DE102014011767B3

DE102014011767B3 - Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung

Info

Publication number: DE102014011767B3
Application number: DE102014011767.7A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Hackbarth Kurt Helmut
Current assignee: Hackbarth Kurt Helmut
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2034-08-07

Abstract

Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung zur ultraschnellen Trennung von elektrischen Verbrauchern oder Energiequellen (AC und DC) von einem Netz bestehend aus einem Gehäuse (1) in welchem zwei symmetrisch angeordnete Träger (2) aus Kunststoff bestehend, eine besonders geometrisch angeordnete und geformte Lamellenstromschiene (3) aufnehmen. Der als Lamellenstromschiene (3) ausgeführten Stromleiter ist im Bereich der Trennstelle (4) in Form eines Karos (6) zur Aufnahme der Treibladung (7) geformt. Dar Träger (2) zur Aufnahme der Lamellenstromschiene (3) ist mit vier Stützblöcken (18) im Gehäuse (1) verankert und bilden die jeweils zwischen dem Träger (2) und Gehäuse (1) liegenden Auffangräume (12). Bei Zündung der Treibladung (7) durch einen an der Steuerbuchse (10) angelegten elektrischen Steuerpuls erzeugt diese durch eine detonative Umsetzung einen steil ansteigenden Gasdruckimpuls, der die in Form eines Karo (6) ausgebildete, die Treibladung (7) umschließende Lamellenstromschiene (3) im Bereich der Trennstelle (4) beidseitig auftrennt und damit einen Stromkreis kommandiert und schnell unterbricht.

Description

Die Erfindung geht aus von einer gekapselten pyrotechnischen Trennvorrichtung zur ultraschnellen Trennung von elektrischen Verbrauchern oder Energiequellen (AC und DC) von einem Netz mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Nach dem Stand der Technik sind pyrotechnische Schaltglieder/Sicherungen bekannt, bei welchen die Auslösung entweder als Selbstauslösung oder mit einer ansteuerbaren Auslösung ausgeführt ist. Je nach Anwendungsfall finden verschiedene pyrotechnische Stoffe in Form von Treibladungspulvern Verwendung. Die bekannten erreichbaren Abschaltzeiten der Schaltglieder/Sicherungen liegen im Bereich zwischen 1 ms bis 0,1 ms.
Forderungen nach Schaltelementen, deren Abschaltzeiten deutlich unterhalb von 0,1 ms liegen werden aus verschiedenen Anwendungsgebieten erhoben, z. B. der Galvanik, der Automobilindustrie zum Schutz der Energiespeicher oder dem Bereich der Solarstromerzeugung. Diese geforderten Schaltzeiten sind jedoch mit den bisher bekannten pyrotechnischen Schaltgliedern für die entsprechend hohen Stromstärken nicht ohne weiteres erreichbar.
DE 10 2011 088 347 A1 beschreibt eine gekapselte pyrotechnische Trenneinheit für den Einsatz im KFZ-Bereich, welche in einem Gehäuse angeordnet ist. Dieses ist in zwei Teilräume aufgeteilt, einem die pyrotechnische Treibladung enthaltenden Explosionsraum sowie einem Expansionsraum, getrennt durch eine Prallplatte. Der Expansionsraum ist so ausgelegt, dass dieser zumindest Teile des Prallkörpers nach Zündung der Treibladung aufnehmen kann.
Die Auslösung erfolgt von extern mittels eines im KFZ vorhandenen Steuergeräts. Die Trenneinheit enthält keine Selbstauslösefunktion und wirkt nur bei einem schädigenden Ereignis wie einem Unfall. Die erreichten Abschaltzeiten betragen ca. 0,1 ms. Nachteilig ist, dass eine Schutzfunktion gegen Schäden am Energiespeicher, z. B. einer Lithium-Ionen-Speicherzelle, wegen der folglich in ihrer Höhe nur bedingt begrenzten Ströme und einer dadurch bedingten hohen thermischen und mechanischen Belastung, nicht gegeben ist.
In DE 2 103 565 B wird ein Stromunterbrecher beschrieben, dessen Gehäuse als Hauptstromleiter ausgeführt ist. Im Gehäuse ist ein pyrotechnisches Element angeordnet, welches einen Detonator enthält, der mit einer Sekundär-Zusammensetzung wir Pentrit geladen ist. Der Detonator ist durch einen elektrischen Zünder auslösbar. Durch eine detonative Umsetzung wird das als Hauptstromleiter ausgeführte, aus 2 Halbkugeln bestehende Gehäuse, bei dem die Wandung zwischen den Halbkugeln mit einer Nut versehen ist, im Bereich der Nut aufgetrennt und der Stromfluss unterbrochen. Das Gehäuse ist mit einer Isolierflüssigkeit gefüllt, welche beim Aufbrechen des Gehäuses freigesetzt wird und dazu dient, den entstehenden Lichtbogen zu löschen. Diese pyrotechnische Vorrichtung findet wegen der aufwändigen Konstruktion und Zulassung keine kommerzielle Verwendung. Diese Vorrichtungen werden nur sehr vereinzelt in Forschungsinstituten für Sonderexperimente eingesetzt
DE 23 45 196 A1 beschreibt einen Schalter, bei dem ein in einem Gehäuse angeordnetes und als Stromleiter ausgebildetes gefaltetes Rohr, welches mit einem Sprengstoff gefüllt ist, Verwendung findet. Die Zündung erfolgt von Extern mittels einer Zündvorrichtung. Durch die Detonation des Sprengstoffs zerreißt das Rohr und der Stromfluss wird dadurch unterbrochen. Nachteilig ist, dass zusätzlicher Aufwand entsteht durch eine weitere komplizierte Konstruktion, um im Inneren des Schalters ein Vakuum zu erzeugen und zu erhalten. Zudem unterliegt der Schalter strengen Zulassungsvorschriften wegen der geringen Handhabungssicherheit.
In DE 1 050 858 B wird ein elektrischer Stromunterbrecher beschriebe, bei dem der Stromleiter hohl als Rohr ausgeführt ist und in einer Kammer eine Sprengladung eingebracht ist. Bei Zündung der Sprengladung durch eine Zündeinrichtung wird der Stromleiter zersprengt und eine Trennstelle hergestellt. Ein entstehender Lichtbogen wird dabei durch die Explosionsgase, die durch die verbliebenen Rohrstücke nach außen Strömen, gelöscht. Eine Handhabung des Stromunterbrechers ist, wegen möglicher Außenwirkungen im Falle der Auslösung der Sprengladung, nur durch besonders geschultes Personal zulässig.
DE 102 05 369 A1 beschreibt eine außenwirkungsfreie Pyrosicherung unter Verwendung eines separaten Schaltrohres, das sich in den Kontaktstücken in der Pyrosicherung befindet und mit einem aktivierbaren pyrotechnischen Stoff umgeben ist. Die Auslösung der Pyrosicherung erfolgt definiert und kommandiert. Bei Auslösung der wird der Strom, der über besonders beweglich angeordnete Kontaktstücke am Anfang und am Ende der Sicherung sowie ein Schaltrohres fließt, durch das Ausfahren der Kontaktstücke oder Zerstörung des Schaltrohres unterbrochen. Nachteilig wirken sich hier die beweglichen Kontaktstücke aus, die je nach Ausführung einen erhöhten Aufwand in der Herstellung erfordern, um eine gute Gasdichtigkeit nach Außen in die Umgebung zu gewährleisten.
US 3 958 206 A beschreibt eine Sicherung, bei der der abzusichernde Strom über ein Schaltglied fließt, welches mit einem exotherm reaktiven Material wie z. B. PENT gefüllt ist. Die Auslösung der Sicherung durch die Verlustwärme des Stroms erfolgt erst etwa bei Oberflächentemperaturen > 200°C. Als Nachteil ist hier die bestehende die Gefahr, dass sich bei geringen überschreiten der zulässigen Ströme anfänglich nur Risse oder Löcher im Schaltglied bilden und Wandmaterial über den abzusichernden Strom abgeschmolzen wird und erst dann eine Unterbrechung des Stromflusses durch die detonative Umsetzung des PENT erfolgt, wenn die Anzündtemperatur erreicht wird. Diese Eigenschaft führen zu einer deutlich verminderten Reaktionsgeschwindigkeit mit verlängerter Abschaltzeit und einer Einschränkung der Funktionssicherheit der Sicherung durch Materialalterung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 angegebenen Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, eine pyrotechnische Trennvorrichtung zu entwerfen, welche einen elektrischen Stromkreis kommandiert und innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne unter Einsatz eines Explosivstoffs mittels einer detonativen Umsetzung auftrennt. Diese pyrotechnischen Vorrichtungen erfordern aufgrund der detonativen Umsetzung mit Flammenfrontgeschwindigkeiten größer 2000 m/s und daraus resultierend extrem hohe und nur sehr schwer eingrenzbarer Gefahrenpotentiale einen komplizierten Aufbau und sehr aufwändige Maßnahmen bei Transport und Lagerung. Entsprechend sind die Zulassungsverfahren aufwändig und die Auflagen sehr streng und deren Erfüllung sehr kostenintensiv. So ist etwa eine Handhabung wegen möglicher Außenwirkungen im Falle der Auslösung der Sprengladung nur durch besonders geschultes Personal zulässig. Folglich ist bisher eine breite kommerzielle Verwendung nicht erreicht worden.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die abhängigen Patentansprüche nennen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die mit dieser Erfindung nach den Merkmalen des Patentanspruch 1 erreichten Vorteile liegen insbesondere in den im Fehlerfalle erreichbaren ultraschnellen Abschaltzeiten <= 10 μs und den folglich dadurch in ihrer Höhe begrenzten Strömen. Hieraus ergibt sich eine Reduzierung der mechanischen und thermischen Belastung der angeschlossenen elektrischen Verbraucher oder Energiequellen. Die Gefahr deren Beschädigung oder Zerstörung wird reduziert. Die Menge des verwendeten Explosivstoffes ist dabei so bemessen, dass ein Auftrennen des Stromleiters sicher gewährleistet ist und, dass das in seiner Bauweise kompakt ausgeführte Schaltelement bei Auslösung der Sprengladung keinerlei Außenwirkung erzielt. Die hier notwendige Menge Sprengstoff für einen Querschnitt von 32 mm² liegt bei ca. 170 mg. Da das Schaltelement bei Auslösung keinerlei Außenwirkung erzielt und dadurch eine sichere Handhabung ermöglicht wurde, unterliegt die pyrotechnische Trennvorrichtung keinen hohen Auflagen nach dem SprengG. Entsprechend sind bei Transport und Lagerung keine besonderen Auflagen zu befolgen, was das Schaltelement einer breiten kommerziellen Nutzung zugänglich macht.
Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht es die Lamellenstromschiene mit einem Querschnitt bis 500 mm² auszuführen. Die geometrischen Daten der pyrotechnischen Trennvorrichtung sind entsprechend dem Querschnitt der Lamellenstromschiene ohne großen Aufwand anpassbar und erhöht dadurch den wirtschaftlichen Nutzen der Erfindung deutlich.
Einsatzgebiet der Erfindung ist z. B. im Bereich der Kraftfahrzeuge zum Schutz der Energiespeicher wie der Lithium-Ionen-Speicherzellen, um diese vor einer mechanischen oder thermischen Zerstörung in Folge eines über einen zulässigen Grenzwert ansteigenden Stromes zu schützen. Darüber hinaus ergeben sich für die pyrotechnische Trennvorrichtung weitere Einsatzmöglichkeiten, z. B. in der Solarstromerzeugung, der Galvanik oder der Kraftwerkstechnik.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen, und , näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen pyrotechnischen Trennvorrichtung. zeigt einen als Lamellenstromschiene (3) ausgeführten Stromleiter, der in einem symmetrisch angeordneten Träger (2), bestehend aus Ober- und Unterteil, eingebettet ist und im Bereich der Trennstelle (4) in Form eines Karos (6) zur Aufnahme der Treibladung (7) ausgebildet ist. Der Träger (2) zur Aufnahme der Lamellenstromschiene (3) ist mit vier Stützblöcke (18) in einem Gehäuse (1) verankert und bildet die jeweils zwischen dem Träger (2) und Gehäuse (1) liegenden Auffangraum (12). Bei Zündung der Treibladung (7) durch einen an der Steuerbuchse (10) angelegten elektrischen Steuerpuls erzeugt diese durch eine detonative Umsetzung einen steil ansteigenden Gasdruckimpuls, der die in Form eines Karo (6) ausgebildete, die Treibladung (7) umschließende Lamellenstromschiene (3) im Bereich der Trennstelle (4) beidseitig auftrennt und damit einen Stromkreis kommandiert und schnell unterbricht. Die in der Trennstelle (4) abgetrennten Schienenabschnitte der Lamellenstromschiene (3) werden durch die von der Treibladung (7) erzeugte kinetische Energie durch die konisch verlaufenden Auffangbohrungen (11) in den Auffangraum (12) gedrückt und verbleibten dort. Der Restgasdruck expandiert über die Auffangbohrung (11) in den Auffangraum (12). Die Erfassung der Strom-Istwerte geschieht mittels entsprechender Sensoren, die im Träger (2) im Bereich der Lamellenstromschiene (3) in entsprechend ausgeführten Bohrungen (8) eingebaut sind. zeigt die Lamellenstromschiene (3) als Ganzes. Diese ist im Bereich zwischen den Trennstellen (4) in Form eines Karos (6) ausgeführt. Die Treibladung (7) ist im Zentrum des aus der Lamellenstromschiene (3) ausgebildeten Karos (6) angeordnet. Im Bereich der Trennstellen (4) wird die Lamellenstromschiene (3) durch in der Schneidevorrichtung (5) vorhandene Durchführungen geführt. Die in der Schneidevorrichtungen (5) enthaltenen, senkrecht zur Lamellenstromschiene (3) verlaufenden Bohrungen (16, 17) dienen zur Aufnahme einer Klemmvorrichtung zum Klemmen der Lamellenstromschiene (3) in der Schneidevorrichtung (5).

Claims

Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung zur Trennung von elektrischen Verbrauchern oder Energiequellen von einem Netz, mit einem Gehäuse (1) in welchem zwei symmetrisch angeordnete Träger (2) aus Kunststoff, eine besonders geometrisch angeordnete und geformte Stromschiene (3) mit Trennstellen (4) aufnehmen, und mit einer pyrotechnischen Treibladung (7) zur Trennung der Trennstellen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (3), eine symmetrische Lamellenstromschiene (3) ist, deren Lamellen zwischen den Trennstellen (4) eine karoförmige Aufnahme ausbildet, in deren Zentrum die pyrotechnische Treibladung (7) untergebracht ist.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (2) Taschen zur Aufnahme der Schneidevorrichtung (5) eingelassen sind.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) über den Trennstellen (4) eine nach oben hin bis auf das Breitenmaß der Stromschiene (3) reduzierte konisch verlaufende Bohrung (11) enthält.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (2) eine dem Querschnitt der Stromschiene (3) entsprechende Nut zur Aufnahme der Stromschiene (3) eingearbeitet ist.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (2) entsprechende Bohrungen (8) im Bereich der Stromschiene (3) zur Aufnahme von Sensoren zur Erfassung der Strom-Istwerte eingebracht sind.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schneidvorrichtung (5) Durchführungen entsprechend dem Querschnitt der Lamellenstromschiene (3) eingelassen sind.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennstelle (4) zugewandte Seite der Schneidevorrichtung (5) im Durchgangsbereich der Lamellenstromschiene (3) mit einer scharfen Schnittkante versehen ist.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zwei in die Schneidevorrichtung (5) senkrecht zur Lamellenstromschiene (3) verlaufende Bohrungen (16) zur Aufnahme einer Klemmvorrichtung in der Schneidevorrichtung (5).
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine in der Schneidevorrichtung (5) senkrecht zur Lamellenstromschiene (3) verlaufende offene Bohrung (17) zur Arretierung der einzelnen Lamellen der Lamellenstromschiene (3) im Zeitpunkt der Auslösung der pyrotechnischen Treibladung (7) durch den entstehende Gasdruck.
Gekapselte pyrotechnische Trennvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 2 rückseitig quer zum Träger (2) angeordnete Blöcke (18) zur Bildung eines Auffangraumes (12) zwischen Träger (2) und Gehäuse (1) zur Aufnahme der aus der Trennstelle (4) durch den Gasdruckimpuls herausgetrennten und durch die konische Bohrung (11) im Träger in den Auffangraum transportierten Teile der Lamellenstromschiene (3).