JPS5935339A - 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
でアークな生じるものを示している。

以下この発明２回路しゃ断器を例に説明する。

第１図〜第８図は従来の回路しゃ断器？示す断面図で、
それぞれ異４つだ動作状態を示している。

（１）はカバー、（２）はベースで、カバー（１）とペ
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）な有し、その一端に固定接点（
６）　’、！１’有し、他端は外部導体（図示せず）に
接続されるように端子部になっている。（７）は可動接
触子で、ｔｉｌ動導体（８）を有し、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。００
は可動接触子装置、（ロ）は可動子腕でクロスバ−（２
）に固定され各極同時に開閉されるように成されている
。Ｑ３は消弧室で消弧板Ｑ→が側板０６ｉによシ保持さ
れている。Ｑ［Ｇはトグルリンク機構で上リンクＱηと
下リンクθ区よシ構成されている。上リンクＱηの一端
はフレドルθ９）に、また他端は下リンクＱ８）の一端
にそれぞれ軸（財）ｉ　（２＋ｌにより連結されている
。なお下リンクθ（至）の他端は上記可動接触子装置Ｑ
Ｔ３の可動子腕ａυに連結されている。（財）は起到形
操作ハンドル、列は作動ばねでトグルリンク機構顛の軸
（２１）と上記操作ハンドル翰との間に架張されている
。（２４）（ｉ！６１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翰および
可動鉄心（２７）によりトリップバー（ハ）を反時計方
向に回動させるようになっている。

翰は一端が上記トリップバー（ハ）に係止され他端はｔ
フレドル（１９１＆係止しているラッチである。フレド
ル（ＩＩがラッチ翰に係止された状態で操作ハンドル（
イ）を閉路位置に倒せばトグルリ／り機構０１１９が伸
長して軸ｔ２１１がフレドル（１９）に係止され可動接
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（２りを開路位置に倒
せばトグルリンク機構Ｑ０は屈曲して可動接点（９）が
固定接点（６）よシ開離され可動子腕ａυが回動してフ
レドル軸（ト））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（２４１あるいは電磁引きは
ずし機構（至）によ、６トリツプバー（至）が作動して
フレドル（１９）とラッチ（ハ）の係合が解除され、フ
レドル軸Ｃ３０）？中心に時計方向にフレドル（１９）
が回転しストッパー軸０］）に係止される。このときフ
レドルθ９）と北リンクαηの連結点が上記作動ばね（
ロ）の作用線を越えるため作動ばね（ロ）のばね力によ
ってトグルリンク機構ＯＱが屈曲してクロスバ−（２）
によシ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
舞いについて説明する。

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シ固定導体（５）
、固定接点（６）、可動接点（９）及び可動導体（８）
を順次経由して負荷側へ供給される。この状態において
、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）から開離させる
。この際、上記固定及び可動接点（６）　、　（９１間
にはアーク（９）が発生し、固定及び可動接点（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）の開離距離
が増大するに従って上昇し、また、同時にアークＣ１２
が消弧板Ｑ４の方向へ磁気力によって引き付けられ伸長
するために、更に上昇する。このようにして、アーク電
流は電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、この注入された美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シ完全に容器外に逃げ
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、引いてはガス圧力を急、激に上昇させることにな
る。これにょシ回路しゃ断器内部の絶縁劣化、回路しゃ
断器外部への放出火花量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あった。

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Ｔはアークから接触子に伝導して逃げる
熱エネルギーの流れ、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、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８図に
おいて、アーク（社）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、ｌｌ＋によって概
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にて持ち去られてしまう。

さて、従来、アークのエネルギーの消費のメカニズムに
おいては、図中のｍが圧倒的であυ、几のエネルギーは
ほとんど無視されていたが、発明者等の最近の研究によ
シ、凡のエネルギー即ち、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係にも達する程
重大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　十Ｐｔｂ　＋ＰＲＰＫ　＝−Ｈｍ
ｖ”＋ｍ−Ｃｐ　・ｉ’但し、 ＰＷ：　　瞬時注入エネルギー Ｖ　：　アーク電圧 Ｉ　：　電流 ■・ｌ：　アークに注入される瞬時電気工ネルキーＰＫ
：　　金属粒子が持ち去る瞬時エネルギー消費量 ７ｆｆｌＶ”　：　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 ｍｏＣｐ−Ｔ：定圧比熱Ｃｐのガス（金属粒子のガス）
が温度Ｔにて逃げた時に持ち去る瞬時エネルギー消費量 Ｐｔ１ｔ　：　　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二　　光にょシ、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って変化するが
、１０〜２０ｍｍのアークに対してはそれぞれＰＫ＝１
０〜２０　ｑ６．　Ｐｔｈ＝　５チ、ＰＲニア５〜８５
％である。

次にアークを容器に閉じ込めた時の状況？第５図に示す
。アーク全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の周辺ガス空間Ｑ（図中斜線で示
した空間Ｑ）ｉｉ：、上記の状態が強い。さて、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量が零になるまで
操り返すのである。

この間の、光の経路な図中Ｒａ→１？、ｂ→＆→＆Ｉ　
　にて示している。

上記の過程において、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
、すなわちガス空間例よる吸収、又、アークから発する
光は、２０００λ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シ、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、たとえ表面
が黒色をしておっても、４０００λ〜５５００λ程度の
範囲においてのみ、光の吸収能力を有するのみで、その
他の範囲においては、一部を吸収するにとどまシはとん
ど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人の
光を照射した時ガス空間による光の吸収量は、次のよう
に算定出来る。

Ｉａ　　−Ａ　−ｎ　　−ＬＩｉｎ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　−・−・・・　（１）Ｉａ：　　ガ
スによる吸収エネルギー Ａ　：　吸収確率 １ｉｎ：　　照射する光エネルギー ｎ　：　粒子密度 Ｌ　二　光が通過する光路長 但し、（１）式は、特定波長久に対する吸収エネルギー
量を示す。人は特定波長久に対する吸収確率であシ、波
長入、ガス温度、粒子の種類の関数である。

（１）式について、量子力学の教えに従えば、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
と同一状態のガス（即ち、粒子の種類、温度が同一）が
最も大きな値な有することになる。

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）式において、光の吸収エネルギー量Ｉａは、光路
長りに比例する。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、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度が上
昇し、ガスの圧力が上昇することを意味している。

そこでこの発明の前提としては、アークに注入されたエ
ネルギーの約７０チにも達する光のエネルギーな効果的
に吸収するために、高多孔質材料を使用するもので、開
閉器の容器内で、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
を配置することによって、容器内の光を多量に吸収し、
ガス空１１月の温度を低下させ、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、無機系、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
一つは孔が主体で子り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。なおこの発明で素材とは、形状
にとられれない、形状加工前のものとの材料をいう。

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太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次
のように計算される。

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。

細孔径は冊１孔容積および比表面積の測定値よシ求めら
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λ（オングストローム）かう敢闘まで分
布するが、一般に、その分布の平均値として定義される
。多孔質素側では顕微鏡による方法や水釧圧入法で気孔
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
等混線を利用して求められる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。図においてｌ３３１は無
機質高多孔素材、（３４１は無機物表面に通じる開孔を
示している。開孔０４）の細孔径は数／ｌ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（３３１に第７図のＲにて示すよう
に、光が入射した場合に光が開孔（財）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チ吸収されてしま
う。即ち開孔酵に入射した光は、無機物表ｍｉに直接吸
収され、細孔内で熱になるのである。

第８図は無機質高多孔側斜？モデル容器内に入れたもの
において、その無機質高多孔材料の見掛けの気孔率を灰
化させた時のモデル容器内圧力変化の曲線図を示してい
る。第８図で横軸は具用けの気孔率、縦軸は容器内壁ｆ
７　Ｃｕ　、　Ｆｅ　、　ＡＩ　　などの金属で構成し
た時の圧力を１として規格化しである。実験条件として
は、−辺１０　ｃｍの立方体の密閉容器内にＡｇＷ接点
を１１０１ｎの定ギャップに設置しビ−りｌ０ＫＡの正
弦波電流のアークを８ｍＳ　（ミリ秒）発生させ、この
時Ｏエネル４−で生じる容器内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材料としては、コー
ジライト拐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俤、８５チ、４０チ、４５
チ、　５０％　、　６０チ、７０チ、８０係、８５係の
もので、５０ｍｍ×５０ｉｍＸ　４朋　の各種ザンプル
を使用しこれを容器壁面に配置し、容器内面の表面積の
６０チを覆うようにした。

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シ、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λ
〜１００００λ（１μｍ）に分布するので、これを若干
越える程度即ち数千λ〜数１０００μｍの平均細孔径の
ものが適しておシ、表面に占める穴の面積が、見掛は気
孔率８５チ以上となる高多孔質材料がアークの発する光
の吸収に適している。特に細孔径が数千λ〜数１０００
μＩｎ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が大きい程効果がある。

実験では平均細孔径５μ〜１朋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を確認した。又材質が
ガスで、平均細孔径が５μ、２０μでアークの発する光
に対して良好な光の吸収を観測した。

第８図かられかるように、無機質高多孔材料の気孔は光
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、これは多孔質素材の見掛は気孔率の増大ととも
に大きくなシ、特に気孔率が８５チ以上から顕著になシ
８５チ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、高多孔材料の厚さを一層増加させることに
よシ対応させる必要がある。

ただし多孔質素材の見掛は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シ溶融し易く、又気孔率が小さい場
合には、゛開閉器内減圧の効果が薄い。従って実用的に
は多孔質素材の見掛は気孔率が４０〜７０チの範囲の冒
多孔質柑料が最適である。

第８図の特性傾向は無機ｐ多孔材料全般について柄える
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が使用されているものがあ
るが、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１その特性は耐アーク性、寿命、熱伝
導、機械的強度１絶縁性・炭化対策が求められておシ、
これらを満す無機質（Δ料は必然的にち密化指向で構成
され、目的な異にするもので、その見掛は気孔率は２０
チ前後となっている。

高多孔質材料としては無機、金属、有機系などがあるが
、中でも無機系は、絶縁物でかつ高融点材料として特徴
づけられる。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格好であシ、電気的に絶縁物なので
、しゃ断に対し悪影響が少なく、又、高温にさらされて
も、融けたり、カスヲ出シたシしないので、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、耐火物、ガ
ラス、七メント硬化体などかあυ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
面において、（５１（８１はそれぞれ端部に固定接点（
６）可動接点（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
、上首イ両接触子は、接点（６）　（９）が接離するよ
うに互いに対向して配置されている。

（８８ａ）（８８ｂ）は光吸収体であり、素材の見掛け
の気孔率が８５チ以上の無機質あるいは無機質と有機質
の複合材料よ構成る多孔質材料によって形成され、かつ
、しゃ断時に上記接点（６）　（９）の間で発生したア
ーク０力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）　（８
８ｂ）の補強な目的として光吸収体（８８ａ）（１８ｂ
）の外面側に一体的に設置された補強板であシ、銅、ア
ルミニウム、ステンレスなどの非磁性金属板で形成され
ている。

上記光吸収体（８８ａ）（８８ｂ）と補強板（８４ａ）
（８４ｂ）を一体にする手段としては、接着剤を使用し
て接合してもよいが加熱接合の手段が有効である・加熱
接合の手段は、光吸収体（例えば、アルミナ、コージラ
イト、マグネシアなどの多孔質セラミック）を補強板（
金属板）と接合する場合、光吸収体と補強板の間に銅板
を挿入し、１２００℃くらいの熱で加熱すると、溶融し
た銅は容易に補強板に接着し、また、光吸収体の組織内
に浸透して一体的に接合されるものである。上記のよう
な構成の開閉器によれば、接点（６１（９）の間に発生
したアーク（社）は光吸収体（８８ａ）（８８ｂ）に吸
収され、この場合、光吸収体（８８ａ）（８８ｂ）の外
面側に補強板（８４ａ）（８４ｂ）を設置していること
から、下記のような効果を奏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（１）ペース（２）内に発生
する圧力上昇が抑制されるので、カバー（１）ペース（
２）ノ機械的強度に対する特別な注意が不要になり、素
材量の大巾低減が計れる。また、素材量が同じなら機械
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、大電流しゃ断時のアークに
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、補強板の設置によシ解消され
る。特に、光吸収体の厚さが薄い場合にこの補強板の効
果が太きい。

（ハ）　アークにより光吸収体が加熱されても、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）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するので、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７５
Ｅ得られる。

（へ）無機質の多孔質材料よ構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棲数枚の金属
板製デアイオン消弧板Ｑ４を設けｔコもので、この実施
例によれば、前述の効果のほかに、消弧板Ｑ４　カフ　
−り（社）全直接冷却してＳ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。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
子間にアーク力；発生しｔコ様子を示す説明図、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
掛けの気干し率に対する容器内圧力変化を示す曲線図、
第９図はこの発明の一実施例を部分的に示す斜視図、第
１０図はこの発明の他の実施例を部分０勺に示す余［祖
国である。 図中、（５）は固定導体、（６）、よ固定指、壱１、（
８）は可動導体、（９）は可動接点、ａ４はデアイオン
消弧板、（８８ａ８８８Ｌ））は光吸収体、（８４ａ）
（８４ｂ）は補強板である。 なお、図中同一符号は夫々同一または４目当部分を示す
。 代理人　葛野信− 第３図 第４図 第５図 第６図　　　　　　　　第７図 第８図 第９図 Ｊ、、７１ 第１０図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）導体とこの導体に固着された接点とによシ構成さ
   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
   のにおいて、素材の見掛は気孔率が３５％り上の無機質
   あるいは無機質と有機質の複合材料よ構成る多孔質倒斜
   によって形成され、がっ、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
   、上記光吸収体の外面側に、上記光吸収体と一体的に重
   ね合せた非磁性金属倒斜製補強板とを備えてなる開閉器
   。
2. （２）光吸収体の表面を熱処理によって硬化させたこと
   ケ特徴とする特許請求の範囲第１項記載の開閉器。
3. （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δ′Ｆ請求の範囲第１項また
   は第２項記載の開閉器。
4. （４）光吸収体と補強板の重ね合せは、加熱接着でなさ
   れたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第８項のイ■Ｉれかに記載の開閉器。
5. （５）対向する光吸収体の間に、磁性拐料で形成された
   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４項の何れかに記載の開
   閉器。