CN1972825A - 压力波气体发生器 - Google Patents

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詹姆斯·麦克·罗斯
罗伯特·威廉姆·罗威图
约翰·戴维·凯勒
小克莱润斯·瑞恰德·哈斯本
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Abstract

本发明公开了一种气体发生器，包括：压力容器容纳具有第一预定压强的气体；微气体发生器容室设于压力容器的一端，内端具有一开口，一微气体发生器保险膜封闭该开口，微气体发生器保险膜构造成在微气体发生器容室的压强达到比所述第一预定压强高的第二预定压强时破裂；微气体发生器设置于微气体发生器容室内；集流腔设于压力容器的另一端，内端具有一开口，一集流腔保险膜封闭该开口，集流腔保险膜构造成达到比第一预定压强高的第三预定压强时破裂；微气体发生器一点火，微气体发生器容室的气体压强达到或超过第二预定压强，冲破微气体发生器保险膜，并产生压力波，压力波经过压力容器，并在集流腔保险膜处产生一冲击压强，达到或超过第三预定压强，冲破集流腔保险膜，在压力容器中的气体被明显加热和加压前，让气体流过集流腔。

Description

压力波气体发生器
发明领域
本发明涉及一种气体发生器，用于为汽车安全气袋或其他安全保护装置充气，还可以用于为其他需要加压的装置提供加压的气体。该发明尤其涉及一种能产生压力波的气体发生器。
背景技术
美国专利公告第6,273,462号揭露了一种安全气袋充气机，该安全气袋充气机含有一容器，容器内设置腔体以存放加压的气体。该容器具有可被冲破的保险壁或保险膜，破裂时提供一个出口，让气体从腔体流出。该充气机还包括一在加压的气体中产生冲击波装置，其冲破保险壁或膜。这种冲击波产生装置与保险壁或膜隔离，更适当的，它是点火机或炸弹，暴露在容器中。点火机产生的冲击脉冲使保险壁或膜在容器中的压强达到预定的破裂压强之前破裂。
美国专利公告第6,273,462号说明书中特别指出保险膜设计成当充气机中的压强达到预定压强5000磅/平分英寸的时候可以冲破该保险膜。容器起初加压到1054磅/平分英寸，这可在其图4的0时间点看出。点火机的点火在容器中产生冲击波，并增大容器的压强。该压强在1毫秒时达到最大压强值2983.1磅/平分英寸，并在这时保险膜被冲破。该最大压强值远远小于预定压强值5000磅/平分英寸。
美国专利公告第6,273,462号披露的充气机存在以下的缺点：
1.容器中低的填充压强不能使气体的摩尔量相对充气机或其他需要充气或加压的装置的尺寸最优化。
2.这种保险膜必定很脆弱，以使它能够在少于预设定的压强下被冲破。
3.点火机或者炸弹暴露在加压的气体中，因此不能产生高的冲击波，故而不能在容器中的气体被加热以使平均压强提高到保险膜破裂的预定压强前快速冲破保险膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的压力波发生器，用于给汽车安全气袋或其他安全保护装置充气，或用于为其他需要加压的装置提供加压的气体。该气体发生器包括充满加压气体的压力容器，如氩气/氦气混合气体或氮气/氦气混合气体，其压强范围在4000-8000磅/平分英寸之间，例如7000磅/平分英寸，使混合气体的摩尔量相对充气机或其他需要充气或加压的装置的尺寸最优化。一集流腔设于压力容器的一端，并通过集流腔保险膜与加压的气体隔离。一微气体发生器设于压力容器的另一端，并通过微气体发生器保险膜与加压容器中的气体隔离。
工作中，一点火信号发送到微气体发生器，微气体发生器点燃其内的易燃材料并产生热和气体来增加微气体发生器容室内的压强，达到一预定压强时冲破微气体发生器保险膜，该预定压强是明显高于压力容器中气体的压强。当微气体发生器保险膜破裂时，该压强差产生压力波，压力波通过储存在压力容器的气体进行传播。压力波传递到集流腔保险膜，在集流腔保险膜处产生一冲击压强，冲破集流腔保险膜，让气体流过集流腔。压力容器中的气体的平均压强低于集流腔保险膜的破裂压强，因为气体还没有加热到破裂压强。这样，高压冷气(例如低于21摄氏度)直接流过集流腔，并流到需要充气或者加压的装置中。集流腔被构造成可引导气体以轴向和/或径向从它那儿流出。
这种改进的压力波气体发生器与现有气体发生器相比，存在以下优点：
1.构造简单；
2.低成本，容易制造；
3.利用最新轻质材料优化和减少气体发生器的大小和重量；
4.利用普通的微气体发生器组合，可与一定大小范围的压力容器配合；
5.提供大的集流腔流通区域以实现快速释放气体；
6.提供高的填充压强，使气体的摩尔量相对充气机或其他需要充气或加压的装置的尺寸最优化；
7.以冷的加压气体通过集流腔为安全气袋或其他安全保护装置充气，在发生翻车或类似事故时，可以提供最快地充气；
8.提供了气体以轴向及或径向从集流腔流出；
9.利用微气体发生器产生的热量补偿气体因膨胀而产生冷却效应，以让氩气和氮气可以应用在压力容器中。
附图说明
图1为本发明气体发生器的剖面图；
图2为本发明气体发生器的示意图，说明微气体发生器保险膜破裂前该气体发生器的工作状态；
图3为本发明气体发生器的示意图，说明微气体发生器保险膜破裂后该气体发生器的工作状态；
图4为本发明气体发生器的示意图，说明压力波冲破集流腔保险膜后该气体发生器的的工作状态；
图5图解表示本发明气体发生器在一代表性的应用测试中所产生的微气体发生器容室的压强、压力容器的压强及气罐的压强；及
图6图解表示本发明气体发生器工作过程中集流腔保险膜处一代表性的压力波。
具体实施方式
如图1所示的一实施方式中，本发明气体发生器10包括一压力容器14，压力容器12中充满加压的混合气体14，例如第一预定压强在4000-8000磅/平分英寸之间的氩气/氦气混合气或者氮气/氦气混合气，如7000磅/平分英寸，使混合气体14的摩尔量相对充气机或其他需要充气或加压的装置的尺寸最优化。压力容器12可以由任何适当的轻质高强度材料如低碳钢、铝或类似材料制成。
一具有任何合适构造的集流腔16以合适的方式如焊接固定在压力容器12的一端，并封闭压力容器12的这一端。集流腔16内端具有一集流腔保险膜18。该集流腔保险膜18可以用任何合适材料制成，如英科耐尔合金等，使压力容器12中加压的混合气体14与集流腔16分离。集流腔16可以构造成让气体以轴向和/或径向气流从中通过，并适于连接到需要充气或加压的装置，如充气式安全气袋(图未示)。集流腔保险膜18设计成在适当或需要的压强下破裂，该压强取决于设计要求及所用的材料，例如达到压力容器12中第一预定压强的1.8倍时破裂。
一微气体发生器容室22以适当的方式如焊接固定在压力容器12的另一端，并封闭压力容器12的这一端。一微气体发生器20位于微气体发生器容室22内。微气体发生器容室22的内端具有一微气体发生器保险膜24，用来隔离微气体发生器20和压力容器12中的混合气体14。利用微气体发生器20的优点在于它提供热量来补偿气体因膨胀造成的冷却效应，以使气体如氩气和氮气的混合气体可以应用在压力容器12中。
工作中，一点火信号发送到微气体发生器20，微气体发生器20点燃其内的易燃材料并产生热和气体来增加微气体发生器容室20内的压强，当达到第二预定压强时冲破微气体发生器保险膜24，第二预定压强是明显高于压力容器12中混合气体14的压强。作为例证性的说明，微气体发生器保险膜24可以设计成第二预定压强达到大约为压力容器12中氩气/氦气或氮气/氦气混合气体14压强的2倍时破裂。当微气体发生器保险膜24破裂时，该压强差产生压力波，压力波通过储存在压力容器12的混合气体进行传播。压力波传递到集流腔保险膜18，在集流腔保险膜18处产生一冲击压强，该冲击压强等于或超过第三预定压强，集流腔保险膜18被设计成达到第三预定压强时破裂。
集流腔保险膜18的破裂让压力容器12中加压的气体通过集流腔16并流到需要充气或者加压的装置中，如汽车安全气袋(图未示)。应该注意的是，在集流腔保险膜18破裂时，压力容器12中的混合气体14的平均压强低于集流腔保险膜18的破裂压强，因为气体14还没有加热到破裂压强。因此，高压冷气(例如低于21摄氏度)直接流过集流腔16。微气体发生器20产生的热量是用来保证在整个工作过程中压力容器12中混合气体的各成分如氩气或氮气不被液化。集流腔16被构造成可引导气体以轴向和/或径向从它那儿流出。
因为微气体发生器容室22中产生的高压明显高于压力容器12中混合气体14的压强。所以微气体发生器保险膜24一破裂，该压强差产生压力波并快速地传播，在集流腔保险膜18上产生冲击压强，使集流腔保险膜18破裂，并让气体流经集流腔16。在压力容器12中的混合气体14通过流过微气体发生器保险膜24的气流被明显加热加压之前，集流腔保险膜18的破裂让这种冷的、加压的气体进入集流腔16和需要充气或者加压的装置中。这种特别的好处是，在翻车或类似事故中，较冷的气体可以提供最快地充气。
图2、3及4图解表示了气体发生器工作过程中的不同状态，以说明支持本发明的压力波理论，这个理论可以在多种教材中找到，如以下信息来自1957年出版的由H.W.Liepmann和A.Rashko，Galcit编著的航空学系列之《气体动力学基础》(“Elements of Gasdynamics”by H.W.Liepmannand A.Rashko，Galcit Aeronautical Series，1957)：
p 4 p 1 = p 2 p 1 [ 1 - ( r 4 - 1 ) ( a 1 / a 4 ) ( p 2 / p 1 - 1 ) 2 r 1 2 r 1 + ( r 1 + 1 ) ( p 2 / p 1 ) ] - 2 r 4 / ( r 4 - 1 )
其中：
p4为区域4中发生气体A的高压强；
p1为区域1中填充气体B的低压强；
p2为区域2中填充气体B的中间压强；
a1为填充气体B的声速；
a4为发生气体A的声速；
r4为发生气体A的比热比；
r1为充满气体B的比热比。
又如以下信息来自1954年出版的由Ascher H.Shapiro和john Wiley编著的《可压缩流体流动的动力学和热力学第二卷》(“The Dynamics andThermodynamics of Compressible Fluid Flow，Vol.2”，by Ascher H.Shapiro，john Wiley，1954)：
p 5 p 1 = p 2 p 1 [ ( 1 + 2 r 1 - 1 r 1 + 1 ) p 2 P 1 - r 1 - 1 r 1 + 1 r 1 - 1 r 1 + 1 p 2 p 1 + 1 ]
其中：
p5为区域5中填充气体B的反射压强。
图5图解表示了本发明气体发生器在一代表性的应用测试中所产生的微气体发生器容室的压强、压力容器的压强及气罐(充气机或其他装置)的压强。在这个测试过程中，微气体发生器保险膜24被设计成在δ压强(即微气体发生器容室的压强-压力容器压强)为6000磅/平分英寸左右时打开。集流腔保险膜18被设计成在压强为11000磅/平分英寸左右时打开。在微气体发生器20被点火之后的0.0毫秒时，微气体发生器容室22的压强快速增加到能够冲破微气体发生器保险膜24。该δ压强产生压力波，压力波经过压力容器的整个长度传到集流腔保险膜18上。
图6是集流腔保险膜18处的压力波图。在集流腔16附近测得的压力波比填充压强6000磅/平分英寸高出约4000磅/平分英寸。反射压强增加到大约高出压力容器12中的混合气体14压强8000磅/平分英寸，因为集流腔保险膜18处的总压强达到大约14000磅/平分英寸，超过了集流腔保险膜18破裂的设定压强11000磅/平分英寸，集流腔保险膜被冲破，气体释放到测试的气罐(被用来充气或加压的充气机或者其他装置)中。
以上所揭露仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作地等同变化，仍属本发明所涵盖地范围。

Claims (18)

1.一种气体发生器，包括一压力容器，压力容器容纳具有第一预定压强的气体；其特征在于该气体发生器还包括：
微气体发生器容室，固定于并封闭所述压力容器的一端，所述微气体发生器容室内端具有一开口，一微气体发生器保险膜封闭该微气体发生器容室的内端开口，微气体发生器保险膜构造成在微气体发生器容室的压强达到比所述第一预定压强高的第二预定压强时破裂；
微气体发生器，设置于所述微气体发生器容室内；
集流腔，固定于并封闭所述压力容器的另一端，所述集流腔内端具有一开口，一集流腔保险膜封闭该集流腔的内端开口，集流腔保险膜构造成达到比第一预定压强高的第三预定压强时破裂；
所述微气体发生器一点火，所述微气体发生器容室的气体压强至少增大至所述第二预定压强，冲破所述微气体发生器保险膜，并产生压力波，所述压力波经过所述压力容器，并在所述集流腔保险膜处产生一冲击压强，该冲击压强至少达到所述第三预定压强，冲破所述集流腔保险膜，在压力容器中的气体被来自微气体发生器容室的气流明显加热和加压前，让气体流过所述集流腔。
2.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述第一预定压强在4000-8000磅/平分英寸之间，所述第二预定压强为第一预定压强的2倍。
3.如权利要求2所述的气体发生器，其特征在于：所述第三预定压强为第一预定压强的1.8倍。
4.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述具有第一预定压强的气体为氩气和氦气的混合气体。
5.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述具有第一预定压强的气体为氮气和氦气的混合气体。
6.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述压力容器由轻质高强度材料制成。
7.如权利要求6所述的气体发生器，其特征在于：所述轻质高强度材料是低碳钢或铝。
8.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述微气体发生器容室焊接于所述压力容器。
9.如权利要求8所述的气体发生器，其特征在于：所述集流腔焊接于所述压力容器。
10.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述集流腔构造成让气体以径向流出。
11.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述集流腔构造成让气体以轴向流出。
12.如权利要求1所述的气体发生器，其特征在于：所述微气体发生器构造成产生足够热来防止所述压力容器中的气体在微气体发生器保险膜及集流腔保险膜破裂时液化。
13.一种为需要充气或加压的装置产生气体的方法，包括提供一压力容器，该压力容器容纳具有第一预定压强的气体；其特征在于该方法还包括以下步骤：
提供一微气体发生器容室，将微气体发生器容室固定于并封闭所述压力容器的一端，所述微气体发生器容室内端具有一开口，一微气体发生器保险膜封闭该微气体发生器容室的内端开口，微气体发生器保险膜构造成在微气体发生器容室的压强达到比所述第一预定压强高的第二预定压强时破裂；
提供一微气体发生器，设置于所述微气体发生器容室内；
提供一集流腔，将集流腔固定于并封闭所述压力容器的另一端，所述集流腔内端具有一开口，一集流腔保险膜封闭该集流腔的内端开口，集流腔保险膜构造成达到比第一预定压强高的第三预定压强时破裂；及
点燃所述微气体发生器，所述微气体发生器容室的气体压强至少增大至所述第二预定压强，冲破所述微气体发生器保险膜，并产生压力波，所述压力波经过所述压力容器，并在所述集流腔保险膜处产生一冲击压强，该冲击压强至少达到所述第三预定压强，冲破所述集流腔保险膜，在压力容器中的气体被来自微气体发生器容室的气流明显加热和加压前，让气体流过所述集流腔。
14.如权利要求13所述的产生气体的方法，其特征在于：所述第一预定压强在4000-8000磅/平分英寸之间，所述第二预定压强为第一预定压强的2倍。
15.如权利要求13所述的产生气体的方法，其特征在于：所述第三预定压强为第一预定压强的1.8倍。
16.如权利要求13所述的产生气体的方法，其特征在于：所述具有第一预定压强的气体为氩气和氦气的混合气体。
17.如权利要求13所述的产生气体的方法，其特征在于：所述具有第一预定压强的气体为氮气和氦气的混合气体。
18.如权利要求13所述的产生气体的方法，其特征在于：在所述集流腔保险膜破裂时流经集流腔的气体的温度低于21摄氏度。
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