JPH0335769B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は開閉器に関し、詳しくは開閉器の容
器内の圧力上昇を抑制するための構造に関する。

なお、この発明でいう開閉器とは、とくに回路
しや断器、限流器、電磁開閉器などの容器、通常
は小型容器内でアークを生じるものを示してお
り、以下の説明は、回路しや断器を例に説明す
る。

第１図〜第３図は従来の回路しや断器を示す断
面図で、それぞれ異なつた一連の動作状態を示し
ている。

図において、１はカバー、２はベースで、カバ
ー１とベース２とで容器３を構成している。４は
固定接触子で、その固定導体５の一端に固定接点
６を有し、他端は外部導体に接続される端子部
（図示省略）に形成されている。７は可動接触子
で、その可動導体８の一端に固定接点６に対向し
た可動接点９を有している。１０は可動接触子装
置、１１は可動子腕でクロスバー１２に固定さ
れ、各極同時に開閉されるように構成されてい
る。１３は消弧室で複数の消弧板１４が側板１５
により保持されて形成されている。１６はトグル
リンク機構で、上リンク１７と下リンク１８で構
成されており、上リンク１７の一端はクレドル１
９に、また他端は下リンク１８の一端にそれぞれ
軸２０，２１によつて連結され、下リンク１８の
他端は可動接触子装置１０の可動子腕１１に連結
されている。２２は起倒形操作ハンドルで、作動
ばね２３がトグルリンク機構１６の軸２１と操作
ハンドル２２との間に架張されている。２４は熱
動引きはずし機構２５は電磁引きはずし機構で、
作動時には、それぞれバイメタル２６および可動
鉄心２７によつてトリツプバー２８を反時計方向
に回動させるように構成されている。２９はラツ
チで、一端がトリツプバー２８に係止され他端は
クレドル１９に係止されていて、クレドル１９が
ラツチ２９に係止された状態で操作ハンドル２２
を閉路位置に倒すと、トグルリンク機構１６が伸
長して軸２１がクレドル１９に係止され、可動接
点９が固定接点６に接合される。この状態が第１
図である。

ついで操作ハンドル２２を開路位置に倒すと、
トグルリンク機構１６が屈曲して可動接点９を固
定接点６より開離させ、可動子腕１１がクレドル
軸３０に係止される。この状態が第２図である。

また第１図に示す閉路状態で回路に過電流が流
れると、熱動引きはずし機構２４または電磁引き
はずし機構２５が作動してクレドル１９とラツチ
２９の係合が解除され、クレドル１９がクレドル
軸３０を中心に時計方向に回転してストツパー軸
３１に係止される。このときクレドル１９と上リ
ンク１７の連結点が作動ばね２３の作用線を越え
るため、作動ばね２３のばね力によつてトグルリ
ンク機構１６が屈曲して可動子腕１１を引き上
げ、クロスバー１２を介して各極連動して自動し
や断器が行なわれる。この状態が第３図である。

つぎに回路しや断器が電流しや断時に発生する
アークの振舞いについて説明する。

いま、可動接点９と固定接点６とが接触してい
る第１図の状態のときは、電源側から固定導体
５、固定接点６、可動接点９および可動導体８を
順次経由して負荷側へ電流が供給される。

このとき、短絡電流等の大電流がこの回路に流
れると、前述したように、可動接点９が固定接点
６から開離され、固定接点６と可動接点９の間に
アーク３２が発生し、両動接点６，９間にはアー
ク電圧が発生する。このアーク電圧は、固定接点
６から可動接点９での開離距離が増大するに従つ
て上昇し、また、同時にアーク３２が消弧室１３
の方向へ磁気力によつて引き付けられて伸長する
ため更に上昇する。このようにして、アーク電流
は電流零点を迎えてアークを消弧し、しや断が完
結する。しかし、この注入された莫大なアークエ
ネルギーは、最終的には熱エネルギーの形になつ
て容器外に逃げ去るが、過渡的には限られた容器
内のガスの温度を上昇させ、容器内のガス圧力を
急激に上昇させるので、このため回路しや断器内
部の絶縁劣化、回路しや断器外部への放出火花量
の増大による電源短絡事故および回路しや断器本
体の破壊等を招くおそれがあつた。

この発明は上記のような問題点を解消すること
を目的としてなされたもので、アークのエネルギ
を有効に吸収して容器内のガス圧力の上昇を抑制
することができる開閉器を得ることを目的とす
る。

第９図はこの発明の一実施例である回路しや断
器の一例を示す図で、同図において、１０１，１
０２は圧力反射体であり、導体５、接点６を形成
する材料よりも高抵抗率を有する高抵抗材料で形
成されており、第１０図および第１１図に示すよ
うにそれぞれ固定接点６、可動接点９が取り付け
られている固体導体５、可動導体８の導体面を覆
うように取り付けられている。これらの圧力反射
体１０１，１０２を形成する高抵抗材料として
は、有機絶縁物または無機絶縁物、もしくはニツ
ケル、鉄、銅ニツケル、銅マンガン、銅マンガニ
ン、鉄−炭素、鉄ニツケルおよび鉄クロム等の高
抵抗金属がある。

この圧力反射体１０１，１０２は、上述の高抵
抗材料、たとえばセラミツクスをプラズマジエツ
ト溶射手段等によつて導体５，８の面上を被覆し
たり、あるいは高抵抗材料で製作した板状のもの
を導体５，８の面上に固定することによつて容易
に形成することができ、このような被覆手段によ
れば、とくに可動接触子７側では重量増が抑えら
れるため、慣性モーメントが小さくなつて可動接
触子７の開離スピードが大きくなり、したがつて
アーク電圧を高めさせることができる利点があ
る。

１０３は光吸収体であり、無機系の耐熱性を有
する見掛け気孔率35％以上の高多孔質材料のうち
の１種または２種以上の複合材で構成されてお
り、接点６，９間に発生したアーク３２の光を受
ける部位、たとえば第１０図のように接点６，９
の両側方に位置して立壁状に形成されている。他
の構成要素ほ従来のものと同一なのでその説明は
省略する。

つぎに上記構成の作動について説明する。

開路時に接点６，９間にアーク３２が発生する
のは従来のものと同一であるが、接点６，９の周
囲には圧力反射体１０１，１０２が設けられてい
るため、アーク３２は狭い空間にしぼり込まれ
る。その結果アーク３２の断面積は、圧力反射体
１０１，１０２のない従来のものに比べて極めて
小さくなり、したがつてアーク電圧ほ大きく上昇
するため限流性能は格段に向上する。

ところで、アーク３２の断面積が小さくなると
流れる電流の大きさは減少するが、アーク電圧が
大きくなると、回路しや断器に注入される瞬時電
気エネルギー（電流とアーク電圧の積）が増大し
て回路しや断器内の圧力が上昇し、回路しや断器
本体の絶縁破壊や放出火花量の増大などを招くお
それがある。

しかるに、この実施例では、アーク３２からの
光を受ける両側壁に光吸収体１０３を配置してい
るから、アーク３２の光エネルギーが吸収され、
アークのガス圧の上昇が抑制されて内圧を低下さ
せることができるとともに、上記圧力反射体１０
１，１０２の使用に支障を来たすことなく、その
役務を十分全うさせることができる。

つぎにこの発明の基礎となつているアークのエ
ネルギー消費のメカニズムについて詳しく説明す
る。

第４図は、接触子４，７間にアークＡが生じた
ときの作用を説明するための図で、図中の矢印Ｔ
はアークＡから接触子に伝導して逃げる熱エネル
ギーの流れ、矢印ｍはアーク空間から逃げる金属
粒子のエネルギーの流れ、矢印Ｒはアーク空間か
ら逃げる光によるエネルギーの流れをそれぞれ示
している。第４図において、アークＡに注入され
たエネルギーは、上記の三つのエネルギーの流
れ、Ｔ，ｍ，Ｒによつて既ね消費されてしまう。

この内、電極への熱の逃げＴは微小であり、大
半のエネルギーはｍとＲにて持ち去られてしまう
が、従来は、ｍのエネルギーが圧倒的であると考
えられてＲのエネルギーはほとんど無視されてい
た。

しかし、発明者等の最近の研究によると、Ｒの
エネルギー、すなわち、光によるエネルギーの消
費がアークＡに注入されたエネルギーの約70％に
も達する程莫大であることが解明されるに至つ
た。

すなわち、アークに注入されたエネルギーの消
費はつぎのように解析できる。

Pw＝Ｖ・Ｉ＝PK＋Pth＋PR PK＝１／２mv2＋ｍ・CP・Ｔ ここで Pw：瞬時注入エネルギー Ｖ：アーク電圧 Ｉ：電流 Ｖ・Ｉ：アークに注入される瞬時電気エネルギー PK：金属粒子が持ち去る瞬時エネルギー消費量 １／２mv2：mgの金属粒子が速度ｖで飛び去る時持 ち去る瞬時エネルギー消費量 ｍ・CP・Ｔ：定圧比熱CPガス（金属粒子のガ
ス）が温度Ｔにて逃げた時持ち去る瞬時エネル
ギー消費量 Pth：アーク空間から、接触子へ熱伝導にて逃げ
去る瞬時エネルギー消費量 PR：光により、アークから直接放射される瞬時
エネルギー消費量 である。

上記の消費量の配分は、接触子形状やアーク長
によつて変化するが、10〜20mmのアーク長におい
ては、それぞれPK＝10〜20％、Pth＝５％、PR
＝75〜85％である。

つぎに、アークＡを容器３に閉じ込めた時の状
況を第５図に示す。アークＡを容器３に閉じ込め
ると、容器３内空間は金属粒子が充満しかつ高温
の状態となる。とくに、アーク陽光柱Ａの周辺ガ
ス空間（図中斜線で示した空間）Ｑは、この状態
が強い。

さて、アークＡを発した光は、アーク陽光柱Ａ
から放出され、容器３の壁に照射されて反射され
る。反射された光は散乱され、再度、金属粒子の
充満した高温空間を通過して再度、壁面に照射さ
れる、という過程を光量が零になるまで繰り返
す。この光の経路の一部を図中に矢印Ra→Rb→
Rc→Rdで示している。

上記の過程において、アークＡから発した光は
つぎの２つの吸収で消費される。

(1) 壁面での吸収 (2) アーク空間および周辺（高温）ガス空間にお
ける吸収、すなわちガス空間における吸収 またアークＡから発する光は、2000Å以下の遠
紫外から、1μｍ以上の遠赤外までのすべての波
長領域にわたり、連続スペクトルおよび線スペク
トルからなる。従来の容器の壁面は、たとえ表面
が黒色をしている場合でも、4000Å〜5500Å程度
の範囲の光の吸収能力を有するだけで、その他の
範囲においては、一部を吸収することにとどまり
ほとんど反射してしまう性質をもつている。とこ
ろが、アーク空間および周辺高温ガス空間での吸
収はつぎのようになる。

長さＬの一様な組成・温度を有するガス空間に
波長λの光を照射した時のガス空間における光の
吸収量Iaは、つぎのように算定できる。

Ia＝Ae・ｎ・Ｌ・Iin ……(1) ここで、 Ia：ガスによる吸収エネルギー Ae：吸収確率 Iin：照射する光エネルギー ｎ：粒子密度 Ｌ：光が通過する光路長 である。

この(1)式は、特定波長λに対する吸収エネルギ
ー量を示しており、Aeは特定波長λに対する吸
収確率であり、波長λ、ガス温度、粒子の種類の
関数である。

量子力学の教えに従えば、吸収係数Aeは、連
続・線スペクトルともに、光を発する光源ガスと
同一状態のガス（すなわち、粒子の種類、温度が
同一）が最も大きな値を有することになる。すな
わち、アーク空間から発する光は、アーク空間お
よびその周辺ガス空間で最も多く吸収されるわけ
である。

(1)式によれば、光の吸収エネルギー量Iaは光路
長Ｌに比例する。第５図に示すように、アーク空
間からの光が壁面にて反射されると、(1)式中のＬ
は、その反射回数倍だけ増大することになり、ア
ーク空間の高温部で吸収される光エネルギー量が
増大することになる。

これは、アークＡの発する光のエネルギーが、
結局容器３内のガスに吸収され、これによつてガ
スの温度が上昇し、ガスの圧力が上昇することを
意味している。

高多孔質素材は、一般には固体構造内に多数の
細孔を持つ材料で、材質と細孔との関係は、一つ
は固体粒子相互の接点で燒結固化したもの、他の
一つは孔が主体で孔を形成する隔壁が固体物質で
あるものに区別されている。なおここでの素材と
は、形状にとらわれない、形状加工前のもとの材
料をいう。

さらに細かく分類すると粒子間の隙間が細孔と
して存在するもの、粒子間の隙間と粒子内の孔の
細孔を共有するもの、発泡性の孔を内部に包含す
るものなどに分けることができる。また通気性・
通水性のあるものと、気孔が内部に独立し通気性
のないものとに大別することもできる。

上記の細孔の形状は非常に複雑で大きくは開孔
と閉孔に類別され、その構造は、細孔容積または
気孔率、細孔径および細孔径分布、比表面積など
で表示する。

気孔率は多孔質素材に含まれる開孔と閉孔のす
べての細孔容積の割合を素材の全容積（カサ容
積）に対する空隙比すなわち百分率で示したもの
を真の気孔率とし、測定方法は液体または気体に
よる置換法および吸収法などによるが、簡便法と
して、JISR2614の耐火断熱レンガの比重および
気孔率の測定方法に定義されるとおり、つぎのよ
うに計算される。

真の気孔率＝（１−カサ比量／真比量）×100％ また開孔の容積の割合を素材の全容積（カサ容
積）に対する空隙比、すなわち百分率で示したも
のを見掛けの気孔率とし、JISR2205耐火レンガ
の見掛気孔率、吸収率および比重の測定方法に定
義されるとおり、つぎのようにして計算される。
なお見掛け気孔率は有効気孔率ともいう。

見掛けの気孔率＝飽水重量−乾燥重量／飽水重量−水中
重量×100％ 細孔径は細孔容積および比表面積の測定値より
求められるが、原子やイオンの大きさに近いもの
から粒子団の界面間隙まで数Å（オングストロー
ム）から数mmまで分布するが、一般に、その分布
の平均値として定義される。多孔質素材では顕微
鏡による方法や水銀圧入法で気孔の形状、大きさ
およびその分布を測定することができる。一般に
は複雑な気孔の形状や分布の状態を正確に知るた
めには顕微鏡を用いるのが直接的で好ましい。

比表面積の測定は各種吸着ガス質の各温度にお
ける吸着等温線を利用して求められるBET法が
多く用いられ、とくに窒素ガスが多く用いられ
る。

つぎに高多孔質材料による光のエネルギーの吸
収とそれによるガスの圧力低下の模様を、無機質
高多孔材料を例に説明する。

第６図は無機質高多孔素材を示した斜視図、第
７図は第６図の部分拡大断面図である。同図にお
いて、３３は無機質高多孔素材、３４は無機物表
面に通じる開孔を示している。開孔３４の細孔径
は数μから数mmまで大小さまざまな分布を示して
いるものである。

さて、この多孔素材３３に第７図に示すよう
に、光Ｒが開孔３４に入射すると、光はその開孔
３４の内部で多重反射され、ついには壁面に100
％吸収されてしまう。すなわち開孔３４に入射し
た光は、無機質高多孔素材３３に熱エネルギーと
して吸収される。

第８図は無機質高多孔素材３３をモデル容器内
に装着し、その無機質高多孔素材の見掛けの気孔
率を変化させた場合のモデル容器内の圧力変化を
示した特性図で、横軸は見掛けの気孔率、縦軸は
モデル容器内の圧力を示しており、容器内の壁を
Cu、Fe、Alなどの金属で構成した時の圧力を１
として規格化して示している。実験条件として
は、一辺10cmの立方体の密閉容器内にAgW接点
を10mmの定ギヤツプに設置し、ピーク10KAの正
弦波電流のアークを８ｍＳ（ミリ秒）発生させ、
この時のエネルギーで生じる容器内の圧力を測定
している。

上記実施例に使用した無機質高多孔素材は、コ
ージライト材質の陶磁器原料を可燃性または発泡
剤を加えて成形し、燒結して多気孔にした多孔質
陶磁器であつて、平均細孔径の範囲が10〜300μ、
見掛けの気孔率が20％、30％、35％、40％、45
％、50％、60％、70％、80％、85％のものを、50
mm×50mm×４mmに形成した各種のサンプルを使用
し、容器内面の表面積の50％を覆うように容器壁
面に配置した。

高多孔質素材の細孔径は、吸収される光の波長
領域を若干超える程度の細孔と、その細孔が表面
に占める割合、すなわち細孔の比表面積の多少が
問題となる。また光の細孔内における吸収は、細
孔の深いものほど効果があり、連通気孔が好まし
い。開閉器でアークＡから発生する光は数百Å〜
10000Å（1μｍ）に分布するので、これを若干超
える程度、すなわち数千Å〜数1000μｍの平均細
孔径のものが適しており、細孔の比表面積が、見
掛け気孔率35％以上となる高多孔質素材がアーク
の発する光の吸収に適しており、とくに細孔径の
上限が1000μｍ以下であつて細孔の比表面積が大
きい程効果がある。実験では平均細孔径が5μ〜
１mmでアークの発する光に対して良好な吸収特性
を示すことが確認された。また材質がガラスで、
平均細孔径が5μ〜20μのものがアークの発する光
に対して良好に光を吸収することが観測された。

第８図からわかるように、無機質高多孔素材の
気孔は光エネルギーを吸収し、開閉器内部の圧力
を低下する効果があり、これは高多孔質素材の見
掛けの気孔率の増大とともに大きくなり、とくに
見掛けの気孔率が35％以上から顕著になり、85％
までの範囲で効果が確認された。気孔率がさらに
増大すれば、高多孔質素材の厚さを一層増加させ
ることにより対応させる必要がある。

ただし高多孔質素材の見掛け気孔率と機械的強
度の関係は、見掛けの気孔率が大きくなると、も
ろくなつたり熱伝導性が低下するので高熱により
溶融し易くなり、また見掛けの気孔率が小さい場
合には、容器内の減圧効果が少なくなる。したが
つて実用的には多孔質素材の見掛けの気孔率は40
〜70％の範囲のものが最適である。

第８図の特性傾向は無機質高多孔素材全般につ
いて言えることであつて、これは光の吸収に関す
る以上の説明からも推察できるところである。

従来の開閉器にも無機質材料が使用されている
ものがあるが、その使用目的は、有機物で形成さ
れた容器のアークからの保護が主であつて、その
特性は耐アーク性、寿命、熱伝導、機械的強度、
絶縁性および耐炭化性が求められており、本発明
とはその目的を異にするものであつて、これらの
要件を満たす無機質材料は必然的にち密化に指向
され、その見掛けの気孔率20％前後となつてい
る。

高多孔質素材としては、無機系のものが絶縁物
でかつ高融点材料として特徴ずけられる。この２
つの性質は、開閉器の容器内部に設置する材料と
しては好ましいものであり、電気的に絶縁物であ
るのでしや断特性に悪影響を及ぼすことがなく、
また、高温にさらされても、融けたり、ガスを出
したりしないので、圧力抑制材料としては最適で
ある。

無機質多孔材料としては、多孔質の陶磁器、セ
ラミツクス、ガラス、セメント硬化体、炭素繊維
やアスベストを素材とした織布、不織布、鋼状体
およびこれらの２種以上を積層したような複合材
などがあり、いずれも光吸収体として使用でき
る。

ところで、光吸収体１０３の材料として、マグ
ネシアもしくはジルコニア等の主成分とするセラ
ミツクスの多孔物質を使用すると、アーク３２に
直射された際にその表面がガラス化することなく
結晶化するので、アーク３２の発生期間中の表面
の絶縁抵抗が低下することもなく、良好なしや断
性能を得ることができる。

さらにセラミツクスで成形された光吸収体１０
３の表面を熱処理したり、無機質多孔物質に有機
材を適当に複合したもので構成すると、容器３の
内圧低下の作用を妨げることなく、振動衝撃によ
つて光吸収体１０３から粉が折出したりするのを
有効に防止することもできる。

第１２図はこの発明の他の実施例の圧力反射体
の構造を示す図である。図において、１０５はア
ーク走行路で、圧力反射体１０４に接点６から消
弧室１３向う方向に形成された溝で構成されてお
り、このアーク走行路１０５を設けると、接点６
で発生したアーク３２の足はアーク走行路１０５
上を走つて消弧室１３へ向い、消弧板１４に触れ
やすくなるため、小電流域のしや断特性が向上す
る効果が得られる。

以上のように、この発明は電気接触子の接点の
周囲の導体面を覆うように設けた圧力反射体と、
耐熱性を有し35％以上の見掛けの気孔率を有する
光吸収体とを設けたので、圧力反射体によつてア
ークの断面積を小さく抑制して限流性の向上が図
れるとともに、記光吸収体によつてアークのエネ
ルギーの大きな割合を占める光エネルギーを吸収
するので開閉器のガス圧力の上昇を抑制できる開
閉器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来の回路しや断器の断面図
で、それぞれ異なつた動作状態を示す図、第４図
は接点間に発生するアークの様子を示す説明図、
第５図はしや断器の接点間にアークが発生したと
きの様子を示す説明図、第６図は光吸収体を形成
する無機質高多孔素材を示す斜視図、第７図は第
６図の部分拡大断面図、第８図は光吸収体を配設
した容器内でアークを発生させたときの、見掛け
の気孔率と容器内の圧力との関係を示す特性図、
第９図はこの発明の一実施例である回路しや断器
の正面断面図、第１０図はこの実施例の要部を示
す斜視図、第１１図はこの実施例の圧力反射体を
取り付けた固定電気接触子の斜視図、第１２図は
圧力反射体の他の実施例の構造を示す固定電気接
触子の斜視図である。 ３……容器、４……固定電気接触子、５……固
定導体、６……固定接点、７……可動電気接触
子、８……可動導体、９……可動接点、１０１，
１０２，１０４……圧力反射体、１０３……光吸
収体、１０５……アーク走行路。なお、図中同一
符号はそれぞれ同一、または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導体の面上に接点が固着されている１対の電
   気接触子と、これらの電気接触子を開閉する機構
   と、上記電気接触子の開路時に上記接点間に生じ
   るアークを消弧する消弧室とを備えた開閉器にお
   いて、 上記接点の周囲の導体面を覆う圧力反射体と、
   上記接点間に生じるアークを挟むように配設され
   た光吸収体とを備え、上記圧力反射体は上記導体
   よりも電気抵抗の大きい物質で形成され、上記光
   吸収体は見掛けの気孔率が35％以上の耐熱性を有
   する高多孔質材で形成されてなることを特徴とす
   る開閉器。 ２ 少なくとも一方の電気接触子の圧力反射体
   に、接点から消弧室に向つて導体面を露出させる
   ように形成されたアーク走行路を備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の開閉器。 ３ 光吸収体が、無機質の繊維を主様とする不織
   布、織布、または網状部材の１種または２種以上
   の複合材もしくは高多孔質セラミツクスで形成さ
   れてなる特許請求の範囲第１項記載の開閉器。 ４ セラミツクスで形成された光吸収体の表面が
   熱処理によつて硬化されてなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の開閉器。 ５ 光吸収体を構成するセラミツクスがマグネシ
   アもしくはジルコニアを含有しており、アークに
   よつてその表面が高温に加熱された時ガラス化し
   ないで結晶化するように構成されてなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の開閉器。