DE19805127C2 - Filter und Kühlelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Filter zum Filtern und Kühlen eines expandierenden heißen Gases für das Auf­ blasen eines Airbags, wobei der Filter einen Körper aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht als Filter­ material aufweist.

Zum Aufblasen von Airbags werden Airbag-Gasgenera­ toren verwendet, in denen Treibstoffe explosionsartig ver­ brannt werden. Die Gase aus der explosionsartigen Verbren­ nung weisen sehr hohe Temperaturen auf und sind außerdem immer mit Partikeln beladen. Um zu verhindern, daß eine Beschädigung des Luftsackes durch den Gasstrom nach des­ sen Austritt aus dem Gasgenerator erfolgt, müssen diese Gase gekühlt und die Partikel ausgefiltert werden. Zum Fil­ tern und Kühlen wurden bislang Gewebe, Strickmetalle, Ge­ stricke und Lochblenden verwendet. Insbesondere sind der­ artige Filter aus Maschendrahtgewebe in der DE 196 11 102 A1 und in der DE 43 38 536 A1 beschrie­ ben, die das Gas neben der Filterwirkung auch kühlen.

Aufgrund neuer Erkenntnisse, insbesondere auch im Um­ weltbereich sowie durch neue Anforderungen für immer ge­ ringere Abmessungen der Gasgeneratoren, sollen neuer­ dings acidfreie Spreng- oder Treibstoffe auf organischer Ba­ sis eingesetzt werden, die wesentlich höhere Temperaturen erzeugen. Das bedeutet aber gleichzeitig einen höheren Auf­ wand zur Kühlung. Weiter werden die Einbaumaterialien aus Maschendraht teilweise selbst verbrannt und vergast, so daß neue Partikel entstehen, und die üblichen Filter die be­ absichtigte Wirkung nur unter großem Aufwand erreichen.

Aus der DE 297 13 285 U1 ist eine Temperatursteuerung über einen Ring zum Verschließen von Durchgängen für das heiße Gas offenbart. Hiermit könnte man beispielsweise ei­ nen explosionsartigen Temperaturanstieg verhindern. Aller­ dings ist diese Lösung aufwendig.

Zum besseren Kühlen und Filtern könnte man jedoch auch das Volumen von Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht im Filter erhöhen. Das größere Volumen würde dann zwar bei geeigneter Größe zum einmaligen Aufblasen eines Airbags ausreichen, jedoch würde die Wirksamkeit durch das Verbrennen des Filtermaterials her­ abgesetzt. Durch das Verbrennen würden neue, störende Partikel erzeugt. Weiter ist nachteilig, daß die gewünschten geringen Baugrößen von Generator und Filter bei einer Er­ höhung des Volumens mit Filtermaterial nicht mehr erreicht werden könnten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Filter zu schaf­ fen, der bei geringer Bauform auch eine effektive Kühlung gestattet.

Die Aufgabe wird ausgehend vom gattungsgemäßen Stand der Technik durch einen Filter mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Unter Kühldraht versteht man hier einen Draht ausreichender Wärmekapazität und Ober­ fläche, um einen Teil der thermischen Energie des heißen Gases aufzunehmen. Der Kühldraht sollte dabei mit geeig­ net großem Durchmesser ausgebildet werden, um entspre­ chende mechanische und thermische Stabilität zu gewährlei­ sten, und so, daß die Wirkung selbst bei Verbrennung von Oberflächenbereichen während der Auslösung des Airbags erhalten bleibt.

Bei der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens ein Kühldraht im Inneren des hohlzylindrischen Körpers angeordnet ist. Das bedeutet, daß der Kühldraht direkt an der Gaseinlaßseite des Filters liegt. Damit wird sichergestellt, daß das Drahtgewebe, Drahtge­ strick oder Drahtgeflecht ausschließlich mit einem teilweise abgekühlten Gas in Kontakt tritt, und so eine Verbrennung mit daraus resultierender Partikelbildung wirkungsvoll un­ terdrückt wird. Weiter läßt sich das Strömungsverhalten des heißen Gases durch spezielle Formgebung des Wendels ge­ eignet einstellen, wie nachfolgend anhand der Zeichnung verdeutlicht wird.

Eine Verbesserung der Kühlwirkung des Kühldrahts läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erreichen, wenn dessen Oberfläche durch Strukturierung oder Formgebung vergrößert ist. Beispielsweise weist ein dreikantiges oder vierkantiges Drahtprofil ein günstigeres Oberflächen-/Volumenverhältttis auf als ein Runddraht.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der mindestens eine Kühldraht innerhalb des Körpers aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtge­ flecht integriert ist. Durch die Integration wird nicht nur das Gas gekühlt sondern auch der Körper aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht, so daß dessen Verbren­ nung verhindert wird. Bei Integration des Kühldrahts inner­ halb des Körpers liegt vor allen Dingen auch die größtmög­ liche Oberfläche des Kühldrahts an dem Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht an, so daß eine Wärme­ übertragung von dem gesamten Körper auf den Kühldraht möglich ist. Die Integration in den Körper läßt sich bei­ spielsweise durch Einpressen eines Kühldrahtes in ein Drahtgestrick durchführen.

Bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist auch vorgesehen, daß mindestens ein Kühldraht als um den Außenmantel des hohlzylindrischen Körpers gewundenes Wendel vorgesehen ist. Dieser Kühldraht dient zur weiteren Kühlung des Drahtgeflechts, um die Gefahr der Verbren­ nung und der Partikelbildung in dem Körper noch weiter zu vermindern und auch das in den Airbag eingeleitete Gas möglichst weit abzukühlen. Weiter dient dieser Kühldraht zum Verhindern einer Kernströmung, indem durch diesen ein Abstand zu einem als Gehäuse vorgesehenen umgeben­ den Rohr gewährleistet wird. Dadurch wird eine Homogeni­ sierung der Filterdurchströmung erreicht.

Als besonders kostengünstig hat sich herausgestellt, wenn der Kühldraht gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung aus Metall und insbesondere aus Edelstahl besteht. Die me­ tallischen Eigenschaften sorgen für eine gute Wärmeleitung, d. h. auch einen guten Ausgleich der Wärme innerhalb des Kühldrahts, wodurch die gesamte Wärmekapazität des Kühldrahtes zur Wirkung kommt. Die vorzugsweise Aus­ führung des Kühldrahts als Edelstahlteil ermöglicht gleich­ zeitig eine besonders kostengünstige Herstellung des Filters.

Für den Kühldraht können verschiedenste Metalle und Metallegierungen verwendet werden. Insbesondere hat es sich gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfin­ dung als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Metall eine Wärmeleitzahl von großer 70 J/(m.s.K) und eine Wär­ mekapazität von größer als 0,4 J/(g.K) bei 30°C aufweist sowie einen Schmelzpunkt bei größer als 1000°C, insbeson­ dere größer als 1200°C, hat. Der hohe Schmelzpunkt wurde dabei gewählt, um eine Verbrennung des Kühldrahts so weit wie möglich zu verhindern. Die Wärmekapazität von größer als 0,4 J/(g.K) sorgt für eine effektive Aufnahme thermi­ scher Energie im Kühldraht. Die Wärmeleitzahl von größer als 70 J/(m.s.K) sorgt für eine effektive Wärmevertei­ lung innerhalb des Kühldrahtes während der schnell ab­ laufenden Explosionsvorgänge, so daß die gesamte Wärme­ kapazität zum Kühlen zur Verfügung steht. Die angegebe­ nen Werte stellen untere Grenzwerte für eine optimale Aus­ gestaltung dar. Sie können natürlich erhöht werden, wenn besonders heiße Gase gekühlt werden sollen bzw. wenn spe­ zielle Treibgase und die konstruktive Bauweise des Airbags eine andere Auslegung erfordern.

Eine weitere kritische Größe für die Auslegung des Kühl­ drahts ist sein Durchmesser. Ein sehr kleiner Durchmesser ist zur Erhöhung der Kompaktheit vorteilhaft. Ein sehr gro­ ßer Durchmesser erhöht die zur Kühlung zur Verfügung ste­ hende Wärmekapazität.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der mindestens eine Kühldraht einen Durchmesser von mehr als 05 mm aufweist. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sollte der mindestens eine Kühldraht einen Durchmesser von weniger als 5 mm haben.

Neben den obengenannten Vorteilen einer effektiven Kühlung hat sich herausgestellt, daß sich der erfindungsge­ mäße Filter mit diesen Drahtstärken besonders einfach und kostengünstig fertigen läßt, insbesondere bei kleinen Durch­ messern. Um die entsprechende Wärmekapazität bei kleine­ ren Durchmessern zu erreichen, ist es dann vorteilhaft, meh­ rere Wendeln in einer Packung vorzusehen.

Weitere Besonderheiten und Merkmale ergeben sich auch aus der folgenden Darstellung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels im Schnitt mit zwei Wendeln von Kühldrähten;

Fig. 2 und Fig. 3 zwei Ausführungsbeispiele andersarti­ ger Formgebungen für Kühldrahtwendel als in Fig. 1;

Fig. 4 Schichtung von Kühldrahtwendeln zum Erreichen einer besonders großen Kühloberfläche.

Anhand des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels läßt sich die Filter- und Kühlwirkung prinzipiell darstellen.

Der in Fig. 1 gezeigte Schnitt stellt einen Rotationskörper mit einer Symmetrieachse 1 dar. Das zum Befüllen eines Airbags verwendete Gas wird in Richtung der Pfeile 2 in das Innere eines hohlzylindrischen Körpers 3 eingeleitet. Auf­ grund der Strömungsbedingungen entstehen Turbulenzen, die mit Pfeilen 4 angedeutet sind, so daß sich das Gas in dem Hohlkörper 3 verteilt. Als wesentlicher Teil des Filters ist der Körper 3 vorgesehen, der aus Drahtgestrick. Drahtge­ flecht oder Drahtgewirk besteht, wie es schon aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieses Drahtgewirk. Drahtgestrick oder Drahtgeflecht dient nicht nur zum Kühlen, sondern auch als Element zur Strömungsverteilung und Zurückhal­ ten von Partikeln aus einer Gasexplosion, mit der die Gas­ strömung 2 erzeugt wird. Das gefilterte Gas tritt dann in Richtung der Pfeile 5 aus dem Körper 3 aus.

Zur Abkühlung und zusätzlich auch zur Strömungsvertei­ lung ist ein Kühldraht 6 vorgesehen, der in Form einer zylin­ drischen Wendel 7 ausgebildet ist und sich mit seinen Au­ ßenflächen in thermischem Kontakt mit dem Körper 3 befin­ det. Dieser Kühldraht 6 weist genügende Wärmekapazität und Stärke auf, um einerseits einer Verbrennung durch die heißen Explosionsgase zu widerstehen und andererseits ei­ nen Teil der thermischen Leistung des Gases wirkungsvoll aufzunehmen. Weiter sorgt der thermische Kontakt mit dem Körper 3 zur Kühlung des Drahtgeflechtes, um auch dessen Verbrennen zu verhindern, indem die thermische Leistung des Drahtgeflechts in den Kühldraht 6 überführt wird. Wei­ ter befindet sich außerhalb des Körpers 3 eine weitere Wen­ del 8, die ebenfalls zur Kühlung des Körpers 3 vorgesehen ist. Um die Wendel 8 kann noch eine weitere Schicht aus Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtgeflecht gelegt wer­ den, so daß die Wendel 8 vom Filtermaterial umgeben ist. Dann sorgt die Wendel 8 für eine effektivere Kühlung in zwei Richtungen.

Neben dem Kühleffekt erfüllt die Wendel 7 auch noch die Aufgabe, den Gasstrom 2 durch Verstärkung von Turbulen­ zen wirkungsvoll zu verteilen. Die Form dieser Wendel 7, aber auch die der Wendel 8, läßt sich zum Anpassen an ver­ schiedene Thermo-, Druck- und/oder Turbulenzbedingun­ gen unterschiedlich formen. Dafür sind weitere Ausfüh­ rungsbeispiele von Wendeln 7 in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt. Bei sogenannten intelligenten Airbags wird die volle Ex­ plosionsleistung nicht momentan frei, sondern man zündet beispielsweise erst ungefähr 30% und dann die restlichen 70%, und zwar den ersten Teil von der einen Seite der Wen­ del und den zweiten Teil von der anderen Seite der Wendel. Damit die Gasströmung von der einen Seite zu der anderen Seite die dort gegebenen Wendelteile oder Teile des Körpers aus Drahtgewebe. Drahtgestrick oder Drahtgeflecht, z. B. durch Verbrennen, nicht beeinflußt, lassen sich die Win­ dungsabstände und Durchmesser unterschiedlich ausbilden, um geeignete Strömungsverhältnisse zu schaffen. Dies wird anhand von Fig. 2 und Fig. 3 näher erläutert.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist besonders dann geeignet, wenn die Gasströmung im Einlaß gemäß Fig. 1 verläuft. Die dicht an den Enden der Wendel zusammenlie­ genden Windungen schützen den Körper im Eingangsbe­ reich des Gasflusses effektiver und sorgen für eine Vorküh­ lung, während der Bereich in der Mitte der Wendel 7 von Fig. 2 mit weiter auseinanderliegenden Wendeln kaum noch zur Kühlung beiträgt. Allerdings ist im mittleren Bereich der Wendel eine effektivere Strömung zum Filtern durch den Körper 3 gegeben, als an den Enden.

In Fig. 3 ist eine Wendel 7 gezeigt, die im mittleren Be­ reich einen kleineren Durchmesser aufweist als in den End­ bereichen. Die Verengung im mittleren Bereich vermindert weiter die vorhergenannte, unerwünschte Strömung von ei­ ner Seite auf die andere Seite wirkungsvoll. Um auch bei diesem Beispiel einen wirksamen Wärmeübertrag vom Kör­ per 3 auf die Wendel 7 zu erzielen, ist es in Einzelfällen vor­ zuziehen, auch den Körper 3 mit einem engeren Mittelab­ schnitt auszubilden, so daß sich dieser im Mittelbereich der Wendel 7 von Fig. 3 für eine optimale Wärmeübertragung anschmiegt.

In Fig. 4 sind mehrere Wendeln 7 ineinandergeschachtelt. Derartige Wendelschichtungen können beispielsweise ge­ gen die Wendel 7 von Fig. 1 ausgetauscht werden. Dabei er­ gibt sich der Vorteil einer vergrößerten Oberfläche zur Wär­ meabfuhr, selbst wenn das Volumenmaterial des Drahtes gleich groß gehalten wird. Damit wird die schnelle Wärme­ aufnahme im Kühldraht 6 zur effektiveren Kühlung des Ga­ ses gesteigert. Außerdem erhöht die Schichtung aus Wen­ deln 7 die Filterwirkung.

Die vorangegangenen Beispiele zeigen, daß vielfältige Möglichkeiten zur effektiven Kühlung mit Hilfe des Kühl­ drahtes 6 gemäß der Erfindung möglich sind. Die verschiedenen Möglichkeiten der Formung, Wahl der Drahtstärke sowie des Materials hängt im wesentlichen von den Strö­ mungsbedingungen und den verlangten thermischen Para­ metern ab. Insbesondere hat sich für den Kühldraht 6 eine Drahtstärke zwischen 0,5 mm und 5 mm sowohl für die Fer­ tigung als auch filz eine effektive Kühlung als vorteilhaft herausgestellt. Das Material des Drahtes sollte ein Metall, insbesondere Edelstahl sein, insbesondere eine Wärmeleit­ zahl von größer als 70 J/(m.s.K) und eine Wärmekapa­ zität von größer als 0,4 J/(g.K) (alle Werteangaben bei 30°C) aufweisen sowie einen Schmelzpunkt bei größer als 1000°C, insbesondere größer als 1200°C, haben, dann bei heute üblichen sowie in näherer Zukunft zu erwartenden Gasen zum Aufblasen eines Airbags eine effektive Kühlung erreicht werden kann.

Claims (12)

1. Filter zum Filtern und Kühlen eines expandierenden heißen Gases für das Auf­ blasen eines Airbag, wobei das Filter einen Körper (3) aus Drahtgewebe, Draht­ gestrick oder Drahtgeflecht als Filter­ material zumindest abschnittsweise in Form eines Hohlzylinders, in diesen Hohlraum das expandierendes Gas (2) ein­ führbar und an dessen Außenmantel das Gas zum Füllen des Airbags ent­ nehmbar ist, sowie mindestens einen Kühl­ draht (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühldraht (6) im Inneren des hohlzylindrischen Körpers (3) als zylindrische Wendel (7) angeordnet ist und in thermischem Kontakt mit dem Körper steht, wobei die Windungsachse der Wendel (7) zur Zylinder­ achse (1) des hohlzylindrischen Körpers (3) parallel verläuft.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche des Kühldrahtes (6) struk­ turiert oder kantig ist.

3. Filter nach einem der Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) innerhalb des Körpers (3) aus Drahtgewebe, Drahtge­ strick oder Drahtgeflecht integriert ist.

4. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Wendel ausgebildete Kühldraht (6) durch unterschiedliche Windungsdurchmesser und Win­ dungsabstände auf die Strömungsbedingungen im Fil­ ter angepaßt wird.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende Windungen einen Spalt zum Durchströmen des Gases im Bereich von 0,1 bis 10 mm freilassen.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühldraht (6) als um den Außenmantel des hohlzylindrischen Körpers (3) gewundene Wendel (8) vorgesehen ist.

7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der um den hohlzylindrischen Körper (3) als Wen­ del (8) vorgesehene Kühldraht (6) mit einer weiteren Schicht von Drahtgewebe, Drahtgestrick oder Drahtge­ flecht ummantelt ist.

8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) aus Metall, insbesondere Edelstahl, besteht.

9. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Wärmeleitzahl von größer 70 J/(m­ .s.K) und eine Wärmekapazität von größer als 0,4 J/(g.K) bei 30°C aufweist sowie einen Schmelzpunkt bei größer als 1000°C, insbesondere größer als 1200°C, hat.

10. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) einen Durchmesser von mehr als 0,5 mm hat.

11. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Kühldraht (6) einen Durchmesser von weniger als 5 mm hat.

12. Filter nach einem der Anspruche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühldrähte als Kühl­ drahtpackung ineinanderliegen.