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Elektrischer Schalter mit wenigstens einem Polpaar
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Pyrotechnisch betätigte elektrische Schalter werden beispielsweise
in der Raketen- und Raumfahrttechnik eingesetzt. Bekarant sind Schalter, die durch
axiales Verschieben einer Schaltleiste einen oder mehrere Kontakte öffnen und/oder
schließen, d.h. eii-i oder mehrere Polpaare trennen und/oder miteinander elektrisch
leitend verbinden.
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Aus der US-PS 32 48 504 ist weiterhin ein kontaktschließender Schalter
bekannt, der zwei miteinander zu verbindende stiftartige Pole aufweist, die isoliert
in einem Gehäuse angeordnet sind.
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In dem Gehäuse ist weiterhin ein axial verschiebbares kolbenförmiges
Kontaktelement aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet, das aus einer
ersten Position - der Offen-Stellung des Schalters - unter Einwirkung einer Axialkraft
in eine zweite Position - der Geschlossen-Stellung des Schalters - verschiebbar
ist, in welcher die freien Enden der beiden Polstifte in einer axialen ausnehmung
des Kontaktelementes gegeneinander gedrückt und dadurch elektrisch leitend miteinander
verbunden sind. Die |Axialkraft wird bevorzugt mittels einer druckgaserzeugenden
einrichtung auf pyrotechnischer Basis aufgebracht. Sie kann aber beispielsweise
auch mittels einer vorgespannten Feder ausgeübt werden, die zu einem vorgegebenen
Zeitpunkt mechanisch oder elektrisch freigegeben wird.
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kiese bekannten, vorzugsweise pyrotechnisch betätigten elektrizehen
schließenden Schalter weisen den Nachteil auf, daß die
Kontaktierung
nach erfolgtem Schaltvorgang nicht ausreichend sicher ist, so daß unerwünschte Anden.ngen
des Übergabgswiderstandes oder unter Umständen sogar Kontaktunterbrechungen auftreten
können. Derartige Störungen können beispielsweise durch äußere Umwelteinflüsse,
insbesondere stoßartige Krafteinwirkungen oder Tenipei-aturwvchuelbeanspruchungen,
auftreten. Bei der Schalter gemäß der US--PS 32 48 504 kommt als weiterer Nachteil
noch hinzu, daß die Kontaktierungsfläche zwischen den beiden stiftar-tigen Polen
relativ klein ist, was einen entsprechend hohen, oftmals unzulässigen Übergangswindestand
zur Folgte hat. Dabei bedingen geringe Änderungen in der Grcße der Kontaktierungsfläche
entsprechend große prozentuale Änderungen des Übergangswiderstandes.
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Solche Änderungen können durch äußere Umwelteinflüsse wie Korrosion
auftreten, sie können aber auch fertigungsbedingt sein.
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Der Fertigungseinfluß, d.h. der Einfluß der bei einer Massenfertigung
unvermeidbaren Toleranzen ist um so gravierender, je kleiner die Abmessungen des
Schalters sind und Lann nur durch eine unerwünscht aufwendige Herstellung der stiftartigen
Pole und der diesen zugeordneten axialen Ausnehmung des kolbenartigen Kontaktelementes
ausgeglichen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schalter der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art die vorgenannten achteile zu vermeiden
und diesen insbesondere so auszubilden, aß er nach erfolgtem Schaltvorgang eine
sichere Kontaktierung uch unter ungünstigen Umweltbelastungen gewährleistet und
denoch möglichst einfach herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ausbildung entsprechend dem Kennzeichen
des Anspruchs 1. Das kolbenförrnige Kontaktelement ist als zylindrisches Kontaktstück
mit einer insbesondere kreiszylindrischen Umfangs- oder Mantelfläche ausbildbar.
Das Kontaktstück ist aus einem Material hoher Druckfestigkeit, insbesondere Stahl,
einer Aluminium- oder Kupferlegierung, und in einer solchen Form hergestellt, daß
es in der zweiten Position mit dem gewünschten festen Preßsitz zumindest gegenüber
dem Gehäuse zuverlässig fixierbar ist. Sofern das Kontaktstück keine oder
u.U.
zu geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, kai--n es wie auch die entsprechenden
Flachen des Gehäuses und der weitcrcn elektrischen Teile mit einer OberfZächenbeschiclltung
höherer Leitfähigkeit, beispielsweise einem dünnen Goldüberzug, auf galvanischem
chemischer Wege od. dgl. versehen worden.
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Das kolbenförmige Kontaktelement wird insbesondere mit Hilfe einer
druckgaserzugenden Einrichtung auf pyrotechnischer Basis aus der ersten in die zweite
Position verschoben. Aber auch andere druckgaseizeugende Einrichtungen, beispielsweise
eine bei Beginn des Schaltvorgangsz.u öffnende Patrone mit verflüssigtem Gas, oder
mechanische Einrichtungen wie eine vorgespannte Feder können im Einzelfall anwendbar
sein. Für die pyrotechnische Betätigung wird ein Anztindelement vorgesehen, das
elektrisch, durch Schlags Reibung oder ggf. auch Wärme auslösbar ist. Sofern die
vom Anzündelement erzeugte Druckgasmenge für die Verschiebung nicht ausreicht, kann
diesem zusätzlich noch ein besonderer, sich gasreich umsetzender Drucksatz nachgeschaltet
werden.
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Das Gehäuse des Schalters ist in entsprechender Weise mit solcher
Festigkeit und Steifigkeit ausgebildet, daß es die in der zweiten Position des Kontaktelementes
infolge des erfindungsgemäf3en Preßsitzes auftretenden radialen Druckkräfte einwandfrei
aufninmt. Entsprechendes gilt auch für den gegebenenfalls vorgesehenen Preßsitz
zwischen Kontaktelernent und Gegenkontakt. Bei diesen erfindungsgemäßen Preßsitzverbindungen
kommt es im Unterschied zu den bekannten wiederholt betätigbaren elektrischen Schaltern
mit federnden Kontakten zu einer im wesentlichen plastischen Verformung, gegenüber
der die gleichzeitig auftretende elastische Deformation sehr klein ist. Bei Schaltern
mit einem Innendurchmesser des Gehäuses zwischen etwa 5 und 20 mm wird für den erfindungsgemäßen
Preßsitz der Außendurchmesser des Kontaktstückes vorzugsweise um G,01 bis 0,07 mm
größer ausgeführt als der J)urchmesser der kreiszylindrischen Gehäuseinnenwand.
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Bei dem den einen Pol des Schalters bildenden Gehäuse handelt es
sich
im allgemeinen um dessen Außengehäuse, das dementsprechend unter elelrtrischer pannung
steht. Es kann sich aber auch um ein Innengehäuse handeln, das z.B. unter Zwischenschaltung
einer elektrischen Isolierung in ein Außengehäuse eingesetzt ist, so daß das letztere
spannungsfrei ist. Das Kontaktelement kann über seine Umfangsfläche unmittelbar
oder auch mittelbar mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbunden sein. Im letzteren
Falle kenn beispielsweise in das Gehäuse noch eine elektrisch leitende Dlstanzhülse,
Stützhülse od. dgl. zur Festlegung des Gegenkontaktes eingesetzt sein. Für die Kontaktierung
in der zweiten Position des Schalters ist es grundsätzlich ausreichend, wenn das
Rontaktelement nur in dieser Position über seine Umfangs fläche mit dem Gehäuse
durch Prßsitz verbunden ist. Aus fertiungstechnischen Gründen wird jedoch zweckmäßig
ein solcher Preßsitz auch bereits in der ersten Position und während der axialer
Verschiebung des Koritaktelementes im Gehäuse vorgesehen.
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Die elektrische Verbindung zwischen I<onta+telement wnd Gegenkontakt
erfolgt vorzugsweise gleichfalls über die Umfangsfläche des Kontaktelementes. Sofern
der fest in dem Gehäuse angeordnete Gegenkontakt jedoch beispielsweise als eine
in radialer Richtung sich erstreckende Scheibe ausgebildet ist, erfolgt die elektrischc
verbindung mit dem Kontaktelement über dessen der Gegenkontalstscheibe zugekehrte
Stirnfläche Dabei erweist es sich als zweckmäßig, zwischen beiden Flächen ein elektrisch
leitendes ederelement, beispielsweise eine Schraubenfeder, vorzusehen, das ich in
der zweiten Position im gespannten Zustand befindet, also n in beiden Flächen federnd
anliegt und diese elektrisch leitend miteinander verbindet.
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Insbesondere die Kontaktierung über die Umfangsfläche des Kontaktelementes
ermöglicht in vorteilhafter Weise auch bei sehr kleinen Außendurchmessern des Schalters
eine vergleichsweise sehr große Berührungsflache und einen dementsprechend sehr
niedrigen Uberangswiderstand im geschZossenen Zustand des Schalters. Aber auch ei
der Kontaktierung mittels eines an der Stirnfläche angeordnetten Federelementes
ist durch entsprechende Ausbildung der
Anlagefläche des Federelementes
eine relativ große Berührungsfläche erreichbar. Dadurch ist in Verbindung mit der
erfindungsgemäßen Preßsitzhalterung zumindest gegenüber dem Gehäuse in vorteilhafter
Weise erreicht, daß nach erfolgtem Schaltvorgang auch unter ungünstigen Umweltbedingungen
eine einwandfreie Kontaktierung gewährleistet ist. Weiterhin ist es vorteilhaft,
aaß die innere Preßsitzfläche von der Umfangsfläche des Kontakt elementes gebildet
wird und damit den im Einzelfall größtmöglichen Durchmesser hat, was bei gleicher
Preßpassungsgüte entsprechend größere Fertigungstoleranzen zuläßt.
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In zweckmäßi6er Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausbildung nach
Anspruch 2 vorgesehen. Damit wird zusätzlich zu der Preßsitzfixierung des Kontaktelementes
im Gehäuse auch noch eine Preßsitzfixierung zwischen den Anlageflächen des Gegenkontaktes
erreicht und dadurch die Umweltbelastbarkeit des Schalters noch weiter erhöht. Die
beispielsweise zwei sich gegenüberliegend angeordneten und sich über je etwa ein
Viertel des Umfangs des Kontaktelementes erstreckenden Anlageflächen können durch
eine entsprechende elektrische Verbindung gemeinsam den anderen Pol aes Schalters
bilden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß nur eine Anlagefläche den anderen
Pol bildet und die andere keine elektrische Funktion hat, also'nur zur Erzeugung
des Preßsitzes dient. Ferner ist es möglich, daß diese Anlagefläche den Gegenkontakt
eines weiteren Polpaares bildet. Dann sind auch das Kontaktelement und das Gehäuse
in gegeneinander elektrisch isolierte Segmente aufzuteilen. Entsprechendes gilt
für Ausführungen mit drei oder mehr Polpaaren.
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Sofern der Schalter nur ein Polpaar aufweist, ist eine Ausbildung
nach Anspruch 3 sowohl hinsichtlich des erzielten Preßsitzes und der Größe der Berührungsfläche
als auch des dazu erforderlichen Fertigungsaufwandes besonders vorteilhaft. Eine
zusätzliche Eröhung der Formsteifigkeit dieses ringförmigen Gegenkontaktes ermöglicht
die Ausbildung nach Anspruch 4. Dieser napf-, becher-, schalenförmige od. dgl. Gegenkontakt
bietet über seinen Boden weiterhin eine besonders feste axiale AbstUtzung im Gehäuse,
wenn
das Kontaktelement beim Schaltarorg2ng geschoßartig in den
Gegenkontakt hineingepreßt wird. Ferner kann über den Boden die elektrische Zuleitung
besonders einfach an den Gegenkontakt angeschlossen werden, wozu der Boden gegebenenfalls
noch mit einer entsprechencqen Lochung versehen ist. Auch hierbei ist im Durchmesserbereich
von etwa 5 bis 20 mm der Außendurchmesser des Kontakteiementes um vorzugsweise 0,01
bis 0,07 mm größer als der Innendurchmesser des ring-, näpfchenförmigen od. dgl.
Gegenkontaktes.
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Als Kontaktelement kann ein vollzylindrisches, insbesondere scheiben-,
tablettenförmiges od. dgl. Kontaktstück verwendet werden. Anstelle dessen kann aber
gemäß Anspruch 5 auch ein dünnwandiges rnetallisches näpfchen-, becherförmiges od.
dgl.
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KontakteAement vorgesehen werden, dessen hinteres offenes Ende unter
der Einwirkung der Gase der druckgaserzeugonden Einrichtung in der zweiten Position
fest an die Innenwand des Gehäuses bzw.
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einer in diese eingesetzten Hülse od. dgl. gepreßt wird und dadurch
den geforderten Preßsitz ergibt. Im Hinblick auf einen Preßsitz auch im Gegenkontakt
kann es gegebenenfalls zweckmäPig sein, den vorderen geschlossenen Boden des näpfchen-,
bechcrförmigen od. dgl. Kontaktelementes mit einer größeren Dicke als dessen Wandung
auszubilden.
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Die im Anspruch 6 angegebene Ausführung ermöglicht eine Verkürzung
der Baulänge des Schalters, indern das näpfchenförmige Kontaktelement mit seinem
zylindrischen Mantel die druckgaserbeugende Einrichtung seitlich übergreift, beide
also sozusagen teleskopartig ineinander geschoben sind. Die Anordnung gemäß Anspruch
7, bei der das näpfcbenförmige Kontaktelement in Kombiaktion mit dem vollzylindrischen
Kontaktelement vorgesehen ist, ermöglicht eine besonders feste nicht mehr lösbare
Kentaktverbindung. Zudem wird durch das auch noch nach dem Schaltvorgang n die äußere
Wandung angepreßte und damit lidernde dünnwandige näpfchenförmige Kontaktelement
ein zusätzlicher Abschluß gegenber den Pulvergasen einer pyrotechnischen Druckgaseinrichtung
erreicht, so daß eine Beeinträchtigung der elektrischen Kontaktflächen durch die
Pulvergase auch unter sehr ungünstigen Umständen
zuverlässig ausgeschlossen
ist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen gezeigt
und wird anhand dieser nachstehend noch näher erläutert.
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Es zeigen jeweils im Längsschnitt i Fig. 1 einen pyrotechnisch betätigten
eleXtrischen Schalter mit einem kombinierten Kontakteleraent und Fig. 2 eine Variante
hierzu.
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Der in Fig. 1 gezeigte Schalter weist das zylindrische Gehäuse 1 aus
Metalls beispielsweise Stahl, einer Aluminium- oder Kupferlegierung, auf. In dem
Gehäuse 1 ist mit diesem elektrisch leitend verbunden dIe zylindrische Stützhülse
2 aus vorzugsweise dem gleichen Material angeordnet. Die Stützhülse 2 ist am hinteren
Ende mit der Ausdrehung 3 zur Aufnahme des in der Ansicht gezeigten Trägers 5 der
druckgaserzeugenden Einrichtung 4 versehen.
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Durch den metallischen Träger 5 hindurch sind mittels einer Glasiurchführung
die beiden Zünderdrähte 6 in das Innere des Gehäu-..ses 1 geführt und hier mit einem
Glühdraht verbunden, der in zündstoff 7 getaucht ist. Der Anzündstoff 7 ist vom
Drucksatz umgeben, der eine zusätzliche Aufladung darstelit.
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ls Drucksatz 8 kann beispielsweise ein Satz entsprechend der T-Pt
16 46 313 verwendet werden, also etwa eine Mischung aus 10 is 50 Gew.-% Aminoguanidinazotetrazol
und 90 bis 50 Gew.-% ariumnitlrat. Anstelle dessen können aber z.B. auch Oxalylhydroamsaure
und deren Derivate wie z.B. Oxalylhydroxamsäureamid, diamid, -ester oder -nitril
verwendet werden. Statt des angeebenen elektrischen Brückenzünders mit Glühdraht
kann auch ein lektrischer Spaltzünder, aber z.B. auch ein mechanisch auszuösendes
Amboß-, Anstxch- oder Metallschichtanzündmittel vorgeehen werden.
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er Drucksatz 8 mit Anzündstoff 7 ist von dem dünnwandigen hletallischen
näpfchenformigen Kontaktelement 9 umgeben, das mit seinen hinteren Ende 9' den vorderen
zylindrischen Ansatz 5' des
Trägers 5 übergreift und sich an dessen
radialer Ringfläche 5" nach hinten abstütz, so daß druckgaserzeugende Einrichtung
4 mit dem näpfchenförmigen Kontaktelement 9 eine in sich abgsschlossene Einheit
bildet. Das vorzugsweise aus einer Kupferlegierung hergestellte näpfcheni'bnmige
Kontaktelement 9 ist i.n der Stützhülse 2 mit Gleitsitz angeordnet. An den geschlossen
Boden 9" des Kontaktelem.entes 9 anliegend ist das in der Ansicht gezeigte metallische
vollzylindrische Kontaktstück 10, vorzugsweise gleichfalls aus einer Kupferlegierung,
innerhalb der Stützhülse 2 angeordnet und mittels des radialen Abscherstiftes 11
in dieser arretiert. Statt dessen könnte es aber auch über seine Umfangsfläche 12
mit Preßsitz in der Stützhülse 2 gehalten sein.
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Das näpfchenförmige Kontaktelement 9 und das Kontaktstück 10, die
gemeinsam das kombinierto Kontaktelement bilden, befinden sich in der gezeigten
ersten Position ausschließlich in der Stützhülse 2, haben also keine elektrische
Verbindung zu dem Gegenkontakt 13.
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Der metallische schalenförmige Gegenkontakt 13 mit Ring 13' und Boden
77, vorzugsweise aus einer Kupferlegierung, ist gegenüber dem Gehäuse 1 und der
Stützhtilse 2 mittels der Isolierungen 14 und 15 aus z.B. thermo- oder duroplastischem
Kunststoff wie etwa Polyäthylen elektrisch isoliert. Auf den Boden 13" aufgeleg-t
ist die Isolierscheibe 16 und auf diese wiederum die metallische Abschlußscheibe
17, gegen die das Gehäuse 1 mit seinem Rand 1' umgebördelt ist, so daß der Träger
5, die Stützhülse 2, der Gegenkontakt 13 und die Abschlußscheibe 17 fest zwischen
dem vorderen Bördel 1' und dem hinteren radialen Ringflansch 1" des gehäuses 1 eingespannt
sind.
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Die Abschlußscheibe 17 ist zum Erreichen einer guten elektrischen
Verbindung mit dem Gehäuse 1 mit diesem entlang des Randes des Bördels 1' verlötet
oder verschweißt, wiç es durch die Linie 18 angedeutet ist. An die Anschlußscheibe
17 ist die nach außen führende elektrische Zuleitung 19 angeschlossen, während an
dem.
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Boden 13" des Gegenkontaktes 13 die andere Zuleitung 20 angeschlossen
ist. Die Zuleiturg19,2û sind beispielsweise als kunststoffumspritzte versilberte
Kupferlitzen ausgeführt und mit der
Abschlußscheibe 17 bzw. dem
Gegenkontakt 13 vorzugsweise verlötet oder verschweißt - wie bei der Zuleitung 20
durch die Linie 21 angedeutet - um eine einwandfreie sichere elektrische Verbindung
mit sehr geringem elektrischen Widerstand zu erreichen. Dabei bildet das Gehäuse
1 zusammen mit der Stützhülse 2 und der hbdeckscheibe 17 den einen Pol des elektrischen
Schalters und der Gegenkontakt 13 dessen anderen Pol. Das Gehause 1 ist im Bereich
seines Ringflansches 1" mittels der angedeuteten Dichtungsmasse 22 auf beispielsweise
Epoxidharzbasis zusätzlich nach außen abgedichtet.
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Die zylindrische Innenfläche 23 des Gegenkontaktes 13 hat in bezug
auf die zylindrische Umfangsfläche 12 des Kontaktstückes 101 - wie vorstehend angegeben
- einen derart kleineren De-chmesser, 1 daß das Kontaktstück in der zweiten Position
in dem starr im Gehäuse 1 angeordneten Gegenkontakt 13 fest mit Preßsitz gehalten;
wird, sodaß eine sichere nicht mehr lösbare Kontaktverbindung erreicht wird. Bevorzugt
ist das Kontaktstück 10 auch in der Stützhülse 2 mit Preßsitz geführt, so daß es
in der zweiten Position über seine Umfangsfläche 12 sowohl mit dem Gegenkontakt
13 als auch mit der Stützhülse 2 und damit mit dem Gehäuse 1 elektrisch leitend
verbunden ist. Die axiale. Höhe des Kontaktstückes 10 ist dazu größer als die des
Kontaktringes 13', so daß es auch dann noch aus dem Cegenkontakt 13 nach hinten
hinausragt, wenn es in der zweiten Position sich am oder nahe dem Bodem 13" befidnet.
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Die einzelnen elektrisch leitenden Teile des Schalters werden bevorzugt
aus einem metallischem Material hoher. elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise
einer Kupferlegrerung, hergestellt und vorzugsweise auch noch mit einer die Leitfähigkeit
und die Korrosionsbeständigkeit erhöhenden zusätzlichen Beschichtung aus beispielsweise
Gold versehen. Wenn ein sehr gleiches Wärmeausdehnungsverhalten gewtinscht ist,
werden. die Teile bevorzugt aus dem selben Material hergestellt.
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Die Funktion des Schalters ist wie folgt: Nach Anlegen der Zünd spannung
an die beiden Zünderdrähte 6 werden der Anztlndstoff 7 und der Drucksatz 8 gezündet.
Das entstehende Druckgas beschleunigt
das näpfthenförmige Kontaktelement
9 und des davor gelagerte Konta!tstück 10 nach Durchtrennwg des Abscherstiftes 11
derart nach vorn, daß das Kontaktstück 10 geschoßartig in den Gegenkontakt 13 hineingetrieben
wird. Dabei wird das mit seinem Boden 9" am Kontaktstück 10 anliegende näpfchenfönnige
Kontaktelement 9 zumindest im Bereich seines hinteren Endcs 9' unter dem Gasdruck
radial aufgeweitet und am Ende seiner Voniär-t;sbe wegung mit seine Umfangsfläche
fest gegen die Stützhülse 2 gepreßt, so daß es die elektrische Verbindung zwischen
dem Kontaktstück 10 und der Stützhülse 2 auch dann einwandfrei herstellt, wenn die
beiden letzteren nicht mit Preßsitz ineinander angeordnet sind. Glerchzeitig bewirkt
das dünnwandige Metallnäpfchen 9 eine zusätzliche Fixierwlg des Kontaktstückes 10
in seiner Endstellv innerhalb des Gegenkontaktes 13.
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Eine zusätzliche Möglichkeit der Kontaktierung ist in Fig. 2 gezeigt.
Das massive Kontaktstück 10 ist auf seiner dem Gegenkontakt 13 zugekehrten Seite
mit der koaxialen Ausnehmung 24 versehen, in welche die zylindrische Schraubenfeder
25 aus elektrisch leitendem Material eingesetzt und z.B. durch die angedeutete Lötung
oder Schweißung 26 fest mit dem Kontaktstück 10 verbunden ist. Das Kontaktstück
10 verhält sich trotz der Ausnehmung 24 wie ein vollzylindrischer Körper, so daß
es beim Hineinpressen in den schalenförmigen Gegenkontakt 13 sicher mit Preßsitz
fixierbar ist. In der zweiten Position des Kontaktelementes 10 liegt die mehr oder
weniger zusammengedrückte Schraubenfeder 25 mit ihrer vorderen Fläche an der Innenseite
des Bodens 13" des Gegenkontaktes 13 federnd und elektrisch leitend an. Im übrigen
entspricht der Aufbau dem der Fig. 1.
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