ES2260955T3 - Tubo de descarga gaseosa. - Google Patents

Abstract

Método para fabricar una lámpara de descarga que comprende al menos dos electrodos y al menos un aislante hueco fijado a al menos uno de los electrodos, y en donde dichos al menos dos electrodos tienen una superficie químicamente inerte, caracterizado por el hecho de que la superficie químicamente inerte es dispuesta sobre los electrodos usando una deposición en fase vapor o una deposición química en fase vapor.

Description

Tubo de descarga gaseosa.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de las lámparas de descarga que incluyen relés de protección contra sobretensiones, lámparas de descarga de alta intensidad, explosores y explosores disparables, usados en varias aplicaciones, como en protectores de sobretensión para redes de comunicaciones, y en particular a un nuevo tipo de estos dispositivos que hace gala de una superior selectividad, mejor rendimiento y es más ecológico, en particular un método para fabricar dichas lámparas de descarga.

Antecedentes de la invención

Al conectar equipo electrónico a líneas de señales largas o de conducción eléctrica, antena, etc., queda expuesto a cortes transitorios de circuito generados por inducción, causados por un rayo o impulsos electromagnéticos (EMP). Un relé de protección contra sobretensiones protege al equipo de daños, absorbiendo la energía en el corte transitorio o conectándolo a tierra. Se requiere que los relés de protección sean autorrecuperables, capaces de manejar cortes transitorios repetitivos y que puedan hacerse a prueba de fallos. Una propiedad importante es la velocidad y selectividad de la ignición, en otras palabras, que el relé de protección debe funcionar sin retraso y al mismo tiempo no ser tan sensible como para ser disparado por una señal de comunicaciones normal. Estas propiedades deberían permanecer inalteradas a lo largo del tiempo, y ello independientemente de los intervalos de ignición. Además, un relé de protección debe ser adecuado para producirse en masa con una calidad alta y uniforme.

Las lámparas de descarga se usan para proteger equipo electrónico, pero también son usadas frecuentemente como dispositivos de conmutación en circuitos de conmutación, por ejemplo en productos para automoción como faros de descarga. Otras áreas de aplicación son las telecomunicaciones, comunicaciones de datos, equipo de audio/vídeo, equipos de alimentación, dispositivos industriales y médicos, y aplicaciones de seguridad y militares.

Los relés de protección anteriores comprendían dos electrodos de grafito macizo, separados por un espacio de aire o una capa de mica. Éstos no son, sin embargo, comparables a los relés de protección de módem con respecto a tamaño, fiabilidad, rendimiento y tecnología de producción.

Un relé de protección de módem convencional es la lámpara de descarga, que puede tener una o más vías de descarga o intervalos de descarga y normalmente comprende dos electrodos terminales, más opcionalmente un electrodo adicional en forma de un electrodo central, más uno o dos aislantes cilíndricos huecos, hechos de un material aislante electrónicamente, como cerámica, un polímero adecuado, cristal o algo parecido. Como norma, el aislante en un relé de protección de dos electrodos es soldado a estos electrodos terminales en dos lados, uniéndolos estrechamente en vacío.

Un método para producir un relé de protección convencional se describe, por ejemplo, en US-A-4.437.845. Según US-A-4.437.845, el proceso de fabricación consiste en sellar a una temperatura adecuada los componentes de la lámpara a presión sustancialmente atmosférica en un gas ligero mezclado con otro gas que, a la vista de la función que de la lámpara se pretende, es deseable y más pesado que el gas primeramente mencionado, y reducir la presión exteriormente de la lámpara por debajo de la presión atmosférica, mientras simultáneamente se baja la temperatura hasta el punto en que el gas pesado solo puede penetrar a un grado insignificante en las paredes de la lámpara mediante difusión y/o efusión, y el gas ligero adjunto puede difundir y/o ser efundido a través de las paredes de forma que, como resultado de la diferencia de presión, saldrá a través de las paredes de la lámpara, causando así una reducción en la presión total del gas en el interior de la lámpara.

Además, en US-A-5.103.135 se describe un revestimiento exterior de los componentes del relé de protección para el que se aplica una capa de estaño a los electrodos, y se aplica un revestimiento protector anular al aislante cerámico de un grosor de al menos 1 mm. Este revestimiento protector está formado de un colorante o barniz resistente al ácido y al calor, que es continuo en la dirección axial del relé de protección. El revestimiento protector puede formar parte de la identificación del relé de protección. Por ejemplo, la identificación puede ser en forma de impresión inversa en el revestimiento protector. Además, se pueden acoplar a los electrodos conductores revestidos de estaño.

US-A-4.672.259 describe un explosor para la protección de equipo eléctrico contra sobretensiones y que tiene alta capacidad de corriente, comprendiendo dicho explosor dos electrodos de carbono cada uno con configuración hemisférica y un alojamiento de porcelana aislante, donde los electrodos de carbono contienen orificios de ventilación hacia el interior del mismo para proporcionar transferencia de arco a un material de electrodo duradero interior. El explosor está destinado a líneas de alto voltaje, donde la longitud de chispa esperada es de unos 2,5 cm (1 pulgada), transfiriendo 140 kV aproximadamente. Este explosor no es del tipo sellado herméticamente y lleno de gas, sino que se comunica libremente con el aire. El arco formado empieza desde los electrodos subyacentes correspondientes y pasa por los orificios de ventilación. Así la formación de la chispa estará, en gran parte, basada en el material subyacente, que no es necesariamente inerte, pero que se debe a la oxidación en el ambiente existente, lo que significa que la tensión de cebado no puede ser determinada y reproducida.

US-A-4.407.849 describe un dispositivo explosor, y en particular un revestimiento sobre los electrodos de dicho explosor para minimizar la formación de filamento. El revestimiento es aplicado sobre un electrodo subyacente, donde el revestimiento puede consistir en carbono en forma de grafito. El limitador de sobretensión es del tipo lleno de gas. La referencia no aborda el tema de tener una superficie inerte o no sobre el electrodo, ni cualesquiera problemas relacionados con el mismo.

Los problemas mencionados anteriormente de sensibilidad y recuperación pueden ser solucionados por el uso de un donante de electrones sobre las superficies del electrodo o en cualquier otro lugar. Este donante de electrones puede comprender elementos radioactivos, como tritio y/o metales alcalinos tóxicos, como el bario. Es obvio que esta solución tiene inconvenientes específicos asociados entre otros con la radioactividad y/o toxicidad de los componentes.

El objeto de la invención

El objeto de la presente invención es proporcionar lámparas de descarga para todas las áreas relevantes de aplicación, mostrando dichas lámparas una selectividad superior, mejor rendimiento (por ejemplo, superior resistencia al calor y un tiempo de vida útil más largo), estando libres de componentes radioactivos o nocivos de cualquier otra forma para el medio ambiente.

Este objeto es conseguido evitando la constitución de ninguna capa, como capas de óxido o hidruro sobre la superficie del electrodo, en particular sobre las superficies opuestas de los electrodos terminales. Se supone que la formación de óxidos sobre la superficie de los electrodos metálicos influye en la tensión inicial de una descarga. Independientemente del alto vacío en la cámara de descarga, siempre queda un residuo de oxígeno y otros elementos. Evitando la formación de capas u oxidación de las superficies del electrodo, la lámpara de descarga funcionará repetidamente a la misma tensión, o al menos dentro de un intervalo más estrecho.

Breve descripción de los dibujos

La invención será descrita en más detalle más abajo, con referencia a los dibujos, en los que

la Fig. 1 muestra una sección transversal de una lámpara de descarga típica con dos electrodos, y

la Fig. 2 muestra una sección transversal de una lámpara de descarga con múltiples electrodos.

Descripción detallada de la invención

Una lámpara de descarga genérica comprende al menos dos electrodos, unidos a un cuerpo aislante hueco. Un tipo frecuentemente encontrado de lámparas de descarga como la ilustrada en la Fig. 1 comprende dos electrodos terminales 1 y 2, incluyendo cada electrodo una parte base a modo de brida y al menos un aislante cilíndrico hueco 3, soldado a la parte base de al menos uno de los electrodos terminales. El revestimiento o elemento de la invención, resistente a la formación de capas, está ilustrado como el área sombreada 4 sobre ambos electrodos. Independientemente del tipo de lámpara de descarga, es importante que al menos el cátodo tenga la capa de la invención o la del material o construcción de la invención, que se describe más abajo. Se prefiere sin embargo que todos los electrodos tengan esta capa o construcción, ya que la polaridad del corte transitorio puede variar.

La lámpara de electrodo múltiple ilustrada en la Fig. 2 comprende también, además de los elementos descritos arriba, un electrodo central 5. El revestimiento o elemento de la invención está también ilustrado aquí como un área sombreada 4, apareciendo sobre todos los electrodos.

Se prefiere que al menos parte de las superficies opuestas de dichos electrodos terminales esté cubierta con una capa o revestimiento de un compuesto o elemento, resistente a la formación de capas, como capas de óxido. Otras capas no deseadas, la formación de las cuales el concepto de la invención tiene por objeto evitar, son por ejemplo hidruros. En general, la expresión "capas no deseadas" comprende cualquier capa formada sobre los electrodos a través de la interacción con los compuestos que les rodean, como gases contenidos en la lámpara de descarga y cuyas capas influyen en el rendimiento de la lámpara.

Este compuesto, que constituye la capa de la invención y es resistente a la formación de capas no deseadas, puede ser una aleación metálica altamente estable, un metal como el titanio, o un elemento prácticamente inerte, como el oro. El compuesto puede ser un compuesto carbonoso, preferiblemente carbono con una adición de un metal, como el cromo o el titanio.

En este contexto, carbono se define como cualquier polimorfo del carbono, por ejemplo diamante, carbono tipo diamante o grafito. El carbono puede también contener otros elementos, como uno o varios metales en cantidades que dependerán de la aplicación, por ejemplo cantidades de hasta alrededor del 15%.

Preferiblemente, las superficies opuestas de dichos electrodos terminales están recubiertas con un revestimiento o capa de grafito, comprendiendo dicha capa una adición de metal, como cromo o titanio. Según una incorporación de la invención, la superficie inerte o revestimiento o capa resistente a la oxidación es aplicada a los electrodos por depositado químico, pulverización o algo parecido.

Preferiblemente, la capa resistente a la oxidación es aplicada por técnicas convencionales de pulverización o deposición de plasma, bien conocidas por los familiarizados con la técnica.

Los procesos aplicables según la invención incluyen la deposición química en fase vapor (CVD) y la deposición en fase de vapor (PVD), donde se deposita un revestimiento sobre un substrato. La pulverización, que es un proceso de deposición física, se sostiene en el presente que es el mejor aplicable. En un proceso de pulverización, el material es pulverizado mediante bombardeo de un cátodo con iones altamente energéticos, normalmente iones de argón. Cuando los iones alcanzan el material objetivo, el cátodo, los átomos se pulverizarán y se depositarán sobre el substrato. Este proceso requiere generalmente alto vacío, o al menos bajo vacío, durante el proceso de pulverización. El substrato puede ser limpiado convenientemente efectuando el proceso a la inversa, instalando el substrato como cátodo y bombardeándolo. Es posible influir en la composición de la capa depositada variando la composición de la fase gas. En una aplicación en la que se desee la deposición de un material carbonoso, puede usarse un hidrocarbono gaseoso como el metano. También puede usarse un cátodo de grafito como fuente de carbono. Usar metano junto con cátodos de cromo, por ejemplo, resultará en un proceso de pulverización reactiva, conducente a la deposición de una capa de grafito con una adición de cromo. La proporción de deposición típica es de alrededor de 1 \mum/h o menos. Los tiempos normales de pulverización están en el intervalo de unas 4 a 8 horas. Según el grosor deseado de la capa, pueden usarse tiempos más largos o más cortos. Variando el material del cátodo y la composición de la fase gas, pueden hacerse distintos revestimientos.

También es posible, en el caso de revestimientos metálicos, usar procedimientos de galvanoplastia o el llamado revestimiento sin electricidad. Estos procedimientos son especialmente adecuados para aplicar revestimientos consistentes en metales preciosos, como el oro o el platino.

Según una incorporación de la invención, las superficies de los electrodos son revestidas solo parcialmente, por ejemplo sobre una pequeña área en la dirección del electrodo opuesto.

Como una incorporación alternativa de la invención, una parte del electrodo está hecha del material inerte, por ejemplo un cuerpo carbonoso, fijado, por ejemplo en sándwich o sinterizado a una parte base metálica del electrodo. Se ha pensado que el electrodo puede ser fabricado como una base metálica, por ejemplo una base de cobre o aluminio, cubierta por o alojando un cuerpo de grafito que presenta al menos una superficie en la dirección de al menos un electrodo opuesto.

Los relés de protección con superficies de electrodo según la presente invención muestran tensiones de arco inferiores y una distribución más estrecha de la tensión de ignición estática que los dispositivos actuales.

Además, la presente invención ofrece una solución, que es fácil de implementar en diseños de relés de protección existentes, y que es adecuada para la producción en masa. Adicionalmente, la solución según la presente invención no tiene ninguna influencia negativa sobre el medio ambiente, ni requiere procedimientos de manipulación especial de residuos, como sí ocurre con los relés de protección usados actualmente que contienen gas radioactivo, como el tritio, y/o compuestos tóxicos, como las sales de bario.

Los gases usados en relés de protección de gas son entre otros nitrógeno, helio, argón, metano, hidrógeno y otros, tal cual o mezclados.

La invención será ilustrada por un ejemplo de producción no limitador, que describe la producción de un relé de protección según una incorporación de la invención.

Ejemplo de producción

Se produjo un relé de protección sometiendo un lote de electrodos de cobre a las etapas de tratamiento siguientes: primero, los electrodos fueron aclarados con un disolvente para eliminar contaminación y trazas sueltas de aceite o grasa. Los electrodos se colocaron después en una máscara, exponiendo el área a recubrir. Un juego de electrodos, limpiado y colocado en una máscara, se introdujo después en una cámara de pulverización, que fue desalojada. Los electrodos fueron después sometidos a limpieza por pulverización inversa, eliminando las impurezas de los electrodos. La corriente fue después invertida y el metano conducido al interior de la cámara. Se ejecutó un proceso de pulverización reactiva proporcionando cromo en forma de cátodos de cromo. Los electrodos recibieron una capa de grafito con una adición de átomos de cromo bloqueando las capas de grafito. Finalmente, el proceso de pulverización se terminó y los electrodos revestidos fueron extraídos de la cámara y sometidos a un control de calidad normal.

Los electrodos revestidos mostraron calidades mejoradas, como una superior resistencia al calor. Los relés de protección fabricados usando los electrodos revestidos mostraron calidades mejoradas, como una tensión de arco inferior, distribución más estrecha de tensiones de ignición, velocidad y selectividad mejoradas, y un tiempo de vida útil más largo.

Aunque la invención ha sido descrita con respecto a sus incorporaciones preferidas, que constituyen el modo mejor actualmente conocido por los inventores, debe entenderse que pueden hacerse varios cambios y modificaciones que serán obvios para aquellos familiarizados con esta técnica, y ello sin alejarse del ámbito de la invención que establecen las reivindicaciones anexadas al presente.

Claims (8)

1. Método para fabricar una lámpara de descarga que comprende al menos dos electrodos y al menos un aislante hueco fijado a al menos uno de los electrodos, y en donde dichos al menos dos electrodos tienen una superficie químicamente inerte, caracterizado por el hecho de que la superficie químicamente inerte es dispuesta sobre los electrodos usando una deposición en fase vapor o una deposición química en fase vapor.

2. Método según la Reivindicación 1, donde la superficie químicamente inerte está seleccionada del grupo de carbono, oro y platino.

3. Método según la Reivindicación 2, donde el carbono es dispuesto en adición de un metal.

4. Método según la Reivindicación 3, en donde el metal es cromo o titanio.

5. Método según las reivindicaciones 2-4, donde dicho carbono está presente como un polimorfo de carbono, como el diamante, el carbono tipo diamante o grafito.

6. Método según la Reivindicación 5, donde el carbono está presente como grafito en adición de un metal.

7. Método según una o más de las Reivindicaciones 2-6, donde el carbono es dispuesto mediante pulverización.

8. Método según una o más de las Reivindicaciones 2-7, donde el carbono es añadido como una capa que tiene un grosor de 1 \mum.