WO2023135639A1

WO2023135639A1 - ガス遮断器

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Publication number: WO2023135639A1
Application number: PCT/JP2022/000530
Authority: WO
Inventors: 啓前島; 優子今澤; 智之吉野; 敏之内井; 崇文飯島
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝エネルギーシステムズ株式会社
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2023-07-20

Abstract

実施形態のガス遮断器は、密閉容器と、第１アーク接触子及び第２アーク接触子と、操作機構と、吹付部と、を持つ。第１アーク接触子及び第２アーク接触子は、開極状態で互いに開離する。操作機構は、前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子とを開離させる。吹付部は、蓄圧された前記消弧性ガスを前記閉極状態から前記開極状態に移行した後に、前記開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間で発弧するアーク放電に対して吹き付ける。前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間と、これらから離れた位置に形成された排気口と、を連通する排気流路は、前記排気流路が前記閉極状態において前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子が接する位置から前記排気口に向かって流路断面積が傾斜状に広がる加速テーパーを含む。前記加速テーパーの始点と終点に位置する前記排気流路を形成する流路形成面の始点角部及び終点角部が、それぞれ丸められている。

Description

ガス遮断器

　本発明の実施形態は、ガス遮断器に関する。

　電力系統において電流開閉を行うガス遮断器は、接触子を機械的に切り離すことにより電流を遮断する。電流の遮断過程において接触子を切り離すと、接触子間にアーク放電が生じる。ガス遮断器は、このアーク放電に消弧性ガスを吹き付けることにより、アーク放電を消弧する。

　ここで、図１及び図２を用いて従来のガス遮断器について説明する。図１は、従来のガス遮断器の投入状態を示す図である。図２は、従来のガス遮断器の電流遮断動作中の状態を示す図である。図１に示すように、ガス遮断器１００は、対向配置された可動アーク接触子１０１と固定アーク接触子１０２を備える。可動アーク接触子１０１は中空である。可動アーク接触子１０１及び固定アーク接触子１０２の外側には、可動通電接触子１０３及び固定通電接触子１０４が設けられている。可動アーク接触子１０１と可動通電接触子１０３との間には絶縁ノズル１０５が設けられている。

　可動アーク接触子１０１、可動通電接触子１０３、及び絶縁ノズル１０５は、いずれもパッファシリンダ１０６に固定されている。パッファシリンダ１０６の一端側には、操作ロッド１０７が接続されている。操作ロッド１０７は中空である。パッファシリンダ１０６及び操作ロッド１０７は、絶縁ロッド１０８を介して操作機構１０９と接続されている。パッファシリンダ１０６の内部には、パッファピストン１１０が摺動自在に収納されている。パッファピストン１１０は、ピストン支え１１１によって支持されている。パッファシリンダ１０６、操作ロッド１０７、及びパッファピストン１１０によってパッファ室１１２が構成されている。

　絶縁ノズル１０５と可動アーク接触子１０１との間には、パッファ室１１２から流出した消弧性ガスが流れる流出路１１３が形成されている。さらに、可動アーク接触子１０１と操作ロッド１０７の中空部分に第１排出流路１１４が形成される。操作ロッド１０７の操作機構側には排気口１１５が設けられており、排気口１１５を介して、第１排出流路１１４とピストン支え１１１の内部とが連通している。図２に示すように、開極状態のガス遮断器１００における絶縁ノズル１０５の内側には、第２排出流路１１６が形成され、流出路１１３は第１排出流路１１４と第２排出流路１１６にそれぞれ連通している。閉極状態のガス遮断器１００には、第２排出流路１１６は形成されていない。

　ここまで説明したガス遮断器１００における固定アーク接触子１０２及び固定通電接触子１０４は固定部であり、その他の部分、例えば、可動アーク接触子１０１、可動通電接触子１０３、絶縁ノズル１０５、パッファシリンダ１０６、及び操作ロッド１０７は可動部である。これらの部材は、消弧性ガスが充填された図示しない密閉容器に収納されている。

　図１に示す投入状態から電流遮断をするために開極動作を始めると、可動部は図示しない操作機構１０９側、すなわち、図１に示す矢印Ｙ１方向に移動し、図２に示す開極状態となる。可動部の移動に伴って、パッファ室１１２が圧縮されてパッファ室１１２の内部の消弧性ガスのガス圧力が高まる。さらに、アーク放電Ｅによって発生した熱エネルギーを取り込むことで、パッファ室１１２内の消弧性ガスは高圧となる。

　パッファ室１１２内で高圧となった消弧性ガスは、流出路１１３に噴出する。噴出した消弧性ガスは、流出路１１３を通じて可動アーク接触子１０１と固定アーク接触子１０２との間に発生したアーク放電Ｅに吹き付けられる。アーク放電Ｅに吹き付けられた消弧性ガスは第１排出流路１１４と第２排出流路１１６の両方向へ向けて遠ざかるように排出される。

　第１排出流路１１４を通った消弧性ガスは、排気口１１５を通じてピストン支え１１１内を経て図示しないタンク空間へと流れだす。消弧性ガスを吹き付けられたアーク放電Ｅは、消弧性ガスによって冷却されて消弧に至る。アーク放電Ｅが消弧されることにより、電流遮断が完了する。

　上記のようなガス遮断器では、大電流遮断時のような熱的に過酷な責務においてアーク放電Ｅを充分に冷却させることが重要である。しかし、パッファ室１１２内の圧力（以下、パッファ室圧力）を増加させることで性能が向上することが経験的には知られているものの、アークの熱エネルギーの取り込み方によってアークに吹き付ける消弧性ガスの温度は変化する。したがって、必ずしもパッファ室圧力と熱的遮断性能は比例しない場合があった。そのため、従来のガス遮断器では、必要以上にパッファ室圧力をあげることで熱的遮断性能を確保してきた。

　ところで、ガス遮断器は設置面積の省スペース化及びコストダウンを目的として小形化してゆく傾向にある。しかし、パッファ室圧力の増加は操作機構による駆動力や部材の重量の増加を必要とし機器の大型化やコストの増大を招くため，このような小型化への社会的要望を満たすことは難しい。さらに、電流遮断を数回行うと絶縁ノズル１０５が損耗し第２排出流路１１６の流量が増えることに起因して、所望のパッファ室圧力が得られなくなるといった課題もある。

　これらの問題に対して、近年の研究から，接触子内側に設けた流路の流れ、すなわち図１では第１排出流路１１４の流れに熱的遮断性能が大きく影響を受けること、及びその流れが可能な限り高速であるとき性能が向上することが明らかとなってきた。そこで、第１排出流路１１４の流れを高速にする手法として、可動アーク接触子の形状を適切な形状とする手法が提案されている（特許文献１参照）。

　図３は、可動アーク接触子の形状を適切な形状とした従来のガス遮断器の要部の断面図である。図３に示すガス遮断器１２０では、よどみ点１２１とチューリップコンタクト１２２の最小断面積部１２３の距離Ｌ１を５ｍｍから２０ｍｍと短くすることで、圧力損失を低減し急峻な圧力分布を形成させることができるため、高速な流れを生み出すことができると提案している。

　さらに、チューリップコンタクト１２２のすり割りのスリット幅を０．６から１．０ｍｍ以下とすることで、チューリップコンタクト１２２からのガス漏れを最小限とし、チューリップコンタクト１２２の内側流路の流れを高速にすることが提案されている。しかし、上記特許文献１では、チューリップコンタクト１２２の内部の構造については言及がなく不明確であった。

　このため、よどみ点１２１とチューリップコンタクト１２２の最小断面積部１２３の圧力分布を急峻としたりチューリップコンタクト１２２からのガス漏れを減らしたりしても、チューリップコンタクト１２２の内側の形状が適切な形状でないと、衝撃波や剥離が生じ、高速な流れをチューリップコンタクト１２２の内側の流路に形成することができない。したがって、熱的遮断性能を高くすることが難しい。

欧州特許出願公開第３５７６１２５号明細書

　本発明が解決しようとする課題は、高い熱的遮断性能を実現するガス遮断器を提供することである。

　実施形態のガス遮断器は、密閉容器と、第１アーク接触子及び第２アーク接触子と、操作機構と、吹付部と、を持つ。密閉容器は、消弧性ガスが充填されている。第１アーク接触子及び第２アーク接触子は、前記密閉容器内において互いに接離可能に設けられ、閉極状態で互いに接触するとともに、開極状態で互いに開離する。操作機構は、前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子とを前記閉極状態から前記開極状態へ開離させる。吹付部は、蓄圧された前記消弧性ガスを前記閉極状態から前記開極状態に移行した後に、前記開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間で発弧するアーク放電に対して吹き付ける。開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間と、前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子との間から離れた位置に形成された排気口と、を連通する排気流路が形成されている。前記排気流路は、前記閉極状態において前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子が接する位置から前記排気口に向かって流路断面積が傾斜状に広がる加速テーパーを含む。前記加速テーパーの始点と終点に位置する前記排気流路を形成する流路形成面の始点角部及び終点角部が、それぞれ丸められている。

従来のガス遮断器の投入状態を示す断面図。従来のガス遮断器の電流遮断動作中の状態を示す断面図。他の従来のガス遮断器の要部の断面図。第１の実施形態のガス遮断器１の断面図。第１の実施形態の可動アーク接触子１１の断面図。第２の実施形態の可動アーク接触子５０の断面図。第２の実施形態の可動アーク接触子５０の正面図。第３の実施形態の可動アーク接触子６０の断面図。第３の実施形態の第８の実施形態の可動アーク接触子６０の正面図。第４の実施形態の可動アーク接触子７０の断面図。第５の実施形態の可動アーク接触子８０の断面図。

　以下、実施形態のガス遮断器を、図面を参照して説明する。

　（第１の実施形態）
　まず、第１の実施形態について説明する。図４は、第１の実施形態のガス遮断器１の断面図である。第１の実施形態のガス遮断器１は、例えば、可動アーク接触子１１、固定アーク接触子１２、可動通電接触子１３、固定通電接触子１４、絶縁ノズル１５、パッファシリンダ１６、操作ロッド１７、操作機構１９、パッファピストン２０、及びピストン支え２１を備える。これらの各要素は、消弧性ガスが充填された密閉容器３０に収容されている。なお、図４では、説明の便宜のため、密閉容器３０に収容される部材を大きく描いている。

　可動アーク接触子１１、固定アーク接触子１２、可動通電接触子１３、固定通電接触子１４、絶縁ノズル１５、パッファシリンダ１６、操作ロッド１７、パッファピストン２０、及びピストン支え２１は、いずれも回転軸Ｘまわりに回転させた回転体の形状をなす。

　可動アーク接触子１１は、中空の柱状体であり、固定アーク接触子１２は、中実の柱状体である。可動アーク接触子１１及び固定アーク接触子１２は、同軸に配置されている。可動アーク接触子１１及び固定アーク接触子１２は、いずれも導体である。以下の説明において、可動アーク接触子１１における固定アーク接触子１２設けられている側を先端側、先端側と反対側を後端側として説明する。

　可動アーク接触子１１の先端側の端部には、固定アーク接触子１２の断面形状と略同一の形状の開口（以下、先端開口）が形成されている。可動アーク接触子１１及び固定アーク接触子１２は、可動アーク接触子１１が所定方向、例えば操作ロッド１７の軸方向に動作することにより、密閉容器３０内において離接可能に設けられている。可動アーク接触子１１及び固定アーク接触子１２は、閉極状態で互いに接触するとともに、開極状態で互いに開離する。可動アーク接触子１１は、第１アーク接触子の一例である。固定アーク接触子１２は、第２アーク接触子の一例である。

　可動通電接触子１３及び固定通電接触子１４は、いずれも筒状の導体である。可動通電接触子１３は、可動アーク接触子１１の周囲を覆うように配置されている。固定通電接触子１４は、固定アーク接触子１２の周囲を覆うように配置されている。可動通電接触子１３は、可動アーク接触子１１と離反しており、可動アーク接触子１１と可動通電接触子１３との間に隙間が形成されている。可動通電接触子１３の外径は、固定通電接触子１４の内径と略同一とされている。可動通電接触子１３及び固定通電接触子１４は、可動通電接触子１３が所定方向に動作することにより、密閉容器３０内において離接可能に設けられている。

　絶縁ノズル１５は、筒状に形成されている。絶縁ノズル１５は、可動アーク接触子１１の先端側の周囲からさらにその先端側までを覆う。絶縁ノズル１５は、可動アーク接触子１１とともに動作する。絶縁ノズル１５は、開極状態の可動アーク接触子１１と固定アーク接触子１２との間（以下、アーク放電発弧位置）で発弧するアーク放電を囲む。

　パッファシリンダ１６は、可動アーク接触子１１よりも大径の筒状体である。パッファシリンダ１６は、可動アーク接触子１１の後端側に配置されている。パッファシリンダ１６の先端側には小径の開口が形成され、後端側には大径の開口が形成される。パッファシリンダ１６の先端に絶縁ノズル１５が取り付けられている。

　操作ロッド１７は、パッファシリンダ１６の内側に設けられた導体である。操作ロッド１７の前部は、可動アーク接触子１１と略同径の筒状をなし、可動アーク接触子１１と同軸に可動アーク接触子１１の後端側に接続されている。操作ロッド１７は、パッファシリンダ１６に固定されている。パッファシリンダ１６の前端部における操作ロッド１７の周囲には穴部１８が形成されている。操作ロッド１７の後部は板状をなしている。図４においては、操作ロッド１７の後部の一部の描画を省略している。

　操作機構１９は、例えば、モータなどの動力源やリンク機構などを備える。操作機構１９は、操作ロッド１７の後部に接続されている。操作機構１９は、操作ロッド１７をその軸方向に動作させる。操作機構１９が操作ロッド１７を動作させることにより、可動アーク接触子１１、パッファシリンダ１６、絶縁ノズル１５、及び可動通電接触子１３（以下、可動部４０）が同一方向に動作する。操作機構１９は、可動部４０を動作させることにより、可動アーク接触子１１と固定アーク接触子１２とを閉極状態から開極状態へ開離させる。

　パッファピストン２０は、中央に開口が形成された円盤状の部材である。パッファピストン２０は、パッファシリンダ１６の後端側開口を塞いでいる。パッファピストン２０の中央に形成された開口の径は、操作ロッド１７の外径と略同一である。操作ロッド１７は、パッファピストン２０に形成された開口を通じて軸方向に動作する。

　ピストン支え２１は、パッファピストン２０における後端側に設けられている。ピストン支え２１は、パッファピストン２０を支持している。パッファピストン２０は、ピストン支え２１に支持されることにより固定されている。

　パッファシリンダ１６、操作ロッド１７、及びパッファピストン２０に囲まれた領域には、パッファ室２２が形成されている。密閉容器３０内には消弧性ガスが充填されていることから、パッファ室２２内にも、消弧性ガスが充填された状態となっている。可動部４０が動作して閉極状態から開極状態に開離することにより、パッファ室２２の容積が減少してパッファ室２２内の消弧性ガスを蓄圧する。

　パッファシリンダ１６に形成された穴部１８は、可動アーク接触子１１と絶縁ノズル１５との間の隙間と連通する。可動アーク接触子１１と絶縁ノズル１５との間の隙間は、パッファ室２２の容積が減少したときに、パッファ室２２内の消弧性ガスが流出する流出路２３とされている。

　流出路２３における消弧性ガスの排出部は、開極状態のアーク放電発弧位置に位置する。開極状態となったときには、パッファ室２２の消弧性ガスが蓄圧されて、流出路２３を通じて流出路２３の排出口から排出される。開極状態となったときのアーク放電発弧位置には、アーク放電が発弧する。流出路２３は、閉極状態から前記開極状態に移行した後に消弧性ガスをアーク放電に対して吹き付ける。パッファ室２２及び流出路２３は、吹付部の一例である。

　開極状態の可動アーク接触子１１及び操作ロッド１７の中空部分は、可動アーク接触子１１の先端開口と連通する。可動アーク接触子１１及び操作ロッド１７の前部の中空部分は、第１排出流路２４とされている。操作ロッド１７の前部における後端部には、排気口２５が設けられている。

　第１排出流路２４は、円柱形状をなす円柱形状流路である。第１排出流路２４は、開極状態のアーク放電発弧位置と、排気口２５と、を連通する。第１排出流路２４には、流出路２３により排出される消弧性ガスがアーク放電に吹き付けられて発生した熱ガスが流通する。排気口２５が設けられていることにより、発生した熱ガスの一部は、先端開口を通じて第１排出流路２４に流入し、排気口２５から排出される。

　開極状態の固定アーク接触子１２と絶縁ノズル１５との間には、隙間が形成される。固定アーク接触子１２と絶縁ノズル１５との間の隙間は、第２排出流路とされる。第２排出流路における可動アーク接触子１１側と反対側は開放されている。このため、開極状態のアーク放電発弧位置で発生した熱ガスの一部は、第２排出流路に流入し、第２排出流路における可動アーク接触子１１側と反対側から排出される。

　次に、可動アーク接触子１１の詳細について説明する。図５は、第１の実施形態の可動アーク接触子１１の断面図である。可動アーク接触子１１の内壁面は、先端直線部４１と、テーパー部４２と、後端直線部４３と、を備える。先端直線部４１とテーパー部４２との間には、第１湾曲部４４が形成され、テーパー部４２と後端直線部４３との間には、第２湾曲部４５が形成されている。

　先端直線部４１及び後端直線部４３は、いずれも可動アーク接触子１１の回転軸Ｘと平行に形成されている。テーパー部４２は、第１排出流路２４におけるテーパー部４２に囲まれる部分が、閉極状態において可動アーク接触子１１及び固定アーク接触子１２が接する位置から排気口２５に向かって流路断面積が傾斜状に広がる形状となるように傾斜をもった加速テーパー２４Ｔとして形成される。言い換えると、加速テーパー２４Ｔは、上流から下流に向けて傾斜状に広がる形状をなす。可動アーク接触子１１の内壁面は、流路形成面の一例である。

　第１湾曲部４４は、加速テーパー２４Ｔの始点に位置し、第２湾曲部４５は、加速テーパー２４Ｔの終点に位置する。第１湾曲部４４は、始点角部の一例である。第２湾曲部４５は、終点角部の一例である。第１湾曲部４４及び第２湾曲部４５は、いずれも湾曲することで丸められている。第１湾曲部４４及び第２湾曲部４５は、いずれか一方のみが設けられていてもよい。

　可動アーク接触子１１における先端直線部４１に相当する位置の断面積（以下、第１断面積）は、第１排出流路２４の最小断面積である。第１断面積Ｄ＊と、後端直線部４３に相当する位置の断面積（以下、第２断面積）Ｄｅとは、下記（１）式を満たす関係とされている。なお、後端直線部４３に相当する位置の断面と、操作ロッド１７の断面の形状は同一であるため、第２断面積Ｄｅと、操作ロッド１７の断面積は同一である。
　Ｄｅ／Ｄ＊＜１３．２　・・・（１）

　また、テーパー部４２の広がり角度αは、下記（２）式を満たしている。
　α＜３４．４°　・・・（２）
　テーパー部４２の広がり角度αは、例えば、テーパー部４２と回転軸Ｘとがなす角度で表される。

　さらに、第１湾曲部４４の曲率半径である第１曲率半径Ｒ１は、下記（３）式を満たしており、第２湾曲部４５の曲率半径である第２曲率半径Ｒ２は、下記（４）式を満たしている。
　Ｒ１＞（Ｄ＊／π）^１／２　・・・（３）
　Ｒ２＞Ｒ１　・・・（４）

　次に、第１の実施形態のガス遮断器１における作用について、可動アーク接触子１１の作用を中心として説明する。パッファ室２２の圧力と密閉容器３０内の充填圧力に十分な差があるとき、アーク放電は、第１排出流路２４の最小断面積部でチョークする。一般的なガス遮断器において、大電流遮断時におけるパッファ室２２の圧力と密閉容器３０の充填圧力との圧力比は約１０となる。この圧力比は、アーク放電がチョークするのに十分な圧力である。このため、テーパー部４２に囲まれる加速テーパー２４Ｔを第１排出流路２４設けることで、第１排出流路２４の最小断面積部より下流部分は超音速流れとなり、高速な流れを形成できる。

　ただし、加速テーパー２４Ｔを適切に構成しないと、第１排出流路２４において過膨張による垂直衝撃波の発生、流れの剥離や流路断面積の変化による斜め衝撃波の発生等によって流速が急速に低下してしまう懸念がある。そこで、過膨張による垂直衝撃波を生じさせないために、例えば以下の構成とすることができる。

　第１の実施形態のような圧力差と加速テーパー２４Ｔを用いた膨張による超音速流れの加速では、圧力比と流路断面積比の関係が適切でない場合に垂直衝撃波が発生する。一般に、垂直衝撃波が発生する位置の圧力Ｐｗとパッファ室の圧力Ｐ０、及び垂直衝撃波が発生する位置の流路断面積Ｄｗと第１排出流路２４の第１断面積（＝最小断面積）Ｄ＊の間には、下記（５）式の関係が成り立つ。

　ただし、Ｍｗ１：衝撃波直前のマッハ数
　　　　　　　γ：ガスの比熱比

　上記（５）式より、一般的なガス（比熱比１．０から１．７）では、流路断面積比Ｄｗ／Ｄ＊が約１．２以上のとき、圧力比Ｐｗ／Ｐ０は、流路断面積比Ｄｗ／Ｄ＊に対して単調に減少することわかる。このため、第１の実施形態のガス遮断器１では、圧力比Ｐｗ／Ｐ０が、密閉容器３０の充填圧力とパッファ室２２の圧力Ｐ０の比を下回らないように流路断面積比Ｄｗ／Ｄ＊を構成する。

　上述の通り、大電流遮断時におけるパッファ室２２の圧力と密閉容器３０の充填圧力との比は約１０となる。また、ガス遮断器に一般的に使用される消弧性ガスの比熱比は１．４である。この条件の下では、第１断面積Ｄ＊と第２断面積Ｄｅとの比Ｄｅ／Ｄ＊を１３．２未満とすることにより、垂直衝撃波の発生を防ぐことができる。

　続いて、流れの剥離を生じさせないための構成について説明する。流れの剥離は、流れが膨張する際に、膨張による圧力の低下と充填圧力との圧力差に対して、流れの遅い部分で圧力差に逆らえず逆流を起こしてしまう現象である。ここで、加速テーパー２４Ｔにより膨張加速させる際、加速テーパー２４Ｔの広がり角が大きすぎると、熱ガスが膨張しきれなくなり、壁面付近に流れのない領域が発生してしまう。そこで、加速テーパー２４Ｔの広がり角を制限することにより、剥離の原因とる壁面付近の熱ガスが流れない領域の発生を抑制する。

　一般に、ノズルの最大許容広がり角αmaxと広がり後のマッハ数の関係はプラントル・マイヤー関数νを用いて、下記（６）式により表すことができる。

　上記（６）式では、マッハ数が増加すると最大許容広がり角も大きくなることが示されている。流路断面積比Ｄｗ／Ｄ＊を上述のように１３．２とすると、比熱比が１．４でマッハ数は４．２４となりプラントル・マイヤー関数νは６８．８°となる。このため、ノズルの最大許容広がり角αmaxは３４．４°となる。したがって、加速テーパー２４Ｔの広がり角αを３４．４°未満とすることにより、剥離の発生を防ぐことができる。

　また、加速テーパー２４Ｔの始点において、曲率を設けずに流路を広げる場合、内壁面に沿って境界層が急激に発達するため、流れの剥離が生じやすくなる。このような剥離に対して、第１の実施形態のガス遮断器１では、上記（３）式に示すように、可動アーク接触子１１の内壁面における加速テーパー２４Ｔの始点に位置する第１湾曲部４４の第１曲率半径Ｒ１が、第１排出流路２４の最小断面積の半径を超えるようにしている。第１曲率半径Ｒ１が、第１排出流路２４の最小断面積の半径を超えるようにすることにより、このような流れの剥離を抑制ことに貢献する。

　可動アーク接触子１１における加速テーパー２４Ｔの始点と終点、すなわち第１湾曲部４４及び第２湾曲部４５の部分では、流れの向きが変わることにより膨張波と圧縮波がそれぞれ発生する。このうち、第２湾曲部４５の部分で発生する圧縮波は重なりあうことで斜め衝撃波を生じるため、第１排出流路２４内における熱ガスの速度低下をもたらす。

　このような熱ガスの速度低下に対して、第１の実施形態のガス遮断器１においては、上記（４）式に示すように、第２曲率半径Ｒ２が、第１曲率半径Ｒ１よりも大きくされている。以下に、第２曲率半径Ｒ２が、第１曲率半径Ｒ１よりも大きくされる理由について説明する。

　加速テーパー２４Ｔの終点で発生する圧縮波は、加速テーパー２４Ｔの始点で発生する膨張波を適切に利用することで相殺することが可能となる。加速テーパー２４Ｔの始点で発生する膨張波を利用するためには、膨張波発生時の流れの偏向角と膨張波が到着した加速テーパー２４Ｔ終点の壁面の偏向角が同じになる必要がある。

　膨張波発生時の流れの偏向角と膨張波が到着した加速テーパー２４Ｔの終点の壁面の偏向角が同じになるように設定することで、加速テーパー２４Ｔの終点において発生する圧縮波と到着した膨張波が相殺し、終点からは圧縮波が生じない流れとなる。また、加速テーパー２４Ｔの始点で発生した膨張波は、膨張波同士の干渉により、加速テーパー２４Ｔの終点の壁面に対して発生時よりも浅い角度で終点の壁面に進入する。

　このため、加速テーパー２４Ｔの終点における壁面の偏向角は、加速テーパー２４Ｔの始点より緩やかとすることが求められる。したがって、上記（３）式に示すように、加速テーパー２４Ｔの終点に位置する第２曲率半径Ｒ２は、加速テーパー２４Ｔの始点に位置する第１曲率半径Ｒ１よりも大きくされている。

　なお、第１の実施形態のガス遮断器１における可動アーク接触子１１では、先端直線部４１が設けられ、最小断面積Ｄ＊が一定となる部分が設定されているが、先端直線部４１は設けられていなくてもよい。また、可動アーク接触子１１では、加速テーパー２４Ｔが可動アーク接触子１１の部分にのみ設けられているが加速テーパー２４Ｔは、操作ロッド１７の部分まで達してもよい。

　第１の実施形態のガス遮断器１によれば、第１排出流路２４の全域において垂直衝撃波、剥離、斜め衝撃波のない高速流れを実現できる。このため、パッファ室２２内の圧力を必要以上に高めることなく、高い熱的遮断性能を有するガス遮断器を提供することができる。

　（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態について説明する。
　以下の第２の実施形態から第５の実施形態のガス遮断器は、第１の実施形態のガス遮断器１と比較して、可動アーク接触子の構成が主に異なり、その他の構成は第１の実施形態のガス遮断器１と同様である。以下の第２の実施形態から第５の実施形態の説明においては、第１の実施形態との相違点を中心として、第２の実施形態のガス遮断器について説明する。

　図６は、第２の実施形態の可動アーク接触子５０の断面図である。図７は、第２の実施形態の可動アーク接触子５０の正面図である。第２の実施形態の可動アーク接触子５０は、第１の実施形態の可動アーク接触子１１と同様に、先端直線部５１、テーパー部５２、後端直線部５３、第１湾曲部５４、及び第２湾曲部５５を備える。第２の実施形態の可動アーク接触子５０は、さらに、複数、例えば４個の突起物５６を備える。突起物５６は、凹凸の一例である。

　４個の突起物５６は、いずれも第２湾曲部５５と後端直線部５３との間にまたがる位置に配置されている。４個の突起物５６は、いずれも、熱ガスの流れ方向に対して同じ位置である可動アーク接触子５０における共通断面部分において、可動アーク接触子５０の周方向に均等に配置されている。

　４個の突起物５６は、いずれも互いに同一の形状をなしている。可動アーク接触子５０では、突起物５６の除いたテーパー部５２に囲まれる部分が、加速テーパー２４Ｔとして形成される。したがって、突起物５６は、可動アーク接触子５０の内壁面から加速テーパー２４Ｔに向けて突出するようにして形成されている。
いる。

　次に、第２の実施形態のガス遮断器における作用について、可動アーク接触子５０の作用を中心として説明する。第１排出流路２４における流速低下を招く要因として流れの剥離が考えられる。流れの剥離はガスの粘性によって壁面のごく近傍の流速が低下することに起因する。このため、壁面近傍の流れを乱流として流速を維持させることで剥離を抑制できる。

　可動アーク接触子５０に設けられた突起物５６が設けられることにより、第１排出流路２４の内壁面の近傍における熱ガスの流れを意図的に乱して、乱流とすることができる。第１排出流路２４内の流れを乱流とすることにより、流れの剥離を抑制することができ第１排出流路２４の全域において、流れの剥離がない高速流れの形成に寄与することができる。

　上記の効果は第１の実施形態と同様であるが、第２の実施形態においては、可動アーク接触子５０の内壁面の近傍の流れを乱流とすることにより、第１排出流路２４において何らかの要因で局所的に壁面近傍に流速の遅い領域が発生したとしても第１排出流路２４全域に剥離のない流れを形成できるので、その分さらなる効果を得ることができる。

　なお、第２の実施形態において、可動アーク接触子５０では、４個の突起物５６を周方向に均等に配置しているが、流れの剥離の抑制に効果があれば突起物５６の数や配置方法は制限されない。また、第２の実施形態の可動アーク接触子５０では、４個の突起物５６が熱ガスの流れ方向に対して同じ位置に１段のみ配置されているが、流れの剥離の抑制に効果があれば、熱ガスの流れに対して異なる位置に配置されてもよいし、複数段に配置されてもよい。突起物５６の形状は、流れの剥離の抑制に効果がある形状であればどのような形状でもよい。突起物５６は、第２湾曲部５５と後端直線部５３にまたがる位置以外の位置にあってもよい。突起物５６は、例えば、第２湾曲部５５または後端直線部５３のいずれかの位置にあってもよいし、先端直線部５１、テーパー部５２、及び第１湾曲部５４のいずれかまたはこれらにまたがる位置にあってもよい。

　（第３の実施形態）
　次に、第３の実施形態について説明する。
　図８は、第３の実施形態の可動アーク接触子６０の断面図である。図９は、第３の実施形態の第８の実施形態の可動アーク接触子６０の正面図である。第３の実施形態の可動アーク接触子６０は、第１の実施形態の可動アーク接触子１１と同様に、先端直線部６１、テーパー部６２、後端直線部６３、第１湾曲部６４、及び第２湾曲部６５を備える。第３の実施形態の可動アーク接触子６０においては、さらに、複数、例えば４個のくぼみ６６が可動アーク接触子５０の内壁面に形成されている。くぼみ６６は、凹凸の一例である。

　４個のくぼみ６６は、いずれも第２湾曲部６５に形成されている。４個のくぼみ６６は、いずれも可動アーク接触子６０における共通断面部分（熱ガスの流れ方向に対して同じ位置）において、可動アーク接触子６０の周方向に均等に配置されている。４個のくぼみ６６は、いずれも互いに同一の形状をなしている。可動アーク接触子６０では、くぼみ６６が形成されていない形状のテーパー部５２に囲まれる部分が、加速テーパー２４Ｔとして形成される。したがって、くぼみ６６は、可動アーク接触子６０の内壁面に対して加速テーパー２４Ｔからへこむようにして形成されている。
いる。

　次に、第３の実施形態のガス遮断器における作用について、可動アーク接触子６０の作用を中心として説明する。第３の実施形態のガス遮断器は、第２の実施形態のガス遮断器と同様に、可動アーク接触子６０壁面近傍の流れを乱流として流速を維持させることで剥離を抑制できる。

　第３の実施形態のガス遮断器では、可動アーク接触子６０に設けられたくぼみ６６が形成されていることにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

　なお、第３の実施形態において、可動アーク接触子６０では、４個のくぼみ６６を周方向に均等に配置しているが、流れの剥離の抑制に効果があればくぼみ６６の数や配置方法は制限されない。また、第３の実施形態の可動アーク接触子６０では、４個のくぼみ６６が熱ガスの流れ方向に対して同じ位置に１段のみ形成されているが、流れの剥離の抑制に効果があれば、熱ガスの流れに対して異なる位置に形成されてもよいし、複数段に形成されてもよい。くぼみ６６の形状は、流れの剥離の抑制に効果がある形状であればどのような形状でもよい。くぼみ６６は、第２湾曲部６５以外の位置に形成されていてもよい。くぼみは、例えば、先端直線部６１、テーパー部６２、後端直線部６３、もしくは第１湾曲部６４またはこれらにまたがる位置に形成されていてもよい。

　（第４の実施形態）
　次に、第４の実施形態について説明する。
　図１０は、第４の実施形態の可動アーク接触子７０の断面図である。第４の実施形態の可動アーク接触子７０は、第１の実施形態の可動アーク接触子１１と同様に、先端直線部７１及び後端直線部７３を備える。第４の実施形態の可動アーク接触子７０は、第１の実施形態の可動アーク接触子１１におけるテーパー部４２に代えて、階段状拡幅部７２を備える。

　階段状拡幅部７２は、第１の実施形態におけるテーパー部４２を階段状に広げた構造を有する。さらに説明すると、階段状拡幅部７２は、第１排出流路２４における階段状拡幅部７２に囲まれる部分が、閉極状態において可動アーク接触子１１及び固定アーク接触子１２が接する位置から排気口２５に向かって流路断面積が階段状に広がる形状をもった加速拡幅部２４Ｈとして形成される。言い換えると、加速拡幅部２４Ｈは、第１の実施形態の加速テーパー２４Ｔを階段状に広げた形状であり、上流から下流に向けて階段状に広がる形状をなす。

　次に、第４の実施形態のガス遮断器における作用について、可動アーク接触子７０の作用を中心として説明する。第４の実施形態のガス遮断器では、第１の実施形態の加速テーパー２４Ｔを階段状に広げた形状の加速拡幅部２４Ｈが形成されている。加速拡幅部２４Ｈが形成されていることにより、第１排出流路２４に対して意図的に弱い斜め衝撃波を発生させることができる。その結果、流れの剥離による熱ガスの大幅な流速の低下を抑制することができる。

　第４の実施形態のガス遮断器においては、加速拡幅部２４Ｈが形成されていることにより、第１排出流路２４において剥離による大幅な流速の低下がない高速流れを実現することができる。したがって、第４の実施形態のガス遮断器によれば、熱的遮断性能の向上に寄与することができる。

　なお、第４の実施形態のガス遮断器において、階段状拡幅部７２では、段差を複数配置しているが、弱い斜め衝撃波の発生に効果があれば段差の数や配置方法は制限されない。さらに、階段状拡幅部７２における段差の高さに関しても、弱い斜め衝撃波の発生に効果があれば制限されない。また、階段状拡幅部７２の先端部及び後端部に、第１の実施形態と同様の第１湾曲部及び第２湾曲部が設けられてもよいし、これらの一方のみが設けられてもよい。

　（第５の実施形態）
　次に、第５の実施形態について説明する。
　図１１は、第５の実施形態の可動アーク接触子８０の断面図である。
　第５の実施形態の可動アーク接触子８０は、第１の実施形態の可動アーク接触子１１と同様に、先端直線部８１、テーパー部８２、後端直線部８３、第１湾曲部８４、及び第２湾曲部８５を備える。第５の実施形態の可動アーク接触子８０は、さらに、絶縁部材８６を備える。絶縁部材８６は、筒状の部材であり、絶縁体により構成されている。

　絶縁部材８６は、可動アーク接触子８０の内壁面における開極状態の可動アーク接触子１１と固定アーク接触子１２との間よりも排気口２５側の少なくとも一部、第５の実施形態では可動アーク接触子８０の第２湾曲部８５から操作ロッド１７にわたって配置されている。第１の実施形態のガス遮断器１と比較して、可動アーク接触子８０及び操作ロッド１７の内壁面には、絶縁部材８６を嵌め込むための凹部が形成されている。第５の実施形態のガス遮断器において、可動アーク接触子８０及び操作ロッド１７の内壁面と絶縁部材８６とによって面一に形成されている。

　次に、第５の実施形態のガス遮断器における作用について、可動アーク接触子８０の作用を中心として説明する。第１排出流路２４における消弧性ガスの流れによって、アーク放電Ｅの接触子（可動アーク接触子８０）への付着部が第１排出流路２４の下流に押されると、流速が低下する領域にアーク放電Ｅが到達することがある。この場合、高速な消弧性ガスをアーク放電Ｅに吹付けることができず、遮断性能を低下させることがある。この点、第５の実施形態のガス遮断器では、絶縁部材８６が設けられている。アーク放電Ｅの接触子への付着部は、流路表面が絶縁物となる位置より下流へ進むことができないので、絶縁部材８６が設けられていることにより、高速な消弧性ガスをアーク放電Ｅに吹き付けることができる。

　第５の実施形態のガス遮断器においては、可動アーク接触子８０の内壁面に絶縁部材８６が設けられていることにより、高速なガスをアーク放電Ｅに吹付けることが可能となる。したがって、第５の実施形態のガス遮断器によれば、さらなる熱的遮断性能を向上させることができる。

　なお、第５の実施形態のガス遮断器において、絶縁部材８６は、加速テーパー２４Ｔの終点、すなわち第２湾曲部８５に配置されるが、絶縁部材８６は、高速なガスをアーク放電Ｅの吹付けることが可能であればその配置位置は制限されない。また、絶縁部材８６は、可動アーク接触子８０にのみ設けられてもよいし、操作ロッド１７にのみ設けられていてもよい。

　上記の実施の形態では、第１アーク接触子が可動アーク接触子１１であり、第２アーク接触子が固定アーク接触子１２であるが、第１アーク接触子が固定アーク接触子１２であり、第２アーク接触子が可動アーク接触子１１であってもよい。この場合、例えば、可動アーク接触子１１と固定アーク接触子１２の形状を入れ替えて、固定アーク接触子１２の前端部に排気口２５が形成されるようにしてもよい。

　以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、消弧性ガスが充填された密閉容器と、前記密閉容器内において互いに接離可能に設けられ、閉極状態で互いに接触するとともに、開極状態で互いに開離する第１アーク接触子及び第２アーク接触子と、前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子とを前記閉極状態から前記開極状態へ開離させる操作機構と、蓄圧された前記消弧性ガスを前記閉極状態から前記開極状態に移行した後に、前記開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間で発弧するアーク放電に対して吹き付ける吹付部と、を備えるガス遮断器において、開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間と、前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子との間から離れた位置に形成された排気口と、を連通する排気流路が形成され、前記排気流路は、前記閉極状態において前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子が接する位置から前記排気口に向かって流路断面積が傾斜状に広がる加速テーパーを含み、前記加速テーパーの始点と終点に位置する前記排気流路を形成する流路形成面の始点角部及び終点角部が、それぞれ丸められていることにより、高い熱的遮断性能を実現することができる。

　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…ガス遮断器、１１，５０，６０，７０，８０…可動アーク接触子、１２…固定アーク接触子、１３…可動通電接触子、１４…固定通電接触子、１５…絶縁ノズル、１６…パッファシリンダ、１７…操作ロッド、１８…穴部、１９…操作機構、２０…パッファピストン、２２…パッファ室、２３…流出路、２４…第１排出流路、２４Ｈ…加速拡幅部、２４Ｔ…加速テーパー、２５…排気口、３０…密閉容器、４０…可動部、４１，５１，６１，７１，８１…先端直線部、４２，５２，６２，８２…テーパー部、４３，５３，６３，７３，８３…後端直線部、４４，５４，６４，８４…第１湾曲部、４５，５５，６５，８５…第２湾曲部、５６…突起物、７２…階段状拡幅部、８６…絶縁部材

Claims

　消弧性ガスが充填された密閉容器と、
　前記密閉容器内において互いに接離可能に設けられ、閉極状態で互いに接触するとともに、開極状態で互いに開離する第１アーク接触子及び第２アーク接触子と、
　前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子とを前記閉極状態から前記開極状態へ開離させる操作機構と、
　蓄圧された前記消弧性ガスを前記閉極状態から前記開極状態に移行した後に、前記開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間で発弧するアーク放電に対して吹き付ける吹付部と、を備えるガス遮断器において、
　開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間と、前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子との間から離れた位置に形成された排気口と、を連通する排気流路が形成され、
　前記排気流路は、前記閉極状態において前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子が接する位置から前記排気口に向かって流路断面積が傾斜状に広がる加速テーパーを含み、
　前記加速テーパーの始点と終点に位置する前記排気流路を形成する流路形成面の始点角部及び終点角部が、それぞれ丸められている、
　ガス遮断器。
　前記始点角部の曲率半径が、前記排気流路における最小断面積部の半径より大きく、前記終点角部の曲率半径が、前記始点角部の曲率半径より大きい、
　請求項１に記載のガス遮断器。
　前記始点角部の断面積と前記終点角部の断面積の断面積比が１３．２未満である、
　請求項１または請求項２に記載のガス遮断器。
　前記加速テーパーの広がり角が３４．４°未満である、
　請求項１から３のうちいずれか１項に記載のガス遮断器。
　前記流路形成面に凹凸が形成されている、
　請求項１から４のうちいずれか１項に記載のガス遮断器。
　消弧性ガスが充填された密閉容器と、
　前記密閉容器内において互いに接離可能に設けられ、閉極状態で互いに接触するとともに、開極状態で互いに開離する第１アーク接触子及び第２アーク接触子と、
　前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子とを前記閉極状態から前記開極状態へ開離させる操作機構と、
　蓄圧された前記消弧性ガスを前記閉極状態から前記開極状態に移行した後に、前記開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間で発弧するアーク放電に対して吹き付ける吹付部と、を備えるガス遮断器において、
　開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間と、前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子との間から離れた位置に形成された排気口と、を連通する排気流路が形成され、
　前記排気流路は、前記排気流路が前記閉極状態において前記第１アーク接触子及び前記第２アーク接触子が接する位置から前記排気口に向かって流路断面積が階段状に広がる加速拡幅部を含む、
　ガス遮断器。
　前記排気流路を形成する流路形成面における開極状態の前記第１アーク接触子と前記第２アーク接触子との間よりも前記排気口側の少なくとも一部に絶縁部材が配置されている、
　請求項１から６のうちいずれか１項に記載のガス遮断器。