JP2015115299A - 真空バルブおよびそれを用いた開閉器 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱能力の優れた真空バルブおよび開閉器を得る。
【解決手段】円筒状の絶縁容器２の一端側が固定側フランジ５と固定側端板６で封止され、他端側が可動側フランジ７とベローズ１０で封止されて気密に構成された真空容器の内部に、固定接点３および可動接点４が接離可能に配置され、可動接点４に一端が固着された可動側電極棒９の他端側がベローズ１０を介して外部に導出された真空バルブであって、可動側電極棒９の外部に導出された部位は、絶縁物に比べて熱伝導性に優れた金属からなる金属ガイド１２で摺動自在に保持され、金属ガイド１２は、可動側フランジ７に固定されており、ベローズ１０と可動側フランジ７とは、絶縁リング１１を介して気密に接合されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、真空バルブおよびその真空バルブを用いた開閉器に関し、特に、真空バルブの放熱効果の改善に関するものである。

真空遮断器等の開閉器に用いる真空バルブは、約１０^−４Ｐａ以下の高真空内で接点を引き離し、真空の持つ優れた絶縁性、消弧性を利用して電流の遮断を行うものである。ガス遮断器と異なり、地球温暖化係数の高いＳＦ_６ガスを使用しておらず環境低負荷であるため、真空バルブの高電圧への適用が進んでいる。
一方、真空バルブに定格電流を通電すると、接点と可動側電極棒および固定側電極棒が、導体抵抗および接触抵抗によって発熱する。定格電流が増大するに従い発熱量も増大するが、真空バルブの内部は真空断熱されているので、内部の発熱は電極棒を通って外部に熱伝導して放熱されるため、真空バルブの大電流仕様への適用は、放熱対策が重要となっている。

放熱効果の向上を図った従来の真空バルブとして、例えば、図５に示すような真空バルブが知られている。図５に示すように、真空容器２１の内部に、固定接点２２と可動接点２３が接離可能に収容されている。固定接点２２は固定側電極棒２４を介して固定側端子２５に固定され、更に絶縁フレーム２６に固定されている。一方、可動接点２３に連結された可動側電極棒２７は真空容器２１の外部に引き出され、その軸端部に、放熱用フィンを有する放熱器２８が取り付けられている。これにより、可動側電極棒２７から放熱器２８へ至る伝熱経路を形成して放熱効果を高めるようにしたものである。また、図５では、可動側電極棒２７と電気的に接続される可動側端子２９にも放熱器３０を設けて放熱効果を高めている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−９８４９号公報（第４頁、図１）

真空バルブに定格電流を通電した場合、上述のように真空バルブの内部で発熱が生じるが、このうち固定側の発熱は、固定側電極棒から熱伝導により固定側端板へ、更に固定側端子へと伝達されて外部へ放熱される。
一方、可動側の発熱は、可動側電極棒が一般的に絶縁ガイドで案内されているので、絶縁ガイドの熱伝導率が悪いため、可動側電極棒から絶縁ガイド側へは効果的に熱伝導しない。すなわち、固定側は表面積の大きい固定側端板およびその接続部材で放熱するのに対し、可動側は表面積の小さい可動側電極棒の真空容器の外部露出部で放熱させることになり、放熱効果が低い。
そこで、上記特許文献１では、可動側電極棒２７にフィン付きの放熱器２８を設け、可動側の放熱効果を高める対策がとられているが、可動側電極棒２７に放熱器２８を直接取り付けているため、定格電流が大きくなり放熱器が大形化すると、可動部を駆動する駆動特性に影響がおよび、駆動特性が低下するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、簡単な構成で放熱能力の優れた真空バルブおよび開閉器を得ることを目的とする。

この発明に係る真空バルブは、円筒状の絶縁容器と、絶縁容器の一方の開口を封止する固定側フランジと、他方の開口を封止する可動側フランジと、絶縁容器の内部に接離可能に配置された固定接点および可動接点と、一端側が固定接点に固着され、他端側が固定側フランジに設けられた固定側端板に接合された固定側電極棒と、一端側が可動接点に固着され、他端側が可動側フランジに設けられたベローズを介して外部に導出されて軸方向に移動可能な可動側電極棒とを有する真空バルブであって、可動側電極棒の外部に導出された部位は、金属からなる金属ガイドで摺動自在に保持され、金属ガイドは、可動側フランジに固定されており、ベローズと可動側フランジとは、絶縁リングを介して気密に接合されているものである。

また、この発明に係る開閉器は、本願発明のいずれかの真空バルブを搭載したものである。

この発明の真空バルブによれば、可動側電極棒の外部に導出された部位は、金属からなる金属ガイドで摺動自在に保持され、金属ガイドは、可動側フランジに固定されており、ベローズと可動側フランジとは、絶縁リングを介して気密に接合されているので、通電により発生した熱は、金属ガイドおよび可動側フランジに効果的に熱伝導して放熱される。このため、真空バルブの大電流仕様への適用が容易となる。
また、ベローズと可動側フランジとを絶縁リングを介して接合したので、短絡電流等がベローズへ流れるのを防止して、大電流によってベローズが破損するのを防止することができる。
また、可動部分に放熱のための部材を付加しないため、可動部の駆動特性に影響を与えずに放熱性の向上を図ることができる。

また、この発明の開閉器によれば、放熱特性に優れた真空バルブを搭載することにより、放熱特性に優れた開閉器を提供でき、開閉器の大電流化を図ることが容易となる。

この発明の実施の形態１による真空バルブの断面図である。 この発明の実施の形態２による真空バルブの断面図である。 この発明の実施の形態３による真空バルブの断面図である。 この発明の実施の形態４による真空バルブの断面図である。 従来の真空バルブを示す断面図である。

実施の形態１．
以下、図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による真空バルブの断面図である。図１において、真空バルブ１は、円筒形の絶縁容器２の内部の軸線上に、固定接点３と可動接点４が接離自在に対向配置されて収容されている。絶縁容器２の一方の開口部である固定側端部２ａには、その開口部を封止する固定側フランジ５が気密に接合され、その固定側フランジ５に、円板状の導電金属からなる固定側端板６が気密に設けられている。
また、絶縁容器２の他方の開口部である可動側端部２ｂには、その開口部を封止する可動側フランジ７が気密に接合されている。固定側フランジ５および可動側フランジ７の材料は、例えばステンレス等の金属板である。

固定接点３には、固定側電極棒８の一端側が固着され、固定側電極棒８の他端側が固定側端板６に接合されている。
一方の可動接点４には、可動側電極棒９の一端側が固着され、可動側電極棒９の他端側が絶縁容器２の外部へ導出されている。
そして、伸縮自在のベローズ１０の一方端が可動側電極棒９の中間部に封着され、他方端が可動側フランジ７の開口部に絶縁リング１１を介して封着されている。絶縁リング１１の材料は、例えば絶縁容器２の材料と同様のセラミックが用いられる。ベローズ１０と絶縁リング１１と可動側フランジ７の接合部の詳細は後述する。
更に、本願発明の特徴として、可動側電極棒９のベローズ１０から外部に導出された部位が、可動側フランジ７の外部側端面に固着された金属ガイド１２に、摺動自在に保持されている。金属ガイド１２の詳細形状についても後述する。

上記の構成により、絶縁容器２の一方の開口部が固定側フランジ５と固定側端板６とにより気密に塞がれ、他方の開口部が可動側フランジ７，絶縁リング１１，ベローズ１０，可動側電極棒９によって気密に塞がれて真空容器が形成され、内部が高真空に保たれるようになっている。
また、可動側電極棒９が金属ガイド１２で案内されて真空容器の中心軸の軸線方向に移動すると、ベローズ１０が伸縮し、気密を保った状態で可動接点４が固定接点３に接離するようになっている。

次に、可動側フランジ７と絶縁リング１１、および絶縁リング１１とベローズ１０の接合部について詳しく説明する。
絶縁リング１１は、内径が金属ガイド１２の円筒部１２ａの外径より大きく、外径が可動側フランジ７およびベローズ１０の絶縁リング１１との接続端の外径より大きい。すなわち、絶縁リング１１は、可動側フランジ７の接続端とベローズ１０の接続端に対して、ろう付け等で接続可能な大きさとなっている。以下の説明において、絶縁リング１１を軸方向に見た平面を、単に絶縁リング１１の面と呼ぶことにする。
可動側フランジ７の中心側の開口部は、その内周端部が軸線方向の内側（接点側）に向けて屈曲しており、この端部が絶縁リング１１の面に垂直に当接されて気密に接合されている。
一方、ベローズ１０の可動側電極棒９との接合側とは反対側の端部は、軸方向の外側（金属ガイド１２側）に向けて開かれており、この端部が絶縁リング１１の面に垂直に当接されて気密に接合されている。すなわち、可動側フランジ７とベローズ１０のいずれもが、その板厚端面を絶縁リング１１の面に接合させた状態になっている。

次に、金属ガイド１２の形状の詳細について説明する。金属ガイド１２は、中央側にあって可動側電極棒９が摺動自在に接触可能な貫通穴を有する円筒部１２ａと、その円筒部１２ａの一端側に一体に設けられた円板状の鍔部１２ｂとで構成されている。円筒部１２ａをベローズ１０の内側に突出するように向け、中心を可動側電極棒９の軸心にあわせて配置し、鍔部１２ｂを可動側フランジ７の外側端面にロウ付け等により固定している。これにより、可動側電極棒９が軸線方向に摺動自在に保持されている。金属ガイド１２の材料は、絶縁物に比べて熱伝導率の高い、銅およびその合金（黄銅など）、アルミニウムおよびその合金、ステンレスなどの鉄系合金、などの金属を使用する。

上記のように構成された真空バルブ１を、例えば、真空遮断器のような開閉器に適用する場合の概略構成を簡単に説明する。
真空バルブ１は、例えば、背景技術で説明した特許文献１の図５のように、絶縁フレームに取り付けられ、固定側は固定側端子に接続されて絶縁フレーム側に固定され、可動側は、一般的には可撓導体を介して可動側端子に接続され、更に可動側電極棒の先端側は、絶縁ロッドやリンク機構を介して操作機構に連結されている。外部からに指令により操作機構が操作され、可動電極棒をその軸線方向に移動させることにより可動接点が固定接点に接離して、真空バルブが開極または閉極されて開閉器の開閉操作が行われる。

次に、図１のように構成した本願発明の真空バルブ１の作用について説明する。
真空バルブ１に定格電流が通電された場合、固定接点３と可動接点４の導体抵抗および接触抵抗と、固定側電極棒８，可動側電極棒９の導体抵抗によって発熱が生じる。
固定側は、固定側電極棒８からの熱が、熱伝導により固定側端板６および固定側フランジ５に伝わり、熱伝達および輻射により放熱する。
一方、可動側は、可動側電極棒９からの熱が、熱伝導により可動側電極棒９と金属ガイド１２との接触部，熱伝導率の高い金属ガイド１２の円筒部１２ａ，鍔部１２ｂ，更に可動側フランジ７へと伝達されて、広い面積から効率よく外気に放熱される。

これを、例えば、可動側電極棒が「絶縁ガイド」で摺動保持されているものと比較すれば、絶縁ガイドの場合には、可動側電極棒の発熱は可動側フランジへは効果的に熱伝導しない。そこで、可動側電極棒から伝達される熱の放熱効果を上げる工夫として、例えば、図５のように可動側電極棒に放熱器を取り付けている。この場合、定格電流の増大に伴い当然放熱器も大形化してくる。ところが、可動側電極棒は駆動部分なので、大形の放熱器を取り付けると荷重が増えて駆動特性に影響を与えることになる。また、放熱器を取り付けるためには可動側電極棒の軸長も長くなる。

一方、本願発明では、駆動部分には特に放熱のための部材を附加せず軸長も変えないので、可動部の質量は変わらず、駆動特性に影響を与えることはない。定格電流の増大で可動側の放熱効果を更に上げる場合は、金属ガイド１２の外気接触部分を大形化したり、フィンを設けたりして表面積を増やすことで、容易に放熱性を向上させることができる。

また、本願発明の特徴として、ベローズ１０と可動側フランジ７を直接ロウ付け等で接合せずに、絶縁リング１１を介して接続しているが、この作用について説明する。
例えば、絶縁リング１１がない場合、短絡電流のような大電流が、両接点３，４を通過し、一部が可動側電極棒９，ベローズ１０，可動側フランジ７，金属ガイド１２，可動側電極棒９の経路で流れると、ベローズ１０と可動側フランジ７との接合部が、例えばスポット溶接のような状態になって穴が開いたり破損したりする可能性がある。
これに対し、絶縁リング１１を間に挟んだ図１のような構成では、ベローズ１０へは通電しないため破損を防止することができる。
また、絶縁リング１１の面に対し、可動側フランジ７およびベローズ１０の端部を垂直に当接して接合したことで、接合部の面積が少なくなり、絶縁物と金属の線膨張率の違いから発生する熱応力によって接合部にクラックが発生するのを防止できる。

以上のように、実施の形態１の真空バルブによれば、円筒状の絶縁容器と、絶縁容器の一方の開口を封止する固定側フランジと、他方の開口を封止する可動側フランジと、絶縁容器の内部に接離可能に配置された固定接点および可動接点と、一端側が固定接点に固着され、他端側が固定側フランジに設けられた固定側端板に接合された固定側電極棒と、一端側が可動接点に固着され、他端側が可動側フランジに設けられたベローズを介して外部に導出されて軸方向に移動可能な可動側電極棒とを有する真空バルブであって、可動側電極棒の外部に導出された部位は、金属からなる金属ガイドで摺動自在に保持され、金属ガイドは、可動側フランジに固定されており、ベローズと可動側フランジとは、絶縁リングを介して気密に接合されているので、通電により発生した熱は、金属ガイドおよび可動側フランジに効果的に熱伝導して放熱される。このため、真空バルブの大電流仕様への適用が容易となる。
また、ベローズと可動側フランジとを絶縁リングを介して接合したので、短絡電流等がベローズへ流れるのを防止して、大電流によってベローズが破損するのを防止することができる。
また、可動部分に放熱のための部材を付加しないため、可動部分の駆動特性に影響を与えずに放熱性の向上を図ることができる。

また、ベローズと絶縁リングの接合部、および可動側フランジと絶縁リングの接合部は、絶縁リングの面に対して可動側フランジおよびベローズの各端部が垂直に当接されて接合されているので、上記効果に加え、接合部の面積が少なくなり、絶縁物と金属の線膨張率の違いから発生する熱応力によって接合部にクラックが発生するのを防止できる。

実施の形態２．
図２は実施の形態２による真空バルブの断面図である。実施の形態１の図１と同等部分は同一符号を付して説明は省略し、以下では相違点を中心に説明する。
本実施の形態の真空バルブ１は、金属ガイドの形状が実施の形態１とは異なっている。
図２に示すように、実施の形態２の金属ガイド１３は、中心側に可動側電極棒９が摺動自在に貫通する貫通穴を有する円筒部１３ａと、その一端に形成されて可動側フランジ７へ取り付けられる鍔部１３ｂと、更に、鍔部１３ｂに続き可動側フランジ７の外面を覆って絶縁容器２の可動側端部２ｂまで延設される周縁部１３ｃとからなっている。周縁部１３ｃの角部は丸みを帯びた形状にしている。金属ガイド１３の材料は、実施の形態１と同様に熱伝導率の高い金属とする。

図２のように構成した金属ガイド１３の作用について説明する。
真空バルブ１に定格電流が通電された場合、実施の形態１と同様に、両接点３，４の導体抵抗と接触抵抗、および固定側電極棒８，可動側電極棒９の導体抵抗によって発熱が生じる。固定側は、固定側電極棒８からの熱が熱伝導により固定側端板６および固定側フランジ５に伝達され、そこから外部へ放熱される。
一方可動側は、可動側電極棒９からの熱が熱伝導により金属ガイド１３の円筒部１３ａに伝わる。そこから鍔部１３ｂへ伝熱され、更に周縁部１３ｃへと伝熱される。このため、発熱は金属ガイド１３の広い外気接触表面に熱伝達されてそこから効果的に放熱することができる。

なお、金属ガイド１３の外面側に放熱フィンを設ければ、更に放熱効果を上げることが可能である。
また、金属ガイド１３の周縁部１３ｃの角部を、丸みを帯びた形状にすることで、金属ガイド１３の角部の電界が緩和されて、電界緩和シールドの役目も兼ねられる。

以上のように、実施の形態２の真空バルブによれば、金属ガイドは、可動側電極棒が摺動自在に貫通する円筒部と、可動側フランジへ取り付けられる鍔部とを有し、鍔部は、可動側フランジの外面を覆って絶縁容器の可動側端部まで延設されているので、通電時に発生する熱を、真空容器外部の広い外気接触表面から放熱できるため、実施の形態１と比較して、より効果的に放熱させることが可能となる。
また、金属ガイドの外面角部を、丸みを帯びた形状にすることで、金属ガイドに電界緩和シールドの役目を持たせることができる。

実施の形態３．
図３は実施の形態３による真空バルブの断面図である。実施の形態１の図１と同等部分は同一符号を付して説明は省略し、以下では相違点を中心に説明する。
図３に示すように、実施の形態３の真空バルブの構成は基本的には実施の形態１の図１と同等である。相違点は、本実施の形態の金属ガイド１４には、鍔部１４ｂに通気口１４ｄを設けた点である。
通気口１４ｄは、可動側電極棒９−ベローズ１０の内面−絶縁リング１１−可動側フランジ７−金属ガイド１４で囲まれてベローズ１０の内部に形成された内部空間１５から真空容器外の外部空間へ通じるものであり、少なくとも一つ以上設けられている。

次に、作用について説明する。
真空バルブ１に定格電流を通電した場合の、金属ガイド１４による放熱作用と絶縁リング１１の作用は実施の形態１と同様なので説明は省略する。
真空バルブ１に定格電流を通電した場合の可動側の発熱は、可動側電極棒９のベローズ１０で囲まれた内部空間１５にも放熱される。そこで、金属ガイド１４の鍔部１４ｂに図３のように通気口１４ｄを設けたことで、可動側電極棒９から内部空間１５に熱伝達によって発生した熱を外部空間へ効率よく放熱させることができるため、放熱効果を向上させることができる。

以上のように、実施の形態３の真空バルブによれば、可動側電極棒，ベローズ，絶縁リング，可動側フランジおよび金属ガイドに囲まれた内部空間から外部空間へ通じる通気口が、金属ガイドに設けられているので、可動側電極棒からベローズの内側の内部空間へ伝達された熱を外部空間へ効果的に放熱でき、通気口のないものと比較して、より放熱効果を向上させることができる。

実施の形態４．
図４は実施の形態４による真空バルブの断面図である。実施の形態１の図１と同等部分は同一符号を付して説明は省略し、以下では相違点を中心に説明する。
図４に示すように、本実施の形態の真空バルブ１は、金属ガイド１６の円筒部１６ａの、可動側電極棒９が摺動自在に貫通する貫通穴に、ベアリング１７を設けている。
ベアリング１７は、一般に知られた摺動ベアリングを用いればよい。

真空バルブ１に定格電流を通電した場合の、金属ガイド１６による放熱作用と絶縁リング１１の作用は実施の形態１と同様なので説明は省略する。
本実施の形態では、金属ガイド１６の円筒部１６ａの貫通穴の可動側電極棒９との接触部にベアリング１７を設けたことで、金属ガイド１６と可動側電極棒９との嵌め合いが良好になるため、可動側電極棒９と金属ガイド１６の摺動性が向上すると共に熱伝導性を更に向上させることができる。

なお、実施の形態１から実施の形態４で説明した真空バルブを、例えば真空遮断器のような開閉器に搭載することで、容易に放熱性能の優れた開閉器を得ることができる。

以上のように、実施の形態４による真空バルブによれば、可動側電極棒と金属ガイドとの摺動部に、ベアリングが設けられているので、可動側電極棒と金属ガイドの摺動性に優れ、通電により発生した熱を金属ガイドおよび可動側フランジに効果的に熱伝導させて、放熱効果の優れた真空バルブを得ることができる。

また、実施の形態１から実施の形態４で説明したいずれかの真空バルブを搭載した開閉器では、放熱特性に優れた真空バルブにより、放熱特性に優れた開閉器を提供でき、開閉器の大電流化を図ることが容易となる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることが可能である。

１ 真空バルブ、２ 絶縁容器、２ａ 固定側端部、２ｂ 可動側端部、３ 固定接点、４ 可動接点、５ 固定側フランジ、６ 固定側端板、７ 可動側フランジ、８ 固定側電極棒、９ 可動側電極棒、１０ ベローズ、１１ 絶縁リング、１２，１３，１４，１６ 金属ガイド、１２ａ，１３ａ，１６ａ 円筒部、１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ 鍔部、１３ｃ 周縁部、１４ｄ 通気口、１５ 内部空間、１７ ベアリング。

Claims (6)

1. 円筒状の絶縁容器と、前記絶縁容器の一方の開口を封止する固定側フランジと、他方の開口を封止する可動側フランジと、前記絶縁容器の内部に接離可能に配置された固定接点および可動接点と、一端側が前記固定接点に固着され、他端側が前記固定側フランジに設けられた固定側端板に接合された固定側電極棒と、一端側が前記可動接点に固着され、他端側が前記可動側フランジに設けられたベローズを介して外部に導出されて軸方向に移動可能な可動側電極棒とを有する真空バルブであって、
   前記可動側電極棒の外部に導出された部位は、金属からなる金属ガイドで摺動自在に保持され、前記金属ガイドは、前記可動側フランジに固定されており、
   前記ベローズと前記可動側フランジとは、絶縁リングを介して気密に接合されていることを特徴とする真空バルブ。
2. 請求項１に記載の真空バルブにおいて、
   前記ベローズと前記絶縁リングの接合部、および前記可動側フランジと前記絶縁リングの接合部は、前記絶縁リングの面に対して前記可動側フランジおよび前記ベローズの各端部が垂直に当接されて接合されていることを特徴とする真空バルブ。
3. 請求項１または請求項２に記載の真空バルブにおいて、
   前記金属ガイドは、前記可動側電極棒が摺動自在に貫通する円筒部と、前記可動側フランジへ取り付けられる鍔部とを有し、前記鍔部は、前記可動側フランジの外面を覆って前記絶縁容器の可動側端部まで延設されていることを特徴とする真空バルブ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブにおいて、
   前記可動側電極棒，前記ベローズ，前記絶縁リング，前記可動側フランジおよび前記金属ガイドで囲まれた内部空間から外部空間へ通じる通気口が、前記金属ガイドに設けられていることを特徴とする真空バルブ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブにおいて、
   前記可動側電極棒と前記金属ガイドとの摺動部に、ベアリングが設けられていることを特徴とする真空バルブ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブが搭載されていることを特徴とする開閉器。