(57)【要約】【課題】ベローズの長寿命化を実現し、多頻度開閉可能な真空バルブを提供する。【解決手段】本発明の一態様に係る真空バルブ１は、相対的に接離可能な一対の電極８，１１と、一対の電極８，１１を内蔵する真空容器２とを備え、真空容器２について真空状態を保持しつつ一対の電極８，１１の接離を可能にするためのベローズ１４とを具備する。真空バルブ１では、一対の電極８，１１が接触状態の場合のベローズ１４の長さが、ベローズ１４の自由長よりも短い状態となるように、ベローズ１４が設置されている【選択図】      図１
2006079989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に接離可能な一対の電極と、前記一対の電極を内蔵する真空容器とを備え、前記真空容器について真空状態を保持しつつ前記一対の電極の接離を可能にするためのベローズとを具備する真空バルブであり、
前記一対の電極が接触状態の場合の前記ベローズの長さは、前記ベローズの自由長よりも短い状態となるように、前記ベローズが設置されている
ことを特徴とする真空バルブ。
【請求項２】
請求項１記載の真空バルブにおいて、
前記ベローズは、
円筒部と底部を具備する素管を作成し、前記素管の円筒部に対して液圧成形法によって山部と谷部とを成形して作成される
ことを特徴とする真空バルブ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の真空バルブにおいて、
前記ベローズは、残留応力を有することを特徴とする真空バルブ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の真空バルブにおいて、
前記一対の電極が接触状態の場合の前記ベローズの長さは、前記ベローズの自由長の９７％以下である
ことを特徴とする真空バルブ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の真空バルブにおいて、
前記ベローズの材質は、固溶強化型のニッケル基合金であることを特徴とする真空バルブ。
【請求項６】
請求項５記載の真空バルブにおいて、
前記ベローズの材質は、Ｎｉを基材とし、さらにＣｒを５％程度、Ｆｅを９％程度、Ｍｏを４％程度、ＮｂとＴａとの合量を４％程度含むことを特徴とする真空バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気回路の開閉を行う真空バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
真空バルブは、電気回路の開閉に用いられる。一般的に、真空バルブは、相対的に接離可能な一対の電極と、この一対の電極を内蔵する真空容器とを備える。
【０００３】
また、真空バルブは、真空容器について真空状態を保持しつつ一対の電極の接離を可能にするためのベローズを具備する。
【０００４】
ベローズは、円筒部（側面部）に山部及び谷部を持ち、一対の電極の開閉動作時に伸縮変形する。山部及び谷部には、曲げ応力が発生する。
【０００５】
ベローズの山部及び谷部には、この応力と繰り返し行われる電極の開閉により疲労損傷が累積し、疲労き裂が発生する場合がある。この疲労き裂が板厚方向に貫通すると、真空容器内の真空度が低下し、耐電圧が低下し、電極間に発生するアークにより電極間が放電状態となり、真空バルブによる遮断が困難となる場合がある。
【０００６】
このように、ベローズは、真空バルブの寿命に影響を与える重要な部品である。真空バルブの多頻度開閉化を実現させるためには、ベローズの長寿命化が必要になる。
【０００７】
ベローズの長寿命化に影響を与える要因として、ベローズ肉厚、ベローズの山部及び谷部の曲率半径、ベローズの材料がある。
【０００８】
特公平７−７５１３３号公報では、ベローズの肉厚を０．０９ｍｍ〜０．０７ｍｍに限定する発明が開示されている。これにより、最大応力が緩和され、ベローズの長寿命化が実現される。
【０００９】
特公平５−３３４８５号公報では、ベローズの両端の谷部の曲率半径を他の曲率半径よりも大きくすることで、ベローズの長寿命化を図る発明が開示されている。
【００１０】
特許第１４５９３１６号公報では、ベローズの材質をニッケル基合金とすることで、ベローズの長寿命化を図る発明が開示されている。
【特許文献１】特公平７−７５１３３号公報
【特許文献２】特公平５−３３４８５号公報
【特許文献３】特許第１４５９３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、近年、真空バルブの多用途化が進み、大型の真空バルブに対して多頻度開閉を要求される場合がある。
【００１２】
このような場合、上記の特許文献１に記載されているような０．１ｍｍ以下の肉厚のベローズを用いると、バネ常数と可動軸部分を支える十分な強度が得られない場合がある。
【００１３】
０．１ｍｍ以下の肉厚のベローズを真空開閉器に取り付け、開閉を行った場合、例えば固定軸と可動軸が一致しない芯ずれが発生するなど、種々の弊害が発生する場合がある。
【００１４】
上記の特許文献２に記載されているように、ベローズの両端の谷部の曲率半径を他の曲率半径よりも大きくした場合、また、上記の特許文献３に記載されているように、ベローズの材質としてニッケル基合金を使用した場合、長寿命は達成される。しかしながら、近年更に進む高速開閉及び一層の衝撃力に対するベローズの長寿命化は、未だ改善の余地がある。
【００１５】
また、高速開閉及び衝撃力の増加の影響により、例えば、ベローズの山部での破壊などのように、従来とは異なるベローズの破壊部位が現れる場合がある。
【００１６】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、ベローズが自由長よりも長い状態で使用されることをなくすことにより、ベローズの長寿命化を実現し、多頻度開閉可能な真空バルブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明を実現するにあたって講じた具体的手段について以下に説明する。
【００１８】
上記課題は、相対的に接離可能な一対の電極と、一対の電極を内蔵する真空容器とを備え、真空容器について真空状態を保持しつつ一対の電極の接離を可能にするためのベローズとを具備する真空バルブであり、一対の電極が接触状態の場合のベローズの長さは、ベローズの自由長よりも短い状態となるように、ベローズが設置されている真空バルブにより、解決される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明においては、ベローズの長寿命化を実現し、多頻度の開閉動作の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
ベローズの山部で破壊した部分を詳細に観察するために長手方向に切り出すと、ベローズが長手方向に湾曲していく。この湾曲の原因は、ベローズを素管から成形する時に発生する歪みが残存していたためと考えられる。
【００２２】
ベローズの場合、伸縮の寿命は材料の結晶粒度にも依存するため、材料によっては十分に歪み取りをできない場合がある。このような状態で、ベローズを製作したときの自由長（外部から力を加えられていない状態での長さ、自然に形成された長さ）を基準として、ベローズが自由長よりも長い状態で一対の電極を接触させた場合、ベローズ成形時に発生した残留応力に加え、ベローズの伸びによりベローズ山部内面に更なる引っ張り荷重が上乗せされる。これにより、ベローズ山部の内側に多大な引っ張り応力が加わり、ベローズの寿命を低下させることになる。
【００２３】
本実施の形態においては、以上のような実情に鑑み、ベローズが自由長よりも長い状態で使用されることをなくすことにより、ベローズの長寿命化を実現する。
【００２４】
以下、ベローズの山部の応力を緩和するために、残留応力を有するベローズの自由長以上の長さでこのベローズを使用しないことにより、ベローズの長寿命化を実現する真空バルブについて説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る真空バルブの電極接触状態の例を示す断面図である。
【００２６】
図２は、本実施の形態に係る真空バルブの電極非接触状態の例を示す断面図である。
【００２７】
この図１，２は、真空バルブ１の接点駆動方向における断面を現している。
【００２８】
真空バルブ１は、多頻度開閉に適している。真空バルブ１は、真空容器２を具備する。この真空容器２は、円筒状の絶縁容器３の固定側開口端面に、固定側封着金具４を備え、絶縁容器３の可動側開口端面に、可動側封着金具５を備えて形成されている。
【００２９】
絶縁容器３の固定側開口端面と可動側開口端面とは、それぞれ固定側封着金具４と可動側封着金具５により気密に封止されている。絶縁容器３としては、例えば、アルミナ磁器が用いられる。
【００３０】
真空容器２の固定側には、固定側封着金具４を貫通して固定通電軸６が備えられている。固定通電軸６の真空容器２内部側の端部には、コイル７を介して固定側電極８が備えられている。固定通電軸６は、一方の電路となる。
【００３１】
真空容器２の可動側には、可動側封着金具５を貫通して可動通電軸９が備えられている。可動通電軸９の真空容器２内部側の端部には、コイル１０を介して可動側電極１１が備えられている。可動通電軸９は、他方の電路となる。
【００３２】
固定側電極８と可動側電極１１とは、接離自在である。固定側電極８と可動側電極１１とは、シールド１２によって囲まれている。このシールド１２は、さらに真空容器２によって囲まれている。
【００３３】
シールド１２は、真空容器２の内部において、固定側電極８と可動側電極１１との開閉時にこの両電極８，１１から発生する金属蒸気および溶解金属が絶縁容器３の内壁に付着して絶縁抵抗が低下することを防止するために備えられている。
【００３４】
可動側通電軸９におけるシールド１２と可動側封着金具５の内面との間の位置には、ベローズカバー１３が備えられている。
【００３５】
ベローズカバー１３は、真空容器２の内部において、固定側電極８と可動側電極１１との開閉時にこの両電極８，１１から発生する金属蒸気および溶解金属がベローズ１４に付着することを防止するために備えられている。
【００３６】
ベローズ１４の一端は、可動側封着金具５の内面側と接続されており、ベローズ１４の他端は、可動側通電軸９の接点側に備えられているベローズカバー１３と接続されている。ベローズ１４を備えることにより、真空容器２の真空度を維持しながら可動側電極１１の軸方向の移動が可能となる。
【００３７】
さらに、本実施の形態では、真空バルブ１の多頻度開閉を可能とするために、固定側電極８と可動側電極１１とが接触状態の場合のベローズ１４の長さを、ベローズの自由長よりも短い状態となるように、ベローズ１４が設置されている。なお、真空バルブ１に導入されたベローズ１４の最大長（すなわち、固定側電極８と可動側電極１１とが接触状態の場合のベローズ１４の長さ）は、このベローズ１４の自由長の９７％以下とすることが好ましい。
【００３８】
以下に、本実施の形態に係るベローズ１４の作成方法について説明する。
【００３９】
図３は、本実施の形態に係るベローズ１４の作成方法の例を示す図である。
【００４０】
液圧成形法によってカップ状の素管１６の円筒部（側面部）に山部と谷部を形成し、これによりベローズ１４が作成される。液圧成形法では、カップ状の素管１６を覆う液圧成形金具１７が用いられる。液圧成形金具１７の円筒部内面には、同心の凹部と凸部とが形成されている。この液圧成形金具１７の内部にカップ状の素管１６を設置し、カップ状の素管１６の内側に圧力をかけることで、ベローズ１４が作成される。この図３では、カップ状の素管１６と液圧成形金具１７との設置関係が断面図で表されている。
【００４１】
液圧成形法によってベローズ１４が作成されると、ベローズ１４の山部は、素管が押し広げられることにより形成される。したがって、一般的に、液圧成形法によって作成されたベローズ１４の山部の厚さは、素管１６よりも薄くなる。一方、ベローズ１４の谷部では、谷部の径と素管の径とでほぼ変化がない。このため、液圧成形法によって作成されたベローズ１４の谷部の厚さは、素管１６の厚さと同等となる。
【００４２】
本実施の形態では、ベローズ１４は、液圧成形法の適用後、残留応力を有する状態である。
【００４３】
ベローズ１４の材質には、例えば固溶強化型のニッケル基合金が用いられる。ベローズ１４の主な組成として、Ｎｉを基材とし、さらにＣｒを１９〜２１％程度、Ｆｅを８％〜１０％程度、Ｍｏを８％〜１０％程度、ＮｂとＴａとを３％〜５％程度含むことが好ましい。
【００４４】
より好ましい例としては、ベローズ１４の主な組成として、Ｎｉを基材とし、さらにＣｒを２０％程度、Ｆｅを９％程度、Ｍｏを４％程度、ＮｂとＴａとを４％程度含むとすることが挙げられる。
【００４５】
なお、本実施の形態において、％は重量％（wt％）又は質量％（mass％）とする。
【００４６】
以上説明した本実施の形態に係る真空バルブ１では、山部に残留応力を有するベローズ１４についてこの山部の応力を緩和するために、ベローズ１４の伸縮範囲がベローズ１４の自由長より短くなる状態、好ましくはベローズ１４の自由長の９７％以下とされる。
【００４７】
これにより、ベローズ１４の山部に発生する応力の集中を緩和させることができ、ベローズ１４を長寿命化させることができ、長寿命化に適した真空バルブ１を得ることができる。
【００４８】
なお、本実施の形態においては、ベローズ１４の材質として、固溶強化型ニッケル基合金の場合を例に説明しているが、ベローズ１４の材質はこれに限定されず、例えばオーステナイト系ステンレスにより作成されたベローズ１４についても長寿命化を実現できる。
【００４９】
本実施の形態において、各構成要素は同様の動作を実現可能であれば配置を変更させてもよく、また各構成要素を自由に組み合わせてもよく、各構成要素を自由に分割してもよく、いくつかの構成要素を削除してもよい。
【実施例】
【００５０】
（第１の実施例）
上記実施の形態に係るベローズ１４の実施例について説明する。
【００５１】
本実施例において、ベローズ１４は、固溶強化型ニッケル基合金の金属板から作成する。金属板の主な組成は、Ｎｉを含み、さらにＣｒを２０％程度、ＮｂとＴａとの合量を３．５％程度、Ｍｏを９％程度、Ｆｅを５％程度含むとする。
【００５２】
この金属板を使用し、円筒部の直径が６２ｍｍで肉厚が０．２ｍｍの素管１６を作成する。
【００５３】
次に、この素管１６に対して液圧成形法を適用し、内径６２ｍｍ、外形８５ｍｍ、山部の数１１、自由長６５ｍｍのベローズを作成する。
【００５４】
次に、この自由長６５ｍｍのベローズの２つに対して溶接金具を使用し、溶接を行い、自由長の全長が１３０ｍｍとなるベローズ１４を作成する。
【００５５】
この自由長１３０ｍｍのベローズ１４を上記実施の形態に係る真空バルブ１に組み込み、開閉速度と開閉ストロークとを自由に調整可能な開閉器に取り付け、開閉寿命試験を行う。
【００５６】
開閉寿命試験の試験条件として、ベローズ伸縮量に相当する開閉ストローク距離を３０ｍｍとし、平均投入速度を０．５ｍ／ｓとし、平均開極速度を１．０ｍ／ｓとする。
【００５７】
また、この開閉寿命試験において、ベローズ破損の有無は、１万回ごとに真空バルブ１の両極間に電圧を印加し、所定の耐電圧を維持できない状態となったときを、ベローズ１４の破損と判断する。
【００５８】
ベローズ１４が自由長以上に伸びる場合を調べるために、真空バルブ１に、自由長１３０ｍｍのベローズ１４について伸縮範囲が１１０ｍｍ〜１４０ｍｍとなるように取り付け、上記の開閉寿命試験を行ったとする。この場合、６１０００回でベローズは寿命となった。
【００５９】
これに対して、ベローズ１４が自由長以上に伸びないように真空バルブ１に取り付けられている場合を調べるために、真空バルブ１に自由長１３０ｍｍのベローズ１４について伸縮範囲が９５ｍｍ〜１２５ｍｍ（ベローズ１４の自由長に対してベローズ１４の最大の長さが９６％）となるように取り付け、上記の開閉寿命試験を行ったとする。この場合、１４５０００回でベローズ１４は寿命となった。
【００６０】
このように、ベローズ１４が自由長以上に伸びないように真空バルブ１に取り付けられることにより、飛躍的にベローズ１４及び真空バルブ１の長寿命化を図ることができる。
【００６１】
（第２の実施例）
上記第１の実施例における自由長１３０ｍｍのベローズ１４を、伸縮範囲が１０５ｍｍ〜１３５ｍｍとなるように真空バルブ１・操作機構に取り付け、上記第１の実施例における開閉寿命試験を行ったとする。この場合、僅かにベローズ１４が自由長以上に伸びた状態となり、寿命回数は７００００回となった。
【００６２】
これに対して、上記第１の実施例における自由長１３０ｍｍのベローズ１４を、伸縮範囲が９０ｍｍ〜１２０ｍｍ（ベローズ１４の自由長に対してベローズ１４の最大の長さが９２％）となるように真空バルブ１・操作機構に取り付け、上記第１の実施例における開閉寿命試験を行ったとする。この場合、上記第１の実施例の場合よりもベローズ１４の伸びが抑制され、寿命回数は１５００００回まで増加した。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、電気回路の開閉動作を行う真空バルブの分野に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る真空バルブの電極接触状態の例を示す断面図。
【図２】同実施の形態に係る真空バルブの非電極接触状態の例を示す断面図。
【図３】同実施の形態に係るベローズの作成方法の例を示す図。
【符号の説明】
【００６５】
１…真空バルブ、２…真空容器、３…絶縁容器、４…固定側封着金具、５…可動側封着金具、６…固定通電軸、７，１０…コイル、９…可動通電軸、１１…可動側電極、１２…シールド、１３…ベローズカバー、１４…ベローズ、１６…素管、１７…液圧成形金具
【図１】
2006079989.tif 000003
【図２】
2006079989.tif 000004
【図３】
2006079989.tif 000005