WO1997041581A1 - Pyrotechnisches sicherungselement für stromkreise - Google Patents

Pyrotechnisches sicherungselement für stromkreise Download PDF

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WO1997041581A1
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separating
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section
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Heinz Kern
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Dynamit Nobel Gmbh Explosivstoff- Und Systemtechnik
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/006—Opening by severing a conductor

Definitions

  • the invention relates to a pyrotechnic fuse element for circuits with at least one current conductor and a pyrotechnically operable separating device with at least one separating element for cutting through the at least one current conductor, the separating element being caused by the ignition of a pyrotechnic charge on a separating section of the current conductor can be moved to and through it and the current conductor is formed in one piece in the region of its separating section, as is known from DE 42 11 079 A1.
  • Pyrotechnically operating fuse elements for circuits are known, for example, from DE 42 11 079 AI and DE 44 22 177 AI.
  • a pyrotechnically operated separating device with a separating element cuts through a current conductor.
  • the fuse element according to DE 42 11 079 A1 the current conductor which is formed in one piece in the region of a separating section, on which the separating device acts, and with the same cross-section as in the rest of the region, severed by destruction.
  • a separating or punching element / tool is used for this.
  • a connecting part which is electrically conductively and non-positively and positively connected to two overlapping current conductor sections, is out of contact with at least one of the two current conductor sections due to the pyrotechnically operable separating device ⁇ brings.
  • the pyrotechnic charge or the like by means of an ignition pulse. ignited, which is generated when or the like by means of a detector. Measuring device a current is measured in the circuit to be secured, which is above a maximum value.
  • the known pyrotechnic fuse elements can be used to protect circuits against overcurrents, ie, protect them against currents which are above the nominal or continuous current.
  • the invention proposes a pyrotechnic fuse element for circuits, which is provided with at least one current conductor and a pyrotechnically operable separation device with at least one separation element, for severing the at least one current conductor, the separation element as a result of the ignition of a pyrotech African charge can be moved towards and through a separating section of the current conductor and the current conductor is formed in one piece in the area of its separating section, the current conductor having a cross-sectional area in the area of its separating section which is smaller than in the area outside the isolating section of the conductor.
  • the at least one current conductor is made smaller in cross section in the region of its separating section than outside this separating section.
  • the reduction in cross-section in the separating section is designed such that the voltage drop is negligibly small and the reduction in cross-section has practically no electrical effect.
  • the at least one current conductor can be cut with comparatively low forces, which is advantageous for the Size of the pyrotechnic fuse element according to the invention and the dimensioning of the pyrotechnic charge affects.
  • the fuse element according to the invention is triggered when it is detected by means of a current detector that a current above a threshold value is flowing in the circuit to be protected.
  • the separating section is designed as a recess made in the outer surface of the current conductor, in particular in the form of a groove.
  • This depression is expediently arranged in the side section of the outer surface of the current conductor facing the separating element.
  • the mutually opposite flanks of the depression serve as a guide for the separating element when it moves towards the separating section and through the current conductor.
  • the at least one separating element is already immersed in the recess in its starting position, from which it can be moved as a result of the ignition of the pyrotechnic charge to cut through the current conductor.
  • the cross-sectional area of the current conductor in the separating section is preferably approximately 50% or less than 50% and in particular less than 30% of the cross-sectional area of the current conductor outside the separating section.
  • the cross-sectional area of the current conductor in the separating section is most preferably 5% to 15% and in particular 10% of the cross-sectional area of the current conductor outside the separating section.
  • the at least one current conductor is made in one piece, thereby avoiding electrical contact zones which can change with regard to their contact resistance as a result of temperature, manufacturing tolerances, moisture or corrosion.
  • the manufacturing costs are significantly reduced compared to the known pyrotechnic security elements.
  • the moving mass can be reduced, which means lower material thicknesses and the use of inexpensive plastic materials.
  • the size of the pyrotechnic fuse element is relatively small.
  • the pyrotechnic security element has only a few individual parts.
  • the pyrotechnic charge need only be designed to be low.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a pyrotechnic securing element with the separating element in the starting position
  • Figs. 1 to 4 is an embodiment of the pyrotechnic fuse element 10 according to the invention in various cross-sectional views, on the one hand in the initial state with the current conductor not yet cut (FIGS. 1 and 2) and on the other hand in the state in which the current conductor is cut.
  • the pyro-technical securing element 10 is shown in the figures; for reasons of better clarity, the electronic circuitry for generating the ignition pulse for the pyrotechnic charge is missing.
  • the securing element 10 has a housing 12 made of, in particular, electrically non-conductive material, in which a cavity 14 is formed.
  • the electrical current conductor 16 which is led out of the housing 12 on both sides, extends through the cavity 14.
  • the circuit to be protected can be connected to the ends of the current conductor 16 that are led out.
  • a separating device 18 which can be operated by means of a pyro technology and which has a plastic piston 20.
  • the plastic piston 20 carries on its end facing the current conductor 16 a separating element 22 in the form of a plastic sword, which is preferably connected in one piece to the plastic piston 20.
  • the front end of the separating element 22 is immersed in a recess 28 in the current conductor 16.
  • This depression 28 which in the case of the exemplary embodiment is a groove which is rectangular in cross section and extends over the entire width of the current conductor 16, represents the separating section 30 of the current conductor 16, in the region of which the current conductor 16 can be severed by means of the separating device 18.
  • the depression 28 is introduced into that part 32 of the outer surface of the current conductor 16 which faces the separating device 18.
  • the separating element 22 is advanced through the separating section 30 of the current conductor 16 into the receiving space 34 when the securing element 10 is triggered.
  • this receiving space 34 also serves to receive that part 36 of the current conductor 16 within its separating section 30, which is separated by the separating element 22. In a way, the separating element 22 thus stamps out the part 36 from the separating section 30 of the current conductor 16.
  • the pyrotechnic fuse element 10 has been explained above using an example in which the current conductor 16 has a separating section 30 of reduced cross section.
  • the current conductor 16 could also have several, e.g. be provided with two separating sections, the separating element 22 then separating the middle part of the current conductor 16 between the two separating sections.

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Abstract

Das pyrotechnische Sicherungselement (10) für Stromkreise ist mit mindestens einem Stromleiter (16) versehen. Ferner weist das pyrotechnische Sicherungselement (10) eine pyrotechnisch betreibbare Trennvorrichtung (18) mit mindestens einem Trennelement (22) zum Durchtrennen des mindestens einen Stromleiters (16) auf, wobei das Trennelement (22) infolge der Zündung einer pyrotechnischen Ladung (24) auf einen Trennabschnitt (30) des Stromleiters (16) zu und durch diesen hindurch bewegbar ist und wobei der Stromleiter (16) im Bereich seines Trennabschnitts (30) einteilig ausgebildet ist. Der Stromleiter (16) weist im Bereich seines Trennabschnitts (30) eine Querschnittsfläche auf, die kleiner ist als im Bereich außerhalb des Trennabschnitts (30) des Stromleiters (16).

Description

Pyrotechnisches Sicheruncrselβment für Stromkreise
Die Erfindung betrifft ein pyrotechnisches Sicherungs¬ element für Stromkreise mit mindestens einem Strom¬ leiter und einer pyrotechnisch betreibbaren Trennvor¬ richtung mit mindestens einem Trennelement zum Durch- trennen des mindestens einen Stromleiters, wobei das Trennelement infolge der Zündung einer pyrotechnischen Ladung auf einen Trennabschnitt des Stromleiters zu und durch diesen hindurch bewegbar ist und wobei der Strom¬ leiter im Bereich seines Trennabschnitts einteilig aus- gebildet ist, wie aus DE 42 11 079 AI bekannt.
Pyrotechnisch arbeitende Sicherungselemente für Strom¬ kreise sind beispielsweise aus DE 42 11 079 AI und DE 44 22 177 AI bekannt. In beiden Fällen durchtrennt eine pyrotechnisch betreibbare Trennvorrichtung mit einem Trennelement einen Stromleiter. Im Falle des Siche¬ rungselements nach DE 42 11 079 AI wird der Stromlei¬ ter, der im Bereich eines Trennabschnitts, auf den die Trennvorrichtung einwirkt, einstückig und mit gleichem Querschnitt wie im übrigen Bereich ausgebildet ist, durch Zerstörung durchtrennt. Hierzu dient ein Trenn¬ bzw. Stanzelement/Werkzeug. Bei dem pyrotechnischen Sicherungselement nach DE 44 22 177 AI wird ein Verbin¬ dungsteil, das elektrisch leitend sowie kraft- und formschlüssig mit zwei sich überlappenden Stromleiter¬ abschnitten verbunden ist, infolge der pyrotechnisch betreibbaren Trennvorrichtung außer Kontakt mit min¬ destens einem der beiden Stromleiterabschnitte ge¬ bracht. Bei beiden bekannten Sicherungselementen wird die pyrotechnische Ladung mittels eines Zündimpulses o.dgl. gezündet, der erzeugt wird, wenn mittels eines Detektors o.dgl. Meßvorrichtung eine Stromstärke in dem zu sichernden Stromkreis gemessen wird, die oberhalb eines Maximalwertes liegt. Auf diese Weise können mit den bekannten pyrotechnischen Sicherungselementen Stromkreise gegen Überströme geschützt werden, d.h. gegen Ströme geschützt werden, die oberhalb des Nenn¬ bzw. Dauerstroms liegen.
Wie sich in der Praxis herausgestellt hat, können bei den bekannten Sicherungselementen nach DE 44 22 177 AI Langzeitprobleme durch Korrosion o.dgl". an den Kontakt¬ stellen zwischen dem Verbindungselement und den beiden sich überlappenden Stromleiterabschnitten entstehen. Diesbezüglich wäre eine einteilige Ausbildung des Stromleiters im Bereich seines Trennabschnitts vorteil¬ haft . Demgegenüber erfordert das Sicherungselement nach DE 42 11 079 AI recht hohe Kräfte zum Durchtrennen des Stromleiters, da dieser über seine gesamte Dicke durch- getrennt werden muß, was insbesondere bei Stromkreisen für hohe Ströme, wo Stromleiterschienen o.dgl. einge¬ setzt werden, großdimensionierte Sicherungselemente mit großen pyrotechnischen Ladungen erfordert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein pyrotech¬ nisches Sicherungselement für Stromkreise zu schaffen, das über lange Zeit problemlos funktioniert sowie seine elektrischen Eigenschaften beibehält und darüber hinaus möglichst kleindimensionierte pyrotechnische Ladungen erfordert .
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein pyrotechnisches Sicherungselement für Stromkreise vor- geschlagen, das versehen ist mit mindestens einem Stromleiter und einer pyrotechnisch betreibbaren Trennvorrichtung mit mindestens einem Trennelement, zum Durchtrennen des mindestens einen Stromleiters, wobei das Trennelement infolge der Zündung einer pyrotech¬ nischen Ladung auf einen Trennabschnitt des Strom¬ leiters zu und durch diesen hindurch bewegbar ist und wobei der Stromleiter im Bereich seines Trenn¬ abschnitts einteilig aufgebildet ist, - wobei der Stromleiter im Bereich seines Trennab¬ schnitts eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als im Bereich außerhalb des Trennab¬ schnitts des Stromleiters.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, den mindestens einen Stromleiter im Bereich seines Trennabschnitts im Querschnitt kleiner auszubilden als außerhalb dieses Trennabschnitts. Die Querschnittsverringerung im Trenn¬ abschnitt ist dabei derart ausgelegt, daß der Span- nungsabfall vernachlässigbar klein ist und sich inso¬ fern die Querschnittsverringerung elektrisch praktisch nicht auswirkt. Aufgrund seines verminderten Quer¬ schnitts im Bereich des Trennabschnitts läßt sich der mindestens eine Stromleiter mit vergleichsweise gerin- gen Kräften durchtrennen, was sich vorteilhaft auf die Baugröße des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Siche¬ rungselements und die Dimensionierung der pyrotechni¬ schen Ladung auswirkt. Wie bei den bekannten pyrotech¬ nischen Sicherungselementen erfolgt auch bei dem erfin- dungsgemäßen Sicherungselement die Auslösung dann, wenn mittels eines Stromdetektors erkannt wird, daß im abzu¬ sichernden Stromkreis ein oberhalb eines Schwellwerts liegender Strom fließt.
Grundsätzlich ist es von Vorteil, das Trennelement bzw. die Trennvorrichtung aus einem elektrisch isolierenden Material herzustellen. Infolge der lediglich geringen Kräfte zum Durchtrennen des Stromleiters in dessen Trennabschnitt ist es beispielsweise möglich, die Trennvorrichtung und insbesondere deren Trennelement in Kunststoff auszuführen, was auch im Hinblick auf die einfache Handhabbarkeit und die geringen Herstellungs¬ kosten von Vorteil ist.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Trennabschnitt als in die Außenfläche des Stromleiters eingebrachte Vertiefung insbesondere in Form einer Nute ausgeführt. Diese Vertiefung ist zweckmäßigerweise in dem dem Trennelement zugewandten Seitenabschnitt der Außenfläche des Stromleiters angeordnet. Auf diese Weise dienen die einander gegenüberliegenden Flanken der Vertiefung als Führung für das Trennelement bei dessen Bewegung auf den Trennabschnitt zu und durch den Stromleiter hindurch. Insofern ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine Trennelement in seiner Ausgangspo¬ sition, aus der heraus es infolge der Zündung der pyro¬ technischen Ladung zum Durchtrennen des Stromleiters bewegbar ist, bereits in die Vertiefung eingetaucht ist . Vorzugsweise beträgt die Querschnittsfläche des Strom¬ leiters im Trennabschnitt etwa 50 % bzw. weniger als 50 % und insbesondere weniger als 30 % der Quer¬ schnittsfläche des Stromleiters außerhalb des Trenn- abschnitts. Höchst vorzugsweise beträgt die Quer¬ schnittsfläche des Stromleiters im Trennabschnitt 5 % bis 15 % und insbesondere 10 % der Querschnittsfläche des Stromleiters außerhalb des Trennabschnitts.
Die Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Sicherungselements lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Der mindestens eine Stromleiter ist einteilig aus- geführt, wodurch elektrische Kontaktzonen, die infolge von Temperatur, Fertigungstoleranzen, Feuchtigkeit oder Korrosion sich bezüglich ihres Übergangswiderstandes verändern können, vermieden sind.
Die Herstellungskosten sind im Vergleich zu den bekannten pyrotechnischen Sicherungselementen wesentlich reduziert.
- Wegen der geringeren Trennkräfte kann die bewegte Masse reduziert werden, was geringere Material- stärken und die Verwendung kostengünstiger Kunst- Stoffmaterialien ermöglicht.
- Die Baugröße des pyrotechnischen Sicherungs- elements ist relativ gering.
Das pyrotechnische Sicherungselement weist ledig¬ lich wenige Einzelteile auf. Die pyrotechnische Ladung braucht lediglich gering ausgelegt zu sein.
Es entstehen weniger Verlustleistungen.
Es ist kaum Geräuschentwicklung zu verzeichnen.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausfuhrungsbei¬ spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zei- gen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch ein pyrotech¬ nisches Sicherungselement bei sich in der Aus¬ gangsposition befindlichem Trennelement,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht des pyrotechnischen Siche- rungselements bei durchtrenntem Stromleiter und
Fig. 4 eine Ansicht gemäß der Linie IV-IV der Fig. 3.
In den Fign. 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Sicherungselements 10 in verschiedenen Querschnittsansichten einerseits im Ausgangszustand bei noch nicht durchtrenntem Stromlei¬ ter (Fign. 1 und 2) und andererseits im Zustand darge¬ stellt, in dem der Stromleiter durchtrennt ist. In den Figuren ist der Einfachheit halber lediglich das pyro¬ technische Sicherungselement 10 dargestellt; aus Grün¬ den der besseren Übersichtlichkeit fehlt die elektro¬ nische Beschaltung zur Erzeugung des Zündimpulses für die pyrotechnische Ladung. Wie sich aus den Figuren ergibt, weist das Sicherungs¬ element 10 ein Gehäuse 12 aus insbesondere elektrisch nicht leitendem Material auf, in dem ein Hohlraum 14 ausgebildet ist. Durch den Hohlraum 14 hindurch er- streckt sich der elektrische Stromleiter 16, der beid¬ seitig aus dem Gehäuse 12 herausgeführt ist . An den herausgeführten Enden des Stromleiters 16 läßt sich der abzusichernde Stromkreis anschließen. In dem insbeson¬ dere zylindrischen Hohlraum 14 befindet sich eine pyro- technisch betreibbare Trennvorrichtung 18, die einen Kunststoffkolben 20 aufweist. Der Kunststoffkolben 20 trägt an seiner dem Stromleiter 16 zugewandten Stirn¬ seite ein Trennelement 22 in Form eines Kunststoff¬ schwertes, das vorzugsweise einstückig mit dem Kunst- stoffkolben 20 verbunden ist. Auf der dem Trennelement 22 abgewandten Stirnseite des Kunststoffkolbens 20 be¬ findet sich in dem Gehäuse 12 eine pyrotechnische Ladung 24 mit einem (nicht dargestellten) Zündelement, das über elektrische Zuführleitungen 26 elektrisch ge- zündet werden kann.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist das Trennelement 22 mit seinem vorderen Ende in eine Vertiefung 28 des Strom¬ leiters 16 eingetaucht. Diese Vertiefung 28, bei der es sich im Falle des Ausführungsbeispiels um eine im Quer¬ schnitt rechteckige Nut handelt, die sich über die ge¬ samte Breite des Stromleiters 16 erstreckt, stellt den Trennabschnitt 30 des Stromleiters 16 dar, in dessen Bereich der Stromleiter 16 mittels der Trennvorrichtung 18 durchgetrennt werden kann. Die Vertiefung 28 ist in den der Trennvorrichtung 18 zugewandten Teil 32 der Außenfläche des Stromleiters 16 eingebracht. Auf der der Trennvorrichtung 18 abgewandten Seite des Stromlei¬ ters 16 befindet sich in Verlängerung des Trennelements 22 im Gehäuse 12 ein Aufnahmeraum 34. Wie man anhand der Fign. 3 und 4 erkennen kann, ist das Trennelement 22 bei ausgelöstem Sicherungselement 10 durch den Trennabschnitt 30 des Stromleiters 16 hin¬ durch bis in den Aufnahmeraum 34 vorbewegt. Dieser Auf- nahmeraum 34 dient darüber hinaus aber auch zur Auf¬ nahme desjenigen Teils 36 des Stromleiters 16, inner¬ halb von dessen Trennabschnitt 30, der durch das Trenn¬ element 22 herausgetrennt ist. In gewisser Weise stanzt das Trennelement 22 also aus dem Trennabschnitt 30 des Stromleiters 16 den Teil 36 heraus.
Das pyrotechnische Sicherungselement 10 ist vortehend anhand eines Beispiels erläutert worden, bei dem der Stromleiter 16 einen Trennabschnitt 30 verringerten Querschnitts aufweist. Der Stromleiter 16 könnte aber auch mit mehreren, z.B. zwei Trennabschnitten versehen sein, wobei das Trennelement 22 dann den Mittelteil des Stromleiters 16 zwischen den beiden Trennabschnitten heraustrennen würde.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Pyrotechnisches Sicherungselement für Stromkreise, mit mindestens einem Stromleiter (16) und einer pyrotechnisch betreibbaren Trennvorrich¬ tung (18) mit mindestens einem Trennelement (22) zum Durchtrennen des mindestens einen Stromleiters (16) , wobei das Trennelement (22) infolge der Zündung einer pyrotechnischen Ladung (24) auf einen Trennabschnitt (30) des Stromleiters (16) zu und durch diesen hindurch bewegbar ist und wobei der Stromleiter (16) im Bereich seines Trennabschnitts (30) einteilig ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stromleiter (16) im Bereich seines Trennabschnitts (30) eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als im Bereich außer¬ halb des Trennabschnitts (30) des Stromleiters (16) .
2. Pyrotechnisches Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennabschnitt (30) des Stromleiters (16) eine in dessen Außen¬ fläche eingebrachte Vertiefung (28) aufweist.
3. Pyrotechnisches Sicherungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (28) in dem dem Trennelement (22) zugewandten Seitenab¬ schnitt (32) der Außenfläche ausgebildet ist.
4. Pyrotechnisches Sicherungselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Trennelement (22) in seiner Ausgangsposition, aus der es heraus infolge der Zündung der pyro¬ technischen Ladung (24) zum Durchtrennen des Stromleiters (16) bewegbar ist, in die Vertiefung (28) eingetaucht ist.
5. Pyrotechnisches Sicherungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Trennelement (22) aus einem elek¬ trisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoffmaterial besteht.
6. Pyrotechnisches Sicherungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Stromleiters (16) im Trenn¬ abschnitt (30) weniger als 50 % der Querschnitts¬ fläche des Stromleiters (16) außerhalb des Trenn¬ abschnitts (30) beträgt.
7. Pyrotechnisches Sicherungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Stromleiters (16) im Trennabschnitt (30) weni¬ ger als 30 % der Querschnittsfläche des Stromlei¬ ters (16) außerhalb des Trennabschnitts (30) be¬ trägt.
8. Pyrotechnisches Sicherungselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer¬ schnittsfläche des Stromleiters (16) im Trennab¬ schnitt (30) 5 % bis 15 %, insbesondere 10 % der Querschnittsfläche des Stromleiters (16) außerhalb des Trennabschnitts (30) beträgt.-
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