JP6657746B2 - 放電管 - Google Patents

Description

本発明は、例えば落雷等で発生するサージから様々な機器を保護し、事故を未然に防ぐためのサージアブソーバや、着火プラグ点灯用のスイッチングスパークギャップとして使用する放電管に関する。

放電管は、例えば雷サージや静電気などの過電圧の侵入により電子機器などが故障することを防ぐために用いるサージアブソーバであるガスアレスタ、高圧放電ランプや着火プラグ用のスイッチングスパークギャップとしても採用されている。

このような雷サージ対策部品やスイッチングスパークギャップとしての放電管においては、繰り返し放電に対する動作電圧の安定性や優れた耐電圧特性などが要求される。このような繰返し動作安定性や優れた耐電圧特性等を得るために、放電電極の表面に放電活性化材料の被膜（放電活性層）を形成する技術が検討されている。

例えば、特許文献１では、放電電極の対向面の中央部分に窪みを設け、この窪みに活性化物質の被膜を形成したサージアレスタが記載されている。また、特許文献２では、放電電極の対向面全体に被膜を形成した放電管や、対向面中央部に複数の被膜を形成した放電管が記載されている。さらに、特許文献３では、被膜を設ける半球状や直方体状の複数の穴部を、放電電極の先端面中央と、円筒状ケース部材の内壁面と同心の２つの仮想円状とに配置した放電管が記載されている。

特許第５７０７５３３号公報 実用新案登録第３１２５２６４号公報 実用新案登録第３１４０９７９号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来技術では、放電を補助する放電活性化材料の被膜を放電電極の先端面中央部に形成しているが、この場合、絶縁性中空体の内面に形成された放電トリガ膜と被膜との距離が大きくなって動作電圧が不安定になってしまう不都合があった。特に、放電初期のグロー放電から移行したアーク放電は、放電電極の中央部で発生することが多く、放電電極の中央部の放電活性層がアーク放電によって飛散し、周囲に付着することで繰り返し放電に対する動作電圧が変化してしまう問題があった。
また、特許文献１のように、被膜を先端面中央部に複数配置した場合、放電電極の軸線からの距離に応じて被膜と放電トリガ膜との距離が異なるため、動作電圧にばらつきが生じて不安定になってしまうという不都合がある。
さらに、特許文献３のように、被膜を径の異なる複数の同心円状に配置した場合、同心円の径に応じて被膜と放電トリガ膜との距離が異なるため、やはり動作電圧にばらつきが生じて不安定になってしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、繰り返し放電に対する動作電圧の安定性を向上させることができる放電管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の発明に係る放電管は、少なくとも両端に開口部を有する筒状の絶縁性中空体と、前記開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止し互いに対向する少なくとも一対の封止電極とを備え、前記絶縁性中空体の内周面に、導電性材料で形成された放電トリガ膜が設けられ、前記封止電極が、前記絶縁性中空体内に突出した凸状部と、前記凸状部の先端部に前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層とを有し、前記放電活性層が、前記凸状部の先端面の外周縁又は前記外周縁近傍に、前記外周縁に沿って複数又は延在して形成され、前記凸状部の先端面の中央部が、前記放電活性層が形成されていない領域とされていることを特徴とする。

本発明の放電管では、放電活性層が、凸状部の先端部であって先端面の外周縁の近傍に、外周縁に沿って複数又は延在して形成され、凸状部の先端面の中央部が、放電活性層が形成されていない領域とされているので、放電活性層が放電トリガ膜に近くなると共に、放電トリガ膜との距離のばらつきが小さくなり安定した動作電圧を得ることができる。また、凸状部の先端面中央部が、放電活性層が形成されていない領域とされていることで、先端面中央部で生じたアーク放電によって放電活性層が飛散することを低減でき、繰り返し放電に対する動作電圧の変化を抑制することができる。

第２の発明に係る放電管は、第１の発明において、前記絶縁性中空体が、円筒状であると共に、前記凸状部が、円柱状であり、前記放電活性層が、前記凸状部の軸線から等距離の位置に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この放電管では、放電活性層が、凸状部の軸線から等距離の位置に形成されているので、円筒状の絶縁性中空体の内周面と各放電活性層との距離が同じになり、前記内周面に形成された放電トリガ膜からの距離のばらつきがより低減される。

第３の発明に係る放電管は、第１又は第２の発明において、前記放電活性層が、前記凸状部の先端部の外周面に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この放電管では、放電活性層が凸状部の先端部の外周面に形成されているので、さらに放電トリガ膜との距離が短くなり、該距離のばらつきもさらに低減される。また、凸状部の先端面で生じたアーク放電によって放電活性層が飛散することがなく、繰り返し放電に対する動作電圧の変化をさらに抑制することができる。

第４の発明に係る放電管は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記放電活性層が、Ｓｉ，Ｏを主成分とし、Ｎａ，Ｃｓ，Ｃのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る放電管によれば、放電活性層が、凸状部の先端部であって先端面の外周縁の近傍に、外周縁に沿って複数又は延在して形成され、凸状部の先端面の中央部が、放電活性層が形成されていない領域とされているので、放電活性層と放電トリガ膜との距離のばらつきが小さくなると共に、先端面中央部で生じたアーク放電によって放電活性層が飛散することを低減でき、繰り返し放電に対する動作電圧の変化が抑制され、安定した動作電圧を得ることができる。

本発明に係る放電管の第１実施形態を示す断面図である。 Ａ−Ａ線矢視断面図である。 本発明に係る放電管の第２実施形態を示す断面図である。 Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。 第２実施形態において、封止電極を示す側面図である。 本発明に係る実施例１において、サージ電流印加回数に対する放電電圧変化率を示すグラフである。 本発明に係る実施例２において、サージ電流印加回数に対する放電電圧変化率を示すグラフである。 本発明に係る比較例において、サージ電流印加回数に対する放電電圧変化率を示すグラフである。 本発明に係る放電管の他の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明に係る放電管の第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している部分がある。

本実施形態の放電管１は、図１及び図２に示すように、両端に開口部を有する筒状の絶縁性中空体２と、開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止し互いに対向する一対の封止電極３とを備えている。
上記絶縁性中空体２の内周面には、導電性材料で形成された放電トリガ膜４が設けられている。

上記封止電極３は、絶縁性中空体２内に突出した凸状部３ａと、凸状部３ａの先端部に封止電極３の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層５とを有している。
上記放電活性層５は、凸状部３ａの先端部であって先端面３ｂの外周縁の近傍に、外周縁に沿って複数形成されている。また、凸状部３ａの先端面３ｂの中央部は、放電活性層５が形成されていない領域とされている。

なお、各放電活性層５は、凸状部３ａの軸線から同心円Ｃの線上に配されている。これら放電活性層５は、凸状部３ａの軸線から半径５０％以上の位置に設けることが好ましく、より好ましくは半径６０％以上の位置が良い。なお、放電活性層５を、凸状部３ａの軸線から半径５０％未満の位置に設けると、中央の主放電領域の面積が小さくなり放電が不安定になるおそれがある。

また、放電活性層５は、凸状部３ａの先端面３ｂの外周縁の近傍に形成された複数の凹部３ｃを埋めて形成されている。
上記絶縁性中空体２は、円筒状であると共に、凸状部３ａは、円柱状であり、放電活性層５は、凸状部３ａの軸線から等距離の位置に形成されている。
放電活性層５は、Ｓｉ，Ｏを主成分とし、Ｎａ，Ｃｓ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいる。

上記放電トリガ膜４は、カーボン等で形成されている。
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。

上記一対の封止電極３は、内側に突出した凸状部３ａを有する銅、銅合金、４２Ｎｉ合金等の凸型金属部材であり、互いに対向した凸状部３ａ間が放電ギャップを形成している。
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、ＳＦ_６、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_２Ｆ_６、ＣＦ_４、Ｈ_２及びこれらの混合ガスである。

上記放電活性層５の製造方法は、ケイ酸ナトリウム溶液に炭酸セシウム粉末を加えて前駆体を形成する工程と、前駆体を封止電極３の表面（凹部３ｃ内）に塗布する工程と、塗布され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。

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以上の温度としている。

前駆体を作製するには、所定の組成となるようにケイ酸ナトリウム溶液に所定割合で炭酸セシウム粉末を添加して前駆体を調製する。すなわち、ケイ酸ナトリウムガラス溶液と炭酸セシウム粉末を混合することにより、粘調な放電活性層形成用の前駆体を調製する。

次に、調製された前駆体を封止電極３の表面（凹部３ｃ内）にコーティングする。この際、コーティング法として、スタンプ法、メタルマスク及びスキージなどを用いた印刷法、ディップ法、ペースト印刷法、インクジェット法、ディスペンサー法、回転塗布法などの既知の湿式法など各種液状物質を所望の位置にコーティングする方法を用いることができる。

次に、前駆体により先端面３ｂの一部が被覆された封止電極３と絶縁性中空体２とを、放電制御ガス雰囲気下でロウ付けする。これにより、絶縁性中空体２内部に放電制御ガスが封止された構造となる。なお、ロウ付け温度は、例えば８２０℃としている。このロウ付け工程において、ロウ材及び炭酸セシウムが溶融し、封止電極３の先端面３ｂの所定位置に放電活性層５が形成される。

このように本実施形態の放電管１では、放電活性層５が、凸状部３ａの先端部であって先端面３ｂの外周縁の近傍に、外周縁に沿って複数形成され、凸状部３ａの先端面３ｂの中央部が、放電活性層５が形成されていない領域とされているので、放電活性層５が放電トリガ膜４に近くなると共に、放電トリガ膜４との距離のばらつきが小さくなり安定した動作電圧を得ることができる。

また、凸状部３ａの先端面３ｂ中央部が、放電活性層５が形成されていない領域とされていることで、先端面３ｂ中央部で生じたアーク放電によって放電活性層５が飛散することを低減でき、繰り返し放電に対する動作電圧の変化を抑制することができる。すなわち、放電空間内部の状態変化を小さくすることができ、動作電圧の急激な変化の発生を低減することができる。

また、放電活性層５が、凸状部３ａの軸線から等距離の位置に形成されているので、円筒状の絶縁性中空体２の内周面と各放電活性層５との距離が同じになり、前記内周面に形成された放電トリガ膜４からの距離のばらつきがより低減され、本実施形態の方が放電特性の高い安定性が得られる。

次に、本発明に係る放電管の第２実施形態について、図３から図５を参照して以下に説明する。なお、以下の各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、放電活性層５が凸状部３ａの先端面３ｂに形成されているのに対し、第２実施形態の放電管２１では、図３から図５に示すように、封止電極２３の放電活性層２５が、凸状部２３ａの先端部の外周面に形成されている点である。すなわち、第２実施形態では、凸状部２３ａの先端面２３ｂの外周縁の近傍であって凸状部２３ａの外周面に複数の放電活性層２５が前記外周縁に沿って等間隔に並んで設けられている。
なお、第１実施形態では、各放電活性層５を矩形状に形成したが、第２実施形態では、各放電活性層２５を丸点状に形成している。

このように第２実施形態の放電管２１では、放電活性層２５が凸状部２３ａの先端部の外周面に形成されているので、さらに放電トリガ膜４との距離が短くなり、該距離のばらつきもさらに低減される。また、凸状部２３ａの先端面２３ｂで生じたアーク放電によって放電活性層２５が飛散することがなく、繰り返し放電に対する動作電圧の変化をさらに抑制することができる。

次に、本発明の実施例について、放電活性層を封止電極表面に形成したガスアレスタ（放電管）の電気特性（放電特性）について、図６から図８を参照して説明する。

本発明の実施例としては、上記第１実施形態に記載の放電管を実施例１とし、上記第２実施形態に記載の放電管を実施例２として作製した。
なお、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３５０Ｖで一定とし、放電活性層の形成位置以外の因子を一定とした。

この電気特性の評価は、サージ耐量特性の評価であり、雷サージ対策部品として使用される場合に重要である性能を比較するために実施し、８／２０μｓ雷サージ波形にて波高値７５００Ａのサージ電流を各サンプルに繰返し印加した後、各サンプルの初期放電開始電圧特性が維持されているか否かについて調べた。
なお、比較例として、凸状部の中央部のみに放電活性層を形成したガスアレスタ（放電管）についても、同様にサージ耐量特性を評価した。

比較例においては、図８に示すように、７５００Ａのサージ電流を繰返し印加することにより、直流放電開始電圧が初期値から大きく変動していると共に直流放電開始電圧のばらつきも大きく、１０回目のサージ電流印加時には最大３０％程度の変化率となっていた。一方、本発明の実施例１及び２においては、図６及び図７に示すように、サージ電流を繰返し印加後も、直流放電開始電圧の変動が比較例に比べて小さいと共に直流放電開始電圧のばらつきも小さく、最大でも１５％程度の変化率に抑制された。このように本発明の各実施例では、相対的に安定した放電特性を示しており、高い耐久性を示している。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記実施例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。
例えば、上記各実施形態では、放電活性層を複数の矩形状又は丸点状に形成しているが、放電活性層を上記所定領域に線状又は帯状に延在させて形成しても構わない。
また、他の実施形態として、例えば図９に示すように、放電活性層５を埋めた凹部３ｃを、凸状部３ａの軸線から半径５０％以上の位置に放射状に並べて配列しても構わない。なお、図９には、凸状部３ａの軸線から半径５０％の位置に二点鎖線で円Ｃ１を図示している。

１，２１…放電管、２…絶縁性中空体、３，２３…封止電極、３ａ，２３ａ…凸状部、３ｂ，２３ｂ…凸状部の先端面、４…放電トリガ膜、５，２５…放電活性層

Claims (3)

1. 少なくとも両端に開口部を有する筒状の絶縁性中空体と、
   前記開口部を閉塞して内部に放電制御ガスを封止し互いに対向する少なくとも一対の封止電極とを備え、
   前記絶縁性中空体の内周面に、導電性材料で形成された放電トリガ膜が設けられ、
   前記封止電極が、前記絶縁性中空体内に突出した凸状部と、前記凸状部の先端部に前記封止電極の材料よりも電子放出特性の高い材料で形成された放電活性層とを有し、
   前記放電活性層が、前記凸状部の先端部の外周面であって先端面の外周縁の近傍に、前記外周縁に沿って複数又は延在して形成され、
   前記凸状部の先端面の中央部が、前記放電活性層が形成されていない領域とされていることを特徴とする放電管。
2. 請求項１に記載の放電管において、
   前記絶縁性中空体が、円筒状であると共に、前記凸状部が、円柱状であり、
   前記放電活性層が、前記凸状部の軸線から等距離の位置に形成されていることを特徴とする放電管。
3. 請求項１又は２に記載の放電管において、
   前記放電活性層が、Ｓｉ，Ｏを主成分とし、Ｎａ，Ｃｓ，Ｃのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする放電管。