JPH09245589A - 真空バルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】外形の更なる小形化を図ることのできる真空バ
ルブを得ること。 【解決手段】固定側電極４Ａ及び可動側電極４Ｂとこれ
らの各コイル電極10の外周に対して、タングステンの被
膜11Ａ，11Ｂをイオンビーム照射によって形成する。一
方、絶縁円筒１の内面に対しては、イオンビーム照射に
よって表面に改質層13を形成して、内部に残存していた
不純物を除去する。被膜11Ａ，11Ｂは、ステンレス鋼で
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空バルブに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来の真空バルブの一例を示す
縦断面図である。図４において、アルミナセラミックス
材から円筒状に形成された絶縁円筒１の上端には、ステ
ンレス鋼板から浅いＵ字状に絞り加工された固定側端板
２がろう付されている。

【０００３】同じく、絶縁円筒１の下端にも、固定側端
板２と外形が同形の可動側端板３が、固定側端板２と対
称的にろう付されている。このうち、上側の固定側端板
２の中心には、無酸素銅から製作された固定側通電軸５
が貫設され、この固定側通電軸５の上端に形成された頭
部５ａの下面が固定側端板２の上面にろう付されてい
る。

【０００４】一方、可動側端板３の中心には、ブッシュ
６が挿着され、このブッシュ６には、可動側通電軸７が
上下動自在に貫設されている。この可動側通電軸７の下
端は、図示しない絶縁ロッドを介して、この真空バルブ
が組み込まれた遮断器の操作機構に連結されている。

【０００５】可動側端板３の内面には、ステンレス鋼板
から略Ｕ字状に形成されたベローズ９の下端が気密にろ
う付されている。このベローズ９の上部は、可動側通電
軸７の外周に気密にろう付されている。

【０００６】固定側通電軸５と可動側通電軸７の先端の
外周には、詳細省略したコイル電極10の内周がろう付さ
れている。これらのコイル電極10の更に先端には、銅板
から製作された円板状の固定側電極４Ａと可動側電極４
Ｂが対称的に重ねられ、図示しない接続子を介してろう
付されている。

【０００７】これらの固定側電極４Ａ及び可動側電極４
Ｂの更に先端の対向面には、銅・クロム合金などで製作
された円板状の接点８が重ねられ、固定側電極４Ａ及び
可動側電極４Ｂにろう付されている。

【０００８】これらの固定側電極４Ａ，可動側電極４Ｂ
と接点８の外周は、アークの膠着を防ぐためと後述する
シールド12との間の耐電圧特性を考慮して、弧状に面取
りされている。

【０００９】絶縁円筒１の内周の中央部に突設された環
状の支持部１ａの内周には、ステンレス鋼板製の支持環
12ａが固定され、この支持環12ａの更に内周には、同じ
くステンレス鋼板製のシールド12の外周の中央部がろう
付されている。

【００１０】このように構成された真空バルブにおいて
は、組立の最終段階で、固定側端板２と可動側端板３が
真空の真空加熱炉においてろう付され、内部は 0.1Pa以
下の真空が維持されている。

【００１１】また、前述した遮断器の操作機構によっ
て、可動側通電軸７が図４において上方に駆動される
と、ベローズ９が伸長するとともに、可動側電極４Ｂの
前面の接点８が固定側の接点８に接触し加圧され、通電
状態となる。

【００１２】負荷電流や事故電流の遮断時に、可動側通
電軸が図４において下方に駆動され、可動側の接点８が
開離すると、固定側の接点８との間に発生したアーク
は、この接点間の真空の消弧性能、及び、前述したコイ
ル電極で発生した軸方向の磁束によって、短時間に消弧
され、回路は遮断される。

【００１３】この遮断時に接点間で発生したアークによ
って接点８の表面から飛散した金属蒸気や溶融粉が絶縁
円筒１の内面に付着して、この絶縁円筒１の内面の固定
側と可動側との間における絶縁沿面特性が低下する現象
を防ぐために、前述したアークシールド12が組み込まれ
ている。

【００１４】一方、接点材料や電極形状の改良によっ
て、電極の外径と遮断性能は、初期の真空バルブと比べ
て大幅に改良され、外径は小形化し、遮断容量も増えて
いるが、今後も更なる小形化と容量増加の課題がユーザ
から要請される趨勢にある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成された真空バルブにおいては、接点８の開極状態の
空隙は、遮断性能と絶縁間隙から受ける制約があり、電
極の外径は、通電容量とアークの分散面積（すなわち消
弧性能）からの制約があり、短縮化，小形化することが
困難である。。

【００１６】また、電極とアークシールド12との間の間
隙も、接点間に発生したアークが電極の端部からアーク
シールド12を介して短絡するおそれを防ぐために、減ら
すことはできないので、アークシールド12の外径を減ら
すことはできない。

【００１７】更に、絶縁円筒１の内径も、アークシール
ド12の上下端を介して、上下の端板に閃絡するおそれを
防ぐために、また、絶縁円筒の長さも、この絶縁円筒１
の内面の絶縁沿面耐電圧値を長期に亘って維持するため
に短縮することはできない。

【００１８】その理由は、真空バルブの長期間に亘る使
用中にアークシールド12から放出された二次電子が、絶
縁円筒１の内面に衝突し、この絶縁円筒１の内面の絶縁
特性と真空バルブの内部の真空の絶縁特性を低下させる
おそれがあるからである。

【００１９】したがって、真空バルブの絶縁特性を長期
に亘って保証するためには、絶縁円筒１を小形化するこ
とはできない。そこで、本発明の目的は、外形の更なる
小形化を図ることのできる真空バルブを得ることであ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、絶縁円筒の両端を封止した端板に通電軸が貫設さ
れ、この通電軸の対向端に電極が設けられ、この電極と
絶縁円筒の間にアークシールドが設けられた真空バルブ
において、絶縁破壊電圧の高い金属材の被膜を電極の外
周に形成したことを特徴とする。

【００２１】また、請求項２に記載の発明は、被膜をイ
オンプレーティング又は真空蒸着或いはプラズマ溶射で
形成したことを特徴とする。

【００２２】また、請求項３に記載の発明は、被膜を電
極のコイル電極と電極板の外周に形成したことを特徴と
する。

【００２３】また、請求項４に記載の発明は、金属材を
タングステン又はステンレス鋼或いはクロムとしたこと
を特徴とする。

【００２４】また、請求項５に記載の発明は、被膜の厚
みを 0.1μｍ〜 100μｍの範囲としたことを特徴とす
る。

【００２５】また、請求項６に記載の発明は、絶縁円筒
の内面に対して、イオンビームの照射による改質層を形
成したことを特徴とする。

【００２６】また、請求項７に記載の発明は、イオンビ
ームをカーボン又はプロトンとしたことを特徴とする。

【００２７】また、請求項８に記載の発明は、イオンビ
ームを 0.5MeV 〜２MeV の電圧で照射したことを特徴と
する。

【００２８】さらに、請求項９に記載の発明は、イオン
ビームの密度を５J/cm² 〜50J/cm²の範囲としたことを
特徴とする。

【００２９】このような手段によって、本発明では、電
極の外周とアークシールドとの間における衝撃電圧に対
する耐圧値を増やすとともに、絶縁円筒の内面の沿面耐
電圧値の低下を長期に亘って防ぐ。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の真空バルブの一実
施形態を図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本発
明の真空バルブの第１の実施形態を示す図で、従来の技
術で示した図４に対応する図、図１（ｂ）は、図１
（ａ）で示した電極の部分拡大詳細図である。

【００３１】図１（ａ），（ｂ）において、従来の技術
で示した図４と異るところは、電極の外周に対して、ア
ークシールド12との間の耐電圧特性を上げるための金属
被膜を以下説明するように形成したことと、絶縁円筒１
の内面に対して、改質層を形成したことで、他は、図４
と同一である。したがって、図４と同一要素には、同一
符号を付して説明を省略する。

【００３２】すなわち、上下のコイル電極10の外周に
は、被膜の平均厚さが約50μｍのタングステンの被膜11
Ａがイオンプレーティング装置によって形成されてい
る。さらに、絶縁円筒１の内面には、ガーボンのイオン
ビームの照射によって、薄い改質層13を形成している。
この改質層13は、出力が１MeV イオンビーム装置によっ
て、照射するイオンビームの密度を５J/cm² から50J/cm
² の範囲に制御して行った。

【００３３】また、発明者は、上記金属被膜として、タ
ングステンの代りにステンレス（SUS304）鋼の被膜も、
他の真空バルブについて行った。また、カーボンのイオ
ンビームの代りに、プロトンのイオンビームの照射によ
って、他の真空バルブについて改質層13を形成した。

【００３４】このように被膜11Ａ，11Ｂと改質層13が形
成された真空バルブにおいては、各電極とアークシール
ド12との間の耐衝撃電圧特性と、絶縁円筒１の内面の沿
面絶縁特性を大幅に向上させることができる。

【００３５】図２は、銅材，ステンレス（SUS304）鋼
材，タングステンについて、発明者が行った耐衝撃破壊
電圧の特性の比較を示す試験結果で、従来の銅材で表面
が被膜されていない電極に比べて、ステンレス鋼の被膜
が形成された電極では、約 1.7倍の特性を示した。な
お、試験条件は、直径34mmの平板電極で、電極間隙を
1.5mmとした。

【００３６】同じく、タングステンを被膜した電極で
は、銅素地の電極と比べて、約 1.9倍の耐衝撃電圧特性
を示した。一方、改質層13の沿面耐電圧特性では、従来
の絶縁円筒と比べて、約 1.4倍の特性を示した。

【００３７】この理由は、セラミックの固体表面近傍の
不純物ガスが、イオンビームにより溶融除去されるとと
もに、セラミックの結晶組織が微細化されたため、と考
えられる。このため、シールド12から放出された電子が
絶縁円筒１の内面に衝突しても、不純物ガスは放出され
ないので、絶縁円筒１の内面でのトラッキングが進展し
にくくなって、沿面の絶縁性能が向上する。

【００３８】したがって、このような被膜が形成された
電極を組み込んだ真空バルブにおいては、電極とアーク
シールド12との間隙を短縮することができるだけでな
く、絶縁円筒１の長さも短縮することができるので、真
空バルブの外径と長さを減らすことができる。

【００３９】したがって、この真空バルブを組み込んだ
開閉器や遮断器の外形を減らすことができるので、これ
らの開閉容器や遮断器を主要構成要素とする開閉装置や
受配電設備の設置面積の小形化及び縮小化や、これらの
開閉装置や受配電設備の設計上の制約を緩和することが
でき、自由度を増やすこともできる。

【００４０】なお、上記実施例において、被膜11Ａ，11
Ｂの厚さは、約50μｍの場合で説明したが、更に薄くて
0.1μｍとしてもよく、逆に 100μｍ程度まで増やして
もよい。

【００４１】なるべく厚い方が好ましいが、発明者が実
際に組み込んで遮断実験を行った結果、 100μｍを超え
ると、母材の銅との間の密着強度が低下するだけでな
く、通電・停止の繰り返しによって、被膜にクラックが
発生する場合があった。

【００４２】また、被膜厚さが 0.1μｍ以下では、真空
バルブの製造工程の最終段階における電流開閉試験（コ
ンディション処理）において、被膜から剥がれる場合が
あった。

【００４３】なお、上記実施例においては、被膜をイオ
ンプレーティング装置によって行った例で説明したが、
真空蒸着によって行ってもよい。また、上記実施例にお
いて、イオンビーム照射は、出力を１MeV の場合で説明
したが、 0.5MeV から２MeV の範囲の出力で行ってもよ
い。

【００４４】さらに、上記実施例において、被膜の形成
は、イオンビームの代りにプラズマ溶射で行ってもよ
い。また、上記実施例において、被膜は、アークシール
ド12の内面及び外面に対して形成してもよく、材料はク
ロムでもよい。

【００４５】次に、図３は、本発明の真空バルブの第２
の実施形態を示す縦断面図で、図１（ａ）に対応する図
である。図３において、図１（ａ），（ｂ）と異るとこ
ろは、上下のコイル電極10に対して、外周と背面が内部
に嵌合する断面Ｕ字状で 0.2mm厚のステンレス（SUS30
4）鋼板製のシールド14をろう付で接合したことであ
る。このシールド14は、開口側の外周が面取りされてい
る。

【００４６】このようなシールド14が設けられた真空バ
ルブにおいても、コイル電極10とアークシールド12間の
耐電圧特性を上げることができる。なお、上記実施例で
は、シールド14の板厚は、 0.2mmの場合で説明したが、
電極の外径によっては、１mm程度に増やしてもよい。

【００４７】

【発明の効果】以上、請求項１に記載の発明によれば、
絶縁円筒の両端を封止した端板に通電軸が貫設され、こ
の通電軸の対向端に電極が設けられ、この電極と絶縁円
筒の間にアークシールドが設けられた真空バルブにおい
て、絶縁破壊電圧の高い金属材の被膜を電極の外周に形
成することで、電極の外周とアークシールドとの間にお
ける衝撃電圧に対する耐圧値を増やしたので、外形の更
なる小形化を図ることのできる真空バルブを得ることが
できる。

【００４８】また、請求項２に記載の発明によれば、被
膜をイオンプレーティング又は真空蒸着或いはプラズマ
溶射で形成することで、電極の外周とアークシールドと
の間における衝撃電圧に対する耐圧値を増やしたので、
外形の更なる小形化を図ることのできる真空バルブを得
ることができる。

【００４９】また、請求項３に記載の発明によれば、被
膜を電極のコイル電極と電極板の外周に形成すること
で、電極の外周とアークシールドとの間における衝撃電
圧に対する耐圧値を増やしたので、外形の更なる小形化
を図ることのできる真空バルブを得ることができる。

【００５０】また、請求項４に記載の発明によれば、金
属材をタングステン又はステンレス鋼或いはクロムとす
ることで、電極の外周とアークシールドとの間における
衝撃電圧に対する耐圧値を増やしたので、外形の更なる
小形化を図ることのできる真空バルブを得ることができ
る。

【００５１】また、請求項５に記載の発明によれば、被
膜の厚みを 0.1μｍ〜 100μｍの範囲とすることで、電
極の外周とアークシールドとの間における衝撃電圧に対
する耐圧値を増やしたので、外形の更なる小形化を図る
ことのできる真空バルブを得ることができる。

【００５２】また、請求項６に記載の発明によれば、絶
縁円筒の内面に対して、イオンビームの照射による改質
層を形成することで、電極の外周とアークシールドとの
間における衝撃電圧に対する耐圧値を増やすとともに、
絶縁円筒の内面の沿面耐電圧値の低下も長期に亘って防
いだので、外形の更なる小形化を図ることのできる真空
バルブを得ることができる。

【００５３】また、請求項７に記載の発明によれば、イ
オンビームをカーボン又はプロトンとすることで、電極
の外周とアークシールドとの間における衝撃電圧に対す
る耐圧値を増やすとともに、絶縁円筒の内面の沿面耐電
圧値の低下も長期に亘って防いだので、外形の更なる小
形化を図ることのできる真空バルブを得ることができ
る。

【００５４】また、請求項８に記載の発明によれば、イ
オンビームを 0.5MeV 〜２MeV の電圧で照射すること
で、電極の外周とアークシールドとの間における衝撃電
圧に対する耐圧値を増やすとともに、絶縁円筒の内面の
沿面耐電圧値の低下も長期に亘って防いだので、外形の
更なる小形化を図ることのできる真空バルブを得ること
ができる。

【００５５】さらに、請求項９に記載の発明によれば、
イオンビームの密度を５J/cm² 〜50J/cm² の範囲とする
ことで、電極の外周とアークシールドとの間における衝
撃電圧に対する耐圧値を増やすとともに、絶縁円筒の内
面の沿面耐電圧値の低下も長期に亘って防いだので、外
形の更なる小形化を図ることのできる真空バルブを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の真空バルブの第１の実施形
態を示す縦断面図。（ｂ）は、（ａ）の部分拡大詳細
図。

【図２】本発明の真空バルブの第１の実施形態の作用を
示すグラフ。

【図３】本発明の真空バルブの第２の実施形態を示す縦
断面図。

【図４】従来の真空バルブの一例を示す縦断面図。

【符号の説明】

１…絶縁円筒、２…固定側端板、３…可動側端板、４Ａ
…固定側電極、４Ｂ…可動側電極、５…固定側通電軸、
６…ブッシュ、７…可動側通電軸、８…接点、９…ベロ
ーズ、10…コイル電極、11Ａ，11Ｂ…被膜、12…アーク
シールド、13…改質層、14…シールド。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁円筒の両端を封止した端板に通電軸
   が貫設され、この通電軸の対向端に電極が設けられ、こ
   の電極と前記絶縁円筒の間にアークシールドが設けられ
   た真空バルブにおいて、絶縁破壊電圧の高い金属材の被
   膜を前記電極の外周に形成したことを特徴とする真空バ
   ルブ。
2. 【請求項２】 前記被膜をイオンプレーティング又は真
   空蒸着或いはプラズマ溶射で形成したことを特徴とする
   請求項１に記載の真空バルブ。
3. 【請求項３】 前記被膜を前記電極のコイル電極と電極
   板の外周に形成したことを特徴とする請求項１又は請求
   項２に記載の真空バルブ。
4. 【請求項４】 前記金属材をタングステン又はステンレ
   ス鋼或いはクロムとしたことを特徴とする請求項１乃至
   請求項３のいずれかに記載の真空バルブ。
5. 【請求項５】 前記被膜の厚みを 0.1μｍ〜 100μｍの
   範囲としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のい
   ずれかに記載の真空バルブ。
6. 【請求項６】 前記絶縁円筒の内面に対して、イオンビ
   ームの照射による改質層を形成したことを特徴とする請
   求項１乃至請求項５のいずれかに記載の真空バルブ。
7. 【請求項７】 前記イオンビームをカーボン又はプロト
   ンとしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいず
   れかに記載の真空バルブ。
8. 【請求項８】 前記イオンビームを 0.5MeV 〜２MeV の
   電圧で照射したことを特徴とする請求項１乃至請求項７
   のいずれかに記載の真空バルブ。
9. 【請求項９】 前記イオンビームの密度を５J/cm² 〜50
   J/cm² の範囲としたことを特徴とする請求項１乃至請求
   項８のいずれかに記載の真空バルブ。