DE10338928A1

DE10338928A1 - Filtereinsatz sowie Gasgenerator mit einem derartigen Filtereinsatz

Info

Publication number: DE10338928A1
Application number: DE10338928A
Authority: DE
Inventors: Carola Schneider; Erich Bittner
Original assignee: Rhodius GmbH
Current assignee: Rhodius GmbH
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filtereinsatz (32) für einen pyrotechnischen Gasgenerator (10) einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung, insbesondere eines Airbags oder eines Gurtstraffers. Gemäß der Erfindung arbeitet der Filtereinsatz (32) nicht nur als Filtereinrichtung, sondern auch als Reduktionseinsatz und weist zu diesem Zweck ein Reduktionsmittel auf, das zum Abspalten und Abscheiden von Kohlenstoff dient, welcher in gasförmigen Verbindungen des vom Gasgenerator (10) zu erzeugenden Gasvolumens gebunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Filtereinsatz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für einen pyrotechnischen Gasgenerator einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung, wie eines Airbags oder eines Gurtstraffers. Des weiteren betrifft die Erfindung einen pyrotechnischen Gasgenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11, der zum Erzeugen eines Gasvolumens dient, mit dem Fahrzeugsicherheitseinrichtungen, wie Airbags oder Gurtstraffer, zu betätigen sind.
Fahrzeugsicherheitseinrichtungen, wie Airbags oder Gurtstraffer, werden üblicherweise von pyrotechnischen Gasgeneratoren betätigt, welche in der Lage sind, die Fahrzeugscherheitseinrichtung innerhalb eines definierten Zeitraums kurzfristig mit einem vorgegebenen Gasvolumen zu versorgen. Zur Erzeugung des Gasvolumens ist der Gasgenerator mit einem pyrotechnischen Treibsatz ausgestattet, der mit Hilfe eines Zünders gezündet wird. Nach dem Zünden reagiert der Treibsatz schlagartig unter Bildung des Gasvolumens, welches aus dem Gehäuse des Gasgenerators an die Sicherheitseinrichtung weitergeleitet wird. Bei einem Teil der sich derzeit im Einsatz befindlichen pyrotechnischen Gasgeneratoren werden Treibsätze verwendet, bei deren Zündung vergleichsweise große Mengen kohlenstoffhaltiger Verbindungen, wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, freigesetzt werden.
Werden nun beispielsweise bei einem schweren Verkehrsunfall mehrere derartige Gasgeneratoren gleichzeitig ausgelöst – moderne Fahrzeuge verfügen üblicherweise über Frontairbags, Seitenairbags, Kopfairbags, gegebenenfalls auch Knieairbags, sowie Gurtstraffer – entstehen große Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, welche auf die Insassen toxisch wirken. Aus diesem Grund wird immer häufiger gefordert, Gasgeneratoren anzubieten, bei deren Auslösen die Anteile toxisch wirkender Verbindungen im Gasvolumen, insbesondere die Anteile an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, auf maximal zulässige Höchstwerte beschränkt sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Filtereinsatz für einen pyrotechnischen Gasgenerator bzw. einen Gasgenerator mit einem derartigen Filtereinsatz bereitzustellen, durch dessen Verwendung bzw. bei dem der Anteil an kohlenstoffhaltigen Verbindungen in dem entstehenden Gasvolumen auf einfache Weise reduziert ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Filtereinsatz mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch einen Gasgenerator mit den Merkmalen nach Anspruch 11 gelöst.

Der erfindungsgemäße Filtereinsatz dient nicht nur, wie herkömmliche Filtereinsätze, zum Herausfiltern von Feststoffen und Schwebeteilchen aus dem vom Gasgenerator zu erzeugenden Gasvolumen, sondern gleichzeitig auch als Einrichtung, mit der gezielt eine chemische Reduktionsreaktion kohlenstoffhaltiger Verbindungen im Gasvolumen bewirkt wird. Zu diesem Zweck weist der erfindungsgemäße Filtereinsatz ein Reduktionsmittel auf, mit dem kohlenstoffhaltige Verbindungen im Gasvolumen, insbesondere Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, in einem ersten Schritt in Kohlenstoff und den Verbindungspartner des Kohlenstoffes, beispielsweise Sauerstoff, aufgespalten werden. Während der abgetrennte Verbindungspartner des Kohlenstoffes mit dem Reduktionsmittel reagiert, scheidet sich bei der Aufspaltung der Verbindungen entstehende Kohlenstoff am Filtereinsatz ab. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Filtereinsatzes wird auf sehr einfache und elegante Weise die Weiterleitung großer Mengen toxisch wirkender kohlenstoffhaltiger Verbindungen, wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, an die Sicherheitseinrichtung nach dem Zünden des Gasgenerators verhindert, zumindest aber können die Mengen toxisch wirkender Kohlenstoffverbindungen auf einen maximal zulässigen Höchstwert begrenzt werden.

Der erfindungsgemäße Filtereinsatz kann sowohl in einen Gasgenerator integriert sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Filtereinsatz als separate Funktionseinheit beispielsweise in dem den Gasgenerator mit der Fahrzeugsicherheitseinrichtung verbindenden Leitungssystem anzuordnen oder in den Anschluß der Fahrzeugsicherheitsein richtung an das Leitungssystem zu integrieren, um das vom Gasgenerator erzeugte Gasvolumen zu filtern und die darin enthaltenen Kohlenstoffverbindungen aufzuspalten. Ferner ist es auch denkbar, bestehende Fahrzeugsicherheitseinrichtungen mit dem erfindungsgemäßen Filtereinsatz nachzurüsten.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen.

Als Reduktionsmittel für den Filtereinsatz wird besonders bevorzugt ein Metall, eine Metallegierung oder eine Metallverbindung aus der Gruppe der Erdalkalimetalle, nämlich Beryllium, Magnesium, Calcium, Barium oder Strontium, oder ein Metall, eine Metallegierung oder eine Metallverbindung von Metallen der Borgruppe, nämlich Bor als Halbmetall, Aluminium, Gallium, Indium oder Thallium, eingesetzt. So zeichnen sich sowohl die Metalle, Metallegierungen und Metallverbindungen der Erdalkalimetalle als auch die Metalle, Metallegierungen und Metallverbindungen von Metallen der Borgruppe durch eine besonders hohe chemische Affinität zu Verbindungspartnern wie Sauerstoff aus, die deutlich größer ist als die chemische Affinität von Kohlenstoff beispielsweise zu Sauerstoff. Durch die höhere Affinität reagiert der im Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gebundene Sauerstoff unter Abspaltung von Kohlenstoff mit dem Metall, mit der Metallegierung bzw. der Metallverbindung unter Bildung von Metalloxiden an den Oberflächen des Filtereinsatzes, während gleichzeitig der im Kohlenmonoxid sowie im Kohlendioxid gebundene Kohlenstoff freigesetzt wird. Da die durch die Reduktionsreaktion des Sauerstoffes mit dem Metall, der Metallegierung bzw. der Metallverbindung entstehenden Oxide üblicherweise sehr poröse Schichten ausbilden und folglich große zerklüftete Oberflächen bilden, wird als Nebeneffekt erreicht, dass die wirksame Oberfläche an dem Filtereinsatz, an der sich der entstehende Kohlenstoff ablagert, durch die gebildeten Oxide zusätzlich vergrößert ist, so dass auch die Abscheidung des Kohlenstoffes am Filtereinsatz zusätzlich verbessert ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Filtereinsatz zumindest abschnittsweise aus einem als Reduktionsmittel dienenden Draht gefertigt ist, welcher aus einem Metall oder einer Metallegierung aus der Gruppe der Erdalkalimetalle oder einem Metall oder einer Metallegierung eines Metalles der Borgruppe besteht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der verwendete Draht gleichzeitig zwei Funktionen erfüllt, nämlich nicht nur das Grundmaterial für die Ausbildung des Filtereinsatzes darstellt, sondern auch der Draht selbst als Reduktionsmittel wirkt, so dass die Fertigung des erfindungsgemäßen Filtereinsatzes der Fertigung herkömmlicher Filtereinsätze entspricht.

Als alternative Lösung wird vorgeschlagen, den Filtereinsatz zumindest abschnittsweise mit dem Reduktionsmittel zu beschichten. Ein beschichteter Filtereinsatz ist insbesondere dann von Vorteil, wenn basierend auf demselben Grundkörper Filtereinsätze für unterschiedliche Anwendungszwecke gefertigt werden sollen, die entweder mit dem Reduktionsmittel beschichtet sind oder unbeschichtet belassen werden. Ferner ist es denkbar, den Filtereinsatz nur abschnittsweise zu beschichten, so dass sich in Strömungsrichtung des Gasvolumens gesehen beispielsweise ein beschichteter Abschnitt an einen unbeschichteten Abschnitt anschließt, wobei die beiden Abschnitte an demselben Filtereinsatz vorgesehen sind. Als Filtereinsatz kann in diesem Fall beispielsweise auch ein Keramikfiltereinsatz als Grundkörper verwendet werden.

Wird als Grundkörper oder Substrat für den Filtereinsatz ein Metalldraht verwendet, wird bei der beschichteten Ausführungsform zusätzlich vorgeschlagen, das Reduktionsmittel durch eine Washcoat-Zwischenschicht auf dem Filtereinsatz zu halten, d.h. zwischen der Oberfläche des Filtereinsatzes und dem Reduktionsmittel eine zusätzliche Washcoat-Zwischenschicht vorzusehen. Als Washcoat-Zwischenschicht eignet sich insbesondere ein Metalloxid aus Aluminium als Trägeroxid, das mit weiteren Oxidkomponenten aus der Gruppe der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, wie Barium oder Magnesium, und der Selten-Erd-Metalle, wie Lanthan oder Cer, versetzt sein kann. Das Reduktionsmittel kann beispielsweise durch Spritzen in Form einer Metallbeschichtung oder in Form feiner Metallpartikel auf die Washcoat-Zwischenschicht aufgebracht sein.

Wie sich in Versuchen gezeigt hat, eignet sich als Reduktionsmittel insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. So reagiert Aluminium mit dem im Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid gebundenen Kohlenstoff unter Bildung von Aluminiumoxid und Kohlenstoff nach den folgenden Reaktionsgleichungen: 3CO + 2Al → Al₂O₃ + 3C (1) 3CO₂ + 4Al → Al₂O₃ + 3C (2)

Des weiteren reagiert das Aluminium bereits unmittelbar nach der Herstellung des Filtereinsatzes an seiner freien Oberfläche mit dem Luftsauerstoff unter Bildung sogenannten γ-Al₂O₃, einer kubisch-kristallinen Substanz, welche an der Oberfläche des Filtereinsatzes eine sehr dünne, durchsichtige poröse Oxidhaut ausbildet. Die kubisch-kristalline γ-Al₂O₃-Schicht schützt zwar das metallische Aluminium des Fütereinsatzes vor herkömmlicher Oxidation. Aufgrund der hohen Temperaturen und des sehr hohen Grades an Porösität verhindert die γ-Al₂O₃-Schicht jedoch nicht die Reaktion des Aluminiums mit den kohlenstoffhaltigen Verbindungen bei einem späteren Auslösen des Gasgenerators. Darüber hinaus kann sich der bei der Reduktionsreaktion bildende Kohlenstoff gleichzeitig an der sehr porösen kubisch-kristallinen γ-Al₂O₃-Schicht gut abscheiden.

Ähnlich gut wie Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eignet sich Magnesium oder eine Magnesiumlegierung als Reduktionsmittel. So spaltet Magnesium, ähnlich dem Aluminium, unter Bildung von Magnesiumoxid kohlenstoffhaltige Verbindungen, wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gemäß den folgenden Reaktionsgleichungen auf: CO + Mg → MgO + C (3) CO₂ + 2Mg → 2MgO + C (4)

Wie Versuche gezeigt haben, scheidet sich auch hier der entstehende Kohlenstoff an dem sich an der Oberfläche des Filtereinsatzes bildenden Magnesiumoxid ab.

Der Filtereinsatz ist besonders bevorzugt als Drahtgestrick, Drahtgewebe oder Drahtgewirr ausgebildet , welches gegebenenfalls durch Umformen in eine definierte Form gebracht ist. So ist ein Drahtgestrick oder ein Drahtgewebe verhältnismäßig einfach in unterschiedlichsten Materialstärken herstellbar und kann, sofern dies gewünscht ist, bereits unmittelbar aus einem als Reduktionsmittel dienenden Draht, wie einem Aluminiumdraht oder einem Magnesiumdraht, gefertigt werden. Ferner ist es möglich, den aus Drahtgestrick, Drahtgewebe oder Drahtgewirr hergestellten Filtereinsatz als Grundkörper einzusetzen, welcher anschließend mit dem Reduktionsmittel, gegebenenfalls unter Vorsehen einer Washcoat-Zwischenschicht, zumindest abschnittsweise beschichtet wird.

Da das Reduktionsmittel, beispielsweise Aluminium oder Magnesium, bei höheren Temperaturen zum Aufschmelzen oder zur spontanen Selbstentzündung neigt, wird ferner vorgeschlagen, in den Filtereinsatz zusätzlich ein Kühlmittel zum Kühlen des vom Gasgenerator zu erzeugenden Gasvolumens auf eine vorbestimmte Reduktionstemperatur zu integrieren. Auf diese Weise kann bei einem vergleichsweise geringen Bauvolumen für den Filtereinsatz eine für die Reduktionsreaktion optimale Reduktionstemperatur eingestellt werden, um den Anteil an kohlenstoffhaltigen Verbindungen in dem entstehenden Gasvolumen auf einen minimal möglichen Wert zu vermindern.

So wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Filtereinsatzes mit Kühlmittel vorgeschlagen, den Filtereinsatz als ein Kombigestrick auszubilden, welches aus einem als Reduktionsmittel dienenden Draht, der aus einem Metall oder einer Metallegierung aus der Gruppe der Erdalkalimetalle oder einem Metall oder einer Metallegierung eines Metalles der Borgruppe gebildet ist, sowie aus einem als Kühlmittel dienenden Draht aus Baustahl oder Edelstahl gestrickt ist. Während der als Kühlmittel dienende Draht sehr schnell die wirksame Wärmemenge aufnimmt und speichert bzw. nach außen an das Gehäuse des Gasgenerators abgibt, kann der als Reduktionsmittel dienende Draht, welcher zumindest geringfügig in der Anfangsphase von der an seiner Oberfläche ausgebildeten Oxidschicht geschützt ist, mit dem auf die Reduktionstemperatur abgekühlten Gasvolumen reagieren.

Der als Reduktionsmittel dienende Draht hat hierzu vorzugsweise einen Drahtdurchmesser von kleiner oder gleich 0,5 mm, während der Kühldraht für einen ausreichenden Wärmetransport und Speicherkapazität einen größeren Drahtdurchmesser von größer oder gleich 0,5 mm aufweist.

Anstelle den Filtereinsatz als Kombigestrick auszubilden, ist es alternativ möglich, den eigentlichen Filtereinsatz lediglich aus einem als Reduktionsmittel dienenden Draht zu fertigen und in den Filtereinsatz anschließend Kühldrähte einzupressen, welche in Strö mungsrichtung des Gasvolumens gesehen den als Reduktionsmittel dienenden Drähten vorgeordnet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen pyrotechnischen Gasgenerator, mit dem ein Gasvolumen erzeugt werden soll, welches zum Betätigen einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung, wie einem Airbag oder einem Gurtstraffer, zu zuführen ist. Der Gasgenerator ist in herkömmlicher Weise mit einem Zünder, einem Treibsatz zum Erzeugen des Gasvolumens sowie einem in Strömungsrichtung des Gasvolumens gesehen dem Treibsatz nachgeordneten Filtereinsatz ausgestattet. Als Filtereinsatz dient bei dem erfindungsgemäßen Gasgenerator ein erfindungsgemäßer Filtereinsatz, wie er zuvor beschrieben wurde, der zum Abspalten und Abscheiden von Kohlenstoff, welcher in gasförmigen Verbindungen des vom Gasgenerator zu erzeugenden Gasvolumens gebunden ist, dient.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Gasgenerator mit einer Kühleinsatz zum Kühlen des Gasvolumens auf eine vorbestimmte Temperatur ausgestattet, welche dem Filtereinsatz in Strömungsrichtung des Gasvolumens gesehen vorgeordnet ist. Wie zuvor bereits bei der Erläuterung des erfindungsgemäßen Filtereinsatzes beschrieben wurde, ist es von besonderem Vorteil, wenn das entstehende Gasvolumen auf eine definierte Reduktionstemperatur gekühlt wird, die beispielsweise bei Aluminium oder Magnesium als Reduktionsmittel in einem Bereich von etwa 550°C bis 650°C liegt, um eine optimale Reduktionsreaktion am erfindungsgemäßen Filtereinsatz zu erreichen. Der Kühleinsatz ist vorzugsweise so dimensioniert, dass das entstehende Gasvolumen auf eine Reduktionstemperatur abgekühlt wird, welche knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Reduktionsmittels liegt, also etwa 10°C bis 20°C niedriger ist als die Schmelztemperatur des Reduktionsmittels.

Des weiteren wird bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gasgenerators vorgeschlagen, der Filtereinheit in Strömungsrichtung des Gasvolumens gesehen einen Sicherheitsfilter zum Filtern des Gasvolumens vor dem Zuführen zur Fahrzeugsicherheitseinrichtung nachzuordnen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles eines Gasgenerators mit einem erfindungsgemäßen Filtereinsatz, welchem ein Kühleinsatz in Strömungsrichtung gesehen vorgeordnet ist,
2 eine geschnittene Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Gasgenerators mit einem erfindungsgemäßen Filtereinsatz mit integriertem Kühlmittel, welcher als Kombigestrick ausgeführt ist, und
3 eine geschnittene Seitenansicht eines Fahrzeugsicherheitssystemes mit einem durch ein Leitungssystem an einen Gasgenerator angeschlossen Kopfairbag, wobei im Leitungssystem ein erfindungsgemäßer Filtereinsatz angeordnet ist.
1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Gasgenerators 10, der mit einem nicht dargestellten Kopfairbag in Strömungsverbindung steht. Der Gasgenerator 10 hat ein zylindrisches Gehäuse 12, in dessen Zentrum eine Zündkammer 14 ausgebildet ist, in der eine Zündeinrichtung 16 aufgenommen ist. Die Zündeinrichtung 16 ist in herkömmlicher Weise mit einer Zündelektronik (nicht dargestellt) verbunden, welche entsprechend vorgegebener Verzögerungswerte des Fahrzeuges die Zündeinrichtung 16 auslöst.
Die Zündkammer 14 steht über mehrere Kanäle 18 mit einer die Zündkammer 14 konzentrisch umgebenden Kammer 20 in Strömungsverbindung, in welcher ein pyrotechnischer Treibsatz 22 in Form von Treibpellets 24 enthalten ist. Die Kammer 20 steht ihrerseits durch mehrere an ihrem in 1 unten dargestellten Ende vorgesehene Öffnungen 26 mit einer Filterkammer 28 in Strömungsverbindung, welche die Kammer 20 konzentrisch umschließt.
In der Filterkammer 28 ist ein ringförmiger Kühleinsatz 30 aufgenommen, der aus einem Drahtgestrick aus einem Stahldraht gefertigt ist. Der Stahldraht hat einen Drahtdurchmesser von etwa 0,6 bis 0,8 mm und dient als Kühlmittel, um das bei einem Abbrennen der Treibpellets 24 entstehende Gas auf eine vorgegebene Reduktionstemperatur abzukühlen. Des weiteren dient der Kühleinsatz 30 als Filter, mit dem Schwebstoffe und Feststoffe aus dem durch die Filterkammer 26 hindurchströmenden Gas gefiltert werden.
In der Filterkammer 28 ist ferner ein auf dem ringförmigen Kühleinsatz 30 aufliegender Filtereinsatz 32 angeordnet, welcher gleichfalls ringförmig ausgebildet ist und als Filter- sowie Reduktionsmittel dient. Zu diesem Zweck ist der Filtereinsatz 32 als Drahtgestrick aus einem Aluminiumdraht gefertigt, der einen Drahtdurchmesser von etwa 0,3 bis 0,5 mm hat. Der Aluminiumdraht des Filtereinsatzes 32 oxidiert unmittelbar nach seiner Bearbeitung an seiner Oberfläche unter Bildung einer kubisch-kristallinen γ-Al₂O₃-Schicht, welche die Drahtoberfläche vor weiterer Oxidation durch Luftsauerstoff zunächst schützt.
Die Filterkammer 28 hat an ihrem in 1 oben gezeigten Ende jeweils mehrere Austrittsöffnungen 34, in die Sicherheitsfilter 36 eingesetzt sind, um von dem durch die Filterkammer 28 mit hoher Geschwindigkeit hindurchströmenden Gas mitgerissene Treibsatzpartikel oder Partikel, welche von den beiden Einsätzen 30 und 32 stammen, vor dem Zuführen des Gases an den Kopfairbag herauszufiltern.
Im Falle einer Kollision des Fahrzeuges, in dem der Kopfairbag angeordnet ist, wird zunächst in herkömmlicher Weise die Zündeinrichtung 16 gezündet. Die Zündeinrichtung 16 erzeugt dabei Gase mit sehr hohen Temperaturen, welche durch die Kanäle 18 die Treibpellets 24 des pyrotechnischen Treibsatzes 22 zünden. Der pyrotechnische Treibsatz 22 brennt entsprechend einem vorgegebenen Abbrennschema ab und erzeugt dabei ein für das Entfalten und Aufblasen ausreichendes Gasvolumen. Das entstehende Gasvolumen wird durch die Öffnungen 26 aus der Kammer 20 in die Filterkammer 28 geleitet, wie durch die mit R gekennzeichneten Pfeile angedeutet ist.
In der Filterkammer 28 wird das Gasvolumen mit Hilfe des Kühleinsatzes 30 von Partikeln, welche bei der explosionsartigen Verbrennung des Treibsatzes 22 entstehen, gefiltert und gleichzeitig die Temperatur des Gasvolumens auf eine Temperatur in einem Bereich von 550°C bis 650°C abkühlt.
Anschließend strömt das so abgekühlte und gefilterte Gas durch den Filtereinsatz 32. Wie nachfolgend erläutert wird, dient der Filtereinsatz 32 nicht nur als zweite Filtereinheit für das Gas, sondern insbesondere auch als Reduktionsmittel für im Gas enthaltene kohlenstoffhaltige Verbindungen.
So entsteht beim Verbrennen des pyrotechnischen Treibsatzes 22 neben Stickoxiden insbesondere auch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Der Filtereinsatz 32 besteht, wie zuvor bereits erläutert wurde, aus einem Drahtgestrick aus einem Aluminiumdraht. Der Aluminiumdraht ist zwar, wie beschrieben, an seiner Oberfläche oxidiert und durch eine kubisch-kristalline γ-Al₂O₃-Schicht vor Oxidation durch Luftsauerstoff geschützt. Diese sehr poröse γ-Al₂O₃-Schicht läßt jedoch aufgrund ihrer Porösität eine Reduktionsreaktion des unter der γ-Al₂O₃-Schicht vorliegenden Aluminiums mit Sauerstoff bei höheren Temperaturen zu.
Da das Gas nach dem Abkühlen eine Temperatur in einem Bereich von 550°C bis 650°C aufweist, kann so das unter der γ-Al₂O₃-Schicht vorliegende Aluminium mit dem im Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gebundenen Sauerstoff unter Abspaltung von Kohlenstoff gemäß den folgenden Reaktionsgleichungen reagieren: 3CO + 2Al → Al₂O₃ + 3C (1) 3CO₂ + 4Al → 2Al₂O₃ + 3C (2)
Bei diesen Reaktionen bildet sich an der der Drahtoberfläche des Filtereinsatzes 32 eine poröse Al₂O₃-Schicht aus, auf welcher sich der Kohlenstoff in kristalliner Form niederschlägt. Der Durchmesser des für den Filtereinsatz 32 verwendeten Drahtes, die Packungsdichte sowie die Maschengröße des gestrickten Filtereinsatzes 32 sind dabei so gewählt, dass die Umsatzrate, die von der Oberfläche des Filtereinsatzes 32 und damit von dessen Drahtdurchmesser, dessen Packungsdichte sowie dessen Maschendichte abhängt, so bemessen ist, dass die Anteile an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Gas nach dem Durchströmen des Filtereinsatzes 32 unter maximal zulässige Höchstwerte vermindert sind. Anschließend strömt das so behandelte Gas durch die in den Austrittsöffnungen 34 gehaltenen Sicherheitsfilter 36 in den Kopfairbag.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasgenerators 40 in geschnittener Seitenansicht dargestellt, der gleichfalls für einen Airbag als Fahrzeugsicherheitseinrichtung verwendet werden soll. Der Gasgenerator 40 hat ein als hohlzylinderförmige Hülse ausgebildetes Gehäuse 42, dass an seinen Enden geschlossen ist. In das Gehäuse 42 ist eine Zündeinrichtung 44 eingesetzt, welche in herkömmlicher Weise von eine Zündelektronik (nicht dargestellt) zu zünden ist.
Auf der Zündeinrichtung 44 sind als pyrotechnischer Treibsatz 46 Treibpellets 48 aufgeschichtet, welche unmittelbar auf der Zündeinrichtung 44 aufliegen. In Strömungsrichtung R des entstehenden Gasvolumens gesehen dem Treibsatz 46 nachgeordnet ist ein Filtereinsatz 50, welcher als Kombigestrick aus einem Aluminiumdraht und einem Stahldraht gefertigt ist. Der Aluminiumdraht hat dabei einen Durchmesser von etwa 0,4 mm, während der Stahldraht einen Durchmesser von 0,5 mm aufweist.
Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, dient auch hier der Aluminiumdraht des Filtereinsatzes 50 als Reduktionsmittel, mit dem in gleicher Weise wie bei dem Filtereinsatz 32 des zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispieles in dem vom Treibsatz 46 zu erzeugenden Gas enthaltenes Kohlenmonoxid und Kohlendioxid aufgespalten und der gebundene Kohlenstoff abgeschieden wird.
Der Stahldraht dient dagegen als Kühlmittel, um das vom Treibsatz 46 zu erzeugende Gas auf eine Reduktionstemperatur von 550°C bis 650°C abzukühlen, wenn das Gas durch den Filtereinsatz 50 hindurchströmt.
An dem in 2 oben dargestellten Ende des Gehäuses 42 sind mehrere Austrittsöffnungen 52 vorgesehen, in welche jeweils ein Schutzfilter 54 aus Drahtgestrick eingesetzt ist, welcher verhindert, dass noch vom Gas mitgerissene Partikel aus dem Gasgenerator 40 in die Fahrzeugsicherheitseinrichtung gelangen.
Die beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen nur zwei mögliche Ausführungsbeispiele dar, in welcher Weise der erfindungsgemäße Filtereinsatz 32 bzw. 50 eingesetzt werden kann.
So ist es beispielsweise auch denkbar, im ersten Ausführungsbeispiel anstelle des ringförmigen Filtereinsatzes 32 das ringförmige Kombigestrick aus Aluminiumdraht und Stahldraht zu verwenden, das im zweiten Ausführungsbeispiel erläutert ist. Ferner ist es denkbar, den Filtereinsatz 32 aus Stahldraht zu fertigen und den Stahldraht mit einer reduzierend wirkenden Beschichtung aus Aluminium, Magnesium oder einem anderen geeigneten Material zu versehen. Der Filtereinsatz 32 kann in diesem Fall auch nur teilweise beschichtet sein, so dass der in Strömungsrichtung des Gases gesehen vorgeordnete Abschnitt des Filtereinsatzes 32 unbeschichtet verbleibt und als Kühlmittel dient.
In 3 ist in geschnittener Ansicht ein Fahrzeugsicherheitssystem 60 dargestellt. Das Fahrzeugsicherheitssystem 60 weist einen Kopfairbag 62 auf, welcher in herkömmlicherweise zusammengefaltet in einem Airbagbehälter 64 aufgenommen ist, der beispielsweise am Lenkrad (nicht dargestellt) des Fahrzeuges vorgesehen ist.
Der Kopfairbag 62 steht über einen Anschluss 66 mit einem Leitungssystem 68 in Verbindung, das den Kopfairbag 62 mit einem herkömmlichen pyrotechnischen Gasgenerator 70 verbindet. Der pyrotechnische Gasgenerator 70 weist ein Gehäuse 72 auf, in dem eine mit einer Zündelektronik (nicht dargestellt) auszulösende Zündeinrichtung 74 aufgenommen ist. Die Zündeinrichtung 74 dient zum Zünden eines aus einer Vielzahl Treibpellets 76 gebildeten Treibsatzes 78, welcher gleichfalls in dem Gehäuse 72 aufgenommen ist und bei seiner Zündung ein vorbestimmtes Gasvolumen erzeugt.
In Strömungsrichtung R des Gasvolumens gesehen ist nach dem Treibsatz 78 ein herkömmlicher Filter 80 im Gehäuse 72 des Gasgenerators 70 eingesetzt, welcher im Gasvolumen enthaltene Schwebstoffe herausfiltert und gleichzeitig die Temperatur des im Gasgenerator 70 erzeugten Gases auf eine Temperatur in einem Bereich von 550°C bis 650°C abkühlt.
Im Leitungssystem 68 ist in Strömungsrichtung R des Gases gesehen vor dem Anschluß 66 des Kopfairbags 62 ein erfindungsgemäßer Filtereinsatz 82 eingesetzt, welcher aus einem Drahtgestrick aus Magnesium gefertigt ist. Der erfindungsgemäße Filtereinsatz 82 dient – wie die beiden Filtereinsätze 32 und 50 der beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele – als Reduktionsfilter zum Aufspalten von im Gasvolumen enthaltenen kohlenstoffhaltigen Verbindungen, nämlich Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, sowie zum Abscheiden des dabei entstehenden Kohlenstoffs aus dem Gasstrom.
In Strömungsrichtung R des Gasstromes gesehen nach dem Filtereinsatz 82 ist im Anschluß 66 ein Sicherheitsfilter 84 gehalten, welcher im Gasstrom noch enthaltene Schwebstoffe vor dem Eintritt des Gasvolumens in den Kopfairbag 62 herausfiltert. Der Sicherheitsfilter 84 kann gleichfalls aus einem Drahtgestrick oder Drahtgewirr gefertigt sein.
Sobald die Zündelektronik von einem nicht dargestellten Verzögerungssensor ein Auslösesignale erhält, aktiviert die Zündelektronik die Zündeinrichtung 74, welche ihrerseits den Treibsatz 78 zündet. Der Treibsatz 78 erzeugt dann entsprechend einem vorgegebenen Abbrandschema ein Gasvolumen, welches durch den Filter 80 in das Leitungssystem 68 einströmt und dabei gereinigt und abgekühlt wird.
Anschließend strömt das heiße Gas durch den erfindungsgemäßen Filtereinsatz 82 aus Magnesiumdraht, wobei die im Gas enthaltenen kohlenstoffhaltigen Verbindungen Kohlenmonoxid und Kohlendioxid entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen aufgespalten werden: CO + Mg → MgO + C (3) CO₂ + 2Mg → 2MgO + C (4)
Dabei bildet sich auf der Oberfläche des Magnesiumdrahtes des Filtereinsatzes 82 eine poröse Magnesiumoxidschicht aus, auf welcher sich der bei den Reduktionsreaktionen entstehende Kohlenstoff ablagert.
Der Filtereinsatz 82 ist dabei hinsichtlich seines Drahtdurchmessers, seiner Packungsdichte sowie seiner Maschengröße so gewählt, dass die Anteile an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Gas nach dem Durchströmen des Filtereinsatzes 82 unter maximal zulässige Höchstwerte vermindert sind.
Anschließend strömt das so behandelte Gas durch den Sicherheitsfilter 84 in den Kopfairbag 62, um diesen aufzublasen.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, mehrere Filtereinsätze 82 aus Magnesiumdraht hintereinander im Leitungssystem 68 anzuordnen. Ferner ist es denkbar, einen Gasgenerator zu verwenden, der, wie in den ersten beiden Ausführungsbeispielen erläutert, gleichfalls mit einem Filtereinsatz zum Aufspalten der Kohlenstoffverbindungen ausgelegt ist.

10: Gasgenerator
12: Gehäuse
14: Zündkammer
16: Zündeinrichtung
18: Kanäle
20: Kammer
22: pyrotechnischer Treibsatz
24: Treibpellets
26: Öffnungen
28: Filterkammer
30: Kühleinsatz
32: Filtereinsatz
34: Austrittsöffnungen
36: Sicherheitsfilter
R: Strömungsrichtung
40: Gasgenerator
42: Gehäuse
44: Zündeinrichtung
46: pyrotechnischer Treibsatz
48: Treibpellets
50: Filtereinsatz
52: Austrittsöffnungen
54: Sicherheitsfilter
R: Strömungsrichtung
60: Fahrzeugsicherheitssystem
62: Kopfairbag
64: Airbagbehälter
66: Anschluß
68: Leitungssytem
70: Gasgenerator
72: Gehäuse
74: Zündeinrichtung
76: Treibpellets
78: Treibsatz
80: Filter
82: Filtereinsatz
84: Sicherheitsfilter
R: Strömungsrichtung

Claims

Filtereinsatz für einen pyrotechnischen Gasgenerator einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung, insbesondere eines Airbags oder eines Gurtstraffers, der zum Filtern des vom Gasgenerator (10; 40; 70) erzeugten Gasvolumens dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinsatz (32; 50; 82) als Reduktionseinsatz dient und ein Reduktionsmittel zum Abspalten und Abscheiden von in gasförmigen Verbindungen des vom Gasgenerator (10; 40; 70) zu erzeugenden Gasvolumens gebundenen Kohlenstoff aufweist.
Filtereinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel ein Metall, eine Metallegierung oder eine Metallverbindung aus der Gruppe der Erdalkalimetalle oder ein Metall, eine Metallegierung oder eine Metallverbindung aus einem Metall der Borgruppe dient.
Filtereinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinsatz (32; 50; 82) zumindest abschnittsweise aus einem als Reduktionsmittel dienenden Draht gefertigt ist, welcher aus einem Metall oder einer Metallegierung aus der Gruppe der Erdalkalimetalle oder aus einem Metall oder einer Metallegierung aus einem Metall der Borgruppe besteht.
Filtereinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinsatz zumindest abschnittsweise mit dem Reduktionsmittel beschichtet ist, wobei das Reduktionsmittel vorzugsweise durch eine Washcoat-Zwischenschicht auf dem Filtereinsatz gehalten ist.
Filtereinsatz nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Aluminium oder eine Aluminiumlegierung dient.
Filtereinsatz nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Magnesium oder eine Magnesiumlegierung dient.
Filtereinsatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinsatz (32; 50; 82) als Drahtgestrick, Drahtgewebe oder Drahtgewirr ausgebildet ist, welches gegebenenfalls durch Umformen in eine definierte Form gebracht ist.
Filtereinsatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Filtereinsatz (50) ein Kühlmittel zum Kühlen des vom Gasgenerator (40) zu erzeugenden Gasvolumens auf eine vorbestimmte Reduktionstemperatur integriert ist.
Filtereinsatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinsatz (50) als ein Kombigestrick ausgebildet ist, welches aus einem als Reduktionsmittel dienenden Draht, der aus einem Metall oder einer Metallegierung aus der Gruppe der Erdalkalimetalle oder aus einem Metall oder einer Metallegierung aus einem Metall der Borgruppe gebildet ist, sowie aus einem als Kühlmittel dienenden Draht aus Baustahl oder Edelstahl gestrickt ist.
Filtereinsatz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der als Reduktionsmittel dienende Draht einen Drahtdurchmesser von kleiner oder gleich 0,5 mm und der Kühldraht einen Drahtdurchmesser von größer oder gleich 0,5 mm hat.
Pyrotechnischer Gasgenerator zum Erzeugen eines Gasvolumens, welches zum Betätigen einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung, wie einem Airbag oder einem Gurtstraffer, zuzuführen ist, mit einem Zünder (16; 44), einem Treibsatz (22; 46) zum Erzeugen des Gasvolumens sowie einem in Strömungsrichtung (R) des Gasvolumens gesehen dem Treibsatz (22; 46) nachgeordneten Filtereinsatz (32; 50), dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinsatz (32; 50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist und zum Abspalten und Abscheiden von in gasförmigen Verbindungen des vom Gasgenerator (10; 40) zu erzeugenden Gasvolumens gebundenen Kohlenstoff dient.
Gasgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Filtereinsatz (32) in Strömungsrichtung (R) des Gasvolumens gesehen ein Kühleinsatz (30) zum Kühlen des Gasvolumens auf eine vorbestimmte Reduktionstemperatur vorgeordnet ist.
Gasgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionstemperatur knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Reduktionsmittels liegt.
Gasgenerator nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtereinheit (32; 50) in Strömungsrichtung (R) des Gasvolumens gesehen ein Sicherheitsfilter (36; 54) zum Filtern des Gasvolumens vor dem Zuführen zur Fahrzeugsicherheitseinrichtung nachgeordnet ist.