УСТРОЙСТВО ПРЕРЫВАНИЯ/ЗАМЫКАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
DEVICE TO INTERRUPT/CLOSE ELECTRIC CIRCUIT

Настоящее изобретение касается устройства прерывания/замыкания электрической цепи. Указанное устройство работает от пиротехнического заряда.
В частности, из патента DE 4406730 известно устройство прерывания электрической цепи. Указанное устройство содержит, в частности, пиротехнический приводной механизм, содержащий пиротехнический заряд и управляемый поршень, перемещающийся под действием газов, образующихся в результате возгорания пиротехнического заряда. Поршень содержит палец, способный осуществлять давление на мостик контакта, осуществляющий первоначально электрическое соединение между двумя проводниками. Указанный мостик устанавливается на пружине. В процессе работы рассматриваемого устройства газы, образующиеся в результате возгорания пиротехнического заряда, приводят в движение поршень, который давит на мостик с целью отсоединения друг от друга двух проводников и прерывания, таким образом, электрической цепи.
Для управления срабатыванием пиротехнического заряда рассматриваемое устройство, известное из уровня техники, должно оснащаться внешним органом обнаружения. Кроме того, в этом устройстве используются механические средства, большинство из которых с течением времени быстро изнашивается и способно по этой причине приводить к нарушениям в работе всего устройства.
Целью изобретения является предложение устройства прерывания/замыкания электрической цепи, которое с течением времени не изнашивается и работает при помощи пиротехнического заряда, воспламенение которого производится непосредственно самим устройством.
Указанная цель достигается посредством устройства прерывания/замыкания электрической цепи, содержащего:
- пиротехнический заряд, предназначенный для возгорания, приводящего к прерыванию, а затем замыканию электрической цепи,
- средства воспламенения пиротехнического заряда, отличающегося тем, что:
- средства воспламенения подключены к электрической цепи,
- средства воспламенения содержат микропрерыватель магнитного действия, способный управлять воспламенением пиротехнического заряда.
В соответствии с одной из особенностей предлагаемого изобретения, микропрерыватель размещается в ветви электрической цепи, соединяющей часть электрической цепи и другую часть с землей.
В соответствии с другой особенностью предлагаемого изобретения, средства воспламенения содержат нагревательный резистивный элемент, подключенный последовательно к микропрерывателю и способный вызывать возгорание пиротехнического заряда
В соответствии с первым вариантом реализации изобретения, управление микропрерывателем осуществляется посредством передвижного постоянного магнита, которому, например, придается поступательное движение.
В соответствии со вторым вариантом реализации изобретения, управление микропрерывателем осуществляется посредством катушки возбуждения.
В соответствии с первым вариантом реализации изобретения, катушка возбуждения подключается параллельно к электрической цепи. Устройство, соответствующее предлагаемому изобретению, представляет собой, таким образом, устройство прерывания электрической цепи, в которой электрическая цепь содержит два проводника и соединительную деталь, перемещающуюся под воздействием газов, образующихся в результате возгорания пиротехнического заряда, при этом первоначально соединительная деталь соединяет между собой оба проводника.
В соответствии со вторым вариантом реализации изобретения, катушка возбуждения включена параллельно к микропрерывателю. В этом случае управление катушкой возбуждения осуществляется датчиком. Устройство, соответствующее предлагаемому изобретению, представляет собой, таким образом, устройство замыкания, в котором электрическая цепь содержит два проводника и соединительную деталь, перемещающуюся под воздействием газов, образующихся в результате возгорания пиротехнического заряда. В указанном устройстве замыкания соединительная деталь, первоначально отсоединена от двух проводников и, например, составляет единое целое с поршнем, отделяющим первую камеру, содержащую пиротехнический заряд от второй камеры, пересекаемой обоими проводниками.
В соответствии с рассматриваемым изобретением микропрерыватель, используемый в устройстве, может содержать, например, мембрану, из ферромагнитного материала, способную занимать место между двумя положениями, соответствующими силовым линиям магнитного поля.
Другие характеристики и преимущества рассматриваемого изобретения станут более понятными из следующего ниже подробного описания способа реализации изобретения, приведенного лишь в качестве примера, иллюстрированного сопровождающими чертежами, на которых:
- на фиг.1 схематически показано устройство прерывания электрической цепи, соответствующее рассматриваемому изобретению, реагирующее на внешнее механическое воздействие,
- на фиг.2 схематически показано устройство прерывания электрической цепи, соответствующее рассматриваемому изобретению, реагирующее на ток перегрузки в электрической цепи,
- на фиг.3 схематически показано устройство замыкания электрической цепи соответствующее рассматриваемому изобретению,
- на фиг.4-8 показан первый вариант микропрерывателя, используемого в предлагаемом изобретении,
- на фиг.9-11 показан второй вариант микропрерывателя, используемого в предлагаемом изобретении.
Предлагаемое изобретение касается устройства прерывания или замыкания главной электрической цепи. Эта главная электрическая цепь может, например, предназначаться для питания батареи, трансформаторов, тормозов лифтов или любых других типов цепей, в которых требуется быстрое и надежное прерывание или замыкание.
Каждое из устройств прерывания электрических цепей, представленных на фиг.1 и 2, и устройство замыкания, представленное на фиг.3, содержат корпус 1, пересекаемый двумя электрическими проводниками 6a, 6b, разнесенными и подключенными к главной электрической цепи питания (фиг.1), например, прибора A, запитанного от генератора G. В устройстве прерывания указанные два проводника 6a, 6b первоначально соединены друг с другом посредством способной перемещаться соединительной детали 7, которая обеспечивает первоначальное электрическое соединение, тогда как в устройстве замыкания указанные два проводника 6a, 6b первоначально разнесены и предназначены для последующего соединения друг с другом посредством способной перемещаться соединительной детали 700. Корпус 1, содержащий указанные устройства, герметически закрыт и содержит нижнюю стенку, в которой предусмотрена канавка 8 начала разрыва.
В устройствах прерывания соединительная деталь 7 плотно вставлена, например, между двух проводников 6a, 6b и нижней стенкой корпуса.
Пиротехнический заряд 5, например, композитного типа установлен внутри корпуса 1. Срабатывание на возгорание этого заряда 5 позволяет образовать газ внутри корпуса 1 и вызвать прерывание главной электрической цепи или, напротив, замыкание главной электрической цепи в результате перемещения соединительной детали 7, 700. Газы вырываются из корпуса 1 наружу по канавке 8 начала разрыва.
Согласно изобретению, устройства прерывания/замыкания содержат также микропрерыватель M, M' магнитного действия, имеющий конструкцию, описанную ниже. Указанный тип микропрерывателя предоставляет пользователю особые преимущества, так как он установлен в полностью герметичном корпусе и так как он обладает нечувствительностью к статическому электричеству, которое способно привести к непредусмотренному возгоранию пиротехнического заряда. Микропрерыватель указанного типа может быть, в частности, изготовлен в соответствии с технологией типа MEMS (Micro-Electro-Mechanical System).
На фиг.4 и 9 представлены два варианта этого типа микропрерывателя M, M'. Другие типы микропрерывателей, полностью отвечающих потребностям рассматриваемого изобретения, также могут быть рассмотрены и, в частности, микропрерыватели типа "reed".
80
20
В двух вариантах реализации рассматриваемого изобретения, представленных на фиг.4 и 9, микропрерыватель M, M' содержит подвижный элемент, установленный на подложке S, изготовленной из таких материалов как кремний, стекло, керамики или изготовленной в виде печатных плат. Подложка S несет, например, на своей поверхности 30, по крайней мере, два контакта или плоские, идентичные друг другу контактные дорожки 31, 32, разнесенные друг относительно друга и предназначенные для электрического соединения друг с другом посредством электрического подвижного контакта 21, 21' с целью обеспечения замыкания электрической цепи. Подвижный элемент состоит из гибкой мембраны 20, 20', состоящей, в свою очередь, по крайней мере, из одного слоя ферромагнитного материала. В качестве ферромагнитного материала может быть использован, например, магнитомягкий материал, а может быть использован, например, и железоникелевый сплав («пермаллой» NiFe). В зависимости от направления расположения в мембране ее магнитной составляющей мембрана 20, 20' может занимать либо нижнее положение, называемое положением замыкания, в котором ее подвижный контакт 21, 21' обеспечивает электрическое соединение двух неподвижных контактных дорожек 31, 32 и делает это таким образом, чтобы обеспечивалось замыкание электрической цепи, либо верхнее приподнятое положение, называемое размыканием, в котором ее подвижный контакт 21, 21' будет удален от двух контактных дорожек таким образом, чтобы обеспечивалось размыкание электрической цепи. В положении размыкания размер свободного пространства должен быть таким, чтобы обеспечивалось "отсутствие пламени" в случае появления паразитных токов.
В первом варианте предлагаемого изобретения, представленном на фиг.4, мембрана 20 микропрерывателя M имеет продольную ось (A) и составляет единое целое с подложкой S за счет двух промежуточных кронштейнов 22a, 22b, обеспечивающих соединение указанной мембраны 20 с двумя анкерными зажимами 23a, 23b, расположенными симметрично по обе стороны от ее продольной оси (A) и простирающимися перпендикулярно по отношению к указанной оси (A). За счет скручивания двух соединительных кронштейнов 22a, 22b мембрана 20 способна поворачиваться между своим положением размыкания и своим положением замыкания вокруг оси вращения (R), параллельной описанной выше оси в точках контакта мембраны 20 с электрическими дорожками 31, 32 и перпендикулярной ее продольной оси (A). Ее подвижный электрический контакт 21 располагается под мембраной 20 и на конце последней.
o
c
с
o
В этом первом варианте реализации рассматриваемого изобретения магнитное срабатывание микропрерывателя M состоит в воздействии на мембрану 20 постоянного магнитного поля B, которое предпочтительно должно быть одинаковым и, например, перпендикулярным направлению силовых линий к поверхности 30 подложки S с целью удержания мембраны 20 в каждом из ее положений, а также в приложении временного управляющего магнитного поля B, позволяющего управлять переходом мембраны 20 из одного ее положения в другое за счет инверсии магнитной пары, воздействующей на мембрану 20. Может возникнуть необходимость принудительной установки мембраны 20 в положение размыкания за счет воздействия на нее временного магнитного поля B с целью обеспечения защиты устройства от действия электростатических разрядов и в целях обеспечения микропрерывателю M повышенной гальванической развязки. Тем не менее, можно и обойтись без применения постоянного магнитного поля B, но только в том случае, если мембране в состоянии покоя обеспечивается достаточное пространство для размыкания. Для обеспечения такого достаточного пространства для размыкания мембрану 20 можно подвергнуть предварительному механическому напряжению, например, за счет вспомогательного слоя из предварительно напряженного материала.
o
с
Для создания постоянного магнитного поля B используется обычно постоянный магнит (не представлен), который, например, может быть закреплен под подложкой S. Временное магнитное поле B может быть, например, создано с помощью катушки возбуждения 4, подключенной к микропрерывателю M. Указанная катушка возбуждения 4 может быть плоскостной (фиг.5), встроенной в подложку, или располагаться снаружи, например, быть выполненной в виде соленоида. При прохождении тока через катушку возбуждения 4 создается временное магнитное поле с направлением, параллельным подложке S и параллельным продольной оси (A) мембраны 20, что позволяет управлять, в зависимости от направления тока в катушке, переводом мембраны 20 из одного из ее положений в другое. Работа такого микропрерывателя M подробно описана ниже с использованием фиг.6-8. На фиг.2 и 3 катушка 40, 400 выполнена в виде обмотки, но надо понимать, что она может быть выполнена и в совсем другом виде, в частности, она может иметь плоскостную форму и быть встроена в подложку микропрерывателя M (фиг.5).
o
o
2
o
2
Подложка S, служащая опорой для мембраны 20, помещается в зону действия постоянного магнитного поля B, которое уже описано выше. Как это показано на фиг.6, первое магнитное поле B создает первоначально в мембране 20 магнитную составляющую BP, направленную вдоль продольной оси (A). Магнитная пара сил, возникающая под воздействием первого магнитного поля B и магнитной составляющей BP, возникающей в мембране 20, удерживает мембрану 20 в одном из ее положений, например, в положении размыкания, представленном на фиг.6.
c
c
3
3
2
o
3
o
o
3
Как это показано на фиг.7, при прохождении управляющего тока в определенном направлении через катушку возбуждения 4 создается управляющее временное магнитное поле B, направление которого параллельно подложке S, причем его направление будет зависеть от направления тока, проходящего по катушке 4. Временное магнитное поле B создает магнитную составляющую BP в магнитном слое мембраны 20. При прохождении тока управления в определенном направлении указанная новая магнитная составляющая BP противодействует магнитной составляющей ВР, создающейся в магнитном слое мембраны 20 под воздействием первого магнитного поля B. Если сила составляющей BP превышает ту, которая создается первым магнитным полем B, магнитная пара сил, возникающая под воздействием первого магнитного поля B и указанной составляющей BP, меняет направление, и мембрана 20 переходит из своего положения размыкания в положение замыкания (фиг.7).
c
o
4
Как только переход мембраны 20 произошел, необходимость в подаче тока в катушку 4 отпадает. В соответствии с рассматриваемым изобретением, магнитное поле B создается лишь временно для перевода мембраны 20 из одного положения в другое. Как это показано на фиг.8, мембрана 20 затем удерживается в ее положении замыкания за счет действия первого магнитного поля B, создающего новую магнитную составляющую BP в мембране 20, и, следовательно, новой магнитной пары сил, вынуждающей мембрану 20 удерживаться в ее положении замыкания (фиг.8).
1
1
1
Во втором варианте реализации изобретения, представленном на фиг.9, продольная ось (A) мембраны 20' микропрерывателя M' присоединена, на одном из своих концов, посредством соединительных кронштейнов 22a', 22b', к одному или нескольким анкерным зажимам 23', жестко связанным с подложкой S. Мембрана 20' способна поворачиваться относительно подложки вокруг оси вращения (R), перпендикулярной ее продольной оси (A). Соединительные кронштейны 22a', 22b' обеспечивают упругое соединение мембраны 20' с анкерными зажимами 23' и при повороте мембраны 20' подвергаются воздействию усилий изгиба.
o
1
o
1
1
Характер магнитного действия микропрерывателя M', соответствующий указанному второму варианту реализации предлагаемого изобретения, показан на фиг.10 и 11. Он заключается в наложении магнитного поля, созданного посредством постоянного магнита 4'. В соответствии с указанным способом воздействия ферромагнитная мембрана 20' перемещается из одного своего состояния в другое в соответствии с направлением силовых линий магнитного поля L, создаваемого с помощью постоянного магнита 4'. В самом деле, магнитное поле, создаваемое посредством постоянного магнита 4', имеет силовые линии L, направление которых образует магнитную составляющую (BP', BP') в ферромагнитном слое мембраны 20' вдоль ее продольной оси (A). Указанная магнитная составляющая (BP', BP'), создаваемая в мембране 20', порождает магнитную пару сил, вынуждающую мембрану 20' занять одно из своих положений размыкания (фиг.10) или замыкания (фиг.11). За счет перемещения постоянного магнита 4' можно, таким образом, придавать мембране 20' две различные ориентации в соответствии с направлением силовых линий L магнитного поля постоянного магнита 4' и переводить мембрану 20' между этими двумя положениями. Для перевода мембраны 20' достаточно перемещать постоянный магнит 4' параллельно направлению поверхности 30 подложки S или перпендикулярно указанной поверхности 30.
Корпус устройств содержит также, таким образом, средства воспламенения пиротехнического заряда 5, состоящие, в частности, из микропрерывателя M, M', аналогичного тому, который описан выше, и нагревательного резистивного элемента, аналогичного тому, каким является, например, резистивная проволока 9, нагревом которой, предназначенным для возгорания пиротехнического заряда 5, управляет микропрерыватель M, M'. Микропрерыватель M, M' устанавливается последовательно по отношению к резистивной проволоке 9, которая подключена, в свою очередь, одним своим концом к земле, а другим - к главной электрической цепи, в том случае, когда микропрерыватель M, M' замкнут. Резистивная проволока 9 располагается в непосредственной близости от пиротехнического заряда 5 и предпочтительно в контакте с последним, или покрыта последним (этот вариант не представлен). В соответствии с возможным вариантом реализации рассматриваемого изобретения, возгорание пиротехнического заряда 5 может быть выполнено непосредственно с помощью самого микропрерывателя без использования резистивной проволоки 9. В самом деле, конструкция микропрерывателя может быть разработана таким образом, чтобы при достижении некоторого тока она сгорала с высвобождением энергии, достаточной для воспламенения пиротехнического заряда 5. С этой целью микропрерыватель может быть оснащен, например, легкоплавкой мембраной 20, способной сгорать в том случае, когда ток управления достигает слишком высокого значения.
Первая конфигурация устройства прерывания представлена на фиг.1. Указанное устройство прерывания предназначено для срабатывания от внешнего механического воздействия. Указанное внешнее механическое воздействие может быть реализовано путем использования самых различных средств, например, за счет увеличения давления текучей среды (воздуха, воды или масла) или действия какой-либо установленной снаружи механической детали, приводимой в движение изменением температуры или действием удара. Может быть рассмотрен и вариант применения любого другого типа датчика, в частности, "мультифизического" датчика, механически реагирующего на изменение различных физических параметров, таких как давление, температура, скорость и так далее.
В соответствии с первой конфигурацией, устройство содержит подвижный постоянный магнит 10, который имеет, например, форму диска или тора, установленный на передвижном органе воздействия OA, на который оказывается, коаксиально относительно оси (X) устройства, внешнее механическое воздействие. Указанный орган воздействия OA способен осуществлять поступательное движение при наложении на него внешнего минимально калиброванного механического воздействия, например, с помощью механизма сильфонного типа 11, упругой мембраны быстрого разрыва (не представлено) или с помощью неподвижного магнита, имеющего форму диска или тора (не представлен), расположенного концентрично относительно подвижного постоянного магнита 10. Под действием органа воздействия OA подвижный постоянный магнит 10 может, таким образом, поступательно перемещаться вдоль оси (X) устройства между положением покоя и рабочим положением.
В рассмотренной первой конфигурации изобретения используемый в устройстве микропрерыватель M' относится к тому типу, который был применен во втором, описанном ниже, варианте реализации рассматриваемого изобретения. Этот микропрерыватель M' сдвинут относительно оси (X) устройства таким образом, чтобы обеспечивалась возможность его опрокидывания при воздействии на него магнитного поля, создаваемого посредством подвижного постоянного магнита 10.
Устройство прерывания, соответствующее этой первой конфигурации, работает следующим образом:
при приложении внешнего механического воздействия заранее определенной минимальной силы к органу воздействия OA последний поступательно перемещается вдоль оси (X) устройства, увлекая за собой подвижный постоянный магнит 10. В своем положении покоя подвижный постоянный магнит не оказывает, например, никакого влияния на микропрерыватель M'. Мембрана 20' микропрерывателя M' находится в этом случае в положении покоя, параллельно подложке, как это представлено на фиг.9, или, за счет предварительного внутреннего напряжения, в приподнятом положении, как это представлено на фиг.10. В том случае, когда подвижный постоянный магнит 10 находится в своем нижнем рабочем положении, его магнитное поле наводит магнитную составляющую в мембране 20', которая, в свою очередь, создает магнитную пару сил, вынуждающую микропрерыватель M' принять положение замыкания (фиг.11).
Замыкание микропрерывателя M' приводит к мгновенному замыканию на землю, позволяющему нагревать резистивную проволоку 9, высвобождению энергии, необходимой для срабатывания пиротехнического заряда 5.
Газы, образующиеся в результате возгорания пиротехнического заряда 5, вызывают разрыв корпуса 1 вдоль его канавки разрыва 8 и одновременно приводят к отбрасыванию соединительной детали 7, в результате чего происходит прерывание главной электрической цепи между двумя проводниками 6a, 6b.
В соответствии со второй конфигурацией устройства прерывания, представленной на фиг.2, подвижный постоянный магнит 10 заменяется катушкой возбуждения 40, расположенной вдоль оси (X) устройства. В результате этого на указанное устройство прерывания уже нельзя более воздействовать каким-либо внешним механическим устройством, а только лишь с помощью электрического сигнала.
o,
c
Микропрерыватель M, используемый в этой конфигурации, относится к тому же типу устройств, что и тот, который использовался выше. Таким образом, он поляризован постоянным магнитом (не представлен), жестко связанным, например, с подложкой S и создающим магнитное поле Bпервоначально удерживающее микропрерыватель M в положении размыкания. Микропрерыватель M сдвинут относительно оси катушки 40 таким образом, чтобы быть под влиянием силовых линий магнитного поля, по существу, горизонтальных. В том случае, когда катушка 40 активирована, микропрерыватель M попадает, таким образом, под преобладающее влияние временного магнитного поля B (фиг.7), параллельного его подложке S и управляющего нахождением его мембраны 20 между двумя ее положениями.
На фиг.2 катушка возбуждения 40 изображена в виде намотанной на каркас обмотки, однако следует иметь в виду и то, что она может иметь и другую форму. Как это показано на фиг.5, она может быть, в частности, плоскостной или встроенной в подложку S, служащую опорой для микропрерывателя M.
c
Катушка возбуждения 40 подключена параллельно главной электрической цепи, причем таким образом, чтобы обеспечивалось пересечение ее током главной электрической цепи. За счет того, что магнитное поле, создаваемое с помощью катушки 40, пропорционально току, который протекает, микропрерыватель M может переводить мембрану в новое положение при превышении током определенной пороговой величины, зависящей от характеристик конкретного защищаемого прибора. В том случае, когда указанная пороговая величина превышена, временное магнитное поле B, создаваемое посредством катушки возбуждения 40, создает в мембране 20 микропрерывателя M магнитную составляющую, влияние которой окажется достаточным для перевода мембраны в положение замыкания (фиг.7 и 8), что приводит, как и в случае первой конфигурации, к воспламенению пиротехнического заряда 5 и к прерыванию главной электрической цепи вследствие отбрасывания соединительной детали 7.
c
Устройство замыкания, представленное на фиг.3, также работает с помощью катушки возбуждения 400, которая подключена параллельно к резистивной проволоке 9 и к используемому микропрерывателю M'. Микропрерыватель M', используемый в указанном устройстве замыкания, относится к тому типу, который был применен в первом, описанном выше, варианте реализации рассматриваемого изобретения (фиг.4-8). Мембрана 20 этого устройства поляризована постоянным неподвижным магнитом (не представлен) и управляется между своими положениями временным магнитным полем B, создаваемым посредством катушки 400. Как и в предыдущем случае, катушка 400 может быть плоскостного типа и встроенной в подложку S микропрерывателя (фиг.5). Катушка возбуждения 400 может управляться, например, при замыкании датчиком С. Указанный датчик С может быть выполнен в виде прерывателя, реагирующего на один из нескольких физических параметров, таких как давление, температура, ускорение и так далее… Можно также рассмотреть возможность применения в указанных целях и датчика ускорения, содержащего несколько микропрерывателей, конструкция которых отвечает основным положениям изобретения, типа MEMS, включаемых в электрическую цепь последовательно с микропрерывателем M, который управляет воспламенением заряда 5. Постоянный магнит может, например, в этом случае приводиться в движение в зависимости от степени ускорения или замедления и вызывать срабатывание большего или меньшего количества микропрерывателей. При достижении порогового значения ускорения или замедления все микропрерыватели замыкаются, позволяя тем самым осуществлять подачу тока в катушку возбуждения 400.
Соединительная деталь 700 устанавливается таким образом, чтобы составлять единое целое с поршнем P, отделяющим внутреннее пространство корпуса 1 в первой камере 500, содержащей пиротехнический заряд, от второй камеры 600, через которую проходят проводники 6a, 6b и которая содержит соединительную деталь 700. Поршень P может, например, удерживаться в нужном положении посредством зарубок 300, специально предусмотренных на внутренней стороне корпуса 1.
В процессе работы устройства, когда катушка 400 активирована, ее магнитное поле воздействует на микропрерыватель M, вынуждая его занимать положение замыкания. Замыкание микропрерывателя M вызывает разогрев пиротехнического заряда 5 и, как следствие, образование газов. Газы, создаваемые в первой камере 500, давят на поршень P, который перемещается, увлекая за собой соединительную деталь 700, в результате чего последняя соединяет, в конце концов, между собой два проводника 6a, 6b. В устройстве может быть также предусмотрен клапанный механизм 800 для отвода газов возгорания из первой камеры 500.
Допустимы, разумеется, и другие варианты реализации изобретения или усовершенствования отдельных его элементов, не выходящие, однако, за рамки его положений, может быть также рассмотрено и использование средств, эквивалентных тем, которые применены в изобретении.