JP4640148B2 - 真空容器とその真空容器を用いた電力流通用開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力流通用開閉装置に用いる真空容器及び電力流通用開閉装置に関するものである。

通常、真空容器は、各種溶接やフランジとガスケットとの組合せで作製されることが多い。すなわち、各種溶接やフランジとガスケットとを用いる方法は、超高真空容器などでも広く適用されており信頼性は高い。

例えば、フランジとガスケットとに関するものでは、特開平７−２４５８４号公報，特開平９−１９７０７５号公報，特開２００１−２２７６４３号公報があり、溶接に関するものでは、特開２００３−１１７６５５号公報がある。

但し、これらフランジとガスケットおよび各種溶接を用いて真空容器を作製するプロセスは、多くのノウハウがあり、高い技術を必要とする。特に、溶接により、真空遮断器用の真空容器を作製する場合には、飛び散った酸化物等が原因で絶縁破壊が生じる恐れもあり、細心の注意を要する。また、フランジとガスケットとを用いた場合は、材料の経年劣化の点で溶接よりも信頼性および製品寿命の点で劣る。

これらの従来技術は、大量生産には不向きであり、コスト高になりやすい。

はんだ付およびろう付等の接合媒体を用いて、炉中封止により真空容器を作製すると、生産性を飛躍的に向上させることができる。ろうを用いて真空容器を作製する方法としては、特開平５−２９０６８９号公報があるが、被接合物が大口径かつ薄肉化された真空容器においては、ろう材のセッティングにおける作業性が極めて悪くなる。

また、大型構造物であることから寸法公差が大きくなり、その為に生じるギャップの制御が難しく、ろう付不良によるリークが発生しやすくなる。

従来のろう付技術は、被接合物の間のギャップ制御が容易なものが対象である。容積１Ｌ以上の比較的大型かつ容器肉厚が４mm以下の薄い真空容器では、被接合物の間のギャップ制御が難しく、一般的なろう付方法では困難を伴う。

特開平７−２４５８４号公報 特開平９−１９７０７５号公報 特開２００１−２２７６４３号公報 特開２００３−１１７６５５号公報 特開平５−２９０６８９号公報

本発明は、容積１Ｌ以上２０Ｌ以下で、容器の板厚が１mm以上４mm以下の真空容器をろう付によって作製することを目的とし、特に、信頼性が高くかつ量産性に優れた真空容器を提案し、さらに、高信頼性であり、低コストな電力流通用開閉装置を提供することにある。

本発明の真空容器は、容積が１Ｌ以上２０Ｌ以下であって、板厚が１mm以上４mm以下であり、二つの被接合物をろう付によって接合して形成したものである。そして、二つの被接合物のうち、どちらか一方の被接合物であって、二つの被接合物の接合面に隣接する場所にろう材を保持する部位を設けることを特徴とする。

ろう材を保持する部位と真空容器との間隔は、０.２〜５mm であることが好ましい。また、被接合物の一部が、主として鉄，クロム，ニッケル，銅，チタン，アルミニウム，シリコン，コバルトの元素の内、少なくとも１つ以上を含む金属であること好ましい。

そして、こうした真空容器は、電力流通用開閉装置に用いられる。

本発明により、ろう付によって真空容器を作製することができ、高い信頼性を有する真空容器および電力流通用開閉装置を提供することができる。

本発明は、容積１Ｌ以上２０Ｌ以下で、かつその容器の板厚が１mm以上４mm以下の電力流通用開閉装置用真空容器を作製する場合に効果が発揮される。

以下に、本発明のろう付による真空容器の実施例を説明する。

通常、高真空用の真空容器を製造する際には、ガスケットや溶接などによって、継ぎ目部分が封止されるが、その為には少なくとも容器の肉厚は５mm程度以上を確保しておかなければならない。

真空を絶縁媒体とする電力流通用開閉装置の概略を図１に示す。

図１は、本発明のろう付方法を適用して作製した電力流通用開閉装置の概略断面図である。

３４，３５は、本発明のろう付方法によるろう材の保持部である。

接地真空容器１は、組立て前は３４，３５を境に上下で分離されており、本発明のろう付方法により接合した。

接地真空容器１には、２つの遮断器部又は断路器部の可動電極１２，１３及び固定電極１０，１１と、１つの接地装置部の可動電極１５及び固定電極１４が収容され、又接地真空容器１に取り付けた真空圧力測定装置の真空圧力測定端子２５が設けられている。

２つの遮断器部又は断路器部を一列にし、１つの接地装置部と外部接続導体２７とを一列に互いに並列に配置したものである。

外部接続導体２７は、接地真空容器１外で中央部に円筒状のアルミナ，ジルコニア等のセラミックスからなる絶縁物を挟んで上下に非磁性ステンレス鋼のキャップによって接地真空容器１に絶縁されて接続されている。

接地真空容器１は大部分が強度の高い金属、例えば非磁性ステンレス鋼などの導電性材料で構成される。そして接地真空容器１は接地されている。又、接地真空容器１の真空圧力は、真空度測定装置によって監視される。

接地真空容器１と真空容器内部導体との絶縁は、前述のセラミックスからなる絶縁物４，５，１９，２０，２１，２６によって保たれている。

接地真空容器１の内部に、接離自在な固定電極１０と可動電極１２，固定電極１１と可動電極１３，固定電極１４と可動電極１５が配置され、各可動電極を操作機構の指令によって接離させて投入及び切動作を行う。

可動電極１２，１３，１５は、それぞれ可動導体１６，１７，１８に接続され、それぞれ絶縁物１９，２０，２１を介して、可動ロッド２８，２９，３０に接続され、操作機構部へと接続される。

可動ロッド２８，２９，３０は、それぞれベローズ２２，２３，２４により気密に封止される。固定電極１０と可動電極１２，固定電極１１と可動電極１３の接続部分の周囲は、非磁性ステンレス鋼からなるシールドカバーが設けられている。

固定電極１０は、接続導体２に接続され、接地真空容器１の外部との接続が行われる。同様に、固定電極１１は、接続導体３に接続され、接地真空容器１の外部との接続が行われる。

接続導体２，３は接地真空容器１外では、更に絶縁物４，５によって被われている。

外部と接続される接続導体２と接続導体３との間は、可動導体１７からフレキシブル導体３１を介して可動導体１６に接続されるため、可動電極１３，可動電極１２が入状態の場合、電気的に接続される。

また、固定電極１４は、可動導体１８がフレキシブル導体３２を介して接地端子部導体３３に接続されるため、可動電極１５が入状態の場合、接地端子部の外部接続導体２７と電気的に接続される。

外部接続導体２７は、フレキシブル導体３２との接続部と接地端子部導体３３とが一体に接続されており、絶縁物２６によって接地真空容器１とが絶縁されている。

フレキシブル導体３１，３２は、真空容器中に配置されるため、真空中で動作できるよう通電部に薄板（０.１mm〜０.２mm）の無酸素銅を積層して用い、各無酸素銅薄板間にそれより薄板の酸化層を有するステンレス板を挿入することで、真空中で無酸素銅同士が凝着せず、フレキシブル性が維持できる構造とした。

本発明のろう付方法を適用した電力流通用開閉装置は、所定の性能を満たすことを確認した。本発明により、より安価に電力流通用開閉装置を供給することが可能となる。

当該装置に用いられる真空容器の容積は、おおよそ１Ｌから２０Ｌである。当該真空容器を溶接あるいはガスケットを用いて作製した場合、生産性が悪く、製品重量はほぼ真空容器の重量であるため、製品の軽量化も頭打ちとなる。

他方、ろう付によって封止する場合は、容器の肉厚は、大気圧と容器との許容変形量の関係のみで決めることができる。ろう付によって当該真空容器を作製するとき、当該真空容器の容積がおおよそ１Ｌから２０Ｌであるならば、肉厚は１mmから４mmに抑えることができ、製品を飛躍的に軽量化することができる。また、製作は炉中封止となるため極めて生産性が高い。

ろう付によって真空容器を作製する場合に課題となるのが、真空容器の寸法精度である。肉厚１mmから４mmの真空容器は絞りあるいはプレス加工によって製品形状に加工されるが、ろう付温度に加熱された時に、加工時の応力開放と共に寸法変化を生じる。

寸法変化は、容器サイズおよび加工方法に左右されるが、例えば、容積２０Ｌである真空容器の場合は、最大０.４mm 程度の寸法変化がある。ろう付において、被接合部間のギャップ高さ，ギャップの総体積，ろう材の総体積の関係は、封止の可否を左右する重要な因子となる。

ろう材に板ろうを用い、被接合物間に挟む方法の場合、容器が薄肉であることから作業性が悪く、封止に必要なろう材の体積量を確保できない恐れがある。ここで、接合面外にろう材を保持する部位を確保する必要がある。

この時、ろう材を保持する部位は、接合面に隣接し、かつろう材を効率的に接合面に供給できる状態でなければならない。

図２に、本発明の接合面外にろう材を保持する部位の形状を示す。

真空容器は、被接合物ａと被接合物ｂとが接合されて形成される。

ろう材保持部の端と真空容器外壁との距離ｄは０.２mm 以上５mm以下にしておく必要がある。本発明の製造方法では、線ろうを用いることで精度良く製品を作ることが可能となる。用いる線ろう径に対し、距離ｄを僅かに大きくすることで、被接合物間の位置合わせを行うことができる。

ろう材にペーストを用いた場合は、この位置合わせの機能が無くなる。従って、ろう材には線ろうを用いるのが望ましい。

なお、図２下図は、図２上図のＡ部分拡大図である。

図３にろう材保持部の端と真空容器外壁との距離ｄと封止成功数の関係を示す〔ろう材径：φ１.５，真空容器の容量：３Ｌ，最大ギャップ高さ：０.３mm〕。

ろう材保持部の端と真空容器外壁との距離が５mmを超えた場合、容器を確実に封止することができなくなることがわかる。この原因は、後述するギャップ高さ，ギャップ体積，ろう材量の関係に起因する。ろう材量を増やせば、封止可能な距離ｄの範囲は拡大するが、必要なろう材は指数関数的に増加し、高価な貴金属ろう材を大量に消費することになり現実的ではない。

また、用いる線ろうは、φ１.５ を超えると容器に沿わせた形状に加工し難くなり、生産性を著しく阻害するため、供給できるろう材量には限度がある。

反面、極端に距離ｄを狭くすると、ギャップを埋めるのに必要なろう材の体積を確保することができなくなる。容積が、おおよそ１Ｌから２０Ｌである真空容器の場合、その限界はおおよそ０.２mm 程度である。従って、ろう材保持部の端と真空容器外壁との距離は０.２mm から５mmに限定する。

溶融したろう材が被接合物に濡れる場合、接合物の表面エネルギーを小さくする作用が働き、フィレットが形成される。接合に関係しない箇所でフィレットが形成された場合、その分、ろう材が消費され、接合に寄与するろう材量が減ることになる。

図４に示すように、あらかじめ擬似的なフィレットを形成しておくことで、接合面以外でのろう材消費を抑えることができ、ある程度、封止可能な距離ｄの範囲を拡大することができる。

なお、図４は、図２上図にしめされたＡ部分拡大図である。さらに、図４左図は、アールを形成した例であり、図４右図はテーパを形成した例である。

真空容器の材質は、低真空用の真空容器である場合、プラスチック等でも対応できるが、高真空用で電力流通用の長期に渡って高真空度を保つ必要がある場合、その材質はステンレス，コバール，銅あるいは銅−ニッケル合金，チタンあるいはチタン合金，アルミニウム合金，アルミナ等である必要がある。

アルミニウム合金は、主としてアルミニウムとシリコンから成る合金である。従って、真空容器を構成する被接合物の一部は、主として鉄，クロム，ニッケル，銅，チタン，アルミニウム，シリコン，コバルトのうち少なくとも１つを含有する金属、あるいは酸化物で構成される。ここで言う酸化物は、主にアルミナのことである。

本発明により作製された真空容器は、従来の溶接で作製された真空容器よりも発生する酸化物が無いため、異物の少ない真空容器を作製することができる。また、従来方法で作製した真空容器よりも低コストである。従って、真空容器内のわずかな異物が絶縁破壊に繋がる電力流通用開閉装置に適用することで、低コストかつ高信頼性を有する電力流通用開閉装置を提供することができる。

以下に、ギャップ高さに対するギャップ総体積／ろう材の総体積の関係を説明する。

封止可能なギャップ体積，ギャップ高さ，ろう材の体積量の関係を求めるため、要素試験を行った。被接合物ａをＳＵＳ３０４、被接合物ｂを無酸素Ｃｕで作製し、被接合物ｂ側にろう材保持部を設けた。保持部の端と真空容器外壁との距離ｄは１.２mmとした。

用いたろう材はＡｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎ系の線ろう材であり、その径はφ１である。被接合物ａ側のろう付面は、所定のギャップ高さおよび体積になるよう加工した。ろう材の総体積は、線ろう材を２巻きおよび３巻きすることにより増やした。

図５に、ギャップ総体積／ろう材の総体積、ギャップ高さをパラメータとし、各条件における封止可能な領域を示す。

封止可能なギャップ高さはろう材の総体積に比例する傾向がある。

他方、真空容器を封止できるギャップ総体積／ろう材の総体積は約０.３５ 以下であることがわかる。この封止可能なギャップ総体積／ろう材の総体積の関係は、試験片の大きさが変っても、その数値範囲に大きな変化はない。封止の可否は、ギャップ総体積／ろう材の総体積の値が重要であることがわかる。前述で、距離ｄが５mmを超えた時に封止ができなくなるのは、接合面近傍に封止に必要なろう材量を確保することができなくなるためである。

本発明は、電力流通用開閉装置に用いる真空容器に関するものであり、特にろう付方法を適用した電力流通用開閉装置は、所定の性能を満たし、高い信頼性を有し、より安価な電力流通用開閉装置を供給することが可能となる。

真空を絶縁媒体とする電力流通用開閉装置の概略を示す図である。 本発明の接合面外にろう材を保持する部位の形状を示す図である。 保持部の端と真空容器外壁との距離ｄと封止成功数の関係を示す図である。 本発明の接合面外にろう材を保持する部位の形状を示す図である。 ギャップ総体積，ろう材の総体積，ギャップ高さと封止可否の関係を示す図である。

符号の説明

１…接地真空容器、２，３…接続導体、４，５，１９，２０，２１，２６…絶縁物、
１２，１３，１５…可動電極、１０，１１，１４…固定電極、１６，１７，１８…可動導体、２２，２３，２４…ベローズ、２５…真空圧力測定端子、２７…外部接続導体、２８，２９，３０…可動ロッド、３１，３２…フレキシブル導体、３３…接地端子部導体、
３４，３５…ろう材の保持部。

Claims (3)

1. 容積が１Ｌ以上２０Ｌ以下であって、板厚が１mm以上４mm以下であり、二つの被接合物をろう付によって接合して形成した真空容器を備えた電力流通用開閉装置であって、
   前記真空容器は複数の電極対を内包しており、前記二つの被接合物のうち、どちらか一方の前記被接合物に、前記二つの被接合物の接合面外の隣接する場所にろう材を保持する部位を設け、前記二つの被接合物で形成されるギャップの総体積と、ろう材の総体積の比（ギャップ総体積／ろう材の総体積）は０.３５以下である、ことを特徴とする電力流通用開閉装置。
2. 前記ろう材を保持する部位と真空容器との間隔が、０.２〜５mmであることを特徴とする請求項１記載の電力流通用開閉装置。
3. 前記被接合物の一部が、主として鉄，クロム，ニッケル，銅，チタン，アルミニウム，シリコン，コバルトの元素の内、少なくとも１つ以上を含む金属であることを特徴とする請求項１記載の電力流通用開閉装置。

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