WO2021064160A1 - Schnelltrennschalter - Google Patents

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WO2021064160A1
WO2021064160A1 PCT/EP2020/077628 EP2020077628W WO2021064160A1 WO 2021064160 A1 WO2021064160 A1 WO 2021064160A1 EP 2020077628 W EP2020077628 W EP 2020077628W WO 2021064160 A1 WO2021064160 A1 WO 2021064160A1
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WO
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conductor
expansion vessel
quick
disconnector
separation
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PCT/EP2020/077628
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French (fr)
Inventor
Peter Lell
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Peter Lell
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Publication date
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Priority to US17/762,961 priority patent/US20220336174A1/en
Priority to EP20797034.4A priority patent/EP4038653B1/de
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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
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H39/006—Opening by severing a conductor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/006—Explosive bolts; Explosive actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/19—Pyrotechnical actuators
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    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H2039/008—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current using the switch for a battery cutoff

Definitions

  • the present invention relates to a quick disconnect switch, i. H. a switch with which you can disconnect an electrical circuit particularly quickly, even with high currents and high separation voltages.
  • the switch is suitable for both DC and AC circuits.
  • the switch usually uses a small amount of an explosive material for this purpose.
  • Such switches are sometimes also referred to as pyrotechnic disconnection devices or also as electrical interruption switching elements.
  • they can be used in the increasingly important field of e-mobility, in particular to protect electric drives, especially in electric cars, electric trucks or electric buses. If an appropriately powered vehicle has an accident, it is important and necessary to quickly disconnect the power source from the vehicle wiring.
  • the corresponding questions also arise when propelling ships with electric motors or, in the meantime, when propelling aircraft with electric motors, but also when it comes to corresponding tasks in control cabinets in general.
  • circuit breakers use the action of propellant charges on a piston. After its acceleration and the pressure exerted on it, they are in any case able to quickly interrupt a circuit, even when high currents are flowing.
  • European patent application EP 563 947 A1 discloses a method for securing circuits which carry high currents and also discloses a high-current fuse element. A pyrotechnic charge is ignited to cut the conductor. This accelerates a cutting punch. The cutting punch mechanically cuts through a conductor section.
  • German Offenlegungsschrift DE 196 16 993 A1 discloses a pyrotechnic fuse element for electrical circuits.
  • a pyrotechnic fuse element for electrical circuits.
  • German patent DE 44 38 157 likewise discloses a pyrotechnic separating device which is suitable for accelerating an active part, which essentially has the shape of a piston, in order to cut through a conductor.
  • German Offenlegungsschrift DE 44 02 994 A1 discloses an electrical safety switch for motor vehicles that can be described as piston-free.
  • two conductors are connected to one another in such a way that one conductor protrudes with a tapered end into the receiving space of another conductor.
  • a gas generator which acts as a propellant charge, is provided in this receiving space.
  • exhaust gases which are produced by a propellant charge, escape into the then open space between two conductors.
  • the separation of the conductors is not in a well-defined way. If the separation is inadequate, arcing can therefore occur very quickly.
  • the present invention would like to offer a quick disconnector that can be manufactured inexpensively and reliably, which avoids the disadvantages of the prior art.
  • the disconnector can work piston-free, so that a disconnection with less accelerated mass is possible.
  • the separation is intended to bring the conductor to be separated into a reliable, predefined separation state and thereby minimize arc effects, as they are especially in direct current circuits (DC- Circuits) would occur when the circuit was disconnected.
  • DC- Circuits direct current circuits
  • the quick-disconnect switch should have a power supply contact and a power discharge contact. However, these designations should not necessarily define a current direction; as a rule, the disconnector can operate independently of a specific current direction. These contacts can be provided directly on the disconnector, or the disconnector can also have line sections which in turn first have these contacts. The two contacts are connected by a conductor. This is often a copper or aluminum conductor. Another material, in particular another metallic or at least electrically conductive material, is also suitable.
  • the quick disconnector has a separation chamber. This in turn has an interior.
  • the interior can have different shapes, often it is cuboid.
  • the conductor is led through the separation chamber.
  • the conductor is preferably passed through the separating chamber precisely or essentially in the middle. This results in a mirror-symmetrical position at least in one sectional plane.
  • an expansion vessel is provided in the separation chamber.
  • the expansion vessel can contain an explosive charge.
  • the explosive charge can be accommodated in a vessel adjoining the expansion vessel, for example together with an ignition charge.
  • the explosive charge should be able to expand the expansion vessel in the event of an explosion.
  • the explosive charge is therefore not provided directly in the separation chamber, but in its own vessel.
  • the explosion of the explosive charge causes the mechanical separation of the conductor. This takes place with expansion of the expansion vessel.
  • the expansion vessel can completely enclose the explosive charge even after the explosion.
  • the disconnector can be built gas-tight and can therefore be used at very low ambient pressures (e.g. in aviation). With switches from the state of the art, exhaust gas must be able to escape. Therefore, these switches cannot be built gas-tight and can be used at very low ambient pressures.
  • the expansion vessel can comprise a bellows, for example. Such a bellows facilitates rapid expansion.
  • the expansion vessel should be able to expand, for example, to more than 200%, 300%, 400%, 500% or up to 1000% of its initial volume. This should preferably be done non-destructively.
  • the expansion vessel can also be elastic, so that its volume is reduced again after the explosion. However, elasticity is not required.
  • the expansion vessel can expediently be made of metal or of a non-metal. Appropriate metals are steels, generally thin steels, and in particular also stainless steel. Alternatively, the expansion vessel can also be made of bronze or copper. In the case of non-metals, rubber, natural rubber, silicone or even TPE plastic are useful. Plastics such as polyoxymethylene (POM), polyamide 6 (PA 6) or ABS can also be considered.
  • an electrically conductive material is used for the expansion vessel, this usually has to be electrically stripped on the outside by an electrically non-conductive layer so that the remaining contact pieces are not electrically bridged after the conductor has been separated.
  • the expansion vessel is expediently lighter than the conductor section running in the separating chamber. This low weight enables the explosive charge to expand rapidly, also in relation to the mass of the conductor section to be severed. A rather heavy expansion vessel would cause the conductor to be severed in the manner of a piston. A metal expansion vessel can be placed in be designed accordingly.
  • the conductor separation for example by means of a sharp-edged piston-like section, would not be necessary in the context of the present invention.
  • the conductors are separated mainly through the rapid expansion of the explosive material in the given space of the separation chamber, in other words through a pressure wave.
  • the conductor runs along an axis in a first direction through the separating chamber.
  • the separating chamber and in particular the position of the expansion vessel can expediently be designed in such a way that the separation takes place with a completely, substantially, or at least predominant radial component in relation to this axis.
  • a conductor section to be separated can then be displaced radially.
  • the conductor can be bent so that only a certain section is displaced radially, or a section can be separated from the conductor on two sides, which is displaced radially as a whole.
  • the conductor softens mechanical weakening elements.
  • Such weakening elements reduce the conductor material to be separated without significantly increasing the electrical volume resistance of the conductor material.
  • These weakening elements can include bores, grooves, partial cuts or notches. They also serve to make the separation of the conductor predictable in advance, to facilitate it and to organize it in advance in a favorable manner.
  • Drilling has the added benefit of allowing air to flow through the conductor. If the conductor moves quickly or if there is a spacing between the conductors, there is less flow resistance. Even if the conductor moves into an extinguishing medium, the flow resistance and thus the resistance to the desired translational movement of the conductor can be significantly reduced through the bore.
  • holes caused by the removal of the material are weak points at which a break point in the material can occur particularly easily.
  • weakening elements in the form of grooves or notches can be provided.
  • a groove is to be understood here as a slot of a certain depth (which appears as a blind hole in cross section), but which also has a uniform thickness in cross section.
  • a notch should be understood to mean a depression which is wider near the conductor surface than at a greater depth. Both are suitable attenuation elements. Notches advantageously allow entire sections of the conductor to be displaced radially. If only one groove is provided, in particular a narrow groove, the radial displacement can be made difficult or hindered by tilting and tilting.
  • the conductor can also have a zone of increased resistance.
  • the conductor diameter can be reduced in such a zone.
  • the weakening elements enumerated above can expediently be used to increase the electrical resistance. This leads to electrical heating of the conductor.
  • the resulting heat can be used to ignite explosive material lying there.
  • the explosive material is preferably positioned in the vicinity of the zone of increased resistance and in good thermal contact with it.
  • the material of the expansion vessel can be adapted to this task as a whole, or the expansion vessel has in sections, namely at the contact surface with the conductor, a material that differs from the rest of the expansion vessel. Suitable materials here are copper, brass, aluminum, silver or bronze.
  • an additional contact layer is applied to the expansion vessel.
  • a contact layer made of copper could be used for particularly good heat conduction. In this way, the heat-induced separation can be adapted particularly precisely to the requirements of the circuit.
  • This expedient design shows further advantages of using an expansion vessel.
  • the piston must almost inevitably be applied between the explosive charge and the conductor.
  • the piston prevents the explosive charge from being positioned close to the conductor. This is possible by dispensing with a piston.
  • the triggering of the circuit disconnection by heating the conductor is particularly advantageous. Due to the passive triggering of the explosive charge or the isolating switch, it enables overheating of the circuit or a short-circuited power source due to excessively high currents, without the need for complicated recording and evaluation of the currents and / or switching.
  • an explosive charge can be provided in a blind hole or a similar recess in the conductor. This explosive charge then heats up quickly through direct contact with the conductor. Their explosion can cause the remaining explosive charge in the separation vessel to explode through heat transfer.
  • a bore can also be provided, for example, through which a jet of hot gas reaches the interior of the expansion vessel. Such a bore is not absolutely necessary, since an explosion of explosive material, which is provided inside the expansion vessel, can also be triggered quickly and reliably by thermal heating through the material of the expansion vessel.
  • the separating chamber can comprise an extinguishing medium.
  • This extinguishing medium can for example be arranged below the conductor, that is to say on the side of the conductor facing away from the expansion vessel - or it fills more or less the entire interior of the disconnector outside the expansion vessel. Fill levels of 10% to almost 100% of the free internal volume of the disconnector are advantageous here.
  • the present invention also relates to a method for the emergency disconnection of an electrical circuit, which comprises the following steps: a. Passing the current through a section of conductor b. Passing the conductor section through a separation chamber c. Providing an expansion vessel in the separation chamber d. Holding an explosive material on or in the expansion vessel e. Igniting the explosive material f. Severing the conductor section
  • the explosive material should be held on or in the expansion vessel in such a way that the expansion vessel can be expanded by the reaction of the explosive material.
  • the steps are preferably carried out in context and in the order in which they are listed.
  • the method is to be understood in relation to the quick disconnector according to the invention. This means that features of the design of the quick disconnector are to be transferred analogously to the method, and characteristics of the method are to be transferred analogously to characteristics of the quick disconnector.
  • a method in which the explosive material remains completely in the vessel after the explosion is also expedient.
  • a method is also expedient in which, after the conductor has been severed, a first conductor end and a second conductor end are produced, and the expansion vessel mechanically separates the first conductor end and the second conductor end.
  • the expansion vessel thus expands between the ends of the conductor.
  • mechanical separation should be understood to mean that the expansion vessel cuts through an imaginary connecting line between the conductor ends and / or cuts along the original axial axis of the conductor.
  • a method in which the explosive material is ignited by an electrical ignition pulse is also expedient.
  • the explosive material can be ignited by heating a conductor section.
  • a conductor section with an increased electrical resistance comes into consideration. Expediently, it is also a question of a method in which the expansion vessel fits wholly or in sections against the inner walls of the separating chamber.
  • the expansion vessel is located in a partial volume of the separation chamber.
  • This partial volume expediently makes up less than 80% or also less than 60% or also less than 40% of the total volume of the separation chamber.
  • the separation chamber should also have a so-called first volume. This volume is also limited to the area that cuts the conductor in the middle and is perpendicular to the expansion direction of the expansion vessel.
  • the first volume should contain the expansion vessel. In relation to the first volume, it is useful if the expansion vessel occupies less than 80% or 60% or even 40% of the first volume.
  • the expansion vessel fills a larger volume of the separation chamber. It can fill almost the full volume of the separation chamber and then almost completely or completely cling to the inner walls of the separation chamber. Alternatively, this is done at least in sections. Nestling against the inner walls of the separation chamber and the appropriate selection and positioning of the expansion vessel make it easier for the expansion vessel walls not to burst or otherwise leak.
  • the expansion vessel then only has to move with the expanding front of the propellant material in the explosion phase until it hits a partition wall section. From this point in time, the pressure of the explosion is absorbed by the inner walls or at least one inner wall section of the separation chamber. Accordingly, although the walls of the expansion vessel must be able to withstand an explosion, they do not have to be overly stable.
  • the expansion vessel can then form a kind of balloon, which is designed for a one-time rapid expansion, but does not have to withstand large pressures, or at least does not necessarily have to withstand long-term.
  • An explosive charge is generally understood here to be a substance which, when activated, expands rapidly and strongly. There is a substance or also Mixture of substances in question, which can cause the expansion of the expansion vessel by internal pressure. This can generate gases or vapors.
  • Nitrocellulose powder or double base powder (these are mixtures of NC and NGL) are useful here, but above all the well-known igniting substances such as ZPP (zirconium potassium perchlorate), silver azide, hexogen or octogen.
  • Activation is usually carried out by a lighter or a detonator.
  • the igniter can contain a hot wire or an explosion wire, or it can be ignited by an electrical discharge.
  • a solid, liquid or other gaseous substance can also be added to a gas, in particular an oxidizing agent.
  • an explosion can also be triggered passively, that is, by simply heating an explosive.
  • explosive material can also be provided in two areas, whereby a first explosive material is initially made to explode and this explosion triggers the explosion of a second explosive material.
  • the optionally provided extinguishing agent should be matched to the explosive charge. Basically, it can be liquid, gaseous, gel-like, foam-like or multi-fiber.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of one of the present invention
  • Circuit breaker which is shown in view (A) before disconnection and in view (B) after disconnection.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of an alternative according to the invention.
  • Circuit breaker which is shown in view (A) before disconnection and in view (B) after disconnection.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of an alternative according to the invention.
  • Circuit breaker which is shown in view (A) before disconnection and in view (B) after disconnection.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of an alternative according to the invention.
  • Circuit breaker which is shown in view (A) before disconnection and in view (B) after disconnection.
  • Figure 5 is a cross-sectional view of an alternative according to the invention.
  • Circuit breaker which is shown in view (A) before disconnection and in view (B) after disconnection.
  • Figure 6 is a cross-sectional view of an alternative according to the invention.
  • Circuit breaker which is shown in view (A) before disconnection and in view (B) after disconnection.
  • Fig. 7 shows a cross-sectional view of parts of one according to the invention
  • Disconnector which can be ignited passively.
  • FIG. 8 offers cross-sectional views of various conductors, each having different weakening elements.
  • Fig. 1 shows a quick disconnect switch 10 according to the invention in cross section.
  • View (A) shows the quick disconnector 10 before it is triggered, ie before the conductor is disconnected.
  • the quick disconnect switch 10 has the separating chamber 12 which is surrounded by the separating chamber housing 14. An ignition element 16 is attached in the separation chamber 12. Subsequent to the ignition element 16, the expansion vessel 18 is provided. The conductor 20 runs through the separating chamber.
  • the conductor 20 is equipped with various weakening elements, namely with the groove 22 and with bores 24.
  • the separating chamber 12 has a first volume Vi, which in this cross section is delimited at the bottom by the conductor 20 and is otherwise delimited by the walls of the separating chamber 12.
  • the expansion vessel 18 takes up only a small space of this first volume Vi, significantly less than 50%.
  • the expansion vessel 18 or the chamber around the ignition element 16 contains an explosive material (not shown in detail).
  • the circuit breaker 10 is converted into the state shown in view (B). (Unchanged elements are no longer identified and explained in more detail.)
  • the expansion vessel 18 now takes up a significantly larger volume.
  • the conductor 20 is cut.
  • the bend 26 occurs in the process.
  • the conductor 20 is completely separated at the separating surfaces 28a and 28b and a distance is produced between the separating surfaces which prevents electrical flashover.
  • the isolating switch according to the invention can comprise further elements. It is shown here only schematically and in a slightly simplified manner. For example, terminals could be provided at the conductor ends, and the ignition element itself can consist of many parts. The disconnector 12 shown, however, already realizes all the essential elements of the invention. Furthermore, the free volume of the assembly above and / or below the conductor 20 can be filled with a gaseous, liquid, powdery or gel-like extinguishing fluid (not shown here), including mixtures thereof.
  • FIG. 2 shows a corresponding view of another isolating switch 10 according to the invention.
  • two grooves 22A and 22B are provided in the conductor 20.
  • a conductor section is created between the grooves 22A and 22B.
  • This conductor section 32 can, as can be seen in view (B), be displaced transversely as a whole as a result of the explosion.
  • the advantage here is that the circuit is opened at 2 points during the disconnection process, so that the voltage applied to the disconnector is practically halved per opening point and therefore only half the energy is converted per opening point, which at the moment of separation as magnetic energy in the Circuit inductance was stored, as is the case with only one separation point. This means that circuits can still be opened at slightly higher voltages without an arc remaining at the separation points after opening or separation, as would occur in particular when DC circuits are separated.
  • FIG. 3 shows another embodiment of the invention in an analogous sectional view.
  • the conductor is designed essentially as shown in FIG. 1.
  • the expansion vessel is larger.
  • the expansion vessel essentially occupies the entire first volume Vi, which the separating chamber 12 above the conductor 20 provides.
  • the expansion vessel 18 has expanded; as it expands, it clings to the inner walls of the separating chamber and presses against the conductor 20. This leads analogously to the formation of a bend 26 in the conductor.
  • the extensive expansion vessel suppresses arcing particularly efficiently.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the present invention in an analogous representation.
  • an expansion vessel has been used which takes up a large volume, namely the entire first volume Vi above the conductor 20.
  • This in turn is equipped with grooves, namely the grooves 22A and 22B.
  • the large expansion vessel leads to the breakout of the conductor section 32 on the conductor.
  • Fig. 5 shows a further alternative embodiment of the invention.
  • an expansion vessel 18 is used which has a bellows 30.
  • view (B) the expansion of the expansion vessel 18 due to the explosion leads in turn to the creation of a bend 26 in the conductor 20.
  • the expansion is made possible by the bellows 30, so that the corresponding folds after the explosion, as in view (B ) disappear.
  • the expansion vessel remains in tact so that explosive material does not penetrate into the interior of the separation chamber.
  • Fig. 6 shows yet another embodiment of the invention.
  • an expansion vessel 18 with a bellows is combined with a conductor 20, which in turn has two grooves, the grooves 22A and 22B.
  • the free volume of the assembly above and / or below the conductor 20 can again be filled with a gaseous, liquid, powdery or gel-like extinguishing fluid (not shown here), including mixtures thereof.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of parts of a circuit breaker according to the invention which can be ignited passively.
  • the quick disconnector 10 is not shown as a whole.
  • the conductor 20 and its interaction with the expansion vessel 18 is shown.
  • the expansion vessel 18 shown again has a bellows 30. This is useful if the expansion vessel is made of metal. In the case of an expansion vessel made of rubber, there is often no need to provide such a bellows.
  • the expansion vessel 18 is filled with the explosive charge 36 in its lower area. This explosive charge rests on the conductor via a contact track.
  • the contact track 38 can be manufactured in one piece with the expansion vessel, or as an additional track on the outside be applied to the expansion vessel.
  • a blind hole 40 is provided in the conductor 20, which can partially accommodate the expansion vessel.
  • grooves 22A and 22B are provided in the conductor 20.
  • this mechanical situation leads to a mechanical weakening of the conductor. Furthermore, an area of increased electrical resistance is generated by the blind hole 40 as well as by the grooves 22A and 22B. In this area, the conductor heats up quickly with a correspondingly high current flow.
  • the geometry also has the advantageous effect that the heat is quickly transferred to the expansion vessel 18 and the explosive charge 36 can be ignited there.
  • the bellows or the material of the expansion vessel is an electrically conductive material, it must be at least thinly coated on the outside with an electrically non-conductive material so as not to electrically short-circuit the conductor that was initially disconnected after the disconnector was triggered.
  • an electrically non-conductive material so as not to electrically short-circuit the conductor that was initially disconnected after the disconnector was triggered.
  • FIG. 8 offers schematic cross-sectional views of further advantageous conductor shapes, as they can be used in the context of the present invention together with a high-speed isolating switch. These conductors are particularly suitable for circuit breakers that can be ignited passively, as shown in FIG. 7.
  • View (A) shows a conductor which is equipped with a blind hole 40 and in which additional grooves 22A and 22B are provided. This view corresponds to the embodiment which was already shown in FIG.
  • View (B) shows an alternative design of the conductor in which four symmetrical slots are provided, slots 22A, 22B, 22C and 22D. These grooves also define a conductor section which can easily be moved transversely.
  • the view (C) shows a ladder with a deep blind hole 40.
  • This blind hole can easily accommodate an expansion vessel. No additional grooves are used.
  • the view (D) shows a conductor 20 in which two notches 34A and 34B are provided. Unlike grooves, which are of constant depth, the notches widen upwards. Notches thus have the advantage that the conductor section 32 delimited by them can be displaced transversely more easily. Even with a very fast one

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schnelltrennschalter, das heißt einen Schalter, mit dem man besonders schnell einen elektrischen Stromkreis trennen kann. Solche Schalter werden gelegentlich auch als pyrotechnische Trennvorrichtungen oder auch als elektrische Unterbrechungsschaltglieder bezeichnet. Insbesondere geht es um einen Schnelltrennschalter (10), der einen Stromzufuhrkontakt und einen Stromabfuhrkontakt aufweist, welche durch einen Leiter (20) verbunden sind, und bei dem der Leiter (20) durch eine Trennkammer (12) geführt wird, und in der Trennkammer (12) ein Dehngefäß (18) vorgesehen ist, welches durch eine Explosivladung ausgedehnt werden kann. Ferner geht es um ein Verfahren zur Nottrennung eines Stromkreises.

Description

Schnelltrennschalter
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schnelltrennschalter, d. h. einen Schalter, mit dem man besonders schnell einen elektrischen Stromkreis auch bei hohen Stromstärken und hohen Trennspannungen trennen kann. Der Schalter eignet sich für Gleichstrom- und für Wechselstromkreise. Der Schalter setzt hierzu in der Regel eine geringe Menge eines Explosivstoffmaterials ein. Solche Schalter werden gelegentlich auch als pyrotechnische Trennvorrichtungen oder auch als elektrische Unterbrechungsschaltglieder bezeichnet. Sie können etwa auf dem immer wichtiger werdenden Gebiet der E-Mobilität insbesondere zur Absicherung elektrischer Antriebe eingesetzt werden, besonders bei Elektroautos, Elektrolastkraftwagen oder Elektrobussen. Wenn ein entsprechend angetriebenes Fahrzeug verunfallt, ist die schnelle Abtrennung der Stromquelle von der Fahrzeugverkabelung wichtig und notwendig. Die entsprechenden Fragen stellen sich auch beim Antrieb von Schiffen mit Elektromotoren oder inzwischen auch beim Antrieb von Flugzeugen mit Elektromotoren, aber auch bei entsprechenden Aufgabenstellungen in Schaltschränken allgemein.
Flintergrund der Erfindung
Viele Trennschalter verwenden die Wirkung von Treibladungen auf einen Kolben. Nach dessen Beschleunigung und durch den auf ihn ausgeübten Druck sind sie jedenfalls in der Lage, damit einen Stromkreis schnell zu unterbrechen, auch dann, wenn hohe Ströme fließen.
Die Europäische Patentanmeldung EP 563 947 A1 offenbart ein Verfahren zum Sichern von Stromkreisen, welche hohe Ströme führen, und offenbart auch ein Hochstromsicherungselement. Zum Durchtrennen des Stromleiters wird dabei eine pyrotechnische Ladung entzündet. Diese beschleunigt einen Schneidstempel. Der Schneidstempel durchtrennt mechanisch einen Leiterabschnitt.
Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 196 16 993 A1 offenbart ein pyrotechnisches Sicherungselement für Stromkreise. Hierbei kommt ebenfalls eine pyrotechnische Ladung zum Einsatz. Diese beschleunigt einen Kunststoffkolben, welcher ein messerartiges Trennelement führt, welches seinerseits einen Leiter durchtrennen kann.
Die Deutsche Patentschrift DE 44 38 157 offenbart ebenfalls eine pyrotechnische Trennvorrichtung, welche geeignet ist, ein Wirkteil, welches im Wesentlichen eine Kolbenform hat, zur Durchtrennung eines Leiters zu beschleunigen.
Diese Lösungen funktionieren allesamt nach dem Grundprinzip eines kolbengetriebenen Trennschalters. Da es auf die sehr schnelle Trennung eines Stromkreises innerhalb von Millisekunden ankommt, ist die Beschleunigung der Kolbenmasse aber von Nachteil. Eine Masse zu beschleunigen, verzögert den Prozess unvermeidlich. Ferner muss der Kolben in einer jeweiligen Trennkammer sauber geführt werden, um eine schnelle Bewegung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es noch erforderlich, Abdichtungsvorrichtungen vorzusehen, beispielsweise zwischen Kolben und Treibladung.
Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 44 02 994 A1 offenbart einen elektrischen Sicherheitsschalter für Kraftfahrzeuge, der als kolbenfrei beschrieben werden kann. Hierbei werden zwei Leiter derart miteinander verbunden, dass ein Leiter mit einem verjüngten Ende in den Aufnahmeraum eines anderen Leiters hineinragt. In diesem Aufnahmeraum ist ein Gasgenerator vorgesehen, welcher als Treibladung wirkt. Bei einer solchen Lösung entweichen allerdings Abgase, welche durch eine Treibladung produziert werden, in den dann offenen Raum zwischen zwei Leitern. Ebenfalls verläuft die Trennung der Leiter nicht in einer gut definierten Weise. Bei einer unzureichenden Trennung kann es daher sehr schnell zu Lichtbogenausbildungen kommen.
Die vorliegende Erfindung möchte einen preiswert und zuverlässig herstellbaren Schnelltrennschalter anbieten, welcher die Nachteile im Stande der Technik umgeht. Insbesondere kann der Trennschalter kolbenfrei arbeiten, so dass eine Trennung mit wenig beschleunigter Masse möglich ist. Die Trennung soll den zu trennenden Leiter in einen zuverlässigen vordefinierten Trennzustand überführen und hierbei Lichtbogeneffekte minimieren, wie sie vor allem in Gleichstromkreisen (DC- Stromkreisen) bei der Stromkreistrennung auftreten würden. Ferner soll das Austreten von Abgasen der Treibladung oder Verschmutzungspartikeln vermieden werden, wie auch der Kontakt der Abgase mit der bzw. den Trennstellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Schnelltrennschalter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die entsprechenden Vorteile weist auch ein Verfahren zur Stromkreistrennung nach Verfahrensanspruch 11 und seinen Unteransprüchen auf.
Beschreibung
Der Schnelltrennschalter soll einen Stromzuführkontakt und einen Stromabfuhrkontakt aufweisen. Diese Bezeichnungen sollen allerdings nicht zwingend eine Stromrichtung festlegen, in der Regel kann der Trennschalter unabhängig von einer bestimmten Stromrichtung wirksam werden. Diese Kontakte können unmittelbar am Trennschalter vorgesehen sein, oder der Trennschalter kann auch Leitungsabschnitte aufweisen, die ihrerseits erst diese Kontakte aufweisen. Die beiden Kontakte sind durch einen Leiter verbunden. Hierbei handelt es sich oft um einen Kupfer- oder Aluminiumleiter. Ein anderes Material, insbesondere ein anderes metallisches oder zumindest elektrisch leitfähiges Material, ist aber ebenfalls geeignet.
Der Schnelltrennschalter weist eine Trennkammer auf. Diese weist ihrerseits einen Innenraum auf. Der Innenraum kann verschiedene Formen haben, häufig ist er quaderförmig. Der Leiter wird durch die Trennkammer geführt. Vorzugsweise wird der Leiter genau oder im Wesentlichen mittig durch die Trennkammer geführt. Damit ergibt sich zumindest in einer Schnittebene eine spiegelsymmetrische Lage.
Erfindungsgemäß ist in der Trennkammer ein Dehngefäß vorgesehen. Das Dehngefäß kann eine Explosivladung enthalten. Alternativ kann die Explosivladung in einem an das Dehngefäß angrenzenden Gefäß untergebracht sein, beispielsweise zusammen mit einer Zündladung. In jedem Fall soll bei Explosion die Explosivladung das Dehngefäß ausdehnen können.
Anders als im Stand der Technik ist die Explosivladung also nicht unmittelbar in der Trennkammer vorgesehen, sondern in einem eigenen Gefäß. Die Explosion der Explosivladung bewirkt die mechanische Trennung des Leiters. Dies geschieht unter Ausdehnung des Dehngefäßes. Das Dehngefäß kann dabei die Explosivladung auch nach der Explosion vollständig umschließen.
Dieser Aspekt führt zu weiteren grundsätzlichen Vorteilen der Erfindung: Der Trennschalter kann gasdicht gebaut werden und deshalb bei sehr niedrigen Umgebungsdrücken (z.B. in der Luftfahrt) eingesetzt werden. Bei Schaltern aus dem Stand der Technik muss Abgas entweichen können. Daher können diese Schalter nicht gasdicht gebaut und bei sehr niedrigen Umgebungsdrücken eingesetzt werden.
Das Dehngefäß kann beispielsweise einen Faltenbalg umfassen. Ein solcher Faltenbalg erleichtert die schnelle Ausdehnung. Das Dehngefäß soll sich beispielsweise auf mehr als 200%, 300%, 400%, 500% oder bis zu 1000% seines Ausgangsvolumens ausdehnen können. Vorzugsweise soll dies zerstörungsfrei geschehen. Das Dehngefäß kann auch elastisch sein, so dass sich sein Volumen nach der Explosion wieder reduziert. Elastizität ist jedoch nicht erforderlich. Das Dehngefäß kann zweckmäßigerweise aus Metall oder aus einem Nicht-Metall gefertigt werden. Zweckmäßige Metalle sind Stähle, allgemein dünne Stähle, und insbesondere auch Edelstahl. Alternativ kann das Dehngefäß auch aus Bronze oder Kupfer gefertigt werden. Bei den Nicht-Metallen sind Gummi, Naturgummi, Silikon oderauch TPE-Kunststoff zweckmäßig. In Betracht kommen ebenfalls Kunststoffe wie Polyoxymethylen (POM), Polyamid 6 (PA 6) oder ABS.
Wenn für das Dehngefäß ein elektrisch leitendes Material verwendet wird, muss dieses in der Regel außen elektrisch durch eine elektrisch nichtleitende Schicht abisoliert werden, um nach dem Trennen des Leiters die verbleibenden Kontaktstücke nicht elektrisch zu überbrücken.
Das Dehngefäß ist zweckmäßigerweise leichter als der in der Trennkammer verlaufende Leiterabschnitt. Durch dieses geringe Gewicht ist eine schnelle Ausdehnung der Explosivladung auch im Verhältnis zur Masse des durchtrennenden Leiterabschnittes gegeben. Ein eher schweres Dehngefäß würde eine Durchtrennung des Leiters nach Art eines Kolbens bewirken. Ein Dehngefäß aus Metall kann in entsprechender Weise gestaltet werden. Jedoch würde die Leitertrennung etwa durch einen scharfkantigen kolbenähnlichen Abschnitt im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sein. Die Leitertrennung erfolgt vorwiegend durch die rasche Ausdehnung des Explosivmaterials im vorgegebenen Raum der Trennkammer, anders gesagt durch eine Druckwelle.
Es ist zweckmäßig, wenn der Leiter entlang einer Achse in einer ersten Richtung durch die Trennkammer verläuft. Die Trennkammer und insbesondere die Lage des Dehngefäßes kann zweckmäßig so gestaltet werden, dass die Trennung mit einer bezogen auf diese Achse ganz, oder im Wesentlichen, oder zumindest überwiegenden radialen Komponente erfolgt. Dann kann ein abzutrennender Leiterabschnitt radial verschoben werden. Dabei kann der Leiter verbogen werden, so dass nur ein gewisses Teilstück radial verschoben wird, oder es kann aus dem Leiter an zwei Seiten ein Teilstück abgetrennt werden, welches insgesamt radial verschoben wird.
Es kann zweckmäßig sein, wenn der Leiter mechanische Schwächungselemente aufweicht. Solche Schwächungselemente reduzieren das zu trennende Leitermaterial, ohne den elektrischen Durchgangswiderstand des Leitermaterials wesentlich zu erhöhen. Diese Schwächungselemente können Bohrungen, Nuten, Teilschnitte oder Kerben umfassen. Sie dienen auch dazu, die Trennung des Leiters im Voraus berechenbar zu machen, zu erleichtern und im Voraus in günstiger Weise zu gestalten.
Eine Bohrung hat den zusätzlichen Nutzen, dass sie eine Luftströmung durch den Leiter ermöglicht. Bei einer schnellen Bewegung des Leiters oder eines Leiterabstands entsteht damit weniger Strömungswiderstand. Auch wenn der Leiter sich in ein Löschmedium hinein bewegt, kann durch die Bohrung der Strömungswiderstand und damit der Widerstand gegen die gewünschte Translationsbewegung des Leiters deutlich reduziert werden. Im Übrigen sind Bohrungen durch die Entnahme des Materials Schwächungsstellen, an denen besonders leicht eine Bruchstelle im Material entstehen kann. Im Übrigen können Schwächungselemente in Form von Nuten oder Kerben vorgesehen werden. Unter einer Nut soll hierin eine Schlitzung von bestimmter Tiefe verstanden werden (welche im Querschnitt als Sackloch erscheint), welche aber im Querschnitt auch eine gleichmäßige Dicke hat. Unter einer Kerbe soll eine Vertiefung verstanden werden, welche nahe der Leiteroberfläche breiter ist als in größerer Tiefe. Beides sind geeignete Schwächungselemente. Kerben erlauben es vorteilhaft, ganze Abschnitte des Leiters radial zu verschieben. Wenn nur eine Nut vorgesehen ist, insbesondere eine schmale Nut, kann die radiale Verschiebung durch eine Verkippung und Verkantung erschwert oder behindert werden.
Der Leiter kann auch eine Zone erhöhten Widerstandes aufweisen. Beispielsweise kann der Leiterdurchmesser in einer solchen Zone verringert sein. Zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes können die oben aufgezählten Schwächungselemente zweckmäßig eingesetzt werden. Dies führt zu einer elektrischen Erhitzung des Leiters. Die entstehende Wärme kann genutzt werden, um dort anliegendes Explosivmaterial zu zünden. Dazu wird das Explosivmaterial vorzugsweise in der Nähe der Zone des erhöhten Widerstandes und in gutem thermischem Kontakt zu ihr positioniert.
Es besteht auch die vorteilhafte Möglichkeit, das Material des Dehngefäßes auf eine solche Wärme-ausgelöste oder „passive“ Explosion hin zu optimieren. Dabei kann das Material des Dehngefäßes insgesamt dieser Aufgabe angepasst werden, oder das Dehngefäß weist abschnittsweise, nämlich an der Kontaktfläche mit dem Leiter, ein vom übrigen Dehngefäß abweichendes Material auf. Geeignete Materialien sind hierbei Kupfer, Messing, Aluminium, Silber oder auch Bronze.
Es kommt auch in Frage, wenn am Dehngefäß eine zusätzliche Kontaktlage aufgebracht wird. Beispielsweise könnte eine Kontaktlage aus Kupfer zur besonders guten Wärmeleitung eingesetzt werden. In dieser Weise lässt sich die Wärme induzierte Trennung besonders exakt den Notwendigkeiten des Schaltkreises anpassen.
Diese zweckmäßige Gestaltung zeigt weitere Vorteile der Verwendung eines Dehngefäßes auf. Wo etwa ein Kolben verwendet wird, muss der Kolben fast unvermeidlich zwischen Explosivladung und Leiter angewandt werden. Damit verhindert aber der Kolben eine örtlich nahe Positionierung der Explosivladung am Leiter. Durch Verzicht auf einen Kolben ist dies möglich. Die Auslösung der Stromkreistrennung durch Leitererwärmung ist besonders vorteilhaft. Sie ermöglicht durch die hier vorhandene passive Auslösung der Explosivladung bzw. des Trennschalters, dass eine Überhitzung des Stromkreises oder einer hier kurzgeschlossenen Stromquelle durch zu hohe Ströme vermieden wird, ohne dass eine komplizierte Erfassung und Auswertung der Ströme und/oder Schaltung erforderlich sind.
Es kann auch zweckmäßig sein, Teile der Explosivladung innerhalb des Dehngefäßes vorzusehen und Teile der Explosivladung außerhalb des Dehngefäßes vorzusehen. Beispielsweise kann eine Explosivladung in einem Sackloch oder einer ähnlichen Ausnehmung des Leiters vorgesehen sein. Diese Explosivladung erwärmt sich dann durch den unmittelbaren Kontakt zum Leiter schnell. Ihre Explosion kann durch Wärmeübertragung die Explosion der übrigen Explosivladung im Trenngefäß bewirken. Dazu kann beispielsweise auch zusätzlich eine Bohrung vorgesehen werden, durch die ein Heißgasstrahl das Innere des Dehngefäßes erreicht. Eine solche Bohrung ist nicht unbedingt erforderlich, da auch durch thermische Erwärmung durch das Material des Dehngefäßes hindurch schnell und zuverlässig eine Explosion von Explosivmaterial ausgelöst werden kann, welche innerhalb des Dehngefäßes vorgesehen ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Gestaltung der Erfindung kann die Trennkammer ein Löschmedium umfassen. Dieses Löschmedium kann beispielsweise unterhalb des Leiters angeordnet sein, das heißt auf der dem Dehngefäß abgewandten Seite vom Leiter - oder es füllt gleich mehr oder weniger den gesamten Innenraum des Trennschalters außerhalb des Dehngefäßes aus. Hierbei sind Füllgrade von 10% bis nahe 100% des freien inneren Volumens des Trennschalters von Vorteil.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Nottrennung eines Stromkreises, welches folgende Schritte umfasst: a. Führen des Stromes durch einen Leiterabschnitt b. Führen des Leiterabschnitts durch eine Trennkammer c. Vorsehen eines Dehngefäßes in der Trennkammer d. Vorhalten eines Explosivmaterials am oder im Dehngefäß e. Zünden des Explosivmaterials f. Durchtrennen des Leiterabschnittes
Das Explosivmaterial soll so am oder im Dehngefäß vorgehalten werden, dass das Dehngefäß durch die Reaktion des Explosivmaterial ausgedehnt werden kann.
Vorzugsweise werden die Schritte im Zusammenhang und in der Reihenfolge ihrer Aufzählung ausgeführt. Das Verfahren ist auf den erfindungsgemäßen Schnelltrennschalter bezogen zu verstehen. Das heißt, Merkmale der Gestaltung des Schnelltrennschalters sind analog auf das Verfahren zu übertragen, und Merkmale des Verfahrens sind analog auf Merkmale des Schnelltrenners zu übertragen.
Zweckmäßig ist auch ein Verfahren, in dem das Explosivmaterial nach der Explosion vollständig in dem Gefäß verbleibt.
Zweckmäßig ist ferner ein Verfahren, bei dem nach dem Durchtrennen des Leiters ein erstes Leiterende und ein zweites Leiterende entsteht, und das Dehngefäß das erste Leiterende und das zweite Leiterende mechanisch trennt. Das Dehngefäß dehnt sich also zwischen den Leiterenden aus. Allgemein soll unter mechanischer Trennung hieran verstanden werden, dass das Dehngefäß eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Leiterenden durchtrennt und/oder entlang die ursprüngliche axiale Verlaufsachse des Leiters durchtrennt.
Zweckmäßig ist insbesondere auch ein Verfahren, bei dem das Explosivmaterial durch einen elektrischen Zündimpuls gezündet wird. Alternativ oder zusätzlich, in der Regel aber alternativ, kann das Explosivmaterial durch Erhitzung eines Leiterabschnittes gezündet werden. Dabei kommt insbesondere ein Leiterabschnitt mit einem erhöhten elektrischen Widerstand in Betracht. Zweckmäßigerweise geht es auch um ein Verfahren, bei dem sich das Dehngefäß ganz oder abschnittsweise an Innenwände der Trennkammer schmiegt.
Vor der Explosion befindet sich das Dehngefäß in einem Teilvolumen der Trennkammer. Zweckmäßigerweise macht dieses Teilvolumen weniger als 80% oder auch weniger als 60% oder auch weniger als 40% des Gesamtvolumens der Trennkammer aus.
Die Trennkammer soll ferner ein sogenanntes erstes Volumen haben. Dieses Volumen wird auch die Fläche, die den Leiter mittig durchtrennt und senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Dehngefäßes steht, begrenzt. Das erste Volumen soll das Dehngefäß enthalten. Bezogen auf das erste Volumen ist es zweckmäßig, wenn das Dehngefäß weniger als 80% oder 60% oder auch 40% des ersten Volumens einnimmt.
Nach der Explosion füllt das Dehngefäß ein größeres Volumen der Trennkammer auf. Dabei kann es beinahe das volle Volumen der Trennkammer ausfüllen und sich dann fast vollständig oder vollständig an die Innenwände der Trennkammer anschmiegen. Alternativ geschieht dies zumindest abschnittsweise. Das Anschmiegen an die Innenwände der Trennkammer und die entsprechende Auswahl und Positionierung des Dehngefäßes erleichtern es, dass die Dehngefäßwände nicht bersten oder anders undicht werden. Das Dehngefäß muss sich dann nur in der Explosionsphase mit der sich ausdehnenden Front des Treibmaterials mitbewegen, bis es an einen Trennwandabschnitt stößt. Der Druck der Explosion wird ab diesem Zeitpunkt durch die Innenwände oder zumindest einem Innenwandabschnitt der Trennkammer aufgenommen. Dementsprechend müssen die Wände des Dehngefäßes, obwohl sie einer Explosion gewissermaßen standhalten müssen, nicht übermäßig stabil sein. Es genügt, wenn das Material an sich nicht sehr (druck-) belastbar, aber schnell dehnbar ist. Das gilt insbesondere für Gummimaterialien. Das Dehngefäß kann dann eine Art Ballon bilden, der für eine einmalige schnelle Dehnung ausgelegt ist, aber großen Drücken nicht oder jedenfalls nicht unbedingt auf Dauer standhalten muss.
Als Explosivladung wird hier allgemein ein Stoff verstanden, welcher sich bei einer entsprechenden Aktivierung schnell und stark ausdehnt. Es kommt ein Stoff oder auch Stoffgemisch in Frage, welcher durch inneren Druck die Dehnung des Dehngefäßes bewirken kann. Dabei können Gase oder Dämpfe erzeugt werden. Zweckmäßig sind hier Nitrozellulosepulver oder Double Base Pulver (diese sind Mischungen aus NC und NGL), aber vor allem die bekannten Zünd- und Anzündstoffe wie ZPP (Zirkonium Potassium Perchlorat), Silberazid, Hexogen oder auch Oktogen.
Bleihaltige Mischungen wie Bleiazid könnten zwar ebenfalls eingesetzt werden, jedoch will und sollte man hier schwermetallfrei bleiben. Auch Gase oder insbesondere auch in flüssiger Form können hier verwendet werden.
Die Aktivierung erfolgt in der Regel durch einen Anzünder oder einen Zünder. Der Anzünder kann einen Hitzedraht oder Explosionsdraht beinhalten oder auch durch eine elektrische Entladung gezündet werden. Einem Gas kann auch ein fester, oder flüssiger, oder anderer gasförmiger Stoff beigemischt werden, insbesondere ein Oxidationsmittel. Alternativ oder zusätzlich kann eine Explosion auch passiv ausgelöst werden, das heißt durch die bloße Erwärmung eines Explosivstoffes. Dabei kann auch in zwei Bereichen Explosivstoff vorgesehen sein, wobei zunächst ein erster Explosivstoff zur Explosion gebracht wird und diese Explosion die Explosion eines zweiten Explosivstoffes auslöst.
Das optional vorgesehene Löschmittel sollte auf die Explosivladung abgestimmt sein. Grundsätzlich kann es flüssig, gasförmig, gelartig, schaumartig oderauch mehrfaserig sein.
Weitere Merkmale, aber auch Vorteile der Erfindung, ergeben sich aus den nachfolgend aufgeführten Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung. In den Abbildungen und in den dazugehörigen Beschreibungen sind Merkmale der Erfindung in Kombination beschrieben. Diese Merkmale können allerdings auch in anderen Kombinationen von einem erfindungsgemäßen Gegenstand umfasst werden. Jedes offenbarte Merkmal ist also auch als in technisch sinnvollen Kombinationen mit anderen Merkmalen offenbart zu betrachten. Die Abbildungen sind teilweise leicht vereinfacht und schematisch: Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen
Trennschalters, welcher in Ansicht (A) vor der Trennung und in Ansicht (B) nach der Trennung gezeigt wird.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen erfindungsgemäßen
Trennschalters, welcher in Ansicht (A) vor der Trennung und in Ansicht (B) nach der Trennung gezeigt wird.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen erfindungsgemäßen
Trennschalters, welcher in Ansicht (A) vor der Trennung und in Ansicht (B) nach der Trennung gezeigt wird.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen erfindungsgemäßen
Trennschalters, welcher in Ansicht (A) vor der Trennung und in Ansicht (B) nach der Trennung gezeigt wird.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen erfindungsgemäßen
Trennschalters, welcher in Ansicht (A) vor der Trennung und in Ansicht (B) nach der Trennung gezeigt wird.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen erfindungsgemäßen
Trennschalters, welcher in Ansicht (A) vor der Trennung und in Ansicht (B) nach der Trennung gezeigt wird.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht von Teilen eines erfindungsgemäßen
Trennschalters, welcher passiv gezündet werden kann.
Fig. 8 bietet Querschnittsansichten verschiedener Leiter, welche jeweils unterschiedliche Schwächungselemente aufweisen. Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schnelltrennschalter 10 im Querschnitt. Ansicht (A) zeigt den Schnelltrennschalter 10 vor seiner Auslösung, d. h. vor der Trennung des Leiters.
Der Schnelltrennschalter 10 weist die Trennkammer 12 auf, welche vom Trennkammergehäuse 14 umgeben ist. In der Trennkammer 12 ist ein Zündelement 16 angebracht. Anschließend an das Zündelement 16 ist das Dehngefäß 18 vorgesehen. Durch die Trennkammer verläuft der Leiter 20. Der Leiter 20 ist mit verschiedenen Schwächungselementen ausgerüstet, nämlich mit der Nut 22 sowie mit Bohrungen 24.
Die Trennkammer 12 weist ein erstes Volumen Vi auf, welches in diesem Querschnitt nach unten durch den Leiter 20 begrenzt wird und im Übrigen durch die Wände der Trennkammer 12 begrenzt wird. Das Dehngefäß 18 nimmt nur einen kleinen Raum dieses ersten Volumens Vi ein, deutlich weniger als 50%.
Ausgelöst durch eine Zündung kann es zu einer wesentlichen (explosionsartigen) Volumenvergrößerung des Dehngefäßes kommen. Das Dehngefäß 18 oder die Kammer um das Zündelement 16 enthält dazu ein nicht näher dargestelltes Explosivmaterial. Durch diese Explosion wird der Trennschalter 10 in den in der Ansicht (B) gezeigten Zustand überführt. (Unveränderte Elemente werden nicht mehr näher bezeichnet und erläutert.) Das Dehngefäß 18 nimmt nun ein wesentlich größeres Volumen ein. Der Leiter 20 ist durchtrennt. Dabei tritt die Biegung 26 auf. Dadurch wird der Leiter 20 an den Trennflächen 28a und 28b vollständig getrennt und ein Abstand zwischen den Trennflächen hergestellt, der einen elektrischen Überschlag vermeidet.
Zu bedenken ist, dass der erfindungsgemäße Trennschalter weitere Elemente umfassen kann. Er ist hier nur schematisch und leicht vereinfacht dargestellt. Beispielsweise könnten an den Leiterenden Klemmen vorgesehen sein, ferner kann das Zündelement in sich vielteilig sein. Der dargestellte Trennschalter 12 verwirklicht aber bereits alle wesentlichen Elemente der Erfindung. Weiter kann das freie Volumen der Baugruppe über und/oder unterhalb des Leiters 20 mit einem hier nicht eingezeichneten gasförmigen, flüssigen, pulverigem oder gelartigen Löschfluid gefüllt sein, auch aus deren Mischungen.
Fig. 2 zeigt in entsprechender Ansicht einen anderen erfindungsgemäßen Trennschalter 10. In diesem Fall sind im Leiter 20 zwei Nuten 22A und 22B vorgesehen. Zwischen den Nuten 22A und 22B entsteht ein Leiterabschnitt. Dieser Leiterabschnitt 32 kann, wie in Ansicht (B) sichtbar wird, durch die Explosion insgesamt transversal verschoben werden. Der Vorteil hier ist, dass während des Trennvorgangs der Stromkreis an 2 Stellen geöffnet wird, so dass die am Trennschalter anliegende Spannung pro Öffnungsstelle quasi halbiert wird und sich damit pro Öffnungsstelle nur die halbe Energie umsetzt, die im Augenblick der Trennung als magnetische Energie in der Stromkreisinduktivität gespeichert war, wie das bei nur einer Trennstelle der Fall ist. Damit können Stromkreise bei etwas höheren Spannungen noch geöffnet werden, ohne dass ein Lichtbogen an den Trennstellen nach der Öffnung bzw. Trennung stehen bleibt, wie das insbesondere beim Trennen von DC-Stromkreisen erfolgen würde.
Fig. 3 zeigt in analoger Schnittdarstellung eine andere Ausführungsform der Erfindung. Der Leiter ist im Wesentlichen so gestaltet, wie in Fig. 1 dargestellt. Hier jedoch ist das Dehngefäß größer. Das Dehngefäß nimmt vor der Explosion im Wesentlichen das gesamte erste Volumen Vi ein, welches die Trennkammer 12 oberhalb des Leiters 20 zur Verfügung stellt.
In Ansicht (B) ist die Situation nach der Explosion dargestellt. Das Dehngefäß 18 hat sich ausgedehnt, bei seiner Ausdehnung schmiegt es sich an die Innenwände der Trennkammer an und drückt gegen den Leiter 20. Dies führt analog zum Ausbilden einer Biegung 26 des Leiters. Das ausgedehnte Dehngefäß unterdrückt Funkenüberschlag besonders effizient.
Fig. 4 zeigt in analoger Darstellung eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier ist wiederum ein Dehngefäß verwendet worden, welches ein großes Volumen einnimmt, namentlich das ganze erste Volumen Vi oberhalb von dem Leiter 20. Dieser ist wiederum mit Nuten, nämlich den Nuten 22A und 22B ausgerüstet. Auch das große Dehngefäß führt nach Explosion zum Ausbrechen des Leiterstücks 32 auf dem Leiter.
Fig. 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall wird ein Dehngefäß 18 verwendet, welches einen Faltenbalg 30 aufweist. Wie in Ansicht (B) dargestellt, führt die Ausdehnung des Dehngefäßes 18 aufgrund der Explosion wiederum zum Erstehen einer Biegung 26 im Leiter 20. Die Ausdehnung wird durch den Faltenbalg 30 ermöglicht, so dass die entsprechenden Falten nach der Explosion, wie in Ansicht (B) dargestellt, verschwinden. Auch nach der Explosion bleibt das Dehngefäß in Takt, so dass Explosivmaterial nicht in den Innenraum der Trennkammer eindringt.
Fig. 6 zeigt eine wiederum andere Ausführungsform der Erfindung. Hier wird ein Dehngefäß 18 mit einem Faltenbalg kombiniert mit einem Leiter 20, welcher wiederum zwei Nuten aufweist, die Nuten 22A und 22B. Durch Ausdehnung des Dehngefäßes, bei der wiederum die Falten des Faltenbalges durch Ausdehnung verschwinden, kommt es zu einer vollständigen transversalen Verschiebung des Leiterstücks 32.
Auch in den in Fig. 2 bis Fig. 6 gezeigten Ausführungsformen kann das freie Volumen der Baugruppe über und/oder unterhalb des Leiters 20 wieder mit einem hier nicht eingezeichneten gasförmigen, flüssigen, pulverigem oder gelartigen Löschfluid gefüllt sein, auch aus deren Mischungen.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht von Teilen eines erfindungsgemäßen Trennschalters, welcher passiv gezündet werden kann.
Hierbei wird auf die Darstellung des Schnelltrennschalters 10 insgesamt verzichtet. Dargestellt ist der Leiter 20 und seine Zusammenwirkung mit dem Dehngefäß 18. Das dargestellte Dehngefäß 18 weist wiederum einen Faltenbalg 30 auf. Dies ist zweckmäßig, wenn das Dehngefäß aus Metall gefertigt ist. Bei einem Dehngefäß aus Gummi kann häufig darauf verzichtet werden, einen solchen Faltenbalg vorzusehen. Das Dehngefäß 18 ist in seinem unteren Bereich mit der Explosivladung 36 befüllt. Diese Explosivladung liegt über eine Kontaktbahn am Leiter an. Die Kontaktbahn 38 kann einstückig mit dem Dehngefäß gefertigt sein, oder als zusätzliche Bahn außen auf das Dehngefäß aufgebracht werden. Im Leiter 20 ist ein Sackloch 40 vorgesehen, welches das Dehngefäß teilweise aufnehmen kann. Zusätzlich sind im Leiter 20 Nuten 22A und 22B vorgesehen. Diese mechanische Situation führt zum einen zu einer mechanischen Schwächung des Leiters. Ferner wird durch das Sackloch 40 wie auch durch die Nuten 22A und 22B ein Bereich erhöhten elektrischen Widerstandes erzeugt. In diesem Bereich erwärmt sich der Leiter bei entsprechend hohem Stromfluss schnell.
Die Geometrie bewirkt auch in vorteilhafter Weise, dass die Wärme sich schnell auf das Dehngefäß 18 überträgt und dort die Explosivladung 36 entzündet werden kann.
Wie schon erläutert, hier aber nicht dargestellt, kann es auch zweckmäßig sein, eine zweite Explosivladung außerhalb des Dehngefäßes 18 im Bereich des Sackloches und eventuell auch in den Nuten 22A und 22B vorzusehen. Durch bloße Wärmeübertragung ist die schnelle Zündung besonders eines solchen Explosivmaterials außerhalb des Dehngefäßes 18 möglich. Ein optional zusätzliches, auch innerhalb des Dehngefäßes vorgesehenes zweites Explosivmaterial wird dann durch das erste Explosivmaterial, welches außerhalb des Dehngefäßes 18 vorgesehen ist, besonders leicht entzündet.
Handelt es sich bei dem Faltenbalg bzw. beim Material des Dehngefäßes um ein elektrisch leitendes Material, muss es außen mit einem elektrisch nichtleitenden Material zumindest dünn überzogen sein, um den nach der Auslösung des Trennschalters zunächst getrennten Leiter nicht wieder elektrisch kurzzuschließen. Hierfür eignen sich im Wesentlichen alle verfügbaren Kunststoffe, Plaste und Gummiarten.
Fig. 8 bietet schematische Querschnittsansichten weiterer vorteilhafter Leiterformen, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Trennschnellschalter verwendet können. Diese Leiter sind besonders für Trennschalter geeignet, die passiv gezündet werden können, so wie in Fig. 7 dargestellt. Ansicht (A) zeigt einen Leiter, welcher mit einem Sackloch 40 ausgerüstet ist und bei welchem zusätzliche Nuten 22A und 22B vorgesehen sind. Diese Ansicht entspricht der Ausführungsform, welche schon in Fig. 7 dargestellt wurde. Ansicht (B) zeigt eine alternative Gestaltung des Leiters, bei der symmetrisch vier Nuten vorgesehen sind, die Nuten 22A, 22B, 22C und 22D. Durch diese Nuten wird auch ein Leiterstück definiert, welches sich leicht transversal verschieben lässt.
Die Ansicht (C) zeigt einen Leiter mit einem tiefen Sackloch 40. Dieses Sackloch kann leicht ein Dehngefäß aufnehmen. Auf zusätzliche Nuten wird verzichtet.
Die Ansicht (D) zeigt einen Leiter 20, in dem zwei Kerben 34A und 34B vorgesehen sind. Anders als Nuten, welche von konstanter Tiefe sind, weiten sich die Kerben nach oben auf. Kerben haben damit den Vorteil, dass das durch sie begrenzte Leiterstück 32 sich leichter transversal verschieben lässt. Auch bei einer sehr schnellen
Bewegung, wie sie für eine Explosion typisch ist, wird so ein Verkanten oder eventuelles Verklemmen des Leiterstücks 32 effizient vermieden.
Insgesamt erkennt man, wie nach der vorliegenden Erfindung ein effizient arbeitender Trennschnellschalter hergestellt werden kann, welcher sich sowohl für eine aktive wie auch für eine passive Zündung eignet.
Bezugszeichenliste
10 Trennschnellschalter 12 Trennkammer 14 Trennkammergehäuse
16 Zündelement 18 Dehngefäß 20 Leiter 22 Nut 24 Bohrungen
26 Biegung 28 Trennflächen 30 Faltenbalg 32 Leiterstück 34 Kerbe
36 Explosivladung (im Dehngefäß) 38 Kontaktbahn 40 Sackloch

Claims

Ansprüche
1. Schnelltrennschalter (10), der einen Stromzufuhrkontakt und einen Stromabfuhrkontakt aufweist, welche durch einen Leiter (20) verbunden sind, und bei dem der Leiter (20) durch eine Trennkammer (12) geführt wird, und in der Trennkammer (12) ein Dehngefäß (18) vorgesehen ist, welches durch eine Explosivladung ausgedehnt werden kann.
2. Schnelltrennschalter (10) nach Anspruch 1 , bei dem das Dehngefäß (18) einen Faltenbalg (30) umfasst.
3. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich das Dehngefäß (18) auf bis zu 500% seines Ausgangsvolumens dehnen kann.
4. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Dehngefäß (18) aus Metall oder Gummi gefertigt ist.
5. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Dehngefäß (18) aus einem elektrisch leitenden Material außen mit einem elektrisch nichtleitenden Material beschichtet oder umgeben ist.
6. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leiterabschnitt (32) innerhalb der Trennkammer (12) ein erstes Gewicht hat, und das Dehngefäß (18) ein zweites Gewicht, und das zweite
Gewicht geringer ist als das erste Gewicht.
7. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Leiter (20) axial in einer ersten Richtung durch die Trennkammer (12) verläuft, und das Dehngefäß (18) bei seiner Ausdehnung eine Kraft mit im Wesentlichen radialer oder überwiegend radialer Komponente ausüben kann.
8. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Leiter (20) mindestens ein mechanisches Schwächungselement (22; 24; 34) aufweist.
9. Schnelltrennschalter (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem mindestens ein Schwächungselement (22; 24; 34) in Form einer Nut (22), einer Bohrung (24) oder einer Kerbe (34) vorgesehen ist.
10. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leiter (20) einen Abschnitt erhöhten Widerstands aufweist.
11 . Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der Trennkammer (12) ein Löschmedium (41 ) vorgesehen ist.
12. Schnelltrennschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leiter (20) mit mehr als einem Schwächungselement versehen ist, um bei der Trennung mehr als eine Trennstelle zu erzeugen.
13. Verfahren zur Nottrennung eines Stromkreises, in dem Strom durch einen Leiter (20) fließt, welches folgende Schritte umfasst: a. Führen des Stromes durch einen Leiterabschnitt (32) b. Führen des Leiterabschnitts (32) durch eine Trennkammer (12) c. Vorsehen eines Dehngefäßes (18) in der Trennkammer (12) d. Vorhalten eines Explosivmaterials im Dehngefäß (18) e. Zünden des Explosivmaterials f. Durchtrennen des Leiterabschnittes (32)
14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, in dem das Explosivmaterial nach der Explosion vollständig im Dehngefäß (18) verbleibt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem nach dem Durchtrennen des Leiters (20) ein erstes Leiterende und eine zweites Leiterende entsteht, und das Dehngefäß (18) das erste Leiterende und das zweite Leiterende mechanisch trennt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Explosivmaterial durch Erhitzung des Leiterabschnittes (32) gezündet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich nach dem Zünden des Explosivmaterials zumindest Teile der Wände des Dehngefäßes (18) sich zumindest abschnittsweise an die Innenwände der Trennkammer (12) anschmiegen.
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