特許 7548264 真空バルブ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】真空バルブ

(51)【国際特許分類】

   H01H 33/664 20060101AFI20240903BHJP

【ＦＩ】

H01H33/664 D

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022055477

(22)【出願日】2022-03-30

(65)【公開番号】P2023147772

(43)【公開日】2023-10-13

【審査請求日】2023-10-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109612

【弁理士】

【氏名又は名称】倉谷 泰孝

(74)【代理人】

【識別番号】100116643

【弁理士】

【氏名又は名称】伊達 研郎

(74)【代理人】

【識別番号】100184022

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 美保

(72)【発明者】

【氏名】粟飯原 直也

(72)【発明者】

【氏名】道念 大樹

【審査官】片岡 弘之

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５６－１２３４３３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１１－１８５５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－００５３４０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１１／０８６６９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０７－０８５７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１９００６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５６－０８４８２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｈ ３３／６６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

可動可能な可動側通電軸と、
前記可動側通電軸の軸線の延長上に配置される固定側通電軸と、
前記可動側通電軸の先端部に接続され、径方向に延びる可動側アームで接続される可動側第一コイルと、前記可動側第一コイルの内周側において前記可動側アームにさらに接続されている少なくとも１つ以上の可動側第二コイルとを有し、前記可動側第一コイルと前記可動側第二コイルとは同一平面上に周回し、周方向において前記可動側アーム毎にターンに分割され、それぞれの前記ターンはスリットを介して直接に接触しないように配置される可動側コイルと、
前記固定側通電軸の先端部に接続され、径方向に延びる固定側アームで接続される固定側第一コイルと、前記固定側第一コイルの内周側において前記固定側アームにさらに接続されている少なくとも１つ以上の固定側第二コイルとを有し、前記固定側第一コイルと前記固定側第二コイルとは同一平面上に周回し、周方向において前記固定側アーム毎に前記ターンに分割され、それぞれの前記ターンは前記スリットを介して直接に接触しないように配置される固定側コイルと、
前記可動側第一コイルの先端部上面に形成される可動側第一給電部と、
前記可動側第二コイルの先端部上面に形成される可動側第二給電部と、
前記固定側第一コイルの先端部上面に形成される固定側第一給電部と、
前記固定側第二コイルの先端部上面に形成される固定側第二給電部と、
前記可動側コイルの前記可動側第一給電部と前記可動側第二給電部の上面に接続される可動側接点と、
前記固定側コイルの前記固定側第一給電部と前記固定側第二給電部の上面に接続される固定側接点と、
を備えることを特徴とする真空バルブ。

【請求項2】

前記ターン間の空壁が軸方向において重なる
ことを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ。

【請求項3】

前記可動側第一コイルと前記可動側第二コイルとが可動側導体で接続されており、前記可動側第一コイルの抵抗値と前記可動側第二コイルの抵抗値とが等しく、前記可動側導体との抵抗値よりも大きく、さらに、前記固定側第一コイルと前記固定側第二コイルとが固定側導体で接続されており、前記固定側第一コイルの抵抗値と前記固定側第二コイルの抵抗値とが等しく、前記固定側導体との抵抗値よりも大きい
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空バルブ。

【請求項4】

前記可動側第一コイルの断面積が、前記可動側第二コイルの断面積より大きく、さらに、前記固定側第一コイルの断面積が、前記固定側第二コイルの断面積より大きい
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブ。

【請求項5】

前記可動側接点の表面と前記固定側接点の少なくとも１つの表面を凸形状とする
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブ。

【請求項6】

前記ターン数がｎ個の場合に、前記固定側コイルと前記可動側コイルにおける前記空壁の軸方向における位置関係が、１８０／ｎ度ずれる
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の真空バルブ。

【請求項7】

前記可動側第一コイルの抵抗率が、前記可動側第二コイルの前記抵抗率より小さく、さらに、前記固定側第一コイルの前記抵抗率が、前記固定側第二コイルの前記抵抗率より小さい
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の真空バルブ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、真空バルブに関する。

【背景技術】

【0002】

真空バルブは、真空を維持する絶縁容器内に、固定側電極及び可動側電極が配置され、回路の遮断および接続を行うものである。真空バルブは、事故発生時などに電気回路に流れる大電流を、固定側電極と可動側電極との間を閉状態から開状態にすることにより、遮断する機能を有する。電流を遮断する場合には、固定側電極と可動側電極との間にアーク放電が発生する。その状態が持続すると、固定側電極の接触部である固定側接点と、可動側電極の接触部である可動側電極が局所的に集中加熱され、温度上昇により絶縁破壊に至る。

【0003】

このアーク放電を消弧するために、固定側電極と可動側電極とには、接点と呼ばれる閉状態における接触部と、接点の背面に配置されるコイルを有する。固定側コイルと可動側コイルは、通電棒から軸方向に流れる電流を周方向へ流すため、通電棒とコイルの接触部とコイルと接点との接触部を有し、これを給電面と呼ぶ。

【0004】

さらに、固定側コイルと可動側コイルには、コイル抵抗増加による発熱を抑制するために、複数の円弧部に分割するスリットを有する。固定側コイルと可動側コイルには回転方向（ＸＹ方向）へ電流が流れることで、固定側接点と可動側接点の間に発生するアーク放電の放電電流と平行方向（Ｚ方向）の磁場（縦磁界）が作用される。

【0005】

これによりアーク放電を構成する荷電粒子が、Ｚ軸方向の磁束を中心に螺旋運動することで、アーク放電が固定側接点および可動側接点の表面全体に拡散し、発熱密度を低減することで、温度上昇を抑制し、絶縁破壊を回避する。

【0006】

アーク放電を構成する荷電粒子（イオン、電子）を縦磁界で補足するには、接点表面にある一定の閾値を超えた縦磁界強度（有効磁界強度）を印加されればよいので、有効磁界強度を超える領域が広いほどアーク放電の拡散面積が広がり、接点表面の発熱密度を低減できるため、接点表面温度を抑えることができる。つまり、アークの拡散面積が広いほど、遮断性能が向上する。

【0007】

例えば、特許文献１には、可動側および固定側コイルに、Ｚ軸方向磁界（縦磁界）を発生する第一コイルと、その内側に設けた第一コイルとは逆方向の縦磁界を発生する第二コイルを設けることが開示されている。電流遮断時に流れる電流は、第一コイルと第二コイルに分流し、第二コイルによって発生した縦磁界は第一コイルによって発生した縦磁界を中央部では弱め、逆に周辺部では強めることによって縦磁界分布を均一にする旨について開示がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平５－１９００６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

真空バルブを用いて高電圧大電流を遮断する場合、大電流通電による接点の温度上昇を抑制するために電極径を大径化する必要がある。特許文献１の第二コイルは、コイル内側に発生する縦磁界同士で強め合うため、接点中央部で縦磁界強度が最大値を取る構成となっている。しかし、真空バルブで高電圧大電流を遮断するため、電極を大径化するに伴い固定側コイルと可動側コイルも大径化する必要があり、第二コイルの内側径も大きくなる。その場合、コイル内側に発生する縦磁界が干渉せず、接点外側から内側にかけて縦磁界強度が減衰し、中央付近で極小値を取るような分布となる。

【0010】

したがって、第一コイルと第二コイルで合成された縦磁界分布は接点中央付近で極端に低くなり、不均一化するといった課題がある。本開示では、電極を大径化した場合にも、接点表面の縦磁界強度を均一化して真空バルブの遮断性能を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示に係る真空バルブは、可動可能な可動側通電軸と、可動側通電軸の軸線の延長上に配置される固定側通電軸と、可動側通電軸の先端部に接続され、径方向に延びる可動側アームで接続される可動側第一コイルと、可動側第一コイルの内周側において可動側アームにさらに接続されている少なくとも１つ以上の可動側第二コイルとを有し、可動側第一コイルと可動側第二コイルとは同一平面上に周回し、周方向において可動側アーム毎にターンに分割され、それぞれの前記ターンはスリットを介して直接に接触しないように配置される可動側コイルと、固定側通電軸の先端部に接続され、径方向に延びる固定側アームで接続される固定側第一コイルと、固定側第一コイルの内周側において固定側アームにさらに接続されている少なくとも１つ以上の固定側第二コイルとを有し、固定側第一コイルと固定側第二コイルとは同一平面上に周回し、周方向において固定側アーム毎にターンに分割され、それぞれの前記ターンはスリットを介して直接に接触しないように配置される固定側コイルと、可動側第一コイルの先端部上面に形成される可動側第一給電部と、可動側第二コイルの先端部上面に形成される可動側第二給電部と、固定側第一コイルの先端部上面に形成される固定側第一給電部と、固定側第二コイルの先端部上面に形成される固定側第二給電部と、可動側コイルの可動側第一給電部と可動側第二給電部の上面に接続される可動側接点と、固定側コイルの固定側第一給電部と固定側第二給電部の上面に接続される固定側接点と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、真空バルブの電極径を大型化したとしても、遮断性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１にかかわる真空バルブの断面図である。

【図2】真空バルブの固定側電極および可動側電極、それらの周辺の斜視図である。

【図3】固定側電極を構成する一部である固定側コイルの正面図である。

【図4】固定側電極を構成する一部である固定側コイルの裏面図である。

【図5】固定側電極を構成する一部である固定側コイルの側面図である。

【図6】真空バルブが開極動作を実行した時の可動側コイルの可動側接点側を示す正面図である。

【図7】真空バルブが開極動作を実行した時の固定側コイルの固定側接点側を示す正面図である。可動側電極を構成する一部である可動側コイルの裏面図である。

【図8】電流が固定側通電軸から固定側コイルに流れた時に発生する磁界の方向を示す図である。

【図9】電流が可動側通電軸から可動側コイルに流れた時に発生する磁界の方向を示す図である。

【図10】可動側接点の表面に発生する縦磁界強度を示す分布図と、可動側コイルにおける電流と磁界の方向を示す断面図である。

【図11】実施の形態３にかかわる可動側コイルにおける電流経路を示す正面図と断面図である。

【図12】実施の形態３にかかわる可動側接点の表面に発生する縦磁界強度を示す分布図と、可動側コイルにおける電流と磁界の方向を示す断面図である。

【図13】実施の形態４にかかわる可動側接点の表面に発生する縦磁界強度を示す分布図と、アーク放電発生直前にける固定側電極と可動側電極の断面図である。

【図14】実施の形態５にかかわる可動側接点の表面に発生する縦磁界強度を示す分布図と、可動側コイルにおける電流と磁界の方向を示す断面図である。

【図15】実施の形態１にかかわる固定側コイルおよび可動側コイルの正面図である。

【図16】実施の形態６にかかわる固定側コイルおよび可動側コイルの正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、この実施の形態１について、図１～図５を参照し詳細に説明する。はじめに、図１～３および図６を参照して、実施の形態１に係る真空バルブ１００の構成を説明する。

【0015】

図１は、本実施の形態を実施するための実施の形態１に係る真空バルブ１００の断面図である。筒状の絶縁容器３はアルミナ等のセラミックで構成される。絶縁容器３の一方の端部に、固定側端板４が配置される。さらに、絶縁容器３の他方の端部に、可動側端板５が配置される。

【0016】

固定側端板４に取り付けられる、固定側通電軸１０１の軸線の延長上に、可動側端板５を貫通するように、可動側通電軸２０１が取り付けられる。また、固定側通電軸１０１の端部には、固定側電極１を有する。固定側端板４、固定側通電軸１０１、および固定側電極１は、電気的に接続される。さらに、可動側通電軸２０１の端部には、可動側電極２を有する。可動側端板５には、Ｚ方向に伸縮自在のベローズ６の一端側が取り付けられ、ベローズ６のもう一端側には、ベローズシールド７が取り付けられる。また、可動側端板５、ベローズ６、ベローズシールド７、可動側通電軸２０１、および可動側電極２は、電気的に接続される。

【0017】

さらに、絶縁容器３の内部には、金属などの導電性部材で形成されたアークシールド８を備える。アークシールド８は、固定側電極１と可動側電極２とを覆うように設置される。また、アークシールド８は、固定側電極１と可動側電極２との間にアーク放電が発生した場合、アーク放電の熱により固定側電極１と可動側電極２とから飛散する金属蒸気および金属粒子から他の部位を保護する役割を担う。

【0018】

図２は真空バルブ１００の固定側電極１、可動側電極２の斜視図である。固定側コイル１０２は、固定側通電軸１０１の先端部に接続され、固定側接点１０３と固定側通電軸１０１の軸面１０４の間に配置される。さらに、固定側コイル１０２は、固定側通電軸１０１の軸面１０４の周縁に配置される。可動側コイル２０２は、可動側通電軸２０１の先端部に接続され、可動側接点２０３と可動側通電軸２０１の軸面２０４の間に設置される。さらに、可動側コイル２０２は、可動側通電軸２０１の軸面２０４の周縁に配置される。

【0019】

また、図２に示すように、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２は互いに対向しており、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２の通電方向が同一となるよう配置される。さらに、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２を分割するスリット３０７ａ、３０７ｂの位置は回転方向において一致するよう配置される。

【0020】

なお、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２はＣｕやＡｇ等の低抵抗の金属で形成される。また、固定側電極１の接触面である固定側接点１０３と、可動側電極２の接触面である可動側接点２０３とは、対抗するように配置される。電極間の距離は、固定側接点１０３と可動側接点２０３との間の距離を示す。本実施の形態ではコイル部は、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２と２つあるが、これに限定されず、そちらか一方だけでも良い。２つ設置することにより、より効果を奏する。

【0021】

図３は、真空バルブ１００の固定側電極１を構成する一部である固定側コイル１０２の正面図である。固定側コイル１０２は可動側コイル２０２と同一方向の円周方向へ押し出された複数の導電性部材を有しており、固定側通電軸１０１を中心として外側から第一コイル３０１ａ、第二コイル３０２ａと呼ぶ。第一コイル３０１ａと第二コイル３０２ａの端部が同一平面上において、固定側通電軸１０１、可動側通電軸２０１の径方向に延びるアーム３０６ａと呼ばれる単一の導電性部材により接続されていることで、コの字型を形成している。

【0022】

また、固定側コイル１０２は等価的に１ターンとなるように、固定側コイル１０２の外周側から内側にかけてスリット３０７ａを設けることで、複数に分割されている。さらに、固定側コイル１０２は固定側通電軸１０１の軸面１０４との導通を確保するため、第二コイル３０２ａとアーム３０６ａが交差する箇所の底面に給電面３０３ａを設けている。

【0023】

固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａと第二コイル３０２ａの間に空壁３０８ａが形成されている。第一コイル３０１ａと第二コイル３０２ａとは同一平面上に周回し、周方向においてターン数が分割される。ターン数に分割されるとは、周方向においてアーム毎に第一コイル３０１ａと第二コイル３０２ａが分割されることをいう。アーム３０６ａ、３０６ｂの数が増えるほど、ターン数も増える。ここでは固定側コイル１０２について、説明しているが可動側コイル２０２も同様の仕組みである。

【0024】

図４は、真空バルブ１００の固定側電極１を構成する一部である固定側コイル１０２の裏面図である。正面図と同様に、固定側コイル１０２と固定側接点１０３の導通を確保するために、第一コイル３０１ａの端部上面に第一給電部３０４ａを、第二コイル３０２ａの端部上面に第二給電部３０５ａを設けている。

【0025】

図５は、真空バルブ１００の固定側電極１を構成する一部である固定側コイル１０２の側面図である。ここで、固定側コイル１０２を、正面図、裏面図、側面図を使って説明したが、可動側コイル２０２については、固定側コイル１０２と同様の仕組みであり、コイルが設置される箇所が固定側か可動側かだけの差になるので、正面図、裏面図、側面図での詳細な説明は割愛する。

【0026】

図６は、真空バルブ１００が開極動作を実行した時の可動側コイル２０２の可動側接点２０３側を示す正面図である。ここで、図６を使って簡単に可動側コイル２０２について説明する。可動側コイル２０２は、円周方向へ押し出された複数の導電性部材を有しており、可動側通電軸２０１を中心として外側から第一コイル３０１ｂ、第二コイル３０２ｂと呼ぶ。第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂの端部が同一平面上において、固定側通電軸１０１、可動側通電軸２０１の径方向に延びるアーム３０６ｂと呼ばれる単一の導電性部材により接続されていることで、コの字型を形成している。

【0027】

また、可動側コイル２０２は等価的に１ターンとなるように、可動側コイル２０２の外周側から内側にかけてスリット３０７ｂを設けることで、複数に分割されている。さらに、可動側コイル２０２は可動側通電軸２０１の軸面２０４との導通を確保するため、第二コイル３０２ｂとアーム３０６ｂが交差する箇所の底面に給電面を設けている。可動側コイル２０２の給電面は図６の裏側になるので図示しない。図３の固定側コイル１０２の給電面３０３ａと同じ位置になる。

【0028】

可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂの間に空壁３０８ｂが形成されている。第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂとは同一平面上に周回し、周方向においてターン数が分割される。可動側コイル２０２は、可動側コイル２０２と可動側接点２０３の導通を確保するため、第一コイル３０１ｂの端部上面に第一給電部３０４ｂを、第二コイル３０２ｂの端部上面に第二給電部３０５ｂを設けている。

【0029】

図７は、真空バルブ１００が開極動作を実行した時の固定側コイル１０２の固定側接点１０３側を示す正面図である。可動側コイル２０２と同様に、固定側コイル１０２と固定側接点１０３の導通を確保するため、第一コイル３０１ａの端部上面に第一給電部３０４ａを、第二コイル３０２ａの端部上面に第二給電部３０５ａを設けている。

【0030】

図１に矢印で示すＹ方向は、図１の紙面上の裏面から表面への方向を示し、矢印で示すＸ方向は、図１の紙面上の左から右への方向を示し、矢印で示すＺ方向は、図１の紙面上の下から上への方向を示す。また、図２から図？に矢印で示すＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、図１に示すＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向とそれぞれ同様な方向を示す。

【0031】

さらに、図３～１２にＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向を示す場合、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、図１に示すＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向とそれぞれ同様な方向を示す。

【0032】

図１において、固定側電極１と可動側電極２を開状態にした直後は、電極間にアーク放電が局所的に発生する。その状態が持続すると、図２において固定側電極１の接触部である固定側接点１０３と、可動側電極２の接触部である可動側接点２０３が局所的に集中加熱され、温度上昇により絶縁破壊に至る。

【0033】

そこで、この構成を用いる場合、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２には回転方向（ＸＹ方向）へ電流が流れることで、固定側接点１０３と可動側接点２０３の間に発生するアーク放電の放電電流と平行方向（Ｚ方向）の磁場（縦磁界）が作用される。これによりアーク放電を構成する荷電粒子が、Ｚ軸方向の磁束を中心に螺旋運動することで、アーク放電が固定側接点１０３および可動側接点２０３の表面全体に拡散し、発熱密度を低減することで、温度上昇を抑制し、絶縁破壊を回避する。

【0034】

ここで、アーク放電を構成する荷電粒子（イオン、電子）を縦磁界で補足するには、接点表面にある一定の閾値を超えた縦磁界強度（有効磁界強度Ｍｅ）を印加されればよいと仮定すると、有効磁界強度Ｍｅを超える領域が広いほどアーク放電の拡散面積Ａｍが広がり、接点表面の発熱密度を低減できるため、接点表面温度を抑えることができる。すなわちアークの拡散面積Ａｍが広いほど、遮断性能が向上する。

【0035】

加えて、遮断電流が交流の零点を迎えた瞬間に発生する過渡回復電圧による絶縁破壊を回避する必要がある。したがって、零点において固定側接点１０３と可動側接点２０３の間の距離を大きく離した状態（長ギャップ）にしておく必要がある。

【0036】

つぎに、真空バルブ１００の動作について説明する。真空バルブ１００の内部は高い絶縁状態を維持するために、１×１０^－３Ｐａ以下の真空状態に保たれる。また、固定側電極１と可動側電極２とを接続する閉状態と、固定側電極１と可動側電極２とを開放する開状態とを、切り替えることが可能である。

【0037】

すなわち、可動側通電軸２０１を移動することにより、開状態から閉状態への切り替え、あるいは閉状態から開状態へ切り替えることが可能である。図１は、固定側電極１と可動側電極２とが接続していない開状態である。言い換えると、固定側接点１０３と可動側接点２０３が接触していない状態である。

【0038】

つぎに、遮断動作時に発生するアーク放電を消弧するメカニズムについて説明する。アーク放電の発生位置は、遮断動作時に固定側接点１０３と可動側接点２０３とが最後に離れる点となる。この最終接触点９０１を起点として発生したアークは、固定側接点１０３から可動側接点２０３にかけて細い柱状の放電を形成する。

【0039】

このときの電流経路について、図６、図７を参照して説明する。図６は、真空バルブ１００が開極動作を実行した時の可動側コイル２０２の可動側接点２０３側を示す正面図である。図７は、真空バルブ１００が開極動作を実行した時の固定側コイル１０２の固定側接点１０３側を示す正面図である。

【0040】

図７には固定側通電軸１０１から電流が流れた時の電流経路を破線矢印で示している。通電電流はＺ軸に沿って固定側通電軸１０１から固定側コイル底面の給電面３０３ａを通じ、固定側コイル１０２のアーム３０６ａを介して固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａを流れる電流Ｉｓｏと、固定側コイル１０２の第二コイル３０２ａを流れる電流Ｉｓｉが、ＸＹ平面において同一方向へ分流し、固定側コイル１０２の第一給電部３０４ａと第二給電部３０５ａを通じて固定側接点１０３へ流れる。アーク放電が発生している状態においては、固定側接点１０３へ流れた電流は、アーク放電を通じてＺ軸方向に沿って可動側接点２０３へ流れる。

【0041】

図６には可動側接点２０３から可動側コイル２０２へ電流が流れた時の電流経路を破線矢印で示している。可動側接点２０３へ流れた電流は、可動側コイル上面の第一給電部３０４ｂを介して可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂの電流Ｉｍｏと、第二給電部３０５ｂを介して可動側第二コイル３０２ｂの電流Ｉｍｉが、ＸＹ平面において固定側コイル１０２の通電電流Ｉｓｏ、Ｉｓｉと同一方向へ分流し、可動側コイル底面の給電面を通じて、可動側通電軸２０１へ流れる。

【0042】

図８は、図７に示すように電流が固定側通電軸１０１から固定側コイル１０２へ流れた時に発生する磁界の方向を示している。図７において固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａに流れる電流Ｉｓｏは紙面時計回り方向へ通電することから、右ネジの法則に応じて、固定側コイル１０２と同一のＸＹ平面上にはＺ軸方向を主成分とした磁界が発生し、コイルの内側では負方向、外側では正方向の磁界Ｍｓｏが印加される。

【0043】

また、固定側の第二コイル３０２ｂにおいても電流Ｉｓｉが第一コイル３０１ａの電流Ｉｓｏと同一方向へ分流していることから、固定側コイル１０２と同一のＸＹ平面上にはＺ軸方向を主成分とした磁界が発生し、コイルの内側では負方向、外側では正方向の磁界Ｍｓｉが印加される。

【0044】

図９は、図６に示すように電流が可動側通電軸２０１から可動側コイル２０２に流れた時に発生する磁界の方向を示している。図６に示す可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂにおける電流Ｉｍｏの方向は、固定側コイル１０２の電流Ｉｓｏの方向と同一であるため、可動側コイル２０２と同一のＸＹ平面上にはＺ軸方向を主成分とした磁界が発生し、コイルの内側では負方向、外側では正方向の磁界Ｍｍｏが印加される。

【0045】

また、可動側の第二コイル３０２ｂにおいても電流Ｉｍｉが第一コイル３０１ｂの電流Ｉｍｏと同一方向へ分流していることから、可動側コイル２０２と同一のＸＹ平面上にはＺ軸方向を主成分とした磁界が発生し、コイルの内側では負方向、外側では正方向の磁界Ｍｍｉが印加される。また、高電圧大電流のアーク放電を拡散させるためには長ギャップ状態において均一な縦磁界強度を保つ必要がある。

【0046】

図１０は、本実施の形態１によって得られる可動側接点２０３の表面に印加される縦磁界分布を示す。図１０の上段は、図９に示す可動側コイル２０２のａ点からｂ点までに対応した可動側接点２０３の表面の縦磁界分布であり、下段は、可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂの配置図を示す。なお、本実施の形態における縦磁界は、交流電流のピーク時において接点表面に発生する縦磁界分布とする。

【0047】

ここで、固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａと可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂにより印加される縦磁界をＭｉ、固定側コイル１０２の第二コイル３０２ａまたは可動側コイル２０２の第二コイル３０２ｂにより印加される縦磁界をＭｏ、ＭｉとＭｏの合成縦磁界をＭｔ、有効磁界強度をＭｅとする。また、Ｍｍｏは可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂによる縦磁界、Ｍｍｉは可動側コイル２０２の第二コイル３０２ｂによる縦磁界、Ｉｍｏは可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂを流れる電流方向、Ｉｍｉは可動側コイル２０２の第二コイル３０２ｂを流れる電流方向を示す。

【0048】

第一コイル３０１ａ、３０１ｂによる縦磁界Ｍｏは、第一コイル内側にＺ軸正方向のピークを有し、可動側接点２０３の中央では縦磁界が発生しない分布となる。第二コイル３０２ａ、３０２ｂによる縦磁界Ｍｉは、第二コイル内側で発生する縦磁界が強め合い、可動側接点２０３の中央にＺ軸正方向のピークを有する。

【0049】

一方で、第二コイル外側では縦磁界はＺ軸負方向へ反転し、極小値を取る。上記Ｍｏ、Ｍｉの合成縦磁界Ｍｔは、第二コイル３０２ａ、３０２ｂによる縦磁界Ｍｉが弱い領域では、第一コイル３０１ａ、３０１ｂによる縦磁界Ｍｏが補償し、第一コイル３０１ａ、３０１ｂによる縦磁界Ｍｏが弱い領域では第二コイル３０２ａ、３０２ｂによる縦磁界Ｍｉが補償される効果が得られる。

【0050】

特に、可動側接点２０３表面において、有効縦磁界強度Ｍｅより合成縦磁界Ｍｔの方が大きい領域を、アーク拡散に対する有効縦磁界領域Ａｅと定義し、有効縦磁界領域Ａｅが広いほどアークを広く拡散することができ、接点表面の温度上昇を抑制することができる。言い換えると、有効縦磁界領域Ａｅが広いほど、遮断性能が高い。

【0051】

図１０では、可動側接点２０３の周辺部の合成縦磁界Ｍｔが有効縦磁界強度Ｍｅを下回っており、有効縦磁界領域Ａｅが接点中央部のみにアークが拡散する構成となっている。そのため、遮断性能を向上させるためには、接点周辺部において合成縦磁界Ｍｔ ＞ 有効縦磁界強度Ｍｅとなるように設計することで、遮断性能を向上させることが可能となる。この方法については、実施の形態３、５、６で説明する。

【0052】

さらに、真空バルブ１００を閉状態として、固定側通電軸１０１と可動側通電軸２０１の間に電流を通電した場合に、生じるジュール損失を低減する効果も得られる。固定側接点１０３と可動側接点２０３の材質は、ＣｕやＡｇといった導電材料を主とした合金であるが、その導電率は純銅などに比べて低い。

【0053】

したがって、ジュール損失を低減するには、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２内での電流通電経路を分岐することが、方策の一つである。従来のような単一コイルの真空バルブ１００では第二コイル３０２ａを有さない構造のため、第一コイル３０１ａに全電流値の１／３が流れる。一方で、本実施の形態１では、第二コイル３０２ａを設けることで、各コイルに流れる電流を全電流値の１／６に低減できる。したがって、各コイルに生じるジュール損失を１／２に低減でき、連続通電性能を向上させる効果も得られる。

【0054】

実施の形態２．
実施の形態１では図３、図４、図７、図６に示すように、固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａと第二コイル３０２ａの間に空壁３０８ａが、同様に可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂの間に空壁３０８ｂが形成されている。

【0055】

本実施の形態２では空壁３０８ａ、３０８ｂが、同コイル部材と同じ材質で、かつ薄い導体で接続されていてもよいことを特徴とする。薄い導体の抵抗値をＲｔ、コイルの抵抗値をＲｃとしたとき、Ｒｔ＞Ｒｃとなるように、つまり、第一コイル３０１ａ、３０１ｂの抵抗値と第二コイル３０２ａ、３０２ｂの抵抗値とが等しく、導体との抵抗値よりも小さくなるように、設計した場合、通電電流がアーム３０６ａ、３０６ｂを介して第一コイル３０１ａ、３０１ｂから第二コイル３０２ａ、３０２ｂへ導通させることができ、実施の形態１と同様に、接点表面の縦磁界分布を均一化する効果が得られる。さらに、コイル部材の切削量を減少できるため、コスト低減につながる。

【0056】

実施の形態３．
実施の形態１では図１０に示すように、固定側および可動側の第一コイル３０１ａ、３０１ｂと第二コイル３０２ａ、３０２ｂの通電断面積が同じ場合について説明した。実施の形態１においては、第一コイル３０１ａ、３０１ｂの縦磁界Ｍｏに比べて第二コイル３０２ａ、３０２ｂの縦磁界Ｍｉが強く、接点表面における合成縦磁界Ｍｔが接点中央でピークを有する分布となる。

【0057】

図１１は、本実施の形態３における可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂの断面図である。本実施の形態３では第一コイル３０１ａ、３０１ｂの通電断面積をＡｏ、第二コイル３０２ａ、３０２ｂの通電断面積をＡｉとしたとき、Ａｏ＞Ａｉとなることを特徴とする。第一コイル３０１ａ、３０１ｂの断面積が、第二コイル３０２ａ、３０２ｂの断面積より大きいことを特徴とする

【0058】

コイルによって発生する磁界の強度は、電流密度に依存する。そこで、本実施の形態３において、第一コイル３０１ａ、３０１ｂの通電断面積Ａｏを拡大し、通電電流値を増大させる。一方、第二コイル３０２ａ、３０２ｂの通電断面積Ａｉを縮小し、通電電流値を減少させる。

【0059】

図１２は、本実施の形態３によって得られる可動側接点２０３の表面に印加される縦磁界分布を示す図である。図１２の上段は、図１１に示す可動側コイル２０２のａ点からｂ点までに対応した可動側接点２０３の表面の縦磁界分布であり、下段は、本実施の形態３において可動側コイル２０２の拡張された第一コイル３０１ｂと、縮小された第二コイル３０２ｂの配置図である。第一コイル３０１ｂによる縦磁界Ｍｏは、第一コイル内側にＺ軸正方向のピークを有し、可動側接点２０３の中央では縦磁界が発生しない分布となる。

【0060】

第二コイル３０２ｂによる縦磁界Ｍｉは、第二コイル内側で発生する縦磁界が強め合い、可動側接点２０３の中央にＺ軸正方向のピークを有する。一方で、第二コイル外側では縦磁界はＺ軸負方向へ反転し、極小値を取る。上記Ｍｏ、Ｍｉの合成縦磁界Ｍｔは、第二コイル３０２ｂによる縦磁界Ｍｉが弱い領域では、第一コイル３０１ｂによる縦磁界Ｍｏが補償し、第一コイル３０１ｂによる縦磁界Ｍｏが弱い領域では第二コイル３０２ｂによる縦磁界Ｍｉが補償される効果が得られる。

【0061】

実施の形態１においては、第一コイル３０１ａ、３０１ｂの通電断面積Ａｏと第二コイル３０２ａ、３０２ｂの通電断面積Ａｉの関係がＡｏ＝Ａｉであり、第二コイル内側の縦磁界Ｍｉが強調される。一方、第二コイル外側においてＺ軸負方向の縦磁界Ｍｉも強調されてしまうことから、第一コイル３０１ａ、３０１ｂによる縦磁界Ｍｏが相殺され、合成縦磁界Ｍｔは接点周辺部において減少するといった課題があった。

【0062】

そこで、本実施の形態３においては、第一コイル３０１ａ、３０１ｂと第二コイル３０２ａ、３０２ｂの通電断面積の関係がＡｏ＞Ａｉであり、第二コイル内側の縦磁界Ｍｉの強度を抑制できる。そのため、第二コイル外側におけるＺ軸負方向の縦磁界Ｍｉと第一コイル内側におけるＺ軸正方向の縦磁界Ｍｏとの相殺効果を低減できる。よって、第一コイル３０１ａ、３０１ｂによる縦磁界Ｍｏの強度を増加させることができ、合成縦磁界Ｍｔと有効縦磁界強度Ｍｅの関係は、接点全域においてＭｔ＞Ｍｅとなり、遮断性能を向上させることができる。

【0063】

実施の形態４．
実施の形態１において、アーク放電の発生位置は、遮断動作時に固定側接点１０３と可動側接点２０３とが最後に離れる点となる。すなわち固定側接点１０３と可動側接点２０３の微小凹凸などの影響を受けて、アーク放電の発生位置は、固定側接点１０３と可動側接点２０３のどの位置でもなりうる。例えば、アーク放電の発生位置が図１０の有効縦磁界領域Ａｅの外側である場合、接点表面においてアーク放電が局所的に発生し続け、集中加熱されることにより、やがて絶縁破壊に至る。

【0064】

図１３は、本実施の形態４における接点の表面構造を示す図である。図１３では固定側接点１０３と可動側接点２０３の中心部に、Ｚ軸方向に巨視的な凸形状を形成している。具体的には接点表面の有効縦磁界領域Ａｅに対応する箇所を凸形状にしている。つまり、可動側接点２０３の表面と固定側接点１０３の少なくとも１つの表面を凸形状とする。

【0065】

これにより、遮断動作時の固定側接点１０３と可動側接点２０３との最終接触点９０１を、有効磁界領域Ａｅ内としやすく、発生するアーク放電を素早く拡散することができる。これによりアーク放電による局所加熱を回避し、遮断性能を安定化させることができる。

【0066】

実施の形態５．
実施の形態１では、図１０に示すように、Ｚ軸方向において第一コイル３０１ａ、３０１ｂと第二コイル３０２ａ、３０２ｂの位置が同じ状態について説明した。実施の形態１においては、第一コイル３０１ａ、３０１ｂの通電断面積Ａｏと第二コイル３０２ａ、３０２ｂの通電断面積Ａｉの関係がＡｏ＝Ａｉであり、第二コイル内側の縦磁界Ｍｉが強調される。

【0067】

一方、第二コイル外側においてＺ軸負方向の縦磁界Ｍｉも強調されてしまうことから、第一コイル３０１ａ、３０１ｂによる縦磁界Ｍｏが相殺され、合成縦磁界Ｍｔは接点周辺部において減少するといった課題があった。

【0068】

図１４は、本実施の形態５の構成と接点表面の縦磁界分布を示す図である。図１４の上段は図９に示す可動側コイル２０２のａ点からｂ点までに対応した可動側接点２０３の表面の縦磁界分布であり、下段は、可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂ、および可動側接点２０３の断面図の位置関係、ならびに第一コイル３０１ｂにより発生する磁界Ｍｍｏと第二コイル３０２ｂにより発生する磁界Ｍｍｉを示す。

【0069】

実施の形態５では、Ｚ軸方向における第一コイル３０１ｂと可動側接点２０３の距離Ｌｍｏと、第二コイル３０２ｂと可動側接点２０３の距離Ｌｍｉの関係がＬｍｉ＞Ｌｍｏとなるよう配置される。これにより第二コイル内側の縦磁界Ｍｉの強度を抑制できる。そのため、第二コイル外側におけるＺ軸負方向の縦磁界Ｍｉと第一コイル内側におけるＺ軸正方向の縦磁界Ｍｏとの相殺効果を低減できる。

【0070】

ここでは可動側コイル２０２の例で説明したが、固定側コイル１０２も同様である。固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａの上面と固定側接点１０３の表面との距離Ｌｓｏ、第二コイル３０２ａの上面と固定側接点１０３の表面との距離Ｌｓｉの関係がＬｓｉ＞Ｌｓｏとなるよう配置される。両方のコイルが合わさるとの大小関係がＬｍｉ＝Ｌｓｉ＞Ｌｍｏ＝Ｌｓｏとなるように配置される。

【0071】

よって、第一コイル３０１ａ、３０１ｂによる縦磁界Ｍｏの強度を増加させることができ、合成縦磁界Ｍｔと有効縦磁界強度Ｍｅの関係は、接点全域においてＭｔ＞Ｍｅとなるため、遮断性能を向上させることができる。

【0072】

実施の形態６．
実施の形態１において、アーク放電の発生位置は、遮断動作時に固定側接点１０３と可動側接点２０３とが最後に離れる点となる。すなわち固定側接点１０３と可動側接点２０３の微小凹凸などの影響を受けて、アーク放電の発生位置は、固定側接点１０３と可動側接点２０３のどの位置でもなりうる。例えば、アーク放電の発生位置が図１０の有効縦磁界領域Ａｅの外側にある場合、接点表面においてアーク放電が局所的に発生し続け、加熱されることにより、やがて絶縁破壊に至る。

【0073】

図１５は実施の形態１における、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２との回転角を説明する正面図である。図１５は、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２との中心を原点Ｏとし、この原点Ｏから紙面上の上方向に伸びた基準軸θｏから時計回りを正の角度とした場合の固定側コイル１０２と可動側コイル２０２の正面図である。図１５の上の図が固定側コイル１０２、図１５の下の図が可動側コイル２０２を表す。

【0074】

図１５を参照して、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２は第一コイル３０１ａ、３０１ｂを２個有する。固定側コイル１０２の角度θｓ１は、基準軸θｏから原点Ｏを中心に正方向に線分を回転させた場合に、最初に接する先端部３０５ｓｔとこの線分とが成す角度である。

【0075】

同様に角度θｓ２は、基準軸θｏから原点Ｏを中心に正方向に線分を回転させた場合に、角度θｓ１の次に接する先端部３０５ｓｔとこの線分とが成す角度である。つまり、アーム毎に分割されるターン毎の先端部３０５ｓｔの角度である。コイル部は周方向にターンに分割される。なお、固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａと第二コイル３０２ａは複数（ｉ）個配置されていてもよく、それらの角度をまとめて角度θｓｎ（ｎ＝１、２、…、ｉ）とする。

【0076】

同様に、可動側コイル２０２の角部θｍ１は、基準軸θｏから原点Ｏを中心に正方向に線分を回転させた場合に、最初に接する先端部３０５ｍｔとこの線分とが成す角度である。同様に角度θｍ２は、基準軸θｏから原点Ｏを中心に正方向に線分を回転させた場合に、角度θｍ１の次に接する先端部３０５ｍｔとこの線分とが成す角度である。なお、可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂと第二コイル３０２ｂは複数（ｉ）個配置されていてもよく、それらの角度をまとめて角度θｍｎ（ｎ＝１、２、…、ｉ）とする。

【0077】

実施の形態１においては、角度（θｓｎ―θｍｎ）＝０度となるよう配置されている。言い換えると、固定側スリット３０７ａと可動側スリット３０７ｂとが重なる状態となる。つまり、ターン間の空壁３０８ａ、３０８ｂが軸方向において重なる状態となる。

【0078】

この場合、第一コイル３０１ａ、３０１ｂの上面の給電部３０４ａ、３０４ｂと第二コイル３０２ａ、３０２ｂの上面の給電部３０５ａ、３０５ｂにおける通電電流はＺ軸方向に流れる。したがって、本構造において給電部直上の接点表面は、縦磁界が発生しない弱点部となる。したがって、アーク放電が発生する電極乖離直後（短ギャップ時）にこの弱点部でアーク放電が発生した場合、アーク放電が拡散するまでの時間が長くなり、温度上昇により絶縁破壊に至る可能性が高い。

【0079】

図１６は、実施の形態６における、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２との回転角を説明する正面図である。図１６の上の図が固定側コイル１０２、図１６の下の図が可動側コイル２０２を表す。

【0080】

図１６に示すように本実施の形態６においては、角度（θｓｎ―θｍｎ）＝１８０／ｉ度となるよう配置されている。言い換えると、固定側スリット３０７ａと可動側スリット３０７ｂとが直交する状態となる。ここで、ｎはコイル部が分割される数をいい、ターン数をいう。ターン数がｎ個の場合に、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２における空壁の軸方向における位置関係が、１８０／ｎ度ずれることになる。

【0081】

本構造では、アーク放電が発生する電極乖離直後において、固定側コイル１０２の上面の給電部３０４ａ、３０５ａ直上の接点表面には、可動側コイル２０２による縦磁界が印加されるため、弱点部を補償することができる。逆に、可動側コイル２０２の上面の給電部３０４ｂ、３０５ｂ直上の接点表面には、固定側コイル１０２による縦磁界が印加されるため、弱点部を補償することができる。したがって、弱点部にアーク放電が発生する確率を低減し、遮断性能を安定化させることができる。

【0082】

実施の形態７
実施の形態１においては、固定側コイル１０２と可動側コイル２０２が同一金属あるいは合金で形成されており、ＣｕやＡｇ等の低抵抗材料の使用を想定した。本実施の形態７では可動側第二コイル３０２ａと固定側コイル１０２の第二コイル３０２ａの材料は、例えば前記金属に加えて、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等の金属あるいは、これらの合金で形成されていてもよい。

【0083】

このとき、可動側コイル２０２の第一コイル３０１ｂと固定側コイル１０２の第一コイル３０１ａの抵抗値をＲｏ、本実施の形態７で示した金属あるいは、それらの合金で構成された可動側第二コイル３０２ａおよび固定側コイル１０２の第二コイル３０２ａの抵抗率をＲｉとしたとき、Ｒｉ＞Ｒｏを満たすことを特徴とする。つまり、第一コイル３０１ａ、３０１ｂの抵抗率が、第二コイル３０２ａ、３０２ｂの前記抵抗率より小さくなることを特徴とする。

【0084】

Ｒｉ＞Ｒｏと設計することにより、第一コイル３０１ａ、３０１ｂへ流れる電流値を増大させ、第二コイル３０２ａ、３０２ｂへ流れる電流値を減少させることで、固定側接点１０３および可動側接点２０３の表面における周辺部の縦磁界強度を強めることができる。これにより、有効縦磁界領域Ａｅが接点全域に広がることで、遮断性能の向上をもたらすことができる。

【符号の説明】

【0085】

１：固定側電極、２：可動側電極、３：絶縁容器、４：固定側端板、５：可動側端板、６：ベローズ、７：ベローズシールド、８：アークシールド、１００：真空バルブ、１０１：固定側通電軸、１０２：固定側コイル、１０３：固定側接点、１０４：固定側軸面、２０１：可動側通電軸、２０２：可動側コイル、２０３：可動側接点、２０４：可動側軸面、３０１ａ：固定側第一コイル、３０２ａ：固定側第一コイル、３０３ａ：固定側コイル底面給電部、３０４ａ：固定側コイル上面第一給電部、３０５ａ：固定側コイル上面第一給電部、３０６ａ：固定側アーム、３０７ａ：固定側スリット、３０８ａ：固定側空壁、３０１ｂ：可動側第一コイル、３０２ｂ：可動側第二コイル、３０４ｂ：可動側コイル上面第一給電部、３０５ｂ：可動側コイル上面第二給電部、３０６ｂ：可動側アーム、３０７ｂ：可動側スリット、３０８ｂ：可動側空壁、３０５ｓｔ：固定側コイル上面外側給電部先端、９０１：最終接触点。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】