(57)【要約】【課題】機械式スイッチとして電磁接触器，ブレーカなどの汎用制御機器を利用し、これにＩＧＢＴなどの半導体スイッチを組み合わせてアーク発生を抑制した小形，コンパクトな構成で開閉性能に優れた直流開閉器を提供する。【解決手段】半導体スイッチ４と、機械式の並列接点９と、直列の断路接点１０を備え、主回路の閉路時には断路接点１０→半導体スイッチ４→並列接点９の順に投入し、開路時には並列接点９→半導体スイッチ４→断路接点１０の順に切断するようにした直流開閉器において、前記並列接点９，断路接点１０を電磁接触器１３の異なる極に割りつけて各接点を電磁接触器１３の開閉操作機構１１に一括連係した上で、断路接点１０のワイプ量を並列接点９のワイプ量より大に設定し、開閉器の投入，切断時にタイミングをずらして並列接点９，断路接点１０を所定の順序で開極，閉極動作させるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と負荷との間の給電回路に接続して該回路を開路，閉路する直流開閉器であり、当該直流開閉器は半導体スイッチと、該半導体スイッチに並列接続した機械式の並列接点、および半導体スイッチに直列接続した機械式の断路接点を備え、閉路時には前記半導体スイッチ，並列接点，および断路接点を断路接点、半導体スイッチ、並列接点の順に投入し、開路時には並列接点、半導体スイッチ、断路接点の順に切断するようにしたものにおいて、
前記並列接点，断路接点の各接点を多極形開閉器の異なる極に割りつけて各接点を多極形開閉器の開閉操作機構に一括して連係した上で、断路接点のワイプ量を並列接点のワイプ量より大に設定してその開極，閉極動作のタイミングを並列接点と相対的にずらすようにしたことを特徴とする直流開閉器。
【請求項２】
請求項１に記載の直流開閉器において、並列接点，断路接点の各接点は固定接点を開閉器筐体の端子台座上に搭載し、該固定接点に対向する可動接点を接点ばねを介して多極形開閉器の開閉操作機構に連係した構成になり、ここで断路接点の固定接点を搭載する台座と並列接点の固定接点を搭載する台座との間に高低段差を設けたことを特徴とする直流開閉器。
【請求項３】
請求項１に記載の直流開閉器において、並列接点，断路接点の各接点は固定接点を開閉器筐体の端子台座上に搭載し、該固定接点に対向する可動接点をコイルばねからなる接点ばねを介して多極形開閉器の開閉操作機構に連係した構成になり、ここで断路接点の可動接点と開閉操作機構との間に介装した接点ばねの自由長を並列接点の接点ばねよりも長く定めたことを特徴とする直流開閉器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の直流開閉器において、並列接点，断路接点を搭載した多極形開閉器として、２極以上の多極形電磁接触器，ないしブレーカを用いることを特徴とする直流開閉器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システム，蓄電池システムなどの直流給電回路に適用する直流開閉器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、太陽光発電などの直流給電システムの普及化に伴い、直流給電回路に適用する配電制御機器として直流開閉器の需要が増している。
ところで、従来の直流開閉器は開閉動作に伴って主回路接点（機械式接点）間に発生するアークの消弧対策が大きな課題となっている。すなわち、直流は交流とは異なり電流の零点通過がなく、開閉動作に伴って固定／可動接点間に発生したアークを消滅させることが困難である。
【０００３】
かかる点、機械式スイッチの接点間に半導体スイッチを並列接続し、機械式スイッチの開極時に回路電流を半導体スイッチに転流させて機械式スイッチの接点間に生じたアークを消滅させた上で、この半導体スイッチをＯＦＦ制御して回路電流を遮断するようにした開閉器のアーク消去装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、前記消弧方式の直流開閉器として、機械式スイッチ，半導体スイッチを並列接続したスイッチ回路に、このスイッチ回路の断路用として機械式の直列スイッチを追加し、半導体スイッチをＯＦＦ制御して回路電流を遮断した後に、この断路用の直列スイッチを開極して直流回路を完全に断路するようにした直流開閉器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
次に、特許文献２に開示されている直流開閉器の構成，動作を図６，図７に示す。図６において、１は直流電源、２は負荷、３は直流電源１と負荷２との間の給電回路に接続した直流開閉器であり、該直流開閉器３は半導体スイッチ（ＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子）４と、該半導体スイッチ４に並列接続した機械式の並列スイッチ５と、直列に接続した断路用の機械式直列スイッチ６を備えている。なお、７は各スイッチを投入，切断制御するスイッチ制御回路（デジタルロジック回路）、８は外部から直流開閉器３に開，閉指令を与える制御スイッチである。なお、図示の直流開閉器３に組み込んだ並列スイッチ５，直列スイッチ６として２基の電磁リレーを用いている。
【０００６】
また、図７は前記直流開閉器３の開閉動作を表すタイムチャートであり、その投入，切断時には次のような動作順序で半導体スイッチ４，並列スイッチ５，直列スイッチ６が投入（ＯＮ），切断（ＯＦＦ）される。
【０００７】
すなわち、外部から前記制御スイッチ８に投入指令を与えると、この投入指令に基づき最初に時間ｔ1で直列スイッチ６が投入（閉極）し、続いてｔ1から所定の時間τ1遅れて半導体スイッチ４がＯＮ動作(ｔ2)し、最後にｔ2から時間τ2遅れて並列スイッチ５を投入（ｔ3)する。これで直流給電回路が閉路して負荷２への通電が確立する。
【０００８】
一方、直流給電回路を開路するに際して外部からの開路指令で制御スイッチ８をＯＦＦすると、最初に時間ｔ4で並列スイッチ５が切断（開極）し、続いてｔ4から時間τ3遅れて半導体スイッチ４がＯＦＦ動作（ｔ5）し、最後にｔ5から時間τ4遅れて直列スイッチ６を切断して直流回路が完全に断路となる。
【０００９】
上記のように直流回路の開路，閉路に際して半導体スイッチ４，並列スイッチ５，直列スイッチ６の各スイッチを所定の順序にタイミングをずらして投入，切断することにより、接点間にアークが発生するのを抑制して機械式の並列スイッチ５，直流スイッチ６を閉極，開極することができる。
【００１０】
すなわち、直流回路の閉路時には最初に直列スイッチ６を投入するが、この直列スイッチ６の投入時（ｔ1）には半導体スイッチ４がＯＦＦで主回路には未だ電流が流れてなく、これにより直列スイッチ６の閉極過程で機械式接点にバウンズが生じてもアーク発生の問題無しに投入できる。また、半導体スイッチ４の投入後に並列スイッチ５を投入する際には回路電流が半導体スイッチ４に通電しているので、閉極時の接点バウンズによるアーク発生はない。
【００１１】
また、直流回路の開路時においても、最初に並列スイッチ５を開極する際には回路電流が半導体スイッチ４に転流するのでアークの発生なしに開極できる。さらに、開路動作の最後に切断する直列スイッチ６についても、半導体スイッチ４をＯＦＦして回路電流を遮断した後の無電圧状態で開極するので、アーク発生なしに開極できる。
【００１２】
なお、特許文献１に開示の前記直流開閉器３では、直流回路の通電中も半導体スイッチ４をＯＮ状態に保持しているが、この定常通電状態では回路電流の殆どが機械式の並列スイッチ５に通流しているので半導体スイッチ４（例えば、ＩＧＢＴ）に生じる損失は僅少であり、実用的には殆ど問題ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平８−１０６８３９号公報
【特許文献２】特開２０１２−２８１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、先記した直流開閉器（特許文献２）は、製品化に当たって次記のような課題がある。すなわち、直流開閉器３には機械式の並列スイッチ５，直列スイッチ６として各独立した２基の電磁リレーを搭載しているので開閉器が大形化する。
【００１５】
さらに、外部からの開閉指令を受けて各基の並列スイッチ５，直列スイッチ６を所定の順序で投入，切断制御する制御手段として、図６の直流開閉器３ではスイッチ制御回路（デジタルロジック回路）７を備えているが、このような電子制御回路７を付設することで直流開閉器の製品がコストアップする。
【００１６】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は機械式スイッチとして電磁接触器，ブレーカなどの汎用制御機器を利用し、これにＩＧＢＴなどの半導体スイッチを組み合わせることで、特許文献１に開示されている直流開閉器と同等な機能を持たせた小形，コンパクトで開閉性能に優れた直流開閉器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明によれば、直流電源と負荷との間の給電回路に接続して該回路を開路，閉路する直流開閉器であり、当該直流開閉器は半導体スイッチと、該半導体スイッチに並列接続した機械式の並列接点、および半導体スイッチに直列接続した機械式の断路接点を備え、閉路時には前記半導体スイッチ，並列接点，および断路接点を断路接点、半導体スイッチ、並列接点の順に投入し、開路時には並列接点、半導体スイッチ、断路接点の順に切断するようにしたものにおいて、
前記並列接点，断路接点の各接点を多極形開閉器の異なる極に割りつけて各接点を多極形開閉器の開閉操作機構に一括して連係した上で、断路接点のワイプ量を並列接点のワイプ量より大に設定してその開極，閉極動作のタイミングを並列接点と相対的にずらすように構成するものとし（請求項１）、その接点ワイプ量の設定手段は具体的に次記のような態様で構成することができる。
（１）断路接点の固定接点を搭載する台座と並列接点の固定接点を搭載する台座との間に高低段差を設ける（請求項２）。
（２）で断路接点の可動接点と開閉操作機構との間に介装した接点ばねの自由長を並列接点の接点ばねよりも長く定める（請求項３）。
【００１８】
また、前記の並列接点，断路接点を搭載した多極形開閉器として、２極以上の多極形電磁接触器，ないしブレーカを用いる（請求項４）。
【発明の効果】
【００１９】
上記構成の直流開閉器においては、直流回路の閉路，開路指令に基づいて開閉器（例えば、２極形の電磁接触器）を投入，切断すると、その開閉操作機構に連係した機械式の並列接点、断路接点が予め設定しておいた接点のワイプ量差に応じたタイミングで順に閉極，開極されることになる。すなわち、開閉器の切断時には並列接点が先に開極し、これに遅れて断路接点が開極する。また、投入時には前記とは逆に断路接点が先に閉極し、これに遅れて並列接点が閉極する。一方、半導体スイッチは、前記した機械式接点のワイプ量差に応じて開極，閉極する開閉器の動作特性に合わせて並列接点と断路接点がタイミングをずらして開極，閉極する中間のタイミングでＯＮ，ＯＦＦ制御する。
【００２０】
これにより、特許文献２に開示されている直流開閉器に組み込んでいた２基の機械式スイッチ（並列スイッチ，直列スイッチ）を、１基の多極形開閉器（例えば、電磁接触器）に置き換えて直流開閉器の小形，コンパクト化が達成できる。また、多極形開閉器の開閉操作機構に一括連係して異極に割りつけた並列接点と断路接点との間に接点ワイプ量差を設定しておくことにより、電子制御回路（デジタルロジック回路）を付設することなしに、開閉器の開閉時にはタイミングをずらして並列接点，断路接点を所定の順序で開極，閉極することができるので製品コストを低減できる。
【００２１】
なお、電磁接触器などの汎用制御機器は、外部からの指令を受けて開閉操作機構が各極の接点を開極，閉極する動作時間、および前記の接点ワイプ量差に基づく接点間の時間的なタイミング差はｍsecオーダーであるのに対し、半導体スイッチをターンオン，ターンオフするスイッチング時間はμsecオーダーであるので、機械式の並列接点と断路接点がタイミングをずらして開極，閉極する中間のタイミングにトリガー信号を半導体スイッチに与えてＯＮ（ターンオン），ＯＦＦ（ターンオフ）制御することは充分に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】２極形電磁接触器に半導体スイッチを搭載して構成した本発明の実施例による直流開閉器の構成図であって、（ａ）は開閉器の回路図、（ｂ）は電磁接触器の構造図である。
【図２】図１の電磁接触器に搭載した直流開閉器の並列接点，断路接点について、その固定子の台座相互間に段差を設けて並列接点／断路接点間にワイプ量差を設定した各接点の開極，閉極動作を模式的に表した説明図であって、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ各接点の開極状態、開閉動作途中の状態、閉極状態を表す図である。
【図３】図１の電磁接触器に搭載した直流開閉器の並列接点，断路接点について、その接点ばね長を変えて並列接点／断路接点間のワイプ量差を設定した各接点の開極，閉極動作を模式的に表した動作説明図であって、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ各接点の開極状態、中間動作状態、閉極状態を表す図である。
【図４】本発明実施例の直流開閉器について、開閉器の切断時における回路電流の経路を表す図であって、（ａ）は開閉器の閉路状態、（ｂ）は並列接点開極直後の状態、（ｃ）は回路電流が半導体スイッチに転流した状態、（ｄ）は断路接点が開極した断路状態に対応する図である。
【図５】本発明実施例の直流開閉器について、開閉器の投入時における回路電流の経路を表す図であって、（ａ）は開閉器の断路状態、（ｂ）は断路接点投入直後の状態、（ｃ）は半導体スイッチをＯＮにした状態、（ｄ）は並列接点を閉極した開閉器の投入状態に対応する図である。
【図６】特許文献１に開示されている従来の直流開閉器のスイッチ回路図である。
【図７】図６の直流開閉器の投入，切断時における並列スイッチ，直列スイッチ，半導体スイッチの動作順序を表すタイムチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に示す実施例に基づいて説明する。
この実施例においては、直流開閉器の機械式スイッチとして２極以上、例えば２極形電磁接触器１３を適用して、この電磁接触器１３に半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）４を搭載し、図６における機械式の並列スイッチ５，直列スイッチ６にそれぞれ対応する並列接点９，断路接点１０を電磁接触器１３の異極に割りつけた上で、次記のように並列接点９と断路接点１０との間に異なる接点ワイプ量を設定して各接点に対する閉極，開極動作のタイミングをずらすようにしており、次にその詳細構造を以下に述べる。
【００２４】
すなわち、図１（ａ）のスイッチ回路図において、図中の並列接点９，断路接点１０はそれぞれ図６の直流開閉器における機械式の並列スイッチ５，直列スイッチ６に対応しており、この並列接点９，断路接点１０を図１（ｂ）に示す２極形電磁接触器１３の各極に割り当てて、外部からの開閉指令で各接点を開極，閉極操作するようにしている。なお、図中において、１１は電磁接触器１３の各極接点を一括して開極，閉極位置に駆動操作する開閉操作機構、１２は電磁接触器１３のコイル駆動ユニット、１４は電磁接触器１３の筐体、１５は固定鉄心１５ａ，可動鉄心１５ｂ，操作コイル１５ｃ，復帰ばね１５ｄからなる操作電磁石、１６は筐体１４の端子台座１４ａに搭載配置した左右一対の固定接点、１７は各極の固定接点１６に設けた端子ねじ、１８は固定接点１６に対向する橋絡形の可動接点（ａ接点）、１９は可動接点１８を保持して前記可動鉄心１５ｂに連結した可動接点支え、２０は接点ばね（閉極位置で可動接点１８を固定接点１６に押圧して所要の接点接触圧を確保する圧縮コイルばね）であり、前記固定接点１６はその固定子（接触子片）を筐体１４の端子台座１４ａ上に載置支持している。なお、この電磁接触器１３の動作は周知であり、ここではその説明は省略する。
【００２５】
また、電磁接触器１３に搭載した半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）４は前記並列接点９に並列接続している。そしてこの電磁接触器１３は、図１（ａ）で示すように並列接点９と断路接点１０の端子１７間を直列にリード配線した上で、直流電源１と負荷２との間の給電回路に接続している。
【００２６】
ここで、前記電磁接触器１３の異極に割り当てた並列接点９，断路接点１０の接点機構については、その接点ワイプ量（接点が接触し始めてから完全に閉極するまでの接点支え１９の移動量）が図２，もしくは図３に示すワイプ量設定手段により、断路接点１０のワイプ量が並列接点９のワイプ量よりも大となるように設定している。
【００２７】
すなわち、図２の接点機構においては、左右に並べて並列接点９，および断路接点１０の各接点に対応する固定接点１６の固定子を載置した端子台座１４ａに段差Δｈを設け、図２（ａ）の開極位置では断路接点１０の固定接点／可動接点間のギャップｇ2が並列接点９の固定接点／可動接点間のギャップｇ1より小（ｇ2＜ｇ1）となるように設定している。
【００２８】
これにより、断路接点１０のワイプ量が並列接点９のワイプ量よりも大に設定され、図２（ａ）〜（ｃ）で表すように開閉器の投入時には並列接点９よりも先に断路接点１０が閉極し、切断時には前記と逆に断路接点１０よりも先に並列接点９が開離し、両接点の間で開極，閉極動作のタイミングがずれることになる。
【００２９】
一方、図３（ａ）〜（ｃ）に示す接点機構では、並列接点９，断路接点１０の可動接点１８と可動接点支え１９との間に介挿した接点ばね２０ａ，２０ｂについて、断路接点側に介挿した接点ばね２０ｂの自由長Ｌ2を並列接点側に介挿した接点ばね２０ａの自由長L１よりも長く（Ｌ2＞L１）設定している。これにより、図２の接点機構と同様に、断路接点１０のワイプ量が並列接点９のワイプ量よりも大となり，図３（ａ）〜（ｃ）で表すように投入時には並列接点９よりも先に断路接点１０が閉極し、切断時には断路接点１０よりも先に並列接点９が開離して開極，閉極動作のタイミングがずれるようにしている。
【００３０】
なお、電磁接触器１３に搭載して並列接点９に並列接続した半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）４については、外部からの開，閉指令に基づき前記並列接点９，断路接点１０がタイミングをずらして開極，閉極する動作の途中にタイミングを合わせ、ＩＧＢＴのゲートにトリガー信号を加えてＯＮ，ＯＦＦ制御するようにしている。
【００３１】
上記のように並列接点９，断路接点１０を多極形の電磁接触器１３に割りつけたことにより、図６に示した従来の直流開閉器のように、各独立した２基の並列スイッチ５と直列スイッチ６を１基の電磁接触器１３に纏めて直流開閉器の小形，コンパクト化が図れる。また、並列接点９，断路接点１０を電磁接触器１３の開閉操作機構１１（図１（ａ）参照）に連係した上で、図２，あるいは図３で述べたように、並列接点９と断路接点１０との間でワイプ量の差を設定して開極，閉極動作のタイミングをずらすようにしたことで、図６の直流開閉器に備えていた電子制御回路が省略できて製品コストの低減化が図れる。
【００３２】
次に、図示実施例の直流開閉器について、開閉器の切断時，投入時における回路電流の通電経路を図４（ａ）〜（ｄ），図５（ａ）〜（ｄ）に分けて表示する。なお、図４において、（ａ）図は直流開閉器を投入した定常通電状態、（ｂ）図は並列接点９の開極動作の途中で半導体スイッチ４をＯＮ制御し、回路電流を半導体スイッチ４に分流させた状態、（ｃ）図は並列接点９の開極後の状態、（ｄ）図は半導体スイッチ４をＯＦＦ制御して電流を遮断した後に断路接点１０を無電圧で開極した断路状態を表わしている。
【００３３】
また、図５において、（ａ）図は直流開閉器を切断して回路電流が流れてない状態、（ｂ）図は断路接点１０を無電圧で投入した状態、（ｃ）図は半導体スイッチ４をＯＮ動作した状態、（ｄ）図は並列接点９の投入後に半導体スイッチ４をＯＦＦ制御した定常の通電状態を表わしている。
【００３４】
なお、図４，図５では、半導体スイッチ４を直流開閉器の開閉指令により、その機械式接点（並列接点９，断路接点１０）が開極，閉極するタイミングに合わせて短時間だけＯＮ制御し、定常通電状態ではＯＦＦにして半導体スイッチ４の定常損失を低く抑えるようにしているが、図７に示したタイムチャートと同様に、直流開閉器の定常通電時にも半導体スイッチ４をＯＮ状態に保持して半導体スイッチ４のＯＮ，ＯＦＦ制御を簡易化するようにしてもよい。また、直流開閉器として、極数が２極以上のブレーカ（配線用遮断器）に本発明の構成を適用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１    直流電源
２    負荷
３    直流開閉器
４    半導体スイッチ
９    並列接点
１０    断路接点
１１    開閉操作機構
１３    電磁接触器（多極形開閉器）
１４ａ  端子台座
１５    操作電磁石
１６    固定接点
１８    可動接点
１９    可動接点支え
２０    接点ばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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