JP6562261B2 - サージ防護素子 - Google Patents
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Description
本発明は、落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐのに使用するサージ防護素子に関する。
電話機、ファクシミリ、モデム等の通信機器用の電子機器が通信線との接続する部分、電源線、アンテナ或いはＣＲＴ、液晶テレビおよびプラズマテレビ等の画像表示駆動回路等、雷サージや静電気等の異常電圧（サージ電圧）による電撃を受けやすい部分には、異常電圧によって電子機器やこの機器を搭載するプリント基板の熱的損傷又は発火等による破壊を防止するために、サージ防護素子が接続されている。
従来、例えば特許文献１に示すように、一対の封止電極から対向状態に突出した一対の突出電極部を備え、絶縁性管の内面に放電補助部が形成されたアレスタ型のサージ防護素子が記載されている。通常、このようなサージ防護素子では、炭素材で形成された放電補助部が、一対の突出電極部の間にある中間領域に対向する絶縁性管の内面に形成されている。このような放電補助部は、一般的にはグラファイト等の導電性のイオン源材料で形成され、初期放電を助長するためのイオン源となっている。
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
従来の構造では、一対の突出電極部間で生じるアーク放電時の熱及び膨張エネルギーにより放電補助部の一部が昇華消失してしまい、繰り返し放電時の放電電圧が不安定（放電電圧が上昇する）になるという問題があった。
特に、大電流の放電では、放電補助部の昇華消失が顕著になる傾向がある。また、放電電流が保証範囲を大幅に超えてしまうと、電極の設計を変更することが要求されると共に、安定した動作のために、サイズを大型化する、又は並列に接続するなどの対応が必要になる不都合があった。
従来の構造では、一対の突出電極部間で生じるアーク放電時の熱及び膨張エネルギーにより放電補助部の一部が昇華消失してしまい、繰り返し放電時の放電電圧が不安定（放電電圧が上昇する）になるという問題があった。
特に、大電流の放電では、放電補助部の昇華消失が顕著になる傾向がある。また、放電電流が保証範囲を大幅に超えてしまうと、電極の設計を変更することが要求されると共に、安定した動作のために、サイズを大型化する、又は並列に接続するなどの対応が必要になる不都合があった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、放電補助部の昇華消失による動作の不安定化を抑制することが可能なサージ防護素子を提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るサージ防護素子は、絶縁性管と、前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極と、前記絶縁性管の内周面にイオン源材料を含有した材料で形成された放電補助部とを備え、一対の前記封止電極が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部を有し、前記放電補助部が、前記イオン源材料で形成された核粒子と、絶縁性材料で形成され前記核粒子を被覆する被覆膜とで構成される複数の複合体を有していることを特徴とする。
本発明のサージ防護素子では、放電補助部が、イオン源材料で形成された核粒子と、絶縁性材料で形成され核粒子を被覆する被覆膜とで構成される複数の複合体を有しているので、被覆膜によってイオン源材料の核粒子が保護されていることで、放電によるイオン源材料の昇華消失を抑制することができ、放電補助機能を維持することができる。
第２の発明に係るサージ防護素子は、第１の発明において、前記放電補助部が、前記被覆膜で被覆されていない複数の前記核粒子を有していることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、放電補助部が、被覆膜で被覆されていない複数の核粒子を有しているので、イオン源材料が表面に露出した核粒子も混合されていることで、複合体だけの放電補助部に比べてイオンをより発生させることができ、放電補助機能を向上させることができる。
すなわち、このサージ防護素子では、放電補助部が、被覆膜で被覆されていない複数の核粒子を有しているので、イオン源材料が表面に露出した核粒子も混合されていることで、複合体だけの放電補助部に比べてイオンをより発生させることができ、放電補助機能を向上させることができる。
第３の発明に係るサージ防護素子は、第１又は第２の発明において、前記被覆膜が、前記絶縁性管と同じ絶縁性材料で形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、被覆膜が、絶縁性管と同じ絶縁性材料で形成されているので、絶縁性管に対する複合体の密着性が向上する。
すなわち、このサージ防護素子では、被覆膜が、絶縁性管と同じ絶縁性材料で形成されているので、絶縁性管に対する複合体の密着性が向上する。
第４の発明に係るサージ防護素子は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記放電補助部が、互いに異なる厚さに設定された前記被覆膜を有する少なくとも２種類の前記複合体を有していることを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、放電補助部が、互いに異なる厚さに設定された被覆膜を有する少なくとも２種類の複合体を有しているので、放電アークエネルギーによって特定の厚さの被覆膜を有する複合体が消失しても、他の厚さの被覆膜を有した複合体が残存していることで、放電補助機能を維持することができる。
すなわち、このサージ防護素子では、放電補助部が、互いに異なる厚さに設定された被覆膜を有する少なくとも２種類の複合体を有しているので、放電アークエネルギーによって特定の厚さの被覆膜を有する複合体が消失しても、他の厚さの被覆膜を有した複合体が残存していることで、放電補助機能を維持することができる。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサージ防護素子によれば、放電補助部が、イオン源材料で形成された核粒子と、絶縁性材料で形成され核粒子を被覆する被覆膜とで構成される複数の複合体を有しているので、放電によるイオン源材料の昇華消失を被覆膜によって抑制することができ、放電補助機能を維持することができる。
したがって、サージ電流や放電回数が増えてもサージ防護素子性能を良好に維持することが可能になる。特に、本発明に係るサージ防護素子は、大電流サージ耐性が要求されるインフラ用（鉄道関連、再生エネルギー関連（太陽電池、風力発電等））の電源及び通信設備に好適である。
すなわち、本発明に係るサージ防護素子によれば、放電補助部が、イオン源材料で形成された核粒子と、絶縁性材料で形成され核粒子を被覆する被覆膜とで構成される複数の複合体を有しているので、放電によるイオン源材料の昇華消失を被覆膜によって抑制することができ、放電補助機能を維持することができる。
したがって、サージ電流や放電回数が増えてもサージ防護素子性能を良好に維持することが可能になる。特に、本発明に係るサージ防護素子は、大電流サージ耐性が要求されるインフラ用（鉄道関連、再生エネルギー関連（太陽電池、風力発電等））の電源及び通信設備に好適である。
以下、本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
本実施形態のサージ防護素子１は、図１及び図２に示すように、絶縁性管２と、絶縁性管２の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極３と、絶縁性管２の内周面にイオン源材料を含有した材料で形成された放電補助部４とを備えている。
一対の封止電極３が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部５を有している。
上記放電補助部４は、図３に示すように、イオン源材料で形成された核粒子８ａと、絶縁性材料で形成され核粒子８ａを被覆する被覆膜８ｂとで構成される複数の複合体８を有している。
一対の封止電極３が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部５を有している。
上記放電補助部４は、図３に示すように、イオン源材料で形成された核粒子８ａと、絶縁性材料で形成され核粒子８ａを被覆する被覆膜８ｂとで構成される複数の複合体８を有している。
また、放電補助部４は、被覆膜８ｂで被覆されていない複数の核粒子８ａも有している。すなわち、放電補助部４は、複数の複合体８と複数の核粒子８ａとの混合で構成されている。
上記核粒子８ａは、例えば棒状、球状又は多角形状の粒子であるグラファイト等の炭素材で形成されている。
なお、核粒子８ａのイオン源材料は、導電性材料であって、例えば炭素材、金属及び合金のうち一種若しくはこれらの複合物が採用可能である。
上記核粒子８ａは、例えば棒状、球状又は多角形状の粒子であるグラファイト等の炭素材で形成されている。
なお、核粒子８ａのイオン源材料は、導電性材料であって、例えば炭素材、金属及び合金のうち一種若しくはこれらの複合物が採用可能である。
また、上記被覆膜８ｂは、絶縁性管２と同じ絶縁性材料で形成されている。例えば、絶縁性管２が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の絶縁性材料で形成されている場合、被覆膜８ｂもアルミナで形成されている。
なお、絶縁性管２は、ＳｉＯ２を含有する鉛ガラス等のガラス管で形成した場合、被覆膜８ｂも、ＳｉＯ２で形成することが好ましい。
また、絶縁性管２は、円筒状に形成されている。
なお、絶縁性管２は、ＳｉＯ２を含有する鉛ガラス等のガラス管で形成した場合、被覆膜８ｂも、ＳｉＯ２で形成することが好ましい。
また、絶縁性管２は、円筒状に形成されている。
なお、被覆膜８ｂが厚すぎると、内部の核粒子８ａからのイオン発生が抑制され過ぎて放電空間に暴露され難くなるため好ましくない。したがって、被覆膜８ｂの膜厚Ｒｃは、核粒子８ａの半径をＲとすると、以下の関係式で設定する範囲とすることが好ましい。
Ｒ×０．０５＜Ｒｃ＜Ｒ×０．５
Ｒ×０．０５＜Ｒｃ＜Ｒ×０．５
なお、複合体８を作製する場合、例えばゾル−ゲル法を用いて核粒子８ａの表面に被覆膜８ｂを被覆する。
例えば、カーボン粒子の核粒子８ａをシリカ（ＳｉＯ２）の被覆膜８ｂで被覆する場合、核粒子８ａを加熱や硝酸等の酸化処理によって表面処理し、この後、ケイ酸液等のシリカ原料に接触させる。すなわち、表面処理した核粒子８ａの水分散液とケイ酸液とを混合する。これにより、核粒子８ａの表面にいわゆるヘテロ凝集によりシリカが吸着され、核粒子８ａがシリカの被覆膜８ｂで覆われて複合体８となる粒子が形成される。このように形成された粒子を乾燥、加熱硬化させることで、粉末状の複合体８が作製される。
例えば、カーボン粒子の核粒子８ａをシリカ（ＳｉＯ２）の被覆膜８ｂで被覆する場合、核粒子８ａを加熱や硝酸等の酸化処理によって表面処理し、この後、ケイ酸液等のシリカ原料に接触させる。すなわち、表面処理した核粒子８ａの水分散液とケイ酸液とを混合する。これにより、核粒子８ａの表面にいわゆるヘテロ凝集によりシリカが吸着され、核粒子８ａがシリカの被覆膜８ｂで覆われて複合体８となる粒子が形成される。このように形成された粒子を乾燥、加熱硬化させることで、粉末状の複合体８が作製される。
また、上記絶縁性管２を作製するには、まず絶縁性材料の原料粉とバインダー等とを所定割合で混合し、粉砕工程、乾燥工程等を経た後、円筒形状に成形し、焼成工程にて焼結させることで、絶縁性管２が得られる。
なお、上記作製した複合体８を絶縁性管２の内周面に形成する場合、まず上記焼成工程前において複合体８の粉末を上記成形後の絶縁性管２の内周面に付着させる。さらに、焼成工程で絶縁性管２の焼結と共に絶縁性管２の内周面で複合体８を焼結させる。
なお、上記作製した複合体８を絶縁性管２の内周面に形成する場合、まず上記焼成工程前において複合体８の粉末を上記成形後の絶縁性管２の内周面に付着させる。さらに、焼成工程で絶縁性管２の焼結と共に絶縁性管２の内周面で複合体８を焼結させる。
例えば、核粒子８ａのイオン源材料としてグラファイトを採用すると共に、絶縁性管２及び被覆膜８ｂの絶縁性材料としてアルミナを採用する場合、焼成工程における不活性ガス中の焼結温度を１２００℃とする。すなわち、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）とグラファイトとの反応温度が１２８０℃であるので、焼成は１２００℃を上限とする。なお、絶縁性材料としてＳｉＯ２を採用する場合も、ＳｉＯ２とグラファイトとの反応温度が１２５０℃であるため、焼成は１２００℃を上限とする。
また、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２の絶縁性材料を採用する場合、イオン源材料として１２００℃以下の融点を持つ金属、合金は採用できない。したがって、イオン源材料として、Ａｕ，Ａｇ，Ｚｎ等は採用できず、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ等は採用可能である。
なお、絶縁性材料としては、他にマグネシア，ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等が採用可能である。
なお、絶縁性材料としては、他にマグネシア，ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等が採用可能である。
上記封止電極３は、例えば４２アロイ（Ｆｅ：５８ｗｔ％、Ｎｉ：４２ｗｔ％）やＣｕ等で構成されている。
封止電極３は、絶縁性管２の両端開口部に導電性融着材（図示略）により加熱処理によって密着状態に固定されている円板状のフランジ部７を有している。このフランジ部７の内側に、内方に突出していると共に絶縁性管２の内径よりも外径の小さな円柱状の突出電極部５が一体に設けられている。
封止電極３は、絶縁性管２の両端開口部に導電性融着材（図示略）により加熱処理によって密着状態に固定されている円板状のフランジ部７を有している。このフランジ部７の内側に、内方に突出していると共に絶縁性管２の内径よりも外径の小さな円柱状の突出電極部５が一体に設けられている。
上記導電性融着材は、例えばＡｇを含むろう材としてＡｇ−Ｃｕろう材で形成されている。
上記絶縁性管２内に封入される放電制御ガスは、不活性ガス等であって、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ，ＳＦ６，ＣＯ２，Ｃ３Ｆ８，Ｃ２Ｆ６，ＣＦ４，Ｈ２，大気等及び これらの混合ガスが採用される。
上記絶縁性管２内に封入される放電制御ガスは、不活性ガス等であって、例えばＨｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ，ＳＦ６，ＣＯ２，Ｃ３Ｆ８，Ｃ２Ｆ６，ＣＦ４，Ｈ２，大気等及び これらの混合ガスが採用される。
このサージ防護素子１では、過電圧又は過電流が侵入すると、まず露出している核粒子８ａ又は複合体８内の核粒子８ａと突出電極部５との間で初期放電が行われ、この初期放電をきっかけに、さらに放電が進展して一対のフランジ部７間又は突出電極部５間で放電が行われる。
このように本実施形態のサージ防護素子１では、放電補助部４が、イオン源材料で形成された核粒子８ａと、絶縁性材料で形成され核粒子８ａを被覆する被覆膜８ｂとで構成される複数の複合体８を有しているので、被覆膜８ｂによってイオン源材料の核粒子８ａが保護されていることで、放電によるイオン源材料の昇華消失を抑制することができ、放電補助機能を維持することができる。
また、放電補助部４が、被覆膜８ｂで被覆されていない複数の核粒子８ａを有しているので、イオン源材料が表面に露出した核粒子８ａも混合されていることで、複合体８だけの放電補助部に比べてイオンをより発生させることができ、放電補助機能を向上させることができる。
さらに、被覆膜８ｂが、絶縁性管２と同じ絶縁性材料で形成されているので、絶縁性管２に対する複合体８の密着性が向上する。
さらに、被覆膜８ｂが、絶縁性管２と同じ絶縁性材料で形成されているので、絶縁性管２に対する複合体８の密着性が向上する。
次に、本発明に係るサージ防護素子の第２実施形態について、図４を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、被覆膜８ｂの厚さが同一に設定されているのに対し、第２実施形態のサージ防護素子では、図４に示すように、放電補助部が、互いに異なる厚さに設定された被覆膜２８ｂ，２８ｃ，２８ｄを有する少なくとも２種類の複合体２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを有している点である。
すなわち、第２実施形態では、例えば図４の（ａ）に示すように、薄い被覆膜２８ｂで被膜された複合体２８Ａと、図４の（ｂ）に示すように、被覆膜２８ｂよりも厚い被覆膜２８ｃで被膜された複合体２８Ｂと、図４の（ｃ）に示すように、被覆膜２８ｃよりも厚い被覆膜２８ｄで被膜された複合体２８Ｃとで放電補助部が構成されている。
このように第２実施形態のサージ防護素子では、放電補助部が、互いに異なる厚さに設定された被覆膜２８ｂ，２８ｃ，２８ｄを有する少なくとも２種類の複合体２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを有しているので、放電アークエネルギーによって特定の厚さの被覆膜（例えば被覆膜２８ｂ）を有する複合体（例えば複合体２８Ａ）が消失しても、他の厚さの被覆膜（例えば被覆膜２８ｃ，２８ｄ）を有した複合体（例えば２８Ｂ，２８Ｃ）が残存していることで、放電補助機能を維持することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
１…サージ防護素子、２…絶縁性管、３…封止電極、４…放電補助部、５…突出電極部、８，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ…複合体、８ａ…核粒子、８ｂ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ…被覆膜
Claims (4)
- 絶縁性管と、
前記絶縁性管の両端開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止する一対の封止電極と、
前記絶縁性管の内周面にイオン源材料を含有した材料で形成された放電補助部とを備え、
一対の前記封止電極が、内方に突出し互いに対向した一対の突出電極部を有し、
前記放電補助部が、前記イオン源材料で形成された核粒子と、絶縁性材料で形成され前記核粒子を被覆する被覆膜とで構成される複数の複合体を有していることを特徴とするサージ防護素子。 - 請求項１に記載のサージ防護素子において、
前記放電補助部が、前記被覆膜で被覆されていない複数の前記核粒子を有していることを特徴とするサージ防護素子。 - 請求項１又は２に記載のサージ防護素子において、
前記被覆膜が、前記絶縁性管と同じ絶縁性材料で形成されていることを特徴とするサージ防護素子。 - 請求項１から３のいずれか一項に記載のサージ防護素子において、
前記放電補助部が、互いに異なる厚さに設定された前記被覆膜を有する少なくとも２種類の前記複合体を有していることを特徴とするサージ防護素子。
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