JP5350317B2 - 真空開閉器、または開閉器用の電極もしくは真空開閉器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は真空開閉器、または開閉器用の電極もしくは真空開閉器の製造方法に関するものである。

真空開閉器は、絶縁性能が高い真空絶縁を採用し、かつ地球温暖化係数の高いＳＦ₆等のガスを使用しないことから、小型化かつ環境負荷の低減を併せて実現した開閉器である。

真空開閉器は、真空容器の内部で電流の遮断等を行うが、真空容器の製造の方法として、高真空中において真空容器を製造する方法が存在する。ここで、真空容器の製造工程におけるろう付けは、真空容器を構成する部材間の材質に応じてろう材を使い分ける必要があり、従って、ろう付けは少なくとも、２つの工程に分ける必要があった。

第１の工程は、電極と導体棒の接続といった金属同士を接続させる工程であり、第２の工程は第１の工程により接着させた部材を内部に包含し、絶縁筒と金属製の端板とを接続させ、真空封止した真空容器を構成する工程である。第１の工程は金属同士を接続させるものであるのに対し、第２の工程は絶縁物と金属とを接続させなければならず、それぞれ異なるろう材を使用することが必要である。

従って、第１の工程において用いたろう材が、第２の工程において再度溶融する可能性があり、第２の工程でろう材が溶融すると第１の工程において電極と導体棒の接続に用いたろう材が変形してしまい、電極と導体棒の間に空隙が生じたり、又は電極と導体棒が位置ずれを生じたりする可能性があった。

上記のような電極と導体棒の位置ずれが生じるのを防ぐために、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、端部に突出部６ａ，７ａを備える電極棒と、該電極棒の端部と同一形状の挿入孔を有し、内部に溝４ａ，５ｂが形成される電極についての記載があり、該電極棒及び電極の組立て方法として、電極棒と電極の接合箇所にろう材をセットしておき、電極の電極棒挿入口に電極棒をそれぞれ挿入し、電極棒端部の突出部６ａ，７ａを電極内部の溝に案内するよう約９０°回転させ係止することにより組立てを完了する電極棒及び電極の組立て方法が記載されている（特許文献１明細書の段落〔０００８〕〜〔０００９〕。そして、発明の課題として、部分組立工程で行うロー付温度と最終組立工程で真空密閉を行うろう付温度が同一である場合、最終組立工程における電極の脱落，傾き、および電極棒と電極との位置ズレを防止できるとともに真空部ブルブとしての性能を低下させることなく信頼性の高い真空バルブを提供することを目的とする旨が記載されている（特許文献１明細書の段落〔０００５〕）。

特開平５−２９８９７１号公報

ここで、電極と導体棒との間に空隙が生じた場合、空隙部は真空等の絶縁媒体で占められることになり、該部は高い絶縁特性を示すために、電流導通時において高抵抗部となり、電流の導通特性が低下する。また空隙部（例えば気中絶縁開閉器の場合には気体、ガス絶縁開閉器の場合にはガス、真空絶縁開閉器の場合には真空がそれぞれ満たされる）においては、金属材料である電極と比較して熱伝導率が低く、該空隙部において熱伝導が妨げられることから、電流遮断時において高温となる電極が放熱されにくくなり、電極部材が溶融する可能性が高くなる。これらは、開閉器の信頼性の低下につながる恐れがある。

上記した特許文献１では、電極棒端部の突出部を電極内部の溝に案内するよう回転させ係止しているが、係る組立手法を実現する前提として、電極棒端部の突出部と電極内部の溝との間にある程度隙間があることが必要とされる。隙間がなき場合には、電極棒端部の突出部を電極内部の溝に対して回転することができないからである。そして、該隙間は結局のところ上記の空隙部に相当することになる。故に、回転により電極棒と電極とを固定しようとする場合、空隙部がある程度存在するか、または大きくならざるを得ない。

そこで本発明は、信頼性を向上させることができる開閉器、または開閉器用の電極もしくは真空開閉器の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る真空開閉器は、導体棒と、該導体棒に挿入される接点電極と、前記導体棒と前記接点電極の径方向外側に両者を固定する連結板とを備える電極と、内部が真空となる真空容器を構成する絶縁筒及び端板とを備える真空開閉器であって、
前記絶縁筒及び前記端板との間はろう付けされており、前記電極は、前記真空容器の内部に収納されることを特徴とする。

また、上記の課題を解決するために、本発明に係る開閉器用の電極製造方法は、挿入孔を有する電極に導体棒を挿入した後、該導体棒と前記接点電極の径方向外側に連結板を嵌める工程を有することを特徴とする。

本発明により、信頼性を向上させることができる開閉器、または開閉器用の電極もしくは真空開閉器の製造方法を提供することが可能になる。

第１の実施形態のうち、電極部分の軸方向断面図である。 第１の実施形態の導体棒を示す図である。 第１の実施形態の接点電極を示す図である。 第１の実施形態の連結板を示す図である。 第１の実施形態において導体棒を接点電極に挿入する様子を示す図である。 第１の実施形態において連結板を電極部分に嵌め込む様子を示す図である。 第１の実施形態において連結板を電極部分に嵌め込む様子を示す図である。 第２の実施形態の電極部分の要部を示す図である。 第２の実施形態の接点電極を示す図である。 第２の実施形態の連結板を示す図である。 第２の実施形態のリングピンを示す図である。 第２の実施形態において導体棒を接点電極に挿入する様子を示す図である。 第２の実施形態において連結板を電極部分に嵌め込む様子を示す図である。 第２の実施形態において連結板を電極部分に嵌め込む様子を示す図である。 第２の実施形態においてリングピンを電極部分に嵌め込む様子を示す図である。 第２の実施形態における電極部分の完成図である。 真空スイッチギヤの断面図である。 真空スイッチの拡大図である。

以下、本発明の実施に好適な実施例を説明する。

本発明の第１の実施の形態について説明する。図１７及び図１８に示すように本実施形態における真空スイッチギヤは、真空開閉器７０と、負荷側に電力を供給するケーブル７１と、真空開閉器に電力を供給する母線７２と、真空開閉器７０の開，閉，断路を行う操作器７３とから主要構成される。そして、真空開閉器７０は絶縁筒７４及び金属製の端板７５とから構成され、内部を真空とする真空容器と、真空容器に内包される固定側及び可動側の導体棒１及び接点電極２とから主要構成される。

図１に示すように、銅部材により構成される円筒状の導体棒１は、接点電極２の内側に設けた導体棒１の形状に対応する挿入孔に挿入されており、導体棒１と接点電極２との間には第１の工程で用いる第１のろう材が設けられており、導体棒１と接点電極２が隙間なく固定されるようになっている。そして導体棒１においては、円筒軸の接点電極２に挿入しているより上方に軸方向の他の領域の外径１ｃ′よりも外径１ｂ′が細い領域（第１の溝１ｂ）を形成している。また接点電極２においては、軸方向の他の領域の外径２ｃ′よりも外径２ｂ′が細い領域（第２の溝２ｂ）を形成している。図４に示すように、該第１の溝と第２の溝に、例えばＳＵＳ等の弾性部材で半円形状に形成された２つの連結板３，４を嵌め込むことで、導体棒１と接点電極２を連結している。この時半円形状に形成された連結板３，４については、円形状とした連結板の内径を図１の断面図に示すように導体棒１の第１の溝１ｂの外径１ｂ′以上に形成し、半円形状の連結板３，４の外径を接点電極２の溝２ｂ以外の領域の外径２ｃ′以上に形成した後、この円形状連結板を径方向に２つ以上分割することで、図４に示すように半円形状に形成する。また、これらの連結板３，４については嵌め込みが自由にできるように弾力性が優れた材料で形成する。

上記の電極を用いた真空開閉器の製造方法について図５ないし図７を用いて説明する。まず、導体棒１と接点電極２との接触面に第１のろう材を設けておき、図５に示すように導体棒１を接点電極２の挿入孔に挿入する。挿入孔への挿入後、図６，図７に示すように連結板３，４の内周端部３ａ，４ａは導体棒１の第１の溝１ｂに半径方向に自由に嵌め込み、連結板３，４の外周端部３ｂ，４ｂは接点電極２に形成した第２の溝２ｂに嵌め込んで導体棒１と接点電極２とを固定する。連結板３，４は可撓性を備えているため、嵌め込みが容易になる。これによって、導体棒１と接点電極２とは固定される。

次に、高真空中または水素ガス中において上記固定済みの導体棒１及び接点電極２とを内包した上で、絶縁筒７４と金属製の端板７５とをろう付けすることによって、真空容器の封止は完了する。このろう付け工程によって、導体棒１と接点電極２との接触面に設けてあった第１のろう材も溶融して、同時にろう付けされる。尚、本ろう付け工程の前に、絶縁筒７４と金属製の端板７５との間に第２のろう材を設けておくことが必要である。

本実施の形態においては、導体棒１と接点電極２を、連結板３，４を用いて固定しており、固定のために回転動作も用いられていないところ、電流の導通する電極及び導体の中央部分に空隙を生じさせずに両者を固定できる。尚、本実施例は、便宜上、電極，真空開閉器を包含する真空スイッチギヤについての実施例として説明しているが、発明自体は電極または真空開閉器単独でも成立するものである。

また、本実施の形態における非常に大きな優位点として、ろう付け工程を絶縁筒７４と金属製の端板７５とのろう付けのための一回の工程のみとできることが挙げられる。これは、導体棒１と接点電極２との固定を連結板３，４を用いて行ったことにより、従来行っていた部分組立工程を省略することが可能となったものである。これにより、作業効率の大幅な向上が実現できる。

さらに、導体棒１と接点電極２のろう付けを、絶縁筒７４と金属製の端板７５とのろう付け工程と同時に行えるようにしたことにより、第一の工程でろう付けした導体棒１と接点電極２が第二の工程で位置ずれを生じるということが生じなくなる。電極の位置ずれは電極間の接触不良を招き、接触不良となった場合、電極間で非接触の部分は真空絶縁による高抵抗部になるため、開閉器の機器としての性能が著しく損なわれる。また、導通してもアークによる接触であり電極部分の溶融を招き、機器の寿命の低下につながる恐れがある。本実施形態においては、係る電極の位置ずれを防止できる点でも大変有用である。

さらに、空隙が生じた場合、当該空隙内はやはり真空絶縁による高抵抗部となるため、開閉器の機器としての性能が著しく損なわれる。また、開閉時はアークが生じることで接点電極２は高温となり、電極の溶融を防止する観点から一刻も早く放熱されることが要求されるのに対し、電極内に空隙が生じ、金属に対して熱伝導率が著しく小さい真空部が生じることで、放熱性能が低下し、電極が溶融する可能性がある。電極が溶融した場合には、電極面が非平坦となることから、次回以降の開閉時におけるアークの要因となる。従来においては、開閉器内に２５ｋＡの電流を３秒程通電した場合、電極部の温度は３００Ｋに達していたが、本実施の形態によれば、電極内の導通部における空隙が生じないため、２４０Ｋにまで温度上昇を抑えることができ、約２０％程度熱的損失の低減が可能となる。また、電極面が溶融するのを防止し、開閉時のアークの発生を低下させることができる。

本実施形態における連結板３，４は例えばＳＵＳ等、可撓性を有する部材で構成することで、導体棒１及び接点電極２に嵌め込む際の柔軟性が増し、導体棒１と接点電極２との接触時の嵌め込みが容易になる。

また本実施形態において、連結板３，４は２つに分割しているが、一つであっても、さらには３つ以上であっても良い。この際、径方向に均等に配置される様にすると、傾き等が生じず、固定の安定性が向上する。径方向に均等に配置とは、連結板が複数用いられる場合であって、周方向に略対称に配置される場合を指す。

次に、本発明の第２の実施形態について図８ないし図１６を用いて説明する。本実施形態において接点電極２には図９に示すように、電極の上端部に２箇所の凹部（溝）５２ｃを設けている。そして凹部５２ｃと同一の円周上に凹みを設けていない凸部５２ｂが設けてある。凸部５２ｂには外周面上に溝５３が彫ってある。また図１０に示すように、本実施形態における連結板３，４には、接点電極２の凹部５２ｃに対応するように、嵌め込み部４ｃが設けてあり、導体棒１に嵌め込む部分については、第１の実施形態と同様に構成している。さらに連結板３，４に設けた嵌め込み部４ｃには、接点電極２に嵌め込んだ際に接点電極２の凸部５２ｂに彫ってある溝５３と同一円周を構成する溝６０を彫ってある。そして、溝５３と溝６０にリングピン５を、嵌め込むことで接点電極２と連結板３，４とを固定している。ここでリングピン５は、溝に嵌め入れられるようにリングピン５の中心から５°以上の円周角分の切込みを設けている。５°以上としたのは、リングピン５を接点電極及び連結板に嵌め込む際に一旦広げる必要があり、その際に５°以上であれば広げるのが一層容易になるからである。無論、５°未満のものを全て排除する趣旨ではない。尚、上記した部分以外については、実施例１と同様であり重複しての説明は省略する。

上記の電極を用いた真空開閉器の製造方法のうち、第１の実施形態と異なる点について図１２ないし図１６を用いて説明する。図１２に示すように、導体棒１を接点電極２に挿入し、図１３，図１４に示すように接点電極２に連結板３，４を嵌め込む。その後、接点電極２に設けた溝５３と連結板３，４に設けた溝６０にリングピン５を嵌め入れる。これにより、第１の工程における導体棒１と接点電極２との固定を行うことができる。

本実施形態でも実施例１と同様の効果を奏することが可能である。

また本実施形態では、連結板３，４と接点電極２とを固定する固定用部材としてリングピン５を用いるものについて説明したが、無論固定用部材はリングピンに限るものでなく、連結板及び接点電極の外周に同一円周状に設けた溝に嵌めることで固定できる固定用部材であれば代用可能であることは言うまでもない。

さらにリングピン５について、本実施形態では一本の場合のみを説明したが、複数本に分かれているものを排除するものではない。

また本実施形態では、接点電極２には凹部を２箇所設けたが、３箇所以上とすることも可能である。さらにリングピンについても２本以上を用いて固定させることも考えられる。尚、係る場合、接点電極及び連結板に設ける溝の本数もそれに対応して増やす必要があることは勿論である。

また、上記第１，第２の実施形態のいずれに対しても接点電極２について電極の遮断性能を向上させるべく、図１に示した接点側の中央部は接点電極内径以下の穴２ｄを形成し、軸方向について電極中央部の導体外径１ｃ′と重なる部分以外の部位には螺旋状の溝２ｅを２箇所以上設けるスパイラル電極とすることができる。該螺旋状の溝２ｅは溝の始点２ｅ′から切込みを溝の終点２ｅ″まで入れることで形成される。ここで、螺旋状の溝２ｅによる電極分離を防ぐために、溝の終点２ｅ″の位置は中央部接点穴２ｄの径以上の外周の位置で止めなければならない。上記第１，第２の実施形態にスパイラル電極を適用することで、電極と導体間に空隙部が生じず、また電極の接点近傍まで導体を挿入することにより、スパイラル電極の中心から端部にかけての電極の反りを防止することができ、接点の接触面積を確保することが可能となることから一層効果的である。

また、第１，第２の実施形態では特に言及していないが、連結板３，４は導体棒のうち、軸方向のどの位置に固定をするものであっても良い。

また、上記各実施形態では真空開閉器について言及したが、該真空開閉器には接地を目的とした真空接地開閉器も含まれる。即ち、第１，第２の実施形態は真空接地開閉器に採用することも可能であることは言うまでもない。

１ 導体棒
１ａ 導体棒１の先端
１ｂ 第１の溝
２ 接点電極
２ａ 接点電極２の底部
２ｂ 第２の溝
２ｃ 接点電極外径
２ｄ 接点電極中央部穴
２ｅ 接点電極螺旋状の溝
２ｅ′接点電極螺旋状の溝の始点
２ｅ″接点電極螺旋状の溝の終点
３，４ 連結板
３ａ，４ａ 連結板の内周端部
３ｂ，４ｂ 連結板の外周端部
５ リングピン
５２ｂ 凸部
５２ｃ 凹部
５３，６０ 溝
７０ 真空開閉器
７１ ケーブル
７２ 母線
７３ 操作器
７４ 絶縁筒
７５ 端板

Claims (13)

1. 導体棒と、該導体棒に挿入される接点電極と、前記導体棒と前記接点電極の径方向外側に両者を固定する連結板とを備える電極と、内部が真空となる真空容器を構成する絶縁筒及び端板とを備える真空開閉器であって、
   前記絶縁筒及び前記端板との間はろう付けされており、前記電極は、前記真空容器の内部に収納されることを特徴とする真空開閉器。
2. 請求項１に記載の真空開閉器であって、
   前記電極は、前記導体棒は外周部に径方向の溝を備えており、
   前記接点電極は、外周部に径方向の溝を備えており、
   前記連結板は、前記導体棒が外周部に有する径方向の溝と前記接点電極が外周部に有する径方向の溝に嵌め込まれ、前記導体棒と前記接点電極とを固定することを特徴とする真空開閉器。
3. 請求項２に記載の真空開閉器であって、
   前記連結板は、外周部に径方向の溝を備えており、
   前記接点電極は、外周部のうち、前記連結板が嵌め込まれる外周部以外の部位に、前記連結板が外周部に径方向に備える溝と同一円周状に位置する溝を備えており、
   前記連結板が外周部に備える径方向の溝と、前記接点電極が外周部に備える溝であって、前記連結板が外周部に径方向に備える溝と同一円周状に位置する溝とに嵌め込まれる固定部材を備えることを特徴とする真空開閉器。
4. 軸方向の一部に径方向の溝を有する導体棒と、
   該導体棒が挿入される挿入孔を備え、該挿入孔に前記導体棒が挿入され、かつ外周部に径方向の溝を有する接点電極と、
   前記導体棒が有する径方向の溝と前記接点電極が有する外周部の径方向の溝に嵌め込まれ、前記導体棒と前記接点電極とを固定する連結板と、
   絶縁筒及び金属性の端板とから構成されて、前記導体棒及び前記接点電極を内包し、かつ内部が真空となる真空容器とを備え、
   前記導体棒と前記接点電極との接触面には第１のろう材が設けられており、
   前記絶縁筒と前記金属製の端板との間には第２のろう材が設けられていることを特徴とする真空開閉器。
5. 軸方向の一部に径方向の溝を有する導体棒と、
   該導体棒の挿入孔を備え、該挿入孔に前記導体棒が挿入され、かつ外周部に２箇所以上の凹部を備え、外周部のうち凹部以外の部分は径方向の溝を有する接点電極と、前記導体棒が有する溝と前記接点電極が有する凹部に嵌め込まれ、該接点電極が有する凹部に嵌め込まれる部分には、前記接点電極が外周部のうち凹部以外の部分に有する溝と同一円周を構成する溝を備える連結板と、
   前記接点電極が外周部に有する溝及び前記連結板が備える溝に嵌め込まれ、前記接点電極と前記連結板とを固定するリングピンと、
   絶縁筒及び金属性の端板とから構成されて、前記導体棒及び前記接点電極を内包し、かつ内部が真空となる真空容器とを備え、
   前記導体棒と前記接点電極との接触面には第１のろう材が設けられており、
   前記絶縁筒と前記金属製の端板との間には第２のろう材が設けられていることを特徴とする真空開閉器。
6. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載の真空開閉器であって、
   前記連結板は可撓性を備えていることを特徴とする真空開閉器。
7. 請求項１ないし６のいずれか一つに記載の真空開閉器であって、
   前記連結板は２つ以上に分割されていることを特徴とする真空開閉器。
8. 請求項１ないし７のいずれか一つに記載の真空開閉器であって、
   前記接点電極は前記導体棒の軸方向について前記導体棒と重なる部分以外の部位には螺旋状の溝を設けていることを特徴とする真空開閉器。
9. 請求項１ないし８のいずれか一つに記載の真空開閉器と、負荷側に電力を供給するケーブルと、前記真空開閉器に電力を供給する母線と、前記真空開閉器の開閉を行う操作器とを備える真空スイッチギヤ。
10. 挿入孔を有する接点電極に導体棒を挿入した後、該導体棒と前記接点電極の径方向外側に連結板を嵌める工程を有することを特徴とする開閉器用の電極製造方法。
11. 請求項１０に記載の開閉器用の電極製造方法であって、前記連結板には外周部に径方向の溝が形成されており、前記接点電極には、外周部のうち、前記連結板が嵌め込まれる外周部以外の部位に、前記連結板が外周部に径方向に備える溝と同一円周状に位置する溝が形成されており、
    該導体棒と前記接点電極の径方向外側に連結板を嵌めた後に、前記連結板に形成されている溝と、前記接点電極に形成されている溝に固定用部材を嵌め込むことで前記連結板、前記導体棒及び前記接点電極とを固定する工程を有することを特徴とする開閉器用の電極製造方法。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の工程の後に、絶縁筒及び端板とを、前記開閉器用の電極を内包した上で、真空中または水素ガス中にてろう付けする工程を有することを特徴とする真空開閉器の製造方法。
13. 請求項１２に記載の真空開閉器の製造方法について、ろう付け工程は前記真空中または水素ガス中におけるろう付け工程の一回のみであることを特徴とする真空開閉器の製造方法。

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