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Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere für ein Fahrzeugsicherheitssystem.
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Gasgeneratoren können eingesetzt werden, um ein Bauteil in mechanische Bewegung zu versetzen, beispielsweise zum Straffen eines Sicherheitsgurtes, aber auch, um Füllgas, meist für Gassäcke, bereitzustellen.
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Es ist auch bekannt, einen pyrotechnischen Treibsatz zur Verschiebung eines Schneidmessers einzusetzen, um ein Seil zu durchtrennen.
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Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird von den Batterien zu den Antriebsmotoren elektrische Energie mit zwar geringer Spannung, aber sehr hoher Stromstärke geliefert. Bei einem Unfall können die Strom führenden Kabel im Fahrzeug eine Gefahr für Retter darstellen. Dies gilt selbst auch für Fahrzeugbatterien zur Bordnetzversorgung eines Fahrzeugs, welche also nicht die elektrische Energie für den Antrieb zur Verfügung stellen. Es ist daher wünschenswert, eine Gefährdung in einer derartigen Situation zu verringern, beispielsweise indem der Stromfluss unterbrochen wird und/oder Kurzschlüsse verhindert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere für derartige Fälle ein Sicherheitssystem bereit zu stellen und einen kompakten, flexibel einsetzbaren Gasgenerator zu schaffen.
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Hierzu hat ein erfindungsgemäßer Gasgenerator, insbesondere für ein Fahrzeugsicherheitssystem, eine erste Kammer, in der bei der Aktivierung des Gasgenerators Druckgas bereitstellbar ist. Es ist ein Kolbenelement vorgesehen, das durch das Druckgas der ersten Kammer um einen vorbestimmten Verschiebeweg in eine Endposition bewegt bar ist, wobei mit dem Kolbenelement ein Schneidelement zum Durchtrennen eines im Verschiebeweg angeordneten Gegenstands verbunden ist. Am Gasgenerator ist eine Ausströmöffnung vorgesehen, über die das Druckgas in die Umgebung des Gasgenerators abgebbar ist. Der Gasgenerator erfüllt also eine Doppelfunktion. Als erstes wird der Gegenstand, vorzugsweise ein Strom führendes Kabel beispielsweise eines Elektroantriebs, durchtrennt. Das hierzu benötigte Druckgas wird in der ersten Kammer auf bekanntem Weg, beispielsweise aus einem pyrotechnischen Treibsatz, einem Druckgasvolumen oder einer Kombination aus beidem bereitgestellt. Sobald das entspannende Gas das Kolbenelement über den vorbestimmten Verschiebeweg bewegt hat, so dass der Gegenstand durchtrennt ist, wird die Ausströmöffnung freigegeben, und das zuvor für den Antrieb des Kolbenelements genutzte Gas gelangt innerhalb kurzer Zeit in die Umgebung des Gasgenerators. Mit diesem ausströmenden Gas kann ein weiterer Teil des Fahrzeugsicherheitssystems betrieben werden. Beispielsweise kann eine Maßnahme gegen Kurzschlüsse und/oder Lichtbogen durch durchtrennte Enden eines Kabels ergriffen werden, oder es kann ein Gassack befüllt werden, wobei der befüllte Gassack auch zwischen die durchtrennten Enden des Kabels positionierbar ist, um einen Kurzschluss/Lichtbogen zu vermeiden. Bei dem zu durchtrennenden Gegenstand kann es sich auch um ein allgemeines Verbindungselement und/oder Halteelement, wie beispielsweise ein Seil oder ein Band, handeln.
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Erfindungsgemäß wird demnach das im Gasgenerator erzeugte Gas auf zweifachem Weg genutzt, sodass ein Gasgenerator im Wesentlichen gleichzeitig zwei unterschiedliche Funktionen erfüllen kann. Der leichte zeitliche Versatz zwischen der Bewegung des Kolbenelements und dem Ausströmen des Gases fällt praktisch nicht ins Gewicht.
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Das Kolbenelement bewegt sich mindestens um den vorbestimmten Verschiebeweg. Nachdem es diesen zurückgelegt hat, wird die Ausströmöffnung freigegeben. Es ist jedoch möglich, dass sich das Kolbenelement anschließend durch den Restdruck des Gases in der ersten Kammer noch weiter bewegt.
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Der Gasgenerator kann derart ausgebildet sein, dass eine Freigabe der Ausströmöffnung erst nach Durchtrennen des Gegenstands erfolgt, wobei die Ausströmöffnung insbesondere solange geschlossen ist, bis das Kolbenelement am Ende oder in einem Endbereich des vorbestimmten Verschiebewegs positioniert ist.
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Das Schneidelement kann als Schneidkopf mit einer Schneidklinge ausgebildet sein, wobei der Schneidkopf so am Kolbenelement befestigt ist, dass er bei Überschreiten einer vorbestimmten Kraftschwelle gegenüber dem Kolbenelement verschiebbar ist. Die Kraftschwelle liegt natürlich vorzugsweise höher als die Kraft, die benötigt wird, um den Gegenstand zu durchtrennen. Diese Ausbildung ist nützlich, um den Schneidkopf dazu einzusetzen, am Kolbenelement gelegene Ausströmöffnungen zunächst zu verschließen und nach Erreichen des vorbestimmten Verschiebewegs freizugeben.
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Zur Positionierung des Schneidkopfs am Schneidelement können am Kolbenelement radiale Vorsprünge vorgesehen sein. Diese Vorsprünge können beispielsweise bei Überschreiten der vorbestimmten Kraftschwelle abgeschert werden, sodass der Schneidkopf mit dem Kolbenelement nicht mehr mitbewegt wird, also gegenüber dem Kolbenelement zurückbleibt. Die oben benannte Positionierung des Kolbenelements in einem Endbereich des vorbestimmten Verschiebewegs soll im Sinne der Erfindung mit der Abscherung der radialen Vorsprünge beginnen. Der Endbereich des vorbestimmten Verschiebewegs erstreckt sich dann über die Kolbenelementposition, bei der ein Kolbenende aus dem Gehäuse des Gasgenerators austritt bis hin zum Ende des vorbestimmten Verschiebewegs des Kolbenelements, wie beispielsweise in 7 dargestellt.
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Die Ausströmöffnung kann am in Verschieberichtung vorderen Ende des Kolbenelements ausgebildet sein und durch den Schneidkopf verschlossen sein, insbesondere bis das Kolbenelement am Ende oder in einem Endbereich des vorbestimmten Verschiebewegs positioniert ist. Vorzugsweise ist das Kolbenelement dann hohl gestaltet, sodass die Ausströmöffnung eine direkte Verbindung zur ersten Kammer durch den Körper des Kolbenelements hat.
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Beispielsweise kann das Kolbenelement zum Leiten von Druckgas eine zentrale Ausnehmung aufweisen, die mit wenigstens einer in der Umfangswand des Kolbenelements vorgesehenen Öffnung strömungsverbunden ist. Auf diese Weise kann das Gas senkrecht zur Verschieberichtung ausströmen. Eine Öffnung im Kolbenelement in axialer Richtung, die zunächst vom Schneidkopf verschlossen ist, wäre auch denkbar. In diesem Fall könnte der Schneidkopf eine entsprechende Sollbruchstelle aufweisen.
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Die Ausströmöffnung könnte natürlich auch radial in einem Gehäuse einer zweiten Kammer angeordnet sein, in der sich das Kolbenelement bewegt.
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Es ist möglich, die Schneidklinge lösbar mit dem Schneidkopf zu verbinden. Diese Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn eine einzige, in Axialrichtung in Verlängerung des Kolbenelements liegende Schneidklinge verwendet werden soll, um diese nach Durchtrennen des Gegenstands vom Kolbenelement zu trennen und so eine Gefährdung von Fahrzeuginsassen durch die hervorstehende Schneidklinge zu verhindern. Bei dieser Anordnung der Schneidklinge wird die maximale Schneidkraft erreicht.
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In einem Gehäuse des Gasgenerators kann eine Halterung für den zu durchtrennenden Gegenstand vorgesehen sein, in der sich der Gegenstand vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Verschieberichtung des Kolbenelements erstreckt. Gerade wenn es sich bei dem Gegenstand um ein Kabel oder ein Befestigungsseil handelt, ist so ein schnelles Durchtrennen möglich.
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Wenn die Halterung eine Öffnung im Gehäuse ist, kann nach dem Durchtrennen das Druckgas über die Öffnung ausströmen. Die Öffnung im Kolbenelement muss daher in Strömungsverbindung mit der Gehäuseöffnung gelangen.
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In der ersten Kammer kann ein Inertgas enthalten sein, insbesondere Helium und/oder Argon, oder eine ein solches Inertgas enthaltende Gasmischung, was Vorteile hat, wenn die Umgebung des Gasgenerators mit dem Gas beströmt werden soll.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Fahrzeugsicherheitssystem mit einem Gasgenerator nach der Erfindung, bei der der Gegenstand ein zur Leitung von elektrischen Strom ausgebildetes Kabel ist.
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Beispielsweise ist über das ausströmende Inertgas auf einfache Weise, insbesondere unterstützt durch die spezifische Anordnung der Ausströmöffnung nach Durchtrennung des Kabels durch das ausströmende Gas die Gefahr eines Kurzschlusses und/oder Lichtbogens durch die beiden durchtrennten Kabelenden reduzierbar.
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Das ausströmende Druckgas lässt sich so ausrichten, dass die durchtrennten Enden des Kabels voneinander weg bewegbar sind.
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Wird der Bereich der durchtrennten Kabelenden mit Inertgas aus dem Gasgenerator umströmt, beispielsweise mit Helium und/oder Argon, oder eine ein solches Inertgas enthaltende Gasmischung, kann die Gefahr eines Lichtbogens bzw. Kurzschlusses zwischen den Kabelenden stark reduziert werden. Das bedeutet, die entsprechende Ausströmung ist im Bereich oder angrenzend an den zu durchtrennenden Gegenstand vorgesehen.
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Das Inertgas kann auch eine Brandgefahr in der Umgebung der Kabelenden verringern.
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In einer anderen Ausführungsform ist ein Gassack und/oder ein Anschlussstutzen für eine Gasleitung vorgesehen, die durch das durch die Ausströmöffnung ausströmende Gas befüllbar sind, wodurch insbesondere eine elektrische Batterie gegen Verlagerung schätzbar ist und/oder elektrische Kontakte abdeckbar sind. Bei Elektrofahrzeugen weisen die Batterien eine große Masse auf, und es ist vorteilhaft, bei einem Unfall eine Verlagerung zu reduzieren. Durch einen Gassack, der sich über die elektrischen Kontakte der Batterien legt, lässt sich verhindern, dass ein Kurzschluss durch elektrischen Kontakt zu anderen Fahrzeugteilen entsteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugsicherheitssystems mit einem erfindungsgemäßen Gasgenerator vor dem Durchtrennen des Gegenstands;
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2 eine Detailansicht aus 1;
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3 ein Kolbenelement des Gasgenerators aus 1 in schematischer Schnittansicht;
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4 bis 7 den Gasgenerator aus 1 schematisch in verschiedenen Zuständen nach der Aktivierung;
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8 eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Gasgenerators vor der Aktivierung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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9 den Gasgenerator aus 8 nach der Aktivierung;
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10 ein Kolbenelement des Gasgenerators aus 8 in schematischer Schnittansicht;
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11 eine schematische Darstellung der Befestigung des Schneidkopfs am Kolbenelement; und
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12 zwei mögliche Formen der Öffnungen, die die Aufnahme des Gegenstands bilden.
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1 zeigt einen Gasgenerator 10, der Teil eines Fahrzeugsicherheitssystems ist. In einer ersten Kammer 12 ist ein pyrotechnischer Treibsatz 14 aufgenommen, der von einem pyrotechnischen Anzünder 16 gezündet werden kann.
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In Axialrichtung A schließt sich an die erste Kammer 12 eine zweite Kammer 18 an, in der ein Kolbenelement 20 in Axialrichtung A verschieblich aufgenommen ist.
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Zwischen der ersten Kammer 12 und der zweiten Kammer 18 liegt, wie von herkömmlichen Gasgeneratoren bekannt, eine Membran, die die erste Kammer 12 gegenüber der Umgebung des Gasgenerators 10 druckdicht verschließt und durch den bei der Aktivierung in der ersten Kammer 12 ansteigenden Innendruck zum Bersten gebracht wird. Der Gasgenerator 10 kann außerdem weitere, allgemein in Gasgeneratoren eingesetzte Elemente enthalten, wie eine weitere Berstmembrane und einen Filter.
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Das Gehäuse 22 der zweiten Kammer 18 weist in seiner Umfangswand zwei gegenüberliegende Öffnungen 24 auf, die ein Stück vor dem axialen Ende 26 des Gehäuses 22 angeordnet sind.
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Die Öffnungen 24 sind so ausgebildet (siehe auch 12) und so angeordnet, dass sich ein länglicher Gegenstand 30, in diesem Fall ein Strom führendes Kabel, das beispielsweise zu einer Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeugs führt, im Wesentlichen senkrecht zur Verschieberichtung des Kolbenelements 20 hindurch erstrecken kann.
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Am in Verschieberichtung vorderen Ende ist am Kolbenelement 20 ein Schneidelement 32 mit einer aus Hartmetall gebildeten Schneidklinge 34 angeordnet.
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In den hier beschriebenen Ausführungsformen ist das Schneidelement 32 aus einem vom Kolbenelement 20 separaten Schneidkopf 36 gebildet, der zunächst fest mit dem Kolbenelement 20 verbunden, beispielsweise aufgepresst, ist und mit diesem bewegt wird.
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In der ersten Ausführungsform ist die Schneidklinge 34 durch den offenen vorderen Rand des zylindrischen Körpers des Schneidkopfes 36 selbst gebildet, der zu zwei gegenüberliegenden Schneiden geschliffen ist.
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Vor der Aktivierung des Gasgenerators 10 ist das Kolbenelement 20 so in der zweiten Kammer 18 positioniert, dass die Schneidklinge 34 vor dem Gegenstand 30 liegt. Die Anordnung kann so sein wie hier in 1 dargestellt, dass die Schneidklinge 34 den Gegenstand 30 bereits berührt. Vorzugsweise ist das Kolbenelement 20 aber weiter in Richtung der ersten Kammer 12 zurückgezogen, sodass die Schneidklinge 34 einen Abstand zum Gegenstand 30 aufweist.
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Das axiale Ende 26 des Gehäuses 22 ist in Axialrichtung A offen und vor der Aktivierung des Gasgenerators 10 durch eine Schutzkappe 37 verschlossen, um den Innenbereich des Gehäuses 22 vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit und/oder Schmutzpartikel zu schützen. Alternativ zu der Schutzkappe 37 kann auch ein nicht dargestellter Anschlussstutzen für eine Gasleitung vorgesehen sein, welcher das aus dem Gasgenerator ausströmende Druckgas an ein weiteres Bauteil, wie beispielsweise ein aufblasbarer Gassack, weiterleiten kann.
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Bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 wird, wie in den 4 bis 7 dargestellt, das Kolbenelement 20 durch den Gasdruck, der sich in der ersten Kammer 12 und in der zweiten Kammer 18 vor dem Kolbenelement 20 aufbaut, in Axialrichtung A (in den Figuren nach rechts) verschoben.
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An seinem zur ersten Kammer 12 gerichteten axialen Ende ist das Kolbenelement 20 über ein Dichtelement 38 gegenüber der Innenwand der zweiten Kammer 18 abgedichtet, hier durch einen O-Ring. Bevor das Kolbenelement 20 nicht einen vorbestimmten Verschiebeweg V (siehe 2) zurückgelegt hat, kann aus der zweiten Kammer 18 und aus dem Gasgenerator 10 kein Gas entweichen.
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Durch die Größe der Überströmöffnung zwischen der ersten Kammer 12 und der zweiten Kammer 18 können der Druckanstieg in der zweiten Kammer 18 und somit die Verschiebebewegung des Kolbenelements 20 eingestellt werden.
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Da der Gegenstand 30 auf dem Verschiebeweg V des Kolbenelements 20 liegt, wird er von der Schneidklinge 34 durchtrennt (siehe 6 und 7). Danach bewegt sich das Kolbenelement 20 weiter, zumindest bis ans Ende des Verschiebewegs V oder auch darüber hinaus (siehe 8). Das in Verschieberichtung vordere Ende tritt dabei aus dem Gehäuse 22 aus, wobei die Schutzkappe 37 entfernt wird.
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Das Kolbenelement 20 weist eine langgestreckte zentrale Ausnehmung 40 in Form eines Sacklochs auf, die sich von seinem zur ersten Kammer 12 gerichteten axialen Ende bis kurz vor sein in Verschieberichtung weisendes Ende erstreckt. Am in Verschieberichtung liegenden Ende ist die Ausnehmung 40 mit zwei oder mehr radialen Öffnungen 42 strömungsmäßig verbunden. Vor der Aktivierung des Gasgenerators 10 sind die Ausströmöffnungen 42 vom Schneidkopf 36 überdeckt und damit im, Wesentlichen gasdicht verschlossen.
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Der Schneidkopf 36 ist jedoch (wie beispielsweise in 3 gezeigt) so mit dem Kolbenelement 20 so verbunden, dass eine Relativverschiebung der beiden Bauteile bei Überschreiten einer vorbestimmten Kraftschwelle möglich ist. In diesen Beispielen sind am Kolbenelement 20 radiale Vorsprünge 44 ausgebildet, die in Vorsprünge 46 des Schneidkopfs 36 eingreifen. Die Vorsprünge 44 sind so ausgebildet, dass sie bei Überschreiten der vorbestimmten Kraftschwelle eingedrückt oder abgeschert werden. Die Vorsprünge 44 können beispielsweise als eine am Kolbenelement 20 radial umlaufende Erhebung oder als mehrere segmentförmige Erhebungen ausgebildet sein.
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Nach Durchtrennen des Gegenstands 30 gerät der Schneidkopf 36 mit seinen Vorsprüngen 46, die als umfangsmäßig umlaufende Schulter ausgebildet sein können, in Anlage an eine Schulter 48 in Form einer Verengung des Gehäuses 22 der zweiten Kammer 18. Diese Situation ist auch in den 6 und 7 dargestellt. Die Schulter 48 hält den Schneidkopf 36 zurück, was dazu führt, dass der Schneidkopf 36 mit dem Kolbenelement 20 nicht mehr mitbewegt wird, also relativ zum Kolbenelement 20 zurückbleibt, wenn sich letzeres weiter in Verschieberichtung bewegt. Sobald der Schneidkopf 36 die Ausströmöffnungen 42 freigibt, kann das Gas aus der ersten Kammer 12 und der zweiten Kammer 18 durch das Kolbenelement 20 in die Umgebung des Gasgenerators 10 abströmen.
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Das aus den Ausströmöffnungen 42 ausströmende Gas kann beispielsweise dazu beitragen, die durchtrennten Enden des Gegenstands 30 voneinander weg zu bewegen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn es sich beim Gegenstand 30 um ein Strom führendes Kabel handelt. Ein größerer Abstand der durchtrennten Enden eines solchen Kabels verringert die Gefahr der Bildung eines ungewollten Lichtbogens bzw. Kurzschlusses.
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Alternativ könnte das ausströmende Gas auch zum Füllen eines Gassacks (nicht dargestellt) verwendet werden, der beispielsweise die Batterien eines Elektrofahrzeugs gegen Verlagerung schützt. Der Gassack kann auch so angeordnet sein, dass er sich um die Batterien legt, insbesondere um den Bereich der Batteriepole, um einen Kurzschluss zu verhindern.
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Es ist möglich, anstelle des Treibsatzes 14 oder zusätzlich in der ersten Kammer 12 ein unter Druck stehendes Volumen eines inerten Gases, beispielsweise Argon und/oder Helium, vorzusehen. Auch ist vorzugsweise das bei der Verbrennung des Treibsatzes entstehende Gas inert in dem Sinn, dass es nur noch wenig oder keinen Sauerstoff enthält.
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Durch das Umströmen bzw. Füllen der Umgebung des Gasgenerators 10 und insbesondere der durchtrennten Enden des Gegenstandes 30 mit inertem Gas wird im Fall eines durchtrennten Strom führenden Kabels die Gefahr der Erzeugung eines Lichtbogens verringert.
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Die 8 bis 11 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Gasgenerators 100. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist das Schneidelement 232 hier zweiteilig mit einer vom Körper des Schneidkopfs 236 lösbaren Schneidklinge 234 ausgebildet. Ansonsten ist der Gasgenerator 100 identisch aufgebaut wie der Gasgenerator 10, der oben beschrieben wurde.
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Die Schneidklinge 234 ist als dreieckige Klinge ausgebildet und ist in Axialrichtung A mittig an das Ende des Kolbenelements 20 angesetzt. An ihrem Umfangsrand ist sie mit dem Umfangsrand des an dieser Stelle zylindrisch geformten Schneidkopfs 236 verbunden, beispielsweise durch Klemmung bis zu einer Schulter 250 (siehe 11).
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Wird nun der Körper des Schneidkopfes 236 an der Schulter 48 im Gehäuse 22 zurückgehalten, so schiebt der sich weiter in Verschieberichtung bewegende Kolbenelement 20 die Schneidklinge 234 vom Körper des Schneidkopfes 236 und trennt sie damit von diesem (siehe 9).
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Der Umriss der Öffnungen 24, durch die sich der Gegenstand 30 erstreckt, kann kleeblattförmig oder oval sein, wie in 12 dargestellt ist. Dies sorgt dafür, dass sich der Gegenstand 30 in den Öffnungen 24 verklemmt und so besser von der Schneidklinge 34, 234 durchtrennt werden kann.
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Das Schneidelement kann auch auf jede andere geeignete Weise ausgebildet sein. Der Gasgenerator 10 ist selbstverständlich auch in anderen Bereichen einsetzbar.
