JP6167450B2

JP6167450B2 - 回路遮断器

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Publication number: JP6167450B2
Application number: JP2013067103A
Authority: JP
Inventors: 智士鈴木; 光武　義雄; 義雄光武; 岡田　健治; 健治岡田; 卓也香川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: WO2014155443A1; JP2014192026A

Description

本発明は、回路遮断器に関する。

従来から、ハンドル操作に応じて接点を開閉させるリンク機構と、電路に流れる異常電流を検知するとリンク機構を駆動して接点を強制開極させるトリップ機構とを備えた回路遮断器が知られており、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に記載の回路遮断器は、接点の開極時に発生するアークを速やかに消弧するための消弧装置を備える。

消弧装置は、アーク走行板と消弧グリッドとで構成される。アーク走行板は、帯板状の金属板により形成され、発生したアークを消弧グリッドへと誘導する。消弧グリッドは、複数の消弧板を厚み方向に沿って一定の間隔を空けて平行配置して構成される。消弧グリッドは、誘導されたアークを分断する。この消弧装置により、可動接点が固定接点から離れてアークが生じた場合に、アークを引き伸ばして消弧する。

特開２００９−２１２０６３号公報

ところで、上記従来例のような回路遮断器では、消弧グリッドに誘導されたアークは、各消弧板の間にそれぞれ形成される複数の流路を通過する。そして、通常では、各流路を抜けた先は、アークを逃がす消弧空間となる。

ここで、回路遮断器は、例えば端子部などの部品を収納しているため、部品を避ける形で消弧空間を形成するのが一般的である。そして、大型化を避けることを考慮すると、回路遮断器の寸法には制約があり、消弧空間のうち部品を避けるようにして形成された空間は、消弧空間のその他の空間よりも狭くなる。この狭い消弧空間には、広い消弧空間と比較して各流路を流れるアークが逃れ難い。したがって、狭い消弧空間と対向する流路の抵抗は、広い消弧空間と対向する流路の抵抗よりも大きくなる。

このため、従来例のような回路遮断器では、各流路にアークが不均一に流れ、消弧グリッドを通過したアークが逆流する等して、消弧し難いという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、アークの逆流を起こり難くすることのできる回路遮断器を提供することを目的とする。

本発明の回路遮断器は、接点間に生じるアークを消弧する消弧装置を備え、前記消弧装置は、アークを分断する複数の消弧板をその厚み方向に沿って並列に配置した消弧グリッドと、前記消弧グリッドを通過するアークを逃がす消弧空間とを有し、前記消弧グリッドは、前記消弧空間のうち最も広い空間から離れるにしたがって前記各消弧板の間隔が大きくなるように構成されることを特徴とする。

この回路遮断器において、固定接点を備え、前記消弧グリッドは、前記固定接点に近いほど前記各消弧板の間隔が大きくなるように構成されることが好ましい。

この回路遮断器において、前記消弧装置を収納する器体を備え、前記器体は、前記消弧空間と対向する位置にアークを外部に排気する排気孔を有し、前記消弧グリッドは、前記消弧空間のうち排気孔と対向する空間から離れるにしたがって前記各消弧板の間隔が大きくなるように構成されることが好ましい。

本発明では、消弧空間のうち最も広い空間から離れるにしたがって、アークの流れる流路の抵抗が小さくなる。したがって、本発明では、各流路をアークが均一に流れるので、アークの逆流を起こり難くすることができる。

本発明の実施形態に係る回路遮断器における消弧装置のモデルを示す図である。同上の回路遮断器の基本構成を示す図で、（ａ）は側面図で、（ｂ）は斜視図である。（ａ）〜（ｄ）は、同上の回路遮断器の外観を示す図である。従来の回路遮断器における消弧装置のモデルを示す図である。従来のモデルにおける消弧グリッドを示す図で、（ａ）は平面図で、（ｂ）は斜視図である。本実施形態のモデルにおける消弧グリッドを示す図で、（ａ）は平面図で、（ｂ）は斜視図である。熱流体解析のシミュレーションの結果を示す図で、（ａ）は本実施形態のモデルでの結果を示す図で、（ｂ）は従来のモデルでの結果を示す図である。同上のシミュレーションにおいて各モデルを比較した結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る回路遮断器について説明するにあたって、回路遮断器の基本構成について図面を用いて説明する。回路遮断器は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、器体１と、第１端子部２と、第２端子部３と、接点部４と、リンク機構５と、トリップ機構６と、消弧装置７とを備える。なお、図２（ａ），（ｂ）では、後述するカバー１１を外した状態を示している。また、図２（ａ），（ｂ）は、接点部４が開極している状態を示す。

器体１は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、ボディ１０及びカバー１１を互いに突き合わせて結合することで構成される。ボディ１０及びカバー１１は、それぞれ、絶縁性を有する合成樹脂により、幅方向（図３（ｂ）における左右方向）の一面が開口した箱状に形成されている。器体１の内部には、各端子部２，３と、接点部４と、リンク機構５と、トリップ機構６と、消弧装置７とが収納される。

第１端子部２は、器体１の図２（ａ）における左端に設けられ、負荷（図示せず）と接続するための電線（図示せず）が接続される。第２端子部３は、器体１の図２（ａ）における右端に設けられ、外部電源（図示せず）と接続するための電線（図示せず）が接続される。各端子部２，３は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、それぞれ端子金具２０，３０と、端子ねじ２１，３１とを備える。各端子金具２０，３０は、導電性を有する金属板を用いて左右方向を軸方向とする角筒状に形成された、所謂ピラー端子である。これら端子金具２０，３０に電線の一端を挿入し、端子ねじ２１，３１を締め付けることで、電線を各端子部２，３に接続することができる。

接点部４は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、固定接点４０と、固定接点４０と接離する可動接点４１とを備える。固定接点４０は、固定接点板４２に固着されている。固定接点板４２は、例えば銅などの低抵抗の材料から形成され、ボディ１０及びカバー１１を結合する際に用いられる組立ねじ１２の１つを覆うように断面視で湾曲している（図２（ａ）参照）。可動接点４１は、金属板に抜き加工及び曲げ加工を施して形成されたアーム４３の一端に設けられている。アーム４３は、その他端側に設けられた軸４３Ａを支点として、可動接点４１が固定接点４０と接触する位置と、固定接点４０から離れる位置との間で回転自在となっている。アーム４３の中間部には、第１編組線４４の一端が固着されている。この第１編組線４４の他端は、後述するバイメタル板６１０の中間部に固着されている。

リンク機構５は、開閉操作（オン／オフ操作）に応じて接点部４を開閉させるものである。なお、このようなリンク機構５の構成は周知ではあるが、以下、簡単に説明する。リンク機構５は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ハンドル５０と、複数のリンク部材５１とを備える。ハンドル５０は、ボディ２の前壁に設けた窓孔２Ａから操作摘み５０Ａを外部に突出させた状態で、ボディ２に回転自在に支持される。各リンク部材５１は、ハンドル５０とアーム４３とを連結し、ハンドル５０の回転動作に伴ってアーム４３を連動させる。ハンドル５０は、接点部４を閉極させるオン位置と、接点部４を開極させるオフ位置との間で回転自在となっている。

トリップ機構６は、異常電流（短絡電流及び過負荷電流）を検知すると、リンク機構５を駆動して接点部４を強制的に開極させる（すなわち、トリップさせる）ものである。なお、このようなトリップ機構６の構成は周知ではあるが、以下、簡単に説明する。トリップ機構６は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、電磁式引き外し装置６０と、熱動式引き外し装置６１とで構成される。

電磁式引き外し装置６０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、コイル６０Ａと、固定鉄心（図示せず）及び可動鉄心（図示せず）と、復帰ばね（図示せず）と、ピン６０Ｂと、ヨーク６０Ｃとで構成される。コイル６０Ａは、絶縁性を有する合成樹脂により円筒状に形成されたコイルボビン６０Ｄの外周面に、平角銅線を巻き回して構成される。コイル６０Ａの一端は、第１端子部２の端子金具２０と接続されており、他端は固定接点板４２に接続されている。固定鉄心は、磁性材料から成り、コイルボビン６０Ｄの内部に収納される。可動鉄心は、磁性材料から成り、コイルボビン６０Ｄ内において固定鉄心と接触する位置と、固定鉄心から離れる位置との間でスライド自在に配置される。復帰ばねは、例えばコイルばねから成り、コイルボビン６０Ｄ内において可動鉄心と固定鉄心との間に収納される。復帰ばねは、可動鉄心が固定鉄心に接触する向きに移動すると撓み、可動鉄心を固定鉄心から離れる向きに移動させる弾性力を発生する。ピン６０Ｂは、可動鉄心に結合しており、その先端がコイルボビン６０Ｄの外側に突出する。そして、ピン６０Ｂは、可動鉄心が固定鉄心に吸引されると、その先端がリンク部材５１の一部と協働するように構成されている。ヨーク６０Ｃは、磁性材料から成り、図２（ａ）に示すようにコイルボビン６０Ｄの周囲を覆うように断面視で湾曲して形成されている。

熱動式引き外し装置６１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、バイメタル板６１０から構成される。バイメタル板６１０としては、自己発熱によって湾曲する形式の直熱型や、ヒータによる加熱で湾曲する傍熱型のものを用いることができる。バイメタル板６１０の一端は、バイメタル板６１０が湾曲するとリンク部材５１の一部と協働するように構成されている。バイメタル板６１０の他端には、第２編組線４５の一端が固着されている。この第２編組線４５の他端は、第２端子部３の端子金具３０に接続されている。

消弧装置７は、接点部４の開極時に発生するアークを速やかに消弧するためのものである。消弧装置７は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、アーク走行板７０と、消弧グリッド７１と、消弧空間Ｂ１とで構成される。アーク走行板７０は、帯板状の金属板を折り曲げることによって形成され、その図２（ａ）における右側の一端は、バイメタル板６１０の一端と結合されている。アーク走行板７０は、器体１内の図２（ａ）における下側の壁に沿って、器体１の図２（ａ）における左側へと延設されている。消弧グリッド７１は、複数枚（図示では１２枚）の消弧板７１０と、２枚（図示では１枚）の支持板７１１とを備える。各消弧板７１０は、導電材料により形成され、器体１の高さ方向（図２（ａ）における上下方向）に沿って間隔をおいて平行配置される。各支持板７１１は、絶縁材料により形成され、各消弧板７１０の幅方向（図２（ａ）における紙面と垂直な方向）における両面をそれぞれ覆う。

各消弧板７１０の間と、図２（ａ）における最も下側に位置する消弧板７１０とアーク走行板７０との間とは、図２（ａ）に示すように、それぞれアークが流れる流路Ａ１〜Ａ１３となっている。各流路Ａ１〜Ａ１２の図２（ａ）における右端は、それぞれアークが流入する流入口となっている。また、各流路Ａ１〜Ａ１２の図２（ａ）における左端は、それぞれ流路Ａ１〜Ａ１２を通過したアークを後述の消弧空間Ｂ１へと導く通気口となっている。

消弧グリッド７１の図２（ａ）における左側は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、各通気口から流出したアークを逃がす消弧空間Ｂ１となっている。本実施形態の消弧空間Ｂ１は、図２（ａ）に示すように、同図の上側の第１空間Ｂ１０の方が、同図の下側の第２空間Ｂ１１よりも狭くなっている。これは、第１空間Ｂ１０の同図における左側のスペースに、第１端子部２が配置されているからである。

以下、消弧装置７の動作について簡単に説明する。可動接点４１が固定接点４０から離れる際にアークが生じると、アークを介して固定接点板４２及びアーク走行板７０にアーク電流が流れ、この電流により磁場が発生する。この磁場により、アークにローレンツ力が働き、アークが伸長しながら図２（ａ）における左側へと誘導される。消弧グリッド７１は、この誘導されたアークを複数の消弧板７１０で分断する。これにより、高いアーク電圧が生じるため、短絡電流を抑制して消弧することができる。

以下、リンク機構５の動作について簡単に説明する。ハンドル５０をオン位置に回転させると、各リンク部材５１がハンドル５０と協働する。これにより、アーム４３が軸４３Ａを支点として時計回りに回転し、可動接点４１が固定接点４０に接触する（すなわち、接点部４が閉極する）。これにより、端子金具２０、コイル６０Ａ、固定接点板４２、固定接点４０、可動接点４１、アーム４３、第１編組線４４、バイメタル板６１０、第２編組線４５、端子金具３０の経路で電路が形成され、通電する。このとき、図示しない接圧ばねの弾性力により、可動接点４１は、固定接点４０に向かう向きに押圧される。これにより、可動接点４１の固定接点４０に対する接触圧が大きくなっている。

その後、ハンドル５０をオフ位置に回転させると、各リンク部材５１がハンドル５０と協働する。これにより、アーム４３が軸４３Ａを支点として反時計回りに回転し、可動接点４１が固定接点４０から離れる（すなわち、接点部４が開極する）。これにより、各端子部２，３間に形成された電路が開放され、通電が解除される。

次に、トリップ機構６の動作について簡単に説明する。先ず、電磁式引き外し装置６０の動作について説明する。コイル６０Ａに電流が流れていない状態（初期状態）では、復帰ばねの弾性力によって可動鉄心が固定鉄心から離間している。このため、可動鉄心に連結されたピン６０Ｂは、リンク部材５１の一部と協働しない位置まで後退している。

端子部２，３間に電流が流れて、コイル６０Ａが通電すると、固定鉄心、ヨーク６０Ｃ、可動鉄心を通過する磁路の磁気抵抗を小さくするように可動鉄心と固定鉄心との間で吸引力が作用する。そして、コイル６０Ａに流れる電流が短絡電流等の過大な電流である場合には、復帰ばねの弾性力に抗って可動鉄心が固定鉄心側へ移動することになる。このとき、可動鉄心に連結されたピン６０Ｂが図２（ａ）における右向きに突出し、その先端がリンク部材５１の一部と協働することで、リンク機構５によるトリップ動作が行われる。トリップ動作が行われて接点部４が強制的に開極されると、コイル６０Ａに流れる電流が減少して可動鉄心に作用する吸引力が低下する。そして、復帰ばねの弾性力によって可動鉄心が初期位置に移動し、ピン６０Ｂも初期位置まで後退する。

次に、熱動式引き外し装置６１の動作について説明する。バイメタル板６１０に電流が流れていない状態（初期状態）では、バイメタル板６１０は湾曲せず、バイメタル板６１０はリンク部材５１の一部と協働しない。一方、各端子部２，３間に過負荷電流のような過大な電流が流れると、この過大な電流によってバイメタル板６１０の温度が上昇し、バイメタル板６１０が湾曲する。これにより、バイメタル板６１０がリンク部材５１の一部と協働し、リンク機構５によるトリップ動作が行われる。トリップ動作が行われて接点部４が強制的に開極されると、バイメタル板６１０に流れる電流が減少する。すると、バイメタル板６１０の温度が低下し、その湾曲度合いが小さくなり、やがてバイメタル板６１０がリンク部材５１の一部と協働しない初期状態に戻る。

ここで、本実施形態の回路遮断器の特徴である消弧装置７について説明する。本実施形態の消弧装置７では、図１に示すように、消弧空間Ｂ１のうち最も広い空間（すなわち、第２空間Ｂ１１）から離れるにしたがって、各消弧板７１０の間隔が大きくなるように消弧グリッド７１を構成している。これにより、第２空間Ｂ１１に近い流路よりも、第２空間Ｂ１１から離れた流路の抵抗が小さくなる。その結果、アークが流れ難かった流路でもアークが流れ易くなるため、各流路でアークが均一に流れ易くなる。

以下、従来の回路遮断器における消弧装置７のモデル（図４，５参照）と、本実施形態の回路遮断器における消弧装置７のモデル（図１，６参照）とを作成し、各モデルにおいて熱流体解析のシミュレーションを実行した結果について説明する。各モデルは、何れも１３枚の消弧板７１０をその厚み方向（図１における上下方向）に沿って並列に配置することで、消弧グリッド７１を構成している。

なお、以下の説明では、各消弧板７１０の間のアークが通過する各流路を、図１における上から順に「流路Ａ１」〜「流路Ａ１３」と称する。また、以下の説明では、各流路Ａ１〜Ａ１３を通過したアークを消弧空間Ｂ１へと導く各通気口を、図１における上から順に「通気口Ｃ１」〜「通気口Ｃ１３」と称する。更に、以下の説明では、従来の回路遮断器における消弧装置７のモデルを「従来のモデル」と称し、本実施形態の回路遮断器における消弧装置７のモデルを「本実施形態のモデル」と称する。

従来のモデルでは、図５（ａ）に示すように、各消弧板７１０の厚みＴ１が０．８ｍｍとなるように設計する。本実施形態のモデルでも、従来のモデルと同様に、各消弧板７１０の厚みＴ１が０．８ｍｍとなるように設計する（図６（ａ）参照）。また、従来のモデルでは、図５（ａ）に示すように、各流路Ａ１〜Ａ１３の高さ（すなわち、隣り合う消弧板７１０の図５（ａ）における上下方向に沿った間隔）Ｇ０が、何れも１．１ｍｍとなるように設計する。

一方、本実施形態のモデルでは、図６（ａ）に示すように、各流路Ａ１〜Ａ１３の高さ（すなわち、隣り合う消弧板７１０の図６（ａ）における上下方向に沿った間隔）Ｇ１〜Ｇ１３を次のように設計する。すなわち、上から順に、２．１ｍｍ、１．６ｍｍ、１．４ｍｍ、１．３ｍｍ、１．２ｍｍ、１．１ｍｍ、０．９ｍｍ、０．９ｍｍ、０．８ｍｍ、０．７ｍｍ、０．７ｍｍ、０．７ｍｍとなるように設計する。したがって、本実施形態のモデルでは、各消弧板７１０の間隔が、第２空間Ｂ１１から離れるにしたがって大きくなっている。

また、各通気口Ｃ１〜Ｃ１３は、図５（ｂ），図６（ｂ）に示すように、何れのモデルにおいても断面積が１ｍｍ^２となるように設計する。なお、本実施形態のモデルでは、シミュレーションの結果を得やすくするために各通気口Ｃ１〜Ｃ１３の大きさを制限している。実際の消弧装置７では、各通気口Ｃ１〜Ｃ１３は消弧板７１０の幅方向（図６（ａ）における紙面に垂直な方向）に沿って開口している。

そして、各モデルにおいて、接点間に生じるアークを模擬した熱流体を消弧グリッド７１に流入させた場合に、消弧グリッド７１の各通気口Ｃ１〜Ｃ１３から流出する熱流体の質量流量をシミュレーションした。その結果、図７（ａ），（ｂ）に示すように、通気口Ｃ１での質量流量のピーク値と、通気口Ｃ１３での質量流量のピーク値との差分が、従来のモデルよりも本実施形態のモデルの方が小さくなった。

具体的には、図８に示すように、第２空間Ｂ１１と対向する通気口Ｃ１３での質量流量のピーク値は、従来のモデルでは約０．００００５ｋｇ／ｓであるのに対し、本実施形態のモデルでは約０．００００４５ｋｇ／ｓとなり、小さくなっている。一方、第２空間Ｂ１１から最も離れた通気口Ｃ１での質量流量のピーク値は、従来のモデルでは約０．００００１５ｋｇ／ｓであるのに対し、本実施形態のモデルでは約０．００００２ｋｇ／ｓとなり、大きくなっている。

ここで、通気口Ｃ１での質量流量のピーク値と、通気口Ｃ１３での質量流量のピーク値との差分を比較すると、本実施形態のモデルでは、従来のモデルに対して約２５％差分が低減している。すなわち、本実施形態のモデルでは、従来のモデルと比較して、各流路Ａ１〜Ａ１３をアークを模擬した熱流体が均一に流れることがシミュレーションの結果から判る。

上述のように、本実施形態の回路遮断器では、消弧空間のうち最も広い第２空間Ｂ１１から離れるにしたがって、アークの流れる流路Ａ１〜Ａ１３の抵抗が小さくなる。したがって、本実施形態の回路遮断器では、各流路Ａ１〜Ａ１３をアークが均一に流れるので、アークの逆流を起こり難くすることができる。その結果、本実施形態の回路遮断器では、接点間に生じたアークの遮断性能を向上させることができる。

ところで、本実施形態のような回路遮断器では、消弧装置７の各流入口の近傍に固定接点４０を配置している。そして、図２（ａ）に示すように、接点間で生じたアークを消弧装置７へ誘導する空間（同図における消弧装置７の右側の空間）において、固定接点４０と消弧装置７との間の空間は、それ以外の空間と比べて狭くなっている。したがって、消弧装置７の各流入口のうち固定接点４０と対向する流入口には、他の流入口と比較してアークが誘導され難く、各流路Ａ１〜Ａ１３をアークが不均一に流れる一因となる。

そこで、本実施形態の回路遮断器では、図１に示すように、固定接点４０に近いほど各消弧板７１０の間隔が大きくなるように消弧グリッド７１を構成している。これにより、固定接点４０に近い流路にもアークが流入し易くなるため、各流路でアークが均一に流れ易くなる。

また、本実施形態のような回路遮断器では、消弧空間Ｂ１に逃がしたアークを器体１の外部に排気するために、器体１の消弧空間Ｂ１と対向する位置に排気孔を設けるのが一般的である。この排気孔は、アークを効率良く排気するために、例えば消弧空間のうち最も広い空間である第２空間Ｂ１１と対向する位置に設けるのが望ましい。但し、排気孔を設けると、排気孔と対向する流路でアークが流れ易くなるため、各流路にアークが不均一に流れる虞がある。そこで、本実施形態の回路遮断器に排気孔を設ける構成では、消弧空間のうち排気孔と対向する空間（第２空間Ｂ１１）から離れるにしたがって各消弧板７１０の間隔が大きくなるように消弧グリッド７１０を構成するのが望ましい。この構成では、各流路をアークが均一に流れ易くなる。

７消弧装置
７１消弧グリッド
７１０消弧板
Ｂ１消弧空間

Claims

接点間に生じるアークを消弧する消弧装置を備え、
前記消弧装置は、アークを分断する複数の消弧板をその厚み方向に沿って並列に配置した消弧グリッドと、前記消弧グリッドを通過するアークを逃がす消弧空間とを有し、
前記消弧グリッドは、前記消弧空間のうち最も広い空間から離れるにしたがって前記各消弧板の間隔が大きくなるように構成されることを特徴とする回路遮断器。
固定接点を備え、
前記消弧グリッドは、前記固定接点に近いほど前記各消弧板の間隔が大きくなるように構成されることを特徴とする請求項１記載の回路遮断器。
前記消弧装置を収納する器体を備え、
前記器体は、前記消弧空間と対向する位置にアークを外部に排気する排気孔を有し、
前記消弧グリッドは、前記消弧空間のうち排気孔と対向する空間から離れるにしたがって前記各消弧板の間隔が大きくなるように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の回路遮断器。