DE69204542T2

DE69204542T2 - Vorrichtung mit Bypass-Schaltkreis.

Info

Publication number: DE69204542T2
Application number: DE69204542T
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Wilson
Original assignee: Loral Space Systems Inc
Current assignee: Maxar Space LLC
Priority date: 1991-05-23
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: CA2063977A1; JP2617400B2; DE69204542D1; EP0515024A3; JPH06189460A; US5206775A; EP0515024B1; CA2063977C; EP0515024A2

Description

Diese Erfindung betrifft elektrische Schalter und im besonderen Schalter, die leitende Nebenschlußkreise über Stromkreis-Anschlußklemmen zur Verfügung stellen.
Elektrische Nebenschlüsse (Shunts) stellen im Gegensatz zu Schmelzsicherungen und Sicherungsautomaten einen leitenden Pfad zwischen Anschlüssen eines Stromkreises her. Typische Shunts stellen solche Pfade beim Auftreten von bestimmten Auslöseereignissen bereit. Shunts sind z.B. beim Umgehen schadhafter Batteriezellen nützlich, die in Stromversorgungssystemen in Reihe geschaltet sind. Bei solchen Systemen kann sich ein Ausfall des Gesamtsystems aus dem Ausfall einer einzelnen Zelle ergeben. Ein solcher Ausfall tritt auf, wenn eine Zelle infolge eines offenen Stromkreises nichtleitend wird. Um die schadhafte Zelle zu umgehen, wird ein Nebenschlußschalter mit den Anschlüssen der Zelle parallel geschaltet. Diese Verbindung erlaubt dem Strom, um die Zelle herum zu fließen. Bei Raumfahrtsystemen sind hochzuverlässige Nebenschlußvorrichtungen zur Umgehung schadhafter Zellen erwünscht. Der Grund ist, daß Stromversorgungen für den Betrieb solcher Systeme entscheidend sind und eine Reparatur der Versorgungen praktisch unmöglich ist.
Früher wurden elektromechanische Schalter verwendet, um defekte Zellen zu umgehen. Diese Schalter standen unter Federspannung und wurden von Sicherungen ausgelöst. Für nicht-umgehende Anwendungen wurden außerdem andere Arten von Schaltern benutzt. Diese anderen Schalter benutzten verschiedene Formen von Auslösemechanismen. Im besonderen wurden bestimmte andere Schalter durch sogenannte HTR-Elemente (Elemente aus einer Metallegierung mit Gedächtniseffekt, die sich bei Wärme erholen) ausgelöst. HTR-Elemente andern ihre Form als Folge einer Temperaturzunahme. Eine derartige Temperaturzunahme kann durch den Stromfluß durch das Element hervorgerufen werden.
Schalter, die HTR-Elemente verwenden, arbeiten jedoch als elektrische Sicherungen, nicht als Shunts. U.S. Patent Nr. 4,700,259 an Stokes offenbart eine elektrische Stromkreis-Unterbrechungsvorrichtung. Die Vorrichtung unterbricht als Reaktion auf einen angelegten Strom unter Zug stehend einen Leiter. Das UDSSR-Patent Nr. 672674 an Korobov offenbart eine Sicherung. Die Sicherung verursacht einen offen Kreis, indem sie die Form bei Erwärmung verändert. Um die Sicherung zu erwärmen, wird ein Strom angelegt. Das U.S. Patent Nr. 4.473,859 an Stone et al. offenbart einen piezoelektrischen Stromkreisunterbrecher mit einem Bieger. Der Bieger spricht durch Auslenken auf Spannungsänderungen an. Die Auslenkung erzeugt dann einen offenen Stromkreis.
Das U.S. Patent Nr. 4,490,975 an Yaeger et. al. offenbart ein selbstschützendes und -konditionierendes Gedächtniseffekt-Metall-Betätigungslement. Das Betätigungslement benutzt eine Feder mit Formgedächtniseffekt, die sich infolge einer Temperaturänderung zusammenzieht. Ein Stromfluß bewirkt die Temperaturänderung. Das U.S. Patent Nr. 4, 524,343 an Morgan et al. offenbart eine selbstgeregelte Feder, die ein Betätigungslement betätigt. Das Betätigungslement arbeitet in einer Stromkreis-Unterbrechungsanwendung. Das U.S. Patent Nr. 4,825,184 an Bloch et al. offenbart eine stromgesteuerte Spule. Die Spulenwicklung besteht aus einer Legierung mit Formgedächtniseffekt.
Das U.S. Patent Nr. 3,513,550 an Baker offenbart eine automatisch zurückstellende Übergangsschutzvorichtung. Die Vorrichtung verwendet Dioden, die mit einer Stromversorgung verbunden sind. Die Dioden dienen dazu, die Versorgungsspannung auf einen bestimmten Pegel zu klemmen.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0026861 offenbart eine Überspannungsschutzanordnung, bei der ein Überspannungsableiter mit einem Formgedächtniseffekt-Element kombiniert ist, das wirkt, um die Elektroden des Überspannungsableiters kurzzuschließen, wenn die kritische Temperatur des Formgedächtniseffekt-Elements überschritten wird, um so den Überspannungsablelter vor weiterer Erwärmung zu schützen.
Die U.S. Patenameldung US-A-3213345 offenbart eine Vorrichtung, die erzwungene Polaritätsumkehrungen in den Zellen einer aufladbaren Batterie ermittelt, wobei die Vorrichtung einen über jede der seriell verbundenen Zellen der Batterie geschalteten polarisierten Kurzschlußschalter oder Sicherung umfaßt, von den jeder wirkt, um seine Zelle kraft des Schmelzens einer temperaturempfindlichen Lötverbindung und des Freigebens einer Feder kurzzuschließen, wenn diese Zelle eine Polaritätsumkehr erfahren sollte oder anderweitig schadhaft wird.
Die internationale Patentanmeldung WO-A-85-04045 offenbart einen thermisch aktivierten Kurzschlußdiodenschalter, dessen zusammengesetzte Diodenstruktur einen im Ruhezustand änderbaren Übergangspfad besitzt, und dessen Diodenkurzschluß durch temperaturempfindliche Begleitelemente bewirkt wird, so daß der Stromfluß nicht unterbrochen wird, sowie der Schalter von einem Zustand zu einem anderen wechselt.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit Anschlüssen zur Verbindung mit einem Paar von Kontakten in einem Stromkreis zur Verfügung gestellt, um als Reaktion auf einem Spannungsausschlag dazwischen einen leitenden Pfad herzustellen, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine Erfassungseinrichtung, die mit den Kontakten verbunden ist und einen hohen Spannungsausschlag jenseits einer spezifischen Grenze zwischen den Kontakten abtastet;
eine Betätigungseinrichtung mit einer sich bei Wärme erholenden Formgedächtniseffekt-Metallegierung, die geformt ist, um sich als Reaktion auf die den Spannungsausschlag abtastende Erfassungseinrichtung zusammenzuziehen, um die Anschlüsse elektrisch miteinander zu verbinden,
dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender Nebenschluß zur Verfügung gestellt wird, der zwischen den Anschlüssen von einer normal nichtleitenden Position zu einer leitenden Position bewegbar ist, und dadurch, daß der leitende Nebenschluß in einer mit der Erfassungseinrichtung und der Betätigungseinrichtung verbundenen Schalteinrichtung enthalten ist, wobei die Schalteinrichtung weiter ein Paar von Arretierungen, verbunden mit einem betreffenden Anschluß, umfaßt, die den leitenden Nebenschluß berühren, um zwischen den Anschlüssen über die Arretierungen eine Leitfähigkeit herzustellen, wenn der leitende Nebenschluß zu der leitenden Position bewegt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Batteriesystems 10. Das System 10 ist mit einer Zelle 20 und einer an die Anschlüsse 70 und 80 angeschlossenen Bypass-Vorrichtung 30 dargestellt.
Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Detektors 50. Der Detektor 50 ist in der Bypass-Vorrichtung 30 von Fig. 1 enthalten.
Fig. 3 und 4 sind Darstellungen einer Bypass-Vorrichtung 31. Die Bypass-Vorrichting 31 ist mit einem HTR-Element 61, 61' gezeigt. Das HTR-Element 61, 61' zieht sich translierend zusammen, um einen linearen Shunt 41, 41' von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand zu bewegen. Fig. 3 zeigt den offenen Zustand, und Fig. 4 zeigt den geschlossenen Zustand.
Fig. 5 und 6 sind Darstellungen einer Bypass-Vorrichtung 32. Die Vorrichtung 32 in der einen Zeichnung ist gegenüber der Vorrichtung 32 in der anderen Zeichnung um 90 Grad drehbar versetzt dargestellt. Die Die Vorrichtung 32 ist mit einem HTR-Element 62 konfiguriert. Das HTR-Element 62 zieht sich drehend zusammen, um einen drehenden Shunt 42 drehbar zu bewegen. Diese Bewegung stellt einen leitenden Pfad zwischen den Arretierungen 176 und den Arretierungen 186 her. Die Arretierungen 176 sind in Fig. 5 gezeigt, und die Arretierungen 186 sind in Fig. 6 dargestellt.
Fig. 7 zeigt eine abgeflachte Ansicht der äußeren Oberfläche des drehenden Shunts 42. Die Winkelverschiebungen des drehenden Shunts 42 um die Linie A-A von Fig. 5 sind ebenfalls dargestellt.

BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eine Stromversorgung oder ein Batteriesystem 10. Das System 10 umfaßt eine Batterie oder eine Zelle 20 und eine Stromkreis-Bypass-Vorrichtung 30, die an elektrische Kontakte oder Klemmen 70, 80 angeschlossen sind. Die Zelle 20 ist mit der negativ (-) bezeichneten Klemme 70 und der positiv (+) bezeichneten Klemme 80 mit dem System 10 verbunden. Die Zelle 20 kann eine einzelne Zelle oder eine Kombination mehrerer Zellen sein. Derartige Mehrfachzellen können seriell oder parallel miteinander angeordnet sein.
Stromversorgungen, z.B. die Zelle 20, sind manchmal Ausfällen durch elektrische Unterbrechungen oder offene Stromkreise ausgesetzt. Das System 10 schaltet folglich die Vorrichtung 30 mit der Zelle 20 parallel. Diese Verbindung stellt einen leitenden elektrischen Schalter oder Shunt 40 zwischen den Klemmen 70, 80 zur Verfügung. In Fall eines Fehlers durch einen offenen Stromkreis in der Zelle 20 wird zwischen den Klemmen 70, 80 ein niederohmiger Umgehungspfad erzeugt. Die Zelle 20 kann durch einen beliebigen elektrischen Stromkreis, der eine ununterbrochene Leitung zwischen zwei Knoten in dem Stromkreis benötigt, verdeutlicht werden.
Wenn die Vorrichtung 30 anfangs mit der Zelle 20 verbunden wird, wird der Shunt 40 offen eingestellt. Wie später erörtert wird, fließt nur ein vernachlässigbarer Leckstrom durch die Dioden 53 und 54. Wenn in der Zelle 20 ein Stromkreis-Unterbrechungsfehler festgestellt wird, wird der Shunt 40 ausgelöst, um selektiv in eine geschlossene Stellung umzuschalten. Die Erfassung eines offenen Stromkreises wird von einem Detektor 50 durchgeführt. Der Detektor 50 ist zwischen die Klemmen 70, 80 geschaltet, um die Fehler dazwischen zu erfassen.
Fig. 2 zeigt den Detektor 50. Der Detektor 50 stellt einen leitenden Pfad zwischen den Detektorknoten 51, 52 her, wenn eine zwischen die Knoten 51, 52 angelegte Spannung VD bestimmte Grenzen übersteigt. Der Detektor 50 umfaßt eine Mehrzahl von Dioden 53, 54. Diese Dioden 53, 54 sind seriell zwischen den Knoten 51, 52 angeordnet. Der Knoten 51 ist mit der Klemme 70 verbunden, und der Knoten 52 ist mit dem HTR- Element 60 verbunden. Das HRT 60 ist mit dem Shunt 40 verbunden, der wiederum mit der Klemme 80 verbunden ist.
Die spezifizierten Grenzen für VD ändern sich mit der Richtung des Stromflusses durch den Detektor 50. In der Laderichtung vom Knoten 51 zum Knoten 52 fließt Strom durch die Einzeldiode 53, wenn VD eine Grenze von 0.5 Volt übersteigt. Diese spezifizierte Grenze stellt etwa einen Schwellenspannungsabfall dar. In der Entladerichtung vom Knoten 52 zum Knoten 51 fließt Strom durch die Dioden 54, wenn VD eine Grenze von 1.5 Volt übersteigt. Diese spezifizierte Grenze stellt etwa drei Schwellenspannungsabfälle dar. Zwischen den Knoten 51, 52 fließt ein vernachlässigbarer Leckstrom durch die Dioden 53, 54, wenn VD die spezifizierten Grenzen nicht übersteigt.
Wenn die Polarität der Zelle 20 umgekehrt ist, werden die Klemme 70 positiv (+) und die Klemme 80 negativ (-) bezeichnet. Mit diesen Zuordnungen wird der Detektor 50 zusammengebaut, wobei die Dioden 53, 54 in der umgekehrten Richtung geschaltet sind. Außerdem kann die Zelle 20 mit einer unterschiedlichen Anzahl von Dioden 53, 54 zusammengebaut werden. Die akkumulierten Schwellenabfälle der Dioden 53, 54 in einer gegebenen Richtung stimmt mit dem Betrag von VD überein, von dem angenommen wird, daß er in einem gegebenen System 10 an den Detektor angelegt wird. Außerdem sind für die meisten Nebenschlußanwendungen Dioden des Typs 1N3164 für die Dioden 53, 54 ausreichend. Die Stromnennwerte der 1N3164 Dioden 53, 54 beruhen hauptsächlich auf einem Spitzenübergangsstrom anstelle eines kontinuierlichen Ruhestromes.
Wenn das System 10 in Betrieb ist, kann in der Zelle 20 ein Stromkreis-Unterbrechungsfehler auftreten. Wenn verschiedene äußere Stromoder Spannungsquellen über die Klemmen 70, 80 mit der Zelle 20 verbunden sind, wird der Strom oder die Spannung von diesen äußeren Quellen bei den Klemmen 70, 80 an die Vorrichtung 30 angelegt. Insbesondere wird die Spannung, die von außen an die Klemmen 70, 80 angelegt wird, intern auch an die Knoten 51, 52 des Detektors 50 angelegt. Dieses interne Spannungsanlegen ist darauf zurückzuführen, daß der Detektor 50, das HTR 60 und der Shunt 40 in Reihe geschaltet sind. Wenn die an die Knoten 51, 52 angelegte Spannung spezifizierte Grenzen von VD übersteigt, fließt Strom durch den Detektor 50.
Der durch den Detektor 50 fließende Strom fließt ebenfalls durch das HTR 60, den Shunt 40 und die Klemme 80. Das HTR 60 besteht aus einer sich bei Wärme erholenden Formgedächtniseffekt-Metallegierung. Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung arbeitet das HTR 60 als ein Betätigungselement, um den Shunt 40 zwischen den Klemmen 70, 80 als Reaktion auf einen dazwischen ermittelten Spannungsausschlag in eine leitende Stellung zu bewegen.
Wenn das HTR 60 durch die elektrische Verlustleistung des durch das HTR 60 fließenden Stromes ausreichend erwärmt wird, zieht es sich zusammen, um den Shunt 40 in eine geschlossene Stellung zu ziehen. Die Joulesche Erwärmung tritt als eine Funktion von I²R auf, worin I der Strom in Ampere ist, der durch das HTR 60 fließt, und R der Widerstand in Ohm des HTR 60 ist. Wenn einmal der Shunt 40 in eine geschlossene Stellung geschaltet ist, wird zwischen den Klemmen 70, 80 ein niederohmiger leitender Pfad gebildet. Folglich wird die Spannung, die an die Knoten 51, 52 angelegt wird, reduziert. Außerdem kehrt VD in die spezifierten Grenzen zurück. Diese Spannungsverminderung bewirkt, daß der durch den Detektor 50 und das HTR 60 fließende Strom zu fließen aufhört.
Das HTR 60 wird vorzugsweise in die Form einer Feder gebracht. Diese Form erlaubt ein translierendes und drehendes Zusammenziehen der Metallegierung des HTR 60. Das HTR 60 kann auch in andere Formen als die einer Feder gebracht werden, die linear und drehend dehnbar sind. Eine Art einer anderen Form ist ein sogenanntes Torsionsrohr. Ein Torsionsrohr umfaßt einen leeren Zylinder mit diagonalen Schlitzöffnungen, die in Längsrichtung entlang der Zylinderoberfläche angeordnet sind. Das HTR 60 kann auch aus einer Kombination von mehrfachen dehnbaren Elementen gebildet werden. Solche Mehrfachelemente können seriell oder parallel aneinander befestigt werden, um das Vorspannen des Shunts 40 verbessern. Nicht dehnbare Formen zeigen als Reaktion auf Temperaturerhöhungen eine geringere Kontraktion.
Die Metallegierung des HTR 60 ist imstande, sich an ihre ursprünglich hergestellte oder vorgeformte Form zu "erinnern". Wenn die Legierung des HTR 60 über eine Umwandlungstemperatur, TN-A, erwärmt wird, geht sie von einem martensitischen in einen austensitischen Zustand über. Im austensitischen Zustand gewinnt das HTR 60 seine ursprünglichen physikalischen Abmessungen zurück. Im martensitischen Zustand ist die Legierung des HTR 60 charakteristisch weich und dehnbar. Eine HTR 60 Feder ist daher im martensitischen Zustand leicht dehnbar und wendet keine wesentliche Translations- oder Drehkraft an, um den Shunt 40 vorzuspannen.
Wenn ein ausreichender Strom durch das HTR 60 geführt wird, wird es auf Temperaturen über TN-A erwärmt. Bei diesen Temperaturen wird die Legierung des HTR 60 austensitisch. Im austensitischen Zustand erhärtet die Feder des HTR 60 und zieht sich zusammen, um zu ihren ungedehnten ursprünglichen Abmessungen zurückzukehren. Während dieses Zusammenziehens wendet das HTR 60 eine beachtliche Kraft an, um den Shunt 40 in eine geschlossene Schalterstellung vorzuspannen. Das Vorspannen wird drehend und translierend ausgeführt. Da beim Schließen des Shunts 40 kein Strom mehr durch das HTR 60 fließt, kühlt das HTR 60 auf eine Temperatur unter TM-A ab. Als Folge der Abkühlung des HTR 60 wird die zum Vorspannen des Shunts angewandte Kraft wiederum unbedeutend.
Die Legierung des HTR 60 besteht hauptsächlich aus Nickel und Titan. Eine solche Legierung kann von Raychem Corporation in einer Zusammensetzung aus Nickel (45-52%), Titan (35-40%) und Niob (10-15%) erhalten werden. Diese Zusammensetzung enthält etwa 1-2% anderer Bestandteile. Außerdem beträgt für diese Zusammensetzung TM-A etwa 175º C. TM-A ändert sich jedoch abhängig von der einzelnen Zusammensetzung.
Zusammenfassend sind zwischen den Klemmen 70, 80 drei leitende Pfade möglich. Die erste Pfad führt durch die Zelle 20. Dieser Pfad steht zur Verfügung, wenn die Zelle 20 richtig arbeitet und keinem Stromkreis-Unterbrechungsfehler ausgesetzt ist. Wenn jedoch ein Stromkreis- Unterbrechungsfehler in der Zelle 20 auftritt, fließt der Strom durch eine zweiten Pfad. Dieser Pfad führt durch den Detektor 50, das HTR 60 und den Shunt 40. Der zweite Pfad steht nur zur Verfügung, wenn VD spezifizierte Grenzen übersteigt und der Shunt 40 offen ist. Schließlich wird, wenn einmal der Shunt 40 in eine geschlossene Stellung geschaltet ist, ein dritter Pfad über den Shunt 40 freigegeben.
Der Detektor 50 kann fernausgelöst werden. Die Fernauslösung erlaubt dem Detektor 50, einen unwahren Stromkreis-Unterbrechungszustand zu erfassen und erlaubt es, die Zelle 20 selektiv zu umgehen, auch wenn die Zelle 20 nicht schadhaft ist. Diese Art des Umgehens kann erwünscht sein, um einem vermuteten Stromkrels-Unterbrechungsfehler zuvorzukommen. Die Fernauslösung wird erreicht, indem an die Klemmen 70, 80 oder die Knoten 51, 52 eine Spannung in einer Größe angelegt wird, die ausreichend ist, um Ausschläge von VD außerhalb der spezifizierten Grenzen zu bewirken.
Nachdem die Vorrichtung 30 ausgelöst ist, um den Shunt 40 in eine geschlossene Stellung zu schalten, kann die Vorrichtung 30 zurückgesetzt werden, um den Shunt 40 wieder zu öffnen. Diese Rücksetzung erfolgt in ungefähr der gleichen Weise wie ein herkömmlicher Oberlastschalter zurückgesetzt werden könnte. Um die Vorrichtung 30 zurückzusetzen, wird das HTR 60 auf eine Temperatur gekühlt, die ausreichend unter einer Umwandlungstemperatur TA-M liegt. Bei TA-M geht die Legierung des HTR 60 vom austensitischen Zustand wieder in den martensitischen Zustand über. Wenn das HTR 60 martensitisch ist, wird der Shunt 40 mechanisch in seine ursprüngliche offene Stellung zurückgebracht. Wie TM-A, 50 ändert sich auch TA-M mit der Zusammensetzung der Legierung. Für die beschriebene Legierungszusammensetzung von Raychem beträgt TA-M etwa -30º C. Eine Kühlung wird erreicht, indem ein Kühlmittel, wie z.B. Freon oder flüssiger Stickstoff, direkt auf das HTR 60 aufgebracht wird.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Bypass-Vorrichtung 31, die mit einem translierend kontrahierenden HTR 61, 61' zusammengestellt ist. HTR 61 stellt das HTR-Element 60 in einem gedehnten Zustand dar, und HTR 61' stellt das HTR-Element 60 in einem zusammengezogenen Zustand dar. In Fig. 3 wird die Vorrichtung 31 mit einem linearen Shunt 41 gezeigt, der sich in einem offenen Zustand befindet. Fig. 4 zeigt die Vorrichtung 31 mit einem linearen Shunt 41', der sich in einem geschlossenen Zustand befindet. Die Klemmen 71, 81 der Vorrichtung 31 sind jeweils mit den Klemmen 70, 80 der Zelle 20 verbunden. Die Vorrichtung 31 ist in einem Gehäuse 91 montiert. Das Gehäuse 91 liefert eine thermische Isolierung, die angemessen ist, um zu verhindern, daß von außen einwirkende Wärmequellen die Temperatur darin auf TM-A ansteigen lassen.
Die Vorrichtung 31 ist so montiert, daß die Klemme 71 am Knoten 51 mit dem Detektor 50 verbunden ist. Der Detektor 50 ist am Knoten 52 ferner mit dem HTR 61 verbunden. Der Shunt 41 und das HTR 61 sind ebenfalls verbunden. Das HTR 61 wird zwischen dem Detektor 50 und dem Shunt 41 transilerend gedehnt. Da das HTR 61 beim ursprünglichen Einbau in die Vorrichtung 31 martensitisch ist, übt das HTR 61 eine unbedeutende Kraft auf den Shunt 41 aus. Der Shunt 41 ist mit der Klemme 81 über die Arretierungen 86 verbunden, die den Shunt 41 bei der Vertiefung 47 festhalten. Die Arretierungen 86 verwenden über federnde Gabeln 88, die sich von der Klemme 81 vorstrecken, eine nach innen gerichtete Kraft, um den elektrischen Kontakt mit dem Shunt 41 zu erhalten.
Wenn der Detektor 50 einen Stromkreis-Unterbrechungsfehler ermittelt, wird das HTR 61 durch den Detektor 50 veranlaßt, sich transllerend zusammenzuziehen. Diese Kontraktion bewirkt, daß der Shunt 41', wie in Fig. 4 gezeigt, in eine geschlossene Stellung gezogen wird. Sowie der Shunt 41' vorgespannt wird, um sich in Richtung auf die Klemme 71 zu bewegen, werden die Arretierungen 86 von der Vertiefung 47 ausgekuppelt und dann bei der Vertiefung 48 wiedereingerückt. Die Arretierungen 76 werden in Richtung auf die Klemme 81 gedrückt, um auf die Rampe 45 auf dem Shunt 41' aufzugleiten. Wenn die Arretierungen 76 über die Rampe 45 hinweg geschoben werden, rasten sie bei der Vertiefung 46 ein. Die Arretierungen 76 verwenden über federnde Gabeln 99, die sich von der Klemme 71 vorstrecken, eine nach innen gerichtete Kraft, um den elektrischen Kontakt mit dem Shunt 41' zu erhalten.
Der Shunt 41, 41' ist aus leltfähigem Material, z.B. Kupfer, hergestellt, um eine niederohmige Übertragung zwischen den Klemmen 71, 81 herzustellen. um sicherzustellen, daß die Arretierungen 76 in den Vertiefungen 46 gut sitzen, ist die Oberfläche der Rampe 45 mit einem elektrischen Isolator, z.B. Glasfasern, Keramik oder Polyimid, beschichtet. Diese Isolierung verhindert, daß die Arretierungen 76 den Shunt 41' leitend berühren, bevor die Arretierungen 76 gut in den Vertiefungen 46 sitzen. Insbesondere verhindert diese Isolierung, daß das HTR 61' vorzeitig abkühlt und sich zusammenzieht, bevor der Shunt 41' vollständig in die geschlossene Stellung geschaltet ist.
Fig. 5 und 6 zeigen eine alternative Bypass-Vorrichtung 32. Die Vorrichtung 32 ist mit einem drehend kontrahierenden HTR 62 und einer Kontaktwalze bzw. einem drehenden Shunt 42 zusammengesetzt. Der Shunt 42 ist unter Drehkraft beweglich, um eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Klemmen 72, 82 herzustellen. Die Vorrichtung 32 ist verglichen mit der Vorrichtung 31 möglicherweise kompakter, da sie den zusätzlichen Längsraum, den die Vorrichtung zwischen den Klemmen 71, 81 benötigt, nicht braucht. Wie früher beschrieben, dient dieser zusätzliche Längsraum dazu, die transllerende Bewegung des linearen Shunts 41 zu erlauben.
In Fig. 5 ist die Klemme 72 über federnde Gabeln 189 mit den Arretierungen 116 verbunden. Die Gabeln 189 verwenden eine nach innen gerichtete Kraft, um den elektrischen Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Shunts 42 zu erhalten. Fig. 5 zeigt die Vorrichtung 32 gegenüber der Vorrichtung 32 in Fig. 6 um 90 Grad drehbar verschoben. Die Klemme 82 ist ebenfalls über federnde Gabeln 188 mit den Arretierungen 186 verbunden dargestellt. Ähnlich den Gabeln 189 verwenden die Gabeln 188 eine nach innen gerichtete Kraft, um den elektrischen Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Shunts 42 zu erhalten. Die Klemmen 12, 82 der Vorrichtung 32 sind jeweils mit den Klemmen 10, 80 der Zelle 20 verbunden. Die Vorrichtung 32 ist in einem Gehäuse 92 montiert. Das Gehäuse 92 liefert eine thermische Isolierung, die angemessen ist, um zu verhindern, daß von außen einwirkende Wärmequellen die Temperatur darin auf TM-A ansteigen lassen.
Die Vorrichtung 32 ist so montiert, daß die Klemme 12 am Knoten 51 mit dem Detektor 50 verbunden ist. Der Detektor 50 ist am Knoten 52 ferner mit dem HTR 62 verbunden. Ferner ist das HTR 62 mit dem Shunt 42 verbunden. Fig. 1 zeigt den Shunt 42 in einer abgeflachten Ansicht. Die Ansicht deutet eine Winkelverschiebung um die in Fig. 5 gezeigte Linie A-A herum an. Der Shunt 42 ist zylindrisch und enthält an seiner äußeren Oberfläche isolierende Abschnitte 145 und leitende Streifen 146, 141, 148. Die Streifen 146, 141, 148 werden mit leitendem Material, z.B. Kupfer, hergestellt. Die Abschnitte 145 werden mit isolierendem Material, z.B. Glasfasern, Polyimid oder Keramik, hergestellt. Der Shunt 42 ist auf einem nichtleitenden Drehzapfen 100, der mit der Klemme 82 verbunden ist, angebracht.
Der Streifen 148 ist stetig, d.h. 360 Grad, um die äußere Oberfläche des Shunts 42 gewunden. Wenn sich der Shunt 42 dreht, berühren daher die Arretierungen 186 ununterbrochen den Streifen 148. Der Streifen 147 verbindet die Streifen 148, 146. Die Streifen 146 sind um die äußere Oberfläche des Shunts 42 herum unterbrochen angeordnet. Wenn sich der Shunt 42 dreht, wird daher eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Klemmen 72, 82 hergestellt, wenn die Arretierungen 176 an den Streifen 146 leitend anliegen. Diese Leitfähigkeit wird jedoch unterbrochen, wenn die Arretierungen 176 an den Abschnitten 145 anliegen.
Wenn die Vorrichtung 32 zu Anfang mit der Zelle 20 verbunden wird, wird das HTR 62 zwischen dem Detektor 50 und dem Shunt 42 zusammengedreht oder drehend verformt. Da das HTR 42 martensitisch ist, wenn es zu Anfang in die Vorrichtung 32 eingebaut wird, übt das HTR 62 eine unbedeutende Kraft auf den Shunt 42 aus. Auch der Shunt 42 wird zu Anfang offen eingestellt, indem die Arretierungen 176 so ausgerichtet werden, daß sie an den Streifen 146 nicht leitend anliegen. An der äußeren Oberfläche des Shunts 42 können Vertiefungen angebracht werden, die mit den Streifen 146 und den Abschnitten 145 übereinstimmen. Diese Vertiefungen erlauben den Arretierungen 176, genauer in den Shunt 42 einzurücken.
Wenn der Detektor 50 einen Stromkreis-Unterbrechungsfehler ermittelt, veranlaßt er das HTR 62, sich drehend zusammenzuziehen. Diese Kontraktion legt eine Drehkraft an den Shunt 42 an. Als Folge dieser Drehkraft wird der Shunt 42 um die in Fig. 5 gezeigte Linie A-A winkhg verschoben. Außerdem richtet diese Verschiebung die Arretierungen 176 und die Streifen 146 aus, um einander zu berühren. Ein solcher Kontakt stellt eine Leitung zwischen den Klemmen 72, 82 her.
Auf dem Shunt 42 können zusätzliche Streifen 147, 146 verschachtelt werden. Diese zusätzlichen Streifen 147, 146 stellen mehr Leitungspunkte zur Verfügung, mit denen die Arretierungen 176 ausgerichtet werden können. Da zusätzliche Streifen 147, 146 die Winkelverschlebung des Shunts 42 vermindern, die erforderlich ist, um eine Übertragung zwischen den Streifen 146 und den Arretierungen 176 herzu stellen, wird ein schnelleres Schalten der Vorrichtung 32 erreicht.

Claims

1. Vorrichtung (30, 31, 32) mit Anschlüssen (71, 81, 72, 82) zur Verbindung mit einem Paar von Kontakten (10, 80) in einem Stromkreis (10, 20), um als Reaktion auf einem Spannungsausschlag dazwischen einen leitenden Pfad herzustellen, wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine Erfassungseinrichtung (50), die mit den Kontakten (70, 80) verbunden ist und einen Spannungsausschlag jenseits einer spezifischen Grenze zwischen den Kontakten abtastet;

eine Betätigungseinrichtung (60) mit einer sich bei Wärme erholenden Formgedächtniseffekt-Metallegierung (61, 62), die geformt ist, um sich als Reaktion auf die den Spannungsausschlag abtastende Erfassungseinrichtung (50) zusammenzuziehen, um die Anschlüsse (71, 81, 72, 82) elektrisch miteinander zu verbinden,

dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender Nebenschluß (41, 42) zur Verfügung gestellt wird, der zwischen den Anschlüssen von einer nomal nichtleitenden Position zu einer leitenden Position bewegbar ist, und dadurch, daß der leitende Nebenschluß in einer mit der Erfassungseinrichtung (50) und der Betatigungseinrichtung (60) verbundenen Schalteinrichtung (40) enthalten ist, wobei die Schalteinrichtung (40) weiter ein Paar von Arretierungen (76, 86, 176, 186), verbunden mit einem betreffenden Anschluß (71, 81, 72, 82), umfaßt, die den leitenden Nebenschluß (41, 42) berühren, um zwischen den Anschlüssen über die Arretierungen eine Leitfähigkeit herzustellen, wenn der leitende Nebenschluß zu der leitenden Position bewegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schalteinrichtung (40) weiter ein Paar von federnden Gabeln (88, 89, 188, 189) umfaßt, das mit jedem Anschluß (71, 81, 72, 82) und mit jeder Arretierung (76, 78, 176, 186) verbunden ist und eine nach innen gerichtete Kraft an jede Arretierung anlegt, um den Kontakt zwischen der Arretierung und dem leitenden Nebenschluß aufrechtzuerhalten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schalteinrichtung (40) weiter eine Isolierung (45, 145) auf dem leitenden Nebenschluß (41, 42) umfaßt, die den Nebenschluß von der Leitung zwischen den Anschlüssen isoliert, wenn sich der Nebenschluß in der nichtleitenden Stellung befindet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der:

die Erfassungseinrichtung (50) eine Mehrzahl von Dioden (53, 54) umfaßt, die seriell zwischen die Kontakte (51, 52) geschaltet sind, um den Spannungsausschlag dazwischen abzutasten, wobei die Dioden als Reaktion auf das Abtasten des Spannungsausschlages jenseits der spezifizierten Grenze einen Stromfluß zwischen den Kontakten erlauben.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der:

sich die geformte Legierung (61) translierend zusammenzieht, um die Schalteinrichtung (40) linear zu bewegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der:

sich die geformte Legierung (62) unter Drehkraft zusammenzieht, um die Schalteinrichtung (40) drehend zu bewegen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der:

sich die geformte Legierung (61, 62) aus Titan und Nickel zusammensetzt.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der:

die geformte Legierung (61, 62) eine Federform ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der:

sich die geformte Legierung (61, 62) anfangs in einem martensitischen Zustand befindet.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der:

die Schalteinrichtung (40), die Erfassungseinrichtung (50) und die Betätigungseinrichtung (60) in einem thermisch isolierenden Gehäuse (91, 92) zusammengebaut sind.