WO2021215525A1

WO2021215525A1 - アーク拘束機構

Info

Publication number: WO2021215525A1
Application number: PCT/JP2021/016407
Authority: WO
Inventors: 武田　秀昭
Original assignee: ウチヤ・サーモスタット株式会社
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2021-10-28
Also published as: US20230178314A1; CN115428109A; JPWO2021215525A1; DE112021002500T5

Abstract

有接点スイッチにおいて、二接点間に発生するアークに対処する。アーク拘束機構１００は、接離可能な第１接点１１１及び第２接点１２１と、前記第１接点と前記第２接点とを含む回路から電気的に絶縁され、磁性体からなる略リング状のアーク拘束部であって、前記第１接点と前記第２接点とが非接触状態にある場合における前記第１接点と前記第２接点とのギャップの方向に平行な軸を有し、前記ギャップを囲むように設けられたアーク拘束部１３０とを備える。

Description

アーク拘束機構

　本発明はアーク拘束機構に関する。

　特許文献１に、通電コイルを巻装し、磁石を内蔵した継鉄と、上記通電コイルへの通電切換えにより、上記継鉄の一端に吸引、解放されたときに、開位置、閉位置との間を運動する作動片と、この作動片の運動を受けた可動接点を固定接点に接離させて電流の開閉を行う制御接点とを備え、上記作動片を開位置に移動させて、上記制御接点を開いて電流を遮断する際には、上記通電コイルによって継鉄に生じた磁束の一部を、上記磁石の磁束に重畳させて漏れ磁束として、上記制御接点側に導くことによって、上記可動接点と固定接点との間に生じたアークを上記板バネの側端に引き延ばし消弧するようにしたラッチ式リレーが記載されている。上記固定接点は、衝立状本体部を有した第１の固定端子に設けられ、上記可動接点は、上記固定接点と接触するため、上記作動片の運動を受けて押圧される板バネ上に設けられるとともに、該板バネの上端は、第２の固定端子に接続されている。上記第２の固定端子は上方に延出し、上記板バネの長手方向に平行な電路を形成する第１の電路形成部を有するとともに、該第１の電路形成部と上記第１の固定端子の上記衝立状本体部との隙間を、上記板バネと上記第１の固定端子の上記衝立状本体部との隙間よりも小さくなるように形成している。

特開２００６－１９６３６２号公報

　有接点スイッチにおいて、二接点間に発生するアークは、接点周囲の部品を損傷させる可能性がある。本発明は、かかるアークに対処することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係るアーク拘束機構は、接離可能な第１接点及び第２接点と、前記第１接点と前記第２接点とを含む回路から電気的に絶縁され、磁性体からなる略リング状のアーク拘束部であって、前記第１接点と前記第２接点とが非接触状態にある場合における前記第１接点と前記第２接点とのギャップの方向に平行な軸を有し、前記ギャップを囲むように設けられたアーク拘束部とを備える。

　本発明によれば、有接点スイッチにおいて、二接点間に発生するアークに対処することができる。

第１実施形態に係るアーク拘束機構の閉路状態を示す説明図である。第１実施形態に係るアーク拘束機構を、可動板及び可動接点を省略して示す説明図である。第１実施形態に係るアーク拘束機構の開路状態を示す説明図である。直線電流により発生する磁界を示す説明図である。第２実施形態に係るアーク拘束機構を示す説明図である。第３実施形態に係るアーク拘束機構の閉路状態を示す説明図である。第３実施形態に係るアーク拘束機構の開路状態を示す説明図である。第４実施形態に係るアーク拘束機構の閉路状態を示す説明図である。第４実施形態に係るアーク拘束機構を、可動板及び可動接点を省略して示す説明図である。第４実施形態に係るアーク拘束機構の開路状態を示す説明図である。第５実施形態に係るアーク拘束機構の閉路状態を示す説明図である第５実施形態に係るアーク拘束機構の開路状態を示す説明図である。第６実施形態に係るアーク拘束機構の説明図である。閉路状態にあるサーマルプロテクタの内部を示す平面図である。図１４のＪ－Ｊ線断面図である。開路状態にあるサーマルプロテクタの断面図である。

　以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

　［第１実施形態］
　図１～図３に、本実施形態に係るアーク拘束機構１００を示す。図１（ａ）はスイッチ閉状態（二接点が接触した状態）におけるアーク拘束機構１００の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。図２（ａ）は、アーク拘束機構１００の平面図であって、後述する可動板１２０及び可動接点１２１の図示を省略しており、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。図３は、スイッチ開状態（二接点が非接触の状態）におけるアーク拘束機構１００の断面図である。

　アーク拘束機構１００は、基板１１０の表面に取り付けられた固定接点１１１と、基板１１０に対向して設けられる可動板１２０に取り付けられ、固定接点１１１と接離可能な可動接点１２１とを備えている。可動板１２０には、可動板１２０を動かすための駆動機構（不図示）が設けられている。この駆動機構の例として、バイメタル素子、電磁石が挙げられる。固定接点１１１及び可動接点１２１は、有接点スイッチの部品であり、モータなどの電気機械（不図示）に電気的に接続される。

　アーク拘束機構１００はさらに、磁性体からなる略リング状のアーク拘束部１３０を備えている。アーク拘束部１３０は、基板１１０の表面において、固定接点１１１と間隔を置いて設けられた支持部１１２により支持されている。固定接点１１１は、スイッチが開状態か閉状態かにかかわらず、アーク拘束部１３０の中空部１３１の外に位置する。可動接点１２１は、スイッチ閉状態においては少なくとも一部が中空部１３１内に位置し、スイッチ開状態においては中空部１３１の外に位置する。

　アーク拘束部１３０は、スイッチ開状態における固定接点１１１と可動接点１２１とのギャップｇ_１に対応する位置に設けられている。具体的には、アーク拘束部１３０は、その軸ＡＸがギャップｇ_１の方向と平行であって、ギャップｇ_１を囲むように配置されている。

　アーク拘束部１３０は、固定接点１１１と可動接点１２１とを含む電気回路から電気的に絶縁されている。また、アーク拘束部１３０は、可動板１２０及び可動接点１２１に接触することがないように配置されている。スイッチ開状態（開放安定状態）において、アーク拘束部１３０と固定接点１１１との距離ｄ_１と、アーク拘束部１３０と可動接点１２１との距離ｄ_２との和がギャップｇ_１よりも大きくなるように、位置関係が設定されている。すなわち、次式のとおりである。
　　　ｄ_１＋ｄ_２＞ｇ_１　　　　　　　（１）
　距離ｄ_１及びｄ_２はいずれも、絶縁距離としての空間距離である。

　本実施形態によれば、スイッチが閉状態及び開状態の一方から他方へと切り替わるときに二接点間に発生するアークが、そのアークにより生じる磁界の作用を受けて磁化されたアーク拘束部１３０の内部に拘束される。この点について図４を参照しながら説明する。

　図４に示すように、一般的に、直線電流Ｉａの周りには、右ねじの法則に従う方向の磁界Ｂａが生じる。本実施形態は、直線電流Ｉａを二接点間に生じるアークに見立て、磁界Ｂａと同様の磁界がアークの周囲に発生することを利用したものである。本実施形態においては、アークの周囲に発生した磁界の作用を受けてアーク拘束部１３０が磁化され、ローレンツ力がアークの荷電粒子に作用し、略リング状のアーク拘束部１３０の内部にアークが拘束される。これにより、アークが意図しない方向に飛んでスイッチ周囲の部品を破壊する可能性を低減することができる。

　なお、アーク拘束部１３０は、摂氏１０００度ともいわれるアークよりもはるかに温度が低い。そのため、熱的ピンチ効果によっても、アークがアーク拘束部１３０に近づくことが難しくなるというアーク拘束効果が期待できる。

　一般的な有接点スイッチにおいては、スイッチ周囲の強い外部磁界に起因する、アークに対するローレンツ力により、アークが接点周囲の導電部材や絶縁物に飛び、それらを損傷する可能性がある。しかし、本実施形態においては、磁気シールド効果でアークがアーク拘束部により拘束されるため、外部磁界の存在下においても安定した電流遮断が可能となる。電流遮断時に発生したアークがアーク拘束部内で安定し、接点周囲の材料の炭化と、ガスの発生に伴うアークの異常な増大とを抑えることができる。その結果、接点の耐久性が向上し、スイッチの信頼性も確保することができる。

　両接点に誘導負荷が接続される場合、逆起電力の関係でアークが大きくなる傾向がある。また、誘導負荷を構成するコイルに電流が流れることで、スイッチ周囲の外部磁界が強くなる。このような場合でも、本実施形態によれば前述のとおり、磁気シールド効果でアークがアーク拘束部により拘束されるため、外部磁界の存在下においても安定した電流遮断が可能となる。

　アーク拘束部１３０の材料である磁性体は、軟質磁性体、すなわち透磁率の高いものが好ましい。鉄の場合は、特に軟磁性の電磁軟鉄の様な材料を用い、適切に熱処理を行ったものを用いるのが好ましい。軟磁性フェライトの場合、マンガン－亜鉛系やニッケル－亜鉛系の材料で、温度範囲の広い材料で特に高温で使用可能な材料が好ましい。パーマロイを用いることも可能である。

　アーク拘束部１３０は、基板１１０に支持部１１２を設ける際の樹脂の一体成形で同時に固定することができる。あるいは、アーク拘束部１３０を成形した後に当該アーク拘束部を接着剤、好ましくは熱硬化性の接着剤で支持部１１２に固定してもよい。また、図示していないが、支持部１１２への加締め、はめ込み、溶接によりアーク拘束部を固定してもよい。さらには、アーク拘束部１３０を支持部１１２と一体成形せずに、アーク拘束部１３０を磁性体製とし、支持部１１２を非磁性体製としてもよい。

　［第２実施形態］
　図５（ａ）は、本実施形態に係るアーク拘束機構２００を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ－Ｃ線断面図である。第１実施形態と同じ要素には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。第１実施形態とは異なり、本実施形態においては、アーク拘束部１３０を、接着剤２１３を使って支持部１１２に固定した例を示す。アークの熱的な影響に鑑み、エポキシ樹脂などの熱硬化性の接着剤を用いることが好ましい。

　［第３実施形態］
　図６及び図７に、本実施形態に係るアーク拘束機構３００を示す。図６（ａ）はスイッチ閉状態におけるアーク拘束機構３００の平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ－Ｄ線断面図である。図７は、スイッチ開状態におけるアーク拘束機構３００の断面図である。

　アーク拘束部３３０は、第１実施形態のアーク拘束部１３０に比べて軸方向の寸法が大きくなるよう、略リング状の一種であるパイプ状に形成されている。アーク拘束部３３０の軸方向固定接点側の端部は、基板１１０に固定されている。アーク拘束部３３０の軸方向の寸法ｈは、スイッチ開状態（開放安定状態）における固定接点１１１と可動接点１２１とのギャップｇ_３と、固定接点１１１の、アーク拘束部３３０の軸方向の寸法ｔ_３との和よりも大きい。すなわち、次式のとおりである。
　　　ｈ＞ｇ_３＋ｔ_３　　　　　　　（２）
　このように、ギャップｇ_３が全体にわたってアーク拘束部３３０によって囲まれている。

　また、可動板１２０と可動接点１２１との間に台座部３２２が設けられ、可動板１２０と可動接点１２１との間隔が、第１実施形態に比べて大きく確保されている。これにより、可動板１２０がアーク拘束部３３０と干渉しないようになっている。

　スイッチ開状態（開放安定状態）におけるアーク拘束部３３０と可動接点１２１との空間距離ｄ_３について説明する。アーク拘束部３３０の径を大きくすれば、空間距離ｄ_３を大きくすることができる。その一方で、アーク拘束部３３０の径が比較的大きい場合、二接点間に生じるアークの中心部とアーク拘束部３３０との距離が広がる。その結果、アーク拘束部３３０における磁界が弱いものとなり、アーク拘束効果も小さくなる。したがって、空間距離ｄ_３は、次式に示すように、ギャップｇ_３よりも大きいか又はギャップｇ_３と等しいものとすることが好ましい。
　　　ｄ_３≧ｇ_３　　　　　　　（３）
　このように、寸法ｈが一定程度あることで空間距離ｄ_３が取り難くなるものの、開路状態となった際の空間距離ｄ_３を、ギャップｇ_３よりも大きいか又はそれと等しくすることができる。

　本実施形態によれば、アーク拘束部３３０の軸方向の寸法ｈがギャップｇ_３よりも大きいため、アーク拘束効果のさらなる向上が期待できる。なお、台座部３２２を設けることに代えて、可動板を折り曲げることで、可動板がアーク拘束部と干渉しないようにしてもよい。

　パイプ状のアーク拘束部３３０を形成するにあたっては、例えば鉄の様な金属を用いるはプレス加工により成形し、フェライトを用いる場合は粉末を圧縮又は射出して成形することができる。

　［第４実施形態］
　図８～図１０に、本実施形態に係るアーク拘束機構４００を示す。図８（ａ）はスイッチ閉状態におけるアーク拘束機構４００の平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ－Ｅ線断面図である。図９（ａ）は、アーク拘束機構４００の平面図であって、可動板１２０及び可動接点１２１の図示を省略しており、図９（ｂ）は図９（ａ）のＦ－Ｆ線断面図である。図１０は、スイッチ開状態におけるアーク拘束機構４００の断面図である。

　アーク拘束部４３０は全体として略四角リング状である。アーク拘束部４３０の軸方向固定接点側の端部は、基板１１０に固定されている。アーク拘束部４３０の軸方向可動接点側の端部には、四つのコーナー部４３１と、隣り合う２つのコーナー部４３１に挟まれる四つのエッジ部４３２とが設けられている。エッジ部４３２は、コーナー部４３１よりも軸方向可動接点側に向かって突出している。スイッチ開状態における固定接点１１１と可動接点１２１とのギャップは、四つのエッジ部４３２により囲まれる。

　アーク拘束部４３０は軸方向に磁化するため、コーナー部４３１よりも軸方向可動接点に向かって突出している四つのエッジ部４３２に磁力が集中する。これら四つのエッジ部４３２によりギャップが囲まれることから、アーク拘束効果が得られる。

　本実施形態によれば、第１実施形態と同様の磁気的な効果に加えて以下の効果も得られる。すなわち、アーク拘束部４３０の軸方向固定接点側の端部が基板１１０に固定されているため、アーク拘束部４３０の軸方向固定接点側には開口部がないものの、スイッチ閉状態においてコーナー部４３１と可動板１２０との間に比較的大きな隙間がある。そのため、スイッチ開状態となるよう可動板１２０が動いたとしても、上記隙間から空気が流入することから、接点周囲が瞬間的に負圧になってアークが不安定となる可能性を低減することができる。

　図８に示すように、アーク拘束部４３０の軸方向固定接点側の端部に、径方向内側に延びる延出部４３３を設けてもよい。この延出部４３３は、固定接点１１１と干渉しないように設けられる。延出部４３３を設けることにより、アーク拘束部４３０の固定強度を高めることができる。

　四つのコーナー部４３１の全てが、エッジ部４３２よりも軸方向に沿って固定接点１１１側に位置している必要はない。少なくとも一つのコーナー部４３１が、エッジ部４３２よりも軸方向に沿って固定接点１１１側に位置していればよい。あるいは、コーナー部４３１の軸方向位置とエッジ部４３２の軸方向位置とが同じであってもよい。

　［第５実施形態］
　図１１及び図１２に、本実施形態に係るアーク拘束機構５００を示す。図１１（ａ）はスイッチ閉状態におけるアーク拘束機構５００の平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＧ－Ｇ線断面図であり、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）のＨ－Ｈ線断面図である。図１２は、スイッチ開状態におけるアーク拘束機構５００の断面図である。

　基板１１０と対向するように第２基板５１２が設けられている。第２基板５１２は、基板１１０に設けられた支持部５１３によって支持されている。そして、アーク拘束部５３０は、略四角リング状であって、軸方向可動接点側の端部が第２基板５１２に固定されており、軸方向固定接点側は開口面となっている。

　アーク拘束部５３０の軸方向固定接点側の端部には、四つのコーナー部５３１と、隣り合う２つのコーナー部５３１に挟まれる四つのエッジ部５３２ａ～５３２ｄとが設けられている。エッジ部５３２ａ～５３２ｄは、コーナー部５３１よりも軸方向固定接点１１１に向かって突出している。

　第１エッジ部５３２ａの一端は、コーナー部５３１を介して第２エッジ部５３２ｂの一端と接続している。第２エッジ部５３２ｂの他端は、コーナー部５３１を介して第３エッジ部５３２ｃの一端と接続している。第３エッジ部５３２ｃの他端は、コーナー部５３１を介して第４エッジ部５３２ｄの一端と接続している。第４エッジ部５３２ｄの他端は、コーナー部５３１を介して第１エッジ部５３２ａの他端と接続している。

　そして、第１エッジ部５３２ａと第３エッジ部５３２ｃとが向かい合う方向が、可動板１２０の先端部１２０ａと基端部１２０ｂとを結ぶ可動板１２０の長手方向と平行である。第１エッジ部５３２ａが基端部１２０ｂ側に位置し、第３エッジ部５３２ｃが先端部１２０ａ側に位置する。

　可動板１２０の基端部１２０ｂには逃げ穴１２０ｃが設けられている。この逃げ穴１２０ｃの内部を第１エッジ部５３２ａが貫通している。この逃げ穴１２０ｃと、第１エッジ部５３２ａの両端にある二つのコーナー部５３１とにより、可動板１２０がアーク拘束部５３０と干渉しないようになっている。

　以上のように、アーク拘束部５３０の取付部を、軸方向固定接点側の端部ではなく、軸方向可動接点側の端部とした場合でも、アーク拘束効果を得ることができる。なお、アーク拘束部５３０の軸方向可動接点側の端部に、可動板１２０と向かい合うようにシート状の絶縁膜５３３を形成して絶縁処理を行ってもよい。

　［第６実施形態］
　図１３に、本実施形態に係るアーク拘束機構６００を示す。図１３（ａ）は、アーク拘束機構６００の平面図であって、可動板及び可動接点の図示を省略している。図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＩ－Ｉ線断面図である。

　アーク拘束部６３０は、シート状の磁性体を所定の幅で切り出して、パイプ状となるように巻くことで形成されている。オーバーラップさせた周方向両端部６３１及び６３２を溶接や加締めで接合することができる。

　［適用例］
　図１４～図１６に、第１実施形態に係るアーク拘束機構１００を、バイメタル素子を備えたサーマルプロテクタ（温度スイッチ）に装着した様子を示す。図１４は、閉路状態にあるサーマルプロテクタの内部を示す平面図であり、図１５は、図１４のＪ－Ｊ線断面図である。図１６は、開路状態にあるサーマルプロテクタの断面図である。

　サーマルプロテクタ９は、ケース９０の内部にアーク拘束機構１００を有している。サーマルプロテクタ９の第１リード線９１は固定接点１１１に電気的に接続され、第２リード線９２は可動接点１２１に電気的に接続される。可動板１２０は、バイメタル素子９３を駆動部として動くように構成されている。

　このように、有接点スイッチの一種であるサーマルプロテクタ９においてアーク拘束効果を得るためにアーク拘束機構１００を適用することができる。

　［その他］
　常時開接点と常時閉接点を組み合わせたトランスファー接点についても、アーク拘束機構を設けることができる。例えば、常時開接点及び常時閉接点の各々について、第４実施形態のアーク拘束機構４００を設けることができる。あるいは、第５実施形態（図１１及び図１２）において、可動板１２０の上面に可動接点１２１とは別の可動接点を設け、この可動接点と接離可能な固定接点を第２基板５１２に設けることも可能である。トグルスイッチにおいても、例えば、常時開接点及び常時閉接点の各々に第１実施形態に係るアーク拘束部１３０を設けることができる。

　これまでに述べた実施形態は、有接点スイッチ全般に適用することができる。対象となる有接点スイッチには、比較的大きな電流を遮断するための各種スイッチと、電磁リレーなどのリレーとが含まれる。つまり、有接点スイッチの駆動機構の種類を問わず、これまでに述べた実施形態の適用が可能である。

　以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１００、２００、３００、４００、５００、６００　アーク拘束機構
１１０　　　　　基板
１１１　　　　　固定接点
１１２　　　　　支持部
１２０　　　　　可動板
１２１　　　　　可動接点
１３０、３３０、４３０、５３０、６３０　アーク拘束部
ｇ_１、ｇ_３　　　　ギャップ

Claims

　接離可能な第１接点及び第２接点と、
　前記第１接点と前記第２接点とを含む回路から電気的に絶縁され、磁性体からなる略リング状のアーク拘束部であって、前記第１接点と前記第２接点とが非接触状態にある場合における前記第１接点と前記第２接点とのギャップの方向に平行な軸を有し、前記ギャップを囲むように設けられたアーク拘束部と
　を備えるアーク拘束機構。
　前記第１接点と前記第２接点とが非接触状態にある場合において、前記アーク拘束部と前記第１接点との空間距離と、前記アーク拘束部と前記第２接点との空間距離との和が、
前記ギャップよりも大きい、請求項１に記載のアーク拘束機構。
　前記アーク拘束部が軟磁性の鉄で構成されている、請求項１又は２に記載のアーク拘束機構。
　前記アーク拘束部が軟磁性フェライトで構成されている、請求項１又は２に記載のアーク拘束機構。
　前記アーク拘束部がパイプ状であり、
　前記アーク拘束部の軸方向一端部が、前記第１接点が固定された基板に取り付けられている、請求項１、３及び４のいずれか一項に記載のアーク拘束機構。
　前記アーク拘束部の軸方向一端部に、径方向内側に延びる延出部が設けられ、
　前記延出部が、前記第１接点が固定された基板に取り付けられている、請求項５に記載アーク拘束機構。
　前記アーク拘束部が略四角リング状であり、
　前記アーク拘束部の前記第２接点側の軸方向一端部に、四つのコーナー部と、隣り合う二つのコーナー部に挟まれる四つのエッジ部とが設けられ、
　少なくとも一つのコーナー部が、前記エッジ部よりも軸方向第１接点側に位置する、
　請求項５又は６に記載のアーク拘束機構。
　前記第１接点が、第１基板に固定された固定接点であり、
　前記第１基板と対向するように第２基板が設けられ、
　前記アーク拘束部の軸方向一端部が前記第２基板に取り付けられ、
　前記第２接点が、可動板に固定された可動接点であり、
　前記アーク拘束部に、前記可動板が干渉しないようにするための逃げ穴が形成されている、
　請求項１、３及び４のいずれか一項に記載のアーク拘束機構。
　前記第１接点及び前記第２接点がバイメタル素子を用いた温度スイッチの部品である、請求項１～８のいずれか一項に記載のアーク拘束機構。
　前記第１接点及び前記第２接点が電磁リレーの部品である、請求項１～８のいずれか一項に記載のアーク拘束機構。