EP0378963A1 - Funkenstreckenbauelement für geschirmte Anordnung - Google Patents

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EP0378963A1
EP0378963A1 EP89730009A EP89730009A EP0378963A1 EP 0378963 A1 EP0378963 A1 EP 0378963A1 EP 89730009 A EP89730009 A EP 89730009A EP 89730009 A EP89730009 A EP 89730009A EP 0378963 A1 EP0378963 A1 EP 0378963A1
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spark gap
control electrode
gap component
potential
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/20—Means for starting arc or facilitating ignition of spark gap
    • H01T1/22—Means for starting arc or facilitating ignition of spark gap by the shape or the composition of the electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/46—Sparking plugs having two or more spark gaps
    • H01T13/462—Sparking plugs having two or more spark gaps in series connection
    • H01T13/465—Sparking plugs having two or more spark gaps in series connection one spark gap being incorporated in the sparking plug

Definitions

  • the invention is in the field of electrical components and can be used in the structural design of a spark gap component which, during operation, is arranged within a shield which surrounds the spark gap component with the interposition of a solid dielectric.
  • spark gap components are used in particular in motor vehicles as spark gaps for spark plugs.
  • a known spark gap component consists of a tubular insulator and two electrodes, one electrode being inserted in a vacuum-tight manner in one end and the other electrode in the other end of the insulator. In operation, one electrode carries the potential, while the other electrode has potential close to the earth.
  • the two electrodes also have an essentially planar active surface, these surfaces being provided with a layer made of a material which is resistant to erosion.
  • This known spark gap component is intended for installation in a spark plug connector. In the installed state, the component is in the through hole of an insulating body, which is encased by a metal shield.
  • the ignition voltage of the spark gap component is approximately 8 to 10 kV (DE-B-24 18 261).
  • spark gap components are also designed for higher ignition voltages.
  • the active parts of the electrodes consist of titanium, zirconium and similar metals and the component is filled with an inert gas at a pressure of 0.8 to 10 bar (US C-3 956 657).
  • an inert gas at a pressure of 0.8 to 10 bar (US C-3 956 657).
  • an ignition aid to the inner wall of the insulator in the region of the discharge gap, the sum of the distances of the ignition aid from the rounded or chamfered electrode edges being greater than about 0.5 mm distance between electrodes.
  • the component referred to as the spark gap is essentially filled with nitrogen at a pressure of approximately 15 bar (EP-C-0 099 522).
  • the invention is therefore based on the object of designing the spark gap component in such a way that the ignition voltage is essentially independent of subsequent shielding of the component, in particular such that the ignition voltage is in the unshielded state of the ignition voltage in the shielded state is not significantly undercut.
  • an annular control electrode is arranged on or on the outer lateral surface of the insulator at the level of the active surface of the potential-carrying electrode, said control electrode being electrically connected to the potential-carrying electrode.
  • the invention takes into account the knowledge that, at increasingly higher ignition voltages, the electrical field between the two electrodes of the spark gap component is influenced by a surrounding shield such that an increase in the field strength at the circumferential edge of the active surface of the potential-carrying electrode occurs. This lowers the ignition voltage.
  • the electric field is influenced in such a way that there are no significant differences in the area of interest in the shielded or unshielded state of the spark gap component.
  • the effectiveness of the potential control according to the invention depends, among other things. from the distance that the shield connects the spark gap device, and i.e. in particular surrounds the electrodes, and furthermore the extent to which the control electrode or the effective edge of the control electrode is removed from the active surface of the potential-carrying electrode in the axial direction of the spark gap component.
  • the control electrode is expediently of metallic design and can consist, for example, of a galvanically applied metallization or a coated conductive silver layer.
  • control electrode only on the potential-carrying electrode is particularly useful when the shield is firmly at ground potential. If the shielding potential is floating, it is necessary to assign a control electrode to both electrodes. However, this is also possible when the shield is grounded.
  • spark gap component 1 which essentially consists of the tubular glass or ceramic insulator 2 and the two electrodes 3 and 4, the electrodes having active surfaces 5 and 6, respectively.
  • the active surfaces are at a distance A of about 6 mm from one another.
  • a cylindrical control electrode 7 is electrically connected to the electrode 3 and extends from the foot part 9 of the electrode 3 along the outer circumferential surface of the insulator 2 in the direction of the counter electrode 4 to the height of the active surface 5 of the electrode 3.
  • the control electrode ends at a height distance a from the active surface of the electrode 3. This distance a is less than 10% of the distance A and is approximately 0.5 mm.
  • the control electrode 7 consists of an applied metallization of a metal-silicate mixture.
  • the electrode 3 is the potential-carrying electrode and the electrode 4 is direct or connected to the shield via a resistor.
  • An exemplary embodiment of this is shown in FIG. 3, the spark gap component 1 being surrounded by a solid dielectric 21 and the shield 20 and the electrode 4 being electrically connected to the shield 20.
  • FIG. 2 shows a spark gap component 11 within a shield 20, the space between the shield 20 and the component 11 being filled with a solid dielectric 21.
  • the solid dielectric 21 is in particular an insulating plastic, for example a shrink tube.
  • the spark gap component 11 consists of the tubular insulator 12, in which the two electrodes 13 and 14 are inserted.
  • the active surfaces 15 and 16 of the two electrodes have a distance A as in FIG associated electrode extends.
  • the shield 20 is not connected to any particular potential.
  • the control electrodes 17 and 18 consist of metal tube pieces that are soldered at one end to the foot of the respective electrode.
  • the control electrodes can also have the shape of a cap, the cap expediently having a hole in its base in order to be able to make direct contact with the respective electrode.
  • FIG. 4 shows a spark gap component 31 in which a control electrode 37 in the form of a band-shaped ring with a bandwidth of approximately 2 mm is arranged on the outer circumferential surface of the insulator 32 at the level of the active surface 35 of the potential-carrying electrode 33.
  • This ring is electrically connected to the electrode 33.
  • Its edge facing the counter electrode 34, which is electrically effective for the potential control, has the same height from the active surface of the electrode 33 stood a as the control electrodes according to Figures 1 and 2.
  • FIG. 5 shows a control electrode 40, which essentially consists of a wire ring 41 with a diameter of approximately 0.5 to 1 mm, which is supported on a foot ring 43 via holding elements 42.
  • This control electrode 40 can be placed with the base ring 43 on the base part of an electrode of a spark gap component and optionally soldered there.

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Abstract

Um bei einem Funkenstreckenbauelement für geschirmte Anordnung zu gewährleisten, daß die Zündspannung unabhängig von der Abschirmung ist, ist gemäß der Erfindung an oder auf der äußeren Mantelfläche des Isolators (2) in Höhe der aktiven Oberfläche (5) der potentialführenden Elektrode (3) eine ringförmige Steuerelektrode (7) angeordnet, die mit der potentialführenden Elektrode (3) elektrisch verbunden ist. Die Steuerelektrode besteht entweder aus einem metallenen Belag oder einem bandförmigen Streifen oder aus einer Metallkappe.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung eines Funkenstrecken­bauelementes anzuwenden, das beim Betrieb innerhalb einer Ab­schirmung angeordnet ist, die das Funkenstreckenbauelement unter Zwischenschaltung eines festen Dielektrikums umgibt. Derartige Funkenstreckenbauelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen als Vorfunkenstrecken für Zündkerzen eingesetzt.
    • Stand der Technik
  • Ein bekanntes Funkenstreckenbauelement besteht aus einem rohrförmigen Isolator und zwei Elektroden, wobei die eine Elek­trode in das eine Ende und die andere Elektrode in das andere Ende des Isolators vakuumdicht eingesetzt ist. Im Betriebsfall führt die eine Elektrode das anstehende Potential, während die andere Elektrode erdnahes Potential hat. Die beiden Elektroden haben im übrigen eine im wesentlichen ebene aktive Oberfläche, wobei diese Oberflächen mit einer Schicht aus einem abbrand­festen Material versehen sind. Dieses bekannte Funkenstrecken­bauelement ist zum Einbau in einen Zündkerzenstecker vorgesehen. Im eingebauten Zustand befindet sich das Bauelement in der Durchgangsbohrung eines Isolierkörpers, der von einer Metallab­schirmung umhüllt ist. Die Zündspannung des Funkenstreckenbau­elementes liegt bei etwa 8 bis 10 kV (DE-B-24 18 261).
  • Andere bekannte Funkenstreckenbauelemente sind auch für höhere Zündspannungen ausgelegt. Um bei Zündspannungen von 2 bis 16 kV u. a. eine Langzeitstabilität der Zündspannung zu gewährleisten, bestehen die aktiven Teile der Elektroden aus Titan, Zirkon und ähnlichen Metallen und das Bauelement ist mit einem Edelgas bei einem Druck von 0,8 bis 10 bar gefüllt (US-C-3 956 657). Zur weiteren Erhöhung der Zündspannung auf 18 kV ist bei einem anderen bekannten Funkenstreckenbauelement u.a. vorgesehen, an der Innenwand des Isolators im Bereich des Entladungsspaltes eine Zündhilfe anzubringen, wobei die Summe der Abstände der Zündhilfe von den verrundeten oder angefasten Elektrodenkanten größer ist als der etwa 0,5 mm betragende Elektrodenabstand. Das als Vorfunkenstrecke bezeichnete Bauelement ist im übrigen im wesentlichen mit Stickstoff bei einem Druck von etwa 15 bar gefüllt (EP-C-0 099 522).
    • Die Erfindung
  • Beim Einsatz von Vorfunkenstrecken mit einer auf 15 bis 25 kV erhöhten Zündspannung hat sich gezeigt, daß die Zündspannung im geschirmten Zustand der Vorfunkenstrecke von der Zündspannung im ungeschirmten Zustand abweicht, insbesondere niedriger liegt. Ausgehend von einem Funkenstreckenbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, das Funkenstreckenbauele­ment so auszugestalten, daß die Zündspannung im wesentlichen unabhängig von einer späteren Schirmung des Bauelementes ist, insbesondere so auszugestalten, daß die Zündspannung im unge­schirmten Zustand von der Zündspannung im geschirmten Zustand nicht wesentlich unterschritten wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß zum Zwecke der Potentialsteuerung an oder auf der äußeren Mantelfläche des Isolators in Höhe der aktiven Oberfläche der potentialführenden Elektrode eine ringförmige Steuerelektrode angeordnet ist, die mit der potentialführenden Elektrode elektrisch verbunden ist.
  • Bezüglich der Verwendung einer Steuerelektrode berücksichtigt die Erfindung die Erkenntnis, daß bei zunehmend höheren Zünd­spannungen das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden des Funkenstreckenbauelementes durch eine umgebende Abschirmung derart beeinflußt wird, daß eine Erhöhung der Feldstärke an der umlaufenden Kante der aktiven Oberfläche der potentialführenden Elektrode auftritt. Dadurch wird die Zündspannung herabgesetzt. Durch Einsatz der erfindungsgemäßen Steuerelektrode wird dagegen das elektrische Feld derart beeinflußt, daß es im interessieren­den Bereich im geschirmten oder ungeschirmten Zustand des Funken­streckenbauelementes keine wesentlichen Unterschiede aufweist.
  • Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Potentialsteuerung hängt u.a. ab von dem Abstand, mit dem die Abschirmung das Funken­streckenbauelement, und d.h. insbesondere die Elektroden, um­gibt, und weiterhin davon, wieweit die Steuerelektrode bzw. die wirksame Kante der Steuerelektrode in Achsrichtung des Funken­streckenbauelementes von der aktiven Oberfläche der potential­führenden Elektrode entfernt ist. Je geringer der Abstand der Abschirmung ist, um so genauer muß die Position der Steuerelek­trode festgelegt sein. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Höhenabstand zwischen der Steuerelektrode und der aktiven Ober­fläche der zugehörigen Elektrode so zu wählen, daß er höchstens 10 % des kleinsten Abstandes der aktiven Oberflächen beider Elek­troden beträgt. - Die Steuerelektrode ist zweckmäßig metallisch auszubilden und kann beispielsweise aus einer galvanisch aufge­brachten Metallisierung oder einer aufgestrichenen Leitsilber­schicht bestehen. Man kann aber auch einen Drahtring oder einen bandförmigen Ring mit einer Bandbreite von wenigstens 1 mm oder eine sich bis zum Fußteil der zugehörigen Elektrode erstreckende Metallkappe vorsehen, die beispielsweise mit der zugehörigen Elektrode verlötet ist.
  • Die Anordnung einer Steuerelektrode allein an der potential­führenden Elektrode ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Ab­schirmung fest auf Erdpotential liegt. Bei floatendem Potential für die Abschirmung ist es notwendig, beiden Elektroden eine Steuerelektrode zuzuordnen. Dies ist aber auch bei geerdeter Abschirmung möglich.
    • Abbildungen der Zeichnung
  • Vier Ausführungsbeispiele des neuen Funkenstreckenbauelementes sind in den Figuren 1 bis 5 dargestellt. Dabei zeigt
    • Fig. 1 ein Funkenstreckenbauelement, bei dem allein der poten­tialführenden Elektrode eine Steuerelektrode zugeord­net ist,
    • Fig. 2 ein Funkenstreckenbauelement, das innerhalb einer Abschir­mung mit floatendem Potential angeordnet ist und bei dem demzufolge beiden Elektroden eine Steuerelektrode zugeord­net ist,
    • Fig. 3 ein Funkenstreckenbauelement gemäß Figur 1 mit zugeordneter Abschirmung,
    • Fig. 4 ein Funkenstreckenbauelement mit einer Steuerelektrode in Form eines bandförmigen Ringes und
    • Fig. 5 eine Steuerelektrode in Form eines Drahtringes.
    Ausführungsbeispiele
  • Fig. 1 zeigt ein Funkenstreckenbauelement 1, das im wesentlichen aus dem rohrförmigen Glas- oder Keramikisolator 2 und den beiden Elektroden 3 und 4 besteht, wobei die Elektroden aktive Ober­flächen 5 bzw. 6 aufweisen. Die aktiven Oberflächen haben von­einander einen Abstand A von etwa 6 mm.
  • Mit der Elektrode 3 elektrisch verbunden ist eine zylindrische Steuerelektrode 7, die sich vom Fußteil 9 der Elektrode 3 ent­lang der äußeren Mantelfläche des Isolators 2 in Richtung auf die Gegenelektrode 4 bis zur Höhe der aktiven Oberfläche 5 der Elektrode 3 erstreckt. Die Steuerelektrode endet in einem Höhenabstand a von der aktiven Oberfläche der Elektrode 3. Die­ser Abstand a ist kleiner als 10 % des Abstandes A und beträgt etwa 0,5 mm. - Die Steuerelektrode 7 besteht aus einer aufgebrachten Metallisierung einem Metall-Silikat-Gemisch.
  • Bei Einbau des Funkenstreckenbauelementes gemäß Figur 1 in eine geerdete Abschirmung ist darauf zu achten, daß die Elektrode 3 die potentialführende Elektrode ist und die Elektrode 4 direkt oder über einen Widerstand mit der Abschirmung verbunden ist. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt Figur 3, wobei das Funkenstreckenbauelement 1 von einem festen Dielektrikum 21 und der Abschirmung 20 umgeben und die Elektrode 4 mit der Abschirmung 20 elektrisch verbunden ist.
  • Figur 2 zeigt ein Funkenstreckenbauelement 11 innerhalb einer Abschirmung 20, wobei der Raum zwischen der Abschirmung 20 und dem Bauelement 11 mit einem festen Dielektrikum 21 ausgefüllt ist. Bei dem festen Dielektrikum 21 handelt es sich insbesonde­re um einen isolierenden Kunststoff, beispielsweise einen Schrumpfschlauch.
  • Das Funkenstreckenbauelement 11 besteht aus dem rohrförmigen Isolator 12, in den die beiden Elektroden 13 und 14 eingesetzt sind. Die aktiven Oberflächen 15 und 16 der beiden Elektroden haben wie in Fig. 1 einen Abstand A. Jeder Elektrode ist eine Steuerelektrode 17 bzw. 18 zugeordnet, die sich vom Fußteil 19 der jeweiligen Elektrode in Richtung auf die Gegenelektrode bis zur Höhe der aktiven Oberfläche der zugehörigen Elektrode er­streckt. Die Abschirmung 20 ist mit keinem bestimmten Potential verbunden. - Die Steuerelektroden 17 und 18 bestehen aus metallenen Rohrstücken, die an ihrem einen Ende mit dem Fuß der jeweiligen Elektrode verlötet sind. Die Steuerelektroden können auch die Form einer Kappe haben, wobei die Kappe in ihrem Boden zweckmäßig ein Loch aufweist, um die jeweilige Elektrode direkt kontaktieren zu können.
  • Figur 4 zeigt ein Funkenstreckenbauelement 31, bei dem in Höhe der aktiven Oberfläche 35 der potentialführenden Elektrode 33 auf der äußeren Mantelfläche des Isolators 32 eine Steuerelek­trode 37 in Form eines bandförmigen Ringes mit einer Bandbreite von etwa 2 mm angeordnet ist. Dieser Ring ist mit der Elektrode 33 elektrisch verbunden. Seine der Gegenelektrode 34 zugewandte, für die Potentialsteuerung elektrisch wirksame Kante hat von der aktiven Oberfläche der Elektrode 33 den gleichen Höhenab­ stand a wie die Steuerelektroden gemäß den Figuren 1 und 2.
  • Figur 5 zeigt eine Steuerelektrode 40, die im wesentlichen aus einem Drahtring 41 mit einem Durchmesser von etwa 0,5 bis 1 mm besteht, der sich über Haltelemente 42 auf einem Fußring 43 abstützt. Diese Steuerelektrode 40 kann mit dem Fußring 43 auf das Fußteil einer Elektrode eines Funkenstreckenbauelementes aufgesetzt und dort gegebenenfalls verlötet werden.

Claims (7)

1. Funkenstreckenbauelement zur Anordnung innerhalb einer das Funkenstreckenbauelement unter Zwischenschaltung eines festen Dielektrikums umgebenden Abschirmung, bestehend aus einem rohrförmigen Isolator und zwei Elektroden mit im wesentlichen ebener aktiver Oberfläche, wobei die potentialführende Elektro­de in das eine Ende und die Gegenelektrode in das andere Ende des Isolators eingesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet ,
daß zum Zwecke der Potentialsteuerung an oder auf der äußeren Mantelfläche des Isolators (2) in Höhe der aktiven Oberfläche (5) der potentialführenden Elektrode (3) eine ringförmige Steuerelektrode (7) angeordnet ist, die mit der potentialführen­den Elektrode (3) elektrisch verbunden ist.
2. Funkenstreckenbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,daß auch der Gegenelektrode (14) eine ringförmige Steuerelektrode (18) zu­geordnet ist.
3. Funkenstreckenbauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet , daß der Höhen­abstand zwischen der Steuerelektrode (7) und der aktiven Ober­fläche (5) der zugehörigen Elektrode (3) höchstens 10 % des kleinsten Abstandes der aktiven Oberflächen (5,6) beider Elektroden (3,4) beträgt.
4. Funkenstreckenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerelektrode aus einem bandförmigen Ring (37) mit einer Bandbreite von wenigstens 1 mm besteht.
5. Funkenstreckenbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steuerelektrode bis zum Fußteil (8) der zugehörigen Elektrode (3) erstreckt.
6. Funkenstreckenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die Steuer­elektrode (7) aus einem metallenen Belag besteht.
7. Funkenstreckenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die Steuer­elektrode (7) aus einer Metallkappe besteht.
EP89730009A 1989-01-18 1989-01-18 Funkenstreckenbauelement für geschirmte Anordnung Expired - Lifetime EP0378963B1 (de)

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