真空バルブ用電気接点およびそれを用いた真空開閉機器
【課題】遮断性能の良い真空バルブ用電気接点、及び大容量化に対応可能な真空開閉機器を提供する。
【解決手段】本発明の電気接点は、接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する電気接点であって、前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含む焼結体よりなり、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含む焼結体からなり、前記接点層と前記高導電層の間にＣｒ炭化物が存在することを特徴とする。炭素繊維により高導電層の導電性を向上させるとともに、導電層と接点層との間にＣｒ炭化物が存在することにより、層間の剥離を防止する。
【解決手段】本発明の電気接点は、接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する電気接点であって、前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含む焼結体よりなり、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含む焼結体からなり、前記接点層と前記高導電層の間にＣｒ炭化物が存在することを特徴とする。炭素繊維により高導電層の導電性を向上させるとともに、導電層と接点層との間にＣｒ炭化物が存在することにより、層間の剥離を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空遮断器，真空スイッチギヤ等に用いられる新規な真空バルブ用電気接点に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空遮断器等，真空を媒体とした電流開閉機器は、環境への影響が小さいことから、ガス遮断器等への代替が進められている。その場合、真空遮断器等では大容量化（大電流の遮断性能）が求められている。
【０００３】
一般の真空開閉機器では、Ｃｒ−Ｃｕ系の電気接点が用いられる。大電流遮断のための電気接点部材は、通電容量を大きくし、良好な熱伝導を保つため、高密度であることが必要である。また、通電ジュール熱により接点同士が溶着した際の引離し力を小さくするため、接点部材強度は小さいことが望ましい。例えば特開２００５−１３５７７８号公報（特許文献１），特開２００６−１４００７３号公報（特許文献２），特開２００９−０７６２１８号公報（特許文献３）では、Ｃｒ−Ｃｕ系の高密度成形体を不活性雰囲気中で焼結するとともに、Ｔｅなどの低融点金属を添加することにより、高密度化と低強度化の両立を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３５７７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１４００７３号公報
【特許文献３】特開２００９−０７６２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気接点の接点面と反対の側にＣｕを主成分とする高導電層を設けると、高電気伝導化を図ることが可能となる。電気抵抗は小さくなり、通電容量を更に大きくし、発生ジュール熱量を抑えるために有効である。
【０００６】
電気接点を焼結製法により製造した場合、ニアネット成形により後加工を不要とすることができ、製造の容易化が可能であり、量産がしやすい。しかしながら、焼結製法で製造された高導電層には少なからず気孔等の欠陥が存在するため、Ｃｕインゴット（溶製材）並みの導電率は得られにくい。また、接点層と高導電層の界面の剥離を抑制するために、熱変形を吸収するための溝を設けるなどの形状上の対策が必要で、生産性が低下する恐れがある。
【０００７】
したがって本発明の目的は、二層以上からなる電気接点において、従来よりも電気・熱伝導性に優れた高導電層とするとともに、二層間の剥離を抑制し、大容量化に対応可能な電気接点を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
通常、電気接点は円盤形状を有する。本発明の電気接点は厚さ方向に少なくとも２つの層、具体的には接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層からなるものである。前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含む。また、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含む。高導電層は、焼結により接点層側にＣｒ炭化物を生成している。
【０００９】
炭素繊維は、アスペクト比（繊維長さ／繊維径）が５０〜１５０で、かつ、繊維径は３００ｎｍ以下のものが好ましい。また、高導電層に含まれる炭素繊維の量は、０.１〜１.５重量％であることが好ましい。
【００１０】
接点層と高導電層の間には、接点層と高導電層の中間的な組成よりなる層（ＣｒとＣｕとＴｅを含む層）を設けてもよい。接点層と中間層との間に、前記Ｃｒ炭化物が存在する。
【００１１】
上記の電気接点は、固定側，可動側のいずれの電極として使用してもよい。接点層側が相対する電極に近接して配置され、高導電層は、導体に接続される。
【００１２】
上記の電気接点は、接点層をなす成分の粉末を所望の組成に配合し、接点層の混合粉末とし、同様に中間層をなす成分の混合粉末，高導電層をなす成分の混合粉末を用意し、これらを層状に成型容器内に入れて一体に加圧成型し、成型体を銅の融点以下で加熱焼結することにより提供される。加熱焼結は還元雰囲気中あるいは不活性雰囲気中で行う。
【００１３】
本願でいう電極とは、電気接点の高導電層の面に一体に接合された電極棒を有する部材である。本願でいう真空バルブとは、真空容器内に一対の電極（固定側電極および可動側電極）を備えたものである。さらに、本願でいう真空遮断器は、真空容器内に一対の電極（固定側電極および可動側電極）を備えた真空バルブを有し、真空バルブ内の固定側電極および可動側電極の各々に接続され、バルブ外に引き出された導体端子と、前記可動側電極を駆動する開閉手段とを備えたものである。本願でいう真空開閉機器とは、真空バルブを導体によって複数接続し、可動側電極を駆動する開閉手段を備えたものである。上記の一対の電極のうち、少なくともいずれか一方を上述の炭素繊維を含む電極とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記の本発明によれば、容易、安価に製造可能、かつ、大容量化の可能な電気接点を提供することができ、真空バルブ，真空遮断器等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電気接点および電極の構造を示す図。
【図２】真空バルブの構造を示す図。
【図３】真空遮断器の構造を表す図。
【図４】路肩設置変圧器用負荷開閉器の構造を表す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の電気接点のさらに細部を説明する。電気接点は一般的に略円盤形状を有し、本発明は少なくとも厚さ方向に２つの層からなる電気接点部材を想定している。接点層をＣｒ−Ｃｕ系の合金とすることで、優れた遮断性能，耐電圧性能を有し、電気接点として必要な性能を満足することができる。接点面と反対の側に高導電層を設けることによって、電気接点全体の熱および電気の伝導性を向上させ、通電時のジュール熱の発生を抑制し、耐溶着性および通電性能に優れた電気接点とすることができる。
【００１７】
接点層と高導電層の間に、それらの中間的な組成からなる一または複数の中間層を設けてもよい。この場合、電気接点は厚さ方向に複数の層からなる。中間層を設けることで、製造過程における接点層と高導電層の収縮差から生ずる応力を緩和し、反りや層間剥離などの不具合の発生を防止できるとともに、通電時における熱膨張差を緩和し、反りによる接触抵抗増加を抑えることができる。
【００１８】
上記の接点層はＣｒとＣｕとＴｅからなる。一方、導体に接続する側の高導電層はＣｕと炭素繊維からなる。接点層にＴｅを含むことによって、Ｃｒ粒子とＣｕマトリックスとの界面結合を弱めることができ、接点層の強度低下に伴う溶着引離し力の低減が可能となる。なお、実施例で後述する溶浸製法においては、加熱温度が比較的高いためにＴｅの揮散減少が生じ、上記効果が期待できないため、Ｔｅの添加は特に焼結法において有効である。
【００１９】
接点層（もしくは接点層と高導電層の間に設けられた中間層）にＣｒを含み、高導電層に炭素繊維を含むことにより、接点層（もしく中間層）のＣｒと高導電層の炭素繊維との反応により界面にＣｒ炭化物が生成する。Ｃｒ炭化物により、接点層（もしく中間層）と高導電層の結合が強固になり、層間剥離などの不具合を抑制できる。
【００２０】
上記の炭素繊維は、高い導電率・熱伝導率を有し、電気接点全体の熱・電気伝導率の向上に寄与する。特に、繊維長さ／繊維径で表わされるアスペクト比が５０〜１５０で、かつ、繊維径は３００ｎｍ以下のものが望ましい。アスペクト比がこの範囲であると、導電率、および熱伝導率の向上が十分であるとともに、繊維の屈折などが生じにくい。アスペクト比が小さすぎると、導電率、および熱伝導率の向上が小さい。またアスペクト比が大きすぎると、繊維の屈折などにより熱・電気伝導性の改善効果が小さくなる場合がある。なお、炭素繊維を特定方向（例えば電気接点の厚さ方向など）に配向させると、より効率的な熱・電気伝導性の改善が可能となる。
【００２１】
高導電層に混合する炭素繊維の量は、炭素繊維を０.１〜１.５重量％が好ましい。この程度の混合により充分に熱伝導性・電気伝導性の改善効果を発現する。炭素繊維が０.１重量％以下では、量が少ないため、熱・電気伝導性の改善効果が小さい。１.５重量％以上添加すると、炭素繊維がＣｕマトリックスの緻密化を阻害する場合があり、電気接点全体の熱伝導性・電気伝導性が低下する。
【００２２】
上記の電気接点は、以下に示す焼結法により製造することができる。すなわち、接点層をなす成分の粉末を所望の組成に配合した混合粉末と、中間層をなす成分の粉末と炭素繊維を所望の組成に配合した混合粉末と、高導電層をなすＣｕ粉末と炭素繊維を所望の組成に配合した混合粉末とを、層状に一体に加圧成形した後、Ｃｕの融点以下で加熱焼結する。それぞれの層を構成する混合粉末を層状にし、一体に成形することにより、焼結時の層間剥離を防止できる。また、焼結法で製造することにより、接点層の硬さは比較的低く、また、ＣｕマトリクスにＣｒの固溶がなく高導電性を有するため、相手側接点との接触抵抗を低減し、ジュール熱の発生を抑制することができる。この焼結は、還元雰囲気中あるいは不活性雰囲気中で行うことにより、Ｃｕマトリクスの緻密化を促進し、健全な焼結組織と優れた熱的・電気的特性を有する電気接点が得られる。
【００２３】
真空遮断器等に使用される電極は、略円盤形状を有する電気接点の高導電層側の面に、通電部材である電極棒が一体に接合されている。このような構成にすることにより、良好な通電性能を有するとともに、接点部で発生したジュール熱を速やかに真空バルブ外へ導くことができる。円盤状の電気接点は、その円中心に中央孔を設け、さらに曲線形状をもつスパイラル型のスリット溝によって羽根型に分離された形状とすることが望ましい。中央孔を設けることにより、電流遮断時に発生するアークが接点面の中央で発生し、停滞するのを防ぐことができる。また、スリット溝を設けることにより、発生したアークを電気接点の外周側へ移動させ、速やかに電流を遮断することができる。
【００２４】
また、円盤状の電気接点の高導電層側に、Ｃｕからなるカップ形状をなすコイル電極を一体に接合し、コイル電極の底部に電極棒を一体に接合した構造の電極としてもよい。このような構造によれば、電流遮断時に発生する磁界を利用してアークを消滅させ、優れた遮断性能を得ることができる。
【００２５】
真空バルブは、真空容器内に一対の電極を備える。少なくとも一方の電極を動かして切断／接続を切り替えるものである。一般的には一方の電極のみを可動とし（可動側電極）、他方は固定されている（固定側電極）。
【００２６】
真空遮断器は、真空バルブと、真空バルブ内の電極と接続された導体端子と、可動側電極を駆動する開閉手段を備える。真空開閉機器は、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。これらの機器は、上述の電気接点を使用することにより通電時に接点部で発生するジュール熱を抑え、電気接点同士の溶着が発生しにくく、通電性能および耐溶着性能に優れる。
【００２７】
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。なお、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】
【００２８】
図１は上記電気接点を用いた電極の構造を示す図で、（ａ）は電気接点が接点層と高導電層の２層からなる場合、（ｂ）は中間層を有する場合である。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は電流遮断時に溶融した電気接点１の成分がスリット溝２を通って裏面を汚損するのを防ぐためのステンレス製の汚損防止板、４は電極棒、５はろう材、４４は中央孔、４５は接点層、４６は高導電層、４７は中間層である。
【００２９】
表１に示す組成を有する電気接点を作製し、これを用いて電極を作製した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
電気接点１の作製方法は、次の通りである。
【００３２】
接点層の原料粉を、粒径７５μｍ以下のＣｒ粉末とＣｕ粉末、および６０μｍ以下のＴｅ粉末とを使用し、表１に示す接点層の組成となるような配合比でＶ型混合器により混合し、作製した。
【００３３】
また、高導電層の原料粉を、粒径７５μｍ以下のＣｕ粉末と、径が１５０ｎｍで長さ約４.５〜４５μｍのカーボンナノファイバーを用い、これらを表１に示す高導電層の組成となるような配合比で乳鉢混合し、作製した。比較のための炭素粉末を用いた供試材Ｎｏ.８用として粒径３００ｎｍの炭素粉末を使用し、同様の方法で混合し、この高導電層用の粉末とした。
【００３４】
中間層を設けた例として、供試材１４（炭素繊維有り），供試材１５（炭素繊維なし）とを作製した。中間層の原料粉は、上記の粉末を用いて、表１に示す中間層の組成となるような配合比で乳鉢およびＶ型混合器により混合して作製した。
【００３５】
次に、直径６０mmの円盤状の金型に接点層，中間層，高導電層の順でそれぞれの原料粉を層状に充填し、油圧プレスにより４００ＭＰａの圧力で一体で加圧成形した。この際、各層の厚さが表１に示す値となるように、原料粉の充填量を調整した。比較のため、供試材Ｎｏ.７については、各粉末を別個に金型に充填し、それぞれの層ごとに成形した。以上の方法で得られた成形体の相対密度は、およそ６８〜７３％であった。これらを真空中で、１０６０℃×２時間加熱して焼結し、電気接点１の素材となる焼結体を作製した。この際、層ごとに別個に成形した供試材Ｎo.７の成形体については、接点層，中間層，高導電層の順で積層載置し、同様に焼結した。この結果、相対密度が８５〜９７％の焼結体が得られた。
【００３６】
さらに、本実施例では比較のために、従来製法の一つである溶浸法によっても電気接点１を作製した（Ｎo.１）。原料には上記のＣｒ，Ｃｕ，Ｔｅ粉末およびカーボンナノファイバーを用い、Ｃｒ粉末を３９.９重量％、Ｃｕ粉末を６０重量％、Ｔｅ粉末を０.１重量％の割合でＶ型混合器により混合し、これを円盤状の金型に充填し、油圧プレスにより１４５ＭＰａの圧力で加圧成形してスケルトン（低密度成形体）を作製した。このスケルトンを黒鉛るつぼに入れ、その上にカーボンナノファイバーおよびＣｕインゴットを載置し、真空中において１２００℃×２時間加熱し、スケルトンにＣｕを溶融含浸させることによって、表１のＮo.１の接点層組成を有し、高導電層と一体化した溶浸体を作製した。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２に、表１の組成，方法により得られた焼結体および溶浸体を観察した結果を示す。
【００３９】
高導電層に炭素繊維を加えた場合には、焼結体の剥離は生じなかった。一方、炭素繊維を含まない供試材Ｎo.２の場合には、円盤状焼結体の外周部において剥離が生じた。このことから、高導電層に含まれる炭素繊維は、層間剥離を抑制する効果を有することが確認された。剥離は、接点層と高導電層の焼結過程における収縮差によるもので、高導電層に炭素を含まない場合には接点層との界面でＣｒ炭化物が生成されず、層間の結合が不足したためと考えられる。
【００４０】
また、層ごとに成形し、それらを積層して焼結した供試材Ｎo.７の場合には、層間で剥離が生じた。従って、炭素繊維や炭素粉末を混合し、かつそれぞれの層を別個に成形する方法ではなく、一体で成型して焼結することにより、層間の剥離を生じさせず、電気接点を製造することが可能である。
【００４１】
それぞれの焼結体および溶浸体の高導電層における導電率を測定した。導電率は、渦電流法により高導電層の表面を測定したもので、「ＩＡＣＳ」値は焼きなまし純銅の導電率を１００％とした相対値である。溶浸法で得られた供試材Ｎo.１の場合には、高導電層が緻密な溶解組織を有するため、比較的高い導電率を示すが、接点層からのＣｒの固溶が生じるため、十分な導電率は得られなかった。また、溶浸過程で炭素繊維（カーボンナノファイバー）はＣｕとの比重差により分離し、高導電層にはＣの偏在が見られた。炭素繊維を含まない供試材Ｎo.２の場合、銅よりなる（Ｃｕ１００％）高導電層を有するが、導電率は８１％と低い値を示した。これは、製法が焼結法であるために、気孔などの欠陥が存在するためと考えられる。また、層ごとに成形したＮo.７では、高導電層は十分な導電率を示したが、前述のように層間剥離が生じたため適切ではない。
【００４２】
炭素繊維を添加した供試材Ｎo.３では、炭素繊維を含まない供試材Ｎo.２に比べて導電率が向上した。特に、０.１重量％以上の炭素繊維を加えたＮo.９〜Ｎo.１５の高導電層においては、いずれも顕著な導電率の改善効果が確認された。また、３.０重量％の炭素繊維を加えた供試材Ｎo.４では、高い導電率を示すものの、炭素繊維が多すぎるために焼結性が低下し、緻密化が不足したために導電率が低下した。従って、炭素繊維の添加量は０.１〜１.５重量％とすることが好ましい。
【００４３】
次に、炭素繊維のアスペクト比を変更したものを比較したところ、アスペクト比（繊維長さ）が３０の供試材Ｎo.５，アスペクト比が３００の供試材Ｎo.６は、少量しか炭素繊維を加えていない供試材Ｎo.３よりも高い導電率を示すが、アスペクト比が小さいＮo.５は相互の導通が少なく導電率の改善効果が生じにくいと推察される。また、Ｎo.６はアスペクト比が大きく炭素繊維が屈折または凝集し、あるいはそれに伴い焼結性が低下するため、導電率の改善効果が小さいと思われる。従って、炭素繊維のアスペクト比は５０〜１５０程度とすることが好ましい。なお、比較のために炭素粉末を添加したＮo.８では、Ｎo.２に比べて導電率が向上していた。これは焼結された高導電層に残存する酸素等のガス成分を、Ｃ粉末が反応等により吸収したゲッター作用によるものと推測される。しかしながら、粒子状の炭素の添加では、アスペクト比が小さいＮo.５よりも導電率が低く、導電率の向上効果は小さいものであり、大きな高導電率化効果が望めないと思われる。
【００４４】
上記の焼結体および溶浸体を機械加工し、図１の形状をなす電気接点１を作製した。直径が５５mmで、各層の厚さは表１に示す寸法を有する。なお、焼結後に層間剥離が生じたＮo.２およびＮo.７については、電気接点１の作製並びにその後の電気的性能評価には供さなかった。
【００４５】
なお、上記のように焼結体の形状を加工する方法の他、スリット溝２を有する最終形状を形作ることのできる金型に原料粉末を充填し、焼結する方法によっても電気接点１を得ることができる。この方法では機械加工などの後加工が不要であるため、容易に製作が可能である。
【００４６】
次に、電気接点１を用いて、次の通り電極を作製した。電極棒４を無酸素銅で、また、汚損防止板３をＳＵＳ３０４であらかじめ機械加工により作製しておき、電気接点１，汚損防止板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に示す電極を作製した。この電極は定格電圧２４ｋＶ，定格電流１２５０Ａ，定格遮断電流２５ｋＡ用の真空バルブに用いられる電極である。なお、汚損防止板３は、開閉動作による電気接点１の過度な変形を防ぐための補強板の役目もするが、電気接点１の強度が十分であれば汚損防止板３は省いてもよい。
【００４７】
続いて、真空バルブ（定格電圧２４ｋＶ，定格電流１２５０Ａ，定格遮断電流２５ｋＡ）を作製した。図２は、真空バルブの構造を示す図である。図２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は汚損防止板、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の間にはベローズ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。
【００４８】
さらに、上記の真空バルブを搭載した真空遮断器を作製した。図３は、本実施例の真空バルブ１４とその操作機構を示す真空遮断器の構成図である。真空遮断器は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ１４を支持する三相一括型の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。
【００４９】
遮断器が閉路状態の場合、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。
【００５０】
遮断器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。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。
【００５１】
以上のように、本実施例の電気接点１を用いて真空バルブ１４を作製し、それを搭載した定格電圧２４ｋＶ，定格電流１２５０Ａ，定格遮断電流２５ｋＡ仕様の真空遮断器を作製した。
【実施例２】
【００５２】
表１に示す電気接点に関し、実施例１で作製した真空遮断器を用いて電気的性能試験を実施した。まず、通電試験により通電時における温度上昇を評価した。通電中の電気接点温度を直接測定することは困難なので、本実施例では２０００Ａの電流を１０時間通電した後の真空バルブ端部の温度を測定した。真空バルブ端部の温度の測定は２４℃の室温で行った。表２にその結果を示す。
【００５３】
供試材Ｎo.１〜Ｎo.８ではいずれも６５℃以上の端部温度を示した。一方、Ｎo.９〜Ｎo.１５の供試材では６３℃以下に抑えられた。これは、高導電層の導電率あるいは熱伝導性に依存するものと考えられる。高い導電率を有するＮo.９〜Ｎo.１５の電気接点は、通電ジュール熱の抑制に有効である。なお、中間層に炭素繊維（カーボンナノファイバー）を含むＮo.１４は、中間層に炭素繊維を含まないＮo.１５に比べて高い端部温度を示した。中間層でＣｒとＣが共存することにより、Ｃｒ炭化物を生成し、カーボンナノファイバーによる導電率向上効果が低下したためと考えられる。従って、中間層には炭素繊維を含まないことがより好ましい。
【００５４】
その後、２５ｋＡの電流遮断試験，２５ｋＡ通電後の電極引離し（開離）の可否を評価した。表２に、その結果を併せて示す。溶浸法で得られたＮo.１の場合には、２５ｋＡ通電後の溶着が著しく、開離できなかった。これは、溶浸過程で低融点のＴｅが接点層から流出し、Ｔｅによる溶着抑制効果が低下したためと考えられる。従って、製法には焼結法が好適である。Ｎo.１以外の電気接点は、遮断性能および耐溶着性能（電極開離）ともに満足した。ただし、ジュール熱に伴う温度上昇が小さいＮo.９〜Ｎo.１５がより大電流通電に好適である。
【００５５】
以上のように、ジュール熱による温度上昇を抑え、優れた通電性能，遮断性能および耐溶着性能を有する真空バルブおよび真空遮断器を製造できた。
【実施例３】
【００５６】
実施例１で作製した真空バルブを、真空遮断器以外の真空開閉装置に搭載した。図４は、実施例１で作製した真空バルブ１４を搭載した、路肩設置変圧器用の負荷開閉器を示す図である。
【００５７】
この負荷開閉器は、主回路開閉部に相当する真空バルブ１４が、真空封止された外側真空容器３２内に複数対収納されたものである。外側真空容器３２は、上部板材３３と下部板材３４及び側部板材３５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。
【００５８】
上部板材３３には、上部貫通孔３６が形成されており、各上部貫通孔３６の縁には環状の絶縁性上部ベース３７が各上部貫通孔３６を覆うように固定されている。そして、各上部ベース３７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４ｂ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３６は上部ベース３７と可動側電極棒４ｂによって閉塞されている。
【００５９】
可動側電極棒４ｂの軸方向端部（上部側）は、外側真空容器３２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３３の下部側には、各上部貫通孔３６の縁に沿って外側ベローズ３８が往復動（上下動）自在に配置されており、各外側ベローズ３８は、軸方向の一端側が上部板材３３の下部側に固定され、軸方向の他端側が各可動側電極棒４ｂの外周面に装着されている。すなわち、外側真空容器３２を密閉構造とするために、各上部貫通孔３６の縁には各可動側電極棒４ｂの軸方向に沿って外側ベローズ３８が配置されている。また、上部板材３３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３２内が真空排気されるようになっている。
【００６０】
一方、下部板材３４には下部貫通孔３９が形成されており、各下部貫通孔３９の縁には絶縁性ブッシング４０が各下部貫通孔３９を覆うように固定されている。各絶縁性ブッシング４０の底部には、環状の絶縁性下部ベース４１が固定されている。そして、各下部ベース４１の中央の円形空間部には、円柱状の固定側電極棒４ａが挿入されている。すなわち、下部板材３４に形成された下部貫通孔３９は、それぞれ絶縁性ブッシング４０，下部ベース４１、及び固定側電極棒４ａによって閉塞されている。そして、固定側電極棒４ａの軸方向の一端側（下部側）は、外側真空容器３２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。
【００６１】
外側真空容器３２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１４が収納されており、各可動側電極棒４ｂは、２つの湾曲部を有するフレキシブル導体（可撓性導体）４２を介して互いに連結されている。このフレキシブル導体４２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４２には貫通孔４３が形成されており、各貫通孔４３に各可動側電極棒４ｂを挿入して互いに連結される。
【００６２】
以上のように、実施例１で作製した真空バルブは、路肩設置変圧器用の負荷開閉器にも適用可能であり、これ以外の真空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】
【００６３】
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 汚損防止板
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
３２ 外側真空容器
３３ 上部板材
３４ 下部板材
３５ 側部板材
３６ 上部貫通孔
３７ 上部ベース
３８ 外側ベローズ
３９ 下部貫通孔
４０ 絶縁性ブッシング
４１ 下部ベース
４２ フレキシブル導体
４３ フレキシブル導体貫通孔
４４ 中央孔
４５ 接点層
４６ 高導電層
４７ 中間層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空遮断器，真空スイッチギヤ等に用いられる新規な真空バルブ用電気接点に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空遮断器等，真空を媒体とした電流開閉機器は、環境への影響が小さいことから、ガス遮断器等への代替が進められている。その場合、真空遮断器等では大容量化（大電流の遮断性能）が求められている。
【０００３】
一般の真空開閉機器では、Ｃｒ−Ｃｕ系の電気接点が用いられる。大電流遮断のための電気接点部材は、通電容量を大きくし、良好な熱伝導を保つため、高密度であることが必要である。また、通電ジュール熱により接点同士が溶着した際の引離し力を小さくするため、接点部材強度は小さいことが望ましい。例えば特開２００５−１３５７７８号公報（特許文献１），特開２００６−１４００７３号公報（特許文献２），特開２００９−０７６２１８号公報（特許文献３）では、Ｃｒ−Ｃｕ系の高密度成形体を不活性雰囲気中で焼結するとともに、Ｔｅなどの低融点金属を添加することにより、高密度化と低強度化の両立を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３５７７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１４００７３号公報
【特許文献３】特開２００９−０７６２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気接点の接点面と反対の側にＣｕを主成分とする高導電層を設けると、高電気伝導化を図ることが可能となる。電気抵抗は小さくなり、通電容量を更に大きくし、発生ジュール熱量を抑えるために有効である。
【０００６】
電気接点を焼結製法により製造した場合、ニアネット成形により後加工を不要とすることができ、製造の容易化が可能であり、量産がしやすい。しかしながら、焼結製法で製造された高導電層には少なからず気孔等の欠陥が存在するため、Ｃｕインゴット（溶製材）並みの導電率は得られにくい。また、接点層と高導電層の界面の剥離を抑制するために、熱変形を吸収するための溝を設けるなどの形状上の対策が必要で、生産性が低下する恐れがある。
【０００７】
したがって本発明の目的は、二層以上からなる電気接点において、従来よりも電気・熱伝導性に優れた高導電層とするとともに、二層間の剥離を抑制し、大容量化に対応可能な電気接点を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
通常、電気接点は円盤形状を有する。本発明の電気接点は厚さ方向に少なくとも２つの層、具体的には接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層からなるものである。前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含む。また、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含む。高導電層は、焼結により接点層側にＣｒ炭化物を生成している。
【０００９】
炭素繊維は、アスペクト比（繊維長さ／繊維径）が５０〜１５０で、かつ、繊維径は３００ｎｍ以下のものが好ましい。また、高導電層に含まれる炭素繊維の量は、０.１〜１.５重量％であることが好ましい。
【００１０】
接点層と高導電層の間には、接点層と高導電層の中間的な組成よりなる層（ＣｒとＣｕとＴｅを含む層）を設けてもよい。接点層と中間層との間に、前記Ｃｒ炭化物が存在する。
【００１１】
上記の電気接点は、固定側，可動側のいずれの電極として使用してもよい。接点層側が相対する電極に近接して配置され、高導電層は、導体に接続される。
【００１２】
上記の電気接点は、接点層をなす成分の粉末を所望の組成に配合し、接点層の混合粉末とし、同様に中間層をなす成分の混合粉末，高導電層をなす成分の混合粉末を用意し、これらを層状に成型容器内に入れて一体に加圧成型し、成型体を銅の融点以下で加熱焼結することにより提供される。加熱焼結は還元雰囲気中あるいは不活性雰囲気中で行う。
【００１３】
本願でいう電極とは、電気接点の高導電層の面に一体に接合された電極棒を有する部材である。本願でいう真空バルブとは、真空容器内に一対の電極（固定側電極および可動側電極）を備えたものである。さらに、本願でいう真空遮断器は、真空容器内に一対の電極（固定側電極および可動側電極）を備えた真空バルブを有し、真空バルブ内の固定側電極および可動側電極の各々に接続され、バルブ外に引き出された導体端子と、前記可動側電極を駆動する開閉手段とを備えたものである。本願でいう真空開閉機器とは、真空バルブを導体によって複数接続し、可動側電極を駆動する開閉手段を備えたものである。上記の一対の電極のうち、少なくともいずれか一方を上述の炭素繊維を含む電極とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記の本発明によれば、容易、安価に製造可能、かつ、大容量化の可能な電気接点を提供することができ、真空バルブ，真空遮断器等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電気接点および電極の構造を示す図。
【図２】真空バルブの構造を示す図。
【図３】真空遮断器の構造を表す図。
【図４】路肩設置変圧器用負荷開閉器の構造を表す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の電気接点のさらに細部を説明する。電気接点は一般的に略円盤形状を有し、本発明は少なくとも厚さ方向に２つの層からなる電気接点部材を想定している。接点層をＣｒ−Ｃｕ系の合金とすることで、優れた遮断性能，耐電圧性能を有し、電気接点として必要な性能を満足することができる。接点面と反対の側に高導電層を設けることによって、電気接点全体の熱および電気の伝導性を向上させ、通電時のジュール熱の発生を抑制し、耐溶着性および通電性能に優れた電気接点とすることができる。
【００１７】
接点層と高導電層の間に、それらの中間的な組成からなる一または複数の中間層を設けてもよい。この場合、電気接点は厚さ方向に複数の層からなる。中間層を設けることで、製造過程における接点層と高導電層の収縮差から生ずる応力を緩和し、反りや層間剥離などの不具合の発生を防止できるとともに、通電時における熱膨張差を緩和し、反りによる接触抵抗増加を抑えることができる。
【００１８】
上記の接点層はＣｒとＣｕとＴｅからなる。一方、導体に接続する側の高導電層はＣｕと炭素繊維からなる。接点層にＴｅを含むことによって、Ｃｒ粒子とＣｕマトリックスとの界面結合を弱めることができ、接点層の強度低下に伴う溶着引離し力の低減が可能となる。なお、実施例で後述する溶浸製法においては、加熱温度が比較的高いためにＴｅの揮散減少が生じ、上記効果が期待できないため、Ｔｅの添加は特に焼結法において有効である。
【００１９】
接点層（もしくは接点層と高導電層の間に設けられた中間層）にＣｒを含み、高導電層に炭素繊維を含むことにより、接点層（もしく中間層）のＣｒと高導電層の炭素繊維との反応により界面にＣｒ炭化物が生成する。Ｃｒ炭化物により、接点層（もしく中間層）と高導電層の結合が強固になり、層間剥離などの不具合を抑制できる。
【００２０】
上記の炭素繊維は、高い導電率・熱伝導率を有し、電気接点全体の熱・電気伝導率の向上に寄与する。特に、繊維長さ／繊維径で表わされるアスペクト比が５０〜１５０で、かつ、繊維径は３００ｎｍ以下のものが望ましい。アスペクト比がこの範囲であると、導電率、および熱伝導率の向上が十分であるとともに、繊維の屈折などが生じにくい。アスペクト比が小さすぎると、導電率、および熱伝導率の向上が小さい。またアスペクト比が大きすぎると、繊維の屈折などにより熱・電気伝導性の改善効果が小さくなる場合がある。なお、炭素繊維を特定方向（例えば電気接点の厚さ方向など）に配向させると、より効率的な熱・電気伝導性の改善が可能となる。
【００２１】
高導電層に混合する炭素繊維の量は、炭素繊維を０.１〜１.５重量％が好ましい。この程度の混合により充分に熱伝導性・電気伝導性の改善効果を発現する。炭素繊維が０.１重量％以下では、量が少ないため、熱・電気伝導性の改善効果が小さい。１.５重量％以上添加すると、炭素繊維がＣｕマトリックスの緻密化を阻害する場合があり、電気接点全体の熱伝導性・電気伝導性が低下する。
【００２２】
上記の電気接点は、以下に示す焼結法により製造することができる。すなわち、接点層をなす成分の粉末を所望の組成に配合した混合粉末と、中間層をなす成分の粉末と炭素繊維を所望の組成に配合した混合粉末と、高導電層をなすＣｕ粉末と炭素繊維を所望の組成に配合した混合粉末とを、層状に一体に加圧成形した後、Ｃｕの融点以下で加熱焼結する。それぞれの層を構成する混合粉末を層状にし、一体に成形することにより、焼結時の層間剥離を防止できる。また、焼結法で製造することにより、接点層の硬さは比較的低く、また、ＣｕマトリクスにＣｒの固溶がなく高導電性を有するため、相手側接点との接触抵抗を低減し、ジュール熱の発生を抑制することができる。この焼結は、還元雰囲気中あるいは不活性雰囲気中で行うことにより、Ｃｕマトリクスの緻密化を促進し、健全な焼結組織と優れた熱的・電気的特性を有する電気接点が得られる。
【００２３】
真空遮断器等に使用される電極は、略円盤形状を有する電気接点の高導電層側の面に、通電部材である電極棒が一体に接合されている。このような構成にすることにより、良好な通電性能を有するとともに、接点部で発生したジュール熱を速やかに真空バルブ外へ導くことができる。円盤状の電気接点は、その円中心に中央孔を設け、さらに曲線形状をもつスパイラル型のスリット溝によって羽根型に分離された形状とすることが望ましい。中央孔を設けることにより、電流遮断時に発生するアークが接点面の中央で発生し、停滞するのを防ぐことができる。また、スリット溝を設けることにより、発生したアークを電気接点の外周側へ移動させ、速やかに電流を遮断することができる。
【００２４】
また、円盤状の電気接点の高導電層側に、Ｃｕからなるカップ形状をなすコイル電極を一体に接合し、コイル電極の底部に電極棒を一体に接合した構造の電極としてもよい。このような構造によれば、電流遮断時に発生する磁界を利用してアークを消滅させ、優れた遮断性能を得ることができる。
【００２５】
真空バルブは、真空容器内に一対の電極を備える。少なくとも一方の電極を動かして切断／接続を切り替えるものである。一般的には一方の電極のみを可動とし（可動側電極）、他方は固定されている（固定側電極）。
【００２６】
真空遮断器は、真空バルブと、真空バルブ内の電極と接続された導体端子と、可動側電極を駆動する開閉手段を備える。真空開閉機器は、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。これらの機器は、上述の電気接点を使用することにより通電時に接点部で発生するジュール熱を抑え、電気接点同士の溶着が発生しにくく、通電性能および耐溶着性能に優れる。
【００２７】
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。なお、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】
【００２８】
図１は上記電気接点を用いた電極の構造を示す図で、（ａ）は電気接点が接点層と高導電層の２層からなる場合、（ｂ）は中間層を有する場合である。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は電流遮断時に溶融した電気接点１の成分がスリット溝２を通って裏面を汚損するのを防ぐためのステンレス製の汚損防止板、４は電極棒、５はろう材、４４は中央孔、４５は接点層、４６は高導電層、４７は中間層である。
【００２９】
表１に示す組成を有する電気接点を作製し、これを用いて電極を作製した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
電気接点１の作製方法は、次の通りである。
【００３２】
接点層の原料粉を、粒径７５μｍ以下のＣｒ粉末とＣｕ粉末、および６０μｍ以下のＴｅ粉末とを使用し、表１に示す接点層の組成となるような配合比でＶ型混合器により混合し、作製した。
【００３３】
また、高導電層の原料粉を、粒径７５μｍ以下のＣｕ粉末と、径が１５０ｎｍで長さ約４.５〜４５μｍのカーボンナノファイバーを用い、これらを表１に示す高導電層の組成となるような配合比で乳鉢混合し、作製した。比較のための炭素粉末を用いた供試材Ｎｏ.８用として粒径３００ｎｍの炭素粉末を使用し、同様の方法で混合し、この高導電層用の粉末とした。
【００３４】
中間層を設けた例として、供試材１４（炭素繊維有り），供試材１５（炭素繊維なし）とを作製した。中間層の原料粉は、上記の粉末を用いて、表１に示す中間層の組成となるような配合比で乳鉢およびＶ型混合器により混合して作製した。
【００３５】
次に、直径６０mmの円盤状の金型に接点層，中間層，高導電層の順でそれぞれの原料粉を層状に充填し、油圧プレスにより４００ＭＰａの圧力で一体で加圧成形した。この際、各層の厚さが表１に示す値となるように、原料粉の充填量を調整した。比較のため、供試材Ｎｏ.７については、各粉末を別個に金型に充填し、それぞれの層ごとに成形した。以上の方法で得られた成形体の相対密度は、およそ６８〜７３％であった。これらを真空中で、１０６０℃×２時間加熱して焼結し、電気接点１の素材となる焼結体を作製した。この際、層ごとに別個に成形した供試材Ｎo.７の成形体については、接点層，中間層，高導電層の順で積層載置し、同様に焼結した。この結果、相対密度が８５〜９７％の焼結体が得られた。
【００３６】
さらに、本実施例では比較のために、従来製法の一つである溶浸法によっても電気接点１を作製した（Ｎo.１）。原料には上記のＣｒ，Ｃｕ，Ｔｅ粉末およびカーボンナノファイバーを用い、Ｃｒ粉末を３９.９重量％、Ｃｕ粉末を６０重量％、Ｔｅ粉末を０.１重量％の割合でＶ型混合器により混合し、これを円盤状の金型に充填し、油圧プレスにより１４５ＭＰａの圧力で加圧成形してスケルトン（低密度成形体）を作製した。このスケルトンを黒鉛るつぼに入れ、その上にカーボンナノファイバーおよびＣｕインゴットを載置し、真空中において１２００℃×２時間加熱し、スケルトンにＣｕを溶融含浸させることによって、表１のＮo.１の接点層組成を有し、高導電層と一体化した溶浸体を作製した。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２に、表１の組成，方法により得られた焼結体および溶浸体を観察した結果を示す。
【００３９】
高導電層に炭素繊維を加えた場合には、焼結体の剥離は生じなかった。一方、炭素繊維を含まない供試材Ｎo.２の場合には、円盤状焼結体の外周部において剥離が生じた。このことから、高導電層に含まれる炭素繊維は、層間剥離を抑制する効果を有することが確認された。剥離は、接点層と高導電層の焼結過程における収縮差によるもので、高導電層に炭素を含まない場合には接点層との界面でＣｒ炭化物が生成されず、層間の結合が不足したためと考えられる。
【００４０】
また、層ごとに成形し、それらを積層して焼結した供試材Ｎo.７の場合には、層間で剥離が生じた。従って、炭素繊維や炭素粉末を混合し、かつそれぞれの層を別個に成形する方法ではなく、一体で成型して焼結することにより、層間の剥離を生じさせず、電気接点を製造することが可能である。
【００４１】
それぞれの焼結体および溶浸体の高導電層における導電率を測定した。導電率は、渦電流法により高導電層の表面を測定したもので、「ＩＡＣＳ」値は焼きなまし純銅の導電率を１００％とした相対値である。溶浸法で得られた供試材Ｎo.１の場合には、高導電層が緻密な溶解組織を有するため、比較的高い導電率を示すが、接点層からのＣｒの固溶が生じるため、十分な導電率は得られなかった。また、溶浸過程で炭素繊維（カーボンナノファイバー）はＣｕとの比重差により分離し、高導電層にはＣの偏在が見られた。炭素繊維を含まない供試材Ｎo.２の場合、銅よりなる（Ｃｕ１００％）高導電層を有するが、導電率は８１％と低い値を示した。これは、製法が焼結法であるために、気孔などの欠陥が存在するためと考えられる。また、層ごとに成形したＮo.７では、高導電層は十分な導電率を示したが、前述のように層間剥離が生じたため適切ではない。
【００４２】
炭素繊維を添加した供試材Ｎo.３では、炭素繊維を含まない供試材Ｎo.２に比べて導電率が向上した。特に、０.１重量％以上の炭素繊維を加えたＮo.９〜Ｎo.１５の高導電層においては、いずれも顕著な導電率の改善効果が確認された。また、３.０重量％の炭素繊維を加えた供試材Ｎo.４では、高い導電率を示すものの、炭素繊維が多すぎるために焼結性が低下し、緻密化が不足したために導電率が低下した。従って、炭素繊維の添加量は０.１〜１.５重量％とすることが好ましい。
【００４３】
次に、炭素繊維のアスペクト比を変更したものを比較したところ、アスペクト比（繊維長さ）が３０の供試材Ｎo.５，アスペクト比が３００の供試材Ｎo.６は、少量しか炭素繊維を加えていない供試材Ｎo.３よりも高い導電率を示すが、アスペクト比が小さいＮo.５は相互の導通が少なく導電率の改善効果が生じにくいと推察される。また、Ｎo.６はアスペクト比が大きく炭素繊維が屈折または凝集し、あるいはそれに伴い焼結性が低下するため、導電率の改善効果が小さいと思われる。従って、炭素繊維のアスペクト比は５０〜１５０程度とすることが好ましい。なお、比較のために炭素粉末を添加したＮo.８では、Ｎo.２に比べて導電率が向上していた。これは焼結された高導電層に残存する酸素等のガス成分を、Ｃ粉末が反応等により吸収したゲッター作用によるものと推測される。しかしながら、粒子状の炭素の添加では、アスペクト比が小さいＮo.５よりも導電率が低く、導電率の向上効果は小さいものであり、大きな高導電率化効果が望めないと思われる。
【００４４】
上記の焼結体および溶浸体を機械加工し、図１の形状をなす電気接点１を作製した。直径が５５mmで、各層の厚さは表１に示す寸法を有する。なお、焼結後に層間剥離が生じたＮo.２およびＮo.７については、電気接点１の作製並びにその後の電気的性能評価には供さなかった。
【００４５】
なお、上記のように焼結体の形状を加工する方法の他、スリット溝２を有する最終形状を形作ることのできる金型に原料粉末を充填し、焼結する方法によっても電気接点１を得ることができる。この方法では機械加工などの後加工が不要であるため、容易に製作が可能である。
【００４６】
次に、電気接点１を用いて、次の通り電極を作製した。電極棒４を無酸素銅で、また、汚損防止板３をＳＵＳ３０４であらかじめ機械加工により作製しておき、電気接点１，汚損防止板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に示す電極を作製した。この電極は定格電圧２４ｋＶ，定格電流１２５０Ａ，定格遮断電流２５ｋＡ用の真空バルブに用いられる電極である。なお、汚損防止板３は、開閉動作による電気接点１の過度な変形を防ぐための補強板の役目もするが、電気接点１の強度が十分であれば汚損防止板３は省いてもよい。
【００４７】
続いて、真空バルブ（定格電圧２４ｋＶ，定格電流１２５０Ａ，定格遮断電流２５ｋＡ）を作製した。図２は、真空バルブの構造を示す図である。図２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は汚損防止板、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の間にはベローズ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。
【００４８】
さらに、上記の真空バルブを搭載した真空遮断器を作製した。図３は、本実施例の真空バルブ１４とその操作機構を示す真空遮断器の構成図である。真空遮断器は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ１４を支持する三相一括型の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。
【００４９】
遮断器が閉路状態の場合、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。
【００５０】
遮断器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。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。
【００５１】
以上のように、本実施例の電気接点１を用いて真空バルブ１４を作製し、それを搭載した定格電圧２４ｋＶ，定格電流１２５０Ａ，定格遮断電流２５ｋＡ仕様の真空遮断器を作製した。
【実施例２】
【００５２】
表１に示す電気接点に関し、実施例１で作製した真空遮断器を用いて電気的性能試験を実施した。まず、通電試験により通電時における温度上昇を評価した。通電中の電気接点温度を直接測定することは困難なので、本実施例では２０００Ａの電流を１０時間通電した後の真空バルブ端部の温度を測定した。真空バルブ端部の温度の測定は２４℃の室温で行った。表２にその結果を示す。
【００５３】
供試材Ｎo.１〜Ｎo.８ではいずれも６５℃以上の端部温度を示した。一方、Ｎo.９〜Ｎo.１５の供試材では６３℃以下に抑えられた。これは、高導電層の導電率あるいは熱伝導性に依存するものと考えられる。高い導電率を有するＮo.９〜Ｎo.１５の電気接点は、通電ジュール熱の抑制に有効である。なお、中間層に炭素繊維（カーボンナノファイバー）を含むＮo.１４は、中間層に炭素繊維を含まないＮo.１５に比べて高い端部温度を示した。中間層でＣｒとＣが共存することにより、Ｃｒ炭化物を生成し、カーボンナノファイバーによる導電率向上効果が低下したためと考えられる。従って、中間層には炭素繊維を含まないことがより好ましい。
【００５４】
その後、２５ｋＡの電流遮断試験，２５ｋＡ通電後の電極引離し（開離）の可否を評価した。表２に、その結果を併せて示す。溶浸法で得られたＮo.１の場合には、２５ｋＡ通電後の溶着が著しく、開離できなかった。これは、溶浸過程で低融点のＴｅが接点層から流出し、Ｔｅによる溶着抑制効果が低下したためと考えられる。従って、製法には焼結法が好適である。Ｎo.１以外の電気接点は、遮断性能および耐溶着性能（電極開離）ともに満足した。ただし、ジュール熱に伴う温度上昇が小さいＮo.９〜Ｎo.１５がより大電流通電に好適である。
【００５５】
以上のように、ジュール熱による温度上昇を抑え、優れた通電性能，遮断性能および耐溶着性能を有する真空バルブおよび真空遮断器を製造できた。
【実施例３】
【００５６】
実施例１で作製した真空バルブを、真空遮断器以外の真空開閉装置に搭載した。図４は、実施例１で作製した真空バルブ１４を搭載した、路肩設置変圧器用の負荷開閉器を示す図である。
【００５７】
この負荷開閉器は、主回路開閉部に相当する真空バルブ１４が、真空封止された外側真空容器３２内に複数対収納されたものである。外側真空容器３２は、上部板材３３と下部板材３４及び側部板材３５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。
【００５８】
上部板材３３には、上部貫通孔３６が形成されており、各上部貫通孔３６の縁には環状の絶縁性上部ベース３７が各上部貫通孔３６を覆うように固定されている。そして、各上部ベース３７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４ｂ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３６は上部ベース３７と可動側電極棒４ｂによって閉塞されている。
【００５９】
可動側電極棒４ｂの軸方向端部（上部側）は、外側真空容器３２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３３の下部側には、各上部貫通孔３６の縁に沿って外側ベローズ３８が往復動（上下動）自在に配置されており、各外側ベローズ３８は、軸方向の一端側が上部板材３３の下部側に固定され、軸方向の他端側が各可動側電極棒４ｂの外周面に装着されている。すなわち、外側真空容器３２を密閉構造とするために、各上部貫通孔３６の縁には各可動側電極棒４ｂの軸方向に沿って外側ベローズ３８が配置されている。また、上部板材３３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３２内が真空排気されるようになっている。
【００６０】
一方、下部板材３４には下部貫通孔３９が形成されており、各下部貫通孔３９の縁には絶縁性ブッシング４０が各下部貫通孔３９を覆うように固定されている。各絶縁性ブッシング４０の底部には、環状の絶縁性下部ベース４１が固定されている。そして、各下部ベース４１の中央の円形空間部には、円柱状の固定側電極棒４ａが挿入されている。すなわち、下部板材３４に形成された下部貫通孔３９は、それぞれ絶縁性ブッシング４０，下部ベース４１、及び固定側電極棒４ａによって閉塞されている。そして、固定側電極棒４ａの軸方向の一端側（下部側）は、外側真空容器３２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。
【００６１】
外側真空容器３２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１４が収納されており、各可動側電極棒４ｂは、２つの湾曲部を有するフレキシブル導体（可撓性導体）４２を介して互いに連結されている。このフレキシブル導体４２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４２には貫通孔４３が形成されており、各貫通孔４３に各可動側電極棒４ｂを挿入して互いに連結される。
【００６２】
以上のように、実施例１で作製した真空バルブは、路肩設置変圧器用の負荷開閉器にも適用可能であり、これ以外の真空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】
【００６３】
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 汚損防止板
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
３２ 外側真空容器
３３ 上部板材
３４ 下部板材
３５ 側部板材
３６ 上部貫通孔
３７ 上部ベース
３８ 外側ベローズ
３９ 下部貫通孔
４０ 絶縁性ブッシング
４１ 下部ベース
４２ フレキシブル導体
４３ フレキシブル導体貫通孔
４４ 中央孔
４５ 接点層
４６ 高導電層
４７ 中間層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する電気接点であって、前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含む焼結体よりなり、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含む焼結体からなり、前記接点層と前記高導電層の間にＣｒ炭化物が存在することを特徴とする電気接点。
【請求項２】
請求項１に記載された電気接点であって、
前記接点層および高導電層の間に中間層を有し、
前記中間層と前記接点層との間に前記Ｃｒ炭化物が存在することを特徴とする電気接点。
【請求項３】
請求項１に記載の電気接点であって、前記炭素繊維のアスペクト比（繊維長さ／繊維径）が５０〜１５０で、かつ、繊維径は３００ｎｍ以下であることを特徴とする電気接点。
【請求項４】
請求項１に記載の電気接点であって、
前記高導電層は、前記炭素繊維を０.１〜１.５重量％含むことを特徴とする電気接点。
【請求項５】
接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する電気接点の製造方法であって、
成型容器中にＣｒ，ＣｕおよびＴｅの混合粉末，Ｃｕ粉末および炭素繊維の混合粉末をそれぞれ層状に充填し、加圧して一体成型し、Ｃｕの融点以下で加熱焼結することを特徴とする電気接点の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の電気接点の製造方法であって、
前記焼結は、還元雰囲気中あるいは不活性雰囲気中で行うことを特徴とする電気接点の製造方法。
【請求項７】
真空容器内に一対の固定側電極およ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および可動側電極の各々に接続され、前記真空バルブ外へ引き出された導体端子と、
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であって、
前記固定側電極および可動側電極は円盤状部材と、該円盤状部材の前記高導電層の面に一体に接合された電極棒とよりなり、
前記固定側電極および可動側電極の円盤状部材の少なくともいずれかが、接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する焼結体よりなり、前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含み、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含み、前記接点層と前記高導電層の間にＣｒ炭化物が存在することを特徴とする真空遮断器。
【請求項１】
接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する電気接点であって、前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含む焼結体よりなり、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含む焼結体からなり、前記接点層と前記高導電層の間にＣｒ炭化物が存在することを特徴とする電気接点。
【請求項２】
請求項１に記載された電気接点であって、
前記接点層および高導電層の間に中間層を有し、
前記中間層と前記接点層との間に前記Ｃｒ炭化物が存在することを特徴とする電気接点。
【請求項３】
請求項１に記載の電気接点であって、前記炭素繊維のアスペクト比（繊維長さ／繊維径）が５０〜１５０で、かつ、繊維径は３００ｎｍ以下であることを特徴とする電気接点。
【請求項４】
請求項１に記載の電気接点であって、
前記高導電層は、前記炭素繊維を０.１〜１.５重量％含むことを特徴とする電気接点。
【請求項５】
接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する電気接点の製造方法であって、
成型容器中にＣｒ，ＣｕおよびＴｅの混合粉末，Ｃｕ粉末および炭素繊維の混合粉末をそれぞれ層状に充填し、加圧して一体成型し、Ｃｕの融点以下で加熱焼結することを特徴とする電気接点の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の電気接点の製造方法であって、
前記焼結は、還元雰囲気中あるいは不活性雰囲気中で行うことを特徴とする電気接点の製造方法。
【請求項７】
真空容器内に一対の固定側電極およ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および可動側電極の各々に接続され、前記真空バルブ外へ引き出された導体端子と、
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であって、
前記固定側電極および可動側電極は円盤状部材と、該円盤状部材の前記高導電層の面に一体に接合された電極棒とよりなり、
前記固定側電極および可動側電極の円盤状部材の少なくともいずれかが、接点層と、前記接点層に対し導体に接続する側に設けられた高導電層の少なくとも２つの層を有する焼結体よりなり、前記接点層はＣｒとＣｕとＴｅを含み、前記高導電層はＣｕと炭素繊維を含み、前記接点層と前記高導電層の間にＣｒ炭化物が存在することを特徴とする真空遮断器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４２４０（Ｐ２０１１−１４２４０Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５４５１２（Ｐ２００９−１５４５１２）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【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２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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