接合構造、電気接点、その製造方法
【課題】部材同士を低コストでろう材を用いずに接合する。
【解決手段】複数の部材と、金属を含む粉末を前記複数の部材にわたって付着堆積させた付着堆積層とを備え、前記複数の部材と前記付着堆積層との熱的・機械的合金化による結合を介して、前記複数の部材を接合する。また、前記基材は高伝導性金属からなり、前記非接合部材はカップ形状で高伝導性金属からなり、前記付着堆積層は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属とを含む接点層であり、前記基材の一面と前記被接合部材のカップ形状の開放端部とが、前記熱的・機械的合金化により接合される。
【解決手段】複数の部材と、金属を含む粉末を前記複数の部材にわたって付着堆積させた付着堆積層とを備え、前記複数の部材と前記付着堆積層との熱的・機械的合金化による結合を介して、前記複数の部材を接合する。また、前記基材は高伝導性金属からなり、前記非接合部材はカップ形状で高伝導性金属からなり、前記付着堆積層は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属とを含む接点層であり、前記基材の一面と前記被接合部材のカップ形状の開放端部とが、前記熱的・機械的合金化により接合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空遮断器、真空スイッチギヤ、ガス絶縁スイッチギヤ等に用いられる電力開閉器用の接合構造、電気接点、製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中で電流を遮断する電力開閉機器は、電気接点を内蔵し、真空封止された容器である真空バルブを備える。電気接点は焼結法や溶浸法などの製造プロセスによって作製され、必要に応じて機械加工される。この電気接点は通電部材とろう付け（一次接合）された後、真空バルブを構成する容器内に組み入れた状態で、真空中において容器をろう付け封止（二次接合）することによって、電気接点は真空バルブ内に内蔵される。このように、一般に電気接点の製造プロセスにおいて、ろう付け工程は通電部材との接合と真空封止接合の少なくとも２段階以上の工程数を要しており、電気接点を含めた真空バルブの製造には多大なコストが費やされる。
【０００３】
また、電気接点と通電部材とのろう付けに不備があると、稼働中に電気接点が脱落したり、電流遮断時のアーク加熱あるいは通電中のジュール加熱によってろう材が揮散することで電気的性能が低下したり、製品信頼性が低下する。したがって、ろう付けの中でも一次ろう付けには高い信頼性が求められ、接合部近傍において適正なろう材量を保持するための部位・形状を設けるなど、健全なろう付け状態を得るための形状上の工夫がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５７６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の特許文献１は、ろう付け部の形状を適正化することでろう付け健全性の向上を図っている。しかし、ろう材を用いる限り、その加熱揮散により接合信頼性が低下する可能性がある。また、焼結法や溶浸法による電気接点の製造工程が多大な熱エネルギーを要するため、接点のプロセス自体がコスト増大の要因となっている。
【０００６】
本発明の目的は、部材同士を低コストでろう材を用いずに接合することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の接合構造は、複数の部材と、金属を含む粉末を前記複数の部材にわたって付着堆積させた付着堆積層とを備え、前記複数の部材と前記付着堆積層との熱的・機械的合金化による結合を介して、前記複数の部材を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、部材同士を低コストでろう材を用いずに接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る接合構造の断面図。
【図２】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図３】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図４】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図５】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図６】本発明に係る電気接点の構造の断面図。
【図７】本発明に係る接点層の斜視図と他の電気接点の構造の断面図。
【図８】本発明に係る他の電気接点の構造の断面図。
【図９】本発明に係る電気接点に用いる基材の平面図。
【図１０】本発明に係る複数組成の接点層を有する電気接点の構造の断面図。
【図１１】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図１２】第２実施例に係る真空バルブの構造を表わす断面図。
【図１３】第３実施例に係る真空遮断器の構造を表わす断面図。
【図１４】第３実施例に係る負荷開閉器の構造を表わす断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る接合構造の断面図を、図１および図２に示す。図１および図２において、１は被接合部材、２は基材、３は付着堆積層、４は基材２に設けられた貫通孔、５は被接合部材１に設けられた凸部である。
【００１１】
図１に示す第１の構造は、基材２の貫通孔４と被接合部材１の凸部５とを嵌め合わせる。凸部５の先端の表面は、基材２の表面より突出していても（Ｘ＞Ｙ）、同一平面上にあっても（Ｘ＝Ｙ）、基材２の表面より窪んでいても（Ｘ＜Ｙ）よい。以下の構造についても同様である。また、被接合部材１と基材２とは、図のような被接合部材１の軸中心で嵌合していなくても良い。被接合部材１と基材２とが接触する部分を嵌合部とし、その嵌合部に付着堆積層３を形成する。基材２と凸部５（被接合部材１）の両部材にわたって、金属を含む粉末を付着堆積させることによって、この付着堆積層３を基材２並びに被接合部材１と接触させるように形成し、熱的・機械的合金化による結合を介して、基材２と被接合部材１を接合することができる。
【００１２】
また、図２に示す第２の構造は、被接合部材１上に基材２を載置し、基材２の貫通孔４と被接合部材１の平坦部とを重ね合わせ、貫通孔４を充填するように金属を含む粉末を付着堆積させる。これによって、付着堆積層３の基材２並びに被接合部材１との熱的・機械的合金化による結合を介して、基材２と被接合部材１を接合するものである。被接合部材１は基材２との接触面が平坦でなく、貫通孔４がさらに下方へ伸びるように窪んでいても良い。これらの構造により、比較的低融点で耐熱性の低いろう材などを用いることなく、基材２と被接合部材１の接合が可能となる。接合した後、基材２表面において突起部となる付着堆積層３を機械加工等で除去し、基材２の表面を平坦化しても接合状態を維持することができる。
【００１３】
また、図３に示すように、凸部５の突出部表面粗さを粗くしたり、微小な凹凸を設けることにより、凸部５と付着堆積層３との間での機械的結合（いわゆるアンカー効果）あるいは接触面積を増大することができ、より強固な結合を得ることができる。
【００１４】
また、図４に示すように、付着堆積層３と接触する被接合部材１の表面を、図３と同様に荒らしたり微小凹凸を設けてもよく、図４および図５に示すように、基材２の貫通孔４にテーパやＲ部を設けると付着堆積層３と被接合部材１との結合がより強固になる。
【００１５】
上記の接合構造を利用した本発明の電気接点の構造の断面図を、図６および図８に示す。図６および図８において、１は高伝導性金属からなるカップ形状あるいは棒状の被接合部材、２は高伝導性金属からなる基材、６は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属を含み付着堆積層３からなる接点層、７は被接合部材１と基材２の間の空間を補強するための支持部材、８は支持部材７と被接合部材１並びに基材２の間に載置されるろう材、９は被接合部材１と基材２の重ね合わせ部に設けられた位置決めのための段差である。
【００１６】
図６および図８それぞれにおいて、（ａ）は上記接合構造のうちの図１に示した第１の構造により接合する電気接点１００および３００、（ｂ）は図２に示した第２の構造により接合する電気接点２００および４００である。いずれの場合にも付着堆積層３が接点層６を兼ねることによって、被接合部材１と基材２との接合、並びに基材２上への接点層３の形成が、上述の接合機構により一つの工程で同時に達成でき、低コストの電気接点の製造、ろう材を用いない接点周辺部材の接合が可能となる。
【００１７】
なお、支持部材７の上下に載置されるろう材８は、後の真空バルブの封止ろう付け過程において溶融し、支持部材７のろう付け固定に用いられるもので、接点層６の裏面中央に配されるため、稼働中の温度上昇に伴うろう材揮散の影響は小さく、支持部材７の固定に支障がなければ省いてもよい。また、基材２に設けられた段差９は、被接合部材１との位置決め精度に支障がなければ省いてもよい。さらに、図６の構造をもつ電気接点１００および２００において、用いる基材２の貫通孔４の形状は、図９（ａ）の平面図に示すような円形で複数の貫通孔４を周方向に均等に設けるほか、図９（ｂ）の平面図に示すような円周に沿った長尺孔としてもよい。これにより接合部寸法が増し、接合強度と通電性の向上に有利となる。
【００１８】
また、図８の構造をもつ電気接点３００および４００において、基材２と被接合部材１が接する部分（貫通孔４と凸部５、あるいは被接合部材１と基材２の重ね合わせ部）にネジ部を設け、基材２と被接合部材１をネジ締結しておくことにより、後述する接点層６の形成過程における基材２の傾きや脱落を防止することができる。さらに、図６の構造をなす電気接点１００および２００は、図７に示す構造とすることもできる。すなわち、高伝導性金属からなる網を基材２とし、その上に接点層６を形成する。この際、平坦面に離型剤を塗布した硬質な土台の上に網を置き、その上から粉末を付着堆積させて接点層６を形成する。この接点層６の外径は、カップ形状の被接合部材１の内径より小さくする。網状の基材２と接点層６が一体化した接点層１１００を、被接合部材１およびろう材８を配した支持部材７の上に載置し、網状の基材２と被接合部材１が重なる外周部に対して粉末を付着堆積させて締結する（１２００）。この構造では基材２が堆積の小さな網状のため、電気接点１２００を軽量化でき、使用材料の削減にもつながる。
【００１９】
本発明の電気接点は、被接合部材１および基材２、あるいは接点層６の一部を構成する高伝導性金属が、ＣｕまたはＡｇあるいはそれらを主成分とする合金である。これにより、通電に伴う電気接点の温度上昇を抑制し、互いに接触し合う接点層６どうしの溶着を妨げるとともに、良好な通電性能を確保することができる。また、接点層６の一部を構成する耐火性の金属あるいは化合物を、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、ＷＣのうちの少なくとも１種以上とするものである。これにより、電気接点として必要な耐電圧特性（耐アーク性）や電流遮断特性などを発現することができる。さらに、接点層６をなす付着堆積層３は、粒径が７５μｍ以下で、前記の耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属の粉末（以下、原料粉と記す）で構成されるものである。これにより、緻密な付着堆積層３が得られるとともに、嵌合部の周囲（図１）あるいは貫通孔４の内部（図２）に対して効率的に原料粉を堆積充填することが可能となり、良好な接合状態が得られる。原料粉の粒径が概ね７５μｍを超えると粉末粒子の重量が大きくなり、原料粉を付着堆積させるために必要な衝突速度が得られず、また、堆積する粒子間に隙間が形成されやすくなるため、緻密な付着堆積層３が得られない。
【００２０】
図１０は、径方向に組成の異なる複数の接点層を環状に配した場合の、本発明の電気接点の構造の断面図である。図１０において、４７は接点層６と組成の異なる第２の接点層、４８は接点層６および４７いずれとも組成の異なる第３の接点層である。図１０（ａ）は２種類の接点層６および４７が中心軸対称に環状に設けられた電気接点８００、図１０（ｂ）は３種類の接点層６、４７および４８が中心軸対称に同心円状に設けられた電気接点９００、図１０（ｃ）は２種類の接点層６および４７が中心軸対称に環状に交互に設けられた電気接点１０００である。電気接点の電気的性能は、接点の組成により変化する。したがって、組成の異なる複数の接点層を有することによって複数の機能、例えば遮断性能や耐電圧性能、低サージ性などを併せ持つ電気接点を実現することができる。また、この複数組成の接点層を有する電気接点は、図６（ａ）、（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）の構造にも同様に適用できる。なお、組成の異なる複数の接点層が、中心軸から外周へ向かって放射状に交互に配された電気接点も同様に実現可能である。
【００２１】
以上のような接合構造および電気接点は、基材２と被接合部材１との嵌合部あるいは重ね合わせ部位に対して、付着堆積層３を構成する原料粉を溶射や爆発圧縮成形などの方法により高速で衝突させ、粉末が塑性変形し、熱的・機械的合金化によって付着堆積させることで得られる。耐火性の金属あるいは化合物は、一般に比較的硬質なため、この粉末を高速で衝突させても塑性変形しにくく、目的とする部位に対してほとんど付着堆積しないが、比較的軟質の高伝導性金属の粉末を含むと、これが耐火性の金属あるいは化合物の粉末を巻き込みながら堆積するため、上記のように各々成分が異なる接点層６、４７、４８を得ることができる。この粉末を介した熱的・機械的合金化による２つの部材の接合は、図１１に示すような被接合部材１と通電部材４９との締結にも用いることができる。すなわち、被接合部材１と通電部材４９とを密着させて載置した状態で、その接触部の縁に沿って粉末を高速で衝突させ、付着堆積層３を形成することによって両者を締結することができ、これは図６（ｂ）や図７（ｂ）の場合にも適用できる。
【００２２】
さらに、付着堆積層３をもって形成される接点層６、４７、４８はそれぞれ、その厚さ方向（電気接点の開閉方向）において組成を段階的あるいは連続的に変化させることができる。例えば、接点層６、４７、４８を溶射により形成する際、供給する粉末の組成を段階的あるいは連続的に変化させることにより、接点層は厚さ方向に傾斜した組成となる。このとき、基材２側を基材２と密着性の高い高伝導性金属が多い組成とし、接点層６、４７、４８の表面側を耐火性の金属あるいは化合物が多い組成とすることで、基材２との密着性に優れ、十分な耐電圧特性を有する接点層６、４７、４８が得られる。
【００２３】
本発明に係る真空バルブは、真空容器内に一対の固定側接点及び可動側接点を備えるもので、少なくとも一方の接点に本発明の電気接点を有することにより、真空中での優れた電流遮断性能や耐電圧性能などを発現できる。
【００２４】
本発明に係る真空遮断器は、前記の真空バルブ内の固定側接点及び可動側接点の各々に真空バルブ外に接続された導体端子と、可動側接点を駆動する開閉手段とを備えるもので、この真空バルブが本発明に係る電気接点を有することで、真空遮断器として十分な機能を発揮することができる。
【００２５】
本発明に係る電力開閉器は、一対の電気接点のうちの一方が本発明の電気接点からなり、一対の電気接点を接触または開離させることにより、電流を通電または遮断する機構を備えたものである。これにより真空、不活性ガス、大気のいずれかの雰囲気中で十分な電流遮断性能など、電力開閉器としての性能を発揮することができる。
【００２６】
以下、発明を実施するための最良の形態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。
【実施例１】
【００２７】
図８および図１０（ａ）に示す構造で、接点層６が表１に示す組成（分析値）の電気接点３００、４００および８００を作製した。いずれも基材２は直径５４mm、厚さ５mm、貫通孔４の内径が１２mmで、基材２および被接合部材１は無酸素銅である。また、比較品として、貫通孔４をもたない基材２と凸部５をもたない被接合部材１とをＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系ろう材を用いてろう付けした電気接点も作製した。
【００２８】
まず、本実施例の電気接点３００および４００の作製方法について説明する。接点層６の組成がＣｕ−Ｃｒの場合（表１のＮo.１、Ｎo.２およびＮo.６）、原料粉には粒径範囲が２５〜７５μｍのＣｕ粉末およびＣｒ粉末を、表１に示す接点層６の組成が得られるように配合した混合粉を用いた。接点層６の組成がＡｇ−ＷＣの場合（表１のＮo.３およびＮo.４）、原料粉には粒径範囲が０.３〜４５μｍのＡｇ粉末およびＷＣ粉末を、表１に示す接点層６の組成が得られるように配合した混合粉を用いた。これらの混合粉を、基材２と被接合部材１とを組み合わせた状態で、基材２の表面にＡｒ＋Ｈ2混合ガスを用いて溶射し、衝突させて付着堆積させた。接点層６の組成が表１に示す範囲で連続的に変化したＮo.６では、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末それぞれの供給系統を別個に制御し、接点層６の厚さ方向の組成を基材側から表面側へ段階的または連続的に変化させた。基材２の表面に原料粉を厚さ約３mm堆積させた後、機械加工によって厚さ約２mmまで切削して、接点層６と基材２の合計厚さが約５mmの電気接点３００および４００を得た。
【００２９】
次に、本実施例の電気接点８００の作製方法（表１のＮo.５）について説明する。原料粉には上記の混合粉を用いた。まず、基材２と被接合部材１とを組み合わせた状態で、内径２５mmの穴のあいた遮蔽板（マスク）を通して、Ａｇ−ＷＣ混合粉を基材２の中央部表面にＡｒ＋Ｈ2混合ガスを用いて溶射し、衝突させて付着堆積させた。さらに、外径２５mmの遮蔽板（マスク）を基材２の中央に配した状態で、Ｃｕ−Ｃｒ混合粉を同様に溶射して付着堆積させた。その後、上記と同様の機械加工を施し、内周側（約２５mm径）にＡｇ−ＷＣの接点層６、外周側にＣｕ−Ｃｒの接点層４７を有する電気接点８００を得た。
【００３０】
次に、比較品のうち、図８（ａ）の接合構造をもち、原料粉の粒径範囲が本実施例と異なるＮo.９およびＮo.１０の電気接点３００の作製方法について説明する。原料粉には、粒径範囲が４５〜１０５μｍおよび８０〜１５０μｍのＣｕ粉末とＣｒ粉末の混合粉を用いた。この混合粉を、上記の本実施例と同様の方法で基材２の表面に溶射した後、機械加工によって表面を切削して、接点層６と基材２の合計厚さが約５mmの電気接点３００を得た。
【００３１】
続いて、比較品のうち、基材２と被接合部材１とをろう付けにより接合した電気接点（Ｎo.７およびＮo.８）の作製方法について説明する。原料粉には、Ｎo.１〜Ｎo.５と同様のＣｕ−Ｃｒ混合粉およびＡｇ−ＷＣ混合粉を用いた。これらの混合粉を、上記の本発明品と同様の方法で貫通孔４をもたない基材２の表面に溶射した後、機械加工によって表面を切削して、接点層６の厚さを約２mmとした。この基材２の裏面と被接合部材１の平坦面（直径１２mm）の間にＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系ろう材（厚さ０.１mm）を載置し、真空加熱炉を用いて約３×１０-3Ｐａの真空中で９６０℃×１０分の加熱をして、接点層６を表面に有する基材２と被接合部材１とがろう付けされた電気接点を得た。
【００３２】
以上のように、本実施例に係る接合構造および製造方法により、接点層６の形成と他の部材との接合が同時に実施され、従来のろう付け法と同様の構造の電気接点が得られることが確認された。なお、本実施例における接点層６の形成には溶射法を用いたが、粉末を衝突させて付着堆積する方法であれば他の方法（例えば爆発圧縮成形など）でも同様の電気接点が得られる。
【００３３】
【表１】
【実施例２】
【００３４】
実施例１で作製した電気接点３００、４００および８００を用いて、真空遮断器における電流遮断機構部である真空バルブを作製した。図１２は、本実施例に係る真空バルブ５００の構造を示す断面図で、定格仕様は電圧２４ｋＶ、電流１２５０Ａ、遮断電流２５ｋＡである。図１２において、接点層６ａおよび６ｂ、基材２ａおよび２ｂ、被接合部材１ａおよび１ｂをもって、それぞれ３００、４００または８００の固定側電気接点および可動側電気接点を構成する。１０は遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐためにセラミック絶縁筒１６の内面に設けられるシールド、１１は可動側方向への金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シールド、１５はネジ部をもって外部導体と接続するための可動側ホルダー、１２ａ、１２ｂはそれぞれ固定側端板、可動側端板、１３は真空バルブ５００内を真空に保ったまま可動側ホルダー１５を上下させるためのべローズ、１４は可動側端板１２ｂと可動側ホルダー１５の間の摺動部分を支えるためのガイドである。
【００３５】
以上は比較的融点が低いろう材を用いて高真空中で接合され、内部が高真空に封止される。この真空封止ろう付けの方法は、次の通りである。これらの部材を図１２に示す状態で組み上げ、その際、接合を要する箇所に厚さ０.１mmの銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ系ろう材）を載置した。これを真空加熱炉中で約３×１０-3Ｐａの真空中、８２０℃×１２分の加熱をし、真空バルブ５００内を真空に保ったまま封止した。
【００３６】
得られた真空バルブ５００の端子間（被接合部材１ａと可動側ホルダー１５の間）の電気抵抗値を測定した結果を、表１に併せて示す。なお、この電気抵抗値は、真空バルブ５００内が真空であることによる自閉力によって接点層６ａおよび６ｂが閉じた（接触した）状態で測定したもので、電気接点３００、４００または８００を構成する各部材間の接合状態の目安となる。従来の接合方法であるろう付けによって作製した電気接点では、接点層６がＣｕ−Ｃｒの場合は１２.６μΩ（Ｎo.７）、Ａｇ−ＷＣの場合は１３.４μΩ（Ｎo.８）であった。これに比べ、図８（ａ）、（ｂ）それぞれの接合構造で作製した電気接点３００、４００または８００を内蔵した本実施例の真空バルブ５００（Ｎo.１〜Ｎo.４、およびＮo.６）は、いずれの接点層６の組成の場合も、ろう付けによって作製したＮo.７およびＮo.８よりも小さな値で、ろう材層を有さないため抵抗が小さい。特に傾斜組成をもつＮo.６は、ろう付けの場合（Ｎo.７）よりも抵抗は約５％小さくなった。図１０（ａ）の構造を有する電気接点８００（Ｎo.５）は、Ｎo.７とＮo.８との間の抵抗値を示した。一方、粒径が本実施例の範囲外である原料粉を用いた比較品の真空バルブ５００（Ｎo.９およびＮo.１０）では、従来のろう付け法によるＮo.７に比べて抵抗値が大きく、原料粉の粒径が大きくなるにつれて抵抗値が大きくなる傾向が見られた。Ｎo.９およびＮo.１０の接点層６および接合部周辺の断面組織を観察したところ気孔が多く見られ、この気孔は原料粉の粒径が大きくなるにつれて増す傾向が見られた。このことから、原料粉の粒径が大きいと接点層６の緻密化が不足し、これが抵抗値増大の要因となる。したがって、原料粉の粒径は本実施例の範囲にあることが望ましいことが確認された。
【００３７】
以上のように、本実施例に係る電気接点がろう材を用いることなく健全な接合状態を有し、従来のろう付け法と同等の電気的性能が得られることが確認された。
【実施例３】
【００３８】
実施例２で作製した真空バルブ５００を、図１３に示す構造の真空遮断器６００に組込んだ。真空遮断器６００は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ５００を支持する３相一括型の３組のエポキシ筒１７を配置した構造である。真空バルブ５００は、絶縁操作ロッド１８を介して、操作機構によって開閉される。遮断器が閉路状態の場合、電流は上部端子１９、電気接点３００、４００または８００、集電子２０、下部端子２１を流れる。電極間の接触力は、絶縁操作ロッド１８に装着された接触バネ２２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２３およびプロップ２４で保持されている。投入コイル３２を励磁すると開路状態からプランジャ２５がノッキングロッド２６を介してローラ２７を押し上げ、主レバー２８を回して電極間を閉じたあと、支えレバー２３で保持している。遮断器が引き外し自由状態では、引き外しコイル２９が励磁され、引き外しレバー３０がプロップ２４の係合を外し、主レバー２８が回って電極間が開かれる。遮断器が開路状態では、電極間が開かれたあと、リセットバネ３１によってリンクが復帰し、同時にプロップ２４が係合する。この状態で投入コイル３２を励磁すると閉路状態になる。なお、３３は排気筒である。
【００３９】
実施例１で作製した電気接点３００、４００および８００を内蔵した真空バルブ５００を、真空遮断器６００に組込む。この状態で遮断試験に供し、最大遮断電流とさい断電流を測定した結果を表１に併せて示す。本実施例のうち、Ｎo.１〜Ｎo.４およびＮo.６は、従来のろう付けで接合されたＣｕ−Ｃｒ、Ａｇ−ＷＣそれぞれの接点層６を有するＮo.７、Ｎo.８と比べて、最大遮断電流、さい断電流とも同等の値を有し、実用的な性能を有することが確認された。また、複数組成の接点層６および４７を有するＮo.５は、最大遮断電流とさい断電流の値がＮo.７とＮo.８との中間値を示し、遮断性能と低サージ性を併せ持つ電気的特性を有することが確認された。
【００４０】
続いて、実施例２で作製した真空バルブ５００を、真空遮断器６００以外の真空開閉装置に搭載した。図１４は、実施例２で作製した真空バルブ５００を搭載した負荷開閉器７００である。
【００４１】
この負荷開閉器は、主回路開閉部に相当する真空バルブ５００が、真空封止された外側真空容器３４内に複数対収納されたものである。外側真空容器３４は、上部板材３５と下部板材３６及び側部板材３７を備え、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、設備本体とともに設置されている。
【００４２】
上部板材３５には、上部貫通孔３８が形成されており、各上部貫通孔３８の縁には環状の絶縁性上部ベース３９が各上部貫通孔３８を覆うように固定されている。そして、各上部ベース３９の中央に形成された円形空間部には、円柱状の可動側電極棒４６ｂ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３８は上部ベース３９と可動側電極棒４６ｂによって閉塞されている。
【００４３】
可動側電極棒４６ｂの軸方向端部（上部側）は、外側真空容器３４の外部に設置される操作器（電磁操作器）に連結されるようになっている。また、上部板材３５の下部側には、各上部貫通孔３８の縁に沿って外側ベローズ４０が往復動（上下動）自在に配置されており、各外側ベローズ４０は、軸方向の一端側が上部板材３５の下部側に固定され、軸方向の他端側が各可動側電極棒４６ｂの外周面に装着されている。すなわち、外側真空容器３４を密閉構造とするために、各上部貫通孔３８の縁には各可動側電極棒４６ｂの軸方向に沿って外側ベローズ４０が配置されている。また、上部板材３５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３４内が真空排気されるようになっている。
【００４４】
一方、下部板材３６には下部貫通孔４１が形成されており、各下部貫通孔４１の縁には絶縁性ブッシング４２が各下部貫通孔４１を覆うように固定されている。各絶縁性ブッシング４２の底部には、環状の絶縁性下部ベース４３が固定されている。そして、各下部ベース４３の中央の円形空間部には、円柱状の固定側電極棒４６ａが挿入されている。すなわち、下部板材３６に形成された下部貫通孔４１は、それぞれ絶縁性ブッシング４２、下部ベース４３、及び固定側電極棒４６ａによって閉塞されている。そして、固定側電極棒４６ａの軸方向の一端側（下部側）は、外側真空容器３４の外部に配置されたケーブル（配電線）に連結されるようになっている。
【００４５】
外側真空容器３４の内部には、負荷開閉器の主回路開閉部に相当する真空バルブ５００が収納されており、各可動側電極棒４６ｂは、２つの湾曲部を有するフレキシブル導体（可撓性導体）４４を介して互いに連結されている。このフレキシブル導体４４は、軸方向において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４４には貫通孔４５が形成されており、各貫通孔４５に各可動側電極棒４６ｂを挿入して互いに連結される。
【００４６】
以上のように、実施例２で作製した本発明に係る真空バルブは、真空遮断器や路肩設置変圧器用の負荷開閉器に適用可能であり、これ以外のスイッチギヤなどの各種真空開閉装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１、１ａ、１ｂ 被接合部材
２、２ａ、２ｂ 基材
３ 付着堆積層
４、４５ 貫通孔
５ 凸部
６、６ａ、６ｂ 接点層
７ 支持部材
８ ろう材
９ 段差
１０ シールド
１１ 可動側シールド
１２ａ 固定側端板
１２ｂ 可動側端板
１３ べローズ
１４ ガイド
１５ 可動側ホルダー
１６ セラミック絶縁筒
１７ エポキシ筒
１８ 絶縁操作ロッド
１９ 上部端子
２０ 集電子
２１ 下部端子
２２ 接触バネ
２３ 支えレバー
２４ プロップ
２５ プランジャ
２６ ノッキングロッド
２７ ローラ
２８ 主レバー
２９ 引き外しコイル
３０ 引き外しレバー
３１ リセットバネ
３２ 投入コイル
３３ 排気筒
３４ 外側真空容器
３５ 上部板材
３６ 下部板材
３７ 側部板材
３８ 上部貫通孔
３９ 上部ベース
４０ 外側ベローズ
４１ 下部貫通孔
４２ 絶縁性ブッシング
４３ 下部ベース
４４ フレキシブル導体
４６ａ 固定側電極棒
４６ｂ 可動側電極棒
４７ 第２の接点層（接点層）
４８ 第３の接点層（接点層）
４９ 通電部材
１００、２００、３００、４００、８００、９００、１０００、１２００ 電気接点
５００ 真空バルブ
６００ 真空遮断器
７００ 負荷開閉器
１１００ 銅網上に形成した接点層（接点層）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空遮断器、真空スイッチギヤ、ガス絶縁スイッチギヤ等に用いられる電力開閉器用の接合構造、電気接点、製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中で電流を遮断する電力開閉機器は、電気接点を内蔵し、真空封止された容器である真空バルブを備える。電気接点は焼結法や溶浸法などの製造プロセスによって作製され、必要に応じて機械加工される。この電気接点は通電部材とろう付け（一次接合）された後、真空バルブを構成する容器内に組み入れた状態で、真空中において容器をろう付け封止（二次接合）することによって、電気接点は真空バルブ内に内蔵される。このように、一般に電気接点の製造プロセスにおいて、ろう付け工程は通電部材との接合と真空封止接合の少なくとも２段階以上の工程数を要しており、電気接点を含めた真空バルブの製造には多大なコストが費やされる。
【０００３】
また、電気接点と通電部材とのろう付けに不備があると、稼働中に電気接点が脱落したり、電流遮断時のアーク加熱あるいは通電中のジュール加熱によってろう材が揮散することで電気的性能が低下したり、製品信頼性が低下する。したがって、ろう付けの中でも一次ろう付けには高い信頼性が求められ、接合部近傍において適正なろう材量を保持するための部位・形状を設けるなど、健全なろう付け状態を得るための形状上の工夫がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５７６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の特許文献１は、ろう付け部の形状を適正化することでろう付け健全性の向上を図っている。しかし、ろう材を用いる限り、その加熱揮散により接合信頼性が低下する可能性がある。また、焼結法や溶浸法による電気接点の製造工程が多大な熱エネルギーを要するため、接点のプロセス自体がコスト増大の要因となっている。
【０００６】
本発明の目的は、部材同士を低コストでろう材を用いずに接合することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の接合構造は、複数の部材と、金属を含む粉末を前記複数の部材にわたって付着堆積させた付着堆積層とを備え、前記複数の部材と前記付着堆積層との熱的・機械的合金化による結合を介して、前記複数の部材を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、部材同士を低コストでろう材を用いずに接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る接合構造の断面図。
【図２】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図３】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図４】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図５】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図６】本発明に係る電気接点の構造の断面図。
【図７】本発明に係る接点層の斜視図と他の電気接点の構造の断面図。
【図８】本発明に係る他の電気接点の構造の断面図。
【図９】本発明に係る電気接点に用いる基材の平面図。
【図１０】本発明に係る複数組成の接点層を有する電気接点の構造の断面図。
【図１１】本発明に係る他の接合構造の断面図。
【図１２】第２実施例に係る真空バルブの構造を表わす断面図。
【図１３】第３実施例に係る真空遮断器の構造を表わす断面図。
【図１４】第３実施例に係る負荷開閉器の構造を表わす断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る接合構造の断面図を、図１および図２に示す。図１および図２において、１は被接合部材、２は基材、３は付着堆積層、４は基材２に設けられた貫通孔、５は被接合部材１に設けられた凸部である。
【００１１】
図１に示す第１の構造は、基材２の貫通孔４と被接合部材１の凸部５とを嵌め合わせる。凸部５の先端の表面は、基材２の表面より突出していても（Ｘ＞Ｙ）、同一平面上にあっても（Ｘ＝Ｙ）、基材２の表面より窪んでいても（Ｘ＜Ｙ）よい。以下の構造についても同様である。また、被接合部材１と基材２とは、図のような被接合部材１の軸中心で嵌合していなくても良い。被接合部材１と基材２とが接触する部分を嵌合部とし、その嵌合部に付着堆積層３を形成する。基材２と凸部５（被接合部材１）の両部材にわたって、金属を含む粉末を付着堆積させることによって、この付着堆積層３を基材２並びに被接合部材１と接触させるように形成し、熱的・機械的合金化による結合を介して、基材２と被接合部材１を接合することができる。
【００１２】
また、図２に示す第２の構造は、被接合部材１上に基材２を載置し、基材２の貫通孔４と被接合部材１の平坦部とを重ね合わせ、貫通孔４を充填するように金属を含む粉末を付着堆積させる。これによって、付着堆積層３の基材２並びに被接合部材１との熱的・機械的合金化による結合を介して、基材２と被接合部材１を接合するものである。被接合部材１は基材２との接触面が平坦でなく、貫通孔４がさらに下方へ伸びるように窪んでいても良い。これらの構造により、比較的低融点で耐熱性の低いろう材などを用いることなく、基材２と被接合部材１の接合が可能となる。接合した後、基材２表面において突起部となる付着堆積層３を機械加工等で除去し、基材２の表面を平坦化しても接合状態を維持することができる。
【００１３】
また、図３に示すように、凸部５の突出部表面粗さを粗くしたり、微小な凹凸を設けることにより、凸部５と付着堆積層３との間での機械的結合（いわゆるアンカー効果）あるいは接触面積を増大することができ、より強固な結合を得ることができる。
【００１４】
また、図４に示すように、付着堆積層３と接触する被接合部材１の表面を、図３と同様に荒らしたり微小凹凸を設けてもよく、図４および図５に示すように、基材２の貫通孔４にテーパやＲ部を設けると付着堆積層３と被接合部材１との結合がより強固になる。
【００１５】
上記の接合構造を利用した本発明の電気接点の構造の断面図を、図６および図８に示す。図６および図８において、１は高伝導性金属からなるカップ形状あるいは棒状の被接合部材、２は高伝導性金属からなる基材、６は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属を含み付着堆積層３からなる接点層、７は被接合部材１と基材２の間の空間を補強するための支持部材、８は支持部材７と被接合部材１並びに基材２の間に載置されるろう材、９は被接合部材１と基材２の重ね合わせ部に設けられた位置決めのための段差である。
【００１６】
図６および図８それぞれにおいて、（ａ）は上記接合構造のうちの図１に示した第１の構造により接合する電気接点１００および３００、（ｂ）は図２に示した第２の構造により接合する電気接点２００および４００である。いずれの場合にも付着堆積層３が接点層６を兼ねることによって、被接合部材１と基材２との接合、並びに基材２上への接点層３の形成が、上述の接合機構により一つの工程で同時に達成でき、低コストの電気接点の製造、ろう材を用いない接点周辺部材の接合が可能となる。
【００１７】
なお、支持部材７の上下に載置されるろう材８は、後の真空バルブの封止ろう付け過程において溶融し、支持部材７のろう付け固定に用いられるもので、接点層６の裏面中央に配されるため、稼働中の温度上昇に伴うろう材揮散の影響は小さく、支持部材７の固定に支障がなければ省いてもよい。また、基材２に設けられた段差９は、被接合部材１との位置決め精度に支障がなければ省いてもよい。さらに、図６の構造をもつ電気接点１００および２００において、用いる基材２の貫通孔４の形状は、図９（ａ）の平面図に示すような円形で複数の貫通孔４を周方向に均等に設けるほか、図９（ｂ）の平面図に示すような円周に沿った長尺孔としてもよい。これにより接合部寸法が増し、接合強度と通電性の向上に有利となる。
【００１８】
また、図８の構造をもつ電気接点３００および４００において、基材２と被接合部材１が接する部分（貫通孔４と凸部５、あるいは被接合部材１と基材２の重ね合わせ部）にネジ部を設け、基材２と被接合部材１をネジ締結しておくことにより、後述する接点層６の形成過程における基材２の傾きや脱落を防止することができる。さらに、図６の構造をなす電気接点１００および２００は、図７に示す構造とすることもできる。すなわち、高伝導性金属からなる網を基材２とし、その上に接点層６を形成する。この際、平坦面に離型剤を塗布した硬質な土台の上に網を置き、その上から粉末を付着堆積させて接点層６を形成する。この接点層６の外径は、カップ形状の被接合部材１の内径より小さくする。網状の基材２と接点層６が一体化した接点層１１００を、被接合部材１およびろう材８を配した支持部材７の上に載置し、網状の基材２と被接合部材１が重なる外周部に対して粉末を付着堆積させて締結する（１２００）。この構造では基材２が堆積の小さな網状のため、電気接点１２００を軽量化でき、使用材料の削減にもつながる。
【００１９】
本発明の電気接点は、被接合部材１および基材２、あるいは接点層６の一部を構成する高伝導性金属が、ＣｕまたはＡｇあるいはそれらを主成分とする合金である。これにより、通電に伴う電気接点の温度上昇を抑制し、互いに接触し合う接点層６どうしの溶着を妨げるとともに、良好な通電性能を確保することができる。また、接点層６の一部を構成する耐火性の金属あるいは化合物を、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、ＷＣのうちの少なくとも１種以上とするものである。これにより、電気接点として必要な耐電圧特性（耐アーク性）や電流遮断特性などを発現することができる。さらに、接点層６をなす付着堆積層３は、粒径が７５μｍ以下で、前記の耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属の粉末（以下、原料粉と記す）で構成されるものである。これにより、緻密な付着堆積層３が得られるとともに、嵌合部の周囲（図１）あるいは貫通孔４の内部（図２）に対して効率的に原料粉を堆積充填することが可能となり、良好な接合状態が得られる。原料粉の粒径が概ね７５μｍを超えると粉末粒子の重量が大きくなり、原料粉を付着堆積させるために必要な衝突速度が得られず、また、堆積する粒子間に隙間が形成されやすくなるため、緻密な付着堆積層３が得られない。
【００２０】
図１０は、径方向に組成の異なる複数の接点層を環状に配した場合の、本発明の電気接点の構造の断面図である。図１０において、４７は接点層６と組成の異なる第２の接点層、４８は接点層６および４７いずれとも組成の異なる第３の接点層である。図１０（ａ）は２種類の接点層６および４７が中心軸対称に環状に設けられた電気接点８００、図１０（ｂ）は３種類の接点層６、４７および４８が中心軸対称に同心円状に設けられた電気接点９００、図１０（ｃ）は２種類の接点層６および４７が中心軸対称に環状に交互に設けられた電気接点１０００である。電気接点の電気的性能は、接点の組成により変化する。したがって、組成の異なる複数の接点層を有することによって複数の機能、例えば遮断性能や耐電圧性能、低サージ性などを併せ持つ電気接点を実現することができる。また、この複数組成の接点層を有する電気接点は、図６（ａ）、（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）の構造にも同様に適用できる。なお、組成の異なる複数の接点層が、中心軸から外周へ向かって放射状に交互に配された電気接点も同様に実現可能である。
【００２１】
以上のような接合構造および電気接点は、基材２と被接合部材１との嵌合部あるいは重ね合わせ部位に対して、付着堆積層３を構成する原料粉を溶射や爆発圧縮成形などの方法により高速で衝突させ、粉末が塑性変形し、熱的・機械的合金化によって付着堆積させることで得られる。耐火性の金属あるいは化合物は、一般に比較的硬質なため、この粉末を高速で衝突させても塑性変形しにくく、目的とする部位に対してほとんど付着堆積しないが、比較的軟質の高伝導性金属の粉末を含むと、これが耐火性の金属あるいは化合物の粉末を巻き込みながら堆積するため、上記のように各々成分が異なる接点層６、４７、４８を得ることができる。この粉末を介した熱的・機械的合金化による２つの部材の接合は、図１１に示すような被接合部材１と通電部材４９との締結にも用いることができる。すなわち、被接合部材１と通電部材４９とを密着させて載置した状態で、その接触部の縁に沿って粉末を高速で衝突させ、付着堆積層３を形成することによって両者を締結することができ、これは図６（ｂ）や図７（ｂ）の場合にも適用できる。
【００２２】
さらに、付着堆積層３をもって形成される接点層６、４７、４８はそれぞれ、その厚さ方向（電気接点の開閉方向）において組成を段階的あるいは連続的に変化させることができる。例えば、接点層６、４７、４８を溶射により形成する際、供給する粉末の組成を段階的あるいは連続的に変化させることにより、接点層は厚さ方向に傾斜した組成となる。このとき、基材２側を基材２と密着性の高い高伝導性金属が多い組成とし、接点層６、４７、４８の表面側を耐火性の金属あるいは化合物が多い組成とすることで、基材２との密着性に優れ、十分な耐電圧特性を有する接点層６、４７、４８が得られる。
【００２３】
本発明に係る真空バルブは、真空容器内に一対の固定側接点及び可動側接点を備えるもので、少なくとも一方の接点に本発明の電気接点を有することにより、真空中での優れた電流遮断性能や耐電圧性能などを発現できる。
【００２４】
本発明に係る真空遮断器は、前記の真空バルブ内の固定側接点及び可動側接点の各々に真空バルブ外に接続された導体端子と、可動側接点を駆動する開閉手段とを備えるもので、この真空バルブが本発明に係る電気接点を有することで、真空遮断器として十分な機能を発揮することができる。
【００２５】
本発明に係る電力開閉器は、一対の電気接点のうちの一方が本発明の電気接点からなり、一対の電気接点を接触または開離させることにより、電流を通電または遮断する機構を備えたものである。これにより真空、不活性ガス、大気のいずれかの雰囲気中で十分な電流遮断性能など、電力開閉器としての性能を発揮することができる。
【００２６】
以下、発明を実施するための最良の形態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。
【実施例１】
【００２７】
図８および図１０（ａ）に示す構造で、接点層６が表１に示す組成（分析値）の電気接点３００、４００および８００を作製した。いずれも基材２は直径５４mm、厚さ５mm、貫通孔４の内径が１２mmで、基材２および被接合部材１は無酸素銅である。また、比較品として、貫通孔４をもたない基材２と凸部５をもたない被接合部材１とをＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系ろう材を用いてろう付けした電気接点も作製した。
【００２８】
まず、本実施例の電気接点３００および４００の作製方法について説明する。接点層６の組成がＣｕ−Ｃｒの場合（表１のＮo.１、Ｎo.２およびＮo.６）、原料粉には粒径範囲が２５〜７５μｍのＣｕ粉末およびＣｒ粉末を、表１に示す接点層６の組成が得られるように配合した混合粉を用いた。接点層６の組成がＡｇ−ＷＣの場合（表１のＮo.３およびＮo.４）、原料粉には粒径範囲が０.３〜４５μｍのＡｇ粉末およびＷＣ粉末を、表１に示す接点層６の組成が得られるように配合した混合粉を用いた。これらの混合粉を、基材２と被接合部材１とを組み合わせた状態で、基材２の表面にＡｒ＋Ｈ2混合ガスを用いて溶射し、衝突させて付着堆積させた。接点層６の組成が表１に示す範囲で連続的に変化したＮo.６では、Ｃｕ粉末とＣｒ粉末それぞれの供給系統を別個に制御し、接点層６の厚さ方向の組成を基材側から表面側へ段階的または連続的に変化させた。基材２の表面に原料粉を厚さ約３mm堆積させた後、機械加工によって厚さ約２mmまで切削して、接点層６と基材２の合計厚さが約５mmの電気接点３００および４００を得た。
【００２９】
次に、本実施例の電気接点８００の作製方法（表１のＮo.５）について説明する。原料粉には上記の混合粉を用いた。まず、基材２と被接合部材１とを組み合わせた状態で、内径２５mmの穴のあいた遮蔽板（マスク）を通して、Ａｇ−ＷＣ混合粉を基材２の中央部表面にＡｒ＋Ｈ2混合ガスを用いて溶射し、衝突させて付着堆積させた。さらに、外径２５mmの遮蔽板（マスク）を基材２の中央に配した状態で、Ｃｕ−Ｃｒ混合粉を同様に溶射して付着堆積させた。その後、上記と同様の機械加工を施し、内周側（約２５mm径）にＡｇ−ＷＣの接点層６、外周側にＣｕ−Ｃｒの接点層４７を有する電気接点８００を得た。
【００３０】
次に、比較品のうち、図８（ａ）の接合構造をもち、原料粉の粒径範囲が本実施例と異なるＮo.９およびＮo.１０の電気接点３００の作製方法について説明する。原料粉には、粒径範囲が４５〜１０５μｍおよび８０〜１５０μｍのＣｕ粉末とＣｒ粉末の混合粉を用いた。この混合粉を、上記の本実施例と同様の方法で基材２の表面に溶射した後、機械加工によって表面を切削して、接点層６と基材２の合計厚さが約５mmの電気接点３００を得た。
【００３１】
続いて、比較品のうち、基材２と被接合部材１とをろう付けにより接合した電気接点（Ｎo.７およびＮo.８）の作製方法について説明する。原料粉には、Ｎo.１〜Ｎo.５と同様のＣｕ−Ｃｒ混合粉およびＡｇ−ＷＣ混合粉を用いた。これらの混合粉を、上記の本発明品と同様の方法で貫通孔４をもたない基材２の表面に溶射した後、機械加工によって表面を切削して、接点層６の厚さを約２mmとした。この基材２の裏面と被接合部材１の平坦面（直径１２mm）の間にＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ系ろう材（厚さ０.１mm）を載置し、真空加熱炉を用いて約３×１０-3Ｐａの真空中で９６０℃×１０分の加熱をして、接点層６を表面に有する基材２と被接合部材１とがろう付けされた電気接点を得た。
【００３２】
以上のように、本実施例に係る接合構造および製造方法により、接点層６の形成と他の部材との接合が同時に実施され、従来のろう付け法と同様の構造の電気接点が得られることが確認された。なお、本実施例における接点層６の形成には溶射法を用いたが、粉末を衝突させて付着堆積する方法であれば他の方法（例えば爆発圧縮成形など）でも同様の電気接点が得られる。
【００３３】
【表１】
【実施例２】
【００３４】
実施例１で作製した電気接点３００、４００および８００を用いて、真空遮断器における電流遮断機構部である真空バルブを作製した。図１２は、本実施例に係る真空バルブ５００の構造を示す断面図で、定格仕様は電圧２４ｋＶ、電流１２５０Ａ、遮断電流２５ｋＡである。図１２において、接点層６ａおよび６ｂ、基材２ａおよび２ｂ、被接合部材１ａおよび１ｂをもって、それぞれ３００、４００または８００の固定側電気接点および可動側電気接点を構成する。１０は遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐためにセラミック絶縁筒１６の内面に設けられるシールド、１１は可動側方向への金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シールド、１５はネジ部をもって外部導体と接続するための可動側ホルダー、１２ａ、１２ｂはそれぞれ固定側端板、可動側端板、１３は真空バルブ５００内を真空に保ったまま可動側ホルダー１５を上下させるためのべローズ、１４は可動側端板１２ｂと可動側ホルダー１５の間の摺動部分を支えるためのガイドである。
【００３５】
以上は比較的融点が低いろう材を用いて高真空中で接合され、内部が高真空に封止される。この真空封止ろう付けの方法は、次の通りである。これらの部材を図１２に示す状態で組み上げ、その際、接合を要する箇所に厚さ０.１mmの銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ系ろう材）を載置した。これを真空加熱炉中で約３×１０-3Ｐａの真空中、８２０℃×１２分の加熱をし、真空バルブ５００内を真空に保ったまま封止した。
【００３６】
得られた真空バルブ５００の端子間（被接合部材１ａと可動側ホルダー１５の間）の電気抵抗値を測定した結果を、表１に併せて示す。なお、この電気抵抗値は、真空バルブ５００内が真空であることによる自閉力によって接点層６ａおよび６ｂが閉じた（接触した）状態で測定したもので、電気接点３００、４００または８００を構成する各部材間の接合状態の目安となる。従来の接合方法であるろう付けによって作製した電気接点では、接点層６がＣｕ−Ｃｒの場合は１２.６μΩ（Ｎo.７）、Ａｇ−ＷＣの場合は１３.４μΩ（Ｎo.８）であった。これに比べ、図８（ａ）、（ｂ）それぞれの接合構造で作製した電気接点３００、４００または８００を内蔵した本実施例の真空バルブ５００（Ｎo.１〜Ｎo.４、およびＮo.６）は、いずれの接点層６の組成の場合も、ろう付けによって作製したＮo.７およびＮo.８よりも小さな値で、ろう材層を有さないため抵抗が小さい。特に傾斜組成をもつＮo.６は、ろう付けの場合（Ｎo.７）よりも抵抗は約５％小さくなった。図１０（ａ）の構造を有する電気接点８００（Ｎo.５）は、Ｎo.７とＮo.８との間の抵抗値を示した。一方、粒径が本実施例の範囲外である原料粉を用いた比較品の真空バルブ５００（Ｎo.９およびＮo.１０）では、従来のろう付け法によるＮo.７に比べて抵抗値が大きく、原料粉の粒径が大きくなるにつれて抵抗値が大きくなる傾向が見られた。Ｎo.９およびＮo.１０の接点層６および接合部周辺の断面組織を観察したところ気孔が多く見られ、この気孔は原料粉の粒径が大きくなるにつれて増す傾向が見られた。このことから、原料粉の粒径が大きいと接点層６の緻密化が不足し、これが抵抗値増大の要因となる。したがって、原料粉の粒径は本実施例の範囲にあることが望ましいことが確認された。
【００３７】
以上のように、本実施例に係る電気接点がろう材を用いることなく健全な接合状態を有し、従来のろう付け法と同等の電気的性能が得られることが確認された。
【実施例３】
【００３８】
実施例２で作製した真空バルブ５００を、図１３に示す構造の真空遮断器６００に組込んだ。真空遮断器６００は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ５００を支持する３相一括型の３組のエポキシ筒１７を配置した構造である。真空バルブ５００は、絶縁操作ロッド１８を介して、操作機構によって開閉される。遮断器が閉路状態の場合、電流は上部端子１９、電気接点３００、４００または８００、集電子２０、下部端子２１を流れる。電極間の接触力は、絶縁操作ロッド１８に装着された接触バネ２２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２３およびプロップ２４で保持されている。投入コイル３２を励磁すると開路状態からプランジャ２５がノッキングロッド２６を介してローラ２７を押し上げ、主レバー２８を回して電極間を閉じたあと、支えレバー２３で保持している。遮断器が引き外し自由状態では、引き外しコイル２９が励磁され、引き外しレバー３０がプロップ２４の係合を外し、主レバー２８が回って電極間が開かれる。遮断器が開路状態では、電極間が開かれたあと、リセットバネ３１によってリンクが復帰し、同時にプロップ２４が係合する。この状態で投入コイル３２を励磁すると閉路状態になる。なお、３３は排気筒である。
【００３９】
実施例１で作製した電気接点３００、４００および８００を内蔵した真空バルブ５００を、真空遮断器６００に組込む。この状態で遮断試験に供し、最大遮断電流とさい断電流を測定した結果を表１に併せて示す。本実施例のうち、Ｎo.１〜Ｎo.４およびＮo.６は、従来のろう付けで接合されたＣｕ−Ｃｒ、Ａｇ−ＷＣそれぞれの接点層６を有するＮo.７、Ｎo.８と比べて、最大遮断電流、さい断電流とも同等の値を有し、実用的な性能を有することが確認された。また、複数組成の接点層６および４７を有するＮo.５は、最大遮断電流とさい断電流の値がＮo.７とＮo.８との中間値を示し、遮断性能と低サージ性を併せ持つ電気的特性を有することが確認された。
【００４０】
続いて、実施例２で作製した真空バルブ５００を、真空遮断器６００以外の真空開閉装置に搭載した。図１４は、実施例２で作製した真空バルブ５００を搭載した負荷開閉器７００である。
【００４１】
この負荷開閉器は、主回路開閉部に相当する真空バルブ５００が、真空封止された外側真空容器３４内に複数対収納されたものである。外側真空容器３４は、上部板材３５と下部板材３６及び側部板材３７を備え、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、設備本体とともに設置されている。
【００４２】
上部板材３５には、上部貫通孔３８が形成されており、各上部貫通孔３８の縁には環状の絶縁性上部ベース３９が各上部貫通孔３８を覆うように固定されている。そして、各上部ベース３９の中央に形成された円形空間部には、円柱状の可動側電極棒４６ｂ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３８は上部ベース３９と可動側電極棒４６ｂによって閉塞されている。
【００４３】
可動側電極棒４６ｂの軸方向端部（上部側）は、外側真空容器３４の外部に設置される操作器（電磁操作器）に連結されるようになっている。また、上部板材３５の下部側には、各上部貫通孔３８の縁に沿って外側ベローズ４０が往復動（上下動）自在に配置されており、各外側ベローズ４０は、軸方向の一端側が上部板材３５の下部側に固定され、軸方向の他端側が各可動側電極棒４６ｂの外周面に装着されている。すなわち、外側真空容器３４を密閉構造とするために、各上部貫通孔３８の縁には各可動側電極棒４６ｂの軸方向に沿って外側ベローズ４０が配置されている。また、上部板材３５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３４内が真空排気されるようになっている。
【００４４】
一方、下部板材３６には下部貫通孔４１が形成されており、各下部貫通孔４１の縁には絶縁性ブッシング４２が各下部貫通孔４１を覆うように固定されている。各絶縁性ブッシング４２の底部には、環状の絶縁性下部ベース４３が固定されている。そして、各下部ベース４３の中央の円形空間部には、円柱状の固定側電極棒４６ａが挿入されている。すなわち、下部板材３６に形成された下部貫通孔４１は、それぞれ絶縁性ブッシング４２、下部ベース４３、及び固定側電極棒４６ａによって閉塞されている。そして、固定側電極棒４６ａの軸方向の一端側（下部側）は、外側真空容器３４の外部に配置されたケーブル（配電線）に連結されるようになっている。
【００４５】
外側真空容器３４の内部には、負荷開閉器の主回路開閉部に相当する真空バルブ５００が収納されており、各可動側電極棒４６ｂは、２つの湾曲部を有するフレキシブル導体（可撓性導体）４４を介して互いに連結されている。このフレキシブル導体４４は、軸方向において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４４には貫通孔４５が形成されており、各貫通孔４５に各可動側電極棒４６ｂを挿入して互いに連結される。
【００４６】
以上のように、実施例２で作製した本発明に係る真空バルブは、真空遮断器や路肩設置変圧器用の負荷開閉器に適用可能であり、これ以外のスイッチギヤなどの各種真空開閉装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１、１ａ、１ｂ 被接合部材
２、２ａ、２ｂ 基材
３ 付着堆積層
４、４５ 貫通孔
５ 凸部
６、６ａ、６ｂ 接点層
７ 支持部材
８ ろう材
９ 段差
１０ シールド
１１ 可動側シールド
１２ａ 固定側端板
１２ｂ 可動側端板
１３ べローズ
１４ ガイド
１５ 可動側ホルダー
１６ セラミック絶縁筒
１７ エポキシ筒
１８ 絶縁操作ロッド
１９ 上部端子
２０ 集電子
２１ 下部端子
２２ 接触バネ
２３ 支えレバー
２４ プロップ
２５ プランジャ
２６ ノッキングロッド
２７ ローラ
２８ 主レバー
２９ 引き外しコイル
３０ 引き外しレバー
３１ リセットバネ
３２ 投入コイル
３３ 排気筒
３４ 外側真空容器
３５ 上部板材
３６ 下部板材
３７ 側部板材
３８ 上部貫通孔
３９ 上部ベース
４０ 外側ベローズ
４１ 下部貫通孔
４２ 絶縁性ブッシング
４３ 下部ベース
４４ フレキシブル導体
４６ａ 固定側電極棒
４６ｂ 可動側電極棒
４７ 第２の接点層（接点層）
４８ 第３の接点層（接点層）
４９ 通電部材
１００、２００、３００、４００、８００、９００、１０００、１２００ 電気接点
５００ 真空バルブ
６００ 真空遮断器
７００ 負荷開閉器
１１００ 銅網上に形成した接点層（接点層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の部材と、金属を含む粉末を前記複数の部材にわたって付着堆積させた付着堆積層とを備え、前記複数の部材と前記付着堆積層との熱的・機械的合金化による結合を介して、前記複数の部材を接合することを特徴とする接合構造。
【請求項２】
前記複数の部材は、貫通孔を有する基材と、前記貫通孔に嵌合される凸部を有する被接合部材とを備えることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
【請求項３】
前記複数の部材は、貫通孔を有する基材と、前記基材が載置される被接合部材とを備え、前記貫通孔を充填するように前記付着堆積層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
【請求項４】
前記基材は高伝導性金属からなり、前記非接合部材はカップ形状で高伝導性金属からなり、前記付着堆積層は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属とを含む接点層であり、前記基材の一面と前記被接合部材のカップ形状の開放端部とが、請求項２又は３に記載の接合構造で接合されることを特徴とする電気接点。
【請求項５】
前記基材は高伝導性金属からなり、前記非接合部材は棒状で高伝導性金属からなり、前記付着堆積層は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属とを含む接点層であり、前記基材の一面と棒状の前記被接合部材の一端とが、請求項２又は３に記載の接合構造で接合されることを特徴とする電気接点。
【請求項６】
前記高伝導性金属はＣｕまたはＡｇあるいはそれらの合金であり、前記耐火性の金属あるいは化合物はＣｒ、Ｃｏ、Ｗ、ＷＣのうちの少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載の電気接点。
【請求項７】
前記接点層は、前記耐火性の金属あるいは化合物の粉末と前記高伝導性金属の粉末の粒径とが７５μｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の電気接点。
【請求項８】
前記接点層は、径方向において、同心円状に異なる組成で形成されることを特徴とする請求項４乃至７の何れかに記載の電気接点。
【請求項９】
前記接点層は、厚さ方向において、その組成が段階的あるいは連続的に変化することを特徴とする請求項４乃至８の何れかに記載の電気接点。
【請求項１０】
前記付着堆積層を構成する前記耐火性の金属あるいは化合物の粉末と前記高伝導性金属の粉末とを、前記基材と前記被接合部材とが嵌合される前記凸部あるいは前記貫通孔に対して高速で衝突させて、前記粉末の塑性変形を伴う熱的・機械的合金化によって付着堆積させることを特徴とする請求項４乃至９の何れかに記載の電気接点の製造方法。
【請求項１１】
真空容器内に一対の固定側接点及び可動側接点を備えた真空バルブにおいて、前記固定側接点及び可動側接点の少なくとも一方が、請求項４乃至９の何れかに記載の電気接点を有する真空バルブ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の真空バルブと、前記真空バルブ内の前記固定側接点及び可動側接点の各々に前記真空バルブ外に接続された導体端子と、前記可動側接点を駆動する開閉手段とを備えた真空遮断器。
【請求項１３】
一対の電気接点のうちの一方が請求項４乃至９の何れかに記載の電気接点からなり、真空、不活性ガス、大気のいずれかの雰囲気中で前記一対の電気接点を接触または開離させることにより、電流を通電または遮断する機構を備えた電力開閉器。
【請求項１】
複数の部材と、金属を含む粉末を前記複数の部材にわたって付着堆積させた付着堆積層とを備え、前記複数の部材と前記付着堆積層との熱的・機械的合金化による結合を介して、前記複数の部材を接合することを特徴とする接合構造。
【請求項２】
前記複数の部材は、貫通孔を有する基材と、前記貫通孔に嵌合される凸部を有する被接合部材とを備えることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
【請求項３】
前記複数の部材は、貫通孔を有する基材と、前記基材が載置される被接合部材とを備え、前記貫通孔を充填するように前記付着堆積層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
【請求項４】
前記基材は高伝導性金属からなり、前記非接合部材はカップ形状で高伝導性金属からなり、前記付着堆積層は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属とを含む接点層であり、前記基材の一面と前記被接合部材のカップ形状の開放端部とが、請求項２又は３に記載の接合構造で接合されることを特徴とする電気接点。
【請求項５】
前記基材は高伝導性金属からなり、前記非接合部材は棒状で高伝導性金属からなり、前記付着堆積層は耐火性の金属あるいは化合物と高伝導性金属とを含む接点層であり、前記基材の一面と棒状の前記被接合部材の一端とが、請求項２又は３に記載の接合構造で接合されることを特徴とする電気接点。
【請求項６】
前記高伝導性金属はＣｕまたはＡｇあるいはそれらの合金であり、前記耐火性の金属あるいは化合物はＣｒ、Ｃｏ、Ｗ、ＷＣのうちの少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項４又は５に記載の電気接点。
【請求項７】
前記接点層は、前記耐火性の金属あるいは化合物の粉末と前記高伝導性金属の粉末の粒径とが７５μｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の電気接点。
【請求項８】
前記接点層は、径方向において、同心円状に異なる組成で形成されることを特徴とする請求項４乃至７の何れかに記載の電気接点。
【請求項９】
前記接点層は、厚さ方向において、その組成が段階的あるいは連続的に変化することを特徴とする請求項４乃至８の何れかに記載の電気接点。
【請求項１０】
前記付着堆積層を構成する前記耐火性の金属あるいは化合物の粉末と前記高伝導性金属の粉末とを、前記基材と前記被接合部材とが嵌合される前記凸部あるいは前記貫通孔に対して高速で衝突させて、前記粉末の塑性変形を伴う熱的・機械的合金化によって付着堆積させることを特徴とする請求項４乃至９の何れかに記載の電気接点の製造方法。
【請求項１１】
真空容器内に一対の固定側接点及び可動側接点を備えた真空バルブにおいて、前記固定側接点及び可動側接点の少なくとも一方が、請求項４乃至９の何れかに記載の電気接点を有する真空バルブ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の真空バルブと、前記真空バルブ内の前記固定側接点及び可動側接点の各々に前記真空バルブ外に接続された導体端子と、前記可動側接点を駆動する開閉手段とを備えた真空遮断器。
【請求項１３】
一対の電気接点のうちの一方が請求項４乃至９の何れかに記載の電気接点からなり、真空、不活性ガス、大気のいずれかの雰囲気中で前記一対の電気接点を接触または開離させることにより、電流を通電または遮断する機構を備えた電力開閉器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−７３７０１（Ｐ２０１３−７３７０１Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１００８０（Ｐ２０１１−２１００８０）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]