DE102004032609A1

DE102004032609A1 - Bauteil mit ausgeprägter Kühl- und Filterleistung

Info

Publication number: DE102004032609A1
Application number: DE102004032609A
Authority: DE
Inventors: Roland Eberhardt; Michael Mößner
Original assignee: Kramski GmbH
Current assignee: Kramski GmbH
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: DE102004032609B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zur Verwendung als poröses Prallelement bei Strömungsanwendungen für fluide Medien und insbesondere als Filter- und Kühlelement für Gasgeneratoren in Airbagsystemen, wobei das Bauteil mehrlagig mit metallischen Einzelelementen (2) ausgebildet ist und eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (4) für das fluide Medium aufweist. Hierbei bestehen die Einzelelemente aus scheiben- oder plattenförmigem Blechmaterial, sind stapelförmig zu dem Bauteil zusammengefügt und mit einer Vielzahl von über ihre Oberfläche verteilt angeordneten Vorsprüngen (5) versehen, die zur Beabstandung des jeweils benachbart angeordneten Einzelements und als Prallfläche dienen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer großen volumenspezifischen Oberfläche mit ausgeprägter Kühl- und Filterleistung für die Durchströmung mit gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Medien (nachfolgend auch als „fluide Medien" bezeichnet) sowie Mehrphasensystemen, das zur Verwendung als poröses Prallelement bei Strömungsanwendungen für fluide Medien und insbesondere als Filter- und Kühlelement für Gasgeneratoren in Airbagsystemen dient, wobei das Bauteil mehrlagig mit einer Vielzahl von metallischen Einzelelementen oder mit mehreren Lagen eines gewickelten und/oder gefalteten Einzelelements ausgebildet ist und eine Vielzahl von in oder zwischen den Einzelelementen vorgesehenen Durchtrittsöffnungen für das fluide Medium aufweist

Das der Erfindung zugrunde liegende Bauteil mit einer großen volumenspezifischen Oberfläche wird hauptsächlich verwendet als

• Filterelement für Gasgeneratoren von Airbagsystemen;
• Filterelement für Gasgeneratoren von Raketen Brennstoff-Pumpen (Starter für Turbopumpen in Flüssig-Treibstoff-Raketen);
• Füllkörper für Stoff- und Wärmetauscher (verfahrenstechnische Apparate wie Füllkörper- bzw. -bauteil-Kolonnen und dergleichen;

Wird das der Erfindung zugrunde liegende Bauteil beispielsweise mit gasförmigen Medien durchströmt, wirkt dieses als Filter für eventuell im gasförmigen Medium enthaltene Feststoffbestandteile sowie als kapazitive Wärmesenke zur Kühlung heißer durchströmender Medien. Insbesondere beim Einsatz des Bauteils in Gasgeneratoren für Airbagsysteme und dergleichen wird hierdurch er reicht, dass das durchströmende Medium durch das Bauteil (Filter) einerseits gekühlt, andererseits von Feststoffbestandteilen (Schlacke) befreit wird.

Der Einsatz von metallischen und keramischen Filtern in Airbagsystemen ist in zahlreichen Ausführungsformen bereits vorbekannt. Insbesondere für metallische Filter in Gasgeneratoren existieren im Wesentlichen zwei Ausführungsformen. Bekannt sind hier Metallgewebe beispielsweise Panzertressen und Lochbleche, die in Matten häufig auch mehrlagig für die Gaskühlung und – reinigung eingesetzt werden. Zum anderen sind Filter bekannt, die aus einem in Form gepressten Drahtgestrick bestehen. Hierfür wird ein Metalldraht zunächst mit Strickmaschinen zu Gestricken oder Strümpfen verarbeitet, die dann anschließend im Pressverfahren in die jeweils gewünschte Geometrie (beispielsweise Hohlzylinder) gebracht werden. Nachteilig an diesem Filterprodukt ist die nicht existente Formstabilität. So kann ein solcher Filter durch Axial-/Radialkräfte aus seiner ursprünglichen Form gebracht werden, was einen sehr hohen Einfluss und negativen Effekt auf die Filter- und Kühlleistung eines solchen Filters hat. Zudem besitzt ein solcher Filter eine über die Filterlänge bestehende Inhomogenität, da durch das Verpressen des Metallgestricks keine homogene Porosität (Lückenvolumen zu Metallvolumen) über der Filterlänge erreicht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und demgemäß verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der angestrebten Filterwirkung, Verwirbelung, Vermischung und/oder Wärmetauscher- (insbesondere Kühl-)leistung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einzelelemente aus scheiben- oder plattenförmigem Blechmaterial bestehen, dass die Einzelelemente stapelförmig zu dem Bauteil zusammengefügt sind und dass die Einzelelemente mit einer Vielzahl von über ihre Oberfläche verteilt angeordneten Vorsprüngen versehen sind, die zur Beabstandung des jeweils benachbart angeordneten Einzelelements und als Prallfläche dienen.

Die vorliegende Erfindung vereint die wesentlichen Vorteile der hier nun erreichten Formstabilität sowie der Homogenität der existenten und durch das Design des Filters vorgegebenen Porosität für die Durchströmung mit einem heißen gasförmigen Medium. Dieser Zustand wird erreicht, indem Metallplatten mit rechteckigen, runden, ovalen, sichelförmigen oder sonstig geometrisch gestalteten Öffnungen oder Halböffnungen gestapelt werden und – nachdem die gewünschte geometrische Form durch Stapeln erreicht ist – beispielsweise durch einen Schweißprozess fest miteinander verbunden werden.

Ein so hergestelltes Bauteil besitzt eine sehr große volumenspezifische Oberfläche, wodurch eine hohe Kühlleistung erreicht wird, sowie große volumenspezifische Prallflächen, wodurch das durchströmende Medium von Fest- und/oder Flüssigbestandteilen per Prallabscheidung gereinigt wird. Hierbei sind die dreidimensionalen Strömungswege durch das Design der jeweiligen Metallplatten kammerweise definierbar sowie über die Filterlänge variabel einstellbar. Ein so gestalteter Filter besitzt im Gegensatz zum Stand der Technik ganz wesentliche Vorteile:

a) Durch einen einstellbaren Druckverlust über die Filterlänge wird die Reinigungs- und Kühlwirkung erhöht, da der Filter über die gesamte Länge gleichmäßig durchströmt wird.
b) Durch die Formstabilität des vorgegebenen Filters kann auf außen liegende und abstützende Filterrohre verzichtet werden, wodurch deutliche Kosteneinsparungen des Gasgenerators erreicht werden.
c) Die jeweiligen Filtereinzelelemente können im Gegensatz zu einem verpressten Drahtgestrick beispielsweise beschichtet werden; um so besondere katalytisch wirkende oder anti-korrosiv wirkende Schlichten aufzubringen, die die Güte des Gesamtprodukts des Gasgenerators erhöhen (beispielsweise Reduzierung von Schadgasen bei Einsatz katalytisch wirkender Beschichtungen oder anti-korrosiv wirkender Beschichtungen für den Einsatz minderwertiger metallischer Werkstoffe).
d) Durch die Homogenität des neuartigen Filterpakets kann eine weit bessere Reproduzierbarkeit der Gasgeneratorleistung herbeigeführt werden, die das Produkt in seiner Qualität erhöht. Die Streuung der Gasgeneratorleistung wird so weiter eingeschränkt, was zu gezielteren Airbag-Aufblasvorgängen führt.
e) Durch die Stanztechnologie sowie den in den Stanzprozess integrierten Schweißvorgang der Filtereinzelelemente zum Filterpaket entstehen keine losen Metallstücke, die sich im Filterpaket befinden. Lose Metallstücke sowie freie, in der Gasgeneratorströmung hineinragende Drahtenden können bei den herkömmlichen Fertigungsprozessen, insbesondere bei einem Filter aus verpresstem Drahtgestrick vorliegen. Werden solche Drahtenden oder Metallstücke vom Heißgas des Gasgenerators angeströmt, besteht Gefahr, dass diese komplett abbrennen oder das Metall verdampft wird, was zu drastischen Leistungssteigerungen von Gasgeneratoren führt, die den Luftsack beim Aufblasvorgang sogar zum Bersten bringen können. Diese Gefahr ist bei der vorliegenden Erfindung nicht gegeben, da der Filter während des Fertigungsprozesses der Filtereinzelelemente qualitätstechnisch kontrolliert und auf Fehler überprüft werden kann. Diese Möglichkeit ist bei Drahtgestrickfiltern während des Herstellprozesses nicht gegeben.
f) Die Aneinanderreihung der Filtereinzelelemente und der konstruktive und prozesstechnische Einfluss der Gestaltung des Filterpakets lässt eine große Spanne der erreichten Porosität, d.h. der Dichte und volumenspezifischen Oberfläche zu. Die Spanne ist hier größer als bei Produkten des Stands der Technik. Durch diese Variabilität der Porosität ist das der Erfindung zugrunde liegende Produkt ebenfalls ein ideales Füllkörper in verfahrenstechnischen Füllkörperkolonnen. Füllkörpere in Füllkörperkolonnen ermöglichen einen sehr hohen Stoff- und Wärmeübergang zweier oder mehrerer Stoffsysteme in verfahrenstechnischen Apparaten beispielsweise in Extraktionskolonnen oder Rektifikationskolonnen und sorgen für ein ideales Vermischen eingegebener Medien, indem im Füllkörper große volumenspezifische Kontaktflächen zwischen den Medien hergestellt werden.

Das der Erfindung zugrunde liegende Bauteil (also im erwähnten Ausführungsbeispiel der Filter) besteht aus vielen Filtereinzelelementen (im Folgenden mit FEE abgekürzt), die aufeinander gestapelt und anschließend miteinander durch Kraft-, Form- oder Stoffschluss verbunden werden (beispielsweise durch Laserschweißen, Verkrimpen, kraftschlüssiges Verschnappen etc.) und so ein homogenes und formstabiles Bauteil bilden. Die FEEs können durch einen kombinierten Stanz-Biegeprozess hergestellt werden und im Stanz-Biegewerkzeug gestapelt und verbunden werden. Auf diese Weise sind Geometrieänderungen durch die Anzahl der verwendeten FEEs sowie die Geometrie eines einzelnen FEE einfach durchführbar.

Die gewünschte Porosität (entspricht der Dichte des fertigen formstabilen Bauteils) kann dadurch variiert werden, dass der Abstand der FEEs zueinander verändert wird. Wird der Abstand der FEEs zueinander verkleinert, erhöht sich die Dichte des formstabilen Bauteils, die Porosität sinkt. Wird der Abstand der FEEs zueinander vergrößert, vermindert sich die Dichte des formstabilen Bauteils, die Porosität steigt. Die für den Stanzprozess verwendete Materialdicke des Ausgangsbleches hat einen starken Einfluss auf die erreichbare volumenspezifische Oberfläche und die hiermit erreichbare Kühlleistung des Bauteils (Filters). Je dünner das verwendete Blech als Ausgangsmaterial für den Stanz-Biegeprozess ist, desto höher ist die erreichbare volumenspezifische Oberfläche und hiermit die Kühlleistung. Die minimale Dicke des Bleches muss jedoch so gewählt werden, dass der Filter nicht aufgrund der physikalisch gegebenen Wärmekapazität des verwendeten Werkstoffes sowie aufgrund der Abfuhrkühlleistung (in der Regel die Wärmekapazität des Filterpakets, es sei denn, es wird zusätzlich Wärme von außen abgeleitet oder von außen gekühlt) durch ein den Filter durchströmendes Medium zu hoher Energie zerstört (d.h. verbrannt oder verflüssigt/verdampft wird und somit die Filterstruktur zerstört) wird.

Die Einfachheit der Herstellung eines FEE durch einen Stanz-Biegeprozess ermöglicht zudem den Einsatz beschichteter Ausgangsbleche, welche beispielsweise mit Katalytschichten oder Antikorrosionsschichten versehen sind, um zusätzliche positive Produkteigenschaften zu erreichen. Beispielsweise kann es durchaus sinnvoll sein, aus Kostengründen bei korrosiv wirkenden Medien anstelle eines Edelstahls ein beschichtetes Blech aus niedriglegiertem Stahl zu verwenden. Zudem kann die Anforderung an den Filter bestehen, durch aufgebrachte Katalytschichten eventuell Reaktionen im durchströmenden Medium auszulösen.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung:

1 zeigt in einem Diagramm die Gasdurchlässigkeit eines Filters des Stands der Technik im Vergleich zu der Gasdurchlässigkeit eines Filters der vorliegenden Erfindung;

2 zeigt einen Gasgenerator für Airbagsysteme mit einem erfindungsgemäßen Filterbauteil;

3 zeigt eine 3D-Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;

4a zeigt eine 3D-Darstellung (Ansicht von unten) eines Filtereinzelelements (FEE) der Ausführungsform 1 aus 3;

4b zeigt eine 3D-Darstellung (Ansicht von oben) eines Filtereinzelelements (FEE) der Ausführungsform 1 aus 3;

5 zeigt eine 3D-Darstellung eines Filtereinzelelements (FEE) einer weiteren (2.) Ausführungsform;

6 zeigt eine 3D-Darstellung eines Filtereinzelelements (FEE) einer weiteren (3.) Ausführungsform mit zusätzlichen Axialbohrungen;

7a zeigt eine 3D-Darstellung mehrerer Filtereinzelelemente (FEEs) der 3. Ausführungsform aus 6 im Winkel α zueinander gedreht;

7b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt in 3D-Darstellung der 7a;

8 zeigt eine 3D-Darstellung mehrerer Filtereinzelelemente (FEE) einer weiteren (4.) Ausführungsform;

9 zeigt eine 3D-Darstellung mehrerer Filtereinzelelemente (FEE) der 2. Ausführungsform nicht zueinander gedreht (Winkel α=0);

10 zeigt eine 3D-Explosionsdarstellung des Aufbaus einer mehrteiligen Ausführungsform (Ausführungsform 2) mit Filtereinzelelement ohne Axialbohrung und Filtereinzelelement-Einlegern;

11 zeigt eine 3D-Darstellung des Komplett-Filters aus vielen Filtereinzelelementen (FEEs) entsprechend den Ausführungsformen 2 bis 4.

2 stellt einen Gasgenerator für Airbagsysteme dar, der im wesentlichen aus einem Brennkammer-Filterrohr 33, einem elektrischen Zünder 30, einem Treibsatz 31, Düsenbohrungen 32, Abströmöffnungen 35 sowie einem erfindungsgemäßen Bauteil in Form eines Filters 1 besteht. Nach Aktivieren des Zünders 30 wird der Treibsatz 31 entzündet. Dieser brennt sehr rasch und unter hohem Druck ab und bildet Heißgas, welches durch die Düsenbohrungen 32 in den Filterraum des Brennkammer-Filterrohrs 33 zentrisch einströmt. Anschließend strömt das Heißgas, welches zu diesem Zeitpunkt in hohem Maße mit Feststoffpartikeln und flüssiger Schlacke beladen ist, radial durch den Filter 1, indem eine Abkühlung des Heißgases durch die kapazitive Kühlwirkung des Filters 1 stattfindet sowie das Heißgas von Feststoffpartikeln und Schlackeanteilen durch die Prall- und Filterwirkung des Filters 1 gereinigt wird. Nachdem die äußere Mantelfläche des Filters 1 durchströmt wurde, strömt das gekühlte und gereinigte Gas axial an der Innenseite des Brennkammer-Filterrohrs 33 zu den Abströmöffnungen 35 des Gasgenerators, durch die das Gas den Gasgenerator verlässt und in den mit dem Gasgenerator verbundenen Luftsack (nicht dargestellt) einströmt und diesen aufbläst.
1 beschreibt hierbei die Gasdurchlässigkeit eines Filters des Stands der Technik im Vergleich zu der funktional besseren Gasdurchlässigkeit eines Filters der vorliegenden Erfindung, die über der Länge des Filters veränderbar ist. Ein optimal konstruierter Filter, wie hier durch die vorliegende Erfindung be schrieben ist, wird mit Gas gleichförmig durchströmt, d.h. der radiale Volumenstrom des Gases durch den Filter ist über die Länge des Filters nahezu konstant, wodurch erreicht wird, dass der Filter eine optimale Kühlwirkung erreicht und gleichmäßig mit Feststoffpartikeln beladen wird. Hingegen wird bei einem Filter des Stands der Technik beobachtet, dass insbesondere im Bereich der Abströmöffnungen des Gasgenerators der Filter mit Feststoffpartikeln höher beladen wird und somit nicht die gesamte Innenmantelfläche des Filters zur Reinigung (Filterung) und Kühlung beansprucht und genutzt wird. So sind insbesondere die nahe der Düsenbohrungen liegenden Filterbereiche nur teilweise zur Filterung und Kühlung genutzt.
Durch die nicht vorhandene Formfestigkeit eines Filters aus verpresstem Drahtgestrick besteht zudem der Nachteil, dass der Filter durch den bei bzw. nach dem Einströmen des Heißgases in den Filterraum auftretenden Druckschlag zusammen geschoben, d.h. komprimiert wird, was zu unreproduzierbaren Ergebnissen führt, da dieses Komprimieren von Filter zu Filter unterschiedlich sein kann. So besitzt der Filter der vorliegenden Erfindung durch seine Formfestigkeit den Vorteil, weit reproduzierbarere Ergebnisse zu liefern. Durch diese Formfestigkeit ist es zudem möglich, auf ein druckstützendes Filterrohr zu verzichten, d.h. ein Bauteil einzusparen, da der Filter direkt mit der Brennkammer verbunden werden kann und auch während des Durchströmens mit Heißgas nahezu formstabil bleibt.
Eine erste, besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (dargestellt in 3, 4a und 4b) besteht aus mehreren Einzelelementen 2 (nachfolgend als FEEs bezeichnet) mit dem Aufbau, wie in 4a und 4b dargestellt. Ein FEE besteht aus einer geometrischen Grundform (hier eine runde Metallplatte), in der eine FEE-Zentralborung 6, viele Durchtrittsöffnungen 4 (nachfolgend als FEE-Öffnungen bezeichnet), mindestens zwei FEE-Laschen 3, viele entsprechend der Anzahl an FEE-Öffnungen 4 vorhandene Vorsprünge 5 (nachfolgend als FEE-Prallelemente bezeichnet), mindestens zwei FEE-Richtungsgeber links 7a und mindestens zwei FEE-Richtungsgeber 7b rechts, die jeweils auch aus Vorsprüngen bestehen, vorhanden sind. Viele solcher FEEs sind zu einem Bauteil 1 (d.h. Filterpaket) (3) gestapelt und über die FEE-Laschen 3 miteinander zu einem formfesten Bauteil verbunden. Die FEE- Laschen 3 zweier aufeinander folgender FEEs werden hierbei kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
Es besteht die Möglichkeit, zwei aufeinander folgende FEEs hierbei um einen Winkel α (nicht dargestellt) zu drehen, um die FEE-Öffnungen der einzelnen FEEs gegeneinander zu versetzen, d.h. nicht exakt fluchtend zueinander anzuordnen, und um so den Strömungsweg durch diese Öffnungen über die Gesamtanzahl der FEEs zu erhöhen. Eine günstige Anordnung der FEE-Öffnungen 4, FEE-Prallelemente 5, FEE-Richtungsgeber 7a und 7b ist konzentrisch um die FEE-Zentralbohrung 6, wobei möglichst viele FEE-Öffnungen 4 angestrebt sind, um eine optimale Kühlleistung des Filterpakets zur erreichen.
Das Medium strömt im Bauteil bzw. Filter 1 hierbei zunächst in den inneren Zylinder, den die FEE-Zentralbohrungen 6 schichtweise bilden, ein und strömt dann anschließend radial zwischen zwei FEEs in Richtung Filteraußenmantel. Dabei werden die einzelnen Ringströmungen durch die FEE-Richtungsgeber zunächst verwirbelt, um die Ringströmungen möglichst homogen zwischen den einzelnen FEEs zu verteilen. Ein FEE-Richtungsgeber links und ein FEE-Richtungsgeber rechts im Wechsel verhindern, dass in den Ringströmungen ein Drall erzeugt wird, der insbesondere ohne Verwendung eines den Filter umgebenden Filterrohres eine Gasgeneratorschubrichtung vorgibt, die nicht zulässig ist (Schubneutralität ist eines der obersten Gebote bei der Konstruktion von Gasgeneratoren).
Durch die vielen FEE-Öffnungen 4 sowie die FEE-Prallelemente 5 und die FEE-Richtungsgeber 7a und 7b wird eine große volumenspezifische Oberfläche generiert, die insbesondere durch die Verwendung von Metallen hoher Wärmekapazitäten eine sehr hohe Kühlleistung darstellt. Gleichzeitig werden Feststoff- und Schlackepartikel, die sich im Strömungsmedium befinden bzw. mit denen das Strömungsmedium beladen ist, durch die Prallelemente 5 an diesen abgeschieden, was zur Reinigung des Strömungsmediums führt. Der Winkel der Ausklinkung der Prallelemente 5 ist hierbei für die Aufenthaltsdauer des Strömungsmediums sowie für die Reinigungswirkung des Strömungsmediums verantwortlich. Sinnvoll sind Winkel von 10°-90°. In der beschriebenen Ausfüh rungsform 1 ist nur eine der zahlreichen konstruktiven Möglichkeit der geometrischen Gestaltung der FEE-Öffnungen 4 und FEE-Prallelemente 5 dargestellt.
Die Ringspaltströmungsgeschwindigkeit bzw. der Druck im Ringspalt zwischen zwei FEEs kann zusätzlich durch die Anzahl der konzentrisch am Außenumfang eines FEEs angebrachten FEE-Laschen beeinflusst werden. Durch die FEE-Öffnungen 4 ist ebenfalls gewährleistet, dass ein Verblocken eines Ringströmungssegments, beispielsweise hervorgerufen durch eine Verblockung mit Feststoffpartikel oder Schlacke, nicht zum Bersten des Segments führt, da der Druck bzw. die Strömung auf weitere FEE-Ebenen verteilt wird, d.h. eine Axialströmung im Filterpaket stattfindet. Zur Vermeidung von evtl. unerwünschten Axialströmungen am ersten und letzen FEE können diese mit jeweils einem FEE-Abschluss gleicher Geometrie wie die verwendeten FEEs, jedoch ohne FEE-Öffungen versehen werden (nicht dargestellt). Der Filter lenkt dann eine Axialströmung, die vor dem Einströmen in den Filter vorherrscht, in eine reine Radialströmung um.
Durch den Abstand zweier FEEs zueinander kann zudem über der Filterhöhe, die viele FEEs gestapelt aufeinander generieren, ein Druckgradient, d.h. eine veränderlich zunehmende oder veränderlich abnehmende Gasdurchlässigkeit erzeugt werden, die die Maximalbeladung des Filters mit Feststoffpartikeln oder Schlacke erhöht sowie den Kühlleistungs-Wirkungsgrad des Filters ebenfalls erhöht.
Nachfolgend werden weitere drei Ausführungsformen des der Erfindung zugrunde liegenden Filters erläutert, die im Wesentlichen die in Ausführungsform 1 genannten Vorteile des dort beschriebenen Filters widerspiegeln, sich jedoch konstruktiv und fertigungstechnisch von diesem unterscheiden.
Ausführungsform 2 (5, 9, 11) beschreibt einen Filter 1, der ebenfalls aus zahlreichen FEEs 2 besteht. Jeder dieser FEEs weist auf dem FEE erhabene Vorsprünge in Form von FEE-Prall-und-Kühlbauteilen 8a auf, die ebenfalls in einer radial von innen nach außen gerichteten Ringströmung eines durch den Filter strömenden Mediums stehen. Hierbei sind alle erhabenen geometrischen Bauteil als FEE-Prall-und-Kühlbauteil denkbar, d.h. die in 5 gezeigte py ramidenstumpfförmige Geometrie der FEE-Prall-und-Kühlbauteile 8a ist nur eine von vielen denkbaren und realisierbaren Geometrien. Am äußeren Umfang eines FEEs befinden sich FEE-Verbindungsflächen 14, über die einzelne FEEs kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig fest miteinander verbunden werden können, wodurch dann der gewünschte Filter 1 entsteht. Die einzelnen FEEs zentrieren sich hierbei zueinander über die FEE-Zentrierungen (Bunde) 12. Zwischen den FEE-Verbindungsflächen 14 sind radiale FEE-Abströmöffnungen 9 vorgesehen, durch die das im Filter strömende Medium den Filter verlässt. Sollten Axialströmungen im Filter über die FEEs erwünscht sein, so können zusätzlich Axialbohrungen in die FEEs eingebracht werden (nicht dargestellt, aber ähnlich wie Axialbohrungen in 6).
Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung ist in 6, 7a, 7b sowie 10 dargestellt. Diese Ausführungsform führt ebenfalls zu dem in 11 dargestellten Filterpaket. Die Ausführungsform 3 unterscheidet sich zur Ausführungsform 2 insbesondere darin, dass zwischen den FEEs 2 Kühl- und Prallelement-Einleger 13 eingelegt sind, die die Filterwirkung sowie große Teile der Kühlwirkung herbeiführen. Das FEE 2 selbst ist hier nur ein Radialströmungsverteiler und generiert zwischen beispielsweise zwei über die FEE-Verbindungsflächen 14 verbundene FEEs 2 abgegrenzte Strömungsräume, in die spezielle Kühl- und Prallelement-Einleger 13 eingelegt werden, die die gewünschte Kühl- und Filterwirkung erzeugen.
Das Medium strömt hier ebenfalls zentrisch axial in den Filter ein und verlässt diesen über die FEE-Abströmöffnungen 9. Auch für diese Ausführungsform ist vorgesehen, dass einzelne FEEs in einem Winkel α zueinander verdreht werden, um die Abströmfläche 9 des Filters nach Wunsch zu ändern. Zusätzlich helfen hier ebenfalls die im Folgenden unter Ausführungsform 4 beschriebenen FEE-Abströmblenden 11, die je nach Wahl des Winkels α die FEE-Abströmöffnungen 9 mehr oder weniger verdecken und somit teilweise oder ganz verschließen (7b). Diese FEE-Abströmblenden 11 stellen unter der Verwendung der FEE-Geometrie nach Ausführungsform 2, 3 und 4 eine Alternative zu einer nichtäquidistanten Anordnung der FEEs 2 zueinander aus Ausführungsform 1 dar. Somit kann auch hiermit erreicht werden, dass eine über die Filterhöhe variable Gasdurchlässigkeit erzeugt wird.
Das exakte Aufeinanderstapeln einzelner FEEs 2 wird über die FEE-Zentrierung 12 erreicht. Die kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung der einzelnen FEEs zu einem formfesten homogenen Filterbauteil 1 wird ebenfalls durch die bereits bekannten FEE-Verbindungsflächen 14 bewirkt. Sind Axialströmungen im Filter zwischen den einzelnen FEEs 2 erwünscht, können wie in 6 dargestellt, axiale Öffnungen in die FEEs 2 eingebracht werden.
Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt. Diese unterscheidet sich von Ausführungsform 2 nur in der Gestaltung der erhabenen Bauteile auf dem FEE 2. In 8 sind hier die in Ausführungsform 2 beschriebenen pyramidenstumpfförmigen Kühl- und Prallelemente 8a durch sichelförmige Kühl- und Prallelemente 8b ersetzt, die zudem ganz wesentliche Verbesserungen hervorrufen, jedoch prozesstechnisch schwieriger zu fertigen sind. Der Vorteil der sichelförmigen Kühl- und Prallelemente besteht darin, dass sie für Feststoffpartikel sowie Schlacke eine optimale Strömungsfalle darstellen (sog. Schlackefalle), d.h. der Reinigungswirkungsgrad dieses in Ausführungsform 4 beschriebenen Filters ist außerordentlich hoch. Die Sichelform der Prall- und Kühlbauteile 8b besitzt zudem einen geringeren Strömungsverlustbeiwert, so dass ein höherer Wärmeübergang ebenfalls zu erwarten ist.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen in ihren Merkmalen auch vermischt werden können, um einzelne positive Merkmale herbeizuführen.

1: Filterpaket
2: Filtereinzelelement (FEE)
3: FEE-Laschen
4: FEE-Öffnung
5: FEE-Prallelement
6: FEE-Zentralbohrung
7a: FEE-Richtungsgeber links
7b: FEE-Richtungsgeber rechts
8a: FEE-Prall-und-KühlBauteil erhaben
8b: FEE-Prall-und-KühlBauteil sichelförmig
9: FEE-Abströmöffnungen radial
10: FEE-Axialbohrungen
11: FEE-Abströmblenden
12: FEE-Zentrierung
13: Kühl-und-Prallelement Einleger
14: FEE-Verbindungsflächen

Claims

Bauteil zur Verwendung als poröses Prallelement bei Strömungsanwendungen für fluide Medien und insbesondere als Filter- und Kühlelement für Gasgeneratoren in Airbagsystemen, wobei das Bauteil (1) mehrlagig mit einer Vielzahl von metallischen Einzelelementen (2) oder mit mehreren Lagen eines gewickelten und/oder gefalteten metallischen Einzelelements ausgebildet ist und eine Vielzahl von in oder zwischen den Einzelelementen vorgesehenen Durchtrittsöffnungen (4, 10) für das fluide Medium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (2) aus scheiben- oder plattenförmigem Blechmaterial bestehen, dass die Einzelelemente stapelförmig zu dem Bauteil (1) zusammengefügt sind und dass die Einzelelemente mit einer Vielzahl von über ihre Oberfläche verteilt angeordneten Vorsprüngen (5, 7a, 7b, 8a, 8b) versehen sind, die zur Beabstandung des jeweils benachbart angeordneten Einzelelements und als Prallfläche dienen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (4, 10) in die Einzelelemente (2) durch Stanzen eingebracht sind.
Bauteil nach zumindest Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (5) durch Umbiegen der zur Bildung der Durchtrittsöffnungen (4) gestanzten Blechbereiche gebildet sind.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (2) scheibenringförmig ausgebildet und stapelförmig zu dem eine Hohlzylinderform aufweisenden Bauteil (1) zusammengefügt sind.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechmaterial der Einzelelemente (2) aus Edelstahl besteht.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechmaterial der Einzelelemente (2) mit einer Schicht aus katalytisch wirkenden Stoffen, aus korrosionshemmenden Stoffen oder mit chemischen Reaktanten, die mit dem durchströmenden Medium gewünschte Reaktionen hervorrufen, beschichtet ist und als Trägermaterial einen metallischen Werkstoff mit insbesondere hoher Wärmekapazität aufweist.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (2) Befestigungsmittel (3) zur Verbindung mit zumindest einem jeweils benachbarten Einzelelement aufweisen.
Bauteil nach zumindest Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel aus Laschen (3) bestehen, die zur Verbindung mit zumindest einem jeweils benachbarten Einzelelement (2) umbiegbar sind.
Bauteil nach zumindest Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (2) über die Befestigungsmittel (3) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig aneinander festlegbar sind.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte und mit gleich positionierten Durchtrittsöffnungen (4, 10) versehene Einzelelemente (2) zueinander verdreht und/oder versetzt angeordnet sind.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (5, 7a, 7b, 8b) geneigt zur Strömungsrichtung angeordnet als Richtungsgeber fungieren.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (5, 7a, 7b, 8b) stegförmig ausgebildet sind und insbesondere im wesentlichen senkrecht zur Ebene des zugehörigen Einzelelements (2) vorstehen.
Bauteil nach zumindest Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (8b) eine gebogene oder abgewinkelte Form aufweisen.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (2) parallel zueinander angeordnet sind.
Bauteil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (2) an ihrer radialen Außenseite einen bundförmigen Rand (14) aufweisen, der im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Einzelelemente vorsteht und mit Abströmöffnungen (9) für das abströmende Fluid versehen ist.