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Die
Erfindung betrifft einen mehrstufigen Hybrid-Gasgenerator, insbesondere
für Kfz-Airbagsysteme
nach dem Anspruch 1, bei dem in einem Gasbehälter gespeichertes und/oder
darin erzeugtes Gas aus mehreren Auslassöffnungen des Gasbehälters austreten
kann und dann beispielsweise zum Befüllen eines Gassacks eines Kfz-Airbagsystems dient.
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Aus
der
DE 196 54 315 A1 ist ein
Hybrid- Gasgenerator zum Aufblasen von Airbags bekannt, der zwei
Brennkammern aufweist, in denen jeweils eine Treibladung angeordnet
ist. Die Brennkammern stehen mit einer Speicherkammer in Verbindung, welche
mit einem unter einem bestimmten Druck stehenden Vorratsgas gefüllt ist.
Die Speicherkammer weist eine mittels eines Schließelements
verschlossene Auslassöffnung
auf, wobei das Schließelement mittels
eines stangenartigen Betätigungselements aufgestoßen wird,
wenn die erste Treibladung aktiviert wird. Hierzu ist das stangenartige
Betätigungselement
mit seinem rückwärtigen Endbereich
vor der Verbindungsöffnung
der Brennkammer angeordnet, so dass dieser rückwärtige Bereich nach dem Aktivieren
der Treibladung vom Druck des in der Brennkammer erzeugten heißen Gases
beaufschlagt wird. Das Betätigungselement
wird hierdurch bedrückt,
so dass es mit seinem vorderen Ende das die Auslassöffnung der
Speicherkammer verschließende
Schließelement
aufstößt. Die
zweite Treibladung des Hybrid-Gasgenerators nach der
DE 196 54 315 A1 wird zeitlich
verzögert
angezündet,
so dass der zeitliche Verlauf des Druckaufbaus entsprechenden Vorgaben angepasst
werden kann.
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Nach
der technischen Lehre dieses Standes der Technik ist es ebenfalls
möglich,
verschiedenartige Druckaufbaucharakteristiken durch die gezielte Verteilung
der Treibladungen, durch die Steuerung der Anzündvorgänge und durch andere konstruktive Modifizierungen,
wie beispielsweise die Bemessung des Querschnitts der Ausströmöffnungen
der Brennkammern in den Flaschenteil bzw. den Gasbehälter zu
realisieren.
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In
einer Ausführungsform
des Hybrid-Gasgenerators gemäß der
DE 196 54 315 A1 ist
die Verwendung von zwei unterschiedlich dimensionierten Treibladungen
dargestellt, die jeweils ein Betätigungselement
für das
Durchstoßen
einer Membran antreiben, welche jeweils eine von zwei Auslassöffnungen
der Speicherkammer verschließen.
Auch bei dieser Ausführungsform
werden die Treibladungen zeitlich verzögert gezündet, wobei durch die jeweils zuletzt
gezündete
Treibladung das Gasgemisch zusätzlich
aufgeheizt wird.
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Für sämtliche
Ausführungsformen
des Hybrid-Gasgenerators gemäß der
DE 196 54 315 A1 ist dem
Speicherbehälter
eine Diffusorkammer nachgeschaltet, in welche die Auslassöffnungen
der Speicherkammer münden.
Die Diffusorkammer weist radiale Öffnungen für das Austreten des Gases auf, wobei
durch das Umlenken des axialen Gasstroms in mehrere radial austretende
Gasströme
eine Rückstoßfreiheit
des Gasgenerators erreicht wird. Vor den Ausströmöffnungen der Diffusorkammer
sind Filter angeordnet, die Feststoffpartikel der Treibladung bis zur
vollständigen
Verbrennung zurückhalten.
Nähere Einzelheiten,
insbesondere betreffend die Dimensionierung der Öffnungsquerschnitte der Auslassöffnungen
des Speicherbehälters
bzw. der Ausströmöffnungen
des Diffusors lassen sich der
DE 196 54 315 A1 nicht entnehmen.
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Mit
dem Hybrid-Gasgenerator gemäß der
DE 196 54 315 A1 lässt sich
zwar ein vorgegebener zeitlicher Verlauf des Gasdrucks besser und
einfacher realisieren, als dies mit einem einstufigen Gasgenerator
möglich
wäre. Nachteilig
bei einem derartigen mehrstufigen Gasgenerator ist jedoch der hohe
Entwicklungsaufwand, insbesondere Simulationsaufwand, bis der Gasgenerator
einen vorgegebenen zeitlichen Druckverlauf innerhalb zulässiger Toleranzen
einhält.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil sind seine hohen Fertigungskosten,
die insbesondere durch die für
die Ventilbetätigung
erforderlichen Teile verursacht werden.
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Zudem
lässt sich
mit einem Gasgenerator nach der
DE 196 54 315 A1 zwar ein bestimmter zeitlicher
Verlauf des Drucks des aus dem Diffusor austretenden Gases erreichen,
nicht jedoch die zeitliche und räumliche
Charakteristik des Drucks des austretenden Gases und damit das Aufblasverhalten
eines Airbags. Beispielsweise müssen
bestimmte Airbags infolge ihrer vorgegebenen Form eher keulenförmig aufgeblasen
werden (z.B. Window-Bags), andere dagegen eher ballonartig (z.B.
Lenkrad-Bags). Unter Umständen
kann es auch erforderlich sein, ein und denselben Airbag situationsabhängig entweder
keulenförmig
oder ballonartig aufzublasen. Dies ist mit bisher bekannten Gasgeneratoren
nicht variabel möglich.
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Aus
der
DE 22 42 306 A ist
des Weiteren ein Fahrzeug-Inasassen-Auffangsystem bekannt, das ein
Druckgefäß 10 umfasst,
in welchem ein unter Druck stehendes Gas eingeschlossen ist. Anstelle des
Druckgefäßes kann
alternativ ein Gasgenerator oder ein luftverstärktes System (air-augmented
system) verwendet werden. Das Druckgefäß weist zwei Öffnungen
auf, die mittels jeweils einer Sprengkapsel geöffnet werden können. Die
beiden Öffnungen
sind in ihrem Querschnitt so dimensioniert, dass die Strömungsgeschwindigkeit
und die Zeitdauer für
das Aufblasen eines Kissens des Auffangsystems durch die Auslassöffnung eines Verteilerrohres
des Auffangsystems bestimmt ist. Unterschiedliche Aufblascharakteristika
sind daher nur sehr eingeschränkt
zu realisieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gasgenerator,
insbesondere für Kfz-Airbagsysteme,
zu schaffen, der einfach unter Berücksichtigung von Vorgaben für einen
zeitlichen Druckverlauf zu entwickeln ist und der hinsichtlich seiner
Aufblascharakteristik einfach an vorgegebene Erfordernisse anpassbar
und flexibel einsetzbar ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei bekannten mehrstufigen
Gasgeneratoren, so auch bei dem Gasgenerator nach der
DE 196 54 315 A1 , die Auslassöffnungen
des Gasbehälters
lediglich die Funktion eines EIN/AUS-Ventils ausüben, wobei die Aufblascharakteristik
des Gasgenerators, die durch den zeit- und ortsabhängigen Verlauf
des ausgestoßenen
Gas-Massenstroms bestimmt ist, wesentlich durch Ausströmöffnungen
von dem Gasbehälter
nachgeschalteten Komponenten, beispielsweise Diffusoren, beeinflusst
werden. Beispielsweise ist der zeitliche Druckverlauf des Gases,
das von einem Gasgenerator gemäß der
DE 196 54 315 A1 ausgestoßen wird,
wesentlich durch die Ausströmöffnungen
des Diffusors und die davor angeordneten Filter bestimmt. Zum einen
ist der Querschnitt der Ausströmöffnungen
des Diffusors relativ klein gegenüber dem Querschnitt der Auslassöffnungen
der Speicherkammer ausgebildet und zum anderen verursachen die Filter
einen wesentlichen Druckabfall.
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Der
mehrstufige Hybrid-Gasgenerator nach der Erfindung umfasst daher
einen Gasbehälter,
in welchem ein Vorratsgas enthalten und/oder in welchem Gas erzeugbar
und/oder welchem Gas zuführbar
ist, wobei der Gasbehälter
mehrere mittels ansteuerbarer Öffnungseinrichtungen öffenbare
Auslassöffnungen
aufweist und wobei die Auslassöffnungen
hinsichtlich ihrer jeweils einzelnen Querschnitte und hinsichtlich
der Gesamtquerschnittsfläche
bewusst strömungsbestimmend
für den
Massenstrom des Gases ausgebildet sind. Die Auslassöffnungen müssen also
nicht nur, wie bei bekannten Gasgeneratoren, eine „AUF/ZU"-Ventilfunktion erfüllen. Der Hybrid-Gasgenerator
weist zwei, in jeweils einer Brennkammer angeordnete Treibladungen
auf. Die Brennkammern sind über
jeweils einer Brennkammerauslassöffnung
mit dem Gasbehälter
verbunden.
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Dein
Gasbehälter
ist eine weitere Komponente nachgeschaltet, beispielsweise ein Führungsrohr
für das
Zuführen
des Gasstroms an einen entfernteren Ort oder ein Diffusor. Der Raum
der nachgeschalteten Komponente, in welchen die Auslassöffnungen
des Gasbehälters
münden,
und die Ausströmöffnungen
der nachgeschalteten Komponete sind so ausgebildet sein, dass die
minimale Gesamtquerschnittsfläche
der Ausströmöffnungen
größer ist als
die Gesamtquerschnittsfläche
der strömungsbestimmenden
Auslassöffnungen
des Gasbehälters. Vorzugsweise
ist die Gesamtquerschnittsfläche
der Ausströmöffnungen
der einen oder mehreren nachgeschalteten Komponenten 20% (oder mehr)
größer als
die Gesamtquerschnittsfläche
der strömungsbestimmenden
Auslassöffnungen
des Gasbehälters.
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Hierdurch
wird erreicht, dass sich der zeitliche und/oder örtliche Massenstrom (und damit
der Druckverlauf) des Gases innerhalb und außerhalb des Gasgenerators ohne
großen
Aufwand rechnergestützt
nach entsprechenden Vorgaben, beispielsweise eines Auftraggebers,
simulieren lässt,
da die dem Gasbehälter
nachgeschalteten Komponenten kaum Rückwirkungen erzeugen. Das Aufblasverhalten
des Gasgenerators, d.h. der zeit- und ortsabhängige Massenstrom (und damit
der Druck) kann an bestimmte Vorgaben relativ einfach dadurch angepasst werden,
dass die Auslassöffnungen
hinsichtlich ihres Querschnitts und gegebenenfalls hinsichtlich
der Querschnittsänderung
in Richtung des austretenden Gasstroms entsprechend dimensioniert
werden. Selbstverständlich
sind dabei auch noch andere Parameter zu berücksichtigen, wie beispielsweise
Parameter von Treibladungen im Fall eines Hybrid-Gasgenerators,
die Masse und der Druck eines Vorratsgases im Gasbehälter etc.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung weisen die Auslassöffnungen
jeweils einen unterschiedlichen Querschnitt auf. Hierdurch ist es
beispielsweise möglich,
einen Airbag mit jeweils unterschiedlicher Aufblascharakteristik
aufzublasen, je nachdem welche der Auslassöffnungen gleichzeitig oder
zeitlich versetzt und ob eine oder mehrere Auslassöffnungen
gleichzeitig oder zeitlich versetzt geöffnet werden.
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Die
Auslassöffnungen
können
auch, in Strömungsrichtung
gesehen, jeweils einen unterschiedlichen Querschnittsverlauf aufweisen.
Beispielsweise können
sie in Strömungsrichtung
verjüngend,
erweiternd oder in Form einer Laval-Düse ausgebildet sein. Insbesondere
bei der Ausbildung als Laval-Düse
wird eine Beschleunigung des Gases über die Schallgeschwindigkeit
des Gases hinaus und eine Abkühlung
erreicht. Beide Effekte bewirken ein keulenartiges Aufblasen eines
direkt nach den Auslassöffnungen
angeordneten Gassacks.
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Die
Auslassöffnungen
des Gasbehälters sind
vorzugsweise mittels jeweils einer zerstörbaren Membran verschlossen.
Die Membran ist vorzugsweise so ausgebildet und dimensioniert, dass
sie lediglich Zugspannungen übertragen
kann. Dies hat zur Folge, dass die Membran bei einer ausreichenden
Störung
des Spannungsfeldes an einer beliebigen Stelle sprungartig platzt
oder aufreißt
und den gesamten Öffnungsquerschnitt
sprungartig (d.h. extrem schnell) freigibt.
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In
einer Ausführungsform
kann der Hybrid-Gasgenerator mittels jeweils einer Membran verschlossene
Brennkammer-Auslassöffnungen
aufweisen, wobei eine oder mehrere der Membrane im Bereich der Auslassöffnungen
einen durch den Gasdruck der Treibladungen im Wesentlichen als Ganzes
herausbrechbaren Teilbereich aufweisen. Übersteigt der Gasdruck einen
vorbestimmten Schwellenwert, so wird der Teilbereich im Wesentlichen
als Ganzes herausgebrochen und dient als Projektil zur Zerstörung der
Membran der jeweils zugeordneten Auslassöffnung.
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In
einer anderen Ausführungsform
können die
Brennkammer-Auslassöffnungen
als Verbindungskanäle
ausgebildet sein, wobei in jedem Verbindungskanal ein Projektil
vorgesehen ist, welches durch den Gasdruck der Treibladungen beschleunigbar
ist und zur Zerstörung
der Membran der jeweils zugeordneten Auslassöffnungen dient.
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Diese
speziellen Öffnungseinrichtungen
für einen
Hybrid-Gasgenerator sind ausführlich
in der mit der
DE
100 28 169 A1 veröffentlichten älteren Patentanmeldung
des Anmelders beschrieben. Der Gegenstand und Offenbarungsgehalt
dieser Anmeldung wird durch die hier erfolgende Bezugnahme ausdrücklich in
den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung integriert.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
eines zweistufigen Hybrid-Gasgenerators;
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2 eine schematische Darstellung
eines dreistufigen Gasgenerators mit axialer Ausströmöffnung;
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3 eine Ausführungsform
entsprechend 2 mit radialen
Ausströmöffnungen;
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4 eine Ausführungsform
nach 2 mit unmittelbar
an die Auslassöffnungen
der einzelnen Stufen angekoppeltem Gassack; und
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5 eine Ausführungsform
nach 4 mit unterschiedlichen
Auslassöffnungen.
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Der
in 1 dargestellte Hybrid-Gasgenerator 1 ist
zweistufig ausgebildet und umfasst zwei Brennkammern 3, 3' und einen gemeinsamen
Gasbehälter 5.
Die Brennkammern 3, 3' sind an ihrem rückwärtigen Ende
mittels eines Verschlussteils 7 verschlossen, wobei im
Verschlussteil 7 zwei Aktiviereinrichtungen 9, 9' zum Aktivieren
eines gaserzeugenden Materials 11 angeordnet sind, welches
im Innenraum der Brennkammern 3, 3' enthalten ist. Die Aktiviereinrichtungen 9, 9' sind vorzugsweise
als mittels eines elektrischen Signals ansteuerbare Anzünder ausgebildet.
Die axial verlaufenden Wandungen der Brennkammern 3, 3' können, wie
in 1 dargestellt, vorzugsweise
als Rohrabschnitt ausgebildet sein.
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Der
Gasbehälter 5,
dessen axial verlaufende Außenwandung
ebenfalls als Rohrabschnitt ausgebildet sein kann, ist an seinem
rückwärtigen,
den Brennkammern 3, 3' zugewandten Ende, mit einem Endstück 13 verbunden,
in welchem, vorzugsweise in der Achse jeder der Brennkammern 3, 3' verlaufend,
ein Führungskanal 15, 15' ausgebildet
ist. Das Endstück 13 ist
ebenfalls mit den vorderen Enden der die Brennkammern 3, 3' bildenden Rohrabschnitte verbunden.
Diese Elemente können
aus Metall oder einem geeigneten Kunststoff bestehen. Anstelle des in 1 dargestellten mehrteiligen
Aufbaus können die
genannten Elemente selbstverständlich
auch ganz oder teilweise einstückig
miteinander ausgebildet sein.
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Im
vorderen Endbereich des Gasbehälters 5 sind
zwei Auslassmembrane 17, 17' vorgesehen, welche jeweils eine
Auslassöffnung 19, 19' des Gasbehälters 5 dicht
verschließen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Auslassmembrane 17, 17' in einem Verschlusselement 21 gehalten,
welches im vorderen Endbereich des Rohrabschnitts des Gasbehälters 5 angeordnet
und mit diesem dicht verbunden ist. Das Verschlusselement 21 kann
wiederum aus Metall oder Kunststoff bestehen und mit dem Rohrabschnitt
des Gasbehälters
verschweißt
oder einstückig
mit diesem verbunden sein. Die Auslassmembrane 19, 19' können an
der innenseitigen Stirnwandung des Verschlusselements 21 angeordnet
und mit dieser, zum Beispiel durch Schweißen, dicht verbunden sein.
Soll eine gewehrlaufähnliche
Wirkung, verursacht durch die axiale Ausdehnung der Auslassöffnungen 19, 19' für die nach
dem Zerstören
der Auslassmembrane gegebenenfalls entstehenden Bruchstücke vermieden
werden, so kann jede der Auslassmembrane 19, 19' auch am in
Auslassrichtung außenseitigen
Ende des Verschlusselements 21 vorgesehen sein. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist dies jedoch nicht erforderlich, da sich an die Auslassöffnungen
ein weiterer nachgeschalteter Raum anschließt, der durch einen Gehäuseendbereich 23 gebildet
ist. Dieser nachgeschaltete Raum dient dazu, das aus den Auslassöffnungen 19, 19' entströmende Gas
zusammenzufassen und einer gemeinsamen Ausströmöffnung 25 zuzuführen. In
axialer Verlängerung
der Auslassöffnungen 19, 19' schließt sich
eine Endwandung 23a des Gehäuseendbereichs 23 an, so
dass gegebenenfalls durch die Auslassöffnungen 19, 19' geführte und
beschleunigte Bruchteile der Membrane 17, 17' lediglich gegen
die Endwandung 23a prallen, ohne dass ein Schaden angerichtet
werden könnte.
Die Membrane 17, 17' können, wie
auch das Verschlusselement 21, aus Kunststoff bestehen. Die
Membrane können
in diesem Fall auch einstückig mit
dem Verschlusselement ausgebildet sein oder sie werden nachträglich mit
dem Verschlussteil verschweißt,
beispielsweise mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens.
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In
den Führungskanälen 15, 15' des Endstücks 13 des
Gasbehälters 5 ist
jeweils ein Projektil 27, 27' vorgesehen. Die Projektile 27, 27' sind vorzugsweise
durch geringe Reibungskräfte
im Führungskanal 15, 15' gehalten, so
dass sie bei Lageänderungen
des Gasgenerators 1 nicht aus den Führungskanälen 15, 15' herausfallen
können.
Selbstverständlich
können
die Projektile auch mittels entsprechender Rastmittel, die im jeweiligen
Führungskanal
bzw. am Umfang des Projektils ausgebildet sind, im Führungskanal
gehalten sein. An der rückwärtigen Stirnseite
des Endstücks 13 sind
Brennkammer-Auslassmembrane 29, 29' vorgesehen. Diese können aus
Metall oder Kunststoff bestehen und sind mit dem aus Metall oder
Kunststoff bestehenden Endstück 13 vorzugsweise
durch eine ringförmige Schweißnaht, die
sich um den Querschnitt des jeweiligen Führungskanals 15, 15' herum erstreckt,
dicht verbunden. Im Innenraum der Brennkammern 3, 3' ist vor der
durch die Brennkammer-Auslassmembran 29, 29' verschlossenen Öffnung des
jeweiligen Führungskanals 15, 15' jeweils eine
erste Partikelrückhalteeinrichtung 31, 31' vorgesehen.
Diese Partikelrückhalteeinrichtungen 31, 31' umfassen ein
scheibenartiges Abschirmelement 33, 33', welches einen Prallbereich 35, 35' aufweist. Der
Prallbereich 35, 35' deckt
die durch die Membrane 29, 29' abgedeckten Öffnungen der Führungskanäle 15, 15' ab, so dass ein
direktes Eindringen von festen oder flüssigen Partikeln, die bei der
Gaserzeugung im Innenraum der Brennkammern 3, 3' entstehen,
in den Führungskanal 15, 15' bzw. ein Auftreffen
der Partikel auf die jeweilige Membran 29, 29' im Bereich
der Öffnungen der
Führungskanäle 15, 15' verhindert
wird. Um einen Durchtritt des in den Brennkammern 3, 3' erzeugten Gases
durch den jeweiligen Führungskanal 15, 15' in den Gasbehälter 5 zu
ermöglichen,
weist das Abschirmelement 33, 33' Durchgangsöffnungen 37, 37' auf und ist
in einem vorbestimmten Abstand vor der jeweiligen Membran 29, 29' bzw. der jeweiligen Öffnung des
Führungskanals 15, 15' angeordnet.
Durch die endliche Dicke der Abschirmelemente 33, 33' bzw. die endliche
Länge der
Durchgangsöffnungen 37, 37' kann der durch
sie hindurchtretende Partikelstrom nicht direkt im Bereich der Öffnung des jeweiligen
Führungskanals 15, 15' auf die Membran 29, 29' auftreffen
oder in den Führungskanal
eintreten. Die Durchgangsöffnungen 37, 37' können im Querschnitt
so klein gewählt
sein, dass gleichzeitig eine Filterfunktion erreicht wird.
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Die
Bereiche der Öffnungen
der Führungskanäle 15, 15' können mit
einer Prallplatte 39, 39' umgeben sein, die aus einem Material
besteht, welches die durch die Durchgangsöffnungen 37, 37' des Abschirmelements 33, 33' hindurchtretenden
Partikel beim Auftreffen zerplatzen lässt, so dass diese eine unkritische
Größe erreichen.
Das Material kann auch so beschaffen sein, dass diejenigen Teilchen,
die nicht zerplatzen, in die Prallplatte 39, 39' eindringen und
in ihr gefangen bleiben.
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Die
Partikelrückhalteeinrichtung 31, 31' gewährleistet
daher jeweils, dass die Membran 29, 29' nicht vor Erreichen
eines bestimmten Schwellendrucks durch feste oder flüssige Partikel
zerstört
wird. Des weiteren verhindert die Partikelrückhalteeinrichtung 31, 31' das Hindurchtreten
von hochenergetischen Partikeln durch den Führungskanal 15, 15' und schützen damit
nachgeschaltete Einrichtungen, wie ein Gasleitrohr, eine Mischkammer,
einen Diffusor oder einen aufzublasenden Sack.
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Im
Folgenden wird kurz die Funktion des in 1 dargestellten Hybrid-Gasgenerators erläutert: Nach
dem Aktivieren der jeweiligen Aktiviereinrichtung 9, 9' wird das im
Innenraum der jeweiligen Brennkammer 3, 3' enthaltene
gaserzeugende Material 11, 11' aktiviert. Durch die Gaserzeugung
erfolgt im Innenraum der jeweiligen Brennkammer 3, 3' ein Druckanstieg.
Die Brennkammer-Auslassmembran 29, 29' ist jeweils
hinsichtlich ihrer Dicke und ihres Materials in Abhängigkeit
vom Querschnitt des Führungskanals 15, 15' so dimensioniert,
dass bei einem vorgegebenen Schwellendruck innerhalb sehr enger Toleranzen
ein Zerstören
der Membraran 29, 29' im Bereich des Querschnitts des
Führungskanals 15, 15' erfolgt. Das
im Führungskanal 15, 15' gehaltene Projektil 27, 27' wird nach dem
Zerstören
der Membran 29, 29' plötzlich mit
dem entsprechenden Schwellendruck beaufschlagt. Das Projektil 27, 27' wird so extrem
definiert beschleunigt und über
die gesamte Lauflänge
im Führungskanal 15, 15' bis zu seinem
Austreten aus dem Führungskanal 15, 15' geführt. Die
Lauflänge
ist dabei als diejenige Länge
des Führungskanals 15, 15' definiert,
die das Projektil 27, 27' seiner Ausgangsposition im Führungskanal 15, 15' bis zu seinem
Austreten aus dem Führungskanal 15, 15' durchläuft. Die
Lauflänge
bestimmt neben anderen Faktoren (Beaufschlagungsdruck, Masse des Projektils,
etc.) die Endgeschwindigkeit des Projektils 27, 27' beim Verlassen
des Führungskanals 15, 15'.
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Das
jeweilige Projektil 27, 27' wird mit einer vorbestimmten Endgeschwindigkeit
aus dem Führungskanal 15, 15' ausgestoßen und
fliegt in Richtung auf die jeweils zugeordnete zerstörbare Auslassmembran 17, 17', welche es
beim Auftreffen zerstört.
Demzufolge tritt ein Gemisch des im Gasbehälter 5 (mit einem
vorgegebenen Druck) enthaltenen Vorratsgases und des in der Brennkammer
oder den Brennkammern 3, 3' erzeugten Gases, welches nach dem
Austreten des oder der Projektile 27, 27' aus den Führungskanälen 15, 15' in den Gasbehälter 5 übertritt,
aus der Austrittsöffnung 25 des
Gasgenerators 1 aus. Der Verlauf des Massenstroms des aus der
Austrittsöffnung 25 austretenden
Gasgemischs ist einerseits abhängig
von den Druckverhältnissen im
Innenraum des Gasbehälters 5.
Direkt bestimmt wird der Verlauf des Massenstroms jedoch durch die Auslassöffnungen 19, 19': In den Auslassöffnungen 19, 19' bildet sich
jeweils ein senkrechter Verdichtungsstoß, der danach die Strömungsverhältnisse rückwirkungsfrei
für den
Gasbehälter 5 bestimmt. Dieser
Effekt wird jedoch nur dann in ausreichendem Maß erreicht, wenn die Summe
aller nachfolgenden Strömungsquerschnitte
deutlich größer ist
als die Summe der Querschnitte der Auslassöffnungen.
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Der
zeitlich und örtlich
dem Gasbehälter 5 zugeführte Massenstrom
durch die Gaserzeugung in den Brennkammern 3, 3' ist durch die
Art des gaserzeugenden Materials und den Querschnitt bzw. den axialen
Verlauf des Querschnitts der Führungskanäle 15, 15' (und deren
Länge)
bestimmt. Wie in 1 dargestellt,
können
die Führungskanäle 15, 15' unterschiedliche
Durchmesser aufweisen, wodurch sich ein jeweils unterschiedlicher
Massenstrom ergibt. Selbstverständlich
können
auch die gaserzeugenden Materialien 11, 11' hinsichtlich
ihrer Art (Brennverhalten des Materials) und ihrer Menge unterschiedlich ausgebildet
sein.
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In
gleicher Weise können
die Auslassöffnungen 19, 19' des in 1 dargestellten zweistufigen Gasgenerators
identisch oder verschiedenartig ausgebildet sein.
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Je
nachdem, wie der Massenstrom des aus der Ausströmöffnung 25 ausströmenden Gases
beschaffen sein soll (und damit der zeit- und ortsabhängige Druck
in der Ausströmöffnung 25 bzw.
in der Umgebung der Ausströmöffnung 25),
können
die Aktiviereinrichtungen 9, 9' gleichzeitig oder in einem bestimmten
zeitlichen Abstand aktiviert werden. Des weiteren kann entweder
die Aktiviereinrichtung 9 oder die Aktiviereinrichtung 9' als erste aktiviert
werden, falls, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, die Charakteristika
der an der Gaserzeugung beteiligten Komponenten unterschiedlich
ausgebildet sind (hier insbesondere der Querschnitt der Führungskanäle 15, 15').
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Im
ausgangsseitigen Bereich des Gasgenerators 1 nach 1 ist eine zweite Partikelrückhalteeinrichtung 41 vorgesehen.
Diese umfasst mehrere scheibenförmige
Elemente, die jeweils ein Umlenken des austretenden Gasstroms bewirken.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die zweite Partikelrückhalteeinrichtung 41 aus
zwei verschiedenen Typen von scheibenartigen Elementen gebil det.
Ein erster Typ 43 der scheibenartigen Elemente ist im Wesentlichen
durch einen Ring gebildet, dessen zentrische Durchbruchsöffnung 43a ein
axiales Hindurchtreten des Gasstroms einschließlich der darin noch befindlichen
Partikel gestattet. Der zweite Typ 45 der scheibenartigen
Elemente weist keinen zentrischen Durchbruch auf, sondern mehrere
radial außen
liegende Durchbruchsöffnungen 45a.
In der Draufsicht eines scheibenartigen Elements 45 können die
radial äußeren Durchbruchsöffnungen 45a als
mehrere auf einer Kreislinie angeordnete Bohrungen ausgebildet sein.
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Der
Gasstrom tritt nach dem Zerstören
einer oder beider der die Auslassöffnungen 19, 19' verschließenden Membrane 17, 17' zunächst durch
die zentrische Durchbruchsöffnung 43a des
scheibenartigen Elements 43 hindurch und trifft dann auf
den zentrischen Bereich eines danach angeordneten scheibenartigen
Elements 45. Der Gasstrom wird daher zunächst aus
seiner im Wesentlichen axial verlaufenden Strömung in eine im Wesentlichen
radialen Strömungsrichtung
umgelenkt und tritt dann durch die radial nach außen versetzten
Durchbrüche 45a des
scheibenartigen Elements 45 hindurch. Der zentrische Bereich
des scheibenartigen Elements 45 kann als Prallbereich ausgebildet
sein, wie dies in Verbindung mit der Prallplatte 33 der
ersten Partikelrückhalteeinrichtung 31 bereits
beschrieben wurde. Des weiteren kann der Prallbereich des Elements 45 am
Boden einer Ausnehmung vorgesehen sein, so dass die Ausnehmung als
Auffangbereich wirkt, in dem sich die Partikel ablagern können. Nach
dem Hindurchtreten durch die radial außen liegenden Durchbruchsöffnungen 45a tritt
der Gasstrom aus der Ausströmöffnung 25 des
Gasgenerators 1 aus.
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Diese
Ausbildung der zweiten Partikelrückhalteeinrichtung 41 hat
den Vorteil, dass gegenüber den
im Stand der Technik vor den Ausströmöffnungen des Diffusors verwendeten
Filterpaketen bzw. -sieben ein sehr geringer Strömungswider stand erreicht wird.
Um die im Hinblick auf die Entwicklung und Dimensionierung des Gasgenerators
vorteilhafte Rückwirkungsfreiheit
der den Auslassöffnungen 19, 19' nachgeordneten
Komponenten zu erreichen, ist die Summe der Querschnittsflächen der
nachgeschalteten Komponenten in der oder den mehreren Strömungsrichtungen
(bei Aufteilung und Umlenkung) gesehen größer gewählt als die Summe der Querschnittsöffnungen
der Auslassöffnungen 19, 19'. Dies gilt
auch für
die Summe der Querschnittsflächen
der radial äußeren Durchbruchsöffnungen 45a des
scheibenartigen Elements 45. Durch diese Maßnahme wird
erreicht, dass allein die Auslassöffnungen 19, 19' strömungsbestimmend
sind, bzw. nur in diesen jeweils ein senkrechter Verdichtungsstoß auftritt.
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Bei
der Entwicklung eines derartigen Gasgenerators kann daher der aus
dem Gasgenerator ausströmende
Gas-Massenstrom bzw. dessen zeitliche und örtliche Größe durch eine Veränderung
der Auslassöffnungen 19, 19' (Querschnitt
bzw. axialer Querschnittsverlauf) eingestellt werden, ohne dass
jeweils eine Wechselwirkung der Auslassöffnungen mit den nachgeschalteten
Komponenten oder – in
abgeschwächter
Form – mit
vorgeschalteten Komponenten zu berücksichtigen wäre.
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Dieses
Verhalten eines derartigen Gasgenerators ist in den 2 bis 4 anhand
mehrerer Beispiele nochmals erläutert:
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2 zeigt schematisch einen
Gasgenerator 100 mit einem Gasbehälter 102, in welchem
ein unter einem bestimmten Druck stehendes Vorratsgas enthalten
ist oder in dem Vorratsgas erzeugbar ist. Bei dem Gasgenerator 100 kann
es sich somit um jeden beliebigen Typ eines Gasgenerators handeln und
nicht nur um einen Hybrid-Gasgenerator.
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Der
Gasgenerator 100 weist n Auslassöffnungen 104 auf,
die jeweils in Ausströmrichtung
gesehen eine konstante Querschnittsfläche A1,
A2 bis An besitzen.
Die Summe der Querschnittsflächen
der einzelnen Auslassöffnungen
ist wiederum kleiner gewählt
als die Querschnittsfläche
einer Ausströmöffnung 106 einer
den Auslassöffnungen 104 nachgeschalteten
Wirbelkammer 108.
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Die
Auslassöffnungen 104 sind
jeweils durch eine zerstörbare
Membran 110 verschlossen, die durch eine beliebige Vorrichtung
zerstört
werden kann.
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Hierbei
kann es sich im Fall eines Hybrid-Gasgenerators um eine Vorrichtung
handeln, bei der die Membran 110 mittels eines Projektils
zerstört wird.
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3 zeigt eine Ausführungsform
eines Gasgenerators 100 ähnlich 2, wobei jedoch dem Gasbehälter 102 anstelle
einer Wirbelkammer ein Diffusor 112 nachgeschaltet ist.
Der Diffusor 112 weist eine Vielzahl von radialen Ausströmöffnungen 114 auf,
die Öffnungsquerschnittsflächen AD1, AD2 bis ADm, besitzen. Um eine Rückwirkungsfreiheit des Diffusors 112 in
Bezug auf das Auslassverhalten des Gasgenerators 100 bzw.
des Gasbehälters 102 zu gewährleisten,
ist die Summe der Öffnungsquerschnittsflächen AD1 bis ADm, wieder
größer gewählt als
die Summe der Öffnungsquerschnittsflächen der Auslassöffnungen 104.
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Durch
die radialen Ausströmöffnungen 114 des
Diffusors und die hierdurch zwingend erforderliche Umlenkung des
zunächst
im Wesentlichen axialen Verlaufs des Gasstroms wird ein derartiger
Gasgenerator rückstoßfrei bzw.
schubfrei.
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Die
in den 4 und 5 dargestellten Gasgeneratoren 100 weisen
wieder mehrere Auslassöffnungen 104 auf.
Beide Ausführungsformen
eines Gasgene rators 100 sind so ausgebildet, dass unmittelbar
nach den Auslassöffnungen 104 ein
aufzublasender Gassack, beispielsweise eines Airbagsystems für ein Kfz,
anschließbar
ist. Da sich zwischen den Auslassöffnungen 104 und dem
aufzublasenden Gassack keinerlei weitere Komponenten erstrecken, kann
das Aufblasverhalten des Gassacks 116 unterschiedlich gestaltet
werden, wenn die Auslassöffnungen 104 hinsichtlich
ihres konstanten Querschnitts oder hinsichtlich des axialen Querschnittsverlaufs unterschiedlich
ausgebildet sind. Denn die Querschnittsöffnung bzw. der Verlauf der
Querschnittsöffnung
in Strömungsrichtung
bestimmt den zeitlichen und örtlichen
Verlauf des Massenstroms des Gases nach dem Austritt aus der jeweiligen
Auslassöffnung. Eine
geringe Öffnungsquerschnittsfläche einer
Auslassöffnung 104 führt beispielsweise
zu einem keulenartigen Aufblasverhalten des Gassacks 110,
da der Massenstrom im Querschnitt scharf gebündelt ist, dafür jedoch
in Strömungsrichtung über eine
große
Distanz eine hohe Geschwindigkeit aufweist.
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Mit
einem großen Öffnungsquerschnitt
kann dagegen ein ballonartiges Aufblasverhalten erreicht werden.
Werden daher Auslassöffnungen 104 unterschiedlichen
Querschnitts vorgesehen, so kann je nach Bedarf das Aufblasverhalten
des Gassacks 116 bestimmt werden.
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Die
Ausführungsform
eines Gasgenerators 100 gemäß 5 zeigt Auslassöffnungen 104 mit jeweils
unterschiedlichem Verlauf der Querschnittsfläche in Strömungsrichtung. Beispielsweise
kann mit einer sich in Strömungsrichtung
verjüngenden
(konvergenten) Auslassöffnung 104 ein
noch extremeres keulenförmiges
Aufblasverhalten erreicht werden, da der Gasstrom nach seinem Hindurchtreten
durch die jeweiligen Auslassöffnung 104 noch
weiter konzentriert wird. Dagegen kann mit einer sich in Strömungsrichtung
erweiternden (diver genten) Auslassöffnung ein extrem ballonartiges
Aufblasverhalten erreicht werden.
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Die
in 5 dargestellte Möglichkeit
einer sich zunächst
in Strömungsrichtung
verjüngenden und
dann erweiternden Auslassöffnung 104 ergibt
einen düsenartigen
Effekt, wodurch wiederum ein eng begrenzter Massenstrom erzeugt
wird, der jedoch eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweist. Eine derartige
Auslassöffnung
kann beispielsweise in Form einer Laval-Düse ausgebildet sein. Dadurch
wird der Gasstrom auf Geschwindigkeiten über den Wert der entsprechenden
Schallgeschwindigkeit des treibenden Gasstroms beschleunigt und
dabei gleichzeitig abgekühlt.
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Die
zerstörbaren
Membrane 110 der Ausführungsformen
gemäß den 2 bis 5 können
durch beliebige Öffnungsmechanismen
zerstört
werden. Die Membrane können
beispielsweise aufgestochen, ausgestanzt oder aufgeschossen werden.
Die jeweiligen Baugruppen der Öffnungsmechanismen
können
sich im Gasbehälter
oder auch außerhalb,
d.h. in Strömungsrichtung
nach den strömungsbestimmenden
Auslassöffnungen
vorgesehen sein. Bei dem jeweiligen Öffnungsmechanismus kann es
sich beispielsweise um ansteuerbar betätigbare Nadeln oder dergleichen
handeln.
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Des
weiteren kann eine Membran so ausgebildet sein, dass sie im Grundzustand
mittels eines Abstützelements,
beispielsweise eines oder mehrerer Stege, gehalten bzw. abgestützt ist.
Wird das Abstützelement
entfernt, so reißt
die in geeigneter Weise dimensionierte Membran aufgrund des im Gasbehälter herrschenden
Gasdrucks auf. Das Abstützelement
kann wiederum mittels eines ansteuerbar betätigbaren Mechanismus entfernt
werden.
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Abschließend sei
darauf hingewiesen, dass selbstverständlich sämtliche Merkmale der vorstehend
beschriebenen Gasgeneratoren auch zu weiteren Ausführungsformen
miteinander kombinierbar sind. Insbesondere können die verschiedenartigen Auslassöffnungen
gemäß den 2 bis 5 auch auf einen Gasgenerator gemäß 1 angewendet werden. Der
Kern der vorliegenden Erfindung ist jedoch darin zu sehen, dass
die Auslassöffnungen
eines Gasgenerators im Wesentlichen alleine den jeweiligen Massenstrom
des aus dem Gasgenerator austretenden Gases bestimmen.