DE112017001814T5

DE112017001814T5 - Kontaktelement, verfahren zur herstellung desselben und vakuum-schaltungsunterbrecher

Info

Publication number: DE112017001814T5
Application number: DE112017001814.5T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Chibahara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-01-21
Also published as: US10629397B2; JPWO2017168990A1; CN108885958B; CN108885958A; WO2017168990A1; US20190051475A1; JP6304454B2; DE112017001814B4

Abstract

Ein Kontaktelement (16) gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Kontaktschicht (18), die aus einem plattenförmigen porösen Körper besteht, der ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält und mit einem Infiltrationsmittel infiltriert ist, das ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält; ein die Kontaktschicht (18) tragendes Teilstück (22), das aus dem Infiltrationsmittel besteht; und einen das Kontaktteilstück (18) haltenden Leiter (38), der aus dem Infiltrationsmittel besteht, wobei der poröse Körper in der Mitte der Kontaktschicht (18) mit einer Öffnung (36) versehen ist und ein Bereich von der Öffnung (36) zu dem das Kontaktteilstück (18) haltenden Leiter (38) durchgehend und integral mit dem Infiltrationsmittel geformt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher, der bei einem Vakuumleistungsschalter verwendet werden soll, der zum Unterbrechen eines Stroms in einem Leistungsübertragungssystem etc. verwendet wird, auf ein Kontaktelement, das in dem Vakuum-Schaltungsunterbrecher verwendet wird, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Kontaktelements.
STAND DER TECHNIK
Der Vakuum-Schaltungsunterbrecher weist einen Aufbau auf, in dem eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode auf derselben Achse in einem isolierten Behälter, dessen Inneres auf einem hohen Vakuum gehalten wird, einander gegenüberliegend angeordnet sind. Wenn sie einen Strom führen, befinden sich die feste Elektrode und die bewegliche Elektrode in Kontakt miteinander. Wenn ein Überstrom oder ein Kurzschlussstrom auftritt, werden diese Elektroden unverzüglich geöffnet, um den Strom zu unterbrechen.
Es ist vor allem erforderlich, dass das Kontaktmaterial, das für die Kontaktteilstücke der festen Elektrode und der beweglichen Elektrode des Vakuum-Schaltungsunterbrechers verwendet wird, im Fall des Öffnens der Elektroden ein Leistungsvermögen in Bezug auf eine Stromunterbrechung und ein Leistungsvermögen in Bezug auf eine Spannungsfestigkeit aufweist.
Bei diesem Leistungsvermögen, das für das Kontaktmaterial erforderlich ist, handelt es sich um Eigenschaften, die einander widersprechen; daher ist es schwierig, das Kontaktmaterial unter Verwendung eines Materials herzustellen, das aus einem einzigen Element besteht. Daher hat man herkömmliche Kontaktmaterialien unter Verwendung eines Materials hergestellt, bei dem es sich um eine Kombination von zwei oder mehr Elementen handelt.
Für das Material mit Spannungsfestigkeit wird zum Beispiel im Allgemeinen ein Kontaktmaterial verwendet, wie beispielsweise eines vom Cu-W-Typ oder eines vom Cu-Cr-Typ, bei dem Kupfer (Cu), das ein Material mit einer hohen Leitfähigkeit ist, und Wolfram (W) oder Chrom (Cr) verwendet werden. In einigen Fällen wird für ein Kontaktmaterial eines Vakuum-Schaltungsunterbrechers, der eine Charakteristik bei geringer Überspannung erfordert, im Allgemeinen ein Kontaktmaterial verwendet, wie beispielsweise eines vom Cu-WC-Typ oder eines vom Ag-WC-Typ, bei dem Wolframcarbid (WC), bei dem es sich um einen Elektronenemissions-Bestandteil handelt, in Kupfer (Cu) oder Silber (Ag) verteilt ist, bei denen es sich um ein Material mit einer hohen Leitfähigkeit handelt, um eine Stromunterbrechungszeitspanne zu verlängern.
Als ein Verfahren zur Herstellung dieser Kontaktmaterialien wird ein nachstehend beschriebenes Infiltrationsverfahren verwendet. Zunächst wird ein Rohmaterial-Pulver aus einem Material mit Spannungsfestigkeit geformt und zu einem porösen Körper gesintert. Dann wird ein Infiltrationsmittel, das aus Cu, Ag oder dergleichen besteht, auf einer Seite des porösen Körpers angeordnet und auf den Schmelzpunkt des Infiltrationsmittels oder eine höhere Temperatur erwärmt. Das geschmolzene Infiltrationsmittel dringt in Poren in dem porösen Körper ein (infiltriert diese).
Eine Materialplatte, die sich daraus ergebend für den Kontakt erhalten wird, wird maschinell zu einer erforderlichen Kontaktform bearbeitet, um den Kontakt herzustellen. Nach der maschinellen Bearbeitung zu der Kontaktform wird der Kontakt an einen Kupfer-Stab gelötet, der als Leiter zum Führen eines Stroms dient. In einem Fall, in dem das Verhältnis eines Bestandteils aus dem Material mit Spannungsfestigkeit, das eine geringe Benetzbarkeit aufweist, zu dem Lötmaterial an der Kontaktoberfläche groß ist, kann das Löten unzureichend sein, was bisweilen verursacht, dass der Kontakt abfällt oder dass eine kleine Kontaktfläche zwischen dem Kupferstab und dem Kontakt vorhanden ist.
Um dieses Problem zu bewältigen, gibt es ein Verfahren, bei dem ein Wolfram-Pulver zu einem porösen Körper formgepresst wird (siehe das Patentdokument 1). Bei diesem Verfahren hat man eine zu verwendende untere Ausstanzung speziell entworfen, um eine Aussparung auf der Seite des geformten Mediums in Kontakt mit dem Infiltrationsmittel zu bilden. Der poröse Körper wird auf dem Infiltrationsmittel angeordnet; und das Infiltrationsmittel wird erwärmt, um den porösen Körper zu infiltrieren, so dass das Infiltrationsmetall in der Aussparung verbleibt.
Nach einem abschließenden Prozess für das gesinterte Medium wird das gesinterte Medium mit einem Lötmaterial über eine verbliebene Schicht des Infiltrationsmittels mit einem Basismetall verbunden. Auch wenn das Kontaktteilstück ein Material enthält, das schwierig zu verbinden ist, ergibt sich bei diesem Verfahren kein Lötproblem, da das Infiltrationsmittel und das Basismetall verbunden werden.
DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP S60-128 203 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Für ein herkömmliches Kontaktelement ist bei einer Montage eines Vakuum-Schaltungsunterbrechers ein Lötschritt essentiell, und es bestand ein Problem dahingehend, dass die Diffusion des Lötmaterials in die Seite des Kontaktteilstücks hinein eine Verschlechterung des Kontakt-Leistungsvermögens verursacht oder den Wert des Kontaktwiderstands in Abhängigkeit von der Art des Lötmaterials erhöht. Außerdem ist es notwendig, dass das Kontaktteilstück eine ausreichende Festigkeit für die abschließende maschinelle Bearbeitung aufweist; daher muss das Kontaktteilstück übermäßig dick ausgebildet werden, mehr als die Dicke, die sich tatsächlich abnutzt. Dadurch ergibt sich ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, den Gesamtwiderstand der Elektrode zu verringern.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und hat zur Aufgabe, ein Kontaktelement für Vakuum-Schaltungsunterbrecher anzugeben, bei dem es nicht notwendig ist, das Kontaktteilstück zu löten, und bei dem das Kontaktteilstück und ein das Kontaktteilstück haltender Leiter integral gebildet sind.
Mittel zum Lösen der Probleme
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:

einen Schritt, bei dem in einem Formkörper eine poröse Platte angeordnet wird, die aus einem porösen Körper besteht, der ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält und in seiner Mitte eine Öffnung aufweist;
einen Schritt, bei dem ein Infiltrationsmittel, das ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält, auf einer oberen Seite der porösen Platte angeordnet wird;
einen Schritt, bei dem das Infiltrationsmittel durch Erwärmen geschmolzen wird; einen Schritt, bei dem dafür gesorgt wird, dass das geschmolzene Infiltrationsmittel teilweise durch die Öffnung hindurch strömt;
einen Schritt, bei dem die poröse Platte auf der Oberseite des geschmolzenen Infiltrationsmittels angehoben wird (bzw. bei dem sich die poröse Platte auf der Oberseite des geschmolzenen Infiltrationsmittels anhebt); und
einen Schritt, bei dem das Infiltrationsmittel durch Kühlen verfestigt wird.

Ein Kontaktelement gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:

eine Kontaktschicht, die aus einem plattenförmigen porösen Körper besteht, der ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält und
der mit einem Infiltrationsmittel infiltriert ist, das ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält;
ein die Kontaktschicht tragendes Teilstück, das aus dem Infiltrationsmittel besteht; und einen das Kontaktteilstück haltenden Leiter, der aus dem Infiltrationsmittel besteht, wobei der poröse Körper in der Mitte der Kontaktschicht mit einer Öffnung versehen ist und ein Bereich von der Öffnung zu dem das Kontaktteilstück haltenden Leiter durchgehend und integral mit dem Infiltrationsmittel geformt ist und wobei die mittlere Dichte des porösen Körpers geringer als die Dichte des Infiltrationsmittels ist.

Hierbei bezieht sich das Kontaktteilstück kollektiv auf die Kontaktschicht und das die Kontaktschicht tragende Teilstück.
Ein weiteres Kontaktelement gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:

eine Kontaktschicht, die aus einem plattenförmigen porösen Körper besteht, der ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält und
der mit einem Infiltrationsmittel infiltriert ist, das ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält;
ein die Kontaktschicht tragendes Teilstück, das aus dem Infiltrationsmittel besteht; und
einen das Kontaktteilstück haltenden Leiter, der aus dem Infiltrationsmittel besteht, wobei der poröse Körper in der Mitte der Kontaktschicht mit einer Öffnung versehen ist und ein Bereich von der Öffnung zu dem das Kontaktteilstück haltenden Leiter durchgehend und integral mit dem Infiltrationsmittel geformt ist und wobei die mittlere Dichte des porösen Körpers höher als die Dichte des Infiltrationsmittels ist.

Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein Kontaktteilstück und ein das Kontaktteilstück haltender Leiter integral gebildet, so dass ein Kontaktelement mit einem geringen Widerstand und einer hohen Zuverlässigkeit erzielt werden kann.
Figurenliste
In den Figuren der Zeichnungen sind:

1 eine Querschnittsansicht eines Kontaktelements für einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher gemäß Ausführungsform 1;
2 eine Draufsicht auf das Kontaktelement für einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher gemäß Ausführungsform 1;
3 ein Flussdiagramm, das Schritte in Bezug auf ein Infiltrieren des Kontaktelements für einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher gemäß Ausführungsform 1 zeigt;
4 eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Schritts bei der Ausführungsform 1, bei dem eine poröse Platte in einem Formkörper angeordnet wird;
5 eine Draufsicht zur Darstellung eines Schritts bei der Ausführungsform 1, bei dem die poröse Platte in dem Formkörper angeordnet wird;
6 eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Schritts bei der Ausführungsform 1, bei dem ein Pellet 34 aus einem Infiltrationsmittel in einem Formkörper 32 angeordnet wird;
7 eine Draufsicht zur Darstellung eines Schritts bei der Ausführungsform 1, bei dem das Pellet 34 aus einem Infiltrationsmittel in dem Formkörper 32 angeordnet wird;
8 eine Querschnittsansicht, die einen Zustand bei der Ausführungsform 1 zeigt, in dem ein geschmolzenes Pellet auf den Boden des Formkörpers heruntertropft;
9 eine Draufsicht, die einen Zustand bei der Ausführungsform 1 zeigt, in dem ein geschmolzenes Pellet auf den Boden des Formkörpers heruntertropft;
10 eine Querschnittsansicht, die einen Zustand bei der Ausführungsform 1 zeigt, in dem das geschmolzene Pellet einen Raum unter der porösen Platte in dem Formkörper gefüllt hat;
11 eine Draufsicht, die den Zustand bei der Ausführungsform 1 zeigt, in dem das geschmolzene Pellet den Raum unter der porösen Platte in dem Formkörper gefüllt hat;
12 eine Querschnittsansicht, die einen Zustand bei der Ausführungsform 1 zeigt, in dem das Kontaktelement abgekühlt worden ist;
13 eine Querschnittsansicht, die einen Zustand bei der Ausführungsform 2 zeigt, in dem eine poröse Platte, ein kleines Pellet und ein unteres Pellet in einem Formkörper angeordnet sind;
14 eine schematische Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines Vakuum-Schaltungsunterbrechers gemäß Ausführungsform 3 zeigt;
15 eine schematische Ansicht, die einen Zustand nach einer Infiltration für ein Vergleichsbeispiel 3 zeigt;
16 eine schematische Querschnittsansicht, welche die Form eines porösen Körpers nach einer maschinellen Bearbeitung für das Vergleichsbeispiel 3 zeigt;
17 eine schematische Querschnittsansicht eines Leiters, der unter Verwendung des bearbeiteten porösen Körpers des Vergleichsbeispiels 3 hergestellt worden ist.

AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen eines Kontaktelements für einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher, eines Verfahrens zur Herstellung des Kontaktelements und eines Vakuum-Schaltungsunterbrechers gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Zeichnungen näher erläutert. Es ist anzumerken, dass in jeder Zeichnung den gleichen oder äquivalenten Bereichen die gleichen Bezugszeichen zur Erläuterung zugewiesen sind.
Ausführungsform 1
1 ist eine Querschnittsansicht eines Kontaktelements 16 für einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Eine Kontaktschicht 18 ist eine Oberfläche einer infiltrierten Schicht 35, bei der es sich um einen porösen Körper handelt, der infiltriert worden ist und dessen Oberfläche durch eine maschinelle Bearbeitung geschliffen oder geschabt worden ist und normalerweise eben ist. Ein die Kontaktschicht tragendes Teilstück 22 befindet sich in Kontakt mit der infiltrierten Schicht 35 und ist ein Teilstück, um die infiltrierte Schicht 35 zu tragen.
In der Mitte der infiltrierten Schicht 35 befindet sich eine Aussparung 36; das die Kontaktschicht tragende Teilstück 22 liegt, wie später beschrieben, bei einer Öffnung des porösen Körpers frei, der die infiltrierte Schicht 35 bildet; die infiltrierte Schicht weist einen Bereich auf, der von der Oberfläche der Kontaktschicht 18 aus eingesunken ist. Bei der Kombination des die Kontaktschicht tragenden Teilstücks 22 und der infiltrierten Schicht 35 (der Kontaktschicht 18) handelt es sich um ein Kontaktteilstück.
2 ist eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Kontaktelement 16, die zeigt, dass jede von der infiltrierten Schicht 35, welche die Kontaktschicht 18 bildet, und der Aussparung 36, die in ihrer Mitte positioniert ist, eine runde Form aufweist. Es ist anzumerken, dass jede von der Kontaktschicht 18 und der Aussparung 36 eine andere Form als die runde Form annehmen kann, wie beispielsweise eine Ellipse.
Ein das Kontaktteilstück haltender Leiter 38 ist durchgehend von dem die Kontaktschicht tragenden Teilstück 22 aus so ausgebildet, dass er die Funktion aufweist, es zu ermöglichen, dass dann, wenn ein Strom geführt wird, der Strom, der von der Kontaktschicht 18 herkommt, über das die Kontaktschicht tragende Teilstück 22 fließt. Der das Kontaktteilstück haltende Leiter 38 ist an einem zu der Kontaktschicht 18 entgegengesetzten Ende mit einer Gewindebohrung 37 ausgebildet, so dass der das Kontaktteilstück haltende Leiter 38 problemlos mit einem stromführenden Leiter verbunden werden kann, der mit der Außenseite des Vakuum-Schaltungsunterbrechers zu verbinden ist.
Es werden Materialien des Kontaktelements 16 beschrieben. Die infiltrierte Schicht 35 besteht aus einem Basismaterial, das vor allem Kupfer (Cu) oder Silber (Ag) enthält, und einer Komponente, deren Hauptbestandteil einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als jener des Basismaterials ist. Das Kontaktelement 16 weist einen Aufbau auf, bei dem der haltende Leiter, der aus dem gleichen Material wie dem Basismaterial besteht, durchgehend von der infiltrierten Schicht 35 aus integral geformt ist.
Bei einer porösen Platte, aus der die infiltrierte Schicht 35 hergestellt ist, handelt es sich um ein plattenförmiges poröses Material, das aus Partikeln formgepresst ist, die vor allem aus einem Bestandteil mit einem hohen Schmelzpunkt bestehen; für diese Partikel wird normalerweise ein Metall mit einem Schmelzpunkt verwendet, der höher als jener des Basismaterials ist.
Um eine derartige Konfiguration zu realisieren, wird bei einem Herstellungsprozess für das Kontaktelement 16 eine poröse Platte 31 auf der Oberseite des Formkörpers angeordnet; auf der porösen Platte wird ein Infiltrationsmittel (ein Pellet 34) angeordnet, das ein Basismaterial sein soll; und diese werden auf den Schmelzpunkt des Infiltrationsmittels oder eine höhere Temperatur erwärmt, so dass die poröse Platte mit dem Infiltrationsmittel infiltriert wird, und außerdem wird der das Kontaktteilstück haltende Leiter 38 aus dem Infiltrationsmittel integral geformt, das durch die Öffnung in Richtung zu dem Boden des Formkörpers herunter geströmt ist.
Nach dem Infiltrationsschritt wird das Werkstück vor allem durch eine maschinelle Bearbeitung seiner Oberfläche zu der in 1 gezeigten Form maschinell bearbeitet. So wird für das Infiltrationsmittel ein Metall mit einem Schmelzpunkt verwendet, der niedriger als jener der porösen Platte ist.
Im Folgenden wird ein Prozess zur Herstellung des Kontaktelements 16 gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der 3 bis 12 im Detail beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte in Bezug auf eine Infiltration in einem Prozess zur Herstellung des Kontaktelements 16 für einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher zeigt. Die 4 bis 11 sind jeweils Querschnittsansichten oder eine Draufsicht, um die in dem Flussdiagramm von 3 gezeigten Schritte zu veranschaulichen.
4 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines Schritts (Schritt S1), bei dem die poröse Platte 31 in einem Formkörper 32 angeordnet wird, und 5 ist eine Draufsicht auf diese. Im Schritt S1 wird die poröse Platte 31, die aus einem formgepressten porösen Körper besteht, bei dessen Hauptbestandteil es sich um Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt handelt, auf einem Ablagebereich eines Formkörpers 32 angeordnet, der eine Stufe aufweist.
Der Durchmesser des Bodens des Formkörpers 32, der sich unter der porösen Platte 31 befindet, ist kleiner als jener der porösen Platte 31. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Kontaktfläche der Kontaktschicht 18 zu vergrößern, um den Kontaktwiderstand in einem Zustand mit geschlossener Elektrode zu verringern; außerdem kann die zu verwendende Menge des Infiltrationsmittels verringert werden, indem der das Kontaktteilstück haltende Leiter 38 für das Führen eines Stroms mit einer Dicke geformt wird, die so gering wie möglich ist.
Für den Formkörper 32 wird ein wärmebeständiges Material verwendet, wie beispielsweise Graphit. Für eine problemlose Entnahme einer Elektrode nach einer Infiltration wird an der Innenwand des Formkörpers 32 ein Trennmittel angebracht, das BN (Bornitrid) als ein Hauptbestandteil enthält.
Um ein Pulver formzupressen, das Metallpartikel mit einem hohen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält, wird das Pulver zum Beispiel in einen üblicherweise verwendeten Pressformkörper gefüllt und wird mit einem vorgegebenen Druck formgepresst. Für den Druck, der bei dem Formpressvorgang anzuwenden ist, ist keine spezielle Spezifikation vorgegeben, es ist jedoch bevorzugt, dass der Druck zwischen 50 MPa und 200 MPa liegt. In der Mitte der porösen Platte 31 ist eine Öffnung 33 angeordnet.
Die poröse Platte 31 kann viel dünner als eine poröse Platte sein, die zur Herstellung eines infiltrierten Kontakts formgepresst worden ist, und weist eine übliche Dicke zwischen 5 mm und 15 mm auf. Die Öffnung 33 in der Mitte ist groß genug, dass das Infiltrationsmittel durch die Öffnung hindurch hinunter in den unteren Bereich des Formkörpers hinein strömen kann, wenn das Infiltrationsmittel auf den Schmelzpunkt oder eine höhere Temperatur erwärmt wird, so dass es schmilzt.
Dabei ist der Durchmesser des Lochs zum Beispiel gleich 2 mm bis 10 mm. Es kann ein Formkörper verwendet werden, der beim Formen des porösen Körpers in der Mitte des porösen Körpers ein Loch erzeugt. In Bezug auf die Seiten der porösen Platte 31 sollte außerdem nur eine Seite eben sein, auf der das Infiltrationsmittel (wie beispielweise ein Pellet) angeordnet wird; die andere Seite, die sich in Kontakt mit der Ablage des Formkörpers 32 befindet, muss nicht eben sein.
Die poröse Platte 31 wird nach dem Formen vorbereitend bei einer Temperatur gesintert, die höher als eine Temperatur für die in einem späteren Schritt durchzuführende Infiltration ist und niedriger als der Schmelzpunkt des Metalls mit einem hohen Schmelzpunkt ist. In einem Fall zum Beispiel, in dem es sich bei dem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt um Cr handelt und es sich bei dem Infiltrationsmetall um Cu handelt, liegt der Temperaturbereich für das vorbereitende Sintern zwischen 1083 °C und 1860 °C.
Für eine Atmosphäre für das vorbereitende Sintern ist eine nicht-oxidierende Atmosphäre geeignet, wie beispielsweise ein Vakuum oder Wasserstoff. Bei einer erforderlichen Sinterzeit handelt es sich um eine Zeitspanne, die keine starke Verringerung der Abmessung des gesinterten Körpers aufgrund einer Übersinterung verursacht.
6 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung vom Schritt S2, bei dem ein Pellet 34, das aus dem Infiltrationsmittel besteht, in dem Formkörper 32 angeordnet wird, und 7 ist eine Draufsicht auf diese. Im Schritt S2 wird das Pellet 34, das aus einem Metallmaterial besteht, das infiltriert werden soll, auf der Oberseite der porösen Platte 31 angeordnet. Für das Pellet 34 wird zum Beispiel ein Stück Cu oder Ag verwendet, das als ein runder Stab oder ein Prisma geformt ist. Es ist notwendig, dass das Volumen des Pellets 34 hinreichend größer als jenes der porösen Platte 31 ist; das Volumen des Pellets 34 ist zum Beispiel 2 bis 100 Mal größer.
Die poröse Platte 31 und das Pellet 34 aus einem Infiltrationsmittel, die in dem Formkörper 32 angeordnet werden, werden auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen dem Schmelzpunkt des Infiltrationsmittels und der Temperatur des vorbereitenden Sinterns erwärmt, um das Pellet 34 zu schmelzen (Schritt S3). Mit fortschreitendem Schmelzen wird das verflüssigte Pellet 34 zu einem Infiltrationsmittel und infiltriert die poröse Platte 31 (Schritt S4).
Es ist anzumerken, dass die Infiltration die Wirkung nutzt, dass ein verflüssigtes Metall, das als ein Infiltrationsmittel dient, durch ein Kapillar-Phänomen durchgehende Poren in dem porösen Körper durchdringt. Ein geschmolzenes Metall weist die Tendenz auf, dass die Oberflächenspannung um so geringer wird, je höher die Temperatur des geschmolzenen Metalls über den Schmelzpunkt hinaus ansteigt, was ihm mehr Fluidität verleiht.
Eine höhere Oberflächenspannung ist wirkungsvoll für eine Nutzung des Kapillar-Phänomens; daher ist es wünschenswert, dass die Temperatur während der Infiltration nahe bei dem Schmelzpunkt festgelegt wird. Im Einzelnen ist es bevorzugt, dass die Infiltrationstemperatur 10 °C bis 100 °C höher als der Schmelzpunkt ist.
Wenn das Pellet 34 schmilzt und flüssig wird, strömt die Flüssigkeit teilweise durch die Öffnung 33 hindurch, die in der Mitte der porösen Platte 31 angeordnet ist, und tropft auf den Boden des Formkörpers herunter und dient außerdem als ein Infiltrationsmittel, um die poröse Platte 31 zu infiltrieren. Die poröse Platte 31 wird hierdurch zu der infiltrierten Schicht 35. 8 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das geschmolzene Pellet 34m auf den Boden des Formkörpers heruntertropft. 9 ist eine Draufsicht, die 8 entspricht.
In einem Fall, in dem die mittlere Dichte der infiltrierten porösen Platte 31 (der infiltrierten Schicht 35) geringer als die mittlere Dichte des Infiltrationsmetalls ist, wird die poröse Platte 31, wenn sie für eine Weile in ihrem Zustand belassen wird, auf der Oberseite des geschmolzenen Infiltrationsmittels angehoben (bzw. es hebt sich die poröse Platte 31 auf der Oberseite des geschmolzenen Infiltrationsmittels an) (Schritt S5).
Eine derartige Relation gilt zum Beispiel in einem Fall, in dem entweder eines oder eine Kombination von zwei oder mehr Materialien von Cr (mittlere Dichte: 7,19 g/cm³), Ti (4,5 g/cm³), Ni (8,9 g/cm³), V(6,1 g/cm³), Fe (7,87 g/cm³), Co (8,9 g/cm³) und Mn (7,44 g/cm³) für das Metall mit einem hohen Schmelzpunkt gewählt werden, das für den porösen Körper der porösen Platte 31 verwendet wird, und entweder Cu (8,96 g/cm³) oder Ag (10,5 g/cm³) als das Infiltrations-Metall gewählt wird.
Außerdem kann ein Metall mit einer vergleichsweise hohen mittleren Dichte, wie beispielsweise Mo (10,2 g/cm³), W (19,3 g/cm³) und Ta (16,65 g/cm³), oder ein Metallcarbid mit einem hohen Schmelzpunkt hinzugefügt werden, wie beispielsweise WC (15,6 g/cm³), solange die hinzugefügte Substanz nicht zum Hauptbestandteil des porösen Körpers wird.
10 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das geschmolzene Pellet 34m an dem Boden des Formkörpers akkumuliert, um den Raum unter der infiltrierten Schicht 35 aufzufüllen. 11 ist eine Draufsicht, die 10 entspricht. In diesem Zustand wird die poröse Platte 31 etwas von der Ablage des Formkörpers 32 angehoben (bzw. es hebt sich die poröse Platte 31 etwas von der Ablage des Formkörpers 32 an).
Wenn die infiltrierte poröse Platte 31 (die infiltrierte Schicht 35) gerade an der Oberfläche des geschmolzenen Infiltrationsmittels angehoben wird (bzw. wenn sie sich gerade anhebt), wird die Temperatur zum Kühlen verringert (Schritt S6). Wenn das Infiltrationsmittel abgekühlt wird und sich dann verfestigt, werden die infiltrierte Schicht 35 und ein Infiltrationsmittel darunter, das in dem Formkörper 32 verfestigt worden ist, als ein Kontaktelement integriert.
12 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem das Kühlen beendet ist und die poröse Platte 31 an der Oberseite des Infiltrationsmittels angehoben wird (bzw. sich die poröse Platte 31 anhebt) und zu der Kontaktschicht 35 wird. Das Kontaktelement wird aus dem Formkörper 32 entnommen (Schritt S7), um die Infiltrationsschritte zu beenden.
Ferner kann das Infiltrationsmittel abgeschabt oder abgetragen werden, um eine Aussparung 36 mit einer Tiefe von 0,5 mm oder mehr zu bilden, um zu verhindern, dass das Infiltrationsmittel, das in der Öffnung 33 in der Mitte der porösen Platte 31 verblieben ist, bei einem Anordnen in dem Vakuum-Schaltungsunterbrecher in Kontakt mit einem gegenüberliegenden Gegenstück-Kontakt kommt und mit diesem verschweißt wird.
Die Tiefe der Aussparung 36 kann geeignet bestimmt werden, und das Infiltrationsmittel kann auch mittels eines anderen Verfahrens als eines Abschabens teilweise entfernt werden. Dann wird eine Verarbeitung durchgeführt, wie beispielsweise eine abschließende Bearbeitung der Oberfläche und der Seite des Kontakts und ein Bilden einer Gewindebohrung 37 an dem Boden, wie in 1 gezeigt, um das Kontaktelement 16 als ein integral geformtes Produkt fertigzustellen.
Bei einer Montage des Vakuum-Schaltungsunterbrechers ist ein Löt-Schritt für das Kontaktelement 16 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendig; daher diffundiert kein Löt-Material in die Kontaktseite hinein, so dass eine Verschlechterung des Kontakt-Leistungsvermögens verhindert wird. Die infiltrierte Schicht 35 kann irgendeine Dicke aufweisen, solange sie größer als die Dicke ist, die tatsächlich durch Abnutzung abgetragen wird.
Dies ermöglicht es, die infiltrierte Schicht so auszulegen, dass sie die minimale notwendige Dicke aufweist, so dass der Widerstand der gesamten Elektrode verringert wird. Da die infiltrierte Schicht 35 von dem die Kontaktschicht tragenden Teilstück 22 getragen wird, kann die infiltrierte Schicht 35 darüber hinaus eine ausreichende Festigkeit aufweisen, so dass sie mechanischen Spannungen standhält, die bei einer abschließenden Bearbeitung anliegen.
Ausführungsform 2
13 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die poröse Platte 31 auf der Ablage des Formkörpers 32 angeordnet ist und ein kleines Pellet 44 und ein unteres Pellet 45 angeordnet sind, bei denen es sich um das Infiltrationsmittel handeln soll. Die Ausführungsform 2 unterscheidet sich dahingehend, dass anstelle des Pellets 34 zwei Pellets verwendet werden, das kleine Pellet 44 und das untere Pellet 45.
Diese Pellets werden bei dem Schritt des Erwärmens und des Schmelzens geschmolzen. Das kleine Pellet 44 wird verflüssigt und tropft aus der in der Mitte der porösen Platte 31 angeordneten Öffnung 33 herunter und infiltriert als Infiltrationsmittel die poröse Platte 31, wobei es sich dabei um den gleichen Schritt handelt, wie vorstehend beschrieben. Dann kommt das geschmolzene kleine Pellet 44 in Kontakt mit dem geschmolzenen unteren Pellet 45 und wird mit diesem integriert. Die Zustände danach sind die gleichen wie bei der Ausführungsform 1, daher wird eine erneute Beschreibung weggelassen.
Wie vorstehend beschrieben, kann das Volumen des Infiltrationsmittels für ein Heruntertropfen durch die Öffnung 33 hindurch durch Verwenden dieser zwei Pellets verringert werden, so dass die Infiltrationszeit verringert und dadurch die Produktivität erhöht wird. Das fertiggestellte Kontaktelement 16 ist das gleiche wie bei der Ausführungsform 1, und daher sind die erzielbaren Effekte den Ausführungsformen gemeinsam.
Ausführungsform 3
14 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines Vakuum-Schaltungsunterbrechers 10 gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dem Vakuum-Schaltungsunterbrecher 10 werden ein Kontaktelement 16a auf der Seite eines stationären Elements und ein Kontaktelement 16b auf der Seite eines beweglichen Elements als ein Paar verwendet, bei denen es sich jeweils um eine Integration eines Kontakts und einer Elektrode handelt.
Für jedes dieser Kontaktelemente wird das bei der Ausführungsform 1 oder der Ausführungsform 2 erläuterte Kontaktelement verwendet. Die Umhüllung des Vakuum-Schaltungsunterbrechers 10 besteht aus einem zylindrisch geformten isolierten Behälter 12 und Metallabdeckungen 14a und 14b, die mittels abdichtender Teilstücke 13a und 13b an beiden Enden des isolierten Behälters 12 befestigt sind, und die Umhüllung ist so abgedichtet, dass sich das Innere derselben in einem Hochvakuum-Zustand von 1 × 10^-3 Pa oder einem geringeren Druck befindet.
Die Metallabdeckungen 14a und 14b sind mit einem Leiter 17a auf der Seite eines stationären Elements beziehungsweise einem Leiter 17b auf der Seite eines beweglichen Elements angeordnet, die jeweils die Form einer runden Säule aufweisen, so dass die Leiter 17a und 17b die Mitten der Metallabdeckung 14a beziehungsweise 14b durchdringen. In der Umhüllung sind Bereiche der Spitzen des Leiters 17a auf der Seite eines stationären Elements und des Leiters 17b auf der Seite eines beweglichen Elements mit dem Kontaktelement 16a auf der Seite eines stationären Elements beziehungsweise mit dem Kontaktelement 16b auf der Seite eines beweglichen Elements verschraubt.
Auf eine Kombination aus dem Leiter 17a auf der Seite eines stationären Elements und dem Kontaktelement 16a auf der Seite eines stationären Elements wird als Elektrode auf der Seite eines stationären Elements Bezug genommen. In einer ähnlichen Weise wird auf eine Kombination aus dem Leiter 17b auf der Seite eines beweglichen Elements und dem Kontaktelement 16b auf der Seite eines beweglichen Elements als eine Elektrode auf der Seite eines beweglichen Elements Bezug genommen. In Bezug auf ein Verfahren zum Anbringen der Kontaktelemente kann eine Eingriffsstruktur eingesetzt werden, bei der kein Lötvorgang verwendet wird.
Eine Kontaktschicht 18a auf der Seite eines stationären Elements und eine Kontaktschicht 18b auf der Seite eines beweglichen Elements, bei denen es sich jeweils um Kontakte des Kontaktelements 16a auf der Seite eines stationären Elements und des Kontaktelements 16b auf der Seite eines beweglichen Elements handelt, werden parallel so angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen. Der Leiter 17b auf der Seite eines beweglichen Elements ist mit einem Federbalg 19 angeordnet, der eine Bewegung des Leiters 17b auf der Seite eines beweglichen Elements in der Richtung der Achse erlaubt, wobei das Innere des Vakuum-Schaltungsunterbrechers 10 unter Vakuum und abgedichtet gehalten wird.
Gemäß 14 ist zwischen dem Kontaktelement 16a auf der Seite eines stationären Elements und dem Kontaktelement 16b auf der Seite eines beweglichen Elements ein Zwischenraum vorhanden, was einen Zustand mit geöffneter Elektrode anzeigt. Wenn sich der Leiter 17b auf der Seite eines beweglichen Elements in Richtung zu der Seite eines stationären Elements bewegt, kommen die Kontaktschicht 18a auf der Seite eines stationären Elements und die Kontaktschicht 18b auf der Seite eines beweglichen Elements in Kontakt miteinander, so dass sie sich in einem Zustand mit geschlossener Elektrode befinden, in dem der Leiter 17a auf der Seite eines stationären Elements und der Leiter 17b auf der Seite eines beweglichen Elements einen Strom führen können.
Über dem Federbalg 19 ist eine Metall-Lichtbogenabschirmung 20 für den Federbalg angeordnet, um zu verhindern, dass ein Metalldampf, der von Lichtbögen erzeugt wird, die bei einem Öffnen der Elektroden zwischen den Kontakten erzeugt werden, an dem Federbalg anhaftet. Außerdem ist eine Metall-Lichtbogenabschirmung 21 für den isolierten Behälter so angeordnet, dass ein Zwischenraum abgedeckt ist, der in einem Zustand mit geöffneter Elektrode des Kontaktelements 16a auf der Seite eines stationären Elements und dem Kontaktelement 16b auf der Seite eines beweglichen Elements erzeugt wird.
Die Lichtbogenabschirmung 21 für den isolierten Behälter ist angeordnet, um eine Bedeckung der Innenwand des isolierten Behälters 12 mit einem Lichtbogenmetalldampf zu verhindern. Bei einem Beispiel, das in 14 gezeigt ist, ist sie an der Metallabdeckung 14a befestigt. Bei einem mit der Lichtbogenabschirmung 21 für den isolierten Behälter 12 umschlossenen Raum handelt es sich um eine Unterbrechungskammer 11.
Wenn die Elektroden in einem stromführenden Zustand so geschaltet werden, dass sie geöffnet werden, wird über den Zwischenraum zwischen der Kontaktschicht 18a auf der Seite eines stationären Elements und der Kontaktschicht 18b auf der Seite eines beweglichen Elements hinweg ein Lichtbogen erzeugt. Der Lichtbogen wird größtenteils auf den äußeren peripheren Seiten von beiden Kontaktelementen erzeugt, und zwar wird der Lichtbogen auf den Seiten in der Nähe der Lichtbogenabschirmung 21 für den isolierten Behälter erzeugt und wird in mittleren Bereichen der beiden Kontaktelemente kaum erzeugt.
Da jeder mittlere Bereich von der Oberfläche der Kontaktschicht aus eingedrückt ist, ist es außerdem wenig wahrscheinlich, dass dort eine Konzentration des elektrischen Felds auftritt. Daher bewegt sich der Lichtbogen nicht in einer konzentrierten Weise in Richtung zu der Öffnung 33 hin, die in der Mitte der porösen Platte 31 angeordnet ist, so dass keine Wirkung auf das Stromunterbrechungs-Vermögen erzeugt wird.
Da die Dicke der Kontaktschichten 18a und 18b etwas größer als jene ist, die tatsächlich durch Abnutzung abgetragen wird, und kein Löt-Material verwendet wird, ist es außerdem möglich, einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher 10 zu erhalten, der einen geringen Widerstand und einen geringen Leistungsverlust aufweist, während er Strom führt.
Beispiele
Im Folgenden werden Beispiele für das Kontaktelement gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Beispiel 1
Als ein Hauptbestandteil für den porösen Körper wurde Cr verwendet. Um eine Infiltration von Cu zu erleichtern, wurde ein Cu-Pulver gemischt, dessen Menge gleich 10 Volumen-% des Cr war. Der mittlere Partikeldurchmesser des verwendeten Cr-Pulvers war gleich 30 µm, und der mittlere Partikeldurchmesser des mit diesem gemischten Cu-Pulvers war gleich 30 µm. Die Porosität betrug 40 % des gesamten Volumens des porösen Körpers. Eine scheibenförmige poröse Platte, die mit dem porösen Körper hergestellt worden war, wies einen Durchmesser von 30 mm und eine Dicke von 3 mm auf. In der Mitte der porösen Platte ist eine Öffnung so angeordnet, dass sie einen Durchmesser von 5 mm aufweist (Durchmesser des mittigen Lochs).
In Bezug auf das Pellet aus einem Infiltrationsmittel wurde ein runder Stab verwendet, der aus einem sauerstofffreien Kupfer so hergestellt wurde, dass er einen Durchmesser von 25 mm und eine Höhe (eine Dicke) von 40 mm aufwies. Es wurde ein Formkörper verwendet, bei dem der Bodendurchmesser gleich 20 mm war, die Tiefe von der Ablage zu dem Boden gleich 35 mm war und der Durchmesser bei der Ablage gleich 32 mm war. Die Höhe von der Ablage zu dem oberen Rand des Formkörpers war gleich 20 mm. Die Innenseite des Formkörpers war mit einem BN-Pulver als einem Trennmittel besprüht.
Die Bedingungen für ein vorbereitendes Sintern des porösen Körpers waren eine Temperatur von 1200 °C und ein Halten einer derartigen Temperatur über einen Zeitraum von zwei Stunden. In einem Zustand, in dem das Pellet aus einem Infiltrationsmittel auf der porösen Platte angeordnet war, wurde zwecks einer Infiltration eine Erwärmung durchgeführt. Die Temperatur während der Infiltration betrug 1100 °C, was etwas höher als der Schmelzpunkt von Cu von 1083 °C ist. Die Infiltration wurde über einen Zeitraum von drei Stunden in einer Wasserstoff-Atmosphäre durchgeführt.
Beispiel 2
Die Bedingungen für das Beispiel 2 waren die gleichen wie bei dem Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass der Durchmesser der Öffnung, die in der porösen Platte angeordnet war, gleich 8 mm war.
Beispiel 3
Die Bedingungen für das Beispiel 3 waren die gleichen wie bei dem Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Dicke der porösen Platte gleich 2 mm war und der Durchmesser der Öffnung in der Mitte gleich 3 mm war.
Beispiel 4
Die Bedingungen für das Beispiel 4 waren die gleichen wie bei dem Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Dicke der porösen Platte gleich 4 mm war und der Durchmesser der Öffnung in der Mitte gleich 5 mm war.
Vergleichsbeispiel 1
Bei einer verwendeten porösen Platte handelte es sich um eine Scheibe mit der gleichen Dicke, sie unterschied sich jedoch von dem Beispiel 1 und wies in der Mitte keine Öffnung auf. Mit Ausnahme davon waren die Bedingungen sämtlich die gleichen wie bei dem Beispiel 1.
Vergleichsbeispiel 2
Anders als bei dem Beispiel 1 wurde die Infiltration mit einem unter der porösen Platte angeordneten Pellet aus einem Infiltrationsmittel durchgeführt. Mit Ausnahme davon waren die Bedingungen sämtlich die gleichen wie bei dem Beispiel 1.
Vergleichsbeispiel 3
Für ein Infiltrieren des porösen Körpers wurde ein herkömmliches Verfahren verwendet. Die Dicke des porösen Körpers war gleich 10 mm, und die Dicke des Infiltrationsmittels war gleich 8 mm. In Bezug auf die poröse Platte wurde eine Scheibe ohne Öffnung hergestellt. Es wurde ein Formkörper verwendet, dessen Form jener der Scheibe entsprach. Mit Ausnahme davon waren die Bedingungen für die Infiltration die gleichen wie bei dem Beispiel 1. Wie später gezeigt wird, wurde ein Löten durchgeführt, um ein Kontaktelement zu bilden.
Bei dem Folgenden handelt es sich um die Resultate nach einer Durchführung des Infiltrations-Prozesses. Bei den Beispielen 1 bis 4 wurde der infiltrierte poröse Körper in dem Formkörper angehoben (bzw. hob sich der infiltrierte poröse Körper in dem Formkörper an). Bei dem Vergleichsbeispiel 1 strömte das Infiltrationsmittel Cu über und aus dem Formkörper heraus, bevor es auf dem Boden ausreichend akkumuliert war.

Bei dem Vergleichsbeispiel 2 blieb der poröse Körper außerdem an dem oberen Rand des Formkörpers hängen. Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 konnten die Kontaktelemente daher nicht mit einer guten Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Bei dem Vergleichsbeispiel 3 wurde die Infiltration in den porösen Körper ordnungsgemäß durchgeführt. Tabelle 1 listet Bedingungen bei den Experimenten auf. Tabelle 1

	Dicke des porösen Körpers	Durchmesser der Öffnung in der Mitte	Dicke des Infiltrationsmittels	Anheben des porösen Körpers	Position des Infiltrationsmittels gegenüber der porösen Platte
Beispiel 1	3 mm	5 mm	40 mm	O (Anheben bestätigt)	auf poröser Platte
Beispiel 2	3 mm	8 mm	40 mm	O (Anheben bestätigt)	auf poröser Platte
Beispiel 3	2 mm	3 mm	40 mm	O (Anheben bestätigt)	auf poröser Platte
Beispiel 4	4 mm	5 mm	40 mm	O (Anheben bestätigt)	auf poröser Platte
Vergleichsbeispiel 1	3 mm	0 mm	40 mm	X (Infiltrationsmittel strömt über und aus Formkörper heraus)	auf poröser Platte
Vergleichsbeispiel 2	3 mm	5 mm	40 mm	X (bleibt an oberem Rand des Formkörpers hängen)	unter poröser Platte
Vergleichsbeispiel 3	10 mm	0 mm	8 mm	-	auf poröser Platte

Bei Beispiel 1 bis Beispiel 4 wurde jedes Kontaktelement nach der Infiltration zu der in 1 gezeigten Form maschinell bearbeitet. Die Oberfläche des porösen Körpers wurde um ungefähr 0,5 mm abgeschliffen. Die seitliche Fläche desselben wurde ebenfalls abgeschliffen, so dass die obere Oberfläche einen Durchmesser von 28 mm aufwies; und das die Kontaktschicht tragende Teilstück wurde so verjüngt, dass die seitliche Fläche desselben einen Winkel von ungefähr 80 Grad relativ zu der Oberfläche der Kontaktschicht aufwies.
Ein Bereich, der zu dem das Kontaktteilstück haltenden Leiter werden soll, wurde nur so abgeschliffen, dass er eine glatte Oberfläche aufwies, wobei sein Durchmesser unverändert bei 20 mm blieb, bei dem es sich um einen Durchmesser nach der Infiltration handelte; und an dem zu der Kontaktschicht entgegengesetzten Ende wurde eine Gewindebohrung für eine Verbindung maschinell bearbeitet. Danach wurde der das Kontaktteilstück haltende Leiter mittels einer Schraube mit einem Leiter (einem Stab) verbunden, der durch die Metallabdeckung hindurch in den Außenraum des Vakuum-Schaltungsunterbrechers herauszuziehen ist, und dann wurden die verbundenen Komponenten in dem Vakuum-Schaltungsunterbrecher montiert.
Andererseits wurden die Oberseite und die Unterseite des porösen Körpers bei dem Vergleichsbeispiel 3 jeweils so abgeschliffen, dass sie 0,5 mm dünner wurden. Und die Seite des porösen Körpers wurde in einer ähnlichen Weise wie bei den vorherigen Beispielen so abgeschliffen, dass die obere Oberfläche der Kontaktschicht einen Durchmesser von 28 mm aufwies; und das die Kontaktschicht tragende Teilstück wurde so verjüngt, dass die seitliche Fläche desselben einen Winkel von ungefähr 80 Grad relativ zu der Oberfläche der Kontaktschicht aufwies.
15 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand nach der Infiltration für das Vergleichsbeispiel 3 zeigt. Die Figur zeigt, dass ein Infiltrationsmittel 54 vorhanden ist, das nicht infiltriert wurde und auf der Oberseite eines infiltrierten scheibenförmigen porösen Körpers 55a verbleibt. 16 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Form eines porösen Körpers 55b nach einer maschinellen Bearbeitung für das Vergleichsbeispiel 3 zeigt. Die gestrichelte Linie zeigt die äußere Form des porösen Körpers 55a nach der Infiltration, wie in 15 gezeigt.
Wie in 16 gezeigt, wurde die untere Seite des porösen Körpers 55b, bei der es sich um die andere Seite eines Kontakts handelt, maschinell bearbeitet, um eine flache Vertiefung mit einem Durchmesser von 20,5 mm und einer Tiefe von 3 mm zu bilden. 17 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Elektrodekomponente, die durch Verwenden des maschinell bearbeiteten, in 16 gezeigten porösen Körpers hergestellt wurde.
Ein Lötvorgang wurde mit einem Lötmaterial 56 durchgeführt, das zwischen dem porösen Körper 55b und einem aus Cu bestehenden Leiter 57 in der Form eines Rundstabs eingefügt wurde. Ein Kontaktelement-Paar, das gemäß jedem von den Beispielen 1 bis 4 und dem Vergleichsbeispiel 3 hergestellt wurde, wurde dazu verwendet, einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher mit einer Konfiguration zu montieren, wie in 14 gezeigt.
Um die gemäß den Beispielen 1 bis 4 und gemäß dem Vergleichsbeispiel 3 hergestellten Vakuum-Schaltungsunterbrecher zu beurteilen, wurden Unterbrechungs-Tests mit einem zwischen Elektroden geführten Strom durchgeführt. Bei den Unterbrechungs-Tests wurde ein Netzanschluss mit 12 kV/60 Hz verwendet, und Unterbrechungsversuche wurden zehn Mal mit dem gleichen Unterbrechungsstrom durchgeführt; wenn der Strom zu einem Zeitpunkt, an dem er gleich Null wurde, erfolgreich unterbrochen wurde, ohne einen Lichtbogen erneut zu zünden, wurde das Versuchsergebnis als erfolgreich betrachtet.
Die Unterbrechungstests begannen mit einem Strom von 12 kA, und dann wurde der Unterbrechungsstromwert für den nächsten Testfall um 4 kA erhöht, bis er 28 kA erreichte; bei jedem Unterbrechungstestfall wurden nicht erfolgreiche Unterbrechungen von den zehn Versuchsergebnissen abgezählt. Tabelle 2 listet die Ergebnisse der Unterbrechungstests auf. In der Tabelle zeigt eine Zählung für nicht erfolgreich (NG) die Anzahl von nicht erfolgreichen Stromunterbrechungen an, und die Anzahl, die durch Subtrahieren der Zählung für nicht erfolgreich von zehn erhalten wird, ist gleich der Anzahl der erfolgreichen (OK) Unterbrechungen.
Bei 20 kA gab es bei dem Vergleichsbeispiel 3 eine nicht erfolgreiche Unterbrechung, bei jedem der Beispiele 1 bis 3 waren jedoch sämtliche zehn Unterbrechungen erfolgreich, wobei bei 24 kA, bei dem es sich um den nächsten Fall handelt, einige Unterbrechungen nicht erfolgreich waren. Bei 28 kA waren bei zehn Versuchen bei dem Vergleichsbeispiel 3 zehn Unterbrechungen nicht erfolgreich; bei den Beispielen waren jedoch einige Unterbrechungen weiterhin erfolgreich, und insbesondere bei dem Beispiel 3 mit dem dünnsten Kontaktteilstück war lediglich eine Unterbrechung nicht erfolgreich.
Dies bestätigt, dass das Stromunterbrechungs-Vermögen bei den Beispielen insgesamt verbessert war. Wie in Tabelle 1 bestätigt, kann in Betracht gezogen werden, dass das Cr enthaltende Kontaktteilstück mit einem hohen Widerstand in der gesamten Elektrode dünner wurde, was einen Effekt in Bezug auf eine Verringerung des Kontaktwiderstands mit sich bringt.

Es kann ferner in Betracht gezogen werden, dass: der Temperaturanstieg an der Oberfläche der Kontaktschicht bei Stromführung aufgrund der Verringerung des Kontaktwiderstands verringert wird; und somit der Temperaturanstieg an der Kontaktoberfläche verringert wird, der durch einen durch eine Unterbrechung gezündeten Lichtbogen erzeugt wird; es daher weniger wahrscheinlich wird, dass das Kontaktmaterial, das von der Kontaktoberfläche verdampft wird, ein Auftreten des Lichtbogens aufrechterhält, so dass das Stromunterbrechungs-Leistungsvermögen verbessert wird. Tabelle 2

Proben	EIN-Widerstand vor Test	EIN-Widerstand nach Unterbrechung bei 12 kA	Teststrom
Proben	EIN-Widerstand vor Test	EIN-Widerstand nach Unterbrechung bei 12 kA	12 kA	16 kA	20 kA	24 kA	28 kA
Beispiel 1	31 µΩ	42 µΩ	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 1 Mal	NG: 3 Mal
Beispiel 2	32 µΩ	47 µΩ	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 1 Mal	NG: 4 Mal
Beispiel 3	24 µΩ	32 µΩ	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 1 Mal
Beispiel 4	35 µΩ	51 µΩ	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 1 Mal	NG: 2 Mal	NG: 7 Mal
Vergleichsbeispiel 3	47 µΩ	69 µΩ	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 1 Mal	NG: 9 Mal	NG: 10 Mal

Sämtliche vorstehend gezeigten Beispiele betreffen die Ausführungsform 1. Wenn die Kontaktelemente gemäß Ausführungsform 2 so hergestellt werden, dass sie im Wesentlichen die gleichen Formen aufweisen, können Ergebnisse mit der gleichen Tendenz, wie vorstehend beschrieben, erzielt werden
Beispiel 5
Als ein Hauptbestandteil des porösen Körpers wurde WC verwendet. Um eine Infiltration von Cu zu erleichtern, wurde ein Cu-Pulver gemischt, dessen Menge gleich 30 Volumen-% des WC war. Der mittlere Partikeldurchmesser des verwendeten WC-Pulvers war gleich 9 µm, und der mittlere Partikeldurchmesser des hinzugefügten Cu-Pulvers war gleich 30 µm. Die Porosität betrug 35 % des Gesamtvolumens des porösen Körpers. Eine aus diesem porösen Körper hergestellte scheibenförmige poröse Platte wies einen Durchmesser von 30 mm und eine Dicke von 4 mm auf.
Eine Öffnung in der Mitte der porösen Platte wies einen Durchmesser von 5 mm auf (Durchmesser des mittigen Lochs). In Bezug auf Bedingungen für ein vorbereitendes Sintern des porösen Körpers war die Temperatur gleich 1150 °C, und die Temperaturhaltezeit betrug 5 Stunden. Die Innenseite des Formkörpers war mit einem BN-Pulver als einem Trennmittel besprüht. Der Durchmesser des Bodens in dem Formkörper war gleich 20 mm; die Tiefe von der Ablage bis zu dem Boden war gleich 35 mm; der Innendurchmesser der Ablage war gleich 32 mm; und die Höhe von der Ablage zu dem oberen Rand des Formkörpers war gleich 20 mm.
Als Infiltrationsmittel wurde ein Pellet aus sauerstofffreiem Kupfer verwendet; auf dem Boden des Formkörpers wurde ein Pellet aus sauerstofffreiem Kupfer mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Höhe von 35 mm angeordnet, über dem die poröse Platte angeordnet wurde. Des Weiteren wurde ein Pellet aus sauerstofffreiem Kupfer mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Höhe von 8 mm auf der porösen Platte angeordnet. Die Temperatur während der Infiltration war gleich 1100 °C, was etwas höher als der Schmelzpunkt von Cu von 1083 °C ist. Die Infiltration wurde über einen Zeitraum von drei Stunden in einer Wasserstoff-Atmosphäre durchgeführt.
Nach der Infiltration wurde das Kontaktmaterial entnommen und maschinell zu der in 1 gezeigten Form bearbeitet. Die Oberfläche des porösen Körpers wurde um ungefähr 0,5 mm abgeschliffen. Die seitliche Fläche desselben wurde ebenfalls abgeschliffen, so dass die obere Oberfläche einen Durchmesser von 28 mm aufwies; und das die Kontaktschicht tragende Teilstück wurde so verjüngt, dass die seitliche Fläche desselben einen Winkel von ungefähr 80 Grad relativ zu der Oberfläche der Kontaktschicht aufwies.
Ein Bereich, der zu dem das Kontaktteilstück haltenden Leiter wird, wurde nur so weit abgeschliffen, dass er eine glatte Oberfläche aufwies, wobei sein Durchmesser unverändert bei 20 mm blieb, was gleich einem Durchmesser nach der Infiltration war; und an dem zu der Kontaktschicht entgegengesetzten Ende wurde eine Gewindebohrung für eine Verbindung maschinell bearbeitet.
Danach wurde der das Kontaktteilstück haltende Leiter mittels einer Schraube mit einem Leiter (einem Stab) verbunden, der durch die Metallabdeckung hindurch in den Außenraum eines Vakuum-Schaltungsunterbrechers zu ziehen ist, und dann wurden die verbundenen Komponenten in dem Vakuum-Schaltungsunterbrecher montiert.
Vergleichsbeispiel 4
Für ein Infiltrieren eines porösen Körpers wurde ein herkömmliches Verfahren verwendet. Die Dicke des porösen Körpers war gleich 10 mm, und die Dicke eines Infiltrationsmittels war gleich 8 mm. In Bezug auf die poröse Platte wurde eine Scheibe ohne eine Öffnung hergestellt. Es wurde ein Formkörper verwendet, dessen Form jener der Scheibe entspricht. Mit Ausnahme davon waren Bedingungen für die Infiltration sämtlich die gleichen wie bei dem Beispiel 5.
Der infiltrierte poröse Körper wurde maschinell so bearbeitet, dass er eine Dicke von 3,5 mm aufwies, und außerdem wurde die seitliche Fläche desselben so abgeschliffen, dass die obere Oberfläche einen Durchmesser von 38 mm aufwies; und das die Kontaktschicht tragende Teilstück wurde so verjüngt, dass die seitliche Fläche desselben einen Winkel von ungefähr 80 Grad relativ zu der Oberfläche der Kontaktschicht aufwies.
Danach wurde der das Kontaktteilstück haltende Leiter mit einem Leiter (einem Stab) verlötet, der durch die Metallabdeckung hindurch in den Außenraum eines Vakuum-Schaltungsunterbrechers hinaus zu ziehen ist, und dann wurden die verlöteten Komponenten in einem Vakuum-Schaltungsunterbrecher montiert.
Um die Vakuum-Schaltungsunterbrecher zu beurteilen, die gemäß dem Beispiel 5 und dem Vergleichsbeispiel 4 hergestellt wurden, wurden Unterbrechungstests bei Stromführung zwischen Elektroden durchgeführt. Bei den Unterbrechungstests wurde ein Netzanschluss mit 7,2 kV/60 Hz verwendet, und Unterbrechungsversuche wurden zehn Mal mit dem gleichen Unterbrechungsstrom durchgeführt; wenn der Strom zu einem Zeitpunkt erfolgreich unterbrochen wurde, an dem er gleich Null wurde, ohne einen Lichtbogen erneut zu zünden, wurde das Versuchsergebnis als erfolgreich angesehen.
Die Unterbrechungstest begannen mit einem Strom von 6 kA, und dann wurde der Unterbrechungsstromwert für den nächsten Testfall um 2 kA erhöht, bis er 14 kA erreichte; in jedem Unterbrechungstestfall wurden von den zehn Versuchsergebnissen die nicht erfolgreichen Unterbrechungen gezählt. Tabelle 3 listet die Ergebnisse der Unterbrechungstests auf.
Bei 10 kA gab es bei dem Vergleichsbeispiel 4 eine nicht erfolgreiche Unterbrechung, bei dem Beispiel 5 waren jedoch sämtliche zehn Unterbrechungen erfolgreich, wobei bei 12 kA, bei dem es sich um den nächsten Fall handelt, einige Unterbrechungen nicht erfolgreich waren.
Bei 14 kA waren bei zehn Versuchen bei dem Vergleichsbeispiel 4 zehn Unterbrechungen nicht erfolgreich; bei dem Beispiel war jedoch weiterhin eine Unterbrechung erfolgreich, dies bestätigt, dass das Stromunterbrechungs-Leistungsvermögen bei dem Beispiel im Allgemeinen verbessert war.

Es kann in Betracht gezogen werden, dass der Kontaktwiderstand aufgrund dessen verringert war, dass bei dem Beispiel 5 kein Lötschritt enthalten war. Es kann ferner in Betracht gezogen werden, dass: der Temperaturanstieg an der Oberfläche der Kontaktschicht bei Stromführung aufgrund der Verringerung des Kontaktwiderstands verringert wird; und somit der Temperaturanstieg an der Kontaktoberfläche verringert wird, der durch einen durch eine Unterbrechung gezündeten Lichtbogen erzeugt wird; es daher weniger wahrscheinlich wird, dass das Kontaktmaterial, das von der Kontaktoberfläche verdampft wird, das Auftreten des Lichtbogens aufrechterhält, so dass das Stromunterbrechungs-Leistungsvermögen verbessert wird. Tabelle 3

Proben	EIN-Widerstand vor Test	EIN-Widerstand nach Unterbrechung bei 6 kA	Versuchs strom
Proben	EIN-Widerstand vor Test	EIN-Widerstand nach Unterbrechung bei 6 kA	6 kA	8 kA	10 kA	12 kA	14 kA
Beispiel 5	50 µΩ	75 µΩ	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 3 Mal	NG: 9 Mal
Vergleichsbeispiel 4	58 µΩ	80 µΩ	NG: 0 Mal	NG: 0 Mal	NG: 1 Mal	NG: 5 Mal	NG: 10 Mal

Bezugszeichenliste

10: Vakuum-Schaltungsunterbrecher
11: Unterbrechungskammer
12: isolierter Behälter
13a, 13b: abdichtendes Metallteilstück
14a, 14b: Metallabdeckung
16: Kontaktelement
16a: Kontaktelement auf der Seite eines stationären Elements
16b: Kontaktelement auf der Seite eines beweglichen Elements
17a: Leiter auf der Seite eines stationären Elements
17b: Leiter auf der Seite eines beweglichen Elements
18: Kontaktschicht
18a: Kontaktschicht auf der Seite eines stationären Elements
18b: Kontaktschicht auf der Seite eines beweglichen Elements
19: Federbalg
20: Lichtbogenabschirmung für den Federbalg
21: Lichtbogenabschirmung für den isolierten Behälter
22: die Kontaktschicht tragendes Teilstück
31: poröse Platte
32: Formkörper
33: Öffnung
34: Pellet
35: infiltrierte Schicht
36: Aussparung
37: Gewindebohrung
38: das Kontaktteilstück haltender Leiter
54: verbleibendes Infiltrationsmittel
55a: poröser Körper nach einer Infiltration
55b: poröser Körper nach einer maschinellen Bearbeitung
56: Lötmaterial
57: Leiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 60128203 A [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements, das Folgendes aufweist: - einen Schritt, bei dem eine poröse Platte, die aus einem porösen Körper besteht, der ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält, und die in ihrer Mitte eine Öffnung aufweist, in einem Formkörper angeordnet wird; - einen Schritt, bei dem ein Infiltrationsmittel, das ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält, auf einer Oberseite der porösen Platte angeordnet wird; - einen Schritt, bei dem das Infiltrationsmittel durch Erwärmen geschmolzen wird; - einen Schritt, bei dem dafür gesorgt wird, dass das geschmolzene Infiltrationsmittel teilweise durch die Öffnung hindurch strömt; - einen Schritt, bei dem die poröse Platte auf der Oberseite des geschmolzenen Infiltrationsmittels angehoben wird (bzw. sich die poröse Platte auf der Oberseite des geschmolzenen Infiltrationsmittels anhebt); und - einen Schritt, bei dem das Infiltrationsmittel durch Kühlen verfestigt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements nach Anspruch 1, das ferner einen Schritt aufweist, bei dem ein Teil des Infiltrationsmittels, das an der Öffnung der porösen Platte verfestigt ist, von einer Seite entfernt wird, die zu einem Kontakt der porösen Platte werden soll.
Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hauptbestandteil des Metalls mit einem hohen Schmelzpunkt, das die poröse Platte bildet, Cr ist und das Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, welches das Infiltrationsmittel bildet, Cu ist.
Kontaktelement, das für einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher verwendet werden soll, wobei das Kontaktelement Folgendes aufweist: - eine Kontaktschicht, die aus einem plattenförmigen porösen Körper besteht, der ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält und mit einem Infiltrationsmittel infiltriert ist, das ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt als einen Hauptbestandteil enthält; - ein die Kontaktschicht tragendes Teilstück, das aus dem Infiltrationsmittel besteht; und - einen das Kontaktteilstück haltenden Leiter, der aus dem Infiltrationsmittel besteht, wobei der poröse Körper in der Mitte der Kontaktschicht mit einer Öffnung versehen ist und ein Bereich von der Öffnung zu dem das Kontaktteilstück haltenden Leiter durchgehend und integral mit dem Infiltrationsmittel geformt ist.
Kontaktelement nach Anspruch 4, wobei die mittlere Dichte des porösen Körpers geringer als die Dichte des Infiltrationsmittels ist.
Kontaktelement nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Hauptbestandteil des Metalls mit einem hohen Schmelzpunkt, das den porösen Körper bildet, Cr ist und das Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, welches das Infiltrationsmittel bildet, Cu ist.
Kontaktelement nach Anspruch 4, wobei die mittlere Dichte des porösen Körpers höher als die Dichte des Infiltrationsmittels ist.
Kontaktelement nach Anspruch 4 bis 7, wobei der Hauptbestandteil des Metalls mit einem hohen Schmelzpunkt, das den porösen Körper bildet, WC ist und das Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, welches das Infiltrationsmittel bildet, Cu ist.
Vakuum-Schaltungsunterbrecher, wobei das Kontaktelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8 mittels einer Schraube mit einem stromführenden Leiter verbunden ist.