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Die
Erfindung betrifft einen Gasgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es
sind Kaltgasgeneratoren bekannt, die aus einem Druckbehälter bestehen,
in dem das Kaltgas unter Druck gespeichert ist und einem Mundstück, durch
das das Druckgas entweichen kann, wenn durch einen Öffnungsmechanismus
die Ausströmöffnungen
freigegeben werden.
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Meist
besteht dieser Öffnungsmechanismus aus
einer Membran, die fest mit dem Gasdruckbehälter verbunden ist und dadurch
eine zentrale Ausströmöffnung verschließt. Diese
Membran wird meist durch einen Zündmechanismus
oder eine geeignete Mechanik zerstört, wobei die Ausströmöffnung freigegeben
wird.
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Für diesen
Zündmechanismus
wird häufig Pyrotechnik
eingesetzt. Sie erzeugt einen kurzzeitigen Hochdruck, der die Verschlussmembran
zerstört, wie
es in
EP 1 561 649
A1 , in
EP
1 319 558 B1 oder in
EP 1 424 246 A1 beschrieben ist. In
EP 1 294 592 B1 wird
eine mechanische Einrichtung beschrieben, die im Ruhezustand die
Membran stützt
und durch Einwirkung einer pyrotechnischen Ladung diese Stütze aufhebt,
wodurch die Membran zerstört
und die Öffnung
freigegeben wird. Es kommt auch vor, dass die Verschlussmembran
undefiniert zerstört werden
könnte,
wodurch die Ausströmöffnung blockiert
wird. Um dies zu verhindern, werden oft aufwändige Konstruktionen eingesetzt.
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Der
Stand der Technik weist einige Schwierigkeiten auf. So wird immer
eine komplexe Fertigungseinrichtung benötigt, die die Verschlussmembran
mit dem Druckbehälter
verbindet. Außerdem
ist es erforderlich, die Auslöseeinrichtung
selbst über eine
komplexe Fertigungseinrichtung dicht mit dem Druckbehälter zu
verbinden, um zu vermeiden, dass nach der Zündung das pyrotechnische Gas
unkontrolliert entweicht. Die Befülleinrichtung ist sehr komplex
ausgeführt,
die oft die Einrichtung zum dichten Verschließen des Druckbehälters beinhalten
muss. Ein großer
Nachteil des technischen Standes ist, dass eine Funktionsprüfung und
damit eine Qualitätskontrolle
im Vorfeld nicht möglich
ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Kaltgasgenerator, nachdem
er Gas freigesetzt hat, nicht wiederverwendet werden kann oder erst
nach einen komplexen Reparaturvorgang mit einer komplexen Befülleinrichtung
wieder befüllt
und anschließend
wieder eingesetzt werden kann.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kaltgasgenerator
zu schaffen, der im Vorfeld vor dem Einbau eine Funktionsprüfung der Öffnungsfunktion
ermöglicht
und ohne Zündung
von pyrotechnischem Gas auskommt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in
den weiteren Ansprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer elektrisch ansteuerbaren Verschlusseinrichtung, welche in
eine Behälteröffnung eines
Druckbehälters einsetzbar
ist, weist den Vorteil auf, dass die Schließposition und Arbeitsposition
vor dem Einbau in einem Druckbehälter
in einer Prüfeinrichtung überprüfbar ist.
Dadurch wird sichergestellt, dass nur funktionstüchtige Verschlusseinrichtungen
für einen
Kaltgasgenerator eingesetzt werden. Darüber hinaus weist die elektrisch
ansteuerbare Verschlusseinrichtung den Vorteil auf, dass durch eine
Bestromung der Verschlusseinrichtung ein Arbeitszustand oder eine
Arbeitsposition ansteuerbar ist, wodurch die Austrittsöffnung im
Hinblick auf die ausströmbare
oder befüllbare
Menge eines Druckgases einstellbar ist. Dadurch kann zum einen im
Bedarfsfall die Menge des auszuströmenden Gases angesteuert werden.
Dies ermöglicht,
dass beispielsweise eine diskontinuierliche oder intervallartige
Ausströmung
als auch eine zunehmende oder abnehmende Menge an ausströmendem Gas
für den
jeweiligen Anwendungsfall ansteuerbar ist. Darüber hinaus kann die Bestromung auch
dadurch verwendet werden, damit eine zielgerichtete Befüllung beziehungsweise
Wiederbefüllung möglich ist.
Die in die Behälteröffnung des
Druckbehälters
einsetzbare Verschlusseinrichtung weist des Weiteren den Vorteil
auf, dass diese wiederverwendbar und die einzelnen Komponenten recycelbar
sind.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Verschlusseinrichtung einen Deckel aufweist, der mediendicht
in die Behälteröffnung,
insbesondere lösbar,
einsetzbar ist. Dadurch kann ein einfacher Verschluss des Druckbehälters ermöglicht sein.
Beispielsweise ist eine Verschraubung vorgesehen, welche dem aufgebrachten
Druck in dem Druckbehälter
stand hält
und mediendicht schließt.
Alternativ kann auch eine Verpressung oder Verschweißung als
auch eine Umbördelung
des Behälterrandes
vorgesehen sein, um den Deckel sicher aufzunehmen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Verschlusseinrichtung zwischen dem Deckel und einem Körper, vorzugsweise
einem rotationssymmetrischen Körper,
eine Austrittsöffnung
für Druckgas
umfasst, welche durch ein elektrisch ansteuerbares Dehnele ment öffenbar ist,
wobei bei Bestromung des Dehnelementes zwischen dem Deckel und dem
Körper
ein Spalt erzeugt wird. Dadurch kann eine kompakte Bauweise der Verschlusseinrichtung
erzielt werden, welche in einem Druckbehälter vorgesehen ist. Darüber hinaus ist
konstruktiv eine einfache Ausgestaltung geschaffen, die ebenso eine
einfache und kostengünstige Fertigung
sowie eine hohe Qualitätssicherung
ermöglicht.
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Das
elektrisch ansteuerbare Dehnelement ist bevorzugt in dem rotationssymmetrischen
Körper vorgesehen.
Dadurch können
einfache Kraftverhältnisse
gegeben sein, um einen Öffnungsquerschnitt, bevorzugt
im Zehntel-Millimeter-Bereich, zwischen dem rotationssymmetrischen
Körper
und dem Deckel anzusteuern.
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Des
Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der rotationssymmetrische
Körper
durch ein unter Vorspannung angeordnetes Federelement mit einem
Befestigungselement am Deckel in einer Schließstellung gehalten ist. Durch
diese Anpresskraft wird eine Dichtheit der Austrittsöffnung in
einer Ruheposition erzielt. Gleichzeitig kann sichergestellt werden,
dass erst ab einem vorbestimmten Stellweg oder Arbeitshub des Dehnelementes
ein Öffnen
der Austrittsöffnung
erzielbar ist.
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Zur
Erhöhung
des Dichtungsdrucks und zur gleichzeitigen zentrischen Positionierung
des rotationssymmetrischen Körpers
zum Deckel ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Deckel und
einer daran anliegenden Stirnseite des rotationssymmetrischen Körpers eine
kreisförmige
Rippe mit einer daran angreifenden kreisförmigen Nut vorgesehen ist. Die
Nut kann sowohl an dem Deckel als auch an der Stirnfläche des
rotationssymmetrischen Körpers
vorgesehen sein.
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Des
Weiteren kann bevorzugt zwischen einer Unterseite des Deckels und
dem stirnseitigen Rand des rotationssymmetrischen beziehungsweise topfförmigen Körpers eine
geeignete Dichtung aus nachgiebigem Material zur Abdichtung der
Austrittsöffnung
in einer Schließstellung
der Verschlusseinrichtung eingelegt sein.
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Bevorzugt
ist zwischen einer Innenwand des Druckbehälters und der eingesetzten
Verschlusseinrichtung ein Ringspalt vorgesehen, damit das Druckgas
im Bedarfsfall durch die Austrittsöffnung nach außen strömen kann.
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Zur
einfachen Befüllung
kann bevorzugt vorgesehen sein, dass eine Betätigungsvorrichtung ausgebildet
ist, die mechanisch auf das Befestigungselement einwirkt, welches
den rotationssymmetrischen Körper
mediendicht zum Deckel fixiert, damit das Druckgas durch die Austrittsöffnung in
den Druckbehälter
einfüllbar
ist.
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Alternativ
kann die Betätigungsvorrichtung während dem
Befüllvorgang
die Verschlusseinrichtung bestromen, wodurch das Dehnelement die
Verschlusseinrichtung in einer geöffneten Position hält.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass an einem Außenumfang des Druckbehälters ein
Aufnahmeelement vorgesehen ist, welches zur Positionierung eines
Airbags, ein mit einem Druckmedium befüllbarer Gegenstand oder eine
Befülleinrichtung
vorgesehen ist.
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Der
vorbeschriebene Kaltgasgenerator kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der elektrisch ansteuerbaren Verschlusseinrichtung auf vielfältige Weise
universell sowie mobil als auch stationär eingesetzt werden. Mobile
Einsatzgebiete sind beispielsweise Airbags in Fahrzeugen oder auch
in Bereichen, die wenig Platz zur Unterbringung aufweisen. In diesem
Fall kann der Airbag selbst in diesem Bereich montiert werden und
eine Zuführungsleitung zum
entfernt untergebrachten Kaltgasgenerator aufweisen. Als rational
nähere
Einrichtungen kommen beispielsweise Verschlusssysteme in Frage,
die in Notfällen
bei Alarm sicherheitssensible Einrichtung in kurzer Zeit dauerhaft
verschließen,
um beispielsweise Werte zu schützen,
Kontaminationen oder das Auslaufen und Eindringen von Wasser oder
Flüssigkeiten
zu verhindern. Diese erfindungsgemäße Verschlusseinrichtungen
in Kaltgasgeneratoren können dann
in der Regel nach Beendigung des Notfalles oder des Einsatzfalles
durch autori siertes Personal geöffnet
und wieder in einen aktiven Zustand rückgesetzt werden.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten
Beispiels näher
beschrieben und erläutert. Die
der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können einzeln
für sich
oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Kaltgasgenerators mit einer
erfindungsgemäßen Verschlusseinrichtung.
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Die 1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines Kaltgasgenerators mit
einer erfindungsgemäßen Verschlusseinrichtung.
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Ein
Druckbehälter 1 ist
am offenen Ende durch einen Deckel 3 verschlossen. Dies
kann durch eine Verschweißung
mit dem Druckkörper 1 oder auch
durch eine dichte Verschraubung geschehen. Außerdem ist der äußere Rand
des Druckkörpers 1 so
gestaltet, dass entweder das Mundstück eines Airbags oder eine
anwendungsspezifische Einrichtung dicht angesetzt werden und durch
den Kaltgasgenerator befüllt
werden kann. Zum Befüllen
des Druckbehälters 1 ist
es möglich,
das Mundstück
des Airbags, bzw. die angesetzte Einrichtung gegen eine Befülleinrichtung
auszutauschen und an den Rand anzusetzen. Als einfache Lösung für die lösbare Befestigung
eines Mundstückes
bietet sich beispielsweise eine dichte Verschraubung an.
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Der
Deckel 3 dient außerdem
als Halterung für
die übrigen
Komponenten der Verschlusseinrichtung des Kaltgasgenerators. Die
gesamte Verschlusseinrichtung besteht damit aus dem Deckel 3 selbst, einem
rotationssymmetrischen, vorzugsweise topfförmigen Körper 9, einem Stift 6 mit
Kopf 7 und einem Dehnelement 13. Diese Verschlusseinrichtung
kann vor der Endmontage einfach vorgefertigt werden und auf einfache
Art in einer geeigneten Prüfeinrichtung geprüft werden,
ohne dass der Druckbehälter 1 angesetzt
sein muss, wodurch ein Höchstmass
an Betriebssicherheit und Qualitätssicherung
gewährleistet werden
kann.
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Der
Deckel 3 weist Ausströmöffnungen 4 auf, durch
die das Druckgas 2 ausströmen kann oder in den Druckbehälter 1 eingefüllt werden
kann. In der Mitte des Deckels 3 ist eine abgesetzte Bohrung
oder Stufenbohrung 5, durch die ein Stift 6 mit
einem Kopf 7 nach innen ragt. Dieser Stift 6 könnte auch
eine Schraube 6 sein. Am unteren Ende des Stiftes 6 ist ein
rotationssymmetrischer Körper 9 befestigt,
der hier beispielhaft als topfförmiger
Körper 9 ausgebildet ist,
dessen oberer Rand außerhalb
der Austrittsöffnungen 4 des
Deckels 3 gegen die Unterseite 11 des Deckels 3 gedrückt wird.
Für den
nötigen
Dichtungsdruck sorgt ein Federelement 10, insbesondere
eine Tellerfeder, das in der dargestellten Ausführungsform zwischen dem Deckel 3 und
dem Kopf 7 des Stiftes 6 angeordnet ist. Dieser
für die
Dichtheit des verschlossenen Kaltgasgenerators benötigte Dichtungsdruck wird
durch das Duckgas 2 selbst unterstützt, dessen Druck auf den Boden
des topfförmigen
Körpers 9 wirkt.
Der topfförmige
Körper 9 füllt nicht
den ganzen Innendurchmesser des Druckbehälters aus, sondern lässt einen
ringförmigen
Bereich oder Ringspalt 17 frei, in dem sich ebenfalls das
Druckgas 2 befindet. Es ist also keine besondere Passung
zwischen dem topfförmigen
Körper 9 und
dem Druckbehälter 1 erforderlich,
was die Fertigung und die Montage vereinfacht und gleichzeitig Reibung
vermeidet. Der Deckel 3 könnte an seinem Rand vorteilhafterweise
eine ringförmige
Rippe 18 aufweisen, die gegen den Rand des topfförmigen Körpers 9 gedrückt wird
und durch den dadurch höheren
Dichtungsdruck gegenüber
einer flächigen
Anlage eine höhere
Dichtigkeit gewährleistet.
Weiterhin dient vorteilhafterweise eine am Rand des topfförmigen Körpers 9 vorhandene
Nut 18',
die mit der Rippe 18 korrespondiert, der Zentrierung des
topfförmigen
Körpers 9.
Es ist auch denkbar, dass diese Rippe 18 am Rand des topfförmigen Körpers 9 und
die Nut an der Unterseite 11 des Deckels 3 angebracht
ist. Eine andere nicht dargestellte Möglichkeit wäre die Einlage eines Dichtelements aus
einem nachgiebigen Material, wodurch eventuelle Unebenheiten zwischen
Deckel 3 und topfförmigem
Körper 9 ausgeglichen
werden könnten
und die Dichtsicherheit nochmals erhöht wird. Eine andere Möglichkeit
der Zentrierung des topfförmigen
Körpers wären beispiels weise
nicht dargestellte kurze radiale Rippen am Außendurchmesser des topfförmigen Körpers 9,
die den Zwischenraum zur Innenwand des Druckbehälters 1 überbrücken.
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Innerhalb
des topfförmigen
Körpers 9 ist
um den Stift 6 herum ein Dehnkörper 13 angeordnet, durch
dessen zentrische Bohrung 14 die Schraube 6 gesteckt
ist, die diesen damit zentriert und der die Höhe zwischen dem Boden 15 des
topfförmigen
Körpers 9 und
der Unterseite 11 des Deckels 3 mit geringem Spiel
ausfüllt.
An der Oberseite ist der Dehnkörper 13 beispielsweise
durch einen Stufenrand 16 so gestaltet, dass die Ausströmöffnungen 4 des
Deckels 3 frei sind. Dieser Dehnkörper 13 ist durch
den Deckel 3 hindurch über
isolierte elektrische Leitungen 19 mit einer Stromversorgung
verbunden. Über
diese elektrische Verbindung kann der Dehnkörper 13 durch geeignete
Bestromung in sehr kurzer Zeit zur Ausdehnung aktiviert werden.
Der Dehnkörper 13 stützt sich
bei Längsausdehnung
zwischen der Unterseite 11 des Deckels 3 und dem
Boden 15 des topfförmigen
Körpers 9 ab.
Dabei werden diese elektrischen Leitungen 19 beispielsweise
mit einer nicht dargestellten geeigneten Kontaktierung am Deckel 3 verbunden,
die mit entsprechenden Kontakten des angesetzten Mundstücks der
anwendungsspezifischen Einrichtung oder der Befülleinrichtung korrespondiert,
oder sie werden einfach über
Steckverbinder mit der Stromversorgung dieser Einrichtungen verbunden.
Da der topfförmige
Körper 9 für die Abdichtung
des Druckgases im Druckbehälter 1 sorgt, ist
es nicht erforderlich, die elektrischen Leitungen 19 dicht
durch den Deckel 3 zu führen,
wodurch die Konstruktion zusätzlich
vereinfacht wird. Der Dehnkörper 13 kann
beispielsweise als viellagiges piezoelektrisches Element gestaltet
sein. Andere thermische Dehnkörper 13 oder
Materialien mit Memory-Effekt können
durch hohe Ströme
kurzzeitig stark erhitzt werden, um die gewünschte Längenausdehnung zu erzielen.
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Wird
nun der Dehnkörper 13 bestromt,
hebt er den topfförmigen
Körper 9 gegen
den Gasdruck und das Federelement 10 vom Deckel 3 ab,
so dass sich zwischen der Unterseite 11 des Deckels 3 und dem
Rand des topfförmigen
Körpers 9 ein
kleiner Spalt in einer Größenordnung
1/100 bis 1 mm, insbesondere circa 1/10 Millimeter, bildet. Dieser
Spalt stellt eine Verbindung zwischen den Ausströmöffnungen 4 des Deckels 3 und
dem Ringspalt 17 zwischen dem topfförmigen Körper 9 und dem Innendurchmesser
des Druckbehälters 1 her,
so dass das Druckgas 2 entweichen kann. Die Höhe des Spaltes
und der Durchmesser des Überströmrandes
des topfförmigen
Körpers 9 ergeben
den Durchströmquerschnitt für das ausströmende Druckgas 2.
Daraus ergeben sich eine Fülle
von Einstellmöglichkeiten,
indem abhängig
von der Anwendung durch die Auswahl des Durchmessers des topfförmigen Körpers 9 und
der Höhe
des Spaltes sowie die Größe der Ausströmöffnungen 4 die
Ausströmzeit
des Druckgases festgelegt werden kann.
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Nachdem
das Druckgas ausgeströmt
ist und die Bestromung des Dehnkörpers 13 beendet
ist, bzw. der Dehnkörper 13 abgekühlt ist
und sich wieder zusammengezogen hat, kehrt der topfförmige Körper 9 durch
die Kraft des Federelements 10 wieder in seine Ausgangslage
zurück.
Prinzipiell ist damit der Kaltgasgenerator wieder bereit, befüllt zu werden. Hierzu
wird das Mundstück
des Airbags oder der anwendungsspezifischen Einrichtung von dem
Kaltgasgenerator entfernt und gegen eine Befülleinrichtung ausgetauscht.
Das erfordert keine besondere Fertigungseinrichtung, so dass diese
Befüllung
prinzipiell am Ort der Einrichtung durchgeführt werden kann.
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Für die Befüllung bieten
sich prinzipiell zwei verschiedene Möglichkeiten an. Nachdem das
Mundstück
der Befülleinrichtung
dicht an den Kaltgasgenerator angesetzt ist, kann beispielsweise
der Druckbehälter 1 mechanisch
geöffnet
werden, indem einfach über
den Stift 6 der topfförmige
Körper 9 gegen
das Federelement 10 nach unten gedrückt wird, wodurch sich der
Spalt zwischen der Unterseite 11 des Deckels 3 und
dem Rand des topfförmigem
Körpers 9 öffnet. Eine
andere Möglichkeit
ist, den Dehnkörper 13 zu
bestromen, der dann ebenfalls den Spalt öffnet. Nachdem der Druckbehälter 1 auf
eine der beschriebenen Arten geöffnet
ist, kann durch Öffnen
eines Ventils der Befülleinrichtung
das Druckgas 2 eingefüllt
werden.
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Für die Befüllung können je
nach Anwendung und Einsatzort verschiedene Einrichtungen verwendet
werden. Die Befüllung
ist beispielsweise durch eine mit Druckgas 2 gefüllte Kartusche
möglich,
die lagermäßig beim
Anwender des Kaltgasgenerators verfügbar ist und in eine geeignete
Halterung eingesetzt wird, die mit dem Mundstück des Kaltgasgenerators verbunden
wird. Nachteilig ist dabei in der Regel, dass die Kartusche nur
einmal zu verwenden ist. Eine andere Möglichkeit wäre die Befüllung über eine Hochdruckpumpe. Dies
erfordert allerdings, dass dieselbe und das benötigte Gas in geeigneter Form
beim Anwender verfügbar
ist oder dass der Kaltgasgenerator von der anwendungsspezifischen
Einrichtung entfernt wird, damit er bei einem Unternehmen befüllt werden
kann, das über
die geeignete Einrichtung verfügt.
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Es
ist auch denkbar, dass die Befülleinrichtung
mit einer genau definierten Menge Flüssiggas gefüllt ist, das drucklos per Schwerkraft
in den Kaltgasgenerator fließt,
dort durch die natürliche
Erwärmung
den Aggregatzustand ändert
und damit den geforderten Gasdruck aufbaut. Nachteilig ist wie bei
allen kryogenen Gasen, dass die Handhabung wegen der in der Regel
sehr niedrigen Temperaturen besondere Kenntnisse erfordert, wenn
beispielsweise Vereisung durch Luftfeuchtigkeit verhindert werden
soll, dass die Befülleinrichtung
gut isoliert sein muss, damit genügend Transportzeit vom Flüssiggashersteller bis
zum Anwender zur Verfügung
steht. Damit steht die Befülleinrichtung
auch nicht lagermäßig beim
Anwender zur Verfügung.
Auch erfordert die Befüllung eine
definierte Stellung des Kaltgasgenerators und eine vorherige Evakuierung
desselben, um eine Vermischung des Kaltgases mit Luft zu verhindern.
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Eine
besonders einfache Ausführung
bietet sich an, wenn die Befülleinrichtung
auf ähnliche
Art gestaltet ist, wie der Kaltgasgenerator selbst. Dann wird die
Befülleinrichtung
gleichzeitig mit dem Kaltgasgenerator durch Bestromung der Dehnkörper 13 oder
mechanische Betätigung
der federbelasteten Stifte 6 geöffnet, so dass sich zwischen
der Befülleinrichtung
und dem Kaltgasgenerator ein Druckgleichgewicht einstellt, das dem
geforderten Nenndruck des Kaltgasgenerators entspricht, bevor Befülleinrichtung
und Kaltgasgenerator wieder verschlossen werden. Eine solche Befülleinrichtung
kann lagermäßig beim
Anwender verfügbar
sein. Diese Art der Befüllung
hat auch den Kostenvorteil der Wiederverwendbarkeit der Befülleinrichtung,
nachdem sie beim Hersteller neu be füllt wurde. Auch kann eine solche Befülleinrichtung
ein Vielfaches der für
den Kaltgas benötigten
Gasmenge beinhalten, so dass mit einer einzigen Befülleinrichtung
mehrere Kaltgasgeneratoren befüllt
werden können.
Dies ist vor allem dann sehr vorteilhaft, wenn beispielsweise ein
Verschlusssystem mehrere solcher Kaltgasgeneratoren aktiviert hat.
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Alle
vorbeschriebenen Merkmale sind jeweils für sich erfindungswesentlich
und können
beliebig miteinander kombiniert werden.