AT526042A1 - Pyrotechnischer Stromtrenner - Google Patents

Abstract

Ein pyrotechnischer Stromtrenner besteht aus einem Kunststoffgehäuse (11) mit einer Bohrung (16), die von einem Leiter (15) durchsetzt ist und in der ein Trennkolben (31) verschiebbar angeordnet ist, wobei der Trennkolben (31) durch einen pyrotechnischen Zünder (25) auf der dem Leiter (15) abgewandten Seite mit Druck beaufschlagbar ist, sodass er bei Auslösung eine Platine (24) aus dem Leiter (15) herausbricht. Der Trennkolben (31) besitzt zumindest ein Dichtelement (32, 33), das in Endlage des Trennkolbens (31), also nach Auslösung des Zünders (25), zu beiden Seiten der Leiterebene dichtend an der Bohrung (16) des Kunststoffgehäuses (11) anliegt, sodass zu beiden Seiten der Leiterebene eine Dichtfläche gebildet ist. Auf diese Weise ist der elektrische Widerstand nach der Auslösung des Trennelements sehr hoch, weil Abbrand-Produkte des Zünders oder eines allfälligen Lichtbogens nicht zu den Leiterenden gelangen können.

Description

und wobei der Trennkolben weiters zumindest ein Dichtelement besitzt.

Stromtrenner für elektrische Fahrzeuge sind mittlerweile weit verbreitet, und das Trennen auch von hohen Leistungen im Kurzschlussfall gut möglich. Ein Problem bereiten allerdings die Widerstände nach der Trennung. Eine Möglichkeit, diese zu erhöhen, ist in der gattungsbildenden WO 2022011401 Al von Hirtenberger dargestellt. Gemäß dieser Schrift weist der Trennkolben eine Ringnut auf, in der sich ein Löschmittel aus Silikon befindet. Zwischen der Ringnut mit dem Löschmittel und der Platine befindet sich im Trennkolben eine weitere Ringnut, in der ein O-Ring eingelegt ist. Dieser O-Ring soll verhindern, dass das LÄÖschmittel vor der Auslösung aus der Ringnut entweicht. Nach dem Trennvorgang befindet sich diese Ringnut mit dem Löschmittel in der Ebene des Leiters (genauer gesagt der verbliebenen Leiterenden), sodass das Löschmittel die Leiterenden umgibt und somit den elektrischen Widerstand entsprechend erhöht. Da die Bohrung im Gehäuse auf der dem Zünder abgewandten Seite des Leiters einen größeren Durchmesser hat, liegt der O-Ring nach der Auslösung nicht mehr dicht in der Bohrung an, sodass ein entstehender

Überdruck entweichen kann.

Allerdings ist die Verwendung von flüssigem oder pastösem Löschmittel mit erheblichem Aufwand und der Gefahr einer Verschleppung des

Silikons verbunden. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen

Stromtrenner dahingehend zu verbessern, dass er auch ohne Löschmittel

einen hohen Widerstand nach dem Trennvorgang aufweist.

eine Dichtfläche gebildet ist.

Die Untersuchung der Widerstände nach dem Trennen hat überraschenderweise gezeigt, dass die Isolationswiderstände auch ohne Löschmittel, insbesondere ohne Silikon, hoch sind, wenn die Leiterebene gleichsam auf beiden Seiten abgedichtet ist. Die Erfinder vermuten, dass der Isolationswiderstand durch zwei unabhängige Strompfade reduziert wird: Ein Strompfad kann sich oberhalb der Leiterebene (d.h. auf der dem Zünder zugewandten Seite) durch die Abbrand-Produkte des Zünders ausbilden, und ein zweiter Strompfad kann sich in der Leiterebene bzw. unterhalb der Leiterebene (d. h. auf der dem Zünder abgewandten Seite) durch Abbrand-Produkte, die während der Trennung aus dem Kupferleiter und den Kunstoffen durch den entstehenden Lichtbogen freigesetzt werden, ausbilden. Wenn nun das zumindest eine Dichtelement in Endlage des Trennkolbens, also nach Auslösung des Zünders, zu beiden Seiten der Leiterebene dichtend an der Bohrung des Kunststoffgehäuses anliegt, sodass zu beiden Seiten der Leiterebene eine Dichtfläche gebildet ist, wird durch die doppelte Abdichtung der Niederschlag der zunächst gasförmigen Rückstände im Bereich der Leiterebene verhindert, und zwar sowohl der Rückstände des

Zünders als auch der Rückstände des Lichtbogens.

Die Dichtungen wirken zweifach:

a. Durch mechanische Abschirmung der Leiterebene:

Die Abbrand-Produkte des Leiters und des Kunststoffs sind weitgehend gasförmig, solange der Lichtbogen brennt. Wenn der Lichtbogen erlischt, kondensieren sie. Wenn nun die Passage zum Leiter weitgehend blockiert ist, ergeben sich bessere (höhere) Widerstände nach der Trennung. Ebenso ist es mit den Abbrand-Rückständen des Zünders, die

in heißem Zustand leitfähig sind. Wird hier ein Stromfluss etabliert,

Wiederzündung führen kann.

b. Durch mechanische Reinigung:

Der zweite Wirkmechanismus ist eine mechanische Reinigung. Während des Löschvorgangs abgeschiedene Schichten aus leitfähigem Material (Kupfer, Kohlenstoff) werden durch die Bewegung des O-Rings von der

Leiterebene weggewischt.

Geeignete Materialien für die Dichtelemente sind Silikon oder allgemein silikonhältiges Material, alternativ können Sie aber auch

aus EPDM oder einem Fluorelastomer bestehen.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Stromtrenners ist dann besonders kostengünstig möglich, wenn zumindest ein Dichtelement Teil des Trennkolbens ist, eine mögliche Ausbildung besteht darin, dass das zumindest eine Dichtelement eine umlaufende Erhebung des Trennkolbens ist. Wenn man vorsieht, dass die zumindest eine umlaufende Erhebung asymmetrisch ist, kann man bei entsprechender Ausgestaltung erreichen, dass die zumindest eine asymmetrische Erhebung eine Rückschiebesperre für den Trennkolben bildet. Die Erhebung ist dann als umlaufende Rippe ausgebildet, die einen Hinterschnitt besitzt und dadurch asymmetrisch

ist.

Der bei der Trennung entstehende Lichtbogen hat so viel Energie, dass er sich grundsätzlich seinen Weg bahnt, auch wenn der Trennkolben zwischen den beiden Dichtflächen durchgehend an der Innenwand der Bohrung anliegt, er komprimiert dann die Dichtung, um Platz zu schaffen. Wenn allerdings von vornherein für den Lichtbogen kein Platz vorgesehen ist, kann die Dichtung durch den Lichtbogen besonders

leicht beschädigt werden. Bevorzugt ist daher, dass der Trennkolben zwischen den beiden

Dicht£flächen einen Abstand zur Innenwand der Bohrung von zumindest

0,1 mm bis 0,5 mm besitzt und dass die beiden Dichtflächen einen

Verfügung steht, wodurch dieser ausreichend schnell gelöscht wird.

Dies kann mit einem einzigen Dichtelement realisiert werden, wenn das Dichtelement einen K-förmigen Querschnitt oder einen U-förmigen Querschnitt hat; dabei ist es günstig, wenn das Dichtelement ein

Verhältnis Höhe zu Dicke von zumindest 1,2:1 besitzt.

Es können aber natürlich auch herkömmliche Dichtelemente in jeweils einer entsprechenden Nut des Trennkolbens eingesetzt werden, zum

Beispiel O-Ringe oder X-Ringe.

Wie oben erwähnt kann auch ein einziges Dichtelement in Form einer Flachdichtung vorgesehen werden, d.h. dass das Dichtelement einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat (wobei sich die längere Seite parallel zur Symmetrieachse des Trennkolbens erstreckt) und die Abdichtung zu beiden Seiten des Leiters übernimmt. Dies vereinfacht zwar die Montage, wird allerdings mit dem Nachteil erkauft, dass der Lichtbogen diese Flachdichtung komprimieren muss, um sich Platz zu schaffen. Die Abdichtung erfolgt in diesem Fall durch ein im Wesentlichen rechteckiges, entsprechend groß dimensioniertes Dichtelement. Mit "groß dimensioniert" ist gemeint, dass die Höhe des Dichtelements, also seine Ausdehnung in axialer Richtung des Kolbens, deutlich größer ist als die Dicke des Leiters. Dadurch muss die

Endlage des Kolbens nicht so genau eingestellt werden.

Aus WO 2021168493 Al ist bekannt, den Leiter zu umspritzen, sodass diese Umspritzung den Mittelteil des Kunststoffgehäuses bildet. Zusammen mit einem Oberteil und einem Unterteil bildet diese Umspritzung das Kunststoffgehäuse. Dies hat den Vorteil, dass zwischen dem Leiter und der Umspritzung automatisch eine gasdichte Verbindung

besteht, sodass eine Abdichtung nur zwischen Umspritzung und Oberteil

Kunststoffteilen.

Diese Ausbildung ist auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung günstig. Es ist daher bevorzugt, dass der Leiter mit Kunststoff umspritzt ist. Die Erfindung ist aber ebenso durchführbar, wenn sich der Leiter zwischen einem Gehäuseunterteil und einem Gehäuseoberteil

befindet.

Um im Falle einer Umspritzung die Erfindung zu realisieren, ist es zweckmäßig, dass die Bohrung der Umspritzung zumindest unmittelbar anschließend an die Leiterebene zylindrisch ist und dass der dem Zünder zugewandte zylindrische Bereich den gleichen oder einen größeren Durchmesser hat als der dem Zünder abgewandte zylindrische Bereich. Die Bohrung unterhalb des Leiters (also auf der dem Zünder abgewandten Seite) soll im Gegensatz zur oben erwähnten

WO 2022011401 Al zumindest nicht größer als oberhalb des Leiters sein.

Vorteilhaft sind umlaufende zylindrische Bereiche oberhalb und unterhalb des Leiters, die eine Höhe von zumindest 1 mm besitzen. Idealerweise besitzt der Trennkolben einen zylindrischen Außendurchmesser, wodurch gleiche Durchmesser der Bohrungen oberhalb und unterhalb der Leiterebene im sogenannten Dichtbereich vorteilhaft

sind.

Wenn der Trennkolben ungebremst auf den Boden des Kunststoffgehäuses aufschlägt, muss dieses sehr hohen Kräften standhalten. Es ist daher günstig, wenn, wie an sich bekannt, auf der dem Trennkolben

abgewandten Seite der Platine ein Bremselement vorgesehen ist.

Da sich beim Zusammendrücken des Bremselementes in dessen Innerem ein recht hoher Gegendruck aufbauen kann, ist es möglich, dass der Trennkolben dadurch so stark abgebremst wird, dass er die Endlage

nicht erreicht. Dies ist bei herkömmlichen Stromtrennern relativ

Inneren des Bremselements entweichen.

Allerdings kann sich auch abgesehen vom Bremselement auf der dem Zünder abgewandten Seite des Trennkolbens ein recht erheblicher Überdruck ausbilden, wenn keine zusätzlichen Maßnahmen vorgesehen sind. Nach einem weiteren vorzugsweisen Merkmal der Erfindung ist daher vorgesehen, dass eine Entlüftung des Trennelements vorgesehen ist. Diese Entlüftung befindet sich auf der dem Zünder abgewandten Seite der Dichtflächen. Es können dort auch Kühlelemente, beispielsweise aus gepresstem Draht oder keramischen Fasern, z.B.

Superwool, vorgesehen sein.

An Hand der beiliegenden Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Stromtrenner vor dessen Auslösung im Längsschnitt; Fig. 2 denselben nach der Auslösung; Fig. 3, 5, 7 und 9 zeigen alternative Ausführungsformen in einer Ansicht analog zu Fig. 1; und Fig. 4, 6, 8 und 10 zeigen die entsprechenden Ansichten dieser alternativen Ausführungsformen im

ausgelösten Zustand.

Der Stromtrenner gemäß den Fig. 1 und 2 weist ein Kunststoffgehäuse 11 auf, welches eine zylindrische Bohrung 16 aufweist. Diese Bohrung 16 wird von einem Leiter 15 durchsetzt, der im Wesentlichen bandförmig ist, d.h. einen rechteckigen Querschnitt hat. An der Grenzfläche zur Bohrung 16 weist er zwei Sollbruchstellen 23 auf, sodass der dazwischen liegende Bereich, im Folgenden als Platine 24 bezeichnet, relativ leicht herausgebrochen werden kann. Dieser Leiter 15 wurde mit einer Umspritzung 14 umspritzt, sodass er dicht mit dieser verbunden

ist. Zur zusätzlichen Stabilisierung weist der Leiter 15 im Inneren

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in den Figuren gesehen).

Weiters weist der Leiter 15 außerhalb der Umspritzung 14 Bohrungen 21

auf, die zum Anschluss von Stromkabeln dienen.

Die Umspritzung 14 ist mit einem Gehäuseunterteil 12 und mit einem Gehäuseoberteil 13 mittels Schrauben 17 zusammengeschraubt, sodass sich insgesamt das Kunststoffgehäuse 11 ergibt. Oberhalb (so wie in den Figuren gesehen) der Platine 24 befindet sich ein Trennkolben 31, und oberhalb des Trennkolbens 31 befindet sich ein pyrotechnischer Zünder 25. Um für diesen Zünder 25 Platz zu schaffen, weist der Trennkolben 31 an der entsprechenden Stelle eine Bohrung 26 auf. Der Zünder 25 ist mit einem Anschlussstecker 27 versehen, wo ein Kabel zur

Auslösung des Zünders 25 angeschlossen werden kann.

Unterhalb der Platine 24 befindet sich in der Bohrung 16 ein Bremselement 28, welches auf einer Auflage 29 aufsetzt. Unterhalb

dieser Auflage 29 befindet sich ein Freiraum 30.

Der Trennkolben 31 weist zwei Ringnuten auf, in denen Dichtelemente 32, 33 eingelegt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Dichtelementen 32, 33 um O-Ringe. Erfindungsgemäß befinden sich diese beiden Dichtelemente 32, 33 in einer derartigen Höhe im Trennkolben 31, dass sie nach der Auslösung (siehe Fig. 2) genau oberhalb und unterhalb der verbliebenen Enden des Leiters 15 zu liegen kommen. Auf diese Weise können die vom Zünder 25 erzeugten Gase nicht bis zu den Enden des Leiters 15 gelangen, weil dies durch das Dichtelement 33 verhindert wird, und die durch den Lichtbogen entstehenden Abbrand-Produkte werden durch das Dichtelement 32 von den

Enden des Leiters 15 ferngehalten.

Endlage kommt, ist unterhalb der Auflage 29 des Bremselements 28 der Freiraum 30 vorgesehen, sodass genügend Volumen zur Komprimierung des Gases vorhanden ist. Zusätzlich kann, wie an sich bekannt, auch eine

Entlüftung vorgesehen sein.

Die Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der eben beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass anstelle der beiden O-Ring-Dichtelemente 32 und 33 ein Dichtelement 33a in Form einer Flachdichtung vorgesehen ist, die eine entsprechend große Ausdehnung in Richtung der Längsachse des Trennkolbens 31 aufweist. In Fig. 4 erkennt man, dass diese Flachdichtung nach der Auslösung zu beiden Seiten der Ebene des Leiters 15 abdichtet, ganz ähnlich wie dies die

O-Ring-Dichtelemente 33, 34 tun.

Diese Ausführungsform lässt sich sehr einfach herstellen, hat aber den Nachteil, dass von vornherein kein Platz für den Lichtbogen vorhanden ist, der sich diesen Platz erst durch Komprimieren des Dichtelements 33a schaffen muss. Dieser Nachteil tritt bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 nicht auf, wo statt einer Flachdichtung ein Dichtelement 33b vorgesehen ist, welches im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig ist. Wie man aus Fig. 6 erkennt, dichtet dieses Dichtelement 33b nach der Auslösung zwar oberhalb und unterhalb der Ebene des Leiters 15 ab, auf Höhe des Leiters 15 ist aber ein Kanal

ausgespart, in welchem sich ein Lichtbogen ausbilden kann.

Die Flachdichtung gemäß den Fig. 3 und 4 kann - in Längsrichtung des Trennkolbens 31 gesehen - auch kürzer ausgebildet sein, sodass sie im ausgelösten Zustand zur Gänze unterhalb der Ebene des Leiters 15 liegt, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, wo das Dichtelement 32c als solche kurze Flachdichtung ausgebildet ist. Zur Abdichtung oberhalb der Ebene des Leiters 15 dient ein weiteres Dichtelement 33, welches ähnlich wie in den Fig. 1 und 2 als O-Ring ausgebildet ist. Diese Ausführungsform mit dem Trennkolben 31 in Ausgangslage ist in Fig. 7

dargestellt.

für den Trennkolben 31 ergibt.

Claims (1)

1. Pyrotechnischer Stromtrenner, bestehend aus einem Kunststoffgehäuse (11) mit einer Bohrung (16), die von einem Leiter (15) durchsetzt ist und in der ein Trennkolben (31) verschiebbar angeordnet ist, wobei der Trennkolben (31) durch einen pyrotechnischen Zünder (25) auf der dem Leiter (15) abgewandten Seite mit Druck beaufschlagbar ist, sodass er bei Auslösung eine Platine (24) aus dem Leiter (15) herausbricht, und wobei der Trennkolben (31) weiters zumindest ein Dichtelement (32, 33) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Dichtelement (32, 33; 33a; 33b; 32c, 33; 32d, 33d) in Endlage des Trennkolbens (31), also nach Auslösung des Zünders (25), zu beiden Seiten der Leiterebene dichtend an der Bohrung (16) des Kunststoffgehäuses (11) anliegt, und dass zu beiden Seiten der

   Leiterebene eine Dichtfläche gebildet ist.

   Stromtrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Dichtelement (33a; 33b) bzw. zumindest eines der Dichtelemente (32,

   33; 32c, 33) aus Silikon oder silikonhältigem Material besteht.

   Stromtrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Dichtelement (33a; 33b) bzw. zumindest eines der Dichtelemente (32,

   33; 32c, 33) aus EPDM oder Fluorelastomer besteht.

   Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dichtelement (32d, 33d) Teil des

   Trennkolbens (31) ist. Stromtrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Dichtelement (32d, 33d) eine umlaufende Erhebung des

   Trennkolbens (31) ist.

   Stromtrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

   zumindest eine umlaufende Erhebung asymmetrisch ist.

   11.

   12.

   13.

   14.

   15

   Stromtrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine asymmetrische Erhebung eine Rückschiebesperre für

   den Trennkolben (31) ist.

   Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennkolben (31) zwischen den beiden Dicht£flächen einen Abstand zur Innenwand der Bohrung von zumindest

   0,1 mm bis 0,5 mm besitzt.

   Stromtrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtflächen einen Abstand von zumindest 1 mm zueinander

   haben.

   Stromtrenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (33b) einen K-förmigen Querschnitt oder einen U-

   förmigen Querschnitt hat.

   Stromtrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (33b) ein Verhältnis Höhe zu Dicke von zumindest 1,2:1

   besitzt.

   Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dichtelement (32, 33) ein O-Ring

   ist.

   Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch

   gekennzeichnet, dass zumindest ein Dichtelement ein X-Ring ist.

   Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (33a; 32c) einen im

   Wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat.

   . Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch

   gekennzeichnet, dass der Leiter (15) mit Kunststoff umspritzt ist.

   zylindrische Bereich.

   17. Stromtrenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die

   zylindrischen Bereiche eine Höhe von zumindest 1 mm besitzen.

   18. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Trennkolben (31) abgewandten Seite

   der Platine (24) ein Bremselement (28) vorgesehen ist.

   19. Stromtrenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Bremselement (28) oder in der Auflage (29) des Bremselements (28)

   zumindest eine Freistellung vorgesehen ist. 20. Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Bohrung Kühlelemente

   befinden.

   21. Stromtrenner nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die

   Kühlelemente aus gepresstem Draht bestehen.

   22. Stromtrenner nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die

   Kühlelemente aus keramischen Fasern bestehen.