JPH0719516B2 - 真空放電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は真空スイッチ管，真空避雷管，真空ヒュー
ズ，真空トリガトロンなどの真空放電装置、特に、絶縁
容器の端部に形成した一対のメタライズ層の電位が電極
と同電位に構成された真空放電装置の内沿面および外沿
面の絶縁耐力の向上に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は例えば、特公昭59-27050号公報に示された真空
放電装置としての従来の真空スイッチ管の縦断面図であ
り、図において、81はアルミナ・セラミック製の円筒形
の絶縁容器、82は絶縁容器81の内壁面中央部に形成され
た帯状突出部、83a,83bは絶縁容器81の両端部81a,81bに
形成されたメタライズ層、84a,84bはメタライズ層83a,8
3bにろう付けされた封着金具であり、この封着金具84a,
84bは絶縁容器81内を真空気密に封着する。85は封着金
具84bの中心部に取付けられた金属性のベローズ、86a,8
6bは封着金具84bおよびベローズ85に貫通支持された電
極棒、87a,87bは電極棒86a,86bの先端に設けられた電極
であり、電極87bはベローズ85,電極棒87bを介して電極8
7aに対し接離自在に構成されている。88は電極87a,87b
を囲むように上記帯状突出部82に取り付けられた金属製
の中間シールド筒である。

上記絶縁容器81の主な機能は、真空容器の一部を構成
すること、電極の開極時には両電極間を電気的に絶縁
すること、金属製中間シールド筒を両電極から電気的
に接続して支持することにある。

また、イろう付，排気などの製作工程や短絡電流遮断時
の厳しいシートショック（熱的衝撃）に耐えること、ロ
排気中または排気後に実施されるコンディショニング工
程で沿面閃絡や絶縁容器の貫通破壊を生じないこと、ハ
電流遮断の繰返しにより電極物質が絶縁容器内面に付着
してくるが、それによって絶縁耐力が所要の定格耐電圧
よりも劣化しないこと、ニ使用環境の塩分や塵埃による
外沿面の汚損に対して、所要の絶縁耐力を維持できるこ
と、ホ電極の開閉動作に伴なう機械的衝撃や振動に耐え
ること、などの性能が要求される。

近年、真空スイッチ管に対する小型化の要求は益々強ま
っており、このために電極直径や絶縁容器の内壁直径が
与えられた場合に、上述の機能，性能を維持しつヽ如何
にして最小寸法で且つ最適構造の絶縁容器を構成する
か、という課題が重要になってきた。

従来のセラミック製の絶縁容器81は次の手順で製作され
ていた。一般にアルミナ粉体を調合し、ラバープレス法
により円筒を成形し、成形体を切削加工により仕上げた
後、約1650℃の大気中で高温焼結する。外面に施釉して
焼付け、更に絶縁容器１の端部にMoとMnを主体とするペ
ーストを塗布し、乾燥し、1400〜1500℃の高温で焼付け
る。この焼付けによって、絶縁物であるセラミックの表
面が金属化されて、いわゆるメタライズ層83a,83bが形
成される。その後、メタライズ層83a,83bにはNiメッキ
を施し、これを焼付ける。

このようにして製作された絶縁容器81は、メタライズ層
83a,83bに（図示せず）ろう材を配置し、封着金具84a,8
4bと約800℃の高温度でろう付けされる。前述の部品を
適時に組合わせて、ろう付けや溶接により真空スイッチ
管を組立てた後500℃以上の高温度で加熱排気して真空
密封する。

排気中または排気後におけるコンディショニングと称す
る製作工程では、電極間に高電圧を印加して、真空絶縁
破壊を繰返しつつ、順次、絶縁耐力を高めていく。この
際の印加電圧は、真空スイッチ管の定格耐電圧、例え
ば、3.3Kv用ではAC（交流）10Kv、36Kv用ではAC70Kvよ
りも遥かに高い値である。

従来の真空スイッチ管では、コンディショニング中に絶
縁容器81の貫通破壊がしばしば発生し、製作歩留を低下
させていた。特に、メタライズ層83a,83bの近傍や帯状
突出部82の近傍は電界が集中するので貫通破壊を生じ易
い。

真空スイッチ管は高電圧の電路において、20年以上にわ
たって使用され、その間に使用環境の塵埃や塩分を含む
雰囲気によって絶縁容器81の外沿面が汚損され、また多
数回の電流遮断によって絶縁容器81の内沿面が電極物質
で覆われてくる。

従って、製作完成時に保有していた絶縁容器81の耐電圧
性能は、使用年数とともに次第に劣化してゆき、遂には
所要の定格耐電圧に耐え得なくなる。台風や大雪による
塩害や湿潤、或いは襲雷や電路の開閉時に発生する過渡
的異常電圧によって、絶縁容器81の外部閃絡または内部
閃絡が発生し、これが引金となって前述のメタライズ層
83a,83bまたは帯状突出部２の近傍で絶縁容器81に貫通
破壊を生じることがあった。この貫通破壊は真空スイッ
チ管において致命的不具合である。

以上に述べた製作段階及び使用段階における絶縁容器81
の貫通破壊を抑制するためには、従来は次の手段が採ら
れてきた。絶縁容器81の全長を長くすることにより、
メタライズ層83a,83b間の間隙長Ｌを大きくする。ラ
バープレス成形後の切削加工で絶縁容器81の外面に波形
ひだを設けることにより、外沿面長l₁を長くする。絶
縁容器81の直径を大きくすることにより、電極87a,87
b、中間シールド筒88、絶縁容器１の内壁の相互の間隙
を広げて、真空内部の閃絡電圧を高める。コンディシ
ョニングや使用環境における周囲媒体として、絶縁油や
SF₆ガスを用いることにより、外部閃絡電圧を高める。

しかし、上記の貫通破壊を生じる原因を詳細に検討した
結果、閃絡電圧の強化は外沿面だけでなく内沿面も同時
に同等に強化する必要があること、および乾式成形法で
あるラバープレスではアルミナ粉体の摩擦力により粉体
の流動性が妨げられて肉厚が厚くなる程絶縁容器内にピ
ンホール欠陥が生じ易くこれに異常な電界集中を生じる
ため貫通破壊を生じることが判った。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の真空放電装置としての真空スイッチ管は以上のよ
うに構成されているので、製作段階や使用段階におい
て、セラミック製の絶縁容器の器壁に貫通破壊を生じる
危険があり、これを抑制するためには絶縁容器の全長や
直径を大きくしたり、ラバープレス成形後の切削加工に
よって外沿面に波形ひだを設けたり、コンディショニン
グや使用環境に絶縁油やSF₆ガスを使わねばならず、真
空スイッチ管を小型・軽量化し、経済的に製作，使用す
る上で重大な障害と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、絶縁容器の外沿面および内沿面における閃
絡電圧を同時に強化するとともに、均質でピンホール欠
陥を生じない絶縁容器を有する真空スイッチ管を提供す
ること、および、電極直径や絶縁容器内壁の最小直径が
与えられた場合に、真空スイッチ管の製作段階で熱衝撃
やコンディショニング，電圧に耐えて、使用段階では開
閉時の機械衝撃や電極物質による内面汚損や塩分の付着
による外面汚損に耐えて、しかも最小寸法で最軽量の絶
縁容器を構成された経済的な真空スイッチ管を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る真空放電装置は、絶縁容器を内面および
外面に波形ひだを有するセラミック筒で構成するととも
に、内沿面長および外沿面長を該セラミック筒の両端部
に設けた一対のメタライズ層の間隙長Ｌよりも長くした
ものである。

〔作用〕

この発明における真空放電装置は、絶縁容器の内面およ
び外面に波形ひだを設けたことにより、内外両沿面の沿
面長さをセラミック筒の両端部に設けた一対のメタライ
ズ層の間隙長よりも長くでき、従って一対のメタライズ
層間の表面漏洩電流を減小させ、内外両面における沿面
閃絡電圧を向上させることができる。また、内外面の波
形ひだを構成したことにより、ピンホール欠陥が無く均
質でヒートショックに強い絶縁容器が得られ、その絶縁
耐力が向上するとともに、所要の電極直径や絶縁容器の
内壁直径に対して、最小寸法で且つ最小重量で絶縁容器
を構成することが可能となり、真空放電装置の一層の小
形化，軽量化を可能とする。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、１は泥漿鋳込法で成形され、内面および外
面に波形ひだ２を設けたアルミナ・セラミック製の絶縁
容器で、その器壁の肉厚は全長にわたってほぼ均一であ
る。

3a,3bは絶縁容器１の両端部1a,1bに形成されたメタライ
ズ層、4a,4bはメタライズ層3a,3bにろう付けされた封着
金具であり、この封着金具4a,4bによって絶縁容器内を
真空気密に封着する。５は封着金具4bの内面中央部に設
けられたステンレス製のベローズ、６はベローズ５の上
端に取けた保護カバー、7a,7bは封着金具4aおよびベロ
ーズ５に貫通支持させた電極棒、8a,8bは電極棒7a,7bの
先端に対向的に設けた電極であり、電極8bは電極棒7bお
よびベローズ５を介して電極8aに対し接離自在に構成さ
れている。９は電極8a,8bを囲むように絶縁容器１内に
設けられた金属製の中間シールド筒であり、この中間シ
ールド筒９は一端部外面に設けられた金属部材10と外面
膨出部9aとで絶縁容器１の内壁面のひだ部を挾持して取
付けられている。この場合、挾持される内壁面のひだ部
は他の内壁面のひだ部より内側への突出量が大きく形成
されている。

第１図の実施例では、アルミナの泥漿を作成し、鋳込み
成形して乾燥した後、約1650℃の大気中で高温焼成して
絶縁容器１とした。この絶縁容器１の最大肉厚は例えば
4.7mm、外壁の谷部1cで生じる波形ひだの最小曲率半径
ｒは例えば5mm、山部1dに対する谷部1cの深さ、すなわ
ち外壁のひだの深さｅは12〜18mm、波形ひだの直線部の
面と絶縁容器１の軸に平行な面との挾む角度θは60度で
ある。

このような波形ひだ２の構成によって、絶縁容器１の端
部の一対のメタライズ層3a,3b間の間隙長Ｌ＝95mm,内沿
面長l₂および外沿面長l₁は何れもl₂＝l₁＝125mmとな
り、沿面長増倍率α＝l₁/L＝l₂/L≒1.32が得られた。

所要の工程を経て、7.2Kv用真空スイッチ管を20個製作
し、排気した後、AC50Kvを印加してコンディショニング
を実施した。コンディショニングにおいて、絶縁容器１
の貫通破壊を生じるものは皆無であった。メタライズ層
3a,3b間の外部閃絡電圧は従来よりも1.2倍以上に向上し
ていることが判った。また、等価霧中法による塩分汚損
時の外部閃絡電圧の値は、従来の間隙長Ｌ＝95mmの場合
に比べて1.2倍に向上した。

一方、電流遮断を繰返すことにより電極物質が内沿面に
付着してくるが、従来に比べて、特に、インパルス耐電
圧の劣化が殆んど無く、内部沿面閃絡を生じるまでの電
流遮断回数寿命は、従来の３倍に改善できることが判っ
た。

内外面に波形ひだ２を有する肉厚のほヾ均一なセラミッ
ク筒は、絶縁容器１の両端部，山部，谷部，ひだの直線
部の各部分の材料特性が均質で、密度，抗折力などのバ
ラツキが少なく、従来のラバープレス法によるセラミッ
ク筒よりもピンホール欠陥が極めて少なく、均質性が優
れている。

次に、内外面に波形ひだを有しない従来の絶縁容器１で
は、真空中に金属製の中間シールド筒が存在すると、そ
れが無い場合に比べて、大気側の外部沿面閃絡電圧が低
下する現象、すなわち背面電極効果を生じる。

しかし、第１図の実施例では、外部閃絡電圧Ｖは外沿面
長l₁に対してＶ∝l₁ ^2/3の関係があり、この式は絶縁碍
子における関係式と一致しており、背面電極効果が無視
できることから、メタライズ層3a,3b間で外部閃絡が生
じたとしても、第１図の実施例では、外部閃絡の放電通
路は、3a→1d→1d→3bを連ねた経路を通り、中間シール
ド筒の支持部である谷部1cを経由しないから、中間シー
ルド筒の支持部1c附近で絶縁容器１の貫通破壊が起り難
い。

従来の内外面に波形ひだを有しない絶縁容器１で構成さ
れた真空スイッチ管では、絶縁容器の内沿面に電極物質
が付着すると、AC耐電圧の低下よりも特にインパルス耐
電圧の低下が著しかった。

上記第１の実施例でも電流遮断の繰返しにより絶縁容器
の内沿面に電極物質が付着してくることは避けられない
が、それでもインパルス耐電圧の低下が殆んど起らない
ことである。

このように、内沿面に電極物質が付着してもインパルス
耐電圧が低下しない原因は、中間シールド筒の先端部か
ら内沿面までの真空間隙が大きいことが考えられる。し
たがって、中間シールド筒の高さを従来よりも大幅に短
くできる利点が生じる。

上記の実施例では、波形ひだの最小曲率半径ｒが約5m
m、外壁におけるひだの深さｅが12〜18mm、ひだの直線
部の面と絶縁容器軸に平行な面との挾む角θが60度の場
合について説明したが、波形ひだの形状は第１図の実施
例に限らず、先に〔従来の技術〕の項で述べた絶縁容器
の具備すべき性能条件を満足する範囲で且つ小型・軽量
化に適する形状に構成することができる。

第２図は、この発明の特徴部分である波形ひだの谷部1
c,山部1dの拡大図を示す。この図では、絶縁容器の肉厚
ｔと波形ひだの最小半径ｒとはほヾ等しい場合を示した
が、ｔ＞ｒなる関係に構成すると、前述の性能条件イ，
ホが満足できず、ヒートショックや機械衝撃によりクラ
ックを生じる危険があるので、ｔ≦ｒなる関係を満足す
る必要がある。

第２図に示す波形ひだの直線部の面と絶縁容器の軸に平
行な面との挾む角度θは45°≦θ≦90°の範囲が望まし
い。θ＜45°の範囲では、内外沿面長l₂,l₁とメタライ
ズ層の間隙Ｌとの比、α＝l₂/Lまたはl₁/Lで定義される
沿面長増倍係数αが余り大きくできず、前述の背面電極
効果が無視できなくなるからである。またθ＞90°にな
ると泥漿鋳込法が困難となり、前述の性能条件イ，ホを
満足できない。

絶縁容器１の外壁における波形ひだの深さｅは、波形ひ
だの最小曲率半径ｒに対して1.5倍以上にするのが望ま
しい。ｅ＜1.5rの範囲では、θ₂値が適当であっても背
面電極効果が無視できないからである。

最後に容器肉厚を全長にわたってほヾ均一に構成するた
めには、内沿面長l₂と外沿面長l₁とはほヾ等しくなけれ
ばならず、外沿面閃絡電圧を少なくとも10％向上するた
めにはl₂≒l₁≧1.2Lなる条件を満す必要がある。

第３図は上記第２図で述べたひだの最小曲率半径ｒ、外
壁におけるひだの深さｅ、内・外沿面長l₂,l₁、メタラ
イズ層の間隙長Ｌおよび波形ひだの直線部の面と絶縁容
器１の軸に平行な面との挾む角度θなどの相互の関係図
を示したものである。但し、外壁における波形ひだの深
さｅは、各ひだについて均一の場合を示してある。第３
図において、横軸の値は1.5以上、縦軸の値は1.2以上で
あるのが望ましい。

第４図は、他の実施例を示すもので、絶縁容器１の端面
にメタライズ層3a,3bを形成し、そのメタライズ層3a,3b
に封着金具4a,4bを平板状にろう付し、その一方の封着
金具4aに金属製のシールド筒11を片持的に取付けた真空
スイッチ管の断面側面図である。

第５図は別の実施例を示すもので、絶縁容器１の端部側
面にメタライズ層3a,3bを形成し、そのメタライズ層3a,
3bに封着金具4a,4bをろう付し、上記絶縁容器１の内部
に波形ひだを利用して金属製の中間シールド筒９を取付
けるとともに金属製のホッパ状中間シールド12a,12bの
一対を、その細径端部を中間シールド筒９内に位置させ
て、絶縁容器１内に波形ひだを利用して取付けた真空ス
イッチ管の断面側面図である。第１図の実施例では、波
形ひだ２は第６図に示すように複数個の山と谷とに分離
されているが、第７図に示すように内・外面共通の１本
の山谷、つまり螺旋形に構成してもよい。

上記の各実施例では、真空スイッチ管の場合について説
明したが、先に述べた絶縁容器の具備すべき機能・性能
要件は、真空避雷管，真空シューズ，真空トリガトロン
などの真空放電装置においても同様であり、これらに適
用して上記実施例と同様の効果を奏するものである。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、絶縁容器を内面およ
び外面に波形ひだを有するセラミック筒で形成するとと
もに、その内沿面長および外沿面長を何れも該セラミッ
ク筒の両端部に設けた一対のメタライズ層の間隙長より
も長く構成したので、コンディショニングにおける製造
歩留を向上でき、また小形で安価な真空放電装置が得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による真空放電装置を示す
縦断面図、第２図はこの発明の特徴部分である波形ひだ
の山部，谷部の拡大を示す縦断面図、第３図は波形ひだ
の諸定数と沿面長増倍率との関係図、第４図，第５図は
他の実施例を示す縦断面図、第６図は波形ひだを水平分
離ひだとしたこの発明の真空放電装置を示す正面図、第
７図は波形ひだを螺旋状に形成した同上図、第８図は従
来の真空放電装置を示す縦断面図である。 １は絶縁容器、２は波形ひだ、3a,3bはメタライズ層、4
a,4bは封着金具、8a,8bは電極、ｅは外壁におけるひだ
の深さ。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁容器の両端部に形成した一対のメタラ
   イズ層と、前記メタライズ層を介して前記絶縁容器の両
   端にろう付けされ、該絶縁容器内に設けられた電極と同
   電位の封着金具を有する真空放電装置において、前記絶
   縁容器を内面および外面に波形ひだを有するセラミック
   筒で形成するとともに内沿面長および外沿面長を前記一
   対のメタライズ層の間隙長よりも長く構成したことを特
   徴とする真空放電装置。
2. 【請求項２】絶縁容器の波形ひだの最小曲率半径（ｒ）
   を器壁の最大肉厚（ｔ）以上に構成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の真空放電装置。
3. 【請求項３】波形ひだの直線部の面と絶縁容器の軸に平
   行な面とで挾む角度θを45度≦θ≦90度の範囲にしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の真空放
   電装置。
4. 【請求項４】波形ひだの深さｅを該波形ひだの最小曲率
   半径（ｒ）に対して、1.5倍以上としたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の真空放電装置。
5. 【請求項５】内沿面長（l₂）および外沿面長（l₁）をl₂
   ≒l₁とし、かつ、一対のメタライズ層の間隙長（Ｌ）に
   対してl₂＝l₁≧1.2Lとしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項記載の真空放電装置。
6. 【請求項６】絶縁容器の内面および外面の波形ひだを螺
   旋状に構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項記載の真空放電装置。