DE2921552C2

DE2921552C2 -

Info

Publication number: DE2921552C2
Application number: DE2921552A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Kasama; Hikaru Kawagoe Jp Fujiyama; Tadahiko Sayama Jp Nagaoka; Masayoshi Kawagoe Jp Katoh
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nippon Oil Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 1978-05-29
Filing date: 1979-05-28
Publication date: 1987-07-09
Also published as: FR2427131A1; DE2921552A1; US4316874A; GB2022712A; FR2427131B1; GB2022712B; JPS54155536A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasgenerator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der DE-OS 27 05 942 bekannten Gasgenerator sind in der Kühlkammer mehrere konzentrische und einander jeweils abwechselnde Lagen aus Filtermaterial und einem Auffüllmaterial angeordnet. Die Lagen des Filtermaterials werden dabei in Strömungsrichtung fortlaufend weniger porös. Während das Auffüllmaterial aus Metallfasern gebildet ist, besteht das eigentliche Filtermaterial aus Glasfasern, die zum größten Teil aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid bestehen.

Aus der DE-OS 23 50 102 ist ein Filter für einen vergleichbaren Gasgenerator bekannt, bei dem zwischen zwei beabstandeten Metallsieben ein Filtermaterial aus Quarzwolle angeordnet ist.

Aus der DE-OS 25 47 724 ist ein Gasgenerator vergleichbarer Art bekannt, der in seiner Kühlkammer ein körniges, wärmeabsorbierendes Material enthält.

Aus der DE-OS 26 00 426 ist ein Gasgenerator vergleichbarer Art bekannt, bei dem die Gase jedoch an der Stirnfläche des zylindrischen Gehäuses abgegeben werden, so daß ein aus Glasfasern und aus Metallfasern bestehendes Filtermaterial zusammen mit einer eine Vielzahl von Öffnungen aufweisenden Metalltrennwand ebenfalls parallel zur Stirnfläche des Gehäuses angeordnet ist.

Aus der DE-PS 9 59 423 ist es bekannt, die Brennkammer eines Raketentriebwerkes mit einer feuerfesten Zementschicht, die Siliziumcarbid enthält, auszukleiden.

Aus der Literaturstelle "Keramische Zeitschrift", Nr. 2, 1963, Seiten 83 und 84 ist es allgemein bekannt, daß Siliziumcarbid dank seiner hohen Feuerfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und seinem niederen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein idealer Rohstoff zur Herstellung von Feuerfestkörpern und Feuerfest-Stampfmassen ist. Siliziumcarbid wird daher zur Auskleidung von Raketentriebwerken und als loses Korn oder als Katalysatorträger bei chemischen Prozessen benutzt. Die Säurefestigkeit von Siliziumcarbid macht dieses auch zum idealen Filtermedium, sei es als loses Korn oder als poröse Filterplatte.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasgenerator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß er in seiner Kühlkammer auf kleinstem Raum eine hochwirksame Kühlung und Filterung des Reaktionsgases ohne nennenswerten Druckverlust beim Hindurchströmen des Reaktionsgases durch die Kühlkammer bewirkt.

Bei einem Gasgenerator der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Gasgenerator zeichnet sich dadurch aus, daß infolge der Siliziumcarbidkörnchen mit einer gegenüber den Abmessungen der Öffnungen der Trennwände relativ großen Abmessung sich eine große Porosität der durch diese Siliziumcarbidkörnchen gebildeten Filterschicht innerhalb der Kühlkammer ergibt, was wiederum zu einem relativ geringen Strömungswiderstand der Filterschicht für das hindurchströmende Reaktionsgas führt.

Das in der Alpha-Kristallform benutzte Siliziumcarbid hat einen hohen Schmelzpunkt und eine große Härte, so daß die einzelnen Körner auch bei großen mechanischen Erschütterungen über einen sehr langen Zeitraum nicht zum Zerbrechen bzw. infolge gegenseitiger Reibung zu einem Pulverisieren neigen, was wiederum den Strömungswiderstand für das Reaktionsgas stark erhöhen könnte. Andererseits hat Siliziumcarbid eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit Aus Aluminiumoxid oder Siliziumoxid, wodurch die Kühlwirkung der Kühlkammer verbessert wird. Aber auch die Herstellung des erfindungsgemäßen Gasgenerators ist durch Einfüllen von Körnchen in die Kühlkammer sehr viel einfacher als beim Stand der Technik, bei dem mehrere konzentrische Lagen aus einem Filtermaterial und einem Stützmaterial aufeinandergewickelt werden müssen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator und

Fig. 2 eine mikroskopische Fotografie erfindungsgemäß verwendeter Siliziumcarbidkörnchen.

Bekanntlich existiert Siliziumcarbid (SiC) in zwei verschiedenen Kristallsystemen, nämlich als α-SiC im Hexagonal- und rhomboedrischen System und als β-SiC im kubischen System. In dem vorliegenden Fall wird α-SiC bevorzugt, weil es einen höheren Schmelzpunkt und eine größere Härte besitzt als b-SiC. Da β-SiC ziemlich spröde und brüchig ist, führt die Verwendung von β-SiC als körniges Kühlmittel für Gasgeneratoren insofern zu Nachteilen, da das Material bei mechanischen Erschütterungen, beispielsweise beim Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges, zum Zerbrechen neigt und durch gegenseitiges Reiben pulverisiert wird.

Wie bereits erwähnt, ist körnige Tonerde (üblicherweise a-Tonerde) als Kühlmittel für herkömmliche Gasgeneratoren, die eine feste Gas erzeugende Mischung benutzen, verwendet worden. Die folgende Tafel 1 beinhaltet eine Gegenüberstellung von α-SiC und α-Al₂O₃ im Hinblick auf spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit, d. h. im Hinblick auf für feste Kühlmittel wichtige physikalische Eigenschaften. Wie der Tafel zu entnehmen, hat SiC eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Al₂O₃ und demzufolge eine bessere Eignung als Kühlmittel, da es darum geht, Wärme aus einem Gas zu absorbieren.

Tafel 1

Ein kornförmiges Siliciumcarbid zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Gasgenenrator kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß eine Mischung aus Quarzsand und einem kohlenstoffhaltigen Material, wie Koks, in einem elektrischen Ofen auf eine Temperatur von 1800 bis 1900°C erhitzt wird, um eine Umsetzung herbeizuführen, die zu Siliciumcarbid führt. Das so hergestellte Siliciumcarbid wird gebrochen und anschließend in erster Linie von Eisen gereinigt. Abschließend erfolgt ein Absieben des gebrochenen Siliciumcarbids, um Körner mit einer Teilchengröße in dem angestrebtern Bereich zu erhalten.

Es ist zwar nicht zwingend erforderlich, aber sehr vorteilhaft, wenn ein körniges Siliciumcarbid verwendet wird, welches nicht eine im wesentlichen sphärische oder abgerundete Teilchengestalt besitzt, sondern ein Siliciumcarbid zu verwenden, dessen Körner eine scharfkantige Gestalt, wie eine im wesentlichen pyramidenförmige Gestalt (typischerweise eine quadratische Pyramidengestalt) oder eine prismatische Gestalt (typischerweise eine dreieckig-prismatische Gestalt) aufweisen. Im Vergleich mit sphärischen oder runden Körnern haben pyramidenförmige oder prismatische Körner mit gleichem Gewicht eine größere Oberfläche und außerdem kompliziertere Gasdurchtritte, so daß Körner der letztgenannten Teilchengestalt eine größere Wirksamkeit sowohl im Hinblick auf Wärmeabsorption aus einem durch die gepackten Körner hindurch strömenden Gas als auch im Herausfiltern von Feststoffen, die in dem Gas enthalten sind, aufweisen. Bei diesen Feststoffen kann es sich um Feststoff-Rückstände aus der Verbrennung der Gas erzeugenden Zusammensetzung handeln.

Die Teilchengröße der Siliciumcarbidteilchen kann von Fall zu Fall in Abhängigkeit vom jeweiligen Gasgenerator bestimmt werden, aber vorzugsweise sollte die Teilchengröße eines jeden Körnchens (ausgedrückt durch die Maximaldimension in Breitenrichtungen) in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,0 mm liegen, wobei dieser Bereich sowohl im Hinblick auf die Kühlwirkung als auf den der Gasströmung entgegengesetzten Widerstand der Körnerpackung in der Kühlkammer des Gasgenerators gewählt ist.

Wie bereits erwähnt, werden die Siliciumcarbidkörnchen in einem erfindungsgemäßen Gasgenerator in einen Raum gepackt, der durch zwei Trennwände definiert ist, die jeweils eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen. Diese Öffnungen sind geeignet dimensioniert, um einen Durchtritt der Körnchen durch dieselben zu verhindern. Weil die Siliciumcarbidkörnchen nicht sehr groß sind (vorzugsweise nicht größer als etwa 2 mm) ist es sehr vorteilhaft, für jede der beiden Trennwände ein Drahtnetz, wie ein Netz aus nichtrostendem Stahl zu verwenden. Die Öffnungsweite der verwendeten Stahlnetze ist unter Würdigung der Teilchengröße des kornförmigen Siliciumcarbides zu bestimmen. Vorzugsweise hat jedes Drahtnetz solche Öffnungen, daß das Verhältnis aus der Teilchengröße eines jeden Siliciumcarbidkörnchens und der Größe der Netzöffnungen in einem Bereich von 4,0 bis 1,4 liegt. Bei Verhältnissen von mehr als 4,0 werden die Drahtnetzöffnungen von den Siliciumcarbidkörnchen verschlossen oder verstopft, was zu unerwünschten Steigerungen des Gasdruckes im Generatorgehäuse führt. Liegt andererseits das genannte Verhältnis unter 1,4, so kann es sein, daß ein Teil der Siliciumcarbidkörnchen durch die Stahlnetze hindurchgedrückt wird und vom erzeugten Gas aus dem Gasgenerator mitgeführt wird. Dieses führt dazu, daß die Gastemperatur nicht im erwarteten Umfang innerhalb des Gasgenerators gekühlt wird, so daß dann ein zu warmes Gas in den aufblasbaren Sack strömt, was zu Schäden am Sack führen kann.

Ein erfindungsgemäßer Gasgenerator verwendet eine herkömmliche feste Gas erzeugende Zusammensetzung, und zwar vorzugsweise eine Zusammensetzung, die zu Stickstoffgas führt. Bei Gasgeneratoren der beschriebenen Art ist es üblich, ein Metallazid und vorzugsweise entweder ein Alkalimetallazid, wie Natriumazid oder Siliciumazid, oder ein Erdalkalimetallazid, wie Calciumazid, als stickstoffhaltige Komponente für eine gasförmigen Stickstoff erzeugende Zusammensetzung zu verwenden. So kann beispielsweise die Gas erzeugende Zusammensetzung in einem erfindungsgemäßen Gasgenerator aus einer Mischung aus einem Metallazid und einem Oxidationsmittel, wie Kaliumperchlorat oder Natriumperchlorat bestehen. Sie kann auch aus einer Mischung aus einem Metallazid und einem oxidierenden Metalloxid, wie Kupferoxid oder Eisenoxid bestehen. Ferner kann sie aus einer Mischung aus einem Metallazid und einem geeigneten Metallhalid, wie einem Chromchlorit oder einem Zinnchlorit oder einer Mischung aus einem Metallazid, einem Oxidationsmittel und einem Reduktionsmittel, wie Magnesium oder Eisen bestehen. Die Zusammensetzung kann wahlweise einen kleinen Anteil eines Bindemittels oder eines Schmiermittels (lubricant) aufweisen.

Eine Mischung aus Natriumazid und Kaliumperchlorat ist ein typisches und bevorzugtes Beispiel für Stickstoff erzeugende Zusammensetzungen. Stöchiometrisch läßt sich die Stickstoff erzeugende Umsetzung dieser Mischung durch die folgende Reaktionsgleichung ausdrücken:

8 NaN₃ + KClO₄ →12 N₂ + 4 Na₂O + KCl

Ist die Menge an Kaliumperchlorat unzureichend, so führt der Zerfall dieser Mischung zu einer gewissen Menge an metallischem Natrium. Sowohl metallisches Natrium als auch Natriumoxid ist schädlich und sollte deshalb innerhalb des Gasgenerators abgefangen werden.

In üblicher Weise ist die Gas erzeugende Zusammensetzung in einem erfindungsgemäßen Gasgenerator in Form von Pellets. Der Ausdruck "Pellets" ist hier nicht wörtlich zu verstehen, sondern umfaßt Tabletten und relativ kleine Blöcke oder Massen anderer Gestalt; gelegentlich sogar Grobkorn.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, und zwar einen Gasgenerator für ein Automobil-Gassacksystem.

Ein im wesentlichen zylindrisches und mit Flanschen versehenes Gehäuse 10 des Gasgenerators ist so gestaltet, daß der Gasgenerator an der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges befestigt werden kann. Das Gehäuse 10 besteht aus einer Bodenplatte 12, die in einen mit Flanschen versehenen ringförmigen Körper 14 hineingeschraubt ist, einer zylindrischen Wandung 16, die mit ihrem einen Ende an dem Körper 14 befestigt ist und eine Vielzahl von radialen Öffnungen 17 aufweist, und aus einem Deckel 18, der das dem Körper 14 gegenüberliegende Ende der zylindrischen Wandung 16 abschließt. Die Öffnungen 17 in der Zylinderwand 16 dienen als Auslässe für das erzeugte Gas. Durch eine in der Mitte der Grundplatte 12 vorgesehene Bohrung 13 ist ein elektrisch betätigbarer Zünder 20 so eingeführt, daß er in das Innere des Gehäuses 10 hineinragt. Ein zylindrisch gestaltetes Drahtnetz 22 aus nicht-rostendem Stahl ist im Gehäuse 10 im Abstand von und konzentrisch zu der Zylinderwand 16 angeordnet, so daß das Innere des Gehäuses 10 in einen zylindrischen Zentralraum und einen äußeren Ringraum unterteilt ist. Ein weiteres zylindrisch angeordnetes Drahtnetz 24 aus nicht-rostendem Stahl ist in Anlage an der Innenseite der perforierten Zylinderwandung 16 vorgesehen. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet eine Metallring, der die beiden Drahtnetze 22 und 24 in der richtigen Ausrichtung hält. Die Zündeinrichtung 20 nimmt einen kleinen zentralen Bereich des zylindrischen Raumes ein, der von dem Drahtnetz 22 umschlossen ist, während der Hauptanteil dieses Bereiches mit einer Vielzahl von Pellets 28 einer Gas erzeugenden Zusammensetzung gemischt ist. Diese Zusammensetzung kann eine Mischung von Natriumazid und Kaliumperchlorat sein. Der zwischen den beiden Drahtnetzen 22 und 24 ausgebildete Ringraum ist gänzlich mit Siliciumcarbidkörnern 30 gefüllt. Die in den Drahtnetzen 22 und 24 ausgebildeten Netzöffnungen sind kleiner als die Teilchengröße der einzelnen Körner 30 des Siliciumcarbids, so daß die Körner 30 in dem Ringraum gehalten sind.

Vervollständigt durch einen nicht dargestellten aufblasbaren Sack wird dieser Gasgenerator an der Lenksäule eines Autos befestigt. Im Falle eines Unfalls fließt ein Strom zur Zündeinrichtung 20 des Gasgenerators, wobei dieser Strom über einen nicht dargestellten, im Fahrzeug installierten Schocksensor abgegeben wird. Daraufhin zündet die Zündeinrichtung 20 unverzüglich und leitet den Verbrennungszerfall der Gas erzeugenden Zusammensetzung 28 ein. Das bei dieser Umsetzung erzeugte sehr heiße Stickstoffgas (etwa 2000°C) tritt durch das Drahtnetz 22 in die ringförmige Kühlkammer ein und streicht durch die unzähligen engen Gasdurchtritte, die zwischen den in die Kühlkammer gepackten Siliciumcarbidkörnern 30 vorhanden sind. Dadurch kommt es zu einem Wärmeaustausch zwischen dem heißen Stickstoffgas und den Siliciumcarbidkörnern 30 derart, daß die Gastemperatur vor dem Durchtritt des Gases durch das äußere Drahtnetz 24 sehr stark herabgesetzt ist. Die Gastemperatur wird beispielsweise um 150°C abgesenkt. Durch das Drahtnetz 24 und die in der Wandung 16 ausgebildeten Öffnungen 17 tritt das gekühlte Stickstoffgas aus dem Gasgenerator aus, um in den aufblasbaren Sack einzutreten. Wie bereits erwähnt, umfassen die beim Zerfall der Gas erzeugenden Zusammensetzung 28 gebildeten Reaktionsprodukte Feststoffkomponenten, wie Natriumoxid und metallisches Natrium. Vor dem Abkühlen des Gases liegen diese Komponenten jedoch im wesentlichen im Dampfzustand vor.

Während des Durchtrittes des Gases durch die Kühlmittelkörner 30 verflüssigen oder kondensieren sich diese Komponenten und lagern sich an den Oberflächen der Körner 30 an, wo sie endgültig erstarren.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung stellt lediglich eine von vielen Ausführunsgformen dar. In diesem Beispiel sind die Kühlmittelkörner 30 in einen Ringraum gepackt, der konzentrisch eine zylindrische Reaktionskammer umschließt, und wird das Gas aus dem zylindrischen Gehäuse 10 in radialen Richtungen ausgegeben. Als einfache Abwandlung kann eine dem Deckel 18 in Fig. 1 entsprechende Endwandung mit Gasaustrittsöffnungen (anstelle der Durchbohrungen der Zylinderwand 16) versehen werden, wobei in einem solchen Fall die beiden zylindrischen Drahtnetze 22 und 24 durch zwei flache oder ebene Drahtnetze zu ersetzen wären, die parallel zu der mit Öffnungen versehenen Endwandung anzuordnen sind, um das Innere des Gehäuses in eine zylindrische Reaktionskammer und eine zylindrische Kühlkammer zu unterteilen, wobei letztere axial neben der Reaktionskammer angeordnet wäre.

Die Erfindung wird im folgenden durch Beispiele noch näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurde ein Gasgenerator gemäß Fig. 1 hergestellt. Die zylindrische Wand 16 des Gehäuses 10 besaß einen Innendurchmesser von 86 mm und die Gasaustrittsöffnungen 17 waren gleichförmig über den gesamten Umfang dieser Wandung 16 verteilt. Ein 40-mesh-Drahtnetz (ASTM Standard, 0,42 mm Maschenweite) aus nicht-rostendem Stahl wurde als Material für die beiden zylindrisch geformten Netze oder Schirme 22 und 24 verwendet. Das innere Netz 22 wurde auf einem Kreis mit einem Innendurchmesser von 50 mm angeordnet.

Eine für dieses Beispiel benutzte Stickstoff erzeugende Zusammensetzung war eine Mischung aus 75 Gewichtsteilen Natriumazidpulver und 25 Gewichtsteilen Kaliumperchloratpulver. Diese Pulvermischung wurde zu zylindrischen Pellets 28 vorgepreßt, die jeweils einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 3 mm besaßen. Nach Einbau der Zündeinrichtung 20 in das Gehäuse 10 wurden 130 g dieser Pellets 28 in die zylindrische Reaktionskammer eingebracht, die von dem inneren Drahtnetz 22 umschlossen war.

Als Kühlmittel 30 wurde in diesem Beispiel α-Siliciumcarbid, das im Handel als Schleifmittel erhältlich ist, verwendet. Fig. 2 ist eine photographische Mikroskopaufnahme bei 15facher Vergrößerung dieses Siliciumcarbids. Der Fig. ist zu entnehmen, daß die Siliciumcarbidkörner scharfkantig waren und daß die Gestalt der jeweiligen Körner absolut nicht rund, sondern nahezu pyramidenförmig oder prismatisch war. Das Siliciumcarbid wurde gesiebt, um eine Körnerfraktion zu erhalten, die durch ein ASTM 14-mesh-Sieb (1,41 mm Siebweite) hindurch ging, aber auf einem ASTM 18-mesh-Sieb (1,00 mm Siebeweite) zurückerhalten wurde. 510 g der derart erhaltenen Siliciumcarbidkörner 30 wurden in die ringförmige Kühlkammer eingebracht, die zwischen den beiden zylindrisch angeordneten Drahtnetzen 22 und 24 ausgebildet war. Nach dem Einbringen des Siliciumcarbids in diese Kammer war dieselbe gänzlich mit denselben in dichter Packung gefüllt. Sodann wurde der Gasgenerator durch Befestigen des Deckels 19 an der Zylinderwandung 16 vervollständigt. Bei diesem Beispiel betrug das Größenverhältnis R eines jeden Siliciumcarbidkornes zu den Öffnungen der Drahtnetze 22 und 24 im Bereich von 3,4 bis 2,4.

Dieser Gasgenerator wurde mit einem aufblasbaren Sack versehen, der aus einem Nylongewebe mit einer Gummibeschichtung auf der Innenseite bestand und ein Volumen von 70,2 l im aufgeblähten Zustand aufwies. Die Leistungsfähigkeit des Gasgenerators wurde überprüft, indem kontinuierlich der Gasdruck im Gasgenerator und der Gasdruck im Sack gemessen wurde, und zwar im Zeitraum vom Augenblick der Zündung der Zündeinrichtung 20 bis zum Auftreten eines nennenswerten Druckabfalls nach Vollendung der Sackaufblähung, um auf diese Weise den maximalen Kammerdruck P _c im Gasgenerator, den maximalen Sackdruck P _B und die Zeitdauer t _i herauszufinden, die zum vollständigen Aufblasen des Sackes erforderlich waren. Die Druckmessung wurde mit Hilfe zweier Dehnungsdruckaufnehmer (der für den Gasgeneratordruck verwendete besaß eine Maximalkapazität von 100 kp/cm² und der für die Messung des Sackdruckes verwendete Aufnehmer besaß eine Maximalkapazität von 1 kp/cm²) bestimmt, die in der Grundplatte 12 des Gasgenerators angeordnet waren. Außerdem dienten zur Messung ein dynamisches Spannungs-Dehnungsmeßgerät sowie ein Oszillograph. Folgende Ergebnisse wurden ermittelt:

Max. Kammerdruck P _c: 60 kp/cm² (Überdruck)
Max. Sackdruck P _B: 0,12 kp/cm² (Überdruck)
Sackaufblasdauer: 33 ms

Danach wurden die in dem Gas, welches in den Sack geströmt war, enthaltenen Feststoffteilchen gesammelt und in 1 l Wasser gelöst. Die Menge dieser Feststoffteilchen wurde durch Titration der resultierenden wäßrigen Lösung mit 1/10 N-Schwefelsäure unter Verwendung von Phenolphthalein als Indikator bestimmt. Als Ergebnis wurde für die Feststoffteilchen eine Menge von 0,1 g Natrium ermittelt.

Die Wärmeabsorptionswirkung der Siliciumcarbidkörnchen 30 läßt sich aus der Temperatur des im Sack enthaltenen Gases bestimmen. In der Praxis ist es jedoch schwierig, die Temperatur des im Sack enthaltenen Gases genau mit Hilfe eines Thermoelementes zu messen, weil das Aufblähen des Sackes innerhalb einer sehr kurzen Zeitdauer erfolgt wie vorstehend angegeben. Aus diesem Grunde wurde die Gastemperatur im aufgeblähten Sack aus dem ermittelten maximalen Sackdruck P _B mit Hilfe des Boyle-Charles-Gesetzes berechnet, d. h. mit Hilfe der folgenden Gleichung:

bei T₁ = 273°K, V₁ = 50,4 l, V₂ = 70,2 l ergibt sich T _B zu 380 (1 + P _B) = 426°K = 153°C.

Beispiel 2

Ein Gasgenerator wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt mit dem Unterschied, daß die Menge an verwendeten Siliciumcarbidkörnchen auf 420 g gesteigert wurde. Dieser Gasgenerator wurde genau entsprechend Beispiel 1 geprüft. Die bei diesem Beispiel 2 erzielten Ergebnisse sind in Tafel 2 zusammen mit den Ergebnissen zweier weiterer Beispiele und den Ergebnissen von Vergleichsversuchen zusammengestellt.

Beispiel 3

Dieses Beispiel entspricht im wesentlichen Beispiel 1 mit dem Unterschied, daß etwas gröbere Siliciumcarbidkörner benutzt wurden. In diesem Beispiel wurden Siliciumcarbidkörnchen verwendet, die durch ein ASTM 12-mesh-Sieb (1,68 mm Siebweite) hindurchgingen, aber auf einem ASTM 14-mesh-Sieb (1,41 mm Siebweite) zurückblieben.

Beispiel 4

Auch dieses Beispiel erfolgte im wesentlichen wie Beispiel 1 mit dem Unterschied, daß feinere Siliciumcarbidkörner verwendet wurden. Es wurden Siliciumcarbidkörner benutzt, die durch ein ASTM 18-mesh-Sieb hindurchgingen, aber auf einem ASTM 30-mesh-Sieb (0,59 mm Siebweite) zurückblieben.

Vergleichsversuch 1

Als Vergleichsversuch zu Beispiel 1 wurde ein Fundamental mit dem Generator gemäß Beispiel 1 identischer Gasgenerator hergestellt und mit 510 g einer körnigen α-Tonerde (ein handelsübliches Schleifmittel) anstelle des kornförmigen Siliciumcarbids gemäß Beispiel 1 gefüllt. Die Teilchengröße der Tonerde war ähnlich der Teilchengröße der in Beispiel 1 verwendeten Siliciumcarbidkörner.

Vergleichsbeispiel 2

Dieser Versuch glich dem Vergleichsversuch 1 mit der Ausnahme, daß α-Tonerde mit feineren Körnern, d. h. eine α-Tonerde verwendet wurde, die durch ein 18-mesh-Sieb hindurchging, aber auf dem 30-mesh-Sieb zurückblieb.

Vergleichsbeispiel 3

Dieser Versuch glich Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß ein feineres Sieb, d. h. ein 80-mesh-Drahtsieb (0,177 mm Siebweite) aus rostfreiem Stahl als Werkstoff für die beiden zylindrisch geformten Drahtnetze 22 und 24 verwendet wurde.

Vergleichsversuch 4

Auch dieser Versuch glich Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß ein gröberes Sieb, d. h. ein 18-mesh-Drahtsieb (1,00 mm Siebweite) als Material für die beiden zylindrisch angeordneten Drahtnetze 22 und 24 verwendet wurde.

Die folgenden Schlüsse lassen sich aus den in Tafel 2 zusammengestellten Versuchsergebnissen ziehen.

1) Beim Gasgenerator gemäß Beispiel 1, der 510 g Siliciumcarbidkörner mit einer Teilchengröße von mehr als 1,0 mm, jedoch weniger als etwa 1,4 mm enthielt, betrug die Gastemperatur T _B im aufgeblähten Sack lediglich 153°C. Im Vergleich dazu betrug beim Gasgenerator gemäß Vergleichsversuch 1, der die gleiche Menge an Tonerdekörnchen von im wesentlichen der gleichen Teilchengröße enthielt, die Gastemperatur T _B 221°C. Diese Gegenüberstellung macht das höhere Wärmeabsorbierungsvermögen von Siliciumcarbid, verglichen mit Tonerde deutlich, wobei unterstrichen sei, daß es sich bei Tonerde um ein typisches Beispiel herkömmlicher wärmeabsorbierender Materialien handelt.

2) Vom gleichen Standpunkt aus sei der Vergleichsversuch 2 verglichen mit dem Beispiel 4. Wenngleich die Siliciumcarbidkörnchen gemäß Beispiel 4 den Tonerdeteilchen aus dem Vergleichsveruch 2 sowohl in Menge als auch in Teilchengröße glichen, lag die Gastemperatur T _B im Sack beim Beispiel 4 niedriger als bei dem Vergleichsversuch 2, und zwar um mehr als 50°C. Diese Gegenüberstellung unterstreicht gleichfalls das überlegene Kühlvermögen des Siliciumcarbids.

3) Bei Beispiel 2 war die Siliciumcarbidkörnchenmenge so stark erhöht worden, daß die Gastemperatur T _B im aufgeblasenen Sack mit der Gastemperatur T _B gemäß Vergleichsversuch 1 vergleichbar wurde, wobei, wie erinnerlich, 510 g Tonerdekörnchen mit einer Teilchengröße verwendet wurden, die der Größe der Siliciumcarbidkörnchen gemäß Beispiel 2 glich. Diese Ergebnisse zeigen, daß eine Verringerung der Gastemperatur, die mit Hilfe einer gegebenen Menge an α-Tonerdekörnchen erreicht wird, mit Hilfe einer etwa 20% geringeren Menge an Siliciumcarbidteilchen erreicht wird.

4) Beim Beispiel 3 war die Teilchengröße der Siliciumcarbidkörnchen etwas größer als in Beispiel 1, so daß die durch die Gastemperatur T _B repräsentierte Kühlwirkung auf die im Vergleichsversuch 1 beobachtete Ebene erniedrigt wurde. Wie ersichtlich, führte die Verwendung von Kühlmittelkörnchen von 1,4 bis 1,7 mm im Beispiel 3 im Vergleich zu den Kühlmittelkörnchen mit einer Abmessung von 1,0 bis 1,4 mm gemäß Vergleichsversuch 1 zu einer etwa 15 %igen Herabsetzung des max. Kammerdrucks P _c, der im Vergleichsversuch 161 kp/cm² betrug. Dieser Umstand demonstriert, daß eine geringfügige Vergrößerung der Kühlmittel-Teilchengröße im Gasgenerator zu einer beträchtlichen Verminderung des Widerstandes führt, der von der Körnerpackung dem Durchfluß des erzeugten Gases entgegengesetzt wird.

5) Das Verbrennen von 130 g der Gas erzeugenden Zusammensetzung, die in den Beispielen und Vergleichsversuchen benutzt wurde, führte zu metallischem Natrium und zu Natriumoxid in einer Gesamtmenge von 34,5 g als Natrium. In jedem Beispiel (selbst in Beispiel 3, wo relativ grobe Siliciumcarbidkörnchen verwendet wurden), erwiesen sich jedoch die im Gasgenerator vorgesehenen Siliciumcarbidkörnchen höchst wirksam als Filtereinrichtungen zum Herausnehmen der Feststoffkomponenten aus den Reaktionsprodukten.

6) Der Vergleichsversuch 3 sei dem Beispiel im Hinblick auf das Größenverhältnis R gegenübergestellt, d. h. im Hinblick auf das Verhältnis der Teilchengröße eines jeden Siliciumcarbidkörnchens und der Größe der Öffnungen in den Drahtnetzen 22 und 24, welche die Kühlkammer umgrenzen. Die im Vergleichsversuch 3 vorherrschenden übermäßig großen Werte für den Wert dieses Verhältnisses R führten zu einem etwa 10%igen Anstieg des max. Kammerdruckes P _c im Vergleich mit der in Beispiel 1 festgestellten Druckhöhe. Dieser Umstand stützt die Annahme, daß die Öffnungen der Drahtnetze 22 und 24 teilweise durch Kühlmittelkörner verstopft werden, wenn diese Öffnungen zu klein im Vergleich zur Teilchengröße der Kühlmittelkörner gewählt sind.

7) Im Vergleichsversuch 4 war das Größenverhältnis R beträchtlich kleiner als bei Beispiel 1. Die Gastemperatur T _B stieg um etwa 70°C an und eine mehr als 10fache Steigerung der Menge an aus dem Generator ausgetragenen Feststoffteilchen wurde beobachtet. Außerdem wurde beim Vergleichsversuch 4 beobachtet, daß 34 g Siliciumcarbidkörnchen in den aufgeblasenen Sack hineingeblasen worden waren. Ein Anteil dieser Siliciumcarbidkörnchen haftete an der Innenseite des Sackes, und es war mit dem Auge zu erkennen, daß die Gummibeschichtung in den Bereichen geschmolzen worden war, die mit den Siliciumcarbidkörnchen in Kontakt gekommen waren. Demzufolge kann geschlossen werden, daß zu große Öffnungen des Drahtnetzes 24 zu örtlichen Erweiterungen der Gasdurchtritte in der Kühlkammer mit der Wirkung führen, daß eine gewisse Menge des erzeugten Gases lediglich unzureichend gekühlt in den Sack einströmt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist ein erfindungsgemäßer Gasgenerator, der als Wärme absorbierendes Material körniges Siliciumcarbid, insbesondere α-SiC verwendet, in vielen Punkten herkömmlichen Gasgeneratoren überlegen, die andere Arten von Feststoffkühlmitteln verwenden. Diese mit Hilfe der Erfindung erzielbaren Vorteile seien im folgenden zusammengefaßt.

Erstens macht es die Verwendung von Siliciumcarbid, welches ein überragend hohes Wärmeabsorptionsvermögen besitzt, möglich, das Gewicht an Feststoffkühlmittel je Gewichtseinheit Gaserzeugungs-Zusammensetzung beträchtlich zu verringern, so daß das Gesamtgewicht eines jeden Gasgenerators verringert werden kann. Auch gestattet die hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit des Siliciumcarbids die Verwendung dieses Materials in Form von gröberen Körnern als dieses bei Kühlmittelkörnern in herkömmlichen Gasgeneratoren möglich ist. Dieses gröbere Korn erleichtert den Durchtritt des erzeugten Gases durch die Kühlkammer mit sich daraus ergebender Verminderung des maximalen Gasdruckes im Gasgehäuse während des Betriebes. Demzufolge kann das Gehäuse des Gasgenerators weniger druckbeständig konstruiert und damit leichter ausgeführt werden. Dieses führt zu einer weiteren Verminderung des Gesamtgewichtes des Gasgenerators. Eine Gewichtsverminderung ohne Beeinträchtigung des Gaserzeugungsvermögens ist insbesondere für Gasgeneratoren für Fahrzeuge von Bedeutung. So ist beispielsweise eine ungünstige Beeinflussung der Leichtgängigkeit einer Lenkungseinrichtung durch Anordnung eines Gasgenerators in der Lenksäule sehr herabgesetzt, wenn das Gewicht des Gasgenerators vermindert ist.

Das erfindungsgemäße Feststoffkühlmittel ist den herkömmlich verwendeten Feststoffkühlmitteln im Hinblick auf die Fähigkeit, Feststoffe, die im erzeugten Gas enthalten sind, herauszufiltern nicht unterlegen, so daß ein erfindungsgemäßer Gasgenerator ein sauberes und ungefährliches Gas abgibt. Außerdem handelt es sich bei dem in Rede stehenden Kühlmittel um eine chemisch stabile Verbindung, so daß der Gasgenerator eine hohe Beständigkeit besitzt und über lange Zeiträume betriebsbereit gehalten werden kann, ohne daß größere Änderungen seiner Leistungsfähigkeit über die Zeit auftreten.

Durch Verwendung von Siliciumcarbidkörnchen, die zum Großteil scharfkantig und nahezu prismatische oder pyramidenförmige Gestalt besitzen, wie erfindungsgemäß bevorzugt, können sowohl das Wärmeabsorptionsvermögen als auch das Herausfiltern von mitgerissenen Feststoffteilchen des im Gasgenerator verwendeten Kühlmittels verbessert werden, da je Gewichtseinheit Kühlmittel eine vergrößerte Oberfläche zur Verfügung gestellt ist und komplizierte Gasdurchtritte in der Kühlmittelpackung vorliegen.

Bei einem Gasgenerator nach der Erfindung werden die Körner aus α-Siliciumcarbid, einem Werkstoff von hoher Härte, der erfindungsgemäß bevorzugt ist, schwerlich durch mechanische Erschütterungen, bei welchen die Körner aneinander reiben, zerbrochen oder pulverisiert. Aus diesem Grunde wird der maximale Gasdruck im Gasgenerator während seines Betriebes nicht durch Erschütterungen oder andere mechanische Beanspruchungen beeinflußt, die auf den Gasgenerator vor Inbetriebsetzung einwirken. Das bedeutet, daß dieser Gasgenerator eine hohe Zuverlässigkeit besitzt.

Ein sehr hoher Schmelzpunkt des α-Siliciumcarbids ist gleichfalls günstig im Hinblick auf die Zuverlässigkeit des Gasgenerators. Es besteht nicht die Gefahr, daß das körnige Kühlmittel unerwartete Steigerungen des max. Gasdrucks im Gasgenerator hervorruft, da der hohe Schmelzpunkt dieses Materials auch eine hohe Wärmebeständigkeit des Materials bedeutet. D. h., daß während des Betriebes des Gasgenerators nicht die Gefahr besteht, daß das Kühlmittel schmilzt und die Öffnungen der Drahtnetze verstopft.

Claims

1. Gasgenerator für aufblasbare Aufprallschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen mit einem Gehäuse, das eine mit einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen versehene Wandung hat, mit einer ersten siebartigen Metalltrennwand, die in dem Gehäuse mit Abstand von der Gehäusewandung angeordnet ist, um eine im Inneren des Gehäuses liegende Reaktionskammer zu bilden, mit einer zweiten siebartigen Metalltrennwand, die im Gehäuse längs der Innenseite der Gehäusewandung derart angeordnet ist, das zwischen der ersten und der zweiten Trennwand eine Kühlkammer ausgebildet ist, mit einer Vielzahl von Pellets aus einem festen, gaserzeugenden Stoff, in dem nach Entzündung eine exotherme und sich selbst unterhaltende Reaktion unter Bildung eines erhitzten Reaktionsgases abläuft, wobei die Pellets in der Reaktionskammer eingeschlossen sind, mit einer elektrisch betätigbaren Zündeinrichtung, die im Gehäuse so angeordnet ist, daß mit ihrer Hilfe die Pellets zu zünden sind, und einem in der Kühlkammer eingeschlossenen, eine Siliziumverbindung enthaltenden Material, das dem Reaktionsgas Wärme entzieht, wenn dieses die Kühlkammer durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in der Kühlkammer aus Körnern (30) aus Siliziumcarbid in der Alpha-Form gebildet ist, daß jedes Siliziumcarbidkorn (30) eine Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 2,0 mm hat und daß das Verhältnis der Teilchengröße eines jeden Siliziumcarbidkornes zu der Größe einer jeden Öffnung in den Metalltrennwänden (22 und 24) im Bereich von 1,4 bis 4,0 liegt.

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metalltrennwände (22 und 24) in an sich bekannter Weise aus Drahtnetzen bestehen.

3. Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Großteil der Siliziumcarbidkörner (30) unterschiedlich scharfkantige Formen hat.

4. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Siliziumcarbidkorn (30) eine Teilchengröße im Bereich von 1,4 bis 1,68 mm hat.