DE102016124176A1

DE102016124176A1 - Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen

Info

Publication number: DE102016124176A1
Application number: DE102016124176.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2017-01-26
Also published as: WO2018001420A1; US11062865B2; CN110073460A; US20200211801A1; EP3555900B1; CN110073460B; DE202017106261U1; EP3555900A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, insbesondere von hohen Gleichströmen, mit einem Gehäuse, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift, und mit einem pyrotechnischen Material, das ein gaserzeugendes und/oder stoßwellenerzeugendes, aktivierbares Material umfasst, wobei die Kontakteinheit einen ersten und zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich aufweist, wobei das pyrotechnische Material und die Kontakteinheit so ausgebildet sind, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein zu unterbrechender Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt, und dass bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials der Trennbereich mit einem durch das aktivierbare Material erzeugten Gasdruck und/oder Stoßwelle beaufschlagt wird, so dass der Trennbereich aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird, worin die mindestens eine Kammer im Unterbrechungsschaltglied, die zumindest teilweise von dem Trennbereich begrenzt wird, im Wesentlichen vollständig mit einem Füllmaterial, vorzugsweise mit Silikonöl, gefüllt ist, so dass der Trennbereich mit dem Füllmaterial in Kontakt steht, um mit minimaler gaserzeugender Masse einen möglichst hohen Berstdruck auf den Trennbereich auszuüben oder bei Verwendung einer stoßwellenerzeugenden pyrotechnischen Masse diese möglichst verlustarm an den zu trennenden Trennbereich anzukoppeln. Eine einsetzbare Mittelelektrode entlastet nach dem ersten Trennen die Trennstelle und/oder meldet die erfolgte Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Derartige Schaltglieder finden beispielsweise in der Kraftwerks- und KFZ-Technik, wie auch im Maschinenbau in Schaltschränken von Maschinen und Anlagen, zum definierten und schnellen Trennen von elektrischen Starkstromkreisen im Notfall Verwendung. Dabei besteht die Anforderung an ein derartiges Schaltglied, dass dessen Auslösung und Unterbrechungsfunktion selbst ohne Wartung noch nach bis zu 20 Jahren zuverlässig gewährleistet sein muss. Des Weiteren darf von einem solchen Schaltglied kein zusätzliches Gefahrenpotential durch Heißgas, Partikel, Wurfstücke oder Plasma ausgehen.
Ein mögliches Einsatzgebiet in der KFZ-Technik ist das definierte irreversible Trennen der Bordverkabelung von der Autobatterie oder Antriebsbatterie kurz nach einem Unfall, um Zündquellen durch Funken und Plasma zu vermeiden, die entstehen, wenn beispielsweise Kabelisolationen durch während des Unfalls eindringendes Karosserieblech aufgescheuert wurden oder lose Kabelenden gegeneinander oder gegen Blechteile drücken und aufscheuern. Läuft bei einem Unfall gleichzeitig Benzin aus, so können solche Zündquellen zündfähige Benzin-Luft-Gemische entzünden, die sich beispielsweise unter der Motorhaube sammeln. Weitere Einsatzgebiete sind die elektrische Abtrennung einer Baugruppe vom Bordnetz für den Fall eines Kurzschlusses in der betreffenden Baugruppe, beispielsweise in einer elektrischen Standheizung oder in einer elektrischen Bremse, sowie die Notabschaltung einer Lithiumbatterie, wie sie heute in Elektro- und Hybridfahrzeugen, sowie in Flugzeugen zur Anwendung kommen. Diese Batterien haben bei kleinem Bauvolumen eine hohe Klemmenspannung von bis zu 1200V bei extrem kleinem Innenwiderstand. Aus beiden resultiert ein möglicher Kurzschlussstrom von bis zu 5000A, teilweise und kurzzeitig sogar bis zu 30kA, ohne dass hierbei die Quellspannung stark einbrechen würde, was schon nach wenigen Sekunden zur Entzündung der Batterie bzw. zu deren Explosion führen kann.
Auch zur Notabschaltung von einzelnen Solarzellenmodulen oder ganzen Solarzellenfeldern im Notfall ist das hier vorgestellte Unterbrechungsschaltglied sehr gut geeignet, weil es ansteuerbar bzw. fernsteuerbar ausgebildet sein kann. Darüber hinaus kann es auch zusätzlich oder stattdessen so ausgebildet sein, dass es passiv auslöst, also die Funktion einer herkömmlichen Schmelzsicherung gleich mit übernehmen kann.
Bei allen hier aufgeführten Einsatzfällen handelt es sich in der Regel um das Abschalten von Gleichstrom, der anders als Wechselstrom keinen Nulldurchgang aufweist. Das bedeutet, dass ein Lichtbogen, einmal im oder am Schalter entstanden, nicht von alleine löscht, sondern stabil stehen bleibt und hierbei durch seine extrem hohe Temperatur von mehreren 1000°C alle Materialien in seinem Wirkungsbereich verdampft und neben seiner extremen thermischen Wirkung und emittierten Strahlungsenergie dabei auch noch hochgiftige gasförmige Stoffe erzeugt.
Hochgespannte Gleichströme zu trennen ist daher ungleich schwieriger als das Trennen bzw. Abschalten hochgespannter Wechselströme.
Im Stand der Technik sind pyrotechnische Sicherungen bekannt, die zur Auslösung aktiv angesteuert werden. Beispielsweise beschreibt die DE 2 103 565 einen Stromunterbrecher, welcher ein metallisches Gehäuse umfasst, das an zwei voneinander abstehenden Anschlussbereichen mit jeweils einem Leiterende eines abzusichernden Leiters verbunden wird. Der Strompfad verläuft dabei über das Gehäuse. Im Gehäuse ist ein pyrotechnisches Element vorgesehen, das durch eine Sprengladung gebildet ist. Die Sprengladung ist durch einen elektrischen Zünder aktivierbar, welcher ein Zündelement umfasst, das durch einen Speisestrom verdampft wird. Das Gehäuse ist mit einer Isolierflüssigkeit gefüllt. Das axial ausgedehnte Gehäuse weist eine umlaufende Nut auf, entlang derer das Gehäuse bei einem Zünden der Sprengladung aufreißt. Das Gehäuse wird dabei in zwei elektrisch voneinander getrennte Teile aufgebrochen, so dass der betreffende Stromkreis aufgetrennt wird. Das beim Auftrennen eines Stromkreises mit sehr hoher Stromstärke entstehende Plasma wird bei diesem Stromunterbrecher durch die zerstäubte Isolierflüssigkeit gelöscht. Das Auslösen kann bei einem KFZ beispielsweise durch das Signal eines Schocksensors erfolgen.
Eine Selbstauslösung zur Auftrennung des Stromkreises bei einer Überlastung des abzusichernden Leiters ist bei dieser bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen, weil die ganze Hülse bis zur Auslösetemperatur erhitzt werden müsste und dann eine detonative Umsetzung nicht sicher erreicht würde. Denn ein Sprengstoff kann kaum durch eine einfache Erhitzung der Hülse gezündet werden, d.h. zur detonativen Umsetzung gebracht werden. Dies wäre jedoch z.B. bei der in der DE 2 103 565 beschriebenen Gehäuseform notwendig.
Dabei sei erwähnt, dass in der Pyrotechnik weltweit von einer detonativen Umsetzung gesprochen wird, wenn Flammfrontgeschwindigkeiten von definitionsgemäß mehr als 2000 m/s erreicht werden.
Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist die Problematik der Zulassung für Vorrichtungen, die mit Sprengstoffen oder gar Detonatoren gefüllte Baugruppen aufweisen und Wirkungen nach außen haben. Aus diesem Grund finden derartige Vorrichtungen bisher keine kommerzielle Verwendung. Sie werden nur sehr vereinzelt in Forschungsinstituten für Sonderexperimente eingesetzt. Die Ursachen hierfür sind zusätzlich die sehr geringe Handhabungssicherheit und das extrem hohe, nur sehr schwer eingrenzbare Gefahrenpotential.
Des Weiteren besteht in vielen Fällen die Forderung nach einer Selbstauslösefunktion eines derartigen Schalters bzw. einer Sicherungsvorrichtung, beispielsweise, um ohne zusätzlichen Aufwand für Überlastungssensoren ein Kabel vor Überlast zu schützen, oder bei Ausfall der Auslösesensorik oder Auslöseschaltung. Ein entsprechendes Schaltglied soll daher nicht nur eine ansteuerbare Auslösemöglichkeit haben, sondern auch die Funktion einer herkömmlichen Hochstromsicherung in Form einer Schmelzsicherung aufweisen, die von jedermann gefahrlos handhabbar ist, wie dies bei herkömmlichen Schmelzsicherungen der Fall ist.
Derartige Hochstrom-Schmelzsicherungen weisen den Nachteil einer innerhalb einer großen Bandbreite schwankenden Abschaltzeit nach dem Erreichen der Nennstromstärke der Sicherung auf. Ein damit abgesichertes Kabel kann daher hinsichtlich seiner Stromführungskapazität nur zu einem sehr geringen Teil, z.B. 30%, ausgelastet werden, da im Überlastfall anderenfalls beispielsweise ein Kabelbrand auftreten kann.
Aus der DE 197 49 133 A1 ist ein Notabschalter für elektrische Stromkreise bekannt, der sowohl eine Selbstauslösung als auch eine ansteuerbare Auslösung ermöglicht. Hierzu wird ein elektrischer Leiter verwendet, der eine pyrotechnische Seele aufweist. Diese kann z.B. aus einem pyrotechnischen Material bestehen. Die pyrotechnische Seele kann einerseits durch die Erwärmung des elektrischen Leiters bei Überschreiten einer zulässigen Stromstärke (Nennstromstärke) gezündet werden. Andererseits ist vorgesehen, die pyrotechnische Seele durch eine ansteuerbare Zündeinrichtung, beispielsweise in Form eines Glühdrahts, zu zünden. Die DE 197 49 133 A1 stellt jedoch lediglich das Prinzip einer derartigen Vorrichtung dar, gibt jedoch keinerlei Hinweise auf mögliche konstruktiv in vorteilhafter Weise ausführbare Ausgestaltungen. Denn das Herstellen eines Leiters mit einer derartigen pyrotechnischen Seele erfordert einen beträchtlichen Aufwand. Zudem kann auch bei einem derartigen Notabschalter ein sicheres, schnelles Auftrennen des Leiters nur bei Einsatz eines detonativen Explosivstoffs gewährleistet werden. Bei deflagrierenden, d.h. nicht detonativ umsetzenden Stoffen, wie Thermit oder Nitrozellulosepulver, erfolgt nur ein Aufplatzen des Leiters und ein Entweichen des restlichen Gases, ohne dass der Leiter vollständig getrennt würde. Die vollständige Trennung wird dann allenfalls durch das Durchschmelzen des Leiters infolge des über die Sicherung fließenden Stroms erreicht. Dies würde jedoch bei höheren Spannungen, insbesondere bereits bei Schaltspannungen von mehr als 100V, zwangsweise zur Ionenerzeugung und damit Plasmabildung in der Sicherung führen und damit das Unterbrechen des Stromkreises mit großer Wahrscheinlichkeit verhindern.
Aus der DE 100 28 168 A1 der Anmelderin ist ein elektrisches Schaltglied, insbesondere zum Schalten hoher Ströme, bekannt, welches sowohl aktiv, d.h. mittels einer ansteuerbaren Zündvorrichtung, als auch passiv, d.h. über die Stromstärke des abzuschaltenden Stroms, aktivierbar ausgebildet werden kann. Das Schaltglied weist ein Gehäuse auf, welches eine Kontakteinheit umfasst, wobei die Kontakteinheit zwei ortsfest mit dem Gehäuse verbundene oder damit einstückig ausgebildete Anschlusskontakte für das Zuführen und Abführen eines zu schaltenden elektrischen Stroms aufweist, und wobei die beiden Anschlusskontakte im Ausgangszustand des Schaltglieds innerhalb des Gehäuses elektrisch leitend verbunden sind. Im Gehäuse ist ein aktivierbares Material vorgesehen, welches nach dem Aktivieren einen Gasdruck zur Beaufschlagung der Kontakteinheit erzeugt, wobei die elektrisch leitende Verbindung durch die Beaufschlagung mit dem Gasdruck aufgetrennt wird. Die Kontakteinheit umfasst ein relativ zu den ortsfesten Anschlusskontakten unter der Beaufschlagung des erzeugten Gasdrucks bewegbares Kontaktelement, welches durch die Beaufschlagung mit dem erzeugten Gasdruck in Richtung der Achse der Kontakteinheit aus seiner Ausgangsposition in eine Endposition bewegt wird, in welcher die elektrische Verbindung über die Kontakteinheit unterbrochen ist.
Dieses Schaltglied ist so ausgestaltet, dass nach außen keinerlei Bewegung von Teilen auftritt. Zudem treten bei einer Aktivierung keinerlei gefährdende Gase oder Bruchteile nach außen.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Schalteinheit nur begrenzt zum Abschalten von sehr hohen Gleichströmen bei höheren Spannungen geeignet ist, da dann die Gefahr besteht, dass durch die Unterbrechung des Trennbereichs infolge des Auseinanderbewegens der aufgerissenen Enden des Trennbereichs ein Lichtbogen gezogen wird. Versuche, ein Löschmittel einzusetzen, welches den Trennbereich im Ausgangszustand vor dem Aktivieren umgibt, haben gezeigt, dass hierdurch nicht der gewünschte Erfolg erreicht wird, nämlich das Entstehen eines Lichtbogens zu vermeiden oder einen bereits bestehenden Lichtbogen sicher zu löschen.
Bei bekannten pyrotechnischen Antrieben, ob integriert in eine beliebige Vorrichtung oder als eigenständige Vorrichtung, wird das aktivierbare Material, welches zur Erzeugung des Drucks oder des Druckstoßes (im Folgenden auch als Stoßwelle bezeichnet) vorgesehen ist, in eine Brennkammer eingebracht. Das Volumen der Brennkammer ist dabei meist auch das Volumen der Pulverkammer und schließt dabei üblicherweise das Volumen ein, welches das pyrotechnische Material für die Lagerung in der Baugruppe vor dessen Auslösung benötigt. Wird jedoch, abhängig von der Lebhaftigkeit bzw. Abbrandgeschwindigkeit des pyrotechnischen Materials, nur eine geringe Menge des aktivierbaren Materials benötigt oder soll aus Gründen möglichst hoher Sicherheit im Störfall möglichst wenig aktivierbares Material in der Baugruppe enthalten sein, so besteht häufig das Problem, dass die Brennkammer nicht klein genug ausgebildet werden kann, oder dass das aktivierbare Material, welches häufig in fester, beispielsweise gepresster Form vorliegt, nicht mit der erforderlichen Toleranz hergestellt werden kann, um die gesamte Brennkammer auszufüllen. Das Restvolumen der Brennkammer, welches nicht von dem aktivierbaren Material beansprucht wird, und die darin vorhandene Luft bzw. das darin vorhandene Gas begrenzt insbesondere die Steilheit des Druckanstiegs, welcher nach dem Aktivieren des aktivierbaren Materials erzeugt wird, benötigt zusätzlich Energie, die dem eigentlichen Aufbrechvorgang des sogenannten Trennbereichs und danach dem Beschleunigungsvorgang der Membran oder des Kolbens verloren geht und dämpft zudem jegliche Arten von Stoßwellen, die für das Aufbrechen des Trennbereichs bei minimalem Einsatz von pyrotechnischer Masse hätte verwendet werden können. Damit verringert das mit Luft oder einem Gas gefüllte Restvolumen die Übertragung eines schnellen mechanischen Impulses auf das Antriebselement der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (im Folgenden auch als Treibspiegel bezeichnet).
Auch im Hinblick auf Sicherheitsaspekte ist sowohl eine möglichst geringe Masse an pyrotechnischem Material und zugleich ein möglichst kleines Leervolumen in der Baugruppe wünschenswert: Jedes Leervolumen kann durch die pyrotechnische Reaktion durch die hierbei entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte bedrückt werden, also ein Energiereservoir nach der Zündung geschaffen werden, das sich entlädt, wenn beispielsweise die Baugruppe doch einmal überlastet wurde und bricht. Danach würde sich der so geschaffene "Hochdruckgasspeicher" mit entsprechendem Knall und herumgeschleuderten Teilen entladen – was nicht geschehen kann, wenn es in der Baugruppe keine Leervolumina bzw. nach der Auslösung der Baugruppe gasgefüllten Volumina gibt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Beschreibung jegliches deflagrierend oder detonativ umsetzendes (beispielsweise abbrennendes) Material als aktivierbares Material bezeichnet wird. Hierunter fallen auch deflagrierend umsetzende Stoffgemische, wie beispielsweise Thermitmischungen oder Tetrazen. Ein deflagrierend umsetzendes Material erzeugt dabei unter anderem gasförmige Reaktionsprodukte und einen Druckanstieg oder eine Druckwelle, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit des betreffenden Mediums ist. Ein detonativ umsetzendes Material erzeugt dagegen zusätzlich eine als Druckstoß oder Stoßwelle bezeichnete Druckänderung in dem betreffenden Medium, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit größer ist als die Schallgeschwindigkeit in dem belasteten Medium.
Damit ergeben sich im Wesentlichen zwei unterschiedliche Typen von pyrotechnischen Antriebseinrichtungen:
Wird ein deflagrierend, d.h. relativ langsam umsetzendes aktivierbares Material verwendet, so ergibt sich ein relativ langsamer Druckanstieg bzw. eine relativ langsame Druckänderung oder Druckwelle im umgebenden Medium im Millisekundenbereich. Beaufschlagt dieser relativ „langsame“ Druckanstieg beispielsweise einen Treibspiegel oder ein Rohrsegment, so erfährt dieser eine Verformung oder wird bewegt. Auch beide Auswirkungen auf den Treibspiegel oder ein Rohrsegment sind möglich. Ein solcher relativ langsamer Druckanstieg wird üblicherweise ausgenutzt, um eine Vergrößerung des Brennkammervolumens zu bewirken.
Wird ein detonativ umsetzendes aktivierbares Material verwendet, so soll vor allem der erzeugte Druckstoß bzw. die von ihm ausgehende Stoßwelle ausgenutzt werden, um zunächst beispielsweise ein Baugruppensegment, hier ein Rohrsegment bzw. den Trennbereich, d.h. hier den elektrischen Leiter, schnell und heftig aufzureißen und danach die Abtriebsleistung des pyrotechnischen Materials zu erzeugen.
Hierbei wird die Eigenschaft detonativer Materialien ausgenutzt, eine im Vergleich zu deflagrierenden Materialen deutlich höhere Energiedichte erzeugen zu können, deren Wirkung bei gleichzeitig deutlich niedrigerem Materialeinsatz effektiver am gewünschten Ort umgesetzt werden kann. Von besonderer Bedeutung ist hier allerdings die Ankoppelung des detonativen Materials bzw. der von ihm erzeugten Stoßwelle an den gewünschten Wirkungsort.
Weiterhin ist es wünschenswert, die Menge des pyrotechnischen Materials in derartigen Unterbrechungsschaltgliedern möglichst klein zu halten, so dass nicht nur detonativ umsetzende pyrotechnische Materialien, sondern auch deflagrierend umsetzende pyrotechnische Materialien verwendet werden können, und dabei dennoch eine ausreichende Trennung des Strompfades bewirkt wird. Weiterhin ist es auch aus Sicherheits- und Kostengründen wünschenswert, die Menge des pyrotechnischen Materials zu minimieren.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein pyrotechnisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, zu schaffen, bei dem auch das Abschalten von hohen Strömen bei hohen Spannungen durch das Vermeiden oder zumindest das effektive Dämpfen eines durch einen Lichtbogen aufrechterhaltenen Stroms sicher gewährleistet ist. Dabei soll die Menge an zu verwendendem pyrotechnischen Material möglichst gering sein und trotzdem das Abschalten gewährleisten. Darüber hinaus soll ein Schaltglied geschaffen werden, das sicherheitstechnisch weitgehend unbedenklich und auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Unterbrechungsschaltglied ist für das Durchführen des Schaltvorgangs ein pyrotechnisches Material in einer so geringen Menge einsetzbar, dass die erzeugte Stoßwelle zwar das Gehäuse des Unterbrechungsschaltglieds nicht beschädigt, aber dennoch hohe Ströme bei hohen Spannungen unterbrechen kann. Hierbei können nicht nur deflagrierende pyrotechnische Materialen, sondern vorteilshaft auch Stoßwellen erzeugende detonative pyrotechnische Materialen verwendet werden.
Das elektrische Unterbrechungsschaltglied nach der Erfindung weist also ein Gehäuse auf, welches eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift. Es ist ein pyrotechnisches Material vorgesehen, das ein gaserzeugendes und/oder stoßwellenerzeugendes, aktivierbares Material ist. Die Kontakteinheit weist einen ersten und zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich auf.
Das pyrotechnische Material und die Kontakteinheit sind so ausgebildet, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein zu unterbrechender Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist (oder umgekehrt) und dass bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials der Trennbereich mit einem durch das aktivierbare Material erzeugten Gasdruck und/oder Stoßwelle beaufschlagt wird, so dass der Trennbereich aufgerissen oder eingedrückt und dadurch getrennt wird. Der Isolationsabstand ist dabei so gewählt, dass er für die jeweils zu schaltende Spannung gut ausreicht, die Quellspannung nach der Trennung sicher, d.h. entladungsfrei zu halten. Mindestens eine Kammer im Unterbrechungsschaltglied ist zumindest teilweise von dem Trennbereich begrenzt und im Wesentlichen vollständig mit einem Füllmaterial, vorzugsweise mit Silikonöl, gefüllt. Auf diese Weise steht der Trennbereich mit dem Füllmaterial in Kontakt.
Unter „im Wesentlichen vollständig gefüllt“ wird verstanden, dass abgesehen von unvermeidlichen Gasblasen, die beispielsweise aufgrund der Oberflächenspannung des Füllmaterials oder bedingt durch Schwierigkeiten beim Befüllen vorhanden sind, der gesamte Raum der jeweiligen Kammer mit dem Füllmaterial ausgefüllt ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Trennbereich so gestaltet sein, dass er eine Kammer, vorzugsweise eine Brennkammer, zumindest teilweise umgibt, d.h. die Wand des Trennbereichs begrenzt die eine Kammer zumindest teilweise.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Trennbereich die eine Kammer von einer weiteren Kammer abtrennen. Diese weitere Kammer umgibt den Trennbereich vorzugsweise ringförmig. Wird nicht nur die eine Kammer mit Füllmaterial gefüllt, sondern auch der Raum der weiteren Kammer, so findet der Auftrennvorgang des Trennbereichs, vollständig im Füllmaterial statt, so dass ein sich ein beim ersten Aufbrechen bildender Lichtbogen sofort bis schnell gelöscht und weitere Entladungserscheinungen gut verhindert werden können. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann also bei der Auftrennung des Trennbereichs die eine Kammer mit der weiteren Kammer verbunden werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann also sowohl die eine Kammer, als auch die weitere Kammer im Wesentlichen vollständig mit dem Füllmaterial gefüllt sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann sich das pyrotechnische Material in der Kammer befinden, die mit dem Füllmaterial gefüllt ist. Auf diese Weise kann die Stoßwelle direkt über das Füllmaterial mit seinem spezifischen, in der Regel sehr kleinen Stoßwellenwiderstand wirken.
Das pyrotechnische Material ist vorzugsweise mit einer Schutzschicht, vorzugsweise aus Naturgummi und/oder Epoxidharz, versehen, die verhindert, dass das Füllmaterial das pyrotechnische Material inaktiviert, bevor es aktiviert wird. Das pyrotechnische Material ist dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied vorzugsweise in Form eines sogenannten Minidetonators, oder einer Anzünd- oder Zündpille vorhanden, kann jedoch auch in anderer Form eingebracht sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich das pyrotechnische Material in der einen Kammer, d.h. die eine Kammer ist dann die Brennkammer. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen das pyrotechnische Material in der weiteren Kammer vorgesehen ist, beispielsweise in einem Außenbereich der weiteren Kammer innerhalb des Gehäuses (siehe 11) oder gar außerhalb des Gehäuses, wobei hier die erzeugte Energie bzw. der Druck oder die Stoßwelle über eine Druckleitung (siehe 12). auf den Trennbereich und den Treibspiegel einwirkt.
Das Füllmaterial weist vorzugsweise ein elektrisch gut isolierendes Material auf. Es beinhaltet vorzugsweise ein Material, das bei Energieeinwirkung bzw. seiner Zersetzung selbst wieder in einen Isolator zerfällt. Beide Eigenschaften können aber auch von einem Material alleine erfüllt sein, wie dies bei Silikonölen der Fall ist: Das gut elektrisch isolierende Öl wird z.B. durch Lichtbogeneinfluss zersetzt und hierbei zum Siliziumdioxid, das ebenfalls ein guter elektrischer Isolator ist.
Das pyrotechnische Material ist üblicherweise in der einen Kammer untergebracht, es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, die das pyrotechnische Material im Außenbereich der weiteren Kammer innerhalb des Gehäuses (siehe 11) oder gar außerhalb des Gehäuses über eine Druckleitung beinhalten (siehe 12) und den Druck bzw. die Stoßwelle auf diese Weise dem Trennbereich zuführt. Auch hierbei können mit Erfolg alle Leervolumina mit Fluid gefüllt sein bzw. werden, wie es in den beiden Figuren zu sehen ist. In beiden letztgenannten Fällen würde das Stegmaterial im Trennbereich nach dem Auftrennen entweder nach innen gedrückt werden oder einfach nur längs zerrissen werden.
Die Anwesenheit eines Füllmaterials in mindestens einer der Kammern hat zudem den Vorteil, dass die Oberfläche beispielsweise des Minidetonators gegen die Innen- oder Außenwand des Trennbereiches elektrisch gut isoliert wird. Die Anwesenheit eines Füllmaterials in der einen Kammer oder der weiteren Kammer hat außerdem den Vorteil, dass der Gasanteil darin stark verkleinert werden kann, damit mit wenig durch den Minidetonator erzeugter Gasmenge schon ein hoher Druck auf den Trennbereich und einen eventuellen Treibspiegel ausgeübt werden kann. Damit kann sehr effektiv, d.h. mit wenig Gas bzw. umgesetzter pyrotechnischer Masse, so viel Druck erzeugt werden, dass auch ein mit dickem Material ausgeführter Trennbereich der Kontakteinheit gut aufreißt und danach auch noch einen eventuell vorhandenen Treibspiegel bedrückt und damit einen eventuell vorhandenen Stauchbereich zusammenpresst bzw. zusammenfaltet wird. Durch das durch das Füllmaterial verringerte Gasvolumen in der Kammer und/oder der weiteren Kammer kann zudem erreicht werden, dass wenig Druckenergie gespeichert wird und so beim Aufplatzen des Gehäuses des Unterbrechungsschaltglieds nach einer Überlastung der Baugruppe keine große unerwünschte Wirkung nach außen auftritt. Nur in einem Gasvolumen könnte nennenswert Energie gespeichert werden, die sich dann beim Aufgehen des Gehäuses des Unterbrechungsschaltglieds explosionsartig zeigen könnte. Weiterhin wird durch das Füllmaterial der Stoßwellenwiderstand in der einen Kammer oder der weiteren Kammer stark verringert, bzw. der Trennbereich quasi akustisch an den Minidetonator angekoppelt. Hierbei werden in der Stoßwellenfront Drücke von weit mehr als 1 kbar erreicht. Die Wanderung dieser Druckstörung bzw. der Druckenergie in Richtung der Wandung des Trennbereichs würde durch ein Gasvolumen behindert, abgeschwächt oder gedämpft. Durch die Einfüllung eines Füllmaterials mit einem geringeren Stoßwellenwiderstand als ein Gas kann die beispielsweise durch den Minidetonator erzeugte Energie so ungeschwächt wie möglich für die Zerstörung des Trennbereichs und für die Beaufschlagung eines eventuell vorhandenen Treibspiegels, und nicht für die Erwärmung und Bedrückung des Gases eingesetzt werden. Bei der Verwendung von beispielsweise Silikonölen kommt es zu einer Verbesserung bzw. Verstärkung der Stoßwelle gegenüber Luft zwischen 1000x bis 4000x.
Wird das pyrotechnische Material gezündet, so ermöglicht die Anwesenheit des Füllmaterials die Ausbreitung der Stoßwelle mit einer wesentlich geringeren Dämpfung, so dass der Trennbereich wesentlich effektiver aufgerissen und der Treibspiegel bedrückt werden kann, als bei Vorhandensein eines gasförmigen Materials. Dadurch kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied wesentlich effizienter und schneller schalten, verglichen mit einem Schaltglied, das ein gasförmiges Füllmaterial aufweist. Es hat sich auch herausgestellt, dass durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllmaterials auch die Dicke des Trennbereichs stark erhöht werden kann, ohne dass dabei eine sonst übliche höhere Menge an pyrotechnischem Material zur erfolgreichen Trennung eingesetzt werden müsste. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied für weit höhere Ströme bei höheren Spannungen eingesetzt werden, ohne dass es zu einer unzulässigen Erwärmung des Trennbereichs kommt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Kontakteinheit einen Stauchbereich aufweisen. Der Stauchbereich kann derart gestaltet sein, dass er eine noch weitere Kammer umgibt. Der Stauchbereich kann so gestaltet sein, dass er während des Auftrennvorgangs des Trennbereichs gestaucht wird.
In Versuchen mit einer derartigen Baugruppe hat es sich zudem gezeigt, dass nach dem Auftrennen des Trennbereichs und dem Entstehen des Lichtbogens eine kleine Menge des Füllmaterials verdampft, damit Energie dem Lichtbogen entzieht, aber gleichzeitig damit eine zusätzliche Gasmenge erzeugt, die auf den Trennbereich und den Treibspiegel einwirkt und diese effektiv bedrückt. Dadurch wird die Trennung und das Stauchen des Stauchbereichs immer schneller und effektiver, je höher der abzuschaltende Strom und damit der zunächst erzeugte Lichtbogen ist. Das ist ein sehr willkommener Effekt, der dazu führt, dass das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied noch bei extrem hohen zu trennenden Strömen eingesetzt werden kann.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch die noch weitere Kammer des Stauchbereichs vollständig mit dem Füllmaterial gefüllt werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die noch weitere Kammer über eine Bohrung (Kanal) mit der einen Kammer verbunden ist. Dadurch kann das Füllmaterial aus der noch weiteren Kammer über den Kanal während des Stauchvorgangs in die eine Kammer gedrückt werden und unterbindet bzw. kühlt damit weiter effektiv den evtl. an dem Trennbereich noch stehenden Lichtbogen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Stauchbereich hinsichtlich des Materials und der Geometrie so ausgelegt werden, dass die Wandung des Stauchbereichs infolge der Stauchbewegung gefaltet, vorzugsweise mäanderförmig gefaltet wird.
Der wenigstens eine Kanal kann düsenartig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Kanal so ausgerichtet sein, dass er in seiner Erstreckungsrichtung auf das ortsfeste aufgetrennte Ende des Trennbereichs gerichtet ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Trennbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgebildet sein. In diesem Fall befindet sich die eine Kammer im Innenraum des Hohlzylinders und wird somit durch diesen teilweise begrenzt. Die weitere Kammer umgibt den Stauchbereich dabei vorzugsweise ringförmig.
Auch der Stauchbereich kann hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgebildet sein. Im Inneren des Hohlzylinders kann so das Füllmaterial eingebracht werden. Ein ringförmiger Querschnitt begünstigt ein, über den Umfang gesehen, gleichmäßiges Falten der Hohlzylinderwandung während des Stauchvorgangs.
Die Länge des Hohlzylinders im Trennbereich / die Länge des Schaltstegs liegt vorzugsweise im Bereich von 3 mm bis 15 mm, stärker bevorzugt im Bereich von 5 mm bis 10 mm und noch stärker bevorzugt im Bereich von 6 mm bis 8 mm. Für Sonderfälle sind jedoch auch Stegbreiten von 1mm von Vorteil, insbesondere, wenn besonders schnell geschaltet werden soll. Die Wanddicke des hohlzylindrischen Trennbereichs/die Materialdicke des Schaltstegs kann bis zu 1000 µm betragen, bevorzugt ist hier der Bereich von 400 µm bis 700 µm. Bei bisherigen Unterbrechungsschaltgliedern ohne Füllmaterial in der Brennkammer oder der weiteren Kammer musste die Wanddicke hier auf bis zu 150 µm reduziert werden, da nur dann eine Trennung im Trennbereich sichergestellt werden konnte, ohne dass die Menge an pyrotechnischem Material unerwünscht erhöht werden musste. Trotz der nun sehr großen Materialdicke des Schaltstegs kann die Menge an pyrotechnischem Material sehr gering gehalten werden. So sind erfindungsgemäß nur etwa 30 mg bis 100 mg eines aktivierbaren Materials notwendig. Bei früheren Unterbrechungsschaltgliedern ohne Füllmaterial in der Brennkammer oder der weiteren Kammer musste die bis zu fünffache Menge an aktivierbarem Material eingesetzt werden, damit der Trennbereich sicher durchtrennt wurde.
Ist das pyrotechnische Material in der einen Kammer untergebracht, so kann eine dem pyrotechnischen Material, vorzugsweise Minidetonator gegenüberliegende Wand der Brennkammer so geformt sein, dass es zu einer Stoßwellenlenkung kommt, wie es in 10 oben und unten zu sehen ist.
Als aktivierbares (pyrotechnisches) Material in der Brennkammer sind bevorzugt Explosivstoffe, insbesondere detonative Stoffe, z.B. insbesondere Silberazid geeignet, die durch Erwärmung oder elektrische Entladung zur Umsetzung gebracht werden können. Besonders bevorzugt wird Silberazid verwendet, es reagiert detonativ und ist schwermetallfrei. Es können jedoch auch brennbare Gase, insbesondere Flüssiggase oder andere Brennstoffe zusammen mit flüssigen, festen oder gasförmigen Oxidatoren verwendet werden, die durch Anzünder, elektrische Entladungen, Hitzedrähte oder Explosionsdrähte zur Umsetzung gebracht werden können.
Generell wird der Begriff "pyrotechnisches Material" im Sinne der vorliegenden Beschreibung so verstanden, dass hierunter alle Stoffe oder Stoffgemische fallen, die nach einer Aktivierung in beliebiger Weise Gase oder Dämpfe oder Stoßwellen erzeugen, die den Trennbereich aufbrechen und auf einen eventuell vorhandenen Treibspiegel den gewünschten Druck oder die gewünschte Stoßwelle ausüben können.
Das Füllmaterial, das einen geringeren Stoßwellenwiderstand als ein Gas aufweist, ist vorzugsweise ein flüssiges, gelartiges, pastöses, ein weiches gummiartiges oder körniges Material. Vorzugsweise ist das Füllmaterial ein flüssiges Material, beispielsweise ein Öl, insbesondere Silikonöl. Die Wahl von Silikonöl hat gegenüber vielen anderen Ölen den Vorteil, dass dieses bei Kontakt mit dem heißen, die Moleküle des Öls zersetzenden Lichtbogen in festes Siliziumdioxid umgewandelt wird. Auf diese Weise kann die Bildung von meist elektrisch leitfähigem Schmauch oder zerrissenen Molekülketten von kohlenstoffhaltigen flüssigen oder festen Stoffen vermieden werden. Vorzugsweise ist das Silikonöl ein dünnflüssiges Silikonöl mit einer dynamischen Zähigkeit von weniger als 150 cp, bevorzugt kleiner oder gleich 100 cp.
Der wenigstens eine Kanal kann durch eine während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds zerstörbare Membran verschlossen sein. Dies ist zumindest dann erforderlich, wenn das Füllmaterial nur in der einen Kammer, aber nicht in der noch weiteren Kammer vorliegen soll, oder umgekehrt.
Der wenigstens eine Kanal kann jedoch auch entfallen, wenn das Rohr des Stauchbereichs nicht mit Füllmaterial gefüllt werden soll oder braucht. Hier besitzt die Kontakteinheit dann weder einen Kanal, noch eine Membran.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Unterbrechungsschaltglied einen Treibspiegel aufweisen, der bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials derart mit einem durch das aktivierbare Material erzeugten Gasdruck und/oder Stoßwelle beaufschlagt wird, dass der Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt und dabei der Stauchbereich plastisch verformt wird, wobei der Trennbereich vollständig aufgetrennt wird und in der Endposition des Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen den aufgetrennten Enden des Trennbereichs erreicht ist.
Die Kontakteinheit kann eine gerade Längsachse aufweisen, entlang welcher der Treibspiegel verschiebbar ist. Der Trennbereich kann dann angrenzend an den Treibspiegel und in der Längsachse liegend vorgesehen sein. Ebenso kann der wenigstens eine Kanal – sofern vorhanden – in der Längsachse liegen. Die Kontakteinheit ist vorzugsweise so aufgebaut, dass die einen Flansch zwischen dem Stauchbereich und dem Trennbereich aufweist, in den der Treibspiegel eingreifen und durch dessen Bewegung der Stauchbereich gestaucht werden kann.
Liegt ein Kanal vor, und ist dieser bzw. die noch weitere Kammer mit Füllmaterial gefüllt, so wird das Löschen eines Lichtbogens bzw. das Behindern einer Lichtbogenausbildung auch dadurch unterstützt, dass sich nach dem Auftrennvorgang des Trennbereichs und der beginnenden Bewegung des Treibspiegels eine heftige Flüssigkeitsströmung ausbildet, die über den aufgebrochenen Trennbereich fließt.
Die Kontakteinheit kann aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium oder Messing bestehen, wobei Kupfer oder Aluminium bevorzugt ist.
Es sind jedoch auch Schaltglieder denkbar, bei denen sich der Treibspiegel der Kontakteinheit in einem mehr oder weniger gekrümmten Gehäuse bewegen kann, so dass Schaltglieder fertigbar sind, bei denen beide Stromanschlüsse sich unter einem Winkel zwischen 1° und 300° befinden, vorzugsweise unter 30°, 45°, 90°, 120° oder 180°. Der Treibspiegel würde sich also bei einem um 180° gebogenen Gehäuse nach der Auslösung und dem Aufbrechen des Trennbereichs im Halbkreis im Gehäuse bewegen, so dass beide Stromanschlüsse auf derselben Seite zu liegen kommen.
Der Trennbereich und das pyrotechnische Material können so ausgebildet sein, dass der Trennbereich bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials aufgerissen oder zumindest teilweise aufgerissen und durch eine Verschiebebewegung des Treibspiegels völlig und weiter aufgetrennt wird. Beispielsweise kann das pyrotechnische Material zumindest teilweise innerhalb des Trennbereichs angeordnet werden. Bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials wird der Trennbereich über den Umfang ganz oder zumindest teilweise aufgerissen. Bei einem teilweisen Aufreißen erfolgt das vollständige Auftrennen durch die Verschiebebewegung des Treibspiegels und des damit nach dem Auftrennen noch verbundenen Teils des Trennbereichs, wodurch zugleich der Stauchbereich gestaucht wird.
Der Trennbereich kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials zwei zerstörungsfrei trennbare Teile des Trennbereichs durch eine Verschiebebewegung des Treibspiegels auseinandergezogen werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Kontaktelement einen ersten Anschlusskontaktbereich mit dem ersten Anschlusskontakt und einen zweiten Anschlusskontaktbereich mit dem zweiten Anschlusskontakt aufweisen, wobei der erste Anschlusskontaktbereich in der Längsachse liegend angrenzend an den Stauchbereich und der zweite Anschlusskontaktbereich in der Längsachse liegend angrenzend an den Trennbereich angeordnet sein kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Anschlusskontaktbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgestaltet sein. Auf diese Weise kann bei dem elektrischen Unterbrechungsschaltglied der Erfindung ein dritter Anschlusskontakt oder eine Sensor vorhanden sein, der, während der Treibspiegel in Richtung der Endposition bewegt wird, mechanisch und/oder elektrisch betätigt wird. Auf diese Weise kann der dritte Anschlusskontakt oder Sensor als Detektionsmittel für eine erfolgte Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds dienen. Der dritte Anschlusskontakt kann dabei mit dem ersten Anschlusskontakt elektrisch in Verbindung gebracht werden. Auf diese Weise können auch Spannungen über den dritten Anschlusskontakt abgebaut werden, siehe hierzu 9.
Der dritte Anschlusskontakt (auch Mittelelektrode genannt) ist vorzugsweise als Draht, Stab oder Feder, vorzugsweise als Kupfer- oder Messingdraht/stab oder Kupferfeder, ausgebildet, der/die sich vorzugsweise im vom ersten Anschlusskontaktbereich gebildeten Innenraum entlang der Längsrichtung der Kontakteinheit erstreckt, und vorzugsweise vom Außenbereich des Unterbrechungsschaltglieds bis in die vom Stauchbereich umgebene Kammer reicht. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass bei dem Stauchvorgang des Stauchbereichs der gestauchte Stauchbereich mit dem Stab, Draht oder der Feder des dritten Anschlusskontakts in Verbindung kommt, wodurch der erste und der dritte Anschlusskontakt miteinander leitend verbunden werden können. Die Verwendung einer Feder hat den Vorteil, dass diese dem Stauchvorgang weniger entgegenwirkt als ein steifer Draht oder Stab. Ist der dritte Anschlusskontakt als Stab oder Draht ausgebildet, so ist es deshalb bevorzugt, dass sein in das Unterbrechungsschaltglied ragendes Ende in mindestens zwei Teile aufgesplittet ist.
Diese sogenannte Mittelelektrode kann dazu dienen, die nach dem Auftrennen des Verbindungselements in der Induktivität des Lastkreises im Augenblick des Schaltens gespeicherte magnetische Energie außerhalb der Trennstelle kurzzuschließen und damit die Trennstelle energiemäßig zu entlasten, siehe hierzu 9.
Diese Mittelektrode kann jedoch auch nur dazu dienen, dem übergeordneten System eine Rückmeldung über eine einmal ausgelöste Baugruppe bzw. ein einmal geöffnetes Verbindungselement zu geben.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch auf ein erfindungsgemäßes elektrisches Unterbrechungsschaltglied – wie vorstehend beschrieben – gerichtet, das den dritten Anschlusskontakt aufweist. In dieser Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied kein Füllmaterial in der Brennkammer oder der weiteren Kammer aufweisen. In anderen Worten ist die vorliegende Erfindung auch auf ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Patentanspruch 16 gerichtet, das das Merkmal (g) des Patentanspruchs 1 nicht aufweist. Alle (bevorzugten) Merkmale in Verbindung mit den Ausgestaltungen der Erfindung mit einem Füllmaterial können auch Merkmale dieser weiteren Ausführungsform sein, in der kein Füllmaterial vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Stauchbereich auch als ein Bereich gestaltet sein, der massiv ist, d.h. keine noch weitere Kammer aufweist, d.h. in diesem Fall wird der Treibspiegel zwar druckbeaufschlagt, ist jedoch auch nach der Zündung des pyrotechnischen Materials ortsfest. Hier wird der Treibspiegel als Beaufschlagungselement bezeichnet. Alle (bevorzugten) Merkmale in Verbindung mit den Ausgestaltungen der Erfindung mit einem Stauchbereich können auch Merkmale dieser weiteren Ausführungsform sein (mit Ausnahme des dritten Anschlusskontakts), in der dieser Bereich als massiver Bereich vorliegt.
Alle Ausgestaltungen des Unterbrechungsschaltglieds der Erfindung, die einen dritten Anschlusskontakt aufweisen, können von im Verbraucher (bspw. Elektromotor) gespeicherter Energie gegen Masse verwendet werden. Dabei ist das Unterbrechungsschaltglied über den ersten und den zweiten Anschlusskontakt in einen Stromkreis eingebaut, der eine Stromquelle und einen beliebigen Verbraucher aufweist. Dabei sind vorzugsweise der erste Anschlusskontakt mit dem beliebigen Verbraucher und der zweite Anschlusskontakt mit der Stromquelle verbunden. Wird der Stromkreis durch das Schalten des Unterbrechungsschaltglieds unterbrochen, so kann es durch die gespeicherte Energie im Verbraucher zur Ausbildung eines Lichtbogens zwischen den getrennten Teilen des Trennbereichs des Unterbrechungsschaltglieds kommen. Ist der dritte Anschlusskontakt mit der anderen Seite des beliebigen Verbrauchers als dem ersten Anschlusskontakt verbunden, so kann bei Schalten des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds durch die entstehende Verbindung des ersten und des dritten Anschlusskontaktes die im Verbraucher gespeicherte Energie gegen Masse abgeführt werden. Auf diese Weise kann der entstehende Lichtbogen quasi "ausgehungert" werden, weil hiernach die Energie außerhalb der Trennstelle kurzgeschlossen wird. Das heißt, der dritte Anschlusskontakt bzw. die so genannte Mittelelektrode wird in diesem Fall als Kurzschlusselektrode verwendet.
Alternativ dazu kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied mit drittem Anschlusskontakt auch als Sensor für ein bereits ausgelöstes Unterbrechungsschaltglied verwendet werden. Dazu braucht nur der Widerstand zwischen dem zweiten Anschlusskontakt und dem dritten Anschlusskontakt gemessen werden. Ist der Widerstand gegen Null Ohm, dann wurde das Unterbrechungsschaltglied bereits ausgelöst. Jedoch können hier auch andere Tasterausführungen (Sensoren) verwendet werden, um z.B. potentialgetrennt eine Rückmeldung zu ermöglichen.
Zur Schaffung eines Unterbrechungsschaltgliedes, welches eine serielle Mehrfachunterbrechung realisiert, kann die Kontakteinheit wenigstens zwei Teil-Kontakteinheiten aufweisen, die jeweils einen Stauchbereich, einen Trennbereich und einen Treibspiegel aufweisen. Die Teil-Kontakteinheiten können dann jeweils so ausgebildet sein, dass bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials jeder Treibspiegel derart mit einem durch das gaserzeugende oder stoßwellenerzeugende aktivierbare Material erzeugten Gasdruck oder Stoßwelle beaufschlagt wird, dass der betreffende Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt und dabei der zugehörige Stauchbereich plastisch verformt wird, wobei der betreffende Trennbereich vollständig aufgetrennt wird und in der Endposition des betreffenden Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen den aufgetrennten Enden des betreffenden Trennbereichs erreicht ist.
Eine solche serielle Mehrfachunterbrechung hat den Vorteil, dass während eines gleichzeitig erfolgenden Unterbrechungsvorgangs nur jeweils eine anteilige Spannung zwischen den aufzutrennenden Enden der Trennbereiche anliegt und so die in einem Teillichtbogen umgesetzte Energie jeweils entsprechend reduziert wird und so die Teillichtbögen effektiver und schneller bedämpft werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Teil-Kontakteinheiten vorgesehen und die Kontakteinheit und das Gehäuse sind in Bezug auf eine Mittelebene spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei die Trennbereiche und die Treibspiegel vorzugsweise außerhalb der dazwischen angeordneten Stauchbereiche vorgesehen sind. Zusätzlich zur seriellen Trennung ergibt sich hier der Vorteil, dass die mechanischen Bewegungen in entgegengesetzten Richtungen verlaufen und sich so nach außen zumindest weitgehend kompensieren.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann jeder Teil-Kontakteinheit ein separates pyrotechnisches Material zugeordnet und eine ansteuerbare Vorrichtung für das aktive und im Wesentlichen gleichzeitige Zünden der separaten Teil-pyrotechnischen Materialien vorgesehen sein. Hierdurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass der Vorteil der seriell angeordneten Trennbereiche, nämlich das Auftreten der jeweils nur halben Spannung an den Enden der Trennbereiche während des Abschaltvorgangs, auch genutzt werden kann. Es ist deshalb bevorzugt, dass eine solche Vorrichtung zwei Brennkammern innerhalb von zwei Trennbereichen aufweist, die beide die weiter oben beschriebenen Merkmale enthalten können.
Nach außen ist das Unterbrechungsschaltglied nach der Erfindung rückwirkungsfrei. Es treten keine Abgase, kein Licht und kein Plasma aus, das Auslösegeräusch ist nur als leiser Klick zu vernehmen und die beiden elektrischen Anschlüsse des Unterbrechungsschaltglieds können fest eingespannt werden, da für die Funktion des Schaltglieds keine Bewegung des einen oder anderen Anschlusses notwendig ist.
Das Gehäuse selbst kann als Rohr mit beidseitig eingeschraubten oder eingebördelten Deckeln versehen sein, vorzugsweise aus einem topfartigen Teil, in das ein Deckel zusammen mit der gesamten Kontakteinheit eingeschraubt wird. Das Gehäuse kann auch einstückig ausgebildet sein, sofern dessen Material gut umformbar ist, beispielsweise durch Bördeln oder Biegen. Das Gehäuse kann auch aus mehreren Teilen zu einem einstückigen Gehäuse zusammengesetzt werden, beispielsweise durch Kleben oder Verschweißen der einzelnen Teile.
Auch eine integrale Anordnung eines oder mehrerer Kontakteinheiten in ein übergeordnetes Sammelgehäuse oder in eine übergeordnete Nutzbaugruppe ist möglich.
Der beispielsweise Minidetonator bzw. das Auslöseelement kann als Zünderschraube komplett eingeschraubt, oder aber auch nur eingeschoben und am Ende der Kontakteinheit dann per Rollen, Clinchen oder Bördeln fest mit der Kontakteinheit verbunden werden.
Die erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieder werden vorzugsweise mit einem so genannten Schrumpfschlauch überzogen, der nach außen hin isoliert und über dem Gehäuse des Unterbrechungsschaltglieds sitzt. Der Schrumpfschlauch kann vorzugsweise aus einem gut isolierenden, vorzugsweise transparenten, Material, beispielsweise Polyolefin bestehen. Damit wird das Gehäuse/die Baugruppe vor Korrosion geschützt und gleichzeitig verhindert, dass das hier in den Beispielen metallene Gehäuse naheliegende, Spannung führende Teile kurzschließt. Auch können damit Etiketten bzw. Beschriftungen dauerhaft und auch gegen aggressive Medien dauerhaft geschützt werden.
Selbstverständlich kann das Gehäuse auch aus einem nichtleitenden Material bestehen, beispielsweise aus Keramik, POM, PA6 oder ABS. In all diesen Fällen erübrigt sich die Verwendung eines Schrumpfschlauches.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Alle Merkmale, die in Bezug auf eine bestimmte Figur beschreiben werden, können auch auf die Unterbrechungsschaltglieder der anderen Figuren übertragen werden, sofern technisch realisierbar:
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Ausgangszustand, wobei das Verbindungselement keinen Kanal aufweist, und die eine Kammer und die weitere Kammer mit dem Füllmaterial gefüllt sind;
2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Ausgangszustand wie in 1, wobei ein dritter Anschlusskontakt, die sogenannte Mittelektrode, im ersten Kontaktbereich vorgesehen ist;
3 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Ausgangszustand mit einem dritten Anschlusskontakt, wobei das Verbindungselement keinen Kanal aufweist, und nur die Brennkammer mit dem Füllmaterial gefüllt ist;
4 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Ausgangszustand mit einem dritten Anschlusskontakt, wobei das Verbindungselement keinen Kanal aufweist, und nur die weitere Kammer mit dem Füllmaterial gefüllt ist;
5 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Ausgangszustand mit einem dritten Anschlusskontakt, wobei das Verbindungselement hier einen Kanal aufweist, und sowohl die eine Kammer, die weitere Kammer, der Kanal und das Rohr des Stauchbereichs (die noch weitere Kammer) mit dem Füllmaterial gefüllt sind;
6 zeigt einen Längsschnitt durch die Ausführungsform in 5 im ausgelösten Zustand; der Trennbereich ist aufgerissen, der Treibspiegel hat das Rohr des Stauchbereichs mäanderförmig zusammengeschoben und damit die Trennstrecke zwischen den beiden Kontaktstellen des Trennbereichs deutlich vergrößert;
7 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds im Ausgangszustand, wobei der Treibspiegel als festes Beaufschlagungselement installiert ist, es gibt hier keinen Stauchbereich;
8 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied im Ausgangszustand wie in 1, wobei ein dritter Anschlusskontakt vorgesehen ist, und in dem keine der Kammern mit einem Füllmittel gefüllt ist;
9 zeigt exemplarisch das Schaltbild eines Stromkreises mit einer Stromquelle (Batt 1) und einem beliebigen Verbraucher R2, in den das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied eingebaut ist. Gezeichnet ist der Zustand des Unterbrechungsschaltglieds vor seiner Auslösung, der erste Kontaktbereich (dick) ist mit dem zweiten Kontaktbereich (dünn) noch verbunden. Hieraus ist auch die Wirkung der Mittelelektrode als Kurzschlusselement erkennbar, sofern sie eingesetzt wird;
10 zeigt die mögliche Ausgestaltung der dem beispielhaft hier eingesetzten Minidetonator gegenüberliegenden Brennkammerwand zur Stoßwellenlenkung: Oben konkav geformt, unten konvex geformt; anstelle der gezeichneten Kegelspitzen sind auch Kuhlen bzw. Rundungen möglich und sinnvoll;
11 zeigt das Einbringen des pyrotechnischen Materials in den Raum über der früher so bezeichneten Brennkammer bzw. dem Schaltsteg, beide Volumina sind hier wieder mit Füllmaterial gefüllt;
12 zeigt das Bedrücken des Treibspiegels bzw. des Trennbereichs durch die Reaktion des pyrotechnischen Materials, das nun außerhalb des Gehäuses untergebracht ist und bei der die Druckenergie über ein Verbindungsrohr in das Gehäuse einbringt;
13 zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied vor der Auslösung des pyrotechnischen Materials, das spiegelsymmetrisch aufgebaut ist, und somit zwei Trennbereiche und zwei Stauchbereiche auf gegenüberliegenden Seiten aufweist;
14 zeigt das Unterbrechungsschaltglied aus 13 nach der Auslösung der Anzündvorrichtung.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 umfasst ein Gehäuse 3, in welchem eine Kontakteinheit 5, auch Verbindungselement genannt, angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist so ausgebildet, dass es einem innerhalb des Gehäuses erzeugten Druck, der bei einer pyrotechnischen Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 erzeugt wird, standhält, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar eines Aufplatzens besteht. Das Gehäuse kann insbesondere aus einem geeigneten Metall, vorzugsweise Stahl, bestehen. In diesem Fall kann an der Innenwandung des Gehäuses eine Isolierschicht 7 vorgesehen sein, die aus einem geeigneten Isolierstoff, beispielsweise einem Kunststoff, besteht. Als Kunststoff hierfür kann hier beispielsweise Polyoxymethylen (POM) verwendet werden. Hierdurch werden bei höheren Spannungen Überschläge bzw. ein elektrischer Kontakt zwischen der Kontakteinheit 5, die selbstverständlich aus einem leitenden Metall, beispielsweise aus Kupfer, besteht, und dem Gehäuse 3 vermieden, insbesondere während und nach dem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1. Als Gehäusematerial sind jedoch hier auch elektrisch nicht leitende Materialien wie Keramik, POM, PA6 oder ABS möglich, die jedoch in der Regel geeignet durch beispielsweise Rippen versteift werden müssen. Auch wird in diesen Fällen die Wandstärke des Gehäuses 3 üblicherweise dicker ausfallen als im Fall eines metallischen Gehäuses.
Die in 1 gezeichnete Schutzkappe 85 ist nur vorhanden, wenn das Gehäuse 3 durch eine Verschlussmutter 21 verschlossen wird. Bei Bedrückung des Gehäuses nach Auslösung würde hier das Gehäuserohr 3 im Durchmesser aufgehen (der Kraftfluss ist hier unterbrochen) und dabei das Gewinde hier außer Eingriff geraten, die Baugruppe damit aufplatzen. Die Schutzkappe 85 verhindert dieses Aufgehen und entfällt, wenn das Gehäuse 3 einstückig ist oder beidseitig an der hier dann vorhandenen Ringscheibe 21 und dem Verschluss 31 verschweißt wird.
Die Kontakteinheit 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein durch den Treibspiegel 25b im Stauchbereich bedrücktes Schaltrohr 9 ausgebildet, so dass es nur in dem Trenn- 27 und dem Stauchbereich 23 als Rohr ausgebildet ist. Das Schaltrohr 9 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Anschlusskontakt 11 mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Anschlusskontakt 13 mit einem geringeren Durchmesser. An den ersten Anschlusskontakt 11 schließt sich ein sich radial nach außen erstreckender Flansch 15 an, der sich an einem ringförmigen Isolatorelement A 17, welches aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, besteht, derart abstützt, dass das Schaltrohr 9 nicht in axialer Richtung aus dem Gehäuse 3 herausbewegt werden kann. Der hierfür eingesetzte Kunststoff kann Polyoxymethylen, ABS oder Nylon sein, jedoch sind auch Keramiken möglich und in Sonderfällen sinnvoll. Das Isolatorelement A 17 weist hierzu eine ringförmige Schulter auf, an welcher sich der Flansch 15 des Schaltrohrs 9 abstützt. Zusätzlich isoliert das Isolatorelement A 17 das Gehäuse gegenüber dem Schaltrohr 9. Das ringförmige Isolatorelement A 17 weist in einem axial äußeren Bereich einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Schaltrohrs 9 im Bereich des ersten Anschlusskontakts 11 entspricht. Hierdurch wird eine Dichtwirkung erzielt, die durch ein zusätzliches, ringförmiges Dichtelement 19, beispielsweise einen O-Ring, verstärkt wird. Das Isolatorelement A 17 kann auch mit dem Schaltrohr 9 über eine Presspassung verbunden oder auf dieses aufgespritzt sein. Das Isolatorelement A 17 und damit das Schaltrohr 9 bzw. die Kontakteinheit 5 wird an der betreffenden Stirnseite des Unterbrechungsschaltglieds 1 mittels einer Verschlussmutter 21 oder einer eingeschweißten Ringscheibe 21 im Gehäuse 3 gehalten bzw. auf diese Weise im Gehäuse 3 fixiert. Die Verschlussmutter 21 oder die Ringscheibe 21 kann aus Metall, vorzugsweise Stahl, bestehen. Hierdurch ist auch sichergestellt, dass das Schaltrohr bei einem Erweichen oder Verbrennen der Kunststoffteile des Unterbrechungsschaltglieds 1 nicht aus dem Gehäuse austreten kann, selbst wenn in diesem Zustand noch ein Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1 bewirkt wird. Denn der Außendurchmesser des Flanschs 15 ist größer gewählt als der Innendurchmesser der Verschlussmutter 21.
Selbstverständlich kann das Gehäuse 3 jedoch auch an der in 1 links dargestellten Stirnseite bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 derart umgeformt werden, dass ein sich radial einwärts erstreckender Teil des Gehäuses das Isolatorelement 17 fixiert. Besteht das Gehäuse aus Kunststoff, so kann auch das Isolatorelement 17 entfallen.
Das Schaltrohr 9 weist einen sich an den Flansch 15 in der Achse des Schaltrohrs 9 anschließenden Stauchbereich 23 auf. Die Wandstärke des Schaltrohrs 9 ist im Stauchbereich 23, der eine vorbestimmte axiale Ausdehnung aufweist, so gewählt und auf das Material abgestimmt, dass sich bei einem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1 infolge einer plastischen Deformation des Schaltrohrs 9 im Stauchbereich 23 eine Verkürzung des Stauchbereichs in axialer Richtung um eine vorbestimmte Wegstrecke ergibt.
An den Stauchbereich 23 schließt sich in axialer Richtung des Schaltrohrs 9 ein Flansch 25a an, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treibspiegel 25b sitzt. Der Treibspiegel 25b, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Isoliermaterial, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff, besteht, umgreift das Schaltrohr 9 mit seinem Teil 25b derart, dass zwischen dem Außenumfang des Flanschs 25a und der Innenwandung des Gehäuses 3 ein isolierender Bereich des Treibspiegels 25b eingreift. Wirkt ein Druck auf die Fläche des Treibspiegels 25b ein, wird eine Kraft erzeugt, die über den Flansch 25a den Stauchbereich 23 des Schaltrohres 9 zusammenpresst. Diese Kraft wird so gewählt, dass sich während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds 1 ein Stauchen des Stauchbereichs 23 ergibt, wobei der Treibspiegel 25b aus seiner Ausgangslage (Status vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1) in eine Endposition (nach Beendigung des Schaltvorgangs) bewegt wird.
Wie aus 1 ersichtlich, kann der Treibspiegelteil 25b so gewählt werden, dass dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 3 entspricht, so dass eine axiale Führung des Flanschs 25a und damit auch eine axial geführte Stauchbewegung während des Schaltvorgangs erreicht wird.
Nach dem Pressvorgang greifen die nahe dem Gehäuse liegenden Nasen des Isolators 17 und des Treibspiegels 25b voll übereinander, so dass das nach der Auslösung und dem Stauchvorgang mäanderförmig zusammengeschobene Stauchbereich 23 voll von elektrisch isolierenden Materialien umschlossen ist.
An den Treibspiegel 25b bzw. dem Flanschteil 25a des Schaltrohrs 9 bzw. der Kontakteinheit 5 schließt sich ein Trennbereich 27 an, welcher in axialer Richtung vorzugsweise wiederum zu einem Flansch 29 des Schaltrohrs 9 benachbart ist. An den Flansch 29 schließt sich dann der zweite Anschlusskontakt 13 des Schaltrohrs 9 an. Der Flansch 29 dient wiederum dazu, das Schaltrohr 9 bzw. die Kontakteinheit 5 in axialer Richtung sicher im Gehäuse 3 zu fixieren. Hierzu dient ein sich radial nach innen erstreckender Ringbereich des Gehäuses 3 (nicht mit Bezugszeichen versehen) und ein Verschluss 31, welcher zwischen einer entsprechenden Anschlagsfläche des Flanschs 29, der Innenwandung des stirnseitigen Ringbereichs 3a des Gehäuses 3 und der axialen Innenwandung des Gehäuses 3 vorgesehen ist und welcher den zweiten Anschlusskontakt des Schaltrohrs 9 ringförmig umgreift. Der Flansch kann – wie in 1 gezeigt – in axialer Richtung in den Verschluss 31 eingreifen. Alternativ dazu kann er auch in axialer Richtung auf den Verschluss 31 aufgesetzt sein (siehe 3 bis 6). Der Verschluss 31 kann aus Metall, insbesondere Stahl bestehen.
Wenn der Verschluss 31 nicht aus einem Metall oder einer Keramik besteht, sondern aus einem Kunststoff, muss nach dem Flansch 29 eine Metallscheibe mit einem Durchmesser, der größer ist als die rechte Öffnung des Gehäuses eingebracht sein, um im Brandfall zu verhindern – im Brandfall sind ja die Kunststoffteile nicht mehr da –, dass Teile aus dem Gehäuse austreten.
Sind das Gehäuse 3, der Verschluss 31 und die Verschlussmutter/Ringscheibe 23 aus Stahl, so ist es möglich, diese Teile per Elektronenstrahl- oder Ultraschallschweißen miteinander zu verbinden. Auch ein Verbinden per Laserstrahl ist möglich.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treibspiegel 25b bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 von der Seite des Anschlusskontakts 13 her auf das Schaltrohr 9 aufgeschoben und muss daher so dimensioniert sein, dass sein Innendurchmesser größer oder gleich dem Außendurchmesser des Flanschs 29 ist.
Der Verschluss 31 ist als ein ringförmiges Bauteil gestaltet, welches einen Außendurchmesser besitzt, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 3 entspricht, und einen Innendurchmesser, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Flanschs 29 bzw. dem zweiten Anschlusskontakt 13 entspricht.
In dem axialen Ende des Schaltrohrs 9 im Bereich des zweiten Anschlusskontakts 13 ist eine Anzündvorrichtung 35 mit pyrotechnischem Material vorgesehen, hier oft auch als Minidetonator oder Zünderschraube benannt. Der Außenumfang der Anzündvorrichtung 35 ist gegenüber der Innenwandung des Schaltrohrs 9 bzw. des zweiten Anschlusskontakts 13 mit einem Dichtelement (dunkles kreisförmiges Element in Aussparung), beispielsweise einem O-Ring, abgedichtet. Zur axialen Fixierung der Anzündvorrichtung 35 kann in der Innenwandung des Schaltrohrs 9 bzw. des zweiten Anschlusskontakts 13 eine kleine Schulter vorgesehen sein, wobei die Anzündvorrichtung bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 bis an die Schulter heran in das Schaltrohr 9 eingeschoben wird. Zur axialen Fixierung der Anzündvorrichtung 35 wird dann ein Verschlusselement 39 in den zweiten Anschlusskontakt 13 eingeschraubt. Durch einen Durchbruch des ringförmigen Verschlusses 31 können die elektrischen Anschlussleitungen 41 der Anzündvorrichtungen 35 nach außen geführt werden. Zur vollständigen Abdichtung und Fixierung kann der Innenraum des Verschlusselements 39 vergossen sein, insbesondere mit einem geeigneten Epoxidharz. Dieses dient dann gleichzeitig zur Zugentlastung der Anschlussleitungen 41. In dem Bereich des Einmündens der Anschlussleitungen 41 in die Anzündvorrichtung 35 können die Anschlussleitungen mit einer Vergussmasse 57 fixiert sein. Das Verschlusselement 39 ist in der 1 mit einem Gewinde versehen, um es in den zweiten Anschlusskontakt 13 des Schaltrohrs 9 einschrauben zu können, jedoch wird es später bei einer Serienausführung der Baugruppe aus Kostengründen nur in den vorzugsweise als Rohrteil ausgebildeten zweiten Anschlusskontakt 13 eingeschoben und dann eingebördelt, geclincht oder eingerollt.
Der Verschluss 31 kann aus einem Metall, insbesondere Stahl, bestehen. Dies hat den Vorteil der Potentialanbindung des Gehäuses 3 an den zweiten Anschlusskontakt 13. Auf diese Weise „weiß das Gehäuse, wo es hinsichtlich des Potentials hingehört“. Letzteres ist wichtig in Hochspannungsschaltkreisen, um keine unerwünschten Lichtbögen mit nicht potentialangebundenen Teilen zu erhalten. Außerdem schirmt das Gehäuse 3 den inneren Bereich des Unterbrechungsschaltglieds 1 gegen elektromagnetische Strahlung, z.B. einen Radarstrahl ab.
Der Trennbereich 27 ist so dimensioniert, dass er durch den erzeugten Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle des Minidetonators 35 zumindest teilweise aufreißt, so dass sich der Druck bzw. die Stoßwelle auch aus der einen Kammer (Brennkammer 61) in die als umgebenden Ringraum ausgestaltete weitere Kammer 63 ausbreiten kann. Zur Erleichterung des Aufreißens kann die Wandung des Schaltrohrs 9 im Trennbereich 27 auch einen oder mehrere Durchbrüche bzw. Bohrungen aufweisen. Zudem kann auch an dem Trennbereich 27 auf der Seite der weiteren Kammer 63 eine Anzündmischung 43 vorgesehen sein. Die Durchbrüche und die Anzündmischung sind dabei vorzugsweise mit einem Schutzlack 55 (beispielhaft gezeigt in 5) überzogen. Die Anzündmischung 43 kann auch zum Schutz gegen die Einflüsse des Füllmaterials mit einer Naturgummischicht überzogen sein. Die Anzündmischung 43 kann dazu dienen, bei ausfallender Ansteuerung des Minidetonators 35 eine passive Abschaltung zu bewirken, d.h. den Trennbereich 27 zu trennen, ohne dass die Anzündvorrichtung 35 aktiv ausgelöst worden wäre: Bei Überstrom erwärmt sich insbesondere der Mittelteil des Trennbereichs 27 sehr stark und sehr schnell und zündet hierbei bei Erreichen der Zündtemperatur die Anzündmischung, die dann wieder die Anzündvorrichtung 35 bzw. das pyrotechnische Material geeignet mitzündet.
Die Anzündmischung 43 kann ebenfalls bereits eine Zündmischung sein, die bereits für sich alleine bei Erwärmung bis an ihre Zündtemperatur eine Stoßwelle erzeugt und damit bereits den Trennbereich – hier jetzt nach innen – aufreißt und dann den Treibspiegel bedrückt. Eine Mitwirkung bzw. Mitzündung der Anzündvorrichtung 35 bzw. des Minidetonators wäre in diesem Fall also gar nicht notwendig. Will man die Baugruppe nicht aktiv auslösen, würde auch bereits diese Zündmischung ausreichen, um den Schaltsteg zu trennen und den Stauchbereich 23 des Schaltrohres 9 zu stauchen.
Die Anzündvorrichtung 35 zum Zünden des pyrotechnischen Materials (Anzündvorrichtung) kann aus einem einfachen, schnell aufheizbaren Glühdraht bestehen. Die Aktivierung der Anzündvorrichtung kann durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung erfolgen. Selbstverständlich kann die Anzündvorrichtung 35 jedoch auch in beliebiger anderer Weise ausgebildet sein, die eine Aktivierung des pyrotechnischen Materials bewirkt, auch in Form eines herkömmlichen Anzünders, einer Anzündpillle, einer Zündpille oder eines Minidetonators.
Zusätzlich oder stattdessen kann ein passives Aktivieren des Unterbrechungsschaltglieds 1 vorgesehen sein. Hierzu wird die Temperaturerhöhung des Materials des Schaltrohrs 9 im Trennbereich 27 ausgenutzt. In diesem Fall sollte ein möglichst unmittelbarer Kontakt zwischen dem pyrotechnischen Material und der Innenwandung und/oder Außenwandung des Schaltrohrs 9 im Trennbereich 27 gegeben sein. Zusätzlich kann auch ein leichter aktivierbares Material, insbesondere eine Anzünd- oder Zündmischung, in unmittelbarer Nähe oder aufgebracht auf die Innenwandung und/oder Außenwandung des Trennbereichs vorgesehen sein.
1 zeigt eine derartige Schicht einer Anzündmischung 43, die pastös auf die Außenwandung des Trennbereichs aufgebracht ist. Wird ein Füllmaterial eingefüllt, muss diese Anzündmischung beispielsweise durch eine Epoxidharz- oder Naturgummischicht allseitig gegen das Füllmaterial geschützt werden.
Der elektrische Widerstand und damit auch das thermische Verhalten des Trennbereichs 27 kann durch das Vorsehen von Durchbrüchen in der Wandung des Trennbereichs 27 (selbstverständlich in Verbindung mit der Wandstärke des Trennbereichs und der Dimensionierung der Radien an den Übergängen des Trennbereichs, die wesentlich den Wärmeabfluss aus dem Trennbereich und dessen Aufreißverhalten bestimmen) beeinflusst werden. Hierdurch kann das Strom-Zeit-Integral definiert bzw. eingestellt werden, bei dem das Unterbrechungsschaltglied 1 passiv auslöst. Auch die Trägheit kann durch eine derartige Dimensionierung beeinflusst werden.
Bei einer Aktivierung des Unterbrechungsschaltglieds 1 mittels der Anzündvorrichtung 35 oder mittels einer passiven Aktivierung wird also ein Druck oder eine Stoßwelle an der dem Stauchbereich 23 abgewandten Seite des Treibspiegels 25b erzeugt, wodurch der Treibspiegel mit einer entsprechenden Axialkraft beaufschlagt wird. Diese Kraft wird durch eine geeignete Dimensionierung des pyrotechnischen Materials so gewählt, dass das Schaltrohr 9 im Stauchbereich 23 plastisch deformiert, aufgerissen oder eingedrückt und danach der Treibspiegel in Richtung auf den ersten Anschlusskontakt 11 bewegt wird. Das pyrotechnische Material wird dabei so dimensioniert, dass nach dem Aufbrechen bzw. Eindrücken des Trennbereichs 27 des Schaltrohres 9 die Bewegung des Treibspiegels 25b bis in die in 6 dargestellte Endposition erfolgt.
Unmittelbar nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials wird also der Trennbereich 27 zumindest teilweise aufgerissen bzw. eingedrückt. Erfolgt das Aufreißen bzw. Eindrücken nicht bereits vor Beginn der axialen Bewegung des Treibspiegels 25b über den vollständigen Umfang des Trennbereichs 27, so wird ein verbleibender Rest des Trennbereichs, der noch einen elektrischen Kontakt verursacht, durch die axiale Bewegung des Treibspiegels 25b vollständig aufgerissen.
Abhängig von der Dimensionierung des Trennbereichs und des pyrotechnischen Materials ist es auch denkbar, dass der Trennbereich nach dem Aktivieren zunächst nicht aufreißt, sondern der Gasdruck nur durch entsprechende Öffnungen in der Wandung des Trennbereichs auch in dem den Trennbereich 27 umgebenden Ringbereich wirkt. Das Aufreißen des Trennbereichs 27 kann dann im Wesentlichen nur durch die axiale Kraft auf den Treibspiegel 25b erfolgen, welche auch zu dessen axialer Bewegung führt.
Durch entsprechende Wahl des pyrotechnischen Materials und ggf. der von dieser umfassten Anzündmischung kann zudem das Aufbrechverhalten weiter gesteuert werden.
Insbesondere der durch den Abbrand erzeugte Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle kann durch das Einbringen von leicht vergasbaren Flüssigkeiten oder Feststoffen in den Raum, in welchem das pyrotechnische Material enthalten ist oder in welchen die erzeugten Heißgase eindringen, gut gesteuert werden. So erhöht insbesondere Wasser, gelöst im Füllmaterial oder in Form von Mikrokapseln, Gelen etc., den Gasdruck beträchtlich. Eine so bewirkte Erhöhung des Gasdrucks kann noch extremer ausfallen, wenn das in die Brennkammer eingebrachte Wasser zum Siedeverzug gebracht wird, insbesondere dadurch, dass das stark erhitzte Wasser beim Aufbrechen des Trennbereichs 27 einen Drucksturz erfährt.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich in der Brennkammer 61 und in der weiteren Kammer 63 ein Füllmaterial 45, das bei der Detonation bzw. Deflagration der Pyrotechnische Material die Stoßwellenausbreitung begünstigt, so dass auf diese Weise weniger aktivierbares Material verwendet werden muss und die Wände des Trennbereichs 27 ausreichend dick gehalten werden können, so dass die Baugruppe auch noch bei hohen Betriebsströmen eingesetzt werden kann. Das Füllmaterial ist vorzugsweise gleichzeitig ein Löschmaterial, so dass dieses nach dem Schalten des Unterbrechungsschaltgliedes das Entstehen eines Lichtbogens zwischen den getrennten Enden des Trennbereichs 27 – wenn schon nicht ganz verhindern –, so dessen Ausbildung aber dämpfen und abkühlen bzw. zum Erlöschen bringen kann.
Zum Einfüllen des Füllmaterials 45 in die weitere Kammer 63 kann das Unterbrechungsschaltglied eine Gehäusebohrung 71 und eine Gewindebohrung 73 aufweisen, wobei die Gewindebohrung 73 im Verschluss 31 vorliegt und sich an die Gehäusebohrung anschließt, so dass ein Durchgang durch das Gehäuse und den Verschluss 31 von außen in die weitere Kammer 63 vorhanden ist. Nach dem Befüllen der weiteren Kammer werden die Bohrungen beispielsweise mit einer Schraube verschlossen. Selbstverständlich können diese Öffnungen auch durch ein anderes herkömmliches Verfahren verschlossen werden wie z.B. das Einpressen einer Kugel, durch Verlöten oder Verschweißen. Durch den Einsatz einer Membran hier könnte zusätzlich eine Art Überlastventil geschaffen werden, das bei Überlastung der Baugruppe, d.h. bei einem zu starken Druckaufbau im Gehäuse 3, aufgeht, bevor das Gehäuse zerstört wird. In diesem Fall würde man evtl. auch mehr als eine Bohrung bzw. Membran im Verschluss vorsehen, um den im Überlastfall notwendigen, austretenden Massenstrom an Fluid und Gas sicherzustellen. In anderen Worten kann also das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ein Überlastventil aufweisen, das zwischen dem Äußeren des Gehäuses und der weiteren Kammer vorgesehen ist.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied, das im Wesentlichen identisch zu dem Unterbrechungsschaltglied in 1 ist, jedoch im Inneren des Schaltrohrs 9 auf der dem ersten Anschlusskontakt 11 zugewandten axialen Seite ein Isolatorelement B 53 als Füllstück aufweist, durch das vom äußeren Raum des Unterbrechungsschaltglieds bis in die noch weitere Kammer 65 ein dritter Anschlusskontakt 81, die so genannte Mittelelektrode, geführt werden kann, der vorzugsweise ein aufgespleißtes oder aufgesplittetes Ende 83 aufweist. Das Isolatorelement B 53 dient auch als Verschluss für die noch weitere Kammer 65. Das Isolatorelement B 53 ist vorzugsweise als zylindrisches Teil ausgebildet. Das Isolatorelement B 53 kann aus einem Kunststoff, wie bspw. PEEK, Polyoxymethylen, ABS oder Nylon sein. Das zylindrische Isolatorelement B 53 wird in den hohlzylindrischen ersten Anschlusskontakt 11 eingepresst. Das Isolatorelement B 53 weist vorzugsweise Aussparungen 37 zur Aufnahme von Dichtelementen auf, die eine Abdichtung zwischen der axialen Außenwandung des Isolatorelements B 53 und der Innenwandung des ersten Anschlusskontakts 11 bewirken. In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Brennkammer 61 und die noch weitere Kammer 63 mit dem Füllmaterial 45 gefüllt, während die noch weitere Kammer 65 nicht mit Füllmaterial gefüllt ist. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch denkbar, die noch weitere Kammer 65 ebenso mit dem Füllmaterial 45 zu füllen. Es ist erfindungsgemäß auch denkbar, dass keine der Kammern 61, 63 und 65 mit einem Füllmaterial gefüllt ist. Auch denkbar ist, dass anstelle der Mittelelektrode 81 nur eine Dichtschraube (nicht gezeichnet) eingesetzt ist.
Die 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied, das im Wesentlichen identisch zu dem Unterbrechungsschaltglied der 2 aufgebaut ist. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist nur die Brennkammer 61 mit dem Füllmaterial 45 gefüllt. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform befindet sich kein Füllmaterial 45 in der weiteren Kammer 63. Wird infolge der Detonation oder der Deflagration des pyrotechnischen Materials der Trennbereich 27 aufgerissen, so kann sich das Füllmaterial 45 aus der Brennkammer 61 auch in der noch weiteren Kammer 65 verteilen. Auf diese Weise kann das Füllmaterial 45 auch als Löschmittel fungieren und die Entstehung eines Lichtbogens zwischen den beiden getrennten Enden des Trennbereichs 27 verhindern oder zumindest stark behindern. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass der Flansch 29 in der in 3 gezeigten Ausführungsform auf den Verschluss 31 aufgesetzt und nicht wie in der Ausführungsform der 2 versenkt vorliegt.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch zu der in 3 gezeigten Ausführungsform, mit dem einzigen Unterschied, dass kein Füllmaterial 45 in der Brennkammer 61, jedoch Füllmaterial 45 nur in der weiteren Kammer 63 vorliegt. Hier kommt es infolge der Detonation oder der Deflagration des pyrotechnische Material zu einem Druckaufbau in der Brennkammer 61, so dass der Trennbereich 27 ganz oder teilweise in Richtung der weiteren Kammer 63 aufgerissen wird, so dass sich danach eine Stoßwelle durch das Füllmaterial 45 ausbreiten kann, die auf den Treibspiegel 25b wirkt. Gleichzeitig kann Füllmaterial 45 auch in den Bereich der Brennkammer 61 eindringen, so dass dieses als Löschmittel zur Verhinderung bzw. Behinderung eines Lichtbogens zwischen den getrennten Enden des Trennbereichs dienen kann.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied 1, das einen Kanal 49 der Kontakteinheit 5 aufweist, der sich unterhalb des Treibspiegels 25b, insbesondere im Flansch 25a, vorzugsweise mittig in axialer Richtung erstreckt und die Brennkammer 61 mit der noch weiteren Kammer 65 verbindet. Somit ist die Kontakteinheit 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel weiter als durchgängiges Schaltrohr 9 ausgebildet. In dieser Ausführungsform kann sowohl die Brennkammer 61, der Kanal 49, die noch weitere Kammer 65 und die weitere Kammer 63 mit dem Füllmaterial 45 gefüllt sein. Alle weiteren Ausgestaltungen der in 5 gezeigten Ausführungsform sind im Wesentlichen identisch mit den in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen. Der Kanal 49 stellt sicher, dass bei der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 und der damit verbundenen Bewegung des Treibspiegels 25 von der Ausgangsposition in die Endposition das sich vergrößernde Volumen im Bereich der Brennkammer 61 und der weiteren Kammer 63 auch mit Füllmaterial 45 nachgefüllt wird. Durch die Bewegung des Treibspiegels 25 von der Ausgangsposition in die Endposition wird Füllmaterial 45 in der noch weiteren Kammer 65 zusammengepresst und durch den Kanal 49 in Richtung des Bereichs der Brennkammer 61 und hier direkt auf die Trennstelle 27 gespritzt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass kein Lichtbogen zwischen den getrennten Teilen des Trennbereichs 27 entsteht bzw. zumindest stark bedämpft wird.
Wie aus 6 ersichtlich wird, die den Endzustand der Kontakteinheit 5 bzw. des Schaltrohres 9 nach einer Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 darstellt, wird der Stauchbereich 23 der Kontakteinheit 5 vorzugsweise so ausgebildet, dass die Wandung des Kontaktrohrs 9 im Stauchbereich 23 mäanderförmig gefaltet wird. Die mäanderförmige Faltung soll dabei vorzugsweise überwiegend außerhalb der noch weiteren Kammer 65 erfolgen, um zu vermeiden, dass sich ein gefalteter Bereich vor die Eintrittsöffnung des Kanals 49 legt und das Auspressen des Füllmittels 45 verhindert. Das Falten in einem Bereich außerhalb des Aufnahmevolumens wird jedoch ohnehin durch den sich bei der Stauchung des Schaltrohrs 9 ergebenden Innendruck des Füllmittels 45 präferiert, ohne dass hierfür zusätzliche Maßnahmen, wie Sollknickstellen oder dergleichen, vorgesehen sein müssen. Selbstverständlich können jedoch durch solche zusätzlichen Maßnahmen die gewünschten Falteigenschaften erzeugt oder optimiert werden. Insbesondere können Sollknickstellen durch entsprechende Strukturierungen des Stauchbereichs 23 an der Außen- und/oder Innenwandung eingebracht werden. Die im Endzustand ineinander greifenden axialen Vorsprünge des Isolatorelements A 17 und des zweiten Treibspiegelteils 25b sind dabei hinsichtlich ihrer axialen Länge auch so ausgebildet, dass durch diese während des Stauchvorgangs und im Endzustand ein Berühren der radial außenliegenden Teile des gefalteten Bereichs der Wandung des Schaltrohrs 9 mit der Innenwandung des Gehäuses 3 verhindert wird. Hierdurch wird eine Beschädigung der Isolierschicht 7 verhindert, wenn eine solche an der Innenwandung des Gehäuses 3 vorgesehen ist.
Bei Varianten ohne eine derartige Isolierschicht 7 wird hierdurch auch verhindert, dass ein metallisches Gehäuse 3 nach der Auslösung ungewollt auf dasselbe elektrische Potential gelegt wird wie der erste Anschlusskontakt 11.
Die 6 zeigt nur exemplarisch den Endzustand eines Unterbrechungsschaltglieds nach 5. Abgesehen von den geringen Änderungen im Aufbau (Fehlen des Kanals 49) ist der Endzustand der Unterbrechungsschaltglieder nach den 2 bis 4 identisch.
Die in 7 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 umfasst wie die vorher beschriebenen Ausführungsformen ein Gehäuse 3, in welchem eine Kontakteinheit 5 angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist so ausgebildet, dass es einem innerhalb des Gehäuses erzeugten Druck, der bei einer pyrotechnischen Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 erzeugt wird, standhält, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar eines Aufplatzens besteht. Das Gehäuse kann insbesondere aus einem geeigneten Metall bestehen. In diesem Fall kann an der Innenwandung des Gehäuses eine Isolierschicht 7 vorgesehen sein, die aus einem geeigneten Isolierstoff, beispielsweise einem Kunststoff, besteht. Hierdurch werden bei höheren Spannungen Überschläge bzw. ein elektrischer Kontakt zwischen der Kontakteinheit 5, die selbstverständlich aus einem leitenden Metall, beispielsweise aus Kupfer, besteht und dem Gehäuse 3 vermieden, insbesondere während und nach dem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1. Auch kann das Gehäuse insgesamt aus einem isolierenden Material, insbesondere aus Keramik oder einem geeigneten Kunststoff, bestehen. In diesem Fall wird die Wandstärke des Gehäuses 3 üblicherweise dicker ausfallen als im Fall eines metallischen Gehäuses, auch müssen dann hier in der Regel Versteifungsrippen eingebracht werden.
Die Kontakteinheit 5 ist jedoch im dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich des ersten Anschlusskontaktes 11, im Bereich 23 und im Bereich des Beaufschlagungselements 25 im Gegensatz zu den bisher ausgeführten Ausführungsformen massiv ausgestaltet. Nur in dem Trennbereich 27 ist die Kontakteinheit 5 wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen als Rohr ausgebildet.
Der Vorteil dieser Ausführungsform, bei der kein Stauchen des früheren Stauchbereichs 23 vorhanden ist liegt darin, dass nach dem Aufbrechen des Trennbereichs hier kein Fluid durch die Bewegung des Treibspiegels 25b dem Trennbereich entzogen wird, der gesamte Schaltvorgang also quasi stationär erfolgt. Damit wird der Abschaltvorgang schneller abgeschlossen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Einschleifwiderstand der Baugruppe, also der ohmsche Widerstand zwischen den Anschlusskontaktbereichen 11 und 13, hier minimal ist und auch bei hohen Betriebsströmen hier deutlich weniger Verlustwärme erzeugt wird, die abgeführt werden müsste – das bei den anderen Ausführungen der Baugruppe relativ dünne Material im Stauchbereich 23 ist ja hier massives Metall. Als Nachteil lässt sich hier der relativ geringe Trennabstand nach der Auslösung der Baugruppe anführen und die relativ geringe Bewegung des Füllmaterials während des Schaltvorgangs.
Die in 8 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 umfasst ein Gehäuse 3, in welchem eine Kontakteinheit 5, auch Verbindungselement genannt, angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist so ausgebildet, dass es einem innerhalb des Gehäuses erzeugten Druck, der bei einer pyrotechnischen Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 erzeugt wird, standhält, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar eines Aufplatzens besteht. Das Gehäuse kann insbesondere aus einem geeigneten Metall, vorzugsweise Stahl, bestehen. In diesem Fall kann an der Innenwandung des Gehäuses eine Isolierschicht 7 vorgesehen sein, die aus einem geeigneten Isolierstoff, beispielsweise einem Kunststoff, besteht. Als Kunststoff hierfür kann hier beispielsweise Polyoxymethylen verwendet werden. Hierdurch werden bei höheren Spannungen Überschläge bzw. ein elektrischer Kontakt zwischen der Kontakteinheit 5, die selbstverständlich aus einem leitenden Metall, beispielsweise aus Kupfer, besteht, und dem Gehäuse 3 vermieden, insbesondere während und nach dem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1. Als Gehäusematerial sind jedoch hier auch elektrisch nicht leitende Materialien wie Keramik, POM, PA6 oder ABS möglich, die jedoch in der Regel geeignet durch beispielsweise Rippen versteift werden müssen. Auch wird in diesen Fällen die Wandstärke des Gehäuses 3 üblicherweise dicker ausfallen als im Fall eines metallischen Gehäuses.
Die Kontakteinheit 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein durch den Treibspiegel 25b im Stauchbereich bedrücktes Schaltrohr 9 ausgebildet, so dass es nur in dem Trenn- 27 und dem Stauchbereich 23 als Rohr ausgebildet ist. Das Schaltrohr 9 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Anschlusskontakt 11 mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Anschlusskontakt 13 mit einem geringeren Durchmesser. An den ersten Anschlusskontakt 11 schließt sich ein sich radial nach außen erstreckender Flansch 15 an, der sich an einem ringförmigen Isolatorelement A 17, welches aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, besteht, derart abstützt, dass das Schaltrohr 9 nicht in axialer Richtung aus dem Gehäuse 3 herausbewegt werden kann. Der hierfür eingesetzte Kunststoff kann Polyoxymethylen, ABS oder Nylon sein, jedoch sind auch Keramiken möglich und in Sonderfällen sinnvoll. Das Isolatorelement A 17 weist hierzu eine ringförmige Schulter auf, an welcher sich der Flansch 15 des Schaltrohrs 9 abstützt. Zusätzlich isoliert das Isolatorelement A 17 das Gehäuse gegenüber dem Schaltrohr 9. Das ringförmige Isolatorelement A 17 weist in einem axial äußeren Bereich einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Schaltrohrs 9 im Bereich des ersten Anschlusskontakts 11 entspricht. Hierdurch wird eine Dichtwirkung erzielt, die durch ein zusätzliches, ringförmiges Dichtelement 19, beispielsweise einen O-Ring, verstärkt wird. Das Isolatorelement A 17 kann auch mit dem Schaltrohr 9 über eine Presspassung verbunden oder auf dieses aufgespritzt sein. Das Isolatorelement A 17 und damit das Schaltrohr 9 bzw. die Kontakteinheit 5 wird an der betreffenden Stirnseite des Unterbrechungsschaltglieds 1 mittels einer Verschlussmutter 21 oder einer eingeschweißten Ringscheibe 21 im Gehäuse 3 gehalten bzw. auf diese Weise im Gehäuse 3 fixiert. Die Verschlussmutter 21 oder die Ringscheibe 21 kann aus Metall, vorzugsweise Stahl, bestehen. Hierdurch ist auch sichergestellt, dass das Schaltrohr bei einem Erweichen oder Verbrennen der Kunststoffteile des Unterbrechungsschaltglieds 1 nicht aus dem Gehäuse austreten kann, selbst wenn in diesem Zustand noch ein Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1 bewirkt wird. Denn der Außendurchmesser des Flanschs 15 ist größer gewählt als der Innendurchmesser der Verschlussmutter 21.
Selbstverständlich kann das Gehäuse 3 jedoch auch an der in 8 links dargestellten Stirnseite bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 derart umgeformt werden, dass ein sich radial einwärts erstreckender Teil des Gehäuses das Isolatorelement 17 fixiert. Besteht das Gehäuse aus Kunststoff, so kann auch das Isolatorelement 17 entfallen.
Das Schaltrohr 9 weist einen sich an den Flansch 15 in der Achse des Schaltrohrs 9 anschließenden Stauchbereich 23 auf. Die Wandstärke des Schaltrohrs 9 ist im Stauchbereich 23, der eine vorbestimmte axiale Ausdehnung aufweist, so gewählt und auf das Material abgestimmt, dass sich bei einem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1 infolge einer plastischen Deformation des Schaltrohrs 9 im Stauchbereich 23 eine Verkürzung des Stauchbereichs in axialer Richtung um eine vorbestimmte Wegstrecke ergibt.
An den Stauchbereich 23 schließt sich in axialer Richtung des Schaltrohrs 9 ein Flansch 25a an, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treibspiegel 25b sitzt. Der Treibspiegel 25b, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Isoliermaterial, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff, besteht, umgreift das Schaltrohr 9 mit seinem Teil 25b derart, dass zwischen dem Außenumfang des Flanschs 25a und der Innenwandung des Gehäuses 3 ein isolierender Bereich des Treibspiegels 25b eingreift. Wirkt ein Druck auf die Fläche des Treibspiegels 25b ein, wird eine Kraft erzeugt, die über den Flansch 25a den Stauchbereich 23 des Schaltrohres 9 zusammenpresst. Diese Kraft wird so gewählt, dass sich während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds 1 ein Stauchen des Stauchbereichs 23 ergibt, wobei der Treibspiegel 25b aus seiner Ausgangslage (Status vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1) in eine Endposition (nach Beendigung des Schaltvorgangs) bewegt wird.
Wie aus 8 ersichtlich, kann der Treibspiegelteil 25b so gewählt werden, dass dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 3 entspricht, so dass eine axiale Führung des Flanschs 25a und damit auch eine axial geführte Stauchbewegung während des Schaltvorgangs erreicht wird.
Nach dem Pressvorgang greifen die nahe dem Gehäuse liegenden Nasen des Isolators 17 und des Treibspiegels 25b voll übereinander, so dass das nach der Auslösung und dem Stauchvorgang mäanderförmig zusammengeschobene Stauchbereich 23 voll von elektrisch isolierenden Materialien umschlossen ist.
An den Treibspiegel 25b bzw. dem Flanschteil 25a des Schaltrohrs 9 bzw. der Kontakteinheit 5 schließt sich ein Trennbereich 27 an, welcher in axialer Richtung vorzugsweise wiederum zu einem Flansch 29 des Schaltrohrs 9 benachbart ist. An den Flansch 29 schließt sich dann der zweite Anschlusskontakt 13 des Schaltrohrs 9 an. Der Flansch 29 dient wiederum dazu, das Schaltrohr 9 bzw. die Kontakteinheit 5 in axialer Richtung sicher im Gehäuse 3 zu fixieren. Hierzu dient ein sich radial nach innen erstreckender Ringbereich des Gehäuses 3 (nicht mit Bezugszeichen versehen) und ein Verschluss 31, welcher zwischen einer entsprechenden Anschlagsfläche des Flanschs 29, der Innenwandung des stirnseitigen Ringbereichs 3a des Gehäuses 3 und der axialen Innenwandung des Gehäuses 3 vorgesehen ist und welcher den zweiten Anschlusskontakt des Schaltrohrs 9 ringförmig umgreift. Der Flansch kann – wie in 8 gezeigt – in axialer Richtung in den Verschluss 31 eingreifen. Alternativ dazu kann er auch in axialer Richtung auf den Verschluss 31 aufgesetzt sein (siehe 3 bis 6). Der Verschluss 31 kann aus Metall, insbesondere Stahl bestehen.
Wenn der Verschluss 31 nicht aus einem Metall oder einer Keramik besteht, sondern aus einem Kunststoff, muss nach dem Flansch 29 eine Metallscheibe mit einem Durchmesser, der größer ist als die rechte Öffnung des Gehäuses, eingebracht sein, um im Brandfall zu verhindern – im Brandfall sind ja die Kunststoffteile nicht mehr da –, dass Teile aus dem Gehäuse austreten.
Sind das Gehäuse 3, der Verschluss 31 und die Verschlussmutter/Ringscheibe 23 aus Stahl, so ist es möglich, diese Teile per Elektronenstrahl- oder Ultraschallschweißen miteinander zu verbinden. Auch ein Verbinden per Laserstrahl ist möglich.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treibspiegel 25b bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 von der Seite des Anschlusskontakts 13 her auf das Schaltrohr 9 aufgeschoben und muss daher so dimensioniert sein, dass sein Innendurchmesser größer oder gleich dem Außendurchmesser des Flanschs 29 ist.
Der Verschluss 31 ist als ein ringförmiges Bauteil gestaltet, welches einen Außendurchmesser besitzt, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 3 entspricht, und einen Innendurchmesser, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Flanschs 29 bzw. dem zweiten Anschlusskontakt 13 entspricht.
In dem axialen Ende des Schaltrohrs 9 im Bereich des zweiten Anschlusskontakts 13 ist eine Anzündvorrichtung 35 mit pyrotechnischem Material vorgesehen, hier oft auch als Minidetonator oder Zünderschraube benannt. Der Außenumfang der Anzündvorrichtung 35 ist gegenüber der Innenwandung des Schaltrohrs 9 bzw. des zweiten Anschlusskontakts 13 mit einem Dichtelement (dunkles kreisförmiges Element in Aussparung), beispielsweise einem O-Ring, abgedichtet. Zur axialen Fixierung der Anzündvorrichtung 35 kann in der Innenwandung des Schaltrohrs 9 bzw. des zweiten Anschlusskontakts 13 eine kleine Schulter vorgesehen sein, wobei die Anzündvorrichtung bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 bis an die Schulter heran in das Schaltrohr 9 eingeschoben wird. Zur axialen Fixierung der Anzündvorrichtung 35 wird dann ein Verschlusselement 39 in den zweiten Anschlusskontakt 13 eingeschraubt. Durch einen Durchbruch des ringförmigen Verschlusses 31 können die elektrischen Anschlussleitungen 41 der Anzündvorrichtungen 35 nach außen geführt werden. Zur vollständigen Abdichtung und Fixierung kann der Innenraum des Verschlusselements 39 vergossen sein, insbesondere mit einem geeigneten Epoxidharz. Dieses dient dann gleichzeitig zur Zugentlastung der Anschlussleitungen 41. In dem Bereich des Einmündens der Anschlussleitungen 41 in die Anzündvorrichtung 35 können die Anschlussleitungen mit einer Vergussmasse 57 fixiert sein. Das Verschlusselement 39 ist in der 8 mit einem Gewinde versehen, um es in den zweiten Anschlusskontakt 13 des Schaltrohrs 9 einschrauben zu können, jedoch wird es später bei einer Serienausführung der Baugruppe aus Kostengründen nur in den vorzugsweise als Rohrteil ausgebildeten zweiten Anschlusskontakt 13 eingeschoben und dann eingebördelt, geclincht oder eingerollt.
Der Verschluss 31 kann aus einem Metall, insbesondere Stahl, bestehen. Dies hat den Vorteil der Potentialanbindung des Gehäuses 3 an den zweiten Anschlusskontakt 13. Auf diese Weise „weiß das Gehäuse, wo es hinsichtlich des Potentials hingehört“. Letzteres ist wichtig in Hochspannungsschaltkreisen, um keine unerwünschten Lichtbögen mit nicht potentialangebundenen Teilen zu erhalten. Außerdem schirmt das Gehäuse 3 den inneren Bereich des Unterbrechungsschaltglieds 1 gegen elektromagnetische Strahlung, z.B. einen Radarstrahl ab.
Der Trennbereich 27 ist so dimensioniert, dass er durch den erzeugten Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle des Minidetonators 35 zumindest teilweise aufreißt, so dass sich der Druck bzw. die Stoßwelle auch aus der einen Kammer (Brennkammer 61) in die als umgebenden Ringraum ausgestaltete weitere Kammer 63 ausbreiten kann. Zur Erleichterung des Aufreißens kann die Wandung des Schaltrohrs 9 im Trennbereich 27 auch einen oder mehrere Durchbrüche bzw. Bohrungen aufweisen. Zudem kann auch an dem Trennbereich 27 auf der Seite der weiteren Kammer 63 eine Anzündmischung 43 vorgesehen sein. Die Durchbrüche und die Anzündmischung sind dabei vorzugsweise mit einem Schutzlack 55 (beispielhaft gezeigt in 5) überzogen. Die Anzündmischung 43 kann auch zum Schutz gegen die Einflüsse des Füllmaterials mit einer Naturgummischicht überzogen sein. Die Anzündmischung 43 kann dazu dienen, bei ausfallender Ansteuerung des Minidetonators 35 eine passive Abschaltung zu bewirken, d.h. den Trennbereich 27 zu trennen, ohne dass die Anzündvorrichtung 35 aktiv ausgelöst worden wäre: Bei Überstrom erwärmt sich insbesondere der Mittelteil des Trennbereichs 27 sehr stark und sehr schnell und zündet hierbei bei Erreichen der Zündtemperatur die Anzündmischung, die dann wieder die Anzündvorrichtung 35 bzw. das pyrotechnische Material geeignet mitzündet.
Die Anzündmischung 43 kann ebenfalls bereits eine Zündmischung sein, die bereits für sich alleine bei Erwärmung bis an ihre Zündtemperatur eine Stoßwelle erzeugt und damit bereits den Trennbereich – hier jetzt nach innen – aufreißt und dann den Treibspiegel bedrückt. Eine Mitwirkung bzw. Mitzündung der Anzündvorrichtung 35 bzw. des Minidetonators wäre in diesem Fall also gar nicht notwendig. Will man die Baugruppe nicht aktiv auslösen, würde auch bereits diese Zündmischung ausreichen, um den Schaltsteg zu trennen und den Stauchbereich 23 des Schaltrohres 9 zu stauchen.
Die Anzündvorrichtung 35 zum Zünden des pyrotechnischen Materials (Anzündvorrichtung) kann aus einem einfachen, schnell aufheizbaren Glühdraht bestehen. Die Aktivierung der Anzündvorrichtung kann durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung erfolgen. Selbstverständlich kann die Anzündvorrichtung 35 jedoch auch in beliebiger anderer Weise ausgebildet sein, die eine Aktivierung des pyrotechnischen Materials bewirkt, auch in Form eines herkömmlichen Anzünders, einer Anzündpillle, einer Zündpille oder eines Minidetonators.
Zusätzlich oder stattdessen kann ein passives Aktivieren des Unterbrechungsschaltglieds 1 vorgesehen sein. Hierzu wird die Temperaturerhöhung des Materials des Schaltrohrs 9 im Trennbereich 27 ausgenutzt. In diesem Fall sollte ein möglichst unmittelbarer Kontakt zwischen dem pyrotechnischen Material und der Innenwandung und/oder Außenwandung des Schaltrohrs 9 im Trennbereich 27 gegeben sein. Zusätzlich kann auch ein leichter aktivierbares Material, insbesondere eine Anzünd- oder Zündmischung, in unmittelbarer Nähe oder aufgebracht auf die Innenwandung und/oder Außenwandung des Trennbereichs vorgesehen sein.
8 zeigt eine derartige Schicht einer Anzündmischung 43, die pastös auf die Außenwandung des Trennbereichs aufgebracht ist. Wird ein Füllmaterial eingefüllt, muss diese Anzündmischung beispielsweise durch eine Epoxidharz- oder Naturgummischicht allseitig gegen das Füllmaterial geschützt werden.
Der elektrische Widerstand und damit auch das thermische Verhalten des Trennbereichs 27 kann durch das Vorsehen von Durchbrüchen in der Wandung des Trennbereichs 27 (selbstverständlich in Verbindung mit der Wandstärke des Trennbereichs und der Dimensionierung der Radien an den Übergängen des Trennbereichs, die wesentlich den Wärmeabfluss aus dem Trennbereich und dessen Aufreißverhalten bestimmen) beeinflusst werden. Hierdurch kann das Strom-Zeit-Integral definiert bzw. eingestellt werden, bei dem das Unterbrechungsschaltglied 1 passiv auslöst. Auch die Trägheit kann durch eine derartige Dimensionierung beeinflusst werden.
Bei einer Aktivierung des Unterbrechungsschaltglieds 1 mittels der Anzündvorrichtung 35 oder mittels einer passiven Aktivierung wird also ein Druck oder eine Stoßwelle an der dem Stauchbereich 23 abgewandten Seite des Treibspiegels 25b erzeugt, wodurch der Treibspiegel mit einer entsprechenden Axialkraft beaufschlagt wird. Diese Kraft wird durch eine geeignete Dimensionierung des pyrotechnischen Materials so gewählt, dass das Schaltrohr 9 im Stauchbereich 23 plastisch deformiert und demzufolge der Treibspiegel in Richtung auf den ersten Anschlusskontakt 11 bewegt wird. Das pyrotechnische Material wird dabei so dimensioniert, dass nach dem Aufbrechen des Trennbereichs 27 des Schaltrohres 9 die Bewegung des Treibspiegels 25b bis in die in 6 dargestellte Endposition erfolgt.
Unmittelbar nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials wird also der Trennbereich 27 zumindest teilweise aufgerissen. Erfolgt das Aufreißen nicht bereits vor Beginn der axialen Bewegung des Treibspiegels 25b über den vollständigen Umfang des Trennbereichs 27, so wird ein verbleibender Rest des Trennbereichs, der noch einen elektrischen Kontakt verursacht, durch die axiale Bewegung des Treibspiegels 25b vollständig aufgerissen.
Abhängig von der Dimensionierung des Trennbereichs und des pyrotechnischen Materials ist es auch denkbar, dass der Trennbereich nach dem Aktivieren zunächst nicht aufreißt, sondern der Gasdruck nur durch entsprechende Öffnungen in der Wandung des Trennbereichs auch in dem den Trennbereich 27 umgebenden Ringbereich wirkt. Das Aufreißen des Trennbereichs 27 kann dann im Wesentlichen nur durch die axiale Kraft auf den Treibspiegel 25b erfolgen, welche auch zu dessen axialer Bewegung führt.
Durch entsprechende Wahl des pyrotechnischen Materials und ggf. der von dieser umfassten Anzündmischung kann zudem das Aufbrechverhalten weiter gesteuert werden.
Insbesondere der durch den Abbrand erzeugte Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle kann durch das Einbringen von leicht vergasbaren Flüssigkeiten oder Feststoffen in den Raum, in welchem das pyrotechnische Material enthalten ist oder in welchen die erzeugten Heißgase eindringen, gut gesteuert werden. So erhöht insbesondere Wasser, gelöst im Füllmaterial oder in Form von Mikrokapseln, Gelen etc., den Gasdruck beträchtlich. Eine so bewirkte Erhöhung des Gasdrucks kann noch extremer ausfallen, wenn das in die Brennkammer eingebrachte Wasser zum Siedeverzug gebracht wird, insbesondere dadurch, dass das stark erhitzte Wasser beim Aufbrechen des Trennbereichs 27 einen Drucksturz erfährt.
Das in 8 gezeigte Unterbrechungsschaltglied weist ein seinem Inneren des Schaltrohrs 9 auf der dem ersten Anschlusskontakt 11 zugewandten axialen Seite ein Isolatorelement B 53 als Füllstück auf, durch das vom äußeren Raum des Unterbrechungsschaltglieds bis in die noch weitere Kammer 65 ein dritter Anschlusskontakt 81, die so genannte Mittelelektrode, geführt werden kann, der vorzugsweise ein aufgespleißtes oder aufgesplittetes Ende 83 aufweist. Das Isolatorelement B 53 dient auch als Verschluss für die noch weitere Kammer 65. Das Isolatorelement B 53 ist vorzugsweise als zylindrisches Teil ausgebildet. Das Isolatorelement B 53 kann aus einem Kunststoff, wie bspw. PEEK, Polyoxymethylen, ABS oder Nylon sein. Das zylindrische Isolatorelement B 53 wird in den hohlzylindrischen ersten Anschlusskontakt 11 eingepresst. Das Isolatorelement B 53 weist vorzugsweise Aussparungen 37 zur Aufnahme von Dichtelementen auf, die eine Abdichtung zwischen der axialen Außenwandung des Isolatorelements B 53 und der Innenwandung des ersten Anschlusskontakts 11 bewirken. In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Brennkammer 61 und die noch weitere Kammer 63 mit dem Füllmaterial 45 gefüllt, während die noch weitere Kammer 65 nicht mit Füllmaterial gefüllt ist. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch denkbar, die noch weitere Kammer 65 ebenso mit dem Füllmaterial 45 zu füllen. Es ist erfindungsgemäß auch denkbar, dass keine der Kammern 61, 63 und 65 mit einem Füllmaterial gefüllt ist. Auch denkbar ist, dass anstelle der Mittelelektrode 81 nur eine Dichtschraube (nicht gezeichnet) eingesetzt ist.
Die in 8 gezeigte Ausführung ist einfacher als die in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen. Allerdings können hier nur Materialstärken im Trennbereich bis ca. 200µm bei 5 bis 10facher Menge an notwendigem pyrotechnischem Material aufgebrochen werden. Die Schaltgrenze dieser einfachen Ausführung beträgt bei 800V nur ca. 1000 A Gleichstrom. Dagegen beträgt die Schaltgrenze bei Ausführungsformen mit Füllmaterial ca. 30kA Gleichstrom bei 1/5 des eingesetzten pyrotechnischen Materials.
9 zeigt exemplarisch ein Schaltbild eines Stromkreises vor der Aktivierung, in dem ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied S1 integriert ist. Dabei ist der erste Anschlusskontakt (dick) mit dem Lastkreis, bestehend aus R2, L1, C2 und R5 verbunden, der zweite Anschlusskontakt (dünn) beispielsweise mit dem Pluspol der Stromquelle (Batt 1). Der dritte Anschlusskontakt (die so genannte Mittelelektrode) ist hier mit der Masse bzw. dem Minuspol der Stromquelle bzw. mit dem Minusanschluss des Verbrauchers verbunden. Wird nun der Stromkreis durch das Schalten des Unterbrechungsschaltglieds unterbrochen – der gezeichnete Schalterkontakt klappt von "dünn" auf den Anschluss der "Mittelelektrode in dick"-, so wird kurz nach dem Beginn des Stauchvorgangs in der Baugruppe die in der Kapazität C2 elektrisch und vor allem die in der gesamten Induktivität des Lastkreises L1 gespeicherte mechanische Energie gegen Masse unter Umgehung der Trennstelle über die Mittelelektrode, die hier als Kurzschlusselektrode wirkt, abgeführt bzw. kurzgeschlossen. Auf diese Weise wird die eigentliche Trennstelle in der Baugruppe entlastet und die Entstehung eines Lichtbogens dort stark geschwächt bzw. gedämpft, die Trennstelle in der Baugruppe muss deutlich weniger Energie dissipativ umwandeln, auch wird die hier beim Abschalten erzeugte hohe Schaltspannung deutlich herabgesetzt.
L2 ist hierbei die Induktivität der Stromquelle (Batt 1) und der Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied, R1 der Innenwiderstand der Stromquelle, und C3 die Kapazität der Stromquelle. R3 ist der Verlustwiderstand der Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied. R2 ist der Lastwiderstand und L1 die Induktivität des Lastkreises samt Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied. C2 ist die Kapazität des gesamten Lastkreises und R5 der Verlustwiderstand der Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied. C1 und R4 sind eine RC-Kombination, d.h. eine sogenannte Funkenlöschkombination für sich öffnende Schaltkontakte, wie sie üblicherweise für Relaiskontakte verwendet wird, sie muss bei Verwendung der Baugruppe jedoch nicht zwingend im Schaltkreis vorhanden sein, aus Kostengründen wird man hierauf auch in der Regel verzichten.
10 zeigt im oberen Teilbild einen Teil eines Schaltrohrs 9 in dem Bereich der Brennkammer 61 mit einer konkaven Ausgestaltung der Brennkammerwand, die der pyrotechnischen Masse gegenüberliegt, während im unteren Teilbild diese Brennkammerwand konvex geformt ist. Die hier gezeichneten Kegelspitzen können jedoch auch eine andere Ausformung haben, beispielsweise entsprechend gerundet sein. Insbesondere wenn die Brennkammer 61 mit Füllmaterial, vorzugsweise Silikonöl, gefüllt ist und die pyrotechnische Masse ein Minidetonator ist, kommt es hierbei zu einer Stoßwellenlenkung, die bei optimalem Winkel α – dieser ist stark abhängig vom Brennkammermaterial, dem Abstand Minidetonator zur Wand, dem Füllmaterial und der Art des pyrotechnischen Materials – die mechanische Wirkung der erzeugten Stoßwelle deutlich verstärkt und so noch dickeres Stegmaterial mit einem Minimum an pyrotechnischer Masse aufbrechen lässt. Im unteren Teilbild zeigt 10 ebenso einen Teil eines Schaltrohrs 9, mit einer konvexen Ausgestaltung der Brennkammerwand.
In 11 ist die Anzündvorrichtung 35 nicht in der bisherigen Kammer 61, sondern in der Kammer 63 untergebracht, die elektrischen Anschlüsse der Zündeinrichtung werden oben aus dem Gehäuse geführt. Die Abfolge ist ähnlich wie bei den in 1 bis 5 beschriebenen Ausführungen, lediglich wird hier der Trennbereich 27 nicht von innen her aufgerissen, sondern von außen her zusammengedrückt und schon vorher der Treibspiegel 25b bedrückt. Die Lichtbogenunterdrückung bzw. -behinderung an der Trennstelle erfolgt wieder durch das umherströmende Füllmaterial, vorzugsweise das Silikonöl.
Diese Ausführung soll bei sehr großen Baugruppen eingesetzt werden, bei denen die benötigte pyrotechnische Masse nicht mehr in Kammer 63 untergebracht werden kann – in diesem Fall würde beispielsweise auch der Minidetonator zu einem normal großen Detonator werden.
In 12 befindet sich die Anzündvorrichtung 35 gleich außerhalb des Gehäuses: Die für die Bedrückung von Trennbereich 27 und Treibspiegel 25b benötigte Druckenergie würde hier beispielsweise mit Fluidankopplung von außen über ein Rohrsystem in die Baugruppe eingebracht werden. Diese Ausführungsform würde sich für besonders große Baugruppen bzw. Stromkreistrenner eignen – für all diese Fälle würden dann aber auch andere Druckerzeuger in Betracht gezogen werden müssen, so Druckgasspeicher, CO2-Patronen, chemische Gaserzeuger oder Verdampfer, aber auch Vergaser aller Arten.
Sämtliche Dichtelemente 19 (oder O-Ringe) in den 1 bis 8 und 11 bis 12, die in den Aussparungen 37 vorliegen können, können aus Nitrilbutadien-Kautschuk, Viton oder Silikon sein, wobei Nitrilbutadien-Kautschuk bevorzugt ist.
13 zeigt ein erfindungsgemäßes Unterbrechungsschaltglied mit zwei Trennbereichen 27 auf gegenüberliegenden Seiten im Zustand vor der Auslösung der Anzündvorrichtung 35. Das Unterbrechungsschaltglied ist spiegelsymmetrisch aufgebaut, und weist somit auch zwei Stauchbereiche 23 auf. Im Wesentlichen ist die Funktionsweise jedes spiegelsymmetrischen Teils wie zu 1 beschrieben. Die Kammer 61 und/oder die weitere Kammer 63 und /oder die noch weitere Kammer 65 können mit einem Füllmaterial (nicht eingezeichnet) gefüllt sein. 14 zeigt das Unterbrechungsschaltglied aus 13 nach der Auslösung der Anzündvorrichtung 35.
Bezugszeichenliste

1: Unterbrechungsschaltglied, Stromkreistrenner, Baugruppe
3: Gehäuse
5: Kontakteinheit
7: Isolierschicht
9: Schaltrohr, Verbindungselement
11: erster Anschlusskontakt
13: zweiter Anschlusskontakt
15: Flansch
17: Isolatorelement A
19: Dichtelement (O-Ring)
21: Verschlussmutter/Ringscheibe
23: Stauchbereich/Bereich
25a: Flansch
25b: Treibspiegel
27: Trennbereich
29: Flansch
31: Verschluss
35: Anzündvorrichtung mit pyrotechnischem Material, Minidetonator, Anzünder
37: Aussparungen für Dichtelemente
39: Verschlusselement
41: elektrische Anschlussleitungen
43: Anzündmischung
45: Füllmaterial
49: Kanal
53: Isolatorelement B
57: Vergussmasse
61: Kammer/Brennkammer
63: weitere Kammer
65: noch weitere Kammer
71: Gehäusebohrung
73: Gewindebohrung
81: dritter Anschlusskontakt
83: aufgesplittetes Ende des dritten Anschlusskontakts
85: Schutzkappe, entfällt, wenn das Gehäuse 3 einstückig oder beidseitig verschweißt wird.
S1: Unterbrechungsschaltglied mit erstem, zweitem und drittem Anschlusskontakt
dick: erster Anschlusskontakt des Unterbrechungsschaltglieds
dünn: zweiter Anschlusskontakt des Unterbrechungsschaltglieds
Batt1: Stromquelle
R1: Innenwiderstand der Stromquelle
C3: Kapazität der Stromquelle
L2: Induktivität von Stromquelle und Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied
R3: Verlustwiderstand der Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied
R2: Lastwiderstand
L1: Induktivität des Lastkreises samt Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied
C2: Kapazität des gesamten Lastkreises
R5: Verlustwiderstand der Verkabelung bis zum Unterbrechungsschaltglied
C1+R4: RC-Kombination, sogenannte Funkenlöschkombination für sich öffnende Schaltkontakte
Mittelelektrode: dritter Anschlusskontakt des Unterbrechungsschaltglieds, Sensoreinheit, sofern der Zustand des Stromkreistrenners nur rückgemeldet werden soll, oder Kurzschlusselektrode.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2103565 [0007, 0008]
DE 19749133 A1 [0013, 0013]
DE 10028168 A1 [0014]

Claims

Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, (a) mit einem Gehäuse, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift und (b) mit einem pyrotechnischen Material, das ein gaserzeugendes und/oder stoßwellenerzeugendes, aktivierbares Material umfasst, (c) wobei die Kontakteinheit einen ersten und zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich aufweist, (d) wobei das pyrotechnische Material und die Kontakteinheit so ausgebildet sind, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein zu unterbrechender Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt, und dass bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials der Trennbereich mit einem durch das aktivierbare Material erzeugten Gasdruck und/oder Stoßwelle beaufschlagt wird, so dass der Trennbereich aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, (e) dass mindestens eine Kammer im Unterbrechungsschaltglied, die zumindest teilweise von dem Trennbereich begrenzt wird, im Wesentlichen vollständig mit einem Füllmaterial, vorzugsweise mit Silikonöl, gefüllt ist, so dass der Trennbereich mit dem Füllmaterial in Kontakt steht.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich so gestaltet ist, dass er eine Kammer, vorzugsweise eine Brennkammer, zumindest teilweise umgibt.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich die eine Kammer von einer weiteren Kammer abtrennt, die den Trennbereich vorzugsweise ringförmig umgibt.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auftrennung des Trennbereichs die eine Kammer mit der weiteren Kammer verbunden wird.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die eine Kammer, als auch die weitere Kammer im Wesentlichen vollständig mit dem Füllmaterial gefüllt sind.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das pyrotechnische Material in der Kammer befindet, die mit dem Füllmaterial gefüllt ist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Kammer eine Brennkammer ist, in der sich das pyrotechnische Material befindet.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit einen Stauchbereich aufweist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich derart gestaltet ist, dass er eine noch weitere Kammer umgibt.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die noch weitere Kammer über wenigstens einen Kanal mit der einen Kammer verbunden ist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auch die noch weitere Kammer und der wenigstens eine Kanal im Wesentlichen vollständig mit dem Füllmaterial gefüllt sind.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich hinsichtlich des Materials und der Geometrie so ausgelegt ist, dass die Wandung des Stauchbereichs infolge der Stauchbewegung gefaltet, vorzugsweise mäanderförmig gefaltet wird.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand des Trennbereichs so gestaltet ist, dass eine Stoßwellenlenkung erfolgen kann.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Treibspiegel aufweist, der bei einem Zünden des pyrotechnischen Materials derart mit einem durch das aktivierbare Material erzeugten Gasdruck und/oder Stoßwelle beaufschlagt wird, dass der Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegt und dabei der Stauchbereich plastisch verformt wird, wobei der Trennbereich vollständig aufgetrennt wird und in der Endposition des Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen den aufgetrennten Enden des Trennbereichs erreicht ist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit eine gerade Längsachse aufweist, entlang derer der Treibspiegel verschiebbar ist, wobei der Trennbereich und der Stauchbereich auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Treibspiegels an diesen angrenzend angeordnet und in der Längsachse liegend vorgesehen sind.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit einen ersten Anschlusskontaktbereich mit dem ersten Anschlusskontakt und einen zweiten Anschlusskontaktbereich mit dem zweiten Anschlusskontakt aufweist, die auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Trennbereichs angeordnet sind.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlusskontaktbereich in der Längsachse liegend angrenzend an den Stauchbereich und der zweite Anschlusskontaktbereich in der Längsachse liegend angrenzend an den Trennbereich angeordnet ist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlusskontaktbereich hohlzylindrisch und im Querschnitt vorzugsweise ringförmig ausgestaltet ist.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Anschlusskontakt oder ein Sensor vorhanden ist, der, wenn der Treibspiegel in Richtung der Endposition bewegt wird, mechanisch und/oder elektrisch betätigt wird und so als Detektionsmittel für eine erfolgte Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds dient.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, der dritte Anschlusskontakt mit dem zweiten Anschlusskontakt elektrisch in Verbindung gebracht wird.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anschlusskontakt als Draht, Stab oder Feder, vorzugsweise Kupfer- oder Messingdraht/stab oder Kupferfeder, ausgebildet ist, der/die sich im vom ersten Anschlusskontaktbereich gebildeten Innenraum entlang der Längsrichtung der Kontakteinheit erstreckt, und vorzugsweise vom Außenbereich des Unterbrechungsschaltglieds bis in die vom Stauchbereich umgebene Kammer reicht.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der als Draht oder Stab ausgebildete dritte Anschlusskontakt an seinem in das Unterbrechungsschaltglied ragenden Ende in mindestens zwei Teile aufgesplittet ist, um leichter verformbar zu sein.
Elektrisches Unterbrechungsschaltglied nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse 3 mehr als ein Trennbereich vorhanden ist.