JPS5983321A - 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、とくに回路しゃ
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。

以下においては、回路しゃ断器を例に説明する。

第１図〜第３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）とベ
ース（２）とで容器（３）を構成している。（４）は固
定接触子で、その固定導体（５）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、その
可動導体（８）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、（功
は可動子腕でクロスパー（→に固定され各極間時に開閉
されるように構成されている。（６）は消弧室で消弧板
θるが側板０９によシ保持されている。αｅはトグルリ
ンク機構で、上リンクα力と下リンクＯ些よ多構成され
ている。上リンク（１’５の一端はクレドｉｖａ＊に、
また他端は下リンクθ枠の一端にそれぞれ軸（ホ）、に
）にょ多連結されている。なお下リンク（ト）の他端は
上記可動接触子装置θりの可動子腕（功に連結されてい
る。

（局は起倒形操作ハンドル、（幻は作動ばねで、トグル
リンク機構０・の軸（財）と上記操作ハンドル（ホ）と
の間に架張されている。（財）、（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／Ｖに）および可動鉄心に）にょシトリツブバ
ー（４）を反時計方向に回動させるようになっている。

（ηは一端が上記トリップバー（４）に係止され他端ハ
クレドルαりと係止しているラッチである。

クレド）ｖ　ａｎがラッチ翰に係止した状態で操作ハン
ドＩＬ／（２ｅを閉路位置に倒せば、トグルリンク機構
Ｑ６）が伸長して軸■◇がクレド／Ｉ１０．１に係止さ
れ可動接点（９）は固定接点（６）に接合される。この
状態が第１図である。ついで操作ハンドル（財）を開路
位置に倒せば、トグルリンク機構α・は屈曲して可動接
点（９）を固定接点（６）よシ開離させ、可動子腕（１
■がフレドル軸に）に停止される。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に）あるいは電磁引きはずし機
構（幻が作動してクレド１ｖαりとラッチ翰の係合が解
除され、フレドル軸（ト）を中心に時計方向にクレドｌ
ｖａ呻が回転しストッパー軸０］）に係止でれる。多し
ド１ｖａｎと上リンクα力の連結点が上記作動ばね（２
）の作用線を越えるため、作動ばね（４）のばね力によ
ってトグルリンク機構Ｍが屈曲してクロスバー０４によ
シ各極連動して自動しゃ断を行なう。

この状態が第３図である。

つぎ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。

いま、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）および可動導体（
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、短絡電流等の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）が固定接点（６）から開離
される。この際、上記固定および可動接点（６）　、　
（９）間にはアーク（至）が発生し、固定および可動接
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（財）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、この注入された莫大なアークエ
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、延いてはガス圧力を急激に上昇させろ
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や回路し
ゃ断器本体の破壊等を招くおそれがあった。

つぎ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Ａ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６のエネルギーの流れ、■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４図において、アークＡ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
ね消費されてしまり。εのうち、電極への熱の逃げＴは
微小であシ、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Ａのエネルギーの消費の
メカニズムにおいては、図中のｍが圧倒的であシ、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
近の研究によシ、Ｒのエネルギー、すなわち、光による
エネルギーの消費がアークＡに注入されたエネルギーの
約７０％にも達する程莫大であることが解明されるに至
った。

すなわちアークに注入されたエネルギーの消費はつぎの
ように解析できる。

Ｐｗ＝Ｖ−工＝　ＰＩＣ＋　Ｐｔｈ　＋　ＰＲＰＫ　＝
　Ｌｍｖ”　＋　ｍ　−Ｃｐ　−Ｔ但し、 ＰＷ：瞬時注入エネルギー ■　：アーク電圧 工　：電流 ■・■：アークに注入される瞬時電気エネμギーＰＫ：
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で飛び夫る特待
ち夫る瞬時エネルギー消費量 ｍ−０ｐ−Ｔ　：定圧比熱Ｏｐのガフ−（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、接触子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 上記の消費量は接触子形状やアーク長によって変化する
が、１０〜２０喘のアークに対してはそれぞれ−ＰＫ＝
　１６〜２０％、　Ｐｔｈ　＝　５チ、　ＰＲ＝　７５
〜８５％　である。

つぎにアークＡを容器（３）に閉じ込めた時の状況を第
５図に示す。アークＡを容器（３）に閉じ込めると、容
器（３）内空間は、金属粒子が充満しかつ高温の状態と
なる。とくに、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Ａ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え。反射された光は散乱
され、再度、金属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
るまで繰シ返すのである。この間の、光の経路を図中Ｒ
ａ−＋Ｒ’ｌ）−＋Ｒ（３→Ｒｄにて示している。

上記の過程において、アークＡから発した光の消費はつ
ぎの２点である。

（１）壁面での吸収 （２）アーク空間および周辺（高温）ガス空間による吸
収、すなわちガス空間による吸収 またアークＡから発する光は、２０００Å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わ
だシ、連続スペクトルおよび線ヌベクトｐからなる。一
般の容器壁面は、たとえ表面が黒色をしている場合でも
、４０００人〜５５００人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、アーク空間および周辺高温ガス空間
での吸収はつぎのようになる。

長さＬの一様な組成・温度を有するガス空間に一波長λ
の光を照射した時ガス空間による光の吸収量は、つぎの
ように算定できる。

工ａ＝Ａθ・ｎ−Ｌ工ｉｎ　　　　　　　・・・・・・
・・・・（１）工ａ　：ガスによる吸収エネルギー Ａ　：吸収確率 工ｉｎ：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λに対する吸収エネルギー
量を示す。Ａｅは特定波長λに対する吸収確率であシ、
波長λ、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Ａｅ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（すなわち、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。すなわち
、アーク空間から発する光は、アーク空間およびその周
辺ガス空間で最も多く吸収されるわけである。

（１）式において、光の吸収エネルギー景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°することになシ、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、すなわち、アークＡの発する光のエネルギーが
結局、容器（３）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％にも達する光のエネルギーを効果的
に吸収するために、特定の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特定位
置に、アークの発する光を効果的に吸収する繊維、網お
よび見掛は気孔率３５％以上の高多孔質材料のうちの１
種または２種以上の複合材からなる材料を配置すること
によって、容器内の光を多量に吸収させて、ガス空間の
温度を低下させ、それによシ圧力を低下させるものであ
る。

上記繊維としては、無機系、金属、複合材、織材および
不縁布などのうちから選択されるが、高温アークにさら
される空間に設置される関係上、いずれのものでも熱的
強度を有している必要がある。

また、網としては、無機系、金属および複合材などのほ
か、細線金網を多層に重ねたものや網素線などもその選
択の対象となシ得るものである。

この網の場合も、熱的強度を有しているものを選択する
必要がある。

上記繊維および網の材料のうち、無機系ではセフミック
、カーボン、アメペストなどが好適であそれぞれメッキ
を施こしたものも適用可能である。

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固体物質であるも
のに区別されている。なおここでの素材とは、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、ＪＩＳ、Ｒ２６１４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
おシ、つぎのように計算される。

カサ比重 真の気孔率−（ｌ−真比重）　Ｘ　１００％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だものを見掛けの気孔率とし、
Ｊ工５Ｒ２２０５耐火レンガの見掛気孔率、吸収率およ
び比重の測定方法に定義されるとおシ、つぎのようにし
て計算される。

なお見掛は気孔率は有効気孔率ともいう。

飽水重量−乾燥重量 ｕｔｎｒｒｙｃｖ気孔率＝飽水重量−水中重量°１００
％細孔径は細孔容積および比表面積の測定値よυ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団の
界面間隙まで数人（オングストローム）から敷部まで分
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法が多く用いられ、
とくに窒素ガスが多く用いられる。

つぎにこの発明の前提である、前述の特定の材料、たと
えば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図は第
６図の部分拡大断面図である。同図において、（１）は
無機質高多孔素材、■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から数餌まで大小さまざ
まな分布を示しているものである。

さて、この多孔素材に）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
物の壁面に当シ、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。すな
わち開孔（財）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　、　Ａ−１−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１ｏｃＩＩの立方体の密閉容器
内にＡｇＷ接点を１０調の定ギャップに設置しピーク１
０ＫＡの正弦波電流のアークを３ｍ５（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
ジフィ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％、３０％。

３５％、４０％、４５％、５０％、６０％、　７０％、
８０％、８５％のもので、５０ｍｍＸ　５０ｗｎｘ　４
ｗｍ　　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
る程度の平均軸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。また光の細
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Ａから発生する光は
数百人〜１００００人（１μｍ）に分布するので、これ
を若干越える程度、すなわち数千人〜数１０００μｍの
平均細孔径のものが適しておシ、表面に占める孔の面積
が、見掛は気孔率３５％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。とくに細孔径上限が
１０００μｍ以下の範囲にあり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■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が確認
された。また材質がガラスで、平均細孔径が５μ、２０
μ　のものがアークの発する光に対して良好に光を吸収
することが観測された。

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
があシ、これは多孔質素材の見掛は気孔率の増大ととも
に大きく外シ、とくに気孔率が３５％以上から顕著にな
シ、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、もろくなったシ熱伝導
性が低下し高熱によシ溶融し易く、また気孔率が小さい
場合には、開閉器内減圧の効果が薄い。したがって実用
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、とくに有機物容器のアークＡ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、炭化対策が求められてお
υ、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
０チ前後となっている。

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。仁の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を及はすことがなく、また、高温
にさらされても、融けたシ、ガスを出したシしないので
、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、セメント硬化体などかあシ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。

したがって、この発明は消弧板を支持する画板に多数の
透孔を形成し、これと前述の特定の材料からなる光吸収
体との組み合せにょシ、アークの光エネルギーを効果的
に吸収できるうえ、消弧性に優れ、光吸収作用を長期に
わたって維持し得る開閉器を提供することを目的として
いる。

以下、この発明の一実施例を図面にしたがって説明する
。

第９図はこの発明に係る開閉器の−例を示すものであシ
、第１図〜第３図と同一部所には同一符号を付して説明
を省略する。同図において、０時は消弧板α４）を橋架
保持している画板であシ、この側板α時には多数の透孔
に）が形成されている。画板θ０の背後、つまシ外面側
には第１Ｏ図のような板状の光吸収体に）が設置されて
いる。この光吸収体に）は、前述した繊維、網および見
掛は気孔率３５％以上の多孔質材料のうちの１種または
２種以上の複合材から構成されたものである。

つぎに、上記構成の作用を説明する。

接点（６）　、　（９）の開閉動作は前述したとおシで
ある。

この接点（６）　、　（９）の開放時に第１１図および
第１２図のようにアーク（２）が発生する。このアーク
（至）からの光Ｒのうち、側板（ト）、（ト）側へ放射
されたものは、各側板（ハ）の透孔Ｑ５ａ）を通過して
上記光吸収体−に入射する。光吸収体−に入射しだ光Ｒ
は前述した多孔質材料の働きによって光吸収体（１）で
吸収される。このため第１１図に示す消弧板α→の各間
の空間Ｐの圧力が上昇することはなく、シたがってアー
ク（財）は容易に消弧板α荀の各間に入シ込む。さらに
アーク０埠は消弧板α４の磁気効果ないし冷却効果と相
まってますます消弧板α→側へ駆動され、光吸収も効果
的に行なわれる。これにょシ容器内の圧力の上昇が抑制
されるとともに、アークｅ乃は消滅し、電流はしゃ断さ
れる。

ところで、光吸収体■はアーク（ハ）の熱を受けるため
ないしは光吸収する作用のために表面温度が上がシ溶融
消耗するおそれがある。しかるに光吸収体に）に近接し
て透孔（Ｊ５ａ）を有する側板α０が存在しているから
、上記光吸収体（至）における上記透孔［有］ａ）と対
応する部分がアーク（至）の熱や光の影響を受けるもの
の、それ以外の部分はその影響を受けず、′この部分の
温度はほとんど上昇しない。したがって、上記光吸収体
に）における上記透孔ａｍ＞と対応する部分の熱はそれ
以外の部分に伝達され、これによシ上記透孔０５ａ）と
対応する部分の表面の温度上昇が抑制されることになシ
、光吸収体（至）の溶融や消耗のおそれを解消すること
ができる。

また、上記光吸収体に）の構成材料として、マグネシア
あるいはジｌレ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（２）に直射されてその表面がガ
ヲヌ化することなく結晶化するので、アーク発生期間中
の光吸収体−の表面の絶縁抵抗が低下することがなくな
シ、良好なしゃ断性能を得ることができる。さらに多孔
質材料の表面を熱処理したシ、無機質多孔物質に有機材
を適当に複合させると、内圧低下の作用の妨げとなるお
それもなく、開閉器の振動衝撃による光吸収体に）から
の粉の析出を有効に防止することもできる。

以上のようにこの発明は、透孔を有する消弧側板とこれ
の外側に設けられた特定の材料からなる光吸収体とを組
み合せることによシ、接点開離時に生起したアークの光
を有効に吸収できるとともに、消弧板の作用も充分に引
き出せ、しかも容器の内圧を効果的に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１　ｍ゛〜第３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図はこの発明に係る開閉器に適用された回路しゃ断器
の一例を示す断面図、第１０図は同回路しゃ断器の要部
を示す斜視図、第１１図および第１２図はそれぞれ同回
路しゃ断器の作用説明図である。 （３）・・・容器、（４）・・・固定電気接触子、（５
）・・・固定導体、（６）・・・固定接点、（７）・・
・可動電気接触子、（８）・・・可動導体、（９）・・
・可動接点、α荀・・・消弧板、０時・・・側板、（至
）・・・アーク、（ト）・・・光吸収体。 なお、図中同一符号は同一もしくは相当部分を示す。 代理人　葛野信−（外１名） 第１図 ２ 第２図 第３図 第４゛図 第６図　　　　　　　　　第７図 第８図 乳韮いナー矢５Ｌ４（７；） 第１０図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、導体およびこれに固着された接点によシ構成さ
   れて、容器内で開閉動作する少なくとも１対の電気接触
   子と、上記容器内に配設されて、上記電気接触子の開放
   動作時に生じるアークを消弧する消弧板と、上記消弧板
   の両側端部をそれぞれ支持する１対の側板とを備え、上
   記両側板に上記アークからの光を両側外方へ放射させる
   透孔を形成し、上記両側板の各外面側に、繊維、網およ
   び見掛は気孔率３５％以上の多孔質材料のうちの１種ま
   たは２種以上の複合材からなる光吸収体を設けたことを
   特徴とする開閉器。
2. （２）、上記光吸収体の表面を熱処理によって硬化させ
   てなる特許請求の範囲第１項記載の開閉器。
3. （３）。上記光吸収体はその表面が高温時ガラス化しな
   いで結晶化するようにその組成の１つとしてマグネシア
   もしくはジルコニアを含有させて形成されている特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の開閉器。