JP4898896B2 - 過電圧アレスタ - Google Patents

Description

本発明は、中間電極と少なくとも１つの外側電極とを備えた過電圧アレスタに関する。導電性の弾性湾曲部は、中間電極に取り付けられていて、弾性力が外側電極に加えられている。

冒頭に挙げたような過電圧アレスタは、通常、例えば、落雷によって生じるような短時間に生起する過電圧に対して、無線通信装置を保護するために使われる。その際、過電圧アレスタの点弧によって、外側電極は、アークを用いて中間電極と短絡される。過電圧の発生が終了すると直ぐに、アークが消え、中間電極と外側電極との間の切換区間は、再度絶縁される。

上述の保護機能を、過電圧アレスタの故障時でも維持するために、アレスタに付加的な機能を装着するとよい。この関連では、熱過負荷時にアレスタを保護する機構が公知である（フェールセーフ）。この機構では、弾性湾曲部と外側電極との間に、はんだ材料または絶縁箔板からなる溶融材料が設けられており、はんだ材料または絶縁箔板は、温度が過度に高いと弾性湾曲部が動いて、中間電極と外側電極との間のアレスタの切換区間が橋絡され、それにより短絡するようになる。

さらにアレスタが故障した際には、アレスタが漏電することがあり、その結果、アレスタの点弧電圧が強く上昇することになる。この場合、アレスタは、元の点弧電圧ではもはや点弧せず、安全機構が作動し始める熱も生じない。この状況でも、保護機能を確実に行うために、アレスタに付加的に漏電時保護部を装着するとよい。この場合、アレスタの各点弧区間に、付加的な電圧制限構成部が並列接続される。この付加的な電圧制限構成部は、バリスタまたは半導体（例えば、ブレークオーバーダイオード）にするとよい。そうすることによって、アレスタが故障したり、漏電したりした場合でも、保護機能を維持し続けることができるようになる。つまり、アレスタを短絡する付加的な電圧制限構成部自体は保護されるか、または加熱により熱短絡機構が始動されるからである。

アレスタの漏電時に、エラー保護機構にもっとも高い要求が掛けられる。例えば、米国明細書Telcordia１３６１に記載されているテストでは、漏電した３電極アレスタに１０００Ｖの交流電圧が印加され、その際、切換区間毎に最大３０Ａの電流が流れることがある。バリスタが電圧制限構成部として使用されている変形アレスタでは、切換区間毎に30kWの切換電力にすることができる。このような高い電力により、不可避的に火花が生じ、アークによって燃焼するが、アレスタは通常プラスチックケーシング内に組み込まれているので、このアークによって焼き付いてしまうことがある。

米国特許第５３８８０２３号明細書から、弾性湾曲部と外側電極との間に溶融要素が設けられている、冒頭に記載したようなアレスタが公知である。通常作動時には、溶融要素は短絡しないようにされ、相応して最少厚みを有するように頑丈に形成されている。エラー時に溶融要素は、弾性湾曲部とバリスタまたは外側電極との電気コンタクトを開放する。この溶融要素は、固体相から液体相への移行が長く持続し、それに相応してヒューズの作動が遅延される。それにより、火花が生じる恐れが強く増大する。

米国特許第５３８８０２３号

したがって本発明の課題は、エラー時に、迅速に作動する機構が設けられた過電圧アレスタを提供することにある。

この課題は、本発明によると、請求項１記載の過電圧アレスタによって解決される。本発明の有利な実施例は、従属請求項に記載されている。

本発明の過電圧アレスタは、導電性の弾性湾曲部が中間電極に取り付けられていて、弾性力が外側電極に加えられており、
前記弾性湾曲部と前記外側電極との間に電気構成素子が設けられており、
前記弾性湾曲部は、導電コンタクト要素を有し、
2つの側を備えるスペーサ部材が設けられており、
該スペーサ部材は、一方の側で前記電気構成素子と接続されており、他方の側で前記導電コンタクト要素の孔に突入し、当該孔に溶融可能材料を用いて固定されており、
前記導電コンタクト要素は、前記溶融可能材料が溶融しない際に前記外側電極に対して間隔を有し、前記溶融可能材料が溶融した際に、前記外側電極に接触接続される。

本発明の過電圧アレスタは、アレスタの通常作動時に必要な、弾性湾曲部と外側電極との絶縁が、スペーサ部材を用いて、コンタクト要素を外側電極から離隔することによって達成される。溶融可能材料は、コンタクト要素をスペーサ部材に取り付けるためにだけ必要な量、つまり、単に、コンタクト要素をスペーサ部材によって固定保持することができるだけの所定の僅小量を設ければよい。

電気構成要素は、通常作動時にアレスタが有している点弧電圧では絶縁状態である。

本発明の有利な実施例では、電気構成要素はバリスタである。そのようなバリスタは、通常作動時に通常生じるアレスタの約３５０Ｖの静的な点弧電圧では、依然として約０．５ＭΩの高い抵抗を有しており、その結果、その高い抵抗は実際上、弾性湾曲部と外側電極との絶縁状態を示す。しかし過電圧時にはバリスタの抵抗は低下し、その結果、アレスタの点弧電圧がアレスタの故障によって非常に高い値に上昇した（＞１０００Ｖ）場合、ヒューズの機能をバリスタによって担うことができる。さらにバリスタは通電時に熱を発生し、したがってそれ自体で熱保護機構を発揮することのできる電気構成要素である。

しかしこの構成要素は、本発明の他の実施例では半導体構成要素にしてもよい。

過電圧アレスタの実施例では、弾性湾曲部とコンタクト要素は種々異なった２つの構成部品であり、弾性湾曲部はコンタクト要素に当接していて、外側電極を押圧している。

別の実施例では、コンタクト要素は弾性湾曲部に一体的に統合されている。この実施例でも、弾性湾曲部はコンタクト要素に当接しており、コンタクト要素と弾性湾曲部とは相互に直接接している。

本発明の実施例では、スペーサ部材はボルトの形状を有している。コンタクト要素は、スペーサ部材が突入される孔を備えたディスクを有している。

本発明のこの実施例の利点は、簡単な手段を用いて、特に容易に製造することができるということである。コンタクト要素をスペーサ部材に取り付ける際、ボルトまたは孔を相応に寸法選定すると非常にわずかな溶融可能材料しか使用せずに製造することができ、それにより迅速に作動する機構の利点が得られる。

本発明の別の実施例では、弾性湾曲部が同様に孔を有していて、溶融可能材料が溶融した際に、スペーサ部材がこの孔を突出するようになる。そうすることによって弾性湾曲部とスペーサ部材との機械的な接触によって作動機構が働かないという事態を回避することができる。スペーサ部材の実施例に応じて、溶融可能材料が溶融しない場合でも、スペーサ部材はこの孔を通って弾性湾曲部内に突入することができるようになる。

本発明の別の実施例では、スペーサ部材はコンタクト要素と外側電極との間の部分に狭幅部を有している。この狭幅部の利点は、溶融可能材料の溶融時に、ボルト形状のスペーサ部材に沿ってコンタクト要素が移動するのが、コンタクト要素の孔の内壁とスペーサ部材との間の非常に小さい間隔によって阻止されないことである。したがって非常に迅速な保護機構を構成することができるようになる。スペーサ要素が突出するコンタクト要素内の孔によって、スペーサ部材をコンタクト要素の案内、固定および配向に利用することができる。

本発明の別の有利な実施例では、電気構成要素は外側電極とスペーサ部材との間に設けられている。そうすることによって、構成要素の過負荷時に電気構成要素に生じるアークが外側に出るのを阻止することができる。

溶融可能部材は本発明の有利な実施例では、はんだとして構成するとよい。コンタクト要素およびスペーサ部材用のはんだ付け可能な材料により、コンタクト要素とスペーサ部材とを非常に簡単に結合することができる。しかもはんだに使われるスズ合金によって、コンタクト要素とスペーサ部材との結合を、充分に加熱された時に迅速に外すことができるようになる。

本発明の別の実施例ではコンタクト要素は、ディスクのエッジ部に外側電極の方に延びたカラー部が設けられたディスクを有している。そのような内部に特に有利に電気構成要素が設けられているカラー部は、電気構成要素の外側の導電対象物に火花が閃絡するのを有効に阻止することができる。そうすることによって焼き付いてしまう危険性を低減することができる。そのようなカラー部付きのディスクは、特に有利にキャップの形状で構成するとよい。

カラー部を用いてバリスタと導電スペーサ要素との間のコンタクトスペースも被覆することができる。このコンタクトスペースは、電気構成要素が電圧制限機能を担う限り必要である。通常、電気構成要素として使用されるバリスタは、過電圧アレスタと同じ電力または同じ大きさの電流をカバーすることはできない。過電圧が長期に持続したり、または過電圧が非常に高かったりする場合、この閃絡によってバリスタが極めて早く破損されてしまい、それによりヒューズ機構を作動させる熱が生じる。バリスタは、比較的小さな過電圧または過電流の場合に短時間だけ保護するのにもっとも役立つ。

本発明の別の有利な実施例では、電気構成要素の外面が収縮チューブで被覆されているようにすることができる。そうすることによって、滑面放電(Gleitentladung)、したがって、電気構成要素の外面に火花が生じるのを最小にすることができる。

カラー部の外面にも、電気構成要素とスペーサ部材との間に形成されるコンタクトスペースを付加的に被覆する収縮チューブを設けるとよい。

しかもそのような収縮チューブによって、酸素がコンタクト要素に供給されるのを最小にすることができ、したがって火花が生じるのを最小にすることができる。さらにコンタクト要素と外側電極とが横方向に短絡する恐れを有効に最小にすることができる。

カラー部の外面に収縮チューブを設けると、本発明の実施例で外側電極が、エッジ部に鉄ニッケル合金製のリングを有している場合に意義がある。このリングによって、外側電極がコンタクト要素の方向にかなり突き出し、そのため横方向に短絡する危険性が高まるからである。したがって収縮チューブをカラー部の外面に設けることは、特に有利である。

外側電極の外縁部にリングを設けると、通常のように構成要素基板として使われるセラミック細管に外側電極をはんだ付けする際に障害となる種々異なる熱膨張係数を、セラミック細管に対向する外側電極の面を、セラミック細管と同様の材料で被覆することによって補償することができるという利点が達成される。

以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。

本発明の過電圧アレスタの例を示す図であり、この図では、ヒューズ機構が作動されていない状態が、部分的に平面図で、部分的に横断面略図で略示されている。 図１の過電圧アレスタを、ヒューズ機構が作動された状態で示す図である。 本発明の別の過電圧アレスタの例を示す図であり、この図では、ヒューズ機構が作動されていない状態が、部分的に平面図で、部分的に横断面略図で略示されている。 図３の過電圧アレスタを、短絡機構が作動された状態で示す図である。 過電圧アレスタの別の実施例の縦断面略図である。 過電圧アレスタの別の実施例の縦断面略図である。

図１には、外側端に外側電極２，１７が設けられているセラミック基板１９を備えた過電圧アレスタが示されている。２つのセラミック基板１９の間には中間電極１が設けられている。中間電極ないし外側電極１，２，１７は、はんだ付けによってセラミック基板１９と接続されている。セラミック基板１９と、通常銅製の外側電極２，１７との各熱膨張係数の差を補償するために、外側電極２，１７の外側に鉄ニッケル合金製のリング１６が各々設けられている。このリングは、外側電極２，１７をセラミック基板１９上にはんだ付けする際の膨張係数の適合化の他に、外側電極２，１７のために使用される銅よりも燃焼に対して強いという利点を有している。

中間電極１に弾性湾曲部３が取り付けられており、この弾性湾曲部３は外側電極２の端面上に覆うように設けられていて、この外側電極２に弾性力Ｆを加える。弾性湾曲部３は、スペーサ部材７に取り付けられているコンタクト要素５によって保持されている。スペーサ７は、丸い孔９を通ってコンタクト要素５内に突入されている丸いボルトの形状を有している。スペーサ部材７とコンタクト要素５との機械的な結合は、コンタクト要素５の孔のエッジ部に沿った溶融可能材料によって形成される。溶融可能材料６は有利にははんだとして選択されている。スペーサ部材７は、弾性湾曲部３によって、バリスタである電気構成要素４上に押圧されている。電気構成要素４の外側に収縮チューブ１４が設けられている。コンタクト要素５は、ディスク８の形状の底部と、ディスク８のエッジ部に設けられたカラー部１３とを有しているキャップとして構成されている。殊に、キャップを一体的に形成するとよい。カラー部１３の外側には収縮チューブ１５が設けられている。弾性湾曲部３は同様に孔１０を有しており、この孔１０を通ってスペーサ部材７が突出している。弾性湾曲部３は、スペーサ部材７に取り付けられたコンタクト要素５によって保持されている。弾性湾曲部３がスペーサ部材７に取り付けられたコンタクト要素５によって保持されているのは、溶融可能材料が硬くて、コンタクト要素５とスペーサ部材７との間に機械的な接触を提供している場合である。弾性湾曲部３、コンタクト要素５およびスペーサ部材７は、溶融材料６が液状化した際に弾性湾曲部３とコンタクト要素５がスペーサ部材７に沿って滑動することができるように形成されている。

収縮チューブ１４，１５は電気絶縁材料製である。電気構成要素４は、カラー部１３およびリング１６によって外側に向かって被覆されたスペース内に設けられている。そうすることによって火花が閃絡する恐れを最小にすることができる。

弾性湾曲部３は、例えばばね鋼製にするとよい。コンタクト要素５とスペーサ部材７とは鋼板から製造されている。過電圧アレスタの接触接続のために、接続端子線１８が設けられており、この接続端子線１８は、中間電極１と外側電極２，１７とに導電接続されている。

図２には、図１の過電圧アレスタが示されている。相応する要素は相応する参照番号によって示されている。図２に示されている過電圧アレスタの状態では、保護機構が作動されている。溶融可能材料６の溶融によって、コンタクト要素５は弾性湾曲部３によって、外側電極２の方向に押圧される。保護機構に関与する要素の寸法を相応に形成することによって、弾性湾曲部３がコンタクト要素５を外側電極２の方向にずらし、このずれの大きさは、弾性湾曲部３(残留ばね力F′)に起因するコンタクト圧の作用下で、コンタクト要素５が外側電極２に押圧される程度であるようにすることができ、そうすることによって、外側電極２が弾性湾曲部３、さらに中間電極１と電気的に接触接続し、短絡機構が作動される。

中間電極１と外側電極２との短絡機構が作動されると即座に、電気構成要素４を電流が流れず、熱も発生しない。したがって図２には、溶融可能材料６が再度固体状態になった様子が示されている。

図３には、図１に示された過電圧アレスタと同様の過電圧アレスタが示されている。相応する要素は、同じ参照番号によって示されている。図１とは異なって図３の過電圧アレスタ３は、ディスク８の形状のコンタクト要素５を有している。そのようなディスク８は、図１に示されたキャップよりも容易に製造することができ、それにより、図３に示された過電圧アレスタは、特にコスト上有利に製造可能である。しかし、電気構成要素４の被覆部は、図１に示された電気構成要素よりも少し強くコイニングされている。コンタクト要素５は、溶融可能材料６を用いてスペーサ部材７に取り付けられている。スペーサ部材７は、丸いボルトの形状を有しているが、図１とは異なってコンタクト要素５と外側電極２との間の部分１１内に狭幅部１２を有している。この狭幅部１２により、外側電極２の方向にヒューズ機構が作動する際、コンタクト要素５が特に容易に動くようになる。つまりスペーサ部材７とコンタクト要素５の孔９の内壁との間の空きスペースが拡大されるからである。そうすることによって作動機構の敏速性もさらに改善される。

図４には、図３の過電圧アレスタが、ヒューズ機構が作動された状態で示されている。弾性湾曲部３は、残留弾性力Ｆ′を有しており、この残留弾性力Ｆ′によりコンタクト要素５はリング１６に押圧され、中間電極１と外側電極２との間の電気コンタクトが形成される。リング１６は、コンタクト要素５および弾性湾曲部３と同様に導電性である。有効かつ迅速な作動機構を形成するために、弾性湾曲部３を約３０〜４０ニュートンの力Ｆで外側電極２を押圧するように構成すると有利である。電気構成要素４に対向して押圧されるスペーサ部材７を特別に設けると、殊に、電気構成要素４に生じるアークを阻止するのに役立つようになる。

図５には、図４に示されている過電圧アレスタと同様の過電圧アレスタが図示されている。図４と異なり図５の過電圧アレスタは、電気構成要素４上に収縮チューブ１４を有していない。さらにディスク８に孔９が設けられており、孔９は外側電極２の方向に広幅部２１を有している。孔９は全長に亘って溶融可能材料６と接触している。広幅部２１は、溶融可能材料６で充填されている。広幅部２１により、溶融可能材料６が溶融した場合に、スペーサ部材７に沿ってディスク８を迅速に動かすことができ、これによりスペーサ部材７とディスク８とがディスク８の前方部分に引っかかってヒューズ機構の作動が遅くなる危険性がなくなる。

図６には、過電圧アレスタの縦方向断面略図が示されており、この図ではコンタクト要素５は、弾性湾曲部３の部分として構成されている。コンタクト要素５はその下側端に内側に湾曲した部分２０を有している。この部分は、溶融可能材料６が溶融した際に弾性湾曲部３のばね圧によって、リング１６、したがって外側電極２を接触接続する。図６によるとコンタクト要素５は、孔９が設けられた部分を有している。孔９の内部でコンタクト要素５は、溶融可能材料６を用いてスペーサ部材７と結合されている。

既述のヒューズ機構は、当然、中間電極１と外側電極２との切換区間だけのヒューズに限定されるものではない。図１〜４にも示されているように、対称的に補完し合うようにすることによって、中間電極１と別の外側電極７との間の第２の切換区間を相応のやり方でヒューズにより保護することができる。

Claims (15)

1. 中間電極と少なくとも１つの外側電極とを備えた過電圧アレスタにおいて、
   導電性の弾性湾曲部（３）が中間電極（１）に取り付けられていて、弾性力（Ｆ）が外側電極（２）に加えられており、
   前記弾性湾曲部（３）と前記外側電極（２）との間に電気構成素子（４）が設けられており、
   前記弾性湾曲部（３）は、導電コンタクト要素（５）を有し、
   ２つの側を備えるスペーサ部材（７）が設けられており、
   該スペーサ部材（７）は、一方の側で前記電気構成素子（４）と接続されており、他方の側で前記導電コンタクト要素（５）の孔（９）に突入し、当該孔に溶融可能材料（６）を用いて固定されており、
   前記導電コンタクト要素（５）は、前記溶融可能材料（６）が溶融しない際に前記外側電極（２）に対して間隔を有し、前記溶融可能材料（６）が溶融した際に、前記外側電極（２）に押圧される
   ことを特徴とする過電圧アレスタ。
2. 導電コンタクト要素（５）は、前記弾性湾曲部（３）内に一体的に統合されている請求項１記載の過電圧アレスタ。
3. 前記スペーサ部材（７）は、ボルトの形状であり、前記導電コンタクト要素（５）は、前記スペーサ部材（７）が突入する孔（９）が設けられたディスク（８）を有している請求項１記載の過電圧アレスタ。
4. 前記弾性湾曲部（３）は、溶融可能材料（６）が溶融した際に前記スペーサ部材（７）が突出する孔（１０）を有している請求項３記載の過電圧アレスタ。
5. 前記スペーサ部材（７）は、外側電極（２）とコンタクト要素（５）との間の部分（１１）に狭幅部（１２）を有している請求項３または４記載の過電圧アレスタ。
6. 外側電極（２）とスペーサ部材（７）との間に前記電気構成要素（４）が設けられている請求項３から５までのいずれか一項記載の過電圧アレスタ。
7. 前記溶融可能材料（６）は、はんだである請求項１から６までのいずれか一項記載の過電圧アレスタ。
8. 前記導電コンタクト要素（５）はディスク（８）を有しており、
   該ディスク（８）には、外側電極（２）の方向に延びたカラー部（１３）が設けられている請求項３から７までのいずれか一項記載の過電圧アレスタ。
9. 前記電気構成要素（４）の外面は、収縮チューブ（１４）で被覆されている請求項１から８までのいずれか一項記載の過電圧アレスタ。
10. カラー部（１３）の外面は、収縮チューブ（１５）で被覆されている請求項８または９記載の過電圧アレスタ。
11. 外側電極（２）は、エッジ部にリング（１６）を有しており、
    該リング（１６）は、鉄ニッケル合金製である請求項１から１０までのいずれか一項記載の過電圧アレスタ。
12. 前記弾性湾曲部（３）は、ばね鋼製である請求項１から１１までのいずれか一項記載の過電圧アレスタ。
13. 構成要素（４）は、バリスタまたは半導体構成要素である請求項１から１２までのいずれか一項記載の過電圧アレスタ。
14. 前記導電コンタクト要素（５）は、当該導電コンタクト要素（５）の端に、内側に湾曲した部分（２０）を有している請求項２記載の過電圧アレスタ。
15. 前記孔（９）は、ディスク（８）内に、外側電極（２）の方向に拡張部（２１）を有している請求項３記載の過電圧アレスタ。

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