特許 6471381 直流電流開閉装置および摺動電気接点装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6471381

(24)【登録日】2019年2月1日

(45)【発行日】2019年2月20日

(54)【発明の名称】直流電流開閉装置および摺動電気接点装置

(51)【国際特許分類】

   H01H 33/59 20060101AFI20190207BHJP

   H03K 17/16 20060101ALI20190207BHJP

【ＦＩ】

   H01H33/59 B

   H01H33/59 C

   H03K17/16 M

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-83551(P2015-83551)

(22)【出願日】2015年4月15日

(65)【公開番号】特開2016-28378(P2016-28378A)

(43)【公開日】2016年2月25日

【審査請求日】2018年3月29日

(31)【優先権主張番号】特願2014-142137(P2014-142137)

(32)【優先日】2014年7月10日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】303056623

【氏名又は名称】若月 昇

(74)【代理人】

【識別番号】100095359

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100143834

【弁理士】

【氏名又は名称】楠 修二

(72)【発明者】

【氏名】若月 昇

【審査官】 太田 義典

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１９９２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００２０８８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５２−０５４１７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｈ ３３／２８−３３／５９

Ｈ０３Ｋ １７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

通電用スイッチと、
直列に接続された過渡電流用スイッチとコンデンサとを有する過渡電流回路と、
直列に接続された放電用ダイオードと放電用抵抗とを有する放電回路とを有し、
前記過渡電流用スイッチは、前記通電用スイッチから時間差をつけて開閉可能に設けられ、
前記過渡電流回路は、前記通電用スイッチを開いたとき前記コンデンサに充電可能に、前記通電用スイッチに対して並列に設けられ、
前記放電回路は、前記通電用スイッチを閉じたとき前記コンデンサを放電可能に、前記通電用スイッチおよび前記コンデンサと共に閉回路を構成するよう設けられていることを
特徴とする直流電流開閉装置。

【請求項2】

通電用スイッチと、
直列に接続された過渡電流用ダイオードとコンデンサとを有する過渡電流回路と、
直列に接続された放電用ダイオードと放電用抵抗とを有する放電回路とを有し、
前記過渡電流回路は、前記通電用スイッチを開いたとき前記コンデンサに充電可能に、前記通電用スイッチに対して並列に設けられ、
前記放電回路は、前記通電用スイッチを閉じたとき前記コンデンサを放電可能に、前記通電用スイッチおよび前記コンデンサと共に閉回路を構成するよう設けられていることを
特徴とする直流電流開閉装置。

【請求項3】

前記放電用抵抗は、電源回路に対する負荷の抵抗値よりも小さい抵抗値を有していることを特徴とする請求項１または２記載の直流電流開閉装置。

【請求項4】

前記放電用抵抗は、前記通電用スイッチを開いたとき前記過渡電流回路のサージ電圧を抑制可能に、１０Ω以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直流電流開閉装置。

【請求項5】

前記通電用スイッチはバイメタル構造を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の直流電流開閉装置。

【請求項6】

前記通電用スイッチは、直列に接続された複数のスイッチから成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の直流電流開閉装置。

【請求項7】

前記通電用スイッチは３つのスイッチから成り、それぞれ外力で開閉するスイッチ、熱で開閉するスイッチ、および電流量で開閉するスイッチから成ることを特徴とする請求項６記載の直流電流開閉装置。

【請求項8】

各通電用スイッチは、電流を遮断する通電電流の大きさの範囲が互いに異なるスイッチから成ることを特徴とする請求項６または７記載の直流電流開閉装置

【請求項9】

電源と負荷とから成る回路に取り付けられた摺動電気接点装置であって、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の直流電流開閉装置と摺動接点とを有し、
前記摺動接点は、前記回路の上流側に取り付けられた２つの固定接点と、各固定接点に対応して設けられ、前記回路の下流側に取り付けられた２つの可動側接触子とを有し、一方の固定接点と対応する可動側接触子とが前記通電用スイッチを構成しており、他方の固定接点は前記過渡電流回路の出力側に接続され、各可動側接触子は互いに電気的に接続されており、
前記放電回路は、前記摺動接点の各固定接点と対応する各可動側接触子とをそれぞれ接続したとき前記コンデンサを放電可能に、前記摺動接点および前記コンデンサと共に閉回路を構成するよう設けられていることを
特徴とする摺動電気接点装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電流開閉装置および摺動電気接点装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、図１５に示すような、電源Ｅ_０、負荷Ｒ_Ｌ、およびスイッチ（開閉電気接点）ＳＷ１のみで構成されるデバイスにおいては、電流遮断時は、機械的なスイッチＳＷ１の電圧は、電流遮断と同時に電源電圧Ｅ_０まで上昇する状態になり、電流と電圧が条件を満たせば、アーク放電現象が発生することになる。このアーク放電は、低電圧大電流の持続放電で、直流では接点間距離がある間隔以上になるまでは放電は止まらない。このアーク放電は、電圧が高く電流が大きいほど激しくなり、ときには回路を遮断できず、機器そのものが破損してしまうこともある。

【0003】

このため、回路を流れる電流を遮断するには、安全に素早くアーク放電を止める必要がある。交流回路の場合には、５０Ｈｚであれば１／１００秒以内に電圧、電流のゼロ点が現れるため、消弧しやすい。これに対し、直流回路の場合には、交流とは異なりゼロ点がないため、アーク放電が持続しやすく、破損や火災が発生してしまうことがある。このため、磁石と組み合わせて、発生したアークを吹き消す機構などが採用されることがある。

【0004】

そこで、本発明者は、直流回路でアーク放電を発生させることなく回路電流を遮断するために、過渡電流スイッチ回路を提案している（例えば、特許文献１参照）。図１６に示すように、この過渡電流スイッチ回路Ｉは、スイッチＳＷ２と、過渡電流での電圧上昇を遅らせるコンデンサＣと、コンデンサＣからの逆流を防止するためのダイオードＤ１とを有する直列回路を、機械的な電流遮断部のスイッチＳＷ１に並列に配置し、過渡電流停止後にコンデンサＣの電荷を放電させる放電抵抗Ｒ１をコンデンサＣに並列に配置して成っている。この過渡電流スイッチ回路Ｉでは、コンデンサＣの値を適当に設定することにより、スイッチＳＷ１の電流遮断時に、機械的な開離部への電圧印加を抑止することができ、アーク放電の発生を防ぐことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５１０９１５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載のような従来の過渡電流スイッチ回路Ｉでは、図１６（ｂ）に示すように、電源Ｅ_０からコンデンンサＣに流入した電流によって、コンデンサＣが充電され、このコンデンサＣへの充電電流が停止した後に、スイッチＳＷ２を遮断し、その後、放電抵抗Ｒ１でコンデンサＣの電荷が放電されることにより、初期条件に戻る。このため、電流遮断を繰り返すためには、再動作までに一定の時間が必要であり、それより短い時間では正常に再動作できないという課題があった。

【0007】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、アーク放電を発生させることなく比較的短時間で直流電流の開閉動作を繰り返し行うことかできる直流電流開閉装置および摺動電気接点装置を提供することを目的としている。すなわち、本発明に係る直流電流開閉装置および摺動電気接点装置は、過渡電流スイッチ回路でのアーク放電抑止動作を簡単化し、かつ高速な繰り返し動作を可能にするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明に係る直流電流開閉装置は、通電用スイッチと、直列に接続された過渡電流用スイッチとコンデンサとを有する過渡電流回路と、直列に接続された放電用ダイオードと放電用抵抗とを有する放電回路とを有し、前記過渡電流用スイッチは、前記通電用スイッチから時間差をつけて開閉可能に設けられ、前記過渡電流回路は、前記通電用スイッチを開いたとき前記コンデンサに充電可能に、前記通電用スイッチに対して並列に設けられ、前記放電回路は、前記通電用スイッチを閉じたとき前記コンデンサを放電可能に、前記通電用スイッチおよび前記コンデンサと共に閉回路を構成するよう設けられていることを特徴とする。

【0009】

本発明に係る直流電流開閉装置は、以下の原理に従って動作を行う。図１に、本発明に係る直流電流開閉装置の一例を示す。図１に示す回路は、過渡電流用スイッチＳＷ２とコンデンサＣとを直列に接続した過渡電流回路を、通電用スイッチＳＷ１に並列に配置し、放電用ダイオードＤ２と放電用抵抗Ｒ２とを直列に接続した放電回路IIを、ダイオードＤ１とコンデンサＣとの間と、通電用スイッチＳＷ１の上流側とを接続するよう配置して成っている。なお、電流の逆流を防止するために、過渡電流回路にダイオードＤ１が取り付けられている。図１に示す回路は、図１６（ａ）に示す回路に、放電回路IIを加えたものである。

【0010】

図１に示す回路は、図１６（ａ）に示す回路の特徴であるスイッチＳＷ１に並列に接続された過渡電流スイッチ回路Ｉの動作を妨げる現象は発生せず、スイッチＳＷ１で電流が溶断しても、アーク放電が発生するのを防ぐことができる。また、放電回路IIにより、電圧上昇したコンデンサＣの蓄積電荷放電を、スイッチＳＷ１に担わせることができる。アーク放電は電気接点の開離時に起こる現象であり、図１に示す回路では、閉成動作による接点抵抗の低いオン時に、コンデンサＣを放電することができる。

【0011】

すなわち、図１に示す回路では、コンデンサＣからスイッチＳＷ１に向けて放電電流が流れる向きに放電用ダイオードＤ２が接続されているため、スイッチＳＷ１の電流遮断時にコンデンサＣに蓄えられた電荷は、次回のスイッチＳＷ１のオン時に放電される。このとき、放電用抵抗Ｒ２が配置されているため、コンデンサＣからの急激な流出電流でスイッチＳＷ１が損傷するのを防ぐことができる。このように、コンデンサＣの並列放電抵抗Ｒ１による放電とは関係なく、スイッチＳＷ１のオン動作によって、開離動作前にコンデンサＣが放電され、電圧ゼロ状態で次回の電流遮断を迎えることができるため、過渡電流回路はつねに正常に動作する。

【0012】

本発明に係る直流電流開閉装置は、以上の原理に従って、アーク放電を発生させることなく直流電流を遮断することができ、かつ比較的短時間で直流電流の開閉動作を繰り返し行うことかできる。また、開離時は直流電流をゼロにすることができる。

【0013】

本発明に係る直流電流開閉装置は、過渡電流用スイッチを有さず、通電用スイッチと、直列に接続された過渡電流用ダイオードとコンデンサとを有する過渡電流回路と、直列に接続された放電用ダイオードと放電用抵抗とを有する放電回路とを有し、前記過渡電流回路は、前記通電用スイッチを開いたとき前記コンデンサに充電可能に、前記通電用スイッチに対して並列に設けられ、前記放電回路は、前記通電用スイッチを閉じたとき前記コンデンサを放電可能に、前記通電用スイッチおよび前記コンデンサと共に閉回路を構成するよう設けられていてもよい。

【0014】

この過渡電流用スイッチを有さない場合、以下の原理に従って動作を行う。図２に、この装置の一例を示す。図２に示す回路は、図１６（ａ）に示す回路から、過渡電流用スイッチＳＷ２と放電抵抗Ｒ１とを外し、放電回路IIを加えたものである。図１６（ａ）に示す回路では、電源Ｅ_０からの直流電流が放電抵抗Ｒ１に流れ続けることを避けるために、過渡電流用スイッチＳＷ２が配置されている。この過渡電流用スイッチＳＷ２を流れる過渡電流は、コンデンサＣの容量や通電電流量によって充電収束時間が変わるため、過渡電流用スイッチＳＷ２の電流遮断のタイミングが難しく、一般には、十分に長い期間後に開離することになる。このため、スイッチＳＷ１の繰り返し遮断には、時間設定に細心の注意が必要となる。

【0015】

これに対し、図２に示す回路では、スイッチＳＷ１の電流遮断時には、IIIのように電流が流れるが、放電抵抗Ｒ１がないため、コンデンサＣによりその直流電流を遮断することができる。また、過渡電流用スイッチＳＷ２の動作がなくなるため、回路設計が大幅に容易になる。図２に示す回路では、図１に示す回路と同様に、コンデンサＣの電荷は、スイッチＳＷ１の電流遮断時に保存され、スイッチＳＷ１の閉成動作時にIVのように電流が流れ、放電用抵抗Ｒ２で放電される。また、スイッチＳＷ１の電流遮断時には、コンデンサＣによりアーク放電を阻止することができる。

【0016】

本発明に係る直流電流開閉装置で、コンデンサの放電時間は、コンデンサの容量と放電用抵抗の抵抗値との積から成る時定数に依存しており、通電用スイッチの再開閉には、その放電時間を考慮する必要がある。放電用抵抗をゼロにすると、瞬時に放電は完了するが、通電用スイッチが損傷する可能性がある。このため、通電用スイッチの電流容量を考慮して、放電用抵抗の抵抗値を設定する必要がある。放電用抵抗の抵抗値が電源回路に対する負荷の抵抗値と同程度であれば、損傷の問題は起こらない。このことから、コンデンサの放電時間をできるだけ短くするとともに、通電用スイッチの損傷を防ぐために、放電用抵抗は、電源回路に対する負荷の抵抗値と同程度であるか、負荷の抵抗値よりも小さい抵抗値を有していることが好ましい。

【0017】

また、この場合、通電用スイッチの閉成・開離動作で、機械的なバウンスが生じた場合でも、コンデンサの容量と放電用抵抗の抵抗値とで決まる時定数と同程度のオン（接触）時間がある現象であれば、それらのバウンスによるアーク放電の点弧を抑止することができる。

【0018】

図１６（ａ）に示す回路では、過渡電流スイッチ回路Ｉの残留インダクタンスが、電流遮断時にスイッチＳＷ１の接点間に不要なサージ電圧を発生させる。本発明に係る直流電流開閉装置では、そのようなインダクタンスに対して帰還回路の機能を示すため、サージ電圧を抑制することができる。特に、放電用抵抗を１０Ω以下にすることにより、サージ電圧の抑制効果をより高めることができる。

【0019】

本発明に係る直流電流開閉装置は、直流回路で機械的に電流を繰り返し開閉するスイッチング・デバイス、例えば、手動スイッチや電磁リレー、ブレーカ、ヒューズ等に利用することができる。また、太陽光発電装置やインバータ応用装置などの、直流配電や直流電力応用装置の普及に対応して、小型化、高信頼化、低コスト化などに対応することができる。サーマルスイッチやサーマルリレーなどのように、温度による遮断後に再度の接続が予測される装置の場合、特に有効である。この場合、通電用スイッチがバイメタル構造を有していることが好ましい。このような温度による開閉機構を用いれば、異常電流による回路や機器の温度上昇時にも、アーク放電を発生させることなく電流を遮断することができる。なお、直流電流の方向が反転する場合、通電用スイッチに対して、それぞれの向きに対応した過渡電流回路および放電回路を配置することにより、両方向の電流に対応することができる。

【0020】

本発明に係る直流電流開閉装置で、前記通電用スイッチは、直列に接続された複数のスイッチから成っていてもよい。例えば、通電用スイッチは３つのスイッチから成り、それぞれ外力で開閉するスイッチ、熱で開閉するスイッチ、および電流量で開閉するスイッチから成っていてもよい。この場合、いずれの通電用スイッチであっても、アーク放電を発生させることなく直流電流を遮断することができ、かつ比較的短時間で直流電流の開閉動作を繰り返し行うことかできる。

【0021】

また、各通電用スイッチは、電流を遮断する通電電流の大きさの範囲が互いに異なるスイッチから成ることが好ましい。この場合、一つ一つの通電用スイッチの電流遮断範囲よりも広い範囲で、アーク放電を発生させることなく電流を遮断することができる。このため、例えば、サーマルスイッチやヒューズなどを併用することにより、渦電流や短絡電流が発生しても、アーク放電を発生させることなく電流を遮断することができ、接続されている負荷や回路自身を保護することができる。

【0022】

本発明に係る摺動電気接点装置は、電源と負荷とから成る回路に取り付けられた摺動電気接点装置であって、本発明に係る直流電流開閉装置と摺動接点とを有し、前記摺動接点は、前記回路の上流側に取り付けられた２つの固定接点と、各固定接点に対応して設けられ、前記回路の下流側に取り付けられた２つの可動側接触子とを有し、一方の固定接点と対応する可動側接触子とが前記通電用スイッチを構成しており、他方の固定接点は前記過渡電流回路の出力側に接続され、各可動側接触子は互いに電気的に接続されており、前記放電回路は、前記摺動接点の各固定接点と対応する各可動側接触子とをそれぞれ接続したとき前記コンデンサを放電可能に、前記摺動接点および前記コンデンサと共に閉回路を構成するよう設けられていることを特徴とする。

【0023】

本発明に係る摺動電気接点装置は、本発明に係る直流電流開閉装置を有しており、摺動接点の一方の固定接点と対応する可動側接触子とが離れたとき、アーク放電が発生するのを防止することができる。また、摺動接点の一方の固定接点と対応する可動側接触子との間の開閉動作を、比較的短時間で繰り返し行うことかできる。このため、本発明に係る摺動電気接点装置は、例えば、直流モータのブラシや摺動電極等に用いることができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、アーク放電を発生させることなく比較的短時間で直流電流の開閉動作を繰り返し行うことかできる直流電流開閉装置および摺動電気接点装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明に係る直流電流開閉装置の原理を示す回路図である。

【図2】本発明に係る直流電流開閉装置の（ａ）過渡電流用スイッチを有さない場合の原理を示す回路図、（ｂ）その回路の動作説明図である。

【図3】本発明の実施の形態の直流電流開閉装置を示す回路図である。

【図4】図３に示す直流電流開閉装置の実施例を示す回路図である。

【図5】図４に示す直流電流開閉装置の（ａ）通電用スイッチ開離時の電流電圧特性、（ｂ）通電用スイッチ閉成時の電流電圧特性を示すグラフである。

【図6】図３に示す直流電流開閉装置の他の実施例を示す回路図である。

【図7】図６に示す直流電流開閉装置の（ａ）通電用スイッチ開離時の電流電圧特性、（ｂ） （ａ）の時間軸を拡大した電流電圧特性を示すグラフである。

【図8】本発明の実施の形態の直流電流開閉装置の、通電用スイッチとして（ａ）ロッカスイッチ、（ｂ）電磁リレーを用いたときの通電用スイッチ開離時の電流電圧特性を示すグラフである。

【図9】本発明の実施の形態の直流電流開閉装置の、通電用スイッチとしてサーマルスイッチを用いたときの通電用スイッチ開離時の電流電圧特性を示すグラフである。

【図10】本発明の実施の形態の直流電流開閉装置の、通電用スイッチとしてガラス管Ｚｎヒューズを用いたときの（ａ）通電用スイッチの無放電電流遮断時、（ｂ）下限に近い条件での通電用スイッチの溶断時、（ｃ）短絡電流を想定した条件での通電用スイッチの溶断時の電流電圧特性を示すグラフである。

【図11】本発明の実施の形態の直流電流開閉装置に関する、電源電圧５０Ｖのときの、ＤＣ用、定格１０Ａのヒューズの電流値と溶断時間との関係を示すグラフである。

【図12】本発明の実施の形態の直流電流開閉装置の、通電用スイッチが３つのスイッチから成る実施例を示す回路図である。

【図13】図１２に示す直流電流開閉装置の、通電用スイッチの動作特性曲線のグラフである。

【図14】本発明の実施の形態の摺動電気接点装置を示す回路図である。

【図15】（ａ）従来の一般的な直流電流開閉装置を示す回路図、（ｂ）その回路の動作説明図である。

【図16】（ａ）従来の過渡電流スイッチ回路を有する直流電流開閉装置を示す回路図、（ｂ）その回路の動作説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図３乃至図１３は、本発明の実施の形態の直流電流開閉装置を示している。
図３に示すように、直流電流開閉装置１は、通電用スイッチＳＷ１と過渡電流用ダイオードＤ１とコンデンサＣと放電用ダイオードＤ２と放電用抵抗Ｒ２とを有している。

【0027】

図３に示すように、通電用スイッチＳＷ１は、例えば汎用電磁リレーから成り、直流電源Ｅ_０と負荷Ｒ_Ｌとを有する回路に接続されている。なお、通電用スイッチＳＷ１としてバイメタルスイッチを用いれば、温度によって開閉する無アーク放電の温度スイッチを実現可能である。また、通電用スイッチＳＷ１としてMOSFETなどの半導体スイッチを用いれば、スイッチ部での発熱を抑止可能である。直流電源Ｅ_０は、例えば蓄電池や交流整流電源やインバータ電源などである。負荷Ｒ_Ｌは、ヒータなどの抵抗負荷直流でもモータのような誘導性負荷でよい。誘導性負荷の場合、遮断時の磁気エネルギーを吸収するために、コンデンサＣの容量を大きくする必要がある。

【0028】

過渡電流用ダイオードＤ１およびコンデンサＣは、直列に接続されて過渡電流回路を形成しており、通電用スイッチＳＷ１に並列に配置されている。過渡電流用ダイオードＤ１は、直流電源Ｅ_０からの電流方向に沿って電流が流れるよう接続されている。コンデンサＣは、過渡電流用ダイオードＤ１の下流側に接続されている。コンデンサＣは、等価直列抵抗が小さなペーパコンデンサかセラミックコンデンサから成ることが好ましい。誘導性負荷のサージ吸収の場合には、容量が大きいが等価直列抵抗も比較的大きいアルミ電解コンデンサを使用可能である。

【0029】

放電用ダイオードＤ２および放電用抵抗Ｒ２は、直列に接続されて放電回路を形成しており、過渡電流用ダイオードＤ１とコンデンサＣとの間と、通電用スイッチＳＷ１の上流側とを接続するよう配置されている。放電用ダイオードＤ２は、コンデンサＣから通電用スイッチＳＷ１に向かって電流が流れるよう接続されている。放電用抵抗Ｒ２は、放電用ダイオードＤ２の上流側に接続されている。

【0030】

直流電流開閉装置１は、通電用スイッチＳＷ１を開いたとき、コンデンサＣに充電可能になっている。また、通電用スイッチＳＷ１を閉じたとき、コンデンサＣ、放電用抵抗Ｒ２、放電用ダイオードＤ２および通電用スイッチＳＷ１が閉回路を構成し、コンデンサＣを放電可能になっている。なお、通電用スイッチＳＷ１を閉じたときの放電電流値は、放電用抵抗Ｒ２の抵抗値とコンデンサＣの電圧で決まり、通電用スイッチＳＷ１の許容最大電流を超えないような値に設定することが好ましい。例えば、放電用抵抗Ｒ２の抵抗値が負荷Ｒ_Ｌの抵抗値と同じ程度の値であれば、許容最大電流を超えることはない。
以下、実施例に基づいて、直流電流開閉装置１の作用効果について説明する。

【実施例1】

【0031】

図４に示す回路を用いて、直流電流の開閉実験を行った。図４に示すように、通電用スイッチＳＷ１として、市販のヒンジリレー（富士電機製「HH62P」）を用い、コンデンサＣとして、容量が20μFのセラミックコンデンサを用いた。帰還抵抗は１Ωである。また、実験では、直流電源Ｅ_０の電圧を24Ｖ、電流を2.82Ａ、負荷Ｒ_Ｌの抵抗値を約１０Ωとした。

【0032】

通電用スイッチＳＷ１の開離時（電流遮断時）の負荷電流（図４中の「ＣＨ１」での電流値）、コンデンサ流入電流（図４中の「ＣＨ２」での電流値）、およびコンデンサ電圧（図４中の「ＣＨ４」での電圧値）の測定結果を、図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、アーク放電は発生していないことが確認できる。なお、図５（ａ）に示す結果は、図１０に示す従来の過渡電流スイッチ回路でのアーク放電の抑止電流電圧特性と同じ結果である。

【0033】

電流遮断直後に通電用スイッチＳＷ１を閉成した時の負荷電流（図４中の「ＣＨ１」での電流値）、コンデンサ流入電流（図４中の「ＣＨ２」での電流値）、コンデンサ電圧（図４中の「ＣＨ４」での電圧値）、およびスイッチ間電圧（図４中の「ＣＨ６」での電圧値）の測定結果を、図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）に示すように、ＣＨ４のコンデンサ電圧は、閉成前は電源電圧で充電されているが、閉成後には接点電圧と同じほぼゼロとなっていることが確認できる。すなわち、コンデンサＣの電荷は、通電用スイッチＳＷ１の閉成動作を介して放電されていることがわかる。その後の電流遮断時は、図５（ａ）とまったく同じ電流電圧特性を示す。

【0034】

この実験結果から、直流電流開閉装置１は、アーク放電を発生させることなく直流電流を遮断することができ、かつ比較的短時間で直流電流の開閉動作を繰り返し行うことかできるといえる。

【実施例2】

【0035】

図６に示す回路を用いて、電流遮断時のサージ電圧抑制効果を調べる実験を行った。図６に示すように、通電用スイッチＳＷ１として、市販のヒンジリレー（富士電機製「HH62P」）を用い、コンデンサＣとして容量が58.3μFのセラミックコンデンサを用いた。また、実験では、直流電源Ｅ_０の電圧を300Ｖ、電流を30Ａ、負荷Ｒ_Ｌの抵抗値を約１０Ωとした。

【0036】

通電用スイッチＳＷ１の開離時（電流遮断時）の負荷電流（図６中の「ＣＨ１」での電流値）、およびスイッチ間電圧（図６中の「ＣＨ２」または「ＣＨ４」での電圧値）の測定結果を、図７に示す。なお、図７中のＣＨ４のグラフは、縦軸の１目盛の電圧値を、ＣＨ２の場合の２倍にして示したものである。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）の横軸の時間軸を２００倍に拡大したものである。

【0037】

図７に示すように、電流遮断時にアーク放電が抑止されていることが確認できる。また、図７（ｂ）に示すように、矢印の位置で発生すると考えられる残留インダクタンスによるサージ電圧がほとんど観測されてない。これは、直流電流開閉装置１の帰還回路特性によるものと考えられる。

【実施例3】

【0038】

実施例１および２では、通電用スイッチＳＷ１としてヒンジリレーを用いたが、通電用スイッチＳＷ１としてロッカスイッチ（Rocker switch）を用いたときの開離時の電流電圧特性を図８（ａ）に、電磁リレー（Magnetic relay）を用いたときの開離時の電流電圧特性を図８（ｂ）に示す。また、サーマルスイッチを用いたときの閉成時および開離時の電流電圧特性を図９に示す。また、ガラス管Ｚｎヒューズ（ＤＣ用、定格１０Ａ）を用いたときの溶断時の電流電圧特性を図１０に示す。図８〜図１０（ａ）は、遮断時の電圧３００Ｖ、電流３３Ａのものであり、渦電流を想定した場合のものである。また、図１０（ｂ）は、下限に近い条件、すなわち電流が定格のほぼ２倍で溶断したときのものである。図１０（ｃ）は、電流が２５０Ａであり、短絡電流を想定した条件で溶断したときのものである。

【0039】

図８〜図１０（ａ）に示すように、異なる機構での電流遮断であっても、アーク放電を発生させることなく直流電流を遮断できることが確認された。また、図１０（ｂ）および（ｃ）に示すように、定格の数倍から１０倍程度の渦電流や、定格の１０倍以上の１００〜２５０Ａの短絡電流によりヒューズが溶断しても、定常的なアーク放電を発生させることなく直流電流を遮断できることが確認された。

【0040】

図１１に、電源電圧を５０Ｖとしたときの、ＤＣ用、定格１０Ａのヒューズの電流値と溶断時間との関係を示す。図１０（ｂ）、（ｃ）および図１１に示すように、ヒューズの溶断時間は、渦電流に対しては１００〜１３００ｍｓと長く、短絡電流に対しては１０ｍｓ以下と短いことがわかる。

【実施例4】

【0041】

図１２に示すように、通電用スイッチＳＷ１が直列に接続された３つのスイッチから成る直流電流開閉装置１を作製した。各通電用スイッチＳＷ１は、それぞれ外力で開閉する電磁リレー、電流量で溶断するヒューズ、熱で開閉するサーマルスイッチから成っている。図１３に、この３つのスイッチを接続した通電用スイッチＳＷ１に流れる電流とスイッチの動作時間との関係（動作特性曲線）を示す。

【0042】

図１３に示すように、電磁リレーの電流を遮断する通電電流の大きさの範囲（電流遮断範囲）は０〜２０Ａ、サーマルスイッチの電流遮断範囲は１９〜４０Ａ、ヒューズの電流遮断範囲は３２〜５０Ａであり、各スイッチの電流遮断範囲が互いに異なりつつも、０〜５０Ａまでをカバーしている。図１３から、一つ一つのスイッチの電流遮断範囲よりも広い範囲（０〜５０Ａ）で、アーク放電を発生させることなく電流を遮断することができることがわかる。このため、通常の開離動作だけでなく、渦電流や短絡電流が発生したときも、アーク放電を発生させることなく電流を遮断することができ、回路を保護することができるといえる。

【0043】

図１４は、本発明の実施の形態の摺動電気接点装置を示している。
図１４に示すように、摺動電気接点装置１０は、摺動接点１１と過渡電流用ダイオードＤ１とコンデンサＣと放電用ダイオードＤ２と放電用抵抗Ｒ２とを有している。
なお、以下の説明では、本発明の実施の形態の直流電流開閉装置１と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

【0044】

摺動接点１１は、電源Ｅ_０側に接続された２つの固定接点Ａ_Ｆ，Ｂ_Ｆと、各固定接点Ａ_Ｆ，Ｂ_Ｆに対応して設けられ、負荷Ｒ_Ｌ側に接続された２つの可動側接触子Ａ_Ｍ，Ｂ_Ｍとを有している。摺動接点１１は、一方の固定接点Ａ_Ｆと対応する可動側接触子Ａ_Ｍとが、通電用スイッチＳＷ１を構成している。各固定接点Ａ_Ｆ，Ｂ_Ｆはカーボン製であり、各可動側接触子Ａ_Ｍ，Ｂ_Ｍは銅製である。他方の固定接点Ｂ_Ｆは、コンデンサＣの出力端に接続されている。各可動側接触子Ａ_Ｍ，Ｂ_Ｍは、互いに電気的に接続されており、それぞれ対応する固定接点Ａ_Ｆ，Ｂ_Ｆに対して、摺動して接触したり離れたりするよう構成されている。

【0045】

摺動電気接点装置１０は、他方の固定接点Ｂ_Ｆと対応する可動側接触子Ｂ_Ｍとが接続し、一方の固定接点Ａ_Ｆと対応する可動側接触子Ｂ_Ｍとが離れたとき、コンデンサＣに充電可能になっている。また、各固定接点Ａ_Ｆ，Ｂ_Ｆと対応する各可動側接触子Ａ_Ｍ，Ｂ_Ｍとをそれぞれ接続したとき、コンデンサＣ、放電用抵抗Ｒ２、放電用ダイオードＤ２および摺動接点１１が閉回路を構成し、コンデンサＣを放電可能になっている。

【0046】

摺動電気接点装置１０は、直流電流開閉装置１を有しており、摺動接点１１の一方の固定接点Ａ_Ｆと対応する可動側接触子Ｂ_Ｍとが離れたとき、アーク放電が発生するのを防止することができる。また、摺動接点１１の一方の固定接点Ａ_Ｆと対応する可動側接触子Ｂ_Ｍとの間の開閉動作を、比較的短時間で繰り返し行うことかできる。

【0047】

従来、直流モータのブラシは、駆動相変化の時に必ず電流遮断が起こり、アーク放電が発生していた。また、摺動電極も、対向電極表面の凹凸によりアーク放電が発生し、接触不良の原因となっていた。このような直流モータのブラシや摺動電極に、摺動電気接点装置１０を用いることにより、アーク放電の発生を防止することができる。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本発明に係る直流電流開閉装置は、既存の電流のスイッチ回路・デバイスに適用することができる。また、直流モータのブラシ部に適用すれば、回転による電流方向切り替え時のアーク放電を抑止することができる。手動スイッチに適用すれば、手動によるスイッチ時間の変動を含めて、電流遮断時のアーク放電を抑止することができる。摺動接点に適用すれば、摺動時の接触抵抗のばらつきによるアーク放電の抑止効果が期待できる。

【符号の説明】

【0049】

１ 直流電流開閉装置
Ｅ_０ 直流電源
Ｒ_Ｌ 負荷
ＳＷ１ 通電用スイッチ
ＳＷ２ 過渡電流用スイッチ
Ｄ１ 過渡電流用ダイオード
Ｃ コンデンサ
Ｒ１ 放電抵抗
Ｄ２ 放電用ダイオード
Ｒ２ 放電用抵抗

１０ 摺動電気接点装置
１１ 摺動接点
Ａ_Ｆ，Ｂ_Ｆ 固定接点
Ａ_Ｍ，Ｂ_Ｍ 可動側接触子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】