JP6395642B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

この発明は、真空の優れたアーク拡散性能と絶縁性能を活用して回路を開閉及び断路する真空バルブに関するものである。

真空中の絶縁性能は、電極の表面荒れや異物付着などの弱点部によって低下することが知られている。真空バルブの製造工程では、真空バルブに高電圧を印加し故意に絶縁破壊させることで、絶縁破壊のエネルギーにより弱点部を取り除く工程（電圧コンディショニング）が設けられている。しかしながら電流を開閉する接点部に関しては、電流開閉に伴う接点溶融や機械的衝撃により、電圧コンディショニング後に新たに弱点部が生じる可能性がある。
特許文献１に示す真空バルブでは、接点の周辺を電界緩和シールドで覆い、接点に生じる電界を緩和することにより、真空バルブの絶縁耐力を向上させている。また特許文献２に示す真空バルブでは、電界緩和シールドと接点はセラミックを介して電気的に絶縁されている。

特開昭５４−１６２１７９号公報 ＵＳ ８，４４５，８０４ Ｂ２

特許文献１に示す真空バルブによって事故電流の遮断を行う場合、遮断電流が接点から電界緩和シールドに意図せず転流してしまい、遮断失敗となる可能性がある。また特許文献２に示す真空バルブは、電界緩和シールドの電位と接点の電位が大きく異なるため、接点の電界が緩和されず十分な絶縁耐力を得ることができないという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、事故電流遮断性能と絶縁性能を両立し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、絶縁筒の両端を密封して構成した真空容器と、この真空容器内に導体を介して固定された固定側接点および固定側接点に対向して配置された駆動可能な可動側接点と、固定側接点および可動側接点をそれぞれ囲むように配置された１対の電界緩和シールドを備えた真空バルブにおいて、少なくとも固定側接点と固定側の電界緩和シールドが絶縁スペーサを介して接続されると共に、絶縁スペーサの体積抵抗率と誘電率の少なくとも一方の値は、接点に電圧が印加された時に、電界緩和シールドの存在による接点電界が、電界緩和シールドがない場合に比べて強調されない（高くならない）値まで電界緩和シールドの電位が固定側接点の電位に追従して上昇するように調整したものである。

この発明は、接点と電界緩和シールドの間は絶縁スペーサを介して接続する構成のため、遮断電流が接点から電界緩和シールドに移動した場合であっても、遮断電流が電界緩和シールドを流れることはなく、接点側に復帰し遮断を成功することができる。また絶縁スペーサは低インピーダンスであるために、接点と電界緩和シールドの電位が等しくなり、接点電界を緩和することが可能である。上記のような特徴を有するこの発明によれば、事故電流遮断性能と絶縁性能を両立した真空バルブを提供することが可能である。

この発明の実施の形態１に係る真空バルブを示す断面図である。 この発明の実施の形態１の真空バルブにおいて、本来想定される集中アークの発生位置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１の真空バルブにおいて、起こりうる集中アークの転流を示す断面図である。 この発明の実施の形態１の真空バルブにおいて、浮遊電位の値を決定するインピーダンスを示す断面図である。 この発明の実施の形態１の真空バルブにおいて、浮遊電位の値を決定する等価回路を示す模式図である。 この発明の実施の形態１の真空バルブにおいて、絶縁スペーサの体積抵抗率が接点電界に与える影響を計算した結果を示す図である。 この発明の実施の形態１の真空バルブにおいて、絶縁スペーサの比誘電率が接点電界に与える影響を計算した結果を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る真空バルブを示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る真空バルブを示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る真空バルブを示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係る真空バルブを示す断面図である。 この発明の実施の形態６に係る真空バルブを示す断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る真空バルブを図１から図７に基づいて詳細に説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に関わる真空バルブの断面図である。固定側接点１は固定側コイル２及び固定側ロッド３を介して固定側フランジ４に接続される。固定側接点１に対向して配置された可動側接点５は可動側コイル６、可動側ロッド７及びベローズ８を介して可動側フランジ９に接合される。固定側接点１および可動側接点５は、真空中の絶縁性能と遮断性能を考慮して銅・銀・クロム・タングステン等から成る純金属もしくは合金で構成される。

固定側コイル２及び可動側コイル６は銅などの金属で構成するか、または固定側接点１および可動側接点５に対して溝加工や切断加工を施すことによりコイルの機能を持たせたものでもよい。固定側ロッド３および可動側ロッド７は銅等の導電性に優れた金属で構成される。ベローズ８はステンレスやインコネルなど機械強度に優れた薄板を蛇腹状に成形したもので、可とう性を有するため、可動側接点５、可動側コイル６及び可動側ロッド７は紙面左右方向に変位することが可能であり、これにより電流の投入及び遮断を行う。

固定側フランジ４と可動側フランジ９は、固定側絶縁筒１０、アークシールド１１及び可動側絶縁筒１２を介して接合されており、絶縁筒の両端が密封された１つの円筒容器を形成する。固定側フランジ４及び可動側フランジ９及びアークシールド１１はステンレス・銅等の金属、固定側絶縁筒１０及び可動側絶縁筒１２はアルミナセラミック、ガラスセラミックなどの残留ガスが少なく耐熱性に優れた誘電体で構成される。十分な絶縁性能を確保するために、円筒容器内は少なくとも１Ｐａ以下の真空度に保たれている必要がある。

固定側接点１の周囲には、固定側電界緩和シールド１３が配置され、絶縁スペーサ１４を介して固定側フランジ４に固定される。同様に可動側接点５の周囲には可動側電界緩和シールド１５が配置され、可動側フランジ９に接続される。これら一対の電界緩和シールド１３、１５の対向部分は、それぞれ固定側接点１および可動側接点５を包囲するような配置となっている。固定側電界緩和シールド１３および可動側電界緩和シールド１５はステンレスや銅などの金属で形成され、絶縁スペーサ１４は誘電体で形成される。絶縁スペーサ１４はリング状に形成され、固定側フランジ４と固定側電界緩和シールド１３との間にロウ付けなどの接合方法で密着されている。この絶縁スペーサ１４は、遮断動作中に固定側接点１と可動側接点５の間で発生するアークが、固定側電界緩和シールド１３に移動することで起きる遮断失敗を防止する役割を果たす。

上記役割を、図２〜図３を用いて詳細に説明する。図２は本来期待する遮断動作中のアーク発生位置を示したものである。遮断動作開始後に固定側接点１と可動側接点５が乖離し、乖離点から集中アーク１６が発生する。通電経路は固定側ロッド３、固定側コイル２、固定側接点１、集中アーク１６、可動側接点５、可動側コイル６、可動側ロッド７となる。遮断電流が固定側コイル２および可動側コイル６を流れることにより、集中アーク１６に対して磁界が印加される。この磁界の作用により、集中アーク１６が駆動または拡散されるため、接点間距離の増加とともに接点に生じる電流密度が低下し遮断を成功することができる。

一方で、接点乖離後の集中アーク１６が、固定側接点１と可動側接点５の間から、図３に示すように固定側電界緩和シールド１３へ移動することが起こりえる。絶縁スペーサ１４が存在せず、固定側電界緩和シールド１３と固定側フランジ４が導通している場合、遮断電流は固定側コイル２を迂回して固定側電界緩和シールド１３を流れ続け、集中アーク１６に作用する磁場の強度が著しく低下するため、遮断に失敗する可能性がある。この発明のように絶縁スペーサ１４を設けると、遮断電流は固定側電界緩和シールド１３を流れ続けることができず、集中アーク１６を固定側接点１側に復帰させる効果が得られるため、遮断失敗を防止することができる。

ここで絶縁スペーサ１４として、通常真空バルブに広く用いられるアルミナセラミックなど高インピーダンス（体積抵抗率１０^１３Ωｍ以上、比誘電率１０以下）の誘電体を用いた場合、固定側電界緩和シールド１３による固定側接点１の電界緩和効果が十分に得られないという問題が発生する。
図１に示す実施の形態１においては、アークシールド１１と固定側電界緩和シールド１３の電位が浮遊している。浮遊電位を決定する等価回路を図４に示すが、固定側接点１（及び固定側コイル２及び固定側ロッド３）と固定側電界緩和シールド１３の間に、真空の静電容量Ｃ_１及び絶縁スペーサ１４の静電容量Ｃｓ及び抵抗Ｒｓが存在する。固定側電界緩和シールド１３には対地静電容量Ｃ_Ｅとアークシールド１１に対する容量Ｃ_２が存在する。同様にアークシールド１１には対地静電容量Ｃ_Ｆと可動側電界緩和シールド１５に対する静電容量Ｃ_３が存在する。

ここで各インピーダンスの大きさは真空バルブの構造により決まるが、Ｃ_１・Ｃ_２・Ｃ_３・Ｃ_Ｅ・Ｃ_Ｆの値は概ね等しいため、簡単のため全て同値とすると等価回路は図５の右側のように簡略化される。図５において、絶縁スペーサ１４のインピーダンスＣｓ及びＲｓが固定側接点１と固定側電界緩和シールド１３間の静電容量Ｃ_１のインピーダンスと比べて十分高い場合、印加電圧の６３％がＣ_１、即ち固定側接点１と固定側電界緩和シールド１３の間に印加されることになり、固定側接点１の電界が強調されてしまう。前記の電界強調を避けるためには、絶縁スペーサ１４のインピーダンスＣｓ及びＲｓを低く設定する必要がある。

図６は、絶縁スペーサ１４の体積抵抗率が固定側接点１上の電界に与える影響を電界計算により計算した結果である。図６には参考のため、固定側電界緩和シールド１３及び絶縁スペーサ１４を設けない場合における固定側接点１上の電界を併記している。図６より分かるように、絶縁スペーサ１４の体積抵抗率を１０^７Ωｍ以下に設定することにより、電界緩和の効果を期待通り得ることが可能である。
同様に絶縁スペーサ１４の比誘電率が固定側接点１上の電界に与える影響を計算した結果が図７である。絶縁スペーサ１４の比誘電率を２０以上に設定することにより電界緩和の効果を得ることができる。上記のような低インピーダンスを満たす絶縁スペーサ１４の材質は、アルミナセラミックに対して添加物を加えたものでもよいし、シリコンやジルコニアを主成分としたセラミックでもよい。一方で、樹脂・ポリマーは内部の残留ガスが真空度を低下させる懸念があり適していない。

以上述べた通り、固定側接点１の周囲に固定側電界緩和シールド１３を設け、固定側接点１と固定側電界緩和シールド１３の間を導電体（固定側コイル２、固定側ロッド３、固定側フランジ４）と絶縁スペーサ１４を介して接続すると共に、絶縁スペーサ１４の体積抵抗率と比誘電率の少なくとも一方の値は、接点に電圧が印加された時に、固定側電界緩和シールド１３の存在による接点電界が、電界緩和シールド１３がない場合に比べて強調されない（高くならない）値まで電界緩和シールド１３の電位が固定側接点１の電位に追従して上昇するように調整する。

絶縁スペーサ１４の体積抵抗率と比誘電率の値について、具体的に述べると、体積抵抗率の場合は１０^７Ωｍ以下に、比誘電率の場合は２０以上にする。このように絶縁スペーサ１４のインピーダンスは、体積抵抗率１０^７Ωｍ以下、比誘電率２０以上のいずれか一方を少なくとも満たすようにする。
この構成により、遮断電流が一時的に固定側電界緩和シールド１３へ移動したとしても、絶縁スペーサ１４の配置により固定側電界緩和シールド１３を流れ続けることができず固定側接点１上に復帰するため、遮断に成功する。また絶縁スペーサ１４は低インピーダンスのため固定側接点１と固定側電界緩和シールド１３は同電位に保たれ、接点電界の緩和効果も得ることができ、事故電流遮断性能と絶縁性能を両立した真空バルブを提供することが可能である。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る真空バルブを図８に基づいて詳細に説明する。
図８は、この発明の実施の形態２に関わる真空バルブの断面図である。実施の形態２は、実施の形態１における絶縁スペーサ１４を、真空封止部１４ａと低インピーダンス部１４ｂに分離したことを特徴とする。その他の構成は実施の形態１の図１と同じに付き、同じまたは相当する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
真空封止部１４ａはリング状の絶縁部材であり固定側フランジ４と固定側電界緩和シールド１３との間にロウ付けなどの接合方法で密着される。一方で低インピーダンス部１４ｂは真空封止部１４ａに対して、真空バルブの外側（大気・ガス側）に取り付けられるもので、固定側フランジ４と固定側電界緩和シールド１３の両方に密着するものであれば形状は問わない。図８ではリング状のものを覆いかぶせたものを図示している。
絶縁スペーサ１４の真空封止部１４ａは、真空容器内に露出しているため、アルミナセラミックなどの残留ガスの少ない絶縁体で形成し、絶縁スペーサ１４の低インピーダンス部１４ｂは抵抗率１０^７Ωｍ以下及び比誘電率２０以上のいずれか一方を少なくとも満たす誘電体で構成される。
実施の形態２では、低インピーダンス部１４ｂは真空容器外にあり真空内に露出していないため、低インピーダンス部１４ｂの材質として樹脂やポリマーなど残留ガスの恐れがあるものを用いることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る真空バルブを図９に基づいて詳細に説明する。
図９は、この発明の実施の形態３に関わる真空バルブの断面図である。実施の形態３は、固定側に加えて、可動側フランジ９と可動側電界緩和シールド１５の間にも絶縁スペーサ１４を設けたことを特徴とする。その他の構成は実施の形態１の図１と同じに付き、同じまたは相当する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
集中アーク１６は図２に示すように固定側電界緩和シールド１３の近傍で発生する。そのため通常は固定側にのみ絶縁スペーサ１４を設ければ十分である。しかしながらスパイラル型のコイルで集中アークを回転駆動させながら遮断する場合などは、長ギャップまで集中アークが持続するため、可動側電界緩和シールド１５に転流する可能性がある。可動側についても固定側と同じ絶縁スペーサ１４を設けることで、電流遮断性能を安定化することが可能である。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係る真空バルブを図１０に基づいて詳細に説明する。
図１０は、この発明の実施の形態４に関わる真空バルブの断面図である。実施の形態４の真空バルブは、この発明の実施の形態２と実施の形態３の真空バルブを組み合わせたもので、固定側の絶縁スペーサ１４と可動側の絶縁スペーサ１４の両方を、真空封止部１４ａと低インピーダンス部１４ｂの組み合わせで実現したものである。その他の構成は実施の形態１、２、３の図１、８、９と同じに付き、同じまたは相当する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
このような構成とすることで、電流遮断性能を一層安定化することが可能である。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５に係る真空バルブを図１１に基づいて詳細に説明する。
図１１は、この発明の実施の形態５に関わる真空バルブの断面図である。実施の形態５の真空バルブは、絶縁スペーサ１４を真空バルブの外周部ではなく真空バルブ内に配置したことを特徴とする。即ち、図１１に示すように、絶縁スペーサ１４は固定側ロッド３と固定側電界緩和シールド１３の間に設ける。
このように構成することで、固定側電界緩和シールド１３の長さが短くなるため、製作が容易になる他、固定側電界緩和シールド１３が固定側絶縁筒１０の電界を強調する作用を低減することができる。

実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６に係る真空バルブを図１２に基づいて詳細に説明する。
図１２は、この発明の実施の形態６に関わる真空バルブの断面図である。実施の形態６の真空バルブは、絶縁スペーサ１４を真空バルブの外周部ではなく真空バルブ内に配置した実施の形態５の発明を、可動側に適用したものである。即ち、図１２に示すように、固定側の絶縁スペーサ１４は実施の形態５の図１１と同じにし、可動側の絶縁スペーサ１４は可動側電界緩和シールド１５の中間に配置したものである。
このように構成することで、固定側電界緩和シールド１３の長さが短くなるため、製作が容易になる他、電流遮断性能を一層安定化することが可能である。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：固定側接点、 ２：固定側コイル、 ３：固定側ロッド、 ４：固定側フランジ、
５：可動側接点、 ６：可動側コイル、 ７：可動側ロッド、 ８：ベローズ、
９：可動側フランジ、 １０：固定側絶縁筒、 １１：アークシールド、
１２：可動側絶縁筒、 １３：固定側電界緩和シールド、 １４：絶縁スペーサ、
１４ａ：真空封止部、 １４ｂ：低インピーダンス部、
１５：可動側電界緩和シールド、 １６：集中アーク

Claims (6)

1. 絶縁筒の両端を密封して構成した真空容器と、この真空容器内に導体を介して固定された固定側接点および前記固定側接点に対向して配置された駆動可能な可動側接点と、前記固定側接点および前記可動側接点をそれぞれ囲むように配置された１対の電界緩和シールドを備えた真空バルブにおいて、少なくとも前記固定側接点と前記固定側の電界緩和シールドが絶縁スペーサを介して接続されると共に、前記絶縁スペーサの体積抵抗率と誘電率の少なくとも一方の値は、接点に電圧が印加された時に、前記電界緩和シールドの存在による接点電界が、電界緩和シールドがない場合に比べて強調されない（高くならない）値まで前記電界緩和シールドの電位が前記固定側接点の電位に追従して上昇するように調整したことを特徴とする真空バルブ。
2. 前記絶縁スペーサの体積抵抗率を１０^７ Ωｍ以下とした請求項１に記載の真空バルブ。
3. 前記絶縁スペーサの比誘電率を２０以上とした請求項１または請求項２に記載の真空バルブ。
4. 前記絶縁スペーサは、シリコンまたはジルコニアを主成分としたセラミック材で構成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブ。
5. 前記絶縁スペーサは、前記真空容器内に露出する真空封止部と前記真空容器外に露出した低インピーダンス部の組み合わせで構成され、前記低インピーダンス部のみが体積抵抗率１０^７ Ωｍ以下及び誘電率２０以上のいずれか一方を少なくとも満たすことを特徴と
   した請求項１に記載の真空バルブ。
6. 前記絶縁スペーサは、前記真空容器内に配置され外部に露出しないことを特徴とした請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブ。