DE4422177A1 - Pyrotechnisches Hochstromsicherungselement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein pyrotechnisches Hochstromsicherungs
element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Schutz von elektrischen Verbrauchern gegen Überströme infolge
beispielsweise Kurzschluß, Überlastung od. dgl. wird unter anderem
durch speziell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte
Schmelzsicherungen realisiert. Diese Schmelzsicherungen weisen
einen Strom-(Schmelz-)leiter auf, der in den Stromkreis des
elektrischen Verbrauchers geschaltet ist. Der Querschnitt und das
Material des Schmelzleiters sind derart gewählt, daß er bei
elektrischen Strömen, die größer sind als ein gewünschter
Schwellenwert, schmilzt und sich zerstört.
Mit konventionellen Schmelzsicherungen lassen sich im günstigsten
Fall lediglich Ansprechzeiten im Millisekundenbereich realisieren,
was zur Zerstörung der zu schützenden Schaltungen führen kann.
Problematisch ist ferner die Typenvielfalt, in der Sicherungs
elemente zur Verfügung gestellt werden müssen, da für jede
Anwendung eine bestimmte Ansprech-Charakteristik erfüllt sein muß
und damit ein spezifisches Design gegeben ist.
Aus der DE 42 11 079 A1 ist ein Verfahren zum Sichern von
Stromkreisen, insbesondere von hohen Strömen führenden Strom
kreisen gegen Überströme, sowie ein Hochstromsicherungselement
bekannt, bei dem die Stärke des den Stromleiter durchfließenden
Stroms ermittelt wird und der Stromleiter infolge der Zündung
einer pyrotechnischen Ladung zerstört wird, wenn die Stromstärke
einen Schwellenwert übersteigt. Hierzu wird ein Schneidelement
durch die Zündung der pyrotechnischen Ladung derart beschleunigt,
daß es den Stromleiter durchtrennt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein pyrotechnisches
Hochstromsicherungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
derart zu verbessern, daß eine universelle Einsatzmöglichkeit bei
einfachem Aufbau gewährleistet ist. Außerdem sollen ultrakurze
Trennzeiten erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Ausbildung des Hochstromsicherungselements als separates
Bauteil ist eine universelle Einsatzmöglichkeit gewährleistet. Die
zu überwachenden Stromleiter brauchen lediglich durchtrennt und
die durchtrennten Enden des Stromleiters an das Hochstrom
sicherungselement angeschlossen werden. Die Form oder die Dicke
des Stromleiters sind dabei ohne Bedeutung.
Mit dem Begriff Hochstromsicherungselement soll ausgedrückt
werden, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes
eine Abschaltung des Stromkreises erfolgt. Hochstrom ist hier also
relativ zum Dauerstrom zu sehen, der durch die Stromleiter fließt.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß das
Hochstromsicherungselement zwei sich an ihrem Ende mit Abstand
überlappende Stromschienen aufweist, die durch einen den Abstand
überbrückenden Kontaktbolzen miteinander elektrisch leitend
verbunden sind und der Kontaktbolzen durch die Zündung der
pyrotechnischen Ladung aus der Kontaktstellung in eine den
Stromfluß unterbrechende Stellung (Isolierstellung) gebracht wird.
Hierdurch ist ein einfacher Aufbau des Hochstromsicherungs
elementes erreicht. Außerdem ist die Sicherheit der Trennung bei
gleichzeitig ultrakurzen Trennzeiten gewährleistet. Mit dem
erfindungsgemäßen Hochstromsicherungselement werden Trennzeiten
erreicht, die im Bereich von 150 bis 300 Mikrosekunden liegen.
Erfindungsgemäß ist der Kontaktbolzen mit Preßsitz in einer die
beiden Stromschienen durchragenden Bohrung angeordnet. Dies
schafft eine gute elektrische Verbindung der beiden Stromschienen.
Außerdem ist die Verbindung auch mechanisch stabil. Als Material
für die Stromschienen und den Kontaktbolzen eignet sich bevorzugt
Kupfer. Aber auch andere Metalle oder Metallverbindungen wie
Aluminium oder Messing sind geeignet.
Vorteilhafterweise weist der Kontaktbolzen im Bereich der
Kontaktierung mit den beiden Stromschienen eine Rändelung auf.
Hierdurch sind viele einzelne kleine und definierte Kontakt
flächen geschaffen, so daß ein guter elektrischer Kontakt
gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise in Axialrichtung an den
Kontaktbolzen angrenzend ein Isolationsstempel angeordnet, wobei
die Druckbeaufschlagung der gezündeten pyrotechnischen Ladung auf
den Kontaktbolzen über den Isolationsstempel erfolgt. In bevor
zugter Ausführung ist der Durchmesser des Kontaktbolzens gleich
dem Durchmesser des Isolationsstempels. Dies hat den Vorteil, daß
nach erfolgter Zündung der pyrotechnischen Ladung der
Isolationsstempel den Kontaktbolzen aus seiner Kontaktstellung in
eine Isolierstellung drückt und dabei vorteilhafterweise nahezu
die Kontaktstellung des Isolationsstempels einnimmt. Wenn der
Durchmesser des Isolationsstempels gleich dem des Kontaktbolzens
ist, sitzt nach erfolgter Zündung der pyrotechnischen Ladung der
Isolationsstempel mit Preßsitz in der obersten Stromschiene.
Wichtig ist hierbei, daß der Isolationsstempel nach erfolgter
Zündung unlösbar mit zumindest einer der Stromschienen verbunden
ist, so daß ein Wiederherstellen des Ausgangszustandes nicht
möglich ist. Dies ist ein bedeutender Sicherheitsaspekt.
Der Isolationsstempel kann zur Bildung dieser unlösbaren
Verbindung auch vorteilhafterweise leicht konisch ausgebildet
sein. Es genügt hierbei, wenn das der obersten Stromschiene
abgewandte Ende des Isolationsstempels leicht konisch ausgebildet
ist.
In bevorzugter Ausführungsform befinden sich der Kontaktbolzen,
der Isolationsstempel sowie die Bohrungen in den Stromschienen in
einer Gehäusebohrung. Die pyrotechnische Ladung bildet vorteil
hafterweise das Verschlußstück der Gehäusebohrung. Hierdurch ist
ein hermetisch dichter Raum geschaffen.
Bei der Abschaltung von hohen Strömen bildet sich üblicherweise
zwischen den Trennstellen ein Lichtbogen aus. Bei dem hier
vorgestellten Hochstromsicherungselement wirkt der Gasdruck der
pyrotechnischen Ladung der Ausbildung eines Lichtbogens entgegen
(Gesetz von Paschen).
Zum Druckausgleich ist die Gehäusebohrung an ihrem den
Kontaktbolzen in der Isolierstellung aufnehmenden Ende mit einer
Entlüftungsbohrung versehen. Zweckmäßigerweise ist die Entlüf
tungsbohrung von außen mit einem sichtbaren Stopfen verschlossen,
der beim Entweichen des Druckgases ausgestoßen oder zerstört wird
und dadurch als Kennmelder funktioniert. Es können jedoch auch
andere Ausbildungen eines Kennmelders verwendet werden.
Als pyrotechnische Ladung werden in bevorzugter Ausbildungsform
Anzündelemente verwendet, wie sie z. B. bei Druckgasgeneratoren
für Airbag′s eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in das Hochstrom
sicherungselement eine Auslöseelektronik integriert, die bei einer
Überschreitung des Stroms durch das Hochstromsicherungselement
über einen vorgegebenen Schwellenwert automatisch die Zündung der
pyrotechnischen Ladung einleitet.
Vorteilhafterweise ist die Auslöseelektronik modulförmig auf das
Hochstromsicherungselement aufgesteckt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, die
nachfolgend eingehend beschrieben sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine Außenansicht eines erfindungsgemäßen Hochstrom
sicherungselementes,
Fig. 2 das Hochstromsicherungselement gemäß Fig. 1 mit
aufgesteckter Auslöseelektronik für Gleichstrom (Fig. 2a)
und die modulförmige Auslöseelektronik alleine (Fig. 2b),
Fig. 3 das Hochstromsicherungselement gemäß Fig. 1 mit
aufgesteckter Auslöseelektronik für Wechselstrom
(Fig. 3a) und die modulförmige Auslöseelektronik alleine
(Fig. 3b),
Fig. 4 im Schnitt das Hochstromsicherungselement vor der
Auslösung und
Fig. 5 im Schnitt das Hochstromsicherungselement nach der
Auslösung.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Hochstromsicherungselementes 1. Das Hochstromsicherungselement 1
besteht aus einem Gehäuse 10, aus dem zwei Stromschienen 4a, 4b
herausragen. An diesen Stromschienen 4a, 4b sind Stromleiter 3, 3′
eines Stromkreises, der gesichert werden soll, befestigt. Auf dem
stirnseitigen Deckel 11 des Gehäuses 10 ist mittig eine Buchse 14
angeordnet, die mit einer in dieser Figur nicht gezeigten
Auslöseelektronik verbunden werden kann. Im Inneren des Gehäuses
10 ist eine pyrotechnische Trennvorrichtung angeordnet, die bei
einem Signal der Auslöseelektronik die elektrisch leitende
Verbindung der beiden Stromschienen 4a, 4b kappt, d. h.
unterbricht.
Bevor auf die besondere Ausbildung bzw. Anordnung der
Auslöseelektronik anhand der Fig. 2, 3 eingegangen wird, wird der
innere Aufbau des Hochstromsicherungselementes 1 anhand der
Fig. 4, 5 beschrieben.
Fig. 4 zeigt im Schnitt das Hochstromsicherungselement 1 vor der
Auslösung. In einem Block 12 aus einem elektrisch nicht leitenden
Material ist eine Gehäusebohrung 7 als Sacklochbohrung einge
bracht. An ihrer offenen Stirnseite ist die Gehäusebohrung 7 mit
einem Verschlußstück 13 verschlossen. Das Verschlußstück 13 kann
z. B. eingeklebt, eingeklemmt oder eingeschweißt werden. In dein
Verschlußstück 13 ist eine pyrotechnische Ladung 2 bzw. ein
Anzündelement eingesetzt. Bei Zündung erzeugt die pyrotechnische
Ladung 2 ein Druckgas. Die pyrotechnische Ladung 2 ist über einen
nicht gezeigten Anschluß mit der Buchse 14 auf dem Deckel 11
(siehe Fig. 1) des Hochstromsicherungselementes verbunden.
In dem Block 12 sind zwei Stromschienen 4a, 4b eingeführt, welche
die Gehäusebohrung 7 durchragen und mit Abstand übereinander
angeordnet sind. Der Abstand der beiden Stromschienen 4a, 4b
voneinander ist so groß gewählt, daß ein Spannungsüberschlag nach
erfolgter Trennung ausgeschlossen ist. In den beiden Strom
schienen 4a, 4b ist jeweils eine Bohrung angeordnet, die dem
Durchmesser der Gehäusebohrung 7 entspricht, wobei diese Bohrungen
einen Teil der Wand der Gehäusebohrung 7 bilden.
Elektrisch leitend verbunden sind die beiden Stromschienen 4a, 4b
durch einen Kontaktbolzen 5, der mit Preßsitz sowohl in der oberen 4a
als auch in der unteren Stromschiene 4b eingesetzt ist. Die
Länge des Kontaktbolzens 5 ist gleich dem Abstand der beiden
Stromschienen 4a, 4b voneinander plus die Dicke der beiden
Stromschienen 4a, 4b. Im Bereich der Kontaktierung mit den
Stromschienen 4a, 4b weist der Kontaktbolzen 5 eine nicht gezeigte
Rändelung auf, so daß definiert viele kleine Kontaktstellen
bestehen, die eine gleichmäßige Stromverteilung bewirken und
gewährleisten.
Zwischen dem Kontaktbolzen 5 und der pyrotechnischen Ladung 2 ist
ein Isolationsstempel 6 aus einem elektrisch nicht leitenden
Material, wie z. B. Glasfaser oder ein Hartkunststoff. Der
Isolationsstempel 6 hat denselben Durchmesser wie der Kontakt
bolzen 5. Seine Länge ist um die Dicke einer Stromschiene 4b
gegenüber der Länge des Kontaktbolzens 5 verringert. Unterhalb des
Kontaktbolzens 5 ist ein Aufnahmeraum 15 in der Gehäusebohrung 7
zur Aufnahme des Kontaktbolzens 5 nach erfolgter Zündung der
pyrotechnischen Ladung 2 vorgesehen. Die Länge des Aufnahmeraums
15 ist so gewählt, daß nach erfolgter Zündung der Kontaktbolzen 5
auf der unteren Stirnseite der Gehäusebohrung 7 und mit seinem
anderen Ende noch in der unteren Stromschiene 4b sitzt (siehe
Fig. 5).
Zur Druckentlastung ist die Gehäusebohrung 7 an der unteren
Stirnseite mit einer Entlüftungsbohrung 8 versehen, die bevorzugt
über einen Knick in die Atmosphäre führt. Von Außen ist die
Entlüftungsbohrung 8 vorteilhafterweise mit einem nicht gezeigten
Stopfen verschlossen, der durch den Druckstoß bei der Zündung
ausgestoßen oder zerstört wird und dadurch als Kennmelder bzw.
Anzeiger funktioniert.
Die Enden der Stromschienen 4a, 4b sind mit Bohrungen 18 versehen,
so daß leicht Stromleiter 3, 3′ (siehe Fig. 1) zu befestigen sind,
z. B. durch eine Schraubverbindung.
Bei der Zündung der pyrotechnischen Ladung 2 entsteht ein
Druckgas, welches auf die obere Stirnseite des Isolationsstempels
6 eine Kraft ausübt, wodurch dieser in Richtung Kontaktbolzen 5
beschleunigt wird. Aufgrund der Krafteinwirkung durch den
Isolationsstempel 6 wird der Kontaktbolzen 5 aus seinem Preßsitz
in der Bohrung der Stromschienen 4a, 4b verschoben und gelangt in
den Aufnahmeraum 15.
Fig. 5 zeigt im Schnitt das Hochstromsicherungselement nach der
Auslösung. Der Kontaktbolzen 5 sitzt auf dem Boden der
Gehäusebohrung 7 auf und hängt mit seinem anderen Ende noch in der
unteren Stromschiene 4b. Mit "oben" ist die Richtung zur
pyrotechnischen Ladung 2 und mit "unten" die Richtung zur
Entlüftungsbohrung 8 gemeint.
Der Isolationsstempel 6 nimmt nach erfolgter Zündung nahezu die
ursprüngliche Stellung (Kontaktstellung) des Kontaktbolzens 5 ein,
wobei der Isolationsstempel 6 an die untere Stromschiene 4b
angrenzt, jedoch nicht in die Bohrung in der Stromschiene 4b
hineinragt. Ein außen auf die Entlüftungsbohrung 8 aufgesteckter
Stopfen ist durch den Druckstoß des entweichenden Gases
ausgestoßen oder zerstört, so daß von Außen sichtbar ist, daß eine
Zündung erfolgt ist.
Fig. 2a zeigt das Hochstromsicherungselement 1 mit aufgesteckter
Auslöseelektronik 9 für Gleichstrom und Wechselstrom. Fig. 2b zeigt
die Auslöseelektronik 9 alleine. Auf der Unterseite der Auslöse
elektronik 9 ist ein Stecker (nicht gezeigt) angeordnet, der in
die Buchse 14 (siehe Fig. 1) gesteckt ist. Von der Auslöse
elektronik 9 gehen zwei metallische Abgreifer 16 bis auf die
Stromschienen 4a, 4b hinab und haben mit diesen elektrischen
Kontakt. Zweckmäßigerweise haben die Abgreifer 16 einen Stift, der
in eine Vertiefung der jeweiligen Stromschienen hineinragt, so daß
ein verbesserter elektrischer Kontakt gegeben ist. Auf der
Oberseite der Auslöseelektronik 9 ist eine Buchse 17 angeordnet,
durch die das Hochstromsicherungselement auch von Außen zündbar
ist. Die in den Fig. 2a, 2b gezeigte Auslöseelektronik ist für
Gleichstrom gedacht. Über die beiden Abgreifer 16 wird der
Spannungsabfall zwischen den beiden Stromschienen 4a, 4b gemes
sen. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes zündet die
Auslöseelektronik 9 über die Buchse 14 (siehe Fig. 1) die
pyrotechnische Ladung 2. Es kann auch zweckmäßig sein, den Deckel
11 mit der Buchse 14 nicht vorzusehen und dafür die Auslöseelek
tronik 9 direkt auf dem Gehäuse 10 zu befestigen.
In den Fig. 3a, 3b ist eine Auslöseelektronik 9 für Wechselstrom
gezeigt. Auch diese Auslöseelektronik 9 ist wie schon in Fig. 2a,
2b gezeigt, modulartig auf das in Fig. 1 gezeigte Grundmodul
aufgesteckt. Bei Wechselstrom wird die Höhe eines induzierten
Stroms gemessen. Hierzu ist seitlich an der Auslöseelektronik 9
eine Spule 19 bzw. ein Wechselstromtransformator in einer Box 18
angeordnet. Die Spule 19 umgreift eine der Stromschienen. Der in
der Spule 19 induzierte Strom wird in der Auslöseelektronik 9
ausgewertet und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes wird
die pyrotechnische Ladung über die Buchse 14 (siehe Fig. 1)
gezündet. Gleichzeitig dient der in der Spule 19 induzierte
Wechselstrom zur Spannungsversorgung der Auslöseelektronik. Die
Elektronik besteht aus Standardelementen.
Claims (12)
1. Pyrotechnisches Hochstromsicherungselement (1), bei dem eine
sich in dem zu sichernden Stromkreis befindende Stromleitbahn
infolge der Zündung einer pyrotechnischen Ladung (2)
unterbrochen wird, wenn die Stromstärke im Stromkreis einen
Schwellenwert übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß das
Hochstromsicherungselement (1) aus einem in den zu sichernden
Stromkreis einbaubaren separaten Bauteil besteht, an das die
durchtrennten Stromleiter (3, 3′) angeschlossen werden.
2. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Hochstromsicherungselement (1) zwei sich an
ihrem Ende mit Abstand überlappende Stromschienen (4a, 4b)
aufweist, die durch einen den Abstand überbrückenden
Kontaktbolzen (5) miteinander elektrisch leitend verbunden
sind, und daß der Kontaktbolzen (5) durch die Zündung der
pyrotechnischen Ladung (2) aus der Kontaktstellung in eine
Isolierstellung gebracht wird.
3. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kontaktbolzen (5) mit Preßsitz in einer die
beiden Stromschienen (4a, 4b) durchragende Bohrung angeordnet
ist.
4. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß in Axialrichtung an den Kontaktbolzen
(5) angrenzend ein Isolationsstempel (6) angeordnet ist und
die Druckbeaufschlagung der gezündeten pyrotechnischen Ladung
(2) auf den Kontaktbolzen (5) über den Isolationsstempel (6)
erfolgt.
5. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Durchmesser des Kontaktbolzens (5) gleich
dem Durchmesser des Isolationsstempels (6) ist.
6. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß nach erfolgter Zündung der
pyrotechnischen Ladung (2) der Isolationsstempel (6) nahezu
die Kontaktstellung des Kontaktbolzens (5) einnimmt.
7. Hochstromsicherungselement nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbolzen (5) im Bereich
der Kontaktierung mit den beiden Stromschienen (4a, 4b) eine
Rändelung aufweist.
8. Hochstromsicherungselement nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kontaktbolzen (5), der
Isolationsstempel (6) sowie die Bohrungen in den
Stromschienen (4a, 4b) in einer Gehäusebohrung (7) befinden.
9. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gehäusebohrung (7) an ihrem den
Kontaktbolzen (5) in der Isolierstellung aufnehmenden Ende
mit einer Entlüftungsbohrung (8) versehen ist.
10. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Entlüftungsbohrung (8) mit einem
Stopfen verschlossen ist, der bei Entweichen des Druckgases
ausgestoßen oder zerstört wird und dadurch als Kennmelder
funktioniert.
11. Hochstromsicherungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß in das Hochstromsicherungselement
(1) eine Auslöseelektronik (9) integriert ist, die bei einer
Überschreitung des Stroms durch das Hochstromsicherungs
element (1) über einen vorgegebenen Schwellenwert automatisch
die Zündung der pyrotechnischen Ladung (2) einleitet.
12. Hochstromsicherungselement nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auslöseelektronik (9) modulförmig auf
das Hochstromsicherungselement (1) aufgesteckt ist.
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