DE102011013545A1

DE102011013545A1 - Hybridgasgenerator und Modul mit einem Hybridgasgenerator und Verfahren zur Herstellung eines Hybridgasgenerators

Info

Publication number: DE102011013545A1
Application number: DE201110013545
Authority: DE
Inventors: Dr. Jung Christian; Thomas Kapfelsperger
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13

Abstract

Ein Hybridgasgenerator (10), insbesondere für eine Schutzvorrichtung in einem Fahrzeug, umfasst folgende Bauteile: eine Aktivierungseinrichtung (14) mit einer Anzündereinheit (16), die eine pyrotechnische Ladung enthält; einen mit Druckgas gefüllten Druckgasbehälter (12); sowie eine Membran (30) zum Abdichten wenigstens einer Ausströmöffnung (28), durch die nach Öffnung der Membran (30) Gas aus dem Druckgasbehälter (12) austreten kann, und/oder eine Abdeckung (22) zum Abdichten der pyrotechnischen Ladung. Wenigstens zwei der Bauteile sind durch magnetische Umformung auf Basis einer elektromagnetischen Puls-Technik miteinander verbunden. Ein Modul mit einem Hybridgasgenerator (10), einem von dem Hybridgasgenerator (10) aufblasbaren Gassack und einer Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Moduls, insbesondere im Innenbereich eines Fahrzeuges. Ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridgasgenerators (10), insbesondere für eine Schutzvorrichtung in einem Fahrzeug, umfasst folgende Schritte: – Bereitstellen einer Aktivierungseinrichtung (14) mit einer Anzündereinheit (16), die eine pyrotechnische Ladung enthält, eines mit Druckgas gefüllten Druckgasbehälters (12), einer Membran (30) zum Abdichten wenigstens einer Ausströmöffnung (28), durch die Gas aus dem Druckgasbehälter (12) austreten kann, und/oder einer Abdeckung (22) zum Abdichten der pyrotechnischen Ladung; und Verbinden von wenigstens zwei der bereitgestellten Bauteile durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hybridgasgenerator und ein Modul mit einem solchen Hybridgasgenerator. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridgasgenerators.
Gasgeneratoren stellen innerhalb kürzester Zeit Gas zur Verfügung, beispielsweise zum Befüllen eines Gassacks in einem Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem oder für den Antrieb eines Gurtstraffers in einem Sicherheitsgurtsystem. Bei Hybridgasgeneratoren ist ein Großteil dieses Gases als sogenanntes Kaltgas in einem üblicherweise mit einer Berstmembran dicht verschlossenen Druckgasbehälter gespeichert.
Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Methoden, um bei einer Aktivierung des Hybridgasgenerators ein Öffnen der Berstmembran zu erreichen. Im ersten Fall wird durch eine Temperaturerhöhung der Innendruck im gesamten Druckgasbehälter relativ homogen erhöht, bis der Berstdruck der Berstmembran überschritten ist (Überdrucköffnen). Im zweiten Fall wird durch Zerstörung einer Einlassmembran eine Schockwelle erzeugt, die den Druckgasbehälter durchläuft und auf die Berstmembran trifft (Schockwellen- oder Stoßwellenöffnen). Da die Schockwelle die Berstmembran sehr schnell erreicht, hat in der Regel das Schockwellenöffnen gegenüber dem Überdrucköffnen einen Geschwindigkeitsvorteil. Ein auf dem Prinzip des Schockwellenöffnens basierender Hybridgasgenerator ist beispielsweise in der DE 203 19 564 U1 gezeigt.
In der DE 203 18 387 U1 wird ein pyrotechnischer Gasgenerator mit einem Zünderkörper und einem topfförmigen Treibladungsgehäuse vorgeschlagen, für deren Herstellung der gleiche Kunststoff, z. B. Polyamid oder Polyethylen, verwendet wird. Der Zünderkörper soll mit dem Treibladungsgehäuse verschweißt werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.
Aus der DE 20 2004 017 428 U1 ist ein Gasgenerator mit einem zylinderförmigen Gasgeneratorgehäuse und einem Stutzen bekannt, der zur Montage des Gasgenerators an einer Modulwand oder zur Aufnahme einer Zündeinrichtung dient. Der Stutzen wiederum ist mittels Kondensatorentladungsschweißen am Gasgeneratorgehäuse befestigt. Auch die DE 10 2005 015 788 B3 betrifft das Befestigen eines am Außengehäuse eines Rohrgasgenerators angesetzten Gehäuseteils, das z. B. einen Anzünder und eventuell eine Verstärkerladung aufnehmen kann, mittels Kondensatorentladungsschweißen.
Beim Kondensatorentladungsschweißen werden die beiden zu fügenden Bauteile in Kontakt miteinander gebracht, und es wird ein Stromfluss zwischen den beiden Bauteilen aufgebaut. An den Kontaktstellen wird, z. B. durch Formen einer Kante, ein möglichst hoher Widerstand aufgebaut, sodass der Stromdurchfluss zu einer starken Erwärmung den Kontaktstellen führt. An den anderen Stellen der beiden Bauteile, die keinen Kontakt zueinander haben, kann während des Schweißvorgangs keine Verbindung erzeugt werden. Das Kondensatorentladungsschweißen zeichnet sich zwar verfahrenstechnisch durch einen schnellen Stromanstieg, relativ kurze Schweißzeiten und hohe Schweißströme aus; das Verfahren ist es aber dennoch mit großem Aufwand und hohen Kosten verbunden und nicht für alle der zahlreichen Verbindungen zwischen den Bauteilen eines Hybridgasgenerators geeignet oder rentabel, sodass zumindest in diesen Fällen auf andere Verbindungstechniken wie Einpressen oder Rollieren zurückgegriffen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung zumindest einer der oben erläuterten Nachteile bei einem Hybridgasgenerator die Eigenschaften der Verbindungsstellen zwischen bestimmten Bauteilen und die Herstellung des Hybridgasgenerators in dieser Hinsicht zu verbessern. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Modul mit einem solchen verbesserten Hybridgasgenerator bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Hybridgasgenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe hinsichtlich des Moduls wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 9 gelöst.
Der erfindungsgemäße Hybridgasgenerator, der insbesondere für eine Schutzvorrichtung in einem Fahrzeug vorgesehen ist, umfasst unter anderem folgende Bauteile: eine Aktivierungseinrichtung mit einer Anzündereinheit, die eine pyrotechnische Ladung enthält; einen mit Druckgas gefüllten Druckgasbehälter; sowie eine Membran zum Abdichten wenigstens einer Ausströmöffnung, durch die nach Öffnung der Membran Gas aus dem Druckgasbehälter austreten kann, und/oder eine Abdeckung zum Abdichten der pyrotechnischen Ladung. Gemäß der Erfindung sind wenigstens zwei der Bauteile durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik miteinander verbunden.
Der Begriff ”Membran” soll im Sinne der Erfindung allgemein Abdeckungs- oder Verdämmungselemente umfassen, die zum Einschließen des vom Gasgenerator gespeicherten bzw. erzeugten Gases dienen, bevor sie durch Überdruck, eine Schockwelle oder auf sonstige Weise zerstört werden können, um danach eine oder mehrere Ausströmöffnungen freigeben zu können, durch die das Gas aus dem Druckgasbehälter austreten kann.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die elektromagnetische Puls-Technik (EMPT, allgemein auch als magnetische Umformung bezeichnet) bedeutende Vorteile bietet, die bei Hybridgasgeneratoren und bei deren Herstellung effektiv genutzt werden können. EMPT ist ein berührungsloses Fertigungsverfahren zum Umformen und/oder Fügen elektrisch leitfähiger Materialien. Hierbei ist „berührungslos” dahingehend zu verstehen, dass Magnetfelder genutzt werden können, welche einen, insbesondere permanenten, mechanischen Kontakt von Werkzeug und Werkstück nicht benötigen. Das Verfahren ermöglicht insbesondere die Fertigung von stoffschlüssigen Verbindungen metallischer Werkstoffe ohne Aufbringung thermischer Lasten und somit auch ohne Gefügeänderungen, d. h. ohne Wärmeeinflusszonen. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien miteinander zu verbinden, sofern diese elektrisch leitfähig sind, z. B. Aluminium und Stahl. Diese Aspekte sind bei Hybridgasgeneratoren, die aus mehreren unterschiedlichen Metallteilen zusammengesetzt sein können oder bei denen eine solche Zusammensetzung wünschenswert wäre, gerade aufgrund der hohen Anforderungen hinsichtlich Belastung und Dichtheit von besonderer Bedeutung. Physikalisch betrachtet beruht das EMPT-Verfahren – ähnlich wie das verwandte Sprengschweißen – darauf, dass die Atome zweier metallisch reiner Kontaktpartner einander unter hohem Druck und/oder Geschwindigkeit beziehungsweise Beschleunigung genähert werden, bis sich ein metallischer Verbund durch Elektronenaustausch aufbaut. Mittels EMPT können also gasdichte, insbesondere heliumdichte Verbindungen unterschiedlicher metallischer Werkstoffe ohne thermische Gefügebeeinflussung hergestellt werden. Darüber hinaus zeichnen sich die stoffschlüssigen Fügungen durch eine hohe Festigkeit aus. Ein weiterer Vorteil des EMPT-Verfahrens ist, dass Bauteiltoleranzen größer als beim Kondensatorentladungsschweißen oder Laserschweißen gewählt werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Ausströmöffnung in der Wand des Druckgasbehälters gebildet, und die Membran, insbesondere in Form eines Bands, ist auf der Außenseite der Wand über der Ausströmöffnung angeordnet und durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter verbunden. Diese Ausführungsform zeichnet sich zum einen dadurch aus, dass aufgrund der besonderen Anordnung der Ausströmöffnungen im Druckgasbehälter kein separater Diffusor vorgesehen ist. Da das EMPT-Verfahren das Fügen unterschiedlicher elektrisch leitfähiger Materialien erlaubt, jedoch nicht zwingend erfordert, kann das Material für die Membran weitgehend unabhängig vom Material des Druckbehälters gewählt werden. Bevorzugte Materialien für die Membran sind Schwarzstahl, nichtrostender Stahl sowie Aluminium-, Kupfer- oder Nickellegierungen. Die EMPT-Verbindung der Membran mit dem Druckgasbehälter ist so fest, dass bislang zwingend erforderliche Bauteile, insbesondere Stützen oder Halter für die Membran, eingespart werden können. Ein weiterer Vorteil der Befestigung der bandartig um den Druckgasbehälter geschlungenen Membran besteht darin, dass der Druckgasbehälter dadurch im Bereich der Membran und/oder wenigstens einen Ausströmöffnung zusätzlich stabilisiert bzw. gestützt ist.
Ein weiteres Bauteil, das durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter verbunden sein kann, ist ein auf der von der Ausströmöffnung abgewandten Seite der Membran angeordneter Partikelfänger. Der Partikelfänger verhindert, dass Partikel der zerstörten Membran zum Einsatzort des Gases gelangen, wo sie zur Beschädigung von Bauteilen führen oder in Kontakt mit einem aufzublasenden Luftsack kommen könnten.
Bei Verwendung eines solchen Partikelfängers kann eine kompakte Gestaltung des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Druckgasbehälter erreicht werden, indem der Druckgasbehälter im Bereich der Ausströmöffnung einen verjüngten Abschnitt aufweist, wobei der Partikelfänger den verjüngten Abschnitt wenigstens teilweise überdeckt und vorzugsweise mit dem oder den angrenzenden Abschnitten des Druckgasbehälters fluchtet. Ein so gestalteter Hybridgasgenerator weist trotz des außen auf dem Druckgasbehälter angebrachten Partikelfängers keine radial vorstehenden Teile auf.
Gemäß einer besonders einfach handzuhabenden Ausführung des Partikelfängers ist dieser als Maschengestrick ausgebildet, insbesondere in Form eines flexiblen Mantels. Ein solcher Partikelfänger lässt sich leicht über den Druckgasbehälter ziehen oder stülpen und in die vorgesehene Position bringen.
Die Ausströmöffnung, durch die das Gas im Aktivierungsfall aus dem Druckgasbehälter austreten soll, kann gemäß einem anderen Designkonzept auch an einem stirnseitigen Ende des Druckgasbehälters vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Membran, insbesondere in Form einer Kappe, an diesem stirnseitigen Ende des Druckgasbehälters angeordnet und durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter verbunden. Bevorzugtes Material für die so angeordnete Membran ist wiederum Schwarzstahl, nichtrostender Stahl, eine Aluminium-, Kupfer- oder Nickellegierung.
Für ein kontrolliertes, reproduzierbares Öffnen der Membran ist es – unabhängig von deren Anordnung – vorteilhaft, dass die Membran eine Schwächung aufweist, insbesondere eine Kerbung oder Prägung. Die Schwächung kann vorteilhaft während des EMPT-Fügens der Membran eingebracht werden, wie weiter unten noch erläutert wird. Zweckmäßig sind Schwächungen in Stern-, Kreuz-, C-Form oder dergleichen.
Auch die Abdeckung zum Abdichten der pyrotechnischen Ladung der Anzündereinheit kann durch magnetische Umformung mit dem Anzünderträger verbunden sein. Die Abdeckung, die vorzugsweise die Form einer Kappe hat, ist auf einem offenen Ende eines Anzünderträgers der Anzündereinheit angeordnet. Die mit dem EMPT-Verfahren befestigte Abdeckung kann an eine nachgeschaltete Brennkammer mit Festtreibstoff oder direkt an das Druckgas des Druckgasspeichers angrenzen. Um ein kontrolliertes, reproduzierbares Öffnen der Abdeckung nach der Entzündung der pyrotechnischen Ladung zu gewährleisten, weist die Abdeckung vorzugsweise eine Schwächung auf, insbesondere eine Kerbung oder Prägung, die wiederum vorteilhaft während des EMPT-Fügens der Abdeckung und des Anzünderträgers oder alternativ zeitlich davor eingebracht wird.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist die Anzündereinheit eine pyrotechnische Ladung auf, insbesondere auf Basis von Hydriden, wie CaH₂, NaH, Cr,H₂, vorzugsweise Titanhydrid/Kaliumperchlorat (TiH₂/KclO₄; THPP = titanium hydride potassium perchlorate), die nach ihrer Entzündung Wasserstoff freisetzt. Ein in einem Druckgasbehälter gespeichertes Druckgas enthält einen Anteil Sauerstoff, der mit dem freigesetzten Wasserstoff reagiert. Auf diese Weise kann nach Aktivierung der Anzündereinheit eine Knallgasreaktion hervorgerufen werden, die den Druck im Druckgasbehälter zusätzlich erhöht. Der insgesamt erzeugte Druck kann ausreichen, um eine Berstmembran zu öffnen, ohne, dass hierfür eine zusätzliche Brennkammer mit Festtreibstoff benötigt wird.
Im Falle eines Aufbaus des Hybridgasgenerators als Überdruck- oder Schockwellenöffner mit einer an die Anzündereinheit angrenzend angeordneten Brennkammer, die mit Treibstoff gefüllt ist und durch eine Trennwand begrenzt ist, kann gemäß der Erfindung die Trennwand durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter verbunden sein.
Auch ein in Strömungsrichtung vor der Ausströmöffnung angeordneter Filter kann durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter verbunden sein.
Bei einem als Schockwellenöffner ausgelegten Hybridgasgenerator, bei dem an die Anzündereinheit angrenzend eine mit Treibstoff gefüllte Brennkammer angeordnet ist, und bei dem eine Einlassmembran an die Brennkammer angrenzend oder in der Nähe der Brennkammer angeordnet ist, kann die Einlassmembran durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter verbunden sein. Die Anforderungen an die Qualität der Festigkeit und Dichtheit der Einlassmembran, die für das Erzeugen der zum Öffnen einer Berstmembran erforderlichen Schockwelle verantwortlich ist, sind sehr hoch. Deshalb kommen hier die Vorzüge der erfindungsgemäß vorgesehenen Fügetechnik besonders zum Tragen. Vorzugsweise weist die Einlassmembran eine Schwächung auf, insbesondere eine Kerbung oder Prägung, die wiederum vorteilhaft während des EMPT-Fügens der Einlassmembran und des Druckgasbehälters oder alternativ zeitlich davor eingebracht wird.
Die Erfindung stellt auch ein nicht dargestelltes Modul mit einem Hybridgasgenerator zur Verfügung, wobei das Modul einen von dem Hybridgasgenerator aufblasbaren Gassack und einer Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Moduls, insbesondere im Innenbereich eines Fahrzeuges umfasst. Der Hybridgasgenerator ist nach zumindest einem der zuvor beschriebenen Hybridgasgeneratoren ausgebildet.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridgasgenerators, insbesondere für eine Schutzvorrichtung in einem Fahrzeug, mit folgenden Schritten:

– Bereitstellen einer Aktivierungseinrichtung mit einer Anzündereinheit, die eine pyrotechnische Ladung enthält; eines mit Druckgas gefüllten Druckgasbehälters; sowie einer Membran zum Abdichten wenigstens einer Ausströmöffnung, durch die Gas aus dem Druckgasbehälter austreten kann, und/oder einer Abdeckung zum Abdichten der pyrotechnischen Ladung; und
– Verbinden von wenigstens zwei der bereitgestellten Bauteile durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik.

Die Vorteile der mittels elektromagnetischer Puls-Technik hergestellten Verbindungen von Bauteilen bei einem Hybridgasgenerator wurden oben bereits erläutert. Darüber hinaus hat die Technik den Vorteil, dass für das Fügen der Bauteile Magnetfelder benutzt werden, die ebenso wie die durch sie erzeugten Kräfte ungehindert durch Materialien wie Glas, Keramik und Kunststoff hindurch wirken. Somit ergibt sich ein großer Spielraum bei der Gestaltung der verwendeten Apparaturen bzw. Werkzeuge. Diese benötigen keinen mechanischen Kontakt zu den Werkstücken, sodass Oberflächenverunreinigungen und Werkzeugabdrücke vermieden werden können.
Beim Befestigen der Membran bzw. der Abdeckung des Hybridgasgenerators ist es in der Regel erforderlich, diese abzustützen. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird/werden die Membran und/oder die Abdeckung beim Verbinden mit einem Stempel unterstützt, der gleichzeitig eine Schwächung, insbesondere in Form einer Kerbung oder Prägung, in die Membran bzw. Abdeckung einbringt. Diese Schwächung ermöglicht später ein kontrolliertes und reproduzierbares Öffnen der Membran bzw. der Abdeckung.
Ein erfindungsgemäßer bzw. erfindungsgemäß hergestellter Hybridgasgenerator kann insbesondere in Gassack-Rückhaltevorrichtungen (mit Front-, Kopf-, Seiten- oder Kniegassack), in Straffern für einen Sicherheitsgurt oder allgemein in Aktuatoren von Schutzeinrichtungen jeglicher Art in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen schematisch und in Schnittansicht:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
2 eine erste Variante der Anzündereinheit des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
3 eine zweite Variante der Anzündereinheit des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
5 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
6 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
7 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
8 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators;
9 eine Detailansicht einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators; und
10 eine Detailansicht einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators.
In 1 ist ein Hybridgasgenerator 10 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der Hybridgasgenerator 10 weist einen langgestreckten, im Wesentlichen zylindrischen Druckgasbehälter 12 auf, dessen erstes stirnseitiges Ende verjüngt und offen ist, wogegen das zweite Ende geschlossen ist. Der Druckgasbehälter 12 ist mit einem Druckgas gefüllt, z. B. Argon, Helium oder einem Gemisch aus diesen oder anderen reaktionsträgen Gasen.
Am ersten Ende des Druckgasbehälters 12 ist eine Aktivierungseinrichtung 14 angebracht, die hier alleine durch eine Anzündereinheit 16 gebildet ist. Die Anzündereinheit 16 verschließt die stirnseitige Öffnung des Druckgasbehälters 12 dicht. Die Anzündereinheit 16 weist u. a. einen Anzünder 18 auf, der in einem Anzünderträger 20 aus Metall aufgenommen ist.
Vom Anzünderträger 20 erstreckt sich eine an diesem befestigte oder einstückig mit diesem ausgebildete Abdeckung 22 in den Druckgasbehälter 12 hinein. Die Abdeckung 22 hat die Form einer Kappe und umgibt einen mit einer pyrotechnischen Ladung gefüllten Hohlraum 24. Die Abdeckung 22 kann mit einer Schwächung versehen sein. Die Schwächung ist ggf. durch eine Kerbung oder Prägung gebildet, z. B. in Form eines Sterns, eines Kreuzes, eines C oder dergleichen.
Die 2 und 3 zeigen zwei Varianten der Anzündereinheit 16. Bei der ersten Variante gemäß 2 wird der Anzünder 18 formschlüssig im Anzünderträger 20 gehalten. Bei der zweiten Variante gemäß 3 ist der Anzünder 18 von einer in den Anzünderträger 20 eingespritzten Kunststoffhülle 26 umgeben.
In beiden Fällen ist die Abdeckung 22 aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet und durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik (EMPT) unmittelbar mit dem Anzünderträger 20 verbunden. Die Verbindung ist sehr fest und gasdicht, genauer gesagt heliumdicht, weshalb keine zusätzliche Stütze und kein zusätzlicher Halter für die Abdeckung 22 vorgesehen sind. Die Abdeckung 22 besteht beispielsweise aus einem Schwarzstahl, einem nichtrostenden Stahl, einer Aluminium-, einer Kupfer- oder einer Nickellegierung, während der Anzünderträger 20 aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material gebildet sein kann.
In den 2 und 3 wird während der Befestigung der Abdeckung 22 an dem Anzünderträger 20 durch die magnetische Umformung die Abdeckung 22 gestützt. Die Unterstützung erfolgt durch einen Stempel, der gleichzeitig die Schwächung in die Abdeckung 22 einbringen kann. Die Schwächung ermöglicht ein vorbestimmtes, kontrolliertes Öffnen der Abdeckung 22.
Wie in 1 weiter zu erkennen ist, sind in der Nähe des ersten Endes über den Umfang des zylindrischen Druckgasbehälters 12 verteilt mehrere radiale Ausströmöffnungen 28 in dessen Wand gebildet. Die Ausströmöffnungen 28 sind von einer Membran, nachfolgend als Berstmembran 30 bezeichnet, abgedeckt. Die Berstmembran 30 ist auf der Außenwand des Druckgasbehälters 12 wie ein Band über die Ausströmöffnungen 28 gelegt und am Druckgasbehälter 12 befestigt, sodass das im Druckgasbehälter 12 gespeicherte Druckgas nicht durch die Ausströmöffnungen 28 aus dem Hybridgasgenerator 10 austreten kann.
Die Berstmembran 30 ist durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik unmittelbar mit dem Druckgasbehälter 12 verbunden. Die Verbindung ist sehr fest und heliumdicht, weshalb keine zusätzliche Stütze und kein zusätzlicher Halter für die Berstmembran 30 vorgesehen sind. Die Berstmembran 30 besteht beispielsweise aus einem Schwarzstahl, einem nichtrostenden Stahl, einer Aluminium-, einer Kupfer- oder einer Nickellegierung, während der Druckgasbehälter 12 aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material gebildet sein kann.
Während der Befestigung der Berstmembran 30 am Druckgasbehälter 12 durch die magnetische Umformung wird die Berstmembran 30 im Bereich der Ausströmöffnungen 28 gestützt. Die Unterstützung erfolgt durch einen Stempel, der gleichzeitig eine Schwächung in die Berstmembran 30 einbringt. Die Schwächung, die eine Kerbung oder Prägung sein kann, ermöglicht ein vorbestimmtes, kontrolliertes Öffnen der Berstmembran 30.
Bei einer Aktivierung des Hybridgasgenerators 10 entzündet der Anzünder 18 die pyrotechnische Ladung im Hohlraum 24. Durch den so im Hohlraum 24 erzeugten Druck reißt die Abdeckung 22 an deren Schwächung (sofern vorhanden) auf. Durch dieses abrupte Öffnen der Abdeckung 22 wird eine Schockwelle erzeugt, die in den Druckgasbehälter 12 eintritt und diesen bis zur Berstmembran 30 durchläuft. Die durch die Schockwelle erzeugte kurzfristige Druckerhöhung muss so groß sein, dass die Berstmembran 30 an deren Schwächung aufreißt und die Ausströmöffnungen 28 freigibt.
Der hierfür genutzte Schockwelleneffekt kann noch verstärkt werden. Wenn zum einen in der Anzündereinheit 16 eine pyrotechnische Ladung verwendet wird, die nach dem Zünden Wasserstoff freisetzt, z. B. eine Ladung auf Basis von Titanhydrid/Kaliumperchlorat (TiH₂/KclO₄), und zum anderen das Druckgas im Druckgasbehälter 12 einen ausreichenden Anteil Sauerstoff enthält, wird bei der Durchmischung des vom Anzünder 18 freigesetzten Wasserstoffs mit dem gespeicherten Druckgas eine Knallgasreaktion in Gang gesetzt. Dadurch wird die Leistung der Anzündereinheit 16 indirekt gesteigert, sodass der insgesamt erzeugte Druck ausreicht, um die Berstmembran 30 zuverlässig zu zerstören.
Bemerkenswert bei dieser Ausführungsform des Hybridgasgenerators 10 ist, dass keine zusätzliche Brennkammer mit einem Festtreibstoff erforderlich ist, um die Berstmembran 30 zu öffnen.
Zu beachten ist darüber hinaus, dass der in 1 gezeigte Hybridgasgenerator 10 ohne Diffusor auskommt und aufgrund der gleichmäßig über den Umfang des Druckgasbehälters 12 verteilten Ausströmöffnungen 28 schubneutral ist. Die Einsparung des Diffusors ermöglicht eine größere Dimensionierung des Druckgasbehälters 12, sodass mehr Druckgas gespeichert werden kann. Alternativ baut der in 1 gezeigte Hybridgasgenerator 10 ohne Diffusor bei gleichem Druckgasvolumen kleiner als ein Hybridgasgenerator mit Diffusor.
In 4 ist eine zweite Ausführungsform des Hybridgasgenerators 10 dargestellt, die sich wie folgt von der ersten Ausführungsform unterscheidet. Hier ist das geschlossene zweite Ende des Druckgasbehälters 12 verjüngt. Im verjüngten Abschnitt des Druckgasbehälters 12 sind die Ausströmöffnungen 28 gebildet.
Über der die Ausströmöffnungen 28 abdeckenden Berstmembran 30 ist in geringem Abstand noch ein bandartiger Partikelfänger 32 mit sehr kleinen Durchtrittsöffnungen 34 angeordnet. Der Partikelfänger 32 ist an seinen axialen Enden auf der Außenwand des Druckgasbehälters 12 befestigt. Die Verbindung des Partikelfängers 32 unmittelbar mit dem Druckgasbehälter 12 erfolgt durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik.
Reißt die Berstmembran 30 nach der Aktivierung des Hybridgasgenerators 10 auf, werden abgelöste Teile der Berstmembran 30 vom Partikelfänger 32 zurückgehalten, während das durch die Ausströmöffnungen 28 aus dem Druckgasbehälter 12 entweichende Gas durch die Durchtrittsöffnungen 34 des Partikelfängers 32 austreten kann.
Bei der in 5 gezeigten dritten Ausführungsform ist der verjüngte Abschnitt des Druckgasbehälters 12 etwas beabstandet von dessen zweitem Ende angeordnet. Der Partikelfänger 32 fluchtet im Wesentlichen mit den angrenzenden, nicht verjüngten Abschnitten des Druckgasbehälters 12. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform der zweiten Ausführungsform.
Die in 6 dargestellte vierte Ausführungsform ähnelt ebenfalls der zweiten Ausführungsform. Als Partikelfänger 32 dient hier ein über das verjüngte zweite Ende des Druckgasbehälters 12 gestülptes Maschengestrick in Form eines flexiblen Mantels.
In 7 ist eine fünfte Ausführungsform des Hybridgasgenerators 10 mit einer erweiterten Aktivierungseinrichtung 14 gezeigt. Zwischen der Anzündereinheit 16 und dem Druckgas ist hier zusätzlich eine Brennkammer 36 vorgesehen, die mit einem Festtreibstoff gefüllt ist. Die Brennkammer 36 ist in einem Fortsatz 38 des Druckgasbehälters 12 gebildet und auf der von der Anzündereinheit 16 abgewandten Seite durch eine perforierte und damit gasdurchlässige Trennwand 40 begrenzt. Die Trennwand 40 stützt sich innen im Druckgasbehälter 12 an einer Einbuchtung 42 ab. Des Weiteren ist auf der Innenwand des Druckgasbehälters 12 vor den Ausströmöffnungen 28 ein bandartig umlaufender Filter 44 angeordnet.
Die Trennwand 40 und/oder der Filter 44 können aus einem elektrisch leitfähigen Metall gebildet und unmittelbar mit dem Druckgasbehälter 12 durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik verbunden sein.
Bei der Aktivierung des Hybridgasgenerators 10 entzündet der Anzünder 18 die pyrotechnische Ladung. Durch den damit verbundenen Druckanstieg wird die Abdeckung 22 zerstört, und es entzündet sich auch der Festtreibstoff in der Brennkammer 36. Durch den Abbrand des Festtreibstoffs erwärmt sich das im Druckgasbehälter 12 gespeicherte Druckgas, sodass der Innendruck im Druckgasbehälter 12 ansteigt, bis der Berstdruck der Berstmembran 30 überschritten ist und diese aufreißt. Aufgrund dieses Öffnungsprinzips kann der in 7 gezeigte Hybridgasgenerator als ”Überdrucköffner” bezeichnet werden. Nicht vollständig abgebrannte Festtreibstoffpartikel und andere Partikel werden vom Filter 44 zurückgehalten, während das Gas den Filter 44 passieren und durch die Ausströmöffnungen 28 aus dem Druckgasbehälter 12 austreten kann
Bei Anwendungen, die nur eine geringe Gasmenge erfordern, hat ein solcher Überdrucköffner keinen wesentlichen Geschwindigkeitsnachteil gegenüber einem vergleichbaren Schockwellenöffner.
Auf dem Schockwellenöffnungsprinzip basiert die in 8 gezeigte sechste Ausführungsform des Hybridgasgenerators 10, die sich durch zwei Besonderheiten von der fünften Ausführungsform unterscheidet. Zwischen der Trennwand 40 und dem Druckgas ist zusätzlich eine Einlassmembran 46 angeordnet, die sich an der Einbuchtung 42 des Druckgasbehälters 12 abstützt. Die Einlassmembran 46 begrenzt somit die Druckkammer im Druckgasbehälter 12, in der das Druckgas gespeichert ist.
Die Einlassmembran 46 ist aus einem elektrisch leitfähigen Metall (beispielsweise Schwarzstahl, nichtrostender Stahl, Aluminium-, Kupfer- oder Nickellegierung) gebildet und unmittelbar mit dem Druckgasbehälter 12 durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik verbunden. Auf diese Weise ist eine feste, heliumdichte Verbindung gewährleistet. Während der Befestigung der Einlassmembran 46 am Druckgasbehälter 12 durch die magnetische Umformung wird die Einlassmembran 46 durch einen Stempel gestützt, der gleichzeitig eine Schwächung in die Einlassmembran 46 einbringen kann. Die Schwächung, die eine Kerbung oder Prägung sein kann, z. B. in Form eines Sterns, eines Kreuzes, eines C oder dergleichen, ermöglicht ein vorbestimmtes, kontrolliertes Öffnen der Einlassmembran 46.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Einlassmembran 46 die Druckkammer nicht druckdicht gegen die Brennkammer 36 abschließt, sodass eine Strömungsverbindung und damit ein Druckausgleich zwischen den beiden Kammern erreicht wird.
Die zweite Besonderheit ist das im Druckgasbehälter 12 angeordnete Formstück 48, das sich am zweiten Ende des Druckgasbehälters 12 abstützt und einen in Richtung des ersten Endes weisenden spitzen Kegel aufweist. Auch das Formstück kann aus einem elektrisch leitfähigen Metall gebildet und unmittelbar mit dem Druckgasbehälter 12 durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik verbunden sein.
Im Unterschied zu einem Überdrucköffner wird beim Hybridgasgenerator, wie er in 8 gezeigt ist, die Berstmembran 30 durch eine Schockwelle geöffnet. Die Schockwelle wird erzeugt, indem der beim Abbrand des Festtreibstoffs in der Brennkammer 36 entstehende Überdruck die Einlassmembran 46 zerstört. Dieses abrupte Öffnen verursacht eine signifikante Druckschwankung, die sich als Schockwelle ausbreitet und die Druckkammer bis zur Berstmembran 30 durchläuft. Das besonders geformte Formstück 48 dient dabei zur gezielten Umlenkung der Schockwelle auf die Ausströmöffnungen 28 und die Berstmembran 30.
Die 9 und 10 zeigen eine siebte und eine achte Ausführungsform des Hybridgenerators 10, bei denen das zweite Ende des Druckgasbehälters 12 offen ist und eine axiale Ausströmöffnung 28 bildet. Radiale Ausströmöffnungen in der Wand des Druckgasbehälters 12 sind hier nicht vorgesehen. Auf das offene zweite Ende ist aber außenseitig ein Diffusor 50 mit radialen Austrittsöffnungen 52 aufgesetzt.
Die axiale Ausströmöffnung 28 am zweite Ende des Druckgasbehälters 12 ist durch eine Berstmembran 30 in Form einer Kappe geschlossen, die hier anstelle der bandförmigen Berstmembran der zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen ist. Die in 9 gezeigte siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 10 gezeigten achten Ausführungsform nur dadurch, dass die kappenförmige Berstmembran 30 bogenförmig vorgebogen ist.
Die Berstmembran 30 ist aus einem elektrisch leitfähigen Metall (beispielsweise Schwarzstahl, nichtrostender Stahl, Aluminium-, Kupfer- oder Nickellegierung) gebildet und unmittelbar mit dem Druckgasbehälter 12 durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik verbunden. Die Verbindung ist sehr fest und heliumdicht, weshalb keine zusätzliche Stütze und kein zusätzlicher Halter für die Berstmembran 30 vorgesehen sind. Während der Befestigung der Berstmembran 30 am Druckgasbehälter 12 durch die magnetische Umformung wird die Berstmembran 30 durch einen Stempel gestützt, der gleichzeitig eine Schwächung in die Berstmembran 30 einbringen kann. Die Schwächung, die eine Kerbung oder Prägung sein kann, z. B. in Form eines Sterns, eines Kreuzes, eines C oder dergleichen, ermöglicht ein vorbestimmtes, kontrolliertes Öffnen der Berstmembran 30.
Die kappenförmige Berstmembran 30 wird, je nach Bauart der Aktivierungseinrichtung 14, durch Überdruck oder durch eine Schockwelle geöffnet, sodass das Gas durch die axiale Ausströmöffnung 28 in den Diffusor 50 eindringen und aus den Austrittsöffnungen 52 austreten kann.
Allgemein ist es im Falle eines im Wesentlichen rohrförmigen Druckgasbehälters 12 möglich, mehrere axial hintereinander liegende Membranen oder andere Bauteile mit einem einzigen Fertigungsschritt (”EMPT-Puls”) an den Druckgasbehälter 12 anzufügen.
Es ist selbstverständlich möglich, bestimmte Merkmale einer Ausführungsform bei einer anderen Ausführungsform vorzusehen und/oder bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander zu kombinieren.
Bezugszeichenliste

10: Hybridgasgenerator
12: Druckgasbehälter
14: Aktivierungseinrichtung
16: Anzündereinheit
18: Anzünder
20: Anzünderträger
22: Abdeckung
24: Hohlraum
26: Kunststoffhülle
28: Ausströmöffnung
30: Berstmembran
32: Partikelfänger
34: Durchtrittsöffnung
36: Brennkammer
38: Fortsatz
40: Trennwand
42: Einbuchtung
44: Filter
46: Einlassmembran
48: Formstück
50: Diffusor
52: Austrittsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20319564 U1 [0003]
DE 20318387 U1 [0004]
DE 202004017428 U1 [0005]
DE 102005015788 B3 [0005]

Claims

Hybridgasgenerator (10), insbesondere für eine Schutzvorrichtung in einem Fahrzeug, mit folgenden Bauteilen: einer Aktivierungseinrichtung (14) mit einer Anzündereinheit (16), die eine pyrotechnische Ladung enthält, einem mit Druckgas gefüllten Druckgasbehälter (12), sowie einer Membran (30) zum Abdichten wenigstens einer Ausströmöffnung (28), durch die nach Öffnung der Membran (30) Gas aus dem Druckgasbehälter (12) austreten kann, und/oder einer Abdeckung (22) zum Abdichten der pyrotechnischen Ladung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Bauteile durch magnetische Umformung auf Basis einer elektromagnetischen Puls-Technik miteinander verbunden sind.
Hybridgasgenerator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Bauteile aus unterschiedlich oder gleich elektrisch leitfähigen Materialen gebildet sind, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (28) in der Wand des Druckgasbehälters (12) gebildet ist, und dass die Membran (30), insbesondere in Form eines Bands, auf der Außenseite der Wand über der Ausströmöffnung (28) angeordnet und durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter (12) verbunden ist.
Hybridgasgenerator (10) nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von der Ausströmöffnung (28) abgewandten Seite der Membran (30) ein Partikelfänger (32) angeordnet ist, der vorzugsweise durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter (12) verbunden ist.
Hybridgasgenerator (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasbehälter (12) im Wesentlichen rohrförmig ist und im Bereich der Ausströmöffnung (28) einen verjüngten Abschnitt aufweist, wobei der Partikelfänger (32) den verjüngten Abschnitt wenigstens teilweise überdeckt und vorzugsweise mit dem oder den angrenzenden Abschnitten des Druckgasbehälters (12) fluchtet, und/oder, dass der Partikelfänger (32) als Maschengestrick, vorzugsweise in Form eines flexiblen Mantels, ausgebildet ist.
Hybridgasgenerator (10) insbesondere nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgasbehälter (12) im Wesentlichen rohrförmig ist und eine Membran (30), Insbesondere in Form einer Kappe, an einem stirnseitigen Ende des Druckgasbehälters (12) angeordnet und durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter (12) verbunden ist, und/oder, dass die Membran (30) eine Schwächung, insbesondere eine Kerbung oder Prägung, aufweist.
Hybridgasgenerator (10) insbesondere nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckung (22) auf einem offenen Ende eines Anzünderträgers (20) einer Anzündereinheit (16) angeordnet ist und durch magnetische Umformung mit dem Anzünderträger (20) verbunden ist, wobei die Abdeckung (22) vorzugsweise eine Schwächung, insbesondere eine Kerbung oder Prägung, aufweist, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die Anzündereinheit (16) eine pyrotechnische Ladung, insbesondere auf Basis von Hydriden, vorzugsweise Titanhydrid/Kaliumperchlorat, aufweist, die nach ihrer Entzündung Wasserstoff freisetzt, und/oder dass ein in einem Druckgasbehälter (12) gespeichertes Druckgas einen Anteil Sauerstoff enthält, der mit dem freigesetzten Wasserstoff reagiert.
Hybridgasgenerator (10) insbesondere nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Anzündereinheit (16) angrenzend eine mit Treibstoff gefüllte Brennkammer (36) angeordnet ist, wobei die Brennkammer (36) durch eine Trennwand (40) begrenzt ist, die durch magnetische Umformung mit einem Druckgasbehälter (12) verbunden ist, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor einer Ausströmöffnung (28) ein Filter (44) angeordnet ist, der durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter (12) verbunden ist.
Hybridgasgenerator (10) insbesondere nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Anzündereinheit (16) angrenzend eine mit Treibstoff gefüllte Brennkammer (36) angeordnet ist, wobei an die Brennkammer (36) angrenzend oder in der Nähe der Brennkammer (36) eine Einlassmembran (46) angeordnet ist, die durch magnetische Umformung mit einem Druckgasbehälter (12) verbunden ist und vorzugsweise eine Schwächung, insbesondere eine Kerbung oder Prägung, aufweist, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass in einem Druckgasbehälter (12) ein Formstück (48) zur Umlenkung einer Schockwelle auf eine Ausströmöffnung (28) angeordnet ist, das durch magnetische Umformung mit dem Druckgasbehälter (12) verbunden ist.
Modul mit einem Hybridgasgenerator (10), einem von dem Hybridgasgenerator (10) aufblasbaren Gassack und einer Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Moduls, insbesondere im Innenbereich eines Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridgasgenerator (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridgasgenerators (10), insbesondere für eine Schutzvorrichtung in einem Fahrzeug, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Aktivierungseinrichtung (14) mit einer Anzündereinheit (16), die eine pyrotechnische Ladung enthält; eines mit Druckgas gefüllten Druckgasbehälters (12); sowie einer Membran (30) zum Abdichten wenigstens einer Ausströmöffnung (28), durch die Gas aus dem Druckgasbehälter (12) austreten kann, und/oder einer Abdeckung (22) zum Abdichten der pyrotechnischen Ladung; und – Verbinden von wenigstens zwei der bereitgestellten Bauteile durch magnetische Umformung auf Basis der elektromagnetischen Puls-Technik, wobei das Verfahren vorzugsweise einen Schritt aufweist, bei dem die Membran (30) und/oder die Abdeckung (22) beim Verbinden mit einem Stempel unterstützt wird/werden, der gleichzeitig eine Schwächung, insbesondere in Form einer Kerbung oder Prägung, in die Membran (30) bzw. Abdeckung (22) einbringt.