CN103842032A - 气体发生器和气体发生方法 - Google Patents

Abstract

一种气体发生器组件和操作方法。侧向相邻的且侧向及轴向被支撑的多个气体发生片叠堆容纳在壳体内。点火材料放置在气体发生片和启动器之间。当借助启动器点燃点火材料时，气体发生片叠堆被点燃且燃烧，从而产生气体，当壳体内的压力达到超过外部环境压力的充分压力时该气体打开封闭的排气口并被释放进入气体排放结构，在气体排放结构气体经过散热材料，从而在气体排出气体排放结构之前使其冷却以用于预期的用途。

Description

气体发生器和气体发生方法

技术领域

本申请在各实施例中一般地涉及气体发生器组件，该气体发生器组件包括在公共壳体内的气体发生片的多个叠堆，并且本发明还涉及操作气体发生器组件的方法。发生器和方法可具有在灭火应用中使用的特定适用性。

背景技术

过去，哈龙卤代烷（Halon halocarbons）在灭火方面有广泛的应用。术语“哈龙卤代烷”通常指卤代烷或卤代烃，包括与卤素相连的烷烃的一组化合物，以及特别指含溴的卤代烷。哈龙卤代烷在熄灭多数类型的火时通常是有效的、是非导电的、易于快速消散而不形成残余物并且对于有限的人体暴露来说是较安全的。过去，哈龙卤代烷例如卤代烷哈龙1301（一溴三氟甲烷，CBrF₃）作为灭火剂在典型地非常不适于应用喷水系统的区域或建筑中应用或对这种类型的区域和建筑进行应用，这些区域例如是数据和计算机中心，博物馆，图书馆，手术室或应用基于水的灭火剂能对电子部件、重要档案收藏等造成不可挽回的损失的其他场所。

但是已经发现哈龙卤代烷由于对地球大气的臭氧消耗作用对环境有不利影响。

发明内容

本发明的实施例包括气体发生器组件和操作方法。

在一个实施例中，气体发生器组件包括气体发生器，所述气体发生器包括壳体，所述壳体容纳多个横向相邻的且横向以及轴向被支撑的气体发生片叠堆，和邻近横向相邻的叠堆的一端的点火材料。与点火材料可操作地相连的启动器与壳体的外部连通。壳体包括邻近横向相邻的叠堆的另一端的至少一个封闭的端口，所述至少一个封闭的端口配置成响应于壳体内的大于环境压力的压力而打开。

在另一实施例中，产生气体的方法包括包括：在公共壳体内利用点火材料大体同时点燃横向及轴向被支撑的气体发生片的多个横向相邻的叠堆；响应于气体发生片的燃烧所产生的气体而增加壳体内的压力，使壳体内的至少一个端口的封闭件响应于增加的压力被打开并从壳体内释放加压气体。

附图说明

图1是根据实施例的包括气体发生器和气体排放构件的气体发生器组件的侧视剖视图；

图2A和2B分别是在气体发生器的壳体内的用于横向支撑气体发生片叠堆的笼状部件的俯视图和侧视图；

图3A、3B和3C分别是用于轴向支撑气体发生片叠堆的布置在气体发生器的壳体的相对的端部内的星形件、星形件的环部件和星形件的腿部件；

图4是用于轴向支撑气体发生片叠堆的布置在壳体内、邻近壳体的一端的保持环的俯视图；

图5是图2A和2B的笼状部件的透视图，该笼状部件使气体发生片叠堆的最下面的气体发生片布置在其中并放置在图3A的星形件上；

图6是图1的气体发生器的壳体的一部分的一端侧视剖视图，示出了具有易碎阻挡件的排气口、孔板和在排气口上方固定的扩散板；

图7是图1的气体发生器组件的气体排放结构的散热腔室部分的另一实施例的侧视剖视图，该散热腔室部分利用轴向可调节的多孔板使布置在冷却剂腔室内的散热材料的体积精确的改变并且轴向和侧向受到限制；和

图8是根据本发明的实施例的气体发生片的透视图；和

图9是如图1和7的气体发生器组件的气体排放结构中使用的圆形的穿孔支撑板的俯视图。

具体实施方式

描述气体发生器、其组件和操作方法。虽然本发明的一些方面特别涉及尤其适于在灭火应用中使用的气体发生器，但本发明不限于灭火应用。

如下面更详细地描述的，根据本发明的实施例的气体发生器包括一结构，所述结构横向及轴向地支撑在发生器内使用的气体发生材料，以避免否则可导致气体发生材料在使用前运动和变质的振动和其他因素的不良影响，并且这提高了可靠性并提供了在点燃时气体发生材料的更稳定和可重复的燃烧率。

图1示出根据本发明的实施例的气体发生器组件10。气体发生器组件10包括气体发生器12和相连的气体排放结构13。

气体发生器12包括具有封闭的端部的大体圆柱形的壳体14，一端包括基板16而另一端包括盖板18，通过使多个周向间隔开的螺栓20延伸穿过孔22并进入在凸缘26（其例如通过焊接被紧固至壳体14）中的螺纹孔24，基板16和盖板18分别紧固到壳体。利用布置在基板16和盖板18的面对壳体14的表面中的环形槽中的O型环28在基板16和盖板18中的每一个上实现气密密封。壳体14、基板16和盖板18均可包括例如金属材料，如钢材料。其他材料，例如纤维增强复合体和增强陶瓷材料，也可适于特定应用。当组装时，这些构件围起腔C并承受高温和与气体发生器12的操作相关的压力。期望壳体的一端可与壳体的大体圆柱形部分一体地形成。为了商业应用，期望壳体14可是永久密封的，例如通过焊接、压接、使用粘结剂等。

基板16包括孔30，孔30可定位在中心，并且启动器32的远端伸入孔30，启动器可是传统设计的并且如现有技术已知的可是电启动的。孔30的外部可例如配置有螺纹，以用于固定启动器32，而孔30的内部可具有增大的直径并保持有点火材料34的细粒、片或其他颗粒。孔30的口部可用固定在其上方并具有贯穿其的多个孔的盖36覆盖。

可呈星形件40的形式（图3A至3C）的轴向支撑结构布置成在壳体14内邻近基板16。星形件的环部件42围绕盖36并提供在盖36上方的间隙。星形件46的腿部件44包括槽46，槽46与环部件42的槽48接合并具有径向向外延伸成直径稍小于壳体14的内直径的长度，以便使星形件40位于腔C中心。腿部件44的在环部件42内延伸的部分围绕中心开口50，盖36可突出进入中心开口50内。腿部件44和环部件42可紧固在一起，例如通过焊接。

容纳结构，例如箔片袋52（如由铝材料制成的，且容纳点火材料54的细粒、片或其他颗粒；并且横向范围大于盖36的直径）邻近星形件40并且在气体发生片50的多个（在本实施例中是七个）堆叠58的最下面的气体发生片56的下方延伸。中心开口50使来自点火材料34的燃烧的能量到达并穿过箔片袋52并点燃点火材料54。但是，根据要产生的气体的体积和用于安装气体发生器组件10的可用空间，期望可使用少于或多于七个叠堆58的气体发生片56。例如，可使用较少数量的气体发生片叠堆58（如四个叠堆），并且去除在中心的气体发生片叠堆58。点火材料34可与点火材料54相同并且均包括例如B/KN0₃。另外，点火材料34和点火材料54可结合在公共容纳结构中，该公共容纳结构配置成使其一部分接近紧邻的启动器32。例如，该容纳结构的一部分可突出经过中心开口到达启动器32，并紧挨着启动器32。

每个气体发生片叠堆58的一端均邻近箔片袋52，并且气体发生器叠堆58被横向支撑结构横向地支撑，横向支撑结构可呈笼状部件60的形式（图2A和2B），笼状部件60包括轴向取向的、周向间隔开的V形横截面的支撑段62。支撑段62可包括面向外且被紧固（如通过焊接）到轴向间隔开的上、下支撑环64的内表面的角铁段。上、下支撑环64与支撑段62的端部间隔开，支撑段62的下端延伸到星形件40的腿部件44之间（图5）。虽然与使用六个相邻的周向布置的气体发生片叠堆58相关，支撑段62示出为以60°的间隔布置，但本领域技术人员将理解并懂得，如果使用多于或少于六个周向间隔开的气体发生片叠堆58，那么这些支撑段的数量和间隔可以改变。周向间隔开的对准片66从支撑环64的外表面径向突出成直径稍小于大体圆柱形壳体14的内直径，以使笼状部件60处于壳体14的腔C内的中心。为了清楚地看到气体发生片叠堆58，如图1中所示的笼状部件60的一些支撑段62被省略了，中心叠堆58被示出为处于两个外叠堆58之间。

气体发生片叠堆58包括多个气体发生片56，气体发生片56可具有大体圆柱形的结构并且包括在中心的、轴向延伸的孔A（图8）。气体发生片也可包括从其一个主表面突出的多个突出部57，以便在组装在叠堆中的气体发生片之间提供间距并有利于每个气体发生片56的所有表面的燃烧。

至少一些气体发生片叠堆58周向布置在笼状部件60内，并且多个气体发生片叠堆58可包括被多个（例如六个）周向布置的外气体发生片叠堆58围绕的中心气体发生片叠堆58。每个周向布置的气体发生片叠堆58沿在叠堆外表面的至少两个位置（见图5）被横向支撑结构和（更具体地、在示出的实施例中）角铁边缘横向支撑。中心气体发生片叠堆58通过与周围的周向气体发生片叠堆58接触而被横向支撑。

呈另一星形件40'的形式的轴向支撑结构（另一星形件40'可与邻近基板16的星形件40的尺寸和结构相同）邻近每个气体发生片叠堆58的与星形件40相对的一端，支撑段62的上部以相对于星形件40的上述描述的方式嵌置。额外的轴向支撑结构（例如呈保持环70（其直径稍小于由段62限定的内直径）的形式）可定位成在星形件40'的与气体发生片叠堆58相背的一侧上邻近星形件40'。保持环70能可选地可包括周向间隔开的对准片72，对准片72从保持环70的外表面径向突出，以使保持环70处于腔C内的中心；或可通过使用在盖板18的内表面中的具有相同直径的凹部而设置在中心。可使用具有多种轴向高度的保持环70，高度取决于为给定的应用而选择的气体发生片叠堆58中的气体发生片56的数量。但是，大体圆柱形壳体14的轴向长度可基于气体发生片叠堆58的选择高度和具有轴向高度的其他构件而被选择，以使腔C内的自由体积最小化并在气体发生片56点燃时提高在腔C内的压力增加的速率。在这种情况下，保持环70可被省略。

星形件40、40'、笼状部件60和保持环70的构件可由金属材料形成，例如钢材料。

当盖板18紧固到壳体14时，笼状部件60、星形件40和40'和保持环70的组合应用横向及轴向地支撑气体发生片叠堆58，抵抗处理和安装气体发生器12期间可使气体发生片叠堆损坏的振动和其他力，并且在点燃期间和燃烧时支撑气体发生片叠堆58。使用不同高度的保持环70来桥接由于使用不同数量的气体发生片56（其应用于气体发生片叠堆58中）而在星形件40'和盖板18之间的不同轴向间隙，这可提供精确、可靠的轴向支撑，而不管叠堆的高度。

盖板18包括贯穿其的孔径为B的至少一个排气口80，封闭件与盖板18相连（见放大的图6），封闭件呈被配置为爆破片的易碎阻挡件82的形式。孔径比孔B的直径小的孔板84可选地可定位在排气口80上方并在其上方紧固到盖板。易碎阻挡件82和孔板84（如果被使用）可利用螺栓86被紧固到盖板18。如果不使用孔板，孔径小于至少一个排气口80的孔径的环形压紧套环（未示出）可用于紧固易碎阻挡件82。孔板84的应用允许调节排气口80的有效尺寸，并因此调节从腔C排出的气体的速率，以便在腔C内保持合适的压力，从而确保气体发生片56的自维持的燃烧速率并且调节气体从腔C的排出速率，以进行发生器12的期望的应用。盖板18也能可选地承载扩散板84d，利用例如细长螺栓86e将孔板84和扩散板84d紧固到盖板18，扩散板84d安装在孔板84上方，并且套管87（细长螺栓86e延伸穿过套管87）可用于将扩散板84d间隔在孔板84上方。扩散板84d的应用可有效地阻挡从排气口80被轴向地引导的加压气体G的高能量流、防止由于气体流而对气体排放结构13的在排气口上方的部分造成损坏，并使气体流扩散，以便经过散热腔室，如下面所述的。

为腔C内的气体发生材料的体积和燃烧速率合适地选择的孔径大小也使由于过量内压而产生的对气体发生器12的壳体14造成损坏的潜在可能最小化。但是，一个或多个过压释放端口90（其具有例如通过套环94和螺栓96而紧固在其上方的爆破片或其他易碎阻挡件92）可结合在盖板18内、壳体14内或基板16内，如所期望的。当然，易碎阻挡件92的破裂压力可被选择为大于易碎阻挡件82的破裂压力，以确保后者首先破碎并且气体发生器适当地操作，除非在腔C中产生不期望的过压状态以及直到在腔C内产生不期望的过压状态。当然，可使用多于一个的排气口80，并且可使用仅单个、或多于两个的过压释放端口90。

适于在气体发生片56中使用的气体发生材料的成分对于本领域技术人员来说是已知的，并且可根据产生的气体的期望的应用而不同。对于灭火中的应用，特别对于人占据的区域，气体发生片56的气体发生材料可以是HACN成分，如在授予Hinshaw等人的美国专利第5,439,537、5,673,935、5,725,699和6,039,820号中公开的，每个专利公开的内容在此通过参考被合并。在气体发生材料中使用的HACN可能是再结晶的并包括小于约0.1%的活性炭或碳。通过在气体发生材料中保持低量的碳，在气体发生材料燃烧时可使含碳气体（例如CO，CO2或其混合物）的量最小化。替代性地，可使用具有达到约1%的活性炭或碳的工业级HACN。也能想到：也可使用传统的气体发生材料（其产生不包括含碳气体或NO_X的气态燃烧产物）。

HACN成分或其他气体发生材料可包括额外的组分，例如氧化剂，点火增强剂，弹道改进剂，炉渣增强剂，冷却剂，化学灭火剂，无机粘合剂或有机粘合剂中的至少一种。通过实例，HACN成分可包括氧化铜、二氧化钛、硝酸胍、硝酸锶、以及玻璃中的至少一种。在气体发生材料中使用的很多添加剂可具有多种用途。仅出于实例的原因，用作氧化剂的添加剂可给气体发生材料提供冷却，弹道修正，或矿渣增强特性。氧化剂可用于促进HACN中存在的活性炭的氧化或HACN中的配位到钴的组氨的氧化。氧化剂可以是硝酸铵，碱金属硝酸盐，碱土金属硝酸盐，高氯酸铵，碱金属过氯酸盐，碱土高氯酸盐，过氧化铵，碱金属过氧化物，或碱土过氧化物。氧化剂也可是过渡金属类氧化剂，如铜基氧化剂，其包括但不限于，碱式硝酸铜（[Cu₂(OH)₃N0₃]）（“BCN”）、CU₂O或CuO。除了作为氧化剂以外，铜基氧化剂可用作冷却液，弹道调节剂，或矿渣增强剂。当气体发生剂8燃烧时，铜基氧化剂可产生含铜燃烧产物，例如金属铜和氧化亚铜，该含铜燃烧产物能与钴燃烧产物例如金属钴和氧化钴混合。这些燃烧产物产生熔渣，熔渣在片56的燃烧表面处或附近熔化并防止形成颗粒。铜基氧化剂也可降低气体发生材料的压力指数，从而减小燃烧速率的压力依赖性。典型地，在大气压力或接近大气压力的情况下，包括铜基氧化剂的含HACN的气体发生材料更容易点燃并且更快速地燃烧。但是，由于对较低压力的依赖性，它们在很高的压力（例如大于约3000psi的压力）下较慢地燃烧。

在示出的实施例中，气体排放结构13从气体发生器12径向延伸并且包括大体圆柱形的管状壳体100，管状壳体100在其邻近气体发生器12的一端具有凸缘102，并且凸缘102利用延伸穿过在盖板18中的孔22的螺栓20而被紧固到盖板上。

环形支撑件104利用例如焊接和螺栓被紧固在管状壳体100内在盖板上方。穿孔的散热材料支撑件（其可呈穿孔支撑板106（图9）的形式）可利用周向间隔开的多个螺栓108被紧固到支撑件104，螺栓108从支撑件104的顶部被螺纹连接在轴向延伸孔110内。支撑杆111能可选地在穿孔支撑板106下方紧固到盖板18，并延伸到穿孔支撑板106中心，以防止在其上的散热材料的重力下下垂，如在随后将描述的。

呈穿孔支撑板106'的形式的另一穿孔散热材料支撑件（其与穿孔支撑板106具有相同的材料尺寸并具有相同的穿孔大小和图案）在支撑板106上方轴向地布置，这两个穿孔支撑板106、106'和管状壳体100在这两个组件之间的节段提供散热腔室108。散热腔室HC容纳呈以下形式的材料的散热材料：从气体G（其从气体发生器10的腔C穿过至少一个排气口80并且经过气体排放结构13）吸收热并且当气体经过散热材料时使气体G冷却而在穿孔支撑板106下方不产生不期望的高背压。一种合适的散热材料可呈金属粒或颗粒形式，例如钢丸S（虽然散热腔室108填满钢丸S以用于操作，但为了清楚仅在图1中示出一些），钢丸S的直径大于穿孔支撑板106和106'中的孔的直径，这种配置提供了在钢丸之间的用于气体的通道。在穿孔支撑板106上方通入散热腔室108的出口管112在帽114被去除时可用于从散热腔室去除钢丸或其他散热材料，如果希望的话。气体排放结构的构件可由金属材料例如钢材料构造。

如图1所示，穿孔支撑板106'可借助螺栓116紧固到管状壳体100并且在管状壳体100内在从P1到P5的多个位置处可轴向调节就位。散热腔室108以及钢丸S的量可按期望进行改变，以在排出气体时实现充分的减热，并且选定的量的钢丸可紧密地容纳在穿孔支撑板106和106'之间的散热腔室内。

图7示出气体排放结构13的散热腔室部分的另一实施例，其中穿孔支撑板106'在管状壳体100内可被更精细地轴向调节。在图7的实施例中，在其中具有轴向槽122的轴向延伸柱120接近穿孔支撑板的外径地被紧固到穿孔支撑板106，并且螺栓116延伸穿过槽122到达螺母118，螺母118在穿孔支撑板106'被轴向调节到期望位置时可被拧紧。例如，在钢丸S可选地在管状壳体内振动以使钢丸之间的自由空间最小化之后，穿孔支撑板106'可被调节以在散热腔室HC内保持钢丸S整体紧凑。

在操作时，本发明的实施例的气体发生气组件借助启动器32的操作被选择性地致动，启动器可响应于传感器（如本领域中已知的）检测到的不期望的环境状况而起动或通过感测到这种状体的人而手动地起动。例如，可使用温度和烟雾传感器（如可手动开关的）。当启动器32开始操作时，其借助点火材料34的点燃而点燃点火材料34和54，这又大体同时点燃气体发生片叠堆58的气体发生片56。当气体发生材料燃烧并产生气体时气体发生器12内的压力增大，以便气体发生片56的燃烧是自维持的，并且易碎阻挡件82在大约气体发生器壳体14的预定内部压力大于气体发生器12周围的环境中的大气压力时损坏。由燃烧气体发生片56而产生的气体经过至少一个排气口80被释放进入气体排放结构13内，并且流经包括钢丸S的散热材料，随后从气体排放结构13排出，以用于期望的目的。

虽然已经参考确定示出的实施例描述了本发明，但本发明不限于此。本领域技术人员将理解和懂得可对所示实施例进行增加和修改以及从所示实施例删除，而不背离本发明的范围，本发明仅被这里的在下面的权利要求和其法律等价物所限制。

Claims (20)

1.一种气体发生器组件，其包括：

气体发生器，其包括：

壳体，其容纳：

多个横向相邻的且横向及轴向被支撑的气体发生片叠堆；和

邻近横向相邻的气体发生片叠堆的一端的点火材料；和

与点火材料可操作地相连的启动器的至少一部分，其能与壳体的外部连通；

所述壳体包括邻近横向相邻的叠堆的另一端的至少一个封闭的排气口，所述至少一个封闭的排气口配置成响应于壳体内的大于环境压力的压力而打开。

2.根据权利要求1所述的气体发生器组件，其还包括气体排放结构，所述至少一个排气口在打开时连通到所述气体排放结构内。

3.根据权利要求2所述的气体发生器组件，其所述气体排放结构还包括大体管状壳体，所述大体管状壳体包括容纳散热材料的散热腔室，从而提供气体从所述至少一个排气口贯穿所述散热腔室的通道。

4.根据权利要求3所述的气体发生器组件，其中所述散热材料包括钢丸。

5.根据权利要求4所述的气体发生器组件，其中所述钢丸容纳在大体管状壳体和一部分管状壳体内、在两个轴向分开的穿孔支撑件之间。

6.根据权利要求5所述的气体发生器组件，其中至少一个穿孔支撑件在管状壳体内中的位置是轴向可调节的。

7.根据权利要求1所述的气体发生器组件，其中壳体是大体圆柱形的，气体发生片是大体圆柱形的，并且多个横向相邻的气体发生片叠堆中的至少一些叠堆被横向支撑结构支撑，所述横向支撑结构沿相应的叠堆的长度轴向延伸并在其周边的至少一部分上大体接触相应的叠堆，并且多个横向相邻的气体发生片叠堆中的至少一些叠堆借助接触相应的气体发生片叠堆中的气体发生片的轴向支撑结构在相对的端部被轴向支撑。

8.根据权利要求7所述的气体发生器组件，其中轴向支撑结构包括布置成邻近所述多个横向相邻的气体发生片叠堆的相对的端部的星形件；所述横向支撑结构包括横向围绕多个横向相邻的气体发生片叠堆的笼状部件，和保持环，所述保持环在星形件中的一个的与多个横向相邻的气体发生片叠堆相背的一侧上邻近该星形件中的一个。

9.根据权利要求8所述的气体发生器组件，其中

每个星形件包括紧固到在腿部件的端部之间的环部件的多个径向延伸的腿部件，腿部件的内端围绕中心开口，腿部件的外端限定稍小于壳体的内直径的直径，一个星形件邻近壳体的一个端部；

笼状部件包括多个轴向间隔开的支撑环，所述支撑环具有紧固于其上的多个轴向取向的、周向间隔开的支撑段，所述支撑环与所述支撑段的端部轴向间隔开；

保持环布置在一个星形件和邻近的壳体的另一端之间。

10.根据权利要求1所述的气体发生器组件，其中气体发生片具有圆柱形形状。

11.根据权利要求10所述的气体发生器组件，其中气体发生片还包括轴向的中心孔。

12.根据权利要求1所述的气体发生器组件，其中气体发生片包括HACN成分。

13.根据权利要求1所述的气体发生器组件，其中气体发生片的所述多个横向相邻的叠堆包括七个气体发生片叠堆。

14.根据权利要求1所述的气体发生器组件，其中多个横向相邻的气体发生片叠堆中的至少一些叠堆周向地布置在腔内。

15.根据权利要求1所述的气体发生器组件，其还包括使所述至少一个封闭的排气口被封闭的易碎阻挡件，所述易碎阻挡件构造成响应于壳体内的高于环境压力的压力而破裂并打开所述至少一个封闭的排气口。

16.根据权利要求11所述的气体发生器组件，其还包括可更换孔板，所述可更换孔板的孔径小于所述至少一个排气口的孔径，所述可更换的孔板与所述至少一个排气口对准地紧固。

17.一种产生气体的方法，其包括：

在公共壳体内利用点火材料大体同时点燃横向及轴向被支撑的气体发生片的多个横向相邻的叠堆；和

响应于气体发生片的点燃和燃烧而增加壳体内的压力，使壳体内的至少一个开口的封闭件响应于增加的压力被打开并从壳体内释放加压气体。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包括利用布置成邻近多个叠堆的公共端的点火材料点燃横向及轴向被支撑的多个气体发生片叠堆。

19.根据权利要求18所述的方法，其还包括利用从壳体外致动的启动器点燃点火材料以便点燃多个气体发生片叠堆。

20.根据权利要求17所述的方法，其还包括通过使气体经过散热材料使从壳体内释放的加压气体冷却。

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