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Gasgenerator, Verfahren zum Gewinnen von Reaktionsgasen und Verwendung
eines Metallhydrides sowie seiner Reaktionsgase Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 2, eine spezifische Verwendung von Metallhydriden gemäß Anspruch 8 und
deren Verwendung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 13.
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Auf sehr verschiedenen Gebieten der Technik werden Gasgeneratoren
zur Lieferung espandierender Reaktionsgase benötigt, wofür unten noch bestimmte
im Rahmen vorliegender Erfindung besonders interessierende Beispielsfälle erläutert
werden. Angestrebt wird einerseits, daS eine bestimmte Materialmenge der Reaktionspartner
eine große und energiereiche, also kräftig expandierende Reaktionsgas-Menge liefert;
während andererseits die Magazin-, die Handhabungs- und die Funktionssicherheit
der Reaktionsparameter möglichst unkritisch sein sollen.
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Eine bessere Mengenausbeute hochenergetischer Reaktionsgase als mittels
der üblichen Treibstoffe für Verbrennungskraftmaschinen gewinnt man beim Abbrennen
der in der Waffen- und Munitionstechnologie üblichen Treibladungs- und Sprengstoffmittel,
die in der Größenordnung bis zu einem Liter hochenergetischen Reaktionsgases, je
Gramm eingesetzten Materials an Reaktionspartnern, liefern. Zur Steigerung der Verbrennungsenergiedichte
der jeweiligen Reaktion sowie zur Steigerung der aus der Reaktion gelieferten Expansionsgasmenge
wurden zahlreiche Reaktionspartner-Gruppierungen, darunter auch flüssige, erst im
Gas-Expansionsraum zur Reaktion untereinander in Mischung gebrachte Treibmittel,
untersucht.
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In den Fällen, in denen tatsächlich ein bemerkenswerter Anstieg an
energiereicher Reaktionsgasmenge erzielt wurde, handelte es sich aber stets um den
Einsatz von letztlich aus wirtschaftlichen oder aus technischen Gründen nicht praktisch
in Betracht kommenden Reaktionspartnern; weil beispielsweise bestimmte dafür benötigte
Stoffe nicht im großtechnischen Umfange oder zu diuskutablem Preis zur Verfügung
stehen oder weil die Giftigkeit bzw. die Reaktionsfreudigkeit (Selbstentzündungsgefahr)
von Reaktionspartnern realistischerweise kaum erfüllbare Sicherheitsanforderungen
an die Lagerung und Handhabung stellt.
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Demzufolge liegt auch vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde,
dem auf verschiedensten Gebieten der Technik bestehenden dringenden Bedürfnis nach
technologisch unkritisch gewinnbaren energiereichen Reaktionsgasen abzuhelfen, die
aus wirtschaftlich leicht verfügbaren Reaktionspartnern in großer Menge in Gasgeneratoren
gewinnbar sind; sowie vorteilhafte Verwendungsmöglichkeiten dieser Reaktionsgase
und einen Gasgenerator zu deren Gewinnung anzugeben.
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Diese Aufgaben sind durch die Ansprüche 1, 2 bzw. 8 und 9 bis 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist als maßgeblicher Reaktionspartner also ein salzartiges
komplexes Metallhydrid der Formel NaBH4 ausgewählt, das in großtechnischem Maßstab
zur Verfügung steht, nämlich von den einschlägigen Chemieunternehmen (wie insbesondere
der Bayer AG, Leverkusen, aber auch der Merck AG, Darmstadt) unter Bezeichnungen
wie Natriumborhydrid oder Natriumboranat an die chemische Industrie als vielseitig
einsetzbares Reduktions- und Hydriermittel geliefert wird. Diese sehr reaktive Borverbindung
mit hohem Gehalt an chemisch gebundenem Wasserstoff ist als Rohmaterial an sich
pulverig, welches sich in der Umgebungsatmosphäre zu klumpigen, aber auch in bestimmte
Formen preßbaren Stücken verfestigt. Der normale Anwendungsfall ist die Suspension
des pulverisierten Materials in einem Lösungsmittel, das je nach dem Einsatzzweck
ausgewählt ist, beispielsweise zur Reduktion organischer Verbindungen oder anorganischer
Salze oder in der technischen Chemie zur Reduktion störender Verunreinigungen in
inaktive Formen, die dann nicht mehr
in kostspieliger Weise aus
dem eigentlichen Prozeßmaterial physikalisch herausgetrennt werden müssen. Dem Anwendungs-Chemotechniker
ist bekannt, daß Umsetzungen mit Natriumboranat gewöhnlich mit großem Überschuß
an Reduktionsmittel ausgeführt werden; weshalb überschüssige Reduktionsmittel vor
der weiteren Aufarbeitung der Reduktionsprodukte durch vorsichtige Zugabe von beispielsweise
sauren Salzen zu vernichten sind, weil der Zersetzungsvorgang dann Wasserstoff freisetzt.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß gerade dieses
in seiner pulverig-verklumpten Form auch noch bei Temperaturen unter 0° C und über
100° C stabile (zwar auf der Haut ätzende, im übrigen aber hinsichtlich etwaiger
Gesundheitsgefahren nicht besonders kritische) Material ganz besonders geeignet
ist, mittels einfacher Apparaturen in gesteuerter Dosierung aus geringen Einsatzmengen
enorme Mengen überaus hochenergetischer Reaktionsgase für den Betrieb von Gasgeneratoren
in unterschiedlichsten Einsatzfällen zu gewinnen.
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Dafür braucht lediglich in Gegenwart eines wässrigen Reaktionspartners
eine relativ kleine Menge von höher-konzentriertem saurem Reagens (es eigenen sich
gleichermaßen ibs. Mineralsäuren, organische Säuren oder Suspensionen saurer Salze)
auf das im Expansionsraum gehalterte (gemäß dem Verbrauch nachzuliefernde) NaBH4
(Natriumboranat) aufgespritzt zu werden. Der wässrige Reaktionspartner kann apparativ-bedingt
oder einsatz-bedingt vorhandenes Wasser sein, in den das freie und mit z.B. der
Säure anzuspritzende Ende eines Stabes aus Natriumboranat eingetaucht wird; der
wässrige Reaktionspartner kann aber auch in Form des Wassers in einem wässrigen
sauren Reagens beigebracht, also auf die trockene Oberfläche beispielsweise eines
Stabes aus Nariumboranat zusammen mit einer die spontane Reaktion hervorrufenden
Säure aufgespritzt werden.
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Das Reaktionsprodukt beim Anspritzen des Natriumboranat mit wässriger
Salzsäure ist praktisch reiner Wasserstoff überaus hoher Verbrennungseneriedichte
und mit einer Gasmenge, die beim Dreifachen bis Vierfachen der Ausbeute herkömmlicher
Sprengstoff- und Treibladungsmittel der Munitionstechnik liegt. Die Gasmenge läßt
sich noch um über 10 °Ó steigern, wenn im Zuge der spontanen Entstehung des Wasserstoffes
dieser ebenfalls sogleich verbrannt wird, indem mit der Reaktions-Säure ein Sauerstoffträger
eingespritzt wird. Besonders zweckmäßig ist es, das in fester Konsistenz dargebotene
Natriumboranat mit wässriger Salpetersäure anzuspritzen, weil diese dann zugleich
als Sauerstoffträger für die Verbrennung des bei der spontanen Reaktion entstehenden
Wasserstoffes dient.
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Ein Spurenzusatz von Metallen, ibs. Kupfer, wirkt katalytisch und
trägt zur weiteren Steigerung sowohl der Energiedichte wie auch der Menge an Verbrennungsgas
bei.
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Jedenfalls stellt die Verwendung von Natriumboranat, Wasser und saurem
Reagens die idealen Reaktionspartner für einen Gasgenerator, aufgrund des großen
und energiereichen Reaktionsgasvolumens höchsten Wirkungsgrades, dar; wobei für
den Gasgenerator der besondere weitere Vorteil von praktischer Bedeutung ist, daß
ohne weiteres gleich mit der - den Wirkungsgrad noch steigernden - Verbrennung des
in großer Menge anfallenden Wasserstoffes ein umweltfreundliches Antriebssystem
auf der Basis unkritisch verfügbarer und handhabbarer Reaktionspartner erzielt ist,
mit dem sich ein geschlossener Kreislauf-Verbrennungsprozeß technisch unkritisch
und vielseitigst nutzbar realisieren läßt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung, insbesondere auch hinsichtlich
ihrer apparativen Aspekte eines Gasgenerators, ergeben sich aus nachstehenden, unmaßstäblichen
Prinzipskizzen für Verwendungen von aus Natriumboranat gewonnenen Reaktionsgasen
zur Bewegung von Massen.
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Es zeigt: Fig. 1 einen Gasgenerator mit konstruktiv-starrer Verdämmung
seines Reaktionsgas-Expansionsraumes unter Berücksichtigung der Besonderheiten bei
unterschiedlichen Verwendungsfällen eines solchen Gasgenerators und Fig. 2 die Realisierung
eines Gasgenerators mit dynamischer Verdämmung des Reaktionsgas-Expansionsraumes.
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Beim zeichnerisch im Axial-Längsschnitt skizzierten Gasgenerator 1
mündet eine Einspritzdüse 2 für z.B. eine Säure 3 im Reaktionsgas-Expansiosraum
4 gegenüber einer Halterung 5 für eine Stange aus Natriumboranat 6. Der Expansionsraum
4 ist konstuktiv-starr durch eine Wandung 7 und durch einen, bei Expansion des Reaktionsgases
8 zur Vergrößerung des Expansionsraumes 4 verschiebbaren, Kolben 9 umschlossen.
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Wenn dieser eine erwünschte Verlagerung aufgrund des Druckes des expandierenden
Reaktionsgases 8 erfahrenn hat, kann - beispielsweise unermittelbar durch den Kolben
9 selbst - ein Auslaßrohr 10 zur Abfuhr der entspannten oder - je nach den konstruktiven
Gegebenheiten - zur weiteren Entspannung der noch expandierenden Reaktionsgase 8
geöffnet werden.
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Beim Kolben 9 kann es sich um den in einem Zylinder in der Form der
Wandung 7 oszillierend geführten Hubkolben (nach der Art eines üblichen Ottomotors!
handeln, oder bei entsprechend angepaßten konstruktiven Gegebenheiten auch um einen
Rotationskolben. Der Kolben 9 kann auch als Projektil verstanden werden, das infolge
des Expansionsdruckes des Reaktionsgases 8 aus einem Waffenrohr (in Form der Wandung
7) in Pfeilrichtung 11 beschleunigt, also abgefeuert werden soll.
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Beim "Kolben" (9) kann es sich auch direkt um ein beliebiges anderes
Bauteil handeln, das einerseits den Expansionsraum für das Gas 8 abschließt und
andererseits (infolge dessen Expansion) mit großer Anfangsbeschleunigung und Schubkraft
in Pfeilrichtung 11 bewegt werden soll, wenn aufgrund irgendeines externen Einflusses
das Natriumboranat 6 von Säure 3 benetzt wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß der Kolben 9 in Pfeilrichtung 11
gegen eine elastische Rückstellkraft - etwa gegen eine in der Zeichung nicht dargestellte
Gegendruck-Feder - arbeitet, so daß aufgrund entsprechender Verlagerung des Kolbens
9 der Anschluß-Übergang vom Expansionsraum 4 in das Auslaßrohr 10 erst freigegeben
wird, wenn im Zuge der Reaktionsgas-Entwicklung im Expansionsraum 4 ein Druck aufgebaut
ist, der den der Pfeilrichtung 11 entgegenwirkenden Gegendruck übersteigt.
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Das Auslaßrohr 10 kann als Schubdüse ausgebildet sein, wenn der Gasgenerator
1 als Rückstoß-Antriebseinrichtung nach Art eines Raketentriebwerkes oder Marschtreibsatzes
Verwendung findet.
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Wenn der Gasgenerator 1 beispielsweise zum raschen Aufblasen eines
Ballons (etwa für das Ausüben eines Notauftriebes in der Marinetechnik oder für
das Aufblasen eines Sicherheits-Prallsackes auf dem Gebiete des passiven Kraftfahrzeuginsassen-Unfallschutzes)
eingesetzt werden soll, ist zwar große Reaktionsgasmenge unter hohem Druck für rasches
Füllen des vorgesehenen Volumens wünschenswert, aber zur Vermeidung von Beschädigungen
und Verletzungen doch ein nicht zu steiler Druckanstieg; in diesem Falle ist ein
Auslaßrohr 10 vorgesehen, das einen relativ großen Querschnitt im Verhältnis zu
seiner Länge aufweist und gegebenenfalls sich vom Expansionsraum 4 aus etwas trichterförmig
aufweitet. Vergleichbare Randbedingungen können beim Einsatz dieses Gasgenerators
1 in der Explosions-Umformtechnologie gegeben sein.
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Bei Verwendung des Gasgenerators 1 zum Abtrennen und Herausschieben
eines Fluid-Kolbens bei einer Staustrahl-Schubzelle 12, hinsichtlich derer voll-inhaltlich
auf die eigene heutige Parallelanmeldung Fluid kolben-Antriebsvorrichtung" Bezug
genommen wird, ist anzustreben, daß eine Expansionsgas-Stoßwelle mit möglichst steiler
Druckwellenfront in den mit Fluid gefüllten Diffusor 13 eingeführt wird; damit das
Reaktionsgas 8 dort nicht nur einen Kanal in das Fluid einsticht, sondern dieses
mit einer yroßflächigen Phasengrenze (unter dynamischer Verdämmung zum Diffusor-Eintritt
hin) verdrängt.
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Hierfür ist das, erst bei einem bestimmten Mindestdruck der Reaktionsgase
8 an deren Expansionsraum 4 durchgeschaltete, Auslaßrohr 10 als sogenanntes Impulsrohr
dimensioniert, also z.B. als im Verhältnis zu seiner Länge extrem dünnes Rohr.
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Die Speisung der Einspritzdüse 2 mit Säure 3 aus einem Vorratsbehälter
14 erfolgt über eine Fördereinrichtung 15 (die als eigenständige Pumpe installiert
oder durch einen Vorratsbehälter-Druckkessel realisiert sein kann) und über ein
Takt- und Dosierventil 16. Das Natriumboranat 6 kann unmittelbar als Stange mittels
einer Vorschubeinrichtung 17 in die Halterung 5 nachgeliefert werden, um in einem
Randbereich des Expansionsraumes 4 für die Gasbildungs-Reaktion aus der Einspritzdüse
2 mit einer wässrigen Säure 3 -oder mit einer Säure neben einem zusätzlich eingespritzen
Wasserstrahl - benetzt zu werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, das Natriumboranat
6 im klumpig-körnigen Zustand, also granulatähnlich zur Verfügung zu stellen und
erst in funktioneller Verbindung mit der Vorschubeinrichtung 17 mittels einer Extrudiereinrichtung
18 zur kompakten, der Einspritzdüse 2 gegenüberstehenden Masse zu verdichten.
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In Fig. 2 ist eine Verwendung des Gasgenerators 1 für Antriebsvorrichtungen
skizziert, wie sie hinsichtlich ihrer Wirkungsweise und typischer Einsatzmöglichkeiten
(worauf auch hier voll-inhaltlich Bezug genommen wird) näher beschrieben sind in
den diesseitigen Patentanmeldungen P 33 18 017.2, P 33 18 018.0, P 33 18 019.9 oder
P 33 17 975.1.
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Der aus der Einspritzdüse 2 mit Säure 3 zu beaufschlagende Oberflächenteil
des Natriumboranat 6 wird hier von einem wässrigen Fluid 19 umspült. Durch die im
Verhältnis zur Expansionsenergie der Reaktionsgase 8 träge Masse des Fluid 19 findet
eine dynamische Verdämmung der Reaktionsgase 8 in einer Gasblase 20 statt, auf die
unmittelbar - oder über eine Art Treibspiegel 21 - sich das Heck eines strömungsgünstig
konfigurierten Kolbens 9 o.dgl. abstützt.
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Dieser wird deshalb von der sich aufweitenden aber dem Fluid 19 gegenüber
dynamisch abgestützten Gasblase 20 in Pfeilrichtung 11 beschleunigt.
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