KR100764297B1 - Ｐｔｃ 소자를 구비하는 전류 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류 차단기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 구비되는 PTC 소자를 보호할 수 있는 구조의 전류 차단기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전류 차단기는 PTC 소자 마운팅 패드, 여기에 마운팅된 PTC 소자, 및 상기 PTC 소자상에 결합된 고정접점을 포함하는 고정접점대; 상기 고정접점대에 전류를 인가하는 고정리드; 상기 고정접점과 스위치를 이루는 가동접점이 구비되고 상기 고정접점을 기준으로 가동접점의 위치를 상대적으로 이동시켜 상기 스위치를 개폐하는 가동도체; 및 상기 고정접점대의 하방 변위에 따라 상방으로 탄성력을 인가하는 탄성인가수단을 포함한다.

PTC, 전류, 한류, 저압, 차단기, 탄성부재

Description

ＰＴＣ 소자를 구비하는 전류 차단기{Circuit breaker having PTC current limiting element}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 PTC를 구비한 전류 차단기의 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 차단기의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류차단기의 PTC소자의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 변형예에 따른 전류 차단기의 구성도이다.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

10...고정접점대 11...PTC 소자 마우팅 패드

12...PTC 소자 13...고정접점

20...고정리드 21...연성케이블

30...가동도체 31...가동접점

40...탄성인가수단 50...스토퍼

본 발명은 전류 차단기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 구비되는 PTC 소자를 보호할 수 있는 구조의 전류 차단기에 관한 것이다.

일반적으로 저압, 고압 계통의 단락전류에 대한 대비책으로써, 아크 소호 방식의 차단기가 널리 사용된다. 그러나 종래의 차단기는 예상 사고 전류 치에 대한 한류기능이 없어 사고 파급효과의 지속시간이 상대적으로 길다. 또한 단락전류 차단 실패 시에는 주변 전력 기기 및 전력계통에 미치는 영향이 지대하다. 따라서 빠른 시간 내에 계통 단락전류를 효과적으로 제한할 수 있는 한류기에 대한 요구가 점점 커지고 있다.

한류기란 전력계통에서 발생하는 과전류 및 단락전류를 제한하고 차단하는 기기로서, 일반적으로 PTC(Positive temperature coefficient) 특성을 갖는 물질을 이용하여 그 기능을 달성할 수 있다.

PTC 특성을 갖는 물질은, 상온에서는 상대적으로 저항이 낮아 전류를 잘 통과시킨다. 그러나 주위의 온도가 상승하거나 허용치 이상의 전류가 유입되어 자체적으로 발열될 경우 저항이 수백 배 혹은 그 이상으로 급격히 상승하게 되므로 전류를 제한할 수 있다. 따라서 이를 이용하여 회로소자를 구성할 경우 각종 회로를 보호할 수 있다.

이와 관련하여 일본 특허공개 2000-164109호에는 PTC를 내장한 저압차단기가 개시되어 있다. 이 기술을 도시한 도 1을 참조하면, 종래의 저압차단기는 고정도체(1), 고정접점(2), 가동도체(3), 가동접점(4) 및 고정도체(1)와 고정접점(2) 사이에 구비되는 PTC 소자(5)를 포함한다. 여기서, PTC 소자(5)는 도전성 입자가 혼입되어 PTC 특성을 갖는 PTC 물질층(5a), PTC 물질층(5a)의 양쪽 표면에 용착되어 배치되는 제1 및 제2전극(5b, 5c)을 구비한다.

종래 기술에 따른 저압차단기를 실제 100V 이상, 10kA 이상의 단락전류의 제한 용도로 사용하는 경우, PTC 물질층(5a)과 이에 접촉되어 있는 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이에는 전자반발력이 발생하여 PTC 물질층(5a)과 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이에 공극이 발생한다. 이로 인해 PTC 물질층(5a)과 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이의 계면에서 아크가 발생하고, 이러한 아크는 PTC 물질층(5a)을 분해시키고 탄화시켜 결국 절연파괴를 일으키고, PTC 소자의 수명을 감축시킨다.

또한, 이러한 아크와 PTC 물질층(5a) 자체의 발열로 인하여 PTC 물질이 기화되어 PTC 물질층(5a)의 외부로 방출된다. 외부로 방출된 물질(가스)은 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이의 공간에 존재하게 되는데, 이러한 물질(가스)로 인해 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이의 공기 절연층이 파괴된다. 즉, 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이에 아크가 발생하게 된다.

결국, PTC 물질층(5a)과 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이에서 발생하는 아크, 또는 제1 및 제2전극(5b, 5c) 사이에서 발생하는 아크가 저압차단기의 내부에 구비되는 전기적, 기계적 구성요소에 노출됨으로써, 저압차단기의 수명이 단축되는 문 제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 과전류나 단락전류 제한을 위하여 구비되는 PTC 소자의 소손을 방지할 수 있는 전류 차단기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전류 차단기는 PTC 소자 마운팅 패드, 여기에 마운팅된 PTC 소자, 및 상기 PTC 소자상에 결합된 고정접점을 포함하는 고정접점대; 상기 고정접점대에 전류를 인가하는 고정리드; 상기 고정접점과 스위치를 이루는 가동접점이 구비되고 상기 고정접점을 기준으로 가동접점의 위치를 상대적으로 이동시켜 상기 스위치를 개폐하는 가동도체; 및 상기 고정접점대의 하방 변위에 따라 상방으로 탄성력을 인가하는 탄성인가수단을 포함한다.

상기 PTC 소자는 고정도체와 고정접점 사이에 구비된다.

상기 고정 접점대와 고정리드는 연성케이블을 통해 연결되거나, 일체형으로 구비될 수 있다.

상기 고정접점대의 상방이동을 저지하는 스토퍼를 더 구비할 수 있다.

상기 PTC 소자가 외기에 노출되는 부분은 탄성부재로 몰딩처리 되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거 나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 차단기의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전류 차단기는 고정접점대(10), 고정리드(20), 가동도체(30), 및 탄성인가수단(40)을 포함한다.

고정접점대(10)는 판형의 PTC 소자 마운팅 패드(11), 상기 PTC 소자 마운팅 패드(11) 상에 마운팅되는 PTC 소자(12), 및 PTC 소자(12)에 결합되는 고정접점(13)을 구비한다.

PTC 소자 마운팅 패드(11)는 외부로부터 유입되는 전하를 원활하게 전달하기 위하여 예컨대, 구리, 황동과 같은 재질의 전도체로 구성된다.

PTC 소자(12)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이 판형의 PTC 물질층(12a)을 사이에 두고 상하 전극(12b, 12c)이 대향하고 있는 구조를 가진다. 상하 전극(12b, 12c)은 알루미늄, 은, 구리 등의 재질로 이루어진 금속 플레이트로 구성된다.

바람직하게, PTC 소자(12)에는 RTV(Room Temperature Vulcanizing), 우레탄, 고무 등과 같은 탄성력을 지니는 탄성부재(12d)가 몰딩 처리될 수 있다(도 3참조). 상기 유닛에 탄성부재(12d)가 몰딩되면, PTC 소자(12)의 한류동작 시, PTC 물질층(12a)과 상하 전극(12b, 12c) 사이의 계면에서 발생하는 아크로 인해 생성되는 가스가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

고정리드(20)는 차단기 외부의 전력전송로와 고정접점대(10)를 전기적으로 연결한다. 고정접점대(10)와 고정리드(20)는 별도로 구비된다. 고정접점대(10)와 고정리드(20)가 각각 별도로 구비됨으로써, 고정접점대(10)와 고정리드(20)는 외력에 대응하여 독립적으로 움직일 수 있다. 이때, 고정리드(20)는 연성케이블(21)을 더 구비하며, 고정접점대(10)와 고정리드(20)는 연성케이블(21)을 통해 전기적으로 연결된다.

여기서, PTC 소자 마운팅 패드(11)와 고정리드(20)는 동일한 재질로서, 외부로부터 유입되는 전류를 원활하게 전달하기 위하여 예컨대, 구리, 황동과 같은 재질의 전도체로 구성된다.

가동도체(30)는 선로의 부하 측과 전기적으로 연결되어 가동접점(31)을 통해 유입되는 전류를 부하 측에 전송한다. 따라서, 가동도체(30)도 PTC 소자 마운팅 패드(11)와 마찬가지로 전기 전도도가 양호한 구리, 황동과 같은 재질의 전도체로 구성된다.

고정접점대(10)에 구비되는 고정접점(13)과 가동도체(30)에 연결되는 가동접점(31)은 하나의 스위치로 작동한다. 상기 스위치의 작동에 따라 고정접점(13)과 가동접점(31) 사이에 아크가 발생할 수 있으므로, 고정접점(13) 및 가동접점(31)은 AgCd0, AgC, AgWC와 같은 내 아크 특성이 우수한 판형의 금속 절편으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 가동도체(30)는 가동접점(31)을 열림(off)방향(A) 또는 닫힘(on)방향(B)으로 구동시켜 상기 스위치를 개폐한다. 바람직하게, 가동도체(30)는 회전 메카니즘에 의하여 구동된다. 이를 위하여 가동도체(30)는 가동도체 회동수단(미 도시)과 결합되어 회전될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.

상기 가동도체 회동수단은 본 발명이 속한 기술분야에서 잘 알려진 MCCB(Molded Case Circuit Breaker)에 채용되는 가동도체 회동수단을 그대로 채용가능하다. 가동도체 회동수단은 스위치의 닫힘(ON)상태에서 두 접점(13, 31) 사이에 발생하는 전자반발력에 의해 접점이 개리되는 것을 방지하기 위해 가동도체(30)에 소정의 접압력을 인가하며, 미리 정해진 소정의 레벨 이상의 사고전류가 감지되면 사고 전류를 차단하기 위하여 가동도체에 회전력을 인가한다.

탄성인가수단(40)은 전류차단기의 내부에 장착되어 고정접점대(10)의 하방 변위에 따라 상방으로 탄성력을 제공한다.

탄성인가수단(40)이 제공하는 탄성력이 평상시의 전류 통전 시 발생하는 전자반발력 보다 작을 경우, PTC 소자(12)가 전자반발력에 의하여 소손되는 것을 효과적으로 방지할 수 없고, 상기 탄성력이 사고전류 시 발생하는 전자반발력보다는 클 경우, 가동도체(30)가 오 동작할 수 있다. 따라서, 탄성인가수단(40)이 제공하는 탄성력은 평상시의 전류 통전 시 발생하는 전자반발력보다는 크고, 사고전류 시 발생하는 전자반발력보다는 작게 설계되는 것이 바람직하다.

또한, 탄성인가수단(40)이 제공하는 탄성력에 의해 고정접점대(10) 자체가 이동할 경우, 탄성력을 PTC 소자(12)가 인가받지 못할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 전류차단기는 스토퍼(50)를 더 구비하며, PTC 소자(12)가 구비되는 고정접점대(10)는 스토퍼(50)에 의해 기구적으로 고정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 변형예에 따른 전류차단기는 본 발명의 바람직한 실시예에서와 동일한 구성요소로 구성하되, 고정접점대(10)와 고정 리드(20)의 연결구조가 다르며 탄성인가수단(40)을 구비하지 않는다. 구체적으로, 고정접점대(10)와 고정 리드(20)는 일체형으로 구비되어 그 자체의 탄성력에 의해 고정접점대(10)의 하방 변위에 따라 상방으로 탄성력을 제공한다(도 4 참조).

이하, 전술한 구성요소를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전류차단기의 동작을 설명한다.

먼저, 차단기가 투입된 상태에서 가동도체 회동수단(미 도시)에 의해 가동도체(30)에 소정의 힘이 가해져 스위치를 누르게 된다. 이러한 상태에서, 차단기가 투입된 선로에 정상적인 부하전류가 흐르게 되면, 스위치의 접점 간에 전자 반발력이 발생되지만, 상기 전자 반발력은 상기 가동도체 회동수단이 인가하는 힘보다 상대적으로 작다. 따라서, 상기 스위치는 닫힘상태(ON)를 유지하고, 가동도체(30)도 회동하지 않는다.

그러나 차단기가 설치된 선로에 사고가 발생하여 사고 전류가 흐르게 되면, 전자 반발력의 크기는 전류의 제곱에 비례하여 증가한다. 이때, 전자 반발력의 크기가 상기 가동도체 회동수단이 인가하는 힘보다 상대적으로 커지게 되어 스위치는 열림상태(OFF)가 된다. 이때, 고정접점(13)과 가동접점(31) 사이에 다량의 아크가 발생하고, 아크를 통해 사고전류가 계속해서 흐르게 된다. 사고전류가 PTC 소자 (12)를 통해 흐르게 되면, PTC 소자(12)에서는 줄 열이 발생한다. 이로 인하여 PTC 소자(12)의 온도가 소자의 작동온도 이상으로 올라가고, PTC 소자(12)의 저항값이 급격하게 증가한다. 결국, 사고전류는 급격하게 제한(limiting)된다.

이때, PTC 물질층(12a)과 상하 전극(12b, 12c) 사이에는 전자반발력이 발생하지만, 탄성인가수단(40)이 제공하는 탄성력에 의해 PTC 물질층(12a)과 상하 전극(12b, 12c)이 서로 밀착된다. 또한, PTC 소자(12)가 사고전류를 제한할 때, PTC 물질층(12a)의 비전도성 물질이 기체로 변형되어 외부로 방출될 수 있으나, PTC 소자(12)의 외부 면에 몰딩된 탄성부재(12d)가 이를 방지한다.

상기 과정에서 아크는 냉각 및 분할되어 전류 영점에서 소호되며, 따라서, 아크를 통해 전송되는 전류는 완전하게 차단된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명의 전류 차단기에 따르면, 과전류나 단락전류 제한 시 PTC 물질층과 전극 사이의 공극 발생을 억제함으로써, 전극과 PTC물질층 간의 아크발생을 방지하여 PTC 물질층의 마모를 방지할 있다.

또한, PTC 물질층에서 발생하는 기체가 외부로 노출되지 않도록 구현함으로써, 전열파괴를 방지할 수 있다. 나아가, 전류차단기 내부에 구비되는 전기적, 기 계적 구성요소가 아크에 노출되는 것을 방지함으로써, 저압 차단기의 수명을 보다 연장시킬 수 있다.

Claims (6)

1. PTC 소자 마운팅 패드, 여기에 마운팅된 PTC 소자, 및 상기 PTC 소자상에 결합된 고정접점을 포함하는 고정접점대;

   상기 고정접점대에 전류를 인가하는 고정리드;

   상기 고정접점과 스위치를 이루는 가동접점이 구비되고 상기 고정접점을 기준으로 가동접점의 위치를 상대적으로 이동시켜 상기 스위치를 개폐하는 가동도체; 및

   상기 고정접점대의 하방 변위에 따라 상방으로 탄성력을 인가하는 탄성인가수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 PTC 소자는 PTC 소자 마운팅 패드와 고정접점 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 고정접점대의 상방이동을 저지하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 고정 접점대와 고정리드는 연성케이블을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 탄성인가수단은 제거되고, 상기 고정접점대와 고정리드는 일체형으로 구비되어 그 자체의 탄성력으로 상기 탄성인가수단의 기능을 대신 수행하는 것을 특징으로 하는 전류 차단기.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 PTC 소자가 외기에 노출되는 부분은 탄성부재로 몰딩 처리되는 것을 특징으로 하는 전류 차단기.

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