JPH0622087B2 - 封止接点装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は封止接点装置に関し、さらに詳しくは電磁開閉
器、リレー等のパワー負荷用開閉器に好適に実施される
封止接点装置に関する。

従来の技術 一般的に開閉機器は、その電流遮断領域から見て、１Ａ
以下の微弱電流（通称ドライサーキツト）用開閉機器、
１〜５Ａ程度の抵抗負荷制御用開閉機器、５〜３０Ａ程
度のパワー負荷（小容量誘導負荷等）用開閉機器および
３０Ａ以上の中大容量負荷もしくは特定負荷用開閉機器
に分類される。これらの内、需要のもつとも多いパワー
負荷用開閉機器は、開閉時のアークにより接点の溶着
や、接点の消耗、転移等が促進され、当該装置の寿命と
信頼性の低下などの問題点があつた。

このような問題点に対処するために、接点材料や高速接
点開閉駆動機構等において種々の研究がなされている
が、未だ需要者の満足が得られる提案はなされていな
い。

また、接点材料や高速開閉駆動機構等とは別個の観点か
ら、耐アーク性能（アーク消孤能力）を向上させたもの
として、たとえば特開昭４７−４００５６あるいは特公
昭５１−９８４９で示されるようなマーキユリーリレー
がある。これは毛細管現象によつて供給される水銀で接
点を濡らすことによつて接触安定性を、また１７〜２０
気圧で封入した高純度水素ガスの冷却力を利用してアー
クの消孤能力をそれぞれ高めるようにしたものである。
このものは開閉電流が５Ａを越えると接点開閉時におけ
る水銀の蒸発量が増大し、接点への水銀の供給が十分に
行われなくなり、接点消耗や接点溶着を惹起して電気的
寿命を大幅に低下させることとなるため、電流遮断領域
が５〜３０Ａ程度のパワー負荷用開閉機器では実用化が
困難であつた。

このような問題点を解決するために、水素ガスなどの電
気絶縁性ガスを高気圧に封入し、気密に形成された封止
容器内で接点を開閉させ、上記絶縁性ガスの冷却能と封
止容器外に配置された永久磁石のアーク吹消し作用によ
つて発生アークを速やかに消孤させる構造の封止接点装
置の基本的構成が、たとえば特開昭６１−０７８０１６
などにより提案されている。

第１６図はその改良された或る提案された封止接点装置
の構造を示す断面図であり、第１７図は第１６図の切断
面線Ｉ−IIから見た断面図である。第１６図と第１７図
を参照して、従来の技術による封止接点装置１の構造と
動作について説明する。封止接点装置１では、セラミツ
クスなどの電気絶縁材料で形成された胴部２と、胴部２
の両端を被覆するため金属材料により形成された端板
３，４により封止容器５が形成される。一方の端板４の
内部側には、金属材料から成り先端に固定接点６ａが固
着された固定軸６ｂが固定されて固定電極６が形成され
る。端板４の外部側には気管７が封止容器５の外方に連
結され、気管７を介して熱伝導率の大きい水素ガスなど
の電気絶縁性ガスが、大気圧よりも高気圧（たとえば２
気圧）に封入された後、圧接封止され、導線９が接続さ
れる接続端子１０を形成するとともに、封止容器５内に
気密空間８が形成される。

他方の端板３に設けられた挿通孔３ａを、金属材料から
成る可動軸１３ｂが挿通している。可動軸１３ｂの封止
容器５内の先端には、可動接点１３ａが固着されて一体
的に可動電極１３が形成されている。可動軸１３ｂの他
端には接続端子１３ｃが形成され、薄線１４が接続され
ている。

また端板３の外方表面で前記挿通孔３ａの周縁部には、
可動軸１３ｂが貫通する円筒状の筒部１５が配置され、
筒部１５の内部で可動軸１３ｂを外囲して蛇腹状のベロ
ーズ１６が配置されている。ベローズ１６は一端が可動
軸１３に、他端が筒部１５とベローズ押さえ板１７に気
密に結合されており、これによつて気密空間８は外気と
遮断され、気密性が保持される。

固定接点６ａと可動接点１３ａとは相互に対称な大略円
板状をなし、両者の厚み方向（第１７図左右方向）に配
置された永久磁石片１８ａ，１８ｂをさらにヨーク部材
１９が外囲して配置される。

このような構造を有する封止接点装置１において、可動
軸１３ｂが図示されない押圧手段により、矢符ａの方向
（第１６図下方）に押圧されると、固定接点６ａと可動
接点１３ａとは接触導通し、上記押圧力が取去られる
と、可動軸１３ｂは封止容器５内外の気圧差によつてベ
ローズ１６は矢符ａと反対方向（第１６図上方）の力を
受け、可動接点１３ａは固定接点６ａと離間し、両接点
間は遮断される。このとき発生するアークが接点損傷の
原因となるが、従来の技術では封止容器５内に封入した
高気圧の絶縁性ガスによつてアークを急速冷却し、同時
に封止容器５外に配置された永久磁石１８ａ，１８ｂに
よるアーク吹消し作用によつて短時間で消孤させ、接点
の長寿命化と信頼性の向上を図つていた。

ところで、一般的にアークの消孤能力を高めるために
は、アークを高速で移行させてアークの引伸ばし量を増
し、高アーク電圧を得るようにすればよいことが知られ
ており、この点に鑑みて従来の技術では、たとえば特開
昭６１−０７８０１６に見られるように、アークホーン
を設けて、磁気駆動手段によるアークの引伸ばしを容易
にアークホーンに移行させてアーク高電圧を得るように
したものもあつた。

発明が解決しようとする課題 しかしながら従来の技術による封止接点装置１は、消孤
力は優れているけれども、接点６ａ，１３ａを遮断する
時の両接点の開離力は、前述のように封入ガス圧に依存
するので、経時変化や周囲温度の影響によつて開離力が
変動し、開閉動作が不安定になるという問題点があつ
た。たとえば開離力が低下した場合には両接点６ａ，１
３ａの離間速度、即ち開極速度が低下し、アーク膠着時
間が増大し、したがつて接点消耗が増大する。また接点
６ａ，１３ａ間のギヤツプが充分にとれないので接点間
耐圧が低下するという不具合が発生する。他方、開離力
が過大であれば、開離力が図示しない駆動装置による接
点押圧力を上回る結果、接点６ａ，１３ａが完全に閉成
しないという問題点が発生していた。

さらに封入されたガスが漏れてガス圧が低下した場合、
前述の開離力が生じなくなり、接点６ａ，１３ａ間が離
間せず導通状態のままとなるといつた重大な結果も起こ
りうる。

従来の技術では、ベローズ１６によつて開離力を伝達す
るようにしているので、ベローズ１６の疲労原因ともな
り、これもまた封止接点装置１の寿命と信頼性の低下の
要因となつていた。

このような不具合を解決するために、たとえば前記押圧
手段に押圧力とは反対方向の開離力を備えさせ、接点遮
断時には上記開離力によつて接点間を離間させる方法な
どが考えられるけれども、そのためには別の駆動源と駆
動力の伝達機構が必要となつて装置が複雑化するという
問題点が発生する。

本発明の目的は、接点の長寿命化と高信頼性を実現した
封止接点装置を提供することである。

また或る先行技術は実公昭４５−２９９４２に開示され
ている。この封止接点装置では、固定接点と可動接点の
両者はいずれも、平坦な面が接触する構成となつてお
り、したがつて両接点間に発生したアークを迅速に消去
するための工夫がなんら、なされていない。

本発明の他の目的は、アークを迅速に消去することがで
きるようにした封止接点装置を提供することである。

課題を解決するための手段 本発明は、気密空間が形成された封止容器と、 封止容器内に固定された固定軸の先端に固定接点を設け
た固定電極と、 可動軸の先端に、上記固定接点に接触離反自在な可動接
点が設けられた可動電極と、 可動電極が挿通される筒部と、 上記可動電極に一端が固定され、上記筒部に他端が固定
されたベローズと、 固定接点と可動接点の両者の厚み方向に配置される永久
磁石と、 さらに前記永久磁石を外囲して配置されるヨーク部材と
を備え、 上記封止容器内には電気絶縁性ガスを封入して成る接点
装置において、 上記可動電極には、上記固定電極から離反する方向に作
用する弾発力を有する弾性部材を備え、 可動接点および固定接点は、大略円板状をなしているこ
とを特徴とする封止接点装置である。

また本発明は、気密空間が形成された封止容器と、 封止容器内に固定された固定軸の先端に固定接点を設け
た固定電極と、 可動軸の先端に、上記固定接点に接触離反自在な可動接
点が設けられた可動電極と、 可動電極が挿通される筒部と、 上記可動電極に一端が固定され、上記筒部に他端が固定
されたベローズと、 固定接点と可動接点の両者の厚み方向に配置される永久
磁石と、 さらに前記永久磁石を外囲して配置されるヨーク部材と
を備え、 固定接点と可動接点のいずれか一方を、大略円板状と
し、いずれか他方を、大略円板状であって前記いずれか
一方の接点との接触面が大略円板状の形状を損なわない
程度の平坦面としたことを特徴とする封止接点装置であ
る。

また本発明は、前記電気絶縁性ガスは、水素ガスのみか
ら成ることを特徴とする。

また本発明は、前記電気絶縁性ガスは、水素ガスと窒素
ガスとの混合ガスであることを特徴とする。

また本発明は、前記電気絶縁性ガス中に含まれる窒素ガ
スの容積比は、４０％を越えないことを特徴とする。

また本発明は、前記電気絶縁性ガスの封入圧力は、１〜
１０気圧であることを特徴とする。

また本発明は、前記弾性部材は、コイル状に巻回されて
成るコイルばねであることを特徴とする。

また本発明は、前記弾性部材は予め定める範囲を越えて
伸長しないようばね伸長方向にばね規制部材が設けられ
ることを特徴とする。

また本発明は、可動接点および固定接点の材料は、タン
グステンであることを特徴とする。

作 用 本発明による封止接点装置は、可動電極側に弾性部材で
ある開離ばねを備え、開離ばねによる弾発力が封入ガス
圧による接点開離力に加算される。したがつて経時変化
や温度変化にともなう封入ガス圧の変動による開離力の
変動が小さくなる。また封入ガスに水素あるいは水素と
窒素などの混合ガスを用い、さらにこれらの混合比と封
入圧を好ましい条件に設定したのでアーク冷却能力が向
上する。

特に本発明に従えば、接点形状を大略円板状、あるいは
いずれか一方を大略円板状であつてその接触面を円板状
の形状を損なわない程度の平坦面としたので接点離間時
の摩耗が防止される。すなわち本発明に従えば、固定接
点と可動接点とが離間する際に発生したアークは、これ
らの固定接点と可動接点の両者の厚み方向に配置される
永久磁石によつて発生された磁界の中で、フレミング左
手の法則による電磁力が作用してそのアークが固定接点
および可動接点の両端面に回り込むことが防がれ、アー
クは固定接点と可動接点の円弧面で発生することにな
り、こうして発生されたアークは、磁力によつて前記厚
み方向に垂直方向（後述の第１図の左右方向）に延ばさ
れ、したがつてアーク長が長くなつて迅速に消孤され
る。

さらに本発明に従えば、いずれか一方の接点の接触面に
は平坦面が形成され、これによつて点接触となるのが防
がれて、線接触が保たれ、そのため電流密度の増大が防
止され、このことによつてもまた長寿命化が実現され
る。

また本発明に従えば、弾性部材である開離ばねは予め定
める長さを越えて伸長しないようにばね規制部材を設
け、接点閉極動作時の駆動力の節減を図つている。

さらに接点材料にはタングステンを用い、耐久性を向上
することができる。

実施例 第１図は本発明の一実施例の封止接点装置２１の構造を
示す断面図であり、第２図はその切断面線Ａ−Ｂから見
た断面図である。第１図および第２図を参照して、封止
接点装置２１の構造と動作について説明する。封止接点
装置２１は、たとえばセラミツクスなどの絶縁材で形成
される胴部２２と、無酸銅あるいは４２アロイなどの金
属材料により形成され、胴部２２の軸線方向両端部を被
覆して固定される端板２３，２４を含み、胴部２２と端
板２３，２４により封止容器２５が形成されている。

一方の端板２４に設けられた嵌着孔２４ａには、金属材
料から成り先端には、大略円板状であつて、後述する可
動接点３３ａとの接触面が大略円板状の形状を損なわな
い程度の平坦面とした固定接点２６ａが固着された固定
軸２６ｂが嵌入され、カシメなどにより固定されて固定
電極２６が形成される。固定軸２６ｂは、セラミツクス
などの電気絶縁性耐熱材料から成る絶縁筒２６ｃに嵌挿
されており、軸表面が絶縁物で被覆されるため、接点離
間時のアークが固定軸２６ｂの表面を伝わつて端板２４
に達するアーク汚が防止される。端板２４にはさらに気
管２７が連結され、気管２７から端板２４に設けられた
小孔２４ｂを介して、熱伝導率の大きい水素ガスあるい
は水素ガスと窒素ガスとの混合ガスなどの絶縁性ガス
が、封止容器２５内の気密空間２８に大気圧より高い気
圧（たとえば２〜３気圧）に封入された後、気管２７は
圧接されて気密空間２８を気密に封止し、導線２９が接
続される接続端子３０を形成している。また端板２４に
はたとえばセラミツクスなどの絶縁材から成り、固定軸
２６ｂの挿通孔３１ａを有する絶縁部材３１が、胴部２
２と端板２４に内接して設けられている。絶縁部材３１
は、図に示されるように凹所３１ｂが設けられている。
このため可動接点３３ａと固定接点２６ａの離間時に発
生するアークとアーク熱により金属粉などが飛散し、絶
縁部材３１の表面に付着しても、その表面積が大きいの
で良好な絶縁性が保たれる。

他方の端板２３の気密空間２８側の表面には、上記絶縁
部材３１と同一材料から成る絶縁部材３２が固着されて
おり、端板２３と絶縁部材３２とにそれぞれ設けられた
挿通孔２３ａ，３２ａを、無酸銅あるいは銅鉄合金など
の金属材料を棒状に形成されて成る可動軸３３ｂが挿通
している。可動軸３３ｂの一端には可動接点３３ａが固
着され、他端にはフランジ状に形成された端子部材３３
ｃが固着され、端子部材３３ｃには導線３４が接続され
ている。

第３図は、本実施例の可動接点３３ａの部分を示す斜視
図である。可動接点３３ａは可動軸３３ｂの先端に一体
的に固着され、大略円板状をなし、その両端面にはたと
えばセラミツクなどで実現される薄片３３ｄ，３３ｅが
貼着されている。これによつて接点離間時に発生したア
ークが上記両端面に廻りこみ移行するのが防止され、接
点の長寿命化が図られる。

上述の実施例では接点の形状を大略円板状とし、固定接
点２６ａにはその接触面に円板状の形状を損なわない程
度の平坦面を設けたけれども、上記平坦面は可動接点側
に設けるようにしてもよい。このようにいずれか一方の
接点の接触面に大略円板状の形状を損なわない程度の平
坦面を設けることによつて接触面の接触態様は線接触性
が保たれて点接触となるのが防止され、接触面局部への
電流集中、すなわち電流密度の増大が防止され、接点の
長寿命化が実現される。

再び第１図と第２図を参照して、端板２３の外方表面で
あつて前記挿通孔２３ａの周縁部には、可動軸３３ｂの
挿通孔３５ａを有する円筒状の筒部３５が配置される。
筒部３５の内部には可動軸３３を外囲して、たとえばニ
ツケル−銅−ニツケル（Ｎｉ−Ｃｕ−Ｎｉ）の３層薄肉
の金属円筒に波形のひだを付け蛇腹状に形成されたベロ
ーズ３６が配置されている。

ベローズ３６の一端部は前記挿通孔２３ａの周縁部付近
で可動軸３３ｂに、他端部は筒部３５の端部に設けられ
るベローズ押さえ板３５ｂに、レーザビーム溶接などに
より一体的に気密に結合される。ベローズ押さえ板３５
ｂには可動軸３３ｂが挿通する案内部材３７が取付けら
れており、可動軸３３ｂは案内部材３７を介して筒部３
５内を貫通し、上記挿通孔２３ａ，３２ａを介して可動
接点３３ａに連なる。これによつて封止容器２５内の気
密空間８は外部と遮断され、気密に封止される。

固定接点２６ａと可動接点３３ａとは、相互に対称な大
略円板状をなし、両者の厚み方向（第２図左右方向）外
方に永久磁石片３８ａ，３８ｂが配置され、これらをヨ
ーク部材３９が外囲する。

ベローズ押さえ板３５ｂと接続端子３３ｃとの間には、
上記可動電極３３に上記固定電極３６から離反する方向
に作用する弾発力を有する弾性部材としての、たとえば
リン青銅などで実現されるコイル状の開離ばね４０が、
案内部材３７の外周に緩やかに嵌込まれる。開離ばね４
０のばね力により、可動軸３３は常に矢符ｂで示される
方向（第１図上方）に向かう力を受けている。

このような構造を有する封止接点装置２１において、可
動軸３３ｂが図示しない押圧手段により矢符Ｃで示され
る方向（第１図下方）に押圧されると、固定接点２６ａ
と可動接点３３ａとは接触導通し、上記押圧力が取り去
られると、可動軸３３ｂは封止容器２５内外の気圧差に
よりベローズ３６に生じる矢符Ｃと反対方向（第１図上
方）の力と、矢符ｂで示される上記開離ばね４０のばね
力とが加算された押上力を受け、可動接点３３ａは固定
接点２６ａと離反し、両接点間は遮断される。

この遮断時に接点が損傷する原因となるアークが発生す
るが、本実施例による封止接点装置２１では、上記発生
アークを封止容器２５内に高気圧封入した水素ガスの冷
却能で急速冷却し、さらに封止容器２５外に配置した永
久磁石３８ａ，３８ｂの磁気吹消し作用により短時間で
消孤させ、接点の長寿命化と信頼性の向上を実現させる
ようにした。

本件発明者は、アークが存在する雰囲気に着目し、アー
クの移行が高速で行える雰囲気、即ち気体（ガス）を見
出すべく実験した。第４図は、実験に基づく電気絶縁ガ
スとアーク膠着時間の関係を示すグラフである。グラフ
は横軸に熱伝導率（Ｗ／ｃｍ^２・ｓｅｃ）を、縦軸にア
ーク膠着時間（ｍｓｅｃ）をとつて示し、熱伝導率はア
ルゴン（Ａ）とヘリウム（Ｈｅ）の混合比を変えて実現
したもので、０℃においてアルゴンを５０，２５．０％
とすると、その熱伝導率はそれぞれ２０．６×１０^-4，
３２，８×１０^-4，５８．４×１０^-4（Ｗ／ｃｍ^２・ｓ
ｅｃ）となる。またアーク膠着時間は接点の通電電流を
３ｋＡｐｅａｋ（商用周波数の交流半波）、開極時間を
０．９４ｍｓｅｃ、２ｍｍの変位時間を０．４３ｍｓｅ
ｃとした場合の時間を示している。実験結果によれば、
ガスの熱伝導率が大となるにつれてアーク膠着時間は小
さくなる、即ちアークの移行時間が高速で行えることが
わかる。

第５図は、各種ガス温度と熱伝導率の関係を示すグラフ
である。グラフで示されるように、現存するガス中、最
も熱伝導率が大きいものは水素ガス（Ｈ_２）であり、し
たがつて水素ガス中でアークを発生させたならば、アー
クに対する冷却力は極めて強力なものとなる。

第６図は、１気圧において各種ガスのアーク陽光柱の電
界と電流の関係を示すグラフである。図においてＲはア
ーク陽光柱が存在する管の半径で、Ｒ＝２ｃｍにとつて
いる。このグラフから水素ガスは現存するガス中、電界
Ｘ（Ｖ／ｃｍ）即ちアーク電圧が最も高く、しかもこれ
はガス圧に比例する。このことから水素ガスがアーク移
行に対して最適であることがわかる。一方、水素ガスは
絶縁耐圧が低いために、水素ガス中でアークを発生させ
たならば、自己の発生アーク電圧によつてアークショー
トするいわゆる孤絡現象を惹起する。したがつて上述の
実施例では、封入する電気絶縁性ガスは水素ガスのみと
したけれども、他の実施例としてたとえば窒素ガス（Ｎ
_２）を容積比が４０％を越えない範囲、たとえば２０％
混入させた水素ガス２気圧を封入するようにしてもよ
い。これにより水素ガス本来の冷却能力を損ずることな
く、しかも絶縁耐圧を窒素ガスのそれに近似する値に高
められるので、高アーク電圧に対する安定性が向上す
る。また上記封入圧力は２気圧に限定されるものではな
く、１〜１０気圧であつてもよい。なお上記封入ガスの
組成とガス圧についての選定根拠については後に述べ
る。

第７図は本発明の他の実施例の封止接点装置の構造を示
す断面図であり、第８図はその切断面線Ｄ−Ｅから見た
断面図である。また第９図は可動軸３３ｂの上端部の構
造を示す斜視図である。第７図と第８図は第１図と第２
図にそれぞれ類似し、対応する部分には同一の参照符を
付す。本実施例で注目すべきは、開離ばね４０とその近
傍の構造であり、次にこれを説明する。第７図〜第９図
を参照して、コイル状に開離ばね４０は、筒部３５の外
周に緩やかに嵌込まれて端板２３に載置される。自然状
態の開離ばね４０の高さは、筒部３５の高さにほぼ等し
いかやや高く形成される。

ベローズ押さえ板３５ｂから突出した可動軸３３ｂの上
端部近傍に、金属材料で形成されたばね押さえレバ４１
が可動軸３３ｂの軸線回りに回転自在に緩挿されてい
る。ばね押さえレバ４１は、長さ方向が可動軸３３ｂの
軸線と直交する方向に延在し、その長さは前記開離ばね
４０の外径よりやや長く、両端部下端面４１ａ，４１ｂ
は開離ばね４０の上端部を臨む。両端下端部４１ａ，４
１ｂより内方には段差部４１ｃが形成されている。

ばね押さえレバ４１の上方で可動軸３３ｂの先端部に
は、フランジ状に形成された端子部材３３ｃが、可動軸
３３ｂと同軸に嵌挿され一体的に固着されている。端子
部材３３ｃには導線３４が接続され、そのフランジ下面
は前記ばね押さえレバ４１の上面に当接する。

可動軸３３ｂの先端部で端子部材３３ｃの外周には、後
述する駆動手段との摩擦を低減するために、たとえば商
品名テフロンとして入手される電気絶縁性材料で形成さ
れた絶縁キヤツプ４３が嵌着され、あわせて可動電極の
軽重量化と絶縁が図られている。駆動手段については後
述する。

一対の脚部４２ａ，４２ｂを備えた開離ばねホルダ４２
が、可動軸３３ｂの軸線と同軸に絶縁キヤツプ４３に緩
挿され、Ｌ字状に屈曲された脚部４２ａ，４２ｂの端部
は筒部３５の上端のベローズ押さえ板３５ｂに固着され
ている。開離ばねホルダ４２は規制部材として機能し、
接点離間時には開離ばね４０のばね力と封入ガス圧に基
づくベローズ３６の復元力によつて、可動軸３３ｂを上
方に変位させる押上力が働くけれども、第８図に示され
るように、可動電極３３ｂの上方への変位により端子部
材３３ｃのフランジ上面３３ｄが前記開離ばねホルダ４
２の内面に当接し、一方開離ばね４０の上端部が前記脚
部４２ａ，４２ｂに当接し、ばね力が押さえられるの
で、可動電極３３ｂの以後の変位が禁止される。

第１０図は、本発明による封止接点装置２１と駆動手段
５１の構造と動作を示す図である。第１０図において前
掲第１図、第２図および第７図〜第９図と対応する部分
には、同一の参照符を付す。駆動手段５１は、取付基台
５２上に封止接点装置２１と共通に取付けられる。駆動
手段５１は、鉄芯５３に励磁コイルが巻回されたソレノ
イド５４と、大略Ｌ字状のヨーク５５と、一端部がヨー
ク５５の上端部の支持点Ｐ近傍でヨーク５５に結合さ
れ、他端部が鉄芯５３に吸引され支持点Ｐを中心に角変
位可動なアマチヤ５６と、一方の端部が支持点Ｐの近傍
でアマチヤ５６に結合され、他端部が封止接点装置２１
の可動軸３３ｂの上端部即ち絶縁キヤツプ４３の頂部に
接するアーム５７と、コイルばね５８およびばね押さえ
５９とから成る。

アーム５７は、たとえばポリカーボネートなどの電気絶
縁性合成樹脂材で形成され、その長さ方向の略中心部に
凹部５７ａを有する。ばね押さえ５９の一端は支持点Ｐ
付近でアマチヤ５６に固定されており、ばね押さえ５９
の他端と凹部５７ａの間にコイルばね５８が設置されて
いる。

第１０図に示される状態では、前述したように、封止接
点装置２１側の開離ばね４０の上端部は、開離ばねホル
ダ４２の脚部４２ａ，４２ｂに当接しており、ばね規制
されているので、可動電極３３ｂには押上力は作用せ
ず、端子部材３３ｃが開離ばねホルダ４２に当接して可
動電極３３ｂのＯＦＦ位置が規定される。したがつて第
１０図示の状態では、可動電極３３ｂが受ける押上力は
封止容器２５内の封入ガス圧によつて生じるベローズ３
６の復元力のみである。この状態でソレノイド５４が励
磁されると、アマチヤ５６が鉄芯５３に吸引され矢符Ｇ
の方向に角変位する。ここでばね押さえ５９の一端部
（第１０図左方）はアマチヤ５６に結合されているた
め、コイルばね５８も第１０図下方に吸引され、コイル
ばね５８はアーム５７を矢符Ｈで示される方向に押圧す
る。したがつてアーム５７が封止接点側の可動電極３３
ｂの上端部即ち絶縁キヤツプ４３の頂部を第１０図下方
に押圧し、可動接点３３ａは固定接点２６ａに接近し、
接点閉成に向かう。このときアーム５７を介して可動電
極３３ｂに作用する押圧力に対抗する復帰力は前述のよ
うにベローズ３６によるもののみであるから、駆動手段
５１側の小さな電磁力によつても接点閉成に向けること
ができる。

次に可動接点３３ａと固定接点２６ａ間のギヤツプがあ
る距離以下になると、開離ばね押さえ部材４１が開離ば
ね４０の上端部を押圧し始め、これによりアーム５７に
作用する押上力は前記ベローズ３６によるものにさらに
開離ばね４０のばね力が加算されたものとなる。しかし
ながらこのときにはすでにアマチヤ５６は鉄芯５３に近
接しており、アマチヤ５６と鉄芯５３間のキヤツプは僅
少なものとなつているから、アーム５７には前記押上力
に打勝つ十分に大きい押圧力が伝達され、接点閉成が実
現する。

両接点が離間する接点開極時には、前述したとは反対動
作で開極が実現する。特に開極動作の初期には開離ばね
４０のばね力と封入ガス圧によるベローズ３６の復帰力
が加算されるため、開極初期に格段に大きい開離速度が
得られるという利点をあわせ持つことになる。

第１１図は、本実施例の封止接点装置２１の動作を説明
するグラフである。グラフは横軸に固定接点２６ａと可
動接点３３ａ間のギヤツプをとり、縦軸にはアーム５７
が可動電極３３ｂから受ける反力および駆動手段５１の
電磁力を示す。

封止接点装置２１のＯＦＦ時の両接点２６ａ，３３ａ相
互間のギヤツプ即ち離間距離ｄはｄ１で示され、たとえ
ば０．７５ｍｍである。このときアーム５７が受ける反
力はＦ１である。この点からソレノイド５４が励磁さ
れ、離間距離ｄが減少してゆくとともに、反力もまた増
加してゆき、前述したように開離ばね押さえ部材４１が
開離ばね４０の上端部に当接した位置では両接点間の離
間距離はｄ２となり、このときの反力はＦ２となるがこ
の点でアーム５７は、前記ベローズ３６の押上力に開離
ばね４０のばね力が加算された反力Ｆ３を受ける。反力
は増加するがすでに述べたようにこの点ではアマチヤ５
６と鉄芯５３間のギヤツプは充分に小さくなつているの
で、以後可動電極３３ｂは前記反力Ｆ３〜Ｆ４に抗して
可動電極３３ｂをさらに下方に押圧し、離間距離０とな
つて両接点２６ａ，３３ａ間が導通し、接点閉成が完了
する。以上の動作は実線で示されるラインｌ１で表され
ている。

一方開離ばね４０が存在しない場合を想定した場合にア
ーム５７が受ける反力は点Ｆ４一点ｋ１を結ぶ線を延長
したラインｌ２上にある。したがつて従来の技術による
封止接点装置では、要求された電磁力は、点ｋ２を通る
ラインｌ０で示される。これに対して本実施例によれ
ば、接点閉成動作の初期には斜線を付した領域Ｓ１で示
される電磁エネルギが節減される。また動作全体に要求
される電磁力は点ｋ１を通り前記ラインｌ０に平行なラ
インｌ３で示される。これによつて本実施例による封止
接点装置２１においては、従来の技術に対して斜線を施
して示される領域Ｓ２に相当する電磁エネルギが節減さ
れる。したがつてこれによつて駆動手段５１の構成が小
形化される。

本実施例の特徴は、上述のように開離ばね４０を設け、
接点遮断等に可動軸３３に作用する開離力が、ベローズ
３６に作用するガス圧と上記ばね力の加算により生じる
ようにしたことであり、次にこの動作を説明する。いま
温度Ｔ_０（Ｋ）におけるガス封入圧をＰ（ｋｇ／ｃ
ｍ^２、ただしＰ＞１、ここにＰ＝１は大気圧を示す）、
接点を開離するに必要な力をＦ（ｋｇｆ）、第３図示の
従来の技術による接点装置１のベローズ１６の受圧面積
をＳ１（ｃｍ^２）、本実施例による接点装置２１のベロ
ーズ３６の受圧面積をＳ２１（ｃｍ^２）とし、本実施例
による開離ばね４０のばね力をｆとし、接点装置１，２
１がともに等しい開離力Ｆを得たとすれば次の式が成り
立つ。

Ｆ＝(Ｐ−１)Ｓ1＝(Ｐ−１)Ｓ21＋ｆ …(1) ここに（Ｐ−１）は封止容器５，３５内のガスと外部の
大気との圧力差で、ベローズ１６，３６にそれぞれ作用
するガス圧を示す。

したがつて同一の開離力Ｆを得るためには、本実施例に
よる接点装置２１に用いるベローズ３６の受圧面積Ｓ２
１は、接点装置１のベローズ１６の受圧面積Ｓ１に比し
開離ばね４０のばね力ｆ分だけ小さくてよく、ベローズ
４０の小形化、したがつて接点装置２１の形状の小形化
と、ひいては生産コストの低減化が実現する。

次に温度Ｔ１（Ｋ）において生じる開離力を、接点装置
１ではＦ１、本実施例による接点装置２１ではＦ２１と
すれば、接点装置１では、 Ｆ1＝｛(Ｔ1／Ｔ０)（Ｐ−1）｝Ｓ1 …(2) したがつて温度変化（Ｔ０〜Ｔ１）による開離力Ｆ１の
変化ΔＦ１は第１式および第２式より、 △Ｆ1＝Ｆ1−Ｆ＝｛(Ｔ1／Ｔ０)−1｝（Ｐ−1）・Ｓ1
…(3) 本実施例による接点装置２１では、 Ｆ21＝｛(Ｔ1／Ｔ０)（Ｐ−1）Ｓ21｝＋ｆ …(4) 同様にして △Ｆ21＝Ｆ21−Ｆ ＝｛(Ｔ1／Ｔ０)−１｝（Ｐ−1）・Ｓ21 …
(5) したがつて同じ温度変化に対して、本実施例による接点
装置２１の開離力の変動は、接点装置１に比し、 ｛(Ｔ1／Ｔ０)−1｝ｆ …(6) だけ小さくなる。

具体的に数字を入れて示せば、温度２９３Ｋ゜（＝２０
℃）で、封入ガス圧Ｐ＝２（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、必要な
開離力Ｆ＝０．２（ｋｇｆ）、開離ばねのばね力ｆ＝
０．１（ｋｇｆ）とすれば、接点装置１のベローズ１６
の受圧面積Ｓ１は０．２ｃｍ^２、本実施例による接点装
置２１のベローズ３６の受圧面積Ｓ２１は０．１ｃｍ^２
となり、Ｓ１の１／２となる。

また温度がＴ０＝２９３Ｋ（＝２０℃）からＴ１＝３７
３Ｋ（＝１００℃）に変化したときの開離力Ｆの変動
は、接点装置１においては０．２ｋｇｆから０．２５５
ｋｇｆに変動し、本実施例による接点装置２１では０．
２ｋｇｆから０．２２７ｋｇｆに変動する。すなわち本
実施例による接点装置２１のほうが２８gf変動が少な
く、温度変化に対して安定な動作が実現できる。すなわ
ち温度上昇による開離力の異常な上昇により接点が閉成
できなくなる等の重大な問題点を防止することができ
る。したがつて接点を閉成するための押圧力を発生させ
る装置の設計基準を楽にすることができるというメリツ
トもある。また、上記に示す如く、ベローズの受圧面積
を小さく（たとえば１／２）できるので、必然的にベロ
ーズの小形化をも実現できる。

また本実施例においては、極端な場合、封入ガス圧がＰ
＝１の場合、すなわちガスが全部漏れてしまい封止容器
２５内のガス圧が大気圧に等しくなつた場合でも、開離
力Ｆは０にはならず、常に開離ばね４０のばね力ｆが存
在するから、従来の技術による接点装置１のようにガス
が漏れたため接点遮断が不能となるといつた不安が解消
し、安定性が格段に向上する。

上述の実施例では開離ばね４０をコイル状のばねとした
けれども、これに限定されるものではなく、たとえば板
ばねを用いるようにしてもよく、ゴムなどのような弾性
体を用いるようにしてもよい。開離ばね４０を小となし
得ることはすでに述べたが、さらには開離ばね４０の付
加により、封入ガス圧を従来の技術による接点装置１よ
り小となし得ることも上述したことから自明であり、こ
れによつてベローズ３６の疲労を低減することができ、
接点装置の長寿命化が実現する。

上述の実施例では、封入ガスとして水素ガスまたは４０
％以下の窒素を混合した水素と窒素の混合ガスを用い、
また封入圧力は１〜１０気圧（絶対圧）であるとした
が、次にその根拠を述べる。

第１２図は窒素混合比率を変化させたときのアーク膠着
時間変化を示すグラフである。アーク膠着時間が長いほ
ど接点消耗量が多くなり、ひいては接点間耐電圧の劣化
につながることは明白である。したがつて、第１０図よ
りアーク膠着時間が急激に長くなり始めるｘ点に相当す
る４０％を窒素混合比率の上限としたものである。

次に封入ガス圧力は前述したように、１気圧以上で高く
なるほどアーク移行に対して効果があるが、実用的には
１０気圧以上ではベローズ３６や、各種接続部の耐圧力
の問題が生じるため封入圧力上限値を１０気圧としたも
のである。

また接点形状は、第１図に示す如く大略円板状としてい
るため、円板の曲面部がアークホーンの役割をなし、発
生したアークをスムーズに移行させることができる。さ
らに固定接点の接触部にはフラツト部を設けてあり、こ
れによつて接点の高さ消耗を緩和することができる。

封止接点装置においては接点の長寿命化が重要課題であ
る。そこで本件発明者は、本実施例による封止接点装置
２１の固定接点２６ａ、可動接点３３ａを高融点材料で
あるタングステン（Ｗ）を用い、接点寿命に関する実験
を行つた。

第１３図は実験回路を示す回路図である。負荷Ｌとサー
ジ吸収素子Ｚの並列回路に直列に、保護抵抗Ｒ、直流電
源ＤＣ、電流測定装置Ａｍおよび封止接点装置２１の固
定接点２６ａと可動接点３３ａを接続し、接点間には電
圧測定装置Ｖｍを並列に接続した。これにより封止接点
装置２１を駆動して両接点２６ａ，３３ａを開閉し、そ
の開閉時における電圧・電流値と波形を観測するように
した。なお負荷Ｌには直流モータ２００Ｖ，２０Ａを採
用し、封止接点装置の電気的寿命を判定する目安として
用いられる接点間耐電圧劣化の下限値を交流２ｋＶに設
定した。

第１４図は前記実験時に観測された波形を示す波形図で
ある。第１４図（１）は電流波形を示し、第１４図
（２）は電圧波形を示す。第１４図（１）および第１４
図（２）とも横軸に時間を等しくとり、縦軸にはそれぞ
れ電流、電圧レベルをとつている。遮断時には、第１４
図（１）に示されるように遮断時刻ｔ１で電流は直ちに
０Ａとなる。一方、電圧は第１４図（２）に示されるよ
うにアーク膠着時間α１（たとえば１００μｓ）で電源
電圧値たとえば６０Ｖに到達した後、時刻ｔ１でアーク
最大電圧（たとえば４００Ｖ）となり、接点間電圧は持
続時間α２（たとえば２ｍｓ）の後に前記電源電圧に減
衰する。ここで、前記第１４図（２）の電圧発生時から
時刻ｔ１まではアークによる電圧であり、時刻ｔ１以降
時間ｔ２（減衰開始時刻）まではＺｎｒによつて表され
る電圧である。時刻ｔ２以降は電源電圧である。

第１５図は、本発明の効果を説明するグラフである。本
グラフは上記実験例を整理したものであり、本実施例の
封止接点装置２１のような開閉機器の電気的寿命を判定
する目安の１つである接点間耐電圧劣化の下限値たとえ
ば２ｋＶに劣化するまでに約５０万回の開閉動作を実行
できることが確認された。

このようにして本発明の眼目であるタングステンＷを接
点材料に用いる技術の有効性が実証された。

発明の効果 以上のように本発明による封止接点装置は、可動電極側
に弾性部材である開離ばねを備え、開離ばねによる弾発
力が封入ガス圧による接点の開離力に加算されようにし
た。これによつてベローズの受圧面積を小さくすること
ができるため、経時変化や湿度変化に起因する封入ガス
圧力の変動による開離力の変動が小さくなり、たとえば
開離力の増大によつて接点の閉成ができなくなるという
ような重大な問題点を防止することができる等、装置の
信頼性が向上する。また上記に示す如くベローズの受圧
面積を小さくできるため必然的に装置の小形化と生産コ
ストの低減化を実現できる。また弾性部材の弾発力が加
算されるので封入ガス圧を減ずることも可能であり、こ
れらはベローズの疲労減少、すなわち装置の長寿命化に
貢献する。

本発明によれば、封入ガスに水素あるいは水素と窒素な
どの混合ガスを用い、さらにこらの混合比と封入圧を好
ましい条件に設定したのでアーク冷却能力が向上し、長
寿命化が実現される。

また本発明によれば、弾性部材である開離ばねには予め
定める長さを越えて伸長しないようにばね規制部材を設
けたので、接点閉極動作時の駆動力が節減される。

さらに接点材料にはタングステンを用い、耐久性を向上
させ、また接点形状を大略円板状、あるいはいずれか一
方を大略円板状であつてその接触面を円板状の形状を損
なわない程度の平坦面としたので接点離間時の摩耗が防
止される。

特に本発明によれば、固定接点と可動接点とは、大略円
板状をなしているので、永久磁石の磁界中におけるアー
クの消孤を迅速に達成することができ、このことによつ
てもまた、長寿命化が図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の封止接点装置２１の構造を
示す断面図、第２図は第１図の切断面線Ａ−Ｂから見た
断面図、第３図は可動接点３３ａの部分を示す斜視図、
第４図は電気絶縁ガスとアーク膠着時間との関係を示す
グラフ、第５図は各種ガス温度と熱伝導率との関係を示
すグラフ、第６図は１気圧における各種ガスのアーク陽
光柱の電界と電流との関係を示すグラフ、第７図は本発
明の他の実施例の封止接点装置２１の断面図、第８図は
その切断面線Ｄ−Ｅから見た断面図、第９図は可動軸３
３ｂの上端部の構造を示す斜視図、第１０図は本発明に
よる封止接点装置２１と駆動手段５１の構造と動作を示
す図、第１１図は封止接点装置２１の動作を説明するグ
ラフ、第１２図は窒素混合比率を変化させたときのアー
ク膠着時間変化を示すグラフ、第１３図は実験回路を示
す回路図、第１４図は封止接点装置２１の実験結果を示
す波形図、第１５図は本実施例の効果を説明するグラ
フ、第１６図は或る提案された技術による封止接点装置
１の断面図、第１７図はその切断面線Ｉ−IIから見た断
面図である。 ２１……封止接点装置、２２……封止容器、２６……固
定電極、２６ａ……固定接点、２８……気密空間、３３
……可動電極、３３ａ……可動接点、３３ｂ……可動
軸、３５……筒部、３６……ベローズ、４０……開離ば
ね、４１……開離ばね押さえ部材、４２……ばねホルー
ダ、４３……絶縁キヤツプ、５１……駆動手段、５３…
…鉄芯、５４……ソレノイド、５６……アマチヤ、５７
……アーム、５８……接圧ばね

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気密空間が形成された封止容器と、 封止容器内に固定された固定軸の先端に固定接点を設け
   た固定電極と、 可動軸の先端に、上記固定接点に接触離反自在な可動接
   点が設けられた可動電極と、 可動電極が挿通される筒部と、 上記可動電極に一端が固定され、上記筒部に他端が固定
   されたベローズと、 固定接点と可動接点の両者の厚み方向に配置される永久
   磁石と、 さらに前記永久磁石を外囲して配置されるヨーク部材と
   を備え、 上記封止容器内には電気絶縁性ガスを封入して成る接点
   装置において、 上記可動電極には、上記固定電極から離反する方向に作
   用する弾発力を有する弾性部材を備え、 可動接点および固定接点は、大略円板状をなしているこ
   とを特徴とする封止接点装置。
2. 【請求項２】気密空間が形成された封止容器と、 封止容器内に固定された固定軸の先端に固定接点を設け
   た固定電極と、 可動軸の先端に、上記固定接点に接触離反自在な可動接
   点が設けられた可動電極と、 可動電極が挿通される筒部と、 上記可動電極に一端が固定され、上記筒部に他端が固定
   されたベローズと、 固定接点と可動接点の両者の厚み方向に配置される永久
   磁石と、 さらに前記永久磁石を外囲して配置されるヨーク部材と
   を備え、 固定接点と可動接点のいずれか一方を、大略円板状と
   し、いずれか他方を、大略円板状であって前記いずれか
   一方の接点との接触面が大略円板状の形状を損なわない
   程度の平坦面としたことを特徴とする封止接点装置。
3. 【請求項３】前記電気絶縁性ガスは、水素ガスのみから
   成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の封止接点装置。
4. 【請求項４】前記電気絶縁性ガスは、水素ガスと窒素ガ
   スとの混合ガスであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の封止接点装置。
5. 【請求項５】前記電気絶縁性ガス中に含まれる窒素ガス
   の容積比は、４０％を越えないことを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の封止接点装置。
6. 【請求項６】前記電気絶縁性ガスの封入圧力は、１〜１
   ０気圧であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の封止接点装置。
7. 【請求項７】前記弾性部材は、コイル状に巻回されて成
   るコイルばねであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の封止接点装置。
8. 【請求項８】前記弾性部材は予め定める範囲を越えて伸
   長しないようばね伸長方向にばね規制部材が設けられる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の封止接点装置。
9. 【請求項９】可動接点および固定接点の材料は、タング
   ステンであることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の封止接点装置。