金屬與陶瓷的接合構造及使用該接合構造的真空開關的製作方法
2023-06-03 05:11:51 4
專利名稱：金屬與陶瓷的接合構造及使用該接合構造的真空開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種真空開關，特別是涉及用於使收容於真空容器的通電觸頭絕緣的陶瓷絕緣子與金屬構件的接合構造。
背景技術：
圖6示出已有技術的真空開關的一般的內部構造的斷面。圖7示出已有技術的真空開關的陶瓷與金屬的接合斷面，圖8示出已有技術的陶瓷與金屬的接合構造的應力分布。
如圖6所示，真空開關在真空容器1內收容多對將固定電極2和可動電極3對置的主迴路開閉部，可動電極3由柔性導體6相互連接，固定電極2通過固定電極杆5和固定電極座10連接到負荷側導體11。另外，由設於真空容器1外的操作機構的驅動力通過驅動杆7、陶瓷絕緣子8、及可動電極杆4使銅或銅合金的可動電極3上下移動，實現與處於絕緣氣氛的銅或銅合金的固定電極2的接離。
在上述真空開關中，在可動電極3和固定電極2等電觸頭與驅動杆7和真空容器1等其它金屬(例如不鏽鋼)之間設置陶瓷(例如氧化鋁Al2O3)的絕緣子8和絕緣子9。在陶瓷與電觸頭或陶瓷與金屬制容器的連接部一般採用陶瓷與金屬的接合構造。
對於金屬和陶瓷，由於其熱膨脹差大，所以，當從接合構造的接合溫度恢復到室溫時，在接合界面產生高殘餘應力。過去，作為使熱膨脹率不同的構件對接地進行接合的方法，已知有在兩者的界面設置比兩構件的熱膨脹率低的中間層的接合方法(例如參照專利文獻1)。在該專利文獻1中，作為陶瓷與金屬的接合構造，公開了在兩者的界面設置W材或Mo材的接合方法。
可是，在按照引用文獻1的方法中，界面中心部的殘餘應力緩和到相當程度，但隨著冷卻的進行，金屬的收縮在接合界面端部特別是在陶瓷一方作用大拉伸應力，當外部負荷也施加時，可能在界面部或界面部近旁的陶瓷產生裂紋。
因此，作為解決這樣的問題的手段，提出有可緩和圖7所示那樣的殘餘應力的陶瓷與金屬的接合構造(例如參照專利文獻2)。按照引用文獻2，在通過中間構件C對接地接合的陶瓷與金屬的接合構造中，中間構件C的屈服應力比陶瓷和金屬構件的屈服應力小，而且在中間構件的外周面具有朝陶瓷構件側增大外徑的那樣的錐部的構造。這樣，即使由熱膨脹差產生的拉伸應力作用於接合界面端，也可由中間構件的塑性變形緩和界面間的殘餘應力，提高界面的接合強度。
(專利文獻1)日本實開昭59-160533號公報(專利文獻2)日本特開平6-48853號公報然而，在上述專利文獻2所示利用中間構件的塑性變形緩和殘餘應力的方法中，由於薄的中間構件的塑性變形量受到限制，所以，對於殘餘應力大的大直徑接合構件，緩和殘餘應力的效果減弱，接合體具有的本來的強度不能充分發揮。
由於異種材料界面的應力特異性的原因，使得隨著冷卻的進行由金屬的收縮產生的殘餘應力在接合止端部出現最大殘餘應力。例如圖8所示那樣，接合體的表面的最大的主應力產生於接合止端部近旁的陶瓷側，具有大應力的範圍變寬(即使直徑增大最大應力值也基本不變化)。在圖8中，示出由銀釺料接合銅與氧化鋁的圓形斷面的接合構造體，縱軸表示圓形接合面的外緣部(稱為止端部)的最大主應力。從殘餘應力降低的觀點考慮，金屬與陶瓷的接合面構成為圓形(在本發明中也適用的構造)。
一般情況下，陶瓷的破壞以構件表面和內部潛在的缺陷為起點。具有高應力的範圍越寬，則包含於其範圍內的缺陷也越多，破壞概率增大。因此，為了強化陶瓷與金屬的接合體的可靠性，降低接合止端部(接合面的外緣部)的殘餘應力最有效。
發明內容
本發明的目的在於提供一種電力設備的真空開關，在電力設備的真空開關中使用的陶瓷與金屬的接合構造採用起到接合構造的具體的改良或應力緩和效果的中間構件，可靠地使接合部的殘餘應力降低，提高接合構造的強度，強度可靠性高。
為了解決上述問題，本發明主要採用以下那樣的構成。
真空開關包括真空容器，收容於上述真空容器內的多個可動電極和固定電極對置的多個電極對，連接到上述可動電極的可動電極杆，固定上述固定電極的固定電極杆，相互連接上述多個可動電極杆的柔性導體，及驅動上述可動電極杆的驅動杆；其中具有設於上述驅動杆與上述可動電極杆之間的第1陶瓷體和設於上述真空容器與上述固定電極杆之間的第2陶瓷體；在上述第1陶瓷體、和由上述驅動杆和上述可動電極杆構成的金屬杆的接合構造中，上述金屬杆的外徑比上述陶瓷體的外徑小0.2mm或更多，由釺料接合上述金屬杆和上述陶瓷體。
另外，真空開關包括真空容器，收容於上述真空容器內的多個可動電極和固定電極對置的多個電極對，連接到上述可動電極的可動電極杆，固定上述固定電極的固定電極杆，相互連接上述多個可動電極杆的柔性導體，及驅動上述可動電極杆的驅動杆；其中具有設於上述驅動杆與上述可動電極杆之間的第1陶瓷體和設於上述真空容器與上述固定電極杆之間的第2陶瓷體；在上述第2陶瓷體與上述固定電極杆的接合構造中，用於緩和上述固定電極杆的收縮所產生的上述第2陶瓷體的應力的應力緩和用複合構件處於上述第2陶瓷體與上述固定電極杆之間進行接合。
另外，在上述真空開關中，上述應力緩和用複合構件由外徑比上述第2陶瓷體的外徑大的圓盤狀中心構件和配合於上述中心構件的外周側的外環構件構成，上述外環構件的內徑形成為比上述固定電極杆的外徑小的構成。
另外，應力緩和用複合構件用於緩和真空開關中的陶瓷體的應力；該真空開關包括真空容器，收容於上述真空容器內的多個可動電極和固定電極對置的多個電極對，連接到上述可動電極的可動電極杆，固定上述固定電極的固定電極杆，相互連接上述多個可動電極杆的柔性導體，驅動上述可動電極杆的驅動杆，及設於上述真空容器與上述固定電極杆之間的陶瓷體；其中上述應力緩和用複合構件由外徑比上述陶瓷體的外徑大的圓盤狀中心構件和配合於上述中心構件的外周側的外環構件構成；上述外環構件的內徑形成為比上述固定電極杆的外徑小的構成。
通過採用這樣的構成，在用於真空開關的陶瓷與金屬的接合構造中，可確實地降低接合部的殘餘應力，提高接合構造的強度。
按照本發明，可確實地降低殘餘應力，實現可靠性高的陶瓷與金屬的接合構造，提高適用該接合構造的真空斷路器。
圖1為示出本發明實施形式的真空開關的接合構造的第1和第2構成例的斷面圖。
圖2為示出本實施形式的真空開關的接合構造的第1構成例的詳細斷面圖。
圖3為示出本實施形式的真空開關的接合構造的第2構成例的詳細斷面圖。
圖4為與已有技術比較示出本實施形式的接合構造和該接合構造下的最大主應力特性的圖。
圖5為說明本實施形式的第2構成例的應力緩和用複合構件的製造方法的圖。
圖6為示出已有技術的真空開關的一般的內部構造的斷面圖。
圖7為示出已有技術的真空開關的陶瓷與金屬的接合斷面的圖。
圖8示出已有技術的陶瓷與金屬的接合構造的應力分布的圖。
具體實施例方式
下面，參照圖1～圖5詳細說明本發明實施形式的真空開關。圖1為示出本發明實施形式的真空開關的接合構造的第1和第2構成例的斷面圖。圖2為示出本實施形式的真空開關的接合構造的第1構成例的詳細斷面圖。圖3為示出本實施形式的真空開關的接合構造的第2構成例的詳細斷面圖。圖4為與已有技術比較示出本實施形式的接合構造和該接合構造下的最大主應力特性的圖。圖5為說明本實施形式的第2構成例的應力緩和用複合構件的製造方法的圖。
在圖中，符號1為真空容器，符號2為固定電極，符號3為可動電極，符號4、14為可動電極杆，符號5為固定電極杆，符號6為柔性導體，符號7為開關驅動杆，符號8、9、12、21為陶瓷構件，符號10為固定電極座，符號11為負荷側導體，符號13、19為應力緩和用複合構件，符號15為槽，符號16為接合面，符號17、20、30為釺料，符號18為凸出部，符號21、26為應力緩和用複合構件的中心構件，符號22、25為應力緩和用複合構件的外環構件，符號23為真空爐，符號24為試樣臺，符號27為導向件，符號28為碳片，符號29為角部。
首先，參照圖1和圖2說明本發明實施形式的真空開關的接合構造的第1構成例。圖2示出接合圖1的可動電極杆4與驅動杆7的陶瓷絕緣子12的詳細構造。如圖2所示，不鏽鋼製的驅動杆7和銅製的可動電極杆14由氧化鋁製的陶瓷絕緣子12機械連接而非電連接。作為例子，說明不鏽鋼製的驅動杆7和膨脹係數比其小的氧化鋁製的陶瓷絕緣子12的接合方法。根據本來的構造，驅動杆7的外徑D1比陶瓷絕緣子12的外徑D2大，但在本實施形式的第1構成例中，使驅動杆7的接合面的外徑D3比陶瓷絕緣子12的外徑D2小0.2mm或更多。為此，在驅動杆7的接合端部製作深1mm或1mm以上的槽15，由加熱通過釺料(作為一例為銀釺料)17接合該槽的內側的接合面16。
為了容易進行硬釺焊作業，朝具有空心部的圓筒形的陶瓷絕緣子12在驅動杆7的接合端面具有凸出部18，形成易於將該凸出部插入到陶瓷絕緣子12的內孔(空心部)定位的接合構造。
另外，對於氧化鋁絕緣子12與銅製的可動電極杆14的接合方法，由於不鏽鋼製驅動杆7與銅製可動電極杆14的備熱膨脹率與氧化鋁的熱膨脹率相比基本相同，所以，可與驅動杆7與氧化鋁的接合構造和接合方法相同。
簡單地說，在圖2所示那樣的本實施形式的第1構成例中，在金屬杆與陶瓷筒狀體的接合面，將金屬杆側的外徑製作得比陶瓷筒狀體的外徑小0.2mm或更多，與陶瓷筒狀體對接，通過釺料接合該對接部，另外，在金屬杆設置凸出部，配合到陶瓷筒狀體的內孔。
下面參照圖4說明這樣的第1構成例的作用效果。圖4的(1)示出金屬杆和氧化鋁絕緣子中的殘餘應力的分布，較白的圖示分布示出高應力範圍，較黑的圖示分布示出低應力的範圍。另外，接合面的外緣部(在圖4中稱為止端部)的詳細放大構造示於圓形內。圖4的(1)的左側面為金屬杆與氧化鋁絕緣子的直徑相等的場合的殘餘應力分布，右側圖示出如本構成例那樣使金屬杆的直徑比氧化鋁絕緣子小一些的場合的殘餘應力分布的實驗結果。由圖4(1)可看出，更白的部分的高應力範圍特別是在氧化鋁絕緣子變小，低應力範圍擴大。
另外，圖4(2)示出金屬杆和氧化鋁絕緣子的3個接合構造的最大主應力特性。這樣，通過使金屬杆(在圖4的實驗中，將Cu作為材料)比氧化鋁絕緣子的外徑稍小，從而使加到氧化鋁絕緣子的應力減小。如圖所示，在氧化鋁絕緣子的接合面近旁和稍離開的部位，第1構成例的殘餘應力都與另外的2個構造例小得多。
從圖4所示實驗結果可知，通過使金屬杆的接合面的外徑比陶瓷筒狀體的外徑稍小，可使示出最大應力和高應力的範圍雙方都顯著減小。按照實驗結果，當使圖2所示D3的直徑比D2的直徑小0.2mm時，最大應力和高應力範圍急劇減小。其原因在於，對於由冷卻過程中金屬收縮產生的位伸應力，在陶瓷絕緣子側受到該應力的體積顯著增加，所以，該拉伸應力分散。觀看圖4的(1)的左側圖可知，金屬杆的收縮直接加到相同直徑的氧化鋁絕緣子，所以，最大應力和高應力範圍分布較寬，可導致氧化鋁絕緣子的破壞。
下面，參照圖1和圖3說明本發明實施形式的真空開關的接合構造的第2構成例。圖3示出圖1的固定電極座10與氧化鋁絕緣子9的接合的詳細尺寸關係。按照圖3所示那樣的第2構成例，由銅製的固定電極座10、氧化鋁製的陶瓷筒狀體9、及應力緩和用複合構件19構成。在銅製的固定電極座10與氧化鋁製的陶瓷筒狀體9的接合部設置預先形成的應力緩和用複合構件19，在應力緩和用複合構件19的兩接合面通過釺料20由加熱進行接合。
應力緩和用複合構件19將與接合配對的陶瓷筒狀體9同樣材質(作為一例採用氧化鋁)作為中心構件21，在其外周側配合銅製的外環構件22。中心構件21的外徑D5比固定電極座10的外徑D4小，而且比陶瓷筒狀體9的外徑D6大。
簡單地說，在圖3所示那樣的本實施形式的第2構成例中，將熱膨脹率小的中心構件配合到熱膨脹率大的外環構件的內孔形成圓盤狀的複合構件，將其作為應力緩和用構件，設置到金屬體與陶瓷體之間，對其進行接合。
在第2構成例中，陶瓷絕緣子接合到與其同樣或比其小的熱膨脹率的中心構件(例如氧化鋁、W、Mo)，所以，接合界面兩側的熱膨脹率差減小，可抑制陶瓷絕緣子的高熱殘餘應力的發生。為此，可有效地防止接合面的剝離和陶瓷絕緣子的裂紋。
在應力緩和用複合構件中，中心構件和外環構件由硬釺焊接合，而且中心構件的熱膨脹率比外環構件的熱膨脹率小，由此產生熱裝效果，此外，還可獲得足夠的接合界面強度。另外，冷卻過程中的固定電極座的收縮在接合於固定電極座的外環構件22(例如Cu)產生拉伸應力，但由於為金屬體，所以，破壞的危險小(由於金屬具有伸長特性)，另外，在中心構件產生壓縮應力，由氧化鋁等製成的中心構件雖然易於由拉伸應力的作用而產生裂紋，但對壓縮應力的強度大，所以，不會產生裂紋。作為將應力緩和用複合構件接合於陶瓷絕緣子和固定電極座的方法，也可使用軟釺焊接合、擴散接合、摩擦壓接接合或玻璃接合，代替硬釺焊(上述第1構成例的接合也相同)。
下面，參照圖5說明本發明實施形式的第2構成例的應力緩和用複合構件的製造方法。在真空爐23中，如圖5所示那樣在試樣臺24上設置外環構件25、中心構件26、重塊26、及圓筒導向件27。為了使得熱處理後的拆卸作業容易，在外環構件25與導向件27和重塊26等之間通過碳片28進行組合。在圓筒形的外環構件25的端部的內側傾斜地形成邊緣29，在中心構件26與邊緣29的間隙充填適量的釺料30。
在室溫下，使外環構件25的內徑d1比中心構件26的外徑d2小(d1＜d2)，不使中心構件26落下。在高溫下，熱膨脹率大的外環構件(例如Cu)25比熱膨脹率小的中心構件(例如氧化鋁)26大地膨脹，d2＜d1，由重塊31使中心構件26落下到外環構件25的中心孔。與此同時，熔化的釺料30沿外環構件的內壁面流往下方，充填於外環構件25與中心構件26間的間隙。
當恢復為室溫時，外環構件25與中心構件26的接合完成，在由釺料30產生的接合強度增加熱裝力，可獲得高可靠性的接合界面。此後，如圖5所示那樣切斷製作的杆狀的應力緩和用複合構件，磨削切斷面，使其金屬化，製作圓盤狀應力緩和用複合構件。由在長筒狀外環構件的內側配合杆狀中心構件後切斷的製造方法可大量生產圖3所示那樣的應力緩和用複合構件19，降低成本。另外，也可由硬釺焊接合、軟釺焊接合、擴散接合、熱裝、利用壓粉體的一體燒結中任一種方法將圓盤狀的中心構件配合於上述外環構件的內孔而形成。
如以上說明的那樣，在本發明實施形式的真空開關中，特別是確定金屬體與陶瓷體的接合面的各外徑尺寸(具體地說，在接合端部將金屬杆側的外徑形成得比陶瓷筒狀體的外徑小0.2mm或更多，與陶瓷筒狀體對接，通過釺料接合對接部)，或在其間設置應力緩和用複合構件(具體地說，將熱膨脹率小的中心構件配合到熱膨脹率大的外環構件的內孔形成圓盤狀複合構件，將其作為應力緩和構件設置到金屬體與陶瓷體之間，對其進行接合)，以不在與金屬體相接的陶瓷體產生大的殘餘應力，從而可不產生陶瓷體的裂紋等破損。
權利要求
1.一種真空開關，包括真空容器，收容於上述真空容器內的多個可動電極與固定電極對置的多個電極對，連接到上述可動電極的可動電極杆，固定上述固定電極的固定電極杆，相互連接上述多個可動電極杆的柔性導體，及驅動上述可動電極杆的驅動杆；其特徵在於具有設於上述驅動杆與上述可動電極杆之間的第1陶瓷體和設於上述真空容器與上述固定電極杆之間的第2陶瓷體；上述第1陶瓷體、和由上述驅動杆與上述可動電極杆構成的金屬杆的接合構造是，上述金屬杆的外徑比上述陶瓷體的外徑小0.2mm或更多，由釺料接合上述金屬杆和上述陶瓷體。
2.一種真空開關，包括真空容器，收容於上述真空容器內的多個可動電極與固定電極對置的多個電極對，連接到上述可動電極的可動電極杆，固定上述固定電極的固定電極杆，相互連接上述多個可動電極杆的柔性導體，及驅動上述可動電極杆的驅動杆；其特徵在於具有設於上述驅動杆與上述可動電極杆之間的第1陶瓷體和設於上述真空容器與上述固定電極杆之間的第2陶瓷體；上述第2陶瓷體與上述固定電極杆的接合構造是，用於緩和上述固定電極杆的收縮所產生的上述第2陶瓷體的應力的應力緩和用複合構件，接合在上述第2陶瓷體與上述固定電極杆之間。
3.根據權利要求2所述的真空開關，其特徵在於上述應力緩和用複合構件由外徑比上述第2陶瓷體的外徑大的圓盤狀中心構件和配合於上述中心構件的外周側的外環構件構成；上述外環構件的內徑比上述固定電極杆的外徑小。
4.根據權利要求3所述的真空開關，其特徵在於上述圓盤狀中心構件由熱膨脹率與上述第2陶瓷體相同或較小的材料製成；上述外環構件由熱膨脹率與上述固定電極杆的差別小的材料製成。
5.根據權利要求3或4所述的真空開關，其特徵在於所述圓盤狀的中心構件由硬釺焊接合、軟釺焊接合、擴散接合、熱裝、和利用壓粉體一體燒結中的任一種方法配合於上述外環構件的內孔而形成。
6.一種應力緩和用複合構件，用於緩和真空開關中的陶瓷體的應力；該真空開關包括真空容器，收容於上述真空容器內的多個可動電極與固定電極對置的多個電極對，連接到上述可動電極的可動電極杆，固定上述固定電極的固定電極杆，相互連接上述多個可動電極杆的柔性導體，驅動上述可動電極杆的驅動杆，及設於上述真空容器與上述固定電極杆之間的陶瓷體；其特徵在於上述應力緩和用複合構件由外徑比上述陶瓷體的外徑大的圓盤狀中心構件和配合於上述中心構件的外周側的外環構件構成；上述外環構件的內徑比上述固定電極杆的外徑小。
7.根據權利要求6所述的應力緩和用複合構件，其特徵在於上述圓盤狀中心構件由熱膨脹率與上述第2陶瓷體相同或較小的材料製成；上述外環構件由熱膨脹率與上述固定電極杆的差別小的材料製成。
8.一種權利要求6或7所述的應力緩和用複合構件的製造方法，其特徵在於預先將長杆狀中心構件配合於同樣長度的筒狀外環構件的內孔；切斷由上述配合的杆狀的中心構件和外環構件構成的複合構件，製作適當厚度的圓盤狀的應力緩和用複合構件。
9.根據權利要求1所述的真空開關，其特徵在於使用軟釺焊接合、擴散接合、摩擦壓接接合或玻璃接合代替接合上述金屬杆與上述陶瓷體的硬釺焊接合。
10.根據權利要求2、3或4所述的真空開關，其特徵在於上述應力緩和用複合構件與上述第2陶瓷體及固定電極杆的接合為硬釺焊接合、軟釺焊接合、擴散接合、摩擦壓接接合或玻璃接合。
11.根據權利要求1所述的真空開關，其特徵在於在上述金屬杆的接合面中央部設置凸部，同時，在上述第1陶瓷體的中央部設置中央孔；將上述凸部插入到上述中央孔。
12.根據權利要求2、3或4所述的真空開關，其特徵在於在上述固定電極杆的接合面中央部設置凸部，同時，在上述第2陶瓷體的中央部設置中央孔；將上述凸部插入到上述中央孔。
全文摘要
本發明提供金屬與陶瓷的接合構造及使用該接合構造的真空開關。確定金屬體(4、7)與陶瓷體(12)的接合面的各外徑尺寸，具體地說，在接合端部將金屬杆側的外徑形成得比陶瓷筒狀體的外徑小0.2mm或更多，與陶瓷筒狀體對接，通過釺料接合對接部；或在其間設置應力緩和用複合構件(13)，具體地說，將熱膨脹率小的中心構件配合到熱膨脹率大的外環構件的內孔形成圓盤狀複合構件，將其作為應力緩和構件設置到金屬體(10)與陶瓷體(9)之間，對其進行接合，以不產生陶瓷體的裂紋等破損。這樣，可在用於真空開關的陶瓷與金屬的接合構造中確實地降低接合部的殘餘應力，提高接合構造的強度。
文檔編號H01H33/666GK1607626SQ20041003480
公開日2005年4月20日 申請日期2004年4月14日 優先權日2003年10月14日
發明者林君山, 服部敏雄, 土屋賢治, 坂本芳樹 申請人:株式會社日立製作所