KR101096988B1 - 트립 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 트립 장치는, 배선용 차단기의 전원측에 연결되어 전류를 공급받는 전원측 히터; 상기 배선용 차단기의 부하측에 연결되어 상기 전류를 전달하는 부하측 히터; 상기 전원측 히터 및 상기 부하측 히터 사이에 일부분이 접촉 고정되고, 상기 배선용 차단기에 과전류 또는 단락 전류의 도통시 만곡되며, 상기 전원측 히터에 접촉 통전되는 직열부와 상기 전원측 히터와 대면되는 방열부를 구비한 바이메탈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

트립 장치{TRIP DEVICE}
본 발명은 트립 장치에 관한 것으로서, 과부하 또는 단락 등의 전원 사고 발생시 전류를 차단하는 배선용 차단기(MCCB : Molded Case Circuit Breaker)에 채용되는 트립 장치에 관한 것이다.
배선용 차단기는 개폐 장치 및 트립 장치 등을 전기 절연물 재질의 용기 내에 일체로 조립한 것으로 통전 상태의 전로를 수동 또는 전기 조작에 의해 개폐할 수 있으며, 과부하 또는 단락 등의 이상 발생시 전류를 차단하여 배선을 보호하는 장치이다.
일반적으로 배선용 차단기는 교류 600V 이하 또는 직류 250V 이하의 저압 전로의 보호에 사용되는 몰드 케이스(mold case)로 된 차단기를 말한다. 소형으로 제작되며 조작이 간편하고 퓨우즈를 갈아 끼우는 등과 같은 유지 보수의 번거로움이 없기 때문에 종래의 나이프 스위치와 퓨우즈를 대신하여 널리 사용되고 있다.
트립 장치의 종류로는 바이메탈이 차단기를 흐르는 전류로 가열되어 만곡됨 으로써 트립 동작을 하는 바이메탈 방식과, 코일에 차단기의 전류를 흘리고 과전류가 인가되면 코일에 형성된 전자기장으로 코어를 흡인함으로써 동작되는 전자기장 방식과, 마이크로 프로세서를 채용한 전자식 등이 있다.
또한, 트립 특성은 정격전류의 100%를 연속 통전하여도 트립 동작하지 않고 예를 들어 정격전류의 125%, 200%의 전류에 대하여 일정한 동작 시간이 별도로 정해져 있다.
본 발명은 저정격 차단기 및 고정격 차단기가 갖는 문제점을 개선하기 위한 것으로 과전류 차단시 민감도 향상 및 단락 전류 차단시 신뢰성을 확보할 수 있는 다목적 트립 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 트립 장치는, 배선용 차단기의 전원측에 연결되어 전류를 공급받는 전원측 히터; 상기 배선용 차단기의 부하측에 연결되어 상기 전류를 전달하는 부하측 히터; 상기 전원측 히터 및 상기 부하측 히터 사이에 일부분이 접촉 고정되고, 상기 배선용 차단기에 과전류 또는 단락 전류의 도통시 만곡되며, 상기 전원측 히터에 접촉 통전되는 직열부와 상기 전원측 히터와 대면되는 방열부를 구비한 바이메탈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 트립 장치는 직열식 트립 장치의 장점과 방열식 트립 장치의 장점 을 모두 취하므로, 소정격 배선용 차단기 및 대정격 배선용 차단기에 모두 쓰일 수 있는 다목적 트립 장치이다.
우선, 본 발명과 대비되는 가상의 비교예에 대하여 먼저 설명한다.
저정격(40A 이하) 배선용 차단기의 경우 과전류 차단이 저정격 전류의 구간별로 분명한 차이를 갖도록 민감도를 보완하면 순간적인 피크값을 갖는 단락 전류의 차단에 취약한 트레이드 오프(trade-off)가 발생한다. 반면에 고정격 배선용 차단기의 경우 과전류 차단 특성이 전류의 크기 구간별로 분명하지 않은 문제점을 갖는다.
또한, 바이메탈의 가열 방식에 따라 방열식과 직열식으로 구분할 수 있는데 도 1은 가상의 비교예로서 방열식(放熱式) 트립 장치를 도시한 측면도이다. 이를 참조하면, 전원측에서 부하측으로 고정자(11), 가동자(12), 부하측 단자(15)를 순차적으로 거치며 전류가 흐르는 트립 장치가 도시된다. 고정자(11)는 전원측에 연결되고, 가동자(12)는 도시하지 않은 개폐 장치에 의하여 동작됨으로써 고정자(11)에 대하여 가동자(12)의 접촉이 온/오프(on/off) 위치로 스위칭(switching)된다.
전류는 바이메탈(13)을 바이패스(by pass)하여 부하측 단자(15)로 직접 흐르게 된다. 전원측에서 인가되는 전류로 가동자(12)가 발열됨으로써 바이메탈(13)이 가열되며, 상기 가열된 바이메탈(13)이 열변형되면서 개폐 장치를 작동함으로써 고정자(11) 및 가동자(12)의 연결 상태를 끊어 과전류나 단락 전류가 차단된다.
바이메탈(13)에 직접 전류가 흘러 가열되는 도 2에 도시된 직열식 트립 장치와 달리, 도 1에 도시된 트립 장치는 가동자(12)의 발열을 열전달부(14)를 이용하여 전달함으로써 바이메탈(13)을 가열하는 방열식 트립 장치이다.
방열식 트립 장치는 바이메탈(13)에 직접 전류를 인가하는 직열식에 비하여 바이메탈(13)이 소성 영역에 걸쳐 과도하게 열변형되지 않고, 주변 부품의 열전달에 의하여 비로소 가열되므로 고정격 배선용 차단기에 적합하다. 그러나, 정격 전류의 작은 변동폭에 대하여 바이메탈(13)이 민감하게 열변형되지 못하므로 과전류 차단의 민감도가 필요한 소정격 배선용 차단기에는 적합하지 않은 한계가 있다.
도 2 내지 도 4는 가상의 비교예로서 직열식(直熱式) 트립 장치의 다양한 문제점을 도시한 측면도이다. 이를 참조하면, 고정자(11) 및 바이메탈(13)을 직접 통하여 부하측 단자(15)에 전류가 흐르는 직열식 트립 장치가 도시된다. 아마츄어(armature)(17)는 회로의 단락 사고가 발생하는 경우에 즉각적으로 동작하여 전류를 차단하기 위한 것으로서 바이메탈(13)과 별개로 동작한다.
도 2는 바이메탈(13)이 전원측 인가 전류에 의하여 직접 가열되기 때문에 대전류 차단시 이종 물질 접합체인 바이메탈(13)이 용융되어 분리된 부분(a)을 도시한다. 도 3은 부하측 단자(15) 및 바이메탈(13)이 전선으로 용접된 부분(b)이 열에너지에 취약하여 분리되는 문제점을 도시한다. 도 4는 소성 영역에 걸치는 과도한 열변형으로 바이메탈이 역방향으로 만곡된 부분(c)를 도시한다.
본 발명은 상술한 방열식 트립 장치 및 직열식 트립 장치의 장단점을 보완한 다목적 트립 장치를 제안하며, 본 발명에서 제안되는 다목적 트립 장치는 방열식 및 직열식 트립 장치의 장점만을 취하므로 소정격 배선용 차단기 및 대정격 배선용 차단기에 겸용으로 채용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 트립 장치가 마련된 배선용 차단기의 간략한 구성을 도시한 측면도이다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 트립 장치의 일 실시예의 측면도 및 사시도이다. 도 8은 본 발명의 트립 장치의 다른 실시예의 측면도이다.
이하, 도 5 내지 도 8을 함께 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 5에 도시된 배선용 차단기는 본체(110)의 내부에 설치되어 과전류 또는 단락 전류를 트립하는 트립 장치(200)와, 복수의 링크들로 구성되어 가동자(150)를 전원측의 고정자(미도시)에 접속 또는 차단시키는 개폐 장치(130)와, 개폐 장치(130)와 연동되어 과전류 및 단락 사고의 유무를 표시하는 경보장치(140)를 포함한다.
개폐 장치(130)는 본체(110)에 회동 가능하게 지지되는 핸들(131)과, 핸들(131)에 연결되어 핸들(131)의 회동에 따라 변위하면서 가동자(150)를 이동시키는 래치(132)와, 래치(132)와 연결되어 래치(132)의 동작을 구속하는 래치홀더(133)와, 래치홀더(133)와 연결되어 래치홀더(133)의 이동에 의하여 이동되는 구동핀(134)과, 래치홀더(133)를 구속하는 크로스바(135)를 포함한다.
경보장치(140)는 본체(110)의 내부에 설치되고 그 하측에 접점(144)이 설치되는 마이크로 스위치(141)와, 본체(110)에 회동 가능하게 설치되고 개폐 장치(130)의 구동핀(134)에 구속되는 스위칭 레버(142)와, 스위칭 레버(142)와 연결되어 복원력을 부여하는 스프링(143)을 포함한다.
개폐 장치(130)가 해제되는 경우는 기계적인 동작에 의한 경우와 전기적인 사고에 따른 동작에 의한 경우로 구별된다.
먼저, 기계적인 동작에 의하여 개폐 장치(130)가 해제되는 경우는 사용자가 트립 버튼을 누르는 동작이나, 트립 장치(200)의 동작에 의하여 개폐 장치(130)가 해제되는 경우로써, 그 동작은 다음과 같다.
크로스바(135)의 동작으로 래치홀더(133)의 구속 상태가 해제되어 래치홀더(133)가 회전하게 되면, 래치홀더(133)에 구속되어 있던 래치(132)의 구속이 해제되며, 이에 따라 가동자(150)의 구속이 해제되면서 전원측과 부하측의 회로가 차단된다.
이와 동시에, 래치홀더(133)의 이동에 따라 구동핀(134)이 이동하게 되면, 스위칭 레버(142)의 구속이 해제된다. 따라서, 스위칭 레버(142)가 스프링(143)의 탄성복원력에 의하여 시계방향으로 회전되면서 그 끝단이 마이크로 스위치(141)의 접접을 누르게 되며, 이에 따라 마이크로 스위치(141)는 외부로 경보신호를 보내어 차단기의 차단 상태를 표시한다.
또한, 과전류나 단락 전류와 같은 전기적인 사고에 의하여 개폐 장치(130)가 해제되는 경우의 동작은 다음과 같다.
먼저, 크로스바(135)는 과전류가 흐르는 경우에는 만곡된 바이메탈(230)에 밀려 이동된다. 크로스바(135)의 이동에 의하여 크로스바(135)에 지지되어 있던 래치홀더(133)가 이동하면서 래치홀더(133)에 의하여 구속되어 있던 래치(132)의 구속이 해제되며, 이에 따라 가동자(150)의 구속이 해제되면서 전원측과 부하측의 회로가 차단된다.
이와 동시에, 래치홀더(133)의 이동에 따라 구동핀(134)이 이동하게 되면, 스위칭 레버(142)의 구속이 해제되며, 이에 따라 스위칭 레버(142)가 스프링(143)의 탄성 복원력에 의하여 시계방향으로 회전되면서 그 끝단이 마이크로 스위치(141)의 접점(144)을 누르게 된다. 따라서, 마이크로 스위치(141)는 외부로 경보신호를 보내어 차단기의 트립 상태를 표시한다.
한편, 본 발명의 트립 장치(200)는, 배선용 차단기의 전원측(예를 들어 고정자(미도시) 또는 가동자(150))에 연결되어 전류를 공급받는 전원측 히터(210)와, 배선용 차단기의 부하측에 연결되어 전류를 전달하는 부하측 히터(220)와, 바이메탈(230)을 포함한다.
바이메탈(230)은 전원측 히터(210) 및 부하측 히터(220) 사이에 일부분이 접촉 고정되고, 배선용 차단기에 과전류 또는 단락 전류의 도통시 만곡된다. 바이메탈(230)의 만곡시 그 단부의 접촉편(232)이 크로스바(135)를 밀어 개폐 장치(130)를 해제시킨다.
그리고 바이메탈(230)은, 전원측 히터(210)에 접촉 통전되는 직열부(L2)와 전원측 히터(210)와 대면되는 방열부(L1)를 구비한다. 바이메탈(230)은 직열부(L2) 에서 열전도 및 직열부(L2)의 오옴 저항에 의하여 가열된다.
바이메탈(230) 및 전원측 히터(210)는 서로 대면됨으로써 방열식으로 열을 전달하는데, 도 6 및 도 7과 같이 서로 이격된 상태로 대면되거나 도 8과 같이 서로 접촉된 상태로 대면될 수 있다.
즉, 도 6 및 도 7에 도시된 실시예에서는 바이메탈(230) 및 전원측 히터(210) 사이의 방열부(L1) 위치에 에어 갭(G)이 형성되고, 방열부(L1)에서 대류 열전달에 의하여 가열됨으로써 바이메탈(230)이 만곡된다.
반면에 도 8에 도시된 실시예에서는 바이메탈(230) 및 전원측 히터(210)가 서로 접촉되고, 방열부(L1)에서 열전도에 의하여 가열됨으로써 바이메탈(230)이 만곡된다.
정리하면, 바이메탈(230) 및 전원측 히터(210)는 직열부(L2)에서 서로 접촉 고정됨으로써 직열부(L2)에 해당하는 일부분에 대하여 전류 인가에 의한 오옴 저항에 의하여 직접 가열 효과와 열전도에 의한 가열 효과를 얻을 수 있다. 또한, 방열부(L1)에 해당하는 일부분에 대하여 대류 또는 전도 열전달에 의한 방열식 트립 장치(200)의 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 트립 장치(200)는 직열식 트립 장치(200)의 장점과 방열식 트립 장치(200)의 장점을 모두 취하므로, 소정격 배선용 차단기 및 대정격 배선용 차단기에 모두 쓰일 수 있는 다목적 트립 장치이다.
한편, 직열부(L2)에서 바이메탈(230)은 제1면(230a)에 전원측 히터(210)가 접촉 고정되고 제1면(230a)의 배면인 제2면(230b)에 부하측 히터(220)가 접촉 고정 된다. 이종 물질의 접합체인 바이메탈(230)은 제1면(230a)의 재질과 제2면(230b)의 재질이 서로 다르다.
만약 제1면(230a)에 전원측 히터(210) 및 부하측 히터(220)가 모두 고정된다면 도 2에 도시된 것과 같은 하나의 재질만 가열되어 융단 현상이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 바이메탈(230)의 제1면(230a) 및 제2면(230b)에 전원측 히터(210) 및 부하측 히터(220)를 각각 고정시키는 것이 바람직하다. 따라서, 하나의 물질만 집중 가열될 때 발생하는 문제점으로서 도2에 예시된 융단 현상 및 도 4에 예시된 역방향 만곡을 억제할 수 있다.
그리고, 전원측 히터(210) 및 부하측 히터(220)는 바이메탈(230)에 리벳(250)으로 고정되는 것이 바람직하다. 용접이나 본딩의 방법으로 고정될 때 열에너지에 의하여 고정 상태가 파괴되는 도 3에 예시된 불량을 억제하기 위함이다.
한편, 바이메탈(230)에 대한 전원측 히터(210)의 접촉 고정 위치와 부하측 히터(220)의 접촉 고정 위치는, 바이메탈(230)이 연장되는 방향에서 보았을 때 동일한 높이에 있는 것이 바람직하다. 따라서, 과전류 인가시 바이메탈(230) 전체가 영향을 받지 아니하고 직열부(L2)에 국한되어 일부만 과전류가 도통되므로 과전류에 의한 도 4에 예시된 불량을 방지할 수 있다.
한편, 바이메탈(230)에 대한 전원측 히터(210)의 접촉 고정 위치와 부하측 히터(220)의 접촉 고정 위치는, 바이메탈(230)이 연장되는 방향에 수직한 방향에서 보았을 때 서로 다른 위치에 있는 것이 바람직하다. 이는 상기와 같이 서로 동일한 높이에 리벳팅 위치를 형성할 수 있게 하는 한편, 각각의 리벳팅 위치 사이의 직열 부(L2)의 오옴 저항에 의한 가열 효과를 얻기 위함이다.
상기와 같이 설명된 트립 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들의 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 가상의 비교예로서 방열식(放熱式) 트립 장치를 도시한 측면도이다.
도 2 내지 도 4는 가상의 비교예로서 직열식(直熱式) 트립 장치의 다양한 문제점을 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 트립 장치가 마련된 배선용 차단기의 간략한 구성을 도시한 측면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 트립 장치의 일 실시예의 측면도 및 사시도이다.
도 8은 본 발명의 트립 장치의 다른 실시예의 측면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200...트립 장치 210...전원측 히터
220...부하측 히터 230...바이메탈(bimetal)
230a...제1면 230b...제2면
232...접촉편 250...리벳(rivet)
L1...방열부 L2...직열부
G...에어 갭

Claims (8)

  1. 배선용 차단기의 전원측에 연결되어 전류를 공급받는 전원측 히터;
    상기 전원측 히터와 이격되며 상기 배선용 차단기의 부하측에 연결된 부하측 히터; 및
    상기 전원측 히터 및 상기 부하측 히터 사이에 개재되며, 상기 전원측 히터에 제1 면이 접촉 고정되고 상기 부하측 히터에 상기 제1 면과 대향 하는 제2 면이 접촉 고정되어 상기 전원측 히터 및 상기 부하측 히터를 전기적으로 연결하는 바이메탈을 포함하며,
    상기 바이메탈은 상기 전원측 히터 및 상기 부하측 히터와 각각 전기적으로 연결된 직열부 및 상기 전원측 히터와 대면하여 대류 열전달에 의하여 상기 바이메탈을 가열하는 방열부를 포함하며,
    상기 바이메탈의 상기 방열부 및 상기 전원측 히터 사이에는 에어 갭이 형성된 것을 특징으로 하는 트립 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원측 히터 및 상기 바이메탈, 상기 부하측 히터 및 상기 바이메탈은 각각 리벳에 의하여 고정되는 것을 특징으로 하는 트립 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전원측 히터 및 상기 바이메탈, 상기 부하측 히터 및 상기 바이메탈을 각각 연결하는 리벳들은 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 트립 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원측 히터 및 상기 부하측 히터는 상기 바이메탈의 상기 제1 면 및 상기 제2 면에 상호 엇갈리게 배치된 트립 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항, 제3항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이메탈은 상기 직열부에서 열전도 및 상기 직열부의 오옴 저항에 의하여 가열되고 상기 방열부에서 대류 열전달에 의하여 가열됨으로써 만곡되는 것을 특징으로 하는 트립 장치.
  8. 삭제
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