JP4299244B2 - 過電圧の防止のための保護素子及びその適用 - Google Patents

Description

本発明は過電圧の防止のための保護素子とその適用に関している。

電気的な過電圧を防止する保護素子は例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE 43 31 215 A1明細書から公知である。これはエアースパークギャップにおける過電圧アレスタとバリスタの並列回路からなり、それらはカップ状の金属性スリーブ内に配設されている。バリスタは、環状に形成され、過電圧アレスタ上に直接載置されている。この環状のバリスタの開口部を通ってコンタクトピンが引き出されており、該コンタクトピンは、過電圧アレスタの上方電極とコンタクトしている。過電圧アレスタの下方電極とバリスタの上方電極はカップ状のスリーブと接続している。

そのような並列に接続されたバリスタと過電圧アレスタからなる保護素子は、過電圧が急上昇した場合に過電圧アレスタの点火遅延を早期に応働させるバリスタを用いて橋絡させる利点を有している。このようにして保護素子の保護機能が過電圧アレスタの応答時間の間に向上される。

しかしながらこの公知の保護素子の欠点は、環状のバリスタが高い固有キャパシタンスを有していることである。これは高周波回路内で用いられている場合には、保護素子の減衰特性を定める。その場合にキャパシタンスが高ければ高いほど減衰が高まってしまい、そのような保護素子で実現可能な線路長も短くなってしまう。

高周波な遠隔通信システム、例えばＡＤＳＬやＶＤＳＬなどでは、過電圧アレスタの応答時間の不足を克服できると同時に減衰量も低く高周波システムにも適した、過電圧防止のための保護素子が求められている。

それ故に本発明の課題は、前述してきた公知の保護素子の欠点を解消できるような保護素子を適用することである。

前記課題は、請求項１の特徴部分に記載された本発明の保護素子によって解決される。この保護素子の別の有利な実施例及び有利な適用は従属請求項に記載されている。

本発明による保護素子では、バリスタと過電圧アレスタが導電性の容器内で上下に配設され、容器とコンタクトピンの間は電気的に並列に相互接続されている。その場合バリスタはディスク状に形成され、過電圧アレスタの第１の電極上に載置される。この過電圧アレスタの第２の電極は、容器の底部に設けられ、これと電気的にコンタクトする。バリスタの上方の電極は容器と導電的に接続される。コンタクトピンは、導電的に過電圧アレスタの第１の電極と接続され、少なくとも部分的にバリスタと容器の間の空間内に案内される。バリスタとコンタクトピンの間には、絶縁性の中間ピースが設けられる。

有利にはバリスタと過電圧アレスタが回転対称に構成され、相互に同心的ないし同軸的に容器内に配設される。容器の直径は、過電圧アレスタの直径によって定められる。有利には、過電圧アレスタの領域内の容器の断面は、段状の拡張部を有しており、それによって過電圧アレスタの上方電極の領域内の容器は当該電極から離間されている。

有利には、バリスタの上方電極は、機械的にかつ電気的に拡張要素と接続されており、該拡張要素は、少なくとも２つのアームを有している。このアームは容器の内壁に対して拡がっており、バリスタの上方電極を容器と導電的に接続させる。このことは同時に次のような利点となる。すなわちバリスタの調心的位置合わせと容器内でのバリスタの確実な保持を可能にすることである。また有利には拡張要素は２以上のアームを有していてもよく、その場合にはそれらが円弧上を相互にずらされて配置される。それにより最適な拡張が得られる。

有利にはコンタクトピンは少なくとも２つの脚部を有し、それらは側方でバリスタと容器内壁の間を過電圧アレスタの第１電極方向に延在する。これらの脚部は拡張要素のアームに対してずらされるか、ないしはそれらの間を貫通される。

電気的に絶縁された中間ピースは有利には弾性的に構成され、次のようの成形されている。すなわちラバープラグのような形態で容器の内壁に固定的に当接可能であるように成形されている。この中間ピースは、開口部を有しており、該開口部を通ってコンタクトピンの脚部が引き出されている。拡張要素のアームは、容器壁部に有利において有利には上方に曲げられ、その場合有利には上方に曲げられた拡張要素のアーム端部に対しても開口部が中間ピース内に設けられている。このコンタクトピンの脚部と拡張要素のアームの数は相互に有利に適応化され、対でないしは交互に配設され得る。本発明の有利な実施例では、拡張要素が３つのアームを有し、コンタクトピンも３つの脚部を有している。

本発明のさらに別の有利な実施例によれば、中間ピースがディスク状のボディを有し、その中央において少なくとも一方の側に窪みを有している。この窪みはコンタクトピン及び/又はバリスタの直径に合わせられており、その場合コンタクトピン及び/又はバリスタは、少なくとも部分的に中間ピースの窪みに埋められる。

本発明の構成では、中間ピースが容器の上方の閉鎖部を形成しており、その場合コンタクトピンが容器壁部と中間ピースに突出する。拡張要素のアームは、上方の容器縁部の下方で終端しており、有利な実施形態においては、中間ピースの上方領域によって完全に覆われていてもよい。

容器とコンタクトピンは有利には真鍮ないし黄銅によって構成され得る。

バリスタは有利にはそれ自体公知の酸化金属バリスタで構成され得る。

過電圧アレスタも任意に選択可能であり、その正確な構成自体も公知である。有利には、ガス充填された過電圧アレスタが使用され、これは点火区間（Zuendstrich）を有し、過電圧の発生の際に放電電極までのガス放電を形成し得る。

有利にはバリスタの応答電圧は、過電圧アレスタの応答電圧を超えるように選択される。

以下では、本発明をいくつかの実施例とそれに対応する図面に基づいて詳細に説明する。それらの図面の一部には厳密に寸法通りに表わされていないところもあるが、これらはあくまでも本発明の様々な実施例を概略的に表わしたものである。すなわち、
図１は、本発明による保護素子の概略的断面図を示した図であり、
図２は、本発明による保護素子の別の実施形態の概略的断面図（Ａ）と平面図（Ｂ）を示した図であり、
図３は、本発明による保護素子の個別構成部材を分解して表わした図であり、
図４は、図３による構成部材の組立て後の形態を示した図であり、
図５は、図４による部材の容器内での配置例を示した図である。

次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。図１には、本発明による保護素子の基本的な構造がその概略的な断面図で表わされている。この保護素子は、容器Ｂ内に配設されており、この容器Ｂは、実質的に円筒状の容器壁部ＢＷと容器底部ＢＢとからなっている。容器Ｂ内には、過電圧アレスタＵＡとバリスタＶ、中間ピースＺＳとさらにコンタクトピンＫＳが上下に配設されている。過電圧アレスタＵＡは、容器底部ＢＢ上に載置され、その第２電極を介してこれと電気的に接続される。バリスタＶは、過電圧アレスタＵＡ上に載置されており、自身の下方電極を介して過電圧アレスタＵＡの第１の電極Ｅ１に接続されている。中間ピースは、形状結合的にコンタクトピンとバリスタの間に配設されており、これらを相互に絶縁している。バリスタの上方電極は、電気的な接続部材ＥＶを介して容器壁部ＢＷと接続している。コンタクトピンＫＳは、脚部を介して過電圧アレスタの第１電極に接続されている。このようにしてコンタクトピンＫＳと容器Ｂの間の保護素子の２つの保護構成要素の電気的に並列な相互接続が得られる。

保護素子の有利な適用では、このことがコンタクトピンＫＳと容器底部ＢＢとの接続を形成している２つのコンタクトの間のスプリングテンションを介して維持される。そのようにして保護素子の個別部材のさらなる機械的な固定は必要なくなる。但し、保護素子の個別部材は容器Ｂ内に形状結合的に収容され、それによって容器と機械的に固定される。その際には、過電圧アレスタを体積の点で最大の保護素子構成要素として形状結合的に容器内に適合させるのが好適である。同様に中間ピースも形状結合的であり得る。なぜなら特にこれは有利には例えばゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料で製造されているからである。さらなる固定は、電気的な接続部材ＥＶを介して行われてもよい。これは当該実施例では、拡張要素として構成されており、少なくとも２つのアームを有し、それらは内側の容器壁部ＢＷに対して拡げることが可能である。コンタクトピンＫＳの脚部Ｆは、図示のように中間ピースＺＳを貫通している。しかしながら電気的に絶縁性の中間ピースは、短めの直径で構成することも可能である。その場合には、脚部が中間ピースのそばを通って過電圧アレスタＵＡの方に引き出される。

図２Ａには図１に示されている形式の本発明の特定の実施例が示されている。より詳細には過電圧アレスタＵＡの構造に係る実施例である。この過電圧アレスタは、実質的にセラミックスリーブＫＨと２つの電極Ｅ１，Ｅ２からなっており、これらの電極は、セラミックスリーブＫＨのガスで充填された内部中空空間においてスパークギャップを形成している。

第１の電極Ｅ１上には、バリスタＶが載置されており、ここでは第１の電極Ｅ１の窪みに配設されている。それによって当該保護素子の全高は低減されている。この窪み内では、バリスタがメサ状のフラットな隆起部に配設されている。それにより、バリスタの下方電極の中央部領域のみが過電圧アレスタＵＡの第１の電極Ｅ１とコンタクトする。これによって、バリスタの金属化部のみのコンタクトが保証され、ディスク形状のバリスタの外套面を介した不所望な電流パスは避けられる。

バリスタＶの上方の電極は、金属性の拡張要素ＳＥと接続され、図中では完成状態で三つ存在するアームのうちの１つが断面図で示されている。それらは例えば金属性の帯状部からなり、それらは端部において上方に曲げられており、全体として形状結合的に容器内にはめ込まれている。バリスタＶないしこれと接続された拡張要素ＳＥの上には電気的に絶縁性の中間ピースが設けられている。この中間ピースは、容器壁部の領域に貫通する若しくは、ボルト穴状の開口部を有しており、該開口部を通って拡張要素ＳＥの曲げられた端部が案内され、そこにおいて容器壁部ＢＷに当接している。中間ピースＺＳ上にはコンタクトピースが載置されており、このコンタクトピースは、少なくとも１つの脚部Ｆを有している。この脚部Ｆは、中間ピースのさらなる開口部を通って下方に案内されており、過電圧アレスタＵＡの第１の電極Ｅ１と電気的に接続されている。この電気的な接続は、プレスコンタクトとして実施されてもよい。

コンタクトピンと容器並びに脚部と拡張要素ＳＥは、例えば真鍮や黄銅で形成されてもよい。コンタクトピンＫＳとそれらの脚部Ｆとの間の電気的な接続は、有利にはろう付け接続として実施されてもよい。同様にバリスタの上方電極と拡張要素ＳＥとの間の接続もろう付け接続で実施されてもよい。バリスタの下方電極と過電圧アレスタＵＡの上方電極Ｅ１との間の電気的接続も、電気的に導通している。それらの場合も例えばろう付け接続や導電性の接着剤を用いて実施可能である。またこれらの電気的な接続部分をプレスコンタクトとして実施することも可能である。

図２Ａに示されている保護素子のさらに有利な具体例によれば、容器の断面が段状に拡張ＳＴしており、それが段状の拡張部ＳＴの上方の直径を大きくしている。このことは次のような結果となる。すなわち過電圧アレスタＵＡの第１電極Ｅ１の外縁領域と、容器壁部との間にエアギャップが形成されることとなる。このエアギャップは一方では当該第１の電極Ｅ１を容器壁部ＢＷから電気的に絶縁し、又他方では付加的なエアースパークギャップを生じさせる。このことは過電圧アレスタのむだ損、例えば漏れなどの不測の事態が生じた時に、容器壁部への火花放電を利用して過電圧を安全に誘導する第２の電流パスを可能にする。

図２のＢは、図２Ａの構成要素が平面図で示されている。この平面図からは、当該保護素子が有利には中央の対称軸線Ａに対して回転対称に構成されていることがわかる。ここでは三方対称である。この対称性は、特に拡張要素ＳＥのアームないしコンタクトピンＫＳの脚部Ｆの数と配置構成に係わっている。またこの平面図からは、拡張要素のアーム並びに脚部が交互にずらされ、相互に離間されている中間ピースＺＳ開口部を通って案内されていることも明らかである。これらの開口部の間では中間ピースＺＳが内側の容器壁部ＢＷと有利には形状結合的に終端している。コンタクトピンＫＳは、有利には、中間ピースの窪みに嵌め込まれ、その厚みは内方において開口部間のものよりも薄い。

図３には、脚部Ｆを有したコンタクトピンＫＳと、中間ピースＺＳと、拡張要素ＳＥに接続されたバリスタＶの透視図法による展開図が示されている。この図からは、バリスタと拡張要素が有利にはろう付け接続部ＬＶ′によって接続されたユニットを形成している様子がわかる。同様にコンタクトピンＫＳも、これにろう付け接続部ＬＶを介して接続された脚部と共に１つのユニットを形成している。

基本形としてディスク形状に構成された中間ピースは、縁部領域において開口部を有しており、それらの開口部を通って様々な側から脚部Ｆないしは拡張要素ＳＥのアームが延在し得る。

図４には、同じように透視図法によって、図３に示されている３つの構成要素が組み合わされた形態で示されている。これらは完成後の構成素子においても同じように配設されている。この図からもわかるように、中間ピースＺＳは、コンタクトピンとバリスタの間の電気的な絶縁のために用いられ、ないしは、脚部Ｆと拡張要素ＳＥのアームとの間の電気的な絶縁のために用いられる。脚部Ｆもバリスタから離間されており、拡張要素ＳＥのアームもコンタクトピンから離間されている。

図５には、図４に示された部材が容器Ｂ内に形状結合的に嵌め込まれている様子が透視図法で表わされている。この図から明らかなように、中間ピースＺＳは形状結合的に容器Ｂで終端している。同様に明らかなように、拡張要素ＳＥのアームも容器壁部に対して拡がっており、そのようにして電気的なコンタクトが当該壁部に対して形成されている。

本願発明は、実施例に基づいて説明してきたが、しかしながらこのことは本願発明がこれらの実施例に限定されることを意味するものではない。本願発明は、実質的には、電気的に絶縁された中間ピース、脚部及び拡張要素を用いたバリスタとコンタクトピンの配置構成と相互接続を表わしたものであるので、過電圧アレスタＵＡとバリスタＶの正確な実施形態は本発明にとっては重要ではない。重要なのは、バリスタがディスク形状に構成されていることのみである。その場合には上方及び下方の主表面が金属化され、それによって上方及び下方の電極が形成される。そのようなバリスタは僅かなキャパシタンスしか有さず、特に高周波システムへの投入が可能となり、例えばＡＤＳＬやＶＤＳＬなどの高周波通信システムにも用いることができるようになる。本発明は、僅かな所要スペースと、簡単な構造、及び特殊な幾何学的構成を介した確実な結合性によって優れている。本発明のさらなる可能な変化例は、種々異なる過電圧アレスタタイプの選択、個々の構成要素に対する異なる材料の選択並びに図示されている空間的配置構成とは異なる実施形態の選択によって得られる。

本発明による保護素子の概略的断面図 本発明による保護素子の別の実施形態の概略的断面図（Ａ）と平面図（Ｂ） 本発明による保護素子の個別構成部材の透視図法による展開図 図３による構成部材の組立て後の形態を示した図 図４による部材の容器内での配置例

符号の説明

Ｂ 容器
Ｖ バリスタ
ＵＡ 過電圧アレスタ
ＫＳ コンタクトピン
Ｅ１,Ｅ２ 過電圧アレスタの第１及び第２電極
ＢＢ 容器底部
ＢＷ 容器壁部
ＺＳ 絶縁性の中間ピース
ＥＶ バリスタの上方電極と容器との電気的接続部
ＳＥ 拡張要素
Ｆ コンタクトピンの脚部
Ａ 対称軸
ＬＶ,ＬＶ′ ろう付け接続部
ＫＨ セラミックスリーブ
ＳＴ 容器壁部の段状拡張部

Claims (12)

1. 過電圧を防止するための保護素子において、
   導電性の容器（Ｂ）を有しており、該導電性容器（Ｂ）内では、バリスタ（Ｖ）と過電圧アレスタ（ＵＡ）が上下に配設され、当該容器（Ｂ）とコンタクトピン（ＫＳ）との間で電気的に並列に接続されており、
   前記バリスタは、その下方の電極が、過電圧アレスタの第１の電極（Ｅ１）上に直接載置されており、
   前記コンタクトピンは、過電圧アレスタの第１の電極とコンタクトしており、
   前記過電圧アレスタの第２の電極は、前記容器の容器底部（ＢＢ）に載置されており、
   前記バリスタの上方電極を容器に電気的に接続させる電気的接続部材（ＥＶ）を有しており、
   前記バリスタとコンタクトピンの間に電気的に絶縁性の中間ピース（ＺＳ）が配設されており、
   前記バリスタは、ディスク状に構成されて過電圧アレスタよりも小さい直径を有しており、
   前記コンタクトピンは少なくとも部分的に前記容器とバリスタの間の空間内に配設されていることを特徴とする保護素子。
2. 前記バリスタ（Ｖ）の上方の電極は拡張要素（ＳＥ）と接続され、少なくとも２つのアームを有しており、該アームは容器（Ｂ）内で拡げられており、当該容器との電気的な接続部として用いられる、請求項１記載の保護素子。
3. 前記コンタクトピン（ＫＳ）は、少なくとも２つの脚部（Ｆ）を有しており、該脚部は側方でバリスタ（Ｖ）の側を通って案内されている、請求項１または２記載の保護素子。
4. 前記中間ピース（ＺＳ）は、容器（Ｂ）の内径に合わせられており、コンタクトピン（ＫＳ）の脚部（Ｆ）のため、若しくはコンタクトピン（ＫＳ）の脚部（Ｆ）と拡張要素（ＳＥ）のアームのための、相互に分離された開口部を有している、請求項２または３記載の保護素子。
5. 前記中間ピース（ＺＳ）は、中央において窪みを有しており、該窪み内にコンタクトピン（ＫＳ）が部分的に埋め込まれている、請求項１から４いずれか１項記載の保護素子。
6. 前記バリスタ（Ｖ）と、過電圧アレスタ（ＵＡ）及び容器（Ｂ）は回転対称に構成されており、前記コンタクトピン（ＫＳ）と中間ピース（ＺＳ）とバリスタ（Ｖ）と過電圧アレスタ（ＵＡ）は、容器の中心軸線（Ａ）に対して同軸的に及び同心的に配置されている、請求項１から５いずれか１項記載の保護素子。
7. 前記容器（Ｂ）の断面は、過電圧アレスタ（ＵＡ）の領域において段状の拡張部（ＳＴ）を有しており、それによって当該容器は過電圧アレスタの第１の電極（Ｅ１）の領域において当該アレスタから離間されている、請求項１から６いずれか１項記載の保護素子。
8. 前記容器（Ｂ）とコンタクトピン（ＫＳ）は、真鍮ないし黄銅で形成されている、請求項１から７いずれか１項記載の保護素子。
9. 前記中間ピース（ＺＳ）は、ゴムまたはシリコンで形成されている、請求項１から８いずれか１項記載の保護素子。
10. 前記バリスタ（Ｖ）の応答電圧は、過電圧アレスタ（ＵＡ）の応答電圧を超えるように選択されている、請求項１から９いずれか１項記載の保護素子。
11. 請求項１から１０いずれか１項記載の保護素子を、遠隔通信装置の保護のために用いることを特徴とする、保護素子の適用。
12. 請求項１から１０いずれか１項記載の保護素子を、高周波な遠隔通信システムにおける構成群の保護のために用いることを特徴とする、保護素子の適用。

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