JP5451500B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

この発明は、真空容器内に収容された接離可能な一対の電極を囲繞してアークシールドが設けられた真空バルブに関するものである。

真空バルブは、一般にセラミックスまたはガラス等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した真空容器内に一対の電極が配置されて構成されている。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。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、真空容器内を真空に維持しつつ可動側電極及び可動側電極棒を駆動できるように構成されている。
また、電流遮断時に電極間でアークが発生し、電極から金属蒸気が飛散して絶縁円筒内面に付着し、内沿面の絶縁性能が低下するのを防止するため、アークシールドが電極を取り囲んで設けられている。

数十ｋＡを越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スパイラル構造の電極がある。電極にスパイラル状の溝を設け、スパイラル羽根部分に電流が流れることにより発生する磁場がアーク電流に作用し、電極外周を円周方向に回転させる駆動力が発生する。アークが回転することで電極表面の局部加熱が抑えられ、遮断性能を向上させるものである。

大電流遮断時のアークが電極表面外周部を回転する際に、アークがアークシールドに触れないようにするためには、電極とアークシールド間の距離を広くする必要があるが、それは真空バルブの大形化及びコストアップを招くことになる。従って、経済性を考慮すれば、アークがアークシールドに触れることを許容して設計されることになり、アークシールドが大電流遮断性能に影響を及ぼす一因となっている。
すなわち、アークの熱でアークシールドが溶融することにより損傷し耐電圧性能の低下を招くこと、また、金属蒸気となって電流遮断直後の再点弧の要因となることが考えられる。さらに、溶融したアークシールドの金属蒸気が絶縁円筒内面に付着して、絶縁円筒の沿面耐電圧性能の低下を引き起こすことも考えられる。
大電流遮断時以外でも、アークシールドの形状及び材質は真空バルブの耐電圧性能に大きな影響を与えている。

アークシールドの性能向上のため、アークシールドを２重の金属板で構成した技術が知られている。例えばステンレス鋼のような高電圧材料の外側シールドと、その内側で電極に近いアーク領域に面する部分に、電極と同じ材料の銅−クロム合金から成る内側シールドをろう付により固着して、アークシールドを構成したものである（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６０−９５８１７号公報（第３頁、ＦＩＧ．２）

従来の真空バルブは、アークシールドの材料の一つとして、銅より熱伝導率が小さいが耐電圧性能に優れた材料、例えば、ステンレス鋼が用いられる場合がある。この場合、大
電流遮断時のアークがアークシールドに触れることにより局部加熱されて、アークシールドが溶融・金属蒸気化して損傷を受ける。大電流遮断回数が増えてアークシールドの損傷が進むと、耐電圧性能を低下させるだけでなく、最悪の場合、溶融により穴が開くところまで達すれば性能喪失に至ってしまう。
また、アークシールドの材料として、熱伝導率の良い、例えば銅を用いた場合は、大電流遮断時のアークがアークシールドに触れた際に熱伝導で局部加熱が抑えられて、アークシールドの損傷が軽減される。しかし、銅はステンレスと比べると材質として耐電圧性能が劣るため、電極及び電極棒とアークシールドとの間の真空絶縁距離を長くする必要が生じ、真空バルブが大形化するという課題がある。

これらの改善の一つとして、上記特許文献１のように、銅に近い熱伝導率を有し耐電圧性能が改善された銅クロム合金を用いる方法が提案されている。この銅クロム合金は、焼結・溶解法で製造され、複雑な形状は切削でしか製造できないことからアークが触れる部分に対して銅クロム合金を用い、その他の部分はステンレスなどで製作して両者を接合しアークシールドを形成している。しかし、銅クロム合金は特殊材料であり、アークシールドが非常に高価になるという問題点があった。

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、耐電圧性能に優れ、且つ、熱伝導に優れたアークシールドを安価に製作でき、大電流遮断性能及び耐電圧性能に優れた真空バルブを、小形で経済的に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、真空容器と、真空容器内に接離可能に配置された一対の電極と、電極を囲んで真空容器内に配置されたアークシールドとを有する真空バルブにおいて、アークシールドは、電極を包囲して円筒状に形成されたステンレス製の第１のアークシールドと、ステンレスより熱伝導率の良い材料により、第１のアークシールドの外周を包囲して形成された第２のアークシールドとで構成され、第１のアークシールドは、両電極が開離したときに発生するアーク領域に対応した部位に、径方向に貫通する複数のスリット又は細孔を有し、第２のアークシールドは、スリット又は細孔を覆うように、第１のアークシールドの外周に密着させて接合されているものである。

この発明の真空バルブによれば、アークシールドは、電極を包囲して円筒状に形成されたステンレス製の第１のアークシールドと、ステンレスより熱伝導率の良い材料により、第１のアークシールドの外周を包囲して形成された第２のアークシールドとで構成され、第１のアークシールドは、アーク領域に対応した部位にスリット又は細孔を有し、第２のアークシールドは、スリット又は細孔を覆うように、第１のアークシールドの外周に密着させて接合したので、アークシールドを耐電圧性能の良い第１のアークシールドと熱伝導性の良い第２のアークシールドを相互に利点を生かせるよう配置構成したことにより、大電流遮断性能及び耐電圧性能に優れた真空バルブを小形で経済的に提供することができる。

この発明の実施の形態１による真空バルブの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による真空バルブの別のアークシールドを示す断面図である。 この発明の実施の形態２による真空バルブのアークシールドを示す要部断面図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形例１による真空バルブの構成を示す断面図である。
図において、アルミナセラミックス等からなる絶縁円筒１の一方の開口端部を覆って固定側端板２が、他方の開口端部を覆って可動側端板３が、それぞれ絶縁円筒１の端面にろう付けにより固着されて真空容器４が構成されている。真空容器４内には、固定側端板２を貫通する固定側電極棒５の先端に固着された固定側電極６と、可動側端板３を貫通する可動電極棒７の先端に固着された可動側電極８とが対向配置されている。固定側端板２と固定側電極棒５とは、ろう付けにより接合されており、可動側端板３と可動側電極棒７とは、ベローズ９を介して接合されている。ベローズ９は、例えば薄いステンレスで蛇腹状に製作されている。そして、可動側端板３とベローズ９、及びベローズ９と可動側電極棒７とはろう付け接合されている。このベローズ９により、固定側電極棒７が真空気密を保持しながら軸方向に移動でき、両接点６，８が接離可能になっている。

電流遮断時に固定側電極６と可動側電極８の間で発生するアークによる金属蒸気が絶縁円筒１の内面に付着するのを抑制するため、アークシールド１０が、両電極６，８の周囲を囲むように配設されている。アークシールド１０の詳細は後述する。

固定側電極６と可動側電極８は、数十ｋＡを越える大電流遮断を行うのに有効な電極構造の一つである、スパイラル構造の電極としている。
スパイラル構造の電極は、電極にスパイラル状の溝を設け、スパイラル羽根部分に電流が流れることで発生する磁場とアーク電流とが作用することで電極外周を円周方向に回転させる駆動力が発生する。アークが回転することで電極表面の局部加熱が抑えられ、遮断性能が向上する。このアークが回転する際に、アークは両電極の外周側に膨らんでアークシールド１０に触れながら回転する。

このときアークが触れる領域は、図１に符号２０で示すように、固定側電極６と可動側電極８の間に発生するアークの領域に対応した部位である。すなわち、両電極６，８が開離したときに、電極間隔を含み両電極６，８の外周面とほぼ対向するアークシールド１０の内面側であり、以下、このアークが触れる領域を「アーク領域」２０と称することにする。アーク領域２０では、アークによる熱でアークシールド１０に溶融を発生させることになる。
なお、電極構造は上記のスパイラル電極に限定するものではなく、縦磁界電極や平板電極であっても良い。

次に、アークシールド１０について説明する。
アークシールド１０は、第１のアークシールド１１と第２のアークシールド１２で構成されている。第１のアークシールド１１は、ステンレスなどの耐電圧性能が良い材料を用いて、固定側電極６及び可動側電極８を包囲し、両電極棒５，７の一部も囲う長さで円筒状に形成されており、両端部は内径側に絞られている。この第１のアークシールド１１は、あまり熱伝導が良くないことや、成形の容易性を考慮して、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の肉厚で製作される。
そして、第１のアークシールド１１のアーク領域２０に対応した部位には径方向に貫通した複数のスリット１１ａが全周に亘って設けられている。

第２のアークシールド１２は、第１のアークシールド１１より熱伝導性に優れた無酸素銅や銅合金などの材料を用いて、第１のアークシールド１１の外周を包囲して、スリット１１ａを覆うように、円筒形状に成形されている。ここで、第２のアークシールド１２は必ずしも平面視円環状の形状でなくてもよく、１箇所突合せのあるＣ状のような形状でも良い。ただし、スリット１１ａを完全に覆っていない場合は、その部分のスリット１１ａに対応した絶縁円筒１の内縁面に金属蒸気が付着して沿面耐電圧性能の低下を引き起こす
ため、必ず全てのスリット１１ａを覆うような形状に第２のアークシールド１２は設計・配置される。
なお、第２のアークシールド１２の肉厚は、肉厚方向への熱伝導も期待できるため２ｍｍ以上が望ましい。

第１のアークシールド１１のアーク領域２０の内径側表面積に対して、全てのスリット１１ａの面積の合計が６０％程度以下にすることで、第１のアークシールド１１の耐電圧性能の効果が十分得られる。その範囲で、第１のアークシールド１１の全てのスリット１１ａの面積は、遮断電流値及びその遮断回数などから必要な熱伝導性能を考慮し適宜決められる。

第１のアークシールド１１と第２のアークシールド１２とは、位置ずれ防止及び部品間の熱伝導の点から強固に固着させるのが望ましい。この固着方法の一つは、ろう材（例えば銀ろう）によるろう付けである。このとき、ろう付けによる固着では、ろう材自身の耐電圧性能が良くないため、第１のアークシールド１１の内面側にろう材がはみ出さないように注意が必要である。

また、他の固着方法として、第１のアークシールド１１と第２のアークシールド１２を凝着させる方法がある。両アークシールド１１，１２を組み合わせた状態で、真空中または水素還元雰囲気中で、第１のアークシールドと第２のアークシールドの表面の酸化皮膜が除去される温度下において両部品を接する状態にすると凝着して固着される。特に、両部品間に圧力が加わるようにすると凝着がより安定して生じる。

上記に説明した、第１のアークシールド１１では、アーク領域２０に設ける貫通部を長方形のスリット１１ａとしたが、貫通部をスリット形状以外の形状としても良い。
図２は、アークシールド１０の他の例を示す断面図である。図２では、貫通部を複数の細孔で構成した場合である。第１のアークシールド１１のアーク領域２０の全周に亘って複数の丸穴１１ｂを設けている。細孔は丸穴以外に多角形状の角穴としても良い。第２のアークシールド１２は、図１の場合と同等である。

スリット又は細孔の形状及び配置は、製作の容易性、コストや熱伝導・耐電圧性能の観点から適宜決めればよい。
ここで、スリット又は細孔の配置は、アーク領域２０内で、図のように円周方向に等間隔に配置する場合以外に、意図的に等間隔にしない場合もある。例えば、遮断器に真空バルブを取り付けた場合、固定側電極棒５と可動側電極棒７の電極側とは反対側の各端面には、端子導体が接続されるが、その端子導体を流れる電流による磁界の影響を、大電流遮断時に電極間で発生するアークが受けて、回転速度が電極の円周方向で一定ではなくなる現象が起こる。そこで、アークの回転速度が遅くなる部分にはスリット又は細孔を多く配置し、回転速度が十分ある領域はスリット又は細孔を少なく配置することで、性能を維持しながら加工コスト削減等を図ることができる。

このように構成したアークシールド１０の作用について説明する。
材質的に耐電圧性能に優れた第１のアークシールド１１を電極６，８の周囲に対向配置したことにより、第１のアークシールド１１の耐電圧性能が支配的に真空の絶縁距離を決定することになる。さらに、大電流遮断時に電極間に発生するアークがスリット１１ａ（又は丸穴１１ｂ）を通して第２のアークシールド１２に触れることで、その部分の熱は熱伝導性に優れた第２のアークシールド１２の熱伝導で効果的に拡散されて温度上昇を抑制でき、アークシールド１０の溶融による損傷を低減することができる。また、第２のアークシールド１２が外側に配置されていることで放熱効果が大きく、更に、第２のアークシールド１２を無酸素銅等を使用することで、加工が容易で且つ安価に製造できる。
このように、アークシールド１０を、耐電圧性能の良い第１のアークシールド１１と熱伝導性の良い第２のアークシールド１２を相互に利点を生かせるよう配置して構成した点に特徴を有するものである。
特に、電極構造を、大電流遮断性能及び耐電圧性能に優れたスパイラル電極とした場合には、大電流遮断時のアークが電極表面外周部を回転する際に、外周側に膨らんでアークシールドに触れやすくなるので、アーク領域を本実施の形態のような２重構造のアークシールドとしたことによる効果は大きい。

以上のように、実施の形態１の真空バルブによれば、真空容器と、真空容器内に接離可能に配置された一対の電極と、電極を囲んで真空容器内に配置されたアークシールドとを有する真空バルブにおいて、アークシールドは、電極を包囲して円筒状に形成されたステンレス製の第１のアークシールドと、ステンレスより熱伝導率の良い材料により、第１のアークシールドの外周を包囲して形成された第２のアークシールドとで構成され、第１のアークシールドは、両電極が開離したときに発生するアーク領域に対応した部位に、径方向に貫通する複数のスリット又は細孔を有し、第２のアークシールドは、スリット又は細孔を覆うように、第１のアークシールドの外周に密着させて接合したので、アークシールドを耐電圧性能の良い第１のアークシールドと熱伝導性の良い第２のアークシールドを相互に利点を生かせるよう配置して構成したことにより、大電流遮断性能（遮断電流値、遮断回数）を向上させることができるアークシールドを安価に製作することが可能となり、大電流遮断性能及び耐電圧性能に優れた真空バルブを小形で経済的に提供することができる。

また、電極は、その電極を流れる電流による磁界が電極間に発生するアークを駆動するように、円周方向に伸びた腕を有する構造としたので、大電流遮断性能及び耐電圧性能に優れた電極構造を採用しながら、大電流遮断時のアークの熱を効果的に放熱でき、大電流遮断性能及び耐電圧性能に優れた真空バルブを提供できる。

また、第１のアークシールドと第２のアークシールドとは、ろう付けにより接合したので、両シールドを安価で容易に接合でき、経済性に優れた真空バルブを提供できる。

また、第１のアークシールドと第２のアークシールドとは、第１のアークシールドに第２のアークシールドを組み合わせ、真空または水素還元雰囲気中で第１のアークシールド及び第２のアークシールド表面の酸化膜が除去される温度とすることで、第１のアークシールドと第２のアークシールドとを凝着させて接合したので、両アークシールドを容易に密着接合でき、信頼性の高いアークシールドを経済的に提供できる。

また、第２のアークシールドは無酸素銅製または銅合金製としたので、伝熱性に優れたアークシールドを安価に提供できる。

実施の形態２．
図３はこの実施の形態２の真空バルブのアークシールドの要部を示す拡大断面図である。真空バルブの全体構成は、実施の形態１の図１と同等なので図示及び説明は省略する。また、図１と同等部分は同一符号で示す。以下では実施の形態１との相違点を中心に説明する。相違点は、第２のアークシールドの形状である。
図３において、第１のアークシールド１１は、図１と同等であり、ステンレス材料からなり、アーク領域２０にスリット１１ａが形成されている。
第２のアークシールド１２は、例えば無酸素銅の板からなり、内周面に第１のアークシールド１１のスリット１１ａの形状に対応しスリット１１ａに嵌合する突起部１２ａ（長方形でスリット１１ａの側面に沿う形状）が形成されている。
第２のアークシールド１２を、第１のアークシールド１１に巻き付けるようにしながら
スリット１１ａに突起部１２ａをはめ込んでアークシールド１０を形成する。
ここで、突起部１２ａをはめ込んだとき、必ず第１のアークシールド１１の内径側表面から突起部１２ａが飛び出さないように、突起部１２ａの高さは第１のアークシールド１１の肉厚以下とする。肉厚の半分以下程度が望ましい。

第２のアークシールド１２の突起部１２ａの形成方法の一つとして、第１のアークシールド１１の所定位置に焼き鈍した状態の円筒形状の第２のアークシールド１２を配置し、第２のアークシールド１２の外側から圧力を加え、第２のアークシールド１２を塑性変形させて突起部１２ａを形成する方法がある。この方法によれば、突起部１２ａがスリット１１ａに完全に嵌合するように容易に製作することができる。
なお、図３では第１のアークシールド１１の貫通部がスリット１１ａの場合で説明したが、実施の形態１の図２の丸穴１１ｂのような細孔でも良い。
また、第１のアークシールド１１と第２のアークシールド１２との固着方法は実施の形態１で述べたような、ろう付け又は凝着により行う。

第２のアークシールド１２の突起部１２ａが第１のアークシールド１１のスリット１１ａ（又は細孔）にはまり込むことで、大電流遮断時の電極間に発生するアークが触れやすくなり、効率的に熱を拡散できるため、アークシールド１０の溶融による損傷をより低減できる。さらに、突起部１２ａがスリット１１ａにはまり込んでいることにより、機械的に第１のアークシールドと第２のアークシールドが固定されているため、位置ずれの発生が生じない信頼性の高いアークシールドが得られる。

以上のように、実施の形態２の真空バルブによれば、第２のアークシールドは、内面側に、第１のアークシールドの肉厚寸法より小さい高さでスリット又は細孔に嵌合する突起部を有し、突起部が第１のアークシールドのスリット又は細孔にはめ込まれて接合されているので、実施の形態１の効果に加えて、アークによる熱を効果的に放散してアークシールドの溶融による損傷を低減でき、また、第１と第２のアークシールドを強固に固定できるため、信頼性の高いアークシールドが得られ、信頼性の高い真空バルブを提供できる。

１ 絶縁円筒 ２ 固定側端板
３ 可動側端板 ４ 真空容器
５ 固定側電極棒 ６ 固定側電極
７ 可動側電極棒 ８ 可動側電極
９ ベローズ １０ アークシールド
１１ 第１のアークシールド １１ａ スリット
１１ｂ 丸穴（細孔） １２ 第２のアークシールド
１２ａ 突起部 ２０ アーク領域。

Claims (6)

1. 真空容器と、前記真空容器内に接離可能に配置された一対の電極と、前記電極を囲んで前記真空容器内に配置されたアークシールドとを有する真空バルブにおいて、
   前記アークシールドは、前記電極を包囲して円筒状に形成されたステンレス製の第１のアークシールドと、ステンレスより熱伝導率の良い材料により、前記第１のアークシールドの外周を包囲して形成された第２のアークシールドとで構成し、
   前記第１のアークシールドは、前記両電極が開離したときに発生するアーク領域に対応した部位に、径方向に貫通する複数のスリット又は細孔を有し、
   前記第２のアークシールドは、前記スリット又は前記細孔を覆うように、前記第１のアークシールドの外周に密着させて接合さ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、
   前記電極は、その電極を流れる電流による磁界が前記電極間に発生するアークを駆動するように、円周方向に伸びた腕を有する構造であ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記載の真空バルブにおいて、
   前記第２のアークシールドは、内面側に、前記第１のアークシールドの肉厚寸法より小さい高さで前記スリット又は前記細孔に嵌合する突起部を有し、前記突起部が前記第１のアークシールドの前記スリット又は前記細孔にはめ込まれて接合されていることを特徴とする真空バルブ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブにおいて、
   前記第１のアークシールドと前記第２のアークシールドとは、ろう付けにより接合されていることを特徴とする真空バルブ。
5. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブにおいて、
   前記第１のアークシールドと前記第２のアークシールドとは、前記第１のアークシールドに前記第２のアークシールドを組み合わせ、真空または水素還元雰囲気中で前記第１のアークシールド及び前記第２のアークシールド表面の酸化膜が除去される温度とすることで、前記第１のアークシールドと前記第２のアークシールドとが凝着されて接合されていることを特徴とする真空バルブ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブにおいて、
   前記第２のアークシールドは無酸素銅製または銅合金製であることを特徴とする真空バルブ。

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