JP2012119254A - 真空バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の小径化に対してアークの駆動に必要な磁界強度を得る。
【解決手段】対をなす電極１１，１２が真空容器内に接離可能に支持され、前記電極１１，１２を流れる電流による磁界が前記電極間に発生するアークを駆動するように円周方向に伸びた腕１３が前記電極１１，１２に形成された真空バルブにおいて、前記電極１１，１２の相手方電極との対向面と反対側の面側に流れる電流を制限して前記電極の腕部を流れる電流を前記対向面側に偏らせる電流制限構造１１ｃを前記対向面と反対側に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極を流れる電流によって発生する磁界によってアークを駆動するように構成された真空バルブに関するものである。

真空バルブは、一般にセラミックまたはガラスよりなる絶縁円筒の両端開口部を固定側端板及び可動側端板でそれぞれ密封し、気密な容器を構成している。固定側端板には固定側電極を接合した固定側電極棒が支持固定され、この固定側電極と対向するように可動側電極が配置され、これに可動側電極棒が接続される。この可動側電極棒と可動側端板とは蛇腹状のベローズを介して気密に接続し、真空バルブ内の真空を維持しつつ可動側電極及び可動側電極棒を動作させることが可能である。また、電流遮断時に電極間でアークが発生し、電極から金属蒸気が飛散するため、絶縁円筒内面に付着し、内沿面の絶縁性能を低下させる。この絶縁円筒内面の汚損抑制のためアークシールドが電極周囲に設けられている。

数十ｋＡを越える大電流遮断を行う場合、遮断性能向上の手段の一つとしてスパイラル構造の電極がある。電極にスパイラル状の溝を設け、スパイラル羽根部分に電流が流れることで発生する磁場とアーク電流が作用することで電極外周を円周方向に回転させる駆動力が発生する。アークが回転することで電極表面の局部加熱が抑えられ、遮断性能が向上する。スパイラル羽根部分は細長い形状で強度が比較的弱く、開閉操作力の大きなものではスパイラル羽根部分の変形が発生し、遮断性能や耐電圧性能の低下を引き起こす。対策として円盤状の補強板やリング形状の補強リングを電極背面に固着させるが、一般に機械的強度が高く電気抵抗の大きな材料であるオーステナイト系ステンレスが使用され、電極背面にろう付けにより固定される。

特開２００１−５２５７６号公報（図１〜３及びその説明） 特開平１−１０５４２８号公報（第１図及びその説明）

従来のスパイラル電極構造の真空バルブでは、アークを回転させ、電極表面の局部過熱を抑制するために発生させる磁界強度に限界がある。よりいっそうの電極の小径化を実現するためには、小径化されたスパイラル電極で発生する磁界強度をより大きくしなければならない課題がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、電極の小径化に対してアークの駆動に必要な磁界強度を得ることを可能にすることを目的とするものである。

この発明に係る真空バルブは、対をなす電極が真空容器内に接離可能に支持され、前記電極を流れる電流による磁界が前記電極間に発生するアークを駆動するように円周方向に伸びた腕が前記電極に形成された真空バルブにおいて、前記電極の相手方電極との対向面と反対側の面側に流れる電流を制限して前記電極の腕部を流れる電流を前記対向面側に偏らせる電流制限構造を前記対向面と反対側に設けたものである。

この発明は、対をなす電極が真空容器内に接離可能に支持され、前記電極を流れる電流による磁界が前記電極間に発生するアークを駆動するように円周方向に伸びた腕が前記電極に形成された真空バルブにおいて、前記電極の相手方電極との対向面と反対側の面側に流れる電流を制限して前記電極の腕部を流れる電流を前記対向面側に偏らせる電流制限構造を前記対向面と反対側に設けたので、電極の小径化に対してアークの駆動に必要な磁界強度を得ることができる効果がある。

この発明の実施の形態１を示す図で、真空バルブの構成の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、（ａ）は固定側電極の上面図、（ｂ）は固定側電極の断面図、（ｃ）は固定側電極の下面図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、（ａ）は固定側電極の上面斜視図、（ｂ）は固定側電極の下面斜視図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、（ａ）は固定側電極の上面図、（ｂ）は固定側電極の断面図、（ｃ）は固定側電極の下面図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、（ａ）は固定側電極の上面斜視図、（ｂ）は固定側電極の下面斜視図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、（ａ）は固定側電極の他の変形例の上面図、（ｂ）は固定側電極の他の変形例の断面図、（ｃ）は固定側電極の他の変形例の下面図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、（ａ）は固定側電極の他の変形例の上面斜視図、（ｂ）は固定側電極の他の変形例の下面斜視図である。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図３により説明する。図１は真空バルブの構成の一例を示す断面図、図２（ａ）は固定側電極の上面図、図２（ｂ）は固定側電極の断面図、図２（ｃ）は固定側電極の下面図、図３（ａ）は固定側電極の上面斜視図、図３（ｂ）は固定側電極の下面斜視図である。

図において、１はアルミナセラミックス等からなる絶縁円筒で、２は絶縁円筒１の一方の端部開口部を覆う固定側端板、３は絶縁円筒１の他方の端部開口部を覆う可動側端板で、これら固定側及び可動側端板２、３はそれぞれ絶縁円筒１の端面にろう付けにより同軸上に取付けられている。４は固定側端板にろう付け接合された固定側電極棒、１１は固定側電極棒にろう付け接合された固定側電極、１２は固定側電極５に対向して配設された可動側電極、７は可動側電極１２にろう付け接合した可動電極棒、６は例えば薄いステンレスで蛇腹状に製作され真空気密を保ちながら可動側電極棒５が移動可能なように配設されたベローズ、このベローズ６により固定側電極１１と可動側電極１２が真空気密を保持しつつ接離可能となっている。アークシールド７は、電流遮断時に電極間で発生するアークによる金属蒸気が絶縁円筒１の内面に付着する量を抑制するため、固定側電極１１と可動側電極１２の周囲を囲むように配設されている。

固定側電極１１と可動側電極１２の対向面の裏面には、それぞれ補強板１５がろう付けにより接合され、それぞれ固定側電極棒３と可動側電極棒５にも接合されている。これは、遮断器に搭載され投入動作時にその衝撃で電極が大きく変形し破損することを防止している。

固定側電極１１と可動側電極１２は、数十ｋＡを越える大電流遮断を行う有効な電極構造の一つとしてスパイラル電極であり、スパイラル溝１１ａによってスパイラル羽根１３が形成されている。図２では４枚のスパイラル羽根１３をもつスパイラル電極の例を示している。固定側電極１１と可動側電極１２は、対向面の中間位置の面に対して対称形であるので、固定側電極について説明する。固定側電極１１は電極同士の対向面側中央部が円形に窪んだ形状となっており、この中央窪み部１１ｂの径寸法をφＢ、深さをｔ１とする。さらに、電極同士の対向面の反対側面（以降は電極裏面と称す）にも中央に窪み部１１ｃを設け、窪み部１１ｃの径寸法をφＣ、深さをｔ２とする。１１ｄは固定側電極１１と可動側電極１２との接触部であり、１１ｅは補強板１５とのろう付け固着部を示す。窪み部１１ｂの径寸法φＢは、遮断性能と必要な接触部１１ｄの面積によって適宜決められる。窪み部１１ｂの深さｔ１は、遮断性能の観点から６ｍｍ以内が望ましい。窪み部１１ｂの深さｔ１を大きくするほど、アークとスパイラル羽根１３を流れる電流との距離が離れるため、アークに作用する磁界強度が低下し、結果として駆動力が小さくなるためアークを電極外周部で円周方向に回転させる速度が低下し、遮断性能低下を引き起こす。

大電流遮断時、アークの発生しているスパイラル羽根１３を流れる電流が磁界を発生させ、アークが駆動させることになるが、電極裏面側中央に窪み部１１ｃを設けているため、スパイラル羽根１３を流れる電流は電極対向面側に集中することになり、アークに作用する磁界強度は窪み部１１ｃがない場合より大きくなる。アークは接触部１１ｄ上を回転し、局部過熱が抑制されるが、大電流遮断性能には他にその接触部の熱容量の影響がある。電流遮断に必要な熱容量を確保し、電極厚さを増やすことを抑えるため、窪み部１１ｃの径φＣは対向面側窪み部φＢ以下とすることが望ましい。電極裏側窪み部１１ｃの深さｔ２は、定格電流値及び電極材料に依存する強度から適宜決められる値である。アークに作用する磁界強度向上のみを目的とするならば、できる限り窪み部径φＣを大きく、深さｔ２を深くするべきであるが、実際は通電性能、機械的強度、経済性の観点から値を決めることになる。さらに、電極裏面側窪み部１１ｃを設けたことから、固定側電極１１と補強板１５とのろう付け固着部１１ｅの面積が減少し、補強板１５を介してのスパイラル羽根１３間の漏れ電流が減少する。この漏れ電流は、アークの存在するスパイラル羽根１３を流れる電流の減少によるアークに作用する磁界強度低下、漏れ電流自身により発生する磁界によってアークを駆動させる磁界強度の低減が生じるため、漏れ電流減少はアークの駆動力に対して良い結果を生む。

固定側電極１１（可動側電極１２）の裏面側にスパイラル羽根１３を流れる電流分布を制御するための窪み部１１ｃを設けることにより、電流がより電極対向面側に流れ、アークの駆動に作用する磁界強度が大きくなる。さらに、固定側電極１１（可動側電極１２）の裏面には補強板１５がろう付け固定されるため、スパイラル羽根１３間には補強板１５を介して漏れ電流が流れ、アークの駆動のための磁界強度を低下させるが、この窪み部１１ｃによって漏れ電流低減がなされ、アークの駆動に作用する磁界強度が大きくなる。よって、アークの駆動開始時間が短く、さらに回転速度を速めて電極表面の局部過熱を抑制し大電流遮断性能を向上させた真空バルブを提供できる。また、電極を小径化した場合は一般にアークを駆動させる磁界強度が低下することにより遮断性能が低下するが、この電流分布制御手段によって大電流遮断に必要な磁界強度が得られるようになるため、小形化した真空バルブを提供できる。

実施の形態２．
以下この発明の実施の形態２を図４〜図７により説明する。図４（ａ）は固定側電極の上面図、図４（ｂ）は固定側電極の断面図、図４（ｃ）は固定側電極の下面図、図５（ａ）は固定側電極の上面斜視図、図５（ｂ）は固定側電極の下面斜視図、図６（ａ）は固定側電極の他の変形例の上面図、図６（ｂ）は固定側電極の他の変形例の断面図、図６（ｃ）は固定側電極の他の変形例の下面図、図７（ａ）は固定側電極の他の変形例の上面斜視図、図７（ｂ）は固定側電極の他の変形例の下面斜視図である。

真空バルブの構成は、前述の実施例１と同一または相当品であり、また固定側電極と可動側電極は対称形であるので、固定側電極のみについて説明する。
図４及び図５の固定側電極１１はスパイラル溝１１ａによってスパイラル羽根１３が形成され、４枚のスパイラル羽根１３をもつスパイラル電極の例を示している。固定側電極１１は電極同士の対向面側中央部が円形に窪んだ形状の中央窪み部１１ｂがあり、スパイラル溝１１ａは電極対向面側から電極裏面に向かい３段階で溝幅が大きくなっている例を示している（溝幅Ｗ１＜溝幅Ｗ２）。
また、図６及び図７に示すように、固定側電極１１の溝１１ａの幅は一様（直線的または曲線的に）に大きくなっても良いし、何段階で溝幅が大きくなっても良い。この溝１１ａの形状は、製作の容易さ、通電容量（スパイラル羽根１３の断面積・抵抗値）、機械的強度から適宜決めればよい。

大電流遮断時、アークの発生しているスパイラル羽根１３を流れる電流が磁界を発生させ、アークを駆動させることになるが、スパイラル溝１１ａを電極対向面側から電極裏面へ向かい大きくしているため、スパイラル羽根１３を流れる電流は電極対向面側により多く流れる分布になり、アークに作用する磁界強度はより大きくなる。スパイラル羽根１３から隣のスパイラル羽根１３へアークが移行する場合、スパイラル溝１１ａが小さいほど移行し易く局部過熱が小さくなる。しかし、単純にスパイラル溝１１ａの幅を小さくした場合、補強板１５を介しての漏れ電流が大きくなり、アークに作用する磁界強度低下を招くとともに、大電流遮断を数回重ねるとスパイラル羽根１３の熱的ダメージによりスパイラル溝１１ａが埋まり、スパイラル電極としての役目を果たさなくなる。電極径、遮断電流値により溝幅に変化がない最適なスパイラル溝があるが、電極裏面側に向かって溝幅を大きくすることによって、電極裏面と補強板の接合面積が小さくなること及びスパイラル羽根間の距離（補強板でつながっている長さ）が長くなることで抵抗が大きくなり補強板１５を介しての漏れ電流も抑制され、アークに作用する磁界強度を大きくすることができる。

固定側電極１１（可動側電極１２）のスパイラル羽根１３を流れる電流分布を制御するために、スパイラル溝１３の溝幅を電極裏面に向かい大きくする形状としたことにより、電流がより電極対向面側に流れ、アークの駆動に作用する磁界強度が大きくなる。さらに、固定側電極１１（可動側電極１２）の裏面には補強板１５がろう付け固定されるため、スパイラル羽根１３間には補強板１５を介して漏れ電流が流れ、アークの駆動のための磁界強度を低下させるが、スパイラル溝１１ａの裏面側の幅を大きくしたことによって漏れ電流低減がなされ、アークの駆動に作用する磁界強度が大きくなる。よって、アークの回転開始時間が短く、さらに回転速度を速めて電極表面の局部過熱を抑制し大電流遮断性能を向上させた真空バルブを提供できる。また、電極を小径化した場合は一般にアークを駆動させる磁界強度が低下することにより遮断性能が低下するが、この電流分布制御手段によって大電流遮断に必要な磁界強度が得られるようになるため、小形化した真空バルブを提供できる。

上述の実施の形態１および実施の形態２は以下の特徴点を有している。
特徴点１．対をなす電極が真空容器内に接離可能に支持され、前記電極を流れる電流による磁界が前記電極間に発生するアークを駆動するように円周方向に伸びた腕が前記電極に形成された真空バルブにおいて、前記電極の相手方電極との対向面と反対側の面側に流れる電流を制限して前記電極の腕部を流れる電流を前記対向面側に偏らせる電流制限構造を前記対向面と反対側に設けたことを特徴とする。
特徴点２．特徴点１において、前記電極の前記対向面側の中央部に窪み部があり、この窪み部の周りで対をなす電極が接離することを特徴とする。
特徴点３．特徴点１または特徴点２において、前記電流制限構造が、前記電極の前記対向面と反対側の面の中央部に設けられた窪み部であることを特徴とする。
特徴点４．特徴点３において、前記電極の前記対向面と反対側の面の中央部に設けられた窪み部の径が、前記電極の前記対向面側の中央部の窪み部の径より小さいことを特徴とする。
特徴点５．請求項１〜４の何れか一において、前記電極の円周方向に伸びた腕は、前記電極の中心部から前記電極の周縁部に向かって渦巻状に設けられた溝によって形成され、前記溝の形状が、前記電極の対向面側から前記反対面側に向かい溝幅が大きい形状であることを特徴とする。
特徴点６．一対の電極が真空容器内に接離可能に支持され、前記電極を流れる電流による磁界が前記電極間に発生するアークを駆動するように円周方向に伸びた腕を持つ電極が形成され、前記電極同士の対向面側中央部に窪み部があり、外周側で電極同士が接触する形状とするとともに、前記電極の対向面の反対側の面側に前記電極の腕部を流れる電流分布を制御する手段を設けたことを特徴とする。
特徴点７．特徴６において、電極同士の対向面の反対側の面の中央部に窪み部を設けることを特徴とする。
特徴点８．特徴点７において、電極同士の対向面の反対側面部分にある窪み部径寸法が、対向面側中央部にある窪み部径寸法以下であることを特徴とする。
特徴点９．特徴点６において、電極の円周方向に伸びた腕は、前記電極の中心部から周縁部に向かって渦巻状に設けた溝によって形成され、前記溝形状を前記電極の対向面側から反対面側に向かい溝幅を大きくすることを特徴とする。
特徴点１０．スパイラル電極対向面の反対面側にスパイラル羽根を流れる電流分布を制御するための手段を設けることにより、スパイラル羽根を流れる電流分布により発生する磁界が従来よりアークの駆動に作用するようにすることで、電極の小径化に対してアークの駆動に必要な磁界強度を得ることが可能となり、小径化したスパイラル電極構造の真空バルブを提供できる。
特徴点１１．電極の対向した面の反対面側にスパイラル羽根を流れる電流分布を制御するための手段を設けたものである。
特徴点１２．電極の対向した面の反対面側中央に窪み部を設け、スパイラル羽根を流れる電流分布をより対向面側に電流が流れるように改善したものである。
特徴点１３．電極の対向した面の反対面側中央に窪み部を設け、この窪み部径が電極対向面側の窪み部径より小さく、スパイラル羽根を流れる電流分布を改善するとともにアークが回転駆動する部分の熱容量は確保するようにしたものである。
特徴点１４．電極に中心部から周縁部に向かって渦巻状の溝を設けてスパイラル羽根が形成され、この溝形状が電極対向面側から反対面側に向かい溝幅を大きくすることで、スパイラル羽根を流れる電流分布をより対向面側に電流が流れるように改善したものである。特徴点１５．スパイラル電極の対向面の反対面側にスパイラル羽根を流れる電流分布を制御するための手段を設けることにより、電流がより電極対向面側に流れ、アークの駆動に作用する磁界強度が大きくなる。さらに、スパイラル電極の対向面の反対面には補強板がろう付け固定されるため、スパイラル羽根間には補強板を通して漏れ電流が流れ、アークの駆動のための磁界強度を低下させるが、この電流分布制御手段によって漏れ電流低減がなされ、アークの駆動に作用する磁界強度が大きくなる。よって、アークの駆動開始時間が短く、さらに回転速度を速めて電極表面の局部過熱を抑制し大電流遮断性能を向上させた真空バルブを提供できる。また、電極を小径化した場合は一般にアークを駆動させる磁界強度が低下することにより遮断性能が低下するが、この電流分布制御手段によって必要な磁界強度が得られるようになるため、小形化した真空バルブを提供できる。

なお、図１〜図７において、各図中、同一符合は同一または相当部分を示す。

１ 絶縁円筒、
２ 固定側端板、
３ 可動側端板、
４ 固定側電極棒、
５ 可動側電極棒、
６ ベローズ、
７ アークシールド、
１１ 固定側電極、
１１ａ スパイラル溝、
１１ｂ 対向面側窪み部、
１１ｃ 裏面側窪み部（電流制限構造）、
１１ｄ 接触部、
１１ｅ ろう付け固着部、
１２ 可動側電極、
１３ スパイラル羽根（腕部）、
１５ 補強板。

Claims (5)

1. 対をなす電極が真空容器内に接離可能に支持され、前記電極を流れる電流による磁界が前記電極間に発生するアークを駆動するように円周方向に伸びた腕が前記電極に形成された真空バルブにおいて、前記電極の相手方電極との対向面と反対側の面側に流れる電流を制限して前記電極の腕部を流れる電流を前記対向面側に偏らせる電流制限構造を前記対向面と反対側に設けたことを特徴とする真空バルブ。
2. 前記電極の前記対向面側の中央部に窪み部があり、この窪み部の周りで対をなす電極が接離することを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ。
3. 前記電流制限構造が、前記電極の前記対向面と反対側の面の中央部に設けられた窪み部であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空バルブ。
4. 前記電極の前記対向面と反対側の面の中央部に設けられた窪み部の径が、前記電極の前記対向面側の中央部の窪み部の径より小さいことを特徴とする請求項３に記載の真空バルブ。
5. 前記電極の円周方向に伸びた腕は、前記電極の中心部から前記電極の周縁部に向かって渦巻状に設けられた溝によって形成され、前記溝の形状が、前記電極の対向面側から前記反対面側に向かい溝幅が大きい形状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の真空バルブ。

Images