JP6050994B2

JP6050994B2 - 電気接点、電気接点の製造方法、電極、真空バルブ、真空開閉機器

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Publication number: JP6050994B2
Application number: JP2012202192A
Authority: JP
Inventors: 茂菊池; 歩森田; 土屋　賢治; 賢治土屋; 雅人藪; 彰男中沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP2014056784A; CN103681016B; EP2709132A3; CN103681016A; EP2709132A2; US20140076852A1

Description

本発明は、電気接点、電気接点の製造方法、電極、真空バルブ、真空開閉機器に関する。

受配電用の真空開閉器は、真空バルブと呼ばれる真空に封止した容器の中で、向かい合わせて配置した一対の電気接点を接触・開離することによって電流を通電・遮断する。中でも比較的低電圧・小電流を多頻度で開閉する電磁接触器などの電気接点には、さい断電流値が小さいこと(低サージ性)が要件として求められる。これは、さい断電流値が大きいと、真空バルブを誘導性回路に用いて電流を遮断した場合、異常サージ電圧が発生して負荷機器の絶縁破壊などを引き起こすためである。さい断電流値の小さい低サージ型の電気接点としては、Ag-WC-Co系電気接点が市販されており、低サージ性を多数回遮断した場合にも安定して維持する。しかしAg-WC-Co系電気接点は、高価なAgやレアメタルのCoを含むため高価格で、硬質なWCを含むために加工性に劣り、生産性やコストの点で問題がある。

一方、比較的低価格の成分からなり、軟質で加工性に優れた接点材料にCu-Te系がある。例えば、特許文献１では、Cu中にCu₂Te化合物を分散させ、Cu₂Teが特定の形状・方向性を有することで、消耗が少なく、接触抵抗特性が安定した接点が得られるとしている。

特開2006−144031号公報

上記の特許文献1に示されるCu-Te系接点では、接点面とほぼ平行に長手形状のCu2Te粒子が配向する。Cu₂Te粒子は電流遮断の際のアーク加熱により分解し、Teが揮散することでさい断電流を低下させる効果を発揮する。しかし、Cu₂TeにおけるTeとCuの化学量論組成比(Te/Cu)が1/2で、Te量が比較的小さいため、さい断電流低減の効果が不足し、電流遮断によってTeが揮散すると低サージ性が持続しない。

そこで本発明者らは、Cu中にCu₄Te₇化合物(化学量論組成比Te/Cuは1/2より大)が分散した電気接点を試作し、さい断電流を測定した。その結果、初期のさい断線流は0.7A(1kA遮断時)と非常に小さいことを見出したが、Cu₄Te₇粒子の大きさや分散状態が不均一であったため、所望のさい断電流が安定かつ持続して得られないことがわかった。

本発明の目的は、安価で加工性に優れ、さい断電流の低減効果を安定して持続させることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、Cu母相と、前記Cu母相中に分散されたCuと低融点金属との化合物とを有する電気接点において、前記低融点金属は1000℃における蒸気圧が10⁵Pa以上で、前記化合物は低融点金属/Cuの値である化学量論組成比が0.5よりも大きく、針状をなす前記化合物の長手方向が接点面に対して９０°±１０°の角度で配向し、前記低融点金属は、Seであることを特徴とする。

また、Cu母相と、前記Cu母相中に分散されたCuと低融点金属との化合物とを有する電気接点の製造方法において、前記低融点金属は1000℃における蒸気圧が10⁵Pa以上で、前記化合物は低融点金属/Cuの値である化学量論組成比が0.5よりも大きく、前記Cu母相と前記化合物とを有する混合物を減面率70〜85％で加熱しながら引き伸ばし、前記減面率で減面された面を電気接点の接点面として用い、前記低融点金属は、Seであることを特徴とする。

本発明によれば、安価で加工性に優れ、さい断電流の低減効果を安定して持続させることができる。

本発明の第１実施例に関わる電極の構造を示す図。電気接点の縦断面図における組織を示す図。本発明の第２実施例に関わる真空バルブの構造を示す図。本発明の第３実施例に関わる真空コンタクタの構造を表す図。

上記のとおり、本発明者らは化学量論組成比Te/Cuが1/2より大きいCu-Te化合物をCu中に分散させた電気接点は、非常に小さなさい断電流値を示すことを見出した。しかし、Cu-Te化合物粒子の大きさや分散状態が不均一である場合、所望のさい断電流が安定かつ持続して得られにくかった。

この知見を基に、本発明の電気接点はCuおよび、Cuと低融点金属との化合物で形成され、低融点金属は1000℃における蒸気圧が10⁵Pa以上の金属で、Cuと低融点金属との化合物の化学量論組成比(低融点金属/Cu)は0.5よりも大きく、化合物は針状をなし、その長手方向は接点面に対して90°±10°の範囲に配向するようにした。

低融点金属の1000℃における蒸気圧が10⁵Pa以上であることにより、電流遮断時のアーク加熱によって化合物から分解した低融点金属が揮散してアークの持続媒体となり、電流遮断を遅らせてさい断電流を小さくする。そのため、化合物に含まれる低融点金属量、すなわち化学量論組成比(低融点金属/Cu)は大きいほうが望ましく、0.5よりも大きいと上記効果が得られる。また、この化合物は針状をなして、長手方向の軸が接点面に対してほぼ垂直に配向することにより、低融点金属の揮散源が途切れることなく接点面近傍に存在し、上記効果を発揮する。

この化合物をなす低融点金属は実用上TeまたはSeが望ましく、化合物はCu₇Te₄、Cu₄Te₃、CuTeおよびCu₃Se₂となる。これらのうち何れか一種でも数種が混合されていてもよい。電気接点における化合物の含有量は3〜10重量％が望ましい。含有量が3重量％よりも小さいと上記のさい断電流の低減効果が不足し、10重量％よりも大きいと低融点金属の揮散量が多くなり、耐電圧特性など他の電気的特性が低下する。また、この化合物のうちの90体積％以上は径(x)が2〜15μmで、長さ(y)と径の比y/xが2〜10である。化合物がこの寸法・形状を有し、上記のように接点面に対してほぼ垂直に配向することによって、低融点金属の揮散源である化合物が途切れることなく接点面近傍に存在し、上記のさい断電流低減効果を持続する。

さらに、この化合物は接点面に平行な任意の面において、6個/0.01mm²以上の割合で分散することが望ましい。電流遮断時に発生するアークは、一対の電気接点間において直径数mm程度の円柱状をなして発生する。上記の単位面積あたりの個数で化合物が存在することにより、電気接点のいずれの箇所で円柱状アークが発生した場合でも、アーク内に低融点金属の揮散源である化合物が存在し、安定してさい断電流低減効果を発現することができる。

本発明の電気接点は、Cuと低融点金属を原料とした溶解材を減面率70〜85％で塑性加工することで上記の組織を得ることができる。すなわち、鋳造等の方法で作製した溶解材を圧延、押出し、引抜等の塑性加工法により引き伸ばす。この際、電気接点は円盤形状を有するため、円柱形状の溶解材を作製した上でそれを押出し、引抜き、スウェージング等の塑性加工法により、円形断面の減面率が70〜85％となるように小径化するのが良い。また、この塑性加工は、割れなどの欠陥を防ぐために熱間で加工することが望ましく、その温度はCuの一般的な焼きなまし温度である600℃以上とすることが好ましい。減面率が70％より小さいと、針状の化合物が前記の配向性・分散性でCu母相中に分散する所望の組織が得られず、減面率が85％よりも大きいと、針状の化合物が分断されて前記の寸法・形状が得られず、加工度が大きすぎて全体的なひび割れ等の欠陥増大につながる。

このようにして小径化した塑性加工後の溶解材の円形断面、すなわち70〜85％の減面率を有する面を接点面(アーク発生面)として用いることで、針状の化合物が接点面に対してほぼ垂直に配向し、低融点金属の揮散源が途切れることなく接点面近傍に存在することになるため、上記のさい断電流低減効果を持続することができる。なお、Cuと低融点金属の化合物を直接添加して母材を得ることも可能である。すなわち、例えばCuとCu₄Te₇化合物それぞれの粉末を混合、加圧成形、焼結してCuとCu₄Te₇化合物の複合材を作製し、これを上記のように塑性加工することによっても同様の組織を得ることができる。

また、円盤形状をなす本発明の電気接点は、円中心に形成された中心孔と、中心孔に対して非接触で円中心から外周部に向かって形成された複数本の貫通したスリット溝とを有することが望ましい。この風車状の形状を有することにより、電気接点間に発生したアークを電磁力によって接点の外周側へ駆動させ、アーク加熱により生じた溶融層を接点外周側へ除去することができる。すなわち、アークが生ずると接点表面が深さ数μmのオーダで溶融し、前記の化合物が分解して低融点金属が揮散することでさい断電流値を低下させることができるが、アークが消滅した後に凝固した溶融凝固層には低融点金属量の少ない化合物が残り、低サージ性を発現する効果が低下する。しかし、アークの駆動に伴い、溶融層が接点外周側へはじき飛ばされて除去されると、次回の電流遮断時には接点表面には低融点金属の揮散源である化合物が途切れなく存在するため、多数回遮断した場合にも低サージ性を維持することができる。

このようなアーク駆動作用を有する形状の電気接点の裏面(接点面の反対面)に、電極棒と呼ばれる通電部材をろう付け等によって一体に接合することで、本発明の電極が得られる。なお、遮断電流が小さい場合には(概ね1kA以下)、電気接点はスリット溝のない単純な円板状でも十分なさい断電流低減効果が得られるが、遮断頻度が多くなるほど上記の溶融凝固層厚さが増すため、上記の風車状の形状とすることが低サージ性の安定維持に有効である。

真空バルブは、真空容器内に一対の固定側電極及び可動側電極を備え、その少なくとも一方が、本発明の電気接点を用いた電極からなるものである。また、本発明に係る真空コンタクタや電磁接触器などの真空開閉機器は、本発明に係る真空バルブを導体によって直列に複数接続し、可動側電極を駆動する開閉手段を備えたものである。これにより、安価で加工性に優れた電気接点を備え、多数回電流遮断時においても低サージ性を安定して持続できる真空開閉機器が得られる。

以下、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表1に示す組成の電気接点を作製し、これを用いて電極100を作製した。図１は作製した電極100の構造を示す上面図と縦断面図である。図１において、１は電気接点、２はアークに駆動力を与えるためのスリット溝、３はステンレス製の補強板、４は電極棒、５はろう材、４４は電気接点１の中央に発生したアークが停滞するのを防ぐための中央孔である。

表1に示す電気接点１の作製方法は、次の通りである。化合物としてCu₇Te₄をCu母相中に分散させたNo.1〜4およびNo.6〜9は、無酸素銅のインゴットとTe粉末(粒径45μm以下)を黒鉛製るつぼに投入し、真空中で1100〜1200℃に加熱して溶解し、直径70mmの溶解材を作製した。この溶解過程において、CuとTeが反応し、Cu母相中にCu₇Te₄粒子が分散した溶解組織が得られる。

化合物としてCuTeまたはCu₂TeをCu母相中に分散させたNo.5またはNo.10は、Cu粉末(粒径60μm以下)とCuTe、Cu₂Teそれぞれの粉末(いずれも粒径40μm以下)を混合し、直径70mmの金型に充填して294MPaの圧力で加圧成形した後、真空中で1065℃×2時間加熱して直径70mmの焼結材を作製した。これにより、Cu母相中にCuTe粒子またはCu₂Te粒子が分散した焼結組織が得られる。

得られた溶解材および焼結材を大気中で700℃に加熱後、スウェージング(回転鍛造)によって徐々に小径化し、所定の減面率となるように塑性加工した後、円形面に平行に輪切りにして電気接点1とした。

得られた電気接点1の円形面(接点面)およびそれに垂直な断面を光学顕微鏡で観察し、画像処理装置を用いて化合物の存在形態を測定した結果を表1に併せて示す。図２に電気接点1の縦断面図における組織の状態の一例を示す。No.1〜No.5では、いずれも化合物の短手方向である径(x)が2〜15μmで、長手方向である長さ(y)と径の比y/xが2〜10、長手方向は接点面に対して90°±10°の範囲に配向し、6個/0.01mm²以上の割合でCu母相中に分散している。これに対し、No.6では化合物の含有量が少ないために、接点面に平行な任意の面における化合物粒子の存在割合が不足する。また、No.8では減面率が小さいために化合物粒子径が大きく、十分なy/xの比が得られず、存在割合も不足する。No.9では減面率が大きすぎるため、化合物粒子の針状化は十分であるが、塑性加工時に割れが多発し、その後の評価に供するに十分な素材が得られなかった。

得られた素材を機械加工し、図１に示す直径30mmの電気接点１を作製した。本実施例の電気接点1の構成元素は、比較的軟質のCuとTeであるため、従来のAg-WC-Coのような難加工性はなく、比較的容易に機械加工が可能であった。なお、No.4に関しては、接点形状(スリット溝の有無)の影響をNo.2と比較するため、スリット溝のない単純円板状の電気接点１を作製した。

電極100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、補強板３をSUS304であらかじめ機械加工により作製しておき、上記の電気接点１、補強板３、電極棒４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に示す電極100を作製した。なお、電気接点１の強度が十分であれば、補強板３は省いてもよい。

実施例１で作製した電極100を用いて、真空バルブ200を作製した。図３は、本実施例に関わる真空バルブの構造を示す図である。図３において、1a、1bはそれぞれ固定側電気接点、可動側電気接点、3a、3bは補強板、4a、4bはそれぞれ固定側電極棒、可動側電極棒で、これらをもってそれぞれ固定側電極6a、可動側電極6b（100）を構成する。なお、本実施例では、固定側と可動側の電気接点の溝が接触面において一致するように設置した。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る。これらは、固定側端板9a、可動側端板9b、及び絶縁筒13によって高真空にろう付け封止され、固定側電極6a及び可動側ホルダー12のネジ部をもって外部導体と接続される。

絶縁筒13の内面には、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐシールド7が設けられ、また、可動側端板9bと可動側ホルダー12の間には摺動部分を支えるためのガイド11が設けられる。可動側シールド8と可動側端板9bの間にはべローズ10が設けられ、真空バルブ内を真空に保ったまま可動側ホルダー12を上下させ、固定側電極6aと可動側電極6bを開閉させることができる。

このように、実施例１で作製した電気接点を図３に示す電気接点1a、1bに用いて、真空バルブ200を作製した。

実施例２で作製した真空バルブ200を搭載した真空コンタクタ300を作製した。図４は、本発明に関わる真空バルブ14（200）とその操作機構を示す真空コンタクタ300の構成図である。

真空コンタクタ300は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ14（200）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14（200）は、絶縁操作ロッド16を介して、操作機構によって開閉される。

真空コンタクタ300が閉路状態の場合、電流は上部端子17、電気接点1、集電子18、下部端子19を流れる。電極間の接触力は、絶縁操作ロッド16に装着された接触バネ20によって保たれている。電極間の接触力および短絡電流による電磁力は、支えレバー21およびプロップ22で保持されている。投入コイル30を励磁すると開路状態からプランジャ23がノッキングロッド24を介してローラ25を押し上げ、主レバー26を回して電極間を閉じたあと、支えレバー21で保持している。

真空コンタクタ300が引き外し自由状態では、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、主レバー26が回って電極間が開かれる。

真空コンタクタ300が開路状態では、電極間が開かれたあと、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、31は排気筒である。

実施例1で作製した電気接点1を実施例２で示した真空バルブ200に用い、実施例３で示した真空コンタクタ300に搭載して性能試験を行った。

表１に、1.5kAを所定回数遮断した後のさい断電流値を測定した結果と、遮断後の耐電圧性能維持(電気接点間を開いた状態で無放電を維持する性能)の良否を併せて示す。

No.1〜No.5は前述のように、いずれも化合物の径、径と長さとの比(y/x)、配向性、存在割合ともに適正な範囲にあるため、1000回遮断後も概ね3.5A以下の小さなさい断電流値を示した。スリット溝のない単純円板形状の電気接点１を有するNo.4では、アーク駆動に伴う溶融層除去作用が小さいために、No.1〜No.3、No.5と比べて高いさい断電流値を示したが、実用上は十分な低サージ性を有する。また、いずれも遮断後の耐電圧維持状態は良好であった。

これに対し、比較例のNo.6では接点面における化合物粒子の存在割合が小さいため、さい断電流値が大きくなり、十分な低サージ性が得られなかった。No.7では化合物の含有量が多すぎるため、アーク加熱によって分解した低融点金属(Te)の揮散に伴うさい断電流低減効果は十分であるが、揮散したTeが真空バルブ200内面に付着し、遮断後の耐電圧性能が著しく低下した。また、No.8では化合物の十分なy/xの比が得られず、接点面における存在割合が不足するため、遮断回数が増すごとに電気接点の母材からの低融点金属(Te)の供給が途切れ、さい断電流値の上昇が顕著に見られた。No.9は前述のように、塑性加工時に割れが多発したため、評価するに十分な電気接点1が作製できなかった。No.10は化合物の化学量論組成比(Te/Cu)が0.5のため、遮断初期の低サージ性は十分であるが、遮断回数が増すとさい断電流値の上昇が大きい結果となった。

このように、本実施例の電気接点が持続性に優れた低サージ性を有することが確認された。なお、化合物にCu₃Se₂を用いた場合でも同様の効果が得られる。これにより、安価で加工性に優れた電気接点を備え、多数回電流遮断時においても低サージ性を安定して持続できる真空開閉機器が得られる。

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…補強板、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、44…中央孔、100…電極、200…真空バルブ、300…真空コンタクタ。

Claims

Ｃｕ母相と、前記Ｃｕ母相中に分散されたＣｕと低融点金属との化合物とを有する電気接点において、前記低融点金属は１０００℃における蒸気圧が１０^５Ｐａ以上で、前記化合物は低融点金属／Ｃｕの値である化学量論組成比が０．５よりも大きく、針状をなす前記化合物の長手方向が接点面に対して９０°±１０°の角度で配向し、前記低融点金属は、Ｓｅであることを特徴とする電気接点。
前記化合物の含有量は、３〜１０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の電気接点。
前記化合物の９０体積％以上が、前記化合物の短手方向の長さｘが２〜１５μｍで、前記化合物の長手方向の長さｙと前記短手方向の長さｘとの比ｙ／ｘが２〜１０であることを特徴とする請求項１に記載の電気接点。
前記化合物は接点面に平行な任意の面において６個／０．０１ｍｍ ^２以上の割合で分散することを特徴とする請求項１に記載の電気接点。
Ｃｕ母相と、前記Ｃｕ母相中に分散されたＣｕと低融点金属との化合物とを有する電気接点の製造方法において、前記低融点金属は１０００℃における蒸気圧が１０ ^５Ｐａ以上で、前記化合物は低融点金属／Ｃｕの値である化学量論組成比が０．５よりも大きく、前記Ｃｕ母相と前記化合物とを有する混合物を減面率７０〜８５％で加熱しながら引き伸ばし、前記減面率で減面された面を電気接点の接点面として用い、前記低融点金属は、Ｓｅであることを特徴とする電気接点の製造方法。
円中心に形成された中心孔と前記中心孔に対して非接触で円中心から外周部に向かって形成された複数本の貫通したスリット溝とを有する円盤と、前記円盤のアーク発生面に設けられた請求項１に記載の電気接点と、前記円盤の前記電気接点の反対面に一体に接合された電極棒とを有することを特徴とする電極。
真空容器内に一対の固定側電極及び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、請求項６に記載の電極からな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及び可動側電極の各々に前記真空バルブ外に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、前記真空バルブが請求項７に記載の真空バルブからなることを特徴とする真空遮断機器。