JP4729600B2 - 真空スイッチギヤ - Google Patents

Description

本発明は、真空スイッチギヤに関するものである。

従来この種真空スイッチギヤにおいては、固定電極側端板と動電極側端板と絶縁筒と両端面の接着面積が大きいと、互いの線膨張係数の相違によりクラックが発生する恐れがある。

しかしながら、従来技術では絶縁筒の接着部に生じる熱応力や線膨張係数の相違等によるクラックの発生防止については配慮されていなかった。

特開２００１−３３８５５７号公報

上記特許文献１の真空スイッチギヤは、絶縁筒の接着部の端部を覆うように金属製の椀状のシールドを設けることによって、電界緩和の効果が期待できる。

しかしながら固定電極側端板、可動電極側端板と絶縁筒の両端面の接着面積が大きい場合、互いの線膨張係数の相違によりクラックが発生する恐れがある。また、同様にエポキシ樹脂等の絶縁外皮と絶縁筒の線膨張係数の相違による絶縁外皮にクラックが発生する恐れがある。

これを防止するためには絶縁筒の外周壁と端部にシリコーンゴム等の応力緩和材皮を設ける必要がある。しかし、通常、真空容器を構成する固定電極側端板，可動電極側板，絶縁筒，中央シールド，内部端部シールドの固定にはろう付けが用いられている。従って金属製の椀状のシールド板が取り付けられた後に応力緩和材皮を設けることになると、接着部の端部を覆うように形成されている椀状のシールド板によって、絶縁筒の端部付近における応力緩和材皮の形成は困難である。

本発明の目的は、絶縁外皮の内部および真空容器内部の電界緩和を達成しながら、同時に絶縁筒の接着部に生じる熱応力等によるクラックを防げることが可能な真空スイッチギヤを提供することにある。

上記目的は、セラミックス絶縁筒の両端を固定電極側端板と可動電極側端板とを接続封止して形成された真空容器と、この真空容器の内部で対向させて取り付けられた固定電極リード及び可動電極リードと、前記固定電極リードの端部に取り付けられた固定電極と、前記可動電極リードに取り付けられた可動電極と、前記真空容器の外周に樹脂で形成される絶縁外皮を備えた真空スイッチギヤにおいて、前記絶縁筒と前記可動電極側端板との接続部であって、この接続部の外周に金属製の外部端部シールドを設け、この外部端部シールドの内周面に設けられた係合部と、この係合部と対向する電極端板に設けられた係合部とを備え、この両係合部同士が嵌合し、該両係合部のうち少なくともいずれか一方は凹部若しくは凸部で形成されていることにより達成される。

また上記目的は、前記外部端部シールドの外周端には曲面が形成され、この曲面の先端は前記絶縁筒の外周壁より絶縁外皮側に位置することにより達成される。

また上記目的は、前記真空容器外部に位置する前記外部端部シールドの先端は前記絶縁筒と前記各電極側端板の接着部を覆うように成形され、前記先端は絶縁筒の端部より絶縁筒の中心部側に位置することにより達成される。

本発明によれば、絶縁外皮の内部および真空容器内部の電界緩和を達成しながら、同時に絶縁筒の接着部に生じる熱応力等によるクラックを防げることが可能な真空スイッチギヤを提供できる。

まず一般的な真空スイッチギヤについて図６〜図８を使って説明する。

図６は典型的な真空スイッチギヤの構造を示す断面図である。
図６において、真空スイッチギヤ１は、絶縁筒２の両端開口部を固定電極側端板３，可動電極側端板４により気密封止して真空容器５が形成されている。固定側電極リード６は、固定電極側端板３に真空気密に固定されている。可動側電極リード７は、べローズ８を介して可動電極側端板４に固定されて真空を保持したまま固定電極６ａと可動電極７ａの開閉ができる構成となっている。このような構成の真空容器５は、絶縁筒２内を高電圧に対して優れた絶縁耐力を有する高真空を利用して、高真空中で接点が開閉する際に発生するアークを直ちに消滅させて高電圧回路を遮断するようになっている。６ｂは固定側電極リード６の固定電極側端板３への位置決めのための鍔部である。

このように真空スイッチギヤ１は、高真空中で固定電極６ａと可動電極７ａを開閉するため、遮断に必要な電極間距離を大気中の場合より短くして高電圧回路を遮断できる。このため、真空スイッチギヤ１の電極を収納している絶縁筒２の外面をコンパクトにできるという利点がある。

しかしながら、絶縁筒２がコンパクトにできるものの、絶縁筒２の外側の沿面絶縁距離が短くなるため大気中の汚損物が絶縁筒２の外周に付着した場合、耐電圧が低下して外部短絡を生じやすくなる。そのためこの対策として真空容器５の外周にエポキシ樹脂等の絶縁外皮を設けたものがある。

図７は絶縁外皮で樹脂モールドされた従来の樹脂モールド真空バルブの構造を示す断面図である。
図７において、真空容器５の外側には、エポキシ樹脂等の絶縁外皮９が設けられている。一般的なこの種真空スイッチギヤ１では、絶縁筒２の両端開口部を固定電極側端板３と可動電極側端板４により気密封止して真空容器５が形成されている。この真空容器５は固定電極側端板３と可動電極側端板４と絶縁筒２とを組み合わせ、それぞれをろう付けで接着し、さらに接着剤で固定されている。

このような構成の真空スイッチギヤ１ではあるが、真空容器５の内部と絶縁外皮９内の接着部の両端部に電界集中が生じる恐れがある。このような電界集中を防ぐために絶縁外皮９内に金属製シールド板を設ける構造が提案されている。

また、図８に示すように真空容器の外周に、固定側電極リード６を露出させてエポキシ樹脂をモールドした絶縁外皮９を設けている。そして、この絶縁外皮９内には固定電極側端板３と可動電極側端板４と絶縁筒２が固定されている。この絶縁筒２の接着部の端部を覆うように金属製の椀状の外部端部シールド４（外）を設けた構造がある。

この種真空スイッチギヤにおいては、上述したように固定電極側端板３，可動電極側端板４と絶縁筒２の両端面の接着面積が大きいと、互いの線膨張係数の相違によりクラックが発生する恐れがある。

本発明の発明者らはクラックの発生防止を種々検討した結果、以下のような実施例を得た。

本発明の実施例１に係る真空スイッチギヤを図１〜図９を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る真空スイッチギヤの構成図である。
図１において、真空容器５はセラミックなどの絶縁材料で製造された概略円筒状の絶縁筒２を含んで形成されている。この真空容器５内に固定側電極リード６と可動側電極リード７が対向配置されている。各電極リード６と７の内端にはそれぞれ固定電極６ａと可動電極７ａが取り付けられている。固定電極６ａと可動電極７ａは銅などの良導電体で製造されている。固定側電極リード６は鍔部６ｂが形成された概略棒状からなり、固定電極側端板３を貫通して鍔部６ｂの一側面を固定電極側端板３に固定されている。

一方、可動側電極リード７は同様に概略棒状からなり、可動電極側端板４の孔を貫通して配設されている。この可動側電極リード７は可動電極側端板４との間に設けられた伸縮手段としてのベローズ８が設けられており、このベローズ８によって可動電極側端板４と接続されている。

可動電極７ａは移動手段（図示せず）によって固定電極６ａと接離ができるようになっている。また、固定電極側端板３および可動電極側端板４の中央部には孔が形成され、この孔に固定側電極リード６と可動電極リード７が貫通されている。

真空容器５は絶縁筒２の両端を気密封止するために、絶縁筒２の両端に固定電極側端板３と可動電極側端板４が固着されている。両電極６ａ，７ａの接離時にはアークべーパーが生じて絶縁筒２の内周面を汚損してしまうため、両電極６ａ，７ａを囲む中央シールド１０が絶縁筒２内に固着されている。これらの部品の絶縁筒２内壁への固定は銀ろう付けが用いられている。このために生じる絶縁筒２と可動電極側端板４の接着部の電界集中を防ぐために、絶縁筒２と可動電極側端板４の接着部を覆うように内部端部シールド４（内）が取付けられている。

可動電極側端板４はステンレス鋼などで製造されており、線膨張係数は１６.０×１０^-6（１／Ｋ）である。この可動電極側端板４と接着固定されるアルミナなどで製造される絶縁筒２の線膨張係数は７.５×１０^-6（１／Ｋ）である。

このような熱物性値の違いにより、熱が加わるモールディング工程の中で大きく異なった自由膨張もしくは収縮が生じ接着界面の端部に熱応力が発生する。

本実施例では、異なる線膨張係数の材料で製造される部材の接着面積を小さくすることで熱応力の発生を防ぐようにしたものである。さらに絶縁外皮９の線膨張係数は２２〜２６×１０^-6（１／Ｋ）であり、絶縁筒２の線膨張係数との差が大きく、絶縁外皮９のクラックを防止する必要がある。そのために絶縁筒２の外周面と端部に応力緩和材皮２ａ（シリコンゴム等）がコーティングされている。

真空容器５の外部にも絶縁筒２と可動電極側端板４の接着部における電界緩和が必要であることから、外部端部シールド４（外）が固定されている。この外部端部シールド４（外）と可動電極側端板４の取り付け手段はろう付けではなく、可動電極側端板４と同心状に凸部４ｂを有する外部端部シールド４（外）と凸部４ｂを有する可動電極側端板４を嵌め合わせて固定している。従って、ろう付けにより絶縁筒２と固定電極側端板３と可動電極側端板４とが接合されて真空容器が形成された後に応力緩和材皮２ａが絶縁筒２の外周を覆われている。応力緩和材皮２ａが絶縁筒２の端部まで形成させた後に外部端部シールド４（外）を設けるようになっている。

本実施例である絶縁筒２と可動電極側端板４との接着部を拡大図（円で囲んで拡大図）で再度説明すると、可動電極側端板４に設けられた凸部４ｂと対向するように外部端部シールド４（外）に凹部４ｃが設けられている。絶縁筒２の直下に位置する可動電極側端板４に対して外部端部シールド４（外）の先端４ａは絶縁筒２の外径より張り出し、絶縁筒２の外周に設けられた応力緩和材皮２ａよりも張り出している。

外部端部シールド４（外）の詳細な構造を図２，図３で説明する。

図２は実施例１で説明した電極側端板の凸部を示す斜視図（ａ）と平面図（ｂ）である。
図３は実施例１で説明した外部端部シールドの凹部を示す斜視図（ａ）と平面図（ｂ）である。
図２，図３において、図２に示す可動電極側端板４の凸部４ｂと図３に示す外部端部シールド４（外）の凹部４ｃは機械加工またはおよび鋳造によって製造される。

可動電極側端板４の凸部４ｂと外部端部シールド４（外）の凹部４ｃの取り付け工程を以下に説明する。

可動電極側端板４の凸部４ｂと外部端部シールド４（外）の凹部４ｃとが重ならないように外部端部シールド４（外）を可動電極側端板４の底面円周に位置させる。外部端部シールド４（外）を絶縁筒２の端部に接触させるまでに電極側端板の外壁に滑らせる。その後、外部端部シールド４（外）の凹部と電極側端板の凸部４ｂが嵌め合うように外部端部シールド４（外）を真空容器５の軸方向を中心に回転させる。外部端部シールド４（外）の凹部と電極側端板の凸部４ｂが嵌め合わされた状態で図１に示した絶縁外皮９によって真空容器全体がモールドされる。

図３の外部端部シールド４（外）の形状はシールドが外端に曲面が設けられる。外部端部シールド４（外）の先端４ａは絶縁筒２の外周壁より絶縁外皮９側に位置している。これによって、図９に示すように絶縁筒２の端部と電極側板との接着部に生じる電界は、外部端部シールド４（外）がない従来構造の標準電界図９（ａ）に対し、本発明の実施例を示す図９（ｂ）では電極強度のピーク値が低くなる（実験結果では３３％低くなった）。

図４は実施例２を説明するシールド板を取り付けた状態の真空スイッチギヤの部分断面図である。
図４において、実施例１と同じように真空容器５の外部にも絶縁筒２と可動電極側端板４の接着部における電界緩和が必要である。そのため外部端部シールド４（外）を取り付けは、外部端部シールド４（外）と可動電極側端板４の取り付け手段はろう付けではなく可動電極側端板４と同心状に真空容器５の端部の外部に設けられる凹部を有する外部端部シールド４（外）と凸部を有する可動電極側端板４が嵌め合うようにして固定している。

図４の部分拡大図で示す可動電極側端板４の凸部４ｂと外部端部シールド４（外）の凹部４ｃは塑性加工などで製造している。可動電極側端板４の凸部４ｂは図３の場合、３６０°全周に設けたが、本実施例では凸部４ｂは２箇所以上であっても固定可能である。これらの取り付けは可動電極側端板４の凸部４ｂと外部端部シールド４（外）の凹部４ｃのＲによる弾性変形を利用することが可能である。そこで、本実施例では外部端部シールド４（外）を絶縁筒２の端部に接触させるまで外部端部シールド４（外）を電極側端板への挿入方向１１に可動電極側端板４の外壁で滑らせ、外部端部シールド４（外）の凹部４ｃと可動電極側端板４の凸部４ｂが嵌め合うようにしている。

図５は実施例３を説明するシールド板を取り付けた状態の真空スイッチギヤの部分断面図である。
図５において、実施例３の形態では、外部端部シールド４（外）が真空容器の外部にまで位置し、絶縁筒２と外部端部シールド４（外）の接着部を覆うように曲げられた板によって形成されている。外部端部シールド４（外）の曲率部の先端４ａは絶縁筒２の端部から絶縁筒２の中央部の方に位置される。このようにシールド板に曲率部を設けることと、接着部を覆うように曲げられた板に形成することによって、真空容器内外部の大幅な電界緩和が期待できる。

図５の部分拡大図で示す電極側端板の凸部状態４ｂと外部端部シールドの凹部４ｃは塑性加工などで製造できるが、可動電極側端板４の凸部は２箇所以上設けられている。これらの取り付け方は実施例２と同様であり、電極側端板の凸部状態４ｂと外部端部シールドの凹部４ｃ状態の弾性効果を利用するものである。つまり、外部端部シールド４（外）を絶縁筒２の端部に接触させるまで外部端部シールド４（外）を電極側端板への挿入方向１１に可動電極側端板４の外壁に滑らせ、外部端部シールド４Ｓｏｕｔの凹部と電極側端板の凸部が嵌め合わせるようになっている。

真空容器５の外周には、所定の厚さで設けられた樹脂などで製造する絶縁外皮９で形成されている。このとき、絶縁外皮９内部に隙間ができる恐れがあるため、真空容器５の外周形状は大きな凸凹などの複雑な形状を用いることは難しい。しかし、一般的な構造を示した図８のように、絶縁外皮９内部の電界緩和のために椀状の中央シールド１０を用いて電界集中を防げる構造にする場合、絶縁外皮９を設ける際に隙間が生じる恐れがある。

本実施例に示した３つの外部端部シールド４（外）は凹部４ｃの先端４ａに大きく曲面を設け、絶縁筒２の外周壁より絶縁外皮９内部に位置させている。これにより大きく曲げるなどの複雑な構造を設けずに電界緩和が期待できる。また、外部端部シールド４（外）の表面および可動電極側端板４の表面に導電性の塗料が塗布されることで、絶縁外皮と外部端部シールドの凹部４ｃおよび可動電極側端板４の接触界面に剥離が生じても絶縁性能を確保することができる。

実施例１の形態を説明する真空スイッチギヤの断面図である。 実施例１の電極側端板の凸部を説明する斜視図（ａ）及び正面図（ｂ）である。 実施例１の外部端部シールドの凹部を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 実施例２を説明する真空スイッチギヤの断面図である。 実施例３を説明する真空スイッチギヤの断面図である。 一般的な真空スイッチギヤの断面図である。 絶縁外皮で樹脂モールドされた一般的な樹脂モールド真空スイッチギヤの断面図である。 外部端部シールド板を取り付けた一般的な真空スイッチギヤの断面図である。 一般的な形態（ａ）と本発明の形態（ｂ）の電界強度を比較する図である。

１ 真空スイッチギヤ
２ 絶縁筒
２ａ 応力緩和材皮
３ 固定電極側端板
４ 可動電極側端板
４（内） 内部端部シールド
４（外） 外部端部シールド
４ａ 先端
４ｂ 凸部
４ｃ 外部端部シールドの凹部
５ 真空容器
６ 固定側電極リード
６ａ 固定電極
６ｂ 鍔部
７ 可動側電極リード
７ａ 可動電極
８ ベローズ
９ 絶縁外皮
１０ 中央シールド
１１ シールドの電極側端板への挿入方向

Claims (3)

1. セラミックス絶縁筒の両端を固定電極側端板と可動電極側端板とを接続封止して形成された真空容器と、この真空容器の内部で対向させて取り付けられた固定電極リード及び可動電極リードと、前記固定電極リードの端部に取り付けられた固定電極と、前記可動電極リードに取り付けられた可動電極と、前記真空容器の外周に樹脂で形成される絶縁外皮を備えた真空スイッチギヤにおいて、
   前記絶縁筒と前記可動電極側端板との接続部であって、この接続部の外周に金属製の外部端部シールドを設け、この外部端部シールドの内周面に設けられた係合部と、この係合部と対向する電極端板に設けられた係合部とを備え、この両係合部同士が嵌合し、該両係合部のうち少なくともいずれか一方は凹部若しくは凸部で形成されていることを特徴とする真空スイッチギヤ。
2. 請求項１に記載の真空スイッチギヤにおいて、
   前記外部端部シールドの外周端には曲面が形成され、この曲面の先端は前記絶縁筒の外周壁より絶縁外皮側に位置することを特徴とする真空スイッチギヤ。
3. 請求項１に記載の真空スイッチギヤにおいて、
   前記真空容器外部に位置する前記外部端部シールドの先端は前記絶縁筒と前記各電極側端板の接着部を覆うように成形され、前記先端は絶縁筒の端部より絶縁筒の中心部側に位置することを特徴とする真空スイッチギヤ。

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