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Die
Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere zum Füllen von
Airbags.
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Airbags
müssen
in kurzer Zeit mit einer definierten Gasmenge gefüllt werden,
wobei der Gasgenerator dann für
eine gewisse Zeit eine Gaslieferung aufrecht erhalten muss, um den
Airbag während
des akuten Unfallgeschehens eines Kraftfahrzeugs kurzzeitig in aufgeblähtem Zustand
zu halten. Dabei ist es bekannt, dass unterschiedliches Unfallgeschehen, wie
auch unterschiedliche sonstige äußere Bedingungen,
zu verschiedenen Anforderungen an die Gasfüllung des Airbags führen können. Das
Ziel besteht darin, die Verletzungsgefahr für Kraftfahrzeuginsassen zu
minimieren.
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Beispielsweise
kann es dazu erforderlich sein, bei lediglich leichten Kollisionen
mit einer geringeren Füllung
des Airbags zu arbeiten. Es ergibt sich daraus der Wunsch nach Gasgeneratoren,
die das Füllen
von Airbags mit unterschiedlichen Gasströmen bewirken können.
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Aus
der
EP 0 800 965 A2 ist
dazu ein Gasgenerator mit einem Druckbehälter bekannt, der mit einem
Inertgas gefüllt
ist. In dem Druckbehälter
sind zwei gekapselte pyrotechnische Ladungen angeordnet, die jeweils
mit einer eigenen Zündeinrichtung versehen
sind. Sie können
somit gleichzeitig oder zeitlich versetzt gezündet werden. Dadurch reißt eine an
dem Ausgang des Gasgenerators angeordnete Berstscheibe, die dann
das von der pyrotechnischen Ladung erzeugte Gas zusammen mit dem
in dem Druckbehälter
gespeicherten Gas an den Airbag abgibt.
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Bei
diesem Gasgenerator sind die pyrotechnischen Ladungen bzw. ihre
Umhüllungen
dem in dem Druckspeicher herrschenden Druck ausgesetzt. Dieser kann
einige hundert Bar betragen. Dies hat erhebliche konstruktive Schwierigkeiten
zur Folge.
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Außerdem ist
aus der
EP 0 787 630
A1 ein Hybridgasgenerator mit zwei in unterschiedlichen Kammern
untergebrachten pyrotechnischen Ladungen bekannt. Diese sind jeweils über eine
eigene Berstscheibe an einen Druckraum angeschlossen, in dem unter
Druck stehendes Gas gespeichert ist. Eine weitere Berstscheibe ist
an dem Ausgang des Gasgenerators angeordnet.
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Auch
hier lastet der Gasdruck des in dem Druckspeicher gespeicherten
Gases ständig
auf der die pyrotechnische Ladung abgrenzenden Berstscheibe.
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Unabhängig davon
soll der Druckanstieg in dem Gasgenerator nicht zu schnell und zu
heftig erfolgen. Angestrebt wird ein gleichmäßiger Druckaufbau mit relativ
geringem Spitzendruck, d.h. ohne zu stark ausgeprägte Druckspitzen.
Das Ziel ist dabei relativ dünnwandige
und somit leichte Gefäße verwenden
zu können,
ohne Kompromisse hinsichtlich der Sicherheit der Gasgeneratoren
eingehen zu müssen.
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Aus
der US 2003/0047923A1 ist ein Gasgenerator zum Füllen von Airbags bekannt, mit
zwei Kammern, die jeweils eine pyrotechnische Ladung enthalten und
in einer Wand ausgebildete Gasübertrittsöffnungen
aufweisen. Des weiteren ist Druckspeicher vorgesehen, der ein unter
Ruhedruck stehendes Gas zur Füllung
eines. Airbags enthält.
Eine der pyrotechnischen Ladungen ist in einem endseitig offenen
Becher angeordnet, der sie gegen die andere Ladung abschirmt.
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Die
US 6,244,623 B1 offenbart
einen Gasgenerator zum Füllen
von Airbags, mit lediglich einer Kammer, die eine pyrotechnische
Ladung enthält.
An einem Ende der Kammer ist eine Wand mit einer Vielzahl von Gasübertrittsöffnungen
angeordnet. Die Wand wird von einem Boden eines Bechers übergriffen,
der auch die pyrotechnische Ladung einschließt. Außerdem ist ein Druckspeicher
vorgesehen, der ein unter Ruhedruck stehendes Gas zur Füllung eines Airbags
enthält.
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Die
EP 0 686 530 A1 offenbart
einen Gasgenerator zum Füllen
von Airbags einer Kammer, die eine pyrotechnische Ladung enthält und wenigstens eine
in einer Wand ausgebildete Gasübertrittsöffnung aufweist.
In der Gasübertrittsöffnung sitzt
ein Stopfen. Die pyrotechnische Ladung ist von einem Metallbecher
aufgenommen. An der anderen Seite der Wand ist ein Druckspeicher
vorgesehen, der ein unter Ruhedruck stehendes Gas zur Füllung eines
Airbags enthält.
Der Druckspeicher ist durch eine Metallmembrane abgeschlossen, die
an der Wand und dem Stopfen anliegt. Nach dem Zünden der pyrotechnischen Ladung
wird, sobald der pyrotechnisch erzeugte Druck den Ruhedruck des
Gasspeichers überwiegt,
der Stopfen aus seiner Öffnung
heraus getrieben, wobei er die Metallmembrane zerreißt.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gasgenerator
insbesondere zum Füllen
von Airbags zu schaffen. Der Gasgenerator soll einfach aufgebaut
sein, zuverlässig
arbeiten und dabei langzeitstabil sein.
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Diese
Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Gasgenerator mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst:
Der
erfindungsgemäße Gasgenerator
weist zumindest zwei Kammern auf, die jeweils eine pyrotechnische
Ladung enthalten. Diese Kammern sind über wenigstens eine Gasübertrittsöffnung,
vorzugsweise eine Siebplatte, mit einem im Ruhezustand drucklosen
Sammelraum verbunden, wobei an beiden Seiten der Siebplatte jeweils
eine Membrane angeordnet ist. Die der Ladung zugewandte Membrane
ist eine Verdämmungsmembrane
während
die auf der ladungsabgewandten Seite angeordnete Trennmembrane dazu
dient, den Druck des Sammelraums oder des Druckspeichers von der
Ladung fernzuhalten. Die Siebplatte dient der Abstützung der
Trennmembrane. Ihre Lochfläche
ist so groß,
dass die pyrotechnisch erzeugten Gase aus der Kammer frei ausströmen können, sobald
die Verdämmungsmembrane
offen ist. Somit wird in der pyrotechnischen Kammer ein ungehemmter
Druckanstieg und somit ein verbesserter Anbrand der Ladung erreicht.
Der verbesserte Anbrand führt
zu einer verbesserten Energieausbeute. Die Trennmembrane hält das gespeicherte Gas
von der Verdämmungsmembrane
fern, so dass diese einer hohen Druckdifferenz ausgesetzt ist. Das zwischen
den Membranen eingeschlossene Totvolumen ist minimiert, so dass
nach dem Durchbrechen der Verdämmungsmembrane
an der Trennmembrane sofort der unverminderte pyrotechnisch erzeugte Druck
anliegt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Bauform
mit zwei gesonderten Ladungen kann die Trennmembrane eine Zündung einer
der Ladungen durch heiße Gase
der anderen Ladung verhindern. Die Trennmembrane verhindert das
Vordringen von Zündenergie
aus dem Sammelraum zu der anderen pyrotechnischen Ladung. Wird eine
der Ladungen gezündet und
baut sich somit ein heißes,
unter Druck stehendes Gasvolumen auf, verhindert das Trennelement das
Vordringen von heißem
Gas zu der noch nicht gezündeten
pyrotechnischen Ladung. Dies ist insbesondere bei solchen Anordnungen
von Vorteil, bei denen die pyrotechnischen Ladungen nicht jeweils über eine
eigene Berstscheibe von einem Druckraum getrennt sind sondern an
einem gemeinsamen Sammelraum angeschlossen sind.
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Als
Verdämmungsmembrane
kommt vorzugsweise eine Aluminiummembrane zur Anwendung, die zum
Beispiel Teil der Wandung einer die Ladung umgebenden Metallkapsel
sein kann. Die Trennmembrane ist hingegen vorzugsweise eine Stahlfolie.
Diese ist vorzugsweise hinter der Gasübertrittsöffnung angeordnet, um die Folie
durch Druck von der die Gasüber trittsöffnung umgebenden
Wand weg zu blähen
und dadurch zerreißen
zu können.
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Die
Gasübertrittsöffnungen
sind vorzugsweise nicht als Verdämmöffnungen
ausgebildet. Sie sind somit so ausgebildet, dass sie in der Kammer
nach Zünden
der pyrotechnischen Ladung keinen Druckstau bewirken. nach dem öffnen der
Verdämmungsmembrane
erfolgt eine weitere Ladungsverdämmung noch
durch den Gegendruck in dem Druckspeicher. Dadurch kann die Druckentwicklung
der pyrotechnischen Ladung in gewünschter Weise ohne große Strömungsverluste
an der Gasübertrittsöffnung beeinflusst
werden. Vorzugsweise weist dabei die Kammer mehrere Gasübertrittsöffnungen
auf, mit anderen Worten, die betreffende Wand bildet eine Siebscheibe
wobei die Öffnungen
dieser Siebscheibe die Gasübertrittsöffnungen
sind.
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Diese
Anordnung wird als in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft empfunden.
Die Siebscheibe hindert den Übertritt
von groben Bestandteilen der pyrotechnischen Ladung oder Überresten
der pyrotechnischen Ladung in den Druckspeicher. Außerdem wirkt die
Siebscheibe für
die anliegende Metallfolie als Stütze hinsichtlich von aus dem
Sammelraum her wirkendem Druck. Dem aus der Kammer ankommenden Druck
ist die Metallfolie jedoch ohne Unterstützung ausgeliefert. Die Kombination
zwischen der Metallfolie und der Siebscheibe bildet somit eine asymmetrisch
wirkende Ventileinrichtung nach Art eines Rückschlagventils. Für Druckstöße aus der
Kammer heraus ist es durchlässig
(die Folie zerreißt
hier leicht), während
es für
Druckstöße aus dem
Sammelraum heraus undurchlässig
ist (die Folie ist unterstützt,
die kleinen, dem Druck ausgelieferten Teilflächen halten dem Druck stand.).
Aus der Kammer kommender Druck wirkt auf die gesamte Fläche der Folie
ein, während
aus dem Sammelraum kommender Druck nur die Flächenbereiche der Folie belastet, die
die Gasübertrittsöffnungen überspannen.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 einen
Gasgenerator in längs
geschnittener, schematisierter Darstellung,
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2 den
Gasgenerator nach 1 in ausschnittsweiser, schematisierter
Schnittdarstellung,
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3 den
Gasgenerator nach 2, geschnitten entlang der Linie
III-III in 2,
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4 den
Gasgenerator nach 1 und 2 beim Zünden seiner
ersten Kammer in ausschnittsweiser, schematisierter Schnittdarstellung,
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5 den
Gasgenerator nach 1 und 2 beim Zünden der
pyrotechnischen Ladung in seiner zweiten Kammer in ausschnittsweiser,
schematisierter Darstellung,
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6 einen
Gasgenerator ähnlich 1 in einer
ausschnittsweisen, längs
geschnittenen, schematisierten Darstellung, und
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7 den
Gasgenerator nach 6, geschnitten entlang der Linie
VII-VII in 6.
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In 1 ist
ein Hybridgasgenerator 1 veranschaulicht, der einen Druckspeicher 2 und
ein Gehäuse 3 aufweist,
in dem zwei Kammern 4, 5 mit pyrotechnischen Ladungen 6, 7 ausgebildet
sind. Die pyrotechnischen Ladungen 6, 7 befinden
sich in einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt des gemeinsamen
Gehäuses 3 an
den sich ein sich konisch verjüngender
Abschnitt 8 anschließt.
Dieser bildet die bodenseitige Wandung des Druckspeichers 2.
An dem Abschnitt 8 schließt sich ein zylindrisches,
die Wandung des Druckspeichers 2 bildendes Rohr 9 an, das über eine
Laserschweißnaht 11 mit
dem Gehäuse 3 verbunden
ist. An dem anderen Ende ist das Rohr 9 mit einer Kappe 12 abgeschlossen,
die den Ausgang des Hybridgasgenerators 1 bildet. Sie weist dazu
einen mit Auslassöffnungen
versehenen Anschluss 14 auf, der sich an eine halsartige
Verengung der Kappe 12 anschließt. Der so gebildete Ausgang ist
durch eine Berstscheibe 15 verschlossen, die dem Ruhedruck
des in dem Druckspeicher 2 eingeschlossenen Gases standhält.
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Der
Druckspeicher 2 weist bodenseitig eine weitere Öffnung 16 auf,
die etwa koaxial zu der von der Berstscheibe 15 verschlossenen Öffnung und dieser
gegenüber
liegend angeordnet ist. Die Öffnung 16 ist
von einer Berstscheibe 17 verschlossen, die dem Ruhedruck
des in dem Druckspeicher 2 eingeschlossenen Gases standhält.
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Die
Berstscheiben 15, 17 sind vorzugsweise Stahlscheiben
(beispielsweise dünne
Edelstahlscheiben), die jeweils mit ihrem Rand mit der Berandung der
durch sie verschlossenen Öffnung
verschweißt sind.
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Der
Abschnitt 8 umschließt
einen konischen Sammelraum, der an seinem einen Ende durch die Berstscheibe 17 ver schlossen
ist. Der Sammelraum steht nicht unter Druck. Von den Kammern 4, 5 ist
der Sammelraum 18 durch eine Wand 19 getrennt,
die als Siebscheibe ausgebildet ist. In der Wand 19 sind 25 bis 30 Gasübertrittsöffnungen 21, 22 angeordnet. Eine
erste Gruppe 23 von Gasübertrittsöffnungen 21 führt von
der Kammer 4 in den Sammelraum 18. Eine zweite
Gruppe 24 von Gasübertrittsöffnungen 22 führt aus
der Kammer 5 in den Sammelraum 18. Die im Wesentlichen
ebene scheibenförmige
Wand 19 schließt
an ihrem äußeren Rand,
wie insbesondere aus 2 hervorgeht, dicht mit dem
Innenumfang des Gehäuses 3 ab
und liegt dort an einer Ringschulter 25 möglichst
weitgehend gasdicht an. Sie trennt den Sammelraum 18 von
den in den Kammern 4, 5 befindlichen pyrotechnischen
Ladungen 6, 7. Die Ladungen 6, 7 sind
außerdem
durch eine Trennwand 26 voneinander separiert, die den
zylindrischen Innenraum des Gehäuses 3 längs in halbzylindrische
Abschnitte unterteilt. Die Trennwand 26 ist vorzugsweise
stumpf mit der Wand 19 verschweißt. Ebenso kann die Wand 19 an
ihrem äußeren Umfang
mit dem Gehäuse 3 verschweißt sein,
um hier eine gasdichte und druckfeste Verbindung zu schaffen.
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Die
in den Kammern 4, 5 angeordneten pyrotechnischen
Ladungen sind in geeigneten Kapseln 20, beispielsweise
in Aluminiumkapseln gefasst und dadurch allseitig abgeschlossen.
Sie füllen
die Kammern 4, 5 im Wesentlichen spielfrei aus.
Bodenseitig sind sie mit Vertiefungen versehen, in die Zünder 27, 28 greifen.
Die Zünder
sind von einer bodenseitigen Abschlussplatte 29 gehalten,
die durch einen mit dem Gehäuse 3 verschweißten Ring 31 axial
gesichert ist.
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Die
Kapsel 20 weist ein Volumen von beispielsweise 23,5 cm3 auf und enthält eine Ladung von 17 g. Die
Ladungs dichte beträgt
somit 0,72 g/cm3. Sie besteht aus einzelnen
Presslingen mit z.B. 8 mm Durchmesser und 4 mm Dicke. Die Kapsel 20 besteht
vorzugsweise aus einer 0,5 mm dicken Aluminiumfolie, deren ebene
oder auch ganz leicht bombierte Stirnwand 20a (siehe 2)
eine Verdämmungsmembran
bildet. Die Verdämmungsmembran 20a bewirkt
einen Druckanstieg bis zum Anbrand aller Presslinge, d.h. auf beispielsweise
mindestens 300 bar. Die Dicke der Aluminiumfolie der Verdämmungsmembran 20a ist
auf die Anzahl und vor allem auf die Durchmesser der Gasübertrittsöffnung 21 abgestimmt.
Deren Durchmesser beträgt
hier vorzugsweise 3 mm.
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Wie
aus den 2 und 3 hervorgeht,
ist zur Trennung der Ladungen 6, 7 voneinander
zur Verhinderung eines Zündüberschlags
von der Ladung 6 auf die Ladung 7 eine Trennmembran 32 vorgesehen,
die ein Element zur Verhinderung des Eindringens von zündverursachten
Gasen aus dem Sammelraum 18 in die Kammer 5 bildet.
Die Trennmembran 32 ist beispielsweise durch eine Edelstahlfolie
oder eine andere Metallfolie gebildet, die an der von der Ladung 7 abgewandte
Seite, d.h. auf der Seite des Sammelraums 18 an der Wand 19 angebracht ist.
Die Anbringung erfolgt vorzugsweise fluiddicht, beispielsweise wie
aus 3 ersichtlich, mittels einer ringförmigen Schweißnaht 33 (Laserschweißnaht), die
alle Öffnungen 22 der
Gruppe 24 einschließt.
Die Trennmembran 32 liegt ansonsten flach an der Wand 19 an.
Die Öffnungen 21 der
Gruppe 23 können
offen sein. Die Reißfestigkeit
der Trennmembran 32 ist so bemessen, dass sie bei dem maximalen,
zu erwartenden Druckanstieg in dem Sammelraum 18 die Öffnungen 22 jeweils
frei tragend überspannt,
ohne aufzureißen.
Andererseits ist sie schwach genug, um zu bersten wenn durch die Öffnungen 22 hindurch
Druck auf sie einwirkt und sie von der Wand 19 abhebt.
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Der
insoweit beschriebene Hybridgasgenerator 1 arbeitet wie
folgt:
Der betriebsbereite Hybridgasgenerator 1 ist
in 1 veranschaulicht. Sein Druckspeicher 2 ist
beispielsweise auf mehrere hundert Bar mit einem Inertgas gefüllt. Die
Berstscheiben 15, 17 sind intakt. Die Zünder 27, 28 sind über nicht
weiter veranschaulichte elektrische Leitungen an eine Zündeinrichtung
angeschlossen. An den Anschluss 14 ist ein Airbag angeschlossen.
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Erfasst
nun eine nicht weiter veranschaulichte Steuereinrichtung eine Situation,
bei der der Airbag mit verminderter Füllung aufgeblasen werden soll,
wird zunächst
durch Aktivierung des Zünders 27. die
Ladung 6 gezündet. 4 veranschaulicht
dies. Im Inneren der die Ladung 6 umgebenden Kapsel wird
nun ein Druck aufgebaut, wobei ihre Wandung 34 durch den
allseits wirkenden Druck an die Wandung der Kammer 4 angepresst
wird. Dadurch wird eine Abdichtung nach außen bewirkt. Die Verdämmungsmembrane 20a bewirkt
zunächst
den druckdichten Einschluss der Ladung und somit sicheren Anbrand
und Druckaufbau. Durch den Druckanstieg bricht die Verdämmungsmembran 20a durch.
Die Abschnitte, die die Gasübertrittsöffnungen 21 überspannen,
werden in die Gasübertrittsöffnungen
eingedrückt
und reißen
dabei auf oder sie werden an den Rändern der Gasübertrittsöffnungen 21 abgeschert. Die
Gasübertrittsöffnungen
sind dabei zunächst drucklos,
so dass der gesamte in der Kammer 4 aufgebaute Druck als
Druckdifferenz wirksam wird.
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Durch
die offenen Gasübertrittsöffnungen 21 tritt
Gas mit hoher Geschwindigkeit und Temperatur in den Sammelraum 18 ein.
Die Gasübertrittsöffnungen 21 beschränken dabei
den Gasfluss nicht, so dass sie keine wesentliche Verdämmung der
Ladung 6 mehr bewirken.
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Das
sich in dem Sammelraum 18 ausbildende heiße und unter
hohem Druck stehende Gasvolumen lastet auf der Trennmembrane 32 und
wird durch diese vom Eindringen in die Kammer 5 abgehalten.
Die Ladung 7 bleibt dadurch zunächst ungezündet. Jedoch bewirkt das in
dem Sammelraum 18 mit zunehmendem Druck anstehende Gas
ein Bersten der Berstscheibe 17 (1) und ausgehend
von der Öffnung 16 eine
den Druckspeicher 2 durchquerende Druckwelle. Diese öffnet die
Berstscheibe 15, wodurch der Airbag mit einem Gasstrom
gefüllt
wird, der aus der Kammer 4 und dem Druckspeicher 2 herrührt. Nach
einer von der Steuereinrichtung vorgegebenen Zeit wird in der Regel
auch die Ladung 7 gezündet.
Dies entweder, um die Zeit, in der der Airbag in ausgeblasenem Zustand
gehalten wird, zu verlängern
und/oder um den Verbleib explosiver Materialien in dem Unfallfahrzeug
zu vermeiden. Die Zündung
der Ladung 7 ist in 5 veranschaulicht.
Es reißt
dabei die Trennmembrane 32 auf und das entstehende Gas
kann durch den Sammelraum 18 und den offenen und zumindest
teilentleerten Druckspeicher 2 in den Airbag strömen.
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Es
können
auch beide Ladungen 6, 7 gleichzeitig gezündet werden.
Dabei zerreißt
die Trennmembrane 32 die von dem sich aufbauenden Druck von
der Wand 19 abgehoben wird, ohne dem Gas aus der Kammer 5 einen
wesentlichen Widerstand entgegen zu setzen, so dass sich der Sammelraum 18 mit
den Gasen aus beiden Kammern 4, 5 füllt. Bei dieser
Betriebsart wird die schnellste und stärkste Füllung des Airbags erhalten.
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Bei
einer abgewandelten Ausführungsform der
Erfindung, die in den 6 und 7 veranschaulicht
ist, erstreckt sich die Trennmembrane 32 über beide
Gruppen 23, 24 von Gasübertrittsöffnungen 21, 22.
Die Gruppe 23 ist von einer halbkreisförmigen Laserschweißnaht 33a umgeben,
bei der die Trennmembrane 32 mit der Wand 19 verbunden
ist. Die Gruppe 24 ist hingegen von der halbkreisförmigen Laserschweißnaht 33b umgeben.
Beide Laserschweißnähte 33a, 33b sind
vorzugsweise ringförmig geschlossen.
Sie überqueren
die im Wesentlichen kreisförmige
Trennmembrane 32 vorzugsweise bei ihrem Durchmesser und
laufen dann außen
in der Nähe
des Außenumfangs
der Trennmembrane 32 entlang. Die Durchmesserabschnitte
können
auch zu einem gemeinsamen Abschnitt vereinigt werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hybridgasgenerators 1 kommt
es nicht darauf an, welche der Ladungen 6, 7 zuerst
gezündet wird.
Es ist ein Zündüberschlag
in beiden Richtungen wirksam verhindert. Bei der Ausführungsform
nach 1 bis 5 ist der Zündüberschlag von der Ladung 6 auf
die Ladung 7 verhindert während er von der Ladung 7 auf
die Ladung 6 nicht verhindert ist.
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Ein
Hybridgasgenerator 1 weist zumindest zwei pyrotechnische
Ladungen 6, 7 auf, die in Kammern 4, 5 untergebracht
sind. Beide münden
in eine gemeinsame Sammelkammer 18, durch die sie von einem
Druckspeicher 2 getrennt sind, oder direkt in den Druckspeicher 2.
Um einen Zündüberschlag
von einer Ladung 6 auf die andere 7 zu verhindern,
ist eine Trennmembrane 32 vorgesehen, die nach Art eines
Rückschlag ventils
ausgebildet ist. Sie verhindert ein Eindringen von Gasen aus dem
Sammelraum in die ihr zugeordnete Kammer 5. Die Trennmembrane 32 liegt
an einer Stützstruktur,
wie beispielsweise einer Siebscheibe (Wand 19 mit Gasübertrittsöffnungen 22)
an.