JP3590472B2 - 真空遮断器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は真空遮断器に関するものであり、特にベローズの固有振動周期の位相と、ベローズが駆動装置から受ける駆動力の加速度の位相との関係を調節することにより、ベローズの疲労寿命の長期化を図ったベローズを備える真空遮断器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９に従来の真空バルブ１を示す。円筒型の絶縁容器２の両端には固定電極側端板３と可動電極側端板４とが気密に取り付けられ、真空容器を構成している。固定電極側端板３には先端に固定電極５を備える電極棒６が貫通して気密に取り付けられ、一方、可動電極側端板４の中央にはベローズ７が気密に取り付けられ、先端に可動電極８を備える可動電極棒９はベローズ７の内側を挿通してベローズ７の他側と気密に連結されている。このような真空バルブ１では、以上の構成により内部の真空を保っている。
なお、真空バルブ１は固定電極４と可動電極８との開閉動作により大電流の投入／遮断を繰り返し行うため、電流遮断時に発生するアーク等により固定電極５および可動電極８の成分が絶縁容器２の内壁に付着しないようにアークシールド１０を設けている。
【０００３】
また、真空バルブ１の可動電極棒９はカムおよびばね等を用いた機械式の操作装置である駆動装置１１に連結されている。
このような真空バルブ１に於いては、駆動装置１１が可動電極棒９を駆動して、可動電極８が固定電極５に対して離間した状態である開位置から、電流を投入するために可動電極８が固定電極５に当接する閉位置まで移動する閉成動作と、固定電極５と可動電極８との間に流れる電流を遮断するために可動電極８が閉位置から開位置まで移動する開離動作とからなる開閉動作を行うことにより電流を断続的に流す装置として用いることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、真空バルブ１は電流を投入／遮断するために、固定電極５と可動電極８との開閉動作を高速で行う必要がある。また、図１０に示すように一般的に駆動装置１１の第１時点である開閉動作開始時および第２時点である開閉動作完了時には、ベローズ７に駆動装置１１が可動電極棒９を駆動する駆動力の加速度が伝わる。このため、真空バルブ１を高速で駆動させると、ベローズ７の中心付近に過渡振動が生じ、過渡振動減衰後に残る静的な応力よりも高い応力ピークが生じる。従って、一般的にベローズの疲労寿命は定速動作時よりも高速動作時の方が低下する。
一般的に、図１０に示すように第１時点である開閉動作開始時に於いてベローズ７の固有振動の加速度Ａが発生する位相と、ベローズ７を振動させる第１の加速度であるベローズ７が駆動装置１１から受ける駆動力の加速度Ａ’の位相とが同位相になることは避けられない。しかし、このように第２時点である開閉動作完了時に於いても固有振動の加速度Ａの位相と、第１の加速度と反対方向に駆動装置１１が可動電極棒９の移動を制止するために発生する第２の加速度である駆動力の加速度Ａ’の位相とが同位相となる場合には、ベローズ７の中心付近に生じる過渡振幅が増幅されるため、ベローズ７の疲労寿命の低下が著しくなり、また、開離動作と閉成動作とで可動電極棒９の駆動速度が異なる場合には、開閉動作完了時に於いてベローズ７の固有振動の加速度Ａが発生する位相とベローズ７が駆動装置１１から受ける駆動力の加速度Ａ’の位相とが同位相となる確率が高くなるので、ベローズ７の疲労寿命の低下がより一層顕著になるという問題があった。
さらにまた、駆動装置１１が固定電極５と可動電極８との開閉動作完了時の衝撃を緩和するための衝撃緩和装置を備える場合は、可動電極棒９の変位Ｌおよび駆動力の加速度Ａ’の時間変化特性は図１１のように動作停止前に変位Ｌの変化量が変曲点を境に緩やかになる。このような駆動装置１１により駆動される真空バルブ１では、開閉動作完了時だけでなく、変曲点に於いても駆動力の加速度が発生するため、この変曲点に於いて固有振動の加速度の位相と駆動力の加速度の位相とが同位相となるとベローズの疲労寿命の低下がより一層顕著となるという問題があった。
【０００５】
一般的にベローズの疲労寿命の低下は、ベローズの疲労破壊を通じて真空バルブの真空破壊を招くため、真空バルブとしての機能喪失という致命的な問題を引き起こす可能性がある。
また、このような問題を解決するためにベローズの疲労寿命の向上を図る方法として、ベローズの山数、軸方向および径方向の寸法増加等によるベローズ自体の大型化により、過渡振動等によるベローズが受ける応力を相対的に低減し、疲労寿命に余裕を持たせる方法があるが、ベローズの大型化は真空バルブの大型化を招くためコストが嵩むという課題があり、さらにまた、ベローズを大型化しても、ベローズの固有振動の加速度の位相と、ベローズが駆動装置１１から受ける駆動力の加速度の位相とが同位相となる条件で使用すると、前述した問題と同様な問題が生じるため、ベローズの疲労寿命の向上に十分な効果が得られない場合もあるという課題があった。
【０００６】
従って、この発明の目的は上述したような課題を解決したベローズを備える真空バルブを提供することであり、特に、既存のパーツを用いて疲労寿命の長期化を図ったベローズを備える経済性および信頼性の高い真空遮断器を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の真空遮断器は、円筒状の真空容器と、真空容器を貫通して気密に取り付けられ、少なくとも一方が真空容器内で閉位置および開位置間で移動可能な可動電極である一対の電極と、可動電極に設けられて、可動電極を真空容器に対して可動かつ気密にするべローズと、可動電極に連結されて、可動電極を閉位置および開位置間で駆動し、可動電極の開閉動作中の早くとも開閉動作開始時である第１時点で可動電極に連結されたべローズを振動させる第１の加速度を与え、可動電極の開閉動作中遅くとも開閉動作完了時である第２時点で第１の加速度と反対方向の第２の加速度を与える操作装置とを備え、開閉動作の開離動作および閉成動作の少なくとも一方に於いて、べローズ全体の軸方向の固有振動周期Ｔ１、べローズに第１の加速度が発生する第１時点から第２の加速度が作用する第２時点までの時間間隔Ｔ２および整数Ｎが、Ｎ−１／４＜Ｔ２／Ｔ１＜Ｎ＋１／４を満たす関係にある。
【０００８】
請求項２記載の真空遮断器に於いては、第１時点が可動電極の開閉動作が開始される開閉動作開始時である。
【０００９】
請求項３記載の真空遮断器に於いては、第２時点が可動電極の開閉動作が完了した開閉動作完了時である。
【００１０】
請求項４記載の真空遮断器に於いては、操作装置が衝撃緩和装置を備え、第２時点が可動電極の開閉動作完了前にある。
【００１１】
請求項５記載の真空遮断器に於いては、べローズは、互いに気密に連結されて山数が互いに異なる複数のべローズ片を備えてなる。
【００１２】
請求項６記載の真空遮断器に於いては、べローズは、複数のべローズ片と、べローズ片を互いに気密に連結する連結具を備えてなる。
【００１３】
請求項７記載の真空遮断器に於いては、操作装置が、可動電極の開離動作時と閉成動作時とでその駆動速度が互いに異なり、電極間の距離を開離動作時と閉成動作時とで異ならしめる電極間距離調節装置を備えてなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１および図２にこの発明の真空バルブ１２および固有振動周期調節型のベローズ１３を示す。真空バルブ１２に於いて、ベローズ１３以外の構成は従来例と全く同様である。
ベローズ１３は図２に詳しく示すように、山数の異なる複数のベローズ片であるベローズ片１４、１５を気密に連結する連結具である連結金具１６で連結したものである。従って、ベローズ片１４、１５の山数の組み合わせを変えることにより、ベローズ１３の固有振動周期を自在に調節することができる。なお、このように複数のベローズ片１４、１５の組み合わせにより、ベローズ１３の全体の長さ、定速駆動時の静的な発生応力の特性、バネ定数等をも調節することができる。
【００１５】
ここで、ベローズ１３の固有振動周期をＴ１、開離動作および閉成動作の所要時間をＴ２とすると一般的にＴ１≪Ｔ２であるから、Ｔ１、Ｔ２および整数Ｎが、
Ｔ２＝ＮＴ１・・・（１）
を満たすようにＴ１を設定すれば、可動電極棒９の変位Ｌ、駆動力の加速度Ａ’、ベローズ１３の中心付近における軸方向の変位Ｘおよびベローズ１３の加速度Ａの時間変化特性は図３に示すようになる。このとき、当接および離間動作終了時に駆動力の加速度Ａ’と加速度Ａとが逆位相となり、駆動力の加速度Ａ’がベローズ１３の振動を制止する方向に働くので、ベローズ１３に掛かる応力が低下し、ベローズ１３の疲労寿命を延ばすことが可能である。
また、（１）式は理想的な条件であるが、（１）式を常に満たすことは困難である。一方、駆動力の加速度Ａ’と加速度Ａとの位相が一致していなくても、互いに逆位相であれば、小さいながらも理想条件と同様の効果が得られる。
ここで、駆動力の加速度Ａ’と加速度Ａとが逆位相となるためには、（１）式の条件を示す図３に於いて、Ｔ１のずれが前後四半周期以内であれば良い。よって、Ｔ１、Ｔ２、Ｎが、
Ｎ−１／４＜Ｔ２／Ｔ１＜Ｎ＋１／４・・・（２）
を満たすようにベローズ片１４、１５を組み合わせてＴ１を設定すれば、開閉動作完了時にベローズ１３の振動を制止する方向に駆動力の加速度Ａ’が働き、ベローズ１３の疲労寿命を延ばすことができる。
【００１６】
この実施形態に於いては、既存のベローズ片の組み合わせによりベローズ全体としての固有振動周期を調節することができるので、経済的に、また、全体の長さ、定速駆動時の静的な発生応力の特性、バネ定数等をも調節することができるので、ベローズ全体の長さを従来のベローズの長さと変えることなく、従って、真空バルブの大きさを変えることなく疲労寿命が長く信頼性の高いベローズを備える真空遮断器を提供することができる。
【００１７】
また、実施形態１では２種類のベローズ片３つを用いてベローズ１３を構成したが、ベローズ１３の固有振動周期Ｔ１を調節するために互いに山数の異なる複数のベローズ片を本実施形態とは異なる組み合わせで用いてベローズ全体の固有振動周期を調節しても同様の効果を得ることができる。
【００１８】
実施の形態２．
図４にこの発明の他の実施形態の真空バルブの固有振動周期調節型のベローズ２１を示す。実施形態２の真空バルブに於いて、ベローズ２１以外の構成は実施形態１と全て同様である。
ベローズ２１は図４に詳しく示すように、全く同一の３つのベローズ片２２を互いに質量の異なる連結金具２３と、連結金具２４とで真空漏れのないように気密に連結したものである。この実施形態２に於いては、複数のベローズ片２２を連結している連結金具２３、２４の質量の組み合わせを変えることにより、ベローズ２１の固有振動周期を自在に調節することができる。
【００１９】
この実施形態２に於いても実施形態１と同様にベローズ２１の固有振動周期Ｔ１、開離動作および閉成動作の所要時間Ｔ２および整数Ｎが、実施形態１に記した（２）式を満たすようにＴ１を設定すれば、実施形態１と同様に疲労寿命が長く信頼性の高いベローズ２１を備えた真空バルブを提供することができる。
【００２０】
また、実施形態２では３つの同一のベローズ片を互いに質量の異なる２つの連結金具２３、２４で連結してベローズ２１を構成したが、ベローズ２１の固有振動周期Ｔ１を調節するために複数の同一のベローズ片の数量および連結金具の質量を本実施形態とは異なる組み合わせとしてベローズ２１を構成しても、上記の場合と同様の効果を得ることができる。
【００２１】
実施の形態３．
図５にこの発明の真空バルブの他の実施形態を示す。この実施形態３に於いて、駆動装置３１以外の構成は実施形態１と同様である。
実施形態３の真空バルブ３０の駆動装置３１は、当接および離間動作終了時に働く衝撃緩和装置（図示しない）を備えるので、真空バルブ３０の可動電極棒９の変位Ｌおよび駆動力の加速度Ａ’の時間変化特性は図６に示すように動作停止前に変位Ｌの変化量が不連続点である変曲点３２を境に緩やかになり、これに伴い、前述したように変曲点３２ではベローズ３３に掛かる駆動力の加速度Ａ’が発生する。
【００２２】
ここで、実施形態１と同じ原理により、ベローズ３３の固有振動周期Ｔ１と、開閉動作開始時から駆動装置３１の時間変位における変曲点３２までの所要時間Ｔ３と、整数Ｎとが、
Ｎ−１／４＜Ｔ３／Ｔ１＜Ｎ＋１／４・・・（３）
を満たすように連結金具３４により気密に連結されベローズ３３を構成するべローズ片３５、３６の組み合わせを変えてＴ１を調節すれば、変曲点３２に於けるベローズ３３の固有振動の加速度の位相と駆動力の加速度の位相とを逆位相とすることができる。
また、このように衝撃緩和装置を備える駆動装置３１に於いても開閉動作開始時にベローズ３３に働く駆動力の加速度が発生することは実施形態１と同様である。従って、ベローズ３３の固有振動周期Ｔ１、開離動作および閉成動作の所要時間Ｔ２および整数Ｎが、実施形態１で示した（２）式を満たすと同時にＴ１、Ｔ３およびＮが（３）式を満たすようにＴ１を調節すれば、変曲点３２と開閉動作完了時との両方に於いてベローズ３３の固有振動の加速度の位相と駆動力の加速度の位相とを逆位相とすることができるので、ベローズ３２の疲労寿命の長期化が図れると同時に真空バルブ３０の信頼性の向上が図れる。
【００２３】
このように駆動装置３１が衝撃緩和装置を備える実施形態３の真空バルブ３０に於いては、実施形態２と同様に複数の同一のベローズ片同士を連結する連結金具の質量を変えてベローズ３３の固有振動周期Ｔ１を調節しても同様な効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態４．
図７にこの発明の真空バルブの他の実施形態を示す。この実施形態４に於いては、駆動装置４０の構成は実施形態１と同一である。
実施形態４の真空バルブ４１の駆動装置は、開離動作時および閉成動作時とで可動電極棒９の駆動速度がそれぞれＶ、Ｖ’と異なる。
そこで、実施形態４では、図８に示すように開離動作と閉成動作とのそれぞれの所要時間Ｔ２が等しくなるように、駆動装置４０に設けられた電極間距離調節装置（図示しない）が開離動作時と閉成動作時に於ける可動電極９の変位となる固定電極５と可動電極９との間の電極間距離を両動作の合間に調節している。従って、開離動作時の変位Ｄ、閉成動作時の変位Ｄ’およびＶ、Ｖ’は
Ｄ／Ｖ＝Ｄ’／Ｖ’＝Ｔ２・・・（４）
を満たす。
また、駆動装置４０はカムおよびばね等を用いた機械式のもの、またはソレノイド等を用いた電磁式のものであるが、駆動装置４０が機械式の場合はカムの回転角等を調節することによって、電磁式の場合はソレノイドに流れる電流を制御することによって、（４）式を満たすことが可能である。なお、このような電極間距離の調節は、電極間距離が十分離れた状況に於いて駆動力の加速度がほとんど発生しないように滑らかに行うものであり、真空バルブ４１の疲労寿命および機能等に支障は来さないものである。
【００２５】
従って、実施形態４に於いても実施形態１と同様な原理で真空バルブ４１のベローズ４２を構成する連結金具４３で気密に連結された互いに山数の異なる複数のベローズ片４４、４５をベローズ４２の固有振動周期Ｔ１と、開離動作および閉成動作の所要時間Ｔ２と、整数Ｎとが実施形態１に記した（１）式を満たすように調節すれば、開閉動作完了時に於ける固有振動の加速度の位相とベローズ４２が受ける駆動力の加速度の位相とが逆位相となるので、ベローズ４２の疲労寿命の長期化および真空バルブ４１の信頼性の向上を図ることができる。
【００２６】
このように実施形態４の真空バルブ４１に於いては、実施形態２と同様に複数の同一のベローズ片同士を気密に連結する連結金具４３の質量を変えてベローズ４２の固有振動周期Ｔ１を調節しても同様な効果を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の真空遮断器は、円筒状の真空容器と、真空容器を貫通して気密に取り付けられ、少なくとも一方が真空容器内で閉位置および開位置間で移動可能な可動電極である一対の電極と、可動電極に設けられて、可動電極を真空容器に対して可動かつ気密にするべローズと、可動電極に連結されて、可動電極を閉位置および開位置間で駆動し、可動電極の開閉動作中の早くとも開閉動作開始時である第１時点で可動電極に連結されたべローズを振動させる第１の加速度を与え、可動電極の開閉動作中の遅くとも開閉動作完了時である第２時点で第１の加速度と反対方向の第２の加速度を与える操作装置とを備え、開閉動作の開離動作および閉成動作の少なくとも一方に於いて、べローズ全体の軸方向の固有振動周期Ｔ１、べローズに第１の加速度が発生する第１時点から第２の加速度が作用する第２時点までの時間間隔Ｔ２および整数Ｎが、Ｎ−１／４＜Ｔ２／Ｔ１＜Ｎ＋１／４を満たす関係にあるので、開閉動作完了時に於いてベローズが駆動装置から受ける駆動力の加速度とベローズ全体の固有振動の加速度とが逆位相となり、ベローズに掛かる応力を低減させることによりベローズの疲労寿命を延ばすことが可能である。
【００２８】
請求項５記載の真空遮断器に於いては、べローズは、互いに気密に連結されて山数が互いに異なる複数のべローズ片を備えてなるので、ベローズ片の組み合わせを変えることにより、ベローズの固有振動周期を調節することができる。
【００２９】
請求項６記載の真空遮断器に於いては、べローズは、複数のべローズ片と、べローズ片を互いに気密に連結する連結具を備えてなるので、連結具の質量を変えることによりベローズの固有振動周期を調節することができる。
【００３０】
請求項７記載の真空遮断器に於いては、操作装置が、可動電極の開離動作時と閉成動作時とでその駆動速度が互いに異なり、電極間の距離を開離動作時と閉成動作時とで異ならしめる電極間距離調節装置を備えてなるので、開離動作と閉成動作との所要時間を調節することにより、開閉動作完了時に於けるベローズが駆動装置から受ける駆動力の加速度とベローズの固有振動の加速度とを逆位相とすれば、ベローズに掛かる応力を低減させることによりベローズの疲労寿命を延ばすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の真空遮断器を示す概念図である。
【図２】この発明の真空遮断器のベローズを示す概念図である。
【図３】この発明の真空遮断器のベローズの動作の時間変化特性を表す図である。
【図４】この発明の他の実施形態の真空遮断器のベローズを示す概念図である。
【図５】この発明の他の実施形態の真空遮断器のベローズを示す概念図である。
【図６】この発明の他の実施形態の真空遮断器のベローズの動作の時間変化特性を表す図である。
【図７】この発明の他の実施形態の真空遮断器のベローズを示す概念図である。
【図８】この発明の他の実施形態の真空遮断器のベローズの動作の時間変化特性を表す図である。
【図９】従来の真空遮断器のベローズを示す概念図である。
【図１０】従来の真空遮断器のベローズの動作の時間変化特性を表す図である。
【図１１】従来の真空遮断器の衝撃緩和装置を備える駆動装置によるベローズの動作の時間変化特性を表す図である。
【符号の説明】
２ 絶縁容器、３ 固定電極側端板、４ 可動電極側端板、５ 固定電極、６電極棒、８ 可動電極、９ 可動電極棒、１０ アークシールド、１１，３１、４０ 駆動装置、１２，３０，４１ 真空バルブ、１３，２１，３３，４２ ベローズ、１４，１５，２２，３５，３６，４４，４５ ベローズ片、１６，２３，２４，３４，４３ 連結金具、３２ 変曲点。

Claims (7)

1. 円筒状の真空容器と、
   上記真空容器を貫通して気密に取り付けられ、少なくとも一方が上記真空容器内で閉位置および開位置間で移動可能な可動電極である一対の電極と、
   上記可動電極に設けられて、上記可動電極を上記真空容器に対して可動かつ気密にするべローズと、
   上記可動電極に連結されて、上記可動電極を上記閉位置および上記開位置間で駆動し、上記可動電極の開閉動作中の早くとも開閉動作開始時である第１時点で上記可動電極に連結された上記べローズを振動させる第１の加速度を与え、上記可動電極の開閉動作中の遅くとも開閉動作完了時である第２時点で上記第１の加速度と反対方向の第２の加速度を与える操作装置とを備え、
   上記開閉動作の開離動作および閉成動作の少なくとも一方に於いて、上記べローズ全体の軸方向の固有振動周期Ｔ１、上記べローズに上記第１の加速度が発生する上記第１時点から上記第２の加速度が作用する上記第２時点までの時間間隔Ｔ２および整数Ｎが、
   Ｎ−１／４＜Ｔ２／Ｔ１＜Ｎ＋１／４
   を満たす関係にある真空遮断器。
2. 上記第１時点が上記可動電極の上記開閉動作が開始される開閉動作開始時である請求項１記載の真空遮断器。
3. 上記第２時点が上記可動電極の上記開閉動作が完了した開閉動作完了時である請求項１あるいは２記載の真空遮断器。
4. 上記操作装置が衝撃緩和装置を備え、上記第２時点が上記可動電極の開閉動作完了前にある請求項１あるいは２記載の真空遮断器。
5. 上記べローズは、互いに気密に連結されて山数が互いに異なる複数のべローズ片を備えてなる請求項１乃至４のいずれか記載の真空遮断器。
6. 上記べローズは、複数のべローズ片と、上記べローズ片を互いに気密に連結する連結具を備えてなる請求項１乃至５のいずれか記載の真空遮断器。
7. 上記操作装置が、上記可動電極の上記開離動作時と上記閉成動作時とでその駆動速度が互いに異なり、上記電極間の距離を上記開離動作時と上記閉成動作時とで異ならしめる電極間距離調節装置を備えてなる請求項１乃至６のいずれか記載の真空遮断器。

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