점화작용을 구비하는 회로차단기{Electric circuit breaker with pyrotechnic actuation}
본 발명은 예를 들어 회로차단기로서 작동하며 바람직하기로는 자체로서 가스 원동기를 사용하는 불꽃으로 작동되는 전기 스위치에 관한 것이다. 전기 배터리 및/또는 이와 관련된 전기 회로의 오작동시에, 예를 들면, 사고 발생시에 차량의 안전과 그 승객들을 지킬 수 있도록 하는 전기 회로 차단기를 포함할 필요가 있는 전기차량이 본 발명의 바람직한 응용분야이다. 따라서, 본 발명은 동력전달 라인 부재들의 돌발적인 중지에 대비함으로써 전기차량의 승객들을 우선적으로 보호하는 것을 목적으로 한다. 하지만, 이러한 장치는 다른 분야, 항공학, 우주비행, 해양 또는 다른 분야에서도 사용될 수 있다.
전기 차량이 발전함으로써 고도의 저장 능력과 높은 전력을 가지는 전기 배터리, 예를 들면 리튬 계열의 배터리를 사용하게 되었다. 따라서 이러한 전기 배터리를 안전하게 사용하는 것이 주된 관심사가 된다. 그러나, 전기 차량의 안전은 단지 전기 배터리에만 달려 있는 것은 아니다. 동력전달 라인에서의 모든 링크들의 안전과 링크들과 배터리와의 연결은, 도로 차량 고유의 충격과 진동에 저항하고 따라서 사고나 부푼 자체의 고장에 의해 야기되는 단락시에 신속하게 절연되어야 하는 것처럼, 모두 최적화되어야 한다. 따라서, 전기적으로 보호되어야 하는 기본적인 전력 요소들은, 먼저, 전기 배터리의 요소들이며, 다음으로 동력전달 장치(drive train), 온동에너지 회복 장치(수퍼캐패시터: supercapacitors), 직류를 교류로 변환하는 전자기기, 모터에 공급되는 전력을 제어하는 시스템 등이다. 따라서, 이러한 차량들이, 오작동하는 부품들을 비상 정지시킬 수 있는 신속하고 신뢰성 있는 작용을 하는 회로 차단기들을 필수적으로 구비하여야 한다. 이러한 비상 정지는, 승객들에게 경보 신호나 고도의 위험성(감전사, 중독, 화재 등)을 알리는 하나 또는 그 이상의 검출기들이 있을 때, 이상 작동 또는 주요한 사건 등의 경우에 이루어져야 한다. 여러 가지 장지들과 회로 차단기들이 제시된 적이 있었다. 예를 들어, 특허문서 EP 1 502 683는 피스톤과 마주하는 가스 발생기와 차단되어야 하는 전기 도체를 구비한, 중공 피스톤을 구비하는 불꽃 점화되는 회로 차단기를 개시한다. 불꽃으로 시동되는 동안 압력에 의해 연소 가스가 축적되는 중공 피스톤은 도체를 차단하는 일종의 칼(knife)을 구비하는 다른 요소로 이동하면서 이를 밀게 된다. 이러한 장치는 복잡한데 왜냐하면 상대적으로 생산하는데 비용이 많이 드는 많은 수의 정밀 부품들을 필요로 하기 때문이다. 더욱이, 이러한 부품들을 조립하게 위해서는, 빠른 생산속도를 달성하기 위한 자동화를 어렵게 만드는 작은 기계적인 공차를 가지는 조립 및 연결 작업에 숙달되어야 한다. 이에 더하여, 이러한 장치는, 회로 차단기의 고유의 작동을 위태롭게 할 수 있는, 불꽃 압력이 형성될 때 기밀이 엉성하여 가스 누출을 일으킬 수 있다.
본 발명은 이러한 모든 어려움을 극복하기 위한 것이다.
특히, 본 발명은, 하나이면서 동일한 하우징 내에 불꽃으로 시동되는 가스 발생기와 상기 가스 발생기와 결합되는 가변형 구조의 챔버를 구비하는 불꽃으로 구동되는 전기 스위치에 있어서, 상기 불꽃 작동 이전에, 상기 챔버의 바닥 구획판을 구성하는 도체 날개를 포함하고, 상기 날개의 두 개의 단부는 하우징의 외부에서 접근할 수 있고, 상기 바닥 구획판은, 가스가 상기 가스 발생기에 의해 방출될 때, 상기 접근 가능한 단부를 전기적으로 분리하는 적어도 하나의 파손 가능한 절개부를 포함하고, 여유 공간은, 상기 날개의 적어도 부분으로 차단된 부위가 상기 가스 발생기를 가동하도록 들어가게 하는, 상기 가스 발생기의 타측에 형성되는 것을 특징으로 하는 불꽃으로 구동되는 전기 스위치에 관한 것이다. 달리 말하면, 가장 기초적인 형태에서, 불꽃으로 구동되는 가스 발생기는, 날개에 의해 구성되는 상기 바닥 구획판의 적어도 일부에서 여유 공간을 향하여 구동하는 동안 챔버의 공간이 변하게 되는 챔버의 구획판을 구성하는 절단 날개를 바로 마주하고 있다. 예를 들면, 하우징은 플라스틱 몰딩에 의해 형성된다. 유리하게도, 상기 가스 발생기의 타측에 구획된 여유 공간은 상기 날개의 차단 부위가 상기 여유 공간 내에서 전체 행정을 따라 부마찰력을 가지는 벽을 구비한다. 여유 공간의 부마찰력을 가지는 벽에 날개의 차단 부위를 마찰시키면 상기 가변형 구조의 챔버는 날개의 차단 부위의 변위를 통하여 가스 기밀을 유지할 수 있다. 따라서 상기 불꽃으로 시동되는 가스 발생기의 연소 가스는 가압된 상태를 확보하면서 상기 가변형 구조의 챔버 내에 갇힌 상태로 유지된다. 따라서, 달성된 회로 차단기는 중량이 적으며 부피가 작고, 특히 자동화된 일련의 제품들에 매우 적합하다. 이러한 자동 생산은, 사실, 가스 발생기와 날개를 포함하는 외측 하우징을 플라스틱 성형함으로써 사출 성형 프레스 주변에 매우 단순하게 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 가동 기밀 요소는 가스 발생기와 전도성 날개 사이에 개재된다. 예를 들면, 이러한 가동 기밀 요소는, 불꽃 시동 이전에, 상기 가변형 구조의 챔버 내에서 가스 발생기와 상기 차단성 날개 사이에 개재되는 활주 플러그를 구성한다. 이러한 요소는 날개가 파손됨으로써 가스 누출을 야기함으로써 압력이 강하되는 것을 방지하는데 도움이 된다. 이러한 압력 강하는 실제 초기 작동 이후에 초기 장약의 소실을 유발하거나 날개에 가해진 압력이 불충분하게 만들 수 있고, 결과적으로 불완전한 차단 또는 부분적이거나 너무 느린 전기 차단을 일으킨다. 일 변형예에 따르면, 가동 기밀 요소는 그 개구가 상기 가스 발생기의 출구에 연결되는 폐쇄된 벨로우즈이다. 이 경우, 불꽃 시동 이후에 벨로우즈 내에 갇혀 남아있고 후자를 팽창하게 하고, 이러한 팽창은 상기 날개를 파손함으로써 이루어진다.
상기한 변형예에 따르면, 전도성을 띌 수 있는 잔류 연소 가스와 날개의 파손된 단부의 접촉도 방지된다. 따라서, 더 나은 절연을 얻을 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 다른 장점들은 본 발명을 제한하지 않는 첨부 도면을 참조하여, 단지 예로써 주어진 그 원리에 따라 불꽃으로 구동되는 여러 개의 전기 스위치들의 다음 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. 도면에서,
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 장치의 분해사시도이다.
도 2는 조립된 상태의 장치를 보여주는 단면도이다.
도 3A 및 3B는 작동을 설명하기 위한 도 1 및 2의 실시예의 단순 개략도이다.
도 4A 및 4B는 도 3A 및 3B와 유사한 도면으로서 동일한 실시예의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 장치를 보여주는 단면도이다.
도 6A 및 6B는 작동을 설명하기 위한 도면으로서 도 5의 단순화된 실시예에 해당하는 개략도이다.
도 7A 및 7B는 도 6A 및 6B와 유사한 도면으로서 동일한 실시예의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 8A 및 8B는 도 6A 및 6B와 유사한 도면으로서 동일한 실시예의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 9A 및 9B는 도 6A 및 6B와 유사한 도면으로서 동일한 실시예의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 10A 및 10B는 도 6A 및 6B와 유사한 도면으로서 동일한 실시예의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 11A 및 11B는 도 6A 및 6B와 유사한 도면으로서 다른 실시예의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 12A 및 12B는 도 11A 및 11B와 유사한 도면으로서 변형예를 보여주는 도면이다.
도 13A 및 13B는 각각 시동 이전과 이후의 제3실시예를 보여주는 단면도이다.
특히, 도 1, 2, 3A 및 3B를 참조하면, 차단기를 구성하는 불꽃으로 구동되는 전기 스위치(11)는 하우징(13) 및 상기 하우징(13) 내에 설치되는 불꽃으로 구동되는 가스 발생기(15)를 구비하며, 챔버(17)는 상기 가스 발생기에 의해 가스가 방출될 때 변하는 구조를 가지도록 구획된다. 추가적으로 도시될 예에서, 이러한 챔버의 체적은 가압 상태에서 가스 발생기(15)에 의해 방출될 때 증가한다. 예를 들어 구리로 제작되는 사각형의 전도성 날개(19)는 하우징(13)을 관통한다. 그 단부들은(20a, 20b) 하우징으로부터 외부로 연장되고 따라서, 스위치의 전기적인 연결, 전기 회로 안으로 안전하게 삽입되도록 접근 가능하다. 본 발명의 중요한 특징에 의하면, 불꽃 시동 이전의 상황에서(즉, 여기에서는 챔버(17) 내에서 가스 발생기의 기동 및 가압 상태에서의 가스의 방출 이전에), 챔버(17)의 구획판(19a)은 전도성 날개, 특히 그 중간 부위에 의해 구성된다. 또한, 챔버(17)의 바닥 구획판을 구성하는, 가스 발생기(15) 반대편의 이러한 구획판(19a)은, 가스가 가스 발생기에서 방출될 때, 즉 말하자면 챔버(17)의 체적이 갑자기 변할 때 날개의 상기 접근 가능한 단부들(20a, 20b)을 전기적으로 분리하는 적어도 하나의 절단 가능한 절개부(22)(또는 다른 형태의 규격대로 절단된 배열)를 포함한다. 더욱이, 여유 공간(21)은 시동 이전에 챔버(17)의 바닥부를 구성하는 전도성 날개(19)로부터 가스 발생기의 타측에 형성된다. 날개의 적어도 부분적으로 파손되는 부위, 즉 상기 바닥 구획판(19a)은 결국 가스 발생기(15)가 시동됨으로써 여유 공간 안으로 들어갈 수 있다. 예를 들어, 이러한 파손 가능한 절개부(22)가 형성되어, 상기 가스에 의해 상기 날개의 부위(이 경우, 챔버(17)의 바닥 구획판(19a))가 완전히 탈락되게 하고 상기 여유 공간(21) 안으로 움직이게 한다. 유리하게도, 두 개의 평행한 가로 절개부들(22)이 챔버(17)의 경계 근처에서 날개 안에 형성된다. (길이 방향에서 볼 때) 날개의 두 개의 타측들은 여유 공간(21)의 개구의 두 개의 모서리 근처에 위치된다. 용이하게 자동화되는 산업적인 실시를 설명하는 도 1 및 2에서, 가스 발생기(15)는 그 안으로 들어가 장약을 격발시키는 두 개의 전기 핀들(26)을 구비한 대체적으로 원통형의 폐쇄된 용기(25) 내에 수용되는 것을 볼 수 있다. 이러한 용기는, 그 사이에 날개(19)가 삽입되는 두 개의 평행한 리브들(28)에 의해 테두리가 형성되는 사각형 개구를 정의하는 사각형(또는 정사각형) 베이스(27)와 일치된다. 용기(25)는 사각형 개구(30)와 날개의 통로를 형성하는 두 개의 슬릿들(31)을 가지는 슬리브(29) 안으로 삽입된다. 폐쇄 포켓(33)은 슬리브(29)에 조립되어 상기 여유 공간을 형성한다. 용기(25), 슬리브(29), 및 포켓(33)은 플라스틱으로 제작될 수 있으며 도시된 바와 같이 용접이나 다른 방법으로 조립될 수 있으며 하우징(13)을 형성한다. 더욱이, 장치의 신뢰도를 개선하기 위하여, 사각형 단면을 가지는 개방형 포켓(35)은 폐쇄형 포켓(33) 안으로 삽입되고, 폐쇄형 포켓(33)의 어깨(37)에 안착되는 사각형 테두리(36)를 포함한다. 테두리(36)는 날개에 형성된 바닥 구획판(19a)의 외주면을 마주하게 위치되는 사각형 절개부(39)를 포함한다. 따라서, 개방형 포켓(35)의 중심부는 테두리의 상부와 분리되고 구획판(19a) 과 함께 상기 여유 공간(21) 안으로 주행하도록 설계된다. 두 개의 사각형 가스켓들(41, 42)은 날개와 개방형 포켓의 대응 개구 사이에 개재된다. 이러한 가스켓들은 사각형 절개부(39)의 어느 측에도 위치된다. 장치의 작동은 도 3A 및 3B의 개략 단면도의 비교를 통하여 용이하게 도출된다. 불꽃이 점화되면, 가스 압력이 챔버(17) 내에 형성되어, 날개(19)의 두 개의 절개부들(22)의 파손을 일으키고 전체적으로 챔버(17)의 바닥 구획판(19a)을 여유 공간(21)을 향하여 이동시킨다. 날개의 단부들(20a, 20b) 사이의 전기적 연결은 확실하게 차단된다. 여유 공간(21)의 단면이 포켓의 바닥을 향하는 개구로부터 감소됨에 따라, 파손된 구획벽(19a)는 자체로서 여유 공간 안으로 들어가고 그곳에서 끼인 상태가 되어 파손된 날개의 두 개의 단부 사이에서의 어떠한 간헐적인 접촉도 방지된다. 테두리(36)이 파손된 후, 가스 그 안으로 들어가는 것을 방지하는 여유 공간(21)의 일측의 가스 기밀은 가스켓(42), 바닥 구획판(19a), 그리고 여유 공간(21)의 벽에 마찰되는 파손된 포켓(35)의 가장 안쪽 부위에 의해 이루어진다. 이후 실시예와 변형예를 설명하며 유사한 구조의 요소들에는 동일한 참조를 부여한다. 예를 들면, 챔버(17)의 바닥 구획판을 완전히 탈락할 필요는 없다. 날개는 파손된 날개의 적어도 일부가 접혀서 여유 공간으로 들어갈 수 있도록 적어도 하나의 접힌 영역을 포함할 수 있다. 이는 도 4A 및 4B에 도시되어 있다. 이러한 변형예에 따르면, 단일의 파손 가능한 횡단 절개부(22)가 바닥 구획판(19a)의 중앙에 마련된다. 날개의 평행하고 얇은 두 부위는 챔버(17)의 모서 근처의 절개부의 일측에 위치되어 절개부에 평행하며 두 개의 접힌 영역들(45)을 형성한다. 따라서, 불꽃 시동 시에, 바닥 구획판(19a)은 중앙에서 파손되고 상기 구획판의 두 부위는 접혀서 여유 공간(21) 안으로 들어가면서 영구적으로 변형된다. 최종 상황은 도 4B에 도시되어 있으며 단부들(20a, 20b) 사이의 전기적 연결은 차단된다. 도 5는 도 2의 실시예와 유사한 다른 실시예를 도시한다. 도시된 것은, 상기 여유 공간의 개구의 두 개의 반대 모서리들 근처에 있는 두 개의 평행한 파손 가능한 절개부(22)을 가지는 날개(19)를 구비한 실시예이다. 본 실시예는 가동성 기밀 요소가 상기 가스 발생기와 상기 전도성 날개(19) 사이에 결합되는 점에서 주목할만하다. 이는 상기 가변형 구조의 챔버 내에서 이동할 수 있는 활주 플러그(50)를 구성한다. 활주 플러그는 불꽃 시동 이전에 가스 발생기와 날개 사이에 결합된다. 그 가스 기밀 활주는 시동하는 동안 그리고 그 후에 가스가 날개에 도달하는 것을 방지한다. 본 실시예의 작용은 도 6A 및 6B를 비교할 때 명확해진다. 시동 이전에(도 6A), 가동 기밀 요소는 가스 발생기와 날개 사이의 모든 공간을 실질적으로 채운다. 실질적으로 날개의 전체 부위는 바닥 구획판(19a)을 감당한다. 시동 이후에(도 6B), 가스 발생기에서 방출된 가스는 가변형 구조의 챔버(17) 내부에 남게 된다. 도 7A 및 7B는 단일 파손 가능한 절개부(22)가 바닥 구획판(19a)의 정중앙에 형성되고 두 개의 접힌 영역들(45)은, 도 4A 및 4B의 실시예와 같이, 그 일측에 형성되는 본 실시예의 변형예를 도시한다. 그 작용은 유사하며, 절개부(22)가 챔버 내부의 압력의 상승에 의해 변위되는 활주 플러그(50)에 의해 파손된다는 점이 다를 뿐이다. 도 8A 및 8B의 변형예는 도 6A 및 6B의 실시예와 유사하며 활주 플러그(50)가 두 개의 파손 가능한 절개부들에 의해 형성되는 상기 바닥 구획판(19a)에 부착된다는 점이 다를 뿐이다. 그 작용은 도 6A 및 6B의 실시예와 동일하다. 도 9A 및 9B의 실시예에서, 활주 플러그(50a)는 상기 구획판의 측면 모서리 근처에 위치되는 파손 가능한 단일 절개부(22)에 인접한 상기 바닥 구획판(19a)의 부위를 감당하는 리브를 구성하는 측면 연장부(53)를 구비한다. 접힌 영역(45)은 상기 단부 구획판의 타단부의 근처에서 파손 가능한 절개부(22)에 평행하게 형성된다. 불꽃 시동 시에, 절개부922)는 파손되고 활주 플러그의 측면 연장부는 도 9B에 도시된 바와 같이 접히는 작용을 가능하게 한다. 도 10A 및 10B의 변형예에 따르면, 상기 바닥 구획판은 구 중앙에 형성된 파손 가능한 단일 절개부(22)와 여유 공간(21)의 개구의 단부들 근처에서 일측에 위치되는 두 개의 접힌 영역들(45)을 포함한다. 나아가, 활주 플러그(50b)는 시동하기 전에 상기 파손 가능한 절개부에 평행하고 바닥 구획판(19a)에 지지되는 돌출 리브(56)를 구비한다. 시동 이후의 상황은 도 10B에 도시되어 있으며, 이때 가스는 활주 플러그(50b)에 의해 챔버 내에 갇히게 된다. 도 11A 및 11B의 변형예는 날개(19)의 구조의 측면에서 도 6a 및 6B의 변형예와 유사하다. 한편, 가동 기밀 요소(50c)는, 불꽃 시동 이전에, 상기 가스 발생기(15)의 주머니(58)와 결합되고 이 주머니는, 불꽃 시동될 때, 상기한 활주 플러그와 같은 역할을 하는 주머니의 하부가 분리될 수 있도록 하는, 측면에 형성된 파손 가능한 영역(59)을 가진다. 도 12A 및 12B의 변형예는 날개(19)의 구조와 가동 기밀 요소의 형상 측면에서 도 9A 및 9B의 변형예와 유사하지만, 불꽃 시동 이전에, 상기 가스 발생기(15)의 주머니(59)와 결합되고 가스 압력에 의해 활주 플러그가 탈락할 수 있도록 하는 파손 가능한 영역(59a)을 가진다. 마지막으로, 도 13A 및 13B에 도시된 실시예에 따르면, 상기 가동 기밀 요소는 가변형 구조의 챔버(17) 내에 설치되고 일 개구는 상기 가스 발생기의 출구에 연결되는 폐쇄 벨로우즈(60)이다. 시동 이전의 상황은, 도 13A에 도시된 바와 같이 벨로우즈(60)가 수축된 상태이다. 날개의 구조는 예를 들어 도 5에 도시된 것과 동일하다. 시동 이후(도 13B), 가스는 벨로우즈(60)를 상기 가변형 구조의 챔버(17) 내에서 신장시키고 여유 공간(21) 내에서 상기 바닥 구획판(19a)을 파손시킨다. 본 실시예에서, 연소 가스는 벨로우즈(60) 내부에 갇힌 상태로 남게 된다. 본 발명은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 다른 변형예의 구조적인 요소들의 가능한 모든 조합, 특히 날개의 구조와 활주 플러그나 폐쇄 벨로우즈를 구성하는 가동 기밀 요소의 조합을 포함한다는 것은 명백하다.
17: 챔버 19: 날개
19a: 바닥 구획판 20a, 20b: 단부들
21: 여유 공간 22: 절개부
45: 접히는 영역 50: 활주 플러그 |
