KR100525219B1 - 콤팩트한내부구조의회로차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 진공 회로 차단기(10)는 차단기(10)의 개방시 칼럼형 모드보다는 오히려 확산 모드로 전기 아크를 유지하도록 축방향으로 배향된 자기장을 생성하기 위한 코일(14)을 가진다. 맞대기 접촉가능한 디스크형 접점(22, 24)을 갖는 두 전극(12, 16)중 적어도 하나는 서로에 대하여 축(44)을 따라 이동가능하며 외부 메카니즘에 의해서 가압되어 개방될 수 있다. 전극(12, 16)은 접점(22, 24)이 진공화된 밀봉부내에 있도록 전극(12, 16)을 지지하는 대향 단부 장착부(52 54) 사이에 전기 절연체(48)를 갖는 하우징내에 지지된다. 상기 전극(12, 16)중 하나는 접점(22, 24)중 하나에 부착된 강성의 지지 부재(32)를 포함하고 축(44)을 따라 길이를 따라 연장되는 조립체이다. 코일(14)은 지지 부재(32) 둘레에 그 길이를 따라 원주방향으로 감기며, 전도성 경로를 제공하여 축방향 자기장을 생성한다. 지지 부재(32)는 저전도성 경로(예를 들면, 스테인레스 스틸 슬리브)를 제공하고 코일(14)은 보다 전도성이 좋으며(예를 들면, 구리), 내구성 있고 값이 저렴한 구조체를 제공한다.

Description

콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기{VACUUM INTERRUPTER WITH ARC DIFFUSING CONTACT DESIGN}

본 발명은 전력 분배 회로, 특히 고전력 회로용 보호 차단기의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 접점 사이에 형성되는 아크를 확산시킴으로써, 진공중에서 기계적으로 분리되어 고전류를 차단하는 접점용 구조체를 제공한다.

진공 차단기는 전력 분배 시스템이 분배 재폐기(distribution reclosers), 클래드 스위치 기어(clad switchgear), 탭 절환기(tap changers), 기타 다른 형태의 접촉자에서 회로의 단락으로 인하여 손상을 입는 것을 방지하는 장치내에 사용된다. 종래의 진공 차단기는 기체 압력이 약 10^-6 토르인 진공 인벨로프내에 설치되는 두 종류의 고순도 무기체 금속 접점을 포함한다. 접점은, 두 차단기 접점 사이로 전류가 이동되는 경우, 외부 메카니즘내의 스프링력에 의해서 기계적으로 상호 접촉한다. 하나 또는 양 접점은, 접점이 서로에 대해 기계적으로 분리되어 차단기가 결합되어 있는 회로를 차단시킬 수 있도록 이동가능하다. 보통, 접점중 하나는 고정되어 있으며 다른 하나가 이동되며, 이동형 접점은 벨로우즈형 접점(the bellows contact)이라고 불리어진다.

전류가 흐르는 동안 접점이 분리된 때, 접점 사이에 전기 아크가 유도된다. 진공 차단기가 보통 매우 낮은 내부 기체 압력을 가질지라도, 아크는 아크가 유도되는 접점 표면상의 국소적 열점으로부터 증기화된 금속 증기를 발생시킨다. 이온화된 금속 증기는 연속적으로 아크의 영역으로부터 멀리 이동하며 주로 접점 표면 그리고 통상적으로 아크의 영역을 둘러싸는 금속 차폐기(metal shield)상의 유용한 표면상으로 응축되거나 또는 도금(plating)된다. 차폐기는 하우징 또는 인벨로프의 내부 표면이 아크로 인하여 금속 증착되는 것을 방지하도록 놓여진다. 하우징은 세라믹, 유리 또는 기타 등등으로 만들어질 수 있으며 차단기가 개방되는 경우에 상호 접촉부를 전기적으로 절연한다. 하우징이 금속 증착되는 것을 방지함으로써, 차폐기는 절연 하우징을 가로지르는 전기적 경로를 형성할 수 있는 금속 증착을 방지하거나 감소시킨다.

회로 차단시, 접점 분리는 진공 아크 사이에 수 십 내지 수 백 볼트의 전압 강하를 유도한다. 성공적인 차단에 있어서, 아크 전류가 0으로 강하함에 따라, 접점 표면으로부터의 금속 증기 증발이 감소하며 최종적으로 멈춘다. 그 다음에 인벨로프에는 잔존 금속 증기가 침착되고 더 이상 금속이 증발되지 않음에 따라 매우 저압상태로 빠르게 복귀한다. 차단기의 절연 내력은 접점 사이의 영역에서 자유 금속 이온의 수가 감소하는 경우에 증가한다. 최종적으로 회로는 차단된다. 내부적으로 실질적인 진공을 통한 물리적 간극에 의해서, 그리고 외부적으로 전극을 지지하는 인벨로프의 절연 재료에 의해서 회로는 접점 또는 전극이 서로 절연되어 있거나 분리되어 있는 한 차단된 상태로 있다.

진공 차단기의 설계에 있어서 다양한 과제가 있다. 예를 들면, 이들은 폐쇄되어 있을 때, 과도한 저항 열없이 통상의 정상 상태 전류를 이동시켜야 한다. 개방된 때, 접점은 전류가 0으로 평활하게 감소하는 동안 유도된 아크가 회로 전류를 이동시키도록 충분한 금속 증기를 생성해야 한다. 아크 발생을 제거하는 것보다는 오히려 처리하는 것이 과제인데, 이는 전류의 너무 급작스러운 감소가 회로에 결합된 관련 분배 시스템 및/또는 부하 장치에 손상을 초래하는 유도 전압 서지(an inductive voltage surge leading)를 야기 할 수 있기 때문이다.

아크가 교류 전압의 영교점(zero crossing)에서 소멸된다고 가정하면, 교류 전압이 접점을 가로질러 복귀하는 때 아크가 그 다음 교류 절반 사이클에서 재점화되도록 진공 체적안에 금속 증기가 불충분하게 있어야만 한다. 이들 조건에 부가하여, 차단기 접속부는 바람직하게 광범위한 전류를 차단하도록 구성되며 특히 파워를 부하에 연결하거나 분리하기 위한 일반 개폐 수단으로서 사용되는 차단기에 대해서 실패없이 많은 회수의 운전을 계속하게 해야 한다.

전기 아크를 운반하는 금속 증기 이온은 전자기력에 의해서 영향을 받는다. 개방 접점을 통해 흐르는 전류는 아크가 접점의 표면상 주위를 이동하도록 하는 전자기장을 형성한다. 전자기장 세기는 전류 진폭의 함수이지만, 간극내 전류 밀도의 분배는 칼럼형 또는 확산형일 수 있는 아크의 특성에 따른다. 확산 아크는 일반적으로 5㎄ 미만의 전류에서 진공 차단기의 분리 접점 사이에서 발생된다. 이러한 유형의 아크는 접점 재료에 따라 약 20A 내지 약 100A 사이의 전류를 각기 이동시키는 복수의 미세 음극점(a plurality of minute cathode spots)에 의해서 특징화된다. 음극점은 분리 접점 사이로 전류를 이동하는데 필요한 금속 이온을 방출한다. 5㎄ 미만의 전류가 흐르는 회로용 진공 차단기의 접점에 대한 일반 형상은 디스크 형상이며, 일반적으로는 "맞대기(butt)" 접점이라 불리어지며, 접점은 각각의 디스크의 실질적으로 평탄한 면을 따라 접촉하고 있다.

약 8㎄보다 큰 전류에 대해, 진공 차단기 아크는 칼럼형을 나타내며, 공기중의 아크와 유사하다. 이러한 보다 고 전류 레벨에서 회로를 성공적으로 차단하기 위해서, 칼럼형 아크가 제어될 필요가 있다. 아크를 제어하는 두 종류의 변형예가 있다. 하나의 방법은 칼럼형 아크가 접촉면의 표면위를 이동하게 힘을 받도록 전극을 나선형 또는 슬롯된 컵형으로 성형하는 것이다. 또 다른 방법은 칼럼형 아크를 이 고 전류 레벨에서 평탄하게 확산되도록 힘을 가하는 것인데, 이것은 축방향 자기장을 생성함으로써 달성될 수 있다.

약 16㎄ 이상의 고 전류에 대해, 한정된 칼럼형 아크가 발생한다. 그러므로 아크는 몇가지 다른 모드로 결정되는데, 확산 아크 및 한정된 칼럼형 아크에 엄격히 한정되지 않으며 상기 전류 범위 사이의 전이 전류에서 아크의 특성이 불확실하다. 또한, 전류의 레벨은 AC 절반 싸이클에 걸쳐 변화하며, 전류의 레벨은 절반 싸이클에 대한 접점 분리의 타이밍에 기인하여 변할 수 있다. 아크는 일반적으로, 수동형 저전류 확산 아크로부터, 아크 개시 및 전류의 세부조건하에서, 급속히 증발하는 음극과 양극 루트를 갖는 고밀도 고압력 아크 범위에 걸쳐 있다.

예를 들면 접촉자에 사용되는 전류 차단기는 발생되는 그 통상의 부하 회로 전류에서는 다수의 차단 싸이클에 걸쳐 기능하고, 고전류에서는 과도한 전극의 손상으로 인하여 보다 적은 수의 차단 사이클에 걸쳐 기능하도록 의도된다. 유익하게는, 차단기가 보통 부하 전류(I_L)에서 적어도 10⁶회 동작하고, 반복 조깅 응용예에 대해서는 모터를 온 및 오프 절환하는 때에는 6×I_L에서 10⁵회 작동하고, 10×I_L(표준 조건임)에서 50회 작동하며, 및/또는 50×I_L의 최대 단락 전류에서 적어도 3회 작동한다.

차단기가 저전압 응용예에 대해, 저 전류 차단 접점 재료(a low current-chop contact material)를 사용하는 것이 유익하다. "전류 차단(Current chop)"은 접점 재료가, 전압이 전압의 다음 영교차점에서 영으로 평활하게 강하하기 보다는 여전히 존재하는 동안, 차단시 전류가 갑작스럽게 소거되도록 하는 정도의 수단이다. 어느 한 저 전류 차단 접점 재료는 은과 텅스텐-카바이드(Ag-WC)의 야금학적 분말 혼합물이며, 저전류 확산 진공 아크와 관련하여 잘 작동된다. 전류가 전이 영역에 있을 때, 이 재료로 제조된 맞대기 접점은 접점의 분리를 이끄는 제 1 AC 전류의 영교차점에서 전류를 항상 차단하지는 않는다. 점진적으로 높아지는 전류 레벨에서, Ag-WC 접점 재료는 점차적으로 덜 효과적으로 되며, 충분히 높은 전류 레벨에서 이러한 접점은 결코 성공적으로 회로를 차단하지 못할 것이다. 이 재료를 사용한 고 전류 회로 차단의 의존성이 향상될 수가 있다면, 가능한한 고전류에서 아크를 칼럼형보다는 오히려 확산형으로 유지함으로써 저 전류 차단의 장점을 달성하는 것이 유리할 것이다.

전극에 대한 다른 변형 재료로는 Cu-Cr과 Cu-Cr-Bi 합금 등이 가능하다. 전극 손상을 제한하기 위해서 확산 아크를 유지할 필요성은 Ag-WC를 갖는 재료보다는 이러한 재료에서 덜 중요하지만, 이러한 재료의 회로 차단 성능은 또한 아크가 확산 상태로 유지될 수 있는 경우에 향상된다.

Ag-WC 접점 재료를 갖는 것을 포함하여, 아크가 확산형으로 유지되는 정도로 개선하기 위해 축방향 자기장을 인가하는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 스즈키(Suzuki) 등에게 특허된 미국 특허 제 4,367,382 호는 40㎄ 정도의 높은 전류를 언급하고 있다. 미국 특허 제 4,367,382 호의 차단기는 부유 금속증기 차폐기를 사용한다. 자기장 코일이 각각의 접점 뒤에 위치된다. 접점을 작동시키는 기구는 접점을 약 2㎧로 분리한다. 축방향 자기장 수단이, 접점이 보통 서서히(예를 들면, 0.5㎧) 개방되고 차단기가 대체로 콤팩트하고, 내구성 있고 가격이 저렴한 것을 요구하는 접촉기형 기구용으로 적합한 덜 복잡한 차단기에 적용될 수 있다면 유익할 수 있을 것이다.

슐만(Schulman)과 슬레이드(Slade)가 출원하여 본 출원인에게 양도된 미국 특허 출원 제 08/488,401 호에, 신규한 차단기 스타일이 개시되어 있는데, 여기에서는 단일 내부 축방향 자기 전류 코일이 두 개의 튜브형 전기 유전체 사이에서 전기적으로 절연된 증기-응축 아크 차폐기와 함께 사용되었다. 그러나, 이러한 스타일은 차폐기가 절연되기 때문에, 여전히 비교적 복잡하며, 이것은 또한 본질적으로 높은 제조 비용을 초래한다. 그러므로, 이 발명은 절연 아크 차폐기가 높은 인가 전압에서 소망의 절연 회복과 전압 항복을 달성하기 위한 최대 옵션이 되는 보다 높은 말단 범위의 전압 인가용으로 가장 적합하다. 이들 및 기타 다른 이유에서, 본 발명의 신규한 차단기가 필요로 된다.

본 발명은, 접점 간극내에 축방향 자기장을 생성하는 콤팩트한 내부 구조를 사용하여 확산 진공 아크를 유지함으로써, 특히 접촉자형 실시예에서 고 전류에서의 회로 차단을 허용하는 것을 목적으로 한다.

이들 및 기타 다른 목적은 차단기의 개방시 전기 아크를 칼럼형 모드보다는 오히려 확산형으로 유지하지 하기 위해서 축방향으로 배향된 자기장을 발생시키는 코일을 갖는 진공 회로 차단기에 의해서 달성된다. 맞대기 접촉가능한 디스형 접점을 갖는 두 개의 전극중 적어도 하나가 다른 하나에 대하여 축선을 따라 금속 벨로우즈를 통하여 이동가능하며 외부 메카니즘에 의해서 가압되어 개방될 수 있다. 접점이 진공화된 밀봉부내에 있도록 전극을 지지하는 대향 단부 장착부 사이에 전기적 절연체를 갖는 하우징내에 전극이 지지된다. 전극중 하나는 접점중 하나에 부착된 강성의 지지 부재를 구비하며 축방향을 따라 길이가 연장되는 조립체를 포함한다. 코일은 이 길이를 따라 지지 부재 둘레에 원주방향으로 감겨있고, 축방향 자기장을 발생시키는 전도성 경로를 제공한다. 지지 부재는 보다 작은 전도성(예를 들면 스테인레스 스틸) 중공 슬리브 또는 중실 부재로 이루어지며, 코일은 보다 전도성의 재료(예를 들면, 구리)이며, 내구성이 있고 가격이 저렴한 구조체를 제공한다.

코일은 거의 완전한 나선형 회전을 할 수 있거나, 또는 각각 지지부 주위로 나사선 경로로 연장되는 적어도 두 개의 코일 섹션을 가질 수 있다. 두 개의 상기 코일 섹션은 각각 지지 부재 주위에 대략 180°로 감기도록 제공될 수 있다. 코일은 고정 전극 또는 가동형 전극상에 배치될 수 있다. 예를 들면 고정 전극상에서, 코일은 그 일 단부가 관련 접점에 결합되고 타단부가 각각의 단부 장착부에 결합될 수 있으며, 지지부는 접점을 단부 장착부로부터 이격시키는 일체형 스테인레스 관상 슬리브일 수 있다. 고정형 전극 또는 가동형 전극에서, 지지부는 전극의 자루부를 그 접점으로부터 이격하는 스테인레스 슬리브일 수 있으며 코일은 간극내에 배치되어 있다. 다른 변형예로서, 전극의 자루부는 코일용 간극을 제공하기 위한 자루부와 일체적인 슬리브를 구비하도록 구멍이 형성될 수 있다.

도면에는 바람직한 본 발명의 특정 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 본 발명은 예로서 개시된 실시예로 제한되지 않으며, 첨부한 특허청구범위의 영역내에서 변형될 수 있다.

도 1 내지 도 5는 몇 개의 변형 실시예에 따른 본 발명의 회로 차단기(10)를 도시하고 있는데, 동일 참조번호는 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 지시한다. 도면의 각각은 종단면도이며, 도시된 실시예의 각각은 거의 축방향으로 대칭인 구조체이다.

우선, 본 명세서에 개시된 본 발명의 회로 차단기의 변형 실시예는 본 기술분야의 일부 차단기와 공통적인 특징을 포함한다. 이들 본 기술분야의 특징중 일부는 이하의 4개의 문장에 개시되어 있다.

1) 각각의 도면에 있어서, 회로 차단기(10)는 차단기의 하우징의 단부 장착부(54)에 대하여 고정되어 있는 제 1 전극(12)과, 제 1 전극(12)에 대하여 종축(44)을 따라 이동가능한 제 2 전극(16)을 가진다. 전극(16)의 상대적인 운동은 금속 벨로우즈(36)를 통해 달성되는데, 이 금속 벨로우즈는 그 단부중 하나가 전극(16)에 대하여 부착되어 있으며 그 단부중 다른 하나가 차단기 하우징의 일부를 형성하는 단부 장착부(52)에 부착되어 있다. 전극(12)은 디스크형 맞대기 접점(22)에 전기적으로 접속되어 있으며, 전극(16)은 디스크형 맞대기 접점(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 접점(22, 24)은 통상 서로를 향하여 가압되어 회로 전류가 차단기(10)를 통하여 흐를 수 있게 한다. 외부 절환 메카니즘(도시안함)이 예를 들면 전극(12, 16)중 하나 또는 양자의 자루부내의 내부 나사산(42)에 의해서 차단기(10)에 부착될 수 있다. 또한, 단부 장착부 중 하나 또는 양자의 외측부상에, 도 1의 나사가공된 스터브(78)와 같은 수단이 차단기를 외부 메카니즘에 물리적으로 장착하기 위해 제공될 수 있다. 대안적 작동 모드에 있어서, 차단기(10)의 하우징은 "고정형" 전극(12)과 함께 이동될 수 있으며, 다른 전극(16)은 더 큰 메카니즘에 대하여 실제로 고정 상태로 유지되는 것이다.

2) 작동기를 갖는 스위칭 메카니즘의 다양한 형태 중 임의의 것이, 회로 전류를 차단할 때 접점(22, 24)을 분리하도록 차단기(10)에 결합될 수 있다. 스위칭 메카니즘은 예를 들면, 오류 전류의 검출시 회로 전류를 차단하도록 의도된 보호 장치의 일부일 수 있거나 또는 파워 분배 스위칭 시스템(예를 들면, 분배 재폐쇄기 또는 다른 스위치기어)의 일부, 또는 탭 변환기일 수 있다. 이것은 또한 모터 제어(예를 들면 시작/정지의 제어, 전진/후진의 제어, 속도의 제어 등)와 같은 응용예에서의 접촉기일 수 있을 것이다. 예를 들면, 도 2와 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예는 공업 규격 6(industry size 6)과 같은 회로 차단기에 적합하지만, 본 발명의 관점은 다른 규격과 용량에 또한 적용가능하다.

3) 변형예로서, 전극(12)은 금속 벨로우즈를 전극(12)에 대하여 대응 부착함으로써 차단기(10)의 하우징에 대하여 이동가능하게 만들어 질 수도 있다. 기계적 동작을 위한 기본적인 조건은 전극(12, 16) 사이에서 전류를 이동시키기 위해서 접점(22, 24)이 서로를 향하여 가압될 수 있게 하고 그 후 유도된 진공 아크(the drawn vacuum arc)를 통해 전류를 차단하기 위해서 분리되며, 하우징은 급속한 절연 회복에 요구되는 내부 고진공과 인가 전압에 견디는 능력을 유지한다.

4) 차단기(10)의 하우징은 대향 단부 장착부(52, 54) 사이에 기밀하게 부착된 거의 관상의 전기적 절연체(48)를 포함하며, 여기서 대향 단부 장착부(52, 54) 양자는 관련 전극(16, 12)이 그것을 통해 돌출되는 개구를 가진다. 단부 장착부(52, 54)는 각각의 전극(16, 12)과 전기적으로 결합하는 것이 보통이다. 모든 도면에 있어서, 단부 장착부(54)는 고정형 전극(12)을 지지하고 이것과 기밀하게 밀봉되며, 금속 벨로우즈(36)는 그 단부중 하나가 전극(16)에 대하여 기밀하게 밀봉되며 그 단부중 다른 하나가 단부 장착부(52)에 대하여 기밀하게 밀봉된다. 전극(12, 16), 금속 벨로우즈(36), 단부 장착부(54, 52), 및 절연체(48)는 함께 접점(22, 24)을 둘러싸는 기밀한 밀봉부를 형성한다. 예를 들면, 단부 장착부(52, 54)중 하나 또는 양자는 단부 장착부(54)가 도 1과 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 그 상부가 절연체(48)에 대하여 결합되는 단일의 금속 컵일 수 있다. 이와 마찬가지로, 단부 장착부(52, 54)중 하나 또는 양자는, 단부 장착부(52)가 모든 도면에서 여러 가지 방식으로 도시되어 있는 바와 같이, 단부 캡이 부착되고 기밀하게 밀봉되는(예를 들면 결합부를 따라 브레이징 또는 텅스텐 비활성 가스 용접에 의해서) 관상의 칼라를 갖는 2부분 구성을 가질 수 있다. 절연체(48)는 고산화 알루미늄 세라믹(Al₂O₃), 또는 다른 변형예로서 유리 또는 자기 재료(porcelain material)를 포함할 수 있다. 또한 일반적으로, 관상의 금속부에 의해서 분리되는 다수의 절연체부를 갖는 하우징을 구성하는 것이 가능하다. 한가지 가능한 제조 방법에 따르면, 기밀한 밀봉부는 도 1에 도시된 바와 같이, 핀(58)에 의해서 밀봉되는 입구(56)를 통하여 진공화된다.

둘째로, 차단기(10)의 본 발명의 주요 관점은 회로 전류의 흐름을 사용하여 접점 간극내에 축방향으로 배향된 자기장을 형성하도록 제공된 수단과 이것을 가능하게 하는 접점 재료의 최적 선택에 관한 것이다. 실시예의 각각에 있어서, 특정 디자인의 단일 전류 이동 코일(14)이 제공되는데, 이것은 전류가 차단기(10)를 통과할 때 거의 축방향으로 배향된 자기장을 생성하도록 설계된다. 이와 관련하여, 금속 증기의 응축용 금속 차폐기가 제공되는데, 이것은 두 개의 전극중 하나에 전기적으로 접속되어 있다. 코일(14)은 고정형 전극(12)(도 1, 도 2 및 도 5)이나 또는 가동형 전극(16)(도 3과 도 4)과 이하의 방법으로 결합될 수 있으며, 부품의 번호는 모든 도면에서 동일하다.

코일(14)은 그 단부중 하나가 그 관련 전극(12 또는 16)에 대하여 접속된 전기적 접속부(90)와, 그 단부중 다른 단부가 그 관련 접점(22 또는 24)에 대하여 접속된 전기적 접속부(91)를 가진다. 이 접점은 코일(14)의 높이를 수용하기 위한 공간과, 코일과 전극 사이의 추가 공간(35) 및 코일과 접점 사이의 공간(34)을 제공하는 지지 부재(32)에 의해서 관련 전극의 내부 단부로부터 이격되어 있다. 이들 공간(35, 34)내에 전기적 접속부(90, 91)가 각각 형성된다. 지지 부재(32)는 축방향으로 일정 길이로 연장된다. 지지 부재(32) 주위에 원주방향으로 감겨져 있는 전도성 경로를 형성하는 코일(14)은 이 길이를 따라 연장되고 회로 전류용 전도성 경로를 제공한다. 원주방향으로 감겨져 있기 때문에, 코일(14)은 전류가 그것을 통해서 이동할 때 축방향으로 배향된 자기장을 형성한다. 차단기(10)를 통과하는 전류의 대부분이 코일(14)을 통과하지만 지지 부재(32)를 통과하지 않도록 구조체가 배치되고 재료가 선택된다. 지지 부재(32)와 코일(14)은 모두 전기적으로 전도성을 띨 수 있다. 그러나, 코일과 지지 부재의 재료 및/또는 구조를 각각 선택하기 때문에 코일(14)이 지지 부재(32)보다 더 전도성이 좋다. 코일(14)은 바람직하게는 고전도성이고 비교적 두꺼운 중실형 구리의 리본을 포함한다. 지지 부재(32)는 바람직하게는 스테인레스 스틸과 같은 저 전도성 재료를 포함한다. 지지 부재(32)가 비교적 얇은 관상의 슬리브로서 형성된 것으로 도시되어 있지만, 이것은 변형예로서 중실 부재일 수 있다. 전극의 중심 종축, 코일 및 지지 부재는 차단기(10)의 중심 종축(44)과 일치하게 설계되는 것이 바람직하다.

모든 도면에 있어서, 코일(14)은 이것이 두 개의 반원형 절반 코일 섹션(82, 83)을 포함하는 바람직한 실시예로서 도시되어 있다. 각기 코일 섹션(82, 83)은 지지 부재(32) 주위를 나선 경로로 연장된다. 이 코일 섹션(82, 83)은 각기 그들의 단부중 하나가 관련 전극의 지름 확장부(93)의 주변에 대하여 전기적으로 접속되고 그들의 단부중 다른 하나가 그 주변의 관련 접점의 배면에 대하여 전기적으로 접속된다. 모든 도면에는 코일 섹션(83)의 전기적 접속부(90)가 관련 전극의 확장부(93)에 전기 접속되고 코일 섹션(82)의 전기적 접속부(91)가 그 관련 접점에 대하여 전기 접속되어 있는 것이 도시되어 있다. 반회전 코일 섹션(82, 83)은 각기 지지 부재(32) 둘레를 실질적으로 180°감싸며, 이들 환형 공간의 일부는 또한 전기적 접속부(90, 91)가 차지한다. 또한 실질적으로 360°둘러싼 일회전 코일 섹션, 또는 다른 더 작은 코일 섹션을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들면 3 부분으로 구성된 코일로서 각 부분은 실질적으로 120° 둘러싼다. 또한 중첩 코일 섹션을 예를 들면 각기 섹션이 실질적으로 360°둘러싸고 섹션들이 나란한 이중 나선형으로 제공하는 것이 가능하다.

보스(99)(도 1, 도 3 및 도 5) 또는 강하면(100)(도 4)은 지지 부재(32)의 단부가 그 관련 전극 스템에 대면하도록 지지 부재(32)를 적절히 위치설정하게 제공될 수 있다. 코일(14)과 관련된 맞대기 접점은 이와 마찬가지로 그 단부가 해당 접점에 대면하도록 지지 부재(32)를 적당히 위치설정하는 보스(66)(도 1, 도 3 및 도 4) 또는 강하면(67)(도 2와 도 5)을 포함하거나 또는 지지할 수 있다.

아크로 인한 금속 증기의 응축을 제공하는 금속 차폐기(72)가 적어도 개방 위치에서 있는 접점(22, 24)을 둘러싸기에 충분할 만큼 멀리 축방향으로 연장된다. 이것은 차폐기(72)가, 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 진공 아크가 발생하는 최대 접점 간극(92)의 축방향 길이를 충분히 둘러쌀 수 있도록 보장한다. 차폐기(72)는 도 3에 도시한 바와 같이, 직선일 수 있거나 또는 예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이 그 개방 단부에서 내부를 향하여 구부러질 수 있다. 이 차폐기는 또한 예를 들면 도 4에 도시한 바와 같이 부착 섹션(94)을 지지할 수 있다. 차폐기(72)의 또 다른 가능한 구성이 도 2와 도 5에 도시되어 있는데, 여기서 차폐기(72)는 절연체(48)의 단부상에 부착되어 있고 축(44)의 방향을 따라 연장되고 아크에 의해 발생된 금속 증기로부터 절연체(48)를 보호하도록 다소 내방향으로 구부러진 섹션(73)을 포함한다. 이와 관련하여, 하우징의 금속 단부 장착부(54)의 축방향으로 연장된 섹션은 차폐기(72)의 영역에 대응하여 접점 간극의 영역에서 증기 응축 표면으로서 역할을 한다. 그 개방 단부에서 차폐기(72)의 바람직한 내향 휨은 절연체(48)의 내부 표면보다 차폐기(72)상에 유도 전기 아크에 기인한 금속 증기의 도금을 향상시키는 역할을 한다. 차폐기(72)는 단부 장착부(54)를 통하여 고정형 전극(12)에 바람직하게는 전기적으로 및 기계적으로 결합되어 있다. 또한 접점(22, 24)의 최대 분리 간극과 거의 동일하거나 그보다 큰 거리만큼 가동형 전극(16)과 그 관련 접점(24)으로부터 반경방향으로 이격되어, 접점 간극(92)에의 전기 아크의 제한을 증진시키는 것이 바람직하다. 변형예로서, 차폐기(72)는 가동형 전극(16)과 전기적으로 및 기계적으로 결합될 수 있을 것이다

중간 정도의 전류와 전압 레벨에 대하여, 맞대기 접점(22, 24)은 Ag-WC 또는 Cu-Cr-Bi와 같은 저전류 차단 재료를 포함하는 것이 바람직하다. Ag-WC의 사용은 통상 저전류로 제한되며 본 발명에서 청구되는 중간 정도의 전류 범위까지 학장될 수 없다. 그러나, Ag-WC 재료의 사용은 본 발명의 단일 코일(14)의 사용에 의해서 중간 정도의 전류에서 본 실시예에서 가능하게 되는데, 이 단일 코일(14)은 진공 아크에 힘을 가하여 중간 정도의 전류에서도 저 부식 확산 모드를 취하도록 하는 축방향으로 배향된 자기장을 제공한다. 보다 높은 파워 회로에서, Cu-Cr 또는 Cu-Cr-Bi 재료가 바람직하지만, Cu-Cr에 대해 전류 차단 레벨이 더 높다.

도면에 도시된 실시예는 차단기(10)의 기계적, 전기적 및/또는 제조 특징을 향상시키는 몇가지 가능한 특징을 포함한다. 도 2와 도 5는 고정형 전극(12)이, 코일(14)과 결합되었을 때, 얼마나 전극(12)보다 낮은 전도성의 강한 재료로 제조된 원통형 스터브(64)용 지지부를 제공 또는 구비할 수 있는 방법을 도시하고 있다. 스터브(64)는 너트(도시안함)를 수용하도록 그 외측부상에 나사가공된 것이 도시되어 있는데, 이것에 의해 스터브(64)가 스위칭 메카니즘(도시안함)에 부착될 수 있다. 특히, 도 5에 도시된 구성은 최소한의 부품을 사용하며 쉽게 제조되는 내구성 있고 저렴한 차단기를 제공한다. 이것은 장착 스터브(64), 또한 아크 차폐기(72)의 주요 부분으로서 역할을 하는 상술한 일체형 컵 유형의 단부 장착부(54)를 사용한다. 전극(12), 보스(99), 전극 확장부(93), 코일(14)의 섹션(82, 83) 및 전기적 접속부(90, 91)는 모두 구리와 같은 고전도성 재료의 일체형이다..

도 1, 도 3, 도 4 및 도 5의 실시예에 있어서, 지지 부재(32)는 접점상에 가해지는 폐쇄력을 구조적으로 지탱하면서 코일(14)을 수용하는 공간을 유지하기 위해, 그 관련 전극과 접점 사이에 저 별개의 길이의 전도성 튜빙(예를 들면 스테인레스 스틸) 체결구를 포함한다. 최소의 부품을 가지며 특히 콤팩트하며 내구성 있고 값이 저렴한 변형 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 이 실시예에 따르면, 스터브(64)와 지지 부재(32)가 일체형이다. 지지 부재(32)는 저전도성 재료(예를 들면 스테인레스 스틸)로 제조된 스터브(64)의 연장된 자루부(84)의 내부 단부내로 보링(boring)함으로써 제공된다. 필요 공간(34, 35)을 유지하기 위해서 접점(22)에 부착된 단부에 얇은 관상 슬리브를 제공하도록 이 부재의 단부를 보링함으로써, 이제 지지 부재(32)를 포함하는 섹션의 저항이, 소망하는 바와 같이 코일(14)의 저항과 비교하여 더 크다.

도 3은 코일(14)과 결합되는 접점[즉, 이 경우 접점(24)]의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 단차부(45)(바람직하게는 평활함)가, 코일 섹션(82, 83)의 반경방향 두께의 대략 1/2의 외층이 이 접점의 주변부상의 단차부의 최외부측 작은 두께의 섹션(63)과 축방향으로 나란하게 되도록, 접점(24) 표면의 외주부내로 기계가공된다. 이것이 단차부(45)에 의해서 반경방향으로 경계지워진 간극의 중앙 영역내에 확산 아크의 오염을 증가시키므로, 자기장이 코일 섹션에 대한 그 위치로 인하여 감소된 축방향 성분을 갖는 보다 두께가 작은 섹션(63)의 영역내로 아크가 거의 진입하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 도 3은 또한 접점중 하나[이 경우 접점(24)]의 중앙 강하면(68)의 선택을 도시하고 있는데, 이것은 접점 용접을 감소시키고 용접 파손을 증가시키는 것을 발견하였다. 도 4는 코일이 도 3과 동일한 방식으로 가동형 전극(16)상에 배치되어 있는 변형 실시예를 도시하고 있지만, 고정형 전극(12)과 관련된 접점(22)은 접점 재료로 제조된 컵의 일부로서 일체적으로 형성되며, 이 컵은 그 베이스(26)가 단부 장착부(54)에 고정되어 있고 차폐기(72)를 제공하도록 축방향으로 연장되어 있다. 또한 도 4에는 지지 부재(32)를 접점(24)에 접속하는 보스(66)가 저 전도성 재료(예를 들면 스테인레스 스틸)로 제조된 별개의 부재로서 제조될 수 있다.

본 발명은 이상의 변형예와 실시예와 관련되어 설명되었으며 이제 부가의 변형예가 당해 기술분야의 숙련자들에게 분명해질 것이다. 본 발명은 특히 언급된 변형예에 한정되도록 의도되는 것이 아니며, 따라서 바람직한 실시예에 대한 상기의 설명보다는 오히려 첨부된 청구의 범위를 참조하여 배타적인 권리가 청구되는 본 발명의 보호범위를 평가하여야 한다.

본 발명은, 접점 간극내에 축방향 자기장을 생성하는 콤팩트한 내부 구조를 사용하여 확산 진공 아크를 유지함으로써, 특히 접촉자형 실시예에서 고 전류에서의 회로 차단을 허용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 회로 차단기의 종단면도,

도 2는 변형예를 도시하는 단면도,

도 3은 변형예를 도시하는 단면도,

도 4는 변형예를 도시한는 전체 단면도,

도 5는 다른 변형예를 도시하는 전체 단면도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 차단기 12, 16 : 전극

14 : 코일 22, 24 : 접점

32 : 지지 부재 44 : 종축

52, 54 : 단부 장착부 90, 91 : 접속부

Claims (12)

1. 콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기(10)에 있어서,

   맞대기 접촉가능한 접점(22, 24)(abuttable contacts)을 갖는 제 1 및 제 2 전극(12, 16)으로서, 상기 전극중 적어도 하나(16)가 다른 하나의 전극(12)에 대하여 종축(44)을 따라 이동가능하며, 상기 접점(22, 24)은 전극(12, 16) 사이에 전류를 이동시키도록 서로를 향하여 접촉되고 또한 전류를 차단하여 접점 사이에 아크(arc)를 형성하도록 분리되며, 상기 전극중 적어도 하나(16)는 외부 압력에 의해서 다른 하나의 전극(12)을 향하여 가압되며, 상기 접점(22, 24)을 이격되게 가압하도록 동작가능한 메카니즘에 부착되도록 구성되는, 상기 제 1 및 제 2 전극(12, 16)과,

   대향 단부 장착부(52, 54) 사이에 배치된 전기적 절연체(48)를 포함하는 하우징으로서, 상기 단부 장착부는 상기 전극(12, 16)을 지지하며, 상기 전극(12, 16), 단부 장착부(52, 54) 및 절연체(48)가 함께 접점(22, 24)을 둘러싸는 진공 밀폐부를 형성하는, 상기 하우징을 포함하며,

   상기 전극(12, 16)중 적어도 하나는 상기 종축(44)을 따라 일정 길이로 연장되고 상기 접점(22, 24)중 하나에 부착된 전기 전도성이며 강성의 지지 부재(32)를 포함하며, 적어도 하나의 전기 전도성 코일(14)이 상기 지지 부재(32) 둘레에 원주방향으로 감기며 상기 길이를 따라 연장하는 전도성 경로를 형성하며, 상기 지지 부재(32)보다 전도성인 상기 코일(14)은, 코일(14)이 축방향으로 배향된 자기장을 형성하도록 전류에 대한 전도성 경로를 제공하며,

   상기 전극(12, 16)중 하나는 자루부(shank portion)를 포함하며, 상기 지지 부재(32)는 상기 자루부와 상기 접점(22, 24)중 하나 사이에 상기 코일(14)을 수용하는 간극을 유지하기 위한 저전도성의 관상 슬리브(tubular sleeve)를 포함하는

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 관상 슬리브가 상기 자루부와 상기 접점(22, 24)중 하나 사이에 배치되는

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 관상 슬리브는 상기 접점중 하나와 접촉하는 자루부의 단부내의 보어에 의해서 형성되며, 상기 간극은 상기 자루부의 중실형 부분과 상기 접점(22, 24)중 하나 사이에 유지되는

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 관상 슬리브는 상기 전극중 하나를 따라 배치된 일체형 슬리브(an integral sleeve)인

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극중 하나는 상기 하우징에 대하여 고정된

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극중 하나는 상기 하우징에 대하여 이동가능한

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 접점중 적어도 하나는 접점의 다른 하나와 맞대기 접촉되도록 거의 디스크형 프로파일을 포함하는

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 접점중 적어도 하나는 Ag-WC와 Cu-Cr-Bi중 적어도 하나를 포함하는 재료의 표면을 갖는

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 접점중 적어도 하나는 Cu와 Cr의 합금을 포함하는 재료의 표면을 갖는

   콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 접점중 적어도 하나는 접점의 다른 하나에 대면하는 컵형상의 강하면(a cup-shaped depression)과 주변 단차부(a peripheral step)중 하나를 구비하는

    콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
11. 제 5 항에 있어서,

    상기 접점중 적어도 하나는 접점의 다른 하나에 대면하는 컵형상의 강하면과 주변 단차부 양자를 구비하는

    콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.
12. 제 2 항에 있어서,

    상기 관상 슬리브는 스테인레스 스틸로 이루어지는

    콤팩트한 내부 구조의 회로 차단기.

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