JP2016506045A - スパークギャップ装置及びその保護方法 - Google Patents

Abstract

放電チャンバ（６）と、電極ヘッド（４）と、放電チャンバ（６）の外部に配置された接触子（９）とを備えるスパークギャップ装置において、電極ヘッド（４）は、接触子（９）がその位置から離され、又は接触子（９）が所定の位置に到達すると導電接続が切断されると共に接触子（９）から機械的に分離され、電極ヘッド（４）が放電チャンバ内に向けて、及び／又は放電チャンバ（６）内で移動可能となるようにした電気接続及び機械連結構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、不所望の操作に対する保護機能を有するスパークギャップ装置に関する。

従来技術

スパークギャップ装置は幅広く使用されている。その一実施形態はトリガ可能なスパークギャップ、いわゆる「トリガスパークギャップ」である。トリガスパークギャップは通常少なくとも２つの主電極と１つのトリガ電極とを有する。例えばこれらの電極はガスの充填された空間に配置される。トリガ電極に適切なトリガ電圧が印加されることにより、トリガ電極と主電極の内の１つとの間のスパークギャップが点火される。

この際、例えばガスの充填された空間においてイオン化されたギャップが生成され、それによってトリガ電極と主電極の内の１つとの間に電流が流れる。トリガ電極の点火手段によって２つの主電極の間に更に導電経路が形成され、これによって主電極間に電流が流れるようになる。

このようなトリガ可能なスパークギャップは、例えば、サージ避雷器として使用することができる。他の利用可能なアプリケーションとしては、例えば、目標値を定めた高電圧導通がある。

従来のトリガ可能なスパークギャップにおいて、この主電極間の導通は、トリガパルスをトリガ電極に印加することによって直接引き起こされる。

ガス充填トリガスパークギャップの典型的な遅延時間、いわゆるディレイタイムは1μs以下の範囲とすることができる。この場合に遅延時間は、自己降伏電圧（ＳＢＶ）に関連する、主電極に対する発電機電圧の電圧値に依存する。発電機電圧が低下すると遅延時間は増大する。また、遅延時間はトリガ電圧値にも依存する。トリガ電圧が低下すると遅延時間は増大する。これらのパラメータを調整すれば、遅延時間を一定レベルに設定することができる。

いくつかのアプリケーションにおいては、大きな遅延時間が望ましい。典型的な値は15 μsを超える遅延時間である。尚、ガス充填トリガスパークギャップは、その使用時又は出荷時に、電流500A以上および遅延時間15 μs以下に制限される。

遅延時間は、ある程度までは上述したように調整することができるが、例えばガス充填トリガスパークギャップにおいて、15 μsという、許容される高い閾値を超える点火遅れを達成するのは統計的に不可能である。むしろ、遅延時間の値は広い範囲内で分布し、1回の充電における遅延時間が15 μs未満となる場合も不可避である。従って、このような場合を想定して、トリガスパークギャップに点火遅延回路を設けることにより、トリガパルスと導通との間に所定の時間遅れを維持する。これにより、典型的な限界値15 μsを超える遅延時間の条件を満たすことができる。所望の最小遅延時間を厳守するためには、このようなスパークギャップを遅延時間の操作から保護しなければならない。特に点火遅延回路が無効にならないようにしなければならない。

この課題は、請求項１に記載する特徴を有するスパークギャップ装置によって解決される、すなわち、本発明は、放電チャンバと、電極ヘッドと、放電チャンバの外部に配置される接触子とを備えるスパークギャップ装置において、電極ヘッドは接触子と電気的に接続され、また接触子と機械的に結合されて、接触子がその位置から離れた際、又は接触子が所定の位置に到達した際に導電接続が切断され、電極ヘッドは接触子から機械的に分離されて放電チャンバ内に向かって、及び／又は放電チャンバ内で移動可能となる。放電チャンバはガス、例えば空気の充填された空間であり、この空間では放電又はスパークギャップを電極間で生成することができる。この空間は密封してもよい。放電チャンバは絶縁体及び／又は電極壁によって画定してもよい。

電極ヘッドは導電性部材であり、電極ヘッドでは、接続端子を介して供給される電流が放電チャンバ内の気体媒体内で伝達される。電極ヘッドは例えばトリガ電極をトリガスパークギャップ内に有することができる。電極ヘッドは隔離壁と共に放電チャンバを包囲してもよいし、又はその少なくとも一部又は全体が放電チャンバ内に延在してもよい。

接触子では電極ヘッドの励起と電力供給が行われる。例えば、点火遅延回路が接触子と接続される。このような接続は通常切断が不可能又は単に困難である。従って点火遅延回路を取り外す、又は操作しようとすると、接触子が元の位置から移動してしまう。このため電極ヘッドが電気的に切断され、これによって電圧、特にトリガパルスの印加が妨げられる、また、電極ヘッドは機械的に分離されて電極ヘッドがその位置から移動し、重力又はバネ力によって放電チャンバ内に落下することもある。元々内部にある電極ヘッドはその位置にもはや保持されず、放電チャンバ内に移動可能となる。何れの場合も電極ヘッドは例えば振動などにより、主電極と反対側の位置から離れ、スパークギャップ装置の機能に影響を与える。 放電チャンバ内の分離された電極ヘッドはもはや接触子に結合することができず、スパークギャップ装置の機能性は継続的に損なわれる。従って点火遅れが所定の値以下になるだけではなく、スパークギャップ装置全体の動作が妨げられる。

トリガスパークギャップであるスパークギャップ装置の通常の動作状態において、その機能は、トリガ電極における電極ヘッドのその通常の座（Sitz）が主電極に対して保持され、接触子および点火遅延回路への電気的接続が存在することによって保証される。

スパークギャップ装置の構成は、接触子を有する第１連結部と電極ヘッドを有する第２連結部とを含んでいる。第１連結部は第２連結部に対して移動する。接触子をその位置から離す又は接触子を所定の位置へ到達させることにより、電極ヘッドは接触子から機械的に確実に分離される。

継続的な機械的分離は、例えば乱暴な動作で発生するような接触子の僅かな動きですぐに発生するだけでなく、接触子が所定の位置に到達してもすぐに発生する。所定の位置とは、これによって第１連結部及び第２連結部が相互に離れ、機械的分離が継続的、又は不可逆的なものとなる、接触子の最小の位置変化である。

尚、電気的接続の切断および機械的接続の継続的な分離は必ずしも同時に起こるものではない。接触子が僅かでも撓めばすぐに電気的接続の切断は生じるが、継続的な機械的分離はまだ生じない。継続的な機械的分離は、接触子が所定の位置に到達してすぐ電気的切断が生じた後に発生する。

放電チャンバ内に向かって、又は放電チャンバ内で移動可能な分離された電極ヘッドは、分離後その元の位置を離れ、放電チャンバ内を重力によって移動し、スパークギャップ装置の動きの変化がもたらされる。これによって継続的な分離が可能になる。

動作中の動きや重力は、電極ヘッドをその配置されている位置からずらすのに十分である。

一実施形態において、電極ヘッドは磁気結合によって接触子と接続される。第１又は第２連結部は、そのための磁石を有することができる。有利には、磁石を第１連結部に設け、電極ヘッドを磁石の材料特性によってその位置に保持する。接触子がその位置又は第１連結部の第２連結部に対する所定の位置から離れると、磁石も電極ヘッドから離れる。この場合、電極ヘッドに対する磁気引力は、これをその位置にしっかりと保持するほど十分なものではない。スパークギャップ装置が高温にさらされる場合、電極ヘッドをそれ以上保持することができないように磁気を低減することができる。また、スパークギャップ装置の加速度を上げることによって磁気結合を緩めることができる。

一構成において、スパークギャップ装置はエジェクタ機構を有し、これは接触子がその位置から離れる際、又は接触子が所定の位置に到達する際にトリガされる。このエジェクタ機構は電極ヘッドを放電チャンバ内に向かって、又は放電チャンバ内で移動させるために適用される。

このエジェクタ機構は電極ヘッドをその元の位置から重力に反して、又は重力に対するその位置とは関係なく移動させることができる。重力、すなわち垂直方向の移動はエジェクタ機構によって支持され、これによって電極ヘッドを放電チャンバ内に押し込む際に、電極ヘッドの確実かつ継続的な分離が可能となる。この場合には、スパークギャップ装置のそれまでの適切な機能が中断され、スイッチのバックスペース操作によっても回復できなくなる。したがって、スパークギャップ装置は使用できなくなる。

このスパークギャップ装置により、機械特性及び磁気特性に基づいて電極ヘッドに力が作用し、これによって電極ヘッドは元の位置から移動する。このため、スパークギャップ装置の機能は、例えば、遅延時間電子機器をトリガスパークギャップから取り除くことによって接触子を操作しようとする場合、無効となる。

一構成において、エジェクタ機構はバネ素子を有し、これはラッチによってプリストレス状態に保持されている。エジェクタ機構を解放することによってバネ素子のラッチが解除され、電極ヘッドに作用するバネ力によって電極ヘッドはその位置から押される。バネ素子は、応力に負けてプリストレス状態から解放されると元の形状に戻り、弾性的なリセット挙動を行う部品である。

有利には、応力によって長さが変化する引張バネ又は圧縮バネを使用する。この例として、ヘリカル圧縮バネ又は板バネがある。

有利には、第１又は第２連結部は、中にバネ素子の配置されたガイドブッシュを有する。このようなガイドブッシュはその位置においてバネ素子をプリストレス状態に保持し、解除後、元へ戻るバネを電極ヘッドの方向へ、所望の態様で誘導することができる。ガイドブッシュは、例えばカップ状又はスリーブ状とすることができる。有利には、バネ素子はプリストレス状態で長さを低減させることのできるヘリカル圧縮バネである。これはガイドブッシュの内壁に隣接して配置させることができ、中心に、例えば磁石などの連結機構のさらなる部品のために領域を設けることができる。

ラッチは、バネ素子の戻りが阻止される位置からバネ素子の戻りが解放される位置に移動することができる。換言すれば、ラッチは伸張途上のバネを引き戻すように配置される。ここで、第１及び第２連結部は、ラッチの動きが先ず阻止され、そしてその位置から接触子が離れる、又は接触子が所定の位置に到達した場合のみに可動となるように連結される。

さらに、可動エジェクタを設けることができ、これはバネ素子と電極ヘッドの間に配置される。ラッチをこのエジェクタに係合してエジェクタの動きを阻止し、バネ素子をプリストレス状態に保持する。ラッチを緩めた後にバネ素子を解放することによってバネ素子は元の形状に戻り、これによってエジェクタが電極ヘッドの方向に移動し、その元の位置から押されて放電チャンバ内の電極ヘッドに当接する。

上述のラッチはボール又はペン、すなわち円筒状の素子を有することができる。

これらはガイドブッシュの凹部に配置される。保持手段はボール又はペンの、バネ素子の戻りが解放される位置における動きを阻止し、接触子がその位置から離れる、又は接触子が所定の位置に到達することにより、ボール又はペンが、バネ素子の戻りが解放される位置で保持手段から離れるようにする。このような保持手段は壁、カップ又はスリーブであってもよく、これらはボール又はペンが通常の動作において、バネ素子が解放されるように動作するのを防ぐ。接触子をその位置から離す、又は接触子を所定の位置へ到達させることによってのみ、 ボール又はペンをガイドブッシュと共にその元の位置から離すことができる。ボール又はペンがそれらをそれらの位置に押す保持手段から離れるとすぐに、バネ力がそれらを押しのけ、バネ素子を解放することができる。

上述した、操作からスパークギャップ装置を保護する方法は、接触子をその位置から離すステップと、導電接続を切断するステップと、電極ヘッドを接触子から機械的に分離するステップと、電極ヘッドを放電チャンバ内に向かって、及び／又は放電チャンバ内で移動させるステップとを含む。

有利な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。

スパークギャップ装置の一実施形態における要部断面図である。

以下、図面を参照しつつ、例示的な実施形態について本発明を説明する。図１は、スパークギャップ装置の実施形態における要部断面図である。スパークギャップ装置は、この場合はトリガスパークギャップであるが、断面で示す放電チャンバ６を備え、これは、例えば、放電チャンバ６の端側に配置させることのできる２つの主電極（図示せず）を有する。さらに電極として使用することのできるトリガヘッド３が主電極の間に設けられ、これは点火遅延回路（図示せず）を介して、接触子９によって駆動される。接触子９と点火遅延回路とは、有利には少なくとも相互に分離されにくいように接続される。接触子９は点火遅延回路と一体化することもできる。

スパークギャップ装置の断面は、第１連結部１及び第２連結部２を有する連結機構を示している。第２連結部２は、電極ヘッド４と、電極ヘッド４と接続する磁気結合５を有するトリガヘッド３とを備えている。電極ヘッド４とコネクタ５の材料は、それぞれの機能に対する材料の最適化が可能となるように異なるものであってもよい。あるいは、トリガヘッド３は磁石によって保持される金属と一体に形成してもよいし、又はそれ自身が磁性金属（図示せず）であってもよい。

電極ヘッド４は、放電チャンバ６の電気絶縁壁２０の凹部にその底面が同一平面になるように配置されている。

この凹部は、電極ヘッドを収容し、位置を固定するためのフレームとしての役割を果たす。代替実施形態では、放電チャンバ６に突出した電極ヘッド４、放電チャンバ内に配置された、又は壁２０から奥まったところにある電極ヘッド４（図示せず）を備えている。

電極ヘッド４の下には主放電ギャップ７が配置されており、それに沿って放電チャンバが走っている。

第１連結部１は接触子９を有し、これは円筒状の接続部１０内を通っている。あるいは接触子９及び接続部１０は２つの部品とすることができる。接続部１０内には凹部が設けられ、その中には、本実施形態における円筒状の磁石１１が配置されている。磁石１１とトリガヘッド３の間には磁気結合１２が設けられ、磁石１１および接続部１０、又はこれらのコンポーネントのうちの１つのみがトリガヘッド３と接触する。接触子９のような導電材料を有する接続部１０には、電極ヘッド４と接触子９の間に導電接続が通っている。あるいは、接続部１０と磁石１１を一体化してもよい。その他の形状も可能である。第１連結部１はさらに円錐状のガイドブッシュ８を有し、その端部から接触子９が突出している。ガイドブッシュ８の側壁は間隔をあけて接続部１０の周囲を走っている。ガイドブッシュ８と接続部１０又は接触子９と相互に接続されている。あるいは、接続部１０、接触子９（有無どちらでもよい）及びガイドブッシュ８を一つに製造する、すなわち一体化してもよい。

接続部１０とガイドブッシュ８の内壁との間にはバネ素子１３、この場合には圧縮バネが設けられている。バネ素子１３の下にはスリーブ状のエジェクタ１４が設けられており、これは接続部１０の周りを走り、バネ素子１３とトリガヘッド３の間に位置している。エジェクタスリーブ１４はバネ素子１３に対向するそのエッジにフランジ１５を有する。バネ素子１３はガイドブッシュ８の底部とフランジ１５との間に挟まれ、プリストレス状態にある。

ガイドブッシュ８のトリガヘッド３に対向する領域は外側を走るカップ１８に位置し、その底部を通って接続部１０の下部がコネクタトリガヘッド３へと走っている。ガイドブッシュ８の側壁は全体又は一部がカップ１８に到達している。あるいはスリーブ又は壁も可能である。カップ１８は電極ヘッド４用に凹部の形成された壁２０に接続され、ガイドブッシュ８及び離された電極ヘッド４はカップ１８に移動可能となる。

カップ１８に配置されたガイドブッシュ８のトリガヘッド３に対向する領域には凹部１７が設けられている。凹部１７によってフランジ１５の下のラッチはエジェクタスリーブ１４に移動することができる。この実施形態ではラッチとしてボール１６が設けられている。例えばカップの内壁とエジェクタスリーブの外壁との間の凹部に、２つのボール１６を互いに対向させて設けてもよい。３つ以上のボールを設けてもよいが、１つでも十分である。ボール１６のサイズは、ボールがカップの内壁にある場合、ガイドブッシュ８の内壁を越えて突出し、フランジ１５の下部と接触して電極ヘッド４の方向への動きを妨げるようなものを選択する。これによってエジェクタスリーブ１４及びプリストレスの与えられたバネ素子１３は適所に保持される。

バネ素子１３はガイドブッシュ８内に含まれており、ボール１６がカップ８によって適所に保持されている限り、ボールによるブロックを超えてその力が伝わらないようになっている。

第１連結部１は、例えば、フック、バネ又はスナップ接続などの保持手段１９によって、例えばガイドブッシュ８に結合させることができ、スパークギャップ装置において通常の動作中その位置に保持される。保持手段１９は、接触子９の少しの操作、例えばそれに固定されている遅延回路（図示せず）を取り外そうとするだけでガイドブッシュ８を移動させ、これによって電極ヘッド４が分離される。

例えば上述の様な連結機構では、スパークギャップ装置の通常動作モードにおいて、主電極に対する電極ヘッド４の位置が維持され、接触子９への導電接続が保持されることによってその適切な機能性が可能となる。これは電極ヘッド４が磁気結合１２によって接触子９と結合されることによって実現される。接触子９に、スイッチとして使用されるスパークギャップ装置の後ろの領域から、遅延時間回路を介して、トリガ電圧及びトリガ電流の供給を行うことができる。

ガイドブッシュ８および接続部１０を例えば操作しようとして電極ヘッド４から離すと、先ず電極ヘッド４への磁気結合１２が切断され、ガイドブッシュ８及び接触子９、ならびに内部に磁石１１の備わった接続部１０が電極ヘッド４から離される。ガイドブッシュ８をカップ１８からさらに後退させることにより、ボール１６はバネ力の作用するフランジ１５によって外側に寄り、バネの搭載されたエジェクタスリーブ１４は解放される。エジェクタスリーブ１４はトリガ電極の電極ヘッド４を、重力に逆らって、主放電ギャップ７内又は放電チャンバ内に押し入れる。これによって機械的分離が継続的に生じ、スパークギャップ装置の機能が阻止される。電極ヘッド４への電気的及び機械的接触の切断は、接触子９及びそれによる遅延回路への電力供給が操作される、又は遅延回路が除去される場合に発生する。電極ヘッド４への磁気引力はこれを保持するのに十分でなくなる。さらにバネ力は電極ヘッド４が放電チャンバ６内を移動するように作用する。そうすることによってスパークギャップ装置の機能は継続的に妨げられる。

尚、構成及び実施形態に記載した特徴を組み合わせてもよい。

１ 第１連結部
２ 第２連結部
３ トリガヘッド
４ 電極ヘッド
５ 保持領域
６ 放電チャンバ
７ 主放電ギャップ
８ ガイドブッシュ
９ 接触子
10 接続部
11 磁石
12 磁気結合
13 バネ素子
14 エジェクタスリーブ
15 フランジ
16 ボール
17 凹部
18 カップ
19 保持素子
20 壁

Claims (13)

1. 放電チャンバ（６）と、電極ヘッド（４）と、前記放電チャンバ（６）の外部に配置された接触子（９）とを備えるスパークギャップ装置であって、前記電極ヘッド（４）は前記接触子（９）に対して導電接続されると共に機械的にも結合され、前記接触子（９）をその位置から離し、又は前記接触子（９）を所定の位置へ到達させることによって導電接続が切断されると共に前記電極ヘッド（４）が前記接触子（９）から機械的に分離され、前記電極ヘッド（４）が前記放電チャンバ内に向けて、及び／又は前記放電チャンバ（６）内で移動可能となるスパークギャップ装置。
2. 請求項１に記載のスパークギャップ装置において、前記接触子（９）を有する第１連結部（１）と、前記電極ヘッド（４）を有する第２連結部（２）とを含む連結機構をさらに備え、前記第１連結部（１）は前記第２連結部（２）に対して移動可能であり、前記接触子（９）をその位置から離し、又は前記接触子（９）を所定の位置へ到達させることにより、前記電極ヘッド（４）が前記接触子（９）から機械的に継続して分離されるスパークギャップ装置。
3. 請求項１又は２に記載のスパークギャップ装置において、前記電極ヘッド（４）は磁気結合（１２）によって前記接触子（９）と結合されるスパークギャップ装置。
4. 請求項３に記載のスパークギャップ装置において、前記第１及び／又は第２連結部（１，２）は磁石（１１）を有するスパークギャップ装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のスパークギャップ装置において、エジェクタ機構（８，１３，１４，１６）をさらに備え、該エジェクタ機構は、前記接触子（９）をその位置から離し、又は前記接触子（９）を所定の位置へ到達させることによってトリガされ、前記電極ヘッド（４）が前記放電チャンバ内に向けて、及び／又は前記放電チャンバ（６）内で移動可能となるスパークギャップ装置。
6. 請求項５に記載のスパークギャップ装置において、前記エジェクタ機構（８，１３，１４，１６）はバネ素子（１３）を有し、該バネ素子はラッチによってプリストレス状態に保持されるスパークギャップ装置。
7. 請求項５に記載のスパークギャップ装置において、前記第１又は第２連結部（１，２）はバネ素子（１３）の配置されたガイドブッシュ（８）を有するスパークギャップ装置。
8. 請求項６又は７に記載のスパークギャップ装置において、前記バネ素子（１３）は圧縮バネであるスパークギャップ装置。
9. 請求項６〜８の何れか１項に記載のスパークギャップ装置において、前記ラッチは、前記バネ素子（１３）の戻りを阻止する位置から、前記バネ素子（１３）の戻りを解放する位置まで移動可能であり、前記第１及び第２連結部（１，２）は、前記ラッチの動きが阻止され、前記接触子（９）をその位置から離し、又は前記接触子（９）を所定の位置へ到達させることによって解放可能となるように連結されているスパークギャップ装置。
10. 請求項６〜９の何れか１項に記載のスパークギャップ装置において、前記バネ素子（１３）と前記電極ヘッド（４）の間に配置された移動可能なエジェクタ（１４）を備え、前記ラッチは該エジェクタ（１４）に係合されて該エジェクタの動きを阻止するスパークギャップ装置。
11. 請求項７〜１０の何れか１項に記載のスパークギャップ装置において、前記ラッチは前記ガイドブッシュ（８）の凹部（１７）に配置されるボール（１６）又はペンを有するスパークギャップ装置。
12. 請求項１１に記載のスパークギャップ装置において、保持手段（１８）をさらに備え、該保持手段は前記ボール（１６）又はペンの動きを前記バネ素子（１３）の戻りが解放される位置にブロックして、前記接触子（９）をその位置から離す、又は前記接触子を所定の位置へ到達させることにより、前記ボール（１６）又はペンが前記保持手段（１８）から前記バネ素子（１３）の前記戻りが解放される位置に離されるスパークギャップ装置。
13. 電極ヘッド（４）と、放電チャンバ（６）と、該放電チャンバ（６）の外部に配置された接触子（９）とを備えるスパークギャップ装置を不所望の操作から保護する方法であって、前記電極ヘッド（４）が前記接触子（９）と導電接続及び機械連結される場合において、前記方法は、前記接触子（９）がその位置から離される際に前記導電接続を切断し、前記電極ヘッド（４）を前記接触子（９）から機械的に分離して、前記電極ヘッド（４）を前記放電チャンバ内に向けて、及び／又は前記放電チャンバ（６）内で移動させるステップを含む方法。

Images