ガス遮断器
【課題】
パッファ室内の圧力を充分に上昇させることで、電流の充分な遮断性能を得ることのできるガス遮断器を提供する。
【解決手段】
実施形態のガス遮断器は、第１方向に延設される中空の容器と、前記容器内に設置され第１のアーク接触子を有する第１の接触子部と、前記第１の接触子部に前記第１方向に対向して、前記容器内に配置され、前記第１方向に移動し、前記第１のアーク接触子と接触または離間した状態を取りうる第２のアーク接触子を有する第２の接触子部と、を備え、前記第２の接触子部が有するパッファ室を、第１空間と、前記第２の接触子部の移動に伴い、前記空間の体積を変化させるピストンと接する第２空間とに分割し、開口を有する隔壁と、前記開口を覆って前記第１空間内に設けられ、前記第１方向に対して略垂直な方向に開閉するバルブとを備える。
パッファ室内の圧力を充分に上昇させることで、電流の充分な遮断性能を得ることのできるガス遮断器を提供する。
【解決手段】
実施形態のガス遮断器は、第１方向に延設される中空の容器と、前記容器内に設置され第１のアーク接触子を有する第１の接触子部と、前記第１の接触子部に前記第１方向に対向して、前記容器内に配置され、前記第１方向に移動し、前記第１のアーク接触子と接触または離間した状態を取りうる第２のアーク接触子を有する第２の接触子部と、を備え、前記第２の接触子部が有するパッファ室を、第１空間と、前記第２の接触子部の移動に伴い、前記空間の体積を変化させるピストンと接する第２空間とに分割し、開口を有する隔壁と、前記開口を覆って前記第１空間内に設けられ、前記第１方向に対して略垂直な方向に開閉するバルブとを備える。
【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】
パッファ型のガス遮断器では、アークの熱エネルギーにより室内の圧力を上昇させる熱的パッファ室と、ピストンの移動に伴う圧縮により室内の圧力を上昇させる機械パッファ室間はバルブを介して連通している。このバルブにより両パッファ室間のガスの流れを調整して、両パッファ室が相補的に熱的パッファ室内の圧力を上昇させる。
【０００３】
また、電流の遮断には、アークが弱まる電流零点において、圧力が上昇したパッファ室内とアークが発生する空間との差圧によりアークに対して消弧性ガスを吹き付けることで行う。このようなガス遮断器において、電流の遮断性能の向上には、アークが発生する空間とパッファ室内との間に充分な差圧を確保することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９９４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のバルブの動作が不安定であると、熱的パッファ室内の圧力を充分に上昇させることができずに、アークが発生する空間とパッファ室との間に充分な差圧が確保できないため、電流の充分な遮断性能が得られないという問題がある。
【０００６】
そこで、パッファ室内の圧力を充分に上昇させることで、電流の充分な遮断性能を得ることのできるガス遮断器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のガス遮断器は、第１方向に延設される中空の容器と、前記容器内に設置され第１のアーク接触子を有する第１の接触子部と、前記第１の接触子部に前記第１方向に対向して、前記容器内に配置され、前記第１方向に移動し、前記第１のアーク接触子と接触または離間した状態を取りうる第２のアーク接触子を有する第２の接触子部と、を備え、前記第２の接触子部が、前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子との間に発生するアークを吹き消すための消弧性ガスを蓄えるための空間を有するパッファ室と、前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子とが離間する際に開口し、前記第２のアーク接触子の近傍に存在する第１の開口と、前記パッファ室に開口している第２の開口とを有する消弧性ガスの流路と、前記第２の接触子部の移動に伴い、前記空間の体積を変化させるピストンと、前記パッファ室を、前記第２の開口と連接する第１空間と、前記ピストンと接する第２空間とに分割し、前記消弧性ガスが流れる開口を有する隔壁と、前記開口を覆って前記第１空間内に設けられ、前記第１方向に対して略垂直な方向に開閉するバルブとを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一の実施形態に係るガス遮断器の断面図。
【図２】図１のガス遮断器に用いるバルブの構成図。
【図３】熱的パッファ室内の圧力分布の数値解析結果を示す図。
【図４】図１のガス遮断器に用いるバルブの比較例を示す図。
【図５】図１のガス遮断器の動作を説明する図（遮断動作初期）。
【図６】図１のガス遮断器の動作を説明する図（電流零点以降）。
【図７】図２のバルブの第一の変形例を示す構成図。
【図８】図２のバルブの第二の変形例を示す構成図。
【図９】図８の放圧部の動作を説明する図（伸縮部材の縮小時）。
【図１０】図８の放圧部の動作を説明する図（伸縮部材の伸長時）。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
【００１０】
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態に係るガス遮断器の構成を示す断面図である。
【００１１】
本実施形態のガス遮断器は、消弧性ガスが充填されている中空円筒形状であり中心軸の方向に延設される容器５０と、容器５０の中心軸上に、可動接触子部１と、この可動接触子部１に対向する対向接触子部２（図１中の破線で示す部分）と、可動接触子部１の一部に接触する固定ピストン２４とを備える。
【００１２】
なお、図１では可動接触子部１と対向接触子部２とが接触している通電状態を示す。この通電状態においては、可動接触子部１および対向接触子部２には交流電流が流れているものとする。
【００１３】
以下の説明では、対向接触子部２側の方向を前方（図１の左側）、その反対側を後方（図１の右側）として定義する。
【００１４】
本実施形態において、可動接触子部１は、中空円筒形状のシリンダ２３と、シリンダ２３の内部の中心軸上に設けられる中空の操作ロッド２１と、シリンダ２３と操作ロッド２１とに囲まれて設けられるパッファ室４２及び４３とを備える。
【００１５】
可動接触子部１は、容器５０の中心軸に沿って前方または後方に移動可能である。
【００１６】
シリンダ２３の前方の端部にはフランジ２２が形成されている。さらに、このフランジ２２の前方には、スロート部１４を有する絶縁ノズル１３が、スロート部１４を中心軸に向けて設けられる。また、絶縁ノズル１３の周囲に可動通電接触子１５が設けられる。
【００１７】
また、シリンダ２３の内周面の中程には隔壁２６が形成されている。この隔壁２６を介してシリンダ２３内の空間（パッファ室）は、前方側に熱的パッファ室４２が、後方側に機械パッファ室４３がそれぞれ設けられている。このとき、パッファ室のシリンダ側の面を外周面、操作ロッド側の面を内周面として定義する。
【００１８】
前方の熱的パッファ室４２は、後述する遮断動作時に発生するアークからの熱エネルギーにより生じる消弧性ガスの流れが隔壁２６等に衝突することで昇圧される空間である。
【００１９】
後方の機械パッファ室４３は、遮断動作時に後述する固定ピストン２４の機械的圧縮作用により昇圧される空間である。
【００２０】
操作ロッド２１は、図示しない駆動装置によって、中心軸方向に往復運動するように構成されている。その中程には操作ロッド２１の内部と、容器５０内の充填ガス雰囲気空間とを連通させるための開口部４５eが複数形成されている。この操作ロッド２１の前方には、前方の先端が中心に丸まった指状の可動アーク接触子１１が一体的に形成されている。
【００２１】
上記のフランジ２２と操作ロッド２１との間には、開口部４５aが形成されている。また、可動アーク接触子１１の前方側の先端と、スロート部１４との間には開口部４５bが形成されている。この開口部４５aから開口部４５bまで、熱エネルギー及び消弧性ガスの流路４４が形成されている。図１の導通状態では開口部４５bが対向アーク接触子１２によって塞がれている。
【００２２】
隔壁２６には開口部４５cが形成されている。この開口部４５cの熱的パッファ室４２側には、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３間の圧力差により生じる消弧性ガスの流れを調整するバルブ３０が設けられている。
【００２３】
対向接触子部２は、容器５０の中心軸に沿って、フランジ５２と、フランジ５２の周囲に固定された円筒形状の対向通電接触子５４と、図示しない前方において対向通電接触子５４と固定され、対向通電接触子５４の中心軸に位置する対向アーク接触子１２とを備える。
【００２４】
また、フランジ５２は開口部５３を有する。対向通電接触子５４は、可動通電接触子１５と接触させるため、後方側の厚さが、前方側に比べ厚いほうが好ましい。
【００２５】
固定ピストン２４は、機械パッファ室４３の後方に挿入される環状平板である。この固定ピストン２４は、その内周面で操作ロッド２１の外周面に対して摺動すると共に、その外周面でシリンダ２３の内周面に対して摺動するように構成されており、その後方に一体的に設けられて軸方向に伸びるピストン支持部２５の一部を例えば容器５０に接触させることで、容器５０内に固定されている。
【００２６】
機械パッファ室４３内の空間は、シリンダ２３、隔壁２６、操作ロッド２１および固定ピストン２４の面で取り囲まれているため、操作ロッド２１が摺動するにつれて空間の体積が変化する。
【００２７】
また、固定ピストン２４には、開口部４５dが形成されている。この開口部４５dには、機械パッファ室４３内の過剰圧力上昇を防ぐために、消弧性ガスを容器５０内の充填ガス雰囲気空間へ流出するバルブ２８が設けられている。このバルブ２８は、例えばバネにより閉方向に蓄勢された放圧弁である。
【００２８】
通常の通電状態においては、操作ロッド２１を駆動することにより可動接触子部１を前方に移動させて、図１に示すように、対向通電接触子５４と可動通電接触子１５とは接触している。また、可動アーク接触子１１と対向アーク接触子１２とは接触している。
【００２９】
後述の遮断動作時には、操作ロッド２１を駆動することにより可動接触子部１を後方に移動させる。このとき、可動アーク接触子１１と対向アーク接触子１２とが非接触となることでアーク空間４６が形成されるとともに、流路４４の開口部４５bが対向アーク接触子１２から開放される。
【００３０】
図２は、隔壁２６の開口部４５cに設けられるバルブ３０の構成図である。
【００３１】
バルブ３０は、開口部４５cを覆い、開口部４５cを介して機械パッファ室４３と連通する空間を有する筺体３１と、筺体３１の側面のうち容器５０の円周方向の側面に設けられる放圧部３２を備える。この放圧部３２としては、バネ３３により閉方向に蓄勢された放圧弁３４を用いることができる。
【００３２】
図３は、数値解析により得られた遮断動作時における熱的パッファ室４２内の圧力分布の瞬時値を示す図（円周方向をy軸と定義）である。ここでは、熱的パッファ室４２の内周面をy＝0、外周面をy＝Lとする。
【００３３】
図３を見ると、熱的パッファ室４２内の円周方向の圧力分布は一様ではないことがわかる。具体的には、y＝0.5L付近からy＝Lまで（外周側）は比較的緩やかな変化の圧力分布となっているが、特にy＝0からy＝0.5L付近までの比較的開口部４５aの近く（内周側）での圧力はy＝0.5 Lからy＝0に向かって徐々に減少し、大きな変化をみせていることがわかる。
【００３４】
このとき、軸方向に開放する放圧部３２を用いる場合には、図４に示すように、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３間に生じる軸方向の圧力差はy軸方向に一様とはならずに、この圧力差により生じる開閉方向（軸方向）の力は一様とはならない。
【００３５】
したがって、この圧力差により放圧部３２の開閉を調整する場合には、例えば熱的パッファ室４２の昇圧のために、放圧部３２を閉じた状態に保ちたい状況であっても、放圧部３２を熱的パッファ室４２側から熱的パッファ室４２側（図中x軸正の方向）へ押す力が、熱的パッファ室４２側から熱的パッファ室４２側（図中x軸負の方向）へ押す力を上回ることになり、部分的に開口部４５cを開放してしまう。
【００３６】
また、同様に放圧部３２を閉じた状態に保ちたい状況であっても、可動接触子部１の移動を停止するストロークの終盤において操作ロッド２１の減速に伴い、慣性力により放圧部３２には開閉方向のうち開放する方向に力がはたらき開口部４５cを開放してしまう。
【００３７】
熱的パッファ室４２内を充分に昇圧するためには、放圧部３２の開閉を適切なタイミングで行う必要があることに加え、適切なタイミングで放圧部３２の開閉を安定的に行う必要がある。そのためには、放圧部３２における圧力分布を一様に近づけることが望ましい。また、放圧部３２の慣性力による影響を受けないためにも、放圧部３２の開放方向と軸方向を一致させないことが望ましい。
【００３８】
そこで、図２に示すように、本実施形態のガス遮断器では、筺体３１の円周方向の側面に放圧部３２を設けている。y軸方向の圧力分布と比較して、軸方向の圧力変化は小さいものと考えられるので、上記のように軸方向に略水平な円周方向の側面に放圧部３２を設けることで、図４の例と比較して放圧部３２における圧力分布を一様に近づけることができる。
【００３９】
さらに、図３からわかるように、内周側の圧力に比べて外周側の圧力が高いので、外周面と対向する側面（図２において外周面に近い側面）に放圧部３２を設けることで、熱的パッファ室４２と機械パッファ室間の圧力差を向上させることができる。さらに好ましくは、外周側（y＝0.5L〜Lの範囲内）に放圧部３２を設けるのがよい。これにより、放圧部３２を安定的に閉じた状態に保つことができる。
【００４０】
以上により、熱的パッファ室４２内を充分に昇圧することができ、ガス遮断器として電流の充分な遮断性能を得ることができる。
【００４１】
以下、図５及び図６を参照して、本実施形態に係るガス遮断器の動作及び内部での消弧性ガスの流れについて詳細に説明する。
【００４２】
図５は、遮断動作初期における、本実施形態に係るガス遮断器内部での消弧性ガスの流れを説明するための図である。
【００４３】
遮断動作が開始すると、操作ロッド２１が後方に移動し、この操作ロッド２１を含む可動接触子部１が一体的に移動する。これにより、操作ロッド２１とシリンダ２３および隔壁２６が一体的に移動することになり、固定された固定ピストン２４に対して隔壁２６が接近するため、機械パッファ室４３の空間が圧縮されて昇圧する。
【００４４】
このように遮断動作の初期時点では機械パッファ室４３が昇圧しているので、圧力差により消弧性ガスが、機械パッファ室４３から開口部４５cを経て、熱的パッファ室４２へ供給される。
【００４５】
他方で、対向アーク接触子１２と可動アーク接触子１１が開離すると、両アーク接触子１２及び１１間のアーク空間４６にはアークが発生する。このとき、アークにより、アーク空間４６の温度、圧力は急激に上昇する。
【００４６】
したがって、アーク空間４６は熱的パッファ室４２より圧力が上昇するために、アーク空間４６の消弧性ガスは、流路４４の可動アーク接触子１１の先端部の開口部４５ｂからフランジ２２の開口部４５ａを経て熱的パッファ室４２に至る流れを生じる。この流れにより熱的パッファ室４２内に流入する消弧性ガスにより、熱的パッファ室４２内が昇圧される。
【００４７】
このように、ガス遮断器では、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３が相補的に作用する。以下では、上記のように、アークの熱エネルギーにより熱的パッファ室４２内の圧力が充分に昇圧された後の、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３との関係について説明する。
【００４８】
大電流遮断時（例えば２０ｋＡを越える場合）には熱的パッファ室４２は著しく昇圧され、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３の間に逆差圧が生じるため、バルブ３０の放圧部３２には後方への力が作用する。この際、図２に示すバルブ３０により開口部４５cは安定的に閉状態を保つことができ、熱的パッファ室４２のみで充分な昇圧を行うことができる。
【００４９】
また、バルブ３０が閉じることにより、機械パッファ室４３へのアークの熱エネルギーの流入が抑制されるため、機械パッファ室４３の過剰な昇圧がある程度抑制されることになり、遮断動作を妨害する反力を抑えることができる。
【００５０】
このとき、もし機械パッファ室４３の過剰圧力上昇となった場合には、固定ピストン２４に設けられたバルブ２８が開状態となって、機械パッファ室４３内の消弧性ガスは、機械パッファ室４３から充填ガス雰囲気空間へと流出する。
【００５１】
これに対して、中小電流遮断時（例えば２０ｋＡ以下の場合）には、熱的パッファ室４２内は充分に昇圧されないため、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３の圧力は比較的均衡した状態にあり、バルブ３０の放圧部３２の動作は状態により変化する。特に、後述の電流零点近傍においては、熱的パッファ室４２内の圧力は次第に低下し、機械パッファ室４３内の圧力を下回るため、バルブ３０は開状態となり、機械パッファ室４３から熱的パッファ室４２への流れが発生することになる。
【００５２】
これにより、機械パッファ室４３の機械的な圧縮により、熱的パッファ室４２の昇圧を補うことができる。
【００５３】
図６は、上記のように熱的パッファ室４２内を充分に昇圧した後の電流零点以降における、本実施形態に係るガス遮断器内部での消弧性ガスの流れを説明するための図である。
上記の遮断動作初期の状態からさらにストロークが進行し、交流電流が一時的に零になる電流零点に達すると、アークは減衰する。そして、アークは残留アークプラズマ状態となり、アーク空間４６における圧力及び温度が減少する。これにより、電流零点に達する以前に上昇した熱的パッファ室４２の圧力が、アーク空間４６の圧力を上回ることで差圧が逆転する。
【００５４】
このとき、開口部４５bは充分に開口し、熱的パッファ室４２からフランジ２２の開口部４５ａを経て、アーク空間４６に向かって流路４４を通過する流れが生じる。さらに、この流れは、流路４４の開口部４５ｂから対向アーク接触子１２に向かって流れる流れと、操作ロッド２１の中空部内を流れ、開口部４５eに向かう流れとに分かれる（分流する）。
【００５５】
このアーク空間４６に向かう流れを勢いよくアークに対して吹きつけ、さらに分流する流れによって、アークは相乗的に冷却されて消弧され、電流遮断が達成される。
【００５６】
なお、このとき操作ロッド２１の開口部４５eを通過した流れは、充填ガス雰囲気空間へと流出する。
【００５７】
（第一の変形例）
図７は、図２のバルブ３０の第一の変形例を示す構成図である。
【００５８】
本変形例では、バルブ３０は、開口部４５cを覆い、開口部４５cを介して機械パッファ室４３と連通する空間を有する筺体３１と、筺体３１の円周方向の側面に設けられる放圧部３２を備える。
【００５９】
図７のバルブ３０では、筺体３１の周方向のうち内周側の側面を、内周面（操作ロッド２１）が形成している。この場合、熱的パッファ室４２内には、筺体３１の周方向の側面としては、外周面と対向する側面のみであるので、放圧部３２はこの側面に設けられる。
【００６０】
（第二の変形例）
図８は、図２のバルブ３０の第二の変形例を示す構成図である。なお、図８（a）は側面図、図８（b）は図８（a）において矢印Aから見た図である。
【００６１】
本変形例では、バルブ３０は、開口部４５cを覆い、開口部４５cを介して機械パッファ室４３と連通する空間を有する筺体３１と、筺体３１の円周方向の側面に設けられる放圧部３２を備える。
【００６２】
図８のバルブ３０では、放圧部３２は、一方向に延伸し、互いに平行に並ぶ複数の伸縮部材３５と、伸縮部材３５の延伸方向に互いに接触して平行に並ぶ複数の板部材３６を備える。板部材３６は、伸縮部材３５の延伸方向に対して略垂直な方向に長い矩形状の部材であり、全ての伸縮部材３５と接続されている。
【００６３】
以下、図９及び図１０を参照して放圧部３２の動作を説明する。
【００６４】
図９は、伸縮部材３５の縮小時における放圧部３２を示す図である。なお、図９（a）はバルブ３０を軸方向に見た図、図９（b）は図９（a）のＡ−Ａ断面図である。
【００６５】
図９の状態では、放圧部３２を熱的パッファ室４２から筺体３１内の空間へ向けて押す力が、筺体３１内の空間から熱的パッファ室４２へ向けて押す力を上回る。このとき、図９（b）に示すように、板部材３６は筺体３１により固定された状態にある。
【００６６】
したがって、複数の板部材３６は互いに接触しているので、熱的パッファ室４２と筺体３１内の空間は、板部材３６により隔離されている。
【００６７】
図１０は、伸縮部材３５の伸長時における放圧部３２を示す図である。なお、図１０（a）はバルブ３０を軸方向に見た図、図１０（b）は図１０（a）のＢ−Ｂ断面図である。
【００６８】
図１０の状態では、放圧部３２を筺体３１内の空間から熱的パッファ室４２へ向けて押す力が、熱的パッファ室４２から筺体３１内の空間へ向けて押す力を上回る。このとき、図１０（b）に示すように、上記の力の差により板部材３６がパッファ室４２側へ押されるとともに伸縮部材３５が伸長することで、隣接する板部材３６間及び板部材３６と筺体３１間に隙間が形成される。この隙間によりバルブ３０は開放状態となる。
【００６９】
したがって、伸縮部材３５の伸長により、上記の力の差に応じて隙間の面積が調整されるので、消孤性ガスの流れを調整することができる。また、板部材３６が伸縮部材３５により接続されているので、図２に示すバネと放圧弁を用いる放圧部３２に比べて、圧力分布の変化の影響を受けにくく、より安定的にバルブ３０の開閉動作を行うことができる。
【００７０】
以上説明した少なくとも１つの実施形態のガス遮断器によれば、パッファ室内の圧力を充分に上昇させることで、電流の充分な遮断性能を得ることができる。
【００７１】
これら実施形態は、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、様々の省略、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時に、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ものである。
【符号の説明】
【００７２】
１・・・可動接触子部
２・・・対向接触子部
１１・・・可動アーク接触子
１２・・・対向アーク接触子
１３・・・絶縁ノズル
１４・・・スロート部
１５・・・可動通電接触子
２１・・・操作ロッド
２２・・・フランジ
２３・・・シリンダ
２４・・・固定ピストン
２５・・・ピストン支持部
２６・・・隔壁
２８、３０・・・バルブ
３１・・・筐体
３２・・・放圧部
３３・・・バネ
３４・・・放圧弁
３５・・・伸縮部材
３６・・・板部材
４２・・・熱的パッファ室
４３・・・機械パッファ室
４４・・・流路
４５a、４５b、４５c、４５d、４５e・・・開口部
４６・・・アーク空間
５０・・・容器
５２・・・フランジ
５３・・・開口部
５４・・・対向通電接触子
【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】
パッファ型のガス遮断器では、アークの熱エネルギーにより室内の圧力を上昇させる熱的パッファ室と、ピストンの移動に伴う圧縮により室内の圧力を上昇させる機械パッファ室間はバルブを介して連通している。このバルブにより両パッファ室間のガスの流れを調整して、両パッファ室が相補的に熱的パッファ室内の圧力を上昇させる。
【０００３】
また、電流の遮断には、アークが弱まる電流零点において、圧力が上昇したパッファ室内とアークが発生する空間との差圧によりアークに対して消弧性ガスを吹き付けることで行う。このようなガス遮断器において、電流の遮断性能の向上には、アークが発生する空間とパッファ室内との間に充分な差圧を確保することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９９４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のバルブの動作が不安定であると、熱的パッファ室内の圧力を充分に上昇させることができずに、アークが発生する空間とパッファ室との間に充分な差圧が確保できないため、電流の充分な遮断性能が得られないという問題がある。
【０００６】
そこで、パッファ室内の圧力を充分に上昇させることで、電流の充分な遮断性能を得ることのできるガス遮断器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態のガス遮断器は、第１方向に延設される中空の容器と、前記容器内に設置され第１のアーク接触子を有する第１の接触子部と、前記第１の接触子部に前記第１方向に対向して、前記容器内に配置され、前記第１方向に移動し、前記第１のアーク接触子と接触または離間した状態を取りうる第２のアーク接触子を有する第２の接触子部と、を備え、前記第２の接触子部が、前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子との間に発生するアークを吹き消すための消弧性ガスを蓄えるための空間を有するパッファ室と、前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子とが離間する際に開口し、前記第２のアーク接触子の近傍に存在する第１の開口と、前記パッファ室に開口している第２の開口とを有する消弧性ガスの流路と、前記第２の接触子部の移動に伴い、前記空間の体積を変化させるピストンと、前記パッファ室を、前記第２の開口と連接する第１空間と、前記ピストンと接する第２空間とに分割し、前記消弧性ガスが流れる開口を有する隔壁と、前記開口を覆って前記第１空間内に設けられ、前記第１方向に対して略垂直な方向に開閉するバルブとを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一の実施形態に係るガス遮断器の断面図。
【図２】図１のガス遮断器に用いるバルブの構成図。
【図３】熱的パッファ室内の圧力分布の数値解析結果を示す図。
【図４】図１のガス遮断器に用いるバルブの比較例を示す図。
【図５】図１のガス遮断器の動作を説明する図（遮断動作初期）。
【図６】図１のガス遮断器の動作を説明する図（電流零点以降）。
【図７】図２のバルブの第一の変形例を示す構成図。
【図８】図２のバルブの第二の変形例を示す構成図。
【図９】図８の放圧部の動作を説明する図（伸縮部材の縮小時）。
【図１０】図８の放圧部の動作を説明する図（伸縮部材の伸長時）。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
【００１０】
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態に係るガス遮断器の構成を示す断面図である。
【００１１】
本実施形態のガス遮断器は、消弧性ガスが充填されている中空円筒形状であり中心軸の方向に延設される容器５０と、容器５０の中心軸上に、可動接触子部１と、この可動接触子部１に対向する対向接触子部２（図１中の破線で示す部分）と、可動接触子部１の一部に接触する固定ピストン２４とを備える。
【００１２】
なお、図１では可動接触子部１と対向接触子部２とが接触している通電状態を示す。この通電状態においては、可動接触子部１および対向接触子部２には交流電流が流れているものとする。
【００１３】
以下の説明では、対向接触子部２側の方向を前方（図１の左側）、その反対側を後方（図１の右側）として定義する。
【００１４】
本実施形態において、可動接触子部１は、中空円筒形状のシリンダ２３と、シリンダ２３の内部の中心軸上に設けられる中空の操作ロッド２１と、シリンダ２３と操作ロッド２１とに囲まれて設けられるパッファ室４２及び４３とを備える。
【００１５】
可動接触子部１は、容器５０の中心軸に沿って前方または後方に移動可能である。
【００１６】
シリンダ２３の前方の端部にはフランジ２２が形成されている。さらに、このフランジ２２の前方には、スロート部１４を有する絶縁ノズル１３が、スロート部１４を中心軸に向けて設けられる。また、絶縁ノズル１３の周囲に可動通電接触子１５が設けられる。
【００１７】
また、シリンダ２３の内周面の中程には隔壁２６が形成されている。この隔壁２６を介してシリンダ２３内の空間（パッファ室）は、前方側に熱的パッファ室４２が、後方側に機械パッファ室４３がそれぞれ設けられている。このとき、パッファ室のシリンダ側の面を外周面、操作ロッド側の面を内周面として定義する。
【００１８】
前方の熱的パッファ室４２は、後述する遮断動作時に発生するアークからの熱エネルギーにより生じる消弧性ガスの流れが隔壁２６等に衝突することで昇圧される空間である。
【００１９】
後方の機械パッファ室４３は、遮断動作時に後述する固定ピストン２４の機械的圧縮作用により昇圧される空間である。
【００２０】
操作ロッド２１は、図示しない駆動装置によって、中心軸方向に往復運動するように構成されている。その中程には操作ロッド２１の内部と、容器５０内の充填ガス雰囲気空間とを連通させるための開口部４５eが複数形成されている。この操作ロッド２１の前方には、前方の先端が中心に丸まった指状の可動アーク接触子１１が一体的に形成されている。
【００２１】
上記のフランジ２２と操作ロッド２１との間には、開口部４５aが形成されている。また、可動アーク接触子１１の前方側の先端と、スロート部１４との間には開口部４５bが形成されている。この開口部４５aから開口部４５bまで、熱エネルギー及び消弧性ガスの流路４４が形成されている。図１の導通状態では開口部４５bが対向アーク接触子１２によって塞がれている。
【００２２】
隔壁２６には開口部４５cが形成されている。この開口部４５cの熱的パッファ室４２側には、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３間の圧力差により生じる消弧性ガスの流れを調整するバルブ３０が設けられている。
【００２３】
対向接触子部２は、容器５０の中心軸に沿って、フランジ５２と、フランジ５２の周囲に固定された円筒形状の対向通電接触子５４と、図示しない前方において対向通電接触子５４と固定され、対向通電接触子５４の中心軸に位置する対向アーク接触子１２とを備える。
【００２４】
また、フランジ５２は開口部５３を有する。対向通電接触子５４は、可動通電接触子１５と接触させるため、後方側の厚さが、前方側に比べ厚いほうが好ましい。
【００２５】
固定ピストン２４は、機械パッファ室４３の後方に挿入される環状平板である。この固定ピストン２４は、その内周面で操作ロッド２１の外周面に対して摺動すると共に、その外周面でシリンダ２３の内周面に対して摺動するように構成されており、その後方に一体的に設けられて軸方向に伸びるピストン支持部２５の一部を例えば容器５０に接触させることで、容器５０内に固定されている。
【００２６】
機械パッファ室４３内の空間は、シリンダ２３、隔壁２６、操作ロッド２１および固定ピストン２４の面で取り囲まれているため、操作ロッド２１が摺動するにつれて空間の体積が変化する。
【００２７】
また、固定ピストン２４には、開口部４５dが形成されている。この開口部４５dには、機械パッファ室４３内の過剰圧力上昇を防ぐために、消弧性ガスを容器５０内の充填ガス雰囲気空間へ流出するバルブ２８が設けられている。このバルブ２８は、例えばバネにより閉方向に蓄勢された放圧弁である。
【００２８】
通常の通電状態においては、操作ロッド２１を駆動することにより可動接触子部１を前方に移動させて、図１に示すように、対向通電接触子５４と可動通電接触子１５とは接触している。また、可動アーク接触子１１と対向アーク接触子１２とは接触している。
【００２９】
後述の遮断動作時には、操作ロッド２１を駆動することにより可動接触子部１を後方に移動させる。このとき、可動アーク接触子１１と対向アーク接触子１２とが非接触となることでアーク空間４６が形成されるとともに、流路４４の開口部４５bが対向アーク接触子１２から開放される。
【００３０】
図２は、隔壁２６の開口部４５cに設けられるバルブ３０の構成図である。
【００３１】
バルブ３０は、開口部４５cを覆い、開口部４５cを介して機械パッファ室４３と連通する空間を有する筺体３１と、筺体３１の側面のうち容器５０の円周方向の側面に設けられる放圧部３２を備える。この放圧部３２としては、バネ３３により閉方向に蓄勢された放圧弁３４を用いることができる。
【００３２】
図３は、数値解析により得られた遮断動作時における熱的パッファ室４２内の圧力分布の瞬時値を示す図（円周方向をy軸と定義）である。ここでは、熱的パッファ室４２の内周面をy＝0、外周面をy＝Lとする。
【００３３】
図３を見ると、熱的パッファ室４２内の円周方向の圧力分布は一様ではないことがわかる。具体的には、y＝0.5L付近からy＝Lまで（外周側）は比較的緩やかな変化の圧力分布となっているが、特にy＝0からy＝0.5L付近までの比較的開口部４５aの近く（内周側）での圧力はy＝0.5 Lからy＝0に向かって徐々に減少し、大きな変化をみせていることがわかる。
【００３４】
このとき、軸方向に開放する放圧部３２を用いる場合には、図４に示すように、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３間に生じる軸方向の圧力差はy軸方向に一様とはならずに、この圧力差により生じる開閉方向（軸方向）の力は一様とはならない。
【００３５】
したがって、この圧力差により放圧部３２の開閉を調整する場合には、例えば熱的パッファ室４２の昇圧のために、放圧部３２を閉じた状態に保ちたい状況であっても、放圧部３２を熱的パッファ室４２側から熱的パッファ室４２側（図中x軸正の方向）へ押す力が、熱的パッファ室４２側から熱的パッファ室４２側（図中x軸負の方向）へ押す力を上回ることになり、部分的に開口部４５cを開放してしまう。
【００３６】
また、同様に放圧部３２を閉じた状態に保ちたい状況であっても、可動接触子部１の移動を停止するストロークの終盤において操作ロッド２１の減速に伴い、慣性力により放圧部３２には開閉方向のうち開放する方向に力がはたらき開口部４５cを開放してしまう。
【００３７】
熱的パッファ室４２内を充分に昇圧するためには、放圧部３２の開閉を適切なタイミングで行う必要があることに加え、適切なタイミングで放圧部３２の開閉を安定的に行う必要がある。そのためには、放圧部３２における圧力分布を一様に近づけることが望ましい。また、放圧部３２の慣性力による影響を受けないためにも、放圧部３２の開放方向と軸方向を一致させないことが望ましい。
【００３８】
そこで、図２に示すように、本実施形態のガス遮断器では、筺体３１の円周方向の側面に放圧部３２を設けている。y軸方向の圧力分布と比較して、軸方向の圧力変化は小さいものと考えられるので、上記のように軸方向に略水平な円周方向の側面に放圧部３２を設けることで、図４の例と比較して放圧部３２における圧力分布を一様に近づけることができる。
【００３９】
さらに、図３からわかるように、内周側の圧力に比べて外周側の圧力が高いので、外周面と対向する側面（図２において外周面に近い側面）に放圧部３２を設けることで、熱的パッファ室４２と機械パッファ室間の圧力差を向上させることができる。さらに好ましくは、外周側（y＝0.5L〜Lの範囲内）に放圧部３２を設けるのがよい。これにより、放圧部３２を安定的に閉じた状態に保つことができる。
【００４０】
以上により、熱的パッファ室４２内を充分に昇圧することができ、ガス遮断器として電流の充分な遮断性能を得ることができる。
【００４１】
以下、図５及び図６を参照して、本実施形態に係るガス遮断器の動作及び内部での消弧性ガスの流れについて詳細に説明する。
【００４２】
図５は、遮断動作初期における、本実施形態に係るガス遮断器内部での消弧性ガスの流れを説明するための図である。
【００４３】
遮断動作が開始すると、操作ロッド２１が後方に移動し、この操作ロッド２１を含む可動接触子部１が一体的に移動する。これにより、操作ロッド２１とシリンダ２３および隔壁２６が一体的に移動することになり、固定された固定ピストン２４に対して隔壁２６が接近するため、機械パッファ室４３の空間が圧縮されて昇圧する。
【００４４】
このように遮断動作の初期時点では機械パッファ室４３が昇圧しているので、圧力差により消弧性ガスが、機械パッファ室４３から開口部４５cを経て、熱的パッファ室４２へ供給される。
【００４５】
他方で、対向アーク接触子１２と可動アーク接触子１１が開離すると、両アーク接触子１２及び１１間のアーク空間４６にはアークが発生する。このとき、アークにより、アーク空間４６の温度、圧力は急激に上昇する。
【００４６】
したがって、アーク空間４６は熱的パッファ室４２より圧力が上昇するために、アーク空間４６の消弧性ガスは、流路４４の可動アーク接触子１１の先端部の開口部４５ｂからフランジ２２の開口部４５ａを経て熱的パッファ室４２に至る流れを生じる。この流れにより熱的パッファ室４２内に流入する消弧性ガスにより、熱的パッファ室４２内が昇圧される。
【００４７】
このように、ガス遮断器では、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３が相補的に作用する。以下では、上記のように、アークの熱エネルギーにより熱的パッファ室４２内の圧力が充分に昇圧された後の、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３との関係について説明する。
【００４８】
大電流遮断時（例えば２０ｋＡを越える場合）には熱的パッファ室４２は著しく昇圧され、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３の間に逆差圧が生じるため、バルブ３０の放圧部３２には後方への力が作用する。この際、図２に示すバルブ３０により開口部４５cは安定的に閉状態を保つことができ、熱的パッファ室４２のみで充分な昇圧を行うことができる。
【００４９】
また、バルブ３０が閉じることにより、機械パッファ室４３へのアークの熱エネルギーの流入が抑制されるため、機械パッファ室４３の過剰な昇圧がある程度抑制されることになり、遮断動作を妨害する反力を抑えることができる。
【００５０】
このとき、もし機械パッファ室４３の過剰圧力上昇となった場合には、固定ピストン２４に設けられたバルブ２８が開状態となって、機械パッファ室４３内の消弧性ガスは、機械パッファ室４３から充填ガス雰囲気空間へと流出する。
【００５１】
これに対して、中小電流遮断時（例えば２０ｋＡ以下の場合）には、熱的パッファ室４２内は充分に昇圧されないため、熱的パッファ室４２と機械パッファ室４３の圧力は比較的均衡した状態にあり、バルブ３０の放圧部３２の動作は状態により変化する。特に、後述の電流零点近傍においては、熱的パッファ室４２内の圧力は次第に低下し、機械パッファ室４３内の圧力を下回るため、バルブ３０は開状態となり、機械パッファ室４３から熱的パッファ室４２への流れが発生することになる。
【００５２】
これにより、機械パッファ室４３の機械的な圧縮により、熱的パッファ室４２の昇圧を補うことができる。
【００５３】
図６は、上記のように熱的パッファ室４２内を充分に昇圧した後の電流零点以降における、本実施形態に係るガス遮断器内部での消弧性ガスの流れを説明するための図である。
上記の遮断動作初期の状態からさらにストロークが進行し、交流電流が一時的に零になる電流零点に達すると、アークは減衰する。そして、アークは残留アークプラズマ状態となり、アーク空間４６における圧力及び温度が減少する。これにより、電流零点に達する以前に上昇した熱的パッファ室４２の圧力が、アーク空間４６の圧力を上回ることで差圧が逆転する。
【００５４】
このとき、開口部４５bは充分に開口し、熱的パッファ室４２からフランジ２２の開口部４５ａを経て、アーク空間４６に向かって流路４４を通過する流れが生じる。さらに、この流れは、流路４４の開口部４５ｂから対向アーク接触子１２に向かって流れる流れと、操作ロッド２１の中空部内を流れ、開口部４５eに向かう流れとに分かれる（分流する）。
【００５５】
このアーク空間４６に向かう流れを勢いよくアークに対して吹きつけ、さらに分流する流れによって、アークは相乗的に冷却されて消弧され、電流遮断が達成される。
【００５６】
なお、このとき操作ロッド２１の開口部４５eを通過した流れは、充填ガス雰囲気空間へと流出する。
【００５７】
（第一の変形例）
図７は、図２のバルブ３０の第一の変形例を示す構成図である。
【００５８】
本変形例では、バルブ３０は、開口部４５cを覆い、開口部４５cを介して機械パッファ室４３と連通する空間を有する筺体３１と、筺体３１の円周方向の側面に設けられる放圧部３２を備える。
【００５９】
図７のバルブ３０では、筺体３１の周方向のうち内周側の側面を、内周面（操作ロッド２１）が形成している。この場合、熱的パッファ室４２内には、筺体３１の周方向の側面としては、外周面と対向する側面のみであるので、放圧部３２はこの側面に設けられる。
【００６０】
（第二の変形例）
図８は、図２のバルブ３０の第二の変形例を示す構成図である。なお、図８（a）は側面図、図８（b）は図８（a）において矢印Aから見た図である。
【００６１】
本変形例では、バルブ３０は、開口部４５cを覆い、開口部４５cを介して機械パッファ室４３と連通する空間を有する筺体３１と、筺体３１の円周方向の側面に設けられる放圧部３２を備える。
【００６２】
図８のバルブ３０では、放圧部３２は、一方向に延伸し、互いに平行に並ぶ複数の伸縮部材３５と、伸縮部材３５の延伸方向に互いに接触して平行に並ぶ複数の板部材３６を備える。板部材３６は、伸縮部材３５の延伸方向に対して略垂直な方向に長い矩形状の部材であり、全ての伸縮部材３５と接続されている。
【００６３】
以下、図９及び図１０を参照して放圧部３２の動作を説明する。
【００６４】
図９は、伸縮部材３５の縮小時における放圧部３２を示す図である。なお、図９（a）はバルブ３０を軸方向に見た図、図９（b）は図９（a）のＡ−Ａ断面図である。
【００６５】
図９の状態では、放圧部３２を熱的パッファ室４２から筺体３１内の空間へ向けて押す力が、筺体３１内の空間から熱的パッファ室４２へ向けて押す力を上回る。このとき、図９（b）に示すように、板部材３６は筺体３１により固定された状態にある。
【００６６】
したがって、複数の板部材３６は互いに接触しているので、熱的パッファ室４２と筺体３１内の空間は、板部材３６により隔離されている。
【００６７】
図１０は、伸縮部材３５の伸長時における放圧部３２を示す図である。なお、図１０（a）はバルブ３０を軸方向に見た図、図１０（b）は図１０（a）のＢ−Ｂ断面図である。
【００６８】
図１０の状態では、放圧部３２を筺体３１内の空間から熱的パッファ室４２へ向けて押す力が、熱的パッファ室４２から筺体３１内の空間へ向けて押す力を上回る。このとき、図１０（b）に示すように、上記の力の差により板部材３６がパッファ室４２側へ押されるとともに伸縮部材３５が伸長することで、隣接する板部材３６間及び板部材３６と筺体３１間に隙間が形成される。この隙間によりバルブ３０は開放状態となる。
【００６９】
したがって、伸縮部材３５の伸長により、上記の力の差に応じて隙間の面積が調整されるので、消孤性ガスの流れを調整することができる。また、板部材３６が伸縮部材３５により接続されているので、図２に示すバネと放圧弁を用いる放圧部３２に比べて、圧力分布の変化の影響を受けにくく、より安定的にバルブ３０の開閉動作を行うことができる。
【００７０】
以上説明した少なくとも１つの実施形態のガス遮断器によれば、パッファ室内の圧力を充分に上昇させることで、電流の充分な遮断性能を得ることができる。
【００７１】
これら実施形態は、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、様々の省略、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時に、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ものである。
【符号の説明】
【００７２】
１・・・可動接触子部
２・・・対向接触子部
１１・・・可動アーク接触子
１２・・・対向アーク接触子
１３・・・絶縁ノズル
１４・・・スロート部
１５・・・可動通電接触子
２１・・・操作ロッド
２２・・・フランジ
２３・・・シリンダ
２４・・・固定ピストン
２５・・・ピストン支持部
２６・・・隔壁
２８、３０・・・バルブ
３１・・・筐体
３２・・・放圧部
３３・・・バネ
３４・・・放圧弁
３５・・・伸縮部材
３６・・・板部材
４２・・・熱的パッファ室
４３・・・機械パッファ室
４４・・・流路
４５a、４５b、４５c、４５d、４５e・・・開口部
４６・・・アーク空間
５０・・・容器
５２・・・フランジ
５３・・・開口部
５４・・・対向通電接触子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に延設される中空の容器と、
前記容器内に設置され第１のアーク接触子を有する第１の接触子部と、
前記第１の接触子部に前記第１方向に対向して、前記容器内に配置され、前記第１方向に移動し、前記第１のアーク接触子と接触または離間した状態を取りうる第２のアーク接触子を有する第２の接触子部と、
を備え、前記第２の接触子部が、
前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子との間に発生するアークを吹き消すための消弧性ガスを蓄えるための空間を有するパッファ室と、
前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子とが離間する際に開口し、前記第２のアーク接触子の近傍に存在する第１の開口と、前記パッファ室に開口している第２の開口とを有する消弧性ガスの流路と、
前記第２の接触子部の移動に伴い、前記空間の体積を変化させるピストンと、
前記パッファ室を、前記第２の開口と連接する第１空間と、前記ピストンと接する第２空間とに分割し、前記消弧性ガスが流れる開口を有する隔壁と、
前記開口を覆って前記第１空間内に設けられ、前記第１方向に対して略垂直な方向に開閉するバルブと、
を備えるガス遮断器。
【請求項２】
前記バルブは、
前記隔壁の開口を覆う筐体と、
前記筐体の前記第１方向に対して略垂直な方向の側面に並設される複数の板部材と、
隣接する前記板部材同士を接続する伸縮部材と、
を備える請求項１に記載のガス遮断器。
【請求項１】
第１方向に延設される中空の容器と、
前記容器内に設置され第１のアーク接触子を有する第１の接触子部と、
前記第１の接触子部に前記第１方向に対向して、前記容器内に配置され、前記第１方向に移動し、前記第１のアーク接触子と接触または離間した状態を取りうる第２のアーク接触子を有する第２の接触子部と、
を備え、前記第２の接触子部が、
前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子との間に発生するアークを吹き消すための消弧性ガスを蓄えるための空間を有するパッファ室と、
前記第１のアーク接触子と前記第２のアーク接触子とが離間する際に開口し、前記第２のアーク接触子の近傍に存在する第１の開口と、前記パッファ室に開口している第２の開口とを有する消弧性ガスの流路と、
前記第２の接触子部の移動に伴い、前記空間の体積を変化させるピストンと、
前記パッファ室を、前記第２の開口と連接する第１空間と、前記ピストンと接する第２空間とに分割し、前記消弧性ガスが流れる開口を有する隔壁と、
前記開口を覆って前記第１空間内に設けられ、前記第１方向に対して略垂直な方向に開閉するバルブと、
を備えるガス遮断器。
【請求項２】
前記バルブは、
前記隔壁の開口を覆う筐体と、
前記筐体の前記第１方向に対して略垂直な方向の側面に並設される複数の板部材と、
隣接する前記板部材同士を接続する伸縮部材と、
を備える請求項１に記載のガス遮断器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−６５４７５（Ｐ２０１３−６５４７５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３８２９（Ｐ２０１１−２０３８２９）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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