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Gebiet der Technik
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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen pyrotechnischen Aktuator mit verformbarer
Membran, d.h. auf eine Vorrichtung, die ein externes Element, beispielsweise
ein Ventil oder einen Zylinder, unter der Einwirkung von Gas unter
hohem Druck, das von pyrotechnischen Mitteln erzeugt wird und auf
eine verformbare Membran einwirkt, betätigen kann. Der pyrotechnische
Aktuator kann in vielen Bereichen und insbesondere in der Luftfahrt-
und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden, um Elemente unterschiedlicher
Arten, wie Ventile, Zylinder etc. zu betätigen.
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Stand der Technik
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Wie
im Dokument FR-A-2 561 743 dargestellt ist, umfasst ein pyrotechnischer
Aktuator für
gewöhnlich
einen Körper,
welcher in seinem Inneren einen Hohlraum umgrenzt, in den eine verformbare Membran
eingebracht ist. Genauer gesagt, unterteilt die verformbare Membran
den Hohlraum bzw. die Ausnehmung in zwei zueinander dichte Kammern. Eine
erste dieser Kammern kommuniziert mit den pyrotechnischen Mitteln
derart, dass deren Einsatz zur Folge hat, diese erste Kammer mit
pyrotechnischem Verbrennungsgas unter hohem Druck zu füllen. Die zweite
Kammer enthält
ein Betätigungselement.
Die Verformung der Membran, die durch den Einlass der Verbrennungsgase
in die erste Kammer entsteht, bewirkt eine Verschiebung des Betätigungselements von
der ersten Kammer weg. In dem Dokument FR-A-2 561 743, das einen
zur Betätigung
eines Ventils dienenden pyrotechnischen Aktuator beschreibt, bewirkt
diese Verschiebung das Zerbrechen eines Teils, was das Öffnen oder
das Schließen
eines in den Körper
des Aktuators integrierten und einen Teil eines Fluidkreislaufs
bildenden Rohrs hervorruft.
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Bei
einem pyrotechnischen Aktuator dieses Typs befindet sich die Membran
in einem nicht vorgespannten Zustand in Ruhestellung, was ihm allgemein
eine im wesentlichen plane bzw. Flache Form gibt. Wenn pyrotechnische
Verbrennungsgase in die erste Kammer eingelassen werden, verformt
sich die Membran in Richtung auf die zweite Kammer hin. Um die Dichtheit
zwischen den in die erste Kammer eingelassenen pyrotechnischen Verbrennungsgasen und
dem Fluid des Kresilaufs zu gewährleisten,
muss die Unversehrtheit der Membran bewahrt werden. Die Verformung
der Membran muss also nur auf einem begrenzten Arbeitshub stattfinden.
Zu diesem Zweck ist eine Anlagefläche in der zweiten Kammer derart
vorgesehen, dass die Verformung der Membran im Inneren dieser zweiten
Kammer begrenzt ist.
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Diese
Eigenschaft, die im Dokument FR-A-2 561-743 beschrieben ist, führt zur
Begrenzung des Arbeitshubs des in der zweiten Kammer untergebrachten
Betätigungselements.
Es ist dieser Arbeitshub, welcher die Wirkung des Betätigungselements bestimmt.
So definiert in dem beschriebenen Beispiel, bei dem der Aktuator
zur Steuerung eines Ventils eingesetzt wird, der Arbeitshub des
Betätigungsorgans
die Dimensionen des durch das Steuerorgan bei Einsatz des Betätigers zu
zerbrechenden Teils. Für
einen Aktuator von gegebenen Dimensionen führt dies dazu, den Durchmesser
des Rohrs, in dem das Fluid im Inneren des Ventils zirkuliert, zu
begrenzen.
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Um
diesem Nachteil abzuhelfen, kann eine Vergrößerung des Arbeitshubs bei
Zunahme des Durchmessers der Membran in Betracht gezogen werden.
Dies führt
jedoch sehr schnell dazu, den Aktuator in Dimension und Masse groß werden
zu lassen. Dies ist im allgemeinen inakzeptabel, insbesondere bei
den häufigsten
Anwendungen dieser Aktuatoren, die in der Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie
liegen.
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Es
ist auch aus dem Dokument SU-A-1 721 360 ein pyrotechnischer Aktuator
mit verformbarer Membran bekannt, bei dem die Membran im Ruhezustand
eine wellige Form aufweist, die durch Komprimieren der Membran zwischen
einer Lochscheibe, die in die zur Aufnahme der pyrotechnischen Verbrennungsgase
vorgesehenen ersten Kammer eingebracht ist, und einem in der zweiten
Kammer untergebrachten Betätigungselement
erhalten wird. Dieses Betätigungselement
liegt hierbei über
Dämpfungselemente
an einer Wand der gegenüber
der Membran plazierten zweiten Kammer an. Wenn die pyrotechnischen
Mittel betätigt
werden, dringen die Verbrennungsgase in die erste Kammer ein und
stoßen
das Betätigungselement
gegen die vorgenannte Wand der zweiten Kammer, indem sie die Stoßdämpfelemente
verformen. Am Ende seines Hubs wirkt das Betätigungselement auf eine Schließvorrichtung
ein und zerstört
eine Berstscheibe, über
die diese Vorrichtung anfänglich
mit dem Körper
des Aktuators verbunden war. Eine Feder verschiebt anschließend die
so freigegebene Schließvorrichtung, was
das Öffnen
eines Fluidkreislaufs bewirkt. Dieser Aktuator ist so gestaltet,
dass er die Wirkungen des Stoßes
bei Einsatz der pyrotechnischen Mittel begrenzt, so dass deren Zuverlässigkeit
verbessert wird. Dieses Ergebnis wird durch Begrenzen des Arbeitshubs,
der zur Steuerung der Öffnung
des Fluidkreislaufs dient, erhalten, was der in der vorliegenden Erfindung
gestellten Aufgabe zuwiderläuft.
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Abriss der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist ein pyrotechnischer Aktuator mit verformbarer
Membran, dessen originelle Konzeption es gestattet, den Arbeitshub des
Betätigungselements
und damit den Durchmesser des Rohrs, in dem das Fluid zirkuliert,
wenn dieses Element das Öffnen
oder das Schließen
eines Ventils steuert, zu verdoppeln, ohne die Größe und die
Masse des Aktuators zu steigern.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe mittels eines pyrotechnischen Aktuators erfüllt, mit: einem
Körper,
der im Inneren eine Ausnehmung umgrenzt, und einer verformbaren
Membran, welche die Ausnehmung abdichtend in zwei Kammern unterteilt, wobei
eine der Kammern pyrotechnische Verbrennungsgase aufnehmen kann,
um die Membran in eine Betätigungsposition
zu bringen, die von einer die Verformung der Membran im Inneren
der zweiten Kammer begrenzenden Anlagefläche festgelegt ist, wobei die
zweite Kammer ein Steuerorgan aufweist, das von der Membran um eine
einem Betätigungshub
des Aktuators entsprechende Strecke verschoben werden kann, wenn
die Verbrennungsgase in die erste Kammer eingelassen werden, dadurch
gekennzeichnet, dass die Membran in Ruhestellung eine von der Anlagefläche entfernte
Vorbelastungsposition einnimmt.
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Bei
der so definierten Erfindung bewirkt wegen der Tatsache, dass die
Membran eine Vorbelastungsposition entfernt von der Anlagefläche einnimmt,
wenn sich der Aktuator in Ruhestellung befindet, der Einsatz des
Aktuators eine Verformung der Membran über eine größere Distanz gegenüber der Verformung
der Membran durch einen pyrotechnischen Aktuator des Standes der
Technik, ohne dass diese Verformung die Dichtheit der Membran gefährden würde. Auf
diese Weise wird die Verschiebung des Elements, das durch den Aktuator
betätigt
werden muss, wesentlich verstärkt,
und beispielsweise auch die Größe eines
Rohrs, das von dem Aktuator durchtrennt werden soll, ohne die Größe und die Masse
desselben zu steigern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Vorbelastungsposition der Membran im wesentlichen
symmetrisch in Bezug auf ihre Betätigungsposition. Der Arbeitshub
wird dabei in Bezug auf einen vorbekannten pyrotechnischen Aktuator praktisch
verdoppelt.
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Vorzugsweise
ist die Vorbelastungsposition der Membran durch ihr in-Anlage-halten
am Steuerelement festgelegt, das normalerweise gegen ein Teil anliegt,
das zerbrechen oder sich verschieben kann, wenn die Verbrennungsgase
in die erste Kammer eingelassen werden.
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Vorteilhafterweise
bildet das vorgenannte Teil einen integralen Teil eines Fluidkreislaufs,
so dass sein Zerbrechen eine Zustandsänderung dieses Kreislaufs bewirkt,
d.h., je nach Fall sein Öffnen
oder sein Schließen.
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Vorzugsweise
ist die Membran eben bzw. flach, wenn sie sich in einem nicht-vorbelasteten
Zustand befindet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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In
folgenden wird anhand eines nicht-einschränkenden Beispiels eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben,
in der die einzige Figur eine Längsschnittansicht
eines erfindungsgemäßen pyrotechnischen
Aktuators ist.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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In
der einzigen Figur bezeichnet die Bezugsziffer 10 allgemein
den Körper
eines pyrotechnischen Aktuators gemäß der Erfindung. In der hier
dargestellten Ausführungsform,
die ein keineswegs einschränkendes
Beispiel ist, steuert der Aktuator das Öffnen eines Ventils 11,
das in den Körper 10 integriert
ist. Der Körper 10 wird
hier beispielsweise aus drei Teilen 12,14 und 16 gebildet,
die untereinander durch Verschweißen verbunden sind.
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Der
Körper 10 begrenzt
im Inneren einen Hohlraum bzw. eine Ausnehmung 18. Diese
Ausnehmung 18 ist in zwei Kammern 20 und 22 durch
eine verformbare Membran 24 unterteilt. In der dargestellten
Ausführungsform
weist die verformbare Membran 24 die Form einer flachen
Scheibe auf, wenn sie sich in einem nicht vorbelasteten Zustand
befindet. Sie umfasst einen dicht zwischen den Teilen 12 und 14 des
Körpers
des Ventils 10 eingeschlossenen Außenumfangsrand 26.
Infolgedessen trennt die verformbare Membran 24 die Kammern 20 und 22 auf dichte
Weise.
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Es
ist anzumerken, dass im Ruhezustand die Membran 24 eine
nicht-flache Form aufweisen kann, beispielsweise eine gewellte Form,
ohne über
den Rahmen der Erfindung hinauszugehen.
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Die
erste Kammer 20, die integral in dem Teil 12 des
Körpers 10 ausgebildet
ist, kann pyrotechnische Verbrennungsgase aufnehmen, die von einer oder
mehreren pyrotechnischen Vorrichtungen erzeugt werden, wie beispielsweise
die als nicht-einschränkendes
Beispiel in der Figur dargestellten beiden Vorrichtungen 28.
Die pyrotechnische(n) Vorrich tung(en) 28 kann/können direkt
in dem Teil 12 angebracht sein, wie in der Figur dargestellt
ist, oder außerhalb
des Körpers 10 angeordnet
und mit diesem über
ein mit der Kammer 20 kommunizierendes Rohr verbunden sein.
Jede pyrotechnische Vorrichtung 28 kann aus irgendeiner
dem Fachmann bekannten Vorrichtung gebildet sein, die in der Lage
ist, abrupt eine große
Verbrennungsgasmenge unter hohem Druck im Inneren der Kammer 20 zu
erzeugen. Infolgedessen fällt
eine Beschreibung derselben weg.
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In
seinem an die Membran 24 angrenzenden Abschnitt bildet
die erste Kammer 20 einen Hals verringerten Durchmessers,
der auf die Achse der Membran 24 zentriert ist. Dieser
Hals gestattet eine Entspannung der Verbrennungsgase, wenn diese
mit der Membran in Kontakt kommen.
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In
ihrem zentralen Abschnitt, der sich auf der Seite der zweiten Kammer 22 befindet,
umfasst die verformbare Membran 24 einen massiven zylindrischen
Abschnitt 30, der in die Kammer 22 vorsteht. Ein
Steuerelement 32, das hier die Form eines Stößels aufweist,
ist in einem im wesentlichen rohrförmigen Abschnitt der zweiten
Kammer 22 untergebracht. Genauer gesagt liegt ein erstes
Ende des Steuerelements 32 an der Endfläche des massiven zylindrischen
Abschnitts 30 an, und das entgegengesetzte Ende des Steuerelements 32 liegt
an einem zentralen Abschnitt 34 des dritten Teils 16 des
Körpers 10 an.
Gemäß der Erfindung,
und wie in der Figur dargestellt ist, ist die oben beschriebene
Anordnung derart, dass die Membran 24 in Ruhestellung eine
Vorbelastungsposition entfernt von einer Anlagefläche 36 einnimmt,
die in der zweiten Kammer 22 gegenüber der Membran 24 vorgesehen
ist. Genauer gesagt ist die in Ruhestellung von der Membran 24 eingenommene Vorbelastungsposition
derart, dass diese sich in Nähe
einer Oberfläche 38 befindet,
die am ersten Teil 12 des Körpers 10 in der ersten
Kammer 20 gegenüber
der Membran 24 ausgebildet ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die in der einzigen Figur dargestellt ist, ist die in
der Figur dargestellte Vorbelastungsposition der Membran 24 im
wesent lichen symmetrisch in Bezug auf eine Betätigungsposition der Membran.
Die Betätigungsposition
der Membran wird erreicht, wenn die Verbrennungsgase in die erste
Kammer 20 eingelassen werden, d.h., wenn die Membran 24 zur
Anlage an der Anlagefläche 36 kommt.
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In
der anhand eines Beispiels in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsform
ist das dritte Teil 16 des Körpers 10 ein Teil
von rohrförmiger
Form, das einen Abschnitt eines Fluidkreislaufs bildet, dessen Strömung durch
Betätigen
des von dem Aktuator 10 gesteuerten Ventils 11 unterbrochen
werden soll. Das Teil 16 durchsetzt zwei gegenüberliegende
Wände des
zweiten Teils 14 sowie die zweite Kammer 22 in
einem Abschnitt derselben, der jenseits des Endes des Steuerelements 32 gelegen
ist. Außerdem
ist das dritte Teil 16 dicht an die gegenüberliegenden beiden
Wände geschweißt, so dass
die Umgrenzung der Kammer 22 beibehalten wird.
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Der
zentrale Abschnitt 34 des Teils 16, an dem das
Steuerorgan 32 anliegt, ist derart gestaltet, dass es durch
Abscheren zerbrechen kann, wenn das Steuerelement 32 aufgrund
des Einleitens von Verbrennungsgasen in die erste Kammer 20 nach
unten in der Figur verschoben wird. Zu diesem Zweck ist der zentrale
Abschnitt 34 des dritten Teils 16 mit angrenzenden
Abschnitten desselben über
Sektionen 39 geringerer Dicke verbunden.
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Die
Funktionsweise des pyrotechnischen Aktuators gemäß der Erfindung wird im folgenden
mit Bezug auf die einzige Figur beschrieben.
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In
Ruhestellung ist die Membran 24 entfernt von der Anlagefläche 36 vorbelastet.
Wie bereits beschrieben wurde, wird diese Vorbelastung unter der Wirkung
des Steuerelements erreicht, dessen entgegengesetzte Enden jeweils
an dem mit der Membran 24 einstückigen, zylindrischen, massiven
Abschnitt 30 und an dem zentralen Abschnitt 34 des
Teils 16 anliegen. Wenn die pyrotechnische(n) Vorrichtung(en) 28 betätigt wird/werden,
wird Verbrennungsgas abrupt in großer Menge und unter hohem Druck ins
Innere der ersten Kammer 20 eingelassen. Unter der Wirkung
dieses abrupten Druckanstiegs in der Kammer 20 verformt
sich die Membran 24 zur Anlagefläche 36 hin, indem
sie den massiven zylindrischen Abschnitt 30 und das Steuerelement 32 in
die gleiche Richtung drückt
bzw. stößt. Dies
bewirkt eine Trennung durch Abscherung des zentralen Abschnitts 34 des
dritten Teils 16 der an diese angrenzenden Abschnitte.
Der dem dritten Teil 16 nächstgelegene Abschnitt des
Steuerelements 32 dringt hierbei zwischen dessen aneinandergrenzenden
Abschnitte ein, um den Platz des zentralen Teils 34 einzunehmen.
Infolgedessen wird der durch das dritte Teil 16 hindurchgehende
Fluidkreislauf unmittelbar geschlossen.
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Bei
dem pyrotechnischen Aktuator gemäß der Erfindung
gestattet es die anfänglich
auf die Membran 24 einwirkende Vorbelastung dieser sowie dem
massiven zylindrischen Abschnitt 30 und dem Steuerelement 32, über eine
erhöhte
Verschiebedistanz zu verfügen.
Tatsächlich
verschiebt sich die Membran 24 hierbei zwischen ihrer Vorbelastungsposition
entfernt von der Anlagefläche 36 und
ihrer Betätigungsposition
in Anlage an die Anlagefläche 36.
Der Aktuator 10 ist derart gestaltet, dass die Verschiebedistanz
der Membran 24 dem Betätigungshub
des Ventils 11 entspricht. Mit anderen Worten ist die Verschiebung
der Membran 24 gleich dem zum Öffnen oder zum Schließen des
Ventils 11 notwendigen Hub (je nach dem betreffenden Ventiltyp).
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Der
Arbeitshub wird somit gegenüber
demjenigen, über
den ein vorbekannter pyrotechnischer Aktuator mit einer Membran 24 gleichen
Durchmessers verfügt,
praktisch verdoppelt. Beispielsweise ist es so möglich, ohne den Platzbedarf
und die Masse des Aktuators zu steigern, einen Kreislauf zu unterbrechen,
der praktisch einen doppelten Durchmesser gegenüber demjenigen aufweist, der
von einem vorbekannten Aktuator hätte unterbrochen werden können.