JPS5937627A - 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）はベースで、カバー（１）とペ
ース（２）とで容器（３）を構成する。（４）ｔま固定
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は町動接鋏子
装置、αυは０ＴｖＪ子腕でクロスパー〇に固定され各
極間時に開閉されるように成されている。０は消弧室で
消弧板α◆が側板αＱにより保持されて゛いる。（ｌけ
トグルリンク機構で上リンクＱ７）と下リンクα樽より
構成されている。上リンク＜１７）の一端はフレドルＱ
’Ｊに、また他端は下リンクＱｅの一端にそれぞれ帽ｌ
υ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の可動子腕αυに連結されてい
る。（イ）は配列形操作ハンドル、（財）は作動ばねで
トグルリンク機構Ｈの軸Ｑυと上記操作ハンドル（イ）
との間に架張されている。（ハ）に）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（ホ）および可動鉄心に）によりトリップパー（
７）を反時計方向に回動させるようになっている。

ｇｉＪｔ／ま一端が上記トリップパーに）に係止され他
端はフレドルα燵を係止しているラッチである。フレド
ル四がランチ四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０ｆ１９か伸長し
て軸ｅυかフレドル四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（イ）を開路位置に倒せばトグルリ
ンク機構ＱＩは屈曲して可動接点（９）が固定接点（６
）より開離され可動子腕αυが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（至）に
よりトリップパー（至）が作動してフレドルα値とラッ
チ四の保合が解除され、フレドル軸■を中心に時計方向
にフレドルα燵が回転しストッパー軸６υに係止される
。このときフレドル０９と上リンクａηの連結点か上記
作動ばね（ホ）の作用線を越えるため作動ばね脅のばね
力によってトグルリンク機構Ｑｅ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（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（２）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６のが
消弧板ａ→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シ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
外法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か生じた図
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（イ）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、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が圧倒的であり、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が
アークに注入されたエネルギーの約７噛にも達する程重
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：ｔＦｔ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 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って変化するが
、１０〜２０ｍｍのアークに対してはそれぞれＰＩＣ＝
　１０〜２噛、　Ｐｔｈ　＝昨ＰＲ＝　７５〜８協であ
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（図中斜線で示
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、２ｏｏｏ′ｉ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Ｊたとえば
表面が黒色をしておっても、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Ｌの一様な組成・温度を有するガス空間に波長入の
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）工ａ：ガスによる吸収エネルギー 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、（１）式は、特定波長久に対する吸収エネルギー
量を示す。Ａは特定波長久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０ （１）式について、阻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か上
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ｔま、アークに注入された
エネルギーの約７噛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Ｄ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１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）から数朋まで分布
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法か多く用いられ、
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、高多孔質材料によル光のエ
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。図において（２）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（ロ）の細孔径は数１１から数朋まで大小
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■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■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　、　Ａｌ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
１０σの立方体の密閉容器内にＭＷ接点を１０闘の定ギ
ャップに設置しビ−ク］、ＯＫＡの正弦波電流のアーク
を８ｍ、Ｓ　（ミリ秒）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１０〜８００ｕ多孔質素材の
見掛は気孔率２０９ｔ５　、８ＣＦｌｔｔ８５％、４軽
、４険、５０％、６噛、　７０％、８噛。

８５％のもので、５（ｈｕ＋　Ｘ　５０ｍ　Ｘ　４ａ＋
ｊ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５備を覆うようにした。

細孔径としては、吸収される光の波長＠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か問題となる。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
が好ましい。開閉器でアークから発生する光は数百Ａ〜
１００ＯＯＡ（１μｍ）に分布するので、これを若干越
える程度、即ち数千へ〜数１０００μｍの平均細孔径の
ものが適しており、表面に占める穴の面積が、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〜＆　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が大きい程効果がある。実験で
は平均細孔径５μ〜１　ｍｍ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
に大きくなり、特に気孔率が８濃以上から顕著になり８
５％までの範囲で効果が確認された。気孔率かさらは増
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、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４０〜７噛の範囲の高多孔
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
保護が主であって、その特性は耐アーク性、寿命、熱伝
導、機械的強度、絶縁性、炭化対策か求められており、
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２０％
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
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、耐火物、ガ
ラス、セメント硬化体などがありいずれの開閉器内のガ
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、（５）（８）はそれぞれ端部に固定接点（
６）可動接点（９）を固着した固着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
、上記固接触子は、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）（８３ｂ）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
ークに）を両側から挟むように配設されている。

（８４ａＸ８４ｂ）＆ま上記光吸収体（８８ａＸ８８ｂ
）の補強を目的とじて光吸収体（８８ａＸ８ａｂ）の外
面側圧一体的に設置された補強板であり、けい素鋼板、
鉄、炭素鋼板、磁性ステンレスなどの磁性金属板で形成
されている。

上記光吸収体（８８ａＸ３８ｂ）と補強板（８４ａＸ８
４ｂ）を一体にする手段としては、接着剤を使用して接
合してもよいか加熱接合の手段か有効である。

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℃＜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（６）　（９）の間
に発生したアーク（２）は光吸収体（８８ａＸ８３ｂ）
に吸収され、この場合、光吸収体（８８ａ）（８８ｂ）
の外面側に補強板（８４ａＸ８４ｔ））を設置している
ことかつ、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
）の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＝ｆ
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−や断時のアークに
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）開閉器の運捧もしくは誤って落下させたときの振
動、衝撃、あるいけ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にこの補強板の効果
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
かできる。

（ホ）補強板は磁性体により構成されているので、アー
ク電流の形成する磁気抵抗が低下し、アークに作用する
磁束密度か大きくなり、その結果、アークを一定方向に
駆動する力が増加する。

（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か、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
によれば、前述の効果のほかに、消弧板ａ＜がアークに
）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。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
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、Ｑ４けデアイオン消弧板
、（８８ａＸ８８ｂ）は光吸収体、（８４ａＸ３４ｂ）
け補強板である。 なお、図中同一符号は夫々同一または相当部分を示す。 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 第１Ｏ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）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
   のにおいて、素材の見掛は気孔率が１％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
   よって形成され、かつ、しゃ断時上記接点間に発生した
   アークを両側から挟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
   合せた磁性金属材料製補強板とを備えてなる開閉器、（
   ２）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Ｍ才の範囲第１項または第
   ２項記載の開閉器。 （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Ｍ求の範囲第１項
   ないし第８項の何れかに記載の開閉器。 （５）対向する光明収体の間に、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４項の何れかに記載の開
   閉器。