DE3840571C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Struktur zur Erzeugung von Gas,
mit wenigstens einem stückigen Körper aus einem Material auf
Azidbasis, welches bei der Verbrennung Gas erzeugt und mit
einem die Verbrennung fördernden Überzug versehen ist.
Es sind verschiedene Stoffe auf Natriumazid-Basis zur Frei
setzung von Gasen bei der Verbrennung bekannt. Diese Stoffe
werden verwendet, um eine Rückhalteeinrichtung in Fahrzeugen,
insbesondere einen Gassack, aufzublasen. Bei einer plötzli
chen Verzögerung des Fahrzeugs, wie sie bei einem Aufprall
eintritt, wird das Gasgeneratormaterial gezündet, um Gase
freizusetzen. Diese Gase werden in den Gassack eingeleitet,
um ihn aufzublasen. Der Gassack fängt dann die Bewegung des
Fahrzeuginsassen relativ zum Fahrzeugkörper ab und verhin
dert, daß ein heftiger Aufprall des Insassen auf Fahrzeug
teile stattfindet.
Bei solchen Gassack-Rückhaltesystemen sollte das Gasgenera
tormaterial nichttoxische, nichtbrennbare und im wesentli
chen rauchfreie Gase über einen großen Temperaturbereich und
bei verschiedensten Umgebungsbedingungen erzeugen. Die er
zeugten Gase müssen eine ausreichend niedrige Temperatur
aufweisen, so daß sie die Rückhalteeinrichtung nicht zerstö
ren und den Fahrzeuginsassen nicht verletzen. Das Gasgenera
tormaterial muß ferner eine beträchtliche Gasmenge innerhalb
einer sehr kurzen Zeitspanne freisetzen können.
Zu den bekannten Gasgeneratorstoffen für Rückhaltesysteme
gehören Alkali-Metallazide. Beispielsweise sind in den US-
Patentschriften 40 62 708, 39 31 040 und 38 95 098 Gasgene
ratorstoffe beschrieben, die zum Aufblasen eines Gassacks
bestimmt sind. In der US-PS 40 62 708 ist ein Material be
schrieben, welches Natriumazid und Eisenoxid enthält. Das
Material ist tablettenförmig. Wenn die Tabletten abbrennen,
wird gasförmiger Stickstoff erzeugt, und einige Verbren
nungsprodukte verbleiben als im wesentlichen feste Sinter
teile mit ausreichend miteinander verbundenen Zellen und
Durchgängen, um Verbrennungsprodukte festzuhalten, die sonst
in unerwünschter Weise in den Gassack eintreten würden.
In der US-PS 46 98 107 ist ein stückiges Gasgeneratormate
rial beschrieben, das mit einem die Verbrennung fördernden
Überzug versehen ist. Der die Verbrennung fördernde Überzug
umfaßt ein Fluoroelastomer als Binder. Das Fluoroelastomer
erzeugt, wenn es gezündet wird, eine gewisse Menge Kohlen
monoxid, was unerwünscht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Struktur zur
Erzeugung von Gas mit wenigstens einem stückigen Körper aus
einem Material auf Azidbasis und einem zündungsfördernden
Überzug dahingehend weiterzubilden, daß der zündungsfördernde
Überzug die Eigenschaft besitzt, bei der Zündung die Erzeugung
von Kohlenmonoxid auf ein Minimum zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Struktur erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der stückige Körper mit einem
zündungsfördernden Überzug versehen ist, der aus mindestens
folgendem besteht: 30 bis 50 Gew.-% eines Alkalimetallazids,
40 bis 60 Gew.-% eines anorganischen Oxidationsmittels, 5 bis
15 Gew.-% Bor und 1 bis 15 Gew.-% eines Metallsilikats.
Bei seiner Zündung bewirkt der Überzug, daß die Flamme sich
nahezu gleichzeitig auf alle freiliegenden Oberflächen des
stückigen Gasgeneratorkörpers ausbreitet. Als Metallsilikat
wird vorzugsweise Natriumsilikat verwendet. Der Überzug kann
auch 1 bis 6 Gew.-% Graphitfasern und/oder bis zu 5% eines
abgerauchten Metalloxids enthalten, vorzugsweise abgerauchte
Kieselerde.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und
aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeich
nung zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt eines Gassacksystems, bei dem die
Erfindung anwendbar ist;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Teils des in Fig. 1 gezeig
ten Systems;
Fig. 3 eine Draufsicht eines stückigen Gasgeneratorkör
pers, der in dem System nach Fig. 1 verwendet wird,
und
Fig. 4 einen Querschnitt des Gasgeneratorkörpers nach
Fig. 3 annähernd entlang Linie 4-4 in Fig. 3.
Durch die Erfindung wird eine Struktur zur Erzeugung von Gas
geschaffen, mit wenigstens einem stückigen Körper aus einem
Material auf Azidbasis, welches bei der Verbrennung Gas erzeugt
und mit einem die Verbrennung fördernden Überzug versehen
ist. Der stückige Körper ist überwiegend zur Verwendung
bei der Gaserzeugung zum Aufblasen einer aufblasbaren
Fahrzeuginsassen-Rückhalteeinrichtung bestimmt.
Fig. 1 zeigt ein solches Rückhaltesystem, das einen Gassack
10 enthält. Wenn das Fahrzeug in eine Kollision verwickelt
wird, gelangt der in Fig. 1 zusammengefaltet gezeigte Gassack
10 durch schnelles Zuströmen von Gas aus einer Aufblas
einrichtung 16 in einen ausgedehnten Zustand. Wenn der Gas
sack 10 sich in seinem aufgeblasenen Zustand befindet, fängt
er die Bewegung eines Fahrzeuginsassen ab und verhindert,
daß dieser heftig auf Strukturteilen des Fahrzeuginnenraums
aufprallt.
Ein solcher Gassack 10 kann an verschiedenen Stellen des
Fahrzeugs eingebaut werden. Bei der in Fig. 1 gezeigten Aus
führung ist er im Armaturenbrett 17 des Fahrzeugs eingebaut.
Der Gassack 10 ist an einem starren metallischen Stützgehäu
se 18 befestigt, das am Armaturenbrett 17 befestigt ist. Die
Aufblaseinrichtung 16 ist innerhalb des Stützgehäuses 18 so
orientiert, daß die Gasströmung eine Ausdehnung des Gassacks
relativ zum Fahrzeug nach hinten in die Fahrgastzelle be
wirkt. Einzelheiten der Aufblaseinrichtung 16 werden hier
nicht beschrieben, denn sie sind nicht Gegenstand der Erfin
dung, aber beispielsweise in der US-PS 48 17 828
beschrieben.
Wenn der Gassack 10 ausgedehnt wird, legt er sich um den
Oberkörper eines Fahrzeuginsassen, um dessen Vorwärtsbewe
gung zum Armaturenbrett 17 hin zu verhindern, wenn die kol
lisionsbedingten Kräfte auf den Fahrzeuginsassen einwirken.
Der Gassack 10 fällt dann schnell zusammen, so daß der Fahr
zeuginsasse frei wird und aus dem Fahrzeug aussteigen kann.
Damit der Gassack 10 zusammenfallen kann, ist er vorzugswei
se aus einem porösen Material gebildet, welches einen Gas
durchtritt durch den Gassack hindurch in die Fahrgastzelle
ermöglicht.
Beim Auftreten einer Kollision sendet ein (nicht gezeigter)
Trägheitssensor ein Signal zur Auslösung einer Zündeinheit
oder eines Initialzünders 21 am einen Ende der Aufblasein
richtung 16. Heiße Gase und Flammen aus dem Initialzünder 21
bewirken die Zündung des Gasgeneratormaterials 22 in der
Aufblaseinrichtung 16. Dieses Gasgeneratormaterial 22 bildet
mehrere (beispielsweise 2) zylinderförmige stückige Körper
23, welche den Initialzünder 21 wie in Fig. 2 gezeigt umge
ben, sowie mehrere koaxiale zylinderförmige stückige Körper
24, von denen in Fig. 3 einer gezeigt ist und die im Abstand
von dem Initialzünder 21 gelegen sind. Die Aktivierung des
Initialzünders 21 und die Zündung der Körper 23, 24 erfolgt
extrem schnell, und die Verbrennung dieser Körper 23, 24 er
folgt gleichfalls schnell, um in kurzer Zeit ein relativ
großes Gasvolumen zu erzeugen. Der Gassack kann so innerhalb
von 20 bis 40 Millisekunden aufgeblasen werden.
Das durch Verbrennung der Körper 23, 24 erzeugte Gas strömt
durch Öffnungen in einem starren zylindrischen Rohr 30
(Fig. 1), welches die Körper 23, 24 umgibt. Die Gase strömen
dann durch eine Filtereinheit 31, die schematisch in den Fig. 1
und 2 gezeigt ist. Diese Filtereinheit besteht aus
mehreren Lagen eines Drahtgitters, Stahlwolle und Glasfasern.
Die Filtereinheit 31 verhindert, daß Funken und/oder Teil
chen heißen Materials in den Gassack 10 eintreten. Schließ
lich strömt das Gas durch die nach hinten weisenden Öffnun
gen 32 in einer zylindrischen Seitenwand des Gehäuses 36 in
das Stützgehäuse und in den Gassack 10.
Jeder der zylinderförmigen stückigen Körper 23 weist einen
kreisrunden mittigen Durchgang 50 auf, der den zylindrischen
Initialzünder 21 aufnimmt. Der Durchgang 50 erstreckt sich
durch die Körper 23 zwischen deren in Axialrichtung ausein
anderliegenden Endflächen. Die Mittelachse des Durchgangs 50
stimmt mit der Mittelachse des stückigen zylindrischen Kör
pers 23 überein. Um die Verbrennungsgeschwindigkeit der Kör
per 23 zu maximieren, erstrecken sich mehrere zylindrische
Kanäle 51 durch die Körper 23 zwischen deren axial auseinan
derliegenden Endflächen hindurch. Die Achsen der Kanäle 51
erstrecken sich parallel zu den Mittelachsen der Körper 23
und des mittigen Durchganges 50.
Jeder der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Körper 24 weist
einen relativ kleinen zylindrischen zentralen Durchgang 50
auf, dessen Achse mit der Mittelachse des Körpers zusammen
fällt. Dieser Durchgang 60 erstreckt sich zwischen den axial
auseinanderliegenden Endflächen 61, 62 des Körpers 24. Fer
ner weist jeder Körper 24 mehrere zylindrische Kanäle 65 auf,
die sich in Axialrichtung zwischen den einander gegenüber
liegenden Endflächen 61, 62 durch den Körper erstrecken. Die
Mittelachsen der Kanäle 65 erstrecken sich parallel zur Mit
telachse des Durchgangs 60 und parallel zur Mittelachse des
Körpers 24. Die Querschnitte der Durchgänge 60 und Kanäle 65
sind kreisrund und von gleichem Durchmesser sowie gleichmä
ßig über ihre gesamte Ausdehnung.
Die Mittelpunkte der Kanäle 65 liegen in gleichmäßigen Ab
ständen auf konzentrischen Kreisen, deren Mittelpunkte auf
der Mittelachse des Körpers 24 liegen. Es sind achtzehn Ka
näle 65 auf dem äußeren konzentrischen Kreis, zwölf Kanäle
auf dem dazwischenliegenden konzentrischen Kreis und sechs
Kanäle 65 auf dem inneren konzentrischen Kreis vorhanden.
Die Gesamtanzahl von Kanälen 65, die sich zwischen den ein
ander gegenüberliegenden Endflächen jedes Körpers 24 er
strecken, beträgt also siebenunddreißig, wobei der eine
Durchgang 60 in der Mitte des Körpers 24 mitgezählt ist. Die
Durchgänge bzw. Kanäle sind so angeordnet, daß eine gleich
förmige Verbrennung der Körper 24 gewährleistet wird, wie
in der bereits erwähnten US-PS 48 17 828
im einzelnen beschrieben ist.
Die Gase, die innerhalb der verschiedenen Kanäle und Durch
gänge der Körper 23, 24 erzeugt werden, müssen diese Kanäle
und Durchgänge verlassen können, um die Filtereinheit 31 und
das Gehäuse 36 zu durchströmen und in den Gassack 10 zu ge
langen, um diesen aufzublasen. Um diese Strömung zu ermögli
chen, sind Zwischenräume zwischen den axialen Endflächen be
nachbarter Körper 23, 24 vorgesehen. Diese Zwischenräume an
den einander gegenüberliegenden axialen Enden der Körper er
strecken sich in Radialrichtung von den zentralen Durchgän
gen 50, 60 der Körper auswärts zur zylindrischen Außenober
fläche der an den Enden liegenden Körper. Die Zwischenräume
werden durch axial abstehende Abstandshalter oder Vorsprünge
70 gebildet, die auf den axial auseinanderliegenden Endflä
chen der Körper gebildet sind. Jeder dieser Abstandshalter
70 ist von kreisrunder Gestalt. Die Abstandshalter 70 eines
Körpers liegen jeweils an den Abstandshaltern 70 des nächst
benachbarten Körpers an, um Zwischenräume gleicher Breite
bzw. Axialausdehnung zwischen den Körpern herzustellen.
Die Körper 23, 24 werden insbesondere aus einer Alkali-Metall
azid-Verbindung hergestellt. Derartige Verbindungen werden
durch die Formel MN3 dargestellt, worin M ein Alkalimetall
ist, vorzugsweise Natrium oder Kalium, wobei Natrium beson
ders bevorzugt wird. Jeder Körper ist aus einem Material her
gestellt, welches 61 bis 68 Gew.% Natriumazid, 0 bis 5 Gew.%
Natriumnitrat oder ein anderes Oxidiermittel, 0 bis 5 Gew.%
Betonit, 23 bis 28 Gew.% Eisenoxid, vorzugsweise Fe2O3, 2 bis
6 Gew.% Graphitfasern sowie 1 bis 2% abgerauchtes Silizium
dioxid, Aluminiumoxid oder Titandioxid enthält. Vorzugsweise
ist die Zusammensetzung des Körpers: 63 Gew.% Natriumazid,
2,5 Gew.% Natriumnitrat, 2 Gew.% Betonit, 26,5 Gew.% Eisen
oxid, 4 Gew.% Graphitfasern und 2 Gew.% abgerauchtes Silizium
dioxid. Die
Graphitfasern haben einen Durchmesser von 3 bis 15 µm sowie
eine mittlere Länge von 1 bis 3,2 mm.
Die Graphitfasern bewirken, daß die stückigen Körper mit hö
herer Geschwindigkeit und verminderter Temperatur abbrennen.
Insbesondere steigern die Graphitfasern die Verbrennungsge
schwindigkeit der stückigen Körper um 40% im Vergleich zu
Körpern ohne solche Fasern. Die Verbrennungsgeschwindigkeit
der Körper wird durch die beträchtliche Wärmeleitfähigkeit
der Graphitfasern gesteigert. Die Körper verbrennen mit einer
relativ niedrigen Temperatur im Bereich von 982°C.
Die Verbrennungstemperatur der Körper wird durch die spezifi
sche Wärme (Wärmekapazität) der hinzugefügten Graphitfasern
abgesenkt. Die Verbrennung der Körper hat keine Auswirkung
auf die Graphitfasern.
Die Graphitfasern bewirken ferner eine mechanische Verstär
kung des Körpers. Insbesondere minimieren die Graphitfasern
die Wahrscheinlichkeit, daß ein Bruch der Körper vor der
Verbrennung eintritt. Brüche oder Risse in einem Körper wür
den eine unerwünschte zusätzliche für die Verbrennung ver
fügbare Oberfläche schaffen und eine Erhöhung der Verbren
nungsgeschwindigkeit in unvorhersehbarer Weise bewirken. Die
Graphitfasern verstärken ferner den Körper mechanisch wäh
rend und nach der Verbrennung, so daß die Ausbildung der er
wünschten festen Sinterstruktur unterstützt wird. Der Sin
terkörper kontrolliert die Verbrennungsprodukte des Körpers
und unterstützt so die Filterkonstruktion, wodurch diese
vereinfacht werden kann.
Zwar werden vorzugsweise Graphitfasern verwendet, jedoch
kann grundsätzlich jegliches Fasermaterial verwendet werden,
das eine hohe Wärmeleitfähigkeit von oberhalb etwa 200 Watt
pro Meter und Grad Kelvin sowie eine Schmelztemperatur ober
halb der Verbrennungstemperatur des Körpers, also oberhalb
von etwa 1093°C aufweist. Beispielsweise können
auch Eisenfasern verwendet werden. Wenn eine Verstärkung vor
der Verbrennung benötigt wird, kann eine Teilzumischung aus
festen Fasern erfolgen, die mitverbrennen. Vorteilhaft ist
ein Gemisch von Graphit mit einem Metalltitanat, insbesonde
re Kaliumtitanat, in einem solchen System. Wenn solche Gemi
sche verwendet werden, enthalten sie gewöhnlich einen auf
das Gewicht bezogenen Hauptbestandteil Graphit, vorzugsweise
wenigstens 80% Graphit.
Die zur Herstellung der Körper verwendeten Stoffe werden mit
einem geeigneten Schmiermittel wie Wasser zusammengemischt.
Das Material wird dann in einer geeigneten Presse zu zylin
drischen Formkörpern 20 geformt. Diese Körper werden dann
getrocknet. Ferner werden sie mit einem zündungsfördernden
Überzug versehen. Das zum Aufbringen des zündungsfördernden
Überzuges verwendete Verfahren ist unkritisch. Ein bevorzug
tes Verfahren zum Beschichten der Formkörper beinhaltet die
vorherige Zubereitung eines flüssigen Überzugsgemisches. Die
verschiedenen Bestandteile des Überzugs werden in einem ge
eigneten Behälter und mit einem geeigneten Lösungsmittel wie
Aceton oder Methylalkohol vermischt. Die Formkörper werden
dann in ein korbförmiges Stahlsieb eingebracht. Die Körper
und das Sieb werden in die Überzugsflüssigkeit eingetaucht
und dann aus dieser entfernt.
Die Körper werden vor und nach der Beschichtung gewogen, um
die auf dem Überzug beruhende Gewichtszunahme zu bestimmen.
Zur Verminderung des Gewichts der Beschichtung wird mehr Lö
sungsmittel in das Gemisch eingegeben. Umgekehrt wird zur
Erhöhung des Beschichtungsgewichtes ein Teil des Lösungsmit
tels auf dem Gemisch verdampft. Allgemein gilt, daß der
Überzug eine Gewichtszunahme von 2 bis 6% bezogen auf das
Gesamtgewicht des Formkörpers vor der Beschichtung ausmachen
soll.
Der Überzug enthält 30 bis 50 Gew.% eines Alkali-Metallazids,
vorzugsweise Natriumazid, 40 bis 60 Gew.% eines anorganischen
Oxidiermittels, vorzugsweise Natriumnitrat oder Kaliumper
chlorat, 1 bis 15 Gew.% eines Metallsilikats, vorzugsweise
Natriumsilikat der Formel Na2O · (SiO2) n , worin n von etwa 2
bis etwa 5 beträgt, sowie 5 bis 15 Gew.% Bor. Das Bor hat
vorzugsweise eine Teilchengröße von etwa 0,04 bis 2 µm, und
das Natriumazid sowie das Natriumnitrat haben vorzugsweise
eine Teilchengröße von 4 µm. Es können ferner 0 bis 5% eines
abgerauchten Metalloxids wie abgerauchtes Titandioxid, abge
rauchtes Aluminiumoxid oder abgerauchtes Siliziumoxid ver
wendet werden, wobei letzteres bevorzugt wird.
Das Natriumazid in dem Überzug bewirkt die Erzeugung des Gases
(Stickstoff), das beim Verbrennen des Überzuges erzeugt
wird. Das Natriumnitrat oder Kaliumperchlorat wirkt als Oxi
diermittel und liefert Sauerstoff, der die Verbrennung auf
rechterhält. Das Natriumsilikat wirkt als Bindemittel in dem
Überzug und unterstützt in dem Verbrennungsrückstand einen
Wärmeübergang zu dem Treibmittel durch Wärmeleitung. Zwar
sind auch andere lösbare Silikate einschließlich Lithiumsi
likat und Kaliumsilikat geeignet, jedoch wird Natriumsilikat
der Formel Na2O · (SiO2) n bevorzugt, worin n = etwa 2 bis 5.
Das Bor bewirkt eine Hitzeerzeugung, durch welche die Ver
brennung unterstützt wird.
Überdies können 1 bis 6 Gew.% Graphitfasern dem Überzug zu
gesetzt werden. Die Graphitfasern bewirken in diesem Überzug
eine Aufrauhung, durch welche der Überzug eine unregelmäßige
Form erhält und daher leichter gezündet wird, indem Wärme
aus dem durch heiße Gase gebildeten Auslösesignal in die
Zündschicht eingeleitet wird.
Wenn der Initialzünder 21 ausgelöst wird, werden alle Ober
flächen der Formkörper 23, 24 nahezu gleichzeitig gezündet.
Die Bestandteile des Überzugs gewährleisten eine zuverlässi
ge Zündung des Überzugs. Das Verbrennen der Bestandteile des
Überzugs liefert die Wärme, die auf das Material der Form
körper übertragen wird und diese zündet. Der Überzug kon
trolliert die Wärmeerzeugung an der Grenzfläche zwischen den
Formkörpern und der Filtereinheit 31. Dies ist wichtig, um
eine Beschädigung der Filtereinheit durch Überhitzung der
selben zu verhindern. Der Überzug verbrennt nicht so schnell,
daß in den Durchgängen und Kanälen der Formkörper ein Druck
aufgebaut wird, welcher dazu führen würde, daß die Formkör
per brechen oder Risse bekommen.
Claims (5)
1. Struktur zur Erzeugung von Gas, mit wenigstens einem
stückigen Körper aus einem Material auf Azidbasis, welches
bei der Verbrennung Gas erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß
dieser stückige Körper mit einem zündungsfördernden Überzug
versehen ist, der aus mindestens folgendem besteht:
30 bis 50 Gew.% eines Alkalimetallazids,
40 bis 60 Gew.% eines anorganischen Oxidationsmittels,
5 bis 15 Gew.% Bor und
1 bis 15 Gew.% eines Metallsilikats.
40 bis 60 Gew.% eines anorganischen Oxidationsmittels,
5 bis 15 Gew.% Bor und
1 bis 15 Gew.% eines Metallsilikats.
2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Alkalimetallazid Natriumazid ist und das anorganische
Oxidationsmittel Natriumnitrat oder Kaliumperchlorat ist und
das Metallsilikat Natriumsilikat ist.
3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Natriumsilikat Na2O · (SiO2) n ist, worin n = 2 bis 5
ist.
4. Struktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ferner 1 bis 6 Gew.% Graphitfasern oder Gemische von
Graphit mit einer verstärkenden Faser vorhanden sind.
5. Struktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gewicht des Überzugs 2 bis
6% des Gewichtes des stückigen Körpers ohne Überzug be
trägt.
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