KR20160113305A - 불꽃 회로 차단기 - Google Patents

Abstract

불꽃 회로 차단기(pyrotechnic circuit breaker)로서, - 적어도 하나의 절단 챔버(cutoff chamber)(7, 7')를 가진 케이싱(1), - 적어도 하나의 전기 도체(2), - 상기 적어도 하나의 전기 도체(2)를 절단하도록 구성된 적어도 하나의 펀치(punch)(4), - 적어도 하나의 불꽃 액추에이터, - 상기 적어도 하나의 전기 도체(2) 위에 오버몰딩된 인서트(insert)(31)를 포함하며, 상기 케이싱(1)은 제1 케이싱 부분과 제2 케이싱 부분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 절단 챔버(7, 7')를 밀봉하기 위해 상기 인서트(31)와 상기 제1 케이싱 부분 및/또는 상기 제2 케이싱 부분 중 하나의 사이에 적어도 하나의 밀봉 수단(sealing means)을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

불꽃 회로 차단기{Pyrotechnic circuit breaker}

본 발명은 일반적으로 자동차, 특히 전기 차량에 장착되도록 의도된 불꽃 액추에이터(pyrotechnical actuator)를 포함하는 회로 차단기에 관한 것이다.

이러한 전기 차량에 있어, 예를 들어 만약 사고가 발생한 경우, 이후의 안전을 위해 에너지 저장 장치(배터리, 슈퍼 콘덴서, ...)를 차량의 나머지 부분에 연결하는 전기 라인을 차단하는 능력을 제공하는 것이 필요하다. 전기 회로에 수반된 전력과 전기 회로의 특성들로 인해, 만약 이 아크가 제어되지 않을 경우 차단(breaking) 중에 전기 아크(electrical arc)가 발생될 것이고 회로의 차단과 그것의 완전함에 문제가 발생될 것이다. 회로 차단기들(circuit breakers)은 문서 EP0359467A2 내에 개시된 것과 같이 종래 기술로 알려져 있으며 이는 전기 아크를 끄기 위한 구체적인 구성을 제안한다. 반면에, 이 시스템은 높은 전압 및/또는 전류를 가진 전기 회로를 차단하기 위해 사용될 경우 특히 부피가 커진다는 단점을 가진다.

본 발명의 목적은 위에서 인용된 문서들의 종래 기술의 단점들에 대응하기 위한 것하며 특히 전기 아크가 형성되더라도 콤팩트하고 신속한 차단을 초래하는 회로 차단기를 처음으로 제공하는 것이다.

이 목적을 위해 본 발명의 제1 측면은 회로 차단기에 관한 것으로서, 상기 회로 차단기는:

- 전기 회로에 연결되도록 설계된 적어도 하나의 전기 도체,

- 하우징,

- 매트릭스(matrix),

제1 위치로부터 제2 위치로 이동하기 위해 상기 하우징에 대해 이동 가능하도록 설계된 펀치(punch),

점화되었을 때 상기 펀치가 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하게 하도록 설계된 불꽃 액추에이터(pyrotechnical actuator)를 포함하고,

상기 펀치와 매트릭스는, 상기 펀치가 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동할 때, - 상기 적어도 하나의 전기 도체를 적어도 두 개의 구별된 부분들로 절단하도록, 그리고 - 상기 회로 차단기가 전기가 통하는 전기 회로에 연결되었을 때 상기 적어도 두 개의 구별된 부분들 사이의 적어도 하나의 전기 아크의 수립이 상기 펀치와 매트릭스 사이에서 유발되도록 설계된 펀치-매트릭스 유닛을 형성하도록 구성되며,

상기 펀치-매트릭스 유닛은, 상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 적어도 두 개의 구별된 부분들 사이에 적어도 하나의 통로(passage)를 허용하도록 설계되며, 상기 적어도 하나의 통로는 상기 구별된 부분들 사이의 상기 적어도 하나의 전기 아크를 안내하도록 설계되고,

상기 펀치-매트릭스 유닛은 상기 적어도 하나의 전기 아크의 전압을 상승시키는데 적합한 가스를 발생시키기 위해 상기 적어도 하나의 전기 아크에 의한 삭마(削磨)(ablation)에 의해 소모되도록 고안된 적어도 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 회로 차단기는 상기 펀치가 전기 도체를 두 개의 구별되는 부분들로 절단할 때 생성되는 전기 아크의 형성을 제어 가능하게 한다. 실제로, 상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 펀치-매트릭스 유닛에 의해 통로가 형성되고 그래서 전기 아크 또는 아크들은 상기 통로를 통해 안내되며, 이는 아크들이 국부적이 되도록 보장하고 상기 회로 차단기의 나머지 부분의 손상의 위험을 제한한다. 더욱이, 삭마에 의해 소모되도록 고안되어 상기 불꽃 액추에이터가 작용하였을 때 전기 아크의 전압이 상승되도록 허용하는 재료에 의해 상기 회로 차단기의 효율과 신속성이 향상된다. 즉, 상기 회로 차단기는 상기 구별된 부분들 사이의 분리를 증가시킴이 없이 그것의 단자들에서 전압을 높임으로써 효율적이 될 것이며, 이는 소형화(compactness)를 향상시킨다. 실제로, 삭마에 의해 소모되도록 의도된 상기 재료는 전기 아크의 강한 열의 작용하에 승화되며, 이는 전기 아크의 플라즈마의 조성과 그것의 전도성을 변화시키고 전기 아크의 전압이 상승되도록 허용한다. 이러한 전기 아크는, 500A보다 작은 전류를 위해 2,500μH(마이크로-헨리)까지의 그리고 5,000A의 전류를 위해 150μH까지의 범위의 유도 전하에 관해 0V에서 600V까지의 범위의 전압과 0A에서 5,000A까지의 범위의 전류를 가진 전기가 통하는 전기 회로에 상기 회로 차단기가 연결되었을 때, 생성될 수 있다. 본 발명의 회로 차단기는, 불꽃 액추에이터를 포함하는 상기 회로 차단기가 단지 한 번 사용될 수 있기 때문에, 확정적인 방법으로 10ms보다 짧은 심지어 5ms보다 짧은 시간에 신뢰성 있는 방법으로 전류가 차단되도록 할 수 있다.

상기 통로는 유리하게는 상기 펀치와 매트릭스 사이 또는 이 부품들 중 하나에 형성될 수 있다.

상기 펀치 또는 매트릭스는 유리하게는 적어도 부분적으로 삭마에 의해 소모되도록 고안된 재료로 구현된다.

삭마에 의해 소모되도록 고안된 재료는 유리하게는 POM(polyoxymethylene 또는 polyformaldehyde)이다. 본 실시예에 따르면 상기 삭마에 의해 소모될 재료는, 삭마되는 동안, 전기 아크의 전압을 상승시키는 가스 혼합물의 생성을 허용할 것이며, 이는 POM은 산소 원자들의 수에 대한 탄소 원자들의 수의 비율이 매우 낮아서 1에 가깝기 때문이다. 또한, 에틸렌 폴리테레프탈레이트(PET: ethylene polyterephthlate), 메틸 폴리메타크릴레이트(PMMA: methyl polymethacrylate), 부틸렌 폴리테레프탈레이트(PBT: buthylene polyterephthalate), 폴리에테르 술폰(PESU: polyether sulfone) 또는 심지어 폴리아미드(polyamide) 6.6(PA6.6)를 사용하는 것도 가능하다.

상기 적어도 하나의 통로는 유리하게는 삭마에 의해 소모될 수 있는 상기 재료에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 본 실시예는 상기 전기 아크에 의한 삭마에 의해 소모될 상기 재료는 그것의 바로 근처에 배치되기 때문에 상기 회로 차단기의 효율성을 증가시키며, 이는 상기 재료의 삭마에 기인하여 전기 아크의 전압의 신속한 상승을 보장한다.

상기 적어도 하나의 통로는 유리하게는 상기 펀치 및/또는 매트릭스 내에 형성된 홈이다. 상기 홈의 치수는 0.1에서 1mm까지의 범위의 폭과 0.1에서 1mm까지의 범위의 깊이를 가질 수 있다. 이러한 홈은, 만약 그 치수가 이 기술 및 주입되는 재료와 양립할 수 있다면, 몰딩에 의해 직접적으로 얻을 수 있으며, 또는 재가공(re-machining)에 의해 얻을 수 있다.

상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 펀치와 매트릭스는 유리하게는 상기 적어도 하나의 통로를 제외하고 단단한 맞춤(tight adjustment)으로 배치된다. 본 실시예에 따르면, 상기 펀치와 매트릭스는 상기 펀치의 이동의 비가역성(irreversibility)을 보장하기 위해 단단하게 맞춤되며, 이는 한편으로는 뒤쪽으로의 어떠한 이동도 방지한다. 다른 한편으로는, 이 단단한 맞춤은 양호한 단단함을 초래하며, 이는 상기 통로 내가 아닌 어딘가 다른 곳에서 발생되었을 때 전기 아크의 통로에 대한 자연적인 장벽을 형성한다. 결과적으로, 상기 전기 아크는 상기 통로를 통과하도록 강제되며, 이는 상기 펀치와 매트릭스가 단단한 맞춤의 상태가 아닌(공차가 있기 때문에) 레벨에서 자유롭게 유지된다. 상기 펀치와 매트릭스 사이에 0에서 0.3mm까지의 마이너스 공차(negative play)를 제공하는 것이 가능하다.

유리하게는:

- 상기 적어도 두 개의 구별된 부분들 각각은 상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때 서로 분리된 절단 단부를 가진다.

- 상기 적어도 하나의 통로는 상기 절단 단부들 사이의 가장 짧은 경로를 거치도록 설계된다. 상기 통로가 상기 절단 단부들 사이의 가장 짧은 경로를 거치도록 형성되었을 때, 상기 전기 아크의 경로는 가장 적은 에너지를 요구하는 경로이기 때문에 그곳을 선호하게 될 것이다.

상기 회로 차단기는 유리하게는 상기 펀치를 위한 안내 부분과 상기 매트릭스를 위한 보강 부분을 포함하는 인서트(insert)를 포함한다. 본 실시예에 따른 상기 인서트는 상기 펀치를 안내하는 기능과 상기 매트릭스를 보강하는 기능을 결합한 하나의 연속된 모노블록(mono-block) 부품이다. 상기 조립체는 상기 전기 도체 상에 몰딩(moulding)됨으로써 만들어질 수 있으며, 이는 (상기 인서트의 안내 부분에 의해 안내되는) 상기 펀치와 (상기 보강 부분에 의해 보강되는) 매트릭스 사이의 편차의 위험을 최소화한다.

상기 인서트는 유리하게는 30%의 유리 섬유로 충전된 폴리아미드 6.6(PA6.6)으로 만들어진다.

상기 인서트는 유리하게는 상기 펀치와의 사이의 기계적 스탑 블록(stop block)으로 들어가도록 설계되어 상기 제2 위치를 정의하는 면을 포함한다.

상기 매트릭스는 유리하게는 상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때 상기 적어도 하나의 통로를 제외하고 상기 펀치와 표면 접촉을 보장하는 방식으로 탄성적으로 변형 가능하도록 설계된다. 상기 전기 아크의 경로가 상기 펀치와 매트릭스 사이의 표면 접촉을 가진 통로 내로 형성되는 것은 더욱더 어렵게 된다.

상기 매트릭스는 유리하게는 그것과 상기 보강 부분 사이에 설계된 리세스(recess)를 포함한다. 상기 리세스는, 상기 매트릭스가 상기 펀치와 정렬되도록 하기 위해 그리고 상기 펀치와 매트릭스 사이에 양호한 단단함을 보장하기 위해 상기 매트릭스가 상기 펀치의 작용 하에서 이동 및/또는 변형될 수 있도록 한다. 상기 리세스는 0과 2mm 사이, 보다 구체적으로 0과 1mm 사이, 매우 유리하게는 0과 0.5mm 사이에 포함될는 것이 가능하다.

상기 매트릭스는 유리하게는 상기 매트릭스와 보강 부분 사이의 두 개의 리세스들을 분리하는 보강 부분을 가진 연결 포인트를 포함한다. 이 실시예는 상기 연결 포인트 둘레의 매트릭스 벽이 구겨지지 않고 피봇되는 것을 허용한다. 이 연결 포인트는 전기 아크를 수립하기 위한 상기 통로의 부분을 제어하는 방식으로 상기 통로와 마주보도록 위치할 수 있다.

상기 제2 위치 내의 상기 펀치와 상기 하우징은 유리하게는 적어도 하나의 절단 챔버를 형성하고, 상기 적어도 하나의 절단 챔버는 상기 회로 차단기의 외부로의 통기공(vent hole)을 포함하며, 상기 통기공은 상기 적어도 하나의 절단 챔버와 상기 회로 차단기의 외부 사이의 예정된 압력 차이를 넘어서 파괴되도록 설계된 뚜껑(lid)을 가진다. 본 실시예는 상기 절단 챔버 내에 주어진 압력에서 열리도록 교정된 안전 밸브(safety valve)를 제안한다. 이는 공치 조건하에서 단단한 시스템을 보장하면서, 상기 장치가 공칭 조건(nominal condition)을 넘어서 작용할 경우에 그 장치의 일체성을 해치지 않고 초과된 압력이 배출되도록 허용한다.

상기 펀치는 유리하게는 상기 적어도 하나의 전기 도체를 세 개의 구별된 부분들로 절단하는 방식으로 두 개의 절단 에지들(cutting edges)를 포함한다. 이 실시예는 두 개의 전기 아크가 서로 연속적으로 생성되도록 강제하며, 이는 상기 회로 차단기의 차단 성능을 상승시킨다.

상기 회로 차단기는 유리하게는 상기 펀치를 위한 안내 부분과 상기 매트릭스를 위한 보강 부분을 포함하는 인서트(insert)를 포함한다. 본 실시예에 따른 상기 인서트는 상기 펀치를 안내하는 기능과 상기 매트릭스를 보강하는 기능을 결합한 하나의 연속된 모노블록(mono-block) 부품이다. 상기 조립체는 상기 전기 도체 상에 몰딩(moulding)됨으로써 만들어질 수 있으며, 이는 (상기 인서트의 안내 부분에 의해 안내되는) 상기 펀치와 (상기 보강 부분에 의해 보강되는) 매트릭스 사이의 편차의 위험을 최소화한다.

상기 매트릭스는 유리하게는 상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때 두 개의 절단 챔버들을 정의하는 방식으로 상기 두 개의 절단 에지들 사이에 설계된 카운터폼(counterform)을 포함한다.

상기 펀치는 유리하게는 예정된 병진운동의 축을 따라 이동되도록 설계되고 상기 매트릭스는 상기 펀치의 병진운동의 축에 대해 대칭적인 방식으로 설계된다. 절단 변형은 대칭적으로 분배되고, 이는 재밍(jamming)의 위험을 제한한다.

상기 펀치는 유리하게는 상기 제1 위치로부터 제2 위치로의 경로 중에 상기 적어도 하나의 전기 회로를 점진적으로 절단하기 위해 적어도 하나의 경사진 절단 에지를 포함한다. 이 실시예에서 절단 응력은 상기 전기 도체를 직선으로 절단할 때, 즉 각각의 부분이 한 번에 절단될 때 요구되는 응력보다 낮다. 이는 실행될 압력을 감소시키며 또한 점진적이고 경사진 절단을 가진 상기 회로 차단기의 크기를 감소시킨다.

이 경사진 절단 에지는 유리하게는 상기 펀치의 이동 방향에 대해 90°(용어 제외)와 75°사이에 포함된 각도를 가진다.

상기 펀치는 유리하게는 "V" 형태의 절단 에지(cutting edge)를 포함하며, "V"의 뾰족점(point)은 상기 절단 에지의 중간에 위치하고, 그래서 "V"의 뾰족점은 상기 전기 도체의 절단을 끝낸다. 이는 전기 아크가 상기 장치의 중간에 발생되도록 허용하며 진행 중에 힘의 보다 양호한 균형을 허용한다. 이 실시예에서 상기 통로는 "V"의 뾰족점의 연장 내에 또는 "V"의 뾰족점과 마주보도록 배치된다.

본 발명의 제2 측면은 전류를 분배하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 전류 분배 장치는 본 발명의 제1 측면에 따른 적어도 하나의 회로 차단기를 포함한다.

본 발명의 제3 측면은 장치차에 관한 것으로서, 상기 자동차는 본 발명의 제1 측면에 따른 적어도 하나의 회로 차단기를 포함한다.

상기 자동차는 유리하게는 전기 에너지를 저장하는 수단과 상기 적어도 하나의 회로 차단기에 의해 상기 전기 에너지를 저장하는 수단에 연결된 전기 추진 장치를 포함한다.

본 발명의 다른 목적은, 제조하기 쉬우며 전기 아크 또는 아크들에 의해 가열된 가스들의 감금을 보장하기 위해 그리고 국제 표준 CEI 60529en에 따른 보호 지침 IP67에 따라 상기 장치가 작동되기 전에 그 외부로부터 들어오는 가스들, 습기 또는 먼지에 의한 상기 장치의 내부의 오염 방지를 보장하기 위해 작동 중에 밀봉을 초래하는 절단 챔버를 가진 불꽃 회로 차단기를 제안하는 것이다.

이 목적을 위해 본 발명의 제4 측면은 불꽃 회로 차단기에 관한 것으로서, 상기 불꽃 회로 차단기는:

- 적어도 하나의 절단 챔버를 가진 하우징,

- 상기 적어도 하나의 절단 챔버의 상기 하우징의 적어도 부분을 횡단하는 것으로, 절단될 적어도 하나의 전기 도체,

- 상기 하우징 내에 상기 적어도 하나의 절단 챔버와 마주보며 배치되고 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동할 수 있으며 상기 제1 위치로부터 제2 위치로의 경로 중에 상기 적어도 하나의 전기 도체를 절단하도록 설계된 적어도 하나의 펀치(punch),

- 활성화되었을 때 상기 펀치가 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하게 하도록 설계된 적어도 하나의 불꽃 액추에이터(pyrotechnical actuator),

- 상기 적어도 하나의 전기 도체 상에 몰딩된 인서트(insert)를 포함하며,

상기 하우징은 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분을 포함하고 상기 적어도 하나의 절단 챔버의 밀봉을 보장하기 위해 상기 인서트와 상기 제1 하우징 부분 및/또는 제2 하우징 부분 중 하나의 사이에 적어도 하나의 밀봉 수단(sealing means)을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 실시예에 따른 회로 차단기는 상기 적어도 하나의 절단 챔버의 양호한 밀봉을 보장한다. 그러나, 상기 인서트는 전기 도체 자체 상에 밀봉 계면들을 제공해야 하는 것과 그들을 상기 인서트 상으로 도로 데려오는 것을 피하기 때문에 제조하기 쉽다. 따라서, 예를 들어 원환체 조인트(toric joint)와 같은 밀봉 수단의 실행을 용이하게 하기 위해 이 지탱 표면들(bearing surfaces)은 건너뜀이 없이 연속적일 수 있다. 다시 말하면, 상기 밀봉은 서로 마주보는 단지 두 개의 부품들 사이에, 한편으로는 상기 제1 하우징 부분과 상기 인서트 사이에, 다른 한편으로는 상기 제2 하우징 부분과 상기 인서트 사이 각각에서 구현된다.

상기 적어도 하나의 전기 도체는 유리하게는 상기 펀치가 상기 제1 위치 내에 있을 때 상기 적어도 하나의 절단 챔버와 상기 펀치 사이에 배치된다.

상기 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분은 유리하게는 각각 상기 인서트와 접촉된다. 이는 상기 장치의 다른 요소들 사이의 변형의 양호한 통로를 허용하고 집합체의 양호한 저항력이 보장되도록 허용한다.

상기 인서트는 유리하게는 상기 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분 사이에 배치되며 상기 회로 차단기는 상기 인서트와 상기 제1 하우징 부분 사이의 제1 밀봉 수단과 상기 인서트와 상기 제2 하우징 부분 사이의 제2 밀봉 수단을 포함한다.

상기 인서트는 유리하게는 상기 적어도 하나의 절단 챔버를 둘러싼다. 이 실시예는 상기 인서트 상의 밀봉이 연속적으로 되는 것을 보장한다. 상기 인서트는 상기 전기 도체의 양측에서 상기 적어도 하나의 절단 챔버를 둘러싸거나 또는 한정하는 것도 가능하다. 이 실시예에서 상기 적어도 하나의 절단 챔버는 부분적으로 상기 인서트에 의해 한정될 수 있으며 상기 전기 도체와 하우징 사이에 조인트의 제공을 필요로 하지 않는다.

상기 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분은 유리하게는 각각 상기 펀치의 하나의 이동 방향을 따라 상기 인서트 상에 조립되도록 배치된다. 최종 조립 위치로 들어가기 위해 이들의 조립 중에 상기 인서트 상에 슬라이딩하는 상기 하우징 부분들로 암-수 조립이 가능하다. 따라서, 상기 제1 부분과 제2 부분이 동일한 부품인 상기 인서트에 대해 배치되기 때문에 상기 펀치의 안내가 향상된다.

상기 펀치는 유리하게는, 상기 펀치와 상기 인서트 및/또는 하우징 사이의 밀봉을 보장하기 위해, 밀봉 구역(sealing zone)을 포함한다. 이 밀봉은 전기 아크 또는 아크들에 대한 상기 불꽃 액추에이터의 연소 가스들의 어떠한 영향도 피하기 위해 상기 회로 차단기의 연소 챔버와 상기 적어도 하나의 절단 챔버 사이에 제공될 수 있다.

상기 인서트는 유리하게는 적어도 두 개의 구별된 구역들 상에서 상기 적어도 하나의 전기 도체를 둘러싼다. 이 실시예는 상기 전기 도체 자체 상에 밀봉 기능이 만들어지지 않도록 보장하는 것을 허용한다. 상기 전기 도체 둘레를 밀봉하는 것은 몰딩이다. 다시 말하면, 상기 도체와 제1 및 제2 하우징 부분들 사이에는 밀봉재가 제공될 필요가 없다.

상기 제2 위치 내의 상기 펀치는 유리하게는 상기 적어도 두 개의 구별된 구역들 사이에 배치된다.

상기 인서트는 유리하게는 상기 적어도 하나의 전기 도체의 유지 수단(retention means) 내에 배치된 적어도 하나의 몰딩된(moulded-on) 부분을 포함한다. 상기 유지 수단은 하나 또는 몇몇의 구멍들, 캐비티들 또는 절개부들(cuts)의 형태를 가질 수 있다. 이 실시예는 상기 인서트와 상기 전기 도체의 통합성의 향상을 허용하며 따라서 두 개의 부품들 사이의 밀봉을 향상시킨다.

상기 적어도 하나의 밀봉 수단은 유리하게는 조인트를 포함한다. 원환체 조인트(toric joint)가 예상될 수 있다.

상기 회로 차단기는 유리하게는 두 개의 조인트들을 포함하며, 상기 인서트는 각각 상기 제1 하우징 부분의 조인트 지탱 표면 및 상기 제2 하우징 부분의 조인트 지탱 표면과 마주보는 두 개의 조인트 지탱 표면들(joint bearing surfaces)을 포함한다.

상기 밀봉 수단을 구현하기 위해 하나 이상의 원환체 조인트를 제공하는 것도 가능하다. 특히, 2mm와 3mm 사이에 포함되는 직경을 가지며 0.5mm에서 0.8mm까지의 범위로 압축되는 원환체 조인트를 제공하는 것이 가능하다. 보다 정확하게는, 2.55mm±0.15mm의 직경을 가지며 0.7mm±0.15mm 압축되는 원환체 조인트를 제공하는 것이 가능하다.

상기 회로 차단기는 유리하게는 적어도 하나의 몰딩된 밀봉 립(molded-on sealing lip)을 포함한다.

상기 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분은 유리하게는 용접된다. 각 하우징 부분은 상기 인서트 상에 용접될 수 있다.

본 발명의 다른 특징들과 이점들은 아래의 예를 통해 비제한적인 방식으로 주어지고 첨부된 도면들에 의해 도시된 본 발명의 상세한 실시예로부터 보다 명확하게 나타날 것이다.
도 1은 작동 전의 본 발명에 따른 불꽃 회로 차단기의 단면 처리된 사시도를 보여주며;
도 2는 회로 차단기의 작용 후 도 1의 단면의 상세도를 보여주며;
도 3은 도 2의 III-III 축을 따른 회로 차단기의 부분 단면도를 보여주며;
도 4는 도 1의 IV 부분의 상세 사시도이다.

도 1은 본 발명에 따른 회로 차단기의 사시도를 단면으로 보여준다. 하우징(housing)(1)은 전기 도체(electrical conductor)(2)에 의해 부분적으로 횡단되며, 후자의 단부들은 상기 회로 차단기를 위한 두 개의 연결 터미널들(terminals)을 형성한다. 상기 회로 차단기는 펀치(punch)(4)와 매트릭스(matrix)(3)를 포함하며, 이들은 상기 회로 차단기의 작동 전에는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 도체(2)의 양측에 배치된다.

상기 펀치(4)는 상기 매트릭스(3)와 마주보는 상부에 두 개의 절단 에지(cutting edge)(8, 8')에 의해 한정된 홈과 상기 절단 에지(8)를 상기 펀치(4)의 홈의 바닥에 연결하는 수직 홈인 통로(passage)(6)를 포함한다. 보이지 않는 또 다른 통로는 상기 절단 에지(8')를 상기 펀치(4)의 홈의 바닥에 연결한다. 상기 통로(6)의 유용성은 특히 도 3에 관한 단락에서 설명될 것이다.

여기서 상기 펀치(4)는 상기 전기 도체(2)가 결합되는 제1 위치에 있는 것으로 도시된다. 이것을 절단하기 위해 상기 회로 차단기는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 펀치(4)가 제2 위치가 되게 하도록 설계된 불꽃 액추에이터(5)(단지 도 2에서 도시됨)를 포함한다.

예를 들어, 상기 전기 도체(2)는 2mm x 16mm의 단면과, 상기 펀치(4)와 마주보는 나머지 부분의 두께 1.2mm를 가질 수 있으며, 상기 펀치(4)의 홈은 5mm ± 1mm의 길이를 가진다.

따라서, 도 2는 작용 후, 즉 상기 전기 도체(2)가 세 개의 구별된 부분들(21, 22 및 23)로 분리된 후, 도 1의 회로 차단기를 보여준다.

이 결과를 얻기 위해, 상기 펀치(4) 아래에 배치된 (예를 들어, 전기-불꽃 점화기(electro-pyrotechnical igniter)를 포함하는) 상기 불꽃 액추에이터(5)는 점화되고 발생된 가스들은 연소 챔버(41)를 가압한다.

상기 연소 챔버(41) 내의 가스와 그 압력의 영향하에 상기 펀치(4)는 병진운동하여 제2 위치가 되며, 그동안 상기 도체(2)는 세 개의 구별되는 부분들(21, 22 및 23)로 분리된다. 도 1 또는 3에 도시된 바와 같이, 상기 절단 에지들(8 및 8')은 직선으로 되어 있지 않고, 상기 전기 도체(2)의 전체 단면을 동시에 절단하기 위해 필요한 것보다 작은 절단 변형(cutting strains)으로 상기 전기 도체(2)를 점진적으로 절단하기 위한 방식으로 V 형태로 되어 있다. 실제로, 이 절단 에지들(8 및 8')이 상기 펀치(4)의 이동 방향에 대해 경사지거나 또는 경사지지 않고 직각이더라도, 상기 전기 도체(2)의 절단은 점진적이다.

상기 펀치(4)는 상기 연소 챔버(41)의 양호한 밀봉을 보장하기 위해 내부에 원환체 조인트(toric joint)가 장착되는 홈을 포함한다는 것이 주목될 수 있다. 따라서 상기 펀치(4)의 절단 응력(cutting stress)은 가능한 한 높아지고 상기 불꽃 액추에이터(4)의 가스들은 절단 챔버들(7 및 7') 내부로 들어갈 수 없으며, 이는 상기 불꽃 액추에이터(5)의 가스들에 의한 전기 아크의 플라즈마의 가능한 오염을 제한한다.

상기 펀치(4)가 제2 위치에 있을 때, 상기 펀치(4)의 홈은 상기 매트릭스(3)와 맞물리고, 두 개의 구별되는 절단 챔버들(7 및 7')이 형성된다. 따라서 상기 전기 도체(2)의 부분(21)은 상기 펀치(4)에 의해 상기 전기 도체(2)의 부분(22)으로부터 물리적으로 분리되며, 이는 상기 부분들(21 및 22) 사이에서, 더욱이 상기 펀치(4)가 상기 매트릭스(3)에 단단하게 장착되는 제2 위치에 있을 때, 직접적인 전기 아크의 생성 가능성을 제한한다.

이러한 유형의 맞춤은 몇몇의 결과들을 성취한다. 한편으로는 상기 펀치(4)의 제2 위치에 유지는 상기 절단 챔버들(7 및 7')의 분리가 제 시간에 보장되는 방식으로의 단단한 장착에 의해 보장된다. 상기 회로 차단기는 각각의 절단 챔버(7 및 7')를 위해 상기 절단 챔버(7 또는 7') 내의 압력이 입계값을 초과한다고 우려될 때에만 열리는 방식의 뚜껑을 가진 통기공(vent hole)(도 1에 도시됨)을 포함한다는 것을 주목하여야 한다.

다른 한편으로는, 단단한 맞춤(tight adjustment)은 상기 펀치 및 또는 매트릭스(3)의 탄성 및/또는 소성 변형을 초래하거나 또는 발생시킬 수 있으며, 이에 따라 서로 표면 접촉 상태가 되어 상기 절단 챔버들(7 및 7') 사이의 단부에서 양호한 밀봉을 형성한다. 이 밀봉은 상기 절단 챔버들(7 및 7')과 구별된 부분들(21, 22) 사이의 전기 아크의 생성의 회피를 가능하게 한다. 그러나, 위에서 언급한 바와 같이, 통로(6)가, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 펀치(4)의 홈의 바닥에서 상기 펀치(4)의 절단 에지들(8 및 8')을 연결하며, 상기 전기 도체(2)의 절단 중에 생성되는 전기 아크는 상기 통로(6)에 확실하게 위치하게 된다. 따라서 첫째 아크는 구별된 부분(21)과 구별된 부분(23) 사이에 형성될 수 있고, 둘째 아크는 구별된 부분(23)과 구별된 부분(22) 사이에 형성될 수 있다.

상기 매트릭스는 0에서 2mm까지, 바람직하게는 0에서 1mm까지, 더욱 바람직하게는 0에서 0.5mm까지 변형될 수 있다, 이를 위해 상기 매트릭스(3)와 인서트(insert)(31) 사이에 이러한 이동 및/또는 변형을 부여하는 리세스(recess)가 형성된다.

도 1의 IV 부분의 상세도로서 인서트(31)의 부분 사시도인 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 인서트(31)는 상기 매트릭스(3)와의 계면(interface)을 따라 리세스를 포함한다. 이 리세스는 상기 인서트(31)의 부분(31)에 의해 경계가 정해진다. 상기 부분(31a)은 상기 매트릭스(3)를 위한 스탑(stop)을 형성하며, 이는 상기 매트릭스(3)가 상기 부분(31a) 위에서 변형될 가능성을 남겨둔 채로 상기 도체(2)의 절단 시에 상기 도체(2)의 길이에 걸쳐 상기 매트릭스가 스스로 다시 조여지는 것을 방지한다. 이러한 변형의 자유로움은 상기 통로(6)를 제외하고 제2 위치에서 상기 펀치(4)와 매트릭스(3) 사이의 양호한 표면 접촉이 보장되도록 허용한다.

예를 들어, 상기 부분(31a)의 높이는 0.5mm와 5mm 사이에 포함될 수 있으며, 상기 리세스는 0.5mm 내지 1mm의 길이의 축소를 가질 수 있다.

상기 인서트(31)는 폴리아미드(polyamide) 6.6으로 만들어질 수 있으며 상기 매트릭스(3)를 보강하는 주된 기능을 가진다. 따라서, 도시된 바와 같이, 상기 인서트(31)는 상기 펀치(4)가 내부에서 슬라이딩하는 구멍을 형성하고, 이는 상기 펀치(4)와의 사이에서 상기 매트릭스(3) 내에 직접적인 배치를 제공하며, 이는 그들이 동일한 부품이기 때문이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(1)은 상기 몰딩된(molded-on) 인서트(31)의 양측에 제1 하우징 부분과 제2 하우징 부분을 가진 두 개의 구별되는 부분들에 의해 형성되며, 이는 조립 중에 상부 하우징과 하부 하우징의 수용을 허용하는 두 개의 수형 부분들(male parts)을 포함한다.

위에서 보이는 바와 같이, 상기 절단 챔버들(7 및 7')과 펀치(4)는, 단지 상기 통로를 상기 절단 챔버들(7 및 7') 사이의 연통 경로(communication path)로서 허용함으로써 상기 통로들 내에서 아크의 발생을 강제하는 방식으로 구성된다. 상기 몰딩된 인서트(31)와 상기 제1 하우징 부분과 몰딩된 인서트(31) 사이의 적어도 하나의 원환체 조인트(toric joint)(32)는 상기 절단 챔버들(7 및 7') 내에 자연적으로 존재하는 가스들이 전기 아크에 의해 다시 가열된다 할지라도 그 가스들을 상기 절단 챔버들 내에 감금하는 것을 가능하게 한다.

더욱이, 상기 몰딩된 인서트(31)가 상기 구별된 부분들(21 및 22)과 절단 챔버들(7 및 7') 각각을 완전히 둘러싸기 때문에, 여기에서, 상기 제1 하우징 부분의 경사진 부분 내에 장착되며 상기 몰딩된 인서트(31)에 의해 압축된 상기 원환체 조인트(32)를 가지고 밀봉 계면을 특히 설계하기가 쉽다. 단지 두 개의 부품들이 상기 원환체 조인트(32)와 접촉되며, 이는 간단한 장착과 설계를 제공한다.

예를 들어, 2.55mm의 직경을 가지며 0.7mm 압축되는 원환체 조인트(32)가 제공될 수 있다.

따라서, 상기 절단 챔버들(7 및 7') 내에서 가스 누설(및 가능한 전기 아크의 누설)은 적어도 2 MPa, 바람직하게는 3 MPa, 더욱 바람직하게는 5 MPa의 압력까지 방지된다.

더욱이, 상기 밀봉에 의해 결합된 몰딩된 인서트(31)는 표준 DIN40050, CEI 60529 또는 BS 5490 내에 규정된 대로 레벨 IP67을 가진 밀봉의 획득을 허용한다. 이는 상기 회로 차단기 내부로 그것의 기능을 변하게 할 수 있는 어떠한 물체의 침입도 피할 수 있게 한다. 이는 상기 회로 차단기가 차량 내의 많은 장소에 배치될 수 있도록 한다.

또한, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제2 하우징 부분과 상기 몰딩된 인서트(31) 사이에 제2 원환체 조인트를 제공하는 것도 가능하다.

따라서, 상기 장치의 밀봉은 두 개의 부품들 사이의 계면에서 항상 보장되며 만약 상기 장치가 몰딩된 인서트(31)를 갖추고 있지 않은 경우와 같이 세 개의 부품들의 계면에서는 결코 보장되지 않는다. 다시 말하면, 본 발명의 이 측면은 상기 인서트와 하우징 부분들 중 하나 사이에 오로지 보장된 밀봉을 가지기 위해 전기 도체 상에 몰딩된 인서트를 제안한다.

도 3은 상기 매트릭스(3)가 없이(명료성을 위해 도시되지 않음) 도 2의 III-III 축을 따른 상기 회로 차단기의 부분 단면도를 보여준다. 상기 전기 도체(2)의 부분(21)은 상기 절단 에지(8)에 의해 위쪽으로 이동되며 상기 펀치(4)의 절단 에지(8)의 V 형태로 인해 V 형태로 접힌다. 상기 전기 도체(2)의 부분(23)은 상기 펀치(4)의 홈의 바닥에 남아 있으며 도 3은 상기 절단 에지(8)를 상기 펀치(4)의 홈의 바닥에 연결하는 상기 통로(6)를 보여준다.

상기 회로 차단기가 제공되는 회로(500A보다 작은 전류를 위해 2,500μH(마이크로-헨리)까지의 그리고 5,000A의 전류를 위해 150μH까지의 범위의 유도 전하에 관해 0V에서 600V까지의 범위의 전압과 0A에서 5,000A까지의 범위의 전류를 가진)의 전기적 특성 때문에, 상기 펀치(4)가 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하여 상기 전기 도체(2)를 절단할 때 전기 아크가 형성될 것이다. 상기 펀치(4)가 제2 위치에 있을 때, 이 전기 아크는 아래에서 주어지는 이유로 자연적으로 상기 통로(6)를 통해 이동한다.

처음으로, 상기 펀치(4)와 매트릭스(3)는 단단하게 조인 상태이며 단지 상기 통로(6)만 상기 절단 챔버(7)와 상기 펀치(4)의 홈의 바닥 사이의 자유로운 통로이다. 마지막으로, 상기 통로(6)는 상기 전기 도체(6)의 부분(21)과 상기 전기 도체(2)의 부분(23) 사이의 가장 짧은 경로에 배치된다. 실제로, 상기 통로(6)는 그 윗부분이 상기 전기 도체(2)의 V 형태의 부분(21)의 아랫부분의 높이에 위치한다. 세 개의 구별된 부분들로 절단되기 때문에, 두 개의 전기 아크들이 연속하여 생성되며, 이는 아크의 전체 전압을 상승시키고 이에 따라 상기 회로 차단기의 단자들(terminals) 상의 전압을 상승시키며, 이는 전기 회로 내의 전류 값이 취소되도록 한다.

상기 통로(6)로 인해 전기 아크는 국지적으로 되고 상기 통로(6)를 통과할 것이다. 본 발명은 전기 아크가 형성되었을 때 전기 아크의 전압을 추가적으로 상승시키는 것을 제안한다. 이를 위해, 삭마(削磨)(ablation)에 의해 소모되도록 고안된 재료가 상기 통로(6)의 근처에 제공되며, 이는 그곳에 전기 아크가 존재하게 될 것이기 때문이다. 삭마에 의해 소모되도록(또는 침식되도록) 의도된 이 재료는 전기 아크에 부과된 강한 열의 흐름에 의해 승화(sublimate) 및/또는 증발될 것이며, 이는 전기 아크의 플라즈마의 조성을 변화시키고 따라서 그것의 전도성을 변화시킨다. 플라스틱들 중에서 삭마에 의해 소모될 재료를 선택함으로써, 아크의 단자들 상의 전압은 상승하며, 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene)(또는 폴리포름알데히드)으로 불리는 POM을 사용하면, 이 재료는 산소 원자들에 비해 낮은 비율의 탄소 원자들을 가지기 때문에 양호한 결과가 얻어진다.

마지막으로, 상기 통로(6)의 크기는 삭마에 의해 소모될 재료의 양에 영향을 미칠 수 있으며 상기 통로(6)를 형성하는 홈의 크기를 작게 할수록 침식은 더 많아진다는 것이 주목될 수 있다. 0.1에서 1mm까지의 범위의 폭과 0.1에서 1mm까지의 범위의 깊이를 가진 홈으로 양호한 결과들이 얻어진다.

본 기술분야의 기술자에게 자명한 다양한 변형들 및/또는 개선들이 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 본 상세한 설명 내에 기재된 본 발명의 다른 실시예들에 추가될 수 있다는 것이 이해된다.

Claims (15)

1. 회로 차단기로서:
   - 전기 회로에 연결되도록 설계된 적어도 하나의 전기 도체(2),
   - 하우징(1),
   - 매트릭스(matrix)(3),
   - 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하기 위해 상기 하우징(1)에 대해 이동 가능하도록 설계된 펀치(punch)(4),
   - 점화되었을 때 상기 펀치(4)가 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하게 하도록 설계된 불꽃 액추에이터(pyrotechnical actuator)를 포함하고,
   - 상기 펀치(4)와 매트릭스(3)는, 상기 펀치(4)가 상기 제1 위치로부터 제2 위치로 이동할 때, - 상기 적어도 하나의 전기 도체(2)를 적어도 두 개의 구별된 부분들(21, 22)로 절단하도록, 그리고 - 상기 회로 차단기가 전기가 통하는 전기 회로에 연결되었을 때 상기 적어도 두 개의 구별된 부분들(21, 22) 사이의 적어도 하나의 전기 아크의 수립이 상기 펀치(4)와 매트릭스(3) 사이에서 유발되도록 설계된 펀치-매트릭스 유닛을 형성하도록 구성되며,
   - 상기 펀치-매트릭스 유닛은, 상기 펀치(4)가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 적어도 두 개의 구별된 부분들(21, 22) 사이에 적어도 하나의 통로(passage)(6)를 허용하도록 설계되며, 상기 적어도 하나의 통로는 상기 구별된 부분들(21, 22) 사이의 상기 적어도 하나의 전기 아크를 안내하도록 설계되고,
   - 상기 펀치-매트릭스 유닛은 상기 적어도 하나의 전기 아크의 전압을 상승시키는데 적합한 가스를 발생시키기 위해 상기 적어도 하나의 전기 아크에 의한 삭마(削磨)(ablation)에 의해 소모되도록 고안된 적어도 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 통로는 삭마에 의해 소모될 수 있는 상기 재료에 의해 적어도 부분적으로 한정되는, 회로 차단기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 통로(6)는 상기 펀치 및/또는 매트릭스 내에 형성된 홈인 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 한 항에 있어서,
   상기 펀치(4)가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 펀치(4)와 매트릭스(3)는 상기 적어도 하나의 통로(6)를 제외하고 단단한 맞춤(tight adjustment)으로 배치되는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
5. 제 4항에 있어서,
   - 상기 적어도 두 개의 구별된 부분들(21, 22) 각각은 상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때 서로 분리된 절단 단부를 가지며,
   - 상기 적어도 하나의 통로는 상기 절단 단부들 사이의 가장 짧은 경로를 거치도록 설계된 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 한 항에 있어서,
   상기 매트릭스(3)는, 상기 펀치(4)가 상기 제2 위치에 있을 때 상기 적어도 하나의 통로(6)를 제외하고 상기 펀치(4)와 표면 접촉을 보장하는 방식으로 탄성적으로 변형 가능하도록 설계된 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 한 항에 있어서,
   상기 제2 위치의 상기 펀치(4)와 상기 하우징(1)은 적어도 하나의 절단 챔버(7)를 형성하고, 상기 적어도 하나의 절단 챔버는 상기 회로 차단기의 외부로의 통기공(vent hole)(9)을 포함하며, 상기 통기공은 상기 적어도 하나의 절단 챔버(7)와 상기 회로 차단기의 외부 사이의 예정된 압력 차이를 넘어서 파괴되도록 설계된 뚜껑(lid)을 가지는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 한 항에 있어서,
   상기 펀치(4)는 상기 적어도 하나의 전기 도체(2)를 세 개의 구별된 부분들(21, 22, 23)로 절단하는 방식으로 두 개의 절단 에지들(cutting edges)(8, 8')을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 매트릭스(3)는 상기 펀치가 상기 제2 위치에 있을 때 두 개의 절단 챔버들(7, 7')을 정의하는 방식으로 상기 두 개의 절단 에지들(8, 8') 사이에 설계된 카운터폼(counterform)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 펀치(4)는 예정된 병진운동의 축을 따라 이동되도록 설계되고, 상기 매트릭스(3)는 상기 펀치(4)의 병진운동의 축에 대해 대칭적인 방식으로 설계된 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 한 항에 있어서,
    상기 펀치(4)는 상기 제1 위치로부터 제2 위치로의 경로 중에 상기 적어도 하나의 전기 회로(2)를 점진적으로 절단하기 위해 적어도 하나의 경사진 절단 에지를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
12. 제 1항 내지 제 11항 중 한 항에 있어서,
    삭마에 의해 소모되도록 고안된 상기 재료는 폴리옥시메틸렌(POM)인 것을 특징으로 하는 회로 차단기.
13. 제 1항 내지 제 12항 중 한 항에 따른 적어도 하나의 회로 차단기를 포함하는 전류 분배 장치.
14. 제 1항 내지 제 12항 중 한 항에 따른 적어도 하나의 회로 차단기를 포함하는 자동차.
15. 전기한 항에 있어서,
    전기 에너지를 저장하는 수단과 상기 적어도 하나의 회로 차단기에 의해 상기 전기 에너지를 저장하는 수단에 연결된 전기 추진 장치를 포함하는 자동차.

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