SI24350A - Ploščati plinski odvodnik - Google Patents

Abstract

Izum se nanaša na plinske odvodnike za prenapetostno zaščito različnih elektronskih naprav, bolj natančno na plinske odvodnike zelo tanke izvedbe. Ploščati plinski odvodnik vključuje izolacijsko keramiko, dve kovinski elektrodi, plinsko polnjenje in grafitni nanos na izolacijski keramiki in je značilen po tem, da je izolacijska keramika valjaste oblike ima širši obroč, ožji obroč z metaliziranima plastema ter razširjen obroč, ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja, pri čemer je razdalja med ravninama z metalizacijo manjša ali enaka kot je dolžina notranje stene konice keramike. Izolacijska razdalja na izolacijski keramiki med elektrodama je povečana z obliko izolacijske keramike ter obliko elektrod kar omogoča optimalno delovanje odvodnika.

Description

PLOŠČATI PLINSKI ODVODNIK

Področje izuma

Izum se nanaša na plinske odvodnike za prenapetostno zaščito različnih elektronskih naprav, bolj natančno na plinske odvodnike zelo tanke izvedbe.

Tehnični problem

Tehnični problem je konstrukcijska oblika nosilne izolacijske keramike in elektrod plinskega odvodnika, ki bo zagotavljala optimalne pogoje za vžig plinske mešanice pri vnaprej določeni vžigni napetosti in odvodnem toku ter nižanja višine plinskega odvodnika v obliki nizkega valja. Cilj in naloga izuma sta taka geometrijska oblika elektrod in izolacijske keramike, da bo zagotovljena dovolj dolga izolacijska razdalja po keramiki med elektrodama. Problem, ki ga mora pričujoči izum s konstrukcijo rešiti, je preprečitev nenadzorovanih prebojev znotraj in tudi zunaj plinskega odvodnika. Pri zelo tankih ploščatih izvedbah plinskega odvodnika je relativno zahtevna optimizacija dimenzij posameznih delov, kot tudi njihova namestitev znotraj ohišja odvodnika.

Plinski odvodnik v splošnem vključuje dve elektrodi, ki sta običajno ločeni s keramičnim izolatorjem. Elektrodi in izolator tvorijo hermetično zaprto komoro napolnjeno s plinsko mešanico. Pri nizki napetosti na elektrodah plinskega odvodnika je element popolni izolator. Ko napetost naraste nad določeno mejo, običajno med približno 100 V in 1500 V, pa pride do preboja med elektrodama v plinu, pri čemer se vzpostavi prevoden oblok. Pri tem kratkotrajne tokovne obremenitve lahko znašajo tudi 50 kA in več. Razdalja med elektrodama in plinska mešanica določata vžigno napetost in tudi odvodne tokovne zmogljivosti. Pomembno je tudi, da je izolacijska razdalja po keramiki med elektrodama dovolj dolga, da se prepreči nenadzorovane preboje znotraj in tudi zunaj plinskega odvodnika. Prav zaradi izolacijske razdalje po keramiki med elektrodama se lahko pojavijo težave pri zelo tankih ploščatih izvedbah plinskega odvodnika.

Stanje tehnike

Znani so plinski odvodniki, ki so običajno valjaste oblike, kjer je njihov premer primerljiv z višino. Pogosto pa se pojavi zahteva po čim bolj ploščatih plinskih odvodnikih, kjer je razmerje med višino in premerom okoli 1:10. Takšni odvodniki omogočajo vgradnjo v naprave, kjer je pomanjkanje prostora v eni smeri. Pogosto je to v primeru zaporedne vezave večjega števila plinskih odvodnikov. V prenapetostnih zaščitnih napravah se lahko nahajajo tudi drugi elementi, kot so varistorji, razna vezja, odklopniki in kontakti, ki dodatno zmanjšujejo prostor namenjen plinskemu odvodniku.

Znane so različne rešitve ploščatih plinskih odvodnikov. Ena je opisana v patentni prijavi US 2010/0156264 A1, kjer ima keramični izolator posebno stopnico, ki sicer skrajša notranjo steno keramičnega izolatorja, vendar pa podaljšuje izolacijsko razdaljo po keramiki med elektrodama z notranje strani. Takšna rešitev ima slabost, da se v primeru nižanja višine izolacijske keramike in s tem tanjšanja celotnega plinskega odvodnika zmanjša tudi izolacijska razdalja po zunanji strani keramike. To lahko privede do neželenega preboja po zunanji strani izolacijske keramike. Rešitev za to je opisana v patentni prijavi EP 1 995 837 A2. V tem primeru je stopnica na keramiki iz obeh strani izolacijske keramike, tako notranje kot zunanje. Pri tem pa se pojavi problem, saj pri zelo tankih izvedbah plinskih odvodnikov postane razlika med zunanjim in notranjim robom izolacijske keramike zelo velika. S tem je le manjši del plinskega odvodnika namenjen prevajanju toka med kovinskima elektrodama.

Opis rešitve tehničnega problema

Bistvo ploščatega plinskega odvodnika po izumu je v tem, da je izolacijska keramika valjaste oblike in ima širši obroč, ožji obroč z metaliziranima plastema ter razširjen obroč, ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja, pri čemer je razdalja med ravninama z metalizacijo manjša ali enaka kot je dolžina notranje stene konice keramike. Ploščati plinski odvodnik vključuje izolacijsko keramiko, dve kovinski elektrodi, plinsko polnjenje in grafitni nanos na izolacijski keramiki in ima več izvedb izolacijske keramike.

Z novo geometrijsko rešitvijo oblike izolacijske keramike je povečana izolacijska razdalja po notranjem in tudi zunanjem robu keramike. Pri kratki izolacijski razdalji se pojavijo predčasni preboji, ki se kažejo v nestabilni vžigni napetosti. Ključni del rešitve je notranja konica na keramičnem izolatorju, ki sega proti kovinskima elektrodama.

Ploščati plinski odvodnik po izumu bo v nadaljevanju podrobneje opisan s pomočjo priloženih slik, ki prikazujejo:

Slika 1 Ploščati plinski odvodnik

Slika 2 Presek A - A

Slika 3a Ploščati plinski odvodnik po varianti I

Slika 3b Ploščati plinski odvodnik po varianti II

Slika 3c Ploščati plinski odvodnik po varianti III

Slika 3d Ploščati plinski odvodnik po varianti IV

Slika 3e Ploščati plinski odvodnik po varianti V

Slika 4a Ploščati plinski odvodnik po varianti VI

Slika 4b Ploščati plinski odvodnik po varianti VII

Slika 5 Primerjava med dolžino izolacijske razdalje po keramiki in režo med elektrodama

Ploščati plinski odvodnik, ki je prikazan na slikah 1 in 2, vključuje izolacijsko keramiko 1, ki je prednostno AI2O3, kovinski elektrodi 2 in 3, ki sta prednostno simetrični in iz bakra ali bakrene zlitine, razelektritveno komoro 4, in grafitni nanos 5. Plinski odvodnik je v splošnem hermetično zaprta razelektritvena komora, ki je napolnjena s primerno mešanico plinov, ki določajo vžigno napetost plinskega odvodnika. Posledično morata biti zaradi notranjega dela 1c izolacijske keramike 1 kovinski elektrodi 2 in 3 izbočeni tako, da omogočata hermetično tesen stik med keramiko 1 in elektrodama 2 in 3. V ta namen mora imeti keramika 1 na delu stika z elektrodama 2 in 3 metalizirani plasti 6 in 6', kjer sta zalotani elektrodi 2 in 3.

Ploščati plinski odvodnik vključuje izolacijsko keramiko 1, ki je valjaste oblike in ima širši obroč 1a, ožji obroč 1b z metaliziranima plastema 6 in 6', zožen obroč 1c ter razširjen obroč 1d, ki se oblikuje v konico a stranicama 1d' in 1d proti središču keramičnega izolatorja 1. Pri tem je razdalja med ravnindmš .z’cn6taltzaci1o 6 irt 6.' • · · · ······· ··· ·· manjša ali enaka kot je dolžina stranic 1d' in 1d notranje stene konice keramike 1. Na keramiko 1 se nanese grafitni nanos 5. Ploščati plinski odvodnik se hermetično spaja preko metaliziranih plasti 6 in 6' na izolacijski keramiki 1 in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod 2 in 3 ter polni z ustrezno plinsko mešanico. Elektroda 2 ima obliko krožne plošče, ki ima del 2a prilotan na metalizirano plast 6 dela 1a izolacijske keramike 1. Od dela 2a se elektroda 2 izboči v del 2b, ki se ponovno vboči v srednji del 2c. Ker je elektroda 2 krožne oblike, se izbočeni del 2b dviga nad delom 1c izolirne keramike 1. Na zgornji strani izolirne keramike 1 je elektroda 3 v obliki krožne plošče, ki ima del 3a prilotan na metalizirani del 6' dela 1a izolacijske keramike 1. Od dela 3a se elektroda 3 izboči v del 3b, ki se ponovno vboči v srednji del 3c. Višina plinskega odvodnika je približno 3 ali manj milimetrov, premer plinskega odvodnika je približno 30 milimetrov. Višina plinskega odvodnika je določena z razdaljo med spodnjim izbočenim delom 2b elektrode 2 in zgornjim izbočenim delom 3b elektrode 3 ali z višino zunanjega dela 1a keramike 1. Premer plinskega odvodnika pa je enak premeru izolacijske keramike 1. Zaradi zelo majhne višine plinskega odvodnika obstaja velika nevarnost nenadzorovanega preboja med elektrodama 2 in 3, ki je lahko posledica premajhne izolacijske razdalje na izolacijski keramiki 1 med elektrodama 2 in 3. Ta problem je rešen z obliko dela 1c izolacijske keramike 1 in izbočenega dela 2b elektrode 2 ter 3b elektrode 3, ki poveča izolacijsko razdaljo na sprejemljivo za doseganje električno ustreznega pogoja.

Odzivni čas plinskega odvodnika na prenapetost se skrajša tako, da se doda na notranjo steno keramike primeren grafitni nanos 5. Zaradi povečanja izolacijske razdalje se dolžina notranje stene keramičnega izolatorja poveča, kar omogoča več prostora za grafitni nanos 5 tudi pri zelo majhnih razdaljah med elektrodama 2 in 3.

Plinski ploščati odvodnik po varianti I vključuje izolacijsko keramiko 11, ki je valjaste oblike in ima obroč 11 a, ki se razširi v širši obroč 11b. Obroč 11a z metaliziranima plastema 16 in 16' na keramičnem izolatorju 11 se hermetično spaja preko metaliziranih plasti 16 in 16' na izolacijski keramiki 11 in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod 12 in 13 ter polni z ustrezno plinsko mešanico. Elektroda 12 ima obliko krožne plošče, ki ima del 12a prilotan na metalizirani del 16 dela 11a izolacijske keramike 11. Od dela 12a se elektroda 12 izboči v del 12b, ki se ponovno vboči v srednji del 12c. Ker je elektroda 12 krožne oblike, se izbočeni del 12b dviga nad delom 11c izolirne keramike 11. Na zgornji strani izolirne keramike 11 je elektroda 13 v obliki krožne plošče, ki ima del 13a prilotan na metalizirani del 16' dela 11a izolacijske keramike 11. Od dela 13a se elektroda 13 izboči v del 13b, ki se ponovno vboči v srednji del 13c.

Plinski ploščati odvodnik po varianti II vključuje izolacijsko keramiko 21, ki je valjaste oblike in ima obroč 21 a, ki se razširi v širši obroč 21 b, ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja 21. Obroč 21a z metaliziranima plastema 26 in 26' na keramičnem izolatorju 21 se hermetično spaja preko metalizacijskih plasti 26 in 26' na izolacijski keramiki 21 in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod 22 in 23 ter polni z ustrezno plinsko mešanico.

Plinski ploščati odvodnik po varianti lil vključuje izolacijsko keramiko 31, kije valjaste oblike in ima obroč 31 a, ki se zoži v obroč 31 b potem pa razširi v širši obroč 31 c, ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja 31. Obroč 31 a z metaliziranima plastema 36 in 36' na keramičnem izolatorju 31 se hermetično spaja preko metalizacijskih plasti 36 in 36' na izolacijski keramiki 31 in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod 32 in 33 ter polni z ustrezno plinsko mešanico.

Plinski ploščati odvodnik po varianti IV vključuje izolacijsko keramiko 41, kije valjaste oblike in ima obroč 41 a, ki se oblikuje v konico 41 b v smeri proti središču keramičnega izolatorja 41. Obroč 41 a z metaliziranima plastema 46 in 46' na keramičnem izolatorju 41 se hermetično spaja preko metalizacijskih plasti 46 in 46' na izolacijski keramiki 41 in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod 42 in 43 ter polni z ustrezno plinsko mešanico.

Plinski ploščati odvodnik po varianti V vključuje izolacijsko keramiko 51, ki je valjaste oblike in ima obroč 51 a, ki se najprej zoži v del 51 b, ki se potem oblikuje v konico 51 c v smeri proti središču keramičnega izolatorja 51. Obroč 51a ima metalizirana prstana 56 in 56'.

Plinski ploščati odvodnik po varianti VI vključuje izolacijsko keramiko 61, ki je valjaste oblike in ima obroč 61 a, ki se zoži v obroč 51 b in zoži v obroč 51 c ter se razširi v obroč 61 d, ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja 61. Obroč 61 a z metaliziranima plastema 66 in 66' na keramičnem izolatorju 61 se hermetično spaja preko metalizacijskih plasti 66 in 66' na izolacijski keramiki 61 in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod 62 in 63 ter polni z ustrezno plinsko mešanico.

Plinski ploščati odvodnik po varianti VII vključuje izolacijsko keramiko 71, ki je valjaste oblike in ima zunanji obroč 71 a, ki je zožen pred sredinskim obročem 71 b, ki se nato ponovno zoži in se potem oblikuje v konico 71 c v smeri proti središču keramičnega izolatorja 71. Ta izvedba izolacijske keramike omogoča vizualno detekcijo poškodbe plinskega odvodnika. Znano je, da lahko plinski odvodnik v primeru mehanske preobremenitve, na primer padca z višine, prične puščati in se plinska mešanica v komori spremeni. Pogosto ob udarcu nastanejo neopazne razpoke na keramiki, ki jih s prostim očesom ne opazijo, zato se lahko zgodi, da se poškodovani odvodniki uporabijo v nadaljnjih procesih. Takšne napake se v splošnem lahko zaznajo samo s primernimi električnimi meritvami. V primeru dela 71 a ob zunanjem robu keramike 71, pa je rob oslabljen in se ob udarcu odlomi. Uporabniki lahko tako že na prvi pogled opazijo deformacijo, ki kaže na mehansko poškodbo in takšnega odvodnika ne uporabijo.

Učinek keramičnih izolatorjev s podaljšano izolacijsko razdaljo je lepo viden na sliki 4, kjer črka L označuje razdaljo med elektrodama, črka L1 izolacijsko pot po notranji strani keramičnega izolatorja in črka L2 izolacijsko pot po zunanji strani keramičnega izolatorja. Razdalja L, in izolacijski poti L1 ter L2 so označene s pikami, kjer so dolžine določene s seštevkom vseh stranic. Predstavljeni ploščati plinski odvodnik je značilen po tem, da sta dolžini L1 in L2 znatno daljši od razdalje L.

Claims (10)

1. Patentni zahtevki

   1. Ploščati plinski odvodnik, ki vključuje izolacijsko keramiko, dve kovinski elektrodi, plinsko polnjenje in grafitni nanos na izolacijski keramiki, značilen po tem, da je izolacijska keramika valjaste oblike in ima širši obroč, ožji obroč z metaliziranima plastema ter razširjen obroč, ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja, pri čemer je razdalja med ravninama z metalizacijo manjša ali enaka kot je dolžina notranje stene konice keramike; da je izolacijska razdalja na izolacijski keramiki med elektrodama povečana z obliko izolacijske keramike ter obliko elektrod.
2. 2. Ploščati plinski odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (1), ki je valjaste oblike in ima širši obroč (1a), ožji obroč (1b) z metaliziranima plastema (6 in 6'), zožen obroč (1c) ter razširjen obroč (1d), ki se oblikuje v konico s stranicama (1c' in 1c) proti središču keramičnega izolatorja (1); da je pri tem razdalja med ravninama z metalizacijo (6 in 6') manjša ali enaka kot je dolžina stranic (1 c' in 1c) notranje stene konice keramike (1); da se na keramiko (1) nanese grafitni nanos (5); da se v celoto hermetično spaja preko metaliziranih plasti (6 in 6') na izolacijski keramiki (1) in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod (2 in 3) ter polni z ustrezno plinsko mešanico; da ima elektroda (2) obliko krožne plošče, ki ima del (2a) prilotan na metalizirano plast (6) dela (1 a) izolacijske keramike (1); da se od dela (2a) elektroda (2) izboči v del (2b), ki se ponovno vboči v srednji del (2c); da je elektroda (2) krožne oblike in se izbočeni del (2b) dviga nad delom (1c) izolirne keramike (1); da je na zgornji strani izolirne keramike (1) elektroda (3) v obliki krožne plošče, ki ima del (3a) prilotan na metalizirani del (6') dela (1 a) izolacijske keramike (1); da se od dela (3a) elektroda (3) izboči v del (3b), ki se ponovno vboči v srednji del (3c); da je višina plinskega odvodnika določena z razdaljo med spodnjim izbočenim delom (2b) elektrode (2) in zgornjim izbočenim delom (3b) elektrode (3) ali z višino zunanjega dela (1a) keramike (1); da je premer plinskega odvodnika enak premeru izolacijske keramike (1).
3. 3. Plinski ploščati odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (11), ki je valjaste oblike in ima obroč (11a), ki se razširi v širši obroč (11 b); da se obroč (11a) hermetično spaja preko metaliziranih plasti (16 in 16') na izolacijski keramiki (11) in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod (12 in 13) ter polni z ustrezno plinsko mešanico.
4. 4. Plinski ploščati odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (21), ki je valjaste oblike in ima obroč (21 a), ki se razširi v širši obroč (21 b), ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja (21); da se obroč (21 a) hermetično spaja preko metalizacijskih plasti (26 in 26') na izolacijski keramiki (21) in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod (22 in 23) ter polni z ustrezno plinsko mešanico.
5. 5. Plinski ploščati odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (31), ki je valjaste oblike in ima obroč (31a), ki se zoži v obroč (31 b), potem pa razširi v širši obroč (31 c), ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja (31); da se obroč (31 a) hermetično spaja preko metalizacijskih plasti (36 in 36') na izolacijski keramiki (31) in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod (32 in 33) ter polni z ustrezno plinsko mešanico.
6. 6. Plinski ploščati odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (41), ki je valjaste oblike in ima obroč (41 a), ki se oblikuje v konico (41 b) v smeri proti središču keramičnega izolatorja (41); da se obroč (41 a) hermetično spaja preko metalizacijskih plasti (46 in 46') na izolacijski keramiki (41) in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod (42 in 43) ter polni z ustrezno plinsko mešanico.
7. 7. Plinski ploščati odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (51), ki je valjaste oblike in ima obroč (51 a), ki se najprej zoži v del (51 b), ki se potem oblikuje v konico (51 c) v smeri proti središču keramičnega izolatorja (51).
8. 8. Plinski ploščati odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (61), ki je valjaste oblike in ima obroč (61 a), ki se zoži v obroč (51 b) in zoži v obroč (51 c) ter se razširi v obroč (61 d), ki se oblikuje v konico v smeri proti središču keramičnega izolatorja (61); da se obroč (61 a) hermetično spaja preko metalizacijskih plasti (66 in 66') na izolacijski keramiki (61) in lotanih spojev na delu kovinskih elektrod (62 in 63) ter polni z ustrezno plinsko mešanico; da oslabitev keramike (61) omogoča detekcijo mehanskih poškodb.
9. 9. Plinski ploščati odvodnik po zahtevku 1, značilen po tem, da vključuje izolacijsko keramiko (71), ki je valjaste oblike in ima zunanji obroč (71 a), ki je zožen pred sredinskim obročem (71 b), ki se nato ponovno zoži in se potem oblikuje v konico (71 c) v smeri proti središču keramičnega izolatorja (71); da ta izvedba izolacijske keramike omogoča vizualno detekcijo poškodbe plinskega odvodnika.
10. 10. Plinski ploščati odvodnik po kateremkoli od zahtevkov od 1 do 9, značilen po tem, da je višina plinskega odvodnika približno 3 ali manj milimetrov, premer plinskega odvodnika je približno 30 milimetrov.