DE19749133C2 - Notabschalter für elektrische Stromkreise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum definierten und schnellen Ausschalten von elekt­ rischen Starkstromkreisen. Selbst ohne Wartung übt die Vorrichtung noch nach bis zu 20 Jah­ ren zuverlässig die Funktion aus und stellt dabei kein zusätzliches Gefahrenpotential in Form von Heißgas, Partikel, Wurfstücke oder hohe, im abgeschalteten Stromkreis induzierte Span­ nungen nach außen dar.

Der Einsatz ist vornehmlich in der KFZ-Technik geplant zum definierten irreversiblen Tren­ nen der Bordverkabelung von der Autobatterie kurz nach einem Unfall, um Zündquellen durch Funken und Plasma zu vermeiden, die entstehen, wenn beispielsweise Kabelisolationen durch während des Unfalls eindringendes Karosserieblech aufgescheuert wurden oder lose Kabelende gegeneinander oder gegen Blechteile schwingen - insbesondere dann, wenn Benzin ausläuft und sich Benzindampf unter der Motorhaube ansammeln und sich dort zündfähige Benzin-Luft-Gemische bilden können.

Bisher eingesetzte Vorrichtungen, wie die beispielhafte, in der DE 297 00 594 U1 zur Trennung der Autoverkabelung von der Autobatterie bei einem Unfall zur Vermeidung zusätzlicher Zündquellen für eventuell ausgeströmtes und danach verdampftes Benzin entwickelte und eingesetzte Baugruppe, sind begrenzt bezüglich der Schneidleistung und/oder erzeugen durch den Trennvorgang im getrennten Stromkreis so hohe induzierte Spannungen, dass hier ange­ schlossene elektrische Geräte beschädigt werden, was aber nicht zulässig und erwünscht ist.

So drückt ein aus einer Brennkammer und einem elektrisch nicht leitfähigen Material gefertig­ ten Werkzeug bestehendes, quasi herkömmliches Kraftelement nach der Auslösung durch den Airbagsensor auf den sehr stark gekerbten elektrischen Leiter mit einem Querschnitts von beispielsweise 10 mm × 4 mm, worauf das Material dieses Leiters bricht und der Stromfluß zu den an der Verkabelung angeschlossenen Verbrauchern bzw. den eventuell aufgescheuerten Kabelstücken abbricht.

Durch die Einkerbung des Materials wird zunächst relativ wenig Kraft zur Trennung benötigt, andererseits bricht der Leiter und damit der Stromfaden so schnell ab, dass im Stromkreis sehr hohe Spannungen induziert werden und dadurch angeschlossene Geräte und Isolationen irre­ versibel beschädigt werden.

Anders aufgebaute Vorrichtungen zur Trennung von Kraftströmen, wie sie aus der Stark­ stromtechnik her bekannt sind, werden hier nicht betrachtet, weil sie entweder relaisartig auf­ gebaut sind (d. h. hier in diesem Zusammenhang das Öffnen von Kontakten durch eine Mag­ netspule oder durch ein kleines Kraftelement, wie es heute schon in der Überlandleitungstech­ nik hier und da eingesetzt wird) und damit die geforderten Zuverlässigkeiten nach 20 Jahren ohne einzige Schaltung und ohne Wartung bei der im PKW vorkommenden mechanischen und thermisch/klimatischen Umwelt nicht im Ansatz errreichen, oder bei entsprechender Aus­ führung einfach um Größenordnungen zu teuer sind (die angestrebte Baugruppe hat heute einen Verkaufspreis von ca. 7 DM) oder einfach zu schwer und zu groß - die Baugruppe soll ohne Bauänderungen anstelle der heute üblichen Batterieklemme verwendet werden!

Bereits zuverlässiger und ohne den Leiter kerben zu müssen arbeitet die in der nachveröffent­ lichten älteren Anmeldung DE 197 32 650 A1 beschriebene Vorrichtung, wobei der Leiterquer­ schnitt durch einen Leistungskutter im vollen einfach abgeschnitten bzw. getrennt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kleine und kostengünstige Baugruppe der eingangs genannten Art so zu schaffen, die in autarker und fernsteuerbarer Arbeitsweise im­ stande ist, einen mindestens ebenso großen Leitungsquerschnitt zu trennen, möglichst ohne diesen kerben zu müssen und gleichzeitig den Stromfluß nicht so schnell zu unterbrechen und dass das durch den eventuell beim Trennen noch im Stromkreis fließenden Strom erzeugte magnetische Feld nicht so schnell zusammenfällt und damit kleinere Gegenspannungen indu­ ziert werden, die diesen Feldzusammenbruch bekanntlich verzögern wollen. - Damit kann die mechanische Belastbarkeit des Leiters, wie stets von allen Konstrukteuren gewünscht, erhal­ ten bleiben und zusätzliche Maßnahmen zur Unterdrückung der Spannungsspitzen in der Ver­ kabelung und/oder vor den einzelnen elektrischen Verbrauchern eingespart werden, wenn das überhaupt sonst möglich wäre! Anders als bei den bisher erwähnten Vorrichtungen soll dies aber einfachheitshalber nicht durch mechanisches Schneiden/Trennen des Leiters erfolgen, sondern durch die pyrotechnische Zerstörung des Leiters selbst! Die hierbei immer entstehen­ den Bruchstücke werden durch ein Gehäuse so aufgefangen, dass damit die Umgebung des Notabschalters nicht gestört wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhaf­ te Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass es für die Unterbrechung des Strom­ flusses keine bewegten Teile mehr gibt und damit die Funktionszuverlässigkeit noch weiter ansteigt bei noch niedrigeren Fertigungskosten.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Tatsache, dass der Trennvorgang nunmehr durch die richtige Wahl die pyrotechnischen Mischung und dessen Abbrands bzw. Verhaltens so gesteuert werden kann, dass die Stromabschaltung nicht mehr so schnell erfolgt, sich damit bei fließendem Strom (und nur dann treten ja die unerwünschten Spannungsspitzen durch In­ duktion auf) ein Plasma ausbilden kann und hierbei bzw. hierin die sonst zerstörerisch wir­ kende Induktionsenergie "verbraucht" werden kann!

Unterstützt werden kann das durch das entsprechende Ausbilden des Querschnitts und/oder Aufteilung des zu trennenden Stromleiters.

Anders als bei den bisher erwähnten Vorrichtungen wird dies aber einfachheitshalber nicht durch mechanisches Schneiden/Trennen des Leiters erreicht, sondern durch die pyrotechni­ sche Zerstörung des Leiters selbst! Gleichzeitig ergibt sich so die Möglichkeit, eine Selbst­ zündung der Baugruppe zu integrieren, was bei Verwendung einer Schneide prinzipiell nicht möglich ist.

Anders als in den Anmeldungen DE-AS 10 50 858, DE-AS 21 03 565 oder US 39 58 206 wird hier die pyrotechnische Seele ganz bewußt so ausgebildet, dass zusätzlich inerte oder teilinerte Stützstoffe wie Fett, Wasser oder Öl eingefüllt sind, um in Verbindung mit der maß­ geschneiderten Anzündung, Anordnung und Ausgestaltung der pyrotechnischen Seele den schiebenden Charakter der heißen Gase zu verstärken und damit eine sichere, definierte, sau­ bere und schnelle Öffnung des Leiters auch ohne detonative Stoffe oder Stoffe mit detonati­ vem Charakter zu erzielen.

Mit einer der wichtigsten Vorteile der Erfindung gegenüber allen bisher bestehenden Geräten aber ist die Tatsache, dass hier je nach Ausführung spezielle Anzündstücke zum Anzünden die pyrotechnische Seele 4 nicht mehr erforderlich sind, was ein wesentlicher Kostenvorteil gerade in der Automobilindustrie ist, können hier doch 3 bis 4 DM eingespart werden!

Darüberhinaus vermeidet man auch die Abhängigkeit von einem Schlüsselzulieferanten, die Folgen eines nicht ausentwickelten Anzündstücks und steigert so die Wertschöpfung in der eigenen Firma beträchtlich.

Die Aufgabe wird so erreicht, dass die aus den Treibgasen stammende Energie von innen her auf den elektrischen Leiter so einwirkt, dass er entweder definiert aufreißt, zerfetzt, oder aus­ gebildete Segmente so abgestoßen werden, dass damit der Leiter desintegriert wird

Als Treibstoff kann, wie üblich, beispielsweise einbasiges oder mehrbasiges Nitrozellulose­ pulver als Granulat oder in Blättchenform, sowie neuere Treibstoffentwicklungen, sogenannte Composite, verwendet werden, die außer CO2 nur noch Wasser und einen ungiftigen Stoff, beispielsweise KCL im Treibgas haben. Auch Thermitmischungen und Sprengstoffrezepturen können zur Anwendung kommen, wenn man sie entsprechend schützt.

Mit der Vorrichtung kann jedes gängige Leitermaterial geöffnet werden.

Die Anzündung die pyrotechnische Seele 4 in der Kartusche kann mit oder ohne Zündelektro­ nik erfolgen, die interne Anzündung entweder direkt durch Glühdraht, durch handelsübliche Anzünder, durch pyrotechnische Zündübertragungsleitungen oder durch primäre Explosivstof­ fe, die resonanzmäßig ähnlich der Blitzlichtlampenzündung so angebracht sind, dass nur ganz bestimmte kleine Stöße dieses Explosivstoffplättchen oder -stäbchen brechen bzw. abplatzen lassen, wodurch dann diese relativ empfindlichen Stoffe gezündet werden. Durch die reso­ nanzmäßige Anpassung des Trägers dieser Stoffe auf den stoßenden oder schlagenden Draht ähnlich der Kugelstoßmaschine wird eine Fehlauslösung weitgehend ausgeschlossen. Ergän­ zende Anzündarten wie durch Reibdraht oder durch Schlagbolzen sind hier ebenfalls möglich, in der Regel hier aber nicht erwünscht. Die technischen Ausführungsmöglichkeiten hierzu entsprechen den in der DE 197 32 650 A1 Beschriebenen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Notabschalter

Fig. 2 Die Anzündung der pyrotechnischen Seele durch ein elektrisch initiiertes Zündmittel

Fig. 3 Die Anzündung der pyrotechnischen Seele durch eine Mittelelektrode

Fig. 4 Den Leiteraufbau

Fig. 5 Den Leiterquerschnitt mit aneinander gelegten Segmenten.

Fig. 1 zeigt den Notabschalter, bestehend aus dem stromführenden Leiter 3, dem Gehäuse 22 mit seinen Armierungen 20 und 21, der Abdichtung 5 und der eventuell vorhandenen Kerbung bzw. Schwächung des Querschnitts 19.

In den Leiter 3 ist eine pyrotechnische Seele 4 eingebracht, die aus Treibladungspulver, Sprengstoff, einem pyrotechnischen Satz oder einem Thermit besteht, ganz oder teilweise gefüllt mit inerten oder teilinerten Stützstoffe wie Fett, Wasser oder Öl.

Nach Auslösung der pyrotechnischen Seele 4 wird der Leiter an dieser Stelle regelrecht zer­ fetzt bzw. desintegriert, so dass der Stromfluß wie gewünscht zuverlässig und vollständig un­ terbrochen wird.

Die beim Zerbersten des Leiters entstehenden Trümmer werden zunächst vom Splitterschutz­ mantel 23 abgebremst und letztendlich vom Gehäuse 22 zurückgehalten.

In Fig. 2 ist die Anzündung der pyrotechnischen Seele 4 durch ein elektrisch initiiertes An­ zünd- oder Zündmittel 7 gezeichnet, dessen Ausgang über die eventuell mit Explosivstoff gefüllte Bohrung 6 gezündet wird.

Mit 1 ist wieder der in die Vorrichtung einfließende elektrische Strom gekennzeichnet, mit 2 der aus der Vorrichtung über den Leiter wieder abfließende Strom.

In Fig. 3 ist die Anzündung die pyrotechnischen Seele 4 mittels einer Mittelelektrode 9 ge­ zeichnet, deren ein Ende (9) im Leitermaterial selbst steckt und damit kontaktiert, aber deren anderes Ende in der Seele frei ist und dort kontaktiert ist, insbesondere über den Anschluß 11, der gegenüber dem Leitermaterial durch den Isolator 10 elektrisch isoliert ist.

Fig. 4 zeigt die möglichen Ausbildungen des Leiteraufbaus. Während bis jetzt nur einfach Leiter aus homogenem Material radial auseinander getrieben wurden, ist nun das Leitermate­ rial axial mit den Schlitzen 14 versehen, um das Auseinandergehen des Leiters zu erleichtern.

Fig. 5 zeigt eine andere mögliche Ausbildung des Leiteraufbaus, allerdings besteht hier ge­ genüber der Fig. 4 der Leiterquerschnitt aus aneinander gelegten Segmenten, die über die Außenhaut 17 und/oder die Spannringe 18 zusammengehalten werden.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum definierten und schnellen Ausschalten von elektrischen Starkstrom­ kreisen, bei der der stromführende Leiter (3) eine pyrotechnische Seele (4) enthält, die den Leiter (3) nach der Zündung lokal so zerstört, dass der Stromfluß zuverlässig unter­ brochen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die pyrotechnische Seele (4) eines elektri­ schen Leiters (3) zusätzlich inerte Stützstoffe eingefüllt sind, um in Verbindung mit der Anzündung, Anordnung und Ausgestaltung der pyrotechnischen Seele den schiebenden Charakter der heißen Gase zu verstärken und damit eine sichere, definierte, saubere und schnelle Öffnung des Leiters zu erzielen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) aus einem Treibladungspulver besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) aus einem Sprengstoff besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) aus einem Thermit besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) durch einen einfachen, geraden oder gewendelten Glühdraht (9) ohne Verwendung von herkömmlichen Anzünd- oder Zündstoffen angezündet wird, wobei dieser entweder frei tragend ausgeführt sein kann, oder auf einer Platine gedruckt sein kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühdraht oder die Mittelelektrode (9) mit einem Treibladungspulver beschichtet oder in dessen flüssige Lösung getaucht ist, um so die notwendigen Glühtemperaturen drastisch zu reduzieren und nicht die herkömmlichen empfindlichen Zünd- und Anzündstoffe verwenden zu müssen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) durch eine Elektrode (9) gezündet wird, insbesondere durch eine Elektrode aus ei­ nem nur wenig elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Graphit oder Kohle.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (3) axial oder/­ und radial geschlitzt oder ähnlich mechanisch geschwächt ist, um das Auseinandergehen des Leiters nach der Zündung der pyrotechnischen Seele (4) zu erleichtern

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (3) aus mehreren Segmenten, axial oder radial verteilt, zusammengesetzt ist um das Auseinandergehen des Leiters nach der Zündung der pyrotechnischen Seele (4) zu erleichtern und geeignet insbesondere mittels Außenhaut (17) oder extra Haltebändern (18) zusammengehalten wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) innen oder außen durch eine Armierung (20) bzw. (21) geschützt ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) aus einem oder mehreren Formkörpern, d. h. aus Teilchen mit Innen und/oder Innen- und/oder Außenstruktur besteht, um damit den Massenstrom und damit das Zerlegever­ halten vorgeben zu können.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) durch ein anliegendes oder im Gasaustausch stehendes geeignetes Material durch di­ rekten Stromdurchgang angezündet wird, insbesondere durch normalerweise bei den üb­ lichen Temperaturen stabile Metalle wie Aluminium, Magnesium, Zirkonium oder Zink, die entweder so auf eine Fläche eines elektrisch nicht, schwer oder halb leitenden Mate­ rials aufgebracht werden, dass diese Schicht bzw. Leiterbahn bei Stromdurchgang ört­ lich oder im ganzen so stark erhitzt wird, dass dieses Material mit dem Sauerstoff aus der Luft oder einem anderen eingebrachten Sauerstoffträger so umsetzt, dass es exo­ therme Energie abgibt, insbesondere in Form von Heißgas und/oder heißen Partikeln, oder in einem Beiladungsbehälter als Pulver oder Pulverpreßling untergebracht ist und von dort nach geeigneter Zündung dann das Heißgas oder die Heißpartikel an die zu zündende Pyrotechnische Seele (4) abgibt, oder der pyrotechnischen Seele (4) selbst beigemischt ist und damit keine herkömmlichen Zünd-, Anzündstoffe oder Anzündstü­ cke verwendet werden müssen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) durch einen Überlaststrom im Stromleiter (3) derart erwärmt wird, dass diese da­ durch selbst gezündet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter selbst so ausgebildet ist, dass er bei elektrischer Überlastung sich an einer Stelle derart erhitzt, dass die anliegende pyrotechnische Seele (4) gezündet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnische Seele (4) durch Beimischung von Stoffen, die bei niedrigerer Temperatur als die pyrotechni­ sche Seele (4) anzünden bzw. umsetzen gezündet wird, um damit insbesondere Thermi­ te als pyrotechnische Seelen (4) einsetzen zu können und um dieses dann durch das bei­ gemischte Magnesium-, Zink-, Zirkonium- oder Al-Pulver zünden zu können.