KR100378383B1 - 진공밸브와그제조방법,및진공밸브를구비한진공차단기와그제조방법 - Google Patents

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Abstract

각각의 고정측 전극과 가동측 전극유닛은 아크전극, 이 아크전극을 지지하는 아크전극지지부재, 이 아크전극지지부재와 연통된 코일전극 및 전극로드로 이루어진다. 아크전극과 아크전극지지부재 사이의 접합부들내의 적어도 하나의 베이스부재, 코일전극 및 전극로드는 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성된다. 비저항과 강도집중이 작고, 큰 수직자계를 갖는 전극구조와 우수한 아크확산효과가 얻어질 수 있다. 소형 고성능진공밸브 또는 소형 고성능 진공차단기가 얻어질 수 있다.

Description

진공밸브와 그 제조방법, 및 진공밸브를 구비한 진공차단기와 그 제조방법{VACUUM VALVE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND VACUUM CIRCUIT BREAKER HAVING VACUUM VALVE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 진공밸브와 그 제조방법 및 진공밸브를 구비한 진공차단기와 그 제조방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 고전압, 대전류용 진공차단기를 얻기 위해서 고신뢰성의 전극구조를 갖는 진공밸브와 그 제조방법, 및 고신뢰성의 전극구조를 갖는 진공차단기와 그 제조방법에 관한 것이다.
고전압, 대전류용의 종래의 진공차단기는, 절연된 고진공상태로 유지되는 용기내의 한쌍의 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와, 이 진공밸브의 외측에서 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛에 연결된 도전단자들과, 가동측전극유닛에 연결된 절연부재를 통해 가동측 전극유닛을 구동시키는 개폐수단으로 이루어진다. 전극구조는 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛으로 이루어진다.
각각의 상기 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛은 공통적으로 4개의 전극유닛구성부재들을 포함한다. 이 4개의 전극유닛구성부재들은 아크전극부재와, 이 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재와, 이 아크전극지지부재와 연통되고 아크전극부재상에서 아크들을 전체적으로 소멸시키도록 작동하는 코일전극, 및 이 코일전극의 일단부상에 설치된 전극로드로 이루어진다.
또, 상기한 전극구조에서는 전극구조의 강도를 증가시키기 위해서 실제사용시에 보강부재가 채용될 수 있다. 상기한 아크전극부재는 고전압 및 대전류를 개폐 및 차단하기 위해서 아크에 직접적으로 노출된다.
아크전극부재로서는 다음과 같은 특성들이 요구된다. 이러한 특성들은 큰 차단용량, 고내전압값, 작은 접촉저항값(우수한 전도성), 우수한 반용융특성, 작은 접촉소모 및 작은 차단전류값으로 예시된다.
종래의 전극구조에서, 전극유닛은 Cr, Cu, W, Co, Mo, V, Nb중 하나이상 또는 하나 이상의 그 합금분말이 소정 성분, 형상 및 공간체적에 의해 형성 및 소결된 다음에 용해된 Cu 및 Cu합금이 소결체의 뼈대내로 액침되는 방법(이후에, "액침법(Infiltration method)"으로 언급함)에 의해 제조된다.
상기한 다양한 특성들내에서 내전압값을 향상시키기 위해서, 열간등방압가압(hot isostatic press)(이후, "HIP"로 축약함)처리에 따른 아크전극부재의 제조방법이 예를 들어 일본국 특허공개공보 제 1993-6780호에 개시되어 있다. 이 HIP처리시에는, 액침처리전의 소결처리시 밀도가 증가하는 한편, 공극율이 가능한 감소된다.
상기한 열간등방압가압(HIP)처리에 따라 제조된 아크전극부재는, 용융된 Cu합금용융금속의 액침처리에 따라 제조된 아크전극부재에 비해, 높은 내전압을 갖고, 또 각 생산물로 인한 내전압값의 집중이 작아지게 된다.
종래의 전극구조 제조기술에서는, 액침법 또는 열간등방압가압(HIP)에 따른 전극부재의 제조방법과 관계없이, 전극유닛을 포함하는 4개의 전극유닛구성부재를 각 부품마다 제조하고 기계가공을 행한 후에, 이 4개의 구성부재를 납땜접합가공하여, 전극구조를 제조한다.
전극유닛을 포함하는 상기한 4개의 구성부재는 아크전극부재, 이 아크전극부재를 지지하는 아크전극지지부재, 이 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 이 코일부재의 일단부상에 설치된 전극로드로 이루어진다.
납땜접합처리는 다음의 방법에 의해 행해진다. 아크전극부재와 이 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재 사이에서, 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재와 이 코일전극부재의 일단부상에 설치된 전극로드와, 코일재료 및 우수한 용접특성을 갖는 납땜부재가 삽입되고, 진공 또는 감소된 대기압내의 온도를 상승시킴으로써, 납땜접합처리가 행해진다.
납땜접합처리에 따라 구성된 전극구조에서는, 개별 구성부재의 기계가공처리를 행하는데 많은 시간이 소요되고 납땜접합의 구성부재의 조립시에 개별 구성부재의 센터링처리를 행하는데 많은 시간이 소요된다.
또, 상기한 경우에, 납땜접합내의 고장으로 인한 전극유닛구성부재의 파괴 및 단락의 사고원인을 초래한다. 고전압 대전류의 진공차단기를 생산하기 위한 제조의 경우에, 접합부내의 납땜부재의 전기저항이 전극유닛의 전기저항보다 높기 때문에, 국부 발열현상이 발생하는 문제가 염려된다.
또, 최근에는 차단성능을 향상시키기 위한 시도와 진공차단기의 개폐속도의 향상이 시도되고 있다, 진공차단기의 개폐속도가 높을 때, 전극유닛 구성부재들의 개폐동작동안 큰 충격응력이 전극구성부재들에 가해지고, 이에 의해 전극유닛 구성부재들내의 변형이 발생될 수 있다.
상기한 원인으로 인해, 종래의 납땜접합에서는 전극구조의 전극유닛구성부재의 접합부의 강도에 문제를 초래하고 접합강도에 대한 염려를 초래한다.
고전압 대전류에 응답하는 진공차단기에서는, 아크전극부재의 크기가 100mm 이상의 직경을 갖도록 할 필요가 있다,
그러나, 납땜처리에 따른 개별 전극유닛 구성부재를 제조하기 위한 종래방법에 의하면, 납땜접합의 고장에 기인한 아크전극부재의 강도의 저하때문에, 효율의 관점에서 100mm의 상기한 직경이상을 갖는 전극부재를 부분적으로 제조하는 것이 어렵다.
또, 아크전극부재와 이 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재에서는, 전체 전극구조상에서 전극구조의 개폐시에 발생된 아크들을 소멸시키고 전극유닛 구성부재들의 수명을 향상시키기 위해서, 전극구조의 중심축에 평행한 자계(수직자계)를 발생시키도록 전극의 측면부에 복수의 그루브들이 형성된다.
복수의 그루부를 갖는 상기한 전극구조는 금속표면상에 전류가 흐르는 현상을 활용하여 구성된다. 전류가 그루브의 비존재부를 따라 흐르기 때문에, 나선형 자제가 전류흐름 주위에 발생되고, 따라서 상기한 수직자계가 발생된다.
이외에, 전극구조내에서 수직자계를 효율적으로 발생시키기 위해서는, 상기한 그루브를 아크전극부재와 아크전극지지부재의 측면부를 향해 연장되도록 연속하는 것이 가장 효율적이다.
그러나, 종래의 납땜처리에 따른 전극구조에서는, 그루브가 납땜접합의 인터페이스를 따라 형성될때, 아크발생시에 이 아크들은 그루브의 바닥부상에 형성되 납땜면까지 도달하고, 그후에 납땜부의 온도가 상승하여 납땜부재가 용융되는 문제를 발생시킨다.
상기한 이유로 인해서, 종래의 전극구조에서, 그루브영역들은 아크전극지지부재의 측면부만을 형성한다. 그러나, 이 전극구조에서, 충분히 수직자계를 발생시키기 위해서는 전극구조 자체를 크게 만들 필요가 있고, 이것은 소형 전극구조를 제조하는데 장해가 된다.
본 발명은 목적은 진공밸브와 그 제조방법 및 진공밸브를 갖는 진공차단기와 그 제조방법을 제공하는 것으로, 납땜부재를 사용하지 않고 전극구조를 위해 금상학적으로 일체형 조립함으로써 소형화 및 장수명화를 꾀한 진공밸브와, 납땜부재를 사용하지 않고 전극구조를 위해 금상학적 일체구조에 따라 소형화 및 장수명화를 꾀한 진공차단기가 형성된다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서, 진공밸브는, 진공챔버를 형성하는 진공용기와, 상기 진공용기내에 설치된 고정측 전극유닛, 및 상기 진공용기내에 설치된 가동측 전극유닛을 포함하며, 진공차단기는 절연용기와, 고정측 전극유닛 및 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와, 진공밸브의 외측에서 각각의 상기 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛에 연결된 도전단자들과, 상기 가동측 전극유닛에 연결된 절연부재, 및 상기 절연부재를 통해 상기 가동측 전극유닛을 구동시키기 위한 개폐수단을 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는, 진공밸브내에 또는 아크전극부재, 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전기공급부재를 포함한 진공차단기내에, 아크전극부재와 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 접합베이스부재가 고상확산에 따라 금상학적으로 일체로 형성된다.
상기한 전극구조의 바람직한 일 실시예로서, 아크전극부재는 Cr, W, Mo, Co 및 Fe중 한 개 이상을 20∼70중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분으로 이루어진다.
또, 아크전극부재는, V, Nb, Zr, Ti, Ta 및 Si중 한 개 이상을 0.5∼5중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분과, Cu, Ag 및 Au중 한 개 이상을 30∼70중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분들의 합금으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
각각의 아크전극지지부재와, 코일전극부재 및 전기공급부재는 Cr, V, Zr, Si, W 및 Be중 한 개 이상을 1.0중량% 이하 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분으로부터 선택하고 그 나머지는 Cu, Ag 및 Au중 한 개 이상의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속구성의 합금으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
진공밸브 또는 진공차단기에서 사용하기 위한 상기 전극구조에서, 각각의 아크전극부재와 아크전극지지부재는 수직자계를 발생시키기 위한 복수의 그루브를 구비하고, 이 복수의 그루브는 아크전극부재와 아크전극지지부재의 측면부를 향해 연장되도록 이어진다.
아크전극부재와 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전기공급부재 사이의 접합부중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되고, 이에 의해 진공밸브 또는 진공차단기의 성능이 더 향상될 수 있다.
또, 진공밸브 또는 진공차단기에서 사용하기 위한 상기 전극구조에서, 아크전극부재와 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전기공급부재 사이의 적어도 하나의 접합부는 열간등방압가압(HIP)처리에 의해 일체로 제조된다.
상기한 진공밸브 또는 진공차단기 제조방법에서, Cu, Ag 및 Au중 한 개 이상의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속구성부재로 구성되는 합금의 용융점 이하의 용융점을 갖는 열간등방압가압(HIP)처리의 가열온도하에서 가열이 수행되고, 금속베이스부재를 일체로 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 진공밸브 또는 진공차단기 제조방법에서, 각종 금속분말을 금속캡슐내로 삽입하고 금속캡슐의 내부를 가열 및 탈기함으로써 밀폐시키는 공정을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 공정은 소위 "캐닝"공정으로 불린다.
진공차단기에서 이용하기 위한 진공밸브의 전극구조에서, 아크전극부재와 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전기공급부재 사이의 베이스부재의 적어도 하나의 접합부는 열간등방압가압(HIP)처리에 의해 일체로 형성된다.
전극유닛을 포함하는 4개의 전극유닛구성부재는 한 개의 부재로서의 아크전극부재와 아크전극부재에 접합되는 세개의 부재들이다. 이 4개의 구성부재들은 한개의 구성부재로서의 아크전극부재와 세개의 구성부재로서의 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어진다.
이에 따라서, 한개의 구성부재로서의 아크전극부재와 상기한 세개의 전극유닛 구성부재로부터 선택된 적어도 하나의 부재인 적어도 두개의 전극구성부재들은 납땜처리를 하지 않고 금상학적으로 상호 접합될 수 있다.
이 경우, 접합부의 강도가 문제가 되나, 베이스부재(Cu합금)가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되어 있으면 강력한 강도도 전체적으로 얻어지고 또, 실제사용시에 접합부에서의 발열현상에 대한 문제를 일으키지 않는다.
본 발명에서, 고상확산에 의해 금상학적으로 일체 또는 금상학적으로의 연속의 의미는 다음과 같다.
즉, 제 7도 또는 제 8도에 나타낸 바와 같이, 아크전극부재와 세개의 구성부재들중 하나로 이루어진 상기한 베이스부재들의 접합부에서, 베이스부재(이 경우에는 순수 Cu)의 결정화(분광, 단결정화의 결정성장)은 접합부에 연속되고, 접합경계부가 불분명한 상태를 말한다.
베이스부재가 고상확산처리에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 경우에, 베이스부재내에서 사라지는 Cr과 같은 고용융점을 갖는 금속의 형상은 원료분말의형상을 유지하는 것을 특징으로 한다.
즉, 원료분말의 입자직경이 분쇄작업동안 작게 만들어지기 때문에, 많은 입자형상이 모난형상을 갖는다. 고상확산처리의 채용의 경우에, 소결온도가 낮다. Cr과 같은 고온용융점을 갖는 금속이 거의 반응하지 않기 때문에, 그 결과 금속의 입자형상은 모난 형상을 유지하도록 남겨진다.
이외에, 베이스부재의 접합부는 용융에 의한 접합방법 및 베이스부재의 포화에 의해 금상학적으로 일체로 형성된다. 그러나, 상기한 경우에, 고온하의 처리이기 때문에, Cr과 같은 고용융점을 갖는 금속의 일부가 반응하고, 이에 의해 입자형상이 둥근 형상을 갖게 된다, 상기한 차이점은 제 2도 및 제 3도를 참조하여 설명된다.
제 2도는 본 발명에 따른 HIP처리를 이용하여 접합부의 금상학적 구조를 나타낸 사진이다. 제 3도는 종래의 액침방법에 의해 접합부의 금상학적구조를 나타낸 사진이다. 이 도면에서, 암색은 Cr입자를 나타내고, 흰색매트릭스부는 Cu합금을 나타낸다.
고용융점을 갖는 금속의 일부가 반응하는 경우에, Cr과 같은 요소가 Cu합금내로 확산되기 때문에, 베이스부재의 전기도전율은 낮아지기 시작한다. 전극구조내에서 사용된 전극물질에서는, 고전압 대전류로 인해, 전기도전율의 약간의 저하가 에너지손실의 발생을 해방시킨다. 따라서, 전기도전율의 저하는 바람직하지 않은 것중 하나이다.
고상확산처리에 의해 일체로 형성된 베이스부재는 아크전극부재와 세개의 구성부재들중 한개로 이루어진 4개의 전극유닛구성부재로부터 두개의 전극유닛 구성부재이상을 채용할 수 있다. 그러나, 접합부의 일부는 전극구조의 제조비용관계의 관점에서 납땜접합을 통해 형성될 수 있다.
또, 열간등방압가압(HIP)처리에 따른 전극구조를 일체로 제조함으로써, 어떠한 구성비를 갖는 아크전극부재의 재료도 만들 수 있지만, 이러한 사실은 종래기술에 의해 실현불가능하다.
그 결과, 전극구조의 각 물질들의 열팽창계수차로 인해 열적 응력이 낮아질 수 있고 또 전극구조의 사용시에 열적 응력이 억제될 수 있다.
전극구조의 사용시에 전류가 어떠한 방식으로도 흐르기 때문에, 전기에너지의 손실을 가능한 줄이기 위해서는, 작은 저항의 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 순수 Cu에서는, 그 용융점이 아크온도보다 낮기 때문에, 순수 Cu는 실제사용시에 쉽게 용융된다.
전기저항이 가능한 증가되지 않는 범위내에서, 융용특성을 향상시키기 위한 요소로서, Cr, W, Mo, V, Nb, Zr, Ta, Ti, Si 및 Co중 한개이상으로 이루어진 요소(금속)은 종래부터 사용되었다. 이들 금속들은 종래의 전극구조내에서 동일한 용도로 사용되었다.
고용융점을 갖는 이들 금속들은 1800℃ 이상의 용융점을 갖는 고용융점금속을 구비하고, Cr, W, Mo, V, Nb, Zr, Ta, Ti, Si 및 Co등의 그룹의 단순물질이 사용되고, 또는 상기한 그룹으로부터 선택된 두 종류이상의 합금이 사용되어 베이스부재인 Cu등을 추가한다.
이 전체량은 20∼70중량%을 함유한 갖는 것이 바람직하다. 고속 차단속도 및 강력한 강도를 얻기 위해 필요한 진공차단기에 의하면, 전극구조의 소정 특성에 응답하여 전체 함유량을 증가 또는 감소시키는 것이 바람직하다.
V, Nb, Zr, Ta, Ti 및 Si중 한 개 이상을 0.2∼5% 범위 함유한 그룹으로부터 선택된 한 종류 이상의 요소의 전체함유량이 추가되고 또 도전물질로서 Cu, Ag 및 Au중 한개이상을 30∼80중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 한 종류 이상의 합금분말의 전체량을 채용하는 것이 바람직하다.
이들 요소들은 Cu등에 의해 고용융점을 갖는 금상학적 혼합물을 형성할 수 있고, 종래의 반용융특성 및 차단특성을 향상시키기 위해서 추가될 수 있다.
아크전극부재에서 아크들은 전극구조의 개방상태에서 발생하고, 이 아크들은 일반적으로 전류가 과다하게 흐르는 부분으로부터 발생한다.
연마분말과 같은 이물질이 전극구조상에 놓여질때, 아크들은 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛의 원단부에서 가장 먼저 발생한다. 이 부분의 가장 먼저 약해져서, 전극구조의 전체 수명이 짧아지는 문제를 일으킨다.
상기한 단점들을 해소하기 위해서, 전극측에 평행한 자계가 아크유닛의 전체 표면으로부터 아크를 균일하게 발생시키도록 공급된다. 이것은 수직자계로 불리며 코일전극부재는 수직자계를 발생시키기 위해서 전극유닛의 부근에 설치된다.
각각의 제 4A도와 제 4B도는 종래의 전극구조의 개략도를 나타낸다. 제 4A도는 전극구조의 수평단면도이고 제 4B도의 B-B'선을 따른 수평단면도이다. 아크전극부재는 납땜접합처리에 의해 납땜면(92)을 통해 아크전극지지부재에 접합된다.
제 4B도는 코일전극부재(91)의 상부측으로부터 취해진 도면이다. 전류는 코일전극부재(91)를 따라 4개분할된 아크전극면에 평행하게 흐르고 수직자계를 발생시킨다. 이 4개분할된 전류는 아크전극지지부재(94) 및 납땜면(95)으로부터 아크전극부재로 흐른다. 상기한 바와 같이, 그루브의 설치에 의해, 효과적인 자계가 발생된다.
제 4A도 및 제 4B도에서 나타낸 바와 같이, 종래의 납땜접합처리에 따른 전극구조내의 그루부들은 납땜면(92)으로부터 저부(제 4A에서, A-A로 지시된 라인으로)로 단순히 제공된다. 즉, 이 경우에 아크전극은 아크전극부재로부터 아크전극지지부재로 연장되도록 하는 그루브를 갖지 않는다.
이 때문에, 그루브들이 납땜면에 도달하기 때문에, 종래의 납땜접합처리에 따라 전극구조에서, 전극구조의 개방상태시에 발생된 아크는 그루부의 바닥부의 납땜부에 도달하여, 납땜부재가 용융된다.
이외에, 본 발명의 고상확산처리를 채용함으로써, 납땜접합처리를 채용하지 않는 일체형 전극구조에서, 그루브들이 전극유닛면에 설치되고, 납땜부재의 용융이 발생하지 않는다.
상기한 점에서, 아크전극부재와 아크전극지지부재와 코일전극부재 및 전극로드로 이루어진 개별 전극유닛부재를 고상확산방법에 의해 일체로 형성되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제 5도에 나타낸 바와 같이, 복수의 그루브(50)가 아크전극부재(31)의 표면 및 아크전극지지부재의 측면부로부터 연장되도록 설치된다. 제5도에서, 전극구조는 코일전극부재(33)와 전극로드(34)를 더 포함한다.
전극유닛의 표면으로 연장된 복수의 그루브(50)의 설치에 의해, 그루브들이 전극유닛의 표면에 도달하지 않는 전극구조에 비교하여, 전극구조내에서 발생된 수직자계의 강도가 크게 만들어지고, 이에 의해 본 발명에서의 아크의 확산특성이 향상될 수 있다.
따라서, 전극구조의 수명의 향상과 내전압의 향상이 달성되고, 그 결과, 전극구조의 신뢰성의 향상이 얻어질 수 있다.
제 5도는 도넛형상으로 아크전극부재(31)가 형성되는 컵형 전극구조를 나타낸다. 그러나, 일반적 원형 전극구조에 관하여, 예를 들어 제 13도에 나타낸 바와 같이, 이 원형 전극구조에서는 제 5도에 나타낸 것과 유사한 나선형 그루브가 제공될 수 있고, 상기한 경우와 유사한 효과가 얻어질 수 있다.
또, 동일한 성능을 갖는 진공차단기에서, 종래의 납땜접합방법에 따른 전극구조와 비교하여, 소형 전극구조가 얻어질 수 있고, 따라서 소형 진공차단기를 얻을 수 있다.
상기한 것은 최초로, HIP처리를 통한 일체형성방법에 의하여 Cu, Ag 및 Au중 한개 이상의 합금으로 이루어진 아크전극지지부재와 아크전극부재의 베이스부재가 금상학적으로 일체형 구조로 형성됨으로써 달성된다.
또, HIP처리에 따른 전극구조의 일체형 제조에서는, 베이스부재의 용융점이하의 가열온도를 채용하는 것이 필요하다.
가열온도가 용융점이상인 경우에는, 아크전극부재내의 Cr등이 아크전극지지부재내로 확산되기 때문에 전기도전율이 낮아지는 것이 바람직하지 않다.
전극구조제조에서의 HIP처리를 수행하는 방법으로서는, 금속분말이 금속캡슐내에 삽입되고, 금속캡슐의 내부를 가열 및 탈기하고 금속캡슐을 밀폐함으로써, 소결체내의 거의 모든 잔여가스가 제거될 수 있다.
잔여가스의 존재는, 소결체내의 잔여가스가 진공차단기의 사용시에 전극구조로부터 방출될때 진공차단기내의 진공도를 낮추는 역활을 하기 때문에 바람직하지 않다.
이후에, 본 발명에 따른 다양한 실시예들을 설명한다.
제 1 실시예
44㎛∼150㎛의 입자크기를 갖는 Cr분말, 44㎛∼150㎛의 입자크기를 갖는 Cu분말 및 44㎛∼90㎛의 입자크기를 갖는 Nb분말이 V형 혼합기에 의해 혼합되었고 65중량%의 Cr과 35중량%의 Cu 및 5중량%의 Nb를 갖는 혼합분말이 얻어졌다.
상기한 혼합분말은 금속몰드내에 충전되었고 유압기계를 이용하여 약 3000kg/㎠의 압력하에서 형성되었으며, 그 결과 60mm의 직경 및 10mm의 두께를 갖는 성형체가 얻어졌다. 이 성형체의 다공율은 벌크밀도의 측정으로부터 23∼28%로 판정되었다.
그외에, 45㎛∼150㎛의 입자크기를 갖는 Cr분말만이 약 2500kg/㎠의 압력하에서 형성되었고 60mm의 직경 및 50mm의 두께를 갖는 성형체가 얻어졌다. 이 성형체의 다공율은 22∼27%였다.
상기한 처리에 따라 얻어진 Cr-Nb성형체 및 Cu성형체는 연강캡슐내의 견고한접착에 의해 삽입되었고 그 후에 진공밀폐 HIP처리가 행해졌다.
연강캡슐의 상태들, 진공밀폐처리 및 HIP처리는 다음과 같았다. 3mm의 두께를 갖는 연강캡슐을 이용하여, 약 600∼700℃의 가열이 행해졌다. 진공방출 및 탈기를 수행할 때, 탈기는 5×10-5토르 이하까지의 진공도를 갖도록 행해졌고 그 후에 진공밀폐처리가 행해졌다.
Cr-Cu-Nb성형체 및 Cu성형체의 접착면을 청결하게 하는데 대부분의 주의가 기울여졌다.
제 6도는 HIP처리를 통해 이루어진 Cr-Cu-Nb혼합 성형체의 금속조직 관찰결과를 나타낸다. 제 7도는 HIP처리를 통해 이루어진 Cu-Nb혼합성형체 및 Cu분말성형체의 인터페이스의 금속조직 관찰결과를 나타낸다.
이들 도면에서, 제 2도 및 제 3도와 유사하게, 어두운 색의 입자들는 Cr입자를 나타내고, 밝은 색의 매트릭스는 Cu합금을 나타낸다. 이러한 사실은 이후에 설명될 사진들에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
제 6도 및 제 7도에 나타낸 바와 같이, HIP처리를 통해 이루어진 Cr-Cu-Nb혼합성형체 및 Cu분말성형체에서는, 분출홀이 관찰되지 않고 약 100%의 이론적 밀도를 갖는 고상확산에 의해 얻어졌다.
또, 제 7도에 나타낸 바와 같이, Cr-Cu-Nb혼합체 및 Cu분말성형체의 접합부에서, Cu베이스부재는 금상학적으로 일체형 구조를 구성하도록 형성되었고, 다시 말해서, Cu베이스부재내에서 수정입자가 어떠한 불연속경계부도 갖지 않는다.
또, Cu분말성형체에서의 강도를 증가시키기 위해서, Cr, Ag, W, V, Nb, Mo, Ta, Zr, Si, Be, Co, Ti, Fe중 한개 또는 그 이상의 전체량의로서의 0.8중량%를 함유하는 분말의 경우에, 상기한 결과와 동일한 결과가 얻어질 수 있다.
제 2실시예
44㎛∼150㎛의 입자크기를 갖는 Cr분말, 44㎛∼90㎛의 입자크기를 갖는 Cu분말 및 44㎛∼90㎛의 입자크기를 갖는 Ta분말이 V형 혼합기에 의해 혼합되었다. 이때의 혼합분말들은 40중량%의 Cr-55중량%의 Cr-5중량%의 Ta; 35중량%의 Cr - 61중량%의 Cu - 4중량%의 Ta; 20중량%의 Cr - 79중량%의 Cu - 1중량%의 Ta; 및 15중량%의 Cr - 84중량%의 Cu - 1중량%의 Ta를 구비하도록 얻어졌다.
다음에, 60mm의 직경을 갖는 금속몰드를 이용하여, 최초로, 0.5mm의 두께를 갖는 40중량%의 Cr -55중량%의 Cu - 5중량%의 Ta혼합분말이 얻어졌다. 다음에, 0.5mm의 두께를 갖는 35중량%의 Cr - 61중량%의 Cu - 4중량%의 Ta혼합분말이 적층되었다
이렇게, 60mm의 직경과 4.5mm의 두께를 갖는 9개의 적층구성 성형체가 얻어졌고, 상기한 혼합분말에서 Cu분말성형체가 최종층으로 형성되었다.
이외에, 상기한 적층성형체와는 별도로, Cu분말만이 가압처리하에서 가압되고 60mm의 직경 및 40mm의 두께를 갖는 Cu분말성형체가 얻어졌다.
적층성형체의 Cu표면과 Cu분말성형체를 접촉시킴으로써, 실시예1의 상태하에서 캐닝처리가 수행되었다. HIP처리가 1000℃의 온도 및 200kg/㎠의 압력하에서 수행되었다.
제 8도는 15중량%의 Cr - 84중량%의 Cu - 1중량%의 Ta적층성형체와 Cu분말성형체의 접촉부의 금속조직 관찰결과를 나타낸다. 적층성형체와 Cu분말성형체가 HIP처리에 의해 처리되었다.
제 8도에 나타낸 바와 같이, 개별 구성요소의 적층표면 또는 Cu표면 접촉면은 고상확산소결에 의해 정밀하게 처리되었고 Cu베이스부재는 금상학적으로 일체형 구조를 구성하도록 형성되었으며 또 경계부가 나타나지 않는다.
제 3실시예
44㎛∼150㎛의 입자크기를 갖는 Cr분말 - 44㎛∼150㎛의 입자크기를 갖는 Cu분말 - 44㎛~90㎛의 입자크기를 갖는 Zr분말이 V형 혼합기에 의해 혼합되었고 그후에 50중량%의 Cr - 45중량%의 Cu - 5중량%의 Zr을 함유한 혼합분말이 얻어졌다.
이 혼합분말은 약 300kg/㎠의 압력하의 가압처리에 의해 완성되었고 60mm의 직경과 20mm의 두께를 갖는 성형체가 얻어졌다. 이 성형체의 공극률은 23∼25%의 벌크밀도였다.
이렇게 얻어진 50중량%의 Cr - 45중량%의 Cu - 5중량%의 Zr성형체를 60mm의 직경과 30mm의 길이를 갖는 순수 Cu로드와 접촉시킴으로써, 성형체와 순수 Cu로드모두가 연강캡슐내에 삽입되었고 그후에 진공밀폐처리 HIP처리가 완성되었다. 이 진공밀폐상태 및 HIP처리상태는 제 1실시예의 상태들과 동일하였다.
제 9도는 HIP처리에 의해 처리된 50중량%의 Cr - 45중량%의 Cu - 5중량%의 Zr성형체의 접촉부의 금속조직 관찰결과를 나타낸다.
제 10도는 HIP처리에 의해 처리된 50중량%의 Cr - 45중랑%의 Cu - 5중량%의Zr성형체와 순수 Cu로드의 접촉인터페이스의 금속조직 관찰결과를 나타낸다.
제 9도에 나타낸 바와 같이, Cr-Cu-Zr성형체와 순수 Cu로드는 고상확산소결에 의해 정밀하게 처리되었다. 이외에, 제 10도에 나타낸 바와 같이, Cr-Cu-Zr성형체와 순수Cu로드의 접촉인터페이스에서, Cu베이스부재는 제 8도에 나타낸 바와 같이 금상학적으로 일체형 구조를 구성하도록 형성되었다.
또, 순수 Cu로드를 대체하여, Cr, Ag, W, V, Nb, Mo, Ta, Zr, Si, Be, Co, Ti중 한 개 이상의 전체량으로서 0.9중량%를 함유한 Cu합금로드가 사용되는 경우에, 상기한 결과와 유사한 결과가 얻어졌다.
상기한 요소가 추가된 Cu의 경우에, 전극유닛의 물질의 경도 및 강도는 시효경화처리에 따라 향상되고, 전극구조의 이용시간동안의 변형이 감소된다.
그러나, 추가량을 증가시킴에 따라, 전극상태특성이 낮아지기 시작하기 때문에, 가능한 추가량을 감소시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기한 실시예에 따라, 제 7도, 제 8도 및 제 10도에 나타낸 바와 같이, 전극부재, 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전극로드(전기공급부재)가 일체형 구조를 구성하도록 형성된다.
따라서, 베이스부재가 금상학적으로 일체로 형성되는 접합부를 갖는 전극구보를 제조할 수 있음을 판정할 수 있다.
실시예 4
표 1은 제 1실시예 내지 제 3실시예에서 실험된 방법에 관하여 HIP처리온도와 HIP처리압력 사이의 관계를 나타낸다.
표 1에서, ○표시는 성형체의 98%이상의 이론적밀도율을 나타낸고, ●표시는 97% 이하의 이론적 밀도율을 나타내며, ◐표시는 약 97∼98%의 이론적 밀도율을 나타낸다.
표 1
또, △표시는 베이스부재가 접촉인터페이스에서 금상학적으로 일체로 형성되는 구조를 나타내고, ▲표시는 베이스금속이 접합되지 않은 구조를 나타내며, △표시는 베이스부재가 접촉인터페이스에서 금상학적으로 부분적 일체로 형성되는 구조를 나타낸다.
표 1에서 나타낸 바와 같이, 각각의 제 1실시예 내지 제 3실시예에서 성형체의 이론적 밀도는 750℃ 이하의 HIP온도 및 100kg/㎠ 이하의 HIP처리압력에서 매우 낮다. 그러나, 800℃ 이상의 HIP온도와 1000kg/㎠ 이상의 HIP처리압력의 경우에, 이론적 밀도는 98% 이상이 된다.
이외에, 접촉인터페이스에 관하여, 접촉인터페이스내의 베이스부재가 850℃ 이상의 온도 및 1100kg/㎠ 이상의 압력에서 금상학적으로 일체로 형성됨을 알 수 있다.
실시예 5
제 11도는 HIP처리에 의해 얻어진 물질에 따라 제조된 전극구조형상과 HIP처리상태를 나타낸다. 캐닝상태 및 HIP처리상태는 제 1실시예에서 나타낸 상태들과 거의 동일하였다.
NO. 2에서, 순수 Cu로드(2)는 80mm의 직경과 120mm의 길이를 갖고, 80mm의 직경과 15mm의 두께를 갖는 두개의 혼합성형체(1a, 1b)가 준비되었다. 두개의 혼합성형체(1a, 1b)는 캐닝용기(4)내로 삽입되고, 몰드해제제(3)는 스캐닝용기(4)내에 제공된다.
HIP처리온도는 1000℃였고 유지시간은 120분이며, 다른 스캐닝상태 등은 제 3 실시예에서 나타낸 상태와 거의 동일하였다. 이렇게 얻어진 HIP처리물질을 이용함으로써, (a)형 및 (b)형 전극구조가 제조되었다.
(a)형 전극구조에서, 아크전극부재(7), 아크전극지지부재(8) 및 코일전극부재(9)는 일체형구조를 구성하도록 제조되었고, 전극로드(10)는 납땜방법에 의해 접합부(11)에서 접합된다.
이외에, (b)형 전극구조에서, (a)형 전극구조와 비교하여, 순수Fe로 구성된 강화부재(12)는 중심부에 설치되었다, 이 보강부재(12)는 전극지지부재(8)와 전극로드(10)에 용접되었다.
No. 3에서, No. 2와 비교하여, 50mm의 길이를 갖는 순수 Cu로드(17)가 사용되었고 전극구조가 덴트부에 의해 형성되었다. (a)형 및 (b)형 전극구조는 No. 3의 HIP처리물질을 이용하여 제조되었다.
No. 4에서, No. 2와 비교하여, 40mm의 직경과 80mm의 길이를 갖는 순수 Cu로드(16)가 추가되었다. No. 4의 HIP처리물질을 이용하여, (c)형 전극구조가 제조되었고, 납땜접합을 사용하지 않고 전극로드(20)를 포함한 일체구조의 전극구조를 획득할 수 있다.
No. 4의 HIP처리물질을 이용하여, (c)형 전극구조에 추가하여, 절단작업에 의해 (a)형 및 (b)형 전극구조를 제조할 수 있다.
No. 5는 제 1실시예와 제 3실시예의 조합이다. 즉, 순수 Cu분말의 형성시에, 벨형 철심(20)을 삽입함으로써 성형체(19)가 마련되었고, 순수 Cu로드(18)가 성형체(19)의 상부에 제공되었으며, 캐닝처리가 수행되었다.
철심(20)에 관하여, 철심(20)은 Cu의 용융점보다 높은 용융점을 갖지만, 어떠한 형상도 선택될 수 있다.
No. 5의 HIP처리물질을 이용하여, (d)형 및 (e)형 전극구조가 제조되었다. (d)형 전극구조는 철심(20)이 (c)형 전극구조의 중심부 둘레에 주조된 형상을 갖는다.
(e)형 전극구조에 관하여, 철심(20)은 (b)형 전극구조의 보강부재(12)를 대체하여 둘레에 주조되었다.
제 6실시예
표 2는 (1) 종래의 납땜접합방법(상태: 800℃ 온도의 진공에서, Ni시스템납땜물질)에 따라 아크전극부재(성분: 61중량%의 Cr - 39중량%의 Cu)와 순수 Cu부재가 용접된 경우에 접합부의 전극저항 및 강도측정결과(예 1 비교)와, (2) 800℃의온도에서 담금질된 순수 Cu의 전극저항과 강도측정결과(예 2 비교), 및 제 3실시예와 동일한 상태에서 HIP처리에 의해 처리되는 No. 6 내지 No. 15에 의해 얻어진 HIP처리물질의 전극저항과 강도측정값를 나타낸다.
전극저항측정은 4포인트시스템 저항측정방법에 의해 수행되었고 강도측정은 암슬러장력검사기계를 이용하여 수행되었다.
종래의 납땜 및 접합방법에 의한 인터페이스의 강도는 12∼22kg/㎠의 큰 집중도를 갖고, 고장납땜부는 12kg/㎠의 강도를 갖는 검사판에서 관측되었다.
또, 인터페이스부를 포함한 전극저항은 4.82μΩ ·cm이고 순수 Cu부재(예 2비교)와 비교하여 약 3∼4배의 고저항값이다.
상기와 비교하여, No.6의 인터페이스강도는 20∼21kg/㎠의 안정강도이고 검사판의 결함이 발견되지 않았다.
순수 Cu물질인 비교예 1의 아크전극부재의 일부분재와 비교하여, 약 0.6중량%의 Cr을 함유한 No.6의 일부부재와 납땜 및 접합부가 존재하지 않기 때문에, 이에 따라 비저항은 비교예 1의 값보다 낮은 값인 1.9μΩ ·cm이고 대전류를 흐르게 하는 진공차단기내의 전극구조를 이용하기에 적절하다.
이외에, 비교예 2의 순수 Cu의 강도는 22.23kg/㎟의 최대강도를 갖지만, 0.2% 항복응력은 4∼5kg/㎟의 대단한 소프트값이다. 따라서, 이 순수 Cu가 아크전극지지부재 또는 코일전극부재로서 사용되는 경우에, 이러한 부재는 충격하중에 견디지 못하기 때문에 이 부재는 시간경과에 의해 변형된다.
이외에, Ag, V, Nb, Zr, Si, W, Be중 한개이상을 함유한 Cr 또는 Cu합금인No.7 내지 No.15의 전기저항값들은, 단금질된 순수 Cu에 비해 약 1.5∼2.0%의 저항값이다.
종래 기술의 납땜 및 접합인터페이스의 저항값과 비교하여, 상기한 값들은 약 절반이하이고, 따라서 No.7 내지 No. 15는 작동 진공차단기의 전극구조를 위해 충분히 사용될 수 있다.
또, No.7 내지 No.15의 강도들은 최대값이 20∼25kg/㎟이고, 순수 Cu의 강도와 거의 동일하지만, 0.2% 항복스트레스값들은 No.14를 제외하고, 9∼13kg/㎟이고, 따라서 강도가 향상되어 거의 두배를 나타낸다,
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 Ag, V, Nb, Zr, Si, W, Be중 한개이상을 함유한 Cr 또는 Cu합금으로 각각 구성된 전극지지부재, 코일전극부재 및 전극로드에 따르면, 전극구조의 개폐동작시에 충격하중의 반복으로 인한 변형이 발생되지 않기 때문에, 변형을 동반한 용융장해가 방지될 수 있고, 이에 의해 전극구조의 신뢰성과 안정성이 뚜렷이 향상될 수 있다.
또, 비저항은 합금요소의 추가에 따라 증가된다. 그러나, 각각의 아크전극지지부재, 코일전극부재 및 전기공급로드의 비저항을 가능한 감소시킴으로써, 전극공급시의 전극온도를 낮게 억제하고 전극로드를 통한 차단동작시의 아크발생을 발생시키는 아크열을 냉각시킬 필요가 있고, 이에 의해 열도전율을 높게 할 필요가 있다.
각각의 아크전극지지부재와 코일전극부재 및 전기공급로드의 비저항은 2.5μΩ·cm 이하로 만드는 것이 바람직하다. 또, 상부적층값으로서 Cr 1.18%, Ag 1.0%,Nb 1.0%, Zr 0.8%, Si 0.5%, W 0.1%, Be 1.0%의 개별요소의 함유량을 함유하는 것이 바람직하다.
제 7실시예
제 12도는 본 발명에 따른 아크전극부재를 채용하는 진공밸브를 나타내는 단면도이다. 진공챔버를 형성하기 위한 진공용기는 절연원통체(35)와 상부단자판(38a) 및 하부단자파(38b)으로 구성된다. 각각의 상부 및 하부단자판들(38a, 38b)은 절연부재에 의해 형성된 절연원통체(35)의 상부 및 하부개방부상에 설치된다.
고정도전로드(34a)는 상부단자판(38a)의 중간부 상부 및 상기 고정측 전극유닛(30a)의 바로 상부에 고정되게 배치된다. 고정측 도전로드(34a)는 고정측 전극유닛(30a)의 일부를 형성한다.
가동도전로드(34b)는 하부단자판(38b)의 중간부 상부 및 가동측 전극유닛(30b)의 바로 하부에 슬라이딩가능하게 설치된다. 가동도전로드(34b)는 가동측 전극유닛(30b)의 일부를 형성한다.
이 가동도전로드(34b)상에 자계발생코일(33b)과 아크전극부재(31b)가 설치되고, 가동측 전극유닛(30b)의 아크전극부재(31b)는 고정측 전극유닛(30a)의 아크전극부재(31b)에 대해서 접촉 및 분리되도록 설치된다. 각각의 아크전극부재들(31a, 31b)은 120mm이상의 직경을 갖는다.
금속벨로우즈(37)는 가동도전로드(34b) 주변에 배치된다. 이 금속벨로우즈(37)는 하부단자판(38b)의 내표면내의 피복, 연장 및 접촉을 위해 설치된다.
금속판의 원통밀폐부재(36)는 절연원통체(35)에 의해 상기한 아크전극부재들(31a, 31b) 주변에 설치되고 이 밀폐부재(36)는 상기 절연원통체(35)의 절연특성의 손상을 받도록 구성된다.
또, 각각의 상기 아크전극부재들(31a, 31b)은 HIP처리에 따라 얻어진 아크전극지지부재(32a, 32b)에 일체로 고정되고 순수 Fc로 구성된 보강부재들(39a, 39b)에 의해 수직자계 발생코일(33a)에 용접된다.
보강부재들(39a, 39b)은 오스텐식 스테인레스강으로 구성될 수 있다. 절연원통체(35)는 글라스 또는 세라믹소결체로 구성될 수 있다.
절연원통체(35)는 코바와 같은 세라믹 또는 글라스와 유사한 열팽창계수를 갖는 합금판에 의해 상부 및 하부금속단자판들(38a, 38b)에 용접되고, 10-8mmHg이하의 고진공상태에서 유지된다.
고정도전로드(34a)는 단자에 연결되어 전류를 위한 통로가 된다. 배출파이프(도면에는 도시하지 않음)는 상부단자판(38a)상에 설치되어 배출작동안 진공펌프에 연결된다.
거터는 극소량의 가스가 진공용기의 내측부에서 발생될때 진공을 유지시키는 역활을 하도록 설치된다. 밀폐판(36)은 아크에 의해 발생된 주전극표면(고정측 전극유닛(30a)의 표면과 가동측 전극유닛(30b)의 표면)금속증발을 고착 및 냉각시키는 역할을 하고, 고착된 금속은 거터동작을 구비한 진공도를 유지하도록 역할한다.
제 13도는 상세한 전극구조를 나타내는 단면도이다. 각각의 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛은 거의 동일한 구조를 갖는다.
아크전극부재(31)는 제 4도에 나타낸 HIP처리에 따른 전극지지부재(32)에 의해 일체형으로 구현된다. 상기 일체형 구조는 도면에서 나타낸 바와 같이 절단작업에 의해 얻어진다.
오스텐식 스테인레스강으로 구성된 보강평판(40)은 납땜부재(42)를 이용하여 아크전극지지부재(32)에 용접된다. 코일전극부재는 순수 Cu로 구성되고 상기한 납땜부재(42)보다 갖은 용융온도의 납땜부재(41)를 사용하여 도전로드(34)와 전극구조에 각각 용접된다.
이 실시예에서의 아크전극지지부재(32)는 순수 Cu를 이용하여 형성된다. 아크전극지지부재(32)에 대한 상기한 Cr, Ag, V, Nb, Zr, Si, W 및 Be중 한개이상의 총량은 소정 강도 및 소정 전기저항에 따라 결정된다.
또, 열처리에 의해 금속성분의 등식에 따른 강도의 저하없이 전기저항이 작게 만들어질 수 있다.
제 8실시예
제 5도는 본 발명에 따라 제조된 아크전극부재의 측면부로 연장된 그루브를 갖는 전극구조를 나타내는 사시도이다.
아크전극부재의 측면부로 연장된 그루브를 절단함으로써, 발생된 수직자계의 강도는 크게 만들어질 수 있다.
이 도면에서, 아크전극부재의 형상은 제 13도에 나타낸 아크전극부재의 형상과는 원판으로 형성됨으로써 다르다. 제 5도에 나타낸 아크전극부재의 상기 형상은 컵형 전극으로 불린다. 제 13도에서 나타낸 전극구조에서조차, 아크전극부재의 상부에 그루브를 연속적으로 형성으로써, 수직자계의 발생이 강해질 수 있다.
제 14도에서는, 자속밀도 및 아크전압 사이의 관계가 나타내져 있다. 아크전압은 전류에 의해 변화하는 상수자계에 의한 최소값을 갖는다. 차단전류값이 크게 된 다음에 아크전압을 최소화하기 위해 필요한 자속밀도는 크게 만들어진다.
대전류를 차단하기 위한 진공차단기에서는, 큰 수직자계를 필요로 하지만, 전극구조의 측면부로 연장된 그루부를 형성시킴으로써, 동일 직경을 갖는 아크전극이 비교되는 경우에, 종래의 전극구조에 비해 큰 수직자계가 얻어질 수 있다.
즉, 본 발명에 의해 얻어진 전극구조에 따르면, 동일한 성능을 갖는 소형 구조를 달성할 수 있다.
제 1도는 본 발명에 따른 진공차단기구조 전체의 개략도를 나타낸다. 이 진공차단기에서, 작동기구유닛은 정면에 배치되고 진공밸브를 지지하기 위한 삼상배치형 세쌍의 내부트랙킹 에폭시실린더(60)가 배면에 배치된다. 이 진공차단기는 소형 경량구조를 갖도록 구성된다.
각각의 페이스단부들은 에폭시수지실린더 및 진공밸브지지판에 의해 수평으로 지지되고 이에 의해 진공차단기는 수평 추출형으로 구성된다. 진공밸브는 동작로드(61)를 통해 동작기계유닛에 의해 개폐된다.
동작기계유닛은 단순구조를 갖고 소형 및 경량의 자기동작시스템의 기계적 추출자유기구를 형성한다. 이 동작기구유닛에서, 개폐스트로크가 작고 가동부의 양이 작아지기 때문에, 따라서 충격도 작게 만들어질 수 있다.
주본체의 정면측에서, 상호연결시스템의 제 2단자에 추가하여, 개폐지시수단, 작동횟수카운터, 수동형 추출버튼, 수동추출장치, 추출장치 및 인터록킹레버등이 진공차단기내에 배치된다.
(a) 폐쇄회로상태
진공차단기의 폐쇄동작이 나타내져 있다. 전류는 절연원통체(59)의 상부단자와, 주전극유닛(30a, 30b)과, 집전기(63) 및 하부단자(64)를 흐른다. 주전극유닛(30a, 30b) 사이의 접촉력은 작동로드(61)상에 장착된 접촉스프링부재(65)에 의해 유지된다.
주전극유닛(30a, 30b) 사이의 접촉력과, 급속차단 스프링부재의 힘 및 자기력은 지지레버(66) 및 프로프(67)에 의해 유지된다. 드로잉 코일(throwing coil)이 여자될 때, 플런저(68)는 개방상태로부터 노킹로드(69)를 통해 롤러(70)를 밀어올린다. 주레버(71)를 회전시킴으로써 접촉이 근접하게 되고 플런저(68)는 지지레버(66)에 의해 유지된다.
(b) 추출자유상태
개방 및 분리동작에 따르면, 가동측 전극유닛(30b)은 하부를 향해 이동되고, 아크들은 고정측 및 가동측 전극유닛들(30a 및 30b) 모두가 개방 및 분리되는 경우의 순간에 발생한다.
이 아크들은 진공내의 강한 확산동작과 차단력 및 고질연에 의해 단시간에 아크소거로 이루어진다. 추출코일(72)이 여자될 때, 추출레버(73)는 프로프(7)을맞물림을 해제하고, 주레버(71)는 급속절단 스프링부재에 의해 회전된 후에 주전극유닛(30a, 30b)가 개방된다. 이 동작은 폐쇄회로동작의 존재와 무관한 기계적 추출자유시스템이다.
(c) 개방회로상태
주전극유닛들(30a 및 20b)가 개방된 후에, 링크는 리셋스프링부재(74)에 의해 복귀되고, 이와 동시에 프로프(67)가 맞물린다. 이 상태에서, 드로잉 코일(75)이 여자되어 (a)폐쇄회로상태가 된다. 배출파이프(76)가 제공된다.
진공차단기는 고진공상태에서 아크차단을 동작하고, 진공의 고절연내력을 갖으며 아크들의 고속확산동작에 따른 우수한 차단성능을 갖는다.
반대로, 하중이 없거나 변압기가 개폐되는 모터의 경우에, 차단동작은 전류가 제로 포인트에 도달하기 전에 수행된다.
그러나, 차단전류가 발생하고 개폐서지전압이 전류의 곱에 비례하며 서지임피턴스가 발생하는데는 몇가지 이유가 있다.
상기한 이유로, 3kV변압기 및 3kW 또는 6kW회전기계가 진공차단기에 의해 직접적으로 개폐될 때는, 서지흡수기에 회로를 연결하여 서지전류에 저항하도록 하고 기계장치를 보호하도록 할 필요가 있다.
서지흡수기로서, 일반적으로 콘덴서가 채용되지만, 하중의 충격파 내전압값에 따라, ZnO 비선형 저항체가 채용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 진공밸브 또는 진공차단기가 한쌍의 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖고, 각각의 전극유닛들은 아크전극부재, 이 아크전극부재를지지하기 위한 아크전극지지부재 및 이 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재를 포함한다.
아크전극부재와 아크전극지지부재 및 전기공급부재가 HIP처리에 따라 금상학적으로 일체로 형성되고, 또 아크전극지지부재와 코일전극부재는 Cu, Ag, V, Nb, Zr, Si, W 및 Be중 한개이상을 1.18∼0.1중량% 함유한 Cu합금으로 구성된다.
이에 의해, 납땜접합을 동반한 조립가공 및 기계가공처리가 감소될 수 있고, 또 납땜접합내의 고장으로 인한 전극부재의 파괴 및 단락이 방지될 수 있다.
또, 아크전극지지부재와 코일전극부재의 강도향상에 따라, 전극변형을 동반한 용융장해가 방지될 수 있고, 그 결과 고신뢰성 및 고안전성을 갖는 진공밸브 또는 고신뢰성 및 고안전성을 갖는 진공차단기가 얻어질 수 있다.
제 1도는 본 발명에 따른 진공밸브를 구비한 진공차단기 전체의 일 실시예의 개략도,
제 2도는 본 발명에 따른 전극구조의 금속구조를 나타내는 사진,
제 3도는 종래방법에 따라 얻어진 전극구조의 금속구조를 나타내는 사진,
제 4도는 종래의 전극구조를 나타내는 개략단면도,
제 5도는 본 발명에 따른 전극구조의 일 실시예를 나타내는 개략도로서, 수직자계를 발생시키기 위한 복수의 그루브가 아크전극부재 및 아크전극지지부재로부터 연장되도록 이어진 개략도,
제 6도는 본 발명에 따른 HIP처리후에 얻어진 65중량%의 Cu와 35중량%의 Cr 및 5중량%의 Nb로 이루어진 성형체의 금속구조를 나타내는 사진,
제 7도는 본 발명에 따른 HIP처리후에 얻어진 Cu-Cr-Nb성형체와 Cu분말성형체로 이루어진 성형체의 접촉인터페이스 부근의 금속구조를 나타내는 사진,
제 8도는 본 발명에 따른 HIP처리후에 얻어진 Cu-Cr-Ta성형체와 Cu분말성형체로 이루어진 적층성형체의 접촉인터페이스 부근의 금속구조를 나타내는 사진,
제 9도는 본 발명에 따른 HIP처리후에 45중량%의 Cu와 50중량%의 Cr 및 5중랑%의 Zr로 이루어진 성형체의 금속구조를 나타내는 사진,
제 10도는 본 발명에 따른 HIP처리후에 45중량%의 Cu와 50중량%의 Cr 과 5중량%의 Zr 및 순수 Cu로 이루어진 성형체의 접촉인터페이스 부근의 금속구조를 나타내는 사진,
제 11도는 본 발명에 따른 전극구조의 형상과 HIP처리상태를 나타내는 도,
제 12도는 본 발명에 따른 진공밸브의 일 실시예의 단면도,
제 13도는 본 발명에 따른 전극구조의 일 실시예의 단면도,
제 14도는 본 발명에 따른 아크전압과 자속밀도 사이의 관계도,

Claims (18)

  1. 진공챔버를 형성하는 진공용기와;
    상기 진공용기내에 설치된 고정측 전극유닛 및;
    상기 진공용기내에 설치된 가동측 전극유닛을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재와 전기공급부재로 이루어지는 진공밸브에 있어서;
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공밸브.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 아크전극부재의 직경은 120mm이상인 것을 특징으로 하는 진공밸브.
  3. 진공챔버를 형성하는 진공용기와;
    상기 진공용기내에 설치된 고정측 전극유닛 및;
    상기 진공용기내에 설치된 가동측 전극유닛을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공밸브에 있어서;
    상기 아크전극부재는 Cr, W, Mo, Co 및 Fe중 적어도 하나이상을 80∼30중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분 또는 Cu, Ag 및 Au중 적어도 한개이상을 20∼70중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분의 합금으로 이루어지고,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공밸브.
  4. 진공챔버를 형성하는 진공용기와;
    상기 진공용기내에 설치된 고정측 전극유닛 및;
    상기 진공용기내에 설치된 가동측 전극유닛을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공밸브에 있어서;
    상기 아크전극부재는 V, Nb, Zr, Ti, Ta 및 Si중 적어도 하나이상을 0.5∼5중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나이상의 금속성분으로 이루어지며,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공밸브.
  5. 진공챔버를 형성하는 진공용기와;
    상기 진공용기내에 설치된 고정측 전극유닛 및;
    상기 진공용기내에 설치된 가동측 전극유닛을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공밸브에 있어서;
    각각의 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재는 Cr, V, Zr, Si, W 및 Be중 한개이상을 1.0중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분으로 이루어지며,
    그 나머지는 Cu, Ag 및 Au중 한개이상의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분의 합금으로 이루어지고,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재와 상기 전기 공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공밸브.
  6. 진공챔버를 형성하는 진공용기와,
    상기 진공용기내에 설치된 고정측 전극유닛과,
    상기 진공용기내에 설치된 가동측 전극유닛을 포함하며,
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공밸브에 있어서,
    각각의 상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재는 수직자계를 발생시키기 위한 복수의 그루브를 구비하며,
    상기 그루브는 상기 아크전극지지부재와 상기 아크전극부재의 측면부를 향해 연장되도록 이어지고,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공밸브.
  7. 진공챔버를 형성하는 진공용기와;
    상기 진공용기내에 설치된 고정측 전극유닛 및;
    상기 진공용기내에 설치된 가동측 전극유닛을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공밸브의 제조방법에 있어서;
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 적어도 하나의 접합부는 열간등방압가압에 의해 일체로 제조되는 것을 특징으로 하는 진공밸브의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열간등방압가압의 가열온도는 Cu, Ag 및 Au중 한개이상의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분으로 이루어지고 벌크부재를 구성하는 금속의 용융점이상인 것을 특징으로 하는 진공밸브의 제조방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    각종 금속분말을 캡슐내에 삽입하고 상기 캡슐의 내부를 가열 및 탈기하여 밀봉하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공밸브의 제조방법.
  10. 절연용기와;
    고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와;
    상기 진공밸브의 외측에서 각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극 유닛에 연결된 도전단자들과;
    상기 가동측 전극유닛에 연결된 절연부재 및;
    상기 가동측 전극유닛을 상기 절연부재를 통해 구동시키는 개폐수단을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공차단기에 있어서;
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공차단기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 아크전극부재의 직경은 120mm 이상인 것을 특징으로 하는 진공차단기.
  12. 절연용기와;
    고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와;
    상기 진공밸브의 외측에서 각각의 상기 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛에 연결된 도전단자들과;
    상기 가동측 전극부재에 연결된 절연부재 및;
    상기 가동측 전극유닛을 상기 절연부재를 통해 구동시키는 개폐수단을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공차단기에 있어서;
    상기 아크전극부재는 Cr, W, Mo, Co 및 Fe중 한개이상을 80∼30중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분 또는 Cu, Ag 및 Au중 하나 이상을 20∼70중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분의 합금으로 이루어지며,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공차단기.
  13. 절연용기와,
    고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와,
    상기 진공밸브의 외측에서 각각의 상기 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛에 연결된 도전단자들과,
    상기 가동측 전극부재에 연결된 절연부재, 및
    상기 가동측 전극유닛을 상기 절연부재를 통해 구동시키는 개폐수단을 포함하며,
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공차단기에 있어서;
    상기 아크전극부재는 V, Nb, Zr, Ti, Ta 및 Si중 한개이상을 0.5∼5중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분 또는 Cu, Ag 및 Au중 하나 이상을 30∼70중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분의 합금으로 이루어지며,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공차단기.
  14. 절연용기와,
    고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와,
    상기 진공밸브의 외부에서 각각의 상기 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛에 연결된 도전단자들과,
    상기 가동측 전극부재에 연결된 절연부재, 및
    상기 가동측 전극유닛을 상기 절연부재를 통해 구동시키는 개폐수단을 포함하며,
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공차단기에 있어서,
    각각의 상기 아크전극부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재는 Cr, V, Zr, Si, W 및 Be중 한개이상을 1.0중량% 함유한 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분으로 이루어지고,
    그 나머지는 Cu, Ag 및 Au중 하나이상의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분의 합금으로 이루어지며,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공차단기.
  15. 절연용기와;
    고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와;
    상기 진공밸브의 외부에서 각각의 상기 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛에 연결된 도전단자들과;
    상기 가동측 전극부재에 연결된 절연부재 및;
    상기 가동측 전극유닛을 상기 절연부재를 통해 구동시키는 개폐수단을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공차단기에 있어서,
    각각의 상기 아크전극부재는 수직자계를 발생시키기 위한 복수의 그루브들을 구비하며,
    상기 그루브는 상기 아크전극지지부재와 상기 아크전극부재의 측면부를 향해 연장되도록 이어지고,
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 고상확산에 의해 금상학적으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공차단기.
  16. 절연용기와;
    고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛을 갖는 진공밸브와;
    상기 진공밸브의 외부에서 각각의 상기 고정측 전극유닛과 가동측 전극유닛에 연결된 도전단자들과;
    상기 가동측 전극부재에 연결된 절연부재 및;
    상기 가동측 전극유닛을 상기 절연부재를 통해 구동시키는 개폐수단을 포함하며;
    각각의 상기 고정측 전극유닛과 상기 가동측 전극유닛은 아크전극부재, 상기 아크전극부재를 지지하기 위한 아크전극지지부재, 상기 아크전극지지부재와 연통된 코일전극부재 및 전기공급부재로 이루어지는 진공차단기의 제조방법에 있어서;
    상기 아크전극부재와 상기 아크전극지지부재, 상기 코일전극부재 및 상기 전기공급부재 사이의 접합부들중의 적어도 하나의 베이스부재가 열간등방압가압에 의해 일체로 제조되는 것을 특징으로 하는 진공차단기의 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 열간등방압가압의 가열온도는 Cu, Ag 및 Au중 하나 이상의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성분으로 이루어지고 벌크부재를 구성하는 합금의 용융점이하인 것을 특징으로 하는 진공차단기의 제조방법.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    각종 금속분말을 캡슐내에 삽입하고 상기 캡슐의 내부를 가열 및 탈기하여밀봉하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공차단기의 제조방법.
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