JP2005515626A - 過電圧アレスタ - Google Patents

Abstract

本発明は、過電圧アレスタ及び過電圧アレスタ用の圧力緩和部材に関するものである。本発明は、コアを具える過電圧アレスタを提供するものであり、コアは、少なくとも１個のバリスタブロック１及び２個のターミナルブロックを含む複数のブロックを有する。コアに少なくとも１個の圧力緩和部材１１を形成し、圧力緩和部材１１がコアの内側からコアの周囲まで通じる通路１３を有するようにし、通路により、高度にイオン化された熱ガスをコア内部から径方向に外側に放出させる。コアは外側ハウジング７により包囲する。

Description

本発明は、好ましくは金属酸化物のバリスタブロックを有する過電圧アレスタ、及びこのような過電圧アレスタ用の圧力緩和部材に関するものである。

欧州特許出願公開第0233022 号明細書には、ターミナルブロック、バリスタブロック及び任意ではあるがヒートシンクブロック／スペーサブロックのスタックを有するコアと、このコアを包囲するカプセル封止体と、絶縁かさを設けたプラスチック外側ハウジングとを具える一般的な種類の過電圧アレスタが開示されている。バリスタブロックと、ターミナルブロックと、任意に設けるヒートシンクブロック／スペーサブロックとは、互いに対面して接触させ、例えば接着性の結合により互いに固着する。

過電圧アレスタは、通常、雷などによる過電圧から電力供給ネットワークを保護するために設けられる。

バリスタブロックは、焼結セラミックから形成した円筒状ブロック、いわゆる金属酸化物バリスタ、特には酸化亜鉛バリスタとするのが好ましい。バリスタ（variable resistor）の用語は、非線形抵抗の技術用語として知られている。酸化亜鉛バリスタは、導電性のクリスタライト又は「粒」と、粒界にポテンシャル障壁とを具えるｎ型にドープした酸化亜鉛セラミックを有する。特定の電圧、即ち「バリスタ電圧」Ｕ₀ までは、ポテンシャル障壁により電子の移動が妨げられ、粒界にわたってのみ電圧が大きく降下するため、バリスタブロックの抵抗は高い状態になる。粒界あたりの電圧が約３．７ボルトより大きくなると、「熱い」端電子及び正孔が加わることによりポテンシャル障壁が崩壊し、セラミックバリスタブロックは導電性となる。バリスタ電圧は、電極間の粒界の数、即ち粒子の厚さ及び大きさに依存する。ＡＣ（交流）電圧操作の場合にバリスタ電圧より低い電圧だと、このような酸化亜鉛バリスタブロックは、粒界のキャパシタンスのためにキャパシタのように振る舞う。このキャパシタンスが大きくなるほど、Ｕ₀ は小さくなる。電流／電圧特性は、バリスタ電圧より僅かに低いＭΩ範囲及びバリスタ電圧より僅かに大きいｍΩ範囲において異なる抵抗値を有する著しく非線形のものになる。

例えば雷により過電圧アレスタが過負荷状態になると、バリスタブロック内のいわゆるアークチャンネルにおいて高度にイオン化されたガスが発生し、圧力が高くなる。その結果、過電圧アレスタの全体が爆発的に破裂しバラバラになるおそれがある。

このような危険に対処するため、上述した欧州特許出願公開第0233022 号明細書の過電圧アレスタでは、カプセル封止体をガラス繊維強化プラスチック材料から形成し、これをブロックの外周に固定して設けブロックとベーク又は結合してある。このようにして高い内部圧力に耐える剛性の構造体を形成している。

しかし、このような剛性の構造体は、現在の要求を満足するものではなく、特に、極端な応力があった場合には依然として過電圧アレスタが爆発的に破壊され、さらに周囲に重大な損害を及ぼすおそれがあることが実際に示されている。

そこで、ドイツ国特許出願公開第3426054 号明細書では、バリスタブロックと、ターミナルブロックと、任意に設けるヒートシンクブロック／スペーサブロックとの間に、望ましい破断点として作用する薄肉のアルミニウム円盤を設けることが開示されている。短絡した場合には、バリスタブロックと（接触円盤と称される）アルミニウム円盤との継ぎ目においてコアが破裂し、高度にイオン化されたガスが半径方向に外側に向かって放出され、カプセル封止体及びプラスチック外側ハウジングを突き抜け、外部短絡を開始する。このようにして、爆発により過電圧アレスタが完全に破壊されることを防止している。これら望ましい破断点におけるコアの可撓性を維持するために、同ドイツ国出願公開第3426054 号明細書では、カプセル封止体とコアとの間に熱伝導性のペーストを被着させることが開示されている。

本発明の出願人によるドイツ国出願公開第19927940号明細書では、付加的な接着性細条をアルミニウム接触円盤の領域においてコアの周囲に設け、カプセル封止体のガラス繊維材料が細条にベーク又は結合しないようにして、少なくともこの部分において所望の破断点が存在するようにすることを開示している。

上述した解決方法は、約５ｋＡの低い要求短絡電流用の約３０ｍｍの小さい直径を有する過電圧アレスタの場合には満足に機能する。しかし、約１０ｋＡの高い要求短絡電流用の例えば５０ｍｍのより大きな直径を有する過電圧アレスタの場合には、過電圧アレスタが過負荷により爆発するおそれが増す。直径及び接触圧が大きいことによりバリスタブロック間での圧力の緩和がゆっくりとしか進まないため、コアの中央の圧力が上昇してしまう。従って、望ましい破断点を設けているにも拘わらず、過電圧アレスタの全体が爆発的に破裂しバラバラになるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、この問題点を解決する上述した種類の過電圧アレスタを提供するにある。

この目的は、特許請求の範囲の独立項に記載した発明により達成する。特許請求の範囲の従属項は、本発明の他の有利な実施例に関するものである。

特に、この目的は、一方の側を起点とするくし状のスロットを具えた平坦な円盤の形態を有する、過電圧アレスタ用の圧力緩和部材により達成する。

さらに、この目的は、過電圧アレスタの長さ方向の面に直交する面に１個又は一連のスロットを設けたコアを有する過電圧アレスタにより達成する。

本発明による過電圧アレスタには、
１個又はそれ以上のバリスタブロックを有するコアと、
このコアを包囲する外側ハウジングと、
コアの内側からコアの周囲まで通じる少なくとも１個のガス用の通路を有する圧力緩和部材と
を設ける。

本発明による過電圧アレスタ用の圧力緩和部材は、円盤の形態として、円盤の内側からその周囲まで通じるガス用の通路を設けることができる。

本発明は、添付の図面に関連した以下の好適例の詳細な説明によりより明らかなものとなるだろう。
本発明による過電圧アレスタの実施例を図１に示す。この過電圧アレスタは、対向する端部に２個のターミナルブロック２がある。これらターミナルブロック２の間に、バリスタブロック１と、任意に設けるヒートシンク／スペーサブロック（図示せず）とのスタックを設ける。

少なくとも２つのブロック１及び３の間に圧力緩和部材１１を設けるが、以下にこの圧力緩和部材について詳細に説明する。複数の圧力緩和部材を過電圧アレスタの長さ全体に亘って分散して設けることができる。

２個のブロックが対面して接触する点か、或いは圧力緩和部材１１の領域において、コアの周囲にプラスチック細条１５を巻装する。

プラスチック細条１５を具えたコアをカプセル封止体５に収容する。好適例では、カプセル封止体５は、予め含浸した材料、例えばプレプレグシート又はマットによりプラスチック細条１５を具えたコアの周囲を覆い、比較的高い温度でコアと結合させるか又はベークすることにより形成する。プレプレグとは、ガラス繊維強化プラスチック材料の総称である。プレプレグは、強化材料をできる限り精密にレジンマトリクスに結合させ得る方法の一つである。さらに、この技術により、最も強度が高く良好なマトリクス系を、現在ポリマー複合コンポーネントにおいて利用されているあらゆる種類のファイバと組み合わせることができる。

プレプレグをコアの周囲に巻き付けた後、このように製造した「モジュール」を炉で加熱し、プレプレグのプラスチック材料が液化してコアのブロックの外側領域と結合又はベークするようにする。プラスチック細条１５は、プレプレグがプラスチック細条１５とベークしないようなものを選択する。さらに、プラスチック細条１５は、加熱中に液化したプレプレグのプラスチックが、製造中にバリスタブロック１、ターミナルブロック２及びヒートシンク／スペーサブロックの間の空間に、或いは圧力緩和部材１１内に浸入することを防止する。

モジュール全体を、絶縁かさ９を成形してある、或いは絶縁かさ９を後で装着する外側ハウジング７に導入する。この外側ハウジング７は、例えば、ドイツ国実用新案登録出願公開第7531935 号明細書又は英国特許出願公開第2073965 号明細書に開示されているような熱収縮材料から形成することができる。

これらの熱収縮材料の代わりに、外側ハウジング７は、カプセル封止体５に対する応力を機械的に緩和しうる又は緩和したエラストマー材料から形成することもできる。他の代案として、外側ハウジング７は、その場で鋳型又は射出成型することにより設けることもできる。

図２及び３は、本発明の過電圧アレスタの圧力緩和部材１１を詳細に示す。図３から最もよく分かるように、好適例では、圧力緩和部材１１は平坦な円盤１１′、例えば厚さ２ｍｍのアルミニウム円盤とする。円盤１１′はバリスタブロック１と同じ直径で同じ外形であるが、これよりかなり薄くなっている。円盤１１′には、くし状のカットアウト又は切除部１３を設け、これらが互いに平行に延在し一方で開口するようにする。これらカットアウトは、円盤の内側からその周囲に通じる通路を形成する。

くし状カットアウトの数及び幅は、圧力緩和部材に平面的に隣接する２個のブロックの電気的接続が良好であり、且つコアの内側で発生するガスの圧力が充分良好に分散される限り本発明には関係のないものである。

図４は、本発明による過電圧アレスタのプラスチック細条１５及びカプセル封止体５を具えるコアの縦断面を示すもので、図面は、２個のバリスタブロック１が、円盤１１′の形態の圧力緩和部材１１を介在させてどのようにコアに包含されているかを詳細に示すものである。

図５は、図４の面に直交する平面における圧力緩和部材１１の断面図を示す。
圧力緩和部材１１の作用を以下に簡単に説明する。

過電圧アレスタが過負荷になった場合には、バリスタブロック１の内側で高度にイオン化したガスが発生し内側の圧力が大きくなる。このガスは、圧力緩和部材１１のくし状カットアウト１３を通じて外方に放出され、プラスチック細条１５、カプセル封止体５及び隣接する外側ハウジング７を突き破り、その結果コアの圧力が緩和される。さらに、この高度にイオン化した熱ガスにより、２個のターミナルブロック３の間における外部短絡が始まる。このことにより、内側でさらにガスが発生するのが妨げられ、過電圧アレスタが爆発的に破裂してばらばらになるのが防止される。プラスチック細条１５は剛性のカプセル封止体５にベーク又は結合していないので、プラスチック１５細条により、圧力緩和部材１１の領域におけるコアに必要な可撓性が確保される。このようなプラスチック細条は３Ｍ社から市販されており、また、テフロン（登録商標）細条を用いることもできる。

例えば高電圧領域において使用する場合のように、過電圧アレスタの長さを比較的長くするのであれば、過電圧アレスタの長さ全体に亘って複数の圧力緩和部材１１を分散して装着するのが好ましい。この場合には、全ての圧力緩和部材１１のくし状カットアウト１３を互いにほぼ平行に指向させる。

他の代案的実施例では、バリスタブロック１自体に、過電圧アレスタの長さ方向に対して垂直な面で孔又はカットアウトを延在させることにより圧力緩和を行うことができる。例として、バリスタブロック１の円形端面にくし状カットアウトを設けることができる。

しかし、この構成とした場合には、発生したガス内容物で過電圧アレスタの通常動作の間に発光又は噴出が起こることを防止するために、例えばカットアウト１３又は通路の表面をアルミニウムにより被覆することにより、これらガス内容物を電気的に短絡させるのが好ましい。

好適例においては、プレプレグ材料から形成したカプセル封止体５を、バリスタブロック１と、ターミナルブロック３と、ヒートシンクブロック／スペーサブロックと、圧力緩和部材１１とを具えるコアの全体に巻装するが、例えば焼嵌めスリーブ又は他の予形成プラスチック管の形態の他のコア用プラスチックカプセル封止体５を使用して、この中にコアを収容し埋設することもできる。

さらに、コアの隣接するブロック間に、例えばアルミニウムから形成した既知の接触円盤を存在させることができる。

本明細書では、圧力緩和部材１１を、スパークギャップのない過電圧アレスタに関連して説明したが、圧力緩和部材は、バリスタブロック１のスタックに加えてスパークギャップをも有する過電圧アレスタに用いることもできる。他の非線形ブロック、例えば通常の炭化シリコンのバリスタブロックを、酸化亜鉛のバリスタブロックの代わりに用いることもできる。

好適例の圧力緩和部材１１は、くし状カットアウトを具えるアルミニウム円盤１１′として構成している。しかし、例えば星状カットアウト等の他の形態とすることもできる。この場合に重要なことは、コアの内側から周辺まで通じる通路を形成するとともに、隣接するブロックの電気接触を良好なものとすることである。通路１３をコアの周辺まで完全に開いたものとしないで、内部で圧力が生じた際に開く薄肉の封止エッジを設けることもできる。この点について、コアの内部からコアの周辺まで通じるガス用通路とは、所定の圧力又は所定の温度を超えた際にのみ開く通路をも意味することは明らかである。

本発明の好適例を図面を参照して説明したが、これは単なる例にすぎず本発明を限定するものでないことを当業者は理解するであろう。上記説明から当業者に明らかな様々な変形例は本発明の保護範囲に含まれるものである。例として、バリスタブロック１のスタックを１個とする代わりに、外側ハウジング７内に２個の平行に配置したスタックを収容することもでき、このとき、それぞれの場合について圧力緩和部材１１のくし状カットアウトは外側に向けるようにする。

プラスチック細条１５、カプセル封止体５及び外側ハウジング７に加えて、過電圧アレスタに、他の層を、例えばカプセル封止体５と外側ハウジング７との間の接着層の形態で設けることができる。コアに対する外側ハウジング７の熱絶縁のため、又はコアからの熱の分散のため、或いはこれらの双方のために追加の層を採用することもできる。

本発明の圧力緩和部材１１は、磁器ハウジングを有する過電圧アレスタに関連して使用することもでき、この場合には、コアと磁器ハウジングとの間に、過電圧アレスタの長手方向に連続するエアギャップを設けて、このギャップ内にコアから熱プラズマを発生させる。さらにこの場合には、熱プラズマが外側に通過可能な薄膜又は破裂可能円盤を磁器セラミックハウジングの２個の端部に設けるのが有利である。

図示した本発明の実施例では、コアの隣接するブロックの接合部、又は圧力緩和部材にプラスチック細条１５を設けたが、本発明はこれに限定されるものではない。代案として、例えばコア全体をこのような接着性細条により包囲することもできるし、或いは過電圧アレスタの製造の際にカプセル封止体５の液体プラスチック材料がコアのブロックと圧力緩和部材１１との間に流れるおそれがなければ、接着性細条を完全に省略することもできる。

さらに、カプセル封止体５及び外側ハウジング７の双方又はいずれか一方には、圧力緩和部材１１に相当する位置に、付加的な望ましい破断点、例えば穿孔又は部分穿孔を設けることもできる。

他の代案として、カプセル封止体５を介在させることなく外側ハウジング７を直接コアに取り付ける。

図１は、本発明による圧力緩和部材を有する過電圧アレスタを示す線図である。 図２は、圧力緩和部材の側面図である。 図３は、圧力緩和部材の平面図である。 図４は、取り付けた状態の圧力緩和部材を示す線図である。 図５は、圧力緩和部材の面における過電圧アレスタの断面図である。

Claims (13)

1. １個又はそれ以上のバリスタブロック（１）を有するコアと、
   このコアを包囲する外側ハウジング（７）と
   を有する過電圧アレスタにおいて、
   前記コアの内側からコアの周囲まで通じる少なくとも１個のガス用の通路（１３）を具える圧力緩和部材を有することを特徴とする過電圧アレスタ。
2. 前記圧力緩和部材を、導電性円盤（１１）の形態で構成し、この円盤が一方の側を起点とするくし状のカットアウト（１３）を有する請求項１に記載の過電圧アレスタ。
3. 前記過電圧アレスタが、その長さ方向全体に亘って分布させた複数の前記圧力緩和部材（１１）を有しており、これら圧力緩和部材の出口開口を全て同じ方向に指向させた請求項１又は２に記載の過電圧アレスタ。
4. 前記過電圧アレスタの外側ハウジング（７）に亘って外部短絡が効率的に開始され得るように、前記圧力緩和部材の数を、過電圧アレスタの必要とされる短絡強さに基づいて選択した請求項１乃至３のいずれか一項に記載の過電圧アレスタ。
5. 前記圧力緩和部材の通路（１３）の寸法を、前記コアを包囲するカプセル封止体（５）及び前記外側ハウジング（７）の双方又はいずれか一方が容易に破裂できるような大きさとする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の過電圧アレスタ。
6. 前記圧力緩和部材の前記通路（１３）に相当するように、前記カプセル封止体（５）又は前記外側ハウジング（７）に所望の破断点を形成する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の過電圧アレスタ。
7. コアの２個のブロック間の少なくとも１個の移行部分に設けた、導電性の円盤（１１′）の形態で構成した圧力緩和部材と、
   前記圧力緩和部材において前記移行領域の周囲を覆ったプラスチック細条（１５）と、
   前記コア及び前記粘着性のプラスチック細条（１５）の周囲に巻装し且つ前記コアのブロックとともにベークした、ガラス繊維強化プラスチック材料からなるカプセル封止体（５）と、
   前記カプセル封止体（５）に対する応力を緩和する機械的応力緩和エラストマー材料から形成した外側ハウジング（７）と、
   前記外側ハウジング（７）に装着した絶縁かさ（９）と
   を有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の過電圧アレスタ。
8. 円盤（１１′）の形態で構成してあり、この円盤の内側からその周囲まで通じるガス用通路を有することを特徴とする過電圧アレスタ用の圧力緩和部材。
9. 前記円盤（１１′）をバリスタブロック（１）の輪郭に対応するような大きさとした請求項８に記載の圧力緩和部材。
10. 前記円盤（１１′）が、くし状の複数の平行な通路を有する請求項８又は９に記載の圧力緩和部材。
11. 前記円盤（１１′）が、星状の複数の平行な通路を有する請求項８又は９に記載の圧力緩和部材。
12. 前記円盤（１１′）を導電性材料から形成した請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の圧力緩和部材。
13. 前記円盤（１１′）をアルミニウムから形成した請求項１２に記載の圧力緩和部材。

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