JP4140204B2 - 限流機構およびそれを備えた回路遮断器 - Google Patents
限流機構およびそれを備えた回路遮断器 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、限流動作時にアークを発生し、アーク電圧を利用して限流を行う限流機構、およびそれを備えた回路遮断器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は例えば特開平７−３０２５３５号公報に示された従来の限流機構を説明する側面図である。図において、１は可動接点２と可動アーム３からなる可動接触子であり、可動接点２と反対側の端部において回転軸４にて回動自在に保持されている。５は固定接触子であり、固定接点６と固定導体７を有し、閉成状態の可動接触子１と略並行且つ対向して設けられている。８は接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物（１対の絶縁板）であり、可動接触子１の開閉動作を妨げないように可動接触子１開閉動作時の可動接点２の軌跡を含む平面の両側に配置されている。９および１０はそれぞれ接点２および６の周囲の導体部を覆う絶縁物である。これら絶縁物８、９、１０は、水素を一構成元素とする合成樹脂、またはセラミックスにて強化された上記合成樹脂にて構成されており、水素の発生を促進させるために水酸化物や結晶水を含んだ物質が混入されることもある。
【０００３】
次に、この限流機構を回路遮断器に適用した場合の動作について説明する。通常の接点の開閉は、別途設けた機構部（図示せず）による開閉動作にて行われるが、短絡電流等の事故電流が発生した場合、上記機構部の動作に先立って、略並行且つ逆方向の電流が流れるように配置された接触子１、５間に発生する電磁反発力にて接点２、６が開極し、接点２、６間にアークが発生する。このアークの熱により絶縁物８、９、１０より水素を含んだガスが大量に発生し、アークが発生する空間（アーク発生空間）の圧力が急上昇する。この時、高圧力雰囲気と水素ガスの効果によりアーク径が絞られてアーク電圧が急上昇するので、事故電流が制限される。
【０００４】
但し、事故電流が増大する前の開極初期でなければこのアーク電圧の急上昇によって事故電流を小さく制限することはできない。その為、高限流性能を得るには、水素を含有したガスにて高圧雰囲気を発生させる手段である絶縁物８、９、１０を、閉成状態の接点２、６近傍に配置する必用があり、例えば、特許第２９１８７５２号公報、特公平８−８０４８号公報、ＷＯ００／４１２０２号公報などにこのような高限流性能を得るための手法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の限流機構およびそれを備えた回路遮断器は以上のように構成されており、限流動作初期の接点開極直後の接点間に発生したアークの熱にて近傍に配置した絶縁物より水素を含んだガスを大量に発生させてアーク電圧の立上りを早めているので、より高い限流性能を得るためには絶縁物とアークの距離を出来るだけ近付ける必用があるが、開閉動作時のブレを考慮した可動接触子の移動空間や通電電流値等により決まる接点巾寸法のために、アークと絶縁物の距離を近付けるには限界があるという問題があった。
【０００６】
また、限流性能向上にはアーク電圧を素早く立上げることが効果的であるが、限流動作時の電流ピーク以降に必用以上の高いアーク電圧が生じると筐体内部の圧力が高まり、筐体割れが発生する。
【０００７】
このように、従来の限流機構およびそれを備えた回路遮断器では、アーク電圧の立上りを早めるために絶縁物と接点間アークの距離を小さくする必用があるが、一方で、限流動作時の電流ピーク以降に必用以上の高いアーク電圧が発生しないように絶縁物とアークを遠ざける必用があるという相反する要求があり、限流性能を高めるには高い機械強度を持つ筐体が必用であり、筐体強度により限流性能が制限されるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する限流機構およびそれを備えた回路遮断器を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の限流機構は、一端部に各々接点を有し、上記接点が接離可能に支持された接触子対と、閉成状態の上記接点対近傍で上記接触子の開閉動作を妨げないように上記接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の少なくとも両側に配置され、限流動作時に上記接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物とを備える限流機構において、上記接点対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成され、接触子対の少なくとも一方を略Ｌ字状とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、且つ、閉成状態の接点対を四方より筒状に取囲むように上記絶縁物を配置したものである。
【００１０】
本発明に係る第２の限流機構は、限流動作時の電流瞬時値が３.６ｋＡ以上で、且つアーク外周部の圧力が５.９×１０５Ｎ／ｍ２以上であるものである。
【００１１】
本発明に係る第３の限流機構は、接触子対には、閉成状態において対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路が設けられているものである。
【００１２】
本発明に係る第４の限流機構は、接触子対の一方を略Ｌ字状として可動接触子とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、他方を固定接触子とし、上記固定接触子の接点を有する端部から閉成状態の上記可動接触子より遠ざかる方向に伸びるアークランナと、上記固定接触子の接点配置側の空間で開成状態の上記可動接触子の接点と対向する位置に配置された消弧板とを備え、且つ、接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の両側に配置された絶縁物にて挟まれた空間を開成状態の上記可動接触子の接点から見たとき、上記固定接触子の接点近傍の空間巾よりも上記アークランナ近傍の空間巾の方が小さくなるように構成したものである。
【００１３】
本発明に係る第１の回路遮断器は、上記第１ないし第４のいずれかの限流機構を備えたものである。
【００１４】
本発明に係る第２の回路遮断器は、限流機構と、上記限流機構の少なくとも一方の接触子を開閉動作させる開閉機構とを備え、上記限流機構と上記開閉機構とを別の筐体にて収納してなるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１による限流機構およびそれを備えた回路遮断器を説明するための図であり、より具体的には、図１は閉成状態の回路遮断器の要部を示す断面図、図２は図１の固定接触子５と絶縁物８を、図１の上方より見た平面図、図３は固定接触子５と絶縁物８を分解した斜視図である。なお、図３の絶縁物８は内部形状が分かるように図２のＣＣ線にて断面を取っている。
【００１６】
図１〜図３において、１は可動接点２と略Ｌ字状の可動アーム３からなる可動接触子であり、可動接点２は可動アーム３の略Ｌ字の短い方の辺の先端部（短辺側先端部）に固着されており、可動接点２と反対側の可動アーム端部において回転軸４にて回動自在に保持され、機構部（図示せず）により開閉動作をおこなう。
５は固定接触子であり、略Ｊ字状の固定導体７とこのＪ字状固定導体７に囲まれる空間側に配置された固定接点６にて構成されている。Ｊ字状固定導体７は閉成状態の可動接触子１と対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路７ａが設けられており、端子部１３から水平方向に伸びる水平導体部７ｂと水平導体部７ｂの反端子部側で垂直方向に伸びる垂直導体部７ｃとを有している。１１は固定接触子５に設けられた可動接触子１通過用のスリット、１３は固定接触子５の端子部である。
【００１７】
８は閉成状態の接点２、６対近傍に配置され、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物であり、例えば、水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物にて構成されている。この絶縁物８は固定接触子５を可動接触子１側から覆うように構成されており、可動接触子１の開閉動作を妨げないように設けられた固定接触子５のスリット１１の内面を覆う部位（可動接触子１の開閉動作を妨げないように可動接触子１開閉動作時の可動接点２の軌跡を含む平面の両側に配置された部位）８ａと、端子部１３から水平方向に伸びる水平導体部７ｂの上面と、水平導体部７ｂの反端子部１３側で垂直方向に伸びる垂直導体部７ｃの回転軸４側の面とを覆う部位８ｂと、閉成状態の接点２、６対の周りを四方から筒状に取囲む部位８ｃとにて一体に成形されており、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する。閉成状態の可動接触子１の可動接点２側先端部は、固定導体７および絶縁物８に囲まれる空間内にあるが、開成状態では上記空間外の複数の消弧板１２と対向する位置になるように配置されている。
消弧板１２は、固定接触子５の接点６配置側の空間で開成状態の可動接触子１の接点２と対向する位置に配置されている。
【００１８】
なお、水素を一構成元素とする合成樹脂を含有した絶縁物としては、例えばポリアミド系樹脂であるナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６などが挙げられ、強化のためにこれらのナイロンにガラス繊維やセラミックスを混合することもある。また、水酸化物を含有した絶縁物としては、例えば水酸化マグネシウムや水酸化アルミニウムを紙や布に含浸したものや水酸化マグネシウムや水酸化アルミニウムを水素を一構成元素とする合成樹脂と混ぜたものなどが挙げられる。
【００１９】
本実施の形態では、一端部に各々接点２、６を有し、接点２、６が接離可能に支持された接触子１、５対と、閉成状態の接点２、６対近傍に配置された絶縁物８と、消弧板１２とで、限流動作時に接点２、６間にアークを発生し、アーク電圧を利用して限流を行う限流機構を構成している。
【００２０】
２６はベースであり、固定接触子５が固定されている。２７は限流機構を覆うカバーであり、ベース２６と共に限流機構を収納する筐体を構成している。１７はカバー２７に設けられた排気口である。
【００２１】
上記のような限流機構およびそれを備えた回路遮断器の構成は、例えばＷＯ００／４１２０２号公報などにも記載されている。
本実施の形態では、接点２、６の少なくとも一方を、銀または銅を主成分として酸化カドミウムを含有した材料にて構成している。
【００２２】
本発明は、本願発明者らが絶縁物８と各種接点材料の組み合わせについて鋭意研究した結果、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成された接点２、６とを組合せることにより、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、アーク電圧の立上りを早めることが可能となることを見出してなされたものであり、この組合せにより、不要な筐体内圧の上昇を生じることなく限流性能を向上することが可能となる。
【００２３】
次に動作について説明する。このように構成された回路遮断器において、通常の開閉が手動もしくは外部信号により機構部（図示せず）を動作して行われること、および、短絡遮断時には機構部の動作に先立って両接触子１、５対の略平行且つ逆方向の電流成分による電磁反発力にて開極し、接点２、６間に発生したアークの熱により絶縁物８から発生する大量の水素を含んだガスを利用してアーク電圧を急激に高めることは、従来の場合と同様である。
【００２４】
以下、具体的実験例を挙げて本実施の形態に特有の作用・効果について説明する。まず、本実施の形態による酸化カドミウムを含有した銀系接点材１、２を用いた場合の基礎的アーク特性を他の代表的な銀系接点材３、４、５を用いた場合と比較した実験例を説明する。
表１に、接点材１〜５の組成と、図４に示す実験構成にて測定したアーク電圧の立上りの大小（順位）を示す。アーク電圧の立上りの大小は、図４に示す実験構成で、先端部に接点材を固着した丸棒電極１０１、１０２間にヒューズスタートで略同一の電流波形を有する交流アークを発生させ、電極１０１、１０２間に発生するアーク電圧波形を電圧計１０３で測定、比較して求めた。
また、図５は、上記丸棒電極１０１、１０２を取囲むように筒状の絶縁物１０７（ナイロン６）を配置した場合の電極周辺の構成を示しており、筒内部の圧力を圧力計１０８にて測定した。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１に示すように、大気中で筒状の絶縁物１０７を用いた場合、酸化カドミウムを含有する接点材１、２を用いた時のアーク電圧の立上りが、他の接点材３、４、５より大きい。一方、大気中でフリーアークを発生させた場合、グラファイトを含有した接点材５が若干アーク電圧の立上りが大きいが、接点材１〜４では顕著な差が見られない。また、ゲージ圧９.８×１０５Ｎ／ｍ２の空気中でアークを発生させた場合、銀含有量が少ない接点材４のアーク電圧が若干高いが、その他の接点材で顕著な差はみられない。
以上より、アークの近傍に配置された絶縁物より水素含有ガスを発生させてアーク電圧を素早く立ち上げる限流方式を用いる場合、酸化カドミウムを含有した接点材を用いることにより限流性能が改善されることが分かる。
【００２７】
図５に示した筒状の絶縁物１０７を用いた場合の代表的なアーク電流および電圧波形を示したのが図６である。図６において、時刻ｔ０にて電流が流れ始め、ヒューズ溶断にともなう急峻な電圧ピークの後、接点１０１、１０２間にアークＡが発生する。このアーク電圧は電流瞬時値の増加にともない上昇するが、接点材により時刻ｔ１〜ｔ２の領域でアーク電圧に差が生じる。酸化カドミウムを含有した接点材１、２が実線のように立上りの早いアーク電圧波形を示すのに対して、その他の接点材３、４、５は時刻ｔ１〜ｔ２の領域で破線のように立上りの遅いアーク電圧波形となる。一方、時刻ｔ２以降の大電流領域および電流減少領域では接点材による顕著な差がみられない。このアーク電圧の差が生じる時刻ｔ１〜ｔ２の領域は、電流瞬時値で約３.６ｋＡ〜８ｋＡに相当する。また、時刻ｔ１（電流瞬時値３.６ｋＡ）で上記筒１０７内部の圧力（アークＡ外周部の圧力に相当）は約５.９×１０５Ｎ／ｍ２に上昇しており、それ以降の圧力波形の立上りは、アーク電圧の立上りが早い接点材１、２ほど大きい傾向がある。
【００２８】
上述のように、例えば水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物のように、アークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と酸化カドミウムを含有する接点材１、２の組合せでは、他の接点材３〜５との組合せに比べて、電流立上りのある領域のみでアーク電圧が上昇し、それ以上の大電流領域では同等である。従って、このような組合せを実際の限流機構（回路遮断器）に適用することにより、電流ピーク以降の不要なアーク電圧の上昇を生じさせることなく、事故電流の立上り時のアーク電圧上昇のみを早めることができ、筐体強度に制限されることなく限流性能を向上させることが可能となる。
【００２９】
表２は、図１と主要部が同様な構成の限流機構を備えた配線用遮断器の試作器において、単相交流２６５Ｖ、推定短絡電流５０ｋＡの回路にて短絡遮断試験を実施した時の限流性能を示している。表２で、試験番号１は可動接点および固定接点を酸化カドミウムを含有する上記接点材２にて構成した場合であり、試験番号２は可動接点および固定接点を酸化カドミウムを含有しない上記接点材４および５にて各々構成した場合である。両試験ともその他の条件は同じであり、試験番号１の方が試験番号２より低い電流ピーク（高い限流性能）を示し、且つ、内圧上昇が押えられていることが分かる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態では、開極直後のアークが、絶縁物８の筒状の部位８ｃと可動接点２と固定接点６とによって囲まれる狭い空間内に閉込められるので、急激なアーク電圧の立上りを実現でき、さらに、アークが上記狭い空間内にあることからアークと絶縁物８との相互作用が大きく、酸化カドミウムを含有した接点材とアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物との組合せによるアーク電圧上昇効果がより顕著に現れる。
【００３２】
なお、以上では、主に、銀を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成された接点（銀系接点）を用いた場合について述べたが、銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成された接点（銅系接点）においても同様な効果がある。
【００３３】
実施の形態２．
図７および図８は、本発明の実施の形態２による限流機構およびそれを備えた回路遮断器を説明するための図であり、より具体的には、図７は固定接触子５と絶縁物８を上方より見た平面図、図８は固定接触子５と絶縁物８を分解した斜視図である。なお、図８の絶縁物８は内部形状が分かるように図７のＣＣ線にて断面を取っている。その他の構成は、実施の形態１で示したものと同一であり、図７および図８において、図１〜図３と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
【００３４】
固定接触子８は、一端部が端子部１３に接続された３／４ターンのブローアウトコイル７ｄと、一端部がブローアウトコイル７ｄの他端部に接続され、且つ、他端部が電路７ａに接続される３／４ターンのブローアウトコイル７ｅと、閉成状態において対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路７ａと、固定接触子５の接点６を有する端部から閉成状態の可動接触子より遠ざかる方向に伸びるアークランナ１５とを有しており、固定接点６は、ブローアウトコイル７ｄと７ｅに挟まれている。
【００３５】
また、絶縁物８は、可動接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に配置された部位８ａと、ブローアウトコイル７ｄ、７ｅの可動接点から見渡せる部位を絶縁している部位８ｄと、閉成状態の接点対を四方より取囲む部位８ｅにて一体成型されており、実施の形態１の場合と同様に、接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する材料、例えば、水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物にて構成されている。また、閉成状態の可動接触子の可動接点側先端部は、固定接触子５および絶縁物８に囲まれる空間内にあるが、開成状態では上記空間外の複数の消弧板（図示せず）と対向する位置になるように配置されること、および、上記接点対の少なくとも一方は、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されることは、実施の形態１と同様である。
【００３６】
次に動作について説明する。このように構成された回路遮断器において、通常の開閉は手動もしくは外部信号により機構部（図示せず）を動作して行われるが、短絡遮断時には、機構部の動作に先立って両接触子対の略平行且つ逆方向の電流成分による電磁反発力とブローアウトコイル７ｄ、７ｅが発生する電磁開極力にてより高速に開極し、接点間に発生したアークの熱により絶縁物８から発生する大量の水素を含んだガスを利用してアーク電圧を急激に高める。また、アークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された接点材とを組合せることより、上記実施の形態１で説明したのと同様に、不要な筐体内圧力の上昇を生じることなく限流性能を向上させることができる。
【００３７】
ところで、通常、回路遮断器では、限流性能が求められる短絡電流遮断のみならず、通常電流の開閉、および、比較的電流が小さい過負荷遮断も行わなければならず、さらに、機種削減によるコスト低減の為、同一の回路遮断器にて交流、直流両回路での遮断性能を確保する場合もある。
このような、比較的遮断すべき電流が小さい場合や、直流回路での遮断では、消弧板を有効に利用しなければ遮断性能を確保するとが難しい。特に、回路電圧が高い直流回路の場合は、消弧板の利用が不可欠となる。
しかし、実施の形態１のように、固定接点６の周りを四方より筒状に絶縁物で取囲むと、固定接触子５側のアークスポットが固定接点６から移動できず、固定接触子５の上部空間（固定接触子５の接点６配置側の空間）で開成状態の可動接触子の接点と対向する位置に配置された消弧板（図示せず）を有効に利用できない。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、実施の形態１と異なり、アークランナ１５を設けると共に、図７に示すように、絶縁物８におけるアークランナ１５上部の部位に巾Ｗ２の切欠き部３３を設けて、可動接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に絶縁物８ａを配置しており、遮断直前の固定接触子５側のアークスポットをアークランナ１５へと移行させて、消弧板による高い消弧作用を有効利用している。
【００３９】
また、本実施の形態では、巾Ｗ２は、絶縁物８の固定接点６上部の切欠き部巾Ｗ１より小さいため、すなわち可動接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に配置された絶縁物８（８ａ）にて挟まれた空間を開成状態の可動接触子の接点から見たとき、固定接触子５の接点６近傍の空間巾Ｗ１よりもアークランナ１５近傍の空間巾Ｗ２の方が小さくなるように構成しているため、限流性能が求められる大電流遮断時の開極初期においては、アークが、絶縁物８の巾Ｗ１の部位と可動接点２と固定接点６とによって囲まれる狭い空間内に閉込められ、巾Ｗ２の切欠き部３３に移行することはない。従って、絶縁物８から発生する水素含有ガスと高圧雰囲気とによる冷却作用で、急激にアーク電圧が立上り、非常に高い限流性能を実現できる。また、限流遮断動作後半に電流が減衰してアーク径が小さくなると、アークは巾Ｗ２の切欠き部３３に移行できるようになり、消弧板を有効利用して電流遮断が完了する。
【００４０】
なお、本実施の形態では、このアークの移行をより確実に行うために、アークが移動していく方向にある絶縁物８に通気路３４を設けている。
【００４１】
実施の形態３．
図９〜図１１は、本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器を説明するための図である。より具体的には、図９は回路遮断器の要部の構成を説明するための斜視図であり、内部構成が分かるように手前側の筐体を省略し、且つ、一部断面を取っている。図１０は回路遮断器の全体構成を説明するための分解斜視図、図１１は固定接触子５と絶縁物８を分解した斜視図である。図９〜図１１において、図１〜図３と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
【００４２】
図９〜図１１において、２１aは限流機構を収納するユニットケースの一部であり、省略した手前側の部分２１ｂ（図示せず）とともにユニットケース２１を構成する。このユニットケース２１内部には、可動接点２を有する可動接触子１と、固定接点６を有する固定接触子５と、閉成状態の接点２、６対近傍に配置され、接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と、消弧側板１６に保持された複数の消弧板１２と、可動接触子１を端子部１３ｂと電気的に接続する摺動接触子１９と、接触子１、５対に接圧を発生させるバネ２９と、可動接触子１にユニットケース２１外部にある機構部２３の動きを伝えるロータ２０とが収納され、消弧ユニット２２を構成している。
さらに、図１０に示すように、複数の消弧ユニット２２をクロスバー２５により連結し、このクロスバー２５を介して接点を開閉させる機構部２３、異常電流を検出し機構部２３を動作させるリレー部１８、および機構部２３を手動で動作させるハンドル２８を付加し、これらをベース２６およびカバー２７からなる筐体に収納すれば、多極回路遮断器が構成される。端子部１３ｂは、消弧ユニット２２に設けられて消弧ユニット２２とリレー部１８とを電気的に接続しており、端子部１３ｃは、リレー部１８に設けられて多極回路遮断器と外部回路とを接続している。
【００４３】
上記消弧ユニット２２内の限流機構の基本構成は、接点２、６対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されていることを除けば、例えば特許第２９１８７５２号公報に開示されたものと基本的に同じである。
略Ｊ字状の固定導体７とこのＪ字状固定導体７に囲まれる空間側に配置された固定接点６にて固定接触子５が構成されおり、閉成状態の接点２、６対は、上記Ｊ字状固定導体７に囲まれる空間内に位置する。また、固定接触子５の接点６を有する端部から閉成状態の可動接触子１より遠ざかる方向に伸びるアークランナ１５を備えている。また、この固定接触子５には、可動接触子１の開閉動作を妨げないようにスリット１１が設けられており、開成状態では可動接点２は、上記Ｊ字状固定導体７に囲まれる空間から複数の消弧板１２が配置された空間へと移動する。
【００４４】
また、水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物８は、可動接触子１の開閉動作を妨げないように可動接触子１開閉動作時の可動接点２の軌跡を含む平面の両側に配置された部位（短絡電流遮断動作初期のアークを左右から挟み込む部位）８ａと、端子部１３ａから水平方向に伸びる水平導体部７ｂの上面と、この水平導体部７ｂの反端子部１３ａ側で垂直方向に伸びる垂直導体部７ｃの回転軸４側の面とを覆う部位８ｂと、接点２、６間に発生したアークが伸張される側のスリット端部１１ａの前面を覆う部位８ｆと、固定接点６近傍の導体部を覆う部位８ｇにて一体に成形されており、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する。また、消弧板１２は、固定接触子５の接点６配置側の空間で開成状態の可動接触子１の接点２と対向する位置に配置されている。
【００４５】
次に動作について説明する。短絡遮断時には、主に、固定接触子５の電路７ａと可動接触子１との電磁反発力により開極して接点２、６間にアークが発生する。このアークの熱により絶縁物８より水素を含有したガスが発生してアーク電圧を上昇させる。この絶縁物８は、短絡電流遮断動作初期のアークを左右から挟み込む部位８ａのみならず、磁気駆動されるアークの駆動側に配置される部位（スリット端部１１ａの前面を覆う部位）８ｆを有しているので、図１３に示した従来の消弧装置より効率的に水素を含んだ絶縁物蒸発ガスを発生させることができる。また、事故電流瞬時値がピーク値を越えた限流遮断動作の後半においては、可動接点２が絶縁物８に囲まれる空間外の消弧板１２と対向する位置に移動するので、不要な筐体内圧の上昇を防止し、且つ、消弧板の高い消弧作用を利用できる利点がある。
特に、本実施の形態では、接点２、６対の少なくと一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されているので、上記実施の形態１および２で説明したのと同様に、不要な筐体内圧上昇を生じることなく限流性能を向上させることができる。
【００４６】
またさらに、本実施の形態では、限流機構と開閉機構とを別の筐体にて収納したので、限流動作時に限流機構で発生した水素を含有するガスがユニットケース２１外に逃げ難くアークに効果的に作用する。しかも、ガスが逃げ難くガス圧が高いので酸化カドミウムを含有した接点と水素含有ガスの発生源となる絶縁物８との組合せ効果が、より顕著に現れる。
【００４７】
実施の形態４．
図１２は本発明の実施の形態４による配線用回路遮断器の一部を破断して内部を示す側面図である。図において、１ａは可動接触子、２ａは可動接点、５ａは固定接触子、６ａは固定接点、３０は隔壁、３１は標準回路遮断器、３２は限流機構を有する限流ユニットである。
【００４８】
限流ユニット３２を一方の端子部１３ｂにて標準回路遮断器３１に接続することにより、限流性能に優れた配線用回路遮断器を実現している。この限流ユニット３２の各極内部には、直列接続された２つの接触子１ａ、５ａ、１ｂ、５ｂ（１ｂ、５ｂは図示せず）対が、隔壁３０を隔てて略面対称に設けられている。これらの接触子１ａ、５ａ、１ｂ、５ｂの内、各接触子対の少なくとも一方の接触子の接点は、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されている。これらの接触子対は配線用遮断器の長手方向に対して縦置き配置されており、接点間に発生したアークは、接点対上方に対向して設けられている複数の消弧板１２により消弧される。また、この消弧板１２は、接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物からなる消弧側板１６により保持されており、消弧側板１６は可動接触子の開閉動作を妨げないように接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に（接点対を左右より挟み込むように）配置されている。
【００４９】
上記限流ユニット３２の基本構成は、接点対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されていることを除けば、例えば特公平８−８０４８号公報に開示されたものと基本的に同じである。
【００５０】
次に動作について説明する。短絡遮断時には、閉成状態の可動接触子１ａと対向して略平行且つ反対方向の電流が流れる電路７ａと可動接触子１ａとの電磁反発力により開極して接点２ａ、６ａ間にアークが発生する。このアークの熱により、消弧側板１６より多量の水素を含んだガスが発生し、それによりアーク電圧を高めて限流を行うことができる。
また、本実施の形態では、接点対の少なくと一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されており、アークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物からなる消弧側板１６と、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された接点材とを組合せることより、上記実施の形態１〜３で説明したのと同様に、不要な限流ユニット３２内圧力の上昇を生じることなく限流性能を向上させることができる。
【００５１】
なお、上記各実施の形態では、一方の接触子は固定され、他方の接触子のみが開閉動作をする場合について説明したが、本発明は、両方の接触子が開閉動作をする場合にも適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第１の限流機構によれば、一端部に各々接点を有し、上記接点が接離可能に支持された接触子対と、閉成状態の上記接点対近傍で上記接触子の開閉動作を妨げないように上記接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の少なくとも両側に配置され、限流動作時に上記接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物とを備える限流機構において、上記接点対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成され、接触子対の少なくとも一方を略Ｌ字状とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、且つ、閉成状態の接点対を四方より筒状に取囲むように上記絶縁物を配置したので、開極直後のアークが、接点対を四方より筒状に取囲んだ絶縁物と可動接点と固定接点とによって囲まれる狭い空間内にあることからアークと絶縁物との相互作用が大きく、酸化カドミウムが混入された接点とアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物との組合せによる、上記アーク電圧の立上りを早める効果が顕著となり、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、限流動作時のアーク電圧の立上りを早めることができ、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する限流機構を提供することができる。
【００５３】
本発明の第２の限流機構によれば、限流動作時の電流瞬時値が３.６ｋＡ以上で、且つアーク外周部の圧力が５.９×１０５Ｎ／ｍ２以上であるので、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、限流動作時のアーク電圧の立上りを早めることができ、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する限流機構を提供することができる。
【００５４】
本発明の第３の限流機構によれば、接触子対には、閉成状態において対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路が設けられているので、自己電流による電磁反発力で限流動作を開始することができる。
【００５５】
本発明の第４の限流機構によれば、接触子対の一方を略Ｌ字状として可動接触子とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、他方を固定接触子とし、上記固定接触子の接点を有する端部から閉成状態の上記可動接触子より遠ざかる方向に伸びるアークランナと、上記固定接触子の接点配置側の空間で開成状態の上記可動接触子の接点と対向する位置に配置された消弧板とを備え、且つ、接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の両側に配置された絶縁物にて挟まれた空間を開成状態の上記可動接触子の接点から見たとき、上記固定接触子の接点近傍の空間巾よりも上記アークランナ近傍の空間巾の方が小さくなるように構成したので、高い限流性能と消弧板による高い消弧性能とを同時に得ることができる。
【００５６】
本発明に係る第１の回路遮断器は、上記第１ないし第４のいずれかの限流機構を備えたので、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、限流動作時のアーク電圧の立上りを早めることができ、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する回路遮断器を提供することができる。
【００５７】
本発明に係る第２の回路遮断器は、限流機構と、上記限流機構の少なくとも一方の接触子を開閉動作させる開閉機構とを備え、上記限流機構と上記開閉機構とを別の筐体にて収納してなるので、限流動作時に上記絶縁物から発生する水素含有ガスが限流機構の外へ逃げ難くアークに効果的に作用する。しかも、ガスが逃げ難くガス圧が高いので、酸化カドミウムが混入された接点とアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物との組合せによる、上記アーク電圧の立上りを早める効果がより顕著となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の要部の構成を説明するための断面図である。
【図２】 図１の固定接触子と絶縁物を上方より見た平面図である。
【図３】 図１の固定接触子と絶縁物を分解した部分断面斜視図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係り、基礎的アーク特性を説明するための実験構成図である。
【図５】 本発明の実施の形態１に係り、基礎的アーク特性を説明するための実験に用いた電極近傍の部分断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態１に係り、基礎的アーク特性を説明するための電流および電圧波形の模式図である。
【図７】 本発明の実施の形態２による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の固定接触子および絶縁物を上方より見た平面図である。
【図８】 本発明の実施の形態２による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の固定接触子と絶縁物を分解した部分断面斜視図である。
【図９】 本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の要部の構成を説明するための部分断面斜視図である。
【図１０】 本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の全体構成を説明するための分解斜視図である。
【図１１】 本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の固定接触子と絶縁物を分解した部分断面斜視図である。
【図１２】 本発明の実施の形態４による配線用遮断器の一部を破断して内部を示す側面図である。
【図１３】 従来の限流機構を説明する側面図である。
【符号の説明】
１，１ａ 可動接触子、 ２，２ａ 可動接点、 ３ 可動アーム、 ４ 回転軸、 ５，５ａ 固定接触子、 ６，６ａ 固定接点、 ７ 固定導体、 ７ａ 電路、 ８ 絶縁物、 １１ スリット、 １２ 消弧板、 １５ アークランナ、 １６ 消弧側板、 ２２ 消弧ユニット、 ２３ 機構部、 ２６ ベース、 ２７ カバー、 ２９ バネ、 ３１ 標準回路遮断器、 ３２ 限流ユニット、 ３３ 切欠き部、 ３４ 通気路、 １０１，１０２ 丸棒電極、 １０３ 電圧計、 １０４ 電流計、 １０５ 投入スイッチ、 １０６ 交流電源、 １０７ 筒状の絶縁物、 １０８ 圧力計。
【発明の属する技術分野】
この発明は、限流動作時にアークを発生し、アーク電圧を利用して限流を行う限流機構、およびそれを備えた回路遮断器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は例えば特開平７−３０２５３５号公報に示された従来の限流機構を説明する側面図である。図において、１は可動接点２と可動アーム３からなる可動接触子であり、可動接点２と反対側の端部において回転軸４にて回動自在に保持されている。５は固定接触子であり、固定接点６と固定導体７を有し、閉成状態の可動接触子１と略並行且つ対向して設けられている。８は接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物（１対の絶縁板）であり、可動接触子１の開閉動作を妨げないように可動接触子１開閉動作時の可動接点２の軌跡を含む平面の両側に配置されている。９および１０はそれぞれ接点２および６の周囲の導体部を覆う絶縁物である。これら絶縁物８、９、１０は、水素を一構成元素とする合成樹脂、またはセラミックスにて強化された上記合成樹脂にて構成されており、水素の発生を促進させるために水酸化物や結晶水を含んだ物質が混入されることもある。
【０００３】
次に、この限流機構を回路遮断器に適用した場合の動作について説明する。通常の接点の開閉は、別途設けた機構部（図示せず）による開閉動作にて行われるが、短絡電流等の事故電流が発生した場合、上記機構部の動作に先立って、略並行且つ逆方向の電流が流れるように配置された接触子１、５間に発生する電磁反発力にて接点２、６が開極し、接点２、６間にアークが発生する。このアークの熱により絶縁物８、９、１０より水素を含んだガスが大量に発生し、アークが発生する空間（アーク発生空間）の圧力が急上昇する。この時、高圧力雰囲気と水素ガスの効果によりアーク径が絞られてアーク電圧が急上昇するので、事故電流が制限される。
【０００４】
但し、事故電流が増大する前の開極初期でなければこのアーク電圧の急上昇によって事故電流を小さく制限することはできない。その為、高限流性能を得るには、水素を含有したガスにて高圧雰囲気を発生させる手段である絶縁物８、９、１０を、閉成状態の接点２、６近傍に配置する必用があり、例えば、特許第２９１８７５２号公報、特公平８−８０４８号公報、ＷＯ００／４１２０２号公報などにこのような高限流性能を得るための手法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の限流機構およびそれを備えた回路遮断器は以上のように構成されており、限流動作初期の接点開極直後の接点間に発生したアークの熱にて近傍に配置した絶縁物より水素を含んだガスを大量に発生させてアーク電圧の立上りを早めているので、より高い限流性能を得るためには絶縁物とアークの距離を出来るだけ近付ける必用があるが、開閉動作時のブレを考慮した可動接触子の移動空間や通電電流値等により決まる接点巾寸法のために、アークと絶縁物の距離を近付けるには限界があるという問題があった。
【０００６】
また、限流性能向上にはアーク電圧を素早く立上げることが効果的であるが、限流動作時の電流ピーク以降に必用以上の高いアーク電圧が生じると筐体内部の圧力が高まり、筐体割れが発生する。
【０００７】
このように、従来の限流機構およびそれを備えた回路遮断器では、アーク電圧の立上りを早めるために絶縁物と接点間アークの距離を小さくする必用があるが、一方で、限流動作時の電流ピーク以降に必用以上の高いアーク電圧が発生しないように絶縁物とアークを遠ざける必用があるという相反する要求があり、限流性能を高めるには高い機械強度を持つ筐体が必用であり、筐体強度により限流性能が制限されるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する限流機構およびそれを備えた回路遮断器を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の限流機構は、一端部に各々接点を有し、上記接点が接離可能に支持された接触子対と、閉成状態の上記接点対近傍で上記接触子の開閉動作を妨げないように上記接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の少なくとも両側に配置され、限流動作時に上記接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物とを備える限流機構において、上記接点対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成され、接触子対の少なくとも一方を略Ｌ字状とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、且つ、閉成状態の接点対を四方より筒状に取囲むように上記絶縁物を配置したものである。
【００１０】
本発明に係る第２の限流機構は、限流動作時の電流瞬時値が３.６ｋＡ以上で、且つアーク外周部の圧力が５.９×１０５Ｎ／ｍ２以上であるものである。
【００１１】
本発明に係る第３の限流機構は、接触子対には、閉成状態において対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路が設けられているものである。
【００１２】
本発明に係る第４の限流機構は、接触子対の一方を略Ｌ字状として可動接触子とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、他方を固定接触子とし、上記固定接触子の接点を有する端部から閉成状態の上記可動接触子より遠ざかる方向に伸びるアークランナと、上記固定接触子の接点配置側の空間で開成状態の上記可動接触子の接点と対向する位置に配置された消弧板とを備え、且つ、接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の両側に配置された絶縁物にて挟まれた空間を開成状態の上記可動接触子の接点から見たとき、上記固定接触子の接点近傍の空間巾よりも上記アークランナ近傍の空間巾の方が小さくなるように構成したものである。
【００１３】
本発明に係る第１の回路遮断器は、上記第１ないし第４のいずれかの限流機構を備えたものである。
【００１４】
本発明に係る第２の回路遮断器は、限流機構と、上記限流機構の少なくとも一方の接触子を開閉動作させる開閉機構とを備え、上記限流機構と上記開閉機構とを別の筐体にて収納してなるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１による限流機構およびそれを備えた回路遮断器を説明するための図であり、より具体的には、図１は閉成状態の回路遮断器の要部を示す断面図、図２は図１の固定接触子５と絶縁物８を、図１の上方より見た平面図、図３は固定接触子５と絶縁物８を分解した斜視図である。なお、図３の絶縁物８は内部形状が分かるように図２のＣＣ線にて断面を取っている。
【００１６】
図１〜図３において、１は可動接点２と略Ｌ字状の可動アーム３からなる可動接触子であり、可動接点２は可動アーム３の略Ｌ字の短い方の辺の先端部（短辺側先端部）に固着されており、可動接点２と反対側の可動アーム端部において回転軸４にて回動自在に保持され、機構部（図示せず）により開閉動作をおこなう。
５は固定接触子であり、略Ｊ字状の固定導体７とこのＪ字状固定導体７に囲まれる空間側に配置された固定接点６にて構成されている。Ｊ字状固定導体７は閉成状態の可動接触子１と対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路７ａが設けられており、端子部１３から水平方向に伸びる水平導体部７ｂと水平導体部７ｂの反端子部側で垂直方向に伸びる垂直導体部７ｃとを有している。１１は固定接触子５に設けられた可動接触子１通過用のスリット、１３は固定接触子５の端子部である。
【００１７】
８は閉成状態の接点２、６対近傍に配置され、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物であり、例えば、水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物にて構成されている。この絶縁物８は固定接触子５を可動接触子１側から覆うように構成されており、可動接触子１の開閉動作を妨げないように設けられた固定接触子５のスリット１１の内面を覆う部位（可動接触子１の開閉動作を妨げないように可動接触子１開閉動作時の可動接点２の軌跡を含む平面の両側に配置された部位）８ａと、端子部１３から水平方向に伸びる水平導体部７ｂの上面と、水平導体部７ｂの反端子部１３側で垂直方向に伸びる垂直導体部７ｃの回転軸４側の面とを覆う部位８ｂと、閉成状態の接点２、６対の周りを四方から筒状に取囲む部位８ｃとにて一体に成形されており、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する。閉成状態の可動接触子１の可動接点２側先端部は、固定導体７および絶縁物８に囲まれる空間内にあるが、開成状態では上記空間外の複数の消弧板１２と対向する位置になるように配置されている。
消弧板１２は、固定接触子５の接点６配置側の空間で開成状態の可動接触子１の接点２と対向する位置に配置されている。
【００１８】
なお、水素を一構成元素とする合成樹脂を含有した絶縁物としては、例えばポリアミド系樹脂であるナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６などが挙げられ、強化のためにこれらのナイロンにガラス繊維やセラミックスを混合することもある。また、水酸化物を含有した絶縁物としては、例えば水酸化マグネシウムや水酸化アルミニウムを紙や布に含浸したものや水酸化マグネシウムや水酸化アルミニウムを水素を一構成元素とする合成樹脂と混ぜたものなどが挙げられる。
【００１９】
本実施の形態では、一端部に各々接点２、６を有し、接点２、６が接離可能に支持された接触子１、５対と、閉成状態の接点２、６対近傍に配置された絶縁物８と、消弧板１２とで、限流動作時に接点２、６間にアークを発生し、アーク電圧を利用して限流を行う限流機構を構成している。
【００２０】
２６はベースであり、固定接触子５が固定されている。２７は限流機構を覆うカバーであり、ベース２６と共に限流機構を収納する筐体を構成している。１７はカバー２７に設けられた排気口である。
【００２１】
上記のような限流機構およびそれを備えた回路遮断器の構成は、例えばＷＯ００／４１２０２号公報などにも記載されている。
本実施の形態では、接点２、６の少なくとも一方を、銀または銅を主成分として酸化カドミウムを含有した材料にて構成している。
【００２２】
本発明は、本願発明者らが絶縁物８と各種接点材料の組み合わせについて鋭意研究した結果、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成された接点２、６とを組合せることにより、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、アーク電圧の立上りを早めることが可能となることを見出してなされたものであり、この組合せにより、不要な筐体内圧の上昇を生じることなく限流性能を向上することが可能となる。
【００２３】
次に動作について説明する。このように構成された回路遮断器において、通常の開閉が手動もしくは外部信号により機構部（図示せず）を動作して行われること、および、短絡遮断時には機構部の動作に先立って両接触子１、５対の略平行且つ逆方向の電流成分による電磁反発力にて開極し、接点２、６間に発生したアークの熱により絶縁物８から発生する大量の水素を含んだガスを利用してアーク電圧を急激に高めることは、従来の場合と同様である。
【００２４】
以下、具体的実験例を挙げて本実施の形態に特有の作用・効果について説明する。まず、本実施の形態による酸化カドミウムを含有した銀系接点材１、２を用いた場合の基礎的アーク特性を他の代表的な銀系接点材３、４、５を用いた場合と比較した実験例を説明する。
表１に、接点材１〜５の組成と、図４に示す実験構成にて測定したアーク電圧の立上りの大小（順位）を示す。アーク電圧の立上りの大小は、図４に示す実験構成で、先端部に接点材を固着した丸棒電極１０１、１０２間にヒューズスタートで略同一の電流波形を有する交流アークを発生させ、電極１０１、１０２間に発生するアーク電圧波形を電圧計１０３で測定、比較して求めた。
また、図５は、上記丸棒電極１０１、１０２を取囲むように筒状の絶縁物１０７（ナイロン６）を配置した場合の電極周辺の構成を示しており、筒内部の圧力を圧力計１０８にて測定した。
【００２５】
【表１】
表１に示すように、大気中で筒状の絶縁物１０７を用いた場合、酸化カドミウムを含有する接点材１、２を用いた時のアーク電圧の立上りが、他の接点材３、４、５より大きい。一方、大気中でフリーアークを発生させた場合、グラファイトを含有した接点材５が若干アーク電圧の立上りが大きいが、接点材１〜４では顕著な差が見られない。また、ゲージ圧９.８×１０５Ｎ／ｍ２の空気中でアークを発生させた場合、銀含有量が少ない接点材４のアーク電圧が若干高いが、その他の接点材で顕著な差はみられない。
以上より、アークの近傍に配置された絶縁物より水素含有ガスを発生させてアーク電圧を素早く立ち上げる限流方式を用いる場合、酸化カドミウムを含有した接点材を用いることにより限流性能が改善されることが分かる。
【００２７】
図５に示した筒状の絶縁物１０７を用いた場合の代表的なアーク電流および電圧波形を示したのが図６である。図６において、時刻ｔ０にて電流が流れ始め、ヒューズ溶断にともなう急峻な電圧ピークの後、接点１０１、１０２間にアークＡが発生する。このアーク電圧は電流瞬時値の増加にともない上昇するが、接点材により時刻ｔ１〜ｔ２の領域でアーク電圧に差が生じる。酸化カドミウムを含有した接点材１、２が実線のように立上りの早いアーク電圧波形を示すのに対して、その他の接点材３、４、５は時刻ｔ１〜ｔ２の領域で破線のように立上りの遅いアーク電圧波形となる。一方、時刻ｔ２以降の大電流領域および電流減少領域では接点材による顕著な差がみられない。このアーク電圧の差が生じる時刻ｔ１〜ｔ２の領域は、電流瞬時値で約３.６ｋＡ〜８ｋＡに相当する。また、時刻ｔ１（電流瞬時値３.６ｋＡ）で上記筒１０７内部の圧力（アークＡ外周部の圧力に相当）は約５.９×１０５Ｎ／ｍ２に上昇しており、それ以降の圧力波形の立上りは、アーク電圧の立上りが早い接点材１、２ほど大きい傾向がある。
【００２８】
上述のように、例えば水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物のように、アークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と酸化カドミウムを含有する接点材１、２の組合せでは、他の接点材３〜５との組合せに比べて、電流立上りのある領域のみでアーク電圧が上昇し、それ以上の大電流領域では同等である。従って、このような組合せを実際の限流機構（回路遮断器）に適用することにより、電流ピーク以降の不要なアーク電圧の上昇を生じさせることなく、事故電流の立上り時のアーク電圧上昇のみを早めることができ、筐体強度に制限されることなく限流性能を向上させることが可能となる。
【００２９】
表２は、図１と主要部が同様な構成の限流機構を備えた配線用遮断器の試作器において、単相交流２６５Ｖ、推定短絡電流５０ｋＡの回路にて短絡遮断試験を実施した時の限流性能を示している。表２で、試験番号１は可動接点および固定接点を酸化カドミウムを含有する上記接点材２にて構成した場合であり、試験番号２は可動接点および固定接点を酸化カドミウムを含有しない上記接点材４および５にて各々構成した場合である。両試験ともその他の条件は同じであり、試験番号１の方が試験番号２より低い電流ピーク（高い限流性能）を示し、且つ、内圧上昇が押えられていることが分かる。
【００３０】
【表２】
以上説明したように、本実施の形態では、開極直後のアークが、絶縁物８の筒状の部位８ｃと可動接点２と固定接点６とによって囲まれる狭い空間内に閉込められるので、急激なアーク電圧の立上りを実現でき、さらに、アークが上記狭い空間内にあることからアークと絶縁物８との相互作用が大きく、酸化カドミウムを含有した接点材とアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物との組合せによるアーク電圧上昇効果がより顕著に現れる。
【００３２】
なお、以上では、主に、銀を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成された接点（銀系接点）を用いた場合について述べたが、銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成された接点（銅系接点）においても同様な効果がある。
【００３３】
実施の形態２．
図７および図８は、本発明の実施の形態２による限流機構およびそれを備えた回路遮断器を説明するための図であり、より具体的には、図７は固定接触子５と絶縁物８を上方より見た平面図、図８は固定接触子５と絶縁物８を分解した斜視図である。なお、図８の絶縁物８は内部形状が分かるように図７のＣＣ線にて断面を取っている。その他の構成は、実施の形態１で示したものと同一であり、図７および図８において、図１〜図３と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
【００３４】
固定接触子８は、一端部が端子部１３に接続された３／４ターンのブローアウトコイル７ｄと、一端部がブローアウトコイル７ｄの他端部に接続され、且つ、他端部が電路７ａに接続される３／４ターンのブローアウトコイル７ｅと、閉成状態において対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路７ａと、固定接触子５の接点６を有する端部から閉成状態の可動接触子より遠ざかる方向に伸びるアークランナ１５とを有しており、固定接点６は、ブローアウトコイル７ｄと７ｅに挟まれている。
【００３５】
また、絶縁物８は、可動接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に配置された部位８ａと、ブローアウトコイル７ｄ、７ｅの可動接点から見渡せる部位を絶縁している部位８ｄと、閉成状態の接点対を四方より取囲む部位８ｅにて一体成型されており、実施の形態１の場合と同様に、接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する材料、例えば、水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物にて構成されている。また、閉成状態の可動接触子の可動接点側先端部は、固定接触子５および絶縁物８に囲まれる空間内にあるが、開成状態では上記空間外の複数の消弧板（図示せず）と対向する位置になるように配置されること、および、上記接点対の少なくとも一方は、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されることは、実施の形態１と同様である。
【００３６】
次に動作について説明する。このように構成された回路遮断器において、通常の開閉は手動もしくは外部信号により機構部（図示せず）を動作して行われるが、短絡遮断時には、機構部の動作に先立って両接触子対の略平行且つ逆方向の電流成分による電磁反発力とブローアウトコイル７ｄ、７ｅが発生する電磁開極力にてより高速に開極し、接点間に発生したアークの熱により絶縁物８から発生する大量の水素を含んだガスを利用してアーク電圧を急激に高める。また、アークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された接点材とを組合せることより、上記実施の形態１で説明したのと同様に、不要な筐体内圧力の上昇を生じることなく限流性能を向上させることができる。
【００３７】
ところで、通常、回路遮断器では、限流性能が求められる短絡電流遮断のみならず、通常電流の開閉、および、比較的電流が小さい過負荷遮断も行わなければならず、さらに、機種削減によるコスト低減の為、同一の回路遮断器にて交流、直流両回路での遮断性能を確保する場合もある。
このような、比較的遮断すべき電流が小さい場合や、直流回路での遮断では、消弧板を有効に利用しなければ遮断性能を確保するとが難しい。特に、回路電圧が高い直流回路の場合は、消弧板の利用が不可欠となる。
しかし、実施の形態１のように、固定接点６の周りを四方より筒状に絶縁物で取囲むと、固定接触子５側のアークスポットが固定接点６から移動できず、固定接触子５の上部空間（固定接触子５の接点６配置側の空間）で開成状態の可動接触子の接点と対向する位置に配置された消弧板（図示せず）を有効に利用できない。
【００３８】
そこで、本実施の形態では、実施の形態１と異なり、アークランナ１５を設けると共に、図７に示すように、絶縁物８におけるアークランナ１５上部の部位に巾Ｗ２の切欠き部３３を設けて、可動接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に絶縁物８ａを配置しており、遮断直前の固定接触子５側のアークスポットをアークランナ１５へと移行させて、消弧板による高い消弧作用を有効利用している。
【００３９】
また、本実施の形態では、巾Ｗ２は、絶縁物８の固定接点６上部の切欠き部巾Ｗ１より小さいため、すなわち可動接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に配置された絶縁物８（８ａ）にて挟まれた空間を開成状態の可動接触子の接点から見たとき、固定接触子５の接点６近傍の空間巾Ｗ１よりもアークランナ１５近傍の空間巾Ｗ２の方が小さくなるように構成しているため、限流性能が求められる大電流遮断時の開極初期においては、アークが、絶縁物８の巾Ｗ１の部位と可動接点２と固定接点６とによって囲まれる狭い空間内に閉込められ、巾Ｗ２の切欠き部３３に移行することはない。従って、絶縁物８から発生する水素含有ガスと高圧雰囲気とによる冷却作用で、急激にアーク電圧が立上り、非常に高い限流性能を実現できる。また、限流遮断動作後半に電流が減衰してアーク径が小さくなると、アークは巾Ｗ２の切欠き部３３に移行できるようになり、消弧板を有効利用して電流遮断が完了する。
【００４０】
なお、本実施の形態では、このアークの移行をより確実に行うために、アークが移動していく方向にある絶縁物８に通気路３４を設けている。
【００４１】
実施の形態３．
図９〜図１１は、本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器を説明するための図である。より具体的には、図９は回路遮断器の要部の構成を説明するための斜視図であり、内部構成が分かるように手前側の筐体を省略し、且つ、一部断面を取っている。図１０は回路遮断器の全体構成を説明するための分解斜視図、図１１は固定接触子５と絶縁物８を分解した斜視図である。図９〜図１１において、図１〜図３と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。
【００４２】
図９〜図１１において、２１aは限流機構を収納するユニットケースの一部であり、省略した手前側の部分２１ｂ（図示せず）とともにユニットケース２１を構成する。このユニットケース２１内部には、可動接点２を有する可動接触子１と、固定接点６を有する固定接触子５と、閉成状態の接点２、６対近傍に配置され、接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物８と、消弧側板１６に保持された複数の消弧板１２と、可動接触子１を端子部１３ｂと電気的に接続する摺動接触子１９と、接触子１、５対に接圧を発生させるバネ２９と、可動接触子１にユニットケース２１外部にある機構部２３の動きを伝えるロータ２０とが収納され、消弧ユニット２２を構成している。
さらに、図１０に示すように、複数の消弧ユニット２２をクロスバー２５により連結し、このクロスバー２５を介して接点を開閉させる機構部２３、異常電流を検出し機構部２３を動作させるリレー部１８、および機構部２３を手動で動作させるハンドル２８を付加し、これらをベース２６およびカバー２７からなる筐体に収納すれば、多極回路遮断器が構成される。端子部１３ｂは、消弧ユニット２２に設けられて消弧ユニット２２とリレー部１８とを電気的に接続しており、端子部１３ｃは、リレー部１８に設けられて多極回路遮断器と外部回路とを接続している。
【００４３】
上記消弧ユニット２２内の限流機構の基本構成は、接点２、６対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されていることを除けば、例えば特許第２９１８７５２号公報に開示されたものと基本的に同じである。
略Ｊ字状の固定導体７とこのＪ字状固定導体７に囲まれる空間側に配置された固定接点６にて固定接触子５が構成されおり、閉成状態の接点２、６対は、上記Ｊ字状固定導体７に囲まれる空間内に位置する。また、固定接触子５の接点６を有する端部から閉成状態の可動接触子１より遠ざかる方向に伸びるアークランナ１５を備えている。また、この固定接触子５には、可動接触子１の開閉動作を妨げないようにスリット１１が設けられており、開成状態では可動接点２は、上記Ｊ字状固定導体７に囲まれる空間から複数の消弧板１２が配置された空間へと移動する。
【００４４】
また、水素を一構成元素とする合成樹脂または水酸化物を含有した絶縁物８は、可動接触子１の開閉動作を妨げないように可動接触子１開閉動作時の可動接点２の軌跡を含む平面の両側に配置された部位（短絡電流遮断動作初期のアークを左右から挟み込む部位）８ａと、端子部１３ａから水平方向に伸びる水平導体部７ｂの上面と、この水平導体部７ｂの反端子部１３ａ側で垂直方向に伸びる垂直導体部７ｃの回転軸４側の面とを覆う部位８ｂと、接点２、６間に発生したアークが伸張される側のスリット端部１１ａの前面を覆う部位８ｆと、固定接点６近傍の導体部を覆う部位８ｇにて一体に成形されており、接点２、６間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する。また、消弧板１２は、固定接触子５の接点６配置側の空間で開成状態の可動接触子１の接点２と対向する位置に配置されている。
【００４５】
次に動作について説明する。短絡遮断時には、主に、固定接触子５の電路７ａと可動接触子１との電磁反発力により開極して接点２、６間にアークが発生する。このアークの熱により絶縁物８より水素を含有したガスが発生してアーク電圧を上昇させる。この絶縁物８は、短絡電流遮断動作初期のアークを左右から挟み込む部位８ａのみならず、磁気駆動されるアークの駆動側に配置される部位（スリット端部１１ａの前面を覆う部位）８ｆを有しているので、図１３に示した従来の消弧装置より効率的に水素を含んだ絶縁物蒸発ガスを発生させることができる。また、事故電流瞬時値がピーク値を越えた限流遮断動作の後半においては、可動接点２が絶縁物８に囲まれる空間外の消弧板１２と対向する位置に移動するので、不要な筐体内圧の上昇を防止し、且つ、消弧板の高い消弧作用を利用できる利点がある。
特に、本実施の形態では、接点２、６対の少なくと一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されているので、上記実施の形態１および２で説明したのと同様に、不要な筐体内圧上昇を生じることなく限流性能を向上させることができる。
【００４６】
またさらに、本実施の形態では、限流機構と開閉機構とを別の筐体にて収納したので、限流動作時に限流機構で発生した水素を含有するガスがユニットケース２１外に逃げ難くアークに効果的に作用する。しかも、ガスが逃げ難くガス圧が高いので酸化カドミウムを含有した接点と水素含有ガスの発生源となる絶縁物８との組合せ効果が、より顕著に現れる。
【００４７】
実施の形態４．
図１２は本発明の実施の形態４による配線用回路遮断器の一部を破断して内部を示す側面図である。図において、１ａは可動接触子、２ａは可動接点、５ａは固定接触子、６ａは固定接点、３０は隔壁、３１は標準回路遮断器、３２は限流機構を有する限流ユニットである。
【００４８】
限流ユニット３２を一方の端子部１３ｂにて標準回路遮断器３１に接続することにより、限流性能に優れた配線用回路遮断器を実現している。この限流ユニット３２の各極内部には、直列接続された２つの接触子１ａ、５ａ、１ｂ、５ｂ（１ｂ、５ｂは図示せず）対が、隔壁３０を隔てて略面対称に設けられている。これらの接触子１ａ、５ａ、１ｂ、５ｂの内、各接触子対の少なくとも一方の接触子の接点は、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されている。これらの接触子対は配線用遮断器の長手方向に対して縦置き配置されており、接点間に発生したアークは、接点対上方に対向して設けられている複数の消弧板１２により消弧される。また、この消弧板１２は、接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物からなる消弧側板１６により保持されており、消弧側板１６は可動接触子の開閉動作を妨げないように接触子開閉動作時の可動接点の軌跡を含む平面の両側に（接点対を左右より挟み込むように）配置されている。
【００４９】
上記限流ユニット３２の基本構成は、接点対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されていることを除けば、例えば特公平８−８０４８号公報に開示されたものと基本的に同じである。
【００５０】
次に動作について説明する。短絡遮断時には、閉成状態の可動接触子１ａと対向して略平行且つ反対方向の電流が流れる電路７ａと可動接触子１ａとの電磁反発力により開極して接点２ａ、６ａ間にアークが発生する。このアークの熱により、消弧側板１６より多量の水素を含んだガスが発生し、それによりアーク電圧を高めて限流を行うことができる。
また、本実施の形態では、接点対の少なくと一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成されており、アークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物からなる消弧側板１６と、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された接点材とを組合せることより、上記実施の形態１〜３で説明したのと同様に、不要な限流ユニット３２内圧力の上昇を生じることなく限流性能を向上させることができる。
【００５１】
なお、上記各実施の形態では、一方の接触子は固定され、他方の接触子のみが開閉動作をする場合について説明したが、本発明は、両方の接触子が開閉動作をする場合にも適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第１の限流機構によれば、一端部に各々接点を有し、上記接点が接離可能に支持された接触子対と、閉成状態の上記接点対近傍で上記接触子の開閉動作を妨げないように上記接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の少なくとも両側に配置され、限流動作時に上記接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物とを備える限流機構において、上記接点対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成され、接触子対の少なくとも一方を略Ｌ字状とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、且つ、閉成状態の接点対を四方より筒状に取囲むように上記絶縁物を配置したので、開極直後のアークが、接点対を四方より筒状に取囲んだ絶縁物と可動接点と固定接点とによって囲まれる狭い空間内にあることからアークと絶縁物との相互作用が大きく、酸化カドミウムが混入された接点とアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物との組合せによる、上記アーク電圧の立上りを早める効果が顕著となり、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、限流動作時のアーク電圧の立上りを早めることができ、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する限流機構を提供することができる。
【００５３】
本発明の第２の限流機構によれば、限流動作時の電流瞬時値が３.６ｋＡ以上で、且つアーク外周部の圧力が５.９×１０５Ｎ／ｍ２以上であるので、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、限流動作時のアーク電圧の立上りを早めることができ、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する限流機構を提供することができる。
【００５４】
本発明の第３の限流機構によれば、接触子対には、閉成状態において対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路が設けられているので、自己電流による電磁反発力で限流動作を開始することができる。
【００５５】
本発明の第４の限流機構によれば、接触子対の一方を略Ｌ字状として可動接触子とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、他方を固定接触子とし、上記固定接触子の接点を有する端部から閉成状態の上記可動接触子より遠ざかる方向に伸びるアークランナと、上記固定接触子の接点配置側の空間で開成状態の上記可動接触子の接点と対向する位置に配置された消弧板とを備え、且つ、接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の両側に配置された絶縁物にて挟まれた空間を開成状態の上記可動接触子の接点から見たとき、上記固定接触子の接点近傍の空間巾よりも上記アークランナ近傍の空間巾の方が小さくなるように構成したので、高い限流性能と消弧板による高い消弧性能とを同時に得ることができる。
【００５６】
本発明に係る第１の回路遮断器は、上記第１ないし第４のいずれかの限流機構を備えたので、電流ピーク以降のアーク電圧を高めることなく、限流動作時のアーク電圧の立上りを早めることができ、筐体強度に制限を受けることなく、より高い限流性能を有する回路遮断器を提供することができる。
【００５７】
本発明に係る第２の回路遮断器は、限流機構と、上記限流機構の少なくとも一方の接触子を開閉動作させる開閉機構とを備え、上記限流機構と上記開閉機構とを別の筐体にて収納してなるので、限流動作時に上記絶縁物から発生する水素含有ガスが限流機構の外へ逃げ難くアークに効果的に作用する。しかも、ガスが逃げ難くガス圧が高いので、酸化カドミウムが混入された接点とアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物との組合せによる、上記アーク電圧の立上りを早める効果がより顕著となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の要部の構成を説明するための断面図である。
【図２】 図１の固定接触子と絶縁物を上方より見た平面図である。
【図３】 図１の固定接触子と絶縁物を分解した部分断面斜視図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係り、基礎的アーク特性を説明するための実験構成図である。
【図５】 本発明の実施の形態１に係り、基礎的アーク特性を説明するための実験に用いた電極近傍の部分断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態１に係り、基礎的アーク特性を説明するための電流および電圧波形の模式図である。
【図７】 本発明の実施の形態２による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の固定接触子および絶縁物を上方より見た平面図である。
【図８】 本発明の実施の形態２による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の固定接触子と絶縁物を分解した部分断面斜視図である。
【図９】 本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の要部の構成を説明するための部分断面斜視図である。
【図１０】 本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の全体構成を説明するための分解斜視図である。
【図１１】 本発明の実施の形態３による限流機構およびそれを備えた回路遮断器の固定接触子と絶縁物を分解した部分断面斜視図である。
【図１２】 本発明の実施の形態４による配線用遮断器の一部を破断して内部を示す側面図である。
【図１３】 従来の限流機構を説明する側面図である。
【符号の説明】
１，１ａ 可動接触子、 ２，２ａ 可動接点、 ３ 可動アーム、 ４ 回転軸、 ５，５ａ 固定接触子、 ６，６ａ 固定接点、 ７ 固定導体、 ７ａ 電路、 ８ 絶縁物、 １１ スリット、 １２ 消弧板、 １５ アークランナ、 １６ 消弧側板、 ２２ 消弧ユニット、 ２３ 機構部、 ２６ ベース、 ２７ カバー、 ２９ バネ、 ３１ 標準回路遮断器、 ３２ 限流ユニット、 ３３ 切欠き部、 ３４ 通気路、 １０１，１０２ 丸棒電極、 １０３ 電圧計、 １０４ 電流計、 １０５ 投入スイッチ、 １０６ 交流電源、 １０７ 筒状の絶縁物、 １０８ 圧力計。
Claims (6)
- 一端部に各々接点を有し、上記接点が接離可能に支持された接触子対と、閉成状態の上記接点対近傍で上記接触子の開閉動作を妨げないように上記接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の少なくとも両側に配置され、限流動作時に上記接点間に発生するアークの熱により水素を含んだガスを発生する絶縁物とを備える限流機構において、上記接点対の少なくとも一方が、銀または銅を主たる成分として酸化カドミウムが混入された材料にて構成され、接触子対の少なくとも一方を略Ｌ字状とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、且つ、閉成状態の接点対を四方より筒状に取囲むように上記絶縁物を配置したことを特徴とする限流機構。
- 限流動作時の電流瞬時値が３．６ｋＡ以上で、且つアーク外周部の圧力が５．９×１０５Ｎ／ｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載の限流機構。
- 接触子対には、閉成状態において対向して略並行且つ反対方向の電流が流れる電路が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の限流機構。
- 接触子対の一方を略Ｌ字状として可動接触子とし、上記略Ｌ字状の短い方の辺の先端部に接点を固着し、他方を固定接触子とし、上記固定接触子の接点を有する端部から閉成状態の上記可動接触子より遠ざかる方向に伸びるアークランナと、上記固定接触子の接点配置側の空間で開成状態の上記可動接触子の接点と対向する位置に配置された消弧板とを備え、且つ、接触子開閉動作時の接点の軌跡を含む平面の両側に配置された絶縁物にて挟まれた空間を開成状態の上記可動接触子の接点から見たとき、上記固定接触子の接点近傍の空間巾よりも上記アークランナ近傍の空間巾の方が小さくなるように構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の限流機構。
- 上記請求項１ないし４のいずれかに記載された限流機構を備えたことを特徴とする回路遮断器。
- 限流機構と、上記限流機構の少なくとも一方の接触子を開閉動作させる開閉機構とを備え、上記限流機構と上記開閉機構とを別の筐体にて収納してなることを特徴とする請求項５記載の回路遮断器。
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