JPS5935336A - 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、特に回路しゃ断
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。

以下この発明を回路しゃ断器を例に説明する。

第１図〜第８図は従来の回路しゃ断器？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）を構成する。（４）は固定接
触子で、固定導体（５）を有し、その一端に固定接点（
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、可
動導体（３）を有し、その一端に固定接点（６）に対向
した可動接点（９）を有している。００は可動接触子装
置、αυは可動子腕でクロスバ−亜に固定され各極間時
に開閉されるように成されている。（２）は消弧室で消
弧板α→が側板０句によシ保持されている。αゆはトグ
ルリンク機構で上リンクＯηと下リンクθ＆よシ構成さ
れている。上り／り曹の一端はフレドル０９）に、また
他端は下リンク０杓の一端にそれぞれ軸（２０１（２１
１によ多連結されている。なお下リンクθＱの他端は上
記可動接触子装置顛の可動子腕（ロ）に連結されている
。（２）は起到形操作ノ・ンドル、（ロ）は作動ばねで
トグルリンク機構θゆの軸（２１１と上記操作ハンドル
（２）との間に架張されている。（財）輛は、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ｎ
バイメタル翰および可動鉄心＠ηによシトリツブバー□
□□を反時計方向に回動させるようになっている。

翰は一端が上記トリップバー翰に係止され他端はフレド
ル（１（支）＆係止しているラッチである。フレドル痢
がラッチ四に係止された状態で操作ハンドル□□□を閉
路位置に倒せばトグルリンク機構ＱＯが伸長して軸（２
１）がフレドルθ（ト）に係止され可動接点（９）は固
定接点（０）に接合させる。この状態が第１図である。

次いで操作ハンドル（２）を開路位置に倒せばトグルリ
ンク機構Ｏ・は屈曲して可動接点（９）が固定接点（６
）より開離され可動子腕（Ｉｌｌが回動してフレドル軸
間に係止される。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（財）あるいは電磁引きはずし機構（イ）に
よ、９）リップバー（財）が作動してフレドル０９１と
ラッチ翰の保合が解除され、フレドル軸国を中心に時計
方向にフレドルθ（ト）が回転しストッパー軸０］）に
係止される。このときフレドル（１９）と北リンクαη
の連結点が上記作動ばね（至）の作用線な越えるため作
動ばね（至）のばね力によってトグルリンク機構ＱＱが
屈曲してクロスバ−（２）によシ各極連動して自動しゃ
断を行なう。この状態が第８図である。

次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。

今、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）及び可動導体（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
、短絡直流等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）を固定接点（６）から開離させる
。この際、上記固定及び可動接点（６１、（９１間には
アークロカが発生し、固定及び可動接点（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（３２が消弧
板Ｑ４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？迎えてアーク？消弧し、しゃ断が完結する。し
かし、この注入された重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り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、
引いてはガス圧力を急激に上昇させることになる。これ
によシ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、回路しゃ断
器本体の破壊等の重大な欠点があった。

次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はアークから接触子に伝導して逃げる
熱エネルギーの流れ、ｎｌはアーク空間から逃げる金属
粒子のエネルギーの流れ、Ｒ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８図
において、アーク（３り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、ｉ”　、　ｒｎ　、　Ｒ
によって概ね消費されてしまう。

この内、電極への熱の逃げＴは微小であり、大半のエネ
ルギーはｍとＲにて持ち去られてし１つ。

さて、従来、アークのエネルギーの消費のメカニズムに
おいては、図中の１ｎが圧倒的であす、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、Ｉものエネルギー即ち、光によるエネルギーの
消費がアークに注入されたエネルギーの約７０係にも達
する程重大であることが解かつて来た。

即ちアークに注入されたエネルギーの消費は次のように
解析できる。

ｐｗ　＝　Ｖ・１　＝ＰＫ　十Ｐｔｈ　＋ＰＲ但し、 ＰＷ：瞬時注入エネルギー ■　：アーク電圧 １　：電流 ■・■：アークに注入される瞬時電気エネルギーＰＫ：
金属粒子が持ち去る瞬時エネルギー消費量 １ −ｍｖ’：　ｍｇの金属粒子が速度Ｖで飛び去る時持ち
去る瞬時エネルギー消費量 ＩＹｌｏＣｐｏＴ：定圧比熱Ｃｐのガス（金属粒子のガ
ス）が温度Ｔにで逃げた時に持ち去る瞬時エネルギー消
費量 Ｐｔｂ　：アーク空間から一電極へ熱伝導にて逃げ去る
瞬時エネルギー消費量 ＰＲ：光によシ、アークから直接放射される瞬時エネル
ギー消費量 上記の消費量は電極形状やアーク長によって変化するが
、１０〜２０酊のアークに対してはそれぞれＰＫ＝１０
〜２０％、Ｐｔｈ＝５％、ＰＲ＝７５〜８５係である。

次にアークを容器に閉じ込めた時の状況を第５図に示す
。アークを容器に閉じ込めると・容器内空間は、電極金
属が充満しかつ高温の状態となる。

特に、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る。反射された光は散乱され、再度
、電極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操り
返すのである。

この間の、光の経路な図中Ｒａ→ｌ（ｂ→ＩＬｃ　−＋
　Ｉ（ｃｌ　　にて示している。

上記の過程において、アークから発した光の消費は次の
二点である。

（１）壁面での吸収 （２）アーク空間及び周辺（高温）ガス空間による吸収
、すなわちガス空間による吸収、又、アークから発する
光は、２０００λ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渡シ、連続スペクトル及び
線スペクトルからなる。−搬の容器壁面は、たとえば表
面が黒色をしておっても、４ｏｏｏＸ〜５５００λ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りほと
んど反射してしまうものである。ところが、アーク空間
及び周辺高温ガス空間での吸収は次のようになる。

長さＬの一様な組成・温度を有するガス空間に波長人の
光を照射した時ガス空間による光の吸収量は、次のよう
に算定出来る。

Ｉａ　＝　Ａ−ｎ−、ＬＩｉｎ　　　　　　　　　　−
（１）Ｉａ：ガスによる吸収エネルギー Ａ　：吸収確率 Ｉｉｎ　：照射する光エネルギー １１：粒子密度 Ｌ　：光が通過する光路長 但し、（１）式は、特定波要人に対する吸収エネルギー
量を示す。Ａは特定波要人に対する吸収確率であシ、波
長人、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
Ａは、連続・線スペクトルともに、光？発する光源ガス
と同一状態のガス（即ち、粒子の腫類、温度が同一）が
最も大きな値を有することになる。

即ち、アーク空間から発する光は、アーク空間及びその
周辺ガス空間が最も多く吸収するわけである。

（１）式において、光の吸収エネルギー量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、（］）式中のＬは、その
反射回数倍だけ増大することになり、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、即ち、アークの発する光のエネルギーが結局、
容器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全意味している。

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係にも達する光のエネルギー？効果的
に吸収するために、高多孔質拐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空間
に、アークの発する光を効果的に吸収する高多孔質Ｈ料
？配置することによって、容器内の光を多量に吸収し、
ガス空間の温度を低下させ、それによｐ圧力な低下させ
るものである。

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、拐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
一つは孔が生体で孔な形成する隔壁が固体物質であるも
のに区別されている。なおこの発明で素材とは、形状に
とられれない、形状加工前のもとの材料？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（り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太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、Ｓｌｌ
孔径９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？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、簡便法とじてＪＩ８Ｒ２６１４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り次
のように計算される。

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たものを見掛けの気孔
率とし、ＪＩＳＩＬ２２０５耐火レンガの見掛気孔率、
吸収率及び比重の測定方法に定義されるとおり、次のよ
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。

細孔径は細孔容積および比表面績の測定値より求められ
るが、原子やイオンの大きさに近いものから粒子間の界
面間隙まで数人（オングストローム）から数ｍｙ　ｉで
分布するが、−搬に、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
等混線を利用して求められるＢＥ’ｌ”法が多く用いら
れ、特に窒素ガスが多く用いられる。

次にこの発明の前提である、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？、
無機質高多孔材料を例に説明する。

第６図は無機質高多孔材料 ７図は第６図の部分拡大断面図である。図においてＣ（
３１は無機質高多孔素材、Ｃ３４１は無機物表面に通じ
る開孔を示している。開孔（２）の細孔径は数μから数
ｒｎｍ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Ｍ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ｉｏｏ　％吸収されてしまう。即ち
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一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　、　ＡＩ　　などの金属で構成した
時の圧力な１として規格化しである。実験争件としては
、−辺１０ＣＴＬの立方体の密閉容器内にＡｇＷ接点を
１０朋の定ギャップに設置しビークｌ０ＫＡの正弦波電
流のアークを８＋ｎＳ　（ミ’）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
ジライ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１０〜８００μ、多孔質素材
の見掛は気孔率２０％、８０％、８５％、　４０４．４
５４．５０’ｌ、　６０４．７０１．８０％　、８５９
５のもので、５０％ｍＸ　５０ｍｍＸ４ｍｍ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６０係を覆うようにした。

細孔径としては、吸収される光の波長領域を若干越える
程度の平均細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。又光の卸１孔内
吸収においては、細孔の深いものが効果があり、連通気
孔が好′よしい。開閉器でアークから発生する光は数百
λ〜１００００人（１μｍ）に分布するので、これ？若
干越える程度、即ち数’ｌ：Ａ　−’Ｉｌｌ　１０００
μｍ　の平均細孔径のものが適しテオリ、表面に占める
穴の面積が、見掛は気孔率３５係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。特に細孔径
が数千λ〜数１０００／（ｆｉ＋の範囲、好ましくは上
限が１０００μｍ以下の範囲にある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　ｍｍ
でアークの発する光に対して、良好な吸収特性を示すこ
とを確認した。

又材質がガスで、平均細孔径が５μ、２０μでアークの
発する光に対して良好な光の吸収を観測した。

第８図かられかるように、無機質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
あり、これは多孔質素材の見掛は気孔率の増大とともに
大きくなり、特に気孔率が８５チ以上から顕著になり８
５チ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？一層増加させることによ
逆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、又気孔率が小さい場
合には、開閉器内減圧の効果が薄い。従って実用的には
多孔質素材の見掛は気孔率が４０〜７０チの範囲の高多
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、特に有機物容器のアークからの
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り、
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２０％
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
づけられる。この２つの性質は、開閉器の容器内部に設
置する側斜としては格好であり、電気的に絶縁物なので
、しゃ断に対し悪影響が少なく又、高温にさらされても
、融けたり、ガスを出したりしないので、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があり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。

以下本発明の詳細を第９図および第１０図に基いて説明
する。

第９図は本発明の一実施例な示す断面図で、第１０図は
その要部側面図である。

図においてｔｑ３）（財）は多孔質材料によって構成さ
れ、回路しゃ断器の内部素子な収納する容器（絶縁筐体
）となるベース、カバーである。他の構成部品は従来の
ものと同一なのでその説明は省略する。

次に本発明の効果について説明する。

（イ）　ベース（３３）カバー＋３４）は多孔質相オ」
によって１１４成されているため、接点（６）　、　（
９）間に発生したアークｔ３Ｚの光Ｒは、大部分多孔質
材料に入射し反射されることなく光吸収される。従って
、容器内の圧力が抑制され外部への放出火花量も充分に
小さくすることができる。つまり、光吸収作用がベース
の３）、カバー（財）によって効率よく行なわれるので
光吸収体？別に設置するための種々の問題、つまり、ス
ペース固定方法などの問題を考える必要がない。

（ロ）光吸収体は光吸収作用によって高温になるが、ベ
ース（ト）カバー（財）は容器外の空気にふれているた
め、容易に容器外へ熱伝達され光吸収体が高温になる心
、配もなく、その溶融消耗も少ない。

←→　多孔質材料として、マグネシアあるいはジルコニ
ア等を主成分とする無機質多孔物質？使用すると、アー
クに直射されてもその表面がガラス化することなく結晶
化するので、アーク期間中の多孔質材料の表面のメグオ
ームが低下することなく良好なしゃ断性能を得ることが
できる。

（」　多孔質材料の表面を熱処理したり、無機質多孔物
質に有機材を適当に複合させると、内圧低下の作用に大
きな妨げになることなく開閉器の振動衝撃による光吸収
体）刊（２）からの粉の析出？防止することもできる。

以上のよう＆”−ｓ本発明を使用すれば光吸収効果を効
率よく充分に引出して容器（絶縁筐体）内の内圧上昇を
抑制するなどの優れた利点な有している。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８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６図は容器内の接触
子間にアークか発生した様子ケ示す説明図、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
−第１０図は本発明の一実施例を示す図面で、第９図は
断面図、第１０図はその要部側面図である。 図において、（５）は固定導体、（６）は固定接点、（
８）は可動導体、（９）は可動接点、ａ４は消弧板、（
ｌ［＋１は側板、（３３１Ｃ３４１は多孔質材料よりな
るベース、カバーで絶縁筐体になるもので、）る。 なお、図中同一符号は同一あるいはｉｌｌ当部分な示す
。 代理人　葛野信− 第１図 第２図 第３図 第４７図 第５図 第９図 第１０図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁筐体に収納され、導体と接点とで構成される
   電気接触子を少なくとも一対有する開閉器において、上
   記絶縁筐体が見掛けの気孔率が８５チ以上の無機質およ
   び有機質と無機質の複合材よ構成る多孔質材料によって
   構成されたことを特徴とする開閉器。
2. （２）多孔質材料の表面を熱処理によって硬化させたこ
   とな特徴とする特許請求の範囲第１項記載の開閉器。
3. （３）多孔質材料は、マグネシアあるいはジルコニアで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の開閉器。