ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点およびその製造方法
【課題】Ａｇ−ＷＣ接点が持っている接触抵抗特性の欠点を改善し、低サージ性と接触抵抗特性とが両立するＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点を得る。
【解決手段】Ａｇ２５〜７５質量％、ＷＣ２５〜７５質量％、必要により補助成分を含有したＡｇＣｕ合金からなる接点６と、接点６の接触面の略中央部に設けた凹部６ａと、凹部６ａの少なくとも内周の角部Ａ、ＢにＡｇ成分を蒸着させて形成したＡｇ膜６ｂ、６ｃとを備えたことを特徴とする。
【解決手段】Ａｇ２５〜７５質量％、ＷＣ２５〜７５質量％、必要により補助成分を含有したＡｇＣｕ合金からなる接点６と、接点６の接触面の略中央部に設けた凹部６ａと、凹部６ａの少なくとも内周の角部Ａ、ＢにＡｇ成分を蒸着させて形成したＡｇ膜６ｂ、６ｃとを備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裁断電流特性と接触抵抗特性とを両立し得る低サージ型真空遮断器に用いられるＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低サージ型真空遮断器では、第１に裁断電流値の大小が重要な要件とされている。即ち、電動機や変圧器などの誘導性の負荷回路を遮断すると、過度の異常サージ電圧が発生し、負荷側機器の絶縁を破壊したり燃焼させる恐れがある。このため、裁断電流値を小さくし、異常サージ電圧を抑制することが要求される。
【０００３】
低サージ型真空遮断器の第２には、接触抵抗特性が重要な要件とされている。即ち、近年の遮断器の小型化の要求に対し、省エネルギー操作が不可欠となる。特に駆動操作を電動式で行う真空遮断器では、機械式と比べて機構的な制約から高い接触荷重を接点に加えることが難しい。したがって、接点には、優れた接触抵抗特性を併せ持つことが要求される。
【０００４】
裁断電流値を小さくする低サージ性に対しては、ＷＣ（炭化タングステン）が持っている優れた熱電子放出性、およびＡｇ（銀）が持っている高い蒸気圧性という２つの性質を利用したＡｇ−ＷＣ合金の接点を搭載した真空遮断器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、低サージ性に対し、高蒸気圧性の元素であるＢｉを多量に含有させたＣｕ−１０％Ｂｉ合金の接点を搭載した真空遮断器が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
真空遮断器では、裁断電流特性と接触抵抗特性のほかに、耐溶着特性が基本的な要件として挙げられている。これに対しては、極少量のＢｉを結晶粒界に偏析して析出させ、合金自体を脆化させ、低い溶着引き外し力を実現したＣｕ−０．５％Ｂｉ合金の接点を搭載した真空遮断器が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
また、低サージ性に対し、Ｃｏを含んだＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ−３％Ｃｏ合金の接点が提案されている。しかしながら、導電率が低いため、接点表面層と内部層とのＡｇ量、Ｃｕ量を、表面層から内部層に向かって変化させる構成を採用している。表面層のみ熱伝導性を低くし低サージ性を改善した上で、接点全体の平均熱伝導性を高く維持させている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００８】
Ａｇ−Ｃｒ合金の接点においては、接点の表面から厚さ方向に組成の異なる複数の層を存在させ、表面に近い層ほど耐弧性成分の量を多くしたものが提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００９】
また、１０〜３３％Ｃｕ−Ｗ合金層を被アーク面とし、３５〜７５％Ｃｕ−Ｗ合金層を接点もしくは導電軸と接合する接合面とし、これらの境界を互いに合金化させて一体化させた接点が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。
【特許文献１】特開昭５４−６５３７７号公報
【特許文献２】特公昭３５−１４９７４号公報
【特許文献３】特公昭４１−１２１３１号公報
【特許文献４】特開平４−２０６１２２号公報
【特許文献５】特開平９−３１２１２０号公報
【特許文献６】特開２００６−１００２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した従来の各種の接点材料を搭載した低サージ型の真空遮断器では、いずれも裁断電流特性と接触抵抗特性との両立がなされていないという問題点があり、その改良が望まれていた。
【００１１】
特許文献１のＡｇ−ＷＣ接点では、低サージ性がある程度満たされ高い実施実績を持っている。しかしながら、ＷＣ量を増加させると低サージ性が改善されるものの、接触抵抗特性が著しく低下する。逆にＡｇを増加させると接触抵抗特性は改善されるものの、低サージ性が著しく低下する。このため、低サージ性と接触抵抗特性との両立は達成されていない。
【００１２】
また、この接点では、焼結熱処理、開閉、遮断などの過程において、Ａｇの選択的蒸発が過度に進行することがみられ、アークを受けた接点表面ではＷＣの露出が促進される。ＷＣリッチ部分が現れると、接触抵抗値が過度に上昇したり、ばらつきが大きくなり、温度上昇を招くことになる。
【００１３】
特許文献２のＣｕ−Ｂｉ接点では、遮断の瞬間に接点間にＢｉ蒸気が充分に供給されている間は低サージ性が維持される。しかしながら、時間経過とともに、接点表面層のＢｉが枯渇し、Ｂｉ蒸気の供給量が減少すると、低サージ性が低下する。表面層のＢｉの蒸発損失は、接点面でのＢｉ量分布の変動を招き低サージ性は安定しない。
【００１４】
特許文献３のＣｕ−Ｂｉ接点では、Ｂｉの添加が０．５％と少なく、大電流を遮断する遮断能力や耐溶着性を優先する大電流遮断型に高い実績を持つ。しかしながら、低サージ性は期待できない。また、接点間へ過度にＢｉ蒸気が供給されるようになると耐電圧特性を低下させる。
【００１５】
特許文献４のＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ−Ｃｏ接点では、表面層と内部層の熱伝導性を改善しているが、これによっても表面層には依然として開閉や遮断の経過とともに、ＷＣリッチ部分が存在するようになり、ＷＣが接触面に露出し、接触抵抗特性は改善されない。また、Ｃｏは、焼結性の改善として機能している。しかしながら、Ｃｏを添加しても焼結時や電流遮断時に接点の最表面層で起こるＡｇの選択的蒸発現象によるＡｇ欠乏部の生成や、選択的に蒸発したＡｇ近傍で局所的にみられるＷＣリッチ部分などを抑制することは困難である。
【００１６】
焼結性の改善としてＣｏの代わりに同じＦｅ族元素であるＮｉを少量利用したＡｇ−ＷＣ−Ｎｉ合金を用いることも考えられているが、Ｃｏの場合と同様に接触抵抗特性に問題があることが指摘されている。これらの結果、低サージ性と接触抵抗特性とを両立させたものは未だ達成されていない。
【００１７】
特許文献５のＡｇ−Ｃｒ接点では、複数の層を形成しているが、いずれの層にも耐弧性成分が存在しているので、上述と同様に、接触面での耐弧性成分の露出により、接触抵抗特性を低下させる。
【００１８】
特許文献６のＣｕ−Ｗ接点では、被アーク面と接合面とを２０〜１００μｍの範囲で合金化することで互いの層の接触抵抗を抑制することができる。しかしながら、いずれの層にも耐弧性成分が存在しているので、上述と同様に、接触面での耐弧性成分の露出により、接触抵抗特性を低下させる。
【００１９】
以上のように、いずれの接点も、開閉動作の進行によりＷＣの凝集やＡｇの損失が起こり、接触抵抗特性に影響を及ぼすとともに、低サージ性を不安定化させていた。
【００２０】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、Ａｇ−ＷＣ接点が持っている接触抵抗特性の欠点を改善し、低サージ性と接触抵抗特性とを両立し得るＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点は、Ａｇ２５〜７５質量％、ＷＣ２５〜７５質量％、必要により補助成分を含有したＡｇＣｕ合金からなる接点と、前記接点の接触面の略中央部に設けた凹部と、前記凹部の少なくとも内周の角部にＡｇ成分を蒸着させて形成したＡｇ膜とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＡｇＷＣ合金からなる接点の接触面に凹部を設け、この凹部にＡｇを主成分とするＡｇ塊を配置し、これらを加熱して一体化させているので、ＷＣが持っている優れた熱電子放出性、およびＡｇが持っている高い蒸気圧性の両者を効果的に発揮させることができ、低サージ性と接触抵抗特性とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（接点の構成）
先ず、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点が用いられる真空バルブの構成を図１、図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る真空バルブの構成を示す断面図、図２は、本発明の実施例に係るＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の構成を示す拡大断面図である。
【００２４】
図１に示すように、筒状の真空絶縁容器１の両端開口部には、固定側封着金具２と可動側封着金具３が封着されている。固定側封着金具２には、固定側通電軸４が貫通固定され、端部に固定側接点５が固着されている。固定側接点５に対向して接離自在の可動側接点６が可動側封着金具３を貫通する可動側通電軸７端部に固着されている。可動側通電軸７の中間部にはベローズカバー８が設けられ、ベローズカバー８と可動側封着金具３間に伸縮自在のベローズ９が封着されている。また、接点５、６間を包囲するアークシールド１０が真空絶縁容器１内面に固定されている。
【００２５】
可動側接点６の詳細を図２に示す。図２に示すように、ＡｇＷＣからなる可動側接点６の接触面の略中央部には、円柱状の可動側凹部６ａが設けられており、この凹部６ａ内にｅ−Ｂ−Ｄ−ｆで囲まれるＡｇを主成分とする可動側Ａｇ層６ｂが設けられている。また、後述する製造方法によっては、可動側Ａｇ層６ｂの表面にＡ−ｅ−ｆ−Ｃで囲まれるＡｇ成分が蒸着した可動側Ａｇ被膜６ｃが設けられる。ここで、可動側Ａｇ層６ｂと可動側Ａｇ被膜６ｃとは一体化することがあるので、これらを単にＡｇ膜と称する。なお、固定側接点５も同様に、固定側凹部５ａが設けられ、Ａｇ膜が設けられている。そして、Ａｇ膜を有するＡｇＷＣ接点をＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点と称する。
【００２６】
（接点の製造方法）
次に、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法を可動側を用いて説明する。公知技術によって製造した凹部６ａを持つＡｇＷＣ合金板を準備し（ＡｇＷＣ合金板を準備する工程）、凹部６ａの底面にＡｇ塊を載置する（Ａｇ塊を載置する工程）。そして、ＡｇＷＣ合金板とＡｇ塊を同時に加熱し、Ａｇ塊を溶解させて両者を一体化させる（ＡｇＷＣ合金板とＡｇ塊とを加熱する工程）。ＡｇＷＣ合金板は、２５〜７５質量％のＡｇと２５〜７５質量％のＷＣと必要により補助成分を含む。Ａｇが２５質量％未満では、裁断電流値を小さくすることができるが、接触抵抗値が上昇するとともに、遮断特性の低下を招くので好ましくない。Ａｇが７５質量％超過では、裁断電流値が大きくなり、低サージ性の効果が発揮されないので除外する。
【００２７】
補助成分としては、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉの少なくとも１種を用い、これらの総量を５質量％以下とする。補助成分を含有させると加工性が向上するが、５質量％を超えると、裁断特性が低下する。好ましくは１質量％以下がよい。
【００２８】
Ａｇ塊は９０質量％以上のＡｇを用い、凹部６ａ内で溶融温度程度まで加熱し、Ａｇ成分を環状となる内周の角部Ａ、内周の角部Ｃ、筒状となる内周の側面Ａ−Ｂ、内周の側面Ｃ−Ｄ、および円状となる底面Ｂ−Ｄに蒸着させる（Ａｇ成分を凹部６ａに供給する工程）。これらの角部、側面、底面に蒸着されたＡｇ成分がＡｇ層６ｂやＡｇ被膜６ｃとなり、Ａｇ膜に相当する。なお、Ａｇ塊にＡｇが９０質量％以上のＡｇＣｕ合金を用いると、Ａｇを主成分とするＡｇ層６ｂとＡｇ成分のＡｇ被膜６ｃが形成される。
【００２９】
角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤにＡｇ成分を効率的に蒸着させるには、Ａｇ塊を凹部６ａの底面の一部分に偏って載置せず、均一的に載置する。底面の中央部が最もよい。加熱温度は１０００℃程度で、昇温速度はＡｇを適切に蒸発させる約５℃／分を採用する。これにより、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点を得ることができる。
【００３０】
（Ａｇ塊の形態）
Ａｇ塊は、塊状、薄板状、箔状、線状、粉状、圧粉体状などのいずれもよい。また、凹部６ａ内面にペースト状の銀粉を塗布、一旦加熱して溶解させた蒸着膜、物理的Ａｇメッキ、化学的Ａｇメッキを施したものでもよい。なお、Ａｇ板を配置し、脱落しないように高圧力で加圧して圧着させてもよい。
【００３１】
また、Ａｇ塊は、Ａｇが９０質量％以上のＡｇＣｕ合金でもよい。Ａｇが９０質量％未満では、Ａｇ分圧の低下で必要とするＡｇ成分の蒸着量が低下し、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤへのＡｇ成分の供給効率が低下する。
【００３２】
（凹部６ａの深さ）
凹部６ａの深さは、少なくとも０．１ｍｍ以上とする。０．１ｍｍ未満では、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄへ供給されるＡｇ量が減少し、Ａｇの持つ接触抵抗特性を充分に発揮させることができない。一方、深さの最大は、接点６厚さの１／５〜１／１０を目安とする。これは、投入時や遮断時の溶着引き外し力が一定ではなく常に異なるものであるので、引き外しに際し、接点６が破壊せず耐えるものにするためである。
【００３３】
（Ａｇ塊の量）
Ａｇ塊の量は、０．１〜２ｇ／ｃｍ２とする。２ｇ／ｃｍ２を超えると、Ａｇが凹部６ａから過度に溢れ出したり、接触面の平滑度を損なったりする。更に、接触面にＡｇ成分が過度に供給され、裁断現象の発生を緩和するためのＷＣの多くが覆い隠され、熱電子放出効果が低減され、その結果、裁断電流値のばらつきが大きくなる。Ａｇ塊の量が０．１ｇ／ｃｍ２未満では、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤへのＡｇ成分の供給が過少となり、局所的にＷＣが露出してＷＣによる熱電子放出効果が現れるものの、接触抵抗特性が低下する。
【００３４】
（Ａｇ塊量の表示）
Ａｇ塊の表示はｇ／ｃｍ２としている。これは、電流開閉時に所定量のＡｇ蒸気を接点５、６間に供給するためである。角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤからＡｇ蒸気を供給することが重要であり、Ａｇを均一の厚さで設けることは重要でない。均一の厚さにする場合、ガスを内包し易いメッキ法や厚さに制限のある蒸着法があり、この点でも好ましくない。更には、裁断電流試験結果を整理する上で、厚さｍｍと重量ｇ／ｃｍ２とでは、後者の方が裁断電流値の分布の整理が容易であり、信頼性の管理面などで有益である。これは、接触面上でのアークが無数で極めて微小面積であり、組成の変動と厚さの変動が大きく、この変動と接触抵抗値との関係を整理することは困難なためである。これらのことから、この種の真空バルブに用いられる接点６の大きさを考慮して、Ａｇ塊量の表示は凹部６ａ底面の直径を２０ｍｍとしたときの相対値で表示している。
【００３５】
（凹部６ａの作用）
凹部６ａの存在によって、これを設けていない平板と比べて、確実且つ安定した接触をさせることができ、接触抵抗特性を向上させる。また、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄに蒸着させたＡｇ成分により、更に接触抵抗特性を向上させることができる。即ち、凹部６ａを設けて接触させると、凹部６ａの開口端面の円周上には接触する可能性のある接触点が連続して点在し、確実な接触を示す。そして、角部Ａ、ＣにＡｇ成分を存在させているので、接触抵抗値を抑え、安定した接触抵抗特性を示す。
【００３６】
なお、筒状となる側面Ａ−Ｂ、Ｃ−ＤにＡｇ膜を蒸着させると、必然的に環状となる角部Ａ、ＣにもＡｇ膜が形成されるが、積極的に角部Ａ、Ｃであって接触面にも達するようなＡｇ膜を設けると、接触抵抗特性を改善することができる。また、凹部６ａの内径を通電軸７の外径よりも小さくすると、機械的荷重が加わっても凹部６ａは反ることがなく、角部Ａ、Ｃが確実に接触する。
【００３７】
電流開閉時においては、定格電流以下のような小さい電流遮断では上述した凹部６ａによる連続的な接触点とＡｇ成分の供給とにより、裁断電流特性と接触抵抗特性との両立を図ることができる。角部Ａ、ＣのＡｇ成分が蒸発しても、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤからＡｇ成分が供給され、更には下地のＡｇＷＣ合金からＡｇ成分が供給されるので、安定した接触抵抗特性を維持させることができる。
【００３８】
一方、事故電流のような大きな電流遮断では、そのエネルギーによってＡｇ成分が接触面から蒸発し、下地のＡｇＷＣからＷＣが露出する。これにより、ＷＣの高融点性を利用して耐溶着性を向上させることができ、火災などの事故を回避することができる。即ち、裁断電流特性と接触抵抗特性とを維持しながら耐溶着性を有するという二律背反的な要求に対応するものとなる。
【００３９】
なお、従来のＡｇ−ＷＣ接点では、電流開閉時に、入力されるエネルギーに応じたＡｇ成分の蒸発と、アークにより加熱された温度に応じたＷＣからの熱電子放出により、裁断電流現象が緩和されていた。しかしながら、Ａｇの蒸発により接触抵抗特性が低下し、両者の両立は困難であった。定格電流以下の電流開閉では、接触面の汚染、凹凸などを清浄化するエネルギー注入がなされないので接触抵抗特性が重要となる。また、事故電流のような電流開閉では、Ａｇの蒸発を活発化させ、裁断電流特性を向上させなければならない。更には、Ａｇ−ＷＣ接点では、製造過程での焼結、溶浸によりＡｇ成分の蒸発損失が起こり、接触面のＡｇ成分量を制御することが困難であった。
【００４０】
これに対し、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点では、凹部６ａを設けてＡｇ成分を供給する角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄを形成し、接触面からのＡｇ成分の蒸発においてはそれを補給し、ＷＣの露出においてはそれを覆って修復し、裁断電流特性と接触抵抗特性とを両立させることができる。
【００４１】
（評価方法−裁断電流特性）
一対のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点を１０−３Ｐａ以下に排気した組立て式真空開閉装置にセットし、サージインピーダンス１００Ωの回路で５０Ｈｚ、２０Ａ（実効値）の電流を１０００回開閉したときの裁断電流値を求めた。結果は、１０００回の測定値の低い方から１００番目の値を第１・１０分位とし、低い方から９００番目の値を第９・１０分位とし、平均値を算出し、これらを相対値で示した。
【００４２】
（評価方法−接触抵抗特性）
平均表面粗さ５μｍに加工仕上げした直径４２ｍｍで厚さ５ｍｍの平板状のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点と、同様の表面粗さを持つ曲率半径１００ｍｍの半球状電極を対向接触させ、直流１０Ａ通電時の接触抵抗を求めた。接触荷重は３ｋｇとし、１０−３Ｐａ以下の真空中で行った。結果は、１００個の測定値の低い方から１０番目の値を第１・１０分位とし、低い方から９０番目の値を第９・１０分位とし、平均値を算出し、これらを相対値で示した。なお、測定にあたっては、配線材料などの抵抗値を含んだ値である。
【００４３】
（評価方法−加工性）
あらかじめ平均表面粗さ５０〜６０μｍに揃えた直径４２ｍｍのＡｇＷＣ合金素材を１００枚用意し、平均表面粗さ３μｍを目標に切削加工を行った。切削工具は、ＳＫＨ４工具鋼のバイトを使用した。バイトの消耗度合いもあり、全てのＡｇＷＣ合金素材の表面粗さが目標値に達しないので、表１に示す判定基準により、加工性を評価した。
【表１】
【００４４】
（遮断特性）
一部のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点においては、遮断試験用実験バルブに取り付け、遮断試験を行った。ベーキング、電圧エージングを与えた後、２４ｋＶ、５０Ｈｚの回路に接続し、１ｋＡずつ電流を上昇させ、遮断限界を求めた。供試バルブは３本であり、遮断後に解体してアークの拡がりなどを観察し、遮断性能の判断の一助とした。
【００４５】
（温度上昇特性）
接触抵抗特性と同様の電極を用い、１０−３Ｐａ以下の真空容器にセットし、接触荷重３０ｋｇ、開離力２０ｋｇで４００Ａの電流を２０回開閉し、開閉直後の通電軸の温度変化を赤外線温度計で測定した。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の実施例を表２に示す接点製造条件と、表３に示す評価結果を参照して説明する。
【００４７】
（実施例１）
ＡｇＷＣ合金板を公知技術で製造した。即ち、平均粒子直径３μｍのＷＣ粉を所定量（６０質量％）と、平均粒子直径５μｍのＡｇ粉とを所定量（４０質量％）秤量し、混合機で充分に混合してＡｇＷＣ粉とする。その後、ＡｇＷＣ粉を成型圧力３トン／ｃｍ２（１〜４トン／ｃｍ２が好適）で成型し、直径４５ｍｍのＡｇＷＣ成型体を得る。得られたＡｇＷＣ成型体を水素雰囲気中で１１５０℃−２時間の焼結を行い、残存空隙率が１０％程度の直径４４ｍｍのＡｇＷＣ焼結体を得る。その後、ＡｇＷＣ焼結体の残存空隙中に１０３０℃（９８０〜１１５０℃が好適）で１時間、真空中でＡｇを溶浸し、冷却速度約５℃／分で冷却し、９８〜１００％の相対密度を持つ直径４３ｍｍのＡｇＷＣ溶浸体を得る（Ａｇ溶浸工程）。得られたＡｇＷＣ溶浸体を機械加工によって直径４２ｍｍのＡｇＷＣ合金板とする。
【００４８】
得られたＡｇＷＣ合金板の接触面の略中央部に機械加工により凹部６ａを付与する。凹部６ａは、表２に示すように、内径が２０ｍｍで、深さが０．２５ｍｍであり、底面の表面粗さが９〜１２μｍ、内周の側面の表面粗さも９〜１２μｍである。凹部６ａの深さは、底面角部からの亀裂、破断を抑制するため、厚さの１／１０以内が好ましい。なお、凹部６ａは、接触面に複数個を分割して付与してもよい。
【００４９】
このようにして得られた凹部６ａ付きＡｇＷＣ合金板にＡｇ塊を０．２５ｇ／ｃｍ２載置する。これらを非酸化性雰囲気中の真空中で１０００℃の１時間加熱する。加熱は８００℃以上で可能である。加熱処理により、Ａｇ塊中のＡｇ成分は蒸発移動し、凹部６ａの角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤにＡｇ成分が蒸着され、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点が得られる。なお、凹部６ａを複数個に分割した場合には、Ａｇ塊をそれぞれ分配する。
【００５０】
このように製造したＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点では、接触抵抗値の平均値が９３μΩ、裁断電流値の平均値が１．１Ａであり、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。また、加工性も良好であった。特に、接触抵抗特性と裁断電流特性において、平均値が低いとともに、第１・１０分位と第９・１０分位の差が小さく、ばらつきが小さいものであった。
【００５１】
（実施例２）
実施例１の製造方法に対し、Ａｇ溶浸工程を省略した。ＡｇとＷＣとの混合比率は実施例１と同様であるが、ＡｇＷＣ焼結体の相対密度が９９％以上となるように、ＡｇＷＣ成型体を得る際の成型圧力を８トン／ｃｍ２とし、１０３０℃で２時間の焼結を行った。その後、冷却速度約５℃／分で冷却し、ＡｇＷＣ焼結体を得て、機械加工により直径４２ｍｍで凹部６ａの深さ０．２５ｍｍのＡｇＷＣ合金板を製造した。次いで、凹部６ａにＡｇ塊を載置し、８００℃以上で加熱処理を行い、Ａｇ成分を凹部６ａの角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、側面Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄに蒸着させた。
【００５２】
この結果、接触抵抗値の平均値が８５μΩ、裁断電流値の平均値が１．１Ａであり、いずれもばらつきが小さく、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。また、加工性も良好であった。
【００５３】
（比較例１〜３）
比較例１では、実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造したが、凹部６ａを設けていないＡｇＷＣ接点である。その結果、接触抵抗値が高くばらつきが大きかった。比較例２においても凹部６ａを設けず、Ａｇ塊だけを載置して非酸化性雰囲気中で加熱した。その結果、Ａｇ成分が空間に拡散し、Ａｇ成分を接触面へ残存させることが困難であり、接触抵抗特性はばらつきが大きいものであった。なお、接触面上からＡｇの脱落も見られた。比較例３では、凹部６ａを設けたものの、Ａｇ塊を載置していない。その結果、接触面にＡｇ膜が蒸着されていないため、接触抵抗値が高くばらつきが大きかった。
【００５４】
（実施例３〜６、比較例４、５）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造した。そして、凹部６ａの深さを０．０８〜０．０９ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍと変化させた。Ａｇ塊は、０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００５５】
その結果、深さ０．０８〜０．０９ｍｍの比較例４では、接触抵抗値が高く、ばらつきが大きかった。これは、Ａｇが凹部６ａから溢れて脱落するものがあり、Ａｇ成分が充分に蒸着されなかったためである。また、深さ０．６ｍｍの比較例５では、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であったものの、凹部６ａ底部の角部に亀裂が発生したものがあった。
【００５６】
これに対し、凹部６ａの深さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの実施例３〜６では、接触抵抗特性、裁断電流特性、加工性ともいずれも良好であった。
【００５７】
（実施例７〜１０、比較例６、７）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造した。そして、凹部６ａの深さを０．３ｍｍとし、Ａｇ塊を０．０６ｇ／ｃｍ２〜２．３ｇ／ｃｍ２と変化させた。
【００５８】
その結果、Ａｇ塊が０．０６ｇ／ｃｍ２の比較例６では、Ａｇ量が少なく、接触抵抗値が大きかった。また、Ａｇ塊が２．３ｇ／ｃｍ２の比較例７では、接触抵抗特性が良好であったものの、特に第９・１０分位の裁断電流値が大きかった。
【００５９】
これに対し、Ａｇ塊が０．１ｇ／ｃｍ２、１．０ｇ／ｃｍ２、１．４ｇ／ｃｍ２、２．０ｇ／ｃｍ２の実施例７〜１０では、接触抵抗特性、裁断電流特性、加工性ともいずれも良好であった。
【００６０】
（実施例１１、１２、比較例８）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造した。そして、凹部６ａの深さを０．３ｍｍとし、Ａｇ塊を０．３ｇ／ｃｍ２とした。ここで、Ａｇ塊は、Ａｇの質量を９５％〜８５％と変化させ、残部をＣｕとした。
【００６１】
その結果、９５質量％Ａｇの実施例１１、９０質量％の実施例１２では、安定した接触抵抗特性、裁断電流特性を示した。しかしながら、８５質量％の比較例８では、Ａｇ成分が少なく接触抵抗値が高く、好ましくなかった。
【００６２】
（実施例１３〜１８、比較例９）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造するものの、機械加工性を向上させるため、ＡｇＷＣ合金中に補助成分としてＣｏを０．１質量％〜６．０質量％の範囲で混合した。なお、Ｃｏの混合量に合わせて、ＡｇとＷＣとを同量ずつ減量させている。凹部６ａの深さは０．３ｍｍ、Ａｇ塊は０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００６３】
その結果、Ｃｏが０．１質量％〜５．０質量％の実施例１３〜１８では、接触抵抗値の平均値が１１１μΩ以下、裁断電流値の平均値が１．７Ａ以下であり、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。特に、実施例１６、１７では、加工性評価がＡ、Ｓであり優れたものであった。
【００６４】
これに対し、Ｃｏが６．０質量％の比較例９では、遮断特性が１．３倍と予期せぬ向上を示したが、接触抵抗値が平均２８５μΩと高く、また加工性評価がＺであり高硬度化していた。
【００６５】
（実施例１９〜２２）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造するものの、ＡｇＷＣ合金中にＣｕを０．１質量％〜３．０質量％の範囲で混合した。なお、Ｃｕの混合量に合わせて、ＡｇとＷＣとを同量ずつ減量させている。凹部６ａの深さは０．３ｍｍ、Ａｇ塊は０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００６６】
その結果、Ｃｕを混合した実施例１９〜２２では、接触抵抗値の平均値が１０６μΩ以下、裁断電流値の平均値が１．６Ａ以下であり、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。特に、Ｃｕが１．０質量％の実施例２１では、加工性評価がＡであり優れたものであった。
【００６７】
（実施例２３〜２７）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造するものの、ＡｇＷＣ合金中にＮｉを０．１質量％〜２．０質量％の範囲で混合した。また、ＮｉとＣｕ、およびＮｉとＣｕとＣｏを混合した。なお、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏの混合量に合わせて、ＡｇとＷＣとを同量ずつ減量させている。凹部６ａの深さは０．３ｍｍ、Ａｇ塊は０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００６８】
その結果、Ｎｉが０．１質量％〜２．０質量％の実施例２３〜２５では、接触抵抗特性、裁断電流特性に影響を与えることなく良好であった。Ｎｉが０．３質量％、Ｃｕが０．２質量％の実施例２６でも、接触抵抗特性、裁断電流特性が良好であった。また、Ｎｉが０．２質量％、Ｃｕが０．３質量％、Ｃｏが０．２質量％の実施例２７でも、接触抵抗特性、裁断電流特性が良好であった。加工性は、実施例２３〜２７全て良好であった。
【００６９】
（他の実施例）
ＡｇＷＣ合金板を製造するにあたって、Ａｇが７５質量％を超え、ＷＣが２５質量％未満では、裁断電流値が高くなる。また、Ａｇが２５質量％未満で、ＷＣが７５質量％を超えると、接触抵抗値が過度に高くなり、通電時の温度上昇が著しいものになる。したがって、Ａｇが２５〜７５質量％で残部がＣｕのＡｇＷＣ合金板において、凹部６ａを設けてＡｇ成分を蒸着させることにより、接触抵抗特性と裁断電流特性とを向上させることができる。
【表２】
【表３】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施例に係る真空バルブの構成を示す断面図。
【図２】本発明の実施例に係るＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の構成を示す拡大断面図。
【符号の説明】
【００７１】
１ 真空絶縁容器
２ 固定側封着金具
３ 可動側封着金具
４ 固定側通電軸
５ 固定側接点
５ａ 固定側凹部
６ 可動側接点
６ａ 可動側凹部
６ｂ 可動側Ａｇ層
６ｃ 可動側Ａｇ被膜
７ 可動側通電軸
８ ベローズカバー
９ ベローズ
１０ アークシールド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裁断電流特性と接触抵抗特性とを両立し得る低サージ型真空遮断器に用いられるＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低サージ型真空遮断器では、第１に裁断電流値の大小が重要な要件とされている。即ち、電動機や変圧器などの誘導性の負荷回路を遮断すると、過度の異常サージ電圧が発生し、負荷側機器の絶縁を破壊したり燃焼させる恐れがある。このため、裁断電流値を小さくし、異常サージ電圧を抑制することが要求される。
【０００３】
低サージ型真空遮断器の第２には、接触抵抗特性が重要な要件とされている。即ち、近年の遮断器の小型化の要求に対し、省エネルギー操作が不可欠となる。特に駆動操作を電動式で行う真空遮断器では、機械式と比べて機構的な制約から高い接触荷重を接点に加えることが難しい。したがって、接点には、優れた接触抵抗特性を併せ持つことが要求される。
【０００４】
裁断電流値を小さくする低サージ性に対しては、ＷＣ（炭化タングステン）が持っている優れた熱電子放出性、およびＡｇ（銀）が持っている高い蒸気圧性という２つの性質を利用したＡｇ−ＷＣ合金の接点を搭載した真空遮断器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、低サージ性に対し、高蒸気圧性の元素であるＢｉを多量に含有させたＣｕ−１０％Ｂｉ合金の接点を搭載した真空遮断器が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
真空遮断器では、裁断電流特性と接触抵抗特性のほかに、耐溶着特性が基本的な要件として挙げられている。これに対しては、極少量のＢｉを結晶粒界に偏析して析出させ、合金自体を脆化させ、低い溶着引き外し力を実現したＣｕ−０．５％Ｂｉ合金の接点を搭載した真空遮断器が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
また、低サージ性に対し、Ｃｏを含んだＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ−３％Ｃｏ合金の接点が提案されている。しかしながら、導電率が低いため、接点表面層と内部層とのＡｇ量、Ｃｕ量を、表面層から内部層に向かって変化させる構成を採用している。表面層のみ熱伝導性を低くし低サージ性を改善した上で、接点全体の平均熱伝導性を高く維持させている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００８】
Ａｇ−Ｃｒ合金の接点においては、接点の表面から厚さ方向に組成の異なる複数の層を存在させ、表面に近い層ほど耐弧性成分の量を多くしたものが提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００９】
また、１０〜３３％Ｃｕ−Ｗ合金層を被アーク面とし、３５〜７５％Ｃｕ−Ｗ合金層を接点もしくは導電軸と接合する接合面とし、これらの境界を互いに合金化させて一体化させた接点が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。
【特許文献１】特開昭５４−６５３７７号公報
【特許文献２】特公昭３５−１４９７４号公報
【特許文献３】特公昭４１−１２１３１号公報
【特許文献４】特開平４−２０６１２２号公報
【特許文献５】特開平９−３１２１２０号公報
【特許文献６】特開２００６−１００２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した従来の各種の接点材料を搭載した低サージ型の真空遮断器では、いずれも裁断電流特性と接触抵抗特性との両立がなされていないという問題点があり、その改良が望まれていた。
【００１１】
特許文献１のＡｇ−ＷＣ接点では、低サージ性がある程度満たされ高い実施実績を持っている。しかしながら、ＷＣ量を増加させると低サージ性が改善されるものの、接触抵抗特性が著しく低下する。逆にＡｇを増加させると接触抵抗特性は改善されるものの、低サージ性が著しく低下する。このため、低サージ性と接触抵抗特性との両立は達成されていない。
【００１２】
また、この接点では、焼結熱処理、開閉、遮断などの過程において、Ａｇの選択的蒸発が過度に進行することがみられ、アークを受けた接点表面ではＷＣの露出が促進される。ＷＣリッチ部分が現れると、接触抵抗値が過度に上昇したり、ばらつきが大きくなり、温度上昇を招くことになる。
【００１３】
特許文献２のＣｕ−Ｂｉ接点では、遮断の瞬間に接点間にＢｉ蒸気が充分に供給されている間は低サージ性が維持される。しかしながら、時間経過とともに、接点表面層のＢｉが枯渇し、Ｂｉ蒸気の供給量が減少すると、低サージ性が低下する。表面層のＢｉの蒸発損失は、接点面でのＢｉ量分布の変動を招き低サージ性は安定しない。
【００１４】
特許文献３のＣｕ−Ｂｉ接点では、Ｂｉの添加が０．５％と少なく、大電流を遮断する遮断能力や耐溶着性を優先する大電流遮断型に高い実績を持つ。しかしながら、低サージ性は期待できない。また、接点間へ過度にＢｉ蒸気が供給されるようになると耐電圧特性を低下させる。
【００１５】
特許文献４のＡｇ−Ｃｕ−ＷＣ−Ｃｏ接点では、表面層と内部層の熱伝導性を改善しているが、これによっても表面層には依然として開閉や遮断の経過とともに、ＷＣリッチ部分が存在するようになり、ＷＣが接触面に露出し、接触抵抗特性は改善されない。また、Ｃｏは、焼結性の改善として機能している。しかしながら、Ｃｏを添加しても焼結時や電流遮断時に接点の最表面層で起こるＡｇの選択的蒸発現象によるＡｇ欠乏部の生成や、選択的に蒸発したＡｇ近傍で局所的にみられるＷＣリッチ部分などを抑制することは困難である。
【００１６】
焼結性の改善としてＣｏの代わりに同じＦｅ族元素であるＮｉを少量利用したＡｇ−ＷＣ−Ｎｉ合金を用いることも考えられているが、Ｃｏの場合と同様に接触抵抗特性に問題があることが指摘されている。これらの結果、低サージ性と接触抵抗特性とを両立させたものは未だ達成されていない。
【００１７】
特許文献５のＡｇ−Ｃｒ接点では、複数の層を形成しているが、いずれの層にも耐弧性成分が存在しているので、上述と同様に、接触面での耐弧性成分の露出により、接触抵抗特性を低下させる。
【００１８】
特許文献６のＣｕ−Ｗ接点では、被アーク面と接合面とを２０〜１００μｍの範囲で合金化することで互いの層の接触抵抗を抑制することができる。しかしながら、いずれの層にも耐弧性成分が存在しているので、上述と同様に、接触面での耐弧性成分の露出により、接触抵抗特性を低下させる。
【００１９】
以上のように、いずれの接点も、開閉動作の進行によりＷＣの凝集やＡｇの損失が起こり、接触抵抗特性に影響を及ぼすとともに、低サージ性を不安定化させていた。
【００２０】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、Ａｇ−ＷＣ接点が持っている接触抵抗特性の欠点を改善し、低サージ性と接触抵抗特性とを両立し得るＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点は、Ａｇ２５〜７５質量％、ＷＣ２５〜７５質量％、必要により補助成分を含有したＡｇＣｕ合金からなる接点と、前記接点の接触面の略中央部に設けた凹部と、前記凹部の少なくとも内周の角部にＡｇ成分を蒸着させて形成したＡｇ膜とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ＡｇＷＣ合金からなる接点の接触面に凹部を設け、この凹部にＡｇを主成分とするＡｇ塊を配置し、これらを加熱して一体化させているので、ＷＣが持っている優れた熱電子放出性、およびＡｇが持っている高い蒸気圧性の両者を効果的に発揮させることができ、低サージ性と接触抵抗特性とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（接点の構成）
先ず、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点が用いられる真空バルブの構成を図１、図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る真空バルブの構成を示す断面図、図２は、本発明の実施例に係るＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の構成を示す拡大断面図である。
【００２４】
図１に示すように、筒状の真空絶縁容器１の両端開口部には、固定側封着金具２と可動側封着金具３が封着されている。固定側封着金具２には、固定側通電軸４が貫通固定され、端部に固定側接点５が固着されている。固定側接点５に対向して接離自在の可動側接点６が可動側封着金具３を貫通する可動側通電軸７端部に固着されている。可動側通電軸７の中間部にはベローズカバー８が設けられ、ベローズカバー８と可動側封着金具３間に伸縮自在のベローズ９が封着されている。また、接点５、６間を包囲するアークシールド１０が真空絶縁容器１内面に固定されている。
【００２５】
可動側接点６の詳細を図２に示す。図２に示すように、ＡｇＷＣからなる可動側接点６の接触面の略中央部には、円柱状の可動側凹部６ａが設けられており、この凹部６ａ内にｅ−Ｂ−Ｄ−ｆで囲まれるＡｇを主成分とする可動側Ａｇ層６ｂが設けられている。また、後述する製造方法によっては、可動側Ａｇ層６ｂの表面にＡ−ｅ−ｆ−Ｃで囲まれるＡｇ成分が蒸着した可動側Ａｇ被膜６ｃが設けられる。ここで、可動側Ａｇ層６ｂと可動側Ａｇ被膜６ｃとは一体化することがあるので、これらを単にＡｇ膜と称する。なお、固定側接点５も同様に、固定側凹部５ａが設けられ、Ａｇ膜が設けられている。そして、Ａｇ膜を有するＡｇＷＣ接点をＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点と称する。
【００２６】
（接点の製造方法）
次に、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法を可動側を用いて説明する。公知技術によって製造した凹部６ａを持つＡｇＷＣ合金板を準備し（ＡｇＷＣ合金板を準備する工程）、凹部６ａの底面にＡｇ塊を載置する（Ａｇ塊を載置する工程）。そして、ＡｇＷＣ合金板とＡｇ塊を同時に加熱し、Ａｇ塊を溶解させて両者を一体化させる（ＡｇＷＣ合金板とＡｇ塊とを加熱する工程）。ＡｇＷＣ合金板は、２５〜７５質量％のＡｇと２５〜７５質量％のＷＣと必要により補助成分を含む。Ａｇが２５質量％未満では、裁断電流値を小さくすることができるが、接触抵抗値が上昇するとともに、遮断特性の低下を招くので好ましくない。Ａｇが７５質量％超過では、裁断電流値が大きくなり、低サージ性の効果が発揮されないので除外する。
【００２７】
補助成分としては、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉの少なくとも１種を用い、これらの総量を５質量％以下とする。補助成分を含有させると加工性が向上するが、５質量％を超えると、裁断特性が低下する。好ましくは１質量％以下がよい。
【００２８】
Ａｇ塊は９０質量％以上のＡｇを用い、凹部６ａ内で溶融温度程度まで加熱し、Ａｇ成分を環状となる内周の角部Ａ、内周の角部Ｃ、筒状となる内周の側面Ａ−Ｂ、内周の側面Ｃ−Ｄ、および円状となる底面Ｂ−Ｄに蒸着させる（Ａｇ成分を凹部６ａに供給する工程）。これらの角部、側面、底面に蒸着されたＡｇ成分がＡｇ層６ｂやＡｇ被膜６ｃとなり、Ａｇ膜に相当する。なお、Ａｇ塊にＡｇが９０質量％以上のＡｇＣｕ合金を用いると、Ａｇを主成分とするＡｇ層６ｂとＡｇ成分のＡｇ被膜６ｃが形成される。
【００２９】
角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤにＡｇ成分を効率的に蒸着させるには、Ａｇ塊を凹部６ａの底面の一部分に偏って載置せず、均一的に載置する。底面の中央部が最もよい。加熱温度は１０００℃程度で、昇温速度はＡｇを適切に蒸発させる約５℃／分を採用する。これにより、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点を得ることができる。
【００３０】
（Ａｇ塊の形態）
Ａｇ塊は、塊状、薄板状、箔状、線状、粉状、圧粉体状などのいずれもよい。また、凹部６ａ内面にペースト状の銀粉を塗布、一旦加熱して溶解させた蒸着膜、物理的Ａｇメッキ、化学的Ａｇメッキを施したものでもよい。なお、Ａｇ板を配置し、脱落しないように高圧力で加圧して圧着させてもよい。
【００３１】
また、Ａｇ塊は、Ａｇが９０質量％以上のＡｇＣｕ合金でもよい。Ａｇが９０質量％未満では、Ａｇ分圧の低下で必要とするＡｇ成分の蒸着量が低下し、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤへのＡｇ成分の供給効率が低下する。
【００３２】
（凹部６ａの深さ）
凹部６ａの深さは、少なくとも０．１ｍｍ以上とする。０．１ｍｍ未満では、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄへ供給されるＡｇ量が減少し、Ａｇの持つ接触抵抗特性を充分に発揮させることができない。一方、深さの最大は、接点６厚さの１／５〜１／１０を目安とする。これは、投入時や遮断時の溶着引き外し力が一定ではなく常に異なるものであるので、引き外しに際し、接点６が破壊せず耐えるものにするためである。
【００３３】
（Ａｇ塊の量）
Ａｇ塊の量は、０．１〜２ｇ／ｃｍ２とする。２ｇ／ｃｍ２を超えると、Ａｇが凹部６ａから過度に溢れ出したり、接触面の平滑度を損なったりする。更に、接触面にＡｇ成分が過度に供給され、裁断現象の発生を緩和するためのＷＣの多くが覆い隠され、熱電子放出効果が低減され、その結果、裁断電流値のばらつきが大きくなる。Ａｇ塊の量が０．１ｇ／ｃｍ２未満では、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤへのＡｇ成分の供給が過少となり、局所的にＷＣが露出してＷＣによる熱電子放出効果が現れるものの、接触抵抗特性が低下する。
【００３４】
（Ａｇ塊量の表示）
Ａｇ塊の表示はｇ／ｃｍ２としている。これは、電流開閉時に所定量のＡｇ蒸気を接点５、６間に供給するためである。角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤからＡｇ蒸気を供給することが重要であり、Ａｇを均一の厚さで設けることは重要でない。均一の厚さにする場合、ガスを内包し易いメッキ法や厚さに制限のある蒸着法があり、この点でも好ましくない。更には、裁断電流試験結果を整理する上で、厚さｍｍと重量ｇ／ｃｍ２とでは、後者の方が裁断電流値の分布の整理が容易であり、信頼性の管理面などで有益である。これは、接触面上でのアークが無数で極めて微小面積であり、組成の変動と厚さの変動が大きく、この変動と接触抵抗値との関係を整理することは困難なためである。これらのことから、この種の真空バルブに用いられる接点６の大きさを考慮して、Ａｇ塊量の表示は凹部６ａ底面の直径を２０ｍｍとしたときの相対値で表示している。
【００３５】
（凹部６ａの作用）
凹部６ａの存在によって、これを設けていない平板と比べて、確実且つ安定した接触をさせることができ、接触抵抗特性を向上させる。また、角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄに蒸着させたＡｇ成分により、更に接触抵抗特性を向上させることができる。即ち、凹部６ａを設けて接触させると、凹部６ａの開口端面の円周上には接触する可能性のある接触点が連続して点在し、確実な接触を示す。そして、角部Ａ、ＣにＡｇ成分を存在させているので、接触抵抗値を抑え、安定した接触抵抗特性を示す。
【００３６】
なお、筒状となる側面Ａ−Ｂ、Ｃ−ＤにＡｇ膜を蒸着させると、必然的に環状となる角部Ａ、ＣにもＡｇ膜が形成されるが、積極的に角部Ａ、Ｃであって接触面にも達するようなＡｇ膜を設けると、接触抵抗特性を改善することができる。また、凹部６ａの内径を通電軸７の外径よりも小さくすると、機械的荷重が加わっても凹部６ａは反ることがなく、角部Ａ、Ｃが確実に接触する。
【００３７】
電流開閉時においては、定格電流以下のような小さい電流遮断では上述した凹部６ａによる連続的な接触点とＡｇ成分の供給とにより、裁断電流特性と接触抵抗特性との両立を図ることができる。角部Ａ、ＣのＡｇ成分が蒸発しても、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤからＡｇ成分が供給され、更には下地のＡｇＷＣ合金からＡｇ成分が供給されるので、安定した接触抵抗特性を維持させることができる。
【００３８】
一方、事故電流のような大きな電流遮断では、そのエネルギーによってＡｇ成分が接触面から蒸発し、下地のＡｇＷＣからＷＣが露出する。これにより、ＷＣの高融点性を利用して耐溶着性を向上させることができ、火災などの事故を回避することができる。即ち、裁断電流特性と接触抵抗特性とを維持しながら耐溶着性を有するという二律背反的な要求に対応するものとなる。
【００３９】
なお、従来のＡｇ−ＷＣ接点では、電流開閉時に、入力されるエネルギーに応じたＡｇ成分の蒸発と、アークにより加熱された温度に応じたＷＣからの熱電子放出により、裁断電流現象が緩和されていた。しかしながら、Ａｇの蒸発により接触抵抗特性が低下し、両者の両立は困難であった。定格電流以下の電流開閉では、接触面の汚染、凹凸などを清浄化するエネルギー注入がなされないので接触抵抗特性が重要となる。また、事故電流のような電流開閉では、Ａｇの蒸発を活発化させ、裁断電流特性を向上させなければならない。更には、Ａｇ−ＷＣ接点では、製造過程での焼結、溶浸によりＡｇ成分の蒸発損失が起こり、接触面のＡｇ成分量を制御することが困難であった。
【００４０】
これに対し、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点では、凹部６ａを設けてＡｇ成分を供給する角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄを形成し、接触面からのＡｇ成分の蒸発においてはそれを補給し、ＷＣの露出においてはそれを覆って修復し、裁断電流特性と接触抵抗特性とを両立させることができる。
【００４１】
（評価方法−裁断電流特性）
一対のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点を１０−３Ｐａ以下に排気した組立て式真空開閉装置にセットし、サージインピーダンス１００Ωの回路で５０Ｈｚ、２０Ａ（実効値）の電流を１０００回開閉したときの裁断電流値を求めた。結果は、１０００回の測定値の低い方から１００番目の値を第１・１０分位とし、低い方から９００番目の値を第９・１０分位とし、平均値を算出し、これらを相対値で示した。
【００４２】
（評価方法−接触抵抗特性）
平均表面粗さ５μｍに加工仕上げした直径４２ｍｍで厚さ５ｍｍの平板状のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点と、同様の表面粗さを持つ曲率半径１００ｍｍの半球状電極を対向接触させ、直流１０Ａ通電時の接触抵抗を求めた。接触荷重は３ｋｇとし、１０−３Ｐａ以下の真空中で行った。結果は、１００個の測定値の低い方から１０番目の値を第１・１０分位とし、低い方から９０番目の値を第９・１０分位とし、平均値を算出し、これらを相対値で示した。なお、測定にあたっては、配線材料などの抵抗値を含んだ値である。
【００４３】
（評価方法−加工性）
あらかじめ平均表面粗さ５０〜６０μｍに揃えた直径４２ｍｍのＡｇＷＣ合金素材を１００枚用意し、平均表面粗さ３μｍを目標に切削加工を行った。切削工具は、ＳＫＨ４工具鋼のバイトを使用した。バイトの消耗度合いもあり、全てのＡｇＷＣ合金素材の表面粗さが目標値に達しないので、表１に示す判定基準により、加工性を評価した。
【表１】
【００４４】
（遮断特性）
一部のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点においては、遮断試験用実験バルブに取り付け、遮断試験を行った。ベーキング、電圧エージングを与えた後、２４ｋＶ、５０Ｈｚの回路に接続し、１ｋＡずつ電流を上昇させ、遮断限界を求めた。供試バルブは３本であり、遮断後に解体してアークの拡がりなどを観察し、遮断性能の判断の一助とした。
【００４５】
（温度上昇特性）
接触抵抗特性と同様の電極を用い、１０−３Ｐａ以下の真空容器にセットし、接触荷重３０ｋｇ、開離力２０ｋｇで４００Ａの電流を２０回開閉し、開閉直後の通電軸の温度変化を赤外線温度計で測定した。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の実施例を表２に示す接点製造条件と、表３に示す評価結果を参照して説明する。
【００４７】
（実施例１）
ＡｇＷＣ合金板を公知技術で製造した。即ち、平均粒子直径３μｍのＷＣ粉を所定量（６０質量％）と、平均粒子直径５μｍのＡｇ粉とを所定量（４０質量％）秤量し、混合機で充分に混合してＡｇＷＣ粉とする。その後、ＡｇＷＣ粉を成型圧力３トン／ｃｍ２（１〜４トン／ｃｍ２が好適）で成型し、直径４５ｍｍのＡｇＷＣ成型体を得る。得られたＡｇＷＣ成型体を水素雰囲気中で１１５０℃−２時間の焼結を行い、残存空隙率が１０％程度の直径４４ｍｍのＡｇＷＣ焼結体を得る。その後、ＡｇＷＣ焼結体の残存空隙中に１０３０℃（９８０〜１１５０℃が好適）で１時間、真空中でＡｇを溶浸し、冷却速度約５℃／分で冷却し、９８〜１００％の相対密度を持つ直径４３ｍｍのＡｇＷＣ溶浸体を得る（Ａｇ溶浸工程）。得られたＡｇＷＣ溶浸体を機械加工によって直径４２ｍｍのＡｇＷＣ合金板とする。
【００４８】
得られたＡｇＷＣ合金板の接触面の略中央部に機械加工により凹部６ａを付与する。凹部６ａは、表２に示すように、内径が２０ｍｍで、深さが０．２５ｍｍであり、底面の表面粗さが９〜１２μｍ、内周の側面の表面粗さも９〜１２μｍである。凹部６ａの深さは、底面角部からの亀裂、破断を抑制するため、厚さの１／１０以内が好ましい。なお、凹部６ａは、接触面に複数個を分割して付与してもよい。
【００４９】
このようにして得られた凹部６ａ付きＡｇＷＣ合金板にＡｇ塊を０．２５ｇ／ｃｍ２載置する。これらを非酸化性雰囲気中の真空中で１０００℃の１時間加熱する。加熱は８００℃以上で可能である。加熱処理により、Ａｇ塊中のＡｇ成分は蒸発移動し、凹部６ａの角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−ＤにＡｇ成分が蒸着され、ＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点が得られる。なお、凹部６ａを複数個に分割した場合には、Ａｇ塊をそれぞれ分配する。
【００５０】
このように製造したＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点では、接触抵抗値の平均値が９３μΩ、裁断電流値の平均値が１．１Ａであり、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。また、加工性も良好であった。特に、接触抵抗特性と裁断電流特性において、平均値が低いとともに、第１・１０分位と第９・１０分位の差が小さく、ばらつきが小さいものであった。
【００５１】
（実施例２）
実施例１の製造方法に対し、Ａｇ溶浸工程を省略した。ＡｇとＷＣとの混合比率は実施例１と同様であるが、ＡｇＷＣ焼結体の相対密度が９９％以上となるように、ＡｇＷＣ成型体を得る際の成型圧力を８トン／ｃｍ２とし、１０３０℃で２時間の焼結を行った。その後、冷却速度約５℃／分で冷却し、ＡｇＷＣ焼結体を得て、機械加工により直径４２ｍｍで凹部６ａの深さ０．２５ｍｍのＡｇＷＣ合金板を製造した。次いで、凹部６ａにＡｇ塊を載置し、８００℃以上で加熱処理を行い、Ａｇ成分を凹部６ａの角部Ａ、Ｃ、側面Ａ−Ｂ、側面Ｃ−Ｄ、底面Ｂ−Ｄに蒸着させた。
【００５２】
この結果、接触抵抗値の平均値が８５μΩ、裁断電流値の平均値が１．１Ａであり、いずれもばらつきが小さく、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。また、加工性も良好であった。
【００５３】
（比較例１〜３）
比較例１では、実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造したが、凹部６ａを設けていないＡｇＷＣ接点である。その結果、接触抵抗値が高くばらつきが大きかった。比較例２においても凹部６ａを設けず、Ａｇ塊だけを載置して非酸化性雰囲気中で加熱した。その結果、Ａｇ成分が空間に拡散し、Ａｇ成分を接触面へ残存させることが困難であり、接触抵抗特性はばらつきが大きいものであった。なお、接触面上からＡｇの脱落も見られた。比較例３では、凹部６ａを設けたものの、Ａｇ塊を載置していない。その結果、接触面にＡｇ膜が蒸着されていないため、接触抵抗値が高くばらつきが大きかった。
【００５４】
（実施例３〜６、比較例４、５）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造した。そして、凹部６ａの深さを０．０８〜０．０９ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍと変化させた。Ａｇ塊は、０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００５５】
その結果、深さ０．０８〜０．０９ｍｍの比較例４では、接触抵抗値が高く、ばらつきが大きかった。これは、Ａｇが凹部６ａから溢れて脱落するものがあり、Ａｇ成分が充分に蒸着されなかったためである。また、深さ０．６ｍｍの比較例５では、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であったものの、凹部６ａ底部の角部に亀裂が発生したものがあった。
【００５６】
これに対し、凹部６ａの深さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの実施例３〜６では、接触抵抗特性、裁断電流特性、加工性ともいずれも良好であった。
【００５７】
（実施例７〜１０、比較例６、７）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造した。そして、凹部６ａの深さを０．３ｍｍとし、Ａｇ塊を０．０６ｇ／ｃｍ２〜２．３ｇ／ｃｍ２と変化させた。
【００５８】
その結果、Ａｇ塊が０．０６ｇ／ｃｍ２の比較例６では、Ａｇ量が少なく、接触抵抗値が大きかった。また、Ａｇ塊が２．３ｇ／ｃｍ２の比較例７では、接触抵抗特性が良好であったものの、特に第９・１０分位の裁断電流値が大きかった。
【００５９】
これに対し、Ａｇ塊が０．１ｇ／ｃｍ２、１．０ｇ／ｃｍ２、１．４ｇ／ｃｍ２、２．０ｇ／ｃｍ２の実施例７〜１０では、接触抵抗特性、裁断電流特性、加工性ともいずれも良好であった。
【００６０】
（実施例１１、１２、比較例８）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造した。そして、凹部６ａの深さを０．３ｍｍとし、Ａｇ塊を０．３ｇ／ｃｍ２とした。ここで、Ａｇ塊は、Ａｇの質量を９５％〜８５％と変化させ、残部をＣｕとした。
【００６１】
その結果、９５質量％Ａｇの実施例１１、９０質量％の実施例１２では、安定した接触抵抗特性、裁断電流特性を示した。しかしながら、８５質量％の比較例８では、Ａｇ成分が少なく接触抵抗値が高く、好ましくなかった。
【００６２】
（実施例１３〜１８、比較例９）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造するものの、機械加工性を向上させるため、ＡｇＷＣ合金中に補助成分としてＣｏを０．１質量％〜６．０質量％の範囲で混合した。なお、Ｃｏの混合量に合わせて、ＡｇとＷＣとを同量ずつ減量させている。凹部６ａの深さは０．３ｍｍ、Ａｇ塊は０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００６３】
その結果、Ｃｏが０．１質量％〜５．０質量％の実施例１３〜１８では、接触抵抗値の平均値が１１１μΩ以下、裁断電流値の平均値が１．７Ａ以下であり、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。特に、実施例１６、１７では、加工性評価がＡ、Ｓであり優れたものであった。
【００６４】
これに対し、Ｃｏが６．０質量％の比較例９では、遮断特性が１．３倍と予期せぬ向上を示したが、接触抵抗値が平均２８５μΩと高く、また加工性評価がＺであり高硬度化していた。
【００６５】
（実施例１９〜２２）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造するものの、ＡｇＷＣ合金中にＣｕを０．１質量％〜３．０質量％の範囲で混合した。なお、Ｃｕの混合量に合わせて、ＡｇとＷＣとを同量ずつ減量させている。凹部６ａの深さは０．３ｍｍ、Ａｇ塊は０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００６６】
その結果、Ｃｕを混合した実施例１９〜２２では、接触抵抗値の平均値が１０６μΩ以下、裁断電流値の平均値が１．６Ａ以下であり、接触抵抗特性、裁断電流特性とも良好であった。特に、Ｃｕが１．０質量％の実施例２１では、加工性評価がＡであり優れたものであった。
【００６７】
（実施例２３〜２７）
実施例１と同様の製造方法でＡｇＷＣ合金板を製造するものの、ＡｇＷＣ合金中にＮｉを０．１質量％〜２．０質量％の範囲で混合した。また、ＮｉとＣｕ、およびＮｉとＣｕとＣｏを混合した。なお、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏの混合量に合わせて、ＡｇとＷＣとを同量ずつ減量させている。凹部６ａの深さは０．３ｍｍ、Ａｇ塊は０．３ｇ／ｃｍ２である。
【００６８】
その結果、Ｎｉが０．１質量％〜２．０質量％の実施例２３〜２５では、接触抵抗特性、裁断電流特性に影響を与えることなく良好であった。Ｎｉが０．３質量％、Ｃｕが０．２質量％の実施例２６でも、接触抵抗特性、裁断電流特性が良好であった。また、Ｎｉが０．２質量％、Ｃｕが０．３質量％、Ｃｏが０．２質量％の実施例２７でも、接触抵抗特性、裁断電流特性が良好であった。加工性は、実施例２３〜２７全て良好であった。
【００６９】
（他の実施例）
ＡｇＷＣ合金板を製造するにあたって、Ａｇが７５質量％を超え、ＷＣが２５質量％未満では、裁断電流値が高くなる。また、Ａｇが２５質量％未満で、ＷＣが７５質量％を超えると、接触抵抗値が過度に高くなり、通電時の温度上昇が著しいものになる。したがって、Ａｇが２５〜７５質量％で残部がＣｕのＡｇＷＣ合金板において、凹部６ａを設けてＡｇ成分を蒸着させることにより、接触抵抗特性と裁断電流特性とを向上させることができる。
【表２】
【表３】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施例に係る真空バルブの構成を示す断面図。
【図２】本発明の実施例に係るＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の構成を示す拡大断面図。
【符号の説明】
【００７１】
１ 真空絶縁容器
２ 固定側封着金具
３ 可動側封着金具
４ 固定側通電軸
５ 固定側接点
５ａ 固定側凹部
６ 可動側接点
６ａ 可動側凹部
６ｂ 可動側Ａｇ層
６ｃ 可動側Ａｇ被膜
７ 可動側通電軸
８ ベローズカバー
９ ベローズ
１０ アークシールド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇ２５〜７５質量％、ＷＣ２５〜７５質量％、必要により補助成分を含有したＡｇＣｕ合金からなる接点と、
前記接点の接触面の略中央部に設けた凹部と、
前記凹部の少なくとも内周の角部にＡｇ成分を蒸着させて形成したＡｇ膜と
を備えたことを特徴とするＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点。
【請求項２】
前記補助成分は、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉの少なくとも１種からなり、
総量が５．０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点。
【請求項３】
前記凹部の深さは、０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点。
【請求項４】
接触面の略中央部に凹部を持つＡｇＷＣ合金板を準備する工程と、
前記凹部にＡｇ塊を載置する工程と、
前記ＡｇＷＣ合金板と前記Ａｇ塊とを加熱する工程と、
前記Ａｇ塊からのＡｇ成分を前記凹部に供給する工程と
を備えたことを特徴とするＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【請求項５】
前記Ａｇ塊は、塊状、薄板状、箔状、線状、粉状、圧粉体状、塗装膜、蒸着膜、メッキ膜のいずれかの形態であることを特徴とする請求項４に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【請求項６】
前記Ａｇ塊の量をｇ／ｃｍ２で表示するとともに、その量を０．１〜２．０ｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【請求項７】
前記Ａｇ塊は、Ａｇが９０質量％以上のＡｇＣｕ合金であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【請求項１】
Ａｇ２５〜７５質量％、ＷＣ２５〜７５質量％、必要により補助成分を含有したＡｇＣｕ合金からなる接点と、
前記接点の接触面の略中央部に設けた凹部と、
前記凹部の少なくとも内周の角部にＡｇ成分を蒸着させて形成したＡｇ膜と
を備えたことを特徴とするＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点。
【請求項２】
前記補助成分は、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉの少なくとも１種からなり、
総量が５．０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点。
【請求項３】
前記凹部の深さは、０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点。
【請求項４】
接触面の略中央部に凹部を持つＡｇＷＣ合金板を準備する工程と、
前記凹部にＡｇ塊を載置する工程と、
前記ＡｇＷＣ合金板と前記Ａｇ塊とを加熱する工程と、
前記Ａｇ塊からのＡｇ成分を前記凹部に供給する工程と
を備えたことを特徴とするＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【請求項５】
前記Ａｇ塊は、塊状、薄板状、箔状、線状、粉状、圧粉体状、塗装膜、蒸着膜、メッキ膜のいずれかの形態であることを特徴とする請求項４に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【請求項６】
前記Ａｇ塊の量をｇ／ｃｍ２で表示するとともに、その量を０．１〜２．０ｇ／ｃｍ２としたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【請求項７】
前記Ａｇ塊は、Ａｇが９０質量％以上のＡｇＣｕ合金であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載のＡｇＷＣ−Ａｇ複合接点の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２８９６５２（Ｐ２００９−２８９６５２Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４２３１５（Ｐ２００８−１４２３１５）
【出願日】平成２０年５月３０日（２００８．５．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月３０日（２００８．５．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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