CN107771020A - 具有集成esd保护的分段式雷电分流元件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有集成ESD保护的雷电分流元件(100)等，其包括支撑件(110)和设置在所述支撑件(110)上的金属段(120)，其中所述支撑件(110)的每单位长度电阻在100kΩ/m至100MΩ/m的范围。此外，公开了一种高频设备，其中该雷电分流元件(100)设置在所述高频设备的组件的表面上。最后，公开了一种交通工具，其包括这样的雷电分流元件(100)和/或这样的高频设备。

Description

具有集成ESD保护的分段式雷电分流元件

技术领域

本发明总体上涉及静电放电保护(英语：静电放电，ESD)。

具体地说，本申请尤其涉及一种雷电分流元件(lightning diverter element)(雷电分流条)，其包括支撑件和设置在支撑件上的金属元件。此外，本申请涉及一种高频设备，其中至少一个这种雷电分流元件设置在高频设备的组件的表面上。最后，本申请涉及一种包括该雷电分流元件和/或该高频设备的交通工具。

背景技术

例如静电放电或雷击等之类的电冲击可能导致人身伤害和财产损失。为了防止这种情况，电工技术保护措施是必要的。例如，通常需要一些措施来保护例如飞行器等之类的交通工具、其乘客、以及设置于其中的设备，例如诸如雷达设备之类的高频设备。因此，具有传递雷电电流的雷电分流元件，其将雷电电流传递到金属结构上，从而使要保护的组件免受雷击的有害影响。

US 2008/0270052 A1和FR 2 913 504 A1各自公开了一种装置，其中与导电结构连接的一个或多个导电的雷电分流元件固定在电绝缘结构的外侧。至少一个传感器设置为紧贴电绝缘结构的内侧，该传感器在雷电电流流过雷电分流元件时传递信号。

DE 10 2008 035 917 A1和WO 2010/012765 A1各自公开了一种用于雷达天线罩和发射/接收装置的雷电保护装置，其具有电磁辐射可穿透的保护套。在每一实例中都在一侧与金属结构相连以用于分流雷电电流的分流元件被设置在保护套上。分流元件可以是实心金属分流元件或分段式分流元件。

为了确保功能可靠性和防止损害，对静电放电效应的附加保护是适当的。

发明内容

根据本申请的第一方面，公开了一种雷电分流元件，其包括支撑件和设置在所述支撑件上的金属段，其中所述支撑件的每单位长度电阻在100kΩ/m至100MΩ/m的范围。

根据第二方面，公开了一种高频设备，其中至少一个根据第一方面的分段式雷电分流元件设置在所述高频设备的组件的表面上。

根据第三方面，公开了一种交通工具，其包括根据第一方面的分段式雷电分流元件和/或根据第二方面的高频设备。

在本申请的上下文中，交通工具可以是例如：飞行器，例如飞机；陆上交通工具，例如机动车或轨道车辆；或者水上交通工具，例如船舶。交通工具可设置为用于运送乘客。

在下文中，为了清楚起见，将主要聚焦于第一方面来描述本申请，下面的说明同时可类似地应用于第二和第三方面。

由于以下事实，即，根据第一方面的雷电分流元件的支撑件具有在(包括)100kΩ/m至(包括)100MΩ/m范围内的每单位长度电阻，因此所述支撑件存在一定的导电性。因此，在设置于支撑件上的金属段之间永远可以有轻微的电流流动。因此，例如使用飞行器的机身时由于一般与水汽凝结体(hydrometeors)或气溶胶(aerosols)的摩擦引起的摩擦生电效应而收集的静电荷可通过支撑件流出。以这种方式，可以防止其上由于摩擦生电效应而已收集了电荷的金属段之一通过其他金属段放电，避免了火花的形成。这样的放电可导致在要被保护的组件之一处永久地施加高电压，因此会损坏该组件。例如，由于摩擦生电效应，可对例如飞行器的天线之类的天线施加大约数百伏特量级的电压，从而对应的电压可施加在相连的组件处，特别是高频组件处。然而，这些组件通常设计为仅用于数μV的输入电压，如果在长时间内向其施加明显更高的电压，则会损坏它们。

以如下方式选择雷电分流元件的每单位长度电阻在100kΩ/m至100MΩ/m的范围，即，防止雷电电流通过支撑件流动，同时保证受控制的静电放电。因此，根据第一方面的雷电分流器可实现雷电保护和摩擦生电效应保护。例如，在航空学中，期望确保防止摩擦生电效应的影响。支撑体的导电性，即使不是非常显著，也可进一步使得带有支撑件的雷电分流元件设置于其上的、由例如玻璃纤维复合材料等电绝缘材料构成的组件表面上的电荷可在一定程度上通过支撑件流出，例如流到诸如航空器机身等之类的金属结构。允许静电荷从表面流出的附加措施，例如用防静电清漆上漆，可以是不必要的，或者至少在更小程度上是需要的。

在分段式雷电分流元件具有绝缘支撑件的情况下，几乎不可能实现由于摩擦生电效应而收集到的电荷的受控放电。

根据本申请第一方面的雷电分流元件的一端可以是空置的，可以与金属结构连接，或者已经与金属结构连接，雷电电流被放电到该金属结构。金属段可形成雷电的优选作用点。雷击的至少主要部分可通过形成在雷电分流元件的段上方的电离通道放电到金属结构。同时，雷电分流元件可以屏蔽要保护的组件，从而防止雷电放电到其上，或者至少可以显著降低电流强度。由于金属段的存在，根据本申请第一方面的雷电分流元件也可被称为分段式雷电分流元件。雷电分流元件可配置为条状，例如，其可以呈现为雷电分流条。雷电分流元件可配置为是机械柔性的。雷电分流元件的金属段可设置在支撑件上，以便彼此均匀地间隔开。雷电分流元件可设置为用于例如飞行器等交通工具的表面上，这包括例如安装在设置于飞行器表面上的天线上的情况。使用根据第一方面的雷电分流元件的其他可能领域包括用在风力发电机的转子叶片上等。

根据一变型例，支撑件是一体结构的。例如，这可通过选择由单层构成的支撑件来实现。与具有多层(例如两层，其中一层是电绝缘的，另一层具有一定的导电性并且连接金属系统以允许静电荷流出)的支撑件相比，这样的一体结构由于复杂度较低而可以更容易、更经济有效地制造。

不同的支撑件几何形状是可行的。例如，支撑件可具有正方形或矩形横截面。例如，支撑件的厚度可在0.5mm至1mm的范围，特别地在0.8至1.2mm的范围，例如可为1mm。支撑件的宽度可在段宽度的范围，例如高达20mm。一般来说，可以说支撑体的几何形状对于实现受控制的静电放电没有任何显著影响。

根据一变型例，支撑件的基本材料掺杂有导电掺杂材料。通过掺杂导电掺杂材料，可以以相当高的精度实现期望的支撑件的每单位长度电阻。这里提到的导电掺杂材料的可行实例是石墨、例如以铝粉形式呈现的铝、以及具有金属化表面的玻璃珠。支撑体的基本材料可以是绝缘材料。例如，基本材料可以是塑料，例如硅树脂。

根据一变型例，掺杂材料占支撑体材料的3至5体积％，尤其是3.5至4.5体积％，例如大约4体积％。取决于基本材料和支撑体几何形状，以此方式可实现100kΩ/m至100MΩ/m范围的每单位长度电阻。

根据一变型例，每单位长度电阻在1MΩ/m至100MΩ/m的范围。

根据一变型例，支撑件的体电阻是均匀的。例如，支撑件的体电阻可在支撑件的至少一部分中是均匀的。特别地，体电阻可在整个支撑件上是均匀的。术语体电阻的均匀性包括体电阻值在通常公差内的偏差。这可保证雷电电流经由支撑件的流动被防止。例如在一个或多个例如铜线的导体穿过反之由绝缘材料构成的支撑件的情况下，这不能得到保证。此时，雷电可能击中导体，然后雷电电流可被导体传输。

可以以任何期望的方式选择金属段的几何形状。根据一变型例，至少一个、若干个或全部金属段的形状选自以下形状：圆形、正方形、矩形、三角形。特别地，所有段可具有相同形状。然而，段也可具有不同形状、或相同和不同形状的混合。

在根据本申请第二方面的高频设备的情况下，雷电分流元件可确保雷电保护和防止高频设备组件表面上的摩擦生电效应影响的保护。如果适用的话，保护可扩展到不仅覆盖组件本身，而且还覆盖与其连接或被其覆盖的高频设备组件。

根据一变型例，所述高频设备包括以下组件中的至少一个：天线、发射单元、接收单元、以及连接装置。连接装置可以是例如同轴电缆等的电缆、以及插头等。例如，天线可以是刀型天线(blade antenna)或低阻拖曳天线(low-drag antenna)。每个组件可以单次或多次呈现。可通过根据本申请第一方面的雷电分流元件实现的防止雷电分流元件表面处的摩擦生电效应影响的保护，例如在包括天线的高频设备的情况下，可防止由于摩擦生电效应而在天线处引起的高电压，防止相应的高电压被施加到高频设备的通过对应的连接装置与天线相连的一个或多个组件，例如发射单元，并且防止对这些组件的损伤或破坏。

根据一变型例，所述高频设备包括电磁辐射可穿透的护套(sheath)，在其表面上设置有根据本申请第一方面的雷电分流元件。在该变型例中，由于护套可透过电磁辐射，即具有介电属性，所以其可变得带静电。例如，护套可由玻璃纤维复合材料构成。由于其导电性低，所以雷电分流元件的支撑件可允许电荷从护套流到支撑件在一端连接到的结构。采取附加措施以允许静电荷从护套流出，例如施加防静电清漆，可以不是必须的。根据一变型例，护套因此没有防静电清漆。

根据一变型例，高频设备是雷达设备，例如设置用于飞行器例如飞机等中的雷达设备。在该变型例中，可透过电磁辐射的护套可以是雷达天线罩。可通过根据本申请第一方面的雷电分流元件实现的防止雷电分流元件表面处的摩擦生电效应影响的保护可实现例如在用于飞行器的雷达设备的情况下，防止摩擦生电效应影响的保护成为可能。

根据一变型例，所述高频设备包括天线，该天线具有表面，在该表面上设置有雷电分流元件。天线可具有金属基体。天线表面可具有比基体更小的导电性。例如，天线表面可以是非导电的或仅是弱导电的。例如，天线可以是低阻拖曳天线。即使在天线表面仅是弱导电的或非导电的情况下，天线也可代表雷击的优选作用点。如果天线固定在暴露位置和/或未被覆盖，这也完全成立。一个例子是将天线置于例如飞机等飞行器的机身上。另一方面，雷电分流元件的表面可暴露于导致在那里发生摩擦生电效应的影响之下。此外，例如高频组件等的与天线连接的组件可能对雷电电流或长时间施加到其上的、由摩擦生电效应引起的放电带来的高电压特别敏感。因此，在天线的表面处使用雷电分流元件会是特别有用的。特别地，该表面可以是天线的外表面。

在根据本申请第一方面的雷电分流元件的情况下，雷电分流元件的一端可配置为与金属结构连接。雷电电流于是可从雷电分流元件放电到金属结构。金属结构可构造为是重的，从而能够经受雷电电流而不损坏。在根据本申请第三方面的交通工具的情况下，例如金属结构可以是交通工具/飞行器/水上交通工具结构的一部分；在飞行器的情况下，例如飞行器机身可用作雷电电流放电到其上的结构。

本说明书中在上面描述的本申请的示例性变形例也视为以彼此所有组合的方式被公开。在下面结合附图对一些示例性实施例的详细描述中可以发现另外的示例性实施例。附图仅用于澄清示例性实施例。附图不是按比例的，仅作为示例用于反映本申请的一般概念。例如，附图中所包含的特征决不能被视为必要的组成部分。

附图说明

图1是根据本申请第一方面的雷电分流元件的第一示例性实施例的俯视图的示意图。

图2A是作为根据本申请第三方面的交通工具的示例性实施例的飞机的示意图，其中飞行器包括根据第二方面的高频设备的示例性实施例，其具有多个根据图1的示例性实施例的雷电分流元件。

图2B是图2A的高频设备的雷达天线罩以及设置于其上的根据图1的示例性实施例的雷电分流元件的示意图。

图2C是图2A的飞机的天线的示意图，其是根据本申请第二方面的高频设备的另一示例性实施例的一部分。

具体实施方式

图1示出根据本申请第一方面的雷电分流元件100的第一示例性实施例的俯视图的示意图。

分段式雷电分流元件100呈现为具有大约30cm长度的雷电分流条。它包括支撑件110和设置在支撑件110上的多个金属段120。雷电分流元件100是柔性的，从而它可被固定，例如甚至粘合贴附到穹顶表面上。可以以任何期望的方式选择金属段120的几何形状。因此在图1中，金属段120由星星表示，其代表不同的可能的段几何形状，例如圆形、正方形、矩形或三角形。相邻的段120彼此大致均匀地间隔开。支撑件110具有一体结构，即，其仅包括单个层。它具有矩形横截面。其厚度为1mm，其宽度在高达20mm段宽度的范围，例如为10mm。它包括作为基本材料的绝缘塑料，掺杂有石墨作为掺杂材料。石墨占支撑件110的材料的4体积％。由于所示浓度的石墨掺杂，支撑件110具有在100kΩ/m至100MΩ/m范围的每单位长度电阻；特别地，每单位长度电阻在1MΩ/m至100MΩ/m的范围。支撑件110的体电阻在整个支撑件110上是均匀的。

在一应用场合，雷电分流元件100的一端是空置的，另一端与金属结构连接。金属段120形成用于雷击的优选作用点。雷击的至少大部分可通过形成在段110上方的电离通道放电到金属结构。相反，要被保护的组件可被雷电分流元件100屏蔽。

支撑件100的每单位长度电阻在100kΩ/m至100MΩ/m的范围可永久地允许在各个段120之间的电流流动。因此，由于摩擦生电效应而收集的静电荷可通过支撑件110流出。以此方式，防止了其上因摩擦生电效应而已收集了电荷的金属段120之一通过其他金属段120放电，并且避免了火花的形成。这种放电可导致高达数百伏特的高电压长时间施加到要被保护的组件，其会损坏该组件。每单位长度电阻在100kΩ/m至100MΩ/m的范围允许受控制的静电放电，同时防止雷电电流通过支撑件110流动。整个支撑件110上的体电阻的均匀性也有助于防止雷电电流通过支撑件流动，因为没有区域与其他支撑件区域相比具有明显增大的导电性。支撑件110的导电性还可使得来自由电绝缘材料构成的、支撑件110固定于其上的组件表面的电荷可通过支撑件流出。因此，允许静电荷从表面流出的附加措施可以不是必要的。

图2A示出作为根据本申请第三方面的交通工具的示例性实施例的飞机200的示意图，其中飞行器200包括根据第二方面的高频设备220的示例性实施例，其具有多个根据图1的示例性实施例的雷电分流元件100。

飞机200具有金属机身210。此外，它配备有雷达设备220。雷达设备220设置在飞机200的前端。它包括通过连接装置(未示出)与天线222连接的发射和接收单元221，连接装置包括同轴电缆和插头。由电绝缘玻璃纤维复合材料构成的抛物面形式的雷达天线罩223用作雷达设备220的护套(sheath)，其可透过电磁辐射以使得雷达设备220可以起作用。

图2B示出图2A的雷达设备220的雷达天线罩223的示意图，其包括设置于其上的根据图1的示例性实施例的雷电分流元件100。如图2B所示，多个雷电分流元件100分布式设置在雷达天线罩223的外表面224上，其中在每个实例中，雷电分流元件100的一端是空置的，另一端130与机身210连接。由于摩擦生电效应，例如一般与水汽凝结体(hydrometeors)或气溶胶(aerosols)的摩擦，而在雷电分流元件100的表面处产生的静电荷因此可以以受控制的方式通过支撑件110流向机身210。因此，雷达设备220受到保护而免受摩擦生电效应的有害影响。例如，防止了在其上已经由于摩擦生电效应而收集了电荷的段120的放电的情况下，通过其他金属段120在天线222中产生高电压，该电压然后通过连接部件也施加到发射和接收单元221并且损坏该单元，发射和接收单元221设计为用于数μV左右的输入电压。除了通过雷电分流元件100实现的用于天线222以及发射和接收单元221的雷电保护之外，电荷还可通过雷电分流元件100的支撑件110从雷达天线罩223的表面224流出到飞机机身210。因此，雷达天线罩223没有任何抗静电(anti-static)清漆(varnish)。

图2C示出图2A的飞机200的低阻拖曳天线230的示意图，该天线是根据本申请第二方面的高频设备的另一示例性实施例的组成部分。低阻拖曳天线230具有金属基体以及弱导电或非导电的外表面231，并且通过附接装置232与飞机200的机身210连接，例如连接到飞机机身或支撑件表面。根据图1的示例性实施例的雷电分流元件100设置在外表面231上。也可提供多个雷电分流元件100。

尽管外表面231是非导电的或仅是弱导电的，低阻拖曳天线230由于其金属基体以及其设置于飞机200的机身210上，所以仍代表雷击的优选作用点，因此雷电分流元件100提供的雷电保护是特别重要的。但是，雷电导体元件100可在其安装位置与水汽凝结体等接触，从而在雷电分流器表面上发生摩擦生电效应。然而，如已经说明的那样，雷电分流元件100的支撑件110的每单位长度电阻用于抵消其影响。因此，与低阻拖曳天线230连接的组件受到保护而不仅免受雷电电流导致的损坏，而且还免受由于摩擦生电效应而长时间施加到它们上的高电压导致的损坏。

本说明书中描述的示例性实施例也视为以彼此的所有组合得到公开。特别地，对实施例包括的特性的描述，除非明确声明了相反情况，则不被理解为在这里意味着该特性对于示例性实施例的功能是绝对必要的或必不可少的。

Claims (10)

1.一种雷电分流元件(100)，包括支撑件(110)和设置在所述支撑件(110)上的金属段(120)，其中所述支撑件(110)的每单位长度电阻在100kΩ/m至100MΩ/m的范围。

2.如权利要求1所述的雷电分流元件(100)，其中，所述支撑件(110)具有一体结构。

3.如前述权利要求中的任一项所述的雷电分流元件(100)，其中，所述支撑件(110)的基本材料，特别地是绝缘材料，被掺杂有例如石墨的导电掺杂材料。

4.如权利要求3所述的雷电分流元件(100)，其中，所述掺杂材料占所述支撑件(110)的材料的3-5体积％，尤其是3.5至4.5体积％。

5.如前述权利要求中的任一项所述的雷电分流元件(100)，其中，所述支撑件(110)具有均匀的体电阻。

6.一种高频设备(220、230)，其中，至少一个根据权利要求1至5中的任一项的雷电分流元件(100)设置在所述高频设备(220)的组件(223、230)的表面(224、231)上。

7.如权利要求6所述的高频设备(220、230)，其中，所述高频设备(220、230)包括以下组件中的至少一个：天线(222、230)、发射单元(221)、接收单元(221)、连接装置。

8.如权利要求6或7中的任一项所述的高频设备(220)，其中，所述高频设备(220)包括可透过电磁辐射的护套(223)，雷电分流元件(100)设置在所述护套的表面上，其中任选地，以下选项中的至少一项适用：

所述表面(224)没有抗静电清漆；以及

所述高频设备(220)是雷达设备，所述护套(223)是雷达天线罩。

9.如权利要求7所述的高频设备(230)，其中，所述高频设备(230)包括天线(230)，例如具有金属基体的低阻拖曳天线，所述天线具有表面(231)，所述雷电分流元件(100)设置在所述表面上。

10.一种交通工具(200)，特别是飞行器，包括根据权利要求1至5中的任一项的雷电分流元件(100)和/或根据权利要求6至9中的任一项的高频设备(220、230)。