DE102015016084A1

DE102015016084A1 - Gasgenerator mit Treibstoffpulver

Info

Publication number: DE102015016084A1
Application number: DE102015016084.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Jung
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere für Fahrzeuginsassen-Rückhaltesysteme, mit einer mit Druckgas gefüllten Druckkammer (10), einem außerhalb der Druckkammer (10) angeordneten pyrotechnischen Zünder (34), einer dem Zünder (34) nahen ersten Membran (14), die eine erste Öffnung (12) der Druckkammer (10) schließt, einer vom Zünder (34) entfernteren zweiten Membran (18), die eine zweite Öffnung (16) der Druckkammer (10) schließt, wobei beide Membranen (14, 18) auf Aktivieren des Zünders (34) hin zerstörbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Druckkammer (10) mindestens ein mit einer pulverförmigen Treibstoffkomponente (62) gefüllter gasdurchlässiger und für die pulverförmige Treibstoffkomponente (62) undurchlässiger Behälter (60) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen.
Gasgeneratoren liefern beispielsweise Füllgas zum Füllen eines Gassacks oder für den Antrieb eines Gurtstraffers. Bei bekannten Hybridgasgeneratoren wird das Füllgas zum größten Teil aus einem im Gehäuse des Gasgenerators gespeicherten, unter Druck stehenden Gas erzeugt. Durch Aktivieren eines pyrotechnischen Treibsatzes wird das Gehäuse geöffnet, wobei aus dem pyrotechnischen Treibsatz freigesetzte Abbrandprodukte das Gas erwärmen und eine Membran zerstören, die das Gehäuse nach außen abschließt, sodass das Gas ausströmen kann.
Sogenannte Schockwellen-Hybridgasgeneratoren oder auch bekannt als Stoßwellen-Hybridgasgeneratoren, verfügen über eine erste Membran in der Nähe eines Zünders, die eine erste Öffnung einer Druckkammer schließt, und eine von dem Zünder entferntere zweite Membran, die eine zweite Öffnung der Druckkammer schließt. Durch Aktivieren des Zünders werden beide Membranen zerstört. Das abrupte Öffnen der ersten Membran erzeugt eine durch die Druckkammer laufende Schockwelle bzw. Stoßwelle, mit der die zweite Membran der Druckkammer geöffnet wird, um ein in der Druckkamer gespeicherte Kaltgas freizugeben. Ein derartiger Gasgenerator ist aus der DE 203 19 564 U1 bekannt. Zur Verbesserung des Öffnungsverhalten mit Bezug auf Öffnungsgeschwindigkeit und Reproduzierbarkeit ist die erste Membran so ausgebildet, dass sie bei einem höheren Berstdruck reißt als die zweite Membran.
Es ist für Hybridgasgeneratoren auch bekannt, einen pyrotechnischen Treibsatz in einer Brennkammer zwischen Zünder und erster Membran vorzusehen, durch den zusätzliches Heißgas erzeugt wird, das sich mit dem Kaltgas in der Druckkammer mischt. Ein Abbrand bzw. die Umsetzung des Treibsatzes liefert zusätzliche gasförmige Abbrandprodukte und erhöht die Temperatur des Gasgemischs. Dies resultiert in einer erhöhten Standzeit eines mit dem Gasgemisch gefüllten Gassacks, wie einem Airbag.
Die Treibstoffmenge, die in die Brennkammer der bekannten Hybridgasgeneratoren eingebracht werden kann, ist dadurch begrenzt, dass eine hohe Beladung der Brennkammer mit Treibstoff zu unerwünscht hohen Brennkammerdrücken führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasgenerator mit einer erhöhten Füllgasbereitstellung für einen aufzublasenden Luftsack zu schaffen, insbesondere durch eine Erhöhung der Standzeit für einen solchen Luftsack.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Gasgenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Der erfindungsgemäße Gasgenerator umfasst eine mit Druckgas gefüllte Druckkammer, einen außerhalb der Druckkammer angeordneten pyrotechnischen Zünder, eine dem Zünder nahen erste Membran, die eine erste Öffnung der Druckkammer schließt, und eine vom Zünder entferntere zweite Membran, die eine zweite Öffnung der Druckkammer schließt, wobei beide Membranen auf Aktivieren des Zünders hin zerstörbar sind. Erfindungsgemäß ist innerhalb der Druckkammer ein mit wenigstens einer pulverförmigen Treibstoffkomponente gefüllter, gasdurchlässiger und für die pulverförmige Treibstoffkomponente undurchlässiger Behälter angeordnet.
Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf dem Konzept, wenigstens eine Treibstoffkomponente als Pulver innerhalb einer Druckkammer eines Hybridgasgenerators zu verbauen, in der ein unter Druck stehenden Kaltgas gespeichert ist, um somit die bei einer Aktivierung des Gasgenerators erzeugte Gasmenge zu erhöhen. Es wurde überraschenderweise gefunden, dass eine oder mehrere solcher pulverförmigen Treibstoffkomponenten, also ein solches Treibstoff-Pulver kontrollierbar und reproduzierbar abbrennt. Ein derartiges Treibstoff-Pulver muss nicht erst wie ein bisher bekannter Treibstoff für Gasgeneratoren aufwändig hergestellt werden, wie z. B. durch Pressen von Treibstoff-Tabletten, oder durch Zerkleinern von gepressten Treibstoff-Formkörpern zu Granulaten, oder durch Extrudieren von Treibstoff-Formkörpern. Die Bereitstellung von pyrotechnischen Treibstoff in Pulverform innerhalb der Druckkammer eines Gasgenerators, insbesondere eines Hybridgasgenerators, kann zur Produktion von zusätzlichem Heißgas außerhalb der Brennkammer und/oder außerhalb des Zünders kostengünstig ermöglicht werden. Dies bedeutet also, dass die Begrifflichkeit „pulverförmige Treibstoffkomponente” im Sinne der vorliegenden Erfindung so zu verstehen ist, dass, neben einer gewissen mittleren Teilchengröße bzw. Korngrößenverteilung, hier jeweils lose Körner einer Treibstoffkomponente vorliegen, welche zwar an ihren Korngrenzen zumindest bereichsweise aneinander angrenzen können, dass jedoch diese Körner nicht konglomeratartig untereinander verbunden bzw. zusammengepresst sind und somit für sich genommen, also ohne einen die Körner umgebenden Behälter, keine Formkörper, wie z. B.: Tabletten, Zylinder oder Hohlzylinder, ergeben. Gleichzeitig bedeutet dies eine Abkehr von der in der Fachwelt herrschenden Vorstellung, dass ein kontrollierbarer und reproduzierbarer Abbrand von Gasgeneratortreibstoff in Form von Pulver nicht erreichbar wäre.
Die Erfinder haben erkannt, dass aus einem pulverförmigem Treibstoff ein Pulverbett in jeglicher gewünschter Form und mit definiertem Abbrandverhalten in der Druckgaskammer bereitgestellt werden kann, im Gegensatz zu grobkörnigen oder monolithischen Strukturen wie Granulaten, Extrudaten, Tabletten oder anderen Presslingen. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine verbesserte Steuerung der Gasgeneratorleistung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform weist die erste Membran des Gasgenerators einen höheren Berstdruck auf als die zweite Membran. Der Gasgenerator kann insbesondere als ein Schockwellen-Hybridgasgenerator bzw. Stoßwellen-Hybridgasgenerator ausgebildet sein, wie in der DE 203 19 564 U1 im Einzelnen beschrieben.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die beim Bersten der ersten Membran entstehende Schockwelle bzw. Stoßwelle das Kaltgas in der Druckkammer deutlich schneller durchläuft, als der Transport des Heißgases aus der Brennkammer oder der Abbrandpartikel des Zünders in die Druckkammer hinein erfolgt. Der Druckschock bzw. Druckstoß der Schockwelle selbst kann dabei kein Treibstoff-Pulver entzünden, da die Temperatur des Druckschockes zu gering ist. In der Druckkammer kann das Treibstoff-Pulver somit nur von dem Heißgas entzündet werden, das von dem Zünder und/oder dem in der Brennkammer enthaltenen pyrotechnischen Treibsatz erzeugt wird.
Da die Geschwindigkeit des Druckschockes bzw. Druckstoßes etwa 700 m/s betragen kann, während die Anzündzeit des Treibstoffpulvers bei etwa 1 ms liegt, kann zusätzliches Heißgas durch den Abbrand des Treibstoffpulvers in der Druckgaskammer erst dann entstehen, wenn der Gasdruck in der Druckkammer durch die Freisetzung des gespeicherten Kaltgases schon deutlich abgebaut ist. Durch die zeitlich verzögerte Erzeugung des zusätzlichen Heißgases kann daher eine wesentliche Verbesserung der Standzeit eines an den Gasgenerator angeschlossenen Gassacks bzw. Luftsacks erreicht werden.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Gasgenerators ist bereits dann gewährleistet, wenn nur ein pyrotechnischer Zünder vorgesehen ist, der bei Aktivierung die erste Membran zerstört. Es ist daher nicht notwendig, eine Bennkammer mit einem herkömmlichen pyrotechnischen Treibsatz vor der ersten Membran anzuordnen. Bei dieser Ausführungsform erzeugt der aktivierte Zünder die Schockwelle und setzt heiße Abbrandprodukte frei, die das Treibstoffpulver in der Druckkammer anzünden.
Bevorzugt ist zwischen dem Zünder und der ersten Membran eine mit einem pyrotechnischen Treibsatz gefüllte Brennkammer angeordnet. Durch die Freisetzung von Heißgas aus dem pyrotechnischen Treibsatz kann zum einen die sichere Anzündung des Treibstoffpulvers in der Druckkammer gewährleistet und zum anderen die Standzeit des Gasgenerators durch das zusätzliche Heißgas verlängert werden. Über die Abbrandeigenschaften des pyrotechnischen Treibsatzes in der Brennkammer lässt sich die Gasgeneratorleistung weiter steuern.
Wenn eine Brennkammer mit einem pyrotechnischen Treibsatz zwischen dem Zünder und der ersten Membran vorgesehen ist, kann es vorteilhaft sein, vor der ersten Membran ein Sieb anzuordnen, das beim Abbrand erzeugte Partikel zurückhält.
Die erste Membran kann ferner eine Durchlässigkeit für das Druckgas aufweisen. Die Brennkammer steht dann unter dem gleichen Druck wie die Druckkammer. Dadurch kann das Öffnungsverhalten der ersten Membran gesteuert werden. Der Zünder ist bei dieser Ausführungsform druckdicht von der Brennkammer getrennt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der die pulverförmige Treibstoffkomponente enthaltende Behälter in der Druckkammer fest positioniert sein. Der Behälter ist dann Teil einer fest in der Druckkammer angeordneten Struktur, die zwar gasdurchlässig, aber undurchlässig für das in dem Behälter aufgenommene Pulver ist. Geeignet ist beispielsweise eine Struktur aus Metall, vorzugsweise aus Stahl oder Edelstahl, beispielsweise in Form einer porösen Filterstruktur.
Bevorzugt ist der die pulverförmige Treibstoffkomponente enthaltende Behälter in ein Gehäuse der Druckkammer integriert. Insbesondere kann der Behälter in eine Seitenwand der Druckkammer integriert sein, beispielsweise in Form einer Sicke oder Ausbuchtung, in der das Treibstoffpulver aufgenommen ist, und die mit einer Abdeckung mit gasdurchlässiger Struktur wie einer Filterplatte oder einem Vlies versehen sein kann.
Weiter bevorzugt kann der die pulverförmige Treibstoffkomponente enthaltende Behälter ein an einem Gehäuse der Druckkammer festgelegtes Bauteil sein. Insbesondere kann der Behälter als separates gasdurchlässiges Bauteil innen an einer Seitenwand der Druckkammer fixiert sein. Der mit Treibstoff gefüllte Behälter kann dann als vorgefertigtes Bauteil bereitgestellt und an der gewünschten Position in der Druckkammer fixiert werden. Ein solcher Behälter ist somit einfach herzustellen und flexibel einsetzbar.
Der Behälter kann in Längsrichtung entlang der Druckkammer einen konstanten Querschnitt aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann der Behälter in Längsrichtung entlang der Druckkammer einen variablen Querschnitt aufweisen. Durch die Veränderung des Querschnitts des Behälters und der damit für den Abbrand zur Verfügung stehenden Treibstoffmenge kann die pro Zeiteinheit freigesetzte Gasmenge weiter variiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der Druckkammer mehrere mit wenigstens einer pulverförmigen Treibstoffkomponente gefüllte Behälter vorgesehen, bevorzugt zwei bis vier Behälter. Durch die Bereitstellung mehrerer Behälter kann das Abbrandverhalten des in die Druckkammer eingebrachten pulverförmigen Treibstoffs weiter gesteuert werden. Die Behälter können beispielsweise in einem Abstand voneinander in Längsrichtung der Druckkammer angeordnet sein, so dass sie in Strömungsrichtung des ausströmenden Gases hintereinander positioniert sind. Mit dieser Anordnung kann die Dauer des Treibstoffabbrands in der Druckkammer noch weiter verlängert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Gasgenerator deshalb zwei oder mehr, vorzugsweise bis zu vier mit Treibstoffpulver gefüllte Behälter in der Druckkammer auf. Eine geringere Anzahl an mit Treibstoffpulver gefüllten Behältern ist aus konstruktionstechnischen Gründen zu bevorzugen, eine höhere Anzahl ermöglicht eine feinere Steuerung der Gasgeneratorleistung.
Der mit Treibstoffpulver gefüllte Behälter ist bevorzugt näher an der ersten Membran angeordnet als an der zweiten Membran. Über die Lage des Behälters in der Druckkammer relativ zur ersten Membran und damit zum Zünder und/oder der Brennkammer kann die Dauer des Treibstoffabbrands weiter beeinflusst werden. Je näher der oder die Behälter an der ersten Membran angeordnet sind, desto eher wird die Anzündung des Treibstoffpulvers durch die bei Aktivierung des Zünders und/oder des pyrotechnischen Treibsatzes in der Brennkammer freigesetzten Abbrandprodukte erfolgen.
Je nach der gewünschten Steuerung der Gasgeneratorleistung kann auch vorgesehen sein, den oder die mit Treibstoffpulver gefüllten Behälter in etwa mittig in der Druckkammer, symmetrisch zur Mitte der Druckkammer oder näher an der zweiten Membran anzuordnen.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind alle bekannten pyrotechnischen Treibstoffkomponenten und Treibstoffe einsetzbar, soweit sie als Pulver bereitgestellt werden können.
Bevorzugt weist die pulverförmige Treibstoffkomponente und/oder der Treibstoff eine durch Siebanalyse bestimmte mittlere Teilchengröße im Bereich von 1 bis 100 Mikrometer, vorzugsweise von 5 bis und 50 Mikrometer, auf.
Die Korngrößenverteilung der pulverförmigen Treibstoffkomponente und/oder des Treibstoffs kann in einem Bereich von 0,1 bis 1000 μm liegen.
Der Treibstoff umfasst mindestens einen festen Brennstoff, der als Reduktionsmittel dient, und ein Oxidationsmittel. Bei hochenergetischen Treibstoffen können das Reduktionsmittel und das Oxidationsmittel auch innerhalb eines Moleküls vorliegen. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden als separate Komponenten in einem Gemisch bereitgestellt.
Der Brennstoff umfasst bevorzugt mindestens ein Metallpulver, insbesondere ein Pulver von Aluminium, Magnesium, Titan, deren Mischungen und Legierungen, beispielsweise Magnalium. Diese Metalle sind kostengünstig verfügbar und weisen bei Umsetzung mit Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln eine hohe Reaktionswärme auf. Die Metallpulver sind unter den üblichen Einsatzbedingungen eines Fahrzeugs auch unbegrenzt lagerstabil. Außerdem ist die Handhabung dieser Brennstoffe im Vergleich zu pyrotechnischen Treibstoffen viel sicherer, so dass keine aufwendigen und teuren Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen.
Als organische Brennstoffe eignen sich Verbindungen der allgemeinen Summenformel C_x/H_y/N_v/O_w mit x ≥ 1, y ≥ 0 sowie v ≥ 0 und w ≥ 0. Die Verwendbarkeit von organischen Verbindungen ist nahezu universell. Ausgeschlossen sind lediglich Verbindungen mit für den Anwendungszweck in Kraftfahrzeugen unerwünschten Eigenschaften, wie beispielsweise hoher Toxizität, Kanzerogenität, Mutagenität oder sonstiger unakzeptabler umweltbezogener Eigenschaften, wie z. B. einer hohen Gefährdung für Gewässer oder Erdreich. Darüber hinaus sind Verbindungen unerwünscht, die eine zu geringe chemische oder thermische Stabilität bzw. eine geringe Lagerstabilität in Testversuchen bei 110°C über 400 Stunden aufweisen. Ferner sind solche Verbindungen auszuschließen, die eine sichere Verarbeitung bei der Herstellung der pyrotechnischen Treibstoffe nicht zulassen, wie empfindliche hochexplosive Substanzen oder Mischungen.
Als organische Brennstoffe werden vorzugsweise stickstoffhaltige Verbindungen, wie Guanidinverbindungen und heterozyklische Verbindungen aus der Gruppe der Triazole, Tetrazole, Triazine, Imidazole und Azacycloalkane sowie deren Mischungen, eingesetzt. Beispiele für diese Verbindungen sind 5-Aminotetrazol, 1H-Tetrazol, Bistetrazol, Azotetrazol, Triazolon, Nitrotriazolon, Hexogen, Octogen, Guanidincarbonat, Guanidinnitrat, Guanidinperchlorat, Aminoguanidinnitrat, Diaminoguanidinnitrat, Triaminoguanidinnitrat, Nitroguanidin, Guanylureadinitramid, sowie deren Salze, Derivate oder deren Mischungen.
Der organische Brennstoff kann ferner aus der aus stickstoffhaltigen heterozyklischen organischen Säuren sowie deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt sein. Beispiele für diese stickstoffhaltigen heterozyklischen organischen Säuren sind Cyanursäure, Isocyanursäure, Cyamelid, Urazol, Uracil, Uramin, Urazin, Alloxan, Alloxansäure, Alloxantin, Xanthin, Allantoin, Barbitursäure, Orotsäure, Dilitursäure, Triazolon, Violursäure, Succinimid, Dialursäure, Isodialursäure, Hydantoin, Pseudohydantoin, Imidazolon, Pyrazolon, Parabansäure, Furazan, Ammelin, Kreatinin, Maleinsäurehydrazid, Harnsäure, Pseudoharnsäure, Guanazin, Guanazol, Melamin, deren Salze, Derivate oder deren Mischungen.
Ferner kann als organischer Brennstoff eine stickstofffreie organische Säure verwendet werden. Bevorzugt sind in diesem Zusammenhang Fumarsäure, Maleinsäure, Malonsäure, Weinsäure, Tartronsäure, Citronensäure, Ascorbinsäure, deren Salze oder Derivate, oder Mischungen der stickstofffreien organischen Säuren.
Schließlich kann als organischer Brennstoff eine Polymerverbindung verwendet werden, die beispielsweise aus der aus den Polyalkylverbindungen, Polyalkylenverbindungen, Polyvinylalkohol, Polyamiden, Polyimiden, Polyestern, Polyethern, Polyurethane, Polyacetaten, Polyacrylverbindungen und Polyglykolen sowie deren -OH, -CN, -COOH, -NH₂, -N₃, -ONO₂ oder -NO₂-Gruppen enthaltenden Derivaten und Copolymerisaten bestehenden Gruppe ausgewählt sein kann.
Geeignet sind insbesondere auch Brennstoffe auf der Grundlage von Epoxidharzen, die bereits einen hohen Sauerstoffanteil im Molekül aufweisen, da hierdurch der benötigte Anteil an Oxidationsmittel vermindert werden kann.
Besonders bevorzugt sind energiereiche organische Brennstoffe mit einer Sauerstoffbilanz von größer als –40%, insbesondere zwischen –40% und 0%. Unter der „Sauerstoffbilanz” einer Verbindung oder einer Zusammensetzung wird im folgenden diejenige Sauerstoffmenge in Gew.-% verstanden, die bei vollständiger Umsetzung der Verbindung bzw. der Zusammensetzung zu CO₂, H₂O, Al₂O₃, B₂O₃ etc. frei wird (Sauerstoffüberschuß). Reicht der vorhandene Sauerstoff hierzu nicht aus, so wird die zum vollständigen Umsatz notwendige Fehlmenge mit negativen Vorzeichen angegeben (Sauerstoffunterschuß).
Beispiele für solche energiereiche Brennstoffe sind Guanidinnitrat, Nitroguanidin, Guanylureadinitramid, Triaminoguanidinnitrat, Harnstoffnitrat, Nitroharnstoff, Nitropenta, 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on (NTO), Hexogen, Oktogen N,N'-Dinitroammelin oder deren Mischungen.
Das Oxidationsmittel ist vorzugsweise aus der aus den Alkali- und/oder Erdalkalimetallnitraten, -chloraten, -perchloraten und -peroxiden, sowie Ammoniumnitrat oder -perchlorat, Kupferoxid oder basischem Kupfernitrat bestehenden Gruppe ausgewählt. Es können auch Mischungen der vorgenannten Oxidationsmittel eingesetzt werden.
Schließlich kann der Treibstoff noch die üblichen Verarbeitungshilfen, wie z. B. Schmiermittel, Rieselhilfen und/oder Gleitmittel, enthalten. Diese üblichen Verarbeitungshilfen werden in einem Anteil von höchstens 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung eingesetzt. Höhere Anteile führen zu einer niedrigen Gasausbeute des Treibstoffs. Falls die Verarbeitungshilfen selbst nicht wenigstens zum Teil in ein gasförmiges Reaktionsprodukt umgewandelt werden, beträgt ihr Anteil vorzugsweise höchstens 5 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 3 Gew.-%.
Beispiele für solche Verarbeitungshilfen sind Polyethylenglykol, Zellulose, Methylzellulose, Ruß, Graphit, Wachs, Calciumstearat, Magnesiumstearat, Zinkstearat, Bornitrid, Talkum, Bentonit, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Molybdänsulfid. Die Verwendung dieser Mittel ist im Stand der Technik beschrieben.
Die pulverförmige Treibstoffkomponente umfasst bevorzugt den Brennstoff und das Oxidationsmittel sowie wahlweise die genannten Verarbeitungshilfen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Druckgas wenigstens ein gasförmiges Oxidationsmittel, bevorzugt Sauerstoff enthält. Vorteilhaft wird wenigstens ein Teil des zur stöchiometrischen Umsetzung des Brennstoffs nötigen Oxidationsmittels als gasförmiges Oxidationsmittel, bevorzugt Sauerstoff, bereitgestellt. Bevorzugt umfasst die pulverförmige Treibstoffkomponente nur den Brennstoff, ohne separates festes Oxidationsmittel und das Druckgas enthält das gasförmige Oxidationsmittel.
Der Druck in der Druckkammer liegt vor der Aktivierung des Zünders bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 1500 bar, vorzugsweise 200 bis 800 bar.
Das Druckgas kann aus der aus Helium, Argon, Stickstoff und deren Gemischen bestehenden Gruppe zusammengesetzt sein. Zusätzlich kann das Druckgas Sauerstoff enthalten. Bevorzugt ist ein Gemisch aus Helium, Argon und Sauerstoff.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der nachfolgenden Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Längsschnittansicht durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators und
2 eine Längsschnittansicht durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators
3a bis 3d jeweils eine Längsschnittansicht verschiedener Ausführungsformen von Treibstoffbehältern in der Druckkammer eines erfindungsgemäßen Gasgenerators.
In 1 ist ein langgestreckter Rohrgasgenerator zum Aufblasen eines Gassacks dargestellt, der aus sehr wenigen Einzelteilen besteht und sich durch ein gutes, reproduzierbares Öffnungsverhalten auszeichnet. Der Gasgenerator hat eine zentrale, langgestreckte, zylindrische Druckkammer 10, die mit einem Druckgas aus Helium, einem Helium/Argon-Gemisch oder einem Helium/Argon/Sauerstoff-Gemisch bei einem Druck zwischen 240 bis 1500 bar gefüllt ist. Die Druckkammer 10 hat eine erste, große Öffnung 12 an der linken Stirnseite, die durch eine erste Membran 14 geschlossen ist, sowie am entgegengesetzten stirnseitigen Ende eine zweite, gleich große, vorzugsweise aber kleinere Öffnung 16, die durch eine zweite, kleinere Membran 18 geschlossen ist.
Die Druckkammer weist einen wandseitig befestigten Behälter 60 mit eingefülltem Treibstoff-Pulver 62 auf.
Die Konstruktion ist vorzugsweise so ausgeführt, dass der Berstdruck zum Freilegen der ersten Öffnung 12 größer ist als der Berstdruck zum Freilegen der zweiten Öffnung 16. Die Druckkammer 10 wird seitlich durch eine zylindrische Außenwand mit einer als separates Teil ausgebildeten Zylinderwand 20 begrenzt, an die im Bereich der zweiten Öffnung 16 ein buchsenförmiger Diffusor 22 angeschweißt ist, welcher mit radialen Ausströmöffnungen 24 versehen ist. Die Membran 18 ist an eine Stirnseite des Diffusors 22 angeschweißt, der damit auch als Membranhalter dient.
Auf der entgegengesetzten Stirnseite wird ein hülsenförmiges Verschlußteil 26 stirnseitig an die Zylinderwand 20 angeschweißt. Der Boden des hülsenförmigen Verschlußteils 26 verjüngt sich radial einwärts stark und geht einstückig in die erste Membran 14 über. Die erste Membran 14 ist damit kein Einzelteil, das an eine Außenwand angeschweißt wird. Vor der ersten Membran 14 ist ein Sieb 28 angeordnet, das eine Brennkammer 30 begrenzt, welche mit einem pyrotechnischen Treibsatz 32 gefüllt ist. Von der offenen Stirnseite des hülsenförmigen Verschlußteils 26 aus ragt ein Zünder 34 in das Verschlußteil 26 hinein. Dieser ist zusätzlich auch noch in einer die Brennkammer 30 begrenzenden scheibenförmigen Stirnwand 36, vorzugsweise ausgeführt als ein Silikonfüllkörper für eine Positionierung des Treibsatzes 32, positioniert.
Wie 1 zu entnehmen ist, ist die Zylinderwand 20 ausgehend von der ersten Membran 14 gleichmäßig und kreiszylindrisch dimensioniert und besitzt über fast die gesamte Länge einen gleichbleibenden Innendurchmesser. Zur zweiten Membran 18 hin jedoch ist die Zylinderwand 20 flaschenhalsförmig verjüngt ausgeführt. In diesem sich verjüngenden Abschnitt sind die in Strömungsrichtung S (Axialrichtung) weisenden Flächen so ausgeführt, dass sie zur zweiten Membran 18 hin schräg geneigt sind. Diese in Strömungsrichtung S weisenden Flächen sind mit 40, 42 bezeichnet. Kurz vor der zweiten Membran 18 hat die Druckkammer 20 einen Abschnitt mit gleichmäßigem Innendurchmesser.
Die zweite Membran 18 ist vom Durchmesser her deutlich kleiner als die erste Membran 14, ebenso wie die zweite Öffnung 16 auch deutlich kleiner als die erste Öffnung 12 ist. Die Querschnittsfläche der ersten Öffnung 12 ist etwa 1,1- bis zehnmal größer als die der zweiten Öffnung 16, vorzugsweise etwa 1,3- bis dreimal größer. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser konkret etwa doppelt so groß.
Die Ausführungsform nach 2 entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten, so dass für funktionsgleiche Teile die bereits eingeführten Bezugszeichen verwendet werden. Bezüglich der Abmaße der Membranen und der Druckkammer 10 kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden. Zu betonen ist, dass die einzelnen unterschiedlichen Merkmale in den 1 und 2 beliebig miteinander kombiniert werden können.
Die Ausführungsform nach 2 hat kein hülsenförmiges Verschlußteil 26, die Zylinderwand 20 erstreckt sich vielmehr auch bis über die Brennkammer 30 hinaus. Eine ringförmige Vertiefung 50 dient zur Positionierung und Befestigung der ersten Membran 14, die als separates Teil ausgeführt und durch Kondensatorentladungsschweißen innenseitig an der Zylinderwand 20 angebracht ist. Am gegenüberliegenden Ende ist ein Membranhalter 52 für die zweite Membran 18 vorgesehen, der ohne Diffusorabschnitt ausgeführt ist, sondern ein düsenförmiges Ende hat. Um das verjüngte Ende herum ist dann eine Diffusorkappe 54 gesetzt, die durch Krimpen an der Zylinderwand 20 angebracht ist.
Die Montage erfolgt, indem zuerst die Druckkammer 10 bei verschlossener erster Öffnung 12 mit Druckgas über die offene zweite Öffnung 16 befüllt wird. Anschließend wird diese zweite Öffnung 16 mittels der zweiten Membran 18 geschlossen.
Bei beiden Ausführungsformen ist in der Druckkammer 10 ein Behälter 60 vorgesehen, der mit wenigstens einer pulverförmigen Treibstoffkomponente 62 gefüllt ist.
Die pulverförmige Treibstoffkomponente 62 umfasst bevorzugt einen festen Brennstoff und ein festes Oxidationsmittel. Als Brennstoff eignen sich Metallpulver sowie organische Verbindungen wie beispielsweise Guanidinnitrat, Nitroguanidin, Triaminoguanidinnitrat, Fumarsäure, Harnstoffnitrat, Nitroharnstoff, Nitropenta, 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on, Hexogen, Oktogen N,N'-Dinitroammelin, Polyvinylalkohol, Guanylureadenitramid und deren Mischungen. Als Oxidationsmittel können insbesondere Alkali- und/oder Erdalkalimetallnitrate wie Kaliumnitrat und Strontiumnitrat, Alkali- und/oder Erdalkalimetallchlorate, -perchlorate und -peroxide, Ammoniumnitrat, Ammoniumperchlorat, Kupferoxid oder basisches Kupfernitrat und deren Mischungen verwendet werden.
Der Behälter 60 ist als separates Bauteil gebildet und innen an der Wand 20 der Druckkammer 10 fixiert. Mindestens ein Deckel 64 des Behälters ist in Form einer Filterstruktur mit Poren oder Maschen (nicht gezeigt) versehen, deren lichte Weite kleiner ist als der kleinste Äquivalentdurchmesser der Körner des pulverförmigen Treibstoffkomponente 62. Damit ist gewährleistet, dass der Behälter 60 gasdurchlässig ist aber undurchlässig für die Treibstoffkomponente 62. Bevorzugt ist der ganze Behälter 60 aus der gasdurchlässigen Filterstruktur gebildet.
In der Ausführungsform der 1 ist der Behälter 60 nahe der Membran 14 angeordnet. Dadurch wird die pulverförmige Treibstoffkomponente zu einem relativ frühen Zeitpunkt nach Öffnung der Membran 14 dem aus der Brennkammer 30 austretenden Heißgas ausgesetzt und angezündet. Die Ausführungsform nach 2 zeigt dagegen einen von der Membran 14 entfernt angeordneten Behälter, der erst zu einem relativ späten Zeitpunkt nach Öffnen der ersten Membran 14 aktiviert wird. Dadurch erfolgt eine stark verzögerte Freisetzung des Heißgases aus der pulverförmigen Komponente 62, so dass die Standzeit eines zu befüllenden Gassacks (nicht dargestellt) weiter verlängert werden kann.
Nach dem Aktivieren des Zünders 34 wird der pyrotechnische Treibsatz 32 angezündet bzw. abgebrannt, und das dadurch entstehende Druckgas zerstört die erste Membran 14. Es ergibt sich dadurch eine abrupte Druckdifferenz, durch die eine sogenannte Schockwelle bzw. Stoßwelle erzeugt wird, die sich in Strömungsrichtung S mit hoher Geschwindigkeit durch die Druckkammer 10 ausbreitet bzw. fortsetzt, im Bereich des verjüngten Endes gebündelt wird und die zweite Membran 18 schließlich zerstört, so dass das Gemisch aus Druckgas und Heißgas aus dem Gasgenerator austritt, wobei vorzugsweise zeitlich gesehen zuerst ein gewisser Anteil reinen Kaltgases und danach das Gemisch austritt. Dabei ist die Schockwellenfront bzw. Stoßwellenfront wesentlich schneller als die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Brennkammer 30 austretende Heißgases. Das Heißgas durchläuft die Druckkammer und passiert den gasdurchlässigen Behälter 60, wodurch auch der Behälter 60 erwärmt und die darin aufgenommene Treibstoffkomponente 62 aktiviert bzw. angezündet wird. Die Treibstoffkomponente 62 brennt dann kontrolliert in dem Behälter 62 ab und liefert neues Heißgas nach, so dass die Standzeit eines an den Gasgenerator angeschlossenen Gassacks (nicht gezeigt) erhöht wird.
Die 3a bis 3d zeigen Varianten der Geometrie des Behälters 60 sowie der Anordnung des Behälter 60 in der Druckkammer 10.
In 3a ist der Behälter 60 als separates Bauteil an der Wand 20 der Druckkammer 10 festgelegt. Die Position des Zünders 34 ist schematisch dargestellt, die Membran 14 ist nicht gezeigt. Die räumliche Nähe zum Zünder 34 ermöglicht eine besonders rasche Zündung der Treibstoffkomponente. Der Behälter 60 weist, in Strömungsrichtung des Gases bzw. Längsrichtung der Druckkammer 10 gesehen, einen konstanten Querschnitt auf.
Die 3b zeigt eine Variante der Ausführungsform der 3a. In dieser Ausführungsform zwei Behälter 60 mit konstantem Querschnitt vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Gases hintereinander angeordnet sind. Dies ermöglicht einen zeitlich verzögerten Abbrand der Treibstoffkomponente 62 im stromabwärts angeordneten Behälter 60 und kann die Standzeit eines an den Gasgenerator angeschlossenen Gassacks noch weiter verlängern.
In der 3c sind der schematisch dargestellte Zünder 34 und ein Behälter 60 gezeigt, der in die Wand 20 der Druckkammer 10 integriert ist. Die Wand 20 weist dazu eine Ausbuchtung auf, in die die pulverförmige Komponente 62 aufgenommen ist. Ein nach Art einer Filterstruktur gebildeter, gasdurchlässsiger Deckel 64 schliesst die pulverförmige Komponente 62 gegen die Druckkammer 10 ab.
In 3d ist schließlich eine Ausführungsform des Gasgenerators gezeigt, bei der der Behälter 60 einen veränderlichen Querschnitt aufweist. Insbesondere ist der Querschnitt an den Enden in der Nähe der Membranen 14, 18 (siehe 1 und 2) kleiner als in der Mitte des Behälters 60. Dadurch kann die in pro Zeiteinheit freigesetzte Gasmenge weiter variiert werden.
Der erfindungsgemäße Gasgenerator ermöglicht durch die Bereitstellung einer pulverförmigen Treibstoffkomponente in der Druckgaskammer eine verbesserte und flexible Steuerung der Gasgeneratorleistung und eine Erhöhung der Standzeit eines an den Gasgenerator angeschossenen Gassacks.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20319564 U1 [0003, 0011]

Claims

Gasgenerator, insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen, mit einer mit Druckgas gefüllten Druckkammer (10), einem außerhalb der Druckkammer (10) angeordneten pyrotechnischen Zünder (34), einer dem Zünder (34) nahen ersten Membran (14), die eine erste Öffnung (12) der Druckkammer (10) schließt, einer vom Zünder (34) entfernteren zweiten Membran (18), die eine zweite Öffnung (16) der Druckkammer (10) schließt, wobei beide Membranen (14, 18) auf Aktivieren des Zünders (34) hin zerstörbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Druckkammer (10) ein mit wenigstens einer pulverförmigen Treibstoffkomponente (62) gefüllter, gasdurchlässiger und für die pulverförmige Treibstoffkomponente (62) undurchlässiger Behälter (60) angeordnet ist.
Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zünder (34) und erster Membran (14) eine mit einem pyrotechnischen Treibsatz (32) gefüllte Brennkammer (30) angeordnet ist.
Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Behälter (60) in der Druckkammer fest positioniert ist, wobei insbesondere der Behälter (60) ein an einem Gehäuse der Druckkammer (10) festgelegtes Bauteil ist.
Gasgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (60) in ein Gehäuse der Druckkammer (10) integriert ist.
Gasgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (60) in Längsrichtung der Druckkammer (10) einen konstanten Querschnitt aufweist, oder dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (60) in Längsrichtung der Druckkammer (10) einen variablen Querschnitt aufweist.
Gasgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckkammer (10) mehrere mit wenigstens einer pulverförmigen Treibstoffkomponente (62) gefüllte Behälter (60) vorgesehen sind, bevorzugt zwei bis vier Behälter (60).
Gasgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Treibstoffkomponente (62) eine durch Siebanalyse bestimmte mittlere Teilchengröße im Bereich von 1 bis 100 Mikrometer, vorzugsweise von 5 bis und 50 Mikrometer, aufweist, wobei insbesondere die pulverförmige Treibstoffkomponente (62) eine Korngrößenverteilung im Bereich von 0,1 bis 1000 μm aufweist.
Gasgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Treibstoffkomponente (62) einen anorganischen oder organischen Brennstoff umfasst, wobei insbesondere der Brennstoff ein Metallpulver umfasst, oder insbesondere der Brennstoff eine aus der aus Guanidinnitrat, Nitroguanidin, Triaminoguanidinnitrat, Fumarsäure, Harnstoffnitrat, Nitroharnstoff, Nitropenta, 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on, Hexogen, Oktogen N,N'-Dinitroammelin, Polyvinylalkohol, Guanylureadenitramid und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählte organische Verbindung umfasst.
Gasgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Treibstoffkomponente (62) zusätzlich zu dem anorganischen oder organischen Brennstoff ein festes Oxidationsmittel umfasst.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmige Treibstoffkomponente (62) nur aus dem Brennstoff besteht.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas wenigstens ein gasförmiges Oxidationsmittel, bevorzugt Sauerstoff, enthält.