JP7143195B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、真空バルブに関する。

真空バルブは、固定側電極と可動側電極とが収容された真空容器内を真空とすることにより、真空が有する高い絶縁性能と消弧性能を得ることができるので、他の開閉装置等と比較して、小型化が可能となる。

このような真空バルブは、真空容器内に、固定側通電棒に固定されている固定側電極と、可動側通電棒に固定されている可動側電極とが対向配置される。そして、真空容器の全体が樹脂によりモールドされた外装を有している。

真空バルブは、近年、ビルや工場などの施設における受電設備のうち、電路の開閉を担う固体絶縁スイッチギアの開閉装置として用いられている。固体絶縁スイッチギアは、固体絶縁部である真空容器を覆う外装樹脂の周囲を接地することによって、真空バルブを収容したケースとの絶縁距離を大幅に縮小できる。このため、固体絶縁スイッチギアを構成する盤全体の接地面積を小さくできるとともに、コストを下げることができる。また、固体絶縁スイッチギアは、温暖化係数が大きいＳＦ_６ガスで絶縁される機器と比較して、地球環境への負荷が低い。

このような固体絶縁スイッチギアは、外装接地された固体絶縁部に高い電圧がかかるので、真空バルブに用いられる導体付近の電界を抑制することが必要となる。一般的には、金属製の電界シールドを使って電界緩和する構成を採用している。

例えば、真空バルブは、導体部である封着金具を、セラミックス製の真空容器にろう材で接合して真空封入している。この導体部の端部は、電界が集中するため、金属製の端部電界シールドを使って、電界集中する導体部の端部から高電位部分を離すことにより、電界を緩和している。また、真空バルブの内部の真空部には、遮断時にアークによって発生する金属蒸気がセラミックスの壁面に付着して、壁面の絶縁破壊強度を低下させる。これに対処するため、固定側電極及び可動側電極を取り囲むように、金属板によるアークシールドが配置されている。

また、真空容器は、複数の絶縁筒を接合させて製造されている場合もある。この場合、アークシールドに接続された金属部分を介在させて固定する構成となっている。このため、外部に露出した金属部分の端部が電界集中部となる。実運転中の電界は、固体絶縁部を破壊させるほど高くはない。しかし、遮断時に、アークが金属板であるアークシールドに短絡した際には、金属板が瞬間的に高電圧になり、金属部分の端部電界は固体絶縁部を破壊させる値に到達することがある。そこで、このような端部の電界を緩和するために、端部を覆うように、金属性の中間電界シールドを設置する場合がある。

特開平０９－２８２９８６号公報

以上のように、固体絶縁スイッチギアは、盤の接地面積を小さくでき、コストを下げることができる地球環境への負荷が低いスイッチギアである。しかし、これを構成する真空バルブは、固体絶縁部に高い電圧が印加される。このため、固体絶縁部を形成する前に、真空容器の周囲に端部電界シールドや中間電界シールドを配置することが必要となる。そして、このように端部電界シールドや中間電界シールドが配置された真空バルブの周囲に、樹脂を注型することにより、固体絶縁部を形成する。

ここで、端部電界シールド及び中間電界シールドと、真空容器を構成するセラミックスとの間は狭い。このため、注型時に樹脂が流れ難くなり、隙間や空洞であるボイドが形成されやすい。また、金属と樹脂の接着界面が、樹脂の硬化収縮時に剥離を起こす場合がある。このため、歩留まりの低下を招き、結果としてコスト高になる可能性があった。

本実施形態は、絶縁性の材料の欠陥の発生を抑制できる真空バルブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、実施形態の真空バルブは、絶縁筒の両端が金属部材により封止された真空容器と、前記真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、前記金属部材の近傍に設けられるとともに、前記絶縁性樹脂に覆われ、前記絶縁性樹脂よりも誘電率が高い絶縁性の高誘電率材料と、を有する。

また、実施形態の真空バルブは、絶縁筒の両端が金属部材により封止された真空容器と、前記真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、前記金属部材を覆うとともに、前記絶縁性樹脂に覆われた非線形抵抗材料と、を有する。

また、実施形態の真空バルブは、複数の部分絶縁筒が第１の金属部材を介して接続された絶縁筒の両端が、第２の金属部材により封止された真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、を有し、前記第１の金属部材の外周側が、非線形誘電率材料によって覆われている。

第１の実施形態に係る真空バルブの全体構成を示す断面図である。 図１の一部の拡大断面図である。 端部電界シールド及び中間電界シールドを有する真空バルブの例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る真空バルブの一部の拡大断面図である。 非線形抵抗層をコーティングした絶縁性板に電圧を印加した場合の基準位置からの距離と表面電位との関係を示す説明図である。 第３の実施形態に係る真空バルブの一部の拡大断面図である。 実施形態の変形例の一部の拡大断面図である。 実施形態の変形例の一部の拡大断面図である。

以下、実施形態に係る真空バルブについて図面を参照しつつ詳細に説明する。
［第１の実施形態］
（基本構成）
まず、実施形態の真空バルブの基本構成について説明する。図１は、開路状態の真空バルブ１の全体構成を示す断面図である。図２は、図１の一部の拡大断面図である。真空バルブ１は、真空の中で電路の導通、遮断を行う装置である。この真空バルブ１は、図１に示すように、真空容器２、通電棒３、電極４、ベローズ５、アークシールド６、固体絶縁部材７、接地層８を有する。

この真空バルブ１は、真空容器２内に、一対の電極４が接離可能に対向配置されている。対向する電極４は、固定側電極４Ａと可動側電極４Ｂであり、可動側電極４Ｂを軸Ｘに沿って移動させることで、可動側電極４Ｂを固定側電極４Ａに接離させる。本実施形態において、軸Ｘは、真空容器２、固定側電極４Ａ、可動側電極４Ｂに共通である。この可動側電極４Ｂが固定側電極４Ａと接触している場合には、導通となり、電路は閉路状態となる。一方、可動側電極４Ｂが固定側電極４Ａと離間すると、電流は遮断され、電路は開路状態となる。なお、以下の説明では、固定側電極４Ａが配置された側を固定側、可動側電極４Ｂが配置された側を可動側とする。

真空容器２は、絶縁筒２１の両端が金属部材２２により封止された容器である。真空容器２内の密閉された空間は真空である。真空とは、これに限られないが、例えば、１０^－２Ｐａ以下であることが望ましい。絶縁筒２１は、両端が開口した円筒形状を有する。本実施形態では、絶縁筒２１は、２つの絶縁碍管２１１、２１２を有する。絶縁碍管２１１及び絶縁碍管２１２は、同軸に積み重ねられ、互いの端部が連結部２１３を介して、金属のろう材によりろう付けされている。連結部２１３は、ステンレスなどの金属製の筒状体であり、外周面が真空容器２の外部に露出している。絶縁碍管２１１、２１２は、絶縁性を有する材質、例えば、セラミックスや硝子によって形成されている。

金属部材２２は、絶縁筒２１の固定側及び可動側の両端の開口を塞ぐ部材及びその周辺の金属製の部材である。金属部材２２は、円盤形状であり、その外縁近傍が、絶縁筒２１の両端の開口を塞ぎ、金属のろう材によりろう付けされている。これにより、絶縁筒２１の両端が金属部材２２によって気密に封止され、真空容器２の内部が密閉される。なお、金属部材２２は、絶縁筒２１を封止する封着金具のみとして捉えてもよいし、これに取り付けられた他の金属製の部材を含めて捉えてもよい。

なお、上記の絶縁筒２１には、連結部２１３、金属部材２２との接合部分に、メタライズ処理が施されている。メタライズ処理は、セラミックスなどの非金属の表面に金属膜を形成して金属材料と接合しやすくする処理である。なお、以下の説明では、固定側を固定側金属部材２２Ａ、可動側を可動側金属部材２２Ｂと呼ぶ。

通電棒３は、銅などの導電性を有する材質により構成された一対の導体であり、例えば、円柱形状を有する。一対の通電棒３は、固定側通電棒３Ａ及び可動側通電棒３Ｂである。金属部材２２の中心は開口しており、通電棒３は、真空容器２外からこの開口を貫通し、その一方の端部が真空容器２内に延びている。一対の固定側通電棒３Ａ及び可動側通電棒３Ｂは、軸Ｘと共通の軸を有する。また、固定側通電棒３Ａ及び可動側通電棒３Ｂは、対向に配置される。

固定側通電棒３Ａの外径は、金属部材２２の開口の内径と概略同一径である。固定側通電棒３Ａは、固定側金属部材２２Ａの開口と金属のろう材によりろう付けされることにより、固定側金属部材２２Ａに気密に固定されて支持されている。一方、可動側通電棒３Ｂの外径は、可動側金属部材２２Ｂの開口の内径よりやや小さい。やや小さいとは、可動側通電棒３Ｂが、可動側金属部材２２Ｂの開口を軸Ｘに沿って移動できる程度に小さければよい。即ち、可動側通電棒３Ｂは、可動側金属部材２２Ｂの開口に遊貫している。

ベローズ５は、伸縮可能な蛇腹状の伸縮管であり、金属等の材料からなる。このベローズ５は真空容器２内に設けられている。ベローズ５の内部は、可動側通電棒３Ｂが貫通している。ベローズ５の一方端部は、可動側金属部材２２Ｂの開口を覆うように可動側金属部材２２Ｂと金属のろう材によるろう付けにより固定されている。即ち、ベローズ５の外径は、可動側金属部材２２Ｂの開口の内径より大きい。一方、ベローズ５の他方端部は、可動側通電棒３Ｂと金属のろう材によるろう付けにより気密に固定されている。つまり、ベローズ５は、可動側金属部材２２Ｂと可動側通電棒３Ｂとに固定されることで、可動側金属部材２２Ｂの開口から流入してくる大気をベローズ５内部に留める。これにより、真空容器２内に大気が流入することを防止でき、真空容器２内の真空が保持される。

固定側電極４Ａ及び可動側電極４Ｂは、銅などの導電性を有する材質により構成された、例えばスパイラル電極である。スパイラル電極は、円盤状の電極で外周部から延びた複数のスリットを有することで、スリットにより部分的に区画された複数の腕部を有し、渦巻き状の形状となっている電極である。なお、固定側電極４Ａ及び可動側電極４Ｂはスパイラル電極に限らず、縦磁界電極、平板電極など種々のものが使用できる。

固定側電極４Ａは、真空容器２内に延びた固定側通電棒３Ａの端面と接し、金属のろう材によるろう付けによって固着される。一方、可動側電極４Ｂは、可動側通電棒３Ｂの端面と接し、金属のろう材によるろう付けにより固着される。即ち、固定側電極４Ａと可動側電極４Ｂは、対向に配置される。この固定側電極４Ａと可動側電極４Ｂが接離することで、電流の導通又は遮断を行う。

アークシールド６は、ステンレス鋼、銅又は銅クロム合金などの金属からなり、両端が開口した円筒形状を有する。アークシールド６は、真空容器２内に、固定側電極４Ａ及び可動側電極４Ｂを取り囲むように軸Ｘ方向に設けられている。アークシールド６は、遮断時の金属粒子が絶縁筒２１に付着し、絶縁性能が低下することを防止する。アークシールド６は、金属を介して、連結部２１３に接続されて支持されている。

（固体絶縁部材）
固体絶縁部材７は、絶縁性樹脂７１、高誘電率材料７２を有する。絶縁性樹脂７１は、真空容器２の周囲を覆う部材である。絶縁性樹脂７１は、真空バルブ１と外部との絶縁を図っている。絶縁性樹脂７１としては、エポキシ樹脂などを用いることができる。但し、本実施形態は、エポキシ樹脂には限定されない。絶縁性樹脂７１は、モールド成形により形成することができる。さらに、絶縁性樹脂７１の外周には、接地層８が設けられている。接地層８は、絶縁性樹脂７１の外周に塗布された導電性の材料であり、接地されている。

高誘電率材料７２は、金属部材２２の近傍に設けられた部材である。高誘電率材料７２は、絶縁性樹脂７１に覆われている。高誘電率材料７２は、絶縁性樹脂７１よりも比誘電率が高い材料である。金属部材２２の近傍とは、金属部材２２と絶縁性樹脂７１との間に介在する位置である。高誘電率材料７２は、金属部材２２に直接接する位置とすることが好ましい。また、高誘電率材料７２は、金属部材２２の周囲の角部分を覆う位置とすることが好ましい。高誘電率材料７２は、絶縁性樹脂７１によるモールドの前に、あらかじめ金属部材２２を周方向に切れ目なく連続して覆うように、モールドにより形成しておく。高誘電率材料７２の外周面は、凹凸のない曲面とすることが好ましい。

高誘電率材料７２としては、セラミックス、有機材料等に高誘電率の充填材を複合したものを使用することができる。充填材としては、例えば、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＴｉＯ_２、ＺｎＴｉＯ_３、Ｚｎ_２ＴｉＯ_４、ＴｉＯ_２、ＣａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、ＢａＴｉ_２Ｏ_５、ＢａＴｉ_４Ｏ_９、Ｂａ_２Ｔｉ_９Ｏ_２０、Ｂａ_２（Ｔｉ，Ｓｎ）_９Ｏ_２０、ＺｒＴｉＯ_４、（Ｚｒ，Ｓｒ）ＴｉＯ_４、ＢａＮｄ_２Ｔｉ_５Ｏ_１４、ＢａＳｍ_２ＴｉＯ_１４、Ｂｉ_２Ｏ_３ＢａＯＮｄ_２Ｏ_３ＴｉＯ_２、（Ｂｉ_２Ｏ_３，ＰｂＯ）ＢａＯＮｄ_２Ｏ_３ＴｉＯ_２、Ｌａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７、Ｎｄ_２Ｔｉ_２Ｏ_７、（Ｌｉ，Ｓｍ）ＴｉＯ_３、Ｂａ（Ｍｇ_１／３Ｔａ_２／３）Ｏ_３、Ｂａ（Ｚｎ_１／３Ｔａ_２／３）Ｏ_３、Ｂａ（Ｚｎ_１／３Ｎｄ_２／３）Ｏ_３、Ｓｒ（Ｚｎ_１／３Ｎｄ_２／３）Ｏ_３などを用いることができる。そして、これらの充填材の一種又は複数種の粒子を、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂などの一種又は複数種の主成分に複合したものを高誘電率材料７２として用いることができる。但し、充填材、主成分は、これらの例示したものには限定されない。

高誘電率材料７２の比誘電率は、２よりも大きく、１０００未満であることが好ましいい。例えば、エポキシ樹脂の比誘電率は４程度なので、その場合は高誘電率材料７２の比誘電率は４以上であることが好ましい。高誘電率材料７２は、ガラス転移温度が金属部材２２の局部最大温度以上であることが好ましい。局部最大温度とは、金属部材２２において温度が最も高くなる箇所におけるその温度である。また、高誘電率材料７２としては、金属部材２２等の導体との線膨張係数の差が小さいものを用いることが好ましい。具体的には、高誘電率材料７２の線膨張係数を、金属部材２２の局部最大温度以下において、金属部材２２の０．１～１０倍とすることが好ましい。例えば、有機材料を主成分とした場合に、シリカ、アルミナ、ガラスなどを混入することによって、導体の線膨張係数との差を小さくすることができる。

なお、絶縁性樹脂７１としては、エポキシ樹脂等の樹脂に各種の充填材を含有したものが用いられている。このような絶縁性樹脂７１との親和性を考慮して、高誘電率材料７２としては、絶縁性樹脂７１と共通の樹脂に高誘電率の充填材を複合したものを用いることが好ましい。例えば、絶縁性樹脂７１にエポキシ樹脂が用いられている場合には、高誘電率材料７２を、主成分としてエポキシ樹脂を用いた材料とする。また、エポキシ樹脂としては、耐熱性を考慮して、多官能型のエポキシ樹脂が好ましい。

（作用効果）
（１）本実施形態の真空バルブ１は、絶縁筒の両端が金属部材２２により封止された真空容器２と、真空容器２内に、接離可能に対向配置された一対の電極４と、真空容器２の周囲を覆う絶縁性樹脂７１と、金属部材２２の近傍に設けられるとともに、絶縁性樹脂７１に覆われ、絶縁性樹脂７１よりも誘電率が高い絶縁性の高誘電率材料７２と、を有する。

このように高誘電率材料７２を用いるため、真空容器２の外部に金属製の電界シールドを用いる必要がなく、絶縁性樹脂７１を注型、硬化させる際のボイドが生じ難い。従って、欠陥の発生が減少し、高い歩留まりと低コストの真空バルブ１を構成できる。

金属部材２２側の高誘電率材料７２よりも、絶縁性樹脂７１の誘電率が低いため、高誘電率材料７２よりも絶縁性樹脂７１が分担する電圧が高くなる。つまり、等電位面が高誘電率材料７２よりも絶縁性樹脂７１側に押し出されることになるので、金属部材２２の周囲の電界を緩和できる。例えば、金属部材２２の角部分は電界が集中しやすいが、この部分の電界を高誘電率材料７２によって緩和できる。

例えば、図３に示すように、金属部材２２、連結部２１３の周囲を覆うように、金属製の端部電界シールドＳ１、中間電界シールドＳ２を設けた例を示す。この場合には、絶縁性樹脂７１をモールドする際に、端部電界シールドＳ１、中間電界シールドＳ２と真空容器２との間に未充填によるボイドが発生し易い。しかし、本実施形態では、高誘電率材料７２により電界緩和を図ることができるので、金属製の端部電界シールドＳ１、中間電界シールドＳ２を設ける必要がない。このため、未充填によるボイドの発生を防止できる。また、金属部材２２の端部に角や凹凸がある場合にも、ボイドが発生し易い。本実施形態の高誘電率材料７２は、形状の自由度が高いので、例えば、金属部材２２の周囲を高誘電率材料７２によって覆い、その外周の凹凸を抑制することができる。このため、より一層ボイドの発生を防止できる。

（２）比誘電率が１０００以上となると、高誘電率材料７２の外側の電界が高くなり過ぎる。本実施形態では、高誘電率材料７２の比誘電率が２より大きく、１０００未満である。このため、絶縁性樹脂７１よりも大きい誘電率としつつ、外側の電界が高くなり過ぎることを防止できる。

（３）可動側及び固定側の導体は、通電時の損失によって発熱する。すると、この熱によって樹脂の変形が生じる可能性が生じる。本実施形態では、高誘電率材料７２のガラス転移温度が、金属部材２２の局部最大温度以上である。このため、導体からの発熱により、高誘電率材料７２が変形することが防止される。つまり、金属部材２２の熱により、ガラス転移温度に達することが防止され、機械的強度の低下を抑制して、信頼性、耐久性を高めることができる。

（４）温度が高くなると、導体と高誘電率材料７２との界面に、線膨張係数の差による応力が発生する。より具体的には、高誘電率材料７２の線膨張係数が、導体の０．１未満、あるいは、１０倍より大きくなると、剥離が発生する可能性が高い。本実施形態では、高誘電率材料７２の線膨張係数が、金属部材２２の局部最大温度以下において、金属部材２２の線膨張係数の０．１～１０倍である。このため、導体と高誘電率材料７２との界面に発生する応力により変形することが防止され、信頼性、耐久性を高めることができる。

［第２の実施形態］
（構成）
第２の実施形態は、基本構成は、上記の図１で示した第１の実施形態と同様である。このため、図１と同様の部材は同様の符号を付して、説明を省略する。但し、本実施形態は、図４に示すように、高誘電率材料７２の少なくとも一部と絶縁性樹脂７１との間に非線形抵抗材料７３が設けられている。また、本実施形態は、絶縁筒２１の少なくとも一部と絶縁性樹脂７１との間に非線形抵抗材料７３が設けられている。

本実施形態では、高誘電率材料７２の金属部材２２に対応する側面が、非線形抵抗材料７３によりコーティングされている。そして、非線形抵抗材料７３のコーティングは、絶縁筒２１の外周にまで延出している。非線形抵抗材料７３のコーティングは、塗布により行うことができる。非線形抵抗材料７３は、高誘電率材料７２、絶縁筒２１の周方向に連続して切れ目なく設けることが好ましい。そして、非線形抵抗材料７３の周囲は、上記のようにモールドにより絶縁性樹脂７１によって覆われている。本実施形態では、絶縁性樹脂７１、高誘電率材料７２、非線形抵抗材料７３により固体絶縁部材７が構成されている。

非線形抵抗材料７３は、電流値に対する抵抗値が比例しない非線形の特性を示す場合がある材料である。本実施形態では、非線形抵抗材料７３として、ある一定以上の電界領域においては、電界に依存してその抵抗値が非線形に変化する材料を用いる。非線形抵抗材料７３としては、例えば、酸化亜鉛、炭化ケイ素、カーボン、四酸化三鉄等を用いることができる。カーボン、四酸化三鉄は、低電界での制御に適している。但し、本実施形態は、これらの材料に限定されるものではない。

非線形抵抗材料７３の抵抗率は、１ｋＶ／ｃｍ以下の低電界領域では、その表面抵抗が１０^６Ω以上であることが好ましい。また、非線形抵抗材料７３の抵抗率は、１ｋＶ／ｃｍより大きい高電界領域では、その表面抵抗が１０^４Ω以上であることが好ましい。また、非線形抵抗材料７３の非線形性が発現する電界が、２ｋＶ／ｃｍ以上、２０ｋＶ／ｃｍ以下であることが好ましい。

（作用効果）
（１）本実施形態の真空バルブ１は、高誘電率材料７２の少なくとも一部と絶縁性樹脂７１との間に、非線形抵抗材料７３が設けられている。このため、高電圧となる導体である金属部材２２のの近傍の高誘電率材料７２から離れるに従って、電位が接地電位に近づくように変化するので、電界緩和効果が高まる。真空バルブ１内部の電界を下げる効果は、絶縁筒２１の表面を導電性とすることによって得られるが、金属などを付着させた場合には、金属の端部の電界が高くなってしまう。本実施形態では、非線形抵抗材料７３を用いることにより、電界の上昇を抑えることができる。

（２）絶縁筒２１の少なくとも一部と絶縁性樹脂７１との間に、非線形抵抗材料７３が設けられている。このため、非線形抵抗材料７３を、金属部材２２の部分からより離れた位置まで延ばすことができるので、より接地電位に近づけて、電界を緩和できる。

（３）１ｋＶ／ｃｍ以下の低電界領域では、非線形抵抗材料７３の抵抗が１０^６Ω未満になると電界抑制効果が小さくなり、電位上昇が遅く、先端の電界が高くなる。１ｋＶ／ｃｍ以上の高電界領域においても、非線形抵抗材料７３の抵抗が１０^４Ω未満になると、非線形抵抗材料７３に流れる電流が大きくなり、発熱により応力が発生したり、電流により焼損してしまう。本実施形態では、１ｋＶ／ｃｍ以下の低電界領域では、非線形抵抗材料７３の表面抵抗が、１０^６Ω以上である。このため、電界抑制効果が大きくなり、電位上昇が速く、先端の電界を抑えることができる。また、１ｋＶ／ｃｍより大きい高電界領域では、非線形抵抗材料７３の表面抵抗が１０^４Ω以上である。このため、非線形抵抗材料７３に流れる電流を抑えて、発熱による応力の発生や、電流による焼損を防止できる。

（４）非線形抵抗材料７３は、上記のように、ある一定以上の電界領域においては、電界に依存してその抵抗値が非線形に変化する。図５は、このような非線形抵抗材料７３を絶縁性板ＩＮ１の表面にコーティングし、電圧を印加した際に、基準位置となる距離０からＬまでの間の表面電位の変化を示したグラフである。非線形抵抗材料７３の絶縁性板ＩＮ１の反対側の面には、絶縁性樹脂ＩＮ２を挟んで導電性の高圧電極Ｅ１及び接地電極Ｇが配設されている。絶縁性板ＩＮ１の非線形抵抗材料７３と反対側の面には、背後電極Ｅ２及び接地電極Ｇが接している。

図５の一点鎖線Ｃ１に示すように、非線形抵抗材料７３のコーティングがない場合、高圧を印加する高圧電極Ｅ１の近傍で電位が急激に低下する。図５の実線Ｃ２に示すように、非線形抵抗材料７３をコーティングした場合、その電位の変化が緩やかになる。理想的な電位の変化は、図５の点線Ｃ３に示すように、高圧から接地まで直線的に電位が低下する態様である。高圧電極Ｅ１の距離０の位置近傍における電位傾斜の傾きが、非線形抵抗材料７３の非線形性が発現する電界である。この電界を動作電界と呼ぶ。固体絶縁真空バルブでは、この動作電界が２ｋＶ／ｃｍ以下だと、運転時の電界で抵抗値が低下しすぎてしまい、電流による焼損が懸念される。また、動作電界が２０ｋＶ／ｃｍ以上では、動作電界に達する前に非線形抵抗材料７３の内部又はその外周にある絶縁性樹脂７１との界面において、絶縁破壊してしまう恐れがあり好ましくない。

本実施形態では、動作電界が２ｋＶ／ｃｍより大きく、２０ｋＶ／ｃｍより小さい。このため、運転時の電界での抵抗値の低下を抑えて、電流による焼損が発生することを防止できる。また、動作電界に達する前に、絶縁性樹脂７１との界面における絶縁破壊が発生することを防止できる。

［第３の実施形態］
（構成）
第３の実施形態は、基本構成は、上記の図１で示した第１の実施形態と同様である。このため、図１と同様の部材は同様の符号を付して、説明を省略する。本実施形態でも、上記のように、複数の部分絶縁筒である絶縁碍管２１１、２１２が、第１の金属材料である連結部２１３を介して接続された絶縁筒２１の両端が、第２の金属部材である金属部材２２により封止されている。そして、本実施形態では、図６に示すように、連結部２１３の外周側が、非線形誘電率材料７４によって覆われている。非線形誘電率材料７４は、電界に対する誘電率が比例しない非線形の特性を示す場合がある材料である。

非線形誘電率材料７４は、連結部２１３及び連結部２１３の近傍の絶縁碍管２１１、２１２の端部を、周方向に切れ目なく連続して覆うように形成することが好ましい。非線形誘電率材料７４は、絶縁筒２１を回転させながら塗布することにより形成できる。高電圧となる連結部２１３に対応する部分が隆起して厚くなるように塗布することが好ましい。そして、非線形誘電率材料７４の周囲は、上記のようにモールドにより絶縁性樹脂７１によって覆われている。低電界での非線形誘電率材料７４の比誘電率は、周囲の絶縁性樹脂７１の比誘電率と同等とすることが、電界緩和の観点からは好ましい。低電界とは、たとえば、１ｋＶ／ｃｍ以下である。比誘電率が同等とは、比誘電率が一致又は近似していることをいう。近似とは、比誘電率の相違が±１程度の範囲に収まっていることが考えられるが、これには限定されない。電界緩和が得られる程度に近似していればよい。また、たとえば、絶縁性樹脂７１、非線形誘電率材料７４に共通の材料を用いることにより得られる程度に、比誘電率が一致又は近似していればよい。本実施形態では、絶縁性樹脂７１、高誘電率材料７２、非線形抵抗材料７３、非線形誘電率材料７４により固体絶縁部材７が構成されている。

非線形誘電率材料７４としては、たとえば、エポキシ樹脂を主成分とし、充填材として、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム等のいずれか１つ又は複数を、全体に対して２０％ないし３０％程度含有する複合材料である。なお、主成分、充填材のそれぞれは、これには限定されず、これ以外の組成であってもよい。たとえば、絶縁性樹脂７１の主成分をエポキシ樹脂とした場合、比誘電率が４程度となる。この場合、非線形誘電率材料７４の低電界での比誘電率は、４以上であることが好ましい。これにより、非線形誘電率材料７４への電界の集中防止効果が高まる。

（作用効果）
本実施形態は、複数の絶縁碍管２１１、２１２が連結部２１３を介して接続された絶縁筒２１の両端が、金属部材２２により封止された真空容器２内に、接離可能に対向配置された一対の電極４と、真空容器２の周囲を覆う絶縁性樹脂７１と、連結部２１３の外周側が、非線形誘電率材料７４によって覆われている。

通常運転時は電圧が低いので、連結部２１３の端部に発生する電界は高くない。但し、出荷時の耐圧試験時には、アークがアークシールド６を介して連結部２１３に短絡する可能性があり、このときのみ電界が高くなる。通常運転時に高誘電率材料を用いると、周囲の高誘電率材料以外の樹脂内の電界が高くなり、長期的に高い電界ストレスを受けることになる。一方、非線形誘電率材料７４を使用した場合には、通常運転時の電界では誘電率が低いので、樹脂内にかかる電界を低くすることができる。これにより、高電圧時の電界緩和を図りつつ、通常運転時の樹脂内の電界ストレスを抑えることができる。

（変形例）
次に、真空バルブ１の実施形態の変形例について、図面を参照しつつ説明する。
（１）非線形抵抗材料７３を設ける位置は、上記の態様には限定されない。例えば、図７に示すように、高誘電率材料７２の端部から絶縁筒２１の外周に沿って延びる方向に設けてもよい。また、図８に示すように、高誘電率材料７２を設けずに、非線形抵抗材料７３のみを金属部材２２の外周から絶縁筒２１の外周に沿って延びる方向に設けてもよい。これらによって、高電界となる金属部材２２の部分から離れるに従って、電位が接地電位に近づくように変化するので、電界緩和効果が高まる。

（２）高誘電率材料７２、非線形抵抗材料７３、非線形誘電率材料７４は、いずれか１種を単独で使用してもよいし、いずれか２種又は３種を使用してもよい。さらに、上記の態様では、高誘電率材料７２及び非線形抵抗材料７３の少なくとも一方を、固定側と可動側の双方に同様に設けて、電界を緩和していたが、固定側と可動側の組み合わせを変えてもよく、いずれか一方のみに設けて、他方については、他の電界緩和構造を施してもよい。

（他の実施形態）
本明細書においては、本発明に係る実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。上記のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１ 真空バルブ
２ 真空容器
３ 通電棒
３Ａ 固定側通電棒
３Ｂ 可動側通電棒
４ 電極
４Ａ 固定側電極
４Ｂ 可動側電極
５ ベローズ
６ アークシールド
７ 固体絶縁部材
８ 接地層
２１ 絶縁筒
２２ 金属部材
２２Ａ 固定側金属部材
２２Ｂ 可動側金属部材
７１ 絶縁性樹脂
７２ 高誘電率材料
７３ 非線形抵抗材料
７４ 非線形誘電率材料
２１１ 絶縁碍管
２１２ 絶縁碍管
２１３ 連結部
Ｃ１ 一点鎖線
Ｃ２ 実線
Ｃ３ 点線
Ｅ１ 高圧電極
Ｅ２ 背後電極
Ｇ 接地電極
ＩＮ１ 絶縁性板
ＩＮ２ 絶縁性樹脂
Ｓ１ 端部電界シールド
Ｓ２ 中間電界シールド
Ｘ 軸

Claims (10)

1. 絶縁筒の両端が金属部材により封止された真空容器と、
   前記真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、
   前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、
   前記金属部材の近傍に設けられるとともに、前記絶縁性樹脂に覆われ、前記絶縁性樹脂よりも誘電率が高い絶縁性の高誘電率材料と、
   を有し、
   前記高誘電率材料のガラス転移温度が、前記金属部材の局部最大温度以上であることを特徴とする真空バルブ。
2. 絶縁筒の両端が金属部材により封止された真空容器と、
   前記真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、
   前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、
   前記金属部材の近傍に設けられるとともに、前記絶縁性樹脂に覆われ、前記絶縁性樹脂よりも誘電率が高い絶縁性の高誘電率材料と、
   を有し、
   前記高誘電率材料の少なくとも一部と前記絶縁性樹脂との間に、非線形抵抗材料が設けられていることを特徴とする真空バルブ。
3. 絶縁筒の両端が金属部材により封止された真空容器と、
   前記真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、
   前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、
   前記金属部材の近傍に設けられるとともに、前記絶縁性樹脂に覆われ、前記絶縁性樹脂よりも誘電率が高い絶縁性の高誘電率材料と、
   を有し、
   前記絶縁筒の少なくとも一部と前記絶縁性樹脂との間に、非線形抵抗材料が設けられていることを特徴とする真空バルブ。
4. 前記高誘電率材料の比誘電率が、２より大きく、１０００未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の真空バルブ。
5. 前記高誘電率材料の線膨張係数が、前記金属部材の局部最大温度以下において、前記金属部材の線膨張係数の０．１～１０倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の真空バルブ。
6. 絶縁筒の両端が金属部材により封止された真空容器と、
   前記真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、
   前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、
   前記金属部材を覆うとともに、前記絶縁性樹脂に覆われた非線形抵抗材料と、
   を有することを特徴とする真空バルブ。
7. 前記非線形抵抗材料の抵抗率は、１ｋＶ／ｃｍ以下の低電界領域では、その表面抵抗が１０^６Ω以上であることを特徴とする請求項２、３及び６のいずれかに記載の真空バルブ。
8. 前記非線形抵抗材料の抵抗率は、１ｋＶ／ｃｍより大きい高電界領域では、その表面抵抗が１０^４Ω以上であることを特徴とする請求項２、３、６及び７のいずれかに記載の真空バルブ。
9. 前記非線形抵抗材料の非線形性が発現する電界が２ｋＶ／ｃｍより大きく、２０ｋＶ／ｃｍ未満であることを特徴とする請求項２、３、６、７及び８のいずれかに記載の真空バルブ。
10. 複数の部分絶縁筒が第１の金属部材を介して接続された絶縁筒の両端が、第２の金属部材により封止された真空容器内に、接離可能に対向配置された一対の電極と、
    前記真空容器の周囲を覆う絶縁性樹脂と、
    を有し、
    前記第１の金属部材の外周側が、非線形誘電率材料によって覆われており、
    前記非線形誘電率材料の低電界での比誘電率が、前記絶縁性樹脂と同等であることを特徴とする真空バルブ。

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