水銀アークバルブ

水銀アークバルブまたは水銀蒸気整流器、または（英国）水銀アーク整流器^{[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す。これは冷陰極ガス充填管の一種ですが、陰極が固体ではなく液体水銀のプールから作られているため自己修復するという点で珍しいものです。その結果、水銀アークバルブは、本来の目的どおりに使用された場合、他のほとんどのタイプのガス放電管よりもはるかに頑丈で耐久性があり、はるかに高い電流を流すことができます。いくつかの例では、数十年にわたって 50アンペアの電流を整流し、継続的に使用されています。

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、電気機関車のほか、無線送信機や高電圧直流（HVDC）送電に電力を供給するために使用されました。1970年代にダイオード、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までは、水銀アーク整流器が高電力整流の主な方法でした。これらのソリッドステート整流器は、信頼性が高く、コストとメンテナンスが少なく、環境リスクが低いため、水銀アーク整流器をほぼ完全に置き換えました。^[3]

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に手間のかかる回転式コンバーターまたはモーター発電機セットを使用することだった。水銀アーク整流器または「コンバーター」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、電気メッキ装置に使用されていた。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た。

整流器の動作は、非常に低圧の水銀蒸気を含む密閉容器内の電極間の電気アーク放電に依存しています。液体水銀のプールは、時間の経過とともに劣化しない自己再生カソードとして機能します。水銀は自由に電子を放出しますが、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の一方向にのみチューブを通過でき、これによりチューブは交流を整流できます。

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向かって引き寄せられ、その結果生じるプールのイオン衝撃により、数アンペアの電流が継続する限り、 放出スポット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、陰極に戻る陽イオンにより、伝導経路は真空管の性能を制限する空間電荷効果の影響を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 20～30 V) で大電流を流すことができるため、効率的な整流器となります。サイラトロンなどの熱陰極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壊れやすく、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の蒸気圧によって決まり、水銀の蒸気圧は筐体壁の最も冷たい場所によって決まるため、エンベロープの温度は注意深く制御する必要があります。一般的な設計では、温度は 40 °C (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。整流器内の低圧では、光は淡い青紫色に見え、紫外線が多く含まれます。

水銀アークバルブの構造は、ガラスバルブタイプとスチールタンクタイプの 2 つの基本形式のいずれかになります。スチールタンクバルブは、約 500 A を超える高電流定格に使用されていました。

最も初期のタイプの水銀蒸気電気整流器は、ガラス球が真空にされ、その底に陰極として液体水銀のプールが置かれている構造となっている。^[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する。ガラス容器には、陽極としてグラファイト棒が付いた1本以上のアームが付いている。そ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メインのプールに素早く戻り、陰極とそれぞれの陽極の間に導電経路が形成されないようにしている。

ガラス管整流器は、1 台で数百キロワットの直流電力を処理できます。定格 150 アンペアの 6 相整流器には、高さ約 600 mm (24 インチ)、外径 300 mm (12 インチ) のガラス管があります。これらの整流器には、数キログラムの液体水銀が含まれます。ガラスの熱伝導率が低いため、大きな管が必要です。管の上部にある水銀蒸気は、凝縮して陰極プールに戻るために、ガラス管を通して熱を放散する必要があります。温度をより適切に制御するために、いくつかのガラス管は油浴に浸されました。

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大きくなる）と、陽極と陰極を接続するためにガラス管に溶着されたワイヤのサイズによって制限されます。高電流整流器の開発には、管内への空気の漏れを防ぐために、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した。1930 年代半ばまでに最大 500 A の電流定格が達成されましたが、これを超える電流定格の整流器のほとんどは、より堅牢な鋼製タンク設計を使用して実現されました。

大型バルブの場合、電極用のセラミック絶縁体を備えた鋼製タンクが使用され、不完全なシールの周囲からタンク内に空気がわずかに漏れるのを防ぐための真空ポンプ システムが備わっています。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、スチールタンク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) またはタンクあたり複数の陽極で構築されました。複数陽極バルブは通常、多相整流回路 (タンクあたり 2、3、6、または 12 個の陽極) に使用されますが、HVDC アプリケーションでは、電流定格を増やすために複数の陽極が単純に並列に接続されることが多かったです。

従来の水銀アーク整流器は、整流器内の陰極プールと始動電極の間に短時間の高電圧アークが発生することで始動します。始動電極はプールに接触し、誘導回路に電流を流します。その後、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ようにする。電磁石は始動インダクタンスとしても機能する。
• 電磁石を小さな整流器の電球に傾けて、プールから水銀が始動電極に到達できるように配置します。
• 2つの水銀プール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。
• バイメタルストリップを通して水銀プールに電流を流すと、電流の加熱作用でバイメタルストリップが温まり、プールとの接触を断つように曲がります。

出力電流の瞬間的な中断や減少により陰極点が消える可能性があるため、多くの整流器には、装置の使用中は常にアークを維持するための追加の電極が組み込まれています。通常、数アンペアの 2 相または 3 相電源が小さな励起陽極を通過します。この電源を供給するために、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]

ガラスおよび金属エンベロープ整流器の両方に、陽極と陰極の間に制御グリッドが挿入される場合があります。

陽極とプール陰極の間に制御グリッドを設置すると、バルブの伝導を制御でき、それによって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。電流の流れの開始は、制御されていないバルブでアークが形成されるポイントを超えて遅延できます。これにより、点火ポイント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 バルブが直流を交流に変換するインバーターのアクティブなスイッチング要素を形成できるようになります。

バルブを非伝導状態に維持するために、数ボルトまたは数十ボルトの負のバイアスがグリッドに印加されます。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て陰極に戻り、陽極に到達できなくなります。グリッドに小さな正のバイアスを印加すると、電子はグリッドを通過して陽極に向かい、アーク放電を確立するプロセスを開始できます。ただし、いったんアークが確立されると、グリッドの作用で停止す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するためです。伝導を停止する唯一の方法は、外部回路で電流を（低い）臨界電流以下に強制的に下げることです。

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。

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。アークバックとは、バルブにかかる電圧が負の場合に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可能性があり、外部回路に大きな短絡電流を発生させる。また、高電圧でより多く発生する。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問題が挙げられる。この鉄道では、いくつかの事故の後、蒸気機関車を再開しなければならなかった。^[9] 長年にわたり、この現象により水銀アークバルブの実際の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ことが判明しました。^[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送電用の真に実用的な最初の水銀アークバルブを生み出しました。この水銀アークバルブは、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リンクで使用されました。

ウノ・ラムの高電圧水銀アークバルブに関する研究により、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、150 kV の定格電圧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の柱は、陰極電位の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 ～ 300 A 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 つまたは 6 つの陽極柱を並列に備えた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。

単相水銀アーク整流器は、交流電圧の極性が変わると電流が低下してアークが消えてしまうため、ほとんど使用されませんでした。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、これは多くの直流アプリケーションでは望ましくありませんでした。解決策は、整流された電流がより一定の電圧レベルを維持するように、 2 相、3 相、または 6 相の交流電源を使用することでした。多相整流器は、電源システムの負荷を均衡化するため、システムのパフォーマンスと経済性の理由から望ましいものでした。

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、AC 波形の両半分が利用されます。カソードはDC 負荷の + 側に接続され、もう一方の側はトランスの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のままです。各 AC 位相では、その位相巻線の両端からのワイヤが、水銀アーク整流器の個別のアノード「アーム」に接続されます。各アノードの電圧がプラスになると、カソードからの水銀蒸気を介して伝導が始まります。各 AC 位相のアノードは、センター タップ付きトランス巻線の反対側の端から給電されるため、一方は常にセンター タップに対してプラスになり、AC 波形の両半分によって、負荷を介して一方向にのみ電流が流れます。このように AC 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、6 つの陽極を使用してより滑らかな直流電流を供給します。三相動作により、2 つの陽極が同時に導通できるため、変圧器の効率が向上するだけでなく、より滑らかな DC 電流を供給できます。動作中、アークは最も高い正電位 (陰極に対して) で陽極に伝達されます。

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。

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、大規模な産業用途で交流を直流に変換する目的で広く使用されていました。用途には、路面電車、電気鉄道の電源、大型無線送信機の可変電圧電源などがあります。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スタイルのDC 電力網に DC 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、次にサイリスタという固体シリコン デバイスが、水銀アーク管の低電力および低電圧整流器用途にすべて取って代わりました。

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、入力交流をトラクションモーター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島間リンクや、キングスノース発電所からロンドンへのHVDCキングスノースリンクなど、1970年代初頭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アプリケーションでさえ、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によって製造された史上最大の水銀アーク整流器は、150 kV 、1800 Aの定格で 、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2004年ま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、水銀アークバルブを使用して運用されていた最後のHVDC送電線でした。2012年8月1日に正式に廃止されました。ニュージーランド計画の水銀アークバルブ変換所は、新しいサイリスタ変換所に置き換えられました。同様の水銀アークバルブ計画であるバンクーバー島HVDCリンクは、三相交流リンクに置き換えられました。

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- 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で広く使用されており、^[14] 2000年にはベルサイズパークの使われていない深層防空壕で2つのバルブがまだ稼働しているのが観察された。^{[15]シェルターとして必要がなくなった後、ベルサイズパークと他の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安全な保管庫として使用された。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、その「不気味な輝き」にキャストされた。^[16]

オークランドの交通技術博物館（MOTAT）では、現在でも2つの施設間を訪問者を運ぶ路面電車に電力を供給するために水銀アークバルブを使用しています。^[17]

単相水銀アーク整流器の特殊なタイプはイグニトロンとエキシトロン。エキシトロンは、上で説明した他のタイプのバルブと似ていますが、バルブが電流を通電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、通電を開始する必要があるたびにアークを点火することで励起陽極を省きます。このように、イグニトロンは制御グリッドも必要としません。

1919年に出版された「電話と電信の百科事典第1巻」^[18]には、磁場を使って水銀整流管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る。これは商業的に重要ではなかった。

水銀化合物は有毒で、環境中で非常に残留性が高く、人間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、耐用年数中に放出された水銀の痕跡を除去するために、大規模な清掃が必要でした。鋼鉄タンク整流器では、真空ポンプが頻繁に必要となり、少量の水銀蒸気が継続的に放出されていました。

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