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Die Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Schalter,
der insbesondere zum gefahrbedingten Abschalten von elektrischen
Lasten dienen kann.
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Zur Notabschaltung elektrischer Stromkreise,
insbesondere zur Trennung elektrischer Energiequellen von angeschlossenen
Netzen oder Verbrauchern dienen Notschalter, die im Bedarfsfalle
ausgelöst
werden und den Stromkreis unterbrechen. Solche Notschalter müssen sicher
ansprechen und den Stromkreis auch unter Last, d.h. wenn hohe Ströme durch
den betreffenden Schalter fließen,
unterbrechen, ohne eine unbeabsichtigte Wiederverbindung zuzulassen.
Dies gilt insbesondere, wenn die betreffenden Schalter in Anlagen
eingesetzt werden, die nicht nur elektrischen Belastungen sondern
auch mechanischen Belastungen, wie Beschleunigungen, Schlägen, Vibrationen
oder dergleichen ausgesetzt sind. Dies ist typischerweise bei Kraftfahrzeugen
der Fall, bei denen im Falle eines Unfalls die elektrische Energiequelle,
wie beispielsweise die Kraftfahrzeugbatterie oder eine etwaige Brennstoffzelle
vom übrigen
Bordnetz abgetrennt werden muss, um die Entstehung eines Brands
zu verhindern. Die Abtrennung muss dabei auch unter den Bedingungen
eines Unfalls, d.h. auch unter Einwirkung hoher Beschleunigungskräfte, sicher
erfolgen.
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Die Trennung des Stromkreises soll
möglichst
schnell und an einer dafür
vorgesehenen, bedarfsweise zu schützenden Stelle erfolgen. Durch den
Trennvorgang selbst sollen oder dürfen möglichst keine Gefahren entstehen.
Deshalb soll die Trennung des Stromkreises mit möglichst geringem Energieaufwand
erfolgen, wobei die Trennsicherheit groß muss. Andererseits dürfen keine
etwaigen Schwachstellen erzeugt werden, die unbeabsichtigt trennen.
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Zum Trennen einer Last von einer
elektrischen Energiequelle im Kurzschlussfalle oder bei Überstrom
sind Schmelzsicherungen bekannt. Diese haben in vielen Fällen eine
zu große
Ansprechzeit und sie sind nur durch Überstrom, nicht aber durch ein
anderes Auslösesignal
auslösbar.
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Außerdem sind pyrotechnische
Schalter bekannt, bei denen eine elektrische Verbindung durch Einwirkung
einer Treibladung getrennt wird. Solche pyrotechnischen Schalter
werden in Serie produziert. Sie können grundsätzlich nur stichprobenhaft überprüft und getestet
werden, denn nach dem Auslösen sind
sie unbrauchbar. Es muss aber in jedem Fall sicher gestellt sein,
dass der pyrotechnische Schalter im Auslösefall wie vorgesehen reagiert.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der
Erfindung, einen pyrotechnischen Schalter zu schaffen, der eine
sichere Lastabschaltung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit dem Schalter
gemäß Anspruch
1 gelöst:
Der
erfindungsgemäße Schalter
weist einen Solltrennbereich auf, der einstückig mit dem umgebenden, nicht
zu durchtrennenden Material verbunden ist. Der Solltrennbereich
wird definiert, indem in dem Solltrennbereich Materialeigenschaften
vorliegen, die von den Materialeigenschaften des übrigen Leiters
abweichen. Beispiels- und
vorzugsweise handelt es sich bei der Sollbruchstelle um eine lokale Änderung
von Materialeigenschaften, wie sie durch eine Wärmebehandlung an einem zuvor
homogenen Körper,
beispielsweise Metallkörper,
zu erreichen ist. Beispielsweise können durch lokale Härtungen,
die durch eine schnelle Erwärmung
und Abkühlung
zu erzielen sind, Stellen erzeugt werden, die besonders hart, spröde und rissanfällig sind
und somit als Sollbruchstelle dienen. Bei Materialien die beispielsweise
durch Ansammlung von Versetzungen durch mechanische Bearbeitung
härter
werden, wie beispielsweise Kupfer oder Kupferlegierungen, kann eine
lokale Wärmebehandlung
zur Beseitigung von Versetzungen und somit zu einer dauerhaften
Herabsetzung der Härte
an der wärmebehandelten
Stelle führen.
Auch dies kann als Sollbruchstelle genutzt werden. Weitere Möglichkeiten,
durch eine Wärmebehandlung
eine lokale Eigenschaftsänderung
des Materials herbeizuführen,
sind Änderungen
der Legierungszusammensetzung, indem sich beispielsweise in den
erwärmten
Zonen Legierungsbestandteile ansammeln oder aus diesen verflüchtigen.
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Die Sollbruchstelle kann beispielsweise durch
eine Induktionserwärmungsbehandlung
relativ großflächig ausgelegt
werden. Bedarfsweise ist es auch möglich, die Sollbruchstelle
durch eine oder mehrere linienhafte Bereiche festzulegen, die beispielsweise
durch eine Laserbehandlung erzeugt werden. Der Laserstrahl ermöglicht es,
eine Eigenschaftsänderung
des Materials in der gesamten Materialdicke herbeizuführen, wobei
Randzonen wenig oder nicht mitbeeinflusst werden. Durch Laserbehandlung
hergestellte Sollbruchstellen zeichnen sich somit durch einen scharfen Übergang
der Materialeigenschaften aus, die im Belastungsfalle ein schnelles
Abreißen
der unterschiedlichen Materialbereiche begünstigen. Die durch Laserbehandlung
linienhaft erzeugten Solltrennlinien können beispielsweise als Ringe
um einen rohrförmigen
Körper
herumführen. Sie
können
außerdem
ein Netz bilden oder in Form einer Schraubenlinie aufgebracht sein.
Die Anordnung eines Liniennetzes auf der Oberfläche des zu durchtrennenden
elektrisch leitenden Körpers
hat den Vorzug, dass im Auslösefalle
Bruchstücke
relativ gut definierter Form und Größe entstehen, was zur Sicherheit
und Dauerhaftigkeit der Stromunterbrechung beitragen kann.
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Der leitende Körper kann prinzipiell jede
geeignete Form aufweisen. Vorzugsweise ist er ein abschnittsweiser rohrförmiger Hohlkörper, dessen
Außendurchmesser
im Anschluss an den Solltrennbereich mit dem Außendurchmesser im Solltrennbereich übereinstimmt.
Die Druckquelle (Treibladung) kann in einem von dem Körper umschlossenen
Innenraum untergebracht werden. Eine einfache übersichtliche Fertigung wird
ermöglicht
und es wird sichergestellt, dass der Solltrennbereich allein von
den geänderten
Materialeigenschaften im Solltrennbereich, nicht aber von geometrischen
Einflüssen,
wie beispielsweise Kerben, Stufen oder dergleichen, beeinflusst
wird. Außerdem
wird durch diese Ausbildung die Stirnfläche der sich nach der Durchtrennung des
Solltrennbereichs gegenüber
stehenden Leiterenden minimiert, was wiederum der Trennsicherheit
zu Gute kommt.
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Der Schalter kann in unterschiedlichen
Ausführungsformen
als Schalt- oder Sicherungselement dienen. Zündlack an der inneren Wandung
kann eine Auslösung
durch Überstrom
ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich
kann eine Zündeinrichtung
vorgesehen sein, die als elektrischer Zünder beispielsweise durch ein
elektrisches Signal auslösbar
ist und die Ladung zündet.
Ist dies der Fall, kann der Schalter anders als eine Sicherung durch
ein Signal unabhängig
davon gezündet
werden, ob er Strom führt
oder nicht.
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Die an der Sollbruchstelle induzierte
lokale Änderung
der Materialeigenschaften kann auch durch eine gezielt herbeigeführte lokale
Vorspannung des Materials gegeben sein. Beispielsweise kann der
zu durchtrennende Körper
ein nichtmetallischer Körper,
beispielsweise ein Glas- oder Keramikrohr sein, das an seiner Innen-
oder Außenseite
einen Metallbelag trägt.
Durch gezielte lokale Wärmebehandlung
kann das Material so vorgespannt sein, dass es beispielsweise gegen
Schläge
von außen
relativ unempfindlich, gegen Stöße von innen
jedoch besonders empfindlich ist. Die lokale Vorspannung kann auf
linienhafte oder streifenförmige
Bereiche begrenzt sein. Die Vorspannung kann vor oder nach dem Aufbringen
des Metallbelags auf den nichtmetallischen Körper erzeugt worden sein. Schalter
mit solchen vorgespannten Körpern
können
sich als besonders robust gegen äußere mechanische
Belastungen erweisen, wobei sie gleichwohl mit sehr schwachen pyrotechnischen
Ladungen ausgelöst
d.h. zerstört werden
können.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
Unteransprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 einen
pyrotechnischen Schalter mit Solltrennbereich in einfachster Ausführungsform
in schematisierter Darstellung,
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2 einen
pyrotechnischen Schalter mit geschlossenem Innenraum in längs geschnittener Darstellung,
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3 eine
abgewandelte Ausführungsform eines
pyrotechnischen Schalters in Seitenansicht,
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4 der
Schalter nach 3 in längs geschnittener
Darstellung,
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5 den
Schalter nach 2 oder 4 in einer ausschnittsweisen
vergrößerten Darstellung
und
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6 die
Abwicklung eines rohrförmigen Körpers mit
einem aus einem Netz von Trennlinien bestehenden Solltrennbereich
in schematischer Darstellung.
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In 1 ist
ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel
eines pyrotechnischen Schalters 1 veranschaulicht. Dieser
weist einen elektrisch leitenden Körper 2 auf, der unter
Einwirkung eines plötzlichen Druckstoßes, beispielsweise
durch Explosion oder Detonation einer pyrotechnischen Ladung 3 zu durchtrennen
ist, um einen Stromfluss zu unterbrechen und/oder eine Potenzialtrennung
zu bewirken. Die Ladung 3 wirkt dabei als gezielt initiierbare Druckquelle.
Im Ausführungsbeispiel
nach 1 ist der Körper 2 stab-
oder plattenartig ausgebildet. Die Ladung 3 ist als Pille
auf einer Seite des Körpers 2 angeordnet.
Sie kann durch eine Schutzabdeckung 4 beispielsweise in
Form eines ausgehärteten
Kunststoffüberzugs
gegen Umgebungseinflüsse
geschützt sein.
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Der Ladung 3 ist ein Zünder 6 zugeordnet, der
beispielsweise aus einem Zünddraht 7 mit
einer angeschlossenen Zündleitung 8 besteht. Über die Zündleitung 8 kann
ein Stromstoß in
den Zünddraht 7 eingeleitet
werden, der diesen erhitzt und die Ladung 3 bei Bedarf
zündet.
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Der Körper 2 weist zwei
Anschlussbereiche 11, 12 auf, die beispielsweise
mit Öffnungen 14, 15 zum
Anschluss von elektrischen Leitern versehen sein können. Zwischen
den Anschlussbereichen 11, 12 ist ein Solltrennbereich 16 vorgesehen,
dessen Materialeigenschaften sich von den Materialeigenschaften
der Anschlussbereiche 11, 12 unterscheiden. Der
Querschnitt des Solltrennbereichs 16 stimmt vorzugsweise
mit dem Querschnitt der Anschlussbereiche 11, 12 überein.
Dies gilt zumindest für
fremdgezündete
Ausführungsformen
des Schalters 1, die den Zünder gemäß 6 oder eine ähnliche Zündeinrichtung aufweisen. Bei
Ausführungsformen,
die durch die Eigenerwärmung des
stromdurchflossenen Körpers 2 gezündet werden
sollen, ist der Solltrennbereich 16 mit einem geringeren
Querschnitt ausgebildet als die übrigen
Bereiche des Körpers 2.
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Der Solltrennbereich 16 ist
so vorbehandelt, dass er bei Einwirkung des von der Explosion der
Ladung 3 hervorgerufenen Stoßes bevorzugt bricht oder reißt. Die
Vorbehandlung kann beispielsweise eine Wärmebehandlung sein, im Rahmen
derer örtlich
auf den Solltrennbereich 16 begrenzt die Härte, das
Gefüge,
die Legierungszusammensetzung oder ähnliche Materialeigenschaften
geändert
werden. Besteht der Körper 2 beispielsweise
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und ist der Körper 2 beispielsweise
aus einem mechanisch vorverformten Materialabschnitt, wie beispielsweise
einem gewalzten Band, aus- oder abgeschnitten, ist das Grundmaterial
durch die erfolgte plastische Verformung weitgehend verfestigt.
Der Solltrennbereich 16 wird nun beispielsweise dadurch
festgelegt, dass die in 1 gestrichelt
veranschaulichte Zone lokal erwärmt
und wieder abgekühlt
wird. Die Erwärmung
kann durch Induktionserwärmung,
mit einer geeigneten Flamme oder durch einen Laser erfolgen. Es
bildet sich somit eine weich geglühte Zone, die den Solltrennbereich 16 bildet.
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Der Schalter 1 arbeitet
wie folgt:
An die Anschlussbereiche 11, 12 sind
nicht weiter veranschaulichte stromzu- und -abführende Leitungen angeschlossen,
die über
den Solltrennbereich 16 miteinander verbunden sind. Soll
nun die elektrische Verbindung zwischen den beiden an die Anschlussbereiche 11, 12 ange schlossenen
Leitungen unterbrochen werden, wird über die Zündleitung 8 ein Zündimpuls
gegeben, so dass der Zünddraht 7 die
Ladung 3 zündet.
Die Ladung 3 ist an dem Solltrennbereich 16 angebracht.
Die bei der Explosion entstehende Druckwelle trifft zuerst und vor
allem den Solltrennbereich 16. Dieser hat beispielsweise
eine wesentlich geringere Härte
als die Anschlussbereiche 11, 12, wenn die Gefügestruktur,
wie oben erläutert, einer
Wärmebehandlung
ausgesetzt war. Das Material des Solltrennbereichs 16 ist
somit besonders nachgiebig und kann von der Druckwelle leicht durchtrennt
werden. Außerdem
kann es ohne größere Schwierigkeiten
in kleine Bruchstücke
zerlegt werden, um Gefahren für
die Umgebung auszuschließen.
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2 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalters 1.
Bei diesem ist der Körper 2 rohrförmig ausgebildet,
wobei er entlang seiner Längsachse
einen konstanten Kreisquerschnitt aufweist. Somit weist er rohrförmige Anschlussbereiche 11, 12 und
einen in einer mittleren Ringzone ausgebildeten rohrförmigen Solltrennbereich 16 auf.
Die Anschlussbereiche 11, 12 sitzen in Sackbohrungen
von Anschlussstücken 17, 18,
die beispielsweise als rotationssymmetrische Körper ausgebildet sind. Sie
sind zueinander flüchtend
von einem z.B. etwa zylindrischen Gehäuse 19 aufgenommen,
aus dessen Endseiten 21, 22 sie herausragen. Die
Anschlussstücke 17, 18 weisen
an ihrem jeweiligen Außenumfang
beispielsweise eine Ringnut 23, 24 auf, in die
die Endseiten 21, 22 eingreifen, um die Anschlussstücke 17, 18 axial
fest zu halten. Die aus den Endseiten 21, 22 herausragenden
Abschnitte der Anschlussstücke 17, 18 können zylindrisch oder
anderweitig ausgebildet sein und dienen dem elektri schen Anschluss
des Schalters 1. Wenigstens eines der Anschlussstücke 17, 18 kann
mit einer Durchgangsbohrung 25 versehen sein, durch die Zündleitung 8 geführt ist.
Die Zündleitung 8 ist
dabei in der Durchgangsbohrung 25 axial unverschiebbar gesichert
und abgedichtet in dieser eingesetzt. Dies kann beispielsweise durch
einen mit Vergussmasse 26 gefüllten, erweiterten Abschnitt 27 der
Durchgangsbohrung 25 erfolgen.
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Die Anschlussstücke 17, 18 weisen
außerdem
an ihrem innerhalb des Gehäuses 19 angeordneten
Ende jeweils eine Sackbohrung 28, 29 auf, in der
der Körper 2 beispielsweise
im Presssitz, durch ein Gewinde oder durch anderweitige Befestigungsmittel,
gehalten ist. Er kann auch einstückig
mit den Anschlussstücken 17, 18 ausgebildet
sein, wobei zumindest eines dann eine Einfüllöffnung zur Einfüllung der
Ladung 3 aufweist. Als Einfüllöffnung kann unter Umständen die
Durchgangsbohrung 25 benutzt werden.
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Der Solltrennbereich 16 besteht
aus dem gleichen Material wie die benachbarten Anschlussbereiche 11, 12 und
er weist den gleichen Querschnitt wie diese auf. Jedoch weist der
Solltrennbereich 16 zumindest zonenweise von der Umgebung abweichende
Materialeigenschaften auf. Im Ausführungsbeispiel nach 2 sind diese Zonen linienartige
Ringzonen 31, wobei jede Ringzone 31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f beispielsweise
durch eine thermische Laserbearbeitung erzeugt worden ist. Der Laserstrahl
kann dabei, wie beispielsweise aus 5 ersichtlich
ist, die gesamte Wandung des Körpers 2 oder
einen Teil derselben durchsetzende Bereiche 32 erzeugen,
in denen die Materialeigenschaften sich von der Umgebung, d.h. von
dem übrigen
Körper 2 unterscheiden.
Beispielsweise ist der Bereich 32a wie der Bereich 32b durch
die lokale starke Erwärmung
bei der Herstellung gewissermaßen
ausgeglüht
und somit wesentlich weicher als das umgebende Material, wenn dieses
Kupfer oder eine Kupferlegierung ist. An der äußeren Oberfläche des
Körpers 2 vorhandene,
auf die Laserbearbeitung zurückgehende
Marken, Vertiefungen, Rillen oder Wellen, sind in diesem Zusammenhang
unbedeutend. Die wesentliche Vorschwächung des Solltrennbereichs 16 ist
durch die Änderung
der Materialeigenschaften in Folge der thermischen Bearbeitung erzielt.
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Wie 2 veranschaulicht,
können
zusätzlich
zu den Ringzonen 31 längs
verlaufende Zonen 33 vorgesehen sein, die wie die Ringzonen 31 durch Laserbearbeitung
erzeugt worden sind. Dadurch entsteht ein Gittermuster aus Ringzonen 31 und
Zonen 33, die gewissermaßen Solltrennlinien festlegen.
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Bei Auslösung der Ladung 3 bewirkt
der entstehende steile Druckanstieg vorzugsweise eine Materialtrennung
im Bereich der Ringzonen 31 und der Zonen 33,
so dass sich der von dem Solltrennbereich 16 gebildete
Abschnitt des Körpers 2 in
kleine Bruchstücke
zerlegt. Die dazu erforderliche Kraft ist relativ gering, so dass
mit kleinen Ladungen 3 ausgekommen werden kann. Andererseits
ist der Solltrennbereich 16 aufgrund seines unverminderten
Querschnitts mechanisch stabil und stromtragfähig, so dass der Schalter 1 auch
für große Ströme lediglich einen
geringen Bauraum beansprucht.
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Bei einer abweichenden Ausführungsform
ist der Körper 2 des
Schalters 1 nicht aus Metall sondern aus einem Nichtleiter,
wie beispielsweise Glas oder Keramik, ausge bildet. Er trägt jedoch
zur Stromleitung eine beispielsweise auf seiner Außenseite
aufgebrachte Metallschicht. Ist der Körper 2 aus Glas oder
einem ähnlichen
Werkstoff hat dies neben anderen Vorteilen den Vorzug, dass durch
die thermische Behandlung des Solltrennbereichs 16 gezielt
Spannungen in das Material des Körpers 2 eingebracht werden
können.
Die Spannungen können
so gerichtet sein, dass der Körper 2 gegen
Schläge
und Stöße von außen besonders
unempfindlich, gegen Schläge und
Stöße von innen
jedoch besonders empfindlich reagiert. Beispielsweise kann dies
durch Druckspannungen in der Außenhaut
und Zugspannungen in der Innenhaut im Bereich der Solltrennstelle 16 oder auch
auf gesamter Länge
des Körpers
erzielt werden. In letzterem Fall reduzieren sich die Anschlussbereiche 11, 12 auf
die von den Anschlussstücken 17, 18 aufgenommenen
Ringzonen, während
der Solltrennbereich 16 den gesamten Abschnitt zwischen
den beiden Anschlussstücken 17, 18 einnimmt.
Die Ausführungsformen
des elektrischen Schalters 1 mit vorgespanntem Körper 2 eignen
sich insbesondere für
Anwendungsfälle,
bei denen mit einer kleiner Ladung 3 eine besonders schnelle
Stromabschaltung herbeizuführen
ist und bei denen eine vollständige
feine Zersplitterung des gesamten Körpers 2 erforderlich
oder gewünscht
ist.
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Eine weitere Ausführungsform des Schalters 1 ist
in den 3 und 4 veranschaulicht. Der Körper 2 wird
durch ein zylindrisches, von einem Stab abgelängtes Stück gebildet, in das von einer
Stirnseite her eine Sacköffnung 34 eingebracht
ist. Diese ragt bis in den Bereich der Solltrennstelle 16,
die hier durch die Ringzone 31a, 31b und entsprechende
längs angeordnete
Zonen 33 definiert ist. Die Sacköffnung 34 ist durch
Vergussmasse 35 geschlossen, durch die die Zündleitung 8 zur
Zündung
der Ladung 3 hindurchführt.
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Bei Auslösen der Ladung 3 zerlegt
sich insbesondere der Solltrennbereich 16, wobei die Materialtrennung
durch die Ringzonen 31a, 31b und die Zonen 33 wesentlich
unterstützt
wird.
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6 veranschaulicht
eine abgewandelte Ausführungsform
eines Solltrennbereichs 16 in Form einer Abwicklung eines
Körpers 2.
Einzelne durch Laser vorgezeichnete Trennlinien 36, 37 sind
als Schraubenlinien ausgebildet und erzeugen ein Rautenmuster auf
der Oberfläche
des Körpers 2.
Auch diese Trennlinien sind Zonen geänderter Materialeigenschaften.
Beispielsweise können
sich durch die lokale Wärmebehandlung
im Bereich der Linien Legierungsbestandteile an Korngrenzen ansammeln, Härtungs-
oder Erweichungszonen bilden oder Spannungen induziert werden.
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Ein pyrotechnischer Schalter 1 weist
einen elektrischen Leiter auf, der durch einen pyrotechnischen Treibsatz
zur Unterbrechung des Stromflusses zu trennen ist. Dies muss an
einer definierten Stelle des Leiters geschehen. Dazu wird an der
vorgesehen Stelle eine Sollbruchstelle (Solltrennbereich 16)
angebracht. Diese Sollbruchstelle wird durch Veränderung der Materialeigenschaften
in einem definierten Bereich des Leiters erzeugt, indem dieser örtlich begrenzt über eine
Grenztemperatur erhitzt wird. Dies kann durch verschiedene Verfahren,
wie mit Hilfe von Laser oder durch induktive Erwärmung erfolgen. Abhängig von
der Temperatur wird dabei örtlich
begrenzte Härte
oder das Gefüge
und/oder die Legierungszusammenset zung des Materials geändert, so. dass
eine definierte Sollbruchstelle entsteht.