JP5854925B2 - 真空バルブ - Google Patents

Description

この発明は、真空の優れた拡散性能と絶縁性能を活用して回路電流を遮断する真空バルブに関するものである。

真空バルブに組み込まれる電極では、接点の背後にコイルを設けることで、接点間に発生する真空アークに対して磁界を印加し、アークを駆動・拡散する技術が広く用いられている。これにより接点の一部分のみが集中加熱され多量のプラズマが生じることを防ぎ、遮断性能を向上させることができる。遮断性能に加えて、真空バルブでは良好な絶縁性能が要求される。コイルは通電性能を確保するために銅を主体とした金属で構成されるが、銅の絶縁性能は低くコイルから放電が生じ易い。特許文献１に示す真空バルブ用電極では、コイルの表面に対してクロムやタングステンで被膜を施す技術が開示されている。これにより電流遮断中の電極間において、コイルに起因する放電の発生を防止している。
また真空バルブは円筒型の絶縁容器内に電極が配置される構造であり、電流遮断時に発生する電極材料の蒸気によって絶縁容器が汚損されると、絶縁性能が低下してしまう。そのため、電極を囲むようにシールドを配置して絶縁容器を保護する構造をとることが多い。コストや設置容積の観点からは、シールド及び絶縁容器の容積を小型化することが望ましいが、電極とシールド間の距離を不用意に縮めると、両者の間で放電が発生してしまう問題がある。特許文献２では電極のうちシールドと対向する箇所に、高い絶縁性能を有する溶融層もしくは金属被膜を設けることで、電極とシールドの間に発生する放電を抑制し、真空バルブの小型化を図る技術が開示されている。

特開２０１０−１１３８２１号公報（第３〜４頁、図１） 特開２００６−３１８７９５号公報（第１頁、図１）

前記のように真空バルブの電極のうち、接点の接触面から見て側面側に金属被膜を施すことが、電極とシールド間の放電抑制、及び電流遮断時の電極間における放電抑制に効果的であることが知られている。しかしながら金属被膜からの暗流放出によってシールドの浮遊電位が変化し、絶縁容器沿面における放電が誘発されることがある。電極に施す金属被膜が、電極と直接関係のない絶縁容器の沿面放電に影響するという事実はこれまで明らかにされておらず、前記放電を抑制するための被膜設計は行われていなかった。そのため製造プロセスにおいて絶縁性能安定化のための処理工程が長くなり、製造コストが増加するという課題があった。

この発明は上記のような実状に鑑みなされたもので、被膜からの暗流放出が抑制され、シールド電位の偏りによる沿面放電の誘発を防止することで、絶縁性能安定化の処理工程の短縮が可能で、安価にできる真空バルブを提供することを目的としている。

この発明に係る真空バルブは、真空容器内に対向された一対の接点を、それぞれ接点保持部を介して保持して前記一対の接点が接離されるように設けられた一対の電極と、対向された前記一対の接点及び前記接点保持部のまわりを包囲するように形成され前記真空容器に固定されたシールドと、を備え、前記一対の接点及び前記一対の接点保持部の少なくとも一方における前記シールドと対向する箇所に、ニッケルメッキ層を設けたものであって、前記接点保持部の外方部に、前記接点と前記電極を構成する棒状に形成された導体とを電気的に直列に接続するコイル電極を備え、該コイル電極における前記シールドと対向する箇所に前記ニッケルメッキ層が設けられていることを特徴とするものである。
また、この発明に係る真空バルブは、真空容器内に対向された一対の接点を、それぞれ接点保持部を介して保持して前記一対の接点が接離されるように設けられた一対の電極と、対向された前記一対の接点及び前記接点保持部のまわりを包囲するように形成され前記真空容器に固定されたシールドと、を備え、前記一対の接点及び前記一対の接点保持部の少なくとも一方における前記シールドと対向する箇所に、ニッケルメッキ層を設けたものであって、前記一対の接点及び前記一対の接点保持部の内、前記シールドとの距離が近い部材に前記ニッケルメッキ層を設けるとともに、前記接点保持部は、前記電極を構成する棒状に形成された導体の一部からなり、その棒状の導体よりも大径に形成された前記接点の外周面部に前記ニッケルメッキ層を設けたことを特徴とするものである。
また、この発明に係る真空バルブは、真空容器内に対向された一対の接点を、それぞれ接点保持部を介して保持して前記一対の接点が接離されるように設けられた一対の電極と、対向された前記一対の接点及び前記接点保持部のまわりを包囲するように形成され前記真空容器に固定されたシールドと、前記接点保持部の外方部に、前記接点と前記電極を構成する棒状に形成された導体とを電気的に直列に接続するコイル電極と、を備え、前記一対の接点、前記一対の接点保持部、及び前記コイル電極で構成される三つの部材のうち最も外径が大きな部材の少なくとも一つにおける前記シールドと対向する箇所に、ニッケルメッキ層を設けたことを特徴とするものである。

この発明によれば、仕事関数の高いニッケルを被膜材料に用いたことで被膜からの暗流放出が抑制されるため、シールド電位の偏りによるセラミック沿面放電の誘発を防止することができる。これにより絶縁性能安定化の処理工程が短縮され、真空バルブを安価に提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る真空バルブを示す断面図である。 図１に示す真空バルブにおいて、ニッケルとクロムの仕事関数の差が、絶縁容器の沿面電界に与える影響を計算した結果を示すグラフ図である。 図１に示す真空バルブにおいて、電流遮断時に接点側面へアークが移動した場合における、接点側面におけるアーク発生時間に対する、溶融するニッケルメッキ厚の関係を計算した結果を示すグラフ図である。 本発明の実施の形態３に係る真空バルブを示す断面端面図である。 図４に示す真空バルブの電極構造の変形例を示す要部断面端面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係る真空バルブを示す断面図である。図において、真空バルブは、両端に固定側端板１と可動側端板２が接合され、内部が真空に保たれた円筒型の絶縁容器３と、固定側端板１に接合された棒状の固定側導体４１、及び固定側導体４１の容器内先端部に固定側接点保持部４２を介して接合された固定側接点４３からなる固定側電極４と、可動側端板２に設けられたベローズ６を介して気密を保持して軸Ａ方向に移動可能に保持された棒状の可動側導体５１及び可動側導体５１の容器内側先端部に可動側接点保持部５２を介して接合され固定側接点４３と対向された可動側接点５３からなる可動側電極５と、固定側接点４３、固定側接点保持部４２、可動側接点５３、及び可動側接点保持部５２のまわりを包囲するように形成され絶縁容器３に固定されたシールド７と、を備えている。

そして、前記固定側接点４３、固定側接点保持部４２、可動側接点５３、及び可動側接点保持部５２のシールド７に対向している面には、本発明の特徴部分の１つであるニッケルメッキ層８が設けられている。ニッケルメッキ層８は、シールド７に向かって発生する放電を抑制するためのもので、各部材を切削加工した後に、その側面部に対して好ましくは膜厚５０μｍ以上の厚みで施される。なお、各部材に設けられたニッケルメッキ層８を区別するために、固定側接点４３、可動側接点５３、固定側接点保持部４２、及び可動側接点保持部５２の順に、ニッケルメッキ層８を、それぞれニッケルメッキ層８ａ、ニッケルメッキ層８ｂ、ニッケルメッキ層８ｃ、及びニッケルメッキ層８ｄと呼ぶことがある。

前記固定側接点保持部４２と可動側接点保持部５２は、固定側接点４３と可動側接点５３をそれぞれ位置ずれなく導体に固定するものであり、例えば固定側導体４１及び可動側導体５１に対して切削加工を施すことで固定側導体４１及び可動側導体５１と一体に形成してもよいし、固定側導体４１及び可動側導体５１に別の部材を接合することで設けてもよい。また、ベローズ６は可撓性を持つため、内部を真空に保った状態で可動側接点５３を軸Ａに沿って紙面左右方向に動作させることができる。前記動作により固定側接点４３と可動側接点５３を接触または開離させることで、回路電流の開閉を行う。その他の構成は、従来のものと同様であるので説明を省略する。

次に、前記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。前記のような真空バルブによって回路電流が遮断されたときには、固定側接点４３と可動側接点５３から金属蒸気が発生する。シールド７は、前記金属蒸気が絶縁容器３の内面に付着して、絶縁容器３の絶縁性能が低下することを防止している。また、シールド７は絶縁容器３によって支持されており、電位が浮遊する構成である。固定側端板１より金属部材を介してシールド７を支持する構成も考えられるが、この場合可動側接点５３とシールド７の間に生じる電位差が大きくなるため、絶縁距離を多くとる必要があり、バルブ寸法の大型化に繋がる。本構成のようにシールド７の電位を浮遊させることで、シールド電位が自動的に固定側接点４３と可動側接点５３の中間電位へと変化するため、簡易な構成で必要な絶縁距離を最小化することができる。

高耐圧被膜を設けることで、真空バルブの絶縁性能を向上させる技術は既に知られているが、本構成のようにシールド７の電位が浮遊している場合には、被膜の選定が真空バルブの絶縁性能安定化処理に影響を与えるため、特別な注意が必要である。
真空中の絶縁性能は電極のミクロな表面状態に強く影響されるため、予め故意に絶縁破壊させて弱点部分を改質する電圧コンディショニング処理によって、絶縁性能を安定化させることができる。表１は、固定側接点４３及び固定側接点保持部４２とシールド７の間の絶縁性能を安定化させるために実施された電圧コンディショニング処理の結果をまとめたものである。なお、表１には、前記のように構成された実施の形態１による真空バルブについて測定された試験結果を、比較のためにクロムによって接点側面を被膜した比較例の真空バルブについて測定された試験結果を併記している。

表１から明らかなように、本実施の形態１の真空バルブでは１４６回の放電回数で絶縁性能が安定化しているが、クロム被膜を設けた比較例では絶縁性能安定化までに２６６回の放電回数を必要としている。放電箇所の内訳を見ると、本実施の形態１はほぼ全ての放電が固定側接点４３とシールド７の間で発生し、電極表面状態の改質に寄与している。一方、比較例では７４回もの放電が絶縁容器３の沿面を介して固定側端板１とシールド７の間で発生している。この放電は電圧コンディショニングの本来の目的である固定側接点４３及び固定側接点保持部４２とシールド７の間の絶縁性能安定化には寄与しないため、不必要な電圧コンディショニングを行っていると言える。

前記のように、接点側面の被膜が絶縁容器の沿面放電に影響する原因として、被膜からの暗流放出によるシールド浮遊電位の偏りが考えられる。接点及び接点保持部の側面には高い電界が発生するため、仕事関数が低い材料によって被膜を施すと、被膜から真空中に向かって暗流が放出される。シールド７は、固定側端板１と可動側端板２の中間電位となることを期待して電気的に浮遊させているが、暗流による電荷がシールド７に蓄積すると、シールド７の電位が中間電位から偏ってしまう。これにより絶縁容器沿面の電界が一部のみ強調され、沿面放電に至るものと考えられる。

表２に金属材料について求められた仕事関数の例を示す。特許文献１などにおいて高耐圧被膜材料として用いられているクロムやタングステンは、被膜を施す対象である銅よりも仕事関数が低い。これに対して、本発明の実施の形態１で用いるニッケルは真空中での高い絶縁性能と仕事関数を合わせ持つため、絶縁容器３内の沿面放電の抑制に有効に作用していると考えられる。図２は、表２に示すニッケルとクロムの仕事関数の差が、絶縁容器の沿面電界に与える影響を計算した結果を示すグラフ図である。なお、図２において、縦軸は、接点側面にニッケルメッキを施した場合の沿面電界と、クロムによって被膜を施した場合の沿面電界の比である。図２から、電圧印加時間が長くなると、ニッケルメッキの効果が顕著になり、クロム被膜の場合よりも最大で１２％沿面電界が低減されることが分かる。

接点の側面に被膜を設ける技術に関しては、例えば上記特許文献２などでも示されている。同文献では被膜によって接点とシールド７の間の絶縁性能を向上させ、真空バルブの小型化を図っている。それに対して本願発明者らは、接点側面のメッキ層８などの被膜について更に研究を重ねた結果、接点側面の被膜が電流遮断性能の向上にも寄与していることを新たに見出した。即ち、電流遮断時に、固定側接点４３と可動側接点５３の対向面で生じたアーク放電が接点の側面部に移動する場合があり、接点側面に設けた高耐圧層は絶縁性能不足による遮断失敗を防止する働きがある。従来の技術においても、同様の事象が働いていると推定される。

然るに、金属被膜によって電流遮断性能の向上の効果を得ようとする場合、電流遮断時のエネルギーで溶融しない充分な被膜厚とすることが必要であり、その条件を満たすように構成することで、初めてより安定した効果が期待できる。図３は、電流遮断時に接点側面へアークが移動した場合における、接点側面におけるアーク発生時間に対する、溶融するニッケルメッキ厚の関係を計算した結果を示すグラフ図である。なお、電流遮断時のアーク挙動観測により、接点側面でのアーク発生時間は最大でも４ｍｓであることが分かっている。このことから、接点側面に設けるニッケルメッキ層の膜厚が５０μｍ未満ではニッケルメッキ層が溶融する。この実施の形態１のように、ニッケルメッキ層の厚さを５０μｍ以上としたことで、メッキ溶融による接点の露出を防止することができ、安定した遮断性能向上の効果が得られる。

上記のように、実施の形態１によれば、一対の固定側接点４３及び可動側接点５３、並びに一対の固定側接点保持部４２及び可動側接点保持部５２におけるシールド７と対向する外周面に、仕事関数の高いニッケルメッキ層８を５０μｍ以上の膜厚で設けるようにしたことにより、ニッケルメッキ層８の被膜からの暗流放出が抑制され、シールド電位の偏りによる絶縁容器３の沿面電界が強調されることがなくなるため、絶縁容器３の沿面放電の誘発を防止することができる。これにより絶縁性能安定化のための真空バルブの電圧コンディショニング処理工程が効率的に行われ、所要時間が短縮されることで製造コストが削減され、真空バルブを安価に提供することができる。また、ニッケルメッキ層８の内、厚みが最大となる箇所の膜厚が５０μｍ以上であるようにすることで、電流遮断時に、ニッケルメッキ側にアークが移動した場合でも、ニッケルメッキが溶融して内部電極が露出しないため、良好な遮断性能が期待できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、固定側接点４３と固定側接点保持部４２、及び可動側接点５３と可動側接点保持部５２の各部材のシールド７に対向する外周面の全てにニッケルメッキ層８を施している。しかし接点と接点保持部のうち、外径が大きくシールド７との距離が近い部材の方が、表面に発生する電界が大きいため、暗流放出によるシールド電位変化に大きく寄与する。そのため接点と接点保持部のうち、外径の大きい部材のみにニッケルメッキ層８を設け、外径の小さい部材に対するニッケルメッキ層８は省くこともできる。例えば図１の例においては、固定側接点４３及び可動側接点５３の外径が接点保持部４２、５２の外径よりも大きい。このため、ニッケルメッキ層８ａ、８ｂのみを設け、ニッケルメッキ層８ｃ、８ｄは省いても良い。

前記のように構成された実施の形態２においては、暗流放出現象において支配的となる箇所に対してのみニッケルメッキ層を施し、その他の部位についてはニッケルメッキ層の形成処理を省くことで、ニッケルメッキ処理に要するコストを削減することができるので、より低コストな真空バルブを提供することが可能となる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３に係る真空バルブを示す断面端面図、図５は図４に示す真空バルブの電極構造の変形例を示す要部断面端面図である。図４において、例えばステンレス鋼などの金属で形成された固定側接点保持部４２及び可動側接点保持部５２は、軸Ａの中心部分でそれぞれ対応する固定側接点４３、または可動側接点５３を保持している。そして、これら接点保持部４２、５２の軸Ａに対する外方部には、棒状の固定側導体４１と固定側接点４３、及び棒状の可動側導体５１と可動側接点５３を、それぞれ電気的に直列に接続する切り込み加工が施されて形成された銅などの良導体からなる固定側コイル電極４４、及び可動側コイル電極５４が設けられている。

前記固定側コイル電極４４、及び可動側コイル電極５４のシールド７に対向している面及び固定側及び可動側接点４３、５３の外周面には実施の形態１と同様のニッケルメッキ層８（８ｃ、８ｄ、８ａ、８ｂ）が設けられている。この実施の形態３は固定側及び可動側接点４３、５３の背後にそれぞれ固定側及び可動側コイル電極４４、５４を設けることで接点間に磁界を発生させ、遮断性能を向上させる構成となっている。なお、図５の変形例に示すように、固定側コイル電極４４、及び可動側コイル電極５４の外径を、固定側及び可動側接点４３、５３の外径よりも大きくし、コイル電極の外周部分が外側に張り出す構成として、その張り出した部分にのみニッケルメッキ層８ｃ、８ｄを設けるようにしてもよい。

前記のように構成された実施の形態３によると、対向された一対の接点４３、５３間に均一な磁場が発生するため、遮断性能が向上することが期待できる。このように、コイルによる磁界を利用して遮断性能を向上させる真空バルブにおいても、請求項１と同様の効果を得ることができる。また、図５に示す変形例の構成では、固定側コイル電極４４、及び可動側コイル電極５４の外径を、固定側及び可動側接点４３、５３の外径に比べて大きくしているため、実施の形態２で述べた通り、固定側及び可動側接点４３、５３の外周面に対するニッケルメッキ層を省くことができるため安価に提供することができる。また、コイル電極が接点よりも外側に張り出すことで、接点間に均一な磁界を発生させ、良好な遮断性能を得ることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の一部または全部を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 固定側端板、 ２ 可動側端板、 ３ 絶縁容器、 ４ 固定側電極、 ４１ 固定側導体、 ４２ 固定側接点保持部、 ４３ 固定側接点、 ４４ 固定側コイル電極、 ５ 可動側電極、 ５１ 可動側導体、 ５２ 可動側接点保持部、 ５３ 可動側接点、 ５４ 可動側コイル電極、 ６ ベローズ、 ７ シールド、 ８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ） ニッケルメッキ層、 Ａ 軸。

Claims (6)

1. 真空容器内に対向された一対の接点を、それぞれ接点保持部を介して保持して前記一対の接点が接離されるように設けられた一対の電極と、対向された前記一対の接点及び前記接点保持部のまわりを包囲するように形成され前記真空容器に固定されたシールドと、を備え、前記一対の接点及び前記一対の接点保持部の少なくとも一方における前記シールドと対向する箇所に、ニッケルメッキ層を設けたものであって、前記接点保持部の外方部に、前記接点と前記電極を構成する棒状に形成された導体とを電気的に直列に接続するコイル電極を備え、該コイル電極における前記シールドと対向する箇所に前記ニッケルメッキ層が設けられていることを特徴とする真空バルブ。
2. 前記一対の接点及び前記一対の接点保持部の内、前記シールドとの距離が近い部材に前記ニッケルメッキ層を設けたことを特徴とする請求項１記載の真空バルブ。
3. 前記コイル電極の外径を、前記接点の外径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載の真空バルブ。
4. 真空容器内に対向された一対の接点を、それぞれ接点保持部を介して保持して前記一対の接点が接離されるように設けられた一対の電極と、対向された前記一対の接点及び前記接点保持部のまわりを包囲するように形成され前記真空容器に固定されたシールドと、を備え、前記一対の接点及び前記一対の接点保持部の少なくとも一方における前記シールドと対向する箇所に、ニッケルメッキ層を設けたものであって、前記一対の接点及び前記一対の接点保持部の内、前記シールドとの距離が近い部材に前記ニッケルメッキ層を設けるとともに、前記接点保持部は、前記電極を構成する棒状に形成された導体の一部からなり、その棒状の導体よりも大径に形成された前記接点の外周面部に前記ニッケルメッキ層を設けたことを特徴とする真空バルブ。
5. 前記ニッケルメッキ層の膜厚は、５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の真空バルブ。
6. 真空容器内に対向された一対の接点を、それぞれ接点保持部を介して保持して前記一対の接点が接離されるように設けられた一対の電極と、対向された前記一対の接点及び前記接点保持部のまわりを包囲するように形成され前記真空容器に固定されたシールドと、前記接点保持部の外方部に、前記接点と前記電極を構成する棒状に形成された導体とを電気的に直列に接続するコイル電極と、を備え、前記一対の接点、前記一対の接点保持部、及び前記コイル電極で構成される三つの部材のうち最も外径が大きな部材の少なくとも一つにおける前記シールドと対向する箇所に、ニッケルメッキ層を設けたことを特徴とする真空バルブ。

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