DE3937032C2

DE3937032C2 - Gas generator

Info

Publication number: DE3937032C2
Application number: DE19893937032
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Chem Dr Bender; Anton Bretfeld
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1989-11-07
Publication date: 1995-02-23
Anticipated expiration: 2009-11-08
Also published as: DE3937032A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie die Verwendung des Gasgenerators in einem pyrotechnischen Kraftelement.The invention relates to a gas generator according to the preamble of claim 1. and the use of the gas generator in a pyrotechnic force element.

Pyrotechnische Gasgeneratoren sind die Energiequelle bei pyrotechnischen Kraft elementen. Bei der DE 84 33 042 U1 wird bei der Zündung eines pyrotechnischen Gasgenerators ein Leistungsschalter betätigt, bei der DE 86 21 257 U1 oder bei der DE 36 29 300 A1 ein Rückstrammer eines Sicherheitsgurtes. Die vom Gasgenerator bei der Zündung freigesetzte Gasmenge wird normalerweise an einen den Gas generator umfassenden Raum abgegeben, der im folgenden als Arbeitsvolumen bezeichnet wird, und der dabei gewöhnlich sein Volumen bei der Gasfreisetzung ändert, beispielsweise eine bewegliche Wand (Kolben) aufweist.Pyrotechnic gas generators are the energy source for pyrotechnic power elements. DE 84 33 042 U1 uses a pyrotechnic ignition Gas generator operated a circuit breaker in DE 86 21 257 U1 or in DE 36 29 300 A1 a back tensioner of a seat belt. The one from the gas generator The amount of gas released during ignition is normally passed on to the gas generator comprehensive space given in the following as working volume is referred to, and usually its volume during the gas release changes, for example has a movable wall (piston).

Der zeitliche Verlauf des Gasdruckes im Arbeitsvolumen nach Zündung des Gasgenerators weist als Besonderheit eine hohe, schmale Spitze unmittelbar nach der Zündung auf; aber schon 10 ms später kann der Druck auf einen Bruchteil des Spitzenwertes abgefallen sein. Dementsprechend wirkt auf die bewegliche Wand im Arbeitsvolumen ein unter Umständen sehr starker, aber nur sehr kurzer Kraftstoß. Mit einem niedrigeren, aber dafür längeren Impuls würde die gleiche Wirkung erzielbar sein, das Kraftelement müßte aber hinsichtlich seiner Festigkeit nicht auf die hohe Spitzenbelastung hin ausgelegt sein.The time course of the gas pressure in the working volume after ignition of the A special feature of gas generators is a high, narrow tip immediately after Ignition on; but just 10 ms later, the pressure can be reduced to a fraction of the Peak value has dropped. Accordingly, the movable wall in the Working volume a very strong, but only very short power surge. With a lower but longer impulse would have the same effect be, the force element would not have to be high in terms of its strength Be designed for peak loads.

Die DE-OS 37 17 458 zeigt ein pyrotechnisches Kraftelement, welches aus einem Gasgenerator zur Bildung eines Gasdruckes in einem Arbeitsvolumen besteht. Hierzu ist in einem Hochdruckgehäuse eine druckgaserzeugende Ladung mit einer Zündeinrichtung angeordnet. Eine Gasaustrittsöffnung verbindet den Hochdruckraum mit dem Arbeitsvolumen. Im Arbeitsvolumen ist ein verschiebbarer Kolben angeordnet, der durch den erzeugten Gasdruck eine Arbeitsleistung verrichtet.DE-OS 37 17 458 shows a pyrotechnic force element, which consists of a Gas generator for forming a gas pressure in a working volume. For this is a compressed gas generating charge with a Ignition device arranged. A gas outlet connects the high pressure room with the work volume. A displaceable piston is arranged in the working volume, who does a job due to the generated gas pressure.

Die DE-OS 21 60 738 beschreibt eine Vorrichtung zum raschen Ausstoßen einer Flüssigkeit aus einem Reservoir durch Abbrennen einer Treibladung.DE-OS 21 60 738 describes a device for the rapid ejection of a Liquid from a reservoir by burning off a propellant charge.

Nach Zündung des Treibmittels drückt ein Kolben auf die sich in einem Rohrelement befindliche Flüssigkeit und preßt diese durch Düsen und eine Kühlkammer aus dem Rohrelement. Das von der Verbrennung des Treibmittels herstammende Gas wird durch Entspannung quer durch die Radialdüsen beim Durchgang von der Verbrennungskammer in die Kühlkammer gekühlt. Der erzeugte Gasdruck liegt direkt am Kolben an. Die Radialdüsen dienen ausschließlich zur Kühlung des Gases, damit nach dem Ausstoßen der Flüssigkeit kein heißes Gas die Vorrichtung verläßt.After the propellant is ignited, a piston presses against it in a tubular element liquid and presses it through nozzles and a cooling chamber from the Pipe element. The gas originating from the combustion of the propellant becomes by relaxing across the radial nozzles when passing from the Combustion chamber cooled in the cooling chamber. The gas pressure generated is direct on the piston. The radial nozzles are used exclusively for cooling the gas, so after the liquid has been expelled, no hot gas leaves the device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit dem in Verbindung mit einem Kraftelement mechanische Arbeit geleistet werden kann und im Arbeitsvolumen über längere Zeit ein höherer Druck zur Verfügung steht.The invention has for its object a gas generator according to the preamble of claim 1 to create, in conjunction with a force element mechanical work can be done and in the work volume over a long period of time higher pressure is available.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of Claim 1 solved.

Dadurch, daß zwischen dem Hochdruckraum und dem Arbeitsvolumen ein Mitteldruckgehäuse angeordnet ist, tritt die Druckspitze des Gases im Arbeitsvolumen später auf. Der maximale Wert ist dabei erheblich kleiner und der Druckabfall gedehnt. Durch den gedehnten Druckabfall steht für längere Zeit eine größere Leistung am Kraftelement zur Verfügung.The fact that between the high pressure room and the working volume Medium pressure housing is arranged, the pressure peak of the gas occurs in the working volume later on. The maximum value is considerably smaller and the pressure drop is stretched. Due to the extended pressure drop, greater performance is available for a long time Power element available.

Ein solcher Gasgenerator ist besonders geeignet für ein pyrotechnisches Kraftelement, bei dem die bewegliche Wand, üblicherweise ein druckgasgetriebener Kolben, eine schiebende Wirkung erzeugen soll.Such a gas generator is particularly suitable for a pyrotechnic force element, in which the movable wall, usually a compressed gas driven piston, a should have a pushing effect.

Bevorzugt ist das (aus mehreren Kammern gebildete) Mitteldruckgehäuse so ausgebildet, daß sich für ein aus den Öffnungen des Hochdruckgehäuses strömendes Gas die Strömungsrichtung wiederholt ändert ("labyrinthartig") und die Volumina der Kammern und die Querschnitte der sie verbindenden Durchtrittsöffnungen zunehmen ("sich kaskadenartig erweitern").The medium-pressure housing (formed from several chambers) is preferred in this way formed that for a flowing out of the openings of the high pressure housing Gas repeatedly changes the direction of flow ("labyrinthine") and the volumes of the Chambers and the cross sections of the passage openings connecting them increase ("expand cascading").

Der Druckzeitverlauf im Arbeitsvolumen hängt von vielen Parametern ab, wie Treibladungspulvermenge und Art der Verdämmung, der Umsetzungsgeschwindigkeit und dem Gasdruck (Abbrandverhalten) und dementsprechend ist auch die Wirkung des Labyrinths in dem Mitteldruckraum durch zahlreiche Parameter beeinflußbar, insbesondere durch die Wärmeabgabe des Gases an den Wänden, das Volumen des Mitteldruckraumes bzw. der verschiedenen, den Mitteldruckraum bildenden Kammern, Art der Drosselstellen, insbesondere die Eintrittsöffnung in den Mitteldruckraum (identisch mit der Austrittsöffnung aus dem Hochdruckraum) und die Austrittsöffnungen aus dem Mitteldruckraum in das Arbeitsvolumen. The pressure time curve in the work volume depends on many parameters, such as Amount of propellant powder and type of insulation, the rate of implementation and the gas pressure (combustion behavior) and accordingly the effect of the Labyrinths in the medium pressure room can be influenced by numerous parameters, especially by the heat given off by the gas on the walls, the volume of the Medium pressure chamber or the various chambers forming the medium pressure chamber, Type of throttling points, especially the inlet opening into the medium pressure chamber (identical to the outlet opening from the high pressure chamber) and the outlet openings from the medium pressure room into the working volume.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung tritt die Druckspitze im Arbeitsvolumen später auf; der maximale Wert ist erheblich kleiner; der Druckabfall ist gedehnt; es steht länger ein höherer Druck zur Verfügung. Daß auch bei dem erfindungsgemäßen Gasgenerator am Anfang immer noch eine Druckspitze auftritt, ist bei einem pyrotechnischen Kraftelement durchaus erwünscht, um die Bewegung eines Wandbereiches (Kolbens) einzuleiten; die weniger stark abfallende Kraft steht gegenüber konventionellen Gasgeneratoren aber für eine erheblich längere Zeitspanne zur Arbeitsleistung zur Verfügung.The pressure peak in the working volume occurs later due to the device according to the invention on; the maximum value is considerably smaller; the pressure drop is stretched; it stands longer a higher pressure is available. That also with the invention Gas generator still experiencing a pressure spike at the beginning is at one pyrotechnic force element quite desirable to initiate the movement of a wall area (piston); the less declining force is compared to conventional Gas generators but for a significantly longer period of time Work available.

Die Verwendung des Gasgenerators in einem pyrotechnischen Kraftelement ist besonders im militärischen Bereich bevorzugt.The use of the gas generator in a pyrotechnic Force element is particularly preferred in the military field.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden weiter beispielhaft beschrieben. Es zeigen:The invention is shown in the drawing and in the following further described by way of example. Show it:

Fig. 1 Längsschnitt durch einen Gasgenerator mit einem Mitteldruckgehäuse um das Hochdruckgehäuse; FIG. 1 is a longitudinal section through a gas generator with a medium-pressure housing around the high pressure housing;

Fig. 2 Ansicht A nach Fig. 1; Fig. 2 View A of Fig. 1;

Fig. 3 Längsschnitt durch einen Gasgenerator mit einem modifizierten Mitteldruckgehäuse. Fig. 3 longitudinal section through a gas generator with a modified medium pressure housing.

Bei der Zündung einer mit Treibladungspulver gefüllten Kapsel 1 erfolgt der Druckanstieg in einem Arbeitsvolumen 2 etwa um die Hälfte langsamer als bei den bekannten Gasgeneratoren, denn die aus der Öffnung 3 aus einem Hochdruckgehäuse 4 austretenden Gase werden zunächst in einem Mitteldruckgehäuse 5 teilweise entspannt, dabei umgelenkt und auch abgekühlt, ehe sie aus diesem Mitteldruckraum über Abströmöffnungen 6 in das eigentliche Arbeitsvolumen 2 eintreten. In diesem Beispiel ist das Hochdruckgehäuse 4 aus zwei Teilen zusammengesetzt: einem Bodenstück 7 mit einer Vertiefung, wo zentral ein Zündelement 8 angebracht ist, und einer dickwandigen Aufnahme 9 für die Kapsel 1 mit der druckgaserzeugenden Ladung. Die Kapsel 4 ist an sich bekannt; sie weist eine Anzündpille auf, die von einer gaserzeugenden Mischung umgeben ist. In der Wand der Kapsel ist eine Sollbruchstelle, durch die dann über die Öffnung 3 in der Aufnahme 9 des Hochdruckgehäuses 4 das Gas nach Erreichen eines Mindestdruckes austritt. Die Öffnung 3 des Hochdruckgehäuses 4 führt in ein Mitteldruckgehäuse 10, das mit dem Bodenstück 7 verbunden ist. Acht Austrittsöffnungen 6 aus dem Mitteldruck gehäuse 10 durchstoßen dabei das Bodenstück 7. Die heißen Gase werden im Mitteldruckgehäuse 5 zweimal um 90° umgelenkt und abgekühlt. Das Verhältnis der Flächen der Austrittsöffnung 3 am Hochdruckgehäuse 4 zu der Summe der acht Flächen am Mitteldruck gehäuse 5 ist 1 : 20. Die Volumina von Hochdruckgehäuse zu Mittel druckgehäuse verhalten sich wie 1 : 20. Im Gegensatz zum Arbeits volumen 2, wo durch eine Wandbewegung eine Arbeit geleistet werden soll, sind am Hochdruckgehäuse 4 und dem Mitteldruck gehäuse 5 keine beweglichen Teile und die beiden Räume sind verhältnismäßig klein, so daß sich die mit den unvermeidlichen Druckspitzen am Anfang verbundenen Werkstoffprobleme besser beherrschen lassen.When a capsule 1 filled with propellant powder is ignited, the pressure rise in a working volume 2 takes place about half as slowly as in the known gas generators, because the gases emerging from the opening 3 from a high-pressure housing 4 are first partially relaxed in a medium-pressure housing 5 , thereby being deflected and also cooled down before they enter the actual working volume 2 from this medium pressure space via outflow openings 6 . In this example, the high-pressure housing 4 is composed of two parts: a base piece 7 with a depression, where an ignition element 8 is attached centrally, and a thick-walled receptacle 9 for the capsule 1 with the compressed gas-generating charge. The capsule 4 is known per se; it has an ignition pill which is surrounded by a gas-generating mixture. In the wall of the capsule is a predetermined breaking point, through which the gas then exits via the opening 3 in the receptacle 9 of the high-pressure housing 4 after a minimum pressure has been reached. The opening 3 of the high-pressure housing 4 leads into a medium-pressure housing 10 , which is connected to the base piece 7 . Eight outlet openings 6 from the medium pressure housing 10 pierce the bottom piece 7 . The hot gases are deflected twice in the medium pressure housing 5 by 90 ° and cooled. The ratio of the areas of the outlet opening 3 on the high pressure housing 4 to the sum of the eight surfaces on the medium pressure housing 5 is 1: 20. The volumes of the high pressure housing to medium pressure housing behave like 1: 20. In contrast to the working volume 2 , where by a wall movement a job is to be done, the high pressure housing 4 and the medium pressure housing 5 are no moving parts and the two rooms are relatively small, so that the material problems associated with the inevitable pressure peaks at the beginning can be better controlled.

Der Druckabfall im Arbeitsvolumen 2 ist wesentlich durch die Ab kühlung der freigesetzten Treibgase bedingt. Weil das durch die Austrittsöffnungen 6 strömende Gasvolumen kälter und kleiner geworden ist, ist der nicht-adiabatische Druckabfall im Arbeits volumen 2 weniger ausgeprägt, und es steht für eine längere Zeit ein ausreichender Druck zur Verfügung.The pressure drop in working volume 2 is essentially due to the cooling of the released propellant gases. Because the gas volume flowing through the outlet openings 6 has become colder and smaller, the non-adiabatic pressure drop in the working volume 2 is less pronounced and there is sufficient pressure available for a longer time.

Der in Fig. 1 dargestellte Gasgenerator wurde speziell entwickelt zum Ausfahren eines Spikes bei einem Hohlladungs flugkörper während seiner Flugphase. Bei der Bewegung des Spikes vergrößert sich das Arbeitsvolumen von ca. 500 auf 750 cm³. Der Gasgenerator selbst hat ein (Hochdruck-) Volumen von 0,5 cm³. Das Volumen des Mitteldruckraumes 5 liegt bei 10 cm³. Der maximale Druck steht etwa 20 ms nach der Zündung an. Würde man das Mitteldruckgehäuse 5 weglassen, so wäre bei gleicher Kapsel mit der gleichen Treibladungspulvermenge die Spitze etwa 6 oder 7 ms nach Zündung mehr als doppelt so hoch. Es hat sich aber gezeigt, daß dadurch das sichere Ausfahren des Spikes nicht immer gewährleistet ist. Auch mußte bei dem bisherigen Kraftelement aus Festigkeitsgründen die Mindestwandstärke höher angesetzt werden. Erst durch die Dehnung des Druckimpulses durch die stufenweise Erweiterung der Austrittsöffnungen und den labyrinthartigen Raum in dem Mitteldruckgehäuse wird erreicht, daß der Druck einige 100 ms lang auf den Spike schieben und drücken kann, und daß auch insbesondere in der Abbremsphase noch eine hinreichend große Kraft zur Verfügung steht.The gas generator shown in Fig. 1 was specially developed for extending a spike in a shaped charge missile during its flight phase. When the spike moves, the working volume increases from approx. 500 to 750 cm³. The gas generator itself has a (high pressure) volume of 0.5 cm³. The volume of the medium pressure chamber 5 is 10 cm³. The maximum pressure is around 20 ms after ignition. If one omitted the medium-pressure housing 5 , the tip would be more than twice as high about 6 or 7 ms after ignition with the same capsule with the same amount of propellant powder. However, it has been shown that the safe extension of the spike is not always guaranteed. The minimum wall thickness had to be set higher in the previous force element for reasons of strength. It is only through the expansion of the pressure pulse through the gradual expansion of the outlet openings and the labyrinthine space in the medium-pressure housing that the pressure can push and push on the spike for a few 100 ms, and that even in the deceleration phase, a sufficiently large force is still available Available.

In Fig. 2, der Ansicht A gemäß Fig. 1, sieht man acht in das Bodenstück 7 eingebrachte Austrittsöffnungen 6. Eine Öffnung 6 hat einen Durchmesser von 5 mm, solche Querschnittsverengungen und die Umlenkung bzw. Verwirbelung der Gasströmung in dem Mitteldruckgehäuse bewirken mit das gewünschte Druckzeit verhalten. FIG. 2, view A according to FIG. 1, shows eight outlet openings 6 made in the base piece 7 . An opening 6 has a diameter of 5 mm, such cross-sectional constrictions and the deflection or swirling of the gas flow in the medium-pressure housing cause the desired pressure time to behave.

Eine noch bessere Glättung der ursprünglichen Druckspitze läßt sich durch einen weiteren Ausbau des Labyrinthes in dem Mittel druckgehäuse zwischen Gaserzeuger und dem Arbeitsvolumen erreichen. Gemäß Fig. 3 ist im Vergleich zu Fig. 1 der ursprüngliche Mitteldruckraum etwas verkleinert, und dafür noch ein weiterer Raum 11 mit Blenden 12 zum Hochdruckgehäuse 4 hin dazwischen geschaltet, (vorzugsweise nehmen die Volumina der verschiedenen Räume sowie die Drosselflächen stufenweise zu). Bei dem "zweiteiligen" Mitteldruckgehäuse mit den hintereinander geschalteten Räumen 11 und 5′ gemäß Fig. 3 ist die Vibrations- und Schockfestigkeit noch besser als bei dem Generator nach den Fig. 1 und 2.An even better smoothing of the original pressure peak can be achieved by further expanding the labyrinth in the medium pressure housing between the gas generator and the working volume. According to FIG. 3, compared to FIG. 1, the original medium-pressure space is somewhat reduced, and yet another space 11 with panels 12 to the high-pressure housing 4 is connected in between (preferably the volumes of the different spaces and the throttle areas increase gradually). In the "two-part" medium pressure housing with the series-connected rooms 11 and 5 'according to FIG. 3, the vibration and shock resistance is even better than in the generator according to FIGS . 1 and 2.

Als druckgaserzeugende Ladung kann in bekannter Weise anstelle von Treibladungspulver z. B. auch eine pyrotechnische Mischung oder ein Festtreibstoffsatz verwendet werden.As a pressurized gas-generating charge, instead of in a known manner of propellant powder e.g. B. also a pyrotechnic mixture or a solid fuel kit can be used.

Claims

1. Gas generator for forming a gas pressure in a working volume ( 2 ), with a high pressure housing ( 4 ) with therein arranged pressure gas generating charge, an ignition device ( 8 ) and at least one gas outlet opening ( 3 ), characterized in that between the high pressure housing ( 4 ) and the working volume ( 2 ) a medium pressure housing ( 5 ) with gas outlet openings ( 6 ) to the working volume ( 2 ) is arranged and the gas outlet openings ( 3 ) of the high pressure housing ( 4 ) open into the medium pressure housing ( 5 ).

2. Gas generator according to claim 1, characterized in that the medium-pressure housing ( 5 ) for a from the openings ( 3 ) of the high-pressure housing ( 4 ) to the gas outlet openings ( 6 ) of the medium-pressure housing ( 5 ) flowing gas is labyrinthine with a cascade-like extension.

3. Gas generator according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of the areas of the gas outlet openings ( 3 ) of the high-pressure housing ( 4 ) to the surfaces of the gas outlet openings ( 6 ) of the medium-pressure housing ( 5 ) 1: 2 to 1:50, preferably 1:20.

4. Gas generator according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the ratio of the volume of the high pressure housing ( 4 ) to the volume of the medium pressure housing ( 5 ) is 1: 2 to 1:50, preferably 1:20.

5. Use of the gas generator according to one of claims 1 to 4 in a pyrotechnic force element, in which by at least one movable wall, preferably a pressure gas-driven piston, the working volume ( 2 ) increases in the gas release.

6. Use of the gas generator according to one of claims 1 to 4 in a pyrotechnic force element, in which the working volume ( 2 ) increases by at least 50% in the gas release.

7. Use of the gas generator according to one of claims 1 to 4 in a pyrotechnic force element, in which the Ratio of the volumes of the medium pressure housing to Working volume is 1: 2 to 1:50, preferably 1:30.