JPS5935337A - 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
でアークな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を示す断面図で、
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（８）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。（ｌｄは可動接触子
装置、０刀は可動子腕でクロスバ−（２）に固定され各
極間時に開閉されるように成されている。ａ３は消弧室
で消弧板Ｑ４が側板０句によシ保持されている。ＯＱは
トグルリンク機構で上リンク０７）と下リンク０校よシ
構成されている。上リンクαηの一端はフレドルθ９）
に、また他端は下リンク（１８１の一端にそれぞれ軸（
２０＋　（２ｔ＋により連結されている。なお下リンク
Ｏ〜の他端は上記可動接触子装置００の可動子腕ａυに
連結されている。（２乃は起到形操作ハンドル、（転）
）は作動ばねでトグルリ／り機構００の軸り９と上記操
作ハンドルＨとの間に架張されている。　＠４１（ハ）
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、それぞれバイメタル翰および可動鉄心（２７１にＪ
ｌ：９トリツフハー（ハ）を反時計方向に回動させるよ
うになっている。

四は一端が上記トリップバーレＱに係止され他端はフレ
ドルθ９）を係止しているラッチである。フレドルａ９
１がラッチ四に係止された状態で操作ハンドル（２）を
閉路位置に倒せばトグルリンク機構ａＱが伸長して軸シ
ｌ）がフレドル０９）に係止され可動接点（９）は固定
接点（６）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Ｑ・は屈曲して可動接点（９）が固定接点（６
）よシ開離され可動子腕Ｏ刀が回動してフレドル軸−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（２４１あるいは電磁引きはずし機構（至）によ
シトリツブパー？樽が作動してフレドルθ９）とラッチ
四の保合が解除され、フレドル軸国す中心に時計方向に
フレドル０９）が回転しストッパー軸０υに係止される
。このときフレドル（１９）と上リンクａηの連結点が
上記作動ばね（転））の作用線を越えるため作動ばね□
□□のばね力によってトグルリンク機構０６が屈曲して
クロスパーＯ２によシ各極連動して自動しゃ断な行なう
。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
、短絡電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（６）　、　（９）間
にはアーク翰が発生し、固定及び可動接点（６１、（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０りが消弧板θ
癲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
点を迎えてアークを消弧し、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シ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
多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０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、ｍ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（３４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、Ｔ、ｍ、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と几にて持ち去られてしまう。

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ｒｎが圧倒的であｐ、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、Ｒ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％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・　Ｉ　＝　Ｐｌ（＋Ｐｔｈ　＋　ＰＲ但し ＰＷ：瞬時注入エネルギー ■　＝アーク電圧 ■　：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 −ｍｖ２：　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 ｍ−Ｃρ・Ｔ：定圧比熱Ｃｐのガス（金属粒子のガス）
が温度Ｔにて逃げた時に持ち去る瞬時エネルギー消費量 Ｐｔｈ　：アーク空間から、電極へ熱伝導にて逃げ去る
瞬時エネルギー消費量 ＰＲ：光により、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闘のアークに対してはそれぞれＰＫ＝１０
〜２０チ、Ｐｔｂ＝５俤、　ＰＲ＝７５〜８５チである
。

次にアークを容器に閉じ込めた時の状況を第６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〕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、光の経路を図中Ｒａ→勤→Ｒｃ→１句　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、１μ０１以上の遠
赤外までのすべての波長領域に渡り、連続スペクトル及
び線スペクトルからなる。一般の容器壁面は、たとえ表
面が黒色をしておっても、４０００λ〜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フはと
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入の
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　、ＩＪｉｎ　　　　　　　　　　
＝　（１）Ｉａ：ガスによる吸収エネルギー Ａ　：吸収確率 ｆｉｎ　：照射する光エネルギー ｎ　：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り、波
長人、ガス瀞度、粒子の種類の関数である０ （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、光を発する光源ガス
と同一状態のガス（即ち、粒子の種類、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、（１）式中のＬは、その
反射回数倍だけ増大することになシ、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を意味している。

本発明は上記欠点ななくす目的で、アークに注入された
エネルギーの約７０チにも達する光のエネルギーを効果
的に吸収するために、高多孔質材料を使用するもので、
消弧板αくを保持し、光を透過する透明な板よシなる側
板（１６）の外面側に高多孔質材で形成された光吸収体
Ｇ３樽を設置し、容器内の光を多量に吸収し、ガス空間
の温度を低下させ、（れによシ圧力を低下させるもので
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、材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
一つは孔が主体で孔を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をいう。

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い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大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、細孔径
および細孔径分布、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を真の気孔率とし、測定
方法は液体または気体にょる置換法および吸収法なでに
よるが、簡便法としてＪＩＳＲ２６１４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９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、Ｊ　ｌ５Ｒ２２０５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シ、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積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Ｘ（オングストロームノから敢闘まで分布
するが、一般に、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な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ＢＥＴ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を、
無機質高多孔材料な例に説明する。

第６図は無機質高多孔素材を示した斜視図、第７図は第
６図の部分拡大断面図である。図において（ハ）は無機
質高多孔素材、（３４１は無機物表面に通じる開孔を示
している。開孔（３４の細孔径は数μから数量まで大小
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（２）に第７図の几にて示すように
、光が入射した場合に光が開孔ｔＳ４に入射すると、光
は無機物の壁面に当り、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１００チ吸収されてしまう
。即ち開孔（２）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
時の圧力を１として規格化しである。実験条件としては
、−辺１０鑞の立方体の密閉容器内にＡｇＷ接点を１０
間の定ギャップに設置しピークｌ０ＫＡの正弦波電流の
アークを８ｍＳ　（ミリ秒）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ｌＯ〜８００μ、多孔質素材
の見掛は気孔率２０％　、　８０％　、　８５チ、４０
チ、４５チ、５０チ、６０係、７０チ、８０チ、８５チ
のもので、５０ｍ１Ｘ　５０ｍｍＸ　４間１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５０条を覆うようにした。

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・又光の細孔内吸
収においては、細孔の深いものが効果があシ、連通気孔
が好ましい。開閉器でアークから発生する光は数百λ〜
１００００λ（１μｍ）に分布するので、これを若干越
える程度、即ち数千λ〜数１０００μｍの平均細孔径の
ものが適しており、表面に占める穴の面積が、見掛は気
孔率８５％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
μｍ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、無機質高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
があシ、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％以上から顕著になシ
８５％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、高多孔材料の厚さを一層増加させることに
よシ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ノ関係ｒ
おいて、気孔率が大きくなると、もろくなったり熱伝導
性が低下し高熱によシ熔融し易く、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％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高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。

従来の開閉器に嬬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シ、
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
ｎ１目的を異にするもので、その見掛は気孔率は２０条
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
、中でも絡機系は、絶縁物でかつ高融点材料として特徴
ずけられる。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シ、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、融けたシ、ガスを出したシしないので、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かあシいずれも開閉器内のガ
スの圧力の低下をさせる１こめに使用できる。

以下本発明の詳細を第９図ないし第１２図に基いて説明
する。第９図は本発明の一実施例を示す断面図で、第１
０図はその要部斜視図、第１１図第１２図はその作用を
示す要部断面図である。

図面において、Ｄｆｉｌは透明な板で形成された側板で
、消弧板Ｑ４を橋架保持している。透明な材料としては
、アクリル、耐熱ガラス等があげられる。

上記側板０句の外面側には多孔質材料よ構成る光吸収体
（３３）が設置されている。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つ次に本発明の効果に
ついて説明する０本発明は透明な板の側板θ５）で消弧
板αくを保持し、側板０５）の外面側に多孔質材料よ構
成る光吸収体ｉ３（至）を設置したことを特徴としてい
る。これによυ、第１１図第１２図に示すように、アー
ク（３りの光Ｒは側板θ５ｊを透過し、光吸収体（３３
）に入射する。この入射によシ、前述したように光吸収
体供が多孔質材料であるため光吸収され、消弧板Ｑ→の
間の空間Ｐの圧力上昇は抑制される。これらの作用によ
って下記のような効果を発生する。

（イ）　アーク０２は容易に消弧板０４１間に入夛消弧
板０くの磁気効果と相まってますます消弧板α４側へ駆
動される。

（ロ）　光吸収も効率よく行なわれ、容器内の圧力も上
昇することなく消弧板Ｑ→の冷却作用によってアーク（
９）は消減し電流はしゃ断される。

←→　多孔質材料の光吸収体（３１の前面に側板０５）
が設置しであるため、アーク（支）によって溶融した金
属粒子などが光吸収体−の多孔質材料の孔に入シこむこ
ともないので光吸収効率の低下が防止される。

に）光吸収体−は直接アーク鴫にふれることがないので
溶融消耗する心配もない。

（ホ）　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を使用すると万が一
アークに直射されてもガラス化することなく結晶化する
ので、アーク期間中の光吸収体ＣＩ：ｌｌ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。

（へ）　多孔質材料の表面を熱処理したυ、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−からの微粉末の析出を防止することもできる。

以上のように、本発明を使用すれば、多孔質材料の光吸
収体がアークによって損傷を受けることなく有効に光吸
収が行われ、消弧板の効果も充分にひきだせるので、容
器内の圧力を充分に抑制することができる。これにより
、安全で高信頼度の開閉器を安価に提供できる。

【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５図は容器内の接触
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１２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図はその要部斜視図、第１１図第１２図
は要部の説明図である。図において、（１）はカバー、
（２）はペース、（５）は固定導体、（６）は固定接点
、（８）は可動導体、（９）は可動接点、ａくは消弧板
、０５１は側板・關は多孔質材料よシなる光吸収体であ
る。 尚、図中同一符号は同一あるいは相当部分を示す１代理
人　葛野信− 第１図 ２ 〃− 第１０図 第１２図 ｊｌ　　　Ｊ　　　６

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）開閉動作をし、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、磁性金属
   材料よ構成る消弧板を橋架支持する側板を透明な材料で
   構成し、上記側板の外面側に位置するように見掛けの気
   孔率が８５係以上の無機質あるいは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光吸収体を
   設置し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
   とを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。