WO2021207773A1 - Pyrotechnischer stromtrenner sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Pyrotechnischer stromtrenner sowie verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Ludwig Marker
Markus Marker
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Hirtenberger Automotive Safety Gmbh & Co Kg
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    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
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Definitions

  • the present invention relates to a pyrotechnic current isolator with a housing which has a cavity in which a separating punch is slidably arranged, a pyrotechnic charge also being provided in the cavity and a conductor with at least one predetermined breaking point crossing the cavity on the opposite side of the separating punch so that when the pyrotechnic charge is ignited, the cutting punch is driven in the direction of the conductor and separates it at the at least one predetermined breaking point.
  • the piston design together with the chamber design, contains integrated constriction areas and blow-out channels for the arc that occurs.
  • a channel system outside or inside the bulb allows the pyrotechnic gases to force the arc plasma into a filter system to cool the gases. Nevertheless, the result when separating higher currents is not always satisfactory; despite this high level of effort, the external effect is still very high.
  • two predetermined breaking points are provided, and the area in between, often referred to as a circuit board, is punched out by the cutting punch.
  • the cutting punch breaks the conductor at the predetermined breaking point and bends a piece of the conductor away from the remaining conductor end at the bending point.
  • the present invention can be applied to both embodiments.
  • circuit breaker of the type mentioned at the outset in that the at least one predetermined breaking point is at least partially filled with polymer material.
  • Another advantage of the solution according to the invention is that the fillings stiffen the conductor in the area of the predetermined breaking point and thus enable an easier separation process, i.e. the deformation of the conductor ends during the separation process is less, the separation takes place more quickly, i.e. the distance between the conductor ends increases shorter time. This also reduces the effect of the arc.
  • FIG. 1 shows a section of a current isolator of the type according to the invention in the conductor area.
  • a central area 31 of the housing is made in one piece. It has a continuous cylindrical cavity 32 through which a conductor 11 passes.
  • the conductor 11 has two predetermined breaking points 12 a, 12 b which delimit a circuit board 13.
  • the predetermined breaking points 12a, 12b are formed by notches which extend from both sides of the conductor surfaces.
  • the notches prefferably be provided on only one surface of the conductor.
  • a separating punch (not shown), often also referred to as a separating piston.
  • the middle area 31 of the housing is closed off by a cover in which a pyrotechnic charge is integrated.
  • the bottom of the housing is closed off by a floor. The bottom, the middle area 31 and the cover are firmly connected to one another, e.g. screwed.
  • the circuit board 13 When the circuit breaker is triggered, the circuit board 13 is broken out by the separating piston and any electric arc is squeezed between the separating piston and the wall of the cavity 32. The arc is extinguished by the combination of squeezing and arc elongation. Regardless of whether the extinguishing principle used is an extinguishing agent or ablation as a result of the arc squeezing, an increase in temperature and the formation of gaseous products lead to an increase in the internal pressure. According to the aforementioned DE 102018125059 A. the pressure is reduced by diverting the gaseous products to the outside via two filter stages.
  • the present invention takes a different approach.
  • the aim is to prevent the gaseous products from escaping quickly, that is to say that the pressure is only reduced relatively slowly.
  • the middle area 31 of the housing was produced in an injection mold, while the conductor 11 was already in this injection mold. It was therefore possible to partially fill the predetermined breaking points 12a, 12b during the encapsulation of the conductor 11, so that fillings 14a, 14a ', 14b, 14b' result.
  • the edges of the fillings 14a, 14a ', 14b, 14b' are initially applied by the gas pressure in the sense of a valve seal and prevent gas from escaping along the conductor 11.
  • the fillings 14a, 14a ', 14b, 14b' of the predetermined breaking points 12a, 12b can rest against the remaining conductor ends after the circuit board 13 has been broken out. This can be achieved either by fillings 14a, 14a ', 14b, 14b', the thickness of which decreases towards the actual separation point - as shown in the example - or by making the fillings evenly thin.
  • the “thickness” is understood to mean the dimension in the direction transverse to the direction of movement of the cutting punch.
  • the fillings 14a, 14a ', 14b, 14b' do not hinder the breakout of the board 13, at least the fillings 14a ', 14b' on the side of the conductor 11 facing away from the cutting punch only extend as far as the point of the conductor 11 with the smallest cross-section , so they do not completely fill the predetermined breaking points 12a, 12b.
  • the predetermined breaking points 12a, 12b can be partially filled by placing the conductor 11 in an injection mold and then placing the middle area 31 of the housing together with the fillings 14a, 14a ', 14b, 14b' through a Overmolding process of the conductor 11 is generated.
  • Such a conductor encapsulation also leads to an increase in the strength and thus the separation reliability.
  • the housing consists of the central area 31, which is closed at the bottom with a base and at the top with a cover.
  • the circuit breaker can also have a housing which is composed of an upper housing part and a lower housing part, the conductor being located between the upper housing part and the lower housing part, as mentioned above DE 102018125059 A. is known.
  • the upper part of the housing and the lower part of the housing are first produced, the fillings 14a, 14a ', 14b, 14b' being molded onto their boundary surfaces.
  • the conductor 11 is placed between the upper part of the housing and the lower part of the housing so that the fillings 14a, 14a ', 14b, 14b' align the individual components with each other, after which the upper part and the lower part of the housing are fixed to one another, for example screwed together.

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Abstract

Das Gehäuse eines pyrotechnischen Stromtrenners weist einen Hohlraum (32) auf, in welchem ein Trennstempel verschiebbar angeordnet ist. In dem Hohlraum (32) ist weiters eine pyrotechnische Ladung vorgesehen, und auf der gegenüberliegenden Seite des Trennstempels durchquert ein Leiter (11) mit zumindest einer Sollbruchstelle (12a, 12b) diesen Hohlraum (32), sodass bei Zündung der pyrotechnischen Ladung der Trennstempel in Richtung zum Leiter (11) getrieben ist und diesen an der zumindest einen Sollbruchstelle (12a, 12b) trennt. Erfindungsgemäß ist die zumindest eine Sollbruchstelle (12a, 12b) zumindest teilweise mit Polymermaterial gefüllt. Dadurch wird die Stabilität des Leiters (11) verbessert. Wenn zumindest eine Füllung (14a, 14b) auf der dem Trennstempel zugewandten Seite vorgesehen ist, wird der bei der Trennung entstehende Lichtbogen früher gelängt. Wenn die Füllung(en) (14a', 14b') auf der dem Trennstempel abgewandten Seite die Kerbe der Sollbruchstelle(n) (12a, 12b) nur teilweise füllen, wird der Widerstand, den der Trennkolben überwinden muss, nur geringfügig erhöht. Die Füllungen (14a, 14b, 14a', 14b') sind vorzugsweise Teil des Gehäuses.

Description

PYROTECHNISCHER STROMTRENNER SOWIE VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Stromtrenner mit einem Gehäuse, welches einen Hohlraum aufweist, in welchem ein Trennstempel verschiebbar angeordnet ist, wobei weiters in dem Hohlraum eine pyrotechnische Ladung vorgesehen ist und auf der gegenüberliegenden Seite des Trennstempels ein Leiter mit zumindest einer Sollbruchstelle den Hohlraum durchquert, sodass bei Zündung der pyrotechnischen Ladung der Trennstempel in Richtung zum Leiter getrieben ist und diesen an der zumindest einen Sollbruchstelle trennt.
Stand der Technik
Mit dem Ansteigen der Elektromobilität steigt auch die Nachfrage nach kostengünstig herstellbaren Trennelementen zur Unterbrechung der Stromkreise im Unglücksfall. Großer Aufwand ist erforderlich, um die Außenwirkung beim Trennen möglichst gering zu halten, wie beispielsweise in der gattungsbildenden DE 102018125059 A KEY SAFETY SYSTEMS INC beschrieben. Gemäß dieser Schrift enthält die Kolbengestaltung zusammen mit der Kammergestaltung integrierte Abschnürbereiche und Ausblaskanäle für den auftretenden Lichtbogen. Ein Kanalsystem außerhalb oder innerhalb des Kolbens ermöglicht, dass die pyrotechnischen Gase das Lichtbogenplasma in ein Filtersystem drücken, um die Gase abzukühlen. Dennoch ist das Ergebnis bei der Trennung von höheren Strömen nicht immer zufriedenstellend, trotz dieses hohen Aufwands ist die Außenwirkung immer noch sehr groß.
Gemäß dieser Schrift sind zwei Sollbruchstellen vorgesehen, und der dazwischen liegende Bereich, oft als Platine bezeichnet, wird durch den Trennstempel herausgestanzt. Es sind aber auch Ausführungen mit nur einer Sollbruchstelle bekannt, siehe z.B. die DE 102004008120 A . Dort sind eine Biegestelle und eine Sollbruchstelle vorgesehen, und der Trennstempel bricht den Leiter an der Sollbruchstelle und biegt ein Stück des Leiters an der Biegestelle vom verbleibenden Leiterende weg. Die vorliegende Erfindung lässt sich bei beiden Ausführungsformen anwenden.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen pyrotechnischen Stromtrenner der eingangs genannten Art zu schaffen, der im Hinblick auf die Löschung des Lichtbogens und die Außenwirkung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Stromtrenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zumindest eine Sollbruchstelle zumindest teilweise mit Polymermaterial gefüllt ist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die teilweise Füllung der Sollbruchstellen eines pyrotechnischen Stromtrenners die Außenwirkung deutlich reduziert. Dies liegt vermutlich daran, dass sich die Füllungen bei Druckbelastung an die äußeren Leiterenden anlegen und somit die Dichtheit zwischen dem Gehäuse und dem Leiter erhöhen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Füllungen den Leiter im Bereich der Sollbruchstelle versteifen und somit einen leichteren Trennvorgang ermöglichen, d.h. die Deformation der Leiterenden während des Trennvorgangs ist geringer, die Trennung erfolgt rascher, d.h. der Abstand zwischen den Leiterenden wächst in kürzerer Zeit. Auch dies reduziert die Wirkung des Lichtbogens.
Schließlich gibt es auch noch einen Vorteil im Hinblick auf die mechanische Stabilität: Die Füllungen nehmen von außen einwirkende Kräfte auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
An Hand der beiliegenden Zeichnung wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Die einzige Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Stromtrenner erfindungsgemäßer Bauart im Leiterbereich.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Ein mittlerer Bereich 31 des Gehäuses ist einstückig hergestellt. Er weist einen durchgehenden zylindrischen Hohlraum 32 auf, der von einem Leiter 11 durchsetzt ist. Der Leiter 11 besitzt zwei Sollbruchstellen 12a, 12b, die eine Platine 13 begrenzen. Die Sollbruchstellen 12a, 12b werden durch Kerben gebildet, die von beiden Seiten der Leiteroberflächen ausgehen.
Es ist aber natürlich auch möglich, dass die Kerben nur an einer Oberfläche des Leiters vorgesehen sind.
In dem Hohlraum 32 befindet sich oberhalb des Leiters 11 ein Trennstempel (nicht dargestellt), oft auch als Trennkolben bezeichnet. Oberhalb dieses Trennstempels ist der mittlere Bereich 31 des Gehäuses durch einen Deckel abgeschlossen, in dem eine pyrotechnische Ladung integriert ist. Unten ist das Gehäuse durch einen Boden abgeschlossen. Der Boden, der mittlere Bereich 31 und der Deckel sind fest miteinander verbunden, z.B. verschraubt.
Bei Auslösung des Stromtrenners wird die Platine 13 durch den Trennkolben herausgebrochen und ein allfälliger Lichtbogen zwischen Trennkolben und der Wandung des Hohlraums 32 eingequetscht. Durch die Kombination aus Quetschung und Lichtbogenlängung wird der Lichtbogen gelöscht. Gleichgültig, ob als Löschprinzip ein Löschmittel oder Ablation als Folge der Lichtbogenquetschung verwendet wird, führen Temperaturerhöhung und Bildung von gasförmigen Produkten zu einem Anstieg des Innendrucks. Gemäß der eingangs erwähnten DE 102018125059 A wird der Druck dadurch abgebaut, dass die gasförmigen Produkte über zwei Filterstufen nach außen abgeleitet werden.
Die vorliegende Erfindung geht einen anderen Weg. Erfindungsgemäß wird angestrebt, dass die gasförmigen Produkte an einem raschen Entweichen gehindert werden, der Druck also nur relativ langsam abgebaut wird.
Im dargestellten Beispiel wurde der mittlere Bereich 31 des Gehäuses in einer Spritzgussform hergestellt, während sich der Leiter 11 bereits in dieser Spritzgussform befand. Es war daher möglich, die Sollbruchstellen 12a, 12b bei der Umspritzung des Leiters 11 teilweise zu füllen, sodass sich Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b' ergeben.
Dadurch ergeben sich verschiedene Vorteile:
Zunächst legen sich bei Zündung des Stromtrenners die Ränder der Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b' durch den Gasdruck im Sinne einer Ventildichtung an und behindern einen Gasaustritt entlang des Leiters 11.
In der dargestellten Ausführungsform ist bei Heraustrennen der Platine 13 nur der Bruchbereich zugänglich. Daraus folgt, dass die Lichtbogenlängung früher beginnt: während in der klassischen Bauform die Platine 13 um eine Leiterdicke versetzt werden muss, bevor eine deutliche Längung des Lichtbogens eintritt, beträgt dieser Wert in der hier dargestellten Bauform nur die Hälfte, was einen positiven Effekt auf die Trennzeit hat. Für diesen Effekt sind die Füllungen 14a, 14b auf der dem Trennstempel zugewandten Seite verantwortlich.
Es ist vorteilhaft, wenn sich die Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b' der Sollbruchstellen 12a, 12b nach Herausbrechen der Platine 13 an die verbliebenen Leiterenden anlegen können. Dies kann entweder durch Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b', deren Dicke zur eigentlichen Trennstelle hin ‑ wie im Beispiel dargestellt ‑ abnimmt, oder durch eine gleichmäßig dünne Ausführung der Füllungen erreicht werden. Unter der "Dicke" wird dabei die Abmessung in Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Trennstempels verstanden.
Damit die Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b' den Ausbruch der Platine 13 nicht behindern, reichen zumindest die Füllungen 14a', 14b' auf der dem Trennstempel abgewandten Seite des Leiters 11 nur bis zu der Stelle des Leiters 11 mit dem geringsten Querschnitt, sie füllen also die Sollbruchstellen 12a, 12b nicht vollständig aus.
Besonders bei Leitern 11 mit kleinem Querschnitt kann die teilweise Füllung der Sollbruchstellen 12a, 12b dadurch erfolgen, dass der Leiter 11 in eine Spritzgussform gelegt wird und danach der mittlere Bereich 31 des Gehäuses samt den Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b' durch einen Umspritzprozess des Leiters 11 erzeugt wird. Solch eine Leiterumspritzung führt auch zu einer Erhöhung der Festigkeit und damit der Trennsicherheit.
In diesem Fall besteht das Gehäuse aus dem mittleren Bereich 31, der unten mit einem Boden und oben mit einem Deckel abgeschlossen wird.
Alternativ kann der Stromtrenner auch ein Gehäuse aufweisen, das aus einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil zusammengesetzt ist, wobei sich der Leiter zwischen Gehäuseoberteil und ‑unterteil befindet, wie dies aus der eingangs erwähnten DE 102018125059 A bekannt ist. In diesem Fall werden zunächst der Gehäuseoberteil und der Gehäuseunterteil hergestellt, wobei an deren Grenzflächen die Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b' angeformt sind. Dann wird der Leiter 11 zwischen Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil gelegt, sodass die Füllungen 14a, 14a', 14b, 14b' die Einzelkomponenten zueinander ausrichten, wonach Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil aneinander fixiert, z.B. miteinander verschraubt, werden.
Vorteilhaft ist für alle Kunststofkomponenten die Verwendung eines brandhemmenden bzw. flammgeschützten Materials.
Wenn der Leiter 11 eine leichte Beweglichkeit in die zünderferne Richtung aufweist, wie das besonders bei dünnen Leitern 11 oft der Fall ist, ergibt sich ein weiterer Vorteil: Bei Druckbeanspruchung durch den Trennstempel in Folge des Trennvorgangs drückt die schräge Fläche der Trennstelle die Füllungen 14a', 14b' zur Mitte, wodurch der Leiter 11 unterstützt, der Schneidspalt kleiner und damit die Trennung begünstigt wird.

Claims (9)

  1. Pyrotechnischer Stromtrenner mit einem Gehäuse, welches einen Hohlraum (32) aufweist, in welchem ein Trennstempel verschiebbar angeordnet ist, wobei weiters in dem Hohlraum (32) eine pyrotechnische Ladung vorgesehen ist und auf der gegenüberliegenden Seite des Trennstempels ein Leiter (11) mit zumindest einer Sollbruchstelle (12a, 12b) den Hohlraum (32) durchquert, sodass bei Zündung der pyrotechnischen Ladung der Trennstempel in Richtung zum Leiter (11) getrieben ist und diesen an der zumindest einen Sollbruchstelle (12a, 12b) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sollbruchstelle (12a, 12b) zumindest teilweise mit Polymermaterial gefüllt ist.
  2. Pyrotechnischer Stromtrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sollbruchstelle jedenfalls auf der dem Trennstempel zugewandten Seite zumindest teilweise mit Polymermaterial gefüllt ist, sodass sich zumindest eine Füllung (14a, 14b) auf der dem Trennstempel zugewandten Seite und gegebenenfalls zumindest eine Füllung (14a', 14b') auf der dem Trennstempel abgewandten Seite ergeben.
  3. Pyrotechnischer Stromtrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Füllung(en) (14a', 14b') auf der dem Trennstempel abgewandten Seite die Kerbe der Sollbruchstelle(n) (12a, 12b) nur teilweise füllen.
  4. Pyrotechnischer Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Füllung(en) (14a, 14a', 14b, 14b') ‑ in Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Trennstempels gesehen ‑ zur dünnsten Stelle des Leiters (11) hin abnimmt.
  5. Pyrotechnischer Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Füllung(en) (14a, 14a', 14b, 14b') ‑ in Richtung quer zur Bewegungsrichtung des Trennstempels gesehen ‑ im Bereich der Sollbruchstelle(n) (12a, 12b) weitgehend konstant ist.
  6. Pyrotechnischer Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung(en) (14a, 14a', 14b, 14b') und/oder zumindest ein mittlerer Bereich (31) des Gehäuses aus einem flammhemmenden Kunststoff gespritzt sind.
  7. Pyrotechnischer Stromtrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung(en) (14a, 14a', 14b, 14b') der Sollbruchstelle(n) (12a, 12b) Teil des Gehäuses sind.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Stromtrenners nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (11) in eine Spritzgussform gelegt wird und danach der mittlere Bereich (31) des Gehäuses samt den Füllungen (14a, 14a', 14b, 14b') durch einen Umspritzprozess des Leiters (11) erzeugt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Stromtrenners nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Gehäuseoberteil und ein Gehäuseunterteil hergestellt werden, an deren Grenzflächen die Füllungen (14a, 14a', 14b, 14b') angeformt sind, und dass dann der Leiter (11) zwischen Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil gelegt wird, sodass die Füllungen (14a, 14a', 14b, 14b') die Einzelkomponenten zueinander ausrichten, wonach Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil aneinander fixiert, z.B. miteinander verschraubt, werden.
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