DE102021131411A1

DE102021131411A1 - Gasgenerator

Info

Publication number: DE102021131411A1
Application number: DE102021131411.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Jung
Original assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-06-01
Also published as: CN118354939A; WO2023099093A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator (10) mit einer Aktivierungsvorrichtung (26), die einen Energiewandler (12) umfasst, wobei der Energiewandler (12) von einem Gas umgeben und frei von pyrotechnischen Materialien ist, und wobei der Energiewandler (12) beim Anlegen eines elektrischen Stroms dazu ausgelegt ist, elektrische Energie direkt in Wärmeenergie umzuwandeln und freizusetzen, wobei die freigesetzte Wärmeenergie das den Energiewandler (12) umgebende Gas schlagartig erwärmt und ausdehnt. Der Gasgenerator (10) kann insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug verwendet werden. Ferner wird eine Sicherheitseinrichtung beschrieben, die den Gasgenerator (10) umfasst, sowie ein Verfahren zum Auslösen der Sicherheitseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator, insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug. Gasgeneratoren sind bekannt und stellen ein Füllgas bereit, beispielsweise zum Füllen eines Gassacks oder für den Antrieb eines Gurtstraffers. Gasgeneratoren sind daher ein elementarer Bestandteil von Fahrzeugsicherheitssystemen.
Bei bekannten Hybridgasgeneratoren wird das Füllgas zum größten Teil aus einem im Gehäuse des Gasgenerators gespeicherten Druckgas erzeugt. Üblicherweise wird durch das Aktivieren eines pyrotechnischen Treibsatzes das Gehäuse geöffnet, wobei das gespeicherte Druckgas durch die Aktivierung des pyrotechnischen Treibsatzes erwärmt wird und ausströmen kann.
Eine Ausgestaltung von Hybridgasgeneratoren sind die sogenannten Schockwellen-Hybridgasgeneratoren beziehungsweise Stoßwellen-Hybridgasgeneratoren. Diese Art von Generatoren verfügt über eine erste Membran in der Nähe eines pyrotechnischen Treibsatzes, die eine erste Öffnung einer Druckkammer schließt, und eine von dem Treibsatz entferntere zweite Membran, die eine zweite Öffnung der Druckkammer schließt. Üblicherweise sind beide Membranen gegenüberliegend angeordnet. Durch das Aktivieren des pyrotechnischen Treibsatzes werden beide Membranen zerstört. Die schlagartige Öffnung der ersten Membran erzeugt einen abrupten Druckunterschied, der eine durch die Druckkammer laufende Schockwelle beziehungsweise Stoßwelle zur Folge hat. Die Schockwelle beziehungsweise Stoßwelle ist ausreichend, um die zweite Membran der Druckkammer zu öffnen und das in der Druckkammer gespeicherte Druckgas freizugeben. Ein derartiger Gasgenerator ist beispielsweise aus der DE 203 19 564 U1 bekannt.
Den eingangs genannten Gasgeneratoren ist gemein, dass sie einen pyrotechnischen Treibsatz zum Aktivieren des Gasgenerators benötigen. Der pyrotechnische Treibsatz wandelt beim Aktivieren eine gespeicherte chemische Energie in Temperatur-, Druck- und Bewegungsenergie um. Das innerhalb des Gasgenerators befindliche Gas kann somit nahezu ohne zeitliche Verzögerung erwärmt und ausgedehnt werden. Der schnelle zeitliche Ablauf dieses Vorgangs ist eine elementare Vorrausetzung für den Betrieb eines Gasgenerators in einem Fahrzeugsicherheitssystem, wie beispielsweise als Teil eines Gassackmoduls.
Pyrotechnische Treibsätze bestehen in der Regel aus chemischen Verbindungen, die durch die Zufuhr von Energie aktiviert werden können. In der Regel erfolgt die Aktivierung durch eine elektrische Kontaktierung der chemischen Komponenten des pyrotechnischen Treibsatzes, woraufhin die Komponenten in einer exothermen (energiefreisetzenden) Reaktion reagieren. Die durch die exotherme Reaktion erzeugte Wärme wird zum Erwärmen eines Kaltgases im Gasgenerator genutzt. Gleichzeitig kann die freigesetzte Energie das in der Druckkammer gespeicherte und mit Druck beaufschlagte Kaltgas ausdehnen. Durch die Ausdehnung des Gases erfolgt eine Druckerhöhung innerhalb des Gasgenerators, die genutzt werden kann, um das Gas freizusetzen.
Allerdings ist der Einsatz von pyrotechnischen Treibsätzen mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Ein Nachteil von pyrotechnischen Treibsätzen besteht darin, dass die Aktivierung eines Treibsatzes einen irreversiblen Vorgang darstellt. Bei einmalig erfolgter Aktivierung kann die chemische Reaktion daher nicht mehr aufgehalten werden und der Gasgenerator ist somit verbraucht. Derartige Gasgeneratoren müssen folglich ausgetauscht werden. Der Austausch von Gasgeneratoren ist mit zusätzlichen Kosten verbunden.
Auf der anderen Seite müssen unverbrauchte Gasgeneratoren mit nicht aktivierten Treibsätzen unter besonderen Sicherheitsmaßnahmen gehandhabt werden. Dies stellt insbesondere einen Nachteil bei der Demontage von Gasgeneratoren mit nicht aktivierten Treibsätzen in Fahrzeugen dar.
Darüber hinaus lässt sich eine einmal gestartete Aktivierung eines pyrotechnischen Treibsatzes nur noch schwer steuern und nicht mehr in Echtzeit kontrollieren.
Folglich ist man bestrebt, einen Ersatz für pyrotechnische Treibsätze in Gasgeneratoren zu finden.
Der wissenschaftliche Artikel von F. Schütt et al. (Materials Today, 2021, „Electrically powered repeatable air explosions using microtubular graphene assemblies“) beschreibt ein neuartiges Material, welches durch die Zufuhr von Strom sogenannte „Luftexplosionen“ erzeugen kann. Das im Artikel beschriebene Material besteht aus miteinander vernetzten Kohlenstoffnanoröhren, die aufgrund der Vernetzung eine makroskopische Gerüstverbindung bilden. Das Material ist in der Lage, eine zugeführte elektrische Energie aufzunehmen und abrupt auf ein umgebendes Gasvolumen zu übertragen und dieses nahezu ohne zeitliche Verzögerung aufzuheizen und auszudehnen unter Erzeugung der eingangs genannten „Luftexplosionen“.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen pyrotechnikfreien Gasgenerator bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Bereitstellen eines Gasgenerators mit einer Aktivierungsvorrichtung nach Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gasgenerators mit der Aktivierungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben, die wahlweise miteinander kombiniert werden können.
Erfindungsgemäß umfasst der Gasgenerator eine Aktivierungsvorrichtung, die einen Energiewandler umfasst, wobei der Energiewandler von einem Gas umgeben und frei von pyrotechnischen Materialien ist, und wobei der Energiewandler beim Anlegen eines elektrischen Stroms dazu ausgelegt ist, elektrische Energie direkt in Wärmeenergie umzuwandeln und freizusetzen, wobei die freigesetzte Wärmeenergie das den Energiewandler umgebende Gas schlagartig erwärmt und ausdehnt. Der Gasgenerator kann insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug verwendet werden.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, ein aktivierbares Material für einen Gasgenerator bereitzustellen, das frei von Pyrotechnik ist. Insbesondere soll der Einsatz von chemischen Reaktionen zum Betreiben eines Gasgenerators vermieden werden. Dazu weist die Aktivierungsvorrichtung einen physikalischen Energiewandler auf, der frei von pyrotechnischen Materialien ist. Beim Anlegen eines elektrischen Stroms an den Energiewandler, ist dieser in der Lage, die zugeführte elektrische Energie direkt in eine Wärmeenergie umzuwandeln und freizusetzen. Das dem Energiewandler umgebende Gas kann so schlagartig erwärmt und ausgedehnt werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich das in der wissenschaftlichen Studie von F. Schütt et al. (Materials Today, 2021, „Electrically powered repeatable air explosions using microtubular graphene assemblies“) beschriebene Material als Energiewandler in einer pyrotechnikfreien Aktivierungsvorrichtung für Gasgeneratoren eignet.
Für die Herstellung des Energiewandlers können tetraedrisch geformte Zinkoxid-Mikropartikel mit in Wasser gelöstem Graphenoxid versetzt werden, wobei das Graphenoxid eine dünne Schicht auf den tetraedrisch geformten Zinkoxid-Mikropartikeln bildet. Die Zinkoxid-Nanopartikel dienen dabei als eine Gerüstvorlage, welche durch einen nachfolgenden Waschschritt mit Salzsäure wieder entfernt werden. Anschließend werden die Graphenoxid-basierten Proben chemisch reduziert und die Poren durch verschiedene Waschschritte aktiviert. Das resultierende Material weist ein Netzwerk von Kohlenstoffnanoröhren auf, wobei die Kohlenstoffnanoröhren hohl sind. Die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren weisen eine durchschnittliche Länge von 1 µm bis 200 µm, insbesondere etwa 25 µm, und einen Durchmesser von 0,2 µm bis 20 µm, insbesondere etwa 2 µm, auf. Die Wandstärke liegt in einem Bereich von 2 nm bis 200 nm, bevorzugt etwa 25 nm. Der Energiewandler kann somit als miteinander vernetzte Kohlenstoffnanoröhren auf Basis von wahlweise teiloxidiertem Graphen beschrieben werden.
Das auf solche Weise erhaltene Energiewandler-Material kann durch die Zufuhr von elektrischer Energie wiederholt physikalische Explosionen, sogenannte „Luftexplosionen“, ausführen. Ein diskreter Explosionsvorgang umfasst verschiedene Schritte, nämlich einen Heizschritt, einen Ausdehnungsschritt und einen Abkühlungsschritt. Zuerst wird durch das Anlegen eines Stroms das in der makroporösen Struktur des Energiewandlers eingeschlossene Gasvolumen schlagartig aufgeheizt. Nach dem Aufheizen dehnt sich das Gasvolumen in kürzester Zeit in Form einer physikalischen Explosion aus. Die Ausdehnung des Gasvolumens führt im Nachgang zu dessen Abkühlung. Danach steht das Energiewandler-Material wieder für einen erneuten Zyklus bereit.
Einige Kubikzentimeter Gasvolumen können so, bezogen auf Standardbedingungen, auf mehrere hundert Grad erwärmt werden, und das über mehrere hunderttausend Zyklen. Unter Standardbedingungen werden hier 1 bar und 273,15 K verstanden. Generell können Heizraten von über 300 000 K s^-1 und Wiederholungsraten von mehreren Hertz, bezogen auf 1 bar Druck, erreicht werden.
Unter schlagartig wird im Sinne der Erfindung eine Aufheizperiode kleiner als 15 ms angesehen, bevorzugt kleiner 10 ms, ganz besonders bevorzugt kleiner als 5 ms.
„Pyrotechnikfrei“ bedeutet, dass die Aktivierungsvorrichtung frei von chemischen Verbindungen ist, die bei vorsätzlicher Aktivierung eine exotherme chemische Reaktion unter Erzeugung einer explosionsartigen Druck- und Temperaturänderung eingehen.
Das hinter der Anwendung des Energiewandlers in der pyrotechnikfreien Aktivierungsvorrichtung stehende physikalische Prinzip ist bekannt als „Erstes Joulesches Gesetz“. Vereinfacht betrachtet besagt das Gesetz, dass ein in einem elektrischen Leiter fließender elektrischer Strom eine Wärmeenergie erzeugt. Der Effekt wird in der vorliegenden Erfindung genutzt, um ein den Energiewandler umgebendes Gas schlagartig zu erwärmen und auszudehnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten pyrotechnischen Treibsätzen verwendet der hier eingesetzte Energiewandler rein physikalische Maßnahmen zur Erwärmung und Ausdehnung des Gases. Der Rückgriff auf irreversible chemische Reaktionen kann daher vermieden werden.
Da der Energiewandler lediglich durch den Einsatz von elektrischer Energie betrieben wird, ist der Prozess des Erwärmens und Ausdehnens des Gasvolumens reversibel. Mit anderen Worten ist der Energiewandler bzw. die Aktivierungsvorrichtung nach erfolgter Aktivierung wiederverwendbar. Somit ist ein Gasgenerator, der mit dieser Aktivierungsvorrichtung betrieben wird, besonders nachhaltig.
Gleichzeitig kann bei Abschaltung der Stromzufuhr der Energiewandler und die Aktivierungsvorrichtung auf einfache Weise deaktiviert werden. Eine Demontage eines mit dieser Aktivierungsvorrichtung versehenen Gasgenerators, beispielsweise in einem Fahrzeug, ist so auf einfache Weise möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Energiewandler eine hochoffenporöse Struktur auf mit einer Porosität >95%, die auf miteinander vernetzten Kohlenstoffnanoröhren basiert, wobei die Kohlenstoffnanoröhren aus Graphen und/oder teilweise oxidiertem Graphen gebildet sind.
Vorzugsweise sind die Kohlenstoffnanoröhren hohl und weisen eine durchschnittliche Länge von 1 - 200 µm, insbesondere etwa 25 µm, und einen Durchmesser von 0,2 - 20 µm, insbesondere 2 µm auf. Die Wandstärke beträgt im Schnitt 2 - 200 nm, insbesondere etwa 25 nm.
Die offene Porosität des Netzwerks liegt oberhalb 95%.
Aufgrund der makroporösen Struktur von miteinander vernetzten Kohlenstoffnanoröhren weist der Energiewandler ein hohes Oberflächen-zu-Volumenverhältnis auf. Aufgrund dieser strukturellen Beschaffenheit kann der Energiewandler mit einem großen Gasvolumen interagieren und so besonders effizient die Wärmeenergie auf das umgebende Gas übertragen. Da die in dem Energiewandler vorhandenen Kohlenstoffnanoröhren hohl sind, können diese das Gasvolumen besonders effizient aufnehmen, was wiederum die Interaktionsfläche mit dem umgebenden Gasvolumen erhöht.
Die Kohlenstoffnanoröhren können entweder aus Graphen und/oder teilweise oxidiertem Graphen bestehen. Somit können die Kohlenstoffnanoröhren aus verschiedenen graphenhaltigen Materialien hergestellt sein. Des Weiteren kann eine Mischung von Graphen und teilweise oxidiertem Graphen vorliegen. Somit können die thermischen und elektrischen Eigenschaften der daraus hergestellten Kohlenstoffnanoröhren je nach Bedarf eingestellt werden.
Die Herstellung des Energiewandlers kann über einfache nasschemische Methoden erfolgen. Die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren ist bekannt, beispielsweise aus F. Rasch et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 11 (2019) 44652-44663 und F. Schütt, et al., Nat. Commun. 8; 1-10.
Vorzugsweise ist der Energiewandler ein Material aus dem wissenschaftlichen Artikel von Schütt et al. (Materials Today, 2021, „Electrically powered repeatable air explosions using microtubular graphene assemblies“). Die in dem Artikel dargestellten Materialien eigenen sich insbesondere für den Einsatz als Energiewandler in der eingangs genannten Aktivierungsvorrichtung für den Betrieb eines Gasgenerators. Insbesondere zeigen die dort beschriebenen Materialien ein gutes Ansprechverhalten auf für die Zufuhr von elektrischer Energie und deren Konvertierung in Wärmeenergie für die schlagartige Ausdehnung eines umgebenden Gases.
In einer Ausgestaltung der Erfindung erfüllt der Energiewandler mindestens eine der folgenden Eigenschaften:

- eine Aufheizrate von mindestens 10⁵ K s^-1 für ein Gas oder Gasgemisch bei 1 bar Druck
- eine volumetrische Wärmekapazität in einem Bereich von 0,5 kJ m^-3 K^-1 bis 5 kJ m^-3 K^-1;
- eine volumetrische Oberfläche in einem Bereich von 0,01 m²cm^-3 bis 1 m² cm^-3;
- eine Dichte kleiner als 100 mg cm^-3; und/oder
- eine Knudson-Zahl von «1.

Ein Energiewandler, der mindestens eine der eingangs genannten Eigenschaften erfüllt, ist besonders geeignet eine elektrische Energie direkt in eine Wärmeenergie umzuwandeln und eine physikalische Explosion zu erzeugen.
Eine hohe Aufheizrate von mindestens 10⁵ K s^-1 für ein Gas oder Gasgemisch bei 1 bar Druck erlaubt es dem Energiewandler, sich durch die Zufuhr von elektrischer Energie schlagartig aufzuheizen und die so angesammelte Wärmeenergie direkt an das den Energiewandler umgebende Gasvolumen abzugeben.
Vorteilhafterweise weist der Energiewandler eine äußerst geringe Wärmekapazität auf, insbesondere eine Wärmekapazität vergleichbar mit der von Luft. Die zugeführte elektrische Energie kann somit besonders effizient und ohne Verluste in Wärmeenergie umgewandelt werden.
Hohe volumetrische Oberflächen des Energiewandlers erlauben eine besonders hohe Interaktionsfläche mit den umgebenden Gasvolumen.
Ferner weist der Energiewandler lediglich eine Dichte kleiner als 100 mg/cm³ auf, vorzugsweise eine Dichte in einem Bereich von 2 bis 20 mg/cm³. Der Energiewandler ist gewissermaßen ein Aero-Material mit einer sehr geringen Dichte. Aufgrund seiner geringen Dichte kann der erfindungsgemäße Energiewandler vielfältig eingesetzt werden, ohne massenmäßig in großen Mengen bereitgestellt werden zu müssen.
Schließlich kann der Energiewandler eine Knudson-Zahl von «1 aufweisen, um eine freie Diffusion von Gas innerhalb der makroporösen Struktur zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die durchschnittliche freie Weglänge eines Gasmoleküls zwei bis drei Größenordnungen kleiner als die Porengröße des makroporösen Energiewandlers. Somit können die Gasmoleküle frei miteinander interagieren ohne an die Porenaußenwände zu stoßen. Folglich kann ein nahezu ungehinderter Wärmeeintrag in das den Energiewandler umgebende Gasvolumen stattfinden.
In einer Ausführungsform ist der Aktivierungsvorrichtung ein Kondensator zugeordnet, der mit einer Stromquelle verbunden ist, wobei der Kondensator einen elektrischen Kontakt zu dem Energiewandler aufweist und dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom an den Energiewandler anzulegen.
Somit kann die Zufuhr eines elektrischen Stroms an den Energiewandler auf einfache Weise gewährleistet werden. Die elektrische Energie ist dabei auf einem Kondensator gespeichert und kann je nach Bedarf an den Energiewandler abgegeben werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der elektrische Strom die Form eines Strompulses auf, wobei die Dauer, Stromstärke und Spannung des Strompulses einstellbar ist.
Vorteilhafterweise wird eine nahezu vollständige Kontrolle über die Ansteuerung des Energiewandlers und damit der Aktivierungsvorrichtung des Gasgenerators erreicht. Somit ist auch das Auslöseverhalten des Gasgenerators im Wesentlichen vollständig steuerbar.
Insbesondere kann die zugeführte Stromstärke und Spannung variabel eingestellt werden. Daher kann auch das Auslöseverhalten des Gasgenerators variabel eingestellt werden. Sollte ein besonders starkes Auslöseverhalten gewünscht sein, kann die dem Energiewandler zugeführte Spannung und Stromstärke entsprechend erhöht werden. Umgekehrt kann, wenn ein schwaches Auslöseverhalten gewünscht ist, die zugeführte Spannung und Stromstärke erniedrigt werden.
Ferner kann durch die zeitliche Dauer des Strompulses auch die zeitliche Dauer des Aufheizvorgangs und Ausdehnvorgangs des den Energiewandler umgebenen Gasvolumens eingestellt werden. Erhöht man die Dauer des Strompulses, kann auch das umgebende Gas stärker erwärmt werden. Folglich kann sich auch das Gas stärker ausdehnen. Situationsabhängig ist es damit möglich, den Energiewandler je nach Bedarf unterschiedlich stark anzusteuern.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aktivierungsvorrichtung innerhalb einer Druckkammer angeordnet ist und das den Energiewandler umgebende Gas ein Druckgas ist, wobei die Druckkammer eine von einem Überdruckventil verschlossene Ausströmöffnung aufweist, wobei das Überdruckventil ab einem bestimmten Überdruck innerhalb der Druckkammer die Ausströmöffnung öffnet.
In dieser Ausführungsform kann der Energiewandler durch den Eintrag von elektrischer Energie das umgebende Gas bzw. Druckgas aufwärmen und ausdehnen. Dabei bildet sich ein Überdruck innerhalb der Druckkammer, welcher schließlich zu einer Öffnung der Ausströmöffnung führt. Das ausgedehnte Gasvolumen kann dann über das Überdruckventil entweichen. Der Energiewandler kann nahezu beliebig in der Druckkammer angeordnet bzw. verteilt sein. Entscheidend ist, dass eine freie Ausdehnung bzw. Zirkulation des Gasvolumens innerhalb der Druckkammer möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Überdruckventil als Berstelement ausgebildet.
Das Berstelement ist dabei so ausgebildet, das es ab einem bestimmten Überdruck innerhalb der Druckkammer reißt und das innerhalb der Druckkammer gespeicherte Gasvolumen freigibt. Vorteilhafterweise ermöglicht ein Berstelement gegenüber einem Überdruckventil eine noch schnellere Freisetzung des in der Druckkammer gespeicherten Gasvolumens. Das Berstelement kann bspw. als eine Berstscheibe oder eine Berstmembran ausgeführt sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit Druckgas gefüllte Druckkammer mit einem ersten Berstelement vorgesehen, wobei das erste Berstelement eine erste Öffnung der Druckkammer verschließt, wobei die Druckkammer ein dem ersten Berstelement in Axialrichtung gegenüberliegendes zweites Berstelement aufweist, das eine zweite Öffnung der Druckkammer verschließt, wobei die Aktivierungsvorrichtung außerhalb der Druckkammer und nahe dem ersten Berstelement angeordnet ist, und wobei durch das Anlegen eines elektrischen Stroms an den Energiewandler das erste Berstelement zerstört und eine Schockwelle ausgebildet wird, die ausreichend ist, um das zweite Berstelement zu öffnen.
Diese Ausführungsform greift das aus dem Stand der Technik bekannte Schockwellengenerator- bzw. Stoßwellengenerator-Prinzip auf. Im Unterschied zum Stand der Technik ist in dieser Ausführungsform allerdings die erfindungsgemäße pyrotechnikfreie Aktivierungsvorrichtung mit dem oben beschriebenen Energiewandler versehen. Dies ermöglicht die Konstruktion eines Schockwellengasgenerators, ohne die Notwendigkeit einen pyrotechnischen Anzünder zu verbauen.
Wie bereits beschrieben, erfolgt das Aktivieren des Energiewandlers lediglich durch das Anlegen eines elektrischen Stroms. Daher ist der Energiewandler in der Lage, ohne Aktivierung eines pyrotechnischen Satzes eine Schockwelle innerhalb des Gasgenerators auszubilden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Aktivierungsvorrichtung und die Druckkammer über mindestens eine Ausgleichsöffnung druckausgleichend miteinander verbunden.
Aufgrund der Druckausgleichsöffnung liegt in der Aktivierungsvorrichtung und der Druckkammer der gleiche Druck vor. Vorteilhafterweise ermöglicht Druckausgleichsöffnung daher einen Druckausgleich im Gasgenerator.
Darüber hinaus kann durch die Ausgleichsöffnung die Aktivierungsvorrichtung bei der Montage mit Druckgas gefüllt werden, ohne, dass der Energiewandler beschädigt wird.
Der Energiewandler kann als ein Drucksensor zur Überwachung des Gasdrucks ausgebildet sein. Dazu können unter anderem die z.B. unter Ausnutzung piezoresistiver und/oder piezoelektrischen Eigenschaften des Energiewandlers genutzt werden. Beispielsweise kann in gewissen Zeitabständen ein Prüfstrom an den Energiewandler angelegt werden, wobei ein Widerstand gemessen wird, der wiederum Rückschlüsse auf den in der Druckkammer vorliegenden Druck zulässt.
Der Energiewandler kann daher den Füllstand des Gasgenerators überwachen, ohne dass ein weiterer Drucksensor eingebaut werden muss.
In einer Ausführungsform umfasst das den Energiewandler umgebende Gas oder Gasgemisch ein Inertgas, insbesondere Argon oder ein Argon-Helium-Gemisch oder Stickstoff auch in Kombination mit den zuvor genannten
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das den Energiewandler umgebende Gas oder Gasgemisch Wasserstoff und Sauerstoff in einer reaktionsfähigen Mischung, wahlweise zusammen mit dem oben beschriebenen Inertgas.
Der Energiewandler ist in der Lage, den elektrischen Strom direkt in eine Wärmeenergie umzuwandeln. In dieser Ausführungsform kann die Wärmeenergie genutzt werden, um eine exotherme Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu initiieren. Die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Energiemenge kann dazu genutzt werden, das den Energiewandler umgebende Gas zusätzlich zu erwärmen und dessen Ausdehnung zu verstärken.
Innerhalb der Druckkammer kann mindestens ein energetischer Verstärker angeordnet sein, der Folgendes umfasst:

a) einen gasdichten Behälter mit mindestens einer Schwächungszone, die so ausgelegt ist, dass sie ab einem bestimmten Druck innerhalb des Behälters zerstörbar ist;
b) ein unter Druck stehendes, reaktionsfähiges Gas oder Gasgemisch, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff in einer reaktionsfähigen Mischung, wahlweise zusammen mit einem Inertgas;
c) einen innerhalb des Druckgasbehälters angeordneten Energiewandler, wobei das Gas oder das Gasgemisch beim Anlegen eines elektrischen Stroms an den Energiewandler aktivierbar ist.

Der innerhalb der Druckkammer angeordnete energetische Verstärker ist dazu vorgesehen, die Ausdehnung eines Gasvolumens innerhalb der Druckkammer zu verstärken. Dabei kann der energetische Verstärker auf die gleiche Weise aktiviert werden, wie der Energiewandler in der Aktivierungsvorrichtung. Der Grundgedanke besteht im Wesentlichen darin, dass der Energiewandler ein reaktionsfähiges Gas oder Gasgemisch, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff in einer reaktionsfähigen Mischung, zu einer exothermen Reaktion bringt, sodass die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Druckwelle und Energie die Schwächungszone des Gasbehälters zerstört. Das freigesetzte Gas oder Gasgemisch sowie die durch die Reaktion entstehenden Abbrandprodukte erhöhen so den Druck innerhalb der Druckkammer zusätzlich.
Der energetische Verstärker kann an nahezu beliebigen Stellen innerhalb der Druckkammer angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere energetische Verstärker vorgesehen.
Mehrere energetische Verstärker innerhalb der Druckkammer können bei Aktivierung sich gegenseitig verstärken und somit den Druck innerhalb der Druckkammer um ein Vielfaches erhöhen.
Ein Kondensator kann mit mehreren energetischen Verstärkern verbunden und dazu eingerichtet sein, einen elektrischen Strom, an mehrere Energiewandler parallel oder sequentiell anzulegen.
Somit können je nach Bedarf entweder ein oder mehrere Energiewandler angesteuert werden. Durch das parallele oder sequentielle Anlegen eines elektrischen Stroms an die Energiewandler kann sowohl zeitlich als auch energetisch auf verschiedene Situationen flexibel reagiert werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug mit einem Gasgenerator, wobei die Sicherheitseinrichtung einen Gassack oder einen Gurtstraffer umfasst, und wobei der Gasgenerator zum Befüllen des Gassacks oder für den Antrieb des Gurtstraffers vorgesehen ist.
Durch den Einsatz eines pyrotechnikfreien Energiewandlers kann ein Gassack befüllt oder ein Gurtstraffer angetrieben werden, ohne die Notwendigkeit, einen pyrotechnischen Treibsatz innerhalb eines Fahrzeugs zu aktivieren. Folglich ist auch die Sicherheitseinrichtung in dem Fahrzeug pyrotechnikfrei.
Darüber hinaus ergibt sich ein synergistischer Effekt zwischen einer rein elektrisch ansteuerbaren Aktivierungsvorrichtung mit einem pyrotechnikfreien Energiewandler und den weiteren Komponenten der Sicherheitseinrichtung. Vorteilhafterweise ist die Aktivierungsvorrichtung direkt mit der Bordelektronik des Fahrzeugs verbunden. Die Bordelektronik ist damit in der Lage, die Aktivierungsvorrichtung des Gasgenerators selbst anzusteuern, womit der Gasgenerator im Wesentlichen vollständig in die Bordelektronik des Fahrzeugs eingebettet ist. Da der Energiewandler rein elektrisch betrieben wird und nur auf physikalische Maßnahmen zum Ausdehnen des Gasvolumens zurückgreift, kann er auch mit der elektronischen Sensorik des Bordsystems wechselwirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist daher die Sicherheitseinrichtung eine Pre-Crash-Sensorik auf, die dazu eingerichtet ist, eine bevorstehende Kollision mit einem anderen Objekt zu erfassen, davon Daten zu erstellen und diese an mindestens eine Recheneinheit weiterzuleiten.
Der Energiewandler ist mit der Pre-Crash-Sensorik des Sicherheitssystems des Fahrzeugs gekoppelt. Da der Energiewandler variabel und wiederholbar angesteuert werden kann, ist somit eine gezielte Kontrolle des Energiewandlers durch die Sicherheitseinrichtung des Fahrzeugs möglich. Das Fahrzeug kann dabei auf die Daten der Pre-Crash-Sensorik zurückgreifen und anhand der erstellten Daten den Energiewandler gezielt ansteuern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine Datenverbindung von der Recheneinheit zur Pre-Crash-Sensorik vorgesehen, wobei die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, Daten der bevorstehenden Kollision von der Pre-Crash-Sensorik zu erhalten und diese hinsichtlich eines Auslöse- oder Nichtauslöse-Szenarios auszuwerten.
Im Ergebnis ermöglicht dies die Digitalisierung des Gasgenerators und der damit verbundenen Aktivierungsvorrichtung mit dem Energiewandler. Dabei können die Daten der bevorstehenden Kollision dazu verwendet werden, den Energiewandler gezielt auszulösen und das Auslöseverhalten des Energiewandlers je nach Schwere des Auslöseszenarios einzustellen. Da der Energiewandler lediglich auf rein physikalische Maßnahmen zur Erwärmung und Ausdehnung eines Gasvolumens zurückgreift, können diese rein physikalischen Maßnahmen nahezu vollständig vorhergesagt und berechnet werden. In Kombination mit einer Pre-Crash-Sensorik und der dazugehörigen Recheneinheit wird somit eine nahezu vollständige Kontrolle über das Ansprechverhalten der Aktivierungsvorrichtung und des Energiewandlers geschaffen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslösen einer Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Erkennen einer bevorstehenden Kollision des Fahrzeugs mit einem physikalischen Objekt durch eine Pre-Crash-Sensorik,
b) Bewerten der bevorstehenden Kollision hinsichtlich des Vorliegens eines Auslöse- oder Nichtauslöse-Szenarios,
c) Erkennen eines Auslöseszenarios,
d) Einteilen des Auslöseszenarios in verschiedene Schweregrade,
e) Auslösen der Aktivierungsvorrichtung im Gasgenerator durch eine Entladung eines Strompulses durch mindestens einen Kondensator in mindestens einem Energiewandler, wobei die Recheneinheit in Abhängigkeit des Schweregrads die Dauer, Stromstärke und Spannung des Strompulses anpasst,
f) Erwärmen und Ausdehnen des Druckgases im Gasgenerator, wobei der Kondensator während der Ausdehnung des Gases wahlweise weitere Strompulse in dem mindestens einen Energiewandler entlädt, und
g) Freisetzen des Druckgases in die Umgebung des Gasgenerators zum Befüllen eines Gassacks oder für den Antrieb eines Gurtstraffers.

Das beschriebene Verfahren ermöglicht die Integration der Aktivierungsvorrichtung mit dem pyrotechnikfreien Energiewandler in eine computergestützte Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug zum Befüllen eines Gassacks oder für den Antrieb eines Gurtstraffers. Die Pre-Crash-Sensorik urteilt über die Schwere einer möglichen Kollision und kann daraufhin die Aktivierungsvorrichtung unterschiedlich stark ansteuern.
Vorteilhafterweise wird der Energiewandler wiederholt mit variabler Dauer, Stromstärke und Spannung eines Strompulses angesteuert. Insbesondere können bei einer besonders schweren Kollision mehrere Strompulse in den Energiewandler abgegeben werden, sodass der Energiewandler mehrmals das umgebende Gasvolumen ausdehnt, woraufhin der Gassack sowohl schneller befüllt wird als auch länger befüllt bleibt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 in einer Längsschnittansicht eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators;
- 2 in einer Längsschnittansicht eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators;
- 3 in einer Längsschnittansicht eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators;
- 4 in einer Längsschnittansicht eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators.

Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator 10.
Der Gasgenerator 10 ist als Rohrgasgenerator ausgebildet und umfasst eine zentrale langgestreckte zylindrische Druckkammer 28 mit einer Axialrichtung A.
Die Druckkammer 28 wird seitlich durch eine zylindrische Außenwand mit einer als separates Teil ausgebildeten Zylinderwand 30 begrenzt.
Die Druckkammer 28 weist längsseitig zwei einander gegenüberliegend angeordnete Enden auf, welche die Druckammer längsseitig in Axialrichtung A begrenzen. Die beiden Enden sind jeweils als eine separate Aktivierungsvorrichtung 26 ausgebildet und mit der Zylinderwand 30 gasdicht verbunden, insbesondere verschweißt.
Somit ist die Druckkammer 28 in Axialrichtung A durch zwei gegenüberliegend angeordnete Aktivierungsvorrichtungen 26 und seitlich durch die Zylinderwand 30 begrenzt. Die Druckkammer 28 ist somit geschlossen.
Ferner ist in der Druckkammer 28 ein mit Druck beaufschlagtes Gas gespeichert. Insbesondere ist die Druckkammer 28 mit einem Druckgas aus Helium, einem Helium/Argon-Gemisch oder einem Helium/Argon/SauerstoffGemisch bei einem Druck zwischen 240 - 1500 bar gefüllt.
Eine Aktivierungsvorrichtung 26 umfasst jeweils einen zylindrischen Druckkammerboden 52, ein Verschlusselement 14 und einen Pin 16.
Das Verschlusselement 14 ist proximal in den zylindrischen Druckkammerboden 52 eingefasst und mit diesen gasdicht verbunden. Beispielsweise kann das Verschlusselement 14 eine gasdichte Metall-Glas-Dichtung sein.
Im Verschlusselement 14 ist ein Pin 16 eingelassen, der durch das Verschlusselement 14 in die Druckkammer 28 hineinragt. Vorzugsweise ist der Pin 16 aus einem metallischen Draht gefertigt, wie beispielsweise Kupfer oder Edelstahl. Der Pin 16 kann aber auch als ein metallischer Stift oder Stab ausgeführt sein.
Die Pins 16 der beiden Aktivierungsvorrichtungen 26 sind über einen außerhalb der Druckkammer angeordneten Leiter 58 miteinander verbunden. Der Leiter 58 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt.
Der Leiter 58 hat einen Kondensator 62 und einen Schalter 60. Insbesondere ist der Schalter 60 zum Schließen eines Stromkreislaufs zwischen den beiden Pins 16 ausgelegt.
Wie eingangs beschrieben ragen die Pins 16 in die Druckkammer 28 hinein und sind Teil der gegenüberliegend angeordneten Aktivierungsvorrichtungen 26. Somit sind auch die Pins 16 gegenüberliegend angeordnet.
Innerhalb der Druckkammer 28 und zwischen den beiden gegenüberliegend angeordneten Pins 16 ist ein Energiewandler 12 angeordnet. Der Energiewandler 12 verbindet die beiden Pins 16 räumlich miteinander.
Der Energiewandler kann insbesondere aus vernetzten Kohlenstoffnanoröhren auf Basis von wahlweise teiloxidiertem Graphen gebildet sein. Bevorzugt weist der Energiewandler mindestens eine der folgenden Eigenschaften auf:

- eine Aufheizrate von mindestens 10⁵ K s^-1 für ein Gas oder Gasgemisch bei 1 bar;
- eine volumetrische Wärmekapazität von höchstens 5 kJ m^-3 K^-1;
- eine volumetrische Oberfläche von mindestens 0,01 m²cm^-3;
- eine Dichte kleiner als 100 mg cm^-3; und/oder
- eine Knudson-Zahl von «1.

Wird der Schalter 60 geschlossen, bilden der Energiewandler 12, die Pins 16 und der Leiter 58 einen geschlossenen Stromkreislauf.
Der Energiewandler 12 ist innerhalb der Druckkammer 28 angeordnet. Dabei kann der Energiewandler 12 beliebig angeordnet und geformt sein, solange eine freie Ausdehnung und Zirkulation des Druckgases innerhalb der Druckkammer 28 möglich ist. Beispielsweise kann der Energiewandler als eine Ansammlung von Pellets vorliegen, als ein monolithischer Block oder als wandseitig angebrachte Beschichtung.
Der Energiewandler 12 ist entlang der Axialrichtung A des Gasgenerators 10 angeordnet. Insbesondere ist der Energiewandler 12 durchgängig entlang der Axialrichtung A des Gasgenerators 10 angeordnet. Auf diese Weise verbindet der Energiewandler 12 die beiden entgegengesetzten Pins 16 miteinander.
Die Zylinderwand 30 weist eine zentral gelegene Ausströmöffnung 53 auf.
Die Ausströmöffnung 53 wird durch ein Berstelement 54 verschlossen. Das Berstelement 54 kann als Berstscheibe oder eine Berstmembran ausgeführt sein.
Außerhalb der Druckkammer 28 und oberhalb des Berstelements 54 ist ein Diffusor 38 angeordnet. Der Diffusor 38 kann dabei mit der Zylinderwand 30 verbunden sein.
Der Diffusor 38 bildet im Wesentlichen eine gewölbte Kappe mit seitlichen Austrittsöffnungen (hier nicht gezeigt) für das freizusetzende Druckgas.
Ein Aktivierungsvorgang des eingangs beschriebenen Gasgenerators 10 wird im Folgenden näher erläutert.
Die in dem Kondensator 62 gespeicherte elektrische Energie wird durch das Betätigen des Schalters 60 freigesetzt. Über die Leiter 58 wird ein elektrischer Strom an die gegenüberliegend angeordneten Pins 16 angelegt. Die beiden Pins 16 bilden einen Plus- und einen Minuspol und sorgen für eine elektrische Kontaktierung des in der Druckkammer 28 angeordneten Energiewandlers 12. Durch das Anlegen eines elektrischen Stroms an den Energiewandler 12 erwärmt der Energiewandler 12 das in der Druckkammer 28 angeordnete Druckgas und dehnt dieses schlagartig aus. Das Berstelement 54 ist dabei so ausgelegt, dass dieses ab einem bestimmten Überdruck innerhalb der Druckkammer 28 reißt. Somit kann das in der Druckkammer 28 gespeicherte Druckgas über den Diffusor 38 aus dem Gasgenerator 10 entweichen. Da der Diffusor 38 und das Berstelement 54 proximal bezüglich des zylindrischen Gasgenerators 10 angeordnet sind, erfolgt ein Ausströmen des Druckgases entlang einer Ausströmrichtung S. Die Ausströmrichtung S liegt senkrecht zur Axialrichtung A des Gasgenerators 10.
Die 2 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators 10.
Der Gasgenerator 10 ist im Wesentlichen baugleich zum eingangs beschriebenen Gasgenerator aus 1. Jedoch ist das Berstelement 54 als ein Überdruckventil 56 ausgebildet.
Das Überdruckventil 56 verschließt die Ausströmöffnung 53 der Zylinderwand 30. Dem Überdruckventil 56 ist ein Diffusor 38 aufgesetzt.
Wird nun ein elektrischer Strom an die Pins 16 angelegt, erwärmt der in der Druckkammer 28 angeordnete Energiewandler 12 das Druckgas und dehnt dieses schlagartig aus. Bei einem bestimmten Überdruck innerhalb der Druckkammer 28 öffnet das Überdruckventil 56 die Ausströmöffnung 53. Das ausströmende Druckgas kann somit über den Diffusor 38 entweichen.
3 zeigt eine weitere Längsschnittansicht durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators 10.
Dargestellt ist ein langgestreckter Rohrgasgenerator mit einer zentralen langgestreckten zylindrischen Druckkammer 28. Der Gasgenerator 10 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet.
Generell kann der Gasgenerator 10 in zwei Abschnitte unterteilt werden. Der erste Abschnitt umfasst eine Aktivierungsvorrichtung 26, während der zweite Abschnitt eine Druckkammer 28 umfasst.
Im Folgenden wird der Aufbau der Druckkammer 28 näher beschrieben.
Die Druckkammer ist im Wesentlichen rohrförmig geformt. Die Druckkammer 28 ist somit langgestreckt zylindrisch und weist eine Axialrichtung A entlang des Gasgenerators 10 auf.
Die Druckkammer 28 ist geschlossen und mit einem Druckgas aus Inertgas wie Helium, Argon, einem Helium/Argon-Gemisch oder einem Helium/Argon/Sauerstoff-Gemisch bei einem Druck zwischen 240 - 1500 bar gefüllt.
Des Weiteren wird die Druckkammer 28 seitlich durch eine zylindrische Außenwand mit einer als separatem Teil ausgebildeten Zylinderwand 30 begrenzt.
Stirnseitig weist die Druckkammer 28 eine zweite Öffnung 42 auf, die durch ein zweites Berstelement 40 geschlossen ist. Am entgegengesetzten stirnseitigen Ende hat die Druckkammer 28 eine erste Öffnung 24, die durch ein erstes Berstelement 22 geschlossen ist.
Die Konstruktion ist vorzugsweise so ausgeführt, dass der Berstdruck zum Freilegen der ersten Öffnung 24 größer ist als der Berstdruck zum Freilegen der zweiten Öffnung 42.
Das zweite Berstelement 40 ist an eine Stirnseite des Diffusors 38 angeschweißt, der damit auch als Membranhalter dient. Im Bereich der zweiten Öffnung 42 ist ein Filterelement 36 angeordnet. Insbesondere deckt das Filterelement 36 die zweite Öffnung 42 vollständig ab, wobei das Filterelement für das austretende Gas durchlässig ist und gleichzeitig bei einer Aktivierung des Gasgenerators 10 noch auftretende Rückstände zurückhält.
Zudem ist im Bereich der zweiten Öffnung 42 ein buchsenförmiger Diffusor 38 angeschweißt, welcher mit radialen Austrittsöffnungen 39 versehen ist. Der buchsenförmige Diffusor 38 ist dem Filterelement 36, der Öffnung 42 und dem zweiten Berstelement 40 aufgesetzt und deckt diese vollständig ab.
Wie 3 zu entnehmen ist, ist die Zylinderwand 30 ausgehend von dem ersten Berstelement 22 gleichmäßig und kreiszylindrisch geformt und besitzt in Axialrichtung Ades Gasgenerators 10 einen gleichbleibenden Innendurchmesser. Zum zweiten Berstelement 40 ist jedoch die Zylinderwand 30 flaschenhalsförmig verjüngt ausgeführt. In diesem sich verjüngenden Abschnitt sind die in Axialrichtung A weisenden Flächen so ausgeführt, dass sie zum zweiten Berstelement 40 hin schräg geneigt sind. Diese in Axialrichtung A weisenden Flächen sind mit 32, 34 bezeichnet. Kurz vor dem zweiten Berstelement 40 weist die Druckkammer 28 einen Abschnitt mit gleichmäßigem Innendurchmesser auf.
Proximal von der Zylinderwand 30 aus ist das zweite Berstelement 40 angeordnet. Das zweite Berstelement 40 ist vom Durchmesser her deutlich kleiner als das erste Berstelement 22, ebenso wie die zweite Öffnung 42 auch deutlich kleiner als die erste Öffnung 24 ist. Die Querschnittsfläche der ersten Öffnung 24 ist etwa 1,1- bis 10-mal größer als die der zweiten Öffnung 42, vorzugsweise etwa 1,3- bis 3-mal größer. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser konkret etwa doppelt so groß.
Im Folgenden wird der Aufbau der Aktivierungsvorrichtung 26 genauer erläutert.
Die Aktivierungsvorrichtung 26 weist eine Aktivierungskammer 18 auf. Die Aktivierungskammer 18 ist mit der Druckkammer 28 über die erste Öffnung 24 verbunden.
Das erste Berstelement 22 verschließt die erste Öffnung 24 und begrenzt somit die Aktivierungskammer 18 der Aktivierungsvorrichtung 26. Die Aktivierungskammer 18 ist seitlich durch eine zylindrische Außenwand 19 begrenzt, die sich zur Druckkammer 28 in Axialrichtung A verjüngt und radial in die Zylinderwand 30 der Druckkammer 28 übergeht. Die Außenwand 19 ist mit der Zylinderwand 30 verbunden, insbesondere verschweißt. Die Aktivierungskammer 18 wird durch einen Kammerboden 17 begrenzt, welcher dem ersten Berstelement 22 gegenüberliegend angeordnet ist.
Zusätzlich ist die Aktivierungskammer 18 über zwei Ausgleichsöffnungen 20 mit der Druckkammer 28 druckausgleichend verbunden. In dieser Ausführungsform sind die Ausgleichsöffnungen 20 als schräg zur Zylinderwand 30 verlaufende Kanäle angeordnet.
Folglich ist auch die Aktivierungskammer 18 mit einem Druckgas aus Inertgas wie Helium, Argon, einem Helium/Argon-Gemisch oder einem Helium/Argon/Sauerstoff-Gemisch bei einem Druck zwischen 240 - 1500 bar gefüllt.
Generell ist die Aktivierungskammer 18 über eine erste Öffnung 24 sowie die beiden Ausgleichsöffnungen 20 mit der Druckkammer 28 verbunden. Allerdings sind die Ausgleichsöffnungen 20 um ein Vielfaches kleiner als die erste Öffnung 24, sodass diese bei einem späteren Aktivierungsvorgang an einer Ausdehnung des Gases unbeteiligt sind.
In den Kammerboden 17 ist ein Verschlusselement 14 eingelassen, welches proximal bezüglich der Außenwand 19 angeordnet ist. Beispielsweise kann das Verschlusselement 14 eine gasdichte Metall-Glas-Dichtung sein.
Das Verschlusselement 14 stellt zusätzlich einen Halter für die zwei Pins 16 dar.
Die beiden Pins 16 verlaufen in Axialrichtung A und sind in dem Verschlusselement 14 verankert, insbesondere mit diesem gasdicht verbunden. Zudem ragen die zwei Pins 16 in die Aktivierungskammer 18 hinein.
Vorzugsweise ist der Pin 16 aus einem metallischen Draht gefertigt, wie beispielsweise Kupfer oder Edelstahl. Der Pin 16 kann aber auch als ein metallischer Stift oder Stab ausgeführt sein.
Die Pins 16 der beiden Aktivierungsvorrichtungen 26 sind über einen außerhalb der Druckkammer angeordneten Leiter 58 (hier nicht gezeigt) miteinander verbunden. Der Leiter 58 hat einen Kondensator 62 (hier nicht gezeigt) und einen Schalter 60 (hier nicht gezeigt). Insbesondere ist der Schalter 60 zum Schließen eines Stromkreislaufs zwischen den beiden Pins 16 ausgelegt.
Die beiden Pins 16 ermöglichen die elektrische Verbindung eines Energiewandlers 12 mit einer Stromquelle, sodass der Energiewandler 12 elektrisch auslösbar ist.
Der Energiewandler 12 ist innerhalb der Aktivierungskammer 18 angeordnet und verbindet die zwei Pins 16 miteinander.
Zudem kann der Energiewandler 12 beliebig geformt sein, solange das in der Kammer befindliche Gasvolumen sich beim Erwärmen frei ausdehnen kann.
Wie eingangs beschrieben, ist der in der 3 gezeigte Gasgenerator ein Schockwellengenerator. Das Ausbilden einer Schockwelle bzw. Stoßwelle kann wie folgt beschrieben werden.
Nach dem Aktivieren der Aktivierungsvorrichtung 26 wird der Energiewandler 12 angesteuert, wodurch das dem Energiewandler umgebende Druckgas erwärmt und ausgedehnt wird und das erste Berstelement 22 zerstört. Hierdurch ergibt sich eine abrupte Druckdifferenz zwischen der Druckkammer 28 und der Aktivierungskammer 18, durch die eine sogenannte Schockwelle bzw. Stoßwelle erzeugt wird. Die Schockwelle breitet sich in Axialrichtung A mit hoher Geschwindigkeit durch die Druckkammer 28 aus und wird im Bereich des verjüngten Endes gebündelt. Durch die Schockwelle wird somit das zweite Berstelement 40 zerstört, sodass das Druckgas und aus dem Gasgenerator austritt.
Die 4 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators 10.
Der in dieser Ausführungsform gezeigte Gasgenerator 10 ist im Wesentlichen baugleich mit dem in 3 gezeigten Gasgenerator 10.
Der Gasgenerator 10 der 4 weist jedoch zusätzlich einen energetischen Verstärker 50 auf, der innerhalb der Druckkammer 28 angeordnet ist.
Im Folgenden wird der Aufbau und die Anordnung des energetischen Verstärkers 50 genauer beschrieben.
Die Druckkammer 28 weist einen wandseitig befestigten Behälter 44 auf.
Der Behälter 44 begrenzt eine Behälterkammer 46.
Ferner ist der Behälter 44 geschlossen und gasdicht.
Darüber hinaus ist der Behälter 44 im Wesentlichen rohrförmig geformt und weist eine Ausdehnung entlang der Axialrichtung A des Gasgenerators 10 auf. Ferner weist der Behälter 44 eine proximal gelegene Schwächungszone 48 auf.
Der Behälter 44 ist mit der Zylinderwand 30 verschweißt und weist ein Verschlusselement 14 auf, welches ebenfalls mit der Zylinderwand 30 verbunden ist.
Das Verschlusselement 14 beherbergt zwei Pins 16, die in die Behälterkammer 46 hineinragen. Die beiden Pins 16 sind außerhalb der Druckkammer 28 und der Behälterkammer 46 über einen hier nicht näher gezeigten Stromkreislauf miteinander elektrisch verbunden.
Innerhalb der Behälterkammer 46 kontaktieren die beiden Pins 16 einen Energiewandler 12.
Der Energiewandler 12 kann innerhalb der Behälterkammer 46 beliebig angeordnet und geformt sein, solange ein in der Behälterkammer 46 gespeichertes Druckgas sich beim Erwärmen frei ausdehnen kann.
Innerhalb des Behälters 44 befindet sich ein Gas oder eine Gasmischung, das/die Wasserstoff und Sauerstoff in einer reaktionsfähigen Mischung erhält.
Der energetische Verstärker 50 ist dazu eingerichtet, beim Anlegen eines elektrischen Stroms an die beiden Pins 16 einen Energiewandler 12 zu aktivieren. Beim Anlegen eines elektrischen Stroms an den Energiewandler 12 kann dieser die innerhalb des Behälters 44 befindliche Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff erhitzen, sodass die beiden Komponenten in einer exothermen Reaktion miteinander reagieren. Die aus der Reaktion freigesetzte Energie zerstört die Schwächungszone 48 des Behälters 44. Somit kann das Gas aus dem Behälter 44 ausströmen und zur Ausdehnung des in der Druckkammer 28 gespeicherten Druckgases beitragen. Beispielsweise kann eine innerhalb der Druckkammer 28 erzeugte Schockwelle bzw. Stoßwelle verstärkt werden. Allerdings ist es auch denkbar, dass der energetische Verstärker zeitlich gesehen nach dem Ausbreiten der Stoßwelle gezündet wird, um eine zeitlich längere Ausströmung des Druckgases aus dem Gasgenerator 10 zu ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20319564 U1 [0003]

Claims

Gasgenerator (10), insbesondere für eine Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug, mit einer Aktivierungsvorrichtung (26), die einen Energiewandler (12) umfasst, wobei der Energiewandler (12) von Gas umgeben und frei von pyrotechnischen Materialien ist, und wobei der Energiewandler (12) beim Anlegen eines elektrischen Stroms dazu ausgelegt ist, elektrische Energie direkt in Wärmenergie umzuwandeln und freizusetzen, wobei die freigesetzte Wärmeenergie das den Energiewandler (12) umgebende Gas schlagartig erwärmt und ausdehnt.
Gasgenerator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (12) eine offenporöse Struktur aufweist, die auf miteinander vernetzten Kohlenstoffnanoröhren basiert, wobei die Kohlenstoffnanoröhren aus Graphen und/oder teilweise oxidiertem Graphen bestehen.
Gasgenerator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (12) mindestens eine der folgenden Eigenschaften erfüllt: - Eine Aufheizrate von mindestens 10⁵ K s^-1 für ein Gas oder Gasgemisch bei 1 bar; - Eine volumetrische Wärmekapazität in einem Bereich von 0,5 kJ m^-3 K ¹ bis 5 kJ m^-3 K^-1; - Eine volumetrische Oberfläche in einem Bereich von 0,01 m² cm^-3 bis 1 m² cm^-3; - Eine Dichte kleiner als 100 mg cm^-3; und/oder - Eine Knudson-Zahl von «1.
Gasgenerator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsvorrichtung (26) ein Kondensator (62) zugeordnet ist, der mit einer Stromquelle in Verbindung steht, wobei der Kondensator (62) einen elektrischen Kontakt zu dem Energiewandler (12) aufweist und dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom an dem Energiewandler (12) anzulegen.
Gasgenerator (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom die Form eines Strompulses aufweist, wobei die Dauer, Stromstärke und Spannung des Strompulses einstellbar ist.
Gasgenerator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsvorrichtung (26) innerhalb einer Druckkammer (28) angeordnet ist und das den Energiewandler (12) umgebende Gas ein Druckgas ist, wobei die Druckkammer (28) eine von einem Überdruckventil (56) verschlossene Ausströmöffnung (53) aufweist, wobei das Überdruckventil (56) ab einem bestimmten Überdruck innerhalb der Druckkammer (28) die Ausströmöffnung (53) öffnet.
Gasgenerator (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdrückventil (56) als Berstelement (54) ausgebildet ist.
Gasgenerator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Druckgas gefüllte Druckammer (28) mit einem ersten Berstelement (22) vorgesehen ist, wobei das erste Berstelement (22) eine erste Öffnung (24) in Axialrichtung der Druckkammer (28) verschließt, wobei die Druckkammer (28) ein dem ersten Berstelement (22) gegenüberliegendes zweites Berstelement (40) aufweist, das eine zweite Öffnung (42) in Axialrichtung der Druckkammer (28) verschließt, wobei die Aktivierungsvorrichtung (26) außerhalb der Druckkammer (28) und nahe dem ersten Berstelement (22) angeordnet ist, und wobei durch das Anlegen eines elektrischen Stroms an den Energiewandler (12) das erste Berstelement (22) zerstört und eine Schockwelle gebildet wird, die ausreichend ist, um das zweite Berstelement (40) zu öffnen.
Gasgenerator (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsvorrichtung (26) und die Druckkammer (28) über mindestens eine Ausgleichsöffnung (20) druckausgleichend miteinander verbunden sind.
Gasgenerator (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (12) als ein Drucksensor zur Überwachung des Gasdrucks ausgebildet ist.
Gasgenerator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Energiewandler (12) umgebende Gas oder Gasgemisch ein Inertgas enthält, insbesondere Argon.
Gasgenerator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das den Energiewandler (12) umgebende Gas oder Gasgemisch Wasserstoff und Sauerstoff in einer reaktionsfähigen Mischung enthält.
Gasgenerator (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Druckkammer (28) mindestens ein energetischer Verstärker (50) angeordnet ist, der Folgendes umfasst: - einen gasdichten Behälter (44) mit mindestens einer Schwächungszone (48), die so ausgelegt ist, dass sie ab einen bestimmten Druck innerhalb des Behälters (44) zerstörbar ist; - ein unter Druck stehendes, reaktionsfähiges Gas oder Gasgemisch, insbesondere Argon sowie Wasserstoff und Sauerstoff in einer reaktionsfähigen Mischung; - einen innerhalb des Behälters (44) angeordneten Energiewandler (12), wobei das Gas oder Gasgemisch beim Anlegen eines elektrischen Stroms an den Energiewandler (12) aktivierbar ist.
Gasgenerator (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere energetische Verstärker (50) vorgesehen sind.
Gasgenerator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (62) mit mehreren energetischen Verstärkern (50) verbunden und dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom an mehrere Energiewandler (12) parallel oder sequentiell anzulegen.
Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug mit einem Gasgenerator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung einen Gassack oder einem Gurtstraffer umfasst, wobei der Gasgenerator (10) zum Befüllen des Gassacks oder für den Antrieb des Gurtstraffers vorgesehen ist.
Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung eine Pre-Crash-Sensorik aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine bevorstehende Kollision mit einem anderen Objekt zu erfassen, davon Daten zu erstellen und diese an mindestens eine Recheneinheit weiterzuleiten.
Sicherheitseinrichtung in einem Fahrzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Datenverbindung von der Recheneinheit zur Pre-Crash-Sensorik vorgesehen ist, wobei die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, Daten der bevorstehen Kollision von der Pre-Crash Sensorik zu erhalten und diese hinsichtlich eines Auslöse- oder Nichtauslöse-Szenarios auszuwerten.
Verfahren zum Auslösen einer Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 18 in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erkennen einer bevorstehenden Kollision des Fahrzeugs mit einem physikalischen Objekt durch eine Pre-Crash Sensorik, b) Bewerten der bevorstehenden Kollision hinsichtlich des Vorliegens eines Auslöse- oder Nichtauslöse-Szenarios, c) Erkennen eines Auslöse-Szenarios, d) Einteilen des Auslöse-Szenarios in verschiedene Schweregrade, e) Auslösen der Aktivierungsvorrichtung (26) im Gasgenerator (10) durch eine Entladung eines Strompulses durch mindestens einen Kondensator (62) in mindestens einen Energiewandler (12), wobei die Recheneinheit in Abhängigkeit des Schweregrads die Dauer, Stromstärke und Spannung des Strompulses anpasst, f) Erwärmen und Ausdehnen des Druckgases im Gasgenerator (10), wobei der Kondensator (62) während der Ausdehnung des Gases wahlweise weitere Strompulse in den mindestens einen Energiewandler (12) entlädt, und g) Freisetzen des Druckgases in die Umgebung des Gasgenerators (10) zum Befüllen eines Gassacks oder für den Antrieb eines Gurtstraffers.