(57)【要約】【課題】ガス開閉器に用いられるアーク接触子の表面直下に発生する内部クラックの横方向への進展を抑制し、表面の脱落による損耗を低減するアーク接触子を得る。【解決手段】固定アーク接触子および可動アーク接触子の少なくとも一方に、銅とタングステンとの合金で構成された基材に、この基材よりも熱伝導性が高い熱伝導部を薄板状および芯状の少なくとも一方の形状でアークに曝される面から深さ方向に向かって埋設したものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定アーク接触子と、
この固定アーク接触子と接離可能に対向配置された可動アーク接触子とを備え、
前記固定アーク接触子と前記可動アーク接触子との間に発生するアークを消弧性ガスで消滅させることにより電流遮断動作を行なうガス開閉器において、
前記固定アーク接触子および前記可動アーク接触子の少なくとも一方は、銅とタングステンとの合金で構成された基材に前記基材よりも熱伝導性が高い熱伝導部が薄板状および芯状の少なくとも一方の形状で埋設されていることを特徴するガス開閉器。
【請求項２】
熱伝導部が、銅または銀の少なくとも１つを主成分とする金属で構成されていることを特徴とする請求項１記載のガス開閉器。
【請求項３】
薄板状の熱伝導部は、基材に対して縞状、格子状および同心円状の少なくとも１つの形状で埋設されていることを特徴とする請求項１記載のガス開閉器。
【請求項４】
芯状の熱伝導部は、基材に対して分散されて埋設されていることを特徴とする請求項１記載のガス開閉器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、消弧室に備えられた固定アーク接触子と可動アーク接触子との間に発生するアークを消弧性ガスで消滅させることにより電流遮断動作を行なうガス開閉器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス遮断器やガス断路器などのガス開閉器に使用されるアーク接触子は、電流遮断時に発生する高温のアークに耐えるための耐熱性に加えて、アーク電流を転流するために一定以上の導電性も要求される。そのため、高融点で耐アーク性に優れる材料と導電性に優れた材料を組合せた合金が使用されている。具体的には銅とタングステンとからなる合金（Ｃｕ−Ｗ合金）が広く適用されている。
【０００３】
従来のガス遮断器のアーク接触子については、固定アーク接触子と最後まで接触している可動アーク接触子の先端部分をＣｕ−Ｗ合金から構成していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、アーク接触子の耐弧金属部と台金部との異種金属の接続部材による抵抗値の上昇を抑えてアーク電流による傷みを防ぐために、Ｃｕ−Ｗ合金のアーク接触子が台金部に向かうほど台金部の金属の占める割合が高くなるような構成が開示されていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−７３８６０号公報（６頁、図１２）
【特許文献２】特開平５−２９５０号公報（３頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス開閉器に使用されるアーク接触子は、電流遮断時のアーク熱によりアーク接触子の先端部の温度が急速に上昇し、その後低下する。その際に先端部から深さ方向に向かって温度勾配を生じるために、深さ方向に複数のクラックが進展する。さらに複数回の電流遮断を行なうと、アーク接触子の先端部と内部との温度差を生じる境界に熱応力が繰り返し発生し、その境界にクラックが進展する。すなわち、先端部の表面から深さ方向に進展したクラックは、遮断を繰り返えすことでアークに曝された先端部の表面と平行な方向（以下、横方向と称す）に進展方向を変え、アーク接触子の内部に進展する。そのために、アーク接触子の表面直下に発生した横方向の内部クラックにより、アーク接触子の表面からアーク接触子を構成する材料の一部が脱落して損耗するという問題点があった。
【０００７】
しかしながら、従来のガス開閉器に用いられていたアーク接触子は、電流遮断時のアーク熱によりアーク接触子表面が加熱されたときの蒸発に伴う損耗に対しては一定の効果があるが、上述のようなアーク接触子表面の一部が脱落して損耗するという問題を防ぐことができなかった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、アーク接触子の表面直下に発生する内部クラックの横方向への進展を抑制し、表面の脱落による損耗を低減するアーク接触子を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るガス開閉器は、固定アーク接触子と、この固定アーク接触子と接離可能に対向配置された可動アーク接触子とを備え、固定アーク接触子と可動アーク接触子との間に発生するアークを消弧性ガスで消滅させることにより電流遮断動作を行なうガス開閉器であって、固定アーク接触子および可動アーク接触子の少なくとも一方は、銅とタングステンとの合金で構成された基材に、この基材よりも熱伝導性が高い熱伝導部を薄板状および芯状の少なくとも一方の形状で埋設たものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係るガス開閉器においては、固定アーク接触子および可動アーク接触子の少なくとも一方に、銅とタングステンとの合金で構成された基材よりも熱伝導性が高い熱伝導部を薄板状および芯状の少なくとも一方の形状で埋設しているので、アークで発生するアーク熱を速やかに基材の深さ方向に伝達することができる。また、この熱伝導部がクラック進展の障壁となる。その結果、深さ方向へのクラックの発生を抑制できると共に、アーク接触子の表面直下に発生する横方向への内部クラックの進展も抑制できるので、アーク接触子の表面部材の脱落による損耗を低減するといった顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるガス遮断器の断面模式図である。本実施の形態においては、ガス開閉器のひとつの形態として、ガス遮断器で説明する。図１において、ガス遮断器１は、固定電極部２と可動電極部３と絶縁筒４とを備えた消弧室５と、この可動電極部３と連動する絶縁操作棒６と、支持絶縁筒７と、固定電極部２に結合された冷却塔８と、固体電極部２を導出するための導体９ａ、ブッシング１０ａおよび端子１１ａと、可動電極部３を導出するための導体９ｂ、ブッシング１０ｂおよび端子１１ｂと、消弧性ガスおよび上述の構成部材を内部に収容した容器１２とで構成されている。絶縁操作棒６の一方の端部は、容器１２から外部に導出され、容器１２に密接して設置された制御箱１３の内部の操作装置１４と接続されている。
【００１２】
図２は、本実施の形態における消弧室５の内部の構成を説明するための断面模式図である。図２において、固定電極部２と可動電極部３とは、絶縁筒４で電気的に絶縁されて固定されている。可動電極部３の先端部には、円筒状の可動アーク接触子１５がノズル１６の内部に配置されている。可動アーク接触子１５の他方の端部は、駆動棒１７を介して絶縁操作棒６に連結されている。可動アーク接触子１５の外側には、可動主接触子１８が固定されている。固定電極部２には、固定主接触子１９とその内部に棒状の固定アーク接触子２０とが固定されている。可動主接触子１８および固定主接触子１９は、それぞれシールド２１、２２で一部が覆われている。また、可動電極部３には、遮断時にノズル１６内部に消弧ガスを流すためのパッファシリンダ２３が備えられている。
【００１３】
次に、消弧室５における遮断動作について説明する。遮断時には、可動電極部３側の可動アーク接触子１５は、それまで接触状態にあった固定アーク接触子２０と摺動ののち開離して、これらの接触子の間にアークが発生する。図２において、このアークをＡ１として示している。これに対して、パッファシリンダ２３内で圧縮された消弧ガスがアークＡ１に吹き付けられて、ノズル１６の内部に流れてアークＡ１は消弧される。アークが発生してこのアークが消弧ガスで消弧される間に、固定アーク接触子２０および可動アーク接触子１５は高温のアークＡ１により極めて高い温度（約２００００Ｋ）に曝される。
【００１４】
このように動作するガス遮断器においては、固定アーク接触子２０および可動アーク接触子１５の先端部には、導電性を有する耐弧性材料が基材として使用され、通常タングステンを５０〜７０重量％含有した銅または銀との合金が使用されている。
【００１５】
図３は、本実施の形態における、固定アーク接触子２０の先端部の模式図である。図３において、固定アーク接触子２０の基材２４は、銅とタングステンとからなる合金（Ｃｕ−Ｗ合金）であり、この基材２４に、アークが接触する表面から深さ方向に向かって薄板状の複数の熱伝導部２５が配置されている。この熱伝導部２５は、基材２３のＣｕ−Ｗ合金よりも熱伝導性の高い銅で構成されている。基材２４は、銅または銅合金からなる台金２６にロウ付け等で接合されている。
【００１６】
図４は、図３に示す固定アーク接触子２０の平面Ｂにおける断面模式図である。図４に示すように銅で構成された薄板状の熱伝導部２５を略平行に縞状に配置して深さ方向に埋設している。
【００１７】
ガス遮断器の電流遮断部に使用される棒状の固定アーク接触子２０は、電流遮断時のアーク熱により先端部の温度は急速に上昇し低下する。その際に先端部から深さ方向にかけて温度勾配を生じ、そのため深さ方向にクラックが進展する。さらに複数回の電流遮断を行なうと、接触子の先端部と内部との温度差の境界に熱応力が繰り返し発生し、その境界にクラックが進展する。すなわち、遮断初期に発生した深さ方向に進展したクラックは、遮断を繰り返すことで横方向に進展方向を変える。そのために、固定アーク接触子２０の表面直下で横方向の内部クラックが進展した部分は、アーク接触子の表面から脱落し損耗する。
【００１８】
しかし、本実施の形態のように固定アーク接触子２０のアークに曝される面から深さ方向に向かって縞状の熱伝導部２５を設けたことにより、先端部の熱が速やかに熱伝導部２５を伝わって台金２６の方向へ伝達される。それにより、深さ方向のクラックが発生しにくいと共に、たとえ深さ方向のクラックが進展しても、縞状の熱伝導部２５では深さ方向の温度勾配が小さいためこの部分ではクラックが発生しにくい。また、縞状の熱伝導部２５を配置しているため、横方向の内部クラックの進展を抑制することができる。その結果、アーク接触子の表面の脱落による損耗を低減することができる。
【００１９】
なお、本実施の形態においては、棒状の固定アーク接触子２０に熱伝導部を設けたが、円筒状の可動アーク接触子１５に設けてもよいし、両方のアーク接触子に設けてもよい。
【００２０】
また、本実施の形態においては、熱伝導部２５を銅で構成したが、銅を主体とする合金さらに熱伝導性の高い銀や銀を主体とする合金などで構成してもよい。
【００２１】
なお、本実施の形態においては、銅で構成された薄板状の熱伝導部２５を略平行に縞状に配置して深さ方向に埋設していたが、図５に示すように薄板状の熱伝導部２５を格子状に配置して深さ方向に埋設してもよい。このように構成することで、横方向の内部クラックの進展を効果的に抑制することができる。その結果、アーク接触子の表面の脱落による損耗をさらに低減することができる。また、本実施の形態ではガス開閉器の一つであるガス遮断器のアーク接触子の例について説明したが、ガス断路器の接触子に使用してもよい。
【００２２】
実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１の変形例として示した薄板状の熱伝導部２５を格子状に配置して埋設した棒状の固定アーク接触子２０の製造方法を説明する。
【００２３】
平均粒径３μｍのタングステン（Ｗ）粉末と粒径４５μｍ以下の銅（Ｃｕ）粉末を準備し、Ｗが９０重量％、Ｃｕが１０重量％となるように配合し、Ｖミキサーで１時間混合して混合粉末を得た。次に、この混合粉末にバインダーを添加して混合した後に篩がけを行なって造粒粉を得た。続いて、所望の金型に造粒粉を充填し、プレス機により加圧成形してφ２１ｍｍ、長さ３０ｍｍの柱状の圧粉体を得た。なお、圧粉体は溶浸後に所望の組成となるように空隙率を調整して成形する。次に、１３００℃で２時間（水素雰囲気中）の焼結を行い、φ２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの仮焼結体を得た。この仮焼結体がアーク接触子の基材となる部分に相当する。そして、この仮焼結体の一方の端部でアーク接触子の先端部となる部分に、幅０．５ｍｍ、深さ５ｍｍの溝を、３ｍｍ間隔の格子状となるように加工した。次に、仮焼結体をカーボン製治具にセットし、その上にＣｕチップを乗せて、１３００℃で３時間、水素雰囲気中で加熱し、溶融したＣｕを仮焼結体の気孔部および機械加工で設けた溝の部分にＣｕを溶浸させた。その後冷却してＣｕを凝固させて焼結体を取り出し、仕上げ加工によりφ１５ｍｍ、長さ２５ｍｍ、接触子先端部を曲率７．５ｍｍのとしたアーク接触子を得た。
【００２４】
上述のような工程により、Ｃｕが３０重量％、Ｗが７０重量％のＣｕ−Ｗ合金のアーク接触子に格子状の銅で構成された熱伝導部２５を埋設したアーク接触子を得た。このようにして得られたアーク接触子においては、Ｃｕ−Ｗ合金の重量割合は、５０重量％以上から９０重量％以下のＷと残部がＣｕであることが好ましく、原料として使用したＷ粉末の平均粒径は、２０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、Ｗの重量割合が５０重量％未満では、アーク熱に対する耐熱性が損なわれて損耗が多くなり、９０重量％を超えると熱伝導性が悪くなることで蒸発損耗が促進されかつ表面のクラックも発生しやすくなるためである。また、Ｗ粉末の平均粒径が２０μｍを超えると損耗が多くなる場合があるためである。
【００２５】
なお、本実施の形態では、仮焼結体に格子状の溝加工を行ったが、１３００℃で２時間の焼結工程前の圧粉体に溝加工を施してもよい。
【００２６】
また、本発明に係るアーク接触子の製造方法は、本実施の形態で述べた溶浸法に限定されるものではなく、公知の粉末冶金技術を利用すればよく、例えば、雰囲気焼結法、放電プラズマ焼結法、通電加熱焼結法、ホットプレス焼結法、熱間押し出し法、金属粉末射出成形法などを組合せて製造することもできる。
【００２７】
実施の形態３．
図６は、実施の形態３における固定アーク接触子２０の先端部の模式図である。本実施の形態においては、基材２４に芯状の熱伝導部２５が埋設されている。図７は、図６に示す固定アーク接触子２０の平面Ｂにおける断面模式図である。図７に示すようにＣｕで構成された芯状の熱伝導部２５を基材２４に分散して配置して深さ方向に埋設している。
【００２８】
このような芯状の熱伝導部２５を埋設したアーク接触子の製造方法の一例を説明する。仮焼結体を得るまでは実施の形態２と同様な方法である。仮焼結体に直径０．５ｍｍ、深さ５ｍｍの丸穴を２．５ｍｍの間隔で加工する。その後の工程は実施の形態２と同様な工程によって熱伝導部２５を基材２４に埋設することができ、Ｃｕが３０重量％、Ｗが７０重量％のＣｕ−Ｗ合金の基材に細い芯状のＣｕで構成された熱伝導部２５が分散して埋設されたアーク接触子を得た。
【００２９】
このようにして得られたアーク接触子においては、先端部の熱が速やかに芯状の熱伝導部２５を伝わって台金２６の方向へ伝達されるので、クラックの発生を抑制できると共に、たとえ深さ方向にクラックが進展しても、芯状の熱伝導部２５にはクラックが発生しにくいので、芯状の熱伝導部２５で横方向の内部クラックの進展を抑制することができる。その結果、アーク接触子の表面の脱落による損耗を低減することができる。
【００３０】
実施の形態４．
図８は、実施の形態４における固定アーク接触子２０の先端部の模式図である。本実施の形態においては、基材２４に同心円状の熱伝導部２５が埋設されている。図９は、図８に示す固定アーク接触子２０の平面Ｂにおける断面模式図である。図９に示すようにＣｕで構成された同心円状の熱伝導部２５を基材２４の深さ方向に埋設している。
【００３１】
このような同心円状の熱伝導部２５を埋設したアーク接触子の製造方法の一例を説明する。仮焼結体を得るまでは実施の形態２と同様な方法である。そして、外形２０ｍｍで内径１４ｍｍ（円筒Ａ）、外径１３ｍｍで内径７ｍｍ（円筒Ｂ）、外形６ｍｍで内径１ｍｍ（円筒Ｃ）の３種類の円筒形状に加工した仮焼結体を準備した。仮焼結体の長さはいずれも２７ｍｍの円筒形状に加工した。次に円筒Ａの仮焼結体の内側に円筒Ｂの仮焼結体をはめ込み、さらに円筒Ｂの仮焼結体の内側に円筒Ｃの仮焼結体を同心円の状態にはめ込み組合せた。次に組合せた仮焼結体をカーボン製治具にセットし、その上にＣｕチップを乗せて、１３００℃で３時間、水素雰囲気中で加熱し、溶融したＣｕを仮焼結体の気孔部および３種類の円筒形状を同心円状に配置した仮焼結体の隙間にＣｕを溶浸させる。その後冷却してＣｕを凝固させて焼結体を取り出し、仕上げ加工によりφ１５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、接触子先端部は曲率７．５ｍｍの形状で、Ｃｕが３０重量％、Ｗが７０重量％のＣｕ−Ｗ合金の基材２４に同心円状の熱伝導部２５が埋設されたアーク接触子を得た。
【００３２】
このようにして得られたアーク接触子においては、先端部の熱が速やかに同心円状の熱伝導部２５を伝わって台金２６の方向へ伝達されるので、クラックの発生を抑制できると共に、たとえ深さ方向にクラックが進展しても、同心円状の熱伝導部２５にはクラックが発生しにくいので、同心円状の熱伝導部２５で横方向の内部クラックの進展を抑制することができる。その結果、アーク接触子の表面の脱落による損耗をさらに低減することができる。
【００３３】
実施の形態５．
実施の形態５においては、実施の形態１、２、３および４で得られた、縞状、格子状、芯状および同心円状の形状の熱伝導部２５をもつアーク接触子のについて、遮断試験によりアーク接触子の先端部の脱落損耗を評価した。直径１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの固定アーク接触子と、直径２５ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの可動アーク接触子を準備した。固定アーク接触子に実施の形態で得られたアーク接触子を用いており、可動アーク接触子は通常のＣｕ−Ｗ合金のものを用いている。なお、比較のため、熱伝導部のない、Ｃｕ−Ｗ合金基材のみの固定アーク接触子も同時に評価した。遮断試験は、ガス遮断器の消弧室を模擬した試験設備を用いて行なった。
【００３４】
試験容器内にアーク接触子を組込んだ後、消弧ガスであるＳＦ６ガスを充填し４気圧となるように設定した。次に、固定アーク接触子と可動アーク接触子を接触させた状態から開極させた時に電流２０ｋＡｒｍｓを０．５サイクル負荷する遮断試験を５回行なった。その後、機械的な開閉を５回行なった。そして、固定アーク接触子の表面を目視観察し、接触子表面における脱落の有無について評価した。
【００３５】
表１は、縞状、格子状、芯状および同心円状の形状の熱伝導部２５をもつアーク接触子と熱伝導部のないアーク接触子の脱落の有無を比較したものである。
【００３６】
【表１】
2008204787.tif 000003
【００３７】
表１の結果から、熱伝導部をもたない従来のアーク接触子では脱落による損耗が見られた。一方、本発明に係る構造をもつアーク接触子においては、アークに曝された表面にクラックは観察されたが、表面の脱落による損耗は無かった。
【００３８】
このような結果から、アークに曝される面から深さ方向に向かって薄板状または芯状の形状をした基材よりも熱伝導性が高い熱伝導部２５を埋設することで、アークで発生するアーク熱を速やかに基材の深さ方向に伝達することができる。また、この熱伝導部２５が内部クラック進展の障壁となる。その結果、アーク接触子の表面直下に発生する横方向の内部クラックの進展を抑制し、アーク接触子の表面部材の脱落による損耗を低減することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、固定アーク接触子２０の例について述べたが、可動アーク接触子１５のアークに曝される部分に同様の構成を適用すれば、同様の効果を得ることができる。また、上述の実施の形態においては、アーク接触子の基材２４の中に縞状、格子状、芯状あるいは同心円状の熱伝導部２５を単独で構成した場合について説明したが、それらを組合せて構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の実施の形態１におけるガス遮断器の断面模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における消弧室の断面模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１における固定アーク接触子の模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１における固定アーク接触子の断面模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１における固定アーク接触子の断面模式図である。
【図６】この発明の実施の形態３における固定アーク接触子の模式図である。
【図７】この発明の実施の形態３における固定アーク接触子の断面模式図である。
【図８】この発明の実施の形態４における固定アーク接触子の模式図である。
【図９】この発明の実施の形態４における固定アーク接触子の断面模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ガス遮断器
２  固定電極部
３  可動電極部
４  絶縁筒
５  消弧室
６  絶縁操作棒
７  支持絶縁筒
８  冷却塔
９ａ、９ｂ  導体
１０ａ、１０ｂ  ブッシング
１１ａ、１１ｂ  端子
１２  容器
１３  制御箱
１４  操作装置
１５  可動アーク接触子
１６  ノズル
１７  駆動棒
１８  可動主接触子
１９  固定主接触子
２０  固定アーク接触子
２１、２２  シールド
２３  パッファシリンダ
２４  基材
２５  熱伝導部
２６  台金
【図１】
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【図２】
2008204787.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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