EP3209967A1 - Pyrotechnische antriebseinrichtung - Google Patents

Pyrotechnische antriebseinrichtung

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EP3209967A1
EP3209967A1 EP15797837.0A EP15797837A EP3209967A1 EP 3209967 A1 EP3209967 A1 EP 3209967A1 EP 15797837 A EP15797837 A EP 15797837A EP 3209967 A1 EP3209967 A1 EP 3209967A1
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EP
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pyrotechnic
combustion chamber
membrane
drive device
pyrotechnic drive
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Withdrawn
Application number
EP15797837.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Lell
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Individual
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    • F42B12/54—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material characterised by the warhead or the intended effect for dispensing materials; for producing chemical or physical reaction; for signalling ; for transmitting information for dispensing gases, vapours, powders or chemically-reactive substances by implantation, e.g. hypodermic projectiles
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    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current

Definitions

  • the invention relates to a pyrotechnic drive device having the features of the preamble of patent claim 1.
  • Pyrotechnic drive devices are used for a variety of purposes, for example, as drives for electrical switches, in particular disconnectors, as used in automotive technology to quickly and permanently disconnect the battery or the battery of a vehicle in case of danger from the electrical system of the car.
  • a circuit breaker which can also be referred to as a fuse, is described in WO 03/067621 A1.
  • a piston-like element is moved when a pyrotechnic material is triggered, whereby a safety gap, which exists between the movable element and a stationary element, is separated and thus the current path running over the safety gap is interrupted.
  • the pyrotechnic drive of the piston-like element is still integrated into the electrical switch, however, such a drive can of course also be designed as an independent device.
  • Another application is in the medical field.
  • a dusty or powdery substance for example a medicament
  • a pyrotechnic drive in such a way that it can be injected directly into a tissue, ie without a carrier liquid, and without needles.
  • the dust or powdery substance particles are shot directly into the tissue, in particular into the upper layers of the skin of a body, which is practically completely painless.
  • a shock wave acts on a membrane, whereby a mechanical impulse is transmitted to the dust or powdery substance adhering to the membrane.
  • the substance particles are thereby detached from the membrane and accelerated to a very high speed.
  • a piston is accelerated by a pyrotechnic propellant charge on with a correspondingly high speed the back of the membrane impinges and thus transmits a sufficiently high impulse across the membrane to the adhering material particles.
  • the pyrotechnic material which is provided for generating the pressure or the pressure surge (hereinafter also referred to as shock wave), introduced into a combustion chamber.
  • the volume of the combustion chamber usually corresponds to the volume required by the pyrotechnic material.
  • the residual volume of the combustion chamber which is not claimed by the pyrotechnic material, and the air present therein or the gas present therein limits in particular the steepness of the pressure increase, which is generated after activation of the pyrotechnic material, additionally requires energy that the actual acceleration process the diaphragm or the piston is lost and also dampens the shock wave.
  • the residual volume filled with air or a gas reduces the transmission of a fast mechanical impulse to the output element of the pyrotechnic drive device (also referred to below as an admission element).
  • any deflagrating or detonatively converting (for example burning) material is referred to as a pyrotechnic material.
  • This also includes feflagrierend implementing mixtures, such as Thermitmischungen or tetracene.
  • a deflagration-converting material generates a pressure increase or a pressure wave whose propagation velocity is less than or equal to the speed of sound of the relevant medium.
  • a material that converts detonatively generates a pressure change referred to as a pressure surge or shock wave, in the relevant medium whose speed is greater than the speed of sound in the medium.
  • the generated pressure surge or the shock wave originating from it should in particular be utilized in order to produce the output power of the pyrotechnic drive device.
  • the pressure surge (the shock wave) reaches the loading element or its loading surface before a possibly additional, much slower pressure increase in the combustion chamber volume can lead to its enlargement.
  • the surge may be used to impart a mechanical power output via the biasing member to one or more driven members, for example, to particulate matter of a pharmaceutical agent adhering to a surface of the biasing member.
  • the material particles are accelerated in this way in a very short time to a high speed and dissolve after reaching the maximum speed of the loading element.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a pyrotechnic drive device which generates the highest possible and fast-acting drive power with as little pyrotechnic material.
  • the invention is based on the recognition that the negative influence of a residual volume of the combustion chamber, which may exist in the initial state of the pyrotechnic drive device (ie, prior to activation of the pyrotechnic material), can be reduced or completely avoided if the residual volume in the initial state of the pyrotechnic drive device (In particular, in the prevailing in the initial state in the combustion chamber pressure and the temperature prevailing therein) is substantially completely filled with a liquid, gelatinous or pasty filling material and / or a soft rubber-like filling material.
  • a good coupling of the at least one impingement element to the energy released by the pyrotechnic material and the associated increase in pressure in the combustion chamber are achieved.
  • the filling material should preferably be designed such that the shockwave generated by the activation of the pyrotechnic material, which has a higher propagation velocity than the speed of sound in the relevant material. has, as possible unattenuated and with the least possible reflection (in particular at the loading surface of the biasing element, which limits the combustion chamber) is transmitted through the filler material to the biasing element.
  • the filler material should preferably be designed or adapted to the deformation of the combustion chamber, in particular caused by displacement and / or deforming the at least one loading element, as well as possible and for the least possible energy is needed.
  • the amount or the mass of the pyrotechnic material used can be significantly reduced compared to known embodiments in which a residual volume of the combustion chamber is filled with gas in the initial state.
  • Tolerances in the production of the geometry of the combustion chamber and / or in the production of the pyrotechnic material for example the geometry of a detonator, which consists of a Anzünd observed with a pyrotechnic material attached thereto (this can be pressed into a solid and / or by a shell with this can be connected), by introducing the liquid, gel or pasty filling material and / or the rubbery filling material are compensated in the residual volume, without resulting from the disadvantages occurring in known pyrotechnic drive means, described above.
  • a liquid, gelatinous or pasty filling material is understood as meaning any material which, in an operating (ambient) temperature range in which the pyrotechnic drive device is to be used, and in the initial state thereby produced in the combustion chamber (in particular pressure and temperature) , gelatinous or pasty consistency.
  • all natural and mineral oils should be included on a carbon basis, but also on a silicon basis.
  • Examples of liquid filling materials are rapeseed and sunflower oil, but also transformer oil, mineral oil and the silicone oils available in various viscosities and the thickening agents which can be used here, such as silicon dioxide, highly dispersed silicic acid (HDK), glass beads, etc.
  • different starting materials can also be mixed to form a filling material.
  • Such liquid, gelatinous or pasty filling materials can be materials with conventional Newtonian behavior.
  • the non-Newtonian materials should also be expressly included.
  • materials with thixotropic behavior which, in the initial state of the pyrotechnic drive device, are no longer flowable, particularly under the action of gravity, but suddenly become significantly more fluid or flowable after the pressure increase has been applied.
  • structurally viscous or pseudoplastic materials which, in the initial state of the pyrotechnic drive device, are no longer flowable, especially when exposed to the force of gravity, but suddenly become significantly more fluid or flowable when high shear rates occur.
  • thixotropic or pseudoplastic materials are tomato ketchup, toothpaste, many fats or latex adhesive blends.
  • such substances may still have the desired properties, in particular the desired (high Re) Viscosity to prevent leakage of the filler material from the combustion chamber during assembly or storage of the device, while after activating the drive means of the higher pressure generated thereby in the combustion chamber for the function of the drive device advantageous properties, in particular then desired lower viscosity can be achieved.
  • the filler may also be a mixture of different materials.
  • solid particles can be admixed with a liquid or gelatinous material.
  • a pasty material can be produced whose flow behavior can be adjusted by admixing certain solid particles (for example talc, glass beads or fumed silicon, HDK).
  • certain solid particles for example talc, glass beads or fumed silicon, HDK.
  • admixing relatively large particles improves the flow behavior, while admixing many small particles usually makes the pasty material more viscous.
  • the viscous property is advantageous in particular during storage.
  • Such pasty filling materials often also have the above-described pseudoplastic property, because after the activation of the pyrotechnic material, the filling material is moved and breaks particle association from a certain shear rate, i. the cohesion between the particles and the liquid or gel material is lost.
  • the soft rubbery material may be a silicone-based or rubber-based material, which preferably has a hardness of less than or equal to 70 Shore A. This can ensure that the residual volume is substantially completely filled.
  • a packing of such a material may be prefabricated and used together with the pyrotechnic material under pressure in the combustion chamber volume.
  • the filler material may be selected such that the shock impedance of the filler substantially matches the shock impedance of the one or more biasing elements only differ by a predetermined small amount thereof. This is an optimal coupling of the detonative implementation the shock wave generated by the pyrotechnic material reaches the at least one loading element. In particular, relevant reflections at the one or more application areas are avoided, that is, the reflection factor at the application area is substantially equal to zero or below a predetermined acceptable threshold.
  • the filler material should have low acoustic wave attenuation, especially when using a material that detonates, in order to achieve a low-loss transmission of the energy of the shock waves to the one or more impingement elements.
  • the filling material may be a fluid, in particular an oil.
  • a synthetic or natural oil for example a vegetable oil, especially sunflower oil may be used.
  • sunflower oil in combination with a detonative material, sunflower oil in particular has proved to be an outstanding filling material; synthetic oils are all made from low-viscosity silicone oils or silicone oleogels.
  • the filling material or a constituent thereof may be a fluid which completely or partially evaporates due to the energy released by the pyrotechnic material. As a result, the pressure increase or the pressure wave generation is amplified.
  • such a fluid or a component thereof may also have a boiling delay, wherein the component with bumping is preferably water.
  • the bumping is due to the rapid heating of the fluid by the pyrotechnically generated energy above the boiling point, whereby a metastable state is reached, in which the fluid can evaporate explosively. As a result, the pressure wave generation is reinforced again.
  • the biasing element may be a movable piston
  • the movement path may also be limited by provided in the housing stop means.
  • substantially the slower pressure increase in the combustion chamber is exploited to produce a mechanical output power.
  • a movable piston can hardly follow a shock wave with its usually larger mass and be moved at supersonic speed in the medium concerned. Limiting the travel of the piston prevents the piston from exiting the housing of the drive device. The generated hot gases thus remain in the combustion chamber and can not endanger the environment.
  • the Beauftschungselement may also be a membrane which is held stationary in the housing or which is held in a movable piston, the movement path is preferably limited by provided in the housing stop means.
  • the membrane allows easy transmission of a shock wave generated by a detonatively translating material to one or more elements to be driven.
  • the membrane may have an output region, which is preferably a central region of the membrane, which in the initial state acts on an element to be accelerated, for example a plunger.
  • the output region in the initial state a adhering to the membrane or connected to this accelerating and dissolving substance, for example, a solid, liquid or gel-like pharmaceutical substance wear.
  • the element or substance to be accelerated may be arranged completely outside the combustion chamber and a limiting element may be provided which provides an opening for the element to be accelerated or for the ejection of the membrane to be detached Stoffs and which limits the deformation path of the membrane in a region outside the output region.
  • the element to be accelerated can pass through the combustion chamber and protrude in the initial state at a position away from the membrane of the combustion chamber from the combustion chamber or the housing of the pyrotechnic drive device or terminate flush with it.
  • a limiting element may be provided which limits the deformation of the membrane, preferably in the entire region of the membrane, which undergoes a deformation when activating the pyrotechnic material.
  • plastics especially thermoplastics, such as polyoxymethylene (POM), as they are inexpensive to process, survive well after firing violent shocks against their geometry and without cracking and give the impact acting on them plastically yielding Strains in the membrane can be minimized.
  • POM polyoxymethylene
  • a membrane may be formed as a multilayer membrane, preferably as a double-walled membrane having a first and second wall, which may be connected via an intermediate layer, for example, glued. This increases the safety against bursting of the membrane.
  • This intermediate layer can also fulfill a sealing or sliding function.
  • a fast movement with a small movement path can be coupled out of the drive device or a pulse can be transmitted to a driven element by means of a diaphragm, while a piston serves more to decouple a slower movement, usually with a larger movement path.
  • a combination of both variants is also possible if the membrane is provided in a movable piston.
  • the membrane can decouple a fast movement or a mechanical impulse (ie use the pressure surge or the shock wave) and the piston can use the virtually always present slower pressure generation in the combustion chamber for decoupling a slower movement or Simply increase the volume of the combustion chamber to reduce the pressure in the combustion chamber after the extraction of the fast movement.
  • an excessive deformation of the membrane or even bursting of the membrane can be avoided, even if the piston movement is not used as such for driving purposes.
  • the housing of the combustion chamber or at least a part of the combustion chamber wall of a good heat conducting material such as a good heat conducting metal such as copper or aluminum, consist.
  • a good heat conducting material such as copper or aluminum
  • the rapidly spreading pressure surge is still well transferred to the loading element while the slowly building pressure, whose energy does not contribute to the drive power in these embodiments, is reduced, since the heat energy is absorbed by the housing or discharged through this to the environment.
  • a filler piece of a corresponding material may be provided, which limits the combustion chamber (at least in part).
  • At least a part of the combustion chamber wall can be formed by a filling piece which consists of a piece in the initial state of the pyrotechnic drive device, i. at the prevailing in the combustion chamber pressures and temperatures, solid material which is at least partially liquefied after the activation of the pyrotechnic material or converted into the gaseous state.
  • a filling piece which consists of a piece in the initial state of the pyrotechnic drive device, i. at the prevailing in the combustion chamber pressures and temperatures, solid material which is at least partially liquefied after the activation of the pyrotechnic material or converted into the gaseous state.
  • Such a filler may in particular consist of dry ice and be designed to cover the entire combustion chamber or a part of the combustion chamber. Dry ice is easy to process and produces a relatively low pressure in the combustion chamber in the final state of the pyrotechnic drive device, whereby a pressure of between about 70 and 100 bar is established by the sublimation and the conversion back into the solid state.
  • the membrane may have a the output range encompassing or provided within the output range, inwardly directed with respect to the combustion chamber preforming, which is designed for shock wave steering and / or for generating a cracking-frog effect.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a first embodiment of a pyrotechnic drive device with a membrane which acts on a driven portion with a driven portion, wherein Fig. 1 a the Nathanzugstand the drive means and Fig. 1 b shows the state after activation of the pyrotechnic material and Representing completion of the drive motion;
  • Fig. 2 is a schematic longitudinal section through a second embodiment of a pyrotechnic drive device with a membrane carrying dust or powdery particles in a driven region, wherein Fig. 2a shows the Touchzugstand the drive device and Fig. 2b shows the state after activation of the pyrotechnic material and Completion of the drive movement and dispensing of the dust or powder particles represents;
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through a third embodiment of a pyrotechnic drive device similar to the variant according to FIG. 1, wherein the combustion chamber volume is reduced by means of an insert part;
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal section through a fourth embodiment of a pyrotechnic drive device with a displaceable piston which is connected to a pin-like output element, wherein FIG. 4a shows the output tensile state of the drive device and FIG. 4b shows the state according to FIG the activation of the pyrotechnic material and the completion of the drive movement represents; and
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal section through a fifth embodiment of a pyrotechnic drive device similar to the variant in Figure 3 with a provided in the combustion chamber impulse transmission element, wherein Fig. 5a the Nathanzugstand the drive device and Fig. 5b the state after activation of the pyrotechnic material and the Represents completion of the drive movement.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a pyrotechnic drive device 1, which is designed as an independent, functional device.
  • a pyrotechnic drive device 1 which is designed as an independent, functional device.
  • a higher-level device such as a needleless, pyrotechnic injection device or an electrical limit switch, be integrated.
  • a needleless, pyrotechnic injection device or an electrical limit switch be integrated.
  • the pyrotechnic drive device 1 comprises a housing 3, in which a combustion chamber 5 is provided.
  • the combustion chamber 5 is bounded on a rear side by a bottom element 7, which has a receiving recess 9 arranged in a longitudinal axis A of the pyrotechnic drive device 1 and into which a pyrotechnic unit 11 with a foot region is inserted.
  • the pyrotechnic unit 1 1 comprises an ignition device 13, which is connected to a pyrotechnic material 15. At least the pyrotechnic material 15 protrudes from the bottom element 7 into the combustion chamber 5.
  • the pyrotechnic material 15 may be a deflagrating or detonatively converting pyrotechnic substance, which is preferably formed into a body with a predetermined geometry or at least one opposite the other combustion chamber volume delimited, optionally flexible outer skin.
  • the pyrotechnic material 15 may be a pressed into a molding powder, which additionally surrounded with a flexible, such as rubber-like outer skin is.
  • the outer skin can also serve to connect the pyrotechnic material 15 or the respective molded body with the ignition device 13.
  • the front end region of the combustion chamber 5 is delimited by a membrane 17, which is axially plastically and / or elastically deformable at least in a region which is centric with respect to the longitudinal axis A.
  • the membrane 17 can, as in FIG. 1 a, in which the initial state of the pyrotechnic drive device 1 is shown before activation of the pyrotechnic unit 11, have a centric shape directed inwardly with respect to the combustion chamber 5, which is referred to as preforming, and can be generated by cold or hot deformation of an initially flat membrane depending on the material of the grain membrane 17.
  • This preforming which may comprise the output region of the membrane 17 or be provided within the output region, may help amplify the pulse to be transmitted or accelerated to an element 19 to be transmitted or to transfer energy when the pyrotechnic unit 11 is deactivated.
  • the pre-embossing of the membrane 17 can initially counteract a deformation of the membrane at an incipient pressure increase within the combustion chamber 5 and then in the sense of a "crackpot frog" from the stable state, which is given in the initial state of the pyrotechnic drive device 1, in a further stable or unstable state
  • this second state is of little relevance, since the membrane 17 is in any case deformed into an end state upon activation of the pyrotechnic unit 11.
  • Such preforming of the membrane 17 can also be a deflection or focusing of the shock wave (FIG.
  • the crackling effect or the focusing of the shockwave was able to detect by measurement an additional increase in the achievable surface velocity of the membrane in the output region of approximately 10 to 20 percent.
  • the residual volume of the combustion chamber 5, which is not claimed by the pyrotechnic material 15, or the ignition device 13, that is, the protruding into the combustion chamber portion of the pyrotechnic unit 11, is substantially completely filled with a filling material 21.
  • the filler material may be liquid or gel-like. Also a soft rubbery filler or a combination Such a soft rubbery filler and a liquid or gel-like filler are possible. In any case, however, a substantially complete filling of the residual volume of the combustion chamber 5 should be ensured.
  • the conversion process for the pyrotechnic material 15 is started by means of the ignition device 13.
  • This may be, for example, an electrical ignition device, which can be controlled accordingly via electrical connections 13a.
  • Such ignition devices are known in many forms and therefore need not be described in detail at this point.
  • electrically controllable ignition devices of course, other ignition devices can be used, for example, those that can be triggered by vibrations, that is, mechanical accelerations.
  • the pyrotechnic drive device 1 is converted into the final state shown in Fig. 1 b.
  • essentially two different mechanisms are to be decided, which lead to the generation of an output power in a central region A with respect to the output shaft area of the diaphragm 17.
  • a deflagrating pyrotechnic material 15 can be used, which generates a gas pressure in the combustion chamber 5, wherein the pressure increase is slower than the speed of sound in the filler 21.
  • the membrane is deformed until an initial state corresponding to Fig. 1 b achieved is.
  • a detonatively converting pyrotechnic material 15 can be used, which first generates a shock wave in the combustion chamber 5, which propagates faster in the filling material 21 than the speed of sound in the filling material 21.
  • This shock wave is first on the membrane 17 and driven by this on the Transmit element 19, which abuts the output region of the diaphragm 17 in the initial state. This leads to the transmission of a high impulse to the driving element 19, which is then thrown with a corresponding kinetic energy from the membrane surface (see Fig. 1 b).
  • the detonatively converting pyrotechnic material 15 also leads to a slower pressure increase in the combustion chamber 17, so that in this case, too, a deformation of the membrane takes place. However, this is only effected after the energy of the shock wave, which impinges on the output region of the diaphragm 19, has already been transmitted to the element 19 to be driven.
  • annular limiting element 23 is used, which is also held coaxially to the longitudinal axis A in the housing 3.
  • the housing may have on its front side a flange, which surrounds the annular limiting element 23 on its front side radially inwards.
  • the holder of the bottom element 17 in the housing 3 can be carried out analogously.
  • the housing may for this purpose also have on its rear or bottom side a radially inwardly directed bottom wall.
  • the bottom element 7 is supported in the axial direction with respect to the inside of this bottom wall.
  • the bottom element 7 can thus be inserted into the housing with pyrotechnic unit 1 1 already arranged therein, until the bottom element 7 rests against the bottom wall of the housing 3 with its underside or rear side. Subsequently, the filling material 21 can be introduced. Finally, the membrane 17 and the limiting element 23 can be inserted into the cylindrical housing 3, which is initially still open towards the front, wherein the membrane rests with its inside on the filling material. Subsequently, a mechanical beading of the cylindrical housing wall can be carried out such that the Begrenzugselement is held securely in the housing and the membrane is pressed with a predefined force against the filling material 21.
  • the pyrotechnic material 15 in addition to generating a gas pressure, which results solely from the conversion process of the pyrotechnic material 15, an additional gas pressure can be generated in that at least a part of the filling material 21 is converted into the gaseous state by the energy released during the conversion process becomes.
  • the mass of the pyrotechnic material can be reduced compared to a combustion chamber filled only with gas in the initial state.
  • a steeper pressure rise can be achieved thereby, so that the membrane is transferred faster, that is, with greater acceleration from its initial state to the final state. If the element 19 to be driven is to be accelerated substantially exclusively by utilizing the deformation movement of the membrane 17, an additional conversion of the filling material 21 into the gaseous state is thus advantageous.
  • the filling material 21 can be chosen according to this requirement.
  • liquids such as synthetic or natural oils, especially vegetable oils in question.
  • the energy of a shock wave is to be transmitted to the element 19 to be driven, the conversion of the filling material 21 into the gaseous state is rather undesirable. Because the energy of the shock wave is transmitted to the driven element 19 at a time, which is before the time of slower deformation of the membrane, which is caused by the generation of hot gases in the combustion chamber 5.
  • a detonating pyrotechnic material 15 will be used in particular if the one or more elements 19 to be driven have a relatively low mass and as far as possible high speed are to be thrown.
  • FIG. 2 further embodiment of a pyrotechnic drive device 1 differs from the embodiment shown in Fig. 1 only in the features described below, so that the matching with the embodiment in Fig. 1 features need not be described again.
  • an adhesive layer 27 is provided instead of a driven element 19 on the membrane 17 in the central output region, which serves for fixing a powdered or dust-like substance 25.
  • the adhesive layer may be, for example, an adhesive layer or a dried sugar solution.
  • the powdered or dusty substance 25 may be a drug to be injected into a human or animal tissue.
  • a detonatively reacting pyrotechnic material 15 will be used because the powdered or dusty particles of the fabric 25 must be accelerated to as high a speed as possible so that they cover the surface of the fabric The injection should take place, penetrate to a sufficient depth.
  • the adhesive layer can be made from such a material or Consist of substance that behaves neutrally when injecting into the tissue or at least does not lead to adverse consequences.
  • the membrane 17 may, as shown in FIGS. 1 and 2, be formed of multiple layers.
  • a first and a second layer can be connected to a total membrane 17 via a connecting layer. This drastically reduces the likelihood of rupture of the membrane, as it is highly unlikely that both membrane layers have faulty weak spots at the same location which would result in destruction of the pertinent layer without the provision of a second layer.
  • additional stability can be achieved by the bonding layer.
  • the pyrotechnic drive device 1 shown in FIG. 2 additionally has a gas outlet opening 29 in the base element 7, which is closed with a membrane 31 in the initial state (FIG. 2 a).
  • the membrane 31 is designed such that it is destroyed when a limit pressure in the combustion chamber 5 is exceeded.
  • the membrane 17 can be made weaker in this case, if the occurring within the combustion chamber 5 gas pressure is limited to a relatively low maximum value. This is determined by the geometry of the gas outlet opening 29 and the limit pressure at which the membrane 31 is destroyed.
  • the limiting element 23 has the task of limiting the deformation of the membrane 17 and of supporting the membrane in an annular region which surrounds the output region as soon as the deformation of the membrane 17 has progressed so far. that the respective membrane regions abut the inner wall of the delimiting element 23.
  • the illustrated in Fig. 3 further embodiment of a pyrotechnic drive device 1 largely corresponds to the embodiment shown in Fig. 1. It differs only in that the volume of the combustion chamber 5 is reduced by an annular filling piece 33.
  • the geometry of the filler 33 can be chosen so that the combustion chamber 5 is kept as small as possible.
  • the front area of the combustion chamber 5 must be at least in cross section (perpendicular to the longitudinal axis A) such that the cross section is as large as the output region of the membrane, which contributes to the transmission of the energy of the shock wave or by its deformation, the energy transfer to the at least one element 19 to be driven causes.
  • the filler 33 may, as mentioned above also consist of a material which is fixed in the initial state of the drive device 1 and pass through the increase of pressure and temperature in the combustion chamber after activation of the pyrotechnic material in the liquid or gaseous state.
  • the filler 33 may also consist of dry ice, which is easy to process and in the final state of the drive means in the (closed) combustion chamber generates a constant pressure with which the membrane 17 is constantly acted upon. In this way, an element connected to the membrane or permanently urged to be driven element can be held in its final position.
  • a driven element 19 can not only be acted upon by the side of the membrane 17 directed outwards with respect to the combustion chamber, or connected to this side, as shown in FIGS. 1, 3 and 4 is. Rather, the element 19 to be driven can also be acted upon by, or connected to, the inner side of the membrane with respect to the combustion chamber 5.
  • the driven element 19 extends through the combustion chamber and may protrude with an end portion of the combustion chamber and optionally from the housing 3 of the relevant pyrotechnic drive device 1.
  • the element 19 to be driven will preferably be connected to the membrane or designed in one piece with it.
  • the driven element 19 may be sealed with a sealing means against the interior of the combustion chamber or a through hole in the bottom part 7.
  • a gel-like, pasty or rubbery filling material used in the interior of the combustion chamber 5 it may be dispensed with a seal, if it is acceptable in the relevant application that hot gases from an unsealed outlet opening, for example, a ring surrounding the area to be driven from the Housing 3 or the bottom part 7 exit.
  • the remaining, unsealed outlet opening may only be so large that sufficient pressure can still build up inside the combustion chamber to deform the membrane.
  • the limiting element 23 may be formed in these embodiments so that the entire outer side of the membrane is supported in the final state. Because the limiting element 23 is not penetrated by a driven element in this case.
  • the pyrotechnic unit 1 1 can of course not be provided axially in the axis A of the pyrotechnic drive device 1.
  • the pyrotechnic unit 1 1 protrude from one side of the housing 3 ago in the combustion chamber.
  • the pyrotechnic material 15 or the entire pyrotechnic unit 11 must be provided in any case so that it does not interfere with the movement of the driven element 19, which passes through the combustion chamber 5.
  • the embodiment of a pyrotechnic drive unit 1 shown in FIG. 4 differs from all the previously described embodiments in that, instead of a membrane which transfers the energy to the one or more elements 19 to be driven or the substance particles adhering to a surface, a displaceable piston 35 which limits the combustion chamber 5 ( Figure 4a).
  • the housing 3 is in this case formed on its front side so that only a relatively small aperture opening in the longitudinal axis A of the pyrotechnic unit 1 is provided, through which an element to be driven 19th protrudes.
  • the driven element 19 may, as in the case shown, be connected to the piston 35.
  • the pyrotechnic drive unit shown in Fig. 4 has the same features as the embodiment shown in Fig. 1, particularly as regards the housing, the bottom part and the pyrotechnic unit.
  • the piston 35 may be fixed in its initial position in the housing 3, for example by latching means, which are provided on the inner wall of the housing 3 and / or the outer wall of the piston 35. This latching means or fixing cause that the piston 35 is accelerated only at a limit pressure is exceeded in the direction of the front of the housing 3.
  • the outer periphery of the piston 35 can achieve a sealing effect, that a relatively thin circumferential wall portion of the piston in the radial direction can be acted upon by the building up in the combustion chamber 5 gas pressure. In this way, a radial pressing of the circumferential, relatively thin wall is achieved on the inner wall of the housing 3. This leads to the desired sealing effect when building up the gas pressure in the combustion chamber 5, also during the movement of the piston 35 in the direction of the axis A.
  • the element 19 to be driven is firmly connected to the piston 35 in the embodiment shown in FIG. 4.
  • the element 19 can thus serve as an output element for acting on a further element or a further device.
  • the driven element 19 may not be connected to the piston 35. In this case, it may already be acted upon by the piston 35 in the initial state.
  • the fixation of the element 19 can be achieved by a corresponding configuration of the opening in the Housing 3 done.
  • the element 19 can not be acted upon by the piston 35 in the initial state and can only be fixed in the aperture opening of the housing 3.
  • the piston 35 first strikes the driven element 19 at a certain speed and transmits a mechanical impulse to the element 19 so that it accelerates in the direction of the axis A and is thrown away.
  • the element 19 to be driven can pass through the combustion chamber 5.
  • the embodiment of a pyrotechnic drive device 1 shown in FIG. 5 corresponds to a combination of the embodiments in FIGS. 2 and 3.
  • a membrane is used in which a powdery or dust-like substance 25 is applied to the outer surface of the output region of the membrane 17 is.
  • An adhesive layer was omitted here to indicate that a pure adhesion may be sufficient to provide the powdered or dust-like substance 25 on the surface of the membrane 17.
  • an adhesive layer such as an oil or a Zückerlect can be used here as well.
  • the embodiment in Fig. 5 largely corresponds to the embodiment in Fig. 2, but in the combustion chamber, a filling piece 33 is provided according to the embodiment of FIG.
  • a momentum transfer element 37 is provided in the axis A immediately before the pyrotechnic material 15.
  • This momentum transfer element 37 is in terms of the material and its mass and its geometry such that it is able to be accelerated by the generated pressure surge or the generated pressure wave in an extremely short time to such a speed that the pulse transmission element 37 quasi on the Front of the shock wave rides. This ensures that the pulse transmission element practically together with the foremost Front of the shock wave against the inner wall of the diaphragm 17 is thrown.
  • the energy contained in the shock wave is used to transmit a pulse by means of a very rapid deformation of the diaphragm 17 in the output region, but also the mechanical pulse of the pulse transmission element 37 is used to at least a part thereof on the membrane 17 and to transfer the membrane 17 to the particles of the fabric 25.
  • FIG. 5b The end position of the membrane 17 or of the momentum transfer element 37 is shown in FIG. 5b. In this end position, in turn, the (not to be avoided and not contributing to the acceleration of the material particles) deformation of the membrane 17 can be seen.
  • the filling piece 33 also serves to fix an annular edge region of the membrane 17 by clamping this edge region between the filling piece 33 and the limiting element 23.
  • the membrane 17 may also be connected to the respective edge region with the filling piece 33 or the delimiting element 23.
  • the filler can also be designed in terms of its geometry that not only a reduction of the combustion chamber volume as far as possible is achieved, but also a focus of the shock wave generated by the pyrotechnic unit 1 1 is achieved on the output region of the membrane.
  • the axial opening of the filling piece 33 could, for example, be designed to widen conically in the direction of the membrane.
  • All embodiments of the pyrotechnic drive unit can either be integrated into a higher-level device, for example a needleless injection device. Device or an electrical switch or the like, or be designed as an independent unit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine pyrotechnische Antriebseinrichtung mit einem Gehäuse (3), in welchem eine Brennkammer (5) mit einem in der Brennkammer (5) angeordneten pyrotechnischen Material (15) und eine Aktivierungseinrichtung (13) zum Aktivieren des pyrotechnischen Materials (15) vorgesehen ist, wobei die Brennkammer (5) durch eine zumindest in einem Ausgangszustand allseitig geschlossene Brennkammerwandung (3, 7, 13, 17, 33, 35) begrenzt ist, welche in einem oder mehreren Teilbereichen durch jeweils eine Beaufschlagungsfläche jeweils eines Beaufschlagungselements (17, 35) gebildet ist, wobei jede Beaufschlagungsfläche eines Beaufschlagungselements (17, 35) nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials (15) derart durch einen hierdurch erzeugten Gasdruck beaufschlagt wird, dass das Beaufschlagungselement (17, 35) bewegt und/oder deformiert und/oder ein mechanischer Impuls über das Beaufschlagungselement (17, 35) auf ein zumindest im Ausgangszustand damit mechanisch verbundenes anzutreibendes Element (19) oder einen damit verbundenen Stoff (25) übertragen wird. Erfindungsgemäß ist ein Restvolumen der Brennkammer (5), in welchem im Ausgangszustand kein pyrotechnisches Material (15) vorgesehen ist, im Wesentlichen vollständig mit einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterial (21) und/oder einem weichen gummiartigen Füllmaterial (21) gefüllt.

Description

Pyrotechnische Antriebseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine pyrotechnische Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Pyrotechnische Antriebseinrichtungen werden für vielfältige Zwecke eingesetzt, beispielsweise als Antriebe für elektrische Schalter, insbesondere Trennschalter, wie sie in der KFZ-Technik verwendet werden um die Batterie bzw. den Akkumulator eines KFZ im Gefahrenfall schnell und dauerhaft vom Bordnetz des KFZ zu trennen. Ein derartiger Trennschalter, der auch als Sicherung bezeichnet werden kann, ist in der WO 03/067621 A1 beschrieben. In einer der Varianten wird ein kolbenartiges Element beim Auslösen eines pyrotechnischen Materials bewegt, wobei eine Sicherungsstrecke, die zwischen dem bewegbaren Element und einem ortsfesten Element besteht, aufgetrennt und damit der über die Sicherungsstrecke laufende Strompfad unterbrochen wird. Zwar ist in dieser Schrift der pyrotechnische Antrieb des kolbenartigen Elements noch in den elektrischen Schalter integriert, jedoch kann ein solcher Antrieb selbstverständlich auch als eigenständige Einrichtung ausgebildet sein.
Eine weitere Anwendung findet sich auf medizinischem Gebiet. Hier ist es insbesondere bekannt, einen staub- oder pulverförmigen Stoff, beispielsweise ein Medikament, mittels eines pyrotechnischen Antriebs derart zu beschleunigen, dass er direkt, d.h. ohne eine Trägerflüssigkeit, und nadellos in ein Gewebe injiziert werden kann. Die staub- oder pulverförmigen Stoffpartikel werden hierbei direkt in das Gewebe, insbesondere in die oberen Schichten der Haut eines Körpers, geschossen, was praktisch völlig schmerzfrei erfolgt. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der EP 1 599 242 B1 beschrieben. Hier wirkt in einer Variante mittels einer pyrotechnischen Ladung eine Stoßwelle auf eine Membran ein, wodurch auf den an der Membran haftenden staub- oder pulverförmigen Stoff ein mechanischer Impuls übertragen wird. Die Stoffpartikel werden hierdurch von der Membran abgelöst und auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt. In einer anderen Variante wird durch eine pyrotechnische Treibladung ein Kolben beschleunigt, der mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf die Rückseite der Membran auftrifft und so einen ausreichend hohen Impuls über die Membran auf die daran anhaftenden Stoffpartikel überträgt.
Bei bekannten pyrotechnischen Antrieben, ob integriert in eine beliebige Vorrichtung oder als eigenständige Vorrichtung, wird das pyrotechnische Material, welches zur Erzeugung des Drucks oder des Druckstoßes (im Folgenden auch als Stoßwelle bezeichnet) vorgesehen ist, in eine Brennkammer eingebracht. Das Volumen der Brennkammer entspricht dabei üblicherweise dem Volumen, welches das pyrotechnische Material benötigt. Wird jedoch, abhängig von der Lebhaftigkeit bzw. Abbrandgeschwin- digkeit des pyrotechnischen Materials, nur eine geringe Menge des pyrotechnischen Materials benötigt oder soll aus Gründen möglichst hoher Sicherheit im Störfall möglichst wenig pyrotechnisches Material in der Baugruppe enthalten sein, so besteht häufig das Problem, dass die Brennkammer nicht klein genug ausgebildet werden kann, oder dass das pyrotechnische Material, welches häufig in fester, beispielsweise gepresster Form vorliegt, nicht mit der erforderlichen Toleranz hergestellt werden kann, um die gesamte Brennkammer auszufüllen. Das Restvolumen der Brennkammer, welches nicht von dem pyrotechnischen Material beansprucht wird, und die darin vorhandene Luft bzw. das darin vorhandene Gas begrenzt insbesondere die Steilheit des Druckanstiegs, welcher nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials erzeugt wird, benötigt zusätzlich Energie, die dem eigentlichen Beschleunigungsvorgang der Membran oder des Kolbens verloren geht und dämpft zudem die Stoßwelle. Damit verringert das mit Luft oder einem Gas gefüllte Restvolumen die Übertragung eines schnellen mechanischen Impulses auf das Abtriebselement der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (im Folgenden auch als Beaufschlagungselement bezeichnet).
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Beschreibung jegliches deflagrierend oder detonativ umsetzendes (beispielsweise abbrennendes) Material als pyrotechnisches Material bezeichnet wird. Hierunter fallen auch feflagrierend umsetzende Stoffgemische, wie beispielsweise Thermitmischungen oder Tetrazen. Ein deflagrierend umsetzendes Material erzeugt dabei einen Druckanstieg oder eine Druckwelle, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit des betreffenden Mediums ist. Ein detonativ umsetzendes Material erzeugt dagegen eine als Druckstoß oder Stoßwelle bezeichnete Druckänderung in dem betreffenden Medium, deren Geschwindigkeit größer ist als die Schallgeschwindigkeit in dem Medium.
Damit ergeben sich im Wesentlichen zwei unterschiedliche Typen von pyrotechnischen Antriebseinrichtungen:
Wird ein deflagrierend, d.h. relativ langsam umsetzendes pyrotechnisches Material verwendet, so ergibt sich ein relativ langsamer Druckanstieg bzw. eine relativ langsame Druckänderung oder Druckwelle im Millisekundenbereich. Beaufschlagt dieser relativ„langsame" Druckanstieg das betreffende Beaufschlagungselement, so erfährt diese eine Verformung oder wird bewegt. Auch beide Auswirkungen auf das Beaufschlagungselement sind möglich. Ein solcher relativ langsamer Druckanstieg wird üblicherweise ausgenutzt, um eine Vergrößerung des Brennkammervolumens zu bewirken. Beispielsweise kann hierdurch ein als Kolben ausgebildetes Beaufschlagungselement angetrieben werden oder ein als deformierbare Membran ausgebildetes Beaufschlagungselement wird relativ langsam deformiert, was zu einer Vergrößerung des Volumens der Brennkammer und damit auch zur gewünschten Beschleunigung der Membranoberfläche führt.
Wird ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material verwendet, so soll vor allem der erzeugte Druckstoß bzw. die von ihm ausgehende Stoßwelle ausgenutzt werden, um die Abtriebsleistung der pyrotechischen Antriebseinrichtung zu erzeugen. Der Druckstoß (die Stoßwelle) erreicht das Beaufschlagungselement bzw. dessen Beaufschlagungsfläche bevor eine ggf. zusätzliche, viel langsamere Druckerhöhung im Brennkammervolumen zu dessen Vergrößerung führen kann. Der Druckstoß kann dazu verwendet werden, um eine mechanische Abtriebsleistung über das Beaufschlagungselement auf ein oder mehrere anzutreibende Elemente zu übertragen, beispielsweise auf Stoffpartikel eines pharmazeutischen Stoffs, welche auf einer Oberfläche des Beaufschlagungselements anhaften. Die Stoffpartikel werden auf diese Weise in sehr kurzer Zeit auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und lösen sich nach Erreichen der maximalen Geschwindigkeit vom Beaufschlagungselement ab. Treffen diese schnellen Stoffpartikel auf eine technische Oberfläche, ein Gewebe oder eine Haut, so können diese infolge ihrer relativ hohen Energie bis in eine bestimmte Tiefe eindringen. Der Erfinder hat erkannt, dass sich in beiden Fällen ein nicht vollständig mit dem pyrotechnischen Material gefülltes Brennkammervolumen nachteilig auf die mechanische Leistung des Antriebs auswirkt. Es wird im Fall der Verwendung eines deflagrierend umsetzenden Materials mehr pyrotechnisches Material als eigentlich erforderlich (d.h. ohne ein nicht gefülltes Restvolumen der Brennkammer) benötigt. Im Fall eines deto- nativ umsetzenden Materials verursacht das nicht gefüllte Restvolumen der Brennkammer eine Dämpfung der Stoßwelle durch der Materialübergang zwischen dem Restvolumen und der brennkammerseitigen Oberfläche des Beaufschlagungselements (Beaufschlagungsfläche) führt zu einer Reflexion der Stoßwelle und damit zu einer Verringerung der Antriebsleistung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine pyrotechnische Antriebseinrichtung zu schaffen, welche mit möglichst wenig pyrotechnischem Material eine möglichst hohe und schnell wirkende Antriebsleistung erzeugt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich der negative Einfluss eines Restvolumen der Brennkammer, welches im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (d.h. vor einem Aktvieren des pyrotechnischen Materials) bestehen kann, reduzieren oder vollkommen vermeiden lässt, wenn das Restvolumen im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (insbesondere bei dem im Ausgangszustand in der Brennkammer herrschenden Druck und der darin herrschenden Temperatur) im Wesentlichen vollständig mit einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterial und/oder einem weichen gummiartigen Füllmaterial gefüllt wird. Durch das Füllmaterial wird eine gute Ankopplung des wenigstens einen Beaufschlagungselements an die durch das pyrotechnische Material freigesetzte Energie und die damit verbundene Druckerhöhung in der Brennkammer erreicht.
Das Füllmaterial sollte im Fall eines detonativ umsetzenden pyrotechnischen Materials vorzugsweise so ausgebildet bzw. beschaffen sein, dass die durch die Aktivierung des pyrotechnischen Materials erzeugte Stoßwelle, die eine gegenüber der Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Material höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit auf- weist, möglichst ungedämpft und mit möglichst geringer Reflexion (insbesondere an der Beaufschlagungsfläche des Beaufschlagungselements, welche die Brennkammer begrenzt) durch das Füllmaterial auf das Beaufschlagungselement übertragen wird.
Wird dagegen ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material verwendet, welches eine Druckwelle erzeugt, die langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit des betreffenden Materials, so sollte das Füllmaterial vorzugsweise so ausgebildet bzw. beschaffen sein, dass es sich an die Deformation der Brennkammer, insbesondere hervorgerufen durch ein Verschieben und/oder ein Deformieren des wenigstens einen Beaufschlagungselements, möglichst gut anpassen kann und dafür möglichst wenig Energie benötigt wird.
Durch die Füllung des Restvolumens der Brennkammer mit einem Füllmaterial wird also bei Verwendung eines deflagrierend umsetzenden pyrotechnischen Materials erreicht, dass mit dem durch den Umsetzvorgang erzeugten Gas (Heißgas bei einem durch Abbrennen umsetzenden pyrotechnischen Material) in der Brennkammer ein sofortiger relativ steiler Druckanstieg hervorgerufen wird, mit welchem die Beaufschlagungsfläche des wenigstens einen Beaufschlagungselements beaufschlagt wird. Da im Restvolumen im Ausgangszustand der Antriebseinrichtung kein komprimierbares Gas enthalten ist, wird keine Energie entzogen, die für die Kompression eines derartigen Gasvolumens erforderlich wäre und die nicht in eine Antriebsenergie umgesetzt werden könnte. Im Fall der Verwendung eines detonativ umsetzenden Materials wird eine deutlich geringere Dämpfung oder Reflexion der Stoßwelle bei der Übertragung auf das Beaufschlagungselement erreicht.
Demzufolge kann die Menge bzw. die Masse des verwendeten pyrotechnischen Materials gegenüber bekannten Ausführungsformen, bei denen im Ausgangszustand ein Restvolumen der Brennkammer mit Gas gefüllt ist, deutlich reduziert werden. Toleranzen bei der Herstellung der Geometrie der Brennkammer und/oder bei der Herstellung des pyrotechnischen Materials, beispielweise der Geometrie eines Detonators, welcher aus einer Anzündeinrichtung mit einem daran angebrachten pyrotechnischen Material besteht (dieses kann zu einem Festkörper gepresst und/oder durch eine Hülle mit diesem verbunden sein), können durch das Einbringen des flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterials und/oder des gummiartigen Füllmaterials in das Restvolumen kompensiert werden, ohne dass sich hieraus die bei bekannten pyrotechnischen Antriebseinrichtungen auftretenden, oben beschriebenen Nachteile ergeben.
Unter einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterial wird im Folgenden jedes Material verstanden, das in einem (Umgebungs-) Arbeitstemperaturbereich, in welchem die pyrotechnische Antriebseinrichtung einsetzbar sein soll, und bei dem dadurch erzeugten Ausgangszustand in der Brennkammer (insbesondere Druck und Temperatur) eine flüssige, gelartige oder pastöse Konsistenz aufweist. Insbesondere sollen dabei alle natürlichen und mineralischen Öle auf Kohlenstoff-, aber auch auf Siliziumbasis, eingeschlossen sein. Beispiele für flüssige Füllmaterialien sind Raps- und Sonnenblumenöl, aber auch Trafoöl, Mineralöl und die in diversen Viskositäten erhältlichen Silikonöle und den hier verwendbaren Verdickungsmitteln wie Siliziumdioxid, hochdisperse Kieselsäure (HDK), Glaskügelchen usw. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Ausgangsstoffe zu einem Füllmaterial gemischt werden.
Derartige flüssige, gelartige oder pastöse Füllmaterialien können Materialien mit üblichem newtonschen Verhalten sein. Es sollen aber ausdrücklich auch die nicht- newtonschen Materialien umfasst sein. Beispielsweise können Materialien mit thixotro- pem Verhalten verwenden werden, die im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung höher viskos, insbesondere unter bloßer Schwerkrafteinwirkung nicht mehr fließfähig sind, aber nach dem Einwirken einer Druckerhöhung plötzlich deutlich flüssiger oder fließfähiger werden. Es können auch sogenannte strukturviskose oder pseudoplastische Materialen eingesetzt werden, welche im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung höher viskos, insbesondere unter bloßer Schwerkrafteinwirkung nicht mehr fließfähig sind, beim Auftreten hoher Schergeschwindigkeiten jedoch plötzlich deutlich flüssiger oder fließfähiger werden. Geläufige Beispiele für derartige thixotrope oder pseudoplastische Materialien sind Tomatenketchup, Zahnpasta, viele Fette oder Latex- Klebstoffgemische.
Solche Stoffe können im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung noch die dann gewünschten Eigenschaften, insbesondere die dann gewünschte (höhe- re) Viskosität aufweisen, um ein Herauslaufen des Füllmaterials aus der Brennkammer bei der Montage oder beim Lagern der Vorrichtung zu verhindern, während nach dem Aktivieren der Antriebseinrichtung der dadurch erzeugte höhere Druck in der Brennkammer die für die Funktion der Antriebseinrichtung vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere die dann gewünschte niedrigere Viskosität, erreicht werden.
Das Füllmaterial kann auch eine Mischung von unterschiedlichen Materialien sein. Insbesondere können einem flüssigen oder gelartigen Material Feststoffpartikel beigemischt werden. Auf diese Weise kann ein pastöses Material hergestellt werden, dessen Fließverhalten durch das Beimischen von bestimmten Feststoff Partikeln (beispielsweise Talkum, Glaskügelchen oder hochdisperses Silizium, HDK) eingestellt werden kann. So verbessert beispielsweise das Zumischen relativ großer Partikel das Fließverhalten, während das Zumischen von vielen kleinen Partikeln das pastöse Material in der Regel zähflüssiger macht. Dabei ist die zähflüssige Eigenschaft insbesondere beim Lagern vorteilhaft. Solche pastöse Füllmaterialien weisen häufig auch die vorbeschriebene pseudoplastische Eigenschaft auf, da nach der Aktivierung des pyrotechnischen Materials das Füllmaterial bewegt wird und Partikelverband ab einer gewissen Schergeschwindigkeit aufbricht, d.h. der Zusammenhalt zwischen den Partikeln und dem flüssigen oder gelartigen Material verloren geht.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das weiche gummiartige Material ein auf Silikonbasis oder Kautschukbasis hergestelltes Material sein, welches vorzugsweise eine Härte kleiner oder gleich 70 Shore A aufweist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Restvolumen im Wesentlichen vollständig ausgefüllt wird. Ein Füllkörper aus einem derartigen Material kann vorgefertigt und zusammen mit dem pyrotechnischen Material unter Druck in das Brennkammervolumen eingesetzt werden.
Ist das pyrotechnische Material so ausgebildet, dass eine Stoßwelle erzeugt wird, d.h. wird ein detonativ umsetzendes Material verwendet, so kann das Füllmaterial so ausgebildet bzw. so gewählt werden, dass die Stoßwellenimpedanz des Füllmaterials im Wesentlichen der Stoßwellenimpedanz des einen oder der mehreren Beaufschlagungselemente entspricht oder nur um einen vorgegebenen geringen Betrag hiervon differiert. Hierdurch wird eine optimale Ankopplung der bei der detonativen Umsetzung des pyrotechnischen Materials erzeugten Stoßwelle an das wenigstens eine Beaufschlagungselement erreicht. Insbesondere werden relevante Reflexionen an der oder den Beaufschlagungsflächen vermieden, das heißt der Reflexionsfaktor an der Beaufschlagungsfläche ist im Wesentlichen gleich Null oder liegt unterhalb einer vorgegeben akzeptablen Schwelle.
Das Füllmaterial sollte, insbesondere bei der Verwendung eines detonativ umsetzenden Materials, eine geringe Schallwellendämpfung aufweisen, um eine möglichst verlustarme Übertragung der Energie der Stoßwellen auf das eine oder die mehreren Beaufschlagungselemente zu erreichen.
Das Füllmaterial kann ein Fluid sein, insbesondere ein Öl. Abhängig von den gewünschten Eigenschaften kann ein synthetisches oder natürliches Öl, beispielsweise ein pflanzliches Öl, insbesondere Sonnenblumenöl verwendet werden. Unter den natürlichen, pflanzlichen Ölen hat sich in Kombination mit einem detonativ umsetzenden Material insbesondere Sonnenblumenöl als hervorragendes Füllmaterial erwiesen, bei den synthetischen Ölen alle dünnflüssigen Silikonöle oder Silikonoleogele.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Füllmaterial oder ein Bestandteil hiervon ein Fluid sein, welches durch die von dem pyrotechnischen Material freigesetzten Energie ganz oder teilweise verdampft. Hierdurch wird der Druckanstieg bzw. die Druckwellenerzeugung verstärkt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein derartiges Fluid oder ein Bestandteil hiervon auch einen Siedeverzug aufweisen, wobei der Bestandteil mit Siedeverzug vorzugsweise Wasser ist. Der Siedeverzug erfolgt durch das schnelle Erhitzen des Fluids durch die pyrotechnisch erzeugte Energie über den Siedepunkt hinaus, wobei ein metastabiler Zustand erreicht wird, in dem das Fluid explosionsartig verdampfen kann. Hierdurch wird die Druckwellenerzeugung nochmals verstärkt.
Als positiver Nebeneffekt einer mit einem Füllmaterial gefüllten Brennkammer wird damit auch die Wirkung nach außen im Fall eines Berstens der Brennkammer stark begrenzt, da für das Erzeugen der gewünschten Drücke in der Brennkammer nur ein kleiner Bruchteil des sonst erforderlichen pyrotechnischen Masse eingesetzt werden muss und das Fluid, anders als ein gasförmiges Medium, kaum Energie speichern kann, die beim Bersten der Brennkammer frei werden würde.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Beaufschlagungselement ein bewegbarer Kolben sein, dessen Bewegungsweg auch durch im Gehäuse vorgesehene Anschlagsmittel begrenzt sein kann. Bei dieser Ausführungsform wird im Wesentlichen die langsamere Druckerhöhung in der Brennkammer ausgenutzt, um eine mechanische Abtriebsleistung zu erzeugen. Denn ein bewegbarer Kolben kann mit seiner meist größeren Masse kaum einer Stoßwelle folgen und mit Überschallgeschwindigkeit im betreffenden Medium bewegt werden. Eine Begrenzung des Bewegungswegs des Kolbens verhindert, dass der Kolben aus dem Gehäuse der Antriebseinrichtung austritt. Die erzeugten Heißgase bleiben somit in der Brennkammer und können die Umgebung nicht gefährden.
Nach einer anderen Ausgestaltung kann das Beaufschlagungselement auch eine Membran sein, welche im Gehäuse ortsfest gehalten ist oder welche in einem bewegbaren Kolben gehalten ist, dessen Bewegungsweg vorzugsweise durch im Gehäuse vorgesehene Anschlagsmittel begrenzt ist. Die Membran ermöglicht die einfache Übertragung einer von einem detonativ umsetzenden Material erzeugten Stoßwelle auf ein oder mehrere anzutreibende Elemente.
Die Membran kann einen Abtriebsbereich aufweisen, welcher vorzugsweise ein zentraler Bereich der Membran ist, der im Ausgangszustand ein zu beschleunigendes Element, beispielsweise einen Stößel, beaufschlagt. In einer anderen Ausgestaltung kann der Abtriebsbereich im Ausgangszustand einen an der Membran anhaftenden oder mit dieser verbundenen zu beschleunigenden und abzulösenden Stoff, beispielsweise einen festen, flüssigen oder gelartigen pharmazeutischen Stoff, tragen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zu beschleunigende Element oder der Stoff vollständig außerhalb der Brennkammer angeordnet sein und es kann ein Begrenzungselement vorgesehen sein, welches einen Durchbruch für das zu beschleunigende Element oder für das Ausstoßen des von der Membran abzulösenden Stoffs aufweist und welches den Deformationsweg der Membran in einem Bereich außerhalb des Abtriebsbereichs begrenzt.
Nach einer anderen Ausführungsform kann das zu beschleunigende Element die Brennkammer durchgreifen und im Ausgangszustand an einer von der Membran abgewandten Position der Brennkammer aus der Brennkammer oder dem Gehäuse der pyrotechnischen Antriebseinrichtung herausragen oder damit bündig abschließen. Auch hier kann wiederum ein Begrenzungselement vorgesehen sein, welches den Deformationsweg der Membran begrenzt, vorzugsweise im gesamten Bereich der Membran, welcher beim Aktivieren des pyrotechnischen Materials eine Deformation erfährt.
Als Material für das Begrenzungselement eignen sich Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, beispielsweise Polyoxymethylen (POM), da diese kostengünstig zu verarbeiten sind, die nach der Zündung auftretenden heftigen Stöße gegen ihre Geometrie gut und ohne Rissbildung überstehen und den auf sie einwirkenden Stößen plastisch nachgeben, wodurch Spannungen in der Membran minimiert werden können.
Eine Membran kann als mehrschichtige Membran ausgebildet sein, vorzugsweise als doppelwandige Membran mit einer ersten und zweiten Wandung, welche über eine Zwischenschicht verbunden, beispielsweise verklebt sein können. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Bersten der Membran. Diese Zwischenschicht kann auch eine Dicht- oder Gleitfunktion erfüllen.
Generell kann mittels einer Membran eine schnelle Bewegung mit kleinem Bewegungsweg aus der Antriebseinrichtung ausgekoppelt werden oder ein Impuls auf ein anzutreibendes Element übertragen werden, während ein Kolben eher dazu dient, um eine langsamere Bewegung, meist mit einem größeren Bewegungsweg auszukoppeln. Eine Kombination beider Varianten ist ebenfalls möglich, wenn die Membran in einem bewegbaren Kolben vorgesehen ist. Die Membran kann eine schnelle Bewegung bzw. einen mechanischen Impuls auskoppeln (d.h. den Druckstoß bzw. die Stoßwelle nutzen) und der Kolben kann die praktisch immer vorhandene langsamere Druckerzeugung in der Brennkammer zur Auskopplung einer langsameren Bewegung nutzen oder einfach das Volumen der Brennkammer vergrößern, um nach der Auskopplung der schnellen Bewegung den Druck in der Brennkammer zu reduzieren. Damit kann eine übermäßige Deformation der Membran oder gar ein Bersten der Membran vermieden werden, auch wenn die Kolbenbewegung als solches nicht zu Antriebszwecken genutzt wird.
Bei Auführungsformen, die ein detonativ umsetzendes Material verwenden kann das Gehäuse der Brennkammer oder zumindest ein Teil Brennkammerwandung aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer oder Aluminium, bestehen. Hierdurch wird der sich schnell ausbreitende Druckstoß nach wie vor gut auf das Beaufschlagungselement übertragen während der sich langsam aufbauende Druck, dessen Energie bei diesen Ausführungsformen nicht zur Antriebsleistung beiträgt, reduziert wird, da die Wärmeenergie vom Gehäuse aufgenommen oder über dieses an die Umgebung abgegeben wird. In der Brennkammer kann hierzu auch ein Füllstück aus einem entsprechenden Material vorgesehen sein, welches die Brennkammer (zumindest zum Teil) begrenzt. Des Weiteren kann zumindest ein Teil Brennkammerwandung durch ein Füllstück gebildet sein, das aus einem im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung, d.h. bei den in der Brennkammer herrschenden Drücken und Temperaturen, festen Material besteht, welches nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials zumindest teilweise verflüssigt oder in den gasförmigen Zustand überführt wird. Hierdurch wird der Brennkammer Energie entzogen, wodurch der Druck in der Brennkammer reduziert wird.
Ein solches Füllstück kann insbesondere aus Trockeneis bestehen und zur Auskleidung der gesamten Brennkammer oder eines Teils der Brennkammer ausgebildet sein. Trockeneis ist einfach zu verarbeiten und erzeugt im Endzustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung einen relativ niedrigen Druck in der Brennkammer, wobei sich durch die Sublimation und die Zurückwandlung in den festen Zustand ein Druck zwischen ca. 70 und 100bar einstellt. Bei bestimmten Ausführungsformen ist ein derart relativ niedriger und über lange Zeit konstanter Druck gewünscht, beispielsweise wenn ein bewegter Kolben als Beaufschlagungselement verwendet wird, der nach dem Aktivieren in eine Endposition gehalten werden soll, oder wenn die Deformation der Membran mit einer bestimmten Kraft beibehalten werden soll. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Membran eine den Abtriebsbereich umfassende oder innerhalb des Abtriebsbereichs vorgesehene, in Bezug auf die Brennkammer einwärts gerichtete Vorformung aufweisen, welche zur Stoßwellenlenkung und/oder zur Erzeugung eines Knackfroscheffekts ausgebildet ist.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung mit einer Membran, die mit einem Abtriebsbereich ein anzutreibendes Element beaufschlagt, wobei Fig. 1 a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und Fig. 1 b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung darstellt;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung mit einer Membran, die in einem Abtriebsbereich staub- oder pulverförmige Partikel trägt, wobei Fig. 2a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und Fig. 2b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung und Abgeben der staub- oder pulverförmigen Partikel darstellt;
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung ähnlich der Variante nach Fig. 1 , wobei das Brennkammervolumen mittels eines Einsatzteils reduziert ist;
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung mit einem verschiebbaren Kolben, welcher mit einem stiftartigen Abtriebselement verbunden ist, wobei Fig. 4a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und Fig. 4b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung darstellt; und
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung ähnlich der Variante in Fig. 3 mit einem in der Brennkammer vorgesehenen Impulsübertragungselement, wobei Fig. 5a den Ausgangszugstand der Antriebseinrichtung und Fig. 5b den Zustand nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials und der Beendigung der Antriebsbewegung darstellt.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 , die als eigenständige, funktionsfähige Vorrichtung ausgestaltet ist. Selbstverständlich kann eine derartige Vorrichtung, wie dies auch bei allen anderen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Fall ist, in eine übergeordnete Vorrichtung, beispielsweise eine nadellose, pyrotechnische Injektionseinrichtung oder einen elektrischen Endschalter, integriert sein. In diesem Fall können ein oder mehrere Elemente der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 mit entsprechenden Elementen der übergeordneten Vorrichtung integriert, insbesondere einstückig, ausgebildet sein. Die pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 3, in welchem eine Brennkammer 5 vorgesehen ist. Die Brennkammer 5 wird an einer Rückseite durch ein Bodenelement 7 begrenzt, welches eine in einer Längsachse A der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 angeordnete Aufnahmeausnehmung 9 aufweist, in welche eine pyrotechnische Einheit 1 1 mit einem Fußbereich eingesetzt ist. Die pyrotechnische Einheit 1 1 umfasst eine Zündeinrichtung 13, welche mit einem pyrotechnischen Material 15 verbunden ist. Zumindest das pyrotechnische Material 15 ragt aus dem Bodenelement 7 in die Brennkammer 5 hinein.
Das pyrotechnische Material 15 kann ein deflagrierend oder detonativ umsetzender pyrotechnischer Stoff sein, der vorzugsweise zu einem Körper mit einer vorgegebenen Geometrie oder zumindest einer gegenüber dem übrigen Brennkammervolumen abgegrenzten, gegebenenfalls flexiblen, Außenhaut ausgebildet ist. Beispielsweise kann das pyrotechnische Material 15 ein zu einem Formkörper gepresstes Pulver sein, welches zusätzlich mit einer flexiblen, beispielsweise gummiartigen Außenhaut umgeben ist. Die Außenhaut kann auch dazu dienen, um das pyrotechnische Material 15 beziehungsweise den betreffenden Formkörper mit der Zündeinrichtung 13 zu verbinden.
Der vordere Endbereich der Brennkammer 5 ist durch eine Membran 17 begrenzt, die zumindest in einem in Bezug auf die Längsachse A zentrischen Bereich axial plastisch und/oder elastisch deformierbar ist. Die Membran 17 kann, wie in Fig. 1 a, in welcher der Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 vor einem Aktivieren der pyrotechnischen Einheit 11 dargestellt ist, eine in Bezug auf die Brennkammer 5 einwärts gerichtete zentrische Form aufweisen, die als Vorformung bezeichnet wird und, abhängig vom Material der Mermbran 17 durch Kalt- oder Warmverformung einer zunächst ebenen Membran erzeugt werden kann. Diese Vorformung, welche den Abtriebsbereich der Membran 17 umfassen oder innerhalb des Abtriebsbereichs vorgesehen sein kann, kann dazu beitragen, bei einem Aaktivieren der pyrotechnischen Einheit 11 den an ein anzutreibendes beziehungsweise zu beschleunigendes Element 19 zu übertragenden Impuls beziehungsweise eine zu übertragende Energie zu verstärken. Die Vorprägung der Membran 17 kann einer Deformation der Membran bei einer beginnenden Druckerhöhung innerhalb der Brennkammer 5 zunächst entgegenwirken und dann im Sinne eines„Knackfroschs" aus dem stabilen Zustand, der im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 gegeben ist, in einen weiteren stabilen oder instabilen Zustand umspringen. Dieser zweite Zustand ist jedoch wenig relevant, da die Membran 17 bei einem Aktivieren der pyrotechnischen Einheit 11 ohnehin in einen Endzustand deformiert wird (Fig. 1 b). Eine derartige Vorformung der Membran 17 kann auch eine Ablenkung bzw. Fokussierung der Stoßwelle (im Folgenden als Stoßwellenlenkung bezeichnet) auf den Abtriebsbereich der Membran bewirken. Durch den Knackfroscheffekt oder die Fokussierung der Stoßwelle konnte messtechnisch eine zusätzliche Erhöhung der erzielbaren Oberflächengeschwindigkeit der Membran im Abtriebsbe reich von ca. 10 bis 20 Prozent nachgewiesen werden.
Das Restvolumen der Brennkammer 5, welches nicht durch das pyrotechnische Material 15, beziehungsweise die Zündeinrichtung 13, das heißt den in die Brennkammer ragenden Teil der pyrotechnischen Einheit 11 , beansprucht wird, ist im Wesentlichen vollständig mit einem Füllmaterial 21 gefüllt. Das Füllmaterial kann flüssig oder gelartig ausgebildet sein. Auch ein weiches gummiartiges Füllmaterial oder eine Kombination aus einem derartigen weichen gummiartigen Füllmaterial und einem flüssigen oder gelartigen Füllmaterial ist möglich. In jedem Fall sollte jedoch eine im Wesentlichen vollständige Füllung des Restvolumens der Brennkammer 5 gewährleistet sein.
Wird die pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 aus dem in Fig. 1 dargestellten Ausgangszustand aktiviert, so wird der Umsetzvorgang für das pyrotechnische Material 15 mittels der Zündeinrichtung 13 gestartet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektrische Zündeinrichtung handeln, die über elektrische Anschlüsse 13a entsprechend angesteuert werden kann. Derartige Zündeinrichtungen sind in vielfältiger Form bekannt und müssen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden. Anstelle von elektrisch ansteuerbaren Zündeinrichtungen sind selbstverständlich auch andere Zündeinrichtungen verwendbar, beispielsweise solche, die durch Erschütterungen, das heißt mechanische Beschleunigungen, auslösbar sind.
Durch das Umsetzen des pyrotechnischen Materials 15 wird die pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 in den in Fig. 1 b dargestellten Endzustand übergeführt. Dabei sind im Wesentlichen zwei unterschiedliche Mechanismen zu entscheiden, die zum Erzeugen einer Abtriebsleistung in einem bezüglich der Längsachse A zentrischen Abtriebsbereich der Membran 17 führen.
Zum einen kann ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwendet werden, welches in der Brennkammer 5 einen Gasdruck erzeugt, wobei der Druckanstieg langsamer ist als die Schallgeschwindigkeit im Füllmaterial 21. In diesem Fall wird die Membran deformiert, bis ein Ausgangszustand entsprechend Fig. 1 b erreicht ist.
Zum anderen kann ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwendet werden, welches in der Brennkammer 5 zunächst eine Stoßwelle erzeugt, die sich im Füllmaterial 21 schneller ausbreitet als die Schallgeschwindigkeit im Füllmaterial 21. Diese Stoßwelle wird zunächst auf die Membran 17 und von dieser auf das anzutreibende Element 19 übertragen, welches im Ausgangszustand am Abtriebsbereich der Membran 17 anliegt. Dies führt zur Übertragung eines hohen Impulses auf das Anzu- treibende Element 19, welches dann mit einer entsprechenden kinetischen Energie von der Membranoberfläche weggeschleudert wird (siehe Fig. 1 b).
Daneben führt das detonativ umsetzende pyrotechnische Material 15 auch zu einer langsameren Druckerhöhung in der Brennkammer 17, so dass auch in diesem Fall eine Deformation der Membran erfolgt. Diese wird jedoch erst bewirkt, nachdem bereits die Energie der Stoßwelle, die auf den Abtriebsbereich der Membran 19 auftrifft, auf das anzutreibende Element 19 übertragen wurde.
Um die Deformation der Membran 17 in dem in Fig. 1 b dargestellten Endzustand zu begrenzen, ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 ein ringförmiges Begrenzungselement 23 verwendet, welches ebenfalls koaxial zur Längsachse A im Gehäuse 3 gehalten ist. Das Gehäuse kann hierzu an seiner Frontseite eine Umbördelung aufweisen, welche das ringförmige Begrenzungselement 23 an seiner Vorderseite radial einwärts umgreift.
Die Halterung des Bodenelements 17 im Gehäuse 3 kann analog erfolgen. Das Gehäuse kann hierzu an seiner rückwärtigen oder Bodenseite ebenfalls eine radial einwärts gerichtete Bodenwandung aufweisen. Das Bodenelement 7 stützt sich in axialer Richtung gegenüber der Innenseite dieser Bodenwandung ab.
Zur Montage der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 kann somit zunächst das Bodenelement 7 mit bereits darin angeordneter pyrotechnischer Einheit 1 1 in das Gehäuse eingeschoben werden, bis das Bodenelement 7 mit seiner Unterseite oder Rückseite an der Bodenwandung des Gehäuses 3 anliegt. Anschließend kann das Füllmaterial 21 eingebracht werden. Zuletzt können die Membran 17 und das Begrenzungselement 23 in das nach vorne zunächst noch offene zylindrische Gehäuse 3 eingesetzt werden, wobei die Membran mit ihrer Innenseite auf dem Füllmaterial aufliegt. Anschließend kann ein mechanisches Umbördeln der zylindrischen Gehäusewandung derart erfolgen, dass das Begrenzugselement sicher im Gehäuse gehalten ist und die Membran mit einer vordefinierten Kraft gegen das Füllmaterial 21 gedrückt wird. Auf diese Weise können Hohlräume in der Brennkammer, die nicht durch das Füllmaterial 21 ausgefüllt sind, vermieden werden. Beim Umsetzen des pyrotechnischen Materials 15 kann neben dem Erzeugen eines Gasdrucks, der allein aus dem Umsetzvorgang des pyrotechnischen Materials 15 resultiert, auch ein zusätzlicher Gasdruck dadurch erzeugt werden, dass zumindest ein Teil des Füllmaterials 21 durch die beim Umsetzvorgang freiwerdende Energie in den gasförmigen Zustand überführt wird. Auf diese Weise kann die Masse des pyrotechnischen Materials gegenüber einer im Ausgangszustand lediglich mit Gas gefüllten Brennkammer reduziert werden. Des Weiteren kann hierdurch ein steilerer Druckanstieg erreicht werden, so dass die Membran schneller, das heißt mit größerer Beschleunigung aus ihrem Ausgangszustand in den Endzustand überführt wird. Soll das anzutreibende Element 19 im Wesentlichen ausschließlich unter Ausnutzen der Deformationsbewegung der Membran 17 beschleunigt werden, so ist ein zusätzliches Umsetzen des Füllmaterials 21 in den gasförmigen Zustand somit vorteilhaft. Das Füllmaterial 21 kann unter Berücksichtigung dieser Forderung entsprechend gewählt werden.
Hierzu kommen insbesondere Flüssigkeiten, wie synthetische oder natürliche Öle, insbesondere Pflanzenöle, in Frage.
Soll dagegen die Energie einer Stoßwelle auf das anzutreibende Element 19 übertragen werden, so ist die Umsetzung des Füllmaterials 21 in den gasförmigen Zustand eher unerwünscht. Denn die Energie der Stoßwelle wird auf das anzutreibende Element 19 zu einem Zeitpunkt übertragen, der vor dem Zeitpunkt der langsameren Deformation der Membran liegt, die durch das Erzeugen von Heißgasen in der Brennkammer 5 bewirkt wird.
Ist ein Wegschleudern eines oder mehrerer anzutreibender Elemente 19 vom Abtriebsbereich der Membran 17 gewünscht, so wird man die Verwendung eines detona- tiv umsetzenden pyrotechnischen Materials 15 insbesondere dann verwenden, wenn das eine oder die mehreren anzutreibenden Elemente 19 eine relativ geringe Masse aufweisen und mit möglichst hoher Geschwindigkeit weggeschleudert werden sollen.
Dagegen wird man ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material 15 in solchen Fällten verwenden, wenn das eine oder die mehreren anzutreibenden Elemen- te 19 eine höhere Masse aufweisen oder mit einer geringeren Geschwindigkeit von der Oberfläche der Membran 17 weggeschleudert werden sollen.
Des Weiteren wird man den letztgenannten Bewegungsmechanismus vor allem dann einsetzen, wenn das anzutreibende Element 19 fest mit der Membran 17 verbunden ist und zur Beaufschlagung eines weiteren Elements oder einer weiteren Vorrichtung dient.
Die in Fig. 2 dargestellte weitere Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nur in den nachfolgend beschriebenen Merkmalen, so dass die mit der Ausführungsform in Fig. 1 übereinstimmenden Merkmale nicht erneut beschrieben werden müssen.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist anstelle eines anzutreibenden Elements 19 auf der Membran 17 in dem zentrischen Abtriebsbereich eine Haftschicht 27 vorgesehen, welche zum Fixieren eines pulver- oder staubförmigen Stoffs 25 dient. In Fig. 2a sind für das Symbolisieren eines pulver- oder staubförmigen Stoffs lediglich drei Partikel in Übergröße dargestellt. Die Haftschicht kann beispielsweise eine Klebeschicht oder eine getrocknete Zuckerlösung sein. Bei dem pulver- oder staubförmigen Stoff 25 kann es sich um einen Arzneistoff handeln, der in ein menschliches oder tierisches Gewebe injiziert werden soll.
Bei einer derartigen Ausführungsform wird man, entsprechend den obigen Ausführungen, vornehmlich ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwenden, da die pulver- oder staubförmigen Partikel des Stoffs 25 auf eine möglichst hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden müssen, so dass sie die Oberfläche des Gewebes, in welches die Injektion erfolgen soll, bis in eine ausreichende Tiefe durchdringen.
Fig. 2b zeigt den Endzustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 und die bereits von der Oberfläche der Membran 17 weggeschleuderten pulver- oder staubförmigen Stoffpartikel des Stoffs 25. Da sich auch Teile der Haftschicht 27 von der Membranoberfläche ablösen können, kann die Haftschicht aus einem solchen Material oder Stoff bestehen, der sich beim Injizieren in das Gewebe entsprechend neutral verhält oder zumindest nicht zu nachteiligen Folgen führt.
Die Membran 17 kann, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere kann eine erste und eine zweite Schicht über eine Verbindungsschicht zu einer Gesamtmembran 17 verbunden sein. Dies reduziert drastisch die Wahrscheinlichkeit eines Berstens der Membran, da es als äußerst unwahrscheinlich anzusehen ist, dass beide Membranschichten an derselben Stelle fehlerhafte Schwachstellen aufweisen, die zu einer Zerstörung der betreffenden Schicht ohne das Vorsehen einer zweiten Schicht führen würden. Zusätzlich kann durch die Verbindungsschicht eine zusätzliche Stabilität erreicht werden.
Die in Fig. 2 dargestellte pyrotechnische Antriebseinrichtung 1 weist im Bodenelement 7 zusätzlich eine Gasaustrittsöffnung 29 auf, die im Ausgangszustand (Fig. 2a) mit einer Membran 31 verschlossen ist. Die Membran 31 ist dabei so beschaffen, dass sie bei Überschreiten eines Grenzdrucks in der Brennkammer 5 zerstört wird.
Da bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform die von dem detonativ umsetzenden pyrotechnischen Material 15 erzeugte Stoßwelle ausgenutzt wird, um die Stoffpartikel des Stoffs 25 zu beschleunigen und nicht die relativ langsame Deformation der Membran 17 infolge des Gasdrucks, der sich in der Brennkammer 5 (relativ langsam) aufbaut, kann die Membran 17 in diesem Fall schwächer ausgebildet werden, wenn der innerhalb der Brennkammer 5 auftretende Gasdruck auf einen relativ geringen Maximalwert begrenzt wird. Dieser ist durch die Geometrie der Gasaustrittsöffnung 29 und den Grenzdruck festgelegt, bei dem die Membran 31 zerstört wird.
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, kommt dem Begrenzungselement 23 die Aufgabe zu, die Deformation der Membran 17 zu begrenzen und die Membran in einem ringförmigen Bereich zu stützen, welcher den Abtriebsbereich umgibt, sobald die Deformation der Membran 17 soweit fortgeschritten ist, dass die betreffenden Membranbereiche an der Innenwandung des Begrenzungselements 23 anliegen. Die in Fig. 3 dargestellte weitere Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 entspricht weitestgehend der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Volumen der Brennkammer 5 durch ein ringförmiges Füllstück 33 reduziert ist. Die Geometrie des Füllstücks 33 kann dabei so gewählt werden, dass die Brennkammer 5 so klein wie möglich gehalten wird. Der vordere Bereich der Brennkammer 5 muss jedoch im Querschnitt (senkrecht zur Längsachse A) zumindest so beschaffen sein, dass der Querschnitt so groß ist wie der Abtriebsbereich der Membran, der zur Übertragung der Energie der Stoßwelle beiträgt beziehungsweise der durch seine Verformung die Energieübertragung auf das wenigstens eine anzutreibende Element 19 bewirkt.
Das Füllstück 33 kann, wie oben erwähnt auch aus einem Material bestehen, welches im Ausgangszustand der Antriebseinrichtung 1 fest ist und durch die Erhöhung von Druck und Temperatur in der Brennkammer nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials in den flüssigen oder gasförmigen Zustand übergehen. Insbesondere kann das Füllstück 33 auch aus Trockeneis bestehen, welches einfach zu verarbeiten ist und im Endzustand der Antriebseinrichtung in der (geschlossenen) Brennkammer einen konstanten Druck erzeugt, mit dem die Membran 17 dauernd beaufschlagt wird. Hierdurch kann ein mit der Membran verbundenes oder dauernd beaufschlagtes anzutreibende Element in seiner Endposition gehalten werden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass ein anzutreibendes Element 19 selbstverständlich nicht nur von der, bezogen auf die Brennkammer, nach außen gerichteten Seite der Membran 17 beaufschlagt beziehungsweise mit dieser Seite verbunden sein kann, wie dies in den Fig. 1 , 3 und 4 dargestellt ist. Vielmehr kann das anzutreibende Element 19 auch von der, bezogen auf die Brennkammer 5, inneren Seite der Membran beaufschlagt oder mit dieser verbunden sein. In diesem Fall durchragt das anzutreibende Element 19 die Brennkammer und kann mit einem Endbereich aus der Brennkammer und gegebenenfalls aus dem Gehäuse 3 der betreffenden pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 herausragen. In diesem Fall wird man das anzutreibende Element 19 vorzugsweise mit der Membran verbinden oder einstückig mit dieser ausgestalten. An der Stelle, an welcher das anzutreibende Element 19 die Brennkammer verlässt und beispielsweise durch eine entsprechende Öffnung im Bodenteil aus dem Bodenteil 7 herausragt, kann das anzutreibende Element 19 mit einem Dichtungsmittel gegenüber dem Inneren der Brennkammer beziehungsweise einer Durchbruchsöffnung im Bodenteil 7 abgedichtet sein. Ist jedoch ein gelartiges, pastöses oder gummiartiges Füllmaterial im Inneren der Brennkammer 5 verwendet, so kann auf eine Abdichtung verzichtet werden, wenn es im betreffenden Anwendungsfall akzeptabel ist, dass Heißgase aus einer nicht abgedichteten Austrittsöffnung, beispielsweise einem das anzutreibende Element umgebenden Ringbereich, aus dem Gehäuse 3 oder dem Bodenteil 7 austreten.
Die verbleibende, nicht abgedichtete Austrittsöffnung darf jedoch nur so groß sein, dass sich im Inneren der Brennkammer noch ein ausreichender Druck zur Deformation der Membran aufbauen kann. Das Begrenzungselement 23 kann bei diesen Ausführungsformen so ausgebildet sein, dass die gesamte Außenseite der Membran im Endzustand abgestützt wird. Denn das Begrenzungselement 23 wird in diesem Fall nicht von einem anzutreibenden Element durchgriffen.
Bei dieser Ausführungsform kann die pyrotechnische Einheit 1 1 selbstverständlich nicht axial in der Achse A der pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 vorgesehen sein. Da die Position des pyrotechnischen Materials 15 beziehungsweise der Zündeinrichtung 13 jedoch unkritisch ist, kann bei diesen Ausführungsformen die pyrotechnische Einheit 1 1 von einer Seite des Gehäuses 3 her in die Brennkammer hineinragen. Das pyrotechnische Material 15 beziehungsweise die gesamte pyrotechnische Einheit 11 muss dabei jedenfalls so vorgesehen sein, dass diese die Bewegung des anzutreibenden Elements 19, welches die Brennkammer 5 durchgreift, nicht stört.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinheit 1 unterscheidet sich von allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen dadurch, dass anstelle einer Membran, welche die Energie auf das eine oder die mehreren anzutreibenden Elemente 19 beziehungsweise die auf einer Oberfläche anhaftenden Stoffpartikel überträgt, einen verschiebbaren Kolben 35 aufweist, welcher die Brennkammer 5 (Fig. 4a) begrenzt. Das Gehäuse 3 ist in diesem Fall an seiner Vorderseite so ausgebildet, dass nur eine relativ kleine Durchbruchsöffnung in der Längsachse A der pyrotechnischen Einheit 1 vorgesehen ist, durch welche ein anzutreibendes Element 19 ragt. Das anzutreibende Element 19 kann, wie im dargestellten Fall, mit dem Kolben 35 verbunden sein.
Im Übrigen weist die in Fig. 4 dargestellte pyrotechnische Antriebseinheit dieselben Merkmale auf, wie die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform, insbesondere was das Gehäuse, das Bodenteil und die pyrotechnische Einheit anbelangt.
Der Kolben 35 kann in seiner Ausgangsposition im Gehäuse 3 fixiert sein, beispielsweise durch Rastmittel, welche an der Innenwandung des Gehäuses 3 und/oder der Außenwandung des Kolbens 35 vorgesehen sind. Diese Rastmittel beziehungsweise Fixiermittel bewirken, dass der Kolben 35 erst bei Überschreiten eines Grenzdrucks in Richtung auf die Vorderseite des Gehäuses 3 beschleunigt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird man vorzugsweise ein deflagrierend umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwenden, da der Kolben 35 mit seiner trägen Masse kaum alleine durch eine Stoßwelle bewegbar ist. Vielmehr wird hierfür der sich im Volumen der Brennkammer aufbauende Gasdruck benötigt.
Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der Außenumfang des Kolbens 35 eine Dichtungswirkung dadurch erzielen, dass ein relativ dünner umlaufender Wandbereich des Kolbens in radialer Richtung von dem sich in der Brennkammer 5 aufbauenden Gasdruck beaufschlagt werden kann. Auf diese Weise wird ein radiales Andrücken der umlaufenden, relativ dünnen Wandung an die Innenwandung des Gehäuses 3 erreicht. Dies führt zu der gewünschten Dichtwirkung beim Aufbauen des Gasdrucks in der Brennkammer 5 auch während der Bewegung des Kolbens 35 in der Richtung der Achse A.
Wie aus Fig. 4b ersichtlich, ist das anzutreibende Element 19 bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform fest mit dem Kolben 35 verbunden. Das Element 19 kann somit als Abtriebselement zur Beaufschlagung eines weiteren Elements oder einer weiteren Vorrichtung dienen. Selbstverständlich kann das anzutreibende Element 19 jedoch auch nicht mit dem Kolben 35 verbunden sein. In diesem Fall kann es im Ausgangszustand bereits vom Kolben 35 beaufschlagt sein. Die Fixierung des Elements 19 kann dabei durch eine entsprechende Ausgestaltung der Durchbruchsöffnung im Gehäuse 3 erfolgen. Das Element 19 kann jedoch im Ausgangszustand auch nicht vom Kolben 35 beaufschlagt und lediglich in der Durchbruchsöffnung des Gehäuses 3 fixiert sein. In diesem Fall schlägt der Kolben 35 erst mit einer gewissen Geschwindigkeit auf das anzutreibende Element 19 auf und überträgt einen mechanischen Impuls auf das Element 19, so dass dieses in der Richtung der Achse A beschleunigt und weggeschleudert wird.
Auch bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform kann in einer Variante das anzutreibende Element 19 die Brennkammer 5 durchgreifen. Bezüglich dieser Variante sei auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform einer pyrotechnischen Antriebseinrichtung 1 entspricht einer Kombination der Ausführungsformen in den Fig. 2 und 3. Auch hier ist eine Membran verwendet, bei der ein pulver- oder staubförmiger Stoff 25 auf der äußeren Oberfläche des Abtriebsbereichs der Membran 17 aufgebracht ist. Auf eine Haftschicht wurde hier verzichtet, um anzudeuten, dass auch eine reine Adhäsion genügen kann, um den pulver- oder staubförmigen Stoff 25 auf der Oberfläche der Membran 17 vorzusehen. Selbstverständlich kann jedoch auch hier eine Haftschicht beispielsweise eine Öl oder eine Zückerlösung verwendet werden. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform in Fig. 5 weitestgehend der Ausführungsform in Fig. 2, wobei jedoch in der Brennkammer ein Füllstück 33 entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 3 vorgesehen ist.
Zusätzlich unterscheidet sich die Funktionsweise der Ausführungsform nach Fig. 5 jedoch dadurch von den vorstehenden Ausführungsformen, bei welchen ein detonativ umsetzendes pyrotechnisches Material 15 verwendet ist, dadurch, dass in der Achse A unmittelbar vor dem pyrotechnischen Material 15 ein Impulsübertragungselement 37 vorgesehen ist. Dieses Impulsübertragungselement 37 ist hinsichtlich des Materials und seiner Masse sowie seiner Geometrie so beschaffen, dass es in der Lage ist, durch den erzeugten Druckstoß beziehungsweise der erzeugten Druckwelle in extrem kurzer Zeit auf eine solche Geschwindigkeit beschleunigt zu werden, dass das Impulsübertragungselement 37 quasi auf der Front der Stoßwelle reitet. Hierdurch wird erreicht, dass das Impulsübertragungselement praktisch zusammen mit der vordersten Front der Stoßwelle gegen die Innenwandung der Membran 17 geschleudert wird. Es wird somit nicht nur die in der Stoßwelle enthaltene Energie zur Übertragung eines Impulses mittels einer sehr schnellen Deformation der Membran 17 im Abtriebsbereich genutzt, sondern es wird auch der mechanische Impuls des Impulsübertragungselements 37 genutzt, um zumindest einen Teil hiervon auf die Membran 17 und über die Membran 17 auf die Partikel des Stoffs 25 zu übertragen.
Die Endposition der Membran 17 beziehungsweise auch des Impulsübertragungselements 37 ist in Fig. 5b dargestellt. In dieser Endposition ist wiederum die (nicht zu vermeidende und nicht zur Beschleunigung der Stoffpartikel beitragende) Deformation der Membran 17 erkennbar.
Bei den Ausführungen nach den Fig. 3 und 5 dient das Füllstück 33 auch dazu, um einen ringförmigen Randbereich der Membran 17 zu fixieren, indem dieser Randbereich zwischen dem Füllstück 33 und dem Begrenzungselement 23 geklemmt wird. Selbstverständlich kann die Membran 17 jedoch mit dem betreffenden Randbereich auch mit dem Füllstück 33 oder dem Begrenzungselement 23 verbunden sein.
Das Füllstück kann hinsichtlich seiner Geometrie auch so ausgebildet sein, dass nicht nur eine möglichst weitgehende Reduktion des Brennkammervolumens erreicht wird, sondern auch eine Fokussierung der von der pyrotechnischen Einheit 1 1 erzeugten Stoßwelle auf den Abtriebsbereich der Membran erreicht wird. Hierzu könnte der axiale Durchbruch des Füllstücks 33 beispielsweise sich kegelförmig erweiternd in Richtung auf die Membran ausgebildet sein.
Die vorbeschriebenen Ausführungsformen können selbstverständlich auch zu weiteren Varianten abgewandelt werden, indem bestimmte Merkmale der einen Ausführungsform, soweit sinnvoll, mit den Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden.
Sämtliche Ausführungsformen der pyrotechnischen Antriebseinheit können entweder integriert in eine übergeordnete Vorrichtung, beispielsweise eine nadellose Injektions- Vorrichtung oder einen elektrischen Schalter oder dergleichen, oder als eigenständige Einheit ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
1 Pyrotechnische Antriebseinrichtung
3 Gehäuse
5 Brennkammer
7 Bodenelement
9 Aufnahmeausnehmung
11 Pyrotechnische Einheit
13 Zündeinrichtung
13a Elektrische Anschlüsse
15 Pyrotechnisches Material
17 Membran
19 Anzutreibendes Element
21 Füllmaterial
23 Begrenzungselement
25 Pulver- oder staubförmiger Stoff
27 Haftschicht
29 Gasaustrittsöffnung
31 Membran
33 Füllstück
35 Kolben
37 Impulsübertragungselement
A Längsachse

Claims

Patentansprüche
1. Pyrotechnische Antriebseinrichtung
(a) mit einem Gehäuse (3), in welchem eine Brennkammer (5) mit einem in der Brennkammer (5) angeordneten pyrotechnischen Material (15) und eine Aktivierungseinrichtung (13) zum Aktivieren des pyrotechnischen Materials (15) vorgesehen ist,
(b) wobei die Brennkammer (5) durch eine zumindest in einem Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung allseitig geschlossene Brennkammerwandung (3, 7, 13, 17, 33, 35) begrenzt ist, welche in einem oder mehreren Teilbereichen durch jeweils eine Beaufschlagungsfläche jeweils eines Beaufschlagungselements (17, 35) gebildet ist, wobei jede Beaufschlagungsfläche eines Beaufschlagungselements (17, 35) nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials (15) derart durch einen hierdurch erzeugten Druck beaufschlagt wird, dass das Beaufschlagungselement (17, 35) bewegt und/oder deformiert und/oder ein mechanischer Impuls über das Beaufschlagungselement (17, 35) auf ein zumindest im Ausgangszustand damit mechanisch verbundenes anzutreibendes Element (19) oder einen damit verbundenen Stoff (25) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet,
(c) dass ein Restvolumen der Brennkammer (5), in welchem im Ausgangszustand kein pyrotechnisches Material (15) vorgesehen ist, im Wesentlichen vollständig mit einem flüssigen, gelartigen oder pastösen Füllmaterial (21) und/oder einem weichen gummiartigen Füllmaterial (21) gefüllt ist.
2. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Material (15) ein detonativ umsetzendes Material oder ein deflagrierend umsetzendes Material ist.
3. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weiche gummiartige Füllmaterial (21) ein auf Silikonbasis oder Kautschukbasis hergestelltes Material ist, welches vorzugsweise eine Härte kleiner oder gleich 70 Shore A aufweist.
4. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Material (15) so ausgebildet ist, dass eine Stoßwelle erzeugt wird und dass das Füllmaterial (21) so beschaffen ist, dass die Stoßwellenimpedanz des Füllmaterials (21) im Wesentlichen der Stoßwellenimpedanz des einen oder der mehreren Beaufschlagungselemente (17, 35) entspricht oder nur um einen vorgegebenen geringen Betrag hiervon differiert.
5. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (21) eine geringe Stoßwellendämpfung aufweist, um eine möglichst verlustarme Übertragung der Energie der Stoßwelle auf das eine oder die mehreren Beaufschlagungselemente (17, 35) zu erreichen, welche beim Aktivieren des pyrotechnischen Materials (15) erzeugt werden.
6. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (21) ein synthetisches Öl, beispielsweise ein Silikoöl, oder natürliches Öl, beispielsweise ein pflanzliches Öl, insbesondere Sonnenblumenöl, oder ein Silikonoleogel ist.
7. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (21) oder ein Bestandteil hiervon einen Siedeverzug aufweist, wobei der Bestandteil mit Siedeverzug vorzugsweise Wasser ist.
8. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beaufschlagungselement ein bewegbarer Kolben (35) ist, dessen Bewegungsweg vorzugsweise durch im Gehäuse (3) vorgesehene Anschlagsmittel begrenzt ist.
9. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beaufschlagungselement eine Membran (17) ist, welche im Gehäuse (3) ortsfest gehalten ist oder welche in einem bewegbaren Kolben gehalten ist, dessen Bewegungsweg vorzugsweise durch im Gehäuse (3) vorgesehene Anschlagsmittel begrenzt ist.
10. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
(a) dass die Membran (17) mit einem Abtriebsbereich, welcher vorzugsweise ein zentraler Bereich der Membran (17) ist, im Ausgangszustand ein anzutreibendes Element (19), beispielsweise einen Stößel, beaufschlagt oder
(b) dass die Membran (17) mit einem Abtriebsbereich, welcher vorzugsweise ein zentraler Bereich der Membran (17) ist, im Ausgangszustand einen an der Membran (17) anhaftenden oder mit dieser verbundenen zu beschleunigenden und abzulösenden Stoff (25), beispielsweise einen pharmazeutischen Stoff, trägt.
11. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das anzutreibende Element (19) oder der Stoff (25) vollständig außerhalb der Brennkammer (5) angeordnet ist und dass ein Begrenzungselement (23) vorgesehen ist, welches einen Durchbruch für das anzutreibende Element (19) oder für das Ausstoßen des von der Membran (17) abzulösenden Stoffs (25) aufweist und welches den Deformationsweg der Membran (17) in einem Bereich außerhalb des Abtriebsbereichs begrenzt.
12. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das anzutreibende Element (19) die Brennkammer (5) durchgreift und im Ausgangszustand an einer von der Membran (17) abgewandten Position der Brennkammer (5) aus der Brennkammer (5) oder dem Gehäuse (3) der pyrotechnischen Antriebseinrichtung (1) herausragt oder damit bündig abschließt, wobei vorzugsweise ein Begrenzungselement (23) vorgesehen ist, welches den Deformationsweg der Membran (17) begrenzt, vorzugsweise im gesamten Bereich der Membran (17), welcher beim Aktivieren des pyrotechnischen Materials (15) eine Deformation erfährt.
13. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (17) als mehrschichtige Membran ausgebildet ist, vorzugsweise als doppelwandige Membran mit einer ersten und zweiten Wandung, welche über eine Zwischenschicht verbunden, beispielsweise verklebt sind.
14. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Material (15) ein detonativ umsetzendes Material ist und dass das Gehäuse (3) der Brennkammer (5) oder zumindest ein Teil Brennkammerwandung aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer oder Aluminium, besteht oder dass zumindest ein Teil der Brennkammerwandung durch ein Füllstück (33) gebildet ist, das aus einem im Ausgangszustand der pyrotechnischen Antriebseinrichtung festen Material besteht, welches nach dem Aktivieren des pyrotechnischen Materials (15) zumindest teilweise verflüssigt oder in den gasförmigen Zustand überführt wird.
15. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als funktionsfähige Einheit zum Einbau oder zum austauschbaren Einsetzen in eine übergeordnete Vorrichtung, beispielsweise einen pyrotechnischen elektrischen Schalter oder eine pyrotechnische nadellose Injektionsvorrichtung zum nadellosen Injizieren eines staub- oder pulverför- migen Stoffs in ein Gewebe eines Körpers, ausgebildet ist. Pyrotechnische Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (17) eine den Abtriebsbereich umfassende oder innerhalb des Abtriebsbereichs vorgesehene, in Bezug auf die Brennkammer (5) einwärts gerichtete Vorformung aufweist, welche zur Stoßwellenlenkung und/oder zur Erzeugung eines Knackfroscheffekts ausgebildet ist.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109564838B (zh) * 2016-08-23 2020-11-17 株式会社大赛璐 致动器
DE102016124176A1 (de) * 2016-12-13 2017-01-26 Peter Lell Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen
JP6973778B2 (ja) * 2017-06-27 2021-12-01 株式会社ダイセル 注入器
US10549038B2 (en) * 2017-06-29 2020-02-04 Daicel Corporation Syringe
US10332707B2 (en) * 2017-06-29 2019-06-25 Daicel Corporation Actuator
JP7034167B2 (ja) * 2017-09-08 2022-03-11 株式会社ダイセル アクチュエータ
RU2702449C1 (ru) * 2018-08-31 2019-10-08 Назым Нурлисламович Усманов Устройство для осуществления возвратно-поступательного движения рабочего органа
DE102019207537A1 (de) 2019-05-23 2020-11-26 Siemens Aktiengesellschaft System mit zumindest zwei an eine gemeinsame Speiseleitung angeschlossenen und selektiv abschaltbaren Verbrauchern und Verwendung zumindest eines Unterbrechungsschaltglieds mit einer extern aktivierbaren Zündvorrichtung zum sicheren Trennen eines Verbrauchers von einem speisenden elektrischen Netz
CN114641328A (zh) * 2019-10-30 2022-06-17 株式会社大赛璐 基因枪
US20220387948A1 (en) * 2019-11-05 2022-12-08 Daicel Corporation Ultra fine bubble production apparatus
DE102020212125A1 (de) 2020-09-25 2022-03-31 Joyson Safety Systems Germany Gmbh Stromleitungs-Trennvorrichtung
JP2023118589A (ja) * 2022-02-15 2023-08-25 株式会社ダイセル 電気回路遮断装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1931005B1 (de) * 1969-06-19 1970-07-09 Dynamit Nobel Ag Zuendbares mechanisches Schaltelement
FR2079538A5 (de) * 1970-02-04 1971-11-12 Thomson Csf
CH635462A5 (de) * 1979-01-11 1983-03-31 Bbc Brown Boveri & Cie Starkstromschalter mit sprengausloesung.
FR2678722B1 (fr) * 1987-08-19 1994-03-11 Saint Louis Inst Franco Alle Rec Generateur pyrotechnique a composition deflagrante et ses applications.
JPH04101338U (ja) * 1991-02-18 1992-09-01 ワコー電子株式会社 圧力スイツチ
GB9502879D0 (en) * 1995-02-14 1995-04-05 Oxford Biosciences Ltd Particle delivery
DE19749135A1 (de) * 1997-11-06 1999-07-29 Lell Peter Dipl Ing Dr Notabschalter für elektrische Stromkreise
DE19961019C1 (de) * 1999-12-17 2001-02-22 Grammer Ag Antriebseinrichtung für eine Fahrzeugkomponente
DE10029325A1 (de) * 2000-06-20 2002-01-03 Peter Lell Nadellose Injektionsvorrichtung mit pyrotechnischem Antrieb
US6672194B2 (en) * 2001-07-19 2004-01-06 Textron Systems Corporation Energetic-based actuator device with rotary piston
DE10205369B4 (de) 2002-02-10 2004-03-25 Lell, Peter, Dr.-Ing. Elektrische Sicherung, insbesondere pyrotechnische Sicherung für das Unterbrechen hoher Stromstärken in elektrischen Schaltkreisen
DE10306716A1 (de) * 2003-02-17 2004-09-02 Lell, Peter, Dr.-Ing. Vorrichtung zum Injizieren eines staub-oder pulverförmigen Stoffs in ein Gewebe eines Körpers
DE102010035684A1 (de) * 2010-08-27 2012-03-01 Auto-Kabel Managementgesellschaft Mbh Elektrische Trennvorrichtung sowie Verfahren zum elektrischen Trennen von Anschlussteilen mit Hilfe einer Trennvorrichtung
DE102014107853B4 (de) * 2014-06-04 2015-09-03 Peter Lell Elektrisches Unterbrechungsschaltglied, insbesondere zum Unterbrechen von hohen Strömen bei hohen Spannungen

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *
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KR20170072902A (ko) 2017-06-27
JP2017535033A (ja) 2017-11-24
US20170314582A1 (en) 2017-11-02
WO2016062304A1 (de) 2016-04-28
DE102014115397A1 (de) 2014-12-18
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