JPS5811065B2 - 交叉磁場使用のスイッチ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高電圧印加時に、交叉磁場使用のスイッチ装
置を閉成するスイッチ装置に関する。

互に角度をなして形成された電場と磁場の下に生ずる陰
陽両極間のグロー放電に関する独創的な研究に基づいて
、米国特許２１８２７３６の発明が達成され、その後交
叉磁場下に生じたグロー放電を、高電圧下の大電流遮断
に使用するための非常に多くの開発がヒユーズ・エヤク
ラフト社によってなされた。

この場合遮断速度が非常に速いので、該遮断を通常の６
０サイクルラインの電流がほぼ０の間に行なうことがで
きる。

この電流遮断装置は直流遮断に極めて有効であるが、上
記のように交流電流の値がほぼ０の間に急速に交流回路
を遮断するのにも用いられる。

上記技術の一般的背景は、米国特許Ｎｏ、３６０４９７
７および米国特許Ｎｏ、３９６３９６０に記載されてい
る。

陰陽両極間に形成された空間、すなわち電極間空間中の
グロー放電を維持するには、該電極間空間内に封入され
たガスの中で陽極に向かって運動する電子の走行行路が
十分に長く、該走行中にガスの多段電離が十分に発生す
る必要がある。

換言すれば、統計的に見て、両極間の各電子は１回以上
の電離を行うために多くの衝突を行なう必要があるので
ある。

ガス圧を適切に維持し、交叉磁場をかけることにより、
両極間の電子の走行行路を長くする問題に関しては米国
特許Ｎｏ、３５５８９６０゜Ｎｏ、３６３８０６１．Ｎ
ｏ、３６４１３８４およびＮｏ。

３７６９５３７において論じられている。

上記各米国特許には絶縁破壊電圧とｐｄとの関係を示す
パッシェンの法則を示す曲線が説明されている。

上記ｐｄのｐは気体圧力、ｄは電極間隙である。

これらの曲線は種々のガスに関し、磁場を印加せぬ場合
についてのデータに基づいて画かれたものであり、該曲
線はガスの導通領域と非導通領域との境を明示している
。

すなわちパッシェンの曲線はｐｄのある値に対して、ガ
スの絶縁破壊によってグロー放電が始まる最小の電圧を
示している。

米国特許Ｎｏ、３６７８２８９には電流遮断の問題およ
び該遮断を行なうためのグロー放電の特性が記載されて
おり、その中には両極間に印加された電圧と電極間空間
に与えられた磁場との関係が示され、これらのパラメー
タの値の関係によってグロー放電が発生するかしないか
の関係が、種々のガスと種々のｐｄの値に対して説明さ
れている。

米国特許Ｎｏ、３７１４５１０およびＮｏ、３８９０５
２０は、電極間空間内のガスを電離することにより、交
叉磁場使用のスイッチ装置を閉成する技術を開示してい
る。

上記電離作用を行なっても、上記スイッチ装置の閉成前
に両極間に高電圧が印加され、また電極間空間に適切に
定められた値の、両極間の電場に直角な磁場だけが与え
られいる場合には、グロー放電によるこのスイッチ装置
の閉成は達成されない。

その理由は、両電極間に印加された電圧は多くの電子を
駆動して、該電子がガスを多段的に電離させるのに必要
な行路を走行する前に陽極に達するからである。

米国特許Ｎｏ、３７１４５１０に開示された交叉磁場使
用のスイッチ装置の閉成方法は、両極間にアーク放電を
開始させて該両極間の電圧を低下させ、上記アーク放電
が消滅した後にも、上記両極間の電圧が、グロー放電を
開始させ両極間の導通を実現させるのに十分な程度に低
下させておくものである。

また米国特許３８９０５２０に開示された、スイッチ装
置の閉成方法は、両電極間に高電圧を引加するとともに
、電極間空間全体に強い磁場を加えることにより、絶縁
破壊電圧と磁場の強さの関係を示す動作グラフ上の動作
点を右方に移動させる。

すなわち上記両極間の電圧が高いままで、上記該動作点
を導通領域に移動させるのである。

しかしこの従来技術から更に進んでアーク放電や、電極
間空間全体に非常に強い磁場を加える磁場発生源を必要
とせず、交叉磁場使用のスイッチ装置を閉成する方法と
この方法を実行するスイッチ装置の出現が要望された。

この発明の目的は、グロー放電を発生させる局部空間を
電極間空間内に形成する方法を含む交叉磁場使用のスイ
ッチ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明のスイッチ装置は、
グロー放電により陰陽両極間の導通を実現するように電
極間空間内の適切な局部空間に局部磁場すなわち補助磁
場を発生させる補助磁場発生コイル（以後補助コイルと
記す）が設けられ、該グロー放電の基づく導通状態を上
記局部に発生させ、電極間空間を全域にわたってグロー
放電状態に移行させるように形成されている。

次にこの発明の実施例について説明する。

第１図は交叉磁場使用のスイッチ装置１０を示す。

スイッチ装置１０は陽極１２と陰極１４を有し、陰極１
４はスイッチ装置１０の外部構造をなし、また内部に真
空を維持する真空外囲としても使用される。

第２図に示す両極１２，１４間の空間、すなわち電極間
空間１６は電極間隔ｄを有し、内部には適宜の圧力で適
宜のガスが充填されている。

陰極１４の外周を取巻く主磁場発生コイル（以後主コイ
ルと記す）１８は、上記電極間空間１６の中の、上記コ
イル１８に囲まれた作動空間に、主磁場を発生させる。

２０は絶縁柱で、外部回路の一方の導線２２を陽極１２
に接続する働きをなす。

他方の導線２４は陰極１４に接続され、外部回路はスイ
ッチ装置１０により開閉される。

この実施例では、導線２２，２４には直列抵抗２８とこ
れに接続された充電ずみのコンデンサ２６が接続されて
いる。

スイッチ装置１０を動作させてテストするために、コン
デンサ２６と抵抗器２８を変えて、電圧および電流の適
当なパルス出力が発生するように調整される。

このとき抵抗器２８は電流制御抵抗の働きをなしている
。

コンデンサ２６は１００ＫＶに充電され、抵抗２８は５
５０オームに選ばれている。

主コイル１８を励磁すると、該コイル１８に囲まれた電
極間空間１６中の作動空間にほぼ１００ガウスの磁場が
発生されるが、上記作動空間の導通すなわち主導通は生
じない。

何故ならば電極間空間１６は第５図の動作グラフの導通
領域すなわちスイッチ装置１０の閉成領域（斜線を施さ
れた領域）より上方のＡ点の状態にあるからである。

陰極１４に装着された電離源３０は、ガンマ線およびベ
ータ線源として用いられるセシウム１３７の５ミリキユ
ーりを保有し、電極間空間１６の中に初期電離を起させ
る。

しかしそのままでは電極間空間１６内に、封入されたガ
スによる多段絶縁破壊は生じない。

その理由は上記電極間空間１６内に強い電場が作用して
いるので電子の走行行程は極めて短かく、該空間１６内
の電子は両電極１２，１４間に絶縁破壊を生ずるのに必
要な多段衝突電離を行なう前に陽極に達するからである
。

したがって、この発明のスイッチ装置は前述の主磁場が
加えられた状態に於ても、閉成されることはない。

第１図、第２図に示した補助コイル３２は、このスイッ
チ装置１０に電圧が印加されているとき、該スイッチの
局部にグロー放電を開始させるための磁場を発生させる
コイルで、放電開始コイル又は点火コイルとも呼ばれる
。

ある実例によれば、上記補助コイル３２は８９ｍｍ（３
，５インチ）の直径を有し、巻回数１００のコイルであ
る。

上記コイル３２を流れる電流は２５マイクロフアラツド
のコンデンサ３４からイグナイトロン３６を介して行な
われ、イグナイトロン３６が導通に転すると、コンデン
サ３４は補助コイル３２を通して放電される。

コンデンサ３４の充電量は電極間空間１６中の補助コイ
ル３２の作用範囲すなわち局部空間に適切な強さの局部
環状磁場（補助磁場、放電開始用磁場、点火用磁場とも
呼ばれる）を発生させるのに適する量である。

上記補助磁場は上記局部空間の動作点を第５図の動作グ
ラフの導通領域に移動させる。

この実施例では補助コイル３２に基づく磁場の強さはほ
ぼ１キロガウスに定められている。

なおこの補助コイル３２により発生される磁場の方向は
第３ａ図の磁力線３８によって示されている。

補助コイル３２が励磁されると、電極間空間１６の中に
補助磁場が発生し、電極間空間１６内の電子の走行行路
４０（第３ｂ図）は増大する。

該行路４０は上記補助磁場の影響下に形成され、第３ｂ
図に示すように曲折するが大孔の形状は円形状をなす。

上記補助磁場の強さは、該磁場が作用する電極間空間１
６内の局部空間の状態を第５図のＢ点に移動させ、電子
が陽極に達するまでの行路を十分延長させる。

従ってその間に十分な数の衝突電離を発生させ電極間空
間１６の多段絶縁破壊および導通を可能とする。

このようにして、陽極１２と陰極１４のグロー放電は上
記局部空間から開始される。

補助コイル３２として環状のコイルを使用するとその巻
線の近くに比較的強い磁場が形成される。

このコイルを大きな形の陰極１４に接近して配置すれば
、非常に僅かのエネルギによってトロイド形の電子トラ
ップが形成される。

上記トラップは円環状をなし、大きさは相違するが従来
のスイッチ装置に形成された作動空間と同様な作用をな
している。

この実施例では、上記環状コイルは、より大きな励磁コ
イルとともに使用され、このスイッチ装置を閉成するた
めに用いられる。

一度補助コイルの作用を受ける上記局部空間に導通状態
が生ずると、両電極１２．１４間の電圧は低下し、第５
図の動作点ＢはＣに移動し、多段衝突電離に基づくグロ
ー放電発生の状態となり、スイッチ装置１０は平常の導
通状態となる。

この状態は第５図の動作グラフでは点りで示される。

補助磁場は次に消滅するが、スイッチ装置１０の動作に
影響することはない。

第５図のＢ点からＤ点に移動する道筋は、通常の場合は
図示のようにほぼ直角に屈曲するものではないが、いず
れにしても第５図の導通領域を通るようになっている。

第４図はスイッチ装置１０が閉成される場合の経過を示
す。

図の横軸には経過時間、縦軸には補助コイル電流、主電
流すなわち主コイル１８を流れる電流及び両電極間の電
圧すなわち主電圧が画かれている。

図において、時間ｔ０の時点で両電極１２，１４間に１
００ＫＶが印加され、主コイル１８は電極間空間１６に
約１００ガウスの主磁場を形成するが、このスイッチ装
置１０は第５図の点Ａの状態すなわち遮断状態のままに
ある。

何故ならば、Ａ点は第５図に示された導通領域すなわち
スイッチ装置１０の閉成領域外にあるからである。

次にｔ１の時点でイグナイトロン３６がオンに転じられ
、コンデンサ３４は補助コイル３２を経て放電され、該
コイル３２は補助磁場を発生し、その間に該電磁場の作
用によって形成された電極間空間１６内の局部空間の動
作点は第５図のＡ−の状態からＢの状態に移る。

第４図の最上段に示した曲線に示すように、補助コイル
３２を流れる電流は、この間増加し、約２００マイクロ
秒後（ｔ２と記入されている）約１００アンペアに達す
る。

このとき補助磁場は十分に強く、少くとも１キロガウス
に達し、上記局部空間は導通領域に移り、局部的なグロ
ー放電が上記補助コイルの作用の下に発生する。

このグロー放電が発生すると両電極１２，１４間の電圧
は低下し、（第４図の最下段の曲線に示す）該局部空間
の状態は第５図のＣ点に移動する。

補助コイル中の電流はパルス的に変化しｔ３時点で消滅
するが、スイッチ装置１０はなお第５図の導通領域にあ
り、該装置１０は導通を続けつつ第５図のＤ点に達する
。

その時の主電流の変化は、第４図中段の曲線に示されて
いる。

上記のように補助コイル３２に流れる電流が急激に（１
３時点前に）導通開始に相当する値以下に低下しても、
コンデンサ２６の放電に基づく両電極１２，１４間の導
通、すなわち主導通が継続しているのは、主コイル１８
によって生ずる比較的弱い磁場の存在により、第５図に
見るようにグロー放電が継続し得るからである。

第４図の時点ｔ４において、すなわち主導通開始後約３
００マイクロ秒後に、主磁場は消滅され、主導通は停止
される。

このことはこのスイッチ装置１０の導通が主放電によっ
て行なわれることを示している。

時点ｔ２、ｔ４間の主導通電流の減少と両電極間電圧の
低下はコンデンサ２６の放電の結果である。

しかし若し電源が無限に強力であるとすれば、上記主導
通電流は低下することなく維持され、遮断後の両極間１
２，１４間の電圧は１００ＫＶとなる。

以前には、高電圧回路に用いられる大形でダイオード型
の交叉磁場使用チューブを導通状態にするために放電さ
せることは実際的でないと考えられていた。

その理由はこのようなチューブでは動作点を導通領域に
移行させるために、極めて強力な磁場を必要とし、その
ために必要な少くとも１キロガウスの磁場を前記電極間
空間１６に発生させるには、数キロジュール程度の高エ
ネルギを要するという欠点を有したこと、またこのよう
な磁場が形成されたとしても、強力なパルス状磁場を発
生させるには長い時間を必要とし、その結果スイッチ装
置１０の閉成動作が遅延し、また電極間空間１６中に形
成された強い磁場を所定値以下に減少させるには長い時
間がかかるので、スイッチ１０の連動動作が遅延するこ
とという欠点を該装置１０が有していたからである。

しかしこの発明の実施例によれば、グロー放電開始に必
要なエネルギは約６ジユールにすぎず、磁場は比較的小
形の補助コイルにより、極めて小さなエネルギ消費の下
に、極めて小さな空間の中に必要な強度に形成される。

上記補助コイルはチューブの周囲を取巻く必要なく陰極
の壁のいずれの場合に取付けられてもよい。

しかし特に対称に形成するなどの必要はない。

その形および配置に必要なことは、上記コイルがたとえ
ば数キロガウス程度の磁場を加えられた電極間の適宜の
局部空間に電子が走行する閉走行路を形成する機能を有
していることである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のスイッチ装置全体の形状とこれを作
動させるための結線を示す図、第２図は第１図の２−２
断面図、第３ａ図は第２図の補助コイルの部分の３−３
断面拡大図、第３ｂ図は補助コイルの作用下にとる電子
の運動を示す図、第４図は主コイルおよび補助コイルを
流れる電流、および陰陽両極間電圧の時間的変化を示す
グラフ、第５図は主磁場と両極間電圧の変化による、こ
の発明のスイッチ装置の導通領域を示すグラフである。 １０・・・・・・交叉磁場使用のスイッチ装置、１２・
・・・・・陽極、１４・・・・・・陰極、１６・・・・
・・電極間空間、１８・・・・・・主コイル、２０・・
・・・・絶縁柱、２２，２４・・・・・・導線、２６・
・・・・・コンデンサ、２８・・・・・・抵抗器、３０
・・・・・・電離源、３２・・・・・・補助コイル、３
４・・・・・・コンデンサ、３６・・・・・・イグナイ
トロン、３８・・・・・・磁力線、４０・・・・・・電
子の走行行路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 陽極と；該陽極と離隔して配置され、該陽極との間
   に電極間空間を形成するとともに、該陽極との間に連続
   しかつ閉じた閉走行路を定める陰極と；上記電極間空間
   内にガスを大気圧より低い圧力に保持する手段と；上記
   電極間空間の一部に上記陰陽両極間の最短距離方向およ
   び上記閉走行路に対して角度をなす方向に該閉走行路全
   体にわたって主磁場を加える主磁場発生手段を備えた交
   叉磁場使用のスイッチ装置において、上記電極間空間中
   の局部空間内に多段電離およびグロー放電を発生させ、
   よって、上記局部空間および上記陰陽両極間に電気的導
   通を開始させ、かつ上記両極間の電圧を所定電圧以下に
   低下させるのに十分な強さの補助磁場を発生させる補助
   磁場発生手段を、上記電極間空間に隣接する場所に設け
   たこと、および上記主磁場発生手段が上記閉走行路の中
   に、上記陽極および陰極間に所定値を越える電圧が印加
   されたときには、このスイッチ装置を導通させることな
   く、上記陽極および陰極間に所定値以下の電圧が印加さ
   れたときは、多段電離およびグロー放電を生ずる主磁場
   を発生させるものであることを特徴とする交叉磁場を使
   用するスイッチ装置。 ２ 上記補助磁場発生手段が、上記陽極又は陰極の一方
   に隣接して配置された点火用の補助磁場発生コイルであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のスイ
   ッチ装置。 ３ 上記補助コイルが、上記電極空間より小さい寸法の
   環状の補助磁場を上記電極間空間の中に形成するように
   配置されることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
   載のスイッチ装置。 ４ 上記補助コイルがトロイダルコイルであることを特
   徴とする特許請求の範囲第２又は第３項のいずれかに記
   載のスイッチ装置。 ５ 上記補助コイルが上記主磁場発生手段である主磁場
   発生コイルに近接した場所に局部的にグロー放電を発生
   させるように、上記陰極の近くに配置されている特許請
   求の範囲第４項に記載のスイッチ装置。