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Die
Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere für
ein Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem, mit wenigstens einem
Anzünder und einer ein pyrotechnisches Festtreibstoffbett
enthaltenden Brennkammer.
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Gasgeneratoren
dieser Art sind entweder Festtreibstoffgeneratoren oder sogenannte
Hybrid-Generatoren mit einer Brennkammer mit Festtreibstoff und
mit Druckgas. Der Anzünder erzeugt bei seiner elektrischen
Aktivierung heißes Gas und Partikel, die in der Brennkammer
den pyrotechnischen Treibsatz entzünden. Üblicherweise
besteht das pyrotechnische Festtreibstoffbett aus einer losen, d.
h. chaotischen Schüttung kleiner Festtreibstofftabletten.
Das Treibstoffbett wird von einer Seite gezündet, und das
entstehende Gas strömt dann durch den noch nicht entzündeten
Teil des Festtreibstoffs, der die Abströmung des entstehenden
Gases mehr oder weniger behindert. Insbesondere bei Brennkammern,
die lang gestreckt sind und von einer Stirnseite her angezündet
werden, also Brennkammern mit einem im Verhältnis zu ihrer
Länge geringen Querschnitt, kann es zu einem Zurückstauen
des Gases kommen. Man spricht hier von einer sogenannten „Klemmung",
bei der erzeugtes Gas nicht schnell genug abgeführt werden
kann. Darüber hinaus kann es zu Nachbrennerscheinungen
kommen. Der Gasstau kann auch zum Verdichten der Tabletten und zu einem
Bruch von einzelnen Tabletten führen, sodass während
des Zündens eine Verdichtung des noch nicht gezündeten
Treibstoffs stattfindet, was obige Effekte noch verstärkt.
Es kommt damit zu einem langsameren Abbrand des Treibstoffs aufgrund
der geringeren Oberfläche, sodass der Druckanstieg des ausströmenden
Gases negativ beeinflusst werden kann. Auch die Reproduzierbarkeit
des Druckverlaufes, bezogen auf das aus dem Gasgenerator ausströmende
Gas, wird erschwert.
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Die
EP 0 997 356 B1 oder
die
US 5 882 036 schlagen
deshalb vor, zwischen der Innenseite der Brennkammerwand und dem
Treibstoffbett noch einen filterartigen Abstandshalter einzubauen,
der radial von der Innenseite der Brennkammerwand beabstandet ist
und für Ausströmkanäle sorgt. Über
diese Kanäle kann das entstehende Gas schnell zu anderen
Bereichen des Treibstoffsatzes strömen und diese entzünden,
oder das Gas kann auch schnell ohne Behinderung durch den restlichen
Treibstoff über die Kanäle ausströmen.
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Der
Aufwand für eine solche Konstruktion soll durch die Erfindung
verringert werden, denn die zylindrischen Filterelemente müssen
relativ stabil ausgeführt sein, um bei dem entstehenden
Druck in ihrem Inneren nicht radial nach außen gegen die
Innenseite der Brennkammerwand gedrückt zu werden und den
oder die Kanäle einzuengen oder zu verschließen.
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Dies
wird bei einem Gasgenerator der eingangs genannten Art durch wenigstens
ein in der Brennkammer angeordnetes Wandteil erreicht, das durch
den bei Aktivieren des Gasgenerators erzeugten Gasstrom in den noch
nicht entzündeten Bereich des Treibstoffbetts bewegt wird
und in seinem Inneren einen in das Treibstoffbett hineinragenden
Gasführungskanal definiert. Das Wandteil bei der Erfindung
ist im Gegensatz zu den Filtern im Stand der Technik beweglich angeordnet
und dringt "tiefer" in das Treibstoffbett ein. Durch die Bewegung
in Strömungsrichtung setzt das Wandteil der Gasströmung einen
geringen Widerstand entgegen, sodass die Belastung des Wandteils
geringer ist als die der Filter im Stand der Technik. Um die vorher
erwähnte Klemmung zu vermeiden und ein schnelles Anzünden
des Gases sicherzustellen, bewegt sich das Wandteil in das Treibstoffbett
hinein und ermöglicht es, den Treibstoff von einer anderen
Seite aus anzuzünden als über die sich gleichmäßig
hinwegbewegende Flammfront. Der Gasführungskanal kann zum
Beispiel im Inneren des durch das Wandteil gebildeten Raumes oder
zwischen Innenseite der Brennkammerwand und Außenseite
des Wandteils gebildet werden. Über die Größe
des Wandteils lassen sich auch sehr einfach und schnell Ausströmparameter des
Gasgenerators einstellen.
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Damit
das Wandteil der Strömung einen geringen Widerstand entgegensetzt,
sollte es Öffnungen besitzen, die wenigstens 50% der Umhüllenden der
Brennkammer freigeben. Die Umhüllende wäre beispielsweise
bei einer zylindrischen Wand die Umfangsfläche sowie die
beiden Stirnseiten. 50% dieser Fläche sollten zumindest
aus Durchströmöffnungen oder freien Seiten bestehen.
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Das
Wandteil kann natürlich auch als Filter oder Vorfilter
dienen. Auch über die geometrische Form des Wandteils lässt
sich übrigens der Abbrand kontrollieren.
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Der
erfindungsgemäße Gasgenerator hat eine Brennkammer,
deren Länge vorzugsweise wenigstens dem Dreifachen des
größten Querschnitts entspricht.
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Die
anfängliche, im nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators
bestehende Länge des Wandteils (in Bewegungsrichtung gemessen)
sollte vorzugsweise maximal 80% der Länge des Treibstoffbettes sein,
um noch genügend Bewegungsstrecke zur Verfügung
zu haben.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Wandteil
hohl und zumindest bei der Bewegung radial abschnittsweise offen ist,
um heißes Gas zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren
Abschnitt der Brennkammer strömen zu lassen. Dieses heiße
Gas dient dann der Anzündung des noch nicht aktivierten
Abschnitts des Festtreibstoffs. Dieser noch nicht gezündete
Teil kann der radial äußere oder der radial innere
Abschnitt sein.
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Das
Wandteil ist beispielsweise so ausgeführt, dass es sich
als Gesamtheit in der Brennkammer bewegt.
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Alternativ
oder zusätzlich hierzu kann das Wandteil elastisch ausgeführt
sein und sich im Treibstoffbett ausdehnen. Dabei wäre es
möglich, das Wandteil an einem Ende fest mit der Brennkammerwand
oder einem anderen feststehenden Teil des Gasgenerators zu verbinden.
Das Wandteil würde dann durch die Strömung ausgedehnt
werden, um den Gasführungskanal in das Treibstoffbett einzutreiben.
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Ein
Beispiel für ein solches elastisches Wandteil ist eine
Feder, insbesondere eine Schraubenfeder, die an einem axialen Ende
beweglich ist und sich beim Zünden axial ausdehnt. Die
Schraubenfeder kann zylindrisch ausgeführt sein oder kegelig.
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Wenn
das Wandteil ein offenes Einströmende hat, welches insbesondere
ein axiales Ende ist, gelangt das Gas ohne Strömungswiderstand
sofort in das Innere des Wandteils, um dieses dann zu bewegen, wobei
aber Bewegung, wie zuvor erläutert, auch Ausdehnung sein
kann.
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Am
dem Einströmende entgegengesetzten Ausströmende
lässt sich das Wandteil ebenfalls offen oder geschlossen
ausbilden. Mit dem Ausströmende voraus bewegt sich das
Wandteil dann weiter in das Treibstoffbett hinein.
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Vorzugsweise
hat die Brennkammer eine sogenannte Zünderseite, und das
Wandteil wird bei Aktivierung des Gasgenerators von einer Stellung,
die näher zur Zünderseite ist, in eine von der
Zünderseite entferntere Stellung bewegt. Eine andere Ausführungsform
sähe vor, dass durch Gasumlenkung das Gas zur Bewegung
des Wandteils nicht von der Zünderseite auf das Wandteil
trifft.
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Die
Anordnung des Anzünders, die Geometrie der Innenwände
und die Anordnung der Ausströmöffnungen ergibt
in der Brennkammer eine Hauptströmungsrichtung. Das Wandteil
sollte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
in dieser Hauptströmungsrichtung bewegt werden, um eine
Gasumlenkung zu vermeiden.
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Damit
die Bewegung des Wandteils möglichst reproduzierbar erfolgt,
ist insbesondere eine Halterung vorgesehen.
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Diese
Halterung kann eine Führung, insbesondere eine Linearführung
sein. Alternativ ist auch eine einseitige Befestigung des Wandteils
möglich. An diesem einseitigen Befestigungsende wäre
das Wandteil dann permanent befestigt. Diese Lösung ist insbesondere
für die zuvor erwähnte elastische Ausführung
des Wandteils vorteilhaft.
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Eine
Ausführungsform des Wandteils sieht vor, dieses als hohlen,
zylindrischen Körper auszuführen, über
dessen eine Stirnseite erzeugtes Gas einströmt.
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Das
Wandteil kann sich zumindest auf einem Teil seiner Außenseite
an der Brennkammerwand abstützen. Die Brennkammerwand bildet
dann eine Halterung und eine Führung für das Wandteil.
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Im
nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators kann sich innerhalb
des Wandteils bereits Treibstoff befinden, d. h. im Inneren des
Wandteils muss noch kein freigelegter Gasführungskanal
gebildet sein. Dies macht den erfindungsgemäßen
Gasgenerator kompakter, da die Brennkammer durch das Wandteil keine
zusätzliche Vergrößerung erfährt.
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Im
nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators sollte das Wandteil
an eine Trennwand zum Anzünder angrenzen, um einen definierten
Anfangszustand zu besitzen und um sicherzustellen, dass das Wandteil
möglichst schnell vom bereits durch den vom Anzünder
erzeugte Gas bewegt wird.
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Die
Trennwand kann wenigstens eine Durchströmöffnung
haben, die in das Innere des Wandteils mündet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug
genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen
Gasgenerator gemäß einer ersten Ausführungsform
im nicht aktivierten Zustand,
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2 eine
Längsschnittansicht durch den Gasgenerator nach 1 im
aktivierten Zustand,
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3 eine
Frontansicht des Wandteils beim Gasgenerator nach 1,
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4 eine
Seitenansicht des Wandteils nach 3,
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5 eine
Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen
Gasgenerator gemäß einer zweiten Ausführungsform
im nicht aktivierten Zustand,
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6 eine
Längsschnittansicht durch den Gasgenerator nach 5 im
aktivierten Zustand,
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7 eine
Frontansicht des Wandteils beim Gasgenerator nach 5,
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8 eine
Seitenansicht des Wandteils nach 7,
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9 eine
Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen
Gasgenerator gemäß einer dritten Ausführungsform
im nicht aktivierten Zustand,
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10 eine
Längsschnittansicht durch den Gasgenerator nach 9 im
aktivierten Zustand,
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11 eine
Detailansicht des Wandteils des Gasgenerators nach 6 im
nicht aktivierten Zustand,
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12 eine
Detailansicht des Wandteils nach 11 im
aktivierten Zustand, und
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13 eine
Längsschnittansicht durch den Gasgenerator gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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In 1 ist
ein Gasgenerator in Form eines langgestreckten Rohrgasgenerators
gezeigt. Das Außengehäuse 10 hat eine
Gesamtlänge, die mehr als das Vier-Fache, insbesondere
mehr als das Acht-Fache des Durchmessers besitzt. An dem in 1 linken
Ende ist ein Anzünder 12 angeordnet. Der Anzünder 12 ist
eine vorgefertigte, in sich geschlossene Einheit. An den Anzünder 12 grenzt eine Anzünderkammer 14 an,
die mit Festtreibstoff 16 gefüllt ist. Die Anzünderkammer 14 wird über
eine scheibenartige Trennwand 18 von einer angrenzenden,
langgestreckten Brennkammer 20 getrennt. Die Brennkammer 20 besitzt
eine Gesamtlänge L, die wenigstens dreimal so groß ist
wie die größte Erstreckung im Querschnitt. Da
im Ausführungsbeispiel die Brennkammer 20 einen
zylindrischen Außenumfang hat, ist der Durchmesser D das
Vergleichsmaß.
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Die
Brennkammer 20 ist mit einem pyrotechnischen Festtreibstoffbett 22 gefüllt.
Das Treibstoffbett 22 besteht aus einer Schüttung
einzelner Treibstofftabletten.
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In
der Brennkammer 20 ist ein Wandteil 24 in axialer
Richtung beweglich angeordnet.
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Das
hohle Wandteil 24 ist in den 3 und 4 genauer
zu sehen. Es hat bei dieser Ausführungsform eine im Wesentlichen
zylindrische, ringförmige Umfangswand 26 mit zahlreichen Öffnungen 28.
Die beiden Stirnseiten 30, 32 an dem Einström- bzw.
Ausströmende sind komplett offen. Im Bereich des Einströmendes
ist an der Umfangswand 26 ein axial abstehender Bund 34 angeformt,
was durch entsprechendes Umformen des Rohrendes leicht zu fertigen
ist. Mit diesem Bund 34 liegt das Wandteil somit mit einem
Teil seines Außenumfangs an der Innenseite des Außengehäuses
gleitverschieblich an. Der Rest der Umfangswand 26 liegt
von der Innenseite der Außenwand 10 geringfügig
beabstandet.
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Die
Länge l des Wandteils 24 entspricht maximal 80%
der Länge L der Brennkammer 20.
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In
der in 1 gezeigten nicht aktivierten Stellung des Gasgenerators
liegt das Wandteil 24 mit seiner linken Stirnseite 30 an
der Trennwand 18 an. Die Trennwand 18 hat eine
Durchströmöffnung 38, die in das Innere
des Wandteils 24 mündet. Das Innere des Wandteils 24 ist
durch die Umfangswand 26 definiert.
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Der
Festtreibstoff in der Brennkammer 20 füllt nicht
nur das hohle Innere des Wandteils 24, sondern auch den
Abschnitt 42 der Brennkammer zwischen der Stirnwand 32 und
einer verschieblichen, gasdurchlässigen Wand 44 ist
mit Treibstoff gefüllt. In der Ringkammer 40 ist
jedoch kein Festtreibstoff untergebracht, hierzu ist die Ringkammer
zu schmal.
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Die
Wand 44 ist beispielsweise eine gelochte Scheibe. An sie
grenzt ein sogenannter Füllkörper 46 an,
der die Wand 44 gegen das Treibstoffbett 22 drückt
und es vorspannt. Der Füllkörper 46 ist
beispielsweise eine Feder. Die Feder umgibt ein Kegelsieb 48,
das an eine mit einer zentrischen Öffnung 52 versehene
Wand 50 angrenzt. Die Wand 50 wiederum trennt
den mit dem Füllkörper 46 und dem Sieb 48 versehenen
Raum 54 von einer Filterkammer 56 ab. In der Filterkammer 56 ist
ein zylindrischer Filter 58 vorgesehen.
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Das
Außengehäuse 10 hat im Bereich des Filterraums 56 mehrere
am Umfang verteilte Ausströmöffnungen 60.
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Die
Funktionsweise des Gasgenerators wird nun anhand der 1 und 2 beschrieben.
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Bei
Aktivieren des Zünders 12 wird in der Anzünderkammer 14 der
Treibsatz 16 entzündet, und das heiße
Gas sowie eventuelle Partikel strömen über die
Durchströmöffnung 38 in das Innere des Wandteils 24,
d. h. in diesen radial inneren Abschnitt der Brennkammer. Der Treibstoff
im Inneren des Wandteils 24 wird entzündet. Das
entstehende heiße Gas zusammen mit dem heißen
Gas aus der Anzünderkammer 14 bewegen das Wandteil 24 in
Hauptströmungsrichtung axial in Richtung zur Wand 44. Obwohl
die beiden Stirnseiten 30, 32 offen sind, wird ein
Schub durch den Gas- und Druckstoß erzeugt. Zum einen ist
die Strömung nicht exakt axial ausgerichtet, sondern turbulent,
sodass auch eine schräg nach rechts verlaufende Strömungskomponente
vorhanden ist, die schräg auf die Wandung der Öffnungen 28 in
der Umfangswand 26 treffen und hierdurch einen Impuls auf
das Wandteil 24 auslösen. Zum anderen verhaken
sich auch einige Treibstoffkörper in den Öffnungen 28,
was zu einer Angriffsfläche für den Druckimpuls
sorgt. Das Gas strömt auch radial durch die Öffnungen 28 nach
außen und über die Ringkammer 40 in den
Festtreibstoff zwischen Stirnwand 32 und Wand 44.
Auch über die Stirnseite 32 strömt natürlich
Gas in den Bereich noch nicht verbrannten Treibstoffs.
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Das
Wandteil 24 bewegt sich innerhalb des Treibstoffbetts 22 nach
rechts. Soweit dies anhand von Röntgenaufnahmen herausgefunden
werden konnte, verdrängt das Wandteil 24 dabei
die Treibstoffkörper nach innen und außen. Nur
ein Teil des in Bewegungsrichtung vor deren Wandteil 24 liegenden Treibstoffs
wird entzündet, bevor das Wandteil 24 diesen Abschnitt
des Treibstoffbetts erreicht. Das Wandteil 24 wandert sozusagen
mit der Druckwelle mit und bahnt sich seinen Weg durch das Festtreibstoffbett 22.
Im Inneren des Wandteils 24 zündet dann der restliche
Treibstoff, d. h. der noch nicht entzündete Treibstoff,
und anschließend strömt dieses Gas radial nach
außen.
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Das
Wandteil 24 stößt schließlich
an der Wand 44 an.
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Die
Verschieblichkeit der Wand 44 kann die Verdrängung
der Treibstoffkörper durch die Bewegung des Wandteils 24 unterstützen,
sodass es vorteilhaft, jedoch nicht zwingend notwendig ist, dass zumindest
eine die Brennkammer 20 begrenzende Wand flexibel bzw.
verschieblich ausgeführt ist.
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Die
Versuche, die bislang gemacht wurden, haben gezeigt, dass durch
das bewegliche Wandteil 24 bei langgestreckten Brennkammern
die Tendenz zum strömungsmechanischen „Klemmen"
des Treibstoffbetts verringert wird, indem der Durchflußwiderstand
des Verbrennungsgases durch das Treibstoffbett hindurch wesentlich
verringert wird.
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Die
Bewegung des Wandteils 24 in der Brennkammer 20 wird
durch eine Halterung geführt, die vorliegend durch den
Bund 34 und die Innenseite des Außengehäuses 20 gebildet
ist, die sich zu einer Linearführung ergänzen.
Der Bund 34 kann im Übrigen geschlossen oder offen
ausgeführt sein.
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Die
Ausführungsform nach den 5 bis 8 entspricht
im Wesentlichen der zuvor erwähnten ersten Ausführungsform,
sodass im Folgenden nur noch auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Der
Unterschied hier besteht in der Ausführung des Wandteils 24,
welches gemäß der zweiten Ausführungsform
als sternförmig oder wellenförmig gefalteter bzw.
umgeformter Blechkörper ausgeführt ist. Im Gegensatz
zum Wandteil nach den 3 und 4 ist das
Wandteil 24 nach den 7 und 8 im
Querschnitt gesehen nicht geschlossen umlaufend, sondern teilweise
offen (siehe oberer Abschnitt in 7). Auch
hier sind an der Umfangswand 26 zahlreiche Öffnungen 28 vorgesehen,
und auch hier sind die Stirnseiten 30, 32 vollständig
offen ausgeführt.
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Mit
den äußeren Spitzen oder äußeren
Abschnitten der Umfangswand 26 liegt das Wandteil 24 an
der Innenseite des Außengehäuses 10 an,
sodass auch hier eine Halterung und Führung für
das Wandteil 24 gebildet ist. Das Wandteil 24 bewegt
sich, wie anhand der 5 und 6 zu sehen,
nach dem Zünden von der Ausgangslage, in der es an der Wand 18 liegt,
bis zur Wand 44.
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Die
dritte Ausführungsform gemäß den 9 bis 12 hat
ein anders ausgeführtes Wandteil 24, das in dieser
Ausführungsform elastisch dehnbar ausgeführt ist.
Ein Beispiel für eine solche Dehnbarkeit ist die Ausführung
als Feder, insbesondere Schraubenfeder. Das Wandteil 24 ist über
ein Rohr 62 an der Wand 18 befestigt, d. h. einseitig
befestigt. Beim Zünden dehnt sich das Wandteil 24 elastisch
in axialer Richtung aus (siehe 12) und drückt
sich tiefer in das Treibstoffbett 22. Die rechte Stirnseite 32 ist
bei dieser Ausführungsform nicht komplett offen. Die das
Wandteil 24 bildende Feder hat nämlich in diesem
Bereich ein Ende, welches radial nach innen abgewinkelt wird. Bei
dieser Ausführungsform ist auch kein Treibstoff im Inneren
des Wandteils 24 vor dem Zünden enthalten. Das
Wandteil 24 drückt sich auch axial nicht in das
Treibstoffbett 22 so hinein, dass Treibstoff axial in das
Innere des Wandteils eindringt. Vielmehr dehnt sich das Wandteil 24 und
schiebt sich zwischen einzelne Treibstoffkörper hindurch
nach rechts in Richtung zur Wand 44, die es ggf. auch erreichen
kann.
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Bei
der Ausführungsform nach 13 grenzt
der Anzünder 12 unmittelbar an die Brennkammer 20 an,
er ragt sogar etwas in den durch das Wandteil 24 gebildeten
Hohlraum hinein. Die Anzünderkammer 14 und die
Trennwand 18 entfallen hier. Das Wandteil 24 wird
durch eine Feder gebildet, bei der kein Treibstoff durch das Wandteil 24 umschriebenen
Hohlraum untergebracht ist. Das Wandteil 24 wird nur durch
die heißen Gase des Anzünders 12 ausgedehnt.
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Bei
allen Ausführungsformen entsteht durch das sich bewegende
Wandteil 24 ein Gasführungskanal im Inneren des
Wandteils bzw. verlängert sich der Gasführungskanal.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0997356
B1 [0003]
- - US 5882036 [0003]