CN108369878A - 一种烟火断路器 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用切断冲头(14)切断导体(8)的烟火断路器(1)，所述断路器具有容纳切断冲头在其中移动和用于驱动切断冲头(14)的点火单元(6)的壳体。根据本发明，切断冲头(14)和点火单元(6)之间具有用于抑制或熄灭电弧的灭火介质(13)，而且，灭火介质(13)也对切断冲头(14)传递驱动力，切断冲头(14)具有至少一个切割刃，以便导体的一部分(18)从导体上切出并且导体端部(8a，8b)具有较大的距离。切断冲头(14)优选由熔点大于2000℃的材料制成。在点火单元和灭火介质之间安装压力活塞是有利的，保护灭火介质免受高温燃烧气体的影响，为了制动切断冲头(14)，在导体(8)相反的一侧安装阻尼元件(16)，当切断冲头在这个区域与壳体有横向的间隔时，灭火介质(13)在切断冲头(14)被制动之后能持续流过。

Description

一种烟火断路器
技术领域
本发明涉及一种用于通过切断冲头切断导体的烟火断路器，所述断路器具有容纳切断冲头在其中移动和用于驱动切断冲头的点火单元的壳体。
现有技术
在汽车安全领域，电池断路系统的任务是在碰撞事故中关闭某些电路，以尽量减少火灾的风险。紧急操作不需要的部件与电源断开连接，以便在发生短路时降低火灾危险。
首先，可电操作的电池断路系统由适用的机电部件组成。例如在Gebauer&Griller公司申请的DE 29613221[US 6,073,108]专利中所公开的。此外，如Tyco Electronics公司在DE 19911128专利中所公开的，已经建议使用继电器和继电器类的结构来完成关断电源的任务。
这些机电系统具有缺点，即它们需要高能量操作，这必须通过功率半导体器件和相应截面的布线来提供。驱动器运行造成的机械冲击的影响可能导致供电瞬间中断，从而导致敏感设备出现故障或损坏。后者也适用于一组断路器，其在通常操作中是通过压配连接导体并在需要时点火分离，例如在BMW公司的美国专利6,144,111中所公开的。由于加热过程中的振动和热膨胀，连接的逐渐老化导致使用寿命缩短，直到上述结果也在此出现。
其次，涉及需要断开连续导体的设备。在MBB公司的DE10209626和DE10209625专利中公开了一种导体，其内部具有轴向定位的炸药，在需要时毁坏导体。这种结构的主要问题是点火部件和点火电缆会因导体中的电流被持续加热而老化。由于构造的原因，这种结构类型仅具有低电导率。如在DE 102004008120[US 7,511,600]和DE 102004010071[US 7,498,531]的专利申请中所公开的，为了避免这个缺点，Dynamit Nobel公司已经提出将点火部件安装在电缆旁边并且通过切割冲头断开连接。DE-2004008120专利中公开了一种隔离器，其连续的导体轨道与切断点定向成90°，并且DE 102004010071专利中公开了切断冲模为独立的插入式条棒，DE 102004008120专利的原理也在附图中示出，具有这种结构的开关在电压和电流强度(约1kA)两方面的断开能力都受到限制。
随着适用于48V车载电气系统的电力系统能耗的不断增加，以及电动车辆开始进入市场，正在产生一种断开更高电压设备的需求。这需要用于消除或抑制在约30V的直流电压下所产生的电弧的技术解决方案。
在DE 102010015240专利中公开了一种断路器，其通过套筒和插入其中的螺栓产生电流流动。点火后，螺栓从套筒中被驱出，从而断开电气连接。此外，当通过填充惰性气体的胶囊爆裂点火时，该系统能够使惰性气体流向所产生的电弧。但是惰性气体是否在电弧条件下呈惰性并具有所需的效果是被质疑的。
US 7,239,225专利公开了一种断路器，其导体在预定断裂点断开之后将非导电物质带入到位。在一个实施例中，绝缘体被注入壳体，该壳体优选由耐高温的高强度热塑性塑料制成。但是电弧的问题没有解决。热塑性塑料在可能存在电弧的情况下也具有很低的耐久性。
国际专利FR 3017239[WO 2015117878]也是通过非导电冲头切断电路，并根据去离子栅的原理将电弧分成多个单独的电弧来熄灭电弧。同样地，DE 102007033180专利也遵循去离子栅的原理，沿断开方向安装至少两个断流栅片。如果假定电弧的燃烧电压为50V，则在中等电压范围(300V)下，混合驱动器至少需要五个栅片。由于结构复杂，因此成本较高，占用空间较大。
DE 102010035684[US 8,957,335]专利公开了一种系统，其由辅助驱动器驱动的可流动介质打开分离点并且至少在分离时临时将其包围。可流动介质具有绝缘和灭弧效果。缺点是，该结构仅适用于例如在DE 102010011150[US 9,425,010]专利中所公开的实质上为了方便断开连接已被预先弱化的导体。
本发明的描述
目前的技术状况不能令人满意地解决在高电压下可靠地断开强电流的挑战，同时保持系统成本的经济性。
本发明的目的是提供一种经济的断路器，其能够断开电流高达8kA，电压高达500V及以上的电路。
根据本发明，该目的通过所述类型的断路器实现，即在切断冲头和点火单元之间安装用于抑制或消除由切断产生的电弧的灭火介质，从而在点火后使其处于压力下并驱动切断冲头。
借助于切断冲头，可以正常产生断开导体的强力，从而导体只需要适度地弱化。并且，在切断冲头穿过导体之后，灭火介质将与其余部分接触，从而熄灭任何电弧。令人惊讶的是，灭火介质能够在不受损的情况下移动切断冲头。
有利的是，切断冲头具有至少一个切割刃，从而在点火单元点火后将导体的一部分从导体上切出。结果，这些部分以相对较大的距离彼此自动分离，这是根据DE102010035684专利的实施例无法实现的优点。
如果切断冲头是旋转对称的，则会选择一个圆周切割刃，以便在两处切断导体。如果切断冲头不是旋转对称的，即不是可旋转地固定，则需要提供两个间隔开的切割刃。
如果切断冲头由导电材料制成，则是有利的。因此，当切断冲头切断导体时，电流仍然能够畅通无阻地流动；只有在切断冲头穿过导体之后才能产生电弧，由于灭火介质已经接触了这些电弧，这阻止了电弧的形成或者熄灭了已经形成的电弧。
此外，切断冲头由熔点超过2000℃的材料制成是有利的。通过这种方式，它不会被可能产生的短暂电弧损坏，如果有电弧产生的话，也可以在切断导体后不受阻碍地移动。
优选地，切断冲头的起始位置距离导体至少1mm。尽管1mm可能看起来是非常短的距离，但当点火单元点火时，切断冲头非常明显地在该距离上加速，从而以相当大的速度撞击导体，这也相应地增强了其切断功率。
根据本发明的另一个实施例，在点火单元和灭火介质之间安装压力活塞，保护灭火介质免受在点火单元点火期间产生的高温燃烧气体的影响；它必须承受由此产生的压力。烟火压力因此通过压力活塞传递到灭火介质。
为了便于切断，如果导体具有至少一个凹槽，则是有利的。
本发明的另一个优选特征是，在导体与切断冲头相反的一侧安装阻尼元件，使得切断冲头在切断导体之后被减速，优选以至少10000m/s2的减速度制动。这防止了切断冲头的弹性回弹；如果发生弹性回弹，则导电的切断冲头可能再次与这些部分接触，并因此使电路重新连接上。
有利的是，在导体与点火单元相对的一侧，切断冲头至少在横向的一些区域与壳体有间隔，使得在切断导体之后灭火介质流过切断冲头。
因此，当切断冲头已经停止时，灭火介质也可以继续流动；灭火介质的这种流动总是使新鲜的冷却的灭火介质接触电弧，这有利于熄灭电弧。
优选地，导体断开之后其端部在长度方向上是可移动的。由于导体被切断后，灭火介质填充导体端部之间的空间，所以灭火介质在断开方向上也发生流动，使得灭火介质给两个导体端部施加压力并且因此将它们驱动分开，它们彼此的间距由于这些部分的移动而自动增加。
灭火介质在室温下可以是(粘性)液体，它也可以是凝胶或糊状物。灭火介质优选为硅树脂或硅树脂化合物。
附图的简要说明
将基于附图更详细地解释本发明。
图1示出了根据本发明的处于非触发状态的断路器的实施例；
图2示出了该实施例触发后的状态。
本发明的最佳实施方式
断路器的壳体1由上壳体部分2，下壳体部分3和盖板4组成。这些壳体部分通过螺钉5固定在一起。
具有电子点火部件7的点火单元6安装在上壳体部分2中。在上壳体部分2和下壳体部分3之间是具有两个端部8a和8b被夹住的导体8。导体端部8a，8b分别具有插槽9a，9b并通过插销10a，10b定位。导体底部具有凹槽11a和11b，以便于切断。
上壳体部分2中在灭火介质13和切断冲头14之上毗邻点火部件7安装有压力活塞12。
容纳阻尼元件16的腔室15安装在下壳体部分3中并具有通气孔17。
外壳部件由电绝缘耐冲击材料制成，如聚酰胺。作为灭火介质13，推荐使用糊状硅树脂，但也可以使用油或沙子等作为灭火介质13。
用含75mg ZPP(锆/高氯酸钾)和45mg BKNO 3(硼/硝酸钾)的GTMS点火部件和由易切削钢制成的切割冲头14进行了成功的实验。压力活塞12由机加工钢或抗冲击玻璃纤维-增强聚酰胺制成。导体8由横截面为16×2mm的铜制成，在预定断裂点处，横截面减小到16×1mm。
在触发之后(参见图2)，切断冲头14切下导体8的一部分18并压缩阻尼元件16，使得只有灭火介质13位于导体端部8a，8b之间。导体端部8a，8b已经根据其在插槽9a，9b中的移动性而向外移动。
在点火单元6中点燃点火部件7后，压力活塞12加压，并通过灭火介质13将切断冲头14压靠在导体8上。切断冲头14切断导体8上的凹槽11a，11b之间的导体一部分18并推动其进入腔室15。
在切断冲头14冲过导体8的平面之后，冲出的导体一部分18撞击阻尼元件16并且与切断冲头14一起减速。
这导致灭火介质13中的压力增加，由于导体端部8a，8b在插槽9a，9b中的移动性，并且由于腔室15的更大孔径，灭火介质13也可以流过切断冲头14进入腔室15。这确保了灭火介质13的更持久的流动，其一方面具有冷却效果并且另一方面阻碍或延伸电弧。
这种效果可以通过使用导电材料构成的切断冲头14进一步得到支持，在机械切断后作为电流桥，并且因此延缓产生电弧直至灭火介质13到达切断点。
进一步拓展这个思路，切断冲头14可以由非常耐温的金属例如钨制成。
两个导体端部8a，8b的移动也用于熄灭可能存在的电弧，因为电弧的长度是增加的并且空间中填充有灭火介质13。
电弧在早期熄灭是重要的，因为随着燃烧时间的增加，电弧变得越来越难以熄灭并且给壳体中带来非常大的能量，具有相应的不利影响。
因此，另一点是切断冲头14的速度至少为10m/s，以确保导体8被相应的快速切断和灭火介质13的快速移动。整个切断过程可以在不到3ms的时间内完成。
如果点火部件7的力不足以达到所需的速度，则可以在压力活塞12和点火部件7之间添加额外的推进剂。
当用灭火介质13充满时，通风孔17允许空气从腔室15中逸出。这防止了被切断的导体一部分18和切断冲头14在断开电路后被推回到它们的初始位置，这可能导致恢复连接。

Claims (14)

1.一种烟火断路器(1)，用于通过切断冲头(14)切断导体(8)，所述断路器(1)具有容纳可移动的切断冲头(14)和用于驱动切断冲头(14)移动的点火单元(6)的壳体，其特征在于，在切断冲头(14)和点火单元(6)之间具有用于抑制或熄灭由切断产生的电弧的灭火介质(13)，使得其在点火后被加压并且驱动切断冲头(14)。
2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述切断冲头(14)具有至少一个切割刃，使得在所述点火单元(6)点火后，导体的一部分(18)从所述导体(8)上被切出。
3.根据权利要求1或2所述的断路器，其特征在于，所述切断冲头(14)由导电材料制成。
4.根据权利要求1至3任一项所述的断路器，其特征在于，所述切断冲头(14)由熔点大于2000℃的材料制成。
5.根据权利要求1至4任一项所述的断路器，其特征在于，所述切断冲头(14)的起始位置与所述导体(8)间隔至少1mm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的断路器，其特征在于，压力活塞(12)安装在所述点火单元(6)与所述灭火介质(13)之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的断路器，其特征在于，所述导体(8)具有至少一个凹槽(11a，11b)，以便于断开。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的断路器，其特征在于，在导体(8)与切断冲头(14)相反的一侧安装阻尼元件(16)，使得所述切断冲头(14)在切断导体(8)之后被减速，优选以至少10000m/s2的减速度制动。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的断路器，其特征在于，在导体(8)与点火单元(6)相对的一侧，所述切断冲头(14)至少在横向的一些区域与所述壳体有间隔，使得灭火介质(13)在导体(8)被切断之后流过切断冲头(14)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的断路器，其特征在于，所述导体(8)的端部(8a，8b)在断开之后在长度方向上是可移动的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的断路器，其特征在于，所述灭火介质(13)在室温下为液体。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的断路器，其特征在于，所述灭火介质(13)是凝胶。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的断路器，其特征在于，所述灭火介质(13)是糊剂。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的断路器，其特征在于，所述灭火介质(13)是硅树脂或硅树脂化合物。
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