DE4390682C2

DE4390682C2 - Überspannungsschutz

Info

Publication number: DE4390682C2
Application number: DE4390682A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Tanaka; Takaaki Itoh; Masatoshi Abe
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2013-02-26
Also published as: KR0139509B1; WO1993017475A1; CA2107679A1; DE4390682T1; GB2272329A; GB2272329B; GB9321710D0; TW219403B; US5506071A

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsschutz (JP, A, 3-77293, April 2, 1991 [2. 4. 1991]) mit dicht in ein Glasrohr eingesetzter Verschlußelektrode (Abdichtelektrode, bei dem ein Überspannungsschutzelement vom Mikrospalttyp (micro-gap-Typ) hermetisch dicht in einem Glasrohr angeordnet ist.

Ein Überspannungsschutz dieser Art wird dazu verwendet, elek tronische Bauteile von Kommunikationseinrichtungen, wie Tele fonanlagen, Telekopiergeräten, Fernsprechvermittlungsanlagen, Modems und dergl., gegen Blitzschlag zu schützen. Ein derar tiger Überspannungsschutz wird hergestellt, indem man eine Verschlußelektrode an beiden Enden eines Glasrohrs, dem ein Überspannungsschutzelement vom Mikrospalttyp einverleibt ist, befestigt, das Glasrohr mit einem darin befindlichen Inert gas, wie einem Edelgas, Stickstoff und dergl. dicht ver schließt und anschließend das Glasrohr, das mit einer Heiz vorrichtung, z. B. einer Kohlenstoff-Heizvorrichtung, auf eine hohe Temperatur erwärmt worden ist, mit der Verschluß elektrode abdichtet.

Im allgemeinen wird für die Verschlußelektrode ein Metall verwendet, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Glas entspricht, um ein Auftreten von Rissen aufgrund einer Wärme kontraktion des Glasrohrs zum Zeitpunkt des Abdichtens (Verschließens) zu verhindern. Um die Benetzbarkeit für Glas zum Zeitpunkt des Abdichtens zu verbessern, wird auf einer Oberfläche des Elements, die in Kontakt mit dem Glasrohr steht, ein Oxidfilm bereitgestellt. Durch Erwärmen der Ver schlußelektrode auf eine hohe Temperatur gewährleistet man eine durch den Oxidfilm vermittelte Haftung des Metalls am Glas, wobei das Glasrohr mit der Verschlußelektrode unter Bildung eines luftdichten Verschlusses abgedichtet wird.

Herkömmlicherweise werden Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen, Du met-Draht und dergl. häufig als Bestandteile der Verschluß elektrode für Weichglas verwendet. Beispielsweise beschreibt JP-A-55-128283 einen Überspannungsschutz unter Verwendung eines Dumet-Drahts als Bestandteil einer Verschlußelektrode zum Abdichten beider Enden eines Weichglasrohrs, indem sich ein Überspannungsschutzelement vom Mikrospalttyp befindet. Ferner werden für Hartglas oder Keramik Covar- und Eisen- Nickel-Legierungen verwendet.

Andererseits weist ein Überspannungsschutz, bei dem das her kömmliche Überspannungsschutzelement vom Mikrospalttyp luft dicht im Glasrohr eingeschlossen ist, keine Beschleunigungs wirkung auf die Elektronenemission in der Verschlußelektrode auf. Demgemäß durchläuft eine Bogenentladung im Betriebszu stand einen leitfähigen Überzug und einen Mikrospalt auf der Oberfläche des Keramikelements, gelangt aber kaum zur Ver schlußelektrode. Aus diesem Grund ist eine lange Zeitspanne zur Bildung einer Bogenentladung in der Nähe des Mikrospalts erforderlich, und der leitfähige Überzug und der Mikrospalt werden aufgrund der Bogenentladung beeinträchtigt, was eine nachteilige Wirkung auf die Lebensdauer oder auf andere Eigenschaften, wie Stromstoßbeständigkeit und dergl., des Überspannungsschutzes, hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsschutz bereit zustellen, dessen Verschlußelektrode zum Abdichten bei einer relativ niedrigen Tem peratur in einer Inertgasatmosphäre befähigt ist und zusätz lich zu einer zufriedenstellenden Haftfähigkeit am Glasrohr eine Beschleunigungswirkung auf die Elektronenemission ausübt. Lösungen dieser Aufgabe sind im Patentanspruch 1 bzw. 2 angegeben.

Die Verschlußelektrode soll leicht mit Bleidraht verlötet werden können und lange Lebensdauer und hohen Überspannungsschutz haben, wobei der leitfähige Überzug und der Mikrospalt zum Zeitpunkt des Abdichtens und der Bogenentladung kaum beeinträchtigt werden.

Es sind Überspannungsschutzeinrichtungen bekannt, bei denen in einem mit Luft oder Inertgas gefüllten Glasrohr ein keramischer Isolator mit einem leitfähigen Überzug angeordnet ist und der Überzug einen Mikro spalt aufweist (JP 64-76462 A - In: Patent Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 15 (1991), Nr. 3 (E-1019), JP 62-282537 A- In: Patent Abstract of Japan, Sect. E, Vol. 13 (1989), Nr. 371 (E-807), US 4317 155). Ein Kupfer überzug mit darauf ausgebildetem Cu₂O-Film ist nicht vorgesehen. Eine andere Type verwendet zwei Kappenelektroden auf einem Röhrchen aus Keramik und die Elektroden sind mit einem Überzug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehen, der als Entladungsoberfläche dient (JP, A, 3-77293, April 2, 1991 (2.4.91). Dieser Überspannungsschutz ist nicht vom Mikrospalt-Typ und es wird keine Anregung zur Verwendung eines Cu₂O-Films gegeben.

Zur Lösung der vorstehend angegebenen Aufgaben wird erfindungsgemäß eine dicht mit einem Glasrohr verschlossene erste Verschlußelektrode gemäß der Darstellung in Fig. 1 oder 4 bereitgestellt. Diese Verschluß elektrode umfaßt ein aus einer Legierung mit einem Gehalt an Eisen und Nickel gebildetes Elektrodenelement 11a und einen Kupferdünnfilm 11b oder 21b von vorbestimmter Dicke, der auf beiden Oberflächen des Elektrodenelements 11a ausgebildet ist.

Eine zweite, dicht mit dem Glasrohr abgeschlossene Verschlußelektrode der in Fig. 6 oder 9 gezeigten Art umfaßt ein aus einer Legierung mit einem Gehalt an Eisen und Nickel gebildetes Elektrodenelement 11a und einen Kupferdünnfilm 11b oder 21b von vorbestimmter Dicke, der sowohl auf der Fläche des Elements 11a im Kontaktbereich mit einem Glasrohr 10 als auch auf der Fläche des Elements 11a, die ins Innere des Glas rohrs 10 gerichtet ist, vorgesehen ist.

Ein erfindungsgemäßer Überspannungsschutz der in Fig. 1 gezeigten Art umfaßt ein Glasrohr 10; ein Überspannungselement 13, das sich im Glasrohr 10 befindet und ein Paar von Kappenelektroden 13d an beiden Enden eines Keramikelements 13b aufweist, wobei ein Mikrospalt 13c an der Umfangsfläche des Keramikelements 13b von säulenförmiger Gestalt, das mit einem leitfähigen Überzug 13a überzogen ist, ausgebildet ist; Verschlußelektroden 11, 12, die jeweils das Überspannungsschutzelement 13 so fixieren, daß es an beiden Enden des Glasrohrs 10 dicht eingeschlossen wird und elektrisch mit beiden Kap penelektroden 13d verbunden ist; und Inertgas 14, das im von den Verschlußelektroden 11, 12 und dem Glasrohr 10 gebildeten Innenraum eingeschlossen ist.

Das Glasrohr besteht aus Hartglas, wie Bor silikatglas, oder Weichglas, wie Bleiglas und Natronglas. Es ist möglich, Weichglas zu verwenden, das einen höheren Wärme ausdehnungskoeffizienten als Hartglas aufweist. Das Elektro denelement ist aus Legierungen mit einem Gehalt an Eisen und Nickel, wie Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Chrom-Le gierungen und Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen und dergl., ge bildet, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten niedriger als der von Glas sind. Das Elektrodenelement wird durch Verformen zu einer vorbestimmten Gestalt gebildet. Um den Wärmeausdeh nungskoeffizienten des Elektrodenelements an den Wärmeausdeh nungskoeffizienten des Glasrohrs anzupassen, wird das Elek trodenelement mit einem Kupferdünnfilm mit einem höheren Wär meausdehnungskoeffizienten beschichtet. Dies bedeutet, daß bei einer großen Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoef fizienten des Elektrodenelements und dem Wärmeausdehnungsko effizienten des Glasrohrs, der Kupferdünnfilm dicker gemacht wird. Ist diese Differenz gering, so weist dieser Dünnfilm eine geringere Dicke auf.

Das Beschichten des erfindungsgemäßen Elektrodenelements mit dem Kupferdünnfilm wird je nach der für den Kupferdünnfilm erforderlichen Dicke nach verschiedenen Verfahren durchge führt: (1) direkte Bildung auf einer Oberfläche des Elektro denelements unter Anwendung einer Dünnfilm-Bildungstechnik, z. B. Hochfrequenz-Sputtering, Vakuumabscheidung und dergl., (nachstehend als "Beschichten" bezeichnet) oder (2) Plattie ren unter mechanischem Auswalzen bei hoher Temperatur, wobei der Kupferdünnfilm auf eine Oberfläche eines Plattenelements aus einer Legierung mit einem Gehalt an Eisen und Nickel, die das Elektrodenelement darstellt, angepaßt wird (nachstehend als "Plattieren" bezeichnet) . Beim Aufbringen des Kupferdünn films auf das Plattenelement durch Plattieren wird das Plat tenelement scheibenförmig ausgestanzt und sodann durch Ziehen so verformt, daß ein mit dem Glasrohr in Kontakt stehender Bereich den Kupferdünnfilm aufweist.

Bei der Verwendung der Verschlußelektrode für den Überspan nungsschutz wird die ausgestanzte kreisförmige Platte durch Ziehen zu einer Hutform verformt. Bei Anwendung des vorste hend beschriebenen Verfahrens (1) wird der Kupferdünnfilm nach dem Verformen des Elektrodenelements zur Hutform gebil det. Im Fall des vorstehend beschriebenen Verfahrens (2) wird der Kupferdünnfilm unter Bildung eines Laminats auf das Elek trodenelement aufgebracht und das Laminat anschließend zur Hutform verformt. Der Kupferdünnfilm wird nicht nur auf dem Bereich, der mit dem Glasrohr in Kontakt steht, sondern auch auf dem Bereich, der ins Innere des Glasrohrs gerichtet ist, ausgebildet. Auf der Oberfläche des Kupferdünnfilms wird ein Cu₂O-Film mit geringer Austrittsarbeit gebildet, um die Be netzbarkeit mit Glas zu verbessern und die Elektronenemission zu beschleunigen. Der Cu₂O-Film kann leicht gebildet werden, indem man den Kupferdünnfilm oxidiert. Ist der Kupferdünnfilm nur auf einer Oberflächenseite des Elektrodenelements vorge sehen, so befindet er sich auf der Oberfläche des Elektroden elements, auf der der Cu₂O-Film notwendig ist, nämlich auf der Oberflächenseite, die mit dem Glasrohr in Kontakt steht, und auf der Oberflächenseite, die ins Innere des Glasrohrs gerichtet ist.

Der Anteil der Dicke des Kupferdünnfilms zur Gesamtdicke aus der Eisen-Nickel-Legierung und dem Kupferdünnfilm beträgt vorzugsweise 30 bis 45%, für den Fall, daß der Kupferdünn film unter Verwendung einer Dünnfilm-Bildungstechnik gemäß den vorstehend unter (1) beschriebenen Verfahren gebildet worden ist, während dieser Anteil vorzugsweise 40 bis 80% beträgt, sofern das Plattenelement mit dem Kupferdünnfilm durch Plattieren gemäß den unter (2) angegebenen Verfahren beschichtet wird. Liegt der Anteil unter der angegebenen Un tergrenze, ergibt sich im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoef fizienten des Glases ein erheblich geringerer Wert, während andererseits beim Überschreiten der vorstehend angegebenen Obergrenze sich ein im Vergleich zu Glas erheblich höherer Wärmeausdehnungskoeffizient ergibt. Beide Fälle sind nicht bevorzugt.

Der Nickelgehalt in der Eisen-Nickel-Legierung beträgt vor zugsweise 35 bis 55%. Insbesondere bei Bildung des Kupfer dünnfilms beim Verfahren gemäß (1) weist die Eisen-Nickel-Le gierung vorzugsweise einen Eisenanteil von 58% und einen Nickelanteil von 42% auf.

Bei einer Verschlußelektrode dieser Bauart, bei der Kupfer, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Le gierung mit einem Gehalt an Eisen und Nickel aufweist, in vorbestimmter Dicke sich zwischen der Legierung und dem Glas befindet, kommt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung mit einem Gehalt an Eisen und Nickel in die Nähe des Wärme ausdehnungskoeffizienten von Glas, wodurch das Auftreten von Rissen aufgrund einer Wärmekontraktion des Glasrohrs beim Ab dichten vermieden wird.

Auf der Oberfläche der Verschlußelektrode befinden sich zwei Schichten, nämlich der Kupferdünnfilm und der Cu₂O-Film. So mit wird beim Abdichten eine zufriedenstellende Benetzbarkeit mit Glas erreicht, wodurch das Abdichten auch bei einer rela tiv geringen Temperatur und ihn einer Inertgasatmosphäre, wie es bei Dumet-Draht der Fall ist, erfolgen kann, wobei es kaum zu Beeinträchtigungen des leitfähigen Überzugs und der Mikro spalten aufgrund von thermischen Spannungen kommt. Ferner wird aufgrund der geringen Austrittsarbeit von Cu₂O die Bo genentladung leicht vom leitfähigen Überzug des Überspan nungsschutzelements auf den Zwischenraum zwischen die Ver schlußelektroden übertragen, und zwar durch dessen die Elek tronenemission beschleunigende Wirkung. Somit wird eine ther mische Schädigung des leitfähigen Überzugs aufgrund von Ent ladung vermieden.

Wird ferner der Kupferdünnfilm auch auf der äußeren Oberflä che des Elektrodenelements zur Verbindung des Bleidrahts mit der äußeren Oberfläche der Verschlußelektrode gebildet, so läßt sich ein auf dem Kupferdünnfilm beim Abdichten entste hender Oxidfilm (Cu₂O-Film) leicht entfernen, indem man die äußere Oberfläche der Verschlußelektrode nach dem Abdichten mit Salzsäure wäscht, wonach der Bleidraht leicht angelötet werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt der wesentlichen Bestandteile eines Überspannungsschutzes, bei dem ein Kupferdünn film auf beiden Oberflächen eines Elektrodenelements durch Kupferbeschichtung ausgebildet ist;

Fig. 2 eine perspektivische Außenansicht der Ausführungs form von Fig. 1:

Fig. 3 ein Diagramm, das die Veränderung des Wärmeausdeh nungskoeffizienten einer Verschlußelektrode zeigt, wenn das Verhältnis der Dicke des Kupferdünnfilms zur Summe der Dicke des Elektrodenelements und der Dicke des Kupferdünnfilms verändert wird;

Fig. 4 einen Querschnitt mit den wesentlichen Bestandteilen eines Überspannungsschutzes, bei dem ein Kupferdünn film auf beiden Oberflächen eines Elektrodenelements durch Plattieren ausgebildet ist;

Fig. 5 eine perspektivische Außenansicht der Ausführungsform von Fig. 4;

Fig. 6 einen Querschnitt mit den wesentlichen Bestandteilen eines Überspannungsschutzes, bei dem ein Kupferdünn film nur auf einer Seite eines Elek trodenelements durch Kupferbeschichtung ausgebildet ist.

Fig. 7 eine perspektivische Außenansicht der Ausführungs form von Fig. 6;

Fig. 8 ein Diagramm, das die Veränderung des Wärmeausdeh nungskoeffizienten einer Verschlußelektrode zeigt, wenn das Verhältnis der Dicke des Kupferdünnfilms zur Summe der Dicke des Elektrodenelements und der Dicke des Kupferdünnfilms verändert wird;

Fig. 9 einen Querschnitt mit den wesentlichen Bestandteilen eines Überspannungsschutzes, bei dem ein Kupferdünn film nur auf einer Seite eines Elek trodenelements durch Plattierung gebildet ist; und

Fig. 10 eine perspektivische Außenansicht der Ausführungs form von Fig. 9.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung sowie Vergleichsbeispiele näher beschrieben.

Beispiel 1

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, sind beide Enden eines Glas rohrs 10 von säulenförmiger Gestalt mit Verschlußelektroden 11 und 12 verschlossen. Fig. 1 zeigt in ausführlicher Dar stellung die Verschlußelektrode 11 am oberen Ende. In diesem Beispiel besteht das Glasrohr 10 aus Bleiglas, d. h. einem Weichglas. Die Verschlußelektrode 11 ist aufgebaut aus einem Elektrodenelement 11a aus einer Legierung von 58% Eisen und 42% Nickel, einem Kupferdünnfilm 11b mit einer vorbestimmten Dicke, der als Beschichtung auf dem Elektrodenelement 11a vorgesehen ist und einem Cu₂O-Film 11c, der auf einer Ober fläche des Kupferdünnfilms 11b ausgebildet ist. Das Elektro denelement 11a ist hutförmig ausgebildet, so daß es in das Glasrohr 10 eingesetzt werden kann. Das gesamte Elektroden element 11a wird mit Kupfer unter Bildung eines Kupferdünn films 11b von vorbestimmter Dicke auf der Oberfläche des Ele ments beschichtet. Anschließend wird das Elektrodenelement 11a mit dem Kupferdünnfilm 11b in eine Sauerstoffatmosphäre von hoher Temperatur gebracht und hierauf plötzlich abge kühlt, wodurch auf der Oberfläche des Kupferdünnfilms 11b der Cu₂O-Film 11c entsteht.

In das Glasrohr 10 wird ein Überspannungsschutzelement 13 vom Mikrospalttyp eingesetzt. Dieses Überspannungsschutzelement 13 wird so hergestellt, daß mittels eines Lasers auf der Um fangsfläche eines Keramikelements 13b von säulenförmiger Ge stalt, das mit einem leitfähigen Überzug 13a versehen ist, ein Mikrospalt 13c von einigen 10 µm Breite gebildet wird. Anschließend wird eine Kappenelektrode 13d in beide Enden des Keramikelements gedrückt.

Gemäß dem nachstehend aufgeführten Verfahren wird ein Über spannungsschutz 20 hergestellt. Zunächst wird das Überspan nungsschutzelement 13 in das Glasrohr 10 eingesetzt. An schließend wird die Verschlußelektrode 11 an einem Ende des Glasrohrs 10 befestigt. Ein Ausnehmungsbereich 11d der Ver schlußelektrode 11 paßt auf die Kappenelektrode 13b des Über spannungsschutzelements 13. Anschließend wird eine Verschluß elektrode 12 der gleichen Bauweise wie die Verschlußelektrode 11 auf die gleiche Weise am anderen Ende des Glasrohrs 10 be festigt. Auf diese Weise werden ein Paar von Kappenelektroden 13d des Überspannungsschutzelements 13 elektrisch mit den Verschlußelektroden 11 und 12 verbunden. Anschließend wird diese Anordnung in eine Abdichtkammer (nicht abgebildet), die mit einer Kohlenstoff-Heizvorrichtung versehen ist, ge bracht. Die Luft innerhalb des Glasrohrs wird durch Anlegen eines negativen Drucks an die Abdichtkammer extrahiert. An schließend wird dafür ein Inertgas, z. B. Argongas, in die Ab dichtkammer geleitet, um dieses Argongas in das Glasrohr ein zuführen. Zu diesem Zeitpunkt werden das Glasrohr 10 und die Verschlußelektroden 11 und 12 mit der Kohlenstoff-Heiz vorrichtung erwärmt. Ein Kantenbereich am Rand des Elektro denelements 11a mit dem Kupferdünnfilm wird mit dem Glasrohr 10 über den Cu₂O-Film verbunden. Das Glasrohr 10 wird somit mit der Verschlußelektrode 11 verschlossen. Damit ist die Herstellung des Überspannungsschutzes 20 mit darin enthal tenem Argongas 14 beendet. Die Anwesenheit des Cu₂O-Films er möglicht eine Abdichtung der Verschlußelektroden 11 und 12 bei einer niedrigen Temperatur von etwa 700°C.

Leitungen 15 und 16 werden jeweils an den äußeren Oberflächen der Verschlußelektroden 11 und 12, die beide Enden des Glas rohrs 10 verschließen, angelötet. Um die Lötbarkeit der äuße ren Oberfläche der Verschlußelektrode zu erhöhen, wird ein Waschvorgang mit Salzsäure durchgeführt, um den Kupferoxid film (Cu₂O-Film) auf dem Kupferdünnfilm, der zum Zeitpunkt des Abdichtens auf der Außenfläche der Verschlußelektrode ge bildet worden ist, zu entfernen. Dieser Oxidfilm läßt sich leicht entfernen, und die Bleidrähte 15 und 16 lassen sich leicht anlöten.

Um zu prüfen, in welchem Ausmaß durch den Kupferdünnfilm 11b eine Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elektro denelements 11a und des Glasrohrs 10 erfolgt ist, wird das Auftreten von Rissen im Glasrohr 10 nach dem Abdichtvorgang untersucht, wobei man die Dicke (A) des Elektrodenelements 11a (Eisen-Nickel-Legierung) und die Dicken (B) und (C) der Kupferdünnfilme 11b variiert. Konkret werden die Dicken (B) und (C) der Kupferdünnfilme und die Dicke (A) der Eisen-Nic kel-Legierung so variiert, daß sich für das Verhältnis (P) der Dicken (B+C) der Kupferdünnfilme zur Dicke (A+B+C) der gesamten Verschlußelektrode ein Wert von 20, 30, 45, 50 bzw. 60% ergibt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle I und Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 geben die senkrechte Achse den Wärmeausdehnungskoeffizien ten und die horizontale Achse das Verhältnis (P) wieder. Das Symbol E auf der senkrechten Achse gibt den Wärmeausdehnungs koeffizienten einer Legierung aus 58% Eisen und 42% Nickel wieder, das Symbol F bedeutet den Wärmeausdehnungskoeffizien ten von Kupfer und das Symbol G den Wärmeausdehnungskoeffizi enten von Bleiglas. Es wird festgestellt, daß ein Anteil der Dicke des Kupferdünnfilms 11b von 30 bis 45%, bezogen auf die Dicke der gesamten Verschlußelektrode, geeignet ist.

Tabelle I

Vergleichsbeispiel 1

Eine Legierung aus 42% Nickel, 6% Chrom und 52% Eisen wird für ein Elektrodenelement verwendet, wobei zur Herstellung einer Verschlußelektrode darauf ein Cr₂O₃-Film ausgebildet wird. Diese Verschlußelektrode und das gleiche Glasrohr und Überspannungsschutzelement wie in Beispiel 1 werden verwendet und zur Herstellung eines Argongas enthaltenden Überspan nungsschutzes eingesetzt. Die Temperatur beim Abdichten be trägt dabei 900°C oder mehr.

Für den Überspannungsschutz von Vergleichsbeispiel 1 und den vorstehend beschriebenen Überspannungsschutz von Beispiel 1 mit einem Verhältnis (P) von 45% werden jeweils die Strom stoßbeständigkeit und die Lebensdauer bestimmt. Die Ergeb nisse sind in Tabelle II aufgeführt. Die Stromstoßbeständig keit wird unter Anlegen eines Stoßstroms von (8×20) µsec ge mäß JEC-212 (Institute of Electrical Engineers of Japan: Standard of the Japanese Electrotechnical Committee) gemes sen. Bezüglich der Lebensdauer wird durch wiederholtes Anle gen einer Stoßspannung von 10 kV von (1,2×50) µsec gemäß JEC- Pub 60-2 die Anzahl der Vorgänge bestimmt, bis es zu einer beginnenden Beeinträchtigung des Schutzverhaltens gegen Über spannungen kommt. Aus Tabelle II läßt sich feststellen, daß der Überspannungsschutz von Beispiel 1 im Vergleich zum Über spannungsschutz von Vergleichsbeispiel 1 eine um 200°C oder mehr geringere Abdichttemperatur, eine höhere Stromstoßbe ständigkeit und eine längere Lebensdauer aufweist.

Tabelle II

Beispiel 2

Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, entspricht das Elektrodenelement 11a der Verschlußelektroden 11 und 12 dieses Beispiels den entsprechenden Bestandteilen von Beispiel 1, wobei ein Kup ferdünnfilm 21b auf beiden Oberflächen des Elektrodenelements 11a durch Plattieren gebildet wird. Dabei wird der Kupfer dünnfilm mechanisch auf beide Oberflächen des Plattenelements aus einer Eisen-Nickel-Legierung gepreßt. Anschließend wird aus dem Plattenelement eine kreisformige Scheibe von vorbe stimmtem Durchmesser ausgestanzt, wonach die Scheibe durch Ziehen in eine Hutform verformt wird. Sodann wird der hutför mige Formkörper in eine Sauerstoffatmosphäre von hoher Tempe ratur gebracht und anschließend plötzlich abgekühlt, wodurch auf der Oberfläche des Kupferdünnfilms 21b ein Cu₂O-Film 21c gebildet wird.

Ein Überspannungsschutzelement vom Mikrospalttyp 13 ist in ein Glasrohr 10 eingesetzt. Das Überspannungsschutzelement 13 besteht aus einem Mikrospalt 13c, der auf der Umfangsfläche eines säulenförmigen Keramikelements 13b ausgebildet ist. Dieses Element weist einen Durchmesser von 1,7 mm und eine Länge von 5,5 mm auf und ist wie in Beispiel 1 mit einem leitfähigen Überzug 13a versehen. Anschließend wird eine Kap penelektrode 13d mit einer Dicke von 0,2 mm in beide Enden des Keramikelements eingedrückt.

Somit entsteht auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein Überspannungsschutz 20. Leitungen 15 und 16 werden wie in Beispiel 1 an die beiden Außenflächen der Verschlußelektroden 11 und 12 angelötet.

Um zu prüfen, in welchem Ausmaß durch den Kupferdünnfilm 21b eine Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elektro denelements 11a und des Glasrohrs 10 erfolgt ist, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient von 0 bis 400°C für das Plattie rungselement gemessen, wobei man das Verhältnis der Dicke (A) des Elektrodenelements 11a (Eisen-Nickel-Legierung) und der Dicke (B, C) der Kupferdünnfilme 21b variiert. Konkret werden die Dicken (B, C) der Kupferdünnfilme und die Dicke (A) der Eisen-Nickel-Legierung so variiert, daß sich für das Verhält nis (P) der Dicken (B+C) des Kupferdünnfilms zur Dicke (A+B+C) der gesamten Verschlußelektrode ein Wert von 0, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 bzw. 100% ergibt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt. Aus den Ergebnissen von Tabelle III läßt sich feststellen, daß für die Dicke des Kupferdünnfilms 21b ein Wert von 40 bis 80% der Dicke des gesamten Plattierungselements, das für die Ver schlußelektrode verwendet wird, geeignet ist. Da ferner diese Verschlußelektrode durch Anpassen und Auswalzen des Kupfer dünnfilms auf beiden Oberflächen des Plattierungselements ge bildet ist, ist eine Unterscheidung zwischen oberer und un terer Oberfläche nicht erforderlich, was bei der Herstellung eine höhere Wirtschaftlichkeit mit sich bringt.

Anteil der Dicke des Kupferdünnfilms (%) P = [(B+C) / (A+B+C)]×100
Wärmeausdehnungskoeffizient (×10^-7/°C)
0
59,5
30	74,8
40	78,0
50	88,0
60	94,5
70	106,4
80	122,4
90	145,2
100	180,2
Glas	95,8

Vergleichsbeispiel 2

Eine Legierung aus 42% Nickel, 6% Chrom und 52% Eisen wird für ein Elektrodenelement verwendet. Darauf wird zur Herstel lung einer Verschlußelektrode ein Cr₂O₃-Film gebildet. Diese Verschlußelektrode und das gleiche Glasrohr und das Überspan nungsschutzelement wie in Beispiel 2 werden zur Herstellung eines Überspannungsschutzes mit einem Gehalt an Argongas ver wendet. Die Temperatur zum Zeitpunkt des Abdichtens beträgt 810°C.

Die Stromstoßbeständigkeit für den Überspannungsschutz von Vergleichsbeispiel 2 sowie für den vorstehend beschriebenen Überspannungsschutz von Beispiel 2 mit einem Verhältnis (P) von 60% wird gemessen. Ferner werden jeweils 100 Verschluß elektroden von Vergleichsbeispiel 2 und von Beispiel 2 in gleiche Glasrohre eingesetzt und abgedichtet. Die Abdichtbar keit wird untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zu sammengestellt. Die Stromstoßbeständigkeit wird mit einem Stoßstrom von (8×20) µsec gemäß JEC-212 (Institute of Elec trical Engineers of Japan: Standard of the Japanese Electro technical Committee) gemessen. Aus Tabelle IV ergibt sich, daß der Überspannungsschutz von Beispiel 2 im Vergleich zum Überspannungsschutz von Vergleichsbeispiel 2 eine um 100°C oder mehr geringere Abdichttemperatur und eine höhere Strom stoßbeständigkeit aufweist. Die Abdichtbarkeit ist in Bei spiel 2 wesentlich höher als in Vergleichsbeispiel 2.

Tabelle IV

Wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, wird auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein Elektrodenelement 11a für Verschlußelektro den 11 und 12 hergestellt. Auf einer Oberfläche des Elektro denelements 11a wird durch Kupferbeschichtung ein Kupferdünn film 11b ausgebildet. Dabei wird das Elektrodenelement 11a zu einer Hutform, die in das Glasrohr 10 paßt, verformt. An schließend wird der Kupferdünnfilm 11b in einer vorbestimmten Dicke auf der Fläche im Kontaktbereich mit dem Glasrohr 10 und auf den ins Innere des Glasrohr 10 gerichteten Flächenbe reich aufgebracht. Sodann wird das Elektrodenelement 11a mit dem darauf aufgebrachten Kupferdünnfilm 11b in eine Sauer stoffatmosphäre von hoher Temperatur gebracht und sodann plötzlich abgekühlt, um auf der Oberfläche des Kupferdünn films 11b einen Cu₂O-Film 11c auszubilden.

Ein Überspannungsschutzelement 13 vom Mikrospalttyp der glei chen Art wie in Beispiel 1 wird in das Glasrohr 10 auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 eingesetzt.

Ein Überspannungsschutz 20 wird auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Um zu prüfen, in welchem Ausmaß durch den Kupferdünnfilm 11b eine Anpassung des Wärmeausdehnungsko effizienten des Elektrodenelements 11a und des Glasrohrs 10 erfolgt ist, wird das Auftreten von Rissen im Glasrohr 10 nach dem Abdichtungsvorgang visuell untersucht, wobei man die Dicke (A) des Elektrodenelements 11a (Eisen-Nickel-Legierung) und die Dicke (B) des Kupferdünnfilms 11b variiert. Konkret werden die Dicke (B) des Kupferdünnfilms und die Dicke (A) der Eisen-Nickel-Legierung so variiert, daß sich für das Ver hältnis (P) der Dicke (B) des Kupferdünnfilms zur Dicke (A+B) der gesamten Verschlußelektrode ein Wert von 20, 30, 45, 50 bzw. 60% ergibt.

Die Ergebnisse sind in den Tabellen V und Fig. 8 zusammenge stellt. In Fig. 8 gibt die senkrechte Achse den Wärmeausdeh nungskoeffizienten an. Auf der waagrechten Achse ist das Ver hältnis (P) aufgetragen. Das Symbol E auf der senkrechten Achse gibt den Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Legierung aus 58% Eisen und 42% Nickel an. F gibt den Wärmeausdeh nungskoeffizienten für Kupfer und G den Wärmeausdehnungskoef fizienten für Bleiglas wieder. Es wird festgestellt, daß ein Anteil der Dicke des Kupferdünnfilms 11b von 30 bis 45%, be zogen auf die Dicke der gesamten Verschlußelektrode, geeignet ist.

Tabelle V

Vergleichsbeispiel 3

Eine Legierung aus 42% Nickel, 6% Chrom und 52% Eisen wird zur Herstellung eines Elektrodenelements verwendet. Darauf wird zur Herstellung einer Verschlußelektrode ein Cr₂O₃-Film ausgebildet. Diese Verschlußelektrode sowie das gleiche Glas rohr und das gleiche Überspannungsschutzelement wie in Bei spiel 3 werden zur Herstellung eines Überspannungsschutzes mit einem Gehalt an Argongas verwendet. Die Temperatur für das Abdichten beträgt 900°C oder mehr.

Die Stromstoßbeständigkeit und die Lebensdauer werden für den Überspannungsschutz von Vergleichsbeispiel 3 und den vorste hend beschriebenen Überspannungsschutz von Beispiel 3 mit einem Verhältnis (P) von 45% gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle VI zusammengestellt. Die Stromstoßbeständigkeit wird unter Verwendung eines Stoßstroms von (8×20) µsec gemäß JEC-212 (Institute of Electrical Engineers of Japan: Standard of the Japanese Electrotechnical Committee) gemessen. Für die Lebensdauer wird wiederholt eine Stoßspannung von 10 kV von (1,2×50) µsec gemäß JEC-Pub. 60-2 angelegt, und die Anzahl der Vorgänge bis eine beginnende Beeinträchtigung eintritt, wird gemessen. Aus Tabelle VI geht hervor, daß der Überspan nungsschutz von Beispiel 3 im Vergleich zum Überspannungs schutz von Vergleichsbeispiel 3 eine um 200°C oder mehr ge ringere Abdichttemperatur, eine größere Stromstoßbeständig keit und eine längere Lebensdauer aufweist.

Tabelle VI

Beispiel 4

Wie in Fig. 9 und 10 gezeigt, wird wie in Beispiel 1 ein Elektrodenelement 11a der Verschlußelektroden 11 und 12 ge bildet. Der darauf ausgebildete Kupferdünnfilm 21b wird wie in Beispiel 2 durch Plattieren aufgebracht, jedoch im Unter schied zu Beispiel 2 nur auf einer Oberfläche des Elektroden elements 11a. Ein Überspannungsschutz wird auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Um zu prüfen, in welchem Ausmaß durch den Kupferdünnfilm 21b eine Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elektro denelements 11a und des Glasrohrs 10 erfolgt ist, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des aus der Eisen-Nickel-Legie rung und dem Kupferdünnfilm gebildeten Plattierungselements von 0 bis 400°C gemessen, wobei das Verhältnis der Dicke (A) des Elektrodenelements 11a (Eisen-Nickel-Legierung) zur Dicke (B) des Kupferfilms 11b variiert wird. Konkret werden die Dicke (B) des Kupferdünnfilms und die Dicke (A) der Eisen- Nickel-Legierung so variiert, daß das Verhältnis (P) der Dicke (B) des Kupferdünnfilms zur Dicke (A+B) der gesamten Verschlußelektrode einen Wert von 0, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 bzw. 100% ergibt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle VII zusammengestellt. Aus Ta belle VII geht hervor, daß ein Anteil der Dicke des Kupfer dünnfilms 21b von 40 bis 80%, bezogen auf die Gesamtdicke des für die Verschlußelektrode verwendeten Plattierungsele ments geeignet ist.

Anteil der Dicke des Kupferdünnfilms (%) P = [B/(A+B)]×100
Wärmeausdehnungskoeffizient (×10^-7/°C)
0
59,5
30	74,8
40	78,0
50	88,0
60	94,5
70	106,4
80	122,4
90	145,2
100	180,2
Glas	95,8

Vergleichsbeispiel 4

Eine Legierung aus 42% Nickel, 6% Chrom und 52% Eisen wird für ein Elektrodenelement verwendet, auf dem zur Herstellung einer Verschlußelektrode ein Cr₂O₃-Film ausgebildet wird. Die Verschlußelektrode sowie das gleiche Glasrohr und das gleiche Überspannungsschutzelement wie in Beispiel 4 werden zur Her stellung eines Überspannungsschutzes mit einem Gehalt an Ar gongas verwendet. Die Temperatur beim Abdichten beträgt 810°C.

Für den Überspannungsschutz von Vergleichsbeispiel 4 und den vorstehend beschriebenen Überspannungsschutz von Beispiel 4 mit einem Verhältnis (P) von 60% werden die Spannung bei be ginnender Entladung, die Impulsansprechspannung und die Stromstoßbeständigkeit gemessen. Ferner werden jeweils 100 Verschlußelektroden von Vergleichsbeispiel 4 und von Beispiel 4 in Glasrohre eingesetzt. Die Abdichtbarkeit wird unter sucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII zusammengestellt. Die Stromstoßbeständigkeit wird unter Verwendung eines Stoß stroms von (8×20) µsec gemäß JEC-212 (Institute of Electrical Engineers of Japan: Standard of the Japanese Electrotechnical Committee) gemessen. Aus Tabelle VIII ergibt sich, daß der Überspannungsschutz von Beispiel 4 im Vergleich zum Überspan nungsschutz von Vergleichsbeispiel 4 eine um 100°C oder mehr geringere Abdichttemperatur und eine höhere Stromstoßbestän digkeit aufweist. Die Abdichtbarkeit ist in Beispiel 4 erheb lich besser als in Vergleichsbeispiel 4.

Tabelle VIII

Bei einem Vergleich der erfindungsgemäßen Überspannungs schutzvorrichtungen der Beispiele 1 bis 4 mit den Vorrichtun gen der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 ergeben sich folgende Be funde:

(1) Das Auftreten von Rissen am Glasrohr zum Zeitpunkt der Abdichtung wird verhindert, indem man das Verhältnis der Dicken der Kupferdünnfilme so variiert, daß der Wärmeaus dehnungskoeffizient der durch Kombination des Elektroden elements und des Kupferdünnfilms gebildeten Verschluß elektrode in etwa dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glases entspricht.
(2) Herkömmlicherweise erfordert eine Eisen-Nickel-Legierung mit einem zu dicken Oxidfilm die Verwendung einer Gas flamme, so daß eine Abdichtung in einer Inertgasatmo sphäre nicht möglich ist. Erfindungsgemäß wird die Ab dichtung durch eine Kohlenstoff-Heizvorrichtung innerhalb einer Inertgasatmosphäre erreicht, da ein Cu₂O-Film auf dem Kupferdünnfilm auch im Fall der Eisen-Nickel-Legie rung vorhanden ist.
(3) Der erfindungsgemäße Überspannungsschutz weist eine er heblich verbesserte gegenseitige Benetzbarkeit zwischen Verschlußelektrode und Glas auf, was auf die Anwesenheit des Cu₂O-Films auf dem Kupferdünnfilm zurückzuführen ist. Somit kann die Verschlußelektrode im Vergleich zur Verschlußelektrode eines herkömmlichen Überspannungsschutzes bei einer um 100 bis 200°C niedri geren Temperatur abgedichtet werden. Dabei ergibt sich beim erfindungsgemäßen Überspannungsschutz eine sehr ge ringe Variation aufgrund der Erweichung von Glas, wobei es zu einem weiteren Abbau von thermischen Spannungen des leitfähigen Überzugs des Überspannungsschutzelementes vom Mikrospalttyp innerhalb des Glasrohrs kommt. Ferner ist eine Abdichtung für Überspannungsschutzvorrichtungen vom Entladungsrohrtyp mit großen Durchmessern möglich.
(4) Der Cu₂O-Film auf der Innenfläche der Verschlußelektrode weist eine Beschleunigungswirkung auf die Elektronenemission auf. Somit bewegt sich ein beim Anlegen einer Stoßspannung in der Nähe des Mikrospalts gebildeter Lichtbogen leicht vom Mikrospalt und dem leit fähigen Überzug weg zu den Verschlußelektroden.
Aus den unter (3) und (4) angegebenen Gründen werden eine thermische Schädigung des leitfähigen Überzugs verhin dert, die Stromstoßbeständigkeit des Überspannungs schutzes erhöht und die Lebensdauer verlängert.
(5) Wenn der Kupferdünnfilm auf beiden Oberflächen des Elek trodenelements ausgebildet ist, wie es in den Beispielen 1 und 2 der Fall ist, und der Bleidraht mit den Au ßenflächen der Verschlußelektroden nach dem Abdichten, verbunden wird, so läßt sich der beim Abdichten auf dem Kupferdünnfilm gebildete Oxidfilm (Cu₂O-Film) leicht durch Waschen der Außenfläche der Verschlußelektrode un ter Verwendung von Salzsäure waschen. Anschließend kann der Bleidraht leicht angelötet werden.

Die Verschlußelektrode wird zum Einschließen von Inertgas in einem Glasrohr verwendet. Insbesondere können beide Enden des Glasrohrs, in das ein Überspannungsschutzele ment vom Mikrospalttyp eingesetzt ist, mit den Verschlußelek troden abgedichtet werden.

Claims

1. Überspannungsschutz mit einem Glasrohr (10), in dem Inertgas (14) eingeschlossen ist, einem in das Glasrohr (10) eingesetzten Über spannungsschutzelement (13), das ein Paar von Kappenelektroden (13d) an beiden Enden eines säulenförmigen Keramikelements (13b) aufweist, wobei das Keramikelement mit einem leitfähigen Überzug (13a) versehen ist und auf seiner Außenfläche einen Mikrospalt (13c) aufweist, wobei Verschlußelektroden (11, 12) das Überspan nungsschutzelement (13) so fixieren, daß beide Enden des Glasrohres (10) abgedichtet sind und elektrisch mit den Kappenelektroden (13d) verbunden sind und jede Verschlußelektrode aus einem Elektroden element aus einer Legierung aus Eisen und Nickel besteht, und daß ein Kupferdünnfilm (11b) mit einer vorbestimmten Dicke als Über zug auf beiden Oberflächen des Elektrodenelements (11a) vorgesehen ist, und daß ein Cu₂O-Film (11c) auf der Oberfläche des Kupfer dünnfilms (11b), die ins Innere des Glasrohres (10) gerichtet ist, ausgebildet ist.

2. Überspannungsschutz mit einem Glasrohr (10), in dem Inertgas (14) eingeschlossen ist, einem in das Glasrohr (10) eingesetzten Über spannungsschutzelement (13), das ein Paar von Kappenelektroden (13d) an beiden Enden eines säulenförmigen Keramikelements (13b) aufweist, wobei das Keramikelement mit einem leitfähigen Überzug (13a) versehen ist und auf seiner Außenfläche einen Mikrospalt (13c) aufweist, wobei Verschlußelektroden (11, 12) das Überspan nungsschutzelement (13) so fixieren, daß beide Enden des Glasrohrs (10) abgedichtet sind und elektrisch mit den Kappenelektroden (13d) verbunden sind, und jede Verschlußelektrode aus einem Elektroden element aus einer Legierung aus Eisen und Nickel besteht, und daß ein Kupferdünnfilm (21b) mit einer vorbestimmter Dicke als Über zug auf beiden Oberflächen des Elektrodenelements (11a) vorgesehen ist, und daß ein Cu₂O-Film (21c) auf beiden Oberflächen des Kup ferdünnfilms (21b) ausgebildet ist.

3. Überspannungsschutz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferdünnfilm (11b, 21b) an die jeweils zu überziehenden Oberflächen des Elektrodenelements (11a) angepaßt und darauf ausgewalzt ist.

4. Überspannungsschutz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasrohr (10) aus Hart- oder Weichglas besteht, das Elektrodenelement (11a) aus einer Legierung aus 58% Eisen und 42% Nickel besteht, der Kupferdünnfilm (11b) durch Kupferbeschichtung gebildet ist, und das Verhältnis der Dicke des Kupferdünnfilms zur gesamten Decke des Elektrodenelements (11a) und des Kupferdünnfilms (11b) 30 bis 45% beträgt.

5. Überspannungsschutz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Cu₂O-Film (11c) durch Oxidation des Kup ferdünnfilms (11b) gebildet ist.

6. Überspannungsschutz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis der Dicke des Kupferdünnfilms zur Summe der Dicke des Elektrodenelements (11a) und der Dicke des Kupfer dünnfilms (21b) 40 bis 80% beträgt.

7. Überspannungsschutz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt in der Eisen-Nickel-Legierung 35 bis 55 Gew.-% beträgt.