水銀アークバルブ
水銀アークバルブ（水銀蒸気整流器、英: Mercury-arc rectifier）[ 1 ] [ 2 ]は、高電圧または高電流の交流（AC）を直流（DC）に変換するために使用される電気整流器の一種である。冷陰極ガス封入管の一種であるが、陰極が固体ではなく液体水銀でできており、自己修復性を持つという点で珍しい。その結果、水銀アークバルブは、本来の目的通りに使用された場合、他のほとんどのガス放電管よりもはるかに堅牢で耐久性があり、はるかに高い電流を流すことができる。いくつかの例は、数十年にわたって 50アンペアの電流を整流し、連続的に使用されている。
1902年にピーター・クーパー・ヒューイットによって発明された水銀アーク整流器は、産業用モーター、電気鉄道、路面電車、電気機関車、無線送信機、高電圧直流送電（HVDC）への電力供給に使用されました。ダイオード、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（GTO）などの半導体整流器が登場する以前は、水銀アーク整流器が大電力整流の主要手段でした。これらの半導体整流器は、コスト、メンテナンス、環境リスクが低く、信頼性が高いため、水銀アーク整流器をほぼ完全に置き換えました。[ 3 ]
歴史
1882年、ジュール・ジャマンとG・マヌーヴリエは水銀アークの整流特性を観察しました。[ 4 ] [ 5 ]水銀アーク整流器は1902年にピーター・クーパー・ヒューイットによって発明され、1920年代から1930年代にかけてヨーロッパと北米の研究者によってさらに開発が進められました。発明以前は、電力会社から供給される交流電流を直流に変換する唯一の方法は、高価で非効率でメンテナンスの手間がかかる回転式コンバータまたは電動発電機セットを使用することでした。水銀アーク整流器、または「コンバータ」は、蓄電池の充電、アーク照明システム、[ 6 ]トロリーバス、路面電車、地下鉄の直流牽引モーター、電気メッキ装置などに使用されました。水銀整流器は1970年代まで使用され、最終的に半導体整流器に置き換えられました。
運営原則
整流器の動作は、非常に低圧の水銀蒸気を封入した密閉容器内の電極間の電気アーク放電によって行われます。液体水銀のプールは、経年劣化しない自己再生型の陰極として機能します。水銀は電子を自由に放出しますが、炭素陽極は加熱されても電子をほとんど放出しないため、電子の流れは陰極から陽極へと一方向にしか流れず、これにより交流電流を整流することができます。
アークが形成されると、電子がプールの表面から放出され、陽極に向かう経路に沿って水銀蒸気のイオン化を引き起こします。水銀イオンは陰極に引き寄せられ、その結果生じるプールへのイオン衝撃によって、数アンペアの電流が流れ続ける限り、 放出点の温度が維持されます。
電流は電子によって運ばれますが、陰極に戻る正イオンのおかげで、真空管の性能を制限する空間電荷効果による伝導経路への影響はほとんど受けません。その結果、このバルブは低いアーク電圧（通常20～30V）で大電流を流すことができ、効率的な整流器となります。サイラトロンなどの熱陰極型ガス放電管も同様の効率を達成できますが、加熱された陰極フィラメントは繊細で、高電流で使用すると動作寿命が短くなります。
アークの挙動は主に水銀蒸気圧によって決まり、水銀蒸気圧は容器壁面の最も冷たい箇所によって決まるため、容器の温度は注意深く制御する必要があります。典型的な設計では、温度は40℃（104°F）、水銀蒸気圧は7ミリパスカルに維持されます。
水銀イオンは特有の波長で光を発し、その相対的な強度は蒸気の圧力によって決まります。整流器内の低圧下では、光は淡い青紫色に見え、紫外線を多く含みます。
工事
水銀アークバルブの構造は、ガラスバルブ型と鋼製タンク型の2つの基本的な形式のいずれかです。鋼製タンク型バルブは、約500Aを超える高電流定格に使用されました。
ガラスバルブ
最も初期の水銀蒸気整流器は、ガラス球を真空にし、その底部に陰極として液体水銀を貯留する構造であった。[ 7 ]その上にガラス球が湾曲しており、装置の動作中に蒸発した水銀を凝縮させる。ガラス容器には、陽極としてグラファイト棒を取り付けた1本以上のアームが設けられている。アームの数は用途によって異なり、通常は相ごとに1つの陽極が設けられる。陽極アームの形状により、ガラス壁に凝縮した水銀は速やかにメインのプールに戻り、陰極とそれぞれの陽極の間に導電経路が形成されるのを防ぐ。
ガラス管整流器は、単体で数百キロワットの直流電力を扱うことができます。定格電流150アンペアの六相整流器は、高さ約600mm（24インチ）、外径約300mm（12インチ）のガラス管を備えています。これらの整流器には数キログラムの液体水銀が封入されます。ガラス管がこれほど大きいのは、ガラスの熱伝導率が低いためです。管上部の水銀蒸気は、ガラス管を通して熱を放散させ、凝縮して陰極プールに戻らなければなりません。温度をより適切に制御するため、一部のガラス管は油浴に浸されていました。
ガラス球整流器の電流容量は、ガラス管の脆さ（定格電力に応じてサイズが増大する）と、陽極と陰極を接続するためにガラス管に溶着された電線のサイズによって制限される。大電流整流器の開発には、管内への空気の漏洩を防ぐため、熱膨張係数が非常に近いリード線材料とガラスが必要であった。1930年代半ばまでに500Aまでの定格電流が達成されたが、それ以上の定格電流の整流器のほとんどは、より堅牢な鋼製タンク設計を用いて実現された。
鋼製タンクバルブ
大型バルブには、電極にセラミック絶縁体を使用した鋼製タンクが使用され、不完全なシール部分からタンク内に空気がわずかに漏れるのを防ぐため、真空ポンプシステムが備えられています。タンクを水冷する鋼製タンクバルブは、数千アンペアの電流定格で開発されました。
ガラスバルブと同様に、鋼製タンク型水銀アークバルブは、タンクあたり1つの陽極のみ（エキシトロンとも呼ばれるタイプ）または複数の陽極を備えた構造でした。複数陽極型バルブは通常、多相整流回路（タンクあたり2、3、6、または12個の陽極）に使用されましたが、HVDCアプリケーションでは、電流定格を高めるために複数の陽極を単純に並列接続することが多かったです。
始動（点火）
従来の水銀アーク整流器は、整流器内部の陰極プールと始動電極の間に発生する短時間の高電圧アークによって始動します。始動電極を水銀プールに接触させ、誘導回路に電流を流します。その後、水銀プールとの接触が切断され、高い起電力とアーク放電が発生します。
始動電極とプール間の瞬間的な接触は、次のようないくつかの方法で実現できます。
- 外部の電磁石が電極をプールに接触させることを可能にする。電磁石は始動インダクタンスとしても機能する。
- 電磁石を配置して小型整流器の電球を傾け、プールの水銀が始動電極に到達するのにちょうどよい程度にする。
- 二つの水たまりの間に狭い水銀の首を設け、その首に無視できる電圧で非常に高い電流を流すと、磁気ひずみによって水銀が移動し、回路が開きます。
- 二金属ストリップを通して水銀プールに電流を流します。このストリップは電流の加熱作用で温まり、水銀プールとの接触を断つように曲がります。
励起
出力電流の瞬間的な遮断や減少により陰極点が消滅する可能性があるため、多くの整流器には、設備の使用中は常にアークを維持するための追加電極が組み込まれています。通常、数アンペアの二相または三相電源が小さな励起陽極を通過します。この電源供給には、数百VA定格の磁気シャント変圧器が一般的に使用されます。
この励磁回路またはキープアライブ回路は、モールス信号が放されるたびに電流が定期的に遮断されるため、エキシトロンなどの単相整流器や無線電信送信機の高電圧供給に使用される水銀アーク整流器に必要であった。[ 8 ]
グリッドコントロール
ガラスおよび金属エンベロープ整流器の両方において、陽極と陰極の間に制御グリッドが挿入されている場合があります。
陽極とプール陰極の間に制御グリッドを設置することで、バルブの導通を制御し、整流器によって生成される平均出力電圧を制御できます。電流の流れ始めは、制御されていないバルブでアークが発生する時点よりも遅くすることができます。これにより、点火時点を遅らせることでバルブグループの出力電圧を調整でき、制御された水銀アークバルブを、直流を交流に変換するインバータの能動スイッチング素子として機能させることができます。
バルブを非導通状態に保つために、グリッドには数ボルトから数十ボルトの負バイアスが印加されます。その結果、陰極から放出された電子はグリッドから反発され、陰極へと戻り、陽極への到達が阻止されます。グリッドに小さな正バイアスを印加すると、電子はグリッドを通過して陽極へと向かい、アーク放電の発生プロセスが開始されます。しかし、一旦アークが発生すると、グリッドの作用によってアークを止めることはできません。これは、イオン化によって生成された正の水銀イオンが負に帯電したグリッドに引き寄せられ、実質的にグリッドを中和してしまうためです。導通を止める唯一の方法は、外部回路によって電流を（低い）臨界電流以下に強制的に低下させることです。
グリッド制御水銀アークバルブは表面的には三極管バルブに似ていますが、アークを維持するために必要な臨界電流よりはるかに低い電流値以外では、水銀アークバルブを増幅器として使用することはできません。
陽極グレーディング電極
水銀アークバルブはアークバック（またはバックファイア）と呼ばれる現象を起こしやすい。これは、バルブにかかる電圧が負の場合、バルブが逆方向に導通する現象である。アークバックはバルブに損傷や破壊をもたらすだけでなく、外部回路に大きな短絡電流を発生させる可能性があり、高電圧でより顕著になる。バックファイアによって引き起こされる問題の一例として、1960年にグラスゴー北郊外鉄道の電化後に発生した。この鉄道では、いくつかの事故が発生した後、蒸気機関車による運行が再開された。[ 9 ] この現象により、長年にわたり水銀アークバルブの実用的な動作電圧は数キロボルトに制限されていた。
解決策は、外部の抵抗器-コンデンサ分割回路に接続されたアノードと制御グリッドの間にグレーディング電極を含めることであるとわかりました。[ 10 ]ウノ・ラム博士は、1930年代から1940年代にかけてスウェーデンのASEAでこの問題に関する先駆的な研究を行い、HVDC送電用の最初の本当に実用的な水銀アーク弁を生み出しました。この水銀アーク弁は、1954年にスウェーデン本土からゴットランド島への20MW、100kV HVDCリンクで運用されました。
ウノ・ラムの高電圧水銀アーク弁の研究により、彼は「HVDC送電の父」[ 11 ]として知られるようになり、 HVDC分野における優れた貢献に対してIEEEが彼の名前を冠した賞を授与するきっかけとなった。
このタイプのグレーディング電極を備えた水銀アークバルブは、定格電圧150kVまで開発されました。しかし、グレーディング電極を収容するために必要な背の高い磁器製柱は、陰極電位にある鋼製タンクよりも冷却が困難であったため、使用可能な電流定格は陽極あたり約200～300Aに制限されました。そのため、HVDC用の水銀アークバルブは、4本または6本の陽極柱を並列に接続する構造になることがよくありました。陽極柱は常に空冷式で、陰極タンクは水冷式または空冷式でした。
回路
単相水銀アーク整流器は、交流電圧の極性が変化すると電流が低下し、アークが消滅してしまうため、ほとんど使用されませんでした。そのため、単相整流器によって生成される直流電流には、電源周波数の2倍の変動成分（リップル）が含まれており、これは多くの直流用途では望ましくありませんでした。解決策として、整流された電流がより一定の電圧レベルを維持できるように、二相、三相、さらには六相交流電源を使用するようになりました。多相整流器は電源システムの負荷を均衡させる効果もあり、これはシステム性能と経済性の面から望ましいものです。
整流器用水銀アークバルブのほとんどの用途では、各相ごとに別々の陽極ペアを使用した 全波整流が使用されていました。
全波整流では、交流波形の両半分が利用されます。陰極は直流負荷のプラス側に接続され、もう一方は変圧器二次巻線のセンタータップに接続されます。センタータップは、常にアースに対してゼロ電位に保たれます。各交流相において、その相巻線の両端からの導線は、水銀アーク整流器の別々の陽極「アーム」に接続されます。各陽極の電圧が正になると、陰極からの水銀蒸気を通して電流が伝導し始めます。各交流相の陽極は、センタータップ付き変圧器巻線の両端から給電されるため、常に一方がセンタータップに対して正となり、交流波形の両半分は、負荷を通して一方向にのみ電流を流します。このように交流波形全体を整流することを全波整流と呼びます。
三相交流と全波整流では、より滑らかな直流電流を供給するために6つの陽極が使用されました。三相運転は、変圧器の効率を向上させるだけでなく、2つの陽極が同時に導通することを可能にすることで、より滑らかな直流電流を供給します。運転中、アークは（陰極に対して）最も高い正電位にある陽極に移行します。
HVDC アプリケーションでは、通常、全波三相ブリッジ整流器またはGraetz ブリッジ回路が使用され、各バルブは 1 つのタンクに収容されます。
アプリケーション
1920 年代に低電圧整流に固体金属整流器が使用可能になると、水銀アーク管はより高い電圧、特に高出力の用途に限定されるようになりました。
水銀アークバルブは、1960年代まで、大規模な産業用途における交流から直流への変換に広く使用されていました。その用途には、路面電車、電気鉄道、大型無線送信機用の可変電圧電源などがありました。水銀アーク発電所は、1950年代まで、都市中心部の旧来のエジソン式直流電力網に直流電力を供給するために使用されていました。1960年代には、最初はダイオード、次にサイリスタへと進化した固体シリコンデバイスが、低電力・低電圧整流器用途における水銀アーク管の用途をすべて置き換えました。
ニューヘイブン EP5やバージニアン EL-Cなどのいくつかの電気機関車には、入力交流を主電動機の直流に整流するための イグニトロンが搭載されていました。
水銀アーク弁の最後の主要な用途の1つはHVDC送電であり、ニュージーランドの北島と南島の間のHVDC島間連系やキングスノース発電所からロンドンへのHVDCキングスノース連系など、1970年代初めまで多くのプロジェクトで使用されていました。[ 12 ]しかし、1975年頃から、シリコンデバイスの登場により、HVDC用途でも水銀アーク整流器はほとんど使われなくなりました。イングリッシュ・エレクトリック社製の史上最大の水銀アーク整流器は、150 kV、1800 Aの定格で 、2004年までネルソンリバーDC送電システムの高電圧DC送電プロジェクトで使用されていました。島間プロジェクトとキングスノースプロジェクトの弁では4つの陽極列を並列に使用し、ネルソンリバープロジェクトの弁では必要な電流定格を得るために6つの陽極列を並列に使用しました。[ 13 ] 島間連系線は、水銀アーク弁を用いて運用されていた最後のHVDC送電系統であり、2012年8月1日に正式に廃止された。[ 14 ]ニュージーランド系統の水銀アーク弁変換所は、新しいサイリスタ変換所に置き換えられた。同様の水銀アーク弁方式であるバンクーバー島HVDC連系線は、2014年に三相交流連系線に置き換えられた。
水銀アークバルブは、南アフリカのいくつかの鉱山とケニア（モンバサ工科大学の電気電子学部） で現在も使用されています。
水銀アークバルブはロンドン地下鉄の直流電源システムに広く使用されており[ 15 ] 、2000年にはベルサイズ・パークの廃止された深層防空壕で2基が稼働しているのが確認された[ 16 ]。防空壕としての必要性がなくなった後、ベルサイズ・パークをはじめとするいくつかの深層防空壕は、特に音楽やテレビのアーカイブの保管庫として利用された。このため、グッジ・ストリート防空壕 の水銀アーク整流器は、ドクター・フーの初期のエピソードでエイリアンの脳として登場し、「不気味な輝き」を放っていた。[ 17 ]
オークランドの交通技術博物館（MOTAT）では、現在でも水銀アークバルブを使用して、2つの施設間を訪問者を運ぶ路面電車に電力を供給しています。[ 18 ]
ニュージーランドのワンガヌイにあるデュリーヒルエレベーターは、水銀アークバルブを使用して交流電力を直流電力に変換し、電動モーターに電力を供給しています。このエレベーターは市内の公共交通機関ネットワークの一部であり、毎日乗客を運んでいます。[ 19 ]
その他
単相水銀アーク整流器の特殊なタイプとしては、イグニトロンとエキシトロン。エキシトロンは前述の他のタイプのバルブと類似していますが、バルブが電流を導通していない半サイクル中にアーク放電を維持するために、励起陽極の存在に大きく依存しています。イグニトロンは、導通開始が必要なたびにアークを点火することで励起陽極を不要にします。このように、イグニトロンは制御グリッドも不要です。
1919年に出版された『電話と電信百科事典 第1巻』[ 20 ]には、磁場を用いて水銀整流管内のアークを変調する電話信号増幅器について記述されていました。これは商業的に重要なものではありませんでした。
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環境ハザード
水銀化合物は有毒で、環境中で非常に残留性が高く、人体と環境に危険をもたらします。壊れやすいガラス容器に大量の水銀を使用すると、ガラス球が破損した場合に水銀が環境に放出される危険性があります。一部のHVDC変換所では、その耐用年数にわたって放出された微量の水銀を除去するために、大規模な清掃が必要となりました。鋼製タンク整流器では、真空ポンプが頻繁に必要となり、そこから微量の水銀蒸気が継続的に放出されていました。
参考文献
- ^電気年鑑 1937、エモット・アンド・カンパニー、マンチェスター、イギリス、pp 180-185
- ^ Rissik, H., 水銀アーク電流コンバーター、Pitman、1941年。
- ^ 「History | IEEE Power & Energy Magazine」 . magazine.ieee-pes.org . 2017年1月17日閲覧。
- ^電弧の反作用電流、 Comptes rendus de l'Académie des Sciences、第94巻、p. 1615、1882年6月19日、英語訳はThe London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science、第14巻、1882年-第86号、p. 154 - 157。
- ^パワーエレクトロニクス. PHI Learning Pvt. 2004年1月. ISBN 9788120323964。
- ^ ICSリファレンスライブラリ第4B巻、 International Textbook Company、ペンシルベニア州スクラントン、1908年、セクション53、34ページ。
- ^ Howatson AH (1965). "8".ガス放電入門. オックスフォード:ペルガモン・プレス. ISBN 0-08-020575-5。
- ^フランシス・エドワード・ハンディ (1926). 『アマチュア無線ハンドブック（第1版）』. ハートフォード, コネチカット州:アメリカ無線中継連盟. pp. 78– 81.
- ^ 「MoT Failures」（PDF） www.railwaysarchive.co.uk . 2019年12月29日閲覧。
- ^ Cory, BJ; Adamson, C.; Ainsworth, JD; Freris, LL; Funke, B.; Harris, LA; Sykes, JHM (1965). 「第2章」.高電圧直流コンバータおよびシステム. Macdonald & Co. Ltd.
- ^グールド、ウィリアム・R. (1992). 「オーガスト・ウノ・ラム」 .追悼トリビュート. 第5巻. 米国工学アカデミー. doi : 10.17226/1966 . ISBN 978-0-309-04689-3. 2005年8月24日閲覧。
- ^ Calverley TE、Gavrilovic、A.、Last FH、Mott CW、Kingsnorth-Beddington-Willesden DC Link、CIGRE セッション、パリ、1968 年。
- ^ Cogle, TCJ、「ネルソン川プロジェクト - マニトバ・ハイドロが亜北極の水力発電資源を活用」、Electrical Review、1973年11月23日。
- ^ “Pole 1 decommissioned | Transpower” . www.transpower.co.nz . 2021年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2025年10月7日閲覧。
- ^ 1955年のロンドン交通局、p. 43、ロンドン交通局、1956年OCLC 867841889
- ^ Catford, Nick (2000年1月27日). 「Belsize Park Deep Shelter-sb」 . Subterranea Britannica . 2020年5月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年5月9日閲覧。
- ^アントニー・クレイトン『地下都市：ロンドンの街路の地下』p. 146、Historical Publications、2000年ISBN 0948667699。
- ^ドレイトン、フィービー. 2021. MOTATの水銀アーク整流器をご覧ください。ニュージーランド：交通技術博物館（MOTAT）。初版：2021年12月8日。URL https://www.motat.nz/collections-and-stories/stories/meet-motats-mercury-arc-rectifier
- ^ 「Durie Hill Elevator」 . Durie Hill Elevator . 2025年10月22日閲覧。
- ^プロジェクト・グーテンベルクの電子書籍「電話と電信の百科事典第1巻」
さらに読む
