DE102020125293A1

DE102020125293A1 - Kontaktschwebeauslösemechanismen zur verwendung mit schaltvorrichtungen, die pyrotechnische merkmale umfassen

Info

Publication number: DE102020125293A1
Application number: DE102020125293.5A
Authority: DE
Inventors: Bernard Victor Bush; Murray Stephan McTigue; Daniel Sullivan; David Hatch
Original assignee: Gigavac LLC
Current assignee: Gigavac LLC
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-04-01
Also published as: GB2589002A8; KR20210038359A; US11443910B2; FR3101478A1; GB202015333D0; JP2021077630A; GB2589002A; US12040145B2; CN112582216A; US20210142969A1; CN112582216B; FR3101478B1; US20230005685A1

Abstract

Es werden elektrische Schaltvorrichtung(en) mit einem Gehäuse mit internen Komponente innerhalb des Gehäuses offenbart. Die internen Komponenten umfassen Kontakte, die so eingerichtet sind, dass sie so betrieben werden, dass sie den Zustand der Schaltvorrichtung von einem geschlossenen Zustand, der einen Stromfluss durch die Schaltvorrichtung ermöglicht, in einen offenen Zustand, der den Stromfluss durch die Schaltvorrichtung unterbricht, ändern. Ein pyrotechnisches Merkmal ist umfasst, das so eingerichtet ist, dass es mit den internen Komponenten interagiert, um die Schaltvorrichtung vom geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zu überführen, wenn das pyrotechnische Merkmal aktiviert wird. Das pyrotechnische Merkmal ist so eingerichtet, dass es als Reaktion auf das Schweben zwischen den Kontakten bei einem erhöhten Stromsignal, das durch die Schaltvorrichtung fließt, auslöst.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/907,453 , die am 27. September 2019 eingereicht wurde.
HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Beschrieben werden hier Vorrichtungen in Bezug auf Auslösemechanismen und Einrichtungen zur Verwendung mit elektrischen Schaltvorrichtungen, wie z.B. Kontaktor- bzw. Schützvorrichtungen und elektrische Sicherungsvorrichtungen.
Beschreibung des Stands der Technik
Das Verbinden und Trennen von elektrischen Schaltkreisen ist so alt wie die elektrischen Schaltkreise selbst und wird oft als ein Verfahren verwendet, um die Leistung bzw. den Strom einer angeschlossenen elektrischen Vorrichtung zwischen den Zuständen „Ein“ und „Aus“ zu schalten bzw. die Leistungs- bzw. Stomversorgung einer angeschlossenen elektrischen Vorrichtung „An“ und „Aus“ zu schalten. Ein Beispiel für eine Vorrichtung, das häufig zum Verbinden und Trennen von Stromkreisen verwendet wird, ist ein Kontaktor bzw. Schütz, das elektrisch mit einer oder mehreren Vorrichtungen oder Leistungs- bzw. Stromquellen verbunden ist. Ein Schütz ist so eingerichtet, dass es einen Stromkreis unterbrechen oder schließen kann, um den elektrischen Strom bzw. die elektrische Leistung zu und von einer Vorrichtung zu steuern. Ein Typ bzw. eine Art eines konventionellen Schützes ist ein hermetisch abgedichtetes Schütz.
Neben Schützen, die dazu dienen, im Normalbetrieb einer Vorrichtung elektrische Stromkreise zu verbinden und zu trennen, können verschiedene zusätzliche Vorrichtungen eingesetzt werden, um einen Überstrom- bzw. Überspannungsschutz bereitzustellen. Diese Vorrichtungen können Kurzschlüsse, Überlastung und dauerhafte Schäden an einem elektrischen System oder einer angeschlossenen elektrischen Vorrichtung verhindern. Zu diesen Vorrichtungen gehören Trennvorrichtungen, die den Stromkreis schnell und dauerhaft unterbrechen können, so dass der Stromkreis unterbrochen bleibt, bis die Trennvorrichtung repariert, ersetzt oder zurückgesetzt wird. Eine solche Art von Trennvorrichtung ist eine Sicherung. Eine konventionelle Sicherung ist eine Art niederohmiger Leiter, der als Opfervorrichtung fungiert. Typische Sicherungen bestehen aus einem Metalldraht oder -streifen, der schmilzt, wenn zu viel Strom durch ihn fließt, wodurch der Stromkreis, den er verbindet, unterbrochen wird.
Im Zuge des gesellschaftlichen Fortschritts werden verschiedene Innovationen bzw. Verbesserungen in Bezug auf elektrische Systeme und elektronische Vorrichtungen immer häufiger durchgeführt. Ein Beispiel für solche Innovationen sind die jüngsten Fortschritte bei Elektroautos, die eines Tages zum energieeffizienten Standard werden und traditionelle erdölbetriebene Fahrzeuge ersetzen könnten. Bei solch teuren und routinemäßig verwendeten elektrischen Vorrichtungen ist der Überstromschutz besonders geeignet, um Fehlfunktionen der Vorrichtungen und dauerhafte Schäden an den Vorrichtungen zu verhindern. Darüber hinaus kann der Überstromschutz Sicherheitsrisiken, wie z.B. elektrische Brände, verhindern. Diese modernen Verbesserungen an elektrischen Systemen und Vorrichtungen erfordern moderne Lösungen, um den Komfort und die Effizienz der Mechanismen zur Auslösung von Sicherungsvorrichtungen zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin werden passive Auslösemerkmale und Einrichtungen zur Aktivierung pyrotechnischer Merkmale beschrieben, die als Sicherungsmechanismus innerhalb von Schaltvorrichtungen, wie z.B. Schützen oder Sicherungsvorrichtungen, fungieren. Diese passiven Auslöseeinrichtungen können so eingerichtet werden, dass sie als Reaktion auf ein Schwellenwertlevel bzw. Schwellenwertniveau des durch die Schaltvorrichtung fließenden Stroms auslösen, der einem gefährlichen Überstrom entspricht. Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind so angeordnet, dass sie den pyrotechnischen Sicherungsmechanismus während des Schwebens der Kontakte und des entsprechenden Lichtbogens auslösen.
Eine Ausführungsform einer elektrischen Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse mit einem internen Bauteil bzw. einer internen Komponente im inneren des Gehäuses. Die internen Komponenten umfassen Kontakte, die so eingerichtet sind, dass sie so arbeiten, dass sie den Zustand der Schaltvorrichtung von einem geschlossenen Zustand, der einen Stromfluss durch die Schaltvorrichtung ermöglicht, in einen offenen Zustand, der den Stromfluss durch die Schaltvorrichtung unterbricht, ändern. Ein pyrotechnisches Merkmal ist enthalten, das so eingerichtet ist, dass es mit den internen Komponenten interagiert, um die Schaltvorrichtung bei Aktivierung des pyrotechnischen Merkmals vom geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zu überführen. Das pyrotechnische Merkmal ist so eingerichtet, dass es als Reaktion auf das Schweben zwischen den Kontakten bei einem erhöhten Stromsignal, das durch die Schaltvorrichtung fließt, auslöst.
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung können mit einem pyrotechnischen Zünder bzw. Auslöser angeordnet werden, der direkt an die Hochspannungsanschlüsse der Schaltvorrichtung gekoppelt ist. Wenn zwischen den festen und den beweglichen Kontakten ein hoher Schwebestrom auftritt, steigt der Widerstand zwischen den festen und den beweglichen Kontakten schnell an. Dies hat zur Folge, dass der Strom an den Anschlüssen entlang des Wegs des geringsten Widerstandes, d.h. zum pyrotechnischen Zünder, geleitet wird.
Diese und andere weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende bzw. gleiche Teile in den Figuren bezeichnen, in denen:
Figurenliste

1 ist eine vordere Schnittansicht einer Ausführungsform eines Schützes, der Merkmale der vorliegenden Erfindung umfassen kann, der in der „geschlossenen“ Ausrichtung gezeigt ist, die den Stromfluss durch die Vorrichtung ermöglicht;
2 ist eine vordere Schnittansicht der Ausführungsform der Schützvorrichtung von 1, die in einer „offenen“ oder „getrennten“ Ausrichtung gezeigt ist, die den Stromfluss durch die Vorrichtung verhindert;
3 ist eine vordere Schnittansicht der Ausführungsform der Schützvorrichtung von 1, die in einer anderen Ausrichtung gezeigt ist, wobei die Trennelemente „ausgelöst“ bzw. „getriggert“ wurden;
4 ist eine vordere Schnittansicht einer Sicherungsvorrichtung, die Merkmale der vorliegenden Erfindung umfassen kann, die im ruhenden, „nicht ausgelösten“ Zustand gezeigt ist;
5 ist eine vordere Schnittansicht einer Sicherungsvorrichtung, die Merkmale der vorliegenden Erfindung umfassen kann, die im aktivierten „ausgelösten“ Zustand gezeigt ist;
6 ist eine perspektivische Draufsicht einer pyrotechnischen Auslöseeinrichtung von vorne, die Merkmale der vorliegenden Erfindung umfasst;
7 ist eine Draufsicht der pyrotechnischen Auslöseeinrichtung von 6 von hinten;
8 ist eine perspektivische Draufsicht einer weiteren pyrotechnischen Auslöseeinrichtung von vorne, die Merkmale der vorliegenden Erfindung umfasst;
9 ist eine Draufsicht der pyrotechnischen Auslösevorrichtung von 8 von hinten;
10 ist eine perspektivische Draufsicht einer weiteren pyrotechnischen Auslöseeinrichtung, die Merkmale der vorliegenden Erfindung umfasst, von vorne;
11 ist eine vordere Schnittansicht eines Abschnitts der pyrotechnischen Auslöseeinrichtung von 10;
12 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines pyrotechnischen Leistungs- bzw. Stromschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines pyrotechnischen Stromschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 zeigt schematische Ansichten einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
15 ist eine schematische Draufsicht der festen und beweglichen Kontakte für Schaltvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
16 ist eine Draufsicht auf die in 15 gezeigte Schnittstelle zwischen den festen und beweglichen Kontakten;
17 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des pyrotechnischen Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung;
18 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines pyrotechnischen Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung;
19 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
20 ist eine perspektivische Schnittansicht der in 19 gezeigten Schaltvorrichtung;
21 ist eine weitere perspektivische Schnittansicht der in 19 gezeigten Schaltvorrichtung;
22 ist eine Schnittansicht einer Komponente mit mehreren Initiatoren bzw. Zündern gemäß der vorliegenden Erfindung; und
23 ist eine perspektivische Schnittansicht der in 22 gezeigten Komponente.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung wird nun detaillierte Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen darlegen. Diese Ausführungsformen legen passive Schaltmerkmale und Einrichtungen zur Verwendung mit Schaltvorrichtungen wie Schützen oder Sicherungsvorrichtungen, die pyrotechnische Stromkreisunterbrechungsmerkmale umfassen, dar. Diese Schaltvorrichtungen können elektrisch mit einer elektrischen Vorrichtung oder einem elektrischen System verbunden sein, um die Stromzufuhr zu der verbundenen Vorrichtung oder dem verbundenen System „ein“ oder „aus“ zu schalten. Während die hier offenbarten Beispielvorrichtungen aktive Auslöseeinrichtungen zusätzlich zu oder anstelle der offenbarten passiven Merkmale verwenden können, bieten die passiven Merkmale den Vorteil, dass sie automatisch eine pyrotechnische Stromkreisunterbrechung als Reaktion auf ein Schwellenwertstromlevel bzw. -niveau auslösen.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Schaltvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine interne pyrotechnische Ladung, die mit einem pyrotechnischen Aktivierungs- oder Auslösemechanismus bzw. Zündmechanismus gekoppelt ist. Der pyrotechnische Auslösemechanismus kann unter Verwendung von bekannten elektrischen Kopplungsmechanismen direkt mit den (festen) Hochspannungskontakten der Schaltvorrichtung gekoppelt werden. Die pyrotechnische Ladung ist so eingerichtet, dass sie als Sicherung fungiert und den Stromkreis durch das Schütz oder die Sicherungsvorrichtung dauerhaft unterbricht, z.B. indem bewegliche Kontakte außer Kontakt mit festen Kontakten gebracht werden.
Wie nachstehend detailliert beschrieben, kann die Schließkraft zwischen dem festen und dem beweglichen Kontakt des Schützes durch eine abstoßende Schwebekraft bzw. Levitationskraft überwunden werden. Diese Schwebekraft wird durch den durch die Kontakte fließenden Strom erzeugt und kann bei erhöhtem Stromfluss eine Trennung der festen und beweglichen Kontakte bewirken. Wenn diese Trennung beginnt, kann ein Lichtbogen zwischen den festen und beweglichen Kontakten entstehen. Dieser Lichtbogen verursacht wiederum einen schnellen Anstieg des Widerstands zwischen dem festen und dem beweglichen Kontakt. Der erhöhte Strom an den Anschlüssen nimmt dann einen Weg des geringsten Widerstands zur pyrotechnischen Auslösevorrichtung, die die Aktivierung bzw. Zündung der pyrotechnischen Ladung bewirkt. Dies wiederum kann zu einer dauerhaften Trennung des festen und des beweglichen Kontakts führen.
Es wird davon ausgegangen, dass der durch Schwebelichtbogen aktivierte pyrotechnische Aktuator in Verbindung mit anderen passiven und aktiven pyrotechnischen Aktivierungsschaltkreisen verwendet werden kann. In diesen Ausführungsformen können die Schaltvorrichtungen mit einem einzigen pyrotechnischen Aktivierungs- oder Auslösemechanismus angeordnet werden, der von verschiedenen Quellen oder Schaltkreisen aktiviert werden kann, die eine einzige pyrotechnische Ladung aktivieren. Alternativ können mehrere pyrotechnische Auslösemechanismen umfasst sein, von denen jeder seine eigene pyrotechnische Ladung aktiviert.
In dieser gesamten Beschreibung sollten die bevorzugte Ausführungsform und die illustrierten Beispiele als Beispiele und nicht als Beschränkungen der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Der hier verwendete Begriff „Erfindung“, „Vorrichtung“, „vorliegende Erfindung“ oder „vorliegende Vorrichtung“ bezieht sich auf irgendeine der hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung und Äquivalente. Darüber hinaus bedeutet die Bezugnahme auf verschiedene Merkmale der „Erfindung“, „Vorrichtung“, „vorliegenden Erfindung“ oder „vorliegenden Vorrichtung“ in diesem Dokument nicht, dass alle beanspruchten Ausführungsformen oder Verfahren das (die) beanspruchte(n) Merkmal(e) enthalten müssen.
Es wird auch verstanden, dass, wenn ein Element oder Merkmal als „an“ oder „angrenzend“ an ein anderes Element oder Merkmal bezeichnet wird, es sich direkt an oder angrenzend an das andere Element oder Merkmal befinden kann oder dass auch dazwischenliegende Elemente oder Merkmale vorhanden sein können. Es wird auch verstanden, dass, wenn ein Element als an ein anderes Element „angefügt“ bzw. „angebracht“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt an das andere Element oder Merkmal angefügt bzw. angebracht, verbunden oder gekoppelt sein kann oder dazwischenliegende Elemente oder Merkmale ebenfalls vorhanden sein können. Wenn dagegen ein Element als „direkt angefügt“ bzw. „direkt angebracht“, „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ an ein anderes Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
Relative Begriffe wie „außen“, „oben“, „niedriger“, „unten“, „horizontal“, „vertikal“ und ähnliche Begriffe können hier verwendet werden, um eine Beziehung eines Merkmals zu einem anderen zu beschreiben. Es wird davon ausgegangen, dass diese Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung unterschiedliche Ausrichtungen umfassen sollen.
Obwohl die Begriffe erste/r, zweite/r usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente oder Komponenten zu beschreiben, sollten diese Elemente oder Komponenten nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element oder eine Komponente von einem anderen Element oder einer anderen Komponente zu unterscheiden. Somit könnte ein erstes Element oder eine erste Komponente, das bzw. die nachstehend erörtert wird, als ein zweites Element oder eine zweite Komponente bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die hier verwendete Terminologie dient nur zur Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht als Beschränkung der Erfindung gedacht. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Es wird ferner davon ausgegangen, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassen“, wenn sie hier verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
Ausführungsformen der Erfindung werden hier unter Bezugnahme auf verschiedene Ansichten und Darstellungen beschrieben, die schematische Darstellungen idealisierter Ausführungsformen der Erfindung sind. Als solche sind Abweichungen von den Formen der Darstellungen zu erwarten, die sich z.B. aus Herstellungstechniken und/oder Toleranzen ergeben. Ausführungsformen der Erfindung sind nicht so auszulegen, als seien sie auf die besonderen Formen der hier abgebildeten Regionen bzw. Bereiche beschränkt, sondern umfassen auch Abweichungen in den Formen, die sich z.B. aus der Herstellung ergeben.
Es wird davon ausgegangen, dass, wenn ein erstes Element als „zwischen“, „eingezwängt“ oder „zwischen“ zwei oder mehr anderen Elementen „eingezwängt“ bezeichnet wird, das erste Element direkt zwischen den zwei oder mehr anderen Elementen liegen bzw. sein kann oder auch dazwischenliegende Elemente zwischen den zwei oder mehr anderen Elementen vorhanden sein können. Wenn beispielsweise ein erstes Element „zwischen“ oder „zwischen“ einem zweiten und dritten Element „eingezwängt“ liegt bzw. ist, kann das erste Element direkt zwischen dem zweiten und dritten Element ohne dazwischenliegende Elemente liegen oder das erste Element kann an ein oder mehrere zusätzliche Elemente angrenzen, wobei das erste Element und diese zusätzlichen Elemente alle zwischen dem zweiten und dritten Element liegen.
Bevor spezifische pyrotechnische Auslöseeinrichtungen, die Merkmale der vorliegenden Erfindung umfassen, im Detail beschrieben werden, werden zunächst beispielhafte Schaltvorrichtungen beschrieben, die pyrotechnische Merkmale umfassen und beispielhafte Umgebungen für passive Auslöseeinrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung bereitstellen. Diese Schaltvorrichtungen können alle Schaltvorrichtungen mit pyrotechnischen Merkmalen umfassen, z.B. Schütze, die so eingerichtet sind, dass sie das Schalten einer Vorrichtung zwischen einem „Ein“- und einem „Aus“-Zustand ermöglichen.
Bei einigen Schützvorrichtungen fungieren die pyrotechnischen Merkmale als ein in der Schützvorrichtung integriertes Sicherungselement. Beispiele für solche Schützvorrichtungen sind in der US-Patentanmeldung Nr. 16/101,143 mit dem Titel Contactor Device Integrating Pyrotechnic Disconnect Features aufgeführt, die Gigavac, Inc. zugeordnet ist, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung, und die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung integriert ist. Zusätzlich zu den Schützen, die so eingerichtet sind, dass sie frei zwischen den Zuständen „Ein“ und „Aus“ schalten können, können pyrotechnische Auslöseeinrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung auch mit Opfersicherungsvorrichtungen verwendet werden, die so eingerichtet sind, dass sie Strom durch ein elektrisches System oder eine elektrische Vorrichtung zulassen, wenn sie nicht ausgelöst werden, und Strom durch das elektrische System oder die elektrische Vorrichtung verhindern, wenn sie ausgelöst werden. Beispiele für solche Sicherungsvorrichtungen sind in der US-Patentanmeldung Nr. 15/889,516 mit dem Titel MECHANICAL FUSE DEVICE (MECHANISCHE SICHERUNGSVORRICHTUNG) aufgeführt, die der Firma Gigavac, Inc., dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung, zugeordnet ist und die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Schützvorrichtung mit pyrotechnischen Merkmalen zeigt 1 eine Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Schützvorrichtung 100, die eine integrierte pyrotechnische Trennkomponente umfasst, die bei Überstrom als Opfertrennung fungieren kann. 1 zeigt die Schützvorrichtung 100 in einer „geschlossenen“ Stromkreisstellung, wobei der Elektrizitäts- bzw. Stromfluss durch die Schützvorrichtung ermöglicht ist. 1 zeigt ferner den pyrotechnischen Trennabschnitt der Schützvorrichtung 100 in seiner nicht ausgelösten oder „eingestellten“ mechanischen Orientierung, was der Schützvorrichtung erlaubt, normal zu funktionieren, um zwischen ihrer „geschlossenen“ und „offenen“ Stellung zu arbeiten. Der Trennabschnitt der Schützvorrichtung 100 hat ebenfalls eine „ausgelöste“ Orientierung, bei der der Stromkreis unterbrochen und der Stromfluss durch die Schützvorrichtung dauerhaft deaktiviert ist, bis die Vorrichtung ersetzt oder repariert und zurückgesetzt wird. Sowohl der „geschlossene“ und „offene“ Schützmodus als auch der „eingestellte“ und „ausgelöste“ Trennmodus werden hier weiter unten ausführlicher beschrieben.
Die Schützvorrichtung 100 von 1 umasst einen Körper 102 (auch als Gehäuse 102 bezeichnet) und zwei oder mehr feste Kontaktstrukturen 104, 106 (zwei dargestellt), die so eingerichtet sind, dass sie die internen Komponenten der Schützvorrichtung elektrisch mit externen Schaltungen verbinden, z.B. mit einem elektrischen System oder einer elektrischen Vorrichtung. Der Körper 102 kann jedes geeignete Material umfassen, das die Struktur und Funktion der Schützvorrichtung 100, wie hier offenbart, unterstützen kann, wobei ein bevorzugtes Material ein robustes Material ist, das eine strukturelle Unterstützung der Schützvorrichtung 100 bieten kann, ohne den elektrischen Fluss durch die festen Kontakte 104, 106 und die internen Komponenten der Vorrichtung zu stören. In einigen Ausführungsformen umfasst der Körper 102 einen dauerhaften Kunststoff oder ein dauerhaftes Polymer. Der Körper 102 umgibt zumindest teilweise die verschiedenen internen Komponenten der Schützvorrichtung 100, die hier weiter unten ausführlicher beschrieben werden.
Der Körper 102 kann jede beliebige Form aufweisen, die zur Aufnahme der verschiedenen internen Komponenten geeignet ist, einschließlich jedes regelmäßigen oder unregelmäßigen Polygons. Der Körper 102 kann eine durchgehende bzw. kontinuierliche Struktur sein oder kann mehrere zusammengefügte Komponenten aufweisen, z.B. einen „Becher“ als Grundkörper und einen oberen „Kopf“-Abschnitt, der mit einem Epoxidmaterial versiegelt ist. Einige beispielhafte Körpereinrichtungen umfassen die in den US-Patenten Nr. 7,321,281, 7,944,333, 8,446,240 und 9,013,254 aufgeführten Einrichtungen, die alle der Firma Gigavac, Inc., dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung, zugeordnet sind und die hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit einbezogen werden.
Die festen Kontakte 104, 106 sind so eingerichtet, dass die verschiedenen internen Komponenten der Schützvorrichtung 100, die innerhalb des Körpers 102 untergebracht sind, elektrisch mit einem externen elektrischen System oder einer elektrischen Vorrichtung kommunizieren können, so dass die Schützvorrichtung 100 als Schalter fungieren kann, um einen elektrischen Stromkreis wie hier beschrieben zu unterbrechen oder zu schließen. Die festen Kontakte 104, 106 können jedes geeignete leitende Material zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zu den internen Komponenten der Schützvorrichtung umfassen, z.B. verschiedene Metalle und metallische Werkstoffe bzw. Materialien oder jedes elektrische Kontaktmaterial oder Struktur, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die festen Kontakte 104, 106 können einzelne durchgehende Kontaktstrukturen (wie abgebildet) oder mehrere elektrisch verbundene Strukturen umfassen. Zum Beispiel können die festen Kontakte 104, 106 in einigen Ausführungsformen zwei Abschnitte umfassen, einen ersten Abschnitt, der sich vom Körper 102 aus erstreckt, der elektrisch mit einem zweiten Abschnitt im Inneren des Körpers 102 verbunden ist, der so eingerichtet ist, dass er mit anderen Komponenten im Inneren des Körpers zusammenwirkt bzw. interagiert, wie hier beschrieben.
Der Körper 102 kann so eingerichtet sein, dass der Innenraum des Körpers 102, in dem die verschiedenen internen Komponenten der Schützvorrichtung 100 untergebracht sind, hermetisch abgedichtet ist. In Verbindung mit der Verwendung von elektronegativem Gas kann diese hermetisch abgedichtete Einrichtung dazu beitragen, elektrische Lichtbögen zwischen benachbarten leitenden Elementen zu mildern oder zu verhindern, und in einigen Ausführungsformen trägt sie zur elektrischen Isolierung zwischen räumlich getrennten Kontakten bei. In einigen Ausführungsformen kann der Körper 102 unter Vakuumbedingungen stehen bzw. ein Vakuum aufweisen. Der Körper 102 kann unter Verwendung aller bekannten Mittel zur Erzeugung hermetisch abgedichteter elektrischer Vorrichtungen hermetisch abgedichtet werden. Einige Beispiele für hermetisch abgedichtete Vorrichtungen sind die in den US-Patenten Nr. 7,321,281 , 7,944,333 , 8,446,240 und 9,013,254 aufgeführten Vorrichtungen, die alle der Firma Gigavac, Inc., dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung, zugeordnet sind und die alle durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung in ihrer Gesamtheit einbezogen sind.
In einigen Ausführungsformen kann der Körper 102 zumindest teilweise mit einem elektronegativen Gas gefüllt sein, zum Beispiel mit Schwefelhexafluorid oder einem Gemisch aus Stickstoff und Schwefelhexafluorid. In einigen Ausführungsformen umfasst der Körper 102 ein Material, das eine geringe oder im wesentlichen keine Durchlässigkeit bzw. Permeabilität für ein in das Gehäuse injiziertes Gas aufweist. In einigen Ausführungsformen kann der Körper verschiedene Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffen umfassen, die so eingerichtet sind, dass sie die Leistung der Vorrichtung erhöhen.
Vor der Beschreibung der pyrotechnischen Trennkomponenten der Schützvorrichtung 100, die für den Überstromschutz verwendet werden, werden zunächst die Schützkomponenten beschrieben, die bei der normalen Schaltverwendung der Schützvorrichtung 100 verwendet werden. Die festen Kontakte 104, 106 sind, wenn sie nicht mit einem der anderen Komponenten im Inneren des Körpers 102 zusammenwirken, andernfalls elektrisch voneinander isoliert, so dass Elektrizität bzw. Strom nicht frei zwischen ihnen fließen kann. Die festen Kontakte 104, 106 können durch jede bekannte Struktur der elektrischen Isolierung oder jedes bekannte Verfahren zur elektrischen Isolierung voneinander elektrisch isoliert werden.
Wenn die Schützvorrichtung 100 in ihrer „geschlossenen“ Stellung ist, wie in 1 dargestellt, werden die beiden sonst elektrisch isolierten festen Kontakte 104, 106 von einem beweglichen Kontakt 108 kontaktiert. Der bewegliche Kontakt 108 fungiert als Brücke, die es erlaubt, dass ein elektrisches Signal durch die Vorrichtung fließt, z.B. vom ersten festen Kontakt 104 zum beweglichen Kontakt 108, zum zweiten Kontakt 106 oder umgekehrt. Daher kann die Schützvorrichtung 100 mit einem elektrischen Stromkreis, einem System oder einer Vorrichtung verbunden werden und einen Stromkreis schließen, während der bewegliche Kontakt mit den festen Kontakten in elektrischem Kontakt steht bzw. ist.
Der bewegliche Kontakt 108 kann jedes geeignete leitfähige Material aufweisen, einschließlich jedes der hier im Hinblick auf die festen Kontakte 104, 106 diskutierten Materialien. Wie bei den festen Kontakten 104, 106 kann der bewegliche Kontakt 108 eine einzige durchgehende Struktur (wie abgebildet) aufweisen, oder kann mehrere Komponententeile aufweisen, die elektrisch so miteinander verbunden sind, dass sie als Kontaktbrücke zwischen den ansonsten elektrisch isolierten festen Kontakten 104, 106 dienen, so dass Elektrizität durch die Schützvorrichtung 100 fließen kann.
Der bewegliche Kontakt 108 kann so eingerichtet sein, dass er in und aus dem elektrischen Kontakt mit den festen Kontakten 104, 106 bewegt werden kann. Dadurch wird der Stromkreis „geschlossen“ oder vervollständigt, wenn der bewegliche Kontakt in elektrischem Kontakt mit den festen Kontakten 104, 106 steht, und „geöffnet“ oder unterbrochen, wenn der bewegliche Kontakt 108 nicht in elektrischem Kontakt mit den festen Kontakten 104, 106 steht. Die festen Kontakte 104, 106 sind ansonsten elektrisch voneinander isoliert, wenn sie den beweglichen Kontakt 108 nicht kontaktieren bzw. mit dem beweglichen Kontakt 108 nicht in Kontakt stehen. In einigen Ausführungsformen, einschließlich der in 1 gezeigten Ausführungsform, ist der bewegliche Kontakt 108 physisch mit einer Schaft- bzw. Wellenstruktur 110 verbunden, die so eingerichtet ist, dass sie sich innerhalb der Schützvorrichtung 100 über eine vorbestimmte Strecke bewegt. Die Welle 110 kann jedes Material oder jede Form aufweisen, das/die für ihre Funktion als interne bewegliche Komponente geeignet ist, die physisch mit dem beweglichen Kontakt 108 verbunden ist, so dass sich der bewegliche Kontakt 108 mit der Welle 110 bewegen kann.
Die Bewegung der Welle 110 steuert die Bewegung des beweglichen Kontakts 108, die wiederum die Stellung des beweglichen Kontakts 108 im Verhältnis zu den festen Kontakten 104, 106 steuert, die wiederum den Stromfluss durch die Schützvorrichtung 100 wie hier beschrieben steuert. Die Bewegung der Welle kann durch verschiedene Einrichtungen gesteuert werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf elektrische und elektronische, magnetische und elektromagnetische und manuelle Einrichtungen. Beispielhafte manuelle Einrichtungen für die Steuerung einer Welle, die mit einem beweglichen Kontakt verbunden ist, sind im US-Patent Nr. 9,013,254 von Gigavac, Inc. dargelegt, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung, und alle diese Einrichtungen sind durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung in ihrer Gesamtheit einbezogen. Einige dieser beispielhaften Einrichtungen manueller Steuermerkmale umfassen magnetische Einrichtungen, Diaphragma- bzw. Membraneinrichtungen und gewölbte bzw. Balgeinrichtungen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird die Bewegung der Welle 110 durch die Verwendung einer elektromagnetischen Einrichtung gesteuert. Eine Kolbenstruktur 111 ist mit einem Abschnitt der Welle 110 verbunden oder umschließt ihn zumindest teilweise. Der Körper 102 beherbergt auch einen Elektromagneten bzw. Magnetschalter bzw. eine Magnetspule 112. Es können viele verschiedene Elektromagnete verwendet werden, wobei ein Beispiel für einen geeigneten Elektromagneten ein Elektromagnet ist, der unter einer niedrigen Spannung und mit einer relativ hohen Kraft arbeitet. Ein Beispiel für einen geeigneten Elektromagneten ist der im Handel erhältliche Elektromagnet Modell Nr. SD1564 N1200 von Bicron Inc., obwohl auch viele andere Elektromagnete verwendet werden können. In der gezeigten Ausführungsform kann die Kolbenstruktur 111 ein metallisches Material aufweisen, der von dem Elektromagneten 112 bewegt und gesteuert werden kann. Die Bewegung der Kolbenstruktur 111 steuert die Bewegung der verbundenen Welle 110, die wiederum die Bewegung des verbundenen beweglichen Kontakts 108 steuert.
Der Fahrweg der Welle 110 kann durch verschiedene Merkmale gesteuert werden, z.B. durch Federn zur Steuerung des Fahrwegs/des Überfahrwegs oder durch verschiedene Abschnitte des Körpers 102, die den Fahrweg der Welle 110 blockieren oder einschränken können. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird der Fahrweg der Welle 110 teilweise durch einen harten Stopp bzw. Anschlag 113 gesteuert, der so eingerichtet ist, dass er gegen einen Flügelabschnitt 114 der Welle 110 stößt bzw. angrenzt, um die Distanz der Welle 110 zu begrenzen, wenn die Welle 110 eine ausreichende Distanz von den festen Kontakten 104, 106 zurückgelegt hat. Der harte Anschlag 113 kann ein beliebiges Material oder eine beliebige Form aufweisen, das/die geeignet ist, eine Oberfläche zur Interaktion mit der Welle 110 bereitzustellen, um die Bewegung oder den Fahrweg der Welle 110 zu begrenzen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst der harte Anschlag 113 ein Kunststoffmaterial. In einigen Ausführungsformen ist der harte Anschlag 113 so eingerichtet, dass er beim Auslösen der pyrotechnischen Trennelemente bricht oder abschert, wie weiter unten näher erläutert wird.
Nachdem nun die grundlegenden Schaltmerkmale der Schützvorrichtung 110 dargelegt sind, werden nun die pyrotechnischen Trennelemente beschrieben. Die Schützvorrichtung 100 kann mehrere Elemente umfassen, die als Überstromschutz fungieren können, darunter eine pyrotechnische Ladung 202 und eine Kolben- bzw. Hubkolbenstruktur 204. Die Hubkolbenstruktur 204 kann in der Nähe oder zumindest teilweise um eine oder mehrere der internen Komponenten positioniert werden, z.B. die Welle 110, wie dargestellt. Die Bewegung des Hubkolbens aus einer Ruhestellung kann die Einrichtung der internen Komponenten ändern, um den Stromfluss durch die Vorrichtung zu unterbrechen, z.B. durch Drücken gegen die Welle 100 bzw. 110 oder andernfalls durch Bewegen der Welle 100 bzw. 110, wie hier beschrieben. Die pyrotechnische Ladung 202 kann so eingerichtet werden, dass sie aktiviert wird, wenn der Strom einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, um dauerhafte Schäden an einer angeschlossenen elektrischen Vorrichtung oder ein Sicherheitsrisiko wie einen elektrischen Brand zu verhindern.
Die Schützvorrichtung 100 kann verschiedene Sensormerkmale umfassen, die detektieren bzw. erkennen können, wenn der Strom durch die Vorrichtung ein gefährliches Niveau erreicht hat, und die pyrotechnische Ladung auslösen können, wenn dieses Schwellenwertniveau detektiert wurde. In einigen Ausführungsformen kann die Schützvorrichtung 100 einen speziellen Stromsensor aufweisen, der so eingerichtet ist, dass er das Niveau bzw. die Höhe des durch die Vorrichtung fließenden Stroms erkennt. Der Stromsensor kann so eingerichtet sein, dass er die pyrotechnische Ladung direkt oder indirekt auslöst, wenn der Strom ein Schwellenwertniveau erreicht hat. In einigen Ausführungsformen können die Stromsensoren ein Signal, das proportional zu dem detektierten Strom ist, übertragen, um die pyrotechnische Ladung zu aktivieren, wenn ein Schwellenwertstromniveau detektiert wird. In einigen Ausführungsformen können die Stromsensoren einen Hall-Effekt-Sensor, einen Transformator oder ein Stromzangenmessgerät, einen Widerstand, einen faseroptischen Stromsensor oder ein Interferometer umfassen.
In einigen Ausführungen ist die pyrotechnische Ladung 202 so eingerichtet, dass sie durch einen elektrischen Impuls aktiviert wird und durch ein Airbagsystem angetrieben wird, das so eingerichtet ist, dass es mehrere Faktoren erkennt, ähnlich wie bei modernen Fahrzeugen. In einigen Ausführungsformen kann die Schützvorrichtung 100 einen oder mehrere pyrotechnische Stifte 203 umfassen, die so eingerichtet werden können, dass sie die pyrotechnische Ladung 202 auslösen, wenn die pyrotechnischen Stifte 203 ein Aktivierungssignal erhalten. In einigen Ausführungsformen kann die pyrotechnische Ladung an ein anderes Merkmal angeschlossen bzw. mit einem anderen Merkmal verbunden werden, das bereits den fließenden Strom überwacht. Dieses andere Merkmal, zum Beispiel eine Batterieverwaltungskomponente, kann dann so eingerichtet werden, dass es ein Signal zur Aktivierung der pyrotechnischen Ladung sendet, wenn ein Schwellenwertstromniveau detektiert wird.
Die pyrotechnische Ladung 202 kann eine Einzelladungsstruktur oder eine Mehrfachladungsstruktur sein. In einigen Ausführungsformen umfasst die pyrotechnische Ladung 202 eine Doppelladungsstruktur, die zunächst eine Initiator- bzw. Zünderladung und dann eine sekundäre Gaserzeugungsladung umfasst. Viele verschiedene Arten von pyrotechnischen Ladungen können verwendet werden, vorausgesetzt, dass die verwendete pyrotechnische Ladung ausreicht, um eine ausreichende Kraft zu erzeugen bzw. bereitzustellen, um die Hubkolbenstruktur 204 so zu bewegen, dass der Stromkreis der Schützvorrichtung 100, wie hier beschrieben, dauerhaft unterbrochen wird. In einigen Ausführungsformen umfasst die pyrotechnische Ladung 202 Zirkoniumkaliumperchlorat, welches den Vorteil hat, dass es sowohl als Zünderladung als auch als Gaserzeugungsladung verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen umfasst die Zünderladung ein schnell brennendes Material wie Zirkoniumkaliumperchlorat, Zirkoniumwolframkaliumperchlorat, Titankaliumperchlorat, Zirkoniumhydridkaliumperchlorat oder Titanhydridkaliumperchlorat. In einigen Ausführungsformen umfasst die Gaserzeugungsladung ein langsam brennendes Material wie Borkaliumnitrat oder Schwarzpulver.
Wenn die pyrotechnische Ladung 202 aktiviert wird, bewirkt die resultierende Kraft, dass die Hubkolbenstruktur 204 aus ihrer Ruheposition in der Nähe oder um die pyrotechnische Ladung 202 herum weggetrieben wird, was wiederum bewirkt, dass die Hubkolbenstruktur 204 gegen die Welle 110 drückt und bewirkt, dass die Welle von den festen Kontakten 104, 106 weggetrieben wird. Die resultierende Kraft reicht auch aus, um den harten Anschlag 113 abzubrechen oder abzuscheren, wodurch der Schaft 110 noch weiter von den festen Kontakten 104, 106 weggedrückt wird und z.B. in ein separates internes Fach bzw. internes Abteil 206 des Körpers 102 geschoben wird. Die Hubkolbenstruktur 204 kann ausreichende Dimensionen bzw. Abmessungen (z.B. Form, Größe, räumliche Orientierung oder eine andere Einrichtung) aufweisen, so dass die Hubkolbenstruktur 204 die internen Komponenten in einer Position oder Einrichtung halten kann, in der kein Strom durch die Schützvorrichtung fließen kann. Dies geschieht z.B. durch Halten der Welle 110 an einer Position bzw. Stelle, die weiter von den festen Kontakten 104, 106 entfernt ist, wie z.B. durch Halten der Welle 110, so dass sie sich im Wesentlichen innerhalb des separaten Fachs 206 des Körpers 102 befindet. Dies wiederum bewirkt, dass der bewegliche Kontakt 108, der mit der Welle 110 verbunden ist, durch einen noch größeren räumlichen Abstand von den festen Kontakten 104, 106 getrennt ist, wodurch die Vorrichtung in der „ausgelösten“ oder dauerhaft „offenen“ Einrichtung ist, in der kein Strom durch die Vorrichtung fließen kann. In einigen Ausführungsformen weist die Hubkolbenstruktur 204 ausreichende Abmessungen auf, so dass die Hubkolbenstruktur 204, sobald sie durch Aktivierung der pyrotechnischen Merkmale 202 verschoben wird, in eine Position gezwungen wird, in der sie mit einem Abschnitt des Körpers 102 interagiert, so dass sie nicht leicht bewegt werden kann.
Zusätzlich zu dem schnell geschaffenen großen räumlichen Abstand zwischen den festen Kontakten 104, 106 und dem beweglichen Kontakt 108 können weitere Strukturen genutzt werden. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere Lichtbogenausblasmagnete bzw. Lichtbogenausstoßmagnete 208 (zwei dargestellt) zur weiteren Steuerung des elektrischen Lichtbogens eingesetzt werden. Während das Hauptverfahren zur Unterbrechung des Stromflusses in der schnellen Öffnung der Kontakte zu einem viel größeren Luftspalt, wie hier beschrieben, besteht, kann durch einen sekundären, auf den Lichtbogen gerichteten Gasstrahl, z.B. durch Verwendung einer Gaserzeugungsladung, zusätzliche Leistung erzielt werden.
In einigen Ausführungsformen, einschließlich der in 1 gezeigten Ausführungsform, können weitere optionale Konstruktionsmerkmale enthalten sein, die dazu beitragen können, Gefahren zu vermeiden, die durch den raschen Aufbau von Gas infolge der Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 202 entstehen. In diesen Ausführungsformen kann der Körper 102 so eingerichtet werden, dass bei Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 202 die Hubkolbenstruktur 204 die Welle 110 mit ausreichender Kraft antreibt, um einen Abschnitt des Körpers 102 zu durchstoßen. Dadurch kann die schnell aufgebaute Gasmenge entweichen. In einigen Ausführungsformen wird dies dadurch erreicht, dass ein Abschnitt des Körpers 102 eine Membran umfasst, die während des pyrotechnischen Trennungszyklus durchstoßen werden kann, z.B. durch einen scharfen Abschnitt 210 der Welle 110, so dass Gas aus einem verbundenen bzw. angeschlossenen Entlüftungsabschnitt 212 des Körpers 102, der eine Hochtemperaturfiltermembran sein kann, entweichen kann. Das Hochtemperaturgas kann dann aus dem Körper 102 austreten. Durch die Druckfreisetzung bzw. Druckentlastung kann der Lichtbogen gekühlt und die Leistung verbessert sowie ein Bersten des Schützgehäuses verhindert werden.
Die Unterschiede zwischen der Unterbrechung des Stromkreises des elektrischen Flusses durch die Schützvorrichtung 100 während des normalen Schaltbetriebs und der dauerhaften Unterbrechung des Stromkreises des elektrischen Flusses durch die Schützvorrichtung 100, wenn die Vorrichtung in ihrem „ausgelösten“ Zustand ist, sind in den 2-3 besser dargestellt. Die 2-3 zeigen die Schützvorrichtung 100 von 1, jedoch in unterschiedlichen Orientierungen. Die Schützvorrichtung 100 umfasst einen Körper 102, feste Kontakte 104, 106, einen beweglichen Kontakt 108, eine Welle 110, eine Kolbenstruktur 111, einen Elektromagneten 112, einen harten Anschlag 113, einen Flügelabschnitt 114 der Welle 110, eine pyrotechnischer Ladung 202, Pyrostifte 203, eine Hubkolbenstruktur 204, ein separates Abteil 206 des Körpers 102, Lichtbogenausstoßmagneten 208, einen scharfen Abschnitt 210 der Welle 110 und einen Entlüftungsabschnitt 212 des Körpers 102.
Die Schützvorrichtung 100 ist in ihrem „geöffneten“ Zustand in 2 dargestellt, die die Welle 110 derart bewegt zeigt, so dass der verbundene bewegliche Kontakt 108 von den festen Kontakten 104, 106 durch einen trennenden räumlichen Abstand 302 getrennt ist. Die Schützvorrichtung 100 ist, wie in 2 dargestellt, immer noch in der „eingestellten“ Position, ohne dass die pyrotechnischen Merkmale aktiviert sind. Der trennende räumliche Abstand 302 bewirkt, dass der bewegliche Kontakt 108 mit einem ausreichenden Abstand von den festen Kontakten 104, 106 beabstandet ist, die ansonsten voneinander elektrisch isoliert sind, um den Stromfluss durch die Vorrichtung zu unterbrechen. Im Gegensatz dazu zeigt 3 die Schützvorrichtung 100 in ihrem ausgelösten Zustand, wenn die pyrotechnische Ladung 202 aktiviert wurde, wodurch bewirkt wird, dass die Hubkolbenstruktur 204 die Welle 110 und den beweglichen Kontakt 108 in eine Richtung zwingt bzw, treibt, die weiter von den festen Kontakten 104, 106 entfernt ist. Dadurch entsteht schnell ein größerer den Stromkreis trennender räumlicher Abstand 350 zwischen den festen Kontakten 104, 106 und dem beweglichen Kontakt 108.
Die resultierende Kraft aus der Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 202 und der daraus resultierenden plötzlichen Bewegung der Hubkolbenstruktur 204 und der Welle 110 reicht aus, um den harten Anschlag 113 zu brechen oder abzuscheren, der in 3 derart dargestellt ist, dass er aus seiner ursprünglichen, mit dem Körper 113 verbundenen Position verschoben ist. Der harte Anschlag 113 kann ein robustes Material umfassen, das mit dem Körper 102 verbunden oder in diesen integriert ist, so dass er als Anschlag für die Welle 110 während des normalen Vorrichtungsbetriebs zwischen den Zuständen „geschlossener“ und „offener“ Stromkreis fungiert. Während des Betriebs der pyrotechnischen Trennungsmerkmale kann der harte Anschlag 113 jedoch absichtlich so konstruiert werden, dass er als Anschlagstruktur „versagt“ und abbricht oder abschert, damit die Welle 110 in das separate Körperabteil 206 gelangen kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Hubkolbenstruktur 204 so eingerichtet sein, dass sie nach Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 202 mit einem Hubkolbenanschlagabschnitt 352 des Körpers 102 interagieren kann. Dies kann z.B. durch Interaktion mit einer Position der Hubkolbenstruktur 204 geschehen, z.B. einem Abschnitt des Hubkolbenanschlagabschnittes 352, der so eingerichtet ist, dass er mit einem anderen Abschnitt auf der Hubkolbenstruktur 204 interagiert oder zusammenpasst bzw. zusammenfügt.
In einigen Ausführungsformen ist die Hubkolbenstruktur 204 erst in der Lage, mit dem Hubkolbenanschlagabschnitt 352 in Kontakt zu kommen, nachdem die Hubkolbenstruktur 204 durch Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 202 verschoben wurde. Dies bewirkt, dass die Hubkolbenstruktur 204 zwischen dem Hubkolbenanschlagabschnitt 352 und dem beweglichen Kontakt 108 gehalten wird, wenn die pyrotechnische Ladung 202 aktiviert wurde und die Hubkolbenstruktur 204 aus ihrer Ruheposition gezwungen bzw. getrieben wurde. Wie in 3 dargestellt, positioniert diese Einrichtung die Hubkolbenstruktur 204 in eine Position, die die Hubkolbenstruktur 204 gegen den beweglichen Kontakt 108 hält oder an diesem verriegelt. Die Hubkolbenstruktur 204 hält den beweglichen Kontakt 108 an Ort und Stelle und trägt dazu bei, den den Stromkreis unterbrechenden räumlichen Abstand 350 beizubehalten bzw. aufrechtzuerhalten, so dass die festen Kontakte 104, 106 und der bewegliche Kontakt 108 nicht wieder zurück in Kontakt miteinander rutschen, wodurch die Schützvorrichtung 100 funktionsunfähig bzw. deaktiviert wird.
In einigen Ausführungsformen kann anstelle oder zusätzlich zum Hubkolbenanschlagabschnitt 352 des Körpers 102 das separate Abteil 206 des Körpers 102 ausreichende Abmessungen, einschließlich z.B. Größe und Form, aufweisen, so dass das separate Abteil 206 mit einem Abschnitt der Welle 110, der sich aufgrund der Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 202 in das separate Abteil 206 bewegt hat, interagieren kann.
In einigen Ausführungsformen kann das separate Abteil so eingerichtet sein, dass es mit dem abgescherten harten Anschlag 113 oder einer anderen Struktur, der/die mit der Welle 110 verbunden ist und der/die sich aufgrund der Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 202 in das separate Abteil 206 bewegt hat, interagiert. Diese Abschnitte der Welle 110 oder verbundene Strukturen befanden sich während des normalen Vorrichtungsbetriebs vorher nicht in den separaten Abteil 206, sondern wurden während des pyrotechnischen Zyklus während des Überstromschutzbetriebs in das separate Abteil 206 gezwungen bzw. getrieben. Das separate Abteil 206 weist eine ausreichende Größe, Form oder zusätzliche Merkmale auf, z.B. Merkmale, die so eingerichtet sind, dass sie mit entsprechenden Merkmalen an der Welle 110 oder der verbundenen Struktur interagieren oder zusammenpassen, um die Welle 110 an Ort und Stelle zu halten, so dass der mit der Welle 110 verbundene bewegliche Kontakt 108 nicht wieder in Kontakt mit den festen Kontakten 104, 106 rutschen kann.
Zusätzlich zu den vorgenannten Merkmalen kann die Schützvorrichtung 100 der 1-3 auch eine Leiterplatte bzw. PCB 400 umfassen. Wie hier weiter erörtert wird, ermöglicht die PCB eine effiziente und bequeme Verbindung der internen Komponenten der Schützvorrichtung 100 mit pyrotechnischen Auslöseeinrichtungen, die Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten. Die PCB 400 kann eine PCB sein, die ausgelegt ist, um pyrotechnische Auslöseeinrichtungen aufzunehmen, die Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten. In der in 1-3 gezeigten Ausführungsform befindet sich die PCB 400 in der Nähe des oberen Abschnits der Schützvorrichtung 100; es versteht sich jedoch von selbst, dass die PCB 400 in oder auf einem beliebigen Abschnitt des Schützvorrichtung 100 angeordnet sein kann und sich innerhalb der Schützvorrichtung 100 oder außerhalb der Schützvorrichtung 100 befinden kann.
Neben Schützvorrichtungen, die während des normalen Betriebs den elektrischen Fluss durch die Vorrichtung einschränken oder zulassen können, sind Sicherungsvorrichtungen eine weitere Art von Schaltvorrichtung, die als beispielhafte Umgebung für die Verwendung mit den passiven pyrotechnischen Auslöseeinrichtungen dienen können. Sicherungsvorrichtungen erlauben den Stromfluss durch die Vorrichtung nur während des normalen Betriebs und fungieren als Opferstromkreisunterbrechung, wenn ein Schwellenwertstromniveau durch die Vorrichtung fließt. Die 4-5 zeigen eine beispielhafte Sicherungsvorrichtung 430, die ähnliche Merkmale aufweist und ähnlich wie die Schützvorrichtung 100 in 1-3 arbeitet, jedoch ohne einige der Merkmale, wie z.B. einen Elektromagneten oder einen anderen Mechanismus zum Öffnen und Schließen der festen und beweglichen Kontakte, zu umfassen. Während des normalen Betriebs ist die Sicherungsvorrichtung 430 ständig in einem „geschlossenen“ Zustand, der einen Stromfluss durch die Vorrichtung ermöglicht, bis die pyrotechnischen Merkmale aktiviert werden, was dazu führt, dass die Vorrichtung danach in einem „offenen“ Zustand ist, wodurch ein Stromfluss durch die Vorrichtung verhindert wird. 4-5 zeigen einen Körper 432 (ähnlich wie der Körper 102 in 1-3 oben), feste Kontakte 434, 436 (ähnlich wie die festen Kontakte 104, 106 in 1-3 oben). In dieser Ausführungsform sind die festen Kontakte 434, 436 jedoch getrennt von den Stromanschlüssen 438, 440 ausgebildet, die elektrisch mit den festen Kontakten 434, 436 zur Verbindung mit externen Schaltungen verbunden sind, wobei die Stromanschlüsse und die festen Kontakte in der Ausführungsform von 1-3 identisch bzw. ein und dasselbe sind. 4-5 zeigen ferner bewegliche Kontakte 442 (ähnlich wie der bewegliche Kontakt 108 in 1-3 oben), eine Wellenstruktur 444 (ähnlich der Wellenstruktur 110 in 1-3 oben, nur anders geformt).
Die Wellenstruktur 444 ist mit dem beweglichen Kontakt 442 und der Hubkolbenstruktur 446 verbunden (die der Hubkolbenstruktur 204 in 1-3 oben ähnlich ist). Die Hubkolbenstruktur 446 kann zumindest teilweise eine pyrotechnische Ladung 448 umschließen, so dass bei Aktivierung der pyrotechnischen Ladung 448 der bewegliche Kontakt 442 und die Hubkolbenstruktur 446 in eine Richtung weg von den festen Kontakten 434, 436 gedrückt werden und somit die Stromkreise unterbrechen. In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungsvorrichtung 430 eine Träger- bzw. Stützstruktur 450 umfassen, die so eingerichtet ist, dass sie dabei hilft, die festen Kontakte 434, 436 und die beweglichen Kontakte 442 an Ort und Stelle zu halten. In einigen Ausführungsformen bewirkt die Auslösung der pyrotechnischen Ladung 448, dass die Hubkolbenstruktur 446 mit einer solchen Kraft von der pyrotechnischen Ladung weggetrieben wird, dass die Stützstruktur 450 gebrochen oder verschoben wird. In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungsvorrichtung 430 durch aktive Signale ausgelöst werden. In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungsvorrichtung 430 durch passive Auslöseeinrichtungen, wie die hier besprochenen, ausgelöst werden. 4 zeigt die Sicherungsvorrichtung 430 in ihrem „geschlossenen“ Zustand, wobei die festen Kontakte 434, 436 und die beweglichen Kontakte 442 zusammen bzw. verbunden sind und ein elektrischer Fluss durch die Vorrichtung 430 erlaubt ist. Im Gegensatz dazu zeigt 5 die Sicherungsvorrichtung 430 in ihrem „offenen“ Zustand nach Auslösung der pyrotechnischen Ladung 448, wobei die festen Kontakte 434, 436 und die beweglichen Kontakte 444 getrennt sind und ein elektrischer Fluss durch die Vorrichtung 430 verhindert wird.
Da zwei Arten von Schaltvorrichtungen, Schütze und Sicherungsvorrichtungen, als beispielhafte Umgebungen beschrieben wurden, die gemäß der vorliegenden Offenbarung pyrotechnische Auslösemechanismen nutzen können, können Ausführungsformen pyrotechnischer Auslösemechanismen nun ausführlicher beschrieben werden. In den folgenden Ausführungsformen, die in Bezug auf die 6-11 beschrieben werden, werden die pyrotechnischen Auslöseeinrichtungen in Bezug auf die Anwendung der Schützvorrichtung der 1-3 beschrieben. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die in Bezug auf 6-11 beschriebenen pyrotechnischen Auslöseeinrichtungen als Auslösevorrichtungen in jedem Schaltmechanismus, der pyrotechnische Merkmale aufweist, einschließlich z.B. der in Bezug auf 4-5 beschriebenen Sicherungsvorrichtung, verwendet werden können.
6 zeigt eine pyrotechnische Auslöseeinrichtung 500, umfassend eine PCB 502 (Leiterbahnen nicht dargestellt), ähnlich der PCB 400 in 1-3, elektrische Stromanschlüsse 504, ähnlich den festen Kontaktstrukturen 104, 106 in 1-3, und einen passiven Auslöseschalter 506. 6 zeigt ferner die pyrotechnische Auslöseeinrichtung 500, die mit einer elektrischen Vorrichtung 503 integriert ist, umfassend einen Körper 508, der ähnlich wie der Körper 102 sein kann und interne Komponenten darin enthält. Die pyrotechnische Auslöseeinrichtung 500 in 6 ist ohne einen oberen „Kappen“- bzw. „Deckel“-Abschnitt des Körpers dargestellt, so dass die PCB 502 sichtbar und freiliegend ist, jedoch wird davon ausgegangen, dass im normalen Vorrichtungsbetrieb Merkmale wie ein geschlossener Körper mit einer Kappe bzw. einem Deckel und Epoxidmaterial enthalten sein können. 6 zeigt auch pyrotechnische Stifte 510, die den pyrotechnischen Stiften 203 in 1-3 ähnlich sind. Spulenstifte 512 sind enthalten, die eine elektrische Verbindung zu einer internen Spule oder einem internen Elektromagneten ermöglichen, z.B. ähnlich wie der Elektromagnet 112 in 1-3. Eine Röhrenstruktur 514 ist ebenfalls enthalten, die die Bildung einer internen hermetischen Dichtung oder die Verwaltung von elektronegativen Gasen innerhalb der elektrischen Vorrichtung 503 erleichtern kann.
Beim Betrieb der pyrotechnischen Auslöseeinrichtung 500 von 6 wird der passive Auslöseschalter 506 aktiviert, wenn ein vorbestimmtes Stromniveau durch die Vorrichtung 503 fließt, z.B. ein Stromniveau, das ein gefährliches Stromniveau bezeichnet, das zu einer dauerhaften Beschädigung einer Vorrichtung oder zur Erzeugung einer Gefahr wie z.B. eines Feuers führen kann. Dieser wiederum schließt einen Stromkreis, um ein Signal an die pyrotechnischen Stifte 510 zu übertragen, wodurch ein internes pyrotechnisches Element aktiviert wird, wie z.B. die pyrotechnische Ladung 202 in 1-3. In diesen Ausführungsformen kann die PCB 502 so eingerichtet sein, dass sie ein Auslösesignal an die pyrotechnischen Stifte 510 leitet, die in elektrischer Kommunikation mit pyrotechnischen Merkmalen innerhalb der Vorrichtung 503 stehen. Der elektrische Pfad für dieses Auslösesignal kann vom Schließen oder Aktivieren des passiven Auslöseschalters 506 abhängig sein, so dass, wenn der passive Auslöseschalter 506 geöffnet oder nicht ausgelöst ist (im Ruhezustand ist), der elektrische Pfad für das Auslösesignal zu den pyrotechnischen Stiften 510 blockiert ist. Ebenso kann, wenn der passive Auslöseschalter 506 geschlossen oder aktiviert ist, das Auslösesignal zu den pyrotechnischen Stiften 510 geleitet werden und das interne pyrotechnische Merkmal auslösen.
Der passive Auslöseschalter 506 kann mit einem Sensor verbunden sein, der so eingerichtet ist, dass er erkennt, wenn ein vorbestimmtes Stromniveau durch die Vorrichtung 503 fließt, wobei der Sensor dem passiven Auslöseschalter 506 signalisiert, dass er auslösen soll. In einigen Ausführungsformen ist es der passive Auslöseschalter 506 selbst, der so eingerichtet ist, dass er erkennt oder passiv reagiert und auslöst, wenn der durch die Vorrichtung 503 fließende Strom ein vorbestimmtes Niveau erreicht. In einigen Ausführungsformen umfasst der passive Auslöseschalter 506 beispielsweise einen Schalter, der so eingerichtet ist, dass er auf ein Magnetfeld reagiert, das durch den Stromfluss durch die elektrischen Stromanschlüsse 504 der Vorrichtung 503 oder durch den Stromfluss durch einen Bereich der Vorrichtung 503 erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen ist der passive Auslöseschalter 506 ein Reedschalter bzw. Zungenschalter oder ein anderer Schaltmechanismus, der so eingerichtet ist, dass er als Reaktion auf die Erzeugung eines Magnetfeldes ausreichender Stärke aktiviert wird. Verschiedene Einrichtungen können mit einem Reedschalter verwendet werden. Zum Beispiel kann der Reedschalter so eingerichtet sein, dass die Kontakte im Ruhezustand offen sind und sich schließen, wenn ein ausreichendes Magnetfeld vorhanden ist, oder im Ruhezustand geschlossen sind und sich öffnen, wenn ein ausreichendes Magnetfeld vorhanden ist. Darüber hinaus kann der Reedschalter in einigen Ausführungsformen in einem Reedrelais organisiert und durch eine Magnetspule betätigt werden. In den meisten Ausführungsformen, die einen Reedschalter enthalten, ist der Reedschalter so eingerichtet, dass die Kontakte im Ruhezustand offen sind, wodurch verhindert wird, dass ein elektrisches Signal zu den pyrotechnischen Stiften 510 gelangt und die pyrotechnischen Merkmale aktiviert werden, bis ein ausreichendes Magnetfeld, das einem gefährlichen Stromniveau entspricht, den Reedschalter schließt.
In einigen der Ausführungsformen umfasst die PCB 502 eine Vielzahl von passiven Auslöseschalterbefestigungsmerkmalen 516, die es erlauben, die pyrotechnische Auslöseeinrichtung 500 gemäß einem gewünschten Auslösestrom einzustellen. Zum Beispiel zeigt 7 die pyrotechnische Auslöseeinrichtung 500, die PCB 502, die elektrische Vorrichtung 503, die elektrischen Stromanschlüsse 504, den passiven Auslöseschalter 506, den Körper 508, die pyrotechnischen Stifte 510, die Spulenstifte 512, die Röhrenstruktur 514 und die Auslöseschalterbefestigungsmerkmale 516. Wie in 7 dargestellt, kann der gewünschte Auslösestrom eingestellt werden, indem der passive Auslöseschalter 506 an einem anderen der Auslöseschalterbefestigungsmerkmale 516 montiert wird, wodurch wiederum die Auslösedistanz 518 zwischen dem passiven Auslöseschalter 506 und einem oder mehreren der elektrischen Stromanschlüsse 504 eingestellt wird.
Durch Einstellen der Auslösedistanz 518 zwischen dem passiven Auslöseschalter 506 und einer oder mehreren der Stromanschlüsse 504 kann die durch die Vorrichtung 503 fließende Strommenge eingestellt werden, die erforderlich ist, um den passiven Auslöseschalter 506 zu aktivieren und somit die internen pyrotechnischen Merkmale der Vorrichtung auszulösen. Der passive Auslöseschalter 506 kann beispielsweise einen Reedschalter umfassen, der so eingerichtet ist, dass er aktiviert, wenn ein vorbestimmtes Magnetfeld aufgrund eines vorbestimmten Stromniveaus, das durch die Stromanschlüsse 504 fließt, erzeugt wird. Die Stärke des Magnetfelds, die zum Auslösen des passiven Auslöseschalters 506 erforderlich ist und damit das Niveau des entsprechenden Stroms, der durch die Vorrichtung fließt und zum Auslösen des passiven Auslöseschalters 506 erforderlich ist, kann dadurch eingestellt werden, indem die Auslösedistanz 518 zwischen dem passiven Auslöseschalter 506 und den Stromanschlüssen 504 einfach geändert wird. In der gezeigten Ausführungsform kann dies durch Befestigung des passiven Auslöseschalters 506 an einem anderen passiven Auslöseschalterbefestigungsmerkmal 516 erreicht werden.
Wenn man den passiven Auslöseschalter 506 weiter von dem Stromanschluss 504 wegbewegt, ist ein größeres Magnetfeld und damit ein größerer Strom erforderlich, um den passiven Auslöseschalter 506 auszulösen und damit die pyrotechnischen Merkmale der Vorrichtung 503 auszulösen. Auf diese Weise kann eine vorkonstruierte Schaltvorrichtung mit einer vorkonstruierten PCB bereitgestellt werden, so dass die Vorrichtung in Massenfertigung hergestellt werden kann, wobei unterschiedliche Auslöseströme basierend auf der Platzierung des passiven Auslöseschalters 506 an einem anderen der passiven Auslöseschalterbefestigungsmerkmale 516 ermöglicht werden. Zum Beispiel können die passiven Auslöseschalterbefestigungsmerkmale 516 an Positionen der PCB 502 angebracht werden, die verschiedenen Niveaus von Magnetfeldstärken entsprechen, die wiederum verschiedenen Niveaus des gewünschten Auslösestroms entsprechen können. Ein Unternehmen kann eine PCB-Einrichtung herstellen und den passiven Auslöseschalter 506 an verschiedenen passiven Auslöseschalterbefestigungsmerkmalen 516 positionieren, um Vorrichtungen zu schaffen, die bei unterschiedlichen Strömen auslösen. In Ausführungsformen, die eine Spule oder einen Elektromagneten verwenden, z.B. wie bei Schützen, kann der passive Auslöseschalter 506 so eingerichtet sein, dass er den Strom zur Spule abschaltet. In diesen Ausführungsformen kann diese Einrichtung die Zeit verkürzen, die die pyrotechnischen Merkmale benötigen, um die Kontakte zu öffnen, da sie der Spule keinen Widerstand entgegensetzen bzw. leisten müssen.
In anderen Ausführungsformen können anstelle oder zusätzlich zu den Auslöseschalterbfestigungsmerkmalen 516 zusätzliche Merkmale enthalten sein, um eine weitere Interaktion mit dem passiven Auslöseschalter 506 zu ermöglichen. Zum Beispiel zeigt 8 eine Vorrichtung 602 mit einer pyrotechnischen Auslöseeinrichtung 600, die der pyrotechnischen Auslöseeinrichtung 500 in 6-7 ähnelt. Die Vorrichtung 603 umfasst eine PCB 602 (ähnlich der PCB 502 in 7), eine elektrische Vorrichtung 603 (ähnlich der elektrischen Vorrichtung 503 in 7) und elektrische Stromanschlüsse 604 (ähnlich den elektrischen Stromanschlüsse 504 in 7). Die Vorrichtung 603 umfasst ferner einen passiven Auslöseschalter 606 (ähnlich dem passiven Auslöseschalter 506 in 7), einen Körper 608 (ähnlich dem Körper 508 in 7), pyrotechnische Stifte 610 (ähnlich den pyrotechnischen Stiften 510 in 7), Spulenstifte 612 (ähnlich den Spulenstiften 512 in 7) und eine Röhrenstruktur 614 (ähnlich der Röhrenstruktur 514 in 7). Obwohl ähnliche Ausführungsformen auch Auslöseschalterbefestigungsmerkmale enthalten könnten, enthält die in 8 gezeigte Ausführungsform keine Auslöseschalterbefestigungsmerkmale. Stattdessen enthält die pyrotechnische Auslöseeinrichtung 600 eine Kernstruktur 630, die zur Bestimmung des angestrebten Auslösestroms der pyrotechnischen Auslöseeinrichtung 600 beiträgt.
Die Kernstruktur 630 kann jedes bekannte Material aufweisen, das ein Magnetfeld kanalisieren, leiten oder steuern kann, das durch den durch die Vorrichtung 603 fließenden Strom erzeugt wird. In einigen Ausführungsformen umfasst die Kernstruktur 630 beispielsweise Metall. In einigen Ausführungsformen umfasst die Kernstruktur 630 Eisen, einer eisenhaltigen Legierung oder einem anderen eisenhaltigen Material. In einigen Ausführungsformen ist die Kernstruktur 630 magnetisch. Die Kernstruktur 630 kann jede geeignete Form oder Einrichtung aufweisen, die die gewünschten Magnetfeldeigenschaften erzeugt, einschließlich jedes regelmäßige oder unregelmäßige Polygon oder eine benutzerdefinierte bzw. maßgeschneiderte Form. In der in 8 gezeigten Ausführungsform umfasst die Kernstruktur 630 eine gekrümmte Streifenform. Die Kernstruktur 630 kann in jeder räumlichen Position in Bezug auf die Vorrichtung 603 und die PCB 602 eingerichtet sein, um die Interaktion zwischen einem erzeugten Magnetfeld und dem passiven Auslöseschalter 606 zu erleichtern. In der in 8 gezeigten Ausführungsform umschließt die Kernstruktur 630 zumindest teilweise einen der elektrischen Stromanschlüsse 604 und ist benachbart zu dem passiven Auslöseschalter 606 bzw. grenzt an diesen an.
Das Magnetfeld, das von der Kernstruktur 630 erzeugt wird, kann bedeutender sein als das des Stromanschlusses selbst, und der gewünschte Auslösestrom kann durch Einstellen der Distanz zwischen einem Abschnitt der Kernstruktur 630 und dem passiven Auslöseschalter 606 gesteuert werden, anstatt von dem Stromanschluss 604 und dem passiven Auslöseschalter 606 wie in der Ausführungsform von 6-7. Zum Beispiel zeigt 9 die pyrotechnische Auslöseeinrichtung 600, die PCB 602, die elektrische Vorrichtung 603, die elektrischen Stromanschlüsse 604, den passiven Auslöseschalter 606, den Körper 608, die pyrotechnischen Stifte 610, die Spulenstifte 612, die Röhrenstruktur 614 und die Kernstruktur 630. 9 zeigt ferner die Auslösedistanz 636 zwischen dem passiven Auslöseschalter 606 und der Kernstruktur 630. Wie bei der Ausführungsform von 7-8 kann der passive Auslöseschalter 606 einen Reedschalter oder einen anderen passiven Mechanismus umfassen, der so eingerichtet ist, dass er aktiviert, wenn ein vorbestimmtes Magnetfeld aufgrund eines vorbestimmten Niveaus des Stromflusses durch den Stromanschluss 604 und/oder die Kernstruktur 630 erzeugt wird.
Die Stärke des Magnetfelds, die zur Auslösung des passiven Auslöseschalters 606 erforderlich ist, und somit das Niveau des entsprechenden Stroms, der durch die Vorrichtung fließt und zur Auslösung des passiven Auslöseschalters 606 erforderlich ist, kann dadurch eingestellt werden, indem die Auslösedistanz 636 zwischen dem passiven Auslöseschalter 606 und einem Abschnitt der Kernstruktur 630 einfach geändert wird. Dadurch, dass der passive Auslöseschalter 606 weiter von der Kernstruktur 630 wegbewegt wird, ist ein größeres Magnetfeld und damit ein größerer Strom erforderlich, um den passiven Auslöseschalter 606 auszulösen und damit die pyrotechnischen Merkmale der Vorrichtung 603 auszulösen.
In einigen Ausführungsformen kann anstelle oder zusätzlich zu den Auslöseschalterbefestigungsmerkmalen 606 oder einer Kernstruktur 630 ein externer Auslösemechanismus verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann dieser externe Auslösemechanismus die Notwendigkeit einer PCB ersetzen, obwohl in anderen Ausführungen der externe Auslösemechanismus zusätzlich zu einer PCB verwendet werden kann. Eine beispielhafte Ausführungsform, bei der ein externer Auslösemechanismus die Notwendigkeit einer PCB ersetzt, ist in 10 dargestellt. 10 zeigt eine pyrotechnische Auslöseeinrichtung 700 (ähnlich der pyrotechnischen Auslöseeinrichtung 600 in 8). Die Einrichtung 700 umfasst eine elektrische Vorrichtung 703 (ähnlich der elektrischen Vorrichtung 603 in 8), elektrische Stromanschlüsse 704 (ähnlich den elektrischen Stromanschlüssen 604 in 8), einen passiven Auslöseschalter 706 (ähnlich dem passiven Auslöseschalter 606 in 8), einen Körper 708 (ähnlich wie der Körper 608 in 8), pyrotechnische Stifte 710 (ähnlich wie die pyrotechnischen Stifte 610 in 8), Zugangspunkte 712, die einen Kabel- bzw. Drahtzugang zu einem internen Elektromagneten oder einer internen Spule bieten können, und eine Röhrenstruktur 714 (ähnlich der Röhrenstruktur 614 in 8). 10 zeigt auch den Körper 708, der einen oberen oder Kappen-Abschnitt 716 aufweist, durch den die Stromanschlüsse 704 hindurchragen.
Es wird davon ausgegangen, dass ein dem Kappen-Abschnitt 716 des in 10 gezeigten Körpers 708 ähnlicher oberer oder Kappen-Abschnitt auf alle anderen Ausführungsformen, die Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten, angewandt werden kann. Zum Beispiel versteht es sich von selbst, dass die Vorrichtungsausführungsformen von 6 und 8 ohne Kappen-Abschnitt dargestellt sind, um die zu Grunde liegenden PCB-Einrichtungen besser zu veranschaulichen. Während der Endmontage können die Ausführungsformen von 6 und 8 jedoch alle internen Komponenten vollständig im inneren des Körpers eingeschlossen bzw. aufgenommen haben und einen Kappen-Abschnitt des Körpers umfassen.
Die Ausführungsform von 10 zeigt ferner einen externen Auslösemechanismus 730, der den passiven Auslöseschalter 706, eine leitende Stromschiene 732 und ein Abstandshalterabschnitt 734 umfasst. Wie in 10 gezeigt, kann die leitende Stromschiene 732 mehrere Verbindungsabschnitte umfassen, wobei die leitende Stromschiene 732 in der gezeigten Ausführungsform einen ersten Verbindungspunkt 736, der so eingerichtet ist, dass er an einem der Stromanschlüsse 704 mit der Vorrichtung 708 verbunden werden kann, und einen zweiten Verbindungspunkt 738, der so eingerichtet ist, dass er mit einer externen Stromquelle verbunden werden kann, umfasst.
Die leitende Stromschiene 732 kann jedes leitfähige Material umfassen, zum Beispiel ein metallisches Material. In einigen Ausführungsformen umfasst die leitende Stromschiene 732 Kupfer. Der Abstandhalterabschnitt 734 kann ein nichtmagnetisches Material umfassen. Die leitende Stromschiene 732 kann so eingerichtet sein, dass Strom zu den pyrotechnischen Stiften 710 fließen kann und dadurch die internen pyrotechnischen Merkmale der Vorrichtung 703 ausgelöst werden. Der passive Auslöseschalter 706 ist, ähnlich wie die passiven Auslöseschalter in den Ausführungsformen von 6 und 8, in einem offenen Zustand eingerichtet, wobei dieser keinen elektrischen Strom durch die leitende Stromschiene 732 fließen lässt und somit die Auslösung der pyrotechnischen Merkmale ermöglicht.
Wenn der Strom von der Vorrichtung 703 ein Schwellenwertniveau erreicht, wird ein ausreichendes Magnetfeld erzeugt, um den passiven Auslöseschalter 706 auszulösen. Dadurch kann Strom von der externen Stromquelle, die mit der zweiten Verbindung 738 der leitenden Stromschiene 732 verbunden ist, durch die leitende Stromschiene 732 zu den pyrotechnischen Stiften 710 fließen und somit die pyrotechnischen Merkmale der Vorrichtung auslösen.
Das Schwellenwertmagnetfeld, das zur Aktivierung des passiven Auslöseschalters 706 erforderlich ist, und somit das erforderliche Stromniveau, das als ausreichend gefährlich definiert ist, um die Aktivierung der pyrotechnischen Stromkreisunterbrechungsmerkmale zu rechtfertigen bzw. zu gewährleisten, kann durch Einstellen der Distanz des passiven Auslöseschalters 706 von der leitenden Stromschiene 732 eingestellt werden. Dies kann z.B. durch Einstellen der Dicke des nichtmagnetischen Abstandshalterabschnitts 734 erreicht werden. 11 zeigt z.B. eine Nahaufnahme einer Schnittansicht des externen Auslösemechanismus 730 von 10, einschließlich des passiven Auslöseschalters 706, der leitenden Stromschiene 732 und des Abstandshalterabschnitts 734, den ersten Verbindungspunkt 736 und den zweiten Verbindungspunkt 738. 11 zeigt auch die Auslösedistanz 750, die der Dicke des nichtmagnetischen Abstandshalterabschnitts 734 entspricht.
Wie bei den oben diskutierten Ausführungsformen kann der passive Auslöseschalter 706 einen Reedschalter oder einen anderen passiven Mechanismus umfassen. Der Schalter kann so eingerichtet sein, dass er aktiviert, wenn ein vorbestimmtes Magnetfeld aufgrund eines vorbestimmten Niveaus des Stroms, der durch den Stromanschluss 604 fließt, erzeugt wird, in diesem Fall der Stromanschluss 604, der in elektrischer Verbindung mit dem externen Auslösemechanismus 730 ist bzw. mit diesem elektrisch verbunden ist. Die Stärke des Magnetfelds, das zur Auslösung des passiven Auslöseschalters 706 erforderlich ist, und somit das Niveau des entsprechenden Stroms, der durch die Vorrichtung 703 fließt und der zur Auslösung des passiven Auslöseschalters 706 erforderlich ist, dadurch eingestellt werden, indem die Auslösedistanz 750 zwischen dem passiven Auslöseschalter 706 und der leitenden Stromschienen- bzw. Busstruktur 732 einfach geändert wird. Durch Vergrößerung der Dicke des nichtmagnetischen Abstandshalterabschnitts 734 und somit durch Wegbewegen des passiven Auslöseschalters 706 von der leitenden Busstruktur 732, wäre ein größeres Magnetfeld und somit ein größerer Strom erforderlich, um den passiven Auslöseschalter 706 auszulösen und somit die pyrotechnischen Merkmale der Vorrichtung 703 auszulösen. Ebenso wäre, durch Hinbewegen des passiven Auslöseschalters 706 näher an die leitende Busstruktur 732, ein geringeres Magnetfeld und somit ein geringerer Strom erforderlich, um den passiven Auslöseschalter 706 auszulösen und somit die pyrotechnischen Merkmale der Vorrichtung 703 auszulösen.
Es wird davon ausgegangen, dass die verschiedenen pyrotechnischen passiven Schaltstromkreise gemäß der vorliegenden Erfindung auf viele verschiedene Arten angeordnet werden können. 12 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Ausführungsform des pyrotechnischen passiven Schaltstromkreises 800 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Schaltstromkreis 800 umfasst im Allgemeinen einen Betriebsstromkreis 802, der die Standardbetriebsstromquelle 804 umfasst, die mit einer Betriebslast 806 gekoppelt ist, die von der Stromquelle 802 gespeist und versorgt wird. Ein Schütz oder eine Sicherung 808 ist im Schaltstromkreis 800 angeordnet, um die elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle 804 und der Last zu unterbrechen, wenn gefährlicher Strom im Stromkreis 802 fließt. Es wird davon ausgegangen, dass die Sicherung 808 auch mit Merkmalen ausgestattet werden kann, die als Schütz arbeiten, um die Stromquelle 804 unter normalen Betriebsbedingungen von der Last zu trennen. Es wird auch davon ausgegangen, dass die Sicherung 808 ein Schütz aufweisen kann, bei dem der passive Schaltstromkreis 800 die Bedingung bzw. den Zustand des Schützes ändert, um den Stromkreis wie oben beschrieben zu unterbrechen.
Es kann ein pyrotechnischer Aktivierungsstromkreis 810 umfasst sein, der so angeordnet ist, dass er mit dem Betriebsstromkreis 802 zusammenarbeitet, um vor Überstrombedingungen zu schützen. Der Stromkreis 810 umfasst einen pyrotechnischen Aktuator/Aktivator 812 wie oben beschrieben, der so angeordnet ist, dass er die Bedingung bzw. den Zustand der Sicherung 808 ändert, wenn er aktiviert wird. Der Stromkreis umfasst auch einen pyrotechnischen Sicherungsauslöser 814, der durch Überstrom betätigt wird, der neben dem Stromkreis 802 in bzw. an einer Position angeordnet ist, die es ihm erlaubt, einen Überstromzustand in dem Stromkreis 802 zu erfassen. In der gezeigten Ausführungsform kann der Auslöser 814 einen Reedschalter umfassen, aber es wird davon ausgegangen, dass viele verschiedene alternative Vorrichtungen verwendet werden können. Der Auslöser 814 kann in Bezug auf den Stromkreis 802 an vielen verschiedenen Positionen platziert werden, z.B. neben einem Stromanschluss, wie oben beschrieben, oder neben anderen Leitern im Stromkreis, die den Betriebsstrom führen bzw. tragen. Der Stromkreis 810 kann auch eine sekundäre Stromquelle 816 umfassen, die mit dem pyrotechnischen Aktuator 812 gekoppelt werden kann, wenn der Sicherungsauslöser als Reaktion auf erhöhte Stromniveaus geschlossen wird.
Während des Betriebs ist die Sicherung 808 geschlossen, so dass die Betriebsstromquelle 804 die Last 806 mit Strom versorgen kann. Wenn normale Stromniveaus durch den Stromkreis 802 fließen, bleibt der Auslöser 814 offen und die sekundäre Stromquelle 816 ist vom pyrotechnischen Aktuator 812 getrennt. Wenn Ströme über einem bestimmten Niveau (gefährlich hohe Niveaus) durch den Stromkreis 802 fließen, schließt der Auslöser 814 als Reaktion auf das erhöhte Magnetfeld. Dadurch wird die sekundäre Stromquelle mit dem pyrotechnischen Aktuator 812 verbunden, wodurch dieser betätigt und die Sicherung 808 unterbrochen wird. Dies wiederum trennt die Betriebsstromquelle 804 von der Last 806, um den leitenden Pfad für den erhöhten Strom in dem Stromkreis 802 zu unterbrechen.
Es wird davon ausgegangen, dass andere Schaltkreise bzw. Stromkreise gemäß der vorliegenden Erfindung auf viele verschiedene Arten mit vielen verschiedenen Vorrichtungen und Elementen angeordnet werden können. Es können viele verschiedene sekundäre Stromquellen verwendet werden, wobei einige Ausführungsformen mit einer integrierten Batterie oder einem Kondensatorschaltkreis eine Ladung speichern, die ausreicht, um den pyrotechnischen Aktuator 812 auszulösen. In anderen Ausführungsformen kann die sekundäre Stromquelle einen bordeigenen bzw. an Bord befindlichen Niederspannungsstrom umfassen, der noch ausreicht, um den pyrotechnischen Aktuator 812 auszulösen.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines pyrotechnischen passiven Schaltstromkreises 900 gemäß der vorliegenden Erfindung, der viele der gleichen Merkmale wie der in 12 gezeigte Schaltstromkreis 800 aufweist. Der Schaltstromkreis 900 umfasst einen Betriebsstromkreis 902, der die Standardbetriebsstromquelle 904 umfasst, die mit einer Betriebslast 906 gekoppelt ist. Ein Schütz oder eine Sicherung 908 ist im Schaltstromkreis 900 angeordnet, um die elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle 904 und der Last 906 zu unterbrechen, wenn gefährlicher Strom im Schaltstromkreis 902 fließt.
Der Schaltstromkreis 900 umfasst einen pyrotechnischen Aktuator/Aktivator 912 und einen pyrotechnischen Sicherungsauslöser 914, der durch Überstrom betätigt wird, der den oben beschriebenen ähnlich ist. In dem Schaltstromkreis 900 sind diese Elemente jedoch nicht in einem separaten pyrotechnischen Aktivierungsstromkreis angeordnet, der mit einer sekundären Stromquelle arbeitet, um den pyrotechnischen Aktuator 912 zu starten bzw. auszulösen. Stattdessen sind diese Elemente in den Betriebsstromkreis 902 integriert, wobei der Auslöser 914 so angeordnet ist, dass er erhöhte Ströme im Stromkreis 902 erfasst und auch an einem Leiter, der den erhöhten Strom führt, mit dem Stromkreis 902 gekoppelt ist. In der gezeigten Ausführungsform ist der Auslöser 914 parallel zur Sicherung 908 an die Leiter des Stromkreises gekoppelt, aber es wird davon ausgegangen, dass er auch auf andere Weise angeordnet werden kann.
Im Normalbetrieb ist der Auslöser 914 offen, und der Strom von der Stromquelle 904 wird über die Sicherung 908 zur Last 906 geleitet. Wenn der Auslöser 914 einen erhöhten Strom erfasst, schließt er, und der erhöhte Strom fließt durch den Auslöser 914 zum pyrotechnischen Aktuator 912, wobei der Aktuator ausgelöst und die Sicherung 908 ausgelöst bzw. gebrochen wird. Dadurch wird der normale Leitungspfad zwischen der Stromquelle 904 und der Last 908 unterbrochen.
Der Auslöser 914 ist auch so angeordnet, dass der erhöhte Strom von der Stromquelle 904 den Auslöser 914 schnell unterbricht oder anderweitig zerstört und dadurch der Strompfad durch den Auslöser 914 unterbrochen wird. Der Auslöser 914 führt den Strom lange genug, um den Aktuator zu aktivieren, wird aber kurz danach zerstört. Dies hat zur Folge, dass die Stromquelle 904 von der Last 906 elektrisch isoliert wird und irgendein erhöhter Strompfad unterbrochen ist. Es wird davon ausgegangen, dass der Auslöser 914 und der Aktuator 912 Elemente aufweisen können, die sie während des Bruchs oder des Starts enthalten, wie z.B. ein Umhüllungs- bzw. Ummantelungsmaterial wie Epoxid.
Es wird auch davon ausgegangen, dass die Elemente der Schalt- bzw. Stromkreise gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung vieler verschiedener elektrischer Leiter miteinander gekoppelt werden können. Dazu können leitende Pfade auf einer Leiterplatte oder Drähte gehören. Es wird auch davon ausgegangen, dass die oben beschriebenen Schalt- bzw. Stromkreise auf dem Schütz oder der Sicherung angeordnet und in diese integriert werden können, um eine einfach zu bedienende und kompakte Vorrichtung bereitzustellen. Der Schaltstromkreis 900 kann bestimmte Vorteile bieten, wie z.B. den Verzicht auf eine separate sekundäre Stromquelle zur Aktivierung des pyrotechnischen Aktuators 912. Dies kann zu einer vereinfachten und kostengünstigeren Vorrichtung führen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die pyrotechnische Ladung unter Verwendung vieler verschiedener aktiver und passiver Schaltkreise und Elemente auslösen. Einige alternative Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung können sich auf die Kontaktschwebetechnik und die damit verbundene Lichtbogenbildung stützen, um die pyrotechnische Ladung passiv auszulösen. Kontaktschweben kann auftreten, wenn sich der bewegliche Kontakt von den festen Kontakten aufgrund der elektromagnetischen Kräfte trennt, die während des Betriebs bei erhöhtem Stromfluss durch die Kontakte erzeugt werden.
Obwohl sich die Erfinder nicht auf eine bestimmte Betriebstheorie beschränken wollen, wird davon ausgegangen, dass es mindestens drei Faktoren geben kann, die zu einer Levitation bzw. zu einem Schweben zwischen den Kontakten führen. Der erste ist die Stromeinschnürung bzw. -einengung, der zweite ist auf parallele Leiter mit Stromfluss in entgegengesetzten Richtungen zurückzuführen, und der dritte ist der Stromfluss senkrecht zum Feld der Lichtbogenunterdrückungsmagneten. Es ist verständlich, dass bewegte Ladungen ihre eigenen Magnetfelder erzeugen, wobei stromführende Leiter in der Lage sind, aufeinander Kräfte auszuüben. Parallele Ströme in Leitern können Magnetfelder verursachen, die zu einer Anziehung zwischen den Leitern führen. Antiparallele Ströme können Magnetfelder erzeugen, die eine Abstoßung zwischen den Leitern verursachen. Ein Schweben tritt als Ergebnis des Magnetfeldes auf, das durch einen Strom in den internen Kontakten der Schaltvorrichtung erzeugt wird.
14-16 sind schematische Darstellungen von Merkmalen einer Schaltvorrichtung 950, die diese drei Schwebefaktoren zeigen. Die Schaltvorrichtung 950 umfasst einen stationären bzw. feststehenden Kontakt 952 und einen beweglichen Kontakt 954, wobei der Betrieb der Schaltvorrichtung aus der Bewegung des beweglichen Kontaktes 954 zwischen dem Kontakt bzw. der Kontaktierung des feststehenden Kontaktes 952 und der Bewegung (z.B. nach unten) außer Kontakt mit dem feststehenden Kontakt 952 resultiert. Der bewegliche Kontakt 954 hat eine Haltekraft 956, wenn er mit dem stationären Kontakt 952 in Kontakt ist.
Der erste und zweite Faktor (Stromeinschnürung und parallele Leiter) kann durch die Geometrie der feststehenden und beweglichen Kontakte 952, 954 beeinflusst werden. In der gezeigten Ausführungsform sind einige der relevanten geometrischen Merkmale, die umfasst sind, die Länge der Kontaktkrümmung A, die Kontaktdicke B, der Kontaktkrümmungsabstand C und die Kontaktbreite D.
Die Stromeinschnürung bezieht sich auf die abstoßenden Kräfte, die zwischen den Kontakten durch Ströme erzeugt werden können, die zwischen den beiden Kontakten über weniger als die gesamte Kontaktfläche fließen bzw. geleitet werden. 15 zeigt eine schematische Darstellung der Kontaktfläche zwischen dem feststehenden Kontakt 952 und dem beweglichen Kontakt 954, wobei eine Schnittstelle 970 zwischen den beiden liegt. 16 zeigt auch die Schnittstelle 970 in einer Draufsicht. Wenn Elektrizität zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontakt 952, 954 geleitet wird, fließt der Strom gleichmäßig über die Kontaktfläche an der Schnittstelle 970 zwischen beiden. Stattdessen ist der Strom typischerweise auf kleine Bereiche 972 (d.h. Stromeinschnürung) an der Kontaktschnittstelle 970 beschränkt. Dies führt dazu, dass der durch die Kontakte fließende Strom seine Richtung in Richtung der Region 972 ändert. Dies wiederum erzeugt erste und zweite Stromvektoren 974 und 976 in den gegenüberliegenden Kontakten, die eine Komponente aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Schnittstelle 970 ist. Die parallelen Komponenten liegen in entgegengesetzten Richtungen und erzeugen Magnetfelder, die einander entgegengesetzt sind. Dies wiederum erzeugt eine abstoßende Kraft zwischen den Kontakten 952, 954.
Mit zunehmendem Strom, der durch die Kontakte fließt, kann auch diese abstoßende Kraft zunehmen, und die Abstoßung wirkt auf die Kontakte in einer Richtung entgegen der Kontakthaltekraft 956. Diese abstoßende Kraft kann bei höheren Strömen erheblich sein, und es kann ein Schweben zwischen den Kontakten auftreten, wenn diese abstoßende Kraft die Kraft 956 zwischen den Kontakten übersteigt. Diese Schwebekraft kann wiederum dazu führen, dass sich der bewegliche Kontakt 954 gegen die Kontakthaltekraft 956 vom feststehenden Kontakt 952 trennt.
Nochmals auf 14 Bezug nehmend, kann der durch die Kontakte 952, 954 fließende Strom in ähnlicher Weise eine abstoßende Kraft zwischen den beiden verursachen. Der Stromfluss 958 während des Betriebs wird durch den feststehenden Kontakt 952 und den beweglichen Kontakt 954 geleitet. Die feststehende Kontaktkrümmung 966 weist eine Länge A auf, bei der der Strom in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom 958 fließt, der im beweglichen Kontakt 954 fließt. Dies erzeugt ebenfalls entgegengesetzte Magnetfelder, die eine abstoßende Kraft zwischen den Kontakten 952, 954 erzeugen. Diese abstoßende Kraft kann mit zunehmendem Strom 958 ebenfalls zunehmen.
Auch die Positionierung der Lichtbogenunterdrückungsmagnete kann zu einem Schweben beitragen. Einige Ausführungsformen einer Schaltvorrichtung können Lichtbogenmagnete aufweisen, die so positioniert werden können, dass Lichtbögen zwischen feststehenden und beweglichen Kontakten nach außen gedrückt werden. Diese Magneteinrichtung kann zu einem unidirektionalen Öffnungs- bzw. Unterbrechungsverhalten bzw. einer Unterbrechungsleistung der Kontakte führen. Die Orientierung der Magnete kann auch dazu führen, dass der bewegliche Kontakt entgegen der Schließkraft zwischen den Kontakten nach unten gedrückt wird. Elektronen, die sich durch ein Magnetfeld bewegen, können in eine bestimmte Richtung bewegt werden. Wie in 14 gezeigt, kann eine weitere abstoßende Kraft 964 zwischen den Kontakten 952, 954 durch die Interaktion des senkrechten Magnetfeldes der Lichtbogenmagnete und der Elektronen im Strom 958 erzeugt werden.
Zwischen den festen und beweglichen Kontakten können Lichtbögen entstehen, wenn das Schweben eine Trennung der festen und beweglichen Kontakte bewirkt. Einige der Variablen, die verwendet werden, um den Strom zu bestimmen, bei dem die Schwebekraft beginnt, die Kontakte zu öffnen (oder zu trennen), sind die Kontaktschließkraft, die benachbarte parallele Geometrie des feststehenden Kontakts und des beweglichen Kontakts sowie Lichtbogenmagnete.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen werden verschiedene Systeme und Verfahren zur Auslösung oder Zündung des pyrotechnischen Aktuators offenbart, die auf einer extern gespeisten bzw. bestromten Auslösung oder einer integrierten Auslösung des pyrotechnischen Aktuators und der Ladung beruhen. In einigen dieser Ausführungsformen werden Vorrichtungen wie Reedschalter verwendet, die sich als Reaktion auf einen erhöhten Kontaktstrom schließen können, was wiederum eine von verschiedenen Stromquellen an den pyrotechnischen Aktuator schließen bzw. mit dem pyrotechnischen Aktuator verbinden kann. In diesen Ausführungsformen kann der Reedschalter (oder die Schaltvorrichtung) so kalibriert werden, dass er schließt, wenn der vorgegebene Auslösestromschwellenwert überschritten wird. In den vorliegenden Ausführungsformen kann der Schwebelichtbogen verwendet werden, um den pyrotechnischen Aktuator oder die pyrotechnische Ladung zu zünden, ohne dass zusätzliche Elemente wie ein Reedschalter erforderlich sind.
17 zeigt eine weitere Ausführungsform eines pyrotechnischen passiven Schaltstromkreises 1100 gemäß der vorliegenden Erfindung, der auf dem Schwebelichtbogen zur Auslösung des pyrotechnischen Aktuators beruht. Wie die obigen Schaltstromkreise umfasst der Stromkreis 1100 einen Betriebsstromkreis 1102, der die Standardbetriebsstromquelle 1104 umfasst, die mit einer Betriebslast 1106 gekoppelt ist. Eine Sicherung 1108, die pyrotechnisch aktiviert wird, ist im Stromkreis 1100 angeordnet und verwendet eine pyrotechnische Ladung, um die elektrische Verbindung 1110 zwischen der Stromquelle 1104 und der Last 1106 zu unterbrechen, wenn gefährlich hoher Strom im Stromkreis 1102 fließt. Dies kann wie oben beschrieben erreicht werden, indem die pyrotechnische Ladung die Kontakte im Schütz trennt.
Im Gegensatz zu den obigen Ausführungsformen verfügt der Stromkreis 1100 nicht über einen Auslöser für pyrotechnische Sicherungen, der durch Überstrom betätigt wird, wie z.B. einen Reedschalter. Stattdessen sind die Initiator- bzw. Zündstifte für die pyrotechnische Sicherung (oder Vorrichtung) direkt über die Hochspannungsanschlüsse des Schützes angeschlossen. Wenn die Stromniveaus durch die festen Kontakte (d.h. durch die Hochspannungsanschlüsse) des Schützes über einen Schwellenwert oder „Auslösestrom“ ansteigen, überwindet die Schwebekraft die Kontaktkraft zwischen den feststehenden und beweglichen Kontakten. Dies führt zu einer Trennung zwischen dem festen und dem beweglichen Kontakt, und es kommt zu einem Schwebelichtbogen zwischen den beiden. Während des Lichtbogens steigt der Widerstand zwischen den Hochspannungsanschlüssen und den beweglichen Kontakten schnell an. Dies führt dazu, dass der Strom durch den Zündungs- bzw. Initiatorpfad 1112 fließt, da dieser Pfad zum Pfad des geringsten Widerstands wird. Die Pyroladung in der pyroaktivierten Sicherung 1108 zündet und erzeugt schnell Wärme bzw. Hitze und Druck. Dadurch wird der interne Kolben des Kontakts durch den Zylinder und auf den beweglichen Kontakt gedrückt, wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben. Der bewegliche Kontakt trennt sich schnell vom feststehenden Kontakt, und es können Lichtbogenmagnete umfasst sein, um den Lichtbogen zu dehnen und zu kühlen, wie oben beschrieben.
Es wird davon ausgegangen, dass die pyrotechnische Sicherung/Vorrichtung zwar oben als direkt an die Hochspannungsanschlüsse angeschlossen beschrieben wird, dass aber in anderen Ausführungsformen zwischengeschaltete Vorrichtungen und Merkmale umfasst sein können. Dazu können z.B. verschiedene elektronische oder sensorische Merkmale gehören, die in oder an den Schaltvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung auf viele verschiedene Arten angeordnet werden können. Dazu gehören auch einige Ausführungsformen, die auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet werden können.
Es wird auch verstanden, dass verschiedene Schützausführungsformen mehrere pyrotechnische Auslösemechanismen aufweisen können. Beispielsweise kann es in einigen Ausführungsformen wünschenswert sein, sowohl aktive als auch passive Auslösemerkmale für einen Schütz zu umfassen. Dies kann entweder durch zwei Auslösestromkreise für denselben Pyrozünder und dieselbe Ladung oder durch zwei verschiedene Zünder und Ladungen erreicht werden. Bei Ausführungsformen mit mehreren Zündern kann der erste Zünder an die Hochspannungsanschlüsse angeschlossen werden, wie oben für die Aktivierung durch Schwebelichtbogen beschrieben. Der zweite Zünder kann zur Kopplung mit dem gewünschten aktiven Auslösestromkreis an die Ausgabestifte des Schützes angeschlossen werden. Die beiden Zünder und ihre Auslösestromkreise können elektrisch voneinander getrennt sein.
18 zeigt eine weitere Ausführungsform eines pyrotechnischen Schaltstromkreises 1200 gemäß der vorliegenden Erfindung, der sowohl aktive als auch passive Auslösestromkreise umfasst. Wie die obigen Stromkreise umfasst der Stromkreis 1200 einen Betriebsstromkreis 1202, der die Standardbetriebsstromquelle 1204, die mit einer Betriebslast 1206 gekoppelt ist, umfasst. Ein erster und ein zweiter pyrotechnischer Zünder 1208, 1214 sind in dem Stromkreis 1200 angeordnet, um die elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle 1204 und der Last 1206 zu unterbrechen, wenn gefährlicher Strom im Stromkreis 1202 fließt. In dieser Ausführungsform ist einer der Zünder 1208 passiv (wird automatisch bei erhöhtem Strom betätigt), während der andere 1210 durch ein Signal vom Anwender oder vom System manuell betätigt werden kann. In anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr Zünder vorgesehen sein, um über redundante Mechanismen zur Unterbrechung gefährlicher Ströme zu verfügen.
Ein externer pyrotechnischer Aktivierungsstromkreis 1212 kann Merkmale aufweisen, um zu erkennen, wenn ein erhöhter Strom in dem Stromkreis fließt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Stromkreis 1212 einen pyrotechnischen Aktuator/Aktivator 1214 wie oben beschrieben, der so angeordnet ist, dass er den Zustand der Sicherung 1208 ändert, wenn er aktiviert bzw. aktiviert wird. Der Stromkreis umfasst auch einen pyrotechnischen Sicherungsauslöser 1216, der durch Überstrom betätigt wird, der neben dem Stromkreis 1202 in einer Position angeordnet ist, die es ihm erlaubt, einen Überstromzustand bzw. eine Überstrombedingung im Stromkreis 1202 zu erfassen. In der gezeigten Ausführungsform kann der Auslöser 1216 einen Reedschalter umfassen, aber es versteht sich, dass viele verschiedene alternative Vorrichtungen verwendet werden können. Der Stromkreis 1212 kann auch eine sekundäre Stromquelle 1218 umfassen, die mit dem pyrotechnischen Aktuator 1214 gekoppelt werden kann, wenn Sicherungsauslöser als Reaktion auf erhöhte Stromniveaus geschlossen wird.
Es kann ein interner passiver Aktivierungsstromkreis umfasst sein, der die oben beschriebene Kontaktschwebelichtbogen-Aktivierungsanordnung umfasst. Wie oben diskutiert, werden die Zünderstifte für die pyrotechnische Sicherung 1208 direkt über die Hochspannungsanschlüsse des Schützes angeschlossen. Wenn erhöhte Ströme durch die Kontakte das gewünschte Auslöseniveau erreichen, kommt es zu Schwebelichtbogenbildung. Dies zwingt den Strom durch den Zünderpfad 1220 (z.B. der Pfad bzw. das Patent des geringsten Widerstands). Die pyroaktivierte Sicherung 1210 zündet und trennt, wie oben beschrieben, schnell den beweglichen Kontakt von den feststehenden Kontakten.
Ähnlich wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind während des Betriebs die Sicherungen 1208, 1210 geschlossen, so dass die Betriebsstromquelle 1202 die Last 1206 mit Strom versorgen kann. Wenn normale Stromniveaus durch den Stromkreis 1204 fließen, bleibt der Auslöser 1216 offen und die sekundäre Stromquelle 1218 ist vom pyrotechnischen Aktuator 1210 getrennt. Wenn Ströme über einem bestimmten Niveau (gefährlich hohe Niveaus) durch den Stromkreis 1202 fließen, schließt der Auslöser 1216 als Reaktion auf das erhöhte Magnetfeld und aktiviert den pyrotechnischen Aktuator 1210, der die Betriebsstromquelle 1204 von der Last 1206 trennt.
Es wird davon ausgegangen, dass dies nur eine Ausführungsform einer Mehrfachpyroaktivierungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Es wird davon ausgegangen, dass andere Ausführungsformen verschiedene Arten von Mehrfachaktivierungssystemen umfassen können, und andere Ausführungsformen können mehr als zwei Aktivierungssysteme umfassen.
Es wird auch verstanden, dass die verschiedenen pyrotechnischen Aktuatoren auf viele verschiedene Arten angeordnet sein können, in vielen verschiedenen Arten von Schützen und Sicherungen. 19 bis 21 zeigen eine Ausführungsform einer Sicherung 1300 und 22 und 23 zeigen deren Mehrfachzündmechanismus 1301 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Mechanismus 1301 umfasst einen ersten und zweiten Pyrozünder 1302, 1304, von denen jeder seine eigene pyrotechnische Ladung aufweist. In der gezeigten Ausführungsform sind die Pyrozünder 1302, 1304 oben auf der Sicherung 1300 angeordnet, wobei beide oben auf einem Verteilerrohr 1306 angeordnet sind. Die Pyrozünder 1302, 1304 können hermetisch abgedichtet und zentral im Verteilerrohr 1306 positioniert werden. Die Aktivierungskräfte (d.h. Hitze und Druck) der pyrotechnischen Ladungen in jedem der Zünder 1302, 1304 werden durch das Verteilerrohr so gerichtet, dass ein einziger gemeinsamer Kolben 1308 nach unten gedrückt wird. Die Abwärtsbewegung des Kolbens 1308 bewirkt eine Trennung der festen und beweglichen Kontakte innerhalb der Sicherung 1300, wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben.
Die Zünder 1302, 1304 können, wie oben und in der gezeigten Ausführungsform beschrieben, auf unterschiedliche Weise aktiviert werden und sind elektrisch voneinander isoliert. Der erste Zünder 1302 kann direkt mit den Hochspannungsanschlüssen des Schützes gekoppelt sein und kann durch Kontaktschwebelichtbogenbildung wie oben beschrieben aktiviert werden. Der zweite Zünder 1304 kann mit den Ausgabestiften 1310 der Sicherung gekoppelt sein, die mit einem externen Aktivierungsstromkreis oder anderen externen Aktivierungsmitteln gekoppelt sein können, wie oben beschrieben. Diese elektrischen Verbindungen können mit vielen verschiedenen Leitern realisiert werden, die auf viele verschiedene Arten angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform können die Verbindungen zumindest teilweise durch leitende Spuren bzw. Bahnen auf einer Leiterplatte (PCB) 1312 realisiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Einrichtungen derselben ausführlich beschrieben wurde, sind andere Versionen möglich. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können irgendeine Kombination von kompatiblen Merkmalen umfassen, die in den verschiedenen Figuren gezeigt sind, und diese Ausführungsformen sollten auf diese ausdrücklich dargestellten und diskutierten als nicht beschränkend verstanden werden. Daher sollte der Sinn bzw. Geist und der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Versionen beschränkt sein.
Das Vorstehende soll alle Änderungen und alternativen Konstruktionen abdecken, die in den Sinn und den Schutzumfang der Erfindung fallen, wobei kein Abschnitt der Offenbarung, weder ausdrücklich noch implizit, dazu bestimmt ist, der Öffentlichkeit zugänglich zu sein, wenn er nicht in irgendwelchen Ansprüchen dargelegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/907453 [0001]
US 16101143 [0022]
US 15889516 [0022]
US 7321281 [0027]
US 7944333 [0027]
US 8446240 [0027]
US 9013254 [0027, 0033]

Claims

Elektrische Schaltvorrichtung, umfassend: ein Gehäuse; interne Komponenten innerhalb des Gehäuses, wobei die internen Komponenten Kontakte umfassen, die so eingerichtet sind, dass sie derart arbeiten bzw. betrieben werden, dass sie den Zustand der Schaltvorrichtung von einem geschlossenen Zustand, der einen Stromfluss durch die Schaltvorrichtung ermöglicht, in einen offenen Zustand, der einen Stromfluss durch die Schaltvorrichtung unterbricht, ändern; ein pyrotechnisches Merkmal, das so eingerichtet ist, dass es mit den internen Komponenten in Wechselwirkung tritt bzw. interagiert, um die Schaltvorrichtung von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zu überführen, wenn das pyrotechnische Merkmal aktiviert wird, wobei das pyrotechnische Merkmal so eingerichtet ist, dass es als Reaktion auf eine Levitation bzw. ein Schweben zwischen den Kontakten bei einem durch die Schaltvorrichtung fließenden Signal mit erhöhtem Strom auslöst.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kontakte feste und bewegliche Kontakte umfassen.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die festen und beweglichen Kontakte im geschlossenen Zustand in Kontakt sind bzw. sich berühren und im offenen Zustand getrennt sind.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das pyrotechnische Merkmal mit den festen Kontakten verbunden ist.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das pyrotechnische Merkmal derart angeordnet ist, dass es mit den Kontakten interagiert, um von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand überzugehen.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das pyrotechnische Merkmal derart angeordnet ist, dass es mit dem beweglichen Kontakt interagiert, um von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand überzugehen.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontakte derart angeordnet sind, dass das Schweben einen Lichtbogen zwischen dem festen und dem beweglichen Kontakt bewirkt, wodurch der Widerstand zwischen dem festen und dem beweglichen Kontakt erhöht wird.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erhöhte Widerstand bewirkt, dass das elektrische Signal an den festen Kontakten das pyrotechnische Merkmal aktiviert.
Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Aktivierung des pyrotechnischen Merkmals bewirkt, dass die Schaltvorrichtung von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand übergeht.
Elektrische Schaltvorrichtung, umfassend: ein Gehäuse; interne Komponenten innerhalb des Gehäuses, wobei die internen Komponenten Kontakte umfassen, die so eingerichtet sind, dass sie derart betrieben werden, dass sie den Zustand der Schaltvorrichtung von einem geschlossenen Zustand, der einen Stromfluss durch die Schaltvorrichtung ermöglicht, in einen offenen Zustand, der den Stromfluss durch die Schaltvorrichtung unterbricht, ändern; mindestens eine pyrotechnische Aktivierungsvorrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie mit den internen Komponenten interagiert, um die Schaltvorrichtung von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zu überführen, wenn die pyrotechnische Vorrichtung aktiviert wird; interne und externe Schaltmerkmale, die so eingerichtet sind, dass sie die mindestens eine pyrotechnische Vorrichtung aktivieren, wobei das interne Schaltmerkmal eine passive Auslöseschalterstruktur umfasst, die so eingerichtet ist, dass sie eine der mindestens einen pyrotechnischen Vorrichtungen als Reaktion auf das Schweben zwischen den Kontakten aktiviert, wobei die externen Schaltmerkmale das eine der mindestens einen pyrotechnischen Merkmale bzw. Vorrichtungen mit einem Signal, das außerhalb des Gehäuses erzeugt wird, aktivieren.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das interne Schaltmerkmal sich innerhalb des Gehäuses befindet.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die mindestens eine pyrotechnische Vorrichtung eine erste und eine zweite pyrotechnische Vorrichtung umfasst.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste pyrotechnische Vorrichtung durch das Kontaktschweben aktiviert wird und die zweite pyrotechnische Vorrichtung durch das Signal aktiviert wird, das außerhalb des Gehäuses erzeugt wird.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die erste und die zweite pyrotechnische Vorrichtung einen einzigen Kolben betreiben bzw. antreiben.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Kontakte feste und bewegliche Kontakte umfassen, wobei die festen und beweglichen Kontakte im geschlossenen Zustand in Kontakt sind und im offenen Zustand getrennt sind.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 15, wobei eine der mindestens einen pyrotechnischen Vorrichtung mit den festen Kontakten verbunden ist.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei mindestens eine pyrotechnische Vorrichtung so angeordnet ist/sind, dass sie mit den Kontakten interagiert, um von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand überzugehen.
Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die mindestens eine pyrotechnische Vorrichtung so angeordnet ist/sind, dass sie mit dem beweglichen Kontakt interagiert, um von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand überzugehen.
Elektrische Schaltvorrichtung, umfassend: ein Gehäuse; feste und bewegliche Kontakte im Inneren des Gehäuses, die so eingerichtet sind, dass sie so betrieben werden, dass sie den Zustand der Schaltvorrichtung von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand ändern; ein pyrotechnisches Merkmal, das mit dem festen Kontakt verbunden und so eingerichtet ist, dass es mit dem beweglichen Kontakt interagiert, um die Schaltvorrichtung von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zu überführen, wenn das pyrotechnische Merkmal aktiviert wird, wobei das pyrotechnische Merkmal so eingerichtet ist, dass es als Reaktion auf das Schweben zwischen den festen und den beweglichen Kontakten auslöst.