具有用于接触和触发的多接触式元件的堆叠布置的多重火花隙的制作方法

1.本实用新型涉及一种多重火花隙,多重火花隙具有多个串联的单火花隙。在此，这些单火花隙分别由两个电极构成，这两个电极通过至少一个绝缘材料元件彼此分开。此外，设置有用于将点火电压馈入到多重火花隙中的触发装置。


背景技术：

2.在电气装置或设备过压保护的领域内使用过压保护元件，所述过压保护元件在特定的过压下动作，该特定的过压否则会在过压事件时导致电路中的故障和/或损坏。作为这种过压保护元件比如可以使用基于火花隙的过压放电器。火花隙尤其是对于导出具有非常高的振幅的所谓的瞬态过压已经证明是有效的。一旦火花隙被点火，则通过火花隙的电弧间隙建立导电连接，然后通过该导电连接导出高压脉冲。
3.在此，尤其使用火花隙，其最小化电网后续电流或者甚至无电网后续电流地运行。该电网后续电流是在过压事件的排放之后从供电网流经火花隙的电流的一部分。这种电网后续电流可能持续直至几毫秒并且具有短路电流的强度。因此，电网后续电流对整个电气设备造成了应当防止的负担。
4.为了无电网后续电流地运行火花隙，尤其是多重火花隙已经证实为有利的，在多重火花隙中，多个单火花隙串联。该多重火花隙也被称为多弧火花隙(multiarc
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funkenstrecke,mafs)，它们基于电弧复制的原理。为了形成多重火花隙，在某些实施方式中，将多个盘形电极组合在一起以形成堆叠，其中这些电极盘例如由碳或石墨制成。在各个电极之间分别布置有由绝缘材料制成的薄膜或盘。因此，在电极之间产生多个单火花隙，其可通过相应构造的电压控制装置来点燃。
5.例如专利文献de 1 256 306公开了一种由具有按次序的盘形电极和绝缘环的堆叠布置构成的此种火花隙，所述绝缘环分别相对于由石墨制成的电极具有径向的超出部并且如用于电极的框架那样构造。
6.多弧火花隙技术具有的优点在于非常恒定的，与电流无关的电弧电压，该电弧电压可以通过电极盘的数量非常好地与运行电压比相匹配。因此，在合适的尺寸的情况下几乎可以完全排除电网后续电流。因此尤其是针对在直流电网中的使用显示出明显的优势。
7.如果选择了典型的，由石墨制成的电极，则得到另外的优点。石墨在加热时升华的特性实现在电极之间形成非常小的间隙间距。由此产生的非常短的电弧与这种石墨堆叠火花隙的相对大的表面积和相对高的热力质量结合确保在脉冲排放的情况下的稳健表现。
8.然而在实践中显示，在用于抑制电网后续电流的单火花隙数量足够多的情况下，多弧火花隙在足够低的保护电平方面是有问题的。多个串联的单火花隙具有高的基本响应电压，该基本响应电压附加地经受大的发散。
9.因此，为了解决该问题，已知多种电路变型方案，其中借助于控制电路或触发电路降低堆叠布置的多弧火花隙的响应电压。在此，这通常涉及由阻抗的串联电路和/或并联电
路构成的链式电路，借助所述链式电路接触各个火花隙或电极。然后逐步地实现整个火花隙的击穿，其中这在总和上分别在预设的保护电平之下实现。
10.例如de 10 2011 102 941 a1公开了一种火花隙，其具有多个串联的，位于堆叠布置中的单火花隙，其中，火花隙的电极单独地由控制辅助装置或点火辅助装置接触。
11.然而不利的是，多弧火花隙的几乎每个单火花隙(级)都必须配有一个或多个这样的阻抗。由此导致多个电气元件，这些元件必须以合适的方式相互接触并且接至火花隙的电极。为了解决该目的，已知这样的结构，其中，这些不同的元件直接与多弧火花隙的电极接触。在其它实施方式中，元件安装在印刷电路板上，并且电势通过合适的接触弹簧传递到多弧火花隙。


技术实现要素：

12.本实用新型的目的在于，提供一种具有多个串联的单火花隙的多重火花隙，其中用于触发多重火花隙的元件数量尽可能少。
13.该目的通过根据本实用新型的多重火花隙实现。多重火花隙的有利的改进方案由说明书得出。
14.根据本实用新型的多重火花隙具有多个串联的单火花隙，这些单火花隙位于堆叠布置中。多重火花隙基于电弧复制的原理。在此，单火花隙分别由两个电极构成，这两个电极通过至少一个绝缘材料元件相互分开并因此保持间距。优选地，电极是由石墨制成的电极，即石墨盘。因此，电极尤其能够构成为盘状的。作为绝缘材料元件可以使用由已知的绝缘材料如硫化纤维制成的薄盘或薄膜。绝缘材料元件构造成环形，从而在两个电极之间形成单火花隙所需的距离，该单火花隙穿过绝缘材料元件中的开口。然而，这仅是一个可能的实施方式并且本实用新型也可以在构造不同的多重火花隙中使用。
15.该多重火花隙包括用于点燃多重火花隙的触发装置，其方式是，触发装置通过直接接触电极将点火电压馈入到多重火花隙中。根据本实用新型规定，触发装置具有至少一个多接触式电气元件，该电气元件具有至少一个用于输入点火电压的输入接触部和至少两个输出接触部，通过所述输出接触部直接接触至少两个电极。电气元件具有功能部件，所述功能部件在至少一个输入接触部和每个输出接触部之间分别构成阻抗。优选地，这样构造的阻抗在其大小上不同。尤其如此选择阻抗，使得输送给多接触式元件的点火电压可以有针对性地用于通过输出接触部依次触发电极。所产生的mafs的逐步击穿在总和上分别在预设的保护电平之下进行。
16.因此，电气元件是对外一体地起作用的构件，虽然所述构件在其内部构成多个阻抗。然而，为此，在元件中不一定需要存在产生相应阻抗的多个独立构件。这在一些实施例中，情况可以是这样，但是在其他实施例中，多接触式元件的功能部件物理地或电气地这样设置，使得在至少一个输入接触部与多个输出接触部之间的连接处分别产生阻抗。
17.以这种方式可以提供具有多重火花隙的电极的直接接触的触发装置，其中代替多个单个元件仅仅使用多接触式电气元件用于多个电极的接触和触发。通过直接在电气元件上的触点接触电极。因此，可以显著减少单独构件的数量，这导致成本节约。此外，多接触式电气元件在相应成型和布置方面比多个单独元件更容易装配。
18.触发装置构造用于将点火电压通过多接触式元件直接传递到电极上。因此，没有
电路作用到布置在主火花隙内的副火花隙上，该副火花隙通过附加的"第三"点火电极和主电极中的一个形成，而是在根据本实用新型的多重火花隙中将点火电压直接引入到相应的电极中。点火电压例如可以通过在多重火花隙上的过压电势来提供。此外，点火电压也能够通过单独的电压脉冲源提供，该电压脉冲源产生电压脉冲。通过多接触式电气元件能够将点火电压传递到多重火花隙的至少两个，优选多于两个电极上。因此，多重火花隙的许多串联的燃烧室被点燃。燃烧室在单火花隙中分别由两个电极之间的绝缘材料元件形成，由此在两个电极之间产生间隙。各个燃烧室如此密封地实施，使得来自燃烧室的等离子体不能进入到邻接的燃烧室中。
19.多接触式电气元件尤其为压敏电阻，电容器，电阻阵列或半导体阵列。优选使用压敏电阻，其在下文中也称作多接触式压敏电阻。这种多接触式压敏电阻具有压敏陶瓷，其例如由氧化锌与其他金属氧化物的添加物形成(金属氧化物压敏电阻mov)。压敏陶瓷配有至少一个用于引入点火电压的输入接触部并且配有至少两个输出接触部以将点火电势传导到两个电极。在根据本实用新型的一个实施方式中，电气元件具有压敏陶瓷，其在一侧具有至少一个用于引入点火电压的输入接触部，并且在相对的一侧具有至少两个输出接触部。尤其在压敏陶瓷上将输出接触部布置得使其能够简单并且直接地与电极接触。压敏陶瓷构成元件的功能部件，其在输入接触部和两个输出接触部之间形成子压敏电阻形式的至少两个阻抗。这可以通过在压敏陶瓷内有针对性地产生不同的电流通路实现。
20.在此规定，利用多接触式电气元件触发至少两个电极。优选地，接触和触发多重火花隙的两个以上，尤其是所有的电极。在这样的实施方案中，电气元件的输出接触部的数量等于多重火花隙的电极数量，并且所有输出接触部分别接触一个电极。如果n等于多重火花隙中的电极数量，在一个替代实施方案中，接触并触发n
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1个电极。例如，除了多重火花隙的输入侧的第一外部电极之外，所有电极都通过电气元件接触。这足以逐步地从后方击穿多重火花隙。此外可以规定，输出侧的第一外部电极也不被接触。在这种情况下，接触和触发的电极的数量是n
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2，其中，多重火花隙的两个端部上的单火花隙分别具有外部的，未被接触的电极。
21.如果在系统上出现具有任意极化的过电压，即电流可以来自于多重火花隙的两侧，则系统的第一单火花隙之一上的总电压下降。这是因为各个第一单火花隙构成电容，其数值与例如压敏电阻形式的多接触式元件的阻抗(和固有电容)相比非常小。该比率在10至1000 的范围内。在电气方面看涉及由小电容(单火花隙)和小10至1000 倍的阻抗构成的串联电路。由此产生分压器，其中当然高电压通过较高的阻抗(单火花隙的小电容)降低。这种效果在此是期望的并且可预期的。在第一单火花隙点火后，电流以电弧流动经过第一单火花隙并且经过多接触式元件的第一子压敏电阻。经过第一单火花隙的电弧典型地具有大约30v的电压需求。因此，在堆叠的下一个电极上施加降低了30v的电压。再下一个电极通过第二子压敏电阻与输入电势连接。由此再次产生已经描述的分压器，但现在前进一级。由此，电压再次主要在下一单火花隙上下降，使得其可被点燃。该过程持续进行。
22.如果该元件为了触发而在形状和大小方面与待触发的火花隙系统相匹配，则使用多接触式电气元件是特别有利的。这尤其意味着，元件的输出接触部针对mafs的电极设置为，使得能够在尽可能短的路径上进行直接接触。因此，在本实用新型的一个实施方式中规定，电气元件沿着由电极构成的堆叠装置延伸，并且电气元件的输出接触部分别位于电极
的区域中。因此，每个输出接触部尽可能靠近电极，并且可以直接与电极接触。输出接触部之间的间距于是与电极之间的间距相匹配。输出接触部例如成行地布置。如果所有电极都被电气元件接触，则电气元件至少沿着由电极构成的整个堆叠装置延伸。如果一个或多个外部电极不被电气元件接触，则电气元件至少沿着由被接触的电极构成的堆叠装置延伸。
23.此外，当使用压敏电阻作为多接触式元件时，应注意压敏陶瓷是各向同性的材料。这意味着，其导电性在所有取向方向上是相同的。因此，在输出接触部中必须以如下为出发点，即，不仅存在至相对置的输入接触部的电气压敏连接，而且在各个输出接触部之间的横向方向上也存压敏连接。如果将这些横向压敏电阻简化地设想为接触部位之间的短路，则单火花隙的相邻电极短路，其具有相同的电势，并且因此在两个电极之间不会触发电弧。由此显而易见的是，电极之间的横向压敏电阻对点火性能具有恶化的影响并且因此优选应当避免或最小化。因此，输出接触部彼此之间的间距应当相对于压敏电阻的厚度尽可能大。
24.为了实现输出接触部之间的尽可能大的间距，例如有利的是，输出接触部在多接触式压敏电阻的一侧上不布置成一条线。相反，它们例如通过从共同的线中交替地移开而彼此间以最大间距来布置。
25.多接触式电气元件从其构造方式出发可以具有多个接触部位，所述接触部位适合于接触mafs的电极。在此，例如涉及布线的元件，使得导线可以用于接触。元件上的输出接触部于是包括导线。可替换地，附加元件与多接触式电气元件连接，所述附加元件然后与mafs 的电极接触。作为附加的接触元件可以考虑不同的导电元件，利用这些导电元件可以建立可靠的电接触。优选地，在此涉及在多接触式元件和电极之间建立一定的公差补偿的元件和材料。在本实用新型的一个实施方式中例如规定，输出接触部和电极之间的接触通过弹簧触点建立。在此，金属弹簧系统可以与导电弹性体一样用作弹簧触点。
26.如果为了多接触式元件和电极之间的公差补偿而使用金属的，弹性的元件，那么这些元件例如可以通过焊接连接与输出接触部连接，其中该焊接连接例如可以以回流方法来制造。尤其是，这种弹性元件可以通过回流焊接工艺焊接到多接触式压敏电阻的输出接触部上。然而，也可以使用其他合适的焊接方法，此处仅示例性地列举选择性焊接。
27.此外，触发装置有利地在主接头处，也就是说在电气元件的至少一个输入接触部前的电气路径中具有保护装置，以防电气元件的过载和/或失效。这种保护装置尤其是保险装置或热分离部位。也可以考虑用于限制和解除故障状态的任何装置。
28.此外，用于多接触式元件的输入接触部的电气路径可以具有用于绝缘和/或降低电气元件的响应电压的装置。在此，例如涉及其他火花隙，半导体，半导体开关以及引起主动的电压升高的电路。
附图说明
29.本实用新型的其它优点，特点和有利的的改进方案由以下借助附图对优选实施例的描述得出。其中
30.图1a示出了根据本实用新型的具有多接触式电气元件的多重火花隙的第一实施方式的示意图；
31.图1b示出了根据本实用新型的具有多接触式电气元件的多重火花隙的第二实施方式的示意图；
32.图2示出根据图1b的具有触发装置的一个替代实施方式的多重火花隙；
33.图3示出根据图1b的具有触发装置的第二替代实施方式的多重火花隙；
34.图4示出根据图1b的具有触发装置的第三替代实施方式的多重火花隙；
35.图5a示出了多接触式元件的示意图；和
36.图5b示出了根据图5a的多接触式元件的仰视图。
具体实施方式
37.图1a示出了具有触发装置70的第一实施方式的根据本实用新型的多重火花隙(mafs)10的示意图。触发装置70在图1a中示意性地以虚线示出并且包括至少一个多接触式电气元件40并且可以具有另外的功能部件。多重火花隙10基本通过多个盘形电极构造，该盘形电极分别通过薄绝缘材料元件彼此分开。绝缘材料元件具有带有居中的开口的圆盘或薄膜的形状并且固定在两个电极之间，从而分别在两个电极之间的间隙中形成带有燃烧室的单火花隙。绝缘材料元件通过居中的凹口形成用于相应的单火花隙的两个电极之间所需的距离。
38.电极和绝缘材料元件合适地相互连接并且可以设置其它未详细示出的连接装置，保持装置，密封装置，壳体等。总体上，多重火花隙以两个连接侧23和24作为过压放电器集成到电气系统中(未示出)。图1a因此仅仅是多重火花隙的重要功能部件的示意图，以便在其上解释其工作原理和通过触发装置的触发。因此，多重火花隙的特定构造仅应理解为示例性的，并且其可以以任何合适的方式来构造。这尤其也适用于多重火花隙的元件的数量，尺寸，形状和布置。
39.图2至4的多重火花隙的实施方式与图1a的实施方式的区别仅在于相应触发装置的设计方案，从而多重火花隙的主要结构的描述类似地适用于所有附图。
40.在图1a中示例性地给四个电极设有附图标记20，21，22和25，而两个绝缘材料元件示例性地设有附图标记30和31。多重火花隙10 在过压事件时被触发装置70击穿，方式是触发装置70通过直接接触电极将点火电压馈入到多重火花隙10中。
41.多接触式电气元件40具有输入接触部41和多个输出接触部42。在输入接触部41和输出接触部42之间布置有功能部件43，其形成元件40的电气功能。例如功能部件43是压敏陶瓷，因此整个电气元件是多接触式压敏电阻40。然而，诸如电容器，电阻器阵列或半导体阵列的其他电气功能可以替换地被包括在功能部件43中。
42.输出接触部42直接构造在电气元件40上并且经由弹簧触点50 与mafs 10的电极接触。在此，多接触式元件40沿着由电极构成的堆叠装置延伸并且输出接触部42如此布置在元件40上，使得其位于分别要接触的电极的区域中。相应地选择元件40的形状和大小，以便能够实现该直接接触。优选地，通过元件40接触mafs的至少两个，尤其全部电极。但是，如在图1的实施方式中那样，接触除了在连接侧24上的第一电极22之外的所有电极也可以是足够的。所述连接侧 24是mafs的输入侧，在过压情况下电压导入到所述输入侧中。如果 mafs的逐步点火是从后面开始进行的，即从连接侧23出发，可以放弃该输入侧电极22的接触。替代地，也可以不接触外部电极25。图 1b示出了这种实施方式的示意图。
43.在过压情况下，经由电气路径60将点火电压输送给电气元件40 的输入接触部41。点火电势通过弹簧触点50继续传导到电极上并且 mafs逐步地击穿各个单火花隙的燃烧
室。
44.例如对于根据图1b的没有接触左电极25的装置，在系统上出现具有任意的极化过压时，也就是电流可以来自右侧也可以来自左侧时，在系统的第一火花隙上，也就是在左侧的第一间隙上的总电压下降。在第一单火花隙触发之后，电流以电弧流动通过第一单火花隙并且通过多接触式压敏电阻40中的第一子压敏电阻。通过第一单火花隙的电弧典型地具有大约30v的电压需求。因此，在堆叠的下一个第二电极(从左到右观察)上施加降低30v的电压。下一个，第三电极通过第二子压敏电阻与输入电势连接。由此再次产生已经描述的分压器，但更向右一级。因此，电压再次基本上在单火花隙上下降，使得其可以被点燃。这个过程持续向右侧进行。
45.mafs 10具有简化示出的用于保护元件40以防过载和失效的装置。例如，该装置是分离设备61，通过该分离设备可以将元件40从电气路径60分离。在图2中，这种分离过程通过箭头示出。此外，图2示出具有触发装置71的mafs 11的第二实施方式，所述触发装置具有在至元件40的电气路径60中的作为其他保护装置的保险装置 62(例如保险丝)。
46.该保险装置62可以通过用于绝缘或降低响应电压的装置来补充，如例如在根据图3的具有触发装置72的mafs 12的实施方式中所给出的那样。在此，在路径60中例如设置有气体放电器63。图4 示出具有触发装置73的mafs 13的另一实施方式，所述触发装置具有用于产生主动的电压提升的电路。该主动的电压提升的电路包括例如电压脉冲源64。
47.此外，图5a和5b示出在多接触式元件40的底侧上的输出接触部42的布置的示意图。在此，图5b示出了在图5b中仅示意性地示出的多接触式压敏电阻40的仰视图，由其可见，在压敏陶瓷43上的输出接触部42不以直线布置。为了避免或最小化电极之间的横向压敏电阻，输出接触部42相互之间以尽可能大的间距布置。这通过输出接触部42在压敏陶瓷43的底侧上的均匀分布来实现，其中这例如如图5b中那样通过从共同的线中交替地移出来实现。然而，也可以选择使输出接触部42之间的间隔最大化的其他布置。
48.此外，由于压敏电阻的材料的各向同性而有利的是，限定输出接触部42在压敏陶瓷43的底侧上的布置的尺寸条件，使得输出接触部42彼此的间距相对于压敏陶瓷43的厚度大。这在附图的图示中没有给出，因此这些图示也出于该原因仅被视为示意性的。
49.附图标记说明
50.多重火花隙，mafs 10，11，12，13
51.电极 20，21，22，25
52.连接侧 23，24
53.绝缘材料元件 30，31
54.电气元件，多接触式元件 40
55.输入接触部 41
56.输出接触部 42
57.功能部件，压敏陶瓷 43
58.接触部，弹簧触点 50
59.路径 60
60.保护装置，分离装置 61
61.保险装置 62
62.火花隙，气体放电器 63
63.电压脉冲源 64
64.触发装置 70，71，72，73