AT525143B1

AT525143B1 - Pyrotechnischer Stromtrenner

Info

Publication number: AT525143B1
Application number: ATA50421/2021A
Authority: AT
Original assignee: Astotec Automotive Gmbh
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2023-02-15
Also published as: DE102022113300A1; AT525143A1

Abstract

Ein pyrotechnischer Stromtrenner (1) hat einen Leiter (3), der einen Hohlraum (13) eines Gehäuses (2, 4, 5) durchsetzt. Zum Herausbrechen einer Platine (8) aus dem Leiter (3) ist ein durch einen pyrotechnischen Zünder (10) bewegbarer Trennkolben (14) vorgesehen. Zumindest ein Entlüftungskanal (18), der mit der Umgebung außerhalb des Gehäuses (2, 4, 5) verbunden ist, mündet in den Hohlraum (13) in einem Bereich (13'), der auch nach Auslösung des Trennkolbens (14) auf der zünderfernen Seite des Trennkolbens (14) liegt. Erfindungsgemäß steht der zumindest eine Entlüftungskanal (18) mit dem Rand der Platine (8) in gasdurchlässiger Verbindung, wobei sich vor den Entlüftungskanälen (18) zumindest ein Metallfilter (19) als Kühlelement befindet, sodass der bei der Trennung entstehende Lichtbogen nicht direkt zu den Entlüftungskanälen (18) kommen kann, der durch den Lichtbogen entstehende Überdruck aber dennoch abgebaut wird. Außerdem kann sich um die Mündung der Entlüftungskanäle (18) ein Bremselement (17) in Form einer Metallhülse befinden, wobei sich in diesem Bereich (13') des Hohlraums (13) Ausnehmungen (20) befinden, welche die Gase in Richtung zu den Entlüftungskanälen (18) umlenken. Dies reduziert zusätzlich die Außenwirkung.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Stromtrenner mit einem Leiter, der einen Hohlraum eines Gehäuses durchsetzt, in welchem Hohlraum ein Trennkolben durch Zünden eines pyrotechnischen Zünders bewegbar ist, zum Herausbrechen einer Platine aus dem Leiter, wobei der Hohlraum mit zumindest einem Entlüftungskanal mit der Umgebung außerhalb des Gehäuses verbunden ist, und wobei der Entlüftungskanal in den Hohlraum in einem Bereich mündet, der auch nach Auslösung des Trennkolbens auf der zünderfernen Seite des Trennkolbens liegt.

[0002] Pyrotechnische Stromtrenner existieren mittlerweile in einer großen Vielzahl, jedoch stellt die Beherrschung der Außenwirkung noch immer ein Problem dar. In der EP 3103131 B1 von Autoliv wird als Lösung eine dichte Schaltkammer vorgeschlagen, die einen hohen Innendruck zur Folge hat und bei Uberlastung zu einem explosionsartigen Aufplatzen des Gehäuses führt. In der US 10622176 B2 werden Abströmkanäle vorgeschlagen, in welche der Lichtbogen verblasen wird. Auch in der WO 2021/007604 A1 der Anmelderin sind solche Entlüftungskanäle beschrieben. Diese liegen knapp unter dem zu durchtrennenden Leiter und enthalten Filterelemente, die bis zum Hohlraum reichen, sodass der beim Trennen entstehende Lichtbogen auf diese Filterelemente umsteigt und der Lichtbogen dadurch gekühlt wird. Gerade das Verblasen des Lichtbogens mit den Zündergasen stellt sehr hohe Anforderungen an das Filtermaterial und bringt die in heiBem Zustand leitfähigen Abbrandprodukte des Zünders in die Ebene des Leiters. Der Trennkapazität sind in diesem Fall enge Grenzen gesetzt.

[0003] In WO 2017/066816 A1 der Anmelderin ist ein Stromtrenner der eingangs genannten Art gezeigt. Der Entlüftungskanal mündet auf der Seite des Hohlraums, die vom Zünder am weitesten entfernt ist, er führt vom Boden des Hohlraums nach unten, wenn man den Stromtrenner so hält, dass der Zünder oben ist. Dieser Entlüftungskanal befindet sich allerdings im Inneren eines Bremselements, sodass nur das Innere des Bremselements durch diesen Entlüftungskanal druckentlastet wird. Der Druck aus der Schaltkammer kann durch diesen Entlüftungskanal kaum entweichen.

[0004] Unter der "Schaltkammer" versteht man den Bereich des Hohlraums, wo sich beim Trennen ein Lichtbogen ausbilden kann. Insbesondere der Rand der Platine gehört also zur Schaltkammer, weil der Lichtbogen nach dem Abtrennen der Platine von einem verbleibenden Leiterende zur Platine springt und von der gegenüberliegenden Seite der Platine zum anderen Leiterende springt. Durch den Lichtbogen kann ein sehr hoher Druck in der Schaltkammer entstehen, der eine entsprechend große Außenwirkung zur Folge haben kann.

[0005] Wenn man sehr hohe Ströme unterbrechen möchte, ist die Ausbildung eines Lichtbogens nicht nur unvermeidbar, sondern sogar erwünscht, weil die (infolge der unvermeidbaren Induktivität) im Stromkreis vorhandene Energie abgebaut werden muss, und dies kann im Lichtbogen geschehen.

[0006] Ein pyrotechnischer Stromtrenner der eingangs genannten Art ist auch aus US 2016/0343524 A1 bekannt. Gemäß dieser Schrift wird die Platine 23 aus dem Leiter 2 dadurch herausgebrochen, dass die Platine 23 im Gehäuse durch eine Matrix 3 gegen Verschieben fixiert ist. Der Trennstempel 4 hat zwei vorspringende Schneidkanten 8, 8’, welche bei der Auslösung die Leiterenden wegbiegen und nach der Auslösung die Platine 23 samt Matrix 3 umschließen (siehe Fig. 2 dieser Schrift), was die Ausbildung eines Lichtbogens zumindest stark erschwert.

[0007] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen Stromtrenner zu schaffen, der trotz hoher Trennleistung eine vergleichsweise geringe AuBenwirkung und eine geringe Druckbelastung auf das Gehäuse hat.

[0008] Diese Aufgabe wird durch einen Stromtrenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zumindest eine Entlüftungskanal mit dem Rand der Platine in gasdurchlässiger Verbindung steht, und dass sich vor dem Entlüftungskanal bzw. den Entlüftungskanälen zumindest ein Kühlelement befindet. Normalerweise wird solch ein Stromtrenner so ein-

gebaut, dass der Zünder oben liegt und sich der Trennkolben von oben nach unten bewegt und dabei die Stromschiene (den Leiter) durchtrennt. In der üblichen Einbauposition mündet der Entlüftungskanal gemäß der vorliegenden Erfindung also unterhalb der untersten Stellung des Trennkolbens in den Hohlraum, d.h. der Lichtbogen, der beim Trennvorgang entsteht, kommt niemals direkt bis zu diesem Entlüftungskanal. Dennoch steht der Entlüftungskanal mit dem Bereich, wo sich der Lichtbogen ausbildet (der "Schaltkammer”"), in gasdurchlässiger Verbindung, sodass der entstehende Überdruck abgeleitet werden kann. Aufgrund des Kühlelements entweichen aber dennoch keine extrem heißen Gase aus dem Stromtrenner.

[0009] Das Kühlelement kann ein Metallfilter sein, wobei sich als günstig erwiesen hat: dass das Metallfilter aus einem Filterdraht mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 0,5 mm, gebildet ist; dass das Metallfilter eine Höhe von mindestens 1 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm, besitzt; und dass das Metallfilter eine maximale Dichte von 4 g/cm®, bevorzugt 3 g/cm®, hat.

[0010] Es ist bevorzugt, dass dieser Entlüftungskanal bzw. diese Entlüftungskanäle die einzige Entlüftung des Hohlraums sind, wobei besonders bevorzugt der Entlüftungskanal bzw. die Entlüftungskanäle auf der Seite des Hohlraums münden, die vom Zünder am weitesten entfernt ist; in Einbauposition ist das der Boden des Hohlraums. Auf diese Weise gibt es also keinen Entlüftungskanal, der direkt durch den Lichtbogen belastet werden kann.

[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich um die Mündung des Entlüftungskanals bzw. der Entlüftungskanäle eine Metallhülse befindet, die ein Bremselement für den Trennkolben bildet oder ein Teil davon ist, und dass sich im Bereich der Metallhülse auf der Seite des Hohlraums, in die der Entlüftungskanal bzw. die Entlüftungskanäle münden, Ausnehmungen befinden, welche die Gase in Richtung zum Entlüftungskanal bzw. zu den Entlüftungskanälen umlenken. Auf diese Weise wird einerseits verhindert, dass die heißen Abgase direkt von oben auf den Entlüftungskanal bzw. das Kühlelement treffen. Damit sie trotzdem in ausreichender Menge abgeleitet werden, sind die Ausnehmungen vorgesehen, die die Gase umlenken. Das Umlenken (von der Richtung von oben nach unten in die Richtung radial nach innen und dann beim Einströmen in den Entlüftungskanal bzw. in die Entlüftungskanäle wieder von oben nach unten) hat den Vorteil, dass die Gase dabei abgebremst werden; außerdem ergibt sich der Vorteil, dass die Gase seitlich auf das Kühlelement treffen und länger darin verweilen.

[0012] Wenn die Oberfläche der Metallhülse größer als 5 cm®, bevorzugt größer als 10 cm®, ist, ergibt sich eine gute Kühlwirkung allein durch den Kontakt der Gase mit der Metallhülse.

[0013] Damit die Gase rasch genug abströmen können, ist es zweckmäßig, wenn der Querschnitt aller Ausnehmungen größer als 1 mm©®, besonders bevorzugt größer als 5 mm©®, ist. Wenn zusätzlich der Querschnitt aller Entlüftungskanäle größer ist als der Querschnitt aller Ausnehmungen, ist die Strömungsgeschwindigkeit in den Entlüftungskanälen geringer als in den Ausnehmungen, was die Außenwirkung zusätzlich reduziert. Es ist daher bevorzugt, dass auch der Querschnitt aller Entlüftungskanäle zusammen größer als 1 mm®, bevorzugt größer als 5 mm}, ist.

[0014] Durch die vorliegende Erfindung wird also die Schaltkammer eines Stromtrenners gezielt entlüftet, wobei bei Vorhandensein eines Bremselements sowohl die Schaltkammer als auch das Innenvolumen des Bremselements entlüftet werden. Die heißen Gase werden entfernt von den Lichtbögen an einer Metalloberfläche vorbei umgelenkt und durch ein Filter dem Außenraum zugeführt. Die Abströmung ist in weiten Grenzen einstellbar.

[0015] An Hand der beiliegenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

[0016] Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromtrenners in nicht ausgelöstem Zustand; und

[0017] Fig. 2 dasselbe in ausgelöstem Zustand.

[0018] Ein Stromtrenner 1 besitzt ein Gehäuseoberteil 2, einen Leiter 3 mit Leiterumspritzung 4 und ein Gehäuseunterteil 5. Der Leiter 3 weist äußere Leiterabschnitte 6a, 6b, zwei Sollbruch-

stellen 7a, 7b und zwischen den Sollbruchstellen 7a, 7b einen mittleren Bereich, im Weiteren Platine 8 genannt, auf. Gehäuseoberteil 2, Leiterumspritzung 4 und Gehäuseunterteil 5 bilden zusammen das Gehäuse.

[0019] Weiters weist der Stromtrenner 1 eine Zündeinheit 9 mit einem Zünder 10 (zum Beispiel mit einer Ladung von 40 mg ZPP (= Kaliumperchlorat + Zirconium) und 75 mg TPP (= Kaliumperchlorat + Titan) und einer elektrischen Schnittstelle 11 auf.

[0020] In der Leiterumspritzung 4 befindet sich ein zünderseitiger Hohlraum 12a und ein dem Zünder abgewandter Hohlraum 12b, die zusammen einen Hohlraum 13 in dem Gehäuse bilden, der vom Leiter 3 durchsetzt wird. Im zünderseitigen Hohlraum 12a der Leiterumspritzung 4 befindet sich ein Trennkolben 14 mit einem O-Ring 15, der sich in einem Einstich 16 befindet. In der dem Zünder abgewandten Bohrung befindet sich ein Bremselement 17 aus Al 99,5, das sich gegen das Gehäuseunterteil abstützt.

[0021] Zusätzlich können sich - hier nicht dargestellt - metallische Wärmesenken im Bereich des zünderabgewandten Hohlraums 12b mit thermischem Kontakt zur Schaltkammer befinden.

[0022] Zusätzlich befindet sich im Gehäuseunterteil 5 zumindest ein Entlüftungskanal 18 mit vorgelagertem Metallfilter 19. Im Beispiel sind insgesamt fünf Entlüftungskanäle 18 vorgesehen: einer genau in der Symmetrieachse, links und rechts daneben sind zwei weitere zu sehen, und tatsächlich befinden sich auch vor und hinter der Zeichenebene zwei weitere Entlüftungskanäle, die in der Querschnittsansicht nicht sichtbar sind.

[0023] Diese Entlüftungskanäle 18 beginnen am Boden 13' des Hohlraums 13, d.h. an der Seite des Hohlraums, die am weitesten vom Zünder 10 entfernt ist. Das Metallfilter 19 verdeckt die Entlüftungskanäle 18 und wird von einem Bremselement 17 gegen direktes Anströmen der heißen Gase des Lichtbogens abgeschirmt. Im Gehäuseunterteil 5 befinden sich eine oder mehrere Ausnehmungen 20, die eine Verbindung zwischen Schaltkammer und Innenvolumen des Bremselements 17 herstellen.

[0024] Im Beispiel ist ein einziges Metallfilter 19 für alle Entlüftungskanäle 18 vorgesehen. Es kann aber natürlich auch für jeden Entlüftungskanal 18 ein eigenes Metallfilter 19 vorgesehen sein, oder es können Gruppen von Entlüftungskanälen jeweils ein gemeinsames Metallfilter aufweisen.

[0025] Bei Anlegen eines Zündpulses an die elektrische Schnittstelle 11 wird der Zünder 10 ausgelöst und drückt mittels Druck und Partikel den Trennkolben 14 gegen den Leiter 3, und in weiterer Folge trennt der Trennkolben 14 die Platine 8 entlang der Sollbruchstellen 7a, 7b aus dem Leiter 3. Der O-Ring 15 verhindert das Eindringen der Zündergase in die Schaltkammer.

[0026] Falls der Leiter zu diesem Zeitpunkt von einem ausreichend hohen Strom durchflossen wird, bilden sich zwischen den äußeren Leiterabschnitten 6a, 6b und der Platine 8 Lichtbögen aus. Im weiteren Verlauf der Trennung entfernt sich der Trennkolben 14 mit der Platine 8 weiter vom Zünder 10, wodurch die Lichtbögen gelängt und zwischen der Wand des Hohlraums 13 und dem Trennkolben 14 gequetscht werden. Das Bremselement 17 wird während der Aktivierung zusammengedrückt, die Luft im Bremselement 17 kann über das Metallfilter 19 und die Entlüftungskanäle 18 entweichen. Gleichzeitig werden die von den Lichtbögen erzeugten heißen Gase zwischen die Innenwand des Hohlraums 13 und das Bremselement 17 geleitet, wodurch sie gekühlt werden.

[0027] Danach werden sie über die Ausnehmungen 20 im Gehäuseunterteil 5 in ihrer Richtung umgelenkt und gelangen in das Innenvolumen des Bremselements 17, wovon sie über das Metallfilter 19 und die Entlüftungskanäle 18 entlüftet werden.

[0028] Die Ausnehmungen 20 verbinden die Schaltkammer mit dem Innenvolumen des Bremselements 17, idealerweise sind sie in Form von radialen Nuten oder Segmenten ausgebildet. Wird in diesem Zusammenhang von einem Querschnitt gesprochen, ist der freie Querschnitt gemeint, der sich an der Stelle unter der Wand des Bremselements 17 befindet.

[0029] Der positive Effekt der Entlüftung liegt neben dem niedrigeren Innendruck auch in einer schnelleren Trennzeit und niedrigeren Widerständen nach dem Trennen und ist besonders bei höheren Strömen ausgeprägt.

[0030] Der Querschnitt der fünf Entlüftungskanäle, die im Ausführungsbeispiel die einzige Abströmöffnung bilden, beträgt im gezeigten Beispiel 6 mm®, die Höhe des Filters 8 mm. Der Filterdraht hat z.B. einen Durchmesser von 0,1 mm.

[0031] Der Druck ist durch Variation von Metallfilter 19, Querschnitt der Entlüftungskanäle 18, Querschnitt der Ausnehmungen 20 und der Größe der innen liegenden metallischen Oberfläche des Bremselements 17 an die jeweiligen Anforderungen anpassbar.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Stromtrenner

2 Gehäuseoberteil 3 Leiter

4 Leiterumspritzung 5 Gehäuseunterteil

6a, 6b äußere Leiterabschitte 7a, 7b Sollbruchstellen

8 Platine

9 Zündeinheit

10 Zünder

11 elektrische Schnittstelle, inkl. Retainer 12a zünderseitiger Hohlraum

12b zünderabgewandter Hohlraum 13 Hohlraum

13' Boden des Hohlraums

14 Trennkolben

15 O-Ring

16 Einstich

17 Bremselement

18 Entlüftungskanal

19 Metallfilter

20 Ausnehmung

Claims

Patentansprüche

1. Pyrotechnischer Stromtrenner mit einem Leiter (3), der einen Hohlraum (13) eines Gehäuses (2, 4, 5) durchsetzt, in welchem Hohlraum (13) ein Trennkolben (14) durch Zünden eines pyrotechnischen Zünders (10) bewegbar ist, zum Herausbrechen einer Platine (8) aus dem Leiter (3), wobei der Hohlraum (13) mit zumindest einem Entlüftungskanal (18) mit der Umgebung außerhalb des Gehäuses (2, 4, 5) verbunden ist, und wobei der Entlüftungskanal (18) in den Hohlraum (13) in einem Bereich (13') mündet, der auch nach Auslösung des Trennkolbens (14) auf der zünderfernen Seite des Trennkolbens (14) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Entlüftungskanal (18) mit dem Rand der Platine (8) in gasdurchlässiger Verbindung steht, und dass sich vor dem Entlüftungskanal (18) bzw. den Entlüftungskanälen zumindest ein Kühlelement befindet.

2, Stromtrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement ein Metallfilter (19) ist.

3. Stromtrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfilter (19) aus einem Filterdraht mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 0,5 mm, gebildet ist.

4. Stromtrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfilter (19) eine Höhe von mindestens 1 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm, besitzt.

5. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfilter (19) eine maximale Dichte von 4 g/cm®, bevorzugt 3 g/cm®, hat.

6. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Entlüftungskanal bzw. diese Entlüftungskanäle (18) die einzige Entlüftung des Hohlraums (13) sind.

7. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal bzw. die Entlüftungskanäle (18) auf der Seite (13') des Hohlraums (13) münden, die vom Zünder (10) am weitesten entfernt ist.

8. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich um die Mündung des Entlüftungskanals bzw. der Entlüftungskanäle (18) eine Metallhülse befindet, die ein Bremselement (17) für den Trennkolben (14) bildet oder ein Teil davon ist, und dass sich im Bereich der Metallhülse auf der Seite (13') des Hohlraums (13), in die der Entlüftungskanal bzw. die Entlüftungskanäle (18) münden, Ausnehmungen (20) befinden, welche die Gase in Richtung zum Entlüftungskanal bzw. zu den Entlüftungskanälen (18) umlenken.

9. Stromtrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Metallhülse größer als 5 cm?, bevorzugt größer als 10 cm®, ist.

10. Stromtrenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt aller Ausnehmungen (20) größer als 1 mm®, besonders bevorzugt größer als 5 mm©®, ist.

11. Stromtrenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt aller Entlüftungskanäle (18) größer ist als der Querschnitt aller Ausnehmungen (20).

12. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt aller Entlüftungskanäle (18) zusammen größer als 1 mm®, bevorzugt größer als 5 mm}, ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen