(57)【要約】【課題】真空バルブ内を高真空に保つ。【解決手段】電極205、208と、前記電極の周囲に設けられたシールド201と、前記電極と前記シールドとが内部に設けられた絶縁筒202とを備えた真空バルブにおいて、前記シールドの外面にガス分子を捕捉するゲッタ材101を備え、前記ゲッタ材は絶縁層102と前記絶縁層上に固定されマイクロ波による加熱が可能な金属粉末とを備え、前記ゲッタ材の前記絶縁層が前記シールドと接していることを特徴とする真空バルブ。【選択図】図２
2015185398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、前記電極の周囲に設けられたシールドと、前記電極と前記シールドとが内部に設けられた絶縁筒とを備えた真空バルブにおいて、前記シールドの外面にガス分子を捕捉するゲッタ材を備え、前記ゲッタ材は絶縁層と前記絶縁層上に固定されマイクロ波による加熱が可能な金属粉末とを備え、前記ゲッタ材の前記絶縁層が前記シールドと接していることを特徴とする真空バルブ。
【請求項２】
請求項1において、前記シールドの外面に凹部を備え、前記凹部に前記ゲッタ材を備えることを特徴とする真空バルブ。
【請求項３】
請求項2において、前記凹部の深さと前記ゲッタ材の厚さとが等しいことを特徴とする真空バルブ。
【請求項４】
請求項1において、前記絶縁層はSiC、Al2O3、SiO2の何れかを含むことを特徴とする真空バルブ。
【請求項５】
請求項1において、前記ゲッタ材の前記絶縁層と前記金属粉末との間に中間層を備え、前記中間層は、前記絶縁層の成分と前記金属粉末の成分とを含むことを特徴とする真空バルブ。
【請求項６】
請求項1において、前記金属粉末の平均粒子径は1μm以上200μm未満であることを特徴とする真空バルブ。
【請求項７】
請求項1において、前記ゲッタ材は、前記金属粉末のマイクロ波による加熱を補助する補助粉末を備えることを特徴とする真空バルブ。
【請求項８】
請求項7において、前記金属粉末はZr又はTiであり、前記補助粉末はB又はFeであり、前記補助粉末は、前記金属粉末と前記補助粉末の合計の1〜10wt%である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】
本発明は真空バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
真空バルブは主に純銅等の導体、アルミナ等の絶縁体、ステンレス等のシールドとベローズ、およびCu-Cr系、Ag-WC-Co系、Cu-Mo系などの遮断を担う電極からなり、それぞれの部品はろう付によって接合される。真空バルブは、脱気管によって排気され封止されるものもあるが、最近は、最終ろう付段階で高真空炉中において炉中封止されるのが一般的になっている。
【０００３】
真空バルブ内の圧力は6×10-2Pa程度以下に保つ必要がある。真空バルブ内の圧力が6×10-2Pa程度以上に上昇すると、電力の遮断が困難になる。真空バルブ内の真空度が低下する原因の中で、真空容器内の材料から放出されるガスの影響、真空炉の断熱材やヒータから放出されるアウトガス等の外的な影響、水素原子の格子間の透過など不可避的なものについては、真空バルブにあるゲッタ材の機能を活用することで、それぞれの影響を抑えることができる。
【０００４】
真空バルブ内のゲッタ材は、例えば特許文献1のように、シールド材や端板などにスポット溶接で取り付けられることが多い。例えば図1の(a)は従来のゲッタ材の断面図であり、(b)はゲッタ材の斜視図である。鉄製基材401の両面（あるいは片面）にZr系の粉末がポーラスに焼付けられ金属粉末層402が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭60-167223号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献1ではゲッタ材の再活性化に高周波加熱を用いているが、ゲッタ材へ高周波を効率よく進入させ、効率よく加熱することについて十分考慮されておらず、真空バルブ内を高真空に保ちにくいという課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は請求項に記載の発明により達成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、真空バルブ内を高真空に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来のゲッタ材の例を示す図である。
【図２】本実施形態のゲッタ材の例を示す図である。
【図３】本実施形態のゲッタ材の例を示す図である。
【図４】本実施形態の真空バルブの例を示す図である。
【図５】本実施形態の真空バルブの例を示す図である。
【図６】真空バルブにマイクロ波を照射する様子を示す図である。
【図７】本実施形態の真空遮断器の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００１２】
高周波加熱に用いられる高周波は、一般に、周波数30kHz〜3MHzである。一方、これより高い周波数では、金属粉末を効率良く加熱できる周波数帯域がある。これは一般に、マイクロ波と呼ばれる周波数帯域内であり、特に0.5G〜30GHzが金属粉末加熱に適している。この周波数帯では、金属粉末は加熱されるが、金属バルク体は殆ど加熱されない。マイクロ波が金属粉末を効率良く加熱できるメカニズムは、電磁波の電流浸透深さに関係する。
【００１３】
0.5G〜30GHzの周波数帯の金属に対する電流浸透深さは、およそ数〜数十μmである。マイクロ波の交流磁場によって金属粉末表面には渦電流が流れ、電流浸透深さの2〜3倍程度の大きさの対象物が最も加熱されやすくなる。このため、粒子径が数〜数百μmの粉末がマイクロ波で効率良く加熱できる。マイクロ波の周波数帯を活用することにより、真空バルブ内のシールド材などを殆ど加熱することなく、ゲッタ材のみを選択的に効率良く加熱することが可能となる。マイクロ波でZr系ゲッタ材を活性化するのに必要な500℃以上に加熱するためには、Zr系ゲッタ材を構成する粉末の平均粒子径を1〜200μmにしなければならない。
【００１４】
ただし、この時、従来のゲッタ材のように、ゲッタ材がシールド等の金属バルク体と電気的に導通があると、ゲッタ材へのマイクロ波の進入が妨げられ、ゲッタ材を効率よく加熱することが出来なくなる。このため、ゲッタ材とシールドあるいは基材の間は、一定以上の抵抗値で絶縁されていなければならない。絶縁層の抵抗値は高い程好ましいが、絶縁層は炭化物系のセラミックス程度の1×102Ωmで1μm以上形成されていればよい。
【００１５】
このとき、絶縁層自体がマイクロ波を吸収するとさらに効率良く加熱することができる。SiCなどの誘電率と誘電損率が大きいセラミックスは、マイクロ波の電場によって誘電加熱される。例えば、ゲッタ作用を有する金属粉末がSiC層を介して真空バルブのシールド材に取り付けられるような構造であれば、SiCは誘電加熱で加熱され、ゲッタ作用を有する金属粉末は誘導加熱によって加熱され、極めて加熱効率が良くなる。
【００１６】
絶縁層がマイクロ波により自己発熱しないAl2O3やSiO2のようなものであっても、マイクロ波の照射方法で、Zr系ゲッタ材を活性化するのに必要な500℃まで加熱することができる。マイクロ波の照射モードはいわゆる電子レンジのようなマルチモードタイプと、電磁場の分布を制御できるシングルモードタイプがある。
【００１７】
マルチモードタイプは照射炉の形状や大きさを任意にできるため、実用的に有利である。但し、マルチモードタイプは、電場強度および磁場強度がシングルモードに比べ弱く、また、電磁場分布が炉内でランダムであり、定まった位置に強電場あるいは強磁場域を形成することは困難である。シングルモードタイプは、炉の形状的な制約はあるものの、定まった位置に強電場あるいは強磁場を形成することができる。シングルモードタイプの照射炉では、ゲッタ作用を有する金属粉末に強磁場を印加することによって、絶縁層にAl2O3やSiO2を用いた場合でも、ゲッタ材が活性化する温度域まで加熱ができる。
【００１８】
真空バルブのゲッタ材には、従来Zr系のものが利用されているが、マイクロ波を利用した加熱方法であれば、Ti系のゲッタ材も有効である。Ti系のゲッタ材はマイクロ波によって非常に加熱されやすい。ただし、Ti系のゲッタ材は活性化温度も高く、Ag-Cu系のろう付温度では充分に活性化されない場合がある。このとき、一つの真空バルブにTi系とZr系の2種のゲッタ材を使用することが有効である。炉中封止の際はZr系のゲッタ材が加熱され活性化され機能するが、炉中封止後に材料からの放出ガスなどで真空バルブの真空度が低下した際、マイクロ波でTi系のゲッタ材を加熱することで、確実かつ簡便に真空バルブ内の真空度を向上させることができる。
【００１９】
Zr系あるいはTi系のゲッタ材において、B、Feなどの元素粉末を添加することによってマイクロ波の吸収効率を高めることも可能である。Bは半導体でマイクロ波の電場および磁場両方をよく吸収し発熱する。Feは強磁性体でありマイクロ波磁場によって磁気共鳴を生じ、やはり加熱に大きく寄与する。
【００２０】
本実施形態のゲッタ材の構成を図2に示す。ゲッタ材101は、絶縁層102とゲッタ作用のあるZr系あるいはTi系などの金属粉末104を含む金属粉末層103からなる。金属粉末層は密度が高すぎると、絶縁層との剥離や気体吸着量の減少が生じ、かつマイクロ波の加熱効率が落ちるため、金属粉末層の相対密度は50〜90%で調整することが好ましい。ここで、相対密度とは、断面観察を行った際の全視野面積を100%としたとき、空隙の面積率を差し引いた値である。金属粉末層と絶縁層は熱膨張率やヤング率が大きく異なるため、図3に示すように金属粉末層103の成分と絶縁層102の成分を傾斜させた中間層105を、金属粉末層と絶縁層との間に設けてもよい。中間層は、絶縁層側ほど絶縁層を構成する成分の濃度が高く、金属粉末層側ほど金属粉末の成分の濃度が高い。また、BやFeなどマイクロ波加熱を補助する補助粉末106は、金属粉末層の1〜10wt%を占める程度に添加することで、金属粉末層の加熱を効率的に補助できる。なお、BやFeは粒子の状態で加えることが好ましいが、焼成時やマイクロ波による加熱後は、BやFeはZrやTiとの間で化合物を形成したり、一部が固溶し、添加したときの粒子径では観察されないこともある。
【００２１】
図4に真空バルブの構造の一例を示す。204はCuなどの固定側導体、205はCu-Crなどの固定側電極、206はCuなどの固定側端板、207はCuなどの可動側導体、208はCu-Crなどの可動側電極、209はCuなどの可動側端板、210はベローズである。真空バルブ内のシールド材201(SUS)の径が、マイクロ波の波長の1/2より小さい場合、シールド材の内側（電極側）へは、マイクロ波が侵入できない可能性がある。例えば、2.45GHzのマイクロ波の波長は約12cmであり、シールド材径が約6cmよりも小さければ、シールド材の内側（電極側）には浸入することができない。従って、ゲッタ材101はシールド材の外側（Al2O3などの絶縁筒202側）に設置する必要がある。
【００２２】
ゲッタ材をシールド材に付ける場合、シールド材に凹部（くぼみ）を設け、凹部にゲッタ材を収め、シールド材と絶縁層とをろう材203で固定することが望ましい。ゲッタ材の金属粉末層の表面がシールド材外面と面一にすると更に望ましい。即ち凹部の深さとゲッタ材の厚さとをほぼ同じにするとよい。これは貼り付けられたゲッタ材によりシールド表面に大きな凸部ができると、凸部に電界集中し放電する恐れがあるためである。凹部にゲッタ材を設置するときも、ゲッタ材の金属粉末がシールド材に接触しないようにする。シールド材とゲッタ材とをろう付するろう材は、Ag-Cu-TiやCu-Al-Si-Ti系およびAu-Ni-V-Mo系等の活性ろう材が望ましい。
【００２３】
なお、本実施形態のゲッタ材は、真空度が1×10-1Pa程度以下の真空容器で、かつマイクロ波を導入できる窓があれば、真空バルブに限らず機能する。この時、窓の材質はマイクロ波を透過するSiO2やAl2O3などが望ましい。
【００２４】
以下、本発明の実施例を詳細に述べる。
【実施例１】
【００２５】
SiC粉末（10μm）、Al2O3粉末（10μm）、SiO2粉末（10μm）、Zr粉末（50μm）、Ti粉末（50μm）を原料とし、Spark Plasma Sintering（SPS）によりゲッタ材の絶縁層および中間層を作製した。かっこの中は何れも平均粒子径を示す。最初にSiC粉末、Al2O3粉末あるいはSiO2粉末のセラミックス粉末をカーボン製のダイスに入れ、約50MPaで仮プレスしてセラミックス体（絶縁層）を形成した。次いで、各セラミックス体の上に第2層（中間層）を形成した。絶縁層の形成に使用したセラミックス粉末と、TiあるいはZr粉末を50wt%-50wt%となるよう混合した粉末を各セラミックス体の上に配置し、SPSにより100MPaで押圧して第2層を形成した。その後、温度：1000〜1200℃、真空中で焼結して絶縁層および中間層を作成した。焼き上がりの厚さは、絶縁層が何れも0.5mm厚さ、第2層が何れも0.25mm厚さとなるように作成した。
【００２６】
中間層に更に、溶剤によってペースト状にしたTiあるいはZr粉末を厚さ0.1mm厚さに塗布し、約1000℃の真空中で焼付け処理してゲッタ材を作成した。この時、ペースト状のTiあるいはZrには、Fe粉末（平均粒子径：10μm）およびB粉末（平均粒子径：5μm）をそれぞれ1wt%加え塗布・焼成したものも作製した。焼成後のTiあるいはZr層の相対密度はいずれも65〜70%であった。
【実施例２】
【００２７】
試作した真空バルブの構造を図5に示す。真空バルブの仕様は定格電圧7.2kV、定格電流600A、定格遮断電流20kAである。図5において1aは固定側電気接点、1bは可動側電気接点、3a、3bは補強板、4aは固定側電極棒、4bは可動側電極棒で、これらにより固定側電極6a、可動側電極6bを構成する。可動側電極6bは、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐ可動側シールド8を介して可動側ホルダー12にろう付接合される。これらは、固定側端板9a、可動側端板9bおよび絶縁筒13によって高真空中でろう付封止され、固定側電極6aおよび可動側ホルダー12のネジ部をもって外部導体と接続される。絶縁筒13の内面には、遮断時の金属蒸気等の飛散を防ぐシールド7が設けられ、また、可動側端板9bと可動側ホルダー12の間には摺動部分を支えるためのガイド11が設けられる。可動側シールド8と可動側端板9bの間にはベローズ10が設けられており、真空バルブ14内を真空に保ったまま、可動側ホルダー12を上下させて固定側電極6aと可動側電極6bを開閉させることができる。
【００２８】
実施例１で作製したゲッタ材は、それぞれ10mm×10mmの大きさにカットされ、SUS304製の真空バルブのシールド7の外側に設けられた窪みにAg-Cu-Tiの活性ろう材でろう付されている。表1に、比較例としての従来のゲッタ材を用いたバルブNo.1と、本発明の実施例1で作成したゲッタ材を用いたバルブNo.2〜13を示す。
【００２９】
真空バルブを試作する際、意図的に真空炉の真空度を下げ、封止ろう付後の容器内の真空度が5×10-2Pa程度の真空バルブを試作し、電子レンジに入れ1minマイクロ波を照射した。電子レンジの出力は1000Wであり、周波数は2.45GHzである。この時、真空バルブの固定側端板9aおよび9bには導線をつけ、電子レンジとの間でアースを取り、放電が起きないようにした。加熱前後の各真空バルブの真空度を表1に示す。従来のZr系ゲッタ材を使用している真空バルブ（バルブNo.1）は、マイクロ波の照射前後で真空度がほとんど変わらなかった（判定×）。しかし、ゲッタ材の絶縁層がAl2O3とSiO2で、BおよびFeの添加材が無いもの（バルブNo.7、9、11、13）は、真空バルブで求められる真空度の<7×10-5MPaに達しなかったものの、いずれもマイクロ波照射前に比べ真空度は大幅に改善した（判定△）。更に、ゲッタ材の絶縁層がSiCのものと、ゲッタ材の絶縁層がAl2O3とSiO2で、BおよびFeの添加材が有るもの（バルブNo.2〜6、8、10、12）は真空度が7×10-5MPa未満となった（判定○）
図6は、真空バルブにマイクロ波を照射する様子を示す。規定真空度に達しなかった真空バルブ（No.7、9、11、13）と同種で、マイクロ波照射の履歴が無いものを、マイクロ波の導波管301(WRJ-2：JIS)の終端部にゲッタ材101を近接させ、ゲッタ材が強磁場域に入るよう調整し、周波数2.45GHz、200Wのマイクロ波を1min照射した。真空バルブはキャビティ壁302内に配置されている。導波管内はシングルモードであり、強磁場領域が規則的に現れ、導波管終端部304近傍のキャビティ域でも強磁場域が得られる。キャビティの後方にはダミーロードとして水槽303を置き、反射波が出ないようにした。また、放電防止のため、真空バルブの固定側および可動側の端板とキャビティで導通を取った。本手法でマイクロ波を照射した真空バルブは、絶縁層にAl2O3あるいはSiO2を用いBやFeの添加材が無くとも、規定値の<7×10-5MPaに達した。
【００３０】
【表１】
2015185398.tif 000003
【実施例３】
【００３１】
真空遮断器の模式図を図7に示す。真空遮断器は、操作機構部を前面に配置し、背面に真空バルブ14を支持する3相一括型の3組のエポキシ筒15を配置した構造である。真空バルブ14は、絶縁操作ロッド16を介して操作機構部によって開閉される。
【００３２】
真空遮断器が閉路状態の場合、電流は上部端子17、電気接点1a、1b、集電子18、下部端子19を流れる。電極間の接触力は、絶縁操作ロッド16に装着された接触バネ20によって保たれている。電極間の接触力および短絡電流による電磁力は、支えレバー21およびプロップ22で保持されている。投入コイル30を励磁すると開路状態からプランジャ23がノッキングロッド24を介してローラ25を押し上げ、主レバー26を回して電極間を閉じたあと、支えレバー21で保持している。
【００３３】
真空遮断器を開路する場合は、引き外しコイル27を励磁すると、引き外しレバー28がプロップ22の系合を外し、主レバー26が回って電極間が開かれる。真空遮断器が開路状態では、電極間が開かれたあと、リセットバネ29によってリンクが復帰し、同時にプロップ22が系合する。この状態で投入コイル30を励磁する閉路状態になる。なお、31は排気筒である。
【００３４】
実施例1で作製したゲッタ材を使用し、実施例2で示した手法により真空度を改善した真空バルブを、上記の14として搭載し、各種試験を行ったところ、最大遮断電流値、耐電圧性などいずれも所定の性能値を満足し、実用に供せられることを確認した。
【符号の説明】
【００３５】
101  ゲッタ材
102  絶縁層
103  金属粉末層
104  金属粉末
105  中間層
106  補助粉末
201  シールド材
202  絶縁筒
203  ろう材
204  固定側導体
205  固定側電極
206  固定側端板
207  可動側導体
208  可動側電極
209  可動側端板
210  ベローズ
301  導波管
302  キャビティ壁
303  水槽
304  導波管終端部
401  鉄系基材
402  金属粉末層
【図１】
2015185398.tif 000004
【図２】
2015185398.tif 000005
【図３】
2015185398.tif 000006
【図４】
2015185398.tif 000007
【図５】
2015185398.tif 000008
【図６】
2015185398.tif 000009
【図７】
2015185398.tif 000010