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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Derartige Unterbrechungsschaltglieder finden beispielsweise in der Kraftwerks- und KFZ-Technik, wie auch im allgemeinen Maschinen- und Elektrobau in Schaltschränken von Maschinen und Anlagen, sowie im Rahmen der Elektromobilität in Elektro- und Hybridfahrzeugen, aber auch in elektrisch betriebenen Hubschraubern und Flugzeugen zum definierten und schnellen Trennen von elektrischen Starkstromkreisen im Notfall Verwendung. Eine Anforderung an solche Schaltglieder besteht darin, dass kein(e) Heißgas, Partikel, Wurfstücke oder Plasma aus diesen austreten. Weiterhin sollen solche Schaltglieder nach der Trennung den Isolationswiderstand sicherstellen.
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Weitere Einsatzgebiete sind die elektrische Abtrennung einer Baugruppe vom Bordnetz für den Fall eines Kurzschlusses in der betreffenden Baugruppe, beispielsweise in einer elektrischen Standheizung oder in einer elektrischen Bremse, sowie die Notabschaltung einer Lithiumbatterie, wie sie heute in Elektro- und Hybridfahrzeugen, sowie in Flugzeugen zur Anwendung kommen. Diese Batterien haben bei kleinem Bauvolumen eine hohe Klemmenspannung von bis zu 1200 V bei extrem kleinem Innenwiderstand. Aus beiden resultiert ein möglicher Kurzschlussstrom von bis zu 5000 A, teilweise und kurzzeitig sogar bis zu 30 kA, ohne dass hierbei die Quellspannung stark einbrechen würde, was schon nach wenigen Sekunden zur Entzündung der Batterie bzw. zu deren Explosion führen kann. Auch zur Notabschaltung von einzelnen Solarzellenmodulen oder ganzen Solarzellenfeldern im Notfall ist das hier vorgestellte Unterbrechungsschaltglied sehr gut geeignet, weil es ansteuerbar bzw. fernsteuerbar ausgebildet sein kann.
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Bei allen hier aufgeführten Einsatzfällen handelt es sich in der Regel um das Abschalten von Gleichstrom, der anders als Wechselstrom keinen Nulldurchgang aufweist. Normalerweise liegt in einem Unterbrechungsschaltglied nur die Betriebsspannung an. Im Moment der Trennung eines Gleichstromkreises in einem Unterbrechungsschaltglied steigt durch den Zusammenbruch des Magnetfelds des äußeren Stromkreises jedoch die Spannung derart stark an, dass zwischen den getrennten Enden eines Trennelements eines Unterbrechungsschaltglieds in der Regel ein Lichtbogen entsteht. Zur Erzeugung eines Lichtbogens wird in der Regel eine relativ hohe Spannung benötigt. Zum Aufrechterhalten reichen jedoch schon wesentlich niedrigere Spannungen aus, was in der Regel bei üblichen Betriebsspannungen von etwa 450 V der Fall ist.
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Damit auch nach einem Abfall der Spannungsspitze auf die Betriebsspannung der Lichtbogen gelöscht wird, werden bereits Schaltglieder mit einem Kontaktrohr mit einem Trennbereich in Form eines Hohlzylinders eingesetzt, wobei der Hohlzylinder zur Trennung des Stromkreises entlang seiner Querschnittsfläche vollständig aufgerissen, aufgeschmolzen oder aufgebrochen wird, und beide Enden des Hohlzylinders mechanisch voneinander entfernt werden. Zum Aufreißen oder Aufbrechen des Hohlzylinders wird hierbei oft ein aktivierbarer Antrieb verwendet, der sich im Hohlraum des Hohlzylinders befindet. Es wurde jedoch festgestellt, dass durch das Zünden des aktivierbaren Antriebs oder durch das Entstehen des Lichtbogens und des damit verbundenen Druckaufbaus durch Verdampfen des umgebenden Löschmediums oft relativ große Teile des Trennbereichs losgerissen werden, die dann in anderen Teilen des Unterbrechungsschaltglieds durch unerwünschte Überbrückung zweier spannungsführender Bereiche einen Kurzschluss auslösen können.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Gleichströmen bei hohen Spannungen, bereitzustellen, bei dem beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung möglichst keine oder nur wenige und wenn, dann nur kleine leitende Bruchstücke im Inneren frei werden, die einen Kurzschluss hervorrufen können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied kann von einer Leitstellung in eine Trennstellung überführt werden. Ist das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied in einen Stromkreis integriert, so ist der Stromkreis in der Leitstellung geschlossen. In der Trennstellung ist der Stromkreis unterbrochen. Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied weist ein Gehäuse auf, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift, d.h. die Kontakteinheit wird von dem Gehäuse umgeben. Die Kontakteinheit weist einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich auf. Die Kontakteinheit ist so ausgebildet, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt. Der Trennbereich ist als rohrförmiges Element ausgestaltet, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige Element entlang einer Ebene senkrecht zur Achse X in zwei Teile auftrennbar ist, wodurch der Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt unterbrochen wird. Das rohrförmige Element weist entlang der Erstreckungsrichtung der Achse X zwei gegenüberliegende Endbereiche auf.
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Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ist dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den Endbereichen eine minimale Wandstärke aufweist, die jeweils in Richtung der Endbereiche zunimmt. In anderen Worten weist das rohrförmige Element zwischen den Endbereichen einen Bereich mit einer Verjüngung der Wandstärke auf.
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Durch die Zunahme der Wandstärke kann anders als bei einer gleich bleibenden Wandstärke, beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung das Losreißen von Teilen des Trennbereichs größtenteils vermieden werden, so dass innerhalb des Unterbrechungsschaltglieds keine größeren elektrisch leitenden Teile zum elektrischen Überbrücken unerwünschter Bereiche zur Verfügung stehen. Das Risiko des Auftretens eines inneren Kurzschlusses im erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied kann auf diese Weise minimiert oder sogar vollständig verhindert werden.
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Es werden hierdurch keine größeren Teile aus dem rohrartigen Verbindungselement herausgerissen, sondern das Material an der Trennstelle Richtung dickerer Wandstärke bzw. Richtung Endbereiche quasi aufgebördelt bzw. aufgerollt, es verbleibt damit auch nach der Trennung an den rohrförmigen Endstücken.
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Das rohrförmige Element weist vorzugsweise eine ringartig geschlossene Querschnittsfläche auf, die sich vorzugsweise senkrecht zur axialen Erstreckungsrichtung (Achse X) befindet. Die Querschnittsfläche kann jede beliebige Form aufweisen, beispielsweise kreisringförmig, elliptisch, beliebig ringförmig ohne oder mit ein oder mehreren Ecken, dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig oder vieleckig, wobei eine kreisringförmige Querschnittsfläche bevorzugt ist.
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Die Zunahme der Wandstärke kann in axialer Erstreckung des rohrförmigen Elements kontinuierlich oder diskontinuierlich, d.h. beispielsweise stufenförmig, sein, wobei eine kontinuierliche Zunahme bevorzugt ist. Die kontinuierliche Zunahme kann linear oder progressiv erfolgen. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Wandstärke in Richtung der Endbereiche des rohrförmigen Elements jeweils kegelförmig zunimmt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das rohrförmige Element derart ausgestaltet ist, dass es in jeder Ebene senkrecht zur Achse X eine Querschnittsfläche gleicher Form aufweist. Weiterhin kann die Zunahme der Wandstärke in den beiden Richtungen zu den der Endbereichen des rohrförmigen Elements hin unterschiedlich oder gleich, d.h. spiegelsymmetrisch verlaufen, wobei die Spiegelebene im Bereich der minimalen Wandstärke senkrecht zur Achse X angeordnet ist. Die spiegelsymmetrische Zunahme in beiden Richtungen ist erfindungsgemäß bevorzugt, da dann die Wirkung der Vermeidung von abgerissenen Teilen besonders groß ist. Auch ist es bevorzugt, dass die Querschnittsübergänge hin zu den jeweiligen Endbereichen des rohrförmigen Elements radial verlaufen, d.h. mit bestimmten Radien versehen sind, um hier zu hohe Kerbspannungen zu vermeiden, die das rohrförmige Element an diesen Stellen, insbesondere bei mechanischen Belastungen bzw. Vibrationen der Baugruppe bzw. des Verbindungselementes, unerwünscht an- oder aufbrechen könnten.
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Der Bereich der minimalen Wandstärke des rohrförmigen Elements kann als Bereich mit gleichbleibender Wandstärke ausgebildet sein. Dabei ist es bevorzugt, dass die Querschnittsübergänge von dem Bereich mit minimaler Wandstärke hin zu den Bereichen, in denen die Wandstärke zunimmt, radial verlaufen, d.h. mit bestimmten Radien versehen sind. In einer Ausführungsform kann ein solcher Bereich mit gleichbleibender Wandstärke auch entfallen, d.h. in dem Bereich der minimalen Wandstärke treffen die Bereiche, in denen die Wandstärke zunimmt, aufeinander, ebenso vorzugsweise mit einem radial verlaufenden Querschnittsübergang.
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Die beiden gegenüberliegenden Endbereiche des rohrförmigen Elements gehen vorzugsweise jeweils in Flansche über, die sich in Richtung des Gehäuses und senkrecht zur Achse X erstrecken.
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In einer Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied mindestens eine Kammer auf, die zumindest teilweise von dem Trennbereich begrenzt wird. Die mindestens eine Kammer ist vorzugsweise mit einem Löschmittel gefüllt, so dass der Trennbereich mit dem Löschmittel im Kontakt steht. Die mindestens eine Kammer befindet sich vorzugsweise innerhalb des Hohlraums des rohrförmigen Elements des Trennbereichs, d.h. wird von dem Trennbereich umschlossen. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied eine weitere Kammer aufweisen, die an den äußeren Bereich des rohrförmigen Elements des Trennbereichs angrenzt. In anderen Worten grenzt das rohrförmige Element die mindestens eine Kammer von der weiteren Kammer ab. Die weitere Kammer wird in ihrem äußeren Umfang vorzugsweise von dem Gehäuse des Unterbrechungsschaltglieds begrenzt. Die weitere Kammer ist vorzugsweise ebenso mit einem Löschmittel gefüllt.
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Die Füllung des Hohlraums des rohrförmigen Elements kann jedoch auch entfallen, in diesem Fall ist nur die weitere Kammer außerhalb des rohrförmigen Verbindungselements mit einem Löschmittel gefüllt. Bei sehr kleinen zu trennenden Strömen in Verbindung mit sehr kleinen Stromkreisinduktivitäten kann aber das Löschmittel auch ganz entfallen, hier reicht dann die umschlossene Luft für den Trennvorgang aus.
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Das Löschmittel kann ein festes, pulverförmiges oder ein flüssiges Medium sein. Vorzugsweise ist das Löschmittel ein verdampfbares oder vergasbares Medium (z.B. Borsäure; dieses Pulver geht bei Lichtbogeneinfluss direkt aus der pulverförmigen Phase in Gas über, wobei es Energie aufnimmt und so den Lichtbogen verarmt). Vorzugsweise ist das Löschmittel ein flüssiges Medium, das bei Erreichen der Siede- oder Verdampfungstemperatur ganz oder teilweise in einen gasförmigen Zustand übergeht. Gleichzeitig ist es bevorzugt, dass das Löschmittel auch elektrisch gut isolierende Eigenschaften hat, damit der Lichtbogen nach ausreichender Entfernung der beiden aufgetrennten Teile des Trennbereichs gelöscht werden kann und danach zwischen den getrennten Kontakten eine ausreichende Isolation gegen einen hier dann unerwünschten Stromfluss besteht. Vorzugsweise ist das Löschmittel ein Öl mit oder ohne Verdickungsmittel, beispielsweise Silikonöl, oder ein Silan bzw. Polysiloxan, beispielsweise Hexasilan oder Pentasilan mit möglichst wenig oder noch besser ohne Kohlenstoffatomanteil.
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In einer Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied einen Treibspiegel auf, der aus einer Ausgangsposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt erreicht ist. Der Treibspiegel hat die Aufgabe, die beiden getrennten Teile des Trennbereichs voneinander zu trennen, indem er durch Druckbeaufschlagung eine mechanische Bewegung durchführt, die einen Teil des getrennten Trennbereichs von dem anderen Teil des getrennten Trennbereichs entfernt. Auf diese Weise wird ein Sicherheitsabstand zwischen den beiden getrennten Teilen des Trennbereichs hergestellt.
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Die Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds, d.h. des Vorgangs des Übergangs von der Leitstellung in die Trennstellung, kann passiv oder aktiv erfolgen.
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Soll die Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds aktiv erfolgen, so ist es bevorzugt, dass das Unterbrechungsschaltglied ein aktivierbares Material umfasst. Das aktivierbare Material ist vorzugsweise so angeordnet, dass bei dem Zünden des pyrotechnischen Materials der Trennbereich mit einem durch das aktivierbare Material erzeugtem Gasdruck oder Stoßwelle beaufschlagt wird, so dass der Trennbereich aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird. Dabei ist der Treibspiegel vorzugsweise derart ausgestaltet, dass er bei einem Zünden des aktivierbaren Materials derart mit einem/r dadurch erzeugten Gasdruck oder Stoßwelle beaufschlagt wird, dass der Treibspiegel im Gehäuse in einer Bewegungsrichtung aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt und dabei der Trennbereich aufgerissen, eingedrückt oder getrennt wird.
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Das aktivierbare Material kann ein pyrotechnisches Material sein, das detonativ oder deflagrierend wirkt. Das pyrotechnische Material ist in dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied vorzugsweise in einem sogenannten Minidetonator, oder einer Anzünd- oder Zündpille vorhanden, kann jedoch auch in anderer Form eingebracht sein.
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Soll die Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds passiv, d.h. ohne ein aktivierbares Material zum erstmaligen Durchtrennen des Trennbereichs, erfolgen, so ist es bevorzugt, dass der Trennbereich, der Treibspiegel und das Löschmittel so ausgebildet sind, dass der Trennbereich durch den zugeführten Strom bei Überschreiten einer Schwellstromstärke durch Erhitzung an oder über den Schmelzpunkt des Materials des Verbindungselements in mindestens zwei Teile auftrennbar ist, wobei ein zwischen den zwei Teilen des Trennbereichs entstehender Lichtbogen das Löschmittel verdampft, sodass ein den Treibspiegel beaufschlagender Gasdruck entsteht, wobei der Treibspiegel im Gehäuse wieder in einer Bewegungsrichtung aus der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird.
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Weiterhin kann der Trennbereich auch eine oder mehrere Sollbruchstellen aufweisen, die in Form einer Verengung, Kerbe, Nut oder Bohrung vorliegen kann. Vorzugsweise liegt die Sollbruchstelle in Form einer Bohrung durch die Wand des rohrförmigen Elements des Trennbereichs vor. Auf diese Weise verbindet die Bohrung die mindestens eine Kammer mit der weiteren Kammer. Es ist auf diese Weise bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds leichter ein Löschmittel in die mindestens eine Kammer innerhalb des rohrförmigen Elements einzufüllen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Kontakteinheit einen Stauchbereich aufweisen. Der Stauchbereich kann derart gestaltet sein, dass er eine noch weitere Kammer umgibt. Der Stauchbereich kann so gestaltet sein, dass er während des Auftrennvorgangs des Trennbereichs gestaucht wird. Es ist bevorzugt, dass das Material des Stauchbereichs ein gut verformbares, evtl. auch weichgeglühtes Material ist, um das Faltverhalten des Stauchbereichs zu verbessern. Der Stauchbereich kann hinsichtlich des Materials und der Geometrie so ausgelegt werden, dass die Wandung des Stauchbereichs infolge der Stauchbewegung gefaltet, vorzugsweise mäanderförmig gefaltet wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Stauchbereich so ausgebildet sein, dass er bei der Bewegung des Treibspiegels von der Ausgangsposition in die Endposition gestaucht wird, wobei der Stauchbereich vorzugsweise als rohrförmiges oder stabförmiges Element ausgestaltet ist, dessen axiale Erstreckungsrichtung entlang einer Achse X verläuft, wobei das rohrförmige oder stabförmige Element eine oder mehrere Verjüngungen in seinem Querschnittsdurchmesser haben kann, wobei der Querschnittsdurchmesser senkrecht zur Achse X definiert ist. Der Stauchbereich kann also ebenso wie der Trennbereich des Verbindungselements als rohrförmiges Element vorliegen. Alle bevorzugten Ausführungsformen im Hinblick auf das rohrförmige Element des Trennbereichs gelten auch für das rohrförmige Element des Stauchbereichs. Der Stauchbereich kann aber auch als stabförmiges Element ausgebildet sein, dessen äußere Oberfläche prinzipiell genauso verlaufen kann, wie wenn er als rohrförmiges Element ausgebildet ist. In anderen Worten kann das stabförmige Element eine oder mehrere Verjüngungen bezogen auf seinen Querschnittsdurchmesser aufweisen. Durch eine lineare oder stufenweise Veränderung der Wandstärke oder des Durchmessers in Richtung der X-Achse des Stauchbereichs kann ein zu heftiges Aufreißen des Materials mit entsprechender Splitterwirkung verhindert werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Splitterteile entstehen. Durch die eine oder mehrere Verjüngungen kann anders als bei einer entlang der Achse X gleichbleibenden Querschnittsfläche beim Übergang von der Leitstellung in die Trennstellung das Losreißen von Splittern des Stauchbereichs größtenteils vermieden werden, so dass der bereits getrennte Kontakt des Unterbrechungsschaltglieds nicht zum Gehäuse hin elektrisch kontaktiert werden kann, so dass keine Kurschluss innerhalb des Schalters entstehen kann.
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Das ist insbesondere bei Verwendung von Materialien für das Verbindungselement von Vorteil bzw. großer Bedeutung, die nicht so gut duktil sind wie das üblicherweise hier verwendete E-Kupfer. Beispielsweise muss für die Bearbeitung von Aluminium als Werkstoff für das Verbindungselement ein hartes Aluminium verwendet werden, das beim Faltvorgang sofort in viele kleine Splitter aufbrechen würde, selbst nach einem Weichglühen des Verbindungselements nach dessen Herstellung.
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Die gezeigten Änderungen der Querschnittsflächen im Stauchbereich werden deshalb gewählt, um die Länge L des Stauchbereichs länger werden zu lassen bzw. nutzen zu können, bevor der Stauchbereich durch die Druckbelastung nicht stauchen, sondern knicken würde, was hier vollkommen unerwünscht wäre:
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Entsprechend dem vierten Eulerschen Knickfall (beide Enden des Knickstabes fest eingespannt und Druckbelastung auf den Stab) berechnet sich hier die kritische Knicklast zu Fkrit=4*pi2/L2*E*I mit der eingespannten Länge L, dem Elastizitätsmodul des Stabwerkstoffes E und dem axialen Flächenträgheitsmoment I des Stabquerschnittes. Beim Erreichen der kritischen Knicklast würde hier der Stab mittig ausknicken, bei Hohlkörpern ausbeulen - was hier vollkommen unerwünscht und sicher zu vermeiden ist, weil damit ein Kontakt des Trennschalters gegen das Gehäuse kurzschließen und einen Isolator umgehen würde.
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Andererseits ist eine möglichst große Stauchlänge L erwünscht, um möglichst viel der in die Baugruppe / den Trennschalter eingebrachten Energie plastisch umwandeln zu können.
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Durch die gezeigten Änderungen der Querschnittsflächen im Stauchbereich wird quasi die verfügbare Stauchlänge L in mehrere kleinere Stauchstrecken aufgeteilt, deren Stauchbereiche dann durch die Querschnittsänderungen vorgegeben sind.
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Die oben geschilderten Vorgänge gelten sinngemäß für alle Stauchkörper, egal, ob deren Querschnitt voll ausgefüllt ist (hier tritt nur Knicken auf) oder ob ein rohrähnlicher Stauchelement (hier kann Knicken und Beulen auftreten) vorliegt!
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch die noch weitere Kammer des Stauchbereichs vollständig mit einem Löschmittel gefüllt werden. Dabei ist es bevorzugt, dass zwischen der noch weiteren Kammer und der mindestens einen Kammer eine Verbindung in Form eines Kanals vorhanden ist. Durch die Bewegung des Treibspiegels und/oder den Stauchvorgang des Stauchbereichs wird das Volumen der noch weiteren Kammer derart verringert, dass das Löschmittel durch den Kanal zwischen die mindestens zwei Teile des Trennbereichs eingespritzt wird. Dadurch kann das Löschmittel aus der noch weiteren Kammer über den Kanal während des Stauchvorgangs in die mindestens eine Kammer gedrückt werden und unterbindet bzw. kühlt damit weiter effektiv den evtl. an dem Trennbereich noch stehenden Lichtbogen. Gleichzeitig wird das in der mindestens einen Kammer evtl. schon teilweise zersetzte Löschmittel durch das neu zuströmende Löschmittel verdünnt und so ebenfalls die Isoliereigenschaften des „gestressten“ Löschmittels verbessert. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es auch bevorzugt sein, dass nur die eine Kammer und die noch weitere Kammer sowie der verbindende Kanal mit einem Löschmittel gefüllt sind. Hier kann es bevorzugt sein, dass die weitere Kammer kein Löschmittel enthält.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus den Unteransprüchen. Die in den zuvor genannten Ausführungsformen dargelegten Merkmale des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds können - sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen - erfindungsgemäß beliebig kombiniert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Alle einzelnen in den Figuren beschriebenen Merkmale können - sofern technisch realisierbar - auch unabhängig voneinander in einem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied Verwendung finden.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds vor der Trennung des Trennbereichs (Leitstellung), der in der Form eines rohrförmigen Elements mit variierender Wandstärke vorliegt.
- 2a und 2b zeigen Ausschnitte einer Kontakteinheit eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds im Bereich der Trennbereiche.
- 3a und 3b zeigen Ausschnitte einer Kontakteinheit eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds im Bereich der Stauch bereiche.
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Die in 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Kontakteinheit 3 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist so ausgebildet, dass es einem innerhalb des Gehäuses 2 erzeugten Druck, der beispielsweise bei einer pyrotechnischen Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 erzeugt wird, standhält, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar eines Aufplatzens besteht. Das Gehäuse 2 kann insbesondere aus einem geeigneten Material, vorzugsweise Stahl, bestehen. Die Kontakteinheit 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein durch den Treibspiegel 9 im Stauchbereich 12 bedrückbares Schaltrohr ausgebildet, so dass es im Trenn- 6 und Stauchbereich 12 als Rohr ausgebildet ist. Die Kontakteinheit 3 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Anschlusskontakt 4. An den ersten Anschlusskontakt 4 schließt ein sich radial nach außen erstreckender Flansch an, der sich an einem ringförmigen Isolatorelement, das aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff, besteht, derart abstützt, dass die Kontakteinheit 3 nicht in axialer Richtung aus dem Gehäuse 2 herausbewegt werden kann. Die Kontakteinheit 3 weist einen sich an den Flansch in der Achse der Kontakteinheit 3 anschließenden Stauchbereich 12 auf. Die Wandstärke der Kontakteinheit ist im Stauchbereich 12, der eine vorbestimmte axiale Ausdehnung aufweist, so gewählt und auf das Material abgestimmt, dass sich bei einem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1 infolge einer plastischen Deformation der Kontakteinheit 3 im Stauchbereich 12 eine Verkürzung des Stauchbereichs 12 in axialer Richtung um eine vorbestimmte Wegstrecke ergibt.
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An den Stauchbereich 12 schließt sich in axialer Richtung der Kontakteinheit 3 ein Flansch 13 an, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treibspiegel 9 sitzt. Der Treibspiegel 9 ist als elektrisch isolierendes Element ausgebildet, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff, vorzugsweise aus Keramik. Dieser umgreift die Kontakteinheit 3 derart, dass zwischen dem Außenumfang des Flanschs 13 und der Innenwandung des Gehäuses 2 ein isolierender Bereich des Treibspiegels 9 eingreift. Wirkt ein Druck auf die Fläche des Treibspiegels 9 ein, wird eine Kraft erzeugt, die über den Flansch 13 den Stauchbereich 12 der Kontakteinheit 3 zusammenpresst. Diese Kraft wird so gewählt, dass sich während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds 1 ein Stauchen des Stauchbereichs 12 ergibt, wobei der Treibspiegel 9 aus seiner Ausgangslage (Status vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 = Leitstellung) in eine Endposition (nach Beendigung des Schaltvorgangs = Trennstellung) bewegt wird.
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Wie aus 1 ersichtlich, kann der Treibspiegel 9 so gewählt werden, dass dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 2 entspricht, so dass eine axiale Führung des Flanschs 13 und damit auch eine axial geführte Stauchbewegung während des Schaltvorgangs erreicht wird.
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Nach dem Pressvorgang greifen die nahe dem Gehäuse 2 liegenden Nasen des Isolatorelements und des Treibspiegels 9 voll übereinander, so dass der nach der Auslösung und dem Stauchvorgang mäanderförmig zusammengeschobene Stauchbereich 12 voll von elektrisch isolierenden Materialien umschlossen ist.
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An den Treibspiegel 9 bzw. den Flansch 13 der Kontakteinheit 3 schließt sich ein Trennbereich 6 an. Auf dieser Seite der Kontakteinheit 3 schließt sich dann der zweite Anschlusskontakt 5 an.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treibspiegel 9 bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 von der Seite des Anschlusskontakts 5 her auf die Kontakteinheit 3 aufgeschoben. Dieser ist hierfür geteilt (nicht gezeichnet). Wird der zweite Anschlusskontakt 5 nicht geteilt bzw. ist dieser einstückig gleich der Kontakteinheit 3, wie gezeichnet, muss der Treibspiegel 9 entweder angespritzt oder mehrteilig ausgeführt werden, um ihn montieren zu können.
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In dem axialen Ende der Kontakteinheit 3 im Bereich des zweiten Anschlusskontakts 5 kann ein aktivierbares Material 10 vorgesehen sein, hier oft auch in einem Minidetonator oder einer Zünderschraube (Antrieb) untergebracht. Durch einen Durchbruch im Innenraum der Kontakteinheit 3 können elektrische Anschlussleitungen für den Antrieb nach außen geführt werden. Der Antrieb ist vorzugsweise in einer Kammer 7 innerhalb der rohrförmigen Elements des Trennbereichs 6 vorgesehen. Eine weitere Kammer 8 befindet sich zwischen der äußeren Wand eines Trennbereichs 6 und dem Gehäuse 2.
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Der Trennbereich 6 ist so dimensioniert, dass er durch den erzeugten Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle eines Antriebs zumindest teilweise aufreißt, vorzugsweise jedoch ganz aufreißt, so dass sich der Druck bzw. die Stoßwelle auch aus der Kammer 7 in die vorzugsweise als umgebenden Ringraum ausgestaltete äußere Kammer 8 ausbreiten kann. Die Kammern 7 und 8 werden auf diese Weise zu einem Volumen miteinander verbunden. Der für das Stauchen der Kontakteinheit 3 benötigte Innendruck kann auch derart erzeugt werden, dass bei einer bestimmten Schwellstromstärke der Trennbereich 6 aufschmilzt und sich dazwischen ein Lichtbogen bildet, der ein in den Kammern 7 und/oder 8 befindliches Löschmittel verdampft. Zur Erleichterung des Aufreißens kann die Wandung der Kontakteinheit 3 im Trennbereich 6 auch einen oder mehrere Durchbrüche bzw. Bohrungen und/oder Nuten aufweisen (nicht gezeigt in 1). Hierbei ist sicherzustellen, dass das Material des Trennbereichs 6 den Betriebsstrom gut trennt, also unter Berücksichtigung von Wärmeableitung nicht zu heiß wird, um das Material nicht zu schnell bzw. zu stark altern zu lassen.
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Bei einer Aktivierung des Unterbrechungsschaltglieds 1 wird also ein Druck oder sogar eine Stoßwelle an der dem Stauchbereich 12 abgewandten Seite des Treibspiegels 9 erzeugt, wodurch der Treibspiegel 9 mit einer entsprechenden Axialkraft beaufschlagt wird. Diese Kraft wird durch eine geeignete Dimensionierung des aktivierbaren Materials 10 so gewählt, dass die Kontakteinheit 3 im Stauchbereich 12 plastisch deformiert oder eingedrückt, jedoch nicht aufgerissen und danach der Treibspiegel 9 in Richtung auf den ersten Anschlusskontakt 4 bewegt wird. Das aktivierbare Material 10 wird dabei so dimensioniert, dass nach dem Aufbrechen bzw. Eindrücken des Trennbereichs 6 die Bewegung des Treibspiegels 9 die beiden Trennhälften ausreichend weit voneinander entfernt, im Zusammenwirken mit der Verdampfung eines Löschmittels dann sogar bis in eine Endposition.
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Unmittelbar nach dem Aktivieren des aktivierbaren Materials 10 wird also der Trennbereich 6 zumindest teilweise aufgerissen bzw. eingedrückt, vorzugsweise vollständig aufgerissen. Erfolgt das Aufreißen bzw. Eindrücken nicht bereits vor Beginn der axialen Bewegung des Treibspiegels 9 über den vollständigen Umfang des Trennbereichs 6, so wird ein verbleibender Rest des Trennbereichs 6, der noch einen elektrischen Kontakt verursacht, durch die axiale Bewegung des Treibspiegels 9 vollständig aufgerissen, verstärkt durch die hier dann auftretende sehr schnelle Erhitzung des hier dann nur kleinen Restquerschnitts des Leiters durch den hier fließenden hohen elektrischen Strom.
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Das Unterbrechungsschaltglied
1 nach
1 ist prinzipiell genauso aufgebaut wie das in
1 gezeigte Unterbrechungsschaltglied der
DE 10 2017 123 021 A1 , mit dem erfindungsgemäßen Unterschied, dass der Trennbereich
6 nicht ein rohrförmiges Element mit einer durchgehend gleichen Wandstärke darstellt, sondern dass das rohrförmige Element in einem Bereich zwischen den flanschseitigen Endbereichen eine minimale Wandstärke aufweist, die jeweils in Richtung der flanschseitigen Endbereiche zunimmt. In
1 nimmt die Wandstärke im Wesentlichen linear zu, und beide Bereiche, in denen die Wandstärke zunimmt sind spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet, wie es beispielsweise auch in
2b gezeigt ist.
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Die 2a und 2b zeigen den Teilbereich einer Kontakteinheit 3, in dem der Trennbereich und die daran anschließenden Flansche 14 und 15 vorliegen. Die Länge L ist die Erstreckung des Trennbereichs in Richtung der Achse X. Der Trennbereich weist einen Bereich mit minimaler Wandstärke auf, die in Richtung der flanschseitigen Endbereiche, d.h. zu den Flanschen 14 und 15 hin, jeweils zunimmt. Die Radien R1 und R2 stellen die Radien der Querschnittsübergänge zwischen dem Trennbereich und den anschließenden Flanschen 14 und 15 dar. Der Radius R3 in 2b stellt den Radius des Querschnittsübergangs im Bereich der minimalen Wandstärke zu den Bereichen der zunehmenden Wandstärken dar. Gleiches gilt für die Radien R4 und R5 in der 2a. Wie in 2a gezeigt, kann der Bereich der minimalen Wandstärke auch in einer Länge z zylinderförmig sein und erst dann in die Bereiche der Zunahme der Wandstärke übergehen. 2b hingegen zeigt eine Ausführungsform, in der so ein zylinderförmiger Bereich nicht vorhanden ist. Die Dicke s in 2a gibt die minimale Wandstärke im zylinderförmigen Bereich an. Wie in 2a gezeigt, können die Winkel w3 und w4 unterschiedlich sein, d.h. die Zunahme der Wandstärke in Richtung der beiden flanschseitigen Enden des Trennbereichs muss nicht auf beiden Seiten gleich sein. Die Zunahme der Wandstärke kann in Richtung beider flanschseitigen Enden des Trennbereichs auch gleichmäßig erfolgen, wie in 2b gezeigt. Hier sind die Winkel w1 und w2 folglich gleich groß. 2a zeigt eine Bohrung als Sollbruchstelle 11 im Trennbereich mit dem Durchmesser d.
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Die 3a und 3b zeigen den Teilbereich einer Kontakteinheit 3, in dem der Stauchbereich 12 und die daran anschließenden Flansche 13 und 17 vorliegen. Die Länge L2 ist die Erstreckung des Stauchbereichs in Richtung der Achse X. Der Stauchbereich weist einen Bereich mit minimaler Wandstärke auf, die in Richtung der flanschseitigen Endbereiche, d.h. zu den Flanschen 13 und 17 hin, jeweils zunimmt. Die Radien R1 und R2 stellen die Radien der Querschnittsübergänge zwischen dem Stauchbereich und den anschließenden Flanschen dar. Die Radien R3 in 3 stellen die Radien der Querschnittsübergänge im Bereich der minimalen Wandstärke zu den Bereichen der zunehmenden Wandstärken dar. Wie in 3b gezeigt, kann der Bereich der minimalen Wandstärke auch in einer Länge t zylinderförmig sein und erst dann in die Bereiche der Zunahme oder Abnahme der Wandstärke übergehen. 3a hingegen zeigt eine Ausführungsform, in der so ein zylinderförmiger Bereich nicht vorhanden ist. Die Dicke s gibt wieder die minimale Wandstärke im zylinderförmigen Bereich an. Wie in 3 gezeigt, können die Winkel w3 und w4 wieder unterschiedlich sein (hier nicht gezeichnet), d.h. die Zunahme der Wandstärke in Richtung der beiden flanschseitigen Enden des Stauchbereichs muss nicht auf beiden Seiten gleich sein. Die Zunahme der Wandstärke kann in Richtung beider flanschseitigen Enden des Stauchbereichs auch gleichmäßig erfolgen, wie in 3 gezeigt. Hier sind die Winkel w1 und w2 folglich gleich groß.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unterbrechungsschaltglied
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kontakteinheit
- 4
- erster Anschlusskontakt
- 5
- zweiter Anschlusskontakt
- 6
- Trennbereich
- 7
- Kammer
- 8
- weitere Kammer
- 9
- Treibspiegel
- 10
- aktivierbares Material
- 11
- Sollbruchstelle
- 12
- Stauchbereich
- 13
- Flansch am Stauchbereich für Druckbeaufschlagung durch Treibspiegel
- 14
- Flansch am Trennbereich
- 15
- Flansch am Trennbereich
- 17
- Flansch am Stauchbereich
- d
- Durchmesser einer Bohrung
- L
- Länge der Erstreckung des Trennbereichs in Richtung der Achse X
- L2
- Länge der Erstreckung des Stauchbereichs in Richtung der Achse X
- R1-R5
- Radien der Querschnittsübergänge
- s
- Dicke des Bereichs der minimalen Wandstärke
- t
- Länge der zylinderförmigen Bereiche mit minimaler Wandstärke im Stauchbereich
- w1-w4
- Winkel der linearen Zunahme der Wandstärke
- X
- Achse X
- z
- Länge des zylinderförmigen Bereichs mit minimaler Wandstärke im Trennbereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017123021 A1 [0046]
