CN1044732A - 熔丝开关 - Google Patents

Abstract

一种弹簧驱动的开关装置，其中，执行开关所需的能量储存在一弹簧(或多个弹簧)中，该弹簧被熔丝束缚成受力状态。此熔丝在大温度范围内有较平坦的电阻系数。当“熔丝”收到适当的电信号时，即因此信号而熔断，此装置即动作，使电路永久地闭合(或开路)。

Description

本发明一般地涉及一种可有选择地使电路短路（或开路）的开关装置，具体是指能在长时间周期内，在特定的条件下能一次有效工作的弹簧电力开关装置。

在现有技术的公知电路中有许多开关装置。实际上其中许多开关装置是电致机械动作的，如继电器或其类似器件。而且，这电动机械开关装置中许多是一次性器件，例如闭锁继电器或类似的器件。也就是说，借助控制信号，此一次性开关装置被启动进入规定的位置或状态。对于典型的闭锁继电器或类似的器件来说，装置的位置或状态是通过运用不同的（或另外的）控制信号而改变（到初始状态）的。

此外，在现有技术的电路中还有另一些公知的电路开关装置。例如，许多开关装置是由半导体器件组成的。同样，也存在仅能在相当小的电压、电流和/或功率信号下工作的另一种类型的开关装置。相应地，这种种开关装置的性能和应用都有这样那样的限制。

此外，其工作场所还包括遥远的或在敌方的区域。在这种情况下，此开关装置必须能在遥远的或敌方的区域内长时间地（例如几年）可靠地工作。在这种类型的设备中，设置于遥远的或敌方区域的开关装置必须能高可靠地工作，以适应这种特殊应用。

位于敌方的或遥远区域的一些例子，是在具有极端温度和压力等情况的太空、水下和地下的应用。在这些情况下常常要求使用相当大数量的和/或有相当大富余量的电路。这样，使用开关装置通过有选择地短路（或开路）某个富余的电路以便减少功耗、删除故障电路、以可工作电路代替故障电路或仅仅改变电路的配置从而控制电路的工作是完全可能的。

在宇宙飞船上将太阳能转换为电能的装置中所用的电路就是这样一种应用。在此情况下，许多太阳能的存储或转换电路和/或装置用相应的串联和并联电路相连接。

检测和确定每个专用的电或太阳能存储或转换电路是否正常工作是完全能够做到的。这能通过遥测装置或类似装置来完成。如果显示出一个或多个太阳能存储或转换电路（或电池）出现故障，就必须从总的电路或控制台中去掉这个有故障的电池，以避免不必要的短路、加重负载或类似的情况。

使这些出故障的电池去除的简单而有效地方法是提供适当的短路或分路电路，使它们能有选择地旁路这些电池或仅仅使这些电池与其余保留的电池断开。

因此，要求有一种经过一段长时期后仍能高可靠地完成开关动作的开关装置。

例如，宇宙飞船或人造卫星在太阳能电池或控制盘失效前，可以在其轨道上运行许多年。然后，只是在电池失效后，才要求（或必须）从电路中去掉这些失效的单元。因此，此开关装置必须可靠地工作。

并且，在使（失效部分的）电路短路（或开路）之后，开关装置要能无限期地继续保持在新的位置，这也是很重要的。换言之，如果开关装置回到起始状态，则出故障的单元又回到电路系统中，就又要导致不正常的工作状态。

适于高可靠工作的开关装置或开关组件是一次有效的开关器件。这种开关至少包括两个固定的、用小的间隙分隔开的电极。此小的间隙可有选择地用弹簧驱动的移动接触器连通。此移动接触器最好是V形的以搭接这两个固定的电极，即跨接在其间的间隙上。弹簧机构用来有选择地移动或驱动此移动接触器。

通常这弹簧机构被弯曲和压缩成特殊的状态或位置，并用附着于各控制引线上的约束丝维持此弯曲和压缩状态。当一选择信号施加到两控制引线时，此选择（或控制）信号足够大，足以使此约束丝熔化、汽化（或者说断开）。当此约束丝被去掉或断开时，弯曲和压缩的弹簧机构被释放，并允许和迫使这移动接触器移动，使之与上文最初提到的两电极保持电和机械接触。此弹簧机构设计得有足够大的力，以使移动接触器保持在新的位置上，同两固定电极保持电接触，以维持予期的短路或开路动作。

此机构能安装在一密封的小室内。如果需要可使小室充满惰性气体等适当的气体。

图1是本发明的开关装置的一个实施例的等比例视图。

图2是本发明装置的顶视图，它显示出移动接触器在约束（实线）和释放（虚线）两种位置的情况。

图3是开关装置处于约束位置时的侧视图。

图4是开关装置处于约束状态时的端视图。

现参看图1～图4，其中展示了本发明熔丝开关的一个优选实施例。在图1～图4中，相同的参考数字表示同样的元件。具体来说，图1表示出了开关常规下未被激励的状态。像这样，短路闩1处于约束位置，并用跨接丝2维持在准备击发或收缩的状态。

板簧3与压缩弹簧4也被跨接丝2强制在弯曲状态。支撑架5牢固地附着在基座9上，此基座9可以是304L不锈钢制的继电器型的底座。起约束作用的跨接丝2环绕陶瓷管6系紧，陶瓷管6能绕支承丝30自由转动，支承丝30将管6装置到短路闩1上。跨接丝2的两端分别绑缚在跨接丝接地引线7和驱动信号引线8上。引线8借助高温玻璃陶瓷垫圈15与基座9电绝缘。垫圈15提供具有良好电绝缘的园柱形玻璃-金属封接。跨接丝接地引线7与基座9电连接。

在通常开路状态（用实线表示）下展示出的这些电路元件是：附着在接地线11上的公共地触片10、附着在与外绝缘的线13上的通常开路的触片12和以前所说的镀金的银制短路闩1。实际上线11和13就是这个装置中借助开关机构的工作有选择地可被短路的两个元件。典型的线11和13是相当大直径的铜芯合金52或RA333棒，其大小要足以通过大到50安培的电流。

焊接到线11和13上的分别是已成型的触片10和12，它们是用镀金的Consu1995银合金制成，以使接触电阻最小。这两个静止不动的触片被一小的间隙分隔开。线13借助高温玻璃-陶瓷垫圈14与不锈钢基座9电绝缘。接地线11与基座9电连接。

由此实施例可见，罩50有一小孔，以便线11穿入。杯形罩50扣压并焊接到基座9上并环绕线11形成一密封的组件。将金属杯形罩50，例如用激光，焊接到基座9上形成一封闭结构，其中可充入优选过的气体或气体混合物，例如惰性气体，以获得长的贮存寿命。在加工的最后一步才将罩50焊接到基座9上并与轴11焊接在一起，以便完成组装、调整和试验。

在此优选实施例中，移动接触器或短路闩1是-V形镀金的银合金元件。短路闩1装配到板簧3上。此板簧3最好是支撑在两个支撑板16之间的一个平板形弹簧，板簧3的两端3A能自由绕支点转动。在通常的开关开路状态，板簧3的弯曲方向应使该弹簧和移动接触元件（即短路闩1）这两者中心都远离线11和13上的静止触片10和12。压簧或螺簧4被压缩在弯曲的平板形弹簧3和支撑架5之间。板簧3和螺簧4借助一段镍铬铝约束丝2分别保持在弯曲状态和压缩状态，约束丝2穿过压缩弹簧4环绕在移动接触器1上的陶瓷管6上，其两端绑缚在控制引线端7和8上。

所选用的制作跨接丝2的合金有非常低的电阻温度系数，这就可避免在低电流下热伸长和误熔断。选择丝的尺寸使之对开关驱动电路呈现1Ω的电阻，这就能使电压下降到18伏，开关仍能确实地、可靠地起动。在1安培时，要保证丝不烧断，以避免由于漏泄电流或电磁辐射导致的偶然误熔断。

当电池检测电路（未绘出）检测出一有故障的蓄电池组电池时，相关的开关驱动器电路（未绘出）发出一适当的信号，例如直流28伏，加到开关器件的两引线端7和8上，此开关器件与已失效的蓄电池组电池相并联。响应此信号，约束丝2变热并熔化或汽化。在一个实施例中，此作用发生在20毫秒内。这个作用（约束丝熔断或汽化）解除了对短路闩的约束，于是3和4这两个弹簧将楔形短路闩1推进和驱动到一个新的静止位置（用点划轮廓线示出）并维持短路闩与公共地触片10和常开触片12相接触。进一步具体来说就是螺簧4被解除压缩状态并迫使板簧3向前驱动触头1。这种状态使能通过大电流的线13和接地线11之间的电路接通。于是此开关对于50安培的电池电流来说呈现低电阻。弹簧驱动的楔形移动触头具有（与触片形状）相似的结构。触头、触片系统的几何结构要保证配合部件被驱动且能以大接触面积保持紧密接触，并借助驱动弹簧的力维持在此接触位置。此几何形状也有增强电接触的滑触功能。

另外，这时约束丝对直流28V的开关驱动电路呈开路状态，并停止吸收电流。开关驱动器电路不必切断开关驱动信号。

图2是开关机构100的顶视平面图。支撑架5可以任何方式固定到基座9上，例如像焊接柱20所示的那样焊接。在此实例中借助一适当的绝缘装置21使焊接柱20与基座9电绝缘。

可以是埃弗诺姆镍铬系电阻合金丝的跨接丝2被缠绕和附着（例如焊接）到接地线7和引线8（见图1和3）上。跨接丝被环绕在陶瓷管6上。当跨接丝2完好无损时，短路闩1处在缩回的位置上（实线）。

相反，当跨接丝2由于适当的控制信号而被烧断时，弹簧3和4动作，迫使短路闩1向前移动（点划轮廓线），使之与触片10和12相接触，形成两者短路。具体来说，当跨接丝被切断时，螺簧4保证板簧3将向前弯曲。从而避免了板簧3由于长久形状不变所造成的疲劳定形。

机械结构、外壳、绝缘子、熔丝、强力弹簧和接触器等材料的选择都以暴露在大的温度范围（-80℃～+600℃）时呈现低的接触电阻和长的寿命（包括动作或非动作状态）为目标。

在动作或非动作状态，开关装置的估计寿命是25年或更多。图示的实施例的额定状态是在50安培电流450℃连续工作（不熔断）。此器件的一优选实施例重仅18.5克，而且维持开关在通常的开路或闭合状态不需要任何功率。工作所需要的功率仅是跨接丝2两端上的短脉冲，例如18伏。

图3和4示出开关装置机械结构的某些细节。当然也考虑到对这些结构可能进行的改进。例如由柱16和支撑架5组成的板簧3的支承结构可由几个设置在基座9上的分离的金属板或挡块构成，用以承装板簧3的两尾端。

可以有各种各样的安装方法。例如可将它用一金属板焊接到蓄电池组电池容器或附近的结构上。大电流引线之一可以电连接到外壳或安装板上而不需要再用一个导体中继。这些引线适合于用电阻焊和/或钎焊，焊接到钼、镍、银、铜或铝导体金属板上。器件的优选实施例将是0.75英寸直径×0.5英寸高（不包括引线柱）。

一般来说，高温蓄电池组的每一个电池与一个开关器件用导线连接，并且如果此电池不能满意地工作时就要将该电池短路。用分离装置检测每个电池的状态，当需要时，该分离装置也提供直流28V信号去起动相应的开关器件。因为小于1安的持续电流对跨接丝2不起作用，所以最终用以烧断熔丝的这一电路（未绘出）在烧断之前能够用于检测电池的状态。这种运行使护套的热穿透数目减至最小并最终减小热耗损和提高护套效率。驱动信号是一瞬时脉冲，维持开关在闭合状态时并不需要功率。

因为开关持续地处于蓄电池工作所要求的350～450℃的温度条件下，开关最好用对热不敏感的材料制造。由于将有机结构材料暴露到这样的温度，除了结构上的损坏外，还将在接触表面上析出有机残留物，所以要避免使用有机材料。即使完全是无机材料的结构，接触力也应尽可能地大，以保证大的接触面积和使电池电流有低电阻的通路。

这里已经展示和讨论了按理想选择的材料很好组合制成的开关，和为实现紧凑小巧的封装而作的合理的机械配置，此开关将能长期地高可靠地在非常高的温度下对大电流进行开关。此机械配置使机械部件上的应力小，而这些机械部件要在长期内有高的温度可靠性。另外，此开关结构的机械配置能形成一相对简化的组件装置，如上文指出那样，也使可靠性得到提高。

尽管展示和讨论的是一优选实施例，但很明显，对其进行一些调整改变是熟悉本领域工艺的人所能想到的。因此，任何本说明书范围所包含的这样一些改变也都同样规定为本发明的范围。也就是说，说明书仅用作说明而不作为（发明范围的）限定。发明的范围仅由所附加的权利要求来限定。

Claims (11)

1、一种弹簧驱动的开关装置包括：

第一对相互间隔开的导电电极；

第二对相互间隔开的并且同所述第一对导电电极也相互间隔开的导电电极；

接触装置，适于有选择地移动使与所说的第一对导电电极电接触，从而使所说的第一对导电电极经由所说的接触装置产生电连接；

弹簧装置，适于有选择地将一力作用到接触装置上以移动所说的接触装置；和

连接在所说的第二对导电电极之间的可熔连接线，所说的可熔连线用来约束所说的弹簧装置和所说的接触装置处在与所说的第一对导电电极分离的位置。

2、按照权利要求1所说的装置，其中所说的可熔连接线适合于在由所说的第二对导电电极加到其上的控制信号的作用下而破坏。

3、按照权利要求2所说的装置，其中所说的弹簧装置包括一被弯曲的片簧，以施加一力去移动所说的接触装置。

4、按照权利要求3所说的装置，其中所说的弹簧装置包括一被弯曲的螺簧，以施加一力去移动所说的弹簧装置。

5、按照权利要求4所说的装置，其中所说的螺簧被安装用以向所说的片簧施加力。

6、按照权利要求1所述的装置，包括支承所说的弹簧装置的支撑装置。

7、按照权利要求1所说的装置，其中所说的第一对导电电极包括连接于其上的接触表面。

8、按照权利要求7所说的装置，其中所说的第一对导电电极能承载高达50安培的电流。

9、按照权利要求1所说的装置，包括用以封装开关装置的壳罩装置。

10、按照权利要求9所说的装置，在所说的壳罩内充有惰性气体。

11、按照权利要求2所说的装置，其中所说的接触装置包括一用来同所说的第一对导电电极有选择地接触的V形部分。

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