JPS5937626A - 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′ｌ＃は小型容
器内の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図は従来の回路しゃ断器を示す断面図で、
それぞれ異なった動作状態を示している。

（１）はカバー、（２）はペースで、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）を有し、その一端に固定接点（
６）を有し、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、可
＃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。αｑは可動接触子装
置、Ｑｌ）は０ＪＩＩＩ子腕でクロスバ−＠龜固定され
各極間時に開閉されるように成されている。Ｃ１３は消
弧室で消弧板Ｑ４が側板（ト）により保持されている。

ａＱはトグルリンク機構で上リンクａ′ｉ）と下リンク
ａ樟より構成されている。上リンク（１７）の一端はタ
レドルＣ１１に、また他端は下リンク（ト）の一端にそ
れぞれ軸１．１（２１）により連結されている。なお下
リンク（ト）の他端は゛上記可動接触子装置αＱの町動
子腕ａυに連結されている。（ホ）は起到形操作ハンド
ル、■は作動ばねでトグルリンク機構αＱの軸ＣＤと上
記操作ハンドル（イ）との間に架張されている。（ハ）
（ハ）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（財）
によりトリップパーに）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パー（ハ）に係止され他端はタ
レドル０１を係止しているラッチである。タレドルＱ１
がランチ（ホ）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ンク機構αＱが伸長して軸
ｅυがタレドルＱｌに係止され可動接点（９）は固定接
点（６）に接合させる。この状態か第１図である。

次いで操作ハンドル（イ）を開路位置に倒せはトグルリ
ンク機構ａＱは屈曲して可動接点（９）が固定接点（６
）より開離され町動子腕αυが回動してタレドル軸（至
）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幼引き
はずし機構■あるいは電磁引きはずし機構に）によりト
リップパー（ハ）が作動してフレドル四とラッチ（イ）
の保合か解除され、タレドル軸（ト）を中心に時計方向
にタレドルＤＩが回転しストッパー軸６υに係止される
。このときタレドルθ９と上リンクα力の連結点が上記
作動ばねに）の作用線を越えるため作動ばね（ホ）のば
ね力によってトグルリンク機構αＱが屈曲してタロスパ
ー（２）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
舞いについて説明する。

今、可動接点（９）と固定接点（６）とか接触している
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（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）　、　（９）間
にはアークに）が発生し、固定及び可動接点（６）　、
　（９）間にはアーク電圧か発生する。このアーク電圧
は、固定接点（６）からの可動接点（９ンの開離距離か
増大するに従って上昇し、また、同時にアーク（２）が
消弧板αａ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、しゃ断か完結す
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
。これにより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、アークに）に注入されたエネルギーをよ、上記
の三つのエネルギーの流れ、Ｔ、ｍ、Ｈ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か圧倒的であり、Ｒ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
り、Ｒのエネルギー即ち、光によるエネルギーの消費か
アークに注入されたエネルギーの約７篩にも達する程重
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・Ｉ　＝　Ｐｋ　＋　Ｐｔｈ　＋　ＰＲ但
し、 Ｐｗ：　　瞬時注入エネルギー Ｖ　：　アーク電圧 Ｉ　：　電流 ■・■：　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 ち去る瞬時エネルギー消費量 ｍ−Ｃｐ−Ｔ：　定圧比ＭＣｐ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 ｐｔｈ　：アーク空間から、電極へ熱伝導忙て逃げ去る
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って変化するが
、１０〜２０ｍのアークに対してｔまそれぞれＰｋ　＝
　１０〜２噛、ｐｔｈ＝協ｐＲ＝　７５〜８５％である
。

次にアークを容器に閉じ込めた時の状況を第５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の周辺ガス空間Ｑ（図中斜線そ示
した空間Ｑ）は、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繰り
返すのである。

この間の、光の経路を図中Ｒａ→Ｒｂ−＋ＲＣ→Ｒｄ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
、すなわちガス空間による吸収、又、アークから発する
光は、２０００Ａ以下の遠紫外から、１μｍ以上の遠赤
外までのすべての波長＠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、たとえば表
面が黒色をしておっても、４０００Ａ〜５５００Ａ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Ｋとどまりほと
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。

長さしの一様な組成・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−Ｌｌｉｎ　　　　　　　　　　・−
−（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　：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。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。

（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Ｕ％にも達する光のエネルギーを効果的に
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
ス空間の温度を低下させ、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
一つは孔が主体で孔を形成する隔壁が自体物質であるも
のに区別されている。なおこの発明で素材とけ、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
内部に独立の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Ａ（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
ため傾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、
特に窒素ガスが多く用いられる。

次にこの発明の１ｔｒＪ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図は無機質高多孔素材を示した斜視図、第７図ｔま
第６図の部分拡大断面図である。図において■は無機質
高多孔素材、（ロ）は無機物表面に通じる開孔を示して
いる。開孔■の細孔径は数μから数ｆｌまで大小さまざ
まな分布を示しているものである。

・迅さて、この多孔素材（至）に第７図のＲにて示すよ
うに、光が入射した場合に光か開孔（至）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％吸収されてし
まう。即ち開孔（ロ）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変
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として規格化しである。実験条件としては、−辺
１０６ｍの立方体の密閉容器内にＡｆＷ接点を１０馴の
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　（ミリ秒）発生させ−１この時のエネルギ
ー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２０’１６．８（ｆ’１６３昨、４噛、
４藝、５（２）、６噛、７（２）、８軽。

８協のもので、５０朋Ｘ５軸ｍ　Ｘ　４ｗｔの各種サン
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。又光の細孔内
吸収においては、細孔の深いものが効果があり、連通気
孔が好ましり。開閉（１μｍ）に分布するので、これを
若干越える程度、即ち数千Ａ−［１０００μｍの平均細
孔径のものが適しており、表面に占める六〇面槓が、見
掛は気孔率８５％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。特に細孔径か数千Ａ−数
１０００μｍ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關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り気孔率の増大ととも
に大きくなり、特に気孔率が８Ｆｆ０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掛は気孔率と機械的強度の関係に
おいて、短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４０〜７０Ｊの範囲の高多
孔質材料が最適である。

第８図の特性傾向は無機質多孔材料全般について言える
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
保護か主であって、その特性は耐アーク性、寿命、熱伝
導、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成さ
れ、目的、を異にするもので、その見掛は気孔率は２噛
前後となっている。

高多孔質素材としては無機、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
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格好であり、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、ガスを田したりしないので、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、耐火物、ガ
ラス、セメント硬化体などか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。

以上本発明の詳細を第９図ないし第１１図に基いて説明
する。

第９図は本発明の一実施例を示す断面図で、第１０図は
その要部斜視図、第１１図はその作用を示す要部断面図
である。

図において、（至）は多孔質材料によって構成され、接
点（６）　（９）間に発生するアーク（イ）を包むよう
に一体成形された消弧室で、その中に消弧板α荀が設置
されている。他の構成部品は従来のものと同一なので、
その説明は省略する。

次に本発明の効果について説明する。

（イ）本発明の消弧室はアーク■の発生する消弧空間を
包囲するように一体成形され、しかもその材料が光吸収
効果のある多孔質材料であるため、消弧室内の圧力上昇
は抑制される。また、消弧室内の圧力は他の空間たとえ
ば機構部リレ一部の有る空間へ伝わりに＜＜、そのため
その周囲を包んでしへるモールド材の破壊も防止され、
グレードの低い価格も安いモールド材か使用できるよう
になる。

仲）消弧室は一体成形されているため、アーク（イ）の
光Ｒは消弧室内にほぼとどまり多孔質材料の光吸収効果
も最大限にひきだせる。

（ハ）第１１図に示すように、アークに）の光Ｒは光吸
収体（至）に入射し、前述したように光吸収効果によっ
て光吸収され、そのため消弧板０→間の空間Ｐの圧力は
上昇することなく、シたがってアークに）は容易に消弧
板α尋問Ｐに入り、消弧板α→の磁気効果、冷却効果と
相まってますます消弧板ａ→側へアーク（２）は駆動さ
れ、消弧室の奥深く中へ入りこむため光吸収の効果も充
分に発揮できるようになる。

に）多孔質材料としてマグネジ、アあるいはジルコニア
等を主成分とする無機質多孔物質を使用すると、アーク
に直射されてその表面がガラス化する、・・ことなく結
晶化するので、アーク期間中の多孔質材料の表面のメグ
オームが低下することなく良好なしゃ断性能を得ること
ができる。

（ホ）多孔質材料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させると、内圧低下の作用に大
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（至）からの粉の析出を防止することもできる。

以上のように、本発明を使用すれば光吸収の効果を充分
に引用して容器内の内圧上昇を抑制し、モールド材の安
価なものも使用できるというすぐれた利点を有している
。

【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ｔま容器内の接
触子間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
けの気孔率に対する容器内圧力変化を示す曲線図、第９
図〜第１１図は本発明の一実施例を示す図面で、第９図
は断面図、第１０図はその要部斜視図、第１１図はその
動作を示す断面図である。図において、（１）はカバー
、（２）はベース、（５）は固定導体、（６）は固定接
点、（８）は可動尋体、（９）は可動接点、（１４１は
消弧板、（至）は多孔質材料よりなる消弧室である。尚
、図中同一符号は同一あるいは相当部分を示す。 代理人　葛野信− 第４図 第５図 第６図　　　　　　　　　第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）開閉動作をし導体と接点とで構成される電気接触
   子を少なくとも一対有する開閉器において、接点間に発
   生するアークを包みこむように見掛けの気孔率が８５％
   以上の無機質あるいは有機質と無機質の複合材より成る
   多孔質材料によって一体成形された消弧室を有すること
   を特徴とする開閉器。
2. （２）多孔質材料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. （３）多孔質材料は、マグネシアあるいはジルコニアで
   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
   項記載の開閉器。
4. （４）磁性金属材料より成る消弧板を有すると七を特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第８項のいづれかに
   記載の開閉器。