WO2019137579A1 - Elektrisches unterbrechungsschaltglied mit reaktivbeschichtung in der reaktionskammer - Google Patents

Elektrisches unterbrechungsschaltglied mit reaktivbeschichtung in der reaktionskammer Download PDF

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separation
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Definitions

  • the invention relates to an electrical interrupting switching element, in particular for interrupting high currents at high voltages, having the features of patent claim 1.
  • Such switching elements can be found, for example, in power plant and automotive engineering, as well as in general mechanical and electrical engineering in cabinets of machinery and equipment, and in the context of electromobility in electric and hybrid vehicles, but also in electrically powered helicopters and aircraft to the defined and rapid disconnection of electric power circuits in emergency use.
  • a switching element that its triggering and interruption function must be guaranteed even without maintenance after up to 20 years reliably.
  • a switching element must not pose any additional hazard potential due to hot gas, particles, throwing pieces or exiting plasma.
  • a possible application in motor vehicle technology is the defined irreversible disconnect the board wiring of the car battery or drive battery shortly after an accident or generally after another gregat example, by a defective Ag or a defective electric motor caused shorting in the on-board cabling to avoid sources of ignition by sparks and plasma, which occur when, for example, cable insulation has been scoured by metal panels penetrating during the accident or if loose cable ends are pressed against one another or pressed against sheet metal parts. If gasoline runs out in an accident at the same time, such ignition sources can ignite flammable gasoline-air mixtures that collect under the bonnet, for example.
  • Unterbre switching element is very suitable because it can be controlled or remotely controllable remplibil det.
  • it may also be designed in addition or instead so that it triggers passively, so can take over the function of a conventional fuse with the same.
  • Disconnecting high-voltage direct currents is much more difficult than disconnecting high-voltage alternating currents, and more difficultly, the higher the line inductance and the smaller the effective line resistance at the moment the circuit is disconnected.
  • Threshold current of the fuse can therefore only with regard to its current carrying capacity to a very small extent, eg 30%, be busy, as in case of overload, otherwise, for example, a cable fire may occur.
  • the present invention seeks to provide an interrupting switch, in particular for interrupting high currents at high voltages, in which the switching off of high currents at high voltages can be achieved quickly and effectively.
  • a switching element is to be created, which is largely harmless to safety and can be produced in a simple and cost-effective manner.
  • the interruption switching element comprises a housing which engages around a contact unit defining the current path through the interruption switching element.
  • the contact unit has a first and a second connection contact and a separation region.
  • the contact unit is designed so that it can be supplied via the first terminal contact a current and discharged from it via the second terminal contact, or vice versa.
  • the separation region is formed such that when disconnected, the current path between the first connection contact and the second connection contact is interrupted.
  • the separation region is arranged within a reaction chamber, or the reaction chamber is defined by the fact that therein the separation region of the interruption switching element is present.
  • In the reaction chamber is a coating with a reactive material, wherein the reactive material is designed so that it under arc influence attenuates or extinguishes the arc.
  • the presence of the coating with the reactive material has the advantage that an arc occurring between the two parts of the separation area that are separated is extinguished more quickly and effectively.
  • the contact unit comprises the first and the second connection contact as well as the separation region which, when the interruption switching element according to the invention is switched, disconnects the current path via the contact unit.
  • the separation area in any Form be configured, as for example in DE 10 2014 107 853 A1, DE 10 2014 110 825 A1, DE 20 2015 100 525 U1, DE 10 2015 112 141 A1, DE 10 2015 114 279 A1, DE 10 2015 114 894 A1 DE 10 2016 124 176 A1 and DE 10 2017 123 021 A1 are described.
  • the separation region may for example be formed out as a fixed switching web, which is formed for example as a simple rod or as a cylindrical or hohlpris matic tube, which is torn and thereby separated into at least two parts.
  • the separation area can also be designed so that a pin with two guide contacts is in communication, and is separated during movement of the bolt this of one or two of the guide contacts.
  • the separation area can also be a wire or a band.
  • the separation area is connected to the two connection contacts.
  • the separation region can be connected directly to the connection contacts or via further conductive elements.
  • interruption switching element is one in which the separation area is separated by bursting or breaking up, that is, the separation area is preferably configured in one piece before separation.
  • the separation area can be separated by active tripping solution, but also by passive triggering of the interruption switching element according to the invention.
  • the interruption switching element according to the invention is preferably a consumable object, which can be used only once for interrupting the current path.
  • the circuit breaker according to the invention is a one-time switch.
  • the passive triggering can, for example, by melting the material forming the separation area, for example, when reaching a certain threshold current, done.
  • devices can be attached to one or both parts of the separated separation area, which further remove these two ends from each other, for example.
  • an existing tensile load after separating the separation area can work.
  • a tensile load by a prestressed spring can be mentioned here.
  • Actively triggering the interruption switching element means any kind of mechanical or pyrotechnic energy which can separate the separation region.
  • the separation area can be separated by an acting tensile or compressive movement.
  • a pyrotechni cal material such as a lighter (EED) or a Minidetonator, ver used, which is either in the reaction chamber, or outside the reaction chamber is mounted so that it by pulling or pushing movement or a shock wave on can affect the separation area and causes its separation.
  • a chamber is understood within the housing of the inventions to the invention interruption switching element, in which the separation region is arranged to, and in which are the separated parts of the separation area after its separation. Since one of the separated parts of the separation region is connected to the first connection contact and another part to the second connection contact, an excessive arc can cause an arc to occur between these two parts of the separation region.
  • the reaction chamber is also defined as the chamber in which between the two parts of the separation area, which are connected to the two terminal contacts, a light arc can arise, i. the reaction chamber is an arc chamber. If a pyrotechnic material for the active separation of the separation area is additionally present in this chamber, then the reaction chamber can also be referred to as a combustion chamber.
  • the reaction chamber may be present as a separate chamber within the housing of the interruption switching element according to the invention. However, it may also be that the housing of the interruption switching element according to the invention itself defines the outer dimensions of the reaction chamber.
  • the reaction chamber is preferably a chamber closed on all sides or a space closed on all sides, in which no mass transfer can take place with the environment. As a result, upon evaporation of the reactive material, a pressure within the reaction chamber can be built up, which also contributes to the extinction of the arc.
  • the first and second terminal contacts are preferably contacts made of electrical good conductive material that allow connection to a current path outside the Ge housing of the interruption switching element according to the invention, ie they are preferably at least partially outside the interruption switching element.
  • the coating with the reactive material is present in the reaction chamber, wherein the reactive material is designed so that it under Lichtbogen gene damps or erases the arc, or reacts under arc influence such that it attenuates or extinguishes the arc.
  • the coating may be present wholly or partly on the inner surface of the reaction chamber.
  • the coating can also be applied to the surface of the separation area.
  • the entire inner surface of the reaction chamber is provided with the coating.
  • the reactive material may be designed such that it reacts under arc influence in such a way that it absorbs energy from the arc.
  • the reactive material is a material that undergoes an endothermic reaction under the influence of an arc. In this way, energy can be removed from the arc, causing it to attenuate or extinguish the arc.
  • the reactive material may be designed such that it is converted under arc influence to a non-conductive substance or non-conductive substances, i.
  • the reactive material reacts under arc influence to form a reaction product or reaction products which are non-conductive. In this way, these reaction products can not contribute to a strengthening of the arc, or dampen or extinguish the arc after their formation.
  • non-conductive substances or non-conductive reaction products are inven tion according understood those that have between the terminals after the separation nor an insulation resistance greater than 1 Mohm at a test voltage from 100VDC.
  • the reactive material is designed so that it is vaporized under the influence of an arc, wherein it - if present in the reaction chamber - can react appropriately with an extinguishing fluid.
  • the reactive material can also be designed so that it is decomposed under the influence of arcing to form reaction products, which can then undergo an exothermic reaction themselves.
  • the contact unit may be made of an electrically conductive material, preferably copper or aluminum or brass, with copper or aluminum being preferred.
  • electrically conductive material preferably copper or aluminum or brass, with copper or aluminum being preferred.
  • copper or aluminum being preferred.
  • the separation effect can be improved, in particular for small currents to be separated with high voltages by the use of aluminum, since here also an additional energy input by burning a more or less large aluminum mass is demonstrably achieved.
  • the aluminum particles are smaller or strigwin or evaporate. The energy produced by the co-incineration makes it more independent of the involvement of the arc-induced evaporation of an extinguishing agent possibly present in the reaction chamber, ie.
  • the separation area is anodizable, and thus an additional guarantee of high to very high insulation resistance after the release of the interruption switching element, even if a possibly existing extinguishing agent by the presence of Alumi niumpumblen becomes more conductive.
  • the reactive material can also be present in combination.
  • Particularly preferred as the reactive material thus one which is so staltet is that it undergoes a reaction under the influence of arcing to one or more non-conductive substances or reaction products, which are present in gaseous form in the chamber.
  • the coating with the reactive material can further brin gene that an undesirable by arcing evaporation of compo th the interruption switching member is prevented within the reaction chamber to electrically conductive materials, or the resulting gas with the resulting by evaporation or reaction of Reactive material gas is mixed.
  • the reactive material may be configured to prevent or hinder the entry of an arc into the surface of the reaction chamber by its mere presence or counterreaction.
  • the reactive Mate rial be configured or cause it divides a once arisen arc in several branches to the influence of the arc on the medium or the eventual filling of the reaction chamber with an extinguishing agent through which it flows in the effect to limit or reduce.
  • the reactive material is designed such that it converts the energy introduced by the arc into the volume of the reaction chamber into other forms of energy such as light, heat, heating, evaporation or decomposition.
  • the reactive material is preferably an inorganic or ceramic material or glass, more preferably an inorganic or ceramic material.
  • ceramic materials and glass are materials based on Si0 2 , silanes or polysiloxanes, preference being given to polysiloxanes. These materials may contain other nanomaterials that are in-emulsified therein.
  • inorganic materials are permanganates, such as potassium permanganate, perchlorates, such as zirconium potassium perchlorate, or metal oxides, such as MgO or MnO 2 . It is further preferred that the reactive material does not contain elements that are electrically conductive, or can be implemented by electric arc influence to electrically conductive elements.
  • the coating is preferably substantially free of carbonaceous materials, and more preferably substantially free of organic materials.
  • substantially free of carbonaceous materials or organic materials is meant that they may be present in the coating to a maximum level of 1%, and more preferably 0.1%, by weight. It is therefore preferred that the coating is preferably made of the reactive material.
  • the inventor of the present invention believes that when Si0 2 , silanes or polysiloxanes are used as the reactive material, it is decomposed into Si and oxygen by the influence of the arc.
  • the recombination of Si and oxygen to Si0 2 is an exothermic reaction that releases energy after the decomposition, which can be used to extinguish or dampen the arc, or simply to vaporize any extinguishing agent that may be present and thus positively support the release effect.
  • the decomposition of the Si0 2 arc energy cached, so that here the energy density of the Lichtbo gene and thus its harmful influence on the possibly existing extinguishing agent or the adjacent surfaces in the reaction chamber can be significantly reduced.
  • the reaction chamber may be filled with an extinguishing agent.
  • the extinguishing agent can be a solid, powdery or a liquid medium.
  • the Löschmit tel is a vaporizable medium.
  • the extinguishing agent is preferably a liquid medium which, when the boiling or vaporization temperature is reached, passes completely or partially into a gaseous state.
  • the Löschmit tel also has insulating properties, so that the arc can be deleted after sufficient Ent distance of the two separated parts of the separation area and then between the separate contacts sufficient insulation against a then undesirable current flow.
  • the extinguishing agent is preferably an oil, for example silicone oil, or a silane or polysiloxane, for example hexasilane or pentasilane, with as little carbon atom as possible.
  • the reactive material is designed such that it is partly adapted to the high temperatures of the light source. bogens (after the drying of the reactive material, for example, creates a hard silica on all coated with this material surfaces of the reaction chamber), and partially evaporated under the influence of arcing, partially reacts with the extinguishing agent and thus also damps the arc or extinguished.
  • all surfaces of the reaction chamber are coated with the reactive material. It is preferred, however, that the surface of the inner wall of the housing is recessed in the coating with the reactive material, since it is preferred that the arc is deflected towards this area. In other words, it is preferable that the outer surface of the separation region is coated with the reactive material, and optionally the surface of the sabot located within the reaction chamber.
  • the coating of the reaction chamber has the advantage that after separation of the separating element located in the reactivated onshunt, charged by the arc, originally very good electrically non-conductive extinguishing agent, even after the load or partial Zerle Supply by the arc in its basic elements, electrically non-conductive remains so after separation so between the terminals measurable Isolationswider was so high that no appreciable current flow can take place in the there after the separation still applied external voltage. Otherwise, the extinguishing agent would be heated and evaporated very quickly by the fault current flowing then, whereby the internal pressure in the assembly can rise so high that it is disassembled or torn.
  • the contact unit may have a sabot or be designed such that a part or surface acts as a sabot, which is designed so that it can be moved by an applied pressure from an initial position to an end position separated in the end position of the sabot, the separation area and an isolation distance between the first and the second terminal contact is reached.
  • the reactive material of the coating is designed so that it evaporates under the influence of arcing. This has the advantage that a gas pressure is generated in the reaction chamber, which can act on the sabot, which is thereby moved from the starting position to the end position.
  • the reaction chamber is filled with a Löschmit tel, which is a vaporizable medium.
  • the medium evaporates ver by heating the separation area or by the influence of the arc and thus the gas pressure can be increased.
  • the coating with the reactive material in the reaction chamber is preferential, by applying a liquid ceramic or a liquid glass, which is dried thereafter.
  • the application of the liquid ceramic can be prepared for example by spraying the liquid ceramic or by dip coating, in which the surface to be coated is immersed in the liquid ceramic, or simply by brushing.
  • a so-called liquid ceramic for example, a liquid mixture of siloxanes and nanomaterials be distinguished, as it is commercially available, for example, as "9H Auto Ceramic Coating".
  • the coating preferably has a thickness in the range from 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, more preferably in the range from 20 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the present invention also relates to the use of a reactive material for coating surfaces in a reaction chamber of a breaker switch, wherein the reactive material is designed so that it under arc influence attenuates or extinguishes the arc, or reacts under arc influence in that it dampens or extinguishes the arc.
  • the interruption switching element in the use according to the invention is preferably the interruption switching element according to the invention.
  • the use according to the invention can also be formulated as a process as follows: A process for producing a coating of surfaces in a reaction chamber of an interrupting switch, wherein a reactive material is applied to the surfaces, wherein the reactive material is designed so that it is exposed to light Influence of the arc dampens or extinguishes the arc.
  • the reactive material can be applied as a liquid material to the surfaces and subsequently be dried ifd.
  • a liquid ceramic or a liquid glass is preferably used as the liquid material.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an interruption switching element according to the invention before the separation of the separation area.
  • Fig. 2 shows a schematic view of the interruption switching element according to the invention according to Fig. 1 after the separation of the separation area.
  • Fig. 3 shows a schematic view of an interruption switching element according to the invention before the separation of the separation region, wherein the separation region has two possible predetermined breaking points.
  • Fig. 4 shows a schematic view of the interruption switching element according to the invention of FIG. 3 after the separation of the separation area with two separation points.
  • FIG. 5 shows an oscillogram of various measured currents and voltages in a circuit breaker without coating according to the invention, in which the separation of the separation region by means of a pyrotechnic Ma terials is done (time scale: 200 ps / scale portion).
  • FIG. 6 shows an oscillogram as in FIG. 5 with a time scale of 500
  • Fig. 7 shows an oscillogram of various measured currents and voltages in a circuit breaker according to the invention, in which the surfaces of the reaction chamber before separation were coated with a reactive material (time scale: 200 ps / scale portion).
  • Fig. 8 shows an oscillogram as in Fig. 7 with a time scale of 5 ms / division.
  • FIG. 9 is a schematic view of one of the measurements of FIG. 7 and FIG.
  • the oscillograms shown in FIG. 8 used breaker gates prior to separation of the separation area.
  • Fig. 10 shows a schematic view of an interrupting switching element, with a
  • Fig. 1 and Fig. 2 show schematic views of a device according to the invention Unterbre switching element 1 before and after the separation of the separation region 6.
  • the interrup tion switching element 1 has a housing 2, through which the contact unit 3 passes.
  • the contact unit 3 has on one side a first terminal contact 4 and on the other side a second terminal contact 5, which are electrically connected via the separation area 6 in the interrupting switching element 1 in Fig. 1 with each other.
  • the separation region 6 passes through a reaction chamber 7, which is enclosed by the housing 2.
  • the separation region 6 may have a predetermined breaking point 13, but may have two or more predetermined breaking points.
  • the reaction chamber 7 is preferably filled with an extinguishing agent 9. Furthermore, a drive 11 is provided in the reaction chamber 7, which communicates with a plunger 12 in United bond.
  • the drive 11 may for example be designed as a pyrotechnic drive staltet. If the drive 11 is actuated, the plunger 12 acts on the Trennbe rich 6 of the contact unit 3 with pressure. This leads to a separation of the Separation region 6 at the predetermined breaking point 13, whereby the first terminal contact 4 and the second terminal contact 5 are no longer in communication.
  • Fig. 1 shows the Un terbrechungsschaltglied 1 in the conductive position, whereas Fig.
  • a coating 8 is provided with the reactive material, which preferably extends completely over the inner wall of the reaction chamber 7.
  • a corresponding coating on all surfaces of the other components within the reaction chamber, such as the plunger 12 or the drive 12, may be present.
  • Fig. 3 and Fig. 4 also show schematic views of a breaker switch 1 according to the invention before and after the separation of the separation area 6.
  • the breaker switch 1 in Figs. 3 and 4 is basically similar in structure to the breaker switch 1 in Figs Fig. 2, with the difference that the separation region 6 has two predetermined breaking points 13 which are separated upon actuation of the drive 11 via the plunger 12.
  • Fig. 4 shows the interruption switching member 1 in the so-called separation position, in which the separation region 6 is divided into three parts 6 a, 6 b, 6 c. All mentioned preferred features of the interruption switching element of FIGS. 1 and 2 also apply to the interruption switching element of FIGS. 3 and 4.
  • the oscillograms shown in FIGS. 5 to 8 include the measurements
  • the oscillograms of FIGS. 7 and 8 show measurements with an interruption switching member 1 with a coating 8 of a reactive material in the Varskam mer 7, as shown in Fig. 9 and described below.
  • the oscillograms of FIGS. 5 and 6 show measurements with an interrupt switch as shown in FIG 9, with the only difference that here the inner wall of the reaction chamber 7 is not provided with a coating 8 of a reactive material.
  • the x-axis defines the time in all oscillograms shown.
  • the y-axis defines either the DC voltage or the DC current. The respective zero points are marked in the oscillograms.
  • a scale portion (from one stroke to the next) defines a time span of 200 ps.
  • FIG. 6 shows the same measurement as in FIG.
  • FIG. 5 shows the difference that a scale part defines a time span of 500 ps.
  • FIG. 8 shows the same measurement as in FIG. 7, with the difference that a scale part defines a time span of 5 ms.
  • a scale portion (from one bar to the next) in each of FIGS. 5 to 8 defines a current of 10 A.
  • a scale portion in all of FIGS. 5 to 8 defines a voltage of 500 V.
  • a scale portion in 2500 A With respect to the voltage across the terminals of the interruption switch (referred to as powerfuses in the figures), a scale portion in FIGS. 5, 6 and 8 defines a voltage of 500V , and in Fig. 7, a voltage of 200 V.
  • the measured voltage across the separate terminal contacts 4 and 5 in Figure 7 begins to fall after 500 psec after separation and then down to 0 V and the still flowing current discharges the residual energy remaining in the discharge capacitor, while that in Fig. 8 not the case, here this tension is maintained.
  • the illustrated in Fig. 9 embodiment of an interruption switching element 1 according to the invention comprises a housing 2, in which a contact unit 3 is arranged.
  • the housing 2 is formed so that it generates a pressure generated within the housing 2, which is generated for example in a pyrotechnic triggering of the interruption switching element 1, without the risk of damage or even a bursting exists.
  • the housing 2 may in particular consist of a geeigne th material, preferably steel.
  • the contact unit 3 is formed in the illustrated embodiment as a depressed by the sabot 10 in the compression region switching tube, so that it is formed in the separation 6 and the compression region 19 as a tube.
  • the contact unit 3 has in the illustrated embodiment, a first terminal contact 4 with a larger diameter and a second circuit to contact 5 with a smaller diameter.
  • a radially outwardly extending flange 15 connects, which is supported on an annular insulator member 22, which consists of an insulating material, for example, a plastic, such that the contact unit 3 is not in the axial direction the housing 2 can be moved out.
  • the Isolatorele element 22 has for this purpose an annular shoulder on which the flange 15 of the contact unit 3 is supported.
  • the insulator element 22 isolates the housing 2 from the contact unit 3.
  • the contact unit 3 has an upset region 19 adjoining the flange 15 in the axis of the contact unit 3.
  • the wall thickness of the contact unit is in the compression region 19, which has a predetermined axial expansion from, so selected and matched to the material that at a triggering of the interruption switching element 1 due to a plastic deformation of the contact unit 3 in the compression region 19 a shortening of the compression region in the axial Direction by a predetermined distance results.
  • a flange 14 on which a sabot 10 is seated in the illustrated embodiment.
  • the sabot 10 which in the illustrated embodiment consists of a Isoliermateri al, for example, a suitable plastic, surrounds the contact unit 3 such that between the outer periphery of the flange 14 and the inner wall of the housing 2, an insulating region of the sabot 10 engages. Acts on a pressure the surface of the sabot 10, a force is generated, which presses over the flange 14, the compression region 19 of the contact unit 3.
  • This force is selected so ge that during the triggering operation of the interrupting switching member 1, a compression of the swaged portion 19 results, the sabot 10 from its initial position (status before the release of the interrupting switch 1) in an end position (after completion of the switching operation) moves becomes.
  • the sabot 10 may be selected so that the outer diameter substantially ent speaks to the inner diameter of the housing 2, so that an axial guidance of the flange 14 and thus an axially guided te compression movement is achieved during the switching operation.
  • the noses lying close to the housing 2 of the Isola sector 22 and the sabot 10 fully overlap, so that the compressed after the triggering and compression process meandering compressed area 19 is fully enclosed by electrically insulating materials.
  • a separation region 6 connects.
  • the second connection contact 5 then connects.
  • a closure 24 closes the housing 2.
  • the sabot 10 is pushed in the assembly of the interruption switching member 1 from the side of the terminal 5 forth on the con tact unit 3.
  • the shutter 24 is configured as an annular member having an outer diameter substantially equal to the inner diameter of the housing 2.
  • a drive 11 preferably a pyrotechnic drive is provided, often called here also as Minidetonator or ignition plug.
  • the electrical connection lines 20 of the drive 11 can be led to the outside.
  • the separation region 6 is dimensioned such that it is generated by the generated gas pressure or the generated shock wave of the drive 11 at least partially ruptures, so that the pressure or the shock wave can also propagate from the combustion chamber 17 in the space configured as a surrounding annular reaction chamber 7.
  • To facilitate the tear on the wall of the contact unit 3 in the separation region 6 also have one or more openings or holes and / or grooves.
  • the drive 11 for igniting the pyrotechnic material may consist of a simple, quickly heatable filament.
  • the activation of the drive 11 can be done by a corresponding electrical control.
  • the drive 11 may also be formed in any other way that causes activation of the pyrotechnic material, also in the form of a conventional lighter (EED), a primer, a squib or a mini detonators.
  • a pressure or a shock wave is thus generated on the side of the sabot 10 facing away from the swage region 19, whereby the sabot 10 is subjected to a corresponding axial force.
  • This force is selected by a suitable dimensioning of the pyrotechnic material so that the contact unit 3 is plastically deformed, torn or pressed in the compression region 19 and then the sabot 10 is moved in the direction of the first terminal contact 4.
  • the pyrotechnic Mate rial is dimensioned so that after breaking or pressing the separation region 6, the movement of the sabot 10, the two halves suffi accordingly far away from each other, in cooperation with the evaporation of the extinguishing agent 9 then even to an end position.
  • the Trennbe is rich 6 at least partially ripped or pressed. If the tearing or pressing in does not take place even before the start of the axial movement of the sabot 10 over the complete circumference of the separating region 6, then a remaining remainder of the separating region 6, which still causes an electrical contact, is completely torn open by the axial movement of the sabot 10, amplified by the then occurring very rapid heating of the here then only small residual cross section of the conductor through the current flowing here.
  • the gas pressure generated by the burnup or the generated shock wave can be well controlled by introducing readily gasifiable liquids or solids (extinguishing agent 9) into the space in which the pyrotechnic material is contained or in which the generated hot gases enter.
  • the gas pressure considerably, even an admixture of chemicals that react with heating, makes sense, eg the addition of red phosphorus, but especially of certain igniters and igniters such as zirconium potassium perchlorate (ZPP), but also polysiloxanes such as hexasilane or pentasilane.
  • ZPP zirconium potassium perchlorate
  • An increase in gas pressure caused in this way can be even more extreme if, for example, the water introduced into the combustion chamber 17 is brought to bumping, in particular because the strongly heated water experiences a pressure drop when the separating region 6 breaks open.
  • Fig. 9 is located in the combustion chamber 17 and in the reaction chamber 7, an extinguishing agent 9, which favors the shock wave propagation during the detonation or deflagration of the pyrotechnic material, so that less activatable material must be used in this way and the Walls of the separation region 6 can be kept sufficiently thick, so that the Baugrup pe can be used even at high operating currents.
  • the extinguishing agent serves to damp or extinguish an arc between the separated ends of the separation region 6.
  • a coating with a reactive Materi al provided, preferably a layer of Si0 2 , which covers the entire inner wall of the reaction chamber 7 and preferably has a layer thickness of 30 pm has.
  • a channel is provided which extends below the sabot 10, in particular in the flange 14, preferably centrally in the axial direction and connects the combustion chamber 17 with a compression chamber 18 below the compression region 19.
  • the contact unit 3 is further formed in the illustrated embodiment as a continuous switching tube.
  • both the combustion chamber 17, the Nal, the reaction chamber 7 and the stuffer box 18 may be filled with the extinguishing agent 9.
  • the channel ensures that when the interruption switching member 1 and the associated movement of the sabot 10 from the starting position to the end position, the increasing volume in the combustion chamber 17 and the reaction chamber 7 is also refilled with extinguishing agent 9.
  • the central channel may be narrows senartig before the combustion chamber 17 or before the separation area 6, for a sufficiently good extinguishing agent 9 from the Stauchbe rich 19 to pass into the combustion chamber 17, on the other hand attenuate the generated by the Minideton shock wave direction compression area 19 so that the compression area after the ignition of the Minidetonators is not too much pre-damaged.
  • sealing elements 23 for sealing the various chambers 7, 17 and 18 with respect to the outlet of extinguishing agent 9 and for sealing the various components with each other are provided in the interruption switching member 1.
  • the interruption switching element 1 according to FIG. 9 is basically constructed in the same way as the interruption switching element of DE 10 2016 124 176 A1 shown in FIG.
  • the interrupt switch 1 of FIG. 10 is identical to the interrupt switch of FIG. 9 except for the following changes:
  • the contact unit 3 itself has the sabot 10 or the function of a sabot 10. This has the advantage of saving material and simpler design of the interruption switching member 1.
  • the insulating layer 21 creates an insulation between the contact unit 3 and the housing second Also satisfies now the contact unit 3 at the same time now also the function of the United circuit, so that there is no further component of the assembly, additionally here in the manufacture of the contact unit 3 either less machined or less reshaped, which further reduces the manufacturing cost.
  • the circuit breaker used for the measurements of the oscillograms of Figs. 5-8 has the dimensions shown in Fig. 9, wherein the length of the housing is 52 mm and the diameter of the housing is 30 mm.
  • the housing is made of steel.
  • the drive is a Minidetonator with 30 mg silver azide and 40 mg Hexogen.
  • the extinguishing agent is a mixture of silicone oil and fumed silica (HDK) (40 cm3 oil to 2 g HDK).
  • the reactive material of the coating in the reaction chamber are polysiloxanes and the layer thickness is about 30 ⁇ m.
  • the contact unit is cylindrically shaped and made of copper.
  • the separation area has an inner diameter of 6 mm and an outer diameter of 7.2 mm.
  • the complete length of the contact unit including the connection contacts is 85 mm.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, mit einem Gehäuse, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit umgreift, die einen ersten und zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich aufweist, wobei die Kontakteinheit so ausgebildet ist, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt, wobei der Trennbereich so ausgebildet ist, dass, wenn er getrennt wird, der Strompfad zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt unterbrochen ist, wobei der Trennbereich innerhalb einer Reaktionskammer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionskammer eine Beschichtung mit einem reaktiven Material vorliegt, wobei das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss den Lichtbogen dämpft oder löscht.

Description

Elektrisches Unterbrechungsschaltglied mit Reaktivbeschichtung in der
Reaktionskammer
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Derartige Schaltglieder finden beispielsweise in der Kraftwerks- und KFZ-Technik, wie auch im allgemeinen Maschinen- und Elektrobau in Schaltschränken von Maschinen und Anlagen, sowie im Rahmen der Elektromobilität in Elektro- und Hybridfahrzeugen, aber auch in elektrisch betriebenen Hubschraubern und Flugzeugen zum definierten und schnellen Trennen von elektrischen Starkstromkreisen im Notfall Verwendung. Dabei besteht die Anforderung an ein derartiges Schaltglied, dass dessen Auslösung und Unterbrechungsfunktion selbst ohne Wartung noch nach bis zu 20 Jahren zuver lässig gewährleistet sein muss. Des Weiteren darf von einem solchen Schaltglied kein zusätzliches Gefahren potential durch Heißgas, Partikel, Wurfstücke oder austretendes Plasma ausgehen.
Ein mögliches Einsatzgebiet in der KFZ-Technik ist das definierte irreversible Trennen der Bordverkabelung von der Autobatterie oder Antriebsbatterie kurz nach einem Unfall oder allgemein nach einem auch anderweitig, beispielsweise durch ein defektes Ag gregat oder einen defekten E-Motor, verursachten Kurzschlussvorgang in der Bordver kabelung, um Zündquellen durch Funken und Plasma zu vermeiden, die entstehen, wenn beispielsweise Kabelisolationen durch während des Unfalls eindringendes Ka rosserieblech aufgescheuert wurden oder lose Kabelenden gegeneinander oder gegen Blechteile drücken und aufscheuern. Läuft bei einem Unfall gleichzeitig Benzin aus, so können solche Zündquellen zündfähige Benzin-Luft-Gemische entzünden, die sich beispielsweise unter der Motorhaube sammeln.
Weitere Einsatzgebiete sind die elektrische Abtrennung einer Baugruppe vom Bordnetz für den Fall eines Kurzschlusses in der betreffenden Baugruppe, beispielsweise in einer elektrischen Standheizung oder in einer elektrischen Bremse, sowie die Notab- Schaltung einer Lithiumbatterie, wie sie heute in Elektro- und Hybridfahrzeugen, sowie in Flugzeugen zur Anwendung kommen. Diese Batterien haben bei kleinem Bauvolu men eine hohe Klemmenspannung von bis zu 1200V bei extrem kleinem Innenwider stand. Aus beiden resultiert ein möglicher Kurzschlussstrom von bis zu 5000A, teilwei se und kurzzeitig sogar bis zu 30kA, ohne dass hierbei die Quellspannung stark ein brechen würde, was schon nach wenigen Sekunden zur Entzündung der Batterie bzw. zu deren Explosion führen kann. Auch zur Notabschaltung von einzelnen Solarzellen modulen oder ganzen Solarzellenfeldern im Notfall ist das hier vorgestellte Unterbre chungsschaltglied sehr gut geeignet, weil es ansteuerbar bzw. fernsteuerbar ausgebil det sein kann. Darüber hinaus kann es auch zusätzlich oder stattdessen so ausgebildet sein, dass es passiv auslöst, also die Funktion einer herkömmlichen Schmelzsicherung gleich mit übernehmen kann.
Bei allen hier aufgeführten Einsatzfällen handelt es sich in der Regel um das Abschal ten von Gleichstrom, der anders als Wechselstrom keinen Nulldurchgang aufweist. Das bedeutet, dass ein Lichtbogen, einmal im oder am Schalter entstanden, nicht von allei ne erlischt, sondern stabil stehen bleibt und hierbei durch seine extrem hohe Tempera tur von mehreren 1000°C alle Materialien in seinem Wirkungsbereich verdampft und neben seiner extremen thermischen Wirkung und emittierten Strahlungsenergie dabei auch noch hochgiftige gasförmige Stoffe erzeugt. Weiterhin entstehen durch die hohe Temperatur des Lichtbogens aus den damit umgebenden Materialien der Schaltglieder oft leitende Stoffe, die den Lichtbogen unterstützen und seine Unterdrückung erschwe ren.
Hochgespannte Gleichströme zu trennen ist ungleich schwieriger als das Trennen bzw. Abschalten hochgespannter Wechselströme, und auch schwieriger, umso höher die Leitungsinduktivität und umso kleiner der effektive Leitungswiderstand im Augenblick des Trennvorgangs des Stromkreises ist.
Derzeit bekannte Hochstrom-Schmelzsicherungen weisen den Nachteil einer innerhalb einer großen Bandbreite schwankenden Abschaltzeit nach dem Erreichen der
Schwellstromstärke der Sicherung auf. Ein damit abgesichertes Kabel kann daher hinsichtlich seiner Stromführungskapazität nur zu einem sehr geringen Teil, z.B. 30%, ausgelastet werden, da im Überlastfall anderenfalls beispielsweise ein Kabelbrand auftreten kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen, zu schaffen, bei dem das Abschalten von hohen Strömen bei hohen Spannungen schnell und effektiv erreicht werden kann. Darüber hinaus soll ein Schaltglied geschaffen werden, das sicherheitstechnisch weitgehend unbedenklich und auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist. Weiterhin ist es wünschenswert, die negativen Effekte des Lichtbogens auf das Material, das das Unterbrechungs schaltglied bildet, zu minimieren.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied weist ein Gehäuse auf, das eine den Strompfad durch das Unterbrechungsschaltglied definierende Kontakteinheit um greift. Die Kontakteinheit weist einen ersten und zweiten Anschlusskontakt und einen Trennbereich auf. Die Kontakteinheit ist dabei so ausgebildet, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt ein Strom zuführbar und von ihr über den zweiten Anschlusskontakt abführbar ist, oder umgekehrt. Der Trennbereich ist so ausgebildet, dass, wenn er getrennt wird, der Strompfad zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem zweiten Anschlusskontakt unterbrochen ist. Der Trennbereich ist innerhalb einer Reaktions kammer angeordnet, bzw. die Reaktionskammer wird dadurch definiert, dass darin der Trennbereich des Unterbrechungsschaltglieds vorliegt. In der Reaktionskammer liegt eine Beschichtung mit einem reaktiven Material vor, wobei das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss den Lichtbogen dämpft oder löscht.
Die Anwesenheit der Beschichtung mit dem reaktiven Material hat den Vorteil, dass ein zwischen den beiden aufgetrennten Teilen des Trennbereichs entstehender Lichtbogen schneller und effektiver gelöscht wird.
Die Kontakteinheit umfasst den ersten und den zweiten Anschlusskontakt sowie den Trennbereich, der bei Schalten des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds den Strompfad über die Kontakteinheit trennt. Dabei kann der Trennbereich in jeglicher Form ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in den DE 10 2014 107 853 A1 , DE 10 2014 110 825 A1 , DE 20 2015 100 525 U1 , DE 10 2015 112 141 A1 , DE 10 2015 114 279 A1 , DE 10 2015 114 894 A1 , DE 10 2016 124 176 A1 und DE 10 2017 123 021 A1 beschrieben ist. So kann der Trennbereich beispielsweise als fester Schaltsteg ausge bildet sein, der beispielsweise als einfacher Stab oder als zylindrisches oder hohlpris matisches Rohr ausgebildet ist, der/das zerrissen und dadurch in mindestens zwei Teile getrennt wird. Der Stab oder das Rohr kann aber auch lediglich verschoben wer den, so dass eine Trennung der beiden Anschlusskontakte resultiert. Alternativ dazu kann der Trennbereich auch so ausgestaltet sein, dass ein Bolzen mit zwei Führungs kontakten in Verbindung steht, und bei Bewegung des Bolzens dieser von einem oder zwei der Führungskontakte getrennt wird. Weiterhin kann der Trennbereich aber auch ein Draht oder ein Band sein. Der Trennbereich ist mit den beiden Anschlusskontakten verbunden. Dabei kann der Trennbereich direkt mit den Anschlusskontakten oder über weitere leitende Elemente damit verbunden sein. Bei Schalten des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds, d.h. Unterbrechen des Strompfads, wird der Trennbereich derart aufgetrennt, dass dadurch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusskontakten unterbrochen wird. Das Trennen des Trennbereichs kann auf jegliche denkbare Weise erfolgen. In anderen Worten handelt es sich bei dem Erfin dungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied um eines, bei dem der Trennbereich durch Aufplatzen oder Aufbrechen getrennt wird, d.h. der Trennbereich vor dem Trennen vorzugsweise einstückig ausgestaltet ist. Der Trennbereich kann durch aktive Auslö sung, aber auch durch passive Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungs schaltglieds getrennt werden.
Das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied ist vorzugsweise ein Verbrauchs gegenstand, der nur einmalig zum Unterbrechen des Strompfads verwendet werden kann. In anderen Worten handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Unterbre chungsschaltglied um einen Einmal-Schalter.
Die passive Auslösung kann bspw. durch Schmelzen des den Trennbereich bildenden Materials, beispielsweise bei Erreichen einer bestimmten Schwellstromstärke, erfolgen. Dabei können auch Vorrichtungen an einem oder an beiden aufgetrennten Teilen des Trennbereichs angebracht sein, die diese beiden Enden weiter voneinander entfernen, bspw. durch eine existierende Zugbelastung, die nach Trennen des Trennbereichs wirken kann. Beispielhaft kann hier eine Zugbelastung durch eine vorgespannte Feder genannt werden.
Unter aktiver Auslösung des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds wird jegliche Art von mechanischer oder pyrotechnischer Energie verstanden, die den Trennbereich trennen kann. So kann beispielsweise der Trennbereich durch eine ein wirkende Zug- oder Druckbewegung getrennt werden. Oder es wird ein pyrotechni sches Material, wie beispielsweise ein Anzünder (EED) oder ein Minidetonator, ver wendet, der sich entweder in der Reaktionskammer befindet, oder aber außerhalb der Reaktionskammer so angebracht ist, dass er durch Zug- oder Druckbewegung oder eine Stoßwelle auf den Trennbereich wirken kann und dessen Trennung verursacht.
Unter einer Reaktionskammer wird eine Kammer innerhalb des Gehäuses des erfin dungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds verstanden, in der der Trennbereich an geordnet ist, und in der sich die aufgetrennten Teile des Trennbereichs nach dessen Trennung befinden. Da eines der aufgetrennten Teile des Trennbereichs mit dem ers ten Anschlusskontakt und ein weiteres Teil mit dem zweiten Anschlusskontakt verbun den ist, kann es bei dem Anliegen einer hohen Spannung zu einem Lichtbogen zwi schen diesen beiden Teilen des Trennbereichs kommen. In anderen Worten wird die Reaktionskammer auch als die Kammer definiert, in der zwischen den beiden Teilen des Trennbereichs, die mit den beiden Anschlusskontakten verbunden sind, ein Licht bogen entstehen kann, d.h. die Reaktionskammer ist eine Lichtbogenkammer. Liegt in dieser Kammer zusätzlich ein pyrotechnisches Material zur aktiven Trennung des Trennbereichs vor, so kann die Reaktionskammer auch als Brennkammer bezeichnet werden. Die Reaktionskammer kann als separate Kammer innerhalb des Gehäuses des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltgliedes vorliegen. Es kann aber auch sein, dass das Gehäuse des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltgliedes selbst die äußeren Dimensionen der Reaktionskammer definiert. Die Reaktionskammer ist vorzugsweise eine allseitig geschlossene Kammer bzw. ein allseitig geschlossener Raum, in dem kein Stoffaustausch mit der Umgebung stattfinden kann. Dadurch kann bei Verdampfung des reaktiven Materials ein Druck innerhalb der Reaktionskammer aufgebaut werden, der zudem zur Löschung des Lichtbogens beiträgt.
Der erste und der zweite Anschlusskontakt sind vorzugsweise Kontakte aus elektrisch gut leitfähigem Material, die einen Anschluss an einen Strompfad außerhalb des Ge häuses des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds ermöglichen, d.h. sie befinden sich vorzugsweise zumindest z.T. außerhalb des Unterbrechungsschaltglieds.
Die Beschichtung mit dem reaktiven Material liegt in der Reaktionskammer vor, wobei das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss den Lichtbo gen dämpft oder löscht, bzw. unter Lichtbogeneinfluss derart reagiert, dass es den Lichtbogen dämpft oder löscht. Dabei kann die Beschichtung ganz oder teilweise an der inneren Oberfläche der Reaktionskammer vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung auch auf der Oberfläche des Trennbereichs aufgebracht sein. Vorzugsweise ist die gesamte innere Oberfläche der Reaktionskammer mit der Be schichtung versehen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds kann das reaktive Material so ausgestaltet sein, dass es unter Lichtbogeneinfluss derart reagiert, dass es Energie aus dem Lichtbogen absorbiert. In anderen Worten ist das reaktive Material ein Material, das unter Lichtbogeneinfluss eine endotherme Reaktion eingeht. Auf diese Weise kann Energie aus dem Lichtbogen entfernt werden, wodurch es zu einer Dämpfung oder Löschung des Lichtbogens kommt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds kann das reaktive Material so ausgestaltet sein, dass es unter Lichtbogeneinfluss zu einem nicht leitenden Stoff oder zu nicht leitenden Stoffen umgesetzt wird, d.h. das reaktive Material reagiert unter Lichtbogeneinfluss zu einem Reaktionsprodukt oder zu Reakti onsprodukten, die nicht leitend sind. Auf diese Weise können diese Reaktionsprodukte nicht zu einer Stärkung des Lichtbogens beitragen, bzw. dämpfen oder löschen den Lichtbogen nach ihrer Entstehung.
Unter nicht leitenden Stoffen oder nicht leitenden Reaktionsprodukten werden erfin dungsgemäß solche verstanden, die zwischen den Anschlusskontakten nach der Trennung noch einen Isolationswiderstand von größer als 1 MOhm bei einer Prüfspan nung ab 100VDC aufweisen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds kann das reaktive Material so ausgestaltet sein, dass es unter Lichtbogeneinfluss verdampft wird, wobei es - sofern in der Reaktionskammer vorhanden - mit einem Löschfluid geeignet reagieren kann. Dies soll auch beinhalten, dass durch Lichtbogeneinfluss aus dem reaktiven Material entstehende Reaktionsprodukte gasförmig vorliegen. Auf diese Weise befinden sich das reaktive Material oder dessen Reaktionsprodukte in gasförmi gem Zustand in der Reaktionskammer. Diese können dann in dämpfender oder lö schender Weise Einfluss auf den Lichtbogen nehmen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds kann das reaktive Material auch so ausgestaltet sein, dass es unter Lichtbogeneinfluss zu Reaktionsprodukten zersetzt wird, die dann anschließend selbst eine exotherme Reak tion eingehen können.
Die Kontakteinheit kann aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium oder Messing, bestehen, wobei Kupfer oder Aluminium bevorzugt ist. Bei der Verwendung von erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltgliedern zur Tren nung von hohen Spannungen bei hohen Strömen wird vorzugsweise Kupfer eingesetzt. Es bleibt anzumerken, dass die Trennwirkung jedoch insbesondere bei kleinen zu trennenden Strömen mit hohen Spannungen durch die Verwendung von Aluminium verbessert werden kann, da auch hier ein zusätzlicher Energieeintrag durch das Mit verbrennen einer mehr oder weniger großen Aluminiummasse nachweislich erreicht wird. Dies hat folgende Vorteile: Die Aluminiumpartikel werden kleiner bzw. verschwin den oder verdampfen. Durch die bei der Mitverbrennung entstehende Energie wird man unabhängiger von der Mitwirkung der lichtbogenbedingten Verdampfung eines eventuell in der Reaktionskammer vorhandenen Löschmittels, d.h. auch bei dem Ein satz von kleinen bis mittelgroßen, im Augenblick des Trennbeginns fließenden Strömen kann damit dennoch ein erwünschter Gasdruck erzeugt werden. Außerdem ist der Trennbereich eloxierbar, und somit ein zusätzlicher Garant für hohe bis sehr hohe Isolationswiderstände nach der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds, selbst wenn ein möglicherweise vorhandenes Löschmittel durch die Anwesenheit von Alumi niumpartikeln leitfähiger wird.
Um Alterungsprozessen beim Kontaktmaterial vorzubeugen und auch stets gute Über gangswiderstände zwischen dem zu trennenden Stromkreis und dem Trennelement sicherzustellen, wird man in der Regel zudem alle miteinander in Kontakt stehenden Flächen mit einem gut leitfähigen Überzug versehen. In der Regel wird das Nickel sein, in Sonderfällen ist aber auch die Verwendung von Silber angebracht.
Alle genannten Ausgestaltungen des reaktiven Materials können auch in Kombination vorliegen. Besonders bevorzugt ist als reaktives Material somit eines, das so ausge staltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss eine Reaktion zu einem oder mehreren nicht leitenden Stoffen oder Reaktionsprodukten eingeht, die gasförmig in der Kammer vorliegen.
Die Beschichtung mit dem reaktiven Material kann weiterhin den Vorteil mit sich brin gen, dass eine durch Lichtbogeneinfluss unerwünschte Verdampfung von Komponen ten des Unterbrechungsschaltglieds innerhalb der Reaktionskammer zu elektrisch gut leitenden Stoffen verhindert wird, bzw. das dadurch entstehende Gas mit dem durch Verdampfung oder Reaktion des reaktiven Materials entstehenden Gas vermischt wird. Weiterhin kann das reaktive Material so ausgestaltet sein, dass es den Eintritt eines Lichtbogens in die Oberfläche der Reaktionskammer durch sein bloßes Vorhandensein oder eine Gegenreaktion verhindert oder erschwert. Weiterhin kann das reaktive Mate rial so ausgestaltet sein bzw. bewirken, dass es einen einmal entstandenen Lichtbogen in mehrere Verästelungen aufteilt, um den Einfluss des Lichtbogens auf das Medium oder die eventuelle Füllung der Reaktionskammer mit einem Löschmittel, durch das er fließt, in der Wirkung zu begrenzen bzw. zu vermindern. Zudem ist es vorteilhaft, wenn das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es die durch den Lichtbogen in das Volumen der Reaktionskammer eingebrachte Energie in andere Energieformen wie Licht, Wärme, Erhitzung, Verdampfung oder Zersetzung umwandelt.
Das reaktive Material ist vorzugsweise ein anorganisches oder keramisches Material oder Glas, stärker bevorzugt ein anorganisches oder keramisches Material. Beispiele für keramische Materialien und Glas sind Materialien auf Basis von Si02, Silanen oder Polysiloxanen, wobei Polysiloxane bevorzugt sind. Diese Materialien können weitere Nanomaterialien enthalten, die darin ein-emulgiert sind. Beispiele für anorganische Materialien sind Permanganate, wie Kaliumpermanganat, Perchlorate, wie Zirkonium kaliumperchlorat, oder Metalloxide, wie MgO oder Mn02. Weiterhin bevorzugt ist es, dass das reaktive Material keine Elemente enthält, die elektrisch leitend sind, oder durch Lichtbogeneinfluss zu elektrisch leitenden Elementen umgesetzt werden können. D.h. die Beschichtung ist vorzugsweise im Wesentlichen frei von Kohlenstoff-haltigen Materialien und stärker bevorzugt im Wesentlichen frei von organischen Materialien. Unter„im Wesentlichen frei von Kohlenstoff-haltigen Materialien oder organischen Materialien“ versteht man, dass diese zu einem maximalen Anteil von 1 Gew.-%, und stärker bevorzugt von 0,1 Gew.-%, in der Beschichtung vorliegen können. Es ist also bevorzugt, dass die Beschichtung vorzugsweise aus dem reaktiven Material besteht.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung geht davon aus, dass bei der Verwendung von Si02, Silanen oder Polysiloxanen als reaktives Material durch den Lichtbogeneinfluss dieses in Si und Sauerstoff zerlegt wird. Die Rekombination von Si und Sauerstoff zu Si02 ist eine exotherme Reaktion, die im Anschluss an die Zerlegung Energie freiset zen kann, die zur Löschung oder Dämpfung des Lichtbogens genutzt werden kann oder einfach nur zur Verdampfung des evtl vorhandenen Löschmittels und damit zur positiven Unterstützung der Trennwirkung. Auch wird durch die Zersetzung des Si02 Lichtbogenenergie zwischengespeichert, so dass hier die Energiedichte des Lichtbo gens und damit dessen schädlicher Einfluss auf das evtl vorhandene Löschmittel oder die angrenzenden Flächen in der Reaktionskammer deutlich reduziert werden können.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds kann die Reaktionskammer mit einem Löschmittel gefüllt sein. Das Löschmittel kann ein festes, pulverförmiges oder ein flüssiges Medium sein. Vorzugsweise ist das Löschmit tel ein verdampfbares Medium. Vorzugsweise ist das Löschmittel ein flüssiges Medium, das bei Erreichen der Siede- oder Verdampfungstemperatur ganz oder teilweise in einen gasförmigen Zustand übergeht. Gleichzeitig ist es bevorzugt, dass das Löschmit tel auch isolierende Eigenschaften hat, damit der Lichtbogen nach ausreichender Ent fernung der beiden aufgetrennten Teile des Trennbereichs gelöscht werden kann und danach zwischen den getrennten Kontakten eine ausreichende Isolation gegen einen hier dann unerwünschten Stromfluss besteht. Vorzugsweise ist das Löschmittel ein Öl, beispielsweise Silikonöl, oder ein Silan bzw. Polysiloxan, beispielsweise Hexasilan oder Pentasilan mit möglichst wenig Kohlenstoffatomanteil.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds ist das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es teils den hohen Temperaturen des Licht- bogens standhält (nach der Trocknung des reaktiven Materials entsteht beispielsweise eine harte Siliziumdioxid-Schicht auf allen mit diesem Material beschichteten Flächen der Reaktionskammer), sowie teils unter Lichtbogeneinfluss verdampft, mit dem Löschmittel teilweise reagiert und damit auch den Lichtbogen dämpft oder löscht.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds sind sämtliche Oberflächen der Reaktionskammer mit dem reaktiven Material beschichtet. Bevorzugt ist allerdings, dass die Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses bei der Beschichtung mit dem reaktiven Material ausgespart wird, da es bevorzugt ist, dass der Lichtbogen zu diesem Bereich hin abgelenkt wird. In anderen Worten ist es bevor zugt, dass die äußere Oberfläche des Trennbereichs mit dem reaktiven Material be schichtet ist, und gegebenenfalls die Oberfläche des Treibspiegels, die sich innerhalb der Reaktionskammer befindet.
Enthält die Reaktionskammer ein Löschmittel, so hat die Beschichtung der Reaktions kammer den Vorteil, dass nach der Trennung des Trennelements das in der Reakti onskammer befindliche, durch den Lichtbogen belastete, ursprünglich sehr gut elektrisch nicht leitende Löschmittel, auch nach der Belastung bzw. teilweisen Zerle gung durch den Lichtbogen in seine Grundelemente, elektrisch nicht leitend bleibt, der nach der Trennung also zwischen den Anschlusskontakten messbare Isolationswider stand so hoch ist, dass bei der dort nach der Trennung noch anliegenden äußeren Spannung kein nennenswerter Stromfluss mehr erfolgen kann. Anders würde das Löschmittel durch den hier dann fließenden Fehlerstrom sehr schnell aufgeheizt und verdampft werden, wodurch der Innendruck in der Baugruppe so weit ansteigen kann, dass diese zerlegt bzw. zerrissen wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds kann die Kontakteinheit einen Treibspiegel aufweisen oder so ausgestaltet sein, dass ein Teil bzw. eine Fläche als Treibspiegel wirkt, der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen beaufschlagenden Druck von einer Ausgangsposition in eine Endposition be wegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels der Trennbereich getrennt und ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt erreicht ist. Hier ist es bevorzugt, dass das reaktive Material der Beschichtung so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss verdampft. Dies hat den Vorteil, dass ein Gas- druck in der Reaktionskammer erzeugt wird, der auf den Treibspiegel wirken kann, der dadurch von der Ausgangsposition in die Endposition bewegt wird. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass in dieser Ausführungsform die Reaktionskammer mit einem Löschmit tel gefüllt ist, das ein verdampfbares Medium darstellt. Auf diese Weise kann durch eine Erwärmung des Trennbereichs oder durch Lichtbogeneinfluss das Medium ver dampft und damit der Gasdruck erhöht werden.
Die Beschichtung mit dem reaktiven Material in der Reaktionskammer erfolgt vorzugs weise durch Aufbringen einer flüssigen Keramik oder eines flüssigen Glases, die/das im Anschluss daran getrocknet wird. Das Aufbringen der flüssigen Keramik kann bei spielsweise durch Aufsprühen der flüssigen Keramik oder durch Tauchbeschichtung, bei der die zu beschichtete Oberfläche in die flüssige Keramik getaucht wird, oder einfach nur durch Bestreichen hergestellt werden. Als sogenannte flüssige Keramik wird beispielsweise ein flüssiges Gemisch aus Siloxanen und Nanomaterialien be zeichnet, wie es beispielsweise als "9H Auto Ceramic Coating" im Handel erhältlich ist.
Die Beschichtung weist vorzugsweise ein Dicke im Bereich von 10 pm bis 100 pm, stärker bevorzugt im Bereich von 20 pm bis 50 pm auf.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwen dung eines reaktiven Materials zur Beschichtung von Oberflächen in einer Reaktions kammer eines Unterbrechungsschaltglieds, wobei das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss den Lichtbogen dämpft oder löscht, bzw. unter Lichtbogeneinfluss derart reagiert, dass es den Lichtbogen dämpft oder löscht. Das Unterbrechungsschaltglied in der erfindungsgemäßen Verwendung ist vorzugsweise das erfindungsgemäße Unterbrechungsschaltglied. Alternativ kann die erfindungsge mäße Verwendung auch folgendermaßen als ein Verfahren formuliert werden: Verfah ren zur Herstellung einer Beschichtung von Oberflächen in einer Reaktionskammer eines Unterbrechungsschaltglieds, wobei ein reaktives Material auf die Oberflächen aufgebracht wird, wobei das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Licht bogeneinfluss den Lichtbogen dämpft oder löscht.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung kann das reaktive Material als flüssiges Material auf die Oberflächen aufgebracht und anschlie- ßend getrocknet werden. Hierbei wird als flüssiges Material vorzugsweise eine flüssige Keramik oder ein flüssiges Glas verwendet. Erfindungsgemäß mögliche Verfahrens weisen sind weiter oben beschrieben.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die in den zuvor genannten Ausführungsformen dargelegten Merkmale des erfindungsgemä ßen Unterbrechungsschaltglieds können - sofern sie sich nicht gegenseitig ausschlie ßen - erfindungsgemäß beliebig kombiniert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfüh rungsformen näher erläutert. Alle Merkmale, die in Bezug auf eine bestimmte Figur beschrieben werden, können auch auf die Unterbrechungsschaltglieder der anderen Figuren übertragen werden, sofern technisch realisierbar:
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Unterbrechungs schaltglieds vor der Trennung des Trennbereichs.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Unterbrechungs schaltglieds nach Fig. 1 nach der Trennung des Trennbereichs.
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Unterbrechungs schaltglieds vor der Trennung des Trennbereichs, wobei der Trennbereich zwei mögliche Sollbruchstellen aufweist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Unterbrechungs schaltglieds nach Fig. 3 nach der Trennung des Trennbereichs mit zwei Trennstellen.
Fig. 5 zeigt ein Oszillogramm verschiedener gemessener Ströme und Spannungen in einem Unterbrechungsschaltglied ohne erfindungsgemäße Beschichtung, bei dem die Trennung des Trennbereichs mittels eines pyrotechnischen Ma terials erfolgt ist (Zeitskala: 200 ps/Skalenteil). Fig. 6 zeigt ein Oszillogramm wie in Fig. 5 mit einer Zeitskala von 500
ps/Skalenteil.
Fig. 7 zeigt ein Oszillogramm verschiedener gemessener Ströme und Spannungen in einem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied, bei dem die Flä chen der Reaktionskammer vor der Trennung mit einem reaktiven Material beschichtet waren (Zeitskala: 200 ps/Skalenteil).
Fig. 8 zeigt ein Oszillogramm wie in Fig. 7 mit einer Zeitskala von 5 ms/Skalenteil.
Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht eines bei den Messungen der in Fig. 7 und
8 gezeigten Oszillogramme verwendeten Unterbrechungsschaltglieds vor der Trennung des Trennbereichs.
Fig. 10 zeigt eine schematische Ansicht eines Unterbrechungsschaltglieds, mit einer
Innenisolationsschicht an der inneren Wand der Reaktionskammer anstelle des in Fig.9 verwendeten Treibspiegels aus Isoliermaterial, das dieselben guten Trenneigenschaften mit anschließendem guten Isolationswiderstand zwischen den getrennten Kontakten aufweist.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Unterbre chungsschaltglieds 1 vor und nach der Trennung des Trennbereichs 6. Das Unterbre chungsschaltglied 1 weist ein Gehäuse 2 auf, durch das die Kontakteinheit 3 hindurch geht. Die Kontakteinheit 3 weist auf der einen Seite einen ersten Anschlusskontakt 4 und auf der anderen Seite einen zweiten Anschlusskontakt 5 auf, die über den Trenn bereich 6 im Unterbrechungsschaltglied 1 in Fig. 1 miteinander elektrisch in Verbin dung stehen. Der Trennbereich 6 läuft durch eine Reaktionskammer 7, die von dem Gehäuse 2 umschlossen wird. Wie in der Fig. 1 gezeigt, kann der Trennbereich 6 eine Sollbruchstelle 13 aufweisen, kann aber zwei oder mehr Sollbruchstellen aufweisen.
Die Reaktionskammer 7 ist vorzugsweise mit einem Löschmittel 9 gefüllt. Weiterhin ist in der Reaktionskammer 7 ein Antrieb 11 vorgesehen, der mit einem Stößel 12 in Ver bindung steht. Der Antrieb 11 kann beispielsweise als pyrotechnischer Antrieb ausge staltet sein. Wird der Antrieb 11 betätigt, so beaufschlagt der Stößel 12 den Trennbe reich 6 der Kontakteinheit 3 mit Druck. Hierbei kommt es zu einer Trennung des Trennbereiches 6 an der Sollbruchstelle 13, wodurch der erste Anschlusskontakt 4 und der zweite Anschlusskontakt 5 nicht mehr in Verbindung stehen. Fig. 1 zeigt das Un terbrechungsschaltglied 1 in der leitenden Stellung, wohingegen die Fig. 2 das gleiche Unterbrechungsschaltglied 1 nach dessen Schalten in der nicht leitenden Stellung zeigt, in der der Trennbereich 6 in die getrennten Teile 6a und 6b getrennt ist. Weiter hin ist in dem Unterbrechungsschaltglied 1 eine Beschichtung 8 mit dem reaktiven Material vorgesehen, die sich vorzugsweise vollständig über die innere Wandung der Reaktionskammer 7 erstreckt. Alternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Beschichtung auf allen Oberflächen der weiteren Komponenten innerhalb der Reakti onskammer, wie bspw. dem Stößel 12 oder dem Antrieb 12, vorhanden sein.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen ebenso schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglieds 1 vor und nach der Trennung des Trennbereichs 6. Das Unterbrechungsschaltglied 1 in den Fig. 3 und Fig. 4 ist prinzipiell ähnlich aufgebaut wie das Unterbrechungsschaltglied 1 in den Fig. 1 und Fig. 2, mit dem Unterschied, dass der Trennbereich 6 zwei Sollbruchstellen 13 aufweist, die bei Betätigung des Antriebs 11 über den Stößel 12 getrennt werden. Fig. 4 zeigt das Unterbrechungs schaltglied 1 in der sogenannten Trennstellung, in der der Trennbereich 6 in drei Teile 6a, 6b, 6c getrennt ist. Alle genannten bevorzugten Merkmale des Unterbrechungs schaltglieds der Fig. 1 und 2 gelten auch für das Unterbrechungsschaltglied der Fig. 3 und 4.
Die in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Oszillogramme beinhalten die Messungen
> des Zündstroms für das als EED ausgebildete pyrotechnische Material,
> der Spannung des vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds aufgelade nen Entladungskondensators,
> des zu trennenden Stroms über die beiden Anschlusskontakte und
> der Spannung über die beiden nach der Auslösung des pyrotechnischen Materials getrennten Anschlusskontakte.
Die Oszillogramme der Fig. 7 und 8 zeigen Messungen mit einem Unterbrechungs schaltglied 1 mit einer Beschichtung 8 eines reaktiven Materials in der Reaktionskam mer 7, wie es in Fig. 9 gezeigt und weiter unten beschrieben ist. Die Oszillogramme der Fig. 5 und 6 zeigen Messungen mit einem Unterbrechungsschaltglied, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, mit dem einzigen Unterschied, dass hier die innere Wandung der Reaktionskammer 7 nicht mit einer Beschichtung 8 eines reaktiven Materials versehen ist. Die x-Achse definiert in allen gezeigten Oszillogrammen die Zeit. Die y-Achse defi niert entweder die Gleichspannung oder den Gleichstrom. Die jeweiligen Nullpunkte sind in den Oszillogrammen gekennzeichnet. In den Fig. 5 und 7 definiert ein Skalenteil (von einem Strich zum nächsten) eine Zeitspanne von 200 ps. Die Fig. 6 zeigt die gleiche Messung wie in Fig. 5, mit dem Unterschied, dass ein Skalenteil eine Zeitspan ne von 500 ps definiert. Die Fig. 8 zeigt die gleiche Messung wie in Fig. 7, mit dem Unterschied, dass ein Skalenteil eine Zeitspanne von 5 ms definiert. Bezüglich des Zündstroms definiert ein Skalenteil (von einem Strich zum nächsten) in allen Fig. 5 bis 8 einen Strom von 10 A. Bezüglich der Kondensatorspannung definiert ein Skalenteil in allen Fig. 5 bis 8 eine Spannung von 500 V. Bezüglich des zu trennenden Kurz schlussstroms definiert ein Skalenteil in allen Fig. 5 bis 8 einen Strom von 2500 A. Bezüglich der Spannung über die Anschlusskontakte des Unterbrechungsschaltglieds (in den Figuren als Powerfuse bezeichnet) definiert ein Skalenteil in den Fig. 5, 6 und 8 eine Spannung von 500 V, und in Fig. 7 eine Spannung von 200 V.
Wie aus dem Vergleich der Oszillogramme des erfindungsgemäßen Unterbrechungs schaltglieds 1 mit Beschichtung 8 (Fig. 7 und 8) mit dem nicht erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied ohne Beschichtung (Fig. 5 und 6) gesehen werden kann, kommt es bei beiden Unterbrechungsschaltgliedern zu einer hervorragenden Trennwir kung, jedoch erhält man nur bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Unterbre chungsschaltglieds eine ausreichend gute Isolation zwischen den getrennten Kontak ten nach erfolgreicher Trennung.
So beginnt die gemessene Spannung über die getrennten Anschlusskontakte 4 und 5 in Fig.7 bereits nach 500 psec nach erfolgter Trennung abzufallen und danach bis auf 0 V und der hier noch fließende Strom entlädt die im Entladungskondensator noch vorhandene Restenergie, während das in Fig. 8 nicht der Fall ist, hier bleibt diese Spannung erhalten.
Der in Fig. 8 zu sehende leichte Abfall der Spannung über die Anschlusskontakte 4 und 5 des Unterbrechungsschaltglieds 1 nach erfolgter Trennung erfolgt über die Ent ladewiderstände der Entladungsbank und nicht durch den (hier nicht vorhandenen) Stromfluss durch das Unterbrechungsschaltglied 1.
Die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Unterbrechungs schaltglieds 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Kontakteinheit 3 angeordnet ist.
Das Gehäuse 2 ist so ausgebildet, dass es einem innerhalb des Gehäuses 2 erzeugten Druck, der beispielsweise bei einer pyrotechnischen Auslösung des Unterbrechungs schaltglieds 1 erzeugt wird, standhält, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar eines Aufplatzens besteht. Das Gehäuse 2 kann insbesondere aus einem geeigne ten Material, vorzugsweise Stahl, bestehen. Die Kontakteinheit 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein durch den Treibspiegel 10 im Stauchbereich bedrücktes Schaltrohr ausgebildet, so dass es im Trenn- 6 und dem Stauchbereich 19 als Rohr ausgebildet ist. Die Kontakteinheit 3 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Anschlusskontakt 4 mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten An schlusskontakt 5 mit einem geringeren Durchmesser. An den ersten Anschlusskontakt 4 schließt sich ein sich radial nach außen erstreckender Flansch 15 an, der sich an einem ringförmigen Isolatorelement 22, das aus einem isolierenden Material, bei spielsweise einem Kunststoff, besteht, derart abstützt, dass die Kontakteinheit 3 nicht in axialer Richtung aus dem Gehäuse 2 herausbewegt werden kann. Das Isolatorele ment 22 weist hierzu eine ringförmige Schulter auf, an der sich der Flansch 15 der Kontakteinheit 3 abstützt. Zusätzlich isoliert das Isolatorelement 22 das Gehäuse 2 gegenüber der Kontakteinheit 3. Die Kontakteinheit 3 weist einen sich an den Flansch 15 in der Achse der Kontakteinheit 3 anschließenden Stauchbereich 19 auf. Die Wand stärke der Kontakteinheit ist im Stauchbereich 19, der eine vorbestimmte axiale Aus dehnung aufweist, so gewählt und auf das Material abgestimmt, dass sich bei einem Auslösen des Unterbrechungsschaltglieds 1 infolge einer plastischen Deformation der Kontakteinheit 3 im Stauchbereich 19 eine Verkürzung des Stauchbereichs in axialer Richtung um eine vorbestimmte Wegstrecke ergibt.
An den Stauchbereich 19 schließt sich in axialer Richtung der Kontakteinheit ein Flansch 14 an, auf dem im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treibspiegel 10 sitzt. Der Treibspiegel 10, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Isoliermateri al, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff, besteht, umgreift die Kontakteinheit 3 derart, dass zwischen dem Außenumfang des Flanschs 14 und der Innenwandung des Gehäuses 2 ein isolierender Bereich des Treibspiegels 10 eingreift. Wirkt ein Druck auf die Fläche des Treibspiegels 10 ein, wird eine Kraft erzeugt, die über den Flansch 14 den Stauchbereich 19 der Kontakteinheit 3 zusammenpresst. Diese Kraft wird so ge wählt, dass sich während des Auslösevorgangs des Unterbrechungsschaltglieds 1 ein Stauchen des Stauchbereichs 19 ergibt, wobei der Treibspiegel 10 aus seiner Aus gangslage (Status vor der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1) in eine End position (nach Beendigung des Schaltvorgangs) bewegt wird.
Wie aus Fig. 9 ersichtlich, kann der Treibspiegel 10 so gewählt werden, dass dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 2 ent spricht, so dass eine axiale Führung des Flanschs 14 und damit auch eine axial geführ te Stauchbewegung während des Schaltvorgangs erreicht wird.
Nach dem Pressvorgang greifen die nahe dem Gehäuse 2 liegenden Nasen des Isola tors 22 und des Treibspiegels 10 voll übereinander, so dass der nach der Auslösung und dem Stauchvorgang mäanderförmig zusammengeschobene Stauchbereich 19 voll von elektrisch isolierenden Materialien umschlossen ist.
An den Treibspiegel 10 bzw. den Flansch 14 der Kontakteinheit 3 schließt sich ein Trennbereich 6 an. Auf dieser Seite der Kontakteinheit 3 schließt sich dann der zweite Anschlusskontakt 5 an. Ein Verschluss 24 verschließt das Gehäuse 2.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Treibspiegel 10 bei der Montage des Unterbrechungsschaltglieds 1 von der Seite des Anschlusskontakts 5 her auf die Kon takteinheit 3 aufgeschoben. Der Verschluss 24 ist als ein ringförmiges Bauteil gestaltet, das einen Außendurchmesser besitzt, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Gehäuses 2 entspricht.
In dem axialen Ende der Kontakteinheit 3 im Bereich des zweiten Anschlusskontakts 5 ist ein Antrieb 11 , vorzugsweise ein pyrotechnischer Antrieb vorgesehen, hier oft auch als Minidetonator oder Zünderschraube benannt. Durch einen Durchbruch des ringför migen Verschlusses 24 können die elektrischen Anschlussleitungen 20 des Antriebs 11 nach außen geführt werden.
Der Trennbereich 6 ist so dimensioniert, dass er durch den erzeugten Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle des Antriebs 11 zumindest teilweise aufreißt, so dass sich der Druck bzw. die Stoßwelle auch aus der Brennkammer 17 in die als umgebenden Ring raum ausgestaltete Reaktionskammer 7 ausbreiten kann. Zur Erleichterung des Auf reißens kann die Wandung der Kontakteinheit 3 im Trennbereich 6 auch einen oder mehrere Durchbrüche bzw. Bohrungen und/oder Nuten aufweisen.
Der Antrieb 11 zum Zünden des pyrotechnischen Materials (Anzündvorrichtung) kann aus einem einfachen, schnell aufheizbaren Glühdraht bestehen. Die Aktivierung des Antriebs 11 kann durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung erfolgen. Selbst verständlich kann der Antrieb 11 jedoch auch in beliebiger anderer Weise ausgebildet sein, die eine Aktivierung des pyrotechnischen Materials bewirkt, auch in Form eines herkömmlichen Anzünders (EED), einer Anzündpille, einer Zündpille oder eines Mini detonators.
Bei einer Aktivierung des Unterbrechungsschaltglieds 1 mittels des Antriebs 11 wird also ein Druck oder eine Stoßwelle an der dem Stauchbereich 19 abgewandten Seite des Treibspiegels 10 erzeugt, wodurch der Treibspiegel 10 mit einer entsprechenden Axialkraft beaufschlagt wird. Diese Kraft wird durch eine geeignete Dimensionierung des pyrotechnischen Materials so gewählt, dass die Kontakteinheit 3 im Stauchbereich 19 plastisch deformiert, aufgerissen oder eingedrückt und danach der Treibspiegel 10 in Richtung auf den ersten Anschlusskontakt 4 bewegt wird. Das pyrotechnische Mate rial wird dabei so dimensioniert, dass nach dem Aufbrechen bzw. Eindrücken des Trennbereichs 6 die Bewegung des Treibspiegels 10 die beiden Trennhälften ausrei chend weit voneinander entfernt, im Zusammenwirken mit der Verdampfung des Löschmittels 9 dann sogar bis in eine Endposition.
Unmittelbar nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials wird also der Trennbe reich 6 zumindest teilweise aufgerissen bzw. eingedrückt. Erfolgt das Aufreißen bzw. Eindrücken nicht bereits vor Beginn der axialen Bewegung des Treibspiegels 10 über den vollständigen Umfang des Trennbereichs 6, so wird ein verbleibender Rest des Trennbereichs 6, der noch einen elektrischen Kontakt verursacht, durch die axiale Bewegung des Treibspiegels 10 vollständig aufgerissen, verstärkt durch die hier dann auftretende sehr schnelle Erhitzung des hier dann nur kleinen Restquerschnitts des Leiters durch den hier fließenden elektrischen Strom. Insbesondere der durch den Abbrand erzeugte Gasdruck oder die erzeugte Stoßwelle kann durch das Einbringen von leicht vergasbaren Flüssigkeiten oder Feststoffen (Löschmittel 9) in den Raum, in dem das pyrotechnische Material enthalten ist oder in welchen die erzeugten Heißgase eindringen, gut gesteuert werden. So erhöht insbe sondere Wasser, gelöst im Löschmittel 9 oder in Form von Mikrokapseln, Gelen etc., den Gasdruck beträchtlich, auch eine Zumischung von Chemikalien, die bei Erhitzung mit reagieren, ist sinnvoll, z.B. die Zugabe von rotem Phosphor, insbesondere aber auch von bestimmten Zünd- und Anzündstoffen, wie Zirkoniumkaliumperchlorat (ZPP), aber auch von Polysiloxanen wie Hexasilan oder Pentasilan. Eine so bewirkte Erhö hung des Gasdrucks kann noch extremer ausfallen, wenn beispielsweise das in die Brennkammer 17 eingebrachte Wasser zum Siedeverzug gebracht wird, insbesondere dadurch, dass das stark erhitzte Wasser beim Aufbrechen des Trennbereichs 6 einen Drucksturz erfährt.
In der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform befindet sich in der Brennkammer 17 und in der Reaktionskammer 7 ein Löschmittel 9, das bei der Detonation bzw. Deflagration des pyrotechnischen Materials die Stoßwellenausbreitung begünstigt, so dass auf diese Weise weniger aktivierbares Material verwendet werden muss und die Wände des Trennbereichs 6 ausreichend dick gehalten werden können, so dass die Baugrup pe auch noch bei hohen Betriebsströmen eingesetzt werden kann. Das Löschmittel dient zur Dämpfung oder Löschung eines Lichtbogens zwischen den getrennten Enden des Trennbereichs 6.
Weiterhin ist in der Reaktionskammer 7 eine Beschichtung mit einem reaktiven Materi al vorgesehen, vorzugsweise eine Schicht aus Si02, die die komplette Innenwandung der Reaktionskammer 7 bedeckt und vorzugsweise eine Schichtdicke von 30 pm auf weist.
Weiterhin ist in dem erfindungsgemäßen Unterbrechungsschaltglied 1 der Fig. 9 ein Kanal vorgesehen der sich unterhalb des Treibspiegels 10, insbesondere im Flansch 14, vorzugsweise mittig in axialer Richtung erstreckt und die Brennkammer 17 mit einer Stauchkammer 18 unterhalb des Stauchbereichs 19 verbindet. Somit ist die Kontakt einheit 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel weiter als durchgängiges Schaltrohr ausgebildet. In dieser Ausführungsform können sowohl die Brennkammer 17, der Ka- nal, die Reaktionskammer 7 und die Stauchkammer 18 mit dem Löschmittel 9 gefüllt sein. Der Kanal stellt sicher, dass bei der Auslösung des Unterbrechungsschaltglieds 1 und der damit verbundenen Bewegung des Treibspiegels 10 von der Ausgangsposition in die Endposition das sich vergrößernde Volumen im Bereich der Brennkammer 17 und der Reaktionskammer 7 auch mit Löschmittel 9 nachgefüllt wird. Durch die Bewe gung des Treibspiegels 10 von der Ausgangsposition in die Endposition wird Löschmit tel 9 in der Stauchkammer 18 zusammengepresst und durch den Kanal in Richtung des Bereichs der Brennkammer 17 und hier direkt auf den Trennbereich 6 gespritzt.
Auf diese Weise kann ein Lichtbogen zwischen den getrennten Teilen des Trennbe reichs 6 zusätzlich gedämpft bzw. gelöscht werden.
Der zentrale Kanal kann vor der Brennkammer 17 bzw. vor dem Trennbereich 6 dü senartig verengt sein, um zum einen ausreichend gut Löschmittel 9 aus dem Stauchbe reich 19 in die Brennkammer 17 durchzulassen, zum anderen die vom Minidetonator generierte Stoßwelle Richtung Stauchbereich 19 so abzuschwächen, dass der Stauch bereich nach der Zündung des Minidetonators nicht zu stark vorgeschädigt wird.
Weiterhin sind in dem Unterbrechungsschaltglied 1 Dichtelemente 23 zur Abdichtung der verschiedenen Kammern 7, 17 und 18 gegenüber dem Austritt von Löschmittel 9 und zur Abdichtung der verschiedenen Komponenten untereinander vorgesehen.
Das Unterbrechungsschaltglied 1 nach Fig. 9 ist prinzipiell genauso aufgebaut wie das in Fig. 5 gezeigte Unterbrechungsschaltglied der DE 10 2016 124 176 A1.
Das Unterbrechungsschaltglied 1 der Fig. 10 ist bis auf folgende Änderungen identisch zu dem Unterbrechungsschaltglied der Fig. 9:
Zwischen dem Trennbereich 6 und dem Stauchbereich 19 der Kontakteinheit 3 ist der in Fig. 9 gezeigte Flansch 14 so ausgebildet, dass er bis zu einer im Inneren des Ge häuses 2 aufgebrachten Isolierschicht 21 reicht. Somit weist die Kontakteinheit 3 selbst den Treibspiegel 10 bzw. die Funktion eines Treibspiegels 10 auf. Dies hat den Vorteil der Materialeinsparung und der einfacheren Ausgestaltung des Unterbrechungsschalt glieds 1. Die Isolierschicht 21 schafft hierbei eine Isolation zwischen der Kontakteinheit 3 und dem Gehäuse 2. Auch erfüllt nun die Kontakteinheit 3 gleichzeitig nun auch noch die Funktion des Ver schlusses, so dass hier ein weiteres Bauteil der Baugruppe entfällt, zusätzlich braucht hier bei der Herstellung der Kontakteinheit 3 entweder weniger zerspant oder weniger umgeformt werden, was die Herstellungskosten weiter senkt.
Das für die Messungen der Oszillogramme der Fig. 5 bis 8 verwendete Unterbre chungsschaltglied hat die in der Fig. 9 gezeigten Dimensionen, wobei die Länge des Gehäuses 52 mm und der Durchmesser des Gehäuses 30 mm beträgt. Das Gehäuse ist aus Stahl. Der Antrieb ist ein Minidetonator mit 30 mg Silberazid und 40 mg Hexo- gen. Das Löschmittel ist ein Gemisch aus Silikonöl und hochdisperse Kieselsäure (HDK) (40 cm3 Öl auf 2 g HDK). Das reaktive Material der Beschichtung in der Reakti onskammer sind Polysiloxane und die Schichtdicke beträgt etwa 30 pm. Die Kontakt einheit ist zylindrisch ausgeformt und besteht aus Kupfer. Der Trennbereich hat einen Innendurchmesser von 6 mm und einen Außendurchmesser von 7,2 mm. Die kom plette Länge der Kontakteinheit inklusive der Anschlusskontakte beträgt 85 mm.
Bezugszeichenliste:
1 Unterbrechungsschaltglied
2 Gehäuse
3 Kontakteinheit
4 erster Anschlusskontakt
5 zweiter Anschlusskontakt
6 Trennbereich
6a, 6b, 6c getrennte Teile des Trennbereichs
7 Reaktionskammer
8 Beschichtung
9 Lösch mittel
10 Treibspiegel
11 Antrieb
12 Stößel
13 Sollbruchstelle
14 Flansch
15 Flansch
16 Antrieb
17 Brennkammer
18 Stauchkammer
19 Stauchbereich
20 elektrische Anschlussleitungen
21 Isolierschicht
22 Isolatorelement
23 Dichtelement (O-Ring)
24 Verschluss
25 Verschlusselement für Stauchkammer

Claims

Patentansprüche
1. Unterbrechungsschaltglied (1), insbesondere zum Unterbrechen von hohen
Strömen bei hohen Spannungen,
(a) mit einem Gehäuse (2), das eine den Strompfad durch das Unterbre
chungsschaltglied (1) definierende Kontakteinheit (3) umgreift, die einen ersten und zweiten Anschlusskontakt (4, 5) und einen Trennbereich (6) aufweist,
(b) wobei die Kontakteinheit (3) so ausgebildet ist, dass ihr über den ersten Anschlusskontakt (4) ein Strom zuführbar und von ihr über den zweiten An schlusskontakt (5) abführbar ist, oder umgekehrt,
(c) wobei der T rennbereich (6) so ausgebildet ist, dass, wenn er getrennt wird, der Strompfad zwischen dem ersten Anschlusskontakt (4) und dem zweiten Anschlusskontakt (5) unterbrochen ist,
(d) wobei der Trennbereich (6) innerhalb einer Reaktionskammer (7) angeord net ist, dadurch gekennzeichnet,
(e) dass in der Reaktionskammer (7) eine Beschichtung (8) mit einem reakti ven Material vorliegt, wobei das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss den Lichtbogen dämpft oder löscht.
2. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss derart reagiert, dass es Energie aus dem Lichtbogen absorbiert.
3. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogenein fluss zu nichtleitenden Stoffen umgesetzt wird.
4. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss verdampft wird.
5. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss zu Reaktionsprodukten zersetzt wird, die selbst eine exother me Reaktion eingehen können.
6. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Material ein keramisches Material oder Glas ist.
7. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Material ein Material auf Basis von Si02 ist.
8. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (7) mit einem Löschmittel (9) gefüllt.
9. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit (3) einen Treibspiegel (10) aufweist oder mit einem Treibspiegel in Verbindung steht, der derart ausgestaltet ist, dass er durch einen beaufschlagenden Druck von einer Ausgangposition in eine Endpo sition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels der Trennbereich (6) getrennt und ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt (4, 5) erreicht ist.
10. Unterbrechungsschaltglied (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit (3) so ausgestaltet ist, dass eine zum Trennbereich (6) gerich tete Fläche selbst als Treibspiegel wirkt, so dass diese Fläche durch einen be aufschlagenden Druck von einer Ausgangposition in eine Endposition bewegbar ist, wobei in der Endposition des Treibspiegels der Trennbereich (6) getrennt und ein Isolationsabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt (4, 5) erreicht ist.
11. Unterbrechungsschaltglied (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmittel ein verdampfbares Mittel ist.
12. Verwendung eines reaktiven Materials zur Beschichtung von Oberflächen in einer Reaktionskammer eines Unterbrechungsschaltglieds, wobei das reaktive Material so ausgestaltet ist, dass es unter Lichtbogeneinfluss derart reagiert, dass es den Lichtbogen dämpft oder löscht.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei das reaktive Material als flüssiges Materi al auf die Oberflächen aufgebracht und anschließend getrocknet wird.
14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei das reaktive Material eine flüssige Kera mik oder flüssiges Glas ist.
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