專利名稱：氣體放電管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體放電管領(lǐng)域，該放電管包括電涌放電器(避雷器)，高強(qiáng)度放電管，火花隙和觸發(fā)火花隙，它可以在不同應(yīng)用設(shè)備，如通信網(wǎng)絡(luò)的浪涌電壓防護(hù)裝置中使用，特別是，本發(fā)明涉及一種呈現(xiàn)較高選擇能力、具有良好特性和有益于環(huán)境的新型設(shè)備。
背景技術(shù)：
電子設(shè)備與長信號(hào)或電源線，天線等相連接時(shí)，它容易受到感應(yīng)產(chǎn)生的、雷電或電磁脈沖(EMP)引起的瞬變過程的影響。電涌放電器通過吸收瞬變過程中的電能或?qū)⑺c大地相連接避免設(shè)備受到損壞。電涌放電器需要自動(dòng)恢復(fù)，能夠處理重復(fù)瞬變，并不會(huì)失效。一個(gè)重要特性是引燃的速度和選擇能力，換句話說，電涌放電器必須有效運(yùn)行而沒有延時(shí)，還不能太靈敏，它用標(biāo)準(zhǔn)的通信信號(hào)觸發(fā)。這些性能在規(guī)定時(shí)間應(yīng)該不變，與引燃時(shí)間間隔無關(guān)。而且，電涌放電器應(yīng)該適于進(jìn)行高質(zhì)量統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的批量生產(chǎn)。
充氣放電管不僅用于保護(hù)電子設(shè)備，而且還經(jīng)常用作電源開關(guān)電路如汽車產(chǎn)品中象氣體放電前燈中的開關(guān)裝置。其它的應(yīng)用范圍包括遙控和數(shù)據(jù)通信、聲頻/視頻設(shè)備、電源、工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、安全和軍事應(yīng)用。
早期的電涌放電器包括兩個(gè)被空氣間隙或云母層分隔的固體石墨電極。然而，它們?cè)隗w積，可靠性，產(chǎn)品性能和生產(chǎn)技術(shù)方面與現(xiàn)代的電涌放電器相比，不能同日而語。
現(xiàn)代常用的電涌放電器是充氣放電管，它可具有一個(gè)或數(shù)個(gè)放電路徑或放電間隙，通常包括兩個(gè)端電極，可任意地外加一個(gè)輔助電極，該輔助電極以中心電極的形式外加在一個(gè)或兩個(gè)中空?qǐng)A柱形絕緣體，該圓柱形絕緣體由電絕緣材料，如陶瓷，合適的聚合物，玻璃等制成。通常，兩電極的電涌放電器中的絕緣體焊接到端電極的兩側(cè)，將它們連接成密封的真空。
例如，在US-A-4,437,845中簡(jiǎn)述了一種制造常用電涌放電器的方法。根據(jù)US-A-4,437,845，該制造過程包括在輕的氣體與另一種氣體相混合的大致為大氣壓和合適的溫度的情況下密封管子的部件，考慮到管子的預(yù)期功能，另一種氣體需要比上述第一種氣體重，使管子的外部氣壓降低在大氣壓之下，同時(shí)將該溫度降低到一定程度使重氣體輕微地經(jīng)過擴(kuò)散和/或滲透穿透管壁，所密閉的輕的氣體能夠通過管壁進(jìn)行擴(kuò)散和/或滲透，這樣，由于壓力差的原因，發(fā)光氣體就會(huì)通過管壁排出，因此就會(huì)引起管子內(nèi)部整個(gè)氣壓的降低。
此外，在US-A-5,103,135中揭示了一種電涌放電器部件的外涂層，其中錫涂層用在電極上，環(huán)形保護(hù)涂層用在至少為1mm厚的陶瓷絕緣體上。這種保護(hù)涂層由耐酸和耐熱的染料或清漆形成，它在電涌放電器的軸向是連續(xù)不斷的。這種保護(hù)涂層可以形成電涌放電器的識(shí)別部分。例如，這種識(shí)別可以做成保護(hù)涂層上的反向印記形式。此外，涂錫的引線可與電極相連接。
US-A-4,672,259揭示了一種防止電氣設(shè)備過壓和具有強(qiáng)電流量的功率火花隙，其中火花隙包括兩個(gè)碳電極，每個(gè)碳電極具有一半球形結(jié)構(gòu)和一絕緣陶瓷外殼，由此碳電極包含深入其內(nèi)部的通風(fēng)孔以將電弧傳輸提供給內(nèi)部的堅(jiān)固電極材料?；鸹ㄏ妒枪└邏壕€路用的，其中所期望的火花長度大約為2.5cm(1英寸)，傳輸140kV左右的電壓。這種火花隙不是密封充氣型的，但是它可自由地與空氣相通。所形成的電弧從相應(yīng)的下設(shè)電極開始，并穿過通孔。因此，火花的形成在很大程度上是由下設(shè)材料所確定的，這種材料必須是活性的，但是由于它在存在的環(huán)境中會(huì)被氧化，這就意味著火花電壓不能確定和重現(xiàn)。
US-A-4,407,849揭示了一種火花隙設(shè)備，特別是一種該火花隙電極上的涂層，它便于盡可能地減少細(xì)絲的形成。該涂層用在下設(shè)電極上，因此該涂層由石墨形式的碳組成。浪涌限制器是充氣的那種。該參考文獻(xiàn)沒有提出在電極上是否具有一惰性表面的問題，或任何與此相關(guān)的問題。
上述靈敏和恢復(fù)的問題通過在電極表面或其它地方使用電子給體已經(jīng)論述過。這種電子給體可包括放射性元素，如超重氫和/或有毒的堿金屬，如鋇。很顯然這種方案具有明顯的缺點(diǎn)，特別是與放射性的和/或有毒的部件有關(guān)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是使氣體放電管能夠適用于所有相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，上述氣體放電管呈現(xiàn)較高的選擇能力，具有良好特性(如較高的耐熱性和較長的壽命期)，不會(huì)產(chǎn)生放射性或破壞環(huán)境的復(fù)合物。
本發(fā)明的目的是通過避免形成任何層，如在電極表面上，特別是在端電極的相對(duì)表面上形成的氧化或氫化層而實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)金屬電極表面上氧化物的形成會(huì)影響放電的啟動(dòng)電壓。與放電室中的高真空無關(guān)，氧氣和其它元素的殘留總是存在的。通過避免層的形成或電極表面的氧化，放電管將會(huì)在相同電壓或至少在較窄的間隔內(nèi)重復(fù)地起作用。


本發(fā)明將參考附圖在下面作詳細(xì)地描述，其中圖1表示具有兩個(gè)電極的典型氣體放電管的剖視圖；圖2表示具有多個(gè)電極的氣體放電管的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
通用的氣體放電管至少包括兩個(gè)電極，它們與一中空絕緣體相連接。如圖1所示的是一種常用類型的氣體放電管，它包括兩個(gè)端電極1和2，每個(gè)電極包括一個(gè)凸緣狀的基座和至少一個(gè)中空?qǐng)A柱形絕緣體3，該絕緣體焊接在至少一個(gè)端電極的基座上。避免層形成的本發(fā)明的涂層或部件就是如圖所示的兩個(gè)電極上的柵格區(qū)(screened area)4。不考慮氣體放電管的類型，至少陰極具有本發(fā)明的層或是本發(fā)明的材料或結(jié)構(gòu)是十分重要的，下面將作描述。然而，所有電極最好都具有這種層或結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗沧兊臉O性是可變的。
圖2所示的多電極管除了上述的部件外，還包括一中心電極5。這里本發(fā)明的涂層或部件也如圖所示的柵格區(qū)4，柵格區(qū)出現(xiàn)在所有電極上。
最好是至少上述相對(duì)電極的相對(duì)表面的部分覆蓋有層或能夠避免層如氧化層形成的復(fù)合物或元素的涂層。其它不需要的層，即本發(fā)明的意圖在于避免它們的形成，例如是氫化物。通常來說，表述的“不需要的層”包括任何通過與周圍復(fù)合物，如氣體放電管中的氣體相互作用在電極上形成的層，這些層能夠?qū)Ψ烹姽艿奶匦援a(chǎn)生影響。
形成本發(fā)明層和避免不需要層形成的復(fù)合物可以是具有較高穩(wěn)定性的金屬合金，如鈦的金屬，或?qū)嶋H上是不活潑元素，如金。該復(fù)合物可以是一種碳化合物，最好是具有金屬如鉻或鈦的碳。
在這種情況下，碳就被定義為任意的多晶碳，如金剛石，金剛石狀的碳或石墨。碳還可包含其它元素，象含量由應(yīng)用決定，如可高達(dá)15％的一種或幾種金屬。
上述端電極的相對(duì)表面最好覆蓋一涂層或石墨層，上述層包括附加的金屬，如鉻或鈦。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，惰性表面或抗氧化涂層或?qū)咏?jīng)過化學(xué)電鍍，濺射等敷在電極上?？寡趸瘜幼詈糜帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常用的濺射或等離子體淀積技術(shù)敷成。
根據(jù)本發(fā)明能夠應(yīng)用的工藝方法包括化學(xué)氣相淀積(CVD)，物理氣相淀積(PVD)是一種淀積在襯底上的涂層。濺射是一種物理淀積工藝，它是目前所掌握的最好應(yīng)用技術(shù)。在濺射工藝方法中，材料是通過用高能離子，通常是氬離子轟擊陰極進(jìn)行濺射的。離子撞擊目標(biāo)材料，離子時(shí)，原子將會(huì)濺離開并淀積在襯底上。這種工藝在濺射過程中通常需要高真空或至少是低真空。襯底通過反向執(zhí)行該過程，安裝襯底作為陰極，并轟擊陰極能被方便地清洗。通過改變氣相的成分就能影響淀積層的組成。在一種應(yīng)用中，如果希望含碳材料淀積時(shí)，就可使用如甲烷的氣態(tài)碳?xì)浠衔铩Ｊ帢O也可用作碳源。例如，使用鉻陰極的甲烷將會(huì)形成活性濺射過程，導(dǎo)致具有附加鉻的石墨層的淀積。典型的淀積率大約為1μm/h或更小。正常的濺射時(shí)間間隔大約為4至8小時(shí)。依據(jù)所需層的厚度，所使用的時(shí)間可長點(diǎn)或短點(diǎn)。改變陰極材料和氣相成分，就可形成不同的涂層。
在金屬涂層的情況下，也能使用電鍍工藝或所謂的無電鍍工藝。這些工藝特別適用于由上述金屬如金或鉑組成的涂層。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電極的表面僅有部分，例如在相對(duì)電極方向上的較小區(qū)域中進(jìn)行涂層。作為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，電極的一部分是由惰性材料組成，例如是由插入或燒結(jié)固定在電極的金屬基底上的含碳體組成。可以想象該電極能夠作為一金屬基底制造，例如一個(gè)覆蓋或封閉石墨本體的銅或鋁的基底，該石墨本體至少在一相對(duì)的電極方向上至少形成一表面。
根據(jù)本發(fā)明的具有電極表面的電涌放電器與現(xiàn)有的設(shè)備相比具有較低的電弧電壓和較窄的靜態(tài)引燃電壓分布。
此外，本發(fā)明提供了一種容易在現(xiàn)有電涌放電器設(shè)計(jì)中實(shí)施和適用于批量生產(chǎn)的方案。而且，與目前使用的包含放射性氣體如超重氫，和/或有毒化合物如鋇鹽的電涌放電器相比，根據(jù)本發(fā)明的方案不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)面影響，或需要特別的廢物處理工藝。充氣電涌放電器中使用的氣體尤其是氮?dú)?，氦氣，氬氣，甲烷，氫氣等或其混合物?br> 本發(fā)明將通過一非限定的制造實(shí)例加以說明解釋，該實(shí)例根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例描述了電涌放電器的制造過程。
制造實(shí)例電涌放電器通過將一批銅電極經(jīng)過下面的步驟處理進(jìn)行制造首先，電極在溶劑中經(jīng)過清洗，去除疏松的雜質(zhì)，潤滑油或油脂的痕跡。然后電極放置在一掩膜中，暴露將被涂層的區(qū)域。接著放置在掩膜中被清洗過的一組電極放入抽成真空的濺射室內(nèi)。然后電極通過反向?yàn)R射進(jìn)行清洗，從電極中去除雜質(zhì)。接著電流反向流動(dòng)，甲烷進(jìn)入濺射室中。通過提供鉻陰極形式的鉻，就能實(shí)現(xiàn)活性濺射的過程。電極形成一具有附加鉻原子的石墨層，鉻原子吸持在石墨層上。最后，濺射過程結(jié)束，涂層過的電極移離濺射室，再經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量控制。
經(jīng)過涂層的電極呈現(xiàn)了良好的改進(jìn)性能，如較高的耐熱性。使用經(jīng)過涂層電極所制造的電涌放電器呈現(xiàn)了良好的改進(jìn)性能，如較低的電弧電壓，較窄引燃電壓的分布，還具有良好的改進(jìn)速度和選擇能力及較長的壽命期。
雖然本發(fā)明對(duì)其較佳實(shí)施例已作出描述，該實(shí)施例構(gòu)成了本發(fā)明人目前所知道的最佳實(shí)例，但是應(yīng)該明白本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對(duì)其作出各種變化和修改，并沒有脫離后面權(quán)利要求所提出的本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.氣體放電管，它包括至少兩個(gè)電極和至少一個(gè)與至少其中之一的電極固定的中空絕緣體，其特征在于上述至少兩個(gè)電極具有一化學(xué)惰性表面。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體放電管，其特征在于該惰性表面能夠避免通過與周圍的復(fù)合物，如包含在氣體放電管中的氣體相互作用在電極上形成任何層，其中這些層能夠影響放電管的性能。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體放電管，其特征在于該惰性表面能夠避免任何氧化物或氫化物層的形成。
4.如權(quán)利要求1-3中一個(gè)或多個(gè)所述的氣體放電管，其特征在于至少上述電極的一個(gè)表面覆蓋一復(fù)合物涂層，該涂層能夠避免層，如氧化物層的形成。
5.如權(quán)利要求4所述的氣體放電管，其特征在于上述涂層包括碳。
6.如權(quán)利要求5所述的氣體放電管，其特征在于上述涂層包括石墨。
7.如權(quán)利要求1-6中一個(gè)或多個(gè)所述的氣體放電管，其特征在于至少一個(gè)電極還包括鉻或鈦元素。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體放電管，其特征在于至少其中之一的電極由一種能夠避免層，如氧化物和氫化物層形成的材料制成。
9.氣體放電管的制造方法，該放電管包括至少兩個(gè)電極，和至少一個(gè)與電極固定的中空絕緣體，其特征在于上述每個(gè)電極的至少一個(gè)表面要敷上化學(xué)惰性涂層，如一種能夠避免氧化物或氫化物層形成的涂層。
10.氣體放電管的制造方法，該放電管包括至少兩個(gè)電極，和至少一個(gè)與電極固定的中空絕緣體，其特征在于至少上述其中之一的電極由一種能夠避免氧化物和氫化物層形成的材料制成。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于該涂層是通過物理氣相淀積施加的。
12.如權(quán)利要求9和11所述的方法，其特征在于該涂層包括鉻或鈦。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種在端電極具有化學(xué)惰性表面的新型氣體放電管。由于該表面能夠避免如氧化物層的形成,與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備相比,根據(jù)本發(fā)明的放電管就會(huì)呈現(xiàn)出較高的選擇能力和較好的性能(例如,較高的耐熱性和較長的壽命期),同時(shí)它還提供了一種環(huán)境能夠接收的技術(shù)方案。
文檔編號(hào)H01T1/22GK1336028SQ99815978
公開日2002年2月13日 申請(qǐng)日期1999年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月23日
發(fā)明者約翰·施萊曼-簡(jiǎn)森, 馬茨·伯曼, 姜-奧克·尼爾松, 杰爾·約赫曼 申請(qǐng)人:延森電子技術(shù)股份公司