WO2015125325A1

WO2015125325A1 - 真空バルブまたは真空バルブを有する開閉器

Info

Publication number: WO2015125325A1
Application number: PCT/JP2014/073856
Authority: WO
Inventors: 佐藤　和弘; 佐藤　隆; 拓哉岡野; 土屋　賢治
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2015-08-27
Also published as: JP2015156274A

Abstract

　接触抵抗の増加を抑制することが可能な真空バルブを提供することを目的とする。内部が真空の真空容器と、真空容器内に配置されて互いに接離可能な複数の接点電極（１０Ａ、１０Ｂ）と、接点電極（１０Ａ、１０Ｂ）のうち接点面以外に接合されるコイル電極（１１Ａ、１１Ｂ）と、接点電極（１０Ａ、１０Ｂ）のうち接点面以外に接触して配置されると共に接点電極（１０Ａ，１０Ｂ）とは非接合である補強材（１２Ａ、１２Ｂ）とを備えることを特徴とする。

Description

真空バルブまたは真空バルブを有する開閉器

　本発明は開閉装置に適用するのに好適な真空バルブまたは開閉器に関するものであり、特に電極の支持構造に関するものである。

　真空バルブに関する従来技術として、特開２０１０－１１８２９３号公報（特許文献１）を挙げることができる。この公報には、「磁界を発生させるカップ状のコイル電極と、コイル電極の開口部に固着された円板状の接点電極と、開口部の底部に固着されたコイル電極側補強部材と、底部と対向する接点面に固着された接点電極側補強部材とを有する接離自在の一対の接点を有する真空バルブであって、接点電極側補強部材に凸部を設け、コイル電極側補強部材に中空部を設け、凸部を中空部に嵌め込んで固着したことを特徴とする真空バルブ」が記載されている。

特開２０１０－１１８２９３号公報

　上述した特許文献１には、接点電極とコイル電極とを所定の位置で固着させることで遮断性能や耐電圧性能を向上する真空バルブが記載されている。しかしながら、特許文献１の構成では、接点電極の円板状の凹部と補強材の円板部がろう付けにより接合されるため、異種材接合によるバイメタル的な変形が接点表面に発生する。

　接点電極の材料は、一般的に銅系合金、銀系合金等が主であり、その線膨脹係数はおよそ１０～１５×１０-6／Ｋとなる。一方、コイル電極の変形を防止するために設けられている補強材は、硬度が高いステンレス等が用いられ、例えばＳＵＳ３０４では線膨脹係数が約１７×１０-6／Ｋとなる。ここで、ろう付けは約６００℃以上で行われるため、ろう付け温度から室温に戻した際に、線膨脹係数の大きい補強材の方が接点電極より縮む量が大きくなる。この結果、補強材が接点電極を中心軸方向に引っ張るため、接点電極の表面が凸状に反る。

　この凸状の反りの発生により、真空バルブ内に配置した接点電極対は、接点電極表面の凸状の頂点付近の限定された範囲で接触することになるため、接触抵抗が増加する。つまり、電流は接点電極表面の凸状の頂点付近の限定された範囲で通電することになるため、接点電極の接触部が温度上昇してしまい、大電流を安定に通電できない恐れがある。

　この対策として、接点電極対の接触部を弾性変形する程度まで接点電極対に加える接触荷重を増やし、接触面積を増やして接触抵抗の増加を抑制すること等が容易に考えられるが、接触荷重を加えるワイプ機構や、可動側の接点電極を駆動する操作器が必然的に大型化する問題がある。

　上記の様に種々の問題が存在する中で、本発明では、接触抵抗の増加を抑制することが可能な真空バルブまたは該真空バルブを搭載した開閉器を提供することを目的とする。

　本発明の真空バルブは、上記課題を解決するために、内部が真空の真空容器と、該真空容器内に配置されて互いに接離可能な複数の接点電極と、前記接点電極のうち接点面以外に接合されるコイル電極と、前記接点電極のうち接点面以外に接触して配置されると共に前記接点電極とは非接合である補強材とを備えることを特徴とする。

　また、上記課題を解決するために、本発明に係る開閉器は、上記真空バルブと、前記接点電極に接圧荷重を加えるワイプ機構と、該ワイプ機構と連結された操作器を有することを特徴とする。

　本発明によれば、接触抵抗の増加を抑制することが可能な真空バルブ等を提供することが可能になる。

本発明の真空バルブの実施例１であり、真空バルブが開状態の側断面図である。本発明の真空バルブの実施例１であり、図１の可動側電極の側面図である。本発明の真空バルブの実施例１であり、図２のＡ－Ａ線断面図である。本発明の真空バルブの実施例２、３であり、可動側電極の側断面図である。本発明の真空バルブの実施例４であり、可動側電極の側断面図である。本発明の真空バルブの実施例５であり、可動側電極の側断面図である。

　以下、図示した実施例に基づいて本発明の真空バルブについて説明する。

　図１乃至３は、本発明の真空バルブの実施例１を示すものであり、図１は真空バルブの側断面図を、図２は真空バルブに搭載した一方の電極の側面図を、図３は図２のＡ－Ａ線断面図をそれぞれ示している。

　図１乃至３における真空バルブは、固定側の円筒絶縁材１Ａの一端に接合された固定側端板２Ａと、固定側端板２Ａを気密に貫通する固定側導体３Ａと、可動側の円筒絶縁材１Ｂの一端に接合された可動側端板２Ｂと、可動側端板２Ｂに一端が接続され、可動部の可動を許容すると共に、内部の真空を維持するための蛇腹形状のベローズ４と、ベローズを気密に貫通し真空を維持しながら軸方向に駆動する可動側導体３Ｂとで真空容器が構成され、内部圧力は、およそ１０-2Ｐａ以下の真空で保たれている。

　その真空容器の内部には、固定側導体３Ａの端部に接続された固定側電極５Ａと、可動側導体３Ｂの端部に接続された可動側電極５Ｂと、開閉時のアークにより発生する金属蒸気から円筒絶縁材１Ａ、１Ｂの汚染を防ぐためのアークシールド６と、ベローズ４をアークによる金属蒸気から保護するとともに、ベローズ端部の電界集中を緩和するためのベローズシールド７と、固定側端板２Ａと円筒絶縁材１Ａ、及び、可動側端板２Ｂと円筒絶縁材１Ｂの接続部の電界集中を緩和するための電界緩和シールド８Ａ、８Ｂが配置されている。

　また、可動導体３Ｂは、可動導体の直動を案内する環状ガイド９の内側を遊嵌し、図示しない操作用絶縁ロッド、及び電極対に接圧荷重を加えるワイプ機構と連結された操作器と接続され、軸方向の駆動が可能となっている。これにより、固定側電極５Ａと可動側電極５Ｂの接離、即ち、真空バルブの開状態と閉状態を切り替えている。

　次に真空バルブ内に配置された固定側電極５Ａと可動固定側電極５Ｂの構造を説明する。図１では、固定側電極５Ａと可動側電極５Ｂは、同一構造であるため、ここでは、固定側電極５Ａの説明を省略する。

　可動側電極５Ｂは、真空バルブが閉状態のとき固定側接点電極と接触する接点電極１０Ｂと、一端が接点電極１０Ｂの裏面外周側端部にろう付け等により接合され、他端が可動導体３Ｂの端部にろう付け等により接合されたコイル電極１１Ｂと、接点電極１０Ｂの裏面に密接配置されるとともに、可動導体３Ｂにろう付け等で接合された柱体形状の補強材１２Ｂとがほぼ同軸上に配置された構成となっている。可動導体３Ｂは接点電極１０Ｂ側の端部から軸方向に伸びる溝が形成されており、補強材１２Ｂが当該溝に嵌めこまれている。補強材１２Ｂは、コイル電極１１Ｂよりも内側に配置される。固定側の接点電極１０Ａと可動側の接点電極１０Ｂとは接触または開離を切り替えられるようになっている。コイル電極１１Ｂは、接点電極１０Ｂに対して接点面以外で接合されており、具体的には接点面とは反対側に配置されている。

　接点電極１０Ｂは、材料が銅系合金、もしくは銀系合金等であり、円板形状である。また、コイル電極１１Ｂは、銅系材料が用いられ、可動側導体３Ｂとの接合部から複数の腕部が半径方向に伸び、その腕部は接点電極の外周端から接点電極の外周に沿って湾曲し、その端部には接点電極と接合するための突出部が設けられた形状になっている。図１乃至３では、コイル電極の腕部が４本、等間隔で配置された構造が示されている。また、コイル電極の変形を防止するために設けられている補強材は、柱体形状であり、硬度が高いステンレス系材料等が主に用いられている。

　このような構造の電極は一般的に縦磁界電極と呼称され、例えば、可動側導体３Ｂから流れてきた電流は、コイル電極１１Ｂに複数設けた腕部にそれぞれ分流し、コイル電極に接合されている接点電極１０Ｂを介して、固定側電極５Ａ側に流れる経路を取る。また、補強材１２Ｂはステンレス系材料であり、銅系材料であるコイル電極１１Ｂより電気抵抗が大きいため、補強材１２Ｂには電流が流れにくくなっている。短絡事故などによる大電流を遮断する際は、コイル電極１１Ｂの腕部に流れる電流で接点電極間に軸方向の磁界を、開極時に接点電極間に発生するアークに印加することにより、アークを拡散することができる。アークの拡散により接点電極への熱入力が均一となるため、接点電極の温度上昇や損傷を抑制でき、大電流遮断が可能となる。

　ここで、接点電極１０Ｂの材料は、主に銅系合金、銀系合金等が用いられているため、その線膨脹係数はおよそ１０～１５×１０-6／Ｋである。これに対し、コイル電極１１Ｂは銅系材料であるため、その線膨脹係数はおよそ１６×１０-6／Ｋ、補強材１２Ｂは高硬度なステンレス、例えばＳＵＳ３０４では線膨脹係数が約１７×１０-6／Ｋとなる。

　そして、本実施例では、接点電極１０Ｂと補強材１２Ｂは非接合で密接配置されている。即ち、補強できる様に接触はするものの接合はしていない。このように構成される本実施例の真空バルブは、接点電極表面に凸状の反りが発生しないため、接点電極対の接触面積が減少することはなく、抵抗の増加を防止でき、大電流を安定に通電することができる。また、接点電極１０Ｂと補強材１２Ｂの接触抵抗が、ろう付け等により接合された場合に比べ大きくなるため、補強材１２Ｂに流れる電流は更に流れにくくなるため、コイル電極１１Ｂへの通電量を増やすことができる。即ち、コイル電極１１Ｂが発生する磁界の強さが増加するため、遮断性能を向上することができる。

　通常、真空バルブを真空封止する際のろう付け温度は約６００℃以上で行われる。接点電極とコイル電極は電流通電のため、ろう付けがなされるが、ろう付け温度から室温に戻した際に、線膨脹係数の大きいコイル電極の方が接点電極より縮む量が大きくなる。この結果、コイル電極が接点電極を中心軸方向に引っ張る力が働くが、接点電極に比べ、コイル電極は硬度が低い銅系材料が用いられているため、接点電極に反りなどの変形は生じることはない。

　一方、接点電極と補強材をろう付けした場合、線膨脹係数の大きい補強材の方が接点電極より縮む量が大きくなる。硬度の高い補強材が補強材より硬度が低い接点電極を中心軸方向に引っ張るため、接点電極の表面が凸状に反ることになる。この凸状の反りの発生により、真空バルブ内に配置した接点電極対は、凸状の頂点付近のみの接触となり、反らない場合に比べ、接触面積が減少し、接触抵抗が増加してしまう恐れがある。

　しかし、本実施例の構成とすることにより、接点電極の表面に凸状の反りは発生しないため、接点電極対の接触面積が減少することはなく、抵抗の増加を防止でき、接点電極の接触部が温度上昇せず、大電流を安定に通電できる。また併せて、ワイプ機構や操作器を小型、軽量化することが可能である。

　図４に本発明の実施例２を示す。尚、上記実施例１と重複する点については説明を省略する。図４は実施例１の接点電極１０Ｃと補強材１２Ｃにねじ部１３を設けた構造である。接点電極と補強材がねじ締結により一体となることで、ろう付け時の接点電極の位置ずれを防止するものである。そして、本実施例では、実施例１と同様に接点電極１０Ｃと補強材１２Ｃは非接合で密接配置されている。

　このように構成される本実施例の真空バルブは、実施例１と同様に、接点電極表面に凸状の反りが発生しないため、接点電極対の接触面積が減少することはなく、抵抗の増加を防止でき、大電流を安定に通電することができる。また、接点電極１０Ｂと補強材１２Ｂの接触抵抗が、ろう付け等により接合された場合に比べ大きくなるため、補強材１２Ｂに流れる電流は更に流れにくくなるため、コイル電極１１Ｂへの通電量を増やすことができる。即ち、コイル電極１１Ｂが発生する磁界の強さが増加するため、遮断性能を向上することができる。

　本発明の実施例３の真空バルブは、接点電極に対して接点面とは反対側で接触する部位に限ってろう付けを行っている。より具体的には、図４に示した接点電極１０Ｃと補強材１２Ｃの密接面部１４のみをろう付け等により接合したものである。尚、上記各実施例と重複する点については説明を省略する。

　接点電極１０Ｃと補強材１２Ｃが接合されることにより、接点電極対の溶着引き剥がしにおけるコイル電極１１Ｂの変形を防止することができる。また、ろう付けを接点電極１０Ｃと補強材１２Ｃの僅かな密接面部１４で行うことにより、接点電極１０Ｃ表面の凸状の反りを抑制できるため、接点電極対の接触面積の減少も抑制でき、抵抗の大幅な増加を防止でき、大電流を安定に通電することができる。

　図５は、本発明の真空バルブの実施例４を示すものである。本実施例の真空バルブの可動側電極は、接点電極１０Ｃと補強材１１Ｂの間に円板形状の補強板１５を配置し、接点電極１０Ｃと柱体形状の補強材１２Ｃの軸上に設けたねじ部によるねじ締結１３により円板形状の補強板１５を挟持した構造になっている。円板形状の補強板１５を配置することにより、接点電極対の溶着引き剥がし時のコイル電極の変形を防止する構造となっている。尚、上記各実施例と重複する点については説明を省略する。

　そして、本実施例では、接点電極１０Ｃと円板形状の補強材１２Ｃを非接合で密接配置している。このように構成される本実施例の真空バルブは、実施例１と同様に、接点電極表面に凸状の反りが発生しないため、接点電極対の接触面積が減少することはなく、抵抗の増加を防止でき、大電流を安定に通電することができる。また、接点電極と補強材の接触抵抗が、ろう付け等により接合された場合に比べ大きくなるため、補強材に流れる電流は更に流れにくくなるため、コイル電極への通電量を増やすことができる。即ち、コイル電極が発生する磁界の強さが増加するため、遮断性能を向上することができる。

　図６は、本発明の真空バルブの実施例５を示すものである。尚、上記各実施例と重複する点については説明を省略する。図６は図５の可動側電極の接点電極の裏面にろう付け範囲を限定するための溝を設けた構造になっている。接点電極１０Ｄの裏面の溝１６の内側で、接点電極１０Ｄと円板形状の補強板１５と、円板形状の補強板１５と補強材１３の僅かな密接面１７がろう付け等で接合されている。円板形状の補強板１５と補強材１３が接合されることにより、接点電極対の溶着引き剥がしにおけるコイル電極１１Ｂの変形を防止することができる。また、接点電極１０Ｄと円板形状の補強板１５の僅かな密接面部１４でろう付けを行うことにより、接点電極１０Ｃ表面の凸状の反りを抑制できるため、接点電極対の接触面積の減少も抑制でき、抵抗の大幅な増加を防止でき、大電流を安定に通電することができる。

　なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１Ａ、１Ｂ…円筒絶縁材、２Ａ…固定側端板、２Ｂ…可動側端板、３Ａ…固定側導体、３Ｂ…可動側導体、４…ベローズ、５Ａ…固定側電極、５Ｂ…可動側電極、６…アークシールド、７…ベローズシールド、８Ａ、８Ｂ…電界緩和シールド、９…ガイド、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…接点電極、１１Ａ、１１Ｂ…コイル電極、１２Ａ、１２Ｂ…補強材、１３…ねじ締結部、１４…接点電極と補強材の密接部、１５…補強板、１６…溝、１７…補強板と補強材の密接部

Claims

　内部が真空の真空容器と、該真空容器内に配置されて互いに接離可能な複数の接点電極と、前記接点電極のうち接点面以外に接合されるコイル電極と、前記接点電極のうち接点面以外に接触して配置されると共に前記接点電極とは非接合である補強材とを備えることを特徴とする真空バルブ。
　請求項１に記載の真空バルブであって、
　前記コイル電極は前記接点電極に対して前記接点面とは反対側に配置され、
　前記補強材も前記接点電極に対して前記接点面とは反対側に配置されることを特徴とする真空バルブ。
　請求項２に記載の真空バルブであって、
　前記補強材は前記コイル電極よりも内側に配置されることを特徴とする真空バルブ。
　請求項３に記載の真空バルブであって、
　前記コイル電極は導体と接合され、前記補強材は該導体に形成された溝に嵌めこまれることを特徴とする真空バルブ。
　請求項２ないし４のいずれか一つに記載の真空バルブであって、
　前記補強材及び前記接点電極の間はねじ締結されることを特徴とする真空バルブ。
　請求項５に記載の真空バルブであって、
　前記補強材は、前記接点電極に対して前記接点面とは反対側で接触する部位でろう付けされることを特徴とする真空バルブ。
　請求項５または６に記載の真空バルブであって、
　前記補強材と前記接点電極の間には補強板が配置されることを特徴とする真空バルブ。
　請求項７に記載の真空バルブであって、
　前記接点電極のうち、前記接点面とは反対側には溝が形成され、
　前記溝の内側において、
　前記補強板と前記接点電極の間、及び前記補強板と前記補強材の間はろう付けされることを特徴とする真空バルブ。
　請求項１ないし８のいずれか一つに記載の真空バルブと、
　前記接点電極に接圧荷重を加えるワイプ機構と、該ワイプ機構と連結された操作器を有する開閉器。