JP6668720B2 - サージ防護素子 - Google Patents

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。

実用新案登録第３１５１０６９号公報

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。

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少なくとも一部が露出してイオン源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、前記絶縁性管の内周面にイオン源用穴が形成され、前記放電補助部が、端部を前記絶縁性管の内周面側に露出させた状態で前記イオン源用穴内に設けられ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、端部を絶縁性管の内周面側に露出させた状態でイオン源用穴内に設けられているので、放電補助部が絶縁性管の内周面表面だけでなくイオン源用穴内に深く存在することで、アーク放電時に放電補助部の表面側が昇華消失しても深さ方向に新たな放電補助部の表面が出現して、安定した動作が得られる。

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、前記イオン源用穴が、一対の前記突出電極部間の中央に対向する位置から一対の前記突出電極部の少なくとも一方の基端に対向する位置に向けて漸次浅く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、イオン源用穴が、一対の突出電極部間の中央に対向する位置から一対の突出電極部の少なくとも一方の基端に対向する位置に向けて漸次浅く形成されているので、アーク放電時の影響が最も大きい一対の突出電極部間の中央に対向する位置では放電補助部がイオン源用穴の最深部に配されており、絶縁性管の内周面が深く破壊消失しても放電補助部が出現し、安定した動作が得られる。

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、前記放電補助部が、棒状の炭素材で形成され、前記イオン源用穴内に挿入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、放電補助部が、棒状の炭素材で形成され、イオン源用穴内に挿入されているので、イオン源用穴から長い棒状の放電補助部の端部を突出させることができ、放電補助部の露出部分を増やすことができる。

第４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、前記放電補助部が、ペースト状又は粉末状の炭素材で形成され、前記イオン源用穴内に埋め込ま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、放電補助部が、ペースト状又は粉末状の炭素材で形成され、イオン源用穴内に埋め込まれているので、イオン源用穴内に隙間無くペースト状又は粉末状の放電補助部で埋めることができる。また、放電補助部がペースト状又は粉末状なので、多様な形状のイオン源用穴に埋め込むことが可能である。

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、端部を絶縁性管の内周面側に露出させた状態でイオン源用穴内に設けられているので、アーク放電時に放電補助部の表面側が強く昇華消失しても深さ方向に新たな放電補助部の表面が出現して、安定した動作が得られる。
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。

本発明に係るサージ防護素子の第１実施形態を示す要部の拡大断面図である。 第１実施形態において、サージ防護素子を示す軸方向の断面図である。 本発明に係るサージ防護素子の第２実施形態を示す要部の拡大断面図である。 本発明に係るサージ防護素子の第３実施形態を示す要部の拡大断面図である。

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の内周面に少なくとも一部が露出してイオン源材料で形成された放電補助部４とを備えている。
上記一対の封止電極３は、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。

上記絶縁性管２の内周面には、イオン源用穴２ａが形成されている。
また、放電補助部４が、端部を絶縁性管２の内周面側に露出させた状態でイオン源用穴２ａ内に設けられている。
上記イオン源用穴２ａは、一対の突出電極部５間の中央に対向する位置Ｐから一対の突出電極部５の少なくとも一方の基端に対向する位置に向けて漸次浅く形成されている。すなわち、イオン源用穴２ａは、絶縁性管２の軸線Ｃに沿った方向に対して斜めに延在した直線状の細穴となっており、一対の突出電極部５間の中央に対向する位置Ｐに配された端部で内周面から最も深くなっている。

なお、本実施形態では、少なくとも一対のイオン源用穴２ａが、一対の突出電極部５間の中央に対向する位置Ｐから一対の突出電極部５の基端に対向する位置に向けて延在している。
上記放電補助部４は、導電性材料であって、例えば棒状の炭素材で形成され、イオン源用穴２ａ内に挿入されている。これらの放電補助部４の端部は、イオン源用穴２ａから突出した状態とされている。すなわち、放電補助部４は、イオン源用穴２ａの穴長よりも長い棒状のグラファイトである。
なお、図２では、一対のイオン源用穴２ａ及び一対の放電補助部４のみを図示しているが、放電補助部４を周方向に互いに間隔を空けて複数対形成しても構わない。

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。

上記絶縁性管２は、アルミナなどの結晶性セラミックス材である。なお、絶縁性管２は、鉛ガラス等のガラス管で形成しても構わない。
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，ＳＦ_６，ＣＯ_２，Ｃ_３Ｆ_８，Ｃ_２Ｆ_６，ＣＦ_４，Ｈ_２，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、まず放電補助部４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、端部を絶縁性管２の内周面側に露出させた状態でイオン源用穴２ａ内に設けられているので、放電補助部４が絶縁性管２の内周面表面だけでなくイオン源用穴２ａ内に深く存在することで、アーク放電時に放電補助部４の表面側が昇華消失しても深さ方向に新たな放電補助部４の表面が出現して、安定した動作が得られる。

また、イオン源用穴２ａが、一対の突出電極部５間の中央に対向する位置Ｐから一対の突出電極部５の少なくとも一方の基端に対向する位置に向けて漸次浅く形成されているので、アーク放電時の影響が最も大きい一対の突出電極部５間の中央に対向する位置Ｐでは放電補助部４がイオン源用穴２ａの最深部に配されており、絶縁性管２の内周面が深く破壊消失しても放電補助部４が出現し、安定した動作が得られる。

さらに、放電補助部４が、棒状の炭素材で形成され、イオン源用穴２ａ内に挿入されているので、イオン源用穴２ａから長い棒状の放電補助部４の端部を突出させることができ、放電補助部４の露出部分を増やすことができる。

次に、本発明に係るサージ防護素子の第２及び第３実施形態について、図３及び図４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、一対のイオン源用穴２ａに棒状の放電補助部４を挿入しているのに対し、第２実施形態のサージ防護素子では、図３に示すように、放電補助部２４が、ペースト状又は粉末状の炭素材で形成され、イオン源用穴２ａ内に埋め込まれている点である。

すなわち、第２実施形態では、例えばペースト状又は粉末状にしたグラファイトをイオン源用穴２ａの開口部まで埋め込んで放電補助部２４としている。
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２４が、ペースト状又は粉末状の炭素材で形成され、イオン源用穴２ａ内に埋め込まれているので、イオン源用穴２ａ内に隙間無くペースト状又は粉末状の放電補助部２４で埋めることができる。

次に、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、予め絶縁性管２の内周面に形成した細穴状の一対のイオン源用穴２ａにペースト状又は粉末状の放電補助部４を埋め込んでいるのに対し、第３実施形態のサージ防護素子では、図４に示すように、絶縁性管３２の内周面に凹みを形成した後に凹み表面に放電補助部３４を形成し、その上を絶縁性埋め込み材３２ｂで埋め込んでいる点である。

すなわち、第３実施形態では、上記凹みに層状に放電補助部３４が形成されていると共に、その端部を露出させた状態で放電補助部３４を絶縁性埋め込み材３２ｂが覆っている。
上記絶縁性埋め込み材３２ｂは、例えば絶縁性管３２と同じ材料又は絶縁性管３２に含有されている材料で形成されていることが密着性等の観点から好ましい。本実施形態では、ＳｉＯ_２等の酸化ケイ素（シリカ）で絶縁性埋め込み材３２ｂを形成している。

この絶縁性埋め込み材３２ｂは、絶縁性管３２の内周面の凹み上に形成した放電補助部３４を覆うように形成する。具体的には絶縁性管２に放電補助部３４を形成した後、絶縁性埋め込み材３２ｂの原料粉末および有機バインダを混合し、スラリー状にする。このスラリーを、放電補助部３４を覆うように塗布乾燥させた後、再度焼成する。
したがって、絶縁性埋め込み材３２ｂで被覆された放電補助部３４は、結果的に絶縁性埋め込み材３２ｂと絶縁性管３２の凹みとの間に形成されたイオン源用穴３２ａ内に埋め込まれた状態となる。

このように第３実施形態のサージ防護素子では、細穴状のイオン源用穴に埋め込まれる場合に比べて、広く層状に放電補助部３４を埋め込むことができ、広い領域で放電補助機能を得ることができる。また、放電補助部３４がペースト状又は粉末状なので、多様な形状のイオン源用穴に埋め込むことも可能である。

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。
例えば、上述したように、上記各実施形態では、イオン源用穴２ａを絶縁性管２の軸線Ｃに沿った方向に斜めに形成することが好ましいが、イオン源用穴２ａを絶縁性管２の軸線Ｃに直交する方向（絶縁性管２の厚さ方向）に形成しても構わない。

１…サージ防護素子、２…絶縁性管、２ａ，２２ａ，３２ａ…イオン源用穴、３…封止電極、４，２４，３４…放電補助部、５…突出電極部、Ｃ…絶縁性管の軸線

Claims (4)

1. 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少なくとも一部が露出してイオン源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、
   前記絶縁性管の内周面にイオン源用穴が形成され、
   前記放電補助部が、端部を前記絶縁性管の内周面側に露出させた状態で前記イオン源用穴内に設けられ、
   前記イオン源用穴が、一対の前記突出電極部間の中央に対向する位置から一対の前記突出電極部の少なくとも一方の基端に対向する位置に向けて漸次浅く形成されていることを特徴とするサージ防護素子。
2. 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少なくとも一部が露出してイオン源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、
   前記絶縁性管の内周面にイオン源用穴が形成され、
   前記放電補助部が、端部を前記絶縁性管の内周面側に露出させた状態で前記イオン源用穴内に設けられ、
   前記イオン源用穴が、前記絶縁性管の内周面に開口した開口部と、前記開口部から前記絶縁性管の軸線に沿った方向に対して斜めにかつ前記絶縁性管の内部に向けて延在した穴内部とを有し、
   前記放電補助部が、前記穴内部内にも設けられていることを特徴とするサージ防護素子。
3. 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少なくとも一部が露出してイオン源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、
   前記絶縁性管の内周面にイオン源用穴が形成され、
   前記放電補助部が、端部を前記絶縁性管の内周面側に露出させた状態で前記イオン源用穴内に設けられ、
   前記放電補助部が、棒状の炭素材で形成され、前記イオン源用穴から端部を突出させた状態で前記イオン源用穴内に挿入されていることを特徴とするサージ防護素子。
4. 請求項１又は２に記載のサージ防護素子において、
   前記放電補助部が、ペースト状又は粉末状の炭素材で形成され、前記イオン源用穴内に埋め込まれていることを特徴とするサージ防護素子。

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