水銀アーク弁

水銀アークバルブ、水銀蒸気整流器、または（英国では）水銀アーク整流器^{[ 1 ] [ 2 ]}は、高電圧または大電流の交流（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の水銀のプールでできており、自己復元性があるという点で独特です。その結果、水銀アークバルブは、意図どおりに使用すれば、他のほとんどのタイプ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ます。中には、50アンペアの電流を整流しながら、数十年にわたって連続稼働している例もあります。

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、無線送信機、高電圧直流送電（HVDC）などに電力を供給するために使用されました。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、高出力整流の主要な方法でした。これらの固体整流器は、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 ]}

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年代と1930年代を通じてヨーロッパと北米の研究者によってさらに発展した。その発明以前は、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コンバータまたはモータージェネレータ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」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、電気めっき装置に使用された。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。

整流器の動作原理は、非常に低い圧力の水銀蒸気を封入した密閉容器内の電極間で発生するアーク放電に基づいています。液体の水銀のプールは、時間とともに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するのに対し、炭素陽極は加熱してもごくわずかな電子しか放出しないため、電子の流れは陰極から陽極への一方向にしか流れません。これにより、管は交流電流を整流することができます。

アーク放電が発生すると、プール表面から電子が放出され、陽極に向かう経路に沿って水銀蒸気が電離される。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突によって、数アンペアの電流が流れ続ける限り、放電点の温度が維持される。

電流は電子によって運ばれるが、正イオンが陰極に戻ることで、真空管の性能を制限する空間電荷効果の影響を伝導経路がほとんど受けない。その結果、この真空管は低いアーク電圧（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る。サイラトロンなどの高温陰極ガス放電管も同様の効率を達成できるが、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る。 

アークの挙動は主に水銀蒸気圧によって決まり、その蒸気圧は筐体壁面の最も温度の低い部分によって決まるため、筐体の温度は慎重に制御する必要がある。一般的な設計では、温度を40 ℃（104 °F）、水銀蒸気圧を7ミリパスカルに維持する。  

水銀イオンは固有の波長の光を発し、その相対的な強度は蒸気圧によって決まる。整流器内の低圧状態では、光は淡い青紫色に見え、紫外線を多く含む。

水銀アークバルブの構造は、 ガラス球型と鋼製タンク型の2つの基本的な形態のいずれかをとる。鋼製タンク型バルブは、約500Aを超える高電流定格で使用された 。

ガラス球バルブ

最も初期のタイプの水銀蒸気整流器は、底部に陰極として液体水銀のプールがある真空ガラス球で構成されています。^{[ 7 ]}その上に湾曲したガラス球があり、装置の動作中に蒸発した水銀が凝縮します。ガラス管には、陽極としてグラファイト棒が付いた1本または複数本の腕があります。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ています。陽極腕の形状により、ガラス壁に凝縮した水銀はすぐにメインプールに戻り、陰極とそれぞれの陽極の間に導電経路ができないようにします。

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。ガラス管の熱伝導率が低いため、この大きなサイズが必要となります。ガラス管上部の水銀蒸気は、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。温度制御をより良くするために、一部のガラス管は油浴に浸されました。

ガラス管整流器の電流容量は、ガラス管の脆さ（定格電力が増加するにつれてサイズも大きくなる）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、ガラス管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だった。 1930年代半ばまでに最大500Aの電流定格が達成されたが、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た。

鋼製タンクバルブ

大型バルブの場合、電極にセラミック絶縁体を用いた鋼製タンクが使用され、不完全なシール部分からのわずかな空気漏れを補うために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、数千アンペアの定格電流に対応できるよう開発されました。

ガラスバルブと同様に、鋼製タンクの水銀アークバルブは、タンクごとに単一のアノード（エキシトロンとも呼ばれるタイプ）または複数のアノードを備えたタイプで製造されました。複数のアノードを備えたバルブは通常、多相整流回路（タンクごとに2、3、6、または12個のアノード）に使用されましたが、HVDC用途では、電流定格を増やすために、複数のアノードが単純に並列接続されることがよくありました。

 定格電圧50kV 、 30Aの初期型高電圧鋼製タンク整流器の断面図

陽極勾配電極

水銀アーク弁は、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く、これは、弁にかかる電圧が負の場合に弁が逆方向に導通する現象です。アークバックは弁に損傷を与えたり破壊したりするだけでなく、外部回路に大きな短絡電流を発生させ、高電圧でより頻繁に発生します。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、グラスゴー北部郊外鉄道の電化後の1960年に発生した事故が挙げられます。この事故では、いくつかの事故の後、蒸気機関車の運行を再開しなければなりませんでした。^{[ 9 ]} 長年にわたり、この現象により、水銀アーク弁の実用的な動作電圧は数キロボルトに制限されていました。

解決策は、陽極と制御グリッドの間にグレーディング電極を挿入し、外部抵抗器とコンデンサの分圧回路に接続することであると判明した。^{[ 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の開発につながり、 1954年にスウェーデン本土からゴットランド島への20MW 、100kVのHVDCリンクで運用が開始された。  

宇野ラムの高電圧水銀アークバルブに関する研究は、彼を「HVDC」送電の父として知られるようにし^{[ 11 ]} 、 IEEEはHVDC分野における卓越した貢献に対して彼の名を冠した賞を創設するに至った。

このタイプの分圧電極を備えた水銀アーク弁は、最大150kVの定格電圧まで開発されました 。しかし、分圧電極を収容するために必要な背の高い磁器製の柱は、陰極電位にある鋼製タンクよりも冷却が難しく、使用可能な電流定格は陽極あたり約200 ～ 300Aに制限されてい ました。そのため、HVDC用の水銀アーク弁は、4本または6本の陽極柱を並列に接続して構築され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化すると電流が低下し、アークが消滅する可能性があるため、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倍の周波数で変動する成分（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。解決策は、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、 2相、3相、あるいは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バランスも改善するため、システム性能と経済性の観点から望ましいものでした。

整流器における水銀アーク管の用途のほとんどは、各相ごとに別々の陽極対を用いた全波整流方式を採用していた。

全波整流では、交流波形の両方の半分が利用されます。カソードは直流負荷のプラス側に接続され、もう一方の側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接地またはアースに対してゼロ電位です。各交流相について、その相巻線の両端から出ているワイヤが、水銀アーク整流器の別々のアノード「アーム」に接続されます。各アノードの電圧が正になると、カソードから水銀蒸気を通して導通が始まります。各交流相のアノードはセンタータップ付き変圧器巻線の反対側から給電されるため、常に一方のアノードがセンタータップに対して正になり、交流波形の両方の半分によって負荷を通して一方向にのみ電流が流れます。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、より平滑な直流電流を得るために6つの陽極が使用されました。三相運転は、2つの陽極が同時に導通することを可能にすることで、変圧器の効率を向上させるとともに、より平滑な直流電流を供給できます。運転中、アークは（陰極に対して）最も高い正電位を持つ陽極に移動します。

3つの陽極と外部変圧器を備えた三相半波整流器

6つの陽極を備えた三相全波整流器と、二次側にセンタータップを備えた三相外部変圧器

HVDC用途では、通常、全波三相ブリッジ整流器またはグレーツブリッジ回路が使用され、各バルブは単一のタンクに収容されていた。

1920年代に低電圧整流用の固体金属整流器が利用可能になると、水銀アーク管はより高電圧、特に高出力用途に限定されるようになった。

水銀アーク管は、1960年代まで、大規模な産業用途において交流を直流に変換する装置として広く使用されていました。その用途には、路面電車や電気鉄道への電力供給、大型無線送信機用の可変電圧電源などがありました。水銀アーク変電所は、1950年代まで、都市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、固体シリコンデバイス、まずダイオード、次にサイリスタが登場し、水銀アーク管の低電力・低電圧整流用途はすべて置き換えられました。

ニューヘイブン鉄道のEP5型やバージニアン鉄道のEL-C型など、いくつかの電気機関車は、入力された交流を牽引モーターの直流に整流するために、イグニトロンを搭載していた。

水銀アークバルブの最後の主要な用途の 1 つは HVDC 送電であり、1970 年代初頭まで、ニュージーランドの北島と南島を結ぶHVDC インターアイランドリンクや、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、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ぼ時代遅れになりました。イングリッシュ エレクトリックが製造した史上最大の水銀アーク整流器は、定格150 kV、1800 A で、ネルソン リバー DC 送電システム高電圧 DC 送電プロジェクトで 2004 年まで使用されました。インターアイランドおよびキングスノースプロジェクトのバルブは、必要な電流定格を得るために、4 つの陽極列を並列に使用しましたが、ネルソン リバー プロジェクトのバルブは、6 つの陽極列を並列に使用しました。^{[ 13 ]} 島間リンクは、水銀アークバルブを使用して運用されていた最後の HVDC 送電システムでした。2012 年 8 月 1 日に正式に廃止されました。^{[ 14 ]}ニュージーランドのシステムの水銀アークバルブ変換ステーションは、新しいサイリスタ変換ステーションに置き換えられました。同様の水銀アークバルブシステムであるHVDC バンクーバー島リンクは、2014 年に三相 AC リンクに置き換えられました。  

水銀アークバルブは、南アフリカの一部の鉱山やケニア（モンバサ工科大学電気電子工学科）で今も使用されている。

水銀アーク管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、^{[ 15 ]} 2000年時点でもベルサイズ・パークの廃止された地下防空壕で2台が稼働しているのが確認されていた。^{[ 16 ]}防空壕としての役割を終えた後、ベルサイズ・パークや他のいくつかの地下防空壕は、特に音楽やテレビ番組のアーカイブの保管場所として利用された。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、その「不気味な光」を理由にエイリアンの脳として登場した。^{[ 17 ]}

オークランド交通技術博物館（MOTAT）は、今でも水銀アークバルブを使用して、2つの施設間を来館者を運ぶ路面電車に電力を供給している。^{[ 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、交流電力を直流電力に変換して電動モーターを駆動するために水銀アークバルブを使用しており、このエレベーターは市の公共交通ネットワークの一部であり、毎日乗客を運んでいます。^{[ 19 ]}

単相水銀アーク整流器の特殊なタイプには、イグニトロンとエキシトロン。エキシトロンは、上述の他のタイプのバルブと似ていますが、バルブが電流を流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、励起アノードの存在に大きく依存しています。イグニトロンは、導通を開始する必要があるたびにアークを点火することで、励起アノードを不要にします。このようにして、イグニトロンは制御グリッドも不要にします。

1919年に出版された「電話と電信の百科事典 第1巻」^{[ 20 ]}には、水銀整流管内のアークを磁場によって変調する電話信号増幅器が記載されていた。これは商業的に重要なものではなかった。

水銀化合物は毒性が強く、環境中での残留性が高く、人体と環境に危険をもたらします。壊れやすいガラス製の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中に放出される危険性があります。一部のHVDC変換所では、運用期間中に発生した微量の水銀を除去するために、大規模な浄化作業が必要となりました。鋼製タンク整流器では、少量の水銀蒸気を継続的に放出する真空ポンプが頻繁に必要でした。