JP7161144B2

JP7161144B2 - サージ防護素子

Info

Publication number: JP7161144B2
Application number: JP2019031431A
Authority: JP
Inventors: 芳幸田中; 英徳久保田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2022-10-26
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: JP2020136202A

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。
このようなアレスタ型のサージ防護素子は、碍子である絶縁性管の内壁に放電補助部としてカーボントリガ線を形成し、不活性ガスを満たした状態で対向した一対の封止電極を絶縁性管にロウ付けして作製される。

特開２０１７－５４５８６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、従来のアレスタ型のサージ防護素子では、波尾の短い電流サージを繰り返し印加した際は、放電電極のダメージが少ないので、特性への影響は少ないが、波尾の長い電流サージを繰り返し印加すると、放電電極のダメージが大きく、電極材料が蒸発して壁面に付着してしまうことで、電極間距離が見かけ上短くなって放電開始電圧Ｖｓが低下してしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、波尾の長い電流サージが繰り返し印加されても放電開始電圧Ｖｓの低下を抑制することができる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形成され炭素を含有した放電補助部とを備え、前記絶縁性管の内周面の少なくとも一部に、酸化物を含有した酸素源層が形成されていることを特徴とする。

このサージ防護素子では、絶縁性管の内周面の少なくとも一部に、酸素源層が形成されているので、波尾の長い電流サージが印加された際、アーク放電の熱により酸素源層中の酸化物から発生した酸素と放電補助部の炭素とが反応して生じたＣＯ_２ガスやＣＯガスにより放電開始電圧Ｖｓの低下を抑制することができる。
すなわち、波尾の長い電流サージが印加された際、封止電極間に波尾に応じた時間だけアーク放電が形成され、このアーク放電の熱により酸素源層中の酸化物が溶けて分解され酸素が発生し、この酸素と放電補助部の炭素とが反応することで絶縁性管内にＣＯ_２ガスやＣＯガスを発生する。その結果、絶縁性管内のガスが増えることで、低下傾向にある放電開始電圧Ｖｓを再び上昇させることができる。

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、前記絶縁性管が、アルミナで形成され、前記酸素源層が、前記酸化物としてＳｉＯ_２を含むことを特徴とする。
すなわち、融点が２０７２℃のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成されている絶縁性管の内周面の一部は溶融するが、融点が１６５０℃のＳｉＯ_２を含む酸素源層も溶融して酸素を発生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２の発明において、前記酸素源層が、ＳｉＯ_２粉とケイ酸ナトリウムとを含むことを特徴とする。
すなわち、このサージ防護素子では、酸素源層が、ＳｉＯ_２粉とケイ酸ナトリウムとを含むので、ＳｉＯ_２が粉を含んだ水ガラスとして酸素源層を絶縁性管の内周面に容易に付着させることができる。

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、前記酸素源層が、前記放電補助部の近傍に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、酸素源層が、放電補助部の近傍に形成されているので、酸素源層から発生した酸素と放電補助部の炭素とが反応し易くなり、放電開始電圧Ｖｓの上昇を抑制するＣＯ_２ガスやＣＯガスをより発生させ易くなる。

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、絶縁性管の内周面の少なくとも一部に、酸化物を含有した酸素源層が形成されているので、波尾の長い電流サージが印加された際、アーク放電の熱により酸素源層中の酸化物から発生した酸素と放電補助部の炭素とが反応して生じたＣＯ_２ガスやＣＯガスにより放電開始電圧Ｖｓの低下を抑制することができる。
したがって、本発明に係るサージ防護素子では、特に波尾の長い電流サージによるアーク放電に対して特性の影響が少なく、放電開始電圧の変動幅を小さくでき、安定した放電が可能になる。
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。また、サージ耐量が向上しているため、素子の小型化も可能になり、小型電子機器及び実装基板への応用も可能になる。

本発明に係るサージ防護素子の一実施形態を示す軸方向の断面図である。

以下、本発明に係るサージ防護素子の一実施形態を、図１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の内周面に形成され炭素を含有した放電補助部４とを備えている。
上記絶縁性管２の内周面の少なくとも一部には、酸化物を含有した酸素源層５が形成されている。
特に、酸素源層５は、放電補助部４の近傍に形成されている。

上記絶縁性管２は、例えば円筒状のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成されている。
また、酸素源層５は、酸化物としてＳｉＯ_２を含んでいる。
本実施形態では、酸素源層５が、ＳｉＯ_２粉（珪砂）とケイ酸ナトリウムとの混合物のいわゆる水ガラスで構成されている。

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３ａを有している。
上記放電補助部４は、炭素材で形成された導電性材料であって、いわゆるカーボントリガ線である。
なお、本実施形態では、放電補助部４は、絶縁性管２の内周面に軸線に沿って直線状に形成されている。

図１では、放電補助部４を軸線に沿った２本のみ図示しているが、周方向に互いに間隔を空けて３本以上形成しても構わない。
また、これら放電補助部４の近傍であって放電補助部４に沿って酸素源層５を絶縁性管２の内周面に複数形成している。本実施形態では酸素源層５を、図１に示すように、放電補助部４に沿った帯状に形成しているが、絶縁性管２の内周面の周方向に沿った帯状などに形成しても構わない。酸素源層５を帯状以外に、円状，楕円状，四角形状又は点状などに形成しても構わない。いずれの場合も、酸素源層５は、放電補助部４の近傍に設けることが好ましい。
なお、本実施形態では、一対の突出電極部３ａ間の空間に対抗した位置に酸素源層５を配置している。

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３ｂを有している。このフランジ部３ｂ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３ａ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，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を製造するには、絶縁性管２の内周面に放電補助部４を形成すると共に放電補助部４の直近にＳｉＯ_２粉（珪砂）とケイ酸ナトリウムとの混合物を塗布し、乾燥させて酸素源層５を形成した後、この絶縁性管２の両端開口部を閉塞するように一対の封止電極３を配置すると共に内部をＡｒガス等の放電制御ガスを満たした状態で封止を行う。

このように本実施形態のサージ防護素子１では、絶縁性管２の内周面の少なくとも一部に、酸化物を含有した酸素源層５が形成されているので、波尾の長い電流サージが印加された際、アーク放電の熱により酸素源層５中の酸化物から発生した酸素と放電補助部４の炭素とが反応して生じたＣＯ_２ガスやＣＯガスにより放電開始電圧Ｖｓの低下を抑制することができる。

すなわち、波尾の長い電流サージが印加された際、封止電極３間に波尾に応じた時間だけアーク放電が形成され、このアーク放電の熱により酸素源層５中の酸化物が溶けて分解され酸素が発生し、この酸素と放電補助部４の炭素とが反応することで絶縁性管２内にＣＯ_２ガスやＣＯガスを発生する。その結果、絶縁性管２内のガスが増えることで、低下傾向にある放電開始電圧Ｖｓを再び上昇させることができる。

なお、アーク放電の熱で融点が２０７２℃のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成されている絶縁性管２の内周面の一部が変質するが、アルミナより低いが融点１６５０℃のＳｉＯ_２を含む酸素源層５は溶融して酸素を発生させることができる。酸素源層５は、絶縁性管２の材料より低い融点の酸化物を含有することが好ましい。

また、酸素源層５が、ＳｉＯ_２粉とケイ酸ナトリウムとを含むので、ＳｉＯ_２が粉を含んだ水ガラスとして酸素源層５を絶縁性管の内周面に容易に付着させることができる。
さらに、酸素源層５が、放電補助部４の近傍に形成されているので、酸素源層５から発生した酸素と放電補助部４の炭素とが反応し易くなり、放電開始電圧Ｖｓの上昇を抑制するＣＯ_２ガスやＣＯガスをより発生させ易くなる。

なお、本発明の技術範囲は上記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…酸素源層

Claims

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形成され炭素を含有した放電補助部とを備え、
前記絶縁性管の内周面の少なくとも一部に、酸化物を含有した酸素源層が形成され、
前記酸素源層が、前記絶縁性管の内周面に露出した状態で前記放電補助部とは異なる位置に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に記載のサージ防護素子において、
前記絶縁性管が、アルミナで形成され、
前記酸素源層が、前記酸化物としてＳｉＯ_２を含むことを特徴とするサージ防護素子。
請求項２に記載のサージ防護素子において、
前記酸素源層が、ＳｉＯ_２粉とケイ酸ナトリウムとを含む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、
前記酸素源層が、前記放電補助部の近傍に形成されていることを特徴とするサージ防護素子。