DE4310853A1 - Gasgenerator für einen Airbag - Google Patents

Gasgenerator für einen Airbag

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasgenerator für einen Airbag nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE-A1 39 20 401 ist ein Gasgenerator für einen Airbag bekannt, bei dem um einen zylindrischen, mit gasfreisetzenden Substanzen gefüllten Druckbehälter eine Kammer angebracht ist. Diese Kammer umgibt ein Filter. Dieser Filter wird von dem Gas durch fußseitig angeordnete Öffnungen angeströmt. Das Gas durchströmt dann das Filter in seiner Längsrichtung und gelangt durch kopfseitig an der Kammer angeordnete Öffnungen in den Airbag. Ein derartiger Gasgenerator benötigt aufgrund des hohen Innendruckes von etwa 600 bar dicke Wände. Außerdem ist eine separate Kammer zur Aufnahme des Filters erforder­ lich. Dadurch ist der Gasgenerator kostenaufwendig. Das Bau­ volumen des Gasgenerators ist verhältnismäßig grob. Dies be­ ruht auf dem Funktionsprinzip. Nach diesem Prinzip liefert der Gasgenerator "kaltes Gas" mit einer Temperatur von etwa 250°C. Entsprechend der geforderten Zeit zur Lieferung einer bestimmten Gasmenge wird daher viel Treibsatz und daher ein entsprechend großes Bauvolumen zur Lagerung des Treibsatzes sowie ein grobes Bauvolumen für den Filter benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Treibsatz vorzuschlagen, der wesentlich effektiver ist als die bekann­ ten Treibsätze. Dieser Treibsatz soll lange funktionsbestän­ dig und kostengünstig herstellbar sein. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen sehr kleinen, kosten­ günstigen Gasgenerator vorzuschlagen, der die Leistung des bekannten Gasgenerators aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe entsprechend den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.
Gemäß dem Anspruch 1 hat ein granulierter Treibsatz den Vor­ teil, daß bei seiner Verbrennung sofort eine verhältnismäßig große Verbrennungsoberfläche vorliegt. Damit ist der Anbrand reproduzierbar. Die Verbrennung erfolgt dann abhängig von der Anzündung nach allen Seiten bzw. kugelförmig. Die Umsetzung des Treibsatzes ab dem Zeitpunkt der Anzündung bis zu seiner vollständigen Verbrennung ist ebenso reproduzierbar. Der Ver­ brennungsdruck im Verhältnis zur Verbrennungszeit ist in je­ dem Zeitpunkt sehr klein und gleichförmig. Ebenso ist der ma­ ximale Gasdruck klein. Dadurch ist es erstmals möglich, ein dünnes Blechgehäuse, das in bekannter Weise Bohrungen auf­ weist, zu verwenden.
Gemäß dem Anspruch 2 liegt folgender Vorteil vor. Über die Größe des einzelnen Granulates, also über seine Oberfläche und über die Schichtdicke eines Binders, der das Granulat vollständig umgibt, ist der Verbrennungsdruck und die Ver­ brennungszeit ohne weiteres einstellbar. Als Binder eignet sich besonders Silikonkautschuk. Mit diesem Binder ist die Granulierung besonders einfach und kostengünstig durchführ­ bar. Bei der Verbrennung sorgt dieser Binder für einen gleichbleibenden Temperaturkoeffizient. Auch gewährleistet dieser Binder die mechanische Abriebfestigkeit und Bruchfe­ stigkeit des Granulates über eine Gebrauchsdauer von etwa 15 Jahren. Schwingungen und Schockimpulse, wie sie bei Kraft­ fahrzeugen üblich sind, haben keinen negativen Einfluß auf die Funktion des Treibsatzes.
Der Binderanteil ist extrem hoch. Das ist sonst nicht üblich. Trotzdem ist der Treibsatz reproduzierbar.
Beim Verbrennungsvorgang entsteht aus dem Silikonkautschuk unter anderem Siliziumdioxid (SiO2), das mit den Alkalimetalloxiden Natriumoxid (Na2O) und Kaliumoxid (K2O), die bei der Umsetzung der Komponenten Natriumazid und Kaliumoxid entstehen, weiterreagieren kann zu einem Glas.
SiO2 + Na2O → Na2 SiO3
bzw.
SiO2 + K2O → K2 SiO3.
Die nicht stabilen Oxide der Reaktionsprodukte Natriumoxid und Kaliumoxid werden in einer Folgereaktion durch das Siliziumdioxid weitgehend eliminiert.
Die Effektivität des erfindungsgemäßen Gasgenerators ist ge­ genüber dem Stand der Technik extrem hoch. Denn auch der Si­ likonkautschuk trägt wesentlich zur Gasentwicklung durch Bil­ dung von Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) bei. Demge­ mäß reicht eine verhältnismäßig geringe Menge Treibsatz zur Füllung von beispielsweise Airbags aus. Damit kann der Behäl­ ter zur Verbrennung des Treibsatzes sehr klein sein.
Bei der Dimensionierung des Gasgenerators ist auch der ge­ ringe Verbrennungsdruck von etwa 60 bar im Hochdruckraum von entscheidender Bedeutung, siehe den Anspruch 3. Nicht nur die Wände des als Druckraum dienenden Behälters können sehr dünn und daher von geringem Gewicht sein, sondern auch die Halte­ rungen für die Filter und die Siebe sind in Leichtbauweise. Es besteht keine Gefahr, daß die Filter und die Siebe abge­ sprengt bzw. aufgebläht werden und abplatzen.
Beim Stand der Technik liegt dagegen der Verbrennungsdruck bei etwa 600 bar. Deshalb weist der bekannte Gasgenerator eine massive Bauweise auf.
Der erfindungsgemäße Treibsatz ermöglicht auch erstmals eine n-fache Anordnung von Gasgeneratoren innerhalb einer gemein­ samen Anordnung, bestehend aus Filtern und Sieben. Damit las­ sen sich sehr grobe Airbags in der geforderten Zeit bei ge­ ringem konstruktiven Aufwand und bei ebenso geringem Bauvolu­ men des kompletten Gasgenerators aufblasen.
Durch das andere Funktionsprinzip gemäß der Erfindung ist das Bauvolumen des Gasgenerators sehr klein. Damit liegt ein sehr kleiner und daher vielseitig einsetzbarer Gasgenerator vor. Die wärmeren Gase mit einer Temperatur von < 100°C, also etwa 60°C, belasten nur kurzfristig den Gassack, ohne ihn zu be­ schädigen oder den Menschen zu beeinträchtigen.
Das erfindungsgemäße Funktionsprinzip mit dem erfindungsgemä­ ßen Treibsatz erlaubt es auch, im Behälter mit einem Innen­ druck zu arbeiten, der eine Zehnerpotenz niedriger liegt als beim Stand der Technik. Der Innendruck liegt etwa bei 60 bar.
Der Gasgenerator ist kostengünstig herstellbar. Die Formge­ bung des Behälters zur Aufnahme der gasfreisetzenden Substan­ zen erfolgt durch Tief ziehen. Die Anordnung des Filters mit den Sieben und den übrigen Bauteilen ist einfach und montage­ freundlich. Das vom Gasgenerator abgegebene Gas weist einen nur geringen Temperaturverlust auf, so daß das in kurzer Zeit zur Verfügung stehende Gasvolumen groß ist.
Die Erfindung zeichnet sich durch einfachen konstruktiven und leichten Aufbau, kostengünstige Herstellung und grobe Effek­ tivität bei extrem kleiner Bauweise aus. Der Gasgenerator ist sicher. Der Treibsatz liegt als lose geschüttetes Granulat vor und weist daher eine große Oberfläche für den schnellen Abbrand auf. Er ist kostengünstig und reproduzierbar herzu­ stellen. Eine Entmischung des Treibsatzes findet nicht statt. Auch ist er bei mechanischen Schockbeanspruchungen unempfind­ lich. Außerdem ist er bei tiefen Temperaturen von -40°C als auch bei hohen Temperaturen von +100°C sicher zu zünden und liefert ohne weiteres die geforderte Gasmenge.
Die Komponenten Natriumazid und Kaliumnitrat liefern als Gas hauptsächlich reinen Stickstoff entsprechend der Reaktions­ gleichung
10 NaN3 + 2 KNO3 --- 16 N2 + K2O + 5 Na2O.
Überraschenderweise brennt ein granulierter Treibsatz aus Na­ triumazid und Kaliumnitrat mit dem Binder Silikonkautschuk schnell genug, um einen Airbag in der geforderten Zeit von 20 ms aufblasen zu können. Die festen Bestandteile Natriumazid und Kaliumnitrat werden dazu in einer Korngröße kleiner als 80 µm eingesetzt. Nach dem Mischen der zerkleinerten, festen Bestandteile wird der Silikonkautschuk eingebracht. Dazu kann ein Kneter verwandt werden. Diese Mischung wird anschließend granuliert.
Der granulierte Treibsatz läßt sich billiger herstellen als die bekannten Treibsätze, die gepreßt in tablettierter Form verwandt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt eine einzige Figur eines Gasgenerators im Längsschnitt.
Ein Gasgenerator 1 besteht aus einem Behälter 2, der aus ei­ nem Blechgehäuse gebildet ist, einem granulierten Treibsatz 3, einem Verschlußdeckel 4 mit Anzünderöffnung 5, Halteringen 8, 9 für einen Filter 25 mit Sieben 23, 24 und aus einer Schraubenfeder 27.
Ein aufblasbarer Gassack 7 ist zusammen mit dem Haltering 8 und dem Verschlußdeckel 4 bei 6 verschraubt.
Der Behälter 2 besteht aus dünnwandigem Metallblech, dessen Wanddicke 17 = 1 mm beträgt. Bei einer vollständigen Füllung des Behälters 2 mit 4,5 g des Satzes 3 sind etwa 12 l Gas bei einer Reaktionstemperatur von ca. 1000°C im Hochdruckraum 11 zu erzeugen.
Um einen 60 l oder 120 l großen Gassack zu füllen, ist die Treibsatzmenge und der Generator entsprechend zu vergrößern. Unabhängig davon bleibt die Wanddicke 17 von 1 mm oder mit geringen Abweichungen erhalten.
Der Treibsatz 3 besteht aus 53,3% Natriumazid, 27,4% Kali­ umnitrat und 19,3% Silikonkautschuk. Das Azid und das Nitrat werden getrennt voneinander bis zu einer Korngröße < 80 µm gemahlen und anschließend gemischt. Dann wird die Mischung zusammen mit dem Silikonkautschuk in einem Kneter bearbeitet. Die Granulation erfolgt durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 1,6 mm.
Folgende Bandbreite besteht ohne Einschränkung der Funktion des Treibsatzes 3:
Natriumazid 48% bis 58%
Kaliumnitrat 23% bis 33% und
Silikonkautschuk 17% bis 21%.
Ein Bördelrand 21 fixiert die Schraubenfeder 27, den Halte­ ring 9 mit dem Filter 25 und einen verbrennbaren Folien­ schlauch 28 auf dem Behälter 2.
Der Behälter 2 ist in bezug auf die Achse 15 rotationssymme­ trisch ausgebildet und daher kostengünstig, beispielsweise im Tiefziehverfahren herstellbar.
Die Schraubenfeder 27 dient sekundär als Abstandselement für den Filter 25 mit den Sieben 23, 24.
Die Gasbohrungen 20 stellen die Verbindung zwischen dem Hoch­ druckraum 11 innerhalb des Behälters 2 und einem ersten Niederdruckraum 29 zwischen dem Behälter 2 und dem ersten Sieb 23 dar. Der Filter 25 aus Metall weist einen sehr geringen Strömungswiderstand auf. Der Filter 25 mit den Sieben 23, 24 filtert zunächst die Asche des abbrennenden Treibsatzes 3 und dann gewährleistet dieser die Verbrennung der noch nicht verbrannten Partikel des Treibsatzes 3. Schließlich ist mit dem Filter 25 und den Sieben 23, 24 die Gastemperatur des in den Gassack 7 strömenden Gases zu steuern. Bei ausreichend hoher spezifischer Wärme des Filtermetalls und des Siebwerkstoffes und einer entsprechenden großen Menge Drahtgewebe für den Filter 25 ist die Gastemperatur sehr klein zu halten. Die Siebe 23, 24 stützen den Filter 25 mechanisch in dem Gasgenerator 1 ab.
Die Gasbohrungen 20 sind der entscheidende Parameter, um den Druckverlauf des Treibladungsgases zu steuern, und zwar im Hochdruckraum und in den beiden Niederdruckräumen 29, 31.
Abstandsringe 30 aus Keramik haben die Aufgabe, den zusammen­ fallenden Gassack 7 fernzuhalten von möglichen heißen Partien des Gasgenerators.
Nach dem Anzünden des gaserzeugenden Satzes 3 über eine zen­ trale Anzündung 13 reibt der aus Kunststoff bestehende Foli­ enschlauch 28 und gibt die Gasbohrungen 20 frei. Das Gas ent­ spannt sich dann in dem von der Schraubenfeder 27 definierten ersten Niederdruckraum 29 und durchströmt dann das Filter 25, um dann den Gassack 7 aufzublasen. Nach dem Füllvorgang ent­ weicht das Gas in nicht gezeigter Weise aus dem Gassack 7. Der Gassack 7 fällt dann in sich zusammen und legt sich zu einem sehr geringen Teil an die Abstandsringe 30 an. Diese wärmeisolierenden Abstandsringe 30 verhindern das Durchbren­ nen des Gassackes 7 und somit eine Gefährdung einer Person. Es hat sich gezeigt, daß der Gasgenerator in seinen Außenbe­ zirken nur eine Temperatur von 50 bis 60°C aufweist.
Anstelle des außen am Behälter 2 umfangsseitig anliegenden Folienschlauches 28 kann der Treibsatz 3 auch in einer feuch­ tigkeitsdichten Folie 10 eingefüllt sein. Bei Zündung des Treibsatzes 3 werden bei einem bestimmten kritischen Gasdruck aus der Folie 10 Löcher entsprechend den Gasbohrungen 20 de­ finiert herausgestanzt. Das Konfektionieren des Treibsatzes 3 in der Folie 10 ist einfach, kostengünstig und bezüglich der Treibsatzmenge genau. Dieser Vorgang erfolgt separat. Die Montage des in der Folie 10 abgepackten Treibsatzes 3 eventu­ ell zusammen mit einem integrierten Anzündmittel ist einfach und sicher durchzuführen. Auch bei einer separaten Anzündung 14 treten keine Probleme auf. Andererseits kann die Folie 10 auch nur an der Innenwand 12 anliegen, wobei eine Stirnwand 16 und der Verschlußdeckel 4 keine Folie 10 tragen. Generell weist die im Blechbehälter 2 angeordnete Folie 10 gegenüber dem außen angeordneten Folienschlauch 28 den Vorteil auf, daß entsprechend dem Querschnitt der Gasbohrungen 20 definiert die Folie 10 herausgestanzt wird. Bei dem außen angeordneten Folienschlauch 28 kann sich dieser aufblähen und reißt nicht definiert.
Die Folie 10 kann aus Metall, wie Aluminium oder Edelstahl oder auch aus Kunststoff bestehen.
Neben den Anzündungen 13, 14 liegt eine Anzündung außerhalb des Behälters 2, jedoch innerhalb des Verschlußdeckels 4 im Rahmen der Erfindung.
Der Behälter 2 ist nicht auf die zylindrische Form be­ schränkt. Der Behälter 2 kann jede geeignete Form aufweisen.
Die Zusammenfassung ist Teil der Beschreibung.

Claims (11)

1. Gasgenerator für einen Airbag mit einer gasfreisetzenden pyrotechnischen Substanz, dadurch gekennzeichnet, daß diese Substanz aus einem granulierten Treibsatz (3) mit einem verhältnismäßig großen Anteil an Binder besteht.
2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder Silikonkautschuk ist.
3. Gasgenerator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibsatz folgende Bestandteile aufweist:
Natriumazid 48-58 Gew.-%
Kaliumnitrat 23-33 Gew.-% und
Silikonkautschuk 17-21 Gew.-%.
4. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein siebförmig gelochter Behälter (2) zur Aufnahme des Treibsatzes (3) zylindrisch ausgebildet ist, und der Behälter (2) außen einen Niederdruckraum (29) aufweist, der durch Filter (25) und Siebe (23, 24) be­ grenzt ist.
5. Gasgenerator (1) für einen Airbag (7) mit einem Behälter (2), der mit gasfreisetzenden Substanzen (3) gefüllt ist, ein Anzündelement (13) aufweist und bei dem im Mantelbereich Gasbohrungen (20) und ein Filter (25) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Behälter (2) aus einem dünnwandigen Blechgehäuse mit einer Vielzahl von Gasbohrungen (20) besteht,
die gasfreisetzenden Substanzen aus einem granulierten Treibsatz (3) bestehen, der zusammengesetzt ist aus
Natriumazid 48-58 Gew.-%
Kaliumnitrat 23-33 Gew.-% und
Silikonkautschuk 17-21 Gew.-%
und der Treibsatz (3) den Innenraum des Behälters (2) in geschütteter Form vollständig ausfüllt.
6. Gasgenerator nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Behälters (2) sehr dünn ist und der Werkstoff des Behälters (2) aus Metall, wie Aluminium oder korrosionsbeständigem Stahl besteht.
7. Gasgenerator nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasbohrungen (20) des Behälters (2) durch eine Folie (10, 28), aus Kunststoff oder Metall verschlossen ist.
8. Gasgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (10) die Gasbohrungen (20) an der Innen­ wand (12) des Behälters (2) verschließt.
9. Gasgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttdichte des Treibsatzes etwa 0,45 g/cm3 be­ trägt.
10. Gasgenerator nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß Abstandselemente (27, 30) aus wärmedämmendem Werk­ stoff vorgesehen sind,
daß ein erstes Abstandselement, beispielsweise eine Schraubenfeder (27) einen ersten Niederdruckraum (29) definiert, wobei dieser Niederdruckraum (29) zwischen dem Behälter (2) und einem ersten Sieb (23) eines Fil­ ters (25) liegt,
und daß weitere Abstandselemente (30) in einem zweiten Niederdruckraum (31), nämlich im Blasraum des Gassackes (7) liegen, wobei die weiteren Abstandselemente (30) den Gasgenerator (1) an seiner Abströmseite (Sieb 24) umge­ ben.
11. Verfahren zur Herstellung eines Treibsatzes nach den An­ sprüchen 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß Natriumazid und Kaliumnitrat getrennt voneinander gemahlen werden, bis die Korngröße < 80 µm beträgt, an­ schließend diese Substanzen in einem Mischer gemischt werden,
die Mischung zusammen mit Silikonkautschuk in einem Kne­ ter bearbeitet wird und
danach die Granulation durch ein Sieb mit einer Maschen­ weite von etwa 1,6 mm erfolgt.
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