-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Vorrichtungen zum Erzeugen eines Gases, das zur Ausführung einer gewünschten
Funktion wie dem Aufblasen eines Airbags oder eines aufblasbaren
Gegenstands innerhalb eines Fahrzeugs verwendet werden kann, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Systeme, die ein oder mehrere Gase
ausgeben, sind dafür
bekannt, dass sie solche Gase zur Bereitstellung vorgegebener Funktionen
verwenden. So werden beispielsweise Gasgeneratorsyteme allgemein
zum Aufblasen von Airbags in einem Fahrzeug verwendet. Die Gasgeneratoren
und die zugehörigen
Airbag-Module können
an einer Reihe verschiedener Orte im Innern des Fahrzeugs, u. a.
benachbart zum Fahrer (fahrerseitiger Gasgenerator), benachbart
zum Beifahrer (beifahrerseitiger Gasgenerator), seitlich benachbart
zum Fahrer und/oder Beifahrer (Seiten-Gasgenerator) und oberhalb
der Seitenfenster (Vorhang-Gasgenerator) angeordnet werden. Die
Auslegung oder Konfiguration jedes Gasgenerators hängt von
seinem Einbauort ab. So hat beispielsweise der fahrerseitige Gasgenerator
eine vom beifahrerseitigen verschiedene Geometrie. Ungeachtet des
Einbauortes muss ein marktgängiger
Gasgenerator bestimmte Eigenschaften haben. Ein Gasgenerator muss
bei seiner Aktivierung nicht nur die zum einwandfreien Befüllen des
Airbags erforderlichen Aufblasgase liefern, sondern sollte auch
in Herstellung und Montage so unkompliziert wie möglich sein.
Ferner muss der Gasgenerator hinsichtlich der Kosten wettbewerbsfähig sein.
-
Ungeachtet der großen Anzahl
Gasgeneratoren, die zur Verwendung in Fahrzeugen entwickelt oder erfunden
worden sind, bleiben die mit der Senkung der Herstellungsund Montagekosten
verbundenen Vorteile die wesentlichen Ziele, die bei Konstruktion
und Entwicklung neuer Gasgeneratoren zur Verwendung in Fahrzeugen
angestrebt werden. Folglich wäre
es vorteilhaft, Gasgeneratoren bereitzustellen, die derartige praktische
Anforderungen erfüllen
und außerdem
noch andere Verbesserungen bieten. Außerdem wäre es vorteilhaft, die Technologie
und Merkmale auch für
andere Anwendungen als Gasgeneratoren für Fahrzeuge einzusetzen.
-
Der nächstkommende Stand der Technik
gemäß der US-A-4,950,458
offenbart einen zweistufigen Gasgenerator mit einer zwischen den
Stufen angeordneten perforierten Querwand. Jede Stufe enthält eine Brennkammer
mit einem Zünder
und einer pyrotechnischen Ladung darin. Die Kammern befinden sich
innerhalb eines Gehäuses,
an dessen innerer Seitenwand sich eine zerreißbare Sperrfolie befindet.
Das in der zweiten Brennkammer erzeugte Gas wird durch Löcher in
der Gehäusewand
freigegeben, sobald der Gasdruck einen Schwellenwert erreicht, bei
dem die Sperrfolie reißt.
-
Die DE-A-4126743 offenbart eine Anordnung
mit einem ringförmigen
Gasgeneratorsystem, das im Innern eines doppelwandigen aufblasbaren
Gegenstands angeordnet ist. Gas aus dem Gasgeneratorsystem dient
zum Aufblasen des doppelwandigen aufblasbaren Gegenstands, wodurch
eine Ringstruktur entsteht, die eine Abdeckung straff über ein
Ende zieht. Überschüssiges Gas
wird durch Poren in der inneren der beiden Wände in eine Kammer ausgestoßen, die
mit Luftauslässen
entlüftet
wird.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Gaserzeugungsvorrichtung wie im beigefügten Hauptanspruch definiert
bereitgestellt, auf den nunmehr Bezug genommen wird. Ausführungsformen
der Erfindung sind in den beigefügten
Unteransprüchen
definiert, auf die nun ebenfalls Bezug genommen wird.
-
Bei einer Anwendung wird ein Gasgenerator
bereitgestellt, der Aufblasgase zur Lieferung an einen aufblasbaren
Gegenstand oder einen Airbag erzeugt. Der Gasgenerator enthält ein Treibmittel,
das bei Aktivierung durch eine Zündeinheit
die Aufblasgase erzeugt. Bei einer Ausführungsform ist das Treibmittel
vorzugsweise länglich,
d. h. seine Länge
ist wesentlich größer als
seine Breite. Die Zündeinheit
wird durch ein Steuersignal aktiviert, das das Auftreten eines vorgegebenen
Ereignisses bezüglich
eines Fahrzeugaufpralls oder eines Zusammenpralls mit mindestens
einer Schwellenkraft angibt. Wenn das Treibmittel länglich ist, kann
es aus einer Reihe länglicher
Treibmittelteile oder aus einem einzigen länglichen Teil bestehen. In
jedem Fall hat jedes längliche
Treibmittel eine wesentlich größere Länge als
Breite und das Verhältnis
zwischen Länge
und Breite ist größer als
mindestens ca. 10 und beträgt
vorzugsweise ca. 100.
-
Bei einer Ausführungsform hat das Treibmittel
eine poröse
Zusammensetzung, die hinreichend oxidiert ist, so dass kein unzulässiger Prozentsatz
Kohlenmonoxid und/oder andere toxische Gase nac h Abschluss der
Verbrennung des Treibmittels entstehen. Bei dieser Ausführungsform
enthält
das Treibmittel fasriges Zellulosematerial oder Fasern, um seine
Extrusion zu unterstützen
und die Porosität
des Treibmittels durch Minimieren der Schrumpfung während des
Trocknens zu verbessern. Ein in einem Lösungsmittel wie Alkohol gelöstes Zellulose-Bindemittel
wie Hydropropylzellu lose (HPC) dient dazu, die Feststoffbestandteile
in Suspension zu halten und die zum Extrudieren erforderliche Rheologie
bereitzustellen. HPC zusammen mit der faserigen Zellulose und einem
Dispergiermittel bilden das Bindersystem des Treibmittels sowie
Brennstoffe für
die Verbrennungsreaktion. Das Dispergiermaterial oder Dispergiermittel
wird zusammen mit HPC vorzugsweise auch dazu verwendet, um ein Verklumpen
des fasrigen Zelluloseanteils der Treibmittelzusammensetzung bei
der Formung zu verhindern oder weitgehend auszuschalten. HPC hat
also mindestens zwei Funktionen, nämlich zur Bindung des Treibmittels
beizutragen und die Dispersion der fasrigen Zellulose zu unterstützen. Das
Dispergiermaterial kann ein Produkt mit dem Namen Cellulon® enthalten,
das von der NutraSweet/Kelco Company erhältlich ist. Dabei handelt es
sich um ein fasriges Zellulosematerial mit einer sehr viel kleineren
Fasergröße als der
fasrige Zellulosebestandteil. Das Treibmittel kann auch einen oder
mehrere andere Zusatzstoffe enthalten, wie etwa bekannte Stabilisatoren
und/oder Anti-Oxidanzien.
-
Bei einer anderen Ausführungsform
einer Treibmittelzusammensetzung wird kein Bindersystem für das Verbinden
der ersten und zweiten Materialien miteinander verwendet. Eine solche
Treibmittelzusammensetzung weist ein erstes Material auf, das eine
brennstoffreiche Komponente als zumindest seine Hauptkomponente
enthält.
Die brennstoffreiche Komponente ist ein Sekundärsprengstoff. Diese Treibmittelzusammensetzung
enthält
außerdem
ein zweites Material, das ein Oxidans als zumindest seine Hauptkomponente
enthält.
Die Hauptkomponente ist vorzugsweise Ammoniumnitrat. Das erste und
zweite Material werden miteinander vermischt und im Gasgeneratorgehäuse untergebracht.
Falls gewünscht
oder erforderlich, wird auf das Gemisch im Gasgeneratorgehäuse eine
Kraft ausgeübt,
damit es Schwingungen während
des Transports standhält
und/oder um Rasseln zu verhindern.
-
Der Gasgenerator enthält ein Behälterbauteil
oder Druckrohr, das das längliche
Treibmittel umgibt. Bei einer Ausführungsform enthält das Behälterbauteil
ein Reihe von Schichten. Eine Reihe Löcher sind in vorgegebenen Abständen voneinander
entlang der Länge
des Behälterbauteils
angeordnet. Solche beabstandeten Löcher entstehen vorzugsweise,
wenn Dichtungen oder geschwächte
Bereiche des Behälterbauteils
bei Zündung
des Treibmittels reißen
oder sich öffnen.
Bei einer anderen Ausführungsform
sind die Löcher
schon vor dem Verbrennen des Treibmittels vorhanden. Die Länge des
Behälterbauteils
ist gleich oder im Wesentlichen gleich der Länge des länglichen Treibmittels. Das
Behälterbauteil
besteht vorzugsweise aus einem nicht metallischen Material, das
einem Druck von mindestens 2,1 × 107 N/m2 (3000 psi),
vorzugsweise 2,8 × 107 N/m2 (4000 psi)
und darüber
standhalten kann. Das Be hälterbauteil
hat eine Innenwand und das längliche
Treibmittel hat eine Außenoberfläche, wobei
zwischen dieser Innenwand des Behälterbauteils und der Außenoberfläche des
länglichen
Treibmittels ein Spalt oder Raum angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform
hat das längliche
Treibmittel eine mittlere Bohrung, die entlang der Längsmittelachse
des Treibmittels verläuft.
Sowohl der Spalt als auch die mittlere Bohrung, wenn vorhanden,
beeinflussen oder unterstützen
die Ausbreitung einer Verbrennungswelle über die Länge des länglichen Treibmittels. Das
heißt,
dass bei Zündung
des Treibmittels an einem Ende desselben eine Verbrennungswelle
entsteht, die in der Verbrennung des länglichen Treibmittels entlang
eines durch dessen Länge
definierten linearen Wegs resultiert. Abgesehen von anderen Faktoren hängt die
Ausbreitung der Verbrennungswelle von der Größe des Spalts und der mittleren
Bohrung, sofern vorhanden, ab. Genauer gesagt, sollte die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Verbrennungswelle mindestens 0,1 m/ms betragen. Im Zusammenhang
mit der Einhaltung dieses Parameters muss das Verhältnis zwischen
der Querschnittsfläche
des Treibmittels und der Querschnittsfläche des Innendurchmessers des
Behälterbauteils innerhalb
eines bestimmten Bereichs liegen. Dieses Verhältnis liegt im Bereich von
ca. 0,10–0,60.
-
Der Gasgenerator enthält ferner
ein Zeitsteuerbauteil oder -rohr, in dem zumindest wesentliche Abschnitte
des Behälterbauteils
und des Treibmittels untergebracht sind. Das Zeitsteuerrohr kann
flexibel sein, d. h. aus einem beschichteten Gewebe oder dgl. bestehen.
Das Zeitsteuerbauteil steuert den Strom der Aufblasgase zum Airbag
oder zum aufblasbaren Gegenstand. Zu diesem Zweck enthält das Zeitsteuerbauteil
eine oder mehrere Messblenden, durch die die Aufblasgase passieren
können,
wenn das Treibmittel gezündet
wird und Verbrennungsprodukte einschließlich der Aufblasgase erzeugt
werden. Das Zeitsteuerbauteil regelt den Strom der Aufblasgase zum
aufblasbaren Gegenstand auf eine gewünschte Geschwindigkeit. Bei
Fehlen des Zeitsteuerbauteils könnten
die vom Treibmittel gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugten Aufblasgase in einem unzulässig raschen Befüllen oder
Druckbeaufschlagen des aufblasbaren Gegenstands mit den Aufblasgasen
resultieren. Würde
ein derartiger Gasgenerator in einem Fahrzeug aktiviert, könnte der
Insasse, der ein derartiges schnelles Befüllen des aufblasbaren Gegenstands
mit den Aufblasgasen erlebt, einem stärkeren Druck als gewünscht ausgesetzt
werden. Vorzugsweise wird eine Reihe Messblenden entlang der Länge des Zeitsteuerbauteils
ausgeformt. Aufgrund der relativ raschen Ausbreitung der Verbrennungswelle
strömen
die Aufblasgase sehr schnell vom Druckrohr in das Zeitsteuerrohr,
um dieses auf einen Spitzendruck zu füllen. Diese im Zeitsteuerrohr
gespeicherten Gase können
dann problemlos durch jede dieser Messblenden im Zeitsteuerrohr
mit im Wesentlichen gleicher Geschwin digkeit passieren, wobei die
Passierdauer der Aufblasgase durch solche Messblenden relativ unabhängig von
der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Druckrohr ist. Der aufblasbare
Gegenstand umgibt das Zeitsteuerbauteil und erhält deshalb die Aufblasgase
entlang seiner Länge mit
im Wesentlicher gleicher Rate, so dass der aufblasbare Gegenstand über seine
Länge gleichmäßig und
im Wesentlichen gleichzeitig gefüllt
wird. Diese gleichmäßige Aufnahme
der Aufblasgase führt
dazu, dass der Gasgenerator selbst den gesamten aufblasbaren Gegenstand
füllt.
Ein solches Befüllen
steht im Gegensatz zum Füllen
bestimmter Abschnitte des aufblasbaren Gegenstands durch andere
Abschnitte desselben mittels der Aufblasgase, die an einem Ende
des aufblasbaren Gegenstands aufgenommen worden sind und von zusätzlich aufgenommenen
Aufblasgasen zu anderen Teile des aufblasbaren Gegenstands bewegt
werden. Wie das Behälterbauteil
besteht auch das Zeitsteuerbauteil vorzugsweise aus einem nicht
metallischem Material, was seine Kosten und Einbaugröße verringert.
-
Im Betrieb wird die Zündeinheit
aktiviert, wodurch das Treibmittel in der Nähe eines seiner Enden gezündet wird.
Es findet eine Ausbreitung der Verbrennungswelle über die
Länge des
Treibmittels statt. Aufblasgase werden erzeugt und strömen durch
Löcher
im Behälterbauteil.
Das Behälterbauteil
ist ausreichend stabil, um jeglichem Reißen oder Bruch standzuhalten,
und außerdem
findet, wenn überhaupt,
nur eine geringfügige feststellbare
Verbrennung des Behälterbauteils
statt. Die die Löcher
im Behälterbauteil
passierenden Aufblasgase treten dann in den Raum oder Bereich zwischen
der Außenoberfläche des
Behälterbauteils
und der Innenwand oder Oberfläche
des Zeitsteuerbauteils ein. Die Aufblasgase erreichen die Messblenden
im Zeitsteuerbauteil und werden durch sie zum Füllen des aufblasbaren Gegenstands
dosiert.
-
Auf Basis der obigen Zusammenfassung
lassen sich ohne weiteres eine Reihe besonderer Aspekte der vorliegenden
Erfindung erkennen. Die Gaserzeugungsvorrichtung erzeugt ein oder
mehrere Gase und lässt
sich problemlos in eine Reihe Systeme integrieren, die das resultierende
Gas verwenden. In einem Anwendungsbereich ist die Gaserzeugungsvorrichtung
ein Gasgenerator für
ein Fahrzeug, der Aufblasgase erzeugt. Ein solcher Gasgenerator
hat weniger und kostengünstigere
Teile, die sich leicht herstellen und zusammenbauen lassen. Die
Kosten des Gasgenerators sind in Anbetracht der relativ wenigeren
Einzelteile niedriger. Die Ausbreitung der Verbrennungswelle gefolgt
von der Erzeugung der Aufblasgase wird durch das Behälterbauteil
kontrolliert, das ohne zu Reißen
erheblichen Drücken
standhalten kann. Das Behälterbauteil
hat eine Reihe beabstandeter Löcher,
die vor und/oder nach der Aktivierung des Treibmittels vorhanden
sind, durch die die Aufblasgase entweichen. Die Größe dieser
Löcher
nimmt nach der Zündung
des Treibmittels zu. Die Ausbreitungs geschwindigkeit ist ausreichend
hoch, um den Airbag oder einen anderen aufblasbaren Gegenstand einwandfrei
aufzublasen. Abgesehen davon, dass sie weniger Einzelteile haben,
können
das Behälterbauteil
und das Zeitsteuerbauteil aus nicht metallischen Materialien hergestellt
werden, wodurch die Kosten des Gasgenerators weiter gesenkt werden.
Insbesondere bei Verwendung eines länglichen Treibmittels wird durch
die beabstandeten Messblenden im Zeitsteuerbauteil, die den Strom
der Aufblasgase beim Befüllen
des aufblasbaren Gegenstands regeln, ein gleichmäßiges Befüllen eines länglichen
aufblasbaren Gegenstands erzielt. Das Treibmittel hat eine Zusammensetzung,
die ausreichend oxidiert ist, um das Vorhandensein toxischer Gase
nach Abschluss der Verbrennung zu vermeiden. Ein derartiges Treibmittel
enthält
vorzugsweise fasrige Zellulose oder einen oder mehrere Porosität bildende
Bestandteile sowie ein Dispergens. Die fasrige Zellulose ist insofern
günstig,
als sie ein starres aber poröses
Treibmittel bereitstellt, das sich gut extrudieren lässt, während das
Dispergens dahingehend vorteilhaft ist, dass es unerwünschtes
Verklumpen und eine schlechte Mischung der Treibmittelzusammensetzung
verhindert. Eine solche Porosität
ist äußerst günstig, wenn
das Treibmittel Ammoniumnitrat enthält.
-
Weitere Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung vor allem in Zusammenhang
mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht, die den Gasgenerator der vorliegenden
Erfindung schematisch in einem aufblasbaren Gegenstand oder Airbag
darstellt;
-
2 ist
ein schematischer Längsschnitt
des Gasgenerators;
-
3 ist
ein schematischer Längsschnitt
des Gasgenerators mit aufgebrochenen Abschnitten und ohne das Zeitsteuerbauteil;
-
4 zeigt
eine Schnittansicht eines Behälterbauteils
und das Treibmittel des Gasgenerators;
-
5 zeigt
Membranen mit Wärme
absorbierenden Oberflächen,
die an der Innenwand des Zeitsteuerbauteils angebracht sind;
-
6A–6D sind Schnittansichten
des Gasgenerators, die die Strömung
der Aufblasgase zu einem aufblasbaren Gegenstand bei aktiviertem
Treibmittel schematisch zeigen;
-
7 ist
die schematische Darstellung einer Anwendung des Gasgenerators als
Vorhang-Gasgenerator in einer Seitenansicht eines Fahrzeugabschnitts;
und
-
8 zeigt
den Vorhang-Gasgenerator aus 7 in
einer Vorderansicht.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Die vorliegende Erfindung wird im
Zusammenhang mit Ausführungsformen
von Gasgeneratoren zur Verwendung in einem Fahrzeug näher beschrieben,
obwohl die Merkmale und Funktionen der Gaserzeugungsvorrichtung
auch für
andere Anwendungen geeignet sind. In 1 ist
ein Gasgenerator 20 zur Verwendung mit einem aufblasbaren
Gegenstand oder Airbag 24 schematisch dargestellt. Bei
einer Ausführungsform enthält der Gasgenerator 20 ein
längliches
Treibmittel 28. Nach der Zündung verbrennt das Treibmittel 28 und erzeugt
Verbrennungsprodukte einschließlich
Aufblasgasen, die zum Aufblasen des Airbags 24 dienen.
Der Gasgenerator 20 und der Airbag 24 befinden
sich im Innern eines Fahrzeugs. Der aufgeblasene Airbag 24 ist zum
Schutz des Fahrzeuginsassen gegen schwere Verletzungen nützlich.
-
Die Treibmittelzusammensetzung kann
eine Reihe verschiedener Materialien umfassen, vorausgesetzt, mit
einer solchen Zusammensetzung lässt
sich eine Reihe Aufgaben lösen.
Dazu zählt
die Erzeugung einer ausreichenden Aufblasgas-Ausbeute zur Druckbeaufschlagung
des aufblasbaren Gegenstands 24; eine nach der Zündung des
Treibmittels resultierende Temperatur innerhalb eines zulässigen Bereichs
(die resultierende Temperatur darf nicht zu hoch sein); und die
Verbrennungsprodukte nach der Aktivierung des Treibmittels müssen stöchiometrisch
ausgewogen sein, d. h. diese Verbrennungsprodukte dürfen keine
unzulässigen
Mengen Kohlenmonoxid (CO) enthalten (sie müssen ausreichend oxidiert sein).
Diesbezüglich
braucht es sich bei der Treibmittelzusammensetzung nicht um eine
solche zu handeln, deren Produkt nach der Aktivierung "rauchlos" ist. Bei einer Ausführungsform,
die später
beschrieben wird, betrifft eine weitere Aufgabe der Treibmittelzusammensetzung
die Fähigkeit,
die Zündung über ein
relativ langes Behälterbauteil
oder ein Druckrohr fortzupflanzen, das das Treibmittel umgibt.
-
Was die Zusammensetzung des Treibmittels 28 betrifft,
ist sie dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines rein
pyrotechnischen Gasgenerators ist. Unter einem rein pyrotechnischen
Gasgenerator ist ein solcher zu verstehen, bei dem im Wesentlichen
die Gesamtheit aller vom Gasgenerator bereitgestellten Gase Treibgase
sind, die vom Gas erzeugenden Fest-Treibmittel 28 erzeugt
werden. Ein rein pyrotechnischer Gasgenerator braucht kein Druckgas
oder -medium zu speichern, und der Gasgenerator ist frei von Druckgas
bzw. hat keines gespeichert. Vorzugsweise hat das Treibmittel 28 eine
Zusammensetzung, die im Wesentlichen frei von Metallen ist, so dass
die Treibgase im Wesentlichen oder vollständig frei von Metall enthalten den
Partikeln und/oder kondensierbaren Materialen sind, wodurch die
Notwendigkeit für
einen Filter zum Entfernen solcher Partikel und/oder kondensierbarer
Materialien entfällt.
Ferner ist das Treibmittel 28 in einer bevorzugten Ausführungsform
im Wesentlichen frei von Halogen enthaltenden Materialien, so dass
die Treibgase im Wesentlichen oder vollständig frei sind von Halogen
enthaltenden Bestandteilen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Zusammensetzung des Treibmittels mindestens ein brennstoffreiches
Material, ein Oxidansmaterial und ein Porosität erzeugenden Material mit
einem oder mehreren Bestandteilen, die außerdem ein Bindersystem des
Treibmittels bilden. Unter brennstoffreichem Material ist ein Material
zu verstehen, dessen Molekularstruktur Sauerstoff, wenn überhaupt,
in einer solchen Menge enthält,
die geringer ist als die stöchiometrische
Sauerstoffmenge, die während
einer sich selbst unterhaltenden Verbrennung erforderlich wäre, den
gesamten sich eventuell im brennstoffreichen Material befindenden
Wasserstoff zu Wasser und den gesamten sich eventuell im brennstoffreichen
Material befindenden Kohlenstoff zu Kohlendioxid umzusetzen. Würde das
brennstoffreiche Material allein verbrannt, würde es gasförmige Zersetzungsprodukte einschließlich einer
erheblichen Menge Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff erzeugen, die
beide zum Aufblasen eines aufblasbaren Gegenstands oder eines Airbags
im Innern eines Fahrzeugs unerwünscht
sind. Bei einer Ausführungsform
enthält
das brennstoffreiche Material einen Primärbestandteil, der gewichtsmäßig den
Hauptanteil des brennstoffreichen Materials darstellt. Bei einer
Ausführungsform
ist der Primärbestandteil
des brennstoffreichen Materials ein Treibmittel des Typs für Handfeuerwaffen. Treibmittel
des Typs für
Handfeuerwaffen wie hierin verwendet stellen sekundäre Explosivstoffe
dar und sind brennstoffreiche Hochtemperatur-Bestandteile wie ein-,
zwei- oder dreibasige Treibmittel und Nitramin-Treibmittel wie LOVA
(low vulnerability ammunition – Munition
mit geringer Durchschlagskraft) und HELOVA (high energy, low vulnerability
ammunition – hochenergetische
Munition mit geringer Durchschlagskraft). Derartige Treibmittel
des Typs für
Handfeuerwaffen haben eine Verbrennungstemperatur im Bereich von
ca. 2500 K bis ca. 3800 K und typischerweise über ca. 3000 K. Beispiele geeigneter
Treibmittel des Typs für
Handfeuerwaffen sind u. a. Treibmittel auf Nitraminbasis, deren
Hauptbestandteile RDX (auch als Hexahydrotrinitrotriazin oder Cyclotrimethylentrinitramin
bekannt) oder HMX (auch als Cyclotetramethylentetranitramin bekannt)
sind. PETN (auch als Pentaerythritoltetranitrat bekannt) und TAGN
(auch als Triaminoguanadinnitrat bekannt) könnten ebenfalls als Hauptbestandteile
von Treibmitteln des Typs für
Handfeuerwaffen dienen. Andere geeignete Treibmittel des Typs für Handfeuerwaffen
sind solche, die Bestandteile auf Tetrazolbasis und Triazolbasis
enthalten, insbesondere 5-Aminotetrazol. Ein anderes akzeptables
brennstoff reiches Material ist Nitroguanidin, bei dem es sich um
den bevorzugten Primärbestandteil
des brennstoffreichen Materials für Gasgeneratoren handelt, deren
Länge in
etwa ihrer Breite entspricht. Es wird deshalb bevorzugt, weil Nitroguanidin
einen charakteristischen Exponenten (n) der Verbrennungsrate hat,
der kleiner als 1 ist, im Gegensatz zu brennstoffreichen Materialien
mit einem charakteristischen Exponenten der Verbrennungsrate von
ca. 1, z. B. RDX oder HMX. Bei brennstoffreichen Materialien mit
einem Exponenten von ca. 1 ist es wesentlich schwieriger, die Verbrennungsstabilität zu kontrollieren.
Für Gasgeneratoren,
deren Länge
etwa dem Fünffachen
ihrer Breite entspricht, werden dagegen brennstoffreiche Materialien
mit n gleich oder im Wesentlichen gleich 1 (z. B. RDX und HMX) bevorzugt,
um die Verbrennung aufrechtzuerhalten. Unabhängig davon, welches brennstoffreiche Material
verwendet wird, beträgt
der Gewichtsanteil des sekundären
Explosivstoffs des Treibmittels 28 vorzugsweise mindestens
5% und vorzugsweise nicht mehr als ca. 30% des Treibmittels 28.
-
Das Oxidansmaterial ist vorzugsweise
eine Nitratverbindung, die frei ist von Metall enthaltenden Bestandteilen,
so dass die bei Verbrennung des Treibmittels 28 erzeugten
Treibgase im Wesentlichen oder vollständig frei sind von Metall enthaltenden
Partikeln und/oder kondensierbaren Materialien. Das Oxidansmaterial
stellt Sauerstoff zum Oxidieren der Zerfallprodukte des brennstoffreichen
Materials bereit, so dass zumindest ein Teil des Wasserstoffs und/oder
Kohlenmonoxids, die bei der Verbrennungsreaktion des brennstoffreichen
Materials erzeugt worden sind, zu Wasser bzw. Kohlendioxid oxidiert
wird. Das Oxidansmaterial des Treibmittels 28 ist definitionsgemäß ein Material,
das in der Lage ist, Sauerstoff zu liefern, um die endgültige Ausbeute
des Kohlendioxids und/oder Wassers aus den Verbrennungsprodukten
des brennstoffreichen Materials zu erhöhen und dadurch die endgültige Ausbeute
von Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff aus der Verbrennung des brennstoffreichend
Materials zu verringern. Noch günstiger
ist es, wenn das Oxidansmaterial nur Elemente enthält, die
aus der Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden
Gruppe gewählt werden
und am besten, wenn das Oxidansmaterial nur die Elemente Stickstoff,
Sauerstoff und Wasserstoff enthält.
Beispiele für
bevorzugte Materialien zur Verwendung als Oxidans sind u. a. Sauerstoff
enthaltende Ammoniumsalze wie Ammoniumnitrat und Ammoniumdinitramide.
Ammoniumnitrat ist das besonders bevorzugte Oxidans. Der Gewichtsanteil
des Oxidans im Treibmittel liegt im Bereich von ca. 50% bis 90%.
-
Das ein Bindersystem enthaltende,
Porosität
erzeugende Material des Treibmittels 28 dient zum Ausgleichen
der Phasenänderung,
der das Oxidans wie Ammoniumnitrat bei Temperaturänderungen,
wie z. B. zahlreichen Temperaturzyklen von weniger als –30°C bis über 80°C, beispielsweise
in 15 oder mehr solcher Zyklen, unterworfen ist. Ammoniumnitrat
unterliegt einer kristallinen Phasenänderung sowie einer Volumenänderung
im Zuge der Phasenänderung
unter normalen Lagerungsbedingungen. Das Porosität erzeugende Material ergibt
eine poröse
Treibmittelzusammensetzung, wenn es mit anderen Materialien des
Treibmittels 28 gemischt oder auf andere Weise kombiniert
wird, so dass das Porenvolumen des resultierenden Treibmittels 28 mindestens
ca. 5% und vorzugsweise zwischen ca. 15% und 40% (ca. 85% der theoretischen
Dichte) beträgt.
Das Porosität
erzeugende Material enthält
vorzugsweise natürlich
vorkommende fasrige Zellulose. Fasrige Zellulose ist ein allgemein
verfügbares
Material, etwa aus Zellstoffpappe oder Holzschliff, der typischerweise
in der Papierherstellung verwendet wird. Die fasrige Zellulose besteht
aus einer Vielzahl fasriger Zelluloseteile oder -fasern. Jedes der
Teile hat eine Länge
und eine Breite und die Längen
der fasrigen Zelluloseteile sind mindestens fünf mal so groß wie ihre
Breiten. Diesbezüglich
liegen die Breiten der fasrigen Zelluloseteile im Bereich von ca.
2,5 μm bis
25 μm und
ihre Längen
im Bereich von ca. 1000 μm
bis 10.000 μm.
Die fasrigen Zelluloseteile sind außerdem verschieden von nicht
fasrigem Zellulosematerial wie Nitrozellulose, Zelluloseacetat und
Zelluloseacetatbutyrat. Folglich ist fasrige Zellulose oder jedes
fasrige Zellulosematerial Bestandteil der Gruppe, die als ein Porosität erzeugendes
Material akzeptabel ist, während
nicht fasrige Zellulosematerialien von der Aufnahme in diese Gruppe
akzeptabler Porosität
erzeugender Materialien ausgeschlossen sind.
-
Das Bindersystem des Porosität erzeugenden
Materials enthält
vorzugsweise Hydroxypropylzellulose (HPC), obwohl auch andere bekannte
oder herkömmliche
Binderprodukte verwendet werden könnten. HPC trägt dazu
bei, die festen Bestandteile der Treibmittelzusammensetzung in Suspension
zu halten sowie die geeignete Rheologie für die Extrusion bereitzustellen.
Andere Bestandteile des Bindersystems sind die fasrige Zellulose
und ein Dispergens.
-
Abgesehen davon, dass das Dispergens
Bestandteil des Bindersystems ist, ist es in der Treibmittelzusammensetzung
enthalten und wirkt zusammen mit dem HPC (oder einem anderen geeigneten
Bestandteil) zusammen, um ein unerwünschtes zusammenballen oder
Verklumpen der fasrigen Zellulose während des Mischprozesses mit
anderen Materialien des Treibmittels 28 zu verhindern.
Es wurde nämlich
beobachtet bzw. festgestellt, dass beim Mischen der Materialien
zur Bildung des Treibmittels 28 ein unerwünschtes
Verklumpen oder Ansammeln der fasrigen Zellulose zu "Kugeln" auftritt. Ein derartiges
Verklumpen ist für
das Bereitstellen einer gleichmäßigen Treibmittelzusammensetzung
inakzeptabel. Es ist bekannt, beim Mischen der Treibmittelmaterialien
eine relativ große
Menge einer Trägerflüssigkeit,
etwa eines Lösungsmittels
(z. B. auf Alkoholbasis) zu verwenden. Vor dem Extrudieren oder
dem Abschluss der Formung des Treibmittels oder der Treibmittelteile
ist es jedoch erforderlich, die Trägerflüssigkeit zu entfernen oder
zu verdampfen. Dies erhöht
den Kosten- und Zeitaufwand im Zusammenhang mit dem Herstellungsprozess
des Treibmittels erheblich. Um diese kostenintensiven Schritte zu
beseitigen oder deutlich zu verringern und dennoch inakzeptables
Verklumpen der fasrigen Zellulose zu vermeiden, ist ein Dispergens
gefunden worden, das die fasrige Zellulose verteilt oder anderweitig
verhindert, dass die fasrige Zellulose während des Mischprozesses verklumpt.
Obwohl keine bestimmte Theorie aufgestellt werden soll, wird angenommen,
dass das Dispergens gewissermaßen
mechanisch wirkt, um die fasrigen Zellulosepartikel oder -teile
zu trennen oder getrennt zu halten. Die Größen der Dispergensteile sind
wesentlich kleiner als die der fasrigen Zelluloseteile. Vorzugsweise
sind die Breiten oder Durchmesser der fasrigen Zelluloseteile mindestens
fünf mal
größer als
die Breiten oder Durchmesser der Dispergensteile. Bei einer Ausführungsform
liegen die Breiten der Dispergensteile im Bereich von ca. 0,05 bis
0,5 μm. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Dispergens ein Produkt mit dem Namen Cellulon®.
-
Ein weiterer bevorzugter Bestandteil
des Porosität
erzeugenden Materials ist ein viskoser flüssiger Träger, der eine Lösung aus
einem Kunststoffpolymer und einem Lösungsmittel enthält, z. B.
eine Lösung
aus etwa 10–30
Gew.-% HPC und etwa 90–-70 Gew.-% Alkohol
oder Alkohol-Wasserazeotrop. Der flüssige Träger erleichtert die Vermischung
der ersten und zweiten Bestandteile zu einem teigartigen Gemisch.
Dies stellt die geeignete Rheologie für das Extrudieren des Treibmittels
bereit.
-
Wahlweise enthält die Porosität erzeugende
Zusammensetzung auch sehr kleine Mengen eines Farbstoffs. Wird ein
solcher Farbstoff hinzugefügt,
hat er die Funktion, Treibmittelkonfigurationen oder -chargen unterscheidbar
zu machen.
-
Bei der Herstellung des Treibmittels 28 werden
das brennstoffreiche Material, das Oxidans und die Porosität erzeugende
Zusammensetzung einschließlich
Bindersystem miteinander in einem herkömmlichen und bekannten Prozess
gemischt. Anschließend
an das Mischen wird das Treibmittel 28 oder werden Treibmittelteile
extrudiert. Das geformte Treibmittel ist eine gleichmäßige oder
homogene Mischung oder Kombination der darin enthaltenen Materialien.
Nach der Extrusion hat jedes Treibmittelteil über seine gesamte Länge eine gleichmäßige Zusammensetzung,
wobei die fasrigen Zelluloseteile oder -fasern im Wesentlichen die
Größe beibehalten,
die sie vor dem Mischen mit den anderen Bestandteilen des Treibmittels
hatten. Insbesondere ist die Mischung der enthaltenen Materialien über den
gesamten Querschnitt jedes beliebigen Querschnitts eines Treibmittelteils
oder des Treibmittels 28 im Wesentlichen gleichmäßig. So
hat beispielsweise in jedem beliebig gewählten Querschnitt entlang der
Länge des
Treibmittels 28 jeder mindestens 1000 μm große Abschnitt jedes beliebig
gewählten
Querschnitts die gleiche homogene Zusammensetzung wie ein anderer
mindestens 1000 μm
große
Abschnitt des gleichen gewählten
Querschnitts. Eine derartige gleichmäßige Mischung oder Zusammensetzung
findet sich in jedem 100 μm-Abschnitt
des gleichen gewählten
Querschnitts des Treibmittels 28.
-
Beispiele
-
Beispiel 1
-
Eine Gas erzeugende Feststoff-Treibmittelzusammensetzung
besteht aus den folgenden Materialien oder Bestandteilen in Gewichtsprozent:
-
-
Die Bestandteile oder Materialien
eines solchen Treibmittels werden mit einem Lösungsmittel aus 90% n-Propylalkohol
und 10% Wasser gemischt. Das Lösungsmittel
macht etwa 18% des Gewichts der Mischung aus. Aus dieser das Lösungsmittel
und Wasser enthaltenden Mischung können das Treibmittel oder die
Treibmittelteile extrudiert werden. Das extrudierte Treibmittel
ist halbstarr aber porös,
wobei das Porenvolumen mindestens ca. 15 Vol.-% und vorzugsweise
ca. 40% beträgt.
Diese Eigenschaft des Treibmittels kompensiert die Wärmedehnung
aufgrund der kristallinen Phasenänderungen
des Ammoniumnitrats, ohne dass dies zu Lasten der gewünschten
Steifigkeit geht. Das Bindersystem des Treibmittels enthält Zellulose,
HPC und das Cellulon®-Produkt. HPC ist ein
alkohollösliches
Polymer und stellt die gewünschte
Viskosität
der Treibmittelzusammensetzung beim Extrudieren der gewünschten
Treibmittelteile bereit.
-
Beispiel 2
-
Wie im Beispiel 1 enthält die Treibmittelzusammensetzung 28 RDX
als das brennstoffreiche Material. Die Materialien oder Bestandteile
bei diesem Beispiel sind in Gewichtsprozent wie folgt:
-
-
Das Treibmittel von Beispiel 2 erfüllt die
Anforderungen hinsichtlich der thermischen Stabilität und der Temperaturwechselprüfungen wie
das Treibmittel von Beispiel 1. Insbesondere bleibt jede dieser
beiden Treibmittelzusammensetzungen im Gasgenerator, mit dem sie
verwendet werden, nach 400 Stunden bei einer Temperatur von 107°C funktionsfähig. Funktionsfähigkeit
bedeutet, dass das Treibmittel zündet,
wenn es nach diesen Zeit- und Temperaturbedingungen ein entsprechendes
Signal erhält.
Hinsichtlich der Temperaturwechselprüfungen bleibt das Treibmittel
funktionsfähig,
wenn es einer Reihe Temperaturwechselzyklen zwischen Temperaturen über 80°C und unter –30°C unterworfen
worden ist.
-
Beispiel 3
-
Das Treibmittel 28 dieses
Beispiels ist dadurch gekennzeichnet, dass das RDX als das brennstoffreiche
Material durch eines oder mehrere sekundäre Explosivstoffe ersetzt worden
ist, und in diesem Fall durch Nitroguanidin.
-
-
Außer Nitroguanidin als Ersatz
für das
RDX könnten
die sekundären
Explosivstoffe HMX, PETN oder dgl. verwendet werden. HPC könnte durch
andere organische Bindemittel wie andere Zelluloseester, Vinylacetat
und/oder Polyvinylalkohol, Acrylpolymere und dgl. ersetzt werden.
-
Beispiel 4
-
Ein anderes Treibmittel 28,
das 1-Nitroguanidin als den Primärbestandteil
des brennstoffreichen Materials enthält, besteht aus den folgenden
Materialien oder Bestandteilen:
-
-
Ebenso wie die Treibmittelzusammensetzungen
der Beispiele 1 und 2 genügen
die Treibmittel der Beispiele 3 und 4 den Anforderungen der Prüfung auf
thermische Stabilität.
Es sei auch darauf hingewiesen, dass jede der Treibmittelzusammensetzungen
der Beispiele 1 bis 4 in verschiedenen und unterschiedlich konfigurierten
rein pyrotechnischen Gasgeneratoren verwendet werden kann. Diesbezüglich können solche
Treibmittelzusammensetzungen in bekannten oder herkömmlichen
pyrotechnischen Gasgeneratoren sowie in den neuen pyrotechnischen
Gasgeneratorausführungen
verwendet werden, die hierin später
offenbart werden. Obwohl Polyacrylat in diesem Beispiel als Bindemittel
dient, könnten
auch andere herkömmliche
oder bekannte Bindemittel wie Polyurethan und HTPB verwendet werden.
-
Bei einer Ausführungsform einer Treibmittelzusammensetzung
wird kein Bindersystem zum Binden eines ersten Material, das einen
brennstoffreichen Bestandteil als die Primärkomponente (gewichtsmäßig der Hauptanteil)
und eines zweiten Materials, das ein Oxidans als die primäre Komponente
(gewichtsmäßig der Hauptanteil)
enthält.
Diese Ausführungsform
ist nicht anwendbar und nicht dazu gedacht, mit den hierin später beschriebenen
Ausführungsformen
des Gasgenerators verwendet zu werden, insbesondere nicht mit denen, die
ein Behälterbauteil
haben. Das erste Material hat vorzugsweise die Form von Treibmittelkörnern und
das zweite Material hat vorzugs weise die Form von Oxidanspartikeln
wie Granulat. Bei dieser Ausführungsform werden
die Treibmittelkörner
mit den Oxidanspartikeln ohne Bindemittel wie das Polymerbindemittel
(z. B. HPC), fasrige Zellulose und/oder Dispergens für ihren
Zusammenhalt gemischt. Es kann jedoch ein Bindemittel zum Formen
der Treibmittelkörner
selbst verwendet werden, die typischerweise mehr als den brennstoffreichen
Bestandteil enthalten. Bei dieser Ausführungsform sind die Treibmittelkörner und
die Oxidanspartikel voneinander getrennt, aber nebeneinander im
Gasgeneratorgehäuse
untergebracht. Die Treibmittelkörner
und die Oxidanspartikel werden zusammengebracht oder locker miteinander
gemischt, wenn sie in das Gasgeneratorgehäuse eingebracht werden. Für jedes
der Treibmittelkörner
kann eine Außenoberfläche definiert
werden und für
sämtliche
Treibmittelkörner
im Gasgeneratorgehäuse
kann eine Gesamt-Außenoberfläche definiert
werden. Analog kann für
jedes der Oxidanspartikel eine Außenoberfläche definiert werden und für sämtliche
Oxidanspartikel im Gasgeneratorgehäuse kann eine Gesamt-Außenoberfläche definiert
werden. Die Gesamtheit oder im Wesentlichen die Gesamtheit der Gesamt-Außenoberfläche der
Treibmittelkörner
ist der Gesamtheit oder im Wesentlichen der Gesamtheit der Gesamt-Außenoberfläche der
Oxidanspartikel ausgesetzt. Während
sich die Treibmittelkörner
und die Oxidanspartikel im Gasgeneratorgehäuse, wo sie miteinander gemischt
werden, befinden, werden zwischen den Treibmittelkörnern und
den Oxidanspartikeln Räume
begrenzt, die frei sind von jeglichem Bindemittel oder Material.
Die Treibmittelkörner
und Oxidanspartikel werden also im Gasgeneratorgehäuse unabhängig von
Bindemitteln gehalten. Bei einer Ausführungsform, in der es günstig oder
erforderlich ist, sicherzustellen, dass die Treibmittelkörner und
die Oxidanspartikel im Gasgeneratorgehäuse relativ zueinander in gewünschten
Positionen gehalten werden, wird auf das Gemisch aus Treibmittelkörnern und
die Oxidanspartikeln eine Kraft oder ein Druck aufgebracht. Eine
solche aufgebrachte Kraft reicht aus, Schwingungen während des
Transports standzuhalten und ein mögliches Klappern zu vermeiden.
Ein mechanisches Element wie ein federähnliches Element oder eine
andere Einrichtung kann zur Aufrechterhaltung der gewünschten
relativen Positionen der Treibmittelkörner und Oxidanspartikel im
Gasgeneratorgehäuse
verwendet werden. Bei einer Ausführungsform
insbesondere für
einen fahrerseitigen Gasgenerator befindet sich das Kraftbeaufschlagungselement
am Ende des mit einer Initiatoreinheit ausgeführten Gasgeneratorgehäuses, und
das Gemisch aus Treibmittelkörnern
und Oxidanspartikeln befindet sich von diesem Kraftbeaufschlagungselement
aus gesehen einwärts.
Das Kraftbeaufschlagungselement kann eine Reihe Ausführungsformen
haben und kann beispielsweise eine Feder, ein Schaumelement und/oder
ein Fasermaterial sein. Bei einer solchen Ausführungsform ergibt sich der
gesamte Kontakt zwischen den Treibmittelkörnern und den Oxidanspartikeln
zwischen den freiliegenden Außenoberflächen der
Vielzahl Oxidanspartikel und der Vielzahl Treibmittelkörner.
-
Was die Bestandteile der Treibmittelkörner und
Oxidanspartikel angeht, können
sie die gleichen wie zuvor in Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen
beschrieben sein, mit der Ausnahme, dass es kein Bindersystem zum
Binden der Treibmittelkörner
und Oxidanspartikel gibt.
-
Andere Beispiele dieser Ausführungsform
werden nachstehend gegeben.
-
Beispiel 5
-
Bei diesem Beispiel enthält die Treibmittelzusammensetzung
Folgendes:
-
-
Der primäre brennstoffreiche Bestandteil
ist Nitroguanidin. Das Strontiumnitrat wird zur Unterstützung der
gewünschten
Verbrennung der Treibmittelkörner
hinzugefügt.
Das Acrylatbindemittel ist für
die Ausformung der extrudierten Treibmittelkörner und für die Bindung der Bestandteile
der Treibmittelkörner
nützlich. Bei
der Durchführung
eines Standard-Explosionstests mit Entlüftung funktionierte die Treibmittelzusammensetzung
aus Beispiel 5 einwandfrei und vergleichbar mit bekannten Treibmittelzusammensetzungen,
die für Fahrzeug-Gasgeneratoren
verwendet werden.
-
Beispiel 6
-
Dieses Beispiel ist vergleichbar
mit Beispiel 5, wobei die Treibmittelzusammensetzung Folgendes enthält:
-
-
Die Treibmittelzusammensetzung dieses
Beispiels wurde einem Explosionstest ohne Entlüftung mit einer lockeren Mischung
der Treibmittelkörner
und das Ammoniumnitratgranulats unterzogen. Ähnlich wie bei den Ergebnissen
der Prüfung
in Zusammenhang mit Beispiel 5 funktionierte die Treibmittelzusammensetzung dieses
Beispiels einwandfrei und vergleichbar mit bekannten Treibmittelzusammensetzungen
bei entsprechenden Prüfungen.
Obwohl Beispiele 5 und 6 ohne Bindersystem zur Bindung der Treibmittelkörner und Oxidanspartikel
beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese beiden Beispiele
ein Bindersystem enthalten könnten
wie das in Beispielen 1 bis 4 offenbarte.
-
Wie aus 2 bis 4 sowie 1 ersichtlich ist, enthält der Gasgenerator 20 eine
Initiator- oder Aktivierungseinheit 32 zum Zünden des
Treibmittels 28. Die Zündeinheit 32 kann
jedes aus einer Reihe hinreichend bekannter Geräte sein, wie das im U.S.-Patent Nr. 5,404,263,
erteilt am 4. April 1995, mit dem Titel "All-Glass Header Assembly Used in an
Inflator System" beschriebene,
das demselben Inhaber übertragen wurde
wie die vorliegende Erfindung. Kurz zusammengefasst enthält die Zündeineinheit 32 einen
ersten leitfähigen
Stift 36 und einen zweiten leitfähigen Stift 40, wobei
der erste leitfähige
Stift vorzugsweise koaxial mit dem Hauptgehäuse oder Körper der Zündeinheit 32 verläuft. Wird
ein Auslöse-
oder Steuersignal an den ersten leitfähigen Stift 36 gelegt,
wird die Zündeinheit
angesteuert, um das Treibmittel 28 zu zünden. Ein derartiges Steuersignal
entspricht dem Eintritt eines vorbestimmten Ereignisses in Zusammenhang
mit einem Fahrzeugaufprall oder -zusammenstoß, das eine Aktivierung des
Gasgenerators 20 auslöst.
-
Das Treibmittel 28 befindet
sich in unmittelbarer Nähe
der Zündeinheit 32,
so dass ein Zünden
derselben in der Zündung
des Treibmittels 28 und in der Erzeugung von Verbrennungsprodukten
einschließlich
der Aufblasgase resultiert. Das Treibmittel 28 und die
Zündeinheit 32 sind
relativ zueinander geeignet angeordnet und werden mittels eines
Gehäuses 48,
das Hauptabschnitte der Zündeinheit 32 und
zumindest Ab schnitte des Treibmittels 28 neben der Zündeinheit 32 umgibt,
in ihrer Lage gehalten. Bei einer Ausführungsform enthält das Behälterbauteil 52 eine
Metallhülse,
die um das Behälterbauteil 52 gekrimpt
ist.
-
Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, enthält der Gasgenerator 20 ein
Behälterbauteil
oder Druckrohr 52, das mindestens eine Schicht aufweist.
Das Behälterbauteil 52 hat
eine Reihe beabstandeter Löcher 56 (6B bis 6D). Diese Löcher 56 sind vorzugsweise
abstandsgleich über
die Länge
des Behälterbauteils
angeordnet, wobei diese Länge
der Länge
des länglichen
Treibmittels 28 entspricht. Was die Bildung der Löcher 56 betrifft,
so entstehen diese vorzugsweise durch geschwächte Bereiche oder die Löcher 56 abdeckende
Dichtungen im Behälterbauteil,
die sich öffnen
bzw. entfernt werden, wenn das Treibmittel 28 verbrennt und
sich ein vorgegebener Innendruck aufgebaut hat, der ausreicht, die
Dichtungen zu zerreißen
oder zu öffnen.
Bei einer anderen Ausführungsform
sind die beabstandeten Löcher 56 vorgeformt
oder vor der Verbrennung des Treibmittels bereits vorhanden. Das
Behälterbauteil 52 besteht
aus einem Material hoher Festigkeit, das gegenüber Reißen oder Brechen, vor allem
bei Zündung
des Treibmittels 28, sehr widerstandsfähig ist. Das heißt, dass
das Behälterbauteil 52 nicht
in Partikel oder Teile zerbricht, wenn das Treibmittel 28 gezündet wird.
Das Behälterbauteil 52 kann
dynamischen Drücken
von ca. 3000 psi und darüber
standhalten. Die Löcher 56 gestatten
das Entweichen der Verbrennungsprodukte einschließlich der
Aufblasgase, ohne dass das Behälterbauteil 52 fragmentiert
wird oder zerbricht, wie später
in Zusammenhang mit der Beschreibung der Erzeugung der "Verbrennungswelle" bei der Zündung des
länglichen
Treibmittels 28 erläutert
wird. Das Behälterbauteil 52 besteht
vorzugsweise aus einem Material, das die Aufweitung der Löcher 56 gestattet,
wobei zumindest die Aussenschicht des Behälterbauteils 52 eine
extrudierte Kunststoffhülle
ist. In einem solchen Fall haben die Löcher 56 einen nicht
aufgeweiteten und einen aufgeweiteten Zustand bzw. Größe. Wird
der Gasgenerator 24 aktiviert und das Treibmittel 28 gezündet, nimmt
die Größe der Löcher 56 um
mindestens 10% der Fläche
gegenüber
dem nicht aufgeweiteten Zustand zu. Vorzugsweise beträgt eine
solche Größenzunahme
zwischen 50% und 400% gegenüber
der Fläche
der Löcher 56 im
nicht aufgeweiteten Zustand vor der Aktivierung des Gasgenerators 20.
-
Wie weiter aus 4 ersichtlich ist, weist das Behälterbauteil 52 bei
einer Ausführungsform
drei Schichten umfassend eine Außenschicht 60, eine
Zwischenschicht 64 und eine Innenschicht 68 auf.
Die Außen-
und Innenschicht 60, 68 können beide extrudierte Kunststoffhüllen sein
und die Zwischenschicht 64 kann eine geflochtene verstärkte Schicht
aus Polyester, Aramid, Gasfaser oder dgl. sein, um den erhebli chen
Drücken
standzuhalten, die nach der Aktivierung des Treibmittels 28 durch
die Verbrennungsprodukte entstehen.
-
Die Innenschicht 68 des
Behälterbauteils 52 hat
eine Innenwand 72, die an das Treibmittel 28 angrenzt.
Genauer gesagt, wird ein Spalt mit einer Spaltfläche zwischen der Innenwand 72 und
einer Außenoberfläche 80 des
Treibmittels 28 begrenzt. Bei einer Ausführungsform
beträgt
der Raum oder Abstand zwischen der Innenwand 72 und der
Außenoberfläche 80 des
Treibmittels 28 weniger als 1 cm bei zumindest dem Großteil der
Außenoberfläche 80 des
Treibmittels 28. Die vom Spalt 76 begrenzte Spaltfläche ist
für die
Erzeugung einer gewünschten
Verbrennungswelle nützlich,
wie später
beschrieben wird. Wie in 4 dargestellt kann
der Spalt 76 aus einer Reihe offener Bereiche gebildet
sein, wobei Rippen 84 des extrudierten Treibmittels 28 solche
offenen Bereiche des Spalts voneinander trennen. Bei einer Ausführungsform
hat das Treibmittel 28 außer dem Spalt 76 eine
mittlere Bohrung 88, die koaxial zur Mittellängsachse
des Treibmittels 28 verläuft. Die mittlere Bohrung 88 ist
ebenfalls für
die Ausbreitung der bei Zündung
des Treibmittels 28 entstehenden Verbrennungswelle nützlich.
-
In 4 ist
das Treibmittel 28 als ein einziger länglicher Treibmittelkörper dargestellt.
Das Treibmittel 28 kann jedoch auch aus zwei oder mehr
Strängen
und Teilen des Treibmittels 28 bestehen. Es ist erforderlich, dass
jedes längliche
Treibmittel 28 einem vorgeschriebenen Verhältnis von
Länge zu
Durchmesser (L/D) entspricht. Jedes Treibmittel 28 muss
ein L/D-Verhältnis
von mindestens ca. 10 und vorzugsweise von mindestens ca. 100 haben,
um eine gewünschte
Verbrennungswelle bereitstellen zu können. Wie zu erkennen ist,
hat ein derartiges längliches
Treibmittel eine lineare Konfiguration und könnte aus einer Reihe Treibmittelteile
bestehen, die zusammen linear angeordnet sind.
-
Die hierin behandelte Verbrennungswelle
steht in Zusammenhang mit der im Wesentlichen linearen Zündung des
länglichen
Treibmittels, die an seiner Außenoberfläche 80 beginnt
und sich von einem ersten Ende des länglichen Treibmittels neben
der Zündeinheit 32 aus
zum zweiten oder gegenüberliegenden
Ende des Treibmittels 28 fortpflanzt. Die Ausbreitung dieser
Verbrennungswelle muss eine Mindestausbreitungsgeschwindigkeit haben,
nämliche
eine Verbrennung von 100 Metern Treibmittel pro Sekunde und vorzugsweise von
ca. 50 m/s. Bei einer niedrigeren Ausbreitungsgeschwindigkeit als
diese Mindestgeschwindigkeit wird das Treibmittel 28 nicht
einwandfrei gezündet,
und die Druckbeaufschlagung des aufblasbaren Gegenstands 24 mit
Aufblasgasen erfolgt mit unzureichender Leistung. Die Ausbreitung
der Verbren nungswelle wird von einer Reihe Faktoren einschließlich der
Größe der mittleren
Bohrung 88 und der Größe des Spalts 76 beeinflusst. Vor
allem die Kombination der Größen des
Spalts 76 und der mittleren Bohrung 88 muss relativ
zur Querschnittsfläche
des Behälterbauteils 52 (dessen
Innendurchmesser) innerhalb bestimmter Bereiche liegen. Vorzugsweise
beträgt
das Verhältnis
der Querschnittsfläche
des Treibmittels zur Querschnittsfläche des Innendurchmessers des
Behälterbauteils
zwischen 0,10 und 0,60, um die gewünschte Ausbreitung der Verbrennungswelle
zu erzielen. Das heißt,
oberhalb und unterhalb dieses Bereichs kann es vorkommen, dass sporadisch
keine vollständige
Ausbreitung über
die Länge
des Treibmittels 28 stattfindet.
-
Obwohl nur ein Behälterbauteil 52 mit
Treibmittel 28 beschrieben worden ist, versteht es sich,
dass für einen
einzigen Gasgenerator auch mehr als eine Kombination aus Behälterbauteil 52 und
Treibmittel 28 verwendet werden könnte. Jedes derartige Treibmittel
in seinem eigenen Behälterbauteil 52 könnte individuell steuerbar
von seiner eigenen Zündeinheit
gezündet
werden.
-
Außer der Ausbreitungsgeschwindigkeit
beeinflusst eine Reihe anderer Parameter die gewünschte oder richtige Erzeugung
der Verbrennungswelle, einschließlich der Größe der Löcher 56 und
der Festigkeit des Behälterbauteils 52,
der ballistischen Eigenschaften (Verbrennungstemperatur, Druckempfindlichkeit,
Gasausbeute, Gaszusammensetzung und andere relevante Eigenschaften)
und der Konditionierungstemperatur des Behälterbauteils 52.
-
Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, enthält der Gasgenerator 20 vorzugsweise
auch ein Zeitsteuerbauteil oder Außenrohr 96 mit einer
oder mehreren Messblenden 100. Sofern vorhanden dient das
Zeitsteuerbauteil 96 zur Regelung der Strömung oder
des Durchgangs der vom Treibmittel 28 erzeugten Aufblasgase
vom Gasgenerator 20 in den aufblasbaren Gegenstand 24.
Das Zeitsteuerbauteil 96 liegt außerhalb des Behälterbauteils 52 und
erstreckt sich über
eine Länge,
die mindestens etwa gleich ist der Länge des Behälterbauteils 52, entlang
der die beabstandeten Löcher 56 vorgesehen
sind. Das Zeitsteuerbauteil 96 ist an seinen Enden mit
anderen Abschnitten des Gasgenerators 20 verbunden. Am
der Zündeinheit 32 benachbarten Ende
des Zeitsteuerbauteils 96 ist bei einer Ausführungsform
das Zeitsteuerbauteil mittels einem Klemmenelement oder einem Abschnitte
des Gehäuses 48 umgebenden
anderen Verbinder 104 mit dem Gehäuse 48 verspannt oder
anderweitig an diesem gehalten. Das Zeitsteuerbauteil 96 regelt
die Strömung
der Aufblasgase, so dass diese nicht mit zu hoher Geschwindigkeit
in den aufblasbaren Gegenstand 24 eintreten bzw. diesen aufblasen.
Das Zeitsteuerbauteil 96 sorgt statt dessen mittels der durch
die Wand des Zeitsteuerbauteils 96 ausgeformten einen oder
mehreren Messblenden 100 für eine gleichmäßige und
stoßfreie
Befüllung
des aufblasbaren Gegenstands 24 mit Aufblasgasen. Bei einer
Ausführungsform
ist eine Reihe beabstandeter Messblenden 100 benachbart
dem Ende des Zeitsteuerbauteils 96 in der Nähe des Treibmittels 28 und über die
Länge des
Zeitsteuerbauteils 96 angeordnet. Eine derartige Konfiguration
ist besonders nützlich
in Verbindung mit einer gleichmäßigen Befüllung eines
aufblasbaren Gegenstands 24 mit relativ großer Länge.
-
Obwohl diese Ausführungsform als das Zeitsteuerbauteil 96 enthaltend
beschrieben und dargestellt worden ist, sollte verstanden werden,
dass eine oder mehrere Ausführungsformen
ein solches Zeitsteuerbauteil 96 nicht enthalten können. Insbesondere
kann eine Treibmittelzusammensetzung und/oder ein Behälterbauteil
(Druckrohr) 52 bereitgestellt werden, bei dem die Notwendigkeit
für ein
solches Zeitsteuerbauteil 96 entfällt. Es kann beispielsweise
eine Treibmittelzusammensetzung bereitgestellt werden, bei der die
Verbrennung so erfolgt, dass die mit dem Zeitsteuerbauteil 96 erbrachte
Regelungsfunktion für
den Aufblasgasstrom überflüssig wird.
-
Wie das Behälterbauteil 52 besteht
das Zeitsteuerbauteil 96 vorzugsweise aus einem nicht metallischen
Material wie verstärktem
Gummi oder gummiähnlichem
Material. Dies trägt
insgesamt zu einer Verringerung des Gewichts und der Kosten des
Gasgenerators 20 bei. Obwohl das Behälterbauteil 52 und
das Zeitsteuerbauteil 96 vorzugsweise aus Materialien bestehen,
die im Wesentlichen frei von Metallen sind oder kein Metall enthalten,
könnten
sie auch metallische Abschnitte haben. Im Fall des Behälterbauteils 52 ist
es, ungeachtet des verwendeten Materials, auf jeden Fall sinnvoll,
dieses mit den beabstandeten zunächst
entweder abgedichteten oder vorgeformten Löchern 56 zu versehen,
die in der Lage sind, ihre Größe zu vergrößern, wenn
das Treibmittel 28 aktiviert wird und die Verbrennungsprodukte
erzeugt werden. Außerdem
könnte
das Zeitsteuerbauteil mit mehreren Kombinationen aus Behälterbauteil 52 und
Treibmittel 28 verwendet werden oder solche enthalten,
um den mehrstufigen Gasgenerator bereitzustellen, bei dem jedes
dieser Treibmittel in steuerbarer Weise zu verschiedenen Zeitpunkten
aktiviert werden kann.
-
Das Zeitsteuerbauteil 96 dient
auch zur Abführung übermäßiger Wärme von
den erzeugten Gasen durch Konvektion zur Gewebeoberfläche des
Zeitsteuerbauteils 96. Wird dies für eine bestimmte Anwendung gewünscht, können zusätzliche
Wärme absorbierende
Oberflächen
hinzugefügt
werden, indem nicht tragende Membranen 120 an der Innenseite
des Zeitsteuerbauteils 96 angebracht werden, wie im Querschnitt
in 5 dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform
ist eine Reihe Membranen 120 mit Öffnungen 124 an der
Innenwand des Zeitsteuerbauteils 96 beispielsweise durch
Verkleben, Heften oder dgl. angebracht. Die Aufblasgase vom Behälterbauteil 52 passieren
eine oder mehrere der Öffnungen 124,
bevor sie aus den Messblenden 100 austreten. Die Abmessungen
der Öffnungen 124 sind
typischerweise größer als
die Abmessungen der Messblenden 100. Die Oberflächen der
Membranen 120 sind für
die Absorption von Wärme
aus den erzeugten Aufblasgasen nützlich.
Wie ebenfalls aus 5 ersichtlich
ist, ist das Behälterbauteil 52 mit
Bestandteilen des Gasgeneratormoduls mittels einer Druckrohrbefestigung 128 verbunden,
von der Abschnitte benachbart dem Umfang des Behälterbauteils 52 angeordnet
sind. Des Weiteren ist zu ersehen, dass Teile der Außenwand
der Druckrohrbefestigung 128 in Kontakt mit der Innenwand
des Zeitsteuerbauteils 96 stehen oder diese berühren.
-
Bezüglich einer gleichmäßigen Befüllung des
aufblasbaren Gegenstands 24, insbesondere eines solchen
mit größerer Länge, wird
auf 6A bis 6D verwiesen. Diese Abfolge
von Figuren veranschaulicht schematisch das Aufblasen des aufblasbaren
Gegenstands 24, wenn die Zündeinheit 32 gezündet und
das Treibmittel 28 aktiviert wird. Im Ruhezustand oder
im nicht aktivierten Zustand ist das Treibmittel 28 noch
nicht aktiviert und es sind noch keine Aufblasgase erzeugt worden.
In 6B ist ein Ereignis
eingetreten, das die Zündeinheit 32 veranlasst
hat, das Treibmittel 28 zu zünden, wodurch Verbrennungsprodukte
einschließlich der
Aufblasgase erzeugt werden, die durch die beabstandeten Löcher 56 im
Behälterbauteil 52 austreten, ohne
dessen Struktur wesentlich zu zerreißen oder zu zerbrechen. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
von 6B sind die Löcher 56 bei
der Verbrennung des Treibmittels nicht abgedichtet. Die Aufblasgase
treten in die Kammer 102 des Zeitsteuerbauteils 96 und
bewegen sich von der Außenschicht 60 des
Behälterbauteils 52 durch
die Kammer 102 radial nach außen zur Wand des Zeitsteuerbauteils 96,
wie schematisch in 6B dargestellt.
Die Aufblasgase erreichen die Wand und die beabstandeten Messblenden 100 des
Zeitsteuerbauteils 96 und treten durch diese aus und in
den aufblasbaren Gegenstand 24 ein. Wie in 6C dargestellt erfolgt der Eintritt der
Aufblasgase im Wesentlichen gleichmäßig über den Querschnitt des aufblasbaren
Gegenstands 24, wie auch ein gleichmäßiger Eintritt über die
gesamte Länge
des aufblasbaren Gegenstands 24 stattfindet. Ein solcher
gleichmäßiger Eintritt
der Aufblasgase bewirkt ein gewünschtes
geregeltes Befüllen
des aufblasbaren Gegenstand 24 durch die vorgegebenen Abstände und
Dimensionierung der Messblenden 100. Wie 6C zeigt nimmt der aufblasbare Gegenstand 24 die
Aufblasgase gleichmäßig auf
und wird in seinem gesamten Volumen mittels des Zeitsteuerbauteils 96 gleichmäßig gefüllt oder
mit Druck beaufschlagt. Bei diesem gleichmäßigen Befüllen füllen die Aufblasgase vom Gasgenerator 20 den
gesamten aufblasbaren Gegenstand 24 di rekt und treten nicht
in einem begrenzten Bereich in diesen ein, was bedeuten würde, dass
sich die Aufblasgase selbst zur vollständigen Befüllung des aufblasbaren Gegenstands 24 in
Längsrichtung
innerhalb des aufblasbaren Gegenstands 24 bewegen müssten, um
die gewünschte
Kraft oder den gewünschten
Druck zu erreichen. Eine solche ungleichmäßige Befüllung kann dazu führen, dass
auf den Fahrzeuginsassen eine geringere als die gewünschte Kraft
ausgeübt
wird, da der aufblasbare Gegenstand ungleichmäßig befüllt wird. Unter Bezugnahme
auf 7 und 8 ist eine Anwendung des
Gasgenerators 20 schematisch dargestellt. Bei einer derartigen
Anwendung wird der Gasgenerator 20 mit einem aufblasbaren
Gegenstand 24 verwendet, der sich oberhalb eines oder mehrerer
Seitenfenster des Fahrzeugs befindet. Ein solcher Gasgenerator wird
allgemein als "Vorhang"-Gasgenerator bezeichnet.
Ein solcher Gasgenerator ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass
er eine wesentlich größere Länge, vor
allem im Vergleich mit den Gasgeneratoren der Fahrer-, Beifahrer-
und Seitenaufprall-Airbags hat. In 7 und 8 ist ein Vorhang-Gasgeneratormodul 110 schematisch oberhalb
des fahrerseitigen Seitenfensters dargestellt. Bei dieser Anwendung
ist der Gasgenerator 20 im Wesentlichen länglich und
hat eine Länge,
die , mindestens der halben Länge
des aufblasbaren Gegenstands 24 und vorzugsweise der Länge des
Gasgenerators 20 entspricht. Wird der Gasgenerator 20 aktiviert,
um den aufblasbaren Gegenstand 24 des Vorhang-Gasgeneratormoduls 110 zu
füllen
bzw. aufzublasen, findet folglich eine im Wesentlichen gleichmäßige Befüllung des
aufblasbaren Gegenstands 24 über seine Länge statt. Erzeugung und Eintritt
der Aufblasgase in den aufblasbaren Gegenstand 24 hängen von
der der Verbrennungswelle zugehörigen
Ausbreitungsgeschwindigkeit ab. Das heißt, dass das Befüllen des
aufblasbaren Gegenstands 24 gleichzeitig über seine
gesamte Länge
begrenzt wird oder abhängig
ist von der Geschwindigkeit, mit der das längliche Treibmittel 28 beginnend
an seinem Ende benachbart der Zündeinheit 32 und
sich zum gegenüberliegenden
Ende fortsetzend, gezündet
wird.
-
Obwohl der Gasgenerator 20 der
vorliegenden Erfindung sich besonders zusammen mit einem solchen
Vorhang-Gasgeneratormodul 110 eignet, versteht es sich,
dass ein solcher Gasgenerator 20 für alle Typen Fahrzeug-Gasgeneratoren
einschließlich
Fahrer-, Beifahrer- und Seitenaufprall-Gasgeneratoren geeignet ist.
Aufgrund der einzigartigen Konzeption, geringerer Teileanzahl und
verringerter Fertigungskosten braucht ein solcher Gasgenerator nicht
auf eine Anwendung spezialisiert zu sein, sondern kann zur Verwendung
als Fahrer-, Beifahrer- und Seitenaufprall- und/oder sonstiger Gasgenerator
verwendet werden. Außerdem
sind die hierin beschriebenen Erfindungen auch auf andere Gasgeneratoren
als auf die für
Fahrzeuge anwendbar und sind nicht auf diese beschränkt. Diese
Erfindungen können
in einer Reihe von An wendungen eingesetzt werden, wo eine Gaserzeugungsvorrichtung
erforderlich ist. Das heißt,
die Gas erzeugenden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind bei verschiedenen Anwendungen nützlich,
bei denen die Gaserzeugung eine oder mehrere Funktionen erfüllt. Die
gaserzeugenden Funktionen können
beispielsweise mit Strammereinrichtungen im Fahrzeug oder anderen
Sitzgurt-Bauteilen verwendet werden. Die Gaserzeugungsmerkmale können auch
in Systemen bereitgestellt werden, wie sie sich in Luftfahrzeugen
oder Flugkörpern
befinden, wo eine Gaserzeugung für
bestimmte Funktionen erforderlich ist.
-
Es sollte auch verstanden werden,
dass andere Anwendungen oder technische Gebiete bestimmte Vorteile
in Zusammenhang mit der hierin offenbarten Treibmittelzusammensetzung
nutzen könnten.
Insbesondere wird ein Dispergens als Bestandteil der Treibmittelzusammensetzung
offenbart, das Probleme der Verklumpung oder unzulässiger Formung
der Zusammensetzung überwindet,
indem Bestandteile der Zusammensetzung, die zu Zwecken der Bindung
enthalten sind, im Wesentlichen mechanisch verteilt werden. Ein
solches Dispergens braucht nicht auf Treibmittelzusammensetzungen
beschränkt
zu sein. Ein solches Dispergens vermeidet oder verringert die Verwendung
anderer Materialien wie große
Flüssigkeitsmengen
für die
Suspension fasriger Materialien, die allgemein eingesetzt werden,
um derartige Verklumpungsprobleme (z. B. bei der Papierherstellung)
zu vermeiden, die aber entfernt werden müssen (verdampft oder gesiebt),
um die Formung der Zusammensetzung abzuschließen. Der hierin offenbarte
Dispersionsprozess kann zur Lösung
derartiger Verklumpungsprobleme und zum Erhalt der gewünschten
Mischung nützlich
sein, während
er die Verwendung übermäßiger Flüssigkeitsmengen
bei der Mischung zur Bereitstellung der gewünschten Zusammensetzung vermeidet.
-
Die obige Erläuterung der Erfindung dient
der Darstellung und Beschreibung. Die Beschreibung soll jedoch nicht
die Erfindung auf die hierin offenbarte Form beschränken. Änderungen
und Modifikationen entsprechend der obigen Lehre innerhalb der Fähigkeiten
und des Wissens des Fachmanns liegen deshalb innerhalb des Gültigkeitsbereichs
der vorliegenden Erfindung. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen
dienen außerdem
dazu, die besten derzeit bekannten Arten der Verwirklichung der
Erfindung zu erläutern
und es den Fachleuten zu ermöglichen,
die Erfindung in solchen oder anderen Ausführungsformen und in verschiedenen Modifikationen
anzuwenden, wie dies für
die jeweilige Anwendung der Erfindung erforderlich ist.
