JP3760413B2 - 自己反射アークスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、キャパシターバンクから大電流パルスを発生させるのに必要なアークスイッチ(Arc Switch)に関するものである。より詳細には、電熱化学発破器、脱黄脱窒システム、粒子加速器、大容量鎔接器、大出力パルスレーザー、電気溶解炉、プラズマ発生装置、光源システム、電熱化学砲、レーザー、大出力マイクロ波増幅器等のような科学技術から産業的利用に至るまで、様々な分野に必要な大電流パルスのスイッチとして使用できる自己反射アークスイッチに関するものである。

一般的に、半導体スイッチが充分に耐えることが難しい高電圧大電流パルス用スイッチとしては、アーク間隙スイッチまたはスパーク間隙スイッチが使用される。このようなスイッチは、数十kVの高電圧に耐えながら制御性が保障されなければならず、周辺の動作条件の変化に関係なく一定な動作特性を持たなければならない。特に、スイッチを通過する大電流パルスは、稲妻のような摂氏数万度の高温アーク(Arc)形態であるため、これによる電極の損傷を克服できる原理、構成及び素材を使用しなければならない。その他に、スイッチの容積、耐久性、維持管理性及び経済性等が考慮されなければならない。

一方、従来に提案された大電流パルス用スイッチとしては、イグニトロン(Ignitron)、逆ピンチ(Inverse Pinch)、疑似スパークギャップ(Pseudo Spark Gap)、真空トリガ(Triggered Vacuum)、回転アーク(Rotary Arc)等の様々な原理と方式がある。各々差別化された特性と長所短所を持っているが、前記の多様な要求条件すべてを充足させることはできずにいる。

特に、制御性と安定的な動作特性が保障されたスイッチング寿命が限定的であり、活用もまた非常に制限的である問題点を持っていた。このような問題点は、主に電極の焼損や絶縁材の放電破壊(Breakdown)によるスイッチの作動特性低下や機能喪失に起因し、酷い場合には破損することもある。

発明の要約
本発明は、前記のような従来の問題点を解決するために案出されたものである。その目的は、大電流と大電荷輸送容量でも局部的な電極の焼損や絶縁材表面での漏洩電流と絶縁破壊等の可能性を最小化して、スイッチの寿命を延長でき、制御性と安定的な動作特性を保障できるようにした自己反射アークスイッチを提供することにある。

発明の詳細な説明
前記のような目的を達成するための本発明による自己反射アークスイッチは、直径がお互いに異なる円筒形の二電極を同軸に配列して電流経路を調整し、軸方向の一方の末端でトリガー電極で開始させた同軸電極間のスイッチングアークが、自ら軸方向または円柱方向に往復反射運動をするようにすることによって、有効電極面積を極大化し、アークエネルギーがスイッチの電極に均一に分散されるようにすると同時に、絶縁材にアークが近接できないようにする構造と原理で作動することを特徴とする。

結果的に大電流と電荷容量でも、従来のスイッチと比べて局部的な電極の焼損や絶縁材表面での漏洩電流と絶縁破壊の可能性が少なく、制御性と安定的な動作特性が保障されたスイッチング寿命が、大幅に延長されるようにしたものである。また、一般的なスパーク間隙スイッチ等とは異なり、本発明の自己反射アークスイッチは、スイッチの大きさを拡げた分だけスイッチング容量が比例して限りなく大きくなる。

一方、単純に広い電極面積を活用しようとするスイッチとして、逆ピンチスイッチ、回転アークスイッチ等がある。逆ピンチスイッチでは、多数のトリガー電極を同時に使用した場合にジター(Jitter)時間が大きくなる傾向が見られるのに対して、本発明の自己反射アークスイッチは、1点トリガー方式としても作動するようにして、このような問題点を解決できる。回転アークスイッチは、アークが円柱に沿って回転しながら間隙を越える時、電流波形に雑音がプラスされ、電流引入/引出端子がお互いに円柱上の反対側に位置するため回路構成時にインダクタンスを減らすのには限界があり、電極の活用度が円柱の長さ方向に局限される反面、本発明の自己反射アークスイッチは、間隙の排除が可能で電流の引入/引出端子を隣接させることができ、電極を軸方向に拡張できるため、低雑音、低インダクタンス、広い有効電極面積を実現できる。

また、スイッチングアークの運動が、1回性のスイッチの場合には、電流が大きくなったり放電時間が長くなれば、電極の長さまたは直径も共に長くするか大きくしなければならないが、本発明のスイッチでは、アークの往復反射運動が放電終了時まで継続反復するため、電極の大きさを大きく減らせる特徴がある。

上述した本発明の目的と様々な長所は、この技術分野に熟練した人々によって、添付した図面を参照し、後述する発明の好ましい実施例からさらに明確になる。

発明を実施するための形態

以下、添付した図面を参照しながら本発明の好ましい実施例に対して詳細に説明する。
図１は、本発明による自己反射アークスイッチ(Self bouncing Arc Switch)の断面図である。
同図面に図示したように、本発明の自己反射アークスイッチは、中心軸水平に貫通結合して中心軸周辺に円筒形に形成された中心円筒電極１と、該中心円筒電極１の外周面と所定間隔を置いて空間部１１を形成しながら同心に配列した円筒形の外郭円筒電極２と、前記中心円筒電極１と前記外郭円筒電極２の間で軸方向または円柱方向にスイッチングアークを接触させるために、前記中心円筒電極１と前記外郭円筒電極２の空間部１１にアーク作動気体を注入するための注排気口８であって、前記注入されたアーク作動気体を排気するための注排気口８と、前記中心円筒電極1と外郭円筒電極２間の両端部に位置し、前記空間部１１のアーク作動気体にスイッチング アークを開始させる少なくても一つ以上のトリガー電極９と、前記外郭円筒電極２の両側端で外側に折り曲げて所定の間隔を置いて、前記外郭円筒電極２の外郭円柱上に位置する内側電流経路導体２ａと、前記中心円筒電極１の両側端で外側に折り曲げられ前記内側電流経路導体２ａの外側に絶縁体５を間に置いて被せられる外側電流経路導体１ａと、前記内側電流経路導体２ａ及び外側電流経路導体１ａの端部に外部回路との接続のための端子部１０を含んで構成する。

詳細に説明すると、中心円筒電極1と外郭円筒電極2の両側末端部の各周辺を円板導体で連続し、各電極当り左右1個ずつ都合2対の円板導体を二電極1、2両方の半径方向外側に位置した二個の同心円筒形電流経路導体1a、2aに同じ極性同士集まり並んでつながるようにし、各円筒形の電流経路導体1a、2aを軸方向上の中央から左右対称に分けた後、電流入出のための端子部10を具備し、各電流経路導体1a、2aが絶縁層5で分離されるようにして、二放電電極1、2の中間に位置しスイッチングアークを開始させる一つまたは幾つかのトリガー電極9と、スイッチ内部のアーク作動気体の排気と注入のための一つまたは幾つかの作動気体注入及び排気口8のための管を、スイッチの軸方向両末端板に各々挿入して、一方のトリガー電極9で軸方向の一方末端でスイッチングアークを開始するようにすることによって、以後、スイッチングされる電流が別途の外部手段なしに自身の経路を自ら調整して、同軸電極間のスイッチングアークが軸方向または円柱方向に往復反射運動をするようにすることによって有効電極面積を極大化し、アークエネルギーがスイッチの電極に均一に分散されるようにすると同時に、アークが絶縁材に近接できないようにする構造と原理により作動するようにする。

一方、外部負荷側への接続のために準備する端子部10は、内側電流経路導体2aと前記外側電流経路導体1aの中心部外周上に、前記絶縁体5を間に置いて外側に突出させて形成するか、同軸上の内外側に絶縁された各々の導線が前記内側電流経路導体2a及び前記外側電流経路導体1aと各々接続する同軸ケーブルを少なくても一つ以上設置できる。

一例として、図3の実施例のように一つの同軸ケーブル構造の端子がある場合に、本発明のスイッチの外形は、円筒形の頭を持った金槌模様になり、同軸ケーブル構造端子は金槌の柄に該当する形状である。複数個の同軸ケーブル構造端子が付着した場合には、スイッチの円筒周りに軸対称になるように等間隔で配置することが好ましい。

アークが電極の軸方向の両末端に至った時、反射力をさらに高める必要がある場合には、各電極の軸方向に左右対称になる中間地点に間隙3、4を置くか、または円筒形外郭円筒電極1とこの円筒形外郭円筒電極1につながる左右対称構造の電流経路導体で取り囲まれた空間に形成された絶縁体6を大きくする。即ち、間隙3、4と絶縁体6、即ち、電流経路導体で取り囲まれた空間の大きさを同時にまたはどちらか一つだけを調節して、アークが軸方向両末端に近接した時、アークに加えられる反射力を調整したり、反復する軸方向往復反射運動の周期を調整する。

左右中心円筒電極1の間に、そして、左右外郭円筒電極2の間に各々間隙3、4を置くことに関係なく、基本的にスイッチを軸方向左右対称に分離できる構造に作ることは、スイッチ製作時組立や製作工程を容易にするために好ましい。

スイッチの軸方向両末端の一方でアークが始まるように、二電極1、2間にトリガー電極9を挿入する。二電極1、2の焼損が左右対称的に起きない場合に対備して、左右に一緒に各々トリガー電極9を設置して一定回数のスイッチングがあった後、交代して作動できるようにするとスイッチの寿命が延長される。

複数個のトリガー電極９を導入した場合、このトリガー電極９は、スイッチ軸方向端の円板構造において軸対称になるように放射状に位置させ、電流経路導体と電気的に高電圧絶縁されるように設置する。

このようなトリガー電極9の個数には、特別な制限はなく、一回のスイッチング動作には、いずれかの一方のトリガー電極だけを使用する。

作動気体注入及び排気口8を軸方向両末端の二電極1、2の間に置いた。スイッチングアークによりスイッチ内部に高い圧力が発生した場合には、この圧力衝撃によるスイッチの破損を防止するために、作動気体注入及び排気口8に適当容積の衝撃吸収用安全容器を連結する。

スイッチ内部の窒素や重水素等のアーク作動気体、または真空状態が大気と隔離されるように電極及び電流経路導体、そして絶縁体間とトリガー電極9及び作動気体注入及び排気口8の挿入部位は、ガスケットや金属/セラミック等の手段で遮蔽して構成する。

次に上述した構成を持った本発明の自己反射アークスイッチの動作過程を詳細に説明する。
トリガー電極9によりスイッチ内の一末端で放電が開始されると、電流経路導体の左右対称の外郭円筒電極2と中心円筒電極1に流れる電流は、放電を始めた側の電流経路導体に偏重される。一例として、放電が図1に図示したスイッチの右側端で始まると、i₁₁ + i₂₁ = i₁₂ + i₂₂ = i の放電電流 i は、 i₂₁ + i₂₂ > i₁₁ + i₁₂ の配分で流れる。これは、放電電流により発生した磁気場B₁ < B₂ になり、アーク電流柱が左側に力を受けて動くようになる。

理解しやすくするために、電流 i が放電期間中一定であると仮定すると、この力は、電極の右側で最も大きく、アーク電流柱が進行しながら減少した後、左右対称になる電極の中央地点に至ると消滅する。アーク電流柱が左右対称の右半部を進行しながら得る運動量で電極の中央地点を越えて継続左側に進行すると、今度は、放電電流 i が i₂₁ + i₂₂ < i₁₁ + i₁₂ の配分で流れるようになり、B₁ > B₂ になり、アーク電流柱に方向が反対で大きさが空間的に右側の時と左右対称になる力が作用する。結果的に、スイッチの中心軸方向に左右対称の電位井戸(Potential Well)が形成され、アーク電流柱は放電が持続する間、両末端で交互に反射する往復運動をするようになる。

放電電流 i が時間的に変化する場合にも、たとえ振幅の変化が線形的でなかっても、このような往復反射運動の基本的な原理は有効である。アーク電流柱が、反射往復運動する間、いずれか一つの位置での力の大きさは、電流 i の大きさの他にも電極1、2間の間隔、絶縁層5の厚み、電極1、2及び各電流経路導体の厚み、外郭円筒電極2とこの外郭円筒電極の左右対称電流経路で取り囲まれた絶縁空間6の大きさ、そして間隙3、4の有無及び大きさの函数である。

一方、1点トリガーによりアークが円柱方向に均一に始まらないようになると、アーク電流柱は広く知られたキンク不安定性(Kink Instability)により円柱方向への運動が起こり始める。このように始まったアークの円柱方向運動は、上で説明した軸方向の直線往復反射運動のような原理で図2に示したように二電極間で円柱を沿って時計の振り子のように往復反射運動を放電が持続する間継続する。自発的なキンク不安定性がなかっても、トリガー位置とスイッチでの電流入出位置を円柱上に一定角度でちぐはぐにすると、同じ効果を得られる。円柱方向の振動周期と軸方向の振動周期の比は、スイッチの形状比、電極のサイズ、電流の大きさ、電流経路間の距離に依存する。

以上で説明したように本発明の自己反射アークスイッチは、電熱化学発破器、脱黄脱窒システム、粒子加速器、大容量鎔接器、大出力パルスレーザー、電気溶解炉、プラズマ発生装置、光源システム、電熱化学砲、レーザー、大出力マイクロ波増幅器等の科学技術及び産業的利用分野に至るまで、大電流パルスを必要とする装備と分野に制御性と安定的な動作特性が保障された長寿命のスイッチとして広く実用化でき、高価の大電力半導体スイッチシステムを代替する効果を得られる。

また、安定的なスイッチング寿命が従来の放電スイッチに比べて大幅に向上されただけ、電極や電流経路導体に適切な冷却手段を具備すれば、単発性短絡スイッチの外にも、スイッチング反復速度が高いか、放電時間が長く累積熱負荷が大きいスイッチが必要な応用回路、例えば頻繁な大電流のクロウバー(Crowbar)やフリーホイ-リング(Freewheeling)等が必要な電気回路にも適用できる。

本発明の一実施例によるもので、同軸電極間で自己反射往復運動をするアークを利用して瞬時大電流を短絡させるスイッチの概略的構造を示した断面図である。 同軸の断面上でも電流を輸送するアークが、時計の振り子のように自己反射往復運動する原理を示した概念図である。 図1で端子部を同軸ケーブルが接続されるようにした実施例による図である。

符号の説明

1: 同軸の中心円筒電極導体
1a: 外側電流経路導体
2: 同軸の外郭円筒電極導体
2a: 内側電流経路導体
3: 外郭円筒電極の左右対称間隙
4: 中心円筒電極の左右対称間隙
5: 中心円筒電極導体と外郭円筒電極導体間の絶縁体
6: 外郭円筒電極導体の左右電流経路を分離する絶縁体
7: スイッチ同軸構造の左右を締め切る絶縁性構造体
8: 作動気体の注入及び排気口
9: 電極の左右端でアークを誘導するトリガー電極(Trigger electrode)
10: 端子部
11: 空間部

Claims (4)

1. 中心軸水平に貫通結合し、中心軸周辺に円筒形に形成された中心円筒電極と、該中心円筒電極の外周面と所定間隔を置いて空間部を形成しながら同心に配列した円筒形の外郭円筒電極と、
   前記中心円筒電極と前記外郭円筒電極間で軸方向または円柱方向にスイッチングアークを接触させるために、前記中心円筒電極と前記外郭円筒電極の空間部にアーク作動気体を注入するための注排気口であって、前記注入されたアーク作動気体を排気するための注排気口と、
   前記中心円筒電極と外郭円筒電極間の両末端部に位置し前記空間部のアーク作動気体にスイッチングアークを開始させる少なくても一つ以上のトリガー電極と、
   前記外郭円筒電極の両側端で外側に折り曲げられ所定の間隔を置いて前記外郭円筒電極の外郭円柱上に位置する内側電流経路導体と、
   前記中心円筒電極の両側端で外側に折り曲げられ前記内側電流経路導体の外側に絶縁体を間に置いて被せられる外側電流経路導体と、
   前記内側電流経路導体及び外側電流経路導体の端部に外部回路との接続のための端子部を含むことを特徴とする自己反射アークスイッチ。
2. 前記外郭円筒電極と前記内側電流経路導体との間の間隔により形成される空間に挿入する円筒形絶縁体の厚み、そして前記外郭円筒電極と前記中心円筒電極の軸方向中心部に形成する各々の所定間隙の大きさで、アークが軸方向両末端に近接した時、アークに加えられる反射力を調整するか、軸方向往復反射運動の周期を調整できるように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の自己反射アークスイッチ。
3. 前記端子部は、内側電流経路導体と前記外側電流経路導体の中心部外周上で、前記絶縁体を間において、内側電流経路導体と前記外側電流経路導体を外側に突出して形成したものであるか、あるいは、内側電流経路導体と前記外側電流経路導体にそれぞれ接続された内側と外側に互いに絶縁されて配置された導線を有する同軸ケーブルによって形成したものであるかのいずれかであることを特徴とする、請求項１または２に記載の自己反射アークスイッチ。
4. 前記外側電流経路導体と一体に形成された中心円筒電極、前記内側電流経路導体と一体に形成された外郭円筒電極、及び前記絶縁体が左右対称に分割可能な構造からなることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の自己反射アークスイッチ。

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