KR100628508B1 - 가스발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 가스를 배출시키기 위한 가스발생장치가 제공된다. 일실시예에서, 상기 장치는 운송수단내에 위치된 팽창가능한 물품으로 팽창가스(들)을 공급하기 위한 추진제를 고정시킨 인플레이터이다. 상기 추진제에 인접한 위치에는 구속부재가 위치된다. 상기 구속부재에는 추진제의 활성화 전 또는 후에 다수의 구멍이 서로 소정간격 이격되게 형성된다. 팽창가스는 팽창가능한 물품으로 이어지는 통로용 구멍을 통해 수용된다. 상기 팽창가스는 먼저 계측 오리피스(metering orifices)를 구비한 타이밍 부재에 형성된 챔버를 통과한다. 상기 오리피스는 팽창가능한 물품쪽으로의 팽창가스 유동을 조절한다. 상기 구속부재는 파열되지 않고 충분한 압력을 견딜 수 있다. 상기 구속부재 및 타이밍 부재 각각은 비금속재로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 추진제는 농후한 연료 재료 및 산화제, 바람직하게는 질산 암모늄을 포함한다.
추진제, 타이밍 부재, 구속부재, 점화 조립체, 팽창가능한 물품

Description

가스발생장치{GAS GENERATING APPARATUS}
도1은 팽창가능한 물품 또는 에어 백 내에서의 본 발명의 인플레이터를 개략적으로 나타낸 사시도.
도2는 인플레이터의 길이방향 단면을 나타낸 개략도.
도3은 타이밍 부재가 없는 인플레이터의 일부가 절개된 길이방향 단면을 나타낸 개략도.
도4는 인플레이터의 구속부재 및 추진제를 나타낸 단면도.
도5는 타이밍 부재의 내벽에 부착된 열흡수 표면을 가진 막을 나타낸 정면도.
도6a 내지 도6d는 추진제가 활성화될 경우 팽창가능한 물품으로 흐르는 팽창가스를 개략적으로 나타낸 인플레이터의 단면도.
도7은 운송수단의 일측면에 있는 커튼(curtain) 인플레이터로서 인플레이터의 일적용예를 나타낸 개략도.
도8은 도7의 커튼 인플레이터를 개략적으로 나타낸 정면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
28 : 추진제 32 : 점화 조립체
52 : 구속부재 96 : 타이밍 부재
본 발명은 운송수단 내의 에어 백 또는 팽창가능한 물품을 팽창시키는 것과 같은 바람직한 기능을 수행하는데 이용될 수 있는 가스를 생성시키기 위한 장치에 관한 것이다.
소정기능을 수행하는 하나 이상의 가스를 배출시키는 시스템은 공지되어 있다. 예를 들어, 인플레이터 시스템(inflator systems)은 통상적으로 운송수단내의 에어 백을 팽창시키는데 이용된다. 에어 백 모듈을 수반하는 인플레이터는 운송수단 내의 여러 위치에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 인플레이터가 배치되는 위치는 운전자에 인접한 위치(운전자측 인플레이터), 앞쪽 좌석의 승객에 인접한 위치(승객측 인플레이터), 운전자 및/또는 앞쪽 좌석 승객의 측면에 인접한 위치(측면 인플레이터) 및 측면 유리의 위쪽 위치(커튼 인플레이터)를 포함한다. 각 인플레이터(20)의 디자인 또는 형상은 그의 위치에 따라 좌우된다. 예를 들어, 상기 운전자측 인플레이터는 승객측 인플레이터와 구조적으로 다르다. 위치에 관계없이, 상업적으로 이용할 수 있는 인플레이터는 소정특징을 가져야 한다. 상기 인플레이터는 에어 백을 채우기 위해 활성화될 경우 팽창가스를 적절하게 공급해야할 뿐만 아니라, 상기 인플레이터의 제작 및 조립이 가능한한 간단해야한다. 그리고, 상기 인플레이터는 가격 경쟁에 대한 요구를 충족시켜야 한다.
수많은 인플레이터가 운송수단용으로 개발 또는 고안되었을지라도, 제조/조립 및 비용절감의 이익은 운송수단에 이용되는 새로운 인플레이터의 설계 및 발전과 관련하여 계속해서 이루고자하는 주요한 과제들이다. 결론적으로, 상기한 실제 고려사항들을 충족시킬 뿐만아니라 다른 진보된 특징을 제공하는 인플레이터를 제공하는 것이 유익하다. 또한, 운송수단용 인플레이터와 다른 적용예에 상기한 기술과 특징을 적용하는 것이 유익하다.
본 발명은 소정기능을 수행하는 적어도 하나의 가스를 발생시키기 위한 가스발생장치를 제공한다. 일실시예에서는, 팽창가능한 물품 또는 에어 백으로 방출되는 팽창가스를 발생시키는 인플레이터가 제공된다. 상기 인플레이터는 점화 조립체에 의해 활성화될 경우 팽창가스를 발생시키는 추진제를 포함한다. 일실시예에서, 상기 추진제는 인장되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 추진제의 길이는 그의 폭보다 실질적으로 크다. 상기 점화 조립체는 적어도 문턱값(threshold) 힘의 운송수단 충격 또는 충돌사고에 관련된 소정의 사건발생을 나타내는 제어신호에 의해 활성화된다. 상기 추진제가 연장된 경우, 상기 연장된 추진제는 추진제의 다수의 인장편 또는 단일 인장편일 수 있다. 어쨌든, 각각의 연장된 추진제는 그의 폭보다 실질적으로 큰 길이를 가지며, 그 길이대 폭의 비율은 적어도 약 10보다는 크 며, 약 100인 것이 바람직하다.
일실시예에서, 상기 추진제는 충분히 산화되는 다공질의 합성물을 가져, 상기 추진제의 연소가 완료된 후에, 일산화탄소 및/또는 다른 유독성 가스의 비율이 허용범위를 초과하지 않게 된다. 상기 실시예에서, 상기 추진제는 섬유질의 셀룰로스재 또는 섬유를 포함하여, 그의 압출성형(extrusion)을 용이하게 하고, 건조시 수축을 최소화하므로써 추진제의 다공성을 증진시킨다. 알콜과 같은 용제로 용해된 하이드로옥시프로필셀룰로스(hydroxypropylcellulose; 이하 "HPC"라 칭함)와 같은 셀룰로스계 바인더(binder)가 고체 성분들을 현탁시키고(suspend) 압출성형하기에 적당한 유동성(rheology)을 제공하는데 이용된다. 섬유질의 셀룰로스 및 분산제(dispersal agent)와 함께 상기 HPC는 추진제의 바인더 시스템(binder system) 뿐만아니라 연소반응을 위한 연료를 구성한다. 또한, 상기 분산시키는 재료 또는 분산제가 바람직하게는 HPC와 함께 이용되어, 상기 추진제 합성물(propellant composition)이 형성될 경우, 상기 추진제 합성물의 섬유질 셀룰로스 성분의 응집을 방지 또는 실질적으로 억제한다. 그러므로, 상기 HPC는 적어도 두 가지의 기능, 즉, 추진제의 바인딩에 기여하는 기능과 섬유질 셀룰로스의 분배를 돕는 기능을 가진다. 상기 분산시키는 재료는 누트라스위트/켈코(NutraSweet/Kelco)사로부터 구할 수 있는 셀룰론(Cellulon™)으로 알려진 제품을 포함한다. 상기 제품은 상기 섬유질 셀룰로스 성분보다 훨씬 작은 크기의 섬유조직을 가진 섬유질의 셀룰로스재이다. 또한, 상기 추진제는 공지된 안정제 및/또는 산화 방지제와 같은 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
추진제 합성물의 다른 실시예에서, 바인더 시스템은 제1 및 제2재료를 바인딩시키는데 이용되지 않는다. 상기 추진제 합성물은 가장 중요한 성분으로 농후한 연료(fuel-rich) 성분을 포함하는 제1재료를 포함한다. 상기 농후한 연료 성분은 2차 폭발물이다. 또한, 상기 추진제 합성물은 가장 중요한 성분으로 산화제를 포함하는 제2재료를 포함한다. 바람직하게, 상기 중요한 성분은 질산 암모늄이다. 상기 제1 및 제2재료는 함께 혼합되고 인플레이터 하우징에 수용된다. 바람직하거나 필요한 경우, 운반 진동에 대한 저항 및/또는 덜컥거림(rattle)을 피하기 위한 힘이 인플레이터 하우징 내의 상기 혼합물에 가해진다.
상기 인플레이터는 연장된(elongated) 추진제를 에워싸는 구속부재 또는 압력튜브를 포함한다. 일실시예에서, 상기 구속부재는 다수의 층을 포함한다. 상기 구속부재의 길이방향으로는 다수의 구멍이 서로 소정간격만큼 이격되어 있다. 상기한 경우에, 상기 이격된 다수의 구멍은 추진제의 점화시에 구속부재의 봉인 또는 약해진 영역이 파열 또는 개방되어 생성되는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 상기 구멍은 추진제가 연소되기 전에 존재한다. 상기 구속부재의 길이는 연장된 추진제의 길이와 동일 또는 실질적으로 동일하다. 바람직하게는, 상기 구속부재가 적어도 3,000psi, 바람직하게는 4,000psi이상의 압력을 견딜 수 있는 비금속재로 이루어진다. 상기 구속부재는 내벽을 가지며, 상기 연장된 추진제는 구속부재 내벽과의 사이에 틈새 또는 공간을 두고 배치된 외면을 가진다. 일실시예에서, 상기 연장된 추진제는 그의 길이방향 중심축을 관통하도록 위치된 중앙 보어(bore)를 가진다. 상기 틈새 및 상기 중앙 보어는, 존재할 경우, 모두 연장된 추진제의 길이 방향을 따른 연소파의 전파에 영향을 미치거나 기여한다. 즉, 상기 추진제가 그의 일단부에서 점화될 경우, 상기 연장된 추진제는 그의 길이에 의해 형성되는 선형경로를 따라 연소되며, 상기 연장된 추진제의 연소결과 연소파가 생성된다. 다른 요인들 중에서, 상기 연소파가 존재한다면, 그의 전파는 상기 틈새 및 중앙 보어의 크기의 함수이다. 특히, 상기 연소파의 전파속도는 적어도 .1 meter/msec이어야 한다. 상기 제한범위를 충족시키는 것에 관련하여, 상기 추진제의 단면적대 상기 구속부재의 내경의 단면적 비율은 특정 범위내에 있어야 한다. 상기 비율은 약 .10 ∼ .60의 범위이다.
일실시예에서, 상기 인플레이터는 구속부재와 추진제의 적어도 실질적인 부분을 수용하는 타이밍 부재(timing member) 또는 튜브를 더 포함한다. 상기 타이밍 튜브는 단단하거나 (예를 들어, 코팅된 직물 등으로 이루어져)유연성이 있을 수 있다. 상기 타이밍 부재는 팽창가스의 유동을 에어 백 또는 팽창가능한 물품쪽으로 제어한다. 상기 추진제가 점화되어 팽창가스를 포함하는 연소생성물이 발생될 경우, 상기 타이밍 부재는 팽창가스가 통과할 수 있는 하나 이상의 오리피스(orifice)를 포함한다. 상기 타이밍 부재는 팽창가능한 물품쪽으로의 팽창가스의 유동을 바람직한 속도(rate)로 조절한다. 상기 타이밍 부재가 없을 경우, 본 발명에 의해 예측되는 추진제에서 발생된 팽창가스는 팽창가능한 물품을 허용할 수 없을 정도로 빠르게 충전 또는 가압하게될 수 있다. 상기한 인플레이터가 운송수단내에서 활성화될 경우, 상기 팽창가스에 의한 팽창가능한 물품의 빠른 충전을 체험하는 탑승자는 바람직한 압력보다 큰 압력을 받을 수 있다. 바람직하게 는, 다수의 오리피스가 타이밍 부재의 길이를 따라 형성된다. 상기 연소파의 비교적 빠른 전파로 인해, 팽창가스는 상기 압력 튜브로부터 타이밍 튜브로 매우 빠르게 흘러 타이밍 부재를 최고 압력까지 충전한다. 이때, 상기 타이밍 튜브에 저장된 가스는 상기 타이밍 부재내의 각 오리피스를 실질적으로 동일한 속도로 통과할 수 있으며, 상기 오리피스를 통과하는 팽창가스의 통과시간은 압력 튜브내에서의 전파속도에 대해 비교적 독립적이다. 상기 팽창가능한 물품은 타이밍 부재를 에워싸므로, 실질적으로 동일한 속도로 그의 길이방향으로 흐르는 팽창가스를 수용하여, 실질적으로 동일한 시간에 상기 팽창가능한 물품을 그의 길이방향으로 균일하게 충전시키게 된다. 상기한 팽창가스의 균일한 수용은 인플레이터가 팽창가능한 물품 전체를 충전시키게 한다. 상기 충전은, 상기 팽창가스가 팽창가능한 물품의 일단부에 수용된 다음 추가적으로 수용되는 팽창가스에 의해 상기 팽창가능한 물품의 다른 부분으로 이동하게 되는 것을 이용하여 상기 팽창가능한 물품의 소정부분이 그의 다른 부분에 의해 충전되는 것과는 다르다. 또한, 구속부재와 같이, 상기 타이밍 부재는 그의 비용과 패키지(package) 크기를 감소시킬 수 있는 비금속재로 이루어지는 것이 바람직하다.
동작시, 상기 점화 조립체는 점화되어 그의 일단부에 가까운 추진제를 점화시킨다. 상기 추진제의 길이방향을 따른 연소파의 전파가 발생한다. 팽창가스가 발생되어 구속부재의 구멍을 관통한다. 상기 구속부재는 그의 구조적인 파열 또는 파손에 저항하기에 충분할만큼 강할 뿐아니라, 주목할 만한 구속부재의 연소가 있다하더라도 그것은 작다. 구속부재의 구멍을 관통한 팽창가스는 타이밍 부재의 내 벽 또는 표면과 구속부재의 외면 사이의 공간 또는 영역으로 들어간다. 팽창가스는 타이밍 부재의 오리피스에 도달하여 팽창가능한 물품을 채우기 위해 오리피스를 통해 계측된다.
전술한 요약에 기초하면, 본 발명의 두드러진 여러 관점이 발견된다. 상기 가스발생장치는 하나 이상의 가스를 생성시키고 상기 생성된 가스를 이용하는 다수의 시스템 중 어느 하나에 결합될 수 있다. 적용예의 한 영역은, 상기 가스발생장치가 팽창가스를 발생시키는 운송수단에 이용된 인플레이터이다. 상기 인플레이터는 용이하게 조립되고 제조되는 소수의 저렴한 부품들을 가진다. 상기 인플레이터의 값은 비교적 소수의 부품을 가지는 관점에서 감소된다. 팽창가스의 발생에 관련된 연소파의 전파는 파열없이 실질적인 압력을 견딜 수 있는 구속부재에 의해 제어된다. 상기 구속부재는 추진제의 활성화 전 및/또는 후에 존재하며 팽창가스가 누출되는 서로 소정간격만큼 이격된 다수의 구멍을 가진다. 상기 구멍은 추진제의 점화후에 크기가 증가한다. 상기 전파 속도는 에어 백 또는 다른 팽창가능한 물품을 적절하게 팽창시키기에 충분한 크기를 가진다. 적은 수의 부품을 가진 것에 더하여, 상기 구속부재 및 타이밍 부재는 비금속재로 이루어져 인플레이터의 값을 감소시킬 수 있다. 특히, 연장된 추진제가 포함될 경우, 연장된 팽창가능한 물품의 균일한 충전은 타이밍 부재에 서로 소정간격만큼 이격되게 구비된 다수의 오리피스를 통해 이루어지며, 상기 오리피스는 팽창가능한 물품과 관련하여 팽창가스의 유동을 조절한다. 연소가 완료된 후에 유독성 가스가 존재하는 것을 피하기 위해 상기 추진제는 충분히 산화되는 성분을 가진다. 바람직하게는, 상기 추진제가 분산 제와 함께 섬유질의 셀룰로스 또는 기공을 생성시키는 다른 성분(들)을 포함한다. 상기 섬유질의 셀룰로스는 압출성형이 가능한 강성의 다공성 추진제 합성물을 제공하는데 유익하며, 상기 분산제는 추진제 합성물의 응집 또는 부적절한 혼합을 피하는데 유익하다. 상기 추진제가 질산 암모늄을 포함할 경우, 상기와 같은 다공성은 매우 유익하다.
보다 진보적인 관점에서는, 인플레이터에 소정폭 및 상기 폭보다 실질적으로 긴 길이를 갖는 추진제를 제공하는 단계;
적어도 약 .1 meter/msec의 전파 속도로 상기 추진제의 길이방향을 따라 상기 추진제의 점화를 전파시키는 것을 포함하는 추진제의 점화단계;
상기 추진제의 점화와 함께 상기 팽창가스를 발생시키는 단계; 및
팽창가능한 물품의 길이 전체를 따라 실질적으로 균일하게 상기 팽창가스로 팽창가능한 물품을 충전시키는 단계를 포함하는 팽창가능한 물품을 팽창시키는 방법을 제공한다.
상기 추진제를 제공하는 단계는 상기 길이가 적어도 상기 폭정도인 상기 추진제를 제공하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
상기 추진제를 제공하는 단계는 상기 추진제의 외부에 서로 소정간격만큼 이격된 다수의 구멍을 가진 구속부재를 위치시키는 단계를 포함하며, 상기 팽창가능한 물품을 충전시키는 단계는 상기 구속부재 및 상기 구멍을 이용하여 상기 팽창가스의 통로를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 충전시키는 단계는 타이밍 부재에 형성된 다수의 계측 오리피스를 통해 상기 팽창가능한 물품으로 들어가게하는 타이밍 부재내에 팽창가스를 위한 구속부재를 수납시킴으로써 상기 팽창가능한 물품쪽으로의 팽창가스 흐름을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 추진제를 제공하는 단계가 상기 팽창가능한 백의 길이의 적어도 약 1/2정도의 길이를 가진 상기 추진제를 제공하는 단계를 포함한다.
상기 팽창가능한 물품을 충전시키는 단계가 상기 추진제를 에워싼 구속부재내의 서로 소정간격만큼 이격된 구멍들을 통해 상기 팽창가스를 통과시키는 단계를 포함한다.
상기 팽창가능한 물품을 충전시키는 단계가 상기 점화단계 후에 상기 구멍들의 크기를 확대시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가적인 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 내용을 통해 명확해질 것이다.
상기 가스발생장치의 특징 및 기능은 다른 적용예에 적합할지라도, 본 발명은 운송수단용 인플레이터에 관한 실시예들의 전후관계에서 보다 상세히 기재될 것이다. 도1에서는, 팽창가능한 물품 또는 에어 백(24)에 이용되는 인플레이터(20)가 개략적으로 도시된다. 일실시예에서, 상기 인플레이터(20)는 연장된 추진제(28)를 포함한다. 점화시, 상기 추진제(28)는 연소되어 에어 백(24)을 팽창시키는데 이용되는 팽창가스를 포함한 연소생성물을 발생시킨다. 상기 인플레이터(20) 및 에어 백(24)은 운송수단 내에 위치된다. 상기 팽창된 에어 백(24)은 운송수단의 탑승자를 심한 부상으로부터 보호하는데 이용된다.
상기 추진제 합성물은 그가 여러 가지 목적을 달성하도록 제공된 다수의 다른 재료를 포함한다. 상기 목적은 팽창가능한 물품(24)을 가압하기 위해 충분한 팽창가스의 수율(inflation gas yield)을 발생시키는 것; 추진제 점화후의 파생온도(resulting temperature)가 허용범위 내에 있는 것(너무 크지 않은 파생온도일 것); 및 추진제의 활성화 후에 상기 연소생성물이 화학량론적으로(stoichiometrically) 균형잡혀야한다는 것, 즉 일산화탄소(CO)의 허용범위를 초과하는 양이 (충분히 산화된)상기 연소생성물의 일부분이어서는 않된다는 것을 포함한다. 상기 추진제 합성물이 활성화 후에 "무연(smokeless)"일 필요는 없다. 일실시예에서, 후술되는 바와 같이, 추진제 합성물은 추진제를 에워싸는 비교적 긴 구속부재 또는 압력 튜브의 아래로 점화를 전파시킬 수 있는데 다른 목적이 있다.
추진제(28)의 합성물은 순불꽃 인플레이터(pure pyrotechnic inflator)의 일부분으로되는 점에 특징이 있다. 순불꽃 인플레이터는 그에 의해 제공되는 모든 가스의 실질적으로 전체가 고체인 가스발생 추진제(28)에 의해 발생된 추진가스인 인플레이터를 말한다. 순불꽃 인플레이터는 압축 가스 또는 매질을 저장할 필요가 없으며, 상기 인플레이터는 저장된 압축 가스가 없거나 상기 저장된 압축 가스를 가지지 않는다. 바람직하게는, 상기 추진제(28)가 금속성분이 실질적으로 없는 합성물을 가져, 상기 추진가스에 금속성분을 포함하는 미립자 및/또는 압축성 재료가 실질적으로 없거나 존재하지 않으며, 상기 미립자 및/또는 압축성 재료를 제거하기 위한 필터에 대한 필요성을 배제한다. 더욱이, 바람직한 실시예에서, 상기 추진제(28)에는 할로겐 성분을 포함하는 재료가 실질적으로 없어 상기 추진가스에는 할로겐 성분을 포함하는 성분이 실질적으로 없거나 존재하지 않는다.
바람직한 실시예에서, 상기 추진제 합성물은 적어도 농후한 연료 재료, 산화제 및 기공을 제공하는 재료를 포함하며, 또한 상기 추진제의 바인더 시스템을 이루는 하나 이상의 성분을 가진다. 농후한 연료 재료에 있을 수 있는 모든 할로겐 성분을 물로 전환시키고 상기 농후한 연료 재료에 있을 수 있는 모든 탄소성분을 이산화 탄소로 전환시키기 위해, 상기 농후한 연료 재료는 그의 분자구조에 적어도 자립연소반응(self-sustained combustion reaction) 동안에 필요한 산소의 화학식량보다 작은 양의 산소를 포함하는 재료를 말한다. 상기 농후한 연료 재료가 홀로 연소될 경우, 상기 농후한 연료 재료는 충분한 양의 일산화 탄소 및/또는 수소를 포함하는 가스질의 분해생성물을 생성시킨다. 상기 일산화 탄소와 수소는 운송수단 내에 위치된 팽창가능한 물품 또는 에어 백을 팽창시키기 위한 목적에는 바람직하지 못하다. 일실시예에서, 상기 농후한 연료 재료는, 무게면에서, 그의 대부분을 차지하는 주요 성분을 가진다. 일실시예에서, 상기 농후한 연료 재료의 주요 성분은 총형(gun-type) 추진제이다. 본 발명에서의 총형 추진제는 2차 폭발성을 가지며, 단일, 2중 또는 3중 추진제와 같이 고온의 농후한 연료 성분과, 저취약성 탄약(low vulnerability ammunition; 이하 "LOVA"라 칭함) 추진제 및 고에너지 저취약성 탄약(high energy, low vulnerability ammunition; 이하 "HELOVA"라 칭함) 추진제와 같은 니트라민(nitramine) 추진제이다. 상기 총형 추진제는 약 2,500。K 내지 약 3,800。K 범위에서의 연소온도를 가지며, 통상적으로 3,000。K보다는 크다. 적당한 총형 추진제의 예는 주요 성분으로 (헥사하이드로트리니트로트리아진(hexahydrotrinitrotriazine) 또는 사이클로트리메틸렌 트리니트라민(cyclotrimethylene trinitramine)으로 알려진) RDX 또는 (사이클로테트라메틸렌테트라니트라민(cyclotetramethylenetethranitramine)으로 알려진) HMX를 가진 니트라민에 기초한 추진제를 포함한다. 또한, (펜트라에리트리톨 테트라니트레이트(pentraerythritol tetranitrate)로 알려진) PETN 및 (질산 트리마니오쿠아나딘(triaminoquanadine nitrate)로 알려진) TAGN이 총형 추진제에서의 주요 성분으로 이용될 수 있다. 다른 적당한 총형 추진제는 테트라졸에 기초한(tetrazole-based) 혼합물과 트리아졸에 기초한(triazole-based) 혼합물, 특히 5-아미노테트라졸(five-aminotetrazole)을 결합한 추진제를 포함한다. 허용가능한 다른 농후한 연료 재료는 니트로구아니딘(nitroguanidine)이며, 상기 니트로구아니딘은 폭과 비교할 수 있는 길이를 가진 인플레이터용 농후한 연료 재료의 바람직한 주요성분이다. 니트로구아니딘은 약 1의 연소비 지수(burn rate exponent) 특성을 가진 농후한 연료 재료, 예를 들어 RDX 또는 HMX와는 달리 1보다 작은 연소비 지수의 특성을 가지므로 바람직하다. 약 1의 지수를 가진 농후한 연료 재료는 그 연소안정성을 제어하는 것이 실질적으로 대단히 곤란하다. 반면에, 폭보다 5배정도 큰 길이를 가진 인플레이터에서, 연소를 유지시키는데는 1과 동일 또는 실질적으로 동일한 농후한 연료 재료(예를 들면, RDX 및 HMX)가 바람직하다. 채용된 농후한 연료 재료에 관계없이, 추진제(280)내에서 농후한 연료 재료의 2차 폭발물의 양은, 무게면에서, 추진제(28)의 적어도 5%가 바람직하고, 추진제(28)의 약 30%보다 크지 않은 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 추진제(28)가 연소될 때 발생되는 추진가스에 금속을 포함하는 미립자 및/또는 압축성 재료가 실질적으로 없거나 존재하지 않도록 상기 산화제는 금속을 포함하는 성분이 없는 질산 혼합물이다. 상기 산화제는 농후한 연료 재료의 분해생성물을 산화시키기 위한 산소를 제공하여, 연소반응 중에, 상기 농후한 연료 재료에 의해 발생된 수소 및/또는 일산화 탄소 각각의 적어도 일부분이 물 및/또는 이산화탄소로 산화된다. 상기 추진제(28)의 산화제는 농후한 연료 재료의 연소생성물로부터 이산화탄소 및/또는 물의 최종수율을 증가시키므로써 상기 농후한 연료 재료의 연소생성물로부터 일산화탄소 및/또는 수소의 최종수율을 감소시키기 위한 산소를 공급할 수 있는 재료로서 정의된다. 특히, 상기 산화제는 탄소, 산소, 질소 및 수소로 이루어진 군(group)으로부터 선택된 오직 하나의 원소를 포함한다. 무엇보다도, 상기 산화제는 질소, 산소 및 수소 중 오직 하나의 원소를 포함한다. 상기 산화제로 이용되는 바람직한 재료의 예는 질산암모늄 및 암모늄 디나이트라마이드(ammonium dinitramide)와 같은 암모늄 염(ammonium salts)을 포함하는 산소를 포함한다. 특히, 질산암모늄은 바람직한 산화제이다. 상기 추진제 내에서의 산화제의 양은, 무게면에서, 약 50% ∼ 90%의 범위에 있다.
상기 추진제(28)의 바인더 시스템을 포함하는 기공을 생성하는 재료는 상기 질산 암모늄과 같은 산화제가 -30℃보다 작은 온도에서부터 80℃보다 큰 온도까지 의 수많은, 예를 들어 15회 이상의 온도순환과 같은 온도변화시 겪게되는 상변화(phase change)를 조절하기 위해 제공된다. 질산 암모늄은 결정상의(crystalline phase) 변화와 정상적인 저장 조건에서 상기 상변화에 동반되는 체적변화를 겪게된다. 상기 기공을 생성하는 재료는 그가 추진제(28)의 다른 재료와 혼합되거나 결합될 경우 다공성 추진제를 만든다. 상기한 결과 얻어지는 추진제(28)의 구멍의 체적은 적어도 5%이며, 약 15% ∼ 40%(이론상 밀도의 약 85% ∼ 0%)정도의 범위내에 있는 것이 바람직하다. 상기 기공 생성 재료는 자연적으로 발생한 섬유질의 셀룰로스를 포함한다. 상기 섬유질의 셀룰로스는 종이제조 공정에 통상적으로 이용되는 펄프판(pulp board) 또는 나무 펄프로부터 얻을 수 있는 해트(hat)와 같이 일반적으로 얻을 수 있는 성분이다. 상기 섬유질의 셀룰로스는 다수의 섬유질 셀룰로스편 또는 섬유를 포함한다. 상기 각각의 편은 길이와 폭을 가지며, 상기 섬유질 셀룰로스편의 길이는 그 폭보다 적어도 5배는 크다. 상기 섬유질 셀룰로스편의 폭은 약 2.5마이크론(microns) ∼ 25마이크론의 범위내에 있으며, 상기 섬유질 셀룰로스편의 길이는 약 1,000마이크론 ∼ 10,000마이크론의 범위에 있다. 또한, 상기 섬유질 셀룰로스편은 니트로셀룰로스(nitrocellulose), 셀룰로스 아세테이트(cellulose acetate) 및 셀룰로스 아세테이트 부틸레이트(cellulose acetate butyrate)와 같은 비섬유질의 셀룰로스재와는 다르다. 결론적으로, 섬유질의 셀룰로스 또는 섬유질 셀룰로스재는 기공 생성 재료의 성분으로서 허용할 수 있는 그룹(group)에 포함되는 반면, 비섬유질의 셀룰로스재는 기공 생성 재료의 허용가능한 성분의 그룹으로부터 제외된다.
기공 생성 재료의 바인더 시스템은, 다른 공지된 또는 종래의 바인더 생성물이 이용될지라도, 하이드로옥시프로필셀룰로스(HPC)를 포함하는 것이 바람직하다. 이는, 상기 HPC가 압출하기에 적당한 유동성을 제공하는 것에 관련하여 추진제 합성물의 고체 성분을 현탁시키기 때문이다. 상기 바인더 시스템을 위한 다른 기여제(contributor)는 섬유질 셀룰로스 및 분산제이다.
상기 바인더 시스템에 더하여, 상기 분산제가 추진제 합성물에 포함되고 상기 분산제는 섬유질의 셀룰로스가 추진제(28)의 다른 재료와 혼합하는 과정중에 원하지 않는 덩어리로 만들어지거나(agglomerating) 응집되는 것을 방지하기 위한 HPC(또는 다른 적당한 성분)와 함께 작용한다. 특히, 추진제(28)를 형성하는 재료를 혼합할 경우, 상기 섬유질 셀룰로스의 원하지 않는 응집 또는 모임(gathering)에 의해 "볼(ball)"을 발생시키는 것이 관찰 또는 예상된다. 상기한 응집은 균일한 추진제 합성물을 제공하는데에 허용될 수 없다. 추진제 재료를 혼합하는 것에 관련해서는, (예를 들어, 알콜 기재(alcohol based))의 용제와 같은 운반 유체의 비교적 큰 양을 이용하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 추진제 또는 추진제 편의 구성(formation)을 압출성형 또는 완료하기 전에, 운반 유체를 제거 또는 증발시킬 필요가 있다. 이러한 경우, 상기 추진제의 제조공정에 수반되는 비용 및 시간이 크게 늘어난다. 상기 비용이 많이 드는 단계를 제거 또는 실질적으로 감소시키기 위해, 상기 섬유질 셀룰로스의 허용할 수 없는 응집을 피하면서, 분산제가 섬유질 셀룰로스를 분산시키거나 상기 혼합공정 중에 섬유질 셀룰로스가 서로 응집하는 것을 방지한다. 특정 이론에 한정되도록 의도되지는 않았을지라도, 상기 분산제는 기계적으로 작동하여 섬유질 셀룰로스의 미립자 또는 편을 분리시키거나 상기 미립자 또는 편의 분리상태를 유지한다고 믿어진다. 상기 분산제 편의 크기는 섬유질 셀룰로스편의 크기보다 실질적으로 작다. 바람직하게는, 상기 섬유질 셀룰로스편의 폭 또는 직경이 분산제편의 폭 또는 직경보다 적어도 5배는 크다. 일실시예에서, 상기 분산제편의 폭은 약 .05 ∼ .5마이크론의 범위내에 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 분산제는 셀룰론™으로 알려진 생성물을 포함한다.
상기 기공 생성 재료의 또 다른 바람직한 성분은 소성 중합체(plastic polymer) 및 용제의 용액, 예를 들어 무게면에서 HPC의 약 10% ∼ 30%이고 무게면에서 알콜 또는 알콜-물 공비혼합물(azeotrope)의 약 90% ∼70%인 용액을 포함하는 점성의 액상 운반체이다. 상기 액상 운반체는 제1 및 제2성분을 반죽과 같은 상태로 분산시키는 것을 용이하게 한다. 이는 상기 분산제의 압출을 위한 적당한 유동성을 제공한다.
또한, 상기 기공 생성 혼합물은 실질적으로 소량인 착색제(colorant)를 선택적으로 포함한다. 상기 착색제가 포함될 경우, 상기 착색제는 추진제의 배치(configurations) 또는 로트(lots)를 구별하는 기능을 수행한다.
상기 추진제(28)를 만들 경우, 바인더 시스템을 포함하는 기공 생성 합성물, 산화제 및 상기 농후한 연료 재료는 종래의 공지된 공정에 의해 함께 혼합된다. 상기 혼합 후에, 추진제(28) 또는 추진제 편이 압출성형된다. 상기 형성된 추진제는 포함된 재료들의 균일(uniform) 또는 균질한(homogenous) 혼합물 또는 결합물이다. 압출성형 후에, 각 추진제 편은, 상기 섬유질의 셀룰로스편 또는 섬유조직이 추진제 성분의 다른 재료와 혼합되기 전과 동일한 크기를 유지한 상태로, 그의 길이방향 전체에 걸쳐 균일한 성분을 가진다. 특히, 추진제편 또는 추진제(28)의 선택된 단면 전체에 걸쳐서는, 상기 포함된 재료의 실질적으로 균일한 혼합물이다. 예를 들어, 상기 추진제(28)의 길이방향을 따라 선택된 각 단면에 대해서는, 선택된 단면의 적어도 1,000마이크론 부분은 상기 상기 선택된 단면의 다른 적어도 1,000마이크론 부분과 동일한 균질 합성물을 가진다. 상기 균일한 혼합물 또는 합성물은 상기 추진제(28)의 선택된 단면의 100마이크론으로 부분내에서 발견될 수 있다.
예
예 1
고체인 가스발생 추진제 합성물은 다음의 재료 또는 합성물을 포함하며, 그 무게비(weight percentage)로는 다음과 같다.
질산암모늄(Ammonium Nitrate)(200메쉬(mesh)) 53.00%
질산스트론티움(Strontium Nitrate)(200메쉬) 15.00%
RDX(20마이크론, 스크린된 200메쉬) 20.00%
셀룰로스(에스테르셀) 1861 5.00%
셀룰론(16.8% 고체) 2.00%
하이드로옥시프로필셀룰로스(중간등급)(HPC) 5.00%
착색제 0.01%
상기 추진제의 성분 또는 재료는 90%의 n-프로필 알콜(n-propyl alcohol) 및 10%의 물을 포함하는 용제로 혼합된다. 상기 용제는 혼합물 무게의 약 18%를 포함한다. 상기 압출성형된 추진제는 상기 용제 및 물을 포함하는 혼합물로부터 압출될 수 있는 추진제편이다. 상기 압출성형된 추진제는 반강체(semi-rigid)이지만 다공성의 특성 또는 특징을 가지며, 상기 기공의 체적은 적어도 약 15%이고 바람직하게는 40%이다. 상기한 추진제의 특징은 바람직한 강도를 희생하지 않고 질산 암모늄 결정질의 상변화(crystalline phase changes)로 인한 열팽창의 결정질의 상변화에 기인하여 조절된다. 상기 추진제의 바인더 시스템은 셀룰로스, HPC 및 셀룰론™을 포함한다. 상기 HPC는 알콜 가용성 중합체(alcohol soluble polymer)이며, 바람직하게 압출된 추진제편을 제공하는데 관련하여 추진제 합성물에 바람직한 점성을 제공한다.
예 2
예 1에서와 같이, 상기 추진제(28) 합성물은 농후한 연료 재료로서 RDX를 포함한다. 본 실시예에서의 상기 재료 또는 성분은, 무게로, 다음과 같다.
질산암모늄(200메쉬) 70.00%
RDX(20마이크론, 스크린된 200메쉬) 20.00%
셀룰로스(에스테르셀) 1861 4.50%`
셀룰론(16.8% 고체) 1.00%
하이드로옥시프로필셀룰로스(중간등급)(HPC) 4.50%
메틸 바이올렛(Methyl violet) 0.01%
예 2의 추진제는, 예 1의 추진제와 마찬가지로, 열안정성 요구 및 온도순환 테스트를 충족시킨다 . 특히, 상기한 두 추진제 합성물 각각은, 400시간 동안 107℃ 온도의 영향을 받은 후에도, 그가 이용되는 인플레이터내에서의 기능을 계속해서 유지한다. 상기 기능은 상기 추진제가 상기한 시간과 온도 조건의 영향을 받은 후에 적당한 신호에 접하게될 경우 점화하는 것을 의미한다. 온도순환 테스트에 대해서는, 상기 추진제가 80℃보다 크고 -30℃보다 작은 온도 사이에서의 온도 변 화의 수많은 순환에 영향을 받을 경우 기능을 유지하는 것이다.
예 3
본 실시예의 추진제(28)는 하나 이상의 다른 2차 폭발물에 의한 농후한 연료 재료인 RDX의 대체물, 본 실시예에서는 니트로구아니딘(nitroguanidine)으로서 특징지어진다.
질산암모늄(200메쉬) 80.00%
1-니트로구아니딘(1-nitroguanidine) 9.00%
셀룰로스(에스테르셀) 1861 6.00%
셀룰론(16.8% 고체) 1.00%
하이드로옥시프로필셀룰로스(중간등급)(HPC) 4.00%
메틸 바이올렛 0.01%
상기 RDX의 대체물인 니트로구아니딘에 더하여, 상기 HMX, PETN 등의 2차 폭발물이 이용될 수 있다. 상기 HPC는 다른 셀룰로스 에스테르, 비닐 아세테이트(vinyl acetate) 및/또는 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol), 아크릴 중합체(acrylic polymer) 등과 같은 다른 유기체의 접착제로 대체될 수 있다.
예 4
농후한 연료 재료의 주요 성분으로 1-니트로구아니딘을 포함하는 다른 추진제(28)는 다음의 재료 또는 성분들을 갖는다.
질산암모늄(200메쉬) 77.50%
1-니트로구아니딘 15.00%
셀룰로스(에스테르셀) 1861 3.50%
셀룰론(16.8% 고체) 1.00%
폴리아크릴레이트 중합체 3.00%
착색제 0.01%
예 1 및 예 2의 추진제 합성물과 같이, 예 3 및 예 4의 추진제 역시 열안정 성 테스트를 거친다. 또한, 예 1 내지 예 4의 추진제 각각은 다르게 형성된 여러 가지의 순불꽃 인플레이터에 이용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 상기 추진제 합성물은 후술되는 새로운 불꽃 인플레이터는 물론 공지된 또는 종래의 불꽃 인플레이터에도 이용될 수 있다. 더욱이, 폴리아크릴레이트는 상기 예에 이용되는 바인더 성분일지라도, 폴리우레탄 및 HTPB와 같이 다른 종래의 또는 공지된 바인더가 채용될 수 있다.
추진제 합성물의 일실시예에서, 바인더 시스템은 (무게의 대부분을 차지하는)주요 성분으로 농후한 연료 성분을 포함하는 제1재료와 (무게의 대부분을 차지하는)주요 성분으로 산화제를 포함하는 제2재료를 바인딩시키는데 이용되는 것이 아니다. 본 실시예에 따르면, 후술되는 인플레이터의 실시예, 특히 상기 구속부재를 가진 다른 실시예들에 적용할 수 없으며 상기 다른 실시예에 이용되도록 의도되지 않았다. 바람직하게는, 상기 제1재료가 추진제 그레인(propellant grains)의 형상으로 이루어지며, 상기 제2재료는 프릴(prill)과 같은 산화제 미립자의 형상으로 이루어진다. 본 실시예에서, 상기 추진제 그레인은 중합체의 바인더(예를 들면, HPC), 섬유질의 셀룰로스 및/또는 상기한 재료들을 함께 고정시키기 위한 분산제와 같은 바인더 성분 없이 산화제의 미립자와 혼합된다. 그러나, 바인더는 통상적으로 농후한 연료 성분 보다 많은 추진제 그레인 자체를 형성하는데 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 추진제 그레인 및 산화제 미립자는, 상기 추진제 하우징내에 수용되어 있는 동안, 서로 분리되지만 인접하게 위치된다. 상기 인플레이터 하우징에 수용될 때, 상기 추진제 그레인 및 산화제 미립자는 서로 결합되거나 느슨하게(loosely) 혼합된다. 상기 추진제 그레인 각각은 외측면 영역을 가진 것으로 정의될 수 있으며, 상기 인플레이터 하우징내의 모든 추진제 그레인은 전체 외측면 영역을 가진 것으로 정의될 수 있다. 이와 유사하게, 상기 산화제 미립자의 각각은 외측면 영역을 가진 것으로 정의될 수 있으며, 상기 인플레이터 하우징내의 모든 산화제 미립자는 전체 외측면 영역을 가진 것으로 정의될 수 있다. 상기 추진제 그레인의 전체 외측면 영역 전체, 또는 실질적으로 전체는 산화제 미립자의 전체 외측면 영역의 모두, 또는 실질적으로 모두에 노출된다. 상기 추진제 그레인 및 산화제 미립자가 인플레이터 하우징에 수용될 때, 상기 추진제 그레인 및 산화제 미립자는 함께 혼합되며, 상기 추진제 그레인과 산화제 미립자 사이에는 공간이 형성되고, 상기 공간에는 바인딩 성분 또는 재료가 부과되지 않는다. 이에 따라, 상기 추진제 그레인 및 산화제 입자는 바인더 재료에 대하여 독립적으로 인플레이터 하우징내에 수용된다. 일실시예에서, 추진제 그레인 및 산화제 미립자가 서로에 대하여 바람직한 위치에서 상기 인플레이터 하우징내에 유지되는 것을 보장받기에 적당하거나 필요할 경우, 힘 또는 압력이 추진제 그레인과 산화제 미립자의 혼합물에 가해진다. 상기 가해진 힘은 운반 진동을 견디고 발생할 수 있는 덜컥거림을 피하기에 충분하다. 스프링형 부재 또는 다른 수단과 같은 기계적인 부재가 인플레이터 하우징 내에서 추진제 그레인 및 산화제 미립자의 바람직한 상대위치를 유지시키는데 이용될 수 있다. 일실시예에서, 운전자측 인플레이터의 경우에는, 힘을 가하는 부재가 이니시에이터 조립체를 가진 인플레이터 하우징의 단부에 위치되며, 상기 추진제 그레인과 산화제 미립자의 혼합물은 상기 힘을 가하는 부재의 안쪽에 위치된다. 상기 힘을 가하는 부재는, 예를 들어 스프링, 발포 성분 및/또는 섬유재와 같은 다수의 실시예를 포함할 수 있다. 상기 실시예에서, 상기 추진제 그레인 및 산화제 미립자 사이의 모든 접촉은 산화제 미립자들과 추진제 그레인들의 노출된 외면 사이에서 이루어진다.
상기 추진제 그레인과 산화제 미립자의 성분들은 추진제 그레인과 산화제 미립자를 서로 접착시키는 접착 시스템이 없는 실시예를 제외한 다른 실시예와 관련하여 이미 언급된 것과 동일할 수 있다.
본 실시예의 다른 예는 다음에 제공된다.
예 5
본 실시예에서 상기 추진제 합성물은 다음 성분들을 포함한다.
성 분 Wt.% Relative Parts (Propellant Grains) Relative Parts (Oxidizer Particles)
니트로구아니딘(Nitroguanidine) 43.5% 30 -
질산 스트론티움(Strontium Nitrate) 15 -
아크릴레이트 바인더(Acrylate Binder) 5 -
질산 암모늄(Ammonium Nitrate) 46.5% - 100
중요한 농후한 연료 성분은 니트로구아니딘이다. 상기 질산 스트론티움은 추진제 그레인의 바람직한 연소를 돕기위해 포함된다. 상기 아크릴레이트 바인더는 압출성형된 추진제 그레인을 형성하고 추진제 그레인의 성분들을 함께 바인딩시키는데 유익하다. 구멍이 만들어진 표준 폭파 테스트시, 상기 예 5의 추진제 합성물은 만족하게 작용하여 운송수단의 인플레이터에 이용되는 공지된 추진제 합성물에 비해 임무를 다했다.
예 6
본 실시예는 추진제 합성물이 다음의 성분들을 포함하는 예 5와 유사하다.
성 분 Wt.% Relative Parts (Propellant Grains) Relative Parts (Oxidizer Particles)
니트로구아니딘 40% 30 -
질산 스트론티움 15 -
아크릴레이트 바인더 5 -
질산 암모늄 60% - 100
본 실시예의 상기 추진제 합성물에 추진제 그레인과 질산 암모늄 프릴의 느슨한(loose) 혼합물이 포함된 밀폐 폭파 테스트를 수행하였다. 예 5에서의 테스트 결과와 유사하게, 본 실시예의 추진제 합성물은 공지된 추진제 합성물에 비해 만족하게 작용하고, 동일한 테스트하에서 공지된 추진제 합성물에 비해 임무를 다했다. 예 5 및 예 6은 추진제 그레인과 산화제 미립자를 바인딩시키기 위해 채용되는 바인더 시스템이 없이 기재되었을지라도, 예 1 내지 예 4에서와 같이 상기한 두 예는 예 1 내지 예 4에 기재된 것과 같은 바인더 시스템과 결합하여 이해될 수 있다.
도1 뿐만아니라 도2 내지 도4에 도시된 바와 같이, 상기 인플레이터(20)는 추진제(28)를 점화시키기 위한 이니시에이터 또는 활성화 조립체(32)를 포함한다. 상기 이니시에이터 조립체(32)는 "인플레이터 시스템에 이용되는 전체가 유리인 헤더 조립체(All-Glass Header Assembly Used in an Inflator System)"란 명칭으로 1995년 4월 4일 등록되고, 본 발명의 양수인에게 양도된 미국특허 제5,404,263호에 기재된 바와 같이 잘 알려진 다수의 장치 중 어느 하나일 수 있다. 간략하게 말하면, 이니시에이터 조립체(32)는 제1전도성 핀(36)과 제2전도성 핀(40)을 포함하며, 바람직하게는, 상기 제1전도성 핀이 이니시에이터 조립체(32)의 주(main)하우징 또 는 몸체와 동축상에 있다. 초기화 또는 제어 신호가 제1전도성 핀(36)에 인가될 경우, 상기 이니시에이터 조립체(32)가 폭발되어 추진제(28)를 점화시킨다. 상기 제어 신호는 운송수단의 충격 또는 충돌사고에 관련된 소정사건의 발생을 나타내며, 상기 인플레이터(20)의 활성화를 초기화시킨다.
상기 추진제(28)는 이니시에이터 조립체(32)에 매우 가깝게 위치되어, 그의 발화(firing)가 추진제(28)를 점화시켜 팽창가스를 포함한 연소생성물을 발생시키도록한다, 상기 추진제(28) 및 이니시에이터 조립체(32)는 서로에 대하여 적절하게 배치되며, 이니시에이터 조립체(32)의 주요 부분과 이니시에이터 조립체(32)에 인접한 추진제(28)의 적어도 일부분을 에워싸는 하우징(48)에 의해 제위치에 유지된다. 일실시예에서, 상기 구속부재(52)는 그의 주위에 주름잡혀져 있는 금속 페룰(ferrule)을 포함한다.
도4에 도시된 바와 같이, 상기 인플레이터(20)는 적어도 하나의 층을 포함하는 구속부재 또는 압력 튜브(52)를 포함한다. 상기 구속부재(52)는 서로 소정간격만큼 이격된 다수의 구멍(56)을 가진다(도6b 내지 도6d참조). 바람직하게는, 상기 구멍들(56)이 구속부재의 길이를 따라 균일하게 이격되며, 상기 길이는 연장된 추진제(28)의 길이방향으로 연장된다. 구멍(56)의 성립에 대하여 설명하면, 상기 구멍은, 추진제(28)가 연소되어 소정의 내부압력이 봉인을 파열 또는 개방하기에 충분하게된 후 개방 또는 제거되는 구속부재 내에서 구멍을 덮는 연질영역 또는 봉인에 의해 생성된다. 다른 실시예에서, 상기 소정간격 이격된 구멍(56)은 추진제의 연소 전에 미리 형성되거나 이미 존재하고 있다. 상기 구속부재(52)는, 특히 추진 제(28)가 점화될 경우 파열 또는 파손에 대해 강하고 높은 저항력을 가진 재료로 이루어진다. 즉, 상기 구속부재(52)는 추진제(28)가 점화될 경우 미립자 또는 편들로 부숴지지 않는다. 상기 구속부재(52)는 약 3,000psi 이상의 동압(dynamic pressure)을 견딜 수 있다. 상기 구멍(56)은 구속부재(52)의 파편 또는 분쇄물 보다는 오히려 팽창가스를 포함하는 연소생성물의 배출을 허용한다. 이는 연장된 추진제(28)가 점화될 경우에 발생하는 "연소파"에 대한 내용에 관련하여 보다 자세히 설명될 것이다. 또한, 바람직하게는 상기 구속부재(52)가, 적어도 압출성형된 합성수지 덮개(sheath)인 구속부재(52)의 바깥쪽 층과 같이 구멍(56)의 확장을 허용하는 재료로 이루어진다. 상기한 경우에, 상기 구멍(56)은 확장되지 않은 상태 또는 크기 및 확장된 상태 또는 크기를 가진다. 상기 인플레이터(20)가 활성화되고 추진제(28)가 점화될 경우, 상기 구멍(56)의 크기는 그의 확장되지 않은 상태에서의 면적보다 적어도 약 10%정도 크게 증가한다., 바람직하게, 상기한 크기의 증가는 인플레이터(20)의 활성화 전에 존재하는 확장되지 않은 상태에서의 구멍(56) 면적을 50% ∼ 400%의 범위내에서 초과한다.
도4를 더 참조하면, 일실시예에서, 상기 구속부재(52)는 외층(60), 중간층(64) 및 내층(68)을 포함하는 3개의 층을 포함한다. 상기 외층 및 내층(60, 68)은 둘 다 압출성형된 합성수지 덮개일 수 있으며, 상기 중간층(64)은 폴리에스테르, 아라미드(aramid), 유리섬유(fiberglass) 등으로 이루어진 꼬여진 강화층(braided reinforcement layer)으로, 추진제(28)의 활성화에 의해 연소생성물이 생성될 경우 발생되는 실질적인 압력을 견딜 수 있다.
상기 구속부재(52)의 내층(68)은 추진제(28)에 인접한 내벽(72)을 가진다. 특히, 틈새 영역을 가진 틈새(76)가 상기 내벽(72)과 추진제(28)의 외면(80) 사이에 형성된다. 일실시예에서, 상기 내벽(72)과 추진제(28)의 외면(80) 사이의 공간 또는 거리는 추진제(28)의 외면(80)의 적어도 대부분인 약 1㎝보다 작다. 상기 틈새(76)에 의해 형성된 틈새 영역은 후술될 바람직한 연소파를 생성시키는데 이용된다. 도4에 도시된 바와 같이, 상기 틈새(76)는 연속적인 개방영역들로 이루어지며, 상기 틈새의 개방영역은 압출성형된 추진제(28)의 융기부(84)에 의해 분리된다. 일실시예에서, 상기 틈새(76)에 더하여, 상기 추진제(28)는 추진제(28)의 길이방향 중심축과 동축상에 있는 중앙 보어(88)를 가진다. 또한, 상기 중앙 보어(88)는 추진제(28)가 점화될 경우에 발생하는 연소파의 전파에 이용된다.
도4에서, 상기 추진제(28)는 단일의 연장된 몸체로서 도시된다. 그러나, 상기 추진제(28)는 2이상의 추진제(28) 가닥(strands) 또는 편으로 이루어진다. 상기 각 연장된 추진제(28)는 요구되는 길이대 직경(L/D)비를 충족시킬 필요가 있다. 바람직한 연소파를 제공하기 위해, 상기 각 추진제(28)는 적어도 약 10, 바람직하게는 적어도 약 100의 L/D비를 가져야한다. 인지된 바와 같이, 상기 연장된 추진제는 선형의 형상을 가지며, 함께 선형으로 배열된 다수의 추진제 편으로 이루어진다.
상기 연소파는 추진제의 외면(80)에서 시작하여 이니시에이터 조립체(32)에 인접한 연장된 추진제의 일단부로부터 상기 추진제의 제2 또는 대향하는 단부를 향해 진행하는 연장된 추진제의 선형 점화에 관련된다. 상기 연소파의 전파는 최소 의 전파속도, 즉 초(sec)당 추진제의 100m 연소(100㎧)를 만족시켜야 하며, 바람직하게는 상기 전파속도가 약 50㎧를 만족시켜야 한다. 상기 전파속도가 상기한 작은 속도보다 작을 경우, 상기 추진제(28)가 부적절하게 점화되어 팽창가스로 팽창가능한 물품을 가압할 수 없다. 상기 연소파의 전파는 중앙 보어(88)의 크기와 틈새(76)의 크기를 포함하는 다수의 요인(factors)에 영향을 받는다. 특히, 상기 틈새(76)와 중앙 보어(88)를 결합한 크기는 구속부재(52)의 단면적(구속부재의 내경)에 비례한 소정의 범위내에 있어야 한다. 특히, 상기 추진제의 단면적대 구속부재 내경의 단면적 비는 연소파의 바람직한 전파를 달성하기 위하여 .10 ∼ .60의 범위에 있다. 다시 말해, 상기 범위보다 큰 경우 및 작은 경우에는, 추진제(28)의 길이방향을 따라 완전하게 전파하는 것이 때때로 실패할 수 있다.
추진제(28)와 함께 구속부재(52)가 하나만 기재되어 있을지라도, 2이상의 구속부재(52)와 추진제(28)의 결합이 단일 인플레이터의 일부분으로 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 상기 분리된 구속부재(52) 내의 각 추진제는 그의 이니시에이터에 의해 개별적으로 제어가능하게 점화될 수 있다.
전파속도에 더하여, 다수의 다른 매개변수(parameters)가 연소파의 바람직한 또는 적당한 발생에 영향을 미친다. 상기 매개변수는 구멍(56)의 크기 및 구속부재(52)의 강도 뿐만아니라 추진제의 충격 특징(ballistic properties)(연소온도, 압력 민감도(pressure sensitivity), 가스 합성물 및 다른 의미있는 특징) 및 구속부재(52)에 관련된 조절 온도(conditioning temperature)를 포함한다.
바람직하게는, 도2에 도시된 바와 같이, 상기 인플레이터(20)가 하나 이상의 계측 오리피스(100)를 가진 타이밍 부재 또는 외측 튜브(96)도 포함한다. 존재할 경우, 상기 타이밍 부재(96)는 추진제(28)에 의해 발생된 팽창가스의 인플레이터(20)로부터 팽창가능한 물품(24)까지의 유동 또는 통행을 조절하는데 이용된다. 상기 타이밍 부재(96)는 이격된 구멍들(56)이 있는 구속부재(52)의 외측에 위치되며 적어도 구속부재(52)의 길이와 동일한 길이를 얻기 위해 팽창된다. 상기 타이밍 부재(96)의 양단부는 인플레이터(20)의 다른 부분들에 결합된다. 일실시예에서는, 이니시에이터 조립체(32)에 인접한 타이밍 튜브(96)의 단부에서, 타이밍 부재(96)가 고정부재 또는 다른 커넥터(104)에 의해 하우징(48)에 고정되거나 부착되며, 상기 커넥터(104)는 하우징(48)의 일부분을 에워싼다. 상기 타이밍 부재(96)는 팽창가스의 유동을 조절하여, 상기 팽창가스가 너무 빠른 속도로 상기 팽창가능한 물품에 들어가거나 상기 팽창가능한 물품을 팽창시키지 않도록 한다. 대신, 상기 타이밍 부재(96)는 그의 벽에 관통되게 형성된 하나 이상의 계측 오리피스(100)를 이용하여 팽창가스에 의한 팽창가능한 물품(24)의 충전을 균일하고 부드럽게 한다. 일실시예에서는, 서로 소정간격만큼 이격된 다수의 계측 오리피스(100)가 상기 추진제(28)에 가까운 타이밍 부재(96)의 단부에 인접해 있으며, 상기 다수의 계측 오리피스(100)는 타이밍 부재(96)의 길이방향을 따라 위치된다. 상기한 형상은 비교적 긴 길이를 가진 팽창가능한 물품(24)의 균일한 충전과 관련하여 특정 용도를 가진다.
본 실시예가 타이밍 부재(96)를 포함하는 것으로 도시되고 기재되었을지라도, 하나 이상의 다른 실시예에서는 타이밍 부재(96)를 포함하지 않을 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 추진제 합성물 및/또는 구속부재(압력 튜브(52)는 상기 타이밍 부재(96)의 필요성을 제거하기 위해 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 추진제 합성물은 상기 타이밍 부재(96)에 관련된 팽창가스의 유동 조절기능이 불필요하게되는 방식으로 연소되도록 제공될 수 있다.
구속부재(52)와 마찬가지로, 상기 타이밍 부재(96)는 강화 합성수지 또는 고무같은 재료 등의 비금속재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 인플레이터(20)의 무게 및 비용을 전체적으로 감소시키는데 기여한다. 상기 구속부재(52) 및 타이밍 부재(96)가 실질적으로 금속성분이 없는 또는 금속성분을 가지지 않은 재료로 이루어지더라도, 상기 구속부재 및 타이밍 부재는 금속성분을 함유한 부분을 포함한다. 상기 구속부재(52)의 재질에 관계없이, 초기에 봉인되거나 미리 형성되며, 추진제(28)가 활성화되어 연소생성물이 발생될 경우 크기가 증가할 수 있는 서로 이격된 구멍(56)이 형성된 구속부재(52)를 가지는 것은 여전히 가치가 있다. 추가적으로, 상기 타이밍 부재는 구속부재(52)와 추진제(28)의 다중 결합물과 함께 이용되어 각 추진제가 서로 다른 시간대에 제어가능하게 활성화될 수 있는 여러 단계의 인플레이터를 제공할 수 있다.
또한, 상기 타이밍 부재(96)는 발생된 가스로부터 대류에 의해 타이밍 부재(96)의 조직 표면을 향하는 과도한 열을 제거하는 작용을 한다. 특정 적용예에 대하여 바람직한 경우에는, 도5에 도시된 바와 같이, 열을 흡수하는 추가적인 표면이 타이밍 부재(96)의 내측에 비화학구조의(non-structural) 막(120)을 부착시키므로써 추가될 있다. 본 실시예에서, 개구부들(124)을 가진 다수의 막(120)은 아교칠(gluing), 바느질(stitching) 등을 함으로써 타이밍 부재(96)의 내벽에 부착된다. 상기 구속부재(52)로부터의 팽창가스는 계측 오리피스(100)를 빠져나가기 전에 개구부(124) 중 하나 이상을 통과한다. 통상적으로, 상기 개구부(1240)의 크기는 계측 오리피스(100)의 크기보다 크다. 상기 막(120)은 발생된 팽창가스에 의한 열을 흡수하는데 이용되는 표면을 가진다. 도5에 도시된 바와 같이, 상기 구속부재(52)는 그의 주변에 인접하게 위치된 부분들을 가진 압력 튜브 마운트(mount)(128)에 의해 인플레이터 모듈 하드웨어(inflator module hardware)에 결합된다. 상기 압력 튜브 마운트(128)의 외벽 부분은 타이밍 부재(96)의 내벽에 접촉 또는 (한 점에서)에서 접촉한다.
도6a 내지 도6d을 참조하여 상기 팽창가능한 물품(28), 특히 긴 길이를 가진 물품의 균일한 충전에 대하여 설명한다. 상기 연속된 도면은 이니시에이터 조립체(32)가 발화되어 추진제(28)가 활성화될 경우 팽창가능한 물품(24)의 팽창을 개략적으로 설명한다. 활동이 없는 또는 활성화되지 않은 상태에서, 상기 추진제(28)는 아직 활성화되지 않았으며 팽창가스가 발생되지 않는다. 도6b에서는, 이니시에이터 조립체(32)가 추진제(28)를 점화시키는 사건이 발생하여, 구속부재(52)를 구조적으로 파열 또는 찢지 않고 구속부재(52)의 서로 이격된 구멍(56)을 빠져나가는 팽창가스를 포함하는 연소생성물을 발생시킨다. 바람직한 실시예에서는, 도6b에 도시된 바와 같이, 구멍(56)이 추진제의 연소시 개봉된다. 상기 팽창가스는 타이밍 부재(96)의 챔버(102)로 들어가고, 도6b에 개략적으로 도시된 바와 같이 상기 챔버(102)를 관통하여 구속부재(52)의 외층(60)으로부터 타이밍 부재(96)의 벽을 향해 방사방향 외측으로 이동한다. 상기 팽창가스는 상기 벽과 타이밍 부재(96)의 서로 이격된 계측 오리피스(100)에 도달한 다음, 상기 팽창가능한 물품(24)내로 빠져나간다. 도6c에 도시된 바와 같이, 상기 팽창가능한 물품(24)의 단면 주위 뿐만아니라 팽창가능한 물품(24)의 전체 길이를 따라 실질적으로 균일한 팽창가스의 인입이 있다. 상기 팽창가스의 균일한 인입은 계측 오리피스들(100) 사이의 소정거리 및 오리피스들의 크기에 의한 팽창가능한 물품(24)의 바람직하고 조절된 충전에 관계된다. 도6d에 도시된 바와 같이, 팽창가능한 물품(24)은 팽창가스를 균일하게 수용하여 타이밍 부재(96)에 의해 그의 체적 전체에 걸쳐 균일하게 충전 또는 가압된다. 상기 균일한 충전은 팽창가스가 한정된 영역에서 팽창가능한 물품(24)으로 인입되기 보다는 인플레이터(20)로부터 나온 팽창가스가 바로 팽창가능한 물품(24) 전체를 충전시킨다. 팽창가능한 물품(24)의 충전을 완료하기 위해서는, 팽창가능한 물품(24) 자체내의 팽창가스가 바람직한 힘 또는 압력에 이르도록 팽창가능한 물품(24)내에서 길이방향으로 이동할 필요가 있다. 비균일 충전은 운송수단의 탑승자가 패창가능한 물품의 비균일한 충전으로 인해 바람직한 힘보다 작은 힘의 영향을 받는 결과를 초래할 수 있다. 도7 및 도8에는 상기 인플레이터(20)의 한가지 적용예가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 실시예에서, 상기 인플레이터(20)는 하나 이상의 운전자측 창문 위에 위치된 팽창가능한 물품(24)과 함께 이용된다. 상기 인플레이터는 보통 "커튼(curtain)" 인플레이터라고 불리워진다. 특히, 상기 인플레이터는 운전자측, 승객측, 및 측면 충격에 대비한 인플레이터에 비해 실질적으로 긴 길이를 가지는 특징이 있다. 도7 및 도8 에는 커튼 인플레이터 모듈(110)이 운전자측 창문 위에 개략적으로 도시되어 있다. 상기한 적용예에서, 상기 인플레이터(20)는 실질적으로 연장되어 있고, 팽창가능한 물품(24) 길이의 적어도 절반 바람직하게는 인플레이터(20) 길이와 실질적으로 동일한 길이를 가진다. 결과적으로, 상기 인플레이터(20)가 활성화되어 커튼 인플레이터 모듈(110)의 팽창가능한 물품(24)을 전개 또는 팽창시킬 경우, 상기 팽창가능한 물품(24)은 그의 길이방향을 따라 실질적으로 균일하게 충전된다. 상기 팽창가스의 발생 및 팽창가능한 물품(24)으로의 인입은 연소파와 관련된 전파속도에 따라 좌우된다. 즉, 실질적으로 동시에 전체 길이방향을 따른 팽창가능한 물품(24)의 충전은 이니시에이터 조립체(32)에 인접한 단부에서 시작하여 그의 대향하는 단부로 이어지는 연장된 추진제(28)의 점화속도에 의해 한정되거나 좌우된다.
본 발명의 인플레이터(20)가 커튼 인플레이터 모듈(110)과 관련하여 특정 용도를 가지더라도, 상기 인플레이터(20)는 운전자, 승객, 및 측면 충격에 대비한 인플레이터를 포함하는 운송수단 인플레이터의 모든 형태로 이용된다고 이해되어야 한다. 상기한 하나의 디자인, 소수의 부품 및 감소된 제조비용에 기초하여, 상기 인플레이터는 한 가지 적용예에만 제공될 필요없이 운전자, 승객, 측면 충격 대비 및/또는 다른 인플레이터용으로 형성될 수 있다. 더욱이, 상술한 본 발명은 운송수단 내에서의 인플레이터 보다 많은 적용성을 가지며, 그에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 가스발생장치를 포함 또는 필요로하는 여러 가지 적용예에 채용될 수 있다. 즉, 본 발명의 가스를 발생시키는 실시예들은 발생된 가스가 한 가지 이상의 기능을 수행하는 다양한 적용예에서의 용도를 가진다. 예를 들면, 상기 가스 를 발생시키는 기능은 운송수단의 프리-텐셔너(pre-tensioner) 장치 또는 다른 좌석벨트 하드웨어에 이용될 수 있다. 또한, 가스를 발생시키는 특징은 발생된 가스가 소정 기능을 위해 요구되는 항공기 또는 미사일에 제공된 시스템에 제공될 수 있다.
다른 용도 또는 기술분야에서도 상술한 추진제 합성물에 관련된 어떤 장점을 사용할 수 있다고 이해되어야 한다. 특히, 분산제는 추진제 합성물의 부분으로 기재된다. 상기 분산제는 바인딩을 위해 포함되는 합성물의 일부분을 기계적으로 분산시키므로써 응집 또는 허용할 수 없는 합성물의 형성문제를 해결한다. 상기 분산제가 추진제 합성물에 제한될 필요는 없다. 상기 응집문제(예를 들어, 종이의 제조시)를 피하는데에는 이용되지만 상기 합성물의 형성을 완료하기 위해서는 제거(증발 또는 걸러지게)될 필요가 있는 분산제는 섬유재의 대량 현탁액과 같은 다른 재료의 사용을 회피 또는 감소시킨다. 전술한 분산공정은 상기 응집문제를 해결하고 바람직한 혼합을 이루며, 더욱이 바람직한 합성물을 제공하는데 혼합물의 일부분으로 과도한 유체를 사용하는 것을 피하는데 유익하다.
본 발명의 전술한 내용은 도시 및 설명의 목적으로 나타내어졌다. 더욱이, 상기 설명은 그 기재된 형태로 본 발명을 한정하도록 의도되지는 않는다. 결과적으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 상술한 내용에 상응하는 변형 및 변경은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는다. 그리고, 상술한 실시예는 본 발명을 실현하는 현재 알려진 최상의 형태를 설명하여 본 발명의 기술분야에 지식이 있는 다른 사람들이 본 발명의 특정 적용예 또는 용도에 따라 변경시켜 상기한 또는 다른 실 시예로 이용할 수 있도록 의도된 것이다. 참부된 청구범위는 종래 기술에 의해 허용되는 범위에서 선택된 실시예를 포함하도록 구성된다.
전술한 바와 같은 본 발명은, 제작 및 조립이 간단하고 제작비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 활성화될 경우 적어도 하나의 가스를 포함하는 연소생성물을 발생시키는 추진제;
    상기 추진제의 주위를 에워싸며, 상기 가스를 통과시키는 구속부재;
    가스의 유동을 조절하기 위한 상기 구속부재의 외측에 위치되고, 확장가능한 타이밍 부재; 및
    상기 추진제를 점화시키며 그에 동작가능하게 결합된 점화 조립체
    를 포함하는 가스발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구속부재가 적어도 3000psi의 압력을 견디는 재료로 이루어진 가스발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구속부재 및 상기 타이밍 부재 각각이 실질적으로 비금속재인 가스발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 추진제가 단면적을 가지며, 상기 구속부재는 단면적을 가진 단면적을 가지며,
    상기 추진제의 단면적대 상기 구속부재의 내경의 단면적 비율이 약 .10 ∼ .60 범위내인 가스발생장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 추진제의 단면영역과 상기 구속부재의 내경 단면영역 사이에 틈새영역이 형성되고,
    상기 추진제의 단면영역의 내측에는 중앙 보어가 형성된
    가스발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이밍 부재에 결합되며 상기 타이밍 부재의 안쪽으로 연장되어 상기 가스로부터 열을 흡수하는 적어도 하나의 막
    을 더 포함하는 가스발생장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 인플레이터이며,
    상기 가스는 상기 인플레이터가 운송수단 내의 팽창가능한 물품에 공급하는 팽창가스인
    가스발생장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 구속부재가,
    상기 추진제의 활성화 전에 존재하며, 상기 가스가 통과하여 타이밍 부재로 누출되게 하는 소정간격 이격된 다수의 구멍
    을 포함하는 가스발생장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이밍 부재가 그의 길이방향을 따라 소정간격 이격된 다수의 계측 오리피스를 포함하는 가스발생장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 구속부재가 상기 추진제에 인접한 내층을 포함하는 다수의 층을 포함하는 가스발생장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 구속부재가,
    확장되지 않은 상태와 확장된 상태를 가지며, 상기 확장된 상태에서의 크기가 상기 확장되지 않은 상태에서의 크기보다 적어도 10% 큰 일정간격 이격된 다수의 구멍
    을 포함하는 가스발생장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 구속부재의 적어도 일부분의 외부에 장착되며, 상기 타이밍 부재의 내벽과 접촉하는 부분을 가진 마운팅 부재
    를 더 포함하는 가스발생장치.
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