JP2006079989A - Vacuum valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気回路の開閉を行う真空バルブに関する。 The present invention relates to a vacuum valve for opening and closing an electric circuit.
真空バルブは、電気回路の開閉に用いられる。一般的に、真空バルブは、相対的に接離可能な一対の電極と、この一対の電極を内蔵する真空容器とを備える。 A vacuum valve is used for opening and closing an electric circuit. Generally, a vacuum valve includes a pair of electrodes that can be contacted / separated relatively and a vacuum vessel that houses the pair of electrodes.
また、真空バルブは、真空容器について真空状態を保持しつつ一対の電極の接離を可能にするためのベローズを具備する。 The vacuum valve includes a bellows for allowing the pair of electrodes to contact and separate while maintaining a vacuum state with respect to the vacuum container.
ベローズは、円筒部(側面部)に山部及び谷部を持ち、一対の電極の開閉動作時に伸縮変形する。山部及び谷部には、曲げ応力が発生する。 The bellows has a peak portion and a valley portion in the cylindrical portion (side surface portion), and expands and contracts when the pair of electrodes are opened and closed. Bending stress is generated in the peaks and valleys.
ベローズの山部及び谷部には、この応力と繰り返し行われる電極の開閉により疲労損傷が累積し、疲労き裂が発生する場合がある。この疲労き裂が板厚方向に貫通すると、真空容器内の真空度が低下し、耐電圧が低下し、電極間に発生するアークにより電極間が放電状態となり、真空バルブによる遮断が困難となる場合がある。 Fatigue damage accumulates due to this stress and repeated opening and closing of the electrode at the peak and valley of the bellows, and a fatigue crack may occur. When this fatigue crack penetrates in the plate thickness direction, the degree of vacuum in the vacuum vessel is lowered, the withstand voltage is lowered, the arc generated between the electrodes is in a discharge state, and it is difficult to shut off by the vacuum valve. There is a case.
このように、ベローズは、真空バルブの寿命に影響を与える重要な部品である。真空バルブの多頻度開閉化を実現させるためには、ベローズの長寿命化が必要になる。 Thus, the bellows is an important component that affects the life of the vacuum valve. In order to realize frequent opening and closing of the vacuum valve, it is necessary to extend the life of the bellows.
ベローズの長寿命化に影響を与える要因として、ベローズ肉厚、ベローズの山部及び谷部の曲率半径、ベローズの材料がある。 Factors affecting the life of the bellows include the bellows thickness, the radius of curvature of the bellows peak and valley, and the bellows material.
特公平7−75133号公報では、ベローズの肉厚を0.09mm〜0.07mmに限定する発明が開示されている。これにより、最大応力が緩和され、ベローズの長寿命化が実現される。 Japanese Patent Publication No. 7-75133 discloses an invention in which the thickness of the bellows is limited to 0.09 mm to 0.07 mm. Thereby, the maximum stress is relieved and the life of the bellows is extended.
特公平5−33485号公報では、ベローズの両端の谷部の曲率半径を他の曲率半径よりも大きくすることで、ベローズの長寿命化を図る発明が開示されている。 Japanese Examined Patent Publication No. 5-33485 discloses an invention in which the radius of curvature of the valleys at both ends of the bellows is made larger than the other radius of curvature, thereby extending the life of the bellows.
特許第1459316号公報では、ベローズの材質をニッケル基合金とすることで、ベローズの長寿命化を図る発明が開示されている。
しかし、近年、真空バルブの多用途化が進み、大型の真空バルブに対して多頻度開閉を要求される場合がある。 However, in recent years, vacuum valves have become increasingly versatile, and large-scale vacuum valves may be required to be frequently opened and closed.
このような場合、上記の特許文献1に記載されているような0.1mm以下の肉厚のベローズを用いると、バネ常数と可動軸部分を支える十分な強度が得られない場合がある。 In such a case, if a bellows having a thickness of 0.1 mm or less as described in Patent Document 1 is used, sufficient strength to support the spring constant and the movable shaft portion may not be obtained.
0.1mm以下の肉厚のベローズを真空開閉器に取り付け、開閉を行った場合、例えば固定軸と可動軸が一致しない芯ずれが発生するなど、種々の弊害が発生する場合がある。 When a bellows having a thickness of 0.1 mm or less is attached to a vacuum switch and opened and closed, various adverse effects may occur, for example, misalignment may occur where the fixed shaft and the movable shaft do not coincide.
上記の特許文献2に記載されているように、ベローズの両端の谷部の曲率半径を他の曲率半径よりも大きくした場合、また、上記の特許文献3に記載されているように、ベローズの材質としてニッケル基合金を使用した場合、長寿命は達成される。しかしながら、近年更に進む高速開閉及び一層の衝撃力に対するベローズの長寿命化は、未だ改善の余地がある。 As described in Patent Document 2 above, when the curvature radius of the valleys at both ends of the bellows is made larger than other curvature radii, and as described in Patent Document 3 above, Long life is achieved when a nickel-base alloy is used as the material. However, there is still room for improvement in the high-speed opening and closing and the extension of the lifetime of the bellows against further impact force in recent years.
また、高速開閉及び衝撃力の増加の影響により、例えば、ベローズの山部での破壊などのように、従来とは異なるベローズの破壊部位が現れる場合がある。 In addition, due to the effect of high-speed opening and closing and an increase in impact force, a bellows fracture site different from the conventional case may appear, such as a fracture at the peak of the bellows.
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、ベローズが自由長よりも長い状態で使用されることをなくすことにより、ベローズの長寿命化を実現し、多頻度開閉可能な真空バルブを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by eliminating the use of the bellows in a state longer than the free length, the bellows has a long life and can be opened and closed frequently. The object is to provide a valve.
本発明を実現するにあたって講じた具体的手段について以下に説明する。 Specific means taken for realizing the present invention will be described below.
上記課題は、相対的に接離可能な一対の電極と、一対の電極を内蔵する真空容器とを備え、真空容器について真空状態を保持しつつ一対の電極の接離を可能にするためのベローズとを具備する真空バルブであり、一対の電極が接触状態の場合のベローズの長さは、ベローズの自由長よりも短い状態となるように、ベローズが設置されている真空バルブにより、解決される。 An object of the present invention is to provide a bellows comprising a pair of electrodes that are relatively close to and away from each other and a vacuum vessel containing the pair of electrodes, and enabling the contact and separation of the pair of electrodes while maintaining a vacuum state with respect to the vacuum vessel. The length of the bellows when the pair of electrodes are in contact with each other is solved by the vacuum valve in which the bellows is installed so that the length is shorter than the free length of the bellows. .
本発明においては、ベローズの長寿命化を実現し、多頻度の開閉動作の信頼性を向上させることができる。 In the present invention, it is possible to extend the life of the bellows and improve the reliability of frequent opening and closing operations.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
ベローズの山部で破壊した部分を詳細に観察するために長手方向に切り出すと、ベローズが長手方向に湾曲していく。この湾曲の原因は、ベローズを素管から成形する時に発生する歪みが残存していたためと考えられる。 When the portion broken at the peak portion of the bellows is cut in the longitudinal direction in order to observe in detail, the bellows is curved in the longitudinal direction. The reason for this bending is thought to be that the strain generated when the bellows was formed from the blank tube remained.
ベローズの場合、伸縮の寿命は材料の結晶粒度にも依存するため、材料によっては十分に歪み取りをできない場合がある。このような状態で、ベローズを製作したときの自由長(外部から力を加えられていない状態での長さ、自然に形成された長さ)を基準として、ベローズが自由長よりも長い状態で一対の電極を接触させた場合、ベローズ成形時に発生した残留応力に加え、ベローズの伸びによりベローズ山部内面に更なる引っ張り荷重が上乗せされる。これにより、ベローズ山部の内側に多大な引っ張り応力が加わり、ベローズの寿命を低下させることになる。 In the case of a bellows, since the expansion and contraction life depends on the crystal grain size of the material, there is a case where sufficient distortion cannot be removed depending on the material. In such a state, the bellows is longer than the free length on the basis of the free length when the bellows is manufactured (the length when no force is applied from the outside, the length formed naturally) When a pair of electrodes are brought into contact with each other, in addition to the residual stress generated at the time of forming the bellows, a further tensile load is added to the inner surface of the bellows peak portion due to the elongation of the bellows. As a result, a great amount of tensile stress is applied to the inside of the bellows crest and the lifetime of the bellows is reduced.
本実施の形態においては、以上のような実情に鑑み、ベローズが自由長よりも長い状態で使用されることをなくすことにより、ベローズの長寿命化を実現する。 In the present embodiment, in view of the above situation, the life of the bellows is increased by eliminating the use of the bellows in a state longer than the free length.
以下、ベローズの山部の応力を緩和するために、残留応力を有するベローズの自由長以上の長さでこのベローズを使用しないことにより、ベローズの長寿命化を実現する真空バルブについて説明する。 Hereinafter, in order to relieve the stress of the peak portion of the bellows, a vacuum valve that realizes a long life of the bellows by not using the bellows with a length longer than the free length of the bellows having residual stress will be described.
図1は、本実施の形態に係る真空バルブの電極接触状態の例を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an electrode contact state of the vacuum valve according to the present embodiment.
図2は、本実施の形態に係る真空バルブの電極非接触状態の例を示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the electrode non-contact state of the vacuum valve according to the present embodiment.
この図1,2は、真空バルブ1の接点駆動方向における断面を現している。 1 and 2 show a cross section of the vacuum valve 1 in the contact driving direction.
真空バルブ1は、多頻度開閉に適している。真空バルブ1は、真空容器2を具備する。この真空容器2は、円筒状の絶縁容器3の固定側開口端面に、固定側封着金具4を備え、絶縁容器3の可動側開口端面に、可動側封着金具5を備えて形成されている。
The vacuum valve 1 is suitable for frequent opening and closing. The vacuum valve 1 includes a vacuum container 2. The vacuum vessel 2 is formed with a fixed-side sealing
絶縁容器3の固定側開口端面と可動側開口端面とは、それぞれ固定側封着金具4と可動側封着金具5により気密に封止されている。絶縁容器3としては、例えば、アルミナ磁器が用いられる。
The fixed-side opening end face and the movable-side opening end face of the insulating container 3 are hermetically sealed by the fixed-side sealing
真空容器2の固定側には、固定側封着金具4を貫通して固定通電軸6が備えられている。固定通電軸6の真空容器2内部側の端部には、コイル7を介して固定側電極8が備えられている。固定通電軸6は、一方の電路となる。
A fixed energizing shaft 6 is provided on the fixed side of the vacuum vessel 2 so as to penetrate the fixed-
真空容器2の可動側には、可動側封着金具5を貫通して可動通電軸9が備えられている。可動通電軸9の真空容器2内部側の端部には、コイル10を介して可動側電極11が備えられている。可動通電軸9は、他方の電路となる。
A movable
固定側電極8と可動側電極11とは、接離自在である。固定側電極8と可動側電極11とは、シールド12によって囲まれている。このシールド12は、さらに真空容器2によって囲まれている。
The fixed side electrode 8 and the movable side electrode 11 can be contacted and separated. The fixed side electrode 8 and the movable side electrode 11 are surrounded by a
シールド12は、真空容器2の内部において、固定側電極8と可動側電極11との開閉時にこの両電極8,11から発生する金属蒸気および溶解金属が絶縁容器3の内壁に付着して絶縁抵抗が低下することを防止するために備えられている。
The
可動側通電軸9におけるシールド12と可動側封着金具5の内面との間の位置には、ベローズカバー13が備えられている。
A bellows cover 13 is provided at a position between the
ベローズカバー13は、真空容器2の内部において、固定側電極8と可動側電極11との開閉時にこの両電極8,11から発生する金属蒸気および溶解金属がベローズ14に付着することを防止するために備えられている。
The bellows cover 13 prevents the metal vapor and molten metal generated from both the electrodes 8 and 11 from adhering to the
ベローズ14の一端は、可動側封着金具5の内面側と接続されており、ベローズ14の他端は、可動側通電軸9の接点側に備えられているベローズカバー13と接続されている。ベローズ14を備えることにより、真空容器2の真空度を維持しながら可動側電極11の軸方向の移動が可能となる。
One end of the
さらに、本実施の形態では、真空バルブ1の多頻度開閉を可能とするために、固定側電極8と可動側電極11とが接触状態の場合のベローズ14の長さを、ベローズの自由長よりも短い状態となるように、ベローズ14が設置されている。なお、真空バルブ1に導入されたベローズ14の最大長(すなわち、固定側電極8と可動側電極11とが接触状態の場合のベローズ14の長さ)は、このベローズ14の自由長の97%以下とすることが好ましい。
Further, in the present embodiment, in order to enable frequent opening and closing of the vacuum valve 1, the length of the
以下に、本実施の形態に係るベローズ14の作成方法について説明する。
Below, the creation method of the
図3は、本実施の形態に係るベローズ14の作成方法の例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a method for creating the
液圧成形法によってカップ状の素管16の円筒部(側面部)に山部と谷部を形成し、これによりベローズ14が作成される。液圧成形法では、カップ状の素管16を覆う液圧成形金具17が用いられる。液圧成形金具17の円筒部内面には、同心の凹部と凸部とが形成されている。この液圧成形金具17の内部にカップ状の素管16を設置し、カップ状の素管16の内側に圧力をかけることで、ベローズ14が作成される。この図3では、カップ状の素管16と液圧成形金具17との設置関係が断面図で表されている。
A crest and a trough are formed in the cylindrical portion (side surface portion) of the cup-shaped
液圧成形法によってベローズ14が作成されると、ベローズ14の山部は、素管が押し広げられることにより形成される。したがって、一般的に、液圧成形法によって作成されたベローズ14の山部の厚さは、素管16よりも薄くなる。一方、ベローズ14の谷部では、谷部の径と素管の径とでほぼ変化がない。このため、液圧成形法によって作成されたベローズ14の谷部の厚さは、素管16の厚さと同等となる。
When the bellows 14 is created by the hydroforming method, the peak portion of the
本実施の形態では、ベローズ14は、液圧成形法の適用後、残留応力を有する状態である。
In the present embodiment, the
ベローズ14の材質には、例えば固溶強化型のニッケル基合金が用いられる。ベローズ14の主な組成として、Niを基材とし、さらにCrを19〜21%程度、Feを8%〜10%程度、Moを8%〜10%程度、NbとTaとを3%〜5%程度含むことが好ましい。
For example, a solid solution strengthened nickel-based alloy is used as the material of the
より好ましい例としては、ベローズ14の主な組成として、Niを基材とし、さらにCrを20%程度、Feを9%程度、Moを4%程度、NbとTaとを4%程度含むとすることが挙げられる。
As a more preferable example, it is assumed that the main composition of the
なお、本実施の形態において、%は重量%(wt%)又は質量%(mass%)とする。 In this embodiment,% is weight% (wt%) or mass% (mass%).
以上説明した本実施の形態に係る真空バルブ1では、山部に残留応力を有するベローズ14についてこの山部の応力を緩和するために、ベローズ14の伸縮範囲がベローズ14の自由長より短くなる状態、好ましくはベローズ14の自由長の97%以下とされる。
In the vacuum valve 1 according to the present embodiment described above, the expansion / contraction range of the
これにより、ベローズ14の山部に発生する応力の集中を緩和させることができ、ベローズ14を長寿命化させることができ、長寿命化に適した真空バルブ1を得ることができる。
Thereby, the concentration of stress generated in the peak portion of the
なお、本実施の形態においては、ベローズ14の材質として、固溶強化型ニッケル基合金の場合を例に説明しているが、ベローズ14の材質はこれに限定されず、例えばオーステナイト系ステンレスにより作成されたベローズ14についても長寿命化を実現できる。
In the present embodiment, the material of the
本実施の形態において、各構成要素は同様の動作を実現可能であれば配置を変更させてもよく、また各構成要素を自由に組み合わせてもよく、各構成要素を自由に分割してもよく、いくつかの構成要素を削除してもよい。 In this embodiment, each component may be rearranged as long as the same operation can be realized, each component may be freely combined, and each component may be freely divided. Some components may be deleted.
(第1の実施例)
上記実施の形態に係るベローズ14の実施例について説明する。
(First embodiment)
An example of the
本実施例において、ベローズ14は、固溶強化型ニッケル基合金の金属板から作成する。金属板の主な組成は、Niを含み、さらにCrを20%程度、NbとTaとの合量を3.5%程度、Moを9%程度、Feを5%程度含むとする。
In this embodiment, the
この金属板を使用し、円筒部の直径が62mmで肉厚が0.2mmの素管16を作成する。
Using this metal plate, an
次に、この素管16に対して液圧成形法を適用し、内径62mm、外形85mm、山部の数11、自由長65mmのベローズを作成する。
Next, a hydroforming method is applied to the
次に、この自由長65mmのベローズの2つに対して溶接金具を使用し、溶接を行い、自由長の全長が130mmとなるベローズ14を作成する。 Next, welding is performed on two of the bellows having a free length of 65 mm, and welding is performed, so that a bellows 14 having a free length of 130 mm is created.
この自由長130mmのベローズ14を上記実施の形態に係る真空バルブ1に組み込み、開閉速度と開閉ストロークとを自由に調整可能な開閉器に取り付け、開閉寿命試験を行う。 The bellows 14 having a free length of 130 mm is incorporated in the vacuum valve 1 according to the above embodiment, and attached to a switch that can freely adjust the opening / closing speed and opening / closing stroke, and an opening / closing life test is performed.
開閉寿命試験の試験条件として、ベローズ伸縮量に相当する開閉ストローク距離を30mmとし、平均投入速度を0.5m/sとし、平均開極速度を1.0m/sとする。 As test conditions for the open / close life test, an open / close stroke distance corresponding to the bellows expansion / contraction amount is set to 30 mm, an average charging speed is set to 0.5 m / s, and an average opening speed is set to 1.0 m / s.
また、この開閉寿命試験において、ベローズ破損の有無は、1万回ごとに真空バルブ1の両極間に電圧を印加し、所定の耐電圧を維持できない状態となったときを、ベローズ14の破損と判断する。 In this open / close life test, the bellows breakage is determined by the fact that a voltage is applied between both electrodes of the vacuum valve 1 every 10,000 times and a predetermined withstand voltage cannot be maintained. to decide.
ベローズ14が自由長以上に伸びる場合を調べるために、真空バルブ1に、自由長130mmのベローズ14について伸縮範囲が110mm〜140mmとなるように取り付け、上記の開閉寿命試験を行ったとする。この場合、61000回でベローズは寿命となった。
In order to investigate the case where the
これに対して、ベローズ14が自由長以上に伸びないように真空バルブ1に取り付けられている場合を調べるために、真空バルブ1に自由長130mmのベローズ14について伸縮範囲が95mm〜125mm(ベローズ14の自由長に対してベローズ14の最大の長さが96%)となるように取り付け、上記の開閉寿命試験を行ったとする。この場合、145000回でベローズ14は寿命となった。
On the other hand, in order to examine the case where the
このように、ベローズ14が自由長以上に伸びないように真空バルブ1に取り付けられることにより、飛躍的にベローズ14及び真空バルブ1の長寿命化を図ることができる。
Thus, by attaching the
(第2の実施例)
上記第1の実施例における自由長130mmのベローズ14を、伸縮範囲が105mm〜135mmとなるように真空バルブ1・操作機構に取り付け、上記第1の実施例における開閉寿命試験を行ったとする。この場合、僅かにベローズ14が自由長以上に伸びた状態となり、寿命回数は70000回となった。
(Second embodiment)
Assume that the
これに対して、上記第1の実施例における自由長130mmのベローズ14を、伸縮範囲が90mm〜120mm(ベローズ14の自由長に対してベローズ14の最大の長さが92%)となるように真空バルブ1・操作機構に取り付け、上記第1の実施例における開閉寿命試験を行ったとする。この場合、上記第1の実施例の場合よりもベローズ14の伸びが抑制され、寿命回数は150000回まで増加した。
In contrast, the
本発明は、電気回路の開閉動作を行う真空バルブの分野に有効である。 The present invention is effective in the field of vacuum valves that perform opening and closing operations of electric circuits.
1…真空バルブ、2…真空容器、3…絶縁容器、4…固定側封着金具、5…可動側封着金具、6…固定通電軸、7,10…コイル、9…可動通電軸、11…可動側電極、12…シールド、13…ベローズカバー、14…ベローズ、16…素管、17…液圧成形金具 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum valve, 2 ... Vacuum container, 3 ... Insulation container, 4 ... Fixed side sealing metal fitting, 5 ... Movable side sealing metal fitting, 6 ... Fixed electricity supply shaft, 7, 10 ... Coil, 9 ... Movable electricity supply shaft, 11 ... movable side electrode, 12 ... shield, 13 ... bellows cover, 14 ... bellows, 16 ... elementary tube, 17 ... hydroformed metal fitting
Claims (6)
前記一対の電極が接触状態の場合の前記ベローズの長さは、前記ベローズの自由長よりも短い状態となるように、前記ベローズが設置されている
ことを特徴とする真空バルブ。 A bellows comprising a pair of electrodes that can be relatively contacted and separated, and a vacuum vessel that houses the pair of electrodes, the bellows for allowing the pair of electrodes to be contacted and separated while maintaining a vacuum state. A vacuum valve comprising:
The vacuum valve, wherein the bellows is installed so that the length of the bellows when the pair of electrodes are in contact is shorter than the free length of the bellows.
前記ベローズは、
円筒部と底部を具備する素管を作成し、前記素管の円筒部に対して液圧成形法によって山部と谷部とを成形して作成される
ことを特徴とする真空バルブ。 The vacuum valve according to claim 1.
The bellows
A vacuum valve characterized in that a blank pipe having a cylindrical portion and a bottom portion is created, and a crest portion and a trough portion are formed by a hydraulic forming method on the cylindrical portion of the blank tube.
前記ベローズは、残留応力を有することを特徴とする真空バルブ。 The vacuum valve according to claim 1 or 2,
The said bellows has a residual stress, The vacuum valve characterized by the above-mentioned.
前記一対の電極が接触状態の場合の前記ベローズの長さは、前記ベローズの自由長の97%以下である
ことを特徴とする真空バルブ。 The vacuum valve according to any one of claims 1 to 3,
The length of the bellows when the pair of electrodes are in contact is 97% or less of the free length of the bellows.
前記ベローズの材質は、固溶強化型のニッケル基合金であることを特徴とする真空バルブ。 The vacuum valve according to any one of claims 1 to 4,
The bellows is made of a solid solution strengthened nickel-base alloy.
前記ベローズの材質は、Niを基材とし、さらにCrを5%程度、Feを9%程度、Moを4%程度、NbとTaとの合量を4%程度含むことを特徴とする真空バルブ。 The vacuum valve according to claim 5,
The bellows is made of Ni as a base material, further contains about 5% of Cr, about 9% of Fe, about 4% of Mo, and about 4% of the total amount of Nb and Ta. .
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