JP5707533B2 - 低応答サージアレスタ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低応答サージアレスタ及びその製造方法に関する。

特許文献１に、サージアレスタが開示されている。

独国特許出願公開第１０２００７０６３３１６号明細書

サージアレスタの内部では、所定の閾値電圧（点火電圧）を上回るとき、アーク放電が２又は３本の電極の間で起こる。閾値電圧は、ＤＣスパークオーバ電圧Ｕａｇとしての電圧上昇１００Ｖ／ｓの静的又は定常的負荷、およびインパルススパークオーバ電圧ｕａｓとしての１ｋＶ／μｓの電圧上昇を伴う動的負荷によって特徴づけられる。アーク放電は印加電流によって、アーク放電の電気的条件が満たされる限り持続する。

低応答電圧を有するサージアレスタ、およびその製造方法を提供する課題が解決されるべきである。

これらの課題は、請求項１のサージアレスタによって解決される。

さらなる課題は、請求項１０に係る方法によって解決される。

サージアレスタは、少なくとも１つの絶縁体によって形成される空洞部を有する。空洞部内では、２つの電極が側部より伸長し、その自由端が向かい合って配置され、ある距離即ち電極間距離を有している。電極は特に長軸を共有している。電極は、自由端部分に複数の異なる金属素材を有する。ある実施形態において、ある金属素材は他の金属素材中に埋設される。好適には、埋設は１又は複数の電極空洞部において行われる。２つ又は３つの金属素材は特に、自由端部分において、それぞれ他方の電極側への露出面を有するように配置される。

絶縁体は単一部品から成り、特に電極間距離の部分に中間電極がある場合には２部品から成る。特に好適には、少なくとも１つの絶縁体はセラミックによって形成される。好適には、少なくとも１つの絶縁体はチューブ状、特にシリンダー型に形成される。電極は好適には棒状に形成される。

サージアレスタの形成のため、サージアレスタの電極の非自由端部のそれぞれは、少なくとも１つの絶縁体のそれぞれの端部に接続される。このため電極の非自由端部は、少なくとも１つの絶縁体と好適には気密的に接続される縁部を有する。サージアレスタ内の気体としては好適にはネオンとアルゴンとの混合物が用いられる。それぞれの縁部は、絶縁体から離れた部分に、特にねじを有する接続部を有し、これによりサージアレスタ又はその電極の電気的接続が可能となる。

サージアレスタは、以下の性質又は課題のために設置される。ＤＣスパークオーバ電圧は５５Ｖ〜７０Ｖ、インパルススパークオーバ電圧は７００Ｖより低い。標準衝撃波電流波形８μｓ／２０μｓ、即ち立ち上がり８μｓ、波尾長２０μｓ、における電流負荷を伴うインパルス耐性は１００ｋＡ（キロアンペア）である。１０μｓ／３５０μｓの衝撃波電流波形、即ち立ち上がり１０μｓ、波尾長３５０μｓの場合、インパルス耐性は５０ｋＡである。サージアレスタはさらに、フェイルセーフ（ｆａｉｌｓａｆｅ）に際して電流時間挙動上の確実な応答を可能にする。サージアレスタ内部のフェイルセーフのため、これは爆発の危険性のある環境での使用に好適であり、これは、内部電極間のフラッシュオーバに際してもサージアレスタ外部でスパーク形成が生じないためである。

サージアレスタにより、このような困難な課題の解決が初めて可能となった。このため、従来高コストな保護装置が必要であったり、このような保護が不可能であった分野において、サージアレスタを独立部品として設置できる。

サージアレスタの電極はそれぞれ、第一の金属素材と、第一の金属素材の、自由端から電極側に伸長する電極空洞部内部に配置される、第二の金属素材とを有する。これにより、所定の応答電圧と電流パルス印加とに応じて、両金属素材を選択・設置できる。

サージアレスタのフェイルセーフ性能の観点から、２つの金属素材は好適には異なる融点を有する。これにより、電気放電の起点位置に応じて、電極間の内部フェイルセーフの電流時間特性が維持されることが保証される。第二の金属素材は、さらに外側に配置された第一の金属素材よりも早く、短い持続的印加において溶融する。高電流においては持続放電の起点が第一の金属素材に移動し、これを溶融する。

異なる融点の金属の使用により、異なる電流強度や結果としての高温が生じた際に、溶融による内部短絡及びそれに引き続く電極の溶接が可能となる。好適には両電極の溶融した素材がサージアレスタの出力部分にある電極間距離を架橋し、両電極が溶接されて金属的短絡が起こる。

好適には、電極は長軸を共有しており、異なる金属素材の融点は長軸から遠心方向にかけて高くなっている。

サージアレスタは好適には、その応答時には電極の第二の金属素材の２つの向かい合った領域で放電が開始するように設置される。放電過程において、第一の金属素材と比較して、好適にはより高い電流容量の観点から設置された第一の金属素材もまたこれに寄与する。

サージアレスタの電極の電極空洞部は好適には、第二の金属素材が低インピーダンスとなるよう、また、第一の金属素材と機械的に強固に結合されるように形成される。これにより、電極の電気的性能とサージアレスタのパラメータの最適化が可能となる。

特に好適には、サージアレスタの電極空洞部は第二の金属素材がはめ込まれるアンダーカットを有する。これにより２つの金属素材の、非常に強固な、機械的な又は圧力ばめによる結合がなされ、この結合は高電流に耐え、２つの金属素材の接合部におけるインピーダンスを低下させる

サージアレスタの電極の特に低いインピーダンスは、第二の金属素材が銅ペースト、又は特に焼結可能な銅ペーストをベースとして製造されるときに達成される。これにより、サージアレスタの電極を低コストで確実に製造できる。特に好適には、銅ペーストはフラックスを含まない。

好適には、第二の金属素材は電極空洞部内で焼結される。これにより２つの金属素材の非常に良好な電気的及び機械的結合が可能となる。

とくに好適な実施形態において、電極の第一の金属素材は鉄ニッケル合金を有する。これは、高電流容量によって特徴づけられる。

サージアレスタ点火の特に好適な条件は、電極の１つの又は両方の自由端が活性化物質を有する場合に達成される。これにより、サージアレスタの応答又は点火の好適な開始条件が達成される。特に好適には、１つの又は両方の電極の自由端はワッフル構造を有し、そこに活性化物質が配置される。特に好適には、特に銅を含有する第二の金属素材の広い面積が活性化物質によって被覆されているとき、放電は規則的に及び確実に、活性物質の領域即ち電極の銅含有部分において開始する。

サージアレスタの製造工程において、少なくとも２つの電極はすでに設置されており、少なくとも１つの絶縁体の端部によって気密的に結合され、後述する工程によって実施される。

それぞれの電極の自由端には電極空洞部が設けられ、これは特に電極の第一の金属素材の穿孔またはアンダーカットによって、又は電極基板への環のはんだ付けや蝋付けによって行われる。このように設けられた電極空洞部においては金属ペーストによる充填が行われ、金属ペーストの表面には構造化が施される。金属ペースト表面の表面構造は活性化物質によって導入される。金属ペーストの充填に始まる工程のいずれかの後に、電極は焼結される。次に、焼結された電極表面は研磨される。２つの電極が同様に、縁部と外部接続とを有して製造された後、これらは空洞部に設置され、縁部によって少なくとも１つの絶縁体と気密に結合され、空洞部における電極間距離は非常に短くなり、特に１ｍｍ、又は好適には０．５ｍｍを下回る。

好適には、鉄ニッケル製電極の電極空洞部に、銅ペーストが配置され、焼結される。焼結工程の後に、装置を用いてウエハ構造が、特にワッフル構造が、焼結された銅ペースト上にプレスされる。焼結された銅ペースト表面の研磨後、及びさらなる焼結後、電極活性化物質が液滴ペースト塗布を用いてワッフル構造に塗布される。その後、最終焼結工程が実施される。

特に好適には、サージアレスタはシリンダー状で、外径約２５ｍｍ、全長４０ｍｍ又は外部接続を除いて約２３ｍｍとなるように形成される。

ある好適な実施形態において、それぞれの電極は複合部品として実施される。この実施形態によれば、異なる金属又は合金の使用によって、内部空間の最適化されたアレスタ条件を達成することが可能であり、同時に、電極の外部接続のための非常に良好なはんだ又は溶接性能を提供できる。

それぞれの電極の第一の金属素材と縁部とには、鉄ニッケル合金、特にＦｅ_５８Ｎｉ_４２が好適であることが示される。これにより、サージアレスタの内部空間と封鎖はんだとの特性が最適となる。

サージアレスタの応答に際しての放電確立を補助するため、空間又は絶縁体の内部壁の内部に複数の点火帯を有することが好適であることが示される。点火帯は、放電背後空間において電極間距離の両側方向に伸長している。

サージアレスタは以下において実施形態とそれに伴う図とを用いてさらに説明される。

添付の図は、実寸大であると解釈されるべきでない。むしろ、より良い描画のために寸法は拡大、縮小、変形されて描かれうる。

同一構成要素又は同一機能を持つ構成要素には同一の符号が付される。

図１は、サージアレスタの断面図を示した図である。 図２は、サージアレスタの電極と縁部と外部接続とを示した図である。 図３は、サージアレスタの電流時間特性を示す模式図である。

図１には、第一の実施形態に係るサージアレスタ１の（部分的）断面図が描かれている。サージアレスタは、それぞれ複数の部品２ａ、２ｂ、２ｃ及び３ａ、３ｂ、３ｃにより組み合わせられ、又ははんだ付け又は溶接された、２つの電極を有する。電極それぞれの縁部２ｂ、３ｂは、封鎖はんだ４を用いて空洞部６を両側に有するシリンダー状絶縁体５を閉じている。このように構成されたサージアレスタの内部は、気密的に閉じられ、ネオンを主として少量のアルゴンを混合しているガスを含む。絶縁体５はセラミックから成る。それぞれの電極の外部接続２ｃ、３ｃは、スタッドボルト又はネジとして形成される。

それぞれの電極２、３は、鉄ニッケル合金を含有する。それぞれの内部電極２ａ、３ａは、第一の金属素材として鉄ニッケル合金により棒状に形成され、アンダーカット７ａを備える電極空洞部７を有する。電極空洞部７内部には、第二の金属素材として焼結された銅ペースト１０が配置され、アンダーカット７ａと中央止まり穴８とによって、密接的又は圧力ばめを用いた又は機械的であるのみでなく、良好な電気的結合が第一の金属素材との間に形成される。アンダーカットを備えることで、サージアレスタの応答時及びこれにより結線される電極内の高電流及び力による銅ペースト引き抜きが回避されることが想定される。止まり穴８は、第一の及び第二の金属素材間の面積を拡大することによってこれをサポートする。

電極正面間の距離即ちそれらの自由端における電極間距離Ａは、０．５ｍｍである。絶縁体５は、その内部壁に、その外周に渡って離間して配置され、長軸方向に配置された複数の点火帯９を有する。点火帯はいずれの電極とも電気的に接続していない。

図２には、図１に図示の構造を有する電極２又は３が描かれている。電極空洞部には焼結された銅ペースト１０が配置されている。フラックスを含有しない銅ペーストを電極空洞部に配置した後、銅ペーストは複数回焼結されその表面は研磨される。電極の自由端部分には、活性化物質１１のための銅ペースト１０によるマトリックスが形成され、活性化物質は好適には表面のワッフル構造に広範囲に埋め込まれる。ワッフル構造は、装置を用いて銅ペーストの第一の焼結後に被覆される。

特に好適な実施形態において、焼結された銅ペーストは活性化物質と共にペーストされたものである。活性化物質はケイ酸塩、ハロゲン化合物を含む。含有される物質は特にニッケル、チタン、アルミン酸バリウム、チタン酸バリウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸セシウム及びタングステン酸セシウムである。

図に示されたサージアレスタは次の性能を有する：ＤＣスパークオーバ電圧Ｕａｇが５５Ｖ〜７０Ｖ、インパルススパークオーバ電圧ｕａｓは７００Ｖより低い、波形８／２０μｓの公称放電電流におけるインパルス耐久性は１００ｋＡ、波形１０／３５０μｓの公称放電電流では５０ｋＡ。

銅ペースト又は鉄ニッケル合金の溶融によって、図３に図示の電流時間挙動に対応するサージアレスタのフェイルセーフ挙動を呈する結果となった。この内部フェイルセーフ挙動のため、爆発の危険性のある環境でのサージアレスタの使用が可能であり、これはフェイルセーフに際してサージアレスタ外部ではスパーク形成が起こらないためである。

１ サージアレスタ
２、３ 電極
２ａ、３ａ （内部）電極
２ｂ、３ｂ 縁部
２ｃ、３ｃ 電極外部接続
４ 封鎖はんだ
５ 絶縁体
６ 絶縁体空洞部
７ 電極空洞部
７ａ 電極空洞部のアンダーカット
８ 止まり穴
９ 点火帯
１０ 焼結された銅ペースト
１１ 活性化物質
Ａ 電極間距離

Claims (11)

1. 空洞部（６）を形成する少なくとも１つの絶縁体（５）と、
   前記空洞部に伸長し、自由端が互いに向かい合って電極間距離（Ａ）を有して配置され、前記自由端に第一の金属素材（２ａ、３ａ）と前記第一の金属素材と異なる第二の金属素材（１０）とを有する少なくとも２つの電極（２、３）と、を備え、
   前記第二の金属素材は、前記第一の金属素材の、前記自由端から前記電極側に伸長する電極空洞部（７）に、配置され、
   前記電極空洞部が、前記第二の金属素材がはめ込まれるアンダーカットを備えること、
   を特徴とするサージアレスタ。
2. 前記第二の金属素材が低インピーダンスとなり、又前記第一の金属素材と機械的に強固に結合されるように、前記電極空洞部が形成されること、
   を特徴とする請求項１に記載のサージアレスタ。
3. 前記第二の金属素材が銅ペーストをベースとして製造されること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載のサージアレスタ。
4. 前記第二の金属素材が、前記空洞部内で焼結されること、
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のサージアレスタ。
5. 前記電極の前記第一の金属素材が鉄ニッケル合金を含有すること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のサージアレスタ。
6. 前記電極の前記自由端が活性化物質（１１）を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のサージアレスタ。
7. 前記電極の前記自由端の表面が、前記活性化物質が配置されるワッフル構造を有すること、
   を特徴とする請求項６に記載のサージアレスタ。
8. 前記電極が長軸を共有し、前記第一の金属素材と前記第二の金属素材の融点は前記長軸から遠心方向にかけて高くなっているような、シリンダー構造を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のサージアレスタ。
9. 前記電極が、非自由端に、前記絶縁体のそれぞれの端部と気密的に結合される縁部（２ｂ、３ｂ）をそれぞれ有すること、
   を特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のサージアレスタ。
10. 空洞部（６）を形成する少なくとも１つの絶縁体（５）と、
    前記空洞部に伸長し、自由端が互いに向かい合って電極間距離（Ａ）を有して配置され、前記自由端に複数の異なる金属素材（２ａ、１０；３ａ、１０）を有する少なくとも２つの電極（２、３）と、を備えるサージアレスタの製造方法であって、
    前記電極が予め設置され、前記絶縁体の端部と気密的に結合され、次の工程：
    ａ）前記電極それぞれの前記自由端に電極空洞部（７）を形成する工程、
    ｂ）前記電極空洞部に金属ペースト（１０）を充填する工程、
    ｃ）前記金属ペーストの表面をパターン化する工程、
    ｄ）前記金属ペーストの前記表面の前記構造に活性化物質（１１）を充填する工程、
    ｅ）前記工程ｂ）〜ｄ）の内、少なくとも１工程の後に前記電極の焼結を行う工程、
    を有することを特徴とする、方法。
11. 前記金属ペースト（１０）の前記表面が、前記焼結工程それぞれの後に研磨されること、
    を特徴とする請求項１０に記載の方法。

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