KR910002261B1 - 밀봉접촉장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

밀봉접촉장치

제1도는 제2도의 선 I-I을 따라 취한 단면도로서, 본 발명의 일실시예에 있어서 밀봉접촉장치의 단면도.

제2도는 제1도의 선 I-I을 따라 취한 단면으로서, 제1도 장치의 단면도.

제3도는 제1도의 장치에 있어 가동전극 및 가동접촉의 확대 사시도.

제4도는 제1도 장치에 있어 전기절연성 기체와 아아크 지속시간(Arc Staying Time)간의 관계를 나타내는 다이아그램.

제5도는 제1도의 장치에서 사용가능한 다양한 기체들과 열전도성 사이의 관계를 나타내는 다이아그램.

제6도는 대기압의 다양한 기체들에 있어서 양의 아아크 칼럼의 전류 및 전계(electric field)사이의 관계를 나타내는 다이아그램.

제7도는 제8도의 선 Ⅶ-Ⅶ을 따라 취한 단면으로서, 본 발명의 다른 실시예의 장치의 단면도.

제8도는 선 Ⅷ-Ⅷ을 따라 취한 제7도 장치의 단면도.

제9도는 제7도의 장치의 가동전극을 미세하게 확대한 사시도.

제10도는 제7도 및 제8도에 도시된 장치가 그들용 구동장치와 결합된 배치를 도시하는 측면도.

제11도는 제10도의 장치에서 접촉들의 분리거리와 반력 사이의 관계를 나타내는 다이아그램.

제12도는 제10도의 장치에 있어 니트로젠율과 아아크 지속시간 사이의 관계를 나타내는 다이아그램.

제13도는 본 발명에 따른 밀봉접촉장치용으로 채택가능한 실험적인 회로를 도시하는 다이아그램.

제14도는 제10도의 장치로 이루어진 실험에 있어 아아크 지속시간과 전류사이의 관계를 나타내는 다이아그램.

제15도는 아아크 지속시간 및 전압사이의 관계를 나타내는 다이아그램.

제16도는 제11도와 같이 사용되는 상태의 장치에서 접촉 개폐회수와 내접촉 전압과의 사이의 관계를 나타내는 다이아그램.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 50 : 밀봉접촉장치 11, 51 : 배럴부

12, 13, 52, 53 : 끝판 14, 54 : 고정접촉

15, 55 : 고정축 18, 58 : 기밀공간

21, 61 : 가동접촉 23, 63 : 가동축

27, 67 : 벨로우즈 29, 30, 69, 70 : 영구자석

본 발명은 밀봉접촉장치에 관한 것이며, 보다 더 상세히는, 고정접촉을 구비하는 고정전극이 전기절연성기체의 밀폐용기에 배치되고 접촉을 온 및 오프시키도록 고정접촉으로부터의 단락이동을 위하여 가동전극의가동접촉이 제공되어지는 장치에 관한 것이다.

그러한 종류의 밀봉접촉장치는 전자기 스위치류, 릴레이류와 같은 파워 로딩 스위칭장치에 최적으로 사용될 수 있다.

일반적으로, 스위칭장치들은 전류 발생범위의 관점에서 보면, 1A 이하의 매우 약한 전류(일명 드라이회로)에 사용하기 위한 것과, 약 1에서 5A까지의 저항부하를 제어하기 위하여 사용하는 것과, 약 5에서 30A, 즉 소용량 전도부하의 전원부하에 사용하기 위한 것과, 중간 및 대용량 또는 어느 특정부하에 사용하기위한 것으로 규정될 수 있다.

이들 스위칭장치들에 있어서, 전원부하의 한가지만이 가장 크게 요구되어 왔지만, 스위칭 조작시에 발생되는 아아크가 접촉들을 서로 접착시키기 때문에 접촉들의 소멸, 변형 등이 커지게 되는 신뢰성 및 내구성에 있어 여러 문제점들이 내포되어져 왔다.

상기와 관련하여, 아아크 저항특성들의 개선이 장치에 더욱더 내구성을 갖게 하고 따라서 수명을 연장시키는 데 효과적인 것으로 판단되어졌으며, 시도된 개선의 일예로서는 말콤 발로우등에게 허여된 미합중국 특허 제3,431,377호 및 쉘돈 에스. 빗코에게 허여된 미합중국 특허 제3,831,118호에서 제안되어진 바와 같은 수은 릴레이등에서 찾아볼 수 있을 것이다.

이들 릴레이들에 있어서, 접촉 안정성을 이룩하도록 모세관현상을 이용하여 공급되는 수은에, 의해 접촉들이 적셔지는 배열, 또는 200 내지 250psi에서 밀봉된 고순도 하이드로젠 기체의 냉각력의 사용으로 아아크 억제능력이 개선되는 배열등이 사용되어졌다.

이들 수은 릴레이들에 있어 아아크 저항특성은 수명을 연장시키도록 개선되었지만, 일단 스위칭 전류가 5A를 초과하게 되면, 접촉들의 스위칭 온 및 오프시에 수은의 기화량이 증대되어 수은이 접촉들에 비효율적으로 공급되게 된다.

따라서, 5 내지 30A의 전류 발생범위에의 전원부하를 위하여 특정 수은 릴레이가 사용될때, 접촉 소멸 또는 접착이 유사하게 발생하여 수명을 현저히 감소시키는 문제점이 아직 남아있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 시도에 있어서, 본원인은 일본 특허출원 공개 공보 제61-78016호에 밀봉접촉장치를 일찌지 제안한 바 있는데, 전기절연성 기체로서 하이드로젠 기체가 밀폐용기에 고압으로 밀봉되며, 온 및 오프 스위치 작용을 위하여 한쌍의 접촉이 밀폐용기안에 제공되며, 접촉들의 온 및 오프스위치 작용시에 용기내부로 발생되는 아아크에 자기 구동력을 제공하기 위하여 영구자석이 용기의 외부에 장착된다.

이 밀봉접촉장치에 있어서, 발생되는 아아크는 억제되도록 급속히 냉각되며, 장치는 아이크 저항 특성이 아주 좋게 이루어진다.

그러나, 상기 공개공보에 따라서, 아아크 억제력이 충분히 개선될 수 있으나, 접촉 개방 조작시에 양 접촉들의 분리력은 용기내에 밀봉된 하이드로젠 압력에 좌우되어야만 하기 때문에 분리력은 시간의 경과에 따른 변화의 영향과 주위 온도에 있어서의 변화의 영향하에서 변화되어야만 할 것이며, 이에 따라 접촉 스위칭 조작이 불안정적으로 된다.

결과적으로, 감소되는 접촉분리 속도는 아아크 유지시간을 증가시키게 되어 접촉 소멸을 일으키거나, 접촉들의 과도하게 증가된 접촉 개방력을 생기게 하여서, 접촉저항이 커지게 되어 완전히 닫혀질 수 없는 미해결 문제점이 남아있다.

따라서, 본 발명의 첫번째 목적은, 스위치작용 접촉이 밀폐용기내에서 안정적으로 조작될 수 있으며 최적접촉개방속도가 얻어져서 적절한 접촉압이 달성될 수 있는 밀봉접촉장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라서, 전기절연성 기체가 밀폐용기에 형성된 기밀공간에 밀봉되며, 기밀공간내에 고착되어진 고정전극에 고정접촉이 제공되며, 고정접촉과의 맞물림 및 분리가 자유로운 가동접촉이 기밀공간내에서 전후로 적어도 부분적인 이동이 가능한 가동전극에 제공되며, 양 접촉들이 맞물리고 분리되는 직각방향으로 교차하는 평면상에 영구자석이 배열되며, 요크(yoke)가 영구자석의 바깥주위로 제공되는 밀봉접촉장치에 있어서, 가동전극을 기밀상태로 지지하는 동시에 가동전극을 전후로 확실히 움직이게 하기 위하여 적어도 부분적으로 신축이 가능한 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치를 제공함으로서 상기 목적이 구체화될 수 있다.

본 발명의 다른 목적 및 잇점은 첨부도면에 도시된 실시예를 참조로 하여 하기 본 발명의 상세설명에서 명백해질 것이다.

본 발명은 첨부도면에 도시된 실시예를 참조로 상세히 설명될 것이지만, 단지 도시된 실시예에 제한되지 않으며, 특허청구의 범위내에서 가능한 모든 변형 및 상당하는 배열등을 포함하고자 한다.

제1도 및 제2도에 대하여 설명하면, 본 발명의 일실시예로서 밀봉접촉장치(10)가 도시되어 있는데, 장치(10)는 세라믹과 같은 전기절연성 물질로 형성된 일반적인 원통형상의 배럴부(11)와, 탈산구리류와 같은금속재질로 이루어지고 배럴부(11)의 양축방향 개방단부들에 제각기 끼워맞춰지는 끝판(12 및 13)들로 구성되며 이들 배럴부(11) 및 끝판(12 및 13)들은 밀폐용기를 형성한다. 하부 끝판(13)의 중심에는 끼워맞춤구멍(13a)이 만들어져서 고정접촉(14)이 고착되는 상부끝까지 고정축(15)은 배럴부(11)내에 배치되며 구멍(13a)안으로 고정축(15)의 기초단이 끼워진다.

고정접촉(14)은 고정접촉(14)의 상부표면이 되는 주위의 평탄부를 제외하고는 디스크형태가 되도록 금속재질로 형성된다.

금속재질로 또한 이루어진 고정축(15)은 세라믹과 같은 절연물질로 이루어진 절연슬리이브(16)로 둘러싸여지며, 고정전극이 이들 고정 접촉(14) 및 축(15)에 의해 형성된다.

하부 끝판(13)에는 또한 기체관(17)이 외부로 고착되어서 대기압보다 2 내지 3atm. 높은 고압하에서 기밀공간(18)이 안으로 형성된 후에 하이드로젠 기체, 하이드로젠 및 니트로젠 기체들의 혼합기체류와 같은 열전도성이 높은 전기 절연성 기체가 밀봉되며, 기체 밀봉후 기체관(17)은 공간(18)의 기밀 유지용으로 제2도에 도시된 바와 같이 작은 구멍(13b)을 밀봉하고 또한 압착되어진후 연결선(19)용 연결터미닐을 형성하기 위하여 충격압착된다.

끝판(13)안쪽으로는 또한 세라믹과 같은 절연 재질로 이루어지고 고정축(15)이 통과하기 위하여 축방향관통구멍(20a)을 구비하는 절연부재(20)가 배럴부(11)의 하부끝에 바깥주위를 부재(11)에 맞물리는 상태로 장착되며, 관통구멍(20a)에 연속으로 하방 홈(20b)을 형성한다.

기밀공간(18)내에는 또한 고정축(14)과 맞물림 및 분리가 가능한 가동접촉(21)이 배치되며, 절연부재(20)로서 동일재질의 절연판(22)이 상부 끝판(12)의 내부쪽으로 고착되며, 따라서 기밀 공간(18)안으로 고정 및 가동접촉(14 및 21)들이 배럴부(11), 절연부재(20) 및 절연판(22)으로 에워싸인 절연 챔버내에 배치된다.

각각의 끝판(12) 및 절연판(22)에 각각 형성된 구멍(12a 및 22a)들을 통하여 통과됨에 따라 기밀공간(18)에서 전후로 움직임이 자유롭게 가동축(23)의 끝에 고착된다. 이들 가동접촉(21) 및 축(23)도 또한 탈산동, 동합금류와 같은 금속재질로 이루어지며 가동전극을 형성한다. 가동접촉(21)은 또한 디스크형태로 형성되면서 세라믹과 같은 절연재질의 박판부재(21a 및 21b)가 양쪽 평탄면들에 제공된다.

가동접촉(21)의 하방 주위부는 또한 고정접촉(14)의 평탄면과 접촉하도록 평탄하게 되어있다.

고정 및 가동접촉(14 및 21)들의 평탄면중 어느 하나는 생략되어도 되지만 어떠한 경우에도 양쪽 접촉(14및 21)들은 점접촉보다는 선접촉이 되도록 형성되어야만 한다.

가동축(23)의 다른편 끝에는 터미널부재(24)가 고착되며, 연결선(25)이 이 터미널부재(24)에 연결된다.

상부끝판(12)의 바깥면상에서, 가동축(23)을 통과시키는 내부챔버(26a)를 가진 뒤집혀 높인 형태의 지지실린더(26)는 판(12)의 구멍(12a)의 바깥주위부분에 하부개방단부가 고착되며, 예컨대 3개의 얇은 Ni-Cu-Ni 층들로 이루어지고 파형을 이룬 금속튜브의 벨로우즈(27)가 지지실린더(26)내에 에워쌓인다.

이 벨로우즈(27)의 끝은 가동접촉(21)에 인접한 가동축(23)의 하부에 고착되며, 벨로우즈의 다른쪽 상부끝은 실런더(26)의 안쪽상부끝면에 고착된다.

상부끝에 있는 중앙구멍에 관하여 주위로 실린더(26)의 상부끝에는 안내슬리이브(28)가 외부로 고착되며, 지지실린더(26)를 통하여 통과되는 가동축(23)의 상부는 실린더(26)를 통하여 안내되며 그밖으로 돌출된다. 지지실린더(26) 및 벨로우즈(27)의 이러한 배열상태로, 기밀공간(18)의 기밀이 효과적으로 유지되며, 가동축(23)은 기밀방식으로 공간(18)에서 전후로 이동이 가능하게 이루어진다.

배럴부(11)의 옆면상의 한쌍의 대면부분들에는, 한쌍의 영구자석(29 및 30)이 배럴부(11)에 고착되며, 한쌍의 요크 아암들이 하부끝판(13)으로부터 윗쪽으로 뻗어 배럴부(11)에 대하여 자석들을 지지하도록 제공된다. 이들 영구자석(29 및 30)들은 고정접촉(14)에 관하여 가동접촉(21)이 접촉을 개폐하기 위하여 이동하는 방향의 직각으로 그러고 고정 및 가동접촉(14 및 21)들의 맞물림부와 동일한 레벨에서 교차하는 평면상에 배치된다.

또한, 탄성부제(32)가 지지실린더(26)의 상부끝벽과 터미널부재(24)사이로 제공되어서, 가동전극(23)을 고정전극(15)으로부터 분리방향으로 가압한다.

본 실시예에 있어서, 탄성부재(32)는 예컨대 인청동으로 이루어진 압축코일스프링으로 구성되며 가동축(23)둘레로 장착된다.

본 발명에 따른 밀봉접촉장치(10)의 조작은 하기에 설명될 것이다.

제1도에 도시된 화살표 N방향으로 움직이기 위하여 가동축(23)이 임의의 적절한 장치에 의해 가압됨에 따라, 가동접촉(21)은 접촉이 닫히도록 고정접촉과 맞물기 위하여 가압된다.

가동축(23)으로의 그러한 가압력이 해제되면, 기밀공간(18)의 절연기체 압력의 힘과, 벨로우즈(27)의 바깥면과 가해지는 힘과, 탄성부재(32)의 가압력의 합성력이 제1도의 화살표 O방향으로 가동축(23)에 가해지게 되고, 이에 따라서 가동접촉(21)은 고정접촉(14)으로부터 멀리 이동되어 접촉개방을 일으킨다.

접촉 개방시에 아아크가 발생되지만, 이 아아크는 고압으로 공간(18)에 밀봉된 하이드로젠 기체와 같은 절연성 기체의 냉각성능에 의해 제공되어지는 급속냉각의 구속을 받는데, 접촉 맞물림부에 관하여 작용하는 영구자석(29 및 30)의 자성력이 형성되어 더욱 더 짧은 시간안에 억제하도록 아아크에 관하여 자성취출을 수행하는데 효과적이다.

가동접촉(21)의 측면에 있는 얇은 절연판(21a 및 21b)들은 발생된 아아크가 가동접촉(21)의 주위둘레로 전파되는 것을 방지하기에 효과적이며, 고정 및 가동접촉(14 및 21)들 사이로 이루어진 선접촉은 전류밀도가 증대되지 않도록 전류가 한 점에 집중되는 것을 방지하기에 효과적이다.

이를 기술적인 특징으로서 접촉들의 긴 수명이 얻어질 수 있다.

상기에 대하여 보다 더 상세히 설명하면, 기밀공간(18)에 밀봉되는 전기절연성 기체에 대하여 하기 사항이 요구되는 것으로 경험적으로 판명되었다.

첫째, 기체의 열전도성과 아아크 지속시간사이의 관계는, 아르곤(Ar) 및 헬륨(He)의 혼합비율의 변화에 따라 기체의 열전도성이 변화되는 것으로 실험적으로 관측되었다. 즉, 0℃에서의 아르곤비율을 50%, 25%및 O%가 되도록 선정하였을 때, 열전도성은 20.6×10^-4, 32.8×10^-4및 58.4×10^-4(W/cm²sec.)이었다.

양 접촉(14 및 21)들을 통하여 통과되는 3KA의 전류(상업적 교류의 반파장의 최대치에서), 0.94m.sec.의 전극 개방시간, 전파거리 2mm당 0.43m.sec.가 되도록 설정된 가동접촉(21)의 요구시간에서 아아크 지속시간이 측정되었으며, 제4도의 다이아그램에 그 결과가 도시되어 있는데 가로좌표는 기체의 열전도성이며 세로좌표는 아아크 지속시간이다.

다이아그램에서 명백해질 것과 같이, 곡선 V로 알 수 있듯이 아아크 지속시간은 기체 열전도성이 증가함에 따라 더욱 더 짧아지며, 그러한 관점에서 보면 기체의 열전도성이 커질수록 더욱 높은 비율에서 실행되는 아아크 억제를 갖는데 효과적이며 고속냉각에 도움이 되는 겻으로 판명되었다.

다음은, 여러가지 전기절연성 기체들의 열전도성이 제5도의 다이아그램에 도시되었는데, 가로좌표는 기체온도이며 세로좌표는 열전도성이다.

다이아그램에 나타나있듯이, 아아크온도를 고려하면 특히 하이드로젠 기체의 사용은 아아크가 강해지는 것에 대한 냉각력을 허용할 것임에 틀림이 없다.

또한, 여러 절연기체들의 전압들이 제6도의 다이아그램에 도시되었는데, 가로좌료는 아아크의 포지티브칼럼(positive columm)의 전류이며 또한 세로좌표는 아아크의 포지티브 칼럼의 전계 강도이고 아아크의 포지티브 칼럼이 있는 튜브의 반경(R)은 R=2cm로 되도록 설정되었다.

다이아그램으로부터 여러기체들 가운데 하이드로젠 기체가, 고전압과 비교될 수 있게 되도록, 기체 압력에 비례하는 고전계(V/cm)를 갖는데 최적인 것으로 또다시 판명되었다. 따라서 하이드로젠 기체가 한편으로는 아아크 전압특성이 높은 것으로 판명되었지만, 다른 한편으로는 절연파괴 전압이 떨어져서 하이드로젠 기체내의 아아크 발생은 아아크-오버(arc-over)를 나타내는 경향이 있을 것이다. 그러나 예컨대 하이드로젠 기제에 혼합되는 체적비율로 40%를 초과하지 않는 범위까지 니트로젠(N₂)을 부가하여 훌륭한 아아크전압을 얻는 것과 니트로젠 기체(N₂)의 레벨로 절연파괴 전압이 되게하는 것이 가능하게 된다.

하이드로젠 기체 또는 기밀공간(18)에 밀봉되게 되는 혼합기제의 압력에 대하여는, 바람직하게는 2atm정도가 되어야 하지만 제한되도록 요구되지는 않는 것으로 경험적으로 규정되었다.

상기 밀봉접촉장치(10)에 있어서, 절연슬리이브(16)로 고정축(15)을 둘러쌓은 것을 접촉 개방시 발생되는가 아아크 고정축(15)의 표면을 넘어 끝판(13)에 도달하도륵 전개되는 것을 방지하기에 효과적이다.

또한, 기밀공간(18)의 바닥벽을 형성하는 절연부재(20)내에의 하방 개방홈(20b)의 설치와 구멍(20a)을 통한 중앙부까지의 연속은 절연부재 (20)의 표면적을 효과적으로 증가시키기 때문에, 아아크 열에 의해 흩어지게 되는 분쇄된 금속이 부재(20)에 부착되더라도 부재(20)의 훌륭한 전기절연이 유지될 수 있다.

제7-9도에 대하여 설명하면, 본 발명에 따른 다른 실시예가 도시되어 있는데, 제1-3도에 도시된 밀봉접촉장치(10)의 실시예에서와 동일한 구성부재들은 제1-3도의 부재번호에 40을 더하여 표시되었다.

본 실시예에 있어서, 접촉 분리 스프링(73)은 가동축 지지실린더(66)의 상부끝 벽위에 배치되지 않고 그의 주위에 걸쳐 배치되며, 최적으로는 이 스프링(73)은 비압축시에 지지실런더(66)의 높이보다 약간 높게 되도륵 선정된다.

터미널부재(64)가 고착되는 가동축(63)의 다른쪽 바깥끝에는, 지지아암(74)이 가동축의 축에 수직방향으로 뻗어서 축(63)에 회전가능하게 장착되며, 스프링(73)은 이 아암(74)과 장치(50)의 배럴부(51)의 상부끝판(52)사이로 압축수용된다.

가동축(63)의 상부끝에 인접하게는, 측면형상이 역 U자형상이며, 디스크 파아크(disk park)내의 중앙구멍을 자유롭게 통하여 축(63)을 통과하는 중앙디스크 파아크를 구비하는 홀더(75)가 다리부분의 양쪽 하부끝을 지지실린더(66)의 상부끝벽에 고착시키도록 배치된다. 가동축(63)의 상부끝에는, 축(63)과의 회전을 위하여 홀더(75)의 중앙구멍을 통하여 통과되어 끝캡(76)이 터미닐부재(64)를 에워싸도록 고착되며, 이 끝캡(76)은 바람직하게는 구동부재의 가압력이 하기 설명될 것처럼 직접 가해지게 되는 경우를 감안하여 테프론(Du Pont사의 상품명)류와 같은 전기절연성이 있고 내마모성이 있는 재질로 형성되어야만 한다.

이 배열에 있어서, 지지아암(74)이 터미널부재(64)를 덮는 끝캡(76)까지를 포함하는 가동축(63)의 전체의 일정한 접촉 개방 및 폐쇄 스트로크를 달성하도록 하며, 지지아암(74)의 그 이상의 이동을 구속하도록 홀더(75)는 작용하며, 접촉-분리 스프링(73)은 아암(74)에 의해 구속되어 소정의 양 이상으로 팽창하지 못한다.

본 실시예에 있어서, 접촉-분리 스프링에 대한 소요공간 또는 길이는 지지실린더(66)와 중복되기 때문에, 가동축(63)은 더욱 짧게 이루어질 수 있으며, 전체 장치는 크기가 최대로 될 수 있으며, 가동축(63)의 축방향끝이 더욱 더 강해질 수 있다.

본 실시예에 있어서, 벨로우즈(67)에 가해지는 전기열연성 기체의 압력과 접촉-분리스프링(73)의 스프링력의 합성력이 가동축(63)에 가해지며, 다른 배열 및 조작은 제1-3도의 실시예의 것과 동일하다.

본 발명에 따른 밀봉접촉장치(10 또는 50)는 예컨대 전자기 장치의 형태로 제10도에 도시된 바와 같은 구동장치와 연계됨으로서 사용될 수 있다(실시예에서도 제7-9도의 장치(50)와 함께 예시되었지만 제1-3도의 장치(10)도 동일하게 사용될 수 있다).

보다 더 상세하게는, 구동장치(80)는 장착기초부(81)와, 코어(82)와, 코어에 감겨진 솔레노이드(83)와, 밀봉접촉장치(50)와 함께 기초부(81)에 창착된 요크(84)로 구성된다.

요크(84)는 L자형태로 형성되며, 접촉자(85)는 요크(84)의 상부끝부분에 한쪽끝이 피봇선회가 가능하게 장착되어서 솔레노이드(83)가 여자되면 접촉자의 다른쪽 끝은 코어(82)의 상부끝으로 끌리게 될 것이다.

접촉자(85)의 끌어당겨짐과 함께 연계되어 움직이도록 서로 각각에 대하여 비교적 움직임이 자유롭게 되도록 작동아암(86)이 접촉(85)에 장착되기 때문에, 아암(86)은 장치(50)의 가동축(63)을 끝캡(76)을 통하여 맞물리게 구동할 수 있으며 축을 아래쪽으로 가압한다. 여기서 작동아암(86)은 바람직하게 폴리카보네이트류와 같은 전기절연성 수지 재료로 형성되어야만 한다.

접촉자(85)에 끝이 고착되어진 스프링 홀더(87)는 상기 작동아암(86)에 그로부터 일정거리 떨어지도록 홀더(87)의 다른쪽 끝을 설치하고, 홀더의 다른쪽 끝에 한쪽끝이 고착되고 작동아암(86)의 상부표면에 바람직하게 형성된 홈안에 다른쪽 끝이 맞물리게 코일스프링(88)이 홀더(87)에 수용되어서 접촉자(85)와 작동아암(86)의 운동이 연동하도록 한다.

제10도에 도시되어 있는 바와 같이 구동장치(80)의 비작동 상태에 있어서, 가동축(63) 및 가동접촉(61)에 의해 형성된 가동전극은 접촉작동 스트로크보다 약간 작은 범위에서 가동전극에 접촉분리력을 제공하도록 지지아암(74)에 의해 구속되는 접촉분리 스프링(73)과 함께, 소정의 거리를 넘어 그 이상 이동하지 않도록 홀더(75)의 구속을 받으며, 가동전극은 기밀공간(58)내의 전기절연성 기체의 압력에 의해서만 고정전극으로부터 분리되도륵 윗쪽으로 가압된다.

구동장치(80)내의 솔레노이드(83)의 여자와 동반하여, 다른 한편으로는, 접촉자(85) 및 작동아암(86)은 화살표 O 및 Q방향으로 아래쪽으로 이동되어 가동축(63)올 아래쪽으로 가압한다.

이러한 하방 가압의 최초단계에서 가동축(63)에 가해지는 힘은 상기 설명된 바와 같이 기밀공간(58)에 밀봉된 기체의 압력뿐이며, 가동축(63)은 솔레노이드(83)의 매우 미세한 최초여자로도 작동될 수 있다. 가동축(63)이 아래쪽으로 더욱 더 가압됨에 따라, 접촉-분리스프링(73)의 가압력이 기체압력에 더해지며, 접촉자(85)는 코어(82)에 확실히 밀착되게 접근하고 큰 견인력이 접촉자에 가해지며, 가동전극은 부드럽고 확실하게 접촉 폐쇄위치로 오게된다.

충분한 접촉 압력이 스프링에 의해 폐쇄위치에 있는 가동전극에 제공된다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.

고정접촉(54)에 관한 가동접촉(61)의 접촉 개방은 상기와 반대의 방식으로 수행되는 작동으로 얻어질 수 있다는 것도 또한 판단될 것이다.

이 경우에 있어 밀봉접촉장치의 작동이 설명될 것이다. 제11도를 참조하여 보면, 가로좌표는 고정 및 가동접촉(54 및 61)들 사이의 분리거리이며 세로좌표는 가동축(63)을 통해 작동아암(86)에 가해지는 반력이며, 양 접촉들의 개방위치에 있어서의 분리거리(d)는 d1로 주어지고 예컨대 0.75mm로 설정되었으며, 작동아암(86)이 받는 반력은 F1이다.

솔레노이드(83)가 이 반력(F1)의 위치에서 여자되면, 거리(d)는 감소하지만 반력은 증가한다.

지지아암(74)이 스프링(73)의 상부끝에 인접하는 위치에서, 양 접촉들 사이의 거리는 반력이 F2로 되는 동안 d2가 될 것이며, 바로직후, 스프링(73)의 가압력이 절연기체 압력에 추가되기 때문에, 작동아암(86)은 보다 더 큰 반력(F3)을 받을 것이며, 거리(d)가 영이 될때까지 증가하여 접촉 폐쇄와 함께 가해지는 가장 큰 반력(F4)이 된다.

따라서, 반력은 쇄선

1으로 도시된 바와 같이 될 것이다.

다른 한편 접촉분리스프링(73)이 부재일 경우가 제공되었는데, 반력은 힘(F3)에 대하여 점(F4)과 점(k1)을 연결하는 선의 연장선의 쇄선(

2)으로 나타낸 바와 같이 될 것이며, 이때 요구되는 자기력은 선(

2)상의 점(k2)을 통하여 지나는 쇄선(

0)과 같이 될 것이기 때문에, 2중으로 빗금쳐진 삼각형 부분(S3)으로 도시되어진 자성에너지는 접촉폐쇄 작동의 최초단계에서 생략될 수 있다.

장치(50)의 전반적인 작동을 위하여 요구되는 전자기력은 점(k1)을 지나는 쇄선(

3)으로 표시되었으며 선(

0)과 평행하다.

전체적으로 보면, 빗금친 부분(S2)에 대응하는 전자기력이 절약될 수 있으며, 따라서, 구동장치(80)는 크기가 최소화할 수 있다.

본 발명의 장치(50)의 작동을 다른 관점에서 고찰하여 보면, 온도 T0(K)에서 밀봉된 기체 압력은 P(kg/cm², P＞l이며, 대기압에서 P=1임)이며, 접촉을 개방하기 위하여 필요한 힘은 F(kgf)이며, 접촉분리스프링이 없을 때 벨로우즈(67)의 수압면적은 S1(cm²)이며, 장치(50)에 있어 벨로우즈(67)의 수압면적은S21(cm²)이며, 접촉-분리스프링(73)의 가압력은 f이며, 스프링(73)의 유무에 관계없이 양쪽 경우에 있어 동일한 접촉분리스프링력(F)이 얻어지게 되는 것으로 가정하면, 하기 식이 만족된다;

F=(P-1)S1=(P-1)S21+f ……………………………………………………(1)

여기서 (P-l)은 대기압과의 밀폐용기내의 기체의 압력차이이며, 벨로우즈(67)에 가해지는 기체압력을 나타낸다.

따라서, 동일한 접촉분리력(F)을 얻기 위하여, 본 실시예의 밀봉접촉장치(50)에 채택된 벨로우즈(67)의 수압면적은 접촉분리스프링력(f)에 의해서 스프링(73)이 없을 때의 면적(S1)보다 작게 이루어 질 수 있으며, 전체 장치(50)뿐만 아니라 벨로우즈(67)는 용이하게 판단될 것처럼 장치의 제조원가를 절감시키는 것이 가능하도록 크기를 최소화할 수 있다.

다음으로, 온도 T1(K)에서 발생하는 접촉분리력은 접촉-분리스프링(73)이 없을 경우에 F1이며, 장치(50)에서는 F21인 것을 가정하면, 스프링(73)이 없을 때의 F1은

F1={(T1/T0)(P-1)}S1 ………………………………………………………(2)

이 될 것이며, 온도변화(T0에서 T1까지)에서 분리력(F1)의 변화(△F1)는 상기 식(1) 및 (2)로부터

ΔF1=F1-F=(T1/T0-1)(P-1)ㆍS1 …………………………………………(3)

이 될 것이다.

다른 한편으로, 장치(50)에 있어서는

F21 = { (T1/T0) (P -1) S21}+f ……………………………………………(4)

유사하게,

ΔF21=F21-F={(T1/T0)-1}(P-1)ㆍS21 …………………………………(5)

가 된다.

따라서, 동일한 온도변화가 있는 것을 가정하고, 장치(50)에 있어 분리력의 변화는 스프링(73)이 없을 경우와 비교되는 바와 같이

{(T1/T0)-1}f …………………………………………………………………(6)

만큼 작다.

293K(=20℃)의 온도에서, 밀봉된 기체압력 P=2(kgf/cm²), 요구되는 분리력 F=0.2(kgf), 스프링(73)의 스프링력 f=0.1(kgf)를 상기 구체화된 식에 대입하면, 스프링(73)이 없을 때의 벨로우즈의 수압면적(S1)은 0.2cm²가 될 것이고 장치(50)에서의 벨로우즈(67)의 수압면적(S21)은 0.2cm²이 될 것이며, 수압면적을 1/2가 되도록 설정하여도 충분하게 된다.

T0=293K(=20℃)로부터 T1=373K(=100℃)까지의 온도변화와 함께 분리력(F)의 변화는 스프링(73)이 없을 때는 0.2kgf에서 0.255kgf까지가 될 것이지만 장치(50)에 있어서는 0.2kgf에서 0.227kgf까지가 될 것이다.

즉, 장치(50)와 함께는 28gf의 변화량이 작으며 어떤 온도변화에 대한 작동안정이 실현될 수 있다.

다시 말하면, 온도상승으로 인한 분리력에 있어 비정상적인 증가가 있을지라도, 접촉들은 신뢰성있게 닫혀질 수 있다.

본 발명의 밀봉접촉장치(50)에 있어서, 밀봉기체 압력 P=1이 될 때에도 분리력(F)은 0이 되지 않을 것이며, 즉, 밀봉된 기체가 완전히 누출되어 버릴 경우에서도 분리스프링(73)의 가압력(f)이 항상 존재하기 때문에 장치는 계속 작동이 가능할 것이며, 장치의 신뢰도가 현저히 개선될 수 있다.

상기 설명에 있어서, 전기절연성 기체는 바람직하게는 하이드로젠 기체 또는 체적으로 40%미만의 니트로젠 기체와의 혼합물로서 기술되어졌으며, 내부밀봉 압력은 1-10atm(절대압력)이 최적으로 기술되었다.

이와 관련하여, 가로좌표에는 니트로젠의 혼합비율을, 세로좌표에는 아아크 지속시간을 나타내고 니트로젠 혼합비율에 따른 아아크 지속시간의 변화를 곡선(W)으로 표시한 제12도에서 명백해질 것과 같이, 40%이상의 니트로젠 혼합물은 아아크 지속시간이 급격히 증가되게 되는 원인이 된다.

아아크 지속시간의 길어짐은 더 많은 접촉을 일으킴은 물론이고 접촉들의 내전압특성이 넓은 범위에까지 나빠지게 되는 원인이 된다.

밀봉된 내부기제 압력에 관하여는, 압력이 1atm보다 높아질수록 그 이상의 아아크 전이가 촉진되지만, 10atm을 초과하는 압력은, 공지의 사실로 알려진 바와 같이, 벨로우즈(67) 또는 그 주위 환경의 압력저항 성질들에 있어 문제점을 일으키게 된다.

디스크 형태로 이루어진 고정 및 가동접촉들은 디스크형태의 원형주위와 함께 일명 아아크 혼(arc horn)으로서 작용하기에 효과적이기 때문에 아아크가 원활하게 전달되어 접촉들의 마모를 감소시키는 것으로 판명되었으며, 또한 접촉 재질로서 텅스텐(W)의 사용도 실제적으로 효과적인 것으로 경험적으로 판명되었다.

이 실험을 위하여, 제13도에 도시된 바와 같은 회로가 채택되었는데, 보호저항기(R), 직류전원(DC), 직류측정장치(A)와 본 발명에 따른 장치(10)의 고정 및 가동접촉(14 및 21)들이 부하(L) 및 서어지 흡수회로(Z)의 병렬회로에 일련으로 연결되며, 전압측정장치(VM)가 양쪽 전극에 연결된다.

이 회로 배치에 있어서, 장치(10)는 수행되는 접촉개방 및 폐쇄 작동들을 구비하도록 작동되었으며, 접촉개방 및 폐쇄시의 전류와 전압사이의 관계와 아아크 지속시간이 측정되었다.

부하(L)로서 특히 200V와 20A의 직류모터가 사용되었으며, 접촉 내전압에 있어 저하의 하한치는 교류로 2KV가 되도록 설정되었다.

이 실험 측정의 결과는 각각 제14도 및 제l5도의 곡선 Y 및 Z로 도시되었는데, 제14도의 세로좌표는 전류를 제15도의 세로좌표는 전압이며 양 도면의 가로좌표는 아아크 지속시간이다.

제14도에 도시되어 있는 바와 같이, 전류는 단절시점(t1)에서 바로 0A가 되었으며, 제15도에 도시되어 있는 바와 같이, 아아크 전압은 아아크 지속시간(αl)에서 30V 전도에 달했으며 그후 시점(tl)에서 최대 아아크 전압(예컨대 400V)에 도달하였고, 접촉들을 지나는 전압은 그 이상의 아아크 지속시간(α2)(예컨대 2ms)후 전원전압의 수준까지 약해졌다.

제15도에 있어서, 시점(t1)까지에 이르는 곡선(Z)의 부분은 아아크전압의 것이며, t1부터 t2(약화 개시점이됨)까지의 부분은 Znr로 표시되는 전압의 것이며 t2 이후의 휴지부분은 전원전압의 것이다.

본 발명에 따른 장치에 있어서 접촉 개폐시간수(가로좌표)와 내접촉 전압(세로좌표) 사이의 관계를 측정하기 위하여 제16도에 도시된 바와 같이 다른 실험이 실행되었는데, 내접촉 전압저하의 설정 하한치인 2KV에 도달될 때까지 접촉 개폐회수는 500,000회 이상 실행될 수 있었다는 것이 판명되었다.

Claims (11)

1. 전기절연성 기체로 밀봉된 기밀공간을 내부에 구비하는 밀폐용기와, 상기 용기의 상기 기밀공간에 고착되며 고정접촉을 구비하는 고정전극과, 기체밀봉 방식으로 전후 이동이 자유롭게 상기 기밀공간안에 적어도 부분적으로 배치되고 상기 고정접촉과 맞물림 및 분리가 자유로운 가동접촉을 구비하는 가동전극과, 상기 접촉들이 개폐하는 방향의 직각방향에서 교차하는 면에 배치된 영구자석과, 적어도 부분적으로 팽창가능하며 상기 기밀 방식으로 확실하게 이동이 자유롭게 되도록 하기 위하여 상기 가동전극에 연결된 장치로, 구성되는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가동전극을 확실하게 이동이 자유롭게 하기위한 상기 장치는 상기 가동접촉을 상기 고정접촉으로부터 분리하는 방향으로의 가압용으로 상기 가동전극에 관하여 배치되는 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 가압장치는 상기 밀폐용기의 바깥쪽으로 돌출한 상기 가동전극의 끝부분 위로 장착되는 코일 형태의 압축스프링인 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 절연성 기체는 최소한의 하이드로젠 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 절연성 기체는 니트로젠 기체와의 상기 하이드로젠 기체의 혼합물인 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 니트로젠 기체는 체적비율로 40%미만인 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 전기절연성 기체는 절대압력으로 1 내지 10atm의 범위에 있는 압력으로 상기 용기내에 밀봉된 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
8. 제2항에 있어서, 상기 가압장치가 상기 분리방향에 있는 상기 가동전극을 상기 가동전극의 접촉개폐 스트로크보다 작게되도록 가압하는 범위를 제한하기 위한 장치를 보다 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 가동 및 고정접촉들은 텅스텐 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 가동 및 고정 접촉들은 디스크 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 고정 및 가동접촉들중의 적어도 하나에는 양 접촉들 사이로의 선접촉을 실현하기 위하여 평탄부가 제공되는 것을 특징으로 하는 밀봉접촉장치.

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