JP6794327B2 - ガス遮断器 - Google Patents

Description

実施形態は、ガス遮断器に関する。

従来知られたガス遮断器は、電路を構成する二つの接触子部を有し、二つの接触子部の間に生じたアーク放電を、消弧性ガスを吹き付けることによって、消弧する。

特開２０１５−１１８７５号公報

この種のガス遮断器では、例えば、よりスムーズにあるいはより確実にアーク放電を消弧することができれば、有意義である。

実施形態のガス遮断器は、例えば、容器と、可動部と、対向部と、ノズルと、を備える。前記容器には、消弧性ガスが充填される。前記可動部は、前記容器内に収容され、可動アーク接触子を有する。前記可動部には、消弧性ガスの圧力を高める蓄圧部が設けられる。前記対向部は、前記容器内に収容され、対向アーク接触子と、排気筒と、前記排気筒内に前記排気筒内での消弧性ガスの流れを許容した状態で設けられた遮蔽部と、を有する。前記ノズルは、前記容器内に収容される。前記ノズルには、前記可動アーク接触子と前記対向アーク接触子との間でのアーク放電が生じる空間が設けられる。前記遮蔽部は、前記排気筒の軸方向と交差する第１の遮蔽壁と、前記第１の遮蔽壁から前記可動部側に前記排気筒の軸方向に沿って延びる筒状の第２の遮蔽壁と、を有する。前記第２の遮蔽壁には、複数の貫通孔が前記軸方向に沿って間隔をあけて設けられる。各前記貫通孔の前記軸方向に沿った長さが、１８ｍｍ以上５５ｍｍ以下である。前記ガス遮断器は、前記蓄圧部で圧力が高められた消弧性ガスが、前記空間内に流入して前記アーク放電を消弧するとともに、前記第２の遮蔽壁内に流入するよう構成される。

図１は、実施形態のガス遮断器の模式的かつ例示的な軸方向に沿った断面図であって、接続状態を示す図である。 図２は、実施形態のガス遮断器の模式的かつ例示的な軸方向に沿った断面図であって、図１の後の開離状態を示す図である。 図３は、実施形態のガス遮断器の模式的かつ例示的な軸方向に沿った断面図であって、図２よりも後の開離状態を示す図である。 図４は、図１の部分的な拡大図である。 図５は、図４のV−V断面図である。 図６は、図４のVI−VI断面図である。 図７は、図４のVII−VII断面図である。 図８は、図４のVIII−VIII断面図である。 図９は、図１の部分的な拡大図であって、ガス遮断器の各部の寸法を説明するための図である。 図１０は、実施形態のガス遮断器における貫通孔の圧力損失に関する図である。 図１１は、実施形態のガス遮断器における遮蔽部内の温度に関する図である。 図１２は、実施形態のガス遮断器における遮蔽部内の温度に関する図である。 図１３は、実施形態のガス遮断器における対向アーク接触子付近の温度の時間履歴を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成や制御（技術的特徴）、ならびに当該構成や制御によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。

図１〜図３に示すように、ガス遮断器１は、電路を構成する二つの接触子部として対向接触子部１０と可動接触子部２０とを有する。ガス遮断器１では、対向接触子部１０および可動接触子部２０が互いに接触された接続状態（図１）と、対向接触子部１０および可動接触子部２０が互いに離間された開離状態（図２、図３）とが、切り替わる。接続状態の後の開離状態では、対向接触子部１０および可動接触子部２０の間にアーク放電が生じる。アーク放電に消弧性ガスの流れが吹付けられることにより、アーク放電は、絶縁、冷却されるとともに、電流零点で消弧され、電流が遮断される。接続状態は、接触状態とも称され、開離状態は、離間状態とも称されうる。

図１に示すように、ガス遮断器１は、密閉容器３０を有する。密閉容器３０には、消弧性ガスが充填されている。密閉容器３０は、例えば、金属材料や碍子などで構成され、グラウンドに接続されている。密閉容器３０は、容器の一例である。

消弧性ガスは、例えば、六フッ化硫黄ガス（ＳＦ６ガス）や、空気、二酸化炭素、酸素、窒素、それらの混合ガス、その他などの、消弧性能および絶縁性能に優れたガスである。なお、消弧性ガスは、例えば、ＳＦ６ガスよりも地球温暖化係数が低くかつ分子量が小さく、かつ少なくとも１気圧以上および摂氏２０度以下で気相であるガスであってもよい。

密閉容器３０内では、対向接触子部１０と可動接触子部２０とが、互いに対向して配置されている。対向接触子部１０および可動接触子部２０は、それぞれ、円筒状または円柱状などの複数の部材を有しており、互いに中心軸Ａｘ回りに同心に配置されている。なお、以下では、「軸方向」は中心軸Ａｘの軸方向であり、「径方向」は中心軸Ａｘの径方向であり、「周方向」は中心軸Ａｘの周方向である。対向接触子部１０は、対向部の一例であり、可動接触子部２０は、可動部の一例である。また、以下では、便宜上、軸方向における対向接触子部１０側、すなわち図１〜図３では左方を軸方向Ａと称し、軸方向における可動接触子部２０側、すなわち、図１〜図３では右方を軸方向Ａの他方と称する。また、本実施形態では、対向接触子部１０は、密閉容器３０に固定されているため、固定接触子部とも称されうる。

密閉容器３０の内面からは、径方向の内方に向けて、支持部材３１が突出している。対向接触子部１０は、支持部材３１を介して密閉容器３０に固定されている。支持部材３１は、密閉容器３０と対向接触子部１０とを絶縁している。よって、支持部材３１は、絶縁支持部材とも称されうる。

可動接触子部２０は、操作ロッド４０と接続されている。操作ロッド４０は、中心軸Ａｘを中心として軸方向Ａに沿って延びる円筒状に構成され、中心軸Ａｘに沿って往復動可能に構成されている。操作ロッド４０は、駆動装置（図示せず）によって、軸方向Ａに沿って動かされる。可動接触子部２０は、操作ロッド４０と連動して軸方向Ａに移動する。操作ロッド４０が対向接触子部１０に近づく方向、すなわち、軸方向Ａへ動くと、図１に示すように、対向接触子部１０と可動接触子部２０とが接続状態となる。操作ロッド４０が対向接触子部１０から離れる方向、すなわち、軸方向Ａの他方へ動くと、図２、図３に示すように、対向接触子部１０と可動接触子部２０とが開離状態となる。また、操作ロッド４０は、消弧性ガスの排出管としても機能する。すなわち、消弧性ガスは、軸方向Ａの端部から操作ロッド４０の筒内に入り、当該筒内を経由し、開口部２１ｂを介して密閉容器３０内に流出することができる。

対向接触子部１０は、対向アーク接触子１１および対向通電接触子１２を有する。また、可動接触子部２０は、可動アーク接触子２１および可動通電接触子２２を有する。対向アーク接触子１１と可動アーク接触子２１とが軸方向Ａに互いに対向し、接続状態で電気的に接続される。また、対向通電接触子１２と可動通電接触子２２とが軸方向Ａに互いに対向し、接続状態で電気的に接続される。なお、対向接触子部１０が密閉容器３０に固定されている場合、対向アーク接触子１１は、固定アーク接触子とも称され、対向通電接触子１２は、固定通電接触子とも称されうる。

対向アーク接触子１１は、棒状の導体であり、中心軸Ａｘを中心として軸方向Ａに沿って延びている。対向接触子部１０の排気筒１３内には、軸方向Ａと直交する円盤状の第１の遮蔽壁１４が設けられている。さらに、第１の遮蔽壁１４から、軸方向Ａの他方に向かって、軸方向Ａに沿って延びる筒状の第２の遮蔽壁１５が設けられている。

可動アーク接触子２１は、筒状の導体であり、中心軸Ａｘを中心として軸方向Ａに沿って延びている。本実施形態では、一例として、可動アーク接触子２１は、操作ロッド４０と一体化されている。可動アーク接触子２１の軸方向Ａの端部には、円形の貫通孔２１ａが設けられている。貫通孔２１ａが設けられている端部は、軸方向Ａに沿って延びる複数のスリット（図示せず）によって、軸方向Ａに沿って延びる複数の指状電極に分割されている。複数の指状電極の端部は、対向アーク接触子１１の外周面よりも狭い直径の縁に沿って並んでいる。操作ロッド４０の移動に伴って、可動アーク接触子２１は、対向アーク接触子１１に近づき、図１に示すように、対向アーク接触子１１が貫通孔２１ａ内に挿入される。これにより、複数の指状電極は、対向アーク接触子１１の外周面に押されて径方向の外方に広がり、指状電極の弾性力によって、対向アーク接触子１１の外周面と接触する。

対向アーク接触子１１および可動アーク接触子２１の先端部は、絶縁ノズル５０によって隙間をあけて覆われている。絶縁ノズル５０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどの耐熱性かつ絶縁性の材料で構成される。本実施形態では、一例として、絶縁ノズル５０は、可動接触子部２０の軸方向Ａの端部に固定され、操作ロッド４０およびシリンダ２３と一体に軸方向Ａに移動する。絶縁ノズル５０は、円筒状の外面を有し、中心軸Ａｘを中心として軸方向Ａに沿って延びている。絶縁ノズル５０は、ノズルの一例である。

絶縁ノズル５０には、中心軸Ａｘを中心として軸方向Ａに貫通する開口部５０ａが設けられている。図１に示すように、開口部５０ａの軸方向Ａの中間部分５０ｍには、隙間をあけて対向アーク接触子１１が挿入されうる。中間部分５０ｍは、スロートとも称されうる。また、図２、図３に示すように、開口部５０ａの、中間部分５０ｍと熱パッファ室２５との間には、隙間をあけて可動アーク接触子２１が挿入されている。この隙間によって、中間部分５０ｍと熱パッファ室２５との間の消弧性ガスの通路５０ｐが構成されている。また、中間部分５０ｍと、絶縁ノズル５０の軸方向Ａの端部との間では、当該端部に向かうにつれて直径が広がる円錐面状の拡径部が構成されている。図３に示すように、この拡径部によって、中間部分５０ｍと排気筒１３内との間の消弧性ガスの通路５０ｓが構成されている。開口部５０ａは、空間の一例である。

対向通電接触子１２は、筒状の導体であり、中心軸Ａｘの中心として軸方向Ａに沿って延びている。対向通電接触子１２は、排気筒１３の軸方向Ａの他方の端部の外周面に接合されている。対向通電接触子１２の長手方向の対向通電接触子１２の開口縁は、径方向内側に突出している。

可動通電接触子２２は、筒状の導体であり、中心軸Ａｘを中心として軸方向Ａに沿って延びている。可動接触子部２０は、操作ロッド４０を収容する円筒状のシリンダ２３を有している。可動通電接触子２２は、シリンダ２３の軸方向Ａの端部に接合されている。操作ロッド４０の移動に伴って、可動通電接触子２２は、対向通電接触子１２に近づき、図１に示すように、対向通電接触子１２内に挿入される。対向通電接触子１２の開口縁の内径と可動通電接触子２２の外径とは略一致しており、可動通電接触子２２が対向通電接触子１２内に挿入された状態で、対向通電接触子１２と可動通電接触子２２とが電気的に接続される。

上述した構成では、接続状態の後の開離状態においては、図２、図３に示すように、絶縁ノズル５０の開口部５０ａ内で、対向アーク接触子１１と可動アーク接触子２１との間に、アーク放電Ａｄが生じる。発生したアーク放電Ａｄは、消弧性ガスの流れによって消弧される。以下、消弧性ガスの流れは、単にガス流とも称されうる。

ガス流は、シリンダ２３内で生成される。シリンダ２３は、筒状の導体であり、中心軸Ａｘを中心として、軸方向Ａに沿って延びている。シリンダ２３は、操作ロッド４０と固定されている。すなわち、操作ロッド４０の移動に伴って、シリンダ２３も移動する。

シリンダ２３と操作ロッド４０との間には、円環状の空間が設けられている。この円環状の空間が、径方向に延びる隔壁２４によって軸方向Ａに仕切られることにより、熱パッファ室２５と、機械パッファ室２６とが構成されている。アーク放電Ａｄに吹付けられるガス流は、熱パッファ室２５および機械パッファ室２６において生成される。隔壁２４には、複数の貫通孔２４ａが設けられている。消弧性ガスは、複数の貫通孔２４ａを介して、熱パッファ室２５と機械パッファ室２６との間で往来することができる。熱パッファ室２５および機械パッファ室２６は、蓄圧部の一例であり、蓄圧空間とも称されうる。

熱パッファ室２５では、図２に示されるような対向アーク接触子１１と可動アーク接触子２１との間のアーク放電Ａｄによって生じた熱エネルギーによって、消弧性ガスの圧力が高められる。具体的には、図２中に矢印で示すように、アーク放電Ａｄの熱エネルギーによって生じた圧力波が熱パッファ室２５に導入され、これにより、熱パッファ室２５内の圧力が高まる。

機械パッファ室２６の、隔壁２４の反対側には、密閉容器３０と固定されたピストン２７が位置されている。ピストン２７は、シリンダ２３および操作ロッド４０と軸方向Ａに相対的にスライド可能に、シリンダ２３内に収容されている。図２、図３を図１と比較すれば明らかとなるように、シリンダ２３および操作ロッド４０が軸方向Ａの他方に移動すると、隔壁２４とピストン２７との距離が縮まって、機械パッファ室２６の容積が小さくなる。このような機械パッファ室２６の容積の縮小によって、機械パッファ室２６内の消弧性ガスの圧力が高められる。なお、ピストン２７には、所定値以上の圧力で開弁するリリーフ弁２８が設けられている。リリーフ弁２８によって、機械パッファ室２６内の所定値以上の圧力の上昇が抑制されている。

図２に示すように、対向アーク接触子１１と可動アーク接触子２１との間にアーク放電Ａｄが生じると、絶縁ノズル５０の通路５０ｐを介して、消弧性ガスの圧力波が熱パッファ室２５へ導入され、熱パッファ室２５内の圧力が高まる。また、上述したようにシリンダ２３および操作ロッド４０とピストン２７との相対的な移動に伴って、機械パッファ室２６の圧力が高まる。図３に示すように、これらの圧力の高まりに応じて、機械パッファ室２６の消弧性ガスは、貫通孔２４ａを介して熱パッファ室２５へ流れ、熱パッファ室２５内の消弧性ガスとともに、絶縁ノズル５０内の通路５０ｐを介してアーク放電Ａｄに作用し、アーク放電Ａｄを消弧する。

排気筒１３は、円筒部１３ａと、円錐部１３ｂとを有する。円筒部１３ａは、排気筒１３のうち軸方向Ａ側に位置されている。また、円錐部１３ｂは、排気筒１３のうち軸方向Ａの他方側に位置されている。円錐部１３ｂは、円筒部１３ａから可動接触子部２０側の端部１３ｃに向かうにつれて徐々に細くなるよう構成されている。円錐部１３ｂは、ディフューザとも称されうる。

図１〜図８に示すように、排気筒１３内には、遮蔽部１９が設けられている。遮蔽部１９は、第１の遮蔽壁１４および第２の遮蔽壁１５を有している。第１の遮蔽壁１４は、軸方向Ａと直交した円盤状に構成されている。第１の遮蔽壁１４は、遮蔽板とも称されうる。

第２の遮蔽壁１５は、中心軸Ａｘを中心として軸方向Ａに沿って延びた円筒状に構成されている。第２の遮蔽壁１５は、第１の遮蔽壁１４の径方向の外方の端部から、排気筒１３の端部１３ｃに向けて軸方向Ａの他方へ延びている。第２の遮蔽壁１５は、排気筒１３の端部１３ｃ、すなわち、開口縁と接している。すなわち、第２の遮蔽壁１５と円錐部１３ｂとの間の空間は、端部１３ｃでほぼ塞がれている。なお、第２の遮蔽壁１５は、円筒状以外の筒状、例えば、多角形断面の筒状などであってもよい。第２の遮蔽壁１５は、遮蔽筒とも称されうる。

第２の遮蔽壁１５には、貫通孔１５ａが設けられている。詳しくは、第２の遮蔽壁１５には、複数の貫通孔１５ａが軸方向Ａに沿って間隔をあけて設けられている。これらの複数の貫通孔１５ａは、軸方向Ａに沿った列を構成している。本実施形態では、複数の貫通孔１５ａによって構成された列が、排気筒１３の周方向に間隔をあけて複数設けられている。本実施形態では、一例として、各例には、軸方向Ａに沿って三つの貫通孔１５ａ（貫通孔１５ａ１，１５ａ２，１５ａ３）が設けられている。貫通孔１５ａ１は、第１の遮蔽壁１４と隣接して設けられている。貫通孔１５ａ２は、貫通孔１５ａ１よりも第１の遮蔽壁１４から離れて位置され、その開口面積が貫通孔１５ａ１よりも小さい。また、貫通孔１５ａ３は、貫通孔１５ａ１，１５ａ２よりも第２の遮蔽壁１５から離れて位置され、その開口面積が貫通孔１５ａ２よりも大きい。

図５〜図８は、遮蔽部１９の軸方向Ａと直交する断面を示している。詳細には、図５は、第１の遮蔽壁１４の断面を示している。また、図６は、第２の遮蔽壁１５における貫通孔１５ａの部分の断面を示している。図６は、周方向に４つの貫通孔１５ａが設けられた例を示している。図７は、第２の遮蔽壁１５における貫通孔１５ａが設けられていない部分の断面を示している。また、図８は、第２の遮蔽壁１５の排気筒１３に支持された部分の断面を示している。

図８に示すように、第２の遮蔽壁１５は、排気筒１３の内面から径方向内方に突出した支持部材１６によって、内面と隙間Ｇ１をあけた状態で支持されている。本実施形態では、第２の遮蔽壁１５は、二つの支持部材１６によって支持されているが、支持部材１６の数は、一つでも良いし三つ以上の複数であってもよい。また、第２の遮蔽壁１５の内面の一部には、支持部材１７が固定されている。この支持部材１７には、対向アーク接触子１１が固定されている。すなわち、対向アーク接触子１１は、第２の遮蔽壁１５内に収容され、支持部材１７を介して第２の遮蔽壁１５に支持されている。対向アーク接触子１１と支持部材１７とは、第２の遮蔽壁１５内に少なくとも一部が収容された構造体１８を構成している。第２の遮蔽壁１５の内面の他部と支持部材１７との間には、隙間Ｇ２が設けられている。なお、図４では、支持部材１７（支持部材１６）よりも軸方向Ａの側に、全ての貫通孔１５ａが設けられているが、いくつかの貫通孔１５ａは支持部材１７（支持部材１６）よりも軸方向Ａの他方の側にあってもよい。構造体１８は、収容体とも称されうる。

図１〜図３から明らかとなるように、絶縁ノズル５０は、第２の遮蔽壁１５内に挿入され、第２の遮蔽壁１５内を軸方向Ａに沿って移動する。また、第２の遮蔽壁１５の内面と絶縁ノズル５０の外面との間には、比較的狭いクリアランスが設けられている。これにより、第２の遮蔽壁１５と絶縁ノズル５０との間の隙間から消弧性ガスが漏れるのが抑制されている。第２の遮蔽壁１５の内面は、絶縁ノズル５０を案内する案内部の一例である。

第２の遮蔽壁１５には、貫通孔１５ａが設けられている。この貫通孔１５ａを介して、第２の遮蔽壁１５の内側の空間と第２の遮蔽壁１５の外側の空間とがつながっている。

したがって、図３に示すように、絶縁ノズル５０からの消弧性ガスは、排気筒１３内で第２の遮蔽壁１５の内側の空間から、隙間Ｇ２と貫通孔１５ａを経由して、第２の遮蔽壁１５の外側の空間へ流出する。さらに、消弧性ガスは、円筒部１３ａの内側の空間へ流れ、排気筒１３の端部１３ｄから密閉容器３０内へ流出する。このとき、熱パッファ室２５および機械パッファ室２６（蓄圧部）の圧力が、絶縁ノズル５０内の圧力よりも高く、かつ、絶縁ノズル５０内の圧力が排気筒１３内の圧力よりも高くなっている。

また、このとき、第２の遮蔽壁１５内に流入した消弧性ガスは、対向アーク接触子１１と第２の遮蔽壁１５との間を超音速で通過する。より詳細には、本実施形態では、構造体１８と第２の遮蔽壁１５との間を超音速で通過する。そして、消弧性ガスは、対向アーク接触子１１を含む構造体１８と第２の遮蔽壁１５との間を通過した後に、第２の遮蔽壁１５内で亜音速となる。これは、第２の遮蔽壁１５内の軸方向Ａの領域において、構造体１８が設けられた領域よりも構造体１８が設けられていない領域の方が、消弧性ガスの通路となる空間の断面積が急激に増大し、その結果衝撃波が生じることで、亜音速に減速するためである。そして、亜音速となった消弧性ガスは、貫通孔１５ａに流入する。図３では、消弧性ガスは、一点鎖線Ｂの右側では超音速で流れ、一点鎖線Ｂの左側では亜音速で流れる。このように、遮蔽部１９（第１の遮蔽壁１４および第２の遮蔽壁１５）は、排気筒１３内において、隙間Ｇ１、Ｇ２や貫通孔１５ａを介しての消弧性ガスの流れを許容している。隙間Ｇ１、Ｇ２や貫通孔１５ａは、消弧性ガスの通路である。なお、隙間Ｇ１は、支持部材１６、第２の遮蔽壁１５および排気筒１３を含む構成に設けられた開口部であるということもできる。また、隙間Ｇ２は、支持部材１７および第２の遮蔽壁１５を含む構成に設けられた開口部であるということもできる。

次に、貫通孔１５ａについて詳細に説明する。第２の遮蔽壁１５に設けられた貫通孔１５ａの開口面積が小さすぎる場合、十分な量の消弧性ガスを、第２の遮蔽壁１５の外側の空間に流出させることができない虞がある。逆に、貫通孔１５ａの開口面積が大きすぎると、貫通孔１５ａの部分で渦が生じやすくなる。渦が発生すると、渦の発生部分で流れが滞留するため、貫通孔１５ａの開口面積が小さい場合と同じことになり、十分な量の消弧性ガスを第２の遮蔽壁１５の外側の空間に流出させることができない虞がある。

そこで、図９に示すように、貫通孔１５ａの軸方向Ａに沿った長さｈ（高さ）が、１８ｍｍ以上５５ｍｍ以下となるように、貫通孔１５ａを設ける。これにより、渦を発生させることなく、十分な量の消弧性ガスを貫通孔１５ａを介して第２の遮蔽壁１５の外側の空間に流出させることができる。本実施形態では、貫通孔１５ａ１，１５ａ２，１５ａ３の軸方向Ａに沿った長さｈ１，ｈ２，ｈ３が、それぞれ１８ｍｍ以上５５ｍｍ以下の範囲に設定されている。また、貫通孔１５ａの軸方向Ａに沿った長さｈは、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることがより好ましい。

ここで、図１０は、貫通孔１５ａの軸方向Ａに沿った長さｈと、圧力損失の比との相関関係を示している。図１０の横軸は、貫通孔１５ａの軸方向Ａに沿った長さｈであり、図１０の縦軸は、圧力損失の比である。圧力損失の比は、軸方向Ａの長さｈが２０ｍｍ〜５０ｍｍの貫通孔１５ａの圧色損失に対する、各貫通孔１５ａの圧力損失の比である。図１０に示すように、貫通孔１５ａの軸方向Ａに沿った長さｈが上記の範囲の場合、圧力損失が小さくなることが判明した。すなわち、高温の消弧性ガスが貫通孔１５ａから円滑に遮蔽部１９外へ流出することが判明した。

次に、貫通孔１５ａの開口面積について図９を参照して説明する。開口面積は、一例として、貫通孔１５ａ１の開口端部１５ａａの面積である。まずは、第２の遮蔽壁１５に、軸方向Ａに沿って、３個の貫通孔１５ａ１，１５ａ２，１５ａ３が設けられた場合の各貫通孔１５ａ１，１５ａ２，１５ａ３の開口面積について説明する。貫通孔１５ａ１の開口面積をＳ１、貫通孔１５ａ２の開口面積をＳ２、貫通孔１５ａ３の開口面積をＳ３、貫通孔１５ａ１，１５ａ２，１５ａ３の開口面積Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の合計をＳとする。このとき、各々の貫通孔１５ａの開口面積Ｓｉ（但し、ｉは、１〜３の自然数）の合計面積Ｓに対する比Ｓｉ／Ｓの値が、Ｓ１／Ｓ＝０．４５±０．０５、Ｓ２／Ｓ＝０．２３±０．０５、Ｓ３／Ｓ＝０．３２±０．０５となるように貫通孔１５ａを設ける。面積比は±０．０５としているとおり、５％の範囲を持たせている。このようにすることにより、渦を発生させることなく、十分な量の消弧性ガスを第２の遮蔽壁１５の外側の空間に流出させることができる。

次に、軸方向Ａに沿ってｎ個（但し、ｎは、３以上の自然数）の貫通孔１５ａが軸方向Ａの他方に向かって順に設けられた場合について説明する。貫通孔１５ａ１の開口面積をＳ１、貫通孔１５ａ２の開口面積をＳ２、貫通孔１５ａｎの開口面積をＳｎとし、貫通孔１５ａ１〜１５ａｎの開口面積の合計をＳとする。このとき、貫通孔１５ａが３個のときを基準として、Ｓ１はＳ×（０．４５×３／ｎ±０．０５）とし、Ｓｎについても同様に、Ｓ×（０．３２×３／ｎ±０．０５）とする。Ｓ１とＳｎを除いた残りの貫通孔１５ａについては、Ｓ２〜Ｓｎ−１は同じ開口面積とし、Ｓ×（（１−２．３１／ｎ）／（ｎ−２）±０．０５）とする。各々の貫通孔１５ａの開口面積Ｓｉの合計面積Ｓに対する比Ｓｉ／Ｓがそれぞれ、Ｓ１／Ｓ＝０．４５×３／ｎ±０．０５、Ｓ２／Ｓ＝（１−２．３１／ｎ）／（ｎ−２）±０．０５、・・・、Ｓｎ−１／Ｓ＝（１−２．３１／ｎ）／（ｎ−２）±０．０５、Ｓｎ／Ｓ＝０．３２×３／ｎ±０．０５となるよう貫通孔１５ａを設ける。面積比は±０．０５としているとおり、５％の範囲を持たせている。このようにすることにより、渦を発生させることなく、十分な量の消弧性ガスを第２の遮蔽壁１５の外側の空間に流出させることができる。

ここで、図１１は、貫通孔１５ａの開口面積比と、遮蔽部１９内の温度の比との相関関係を示している。図１１の横軸は、貫通孔１５ａの開口面積比を示している。開口面積比は、貫通孔１５ａ１の開口面積Ｓ１と、貫通孔１５ａ２の開口面積Ｓ２と、貫通孔１５ａ３の開口面積Ｓ３との比である。図１１の孔面積比α１は、Ｓ１：Ｓ２：Ｓ３＝４：３：３の場合である。図１１の孔面積比α２は、Ｓ１：Ｓ２：Ｓ３＝４５：２３：３２の場合である。図１１の縦軸は、遮蔽部１９内の温度の比を示している。遮蔽部１９内の温度は、一例として遮蔽部１９内の平均温度である。温度の比は、孔面積比α２の場合の遮蔽部１９内の温度に対する、各孔面積比α１，α２での遮蔽部１９内の温度の比である。図１１に示すように、各貫通孔１５ａ同士の開口面積の比を上記のようにすることにより、遮蔽部１９内の温度が下がることが判明した。すなわち、高温の消弧性ガスが貫通孔１５ａから円滑に遮蔽部１９外へ流出することが判明した。

次に、第２の遮蔽壁１５の内側の空間の容積に関わる寸法について図９を参照して説明する。ここで、第１の遮蔽壁１４の構造体１８側の端１４ａ（端面）と、構造体１８の第１の遮蔽壁１４側の端１８ａとの間の軸方向Ａに沿った長さをＬ１とし、可動アーク接触子２１と対向アーク接触子１１とが軸方向Ａに最大に開離（離間）した状態での、絶縁ノズル５０の第１の遮蔽壁１４（構造体１８、第１の遮蔽壁１４）側の端５０ｂと、構造体１８の第１の遮蔽壁１４側の端１８ａとの間の軸方向Ａに沿った長さを、Ｌ２とする。そして、Ｌ１＞Ｌ２となるようにする。これにより、例えば、アーク放電Ａｄの熱エネルギーによって熱せられた高温の消弧性ガスを低温の消弧性ガスと混合して十分に冷却するのに必要な第２の遮蔽壁１５の内側の空間を確保しやすい。また、この場合、貫通孔１５ａの大きさや貫通孔１５ａ間の面積比を考慮すると、Ｌ１をＬ２の１．２倍程度にするのが好ましい。構造体１８の第１の遮蔽壁１４側の端１８ａは、本実施形態の構成では、支持部材１７の端である。なお、構造体１８の第１の遮蔽壁１４側の端１８ａが対向アーク接触子１１の端となる構成であってもよい。また、支持部材１７の軸方向Ａの他方の側の端１７ａから、第２の遮蔽壁１５の軸方向Ａの他方の側の端１５ｂまでの軸方向Ａに沿った長さをＬ２として、Ｌ１＞Ｌ２となるようにしてもよい。支持部材１７の端１７ａは、支持部材１７の第１の遮蔽壁１４とは反対側の端ということができる。また、第２の遮蔽壁１５の端１５ｂは、第２の遮蔽壁１５の第１の遮蔽壁１４とは反対側の端ということができる。

ここで、図１２は、Ｌ１／Ｌ２（長さ比）と、遮蔽部１９内の温度の比との相関関係を示している。図１２の横軸は、Ｌ１／Ｌ２を示している。図１２の縦軸は、遮蔽部１９内の温度の比を示している。遮蔽部１９内の温度は、一例として遮蔽部１９内の平均温度である。温度の比は、Ｌ１／Ｌ２＝１．５７の場合の遮蔽部１９内の温度に対する、各Ｌ１／Ｌ２での遮蔽部１９内の温度の比である。図１２に示すように、Ｌ１＞Ｌ２とすることにより、遮蔽部１９内の温度が下がることが判明した。すなわち、高温の消弧性ガスが低温の消弧性ガスと混合し、消弧性ガスの温度が十分に低下することが判明した。

図１３は、対向アーク接触子１１付近の温度の時間履歴を示している。図１３の横軸は時間（経過時間）を示し、縦軸は、対向アーク接触子１１付近の温度を示している。また、図１３は、Ｌ１がＬ２の１．２倍程度の場合の、遮断電流の電流値が大きい条件における対向アーク接触子１１付近の温度の時間履歴の数値シミュレーションの結果である。図１３から、アーク放電Ａｄの発生による高温状態から、消弧性ガスをアーク放電Ａｄに吹付けて密閉容器３０内に流出させることで、急激に温度が低下していることがわかる。この結果、電流が遮断される。

また、従来のガス遮断器では、消弧性ガスが絶縁ノズル５０から排気筒１３内へ急激に流れ込むと、排気筒１３内で消弧性ガスの圧力が急激に上昇し、圧力波が生じる虞がある。圧力波により、消弧性ガスの円滑な流れが阻害されると、消弧性ガスによるアーク放電Ａｄの消弧が、より円滑に、あるいは確実に行われにくくなる虞がある。この点、本実施形態によれば、第１の遮蔽壁１４および第２の遮蔽壁１５が適宜にガス流の抵抗要素として作用するため、第１の遮蔽壁１４および第２の遮蔽壁１５が無い場合に比べて、排気筒１３内での圧力の急激な上昇が抑制され、圧力波の発生やアーク接触子付近への伝播が緩和されうる。また、本実施形態では、第１の遮蔽壁１４および第２の遮蔽壁１５によって、排気筒１３内に消弧性ガスの屈曲した通路が構成されている。よって、第１の遮蔽壁１４および第２の遮蔽壁１５は、屈曲通路構成部や、ラビリンス構成部とも称されうる。なお、板状の第１の遮蔽壁１４は、その効果が得られる範囲で軸方向Ａと交差していればよく、完全に直交している必要はない。また、筒状の第２の遮蔽壁１５は、その効果が得られる範囲で軸方向Ａに沿っていればよく、断面形状や直径が軸方向Ａに沿う全範囲において一定である必要はない。

上記構成では、絶縁ノズル５０から排気筒１３内に当初到来したガス流は、第２の遮蔽壁１５の内側から貫通孔１５ａを介して、第２の遮蔽壁１５の外側に流れる。本実施形態では、貫通孔１５ａの軸方向Ａに沿った長さｈ（高さ）が１８ｍｍから５５ｍｍの範囲であるため、貫通孔１５ａの縁において、渦の発生が緩和され、渦による貫通孔１５ａの実質の流路断面積が減少することなく、ガス流は、貫通孔１５ａを介して第２の遮蔽壁１５の外側へより円滑に流出することができる。よって、本実施形態によれば、消弧性ガスによるアーク放電Ａｄの消弧が、より確実にあるいはより効率良く行われうる。

また、遮断電流の電流値が大きい場合、熱パッファ室２５と排気筒１３内の間の圧力比が大きくなり過ぎ、消弧性ガスの円滑な排気が阻害される虞がある。また、絶縁ノズル５０から排気筒１３内へのガス流量が増大すると、第２の遮蔽壁１５の内側の第１の遮蔽壁１４に近い領域で圧力が高まりやすい。これに対して、本実施形態では、第２の遮蔽壁１５には、ｎ個（但し、ｎは、３以上の自然数）の貫通孔１５ａが軸方向Ａに沿って間隔をあけて設けられている。そして、ｎ個の貫通孔１５ａのうち第１の遮蔽壁１４に最も近い貫通孔１５ａ１の開口面積Ｓ１の、ｎ個の貫通孔１５ａの各々の開口面積Ｓｉの合計（合計面積）に対する比が、０．４５×３／ｎ±０．０５である。また、ｎ個の貫通孔１５ａのうち対向アーク接触子１１に最も近い貫通孔１５ａ３の開口面積Ｓ３の、上記合計に対する比が、０．３２×３／ｎ±０．０５である。また、ｎ個の貫通孔１５ａのうち、第１の遮蔽壁１４に最も近い貫通孔１５ａ１と対向アーク接触子１１に最も近い貫通孔１５ａ３との間に設けられた貫通孔１５ａ２の開口面積Ｓ２の、上記合計に対する比が、（１−２．３１／ｎ）／（ｎ−２）±０．０５である。これにより、ガス流は貫通孔１５ａを介して、第２の遮蔽壁１５の外側へより円滑に流出することができる。よって、本実施形態によれば、消弧性ガスによるアーク放電Ａｄの消弧が、より確実にあるいはより効率良く行われうる。

また、本実施形態では、対向アーク接触子１１は、第２の遮蔽壁１５内に収容され、支持部材１７を介して第２の遮蔽壁１５に支持されている。対向アーク接触子１１と支持部材１７とは、構造体１８を構成している。そして、第１の遮蔽壁１４の構造体１８側の端１４ａと構造体１８の第１の遮蔽壁１４側の端１８ａとの間の軸方向Ａに沿った長さＬ１が、可動アーク接触子２１と対向アーク接触子１１とが軸方向Ａに最大に離間（開離）した状態での、絶縁ノズル５０の第１の遮蔽壁１４側の端５０ｂと構造体１８の第１の遮蔽壁１４側の端１８ａとの間の軸方向Ａに沿った長さＬ２、よりも長い。これにより、アーク放電Ａｄの熱エネルギーによって熱せられた高温の消弧性ガスを低温の消弧性ガスと混合して十分に冷却することができる。よって、本実施形態によれば、消弧性ガスによるアーク放電Ａｄの消弧が、より確実にあるいはより効率良く行われうる。

また、本実施形態では、第２の遮蔽壁１５内に流入した消弧性ガスは、対向アーク接触子１１と第２の遮蔽壁１５との間を超音速で通過し、対向アーク接触子１１と第２の遮蔽壁１５との間を通過した後に第２の遮蔽壁１５内で亜音速となり、貫通孔１５ａに流入する。これにより、消弧性ガスが亜音速で貫通孔１５ａに流入するので、消弧性ガスが超音速で貫通孔１５ａに流入する場合に比べて、圧力損失を低減することができる。よって、本実施形態によれば、消弧性ガスによるアーク放電Ａｄの消弧が、より確実にあるいはより効率良く行われうる。

また、本実施形態では、第２の遮蔽壁１５は、絶縁ノズル５０を軸方向Ａに案内する案内部として機能する。よって、本実施形態によれば、絶縁ノズル５０が中心軸Ａｘから離れたり傾いたりするのが抑制されうる。また、本実施形態では、絶縁ノズル５０は第２の遮蔽壁１５内にクリアランスをあけて軸方向Ａに移動可能に収容されている。よって、例えば、直径差で数マイクロメートルなど、クリアランスを比較的狭く設定することにより、絶縁ノズル５０の外周に沿った消弧性ガスの漏れを抑制することができる。よって、本実施形態によれば、消弧性ガスによるアーク放電Ａｄの消弧が、より確実にあるいはより効率良く行われうる。

また、以上のような構成のガス遮断器とすることで、下記の問題を解決できる。すなわち、熱パッファ室２５から下流空間にかけて、途中で圧力が大きくなるなどの圧力分布が単調な減少にならないと、アーク放電Ａｄによって生じた圧力波の対向アーク接触子１１側への伝播や消弧性ガスの逆流やよどみが生じる。これにより、消弧性ガスの流出が妨げられるといった問題が生じる場合がある。このような問題を、以上のような構成のガス遮断器とすることで、解決することができる。また、以上のような構成のガス遮断器とすることで、電流遮断時における高温ガスの円滑な流出を実現することができる。また、以上のような構成のガス遮断器とすることで、いかなる電流領域においても、優れた電流遮断性能を有したガス遮断器とすることができるようになる。

なお、上記実施形態では、可動接触子部２０のみが、密閉容器３０に対して軸方向Ａに移動可能に構成された例が示されたが、これに限られない。例えば、対向接触子部１０も、軸方向Ａに移動可能に構成されてもよい。また、熱パッファ室２５と機械パッファ室２６とは、一体化されてもよいし、熱パッファ室２５および機械パッファ室２６のうちいずれか一方のみが設けられてもよい。

また、上記実施形態では、例えば、対向接触子部１０を固定して、可動接触子部２０のみ軸方向Ａに沿って移動させるような構成の例が示されたが、これに限られない。例えば、対向接触子部１０に対して可動接触子部２０が相対的に移動するように、対向接触子部１０も軸方向Ａに沿って移動させ、相対的開極速度を向上させようとする、いわゆるデュアルモーション機構にしてもよい。

また、上記実施形態では、アーク放電Ａｄの熱エネルギーの作用による蓄圧空間である熱パッファ室２５と、駆動装置による機械的作用による蓄圧空間である機械パッファ室２６とを隔壁２４で仕切り、隔壁２４に設けた貫通孔２４ａを介して連通する構成のガス遮断器１の例が示されたが、これに限られない。例えば、熱パッファ室２５と機械パッファ室２６を仕切らずに、同一のパッファ室で熱エネルギーの作用および機械的作用による蓄圧を行う構成としてもよいし、熱エネルギーの作用のみにより蓄圧する構成としてもよいし、機械的作用のみにより蓄圧する構成としてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ガス遮断器、１０…対向接触子部（対向部）、１１…対向アーク接触子、１３…排気筒、１４…第１の遮蔽壁、１４ａ…端、１５…第２の遮蔽壁、１５ａ，１５ａ１，１５ａ２，１５ａ３…貫通孔、１７…支持部材、１８…構造体、１８ａ…端、１９…遮蔽部、２０…可動接触子部（可動部）、２１…可動アーク接触子、２５…熱パッファ室（蓄圧部）、２６…機械パッファ室（蓄圧部）、３０…密閉容器（容器）、５０…絶縁ノズル（ノズル）、５０ａ…開口部（空間）、５０ｂ…端。

Claims (7)

1. 消弧性ガスが充填された容器と、
   前記容器内に収容され、可動アーク接触子を有し、消弧性ガスの圧力を高める蓄圧部が設けられた可動部と、
   前記容器内に収容され、対向アーク接触子と、排気筒と、前記排気筒内に前記排気筒内での消弧性ガスの流れを許容した状態で設けられた遮蔽部と、を有した対向部と、
   前記容器内に収容され、前記可動アーク接触子と前記対向アーク接触子との間でのアーク放電が生じる空間が設けられたノズルと、
   を備え、
   前記遮蔽部は、前記排気筒の軸方向と交差する第１の遮蔽壁と、前記第１の遮蔽壁から前記可動部側に前記排気筒の軸方向に沿って延びる筒状の第２の遮蔽壁と、を有し、
   前記第２の遮蔽壁には、複数の貫通孔が前記軸方向に沿って間隔をあけて設けられ、
   各前記貫通孔の前記軸方向に沿った長さが、１８ｍｍ以上５５ｍｍ以下であり、
   前記蓄圧部で圧力が高められた消弧性ガスが、前記空間内に流入して前記アーク放電を消弧するとともに、前記第２の遮蔽壁内に流入するよう構成された、ガス遮断器。
2. 消弧性ガスが充填された容器と、
   前記容器内に収容され、可動アーク接触子を有し、消弧性ガスの圧力を高める蓄圧部が設けられた可動部と、
   前記容器内に収容され、対向アーク接触子と、排気筒と、前記排気筒内に前記排気筒内での消弧性ガスの流れを許容した状態で設けられた遮蔽部と、を有した対向部と、
   前記容器内に収容され、前記可動アーク接触子と前記対向アーク接触子との間でのアーク放電が生じる空間が設けられたノズルと、
   を備え、
   前記遮蔽部は、前記排気筒の軸方向と交差する第１の遮蔽壁と、前記第１の遮蔽壁から前記可動部側に前記排気筒の軸方向に沿って延びる筒状の第２の遮蔽壁と、を有し、
   前記第２の遮蔽壁には、ｎ個の貫通孔が前記軸方向に沿って間隔をあけて設けられ、
   前記ｎは、３以上の自然数であり、
   前記ｎ個の貫通孔のうち前記第１の遮蔽壁に最も近い前記貫通孔の開口面積の、前記ｎ個の貫通孔の各々の開口面積の合計に対する比が、０．４５×３／ｎ±０．０５であり、
   前記ｎ個の貫通孔のうち前記対向アーク接触子に最も近い前記貫通孔の開口面積の、前記合計に対する比が、０．３２×３／ｎ±０．０５であり、
   前記ｎ個の貫通孔のうち、前記第１の遮蔽壁に最も近い前記貫通孔と前記対向アーク接触子に最も近い前記貫通孔との間に設けられた前記貫通孔の開口面積の、前記合計に対する比が、（１−２．３１／ｎ）／（ｎ−２）±０．０５であり、
   前記蓄圧部で圧力が高められた消弧性ガスが、前記空間内に流入して前記アーク放電を消弧するとともに、前記第２の遮蔽壁内に流入するよう構成された、ガス遮断器。
3. 消弧性ガスが充填された容器と、
   前記容器内に収容され、可動アーク接触子を有し、消弧性ガスの圧力を高める蓄圧部が設けられた可動部と、
   前記容器内に収容され、対向アーク接触子と、排気筒と、前記排気筒内に前記排気筒内での消弧性ガスの流れを許容した状態で設けられた遮蔽部と、を有した対向部と、
   前記容器内に収容され、前記可動アーク接触子と前記対向アーク接触子との間でのアーク放電が生じる空間が設けられたノズルと、
   を備え、
   前記遮蔽部は、前記排気筒の軸方向と交差する第１の遮蔽壁と、前記第１の遮蔽壁から前記可動部側に前記排気筒の軸方向に沿って延びる筒状の第２の遮蔽壁と、を有し、
   前記対向アーク接触子は、前記第２の遮蔽壁内に収容され、支持部材を介して前記第２の遮蔽壁に支持され、
   前記対向アーク接触子と前記支持部材とは、構造体を構成し、
   前記第１の遮蔽壁の前記構造体側の端と前記構造体の前記第１の遮蔽壁側の端との間の前記軸方向に沿った長さが、前記可動アーク接触子と前記対向アーク接触子とが前記軸方向に最大に離間した状態での、前記ノズルの前記第１の遮蔽壁側の端と前記構造体の前記第１の遮蔽壁側の端との間の前記軸方向に沿った長さ、よりも長く、
   前記蓄圧部で圧力が高められた消弧性ガスが、前記空間内に流入して前記アーク放電を消弧するとともに、前記第２の遮蔽壁内に流入するよう構成された、ガス遮断器。
4. 前記第２の遮蔽壁には、ｎ個の前記貫通孔が前記軸方向に沿って間隔をあけて設けられ、
   前記ｎは、３以上の自然数であり、
   前記ｎ個の貫通孔のうち前記第１の遮蔽壁に最も近い前記貫通孔の開口面積の、前記ｎ個の貫通孔の各々の開口面積の合計に対する比が、０．４５×３／ｎ±０．０５であり、
   前記ｎ個の貫通孔のうち前記対向アーク接触子に最も近い前記貫通孔の開口面積の、前記合計に対する比が、０．３２×３／ｎ±０．０５であり、
   前記ｎ個の貫通孔のうち、前記第１の遮蔽壁に最も近い前記貫通孔と前記対向アーク接触子に最も近い前記貫通孔との間に設けられた前記貫通孔の開口面積の、前記合計に対する比が、（１−２．３１／ｎ）／（ｎ−２）±０．０５である、請求項１に記載のガス遮断器。
5. 前記対向アーク接触子は、前記第２の遮蔽壁内に収容され、支持部材を介して前記第２の遮蔽壁に支持され、
   前記対向アーク接触子と前記支持部材とは、構造体を構成し、
   前記第１の遮蔽壁の前記構造体側の端と前記構造体の前記第１の遮蔽壁側の端との間の前記軸方向に沿った長さが、前記可動アーク接触子と前記対向アーク接触子とが前記軸方向に最大に離間した状態での、前記ノズルの前記第１の遮蔽壁側の端と前記構造体の前記第１の遮蔽壁側の端との間の前記軸方向に沿った長さ、よりも長い、請求項１、２または４に記載のガス遮断器。
6. 前記ｎが３である、請求項２または４に記載のガス遮断器。
7. 消弧性ガスが充填された容器と、
   前記容器内に収容され、可動アーク接触子を有し、消弧性ガスの圧力を高める蓄圧部が設けられた可動部と、
   前記容器内に収容され、排気筒と、前記排気筒内に前記排気筒内での消弧性ガスの流れを許容した状態で設けられた遮蔽部と、前記遮蔽部内に収容された対向アーク接触子と、を有した対向部と、
   前記容器内に収容され、前記可動アーク接触子と前記対向アーク接触子との間でのアーク放電が生じる空間が設けられたノズルと、
   を備え、
   前記遮蔽部は、前記排気筒の軸方向と交差する第１の遮蔽壁と、前記第１の遮蔽壁から前記可動部側に前記排気筒の軸方向に沿って延びる筒状の第２の遮蔽壁と、を有し、
   前記遮蔽部には、複数の貫通孔が設けられ、
   前記蓄圧部で圧力が高められた消弧性ガスが、前記空間内に流入して前記アーク放電を消弧するとともに、前記第２の遮蔽壁内に流入するよう構成され、
   前記第２の遮蔽壁内に流入した消弧性ガスが、前記対向アーク接触子と前記第２の遮蔽壁との間を超音速で通過し、前記対向アーク接触子と前記第２の遮蔽部との間を通過した後に前記第２の遮蔽壁内で亜音速となり、前記貫通孔に流入する、ガス遮断器。

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