JP2004259459A - 放電管 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】両端が開口した絶縁材よりなるケース部材12の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材14,14で気密に閉塞することによって気密外囲器16を形成すると共に、上記蓋部材14,14の放電電極部18,18間に所定の放電間隙22を形成し、また、ケース部材12の内壁面24に、その両端が、放電電極を兼ねた上記蓋部材14,14と微小放電間隙26を隔てて対向配置された線状のトリガ放電膜28を複数形成すると共に、上記放電電極部18の表面に、アルカリヨウ化物が含有された絶縁性の被膜30を形成し、さらに、上記気密外囲器16内に、Kr(クリプトン)を含有した放電ガスを封入した放電管10。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は放電管に係り、特に、プロジェクターや自動車のメタルハライドランプ等の高圧放電ランプや、ガス調理器等の着火プラグに、点灯用又は着火用の定電圧を供給するためのスイッチングスパークギャップとして、或いは、サージ電圧を吸収するためのガスアレスタ(避***)として好適に使用できる放電管に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の放電管として、本出願人は、先に特開2003−7420号を提案した。この放電管60は、図6に示すように、両端が開口した絶縁材よりなる円筒状のケース部材62の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材64,64で気密に閉塞することによって気密外囲器66を形成し、該気密外囲器66内に、所定の放電ガスを封入してなる。
【0003】
上記蓋部材64は、気密外囲器66の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部68と、ケース部材62の端面に接する接合部70を備えており、両蓋部材64,64の放電電極部68,68間には、所定の放電間隙72が形成されている。
また、上記ケース部材62の内壁面74には、微小放電間隙76を隔てて対向配置された一対のトリガ放電膜78,78が、複数組形成されている。一対のトリガ放電膜78,78の内、一方のトリガ放電膜78は、一方の放電電極部68と電気的に接続され、他方のトリガ放電膜78は、他方の放電電極部68と電気的に接続されている。
上記放電電極部68の表面には、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物が含有された絶縁性の被膜80が形成されている。
上記気密外囲器66内に封入する放電ガスとしては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノン等の希ガスあるいは窒素ガス等の不活性ガスの単体又は混合ガスが該当する。また、希ガスあるいは不活性ガスの単体又は混合ガスと、H2等の負極性ガスとの混合ガスが該当する。
【0004】
上記構成を備えた放電管60の放電電極部68,68間に、当該放電管60の放電開始電圧以上の電圧が印加されると、トリガ放電膜78,78間の微小放電間隙76に電界が集中し、これにより微小放電間隙76に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部68,68間の放電間隙72へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行するのである。
【0005】
上記従来の放電管60にあっては、放電電極部68の表面に、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物の含有された被膜80を形成したことにより、数msという短い間隔で動作させた場合や立ち上がり時間の早いサージ電圧が印加された場合においても、常に安定した放電開始電圧を得ることができる。
また、上記放電管60にあっては、放電回数が約200万回となっても放電開始電圧に大きな変化はなく、放電管60の長寿命化を図ることもできる。
【特許文献1】
特開2003−7420号
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、放電管60の放電電極部68の表面に、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物の含有された被膜80を形成することにより、比較的長寿命な放電管を実現することが可能である。
しかしながら、上記従来の放電管60の寿命特性も必ずしも満足の得られる水準とはいえず、更なる長寿命な放電管の出現が望まれていた。
【0007】
本発明は、上記要請に応えるためになされたものであり、その目的とするところは、寿命特性を向上させることができる放電管の実現にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、気密外囲器内に封入する放電ガスの組成材料について種々検討を試みた結果、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいKr(クリプトン)が放電管の寿命特性の向上に極めて効果的であることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明に係る放電管は、気密外囲器内に複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、上記気密外囲器内に、Krを含有した放電ガスを封入したことを特徴とする。
【0009】
本発明に係る放電管にあっては、気密外囲器内に、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいKrを含有した放電ガスを封入したことにより、放電電極のスパッタによる消耗を抑制でき、放電管の寿命特性を向上させることができる。これは、以下の理由等によるものと考えられる。
すなわち、放電管の陰極側の放電電極は、放電生成時に常に陽イオンの衝撃を受けることによりスパッタされ、その結果、陰極側の放電電極の電極材料が原子状態で飛散して、放電電極や気密外囲器の内壁に付着して黒化させ、これが、表面漏れ電流や気密外囲器の内壁電位を変化させて、放電管の寿命を短くするのである。
しかしながら、Krは原子量が大きいため、放電生成時に電離したKrイオンが陰極側の放電電極に向かう際の加速度が小さく、Krイオンの移動速度が遅いことから、移動中にKrイオンが基底状態に戻ったり、他の分子と衝突して熱エネルギーに変換される等するため、陰極側の放電電極に与える衝撃が小さくなり、放電電極のスパッタによる消耗が抑制されると考えられる。
また、Krは熱伝導率が小さいことから、Krイオンが放電電極に衝突した際に、熱が放電電極に伝導しにくいため、放電電極の熱による溶融が生じにくいものである。従って、放電ガスにKrを含有すれば、放電生成時に、Krイオンが放電電極に衝突しても、放電電極が溶融して飛散するスパッタが抑制されると考えられるのである。
【0010】
上記放電ガスを、KrとH2の混合ガスで構成しても良い。このように、放電ガスを、KrとH2の混合ガスで構成すれば、原子量が小さく、負極性ガスであるH2により、放電遅れの防止や、放電が持続する続流現象防止に効果がある。
【0011】
また、上記放電ガスを、KrとArの混合ガスで構成しても良い。このように、放電ガスを、KrとArの混合ガスで構成すれば、原子量の小さいArにより、放電遅れの防止に効果がある。
【0012】
さらに、上記放電ガスを、KrとNeの混合ガスで構成しても良い。このように、放電ガスを、KrとNeの混合ガスで構成すれば、放電開始電圧の低下作用を有するNeにより、放電生成が容易になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明に係る放電管10は、図1に示すように、両端が開口したセラミック等の絶縁材よりなる円筒状のケース部材12の両端開口部を、放電電極を兼ねた一対の蓋部材14,14で気密に閉塞することによって気密外囲器16を形成してなる。
【0014】
上記蓋部材14は、気密外囲器16の中心に向けて大きく突き出た平面状の放電電極部18と、ケース部材12の端面に接する接合部20を備えており、両蓋部材14,14の放電電極部18,18間には、所定の放電間隙22が形成されている。
また、上記ケース部材12の内壁面24には、その両端が、放電電極を兼ねた上記蓋部材14,14と微小放電間隙26を隔てて対向配置された線状のトリガ放電膜28が複数形成されている。該トリガ放電膜28は、カーボン系材料等の導電性材料で構成されている。
【0015】
上記放電電極部18の表面には、アルカリヨウ化物が含有された絶縁性の被膜30が形成されている。この被膜30は、ヨウ化カリウム(KI)、ヨウ化ナトリウム(NaI)、ヨウ化セシウム(CsI)、ヨウ化ルビジウム(RbI)等のアルカリヨウ化物の単体又は混合物を、珪酸ナトリウム溶液と純水よりなるバインダーに添加したものを、放電電極部18表面に塗布することによって形成することができる。
この場合、アルカリヨウ化物の単体又は混合物が0.01〜70重量%、バインダーが99.99〜30重量%の配合割合で混合される。また、バインダー中の珪酸ナトリウム溶液と純水との配合割合は、珪酸ナトリウム溶液が0.01〜70重量%、純水が99.99〜30重量%となされる。
【0016】
また、上記被膜30中に、臭化セシウム(CsBr)、臭化ルビジウム(RbBr)、臭化ニッケル(NiBr2)、臭化インジウム(InBr3)、臭化コバルト(CoBr2)、臭化鉄(FeBr2、FeBr3)等の臭化物の1種類以上を添加すると、より一層、放電管10の放電開始電圧の安定化を図ることができる。
尚、塩化バリウム(BaCl)、フッ化バリウム(BaF)、酸化イットリウム(Y2O3)、塩化イットリウム(YCl2)、フッ化イットリウム(YF3)、モリブデン酸カリウム(K2MoO4)、タングステン酸カリウム(K2WO4)、クロム酸セシウム(Cs2CrO4)、酸化プラセオジウム(Pr6O11)、チタン酸カリウム(K2Ti4O9)の1種類以上を、上記臭化物と共に、或いは上記臭化物以外に、上記被膜30中に添加しても、放電管10の放電開始電圧の安定化に寄与する。
これら物質は、上記アルカリヨウ化物の単体又は混合物とバインダーとの混合物中に、0.01〜10重量%の配合割合で添加される。
【0017】
上記気密外囲器16内には、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいKr(クリプトン)を含有した放電ガスが封入されている。
放電ガスに、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいKr(クリプトン)を含有せしめることにより、放電管10の寿命特性を向上させることができる。これは、以下の理由等によるものと考えられる。
すなわち、陰極側の放電電極部18は、放電生成時に常に陽イオンの衝撃を受けることによりスパッタされ、その結果、陰極側の放電電極部18の電極材料が原子状態で飛散して、放電電極部18や気密外囲器16の内壁に付着して黒化させ、これが、表面漏れ電流や気密外囲器16の内壁電位を変化させて、放電管の寿命を短くするのである。
しかしながら、Krは原子量が大きいため、放電生成時に電離したKrイオンが陰極側の放電電極部18に向かう際の加速度が小さく、Krイオンの移動速度が遅いことから、移動中にKrイオンが基底状態に戻ったり、他の分子と衝突して熱エネルギーに変換される等するため、陰極側の放電電極部18に与える衝撃が小さくなり、放電電極部18のスパッタによる消耗が抑制されると考えられる。
また、Krは熱伝導率が小さいことから、Krイオンが放電電極部18に衝突した際に、熱が放電電極部18に伝導しにくいため、放電電極部18の熱による溶融が生じにくいものである。従って、放電ガスにKrを含有すれば、放電生成時に、Krイオンが放電電極部18に衝突しても、放電電極部18が溶融して飛散するスパッタが抑制されると考えられるのである。
【0018】
尚、放電ガスを原子量の大きいKr単体で構成した場合には、長寿命となる反面、Krの移動速度が遅いことに起因する放電遅れの発生等、放電特性の低下をもたらすため、他のガスと混合して用いるのが望ましい。
例えば、放電ガスを、KrとH2の混合ガスで構成すれば、原子量が小さく、負極性ガスであるH2により、放電遅れの防止や、放電が持続する続流現象防止に効果がある。
また、放電ガスを、KrとArの混合ガスで構成すれば、原子量の小さいArにより、放電遅れの防止に効果がある。尚、KrとArの混合ガスに、さらに、H2を混合しても良く、この場合、H2により、より一層、応答性能を向上させることができると共に、続流現象防止に効果的である。
さらに、放電ガスを、KrとNeの混合ガスで構成すれば、放電開始電圧の低下作用を有するNeにより、放電生成が容易になる。
放電ガスを、上記KrとH2の混合ガス、KrとNeの混合ガス、KrとArの混合ガス、KrとArとH2の3種類の混合ガスで構成する場合、Krは、3〜95体積%の割合で混合するのが好ましい。
すなわち、Krの混合割合が3体積%未満の場合には、寿命特性の向上効果があまり得られず、一方、Krの混合割合が95体積%を越えると放電特性の低下が大きくなるためである。
【0019】
上記構成を備えた本発明の放電管10にあっては、放電電極を兼ねた上記一対の蓋部材14,14間に、当該放電管10の放電開始電圧以上の電圧が印加されると、トリガ放電膜28の両端と蓋部材14,14間の微小放電間隙26に電界が集中し、これにより微小放電間隙26に電子が放出されてトリガ放電としての沿面コロナ放電が発生する。次いで、この沿面コロナ放電は、電子のプライミング効果によってグロー放電へと移行する。そして、このグロー放電が放電電極部18,18間の放電間隙22へと転移し、主放電としてのアーク放電に移行するのである。本発明の放電管10においては、微小放電間隙26に生ずる元来応答速度の速い沿面コロナ放電をトリガ放電として利用するものであるため、高い応答性を実現できるものである。
【0020】
本発明の放電管10のトリガ放電膜28,28は、放電電極を兼ねた蓋部材14,14と電気的に接続されていないため、微小放電間隙26における過度な電界集中が抑制され、その結果、安定した放電開始電圧を得ることができる。
すなわち、従来の放電管60のように、トリガ放電膜78,78が、放電電極を兼ねた蓋部材64,64と電気的に接続されていると、微小放電間隙76における電界集中の度合が強いため電子が大量に放出され易いものの、放電毎の電子放出量が不安定となり易く、その結果、放電開始電圧の不安定化をもたらすことがあった。
これに対し、本発明の放電管10にあっては、トリガ放電膜28,28が、放電電極を兼ねた蓋部材14,14と電気的に接続されていないため、微小放電間隙26における電界集中の度合が弱く、電子の放出量は抑制されるものの、放電毎の電子放出量が安定し、その結果、安定した放電開始電圧を得ることができるのである。
【0021】
上記した通り、本発明の放電管10にあっては、気密外囲器16内に、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいKrを含有した放電ガスを封入したことにより、放電電極部18のスパッタによる消耗を抑制でき、従来の放電管60に比べて、寿命特性を向上させることができる。
本発明者は、図2乃至図5に示すように、放電開始電圧が800Vに設定されている本発明の放電管10と従来の放電管60に関して、放電回数と放電開始電圧との関係について実験を行った。
すなわち、図2は、放電ガスをKr単体(100体積%)で構成した本発明の放電管10と、放電ガスをAr、Ne及びH2の混合ガスで構成した従来の放電管60における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
また、図3は、放電ガスを、Kr(20体積%)とAr(80体積%)の混合ガスで構成した本発明の放電管10と、放電ガスをAr、Ne及びH2の混合ガスで構成した従来の放電管60における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
図4は、放電ガスを、Kr(10体積%)とAr(90体積%)の混合ガスで構成した本発明の放電管10と、放電ガスをAr、Ne及びH2の混合ガスで構成した従来の放電管60における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
図5は、放電ガスを、Kr(5体積%)とAr(95体積%)の混合ガスで構成した本発明の放電管10と、放電ガスをAr、Ne及びH2の混合ガスで構成した従来の放電管60における放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【0022】
図2乃至図5の実験結果に示される通り、従来の放電管60の場合には、放電回数が約200万回を越えた付近から放電開始電圧が大きく変動して使用できなくなるのに対し、本発明の放電管10の場合には、放電回数が約1000万回となっても放電開始電圧は安定していた。このように、Krを含有した放電ガスを用いることにより、放電管10の長寿命化が実現されるのである。
尚、放電ガス中のKrの割合が100体積%の場合も、5体積%の場合も、放電管10の寿命特性に殆ど変化はなく、従って、放電ガス中に含有されるKrの割合が小さくても十分な寿命特性の向上効果を得ることができる。
【0023】
また、本発明の放電管10にあっては、放電電極部18の表面に、放電開始電圧の安定に効果的なアルカリヨウ化物の含有された被膜30を形成したので、当該放電管10をスイッチングスパークギャップとして使用した場合、図示しないコンデンサからの高電圧パルス(数百Hz以上)を受けて、数msという短い間隔で常に一定の放電開始電圧で安定的に動作することが可能になる。
【0024】
さらに、本発明の放電管10をガスアレスタとして使用した場合、立ち上がり時間の早いサージ電圧が印加された場合であっても、その放電開始電圧に変動を生じる、いわゆる放電開始電圧の「ゆらぎ」を生じにくく、一定の放電開始電圧で安定的に動作することが可能である。
すなわち、放電開始電圧の「ゆらぎ」現象は、サージ電圧が放電管10に印加された際に、放電の種火としての初期電子やイオンが、放電ガス分子に衝突してこれをイオンと電子に電離させるα効果、電離されたイオンが放電電極部18表面の被膜30に衝突して二次電子を放出させる二次電子放出作用(γ効果)が安定的に行われないことから生じる現象である。
しかしながら、本発明にあっては、上記被膜30に含有されたアルカリヨウ化物が放電ガス分子をイオン化させ易い性質を有しているため、気密外囲器16内には多量のイオンが存在し、この結果、安定したα効果及び二次電子放出作用(γ効果)を示すことから、放電開始電圧の「ゆらぎ」を生じにくいものとなっているのである。
【0025】
【発明の効果】
本発明に係る放電管にあっては、気密外囲器内に、原子量が大きく、且つ、熱伝導率の小さいKrを含有した放電ガスを封入したことにより、放電電極のスパッタによる消耗を抑制でき、放電管の寿命特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る放電管を示す断面図である。
【図2】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図3】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図4】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図5】本発明の放電管と従来の放電管における、放電回数と放電開始電圧との関係を示すグラフである。
【図6】従来の放電管を示す断面図である。
【符号の説明】
10 放電管
12 ケース部材
14 蓋部材
16 気密外囲器
18 放電電極部
22 放電間隙
26 微小放電間隙
28 トリガ放電膜
30 被膜
Claims (4)
- 気密外囲器内に複数の放電電極を放電間隙を隔てて配置すると共に、上記気密外囲器内に、Krを含有した放電ガスを封入したことを特徴とする放電管。
- 上記放電ガスを、KrとH2の混合ガスで構成したことを特徴とする請求項1に記載の放電管。
- 上記放電ガスを、KrとArの混合ガスで構成したことを特徴とする請求項1に記載の放電管。
- 上記放電ガスを、KrとNeの混合ガスで構成したことを特徴とする請求項1に記載の放電管。
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