JP5054052B2 - 開閉器 - Google Patents

Description

この発明は、電流を開閉する開閉器に関し、特に短絡電流あるいは過負荷電流等が流れたときに電流を遮断する開閉器に関するものである。

従来の開閉器において、第１および第２アークランナの消弧装置側端部近傍に夫々筐体外部へ連通する第１および第２排気路を配置している（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の開閉器において、消弧室の出口に、放電ガスを排出口側に導き出すリブが傾斜部に沿うように斜めに設けられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−３４６６３５号公報（段落番号[００１４]、図１等） 特開２００２−３５２６９２号公報（段落番号[０００７]、図１等）

上記特許文献１のような従来の開閉器は、消弧装置内のガスの排気効率を上げるために第１および第２排気路を設けている。しかしながら、第１および第２排気路は筐体側に配置されており、消弧装置出口側まで設けられていないため、消弧装置から排出されるガスは消弧装置出口部で一旦共通の空間に排出され、その後各排気路に分かれて流れる。
ここで、アークの発生位置から流出するガスの大部分は、アークを消弧装置まで誘導するアークランナの形状の影響により、消弧装置の下部側に多量に流れる。すなわち、消弧装置下方ほど流量が多いためガス圧が高く、上方ほど流量が少ない。
従って、特許文献１のような開閉器の場合、ガス圧の高い消弧装置の下方から排出される多量のガスは、下部側に配置された第２排気路に流れるとともに、消弧装置出口部分の共通空間を介して上部側に配置された第１排気路にも流れ、消弧装置上部側のガスの排出効率が低下するという問題があった。
また、消弧装置から排出されるガスにより第１、第２排気路内のガス流量が多くなると、この部分での動圧が高くなり、一部のガスがガス流量の少ない消弧装置上部側に逆流するという問題があった。
また、消弧装置上部側のガスの排出効率の低下や逆流により、消弧装置内の上側と下側でのガス流量の差が顕著になると、アーク上部に働く圧力勾配に起因する駆動力がアーク下部に働く圧力勾配に起因する駆動力に比べ小さくなり、下方に位置する第２アークランナのアークスポットが上方に位置する第１アークランナのアークスポットに先行して走行する。このようにアークの駆動力が不均衡になることにより消弧装置に流入するアークが斜めになる。従って、アークの分断、消弧に一部の消弧板しか使用されず、効率的にアークを消弧できないという問題があった。
また、これにより消弧装置まで誘導されたアークが接触子間に戻りやすく、限流性能の低下や遮断不能が生じるという問題があった。

また、上記特許文献２のような従来の開閉器は、消弧装置内のガスの排気効率を上げるためにリブが設けられている。しかしながら、リブの下流側は一つの排気路であり、消弧装置下部側から排出される多量のガスにより、消弧装置上部側のガスの排出効率が低下するという問題があった。また、ガスがリブを通過した時点で高温で導電率の高いガスが混合し短絡してしまうという問題があった。また、リブで仕切られた上側および下側の各領域内でも逆流が生じてしまうという問題があった。
また、消弧装置上部側のガスの排出効率の低下や逆流により、消弧装置内の上側と下側でのガス流量の差が顕著になると、アークの駆動力が不均衡になり消弧装置に流入するアークが斜めになる。従って、アークの分断、消弧に一部の消弧板しか使用されず、効率的にアークを消弧できないという問題があった。また、これにより消弧装置まで誘導されたアークが接触子間に戻りやすく、限流性能の低下や遮断不能が生じるという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、消弧装置内の圧力の不均衡を防止した開閉器を得ることを目的とする。

この発明に係る開閉器は、筐体の内部に、固定接触子と、該固定接触子に対向して接離自在に配置された可動接触子と、可動接触子を駆動する開閉機構と、過電流に応動して開閉機構を動作させて可動接触子を開離させる過電流引き外し装置と、可動接触子の開離時に発生するアークを複数の消弧板にて分断して消弧する消弧装置と、アークを固定接触子と可動接触子とから成る接触子対から消弧装置まで誘導する一対の第１および第２アークランナと、アークにより発生するガス流を消弧装置から筐体外部へ排気する排気路とを備えている。排気路は、消弧装置出口部から筐体外部へ向かって伸びる仕切り部により、消弧装置内の第１アークランナ側のガス流を排出する第１排気路と、第２アークランナ側のガス流を排出する第２排気路とに仕切られている。そして、仕切り部は、消弧装置内の第１アークランナ近傍を流れるガス流量と、第２アークランナ近傍を流れるガス流量とが略等しくなる位置に設けられている。

この発明の開閉器によれば、排気路が、消弧装置出口部から筐体外部へ向かって伸びる仕切り部により、消弧装置内の第１アークランナ側のガス流を排出する第１排気路と、第２アークランナ側のガス流を排出する第２排気路とに仕切られ、仕切り部は、消弧装置内の第１アークランナ近傍を流れるガス流量と、第２アークランナ近傍を流れるガス流量とが略等しくなる位置に設けられているため、消弧装置内の第１アークランナ側のガスと第２アークランナ側のガスが混じることなく別々に筐体外部まで排出される。このため、消弧装置内の圧力の不均衡を防止することができる。

この発明の実施の形態１における開閉器を示す断面図である。 開閉器の仕切り部の位置と流量比の解析結果を示す図である。 この発明の実施の形態２における開閉器を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における開閉器を示す断面図である。 この発明の実施の形態４における開閉器を示す断面図である。 図５のＡ−Ａ断面を示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における開閉器１を示す断面図である。
筐体２は、開閉器１の外郭を形成し絶縁部材からなる。筐体２の内部には、固定接触子３、固定接触子３に対向して接離自在に配置される可動接触子４、可動接触子４を駆動する開閉機構５が配置されている。固定接触子３には固定接点３Ａ、可動接触子４には可動接点４Ａがそれぞれ対向するように設けられている。なお、固定接点３Ａおよび可動接点４Ａは、固定接触子３および可動接触子４を構成する導電部材にて代用されてもよい。

過電流引き外し装置６は、過電流に応動して開閉機構５を動作させる。これにより可動接触子４が駆動され、可動接触子４の可動接点４Ａと固定接触子３の固定接点３Ａとが開離される。消弧装置７は、可動接触子４の開離時に発生するアークＡを分断して消弧する複数の消弧板７０を備えている。各消弧板７０は第１アークランナ９Ａ側から第２アークランナ９Ｂ側へ所定間隔で配置されている。
一対の第１および第２アークランナ９Ａ、９Ｂは、固定接触子３と可動接触子４とから成る接触子対近傍から消弧装置７に向かって伸びる。本実施の形態１では第１アークランナ９Ａは固定接触子３近傍から消弧装置７の上方に、第２アークランナ９Ｂは可動接触子４近傍から消弧装置７の下方に向かって伸び、消弧板７０を上下方向から挟み込むように配置されている。この一対の第１および第２アークランナ９Ａ、９Ｂにより、可動接触子４の開離にともなって可動接点４Ａと固定接点３Ａ間に発生するアークＡ１を消弧装置７まで誘導する。アークＡ１は誘導されてアークＡ２、アークＡ３へと順次進む。以下アークＡ１側を上流側（図中右側）とし、アークが進む方向を下流方向（図中左側）とする。
筐体２の下流側および上流側には端子１０Ａおよび１０Ｂが設けられている。下流側端子１０Ａは第１アークランナ９Ａ、固定接触子３と電気的に接続され、上流側端子１０Ｂは第２アークランナ９Ｂ、および可とう導体１０Ｃを介して可動接触子４と電気的に接続されている。
なお、固定接触子３および可動接触子４の位置関係は必ずしも図１のようなものに限られない。例えば図１の固定接触子３の位置に可動接触子４が配置され、可動接触子４の位置に固定接触子３配置されるような構成であってもよい。この場合、第１アークランナ９Ａと可動接触子４が電気的に接続され、第２アークランナ９Ｂと固定接触子３が電気的に接続される。このように接続しても、本実施の形態１のように、第１アークランナ９Ａと固定接触子３、第２アークランナ９Ｂと可動接触子４とが接続される場合と同様の効果が得られる。

開閉機構５と過電流引き外し装置６は第１室１００に収納され、固定接点３Ａと可動接点４Ａと第１および第２アークランナ９Ａ、９Ｂと消弧装置７は第２室２００に収納される。隔離部材としての隔壁１１は第一室１００と第２室２００間に配置されている。隔壁１１および第１アークランナ９Ａにより第一室１００と第２室２００とは区切られ、開閉機構５および過電流引き外し装置６は、消弧装置７まで誘導されたアークＡ３により発生するガス流から隔離される。アークに伴い発生するガスは溶融物を含んだ高温のガスであり、開閉機構５および過電流引き外し装置６がガス流から隔離されることにより、開閉機構５および過電流引き外し装置６の信頼性を向上することができる。

消弧装置７の下流側端部の消弧装置出口部７１には、スリット７２が設けられ、スリット７２は複数の消弧板７０間を流れるガス流を整流して消弧装置７外部へ排出する。
第１アークランナ９Ａと第１アークランナ９Ａに対向して配置される消弧板７０（図中最上部に配置される消弧板７０）は消弧装置上部流路７３を形成し、最上部消弧板７０上を通るガスは、この消弧装置上部流路７３を通って消弧装置出口部７１から消弧装置７外部に排出される。なお、消弧装置上部流路７３を流れるガス流は、第１アークランナ９Ａの下流側に配設された隔壁１１により、第一室１００へ流れることはない。
第２アークランナ９Ｂと第２アークランナ９Ｂに対向して配置される消弧板７０（図中最下部に配置される消弧板７０）は消弧装置下部流路７４を形成し、最下部消弧板７０の下を通るガスは、この消弧装置下部流路７４を通って消弧装置出口部７１から消弧装置７外部に排出される。

消弧装置７の下流側には消弧装置７から排出されるガス流を筐体２外部へ排気する排気路１２が配置されている。排気路１２は消弧装置７の消弧装置出口部７１から筐体２外部へ向かって伸びる仕切り部１３により仕切られ、消弧装置７内の第１アークランナ９Ａ側（以下、上部側とする）のガス流を排出する第１排気路１２Ａと、第２アークランナ９Ｂ側（以下、下部側とする）のガス流を排出する第２排気路１２Ｂとを形成している。仕切り部１３は筐体２外部まで設けられ、第１排気路１２Ａおよび第２排気路１２Ｂはそれぞれ筐体２外部へのガス排気口である第１排出口１４Ａおよび第２排出口１４Ｂを備える。
第１排気路１２Ａの第１排気口１４Ａは筐体２の下流側の側面（図中左面）に設けられ、第２排気路１２Ｂの第２排気口１４Ｂは筐体２の下部側の側面（図中下面）に設けられる。

次に開閉器１の動作について説明する。
開閉器１で短絡電流や過電流を遮断する場合、過電流引き外し装置６が短絡電流や過電流に応動して開閉機構５を動作させる。これにより可動接点４Ａが固定接点３Ａから離れ開極し、アークＡ１が発生する。アークＡ１は、空気の圧力勾配による力や電磁力により駆動され、第１および第２アークランナ９Ａ、９Ｂに沿ってアークＡ２、アークＡ３へと順次進む。アークＡ３は、消弧装置内の上部側から下部側へ所定間隔で配置される消弧板７０に対して略垂直に進入し、消弧板７０に分断され消弧される。
アーク発生に伴って生じる高温ガスは、消弧装置７の消弧装置上部流路７３、消弧板７０間、消弧装置下部流路７４を通って下流側へ流れる。そして、仕切り部１３を境に、上記消弧装置７内の上部側を流れるガスは第１排気路１２Ａへ、下部側を流れるガスは第２排気路１２Ｂへ流れ、それぞれ第１排気口１４Ａ、第２排気口１４Ｂから筐体２外部に排出される。図中の矢印は高温ガスの流れを示す。なお、本実施の形態１では第１および第２排気路１２Ａ、１２Ｂは筐体２の外部まで完全に別々の排気路として形成されているが、例えば筐体２外部の出口付近で一体となるような構成でもよい。

ここで、アークＡ１により生じるガスは、第２アークランナ９Ｂの形状に沿って流れるため、大部分が消弧装置下部流路７４へと流れていく。このため、消弧装置７内下部側の流量が多くなり、下部側のガス圧が上部側のガス圧より高くなる。従って、仕切り部１３がない場合には、消弧装置７の下部側から排出される多量のガスが流量の少ない消弧装置７の上部側に逆流する等により、消弧装置７内の各流路を通過するガスの量が不均一になることが考えられる。また、仕切り部１３の配置位置が適切でない場合には、仕切られた領域内で逆流が生じることも考えられる。このようなガス量の不均一や逆流を防止するため、本実施の形態１では仕切り部１３の位置を調整し、消弧装置内の第１アークランナ近傍を流れるガス流量と、第２アークランナ近傍を流れるガス流量とが略等しくなるようにしている。

図２は仕切り部１３の位置と、消弧装置上部流路７３の流量Ｑ１および消弧装置下部流路７４の流量Ｑ２の流量比との依存性を解析した結果を示す図である。
横軸は仕切り部１３の消弧装置７側端部の配設位置、すなわち仕切り部１３と消弧装置出口部７１との接合部の位置を示す。仕切り部１３が、消弧装置出口部７１上の消弧装置下部流路７４のすぐ上に設けられる場合を基準として０とし、消弧装置上部流路７３のすぐ下に設けられる場合を１としており、この間の距離を１として各位置による流量を計測した。縦軸は流量比でありＱ１／Ｑ２である。
図に示すように、仕切り部１３の消弧装置７側端部を、消弧装置出口部７１上であって基準０からの距離が０．５５〜０．９５となる位置に設けた場合、消弧装置上部流路７３にも、消弧装置下部流路７４の半分以上の流量を確保することができ、仕切り部１３で仕切られた各領域内でも逆流が生じないことがわかった。

以上のように、本実施の形態１の開閉器によれば、排気路が、消弧装置出口部から筐体外部へ向かって伸びる仕切り部により、消弧装置内の上部側のガス流を排出する第１排気路と、下部側のガス流を排出する第２排気路とに仕切られているため、消弧装置内の上部側のガスと下部側のガスが混じることなく別々に筐体外部まで排出される。このため、消弧装置内の下部側を通過したガスが第１排気路へ流れることはなく、また消弧装置上部側に逆流することもない。従って、消弧装置上部を通過するガスの流れを妨げることがなく、消弧装置上部側のガスの排出効率の低下を防止することができる。
また、これにより、消弧装置上部側と下部側でのガス流量の不均一を抑制できるため、第１および第２アークランナの位置でのアークの駆動力の不均衡が抑制され、消弧装置内に誘導されるアークが消弧板に対して略垂直となる。これにより、アークは全ての消弧板にて分断、冷却され、効率よくアークを消弧することができ、高い遮断性能を有する開閉器を得ることができる。また、効率よくアークを消弧できるため、開閉器を小型化することができるとともに、過電流等を早く遮断できるためエネルギー消費量を削減することができる。また、消弧板全体でアークを効率よく消弧するため、消弧板の消耗が少なく、複数回の遮断動作における信頼性も高い。従って開閉器の耐久性を向上できる。

なお、第１排気路および第２排気路を流れるガスの温度は高温であり、５０００Ｋを超えることもある。このような高温のガスにより排気口付近の空気の導電率は高くなり、第１の排気口と第２の排気口の間でガスの短絡が生じやすい。そこで、本実施の形態１のように仕切り部を筐体外部まで設け、第１排気路の第１排気口と第２排気路の第２排気口を筐体の異なる側面に設ける構成とすれば、各排気路を流れるガス流の筐体外部への排気方向が互いに発散する方向となるため、排気口周辺でガスが短絡することを防止することができる。なお、本実施の形態１では各排気口を異なる側面に設けることで、ガスの排気方向が互いに発散する方向となるようにしたが、必ずしもこれに限られず、各排気路の配設角度等を変えること等によって、ガスの排気方向を互いに発散する方向としてもよい。

実施の形態２．
本実施の形態２では、上記実施の形態１と第１および第２の排気路の形状が異なるタイプの開閉器について説明する。なお、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付して説明を省略する。
図３はこの発明の実施の形態２における開閉器１Ｂを示す断面図である。
本実施の形態２の開閉器１Ｂは、排気路１２内に上記実施の形態１とは異なる形状の仕切り部１３Ａを備えている。この仕切り部１３Ａにより形成される第１排気路１２０Ａは、消弧装置７の上部側と略等しい高さで筐体２外部まで伸びるような形状である。
これにより、第１排気路１２０Ａの流路抵抗を低減することができ、消弧装置７の上部側から排出されるガスは容易に第１排気路１２０Ａを通過することができるため、ガスの排出効率を上げることができる。従って、アークの駆動力の不均衡をより抑制し、アークの分断、冷却を促進し、より効率よくアークを消弧することができる。

また、第１および第２排気路１２０Ａ、１２０Ｂの第１排気口および第２排気口１４０Ａ、１４０Ｂは、いずれも筐体２の下流側側面に設けられているが、第１排気口１４０Ａは上部側に、第２排気口１４０Ｂは下部側に設けられている。これにより、両排気口１４０Ａ、１４０Ｂ間の距離を十分離すことができる。このように、第１および第２排気口１４０Ａ、１４０Ｂ間の距離を大きくするような構成とすれば、排気口周辺でガスが短絡することを防止することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、上記実施の形態１や２と、第１および第２の排気路の形状が異なるタイプの開閉器について説明する。なお、実施の形態１、２と同様の部分については同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態３の開閉器１Ｃは、排気路１２内に上記実施の形態１、２とは異なる形状の仕切り部１３Ｂを備えている。仕切り部１３Ｂの断面は消弧装置出口部７１から筐体２外部まで、斜め下方向に直線的に伸びるような形状である。そして、第１排気路１２１Ａは、その流路の下面を仕切り部１３Ｂにより、上面を斜め下方向に伸びる平面により形成され、第１排気路１２１Ａ全体が消弧装置７の上部側から筐体２の下流側面に向けて斜め下方向に延びるような形状である。このような形状の第１排気路１２１Ａの流路は、折れ曲がりのない滑らかな平面により形成された略直線状の流路であり、流路内で折れ曲がる部分がないため、ガス流が曲折せず、圧力損失が低減される。従って、消弧装置７内の上部側のガスの排出効率を向上することができる。
また、第２排気路１２１Ｂは、上面を仕切り部１３Ｂにより下面を筐体２により形成されている。このように第２排気路１２１Ｂの流路についても、折れ曲がる部分がない流路とすれば、消弧装置７内の下部側のガスの排出効率も向上することができる。このため、仕切り部１３Ｂの位置を調整することにより消弧装置７内の上部側および下部側のガス流量を略均等に保ちつつ全体のガス排出効率を向上することができる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、上記実施の形態１の開閉器の構成に加えて、消弧装置内に細隙材を配設している。なお、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付して説明を省略する。
図５はこの発明の実施の形態４における開閉器１Ｄを示す断面図である。また図６は図５のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
図５、６に示すように、本実施の形態４は、消弧装置７内の上部側の所定の位置に細隙材１５を配設している。細隙材１５の配設位置は消弧装置７の上部側近傍であればどこでもよいが、本実施の形態４では、細隙材１５は消弧装置７内の上部側に配置される消弧板７０を両側部（図５中紙面手前側と奥側）から挟むように配設されている。細隙材１５は例えばＰＯＭ（ポリアセタール）やＰＡ（ポリアミド）などの樹脂からなり、この細隙材１５にアークＡの熱エネルギーおよび光エネルギーが照射されると、この細隙材１５の表面からガスが発生する。このガスはアークにより発生した消弧装置７の上部側のガスとともに、第１排気路を介して筐体２外部へ排出される。

このように、細隙材１５から発生するガスにより、消弧装置７の上部側のガスの量を増加させることができ上部側のガス圧を高めることができるため、消弧装置７の上部側と下部側でのガス流量の不均一を抑制することができる。これにより、第１および第２アークランナ９Ａ、９Ｂの位置でのアークの駆動力の不均衡が抑制され、消弧装置７内に誘導されるアークＡ３が消弧板７０と略垂直となる。従って、アークの分断、冷却を促進し、効率よくアークを消弧することができる。なお、細隙材１５の材料はアークの熱エネルギーや光エネルギーの照射によりガスが発生するものであればどのようなものであってもよい。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 開閉器、２ 筐体、３ 固定接触子、４ 可動接触子、
５ 開閉機構、６ 過電流引き外し装置、７ 消弧装置、９Ａ 第１アークランナ、
９Ｂ 第２アークランナ、１１ 隔離部材、１２ 排気路、
１２Ａ，１２０Ａ，１２１Ａ 第１排気路、１２Ｂ，１２０Ｂ，１２１Ｂ 第２排気路、
１３，１３Ａ，１３Ｂ 仕切り部、１４Ａ，１４０Ａ 第１排気口、
１４Ｂ，１４０Ｂ 第２排気口、１５ 細隙材、７０ 消弧板、７１ 消弧装置出口部、
７３ 消弧装置上部流路、７４ 消弧装置下部流路。

Claims (6)

1. 筐体の内部に、固定接触子と、該固定接触子に対向して接離自在に配置された可動接触子と、上記可動接触子を駆動する開閉機構と、過電流に応動して上記開閉機構を動作させて上記可動接触子を開離させる過電流引き外し装置と、上記可動接触子の開離時に発生するアークを複数の消弧板にて分断して消弧する消弧装置と、上記アークを上記固定接触子と可動接触子とから成る接触子対から上記消弧装置まで誘導する一対の第１および第２アークランナと、上記アークにより発生するガス流を上記消弧装置から上記筐体外部へ排気する排気路とを備え、
   上記排気路は、上記消弧装置出口部から上記筐体外部へ向かって延びる仕切り部により、上記消弧装置内の上記第１アークランナ側のガス流を排出する第１排気路と、上記第２アークランナ側のガス流を排出する第２排気路とに仕切られ、
   上記仕切り部は、上記消弧装置内の上記第１アークランナ近傍を流れるガス流量と、上記第２アークランナ近傍を流れるガス流量とが略等しくなる位置に設けられることを特徴とする開閉器。
2. 上記消弧装置出口部上であって、上記第２アークランナと該第２アークランナに対向して配置される消弧板とにより形成される消弧装置下部流路の直上となる位置を基準として０とし、上記第１アークランナと該第１アークランナに対向して配置される消弧板とにより形成される消弧装置上部流路の直下までの距離を１とした場合、上記仕切り部の消弧装置側端部は、上記消弧装置出口部上であって上記基準位置からの距離が０．５５から０．９５の位置に配設されることを特徴とする請求項１に記載の開閉器。
3. 上記仕切り部は上記筐体外部まで設けられ、上記第１排気路および上記第２排気路を流れるガス流の上記筐体外部への排気方向が互いに発散する方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の開閉器。
4. 上記消弧装置内の上記第１アークランナ側近傍に細隙材を配置したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の開閉器。
5. 上記第１排気路の流路は折れ曲がりのない滑らかな面により形成された流路であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の開閉器。
6. 上記筐体内には、上記過電流引き外し装置および開閉機構を上記消弧装置に誘導されたアークによるガス流から隔離する隔離部材を配置したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の開閉器。

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