JPH0474810B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、真空インタラプタの電極材料とその
製造方法に関する。 一般に、真空インタラプタの電極は、 １ 大電流をしや断する能力が高いこと、 ２ 絶縁強度が大きいこと、 ３ 耐溶着性が良好なこと、及び ４ 小電流を良好にしや断できること（さい断電
流値が小さいこと） 等の電極条件を満足することが要求されている。 従来、上記の電極条件を満足すべく、種々の電
極材料が提案されている。が、いずれの電極材料
も、上記の電極条件を十分には満足しないのが現
状である。 例えば、銅に微量の高蒸気圧材料（低融点材
料）を含有せしめた種々の電極、例えば、特公昭
41−12131号公報（米国特許証第3246979号参照）
に示されている、銅に0.5重量％のビスマスを含
有せしめてなるもの（以下、Cu−0.5Bi電極とい
う）、または、特公昭48−36071号公報（米国特許
証第3596027号参照）に示されているもの等が知
られている。 これら高蒸気圧材料を含有してなる電極にあつ
ては、大電流しや断能力、耐溶着性及び導電率に
優れているものの、絶縁強度、特に大電流しや断
後の絶縁強度が著しく低下する欠点があり、しか
も、さい断電流値が10Aと高いために電流しや断
時にさい断サージを発生することがあるので、遅
れ小電流を良好にしや断し得ない欠点があり、し
たがつて、負荷側の電気機器の絶縁破壊を引起す
虞れがあつた。 また、例えば、上記高蒸気圧材料を含有する電
極の上述したような欠点を解消するのを企図した
電極として、銅と低蒸気圧材料（高融点材料）と
の合金からなるもの、例えば、特公昭54−36121
号公報（米国特許証第3811939号参照）に示され
ている、20重量％の銅と80重量％のタングステン
とからなるもの、または、特開昭54−1572843号
公報（英国特許出願公開第2024257号公報参照）
に示されているもの等が知られている。 これら低蒸気圧材料を含有してなる電極にあつ
ては、上記の電極条件から観て、絶縁強度が大き
くなる利点はあるものの、短絡電流のような大電
流をしや断することが困難となる欠点があつた。 本発明は、上述した技術水準に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、耐溶着性を不
都合とならない程度に良好に維持しつつ絶縁強度
を大きくし得るとともに、大電流および小電流の
いずれをも良好にしや断し得るようにした、真空
インタラプタの電極材料とその製造方法を提供す
ることである。 上記の目的を達成するために、本発明は、真空
インタラプタの電極材料の組成と製造方法に関す
るものである。 特定発明は、電極材料を５〜40重量％の鉄と、
５〜40重量％のクロムと、１〜10重量％のモリブ
デンもしくはタングステンと、残り銅との複合金
属で構成した。 また、電極材料に関する他の発明は、５〜40重
量％の鉄粉末と、５〜40重量％のクロム粉末と、
１〜10重量％のモリブデンもしくはタングステン
粉末とを相互に拡散結合した多孔質基材に残り重
量％の銅を溶浸させた複合金属で構成した。 そして上記特定発明にかかる電極材料の製造方
法に関する一の発明は、まず、非酸化性雰囲気中
において、鉄とクロムとモリブデンもしくはタン
グステンとの混合粉末を鉄の融点より低い温度で
加熱して、これらの金属を相互に拡散結合するこ
とにより多孔質基材を形成し、ついで、非酸化性
雰囲気中において、上記基材上に銅材を置くと共
に、多孔質基材および銅材を鉄の融点より低い温
度で、かつ、銅の融点以上の温度で加熱して、銅
材を多孔質基材に溶浸させて複合金属を形成する
方法である。 また、上記特定発明にかかる電極材料の製造方
法に関する他の発明は、まず、鉄とクロムとモリ
ブデンもしくはタングステンとの混合粉末と銅材
とを共に非酸化性雰囲気中に納置し、ついで、銅
の融点より低い温度で加熱して上記混合粉末の各
金属を相互に拡散結合することにより多孔質基材
を形成し、ついで銅の融点以上で、かつ、鉄の融
点より低い温度で上記多孔質基材および銅材を加
熱することにより銅材を基材に溶浸させて複合金
属を形成する方法である。 以下、図面および写真等の図を参照して、本発
明の実施例を詳細に説明する。 第１図は、本発明にかかる電極を備えた真空イ
ンタラプタの縦断面図である。真空インタラプタ
は、円筒状に成形したガラスまたは絶縁セラミツ
クス等の絶縁物からなる複数（本実施例において
は２本）の絶縁筒１，１を、各絶縁筒１の両端に
固着したFe−Ni−Co合金等の金属からなる薄肉
円環状の封着金具２，２，…の一方を介し、同軸
的に接合することにより一体の絶縁筒とするとと
もに、この一体の絶縁筒の両開口部を、他方の封
着金具２，２を介し、ステンレス鋼等からなる円
板状の金属端板３，３により閉塞し、かつ、一体
の絶縁筒と金属端板３，３とから成る容器の内部
を高真空に排気して真空容器４を形成し、この真
空容器４内に、一対の円板状の電極５，５を、各
金属端板３の中央部から、真空容器４の気密性を
保持しつつ、相対的に接近離反自在に導入した対
をなす電極棒６，６を介し、接触離反（接離）自
在に設けて概略構成されている。 なお、第１図において、７は金属ベローズ、８
は各電極５等を同心状に囲繞する中間電位のシー
ルドである。 各電極５は、５〜40重量％の鉄と、５〜40重量
％のクロムと、および１〜10重量％のモリブデン
もしくはタングステンと、残り銅とからなる複合
金属の材料から成る。 この電極材料は、−100メツシユの鉄粉末５〜40
重量％と、−100メツシユのクロム粉末５〜40重量
％と、および−100メツシユのモリブデンもしく
はタングステン粉末１〜10重量％とを相互に造
粒、かつ、拡散結合することにより多孔質基材を
形成し、この基材に残り重量％の銅を溶浸させた
金属組織を有する。 以下、上述した電極材料を製造する方法につい
て説明する。 第１の製造方法 まず、鉄が５〜40重量％、クロムが５〜40重量
％、モリブデンもしくはタングステンが１〜10重
量％の組成比となるように調整され、かつ、粒径
を−100メツシユとした、鉄粉末と、クロム粉末
と、およびモリブデンもしくはタングステン粉末
とを所定量（例えば、後加工の切削しろを加味し
た電極１個分相当）機械的に混合する。 ついで、得られた金属混合粉末を、鉄、クロ
ム、モリブデンもしくはタングステン、および銅
のいずれとも反応しない材料、例えば、アルミナ
から成る円形断面の容器に収納し、この収納物
を、非酸化性雰囲気中（例えば、５×10^-5Torr
以下の圧力の真空中、水素ガス中、窒素ガス中ま
たはアルゴンガス中等）において、鉄の融点
（1535℃）より低い温度で加熱保持（例えば、600
〜1000℃で５〜60分間程度）し、これにより、鉄
粉末とクロム粉末とモリブデンもしくはタングス
テン粉末とを相互に拡散結合して、多孔質基材を
製造する。 次に、上記拡散結合工程と同一または異なる非
酸化性雰囲気中において、上記多孔質基材上に銅
ブロツクまたは銅粉末等の銅材を置き、かつ、多
孔質基材と銅材とを銅の融点（1083℃）以上で、
かつ、鉄の融点（1535℃）より低い温度で５〜20
分間程度加熱保持して、溶融した銅材を多孔質基
材に溶浸させる。これにより、鉄、クロム、モリ
ブデンもしくはタングステン、および銅から成る
複合金属材料を製造する。 前述の第１の製造方法は、多孔質基材の形成
（拡散結合）工程と、この多孔質基材への銅材の
溶浸工程とが完全に分離していることに特徴があ
り、容器中で多孔質基材を拡散結合形成している
時には、この容器中に銅材は納置されていない。 したがつて、第１の製造方法では、多孔質基材
の形成を水素ガス、窒素ガス又はアルゴンガス等
のガス中で行い、この多孔質基材への銅材の溶浸
を真空引き下で行うことでもよい。 また、各種非酸化性雰囲気中において電極多数
個分に相当する多孔質の柱状基材を製造し、この
多孔質の柱状基材を所要厚さ、および、形状に切
断して例えば１個の電極用の多孔質基材に加工し
た後に、この多孔質の基材への銅材の溶浸を真空
引き下で行うことでもよい。 第２の製造方法 第２の製造方法は、鉄粉末とクロム粉末とモリ
ブデン粉末もしくはタングステン粉末との混合粉
末と、銅材とを同一容器内に納置し、上記混合粉
末の拡散結合工程および銅材の溶浸工程を、同一
非酸化性雰囲気中での加熱温度の変更のみで一貫
して行う点に特徴がある。 すなわち、第２の製造方法にあつては、まず、
鉄が５〜40重量％、クロムが５〜40重量％、モリ
ブデンもしくはタングステンが１〜10重量％の組
成比となるように調整され、かつ、粒径を−100
メツシユとした、鉄粉末と、クロム粉末と、およ
びモリブデンもしくはタングステン粉末とを所定
量機械的に混合する。 ついで、得られた金属混合粉末を、鉄、クロ
ム、モリブデンもしくはタングステン、および銅
のいずれとも反応しない材料、例えば、アルミナ
から成る円形断面の容器に収納するとともに、金
属混合粉末上に銅材を載置する。 ついで、容器中の収納物を非酸化雰囲気中（例
えば、５×10^-5Torr以下の圧力の真空中）にお
いて、まず、銅の融点より低い温度で加熱保持
（例えば、600〜1000℃で５〜60分間程度）し、こ
れにより、鉄粉末とクロム粉末とモリブデンもし
くはタングステン粉末とを相互に拡散結合して、
多孔質基材を製造する。 ついで、得られた多孔質基材と銅材とを銅の融
点（1083℃）以上で、かつ、鉄の融点（1535℃）
より低い温度（例えば1100℃）で、５〜20分間程
度加熱保持し、溶融した銅材を多孔質基材に溶浸
させる。これにより、鉄、クロム、モリブデンも
しくはタングステンおよび銅から成る複合金属の
材料を製造する。 なお、第１、第２の方法いずれの場合にあつて
も、非酸化性雰囲気としては、真空の方が加熱保
持の際に脱ガスが同時に行なえる利点があつて好
適なものである。もちろん真空中以外のガス中に
て製造した場合にあつても真空インタラプタの電
極として実用上問題はないものである。また上記
各金属粉末における各金属粒子の径を−100メツ
シユとした理由は、各金属粒子が電極材料の金属
組織中で均一に分散し且つ相互拡散結合が良好と
なるようにするためである。 また、金属粉末の相互拡散結合に要する、加熱
温度と時間は、炉の条件、形成する多孔質基材の
形状、大きさ、等の条件、及び作業性等を考慮し
て且つ所望の電極材料としての性質を満足するよ
うに加熱保持されるものであり、例えば600℃で
60分間、または1000℃で５分間といつた加熱条件
で作業が行なわれるものである。 次に、前述の第２の製造方法（ただし、非酸化
性雰囲気は、５×10^-5Torrの真空中）により製
造した電極材料の実施例にかかる金属組織を第２
図Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥならびに第３図Ａ，
Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥに示す。 第２図Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥは、実施例−１
にかかる電極材料であつて、鉄が23重量％、クロ
ムが22重量％、モリブデンが５重量％、及び銅が
50重量％の組成比からなる電極材料のＸ線マイク
ロアナライザによる特性写真である。 第２図Ａは、二次電子像を示す特性写真であ
り、また第２図Ｂは、分散した鉄Feの特性Ｘ線
像で、島状に白く存在する部分が鉄である。第２
図Ｃは、分散したクロムCrの特性Ｘ線像で、点
在する白い部分がクロムである。第２図Ｄは分散
したモリブデンMoの特性Ｘ線像で、点在する白
い部分がモリブデンである。また第２図Ｅは、溶
浸された銅Cuの特性Ｘ線像で、白い部分が銅で
ある。 この第２図から判るように、鉄Fe、クロムCr、
モリブデンMoの各粉末（粉体）は、相互拡散結
合して多孔質基材を形成している。 そしてこの多孔質基材の孔（間隙）に銅Cuが
溶浸されることによつて全体として強固な結合体
の複合金属を形成していることが判る。 なお、第２図のＢないしＥにおいて、白い部分
は各々元素を示すものであるが、白い部分（白
点）が多い部分は、その元素の濃度が高いことを
示している。（後述の第３図においても同様であ
る。） 第３図Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥは、実施例−２
にかかる電極材料であつて、鉄が23重量％、クロ
ムが22重量％、タングステンが５重量％及び銅が
50重量％の組成比からなる電極材料のＸ線マイク
ロアナライザによる特性写真である。 第３図Ａは、二次電子像を示す特性写真であ
り、また第３図Ｂ，Ｃ及びＥは、第２図Ｂ，Ｃ及
びＥの場合と同様に分散した白い部分が、鉄Fe、
クロムCr及び銅Cuを各々示すものである。 しかして第３図Ｄは、分散したタングステンＷ
の特性Ｘ線像で、点在する白い部分がタングステ
ンである。 この第３図から判るように、鉄Fe、クロムCr、
タングステンＷ、の各粉末（粉体）は、相互拡散
結合して多孔質基材を形成している。そしてこの
多孔質基材の孔（間隙）に銅Cuが溶浸されるこ
とによつて全体として強固な結合体の複合金属を
形成していることが判る。 以上の通り図示し詳述した金属組織を有する実
施例−１及び実施例−２の電極材料を、直径50
mm、厚み6.5mmの円板に形成し、かつ、その周縁
にＲ＝４mmの丸味を付けた電極とし、この電極を
一対第１図に示す構成の真空インタラプタに組込
んで、この真空インタラプタの諸性能を検証し
た。この検証結果は、以下の通りであつた。 なお、実施例−２の第３図に示す、タングステ
ンを含む電極材料から成る電極が、第２図に示す
実施例−１の、モリブデンを含む電極材料から成
る電極と異なる性能を有するときは、その都度特
記する。 １ 電極材料の導電率（IACS） 実施例−１の場合は３〜20％、実施−２の場合
は２〜30％であつた。 ２ 耐溶着性 両電極５，５同士を130Kgｆの力で加圧し、こ
れら電極５，５間に25kArmsの電流を３秒間通
電した（IEC短時間電流規格）後に、両電極５，
５は、200Kgｆの静的な引外し力で問題なく引外
すことができ、その後の接触抵抗の増加は、２〜
８％に止まつた。 また、両電極５，５同士を1000Kgｆの力で加圧
し、これら電極５，５間に50kArmsの電流を３
秒間通電した後に、両電極５，５を、200Kgｆの
静的な引外し力で問題なく引外すことができ、そ
の後の接触抵抗の増加は、２〜７％に止まつた。 したがつて、耐溶着性は、実用上不都合となら
ない程度に良好に維持された。 ３ さい断電流値 試験電流として30Aを通電して行なつたところ
さい断電流値は平均3.8A（標準偏差σn＝1.8、標本
数ｎ＝100）であつた。 また、実施例−２のタングステンを含む電極材
料の場合、さい断電流値は、平均3.8A（標準偏差
σn＝1.3、ｎ＝100）であつた。 ４ 大電流しや断能力 12kArmsの電流をしや断することができた。 ５ 絶縁強度 極間ギヤツプを3.0mmに維持し、インパルス耐
電圧試験を行なつたところ、±120kV（バラツキ±
10kV）の耐電圧値を示した。 ６ しや断後の絶縁強度 12kA通電して複数回しや断後に極間ギヤツプ
を3.0mmに維持し、インパルス耐電圧試験を行つ
たところ、±110kV（バラツキ10kV）の耐電圧値
を示した。 ７ 小電流開閉後の絶縁強度 電流80Aで小電流連続開閉試験を10000回行な
つた。耐電圧値は、初期〜10000回の間において、
ほとんど変化しなかつた。 ８ 進み小電流しや断能力 電圧84×1.25／√３kV、電流80Aの進み小電流しや 断試験（JEC181）を10000回行なつた。両電極
５，５に再点弧は発生しなかつた。 次に本発明に係る組成の電極材料において、
鉄、クロム、モリブデンおよび銅の各組成比、ま
たは鉄、クロム、タングステンおよび銅の各組成
比を変更した場合のさい断電流値（30A通電時に
おける平均値）およびインパルス耐電圧値を、第
１表及び第２表に示す。 Fe，Cr，ＷおよびCuの組成比と

【表】 Fe，Cr，MoおよびCuの組成比とさ

【表】 上述の１）〜８）項から判るように、本発明の
電極材料から成る電極を有する真空インタラプタ
は、優れた諸性能を有するものであり、本発明に
かかる電極と同一形状のCu−0.5Bi電極を有する
真空インタラプタの諸性能と比較したところ、下
記の通りであつた。 ａ 大電流しや断能力 両者同一である。 ｂ 絶縁強度 一対のCu−0.5Bi電極が極間ギヤツプ10mmにお
いて示すインパルス耐電圧値と、本発明にかかる
一対の電極が極間ギヤツプ3.0mmにおいて示すイ
ンパルス耐電圧値とは同一であつた。したがつ
て、本発明にかかる電極は、Cu−0.5Bi電極の３
倍強の絶縁強度を有する。 ｃ 耐溶着性 本発明にかかる電極の耐溶着性は、Cu−0.5Bi
電極の耐溶着性の70％である。が、実用上ほとん
ど問題なく、必要ならば、電極開離瞬時の引外し
力を若干増加させればよい。 ｄ 進み小電流しや断能力 本発明にかかる電極は、Cu−0.5Bi電極に比較
して２倍のキヤパシタンス容量の負荷をしや断す
ることができる。 ｅ さい断電流値 本発明にかかる電極のさい断電流値は、Cu−
0.5Bi電極のさい断電流値の30％と小さくなつた。 また、第１表および第２表に示す図示以外の組
成の電極も、Cu−0.5Bi電極との比較において、
前述の実施例−１及び実施例−２の組成のものと
ほぼ同様の性能を示した。 しかして、鉄が５重量％未満の場合には、さい
断電流値が急激に大きくなり、他方、40重量％を
超える場合には、大電流しや断能力が急激に低下
した。 また、クロムが５重量％未満の場合には、さい
断電流値が急激に大きくなり、他方、40重量％を
超える場合には、大電流しや断能力が急激に低下
した。 また、モリブデンもしくはタングステンが１重
量％未満の場合には、絶縁強度が急激に低下し、
他方、10重量％を超える場合には、大電流しや断
能力が急激に低下した。 また、銅が10重量％未満の場合には、短時間電
流試験の結果から判るように通電後の接触抵抗が
急激に大きくなり、すなわち、電極の導電率が急
激に低下するので、定格電流通電時のジユール熱
が急激に大きくなり、銅10重量％未満の電極の実
用性が低下した。 他方、銅が89％を超える場合には、絶縁強度が
急激に低下するとともに、耐溶着性が急激に低下
した。 以上の如く、特定発明は、５〜40重量％の鉄
と、５〜40重量％のクロムと、１〜10重量％のモ
リブデンもしくはタングステンと、および残りの
銅との複合金属を材料とする真空インタラプタの
電極であるから、この電極は、Cu−0.5Bi電極の
ように高蒸気圧材料を含有して成る従来の電極に
比して、真空インタラプタの絶縁強度を飛躍的に
大きくし、かつ、さい断電流値を飛躍的に小さく
することができる。また従来の20Cu−80W等の
如き低蒸気圧材料を含有してなる電極に比べて大
電流しや断を良好に行なうことができる。したが
つて、特定発明にかかる電極材料は、大電流しや
断、進み小電流しや断および遅れ小電流しや断を
良好に行うことができる。 また、電極材料に関する５〜40重量％の鉄粉末
と、５〜40重量％のクロム粉末と、１〜10重量％
のモリブデンもしくはタングステン粉末とを相互
に拡散結合した多孔質基材に残重量％の銅材を溶
浸させてなる、真空インタラプタの電極材料であ
るから、上述した種々の効果に加えて、電極の機
械的強度の向上を図ることができる。 また、特定発明にかかる電極材料の製造方法に
関する一の発明は、鉄とクロムとモリブデンもし
くはタングステンとの混合粉末を非酸化性雰囲気
中で、かつ、所定温度で所定時間保持し、相互に
拡散結合させて多孔質基材とし、この基材上に銅
材を置き、この銅材を非酸化性雰囲気中で多孔質
基材に溶浸させて電極材料を製造するようにして
いるので、各金属間の結合が良好に行われ、その
分散状態を均一にでき、電極材料の電気的特性お
よび機械的特性を優れたものとすることができ
る。 また、特定発明にかかる電極材料の製造方法に
関する他の発明は、鉄とクロムとモリブデンもし
くはタングステンとの混合粉末と銅材とを共に所
定の容器中に納置し、その後に、同一非酸化性雰
囲気中で混合粉末の相互拡散結合および銅材の溶
浸を温度調節のみで一貫して行うようにしている
ので、上記一の発明に伴う効果に加えて、作業工
程の一部を省略できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる電極材料により成る
電極を有する真空インタラプタの縦断面図、第２
図Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥは、鉄23重量％、クロ
ム22重量％、モリブデン５重量％および銅50重量
％の組成を有する複合金属から成る電極材料のＸ
線マイクロアナライザによる特性写真で、第２図
Ａは、電極材料の二次電子像を示し、第２図Ｂ，
Ｃ，ＤおよびＥは、分散状態にある、鉄、クロ
ム、モリブデンおよび溶浸銅の特性Ｘ線像を示
す。第３図Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥは、鉄23重量
％、クロム22重量％、タングステン５重量％およ
び銅50重量％の組成を有する電極材料のＸ線マイ
クロアナライザによる特性写真で、第３図Ａは、
電極材料の二次電子像を示し、第３図Ｂ，Ｃ，Ｄ
およびＥは、分散状態にある、鉄、クロム、タン
グステンおよび溶浸銅の特性Ｘ線像を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ５〜40重量％の鉄と、５〜40重量％のクロム
   と、１〜10重量％のモリブデンもしくはタングス
   テンと、残り銅との複合金属から成る、真空イン
   タラプタの電極材料。 ２ ５〜40重量％の鉄粉末と、５〜40重量％のク
   ロム粉末と、１〜10重量％のモリブデンもしくは
   タングステン粉末とを相互に拡散結合した多孔質
   基材に残り重量％の銅を溶浸させた複合金属から
   成る真空インタラプタの電極材料。 ３ まず、非酸化性雰囲気中において、鉄と、ク
   ロムと、モリブデンもしくはタングステンとの混
   合粉末を鉄の融点より低い温度で加熱してこれら
   の混合粉末の各金属を相互に拡散結合することに
   より多孔質基材を形成し、ついで、非酸化性雰囲
   気中において、上記多孔質基材上に銅材を置くと
   共に、多孔質基材および銅材を鉄の融点より低い
   温度で、かつ、銅の融点以上の温度で加熱して銅
   材を多孔質基材に溶浸させて複合金属とした真空
   インタラプタの電極材料の製造方法。 ４ まず、鉄と、クロムと、モリブデンもしくは
   タングステンとの混合粉末と銅材とを共に非酸化
   性雰囲気中に納置し、ついで、銅の融点より低い
   温度で加熱して上記混合粉末の各金属を相互に拡
   散結合することにより多孔質基材を形成し、つい
   で銅の融点以上で、かつ、鉄の融点より低い温度
   で上記多孔質基材及び銅材を加熱することにより
   銅材を多孔質基材に溶浸させて複合金属とした真
   空インタラプタの電極材料の製造方法。