JP5171298B2 - 樹脂モールド真空バルブ - Google Patents

Description

本発明は、接離自在の一対の接点を有する真空バルブを絶縁材料でモールドした樹脂モールド真空バルブに関する。

真空バルブは、接離自在の一対の接点を収納する真空絶縁容器内が高真空に保たれ、優れた絶縁耐力を有するので、外形形状をコンパクトにできる利点がある。しかしながら、真空絶縁容器の外部では、沿面絶縁距離が短く、高電圧に適用し難い問題がある。

そこで、従来、真空絶縁容器の周りにエポキシ樹脂のような絶縁材料をモールドして沿面絶縁距離を確保する樹脂モールド真空バルブが知られている。この場合、真空絶縁容器の両端開口部に封着されている封着金具端がシャープエッジであり、電界強度が上昇するので、封着金具を覆うような金属製の椀状の電界緩和シールドが設けられている。電界緩和シールドは、その端部が真空絶縁容器とラップするまで伸びており、真空絶縁容器と一体でモールドされている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２８５４３０号公報 （第３ページ、図６）

上記の従来の樹脂モールド真空バルブにおいては、次のような問題がある。
電界緩和シールドにより封着金具端の電界強度を低減させることができるものの、電界緩和シールドとエポキシ樹脂との熱膨張係数の差異から、モールド後の絶縁層内の残留応力が過大となり亀裂を発生させることがある。

電界緩和シールドの軸方向の長さを長くし、その端部が真空絶縁容器とラップする距離を長くするほど、電界緩和の効果が大きくなるが、その分、絶縁層内の残留応力が大きくなる。逆に、真空絶縁容器とラップする距離を短くすると、残留応力が低減されるが、電界緩和の効果が小さくなる。このため、電界緩和の効果が充分に発揮でき、残留応力を低減させることのできる電界緩和シールドが望まれていた。また、真空絶縁容器内を含めたトータル的な電界緩和が望まれていた。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、絶縁層内の残留応力が小さく、電界緩和の効果の大きい電界緩和シールドを埋め込んだ樹脂モールド真空バルブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の樹脂モールド真空バルブは、筒状の真空絶縁容器と、前記真空絶縁容器の一方端開口部に封着された固定側封着金具と、前記固定側封着金具に貫通固定された固定側通電軸と、前記固定側通電軸の中間部に設けられるとともに、前記真空絶縁容器の一方端に対向するように配置された固定側内部シールドと、前記固定側通電軸端に設けられた固定側接点と、前記真空絶縁容器の他方端開口部に封着された可動側封着金具と、前記可動側封着金具を移動自在に貫通する可動側通電軸と、前記可動側通電軸端に設けられるとともに、前記固定側接点と接離する可動側接点と、前記可動側通電軸の中間部に一方端が封着され、他方端が前記可動側封着金具に封着された伸縮自在のベローズと、前記可動側封着金具に設けられるとともに、前記ベローズの中間部までを囲むように配置された可動側内部シールドと、前記固定側封着金具とともに、前記真空絶縁容器の一方端を囲むように設けられた固定側外部シールドと、前記可動側封着金具とともに、前記真空絶縁容器の他方端を囲むように設けられた可動側外部シールドと、前記真空絶縁容器、前記固定側外部シールド、前記可動側外部シールドの外周に設けられた絶縁層とを備えたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の樹脂モールド真空バルブは、筒状の真空絶縁容器と、前記真空絶縁容器の一方端開口部に封着された固定側封着金具と、前記固定側封着金具に貫通固定された固定側通電軸と、前記固定側通電軸の中間部に設けられるとともに、前記真空絶縁容器の一方端に対向するように配置された固定側内部シールドと、前記固定側通電軸端に設けられた固定側接点と、前記真空絶縁容器の他方端開口部に封着された可動側封着金具と、前記可動側封着金具を移動自在に貫通する可動側通電軸と、前記可動側通電軸端に設けられるとともに、前記固定側接点と接離する可動側接点と、前記可動側通電軸の中間部に一方端が封着され、他方端が前記可動側封着金具に封着された伸縮自在のベローズと、前記可動側封着金具に設けられるとともに、前記ベローズの中間部までを囲むように配置された可動側内部シールドと、前記固定側封着金具とともに、前記真空絶縁容器の一方端を囲むように設けられた固定側外部シールドと、前記可動側封着金具とともに、前記真空絶縁容器の他方端を囲むように設けられた可動側外部シールドと、前記真空絶縁容器、前記固定側外部シールド、前記可動側外部シールドの外周に設けられた絶縁層とを備え、前記固定側封着金具と前記固定側内部シールド間距離、および前記可動側封着金具と前記可動側内部シールド間距離をＬ１とし、前記固定側封着金具と前記固定側外部シールド先端間距離、および前記可動側封着金具と前記可動側外部シールド先端間距離をＬ２とすると、Ｌ２／Ｌ１＝０．４〜１．３としたことを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例に係る樹脂モールド真空バルブを図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る樹脂モールド真空バルブの構成を示す断面図、図２は、本発明の実施例に係る樹脂モールド真空バルブの各部の位置関係を説明する拡大断面図、図３は、本発明の実施例に係る電界強度と残留応力との関係を説明する特性図、図４は、本発明の実施例に係る電界強度と内部シールドとの関係を説明する特性図である。

図１に示すように、真空絶縁容器１の両端開口部には、固定側封着金具２と可動側封着金具３とが封着されている。固定側封着金具２には、固定側通電軸４が貫通固定され、真空絶縁容器１内の中間部に椀状の固定側内部シールド５、端部に固定側接点６が設けられている。固定側接点６に対向して接離自在の可動側接点７が、可動側封着金具３を移動自在に貫通する可動側通電軸８端部に設けられている。

可動側通電軸８の中間部には、伸縮自在のベローズ９の一方端がアークシールド１０とともに封着され、他方端が可動側封着金具３に封着されている。可動側封着金具３には、その端部がベローズ９の中間部までを覆うように配置された筒状の可動側内部シールド１１が設けられている。これにより、真空絶縁容器１内の真空を保って、可動側接点７が軸方向に移動できるようになっている。また、固定側接点６と可動側接点７とを包囲するような筒状のアークシールド１２が真空絶縁容器１内の中間部に固定されている。

真空絶縁容器１外には、筒状の固定側外部シールド１３が固定側封着金具２に固定され、固定側封着金具２とともに、その端部が真空絶縁容器１の一方端を囲むように設けられている。また、可動側封着金具３には、筒状の可動側外部シールド１４が固定され、可動側封着金具３とともに、その端部が真空絶縁容器１の他方端を囲むように設けられている。これら真空絶縁容器１、固定側外部シールド１３、可動側外部シールド１４の外周には、エポキシ樹脂のような絶縁材料でモールドされた絶縁層１５が形成されている。固定側外部シールド１３、可動側外部シールド１４は、真空絶縁容器１と所定の間隔を有し、絶縁層１５内に埋め込まれる。絶縁層１５両端には、固定側と可動側ともテーパ状の界面接続部１５ａが設けられ、図示しない他の電気機器が接続される。外周には、導電性塗料を塗布した接地層１６が設けられている。

次に、内部シールド５、１１、外部シールド１３、１４の位置関係の詳細を図２に示す固定側を参照して説明する。なお、可動側も同様の位置関係にある。

先ず、固定側封着金具２と固定側内部シールド５の底部間距離をＬ１とし、固定側封着金具２と固定側外部シールド１３の先端間距離をＬ２とすると、Ｌ２＞Ｌ１としている。即ち、固定側内部シールド５よりも、固定側外部シールド１３先端を固定側接点６方向に伸ばしている。

この関係を図３を参照して説明する。図３は、横軸をＬ２／Ｌ１とし、縦軸を真空絶縁容器１内面の沿面電界強度と、絶縁層１５内の残留応力としている。沿面電界強度は、Ｌ２／Ｌ１の比を大きくすると急激に低下し、Ｌ２／Ｌ１＝０．４以上の領域から緩やかに低下する特性となる。残留応力は、Ｌ２／Ｌ１の比にほぼ比例して直線的に上昇し、Ｌ２／Ｌ１＝１の点からその上昇率が低下して、Ｌ２／Ｌ１＝１．３以上の領域から樹脂の機械的強度の臨界値を越える特性となる。

これより、沿面電界強度を抑制するためには、Ｌ２／Ｌ１＝０．４以上がよく、また、残留応力を抑制するためには、Ｌ２／Ｌ１＝１．３以下がよいことになる。ここで、沿面電界強度と残留応力の両方を満足させるためには、Ｌ２／Ｌ１＝０．４〜１．３となる。しかしながら、残留応力を効果的に抑制するには、上昇率の小さいＬ２／Ｌ１＝１超過〜１．３の範囲が好ましい。

即ち、Ｌ２＞Ｌ１の領域では、沿面電界強度を充分に抑制でき、固定側外部シールド１３の軸方向の長さによる残留応力の増加が緩慢となり、残留応力を効果的に抑制するものとなる。なお、Ｌ２＝１．３超過では、残留応力が臨界値を超えるばかりでなく、固定側外部シールド１３の軸方向の長さが長くなり、真空絶縁容器１と同軸上に取り付けるための間隔調整が困難となる。なお、固定側外部シールド１３を、例えば板厚の薄い銅板のような金属筒を絞り加工で製作すると、残留応力を吸収するので好ましいものとなる。

次に、図２に示すように、固定側内部シールド５の外径をＤ１とし、真空絶縁容器１の内径をＤ２とすると、Ｄ１／Ｄ２＝０．８〜０．９としている。これは、図４に示すように、真空絶縁容器１の沿面電界強度を抑制するためには、固定側内部シールド５の外径Ｄ１は大きいほどよく、外周が真空絶縁容器１沿面に接触しない程度がよいためである。また、真空絶縁容器１の外径をＤ３とし、固定側外部シールド１３の外径をＤ４とすると、Ｄ３／Ｄ４＝０．８〜０．９としている。これも固定側外部シールド１３の外径Ｄ４を最小に抑え、真空絶縁容器１外周に接触しない程度とするものである。また、絶縁層１５の外径をＤ５とすると、Ｄ４／Ｄ５＝０．８〜０．９としている。

即ち、真空絶縁容器１端の内側と外側から挟んで囲むように、固定側内部シールド５と固定側外部シールド１３を配置し、これらを同様の寸法比率の同軸上配置としている。更には、絶縁層１５の外径も同様の寸法比率の同軸上配置としている。これにより、固定側通電軸４から接地層１６までの電界分布の乱れが少なく良好なものとなる。

ここで、固定側内部シールド５、真空絶縁容器１、固定側外部シールド１３、絶縁層１５の内外径は、製造のバラツキや取り付け寸法精度などによって多少の誤差を生じる。このため、Ｄ１／Ｄ２、Ｄ３／Ｄ４、Ｄ４／Ｄ５の寸法比率を全て同様にすることは困難である。しかしながら、各寸法比率が上述の範囲内にあれば、良好な電界分布を得ることができる。このため、各寸法比率を０．８〜０．９の範囲内に納めることを、固定側内部シールド５、真空絶縁容器１、固定側外部シールド１３、絶縁層１５などの内外径の比を同等範囲にすると定義する。

なお、真空絶縁容器１内周から固定側内部シールド５までの距離よりも、真空絶縁容器１外周から固定側外部シールド１３までの距離を小さくすると、より好ましいものとなる。これは、これらが同軸電極配置のあるためである。また、電界強度を更に抑制するため、絶縁層１５の外径Ｄ５をより大きくし、上述の比を小さくしてもよい。

次に、図２に示すように、固定側内部シールド５端の曲率半径をＲ１とし、固定側外部シールド１３端の曲率半径をＲ２とすると、Ｒ１＞Ｒ２としている。これは、真空中よりも絶縁層１５の絶縁耐力が大きく、固定側外部シールド１３の曲率半径Ｒ２を小さくできるためである。即ち、シールド５、１３が設けられる部分の絶縁耐力に合わせて曲率半径Ｒ１、Ｒ２を定めている。

固定側外部シールド１３端の曲率は、例えば３段階の複数段の曲率半径で曲げられている。外周から最初に最も大きな曲率半径で曲げ、次にそれよりも小さな曲率半径で曲げ、最後に最も小さな曲率半径で曲げると、外径が小さく、電界緩和の効果の大きい固定側外部シールド１３を得ることができる。

これらのことより、固定側封着金具２とともに固定側内部シールド５までを覆うような絶縁層１５内に埋め込まれた固定側外部シールド１３によって、真空絶縁容器１内外の固定側端の電界緩和を図ることができる。また、固定側内部シールド５の曲率半径を大きくすることができるので、真空絶縁容器１内面の沿面電界強度を大幅に抑制することができる。また、固定側外部シールド１３が真空絶縁容器１とラップする軸方向の長さを最低限の長さにし、残留応力の上昇率が緩慢となる領域を用いているので、残留応力を抑制することができる。

そして、可動側も同様な構成とすることにより、真空バルブ全体の電界緩和を図ることができる。なお、可動側では、ベローズ９やアークシールド１０の外形形状により電界分布が固定側と異なるので、可動側内部シールド１１と可動側外部シールド１４の位置関係や曲率半径を固定側と同様にする必要はない。

上記実施例の樹脂モールド真空バルブによれば、絶縁層１５内に埋め込まれる外部シールド１３、１４で、封着金具２、３とともに内部シールド５、１１を覆っているので、真空バルブ全体の電界緩和を図ることができ、絶縁層１５の残留応力を抑制することができる。

本発明の実施例に係る樹脂モールド真空バルブの構成を示す断面図。 本発明の実施例に係る樹脂モールド真空バルブの各部の位置関係を説明する拡大断面図。 本発明の実施例に係る電界強度と残留応力との関係を説明する特性図。 本発明の実施例に係る電界強度と内部シールドとの関係を説明する特性図

符号の説明

１ 真空絶縁容器
２ 固定側封着金具
３ 可動側封着金具
４ 固定側通電軸
５ 固定側内部シールド
６ 固定側接点
７ 可動側接点
８ 可動側通電軸
９ ベローズ
１０、１２ アークシールド
１１ 可動側内部シールド
１３ 固定側外部シールド
１４ 可動側外部シールド
１５ 絶縁層
１５ａ 界面接続部
１６ 接地層

Claims (2)

1. 筒状の真空絶縁容器と、
   前記真空絶縁容器の一方端開口部に封着された固定側封着金具と、
   前記固定側封着金具に貫通固定された固定側通電軸と、
   前記固定側通電軸の中間部に設けられるとともに、前記真空絶縁容器の一方端に対向するように配置された固定側内部シールドと、
   前記固定側通電軸端に設けられた固定側接点と、
   前記真空絶縁容器の他方端開口部に封着された可動側封着金具と、
   前記可動側封着金具を移動自在に貫通する可動側通電軸と、
   前記可動側通電軸端に設けられるとともに、前記固定側接点と接離する可動側接点と、
   前記可動側通電軸の中間部に一方端が封着され、他方端が前記可動側封着金具に封着された伸縮自在のベローズと、
   前記可動側封着金具に設けられるとともに、前記ベローズの中間部までを囲むように配置された可動側内部シールドと、
   前記固定側封着金具とともに、前記真空絶縁容器の一方端を囲むように設けられた固定側外部シールドと、
   前記可動側封着金具とともに、前記真空絶縁容器の他方端を囲むように設けられた可動側外部シールドと、
   前記真空絶縁容器、前記固定側外部シールド、前記可動側外部シールドの外周に設けられた絶縁層とを備え、
   前記固定側封着金具と前記固定側内部シールド間距離、および前記可動側封着金具と前記可動側内部シールド間距離をＬ１とし、
   前記固定側封着金具と前記固定側外部シールド先端間距離、および前記可動側封着金具と前記可動側外部シールド先端間距離をＬ２とすると、
   Ｌ２／Ｌ１＝０．４〜１．３としたことを特徴とする樹脂モールド真空バルブ。
2. 前記固定側内部シールドおよび前記可動側内部シールドの外径をＤ１とし、
   前記真空絶縁容器の内径をＤ２とし、
   前記真空絶縁容器の外径をＤ３とし、
   前記固定側外部シールドおよび前記可動側外部シールドの外径をＤ４とし、
   前記絶縁層の外径をＤ５とすると、
   Ｄ１／Ｄ２＝Ｄ３／Ｄ４＝Ｄ４／Ｄ５＝０．８〜０．９としたことを特徴とする請求項１に記載の樹脂モールド真空バルブ。

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