DE102015016083A1

DE102015016083A1 - Gasgenerator

Info

Publication number: DE102015016083A1
Application number: DE102015016083.4A
Authority: DE
Inventors: Detlef Last; Lorenz Seidl; Rolf Ruckdeschel; Christian Jung
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator (10), insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen, mit einem Brennstoffbehälter (28; 28'), in dem ein unter Wärmeentwicklung abbrennbarer fester Brennstoff aufgenommen ist, einer mit Druckgas gefüllten Druckkammer (20), die durch eine Membran (16) gegenüber der Umgebung des Gasgenerators (10) abgeschlossen ist, und einem Anzünder (14), der bei einer Aktivierung des Gasgenerators den Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter (28; 28') freisetzt, wobei das Druckgas wenigstens ein gasförmiges Oxidationsmittel enthält und vor einer Aktivierung des Gasgenerators (10) eine Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer (20) und dem Brennstoffbehälter (28; 28') besteht, so dass das Druckgas und der Brennstoff in direktem Kontakt miteinander stehen, und wobei der Anzünder (14) druckdicht gegenüber dem Brennstoffbehälter (28; 28') und der Druckkammer (20) abgeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen.
Gasgeneratoren liefern beispielsweise Gas zum Füllen eines Gassacks oder für den Antrieb eines Gurtstraffers. Bei bekannten Hybridgasgeneratoren wird das Treibgas zum größten Teil aus einem im Gehäuse des Gasgenerators gespeicherten, unter Druck stehenden Gas erzeugt. Das Gehäuse wird dabei geöffnet, indem ein pyrotechnischer Anzünder einen pyrotechnischen Treibsatz zündet, der das Gas erwärmt und eine Membran zerstört, die das Gehäuse nach außen abschließt, sodass das Gas ausströmen kann.
Ein derartiger Hybridgasgenerator ist in der DE 10 2011 009 309 A1 beschrieben. Dabei steht die den pyrotechnischen Treibsatz enthaltende Brennkammer in Strömungsverbindung mit der von der Brennkammer getrennten und mit Druckgas gefüllten Druckkammer. Die Druckkammer ist beispielsweise mit Argon, Helium oder einer Gasmischung unter einem Druck von bis zu 500 bar gefüllt. Das Druckgas umgibt bei diesem Gasgenerator auch den pyrotechnischen Treibstoff. Damit ist das Bauteil, das die Druckkammer gegenüber der Brennkammer abschließt, mechanisch nur gering belastet.
Die pyrotechnischen Treibstoffe sind ausbilanzierte Mischungen von festen organischen oder anorganischen Brennstoffen und Oxidationsmitteln, die in der Regel Stickstoff und Kohlenstoff enthalten. Die Festtreibstoffe müssen zur Steuerung der Abbrandcharakteristik in eine geeignete Form wie Tabletten, Extrudate und Granulate verschiedenster Geometrie gebracht werden. Daraus folgt eine aufwendige Herstellung und Logistik von pyrotechnischen Treibstoffen.
Im Bonfire- oder „Slow Heat”-Fall wird ein Gasgenerator durch äußere Überhitzung ausgelöst. Pyrotechnische Treibstoffe neigen bei erhöhter Temperatur jedoch zu einer erhöhten Umsetzungsgeschwindigkeit. Daher müssen die Gasgeneratorgehäuse ausreichend fest ausgelegt sein. Wahlweise ist eine Verwendung von zusätzlichen Frühzündeinrichtungen erforderlich, um die Auslösetemperaturen auf ein technisch handhabbares Maß zu begrenzen.
In anderen Gasgeneratoren wird zur Energieerzeugung die Reaktion von gasförmigen Brennstoffen wie Wasserstoff mit ebenfalls gasförmigen Oxidationsmitteln wie Sauerstoff verwendet. Derartige Gasgeneratoren, die ihre Energie aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoffgas beziehen, benötigen entweder zwei voneinander getrennte Druckbehälter mit komplexer Öffnungs- und Anzündsteuerung, oder einen ausreichend dimensionierten Gasbehälter für ein brennbares Gasgemisch. In allen Fällen wird durch die Reaktion des pyrotechnischen Treibstoffs oder der gasförmigen Treibstoffe ein Gas erzeugt.
Aus der DE 695 12 463 T2 ist ein Gasgenerator bekannt, der ein in einem Druckgasbehälter gespeichertes Druckgas und zusätzlich ein Oxidationsmittel und einen in einem Speicherelement gespeicherten Fluidbrennstoff enthält, der frei von einem Verbrennungsoxidationsmittel ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen bekannten Hybridgasgenerator zu vereinfachen und eine kostengünstige Herstellung des Gasgenerators zu ermöglichen.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Gasgenerator erreicht, der einen Brennstoffbehälter umfasst, in dem ein unter Wärmeentwicklung abbrennbarer fester Brennstoff aufgenommen ist, eine mit Druckgas gefüllte Druckkammer, die durch eine Membran gegenüber der Umgebung des Gasgenerators abgeschlossen ist, und einen Anzünder, der bei einer Aktivierung des Gasgenerators den Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter freisetzt, wobei das Druckgas wenigstens ein gasförmiges Oxidationsmittel enthält und vor einer Aktivierung des Gasgenerators eine Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer und dem Brennstoffbehälter besteht, so dass das Druckgas und der Brennstoff in direktem Kontakt miteinander stehen, und wobei der Anzünder druckdicht gegenüber dem Brennstoffbehälter und der Druckkammer abgeschlossen ist.
Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben, die in technisch sinnvoller Weise beliebig miteinander kombiniert werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Gasgenerator stehen das Druckgas und das darin enthaltene gasförmige Oxidationsmittel in direktem Kontakt mit dem festen Brennstoff. Dadurch wird im Aktivierungsfall durch Auslösen des Anzünders eine schnelle Umsetzung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel erreicht. Die druckdichte Abgrenzung des Anzünders vom Druckgas und dem Brennstoff oder dem Brennstoffbehälter ermöglicht es, kostengünstige Bauteile für den Anzünder und dessen Befestigung in der Anzünderkammer zu verwenden. Außerdem kann auf diese Weise eine effektive Verteilung des Brennstoffs im Druckgas erreicht werden, da die vom Anzünder freigesetzte Energie lediglich dazu ausreichen muss, den Brennstoffbehälter zu öffnen und die Umsetzung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel zu aktivieren.
Der im Aktivierungsfall ausgelöste Anzünder öffnet den Brennstoffbehälter und zerstäubt den vorzugsweise pulverförmigen Brennstoff, der dadurch mit dem gasförmigen Oxidationsmittel vermischt wird. Gleichzeitig werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel soweit erwärmt, dass die Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel startet. Die durch die Umsetzung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel freigesetzte Reaktionswärme heizt das Druckgas weiter auf. Der dadurch entstehende Überdruck und/oder eine entstehende Schockwelle öffnet die den Druckbehälter von der Umgebung des Gasgenerators trennende Membran. Das erhitzte Gas strömt aus und betätigt die Sicherheitseinrichtung, beispielsweise einen Airbag.
Die Umsetzung eines festen Brennstoffs mit dem gasförmigen Oxidationsmittel im Gasgenerator kann gut über die Korngröße des Brennstoffs und dem Anteil von Oxidationsmittel im Druckgas gesteuert werden. Die bei dieser Umsetzung entstehende Reaktionswärme wird zur Erwärmung des Druckgases genutzt. Zusätzliche Reaktionsgase müssen bei dieser Umsetzung nicht notwendigerweise entstehen. Wird beispielsweis Aluminiumpulver als Brennstoff mit Sauerstoff umgesetzt, ist die bei dieser Umsetzung entstehende Reaktionswärme etwa 5–10fach höher als die Reaktionswärme bei der Umsetzung eines typischen pyrotechnischen Gasgeneratortreibstoffs. Schadgase wie Kohlenmonoxid oder Stickoxide können bei dieser Umsetzung ebenfalls nicht auftreten.
Im Bonfire- oder Slow Heat-Fall öffnet sich die Druckkammer durch den entstehenden Überdruck. Dadurch wird dem System der größte Teil des Oxidationsmittels entzogen und der Brennstoff kann nur noch langsam degradieren. Ein beschleunigter Abbrand mit Verpuffung des Brennstoffs ist nicht zu erwarten, da diese Reaktion kein eigenes Gas erzeugt und der notwendige Reaktionspartner weitgehend fehlt.
Durch den Einsatz von großtechnisch verfügbaren Oxidationsmitteln wie Sauerstoffgas und Brennstoffen mit hoher Energiedichte wie Metallpulver kann auf die Verwendung speziell hergestellter pyrotechnischer Mischungen verzichtet werden. Außerdem kann der Brennstoffbehälter bzw. die den Behälter aufnehmende Brennkammer kleiner ausgelegt werden, da weniger Brennstoff als bei einem typischen pyrotechnischen Treibstoff eingesetzt werden muss, um die für die Erwärmung des Druckgases benötige Energie zu erzeugen.
Der Brennstoffbehälter kann beispielsweise ein starres Gehäuse aufweisen, in dem der feste Brennstoff aufgenommen ist. Bevorzugt umfasst der Brennstoffbehälter ein hülsenförmiges Gehäuse. Ein freies Ende des hülsenförmigen Gehäuses kann beispielsweise an den Anzünder angrenzen und ist vorzugsweise auf einen Absatz an einen den Anzünder teilweise umgebendes Anzündergehäuse aufgesetzt.
Bevorzugt ist der Brennstoffbehälter mit einem staubdichten, aber gasdurchlässigen Verschluss versehen. Somit wird der Brennstoff zuverlässig in dem Brennstoffbehälter gehalten. Das Druckgas kann durch den Verschluss hindurch in den Behälter eindringen. Der Brennstoff und das im Druckgas enthaltene Oxidationsmittel stehen daher schon vor der Aktivierung des Gasgenerators durch Auslösen des Anzünders in direktem Kontakt miteinander.
Der Verschluss für den Brennstoffbehälter ist bevorzugt aus einem Vliesmaterial gebildet. Beispielsweise kann ein Zellulosevlies ähnlich einem Zigarettenfilter verwendet werden. Das Vliesmaterial kann aus allen geeigneten Kunststoffen bestehen wie beispielsweise Polyester, Polyamid oder Polyolefin. Neben solchen Vliesfiltern können auch Papierfilter oder Filtergewebe aus den genannten Kunststoffen verwendet werden.
Es ist auch denkbar, dass ein flüssiger Brennstoff innerhalb des Brennstoffbehälters aufgenommen ist, gelagert in einer flexiblen Hülle mit blasenförmiger Ausgestaltung. Hierbei kann der Verschluss des Brennstoffbehälters, der den flüssigen Brennstoff beinhaltet, bevorzugt als Düse oder Ventil ausgestaltet sein. Eine solche Düse bzw. Ventil kann ursprünglich verschlossen sein und durch den bei der Aktivierung des Gasgenerators durch Auslösen des Anzünders entstehenden Druckanstieg geöffnet werden und den Brennstoff freisetzen, derart, dass der flüssige Brennstoff in Form kleinster Partikel verdüst bzw. zerstäubt wird.
Der Brennstoff ist bevorzugt ein Metallpulver, insbesondere ein Pulver von Aluminium, Magnesium, Titan und deren Mischungen und/oder Legierungen, beispielsweise Magnalium. Diese Metalle sind kostengünstig verfügbar und weisen bei Umsetzung mit Sauerstoff eine hohe Reaktionswärme auf, ohne dass zusätzliches Gas entsteht. Die Metallpulver sind unter den üblichen Einsatzbedingungen eines Fahrzeugs auch nahezu unbegrenzt lagerstabil. Außerdem ist die Handhabung dieser Brennstoffe im Vergleich zu pyrotechnischen Treibstoffen viel sicherer, so dass keine aufwendigen und teuren Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen.
Außerdem eignet sich als Brennstoff noch organische Brennstoffe, wie Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel C_x/H_y/N_v/O_w mit x ≥ 1, y ≥ 0 sowie v ≥ 0 und w ≥ 0. Die Verwendbarkeit von organischen Verbindungen ist nahezu universell. Ausgeschlossen sind lediglich Verbindungen mit für den Anwendungszweck in Kraftfahrzeugen unerwünschten Eigenschaften, wie beispielsweise Toxizität, Kanzerogenität, Mutagenität oder sonstiger unakzeptabler umweltbezogener Eigenschaften. Darüber hinaus sind Verbindungen unerwünscht, die eine zu geringe chemische oder thermische Stabilität bzw. eine geringe Lagerstabilität in Testversuchen bei 110°C über 400 Stunden aufweisen. Ferner sind solche Verbindungen auszuschließen, die eine sichere Verarbeitung bei der Herstellung der pyrotechnischen Treibstoffe nicht zulassen, wie empfindliche hochexplosive Substanzen oder Mischungen.
Als organische Brennstoffe werden vorzugsweise stickstoffhaltige Verbindungen, wie Guanidinverbindungen und heterozyklische Verbindungen aus der Gruppe der Triazole, Tetrazole, Triazine, Imidazole und Azacycloalkane sowie deren Mischungen, eingesetzt. Beispiele für diese Verbindungen sind 5-Aminotetrazol, 1H-Tetrazol, Bistetrazol, Azotetrazol, Triazolon, Nitrotriazolon, Hexogen, Octogen, Guanidincarbonat, Guanidinnitrat, Guanidinperchlorat, Aminoguanidinnitrat, Diaminoguanidinnitrat, Triaminoguanidinnitrat, Nitroguanidin, Guanylureadinitramid, sowie deren Salze, Derivate oder deren Mischungen.
Der organische Brennstoff kann ferner aus der aus stickstoffhaltigen heterozyklischen organischen Säuren sowie deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt sein. Beispiele für diese stickstoffhaltigen heterozyklischen organischen Säuren sind Cyanursäure, Isocyanursäure, Cyamelid, Urazol, Uracil, Uramin, Urazin, Alloxan, Alloxansäure, Alloxantin, Xanthin, Allantoin, Barbitursäure, Orotsäure, Dilitursäure, Triazolon, Violursäure, Succinimid, Dialursäure, Isodialursäure, Hydantoin, Pseudohydantoin, Imidazolon, Pyrazolon, Parabansäure, Furazan, Ammelin, Kreatinin, Maleinsäurehydrazid, Harnsäure, Pseudoharnsäure, Guanazin, Guanazol, Melamin, deren Salze, Derivate oder deren Mischungen.
Ferner kann als organischer Brennstoff eine stickstofffreie organische Säure verwendet werden. Bevorzugt sind in diesem Zusammenhang Fumarsäure, Maleinsäure, Malonsäure, Weinsäure, Tartronsäure, Citronensäure, Ascorbinsäure, deren Salze oder Derivate, oder Mischungen der stickstofffreien organischen Säuren.
Schließlich kann als organischer Brennstoff eine Polymerverbindung verwendet werden, die beispielsweise aus der aus den Polyalkylverbindungen, Polyalkylenverbindungen, Polyvinylalkohol, Polyamiden, Polyimiden, Polyestern, Polyethern, Polyurethane, Polyacetaten, Polyacrylverbindungen und Polyglykolen sowie deren -OH, -CN, -COOH, -NH₂, -N₃, -ONO₂ oder -NO₂-Gruppen enthaltenden Derivaten und Copolymerisaten bestehenden Gruppe ausgewählt sein kann.
Geeignet sind insbesondere auch Brennstoffe auf der Grundlage von Epoxidharzen, die bereits einen hohen Sauerstoffanteil im Molekül aufweisen, da hierdurch der benötigte Anteil an Oxidationsmittel vermindert werden kann.
Besonders bevorzugt sind energiereiche organische Brennstoffe mit einer Sauerstoffbilanz von größer als –40%, insbesondere zwischen –40% und 0%. Unter der „Sauerstoffbilanz” einer Verbindung oder einer Zusammensetzung wird im folgenden diejenige Sauerstoffmenge in Gew.-% verstanden, die bei vollständiger Umsetzung der Verbindung bzw. der Zusammensetzung zu CO₂, H₂O, Al₂O₃, B₂O₃ etc. frei wird (Sauerstoffüberschuß). Reicht der vorhandene Sauerstoff hierzu nicht aus, so wird die zum vollständigen Umsatz notwendige Fehlmenge mit negativen Vorzeichen angegeben (Sauerstoffunterschuß).
Beispiele für solche energiereiche Brennstoffe sind Guanidinnitrat, Nitroguanidin, Guanylureadinitramid, Triaminoguanidinnitrat, Harnstoffnitrat, Nitroharnstoff, Nitropenta, 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on (NTO), Hexogen, Oktogen N,N'-Dinitroammelin oder deren Mischungen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators kann der Brennstoffbehälter aus einer gasdurchlässigen, bei Aktivierung des Gasgenerators aufreißbaren Hülle gebildet sein. Geeignet sind beispielsweise Hüllen aus staubdichten Vliesen oder Geweben sowie Filterpapiere, die den pulverförmigen Brennstoff aufnehmen. Desweiteren eignen sich perforierte Metallfolien, die für das Druckgas durchlässig sind, den pulverförmigen Brennstoff aber zuverlässig zurückhalten. Mit dieser Ausführungsform ist eine besonders kostengünstige Herstellung des Brennstoffbehälters möglich.
Das Druckgas besteht bevorzugt aus wenigstens einem Inertgas und dem wenigstens einen gasförmigen Oxidationsmittel. Beispielsweise können Gemische aus Helium, Argon und/oder Stickstoff als Inertgas und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden.
Der Sauerstoffanteil im Druckgas liegt bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 Volumenprozent, bevorzugt von 15 bis 25 Volumenprozent. Das Druckgas in der Druckkammer steht vorzugsweise unter einem Druck von mindestens 200 bar, bevorzugt unter einem Druck im Bereich von 200 bis 800 bar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Brennstoffbehälter und die Druckkammer durch ein Bauteil mit wenigstens einer Überströmöffnung voneinander getrennt, wodurch eine Brennkammer gebildet ist, die den Brennstoffbehälter aufnimmt. Die Brennkammer liegt dabei in axialer Richtung des Gasgenerators zwischen dem Anzünder und der Druckkammer. Mit dieser Ausführungsform kann der Druckverlauf im Aktivierungsfall des Gasgenerators über den zur Öffnung des Bauteils erforderlichen Berstdruck gesteuert werden.
Besonders bevorzugt weist das Bauteil eine Schwächungszone auf, die so ausgelegt ist, dass sie bei der Aktivierung des Gasgenerators zerstörbar ist, wobei das Bauteil einen höheren Berstdruck als die Membran aufweist und/oder eine Schockwelle erzeugbar ist, die wenigstens abschnittsweise durch die Druckkammer propagierbar ist, um eine Zerstörung der Membran zu bewirken.
Da das Bauteil wenigstens eine Überströmöffnung aufweist oder so angeordnet ist, dass ein Druckausgleich zwischen Brennkammer und Druckkammer möglich ist, stehen die Brennkammer und die Druckkammer unter dem gleichen Druck von beispielsweise 200 bis 800 bar, so dass nur geringe Anforderungen an das Bauteil und die Schwächungszone hinsichtlich der Stabilität und der Befestigung im Gehäuse bestehen. Der Gasgenerator ist daher einfach zu fertigen. Da außerdem der Brennstoff und das im Druckgas enthaltene gasförmige Oxidationsmittel in direktem Kontakt miteinander stehen, läuft wegen des hohen Drucks in der Brennkammer auch die Umsetzung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel beschleunigt ab.
Das Bauteil kann beispielsweise eine Kappe sein, die in ein Gehäuse des Gasgenerators eingesetzt, vorzugsweise fixiert, ist. Es ist dabei möglich, das Bauteil nur in das Gehäuse einzulegen oder aber im Gehäuse zu verpressen oder zu verkrimpen.
Es ist möglich, die Überströmöffnung durch wenigstens einen in einer Umfangswand des Bauteils ausgebildeten Kanal zu realisieren. Der Kanal ist dabei vorzugsweise außerhalb der Schwächungszone angeordnet und erstreckt sich in axialer Richtung, also parallel zur Längsachse des Gehäuses. Bevorzugt sind mehrere, beispielsweise drei, Kanäle im gleichen Abstand über den Umfang des Bauteils verteilt.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Überströmöffnungen so ausgebildet sind, dass der Gasfluss durch die Überströmöffnungen wenigstens um den Faktor 10 geringer ist als der Gasfluss durch die zerstörte Schwächungszone. Es hat sich gezeigt, dass bei einer derartigen Konstellation beim Aktivieren des Gasgenerators der Druckverlust über die Überströmöffnungen unbedeutend für das Erzeugen einer Schockwelle und das sichere Öffnen sowohl der Schwächungszone als auch der Membran zur Umgebung des Gasgenerators ist.
Vorteilhaft ist die Überströmöffnung zumindest vor der Aktivierung permanent geöffnet. Es ist aber auch möglich, das Bauteil so auszubilden, dass die Überströmöffnungen bei der Aktivierung des Gasgenerators wenigstens weitgehend verschlossen werden, beispielsweise indem sich das Bauteil durch den Druckanstieg in der Brennkammer an eine Gehäusewand anlegt und so die Kanäle verengt oder ganz verschließt.
Das Bauteil kann so in das Gasgeneratorgehäuse eingesetzt werden, dass kein druckdichter Abschluss zwischen dem Bauteil und der Gehäusewand besteht, so dass ein Druckausgleich zwischen Brennkammer und Druckkammer möglich ist.
Die Schwächungszone im Bauteil ist bevorzugt durch Prägungen gebildet. Auf diese Weise kann eine gut zu reproduzierende Öffnungskraft und damit der Berstdruck des Bauteils präzise eingestellt werden, etwa über Anzahl und Tiefe der Prägungen.
Erfindungsgemäß ist der Anzünder gas- und druckdicht gegenüber der Brennkammer abgeschlossen. Dazu kann das Anzündergehäuse, in das der Anzünder eingesetzt ist, eine mit einer Anzündermembran verschlossene Öffnung aufweisen. Bevorzugt ist die Anzündermembran an einem Vorsprung des Anzündergehäuses vorgesehen, der in die Druckkammer bzw. die Brennkammer hineinragt. Die Anforderungen an die Membran, die den Anzünder abschließt, sind jedoch deutlich geringer als es die Anforderungen an eine Trennung zwischen Brennkammer und Druckkammer in herkömmlichen Hybridgasgeneratoren, da bei der Aktivierung des Gasgenerators im Anzünder ein sehr hoher Druckanstieg stattfindet und die zu verschließende Fläche relativ klein ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Varianten in Bezug auf die beigefügten Figuren. In diesen zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator;
2 einen schematischen Querschnitt durch den Gasgenerator von 1, wobei nur ein Abschnitt des Gasgenerators dargestellt ist;
3 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerator, wobei nur ein Abschnitt des Gasgenerators dargestellt ist;
4 eine Ansicht eines Bauteils für einen erfindungsgemäßen Gasgenerator; und
5 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators in einer Teilansicht.
Die 1 und 2 zeigen einen Gasgenerator 10 mit einem langgestreckten, zylindrischen Gehäuse 12, an dessen erstem axialen Ende ein Anzünder 14 üblicher Bauart vorgesehen ist und an dessen zweitem axialen Ende das Gehäuse 12 durch eine Membran 16 gegenüber der Umgebung des Gasgenerators 10 verschlossen ist. Das Gehäuse 12 bildet das Außengehäuse des Gasgenerators 10. Ein Diffusor 18, der auf bekannte Weise mit Ausströmöffnungen versehen ist, schließt sich in axialer Richtung an das Gehäuse 12 an und leitet das ausströmende Gas zu seinem Einsatzort.
Das Gehäuse 12 umgrenzt eine Druckkammer 20, die in axialer Richtung A an den Anzünder 14 anschließt. Die Druckkammer 20 ist mit einem komprimierten Inertgas, beispielsweise Argon, Helium und/oder Stickstoff oder einem anderen geeigneten Gasgemisch, gefüllt und enthält außerdem ein gasförmiges Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Distickstoffmonoxid.
Der Anzünder 14 ist druck- und gasdicht gegenüber der Druckkammer 20 abgeteilt. Zu diesem Zweck ist eine Öffnung 22 in einem Anzündergehäuse 24, in dem der Anzünder 14 aufgenommen ist, zur Druckkammer 20 hin mit einer Anzündermembran 26 verschlossen. Bei der Anzündermembran 26 kann es sich beispielsweise um eine Blechscheibe aus Schwarzstahl handeln oder ein ähnliches, einfach zu fertigendes Teil.
An den Anzünder 14 schließt sich in axialer Richtung A ein Brennstoffbehälter 28 an, der bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform in die Druckkammer 20 hineinragt. Im Brennstoffbehälter 28 ist bevorzugt ein fester pulverförmiger Brennstoff aufgenommen. Besonders bevorzugt ist der Brennstoff ein Metallpulver, beispielsweise von Aluminium, Magnesium oder Titan, sowie deren Gemischen und Legierungen.
Das Metallpulver weist vorzugsweise eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 1000 μm auf. Die mittlere Korngröße liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 bis 750 μm.
Die Seitenwand des Brennstoffbehälters 28 ist hier durch ein hülsenförmiges Gehäuse 30 gebildet, das an einem Ende auf einen an dem Anzündergehäuse 24 vorgesehenen Absatz 32 aufgesetzt ist, an dem die Anzündermembran 26 befestigt ist. Der Absatz 32 mit der Anzündermembran 26 bildet somit einen Boden des Brennstoffbehälters 28.
An dem der Anzündermembran 26 gegenüberliegenden freien Ende des Gehäuses 30 ist ein staubdichter, jedoch gasdurchlässiger Verschluss 34 vorgesehen. Der Verschluss 34 ist hier durch einen Stopfen gebildet, der in das freie Ende des Gehäuses 30 eingesetzt ist. Der Brennstoffbehälter 28 kann im Gasgeneratorgehäuse zusätzlich über eine Haltevorrichtung 36 fixiert sein, beispielsweise durch eine Lochscheibe.
Der Verschluss 34 besteht bevorzugt aus einem Vliesfilter, beispielsweise aus Zellulose, Polyester, Polyamid oder Polyolefin. Es können aber auch andere Materialien wie Papier oder Gewebe zum Einsatz kommen, die einen Druckausgleich, in einem nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators 10, zwischen der Druckkammer 20 und dem Innenraum des Brennstoffbehälters 28 ermöglichen.
Bevorzugt ist das Gehäuse 30 des Brennstoffbehälters 28 in Richtung des Verschlusses 34 verjüngt, so dass die zu verschließende Fläche verkleinert werden kann. Bei dieser Ausgestaltung des Gehäuses 30 kann vorteilhaft eine Düse 38 vor dem Verschluss ausgebildet sein, wodurch eine schnelle und homogene Verteilung des im Aktivierungsfall aus dem Brennstoffbehälter 28 freigesetzten Brennstoffs erreicht wird.
Bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 erhält der Anzünder 14 auf bekanntem Weg ein elektrisches Signal, um diesen zu zünden. Der plötzliche Druckanstieg im Anzünder 14, der damit verbunden ist, zerstört zunächst die Anzündermembran 26 und bläst den Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter 28 in die Druckkammer 20. Gleichzeitig wird der Brennstoff erwärmt, so dass eine Umsetzung mit dem den Brennstoff umgebenden gasförmigen Oxidationsmittel einsetzt. Die bei dieser Umsetzung auftretende Wärmeentwicklung erwärmt das Druckgas, so dass ein Überdruck entsteht. Durch diesen Überdruck wird die Membran 16 geöffnet und das Druckgas kann aus der Druckkammer 20 über den Diffusor 18 und die Ausströmöffnungen in die Umgebung ausströmen und die Sicherheitseinrichtung betätigen.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators 10, die im Wesentlichen der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform entspricht. Mit Bezug auf den Aufbau des Gasgenerators 10 und insbesondere des Brennstoffbehälters 28 wird daher auf die obige Beschreibung verwiesen.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich ein Bauteil 40 vorgesehen, welches das Gehäuse 12 in axialer Richtung A in eine Brennkammer 42 und die Druckkammer 20 teilt. Die Brennkammer 42 ist im Gasgeneratorgehäuse 12 in axialer Richtung A an den Anzünder 14 anschließend ausgebildet. Der Brennstoffbehälter 28 ist in der Brennkammer 42 aufgenommen.
Das Bauteil 40 schließt die Druckkammer 20 jedoch nicht druckdicht gegen die Brennkammer 42 ab. Vielmehr sind Überströmöffnungen 44 am Bauteil vorgesehen (siehe 4), so dass eine Strömungsverbindung zwischen beiden Kammern besteht. Dadurch kann bei der Herstellung des Gasgenerators 10, insbesondere beim Füllen der Druckkammer 20 mit komprimiertem Gas, das Gas über die Überströmöffnungen 44 im Bauteil 40 auch in die Brennkammer 42 strömen, bis ein Druckausgleich zwischen den beiden Kammern erreicht ist. Vor der Aktivierung des Gasgenerators 10 befindet sich komprimiertes Gas also sowohl in der Druckkammer 20 als auch in der Brennkammer 42. Da der Verschluss 34 des Brennstoffbehälters 28 gasdurchlässig ist, liegt das Druckgas und das darin enthaltene Oxidationsmittel auch im Brennstoffbehälter 28 vor und steht in direktem Kontakt mit dem Brennstoff.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist das Bauteil 40 in das Gehäuse 12 des Gasgenerators eingepresst. Es könnte aber auch einfach in das Gehäuse 12 eingelegt oder auf andere Weise befestigt sein.
An der Stelle, an der das Bauteil 40 im Gehäuse 12 befestigt ist, ist hier eine ringförmig umlaufende Einbuchtung 46 im Gehäuse 12 vorgesehen, an der das Bauteil 40 anliegt und die das Bauteil zusätzlich sichert.
Das Bauteil 40 ist mit einer Schwächungszone 48 versehen und weist einen höheren Berstdruck auf als die Membran 16 (siehe 4).
Bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 zerstört der plötzliche Druckanstieg im Anzünder 14 zunächst die Anzündermembran 26 und bläst den Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter 28 in die Brennkammer 42. Gleichzeitig wird der Brennstoff erwärmt, so dass eine Umsetzung mit dem den Brennstoff umgebenden gasförmigen Oxidationsmittel einsetzt. Die bei dieser Umsetzung auftretende Wärmeentwicklung erwärmt das Druckgas, so dass ein Überdruck entsteht. Aufgrund der plötzlichen Druckerhöhung in der Brennkammer wird die Schwächungszone 48 im Bauteil 40 zerstört, sodass schlagartig eine bezogen auf den Durchmesser des Gehäuses 12 große Öffnung im Bauteil 40 entsteht. Durch dieses abrupte Öffnen wird eine Schockwelle erzeugt, die in die Druckkammer 20 eintritt und diese bis zur Membran 16 durchläuft. Das Druckgas in der Druckkammer 20 muss sich dabei nicht wesentlich erwärmen. Im Bereich einer lokalen Schockwellenfront besteht eine äußerst kurzfristige Druckerhöhung, die oft nur im Bereich der Schockwelle den Berstdruck der Membran 16 überschreitet und diese öffnet. Auf diese Weise erfolgt ein sehr frühes Öffnen nach der Aktivierung des Gasgenerators. Die Temperatur in der Brennkammer 42 kann dabei beispielsweise im Bereich von 2.900 K liegen, wobei der Druck in der Brennkammer 42 auf Werte zwischen 875 und 1.125 bar ansteigen kann. Die Schockwellengeschwindigkeit kann zwischen 750 und 1.250 m/sec liegen.
Der hier gezeigte Gasgenerator 10 kann beispielsweise zum Aufblasen eines Gassacks eingesetzt werden, aber auch für andere Zwecke.
Das Bauteil 40 kann in seiner Form variabel ausgebildet sein. Es ist lediglich erforderlich, dass ein Druckausgleich zwischen der Druckkammer 20 und der Brennkammer 42 stattfinden kann und bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 die Schwächungszone 48 zuverlässig zerstört wird.
Eine Variante des Bauteils 40 ist in 4 näher dargestellt. Das Bauteil 40 hat im Wesentlichen die Form einer Kappe mit einem etwa halbkugelförmigen Deckel 50 mit einer daran anschließenden kegelstumpfförmigen Umfangswand 52. Im Scheitelpunkt des Deckels 50 ist eine sternförmige Prägung vorgesehen, die die Schwächungszone 48 bildet. Über Anzahl, Länge und Tiefe der Prägungen lässt sich der Berstdruck der Schwächungszone 48 sehr genau und gut reproduzierbar einstellen. Die Schwächungszone 48 kann außer der gezeigten Sternprägung z. B. auch eine Kreuz-, C- oder Ringprägung aufweisen.
In der Umfangswand 52 sind drei gleichmäßig über den Umfang verteilte axial verlaufende Kanäle als Überströmöffnungen 44 ausgebildet. Wenn das Bauteil 40 in das Gehäuse 12 eingesetzt ist, bilden die Überströmöffnungen 44 eine Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer 20 und der Brennkammer 42, da die Umfangswand 52 des Bauteils nicht vollständig an der Innenwand des Gehäuses anliegt, sondern im Bereich der Überströmöffnungen 44 von diesem beabstandet ist.
Es ist möglich, das Bauteil 20 lediglich in das Gehäuse 12 einzusetzen und nicht zu verpressen.
Bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 reißt die Prägung in der Schwächungszone 48 auf, sodass eine relativ große Öffnung entsteht, die vorzugsweise mehr als die Hälfte des gesamten Durchmessers des Gehäuses 12 ausmacht. Die Gasmenge, die durch die Überströmöffnungen 44 am Bauteil vorbei von der Brennkammer 42 in die Druckkammer 20 strömt, ist dabei vernachlässigbar und um wenigstens den Faktor 10 geringer als die Gasmenge, die durch die aufgebrochene Schwächungszone 48 fließt. Somit haben die Überströmöffnungen 44 keinen Einfluss auf die Erzeugung der Schockwelle durch die Zerstörung der Schwächungszone 48.
Das Bauteil 40, insbesondere aber dessen Umfangswand 52, kann auch so gestaltet sein, dass bei Erhöhung des Drucks in der Brennkammer 42 sich das Bauteil 40 in diesem Bereich und im Bereich der Überströmöffnungen 44 an die Innenwand des Gehäuses 12 anlegt, sodass die Überströmöffnungen 44 ganz oder teilweise durch Verformung der Umfangswand 52 verschlossen werden.
Des Weiteren kann das Bauteil 40 nur aus dem Deckel 50 bestehen, der in das Gehäuse 12 eingesetzt wird, aber keine speziell ausgebildeten Überströmöffnungen aufweist. Der Druckausgleich zwischen Druckkammer 20 und Brennkammer 42 erfolgt dann vorzugsweise dadurch, dass das Bauteil 40 nicht druckdicht im Gehäuse 12 angeordnet ist.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Brennstoffbehälter 28' aus einer gasdurchlässigen, bei Aktivierung des Gasgenerators 10 aufreißbaren Hülle 54 gebildet. Geeignet sind beispielsweise flexible Hüllen aus staubdichten Vliesen oder Geweben sowie Filterpapiere, die den pulverförmigen Brennstoff aufnehmen. Des Weiteren eignen sich perforierte Metallfolien, die für das Druckgas durchlässig sind, den pulverförmigen Brennstoff aber zuverlässig zurückhalten. Der Brennstoff steht dabei in jedem Fall in direktem Kontakt mit dem Druckgas und dem darin enthaltenen Oxidationsmittel.
Im Übrigen entspricht der Aufbau des Gasgenerators 10 den Ausführungsformen der 1 bis 3. Insbesondere kann auch bei dieser Ausführungsform ein Bauteil 40 vorgesehen sein, welches das Gehäuse 12 in eine anzünderseitig angeordnete Brennkammer 42 und eine Druckkammer 20 teilt, wobei der Brennstoffbehälter 28' in der Brennkammer 42 aufgenommen ist. Wie in der Ausführungsform von 3 dient das Bauteil 40 dazu, bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 eine Schockwelle zu erzeugen, die zu einer schnellen Öffnung der Membran führt.
Anstelle des Bauteils 40 kann aber auch ein grobmaschiges Sieb oder eine andere Haltevorrichtung vorgesehen sein, die lediglich dazu dient, den Brennstoffbehälter 28' im Gehäuse 12 des Gasgenerators zu fixieren.
Bei der Aktivierung des Gasgenerators 10 führt der plötzliche Druckanstieg im Anzünder 14 zu einer Zerstörung der Anzündermembran 26 und zu einem Aufreißen der Hülle 54 des Brennstoffbehälters 28'. Dadurch wird der Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter 28' in die Brennkammer 42 und/oder die Druckkammer 20 geblasen. Gleichzeitig wird der Brennstoff erwärmt, so dass eine Umsetzung mit dem den Brennstoff umgebenden gasförmigen Oxidationsmittel einsetzt. Der dadurch entstehende Überdruck kann zu einer schlagartigen Öffnung des Bauteils 40 und zum Entstehen einer Schockwelle führen. Hat das Bauteil 40 lediglich eine Haltefunktion, führt die bei der Umsetzung des Brennstoffs auftretende Wärmeentwicklung zu einer Erwärmung des Druckgases, so dass ein Überdruck entsteht. Durch diesen Überdruck wird die Membran 16 geöffnet und das Druckgas kann aus der Druckkammer 20 über den Diffusor 18 und die Ausströmöffnungen in die Umgebung ausströmen und die Sicherheitseinrichtung betätigen.
Mit dieser Ausführungsform ist eine besonders kostengünstige Herstellung des Brennstoffbehälters möglich, da auf vorgefertigte, bereits mit Brennstoff gefüllte Behälter zurückgegriffen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011009309 A1 [0003]
DE 69512463 T2 [0007]

Claims

Gasgenerator (10), insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in Fahrzeugen, mit einem Brennstoffbehälter (28; 28'), in dem ein unter Wärmeentwicklung abbrennbarer fester Brennstoff aufgenommen ist, einer mit Druckgas gefüllten Druckkammer (20), die durch eine Membran (16) gegenüber der Umgebung des Gasgenerators (10) abgeschlossen ist, und einem Anzünder (14), der bei einer Aktivierung des Gasgenerators (10) den Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter (28; 28') freisetzt, wobei das Druckgas wenigstens ein gasförmiges Oxidationsmittel enthält und vor einer Aktivierung des Gasgenerators eine Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer (20) und dem Brennstoffbehälter (28; 28') besteht, so dass das Druckgas und der Brennstoff in direktem Kontakt miteinander stehen, und wobei der Anzünder (14) druckdicht gegenüber dem Brennstoffbehälter (28; 28') und der Druckkammer (20) abgeschlossen ist.
Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbehälter (28) ein starres Gehäuse (30) aufweist, wobei vorzugsweise das Gehäuse (30) hülsenförmig ist.
Gasgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbehälter (28) mit einem gasdurchlässigen Verschluss (34) versehen ist.
Gasgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (34) für den Brennstoffbehälter (28) aus einem Gewebe oder Vlies gebildet ist, wobei der Verschluss (34) vorzugsweise aus einem Material gebildet ist, das aus der aus Papier, Zellulose, Polyester, Polyamid oder Polyolefin bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffbehälter (28') aus einer gasdurchlässigen, bei einer Aktivierung des Gasgenerators aufreißbaren Hülle (54) gebildet ist.
Gasgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (54) aus einem Papier, Vlies oder Gewebe oder aus einer perforierten Metallfolie gebildet ist.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein Pulver mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 5 bis 1000 μm, insbesondere im Bereich von 20 bis 750 μm, ist.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein Metallpulver ist, insbesondere ein Pulver von Aluminium, Magnesium, Titan, deren Legierungen und Mischungen davon, oder dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus mindestens einer der Gruppe aus vorzugsweise stickstoffhaltigen Verbindungen, wie Guanidinverbindungen und heterozyklische Verbindungen aus der Gruppe der Triazole, Tetrazole, Triazine, Imidazole und Azacycloalkane sowie deren Mischungen, insbesondere 5-Aminotetrazol, 1H-Tetrazol, Bistetrazol, Azotetrazol, Triazolon, Nitrotriazolon, Hexogen, Octogen, Guanidincarbonat, Guanidinnitrat, Guanidinperchlorat, Aminoguanidinnitrat, Diaminoguanidinnitrat, Triaminoguanidinnitrat, Nitroguanidin, Guanylureadinitramid, sowie deren Salze, Derivate oder deren Mischungen, ausgewählt ist.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas aus wenigstens einem Inertgas und dem wenigstens einen gasförmigen Oxidationsmittel besteht, wobei insbesondere das wenigstens eine gasförmige Oxidationsmittel Sauerstoff ist.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine gasförmige Oxidationsmittel in einem Anteil von 10 bis 30 Volumenprozent, bevorzugt von 15 bis 25 Volumenprozent im Druckgas vorliegt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil (40) vorgesehen ist, welches den Brennstoffbehälter (28; 28') und die Druckkammer (20) unter Bildung einer Brennkammer (42) voneinander trennt, wobei der Brennstoffbehälter (28; 28') in der Brennkammer (42) aufgenommen ist.
Gasgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (40) eine Schwächungszone (48) aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie bei der Aktivierung des Gasgenerators zerstörbar ist, wobei das Bauteil (40) einen höheren Berstdruck als die Membran (16) aufweist und/oder eine Schockwelle erzeugbar ist, die wenigstens abschnittsweise durch die Druckkammer propagierbar ist, um eine Zerstörung der Membran (16) zu bewirken.
Gasgenerator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (40) wenigstens eine Überströmöffnung (44) aufweist oder so angeordnet ist, dass ein Druckausgleich zwischen der Brennkammer (42) und der Druckkammer (20) erfolgt.