JP5394886B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

この発明は、真空容器内に配置されて接離する固定側電極と可動側電極を備えた真空バルブに関し、特に、電極周辺の耐電圧を向上させる構造に関するものである。

真空バルブは、絶縁性外筒の両端開口が、固定側端板及び可動側端板によって密閉されて形成された真空容器の内部に、固定側電極と可動側電極が配置され、固定側電極に可動側電極が接離することで開閉動作が行われる。開極動作において、可動側電極が固定側電極から開離したとき、両電極間にはアークが発生する。遮断電流が大きくなると、発生したアークは、アーク自身により生じる磁界と外部回路で作られる磁界との相互作用によって、著しく不安定な状態となる。アークは電極面を移動し、電極の端部や周辺部に片寄り、その部分が局部的に過熱状態となって金属蒸気を発生させ、遮断性能を低下させる。このような現象を防止するため、遮断性能を向上させることを目的に、電極面に縦方向の磁界を印加する方法が知られている。
また、近年、真空バルブは高電圧化が進んでおり、高電圧に使用できるための種々の工夫がなされており、その一つに電極の電界が高い部分にシールドカバーを付けるという方法がある。

上記のような配慮がなされた従来の真空バルブとして、例えば、次のような技術が開示されている。
縦磁界を発生させる手段としては、電極部を渦巻環状のコイル電極と円板状の電極板とで構成し、電流は、コイル電極の中心部から半径方向の４方に伸びる腕部を経由し、その端部から円弧部を円弧状に流れて電極板に流れ込む構造となっている。円弧部を流れる電流により縦磁界が発生する。この縦磁界によりアークが局部的に集中しないように制御される。
また、電極部の電界を緩和するために、電極部を覆うシールドカバーが電極板に取り付けられている。シールドカバーは、電極板と接合する側の端部付近において、その開口端部が中心方向に曲げられおり、電極板の背面で電極板とろう付あるいはカシメ等により固着されている（例えば、特許文献１参照）。

また、上記特許文献１と類似の真空バルブとして、電極板の背後に、外周部にふくらみをもった円板状のはさみ込み部材を配置し、このはさみ込み部材のさらに背後にシールドカバーを配置した技術も開示されている。はさみ込み部材の外径は電極板の外径よりも大きく、またシールドカバーの端部の外径よりも大きくなっており、シールドカバーの端部を電界的にカバーし、強電界となる部分を覆って電界を低減している（例えば、特許文献２参照）。

特開昭５８−８２４３０号公報（第２〜３頁、第２図，第５図） 特開昭５８−８２４３１号公報（第２〜３頁、第５図）

特許文献１のような真空バルブでは、シールドカバーと電極板をろう付によって固定する場合、ろう材がシールドカバーや電極板の外側に流れ出し、耐電圧性能を低下させるという問題がある。また、カシメによって固定する場合、固定位置にばらつきが生じたり、
保持状態が不安定になったりするという問題がある。
また、特許文献２のような真空バルブでは、はさみ込み部材は形状が複雑で加工及び組立コストが高くなる。また、電極の補強のために、はさみ込み部材の材料として電極よりも遮断性能の劣るステンレス等を使用すると、電流遮断時にアークがはさみ込み部材に移る可能性があるので、遮断性能を低下させてしまうという問題がある。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で電極部の耐電圧性能を向上させた真空バルブを提供することを目的とする。

この発明に係る真空バルブは、絶縁筒の両端部に固定側端板と可動側端板が固着された真空容器と、固定側端板を貫通して固設された固定側電極棒と、可動側端板を貫通して移動自在に設けられた可動側電極棒と、固定側電極棒及び可動側電極棒の各電極棒の対向端に設けられ、通電により各電極棒の軸方向磁界を発生させる電極と、電極の対向側にそれぞれ設けられた円板状の接点と、カップ状の金属からなり電極を覆うように設けられた電極カバーと、を有する真空バルブにおいて、接点は、外径が電極の外径よりも大きく形成され、電極と接合される側に電極に向けて突出させた段差部が形成され、段差部の突出面を電極との接合部とし、電極カバーは、開口端の外径が接点の外径より小さく電極の外径よりも大きい寸法に形成されて、接合部が隠れるように開口端を接点の接離面の裏側に近接させ、開口端の反対側を電極に接合させて設けられているものである。

この発明の真空バルブによれば、軸方向磁界を発生させる電極と円板状の接点とからなる電極部と、カップ状の金属からなり電極を覆うように設けられた電極カバーとを有する真空バルブにおいて、接点は、外径が電極の外径よりも大きく形成され、電極と接合される側に電極に向けて突出させた段差部が形成され、段差部の突出面を電極との接合部とし、電極カバーは、開口端の外径が接点の外径より小さく電極の外径よりも大きい寸法に形成されて、接合部が隠れるように開口端を接点の接離面の裏側に近接させ、開口端の反対側を電極に接合させて設けられているので、電界が大きくなる電極カバーの開口端部が接点の外周部で覆われるため、電界の高い局部をなくすることができ、耐電圧性能を向上させることができる。
また、ろう付けされる、接点と電極との接合部が電極カバーで覆われているので、ろう材が露出してもシールドされるため、耐電圧性能を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による真空バルブの側面断面図である。 図１の可動側電極周辺部の拡大断面図である。 図１の可動側電極周辺部の他の例を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態２による真空バルブの側面断面図である。 図４の可動側電極周辺部の拡大断面図である。 図４の可動側電極周辺部の他の例を示す拡大断面図である。

実施の形態１．
以下、図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による真空バルブを示す断面図である。
図のように、アルミナセラミックス等からなる円筒状の絶縁筒１の両端が、固定側端板２と可動側端板３でろう付けにより密閉されて、真空容器が形成されている。固定側端板２を貫通して固定側電極棒４がろう付けにより固設され、可動側端板３を貫通しベローズ５を介して可動側電極棒６がろう付により接合されて、軸方向に移動自在に取り付けられている。固定側電極棒４と可動側電極棒６が真空容器内で対向する対向端には、それぞれ次のような電極部が形成されている。

固定側電極棒４の内側端部には、軸方向磁界を発生させる固定側電極７が、ろう付によ
り接合され、更に、その可動側との対向側の面には固定側接点８がろう付により接合されている。一方、可動側電極棒６の内側端部には、軸方向磁界を発生させる可動側電極９がろう付けにより接合され、その固定側との対向側の面には可動側接点１０がろう付により接合されている。固定側接点８と可動側接点１０とは同軸上に互いに対向配置されて、可動側電極棒６が図示しない駆動装置で駆動されることにより接離可能となっている。
軸方向磁界を発生させる構造は、例えば、固定側電極７と可動側電極９を、特許文献１で説明したものと同様な渦巻環状のコイル電極とするが、これ以外にも、例えば、スパイラル電極やコントレート電極が採用される場合もある。

両電極部の周囲を囲むように、絶縁筒１の内側に筒状の金属からなるアークシールド１１が配置されている。アークシールド１１は、電流遮断時に絶縁筒１の内面が固定側接点８と可動側接点１０から発生する金属蒸気によって汚損されることを防止している。
また、ベローズ５の可動側電極９に面する側にも、電流遮断時に固定側接点８と可動側接点１０から発生する金属蒸気によって、ベローズ５の表面が汚損されることを防止するためのベローズカバー１２が、可動側電極棒６にろう付接合されている。
なお、真空容器を構成する絶縁筒１は、図のような１個の絶縁筒とする以外に、２個の絶縁筒の中間に金属筒を設けて構成する場合もあるが、本願の絶縁筒にはその構成のものも含まれる。

次に、本願発明の特徴部である電極カバーについて説明する。
固定側電極７には、その外面を覆うように、金属板からなる固定側電極カバー１３が設けられている。同様に、可動側電極９にも、その外面を覆うように金属板からなる可動側電極カバー１４が設けられている。
図２は、可動側電極９周辺部の部分拡大図である。電極周りは、基本的に可動側と固定側は同じなので、代表して全て可動側電極で説明する。したがって、以下の電極部の構造説明では「可動側」を「固定側」に読み替えれば固定側電極部の説明となる。

可動側接点１０の外径は、可動側電極９の外径よりも大きく形成されている。更に、可動側接点１０の可動側電極９との接合面側には、可動側電極９の外径と同じ外径で突出させた段差部１０ａが形成されている。
可動側電極カバー１４は、後述するような金属部材からなる薄板（例えば、１〜２ｍｍ程度）によってカップ状に成形され、底面部に取付用の貫通穴が設けられている。この貫通穴部が可動側電極棒６の端部と可動側電極９との接合部に挟み込まれ、ろう付けにより固着されて、電気的にも可動側電極９と接続されている。

可動側電極カバー１４の開口端１４ａの外径寸法は、可動側接点１０の外径より小さく、可動側電極９の外径よりも大きな寸法とし、側面の内側と可動側電極９の外周面とは接触しないように微少間隙を有している。また、開口端１４ａと可動側接点１０の接離面の裏側とも、微少間隙を設けている。
更に、可動側電極９の厚さより可動側電極カバー１４の深さの方を深くしているので、可動側電極９と可動側接点１０とをろう付けする接合部の位置は、可動側電極カバー１４の開口端１４ａより、図２のｄ寸法だけ、電極棒の軸方向へ、内側に入り込んでいる。すなわち、接合部は可動側電極カバー１４で隠れるような位置に設けられている。
なお、可動側接点１０に段差部１０ａを設けないで、フラットな面を接合面としても良い。その場合でも、接合面は、可動側電極カバー１４の内部側に位置するので、電界的にシールド効果は期待できる。

以上のように構成された可動側電極カバー１４の作用について説明する。
先に説明したように、遮断性能を向上させるために、電極構造として、例えばコイル電極のような軸方向磁界を発生させる電極構造を採用しているが、このような電極では、切
り込み部やエッジ部が増える傾向にあるので、エッジ部にＲ面取りをするなどの措置は講じられているものの、電界的には厳しい状況にある。加えて、真空バルブの高電圧化が進むに従い、更に電極部の耐電圧性能が要求されるので、この対策として、特に高電界となる電極部を電極カバーで覆うようにしたものである。

可動側電極カバー１４を設けることにより、可動側電極９の外面側が覆われて、電極部の耐電圧性能を向上させることができる。このとき、可動側電極カバー１４の開口端１４ａの外径を、可動側接点１０の外径より小さくしているので、エッジ部となる開口端１４ａが可動側接点１０の外周部に隠れて電界的にもカバーされ、電界を低減させることができる。
背景技術の項で例示した特許文献２でも、電極カバーに相当するシールドカバーの端部を、挟み込み部材で覆っているが、そのような別部材を設けないで、部品点数を増やすことなく、簡単な構成によりエッジ部の露出を防いでいるのが特徴である。
なお、固定側接点８と可動側接点１０に、軸方向磁界を強くするためのスリットを入れる場合があるが、電極カバーのエッジ部の露出を防ぐという観点からは、接点には軸方向に貫通するスリットは設けない（例えば、溝で代用する）のが望ましい。

また、ろう付けされた接合部があると、ろう材は主に銀系の材料が使用されているので、接合部から流れ出たろう材が対向配置された金属部、例えば、アークシールド１１と直接対向すると耐電圧性能を低下させる要因となる。本願発明では、可動側接点１０と可動側電極カバー１４の開口端１４ａとは接合せずに微少間隙をあけて、アークシールド１１との対向側にはろう付け部を設けない構造とした。更に、可動側接点１０と可動側電極９との接合部は、可動側電極カバー１４に覆われるような位置としたので、接合部でろう材が流れ出ても、アークシールド１１とは対向しないため耐電圧性能を低下させることはない。

次に、電極カバーの他の例について説明する。図３は、電極カバーの他の例を示す図である。電極カバー以外は図２と同等なので、同等部分は同一符号を付して説明は省略する。図２との相違点は、可動側電極カバーの外周面の形状である。その他は同じなので相違点のみを説明する。先に説明した図２の可動側電極カバー１４の外周面（アークシールド１１との対向面）は、可動側電極棒６の軸線方向と並行であったが、図３に示す可動側電極カバー１５は、外径が可動側接点１０の外径よりも大きく、外側に膨らんだ断面円弧状の膨出部１５ｂが、外周面の全周に亘って形成されている。なお、膨出部１５ｂの形状は、円弧状であればよく、完全な円弧でなくても良い。
また、開口端１５ａの外径寸法は、図２の可動側電極カバー１４と場合と同等である。

図３の電極カバーの作用について説明する。
可動側接点１０には、固定側接点８と対向する対向面側の外周端部に大きな曲率のＲ面取りを施している。その裏面側の外周端部もＲ面取りを施しているが、高電圧化が進むと、対向するシアークールド１１に対して電界的に厳しくなってくる。可動側電極カバー１５に膨出部１５ｂを設けたことにより、可動側接点１０の外周端部の電界集中が緩和され、接点部の電界を低減することができる。

以上のように、実施の形態１による真空バルブによれば、絶縁筒の両端部に固定側端板と可動側端板が固着された真空容器と、固定側端板を貫通して固設された固定側電極棒と、可動側端板を貫通して移動自在に設けられた可動側電極棒と、各電極棒の対向端に設けられ、通電により各電極棒の軸方向磁界を発生させる電極と、両電極の対向側にそれぞれ設けられた円板状の接点とを有する真空バルブにおいて、接点の外径を電極の外径よりも大きく形成し、開口端の外径が接点の外径より小さく電極の外径よりも大きいカップ状の金属からなる電極カバーを、開口端を接点の接離面の裏側に近接させ、開口端の反対側を電極に接合させて電極を囲むように設けたので、電極が電極カバーでシールドされて耐電圧性能を向上させることができると共に、電界が大きくなる電極カバーの開口端部が接点の外周部で覆われるため、電界の高い局部をなくすることができ、耐電圧性能を向上させることができる。
また、ろう付けされる、接点と電極との接合部が電極カバーで覆われるため、耐電圧性能を向上させることができる。

また、電極カバーの外周面には、外径が接点の外径より大きく、断面円弧状をして外側に膨らんだ膨出部を形成したので、接点部の電界を低減することができる。

また、電極と接点との接合部は、電極カバーの開口端部より軸方向に内側の位置に形成されているので、接合部が電極カバーに覆われるため、ろう付けした接合部からろう材が露出していても、耐電圧性能を低下させることを防止できる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による真空バルブを示す断面図である。図１と同等部分は同一符号を付して説明を省略し、相違点を中心に説明する。
高電圧化、小形化に伴って、電極部のみならず、固定側電極棒及び可動側電極棒の電界も高くなる。そこで、本実施の形態では、図４に示すように、両電極カバー１３，１４に加え、それぞれの電極棒を覆う金属製の電極棒カバー１６，１７を設けたものである。電極棒カバーは、電極カバーと同じ部材で、電極カバーに連続して一体的に構成され、それぞれの電極棒の途中までを覆っている。

図５は、図４に示す可動側電極９周辺部の部分拡大図であり、図２に対応する部分である。基本的に固定側と可動側とは同じなので、実施の形態１と同様に可動側で説明する。図２で説明したものと同等の、金属の薄板をカップ状に形成して可動側電極９の外面を覆う可動側電極カバー１４と、更に、可動側電極棒６の外面を覆う円筒状の可動側電極棒カバー１７とが一体的に構成されている。
なお、実際の製作においては、図のように、可動側電極カバー１４と可動側電極棒カバー１７とを別々に製作したものをろう付けまたは溶接などで接合しても良く、また、同一部材で一体に成形しても良い。可動側電極棒カバー１７の内径寸法は可動側電極６が挿入できれば良い。両カバー１４，１７が一体に接合された状態で、少なくとも一箇所は電極または電極棒側にろう付けされ、電気的にも接合されている。

固定側電極棒カバー１６及び可動側電極棒カバー１７の各長さは、両接点８，１０の径方向の外側にあって両接点８，１０を包囲し、電極棒カバー１６，１７とは電気的に接続されていないアークシールド１１の端部よりも各端板２，３側に突出するような長さとする。図４で説明すれば、固定側電極棒カバー１６は、対向するアークシールド１１の固定側の端部１１ａより固定側端板２側に突出し、可動側電極棒カバー１７は対向するアークシールド１１の可動側の端部１１ｂより可動側端板３側に突出している。
なお、アークシールドの一端が端板側に電気的に接続されたようなシールド構造の場合は、接続された側の電極棒には電極棒カバーを設けなくても良い。

図６は、可動側電極９周辺部の他の例を示す部分拡大図である。可動側電極カバー部は、図３で説明した可動側電極カバー１５と同等であり、外周面に膨出部１５ｂが形成されている。その可動側電極カバー１５に、図５で説明したものと同様の可動側電極棒カバー１７が一体的に接合されて構成されている。可動側電極カバー１５の作用は、図３の場合と同じである。

次に、電極カバー及び電極棒カバーの材質について説明する。なお、以下に説明する材
質は、実施の形態１の電極カバー１４，１５も同じである。
各電極カバー１４，１５、及び各電極棒カバー１６，１７（以下、単に，カバー部と略す）は、例えば、ステンレス、銅、銅クロム合金等によって構成される。ステンレス，銅クロム合金は電極部の銅部材より耐電圧性能に優れている。銅の場合は、加工性に優れており、表面にクロム層を被覆すれば耐電圧性能も優れた材料となる。ステンレスの場合は、耐電圧性能に優れているが、ろう付け性能の向上のためにニッケルめっきを施す場合がある。その場合は、耐電圧性能を考慮すれば、全体にめっきをするのではなく、ろう付け部のみニッケルめっきを施すのがよい。

また、カバー部の表面に、酸化膜やセラミックス被膜等の絶縁被膜を設けても良い。そうすれば、耐電圧性能をさらに向上させることができる。電極と電極カバーが接しても、電極側から電極カバーに電流が流れないため、軸方向磁界が変化せず、遮断性能を低下させるのを防止できる。また、必要に応じて電極カバーの内径を電極に接する程度まで小さくできるため、小形化が可能となる。

また、カバー部の内面に銅の被膜を設けても良い。そうすれば、電極や電極棒の熱が拡散し通電性能が向上する。
更に、銅の被膜の上に酸化膜やセラミックス被膜等の絶縁被膜を設けてもよく、上記と同様に、電極カバーの内径を電極に接する程度まで小さくできるため、小形化が可能となる。

以上のように、実施の形態２の真空バルブによれば、固定電極棒及び可動側電極棒のそれぞれを囲む筒状の金属からなる電極棒カバーを、各電極カバーに連続して設け、各電極棒カバーの軸方向長さは、両電極の外周側に対向配置されたアークシールドの端部よりも各端板側に突出するような長さとしたので、アークシールドに対向する電極と電極棒がカバーで覆われるため、実施の形態１の効果に加えて、更に、耐電圧性能を向上させることができる。

また、電極棒カバー及び電極カバーの材質は、ステンレス，銅，銅クロム合金のいずれかとしたので、ステンレスまたは銅クロム合金では耐電圧に優れ、銅の場合は加工性の良い電極棒カバーと電極カバーを提供できる。

また、電極棒カバー及び電極カバーの表面に酸化膜，もしくはセラミックス被膜の絶縁被膜を施したので、電極カバーと電極が、または、電極棒カバーと電極棒が接しても、両者に電流が流れないため、軸方向磁界が変化せず、遮断性能を低下させることはない。また、必要に応じて電極カバー及び電極棒カバーの内径を小さくできるため、小形化が可能となる。

また、電極棒カバー及び電極カバーの内側に銅の被膜を施したので、電極や電極棒の熱が拡散し通電性能が向上する。

更にまた、電極棒カバー及び電極カバーの内側に設けた銅の被膜の上に、更に、酸化膜，もしくはセラミックス被膜の絶縁被膜を設けたので、熱が拡散し通電性能が向上すると共に、小形化が可能となる。

１ 絶縁筒 ２ 固定側端板
３ 可動側端板 ４ 固定側電極棒
５ ベローズ ６ 可動側電極棒
７ 固定側電極 ８ 固定側接点
９ 可動側電極 １０ 可動側接点
１０ａ 段差部 １１ アークシールド
１１ａ，１１ｂ 端部 １２ ベローズカバー
１３ 固定側電極カバー １４，１５ 可動側電極カバー
１４ａ，１５ａ 開口端 １５ｂ 膨出部
１６ 固定側電極棒カバー １７ 可動側電極棒カバー。

Claims (7)

1. 絶縁筒の両端部に固定側端板と可動側端板が固着された真空容器と、前記固定側端板を貫通して固設された固定側電極棒と、前記可動側端板を貫通して移動自在に設けられた可動側電極棒と、前記固定側電極棒及び前記可動側電極棒の各電極棒の対向端に設けられ、通電により前記各電極棒の軸方向磁界を発生させる電極と、前記電極の対向側にそれぞれ設けられた円板状の接点と、カップ状の金属からなり前記電極を覆うように設けられた電極カバーと、を有する真空バルブにおいて、
   前記接点は、外径が前記電極の外径よりも大きく形成され、前記電極と接合される側に前記電極に向けて突出させた段差部が形成され、前記段差部の突出面を前記電極との接合部とし、
   前記電極カバーは、開口端の外径が前記接点の外径より小さく前記電極の外径よりも大きい寸法に形成され、前記接合部が隠れるように前記開口端を前記接点の接離面の裏側に近接させ、前記開口端の反対側を前記電極に接合させて設けられていることを特徴とする真空バルブ。
2. 請求項１記載の真空バルブにおいて、
   前記電極カバーの外周面には、外径が前記接点の外径より大きく、断面円弧状をして外側に膨らんだ膨出部が形成されていることを特徴とする真空バルブ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の真空バルブにおいて、
   前記固定側電極棒及び前記可動側電極棒は、それぞれ金属からなる筒状の電極棒カバーを有し、前記電極棒カバーは前記電極カバーに連続して設けられ、前記電極棒カバーの軸方向長さは、前記電極の外周側に対向配置されたアークシールドの端部よりも前記固定側端板及び前記可動側端板の側に突出するような長さであることを特徴とする真空バルブ。
4. 請求項３記載の真空バルブにおいて、
   前記電極カバー及び前記電極棒カバーは、ステンレス，銅，銅クロム合金のいずれかから成ることを特徴とする真空バルブ。
5. 請求項４記載の真空バルブにおいて、
   前記電極カバー及び前記電極棒カバーの表面に、酸化膜，もしくはセラミックス被膜の絶縁被膜を施したことを特徴とする真空バルブ。
6. 請求項４又は請求項５記載の真空バルブにおいて、
   前記電極カバー及び前記電極棒カバーの内側に、銅の被膜を施したことを特徴とする真空バルブ。
7. 請求項６記載の真空バルブにおいて、
   前記電極カバー及び前記電極棒カバーの内側に設けた前記銅の被膜の上に、更に、酸化膜，もしくはセラミックス被膜の絶縁被膜を設けたことを特徴とする真空バルブ。

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