JP5281192B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

この発明は、真空遮断器に用いられる真空バルブに関するものである。

真空バルブは、一般にセラミック又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された気密な真空容器を備えており、この真空容器内において、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絶縁円筒の軸方向に可動である可動側電極が配置され、これに可動側電極棒が接続されている。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され、真空容器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、電極からの金属蒸気が飛散することによって、これが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とが問題となるため、絶縁円筒内面の汚損抑制を目的としてアークシールドが電極周囲に設けられている。

数１０ｋＡを超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例えばスパイラル構造の電極を用いる場合がある。電極にスパイラル状のスリットを設けたため、このスリットにより区分けされた電極部分（羽根部分）に電流が流れる。この羽根部分に沿って周方向に電流が流れることにより径方向の磁場が生成され、この径方向の磁場中において両電極間に軸方向のアーク電流が発生することにより、このアーク電流は周方向に駆動力（ローレンツ力）を受ける。以上によりアーク電流は周方向に回転することになるため電極表面の局部加熱が抑えられ、遮断性能を向上させることができる。

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こととなる。このため、円盤状の補強板を電極の背面に固着させて羽根部分の剛性を上げており、一般的に補強板としては機械的剛性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等が使用され、ろう付け等の工法により電極の背面に固着していた（例えば、特許文献１）。

特開平９−１９０７４４（３−７頁、図１−９）

従来の真空バルブでは、電極の背面側に固着した補強板により全体的な剛性が高まったため、電極はほとんど部分的な変位（撓み）が起こらなくなり、固定側電極と可動側電極の接触抵抗は電極表面の微小変形による接触面積によって決まってしまうため、固定側電極と可動側電極の接触具合によって接触抵抗値に個体差が生じてしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、固定側電極と可動側電極の接触具合によって発生する接触抵抗の個体差を小さくすることができる真空バルブを得ることを目的とするものである。

この発明の第１の観点に係る真空バルブは、
真空容器と、
前記真空容器内で接離可能に対向して配置された一対の電極と、
前記一対の電極が対向する対向面の背面側に配置された補強板と、
前記電極と前記補強板との間に設けられた、前記電極の変形吸収部材とを備えた真空バルブにおいて、
前記変形吸収部材は、前記電極の背面側に形成された突起部であることを特徴とする。
また、この発明の第２の観点に係る真空バルブは、
真空容器と、
前記真空容器内で接離可能に対向して配置された一対の電極と、
前記一対の電極が対向する対向面の背面側に配置された補強板と、
前記電極と前記補強板との間に設けられた、前記電極の変形吸収部材とを備えた真空バルブにおいて、
前記変形吸収部材は、リング形状であることを特徴とする。

この発明に係る真空バルブによると、電極と補強板との間に電極の変形吸収部材を設け、この変形吸収部材を前記電極の背面側に形成された突起部としたり、リング形状としたため、この変形吸収部材を圧縮し、又は曲げ変形させることにより、電極の変形を吸収し、部分的に撓ませることが可能となるため、固定側と可動側とで互いに相手方の電極の表面形状になじむように電極を変形させることができる。従って、電極の複数箇所の接触部を得ることが安定的に可能となり、接触抵抗の個体差を小さくすることができる。

本発明の実施の形態１に係る真空バルブの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る真空バルブの固定側電極の拡大平面図（ａ）及び拡大断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態１に係る真空バルブの固定側電極を背面側から投影した図である。 本発明の実施の形態２に係る真空バルブの固定側電極の拡大平面図（ａ）及び拡大断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態２に係る真空バルブのリングの平面図である。 本発明の実施の形態２に係る真空バルブのリングの平面図である。 本発明の実施の形態２に係る真空バルブのリングの平面図（ａ）及びＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る真空バルブの断面図、図２（ａ）（ｂ）はこの真空バルブの固定側電極周辺の拡大平面図及び拡大断面図、図３は固定側電極を背面側から投影した図である。図１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、固定側端板２、可動側端板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り付けられている。

４は固定側端板にろう付け接合された固定側電極棒、５は固定側電極棒にろう付け接合された固定側電極、６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６にろう付け接合された可動側電極棒、８は例えば薄いステンレスで蛇腹状に形成され真空気密を保ちながら可動側電極棒７が絶縁円筒１の軸方向に移動可能なように配設されたベローズである。このベローズ８により固定側電極５と可動側電極６とが真空気密を保持しつつ接離可能となっており、絶縁円筒１、固定側端板２、可動側端板３、及びベローズ８により真空容器が構成されている。アークシールド９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５と可動側電極６の周囲を取り囲むように配設されている。

固定側電極５と可動側電極６とが対向する対向面の背面側には補強板１０、１１がそれぞれ配置されて、後に詳述する突起部（変形吸収部材）５ｅを介して固定側電極５及び可動側電極６とろう付けされると同時に、固定側電極棒４と可動側電極棒７にろう付けにより接合されている。これら補強板１０、１１は各電極５，６と一体化されて各電極５、６に適切な剛性を与えることにより、遮断器が投入された時に両電極５、６が衝突する際の機械的な衝撃、又は引き離し時の溶着引き外し力により、電極が大きく変形し、破損することを防止している。

次に電極の構造の詳細について説明するが、固定板電極５と可動側電極６とは、各対向面同士の中間位置の面に対して対称であるので、図２を用いて固定側電極５についてのみ説明する。固定側電極５の外形については、数１０ｋＡを超える大電流遮断を行うのにあたって有効な電極構造の一つとして、本実施の形態においては図２に示すようにスパイラル形状を採用しており、スパイラル形状のスリット５ａを設けることによって、スパイラル形状の羽根部分５ｂが形成されている。図２に示すようにスパイラル形状の羽根部分の中を電流が周方向に流れるため、径方向の磁場が生成され、この径方向の磁場中において両電極間に軸方向のアーク電流が発生することにより、このアーク電流が周方向の駆動力（ローレンツ力）を受ける。図２においてはスパイラル形状のものを示しているが、周方向に電流を流しうるものであれば他の形状であってもよく、例えば円形形状を有するものであってもかまわない。

固定側電極棒４の先端は径が細い部分４ａが形成されており、この４ａに補強板１１の穴部１１ａと固定側電極５の穴部５ｃをはめ込んでろう付けで固定する。固定側電極５は可動側電極６との対向面の中央部が円形に窪んだ形状を有しており、固定側電極５の外径寸法をφＡ、中央窪み部の径寸法をφＢ、固定側電極５の穴部５ｃの径寸法をφＣとすると、固定側電極５と可動側電極６との接触部５ｄは、寸法φＡと寸法φＢの間の領域として規定され、また、寸法φＢは寸法φＣ以上としている。

固定側電極５の中央窪み部分と接触部５ｄとの段差寸法については、遮断性能の観点から６ｍｍ以内とすることが望ましい。これは、段差を大きくするほど電極５が厚くなり材料費用が高価となる上、前述した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５の外周部で周方向に回転させる速度が低下し、遮断性能の低下を引き起こすこととなるためである。

固定側電極５の接触部５ｄに対応する背面側に突起部（変形吸収部材）５ｅが旋盤加工等により形成されており、この突起部５ｅと補強板１１がろう付けにより固定される。遮断器を投入した時、両電極５、６が衝突することによる機械的衝撃力により、この変形吸収部材５ｅを圧縮し、又は曲げ変形させることにより、電極５の羽根部分５ｂの変形を吸収し、部分的に撓ませることが可能となる。

なお、突起部５ｅの形状、特に補強板１１との接合面積や、図３のように電極５を背面側から見た場合の１つの羽根部分５ｂに形成された突起部５ｅの断面積については、遮断器に搭載された時の電極５、６間に作用する荷重、即ち投入時の機械的衝撃力、及び引き離し時の溶着引き外し力に抗して、電極５が大きく変形しないように決定されなければならない。また、突起部５ｅの電極５の背面側から見た時の断面積を小さくすることにより、突起部５ｅの剛性を低下させて変形しやすくなるため、羽根部分５ｂがたわむことによる電極５、６間の接触なじみを改善することができる。

以上のとおり本実施の形態に係る真空バルブによると、電極５と補強板１１との間で両者に固定された電極５の突起部（変形吸収部材）５ｅを設けたため、遮断器を投入した時、両電極５、６が衝突することによる機械的衝撃力により、この変形吸収部材５ｅを圧縮し、又は曲げ変形させることにより、電極５の羽根部分５ｂの変形を吸収し、部分的に撓ませることが可能となるため、固定側と可動側とで互いに相手方の電極の表面形状になじむように電極５を変形させることができる。従って、羽根部分５ｂの複数枚にわたって複数箇所の接触部を得ることが安定的に可能となり、接触抵抗の個体差を小さくすることができる。

また、電極５、６間の電磁反発力は通電電流のほぼ自乗に比例して大きくなるところ、上記に示したように両電極５、６間をなじみやすくして接触箇所を増大することができ、通電電流を分流することができるため、両電極間の電磁反発力低減が図れることにより発弧現象が抑制できる。このことにより短時間の大電流通電後または大電流投入後の溶着引き外し力低減が図れるため、遮断器の操作機構及び操作力伝達機構を簡素化し、小型化することができる。

更に、本実施の形態に係る真空バルブによると、突起部（変形吸収部材）５ｅは接触部５ｄに対応する背面側に設けていることにより、遮断器投入時の機械的衝撃による圧縮力を直接的に受けることになるため、突起部（変形吸収部材）５ｅが圧縮されやすくなり、電極の羽根部分５ｂがより相手方の可動側電極６の形状に忠実になじみやすくなることとなるため、更に接触抵抗の個体差を小さくすることができる。

また、突起部（変形吸収部材）５ｅは電極５の背面側に形成されているため、旋盤加工等により容易にかつ安価に加工できると同時に、電極５と一体で形成されているため部品点数の削減を図ることができる。

なお、以上述べた効果については、固定側電極５又は可動側電極６のいずれか一方の背面側に設けても得られるが、両電極の背面側に設けたほうが、両電極の変形を相補うことができて、相手側電極へのなじみが更に改善されるため、より一層高い効果が得られる。

実施の形態２．
図４（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態２に係る真空バルブの固定側電極周辺の拡大平面図及び拡大断面図である。本実施の形態に係る真空バルブは電極周辺の部品以外は実施の形態１と同等であるため、この部分以外の説明については省略する。実施の形態１においては固定側電極５の接触部５ｄの背面側に突起部５ｅを形成していたが、本実施の形態においては、固定側電極５とは別部材のリング１２を固定側電極５の背面側であって、固定側電極５と補強板１１との間に配設している点が異なっている。

固定側電極５とは別部材としたことにより、所要とされる剛性に従って任意の材料を選定することが可能となる。補強板１１としてはオーステナイト系ステンレスが、電極５、６の材料としては銅クロム系合金が各々一般的に使用されているが、これらの材料よりも剛性の小さいものとして、例えば無酸素銅を使用することも可能となり、このことにより電極５の羽根部分５ｂを相手方電極の表面形状により忠実になじませるようにすることが可能となる。

リング１２の形状としては図５に示すような通常のリング１２ａは組立性、製作性の観点から好ましい。しかし、１２ａの形状を有するものを電極５、６の背面側にろう付けにより固定すると、スパイラル形状を有するスリット５ａによって分断されている隣接する羽根部分５ｂ同士をこのリング１２ａで短絡してしまい、隣接する羽根部分５ｂを渡る漏れ電流が大きくなるため、羽根部分５ｂを周方向に流れる電流値の低下、及びそれに基づく磁場の低下を引き起こし、アークに対する駆動力が低下することが問題となる。

そこで、図６に示すリング１２ｂを用いて、羽根部分５ｂの背面側はリング１２ａと同じ幅であるが、スリット部５ａの背面側はそれよりも幅の狭い部分１２ｃを形成してこの部分の抵抗値を上昇させることにより、隣接する羽根部分５ｂを渡る漏れ電流の低減を図って、遮断性能を改善するようなものを用いてもよい。あるいは図７に示すリング１２ｄのように、スリット部５ａの背面側は厚さを薄くなるように形成された１２ｅ（図７（ｂ）の断面Ｄ−Ｄ参照）を有するものであっても、同様に１２ｅ部分の抵抗値を上昇させることができるため、漏れ電流を小さくすることができ遮断性能改善には寄与しうる。

更に理想的には、周方向に分断されたものであって、羽根部分の背面側のみ円弧状の部品を用いることとすると、部品点数が増えることにはなるが隣接する羽根部分５ｂ間の抵抗値を最も大きくすることが可能である。上記いずれの場合であっても、組立作業性改善のために固定側電極５または補強板１１のいずれか一方、又は両側にリング１２ａ、１２ｂ、１２ｄとの位置決め用の段差部を形成してもよい。

以上のとおり本実施の形態に係る真空バルブによると、電極５と補強板１１との間で両者に固定されたリング（変形吸収部材）１２を設けたため、遮断器を投入した時、両電極５、６が衝突することによる機械的衝撃力により、この変形吸収部材１２を圧縮し、又は曲げ変形させることにより、電極５の羽根部分５ｂの変形を吸収し、部分的に撓ませることが可能となるため、固定側と可動側とで互いに相手方の電極の表面形状になじむように電極５を変形させることができる。従って、羽根部分５ｂの複数枚にわたって複数箇所の接触部を得ることが安定的に可能となり、接触抵抗の個体差を小さくすることができる。

また、電極５、６間の電磁反発力は通電電流のほぼ自乗に比例して大きくなるところ、上記に示したように両電極５、６間をなじみやすくして接触箇所を増大することができ、通電電流を分流することができるため、両電極間の電磁反発力低減が図れることにより発弧現象が抑制できる。このことにより短時間の大電流通電後または大電流投入後の溶着引き外し力低減が図れるため、遮断器の操作機構及び操作力伝達機構の簡素化し、小型化することができる。

更に、本実施の形態に係る真空バルブによると、リング（変形吸収部材）１２は接触部５ｄに対応する背面側に設けていることにより、遮断器投入時の機械的衝撃による圧縮力を直接的に受けることになるため、リング（変形吸収部材）１２が圧縮されやすくなり、電極の羽根部分５ｂがより相手方の可動側電極６の形状に忠実になじみやすくなることとなるため、更に接触抵抗の個体差を小さくすることができる。

本実施の形態に係る真空バルブによると、リング（変形吸収部材）１２は電極５とは別部材として構成されているため、所要とされる剛性に従って任意の材料を選定することが可能となり、設計自由度が向上するという利点がある。
また、リング（変形吸収部材）１２ｂ、１２ｄは、スリット５ａの背面側に幅の狭い部分１２ｃ、あるいは厚みの薄い部分１２ｅが形成され、電極５の羽根部分５ｂと固定されない部分の抵抗値が羽根部分５ｂと固定された部分の抵抗値と比べて大きいため、隣接する羽根部分５ｂを渡る漏れ電流の低減を図って、アーク電流に作用する駆動力低下を抑制することにより、遮断性能改善を図ることができる。

１ 絶縁円筒
２ 固定側端板
３ 可動側端板
５ 固定側電極
５ａ スリット
５ｂ 羽根部分
５ｄ 接触部
５ｅ 突起部（変形吸収部材）
６ 可動側電極
８ ベローズ
１０ 補強板
１１ 補強板
１２ リング（変形吸収部材）
１２ａ リング（変形吸収部材）
１２ｂ リング（変形吸収部材）
１２ｃ 幅の狭い部分
１２ｄ リング
１２ｅ 厚みの薄い部分

Claims (4)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内で接離可能に対向して配置された一対の電極と、
   前記一対の電極が対向する対向面の背面側に配置された補強板と、
   前記電極と前記補強板との間に設けられた、前記電極の変形吸収部材とを備えた真空バルブにおいて、
   前記変形吸収部材は、前記電極の背面側に形成された突起部であることを特徴とする真空バルブ。
2. 真空容器と、
   前記真空容器内で接離可能に対向して配置された一対の電極と、
   前記一対の電極が対向する対向面の背面側に配置された補強板と、
   前記電極と前記補強板との間に設けられた、前記電極の変形吸収部材とを備えた真空バルブにおいて、
   前記変形吸収部材は、リング形状であることを特徴とする真空バルブ。
3. 前記電極は、外形がスパイラル形状又は円形形状であってスリットを設けて周方向に伸びる羽根部分が形成されたことを特徴とする請求項２に記載の真空バルブ。
4. 前記変形吸収部材は、前記電極の前記羽根部分と固定されない部分の抵抗値が前記羽根部分と固定された部分の抵抗値と比べて大きいことを特徴とする請求項３に記載の真空バルブ。

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