ПРЕРЫВАТЕЛЬ ТОКА С ПИРОТЕХНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ
CIRCUIT BREAKER ACTUATED PYROTECHNICALLY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к пиротехнически активируемому электрическому прерывателю, использующемуся, например, в качестве прерывателя цепи, и предпочтительно использующему микрогазогенератор, известный сам по себе. Предпочтительной областью применения являются электрические транспортные средства, требующие наличия прерывателей электрической цепи для обеспечения безопасности транспортного средства и находящихся в нем людей при неисправности аккумуляторной батареи и/или соответствующей электрической цепи, например, в случае аварии. Основная задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении безопасности лиц, находящихся в электрическом автомобиле (электромобиле), путем аварийной остановки системы привода автомобиля. Тем не менее, такое устройство также может быть использовано в другой области, такой как авиационная, космическая, морская или иные.
Уровень техники
Развитие электрических транспортных средств приводит к применению аккумуляторных батарей большой зарядной емкости и высокой мощности, например, батарей на основе лития. Таким образом, главной задачей становится безопасность использования таких аккумуляторных батарей. Однако безопасность электрического транспортного средства зависит не только от аккумуляторной батареи. Также необходимо обеспечить оптимальный уровень безопасности всех элементов системы привода автомобиля и их соединений с батареей, которые должны обладать устойчивостью к ударам и вибрации, сопровождающим эксплуатацию транспортного средства, и, следовательно, иметь возможность быстрого обеспечения их электрической изоляции в случае короткого замыкания в результате аварии или возникновения неисправности в самих элементах.
Таким образом, необходимо обеспечить электрозащиту основных элементов питания, в число которых входят, в первую очередь, элементы аккумулятроной батареи, затем цепь привода, устройство рекуперации энергии (суперконденсаторы), электроника устройства для преобразования постоянного тока в переменный, система регулирования электроэнергии, подаваемой на двигатель, и т.д.
Следовательно, на таких транспортных средствах необходимо обеспечить прерыватели цепи, обладающие быстротой и надежностью срабатывания и позволяющие осуществлять аварийное отключение неисправных элементов. Такое аварийное отключение также может быть активировано в случае отклонений в работе или крупной аварии, когда один или несколько датчиков выдают сигнал тревоги, или возникновении высокой степени риска (поражения электрическим током, отравления, ожога и т.п.) для лиц, находящихся в транспортном средстве.
В уровне техники представлены различные устройства и прерыватели цепи. Известен, например, из патентного документа ЕР1502683 пиротехнически активируемый прерыватель цепи, содержащий полый поршень, газогенератор, расположенный напротив поршня, и разрываемый электрический проводник. При пиротехническом срабатывании внутри полого поршня происходит накопление газов сгорания под давлением, что приводит к его смещению и выталкиванию им другого элемента, оснащенного своего рода ножом, который разрезает проводник. Такое устройство является сложным, так как требует большого числа высокоточных элементов, дорогостоящих в изготовлении. Кроме того, сборка данных элементов предполагает мастерство сборки и соединительные операции с малыми механическими допусками, что затрудняет автоматизацию данного процесса в целях высокой скорости производства. Помимо этого, такое устройство может обладать недостаточной герметичностью, что приводит к утечкам газа в момент установления пиротехнического давления и может помешать правильной работе прерывателя цепи.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение позволяет устранить все указанные недостатки.
В частности, изобретение относится к пиротехнически активируемому электрическому прерывателю, содержащему в пределах единого корпуса газогенератор с пиротехническим срабатыванием и камеру переменной конфигурации, соединенную с указанным газогенератором, отличающемуся тем, что дополнительно содержит проводящую пластинку, которая до указанного пиротехнического срабатывания образует нижнюю стенку указанной камеры, при этом два конца указанной пластинки выступают за пределы корпуса, указанная нижняя стенка содержит, по меньшей мере, одну разрываемую надсечку для электрического разъединения указанных выступающих концов при выпуске газов указанным газогенератором, а с противоположной от указанного газогенератора стороны по отношению к проводящей пластинке предусмотрено свободное пространство, обеспечивающее возможность перемещения в него части, по меньшей мере, частично разорванной указанной пластинки при срабатывании указанного газогенератора.
Другими словами, в наиболее простом варианте пиротехнически активируемый газогенератор расположен прямо напротив разрываемой пластинки, которая образует стенку камеры, объем которой должен изменяться при срабатывании газогенератора, с перемещением, по меньшей мере, части указанной нижней стенки, образованной пластинкой, в свободное пространство. Корпус может быть изготовлен, например, из пластмассы посредством литья.
Предпочтительно, свободное пространство, расположенное с противоположной стороны от указанного газогенератора, образуется стенками, имеющими отрицательный наклон, что обеспечивает соприкосновение оторванной части указанной пластинки со стенками при всем ее перемещении вглубь указанного свободного пространства.
Соприкосновение оторванной части пластинки со стенками, имеющие отрицательный наклон, вредного пространства позволяет сохранить герметичность указанной камеры переменной конфигурации на протяжении всего перемещения оторванной части пластинки. Таким образом, газы сгорания указанного газогенератора с пиротехническим срабатыванием остаются внутри указанной камеры переменной конфигурации, обеспечивая поддержание давления в ней.
Полученный таким образом прерыватель цепи обладает небольшой массой и размерами, причем он хорошо приспособлен к автоматизированному серийному производству. Такое автоматизированное производство, в действительности, легко может быть организовано на основе пресса для литья под давлением, изготавливающего внешний корпус, содержащий газогенератор и пластинку, из пластмассы посредством литья.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения между газогенератором и проводящей пластинкой помещен подвижный уплотнительный элемент.
Этот подвижный уплотнительный элемент, например, представляет собой скользящий палец, расположенный до пиротехнического срабатывания в указанной камере переменной конфигурации между газогенератором и указанной пластинкой.
Этот элемент способствует предотвращению утечки газа, вызывающей потерю давления, при разрушении пластинки. Такая потеря давления фактически могла бы вызвать затухание пиротехнического заряда в первые моменты работы или невозможность обеспечения достаточного давления на пластинку, что могло бы привести к неполному ее разрыву и частичному или чрезмерно медленному электрическому разъединению.
Согласно одному варианту подвижный уплотнительный элемент представляет собой закрытый сильфон, отверстие которого соединено с выходом указанного газогенератора. В таком случае после пиротехнического срабатывания газ остается заключенным внутри сильфона и вызывает его расширение, вследствие чего происходит разрыв указанной пластинки.
Согласно вариантам, указанным выше, также предотвращается контакт остаточных газов сгорания, которые могут быть токопроводящими, с краями разрыва пластинки. Таким образом, лучше обеспечивается электрическая изоляция.
Краткое описание чертежей
Изобретение станет более понятно, а его преимущества более очевидны, из нижеследующего описания нескольких пиротехнически активируемых электрических прерывателей, соответствующих принципам изобретения, описанных исключительно в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, не имеющие ограничительного характера, где:
- на фиг.1 представлен развернутый вид в перспективе устройства по первому варианту осуществления изобретения;
- на фиг.2 представлен разрез того же устройства в сборе;
- на фиг.3A и 3B приведены упрощенные схемы, иллюстрирующие работу устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения по фиг.1 и 2;
- на фиг.4A и 4B приведены виды, аналогичные фиг.3A, 3B, иллюстрирующие другую модификацию того же варианта осуществления изобретения;
- на фиг.5 представлен разрез устройства по второму варианту осуществления изобретения;
- на фиг.6A и 6B приведены упрощенные схемы, иллюстрирующие работу устройства в соответствии с вариантом осуществления изобретения по фиг.5;
- на фиг.7A и 7B приведены виды, аналогичные фиг.6A, 6B, иллюстрирующие другую модификацию того же варианта осуществления изобретения;
- на фиг.8A и 8B приведены виды, аналогичные фиг.6A, 6B, иллюстрирующие другую модификацию того же варианта осуществления изобретения;
- на фиг.9A и 9B приведены виды, аналогичные фиг.6A, 6B, иллюстрирующие другую модификацию того же варианта осуществления изобретения;
- на фиг.10A и 10B приведены виды, аналогичные фиг.6A, 6B, иллюстрирующие другую модификацию того же варианта осуществления изобретения;
- на фиг.11A и 11B приведены виды, аналогичные фиг.6A, 6B, иллюстрирующие другой вариант осуществления изобретения;
- на фиг.12A и 12B приведены виды, аналогичные фиг.11A, 11B, иллюстрирующие другую модификацию; и
- на фиг.13A и 13B проиллюстрировано устройство по третьему варианту осуществления в разрезе, до и после срабатывания, соответственно.
Осуществление изобретения
Более подробно, на фиг.1, 2 и 3A, 3B представлен пиротехнически активируемый электрический прерыватель 11, содержащий корпус 13 и газогенератор 15 с пиротехническим срабатыванием, установленный в указанном корпусе, в котором предусмотрена камера 17, конфигурация которой изменяется при выпускании газов указанным газогенератором. В проиллюстрированном примере, как будет показано ниже, объем этой камеры увеличивается при выпускании газов под давлением газогенератором 15. Через корпус 13 проходит проводящая пластинка 19 прямоугольной формы, выполненная, например, из меди. Ее концы 20а, 20b выступают за пределы корпуса, что обеспечивает возможность электрического подсоединения прерывателя, т.е. его включения в электрическую цепь, защиту которой он обеспечивает.
В соответствии с важной особенностью изобретения, в положении, предшествующем пиротехническому срабатыванию (т.е. до воспламенения газогенератора и выпуска газов под давлением, в данном случае, внутрь камеры 17), стенка 19а камеры 17 образована проводящей пластинкой, точнее, ее средней частью. Кроме того, эта стенка 19а, образующая нижнюю стенку камеры 17 и расположенная на стороне, противоположной газогенератору 15, содержит, по меньшей мере, одну разрываемую надсечку 22 (или любой другой предварительно нанесенный вырез), обеспечивающий электрическое разъединение указанных наружных концов 20а, 20b пластинки при выпуске газов газогенератором, т.е. при резком изменении объема камеры 17.
Кроме того, предусмотрено свободное пространство 21, расположенное с противоположной относительно газогенератора стороны проводящей пластинки 19, образующей до срабатывания нижнюю стенку камеры 17. Таким образом, при срабатывании газогенератора 15, по меньшей мере, часть пластинки, частично отделенная от нее, т.е. указанная нижняя стенка 19а, может быть смещена во вредное пространство. Такая разрываемая надсечка 22, например, может иметь форму, обеспечивающую возможность полного отделения части указанной пластинки (в данном случае, нижней стенки 19а камеры 17) и ее вывода в свободное пространство 21 под действием газов.
В предпочтительном варианте, в пластинке предусмотрены две параллельных поперечных надсечки 22, расположенные вблизи границ камеры 17. Две другие стороны пластинки (в ее продольном направлении) расположены вблизи двух краев горловины свободного пространства 21.
Из фиг.1 и 2, которые иллюстрируют легко автоматизируемое промышленное исполнение, видно, что газогенератор 15 расположен внутри по существу цилиндрического замкнутого патрона 25 с двумя электрическими штекерами 26, введенными в него для воспламенения заряда. На конце этого патрона расположено прямоугольное (или квадратное) основание 27, ограничивающее прямоугольное отверстие, по краям которого расположены два взаимно параллельных ребра 28, между которыми помещают пластинку 19. Патрон 25 помещают в муфту 29, содержащую прямоугольное отверстие 30 и две прорези 31, обеспечивающие прохождение пластинки. Гильза 33, соединяемая с муфтой 29, ограничивает указанное свободное пространство.
Патрон 25, муфта 29 и гильза 33 могут быть выполнены из пластмассы и соединены, как показано, посредством сварки или любым другим способом. В собранном состоянии они образуют корпус 13.
Кроме того, для повышения надежности устройства в гильзу 33 вставлен проставок 35 с прямоугольным сечением. Он содержит прямоугольную закраину 36, которая прилегает к выступу 37 гильзы 33. Закраина 36 содержит прямоугольный вырез 39, расположенный напротив поверхности нижней стенки 19а, составляющей часть пластинки. Таким образом, центральная часть проставка 35 выполнена с возможностью отделения от верхней части закраины и перемещения вместе со стенкой 19а в указанное свободное пространство 21. Между пластинкой и соответствующим отверстием проставка вставлены две прямоугольные прокладки 41, 42. Эти прокладки расположены по обе стороны от прямоугольного выреза 39.
Принцип работы устройства легко понять, сравнив упрощенные схематические изображения с фиг.3A, 3B.
При пиротехническом срабатывании происходит накопление газов под давлением в камере 17, что приводит к разрыву двух надсечек 22 пластинки 19 и смещению целиком нижней стенки 19а камеры 17 в направлении свободного пространства 21. Это приводит к полному разрыву электрического соединения между концами 20а, 20b пластинки. Поскольку поперечное сечение свободного пространства 21 уменьшается в направлении от горловины к нижней части гильзы, оторванная стенка 19а застревает в указанном свободном пространстве и остается в фиксированном положении, что исключает возможность какого-либо последующего непостоянного контакта между концами разорванной пластинки.
После разрыва закраины 36 герметичность со стороны свободного пространства 21, препятствующая проникновению в него газов, обеспечена прокладкой 42, нижней стенкой 19а и наиболее глубокой частью разорванного проставка 35, которая соприкасается со стенкой пространства 21.
В модификациях и вариантах осуществления, которые будут приведены далее, аналогичные конструктивные элементы обозначены одинаковыми ссылочными номерами.
Например, обеспечивать полное отделение нижней стенки камеры 17 необязательно. Пластинка может содержать, по меньшей мере, одну область сгиба, позволяющую, по меньшей мере, части разорванной пластинки согнуться и попасть в свободное пространство. Данная возможность проиллюстрирована на фиг.4A и 4B. Согласно данной модификации, в середине нижней стенки 19а предусмотрена единственная поперечная разрываемая надсечка 22. Два параллельных утончения пластинки, расположенные по разные стороны от надсечки вблизи краев камеры 17 и параллельные надсечке, ограничивают две области 45 сгиба. Таким образом, в момент пиротехнического срабатывания происходит разрыв нижней стенки 19а в ее середине, сгибание двух частей указанной стенки и их смещение в свободное пространство 21 с их необратимой деформацией. Фиг.4В иллюстрирует конечное положение, в котором электрическое соединение между концами 20а, 20b пластинки разорвано.
Фиг.5 иллюстрирует другой вариант осуществления в представлении, схожем с фиг.2. Согласно данному варианту, в пластинке 19 также предусмотрены две параллельных разрываемых надсечки 22 вблизи двух противоположных краев горловины указанного свободного пространства. Этот вариант осуществления отличается тем, что между указанным газогенератором и проводящей пластинкой 19 помещен подвижный уплотнительный элемент. Он образует здесь скользящий палец 50, выполненный с возможностью перемещения в указанной камере переменной конфигурации. До пиротехнического срабатывания этот скользящий палец расположен между газогенератором и пластинкой. Его герметичное скольжение препятствует проникновению газов к пластинке во время и после срабатывания.
Принцип работы этого варианта осуществления становится ясен при сравнении фиг.6A и 6B. До срабатывания (фиг.6A) подвижный уплотнительный элемент занимает практически все пространство между газогенератором и пластинкой. Он упирается, по существу, во всю часть пластинки, образующую нижнюю стенку 19а. После срабатывания (фиг.6B) газы, выпущенные газогенератором, заключены в пределах камеры 17 переменной конфигурации.
Фиг.7A и 7B иллюстрируют модификацию данного варианта осуществления, в соответствии с которой в середине указанной нижней стенки 19а предусмотрена единственная разрываемая надсечка 22, а по обе стороны от нее предусмотрены две области 45 сгиба, аналогично варианту осуществления с фиг.4A и 4B. Принцип работы аналогичен с тем различием, что разрыв выреза 22 производит скользящий палец 50, перемещаемый под действием возрастающего давления в камере.
Вариант с фиг.8A и 8B аналогичен варианту осуществления с фиг.6A и 6B с тем различием, что скользящий палец 50 прикреплен к указанной нижней стенке 19а, образованной двумя разрываемыми надсечками. Принцип работы идентичен варианту осуществления с фиг.6A и 6B.
В варианте осуществления с фиг.9A и 9B скользящий палец 50а имеет боковой выступ 53, образующий ребро, опирающееся на часть указанной нижней стенки 19а и граничащее с единственной разрываемой надсечкой 22, расположенной вблизи боковой кромки указанной стенки. Область 45 сгиба расположена параллельно разрываемой надсечке вблизи другого края указанной нижней стенки. В момент пиротехнического срабатывания происходит разрыв надсечки 22, а боковой выступ скользящего пальца способствует сгибанию, как показано на фиг.9В.
Согласно варианту с фиг.10A и 10B указанная нижняя стенка содержит расположенную в ее середине единственную разрываемую надсечку 22 и две области 45 сгиба, расположенные по разные от него стороны, вблизи краев горловины свободного пространства 21. Кроме того, скользящий палец 50b снабжен выступающим ребром 56, параллельным указанной разрываемой надсечке, которое до срабатывания упирается в нижнюю стенку 19а. На фиг.10B представлено положение после срабатывания, в котором газы заключены внутри камеры благодаря скользящему пальцу 50b.
Конструкция пластинки 19 варианта с фиг.11A и 11B аналогична представленной на фиг.6A и 6B. Однако в нем предусмотрен подвижный уплотнительный элемент 50с, который до пиротехнического срабатывания составляет единое целое с корпусом 58 указанного газогенератора 15, причем такой корпус содержит расположенную в его боковых стенках разрываемую область 59, обеспечивающую при пиротехническом срабатывании возможность отделения нижней части корпуса, которая затем выполняет функцию вышеописанного скользящего пальца.
Вариант с фиг.12A и 12B аналогичен представленному на фиг.9A и 9B конструкцией пластинки 19 и формой подвижного уплотнительного элемента; однако последний до пиротехнического срабатывания составляет единое целое с корпусом 58 указанного газогенератора 15 и содержит разрываемую область 59а, обеспечивающую возможность отделения скользящего пальца под действием давления газов.
Наконец, согласно варианту осуществления изобретения с фиг.13A и 13B указанный подвижный уплотнительный элемент представляет собой закрытый сильфон 60, установленный в камере 17 переменной конфигурации, одно из отверстий которого соединено с выходом указанного газогенератора. Фиг.13A иллюстрирует положение до срабатывания, в котором сильфон 60 сжат. Конструкция пластинки соответствует, например, варианту осуществления изобретения с фиг.5. После срабатывания (фиг.13B) газы вызывают удлинение сильфона 60 внутри указанной камеры 17 переменной конфигурации, что приводит к разрыву указанной нижней стенки 19а и ее перемещению внутрь свободного пространства 21. В данном варианте осуществления газы сгорания остаются заключены внутри сильфона 60.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничено вышеописанными вариантами его осуществления, но также охватывает, в частности, все возможные сочетания конструктивных элементов разных вариантов, в частности, конструкции пластинки и подвижного уплотнительного элемента, образующего либо скользящий палец, либо закрытый сильфон.