DE102008022755B4

DE102008022755B4 - Gasgenerator

Info

Publication number: DE102008022755B4
Application number: DE200810022755
Authority: DE
Inventors: Dr. Jung Christian
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: US20100031843A1; US7987792B2; DE102008022755A1

Abstract

Gasgenerator mit einem Anzünder (20) und einem ein erstes Füllgas (26) enthaltenden Druckgasbehälter (12), der eine von einer ersten Berstmembran (14) verschlossene Ausströmöffnung (16) aufweist, wobei der Anzünder (20) bei der Aktivierung des Gasgenerators (10) eine Stoßwelle (S) erzeugt, die wenigstens abschnittsweise durch den Druckgasbehälter (12) verläuft, bevor sie die erste Berstmembran (14) zerstört, wobei der Druckgasbehälter (12) mit einer Mischung aus dem ersten Füllgas (26) und wenigstens einem zweiten Stoff (28) mit einer höheren Molmasse als Helium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Stoffes (28) zwischen 1 und 13 Mol-% der Gesamtfüllmenge liegt oder maximal die Gesamtmasse des ersten Füllgases (26) erreicht, dass das erste Füllgas (26) Helium, Wasserstoff oder eine Mischung beider Gase ist, und dass der zweite Stoff (28) aus Kleinstteilchen in Form eines pulverförmigen Feststoffs besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Nach der Zerstörung der Berstmembran treten das erste Füllgas und auch das bei der Zündung des Anzünders aus dem mit diesem assoziierten Treibsatz erzeugte Gas durch die Ausströmöffnung aus dem Gasgenerator aus und füllen z. B. einen Gassack oder treiben eine mechanische Vorrichtung wie einen Gurtstraffer an.
Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Methoden, um ein Öffnen der Berstmembran durch den Innendruck des Druckgasbehälters zu erreichen. Im ersten Fall wird durch eine Temperaturerhöhung der Innendruck im gesamten Druckgasbehälter relativ homogen und relativ langsam erhöht, bis der Innendruck den Berstdruck der Berstmembran überschreitet. Im zweiten Fall wird, z. B. durch den Anzünder, eine Schockwelle erzeugt, die den Druckgasbehälter durchläuft und auf die Berstmembran trifft. In diesem Fall wird lediglich lokal und kurzzeitig der Druck an der Berstmembran über den Berstdruck erhöht, während im restlichen Druckgasbehälter ein deutlich niedrigerer Druck herrscht. Der Vorteil der Stoßwellentechnik liegt darin, daß ein schnelles Öffnen der Berstmembran erreicht wird, da die Stoßwelle sehr schnell die Berstmembran erreicht.
In der DE 203 19 564 U1 ist ein Gasgenerator beschrieben, bei dem die Druckkammer mit einem Gemisch aus Helium, Argon und Sauerstoff gefüllt ist.
Die gattungsgemäße US 2006/0290108 A1 beschreibt einen Gasgenerator, dessen Druckkammer mit einem Gemisch aus Wasserstoff, Helium, Argon, Neon, Stickstoff und Sauerstoff gefüllt sein kann. Der minimale Anteil an schweren Gasen liegt dort bei 7 Mol-%.
Eine Stoßwelle überträgt einen umso höheren Impuls, je schwerer die Teilchen des Stoffes sind, den die Stoßwelle durchläuft. Die Ausströmgeschwindigkeit des Gases aus dem Gasgenerator ist jedoch umso höher, je leichter das Füllgas ist.
Dieses inhärente Problem wird durch einen Gasgenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Wie sich herausgestellt hat, bewirkt bereits diese geringe Beimischung schwererer Stoffe ein zuverlässiges Öffnen der Berstmembran unter Beibehaltung der schnellen Ausströmcharakteristik.
Der zweite Stoff besteht aus Kleinstteilchen (z. B. Nano- oder Mikroteilchen). Hier wird also ein pulverförmiger Feststoff verwendet, dessen Korngrößen im Bereich von vorzugsweise maximal 10 μm liegen. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung des Impulses der Stoßwelle aufgrund der höheren Masse der Nanoteilchen, so daß die Membran effektiv geöffnet wird.
Die Kleinstteilchen können beispielsweise in Form eines Aerogel-Pulvers bereitgestellt werden. Dieses Material ist einfach mit den gewünschten Korngrößen herstellbar und führt z. B. in einem Gassack nicht zur Beeinträchtigung der Funktion.
Vorzugsweise ist in diesem Fall die Gesamtmasse der Kleinstteilchen kleiner als die Gesamtmasse des ersten Füllgases.
Bei dem zweiten Stoff handelt es sich jeweils nur um eine volumenmäßig geringfügige Beimischung, die das Öffnungsverhalten der Berstmembran, nicht aber das Ausströmverhalten des Gases aus dem Gasgenerator beeinflussen soll.
In einer bevorzugten Bauweise weist der Gasgenerator ein langgestrecktes Außengehäuse auf, und der Anzünder ist an einem ersten axialen Ende des Außengehäuses und die Ausströmöffnung an einem zweiten Ende des Außengehäuses angeordnet. Erfindungsgemäße Gasgeneratoren können sowohl für Beifahrer-Gassackmodule als auch für Gassackmodule, die in Rückenlehnen oder der Fahrzeugseite verbaut werden, verwendet werden. Auch weitere Einsatzbereiche sind natürlich denkbar.
Besonders gute Ergebnisse erzielt man wegen der idealen Impulsübertragung, wenn die vom Anzünder erzeugte Stoßwelle senkrecht zur Berstmembran verläuft.
Der Druck im Druckgasbehälter kann vor der Aktivierung des Gasgenerators bei etwa 500 bar (bei 20°C) liegen.
Vorteilhaft ist der Anzünder vom Druckgasbehälter durch eine zweite Berstmembran abgetrennt, so daß sich im Anzünderraum bei der Zündung des Gasgenerators zunächst ein vorbestimmter Druck aufbaut, der durch den Berstdruck dieser zweiten Berstmembran bestimmt ist. Birst die zweite, anzünderseitige Berstmembran, bewirkt der schlagartig auftretende Druckunterschied die Auslösung der Stoßwelle, die durch den Druckgasbehälter zur zweiten Berstmembran läuft.
Die Stoßwellengeschwindigkeit liegt vorzugsweise zwischen 750 und 1250 m/s. Die Zeit zwischen dem Öffnen der anzünderseitigen zweiten und der ausströmöffnungsseitigen ersten Berstmembran beträgt vorteilhaft zwischen 0,03 und 0,35 ms. Dies gilt für Gasgeneratoren mit Druckgaskammern, die eine Länge zwischen 4 und 24 cm aufweisen.
Der inverse Versagensdruck der zweiten Berstmembran, also der Differenzdruck auf der Anzünderseite, bei der die zweite Berstmembran zerstört wird, liegt vorzugsweise zwischen 0,75 p_DGB und 1,25 p_DGB, wobei p_DGB den Druck im Druckgasbehälter bezeichnet. Es hat sich herausgestellt, daß bei diesen Werten eine ausreichend starke Stoßwelle erzeugt wird, wenn ein standardmäßiger Anzünder verwendet wird.
Vorzugsweise liegt die Größe M_A·T_G/(M_G·T_A) zwischen 0,1 und 2, wobei M_G die Molmasse des ersten Füllgases, M_A die Molmasse des vom Anzünder erzeugten Gases, T_G die Temperatur des ersten Füllgases und T_A die Temperatur des vom Anzünder erzeugten Gases bezeichnet. Die Temperatur T_G des ersten Füllgases bezieht sich auf den Zustand direkt vor bzw. während der Zündung.
Das Verhältnis M_G ^½/d² liegt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,25, wobei M_G die Molmasse des ersten Füllgases in g/mol und d der kleinste Durchmesser der Ausströmöffnung bei der ersten Membran in mm ist. Dieses Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Ausströmöffnung und der Menge des ersten Füllgases in der Druckgaskammer erlaubt es, den Gasgenerator einfach auf seinen Anwendungszweck abzustimmen. Indem die Füllmenge und/oder der Durchmesser entsprechend verändert wird, kann die Stoßwellentechnik bei unterschiedlich dimensionierten Gasgeneratoren zum Einsatz kommen. Es hat sich herausgestellt, daß sich so sowohl ein gutes Öffnen der Berstmembran als auch eine ausreichende Gasmenge für den jeweiligen Einsatzzweck erzielen läßt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator.
Der in der Figur dargestellte Gasgenerator 10 besitzt einen langgestreckten, zylinderförmigen Druckgasbehälter 12, der an einem axialen Ende eine von einer ersten Berstmembran 14 verschlossene Ausströmöffnung 16 aufweist. Bei der ersten Membran 14 hat die Ausströmöffnung einen engsten Durchmesser d, der im Normalfall kleiner ist als der Durchmesser D des Druckgasbehälters 12. Im gezeigten Fall ist die Ausströmöffnung 16 von einem optionalen Diffusor 18 überdeckt, der für eine Verteilung des austretenden Gases sorgt.
Der gezeigte Gasgenerator 10 könnte beispielsweise zur Füllung eines Gassacks einer Beifahrer-Schutzvorrichtung eingesetzt werden. Die Erfindung ist aber nicht auf derartige Gasgeneratoren beschränkt, sondern kann in allen Gasgeneratoren zum Einsatz kommen, in denen eine Stoßwelle zum Öffnen einer Berstmembran verwendet wird.
An dem der ersten Berstmembran 14 gegenüberliegenden axialen Ende des Gasgenerators 10 ist ein Anzünder 20 vorgesehen, der auf bekannte Weise aufgebaut ist. Ein im Anzünder 20 angeordneter Treibsatz wird elektrisch von außen gezündet, wenn der Gasgenerator 10 aktiviert werden soll. Zwischen dem Anzünder 20 und dem Druckgasbehälter 12 ist ein Anzünderraum 22 vorgesehen, der deutlich kleiner ist als der Druckgasbehälter 12. Der Anzünderraum 22 ist vom Druckgasbehälter 12 durch eine zweite Berstmembran 24 zunächst gasdicht getrennt.
Im Druckgasbehälter 12 ist eine Menge M_G eines ersten Füllgases 26 aufgenommen, das Wasserstoff, Helium oder eine Mischung aus beiden Gasen ist. Dem ersten Füllgas 26 ist ein geringer Anteil eines zweiten, schwereren Stoffes 28 beigemischt, der insbesondere eine höhere Molmasse als Helium aufweist. In der Figur ist der zweite Stoff 28 durch Punkte angedeutet. Beim zweiten Stoff 28 handelt es sich in einer nicht zur Erfindung gehörenden Variante um ein Gas, wobei Gase mit hohen Molmassen bevorzugt werden, wie Argon, Neon, Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid, Sauerstoff, Distickstoffoxid oder einer Mischung aus wenigstens zweien dieser Gase. Die Beimischung des zweiten Stoffes 28 ist dann so gewählt, daß der Anteil des ersten Füllgases 26 an der Gesamtfüllmenge zwischen 87 und 99 Mol-% liegt.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem zweiten Stoff 28 um Kleinstteilchen, hier Mikro- oder Nanoteilchen, also einem Feststoff mit Korngrößen bis hin zu etwa maximal 10 μm. Hier kommt z. B. ein Aerogel-Pulver in Frage. In diesem Fall ist das Gesamtgewicht der beigemischten Kleinstteilchen höchstens so groß wie das Gesamtgewicht des ersten Füllgases 26. Auch in diesem Fall besteht der weit überwiegende Teil der Füllung des Druckgasbehälters 12 aus dem ersten Füllgas 26, da Festkörper eine weit größere Masse haben als Gase, insbesondere Wasserstoff oder Helium.
Der im Druckgasbehälter 12 herrschende Druck p_DGB liegt vor Aktivierung des Gasgenerators 10 in etwa bei 500 bar (bei 20°C).
Bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 wird der Anzünder 20 gezündet, woraufhin seine Treibladung und eventuell im Anzünderraum 22 vorhandenes, weiteres brennbares Material verbrennt und heißes Gas mit der Masse M_A und der Temperatur T_A erzeugt. Die Temperatur T_A kann beispielsweise in der Größenordnung von 2900 K liegen. Der Druck p_A im Anzünderraum 22 steigt hierbei an. Der Berstdruck der zweiten Berstmembran 24 liegt hier zwischen 0,75 p_DGB und 1,25 p_DGB, was bei einem Druck p_DGB von 500 bar zu einem Mindestwert für p_A von 875 bis 1125 bar führt. Ist dieser Druck überschritten, gibt die zweite Berstmembran 24 schlagartig nach, so daß der Anzünderraum 22 gegenüber dem Druckgasbehälter 12 geöffnet ist. Die Zerstörung der zweiten Berstmembran 24 und der am Druckgasbehälter 12 schlagartig anliegende hohe Druck hat die Erzeugung einer Stoßwelle S zur Folge, die in Axialrichtung A vom Anzünderraum 22 durch den Druckgasbehälter 12 zur hier am gegenüberliegenden axialen Ende des Gasgenerators 10 liegenden ersten Berstmembran 14 läuft. Beim Auftreffen auf die erste Berstmembran 14 wird diese aufgrund der lokalen Druckerhöhung, die die Stoßwelle mit sich bringt, zerstört, da momentan der Berstdruck der ersten Berstmembran 14 überschritten wird. Nach Zerstörung der ersten Berstmembran 14 strömt sowohl das im Druckgasbehälter 12 enthaltene Gas, also das erste Füllgas 26 und die Menge an zweitem Stoff 28, sowie das vom Anzünder 20 und im Anzünderraum 22 entstandene Gas aus dem Gasgenerator 10 in dessen Umgebung aus. Das erste Füllgas 26 muß dabei noch nicht wesentlich erwärmt worden sein.
Die höhere Masse der Teilchen des zweiten Stoffes 28 erhöht den Impuls der Stoßwelle S, so daß als erstes Füllgas 26 ein sehr leichtes Gas, nämlich Wasserstoff oder Helium zum Einsatz kommen kann und gleichzeitig die Druckdifferenz zwischen dem Druck p_A im Anzünderraum 22 und dem Druck p_DGB im Druckgasbehälter verringert werden können, ohne die positiven Eigenschaften des Stoßwellenverfahrens aufzugeben.
Die Stoßwellengeschwindigkeit v_S liegt hier zwischen 750 und 1250 m/s. Bei einer Länge L des Druckgasbehälters 12 zwischen ca. 4 und 24 cm beträgt danach die Zeit zwischen dem Öffnen der zweiten und der ersten Berstmembran 24, 14 zwischen 0,03 und 0,35 ms.
Eine geeignete Beziehung zwischen der Füllmenge des Gasgenerators 10 und der Dimension der Anzünderseite liefert die Größe M_A·T_G/M_G·T_A, die zwischen 0,1 und 2 liegen sollte, wobei M_G die Molmasse des ersten Füllgases und M_A die Molmasse des vom Anzünder 20 (und einem eventuell im Anzünderraum 22 enthaltenen weiteren Treibsatz) erzeugten Gases, T_G die Temperatur des ersten Füllgases und T_A die Temperatur des vom Anzünder erzeugten Gases ist.
Die Beziehung zwischen der Menge M_G des ersten Füllgases 26 und dem kleinsten Durchmesser d der Ausströmöffnung 16 bei der ersten Berstmembran 14 kann über die Beziehung M_G ^½/d² bestimmt werden, das zwischen 0,05 und 0,25 liegen sollte, wobei M_G die Molmasse des ersten Füllgases 26 in g/mol und d der engste Durchmesser der Ausströmöffnung 16 bei der ersten Berstmembran 14 in mm ist.
Im hier gezeigten Beispiel verläuft die Stoßwelle S sowohl senkrecht zur ersten Berstmembran 14 als auch zur zweiten Berstmembran 24. Bei der hier gezeigten Variante liegen sich die erste Berstmembran 14 und die zweite Berstmembran 24 direkt gegenüber. Es wäre aber auch möglich, eine Konstruktion einzusetzen, bei der die Stoßwelle S in einem Winkel auf die erste Bestmembran 14 trifft. Genauso wäre auch denkbar, die Stoßwelle S entsprechend umzulenken.

Claims

Gasgenerator mit einem Anzünder (20) und einem ein erstes Füllgas (26) enthaltenden Druckgasbehälter (12), der eine von einer ersten Berstmembran (14) verschlossene Ausströmöffnung (16) aufweist, wobei der Anzünder (20) bei der Aktivierung des Gasgenerators (10) eine Stoßwelle (S) erzeugt, die wenigstens abschnittsweise durch den Druckgasbehälter (12) verläuft, bevor sie die erste Berstmembran (14) zerstört, wobei der Druckgasbehälter (12) mit einer Mischung aus dem ersten Füllgas (26) und wenigstens einem zweiten Stoff (28) mit einer höheren Molmasse als Helium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Stoffes (28) zwischen 1 und 13 Mol-% der Gesamtfüllmenge liegt oder maximal die Gesamtmasse des ersten Füllgases (26) erreicht, dass das erste Füllgas (26) Helium, Wasserstoff oder eine Mischung beider Gase ist, und dass der zweite Stoff (28) aus Kleinstteilchen in Form eines pulverförmigen Feststoffs besteht.
Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stoff (28) ein Aerogel-Pulver ist.
Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Kleinstteilchen kleiner ist als die Masse des ersten Füllgases (26).
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (10) ein langgestrecktes Außengehäuse aufweist und der Anzünder (20) an einem ersten axialen Ende des Außengehäuses und die Ausströmöffnung (16) an einem zweiten Ende des Außengehäuses angeordnet ist.
Gasgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Anzünder (20) erzeugte Stoßwelle (S) senkrecht zur ersten Berstmembran (14) verläuft.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p_DGB) im Druckgasbehälter (12) vor der Aktivierung des Gasgenerators (10) bei etwa 500 bar bei 20°C liegt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anzünder (20) vom Druckgasbehälter (12) durch eine zweite Berstmembran (24) abgetrennt ist.
Gasgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anzünder (20) außerhalb des Druckgasbehälters (12) liegt und die Stoßwelle (S) durch die Zerstörung der zweiten Berstmembran (24) erzeugt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellengeschwindigkeit (v_S) zwischen 750 und 1250 m/s liegt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit zwischen dem Öffnen der zweiten und der ersten Berstmembran (24, 14) zwischen 0,03 und 0,35 ms beträgt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der inverse Versagensdruck der zweiten Berstmembran (24) zwischen 0,75 p_DGB und 1,25 p_DGB liegt, wobei p_DGB den Druck im Druckgasbehälter (12) bezeichnet.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe M_A·T_G/(M_G·T_A) zwischen 0,1 und 2 liegt, wobei M_G die Molmasse des ersten Füllgases (26) und M_A die Molmasse des vom Anzünder (20) erzeugten Gases und T_G die Temperatur des ersten Füllgases (26) und T_A die Temperatur des vom Anzünder (20) erzeugten Gases ist.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis M_G ^½/d² zwischen 0,05 und 0,25 liegt, wobei M_G die Molmasse des ersten Füllgases (26) in g/mol und d der kleinste Durchmesser der Ausströmöffnung (16) bei der ersten Berstmembran (14) in Millimetern ist.