JP2013522834A - 点火稼働式電気回路ブレーカ - Google Patents

Abstract

点火式ガスジェネレータの作動によって導電性ブレードが破断可能な、特に回路ブレーカを構成する電気スイッチ。
本発明によると、点火式ガスジェネレータ（１５）は火薬の燃焼によってガスを排出し、形状可変チャンバー（１７）と前記チャンバーの下部隔壁を構成する破断可能な導電性ブレード（１９）に取り付けられ、ガスによって前記ブレードが破断されることによって、前記ブレードを一部分として含む電気回路を遮断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば回路ブレーカとしての点火式電気スイッチに関し、好ましくは公知のガスマイクロジェネレータを用いた点火式電気スイッチに関する。本願発明は、事故等によって電池の不具合及び／又はこの電池を用いる電気回路に不具合が生じた場合に、車両及び乗員の安全を確保できる電気回路ブレーカが必要となる電気車両に好適に適用される。従って、本発明の本来の目的は動力伝達装置の部材を緊急停止させることによって、電気自動車の乗員を保護することである。しかしながら、本願発明の装置は、航空、宇宙飛行、海洋の分野やその他の分野においても採用可能である。

電気車両が発展するにつれて、リチウム系電池等の高容量・高出力の電池が使用されるようになっている。このような状況下で、電池の安全が重要視されている。しかし電気車両の安全は、電池だけにとどまらない。動力伝達装置における接続部分及びこれら接続部分と電池との接続には、車両の路上走行に伴う衝撃や振動に対する耐久性が必須となってくる。事故や部材自身の故障によってショートが起きた場合に直ちに接続が遮断されなければならない。従って、動力伝達装置における接続部分及び接続部分と電池との接続の安全性は最適化されていなければならない。

電気的に保護する必要のある主要な動力要素としては、まず電池の構成要素、そして駆動列、運動エネルギー復元装置（超コンデンサ）、直流から交流への変換を行う電子装置、モーターに供給される電力を制御するシステム等が挙げられる。

上述のような車両には、迅速且つ確実に作動して不具合が発生した部材の緊急停止を可能とする回路ブレーカが必須となってくる。また、一つ又は複数の検出装置から警報信号が発せられ、乗員への危険性が高まる（感電、被毒、火傷・・・）といった、動作不良や重大な事故の場合にもこのような緊急停止を行なってもよい。

これまでに、幾つかの装置及び回路ブレーカが提案されている。例えばＥＰ１５０２６８３には、中空ピストンと、前記ピストンに対向するガスジェネレータと、切断される導電体とを備えた点火式回路ブレーカが記載されている。点火作動の際、中空ピストン内には燃焼ガスがたまり圧力がかけられる。この中空ピストンが移動することによって、導電体を切断するためのナイフ状部材の取り付けられた要素が前進する。この装置は、生産コストが比較的高い精密部品を多く必要とするので複雑となる。また、これら精密部品の組立には、熟練した組立技術及び機械的許容範囲の小さな接続作業が必要であり、生産性向上のための自動化が困難である。また、この装置の気密性は低く、火薬による急速な圧力の上昇時にガス漏れを引き起こし、これによって回路ブレーカが正常に動作しなくなる。

本発明は上記全ての問題を解消するものである。

具体的に本発明は、単一の筐体内に、点火作動式ガスジェネレータと前記ガスジェネレータに組み付けられた形状可変チャンバーとを有する点火式電気スイッチであって、点火作動前の状態において、前記チャンバーの下部隔壁を構成する導電性ブレードを備え、前記ブレードの二つの端部は筐体の外側からアクセス可能であり、前記隔壁には、前記ガスジェネレータからガスが排出された時に、前記アクセス可能な端部間を電気的に遮断するための破断用切込みが少なくとも一つ設けられており、前記導電性ブレードを介して前記ガスジェネレータの反対側には、前記ガスジェネレータの作動の際に少なくとも部分的に破断した前記ブレードの断片が入るクリアランス空間が設けられている。

最も基本的な構成では、前記点火式ガスジェネレータは、作動によって容量が変化するチャンバーの隔壁を構成する切断ブレードに直接対向しており、前記ブレードによって構成される下部隔壁の少なくとも一部がクリアランス空間に入り込む。また、前記筐体は例えばプラスチック成形によって得られる。

前記ガスジェネレータの反対側に画定されたクリアランス空間の壁面には、前記ブレードの破断断片が前記クリアランス空間内を移動する際に擦り付けられる抜き勾配(negative draft)が設けられていることが好ましい。

ブレードの破断断片が抜き勾配の設けられたクリアランス空間の壁面に擦り付けられることによって、ブレードの破断断片が変位している間、前記形状可変チャンバー内は気密性が保たれる。このように、点火作動式ガスジェネレータの燃焼ガスは、前記形状可変チャンバー内に閉じ込められ確実に加圧が行われる。

このようにして得られる回路ブレーカは、質量と容積が低いため自動化された連続生産に適している。この自動化された生産設備は、容易に射出成形プレス周辺に設置することが可能である。この場合ガスジェネレータとブレードとを収容する外側筐体はプラスチック成形で形成される。

好適な一実施形態では、前記ガスジェネレータと導電性ブレードとの間に可動シール要素が挟持されている。

例えば、前記可動シール要素は摺動プラグを構成しており、点火作動前の状態では、前記形状可変チャンバー内の前記ガスジェネレータと前記破壊可能ブレードとの間に挟持されている。

この要素は、前記ブレードの破断によってガス漏れが発生し、これによる圧力低下の防止に寄与する。圧力低下によって、動作開始直後に火薬が急速に消費されたり、前記ブレードにかかる圧力が不充分となりブレードの破断が不完全となり、結果的に電気接続の遮断が不完全となったり遅れたりする。

一変形例では、前記可動シール要素は密閉蛇腹であり、その開口部が前記ガスジェネレータの排出部に接続されている。この場合、点火作動後にガスが蛇腹内に残り、蛇腹の後端部を伸張させて前記ブレードを破断させる。

残存する燃焼ガスには導電性を有するものもあるが、上述の変形例によるとこのガスが前記ブレードの破断した端部に接触することを防止できる。結果、電気的な遮断をより確実に行うことが出来る。本発明及び本発明の効果は、以下に例として上げる原則的に同様である幾つかの点火式電気スイッチに関する記載、及び、当該記載において参照される非限定的な図面によってより明確に理解出来るであろう。

図１は本発明にかかる装置の第１実施形態の展開斜視図である。 図２は、前記装置の組立後の断面図である。 図３Ａ及び３Ｂは図１及び２に示す実施形態の動作を示す、簡略化された概略図である。 図４Ａ及び４Ｂは、図３Ａ、３Ｂに類似する図であり前記実施形態の変形例を示す図である。 図５は、本発明にかかる装置の第２実施形態の断面図である。 図６Ａ及び６Ｂは、図５に示す本実施形態の動作を示す簡略化された概略図である。 図７Ａ及び７Ｂは、図６Ａ及び６Ｂに類似する図であり、前記実施形態の変形例を示す図である。 図８Ａ及び８Ｂは、図６Ａ及び６Ｂに類似する図であり前記実施形態の変形例を示す図である。 図９Ａ及び９Ｂは、図６Ａ及び６Ｂに類似する図であり前記実施形態の変形例を示す図である。 図１０Ａ及び１０Ｂは、図６Ａ及び６Ｂに類似する図であり前記実施形態の変形例を示す図である。 図１１Ａ及び１１Ｂは、図６Ａ及び６Ｂに類似する図であり他の実施形態を示す図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、図１１Ａ及び１１Ｂに類似する図であり変形例を示す図である。 図１３Ａ及び１３Ｂは、作動前後における第３実施形態の断面図である。

図１、２、３Ａ、３Ｂには、ブレーカを構成する点火式電気スイッチ１１が示されている。点火式電気スイッチ１１は筐体１３と、筐体に設置された点火式ガスジェネレータ１５とを備えており、ガスジェネレータから排出されるガスによって形状が変化可能なチャンバー１７が画定されている。後述するように、本実施形態ではガスジェネレータ１５から加圧ガスが排出されると、前記チャンバーの容量が増加する。また、筐体１３には銅等で作製された矩形導電性ブレード１９が設けられている。導電性ブレード１９の端部２０ａ、２０ｂは筐体から外側に延在しており、前記スイッチとの電気接続が行えるようにアクセス可能となっている。つまり安全に電気回路へ挿入できるようになっている。

本発明において、点火作動が行われる前の状態（チャンバー１７内において、ガスジェネレータの点火及び加圧ガスの排出が行われる前）では、チャンバー１７の隔壁１９ａは、導電性ブレード、具体的には、導電性ブレードの途中部分によって構成される点が重要である。また、このチャンバー１７の下部、つまりガスジェネレータ１５とは反対側を区切る隔壁１９には少なくとも一つの破断用切込み２２（或いはそれ以外のプレカット）が形成されており、ガスジェネレータによってガスが排出されると、即ちチャンバー１７の容量が急激に変化すると、ブレードのアクセス可能な端部２０ａ、２０ｂ間が電気的に遮断される。

また、作動前の状態において、前記チャンバー１７の下部を区切る導電性ブレード１９を介して、ガスジェネレータとは反対側にクリアランス空間２１が画定されている。ガスジェネレータ１５による作動の際に、少なくとも部分的に破断したブレードの断片、即ち前記下部隔壁１９ａがこのクリアランス空間に入る。例えば、前記破断用切込み２２の形状は、ブレードの断片（ここではチャンバー１７の下部隔壁１９ａ）がガスによって完全に分離して、クリアランス空間２１に入るような形状をしている。

尚、ブレードのチャンバー１７の境界近傍に、二つの平行な幅方向の切込み２２が形成されていることが好ましい。ブレードの（長手方向に延びた）二つの側面はクリアランス空間２１の開口部の二つの縁部近傍に位置する。

図１及び２は、容易に自動化できる、産業での実施形態を示す。これら図に示されるように、ガスジェネレータ１５は火薬を点火するための二つの電気突起部２６と共に、全体的に筒型の閉じた容器２５に収容されている。この容器は、長方形の（又は正方形の）ベース２７に並んで配置されており、前記ベース２７はブレード１９が挿入される二つの平行なリブ２８を境界とする矩形開口を画定する。またこの容器２５は、矩形開口３０と、ブレードが挿通可能な二つのスリット３１とを有するスリーブ２９に挿入される。前記クリアランス空間は、密閉ポケット３３をスリーブ２９Ａに組み付けることで画定される。

容器２５、スリーブ２９、及び、ポケット３３はプラスチック製であってもよく、溶接又はその他の方法で図示される通りに組み立てられる。これによって筐体１３が画定される。

更に、装置の信頼性を向上させるために、矩形断面を有する開口ポケット３５が密閉ポケット３３に挿入される。この開口ポケットは、密閉ポケット３３の肩部３７に載置される矩形パラペット（parapet）３６を有する。パラペット３６の、前記ブレード上に画定された前記下部隔壁１９ａ周辺に対向する位置には、矩形切込み３９が形成されている。つまり開口ポケット３５の中央部は、前記パラペットの上部から分離して、隔壁１９ａと共にクリアランス空間２１へ移動するように設計されている。前記ブレードと、対応する開口ポケットの開口との間には、二つの矩形ガスケット４１、４２が挟持されている。これらガスケットは、前記矩形切込み３９の各側に配置されている。

この装置の動作は、図３Ａ、３Ｂの簡易化された概略図を参照することによって容易に理解できるであろう。

点火作動の際に、前記チャンバー１７内には加圧ガスが蓄積される。これによりブレード１９の二つの切込み２２が破断して、チャンバー１７の下部隔壁１９ａ全体がクリアランス空間２１へ飛ばされる。従って、ブレード端部２０ａ、２０ｂ間の電気接続は確実に遮断される。クリアランス空間２１の断面は開口部からポケット底部に向かって縮小しているため、分離した隔壁１９ａはクリアランス空間にはまり込み固定される。これにより破断したブレードの二つの端部が間欠的に接続されることを防止できる。

パラペット３６の破断後、クリアランス空間２１側は、ガスケット４２と下部隔壁１９ａと空間２１の壁面に擦り付けられる破断したポケット３５の最奥部とによって密閉され、ここへのガスの流入が防止される。

以下に変形例及び実施形態において記載するが、類似する構成要素には同一の参照符号を付す。

例えば、前記チャンバー１７の下部隔壁は完全に分離しなくてもよい。その場合、ブレードには折り曲げ領域が少なくとも一箇所設けられており、破断したブレードの少なくとも一部がこの折り曲げ領域で折り曲げられクリアランス空間に入る。この構成を図４Ａ及び４Ｂに示す。本変形例では、破断用の横方向切込み２２が下部隔壁１９ａの中央に一箇所設けられている。ブレードには二つの平行な薄肉部が設けられている。これら薄肉部は前記切込みの両側にそれぞれ設けられており、チャンバー１７の端部近傍に形成されている。また、前記薄肉部は前記切込みに平行であり、二つの折り曲げ領域４５を画定している。点火作動の際、下部隔壁１９ａは中央で破断し、前記隔壁の二つの部分が折り曲げられて恒久的に変形すると共にクリアランス空間２１に入る。図４Ｂに最終的な状態を示す。このように、前記端部２０ａ、２０ｂの電気的な接続は遮断される。

図５は、図２に示す構成に類似する他の実施形態を示す。図に改めて示すように本実施形態には、二つの平行な破断用切込み２２が形成されたブレード１９が設けられている。これら破断用切込みは、前記クリアランス空間の対向する二つの端部近傍にそれぞれ設けられている。本実施形態において注目すべきは、前記ガスジェネレータと導電性ブレード１９との間に可動シール要素が盛り込まれている点である。前記可動シール要素は、前記形状可変チャンバー内を移動可能な摺動プラグ５０を構成している。この摺動プラグは、点火作動前の状態において、ガスジェネレータとブレードとの間に挟持されている。この摺動プラグが気密性を保ちながら摺動することによって、作動時又は作動後にガスがブレードに到達することを防ぐ。

本実施形態の動作は図６Ａ及び６Ｂから明らかである。作動前（図６Ａ）、可動シール要素はガスジェネレータとブレードとの間の空間のほぼ全体を埋めている。また、可動シール要素は下部隔壁１９ａを構成するブレードの略全体にのっている。作動後（図６Ｂ）、ジェネレータから排出されるガスは形状可変チャンバー１７内に残る。

図７Ａ及び７Ｂには本実施形態の他の変形例が示されている。本変形例では、図４Ａ及び４Ｂに示される実施形態同様、補助用下部隔壁１９ａの中央に単一の破断用切込み２２が画定されており、二つの折り曲げ領域４５が両側にそれぞれ画定されている。動作については、チャンバー内の圧力上昇によって変位する摺動プラグ５０によって切込み２２が破断するという点を除くと上述のものと同様である。

図８Ａ及び８Ｂに示す変形例は、図６Ａ及び６Ｂに示す実施形態と同様であるが、摺動プラグ５０が二つの破断用切込みによって画定される下部隔壁１９ａに取り付けられている点のみが異なる。動作については、図６Ａ及び５Ｂに示す実施形態と同様である。

図９Ａ及び９Ｂに示す実施形態では、摺動プラグ５０ａがリブを構成する横方向延在部５３を有しており、このリブが前記下部隔壁１９ａの、側縁部近傍に位置する一つの破断用切込み２２に隣接する部分にのっている。折り曲げ領域４５は、前記隔壁の側縁部とは別の側縁部近傍に、破断用切込み２２と平行になるように画定されている。図９Ｂに示すように、点火作動の際に切込み２２が破断し、摺動プラグの横方向延在部による折り曲げが容易に可能となる。

図１０Ａ及び１０Ｂの変形例によると、前記下部隔壁には、中央に単一の破断用切込み２２が形成され、また前記隔壁両端の、クリアランス空間２１の開口部の端部近傍には二つの折り曲げ領域４５が形成されている。また、摺動プラグ５０ｂには突出リブ５６が設けられており、作動前にこの突出リブ５６が、前記破断用切込みと平行に下部隔壁１９ａにおかれている。作動後の状態は図１０Ｂに示す通りである。摺動プラグ５０ｂによってガスがチャンバー内に閉じ込められる。

図１１Ａ及び１１Ｂに示す変形例では、ブレード１９の構成は図６Ａ及び６Ｂに示すものと同様である。一方、点火作動前に、可動シール要素５０ｃは、前記ガスジェネレータ１５を収容する袋５８と一体として設けられており、この袋の側部には破断領域５９が設けられている。点火作動の際に、袋の下部が分離することによって上述の摺動プラグと同様の働きをする。

図１２Ａ及び１２Ｂに示す変形例では、ブレード１９の構成と可動シール要素の形状は図９Ａ及び９Ｂに示されるものと同様であるが、可動シール要素は点火作動前の状態において前記ガスジェネレータ１５を収容する袋５８と一体として設けられており、破断領域５９を有している。この破断領域５９によって、ガスの圧力を受けた摺動プラグが分離する。

最後に、図１３Ａ及び１３Ｂに示す実施形態では、前記可動シール要素は密閉蛇腹６０であり、形状可変チャンバー１７に取り付けられている。前記密閉蛇腹６０の開口は、前記ガスジェネレータの排出部に接続されている。図１３Ａに示される通り、作動前、前記蛇腹６０は縮んだ状態にある。尚、ブレードの構成は、例えば図５のものと同一である。作動後（図１３Ｂ）、ガスによって蛇腹６０が前記形状可変チャンバー１７内で伸張し、クリアランス空間２１内の前記下部隔壁１９ａを破断させる。本実施形態では、燃焼ガスは蛇腹６０内に閉じ込められる。

本発明は、上述された実施形態のみに限定されないことは明らかであり、特にブレードの構成、及び、摺動プラグ又は密閉蛇腹を構成する可動シール要素の構成等の構成要素については、上記変形例のあらゆる組合せが本願発明の範囲に含まれる。

Claims (10)

1. 単一の筐体内に、点火作動式ガスジェネレータ（１５）と前記ガスジェネレータに組み付けられた形状可変チャンバー（１７）とを有する点火式電気スイッチにおいて、点火作動前の状態において、前記チャンバー（１７）の下部隔壁（１９ａ）を構成する導電性ブレード（１９）を備え、前記ブレードの二つの端部（２０ａ、２０ｂ）は筐体の外側からアクセス可能であり、前記隔壁には、前記ガスジェネレータからガスが排出された時に、前記アクセス可能な端部間を電気的に遮断するための破断用切込み（２２）が少なくとも一つ設けられており、前記導電性ブレードを介して前記ガスジェネレータの反対側には、前記ガスジェネレータの作動の際に少なくとも部分的に破断した前記ブレードの断片が入るクリアランス空間（２１）が設けられていることを特徴とする点火式電気スイッチ。
2. 前記ガスジェネレータ（１５）と前記導電性ブレード（１９）との間に、可動シール要素（５０、６０）が挟持されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
3. 前記可動シール要素は摺動プラグ（５０）を構成しており、前記摺動プラグ（５０）は、点火作動前の状態では、前記形状可変チャンバー内に前記ガスジェネレータと前記ブレードとの間に挟持されることを特徴とする請求項２に記載のスイッチ。
4. 前記可動シール要素は、前記形状可変チャンバー（１７）内に取り付けられた密閉蛇腹（６０）であり、前記密閉蛇腹（６０）の開口は前記ガスジェネレータの排出部に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のスイッチ。
5. 前記少なくとも一つの破断用切込み（２２）は、前記ブレード（１９）の一部が、前記可動シール要素によって完全に分離し、前記クリアランス空間（２１）に入るような形状に形成されている請求項３又は４に記載のスイッチ。
6. 前記ブレードは、少なくとも一つの折り曲げ領域（４５）を有しており、前記少なくとも一つの折り曲げ領域（４５）は、前記可動シール要素によって前記破断したブレードの少なくとも一部が折り曲げられ、前記クリアランス空間（２１）に入るように形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のスイッチ。
7. 前記破断用切込み（２２）の両側それぞれに形成された二つの折り曲げ領域（４５）を有することを特徴とする請求項６に記載のスイッチ。
8. 単一の折り曲げ領域（４５）と、単一の破断用切込み（２２）とを有することを特徴とする請求項６に記載のスイッチ。
9. 前記可動シール要素は、前記破断用切込み（２２）近傍に設けられたリブ（５３、５６）を有することを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載のスイッチ。
10. 前記可動シール要素は、点火作動前に、前記ガスジェネレータを収容する袋（５８）と一体的に設けられており、前記袋は破断領域（５９）を有することを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載のスイッチ。

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