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Die Erfindung betrifft ein Treibladungselement für einen Gasgenerator zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung, das als Tablette ausgebildet ist, die einen aus einem pyrotechnischen Material bestehenden Kern aufweist, wobei der Kern wenigstens teilweise mit einer Hülle aus einem den Abbrand des Kerns verzögernden Material umgeben ist.
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Die
DE 39 33 554 C1 beschreibt Treibladungselemente, die eine Hülle aus einem den Abbrand verzögernden Material aufweisen. Die Treibladungselemente werden mit der Hülle aus einem den Abbrand verzögernden Material versehen, um den Druckanstieg beispielsweise in einem Gasgenerator beim Abbrand des Treibladungselements zu verlangsamen. Dadurch soll die Belastung auf das Modul, das das Treibladungselement aufnimmt, reduziert werden. Im Stand der Technik ist vorgesehen, das Treibladungselement mit einem den Abbrand verzögernden Material zu überziehen, analog zu der Beschichtung einer Filmtablette. Das Treibladungselement wird dabei in bekannter Weise hergestellt und nachträglich mit dem den Abbrand des Treibladungselements verzögernden Material derart überzogen, dass sich eine Hülle bildet, die das Treibladungselement ummantelt.
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Zur Herstellung eines solchen ummantelten Treibladungselements sind im Anschluss an das übliche Herstellungsverfahren weitere Verfahrensschritte notwendig, um das Treibladungselement zu umhüllen sowie die Hülle zu verfestigen. Hierfür sind typischerweise neben dem Beschichtungsprozess zusätzliche Trocknungsschritte nötig, die die Herstellung des Treibladungselements verzögern und somit kostspieliger werden lassen.
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Das aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines umhüllten Treibladungselements besitzt den weiteren Nachteil, dass eine gleichmäßige Umhüllung des Treibladungselements schwer zu erzielen ist. Dies hat einen direkten Einfluss auf die Abbrandcharakteristik des Treibladungselements, die sich durch unterschiedliche Überzugsdicken entsprechend ändern kann.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Treibladungselement bereitzustellen, das eine verbesserte, insbesondere definiertere Abbrandcharakteristik aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Treibladungselement für einen Gasgenerator zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung, das als Tablette ausgebildet ist, die einen aus einem pyrotechnischen Material bestehenden Kern aufweist, wobei der Kern wenigstens teilweise mit einer Hülle umgeben ist, die aus einem den Abbrand des Kerns verzögernden Material besteht. Das erfindungsgemäße Treibladungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle auf den Kern gepresst ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist, die Hülle direkt auf den Kern einer Treibstofftablette aus einem pyrotechnischen Material zu pressen, sodass eine gleichmäßig ausgebildete Hülle geschaffen ist, die eine definierte Abbrandcharakteristik des Treibladungselements garantiert. Zudem werden durch das Aufbringen der Hülle durch Verpressen Einschlüsse von Fremdmaterialen oder Lufthülsen zwischen der Hülle und dem Tablettenkern vermieden. Somit kann ausgeschlossen werden, dass die Abbrandcharakteristik des Treibladungselements durch derartige Fremdmaterialen oder Lufthülsen negativ beeinflusst wird. Ferner stellt die verpresste Hülle einen definierten Übergang zu dem Kern des Treibladungselements dar.
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Das Treibladungselement ist erfindungsgemäß in Form einer Tablette ausgebildet. Treibstofftabletten werden üblicherweise durch Verpressen von Granulaten oder Pulvern in definierten Matrizen hergestellt und weisen deshalb eine definierte geometrische Form mit definierten Abmessungen auf. Dagegen sind die im Stand der Technik ebenfalls eingesetzten Treibstoffgranulate unregelmäßige Bruchkörper mit variierenden Abmessungen.
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Das den Abbrand verzögernde Material ist vorzugsweise wenigstens eine Verbindung aus der aus den Boraten, Boroxiden, Calciumcarbonat, Aluminaten, Aluminiumoxiden, Molekularsieben, Silikaten, Siliziumdioxid und Natriumsilicaten bestehenden Gruppe. Es können auch Mischungen dieser Materialien eingesetzt werden. Die genannten Materialien sind besonders geeignet, da sie abbrandhemmend sind und beim Abbrand des pyrotechnischen Treibstoffs keine toxischen Reaktionsprodukte erzeugen.
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Das den Abbrand verzögernde Material kann insbesondere derart ausgewählt werden, dass es das durch den Abbrand des pyrotechnischen Treibstoffs erzeugte Gas abkühlt. Dies kann beispielsweise durch kapazitive Wärmeaufnahme des Materials oder durch eine endotherme Reaktion des Materials oder endotherme Phasenübergänge bei Erwärmung geschehen. Damit kann die thermische Belastung der Module der Sicherheitseinrichtung weiter verringert werden.
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Vorzugsweise ist das abbrandverzögernde Material derart beschaffen, dass sich an ihm Reaktionsprodukte anlagern können, die bei dem Abbrand des Treibladungselements entstehen.
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Die Hülle aus dem abbrandverzögernden Material weist vorzugsweise eine Dicke von 0,01 bis 2,0 mm, vorzugsweise von 0,05 bis 1,5 mm, weiter vorzugsweise von 0,1 bis 1,0 mm, weiter vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 mm, weiter vorzugsweise von 0,3 bis 0,4 mm auf. Die optimale Dicke der Hülle ist insbesondere abhängig von der Art und Zusammensetzung des pyrotechnischen Treibstoffs und der Beschaffenheit des abbrandverzögernden Materials.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Kern vollständig von der abbrandverzögernden Hülle umgeben. In dieser Ausführungsform weist das Treibladungselement eine konstante und definierte Hülle auf, die den Treibstoffkern umgibt und somit die Abbrandcharakteristik des Treibladungselements eindeutig definiert.
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In einer weiteren Ausführungsform des Treibladungselements ist die abbrandverzögernde Hülle lediglich an einer Stirnseite des Kerns, in Form einer Hüllenunterseite oder einer Hüllenoberseite angebracht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die abbrandverzögernde Hülle lediglich an beiden Stirnseiten des Kerns, in Form einer Hüllenunterseite und einer Hüllenoberseite, angebracht sein. So kann die Abbrandcharakteristik quasi stufenweise durch Hinzufügen oder Weglassen einer Schicht bzw. einem Teilbereich mit der abbrandverzögernden Hülle eingestellt werden.
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Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines Treibladungselements nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen vorgesehen, wobei das Treibladungselement als Tablette ausgebildet ist, die einen Kern aus einem pyrotechnischen Material und eine den Kern zumindest teilweise umgebene Hülle aufweist, wobei die Hülle aus einem den Abbrand des Kerns verzögernden Material besteht, und wobei die Hülle auf den Kern gepresst wird.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren bietet neben den Vorteilen des Treibladungselements selbst den Vorteil, dass die Hülle während der Herstellung des Tablettenkerns auf der gleichen Apparatur gepresst werden kann, sodass kein zusätzlicher Verfahrensschritt zur Umhüllung des Kerns des Treibladungselements nötig ist. Dadurch kann die Herstellung des erfindungsgemäßen Treibladungselements kostengünstig vollzogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt der Kern als Vorpressling vor und wird in einem weiteren Verfahrensschritt mit dem abbrandverzögernden Material derart verpresst, dass das den Abbrand des Kerns verzögernde Material die Hülle der Tablette bildet. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass der Kern bereits als definierte Form vorliegt, sodass gewährleistet werden kann, dass die Hülle den Kern gleichmäßig umschließt. Dadurch wird eine definierte Abbrandcharakteristik des Treibladungselements garantiert.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, eine Pressmatrize mit dem den Abbrand verzögernden Material zu befüllen, insbesondere kann das den Abbrand verzögernden Material noch vorverdichtet werden. Daraufhin wird die Pressmatrize weiter befüllt mit pyrotechnischen Material wobei sodann entweder sofort ein Fertigpressen des Treibladungselements erfolgen kann. Oder es wird, nach einem wahlweise Vorverdichten des pyrotechnischen Materials, die Pressmatrize mit einer weiteren Schicht des den Abbrand verzögernden Materials befüllt und erst daraufhin das Treibladungselement fertig gepresst.
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Weitere Tablettierverfahren sind dem Fachmann aus der Herstellung von Manteltabletten bekannt.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines Treibladungselements der zuvor genannten Art für eine Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Gasgenerator. Die zuvor genannten Vorteile des Treibladungselements sind insbesondere bei der Aktivierung eines Gasgenerators von Vorteil, da gleichmäßige und definierte Abbrandbedingungen sowie ein langsamer Druckanstieg durch das den Abbrand des Treibstoffkerns verzögernde Hüllenmaterial gewährleistet sind.
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Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Gasgenerator zur Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung mit Treibladungselementen, wobei ein wesentlicher Anteil, vorzugsweise mehr als 50%, insbesondere alle der Treibladungselemente einer Treibladung oder Treibladungsstufe des Gasgenerators nach zumindest einem der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele ausgebildet und/oder nach zumindest einem der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen und der nachfolgenden Figuren, auf die Bezug genommen wird. In den Figuren zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Treibladungselement, wobei die Dimensionierung in der gezeigten Figur aufgrund einer besseren Darstellung nicht maßstabsgetreu ist.
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2 ein weiteres erfindungsgemäßes Treibladungselement, wobei die Dimensionierung in der gezeigten Figur aufgrund einer besseren Darstellung nicht maßstabsgetreu ist.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Treibladungselements 10 in Tablettenform, das einen Kern 12 und eine Hülle 14 aufweist. Die Hülle 14 umschließt in der gezeigten Ausführungsform den Kern 12 vollständig, sodass sich eine durchgehende Oberfläche 16 bildet.
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Der Kern 12 des Treibladungselements 10 besteht aus einem pyrotechnischen Material, das nach Aktivierung durch Wärme ein großes Volumen Gas freisetzt. Das durch den Abbrand des Treibladungselements 10 freigesetzte Gasvolumen kann beispielsweise den Airbag eines Fahrzeugs aufblasen oder eine andere Sicherheitsvorrichtung wie einen Gurtstraffer, Motorhaubenaufsteller oder Knieairbag aktivieren.
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Die auf den Kern 12 aufgebrachte Hülle 14 besteht aus einem den Abbrand des Kerns 12 verzögernden Material und definiert die Oberfläche 16 des Treibladungselements 10.
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In der Ausführungsform gemäß 1 weist die Hülle 14 zwei Teilabschnitte auf, einen unteren Hüllenabschnitt 18 und einen oberen Hüllenabschnitt 20, die sich herstellungsbedingt ergeben.
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Die Hülle 14 verzögert aufgrund ihrer Materialeigenschaft den Abbrand des Kerns 12 und damit, bei Einsatz in einem Gasgenerator, den Druckanstieg in der Brennkammer eines Gasgenerators. Die Abbrandcharakteristik des Treibladungselements 10 wird somit durch die Tablettenform und die Hülle 14 definiert.
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Die Hülle 14 ist auf den Kern 12 gepresst, sodass die Oberfläche 16 des Treibladungselements 10 gleichmäßig ausgebildet ist und Lufteinschlüsse oder Einschlüsse von Fremdmaterialen vermieden werden. Dabei ist die Dicke der Hülle 14 bzw. der Abstand der Hüllenoberfläche 16 zum Kern 12 entsprechend definiert, wodurch die Abbrandcharakteristik des Treibladungselements 10 festgelegt werden kann.
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Das Treibladungselement 10 weist bevorzugt eine zylindrische Tablettenform auf. Daher kann die Hüllendicke auf den Zylindergrundflächen von der Dicke der Hülle an der Mantelfläche der Treibstofftablette verschieden sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Hülle aus dem abbrandverzögernden Material auf den Zylindergrundflächen der Treibstofftablette zwischen 0,01 und 2,0 mm, und auf der Mantelfläche zwischen 0 und 2,0 mm.
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Bevorzugt ist die Hüllendicke auf allen Zylinderflächen der Treibstofftablette gleich.
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Vor dem vollständigen Anzünden des Treibladungselements 10 muss zunächst die Hülle 14 auf die Anzündtemperatur des pyrotechnischen Materials gebracht werden, wodurch sich der Abbrand des Kerns 12 und damit die Gasfreisetzung entsprechend verzögert. Über die Dicke der Hülle 14 kann demnach die Abbrandcharakteristik des Treibstoffs eingestellt und der durch den Abbrand des Treibstoffs verursachte Druckanstieg in der Brennkammer des Gasgenerators verlangsamt werden, da eine dickere Hülle 14 eine langsamere Gasfreisetzung zur Folge hat.
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Als Material für die Hülle 14 kommen insbesondere Borste, Boroxide, Calciumcarbonat, Aluminate, Aluminiumoxide, Molekularsiebe, Silikate, Siliziumdioxid und Natriumsilicate sowie Mischungen dieser Materialien in Frage, da diese Materialien beim Abbrand keine toxischen Reaktionsprodukte haben.
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In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Treibladungselement 10 eine poröse Oberfläche 16 aufweist, wodurch sich die Abbrandcharakteristik des Treibladungselements 10 entsprechend ändert.
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Bei ansonsten gleicher Dicke der Hülle 14 würde der Kern 12 des Treibladungselements 10 aufgrund der porösen Oberfläche 16 früher zünden und somit der Druck früher ansteigen. Mithilfe der Porosität der Oberfläche 16 kann somit direkt die Abbrandcharakteristik des Treibladungselements 10 beeinflusst werden, wie dies analog durch die Dicke der Hülle 14 bei vollständiger Umhüllung des Kerns 12 möglich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Hülle mit Schwächungszonen oder -linien versehen sein, die eine geringere Dicke als die angrenzenden Hüllenbereiche aufweisen. Damit ist eine weitere Variation der Abbrandeigenschaften der Treibstofftablette möglich.
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Zur Herstellung eines in 1 gezeigten Treibladungselements 10 kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem das Treibladungselement 10 in die entsprechende Tablettenform gepresst wird.
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Die Herstellung von Treibstofftabletten ist grundsätzlich bekannt. Üblicherweise werden pulverförmige oder vorgranulierte Ausgangsmaterialien miteinander vermischt und auf Tablettenpressen unter Bildung einer festen Treibstofftablette komprimiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann mithilfe typischerweise verwendeter Tablettenmaschinen ein Vorkomprimieren des Kerns 12 aus dem pyrotechnischen Material durchgeführt werden, sodass der Kern 12 in einem separaten Prozess gebildet wird und als tablettenförmiger Vorpressling vorliegt. Über den Druck, mit dem der Kern 12 vorgepresst bzw. die Hülle 14 auf den Kern 12 gepresst wird, kann die Dichte des Treibladungselements 10 und damit die Abbrandcharakteristik ebenfalls beeinflusst werden.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Treibstoffelements, wie es in 1 dargestellt ist, umfasst die folgenden Schritte:
Zunächst wird die Pressmaschine mit dem den Abbrand verzögernden Material der Hülle 14 befüllt. Im Anschluss daran wird der vorgepresste Kern 12 aus dem pyrotechnischen Material eingebracht. Daraufhin wird die Mantelunterseite 18 gepresst und gleichzeitig wird der Kern 12 teilweise in die Mantelunterseite 18 der Hülle 14 gepresst. Daran anschließend wird das Material für die Manteloberseite 20 der Hülle 14 eingebracht und mit dem Rohling, bestehend aus der Mantelunterseite 18 und dem Kern 12, derart verpresst, dass das Treibladungselement 10 in seiner endgültigen Form und Stärke vorliegt.
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Somit ist ein Treibladungselement 10 geschaffen, das eine auf den Kern 12 aus pyrotechnischem Material verpresste Hülle 14 aufweist, die den Abbrand des Kerns 12 und damit des Treibladungselements 10 entsprechend verzögert.
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Zur Herstellung einer porösen Oberfläche 16 der Hülle 14 können entsprechend geformte Pressstempel verwendet werden, sodass sich eine poröse Oberfläche 16 aufgrund von Fortsätzen in den Pressstempeln ausbildet. Zum Einbringen von Schwächungszonen bzw. Schwächungslinien in die Hülle können die Pressstempel entsprechende Noppen oder Rippen aufweisen.
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2 zeigt eine der 1 sehr ähnlichen Ausführungsform, jedoch mit dem Unterschied, dass hier der umlaufende Mantelbereich des Kerns 12 aus dem pyrotechnischen Material als äußere Oberfläche des Treibladungselements 10 frei liegt, also nicht mit einem den Abbrand des Kerns 12 verzögernden Material umgeben ist. Hier sind vielmehr nur die beiden Stirnseiten des Kerns 12 mit jeweils einer Schicht der Hülle 14, dargestellt als Hüllenunterseite 22 und Hüllenoberseite 24, bedeckt. Im Wesentlichen gilt bei 2 auch das bereits zu 1 oben Beschriebene. Hier lässt sich jedoch die Abbrandcharakteristik noch weiter beeinflussen, da ein Teil des Kerns 12 und damit ein Teil des pyrotechnischen Materials frei liegt für eine direkte Einwirkung einer äußeren Aktivierungsenergie, sodass das pyrotechnische Material hier schneller aktiviert bzw. abbrennen wird als mit einer Schutzhülle aus Abbrand verzögernden Material.
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Je nach gewünschter Abbrandcharakteristik kann eine der beiden Stirnseiten des Kerns 12 frei von einer Hülle 14 bleiben, sodass lediglich eine Stirnseite des Kerns 12 eine Hülle 14, in Form einer Hüllenunterseite 22 oder einer Hüllenoberseite 24, aufweist.
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Der in 2 gezeigte Kern 12 weist denselben Durchmesser auf, wie die beiden angrenzenden Schichten der Hülle 14, die Hüllenunterseite 22 bzw. die Hüllenoberseite 24.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Treibstoffelements, wie es in 2 dargestellt ist, umfasst die folgenden Schritte:
Zunächst wird eine Pressmatrize mit dem den Abbrand verzögernden Material der Hülle 14 befüllt, was in Form einer Hüllenunterseite 22 dargestellt ist. Wahlweise kann daraufhin das den Abbrand verzögernde Material noch vorverdichtet werden. Danach wird die Pressmatrize weiter befüllt mit dem pyrotechnischen Material, dem Kern 12. Entweder kann daraufhin sogleich ein Fertigpressen des gesamten Treibladungselements 10 erfolgen, wenn das fertige Treibladungselement 10 nur auf seiner unteren Stirnseite eine Abdeckung bzw. Hülle 14 in Form der dargestellten Hüllenunterseite 22 aufweisen soll. Oder es folgt nach einer wahlweisen Vorverdichtung des pyrotechnischen Materials ein weiteres Befüllen der Pressmatrize mit einer weiteren Schicht des den Abbrand verzögernden Materials, was in Form einer Hüllenoberseite 24 dargestellt ist. Daraufhin kann ein Fertigpressen des gesamten Treibladungselements 10 erfolgen, sodass das fertige Treibladungselement 10 angrenzend an seine beiden Stirnseiten jeweils eine Schicht aus dem den Abbrand verzögernden Material aufweist, nämlich die Hüllenunterseite 22 und die Hüllenoberseite 24.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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