JPS5935338A - 開閉器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は開閉器の容器内の圧力の抑制に関するもので
ある。なおこの発明でいう開閉器とは、特に回路しゃ断
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いる。

以下この発明を回路しゃ断器を例に説明する。

第１図〜第８図は従来の回路しや障１器を示す断面図で
、それぞれ異なりた動作状態を示し°Ｃいる。

（υはカバー、（２）はベースで、カバー（１）とベー
ス（２）とで容器（３）を構成する。（４）は固定接触
子で、固定導体（５）を自し、その一端に固定接点（６
）を有し、他端は外部導体（内示せず）に接続されるま
うに端子部になつ°Ｃいる。（７）は可動接触子で、可
動導体（８）を自し、その一端に固定接点（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、０ηは呵動子腕でクロスパー曹に固定され各極同
時に開閉されるように成されている。ＣＩイは消弧室で
消弧板０勺が側板（至）により保持されＣいる。０６は
トグルリンク機構で上リンクＱ７１と下リンクａ８より
構成されている。上リンク（１７）の一端はフレドルＱ
鏝に、また他端は下リンク（へ）の一端にそれぞれ軸ｆ
Ｊ＆υにより連結されている。なお下リンク（１１９の
他端は上記可動接触子装置（１０の町動子腕０」〕に連
結されている。（２）は起到形操作ハンドル、脅は作動
はねでトグルリンク機構ｏＱの軸Ｑυと上記操作ハンド
ル（２）との間に架張され°Ｃいる。−（２）は、それ
ぞれ熱動および電磁引きはずし機構で作動時には、それ
ぞれバイメタル■および可動鉄心＠によりトリップバー
（２）を反時計方向に回動させるようになつ°Ｃいる。

四は一端が上記トリップバー（ハ）に係止され他端はク
レドルＱＩＩＪ：係止しているラッチである。フレドル
四かラッチ（２）に係止された状態で操作ハンドル（２
）を閉路位置蚤こ倒せはトグルリンク機構ＱＱが伸長し
て軸■がフレドルＱｌ　ｌこ係止され可動接点（９）は
固定接点（６）に接合させる。この状態が第１図である
。

次いで操作ハンドル（イ）を閉路位６＋こ倒せはトグル
リンク機構αＱは屈曲して可動接点（９）が固定接点（
６）より開離され可動腕ａυか回動してフレドル軸（７
）に係止される。この状態が第２図である。また前記第
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（ハ）あるいは電磁引きはずし機構（ハ）に
よりトリップバー（ホ）が作動してフレドル０１とラッ
チに）の係合が解除され、フレドル軸…を中心に時計方
向にフレドル曲が回転しストッパー軸６ｖに係止される
。このときフレドル曲と上リンク０７１の連結点が上記
作動はね曽の作用線を越えるため作動はね翰のはね力に
よつ゛Ｃトグルリンク機構ＱＱが屈曲してクロスバ−σ
４により各極連動して自動しゃ断を行なう。この状態が
第８図である。

次に回路しゃ断器が電流しゃ断時に発生するアークの振
舞いについ゛Ｃ説明する。

今、可動接点（９）と固定接点（６）とが接触している
場合においては、その電力は電源側より固定導体（５）
、固定接点ｔ（６）、可動接点側・及び可動導体（８）
を順次経由して負荷側へ倶給される。この状態におり１
て、短絡電流等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）を固定接点（６）から１離させ
る。この際、上記固定及び可動接点（６）　、　（９７
間にはアーク■が発生し、固定及び’ｒｒＪ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）からの可動接点（９）の開１
σ比距離が増大するに従って上昇し、また、同時にアー
ク曽が消弧板Ｑ４の方向へ磁気力によって引きイ」けら
れ伸長するために、更に上昇する。このようにして、ア
ーク電流はｍ流零点を迎えてアークを消弧し、しゃ断が
完結する。しかし、この注入された重大なアークエネル
ギーは最終的には熱エネルギーの形になり完全に容器外
に逃げ去るか、過渡的には限られた容器内のガスの温度
を上昇させ、引いてｌはガス圧力を急激に上昇させるこ
とになる。これにより回路しゃ断器内部の絶縁劣化、回
路しゃ断＠８外部への放出火花肱の増大による電源短絡
事故、回路しゃ断器本体の破壊等の重大な欠点が鼠っだ
。

次にこの発明を創作する基になったアークのエネルギー
消費のメカニズムに関して述べる。

第４図は、接触子（４）　（７）間にアークＡが生じた
図である。図中′ｒはアークから接触子１こ伝導して逃
げる熱エネルギーの旅れ、ｍはアーク望向から逃げる金
属粒子のエネルギーの流れ、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°Ｃいる。第
８図Ｉこおい゛Ｃ１アーク（功（こ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、Ｔｌｍ、Ｒによ
つＣ概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°Ｃ持ち去られＣしまう。

さ°Ｃ１従来、アークのエネルギーの消費のメカニスム
においては、図中のｍが圧４Ｍ　ＥＦ＋であり、Ｒ（７
）エネルギーはほとんど無視されＣいたか、発明者等の
最近の研究により、Ｒのエネルギー即ち、光によるエネ
ルギーの消費がアークに注入されたエネルギーの約７０
％にも達するｋＡ犬であることが解かつて来た。

即ちアークに注入されたエネルギーの消費は次のように
解析できる。

Ｐｗ＝Ｖ−１＝Ｐｋ＋ＰＬｈ＋Ｐｉｒ ＰＫ　＝　−！−ｍｖ”十ｍ−Ｃｐ　−Ｔ２ 但し、 ＰＷ：　　瞬時注入エネルギー Ｖ　：　アーク電圧 Ｉ　二　電流 Ｖ−Ｉ：　　アークに注入される瞬時電気エネルギーＰ
Ｋ：　　金属粒子が持ち去る瞬時エネルギー消費量 ’ｍｖ”　：　ｍｇの金属粒子が速度Ｖで飛び去る船待
ち去る瞬時エネルギー消費量 ｍ−Ｃｐ−Ｔ：定圧比熱Ｃｐのガス（金属粒子のガス）
が温度Ｔにて逃げｔコ時に持ち去る瞬時エネルギー消費
量 ｐｔｈ　：アーク空間から、電極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 上記の消費量は電極形状やアーク長によつＣ及化するが
、１０〜２ＱＩＩＩＮのアークに対してはそれぞれＰＫ
　＝　１０〜２０９６．　、Ｐｔｈ　＝　５％ＰＲ＝７
５〜８５％である。

次にアークを容器１こ閉じ込めた時の状況を第６図に示
す。アークを容器に閉じ込めると、容器内空間は、電極
金属が充満しかつ高温の状態となる。

特に、アーク陽光柱Ａの周辺ガス空＋１Ａ３Ｑ（図中斜
線で示した空間Ｑ）は、上記の状態が強い。さ°Ｃ。

アークを発した光は、アーク陽光柱Ａから放出され、容
器（３）の壁に照射され反射する。反射された光は散乱
され、再度、電極粒子の充満した高温空間を通過し、再
度、壁面に照射される。このような過程を光患が零にな
るまで繰り返すのである。

この聞の、光の経路を図中Ｒａ−＋　Ｒｂ　−＞　Ｒｃ
　−ｐ　Ｒｄにて示し°Ｃいる。

上記の過程におい′Ｃ１アークから発した光の消費は次
の二点である。

（１）壁面での吸収 （２）アーク空間及び周辺（高温）ガス空間による吸収
、すなわちガス空間による吸収、又、アークから発する
光は、２０００Ｘ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渡り、連続スペクトル及び
線スペクトルからなる。一般の容器壁面は、たとえ表向
が黒色をしておつ°Ｃも、・４ｏｏｏＸ〜５５００Ｘ社
度の範囲においＣのみ、光の吸収能力を自するのみで、
その他の範囲にお゛いては、一部を吸収するにとどまり
はと八と反射してしまうものである。ところが、アーク
空間及び周辺高温ガス空間での吸収は次の、ｒうになる
。

長さしの一様な組りん・温度を自するガス空間４こ波長
人の光を照射した時ガス空間による光の吸収臘は、次の
ように算定出来る。

Ｉａ　−Ａ°ｎ°ＬＩ＋ｎ　　　　　　　　　・・・・
・・・・・・・・・・・（１）Ｉａ：ガスによるし、収
エネルキー Ａ　：吸収確率 ｆｉｎ：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 但し、（ＩＪ式は、特定波要人に対する吸収エネルギー
塩な示す。Ａは特定波要人に対する吸収確率であり、波
長人、ガス温度、粒子の種類の関数である。

（υ式について、量子力学の教え１こ従えは、吸収係数
Ａは、連続・線スペクトルともに、光を発する光源ガス
と同一状態のカス（即ち、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。

即ち、アーク空間から発する光は、アーク空間及びその
周辺ガス空間が最も多く吸収するわけである。

（１）式におい°Ｃ１光の吸収エネルギ−１ａば、光Ｉ
ＲＸ長しに比色する。第５図に示すように、アーク空間
からの光が旺…ｊにて反射されると、（１）式中のしは
、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ごと１
こなる。

これｌｅｔ、即ち、アークの発する光のエネルギーが結
局、容器内のガスに吸収され、これによってガスの温１
（が上昇し、ガスの圧力が上昇づ−ることを忽味してい
る。

そこでこの発明の前提とし°Ｃは、アークに注入された
エネルギーの約７０％・に、も達する光のエネルギーを
効果的督こ吸収するために、高多孔質材料を使用するも
ので、開閉器の容し内で、アークの光のエネルギーを受
ける空間に、アークの発する光を効果的に吸収する高多
孔質材料を配胤することによって、容器内の光を多坦に
吸収し、ガス令聞の温度を低下させ、それにより圧力を
低下させるものである。

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、金属、無機糸、有機質などの多くの範囲におけ
る材料に存在するもので、材質と細孔との関係において
、一つは固体粒子相互の接点で焼結固化したもの、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°Ｃいる。なおこの発明で素材とは、形状
にとられれない、形状加工前のもとの材料をいう。

さらに細かく公知すると粒子間の隙間か細孔として存在
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Ｉこ包含するものなどに分ける
ことができる。ｉ、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富に複雑で大きくは開孔と閉孔１
こ類別され、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°Ｃの
細孔容積の割合を素材の全容積（カサ容積）に対する空
隙比すなイ）ぢ百分率で示したものか真の気孔率とし、
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Ｑ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
り次のように計算される。

また曲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
収率及び比重の測定方法に定義されるとおり、次のよう
にして計算される。なお見掛は気孔率は有効気孔率とも
いう。

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間の界
面間隙まで数入（オングストローム）から散開まで分布
するか、一般に、その分布の平均値とし°Ｃ定躾される
。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
等混線を利用しＣ求められるＢＥＴ法が多く用いられ、
特に窒素ガスが多く用いられる。

次にこの発明の前提である、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図は無機質高多孔材料キした斜視図、第７図は第６
図の部分拡大断面図である。図１こおいて儲は無機質高
多孔素材、（財）は無機物表面に通じる開孔を示してい
る。開孔［ハ］の細孔径は数μから数量まで大小さまざ
まな分布を示しているものである。

さて、この多孔素材Ｑに第７図の１くにて示すように、
光が入射した場合に光が開孔■に入射すると、光は無機
物の壁面に当り、反射され、その細孔の内部で多重反射
され、ついには壁面に１００％吸収されＣしまう。即ち
開孔■に入射した光は、無機物表面に直接吸収され、細
孔内で熱になるのである。

第８図は無機質高多孔材料をモデル各器内に入れたもの
においＣ１その無機質高多孔材料の見掛けの気孔率を変
化させた時のモテル容器内圧力変化の曲線図を示し°Ｃ
いる。第８図で横軸は見掛けの気孔率、縦軸は容器内壁
をＣｕ、　Ｆｅ、　ＡＩ　　などの金属で構成した時の
圧力を１とし゛Ｃ規格化しである。実験条件とし°Ｃは
、−辺１０ｃｍの立方体の密閉容器内にＡｇＷ接点を１
Ｑｌｆ！ＩＮの定ギャップに設置しビークｌ０ＫＡの正
弦波電流のアークを８ｍＳ　（ｉり秒）発生させ、この
時のエネルギーで生じる容器内圧力を測定しＣいる。

上記実施例に使用しｔコ無機質高多孔材料として＋、ｈ
　ｓ　コージライト材質の陶磁器原料を可燃性もしくは
発泡剤を加えるなどの方法で成形し焼結して、多気孔に
した多孔質陶磁器で、平均細孔径範囲１０〜３００μ、
多孔質素材の見掛は気孔率２０％、　８０％、８５％、
４０％、４５％、　５０％、　６０％、　７０％。

８０％、８５％のもノテ、５０Ｍｈｌ　Ｘ　５０ｆｆｆ
ｆ　Ｘ　ＩＪＭ”　Ｑ）各種サンプルを使用しこれを容
器壁面に配設し、容器内面の表面積の５０％を覆うよう
にした。

細孔径としては、吸収される光の波長領域を若干越える
程度の平均細孔径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。父兄の細孔内吸
収においては、細孔の深いものが効果があり連通気孔が
好ましい。開閉器でアークから発生する光は数百Ｘ〜１
ｏｏｏｏ　Ｘ　（１μｍ）に分布するので、これを若干
越える程度、即ち数千Ｘ〜数１０００μｍの平均細孔径
のものが適しており、表面に占める穴の商機か、見出は
気孔率８５％以上となる高多孔質材料かアークの発する
光の吸収に適している。特に細孔径が数千久〜数１００
０μｍの範囲、好ましくは上限が１０００μｍ以下の範
囲にある細孔の比表面積か大きい程効果がある。

実験では平均細孔径５μ〜ＩＭでアークの発する光に対
し”Ｃ１良好な吸収特性を示すことを確認した。又杓寅
がガスで、平均細孔径が５μ、２０μでアークの発する
光に対し゛Ｃ良好な光の吸収を観測した。

第８囚かられかるように、無機質高多孔材木コｌ　Ｏ）
気孔は光エネルギーを吸収し、開閉乱内部の圧力を低下
す、■効果があり、これは多孔質素材の見掛は気孔率の
増大とともに大きくなり、特に気孔率が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
率がさらに堝大ずれは、高多孔材料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。

ただし多孔質素材の見出・け気孔率と機械的強度の関係
において、気孔率が大きくなると、もろくなったり熱伝
導性が低下し高熱により溶融し易く、又気孔率か小さい
場合には、開閉器内慇圧の効果が薄い。従って実用的に
は多孔質素材の見掛は気孔率が４０〜７０％の範囲の褐
多孔質材料が最個である。

第８図の特性傾向は能機賀多−１−Ｌ材料全般につい°
Ｃ帛えることであって、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。

従来の開閉器には無機質材料か使用され°Ｃいるものか
めるか、その使用目的は、特に有機物容器のアークから
の保護が主であって、そのｈ性は耐アーク性、寿命、熱
伝尋、機械的強度、絶縁性、炭化対策が求められており
、これらを満す無機質材料は必然的にち密化指向で構が
こされ、目的を異にするもので、その見掛は気孔率は２
０％前後となつ°Ｃいる。

高多孔質シム材としては無機、金属、有機系などがある
か、中でも無機系は、絶縁物でかつ高融点材料として特
徴ず（ブられる。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Ｃは格好であり、電気的に絶縁物な
ので、しゃ断に刻し悪影響が少なく、又、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°Ｃは、多孔質の陶磁器、耐火物、
ガラス、セメント硬化体などがありいずれも開閉器内の
ガスの圧力の低下をさせるために使用できる。

次に本発明の一実施例を第９図に基づいて説明する。図
面におい°Ｃｓ　（５１（８１はそれぞれ端部に固定接
点（６）　ＨＪ動接点（９）を固着した固定導体および
可動導体で、これらはそれぞれ固定接触子、可動接触子
を構成し、上記両液触子は、接点（６）（９）が接離す
るように互いに対向して配置され°Ｃいる。

（８８ａ）　（ｓｓｂ）は光吸収体であり、素材の見掛
けの気孔率が８５％以上の無機質あるいは無機質と有機
質の複合材料より成る多孔質材料にまつ゛Ｃ形成され、
かつ、しゃ断時に上記接点（６）　（９）の間で発生し
たアーク９４を両側から挾むように配設されている。

（８４ａ）　（８４ｂ）は上記光吸収体（８８ａ）　（
８８ｂ）の補強を目的とし°Ｃ光吸収体（８８ａ）　（
８８ｂ）の外面側に一体的に設置された補強板であり、
絶縁物あるいは表面を絶縁処理された金属板で形成され
ている。

上記のような構成の開閉器によれは、接点（６）　（９
）の間に発生したアーク＜３′４は、前述の作用により
光吸収体（８８ａ）　（８ａｂ）に吸収され、この場合
、光吸収体（８８ａ）　（８８ｂ）の外面側に補強板（
３４ａ）　’（８４ｂ）を膜島していることから、下記
のような効果を秦し、安全で高信頼度の開閉器を安価に
提供できる。

（イ）　しゃ断時、カバー（υベース（２〕内に発生す
る圧力１昇が抑制されるので、カバー（１）ベース（２
）の機械的強度に対する特別な注意か不要になり、累材
ルの大巾低顛か計れる。また、素伺患か同じなら機械的
強度の低い安価なグレードの素材を選定することを可能
にする。

（ロ）　しゃ断時の内圧上昇が抑制されるので、開閉器
からの排出火花量が減少し、大ｌｅａ　Ｍｖしや師１時
のアークによる電源短絡事故等の２次災害が防止できる
ようになる。

（ハ）　開閉器の運搬もしくは誤って落下させたときの
振動、衝撃、あるいは大電流しゃ断時の衝撃などで光吸
収体が破損する危険性が、補強板の設置により解消され
る。特に、光吸収体の厚さが薄い場合１ここの補強板の
効果が大きい。

に）　アークにより光吸収体が加熱さｔｌｌでも、補強
板へ効率よく熱伝導を行ない、光吸収体の焼損を防止す
ることができる。

（ホ）　補強板は、少なくとも表面が絶縁物になってい
るので、電流しゃ断時のアーク発生期間中、アークの足
（アーク発生点）が転移することなく、本来の目的とし
た光吸収体の機械的強度の向上を確実に達成することが
できる。

（へ）　光吸収体の材料として、ジルコニアあるいはマ
グネシア等を主成分とする無機、多孔物質を使用すると
、アークに直射されて高温に達した光吸収体表面が、ガ
ラス化することなく結晶化゛」るので、アーク期間中の
光吸収体の表面のメグオームが低下せず良好なしゃ断性
能が得られる。

（ト）　　無機質の多孔質材料より成る光吸収体の表面
を熱処理したり、無機多孔物質に有機材を適当に複合さ
せると、内圧上昇抑制の作用に大きな妨げになることな
く、開閉器の振動、衝撃による光吸収体からの微粉末の
析出を防止することができる。

なお、第１０図は第９図に示した実施例に複数枚の金属
板製デアイオン消弧板ａ＜を設けたもので、この実施例
によれは、前述の効果のほかに、消弧板Ｃ１４）がアー
ク（２）を直接冷却して、電流零点での確実なしゃ断を
なさせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は従来の回路しゃ断器の断面図で、それ
ぞれ異なった動作状態を示すＵ第４図は接触子間にアー
クが発生した様子を示す説明図、第５図は容器内の接触
子ｕＩＪにアークが発生した様子を示す説明図、第６図
は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図はアークを発生させたときの、見
掛けの気孔率に刻する容し内圧力変化を示す曲線−１第
９図はこの発明の一実施例を部分的に示す斜視図、第１
０図はこの発明の他の実施例を部分的に示す斜視図であ
る。 図中、（５］は固定導体、（６）は固定接点、（８）は
可動導体、（９）は可動接点、ａ・０はデアイオン消弧
板、Ｃ８８８’）Ｃ８８ｂ’）は光吸収体、（８４ａ）
（８４ｂ）は補１強板である。 なお、図中同一符号は夫々同一または相当部カを示す。 代理人　　葛　野　信　− 第３図 ２２ （ 第４図 第ら図 第６図　　　　　　　　第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （υ導体とこの導体に固着された接点とにより構成され
   て開閉動作をする少なくとも一対の接触子を有するもの
   におい°Ｃ１素材の見掛は気孔率が３５％以上の無機質
   あるいは無機質と自機質の複合材料より成る多孔質材料
   によって形成され、かつ、しゃ断時上記接点間に発生し
   たアークを両側から挾み込む如く配設された光吸収体と
   、少なくとも全表面が絶縁物で形成された上記光吸収体
   の外面側に上記光吸収体と一体的に重ね合せた補強板と
   を備えてなる開閉器。 （２ン光吸収体の表面を熱処理によって硬化させたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の開閉器。 （３）光吸収体は、マグネシアあるいはジルコニアで形
   成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の開閉器。 （４）対向する光吸収体の１に、磁性材料で形成された
   複数枚のデアイオン消弧板を配設したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第８項の何れかに記載の開
   閉器。