DE19805127C1 - Filter und Kühlelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Filter zum Filtern und Kühlen eines expandierenden heißen Gases für das Aufblasen eines Airbags, wobei der Filter einen Körper aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht als Filtermaterial aufweist.

Zum Aufblasen von Airbags werden Airbag-Gasgeneratoren verwendet, in denen Treibstoffe explosionsartig verbrannt werden. Die Gase aus der explosionsartigen Verbrennung weisen sehr hohe Temperaturen auf und sind außerdem immer mit Partikeln beladen. Um zu verhindern, daß eine Beschädigung des Luftsackes durch den Gasstrom nach dessen Austritt aus dem Gasgenerator erfolgt, müssen diese Gase gekühlt und die Partikel ausgefiltert werden. Zum Filtern und Kühlen wurden bislang Gewebe, Strickmetalle, Gestricke und Lochblenden verwendet. Insbesondere sind derartige Filter aus Maschendrahtgewebe in der DE 196 11 102 A1 und in der DE 43 38 536 A1 beschrieben, die das Gas neben der Filterwirkung auch kühlen.

Aufgrund neuer Erkenntnisse, insbesondere auch im Umweltbereich sowie durch neue Anforderungen für immer geringere Abmessungen der Gasgeneratoren, sollen neuerdings acidfreie Spreng- oder Treibstoffe auf organischer Basis eingesetzt werden, die wesentlich höhere Temperaturen erzeugen. Das bedeutet aber gleichzeitig einen höheren Aufwand zur Kühlung. Weiter werden die Einbaumaterialien aus Maschendraht teilweise selbst verbrannt und vergast, so daß neue Partikel entstehen, und die üblichen Filter die beabsichtigte Wirkung nur unter großem Aufwand erreichen.

Aus der DE 297 13 285 U1 ist eine Temperatursteuerung über einen Ring zum Verschließen von Durchgängen für das heiße Gas offenbart. Hiermit könnte man beispielsweise einen explosionsartigen Temperaturanstieg verhindern. Allerdings ist diese Lösung aufwendig.

Zum besseren Kühlen und Filtern könnte man jedoch auch das Volumen von Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht im Filter erhöhen. Das größere Volumen würde dann zwar bei geeigneter Größe zum einmaligen Aufblasen eines Airbags ausreichen, jedoch würde die Wirksamkeit durch das Verbrennen des Filtermaterials herabgesetzt. Durch das Verbrennen würden neue, störende Partikel erzeugt. Weiter ist nachteilig, daß die gewünschten geringen Baugrößen von Generator und Filter bei einer Erhöhung des Volumens mit Filtermaterial nicht mehr erreicht werden könnten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Filter zu schaffen, der bei geringer Bauform auch eine effektive Kühlung gestattet.

Die Aufgabe wird ausgehend vom gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch gelöst, daß der Filter mindestens einen Kühldraht aufweist. Unter Kühldraht versteht man hier einen Draht ausreichender Wärmekapazität und Oberfläche, um einen Teil der thermischen Energie des heißen Gases aufzunehmen. Der Kühldraht sollte dabei mit geeignet großem Durchmesser ausgebildet werden, um entsprechende mechanische und thermische Stabilität zu gewährleisten, und so, daß die Wirkung selbst bei Verbrennung von Oberflächenbereichen während der Auslösung des Airbags erhalten bleibt.

Insbesondere erfolgt auch dann vorteilhafterweise eine effektive Kühlung des Körpers, wenn ein thermischer Kontakt des Körpers mit dem Kühldraht vorgesehen ist.

Eine Verbesserung der Kühlwirkung des Kühldrahts läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erreichen, wenn dessen Oberfläche durch Strukturierung oder Formgebung vergrößert ist. Beispielsweise weist ein dreikantiges oder vierkantiges Drahtprofil ein günstigeres Oberflächen-/Volumenverhältnis auf als ein Runddraht.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der mindestens eine Kühldraht innerhalb des Körpers aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht integriert ist. Durch die Integration wird nicht nur das Gas gekühlt, sondern auch der Körper aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht, so daß dessen Verbrennung verhindert wird. Bei Integration des Kühldrahts innerhalb des Körpers liegt vor allen Dingen auch die größtmögliche Oberfläche des Kühldrahts an dem Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht an, so daß eine Wärmeübertragung von dem gesamten Körper auf den Kühldraht möglich ist. Die Integration in den Körper läßt sich beispielsweise durch Einpressen eines Kühldrahtes in ein Drahtgestrick durchführen.

Als besonders vorteilhafte Form für den Körper aus Drahtgestrick, Drahtgewebe oder Drahtgeflecht hat sich diejenige herausgestellt, die zumindest abschnittsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, in dessen Hohlraum das expandierende Gas einführbar ist, wobei das Gas am Außenmantel des Zylinders zum Füllen des Airbags entnehmbar ist. Hier wird wegen der großen Fläche des Filters, bei gleichzeitig kompakter Ausbildung des Körpers, eine außerordentlich große Filterfläche zum Filtern des Gases zur Verfügung gestellt, wobei das Gas beim Durchströmen des Filters aufgrund der größeren Außenfläche im Vergleich zur Innenfläche gleichzeitig expandiert wird, was gaskinetisch ebenfalls zu einer Abkühlung führt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens ein Kühldraht als zylindrische Wendel ausgebildet ist, dessen Windungsachse parallel zur Zylinderachse der hohlzylindrischen Form liegt. Bei Ausbildung des Kühldrahtes als Wendel setzt er dem heißen expandierenden Gas ebenfalls eine möglichst große Oberfläche entgegen, so daß die Kühlung am effektivsten ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens ein Kühldraht im Inneren des hohlzylindrischen Körpers angeordnet ist. Das bedeutet, daß der Kühldraht direkt an der Gaseinlaßseite des Filters liegt. Damit wird sichergestellt, daß das Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht ausschließlich mit einem teilweise abgekühlten Gas in Kontakt tritt, und so eine Verbrennung mit daraus resultierender Partikelbildung wirkungsvoll unterdrückt wird. Weiter läßt sich das Strömungsverhalten des heißen Gases durch spezielle Formgebung des Wendels geeignet einstellen, wie nachfolgend anhand der Zeichnung verdeutlicht wird.

Bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist auch vorgesehen, daß mindestens ein Kühldraht als um den Außenmantel des hohlzylindrischen Körpers gewundenes Wendel vorgesehen ist. Dieser Kühldraht dient zur weiteren Kühlung des Drahtgeflechts, um die Gefahr der Verbrennung und der Partikelbildung in dem Körper noch weiter zu vermindern und auch das in den Airbag eingeleitete Gas möglichst weit abzukühlen. Weiter dient dieser Kühldraht zum Verhindern einer Kernströmung, indem durch diesen ein Abstand zu einem als Gehäuse vorgesehenen umgebenden Rohr gewährleistet wird. Dadurch wird eine Homogenisierung der Filterdurchströmung erreicht.

Als besonders kostengünstig hat sich herausgestellt, wenn der Kühldraht gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung aus Metall und insbesondere aus Edelstahl besteht. Die metallischen Eigenschaften sorgen für eine gute Wärmeleitung, d. h. auch einen guten Ausgleich der Wärme innerhalb des Kühldrahts, wodurch die gesamte Wärmekapazität des Kühldrahtes zur Wirkung kommt. Die vorzugsweise Ausführung des Kühldrahts als Edelstahlteil ermöglicht gleichzeitig eine besonders kostengünstige Herstellung des Filters.

Für den Kühldraht können verschiedenste Metalle und Metallegierungen verwendet werden. Insbesondere hat es sich gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Metall eine Wärmeleitzahl von größer 70 J/(m . s . K) und eine Wärmekapazität von größer als 0,4 J/(g . K) bei 30°C aufweist sowie einen Schmelzpunkt bei größer als 1000°C, insbesondere größer als 1200°C, hat. Der hohe Schmelzpunkt wurde dabei gewählt, um eine Verbrennung des Kühldrahts so weit wie möglich zu verhindern. Die Wärmekapazität von größer als 0,4 J/(g . K) sorgt für eine effektive Aufnahme thermischer Energie im Kühldraht. Die Wärmeleitzahl von größer als 70 J/(m . s . K) sorgt für eine effektive Wärmeverteilung innerhalb des Kühldrahtes während der schnell ablaufenden Explosionsvorgänge, so daß die gesamte Wärmekapazität zum Kühlen zur Verfügung steht. Die angegebenen Werte stellen untere Grenzwerte für eine optimale Ausgestaltung dar. Sie können natürlich erhöht werden, wenn besonders heiße Gase gekühlt werden sollen bzw. wenn spezielle Treibgase und die konstruktive Bauweise des Airbags eine andere Auslegung erfordern.

Eine weitere kritische Größe für die Auslegung des Kühldrahts ist sein Durchmesser. Ein sehr kleiner Durchmesser ist zur Erhöhung der Kompaktheit vorteilhaft. Ein sehr großer Durchmesser erhöht die zur Kühlung zur Verfügung stehende Wärmekapazität.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der mindestens eine Kühldraht einen Durchmesser von mehr als 0,5 mm aufweist. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sollte der mindestens eine Kühldraht einen Durchmesser von weniger als 5 mm haben.

Neben den obengenannten Vorteilen einer effektiven Kühlung hat sich herausgestellt, daß sich der erfindungsgemäße Filter mit diesen Drahtstärken besonders einfach und kostengünstig fertigen läßt, insbesondere bei kleinen Durchmessern. Um die entsprechende Wärmekapazität bei kleineren Durchmessern zu erreichen, ist es dann vorteilhaft, mehrere Wendeln in einer Packung vorzusehen.

Weitere Besonderheiten und Merkmale ergeben sich auch aus der folgenden Darstellung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels im Schnitt mit zwei Wendeln von Kühldrähten;

Fig. 2 und Fig. 3 zwei Ausführungsbeispiele andersartiger Formgebungen für Kühldrahtwendel als in Fig. 1;

Fig. 4 Schichtung von Kühldrahtwendeln zum Erreichen einer besonders großen Kühloberfläche.

Anhand des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels läßt sich die Filter- und Kühlwirkung prinzipiell darstellen.

Der in Fig. 1 gezeigte Schnitt stellt einen Rotationskörper mit einer Symmetrieachse 1 dar. Das zum Befüllen eines Airbags verwendete Gas wird in Richtung der Pfeile 2 in das Innere eines hohlzylindrischen Körpers 3 eingeleitet. Aufgrund der Strömungsbedingungen entstehen Turbulenzen, die mit Pfeilen 4 angedeutet sind, so daß sich das Gas in dem Hohlkörper 3 verteilt. Als wesentlicher Teil des Filters ist der Körper 3 vorgesehen, der aus Drahtgestrick, Drahtgeflecht oder Drahtgewirk besteht, wie es schon aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieses Drahtgewirk, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht dient nicht nur zum Kühlen, sondern auch als Element zur Strömungsverteilung und Zurückhalten von Partikeln aus einer Gasexplosion, mit der die Gasströmung 2 erzeugt wird. Das gefilterte Gas tritt dann in Richtung der Pfeile 5 aus dem Körper 3 aus.

Zur Abkühlung und zusätzlich auch zur Strömungsverteilung ist ein Kühldraht 6 vorgesehen, der in Form einer zylindrischen Wendel 7 ausgebildet ist und sich mit seinen Außenflächen in thermischem Kontakt mit dem Körper 3 befindet. Dieser Kühldraht 6 weist genügende Wärmekapazität und Stärke auf, um einerseits einer Verbrennung durch die heißen Explosionsgase zu widerstehen und andererseits einen Teil der thermischen Leistung des Gases wirkungsvoll aufzunehmen. Weiter sorgt der thermische Kontakt mit dem Körper 3 zur Kühlung des Drahtgeflechtes, um auch dessen Verbrennen zu verhindern, indem die thermische Leistung des Drahtgeflechts in den Kühldraht 6 überführt wird. Weiter befindet sich außerhalb des Körpers 3 eine weitere Wendel 8, die ebenfalls zur Kühlung des Körpers 3 vorgesehen ist. Um die Wendel 8 kann noch eine weitere Schicht aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht gelegt werden, so daß die Wendel 8 vom Filtermaterial umgeben ist. Dann sorgt die Wendel 8 für eine effektivere Kühlung in zwei Richtungen.

Neben dem Kühleffekt erfüllt die Wendel 7 auch noch die Aufgabe, den Gasstrom 2 durch Verstärkung von Turbulenzen wirkungsvoll zu verteilen. Die Form dieser Wendel 7, aber auch die der Wendel 8, läßt sich zum Anpassen an verschiedene Thermo-, Druck- und/oder Turbulenzbedingungen unterschiedlich formen. Dafür sind weitere Ausführungsbeispiele von Wendeln 7 in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt.

Bei sogenannten intelligenten Airbags wird die volle Explosionsleistung nicht momentan frei, sondern man zündet beispielsweise erst ungefähr 30% und dann die restlichen 70%, und zwar den ersten Teil von der einen Seite der Wendel und den zweiten Teil von der anderen Seite der Wendel. Damit die Gasströmung von der einen Seite zu der anderen Seite die dort gegebenen Wendelteile oder Teile des Körpers aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht, z. B. durch Verbrennen, nicht beeinflußt, lassen sich die Windungsabstände und Durchmesser unterschiedlich ausbilden, um geeignete Strömungsverhältnisse zu schaffen. Dies wird anhand von Fig. 2 und Fig. 3 näher erläutert.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist besonders dann geeignet, wenn die Gasströmung im Einlaß gemäß Fig. 1 verläuft. Die dicht an den Enden der Wendel zusammenliegenden Windungen schützen den Körper im Eingangsbereich des Gasflusses effektiver und sorgen für eine Vorkühlung, während der Bereich in der Mitte der Wendel 7 von Fig. 2 mit weiter auseinanderliegenden Wendeln kaum noch zur Kühlung beiträgt. Allerdings ist im mittleren Bereich der Wendel eine effektivere Strömung zum Filtern durch den Körper 3 gegeben, als an den Enden.

In Fig. 3 ist eine Wendel 7 gezeigt, die im mittleren Bereich einen kleineren Durchmesser aufweist als in den Endbereichen. Die Verengung im mittleren Bereich vermindert weiter die vorhergenannte, unerwünschte Strömung von einer Seite auf die andere Seite wirkungsvoll. Um auch bei diesem Beispiel einen wirksamen Wärmeübertrag vom Körper 3 auf die Wendel 7 zu erzielen, ist es in Einzelfällen vorzuziehen, auch den Körper 3 mit einem engeren Mittelabschnitt auszubilden, so daß sich dieser im Mittelbereich der Wendel 7 von Fig. 3 für eine optimale Wärmeübertragung anschmiegt.

In Fig. 4 sind mehrere Wendeln 7 ineinandergeschachtelt. Derartige Wendelschichtungen können beispielsweise gegen die Wendel 7 von Fig. 1 ausgetauscht werden. Dabei ergibt sich der Vorteil einer vergrößerten Oberfläche zur Wärmeabfuhr, selbst wenn das Volumenmaterial des Drahtes gleich groß gehalten wird. Damit wird die schnelle Wärmeaufnahme im Kühldraht 6 zur effektiveren Kühlung des Gases gesteigert. Außerdem erhöht die Schichtung aus Wendeln 7 die Filterwirkung.

Die vorangegangenen Beispiele zeigen, daß vielfältige Möglichkeiten zur effektiven Kühlung mit Hilfe des Kühldrahtes 6 gemäß der Erfindung möglich sind. Die verschiedenen Möglichkeiten der Formung, Wahl der Drahtstärke sowie des Materials hängt im wesentlichen von den Strömungsbedingungen und den verlangten thermischen Parametern ab. Insbesondere hat sich für den Kühldraht 6 eine Drahtstärke zwischen 0,5 mm und 5 mm sowohl für die Fertigung als auch für eine effektive Kühlung als vorteilhaft herausgestellt. Das Material des Drahtes sollte ein Metall, insbesondere Edelstahl sein, insbesondere eine Wärmeleitzahl von größer als 70 J/(m . s . K) und eine Wärmekapazität von größer als 0,4 J/(g . K) (alle Werteangaben bei 30°C) aufweisen sowie einen Schmelzpunkt bei größer als 1000°C, insbesondere größer als 1200°C, haben, damit bei heute üblichen sowie in näherer Zukunft zu erwartenden Gasen zum Aufblasen eines Airbags eine effektive Kühlung erreicht werden kann.

Claims (16)

1. Filter zum Filtern und Kühlen eines expandierenden heißen Gases für das Aufblasen eines Airbags, wobei der Filter einen Körper (3) aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht als Filtermaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühldraht (6) vorgesehen ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühldraht (6) in thermischem Kontakt mit dem Körper (3) aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht steht.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kühldrahtes (6) strukturiert oder kantig ist.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) innerhalb des Körpers (3) aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht integriert ist.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) aus Drahtgestrick, Drahtgewebe oder Drahtgeflecht zumindest Abschnittsweise die Form eines Hohlzylinders aufweist, in dessen Hohlraum das expandierende Gas (2) einführbar ist, und das Gas (2) am Außenmantel des Zylinders zum Füllen des Airbags entnehmbar ist.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühldraht (6) als zylindrische Wendel (7, 8) ausgebildet ist, dessen Windungsachse parallel zur Zylinderachse (1) der hohlzylindrischen Form liegt.

7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der als Wendel ausgebildete Kühldraht (6) durch unterschiedliche Windungsdurchmesser und Windungsabstände auf die Strömungsbedingungen im Filter angepaßt wird.

8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende Windungen einen Spalt zum Durchströmen des Gases im Bereich von 0,1 bis 10 mm freilassen.

9. Filter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühldraht (6) im Inneren des hohlzylindrischen Körpers (3) angeordnet ist.

10. Filter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühldraht (6) als um den Außenmantel des hohlzylindrischen Körpers (3) gewundene Wendel (8) vorgesehen ist.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der um den hohlzylindrischen Körper (3) als Wendel (8) vorgesehene Kühldraht (6) mit einer weiteren Schicht von Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht ummantelt ist.

12. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) aus Metall, insbesondere Edelstahl, besteht.

13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Wärmeleitzahl von größer 70 J/(m . s . K) und eine Wärmekapazität von größer als 0,4 J/(g . K) bei 30°C aufweist sowie einen Schmelzpunkt bei größer als 1000°C, insbesondere größer als 1200°C, hat.

14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) einen Durchmesser von mehr als 0,5 mm hat.

15. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) einen Durchmesser von weniger als 5 mm hat.

16. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühldrähte als Kühldrahtpackung ineinanderliegen.