JP2004259459A

JP2004259459A - 放電管

Info

Publication number: JP2004259459A
Application number: JP2003045595A
Authority: JP
Inventors: Koichi Imai; 孝一今井; Satoshi Hori; 諭史堀
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】寿命特性を向上させることができる放電管を実現する。
【解決手段】両端が開口した絶縁材よりなるケース部材１２の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材１４，１４で気密に閉塞することによって気密外囲器１６を形成すると共に、上記蓋部材１４，１４の放電電極部１８，１８間に所定の放電間隙２２を形成し、また、ケース部材１２の内壁面２４に、その両端が、放電電極を兼ねた上記蓋部材１４，１４と微小放電間隙２６を隔てて対向配置された線状のトリガ放電膜２８を複数形成すると共に、上記放電電極部１８の表面に、アルカリヨウ化物が含有された絶縁性の被膜３０を形成し、さらに、上記気密外囲器１６内に、Ｋｒ（クリプトン）を含有した放電ガスを封入した放電管１０。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は放電管に係り、特に、プロジェクターや自動車のメタルハライドランプ等の高圧放電ランプや、ガス調理器等の着火プラグに、点灯用又は着火用の定電圧を供給するためのスイッチングスパークギャップとして、或いは、サージ電圧を吸収するためのガスアレスタ（避雷管）として好適に使用できる放電管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の放電管として、本出願人は、先に特開２００３−７４２０号を提案した。この放電管６０は、図６に示すように、両端が開口した絶縁材よりなる円筒状のケース部材６２の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材６４，６４で気密に閉塞することによって気密外囲器６６を形成し、該気密外囲器６６内に、所定の放電ガスを封入してなる。
【０００３】
上記蓋部材６４は、気密外囲器６６の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部６８と、ケース部材６２の端面に接する接合部７０を備えており、両蓋部材６４，６４の放電電極部６８，６８間には、所定の放電間隙７２が形成されている。
また、上記ケース部材６２の内壁面７４には、微小放電間隙７６を隔てて対向配置された一対のトリガ放電膜７８，７８が、複数組形成されている。一対のトリガ放電膜７８，７８の内、一方のトリガ放電膜７８は、一方の放電電極部６８と電気的に接続され、他方のトリガ放電膜７８は、他方の放電電極部６８と電気的に接続されている。
上記放電電極部６８の表面には、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物が含有された絶縁性の被膜８０が形成されている。
上記気密外囲器６６内に封入する放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスあるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが該当する。また、希ガスあるいは不活性ガスの単体又は混合ガスと、Ｈ_２等の負極性ガスとの混合ガスが該当する。
【０００４】
上記構成を備えた放電管６０の放電電極部６８，６８間に、当該放電管６０の放電開始電圧以上の電圧が印加されると、トリガ放電膜７８，７８間の微小放電間隙７６に電界が集中し、これにより微小放電間隙７６に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部６８，６８間の放電間隙７２へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行するのである。
【０００５】
上記従来の放電管６０にあっては、放電電極部６８の表面に、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物の含有された被膜８０を形成したことにより、数ｍｓという短い間隔で動作させた場合や立ち上がり時間の早いサージ電圧が印加された場合においても、常に安定した放電開始電圧を得ることができる。
また、上記放電管６０にあっては、放電回数が約２００万回となっても放電開始電圧に大きな変化はなく、放電管６０の長寿命化を図ることもできる。
【特許文献１】
特開２００３−７４２０号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、放電管６０の放電電極部６８の表面に、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物の含有された被膜８０を形成することにより、比較的長寿命な放電管を実現することが可能である。
しかしながら、上記従来の放電管６０の寿命特性も必ずしも満足の得られる水準とはいえず、更なる長寿命な放電管の出現が望まれていた。
【０００７】
本発明は、上記要請に応えるためになされたものであり、その目的とするところは、寿命特性を向上させることができる放電管の実現にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、気密外囲器内に封入する放電ガスの組成材料について種々検討を試みた結果、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいＫｒ（クリプトン）が放電管の寿命特性の向上に極めて効果的であることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明に係る放電管は、気密外囲器内に複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、上記気密外囲器内に、Ｋｒを含有した放電ガスを封入したことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る放電管にあっては、気密外囲器内に、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいＫｒを含有した放電ガスを封入したことにより、放電電極のスパッタによる消耗を抑制でき、放電管の寿命特性を向上させることができる。これは、以下の理由等によるものと考えられる。
すなわち、放電管の陰極側の放電電極は、放電生成時に常に陽イオンの衝撃を受けることによりスパッタされ、その結果、陰極側の放電電極の電極材料が原子状態で飛散して、放電電極や気密外囲器の内壁に付着して黒化させ、これが、表面漏れ電流や気密外囲器の内壁電位を変化させて、放電管の寿命を短くするのである。
しかしながら、Ｋｒは原子量が大きいため、放電生成時に電離したＫｒイオンが陰極側の放電電極に向かう際の加速度が小さく、Ｋｒイオンの移動速度が遅いことから、移動中にＫｒイオンが基底状態に戻ったり、他の分子と衝突して熱エネルギーに変換される等するため、陰極側の放電電極に与える衝撃が小さくなり、放電電極のスパッタによる消耗が抑制されると考えられる。
また、Ｋｒは熱伝導率が小さいことから、Ｋｒイオンが放電電極に衝突した際に、熱が放電電極に伝導しにくいため、放電電極の熱による溶融が生じにくいものである。従って、放電ガスにＫｒを含有すれば、放電生成時に、Ｋｒイオンが放電電極に衝突しても、放電電極が溶融して飛散するスパッタが抑制されると考えられるのである。
【００１０】
上記放電ガスを、ＫｒとＨ_２の混合ガスで構成しても良い。このように、放電ガスを、ＫｒとＨ_２の混合ガスで構成すれば、原子量が小さく、負極性ガスであるＨ_２により、放電遅れの防止や、放電が持続する続流現象防止に効果がある。
【００１１】
また、上記放電ガスを、ＫｒとＡｒの混合ガスで構成しても良い。このように、放電ガスを、ＫｒとＡｒの混合ガスで構成すれば、原子量の小さいＡｒにより、放電遅れの防止に効果がある。
【００１２】
さらに、上記放電ガスを、ＫｒとＮｅの混合ガスで構成しても良い。このように、放電ガスを、ＫｒとＮｅの混合ガスで構成すれば、放電開始電圧の低下作用を有するＮｅにより、放電生成が容易になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る放電管１０は、図１に示すように、両端が開口したセラミック等の絶縁材よりなる円筒状のケース部材１２の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材１４，１４で気密に閉塞することによって気密外囲器１６を形成してなる。
【００１４】
上記蓋部材１４は、気密外囲器１６の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部１８と、ケース部材１２の端面に接する接合部２０を備えており、両蓋部材１４，１４の放電電極部１８，１８間には、所定の放電間隙２２が形成されている。
また、上記ケース部材１２の内壁面２４には、その両端が、放電電極を兼ねた上記蓋部材１４，１４と微小放電間隙２６を隔てて対向配置された線状のトリガ放電膜２８が複数形成されている。該トリガ放電膜２８は、カーボン系材料等の導電性材料で構成されている。
【００１５】
上記放電電極部１８の表面には、アルカリヨウ化物が含有された絶縁性の被膜３０が形成されている。この被膜３０は、ヨウ化カリウム（ＫＩ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、ヨウ化ルビジウム（ＲｂＩ）等のアルカリヨウ化物の単体又は混合物を、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーに添加したものを、放電電極部１８表面に塗布することによって形成することができる。
この場合、アルカリヨウ化物の単体又は混合物が０．０１〜７０重量％、バインダーが９９．９９〜３０重量％の配合割合で混合される。また、バインダー中の珪酸ナトリウム溶液と純水との配合割合は、珪酸ナトリウム溶液が０．０１〜７０重量％、純水が９９．９９〜３０重量％となされる。
【００１６】
また、上記被膜３０中に、臭化セシウム（ＣｓＢｒ）、臭化ルビジウム（ＲｂＢｒ）、臭化ニッケル（ＮｉＢｒ_２）、臭化インジウム（ＩｎＢｒ_３）、臭化コバルト（ＣｏＢｒ_２）、臭化鉄（ＦｅＢｒ_２、ＦｅＢｒ_３）等の臭化物の１種類以上を添加すると、より一層、放電管１０の放電開始電圧の安定化を図ることができる。
尚、塩化バリウム（ＢａＣｌ）、フッ化バリウム（ＢａＦ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、塩化イットリウム（ＹＣｌ_２）、フッ化イットリウム（ＹＦ_３）、モリブデン酸カリウム（Ｋ_２ＭｏＯ_４）、タングステン酸カリウム（Ｋ_２ＷＯ_４）、クロム酸セシウム（Ｃｓ_２ＣｒＯ_４）、酸化プラセオジウム（Ｐｒ_６Ｏ_１１）、チタン酸カリウム（Ｋ_２Ｔｉ_４Ｏ_９）の１種類以上を、上記臭化物と共に、或いは上記臭化物以外に、上記被膜３０中に添加しても、放電管１０の放電開始電圧の安定化に寄与する。
これら物質は、上記アルカリヨウ化物の単体又は混合物とバインダーとの混合物中に、０．０１〜１０重量％の配合割合で添加される。
【００１７】
上記気密外囲器１６内には、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいＫｒ（クリプトン）を含有した放電ガスが封入されている。
放電ガスに、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいＫｒ（クリプトン）を含有せしめることにより、放電管１０の寿命特性を向上させることができる。これは、以下の理由等によるものと考えられる。
すなわち、陰極側の放電電極部１８は、放電生成時に常に陽イオンの衝撃を受けることによりスパッタされ、その結果、陰極側の放電電極部１８の電極材料が原子状態で飛散して、放電電極部１８や気密外囲器１６の内壁に付着して黒化させ、これが、表面漏れ電流や気密外囲器１６の内壁電位を変化させて、放電管の寿命を短くするのである。
しかしながら、Ｋｒは原子量が大きいため、放電生成時に電離したＫｒイオンが陰極側の放電電極部１８に向かう際の加速度が小さく、Ｋｒイオンの移動速度が遅いことから、移動中にＫｒイオンが基底状態に戻ったり、他の分子と衝突して熱エネルギーに変換される等するため、陰極側の放電電極部１８に与える衝撃が小さくなり、放電電極部１８のスパッタによる消耗が抑制されると考えられる。
また、Ｋｒは熱伝導率が小さいことから、Ｋｒイオンが放電電極部１８に衝突した際に、熱が放電電極部１８に伝導しにくいため、放電電極部１８の熱による溶融が生じにくいものである。従って、放電ガスにＫｒを含有すれば、放電生成時に、Ｋｒイオンが放電電極部１８に衝突しても、放電電極部１８が溶融して飛散するスパッタが抑制されると考えられるのである。
【００１８】
尚、放電ガスを原子量の大きいＫｒ単体で構成した場合には、長寿命となる反面、Ｋｒの移動速度が遅いことに起因する放電遅れの発生等、放電特性の低下をもたらすため、他のガスと混合して用いるのが望ましい。
例えば、放電ガスを、ＫｒとＨ_２の混合ガスで構成すれば、原子量が小さく、負極性ガスであるＨ_２により、放電遅れの防止や、放電が持続する続流現象防止に効果がある。
また、放電ガスを、ＫｒとＡｒの混合ガスで構成すれば、原子量の小さいＡｒにより、放電遅れの防止に効果がある。尚、ＫｒとＡｒの混合ガスに、さらに、Ｈ_２を混合しても良く、この場合、Ｈ_２により、より一層、応答性能を向上させることができると共に、続流現象防止に効果的である。
さらに、放電ガスを、ＫｒとＮｅの混合ガスで構成すれば、放電開始電圧の低下作用を有するＮｅにより、放電生成が容易になる。
放電ガスを、上記ＫｒとＨ_２の混合ガス、ＫｒとＮｅの混合ガス、ＫｒとＡｒの混合ガス、ＫｒとＡｒとＨ_２の３種類の混合ガスで構成する場合、Ｋｒは、３〜９５体積％の割合で混合するのが好ましい。
すなわち、Ｋｒの混合割合が３体積％未満の場合には、寿命特性の向上効果があまり得られず、一方、Ｋｒの混合割合が９５体積％を越えると放電特性の低下が大きくなるためである。
【００１９】
上記構成を備えた本発明の放電管１０にあっては、放電電極を兼ねた上記一対の蓋部材１４，１４間に、当該放電管１０の放電開始電圧以上の電圧が印加されると、トリガ放電膜２８の両端と蓋部材１４，１４間の微小放電間隙２６に電界が集中し、これにより微小放電間隙２６に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部１８，１８間の放電間隙２２へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行するのである。本発明の放電管１０においては、微小放電間隙２６に生ずる元来応答速度の速い沿面コロナ放電をトリガ放電として利用するものであるため、高い応答性を実現できるものである。
【００２０】
本発明の放電管１０のトリガ放電膜２８，２８は、放電電極を兼ねた蓋部材１４，１４と電気的に接続されていないため、微小放電間隙２６における過度な電界集中が抑制され、その結果、安定した放電開始電圧を得ることができる。
すなわち、従来の放電管６０のように、トリガ放電膜７８，７８が、放電電極を兼ねた蓋部材６４，６４と電気的に接続されていると、微小放電間隙７６における電界集中の度合が強いため電子が大量に放出され易いものの、放電毎の電子放出量が不安定となり易く、その結果、放電開始電圧の不安定化をもたらすことがあった。
これに対し、本発明の放電管１０にあっては、トリガ放電膜２８，２８が、放電電極を兼ねた蓋部材１４，１４と電気的に接続されていないため、微小放電間隙２６における電界集中の度合が弱く、電子の放出量は抑制されるものの、放電毎の電子放出量が安定し、その結果、安定した放電開始電圧を得ることができるのである。
【００２１】
上記した通り、本発明の放電管１０にあっては、気密外囲器１６内に、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいＫｒを含有した放電ガスを封入したことにより、放電電極部１８のスパッタによる消耗を抑制でき、従来の放電管６０に比べて、寿命特性を向上させることができる。
本発明者は、図２乃至図５に示すように、放電開始電圧が８００Ｖに設定されている本発明の放電管１０と従来の放電管６０に関して、放電回数と放電開始電圧との関係について実験を行った。
すなわち、図２は、放電ガスをＫｒ単体（１００体積％）で構成した本発明の放電管１０と、放電ガスをＡｒ、Ｎｅ及びＨ_２の混合ガスで構成した従来の放電管６０における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
また、図３は、放電ガスを、Ｋｒ（２０体積％）とＡｒ（８０体積％）の混合ガスで構成した本発明の放電管１０と、放電ガスをＡｒ、Ｎｅ及びＨ_２の混合ガスで構成した従来の放電管６０における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
図４は、放電ガスを、Ｋｒ（１０体積％）とＡｒ（９０体積％）の混合ガスで構成した本発明の放電管１０と、放電ガスをＡｒ、Ｎｅ及びＨ_２の混合ガスで構成した従来の放電管６０における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
図５は、放電ガスを、Ｋｒ（５体積％）とＡｒ（９５体積％）の混合ガスで構成した本発明の放電管１０と、放電ガスをＡｒ、Ｎｅ及びＨ_２の混合ガスで構成した従来の放電管６０における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【００２２】
図２乃至図５の実験結果に示される通り、従来の放電管６０の場合には、放電回数が約２００万回を越えた付近から放電開始電圧が大きく変動して使用できなくなるのに対し、本発明の放電管１０の場合には、放電回数が約１０００万回となっても放電開始電圧は安定していた。このように、Ｋｒを含有した放電ガスを用いることにより、放電管１０の長寿命化が実現されるのである。
尚、放電ガス中のＫｒの割合が１００体積％の場合も、５体積％の場合も、放電管１０の寿命特性に殆ど変化はなく、従って、放電ガス中に含有されるＫｒの割合が小さくても十分な寿命特性の向上効果を得ることができる。
【００２３】
また、本発明の放電管１０にあっては、放電電極部１８の表面に、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物の含有された被膜３０を形成したので、当該放電管１０をスイッチングスパークギャップとして使用した場合、図示しないコンデンサからの高電圧パルス（数百Ｈｚ以上）を受けて、数ｍｓという短い間隔で常に一定の放電開始電圧で安定的に動作することが可能になる。
【００２４】
さらに、本発明の放電管１０をガスアレスタとして使用した場合、立ち上がり時間の早いサージ電圧が印加された場合であっても、その放電開始電圧に変動を生じる、いわゆる放電開始電圧の「ゆらぎ」を生じにくく、一定の放電開始電圧で安定的に動作することが可能である。
すなわち、放電開始電圧の「ゆらぎ」現象は、サージ電圧が放電管１０に印加された際に、放電の種火としての初期電子やイオンが、放電ガス分子に衝突してこれをイオンと電子に電離させるα効果、電離されたイオンが放電電極部１８表面の被膜３０に衝突して二次電子を放出させる二次電子放出作用（γ効果）が安定的に行われないことから生じる現象である。
しかしながら、本発明にあっては、上記被膜３０に含有されたアルカリヨウ化物が放電ガス分子をイオン化させ易い性質を有しているため、気密外囲器１６内には多量のイオンが存在し、この結果、安定したα効果及び二次電子放出作用（γ効果）を示すことから、放電開始電圧の「ゆらぎ」を生じにくいものとなっているのである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係る放電管にあっては、気密外囲器内に、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいＫｒを含有した放電ガスを封入したことにより、放電電極のスパッタによる消耗を抑制でき、放電管の寿命特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放電管を示す断面図である。
【図２】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図６】従来の放電管を示す断面図である。
【符号の説明】
１０放電管
１２ケース部材
１４蓋部材
１６気密外囲器
１８放電電極部
２２放電間隙
２６微小放電間隙
２８トリガ放電膜
３０被膜

Claims

気密外囲器内に複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、上記気密外囲器内に、Ｋｒを含有した放電ガスを封入したことを特徴とする放電管。
上記放電ガスを、ＫｒとＨ_２の混合ガスで構成したことを特徴とする請求項１に記載の放電管。
上記放電ガスを、ＫｒとＡｒの混合ガスで構成したことを特徴とする請求項１に記載の放電管。
上記放電ガスを、ＫｒとＮｅの混合ガスで構成したことを特徴とする請求項１に記載の放電管。