TWI395252B - 氣體放電管 - Google Patents

Description

氣體放電管

本發明涉及氣體放電管之領域，其包括電湧放電器、氣體放電器、高強度放電管、電花隙、切換式電花隙與觸發式電花隙，其被運用於各種應用中，如用於電容性放電電路之通信網路電壓受控切換之電湧電壓保護器，且特別係對此等裝置中的一個新類型，其展現出更高的選擇性、更好的性能且更為環保。本發明特別係關於此種氣體放電管之一絕緣部分之設計。

當電子設備係連接至長信號或輸電線、天線等時，它就被曝露於藉由電感而產生的暫態現象中，該電感係藉由閃電或電磁脈衝(EMP)而發生。一電湧放電器藉由在該暫態現象中吸收能量或將設備連接至接地來保護該設備以防被損傷。電湧放電器須能自我恢復，能處理反復的暫態現象且能被製成自動防禦。一重要特性係該點火速度與選擇性，換句話說，該電湧放電器必須在發揮作用的同時不延遲且還不會如此敏感，使得其係藉由一標準通信信號而觸發。這些特性應不隨時間而改變且與點火間隔無關。此外，一電湧放電器應適於具有高且均勻的品質之大量生產。

充氣放電管用於保護電子設備但通常也在電源切換電路中被用作切換裝置，例如在卷軸機與諸如氣體放電頭燈之汽車產品中。其他應用領域為電信與資料通信、音頻/視 頻設備、電源、焊接設備、用於氣體加熱的電子點火裝置與氣體家庭用具，例如炊具、工業醫藥裝置、建築上的安全與軍事應用。

早期的電湧放電器包括兩個固體石墨電極，其係藉由一氣隙或一雲母層隔開。然而，這些就尺寸、可靠性、性能與生產技術不能與現代電湧放電器相比較。

一現代習知電湧放電器係充氣放電管，其可具有一個或幾個放電路徑或放電間隙，且通常包括兩個端電極，視情況附加一個額外電極，該額外電極為一中央電極附加一個或兩個中空圓柱絕緣體之形式，該絕緣體係由諸如陶瓷、適合的聚合物、玻璃等之電絕緣材料製成。通常，在一二電極電湧放電器中的該絕緣體係焊接到該端電極之兩側，將其封閉地連接。

舉例而言，生產一習知電湧放電器之一方法被略述於US-A-4,437,845中。依照US-A-4,437,845，該製程由下列步驟組成：在一適合溫度與一實質上為大氣壓下將管中之組件密封於一混有另一氣體的輕氣體中，鑒於該管之期望作用其為理想的且比上述之氣體要重；及將該管外部之氣壓減低到大氣壓之下，同時降低該溫度達到一程度，使得該重氣體僅在一可忽略的程度上可藉由擴散及/或滲出而穿透管壁，且該經圍封的輕氣體可擴散及/或滲出管壁，使得由於壓力差，它將離開管壁，藉此引起該管內的總氣壓降低。

此外，該等電湧放電器組件之一外部塗層已被揭示於 US-A-5,103,135中，其中一錫塗層被塗覆於該等電極，且一環形保護塗層被塗覆於該陶瓷絕緣體，其具有一至少1毫米之厚度。該保護塗層形成自一耐酸耐熱著色劑或清漆，其在該電湧放電器之軸向上為連續。該保護塗層可形成該電湧放電器之識別之部分。例如，該識別可為在該保護塗層中之一顛倒印痕之形式。此外，塗錫導線可被耦合於該等電極。

US-A-4,672,259揭示一電力電花隙，其用於保護電子設備以抵抗超高壓且具有高電流容量，其電花隙包括兩個碳電極，每一個碳電極都具有一半球形構形與一絕緣瓷質外殼，由此該等碳電極含有通到其內部的排氣孔以提供電弧傳遞至一內部耐用電極材料。該電花隙係期望用於高壓線，其中預期電花長度為約2.5 cm(1英寸)，傳輸140 kV左右。該電花隙非隔絕密封型與充氣型，但與空氣自由相通。所形成之電弧開始於該等各個下方的電極並經過該等排氣孔。因而在很大程度上，該電花的形成係基於該下方的未必為惰性之材料，但係由現有環境中的氧化引起，其意味著該電花電壓不能被測定與再生。

US-A-4,407,849揭示一電花隙裝置且特別係該電花隙之電極上的一塗層，以便最小化絲極構造。該塗層被塗覆於一下方的電極上，由此該塗層可由石墨形態的碳組成。該電湧限制器為一充氣電湧限制器。該參考文獻未解決具有或不具有一惰性表面於該電極上之問題，或任一另外相關問題。

US-A-2,103,159揭示一用於任何潛動電流之具有一長距離的放電裝置，其已藉由延伸該等包含一波形包跡之電極之間的裝置高度而被製成。此種裝置不符合現代放電裝置的要求。

US-A-2,050,397揭示另一放電裝置，其顯示該等電極之間的一極端距離以提供一對任一潛動電流之屏蔽。該裝置展示絕緣材料之一窄的管狀結構。

該先前提及的關於敏感度與防禦的問題已經藉由使用在電極表面上或別處之給電子體而解決。這個給電子體可包括放射性元素，如氚及/或諸如鋇之有毒鹼土金屬。明顯地，這個解決方案此外具有與該等成分之放射性及/或毒性相關聯的特定缺陷。

本發明之目標係為所有相關應用領域製造可用的氣體放電管，該等氣體放電管(其展示特別小的尺寸)與其他氣體放電管相比，其顯示相同效率且具有更小的體積、更輕的重量及/或更少的原料消耗。

這個目標係藉由提供一新絕緣環設計或任一中空形狀且同時保持該電極間隙距離而達到。

特定言之，本發明係關於一絕緣環，與它的高度相比其具有一延伸寬度藉此可為任一可能的潛動電流提供一長距離。該氣體放電管包括至少兩個電極與至少一個中空絕緣環，該至少一個中空絕緣環緊固於該等電極中的至少一者，由此該絕緣環相較於其高度具有一用於在該等面向內 及/或向外的絕緣體表面中之至少一者上的一潛動電流之延伸長度，藉此為任一可能的潛動電流提供一長距離。

在一較佳實施例中，該絕緣體具有該絕緣體之總高度h與用於在該等向內及/或向外的表面中至少一者上的一潛動電流之總長度L之間的一小於1：1.3之比率，h比L之該比率較佳為1：1.5，較佳為1：2，更佳為1：2.5，還要更佳為1：3，及進一步更加為1：5。

在操作中的一特定電壓下，用於避免在該外部與內部的表面上的一潛動電流之所需長度可依據不同的條件例如該隔絕密封組件內部與外部的氣體與壓力而變化。

本文所用之術語「環」意為受限於一凸起的週邊邊界之任一中空結構。因而該環可採用圓形、橢圓形，或多邊形(例如三角形、方形、五邊形、六邊形、七邊形，與八邊形等)之形式。

本文所用之術語「絕緣體」或「絕緣構件」意為一關於電流係非傳導之主體。該等構件通常係由氧化鋁、其他瓷質、玻璃、塑膠、合成物或其他絕緣材料製成。用於高壓電力傳輸的高壓絕緣體係由玻璃、瓷，或合成聚合材料製成。瓷絕緣體係由黏土、石英或氧化鋁與長石製成，且被一光滑釉層覆蓋以掩蔽污垢。由富含氧化鋁的瓷製成的絕緣體被運用於高機械應力為標準之處。玻璃絕緣體曾被(在某些領域現在仍被)運用於懸掛輸電線。某些絕緣體生產商在20世紀60年代晚期已經停止製造玻璃絕緣體，轉而製造各種陶瓷與，且最近轉而製造複合材料。

在某些電氣設施中，聚合合成材料已經被用於絕緣體之某些類型，其由一由纖維加固塑膠製成之中央桿與一由矽樹脂橡膠或EPDM製成之外部護套組成。合成物絕緣體更便宜、更輕，且其具有極好的疏水性能。此組合使得其能夠理想地在受污染區域中使用。然而，這些材料還不具有玻璃與瓷之長期的已被證實的使用壽命。

參照附圖，將在下文中對本發明作更詳細地描述。

一泛用的氣體放電管包括至少兩個電極，該至少兩個電極被接合至一中空絕緣體本體。如圖8所闡釋，一經常遇到類型的氣體放電管包括兩個端電極1與2，每一個電極包含一類凸緣基部與至少一個中空圓柱絕緣體3，該中空圓柱絕緣體3係焊接或黏附於該等端電極之基部。抵抗層形成之一塗層或元素被闡釋為在該兩個電極上的屏蔽區域4。不管該氣體放電管之類型，重要的係，至少陰極具有此一塗層或係由以下所述之材料或結構製造。然而，較佳的係所有電極都具有這一層或結構，因為暫態現象之極性可變化。一例如用於點火高壓氙燈之氣體放電管之標準尺寸，係軸向延伸約6.2毫米，及徑向延伸8毫米(直徑)。此一管具有一4.4毫米高度之絕緣體環且利用一0.6毫米電極間隙可承受幾千伏特的放電。

圖1顯示本發明之第一實施例，其中絕緣體11表示一陶瓷環，其採用如上定義之任一形狀，且已知具有電絕緣屬性。該絕緣體11包括一圓柱形結構12，徑向延伸凸緣13與 14自其向內及向外延伸。兩個電極15與16藉由焊接被附接至該環之圓柱形結構12之端表面。該等電極15與16通常係由銅、銀或金、鐵/鎳合金製成，或具有一或多種這些金屬於其表面上。

如上所述，該絕緣體11包括一圓柱形結構12，其具有兩個平的、相對面向表面17，這些表面通常係準備用於接受焊接金屬，如錫及錫合金或硬焊接合金。此外，該絕緣體11包括一個向外、徑向延伸凸緣14，該凸緣14具有：兩個徑向延伸表面18與19，其與該圓柱形結構12形成一角度；及一邊緣軸向導向表面20。在該絕緣體11之圓柱形結構12之面向內之側上存在一第二徑向延伸凸緣13，該徑向延伸凸緣13具有與該圓柱形結構12形成一角度之兩個徑向延伸表面21與22，及一邊緣軸向導向表面23。

該徑向延伸表面18、19、21或22可垂直於該絕緣體11或另外可形成一鈍的尖角。然而，顯然此一非垂直角度只係微鈍或微尖。因而該角度α可為75至105°之間的任一角度。

參見圖1之定義，該絕緣體11之總高度h為0.6毫米，且包含該等電極之該放電管之總高度為1.0毫米，其運用一0.6毫米之電極間隙。參見圖5之定義，該等表面21、22與23之總長度L(L係該面向內的橫截面之加粗的標記長度的總和)為2.7毫米及或該等表面18、19與20之總長度為2.7毫米，以用於在內及/或外表面中至少一者上的一潛動電流。該比率h：L小於1：1，實際上為1：4.7。h比L之該比率小 於1：1.3，其為該絕緣體之總高度h與用於在該等內及/或外表面中至少一者上的一潛動電流之總長度L之間的比率，h比L之該比率較佳為1：1.5，較佳為1：2，更佳為1：2.5，還要更佳為1：3，及進一步更加為1：5。

定義本發明之另一方法係利用該環之寬度w(其被定義為該等徑向延伸凸緣13與14之外邊緣之間的距離)與該高度h。h與w之間的比率，至少為1：2，較佳為1：3至5，較佳為1：3至10，更佳至少為1：4，還要更佳至少為1：5。

圖2顯示本發明之一多電極實施例，其中展示一第三電極25。此處存在一電極與絕緣體11之總成，由此該中央電極係環形的且共有於其他兩個電極，亦即，該第三電極25被固定於兩個絕緣體11。

圖3顯示本發明之一進一步的實施例，其中該等徑向延伸凸緣之徑向延伸表面已被改進以具有一波形或具有任一形狀之或溝渠以便為任一可能出現的潛動電流增長路徑。

該等徑向延伸凸緣13、14將任一潛動電流必須從一個電極流至另一個電極之路徑延長，且將在該方面或多或少的對應於呈現於一規則的絕緣體(呈現於迄今已知的氣體放電管)之路徑。

圖4顯示與圖1所示相似的一氣體放電管，然而，其中該等電極之間的間隙藉由將該電極之中央擠壓到該電極之常規平面之下而被縮小。

圖5顯示本發明之一進一步的實施例，其中為任一可能出現的潛動電流增長該路徑已被完成於一組件之內部與外 部。之後，該氣體放電管之總的最終形式將更相似於如今之氣體放電管。如上文此處出現了相同的定義，由此在該氣體放電管之內部之L將為期望的長度。

圖6顯示本發明之一進一步的實施例，其中為任一可能出現的潛動電流增長該路徑已被完成於一組件之內部與外部。之後，該氣體放電管之總的最終形式將更相似於如今之氣體放電管。如上文此處出現了相同的定義，由此在該氣體放電管之內部之L將為期望的長度。

圖7顯示本發明之一進一步的實施例，其中為任一可能出現的潛動電流增長該路徑已被完成於一組件之內部。之後，該氣體放電管之總的最終形式將更相似於如今之氣體放電管。如上文此處出現了相同的定義，由此在該氣體放電管之內部之L將為期望的長度。

然而，除了這個特徵，該向內延伸凸緣也將提供一弱傳導內表面。藉此，在氣體放電的過程中可能發生諸如銅(如果一銅電極被運用)之金屬之濺射，且此經濺射的金屬將於該管壁上凝結。然而，該向內延伸凸緣(其顯示為與該電極表面成一角度)也將為濺鍍材料產生一掩蔽，該濺鍍材料將難以到達該等徑向延伸表面21與22。因而，在該等電極之間的管內壁上形成一導電層的可能性係很小的，其進一步增加此種放電管的操作壽命。

較佳的係該等端電極之相對表面之至少部分被一化合物或元素的層或塗層覆蓋，其抵抗諸如氧化物層之層的形成。其他非所需層為例如氫化物，本發明概念目的在於防 止其形成。大體上，措辭「非所需層」包括藉由與周圍化合物(如包含於該氣體放電管之氣體)的交互作用而形成於該等電極上及影響該管之效能的任何層。

形成該具發明性之層並抵抗非所需層之形成之此化合物，可為高度穩定的金屬合金、一諸如鈦之金屬，或一諸如金之幾乎為惰性的元件。該化合物可為一含碳化合物，較佳為添加有一如鉻或鈦之金屬之碳。

在本文中，碳被定義為任一碳之同素異形體，例如鑽石、類鑽石碳或石墨。該碳也可含有其他元素，如一或幾種金屬，其總量依據應用而定，例如總計達到約15%。

較佳地，該等端電極之相對表面被一塗層或石墨層覆蓋，該層包括一添加金屬，如鉻或鈦。

依照其中一實施例，該惰性表面或抗氧化塗層或層藉由化學鍍覆、濺鍍等被塗覆於該等電極。較佳地，該抗氧化層係藉由習知的濺鍍或電漿沈積技術而予以塗覆，其已為熟習此項技術者所熟知。

在將一塗層塗佈於一基板上之情形下，適用的程序包含化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)。濺鍍，其為一物理沈積法，目前被認為係最適用的方法。

在有金屬塗層的情況下，也有可能利用電鍍程序或所謂的化學鍍。這些程序特別適合塗覆由貴金屬(如金或鉑)組成的塗層。

依照一實施例，該等電極之表面可被僅部分塗佈，例如在該相對電極之方向上的一小區域上。

作為一替代實施例，該電極之一部分由惰性材料製成，例如一含碳本體，其被緊固(例如被夾入或燒結)於該電極之一金屬基部。吾人構想該電極可被製成一金屬底部，例如一銅或鋁底部，其被遮蔽或套入於一石墨體內，該石墨體呈現於該至少一個相對電極之方向上的至少一個表面。

依照本發明，具有電極表面的電湧放電器展示比本裝置更低的電弧電壓及一更窄的靜態點火電壓之分佈。

此外，本發明提供一解決方案，其易於在現有電湧放電器設計中實施，且其適於大量生產。此外，依照本發明，該解決方案對環境沒有任何消極影響亦不要求特殊的廢物操控程序，其與目前運用的電湧放電器(其包含放射性氣體，如氚及/或有毒化合物，如鋇鹽)形成對照。

用於充氣電湧放電器之氣體為氮氣、氦氣、氬氣、甲烷、氫氣，與其他諸如此類或其混合物。

本發明將藉由一非限制性產品實例而予以闡釋，其依照本發明之一實施例描述一電湧放電器之製造。

產品實例

一種電湧放電器係藉由使一批銅電極經歷以下處理步驟生產：首先，該等電極在一溶液中被漂淨，去除油脂或脂肪之分散的污漬與痕跡。該等電極與絕緣環被置於真空中，其被填充入某一氣體或氣體混合物以達到某一氣壓且被焊接於給定氣體放電管。

如果該等電極欲具有一塗層，則將該等電極置於一遮罩中，將待塗佈之區域曝露出來。一組電極，被清理乾淨並 置於一遮罩中，隨後被引入一經抽空的濺鍍室內。該等電極隨後藉由顛倒濺鍍，從該等電極上移除雜質被清理乾淨。該電流隨後被顛倒且甲烷被引入該室內。藉由提供鉻陰極之形式的鉻，執行一反應濺鍍之程序。該等電極接收到一石墨層，其具有鉻原子添加，鎖定該等石墨層。最終，該濺鍍程序終止且該等塗層電極被移出該室且被施以標準品質控制。

該等塗層電極展示改良的品質，如更高的耐熱性。利用該等塗層電極製成的電湧放電器展示改良的品質，如更低的電弧電壓、更窄的點火電壓之分佈，及改良的速度與選擇性，及更長的壽命週期時間。

雖然本發明已關於其較佳的實施例而被描述，其組成目前本發明者所知之最佳模式，但係應瞭解可進行各種如將為一般技術者所瞭解之變化與修改而不脫離闡述於附加於此之申請專利範圍中之本發明之範圍。

1‧‧‧端電極

2‧‧‧端電極

3‧‧‧中空圓柱絕緣體

4‧‧‧屏蔽區域

11‧‧‧絕緣體

12‧‧‧圓柱形結構

13‧‧‧徑向延伸凸緣

14‧‧‧徑向延伸凸緣

15‧‧‧電極

16‧‧‧電極

17‧‧‧平的、相對表面

18‧‧‧徑向延伸表面

19‧‧‧徑向延伸表面

20‧‧‧軸向導向表面

21‧‧‧徑向延伸表面

22‧‧‧徑向延伸表面

23‧‧‧軸向導向表面

25‧‧‧第三電極

圖1顯示依照本發明之一氣體放電管之第一實施例之一橫截面，該氣體放電管具有兩個電極；圖2顯示依照本發明之一氣體放電管之第二實施例之一橫截面，該氣體放電管具有三個電極；圖3顯示依照本發明之一氣體放電管之第三實施例之一橫截面，該氣體放電管具有兩個電極；圖4顯示依照本發明之一氣體放電管之第四實施例之一橫截面，該氣體放電管具有兩個電極； 圖5顯示依照本發明之一氣體放電管之第五實施例之一橫截面，該氣體放電管具有兩個電極；圖6顯示依照本發明之一氣體放電管之第六實施例之一橫截面，該氣體放電管具有兩個電極；圖7顯示依照本發明之一氣體放電管之第七實施例之一橫截面，該氣體放電管具有兩個電極；及圖8顯示本發明之先前技術之一氣體放電管之一橫截面。

11‧‧‧絕緣體

12‧‧‧圓柱形結構

13‧‧‧徑向延伸凸緣

14‧‧‧徑向延伸凸緣

15‧‧‧電極

16‧‧‧電極

17‧‧‧平的、相對表面

18‧‧‧徑向延伸表面

19‧‧‧徑向延伸表面

20‧‧‧軸向導向表面

21‧‧‧徑向延伸表面

22‧‧‧徑向延伸表面

23‧‧‧軸向導向表面

Claims (23)

1. 一種氣體放電管，其包括至少兩個電極(15、16)與至少一個中空絕緣體(11)，該絕緣體(11)緊固於該等電極(15、16)中的至少一者，其特徵為該絕緣體(11)包含一絕緣環，至少一個徑向延伸凸緣13或14係自該絕緣環向內及/或向外延伸，以使該絕緣體(11)具有相較於該絕緣環之高度之一延伸長度，該延伸長度係用於在該至少一個徑向延伸凸緣之面向內及/或向外之表面中的至少一者上的潛動電流，藉此為任意的潛動電流提供一長距離，藉此該絕緣體具有該絕緣環之總高度h與用於在該至少一個徑向延伸凸緣之該等面向內及/或向外表面中至少一者上的一潛動電流之總長度L之間的一小於1：1.3之比率，且由此h與w之間的該比率至少為1：2，其中w係該絕緣體之寬度，其被定義為徑向延伸凸緣13與14之外邊緣之間的距離。
2. 如請求項1之氣體放電管，其中總高度h與總長度L之間的比率為1：1.5。
3. 如請求項1之氣體放電管，其中總高度h與總長度L之間的比率為1：2。
4. 如請求項1之氣體放電管，其中總高度h與總長度L之間的比率為1：2.5。
5. 如請求項1之氣體放電管，其中總高度h與總長度L之間的比率為1：3。
6. 如請求項1之氣體放電管，其中總高度h與總長度L之間 的比率為1：5。
7. 如請求項1之氣體放電管，其中h：w為1：3至1：10。
8. 如請求項7之氣體放電管，其中h：w為1：3至1：5。
9. 如請求項1之氣體放電管，其中h：w至少為1比4。
10. 如請求項1之氣體放電管，其中h：w至少為1比5。
11. 如請求項1-4中任一項之氣體放電管，其特徵為該絕緣體(11)包括一圓柱形結構(12)，其具有兩個平的、面向相對之表面(17)，此外該絕緣體(11)包括一個向外、徑向延伸凸緣(13)，該徑向延伸凸緣(13)具有與該圓柱形結構(12)形成一角度之兩個徑向延伸表面(18)與(19)及一邊緣軸向導向表面(20)，在該絕緣體(11)之該圓柱部分之該面向內的側面上，在該絕緣體(11)進一步包括一第二徑向延伸凸緣(14)，其具有與該圓柱形結構(12)形成一角度之兩個徑向延伸表面(21)與(22)及一邊緣軸向導向表面(23)與該圓柱形結構(12)形成一角度之兩個徑向延伸表面(21)與(22)及一邊緣軸向導向表面(23)。
12. 如請求項11之氣體放電管，其特徵為其由兩個或兩個以上電極總成組成，每一電極總成包括一絕緣體(11)。
13. 如請求項12之氣體放電管，其特徵為一個或多個電極(15、16、25)總成具有一軸向延伸部。
14. 如請求項11之氣體放電管，其特徵為一個或兩個徑向延伸凸緣(13、14)係形成為波形。
15. 如請求項11之氣體放電管，其特徵為一個或兩個徑向延伸凸緣(13、14)係具有溝渠。
16. 如請求項1-4中任一項之氣體放電管，其特徵為該至少兩個電極具有一化學惰性表面。
17. 如請求項16中任一項之氣體放電管，其特徵為該惰性表面無藉由與例如包含於該氣體放電管中之氣體的周圍化合物之交互作用而形成於該等電極之上且影響該管之效能之任何層。
18. 如請求項17之氣體放電管，其特徵為該惰性表面抵抗任何氧化物或氫化物層的形成。
19. 如請求項1-4中任一項之氣體放電管，其特徵為該等電極中至少一個表面係覆蓋有一化合物塗層，其抵抗諸如氧化物層之層的形成。
20. 如請求項19之氣體放電管，其特徵為該塗層包括碳。
21. 如請求項20之氣體放電管，其特徵為該塗層包括石墨。
22. 如請求項1-4中任一項之氣體放電管，其特徵為至少一個電極進一步包括鉻或鈦之一元素。
23. 如請求項1-4中任一項之氣體放電管，其特徵為該等電極中的至少一者由一抵抗諸如氧化物與氫化物層之層的形成之材料製成。