DE2921552C2 - - Google Patents
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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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 (4)
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.
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