-
Die Erfindung betrifft eine pyrotechnische Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
-
Pyrotechnische Antriebseinrichtungen werden für vielfältige Zwecke eingesetzt, beispielsweise als Antriebe für elektrische Schalter, insbesondere Trennschalter, wie sie in der KFZ-Technik verwendet werden um die Batterie bzw. den Akkumulator eines KFZ im Gefahrenfall schnell und dauerhaft vom Bordnetz des KFZ zu trennen. Ein derartiger Trennschalter, der auch als Sicherung bezeichnet werden kann, ist in der
WO 03/067621 A1 beschrieben. In einer der Varianten wird ein kolbenartiges Element beim Auslösen eines pyrotechnischen Materials bewegt, wobei eine Sicherungsstrecke, die zwischen dem bewegbaren Element und einem ortsfesten Element besteht, aufgetrennt und damit der über die Sicherungsstrecke laufende Strompfad unterbrochen wird. Zwar ist in dieser Schrift der pyrotechnische Antrieb des kolbenartigen Elements noch in den elektrischen Schalter integriert, jedoch kann ein solcher Antrieb selbstverständlich auch als eigenständige Einrichtung ausgebildet sein.
-
Eine weitere Anwendung findet sich auf medizinischem Gebiet. Hier ist es insbesondere bekannt, einen staub- oder pulverförmigen Stoff, beispielsweise ein Medikament, mittels eines pyrotechnischen Antriebs derart zu beschleunigen, dass er direkt, d.h. ohne eine Trägerflüssigkeit, und nadellos in ein Gewebe injiziert werden kann. Die staub- oder pulverförmigen Stoffpartikel werden hierbei direkt in das Gewebe, insbesondere in die oberen Schichten der Haut eines Körpers, geschossen, was praktisch völlig schmerzfrei erfolgt. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der
EP 1 599 242 B1 beschrieben. Hier wirkt in einer Variante mittels einer pyrotechnischen Ladung eine Stoßwelle auf eine Membran ein, wodurch auf den an der Membran haftenden staub- oder pulverförmigen Stoff ein mechanischer Impuls übertragen wird. Die Stoffpartikel werden hierdurch von der Membran abgelöst und auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt. In einer anderen Variante wird durch eine pyrotechnische Treibladung ein Kolben beschleunigt, der mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf die Rückseite der Membran auftrifft und so einen ausreichend hohen Impuls über die Membran auf die daran anhaftenden Stoffpartikel überträgt.
-
Bei bekannten pyrotechnischen Antrieben, ob integriert in eine beliebige Vorrichtung oder als eigenständige Vorrichtung, wird das pyrotechnische Material, welches zur Erzeugung des Drucks oder des Druckstoßes (im Folgenden auch als Stoßwelle bezeichnet) vorgesehen ist, in eine Brennkammer eingebracht. Das Volumen der Brennkammer entspricht dabei üblicherweise dem Volumen, welches das pyrotechnische Material benötigt. Wird jedoch, abhängig von der Lebhaftigkeit bzw. Abbrandgeschwindigkeit des pyrotechnischen Materials, nur eine geringe Menge des pyrotechnischen Materials benötigt oder soll aus Gründen möglichst hoher Sicherheit im Störfall möglichst wenig pyrotechnisches Material in der Baugruppe enthalten sein, so besteht häufig das Problem, dass die Brennkammer nicht klein genug ausgebildet werden kann, oder dass das pyrotechnische Material, welches häufig in fester, beispielsweise gepresster Form vorliegt, nicht mit der erforderlichen Toleranz hergestellt werden kann, um die gesamte Brennkammer auszufüllen. Das Restvolumen der Brennkammer, welches nicht von dem pyrotechnischen Material beansprucht wird, und die darin vorhandene Luft bzw. das darin vorhandene Gas begrenzt insbesondere die Steilheit des Druckanstiegs, welcher nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials erzeugt wird, benötigt zusätzlich Energie, die dem eigentlichen Beschleunigungsvorgang der Membran oder des Kolbens verloren geht und dämpft zudem die Stoßwelle. Damit verringert das mit Luft oder einem Gas gefüllte Restvolumen die Übertragung eines schnellen mechanischen Impulses auf das Abtriebselement der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (im Folgenden auch als Beaufschlagungselement bezeichnet).
-
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Beschreibung jegliches deflagrierend oder detonativ umsetzendes (beispielsweise abbrennendes) Material als pyrotechnisches Material bezeichnet wird. Hierunter fallen auch feflagrierend umsetzende Stoffgemische, wie beispielsweise Thermitmischungen oder Tetrazen. Ein deflagrierend umsetzendes Material erzeugt dabei einen Druckanstieg oder eine Druckwelle, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit des betreffenden Mediums ist. Ein detonativ umsetzendes Material erzeugt dagegen eine als Druckstoß oder Stoßwelle bezeichnete Druckänderung in dem betreffenden Medium, deren Geschwindigkeit größer ist als die Schallgeschwindigkeit in dem Medium.
-
Damit ergeben sich im Wesentlichen zwei unterschiedliche Typen von pyrotechnischen Antriebseinrichtungen:
Wird ein deflagrierend, d.h. relativ langsam umsetzendes pyrotechnisches Material verwendet, so ergibt sich ein relativ langsamer Druckanstieg bzw. eine relativ langsame Druckänderung oder Druckwelle im Millisekundenbereich. Beaufschlagt dieser relativ „langsame“ Druckanstieg das betreffende Beaufschlagungselement, so erfährt diese eine Verformung oder wird bewegt. Auch beide Auswirkungen auf das Beaufschlagungselement sind möglich. Ein solcher relativ langsamer Druckanstieg wird üblicherweise ausgenutzt, um eine Vergrößerung des Brennkammervolumens zu bewirken. Beispielsweise kann hierdurch ein als Kolben ausgebildetes Beaufschlagungselement angetrieben werden oder ein als deformierbare Membran ausgebildetes Beaufschlagungselement wird relativ langsam deformiert, was zu einer Vergrößerung des Volumens der Brennkammer und damit auch zur gewünschten Beschleunigung der Membranoberfläche führt.
-
Wird ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material verwendet, so soll vor allem der erzeugte Druckstoß bzw. die von ihm ausgehende Stoßwelle ausgenutzt werden, um die Abtriebsleistung der pyrotechischen Antriebseinrichtung zu erzeugen. Der Druckstoß (die Stoßwelle) erreicht das Beaufschlagungselement bzw. dessen Beaufschlagungsfläche bevor eine ggf. zusätzliche, viel langsamere Druckerhöhung im Brennkammervolumen zu dessen Vergrößerung führen kann. Der Druckstoß kann dazu verwendet werden, um eine mechanische Abtriebsleistung über das Beaufschlagungselement auf ein oder mehrere anzutreibende Elemente zu übertragen, beispielsweise auf Stoffpartikel eines pharmazeutischen Stoffs, welche auf einer Oberfläche des Beaufschlagungselements anhaften. Die Stoffpartikel werden auf diese Weise in sehr kurzer Zeit auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und lösen sich nach Erreichen der maximalen Geschwindigkeit vom Beaufschlagungselement ab. Treffen diese schnellen Stoffpartikel auf eine technische Oberfläche, ein Gewebe oder eine Haut, so können diese infolge ihrer relativ hohen Energie bis in eine bestimmte Tiefe eindringen.
-
Der Erfinder hat erkannt, dass sich in beiden Fällen ein nicht vollständig mit dem pyrotechnischen Material gefülltes Brennkammervolumen nachteilig auf die mechanische Leistung des Antriebs auswirkt. Es wird im Fall der Verwendung eines deflagrierend umsetzenden Materials mehr pyrotechnisches Material als eigentlich erforderlich (d.h. ohne ein nicht gefülltes Restvolumen der Brennkammer) benötigt. Im Fall eines detonativ umsetzenden Materials verursacht das nicht gefüllte Restvolumen der Brennkammer eine Dämpfung der Stoßwelle durch der Materialübergang zwischen dem Restvolumen und der brennkammerseitigen Oberfläche des Beaufschlagungselements (Beaufschlagungsfläche) führt zu einer Reflexion der Stoßwelle und damit zu einer Verringerung der Antriebsleistung.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine pyrotechnische Antriebseinrichtung zu schaffen, welche mit möglichst wenig pyrotechnischem Material eine möglichst hohe und schnell wirkende Antriebsleistung erzeugt.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich der negative Einfluss eines Restvolumen der Brennkammer, welches im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (d.h. vor einem Aktvieren des pyrotechnischen Materials) bestehen kann, reduzieren oder vollkommen vermeiden lässt, wenn das Restvolumen im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (insbesondere bei dem im Ausgangszustand in der Brennkammer herrschenden Druck und der darin herrschenden Temperatur) im Wesentlichen vollständig mit einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterial und/oder einem weichen gummiartigen Füllmaterial gefüllt wird. Durch das Füllmaterial wird eine gute Ankopplung des wenigstens einen Beaufschlagungselements an die durch das pyrotechnische Material freigesetzte Energie und die damit verbundene Druckerhöhung in der Brennkammer erreicht.
-
Das Füllmaterial sollte im Fall eines detonativ umsetzenden pyrotechnischen Materials vorzugsweise so ausgebildet bzw. beschaffen sein, dass die durch die Aktivierung des pyrotechnischen Materials erzeugte Stoßwelle, die eine gegenüber der Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Material höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, möglichst ungedämpft und mit möglichst geringer Reflexion (insbesondere an der Beaufschlagungsfläche des Beaufschlagungselements, welche die Brennkammer begrenzt) durch das Füllmaterial auf das Beaufschlagungselement übertragen wird.
-
Wird dagegen ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material verwendet, welches eine Druckwelle erzeugt, die langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Materials, so sollte das Füllmaterial vorzugsweise so ausgebildet bzw. beschaffen sein, dass es sich an die Deformation der Brennkammer, insbesondere hervorgerufen durch ein Verschieben und/oder ein Deformieren des wenigstens einen Beaufschlagungselements, möglichst gut anpassen kann und dafür möglichst wenig Energie benötigt wird.
-
Durch die Füllung des Restvolumens der Brennkammer mit einem Füllmaterial wird also bei Verwendung eines deflagrierend umsetzenden pyrotechnischen Materials erreicht, dass mit dem durch den Umsetzvorgang erzeugten Gas (Heißgas bei einem durch Abbrennen umsetzenden pyrotechnischen Material) in der Brennkammer ein sofortiger relativ steiler Druckanstieg hervorgerufen wird, mit welchem die Beaufschlagungsfläche des wenigstens einen Beaufschlagungselements beaufschlagt wird. Da im Restvolumen im Ausgangszustand der Antriebseinrichtung kein komprimierbares Gas enthalten ist, wird keine Energie entzogen, die für die Kompression eines derartigen Gasvolumens erforderlich wäre und die nicht in eine Antriebsenergie umgesetzt werden könnte. Im Fall der Verwendung eines detonativ umsetzenden Materials wird eine deutlich geringere Dämpfung oder Reflexion der Stoßwelle bei der Übertragung auf das Beaufschlagungselement erreicht.
-
Demzufolge kann die Menge bzw. die Masse des verwendeten pyrotechnischen Materials gegenüber bekannten Ausführungsformen, bei denen im Ausgangszustand ein Restvolumen der Brennkammer mit Gas gefüllt ist, deutlich reduziert werden. Toleranzen bei der Herstellung der Geometrie der Brennkammer und/oder bei der Herstellung des pyrotechnischen Materials, beispielweise der Geometrie eines Detonators, welcher aus einer Anzündeinrichtung mit einem daran angebrachten pyrotechnischen Material besteht (dieses kann zu einem Festkörper gepresst und/oder durch eine Hülle mit diesem verbunden sein), können durch das Einbringen des flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterials und/oder des gummiartigen Füllmaterials in das Restvolumen kompensiert werden, ohne dass sich hieraus die bei bekannten pyrotechnischen Antriebseinrichtungen auftretenden, oben beschriebenen Nachteile ergeben.
-
Unter einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterial wird im Folgenden jedes Material verstanden, das in einem (Umgebungs-)Arbeitstemperaturbereich, in welchem die pyrotechnische Antriebseinrichtung einsetzbar sein soll, und bei dem dadurch erzeugten Ausgangszustand in der Brennkammer (insbesondere Druck und Temperatur) eine flüssige, gelartige oder pastöse Konsistenz aufweist. Insbesondere sollen dabei alle natürlichen und mineralischen Öle auf Kohlenstoff-, aber auch auf Siliziumbasis, eingeschlossen sein. Beispiele für flüssige Füllmaterialien sind Raps- und Sonnenblumenöl, aber auch Trafoöl, Mineralöl und die in diversen Viskositäten erhältlichen Silikonöle und den hier verwendbaren Verdickungsmitteln wie Siliziumdioxid, hochdisperse Kieselsäure (HDK), Glaskügelchen usw. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Ausgangsstoffe zu einem Füllmaterial gemischt werden.
-
Derartige flüssige, gelartige oder pastöse Füllmaterialien können Materialien mit üblichem newtonschen Verhalten sein. Es sollen aber ausdrücklich auch die nichtnewtonschen Materialien umfasst sein. Beispielsweise können Materialien mit thixotropem Verhalten verwenden werden, die im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung höher viskos, insbesondere unter bloßer Schwerkrafteinwirkung nicht mehr fließfähig sind, aber nach dem Einwirken einer Druckerhöhung plötzlich deutlich flüssiger oder fließfähiger werden. Es können auch sogenannte strukturviskose oder pseudoplastische Materialen eingesetzt werden, welche im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung höher viskos, insbesondere unter bloßer Schwerkrafteinwirkung nicht mehr fließfähig sind, beim Auftreten hoher Schergeschwindigkeiten jedoch plötzlich deutlich flüssiger oder fließfähiger werden. Geläufige Beispiele für derartige thixotrope oder pseudoplastische Materialien sind Tomatenketchup, Zahnpasta, viele Fette oder Latex-Klebstoffgemische.
-
Solche Stoffe können im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung noch die dann gewünschten Eigenschaften, insbesondere die dann gewünschte (höhere) Viskosität aufweisen, um ein Herauslaufen des Füllmaterials aus der Brennkammer bei der Montage oder beim Lagern der Vorrichtung zu verhindern, während nach dem Aktivieren der Antriebseinrichtung der dadurch erzeugte höhere Druck in der Brennkammer die für die Funktion der Antriebseinrichtung vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere die dann gewünschte niedrigere Viskosität, erreicht werden.
-
Das Füllmaterial kann auch eine Mischung von unterschiedlichen Materialien sein. Insbesondere können einem flüssigen oder gelartigen Material Feststoffpartikel beigemischt werden. Auf diese Weise kann ein pastöses Material hergestellt werden, dessen Fließverhalten durch das Beimischen von bestimmten Feststoffpartikeln (beispielsweise Talkum, Glaskügelchen oder hochdisperses Silizium, HDK) eingestellt werden kann. So verbessert beispielsweise das Zumischen relativ großer Partikel das Fließverhalten, während das Zumischen von vielen kleinen Partikeln das pastöse Material in der Regel zähflüssiger macht. Dabei ist die zähflüssige Eigenschaft insbesondere beim Lagern vorteilhaft. Solche pastöse Füllmaterialien weisen häufig auch die vorbeschriebene pseudoplastische Eigenschaft auf, da nach der Aktivierung des pyrotechnischen Materials das Füllmaterial bewegt wird und Partikelverband ab einer gewissen Schergeschwindigkeit aufbricht, d.h. der Zusammenhalt zwischen den Partikeln und dem flüssigen oder gelartigen Material verloren geht.
-
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das weiche gummiartige Material ein auf Silikonbasis oder Kautschukbasis hergestelltes Material sein, welches vorzugsweise eine Härte kleiner oder gleich 70 Shore A aufweist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Restvolumen im Wesentlichen vollständig ausgefüllt wird. Ein Füllkörper aus einem derartigen Material kann vorgefertigt und zusammen mit dem pyrotechnischen Material unter Druck in das Brennkammervolumen eingesetzt werden.
-
Ist das pyrotechnische Material so ausgebildet, dass eine Stoßwelle erzeugt wird, d.h. wird ein detonativ umsetzendes Material verwendet, so kann das Füllmaterial so ausgebildet bzw. so gewählt werden, dass die Stoßwellenimpedanz des Füllmaterials im Wesentlichen der Stoßwellenimpedanz des einen oder der mehreren Beaufschlagungselemente entspricht oder nur um einen vorgegebenen geringen Betrag hiervon differiert. Hierdurch wird eine optimale Ankopplung der bei der detonativen Umsetzung des pyrotechnischen Materials erzeugten Stoßwelle an das wenigstens eine Beaufschlagungselement erreicht. Insbesondere werden relevante Reflexionen an der oder den Beaufschlagungsflächen vermieden, das heißt der Reflexionsfaktor an der Beaufschlagungsfläche ist im Wesentlichen gleich Null oder liegt unterhalb einer vorgegeben akzeptablen Schwelle.
-
Das Füllmaterial sollte, insbesondere bei der Verwendung eines detonativ umsetzenden Materials, eine geringe Schallwellendämpfung aufweisen, um eine möglichst verlustarme Übertragung der Energie der Stoßwellen auf das eine oder die mehreren Beaufschlagungselemente zu erreichen.
-
Das Füllmaterial kann ein Fluid sein, insbesondere ein Öl. Abhängig von den gewünschten Eigenschaften kann ein synthetisches oder natürliches Öl, beispielsweise ein pflanzliches Öl, insbesondere Sonnenblumenöl verwendet werden. Unter den natürlichen, pflanzlichen Ölen hat sich in Kombination mit einem detonativ umsetzenden Material insbesondere Sonnenblumenöl als hervorragendes Füllmaterial erwiesen, bei den synthetischen Ölen alle dünnflüssigen Silikonöle oder Silikonoleogele.
-
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Füllmaterial oder ein Bestandteil hiervon ein Fluid sein, welches durch die von dem pyrotechnischen Material freigesetzten Energie ganz oder teilweise verdampft. Hierdurch wird der Druckanstieg bzw. die Druckwellenerzeugung verstärkt.
-
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein derartiges Fluid oder ein Bestandteil hiervon auch einen Siedeverzug aufweisen, wobei der Bestandteil mit Siedeverzug vorzugsweise Wasser ist. Der Siedeverzug erfolgt durch das schnelle Erhitzen des Fluids durch die pyrotechnisch erzeugte Energie über den Siedepunkt hinaus, wobei ein metastabiler Zustand erreicht wird, in dem das Fluid explosionsartig verdampfen kann. Hierdurch wird die Druckwellenerzeugung nochmals verstärkt.
-
Als positiver Nebeneffekt einer mit einem Füllmaterial gefüllten Brennkammer wird damit auch die Wirkung nach außen im Fall eines Berstens der Brennkammer stark begrenzt, da für das Erzeugen der gewünschten Drücke in der Brennkammer nur ein kleiner Bruchteil des sonst erforderlichen pyrotechnischen Masse eingesetzt werden muss und das Fluid, anders als ein gasförmiges Medium, kaum Energie speichern kann, die beim Bersten der Brennkammer frei werden würde.
-
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Beaufschlagungselement ein bewegbarer Kolben sein, dessen Bewegungsweg auch durch im Gehäuse vorgesehene Anschlagsmittel begrenzt sein kann. Bei dieser Ausführungsform wird im Wesentlichen die langsamere Druckerhöhung in der Brennkammer ausgenutzt, um eine mechanische Abtriebsleistung zu erzeugen. Denn ein bewegbarer Kolben kann mit seiner meist größeren Masse kaum einer Stoßwelle folgen und mit Überschallgeschwindigkeit im betreffenden Medium bewegt werden. Eine Begrenzung des Bewegungswegs des Kolbens verhindert, dass der Kolben aus dem Gehäuse der Antriebseinrichtung austritt. Die erzeugten Heißgase bleiben somit in der Brennkammer und können die Umgebung nicht gefährden.
-
Nach einer anderen Ausgestaltung kann das Beaufschlagungselement auch eine Membran sein, welche im Gehäuse ortsfest gehalten ist oder welche in einem bewegbaren Kolben gehalten ist, dessen Bewegungsweg vorzugsweise durch im Gehäuse vorgesehene Anschlagsmittel begrenzt ist. Die Membran ermöglicht die einfache Übertragung einer von einem detonativ umsetzenden Material erzeugten Stoßwelle auf ein oder mehrere anzutreibende Elemente.
-
Die Membran kann einen Abtriebsbereich aufweisen, welcher vorzugsweise ein zentraler Bereich der Membran ist, der im Ausgangszustand ein zu beschleunigendes Element, beispielsweise einen Stößel, beaufschlagt. In einer anderen Ausgestaltung kann der Abtriebsbereich im Ausgangszustand einen an der Membran anhaftenden oder mit dieser verbundenen zu beschleunigenden und abzulösenden Stoff, beispielsweise einen festen, flüssigen oder gelartigen pharmazeutischen Stoff, tragen.
-
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zu beschleunigende Element oder der Stoff vollständig außerhalb der Brennkammer angeordnet sein und es kann ein Begrenzungselement vorgesehen sein, welches einen Durchbruch für das zu beschleunigende Element oder für das Ausstoßen des von der Membran abzulösenden Stoffs aufweist und welches den Deformationsweg der Membran in einem Bereich außerhalb des Abtriebsbereichs begrenzt.
-
Nach einer anderen Ausführungsform kann das zu beschleunigende Element die Brennkammer durchgreifen und im Ausgangszustand an einer von der Membran abgewandten Position der Brennkammer aus der Brennkammer oder dem Gehäuse der pyrotechnischen Antriebseinrichtung herausragen oder damit bündig abschließen. Auch hier kann wiederum ein Begrenzungselement vorgesehen sein, welches den Deformationsweg der Membran begrenzt, vorzugsweise im gesamten Bereich der Membran, welcher beim Aktivieren des pyrotechnischen Materials eine Deformation erfährt.
-
Als Material für das Begrenzungselement eignen sich Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, beispielsweise Polyoxymethylen (POM), da diese kostengünstig zu verarbeiten sind, die nach der Zündung auftretenden heftigen Stöße gegen ihre Geometrie gut und ohne Rissbildung überstehen und den auf sie einwirkenden Stößen plastisch nachgeben, wodurch Spannungen in der Membran minimiert werden können.
-
Eine Membran kann als mehrschichtige Membran ausgebildet sein, vorzugsweise als doppelwandige Membran mit einer ersten und zweiten Wandung, welche über eine Zwischenschicht verbunden, beispielsweise verklebt sein können. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Bersten der Membran. Diese Zwischenschicht kann auch eine Dicht- oder Gleitfunktion erfüllen.
-
Generell kann mittels einer Membran eine schnelle Bewegung mit kleinem Bewegungsweg aus der Antriebseinrichtung ausgekoppelt werden oder ein Impuls auf ein anzutreibendes Element übertragen werden, während ein Kolben eher dazu dient, um eine langsamere Bewegung, meist mit einem größeren Bewegungsweg auszukoppeln. Eine Kombination beider Varianten ist ebenfalls möglich, wenn die Membran in einem bewegbaren Kolben vorgesehen ist. Die Membran kann eine schnelle Bewegung bzw. einen mechanischen Impuls auskoppeln (d.h. den Druckstoß bzw. die Stoßwelle nutzen) und der Kolben kann die praktisch immer vorhandene langsamere Druckerzeugung in der Brennkammer zur Auskopplung einer langsameren Bewegung nutzen oder einfach das Volumen der Brennkammer vergrößern, um nach der Auskopplung der schnellen Bewegung den Druck in der Brennkammer zu reduzieren. Damit kann eine übermäßige Deformation der Membran oder gar ein Bersten der Membran vermieden werden, auch wenn die Kolbenbewegung als solches nicht zu Antriebszwecken genutzt wird.
-
Bei Auführungsformen, die ein detonativ umsetzendes Material verwenden kann das Gehäuse der Brennkammer oder zumindest ein Teil Brennkammerwandung aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer oder Aluminium, bestehen. Hierdurch wird der sich schnell ausbreitende Druckstoß nach wie vor gut auf das Beaufschlagungselement übertragen während der sich langsam aufbauende Druck, dessen Energie bei diesen Ausführungsformen nicht zur Antriebsleistung beiträgt, reduziert wird, da die Wärmeenergie vom Gehäuse aufgenommen oder über dieses an die Umgebung abgegeben wird. In der Brennkammer kann hierzu auch ein Füllstück aus einem entsprechenden Material vorgesehen sein, welches die Brennkammer (zumindest zum Teil) begrenzt. Des Weiteren kann zumindest ein Teil Brennkammerwandung durch ein Füllstück gebildet sein, das aus einem im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung, d.h. bei den in der Brennkammer herrschenden Drücken und Temperaturen, festen Material besteht, welches nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials zumindest teilweise verflüssigt oder in den gasförmigen Zustand überführt wird. Hierdurch wird der Brennkammer Energie entzogen, wodurch der Druck in der Brennkammer reduziert wird.
-
Ein solches Füllstück kann insbesondere aus Trockeneis bestehen und zur Auskleidung der gesamten Brennkammer oder eines Teils der Brennkammer ausgebildet sein. Trockeneis ist einfach zu verarbeiten und erzeugt im Endzustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung einen relativ niedrigen Druck in der Brennkammer, wobei sich durch die Sublimation und die Zurückwandlung in den festen Zustand ein Druck zwischen ca. 70 und 100bar einstellt. Bei bestimmten Ausführungsformen ist ein derart relativ niedriger und über lange Zeit konstanter Druck gewünscht, beispielsweise wenn ein bewegter Kolben als Beaufschlagungselement verwendet wird, der nach dem Aktivieren in eine Endposition gehalten werden soll, oder wenn die Deformation der Membran mit einer bestimmten Kraft beibehalten werden soll.
-
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Membran eine den Abtriebsbereich umfassende oder innerhalb des Abtriebsbereichs vorgesehene, in Bezug auf die Brennkammer einwärts gerichtete Vorformung aufweisen, welche zur Stoßwellenlenkung und/oder zur Erzeugung eines Knackfroscheffekts ausgebildet ist.
-
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung mit einer Membran, die mit einem Abtriebsbereich ein anzutreibendes Element beaufschlagt, wobei 1a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und 1b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung darstellt;
-
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung mit einer Membran, die in einem Abtriebsbereich staub- oder pulverförmige Partikel trägt, wobei 2a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und 2b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung und Abgeben der staub- oder pulverförmigen Partikel darstellt;
-
3 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung ähnlich der Variante nach 1, wobei das Brennkammervolumen mittels eines Einsatzteils reduziert ist;
-
4 einen schematischen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung mit einem verschiebbaren Kolben, welcher mit einem stiftartigen Abtriebselement verbunden ist, wobei 4a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und 4b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung darstellt; und
-
5 einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung ähnlich der Variante in 3 mit einem in der Brennkammer vorgesehenen Impulsübertragungselement, wobei 5a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und 5b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung darstellt.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1, die als eigenständige, funktionsfähige Vorrichtung ausgestaltet ist. Selbstverständlich kann eine derartige Vorrichtung, wie dies auch bei allen anderen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Fall ist, in eine übergeordnete Vorrichtung, beispielsweise eine nadellose, pyrotechnische Injektionseinrichtung oder einen elektrischen Endschalter, integriert sein. In diesem Fall können ein oder mehrere Elemente der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 mit entsprechenden Elementen der übergeordneten Vorrichtung integriert, insbesondere einstückig, ausgebildet sein. Die pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 3, in welchem eine Brennkammer 5 vorgesehen ist. Die Brennkammer 5 wird an einer Rückseite durch ein Bodenelement 7 begrenzt, welches eine in einer Längsachse A der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 angeordnete Aufnahmeausnehmung 9 aufweist, in welche eine pyrotechnische Einheit 11 mit einem Fußbereich eingesetzt ist. Die pyrotechnische Einheit 11 umfasst eine Zündeinrichtung 13, welche mit einem pyrotechnischen Material 15 verbunden ist. Zumindest das pyrotechnische Material 15 ragt aus dem Bodenelement 7 in die Brennkammer 5 hinein.
-
Das pyrotechnische Material 15 kann ein deflagrierend oder detonativ umsetzender pyrotechnischer Stoff sein, der vorzugsweise zu einem Körper mit einer vorgegebenen Geometrie oder zumindest einer gegenüber dem übrigen Brennkammervolumen abgegrenzten, gegebenenfalls flexiblen, Außenhaut ausgebildet ist. Beispielsweise kann das pyrotechnische Material 15 ein zu einem Formkörper gepresstes Pulver sein, welches zusätzlich mit einer flexiblen, beispielsweise gummiartigen Außenhaut umgeben ist. Die Außenhaut kann auch dazu dienen, um das pyrotechnische Material 15 beziehungsweise den betreffenden Formkörper mit der Zündeinrichtung 13 zu verbinden.
-
Der vordere Endbereich der Brennkammer 5 ist durch eine Membran 17 begrenzt, die zumindest in einem in Bezug auf die Längsachse A zentrischen Bereich axial plastisch und/oder elastisch deformierbar ist. Die Membran 17 kann, wie in 1a, in welcher der Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 vor einem Aktivieren der pyrotechnischen Einheit 11 dargestellt ist, eine in Bezug auf die Brennkammer 5 einwärts gerichtete zentrische Form aufweisen, die als Vorformung bezeichnet wird und, abhängig vom Material der Mermbran 17 durch Kalt- oder Warmverformung einer zunächst ebenen Membran erzeugt werden kann. Diese Vorformung, welche den Abtriebsbereich der Membran 17 umfassen oder innerhalb des Abtriebsbereichs vorgesehen sein kann, kann dazu beitragen, bei einem Aaktivieren der pyrotechnischen Einheit 11 den an ein anzutreibendes beziehungsweise zu beschleunigendes Element 19 zu übertragenden Impuls beziehungsweise eine zu übertragende Energie zu verstärken. Die Vorprägung der Membran 17 kann einer Deformation der Membran bei einer beginnenden Druckerhöhung innerhalb der Brennkammer 5 zunächst entgegenwirken und dann im Sinne eines „Knackfroschs“ aus dem stabilen Zustand, der im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 gegeben ist, in einen weiteren stabilen oder instabilen Zustand umspringen. Dieser zweite Zustand ist jedoch wenig relevant, da die Membran 17 bei einem Aktivieren der pyrotechnischen Einheit 11 ohnehin in einen Endzustand deformiert wird (1b). Eine derartige Vorformung der Membran 17 kann auch eine Ablenkung bzw. Fokussierung der Stoßwelle (im Folgenden als Stoßwellenlenkung bezeichnet) auf den Abtriebsbereich der Membran bewirken. Durch den Knackfroscheffekt oder die Fokussierung der Stoßwelle konnte messtechnisch eine zusätzliche Erhöhung der erzielbaren Oberflächengeschwindigkeit der Membran im Abtriebsbereich von ca. 10 bis 20 Prozent nachgewiesen werden.
-
Das Restvolumen der Brennkammer 5, welches nicht durch das pyrotechnische Material 15, beziehungsweise die Zündeinrichtung 13, das heißt den in die Brennkammer ragenden Teil der pyrotechnischen Einheit 11, beansprucht wird, ist im Wesentlichen vollständig mit einem Füllmaterial 21 gefüllt. Das Füllmaterial kann flüssig oder gelartig ausgebildet sein. Auch ein weiches gummiartiges Füllmaterial oder eine Kombination aus einem derartigen weichen gummiartigen Füllmaterial und einem flüssigen oder gelartigen Füllmaterial ist möglich. In jedem Fall sollte jedoch eine im Wesentlichen vollständige Füllung des Restvolumens der Brennkammer 5 gewährleistet sein.
-
Wird die pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 aus dem in 1 dargestellten Ausgangszustand aktiviert, so wird der Umsetzvorgang für das pyrotechnische Material 15 mittels der Zündeinrichtung 13 gestartet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektrische Zündeinrichtung handeln, die über elektrische Anschlüsse 13a entsprechend angesteuert werden kann. Derartige Zündeinrichtungen sind in vielfältiger Form bekannt und müssen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden. Anstelle von elektrisch ansteuerbaren Zündeinrichtungen sind selbstverständlich auch andere Zündeinrichtungen verwendbar, beispielsweise solche, die durch Erschütterungen, das heißt mechanische Beschleunigungen, auslösbar sind.
-
Durch das Umsetzen des pyrotechnischen Materials 15 wird die pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 in den in 1b dargestellten Endzustand übergeführt. Dabei sind im Wesentlichen zwei unterschiedliche Mechanismen zu entscheiden, die zum Erzeugen einer Abtriebsleistung in einem bezüglich der Längsachse A zentrischen Abtriebsbereich der Membran 17 führen.
-
Zum einen kann ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwendet werden, welches in der Brennkammer 5 einen Gasdruck erzeugt, wobei der Druckanstieg langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit im Füllmaterial 21. In diesem Fall wird die Membran deformiert, bis ein Ausgangszustand entsprechend 1b erreicht ist.
-
Zum anderen kann ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwendet werden, welches in der Brennkammer 5 zunächst eine Stoßwelle erzeugt, die sich im Füllmaterial 21 schneller ausbreitet als die Schallgeschwindigkeit im Füllmaterial 21. Diese Stoßwelle wird zunächst auf die Membran 17 und von dieser auf das anzutreibende Element 19 übertragen, welches im Ausgangszustand am Abtriebsbereich der Membran 17 anliegt. Dies führt zur Übertragung eines hohen Impulses auf das Anzutreibende Element 19, welches dann mit einer entsprechenden kinetischen Energie von der Membranoberfläche weggeschleudert wird (siehe 1b).
-
Daneben führt das detonativ umsetzende pyrotechnische Material 15 auch zu einer langsameren Druckerhöhung in der Brennkammer 17, so dass auch in diesem Fall eine Deformation der Membran erfolgt. Diese wird jedoch erst bewirkt, nachdem bereits die Energie der Stoßwelle, die auf den Abtriebsbereich der Membran 19 auftrifft, auf das anzutreibende Element 19 übertragen wurde.
-
Um die Deformation der Membran 17 in dem in 1b dargestellten Endzustand zu begrenzen, ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 ein ringförmiges Begrenzungselement 23 verwendet, welches ebenfalls koaxial zur Längsachse A im Gehäuse 3 gehalten ist. Das Gehäuse kann hierzu an seiner Frontseite eine Umbördelung aufweisen, welche das ringförmige Begrenzungselement 23 an seiner Vorderseite radial einwärts umgreift.
-
Die Halterung des Bodenelements 17 im Gehäuse 3 kann analog erfolgen. Das Gehäuse kann hierzu an seiner rückwärtigen oder Bodenseite ebenfalls eine radial einwärts gerichtete Bodenwandung aufweisen. Das Bodenelement 7 stützt sich in axialer Richtung gegenüber der Innenseite dieser Bodenwandung ab.
-
Zur Montage der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 kann somit zunächst das Bodenelement 7 mit bereits darin angeordneter pyrotechnischer Einheit 11 in das Gehäuse eingeschoben werden, bis das Bodenelement 7 mit seiner Unterseite oder Rückseite an der Bodenwandung des Gehäuses 3 anliegt. Anschließend kann das Füllmaterial 21 eingebracht werden. Zuletzt können die Membran 17 und das Begrenzungselement 23 in das nach vorne zunächst noch offene zylindrische Gehäuse 3 eingesetzt werden, wobei die Membran mit ihrer Innenseite auf dem Füllmaterial aufliegt. Anschließend kann ein mechanisches Umbördeln der zylindrischen Gehäusewandung derart erfolgen, dass das Begrenzugselement sicher im Gehäuse gehalten ist und die Membran mit einer vordefinierten Kraft gegen das Füllmaterial 21 gedrückt wird. Auf diese Weise können Hohlräume in der Brennkammer, die nicht durch das Füllmaterial 21 ausgefüllt sind, vermieden werden.
-
Beim Umsetzen des pyrotechnischen Materials 15 kann neben dem Erzeugen eines Gasdrucks, der allein aus dem Umsetzvorgang des pyrotechnischen Materials 15 resultiert, auch ein zusätzlicher Gasdruck dadurch erzeugt werden, dass zumindest ein Teil des Füllmaterials 21 durch die beim Umsetzvorgang freiwerdende Energie in den gasförmigen Zustand überführt wird. Auf diese Weise kann die Masse des pyrotechnischen Materials gegenüber einer im Ausgangszustand lediglich mit Gas gefüllten Brennkammer reduziert werden. Des Weiteren kann hierdurch ein steilerer Druckanstieg erreicht werden, so dass die Membran schneller, das heißt mit größerer Beschleunigung aus ihrem Ausgangszustand in den Endzustand überführt wird. Soll das anzutreibende Element 19 im Wesentlichen ausschließlich unter Ausnutzen der Deformationsbewegung der Membran 17 beschleunigt werden, so ist ein zusätzliches Umsetzen des Füllmaterials 21 in den gasförmigen Zustand somit vorteilhaft. Das Füllmaterial 21 kann unter Berücksichtigung dieser Forderung entsprechend gewählt werden.
-
Hierzu kommen insbesondere Flüssigkeiten, wie synthetische oder natürliche Öle, insbesondere Pflanzenöle, in Frage.
-
Soll dagegen die Energie einer Stoßwelle auf das anzutreibende Element 19 übertragen werden, so ist die Umsetzung des Füllmaterials 21 in den gasförmigen Zustand eher unerwünscht. Denn die Energie der Stoßwelle wird auf das anzutreibende Element 19 zu einem Zeitpunkt übertragen, der vor dem Zeitpunkt der langsameren Deformation der Membran liegt, die durch das Erzeugen von Heißgasen in der Brennkammer 5 bewirkt wird.
-
Ist ein Wegschleudern eines oder mehrerer anzutreibender Elemente 19 vom Abtriebsbereich der Membran 17 gewünscht, so wird man die Verwendung eines detonativ umsetzenden pyrotechnischen Materials 15 insbesondere dann verwenden, wenn das eine oder die mehreren anzutreibenden Elemente 19 eine relativ geringe Masse aufweisen und mit möglichst hoher Geschwindigkeit weggeschleudert werden sollen.
-
Dagegen wird man ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material 15 in solchen Fällten verwenden, wenn das eine oder die mehreren anzutreibenden Elemente 19 eine höhere Masse aufweisen oder mit einer geringeren Geschwindigkeit von der Oberfläche der Membran 17 weggeschleudert werden sollen.
-
Des Weiteren wird man den letztgenannten Bewegungsmechanismus vor allem dann einsetzen, wenn das anzutreibende Element 19 fest mit der Membran 17 verbunden ist und zur Beaufschlagung eines weiteren Elements oder einer weiteren Vorrichtung dient.
-
Die in 2 dargestellte weitere Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform nur in den nachfolgend beschriebenen Merkmalen, so dass die mit der Ausführungsform in 1 übereinstimmenden Merkmale nicht erneut beschrieben werden müssen.
-
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist anstelle eines anzutreibenden Elements 19 auf der Membran 17 in dem zentrischen Abtriebsbereich eine Haftschicht 27 vorgesehen, welche zum Fixieren eines pulver- oder staubförmigen Stoffs 25 dient. In 2a sind für das Symbolisieren eines pulver- oder staubförmigen Stoffs lediglich drei Partikel in Übergröße dargestellt. Die Haftschicht kann beispielsweise eine Klebeschicht oder eine getrocknete Zuckerlösung sein. Bei dem pulver- oder staubförmigen Stoff 25 kann es sich um einen Arzneistoff handeln, der in ein menschliches oder tierisches Gewebe injiziert werden soll.
-
Bei einer derartigen Ausführungsform wird man, entsprechend den obigen Ausführungen, vornehmlich ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwenden, da die pulver- oder staubförmigen Partikel des Stoffs 25 auf eine möglichst hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden müssen, so dass sie die Oberfläche des Gewebes, in welches die Injektion erfolgen soll, bis in eine ausreichende Tiefe durchdringen.
-
2b zeigt den Endzustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 und die bereits von der Oberfläche der Membran 17 weggeschleuderten pulver- oder staubförmigen Stoffpartikel des Stoffs 25. Da sich auch Teile der Haftschicht 27 von der Membranoberfläche ablösen können, kann die Haftschicht aus einem solchen Material oder Stoff bestehen, der sich beim Injizieren in das Gewebe entsprechend neutral verhält oder zumindest nicht zu nachteiligen Folgen führt.
-
Die Membran 17 kann, wie in den 1 und 2 dargestellt, mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere kann eine erste und eine zweite Schicht über eine Verbindungsschicht zu einer Gesamtmembran 17 verbunden sein. Dies reduziert drastisch die Wahrscheinlichkeit eines Berstens der Membran, da es als äußerst unwahrscheinlich anzusehen ist, dass beide Membranschichten an derselben Stelle fehlerhafte Schwachstellen aufweisen, die zu einer Zerstörung der betreffenden Schicht ohne das Vorsehen einer zweiten Schicht führen würden. Zusätzlich kann durch die Verbindungsschicht eine zusätzliche Stabilität erreicht werden.
-
Die in 2 dargestellte pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 weist im Bodenelement 7 zusätzlich eine Gasaustrittsöffnung 29 auf, die im Ausgangszustand (2a) mit einer Membran 31 verschlossen ist. Die Membran 31 ist dabei so beschaffen, dass sie bei Überschreiten eines Grenzdrucks in der Brennkammer 5 zerstört wird.
-
Da bei der in 2 dargestellten Ausführungsform die von dem detonativ umsetzenden pyrotechnischen Material 15 erzeugte Stoßwelle ausgenutzt wird, um die Stoffpartikel des Stoffs 25 zu beschleunigen und nicht die relativ langsame Deformation der Membran 17 infolge des Gasdrucks, der sich in der Brennkammer 5 (relativ langsam) aufbaut, kann die Membran 17 in diesem Fall schwächer ausgebildet werden, wenn der innerhalb der Brennkammer 5 auftretende Gasdruck auf einen relativ geringen Maximalwert begrenzt wird. Dieser ist durch die Geometrie der Gasaustrittsöffnung 29 und den Grenzdruck festgelegt, bei dem die Membran 31 zerstört wird.
-
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich, kommt dem Begrenzungselement 23 die Aufgabe zu, die Deformation der Membran 17 zu begrenzen und die Membran in einem ringförmigen Bereich zu stützen, welcher den Abtriebsbereich umgibt, sobald die Deformation der Membran 17 soweit fortgeschritten ist, dass die betreffenden Membranbereiche an der Innenwandung des Begrenzungselements 23 anliegen.
-
Die in 3 dargestellte weitere Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 entspricht weitestgehend der in 1 dargestellten Ausführungsform. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Volumen der Brennkammer 5 durch ein ringförmiges Füllstück 33 reduziert ist. Die Geometrie des Füllstücks 33 kann dabei so gewählt werden, dass die Brennkammer 5 so klein wie möglich gehalten wird. Der vordere Bereich der Brennkammer 5 muss jedoch im Querschnitt (senkrecht zur Längsachse A) zumindest so beschaffen sein, dass der Querschnitt so groß ist wie der Abtriebsbereich der Membran, der zur Übertragung der Energie der Stoßwelle beiträgt beziehungsweise der durch seine Verformung die Energieübertragung auf das wenigstens eine anzutreibende Element 19 bewirkt.
-
Das Füllstück 33 kann, wie oben erwähnt auch aus einem Material bestehen, welches im Ausgangszustand der Antriebseinrichtung 1 fest ist und durch die Erhöhung von Druck und Temperatur in der Brennkammer nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials in den flüssigen oder gasförmigen Zustand übergehen. Insbesondere kann das Füllstück 33 auch aus Trockeneis bestehen, welches einfach zu verarbeiten ist und im Endzustand der Antriebseinrichtung in der (geschlossenen) Brennkammer einen konstanten Druck erzeugt, mit dem die Membran 17 dauernd beaufschlagt wird. Hierdurch kann ein mit der Membran verbundenes oder dauernd beaufschlagtes anzutreibende Element in seiner Endposition gehalten werden.
-
An dieser Stelle sei erwähnt, dass ein anzutreibendes Element 19 selbstverständlich nicht nur von der, bezogen auf die Brennkammer, nach außen gerichteten Seite der Membran 17 beaufschlagt beziehungsweise mit dieser Seite verbunden sein kann, wie dies in den 1, 3 und 4 dargestellt ist. Vielmehr kann das anzutreibende Element 19 auch von der, bezogen auf die Brennkammer 5, inneren Seite der Membran beaufschlagt oder mit dieser verbunden sein. In diesem Fall durchragt das anzutreibende Element 19 die Brennkammer und kann mit einem Endbereich aus der Brennkammer und gegebenenfalls aus dem Gehäuse 3 der betreffenden pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 herausragen. In diesem Fall wird man das anzutreibende Element 19 vorzugsweise mit der Membran verbinden oder einstückig mit dieser ausgestalten. An der Stelle, an welcher das anzutreibende Element 19 die Brennkammer verlässt und beispielsweise durch eine entsprechende Öffnung im Bodenteil aus dem Bodenteil 7 herausragt, kann das anzutreibende Element 19 mit einem Dichtungsmittel gegenüber dem Inneren der Brennkammer beziehungsweise einer Durchbruchsöffnung im Bodenteil 7 abgedichtet sein. Ist jedoch ein gelartiges, pastöses oder gummiartiges Füllmaterial im Inneren der Brennkammer 5 verwendet, so kann auf eine Abdichtung verzichtet werden, wenn es im betreffenden Anwendungsfall akzeptabel ist, dass Heißgase aus einer nicht abgedichteten Austrittsöffnung, beispielsweise einem das anzutreibende Element umgebenden Ringbereich, aus dem Gehäuse 3 oder dem Bodenteil 7 austreten.
-
Die verbleibende, nicht abgedichtete Austrittsöffnung darf jedoch nur so groß sein, dass sich im Inneren der Brennkammer noch ein ausreichender Druck zur Deformation der Membran aufbauen kann. Das Begrenzungselement 23 kann bei diesen Ausführungsformen so ausgebildet sein, dass die gesamte Außenseite der Membran im Endzustand abgestützt wird. Denn das Begrenzungselement 23 wird in diesem Fall nicht von einem anzutreibenden Element durchgriffen.
-
Bei dieser Ausführungsform kann die pyrotechnische Einheit 11 selbstverständlich nicht axial in der Achse A der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 vorgesehen sein. Da die Position des pyrotechnischen Materials 15 beziehungsweise der Zündeinrichtung 13 jedoch unkritisch ist, kann bei diesen Ausführungsformen die pyrotechnische Einheit 11 von einer Seite des Gehäuses 3 her in die Brennkammer hineinragen. Das pyrotechnische Material 15 beziehungsweise die gesamte pyrotechnische Einheit 11 muss dabei jedenfalls so vorgesehen sein, dass diese die Bewegung des anzutreibenden Elements 19, welches die Brennkammer 5 durchgreift, nicht stört.
-
Die in 4 dargestellte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinheit 1 unterscheidet sich von allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass anstelle einer Membran, welche die Energie auf das eine oder die mehreren anzutreibenden Elemente 19 beziehungsweise die auf einer Oberfläche anhaftenden Stoffpartikel überträgt, einen verschiebbaren Kolben 35 aufweist, welcher die Brennkammer 5 (4a) begrenzt. Das Gehäuse 3 ist in diesem Fall an seiner Vorderseite so ausgebildet, dass nur eine relativ kleine Durchbruchsöffnung in der Längsachse A der pyrotechnischen Einheit 1 vorgesehen ist, durch welche ein anzutreibendes Element 19 ragt. Das anzutreibende Element 19 kann, wie im dargestellten Fall, mit dem Kolben 35 verbunden sein.
-
Im Übrigen weist die in 4 dargestellte pyrotechnische Antriebseinheit dieselben Merkmale auf, wie die in 1 dargestellte Ausführungsform, insbesondere was das Gehäuse, das Bodenteil und die pyrotechnische Einheit anbelangt.
-
Der Kolben 35 kann in seiner Ausgangsposition im Gehäuse 3 fixiert sein, beispielsweise durch Rastmittel, welche an der Innenwandung des Gehäuses 3 und/oder der Außenwandung des Kolbens 35 vorgesehen sind. Diese Rastmittel beziehungsweise Fixiermittel bewirken, dass der Kolben 35 erst bei Überschreiten eines Grenzdrucks in Richtung auf die Vorderseite des Gehäuses 3 beschleunigt wird.
-
Bei dieser Ausführungsform wird man vorzugsweise ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwenden, da der Kolben 35 mit seiner trägen Masse kaum alleine durch eine Stoßwelle bewegbar ist. Vielmehr wird hierfür der sich im Volumen der Brennkammer aufbauende Gasdruck benötigt.
-
Wie in 4 dargestellt, kann der Außenumfang des Kolbens 35 eine Dichtungswirkung dadurch erzielen, dass ein relativ dünner umlaufender Wandbereich des Kolbens in radialer Richtung von dem sich in der Brennkammer 5 aufbauenden Gasdruck beaufschlagt werden kann. Auf diese Weise wird ein radiales Andrücken der umlaufenden, relativ dünnen Wandung an die Innenwandung des Gehäuses 3 erreicht. Dies führt zu der gewünschten Dichtwirkung beim Aufbauen des Gasdrucks in der Brennkammer 5 auch während der Bewegung des Kolbens 35 in der Richtung der Achse A.
-
Wie aus 4b ersichtlich, ist das anzutreibende Element 19 bei der in 4 dargestellten Ausführungsform fest mit dem Kolben 35 verbunden. Das Element 19 kann somit als Abtriebselement zur Beaufschlagung eines weiteren Elements oder einer weiteren Vorrichtung dienen. Selbstverständlich kann das anzutreibende Element 19 jedoch auch nicht mit dem Kolben 35 verbunden sein. In diesem Fall kann es im Ausgangszustand bereits vom Kolben 35 beaufschlagt sein. Die Fixierung des Elements 19 kann dabei durch eine entsprechende Ausgestaltung der Durchbruchsöffnung im Gehäuse 3 erfolgen. Das Element 19 kann jedoch im Ausgangszustand auch nicht vom Kolben 35 beaufschlagt und lediglich in der Durchbruchsöffnung des Gehäuses 3 fixiert sein. In diesem Fall schlägt der Kolben 35 erst mit einer gewissen Geschwindigkeit auf das anzutreibende Element 19 auf und überträgt einen mechanischen Impuls auf das Element 19, so dass dieses in der Richtung der Achse A beschleunigt und weggeschleudert wird.
-
Auch bei der in 4 dargestellten Ausführungsform kann in einer Variante das anzutreibende Element 19 die Brennkammer 5 durchgreifen. Bezüglich dieser Variante sei auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
-
Die in 5 dargestellte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 entspricht einer Kombination der Ausführungsformen in den 2 und 3. Auch hier ist eine Membran verwendet, bei der ein pulver- oder staubförmiger Stoff 25 auf der äußeren Oberfläche des Abtriebsbereichs der Membran 17 aufgebracht ist. Auf eine Haftschicht wurde hier verzichtet, um anzudeuten, dass auch eine reine Adhäsion genügen kann, um den pulver- oder staubförmigen Stoff 25 auf der Oberfläche der Membran 17 vorzusehen. Selbstverständlich kann jedoch auch hier eine Haftschicht beispielsweise eine Öl oder eine Zückerlösung verwendet werden. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform in 5 weitestgehend der Ausführungsform in 2, wobei jedoch in der Brennkammer ein Füllstück 33 entsprechend der Ausführungsform nach 3 vorgesehen ist.
-
Zusätzlich unterscheidet sich die Funktionsweise der Ausführungsform nach 5 jedoch dadurch von den vorstehenden Ausführungsformen, bei welchen ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwendet ist, dadurch, dass in der Achse A unmittelbar vor dem pyrotechnischen Material 15 ein Impulsübertragungselement 37 vorgesehen ist. Dieses Impulsübertragungselement 37 ist hinsichtlich des Materials und seiner Masse sowie seiner Geometrie so beschaffen, dass es in der Lage ist, durch den erzeugten Druckstoß beziehungsweise der erzeugten Druckwelle in extrem kurzer Zeit auf eine solche Geschwindigkeit beschleunigt zu werden, dass das Impulsübertragungselement 37 quasi auf der Front der Stoßwelle reitet. Hierdurch wird erreicht, dass das Impulsübertragungselement praktisch zusammen mit der vordersten Front der Stoßwelle gegen die Innenwandung der Membran 17 geschleudert wird. Es wird somit nicht nur die in der Stoßwelle enthaltene Energie zur Übertragung eines Impulses mittels einer sehr schnellen Deformation der Membran 17 im Abtriebsbereich genutzt, sondern es wird auch der mechanische Impuls des Impulsübertragungselements 37 genutzt, um zumindest einen Teil hiervon auf die Membran 17 und über die Membran 17 auf die Partikel des Stoffs 25 zu übertragen.
-
Die Endposition der Membran 17 beziehungsweise auch des Impulsübertragungselements 37 ist in 5b dargestellt. In dieser Endposition ist wiederum die (nicht zu vermeidende und nicht zur Beschleunigung der Stoffpartikel beitragende) Deformation der Membran 17 erkennbar.
-
Bei den Ausführungen nach den 3 und 5 dient das Füllstück 33 auch dazu, um einen ringförmigen Randbereich der Membran 17 zu fixieren, indem dieser Randbereich zwischen dem Füllstück 33 und dem Begrenzungselement 23 geklemmt wird. Selbstverständlich kann die Membran 17 jedoch mit dem betreffenden Randbereich auch mit dem Füllstück 33 oder dem Begrenzungselement 23 verbunden sein.
-
Das Füllstück kann hinsichtlich seiner Geometrie auch so ausgebildet sein, dass nicht nur eine möglichst weitgehende Reduktion des Brennkammervolumens erreicht wird, sondern auch eine Fokussierung der von der pyrotechnischen Einheit 11 erzeugten Stoßwelle auf den Abtriebsbereich der Membran erreicht wird. Hierzu könnte der axiale Durchbruch des Füllstücks 33 beispielsweise sich kegelförmig erweiternd in Richtung auf die Membran ausgebildet sein.
-
Die vorbeschriebenen Ausführungsformen können selbstverständlich auch zu weiteren Varianten abgewandelt werden, indem bestimmte Merkmale der einen Ausführungsform, soweit sinnvoll, mit den Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden.
-
Sämtliche Ausführungsformen der pyrotechnischen Antriebseinheit können entweder integriert in eine übergeordnete Vorrichtung, beispielsweise eine nadellose Injektionsvorrichtung oder einen elektrischen Schalter oder dergleichen, oder als eigenständige Einheit ausgebildet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Pyrotechnische Antriebseinrichtung
- 3
- Gehäuse
- 5
- Brennkammer
- 7
- Bodenelement
- 9
- Aufnahmeausnehmung
- 11
- Pyrotechnische Einheit
- 13
- Zündeinrichtung
- 13a
- Elektrische Anschlüsse
- 15
- Pyrotechnisches Material
- 17
- Membran
- 19
- Anzutreibendes Element
- 21
- Füllmaterial
- 23
- Begrenzungselement
- 25
- Pulver- oder staubförmiger Stoff
- 27
- Haftschicht
- 29
- Gasaustrittsöffnung
- 31
- Membran
- 33
- Füllstück
- 35
- Kolben
- 37
- Impulsübertragungselement
- A
- Längsachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 03/067621 A1 [0002]
- EP 1599242 B1 [0003]
