JPH0736307B2

JPH0736307B2 - 真空遮断器用接点

Info

Publication number: JPH0736307B2
Application number: JP60216851A
Authority: JP
Inventors: 功奥富; 清文宮前; 誠司千葉; 一秀松本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1995-04-19
Anticipated expiration: 2010-04-19
Also published as: JPS6276224A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、真空遮断器用接点、すなわち、真空バルブ中
の接点に係り、特に接合材料、例えばロウ材の接点表面
へのしみ上り現象を軽減した信頼性の高い接点に関す
る。

〔発明の技術的背景〕

真空遮断器は小型軽量、メンテナンスフリ、環境調和な
どの点で、他の遮断器に比べ優れた特徴を有するため近
年その適用範囲を拡大している。

真空遮断器用接点に対しては、ア溶着力が小さいこと、イ耐電圧が高いこと、ウ遮断特性がよいこと、が基本的三要件として求められ、この他にカ截断電流値が小さいこと、キ接触抵抗が低く安定していること、ク耐消耗性がよいこと等々も重要とされている。

しかしながら、単一の金属にてこれらの必要要件を十分
に満足する接点は皆無であるため、種々の機能を持った
合金接点が開発され実用化されている。

例えば、大電流化を指向した接点合金としてBi等の溶着
防止成分を５％以下含有したCu−Bi合金が知られている
（特公昭41−12131号）。この合金はCu母相に対して溶
着防止成分の固溶度が極めて小さいため、高い電気伝導
性とすぐれた耐溶着性を示す材料であると共に、溶着防
止成分量を合理的に設定したときには、耐電圧特性も優
れた水準に維持できる合金であることが知られ、一部の
遮断器に使用されている。

また、他の例として高耐圧化を指向した接点合金として
Ag−Wc、Cu−Ｗ、Cu−Crなど粉末冶金的手法による合金
も知られている。これらの合金は、Cu、Agなど高導電性
材料に対し、高融点で高硬度のＷなどを多量に含有させ
得るため耐消耗性がよいことから一部の遮断器に使用さ
れている。

〔背景技術の問題点〕

Cu−Bi合金には上記に列挙したような特徴を持つが、他
方において、次に述べる欠陥が存在するため適用範囲を
限定して使用しているのが現状である。

すなわちCu−Bi合金の決定的欠陥は、Cu−Bi合金の結晶
粒界を通して接合材料（銀ロウ）がCu−Bi合金内を貫通
し、表面層（接触部）にしみ出る現象がある。この現象
は、ロウ付け熱処理等の加熱によつて溶融点に達した溶
融Biが結晶粒界を腐食し粒大化させる結果として、ロウ
材のしみ上りを助長する。しみ上ったロウ材は、接点表
面の平滑化を損うなど電界の集中、耐電圧特性の低下を
招くと共に、耐溶着性の低下にも関係し、その改善が望
まれている。

一方、Ag−Weなどの粉末冶金的手法によるこれら焼結合
金は、製造技術のレベルに応じて多少の空孔を有してい
る。この空孔を介して前記Cu−Biの場合と同様接触部に
しみ出て、信頼性の確保に影響を与えるため、その改善
が望まれている。

いずれの材料の場合も、ロウ付温度、時間及びロウ材使
用量の制御によって、各々の問題点に対応しているのが
現状である。

〔発明の目的〕

本発明は、従来手段のかかる難点に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、接合材料の接触部へのし
み上りを防止した真空遮断器を提供することを、その目
的とする。

本発明による接点を得ることにより、真空遮断器用接点
の品質の向上および歩留を向上させ、原価低減を達成し
た真空遮断器が得られる。

〔発明の概要〕

本発明者らは、種々の研究・実験を行なった結果、接点
の接触部へ接合材料が滲み込むことを防止するトラップ
層を接点に設けられ、本発明の目的達成に有効であるこ
とを見出し完成するに到った。

すなわち、この発明の真空遮断器用接点は、接点材料か
らなる接触部と、接触部への接合材料の滲み込みを防止
するトラップ層とを含むことを特徴とするものである。

この発明の好ましい態様としては、トラップ層中に容積
比で５〜60％の接合材料溜を存在させることができる。

この発明の好ましい態様として、接点材料を、Cuおよび
／またはAgの高導電性成分と、Bi、Te、Pb、SbおよびSe
よりなる群から選ばれた少なくとも１種の溶着防止成分
とを含むものとすることができる。

この発明の別の好ましい態様として、接点材料を、Cuお
よび／またはAgの高導電性成分と、Cr、Ti、Ｗ、Mo、こ
れらの炭化物、およびこれらの硼化物よりなる群から選
ばれた少なくとも１種の合金成分を含むものとすること
ができる。

本発明の真空遮断器用接点は、対向する電極と接触する
部分である接触部と、接触部への接合材料の滲み込みを
防止するトラップ層とを含むものである。この発明にお
ける接点の構成は、その種類、形状等に応じて種々の変
形が可能である。例えば接点の外層に接触部を、内層に
トラップ層を設け、この接点のトラップ層を接合材料
（ロウ材）によって電極または導電体と接合させてもよ
い。

本発明において用いられる接触部用の接合材料には、従
来から接点材料として使用されているものでもよく、好
ましくはCuおよび／またはAgの高導電性成分と、Bi、T
e、Pb、SbおよびSeよりなる群から選ばれた少なくとも
１種の溶着防止成分とを含むもの、また、Cu/および／
またはAgの高導電性成分と、Cr、Ti、Ｗ、Mo、これらの
炭化物、およびこれらの硼化物よりなる群から選ばれた
少なくとも１種の合金成分とを含むものがある。

この発明におけるトラップ層は、真空遮断器の製造工程
のうち接点と電極との接合時に、また真空遮断器の使用
時に、接合材料が接点の接触部に滲み込むことを防止す
る働きをする。

このトラップ層は、接点中で少なくとも接触部と接合材
料層との中間に設けられる。トラップ層の構成には、種
々の態様があり、例えば、多数の空孔を設けた金属また
はセラミックの層、金網状のシートなどがある。好まし
いトラップ層は、トラップ層中に容積比で５〜60％の接
合材料溜めが存在するものである。

〔作用〕

本発明の真空遮断器用接点の作用および機構について、
以下に説明する。

Bi、Te、Pb、Sb等の溶着防止成分は、CuまたはCu合金に
対して固溶度が低いため、その大部分は結晶粒界に析出
し合金を脆くする。

さらに、真空バルブの製造過程で加えられる熱処理によ
って融体化した前記溶着防止成分（以下、簡便のためBi
を代表例に挙げて説明するが、他の成分も現象的には実
質上同じである）Biは、結晶粒界を腐蝕しその幅を数倍
またはそれ以上に太くする現象を呈すると共に、結晶粒
界をミクロ的に荒す結果、銀ロウ（例えば78％Ag−Cu、
60％Ag−Cu、70％Ag−Cu−10％Pd）が、粒界を通って表
面へしみ上る現象を増長する。このしみ上りの現象を阻
止することは、通常では困難である。

しみ上りを助長する他の原因は、Bi等の溶着防止成分が
前記ロウ材料成分中に加わると、ロウ材料自体の溶融点
の低下をもたらし、相対的に粘性を低くする結果、粒界
を通したしみ上る速度を加速する現象も考えられる。

このような原因による真空遮断器用接点の接触面への銀
ロウ材料のしみ上りは、真空遮断器用接点としての機能
に対して、予想以上に悪影響を及ぼすことが判った。

すなわち、しみ上った銀ロウ成分は接触部に残存すれば
盛り上りを形成し、また、脱落、蒸発すれば窪みを容易
に形成する結果、接触部の平滑性を阻害し、耐電圧的な
欠陥（例えば耐電圧値の低下や再点弧現象の発生確率の
増加など）に関与する。

さらに、しみ上りによる他の悪影響は、接点の厚さに亘
って、その粒界に点在するBiの大部分を銀ロウ成分がし
み上る移動中に次々と、上方へつまり接触面の方向へ押
上げ、接触面近傍と内部粒界とで、Biの濃度に大幅な違
いが出るすなわち接触面近傍の方が大きくなることが判
った。

このような場所によるBi濃度の違いは接点の使用過程で
の消耗の進展状況で、耐溶着特性が異なることを意味す
ると共に品質のばらつきを意味する。

さらにまた、しみ上りによる他の悪影響は、前述の接点
表面に盛り上った銀ロウ成分は、バルブ製作の最終段階
での加熱排気工程（ベーキング）のときに、選択的に蒸
発し真空容器内面（例えばシールド）および内部絶縁容
器に付着し、耐電圧特性の低下を招く。

以上は、主としてCu−Bi合金について述べたがBi以外の
溶着防止成分Pb、Te、Se、Sbを含む合金も同様である。
またAg−WCについてもその内部にある空孔中をロウ材が
通過し表面にまで達すれば、上述のCu−Biの例と同じに
表面の盛り上り、を形成する結果、同じように平滑性を
損い、耐電圧的な欠陥に関与する。

以上列記した悪影響は総て銀ロウ成分のしみ上りによっ
て助長されることが判った結果、この銀ロウ成分のしみ
上り現象を防止することが、信頼性の高い真空バルブの
製造に対して不可欠と判断される。その意味でロウ材溜
め用空間を有するトラップ層の存在はしみ上り現象を阻
止する障壁の役割を持ち、その配置は有効なものであ
る。しかし、接触部と、トラップ層との接続に接合材料
を使用することは、上述の理由によって避けなければな
らないのは明白である。以上によって、ロウ材溜空間を
有するトラップ層の必要理由並びにロウ材溜め空間を有
するトラップ層と接触部との接続には、ロウ材料なしの
接合を行なう必要理由が理解される。更に、トラップ層
中にロウ材溜め用の空間が必要である理由は、使用する
ロウ材の適切な量は、接合の状態によって変動するもの
で、そのたびに使用量を増減することは不可能であっ
て、例えば真に必要とする量に対してやや多目に設計
し、このロウ材溜めの空間に調整しながらプールするこ
とを基本とする。従って若干少ないときにはトラップ層
中に空孔として残るが、少なくともトラップ層とロウ材
との濡れが確保されるため強度は維持出来るので、接合
の目的は達せられる。一方、トラップ層にロウ材を溜め
る空間が全くないときには使用ロウ材量を充分厳密に管
理しないときには被接合部の外部周辺（側面）に融出す
る場合があるなど接合状態にばらつきが生ずる好ましく
ない状態が認められる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を、実施例を示す図面を参照しながら具体
的に説明する。

第１図は、真空遮断器の電極に接合された本発明の実施
例の接点を示す断面図である。

この実施例において接点１は、接触部２とトラップ層３
との二層型であり、この接合は無ロウ材型の接合４であ
る。この接点１は、ロウ材（接合材料）層５を介して可
動電極６の上部に接合されている。さらに、可動電極６
の下部には導電棒７がロウ材層８を介して接合されてい
る。

第２図は、実施例の接点を用いることのできる真空遮断
器の一構成例を示す断面図である。

第２図において、10は遮断室を表わし、この遮断室10は
絶縁材料によりほぼ円筒状に形成された絶縁容器11と、
この両端に密閉機構12,12′を介して設けた金属製蓋体1
3,13′とで、真空気密に構成されている。

しかして、前記遮断室10内には導電棒7,14の対向する端
部に取付けられた１対の電極6,15が配設され、一方の電
極を固定電極15、他方の電極を可動電極６としている。

前記可動電極６の電極軸７には、ベローズ16が取付けら
れ遮断室10内を真空気密に保持しながら、電極６の往復
動を可能にしている。またベローズカバー17は前記ベロ
ーズ16がアーク蒸気で覆われることを防止している。さ
らに18は前記電極6,15を覆うように遮断室10内に設けら
れた円筒状の金属容器で、絶縁容器11がアーク蒸気で覆
われることを防止している。

第３図は、第１図の接点を導電棒に直接に接続した断面
図である。ロウ材なしの接合４によって接触部２とトラ
ップ層３とが接続され、トラップ層３と導電軸７がロウ
接合されている様子を表わすものである。

この発明におけるトラップ層は、この発明の目的に反し
ない限り、種々の方法で調製することができる。例えば
Cu−Biなどの溶解合金では、トラップ層に相当する面に
存在するBi、Teなどを熱的に選択蒸発させるか、硝酸な
どき酸洗によって選択溶解させることによってロウ材溜
め用の空間を有する高導電性成分のみの層を得る。この
ようにして得たトラップ層は、接点合金に対して、銀ロ
ウなしの接合15の状態である。更にAg−WC、Cu−Ｗなど
焼結合金では、Ag粉とWC粉（Cu−Ｗの場合にはCu粉とWC
粉）との混合粉をAg粉層（又はCu粉層）の上に又は下に
置き全体を一体成型後焼結によって、一方の面にロウ材
溜め用の空間を有する高導電性材料のみの層を得る。こ
のようにして得たトラップ層も、接点合金に対して銀ロ
ウなしの接合４の状態である。

更に、Cu−Biなど溶解合金素材、Ag−WCなど焼結合金な
ど接点合金となっている素材の一方の面にCu粉（Ag粉）
を所定空孔が残る圧力で加圧し、熱拡散によって素材と
一体化し、ロウ材溜め用の空間を有する高導電性材料の
みのトラップ層を得る。このようにして得たトラップ層
も接点合金に対して銀ロウなしの接合４の状態である。
この場合Cu粉の代りに幾何学的な空間を有するメッシュ
（金あみ）を用い、加圧、拡散などによって素材と一体
化しても同じである。

第４図は、接触部２とトラップ層３とよりなる二層接点
を示す斜視図である。

この例において二層接点を構成する接触部２とロウ材溜
め用空間を有するトラップ層２とをロウ材なしの接合４
によって接続するのがよく、かつ二層接点と電極又は導
電軸とをロウ材料接合５するのが好ましい。

本発明で使用する接触部は、たとえば次のようにして製
作する。Cu−Biなど溶解系の合金では、真空度５×10^-6
mmHg、温度120℃で主要成分材（CuまたはCu合金）を溶
解後、Arによって増圧してから所定の溶着防止成分（B
i、Te、Pb、Sb）を添加、攪拌後再び排気し、カーボン
坩堝中で冷却、固化して得る。また必要によって更に真
空1200℃で2mm/分の移動速度で一端から冷却固化して得
る。また、Ag−WCなど焼結系の合金では、Ag粉とWC粉と
を用意しこれらを約４トン／cm²程度に成型後約950℃で
水素又は真空中で仮焼結し、次いで水素又は真空中1050
℃でAgを溶浸しAg−WC合金素材を得る。これらの工程
は、例えば黒鉛ボート中で行うことが好ましい。Cu−Ｗ
などCu合金では上述AgをCuに置換えることで達成され
る。

以下、本発明の接点の実施例と比較例とを示して、本発
明を、特に本発明の効果を詳説する。

約5kgのCuをカーボン坩堝中で、温度約1200℃、真空度
約５×10^-6mmHgで30分間溶融させた後、真空槽の中を約
150mmHgのAgで置換し、100gのBiを投入し、約10分間十
分に攪拌後再び真空槽の中を真空にしながら70φの鋳型
に鋳造した。

得られた70φの鋳塊を一方向凝固装置に移し、カーボン
坩堝中、約1150℃,8×10^-5mmHgの条件で、2mm/分の速度
で冷却部に移動させながら一端から固化し接点素材を作
製した。

残存したBiの分析値は0.44％であった（比較例1/2,実施
例１〜２）。

一方、焼結合金の場合は、H₂中1000℃で約１時間の焼結
処理によって得たCr、Ｗ、Mo、Ti、WC、Cr₃C₂、MoC、Ti
C各スケルトンの残存空孔中に高導電性材料Cu（比較例
３〜6,比較例８〜10,実施例３〜6,実施例８〜10）を真
空中1150℃で約１時間溶浸、又はAg（比較例7,実施例
７）を水素中1050℃で約１時間溶浸し接点素材とした。
尚比較例3,6,8〜10の場合はCuを、比較例７の場合はAg
をあらかじめ高融点材料中に予備混合して行ったもので
ある。これらを接点として加工し、試験用真空バルブに
組込んで評価を行なうと共に、他のテストにも供した。

（１）銀ロウ成分のしみ上り評価接点表面への銀ロウ成分のしみ上りの程度の評価は、前
記素材から直径30mm,厚さ3mmの円板を切出し、その片面
に厚さ100μ、直径30mmの78％Ag−Cuロウ材を重ね合
せ、水素中810℃×15分間加熱後接点の他の面へしみ出
たロウ材中のAg（別のＸ・Ｍ・Ａ実験によってAgと確認
している）の数を目視によって測った場合（比較例−1,
3〜10）、及び、ロウ材溜めを有する金属層と、前記と
同じ寸法材質のロウ材とを重ね合せて同様に水素中810
℃×15分間加熱後接点表面へしみ出たロウ材中のAgの数
を目視によって測り、その結果を表１〜表２に示した。

（ａ）滲み上り現象これらの表から明らかなように、Cu−Biに於てロウ材溜
めトラップ層のない場合（比較例−１）や、ロウ材溜め
容積の少ない場合（比較例−２）では、ロウ材が接点素
材を貫通し接点表面に多数しみ出した。しみ出しの形態
は、目視による判断のためほぼ0.1mm直径以上の、つぶ
が計測されている。尚ロウ材を収容する溜めの容積が適
切な量すなわち５％、60％（実施例１〜２）ある場合、
接点へしみ上るロウ材が抑制される結果しみ上り量は極
めて少なくなる。60％以上でも目的は達せられるがロウ
材の使用量が多くなり、製造技術上得策でなくここでは
除外する。

一方、焼結合金に於ても、ロウ材の溜めトラップ層のな
い場合（比較例３〜10）では、上記と同様接点表面への
しみ上りが見られるのに対し所定量のトラップ層（ロウ
材の溜めあり）が存在するときには各実施の例ともしみ
上りが見られない（実施例３〜10）。

（ｂ）静耐圧特性静耐圧特性は、バフ研磨したNi針を陽極とし、同様に研
磨した各試料を陰極とし、両極間のギャップを0.5mm、
真空度10^-6mmHgで昇電圧する過程でスパークを発生した
ときの電圧値を持って評価した。

Cu−Biの場合、表−１のように接点表面へのロウ材のし
み上りの箇所の多い比較例１、に対ししみ上りの少ない
実施例1,2では約10〜35％静耐圧値が高い。各焼結合金
に於ても同様の対比を行うと少なくとも10％の静耐圧特
性の向上がトラップ層の有無で認められている（比較例
３〜10と実施例３〜10との対比）。接点表面にしみ出た
銀ロウ成分の量と静耐圧特性に一定の相関性を認めた。
しみ上りによる接点表面の平滑度の変化およびAgを主体
としたしみ上り物、溶着防止成分を含んだしみ上り物の
凝集による蒸気圧の高い物質の点在等が原因となって静
耐圧特性の低下を招いたものと推考される。

（ｃ）再点弧特性一部の接点については、再点弧特性を評価しその傾向を
求めた。評価条件は、直径30mmの接点片を組立式真空バ
ルブに組込んで6KV×415Aを2000回、開閉した時の再点
弧発生頻度を調査した。

１台の遮断器（バルブとしては３本の最大・最小）のば
らつき幅を示した。

表−１〜２より明らかなように、しみ上りの傾向との相
関性を認めた。先に静耐圧低下の原因を推定した各項目
以外に、シールド等へ飛散したAgロウ成分も、再点弧発
生に関与するものと考えられる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、接触部とラップ層との接続に対して
接合材料が接点を貫通し接点表面にはい上り、点在する
はい上り場所の個数と耐電圧特性に相関性があることを
認めた。この障害を軽減するために、所定のロウ材溜め
容積を有するトラップ層の配置が有効であり、かくして
本発明によれば、接合材料のはい上りを軽減した信頼性
の高い真空バルブが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は真空遮断器の電極に接合した本発明による一実
施例の接点の断面図、第２図は真空遮断器の真空バルブ
を示す断面図、第３図は導電棒に接合した本発明による
一実施例の接点の断面図、第４図は二層接点を示す斜視
図である。１……接点、２……接触部、３……トラップ層、４……
無ロウ材接合、……ロウ材層、６……可動電極、７……
導電棒、８……ロウ材層、10……遮断室、11……絶縁容
器、12,12′……密閉機構、13,13′……蓋体、14……導
電棒、15……固定電極、16……ベローズ、17……ベロー
ズカバー、18……シールド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本一秀東京都府中市東芝町１株式会社東芝府中工場内 (56)参考文献特開昭59−75520（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接点材料からなる接触部と、接触部への接
合材料のしみ込みを防止するトラップ層とを含む真空遮
断器用接点であって、前記トラップ層中に、容積比５〜60％の接合材料溜が存
在することを特徴とする真空遮断器用接点。
【請求項２】前記接点材料が、Cuおよび／またはAgの高
導線性成分と、Bi、Te,Pb,SbおよびSeよりなる群から選
ばれた少なくとも１種の溶着防止成分とを含む、特許請
求の範囲第１項に記載の真空遮断器用接点。
【請求項３】前記接点材料が、Cuおよび／またはAgの高
導電性成分と、Cr,Ti,W,Moおよびこれらの炭化物、並び
これらの硼化物よりなる群から選ばれた少なくとも１種
の合金成分を含む、特許請求の範囲第１項に記載の真空
遮断器用接点。