Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer
elektrischen Leitung, mit der beispielsweise ein durch eine isolierende
Ummantelung durchschlagender Lichtbogen unter Verwendung herkömmlicher Schutzmechanismen,
wie etwa einer Schmelzsicherung, sicher detektiert und gelöscht werden
kann. Eine weitere Aufgabe liegt in der Bereitstellung eines Systems,
das eine derartige elektrische Leitung aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe
ist den unabhängigen
Patentansprüchen
zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen
angegeben.
Nach Anspruch 1 ist es möglich, durch
Verwendung herkömmlicher
Schutzmechanismen, wie etwa einer Schmelzsicherung, einen Fehler
(zum Beispiel einen Lichtbogen) zu erkennen, indem der Fehler gezielt
und kontrolliert genutzt und verstärkt wird, so dass ein herkömmlicher
Schutzmechanismus, wie z.B. eine Schmelzsicherung, eine Schaltvorrichtung,
Transformatoren etc., greifen kann.
Nach Anspruch 2 wird ein Schrumpfen
der isolierenden Ummantelung des elektrischen Leiters bewirkt. Aufgrund
der Schrumpfwirkung wird eine ausreichend freiliegende metallische
Oberfläche
des elektrischen Leiters gebildet, so dass die Wahrscheinlichkeit
eines permanenten mechanischen Kontakts zwischen beispielsweise
zwei Kabeln/Leitungen steigt. Ferner wird aufgrund der Schrumpfwirkung
der Lichtbogen vergrößert, wodurch
ein größerer Fehlerstrom
auftritt, der auf herkömmliche
Weise erkannt werden kann.
Nach den Ansprüchen 3 und 4 wird eine exotherme
Reaktion herbeigeführt,
die sich gezielt ausbreitet, um den elektrischen Leiter durchzutrennen, z.B.
zu durchschmelzen. In diesem Fall muss kein separater Mechanismus
vorgesehen werden, der den Lichtbogen erkennt und löscht.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 5
ist es möglich
eine Beschädigung
angrenzender Komponenten/Leitungen aufgrund einer exothermen Reaktion
zu vermeiden, wobei die Leitung trotzdem durchtrennt wird.
Nach Anspruch 6 ist es möglich, die
sich selbst erhaltende Reaktion nur über einen vorbestimmten Bereich,
z.B. in Längsausdehnung
der Leitung, kontrolliert und gezielt ablaufen zu lassen.
Nach den Ansprüchen 7 und 8 kann das Material,
in dem die sich selbst erhaltende Reaktion abläuft, gezielt eingesetzt werden,
wodurch Kosten reduziert werden.
Nach Anspruch 9 kann ein System bereitgestellt
werden, das seinen Zustand bei Auftreten eines Fehlers ändert. Eine
Zustandsänderung
des Systems kann z.B. darin bestehen, dass nur das Teilnetz, in
dem der Lichtbogen auftritt durch einen herkömmliche Schutzmaßnahme unterbrochen
wird, das System als Ganzes jedoch im wesentlichen funktionsfähig bleibt,
und lediglich dessen Ausgangszustand geändert oder z.B, wiederhergestellt
wird.
Die erfindungsgemäße Leitung kann in beliebigen
elektrischen Schaltungen zum Einsatz kommen, z.B. in 42V-Bordnetzen
in Kraftfahrzeugen. Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
1 ein
erstes bis viertes Ausführungsbeispiel
einer elektrischen Leitung gemäß der Erfindung,
jeweils im Teilquerschnitt;
2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für den Ablauf
einer aktiven Sicherungsmaßnahme
der erfindungsgemäßen elektrischen
Leitungen nach 1;
3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für den
Ablauf einer aktiven Sicherungsmaßnahme der erfindungsgemäßen elektrischen
Leitungen nach 1;
4 einen
Ausschnitt aus einem elektrischen System, das die erfindungsgemäßen elektrischen
Leitungen nach 1 verwendet;
und
5 eine
Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leitung.
In den 1 bis 5 werden für funktionell
gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt
ein Koordinatensystem xy, wobei im ersten Quadranten (I) eine Querschnittsansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels,
im zweiten Quadranten (II) eines zweiten Ausführungsbeispiels, im dritten
Quadranten (III) eines dritten Ausführungsbeispiels und im vierten
Quadranten (IV) eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leitung
jeweils gezeigt sind.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Leitung 1 enthält diese
einen elektrischen Leiter 2, der von einer elektrisch isolierenden
Ummantelung 3 umgeben ist, die gleichmäßig verteilt (im wesentlichen
homogen verteilt) ein Material 4 enthält, in dem bei Erwärmung auf
eine vorbestimmte Temperatur eine sich selbst erhaltende Reaktion
einsetzt. Eine solche sich selbst erhaltende Reaktion bzw. sich
selbst ausbreitende Reaktion kann zum Beispiel ein Schrumpfen des
Materials 4 herbeiführen,
und damit ein Schrumpfen der Ummantelung 3 derart, dass
der elektrische Leiter 2 freigelegt wird. Die sich selbst
erhaltende Reaktion kann soviel exotherme Wärme freisetzen, dass der elektrische
Leiter schmilzt und dadurch der elektrische Leiter 2 zum
Beispiel durchtrennt wird, was später unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert wird.
1 zeigt
im zweiten Quadranten des Koordinatensystems xy ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Leitung 1.
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist das Material 4 an bestimmten Stellen in die elektrisch
isolierende Ummantelung 3 eingelagert.
Gemäß dem im dritten Quadranten
des Koordinatensystems xy in 1 gezeigten
dritten Ausführungsbeispiel
ist das Material 4 in radial außen liegenden Bereichen der
Ummantelung 3 der Leitung 1 enthalten und/oder
reicht radial durch die Ummantelung 3 hindurch. Das Material 4 ist
dabei abschnittsweise innerhalb der Ummantelung 3 vorhanden,
wobei die entsprechenden Abschnitte an lichtbogengefährdeten
Bereichen bevorzugt ausgebildet werden.
Gemäß dem im vierten Quadranten
des Koordinatensystems xy in 1 gezeigten
vierten Ausführungsbeispiel,
ist das Material 4 in der Form von zwei radial beabstandeten
Schichten ausgebildet, die den Leiter 2 vollständig oder
teilweise umgeben. Die beschriebenen Anordnungen können in
vielfältiger Weise
kombiniert werden, beispielsweise können mehr als zwei Materialschichten
an irgendeiner Stelle in der Ummantelung 3 radial voneinander
beabstandet angeordnet sein.
2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für den Ablauf
einer selbsttätigen
aktiven Sicherung, wie sie in irgendeiner der erfindungsgemäßen Leitungen
nach 1 bei auftreten
eines Fehlers abläuft.
Die vier Abschnitte I bis IV in 2 verdeutlichen den Ablauf
von der Entstehung eines Risses bis zur Freilegung des Leiters,
also bis zum Erreichen des Defektzustands der elektrischen Leitung.
Abschnitt I in 2 zeigt einen Riss 5 in der Ummantelung 3 der
Leitung 1, wie er z.B. durch eine mechanische Beschädigung entsteht.
In diesem Stadium wird durch den Riss 5 der Leiter 2 nicht
oder nur ganz wenig freigelegt, so dass noch kein Lichtbogen zwischen
dem Leiter 2 und zum Beispiel einer Karosserie 6 entstehen
kann.
Wie in 2 gezeigt,
ist der Riss 5 in einem Teilabschnitt 7 ausgebildet,
an dem beidseitig Stoppbereiche 8a, 8b angrenzen,
die im Falle einer sich selbst erhaltende Reaktion in der Ummantelung 3 innerhalb
des Teilabschnitts 7 diese stoppen.
Abschnitt II in 2 zeigt ein Stadium der elektrischen
Leitung 1, bei dem der Riss 5 aufgrund z.B. weiterer
mechanischer Beschädigung
der Ummantelung 3 derart groß ist, dass sich ein Lichtbogen 9 zwischen
dem freigelegten Leiter 2 und einer Autokarosserie 6 bilden
kann. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
dass sich der Lichtbogen 9 zwischen dem Leiter 2 der
Leitung 1 und einem weiteren Leiter einer anderen Leitung
bilden kann; entscheidend ist lediglich, dass ein ausreichender
Potentialunterschied für
die Bildung eines Lichtbogens gegeben ist.
Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel wird
durch den Lichtbogen 9 das Material 4 (nicht in 2 gezeigt) in der Ummantelung 3 derart
erwärmt, z.B.
auf 150°C,
dass eine sich selbst erhaltende Reaktion ausgelöst wird, die gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
bewirkt, dass die Ummantelung 3 schwindet, beispielsweise
schrumpft oder abbrennt, wie in Abschnitt III in 2 gezeigt. Das Schwinden der Ummantelung 3 läuft dabei
vorzugsweise kontrolliert bis zu den Stoppbereichen 8a, 8b ab.
Nach Abschluss der sich selbst erhaltenden Reaktion ist der Leiter 2 in
dem Teilabschnitt 7 zwischen den Stoppbereichen 8a und 8b vollständig freigelegt,
wie in Abschnitt IV in 2 gezeigt.
Der am freigelegten Leiter 2 entstehende Lichtbogen
ist derart groß,
dass ein ausreichender Fehlerstrom fließt, der mit herkömmlichen
Sicherungsmaßnahmen
erkannt werden kann.
Durch zweckentsprechende Anordnung
der Stoppbereiche 8a, 8b kann der Teilabschnitt 7 derart definiert
werden, dass aufgrund der Schrumpfwirkung eine ausreichend große Oberfläche des
Leiters 2 freiliegt, so dass die Wahrscheinlichkeit eines
permanenten mechanischen Kontakts zwischen dem Leiter 2 und
der Autokarosserie 6 steigt. Um die Wahrscheinlichkeit
eines mechanischen Kontakts (Kurzschluss) entweder zwischen zwei
Kabeln/Leitungen oder zwischen dem Leiter 2 und der Autokarosserie 6 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
weiter zu erhöhen,
können
die Stoppbereiche 8a, 8b zum Beispiel ganz weggelassen
werden. Auch in diesem Fall wird der durch den Lichtbogen erzeugte
Fehler gezielt und kontrolliert genutzt und verstärkt, so
dass der Fehler über
eine herkömmliche
Diagnoseeinheit erkannt und über
gängige
Absicherungsmethoden aus dem zum Beispiel Bordnetz eines Kraftfahrzeugs entfernt
werden kann bzw. andere mechanische Schutzmaßnahmen auslösen.
3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für den Ablauf
einer aktiven Sicherungsmaßnahme irgendeiner
der erfindungsgemäßen Leitungen
nach 1.
Die Abschnitte I bis IV in 3 zeigen den Vorgang von
der Entstehung eines Risses in der Leitung bis zur Durchtrennung
des Leiters, also bis zum Erreichen des Defektzustands der elektrischen
Leitung.
Wie in 3 gezeigt,
weist die Leitung 1 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
einen Riss 5 auf, der in einem Teilabschnitt 7 zwischen
Stoppbereichen 8a und 8b ausgebildet ist. Die
Ummantelung 3 im Bereich des Teilabschnitts 7 enthält ein Material 4, das
bei Erreichen einer vorbestimmten Mindesttemperatur (z.B. 150°C) einer
exotherme Reaktion unterliegt.
Wie in Abschnitt II in 3 gezeigt, ist in diesem
Stadium der Riss 5 ausreichend groß, so dass sich zwischen dem
freigelegten Leiter 2 der Leitung 1 und der Autokarosserie 6 ein
Lichtbogen 9 bilden kann. Aufgrund des Lichtbogens 9 wird
das Material 4 in der Ummantelung 3 ausreichend
erwärmt,
um die exotherme Reaktion auszulösen.
Die bei der exothermen Reaktion freigesetzte
Wärme kann
so groß sein,
dass, wie in Abschnitt III in 3 gezeigt,
eine kontrollierte „Explosion" zwischen den Stoppbereichen 8a und 8b erfolgt,
wodurch der Leiter 2 der Leitung 1 durchtrennt
wird, wie in Abschnitt IV in 3 gezeigt.
Um eine Beschädigung
angrenzender Komponenten, beispielsweise einer elektrischen Leitung
zu verhindern, kann das Material 4 mit einem flammhemmenden
Material ummantelt sein.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist es somit nicht erforderlich, eine Diagnoseeinheit vorzusehen,
die das Vorhandensein des Lichtbogens detektiert bzw. eine mechanische
Schutzmaßnahme, wie
etwa eine Sicherung, da aufgrund der exothermen Reaktion der Leiter 2 der
Leitung 1 durchtrennt wird.
4 zeigt
einen Ausschnitt aus einem elektrischen System, das irgendeine der
erfindungsgemäßen elektrischen
Leitungen nach 1 verwendet.
Wie in 4 gezeigt, enthält das elektrische System 10 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
zwei Lampen 11a, 11b. Die Lampen 11a und 11b sind
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
jeweils mit irgendeiner erfindungsgemäßen Leitung nach 1 verbunden. Die Lampen 11a und 11b sind
ferner über einen
Schalter 12 miteinander gekoppelt, der in einem normalen
Zustand des Systems 10 zum Beispiel offen ist.
Wenn zum Beispiel in der Leitung 1,
die mit der Lampe 11a verbunden ist, aufgrund einer Beschädigung der
Ummantelung der Leitung ein Lichtbogen 9 auftrifft, läuft zum
Beispiel die unter Bezugnahme auf 2 beschriebene
aktive Sicherungsmaßnahme
ab, wodurch der Lichtbogen 9 durch eine herkömmliche
Diagnoseeinheit 13 detektiert werden kann. Wenn die Diagnoseeinheit 13 einen
Lichtbogen erkennt, unterbricht sie z.B. die Leitung 1 und
steuert zum Beispiel den Schalter 12 an, um diesen zu schließen, wodurch
der Zustand des Systems 10 geändert wird. Auf diese Weise
kann zum Beispiel trotz Unterbrechung der Leitung 1, die
mit der Lampe 11a verbunden ist, die Lampe 11a weiter
betrieben werden.
Falls die Leitung 1, die
mit der Lampe 11a verbunden ist, ausgebildet ist, um bei
Auftreten eines Lichtbogens eine exotherme Reaktion auszuführen, läuft die
unter Bezugnahme auf 3 beschriebene aktive
Sicherungsmaßnahme
ab. In diesem Fall detektiert das Diagnosegerät 13 zum Beispiel
eine Unterbrechung der Leitung 1, die mit der Lampe 11a verbunden
ist, um bei Erkennung einer Durchtrennung des Leiters den Schalter 12 anzusteuern
und den Zustand des Systems 10 zu ändern.
5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leitung.
Über
Ventile 14 wird auf einen Leiter 2 mittels einer
ersten Düse 15 ein
Materialgemisch aufgebracht, das das Material 4 enthält. Dadurch
wird eine Auslösezone
in der Ummantelung 3 gebildet, in der bei lokaler Erwärmung auf
eine vorbestimmte Temperatur eine sich selbst erhaltende Reaktion
erfolgt. Die Länge
der Auslösezone
wird durch entsprechend langes Ziehen durch eine Auszugsvorrichtung 16 in Auszugsrichtung
festgelegt, die in 5 durch
einen Pfeil angedeutet ist.
Durch Aufbringen eines zweiten Materials über eine
Düse 17 auf
den Leiter 2 und entsprechendes verzögertes Schließen der
Ventile 14, bei gleichzeitigem Ziehen des Leiters durch
die Auszugsvorrichtung 16, kann ein Stoppbereich in der
Ummantelung 3 gebildet werden, der eine sich selbst erhaltende
Reaktion stoppt. Die Länge
des Stoppbereichs wird durch entsprechend langes Ziehen durch die Auszugsvorrichtung 16 in
Auszugsrichtung festgelegt.
Durch entsprechendes Steuern der
Düsen 15 und 17 sowie
der Ventile 14 kann eine den Leiter 2 umgebende
Ummantelung 3 gebildet werden, die abwechselnd Auslösezonen
und Stoppbereiche aufweist, wobei in jeder Auslösezone bei lokaler Erwärmung auf
eine vorbestimmte Temperatur eine sich selbst erhaltende Reaktion
erfolgt, die durch die Stoppbereiche gestoppt wird.
Ebenso ist es möglich mehrere Ventile vorzusehen,
um beispielsweise drei Materialien auf den Leiter 2 zu
extrudieren. Dabei kann beispielsweise eines dieser Materialien
ein isolierendes Grundmaterial sein, ein anderes ein Material 4,
das bei Erwärmung
auf eine vorbestimmte Temperatur eine sich selbst erhaltende Reaktion
ausführt
und ein drittes Material, mit dem die Stoppbereiche gebildet werden. Das
Material 4 und das die Stoppbereiche bildende Material
werden dabei jeweils dem Grundmaterial durch geeignete Steuerung
der Ventile bei gleichzeitiger Betätigung der Auszugsvorrichtung
beigemischt, um abwechselnde Auslösezonen und Stoppbereiche in
der Ummantelung 3 zu bilden.
Die oben im einzelnen beschriebene
Erfindung ist nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern
kann zum Beispiel eine elektrische Leitung umfassen, in deren Isolie rung
eine Materialschicht eingearbeitet ist, welche der Ausbreitung einer
chemischen Reaktion in der Art einer „Lunte" eine Vorzugsrichtung verleiht. Am Ende
der reaktionsunterstützenden
Schicht ist eine Trenneinheit angeordnet, welche beispielsweise
pyrotechnisch gezündet
einen permanenten Kurzschluss zwischen Leitungen herbeiführt. Dieser
Kurzschluss löst
dann einen herkömmlichen
Schutzmechanismus, wie etwa eine Sicherung, einen Schalter, ein
Relais oder einen Halbleitertransistor, etc. aus.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die
Leitung an Ort und Stelle der „Überhitzung" kurzgeschlossen
bzw. unterbrochen wird. Letztere könnte durch eine Trenneinheit
durchgeführt
werden, die beispielsweise die elektrischen Kontakte auf eine nicht
genauer definierte Art und Weise absprengt.
Selbstverständlich kann das Material in
der Ummantelung des Leiters auch durch ein anderes Ereignis als
einen Lichtbogen auf eine Mindesttemperatur erwärmt werden, bei der eine sich
selbst erhaltende oder exotherme Reaktion erfolgt, z.B. durch einen
Kabelbrand.