器以外の真空開閉装置である路肩設置変圧器用の負荷開閉器３００に適用した実施例について説明した。
尚、本発明は、上記した負荷開閉器以外の真空絶縁スイッチギアなどの各種真空開閉装置にも適用できる。
本実施例によれば、導電性と熱伝導性を保持すると共に、電気接点部材の強度を電流遮断時に電気接点が支障なく引き離せる程度の所望の値にした真空バルブ用電気接点、及びその電気接点を用いた真空開閉機器が実現できる。
本発明は真空バルブ用電気接点、及びその電気接点を用いた真空開閉機器に適用可能である。
１：電気接点、１ａ：固定側電気接点、１ｂ：可動側電気接点、２：スリット溝、３、３ａ、３ｂ：汚損防止板、４、４ａ、４ｂ：電極棒、５：ろう材、６ａ：固定側電極、６ｂ：可動側電極、７：シールド、８：可動側シールド、９ａ：固定側端板、９ｂ：可動側端板、１０：ベローズ、１１：ガイド、１２：可動側ホルダー、１３：絶縁筒、１４：真空バルブ、１５：エポキシ筒、１６：絶縁操作ロッド、１７：上部端子、１８：集電子、１９：下部端子、２０：接触バネ、２１：支えレバー、２２：プロップ、２３：プランジャ、２４：ノッキングロッド、２５：ローラ、２６：主レバー、２７：引き外しコイル、２８：引き外しレバー、２９：リセットバネ、３０：投入コイル、３１：排気筒、３２：外側真空容器、３３：上部板材、３４：下部板材、３５：側部板材、３６：上部貫通孔、３７：上部ベース、３８：外側ベローズ、３９：下部貫通孔、４０：絶縁性ブッシング、４１：下部ベース、４２：フレキシブル導体、４３：フレキシブル導体貫通孔、４４：中央孔、４５：接点層、４６：基材、１００：真空バルブ、２００：真空遮断器、３００：負荷開閉器。
Claims (11)
- 導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成したことを特徴とする真空バルブ用電気接点。
- 請求項１に記載の真空バルブ用電気接点において、
前記接点層において、耐火性金属と導電性金属の間の拡散相あるいは反応相の範囲が５０ｎｍ以下の範囲となるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ用電気接点。 - 請求項１又は請求項２に記載の真空バルブ用電気接点において、
前記接点層における耐火性金属はＣｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂのいずれか１種または２種以上の混合物あるいは化合物であり、前記接点層における導電性金属はＣｕまたはＣｕを主成分としたＣｕ合金であることを特徴とする真空バルブ用電気接点。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブ用電気接点において、
前記基材における導電性金属はＣｕまたはＣｕを主成分としたＣｕ合金であることを特徴とする真空バルブ用電気接点。 - 請求項１に記載の真空バルブ用電気接点において、
前記接点層は、１５〜４０重量％の耐火性金属と、６０〜８５重量％の導電性金属からなることを特徴とする真空バルブ用電気接点。 - 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブ用電気接点において、
前記接点層の酸素量が０．４重量％以下に形成されていることを特徴とする真空バルブ用電気接点。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の真空バルブ用電気接点において、
一体に結合して構成された前記接点層及び基材は円盤形状にそれぞれ形成されており、
円盤形状の前記接点層及び前記基材の円中心に中心孔を形成すると共に、該中心孔に対して非接触で円中心から外周部に向かって複数本の貫通したスリット溝を形成し、前記スリット溝によって前記接点層に相互に分離された複数の平面形状部を形成するようにしたことを特徴とする真空バルブ用電気接点。 - 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の真空バルブ用電気接点に備えられた前記接点層及び前記基材は一体に結合された円盤状部材を構成しており、前記円盤状部材の裏面側に汚損防止板が設置され、前記円盤状部材の基材と汚損防止板との双方に一体に接合された電極棒が備えられていることを特徴とする真空バルブ用電極。
- 真空容器内に一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極とを備えた真空バルブにおいて、
前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が、円盤形状の前記接点層及び前記基材を構成する円盤状部材と、前記円盤状部材の裏面側に設置された汚損防止板と、前記円盤状部材の前記基材及び汚損防止板に一体に接合された電極棒に用いられる電気接点であり、
前記電極棒に用いられる電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成されていることを特徴とする真空バルブ。 - 真空容器内に一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極を備えた真空バルブと、前記真空バルブ内の前記固定側電極および可動側電極の各々に前記真空バルブ外へ接続された導体端子と、前記可動側電極を駆動する開閉手段とを備えた真空遮断器において、
前記真空バルブは前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が、円盤形状の前記接点層及び前記基材を構成する円盤状部材と、前記円盤状部材の裏面側に設置された汚損防止板と、前記円盤状部材の前記基材及び汚損防止板に一体に接合された電極棒とを有する真空バルブ用電極を備えており、
前記電極棒に用いられる電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成されていることを特徴とする真空遮断器。 - 真空容器内に一対の固定側電極及びこの固定側電極に対向して配設された可動側電極を備えた真空バルブを導体によって複数接続し、前記可動側電極を駆動する開閉手段を備えた真空開閉機器において、
前記真空バルブは前記固定側電極及び可動側電極の少なくとも一方が、円盤形状の前記接点層及び前記基材を構成する円盤状部材と、前記円盤状部材の裏面側に設置された汚損防止板と、前記円盤状部材の前記基材及び汚損防止板に一体に接合された電極棒とを有する真空バルブ用電極を備えており、
前記電極棒に用いられる電気接点は、導電性金属からなる基材と、前記基材の上面側に耐火性金属および導電性金属からなる接点層を形成して前記基材とこの接点層とを一体に結合して構成し、前記接点層における耐火性金属および導電性金属の結晶粒径が５〜２０μｍの範囲となるように形成されていることを特徴とする真空開閉機器。
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