JP6274617B2 - 狭窄されたアーク放電消滅特徴を有する回路遮断装置 - Google Patents

Description

ここで開示される本発明は、電圧低下と電気的なアークの消滅とを提供する少なくともひとつの狭窄領域を含む回路遮断装置に関する。

様々な回路遮断装置が、電気的な過負荷からの電気回路の保護を提供するよう考案されてきた。保護装置の一般的なタイプは、“回路遮断器”として知られる。概して、回路遮断器は、再設定可能な機械的な接点遮断システムを含む。

機械的な接点遮断システムを有するすべての回路遮断装置は、回路遮断の間に、あるレベルの“アーク放電（arcing）” （最小の回路電流および電圧よりも高い）を経験する。ここで議論される通り、また慣習通り、“アーク放電”は、ひとつのコンタクトから別のコンタクトへ空隙を介してジャンプする電気的信号として参照される。概して、電流および／もしくは電圧が大きくなればなるほど、アーク放電の可能性および規模は大きくなる。特に、大きな負荷を運ぶ（すなわち、比較的高い電流および／もしくは電圧を伝導するよう設計された）回路遮断器にとって、アーク放電は問題となり得る。従って、回路遮断器は、アーク放電の原因のために所望のものよりも典型的に大きくなる。過剰なサイズは、所望されるよりもより高価な回路遮断器となり、さらに、サイズが必要以上に大きい回路保護システムとなる。

それゆえ、必要とされるのは、回路遮断器のような機械的な接点遮断システムにおける回路のアーク放電を減少させるための方法および装置である。好ましくは、方法および装置は、遮断システムのサイズおよびコストの減少をもたらす。

ひとつの実施例では、回路遮断装置が提供される。装置は、ケース内に配置される、少なくともひとつのライン側の電気的コンタクトおよび少なくともひとつのそれぞれの負荷側の電気的コンタクトを含み、電源供給を電気負荷に電気的に接続するために、ライン側のコンタクトの各々はそれぞれの負荷側コンタクトに係合するよう構成され、前記係合は、電気的な接続を形成するようにアーク放電領域を介して移動するライン側の電気的コンタクトとそれぞれの負荷側の電気的コンタクトとの少なくともひとつを含み、前記アーク放電領域は、それぞれの電気的コンタクトの間のアーク放電を制限するのに適した少なくともひとつの狭窄領域を含む。

別の実施例では、回路遮断装置を組み立てる方法が提供される。方法は、電源供給を電気負荷に電気的に接続するためにそれぞれの負荷側のコンタクトと係合するよう構成される少なくともひとつのライン側のコンタクトを選択することと、少なくともひとつのライン側のコンタクトおよび少なくともひとつのそれぞれの負荷側のコンタクトをケース内に配置することと、を含み、前記係合は、電気的な接続を形成するために、アーク放電領域を介して移動するライン側のコンタクトとそれぞれの負荷側の電気的コンタクトとの少なくともひとつを含み、前記アーク放電領域は、それぞれの電気的コンタクトの間のアーク放電を制限するのに適した少なくともひとつの狭窄領域を含む。

さらなる実施例では、回路遮断装置が提供される。装置は、ケース内に配置される、少なくともひとつのライン側の電気的コンタクトおよび少なくともひとつのそれぞれの負荷側の電気的コンタクトを含み、電源供給を電気負荷に電気的に接続するために、ライン側のコンタクトの各々はそれぞれの負荷側のコンタクトと係合するよう構成され、前記係合は、電気的な接続を形成するために、アーク放電領域を介して移動するライン側の電気的コンタクトとそれぞれの負荷側の電気的コンタクトとの少なくともひとつを含み、前記アーク放電領域は、それぞれの電気的コンタクトの間のアーク放電を制限するのに適した狭窄領域に近接する拡張領域を含む。

本発明の特徴および利点は、添付の図面と共に、以下の詳細な説明から明らかである。

図１は、本教示による回路遮断装置の等角図である。

図２は、図１の回路遮断装置の断面等角図である。

図３は、図１および図２の回路遮断装置の断面等角図である。

図４Ａは、本明細書では集合的に図４として参照され、狭窄消弧特徴の実施例を描く。 図４Ｂは、本明細書では集合的に図４として参照され、狭窄消弧特徴の実施例を描く。 図４Ｃは、本明細書では集合的に図４として参照され、狭窄消弧特徴の実施例を描く。

図５Ａは、本明細書では集合的に図５として参照され、従来技術の装置における充電を描く比較図である。 図５Ｂは、本明細書では集合的に図５として参照され、本教示により提供される回路遮断装置における充電を描く比較図である。

発明の詳細な説明

本明細書で開示されるのは、狭窄消弧特徴を有する回路遮断装置である。消弧特徴は、回路遮断装置が作動する間に発生された電気的なアークの収縮を提供する。有利な点は、本明細書で開示される回路遮断装置が、製造のサイズおよびコストの削減を提供する。このことは、製造者やユーザに節約をもたらし、さらに、概して、回路遮断装置のより多彩な用途を提供する。

図１をここで参照すると、例示的な回路遮断装置１０が表される。この例では、回路遮断装置１０は“回路遮断器”としても参照され得る。本教示は回路遮断器との関連で紹介されるが、本教示は、製造者、ユーザ、設計者、もしくは他の同様の利害関係者によって本教示が適切であると考えられる、あらゆる回路遮断装置１０に適用され得る。すなわち、回路遮断装置１０が、本明細書で開示される実施例に限定されず、適切であると考えられる様々な回路遮断器１０で効果的に使用され得ることに注意すべきである。

例示的な実施例では、回路遮断装置１０は、ケース１内に含まれる。ケース１は、２つの構成要素、すなわち、第１の側面２と第２の側面３とを含む。第１の側面２および第２の側面３の各々は、ケース１のそれぞれの側面を含むように表される。当然、回路遮断装置１０は、適切と考えられるあらゆる形状であることができ、それゆえ、ケース１は、適切と考えられる複数の構成要素を含むことができる。例えば、第１の側面２と第２の側面３との代わりに、ケース１は、上面および底面、底面および複数の上面、および適切と考えられるあらゆるその他の同様の構成を含んでも良い。

概して、ケース１は、回路遮断装置１０の構成に適切と考えられるあらゆる材料で構成される。例示的な材料は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）のような硬質プラスチックと、繊維ガラスのような他の材料とを含む。概して、ケース１は、回路遮断装置１０によって経験され得る温度よび動作条件の範囲を越える高い誘電率ε_ｒを有する材料から構成される。

例示的な回路遮断装置１０はハンドル４を含む。ハンドル４は、回路遮断装置１０の手動での再設定および作動のために提供される。回路遮断装置１０は、ライン側コネクタ６と負荷側コネクタ５とを含む。

図２を参照すると、図１の回路遮断装置１０の等角的な断面図が提供される。回路遮断装置１０に入る電流は、ライン側コネクタ６を介して磁気コイル１４を通り抜けて、下方のコンタクトバー７へと進入する。回路遮断装置１０が電流を伝えるよう構成される場合、可動接点８は静止接点１２に係合される。静止接点１２は、電流を負荷側コネクタ５へ伝える。回路遮断装置１０の負荷が予め決められた比率を超えて増加する場合、磁気コイル１４によって発生された磁場によりラッチ１５は切り離され、それゆえ、回路遮断装置１０は、“アンラッチ”もしくは“トリップ”される。

また、図２の実施例で示されるのは、ゲート１１である。この例では、ゲート１１は移動可能である。すなわち、ゲート１１は、回転軸２０の周りを回転することができる。ゲート１１の回転は、概して、ケース１内部のその他の形状ないし特徴により制約される。例えば、ゲート１１の回転は、第１の側面２と第２の側面３との少なくともひとつの内側の面に搭載された表面搭載形状により制約され得る。

概して、ゲート１１は、回路遮断装置１０により経験され得る温度および動作条件の範囲を超える高い誘電率ε_ｒを有する材料から形成される。

この例示的な実施例では、回路遮断装置１０は、アーク放電領域９を含む。アーク放電領域９は、概して、８と静止接点１２との間のアーク放電がトリップ事象中に発生し得る体積または容積を表す。アーク放電領域９の体積は、様々な要因に左右される。例えば、回路遮断装置１０を通過する電圧もしくは電流が増加されるにつれ、アーク放電領域も同様に増加する。

“可動接点”および“静止接点”という用語が本教示を限定しないことに注意されたい。より具体的には、本明細書で説明される通り、可動接点８は、回路遮断装置１０のライン側（すなわち電源）を参照する。本明細書で説明される通り、静止接点１２は、回路遮断装置１０の負荷側（すなわち、電力消費装置との接続）を参照する。従って、“可動接点”および“静止接点”という用語が、例えば電気的特性を参照する、他の類似する有用な用語によって説明され得ることが考慮されるべきである。

ここで図３を考慮すると、図１および図２の回路遮断装置１０の別の断面図が表される。この例では、第１の側面２および第２の側面３を含むケース１は、視界から省略されている。この省略は単に、回路遮断装置１０の態様の説明および議論を強調させるためである。この角度から見られ得る通り、ゲート１１は、移動可能な内側の面１７を含む。移動可能な内側の面１７は、当該内側の面１７が静止接点１２に対して移動されるとき、可動接点８を近接して追跡するか、もしくは可動接点８と協働するよう構成される。本実施例では、内部の中央のケース１８もまた提供される。中央のケース１８は、静止した内側の面１９を提供し得る。本実施例では、中央のケース１８はまた、例えばダブルナイフ遮断の回路遮断装置１０において、第１の可動接点８と第２の可動接点８との間に絶縁性の仕切りを提供する。

図２および図３において表される実施例では、（“アクティブな”狭窄と称される）、可動接点がせい接点１２に対して回転するとき、ゲート１１が回転軸２０の周りを回転するよう構成される。ゲート１１の幾何学形状は、回転により移動可能な内側の面１７が静止した内側の面１９に向かって回転するというものである。移動可能な内側の面１７が静止した内側の面１９に向かって回転するとき、アーク狭窄領域がアーク放電領域９内に生成される。アーク放電領域９の一部を狭窄することによって、アーク放電の減少が実現される。すなわち、このことは、回路遮断装置１０のパッケージサイズを増加させることなく、電圧能力の増加を提供する。あるいは、この設計は、回路遮断装置１０のより小さなパッケージングを提供する。

概して、アーク放電領域９は、アーク狭窄領域（上記に述べた通り）と、比較的にほとんど狭窄しない領域との双方を含む。概して、比較的ほとんど狭窄しない領域は、アーク放電中に形成される微小な導電性の堆積物（炭素、胴、および他の導電性の材料）がアーク放電中により長いアーク放電のギャップとなる可能性を減少させる。同様に、比較的ほとんど狭窄しない領域（“非狭窄領域”あるいは“拡張領域”とも称される）によってもまた、アークが拡張することができ、それゆえ、狭窄領域がより多くのアークフィールド(領域)を遮断することを可能にし、潜在的に消弧電圧を低減させる。

ゲート１１のひとつの実施例が説明されたが、この実施例は単に実例であって、教示を制限するものはない。例えば、ゲート１１は、複数の移動する構成要素を含むことができ、当該構成要素との協働は、狭窄領域の生成となる。概して、ゲート１１は、可動接点８と協働する比較的制約された通路をもつことができる。例えば、ゲート１１は、回転軸２０の周りで回転するのではなく、プッシュプルの配置で構成され得る（本実施例は図示しない）。従って、ゲート１１は、適切な狭窄および拡張領域を提供するために、適切と考えられるあらゆるタイプの“制約された通路”内に移動することが考慮され得る。

ここで図４を参照すると、“非アクティブな”狭窄の３つの例示的な実施例が表される。図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃの各々では、第１の側面２と第２の側面３との区分が描かれている。これらの実施例の各々において、第１の側面２および第２の側面３は、対称的に配置されかつ構成された狭窄構造１９を含む。共に、静止した内側の面１９は、狭窄領域４１を形成するよう協働する。各々の狭窄領域４１を補完するのは、少なくともひとつの拡張領域４２である。可動接点８は、静止接点１２（図４に示されない）と係合する前に、拡張領域４２と狭窄領域４１の各々を走行するよう構成される。図４Ａに示される通り、第１の側面２と第２の側面３の各々の断面が表すのは、狭窄領域４１に面する長い辺を有する、直角と斜めの不等辺四角形として表される狭窄特徴１９である。図４Ｂにおいて、狭窄特徴１９の断面は、狭窄特徴１９の各々が矩形により表され得ることを示している。図４Ｃにおいて、第１の側面２および第２の側面３の各々の断面は、狭窄特徴１９が、狭窄領域４１に面する短辺を有する、直角と斜めの不等辺四角形として表され得ることを示している。概して、図４Ａの実施例は、より良好にアークの抑制とアークの消滅とを提供する。この構成が、図４Ｂおよび図４Ｃの実施例よりも比較的より多く電束を妨害するためである。当然、狭窄特徴１９の各々の断面は、様々な幾何学的形状のうちのいずれかひとつであり得る。例えば、与えられる狭窄特徴１９は、三角形、正方形、矩形、不規則のもの、パターン形成等のうちのひとつである断面を有し得る。例えば、ひとつの実施例では、狭窄特徴の少なくともひとつが砕波の断面を表す。

静止した狭窄特徴１９の各々が互い対して対称である必要はないことに注意されたい。さらに、第１の側面２および第２の側面３が静止した狭窄特徴１９を提供するのに使用される必要はないことに注意されたい。例えば、静止した狭窄特徴１９の少なくとも一部分が中央のケース１８によって提供され得る。

ここで図５を参照すると、回路遮断器１０内の電束の２つの例示が表される。図５Ａでは、拡張領域４２は、本質的により大きな電束（稲妻によって任意に表される）のために空間を装置内に有する。対照的に、図５Ｂで示される通り、狭窄領域４１は、減少された体積を有し、それゆえ、伝達され得る電束（より少ない稲妻で表されるように）を制限する。

狭窄領域４１と拡張領域４２と様々な組み合わせが成され得る。概して、狭窄領域４１は、閉じるコンタクトバー７の通路に関するものとみなされるとき、拡張領域４２の後に続く。しかしながら、複数の狭窄領域４１および拡張領域４２が適切と考えられるあらゆる配置で使用され得る。例えば、複数の隙間なく置かれた拡張領域４２および狭窄領域４１が回路遮断装置１０に組み込まれ得る。この実施例は、きっちりと離間された領域の外観のために、“アーク溝”を含むものとして参照され得る。

いくつかの実施例では、少なくともひとつの拡張領域４２は、外部の環境（図示しない）への通気孔（ベント）を含むことができる。

回路遮断装置１０の様々な態様を紹介し、かつ説明したが、いくつかの追加の実施例およびその他の態様がこれから説明される。

概して、アーク放電領域９への入り口の幾何学形状がアークフィールドに影響を与えるものと決定された。概して、アークフィールドは、通気孔のように、比較的ほとんど狭窄のない低い圧力の領域に向かう。また、狭窄領域４１へのより尖った、もしくはより鋭角な入口は、アークフィールドの構成を抑制し、それゆえより多くのアークフィールドを遮断して、潜在的に消弧電圧を減少させる。

有利な点は、本技術が様々な装置と共に様々な設定で使用され得ることである。例えば、アーク狭窄の使用は、より高い遮断点（ブレークポイント）の装置（３倍、４倍等）や単一の遮断装置で採用され得る。これはまた、例えば、無制限に、スイッチ、接触器、継電器、切断、熱回路遮断器、熱磁気回路遮断器、トグル遮断器、プッシュプル遮断器、ボタン遮断器、プッシュプッシュ遮断器、自動再設定遮断器、およびその他の類似の装置のような、他の回路遮断器で使用され得る。アーク狭窄は、また、ＡＣもしくはＤＣスイッチング装置で使用され得、スイッチング装置は、その他の（より高いもしくはより低い）電圧定格回路、第１の狭窄されない（すなわち拡張）領域もしくは第２の領域のいずれかを省略するコンタクトシステムと、よりアクティブな狭窄領域（例えば、アークをより完全に制限するバイアスされたフラップもしくは圧縮されたチューブ）を有するコンタクトシステムとを含む。

さらに、狭窄領域を含む回路遮断装置の設計は、狭窄の効果を増幅するべき狭窄の幾何学形状（より鋭いアーク狭窄領域の入り口）と、研磨材料と組み合わせでのアーク狭窄の幾何学形状と、ナイフコンタクト（ボタンコンタクト、ワイピングコンタクト等）以外の装置のアーク狭窄の幾何学縮形状と、可動接点および静止接点のシステム（例えば、双方の接点が狭窄領域から遠ざかる）以外の装置のアーク狭窄の幾何学的形状とを考慮し、および／もしくは有益に使用し得る。

さらに、回路遮断装置の他の態様が狭窄領域の使用に関連して構成され得る。例えば、狭窄領域の幾何学的形状は、可動接点が狭窄領域に進入する速度を考慮して設計され得る。ナイフコンタクトへのピンチ力のようなナイフコンタクトシステムの修正が利用される。さらに、アーク狭窄の幾何学的形状は、事実上あらゆる機械設計（例えば、より完全なディーズフリーのコンタクト閉設計）を有する装置に使用され得る。

アーク狭窄の幾何学的形状は、他のアーク軽減素子（アークグリッド、反アークタッキングケース特徴、アークシャドー、アークホーン、アークエクステンダー、アークシールド、絶縁等）を有する装置に組み込まれることができ、アーク狭窄の幾何学的形状はまた、狭窄領域におけるアークグリッド（導電性、金属等）を有する装置で使用され得る。

本教示は、単に例示的なものであり本発明を限定しないことが理解されるべきである。さらに、追加の構成要素、構成、配列等が、本発明の範囲内で実現され得ることを当業者は理解する。例えば、センサ、回路等の構成は、本明細書で開示された実施例とは異なり得る。概して、冗長センサの構成要素の設計および／または用途は、システム設計者、製造者、運用者、および／もしくはユーザの必要性と、あらゆる特定の状況で生じる要望とによってのみ制限される。

様々なその他の構成要素が含まれ得、本教示の態様を提要ために要求され得る。例えば、追加の材料、材料の組み合わせ、および／もしくは材料の省略が、本教示の範囲内にある追加の実施例を提供するために使用され得る。

本発明の要素もしくは本発明の実施例を説明する際の、冠詞“a”、“an”、および“the”はひとつもしくは複数の要素があることを意味するよう意図される。同様に、形容詞“another”は、要素を説明するのに使用される場合、ひとつもしくは複数の要素を意味するよう意図される。用語“including”および“having”は包括的であるよう意図され、記載された要素以外の追加の要素を含み得る。

本出願において、様々な可変物が説明され、構成要素、条件、および性能特性を含むが、それらに限定されない。これらの可変物のあらゆる組み合わせが本発明の実施例を定義し得ることが理解され得る。例えば、所定の環境条件の特定の範囲における、一連のセンサを有する、本体の特定の材料の組み合わせが、特定の組み合わせが明確に述べられたのではないが、本発明のひとつの実施例である。当業者には明らかであるように、品目、構成要素、条件、および／もしくは方法の他の組み合わせもまた、他の実施例を明確にするよう本明細書に記載された可変物から具体的に選択され得る。

本明細書は例示的な実施例を参照して説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされ、等価物が本発明の要素を代用することが、当業者により理解される。加えて、本発明の必須の範囲から逸脱することなく、特定の機器、状況、材料を本発明の教示に適用するため、多くの修正が当業者に理解される。それゆえ、本発明を実施するのに熟考された最良の形態として開示された特定の実施例に本発明が限定されるのではなく、本発明は添付の請求項の範囲内にあるすべての実施例を含む。

１：ケース
２：第１の側面
３：第２の側面
４：ハンドル
６：ライン川コネクタ
７：コンタクトバー
８：可動接点
９：アーク放電領域
１０：回路遮断装置
１１：ゲート
１２：静止接点
１４：磁気コイル
１５：ラッチ
１７：移動可能な内側の面
１８：中央のケース
１９：静止した内側の面
２０：回転軸

Claims (9)

1. ケース内にそれぞれ配置される、少なくとも１つのライン側の電気的コンタクトおよび少なくとも１つの負荷側の電気的コンタクトを含み、
   前記ライン側のコンタクトは負荷側のコンタクトに係合するよう構成され、前記係合は、電気的な供給を電気的な負荷に電気的に接続し、
   前記係合は、電気的接続をするためにアーク放電領域を介して移動するライン側の電気的コンタクトと負荷側の電気的コンタクトの少なくとも１つを含み、
   前記アーク放電領域は、各電気的コンタクト間のアーク放電を制限するのに適した少なくとも１つの狭窄領域を含み、
   前記電気的コンタクトの移動と協働して少なくとも１つの狭窄領域を生成するよう構成された少なくとも１つの移動可能な構成用要素を含み、当該少なくとも１つの移動可能な構成要素は、回転軸の周りを回転するように構成されたゲートと、可動接点部材に対して制約された通路内に移動するように構成されたゲートとから成るグループから選択される、回路遮断装置。
2. 少なくとも１つの電気的コンタクトは、ナイフコンタクト、ボタンコンタクト、およびワイピングコンタクトの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記アーク放電領域は、少なくとも１つの狭窄領域の前に拡張領域を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記狭窄領域は、前記アーク放電領域内の少なくとも１つの狭窄特徴から生じる、請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つの狭窄特徴の断面は、三角形、正方形、矩形、不規則、およびパターン化されたもの１つである、請求項４に記載の装置。
6. 前記アーク放電領域は、複数の狭窄領域と拡張領域とを含む、請求項１に記載の装置。
7. 回路遮断装置を組み立てる方法であって、
   負荷側のコンタクトと係合するよう構成される少なくとも１つのライン側のコンタクトを選択し、前記係合は、電気的な供給を電気的な負荷に電気的に接続するものであり、
   少なくとも１つのライン側の電気的コンタクトと、少なくとも１つの負荷側の電気的コンタクトとをケース内に配置することを含み、
   前記係合は、電気的な接続を形成するためにアーク放電領域を介して移動するライン側の電気的コンタクトと負荷側の電気的コンタクトの少なくとも１つを含み、
   前記アーク放電領域は、各電気的コンタクト間のアーク放電を制限するのに適した少なくとも１つの狭窄領域を含み、
   前記ケース内に少なくとも１つの移動可能な構成要素を配置し、当該少なくとも１つの移動可能な構成要素は、回転軸の周りを回転するように構成されたゲートと、可動接点部材に対して制約された通路内に移動するように構成されたゲートとから成るグループから選択される、方法。
8. 前記コンタクトの１つを選択することは、ナイフコンタクト、ボタンコンタクト、およびワイピングコンタクトとのうちの１つを選択すること含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのライン側の電気的コンタクトと、前記少なくとも１つの負荷側の電気的コンタクトとをケース内に配置することは、回路遮断装置の周りに第１の側面と第２の側面とを取り付けることを含む、請求項７に記載の方法。