JP5291660B2 - 遮断装置 - Google Patents

Description

本発明は、過電流事故や短絡事故が発生した際に回路を保護する遮断装置に関する。

直流電源から負荷に給電する給電回路には、負荷に過電流事故や短絡事故が発生した場合に、直流電源の正負両極と負荷との間に流れる電流を遮断するための遮断装置が設けられている。

図５は、遮断装置の一例を説明するための図である。

図５に示す例の場合、直流電源２の正負両極と負荷３との間に、ヒューズ１００ａ，１００ｂが接続されている。そして、負荷に過電流事故や短絡事故が発生した場合、ヒューズ１００ａ，１００ｂが溶断することにより、直流電源２の正負両極と負荷との間に流れる電流が遮断される。

図６は、遮断装置の他の例を説明するための図である。

図６に示す例の場合、直流電源２の正負両極と負荷３との間に、サーキットブレーカ１１０が設けられている。そして、負荷３に過電流事故や短絡事故が発生した場合、サーキットブレーカ１１０の開閉機構１１０ａ，１１０ｂが連動して電路を開放することにより、直流電源２の正負両極と負荷３との間に流れる電流が遮断される。

図７は、遮断装置の他の例を説明するための図である。

図７に示す例は、上述した２つの例を組み合わせた遮断装置である。すなわち、直流電源２の正負両極と負荷３との間に、ヒューズ１００ａ，１００ｂと、サーキットブレーカ１１０とが設けられている。

特許３０９１７１２号公報 特許２５１３８５０号公報 特許２９９８９３４号公報

図５に示したヒューズ１００ａ，１００ｂを用いた遮断装置では、２つのヒューズ１００ａ，１００ｂが同一の閉回路内に直列に接続されている。このため、負荷３に過電流事故や短絡事故が発生した場合には、ヒューズ１００ａ，１００ｂには同じ電流が流れる。従って、理論上はヒューズ１００ａ，１００ｂが同時に溶断することになる。

しかし、実際には、ヒューズ１００ａ，１００ｂには、それぞれ溶断特性に個体差があるため、ヒューズ１００ａ，１００ｂの一方のみ溶断することがある。この場合、ヒューズが溶断した方の極においては、負荷３が直流電源２から切り離される。しかし、溶断しなかった方の極においては、負荷３が直流電源２と接続されたままとなる。つまり、直流電源２の正負両極と負荷３との間の電流の遮断が保証されない。

そのため、溶断しなかった方の極とアースとの間に電位差があると、人体が充電部に触れた際に感電する危険性があるという問題点がある。

また、図６に示したサーキットブレーカ１１０を用いた遮断装置では、開閉機構１１０ａ，１１０ｂが連動して電路を開放するため、直流電源２の正負両極と負荷３との間に流れる電流を同時に遮断することが可能である。

しかし、サーキットブレーカ１１０は、サーキットブレーカ１１０の遮断容量の範囲内であっても、定格電流値を大きく超え、開閉機構１１０ａ，１１０ｂがアークによって損傷するような大電流を遮断すると、次回以降の使用保証が確保できないという問題点がある。

また、図７に示したヒューズ１００ａ，１００ｂと、サーキットブレーカ１１０とを用いた遮断装置では、ヒューズ１００ａ，１００ｂとサーキットブレーカ１１０との保護協調のとり方、すなわち、ヒューズ１００ａ，１００ｂの溶断特性と、サーキットブレーカ１１０の遮断特性との組み合わせ方に応じ、ヒューズ１００ａ，１００ｂ及びサーキットブレーカ１１０のうち、遮断時間の短い方が電流を遮断する。

図８は、図７に示した遮断装置における電流値と遮断時間との関係の一例を示す図である。

図８に示すように、定格電流値を超える過電流範囲において、電流値の小さな範囲では、サーキットブレーカ１１０の遮断時間がヒューズ１００ａ，１００ｂよりも短く設定されているため、サーキットブレーカ１１０が電流を遮断する。また、電流値の大きな範囲ではヒューズ１００ａ，１００ｂの遮断時間がサーキットブレーカ１１０よりも短く設定されているため、ヒューズ１００ａ，１００ｂが電流を遮断する。

このとき、ヒューズ１００ａ，１００ｂの溶断特性とサーキットブレーカ１１０の遮断特性との交点をサーキットブレーカ１１０の繰り返し使用が保証される規定電流値以下とすれば、サーキットブレーカ１１０の繰り返し使用が保証されない電流範囲の電流は、ヒューズ１００ａ，１００ｂが遮断することとなる。

従って、サーキットブレーカ１１０の繰り返し使用が保証される規定電流値以上の電流をヒューズ１００ａ，１００ｂが遮断するので、開閉機構１１０ａ，１１０ｂが損傷することはない。また、サーキットブレーカ１１０が電流を遮断する電流範囲では、サーキットブレーカ１１０が直流電源２の正負両極と負荷３との間に流れる電流を連動して遮断するため、直流電源２の正負両極と負荷３との間の電流を確実に遮断することができる。

しかし、ヒューズ１００ａ，１００ｂが電流を遮断する電流範囲では、過電流が発生してもサーキットブレーカ１１０が電流を遮断せず、開閉機構１１０ａ，１１０ｂは閉状態のままとなる。

そのため、図５に示した遮断装置の場合と同様に、ヒューズ１００ａ，１００ｂの溶断特性の個体差により、直流電源２の正負両極と負荷３との間の電流の遮断が保証されない。

本発明は、全ての過電流範囲において、電源の正負両極と負荷との間に流れる電流を確実に遮断することを可能にする遮断装置を提供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の遮断装置は、ヒューズと、接続された位置で電路を開閉する開閉機構と、一端が前記開閉機構に当接した可動鉄片とを有し、電源から給電される負荷と前記電源との間に設けられ、前記開閉機構に流れる電流に応じた磁力で前記可動鉄片の他端が第１の位置から第２の位置へ移動するのに従って、前記開閉機構が前記電路を開放する遮断装置において、
前記ヒューズは、前記電源の両極のうち少なくとも一方の極と、前記負荷との間に接続され、
前記開閉機構は、前記電源の両極のうち少なくとも前記ヒューズが接続されていない極と、前記負荷との間に接続され、
前記可動鉄片は、前記ヒューズの溶断に連動して発生した力学的エネルギーによる力が当該可動鉄片に与えられることにより、前記他端が前記第１の位置から前記第２の位置へ移動する。

本発明は以上説明したように構成されているので、ヒューズが電流を溶断する電流範囲においても、電源の正負両極と負荷との間に流れる電流が遮断される。

そのため、全ての過電流範囲において、電源の正負両極と負荷との間に流れる電流を確実に遮断することが可能となる。

本発明の遮断装置を適用した給電回路の実施の一形態の構成を示す図である。 図１に示したサーキットブレーカの動作原理を説明するための図であり、（ａ）は開閉機構が電路を開放していない状態を示す図、（ｂ）は開閉機構が電路を開放している状態を示す図である。 図１に示した連動部の構成を説明するための図である。 図１及び図３に示した連動部がヒューズの遮断に連動して可動鉄片の他端を移動させる動作を説明するための図である。 遮断装置の一例を説明するための図である。 遮断装置の他の例を説明するための図である。 遮断装置の他の例を説明するための図である。 図７に示した遮断装置における電流と遮断時間との関係の一例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の遮断装置を適用した給電回路の実施の一形態の構成を示す図である。

本実施形態の給電回路は図１に示すように、遮断装置１と、直流電源２と、負荷３とを備えている。

遮断装置１は、直流電源２と負荷３との間に設けられており、ヒューズ部１０と、サーキットブレーカ２０とを備えている。なお、図１においてヒューズ部１０は、直流電源２の正極と負荷３との間で、サーキットブレーカ２０よりも負荷３側に設けられている。ヒューズ部１０が設けられる位置はこれに限らず、直流電源２の負極と負荷３との間でもよく、また、サーキットブレーカ２０よりも直流電源２側でもよい。

サーキットブレーカ２０は、開閉機構２１と、可動鉄片２２とを備えている。

開閉機構２１は、直流電源２の正極と負荷３との間と、直流電源２の負極と負荷３とに接続され、可動接点２１−１と固定接点２１−２とを備えている。直流電源２と負荷３との間に流れる電流は、可動接点２１−１及び固定接点２１−２を電路としており、開閉機構２１は、可動接点２１−１と固定接点２１−２とを引き離すことによって電路を開放する。開閉機構２１が電路を開放すると、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流、または、直流電源２の負極と負荷３との間に流れる電流が遮断される。

可動鉄片２２は、１つの開閉機構２１に対応して設けられ、一端が開閉機構２１に当接し、他端が移動可能な構成となっている。以降、可動鉄片２２について、開閉機構２１に当接した方のことを「可動鉄片２２の一端」といい、移動可能な方のことを「可動鉄片２２の他端」という。

図２は、図１に示したサーキットブレーカ２０の動作原理を説明するための図であり、（ａ）は開閉機構２１が電路を開放していない状態を示す図、（ｂ）は開閉機構２１が電路を開放している状態を示す図である。なお、図２においては、サーキットブレーカ２０の構成要素のうち説明に必要な部分だけを記載している。

図１に示したサーキットブレーカ２０は図２に示すように、上述した開閉機構２１及び可動鉄片２２に加え、シリンダ２３と、可動鉄心２４と、スプリング２５と、極板２６とのそれぞれを１つの開閉機構２１に対応して備えている。なお、シリンダ２３の周囲にはコイル（不図示）が巻かれており、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流、または、直流電源２の負極と負荷３との間に流れる電流は、可動接点２１−１及び固定接点２１−２を介してこのコイルを通過する。

直流電源２と負荷３との間に流れる電流が定格電流値以下である場合、図２（ａ）に示すように、可動鉄片２２の他端は、極板２６から離間した位置にいる。以降、この位置のことを第１の位置という。また、可動鉄心２４は、スプリング２５によって極板２６から離れた位置にある。このとき、開閉機構２１は電路を開放しておらず、電流は遮断されない。

直流電源２と負荷３との間に流れる電流が定格電流値を超えて増加してくると、上述したコイルに流れる電流に応じた磁力により、可動鉄心２４が極板２６の方向へ移動を開始する。そして、可動鉄心２４が極板２６に達すると磁力が急激に増大し、図２（ｂ）に示すように、可動鉄片２２が極板２６に吸引される。以降、可動鉄片２２が極板２６に吸引されたときの可動鉄片２２の他端の位置を第２の位置という。

可動鉄片２２の他端が第１の位置から第２の位置へ移動するのに従って、可動接点２１−１と固定接点２１−２とが引き離される。これにより、電路が開放され、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流、または、直流電源２の負極と負荷３との間に流れる電流が遮断される。

なお、短絡が発生した場合には、上述したコイルに非常に大きな電流値の電流が流れ、それによって強力な磁力が発生する。この場合、可動鉄片２２は、可動鉄心２４の移動を待たずに、瞬時に極板２６に吸引される。

このように、本実施形態のサーキットブレーカ２０は、従来から用いられているサーキットブレーカと同様に、可動鉄片２２の他端が第１の位置から第２の位置へ移動するのに従って、開閉機構２１が電路を開放する一般的なサーキットブレーカである。但し、本実施形態においては、磁力によって可動鉄片２２の他端を第１の位置から第２の位置へ移動させるのではなく、ヒューズ部１０と連動した動作により、可動鉄片２２の他端を第１の位置から第２の位置へ移動させる。この動作の詳細については後述する。

再度、図１を参照すると、ヒューズ部１０は、ヒューズ１１と、連動部１２とを備えている。

ヒューズ１１は、直流電源２の正極と負荷３との間に接続され、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流によるエネルギーが所定の溶断エネルギーに達すると溶断する。これにより、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流が遮断される。

連動部１２は、ヒューズ１１の遮断に連動して動作することにより、サーキットブレーカ２０の可動鉄片２２−１の他端を第１の位置から第２の位置へ移動させる。

図３は、図１に示した連動部１２の構成を説明するための図である。なお、図３は、連動部１２の動作によって可動鉄片２２の他端を第１の位置から第２の位置へ移動していない状態を示している。また、図３においては、遮断装置１の構成要素のうち説明に必要な部分だけを記載している。

図１に示した連動部１２は図３に示すように、サブヒューズ１２−１と、エネルギー変換部である弾性体１２−２と、固定部１２−３とを備えている。

サブヒューズ１２−１は、直流電源２の正極と負荷３との間でヒューズ１１と並列に接続されている。サブヒューズ１２−１は、ヒューズ１１が溶断した後に溶断する。つまり、サブヒューズ１２−１は、ヒューズ１１の溶断に連動して溶断する。これは、サブヒューズ１２−１と直列に抵抗（不図示）等を接続し、サブヒューズ１２−１側に流入する電流を調整することによって実現できる。

弾性体１２−２は、例えば、元の形状が板状の板ばね等であり、一端がサブヒューズ１２−１を用いて固定部１２−３に固定され、他端が固定部１２−３に直接固定されている。また、弾性体１２−２は、図３に示すように、元の板状の形状とは異なる形状に変形して固定部１２−３に固定されている。そのため、弾性体１２−２は、固定部１２−３に固定された状態においては、位置エネルギーの一種である弾性エネルギーを蓄積している。

以下に、上記のように構成された遮断装置１を適用した給電回路において、負荷３に過電流事故または短絡事故が発生したときの動作について説明する。

負荷３に過電流事故または短絡事故が発生すると、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流が増加していく。この電流によるエネルギーが所定の溶断エネルギーに達するとヒューズ１１が溶断する。これにより、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流が遮断される。

そして、連動部１２は、ヒューズ１１の遮断に連動して動作することにより、サーキットブレーカ２０の可動鉄片２２の他端を第１の位置から第２の位置へ移動させる。

図４は、図１及び図３に示した連動部１２がヒューズ１１の遮断に連動して可動鉄片２２の他端を移動させる動作を説明するための図である。なお、図４においては、遮断装置１の構成要素のうち説明に必要な部分だけを記載している。

ヒューズ１１が溶断すると、直流電源２の正極と負荷３との間に流れる電流は、サブヒューズ１２−１側へ流入し、サブヒューズ１２−１が溶断する。

サブヒューズ１２−１が溶断すると、サブヒューズ１２−１を用いて固定されていた弾性体１２−２の一端が固定部１２−３から離れる。これにより、弾性体１２−２は、元の板状の形状に戻る。つまり、弾性体１２−２が変形していることで弾性体１２−２に蓄積された弾性エネルギーは、サブヒューズ１２−１の溶断によって運動エネルギーに変換される。

そして、元の形状に戻った弾性体１２−２は図４に示すように、可動鉄片２２に当接し、可動鉄片２２が極板２６の方向へ押し出される。これは、可動鉄片２２が極板２６へ吸引されるのと同じ動きであり、可動鉄片２２の他端が第１の位置から第２の位置へ移動する。

なお、元の板状の形状に戻った弾性体１２−２は、直流電源２の正極と負荷３との間に接続された開閉機構２１に対応する可動鉄片２２と、直流電源２の負極と負荷３との間に接続された開閉機構２１に対応する可動鉄片２２との両方に当接し、両方の可動鉄片２２の他端が第１の位置から第２の位置へ移動する。

これにより、直流電源２の正極と負荷３との間に接続された開閉機構２１と、直流電源２の負極と負荷３との間に接続された開閉機構２１との両方において、可動接点２１−１と固定接点２１−２とが引き離される。つまり、両方の開閉機構２１が電路を開放し、直流電源２の正負両極と負荷３との間に流れる電流が遮断される。

なお、本実施形態においては、直流電源２の正負両極と負荷３との間に開閉機構２１を接続した構成について説明した。このような構成ではなく、直流電源２の両極のうち、ヒューズ１１が接続されていない極と負荷３との間のみに開閉機構２１を接続する構成にしてもよい。但し、この構成の場合、全ての過電流範囲においてヒューズ１１の溶断時間よりも長い遮断時間のサーキットブレーカを使用するか、または、過電流によって自動的に電流の遮断を開始しないサーキットブレーカを使用することが必要となる。これは、サーキットブレーカがヒューズ１１よりも先に遮断動作を行うと、ヒューズ１１が接続された極と負荷３との間に流れる電流が遮断されなくなってしまうためである。

このように本実施形態において、ヒューズ１１は、直流電源２の両極のうち一方の極と、負荷３との間に接続され、開閉機構２１は、直流電源２の両極のうち少なくともヒューズ１１が接続されていない極と、負荷３との間に接続される。そして、可動鉄片２２は、ヒューズ１１の溶断に連動して発生した力学的エネルギーによる力が可動鉄片２２に与えられることにより、他端が第１の位置から第２の位置へ移動する。

そのため、ヒューズ１１が電流を溶断する電流範囲においても、直流電源２の正負両極と負荷３との間に流れる電流が遮断され、全ての過電流範囲において、直流電源２の正負両極と負荷３との間に流れる電流を確実に遮断することが可能となる。

また、本実施形態においては、ヒューズ１１の溶断とサーキットブレーカ２０とを連動させるのに電流を用いていないため、回路等が焼損する危険性もない。

なお、本実施形態においては、弾性体１２−２が、可動鉄片２２に当接することによって可動鉄片２２の他端を移動させる構成について説明した。このような構成ではなく、弾性体１２−２が元の形状に戻ることによる運動エネルギーを伝達する連動機構を介して可動鉄片２２の他端を移動させる構成にしてもよい。

また、本実施形態においては、直流電源２から負荷３へ給電する給電回路に本発明の遮断装置を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、交流電源から負荷へ給電する給電回路にも適用することができる。

１ 遮断装置
２ 直流電源
３ 負荷
１０ ヒューズ部
１１ ヒューズ
１２ 連動部
１２−１ サブヒューズ
１２−２ 弾性体
１２−３ 固定部
２０ サーキットブレーカ
２１ 開閉機構
２１−１ 可動接点
２１−２ 固定接点
２２ 可動鉄片
２３ シリンダ
２４ 可動鉄心
２５ スプリング
２６ 極板

Claims (4)

1. ヒューズと、接続された位置で電路を開閉する開閉機構と、一端が前記開閉機構に当接した可動鉄片とを有し、電源から給電される負荷と前記電源との間に設けられ、前記開閉機構に流れる電流に応じた磁力で前記可動鉄片の他端が第１の位置から第２の位置へ移動するのに従って、前記開閉機構が前記電路を開放する遮断装置において、
   前記ヒューズは、前記電源の両極のうち少なくとも一方の極と、前記負荷との間に接続され、
   前記開閉機構は、前記電源の両極のうち少なくとも前記ヒューズが接続されていない極と、前記負荷との間に接続され、
   前記可動鉄片は、前記ヒューズの溶断に連動して発生した力学的エネルギーによる力が当該可動鉄片に与えられることにより、前記他端が前記第１の位置から前記第２の位置へ移動する遮断装置。
2. 請求項１に記載の遮断装置において、
   前記ヒューズが溶断されていない状態において位置エネルギーを蓄積し、前記ヒューズの溶断に連動して前記蓄積した位置エネルギーを運動エネルギーに変換するエネルギー変換部を有し、
   前記可動鉄片は、前記運動エネルギーによる力が当該可動鉄片に与えられることにより、前記他端が前記第１の位置から前記第２の位置へ移動する遮断装置。
3. 請求項２に記載の遮断装置において、
   前記エネルギー変換部は、元の形状から変形することによって弾性エネルギーを蓄積する弾性体であり、
   前記弾性体は、前記ヒューズが溶断されていない状態において、変形した状態で固定され、前記ヒューズの溶断に連動して元の形状に戻り、
   前記可動鉄片は、元の形状に戻った前記弾性体が当該可動鉄片に当接することにより、前記他端が前記第１の位置から前記第２の位置へ移動する遮断装置。
4. 請求項３に記載の遮断装置において、
   前記ヒューズと並列に接続され、当該ヒューズが溶断した後に溶断するサブヒューズを有し、
   前記弾性体は、前記ヒューズが溶断されていない状態において、前記サブヒューズを用いて変形した状態で固定され、前記サブヒューズが溶断することによって元の形状に戻る遮断装置。

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