(57)【要約】【課題】重量低減を実現しつつ、操作ロッドの耐熱性に優れたガス遮断器を提供することである。【解決手段】実施形態のガス遮断器は、消弧性ガスが充填された密閉容器内に、軸方向に駆動する操作ロッドが配置される。操作ロッドは、消弧性ガスが流通する内筒と、内筒の外周に配置された外筒とを有する。内筒の外周面と外筒の内周面のうち、少なくとも一方を粗面化したり、内外筒の間に間隙を設けるなどの方法により、内筒から外筒への熱伝達を抑制する構造を形成する。シリンダは、操作ロッドと同軸状に構成され、操作ロッドに連結される。ピストンは、シリンダ内に挿入され、シリンダとともにパッファ室を形成する。第１アーク接触子は、シリンダの端部に連結される。ノズルは、シリンダの端部に連結されるとともに、第１アーク接触子を包囲するように配置される。第２アーク接触子は、第１アーク接触子に対向配置され、第１アーク接触子と接離可能である。【選択図】図１
2013222494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消弧性ガスが充填された密閉容器と、
前記密閉容器内に配置され、軸方向に駆動する操作ロッドと、
前記操作ロッドと同軸状に構成され、この操作ロッドに連結されたシリンダと、
前記シリンダ内に挿入され、このシリンダとともにパッファ室を形成するピストンと、
前記シリンダの端部に連結された第１アーク接触子と、
前記端部に連結されるとともに、前記第１アーク接触子を包囲するように配置されたノズルと、
前記第１アーク接触子に対向配置され、この第１アーク接触子と接離可能な第２アーク接触子と
を備えるガス遮断器であって、
前記操作ロッドは、
前記消弧性ガスが流通する内筒と、
前記内筒の外周に配置された外筒と、
を有し、前記内筒の外周面と前記外筒の内周面のうち、少なくとも一方が粗面であるガス遮断器。
【請求項２】
消弧性ガスが充填された密閉容器と、
前記密閉容器内に配置され、軸方向に駆動する操作ロッドと、
前記操作ロッドと同軸状に構成され、この操作ロッドに連結されたシリンダと、
前記シリンダ内に挿入され、このシリンダとともにパッファ室を形成するピストンと、
前記シリンダの端部に連結された第１アーク接触子と、
前記端部に連結されるとともに、前記第１アーク接触子を包囲するように配置されたノズルと、
前記第１アーク接触子に対向配置され、この第１アーク接触子と接離可能な第２アーク接触子と
を備えるガス遮断器であって、
前記操作ロッドは、
前記消弧性ガスが流通する内筒と、
前記内筒の外周に配置された外筒と
を有し、前記内筒と前記外筒との間に間隙が形成されるガス遮断器。
【請求項３】
前記操作ロッドの外部と前記間隙とを連通する連通穴をさらに有する請求項２に記載のガス遮断器。
【請求項４】
消弧性ガスが充填された密閉容器と、
前記密閉容器内に配置され、軸方向に駆動する操作ロッドと、
前記操作ロッドと同軸状に構成され、この操作ロッドに連結されたシリンダと、
前記シリンダ内に挿入され、このシリンダとともにパッファ室を形成するピストンと、
前記シリンダの端部に連結された第１アーク接触子と、
前記端部に連結されるとともに、前記第１アーク接触子を包囲するように配置されたノズルと、
前記第１アーク接触子に対向配置され、この第１アーク接触子と接離可能な第２アーク接触子と
を備えるガス遮断器であって、
前記操作ロッドは、
前記消弧性ガスが流通する内筒と、
前記断熱層の外周に配置された外筒と、
前記内筒の外周面と前記外筒の内周面のうち、少なくとも一方に形成されたスリットと、
前記操作ロッドの外部と前記スリットとを連通する連通穴と
を有するガス遮断器。
【請求項５】
消弧性ガスが充填された密閉容器と、
前記密閉容器内に配置され、軸方向に駆動する操作ロッドと、
前記操作ロッドと同軸状に構成され、この操作ロッドに連結されたシリンダと、
前記シリンダ内に挿入され、このシリンダとともにパッファ室を形成するピストンと、
前記シリンダの端部に連結された第１アーク接触子と、
前記端部に連結されるとともに、前記第１アーク接触子を包囲するように配置されたノズルと、
前記第１アーク接触子に対向配置され、この第１アーク接触子と接離可能な第２アーク接触子と
を備えるガス遮断器であって、
前記操作ロッドは、
前記消弧性ガスが流通する内筒と、
前記内筒の外周に設けられた断熱層と、
前記断熱層の外周に配置された外筒と
を有するガス遮断器。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガス遮断器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統において電流開閉を行う保護用開閉器として、パッファ形のガス遮断器が広く使用されている。このパッファ形のガス遮断器については、電力系統の遮断容量の増大に伴い、ガス遮断器の消弧室１点当たりに要求される遮断容量も増加する傾向にあったが、近年では高経年機器へのリプレース対応や環境への適応を背景に、省スペース・省資源化が指向されており、機器設計においても小形・軽量化、低駆動力化が強く望まれている。特に操作ロッドには、一般的に鉄鋼材料のような比重の大きい材料が使われており、重量低減が求められる。
【０００３】
対策として、アルミニウム合金などの軽量な金属材料を用い操作ロッドを作製することが考えられるが、高温の消弧性ガスによる材料の劣化が著しいという問題点がある。
【０００４】
別の対策としては、操作ロッドを多重構造とし、外筒にアルミニウム合金などの軽量な金属材料を用い、内筒に高融点金属材料を用いることが挙げられる。しかし、内筒の材料の熱伝導率が高いと、熱が容易に外筒に達し、内筒と外筒との界面でアルミニウム合金が溶解することが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−６７４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、重量低減を実現しつつ、操作ロッドの耐熱性に優れたガス遮断器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のガス遮断器は、消弧性ガスが充填された密閉容器内に、軸方向に駆動する操作ロッドが配置される。前記操作ロッドは、前記消弧性ガスが流通する内筒と、前記内筒の外周に配置された外筒とを有する。前記内筒の外周面と前記外筒の内周面のうち、少なくとも一方を粗面化したり、内外筒の間に間隙を設けるなどの方法により、内筒から外筒への熱伝達を抑制する構造を形成する。シリンダは、前記操作ロッドと同軸状に構成され、この操作ロッドに連結される。ピストンは、前記シリンダ内に挿入され、このシリンダとともにパッファ室を形成する。第１アーク接触子は、前記シリンダの端部に連結される。ノズルは、前記端部に連結されるとともに、前記第１アーク接触子を包囲するように配置される。第２アーク接触子は、前記第１アーク接触子に対向配置され、この第１アーク接触子と接離可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態のガス遮断器における電流遮断時の状態を示す断面図。
【図２】第１の実施形態のガス遮断器における（ａ）操作ロッドの断面図、（ｂ）Ｘ部拡大図。
【図３】内筒と外筒の界面での温度と熱抵抗との関係を示す説明図。
【図４】内筒と外筒の界面の粗さと熱抵抗との関係を示す説明図。
【図５】第２の実施形態のガス遮断器における操作ロッドの断面図。
【図６】第３の実施形態のガス遮断器における操作ロッドの断面図。
【図７】第４の実施形態のガス遮断器における（ａ）操作ロッドの断面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）Ｙ部拡大図。
【図８】第５の実施形態のガス遮断器における操作ロッドの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態のガス遮断器における電流遮断時の状態を示す断面図、図２は第１の実施形態のガス遮断器における（ａ）操作ロッドの断面図、（ｂ）Ｘ部拡大図である。
【００１１】
この第１の実施形態のガス遮断器は、第１接触子部１と第２接触子部２を有する。
【００１２】
図１に示すように、ＳＦ６（六フッ化硫黄）やＣＯ２（二酸化炭素）などの消弧性ガス３が充填された密閉容器（図示せず）には、密閉容器に対して軸方向に動作する第１接触子部１、密閉容器に対して定位置に固定された第２接触子部２が対向して配置される。第１接触子部１の位置関係については、第２接触子部２側の方向を前方、その反対方向を後方と定義して説明する。
【００１３】
第１接触子部１は、第１アーク接触子４、ノズル５、第１通電接触子６、操作ロッド７、シリンダ８、ピストン９を有する。ここで操作ロッド７は内筒１０１と外筒１０２を有する。
【００１４】
第２接触子部２は、第２アーク接触子１０、第２通電接触子１１を有する。
【００１５】
第１接触子部１に関して、操作ロッド７は図示しない絶縁ロッドを介して、操作機構（図示せず）と接続され、軸方向に往復運動するように構成される。
【００１６】
シリンダ８は操作ロッド７と同軸状に構成され、操作ロッド７の外筒１０２に連結されるとともに一体となって駆動する。また、シリンダ８には、ピストン９が摺動自在に挿入され、パッファ室１２が形成される。
【００１７】
シリンダ８前方側の中心軸に垂直な面（以下シリンダの端部と呼ぶ）には、第１アーク接触子４、ノズル５、第１通電接触子６が連結され、第１連通穴１０３が設けられる。ノズル５は第１アーク接触子４を包囲するように配置され、ノズル５の周囲に第１通電接触子６が配置される。
【００１８】
なお、ピストン９は図示しないピストン支えによって密閉容器に対して定位置に固定される。
【００１９】
図２に示すように、この第１の実施形態のガス遮断器では、操作ロッド７はタングステン、ニオブ、モリブデン、タンタル、ニッケル合金、マグネシウム、ジルコニア、アルミナ、ハフニア、グラファイトなどで作製された内筒１０１と、アルミニウム、ジュラルミンなどのアルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などで作製された外筒１０２を有し、内筒１０１の外周に外筒１０２が配置される。
【００２０】
そして、内筒１０１の中空部と、パッファ室１２は第２連通穴１０４によって連通され、第２連通穴１０４には上述した内筒１０１で用いる材料などによって耐熱コーティングが施される。ここで、外筒１０２の内周面（内筒１０１との界面）は粗面である。
【００２１】
具体的には、外筒１０２の内面にアルミナ粒子などを用いたブラスト加工が施され、粗面が形成される。そして、外筒１０２に内筒１０１がライニングされ、端部が絞り加工によって折り曲げられることで操作ロッド７が作製される。ただし、これらの方法は一例であり、操作ロッド７を作製する方法は、これらの方法に限られない。
【００２２】
また、内筒１０１と外筒１０２との界面が粗面であればよく、内筒１０１の外周面に粗面を形成してもよい。どちらか一方のみではなく、内筒１０１の外周面と外筒１０２の内周面の両方に粗面を形成してもよい。
【００２３】
一方、第２接触子部２に関して、第２アーク接触子１０は第１アーク接触子４と接離可能なように対向配置され、第２アーク接触子１０の周囲には第２通電接触子１１が配置される。
【００２４】
また、第２接触子部２については、リンク機構などによって第１接触子部１と連結させ、第１接触子部１と同時に反対方向に移動させることにより、第１接触子部１と第２接触子部２との開離速度を増すというように移動可能な構成にしてもよい。
【００２５】
以上のように構成される第１の実施形態のガス遮断器における電流遮断動作について図１を用いて説明する。
【００２６】
操作ロッド７が後方に移動することにより、第１接触子部１はピストン９を除き後方に移動する。図１に示すような遮断過程途中では、第１アーク接触子４と第２アーク接触子１０が開離し、第１アーク接触子４と第２アーク接触子１０との間にアーク１３が発生する。
【００２７】
ここで、パッファ室１２内の圧力は、シリンダ８とピストン９との相対移動による機械的な圧縮作用により昇圧される。
【００２８】
また、アーク１３周辺は非常に高温高圧の状態であるため、アーク１３周辺の圧力はパッファ室１２の圧力よりも高くなる。そのため、操作ロッド７の内筒１０１の中空部から第２連通穴１０４を経て、パッファ室１２に至るガス流（図１中の破線矢印）が生じ、高温の消弧性ガス３がパッファ室１２に流入する。
【００２９】
さらに遮断動作が進むと、パッファ室１２内は機械的な圧縮作用に加えて、アーク１３による熱的昇圧作用によっても加圧される。
【００３０】
その後、電流ゼロ点に達すると、パッファ室１２内の消弧性ガス３が高圧のガス流となって第１連通穴１０３を通過する。そしてノズル５に導かれ、アーク１３に対して強力に吹き付けられることで消弧に至り、電流遮断が完了する。アーク１３に吹き付けられた消弧性ガス３は、高温の熱ガスとなり、操作ロッド７の内筒１０１内を通り、ピストン９の後方に移動した第２連通穴１０４を経て密閉容器内自由空間に放出される。
【００３１】
この第１の実施形態のガス遮断器では、操作ロッド７の内筒１０１と外筒１０２の界面を粗面とすることで、接触面積が小さくなり、この界面での熱抵抗を大きくすることができる。そのため、熱が外筒１０２に達し、外筒１０２が溶融してしまうことを防ぐことが可能である。
【００３２】
具体的な熱抵抗の値を求めるために行った解析結果を以下に示す。解析条件としては、内筒１０１には、熱伝導率１７７Ｗ／ｍＫのタングステンを用い、内径を４０ｍｍ、厚さを１ｍｍとした。外筒１０２には、厚さ５ｍｍ、熱伝導率２３６Ｗ／ｍＫのアルミニウム合金を用い、内筒１０１の内側表面が２０００℃まで上昇すると仮定した。そのような場合におけるアルミニウム合金製の外筒１０２の界面での温度と、内筒１０１と外筒１０２間の熱抵抗との関係を図３に示す。
【００３３】
図３より、内筒１０１と外筒１０２間の熱抵抗が小さい場合では、外筒１０２の界面での温度はアルミニウム合金の融点温度を超えることが予想されるため、本解析の条件では、およそ４×１０−５ｍ２Ｋ／Ｗ以上の熱抵抗が必要である。
【００３４】
次に内筒１０１の外側表面の粗さを変化させた場合における、熱抵抗の値を図４に示す。図３、図４より、外筒１０２にアルミニウム合金を用い、内筒１０１にタングステンを用いた場合では、表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａがおよそ５μｍ以上であればアルミニウム合金の溶融を防ぐだけの熱抵抗が得られる。
【００３５】
ただし、表面粗さが粗すぎると内筒１０１と外筒１０２との間でガタが大きくなるため、表面粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａは５０μｍ以下に抑えることが好ましい。
【００３６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図５を用いて説明する。なお、図１、図２に示した第１の実施形態のガス遮断器の各部と同一部分は同一符号で示す。図５は第２の実施形態のガス遮断器における操作ロッドの断面図である。
【００３７】
この第２の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は操作ロッド１４にある。第２の実施形態における操作ロッド１４は、図５に示すように内筒１０５、外筒１０６、スペーサ１０７、シール部材１０８を有し、内筒１０５と外筒１０６との間にスペーサ１０７を配置することで、内筒１０５と外筒１０６間に間隙１０９が形成される。
【００３８】
また、間隙１０９には、間隙１０９と第２連通穴１０４とが連通しないように、リング形状のシール部材１０８が内筒１０５を囲むように設けられる。つまり、間隙１０９は閉塞された空間となっている。
【００３９】
内筒１０５、外筒１０６の材料としては、第１の実施形態における内筒１０１、外筒１０２と同様である。
【００４０】
また、スペーサ１０７及びシール部材１０８の材料としては、ジルコニアが挙げられる。
【００４１】
このように構成することによって、例えば間隙１０９に消弧性ガス３が満たされていた場合、消弧性ガス３に用いられるＳＦ６やＣＯ２は内筒１０５や外筒１０６に用いられる材料に比べて熱伝導率が小さいため、内筒１０５と外筒１０６間での熱抵抗が大きくなる。
【００４２】
そのため、第１の実施例と同様に熱が外筒１０６に達し、外筒１０６が溶融してしまうことを防ぐことができる。
【００４３】
また、消弧性ガス３の代わりに空気を間隙１０９に満たすように構成した場合や間隙１０９内を真空にした場合でも同様の効果を得ることが可能である。
【００４４】
なお、スペーサ１０７の形状としては、ブロック形状やリング形状のものが挙げられるが、間隙１０９を形成することができればよく、これらに限らない。また、スペーサ１０７の数についても任意に決めることができ、限定されるものではない。
【００４５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図６を用いて説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態のガス遮断器の各部と同一部分は同一符号で示す。図６は第３の実施形態のガス遮断器における操作ロッドの断面図である。
【００４６】
この第３の実施形態が、第２の実施形態と異なる点は操作ロッド１４の内筒１０５、外筒１０６及びスペーサ１０７に第３連通穴１１０，第４連通穴１１１、第５連通穴１１２、第６連通穴１１３が設けられることにある。
【００４７】
このように連通穴１１０，１１１，１１２，１１３を設けることにより、図６中の破線矢印で示すような消弧性ガス３の流路が形成される。
【００４８】
具体的には、図１中のアーク１３の消弧動作時にパッファ室１２内の消弧性ガス３は第１連通穴１０３を通過するものと、第１１０連通穴を通過するものに分かれることになる。第１１０連通穴を通過した消弧性ガス３は、間隙１０９を通り、連通穴１１２及び１１３から操作ロッド１４の外へ放出される。
【００４９】
このように構成することにより、第２の実施形態で得られる効果に加えて、内筒１０５及び外筒１０６を消弧性ガス３により、冷却することが可能となる。そのため、より外筒１０６の溶融を防ぎ、操作ロッド１４の寿命を向上させることができる。
【００５０】
図６では、スペーサ１０７に第４連通穴１１１を設けているが、第４連通穴１１１の数は限定されるものではなく、消弧性ガス３が通過できれば、必ずしも設ける必要はない。また、内筒１０５及び外筒１０６に設けた連通穴１１０，１１２，１１３の数もこれらに限定されるものではない。
【００５１】
（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図７を用いて説明する。なお、第１の実施形態乃至第３の実施形態のガス遮断器の各部と同一部分は同一符号で示す。図７は第４の実施形態のガス遮断器における（ａ）操作ロッドの断面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図、（ｃ）Ｙ部拡大図である。
【００５２】
この第４の実施形態は、第１の実施形態と第３の実施形態を組み合せた構成である。具体的には、第４の実施形態における操作ロッド１５は、図７に示すように内筒１１４、外筒１１５を有し、内筒１１４の外周面側にスリット１１６が形成される。操作ロッド１５の内筒１１４及び外筒１１５には、第７連通穴１１７，第８連通穴１１８、第９連通穴１１９が設けられる。
【００５３】
また、スリット１１６が形成されていない、内筒１１４と外筒１１５が接する部分では、図７（ｃ）に示すように内筒１１４の外周面と前記外筒の内周面のうち、少なくとも一方が粗面である。
【００５４】
内筒１１４、外筒１１５の材料としては、第１の実施形態における内筒１０１、外筒１０２と同様である。
【００５５】
図７では、内筒１１４の外周面側にスリット１１６を設けているが、外筒１１５の内周面側に形成してもよい。
【００５６】
このように構成することによって、第３の実施形態における図６中のスペーサ１０７やシール部材１０８を設ける必要がない。そのため、第１の実施形態や第３の実施形態で得られる効果に加えて、部品点数の削減にも貢献することができる。
【００５７】
（第５の実施形態）
第５の実施形態について、図８を用いて説明する。なお、第１の実施形態乃至第４の実施形態のガス遮断器の各部と同一部分は同一符号で示す。図８は第５の実施形態のガス遮断器における操作ロッドの断面図である。
【００５８】
この第５の実施形態が、第１の実施形態乃至第４の実施形態と異なる点は操作ロッド１６にある。第５の実施形態における操作ロッド１６は、図８に示すように内筒１２０、外筒１２１、断熱層１２２を有し、断熱層１２２は内筒１２０と外筒１２１との間に設けられる。
【００５９】
内筒１２０、外筒１２１の材料としては、第１の実施形態における内筒１０１、外筒１０２と同様である。
【００６０】
ここで断熱層１２２には、内筒１２０や外筒１２１に用いられる材料よりも熱伝導率の小さい材料を用いる。断熱層１２２による熱抵抗は、断熱層１２２の厚さを断熱層１２２の熱伝導率で除した値になる。そのため、操作ロッド１６全体を薄肉化して軽量化するためには、なるべく熱伝導率の小さい材料を断熱層１２２に用いることが望ましい。具体的には、ジルコニア、アルミナ、ハフニアなどの酸化物、グラファイトの多孔質体や繊維をフェルト状にしたものが挙げられる。
【００６１】
熱伝導率の小さい材料の断熱層１２２が内筒１２０と外筒１２１との間に設けられることによって、内筒１２０と外筒１２１間での熱抵抗を大きくすることができる。それにより、熱が外筒１２１に達し、外筒１２１が溶融してしまうことを防ぐことが可能となる。
【００６２】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、重量低減を実現しつつ、操作ロッドの耐熱性に優れたガス遮断器を提供することができる。
【００６３】
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１…第１接触子部
２…第２接触子部
３…消弧性ガス
４…第１アーク接触子
５…ノズル
６…第１通電接触子
７，１４，１５，１６…操作ロッド
８…シリンダ
９…ピストン
１０…第２アーク接触子
１１…第２通電接触子
１２…パッファ室
１３…アーク
１０１，１０５，１１４，１２０…内筒
１０２，１０６，１１５，１２１…外筒
１０３…第１連通穴
１０４…第２連通穴
１０７…スペーサ
１０８…シール部材
１０９…間隙
１１０…第３連通穴
１１１…第４連通穴
１１２…第５連通穴
１１３…第６連通穴
１１６…スリット
１１７…第７連通穴
１１８…第８連通穴
１１９…第９連通穴
１２２…断熱層 
【図１】
2013222494.tif 000003
【図２】
2013222494.tif 000004
【図３】
2013222494.tif 000005
【図４】
2013222494.tif 000006
【図５】
2013222494.tif 000007
【図６】
2013222494.tif 000008
【図７】
2013222494.tif 000009
【図８】
2013222494.tif 000010