(57)【要約】【課題】消弧性能および耐久性に優れる消弧板および当該消弧板を備える気中遮断器を提供する。【解決手段】セラミック消弧板１０は、表面３０ａにポア３０ｂを有する低熱膨張セラミック３０と、ポア３０ｂを封止するセラミック目止め層２０と、低熱膨張セラミック３０の表面３０ａ上に形成され、加熱により水分を放出するアーク冷却層１１とを備えている。上記構成を備えることにより、セラミック消弧板１０は、消弧性能および耐久性に優れる消弧板となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に孔部を有するセラミック体と、
前記孔部を封止する目止め層と、
前記セラミック体の前記表面上に形成され、加熱により水分を放出する冷却層とを備える、消弧板。
【請求項２】
前記セラミック体は、コージェライト、β−スポジュメン、チタン酸アルミおよびジルコンからなる群より選択される一の材質からなる、請求項１に記載の消弧板。
【請求項３】
前記冷却層は、硬化した水ガラスと、前記水ガラスよりも熱膨張係数が小さいフィラーとを含む、請求項１または２に記載の消弧板。
【請求項４】
前記冷却層における前記フィラーの含有率は、３０体積％以上７０体積％以下である、請求項３に記載の消弧板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の消弧板を備える、気中遮断器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消弧板および気中遮断器に関するものであり、より特定的には、消弧性能および耐久性に優れる消弧板、および当該消弧板を備える気中遮断器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両用機器回路や送変電に用いられる遮断器は、接点を開閉させることにより電流の遮断および投入を行う。通常、遮断器において電流を遮断するために接点を開放すると、接点間にアーク放電が発生し、これにより遮断器が損傷する可能性がある。そのため、発生したアーク放電を速やかに消滅（消弧）させるために、遮断器には通常消弧室が組み込まれている。特に、大気中で電流を遮断する気中遮断器では、消弧室内に消弧板が組み込まれていることが一般的であり、当該消弧板により発生したアークを冷却しながら引き延ばし、アーク抵抗を高めることにより遮断を容易にするという方法が採られている。
【０００３】
消弧板には、電気絶縁性、アーク発生時の圧力、温度および振動などに対する耐久性、アークを冷却するための消弧性能などの特性が要求され、金属材料、セラミックス材料または有機系材料などが構成材料として用いられる。特に、１０００℃を超えるアーク放電に対する優れた耐熱性、およびアーク放電の発生から消弧までという極めて短い時間における温度変化に対する耐熱衝撃性が要求される。
【０００４】
たとえば特公平７−４３９７５号公報（以下、特許文献１という）では、酸化アルミニウムと珪石を混ぜて粒度１０μｍ以下に粉砕した粉末に対し、２．５％〜２．７％の酸化マグネシウムを焼結助剤として添加し、１４００℃〜１６００℃の温度にて高圧焼結したセラミックスを素材として用いた消弧板が開示されている。また、特公昭６１−４１０８９号公報（以下、特許文献２という）では、積層された無機質基材と接着剤から一体成形された結着剤が、ホウ酸、酸化亜鉛または酸化カルシウムを含むことを特徴とする消弧板の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−４３９７５号公報
【特許文献２】特公昭６１−４１０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１では、酸化アルミニウム（アルミナ）を主成分とするセラミックスが消弧板の素材として用いられているため、消弧板の熱膨張率が大きくなっている。そのため、消弧板が耐熱衝撃性に劣り、アーク放電による急加熱および消弧後の急冷の繰り返しにより破壊される可能性が高いという問題がある。
【０００７】
また、上記特許文献２では、熱分解により水分などを発生する成分を消弧板に組み込むことによりアーク冷却効果を高め、消弧性能を高めた消弧板が開示されている。しかし、この場合には、消弧性能には優れるものの、消弧板が十分な強度を有さないため、振動が加わる遮断器には適用することが困難であるという問題がある。このように、従来では、消弧性能および耐久性の両方において優れる消弧板を得ることが困難であった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、消弧性能および耐久性に優れる消弧板および当該消弧板を備える気中遮断器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従った消弧板は、表面に孔部を有するセラミック体と、上記孔部を封止する目止め層と、セラミック体の上記表面上に形成され、加熱により水分を放出する冷却層とを備えている。
【００１０】
本発明に従った気中遮断器は、上記本発明に従った消弧板を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に従った消弧板によれば、加熱により水分を放出する冷却層と、セラミック体のの孔部を封止する目止め層とを備えることにより、消弧性能および耐久性に優れる消弧板を提供することができる。また、本発明に従った気中遮断器によれば、消弧性能および耐久性に優れる上記本発明に従った消弧板を備えることにより、消弧性能に優れ、かつ信頼性の高い気中遮断器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施の形態に係る気中遮断器の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】本実施の形態に係るセラミック消弧板の構造を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１４】
まず、本発明の一実施の形態に係る気中遮断器１の概略的な構造および動作について説明する。図１を参照して、気中遮断器１は、ベース筐体２と、固定導体３と、可動子４と、端子導体５と、消弧装置６とを主に備えている。
【００１５】
固定導体３は、ベース筐体２に固定されている。固定導体３の一端部には固定接点３ａが固着されており、また他端部はベース筐体２の外部に配置されて電源側端子３ｂを構成している。可動子４の一部には可動接点４ａが固着されており、当該可動接点４ａは固定接点３ａと対向している。端子導体５は、固定導体３と同様にベース筐体２に固定されている。端子導体の一端部はベース筐体２の外部に配置されて負荷側端子５ａを構成している。端子導体５は、可橈性導体（図示しない）により可動子４と接続されている。
【００１６】
消弧装置６は、固定接点３ａと可動接点４ａとの間の電流を遮断した場合に両接点間に発生したアークを冷却するためのものであり、複数のセラミック消弧板１０を並べて構成されている。ここで、セラミック消弧板１０は、消弧性能および耐久性に優れる本実施の形態に係る消弧板である。したがって、当該セラミック消弧板１０を備える気中遮断器１は、消弧性能に優れ、かつ信頼性の高いものとなっている。なお、セラミック消弧板１０の詳細な構造については後述する。
【００１７】
気中遮断器１では、過大な電流が検知された場合において、開閉機構（図示しない）を作動させ、可動子４を図１中矢印方向に回動させる。これにより、固定接点３ａと可動接点４ａとが開離した状態となり、両接点の間を流れる電流が遮断される。そして、電流が遮断された後に両接点間においてアークが発生し、当該アークが消弧装置６に誘引されて消弧される。このようにして、気中遮断器１が動作する。
【００１８】
次に、本実施の形態に係るセラミック消弧板１０の構造について説明する。図２を参照して、セラミック消弧板１０は、アーク冷却層１１と、セラミック目止め層２０と、低熱膨張セラミック（セラミック体）３０とから主に構成されている。
【００１９】
アーク冷却層１１は、低熱膨張セラミック３０との間にセラミック目止め層２０を挟むように、低熱膨張セラミック３０の表面３０ａ上に形成されている。アーク冷却層１１は、母材１２と、低熱膨張フィラー１３とを含んでいる。アーク冷却層１１を構成する母材１２および低熱膨張フィラー１３は、耐熱性および耐久性に優れた無機材料より構成されることが好ましく、これによりセラミック消弧板１０がアーク放電による高温に曝された場合でも長期間に亘り安定してアーク冷却機能を発揮させることができる。
【００２０】
母材１２は、たとえば水ガラス（珪酸ソーダ）を主原料として硬化させたものなど、加熱により水分を放出する材料から構成されている。これにより、母材１２がアーク放電により高温加熱された場合に水分を放出することができる。また、水ガラスに含まれる結晶水が加熱により発泡し、蒸発することにより気化熱を奪うことができる。このような現象を積極的に利用したものとしては、たとえば水ガラス層を封入、積層した防火ガラスが広く用いられている。このようなアーク冷却層１１の冷却機能により、発生したアーク放電を効率良く冷却し、消弧することができる。
【００２１】
低熱膨張フィラー１３は、母材１２中に分散して配置されており、その含有率は３０体積（ｖｏｌ）％以上７０体積％以下となっている。また、低熱膨張フィラー１３は、アーク放電による高温に対して耐熱性を有し、かつ水ガラスよりも熱膨張係数が小さい材料からなることが好ましく、たとえばリン酸ジルコニウムからなっている。フィラー材としてはマンガン窒化物などもあるが、大気中において３００℃以上の温度で酸化し、性能が低下することからセラミック消弧板１０に用いることは困難である。このように、硬化した水ガラスからなる母材１２と、低熱膨張フィラー１３とから構成されるアーク冷却層１１は、優れた消弧機能を有するとともに耐熱性および耐久性に優れたものとなっている。
【００２２】
低熱膨張セラミック３０は、消弧板の耐熱衝撃性を向上させる観点から、熱膨張率が小さく耐熱衝撃性に優れたセラミック材料からなることが好ましい。より具体的には、低熱膨張セラミック３０は、コージェライト（熱膨張率：２ｐｐｍ／℃）、β−スポジュメン（熱膨張率：１ｐｐｍ／℃）、チタン酸アルミ（熱膨張率：１ｐｐｍ／℃）およびジルコン（熱膨張率：３ｐｐｍ／℃）からなる群より選択される一の材質からなることが好ましい。また、熱膨張率をより小さくする観点から、上記材質に添加物がさらに加えられていてもよい。これにより、アーク放電の発生時や消弧完了後における急激な温度変化に対しても破損することなく形状を維持することができる。
【００２３】
一般に、熱膨張率が小さく耐熱衝撃性に優れたセラミック材料は、気孔率が高い多孔質（ポーラス）材料である。そのため、図２に示すように、低熱膨張セラミック３０は、表面３０ａにおいてポア３０ｂ（孔部）を有している。そして、低熱膨張セラミック３０の表面３０ａ上には、当該ポア３０ｂを封止するようにセラミック目止め層２０が形成されている。セラミック目止め層２０は、たとえば石英ガラスなどの低熱膨張セラミック３０よりもさらに熱膨張率が小さい材料からなっており、当該ポア３０ｂを目止めする機能を有する。
【００２４】
ここで、セラミック目止め層２０を形成することなく、低熱膨張セラミック３０上に直接アーク冷却層１１を形成した場合には、アーク冷却層１１の成分がポア３０ｂを通じて低熱膨張セラミック３０の内部に侵入する。上述のように、アーク冷却層１１は水ガラスからなる母材１２を含むため、当該アーク冷却層１１がアーク放電により高温に加熱された場合には、低熱膨張セラミック３０の内部に侵入した水ガラス成分が急激に発泡および体積膨張し、その結果低熱膨張セラミック３０の内部に応力が発生し、クラックが生じる。そして、アーク放電がセラミック消弧板１０に対して繰り返し加わることにより低熱膨張セラミック３０内に生じたクラックが徐々に進行し、その結果セラミック消弧板１０が破壊されてその機能が失われてしまう。
【００２５】
これに対して、セラミック消弧板１０では、低熱膨張セラミック３０のポア３０ｂがセラミック目止め層２０により予め目止めされている。これにより、アーク冷却層１１の成分がポア３０ｂを通じて低熱膨張セラミック３０内に侵入することを防止することができる。その結果、アーク放電によりセラミック消弧板１０が加熱された場合に、低熱膨張セラミック３０内における応力の発生が抑制され、当該応力の発生に起因した低熱膨張セラミック３０の破壊を未然に防止することができる。このように、本実施の形態に係るセラミック消弧板１０は、アーク冷却層１１により優れた消弧性能を有するとともに、セラミック目止め層２０により上述のような消弧板の破壊が防止され、繰り返しの電流の遮断に対する耐久性を有する消弧板となっている。
【００２６】
以上のように、本実施の形態に係るセラミック消弧板１０は、表面３０ａにポア３０ｂを有する低熱膨張セラミック３０と、当該ポア３０ｂを封止するセラミック目止め層２０と、低熱膨張セラミック３０の表面３０ａ上に形成され、加熱により水分を放出するアーク冷却層１１とを備えている。
【００２７】
本実施の形態に係るセラミック消弧板１０は、アーク放電などによる発熱（加熱）により水分を放出するアーク冷却層１１を備えているため、消弧性能が高くアークを効率的に冷却することができる。また、上述のように、セラミック目止め層２０を形成することにより、アーク冷却層１１の成分がポア３０ｂを通じて低熱膨張セラミック３０の内部に侵入し、当該内部で膨張することに起因した低熱膨張セラミック３０の破壊が抑制されている。このように、本実施の形態に係るセラミック消弧板１０は、消弧性能および耐久性に優れる消弧板となっている。
【００２８】
また、上記本実施の形態に係るセラミック消弧板１０において、低熱膨張セラミック３０は、上述のようにコージェライト、β−スポジュメン、チタン酸アルミおよびジルコンからなる群より選択される一の材質からなっていてもよい。これにより、十分な機械的強度を有すると共に、アーク放電による加熱および消弧後の急冷に対しても破損し難い耐熱衝撃性に優れたセラミック消弧板１０を得ることができる。
【００２９】
また、上記本実施の形態に係るセラミック消弧板１０において、アーク冷却層１１は、上述のように硬化した水ガラスからなる母材１２と、水ガラスよりも熱膨張係数が小さい低熱膨張フィラー１３とを含んでいてもよい。このように加熱により水分を放出する水ガラスを含むことにより、発生したアークを効果的に冷却することができる。また、低熱膨張フィラー１３を含むことにより、アーク放電発生時の加熱および消弧後の冷却に起因した膨張および収縮の繰り返しによるアーク冷却層１１の破損、脱落（剥がれ）を抑制することができる。
【００３０】
また、上記本実施の形態に係るセラミック消弧板１０において、アーク冷却層１１における低熱膨張フィラー１３の含有率は、上述のように３０体積％以上７０体積％以下であることが好ましい。上記含有率が３０体積％未満または７０体積％を超える場合には、アーク冷却層１１の剥がれが生じるという問題がある。このような理由から、上記含有率は、３０体積％以上７０体積％以下であることが好ましい。
【実施例】
【００３１】
まず、コージェライト、β−スポジュメン、チタン酸アルミおよびジルコンの焼結体からなる低熱膨張セラミックをそれぞれ準備した。次に、セラミック目止め層を形成するために、上記焼結体をガラス塗料（液体ガラス  タートルｙ．ｋ社製）中に浸した。そして、上記焼結体を取り出した後、室温で約２日放置して硬化させた。これにより、上記焼結体の表面に形成された気孔（ポア）内に石英ガラスが浸透し、セラミック目止め層が形成される。なお、ポア内に浸透した石英ガラスは、熱膨張率が非常に小さいため（０．５ｐｐｍ／℃）、低熱膨張セラミック内に侵入した場合でもその機能を損なうことなく目止めすることが可能である。
【００３２】
次に、リン酸ジルコニウムからなる低熱膨張フィラー（共立マテリアル社製  ＺＰ−Ｆ３０）を水ガラスに対して３０体積％〜７０体積％の含有率で添加し、十分に撹拌混合した。そして、セラミック目止め層を形成した低熱膨張セラミック上に当該水ガラスを塗布し、２００℃で２時間加熱することにより硬化させた。このようにして、セラミック目止め層上にアーク冷却層を形成した。以上のようにして、低熱膨張セラミックの材質および低熱膨張フィラーの含有率が異なる実施例１〜１２および比較例３〜１０のセラミック消弧板を作製した（表１参照）。また、比較例１および２として、アーク冷却層を有さないセラミック消弧板も作製した（表１参照）。
【００３３】
そして、作製した各セラミック消弧板に対してアーク放電中における暴露試験を行った。アーク発生条件は、電圧（ＡＣ）値を６００Ｖ、最大電流値を１０ｋＡ、通電を０．５サイクルとした。アーク電圧は、暴露試験時の０．５サイクルの通電波形から、電流値が０となる点を外挿により求めたものにより定義した。表１は、作製した２２種類のセラミック消弧板について、低熱膨張セラミックの材料（セラミック材料）、アーク冷却層の有無、および水ガラス中の低熱膨張フィラーの含有率を示し、また各セラミック消弧板のアーク電圧および試験後の消弧板の状態を示している。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１から明らかなように、アーク冷却層を有するセラミック消弧板（実施例）では、アーク冷却層を有さないセラミック消弧板（比較例１および２）に比べて明らかにアーク電圧が増加し、発生したアークに対してアークを維持するための電圧が上昇し、消弧性能が高くなることが分かった。これは、アーク発生時の熱によりアーク冷却層から水蒸気が発生し、アークが冷却されたためであると考えられる。また、比較例２の結果に示すように、低熱膨張セラミックがジルコニア（熱膨張率：１１ｐｐｍ／℃）からなり、アーク冷却層が形成されない場合には、暴露試験後に消弧板が破壊された。
【００３６】
また、比較例３〜１０のセラミック消弧板では、アーク冷却層に含まれる低熱膨張フィラーの含有率が３０体積％〜７０体積％の範囲外であるため、消弧性能の向上は見られるものの、暴露試験後にアーク冷却層の剥がれが発生することが分かった。このアーク冷却層の剥がれは、低熱膨張フィラーが十分に機能しなかったためであると考えられる。また、セラミック目止め層を省略した場合では、低熱膨張セラミックの表面付近において亀裂が確認された。以上より、低熱膨張セラミックと、当該低熱膨張セラミックの表面に導入されたセラミック目止め層と、低熱膨張フィラーを３０体積％〜７０体積％の含有率で含むアーク冷却層とを備えることにより、消弧性能および耐久性に優れるセラミック消弧板が得られることが分かった。
【００３７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の消弧板および気中遮断器は、消弧性能および耐久性に優れることが要求される消弧板および当該消弧板を備える気中遮断器において、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００３９】
１  気中遮断器、２  ベース筐体、３  固定導体、３ａ  固定接点、３ｂ  電源側端子、４  可動子、４ａ  可動接点、５  端子導体、５ａ  負荷側端子、６  消弧装置、１０  セラミック消弧板、１１  アーク冷却層、１２  母材、１３  低熱膨張フィラー、２０  セラミック目止め層、３０  低熱膨張セラミック、３０ａ  表面、３０ｂ  ポア。
【図１】
2014154352.tif 000004
【図２】
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