WO2018189939A1

WO2018189939A1 - 真空バルブおよびこれを用いた真空遮断器

Info

Publication number: WO2018189939A1
Application number: PCT/JP2017/038484
Authority: WO
Inventors: 高井　雄一
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-10-18
Also published as: US10854403B2; DE112017007422T5; US20200043686A1

Abstract

本発明の真空バルブ（１）は、一方の端部に開口部を有する２つの絶縁容器（９）の開口部同士を対向させて形成した真空容器（２）と、真空容器（２）の内部に備えられた一対の電極と、電極の周囲を覆う汚染防止部（１０ａ）と汚染防止部（１０ａ）の外周面に沿う方向に突出する突起部（１０ｃ）とを有し、突起部（１０ｃ）が開口部と係合されて位置決めされたアークシールド（１０）と、を備えるものである。

Description

真空バルブおよびこれを用いた真空遮断器

　本発明は、真空遮断器等に使用される真空バルブに関するものである。

　一般に真空バルブは、２つの絶縁容器からなる真空容器内に、電流を通電および遮断するための電極を対向して配置した構成をしている。真空容器を構成する２つの絶縁容器は、ガラス材、セラミック材等の絶縁材料からなり、一方の絶縁容器の端部には固定側端板が、他方の絶縁容器の端部には可動側端板が取り付けられ、各々の絶縁容器の開口部が対向して接合されて真空容器が形成されている。固定側端板には固定側電極棒が貫通して固定され、可動側端板には可動側電極棒が貫通し、固定側電極棒と可動側電極棒の先端部分には、それぞれ固定側電極と可動側電極とが相互に対向して取り付けられている。

　可動側電極棒の周囲にはステンレス等の薄い金属板が蛇腹状に加工されたベローズが取り付けられている。ベローズの一端は可動側端板に、他端は可動側電極棒に接合され、ベローズと可動側電極棒とが接合する部分はベローズカバーで覆われている。このベローズとベローズカバーを備えることで可動側電極棒の動作下であっても真空容器内を気密状態で維持することができる。

　真空容器内の可動側電極と固定側電極との周囲にはアークシールドが配置されており、アークシールドの汚染防止部が電極周囲を覆い、電極の開閉に伴うアークの発生による真空容器内面の汚染を防止する。真空バルブを構成する真空容器は、前述のように、固定側と可動側の２つの絶縁容器がお互いの開口部同士を対向して接合されており、接合部分にアークシールドの一部が挟まれて固定されている。

特開昭５８－１６９８３３号公報特開昭５８－２０４４３２号公報特開２００３－３１７５８３号公報

　真空バルブの安定した遮断性能及び耐電圧性能を確保するためには、真空容器内の電極周囲に配置したアークシールドの汚染防止部の位置ズレを防ぐことが必要である。アークシールドの位置ズレが発生し、アークシールドの汚染防止部が真空バルブの軸心から偏心した場合、可動側電極及び固定側電極とアークシールドの汚染防止部との空間距離が短くなった部分では電界値が上昇するため遮断性能及び耐電圧性能が局所的に低下する。一般的な真空バルブでは、２つの絶縁容器の各々の開口部を対向させてアークシールドを挟み込み固定する。その際に正しい位置に配置するために治具を用いる必要があり、作業時間が長く、工程が複雑になる。また、簡略化のため治具等を用いることなく目視観察により位置決めを行う場合には、耐電圧性能が不十分となる場合もある。

　耐電圧性能の低下は、可動側電極、固定側電極及びアークシールドの表面に存在する微小突起に起因することもある。真空容器等をロウ付け後に、その微小突起を除去するために、可動側電極又は固定側電極に電圧を印加し、電圧コンディショニング作業と呼ばれる微小突起の除去を行う場合がある。しかし、電圧コンディショニングの際にはアークシールドを接地する場合もあり、絶縁容器から突出したアークシールドのツバ部の幅が狭い形状では接地線を結線するために、複雑な治具が必要となり、作業時間が増大するという問題点もあった。

　本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、真空バルブの内部に配置するアークシールドの位置決めを容易とし、組み立て工程の簡略化、時間短縮を可能とする真空バルブを得るものである。

　また電極等の微小突起を除去する電圧コンディショニングの際に、アークシールドへの接地線の結線を容易とし、電圧コンディショニングに要する時間を短縮することができる真空バルブを得るものである。

　本発明の真空バルブは、一方の端部に開口部を有する２つの絶縁容器の開口部同士を対向させて形成した真空容器と、真空容器の内部に備えられた一対の電極と、電極の周囲を覆う汚染防止部と汚染防止部の外周面に沿う方向に突出する突起部とを有し、突起部が開口部と係合されて位置決めされたアークシールドと、を備えるものである。

　この発明の真空バルブは、アークシールドのツバ部に形成された突起部が絶縁容器の開口部と係合されて位置決めされることにより、２つの絶縁容器からなる真空容器とアークシールドとを正確に配置し組み合わせることができる。そのため、アークシールドの汚染防止部の真空バルブ軸心からの偏心を抑制できるため遮断性能及び耐電圧性能が安定させることができる。また，アークシールド自身が位置決めの機能を有するため、組立て治具が不要となり作業時間が短縮する。さらに、アークシールドのツバ部の突出片は，絶縁容器外周面から突出しているため，電極等の微小突起を除去する電圧コンディショニングの際にクリップ等で容易にアークシールドに接地線を結線することができ，接地線結線用治具が不要となり作業時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態１に係る真空バルブの断面図である。本発明の実施の形態１に係る絶縁容器とアークシールドとの組立図である。本発明の実施の形態１に係るアークシールドのエンボス状の突起部の拡大断面図である。本発明の実施の形態１に係るアークシールドの平面図である。本発明の実施の形態２に係る真空バルブの断面図である。本発明の実施の形態２に係る絶縁容器とアークシールドとの組立図である。本発明の実施の形態２に係るアークシールドの折曲状の突起部の拡大断面図である。本発明の実施の形態２に係るアークシールドの平面図である。本発明の実施の形態３に係る真空バルブの断面図である。本発明の実施の形態３に係る絶縁容器とアークシールドとの組立図である。本発明の実施の形態３に係るアークシールドのエンボス状の突起部の拡大断面図である。本発明の実施の形態３に係るアークシールドの平面図である。

　実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。

実施の形態１．
　図１～４を用いて、本実施の形態に係る真空バルブの構造を説明する。図１は、本実施の形態に係る真空バルブ１の断面図を示す。図２は本実施の形態に係る真空バルブ１の絶縁容器９とアークシールド１０の組立状態を示している。図において、可動側電極棒７、固定側電極棒８は、図の簡略化のため省略している。図３はアークシールド１０の汚染防止部１０ａの外周面に形成されたツバ部１０ｂ、ツバ部１０ｂに形成されたエンボス状の突起部１０ｃを有する突出片１０ｄの拡大断面図を示しており、絶縁容器９の開口部にアークシールド１０の突出片１０ｄが保持・固定されている状態を示している。図４はアークシールド１０の平面図を示しており、アークシールド１０の汚染防止部１０ａとその外周面に形成されたツバ部１０ｂ、ツバ部１０ｂに形成された突出片１０ｄ、さらにエンボス状の突起部１０ｃを示している。なお、図４において、エンボス状の突起部１０ｃは「○」と「●」で描かれている。「○」は紙面手前、「●」は紙面奥に凸となっている、言い換えれば、突出片１０ｄに対して上向き／下向きに凸となっていることを示している。

　図１に示すように、真空バルブ１は、外周部分を真空容器２が覆い、その真空容器２の内部に、電流を通電および遮断するための電極を対向して配置した構成をしている。真空容器２は、絶縁材料からなる２つの絶縁容器９で形成され、一方の絶縁容器９の一端には固定側端板６、他方の絶縁容器９の一端には可動側端板４を有している。さらに、固定側端板６には、固定側電極棒８が貫通して固定され、可動側端板４には、可動側電極棒７が貫通して保持されている。

　固定側電極棒８と可動側電極棒７には、それぞれに固定側電極５と可動側電極３とが、相互に対向して取り付けられている。さらに、可動側電極棒７にはベローズ１１とベローズカバー１２とが取り付けられ、電極の開閉動作時の可動側電極棒７の動作に対応して、真空容器２中を気密状態に維持している。

　図１に示すように、真空バルブ１の中央部分に位置する可動側電極３と固定側電極５との周囲にはアークシールド１０の汚染防止部１０ａが配置される。アークシールド１０の汚染防止部１０ａは、電極の接点部分を覆うように配置され、可動側電極３と固定側電極５との遮断動作時に発生するアークにより周囲が汚染されることを低減する。

　このアークシールド１０は、図１の真空バルブ１の断面図、図２の組み立て図等に示すように、対向する可動側電極３と固定側電極５とを覆う汚染防止部１０ａの外周面に、周囲方向に延在する円盤状のツバ部１０ｂを有しており、図２、図３に示すように、このツバ部１０ｂが２つの絶縁容器９の対向する開口部に挟まれて真空容器２の所定の位置に固定される。図４のアークシールド１０の平面図に示すように、アークシールド１０のツバ部１０ｂには、さらにその周囲に複数の突出片１０ｄが配置されている。これらの突出片１０ｄには、アークシールド１０を図１、図２に示すように真空容器２に取り付け、真空バルブ１を構成した時に、真空容器の軸心方向、かつ突出片１０ｄに対して上方向に凸（「○」で記載）または下方向に凸（「●」で記載）となるエンボス状の突起部１０ｃを有している。

　アークシールド１０が絶縁容器９の開口部に挟まれて固定された状態は、図３の拡大断面図に示している。アークシールド１０のツバ部１０ｂには、周囲方向にむけて複数の突出片１０ｄが形成されており、図４に示すように、その突出片１０ｄには、突出片１０ｄの上下方向に凸となるエンボス状の突起部１０ｃが形成されている。この突出片１０ｄに形成されたエンボス状の突起部１０ｃが、絶縁容器９の開口部と係合することで、アークシールドを位置決めして固定する。

　アークシールド１０の突出片１０ｄに形成されたエンボス状の突起部１０ｃが絶縁容器９の開口部と係合されて配置されると、アークシールド１０の汚染防止部１０ａは真空容器２の壁面に対して同心円状に配置され、汚染防止部１０ａの真空バルブ１の軸心からの偏心を抑制することができる。その結果、アークシールド１０の汚染防止部１０ａと可動側電極３及び固定側電極５との距離が短くなる部分がなく、遮断性能及び耐電圧性能が安定する。

　また、アークシールド１０と絶縁容器９との位置決めに対して、アークシールド１０の突出片１０ｄに形成されたエンボス状の突起部１０ｃが位置決め機能を有するため、位置決めに必要な組み立て治具が不要となり、作業時間を短縮することができる。さらに、不要な部材を用いることがないため、部品点数を削減することも可能となる。

　真空容器２内にアークシールド１０が固定された状態で、突出片１０ｄが絶縁容器９の外周面から外側に向けてさらに突出している場合、真空バルブ１のロウ付けによる組み立て工程の完了後、電極やアークシールド１０の表面の微小突起を除去するために電圧コンディショニングを行う。この時、接地線を突出片１０ｄにクリップ等で容易に結線することができるため、接地線の結線に特段の治具等を必要とせず、作業時間を短縮することができる。

　電圧コンディショニング後には突出片１０ｄをそのまま残した状態で真空バルブ１を用いることができる。しかし突出片１０ｄが残ることで電界弱点部を形成し耐電圧性能が不十分となる場合や、真空遮断器へ組み込んだ場合に周辺の機器と干渉する場合のように問題を生じる時、突出片１０ｄを除去してもよい。ツバ部１０ｂに形成する突出片１０ｄを除去する場合には、突出片１０ｄ全体または突出片１０ｄの切り取り部分の板厚を１～２ｍｍ程度で形成し、ニッパー等で切断することで取りのぞくことができる。

　なお、アークシールド１０の汚染防止部１０ａは筒状であり、固定側電極５と可動側電極３の外周を覆って配置されているので、汚染防止部１０ａの外側にある突出片１０ｄを切断することで生じた突起が汚染防止部１０ａの内部の電界強度に与える影響は非常に小さく、基本的には電界緩和のための特段の処理は不要であると考えられる。しかし、非常に高い電圧を遮断する場合や突出片１０ｄの切断部分の近傍に接地部を有する場合等、突出片１０ｄの切断部分の縁に形成される微小な突起が原因として耐電圧性能を満たさなくなる場合には、突出片の切断部分及び縁を研磨して突起を除去し、滑らかにすることで耐電圧性能の低下を防止することができる。また、アークシールド１０のツバ部１０ｂの外周側に、金属製または導電性樹脂製の電界緩和部品（たとえばコロナリング）を取り付け、突出片の切断部分を覆うようにしても、同様に耐電圧性能の低下を防止することができる。

　なお、本実施の形態においては、アークシールド１０のツバ部１０ｂに突出片１０ｄを形成し、突出片１０ｄにエンボス状の突起部１０ｃを形成して、エンボス状の突起部１０ｃが絶縁容器９の開口部と係合されアークシールド１０の位置決めを行った。しかし、突出片１０ｄを用いることなく、ツバ部１０ｂに直接エンボス部１０ｃを形成した場合でも同様に位置決めの効果を得ることができる。

実施の形態２．
　図５～８を用いて、本発明の実施の形態２に係る真空バルブ１の構造を説明する。図５は、本実施の形態に係る真空バルブ１の断面図、図６は本実施の形態に係る真空バルブ１の絶縁容器９とアークシールド１０の組立状態を示している。図７はアークシールド１０のツバ部１０ｂに形成された折曲状の突起部１０ｅの拡大断面図を示しており、図８はアークシールド１０の平面図を示しており、アークシールド１０に形成されたツバ部１０ｂ、ツバ部１０ｂに形成された折曲状の突起部１０ｅを示している。

　実施の形態１に示した真空バルブ１と、本実施の形態の真空バルブ１を比較すると、実施の形態１では、アークシールド１０の突出片１０ｄにエンボス状の突起部１０ｃを形成されていた。これに対し本実施の形態では、アークシールド１０のツバ部１０ｂの周囲に、ツバ部１０ｂの一部を真空容器２の軸心方向に折り曲げた折曲状の突起部１０ｅが形成されている点で異なっている。折曲状の突起部１０ｅを有するアークシールド１０のツバ部１０ｂを２つの絶縁容器９の開口部に挟み込んで固定することにより、折曲状の突起部１０ｅの位置決めの効果により、アークシールド１０の間に汚染防止部１０ａが真空バルブ１の軸心に対して偏心を抑制することができる。その結果、可動側電極３及び固定側電極５と汚染防止部１０ａの空間距離が短くなることがなく，遮断性能及び耐電圧性能が安定化することができる。

　なお、本実施の形態においては、アークシールド１０のツバ部１０ｂに直接折曲状の突起部１０ｅを形成して、折曲状の突起部１０ｅを絶縁容器９の開口部と係合させることでアークシールド１０の位置決めを行った。しかし、ツバ部１０ｂの周囲に突出片１０ｄを用い、この突出片１０ｄに折曲状の突起部１０ｅを形成した場合でも同様に位置決めの効果を得ることができる。

実施の形態３．
　図９～１２を用いて、本実施の形態に係る真空バルブの構造を説明する。図９は、本実施の形態に係る真空バルブ１の断面図を示している。図１０は本実施の形態に係る真空バルブ１の絶縁容器９とアークシールド１０の組立状態を示している。図において、可動側電極棒７、固定側電極棒８は、図の簡略化のため省略している。図１１はアークシールド１０の汚染防止部１０ａの外周面に形成されたツバ部１０ｂ、ツバ部１０ｂに形成されたエンボス状の突起１０ｃの拡大断面図を示しており、絶縁容器９の開口部にアークシールド１０の突起部１０ｃが保持・固定された状態を示している。図１２はアークシールド１０の平面図を示しており、アークシールド１０の汚染防止部１０ａとその外周面に形成されたツバ部１０ｂ、ツバ部１０ｂに形成されたエンボス状の突起部１０ｃを示している。なお、図１２において、エンボス状の突起部１０ｃは「○」と「●」で描かれている。「○」は紙面手前、「●」は紙面奥に凸となっている、言い換えれば、ツバ部１０ｂに対して上向き／下向きに凸となっていることを示している。

　このアークシールド１０は、図９の真空バルブ１の断面図、図１０の組み立て図等に示すように、対向する可動側電極３と固定側電極５とを覆う汚染防止部１０ａの外周面に、周囲方向に延在する円盤状のツバ部１０ｂを有しており、図１０、図１１に示すように、このツバ部１０ｂが２つの絶縁容器９に対向する開口部に挟まれて真空容器２の所定の位置に固定される。図１２のアークシールド１０の平面図に示すように、アークシールド１０のツバ部１０ｂには、真空容器の軸心方向、かつ突出片１０ｄに対して上方向に凸「○」で記載）または下方向に凸（「●」で記載）となるエンボス状の突起部１０ｃを有している。

　アークシールド１０が絶縁容器９の開口部に挟まれて固定された状態は、図１１の拡大断面図に示している。アークシールド１０のツバ部１０ｂには、上下方向に凸となるエンボス状の突起部１０ｃが形成されている。このエンボス状の突起部１０ｃが、絶縁容器９の開口部と係合することで、アークシールドを位置決めして固定する。

　アークシールド１０のツバ部１０ｂに形成されたエンボス状の突起部１０ｃが絶縁容器９の開口部の内径部と係合されて配置されると、アークシールド１０の汚染防止部１０ａは真空容器２の壁面に対して同心円状に配置され、汚染防止部１０ａの真空バルブ１の軸心からの偏心を抑制することができる。その結果、アークシールド１０の汚染防止部１０ａと可動側電極３及び固定側電極５との距離が短くなる部分がなく、遮断性能及び耐電圧性能が安定する。

　また、アークシールド１０と絶縁容器９の内径部との位置決めに対して、アークシールド１０のツバ部１０ｂに形成されたエンボス状の突起部１０ｃが位置決め機能を有するため、位置決め機能を有するため、位置決めに必要な組み立て治具が不要となり、作業時間を短縮することができる。さらに、絶縁容器９の内径部で位置決めするため、絶縁容器９の外周部における突出部がなくなるため、実施の形態１あるいは実施の形態２のものに比べて、絶縁容器９の外周部における絶縁強度を向上させることができる。

１　真空バルブ、２　真空容器、３　可動側電極、４　可動側端板、５　固定側電極、６　固定側端板、７　可動側電極棒、８　固定側電極棒、９　絶縁容器、１０　アークシールド、１０ａ　汚染防止部、１０ｂ　ツバ部、１０ｃ　エンボス状の突起部、１０ｄ　突出片、１０ｅ　折曲状の突起部、１１　ベローズ、１２　ベローズカバー

Claims

一方の端部に開口部を有する２つの絶縁容器の前記開口部同士を対向させて形成した真空容器と、
前記真空容器の内部に備えられた一対の電極と、
前記電極の周囲を覆う汚染防止部と前記汚染防止部の外周面に沿う方向に突出した突起部とを有し、前記突起部が前記開口部と係合されて位置決めされたアークシールドと、
を備えることを特徴とする真空バルブ。
前記開口部と係合して前記アークシールドの位置決めを行う前記突起部が、前記汚染防止部の外周面に配置され周囲方向へ延在する円盤状のツバ部に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ。
前記ツバ部に形成された前記突起部が、前記ツバ部に凸形状を形成したエンボス状であることを特徴とする請求項２に記載の真空バルブ。
前記ツバ部に形成された前記突起部が、前記ツバ部の端を折り曲げた折曲状であることを特徴とする請求項２に記載の真空バルブ。
前記ツバ部に形成された前記突起部の突出方向が、前記真空容器の軸心方向であり、かつ前記ツバ部の円盤状の面に対して上向きと下向きとが混在していることを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の真空バルブ。
前記ツバ部に形成された前記突起部の突出方向が、前記真空容器の軸心方向であり、かつ前記ツバ部の円盤状の面に対して上向きと下向きとが交互に配置していることを特徴とする請求項５に記載の真空バルブ。
前記開口部と係合して前記アークシールドの位置決めを行う前記突起部が、前記ツバ部から周囲方向へ突出して形成された突出片に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ。
前記突出片に形成された前記突起部が、前記突出片に凸形状を形成したエンボス状であることを特徴とする請求項７に記載の真空バルブ。
前記突出片に形成された前記突起部が、前記突出片の端を折り曲げた折曲状であることを特徴とする請求項７に記載の真空バルブ。
前記突出片に形成された前記突起部の突出方向が、前記真空容器の軸心方向であり、かつ前記突出片の面に対して上向きと下向きとが混在していることを特徴とする請求項７～９のいずれか１項に記載の真空バルブ。
前記突出片に形成された前記突起部の突出方向が、前記真空容器の軸心方向であり、かつ前記突出片の面に対して上向きと下向きとが交互に配置していることを特徴とする請求項１０に記載の真空バルブ。
前記アークシールドが導電性材料で構成され、前記アークシールドを接地可能に構成することを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の真空バルブ。
前記アークシールドのうち、真空容器の外部に突出している部分に、切断するための薄肉部分を形成していることを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載の真空バルブ。
請求項１～１３のいずれか１項に記載の真空バルブを組み込んだことを特徴とする真空遮断器。