PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3937032C2 23.02.1995
Titel Gasgenerator
Anmelder Dynamit Nobel AG, 53840 Troisdorf, DE
Erfinder Bender, Richard, Dipl.-Chem. Dr., 8560 Lauf, DE;
Bretfeld, Anton, 8510 Fürth, DE
DE-Anmeldedatum 07.11.1989
DE-Aktenzeichen 3937032
Offenlegungstag 08.05.1991
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.02.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1995
IPC-Hauptklasse F15B 15/19
IPC-Nebenklasse B60R 21/26   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie die Verwendung des Gasgenerators in einem pyrotechnischen Kraftelement.

Pyrotechnische Gasgeneratoren sind die Energiequelle bei pyrotechnischen Kraftelementen. Bei der DE 84 33 042 U1 wird bei der Zündung eines pyrotechnischen Gasgenerators ein Leistungsschalter betätigt, bei der DE 86 21 257 U1 oder bei der DE 36 29 300 A1 ein Rückstrammer eines Sicherheitsgurtes. Die vom Gasgenerator bei der Zündung freigesetzte Gasmenge wird normalerweise an einen den Gasgenerator umfassenden Raum abgegeben, der im folgenden als Arbeitsvolumen bezeichnet wird, und der dabei gewöhnlich sein Volumen bei der Gasfreisetzung ändert, beispielsweise eine bewegliche Wand (Kolben) aufweist.

Der zeitliche Verlauf des Gasdruckes im Arbeitsvolumen nach Zündung des Gasgenerators weist als Besonderheit eine hohe, schmale Spitze unmittelbar nach der Zündung auf; aber schon 10 ms später kann der Druck auf einen Bruchteil des Spitzenwertes abgefallen sein. Dementsprechend wirkt auf die bewegliche Wand im Arbeitsvolumen ein unter Umständen sehr starker, aber nur sehr kurzer Kraftstoß. Mit einem niedrigeren, aber dafür längeren Impuls würde die gleiche Wirkung erzielbar sein, das Kraftelement müßte aber hinsichtlich seiner Festigkeit nicht auf die hohe Spitzenbelastung hin ausgelegt sein.

Die DE-OS 37 17 458 zeigt ein pyrotechnisches Kraftelement, welches aus einem Gasgenerator zur Bildung eines Gasdruckes in einem Arbeitsvolumen besteht. Hierzu ist in einem Hochdruckgehäuse eine druckgaserzeugende Ladung mit einer Zündeinrichtung angeordnet. Eine Gasaustrittsöffnung verbindet den Hochdruckraum mit dem Arbeitsvolumen. Im Arbeitsvolumen ist ein verschiebbarer Kolben angeordnet, der durch den erzeugten Gasdruck eine Arbeitsleistung verrichtet.

Die DE-OS 21 60 738 beschreibt eine Vorrichtung zum raschen Ausstoßen einer Flüssigkeit aus einem Reservoir durch Abbrennen einer Treibladung.

Nach Zündung des Treibmittels drückt ein Kolben auf die sich in einem Rohrelement befindliche Flüssigkeit und preßt diese durch Düsen und eine Kühlkammer aus dem Rohrelement. Das von der Verbrennung des Treibmittels herstammende Gas wird durch Entspannung quer durch die Radialdüsen beim Durchgang von der Verbrennungskammer in die Kühlkammer gekühlt. Der erzeugte Gasdruck liegt direkt am Kolben an. Die Radialdüsen dienen ausschließlich zur Kühlung des Gases, damit nach dem Ausstoßen der Flüssigkeit kein heißes Gas die Vorrichtung verläßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit dem in Verbindung mit einem Kraftelement mechanische Arbeit geleistet werden kann und im Arbeitsvolumen über längere Zeit ein höherer Druck zur Verfügung steht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß zwischen dem Hochdruckraum und dem Arbeitsvolumen ein Mitteldruckgehäuse angeordnet ist, tritt die Druckspitze des Gases im Arbeitsvolumen später auf. Der maximale Wert ist dabei erheblich kleiner und der Druckabfall gedehnt. Durch den gedehnten Druckabfall steht für längere Zeit eine größere Leistung am Kraftelement zur Verfügung.

Ein solcher Gasgenerator ist besonders geeignet für ein pyrotechnisches Kraftelement, bei dem die bewegliche Wand, üblicherweise ein druckgasgetriebener Kolben, eine schiebende Wirkung erzeugen soll.

Bevorzugt ist das (aus mehreren Kammern gebildete) Mitteldruckgehäuse so ausgebildet, daß sich für ein aus den Öffnungen des Hochdruckgehäuses strömendes Gas die Strömungsrichtung wiederholt ändert ("labyrinthartig") und die Volumina der Kammern und die Querschnitte der sie verbindenden Durchtrittsöffnungen zunehmen ("sich kaskadenartig erweitern").

Der Druckzeitverlauf im Arbeitsvolumen hängt von vielen Parametern ab, wie Treibladungspulvermenge und Art der Verdämmung, der Umsetzungsgeschwindigkeit und dem Gasdruck (Abbrandverhalten) und dementsprechend ist auch die Wirkung des Labyrinths in dem Mitteldruckraum durch zahlreiche Parameter beeinflußbar, insbesondere durch die Wärmeabgabe des Gases an den Wänden, das Volumen des Mitteldruckraumes bzw. der verschiedenen, den Mitteldruckraum bildenden Kammern, Art der Drosselstellen, insbesondere die Eintrittsöffnung in den Mitteldruckraum (identisch mit der Austrittsöffnung aus dem Hochdruckraum) und die Austrittsöffnungen aus dem Mitteldruckraum in das Arbeitsvolumen.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung tritt die Druckspitze im Arbeitsvolumen später auf; der maximale Wert ist erheblich kleiner; der Druckabfall ist gedehnt; es steht länger ein höherer Druck zur Verfügung. Daß auch bei dem erfindungsgemäßen Gasgenerator am Anfang immer noch eine Druckspitze auftritt, ist bei einem pyrotechnischen Kraftelement durchaus erwünscht, um die Bewegung eines Wandbereiches (Kolbens) einzuleiten; die weniger stark abfallende Kraft steht gegenüber konventionellen Gasgeneratoren aber für eine erheblich längere Zeitspanne zur Arbeitsleistung zur Verfügung.

Die Verwendung des Gasgenerators in einem pyrotechnischen Kraftelement ist besonders im militärischen Bereich bevorzugt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden weiter beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt durch einen Gasgenerator mit einem Mitteldruckgehäuse um das Hochdruckgehäuse;

Fig. 2 Ansicht A nach Fig. 1;

Fig. 3 Längsschnitt durch einen Gasgenerator mit einem modifizierten Mitteldruckgehäuse.

Bei der Zündung einer mit Treibladungspulver gefüllten Kapsel 1 erfolgt der Druckanstieg in einem Arbeitsvolumen 2 etwa um die Hälfte langsamer als bei den bekannten Gasgeneratoren, denn die aus der Öffnung 3 aus einem Hochdruckgehäuse 4 austretenden Gase werden zunächst in einem Mitteldruckgehäuse 5 teilweise entspannt, dabei umgelenkt und auch abgekühlt, ehe sie aus diesem Mitteldruckraum über Abströmöffnungen 6 in das eigentliche Arbeitsvolumen 2 eintreten. In diesem Beispiel ist das Hochdruckgehäuse 4 aus zwei Teilen zusammengesetzt: einem Bodenstück 7 mit einer Vertiefung, wo zentral ein Zündelement 8 angebracht ist, und einer dickwandigen Aufnahme 9 für die Kapsel 1 mit der druckgaserzeugenden Ladung. Die Kapsel 4 ist an sich bekannt; sie weist eine Anzündpille auf, die von einer gaserzeugenden Mischung umgeben ist. In der Wand der Kapsel ist eine Sollbruchstelle, durch die dann über die Öffnung 3 in der Aufnahme 9 des Hochdruckgehäuses 4 das Gas nach Erreichen eines Mindestdruckes austritt. Die Öffnung 3 des Hochdruckgehäuses 4 führt in ein Mitteldruckgehäuse 10, das mit dem Bodenstück 7 verbunden ist. Acht Austrittsöffnungen 6 aus dem Mitteldruckgehäuse 10 durchstoßen dabei das Bodenstück 7. Die heißen Gase werden im Mitteldruckgehäuse 5 zweimal um 90° umgelenkt und abgekühlt. Das Verhältnis der Flächen der Austrittsöffnung 3 am Hochdruckgehäuse 4 zu der Summe der acht Flächen am Mitteldruckgehäuse 5 ist 1 : 20. Die Volumina von Hochdruckgehäuse zu Mitteldruckgehäuse verhalten sich wie 1 : 20. Im Gegensatz zum Arbeitsvolumen 2, wo durch eine Wandbewegung eine Arbeit geleistet werden soll, sind am Hochdruckgehäuse 4 und dem Mitteldruckgehäuse 5 keine beweglichen Teile und die beiden Räume sind verhältnismäßig klein, so daß sich die mit den unvermeidlichen Druckspitzen am Anfang verbundenen Werkstoffprobleme besser beherrschen lassen.

Der Druckabfall im Arbeitsvolumen 2 ist wesentlich durch die Abkühlung der freigesetzten Treibgase bedingt. Weil das durch die Austrittsöffnungen 6 strömende Gasvolumen kälter und kleiner geworden ist, ist der nicht-adiabatische Druckabfall im Arbeitsvolumen 2 weniger ausgeprägt, und es steht für eine längere Zeit ein ausreichender Druck zur Verfügung.

Der in Fig. 1 dargestellte Gasgenerator wurde speziell entwickelt zum Ausfahren eines Spikes bei einem Hohlladungsflugkörper während seiner Flugphase. Bei der Bewegung des Spikes vergrößert sich das Arbeitsvolumen von ca. 500 auf 750 cm³. Der Gasgenerator selbst hat ein (Hochdruck-) Volumen von 0,5 cm³. Das Volumen des Mitteldruckraumes 5 liegt bei 10 cm³. Der maximale Druck steht etwa 20 ms nach der Zündung an. Würde man das Mitteldruckgehäuse 5 weglassen, so wäre bei gleicher Kapsel mit der gleichen Treibladungspulvermenge die Spitze etwa 6 oder 7 ms nach Zündung mehr als doppelt so hoch. Es hat sich aber gezeigt, daß dadurch das sichere Ausfahren des Spikes nicht immer gewährleistet ist. Auch mußte bei dem bisherigen Kraftelement aus Festigkeitsgründen die Mindestwandstärke höher angesetzt werden. Erst durch die Dehnung des Druckimpulses durch die stufenweise Erweiterung der Austrittsöffnungen und den labyrinthartigen Raum in dem Mitteldruckgehäuse wird erreicht, daß der Druck einige 100 ms lang auf den Spike schieben und drücken kann, und daß auch insbesondere in der Abbremsphase noch eine hinreichend große Kraft zur Verfügung steht.

In Fig. 2, der Ansicht A gemäß Fig. 1, sieht man acht in das Bodenstück 7 eingebrachte Austrittsöffnungen 6. Eine Öffnung 6 hat einen Durchmesser von 5 mm, solche Querschnittsverengungen und die Umlenkung bzw. Verwirbelung der Gasströmung in dem Mitteldruckgehäuse bewirken mit das gewünschte Druckzeitverhalten.

Eine noch bessere Glättung der ursprünglichen Druckspitze läßt sich durch einen weiteren Ausbau des Labyrinthes in dem Mitteldruckgehäuse zwischen Gaserzeuger und dem Arbeitsvolumen erreichen. Gemäß Fig. 3 ist im Vergleich zu Fig. 1 der ursprüngliche Mitteldruckraum etwas verkleinert, und dafür noch ein weiterer Raum 11 mit Blenden 12 zum Hochdruckgehäuse 4 hin dazwischen geschaltet, (vorzugsweise nehmen die Volumina der verschiedenen Räume sowie die Drosselflächen stufenweise zu). Bei dem "zweiteiligen" Mitteldruckgehäuse mit den hintereinander geschalteten Räumen 11 und 5&min; gemäß Fig. 3 ist die Vibrations- und Schockfestigkeit noch besser als bei dem Generator nach den Fig. 1 und 2.

Als druckgaserzeugende Ladung kann in bekannter Weise anstelle von Treibladungspulver z. B. auch eine pyrotechnische Mischung oder ein Festtreibstoffsatz verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Gasgenerator zur Bildung eines Gasdruckes in einem Arbeitsvolumen (2), mit einem Hochdruckgehäuse (4) mit darin angeordneter druckgaserzeugender Ladung, einer Zündeinrichtung (8) und wenigstens einer Gasaustrittsöffnung (3), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hochdruckgehäuse (4) und dem Arbeitsvolumen (2) ein Mitteldruckgehäuse (5) mit Gasaustrittsöffnungen (6) zum Arbeitsvolumen (2) angeordnet ist und die Gasaustrittsöffnungen (3) des Hochdruckgehäuses (4) in das Mitteldruckgehäuse (5) münden.
  2. 2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitteldruckgehäuse (5) für ein aus den Öffnungen (3) des Hochdruckgehäuses (4) zu den Gasaustrittsöffnungen (6) des Mitteldruckgehäuses (5) strömendes Gas labyrinthartig mit kaskadenartiger Erweiterung ausgebildet ist.
  3. 3. Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen der Gasaustrittsöffnungen (3) des Hochdruckgehäuses (4) zu den Flächen der Gasaustrittsöffnungen (6) des Mitteldruckgehäuses (5) 1 : 2 bis 1 : 50, bevorzugt 1 : 20, beträgt.
  4. 4. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens des Hochdruckgehäuses (4) zu dem Volumen des Mitteldruckgehäuses (5) 1 : 2 bis 1 : 50, bevorzugt 1 : 20, beträgt.
  5. 5. Verwendung des Gasgenerators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem pyrotechnischen Kraftelement, bei dem sich durch wenigstens eine bewegliche Wand, vorzugsweise einen druckgasgetriebenen Kolben, das Arbeitsvolumen (2) bei der Gasfreisetzung vergrößert.
  6. 6. Verwendung des Gasgenerators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem pyrotechnischen Kraftelement, bei dem sich das Arbeitsvolumen (2) bei der Gasfreisetzung um mindestens 50% vergrößert.
  7. 7. Verwendung des Gasgenerators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem pyrotechnischen Kraftelement, bei dem das Verhältnis der Volumina des Mitteldruckgehäuses zum Arbeitsvolumen 1 : 2 bis 1 : 50, vorzugsweise 1 : 30, beträgt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com