JP6375576B2 - 放電管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
従来、例えば特許文献1には、複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、これを放電ガスと共に気密外囲器内に封入したサージ吸収素子が提案されている。
すなわち、上記従来技術では、アルカリ土類金属やアルカリ金属の炭酸塩を内包する放電活性化材料や、ケイ酸ナトリウムにケイ酸セシウム、ケイ酸カリウム、タングステン酸セシウム、金属チタン、四ホウ酸ナトリウム、酸化マグネシウムを含有した材料など様々な放電活性化材料を用いているが、繰り返し放電に対する更なる動作電圧の安定性が求められてきた。
すなわち、この放電管では、放電活性層中におけるBa濃度及びTi濃度が、それぞれ0.5原子%以上2.5原子%未満であるので、Ba,Ti添加の十分な放電安定効果を得ることができる。
また、この放電管の製造方法では、ケイ酸ナトリウム溶液に炭酸セシウム粉末及びチタン酸バリウム粉末を加えた前駆体に対してケイ酸ナトリウムが軟化する温度以上かつ炭酸セシウムが融解及び分解し、ケイ酸ナトリウムとチタン酸バリウムとが反応する温度以上の温度で熱処理を行う工程を有しているので、Cs,Ba,Tiが軟化した非晶質ガラスのケイ酸ナトリウム中に均一に拡散することで、Na,Cs,Ba,Si,Ti,O及びCの各元素を放電活性層中に均一に分布させることができる。
特に、電子放出特性に影響が大きいCs,Ba,Tiが、結晶の炭酸セシウム及びチタン酸バリウムの状態ではなく、分解された状態で均一に分布していることで、放電面全体で安定した放電特性が得られる。すなわち、放電時のアーク放電は、対向する放電電極間で局所的に発生し、その発生場所は確率的にランダムであることから、結晶状態で局所的にCs,Ba,Tiが存在する従来技術に比べて、均一なCs分布、Ba分布及びTi分布の放電活性層を有する本発明の方が放電特性の高い安定性が得られる。
さらに、本発明では、Ba源及びTi源としてチタン酸バリウムを用いることで、熱処理によってケイ酸ナトリウムとチタン酸バリウムとが反応し、相分離が生じずにケイ酸ナトリウム中にBa,Tiを分布させることができる。すなわち、熱処理によるケイ酸ナトリウムとチタン酸バリウムとの反応により、Ba,Tiが軟化、流動化したケイ酸ナトリウムの非晶質ガラス網目構造中に非晶質状に拘束された状態となり、Ba,Tiが均一に分布した放電活性層を形成することができる。
すなわち、Na,Cs,Si,O,Cに加え、Ba,Tiも均一に分布した非晶質ガラス単一相とすることで、Na−Cs−Si−O−C系ガラス活性層を電極表面に形成した放電管よりも、さらに高いサージ耐量特性が得られる。
すなわち、この放電管の製造方法では、前駆体のBa濃度及びTi濃度は、最終的に電極表面に生成する放電活性層中におけるBa濃度及びTi濃度がそれぞれ0.5原子%以上2.5原子%未満になるように含有されているので、Ba,Ti添加の十分な放電安定効果とBa,Tiの良好な分布状態とを得ることができる。なお、Ba,Tiが0.5原子%未満であると、Ba,Tiの添加量が少ないため、放電安定効果があるもののBa,Tiによる十分な放電安定効果が得られないと共に、Ba,Tiが2.5原子%以上であると、一部に相分離や結晶化が生じ易くなる。
すなわち、本発明に係る放電管によれば、放電活性層が、非晶質であって、Na,Cs,Ba,Si,Ti,O及びCが均一に分布しているので、繰り返し放電に対する動作電圧の高い安定性が得られる。また、本発明に係る放電管の製造方法によれば、Cs源としてタングステン酸セシウムよりも融点の低い炭酸セシウムを用いることで、炭酸セシウムが融解、分解し、ケイ酸ナトリウムとチタン酸バリウムとが反応する温度以上に熱処理することによって、相分離が生じずにケイ酸ナトリウム中にCs,Ba,Tiを均一に分布させることができる。
上記絶縁性中空体2内に露出した一対の封止電極3の対向する表面には、放電活性層4が形成されている。この放電活性層4は、Na,Cs,Ba,Si,Ti,O及びCを含有し、残部が不可避不純物からなり、非晶質であって、Na,Cs,Ba,Si,Ti,O及びCが均一に分布している。なお、放電活性層4中におけるCs濃度は、1原子%≦Cs≦7原子%の範囲内であることが好ましい。また、放電活性層4中におけるBa濃度及びTi濃度が、それぞれ0.5原子%以上2.5原子%未満であることが好ましい。
上記絶縁性中空体2は、セラミックス製筒体であって、例えば円筒状のアルミナ等で形成された絶縁性管である。なお、絶縁性中空体2は、アルミナなどの結晶性セラミックス材が好ましい。
また、これらの封止電極3は、ロウ材等の封止材6により絶縁性中空体2に接合され封着されている。
上記放電制御ガスは、He、Ne、Ar、Kr、Xe、SF6、N2、CO2、C3F8、C2F6、CF4、H2及びこれらの混合ガスである。
また、この製造方法は、絶縁性中空体2の開口部に封止電極3をロウ付けする工程を有し、前記熱処理として、ロウ付けする工程におけるロウ付け温度をケイ酸ナトリウムが軟化する温度以上かつ炭酸セシウムの融点、ケイ酸ナトリウムとチタン酸バリウムとの反応が生じる温度以上の温度としている。
この際、前駆体に含有されるCs濃度は、最終的に電極表面に生成する放電活性層4中におけるCs濃度が1原子%≦Cs≦7原子%の範囲内となるように調製する。また、前駆体に含有されるBa濃度及びTi濃度は、最終的に電極表面に生成する放電活性層4中におけるBa濃度及びTi濃度がそれぞれ0.5原子%以上2.5原子%未満になるように調製する。
また、前駆体のBa濃度及びTi濃度は、最終的に電極表面に生成する放電活性層中におけるBa濃度及びTi濃度がそれぞれ0.5原子%以上2.5原子%未満になるように含有されているので、Ba,Ti添加の十分な放電安定効果とBa,Tiの良好な分布状態とを得ることができる。
すなわち、本発明の放電活性層材料は、炭素を含有しつつも、従来の材料のようにアルカリ金属炭酸塩という結晶性物質を内包する複合材料とは本質的に異なる構造を有する。
電気特性の評価に供したサンプルの作製においては、同一寸法の絶縁性中空体と封止電極とを用い、またガスアレスタ内部に充填する放電制御ガス、圧力及びガス封止プロセスも一定とした。さらに、各サンプルの放電開始電圧を3500Vで一定とし、放電活性層材料の組成以外の因子を一定とした。
この結果からわかるように、この比較例では、Cs系物質を添加しているのにも関わらず、また5000Aより低い4000Aのサージ電流を繰返し印加していても、直流放電開始電圧が大きく増大し、9回目、8回目のサージ電流印加時には放電応答が観測されなくなった。
Claims (4)
- 複数の開口部を有する少なくとも一つの絶縁性中空体と、
前記開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する少なくとも2つの封止電極とを備え、
前記絶縁性中空体内に露出した前記封止電極の表面に、放電活性層が形成されており、
前記放電活性層が、Na,Cs,Ba,Si,Ti,O及びCを含有し、残部が不可避不純物からなり、非晶質であって、Na,Cs,Ba,Si,Ti,O及びCが均一に分布していることを特徴とする放電管。 - 請求項1に記載の放電管において、
前記放電活性層中におけるBa濃度及びTi濃度が、それぞれ0.5原子%以上2.5原子%未満であることを特徴とする放電管。 - 請求項1又は2に記載の放電管を製造する方法であって、
ケイ酸ナトリウム溶液に炭酸セシウム粉末及びチタン酸バリウム粉末を加えて前駆体を形成する工程と、
前記前駆体を前記封止電極の表面に塗布する工程と、
塗布された前記前駆体に対してケイ酸ナトリウムが軟化する温度以上かつ炭酸セシウムが融解及び分解し、ケイ酸ナトリウム系ガラスとチタン酸バリウムとが反応する温度以上の温度で熱処理を行う工程とを有していることを特徴とする放電管の製造方法。 - 請求項3に記載の放電管の製造方法において、
前記前駆体のBa濃度及びTi濃度は、最終的に電極表面に生成する前記放電活性層中におけるBa濃度及びTi濃度がそれぞれ0.5原子%以上2.5原子%未満になるように含有されていることを特徴とする放電管の製造方法。
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