JP2002373537A - 真空遮断器用電極とその製造方法及び真空バルブ並びに真空遮断器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、焼結過程において、収縮や変
形が少ない、寸法安定性に優れた真空遮断器用電極とそ
の製造方法及び真空バルブ並びに真空遮断器を提供する
ことにある。 【解決手段】本発明は、耐火性金属粒子と、該粒子の平
均粒径より大きい平均粒径を有する高導電性金属粒子と
を有する焼結体から成ることを特徴とする真空遮断器用
電極に、更に耐火性金属の粉末と該粉末の平均粒径より
大きい平均粒径を有する高導電性金属粉末との混合粉末
を加圧成形し、次いで加熱焼結することを特徴とするそ
の製造方法にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な真空遮断器
要電極とその製造方法及びそれを用いた真空バルブ並び
に真空遮断器に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空遮断器に設置される真空バルブ内の
電極構造は、一対の固定側電極及び可動側電極から成っ
ている。上記固定側及び可動側電極の構造は、電極と該
電極に連なる電極棒からなり、該電極の裏面にはしばし
ばステンレス等の板が補強板として設けられる。

【０００３】一方、電極部材には、Cr-Cuの複合金属あ
るいはこれにW、Co、Mo、V、Nb等を少量添加した複合金
属材料が多く用いられる。

【０００４】この電極の製造方法には、各成分の金属粉
末あるいはこれらの混合粉を所定の組成、形状、空孔量
に成形し、焼結することで高密度化し、作製された焼結
体を機械加工して所定形状とする焼結体加工法を用いて
いる。そして機械加工された電極及び各部品を組立後、
ろう付けして一連の電極構造となるが、機械加工を経て
作製される電極は、非常に手間と時間がかかり、低コス
ト化の妨げとなっている。

【０００５】この対応策として、スパイラル溝によって
分離された羽根型で中心部に凹部を有する形状の金型を
作製し、プレス成形によってその形状を有した成形体を
作製するスパイラル成形法や円板形状を成形後、機械加
工する成形体加工法が考案された。この製法は特開平5-
325740号公報及び特開2000-3645号公報に開示されてい
る。

【０００６】特開平6-89645号公報には粒径30〜150μｍ
Ｃｕ粉を80%以上とした粉末を用いて焼結した真空イン
タラプタ用電極、特開平9-161583号公報には平均粒径10
0μｍのＣｒ粉と、平均粒径50μｍのＣｕ粉とを各々重
量で50%の混合粉を加圧成形した後、900℃で加熱焼結す
ることが記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】スパイラル成形法は、
スパイラル溝が成形過程でプレス成形されるため、焼結
体加工法より、手間がかからず、安価であり、さらに大
量生産が可能となる。また成形体加工法は、成形体が焼
結体より加工しやすいため、スパイラル成形法と同様の
効果が期待できる。しかし、成形体の形状が、焼結体加
工法では円板形状であるのに対し、スパイラル成形法及
び成形体加工法ではスパイラル溝によって分離された羽
根型で中心部に凹部を有する複雑な形状であるため、焼
結過程における焼結体の変形、収縮等のばらつきがより
顕著に現れた。

【０００８】スパイラル溝は、発生したアークに駆動力
を与えて、電極の外周部へ移動させるために存在するた
め、設計値どおりの形状、寸法を有さねば、その効果が
薄くなる。

【０００９】以上のことから、成形過程に作製したスパ
イラル溝が、焼結過程によって変形、収縮した場合、焼
結後、機械加工によって修正する必要があり、逆に焼結
体加工より手間と時間がかかり、低コスト化の妨げとな
った。

【００１０】又、いずれの公報にもＣｕ粉とＣｒ粉の特
定の粒径についての関係は示されていない。

【００１１】本発明の目的は、焼結過程において、収縮
や変形が少ない、寸法安定性に優れた真空遮断器用電極
とその製造方法及び真空バルブ並びに真空遮断器を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、耐火性金属粒
子と、該粒子の平均粒径より大きい平均粒径を有する高
導電性金属粒子とを有する焼結体から成ることを特徴と
する真空遮断器用電極にある。

【００１３】又、本発明は、粒径105μm以下のものが50
重量%以上及び粒径105μmを越えるものが50重量%未満、
好ましくは粒径105μm以下のものが70重量%以上である
耐火性金属粒子と、粒径75μm以上のものが50重量%以上
及び粒径75μm未満のものが50重量%未満、好ましくは、
粒径106μm以上のものが50重量%以上及び粒径106μm未
満のものが50重量%未満である高導電性金属粒子とを有
する焼結体から成ることを特徴とする真空遮断器用電極
にある。

【００１４】本発明は、前述の焼結体からなり、複数本
のスパイラル溝と、該溝によって区画された羽根型部
と、該羽根型部を互いに中央部で一体に連結した円形部
とを有することを特徴とする真空遮断器用電極にある。

【００１５】又、本発明は、耐火性金属の粉末と該粉末
の平均粒径より大きい平均粒径を有する高導電性金属粉
末との混合粉末を加圧成形し、次いで加熱焼結すること
を特徴とする真空遮断器用電極の製造方法にある。

【００１６】更に、本発明は、粒径105μm以下のものが
50重量%以上及び粒径105μmを越えるものが50重量％未
満, 好ましくは粒径105μm以下のものが70重量%以上で
ある耐火性金属の粉末と、粒径75μm以上のものが50重
量%以上、好ましくは65重量％以上及び粒径75μm未満の
ものが50重量%未満、好ましくは、粒径106μm以上のも
のが50重量%以上及び粒径106μm未満のものが50重量％
未満である高導電性金属の粉末との混合粉末を加圧成形
し、次いで加熱焼結することを特徴とする真空遮断器用
電極の製造方法にある。

【００１７】スパイラル溝は、複数本、好ましくは３〜
６本有し、スパイラル溝によって分離された羽根型で中
心部に凹部を有する形状に180MPa〜800MPaで加圧成形
し、700℃〜950の温度で、還元性雰囲気または非酸化性
雰囲気中で加熱することにより作製された焼結体の密度
が加圧成形後の密度と比較して密度向上率を5%以下とす
ることが出来る。

【００１８】耐火性金属が、Cr、W、Mo、Ta、Nb、Be、H
f、Ir、Pt、Zr、Ti、Te、Si、Rh及びRuの1種または2種
以上の混合物あるいは合金からなり、前記耐火性金属と
高導電性金属との混合粉末が、20重量%〜70重量%の耐火
性金属と30重量%〜80重量%の高導電性金属とすること
で、真空遮断器用電極として、遮断性能、耐電圧特性に
優れ、電気抵抗が比較的小さい材料が得られる。耐火性
金属の粒径は150μm以下が好ましく、混合物として酸素
を50ppm〜2000ppm、Alを50ppm〜3000ppm、Siを10ppm〜2
500ppm有することが望ましい。これらの不純物成分によ
って遮断時に優れた消弧作用が得られ、遮断性能が向上
する。なお、Al、Siはそれぞれ酸化物として存在しても
よく、高融点で硬質の微細なAl、Si酸化物が均一に分散
していることで、真空遮断器用電極として優れた耐溶着
性、耐電圧特性を持つ材料が得られる。高導電性金属
は、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕの１種又は２種以上が好まし
く、特にＣｕの電解粉又はアトマイズ粉が好ましい。

【００１９】本発明は、真空容器内に一対の固定側電極
と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前述に記載の
電極からなることを特徴とする。

【００２０】本発明は、真空容器内に一対の固定側電極
及び可動側電極を備えた真空バルブと、該真空バルブ内
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
ルブが前述に記載の真空バルブからなることを特徴とす
る。

【００２１】本発明における真空バルブ内の電極構造
は、電極部とそれに連なる電極棒からなり、電極部には
発生したアークを移動させるための曲線形状を持つスパ
イラル溝が設けられ、羽根型に分離されている。このス
パイラル溝は、スパイラル溝を形成して羽根型を形作る
ことのできる金型に、電極部を構成する原料粉末として
用意した混合粉末を充填して加圧成形することにより簡
単に短時間で得ることができる。そして加圧成形で得ら
れた羽根型の成形体を、700℃〜950℃で焼結すること
で、作製された焼結体の密度が前記加圧成形後の密度と
比較して、密度向上率5%以下とすることが出来る。

【００２２】以上のことから、前述のスパイラル溝を持
つ羽根型の形状を保ったままで電極部を得ることがで
き、焼結後の機械加工による溝の再調整も不要となり、
加工時間が大幅に短縮できる。また焼結された電極部を
再加圧、再焼結することで、さらに寸法安定性が得ら
れ、高密度で電気的に優れた電極部を得ることができ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は、スパイラル
溝１によって分離された羽根型で中心部に凹部７を有す
る形状の焼結体からなる真空遮断器用電極2の斜視図で
ある。図２は、具体的な作製方法を示す断面図である。

【００２４】耐火性金属としてのCr粉末を25重量%、高
導電性金属としてのCu粉末を75重量%とをVミキサーによ
り混合した。用いたCr粉末は、酸素が50ppm〜2000ppm、
Alが50ppm〜3000ppm、Siが10ppm〜2500ppmの微量元素を
含むものである。混合粉を直径50mmの円板形状の金型を
用いて、200MPaの圧力で成形し、直径50mm、厚さ10mmの
成形体3を作製した。成形体3には、スパイラル溝１と後
述する電極棒を形成する挿入孔とが設けられ、対向する
面側に凹部７が形成される。スパイラル溝１は電極の外
周に貫通しており、スパイラル溝１によって区画された
羽根型部を有する。

【００２５】図２に示す様に、黒鉛製皿4の上に成形体3
を設置し、さらに均一加熱のために成形体上を覆うよう
に黒鉛製皿5を載置し、加熱用の真空電気炉内で6.7×10
^-3Pa以下の真空中で、950℃×60分間加熱した。これら
を焼結後に黒鉛製皿4から取ると、図１に示す焼結体か
らなる真空遮断器用電極2を得る。尚、成形体3中に存在
した微量元素(Al：500ppm〜3000ppm、Si：10ppm〜2500p
pm)は焼結体中に含んでいる。これによって得られた焼
結体は所定の焼結体寸法を有し、外周加工を行うことな
く、溝加工を行うだけで所定のスパイラル溝２、寸法及
び特性を有する電気接点を得ることができる。

【００２６】図３はCr粉末及び図４はCu粉末の粒度分布
を示す線図である。Ｃｒ粉末は粒径106〜150μｍのもの
が2.5%、粒径75〜105μｍのものが47%、粒径53〜74μｍ
のものが37%、粒径32〜52μｍのものが11%、粒径22〜31
μｍのものが2.5%であり、平均粒径が75μｍである。Ｃ
u粉末は粒径150μｍを越えるものが10%、粒径106〜150
μｍのものが45%、粒径75〜μｍのものが20%、粒径53〜
74μｍのものが11%、粒径32〜52μｍのものが9%、粒径2
2〜31μｍのものが3%、粒径22μｍのものが2%であり、
平均粒径が105μｍである。従って、Ｃｕ粉末の平均粒
径はＣｒ粉末の平均粒径に対して1.4倍ある。又、Ｃｒ
粉末は粒径105μｍ以下のものが97重量％、Ｃu粉末は粒
径75μｍ以上のものが75重量%あり、焼結過程における
収縮による変形を小さくすることができる。特に、Ｃｕ
粉末は、Ｃｒ粉末より平均粒径で1.1〜1.7倍大きいこと
が好ましい。

【００２７】図５は、得られた焼結体の種々の箇所にお
ける密度向上率を示す図である。図５に示す様に密度向
上率は4.3％と5％以下の小さいものであり、焼結過程に
おける収縮による変形を小さくすることができるもので
ある。また黒鉛製皿4及び5は板、るつぼでも同様の効果
を得ることが可能である。

【００２８】（実施例２）図６は、高導電性金属である
粒径104μm 以上のCu粉末の割合を変化させて、実施例
１と同様の方法で電極を作製したものの密度向上率を測
定した図である。図６に示す様に、104μm以上のCu粉末
を50%有しない焼結体は密度向上率が5％を越えるもの
で、寸法変化が大きく所定の寸法を有することができな
かった。

【００２９】（実施例３）図７は、焼結温度を変えて実
施例１と同様に電極を作製したものの密度向上率の関係
を示す線図である。図７に示す様に、950℃を越える
と、時間に関係なく寸法変化が大きくなり、所定の寸法
に形成させることができなかった。しかし、950℃以下
では、密度向上率が５％以下と小さく、焼結過程におけ
る収縮による変形を小さくすることができるものであ
る。特に、850〜950℃が好ましい。

【００３０】（実施例４）図８は、本発明に係わる真空
バルブ用電極の製造工程において用いられる各部材の断
面図である。図８に示す様に、焼結後に電気接点となる
Cu-25重量％Cr成形体2１、成形体のスリット溝2２、非
磁性ステンレス鋼補強板２３及びCuの電極棒２４からな
る。

【００３１】図９は、図８に示す各部材を組み合わせて
焼結したものの真空バルブ用電極の断面図である。製造
方法は次の通りである。成形体21はスリット溝22を形成
して羽根型を形作ることのできる金型に、実施例１で用
いた粒度分布を有するCu粉とCr粉を用い、各々75％:25
％の重量比で予め混合した混合粉を入れ、充填した混合
粉末を油圧プレスにより150MPaの圧力で加圧成形した。
原料のCr粉末には、酸素が860ppm,A1が60ppm,Siが440pp
m含まれている。

【００３２】非磁性ステンレス鋼補強板23と電極棒24は
予め機械加工により作製しておき、酸洗浄の後に成形体
21及び補強板23の穴と電極棒2の凸部を填め合わせて載
置する。これを6.7×10⁻³Pa以下の真空中で1050℃×１
20分間加熱し、成形体2１を焼結させて電気接点25を得
るとともに電極棒24の凸部を固定して電気接点25、補強
板23及び電極棒24を接合し、図9の電極が得られる。

【００３３】上記で得られた電気接点25の組織を観察し
たところ、各原料粒子は焼結により結合されており、電
気接点25と電極棒24との接合界面組織を観察したとこ
ろ、隙間等の欠陥はなく、両者が金相学的にお互いに拡
散接合によって接合されていることが確認された。

【００３４】このように本実施例によれば、焼結過程に
おける収縮による変形を小さく、電気接点25に成形過程
で溝入れが可能であり、焼結によって電気接点25の組織
が強固に結合されると同時に、電極棒24との一体化が可
能となる。

【００３５】（実施例５）図１０は、実施例１と同様に
羽根型の電気接点部分を製造した平面図（a）と、断面
図（ｂ）である。図１０に示す様に、円形の中央部に連
結してスパイラル溝によって区画された羽根型を有し、
中央部には実施例５と同様に電極棒を挿入する挿入孔が
設けられたものである。羽根型は（ｂ）に示す様に中央
部から傾斜している。本実施例においても、焼結過程に
おける収縮による変形を小さく、機械加工による仕上げ
にかかる加工時間を少なく出来た。

【００３６】（実施例６）図１１は、実施例４で得た電
極を用いた真空バルブの断面構造を示す図である。図１
１において、27ａ，27ｂはそれぞれ固定側接点、可動側
接点、25ａ，25ｂは補強板、23ａ，23ｂ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28ａ、可動側電極28ｂを構成する。可動側電極
28ｂは、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シール
ド１０を介して可動側ホルダー１４にろう付け接合され
る。これらは、固定側端板11ａ、可動側端板11ｂ、及び
絶縁筒１５によって高真空にろう付け封止され、固定側
電極28ａ及び可動側ホルダー１４のネジ部をもって外部
導体と接続される。絶縁筒１５の内面には、遮断時の金
属蒸気等の飛散を防ぐシールド９が設けられ、また、可
動側端板１１ｂと可動側ホルダー１４の間には摺動部分
を支えるためのガイド１３が設けられる。可動側シール
ド１０と可動側端板11ｂの間には、べローズ１２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
１４を上下させ、固定側電極28ａと可動側電極28ｂを開
閉させることが出来る。

【００３７】実施例４で得られた電極を7.2kV,12.5kA用
真空バルブに搭載し、遮断試験を行った。本実施例の電
気接点を用いた場合には200%で遮断不能になったが、優
れた遮断性能が得られることが確認された。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、作製された焼結体の密
度が、加圧成形後の密度と比較して密度向上率5%以下と
なり、スパイラル溝を持つ羽根型の形状を所定の寸法通
りに保ったままで電極部を得ることができ、焼結後の機
械加工による溝の再調整が不要となり、加工時間が大幅
に短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る焼結電極の斜視図。

【図２】 本発明に係る電極の製造方法を表す図。

【図３】 耐火性金属の粒度分布を示す線図。

【図４】 高導電性金属の粒度分布を示す線図。

【図５】 電極の種々の場所における密度向上率を示す
図。

【図６】 密度向上率と高導電性金属の粒径との関係を
示す図。

【図７】 密度向上率と焼結温度との関係を示す図。

【図８】 本発明に係る真空遮断器用電極の正面図と断
面図。

【図９】 本発明に係る真空遮断器用電極の正面図。

【図１０】 本発明に係る真空遮断器用電極の正面図。

【図１１】 本発明に係る真空遮断器の断面図。

【符号の説明】

1…スパイラル溝、2…焼結電極、3…成形体、4…黒鉛皿
(下)、5…黒鉛皿(上)、6…スペーサ、10…可動側シール
ド、11ａ…固定側端板、11ｂ…可動側端板、12…べロー
ズ、13…ガイド、14…可動側ホルダー、21…Cu-25%Cr成
形体、21a…Cu-25%Cr層、21b…Cu層、22…スリット溝、
23…ステンレス補強板、23ａ…固定側電極棒、23ｂ…可
動側電極棒、24…Cu電極棒、25…電気接点、27ａ…固定
側接点、27ｂ…可動側接点、28ａ…固定側電極、28ｂ…
可動側電極、29…シールド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 5/02 Ｃ２２Ｃ 5/02 5/06 5/06 Ｃ 9/00 9/00 Ｈ０１Ｈ 33/66 Ｈ０１Ｈ 33/66 Ｂ Ｄ (72)発明者 馬場 昇 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 将人 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所電機システム事業部内 (72)発明者 後藤 芳友 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所電機システム事業部内 (72)発明者 鈴木 安昭 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所電機システム事業部内 (72)発明者 湖口 義雄 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所電機システム事業部内 Ｆターム(参考） 4K018 AA02 AA04 BA01 BA02 BA03 BA09 BA20 BB04 CA02 DA31 KA37 5G026 BA07 BB02 BB14 BC09 CB02 DA01 5G050 AA04 AA12 AA13 AA17 AA20 AA25 AA27 AA36 AA38 AA43 AA46 AA47 AA48 AA51 AA54 BA10 CA01 DA03 EA02

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】耐火性金属粒子と、該粒子の平均粒径より
   大きい平均粒径を有する高導電性金属粒子とを有する焼
   結体から成ることを特徴とする真空遮断器用電極。
2. 【請求項２】粒径105μm以下のものが50重量%以上及び
   粒径105μmを越えるものが50重量%未満である耐火性金
   属粒子と、粒径75μm以上のものが50重量%以上及び粒径
   75μm未満のものが50重量%未満である高導電性金属粒子
   とを有する焼結体から成ることを特徴とする真空遮断器
   用電極。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記耐火性金属
   が、Cr、W、Mo、Ta、Nb、Be、Hf、Ir、Pt、Zr、Ti、T
   e、Si、Rh及びRuの1種又は2種以上の混合物、又は合金
   からなることを特徴とする真空遮断器用電極。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、前記高
   導電性金属が、Cu,Au及びAgの１種又は２種以上の合金
   から成ることを特徴とする真空遮断器用電極。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記耐
   火性金属20%〜70重量%と30%〜80重量%の高導電性金属と
   を有することを特徴とする真空遮断器用電極。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、複数本
   のスパイラル溝と、該溝によって区画された羽根型部
   と、該羽根型部を互いに中央部で一体に連結した円形部
   とを有することを特徴とする真空遮断器用電極。
7. 【請求項７】耐火性金属の粉末と該粉末の平均粒径より
   大きい平均粒径を有する高導電性金属粉末との混合粉末
   を加圧成形し、次いで加熱焼結することを特徴とする真
   空遮断器用電極の製造方法。
8. 【請求項８】粒径105μm以下のものが50重量%以上及び
   粒径105μmを越えるものが50重量％未満である耐火性金
   属の粉末と、粒径106μm以上のものが50重量%以上及び
   粒径10６μm未満のものが50重量％未満である高導電性
   金属の粉末との混合粉末を加圧成形し、次いで加熱焼結
   することを特徴とする真空遮断器用電極の製造方法。
9. 【請求項９】請求項７〜９のいずれかにおいて、前記混
   合粉末を、所望形状に180〜800MPaで加圧成形し、次い
   で700℃〜950℃の温度で、還元性雰囲気又は非酸化性雰
   囲気中で加熱焼結することを特徴とする真空遮断器用電
   極の製造方法。
10. 【請求項１０】請求項７〜９のいずれかにおいて、前記
    耐火性金属粉末は、その粒径が150μm以下、酸素が50pp
    m〜2000ppm、Alが50ppm〜3000ppm、Siが10ppm〜2500ppm
    であることを特徴とする真空遮断器用電極の製造方法。
11. 【請求項１１】請求項７〜１０のいずれかにおいて、前
    記高導電性金属の粉末が、電解粉又はアトマイズ粉であ
    ることを特徴とする真空遮断器用電極の製造方法。
12. 【請求項１２】請求項７〜１１のいずれかにおいて、前
    記加圧成形体は、複数本のスパイラル溝と、該溝によっ
    て区画された羽根型部と、該羽根型部を互いに中央部で
    一体に連結した円形部とを有することを特徴とする真空
    遮断器用電極の製造方法。
13. 【請求項１３】真空容器内に一対の固定側電極と可動側
    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１〜６のいずれ
    かに記載の電極からなることを特徴とする真空バルブ。
14. 【請求項１４】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、該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１３に記載の真空バルブからなることを特徴とする
    真空遮断器。