KR900000922B1 - 진공차단기용 접점재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

진공차단기용 접점재료의 제조방법

제1도는 본 발명의 제조방법으로 제도된 접점을 이용하는 진공차단기의 종단면도.

제2도는 본 발명에 따라 접점재료를 제조하는데 사용하는 유도 가열장치의 종단면도.

제3도는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 접점재료에 함유되어 있는 Bi의 분포도 그래프.

제4도는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 접점재료에 함유되어 있는 O₂의 함유량 그래프.

제5도는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 제조한 재료에 함유되어 있는 Bi의 함유량 그래프.

제6도는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 제조한 재료에 함유되어 있는 Bi의 함유량 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 금속블록 11a : 구멍

12 : 저융점 금속 13 : 금속플러그

21 : 가열실 22a : 수납용기

22b : 가동용기 23 : 유도가열코일

24 : 배기관 25 : 진공펌프

26 : 진공지시계 28 : 마개

61 : 진공용기 62a, 62b : 단판

63a, 63b : 접점 64a, 64b : 도전축

65a, 65b : 전극 66 : 아크실드(arc-shield)

67 : 벨로우(bellow)

본 발명은 진공차단기용 접점재료의 제조방법에 관한 것이며, 특히 내용착성과 전류 차단성이 개선되어진 진공차단기용 접점재료의 제조방법에 관한 것이다.

진공차단기와 진공스위치에 사용되는 접점은 전술한 내용착성과 전류 차단성 외에(1)고전압에 대한 내구력, 낮고 안정된 접촉저항(2)저마모 또는 저마멸(3)영전류점에 가까운 적은 단전류치 등의 여러 가지 이로운 특성이 요구되고 있다. 그러나 이러한 특성중 몇몇은 서로 상반되며 실제적으로 사용되는 접점 재료를 개선하기 위해서는 두가지 혹은 그 이상의 금속이 서로 합금되고 있다.

예를 들면 접점이 용착되는 것으로부터 방지하기 위하여 비스무수(Bi)와 텔루리움(Te)과 같은 저융점 금속을 함유하는 접점재료가 널리 알려져 있다(일본 특허공보 12131/1966호, 23751/1969호 참고). 그러나 Bi과 Te와 같은 저융점 금속이 구리(Cu) 또는 은(Ag)과 같은 고전도성 금속과 혼합될 경우에 주조공정시 기포 또는 핀홀 등이 생기는 경향이 있다. 더욱이 Bi과 Te와 같은 저융점 금속은 접점합금인 Cu 또는 Ag와 같은 고체용해 매트릭스로 저용해성을 나타내며 따라서 편결되어 버리게 된다.

더 구체적으로 접점재료의 일반적인 제조방법에 있어서 저융점 금속은 용해상태로 구리(Cu) 또는 은(Ag)에 혼합되고 이때 저융점 금속의 증발을 막기 위해서 용해된 구리(Cu) 또는 은(Ag)이 있는 용기의 내부는 수 Torr에서 수백 Torr정도의 압력상태에서 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스가 채워지게 되어 있다.

그러나 이렇게 제조된 재료는 불활성 가스의 함유, 기포의 발생, 저융점 금속의 편결등과 같은 좋지 못한 특징이 드러나는 경향이 있다.

불활성 가스가 접점재료에 함유될 경우 접점의 표면이 전류차단 혹은 초기 전류흐름시에 발생된 주울열에 의하여 용해될 때 가스가 발생될 수 있고 따라서 진공차단기내의 진공상태가 감소되어 결국 진공차단기의 기능에 손상을 주게 된다.

더욱이 접점에서의 기포와 저융점 금속의 편결은 진공차단기의 내전압성을 감소시킨다.

이러한 결점을 제거하기 위해서 저융점 금속을 함유하는 구리합금을 먼저 제조한 후 이 구리합금내에 불활성 가스를 제거하기 위해 진공속에서 용해시키고 용해된 합금을 기포 및 편결의 발생이 없도록 천천히 냉각시키는 방법이 제안되고 있다.

이러한 방법은 불활성 가스상태에서 합금을 용해시키는 단계와 진공속에서 합금을 용해하는 단계로 구성되어 있어서 제조된 재료가 양호하지 않을뿐 아니라 재료의 제조단계 및 제조설비가 복잡하기 때문에 좋지 않다.

본 발명의 목적은 상기 서술한 종래의 제조방법이 지니고 있는 결점을 실질적으로 제거한 진공차단기용 접점 재료를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 재료의 특성이 개선될 수 있고 그에 따른 제조공정이 단순해질 수 있는 진공차단기용 접점재료를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 이러한 목적들은 일례로 진공차단기용 접점재료를 제조하는 방법에 의해서 성취될 수 있는데 그 특징은 캐버티가 구리(Cu) 및 은(Ag)과 같은 블록 형상의 고전도성 금속내에 형성되어 있고, 저융점 금속과 같은 내용착성분이 이러한 캐버티내에 삽입되며, 저융점 금속을 포함하는 고전도성 금속은 고진공상태에서 블록형상 금속주위에 배열된 가열원에 의해 가열되어 결국 저융점 금속과 고전도성 금속이 용해 및 서로 혼합되고 이렇게 제조된 혼합금속은 미리 설정된 방향으로 가열원으로부터 금속이 분리될 동안 응고되도록 서서히 냉각되는 것이다.

본 발명을 설명하기 전에 본 발명에 따라 제조된 재료로 만들어진 접점을 사용하는 진공 차단기와 같은 장치가 제1도를 참조로 하여 서술될 것이다. 진공차단기는 전기 절연재로 만들어져 있으므로 그 양단이 단판(62a)(62b)으로 폐쇄되어 있는 진공용기(61)로 구성되어 있다.

진공용기(61)내에는 그 전단부에 접점(63a)(63b)이 있는 한쌍의 전극이 있고 도전축(64a)(64b)이 이러한 접점(63a)(63b)과 결합되어 있다.

이크실드(66)가 진공용기(61)의 내부표면상에 생기는 아크에 의해서 증발된 금속의 침식을 방지하기 위해 접점(63a)(63b) 주위에 설치되어 있다.

도전축(64a)(64b)는 기밀한 상태로 단판(62a)(62b)를 통해서 끼워져 있다.

도전축(64a)은 고정상태이고 도전축(64b)은 가동상태이다.

도전축(64b)의 움직임에 관계없이 진공용기(61)를 진공상태로 유지하기 위하여 가동 도전축(64b)가 단판(62b)을 꿰뚫는 위치에 벨로우(67)가 설치되어 있다.

본 발명의 제조방법으로 제조된 접점재료는 접점(63a)(64b)을 형성하는데 사용된다.

접점 재료를 제조하는 방법이 제2-제6도를 참조하여 서술될 것이다.

본 발명의 방법에 따라 제2도를 참조해 보면 구리(Cu) 및/또는 은(Ag)과 같은 고전도성 금속으로 만들어진 금속블록(11)내에 구멍(11a)가 형성되어 있다. 입상형태의 Bi, Te, Se, Sb 또는 이러한 금속성분을 함유한 합금과 같은 저융점 금속(12)이 구멍(11a)에 삽입되어 있고, 구멍(11b)의 개구단은 금속 플러그(13)로 닫혀 있다.

용해되기 전에 금속플러그(11)와 구멍(11a)의 형태는 나중에 서술될 금속블록(11)을 수납한 용기 및 가열장치에 따라 변형될 것이다. 더욱이 저융점 금속(12)의 형태는 제2도에 도시된 바와 같이 입상형상이 될 수 있고 혹은 분말형상이 될 수도 있을 것이다.

금속플러그(13)의 재료는 접점의 성능이 저하되지 않는한 어떠한 종류의 금속도 가능하다. 그러나 금속플러그(13)는 일반적으로 금속블록(11)의 재료와 동일한 재료로 만들어져 있다. 구멍(11a)에 포함된 저융점 금속의 함유량은 가열시에 열팽창을 고려하여 선택하게 된다.

또한 저융점 금속의 함유량은 0.3-0.8wt%의 저융점 금속이 궁극적으로 함유되도록 선택하는 것이 좋다. 이러한 함유량은 0.5-1.5wt%의 저융점 금속이 98.5-99.5wt%의 고전도성 금속과 함께 사용될 때 얻어진다.

구멍(11a)의 수는 제2도에 도시된 바와 같이 한 개로 제한 혹은 억제되지 않고 다수의 구멍(11a)은 금속블록(11)을 통해서 설치되어 있다.

구멍(11a)의 내부측정은 발명의 적용에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 저융점 금속(12)으로 채워진 금속블록(11)은 예를들어 유도가열 형태의 가열장치로 가열된다. 이러한 장치는 저융점 금속(12)을 함유한 금속블럭을 수납하는 수납용기(22a)와, 그 내부에 수납용기(22a)를 수용하는 가동용기(22b)와, 그 내부에 가동용기(22b)를 수납하는 가열실(21)과 가동용기(22b)에 관련하여 움직이게 될 가열실(21)내에 설치된 유도가열코일(23)등으로 구성되어 있다.

가열실(21)은 배기관(24)을 통해서 진공펌프(25)를 동작시키므로써 속이 비워지게 되며 결국 가열실(21)의 내부는 10^-5Torr 이하의 고진공상태가 된다. 진공지시계(26)는 가열실(21)내의 진공도를 표시해 준다.

본 발명의 방법을 실시하는데 있어서 저융점금속(12)이 채워진 금속블록(11)은 수납용기(22a)에 위치하고 금속블록(11)을 지닌 수납용기(22a)는 가동용기(22b)내에 설치되어 있다.

이때 마개(28)는 가동용기(22b)의 상단부를 막도록 설치되고 이렇게 설치된 전체 상단부는 가열코일(23)의 중심축과 정렬된 위치에 있는 유도 가열 코일(23)내에 설치된다.

이때 가열코일(23)은 도시되지 않은 공지의 장치에 의해서 에너지를 공급받고 이때 가열실(21)은 10^-5Torr 이하의 진공상태를 유지하며 결국 금속블록(11)과 저융점 금속(12)은 수납용기(22a)내에서 같이 용해되고 혼합하게 된다.

이러한 방식에 있어서 저융점 금속의 실제적인 부분은 두종류의 금속이 고진공 상태하에서 가열되는 것과는 관계없이 도전금속 내에서 혼합된 상태로 보존될 수 있다.

이러한 금속의 종류와 양에 따라 변화될지라도 가열공정은 60-120분 동안 1100-1150℃의 온도범위내에서 수행되어진다.

가열공정 중 구멍(11a)을 통해 잔존가스를 밖으로 소비시키기 위해서 환기로는 금속블록(11) 또는 금속플러그(13)를 통해서 설치될 것이다.

다른 방법으로는 금속플러그(13)의 측벽을 따라 작은 홈이 갖추어질 수 있다.

가열 단계중에 고증기압을 지닌 저융점 금속(12)은 도전성 금속블록(11)내에 수장된 상태로 용해되며 따라서 저융점 금속의 과도 증발상태가 방지될 수 있고 저융점 금속에서 금속블록으로의 확산이 증가될 수 있을 것이다.

금속이 고진공 상태로 가열되기 때문에 금속블록(11)과 저융점 금속(12)내에 함유된 어떠한 가스도 제거될 수 있고, 용기(22b)의 중심축을 따라 수납용기(22a)를 수용한 용기(22b)로부터 가열원인 유도 가열코일(23)을 제거함으로서 수납용기(22a)내에 함유된 용해 및 혼합된 금속들은 고화된다.

용해된 금속으로부터의 가열원(23)의 이동동작은 금속내의 함유된 가스가 제거될 수 있고 동시에 기포의 발생과 저융점 금속의 편결이 방지될 수 있도록 매우 느린 속도로 실행되어진다.

가열원(23)의 이동속도가 금속블록(11)의 크기, 형상 및 종류에 따라 변할지라도 속도는 분당 2-6mm의 범위내에서 설정되는 것이 좋다.

상기의 설명에 있어서 비록 유도코일로 만들어진 가열원이 용기(22a)를 수납하고 있는 용기(22b)로부터 이동되어 나올지라도 용기(22a)를 수납한 용기(22b)가 제2도에 도시된 바와 같이 전기모터(M)과 같은 구동원에 의하여 수직으로 이동되는 것은 가능하다.

상기와 같이 제조된 접점재료는 진공차단기에 사용될 접점이 되도록 절삭되고 연마되어진다.

[실시예 1]

외경이 50mm이고 길이가 200mm인 Cu로 만들어진 원통블록의 중심부에는 절단면적이 300㎟이고 길이가 80mm인 구멍이 설치되어 있다.

30g의 입상 Bi는 구리(Cu)블록내에 형성된 구멍내에 채워져 있고 이러한 재료는 다음과 같은 조건하에서 제2도에 도시된 바와 같은 장치내에서 가열용해 및 고화되었다.

가열온도 : 1100-1140℃

가열시간 : 120분

진공도 : 1-3×10^-6Torr

가열원의 이동속도 : 4mm/분

최종적으로 얻어진 Cu-Bi 합금내의 Bi 함유량은 0.6wt%였다.

이와 같이 제도된 재료로 만들어진 접점의 내용착성 및 전류차단성을 평가하기 위해서 다음과 같은 테스트가 재료에 수행되었다.

(1) 기포의 확인

접점재료는 재료의 중심축을 통해서 통과하는 평면을 따라 절단되고 그 1/2이 되는 절단표면은 광학현미경을 사용함으로써 연마되고 관찰된다. 관찰중에 실제적으로 어떠한 기포도 인지될 수 없고 관련된 편결구조만이 인지될 수 있었다.

(2) Bi의 분포

재료의 또다른 1/2은 여러 조작으로 쪼개어져 있고 각 조작은 편결의 상태를 검색하기 위해 원자흡광 분석법으로 분석하였다. 결과적으로 Bi의 고유한 분포는 제3도에 도시된 바와같이 재료의 세로방향을 따라 분포되고 Bi의 어떠한 분결도 찾아볼 수 없었다.

(3) 함유가스의 측정

가스함유량을 측정하기 위하여 상기 테스트(2)에서 얻어진 재료의 편결편은 가스 크로마토그래피 기술을 이용하는 장치에 의하여 산소, 질소, 수소의 함유상태가 분석되었다. 진공차단기의 용기에 제5도와 같은 형태로 매우 해로운 산소가 있음이 나타났다. 제4도에 도시된 바와 같이 O₂의 함유량은 거의 2ppm 정도이고 본 발명에 따라 제조된 재료의 산소 함유량은 예를 들면 Cu가 1150℃에서 용해되고 Bi의 원하는 량의 거의 150 Torr의 압력으로 Ar가스 상태에서 부가되는 종래의 방법에 의하여 제조되는 재료에 있어서의 산소함유량의 약 1/10정도 감소된다.

(4) 내용착성의 측정

직경이 25mm이고 두께가 5mm인 원반형으로 형성된 각 접점은 제1도에 따라 제조된 재료로 만들어졌고 그 내용착성이 측정되었다. 구체적으로 한 접점은 외경이 25mm인 도전축의 종단에 설치되어 있고, 반경이 100mm인 구면형상의 접촉표면을 가진 또다른 접점은 전술한 접점의 반대편에 설치되어 있다. 두 접점은 100gr의 하중을 받는 상태로 서로 접촉되어 있다. 8KA-25KA의 전류를 약 10^-6Torr 정도의 진공상태하에서 접점을 통해 흐르게 했으며, 두 접점을 분리하는데 요구된 힘(Kg)을 측정하였다.

분리시키는 힘은 0-10kg 정도 허용범위 안에 있다.

(5) 전류 차단성의 측정

Bi의 함유량이 0.6%이고 외경이 50mm, 길이가 200mm인 접점재료가 실시예1에 따라 제조되었으며 이러한 재료로부터 외경이 30mm이고 두께가 5mm인 원방형의 접점들을 형성하였다. 이러한 접점들은 진공차단기 내에 설치되어 있고 전류차단 테스트를 AC 12KV, 25KA의 조건하에서 실시하였다. 이러한 경우의 재발호 확률은 전술한 항목(3)에서 서술한 종래의 방법에 따라 제조한 접점의 재발호 확률의 약 1/30에 해당하는 1%이하가 되었다.

[실시예 2]

외경이 27mm이고 길이가 220mm인 원통형의 Cu 블록 중심부에 절단면적이 300mm², 길이가 50mm인 구멍을 설치하였다.

8g의 입상 Bi을 이러한 Cu 블록내에 형성된 구멍에 채우고 그 전체는 제3도에 도시된 바와 같이 다음의 조건하에서 가열 용해되어 고화시켰다.

가열온도 : 1100-1140℃

가열시간 : 100분

진공도 : 1-3×10^-6Torr

가열원의 이동속도 : 5mm/분

최종적으로 얻어진 Cu-Bi 합금에서의 Bi 함유량은 0.55wt%였다.

이렇게 제조된 재료로 만들어진 접점의 내용착성 및 전류차단성을 평가하기 위해서 전술한 (1)-(5)의 방법과 비슷한 테스트가 실시예 1에 따라 제조된 재료에서 얻어진 재료와 실질적으로 동일한 결과로 수행되었다. 이러한 경우 분결 테스트(2)의 결과가 제5도에 도시되어 있다.

[실시예 3]

외경이 23mm이고 길이가 220mm인 원통형 Cu 블록의 중심부에 절단면적이 300mm²이고 길이가 50mm인 구멍을 설치하였다.

6g의 입상 Bi를 이러한 구멍에 채웠으며 그 전체를 제3도에 도시된 바와 같은 장치내에 다음과 같은 조건하에서 가열 용해하였으며 고화시켰다.

가열온도 : 1100-1140℃

가열시간 : 90분

진공도 : 1-3×10^-6Torr

가열원의 이동속도 : 5mm/분

최종적으로 얻어진 Cu-Bi 합금에 있어서 Bi의 함유량은 0.6wt%였다.

실시예 1과 2에 관련하여 서술된 테스트와 비슷한 테스트가 실시되었으며 상기 서술한 테스트와 실질적으로 동일한 결과를 얻었다.

이때 실시된 분결테스트(2)의 결과가 제6도에 도시되어 있다. 단일 구멍이 Cu 또는 Ag와 같은 도전성 재료로 만들어진 블록내에 구성되어 그곳에 저융점 금속을 삽입하는 실시예에 대해서 본 발명을 서술하고 있지만 다수의 구멍 혹 캐버티가 저융점 금속을 수용하기 위해서 블록내에 형성시킬 수 있음이 명확하다.

더욱이 저융점 금속에 부가된 도전성 금속을 가열하기 위한 가열원은 전술한 유도가열 장치외에 어떠한 적절한 형태의 장치도 사용할 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 캐버티가 고전도성 재료로 형성된 블록내에 구성되어 있고, 내용착성을 지닌 저융점 금속이 이러한 캐버티에 삽입되며, 상기 저융점 금속을 포함하고 있는 고전도성 금속으로 형성된 블록이 상기 저융점 금속과 상기 고전도성 금속이 용해되고 혼합되도록 고진공 상태하에서 상기 금속블록 주위에 설치된 가열원에 의해서 가열되고, 이렇게 얻어진 혼합금속은 상기 가열원이 금속을 고화시키기 위하여 미리 설정된 방향으로 혼합금속으로부터 분리되면서 서서히 냉각되는 것을 특징으로 하는 진공차단기를 접점 재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 고전도성 금속블록이 구리(Cu) 또는 은(Ag)중 적어도 어느 하나로 만들어진 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 저융점 금속이 비스무스, 텔루리움, 셀레니움, 안티몬 그리고 이러한 성분 중 하나를 함유한 합금으로 정해짐을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 저융점 금속이 800℃에서 10^-3Torr 이상의 증기압을 갖는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 0.5-1.5wt%의 저융점 금속이 상기 캐버티내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 내용착성분이 고전도성 금속내에 있는 적어도 하나의 캐버티 내에 삽입되어 있고 외향하여 개구된 상기 캐버티 상단부가 금속플러그로 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 가열원이 유도 가열코일인 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 가열용해 및 고화단계가 10^-5Torr 이하의 진공상태에서 실시되는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 가열 용해단계가 1100-1150℃의 온도 범위에서 실시되는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점재료의 제조방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 가열원이 혼합금속으로부터 미리 설정된 방향으로 이동되어 나오는 것을 특징으로 하는 진공 차단기용 접점 재료의 제조방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 혼합금속이 가열원으로부터 미리 설정된 방향으로 이동되어 나오는 것을 특징으로 하는 진공차단기용 접점 재료의 제조방법.

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