DE102011009875A1

DE102011009875A1 - Filter für einen Gasgenerator, Gasgenerator mit einem Filter und Modul mit einem Gasgenerator

Info

Publication number: DE102011009875A1
Application number: DE201110009875
Authority: DE
Inventors: Michael Gabler; Dr. Hofmann Achim; Bernhard Mehnert
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: DE102011009875B4

Abstract

Ein Filter für einen Gasgenerator umfasst ein Filtergerüst, das einen ersten Werkstoff mit einer ersten Festigkeit aufweist. Das Filtergerüst ist mit einer Beschichtung versehen. Die Beschichtung weist einen Werkstoff mit einer zweiten Festigkeit auf, wobei die zweite Festigkeit höher als die erste Festigkeit ist. Ein Gasgenerator mit einem solchen Filter, der sich insbesondere im Innenbereich des Gasgenerators befindet. Ein Modul mit einem solchen Gasgenerator, einem von dem Gasgenerator aufblasbaren Gassack und einer Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Moduls, insbesondere im Innenbereich eines Fahrzeuges.

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter für einen Gasgenerator, wie er insbesondere in Insassenschutzvorrichtungen Verwendung findet, sowie einen Gasgenerator mit einem solchen Filter, sowie ein Modul mit einem solchen Gasgenerator.
Generell soll ein Filter hauptsächlich das im Gasgenerator erzeugte Gas kühlen und/oder Partikel zurückhalten. Dabei unterliegt der Filter hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Aufgrund der hohen Belastungen müssen entsprechend feste Werkstoffe eingesetzt werden, die nur einen bestimmten Fertigungsprozess erlauben. Dieser Fertigungsprozess schränkt die Formgebung ein.
Bislang werden Filter für Gasgeneratoren üblicherweise aus Maschengestricken oder Blechteilen hergestellt. In den meisten Fällen besteht der Filter aus einem metallischen Werkstoff. Metallische Werkstoffe haben jedoch eine hohe spezifische Dichte und damit ein relativ hohes Gewicht, was der allgemeinen Forderung nach Gewichtungseinsparung zuwiderläuft.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Filter mit reduziertem Gewicht zu schaffen, der den Anforderungen an die Funktionalität eines Filters in einem Gasgenerator genügt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Gasgenerator mit einem verbesserten Filter zu schaffen. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Modul mit einem verbesserten Gasgenerator zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Filter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich eines Gasgenerators wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Hinsichtlich eines Moduls wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filters sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Filter für einen Gasgenerator umfasst insbesondere ein Filtergerüst, das einen ersten Werkstoff mit einer ersten Festigkeit aufweist. Eine Beschichtung des Filtergerüsts weist einen Werkstoff mit einer zweiten Festigkeit auf, wobei die zweite Festigkeit höher als die erste Festigkeit ist. Unter Festigkeit wird hier die Festigkeit insbesondere im Temperaturbereich bei Betrieb des Gasgenerators verstanden, also wenn eine Gaserzeugung bzw. ein Gasausstoß im Gasgenerator stattfindet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das Vorsehen einer Beschichtung eine größere Flexibilität bei der Wahl des Materials für das Grundgerüst des Filters geschaffen wird. Da die Beschichtung die erforderliche Festigkeit sicherstellt, kann für das Grundgerüst ein leichteres – und bei Bedarf gut wärmeabsorbierendes – Material verwendet werden, das bei einer herkömmlichen Filtergestaltung ohne Beschichtung den Festigkeitsanforderungen nicht genügen würde. Insbesondere kann das Grundgerüst aus einem Material gebildet werden, das leichter als Stahl ist. Da die Beschichtung aufgrund ihres im Vergleich zum Grundgerüst sehr kleinen Volumens nur in geringem Maße zum Gesamtgewicht des Filters beiträgt, reduziert sich das Gewicht des Filters erheblich.
Es ergeben sich auch neue Möglichkeiten für die Formgebung des Filters, da dank der Erfindung ein relativ weiches Material für das Grundgerüst eingesetzt werden kann. So können bestimmte Bereiche des Filters zum Beispiel gezielt verstärkt und/oder verdichtet werden. Die Erfindung ermöglicht in diesem Zusammenhang auch effizientere Fertigungsprozesse bei der Herstellung des Filters.
Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung ist die Schmelztemperatur des ersten Werkstoffs niedriger als die des zweiten Werkstoffs. Eine solche Konstellation eröffnet eine bislang nicht praktikable Kühlmöglichkeit, die vor allem bei pyrotechnischen Gasgeneratoren nützlich ist.
Insbesondere ist der erste Werkstoff so gewählt, dass seine Schmelztemperatur in einem Bereich der im Gasgenerator bei der Gaserzeugung vorherrschenden Temperaturen liegt. Die Temperatur bei der Gaserzeugung im Gasgenerator liegt vorzugsweise bei ungefähr 700°C, gegebenenfalls in einem Bereich von 600°C bis 800°C, in bestimmten Fällen in einem Bereich von 400°C bis 1000°C. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird bewusst das (An-)Schmelzen des Grundgerüsts in Kauf genommen, um zusätzlich die Schmelzwärme des ersten Werkstoffs für die Aufnahme thermischer Energie und damit zur Kühlung des erzeugten Gases auszunutzen. Die notwendige Festigkeit des Filters gewährleistet die Beschichtung, deren Schmelztemperatur wesentlich höher liegt. Durch die hohe Schmelztemperatur wird eine hinreichende Festigkeit der Beschichtung und damit eine Formstabilität des Filters gewährleistet. Eine solche Materialpaarung ermöglicht darüber hinaus eine Gewichtseinsparung in besonderem Maße. Ein herkömmlicher Metallfilter (bestehend aus nur einem Metallwerkstoff) müsste nämlich wesentlich schwerer ausgelegt werden (zum Beispiel dickere Drahtstärke), um eine vergleichbare Kühlwirkung zu erzielen, da ein solcher herkömmlicher Filter nicht in einen Schmelzzustand gelangen darf.
Vorzugsweise ist die Beschichtung eine Metall- oder Keramikbeschichtung, wobei insbesondere eine Schmelztemperatur der Beschichtung über einer in dem Bereich der im Gasgenerator bei der Gaserzeugung vorherrschenden Temperaturen liegt.
Insbesondere ist die Beschichtung aus einer Legierung gebildet, welche Bestandteile von zumindest zwei der Stoffe Nickel (Ni), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und/oder Kohlenstoff (C) aufweist. Besonders bevorzugt ist eine Nickel-Eisen Legierung.
Eine solche Beschichtung kann in Form von Nanopartikeln vorliegen, die mittels eines geeigneten Verfahrens auf das Filtergerüst aufgebracht werden.
Das Filtergerüst ist im Falle eines Hybridgasgenerators bevorzugt aus Kunststoff und/oder Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern gebildet.
Im Falle eines pyrotechnischen Gasgenerators ist das Filtergerüst bevorzugt aus einem Metall, insbesondere aus einem austenitischen oder martensitischen Stahl oder einer Legierung gebildet, insbesondere aus Aluminium und/oder Magnesium.
Ein erfindungsgemäßer Gasgenerator weist zumindest einen einen der oben beschriebenen Filter auf, wobei dieser Filter insbesondere im Innenbereich des Gasgenerators, insbesondere zwischen einer Brennkammer und einer Ausstömöffnung des Gasgenerators, untergebracht ist.
Weiterhin weist ein Modul einen der zuvor beschriebenen Gasgenerator auf, einen von dem Gasgenerator aufblasbaren Gassack und eine Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Moduls, insbesondere im Innenbereich eines Fahrzeuges.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Generell hat ein Gasgeneratorfilter, abhängig davon, in welchem Gasgeneratortyp er eingesetzt wird, hauptsächlich folgende Funktionen: das im Gasgenerator erzeugte und zum Füllen eines Luftsacks vorgesehene Gas zu filtern und/oder dieses Gas zu kühlen.
Es werden grundsätzlich zwei Gasgeneratortypen unterschieden:

1) Hybridgasgenerator: Ein solcher Generator wird zwar pyrotechnisch gezündet, den Hauptanteil der Gassackbefüllung übernimmt aber ein komprimiertes Gas, das in einem Druckgasbehälter gespeichert ist. Da sich das Gas beim Austritt aus dem Druckgasbehälter ohnehin stark abkühlt, ist eine zusätzliche Kühlung durch den Filter hier nicht erwünscht oder zumindest nicht vorrangig. Hauptaufgabe des Filters in einem Hybridgasgenerator ist es demnach, das Füllgas von Partikeln zu befreien.

Da die Kühlung höchstens von sekundärer Bedeutung ist, muss dieser Aspekt bei der Materialwahl für das Grundgerüst des Filters (Filtergerüst) nicht berücksichtigt werden. So kann das Filtergerüst aus sehr leichtem Kunststoff, Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Kombinationen davon gebildet sein. Ein daraus hergestelltes Gewebe ist bestens geeignet für das Filtern von Partikeln, vor allem auch von Partikeln der Membran, mit der der Druckgasbehälter vor Aktivierung des Gasgenerators verschlossen ist.
Die notwendige mechanische (und thermische Festigkeit) des Filters wird durch eine hochfeste Beschichtung des Filtergerüsts aus Kunststoff und/oder Fasern sichergestellt, wie später noch genauer erläutert wird.

2) Pyrotechnischer Gasgenerator: Bei diesem Gasgeneratortyp wird das zum Befüllen des Gassacks vorgesehene Gas durch den kontrollierten Abbrand eines Festtreibstoffes erzeugt. Das Gas wird ebenfalls gefiltert, die Anforderungen an die Kühlung des Gases sind hier jedoch deutlich höher. Für das Filtergerüst wird deshalb ein Werkstoff mit hoher Wärmekapazität eingesetzt. Auch hier ist das Filtergerüst mit einer hochfesten Beschichtung überzogen, auf die später noch im Detail eingegangen wird.

Als Material für das Filtergerüst sind bei pyrotechnischen Gasgeneratoren insbesondere Aluminium und/oder Magnesium und/oder Kupfer vorgesehen. Aluminium und Magnesium haben mit 0,94 kJ/(kg·K) bzw. 1,04 kJ/(kg·K) eine etwa um den Faktor 2 höhere mittlere spezifische Wärmekapazität als Stahl (0,49 kJ/(kg·K). Aluminium, Magnesium und Kupfer haben zudem eine etwa um den Faktor 10 höhere Wärmeleitfähigkeit.
Da die Schmelzpunkte von Aluminium (660°C) und Magnesium (648°C) sehr viel niedriger als der Schmelzpunkt von Eisen (1538°C) sind und innerhalb des Bereichs der im Brennraum des Gasgenerators vorherrschenden Temperaturen von etwa 600 bis 800°C, in bestimmten Fällen von etwa 400°C bis 1000°C, liegen, kann die Schmelzwärme von Aluminium (398 kJ/kg) und/oder Magnesium (373 kJ/kg) ausgenutzt werden, die viel höher ist als die von Kupfer (205 kJ/kg) oder Eisen (268 kJ/kg). Bei niedrigeren Temperaturen kann dadurch, dass das Schmelzen des Filtergerüsts bewusst in Kauf genommen wird, deutlich mehr thermische Energie aus dem System entnommen werden als im Falle eines Stahlgrundgerüsts, ohne dass sich der Filter weiter erhitzt.
Im Funktionsfall nimmt das innere Filtergerüst aus Aluminium und/oder Magnesium die Energie des zu kühlenden Gases auf, im Extremfall bis zum Schmelzen des Filtergerüsts. Das heißt das Filtergerüst verflüssigt sich zu einem Kern aus geschmolzenem Metall (Aluminium/Magnesium), der von einem dünnen Mantel aus der hochfesten Beschichtung umgeben ist. Die hochfeste Beschichtung bildet dann gewissermaßen eine Schutzhülle, die aber so dimensioniert ist, dass ein Austreten des (an-)geschmolzenen Filtergerüsts verhindert wird. Eine solche Beschichtung kann eine Dicke von 0,001 mm bis 0,1 mm, insbesondere 0,01 mm bis 0,09 mm, bevorzugt 0,03 mm bis 0,07 mm, vorzugsweise 0,04 mm bis 0,06 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die hochfeste Beschichtung kann auch als ein für sich selbst stehender Hohlkörper aufgefasst werden, insbesondere als ein Gebilde in Form eines Hohlrohres, das auch ein mehrverzweigtes Hohlrohrsystem oder ein Hohlrohrgeflecht darstellen kann. Innerhalb dieses Hohlkörpers kann sich dann das bis zu einer Schmelze verflüssigbare vorgenannte Filtergerüst befinden bzw. in dieses eingebracht werden bzw. sein.
Wie bereits erwähnt, ist in beiden Anwendungsfällen (Hybridgasgenerator und pyrotechnischer Gasgenerator) vorgesehen, dass das Filtergerüst mit einer hochfesten Beschichtung überzogen ist, damit der Filter insgesamt den thermischen und mechanischen Belastungen während der Gasdurchströmung standhält. Die hochfeste Beschichtung besteht aus einem Werkstoff, der eine extrem hohe Festigkeit aufweist, wie etwa bestimmte Metalle oder Keramik. Die Hochfeste Beschichtung ist somit in der Lage, eine Zerstörung des Filtergerüsts beziehungsweise eine Formänderung des Filters durch beschleunigte auf den Filter treffende Partikel zu verhindern, und die Partikel aus dem Gasstrom „auszufiltern”. Außerdem ist die Schmelztemperatur der Beschichtung deutlich höher als die des Filtergerüstwerkstoffs, in jedem Fall höher als die im Brennraum des Gasgenerators vorherrschenden Temperaturen. Hierdurch bleibt die Festigkeit der Beschichtung im Betriebsfall bestehen. Eine „Erweichung” der Beschichtung findet nicht statt.
Ein Beispiel für ein Material, das als Werkstoff für die hochfeste Beschichtung geeignet ist, ist eine Nickel-Eisen-Legierung in Form von Nanopartikeln. Denkbar sind auch weitere Legierungen, welche Bestandteile von zumindest zwei der Stoffe Nickel (Ni), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) oder Kohlenstoff (C) aufweisen, mit den Schmelztemperaturen Ni: 1455°C, Fe: 1538°C, Cr: 1907°C, Mo: 2623°C). Die Beschichtung wird mittels eines geeigneten Verfahrens aufgebracht, wie etwa Galvanisieren, Tauchen, CVD- oder PVD-Beschichtung (chemical vapor deposition bzw. physical vapor deposition).

Claims

Filter für einen Gasgenerator, mit einem Filtergerüst, das einen ersten Werkstoff mit einer ersten Festigkeit aufweist, wobei eine Beschichtung des Filtergerüsts, die einen Werkstoff mit einer zweiten Festigkeit aufweist, wobei die zweite Festigkeit höher als die erste Festigkeit ist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des ersten Werkstoffs niedriger ist als die des ersten Werkstoffs.
Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des ersten Werkstoffs in einem Bereich der im Gasgenerator bei der Gaserzeugung vorherrschenden Temperaturen liegt.
Filter nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Metall- oder Keramikbeschichtung ist, wobei insbesondere eine Schmelztemperatur der Beschichtung über einer in dem Bereich der im Gasgenerator bei der Gaserzeugung vorherrschenden Temperaturen liegt.
Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Legierung gebildet ist, welche Bestandteile von zumindest zwei der Stoffe Nickel (Ni), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) oder Kohlenstoff (C) aufweist.
Filter nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in Form von Nanopartikeln vorliegt.
Filter nach zumindest einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtergerüst aus Kunststoff und/oder Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern gebildet ist.
Filter nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtergerüst aus einem Metall, insbesondere aus einem austenitischen oder martensitischen Stahl oder einer Legierung gebildet ist, insbesondere aus Aluminium und/oder Magnesium und/oder Kupfer.
Gasgenerator mit einem Filter, insbesondere im Innenbereich des Gasgenerators, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Modul mit einem Gasgenerator, einem von dem Gasgenerator aufblasbaren Gassack und einer Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Moduls, insbesondere im Innenbereich eines Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgenerator nach Anspruch 9 ausgebildet ist.