DE69930305T2

DE69930305T2 - Gasentladungsrohr

Info

Publication number: DE69930305T2
Application number: DE69930305T
Authority: DE
Inventors: Johan Schleimann-Jensen; Mats Boman; Jan-Ake Nilsson; Kjell ÖHMAN
Original assignee: Jensen Devices AB
Current assignee: Bourns Inc
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: US7053536B1; AU2138000A; WO2000039901A1; DE69930305D1; CN100477426C; CN1336028A; JP5205555B2; ES2260955T3; SE9804538D0; JP2002534763A; EP1149444A1; EP1149444B1; AU775142B2; BR9916467A; ATE320099T1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Gasentladungsröhren, wozu Überspannungsableiter, Hochleistungs-Entladungsröhren, Funkenstrecken und getriggerte Funkenstrecken gehören, die bei verschiedenen Anwendungszwecken, wie z.B. einem Überspannungsschutz für Datenübertragungsnetze, verwendet werden, und insbesondere einen neuen Typ solcher Vorrichtungen, der eine bessere Selektivität und bessere Leistung zeigt und umweltfreundlicher ist, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung solcher Gasröhren.
Allgemeiner Stand der Technik
Wenn eine elektronische Vorrichtung mit langen Signal- oder Versorgungsleitungen, mit einer Antenne usw. verbunden ist, wird sie Ausgleichsvorgängen oder vorübergehenden Effekten ausgesetzt, die durch eine Induktion hervorgerufen werden, die durch eine Überspannung oder elektromagnetische Impulse (EMP) verursacht wird. Ein Überspannungsableiter schützt die Vorrichtung vor einer Beschädigung, indem die Energie beim Ausgleichsvorgang absorbiert wird oder zur Erde abgeleitet wird. Überspannungsableiter müssen eine selbsttätige Wiederherstellung aufweisen, mit wiederholten Ausgleichsvorgängen umgehen können und können ausfallsicher gemacht werden.
Eine wichtige Eigenschaft ist die Zündgeschwindigkeit und -selektivität, mit anderen Worten, es muß der Überspannungsableiter ohne Verzögerung arbeiten und darf nicht so empfindlich sein, daß er von einem normalen Kommunikationssignal ausgelöst wird. Diese Eigenschaften sollten sich im Verlauf der Zeit nicht ändern und von den Zündintervallen unabhängig sein. Ein Überspannungsableiter sollte ferner für die Massenproduktion mit hoher und gleichmäßiger Qualität geeignet sein.
Mit Gas gefüllte Entladungsröhren werden für den Schutz von elektronischen Vorrichtungen verwendet, werden jedoch auch häufig als Schaltvorrichtungen in Stromschaltkreisen, z.B. in Kraftfahrzeugprodukten, wie Gasentladungsscheinwerfern, ver wendet. Andere Anwendungsgebiete sind die Telekommunikation und die Datenkommunikation, Audio/Video-Ausrüstungen, Netzgeräte, industrielle, medizinische Vorrichtungen, Sicherheitszwecke und militärische Zwecke.
Frühere Überspannungsableiter wiesen zwei feste Graphitelektroden auf, die durch einen Luftspalt oder eine Glimmerschicht getrennt waren. Diese sind jedoch in bezug auf Größe, Zuverlässigkeit, Leistung und Produktionstechnologie mit den modernen Überspannungsableitern nicht vergleichbar.
Ein moderner herkömmlicher Überspannungsableiter ist eine mit Gas gefüllte Entladungsröhre, die eine oder mehrere Entladungsstrecken oder einen Entladungsspalt aufweisen kann und gewöhnlich zwei Endelektroden plus gegebenenfalls eine zusätzliche Elektrode in Form einer mittleren Elektrode plus einen oder zwei hohle zylindrische Isolatoren aufweist, die aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. einer Keramik, einem geeigneten Polymer, Glas oder dergleichen hergestellt sind. In der Regel ist der Isolator in einem Überspannungsableiter mit zwei Elektroden an zwei Seiten an die Endelektroden gelötet, wobei er sie vakuumdicht verbindet.
Ein Verfahren zur Herstellung eines herkömmlichen Überspannungsableiters ist z.B. in der US-A-4 437 845 angegeben. Gemäß der US-A-4 437 845 besteht das Herstellungsverfahren aus dem Verschließen der Komponenten der Röhre bei einer geeigneten Temperatur im wesentlichen unter Atmosphärendruck in einem Leichtgas, das mit einem anderen Gas gemischt ist, das in Hinblick auf die gewünschte Form der Röhre erwünscht und schwerer als das zuerst genannte Gas ist, und dem Verringern des Drucks außerhalb der Röhre unter Atmosphärendruck, wobei die Temperatur gleichzeitig so weit verringert wird, daß das schwere Gas durch Diffusion und/oder Effusion unzureichend durch die Wände der Röhre dringen kann und das eingeschlossene Leichtgas durch die Wände diffundieren und/oder effundieren kann, so daß es infolge des Druckunterschieds durch die Wände der Röhre austritt, folglich kommt es zu einer Verringerung des Gesamtdrucks des Gases im Inneren der Röhre.
Ferner ist in der US-A-5,103,135 eine Außenbeschichtung der Komponenten des Überspannungsableiters angegeben, wobei auf die Elektroden eine Zinnschicht und auf den Keramikisolator eine ringförmige Schutzschicht mit einer Dicke von mindestens 1 mm aufgebracht werden. Diese Schutzschicht wird aus einem säurebeständigen und wärmebeständigen Färbemittel oder Lack erzeugt, die in axialer Richtung des Überspannungsableiters durchgehend ausgebildet ist.
Die Schutzschicht kann einen Teil der Kennzeichnung des Überspannungsableiters bilden. Die Kennzeichnung kann z.B. in Form eines seitenverkehrten Aufdrucks in der Schutzschicht vorliegen. Außerdem können mit Zinn beschichtete Leiter mit den Elektroden verbunden sein.
Die US-A-4 672 259 offenbart eine Leistungs-Funkenstrecke für den Schutz einer elektrischen Vorrichtung vor Überspannungen, die eine hohe Stromkapazität aufweist, wobei die Funkenstrecke zwei Kohleelektroden, die jeweils eine Halbkugelform haben, und ein isolierendes Porzellangehäuse aufweist, wobei die Kohlelektroden Entlüftungslöcher zu ihrer Innenseite aufweisen, damit eine Lichtbogenübertragung zu einem inneren dauerhaften Elektrodenmaterial möglich ist. Die Funkenstrecke ist für Hochspannungsleitungen gedacht, bei denen die zu erwartende Funkenlänge etwa 2,5 cm (1 inch) beträgt, wobei etwa 140 kV übertragen werden.
Diese Funkenstrecke ist nicht von dem Typ, der hermetisch verschlossen und mit Gas gefüllt ist, sondern steht ungehindert mit der Luft in Verbindung. Der gebildete Lichtbogen beginnt an den entsprechenden darunterliegenden Elektroden und geht durch die Entlüftungslöcher. Somit basiert die Funkenbildung zum großen Teil auf dem darunterliegenden Material, das nicht notwendigerweise inert ist, sondern beruht auf der Oxidation in der vorhandenen Umgebung, was bedeutet, daß die Funkenspannung nicht bestimmt und nicht reproduziert werden kann.
Die US-A-4 407 849 offenbart eine Funkenstreckenvorrichtung und insbesondere eine Beschichtung auf den Elektroden einer solchen Funkenstrecke, um die Filamentbildung zu minimieren. Die Beschichtung wird auf eine darunterliegende Elektrode aufgebracht, wobei die Beschichtung aus Kohlenstoff in Form von Graphit bestehen kann. Der Überspannungsbegrenzer ist ein mit Gas gefüllter. Dieses Dokument befaßt sich nicht mit dem Problem, ob auf der Elektrode eine inerte Oberfläche vorliegt oder nicht, oder mit irgendwelchen anderen damit in Zusammenhang stehenden Problemen.
Den bereits genannten Problemen der Empfindlichkeit und der Wiederherstellung wird mit der Verwendung eines Elektronendonors auf den Elektrodenoberflächen oder an irgendeiner anderen Stelle begegnet. Dieser Elektronendonor kann radioaktive Ele mente, wie z.B. Tritium, und/oder toxische Alkalimetalle, wie z.B. Barium, aufweisen. Es ist naheliegend, daß diese Lösung bestimmte Nachteile hat, die unter anderem mit der Radioaktivität und/oder der Toxizität der Komponenten zusammenhängen.
Aufgabe dieser Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Gasentladungsröhren für alle relevanten Anwendungsbereiche verfügbar zu machen, wobei diese Gasentladungsröhren eine bessere Selektivität, eine bessere Leistung (z.B. höhere Wärmebeständigkeit und längere Lebensdauer) aufweisen und frei von radioaktiven oder anderen umweltschädlichen Verbindungen sind.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Aufbau irgendwelcher Schichten, wie Oxid- oder Hydridschichten, auf der Elektrodenoberfläche, insbesondere auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Endelektroden, verhindert werden. Es wird angenommen, daß die Bildung von Oxiden auf der Oberfläche der Metallelektroden die Spannung für den Beginn einer Entladung beeinflußt. Unabhängig vom Hochvakuum in der Entladungskammer bleibt immer ein Rest von Sauerstoff und anderen Elementen zurück. Wenn die Schichtbildung oder Oxidation der Elektrodenoberflächen verhindert wird, arbeitet die Entladungsröhre wiederholt mit der gleichen Spannung oder zumindest innerhalb eines engeren Intervalls.
Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren ausführlicher beschrieben, die folgendes zeigen:
1 einen Querschnitt einer typischen Gasentladungsröhre mit zwei Elektroden und
2 einen Querschnitt einer Gasentladungsröhre mit mehreren Elektroden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Eine Gasentladungsröhre weist im allgemeinen mindestens im allgemeinen zwei Elektroden auf, die mit einem hohlem Isolatorkörper verbunden sind. Ein häufig vorkommender Typ von Gasentladungsröhren, wie er in 1 dargestellt ist, weist zwei Endelektroden 1 und 2, wobei jede Elektrode ein flanschartiges Basisteil besitzt, und zu mindest einen hohlen zylindrischen Isolator 3 auf, der an das Basisteil von zumindest einer der Endelektroden gelötet ist.
Die erfindungsgemäße Beschichtung oder das erfindungsgemäße Element, die bzw. das gegenüber dem Aufbau von Schichten resistent ist, ist als Bereich 4 mit Kreuzschraffur auf beiden Elektroden dargestellt. Unabhängig von der Art der Gasentladungsröhre ist es wichtig, daß zumindest die Kathode die erfindungsgemäße Schicht aufweist oder aus dem erfindungsgemäßen Material besteht oder den erfindungsgemäßen Aufbau hat, wie es nachfolgend beschrieben ist. Es ist jedoch bevorzugt, daß alle Elektroden diese Schicht oder diesen Aufbau haben, da die Polarität des Ausgleichsvorgangs veränderlich sein kann.
Die in 2 dargestellte Röhre mit mehreren Elektroden weist zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Elementen auch eine mittlere Elektrode 5 auf. Die erfindungsgemäße Beschichtung oder das erfindungsgemäße Element ist auch hier als Bereich 4 mit Kreuzschraffur dargestellt, die auf allen Elektroden vorhanden ist.
Es ist bevorzugt, daß zumindest ein Teil der gegenüberliegenden Oberflächen dieser Endelektroden mit einer Schicht oder Beschichtung aus einer Verbindung oder einem Element überzogen ist, das gegenüber dem Aufbau von Schichten resistent ist, wie z.B. Oxidschichten.
Andere unerwünschte Schichten, wobei das Konzept dieser Erfindung darauf zielt, deren Bildung zu verhindern, sind z.B. Hydride. Der Begriff "unerwünschte Schichten" schließt im allgemeinen irgendwelche Schichten, die durch Wechselwirkung mit umgebenden Verbindungen, wie in der Gasentladungsröhre enthaltene Gase, auf den Elektroden erzeugt werden und die die Leistung der Röhre beeinflussen, ein.
Diese Verbindung, die die erfindungsgemäße Schicht bildet und gegenüber dem Aufbau unerwünschter Schichten resistent ist, kann eine sehr stabile Metallegierung, ein Metall, wie Titan, oder ein praktisch inertes Element, wie Gold, sein. Die Verbindung kann eine kohlenstoffhaltige Verbindung, vorzugsweise Kohlenstoff mit einem Zusatz aus einem Metall, wie Chrom oder Titan, sein.
In diesem Zusammenhang wird Kohlenstoff als irgendeine polymorphe Modifikation von Kohlenstoff, z.B. Diamant, diamantartiger Kohlenstoff oder Graphit, definiert. Der Kohlenstoff kann auch andere Elemente, wie z.B. ein oder mehrere Metalle, in von der Verwendung abhängenden Mengen, z.B. in Mengen von bis zu etwa 15%, enthalten.
Die gegenüberliegenden Oberflächen dieser Endelektroden sind vorzugsweise mit einer Graphitbeschichtung oder -schicht überzogen, wobei diese Schicht einen Zusatz aus einem Metall, wie Chrom oder Titan, aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird die inerte Oberfläche oder die oxidationsbeständige Beschichtung oder Schicht durch chemisches Plattieren, ein Sputterverfahren oder dergleichen aufgebracht. Die oxidationsbeständige Schicht wird vorzugsweise durch ein herkömmliches Sputterverfahren oder Plasmabeschichtungsverfahren aufgebraucht, die dem Fachmann allgemein bekannt sind.
Zu den gemäß dieser Erfindung anwendbaren Verfahren gehören das chemische Dampfabscheiden (CVD), das physikalische Dampfabscheiden (PVD), wobei die Beschichtung auf einem Substrat abgeschieden wird. Das Sputterverfahren, das ein physikalisches Abscheideverfahren ist, wird gegenwärtig als am besten anwendbar angesehen. Beim Sputterverfahren wird das Material durch Bombardieren einer Kathode mit energiereichen Ionen, gewöhnlich Argonionen, zerstäubt. Wenn die Ionen auf das Zielmaterial, die Kathode, auftreffen, dann werden Atome aufgestäubt und auf dem Substrat abgeschieden.
Dieses Verfahren erfordert während des Sputterverfahrens im allgemeinen ein Hochvakuum oder zumindest ein niedriges Vakuum. Das Substrat kann bequem gereinigt werden, indem das Verfahren umgekehrt durchlaufen wird, wobei das Substrat als Kathode installiert und dieses dann bombardiert wird. Die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht kann beeinflußt werden, wenn die Zusammensetzung der Gasphase geändert wird. Bei einer Anwendung, bei der das Abscheiden eines kohlehaltigen Materials erwünscht ist, kann ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, wie Methan, verwendet werden. Als Kohlenstoffquelle kann auch eine Graphitkathode verwendet werden.
Die Verwendung von z.B. Methan zusammen mit Chromkathoden ergibt z.B. ein reaktives Sputterverfahren, das zum Abscheiden einer Graphitschicht mit einem Zusatz aus Chrom führt. Die typische Abscheidungsrate beträgt etwa 1 μm/h oder weniger. Die normalen Zerstäubungszeiten liegen in einem Zeitraum von etwa 4 bis 8 Stunden. In Abhängigkeit von der gewünschten Dicke der Schicht können längere oder kürzere Zeiten verwendet werden. Durch Änderung des Kathodenmaterials und der Zusammensetzung der Gasphase können unterschiedliche Beschichtungen erzeugt werden.
Im Falle von Metallbeschichtungen ist es auch möglich, Elektroplattierungsverfahren oder das sogenannte stromlose Plattieren anzuwenden. Diese Verfahren sind für das Aufbringen von Beschichtungen, die aus Edelmetallen, wie Gold oder Platin, bestehen, besonders geeignet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung werden die Oberflächen der Elektroden nur teilweise beschichtet, z.B. in einem kleinen Bereich in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Teil der Elektrode aus einem inerten Material, z.B. einem kohlehaltigen Körper, hergestellt, der an einem metallischen Basisteil der Elektrode angebracht, z.B. dazwischen angeordnet oder damit gesintert, wird. Es ist denkbar, daß die Elektrode als metallischer Grundkörper, z.B. ein Kupfer- oder Aluminiumgrundkörper, hergestellt wird, der mit einem Graphitkörper bedeckt oder umschlossen ist, der zumindest eine Oberfläche in Richtung der zumindest einen gegenüberliegenden Elektrode darstellt.
Überspannungsableiter mit Elektrodenoberflächen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen geringere Lichtbogenspannungen und eine engere Verteilung der statischen Zündspannung als gegenwärtig verfügbare Vorrichtungen.
Außerdem bietet die vorliegende Erfindung eine Lösung, mit der vorhandene Gestaltungen von Überspannungsableitern leicht ergänzt werden können, und die für die Massenproduktion geeignet ist. Die erfindungsgemäße Lösung hat zudem keinen negativen Einfluß auf die Umwelt oder erfordert besondere Verfahren zur Behandlung von Abfällen, ganz im Gegensatz zu gegenwärtig verwendeten Überspannungsableitern, die ein radioaktives Gas, wie z.B. Tritium, und/oder toxische Verbindungen, wie z.B. Bariumsalze, enthalten.
In mit Gas gefüllten Überspannungsableitern verwendete Gase sind unter anderem Stickstoff, Helium, Argon, Methan, Wasserstoff und andere, als solche oder in Gemischen.
Die Erfindung wird anhand eines nicht einschränkenden Herstellungsbeispiels erläutert, das die Herstellung eines Überspannungsableiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt.
Herstellungsbeispiel
Ein Überspannungsableiter wurde hergestellt, indem eine Charge von Kupferelektroden folgenden Behandlungsschritten unterzogen wurde: zuerst wurden die Elektroden in einem Lösungsmittel gespült, so daß lockere Verunreinigungen und Spuren von Öl oder Fett entfernt wurden. Dann wurden die Elektroden in eine Maske gegeben, wobei der zu beschichtende Bereich frei lag. Ein Satz von Elektroden, gereinigt und in der Maske angeordnet, wurde dann in eine Sputterkammer gegeben, die evakuiert wurde.
Dann wurden die Elektroden durch ein umgekehrtes Sputterverfahren gereinigt, so daß Verunreinigungen von den Elektroden entfernt wurden. Danach wurde der Strom umgeschaltet, und Methan wurde in die Kammer geleitet. Es wurde in reaktives Sputterverfahren durchgeführt, indem Chrom in Form von Chromkathoden zugeführt wurde. Die Elektroden erhielten eine Schicht aus Graphit mit einem Zusatz aus Chromatomen, die die Graphitschichten fixieren. Schließlich wurde das Sputterverfahren beendet, und die beschichteten Elektroden wurden aus der Kammer genommen und der üblichen Qualitätskontrolle unterzogen.
Die beschichteten Elektroden zeigten eine bessere Qualität, wie z.B. eine bessere Wärmebeständigkeit. Überspannungsableiter, die unter Verwendung dieser beschichteten Elektroden hergestellt worden waren, zeigten eine bessere Qualität, wie z.B. eine geringere Lichtbogenspannung, eine engere Verteilung der Zündspannungen und eine bessere Geschwindigkeit und Selektivität und eine längere Lebensdauer.
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, die die beste Art und Weise darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt ist, sollte es selbstverständlich sein, daß auch verschiedene Änderungen und Modifikationen, wie sie für den Fachmann naheliegend sind, vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der in den zugehörigen Ansprüchen aufgeführt ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Gasentladungsröhre, die mindestens zwei Elektroden und mindestens einen hohlen Isolator aufweist, der an mindestens einer der Elektroden befestigt ist, und mit dem die mindestens zwei Elektroden eine chemisch inerte Oberfläche erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch inerte Oberfläche unter Verwendung einer physikalischen Dampfabscheidung oder einer chemischen Dampfabscheidung auf den Elektroden angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die chemisch inerte Oberfläche aus der Gruppe ausgewählt wird, die Kohlenstoff, Gold und Platin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kohlenstoff zusätzlich zu einem Metall angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Metall Chrom oder Titan ist.
Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, wobei der Kohlenstoff als polymorphe Modifikation von Kohlenstoff, beispielsweise als Diamant, diamantartiger Kohlenstoff oder Graphit vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Kohlenstoff als Graphit zusätzlich zu einem Metall vorhanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Kohlenstoff mit einem Sputterverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Kohlenstoff als Schicht mit einer Dicke von 1 μm hinzugefügt wird.