JPS5987734A - 開閉器 - Google Patents

開閉器

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JPS5987734A
JPS5987734A JP19874982A JP19874982A JPS5987734A JP S5987734 A JPS5987734 A JP S5987734A JP 19874982 A JP19874982 A JP 19874982A JP 19874982 A JP19874982 A JP 19874982A JP S5987734 A JPS5987734 A JP S5987734A
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JP
Japan
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arc
light
container
switch
energy
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Pending
Application number
JP19874982A
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English (en)
Inventor
久常 文之
伸示 山県
寺地 淳一
「よし」安 一
村田 士郎
清美 山本
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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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、とくに回路しゃ
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。
以下においては、回路しゃ断器を例に説明する。
第1図〜第6図は従来の回路しゃ断器金示す断面図で・
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)を構成している。(4)は固
定接触子で−その固定導体(5)の一端に固定接点+6
)’t 4r L、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、その可動導体(8)の一端に固定接点(6)に対向
した可!l171接点+91を有している。(lO)は
可!11/I接触子装置、(11)は町!lI#子腕で
クロスバー022に固定され各極間時に開閉されるよう
&、−構成されている。す3)は消弧室で消弧板U揚が
側板す5)により保持されているa Ua)はトグルリ
ンク機構で、上リンク(17)と下リンク(至))より
構成されている。上リンク(17)の一端はフレドル(
至)に、また他端はドリンクμs)の一端にそれぞれ軸
−1e0により連結されているうなお下リンク(ホ)の
他端は上記可動接触子装置ii tlolのi」動子腕
(11)に連結されている。
l12棒は起倒形操作ハンドル、(ハ)は作動はねで〜
 トグルリンク機構(16)の軸@υと上記操作ハンド
ルに)との間に架張されている。 1.d! 、(ハ)
は、それぞれ熱11カおよび゛11モ磁引きはずし機構
で、作動時には、それぞれバイメタルンΦおよび可動鉄
心V)によりトリップバー(ハ)を反時計方向に回動さ
せるようになっている。に)は一端が上記トリップバー
−に係止され他端はクレドIV((2)と係止している
ランチである。
クレドlレリ初がラッチに)に係止した状態で操作ハン
ド/’t2s9を閉路位置に倒せばトグルリンク機4N
 (16)が伸長して軸(2)がクレド/L/(ロ)に
係止され可動接点(9)は固定接点(6)に接合される
。この状態が第1図である。ついで操作ハンド/L’に
)を開路位置に倒せば、トグルリンク機構(16)は屈
曲して可動接点(9)を固定接点(6)より開離させ、
司動子腕(11)がフレドル軸−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裟◆ある
いは電磁引きはずし機構に)が作動してクレドw (+
n)とラッチ裟o)の係合が解除され、フレドル軸01
を中心に時計方向七牛萌し疼ト去噛(フレドル(19)
が回転しストッパー軸0I)に係止される。クレド7L
/ (zと上リンク(17)の連結点が上記作動ばねに
)の作用線を越えるため・作動ばね(ハ)のばね力によ
ってトグルリンク機構(+6)が屈曲してクロスバ−県
)により各極連動して目動しゃ断を行なう。この状態が
第6図である。
つぎに回路しゃ断器が゛電流しゃ断時に発生するアーク
の撮舞いについて説明する。
いま、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、その磁力はilf、源側より固定導
体(5)、固定接点(6)、可動接点F9)および可動
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、短絡電流等の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)が固定接点t(+)
から開離される。この際、上記固定およびiiJ動接点
(6) 、 +9)間にはアーク01が発生し、固定お
よび可動接点+a) + +9)聞にはアーク電圧が発
生する。このアーク市1圧幻1、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棒が消弧板U引の方向へ磁気力に
よって引き付けられ伸長するtめに・更に上昇する。こ
のよう(こして、アーク′市流は電流零点東進えてアー
クを消弧し、しゃ断が完結する。しかし、口の注入され
た美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(こは限ら
れた容器内のガスの温度を上昇させ、延いてはガス圧力
を急激に上昇させることになる。
これにより回路じゃ1す「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や回
路しやVJrks?s本体の破壊等?招くおそれがあっ
た。
つぎGここの発明を創作する基になった了−りのエネル
ギー消費のメカニズムQこ関して述ヘル。
第4図は一接触子(41、(71間にアークAが生じた
図である。図中TUアークAから接触子に伝導して逃げ
る熱エネルギーの流れ、m汀アーク空間から逃げる金属
粒子のエネ7レギーの流れ、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4
図においで、アークA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、’F、m、、R1こよって
概ね消費されてしまう。このうち、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
れてしまう、、さて−従来、アークAのエネルギーの消
費のメカニズムにおいては、図中のmが圧倒的テあり、
Rのエネルギーt」、はとんど無を見されてし)たが−
発明者時の最近の研究により−Rのエネルギー、すなわ
ち、光によるエネルギーのγ14賀が了−りAに注入さ
れたエネルギーの約70%にも達する程美大であること
が解明されるに至った。
すなわちアークに注入されたエネルギーの消費はつきの
ように解析できる。
Pvi=’IJ−工= P k−+−P t h + 
P R但し、 PW:瞬時注入エネルギー V :アーク電圧 工 :′電流 V・工: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 ↓mv’:mvの金属粒子が速度Vで飛ひ去る時持ち去
る瞬時エネルギー消費量 m−Up−T:定圧比熱Up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、接触子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I11費量 上記の消費量は接触子形状やアーク長によって変化する
が一10〜20+ns+の了−りに対してはそれぞれp
k=10〜20%、 pth = 5%、PR=75〜
85%である。
つきに了−りAを容器(3)に閉じ込めた時の状況を第
5図に示す。アークAを容器(3)に閉じ込めると、容
器(8)内空間は、金属粒子が充満しかつ高温の状態と
なる。とくに、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、上記の一状態が強い。さて・
アークA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、金属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
なるまで繰り返すのである。この間の、光の経路を図中
Ra −4Rb 4 Ra +R6にて示している。
上記の過程Gこおいて、アークAから発した光のft’
4黄はつぎの2点である。
(1)壁面での吸収 (2)アーク空間および周辺(高温)ガス空間による吸
収、すなわちガス空間による吸収 またアークAから発する光は、20DOX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わ
たり、連続スペクトルおよ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いる場合ξも
、4oooK〜5500λ程度の範囲においてのみ、光
の吸収能カケ有するのみで、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。
ところか、アーク空間および周辺i&温力゛ス空曲での
1吸収はつぎのようになる。
長さLの一様な組成・温度を有するガス空間に波長λの
光を照射した時ガス空間による光の吸収jtlJま一つ
ぎのように算定できる。
工a=Ae −n−LIin        −+1)
工a :ガス(こよる吸収エネルギー A:1吸収確率 工1n:照射する光エネルギー n :粒子密度 IJ:光が通過する光路長 但し、(1)式tま特定波長λに対する吸収エネルギー
友を示す。Asは特定波長λに対する吸収錦率であり、
波長λ、ガス温度、粒子の種類の関数であ机 (1)式について、量子力学の教えに従えば、吸収係数
Asは、連続・線スペクトルともに一光を発する光源ガ
スと同一状態のガス(すなわち、粒子の捕類−渇度が同
一)が最も大きな値を有することれるわけである。
(1)式において、光の吸収エネルギー蓋工aは、光路
長nに比例する。第5図に示すように、7一タ空間から
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、すなわち、アークAのi−する光のエネルギー
が結局、容器(8)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。
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%にも達する光のエネルギーを効果I
IJに吸収するために、特定の材料を使用するものC5
開閉器の容器内で、アークの光のエネルギーを受ける特
定位置に、アークの発する光を効果的に吸収する繊維、
網および見掛は気孔率65%以上の高多孔質材料のうら
の1糠もしくは2種以上の複合材を配置することによっ
て、容器内の光を多足に吸収させて、ガス空間の温度を
低下させ、それにより圧力を低下させるものである。
上記繊維としては、無機系、金属、複合材、織材および
不織布などのうちから選択されるが、高温アークにさら
される空間に設置きれる関係上、いずれのものでも熱的
強度を有している必要がある。
また、網としては、無機糸、金属および複合材などのは
か一細線金網を多層に重ねたものや編素線などもその選
択の対象となり得るものである。
この網の場合も、熱的強度を有しているものを選択する
必要がある。
上記繊維および網の材料のうち、無機系ではセラミック
、カーボン、゛rガスストなどが好適であり、金属では
Fe、Ouが最適であり、Zn、Niなどにそれぞれメ
ッキを施こしたものも適用可能である。
多孔質素材は、一般には固体構造内シこ多数の細孔を持
つ材料で、全4.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・材質と細孔どの関係におい
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。なおここでの素材とは、形状に
とられれない、形状加工日iIのもとの材料をいう。
さらに細か〈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)【こ対する
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よる置換法および吸収法な
どによるが、簡便法として、J工5R2614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、っぎのよう(こ計算される。
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工5R2205耐火レンガの見掛気孔率、
吸収率および比重の測定方法に定輯されるとおり、っぎ
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)から数叫まで分布
するが、一般に、その分布の平均値として足輪される。
多孔質素材で(よ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
等温線を利用して求められるB’E T  法が多く用
いられ、とくに窒素ガスが多く用いられる。
つぎにこの発明の1iJ提である、iiJ述の特定の材
料、たとえば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、無機質高多孔素
材を例に説明する。
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。同図において、輪は無機
質高多孔素材、04は無機物表面に通じる開孔を示して
いる。開孔■の細孔径は数μから数闘まで大小さまざま
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04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Gこ100%吸収されてしまう。す
なわち開孔Hに入射した光は、無機物表面に直接吸収さ
れ、細札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
Ou、Fe、Al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10crnの立方体の密閉容器
内にAgW接点を10++sの定ギャップに設置しピー
ク10KAの正弦波電流の了−りを8m5(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10〜600μ多孔質素利の
見掛は気孔率20%。
60%、65%、40%、45%、50%、60%、7
0%、80%、85%のもので、50 vrm X5 
Q tttm X 4 am  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
%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。また光の細孔
内吸収においては、細孔の深いものが効果があり、連通
気孔が好ましい。開閉器でアークAから発生する光は数
百A〜10000X゛(1μm)に分布するので、これ
を若干越える程度、すなわち数千A〜数1000μmの
平均細孔径のものが適しており、表面に占め’y(Lの
面積が、見掛は気孔率65%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。とくに細孔径土
限が1000μm以下の範囲にありに111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
膿でアークの発する光に対して、良好な吸収特性を示す
ことが錦詔された。また材質がガラスで、平均細孔径が
5μ、20μのものがアークの発する光に対して良好に
光を吸収することが観測された。
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1v L、開閉器内ハ1;の圧力を低−
Fする効果があり、これは多孔質素材の見掛は気孔率の
増大とともに太きくなり、と(に気孔率が65%以上か
ら顕著になり、85%までの範囲で効果が411′i詔
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り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G
こおいて、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り溶融し易く、また気孔率が小さ
い場合には、開閉器内減圧の効果が薄い。したがって実
用的には多孔質素材の見掛は気孔率が40〜7o%の範
囲の高多孔質材料がR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、とくに有1塵物容器のアーク
Aからの保膜が主であって−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
で構成され一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+4としては無機、金属、有4,1!系など
があるが、中でも無機系は、絶縁物でかつ高融点イオ、
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材料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を及ばすことがなく
、また、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lF1としては最適である。
無機多孔物質としては、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。
而してこの発明は、前述の特定の相別からなる光吸収体
を容器内に配設し、上記容器を′m源側の排気口を除き
密閉構造とすることにより、内圧の抑制を図るとともに
、しゃ断性の向上を図り得る開閉器を1是供することを
目的としている。
以下、この発明の一実施例を図面にしたがって説明する
第9図はこの発明に係る開閉器に適用された回路しゃ断
器の一例を示すもので、第1図〜第5図と同一・部所に
は四−符号を伺して説明を省略する。
同図において、絶縁性の容器(3)には電源側に対応す
る部分に高温ガスを排出させるための排気口(600)
が形成されており、それ以外の部分は密閉構造となって
いる。この容器(3)内には、第10図に示すように接
点to)、 +71の両側方に位置して1対の立壁状の
光吸収体に)、(2)が設けられている。これら光吸収
体(ハ)9輪は前述の特定の材料、つまり繊維、網およ
び見掛は気孔率55%以上の多孔質材料のうちの1種ま
たは2種以上の複合材で構成されたものeある。
つぎに−上記構成の動作について説明する。
可動接点(9)と固定接点(6)とを開離することで電
流をしゃ断しようとする際に、接点f6) 、 +9)
間にはアーク曽が発生する。このアーク■は圧力発生源
であるが、光吸収体−、(ハ)の前述の作用により、ア
ークQ椴の光エネルギーが吸+3jされて、しゃ断時の
容器(3)の圧力の上昇が抑制される。このため容器(
3)を構成するカバー(1)とベース(2)の機械的強
度について厳密に管理する必要がな゛〈なり、容器構成
素材料を低減できる、また素材量が変わらなくとも機械
的強度の低いグレード材でも構成材料として選択して設
定できるため、低コスト化を推進することができる。
ところで一般に光吸収体■、に)を設置すると、圧力の
低減化が図れるものの、しゃ断性能が低下する傾向にあ
る。これはつぎの理由による。すなわち、アーク(噂は
圧力発生源であり、この圧力の流れにともなってアーク
(2)が駆動力Fを得るが、光吸収体(6,75)、(
63)の設置でこの流れによる駆動力yが弱められる。
このため、アークIiは接点(6)。
(9) 間ニ渋?fi!し、しゃ断が行なわれにくくな
る。
しかるに、この発明の構成では一容器(3)の電源11
11のアーク排出[コ(300)以外の部分を密閉構造
としであるから、負荷側の容器(3)内に圧力貯蓄室6
)が形成される。このためアーク発生時の内圧が上記圧
力貯蓄室−で一時的に保存される。このため、この圧力
o」゛消弧直前の小さくなったアーク電流Gこ吹きつけ
作用し−アーク■の長さを伸侵させるから、上記光吸収
体C111の存在に関係なく良好なしゃ断性が発揮され
ることになる。
なお、第11図のように磁性体からなる複数個の消弧板
U場を使用することにより、消弧板(14)が了−り9
+4を直接駆動冷却するため、上述の効果に加えて電流
零点でのしゃ断が確実になされる利点がある5、 また、上記各実施例において、光吸収体(ハ)、 C3
1の構成材料に、ジルコニアもしくはマグネシア等を主
成分とする無機多孔物質を使用すると、アーク0→にi
σ射されて高温に達した光吸収体←樟、(ハ)の表面が
ガラス化することな(結晶化するから、アーク発生期間
中に光吸11y体01 、 elの絶縁抵抗が低下する
おそれもなくなり、良好なしゃ断性能イc得ることがで
きる。
さらに、上記光吸収体卿、−の表1rtjを熱処理した
り、あるいは光吸収体(4壕+ e”9を無イ伜多孔質
物質に有機材を適当に複合して構成すると一内圧低下の
作用を妨げることなく、振動・衝撃時に光吸収体01 
、911から粉が析出−J−るのをイj効に防止するこ
とができ、信頼性が向上する。
以上のようにこの発明によれば、容器の電源側の排気口
を除いて密閉構造とし、この容器内Gこ特定の材料から
なる光吸収体を設けることにより、内圧の抑制としゃ断
性の向上を図り得る開閉器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第6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図は接触子間に了−
夕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f4を示す斜視図、第7図は第6図の部分
拡大断面口、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
はこの発明に係る開閉器に適用された回路しゃ断器の一
例を示す断面図、第10図は同回路しゃ断器における光
吸収体の設置部分の斜視図、第11図tよこの発明の1
114の実施例を示す断面図である。 (3)・・・容器、(4)・・・固定電気接触子、(5
)・・・固定導体、(6)・・・固定接点、(7)・・
・可動電気接触子、(8)・・・可動導体、(9)・・
・可動接点、(國・・・消弧板、Gll・・・アーク、
0″J・・光吸収体、(300)・・・排気口。 なお、図中同一符号は同一もしくは相当部分を示す。 代理人葛野信−(外1名) 第1図 第2ン1 第 3図 第4図 ・(・、6図         第71λ111 4 第8図 第9図 第10図 3

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (J、)、 dj体およびこれに固着された接点により
    溝底されて絶縁性容器内で開閉動作する少なくとも1対
    の電気接触子と、上記電気接触子の開閉動作時に上記接
    点間に生じるアーク金両側方からはさみ込む位置に配設
    された1対の光吸収体とを備え、上記両光吸収体ケ、繊
    維、網および見掛は気孔率55%以上の多孔質材料のう
    ちの1柚または21++1以上の俟合材で構成し、さら
    に上記谷器金電源側Gこ対応して設けられた排気口を除
    き密閉構造とした開閉器。 +2)、上記光吸収体の表面を熱処理によって硬化させ
    てなる特許請求の範囲第1項記載の開閉器。 (3)、上記光吸収体には、その表面が品温時ガラス化
    しないで結晶化されるようをこその組成の1つとしてマ
    グネシアもしくはジルコニアが含有されている特許請求
    の範囲第1項記載の開閉器。 (4)、上記1対の光吸収体の間に−アークを吸引・冷
    却させるための磁性体からなる傾数個の消弧板を配設し
    てなる特許請求の範囲第1項、第2項または第6項記載
    の開閉器。
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