JPH07508396A - ガス管通気安全装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス管通気安全装置 発明の背景 本発明は、通信産業に関し、より詳細にはガス管保護器のためのバックアップ装 置に関する。ガス管保護器は、通信装置を雷の高電圧パルスによる電気干渉また は損害から通信装置を保護するために用いる。管の中に含まれるガスは、高電圧 でイオン化し、そのようなパルスを地面へそらす。また、管は、たとえば偶発的 な電力線の交差から生じる連続的な大電流過負荷が存在すると、制限された持続 したイオン化を維持する。イオン化可能なガスが管から出て行く肴な場合にその ような管の性能を保証するために、そして、持続した過電流条件における過熱故 障の場合に保護をするために、よく用いられる産業上の慣例では、基本的なガス 管保護器とともに、いわゆる「通気安全（ｖｅｎｔ−ｓａｆｅ）Ｊ機構と「フェ ールセーフ」機構が必要である。（「通気安全」という用語は、一般に、ガスが 「通気」するならばすなわちガスカ吠気に失われるならば、バックアップ過電圧 保護をいう。「フェールセーフ」という用語は、文字どおりとれば次の含蓄を覆 い隠しているけれども、一般に、熱的過負荷保護をいう。）フェールセーフ保護 は、一般に、溶融可能な金属材料またはプラスチック材料により与えられ、この 材料は、電流過負荷からのエネルギにより加熱されるとき、負けて、バイアスさ れた短絡部材になり、ガス管での永久的な電流シャントを生じる。通気安全保護 は、通常、装置の外部構造における空気間隙により与えられる。この空気間隙の 寸法は、ガス管自体の規定の点火（ｆｉｒｉｎｇ）ポテンシャルをがなり越えた 点火ポテンシャルを必要とするように、注意深く定めるので、適正に機能するガ ス管において、空気間隙が点火することは防止される。過電圧パルスは、通常は 適正に機能するガス管を通って害をせずに点火するが、空気間隙を損傷するかも しれないので、このことは重要である（これは安全バックアップとしてのみを意 図する）。そのような空気間隙は、典型的には、ガス間隙の点火電圧の設計値の 約２倍で点火するように設計される。そのような装置の１例は、たとえば、米国 特許第４．２１２．０４７号（Ｎａｐｉｏｒｋｏｗｓｋｉｓ　１９８０年７月８ 日発行）に見い出される。

残念ながら、空気間隙通気安全方式は、非現実的であることがわかった。通信設 備は、手入れや保守なしに、数十年の間、使用可能であるように意図される。

理解されるように、環境条件は、そのような長期間において、しばしば、空気間 隙の電気特性を不安定にさせる。たとえば、バックアップ空気間隙への湿気の侵 入は、放電電圧レベルを低下し、最後には低電圧レベルでの短絡を生じる。信号 伝導体と地面との間の絶縁抵抗は、劣化し、ネットワークの正常な性能を妨げる 。

腐食は、短絡を生じることがあり、機構の腐食破壊を起こす。空気間隙の点火電 圧が減少すると、間隙は２次的な放電経路から１次的な放電経路へ変わる。こう して、通信ネットワークの正しい性能が損なわれる。これらの効果は、空気間隙 が環境に直接にさらされているときに最も著しく、季節的および毎日の環境効果 をこうむり、さらに、空気汚染、昆虫集中などにより悪影響をうける。たとえば 装置を封入した容器内に位置させるなどにより空気間隙を環境から分離するよう に努力したとしても、長年の間に湿気がしばしば空気間隙の中に入ってくる。

この問題を解決する以前の取り組みでは、内部の通常はガスを封入した空間がガ スの通気の際に空気間隙として作用するように形状を設計することがある。しか し、製造者は、そのような装置に要求される狭い許容誤差に合わせるという問題 にぶつかった。他のアプローチでは、空気間隙それ自体の性質制御と許容誤差（ 膜厚、膜の切断性、空気間隙の直径、防湿被覆など）が改善される。これは、こ れらの既に複雑な装置の価格と製造困難性を増加するが、湿度の影響には侵され やすいままである。同様に、カプセル化の努力は、ワックス、ボッティング化合 物、コンフォーマル被覆、カプセル化材、ゲルなどくすべて、空気間隙の中に侵 入または移動し放電電圧レベルを変化する傾向がある）を用いても、不成功であ った。

したがって、ガス管通気安全装置としては、現存する空気間隙通気安全機構の代 わりにただちにかつ安価に利用でき、カリ、保守をしなくても長期間にわたつて 環境に対して信頼性高く安全であるように改善することが要望されてきている。

好ましくは、この通気安全装置は、また、機能的に、最新の環境に対する封入や ゲルカプセル化などのカプセル化技術に適合しこれらの技術における進歩を取り 入れ、ガス管の全体の組み立ての環境との分離を改善するものでなければならな い。

発明の概要 簡単にまとめれば、本発明は、ガス管保護器に対する新規で改善した通気安全機 構により上記の要求と目的を実現するものである。この通気安全機構において、 空気間隙は、非線形抵抗性質を有する固体材料の層で置き換えられた。好ましい 実施例では、固体で、カーボンブラックで充填したポリカーボネートを基にした 押出等級（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｇｒａｄｅ）の化合物が用いられる。この膜は 、約０．００１から約０．０１０インチ以上の、好ましくはＯ，ＯＯ２〜０．０ ０５インチの厚さを有する。膜は、非電気伝導性であり、２つの電極の間に置か れたとき、１０９オームより大きい絶縁抵抗を有する。膜の降伏電圧（Ｖ、）は 、６００ボルトより大きく、１０００ボルトより小さく、希望するならば、狭い 幅（たとえば８００＜Ｖｓ＜８５０ボルト、または、ガス管の降伏電圧の設計値 のおよそ２倍）に制御できる。（放電が膜を通って点火したとき、引き続いて起 こる降伏電圧はより低くなる傾向がある。）最初の降伏電圧は、カプセル化材料 （たとえばシリコーンゲル）との接触に太いには依存しない。膜が薄い（１〜５ ミル）絶縁膜であるので、たとえば上記の米国特許第４．２１２，０４７号に記 載されたような設計における溶融可能な絶縁プラスチック膜とただちに置換でき る。極端な環境安定性（水に浸したときでさえ、膜の降伏電圧と絶縁性は大きく は変化しない）に加えて、本発明は、ガス管通気安全構造における正確な穴の形 成とその正確な位置の必要を省くことにより、製造の許容誤差と手順とを大きく 改善し単純にする。好ましいプラスチック材料は、高い熱歪（ｄｅｆｌｅｃｔｉ ｏｎ）温度を有するので（ＡＳＴＭ　Ｄ６４８）、製造時に熱にさらしたときに 起こりうる変形を防止し、応力と温度のサイクルの下でのクリープが小さい。

本発明の主な特徴は、放電機構それ自体を処理することである。充填した高分子 膜は、静電気の放電のための他の技術分野（たとえば、小さなパーソナルコンピ ュータにおいて静電気を放電するために用いられる）において用いられている。

たとえば、米国特許第４．９７７．３５７号（Ｓｈｒｉｅｒ、１９９０年１２月 １１日発行）と同第５．０６８．６３４号（Ｓｈｒｉｅｒ、１９９１年１１月２ ６日発行）参照。しかし、これらは、装置が多くの放電の後でも信頼しうる反復 可能性を備えるように設計されている場合であり、低エネルギでの用途に用いら れていた。すなわち、その性能は、非破壊的でなければならなかった。本発明の 主な特徴と、重要な新規な特徴は、本装置がそれ自体破壊的であるように作用す ることの実現と可能性である。これを本発明の特徴とすることにより（本装置は 、通常は点火を予想しないバックアップ装置なので、このことは許容できる）、 本発明は、たとえば雷パルスにより生じるような、大きなエネルギを有する高電 圧パルスを取り扱い、放電できる。対照的に、他の技術分野における従来の装置 は、そのようなインパルスを処理できるとは考えられていなかった。これは重要 な含蓄である。実際の放電機構は、プラスチック膜が伝導を開始したときにプラ スチック膜を通って形成する高エネルギの電気パルスのプラズマである。このプ ラズマは、地面へのほとんど直接の短絡を生じ、これは、通信保護装置における 効果的な保護を必要とし、通常のガス管の性能をぴったりまねる。このプラズマ により誘起された電気伝導度の突然の増加（すなわち抵抗の減少）は、非破壊性 の静的負荷の状況（先に述べたように、他の技術では同様な膜が用いられている ）ではみられない程度の電圧低下（ｆｏｌｄｂａｃｋ）効果を与える。

このことは、本発明の別の効果的な特徴へ導く。他の好ましい実施例では、通気 安全間隙（および好ましくはガス管の全体の装置）は、環境に対し封じるゲルの 中においてカプセル化される。ゲル中にカプセル化されたそのような通信端末（ ただし、本発明の通気安全機構を備えない）は、たとえば、本発明の被譲渡人に 譲渡された米国特許出願節７７６．５０１号（Ｂａｕｍ他、１９９１年１１月１ １日出願）に開示されている。この出願の開示は、全目的に対しこの引用により ここに組み込まれる。こうして環境に対して封じられたとき、ゲルカプセル化材 は、環境汚染から通気安全機構をうまく保護し、プラズマ放電の領域から酸素を 除き、熱シンクとして作用する。このゲルでカプセル化したプラズマ放電は、回 りの材料の劣化を減少し、燃焼を防止し、熱エネルギを局所的な熱い箇所から取 り去る。

したがって、本発明の目的は、通信ガス管保護器のための通気安全保護を提供す る新規で改善した方法と装置を提供することであり、より詳細には、ガス管保護 器の１つの端子への電気結合のための第１電極、ガス管保護器の他の端子への電 気結合のための第２電極、および、上記の２つの電極を分離する非気体の非線形 抵抗材料とからなり、この非線形抵抗材料は、上記の電極の間の電気ポテンシャ ルが所定の降伏電圧Ｖ、より小さいときに実質的に非電気伝導的であり、上記の 電気ポテンシャルが所定の降伏電圧Ｖ、より大きいときに実質的に電気伝導的で あり、電気伝導的になった後で電極間のプラズマ放電を支えて、上記の電極間の 電気伝導度の突然の増加をもたらして、ガス管保護器の低下挙動に機能的に似た プラズマ電圧低下を伴って高エネルギポテンシャルを放電する。ここで、上記の 所定の降伏電圧Ｖ、は、少なくとも上記の非線形抵抗材料を通る最初の放電の前 にガス管保護器の降伏電圧の設計値より大きくてもよい。また、上記の非線形抵 抗材料は、さらに、高分子、および、この高分子の中に分散した粒子状電気伝導 性充填物からなる組成物からなる固体の充填した高分子膜からなっていてもよい 。

また、上記の高分子膜は、実質的にＯ，ＯＯ１〜０．０１０インチ、好ましくは ０゜００２〜Ｏ，ＯＯ５インチの厚さを有する、カーボンブラックで充填したポ リカーボネートを基にした押出等級の化合物からなっていてもよい。また、上記 の粒子状電気伝導性充填物は、カーボンブラックであり、このカーボンブラック 充填物の大部分（９０％）の１次寸法は、３０〜６０ｎｍの範囲にあり、カーボ ンブラックの全量は、重量で全組成物の３０〜３５％であっていてもよい。また 、さらに、上記の電極と上記の非線形抵抗材料とを環境の汚染から保護するため 、プラズマ放電から酸素を除くため、そして、局所的な熱い箇所から熱エネルギ を取り出す熱シンクとして作用するために、上記の電極と上記の非線形抵抗材料 を環境に対しカプセル化するカプセル化材からなっていてもよい。また、上記の カプセル化材は上記の非線形抵抗材料に対して化学的に不活性であってもよい。

また、上記のカプセル化材はさらにゲルを有していてもよい。また、さらに、上 記の保護器上の第３端子への結合のための第３電極を備えていてもよい。また、 上記の２つの電極の少なくとも１つの少なくとも１部は、他方の電極から、少な くとも部分的に、離れる方向へ曲げられていてもよい。ここで、上記の目的は、 安価で、複雑でなく、耐久性があり、多用途で、信頼性の高い方法と装置として 達成でき、これは、製造が安価であり、通信保護蓋回路における最も広い有り得 る用途に直ちに適する。

本発明のこれらおよび他の目的と効果は、以下の説明、添付した図面、および、 添付した請求の範囲から明らかである。

図面の簡単な説明 第１図は、１対の通信線に組み込まれた典型的な３端子気体放電管を図式的に示 す図である。

第２図は、第１図の回路において使用されるようなガス管の断面図である。

第３図は、空気間隙型の通気安全装置を備えた従来のガス管を示す。

第４図は、第３図に示したような空気間隙通気安全装置の挙動を示し、そこに、 空気間隙の降伏電圧への水と油の効果を示す。

第５図は、ガス管保護器とともに、本発明による通気安全装置のいくらか図式的 な破断図である。

第６図は、第５図に示した組立物のわずかに破断した端面図である。

第７図は、第５図と第６図に示した接地電極／膜保持器の詳細である。

第８図は、ガス管に組み立てられた第５図と第６図に示した通気安全装置を示す 、第２図と同様な断面図である。

第９図は、通気安全装置がガス管から分離され電気的に結合されている本発明の 他の実施例を示す。

第１０図は、第５図〜第８図のガス管と通気安全装置がゲル中にカプセル化され ている本発明の他の実施例を示す。

第１１図〜第１３図は、本発明において使用される種類の、異なっｈ厚さの非線 形抵抗膜のＩＶ左カーブ示す。

第１４図は、第５図〜第８図により構成され、市販の３端子ガス管通気安全装置 の空気間隙の代替物として使用されるガス管通気安全装置のためのＩＶ左カーブ 示す。

第１５図は、さらに伝導性の膜に対するＩＶ左カーブ示す。

第１６図は、押出された市販の膜に対するＩＶ左カーブ示す。

第１７図〜第１９図は、電流負荷の関数としての第１６図の膜の電気インパルス 降伏挙動を示す。

好ましい実施例の説明 図面を参照して、以下に、新規で改善した通信システム用ガス管通気安全の方法 および装置を説明する。第１図は、通信線１５にガス管１２を組み込んだ典型的 な通信回路１０を図式的に示す。ガス管保護器１２は、通信回路１０のチップ側 とリング側への接続のための端の端子１６．１７（第２図）を備える。ガス管保 護器１２の本体は、セラミックシェル１９（第２図）である。ガス管１２の内部 は、イオン化可能な気体２０を含み、この気体２０は３５０〜４５０ボルトなど のあらかじめ決定したポテンシャル設計値でイオン化して、第４図に示すように 、放電プラズマを形成する。

第３図は、典型的な従来の空気間隙通気安全装置２５を示す。この装置２５にお ける端の端子２６．２７は、また、空気間隙通気安全の作動のための電極として も機能する。端の端子／電極２６．２７の各々は、穴（複数）２９をあけた非電 気伝導性膜２８を備え、この膜２８は、電極２６．２７を接地電極３ｏがら隔て る。接地電極３０は、ガス管１２の中心接地端子３１に接続される。既に指摘し たように、そのような空気間隙通気安全機構は、よく知られている。

第４図は、ガス管の典型的な降伏電圧Ｖａ（通常は３５０〜４５０ボルト）と、 空気間隙通気安全システム２５の対応する降伏電圧とを示す。第４図において右 と左を向く矢印で示すように、穴２９に侵入する水は、空気間隙通気安全装置の 降伏電圧を低下し、また、油は増加する。こうして、環境汚染、湿気、昆虫の群 集などの有害な効果は、空気間隙通気安全装置２５に、ガス管の電圧に比較しう る電圧で点火を開始させる。これは、事実上、システムの故障である。他方、た とえばゲルカプセル化により環境効果から穴２９を封じる本発明者の努力は、必 然的に、穴２９へのゲルからのオイルのもれを生じた。これは、逆に、降伏電圧 を仕様の設計限界を越えて上昇する。

第５図〜第８図に示すガス管通気安全装置４０は、これらの従来技術の限界を克 服する。特に、絶縁膜４５は、固体であり、穴があけられていない。このため、 絶縁膜４５は、環境汚染に対して影響されない。同様に、本装置の降伏電圧の設 計値を変えることなく、絶縁膜４５は、ゲル中におけるように、直ちにカプセル 化できる。カプセル化剤５０は、絶縁膜４５に対して化学的に不活性な材料から 選択される。たとえば、絶縁膜がポリカーボネートであるとき、シリコーンゲル が適当であろう。

第５図〜第８図に示される好ましい実施例において、ガス管１２の端の端子１６ ．１７は、また、通気安全装置４０のための電極として機能する。接地電極５５ が、絶縁膜４５の電極１６．１７に反対の側に設けられ、ガス管１２上の接地端 子１８に接続される。電界は、降伏の前と降伏の間に、接地電極５５と対向する ガス管電極１６．１７との間に膜材料４５を通って生じるが、通気安全性能は、 支持用の接地電極／膜保持器５５（第７図）を、この電界の制御した一様性を生 じるような妥当な形状に設計することにより、さらに改善される。もしこの観点 に特別な注意が払われないならば、ＶＢが大きく相違する可能性がある。たとえ ば、ある通気安全設計において、鋭い端の不連続が、スタンピング加工をした金 属部分で起こり、制御できない電界の非一様性を生じる。空気間隙設計における スペーサー材料の厚さ、および／または、あけた穴の直径などの他のパラメータ かしっかりと制御されるときでさえ、不適当な設計の電極材料の端のわずかな製 造の差か許容できないＶ８の相違を生じる可能性がある。その結果、本発明の好 ましい実施例は、性能をさらに改善するために、（膜材料に加えて）そのような 幾何学的設計を組み込む。第７図において、接地電極５５の終端は、対向するガ ス管電極から５８で部分的に上方へ曲げられる。これは、ガス管電極の曲がった 表面から、接地電極５５の鋭い端での不連続を取り去り、端の近くでの局所的な 電界増大を減少し、対向する電極の極小の分離距離で清らがな曲がった電極表面 を生じる。また、これは、極端な許容限度の制約を無くして、この部分の製造を 簡単にするとともに、制御された反復可能な電界一様性を実現して性能を改善す る。

ガス管通気安全装置４０は、また、端子１６．１７と電気的に接続される別の電 極を備えてもよく、そのような別の電極は、また、非線形抵抗膜４５の接地電極 と反対の側に位置される。第９図に示すそのような他のガス管通気安全装置６０ は、それぞれガス管の端の端子１６．１７に接続するための電極６１．６２と、 ガス管接地端子１８に接続するための接地電極６３とを備える。電極６１．６２ は、装置４０と同様な形で、接地電極６３から、（膜４５と同じである）膜６５ により分離される。

前に示したように、第１０図は、環境に対し封じるゲル５０中にカプセル化され るガス管通気安全装置４０を示す。このゲルカプセル化剤は、装置４ｏを環境汚 染から保護するだけでなく、プラズマ放電の領域から酸素を排除し、（熱シンク として作用して）熱をそこから運び去る。これは、周囲の材料の劣化を実質的に 減少し、燃焼を防止し、局所的な熱い箇所を減衰する。そのようなゲルは、好ま しくは、膜材料に対して化学的に不活性な材料から選択される。また、ゲル材料 を適当に選択すると、ゲル中の油充填材が損傷領域における膜の方へ移動するに つれ、プラズマ放電の損傷領域における膜４５の徐々の部分的な「回復」を促進 できる。

非線形抵抗膜４５．６５は、電極間の電気ポテンシャルが希望の降伏電圧ｖ１よ り小さいときに実質的に非電気伝導性の材料から選択される。したがって、この 抵抗膜は、その状態で非電気伝導性であり、１０’Ωより大きな絶縁抵抗を有す る。好ましくは、通信装置のために、降伏電圧Ｖ、は、６００ボルトより大きく 、１０００ボルトより小さく、特に８００〜８５０ボルトの近傍である。

適当な非線形抵抗膜を分析し開発するときに、非電気伝導性のマトリクス中での 小さな電気伝導性粒子（たとえば高分子中のカーボンブラック）の均一な分散に より、上昇する電界の均一な分布が得られることが見出された。これは、次に、 固体材料を通してのさらに制御可能な高電圧放電を生じる。非線形抵抗膜は、す でに、高電圧用途の突然の転移での電気応力浪責層として使用されている。

適当な非線形抵抗材料は、高分子と、この高分子中に分散される電気伝導性粒子 充填材とを含む組成物から作成される。使用時での１０’Ω・ｃｍより大きな絶 縁抵抗を達成するために、抵抗材料は、少なくとも１×１０ｓΩ・ｃｍ、好まし くは少なくともｌＸｌ０’Ω・ｃｍ、特に少なくともｌＸｌ０”Ω・ｃｍの抵抗 率を有する。使用される高分子の種類は、製造の容易さ、最大使用温度、化学抵 抗などの他の性質と同様に、使用する抵抗材料の希望の物理的性質、電気伝導性 粒子充填材の種類、及び、予期される使用条件に依存する。特に使用できる高分 子は、たとえば押出、カレンダー操作、成形（ｃａｓｔｉｎｇ）または圧縮成形 （ｍｏｌｄｉｎｇ）により、比較的薄い膜（たとえば０．００１〜０．０１０イ ンチ（０，０２５〜０．２５ｍｍ）、好ましくは０．００２〜０．００５インチ （０，０５〜０．１３ｍｍ）’Ｉに形成できる高分子である。特に好ましい高分 子は、ポリカーボネートを含む。

高分子中に分散される電気伝導性粒子充填材は、たとえば、１０−１Ω・ｃｍよ り小さい抵抗率、好ましくは１０−２Ω・ｃｍより小さい抵抗率、特に好ましく は１０−３Ω・ｃｍより小さい抵抗率を有する材料である。使用されるこれらの 粒子充填材の中には、カーボンブラック、グラファイト、金属、金属酸化物また は絶縁材料（ガラスまたはセラミック粒子）の少なくとも１部に被覆できる他の 材料が含まれる。

１つの型の粒子充填材が使用でき、または、２以上の異なった充填材の混合物ま たは同じ充填材の２以上の異なった大きさまたは型の混合物からなる。一般に、 本発明において使用に適した電気伝導性粒子充填材の平均粒子径、すなわち１次 （ｐｒｉｍａｒｙ）粒子径は、１μｍより小さく、好ましくは０．５μｍより小 さく、特に好ましくは０．１μｍより小さく、たとえば０．０１〜０．０９μｍ である。いくつかの組成において、好ましくは、粒子充填材の粒子の大部分、す なわち、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％、特に好ましくは少な くとも７０％、特別に好ましくは少なくとも８０％が、０，０１〜０．００９μ ｍ３好ましくは０゜０２〜０．００８μｍ、特に好ましくは０．０３〜０．０７ μｍの平均粒子径を有する。もし粒子が溶融し、すなわち、カーボンブラックの ように、集合体の形で関連するならば、好ましくは、集合体の径は、５μｍより 小さく、好ましくは３μｍより小さく、特に好ましくは２μｍより小さく、たと えば１μｍより小さい。

電気伝導性の粒子充填材の型およびその構造、粒子径、密度および伝導度に依存 して、抵抗材料における電気伝導性粒子充填材の量は、全組成の５〜７０重量％ 、好ましくは１０〜５０重量％、特に好ましくは１５〜４５重量％、特別に好ま しくは２０〜４０重量％である。電気伝導性粒子充填材がカーボンブラックであ るとき、その量は、しばしば全組成の２０〜４０重量％であり、特に好ましくは ２５から３５重量％であり、特別に好ましくはは３０〜３５重量％である。

上述の基準は、ＬＮＰエンジニアリングプラスチック社（ペンシルバニア州エク ストン）から商品名”３ｔａｔ−Ｋｏｎ“とじて市販されている非線形抵抗材料 膜材料を用いた実験において得られた。１つの適当な材料は、５ｔａｔ−Ｋｏｎ ＤＸ７すなわちカーボンブラックを充填したポリカーボネートを基にした１０’ （］０Ｅ７）Ωｅｃｍと１０１２Ω・ｃＩｌｌの間の体積抵抗率を有する押出等 級（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｇｒａｄｅ）化合物であった。膜は、１０ミルの厚さで 得られ、電極分離としてこの膜厚を用いて直流２５０Ｖで１０７Ωの絶縁抵抗が 測定された。実際、膜の上の２つの電極のどの位置でも、同じ絶縁の読みがいつ も得られた。より薄い膜が、この１０ミルの厚さの膜をホットプレスで２．５〜 ４．０ミルに圧縮することにより得られた。絶縁抵抗は、上述のように測定する と、１０１茸Ωを越えた。

試験として、これらの２．５〜４：０ミルの厚さの膜が、市販の３端子ガス管を 一体化した通気安全／フェールセーフ保護器の金属ばね端子／接触付属品の間に 挿入され、Ｂｅｌｌｃｏｒｅ社のＴＲ−ＴＳＹ−００００７３により性能が試験 された。このＢｅｌｌｃｏｒｅ社の仕様は、ここでの引用により全目的のために 本明細書に組み込まれる。この装置において使用された絶縁抵抗は、膜について だけで前に測定されたとき高レベルにとどまり、通気安全ガス管保護器の（薄膜 を通っての）チップから地面までの降伏電圧またはリングから地面までの降伏電 圧は、シリコーンゲル中であるか否かによらず、７００〜９００ボルトに変化し た。しかし、ゲルのカプセル化は、燃焼に必要な酸素源を実質的に減少し、これ は、伝熱媒体として作用し、局所的な熱いスポットから熱エネルギを効果的に取 り去る。こうして、この高エネルギ伝達の間での滑らかで安全な作動が確保され 、回りの材料（ゲルでカプセル化したプラズマ放電）の劣化を減少する。シリコ ーン中にカプセル化したとき、電力交差試験（ＬＡ、１００ＯＶ、６０Ｈｚ）の 間に、フェールセーフの機械的ばね機構との干渉は生じず、目に見えるスパーク や材料の劣化なしに、均一な加熱が起こり、金属ばねは、溶融しているポリカー ボネート膜を通って動き金属と金属の接触を形成し、電流を地面へ流す。

第１１図、第１２図および第１３図は、異なった厚さの５ｔａｔ−Ｋｏｎ　ＤＸ ７膜についてのＩＶ左カーブ示す。５ｔａｔ−Ｋｏｎ　ＤＸ７型の材料の興味が あり非常に有用な特徴は、降伏電圧のレベルが、（空気間隙と比較したとき）膜 厚に比較的依存しないことであり、絶縁抵抗が高レベルにとどまることであり、 約３ミルの薄い膜についてトリガ電流がマイクロアンペアの範囲にあることであ る。第１４図は、市販の３端子ガス管通気安全装置の空気間隙のための代替物と しての２．５ミルに圧縮した５ｔａｔ−Ｋｏｎ　ＤＸ７膜のＩＶ左カーブ示す。

第１５図は、電気伝導性のより高い１５ミルのＳｔａ　ｔ−Ｋｏｎ　ＤＸ３膜（ １０３〜１０６Ω・ｃｍの抵抗率）についてのＴＶ左カーブ示す。約ｌＸｌ０’ Ωの絶縁抵抗を有するので、ＤＸ３膜は、電話回路の用途に対し、より好ましく はない。

薄膜の圧縮が膜厚と電気的パラメータとに関して矛盾を生じるとき、薄膜の押出 は、３０〜３２％のカーボンブラックを有するポリカーボネートを基にした化合 物を用いて追跡された。使用されたカーボンブラックは、多くは７５ｎｍ以下の １次粒子径を有し、集合体粒子のサイズは、０．５μｍを中心に分布した。その ような膜の１例は、Ｓ　ｔ　ａ　ｔ−Ｋｏｎ　ＤＸ９材料（１０９〜１０１２Ω ”ｃｍの抵抗率）であった。第１６図は、この材料について典型的なＩＶ左カー ブ示す。第１７図から第１９図は、この材料についての電流負荷の関数として電 気的インパルス降伏挙動を示す。試験的な押出からの単独の試料の材料分析は、 この材料が３０〜３５重量％、０．０３０〜０．０６０Ωｍの粒子径のカーボン ブラック、６５〜７０重量％のビスフェニル−Ａ−ポリカーボネート、および、 １〜３重量％の充填材からなることを示した。

したがって、理解されるように、本発明は、多数の効果を与える。第１に、本発 明は、通信ガス管保護器のための環境に対して安定な装置を提供する。通常の空 気間隙を除去することにより、特に（ゲル中などに）カプセル化するときに、降 伏電圧ＶＢは、非常に長い期間にわたって信頼性高く安定である。ガス管が故障 し、本発明がその位置で点火すると、もちろん、これは、放電の領域で膜４５を 損傷する。したがって、これまでは、大電流を故障無く繰り返して流すそのよう な非線形性抵抗膜の不活性さは、越えることができない障壁としてみられていた 。しかし、本発明が教えるように、通常の条件では本発明の通気安全装置は点火 しないので、本装置は、ガス管１２が故障したときは取り換えられるように意図 される。実際、もし膜の炭化が低抵抗の経路を残すならば、故障したガス管を同 定するのに役立つので、これは、実際に効果的であるかもしれない。いいかえれ ば、この技術において、反復可能性は、性能と環境に対する安定性のために犠牲 にできる。これは、従来は利用できなかった大きな概念的で機能的な技術的突破 である。

もちろん、当業者は、この開示を読んだときに、本発明の種々の変形を行うであ ろう。たとえば、好ましい実施例で使用した充填したポリカーボネート膜に似た 電気特性を有する他の非線形性材料が、適当であると分かるかもしれない。これ は、たとえば、所望の電気的性質を有する適当なゲルなどの、ガスでないが必ず しも固体でない材料を含む。他の変形では、本発明は、２素子のガス管を用いて 使用でき、通気安全装置それ自体の上での２電極のみを必要とする。

したがって、ここに説明した方法と装置の形状は、本発明の好ましい実施例を構 成する。理解されるように、本発明は、これらの方法と装置の形状そのものに限 定されず、本発明の範囲から離れることなしに変形が可能である。

第１図 す）フ“ ＦＩＧ、２ ム′ｓ　３　＋／１ １毛東技征１ 第４図 旧 ＦＩＧ、７ ＦＩＧ、９ 第１０図　５０ ；へ１シ＋Ｉ　ＩＡ Ｖ　（＋↑Ｊルトン　ｘＥＯ 第１ｚ図 ＩＥ−１１４ 第１３図 ＩＥ−１１士 第１斗図 ＩＥ−６ ■　（ホ１しトン　ｘＥＯ 盲′シ１５図 ｈ、１６０ 第１７図 第１８し１ 第１９図 ｖ ■ フロントページの続き （７２）発明者　カリ−、ウィリアム・ジョゼフアメリカ合衆国　２７５０２　 ノース・カロライナ、アペックス、オーク・ストリート１８０４番 （７２）発明者　ジェサップ、キンバリー・アンアメリカ合衆国　２７６０６　 ノース・カロライナ、ラレイ、ウォルナット・クリーク・パークウェイ　３３１ ０工ル番 （７２）発明者　フィエン、ケネス・ジェイムズアメリカ合衆国　２７５１１　 ノース・カロライナ、カリ−、ビーコン・コープ・ドライブ　１０１番

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ）ガス管保護器の１つの端子への電気結合のための第１電極、ｂ）ガス管 保護器の他方の端子への電気結合のための第２電極、ｃ）上記の２つの電極を分 離する非気体の非線形抵抗材料とからなり、この非線形抵抗材料は、上記の電極 の間の電気ポテンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより小さいときに実質的に非電気 伝導的であり、上記の電気ポテンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより大きいときに 実質的に電気伝導的であり、電気伝導的になった後で電極間のプラズマ放電を支 えて、上記の電極間の電気伝導度の突然の増加をもたらして、ガス管保護器の低 下挙動に機能的に似たプラズマ電圧低下を伴って高エネルギポテンシャルを放電 する、通信ガス管保護器用の通気安全装置。
2. ２．請求項１に記載した通気安全装置において、上記の所定の降伏電圧ＶＢは、 少なくとも上記の非線形抵抗材料を通る最初の放電の前にガス管保護器の降伏電 圧の設計値より大きい通気安全装置。
3. ３．請求項１に記載した通気安全装置において、上記の非線形抵抗材料は、さら に、高分子、および、この高分子の中に分散した粒子状電気伝導性充填物からな る組成物からなる固体の充填した高分子膜からなる通気安全装置。
4. ４．請求項３に記載した通気安全装置において、上記の高分子膜は、実質的に０ ．００１〜０．０１０インチ、好ましくは０．００２〜０．０．０５インチの厚 さを有する、カーボンブラックで充填したポリカーボネートを基にした押出等級 の化合物からなる通気安全装置。
5. ５．請求項３に記載した通気安全装置において、上記の粒子状電気伝導性充填物 は、カーボンブラックであり、このカーボンブラック充填物の大部分（９０％） の１次寸法は、３０〜６０ｎｍの範囲にあり、カーボンブラックの全量は、重量 で全組成物の３０〜３５％である通気安全装置。
6. ６．請求項１に記載した通気安全装置において、さらに、上記の電極と上記の非 線形抵抗材料とを環境の汚染から保護するため、プラズマ放電から酸素を除くた め、そして、局所的な熱い箇所から熱エネルギを取り出す熱シンクとして作用す るために、上記の電極と上記の非線形抵抗材料を環境に対しカプセル化するカプ セル化材からなる通気安全装置。
7. ７．請求項６に記載した通気安全装置において、上記のカプセル化材は上記の非 線形抵抗材料に対して化学的に不活性である通気安全装置。
8. ８．請求項７に記載した通気安全装置において、上記のカプセル化材はさらにゲ ルを有する通気安全装置。
9. ９．請求項１に記載した通気安全装置において、さらに、上記の保護器上の第３ 端子への結合のための第３電極を備える通気安全装置。
10. １０．請求項１に記載した通気安全装置において、上記の２つの電極の少なくと も１つの少なくとも１部は、他方の電極から少なくとも部分的に上方へ曲げられ る通気安全装置。
11. １１．ａ）ガス管保護器の１つの端子への電気結合のための第１電極、ｂ）ガス 管保護器の他方の端子への電気結合のための第２電極、ｃ）上記の電極を分離す る非気体の非線形抵抗の、固体の、カーボンブラックで充填したポリカーボネー トを基にした押出等級材料の、実質的に０．００１〜０．０１０インチ、好まし くは０．００２〜０．００５インチの厚さを有する非線形抵抗膜と、 ｄ）上記の電極と上記の非線形抵抗膜を環境に対しカプセル化するゲルとからな り、 上記の非線形抵抗膜は、上記の２つの電極を分離し、上記の電極の間の電気ポテ ンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより小さいときに実質的に非電気伝導的であり、 上記の電気ポテンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより大きいときに実質的に電気伝 導的であり、電気伝導的になった後で電極間のプラズマ放電を支えて、上記の電 極間の電気伝導度の突然の増加をもたらして、ガス管保証器の低下挙動に機能的 に似たプラズマ電圧低下を伴って高エネルギポテンシャルを放電し、上記の所定 の降伏電圧ＶＢは、少なくとも上記の非線形抵抗膜を通る最初の放電の前にガス 管保護器の降伏電圧の設計値より大きく、上記のゲルは、上記の電極と上記の非 線形抵抗膜とを環境に対しカプセル化して環境汚染から保護し、プラズマ放電か ら酸素を除き、局所的な熱い箇所から熱エネルギを引き出す熱シンクとして作動 し、上記の非線形抵抗膜に対して化学的に非活性である 通信ガス管保護器用の通気安全装置。
12. １２．通信回路への結合のための少なくとも２つの端子を傭えるガス管を含む通 信ガス管保護器・通気安全装置において、ａ）ガス管保護器の１つの端子へ電気 的に結合される第１電極、ｂ）ガス管保護器の他方の端子へ電気的に結合される 第２電極、ｃ）上記の２つの電極を分離する非気体の非線形抵抗材料とからなり 、この非線形抵抗材料は、上記の電極の間の電気ポテンシャルが所定の降伏電圧 ＶＢより小さいときに実質的に非電気伝導的であり、上記の電気ポテンシャルが 所定の降伏電圧ＶＢより大きいときに実質的に電気伝導的であり、電気伝導的に なった後で電極間のプラズマ放電を支えて、上記の電極間の電気伝導度の突然の 増加をもたらして、ガス管保護器の低下挙動に機能的に似たプラズマ電圧低下を 伴って高エネルギポテンシャルを放電する、通信ガス管保護器・通気安全装置。
13. １３．請求項１２に記載した装置において、上記の第１電極は、さらに、上記の ガス管の１つの端子の少なくとも１部からなる装置。
14. １４．請求項１２に記載した装置において、上記の所定の降伏電圧ＶＢは、少な くとも上記の非線形抵抗材料を通る最初の放電の前にガス管保護器の降伏電圧の 設計値より大きい装置。
15. １５．請求項１２に記載した装置において、上記の非線形抵抗材料は、さらに、 高分子、および、この高分子の中に分散した粒子状電気伝導性充填物からなる組 成物からなる固体の充填した高分子膜からなる放電安全装置。
16. １６．請求項１５に記載した通気安全装置において、上記の高分子膜は、実質的 に０．００１〜０．０１０インチ、好ましくは０．００２〜０．００５インチの 厚さを有する、カーボンブラックで充填したポリカーボネートを基にした押出等 級の化合物からなる装置。
17. １７．請求項１５に記載した装置において、上記の粒子状電気伝導性充填物は、 カーボンブラックであり、このカーボンブラック充填物の大部分（９０％）の１ 次寸法は、３０〜６０ｎｍの範囲にあり、カーボンブラックの全量は、重量で全 組成物の３０〜３５％である装置。
18. １８．請求項１２に記載した装置において、さらに、上記の電極と上記の非線形 抵抗材料とを環境に対しカプセル化して環境汚染から保護し、プラズマ放電から 酸素を除き、局所的な熱い箇所から熱エネルギを引き出す熱シンクとして作動す るカプセル化剤からなる装置。
19. １９．請求項１８に記載した装置において、上記のカプセル化材は上記の非線形 抵抗材料に対して化学的に不活性である装置。
20. ２０．請求項１９に記載した装置において、上記のカプセル化材はさらにゲルを 有する装置。
21. ２１．請求項１２に記載した装置において、さらに、上記の通信ガス管保護器上 のさらに他の端子への結合のための第３電極を備える装置。
22. ２２．請求項１２に記載した装置において、上記の２つの電極の少なくとも１つ の少なくとも１部は、他方の電極から、少なくとも部分的に上方へ曲げられる装 置。
23. ２３．通信回路への結合のための少なくとも２つの端子を備えるガス管を含む通 信ガス管保護器・通気安全装置において、ａ）ガス管保護器の端子の中の１つの 端子の少なくとも１部の上の第１電極、ｂ）ガス管保護器の端子の中の他方の端 子に結合される第２電極、ｃ）上記の電極を分離する非気体の非線形抵抗の、固 体の、カーボンブラックで充填したポリカーボネートを基にした押出等級材料の 、実質的に０．００１〜０．０１０インチ、好ましくは０．００２〜０．００５ インチの厚さを有する非線形抵抗膜と、 ｄ）上記の電極と上記の非線形抵抗膜を環境に対しカプセル化するゲルとからな り、 上記の非線形抵抗膜は、上記の２つの電極を分離し、上記の電極の間の電気ポテ ンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより小さいときに実質的に非電気伝導的であり、 上記の電気ポテンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより大きいときに実質的に電気伝 導的であり、電気伝導的になった後で電極間のプラズマ放電を支えて、上記の電 極間の電気伝導度の突然の増加をもたらして、ガス管保護器の低下挙動に機能的 に似たプラズマ電圧低下を伴って高エネルギポテンシャルを放電し、上記の所定 の降伏電圧ＶＢは、少なくとも上記の非線形抵抗膜を通る最初の放電の前にガス 管保護器の降伏電圧の設計値より大きく、上記のゲルは、上記の電極と上記の非 線形抵抗膜とを環境に対しカプセル化して環境汚染から保護し、プラズマ放電か ら酸素を除き、局所的な熱い箇所から熱エネルギを引き出す熱シンクとして作動 し、上記の非線形抵抗膜に対して化学的に非活性である 通信ガス管保護器・通気安全装置。
24. ２４．通信回路への結合のため少なくとも２つの端子を備える通信ガス管保護器 を通気安全により保証する方法において、ａ）ガス管保護器の第１端子へ第１電 極を電気的に結合し、ｂ）ガス管保護器の他方の端子へ第２電極を電気的に結合 し、ｃ）非気体の非線形抵抗材料を用いて上記の２つの電極を分離する方法であ り、この非線形抵抗材料は、上記の電極の間の電気ポテンシャルが所定の降伏電 圧Ｖ８より小さいときに実質的に非電気伝導的であり、上記の電気ポテンシャル が所定の降伏電圧Ｖ８より大きいときに実質的に電気伝導的であり、電気伝導的 になった後で電極間のプラズマ放電を支えて、上記の電極間の電気伝導度の突然 の増加をもたらして、ガス管保護器の低下挙動に機能的に似たプラズマ電圧低下 を伴って高エネルギポテンシャルを放電する方法。
25. ２５．請求項２４に記載した方法において、第１電極をガス管保護器の第１端子 に電気的に結合することは、上記のガス管保護器の第１端子自体の上に上記の第 １電極を形成することからなる方法。
26. ２６．請求項２４に記載した方法において、上記の２つの電極の分離は、少なく とも上記の非線形抵抗膜を通る最初の放電の前に上記の所定の降伏電圧ＶＢがガ ス管保護器の降伏電圧の設計値より大きい非線形抵抗材料を用いて行う方法。
27. ２７．請求項２４に記載した方法において、上記の非線形抵抗材料は、高分子、 および、この高分子の中に分散した粒子状電気伝導性充填物からなる組成物から なる固体の充填した高分子膜である方法。
28. ２８．請求項２７に記載した方法において、上記の高分子膜は、実質的に０．０ ０１〜０．０１０インチ、好ましくは０．００２〜０．００５インチの厚さを有 する、カーボンブラックで充填したポリカーボネートを基にした押出等級の化合 物からなる方法。
29. ２９．請求項２７に記載した方法において、上記の粒子状電気伝導性充填物は、 カーボンブラックであり、このカーボンブラック充填物の大部分（９０％）の１ 次寸法は、３０〜６０ｎｍの範囲にあり、カーボンブラックの全量は、重量で全 組成物の３０〜３５％である方法。
30. ３０．請求項２４に記載した方法において、さらに、上記の電極と上記の非線形 抵抗材料とを環境に対しカプセル化して環境汚染から保護し、プラズマ放電から 酸素を除き、局所的な熱い箇所から熱エネルギを引き出す熱シンクとして作動す る方法。
31. ３１．請求項３０に記載した方法において、上記のカプセル化材は上記の非線形 抵抗材料に対して化学的に不活性である方法。
32. ３２．請求項３１に記載した方法において、上記のカプセル化材はさらにゲルを 有する方法。
33. ３３．請求項２４に記載した方法において、さらに、上記の通信ガス管保護器上 のさらに他の端子への結合のための第３電極を備える方法。
34. ３４．請求項２４に記載した方法において、上記の２つの電極の少なくとも１つ の少なくとも１部は、他方の電極から少なくとも部分的に上方へ曲げられる方法 。
35. ３５．通信回路への結合のため少なくとも２つの端子を備える通信ガス管保護器 を通気安全により保護する方法において、ａ）ガス管保護器の第１端子へ第１電 極を電気的に結合し、ｂ）ガス管保護器の他方の端子へ第２電極を電気的に結合 し、ｃ）上記の電極を分離する非気体の非線形抵抗の、固体の、カーボンブラッ クで充填したポリカーボネートを基にした押出等級材料の、実質的に０．００１ 〜０．０１０インチ、好ましくは０．００２〜０．００５インチの厚さを有する 非線形抵抗膜を用いて上記の電極を分離し、ｄ）上記の非線形抵抗膜に対して化 学的に非活性であるゲルの中に上記の電極と上記の非線形抵抗膜を環境に対しカ プセル化して環境汚染から保護し、プラズマ放電から酸素を除き、局所的な熱い 箇所から熱エネルギを引き出す熱シンクとして作動する方法であり、 上記の非線形抵抗膜は、上記の２つの電極を分離し、上記の電極の間の電気ポテ ンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより小さいときに実質的に非電気伝導的であり、 上記の電気ポテンシャルが所定の降伏電圧ＶＢより大きいときに実質的に電気伝 導的であり、電気伝導的になった後で電極間のプラズマ放電を支えて、上記の電 極間の電気伝導度の突然の増加をもたらして、ガス管保護器の低下挙動に機能的 に似たプラズマ電圧低下を伴って高エネルギポテンシャルを放電し、上記の所定 の降伏電圧ＶＢは、少なくとも上記の非線形抵抗膜を通る最初の放電の前にガス 管保護器の降伏電圧の設計値より大きい方法。