CN108602439B - 具有电弧分离板的引爆式断路器 - Google Patents

Abstract

引爆式断路器包括：壳体，在该壳体中至少具有燃烧室；燃烧室内的引爆燃料；汇流条，覆盖燃烧室的开口，汇流条配置为通过激活引爆燃料而被切断；电弧分离板布置在壳体中，位于汇流条的与燃烧室相对的一侧。

Description

具有电弧分离板的引爆式断路器

相关专利的交叉引用

本申请要求2016年2月4日提交的名称为“PYROTECHNIC DISCONNECT WITH ARCSPLITTER PLATES”的美国实用新型专利申请号15/016,202和2016年2月4日提交的名称为“ARC-SUPPRESSING GAS BLAST IN PYROTECHNIC DISCONNECT”的美国实用专利申请No.15/016,210的优先权。两者通过整体引用并入本文，并且出于所有目的构成本申请的一部分。

技术领域

本公开涉及引爆式断路器。

背景技术

断路器(disconnects)可用于各种电路。断路器可用于选择性地中断流出或流入能量存储设备的电流。例如，可以通过断路器来保护电池组(例如，包含锂离子的电池)。仅举两个例子，这种电池组可以用在电动车辆中或用作电能的固定存储器。

在要求苛刻的应用中，断路器必须以快速可靠的方式中断非常大的电流。例如，大电流的中断具有产生电弧的趋势，有时称为电弧柱(arc columns)。由于断路器通常旨在提高电系统的安全性(通过允许其快速断开)，因此重要的是，然后管理这种电弧以便不产生新的危险或进一步损害的风险。同时，优选的是，断路器不会过于复杂或涉及过于昂贵的部件。

发明内容

在第一方面，一种引爆式断路器(pyrotechnic disconnect)包括：壳体，其中至少具有燃烧室；燃烧室内的引爆燃料；汇流条(busbar)，覆盖燃烧室的开口，汇流条被配置为通过激活引爆燃料而被切断；电弧分离板布置在壳体中，位于汇流条的与燃烧室相对的一侧。

实施方式可以包括以下任何或所有特征。电弧分离板包括含铁材料。每个电弧分离板具有面向电弧的切口，该电弧通过切断汇流条形成。切口基本上是U形的。汇流条还包括铰链弯曲部(flexure)，该铰链弯曲部被配置为允许汇流条部分在切断时摆动远离燃烧室。电弧分离板布置成具有曲率的堆叠，使得电弧分离板定位于逐渐远离汇流条部分所采用的路径。电弧分离板以基本线性的堆叠被布置。电弧分离板布置成与汇流条部分所采用的路径基本等距。引爆式断路器还包括来自壳体的排气口。排气口位于电弧分离板的与汇流条相对的一侧。排气口位于电弧分离板的与汇流条相同的一侧。排气口包括位于壳体壁中的格栅，引爆式断路器还包括覆盖格栅的过滤器。格栅和过滤器被配置为允许来自引爆燃料的激活的气体有助于抑制由汇流条的切断形成的电弧。引爆燃料包括引发剂燃料和气体生成剂燃料。引爆燃料包括主燃料和次燃料，每种主燃料和次燃料包括选自由高氯酸锆钾、高氯酸锆钨钾、高氯酸锆氢钾、高氯酸钛钾、高氯酸钛氢钾、硝酸硼钾、黑火药及其组合组成的组中的至少一种。壳体包括被包覆成型到所述电弧分离板上的至少一部分。汇流条包括薄弱点，该薄弱点被配置为便于切断汇流条。薄弱点位于汇流条远离燃烧室的一侧。燃烧室向汇流条敞开。壳体包括围绕汇流条夹持的至少两个部件。

附图说明

图1示出了引爆式断路器的示例。

图2示出了图1中的引爆式断路器的示例截面。

图3示出了电弧分离板的示例。

图4示出了在引爆式断路器中安装在燃烧室上的汇流条的示例。

图5示出了引爆式断路器的另一示例的截面。

图6示出了引爆式断路器的另一示例的截面。

图7示出了引爆式断路器的另一示例的截面。

具体实施方式

本文描述了用于通过切断汇流条来中断电流并且用于抑制由于切断而形成的电弧的系统和技术的示例。在一些实施方式中，使用引爆式断路器的壳体中的电弧分离板来抑制电弧。例如，这种板可以通过将电弧分成多个单独的电弧来抑制电弧。在一些实施方式中，通过来自用于切断汇流条的引爆燃料的一股气体来抑制电弧。例如，气体鼓风(gasblast)可以冷却电弧，将电弧的等离子体与周围空气混合，和/或将电弧驱动到电弧分离板的堆叠中。通过一股气体抑制电弧的一些实施方式可以具有电弧分离板。

断路器可以用于在各种实施方式中中断电流。在它们中的一些中，引爆式断路器被设计成切断能量存储设备(例如，电池组)与另一组件(例如，马达或电力电子电路)之间的电连接。例如，引爆式断路器可以定位在包装内部或外部。在任何一种情况下，都可以设计断路器，以便降低引爆燃料的废气(effluents)或其中的颗粒所带来的风险。

断路器可包括：保持引爆燃料的电绝缘壳体；导电元件；和钢质电弧分离板的堆叠。导电元件可以以这样的方式刻划/切口：当触发引爆燃料时，它像铰接杆一样切断和打开导体。电弧和分离板之间的电/铁磁相互作用的组合和/或燃烧副产物的空气/流体动态可以使电弧被推出到电弧分离板中。通过将单个电弧分成串联的多个电弧，分离板可以大大增加总电弧电压，抑制电流并中断电路。来自设备的排气材料可以通过火花防止过滤器元件导出，以便允许设备容纳在与敏感电子组件相同的密封容积中。

引爆式断路器用于保护防止电流太大，以至于可能对装备或人员造成危险。例如，断路器可以具有专用电流传感器，其检测流动通过导体的电流水平，然后该传感器可以直接或间接地触发引爆设备以引爆它的燃料。作为另一个示例，引爆式断路器可以连接到已经监测流动电流的另一个组件(例如，电池管理系统)。然后，这样组件可以被配置为当特定水平的电流被检测到时，向断路器发送信号。前面的示例旨在避免过大的电流，但是引爆式断路器也可以或者代之以在其他情况下切断电导体，例如当电流很小或没有电流时。例如，这可以作为预防措施来完成。现在将描述引爆式断路器的一些实施方式。

图1示出了引爆式断路器100的示例。断路器包括壳体，壳体在此具有上部主体102和下部主体104。在其他实施方式中，壳体可具有不同数目的部件。壳体可以由任何合适的电绝缘材料制成。在一些实施方式中，壳体由塑料制成。例如，上部主体和下部主体可以是相应的注塑部件。

引爆式断路器包括汇流条106，汇流条106被配置用于在通过断路器的任何方向上导电。汇流条也可以在壳体内被切断，以中断在汇流条中流动的任何电流，如下面将举例说明的。这里的汇流条在其从壳体延伸的端部处具有大致矩形的截面。另一方面，在这些端部中间，汇流条可以具有诸如另一个轮廓的不同的形状。汇流条可以由(一个或多个)任何合适的导电材料制成。在一些实施方式中，汇流条由铝制成。

引线108从上部主体延伸。它们连接到安装在壳体内部的引爆设备。如下面将举例说明的，在引线上传输的电脉冲或其他信号可以触发引爆设备的启动。例如，这种脉冲或信号可以由电流感测设备发送。

这样，引爆式断路器100示出了一种实施方式的示例，其中壳体包括围绕汇流条夹持的至少两个部件，以便将断路器形成为完整的单元。

图2示出了图1中的引爆式断路器100的示例性截面。这个视图与前一个图相比从相对侧示出了断路器。在任何情况下，断路器被示出为具有上部主体102、下部主体104、汇流条106以及引线108中的一个。

引线108耦合到引爆燃料200，在该示例中，引爆燃料200位于上部主体内。各种引爆燃料中的任何一种可以被使用，例诸如下面将举例说明的那些。这里，引爆燃料被包括在罐202内并且通常包括主燃料204和次燃料206。在一些实施方式中，引线108可终止于引爆燃料内的桥接线的相应端部。例如，陶瓷部件可用于保持桥接线和引线的端部。主燃料204可以围绕桥接线填充。在一些实施方式中，然后次燃料被封装在罐中的主燃料附近或邻近。例如，箔可以放置在燃料之间。在一些实施方式中，罐在至少一侧上具有刻划以有助于破裂。引爆引发器可能需要在两个引线上施加电压以驱动电流通过桥接线并使其熔化。

主燃料和次燃料的相应的一种或多种化学成分可以根据切断汇流条所需的性能来选择。主燃料的主要功能可以是断开和打开汇流条。在一些实施方式中，主燃料包括引发剂燃料，其可被配置为使得其以比次燃料更高的速率和更高的温度燃烧。例如，主燃料可以是非常快速燃烧的燃料，其具有基本上仅产生固体输出且不产生气体的化学反应。因此，这种燃料的能量基本上全部来自热能。在一些实施方式中，在一些实施方式中，可使用快速燃烧的含硼材料，包括但不限于高氯酸锆、高氯酸锆钨、高氯酸锆、高氯酸钛钾或高氯酸氢钾。

次燃料反过来可包括气体生成剂燃料。次燃料的主要功能可以是移动由切断的汇流条产生的电弧，和/或冷却电弧并将其与周围空气混合，和/或帮助从断路器设备排出废气。在一些实施方式中，这种燃料中的化学品具有几个反应阶段，包括释放气体的一些阶段。也就是说，这种燃料不仅仅将固体转化为其他固体，或者仅仅释放热量，而是将固体转化为固体和气体的组合，并且还释放热量。任何合适的缓慢燃烧的气体产生剂可以被使用，包括但不限于硝酸硼钾或黑火药。在一些实施方式中，主燃料中的任何可被用于次燃料，和/或反之亦然。例如，主燃料中的多个可用作次燃料。

在这里，引爆式断路器具有单个引爆燃料。然而，在其他实施方式中，不同数目的燃料可以被使用。例如，诸如出于冗余或提高性能的目的，两个或更多个相似或相同的燃料可以在同一断路器中被使用。作为另一示例，(一个或多个)主燃料和(一个或多个)次燃料可以是单独的设备，其可以被同时或以交错方式触发。

引爆燃料200位于燃烧室208内。在该示例中，燃烧室位于引爆式断路器的上部主体中。例如，引爆燃料可以朝向燃烧室的内端放置，其中一个或多个开口被提供以容纳引线从壳体中伸出。通常，燃烧室用于在部署之前保存引爆燃料，并且在启动时将鼓风朝向汇流条引导。燃烧室可具有任何合适的形状。在一些实施方式中，燃烧室可以在朝向面向汇流条的开口的一些或所有侧面上张开。在一些实施方式中，径向对称的形状可被使用。

汇流条106抵靠燃烧室的开口定位，以便从引爆设备接收鼓风并由此在至少一个位置被切断。在一些实施方式中，汇流条具有便于切断的凹口210。凹口可具有任何合适的形状，包括但不限于V形。凹口可以被设置在汇流条的远离燃烧室开口的面上。这有助于在汇流条和开口之间形成密封。例如，诸如硅树脂的密封材料可以被施加在表面上。在其他实施方式中，钎焊、铜焊或焊接接头可以用作断裂应该发生的薄弱点。

汇流条可以提供一种特征，其通过部署引爆燃料来帮助促进切断。在一些实施方式中，引爆鼓风应该使得跨燃烧室的开口延伸的汇流条的部分以铰接的方式从其摆动离开。例如，铰链弯曲部212可以被提供以帮助汇流条部分从燃烧室朝向下部主体104摆动离开。

这里的引爆式断路器还包括位于下部主体104内部的电弧分离板组件214。该组件设计成当汇流条通过引爆配置被切断时，抑制电弧的形成。例如，当这样的电弧被形成时，它可以被拉成与一些或所有板接触，从而被分成较小电压的较小电弧。该组件包括多个电弧分离板214A，其在此被布置成堆叠的形式。例如，一些或所有板可以基本上平行于汇流条。电弧分离板具有切口214B，该切口214B在板的中心线的两侧对称(在该图示中，在每个板上仅可见一侧)。电弧分离板可由任何含铁材料制成，包括但不限于钢。在一些实施方式中可以使用比本示例中更多或更少的板。板的尺寸以及它们之间的(一个或多个)间距可以根据具体实施方式选择，例如，基于断路器的总尺寸以及预期发生的系统感应、电压和/或电流的水平。板可以以多种方式中的任何一种安装，包括但不限于壳体具有开口槽或凹槽，每个槽适于保持一个板。仅作为示例，这样的开口槽/凹槽可以位于壳体中的一个或多个壁的内侧。

组装和容纳分离板的方法的另一个示例包括利用注塑载体包覆模制它们。在一些实施方式中，这涉及在注塑机中使用钢制工具。在该工具中，分离板布置成它们在成品中意图具有的构造。例如，这可以包括将板在堆叠中彼此间隔开地放置，可选地使得它们对应于样条曲线或其他曲线彼此偏移。然后材料可以被包覆成型到堆叠中的分离板的边缘上，以便形成用于断路器的壳体的至少一部分。工具的紧密配合可以确保板的某些部分(例如，它们的中心和切口)不会被模制材料覆盖。例如，堆叠中板之间的分离和模制材料的粘度可以被选择，以便在模制过程期间减少材料在板之间的间隔中的渗透。

板可以以各种配置布置，例如如图所示的堆叠。在此，堆叠具有曲率，使得在其顶部，板的前边缘基本上与燃烧室开口的近边缘对齐，并且使得在堆叠的底部，前边缘更靠近燃烧室开口的远边缘。沿着堆叠，板的放置可以根据有规律图案(例如曲线)而变化。例如，汇流条部分从燃烧室摆动离开，结果汇流条被切断，并且该汇流条部分可以沿着基本上圆形的路径；然后堆叠能够被成形(例如，根据曲线)，使得板逐渐远离该圆形路径定位。在其他实施方式中，电弧分离板的堆叠可以具有另一种形状。例如，堆叠可以是线性的，或者电弧分离板的边缘可以与汇流条的路径等距。

壳体可具有一个或多个排气口。这种口的目的可以是允许来自引爆配置的废气离开壳体。这里，口216位于壳体的底部，但是可以放置在其他地方。该口位于电弧分离板214的与汇流条106相对的一侧。例如，通道218可以允许在板之间流动的气体继续流向口。过滤器可以被提供在口216和/或通道218中，以便捕获与气体一起行进的颗粒。

口220可以定位在壳体的底部或其他位置。在此，该口位于电弧分离板214的与汇流条106相同的一侧。在一些实施方式中，该口可以允许一些气体从壳体中逸出而不首先在电弧分离板之间通过。例如，该口的配置可以允许通过转移其中的一些来调节通过电弧分离板的气流。该开口可设有过滤器。在其他实施方式中，该口220被省略，使得气流通过单个口(例如，口216)。

以下是引爆式断路器100的操作示例。当引爆燃料被部署时，爆炸切断汇流条并使其朝向打开位置摆动。这导致在切断时产生的相应汇流条边缘之间形成电弧。电弧和分离板之间的电/铁磁相互作用的组合，以及燃烧副产物的空气/流体动态可以使该电弧被推出到电弧分离板中。这可以使单个弧被分成彼此串联的多个电弧。这样，分离板可以增加总电弧电压，从而抑制电流并中断电路。来自引爆设备的废料可以通过火花防止过滤器元件进行管道输送。例如，这可以允许断路器被容纳在与敏感电子部件相同的密封容积中。

这样，再次参考图1。示例示出引爆式断路器100具有包括上部主体102和下部主体104的壳体。燃烧室208形成在其中并且在此保持引爆燃料200。汇流条106覆盖燃烧室的开口并且被配置为通过激活引爆燃料而被切断。此外，电弧分离板214被布置在壳体中汇流条的与燃烧室相对的一侧上。这些示例还表明，排气口216和/或220可以形成在壳体中，并且它可以有助于抑制电弧，该电弧由于激活引爆燃料而切断汇流条的气体形成。这里的壳体包括壁222，在该示例中，壁222形成壳体的底部。例如，在一些实施方式中，该壁可以由口216和220限定。

图3示出了电弧分离板300的示例。该板可被用于本文所述的任何示例中。该板在此通常是矩形的并且具有在其边缘中的一个边缘中形成的切口302。该示例中的切口延伸超过板的宽度的一半以上并且具有大致U形的形状。其他切口轮廓可以被使用。当用在电弧分离板的堆叠中时，板可以被定向成使切口面向电弧304被预期形成的位置。该电弧是由于汇流条被切断时导电路径的分离引起的。

电弧生成磁场，该磁场暂时磁化分离板以在其中形成相应的北极和南极磁极，例如如图所示。然后，分离板的合成磁场306将弧304拉入板中，延长和拉伸弧。也就是说，电磁相互作用产生力矢量，由箭头308示意性地示出，其垂直于电弧中的电流和磁场线两者。电弧电流在此垂直于页面流动，因此电弧上的合力驱动电弧更深地进入分离板。当电弧附着在分离板上时，它被分成多个串联的弧形。由于每个电弧附着点具有最小电压降，因此增加电弧数会增加总电压，从而抑制电弧。除此之外，可以将来自引爆的气体排出物引导通过分离板。这有助于将电弧更深地引导到分离堆叠中，并且来自引发剂的高速湍流空气可以冷却等离子体柱并将其与壳体中的周围空气混合。因此，除了电弧分离板之外或代替电弧分离板，这可以提供电弧抑制。

图4示出了安装在引爆式断路器402中的燃烧室的汇流条400的示例。这里，汇流条以壳体内部的视图示出，因此燃烧室的开口隐藏在汇流条部分400A的后面。汇流条具有形成在其中的凹口404，其中汇流条旨在被引爆部署的爆炸切断。也就是说，汇流条部分用于在切断之后摆动远离燃烧室，从而中断通过汇流条的电流。

图5示出了引爆式断路器500的另一示例的截面。在此，断路器包括上部主体502和下部主体504，上部主体502和下部主体504围绕汇流条506夹持。电弧分离板508布置在壳体内部，在该示例中为具有弯曲配置的堆叠。这里的壳体包括壁510，在该示例中，壁510定位在壳体的壁内。这里的壁用于限定通道512，通道512在电弧分离板堆叠后面延伸并沿着壳体的底壁延伸。仅作为两个示例，下部主体504可以在制造之后将弧形分离板插入其中，或者可以通过将载体包覆模制到板上来形成外壳(或其一部分)。

引爆式断路器500中的一个或多个壳体壁可具有排气口。这里，例如，格栅514设置在侧壁和底壁中(模糊)。例如，格栅可包括穿过壁材料的开口的阵列。一个或多个过滤器可以被提供以阻止火花或其他颗粒通过(一个或多个)口离开。这里，例如，滤波器元件516被示出。任何合适类型的(一个或多个)过滤器可以被使用。在一些实施方式中，元件包括多孔或纤维状耐温材料，例如玻璃纤维或陶瓷纤维。格栅和过滤器可以帮助来自激活引爆燃料的气体抑制由汇流条切断形成的电弧。例如，允许气体通过(一个或多个)口逸出的事实可以允许气体鼓风通过冷却电弧、将电弧与周围空气混合和/或通过驱动电弧进入分离板来抑制电弧，同时废气颗粒可以被阻止。因此，过滤器的类型和/或排气口的尺寸可以被选择，以便提供足够的气体流出壳体。

燃烧室518可具有各种形状中的任何形状，包括但不限于直形或喇叭形。例如，喇叭口可以朝向开口变宽，使得腔室朝向接收鼓风的汇流条部分呈现增大的面积。腔室可以设计成在开口和远端之间具有各种深度。例如，深度可以被选择以为引爆燃料提供合适的放置，并且降低在切断的汇流条边缘与部署之后引爆燃料剩余物体之间形成电弧或爬电路径的可能性。

图6示出了引爆式断路器600的另一示例的截面。一些部件与前一示例中所示的部件类似或相同。例如，这里的引爆式断路器包括上部主体602、下部主体604、汇流条606、壁610、通道612、格栅614和过滤器元件616。电弧分离板608可以是如本文中的任何或所有其他示例的类似材料和/或配置。此外，电弧分离板608布置成基本线性的堆叠。例如，堆叠不会跟随汇流条跟踪的电弧，因为它会摆动到其打开位置。

图7示出了引爆式断路器700的另一示例的截面。一些部件与先前示例中所示的那些部件类似或相同。汇流条部分702被配置为通过在燃烧室中部署燃料而被切断。腔室可具有多种形状中的任何一种，包括但不限于直的或喇叭形的形状。然后，汇流条部分围绕铰链摆动，该铰链在此由标记704表示。例如，该旋转可通过汇流条中的铰链弯曲来促进。汇流条部分在摆动时沿着圆形路径706，该路径取决于铰链的位置和汇流条部分的长度。在此，电弧分离板的堆叠708被布置，使得板与路径706基本等距。

已经描述了许多实施方式作为示例。然而，以下权利要求涵盖其他实施方式。

Claims (17)

1.一种引爆式断路器，包括：

壳体，具有上部主体和下部主体，在所述上部主体中包括燃烧室；

所述燃烧室中的引爆燃料；

汇流条，在上部主体和下部主体之间，其中所述汇流条包括跨所述燃烧室的开口延伸的汇流条部分，其中所述汇流条部分包括铰链弯曲部和靠近所述开口的端部的凹口，其中所述汇流条部分被配置为通过激活所述引爆燃料而在所述凹口处被切断，并且其中所述汇流条部分配置为在切断时摆动远离所述燃烧室的所述开口的所述端部；和

电弧分离板，布置在所述下部主体中并且被竖直地间隔开，其中：

在所述引爆燃料的释放之前，所述汇流条被配置为导电，以及

在所述引爆燃料的释放期间，所述汇流条部分绕所述铰链弯曲部摆动，使得所述汇流条部分的端部沿着所述下部主体中的圆形路径行进；以及

排气口，形成在所述下部主体中，所述排气口被配置为允许由所述引爆燃料的释放而生成的气体逸出所述壳体。

2.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述电弧分离板包括含铁材料。

3.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述电弧分离板中的每个电弧分离板具有面向电弧的切口，所述电弧通过切断所述汇流条而形成。

4.根据权利要求3所述的引爆式断路器，其中所述切口基本上为U形。

5.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述电弧分离板以堆叠被布置，所述堆叠具有曲率，以使得所述电弧分离板定位成逐渐远离在所述引爆燃料释放期间所述汇流条部分所采用的路径。

6.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述电弧分离板以基本线性的堆叠被布置。

7.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述电弧分离板被布置为与在所述引爆燃料释放期间所述汇流条部分所采用的路径基本等距。

8.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述排气口位于所述电弧分离板的与所述汇流条相对的一侧。

9.根据权利要求1所述的引爆式断路器，还包括形成在所述壳体的所述下部主体中的第二排气口，其中所述第二排气口位于所述电弧分离板的与所述汇流条相同的一侧。

10.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述排气口包括在所述壳体的壁中的格栅，所述引爆式断路器还包括覆盖所述格栅的过滤器。

11.根据权利要求10所述的引爆式断路器，其中所述格栅和所述过滤器被配置为允许来自激活所述引爆燃料的气体帮助抑制由切断所述汇流条形成的电弧。

12.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述引爆燃料包括引发剂燃料和气体生成剂燃料。

13.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述引爆燃料包括主燃料和次燃料，所述主燃料和所述次燃料中的每一个燃料包括选自由高氯酸锆钾、高氯酸锆钨钾、高氯酸锆氢钾、高氯酸钛钾、高氯酸钛氢钾、硝酸硼钾、黑火药及其组合组成的组中的至少一个。

14.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述壳体包括被包覆成型到所述电弧分离板上的至少一部分。

15.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述燃烧室朝向所述汇流条敞开。

16.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述上部主体和所述下部主体围绕所述汇流条夹持。

17.根据权利要求1所述的引爆式断路器，其中所述凹口具有V形。

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