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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gasgenerator, welcher
in der Lage ist große Mengen
Gas mit einer niedrigen Temperatur zu erzeugen. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf einen Gasgenerator oder auf eine Aufblasvorrichtung zum
Aufblasen eines aufblasbaren Elementes, wie etwa der für den Notausstieg
vorgesehenen Rampen oder Gleitrutschen, Rettungsflößen usw.,
welche bei dem kommerziellen Luftverkehr mitgeführt werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Anfänglich verwendete
Gasgeneratoren, welche dazu eingesetzt wurden, um im Notfall große Ausstiegsrutschen
oder -rampen bei dem kommerziellen Luftverkehr aufzublasen, beruhten
auf einem pyrotechnischen Gaserzeugungsmittel, welches ein großes Volumen
eines heißen
Gases bei einer Verbrennung erzeugte. Man entdeckte jedoch bald,
dass die Temperatur des heißen
Gases hoch genug war, um sowohl den für die Konstruktion der als
Notausstieg vorgesehenen Rampe oder Gleitrutsche benutzten Textilstoffs
zum Brennen zu bringen als auch bei einem jeden, der die Notausstiegsrampe
oder -rutsche benutzte Verbrennungen hervorzurufen. Weil die Temperatur
des Aufblasgases außerdem
erheblich über
der Umgebungstemperatur liegt, würden
sich die Rampe oder die Rutsche teilweise entleeren, wenn sich das
Gas abkühlt
und der Druck des Gases als ein Ergebnis des Temperaturwechsels
abnimmt. Dies erwies sich insbesondere dann als wahr und zutreffend,
wenn ein Flugzeug dazu gezwungen war in kalten Wasser aufzusetzen,
so wie man dasselbe in den nördlichen
Ozeanen vorfindet.
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Pyrotechnische
Gasgeneratoren sind ebenfalls verwendet worden, um kleinere Gasvolumina
für andere
Anwendungen zu erzeugen, wie etwa zum Aufblasen einer Haltevorrichtung
für Insassen
eines Fahrzeuges. Ein Beispiel von pyrotechnischen Gasgeneratoren,
wie sie in diesem Zusammenhang verwendet werden, ist in dem US Patent
No. 5,494,312 offenbart worden, welches als dem aktuellen Stand der
Technik am nächsten
stehend betrachtet wird.
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Bei
dem Versuch, die oben beschriebenen Mängel pyrotechnischer Aufblasvorrichtungen
zu überwinden,
wurden derartige Flöße und Rampen oder
Gleitrutschen unter Verwendung eines Druckgases aufgeblasen, so
wie dies in dem US Patent No. 4,355,987 von Miller und in dem US
Patent No. 5,586,615 von Hammer et al. offenbart worden ist. Jedoch,
dort wo nur ein Druckgas verwendet wird, um das Floß oder die
Rampe oder die Gleitrutsche aufzublasen, tritt bei dem Gas ein starker
Temperaturabfall auf, während
sich dasselbe ausdehnt, was oft eine Eisbildung verursacht, welche
den Fluss des Gases blockieren kann. Um diese Probleme zu überwinden,
verwendet man bei den für
den Notausstieg vorgesehenen Rampen oder Gleitrutschen und Rettungsflöße, welche
gegenwärtig
im kommerziellen Luftverkehr eingesetzt werden, typischerweise ein System
zum Aufblasen, welches eine Quelle für die Druckluft und eine Saugvorrichtung
umfasst, etwa ein solches System, wie es in dem US Patent No. 4,368,009
von Heimovics et al. offenbart worden ist. Während das Druckgas freigesetzt
wird, veranlasst das dadurch erzeugte Vakuum die Saugvorrichtung dazu,
etwa viermal so viel Gas aufzunehmen, wie Gas von der Druckgasquelle
geliefert wird.
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Jedoch
weisen sogar auch diese Saugsysteme mehrere Nachteile auf. Sie sind
groß und
schwer, und sie erzeugen Gas bei einer relativ geringen Geschwindigkeit.
Darüber
hinaus wird die Geschwindigkeit weiter in dem Maß erniedrigt wie der Gegendruck des
Gases in dem Gegenstand ansteigt, welcher dabei ist aufgeblasen
zu werden. Dies kann Schwierigkeiten verursachen, z. B. bei dem
Entfalten einer für den
Notfall vorgesehenen Rampe oder Gleitrutsche bei einem Flugzeug,
welches auf dem Wasser gelandet ist. Wegen der geringen Geschwindigkeit
des Aufblasens können
eine Rampe oder eine Gleitrutsche unter dem Flugzeug schwimmen,
bevor sie vollständig
aufgeblasen sind, und sie werden auf diese Weise eingeschlossen.
Selbst dort, wo die Rampe oder die Gleitrutsche nicht gefangen bleiben,
kann die geringe Geschwindigkeit des Aufblasens die Insassen des
Flugzeugs dazu zwingen so lange zu warten, bis die Rampe oder die
Gleitrutsche vollständig
aufgeblasen ist, was zu Panik auf der Seite der Passagiere führen kann.
Daher ist es wünschenswert,
die zum Aufblasen der Rampe oder der Gleitrutsche erforderliche
Zeitdauer zu minimieren.
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Das
Gewicht eines aus einer Saug- und Aufblasvorrichtung bestehenden
Systems ist groß, selbst
dann wenn der Hochdruckbehälter,
welcher erforderlich ist, um das Druckgas zu speichern, aus Leichtmaterialien
hergestellt ist, wie etwa aus Titan mit einer gewundenen Ummantelung
aus Graphitfasern. Dies vermindert die Transportkapazität des Flugzeuges.
Diese Systeme werfen auch ein Wartungsproblem auf, nämlich um
zu gewährleisten, dass
der erforderliche Gasdruck aufrechterhalten bleibt und dass die
Saugvorrichtung in geeigneter, richtiger Weise funktioniert. Darüber hinaus
kann selbst dann, wenn man eine unter hohem Druck stehende Gasquelle
verwendet wird, ein Saugsystem nur einen maximalen Druck von etwa
2 psig, d. h. etwa 2 psi über
dem normalen Atmosphärendruck
liefern. Daher muss, um die Insassen des Flugzeuges zu tragen, ein
mit einer Saugvorrichtung aufgeblasenes aufblasbares Element weit
größer sein
als es erforderlich sein würde,
wenn das Element auf einen höheren
Druck aufgeblasen werden würde.
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Daher
verbleibt ein Bedarf für
eine schnelle, relativ leichtgewichtige Vorrichtung zum Aufblasen, welche
in der Lage ist, eine für
den Notausstieg aus einem Flugzeug vorgesehene Rampe oder Gleitrutsche,
bzw. ein vorgesehenes Lebensrettungsfloß oder andere relativ große aufblasbare
Objekte, schnell aufzublasen und unter einen relativ hohen Druck
zu bringen. Die vorliegende Erfindung liefert eine solche Vorrichtung
zum Aufblasen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufblasen,
welche so angepasst ist, dass sie eine ausreichende Menge eines gasförmigen Produktes
erzeugt, um ein aufblasbares Element im Wesentlichen aufzublasen.
Die Vorrichtung zum Aufblasen umfasst eine Gasquelle in einer ersten
Stufe, welche sich in einer Fluidverbindung mit einer Gasquelle
in einer zweiten Stufe befindet, welche ihrerseits in einer Fluidverbindung
mit dem aufblasbaren Element steht. Die Gasquelle der zweiten Stufe
enthält
ein verflüssigtes
Gas in einer Menge, welche ausreichend ist, um das aufblasbare Element im
Anschluss an eine Verdampfung des verflüssigten Gases aufzublasen,
und die Gasquelle der ersten Stufe ist in der Lage, eine ausreichend
große
Menge an Gas bei einer ausreichend hohen Temperatur zu der Gasquelle
der zweiten Stufe zu liefern, um das gesamte verflüssigte Gas
in der Gasquelle der zweiten Stufe im Wesentlichen zu verdampfen.
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Die
Gasquelle der ersten Stufe kann Mittel zum Erzeugen von Gas aus
der Verbrennung eines pyrotechnischen Materials enthalten, aus der
Freisetzung einer Menge von Druckgas oder aus einer Kombination
von beiden Mitteln. Nützliche
Druckgase schließen
mit ein, sind aber nicht darauf beschränkt, chemische Inertgase, insbesondere
Stickstoff, Helium und Argon.
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Vorzugsweise
enthält
die Gasquelle der ersten Stufe weiterhin ein Gehäuse der ersten Stufe oder Erststufengehäuse mit
einer inneren Oberfläche,
welche ein erstes inneres Volumen definiert, und wobei das Erststufengehäuse ein
Druckgas unter einem ersten Druck innerhalb des ersten, inneren
Volumens enthält.
Die bevorzugte Gasquelle der ersten Stufe enthält auch eine Erststufenabdichtung,
welche so angepasst ist, dass sie das Druckgas im Innern des ersten,
inneren Volumens unter dem ersten Druck hält und dass sie sich öffnet, wenn
das Gas einen im voraus bestimmten zweiten, höheren Druck erreicht, und die
bevorzugte Gasquelle enthält
ein pyrotechnisches Material innerhalb des inneren Volumens des
Erststufengehäuses,
welches Material als eine Wärmequelle über die
Verbrennung wirkt, um den Druck des Druckgases auf den zweiten,
höheren Druck
zu erhöhen,
womit die Erststufenabdichtung geöffnet wird, um so dem Gas zu
ermöglichen,
aus dem Erststufengehäuse
zu der Gasquelle der zweiten Stufe hinüberzuströmen. Die Verbrennung des pyrotechnischen
Materials wird typischerweise durch einen Anzünder eingeleitet, welcher im
thermischen Kontakt mit dem pyrotechnischen Material steht.
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Der
erste Druck des Druckgases ist vorzugsweise ausreichend hoch und
das pyrotechnische Material weist eine Verbrennungszeit auf, welche
ausreichend kurz ist, so dass infolge der Verbrennung das pyrotechnische
Material im Wesentlichen vollständig verbrennt
und zwar ohne einen wesentlichen Kontakt des brennenden Materials
mit der inneren Oberfläche.
Als ein Ergebnis wird mindestens ein Teil des sich unter dem ersten
Druck befindlichen Druckgases erhitzt, wodurch der Gasdruck auf
mindestens den zweiten Druck angehoben wird, um die Dichtung zu
veranlassen sich zu öffnen
und um das Druckgas zu veranlassen aus dem ersten, inneren Volumen
in einer Zeitspanne auszutreten, welche kurz genug ist, um im Wesentlichen
einen Übergang
von Wärme
auf das Erststufengehäuse
zu verhindern.
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Die
bevorzugte Gasquelle der zweiten Stufe umfasst typischerweise ein
Gehäuse
der zweiten Stufe oder Zweitstufengehäuse, welches ein zweites inneres
Volumen definiert, einen Einlass, einen Auslass und eine Gassteuervorrichtung
zum Lenken einer Menge Gas von der Gasquelle der ersten Stufe zu
einer vorherbestimmten Stelle im Innern der Gasquelle der zweiten
Stufe. Der Einlass befindet sich in einer Fluidverbindung mit der
Gasquelle der ersten Stufe und mit der Gassteuervorrichtung, um
dem Gas zu ermöglichen,
aus der Gasquelle der ersten Stufe zu der vorherbestimmten Stelle
im Innern der Gasquelle der zweiten Stufe hinüberzuströmen. Die Einführung des
Gases in die Gasquelle der zweiten Stufe verdampft das verflüssigte Gas
auf einen Druck, welcher ausreichend hoch ist, um die Abdichtung
in dem Auslass der zweiten Stufe zu öffnen und um dem verdampften,
verflüssigten
Gas zu ermöglichen, aus
der Gasquelle der zweiten Stufe in das aufblasbare Element hinüberzuströmen, wodurch
das Element aufgeblasen wird.
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Vorzugsweise
besteht die Gassteuervorrichtung aus einem Messrohr, welches sich
innerhalb des inneren Volumens des Zweitstufengehäuses erstreckt,
um Gas von der Gasquelle der ersten Stufe in das zweite, innere
Volumen zu liefern. Das Messrohr kann so angepasst sein, dass es
das Gas von der Gasquelle der ersten Stufe an verschiedenen Stellen
innerhalb des inneren Volumens des Zweitstufengehäuses freisetzt,
z. B. in der Nähe
des Einlasses der zweiten Stufe, in der Nähe des Auslasses der zweiten
Stufe, oder an einer Zwischenposition, dies in Abhängigkeit
von dem gewünschten
Temperaturprofil für
den Ausgang von der Gasquelle der zweiten Stufe.
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Das
verflüssigte
Gas der Gasquelle der zweiten Stufe kann irgendein Gas sein, das
sich verflüssigt,
wenn es unter Druck steht, aber welches verdampft, wenn es mit einem
relativ heißen
Gas gemischt wird. Nützliche
verflüssigte
Gase umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, solche Gase wie Freone,
Halone, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid. Vorzugsweise ist das verflüssigte Gas
eine Mischung aus Kohlenstoffdioxid mit bis zu etwa 25 Mol-% Stickstoff
Durch die geeignete Wahl des verflüssigten Gases und durch die
geeignete Positionierung der Gassteuervorrichtung kann die Gasquelle
der zweiten Stufe so angepasst werden, dass sie ein Gas mit einer
Temperatur zwischen etwa –10°C bis etwa
100°C liefert,
vorzugsweise etwa 0°C.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum schnellen Aufblasen
eines aufblasbaren Gegenstandes mit der Vorrichtung zum Aufblasen gemäß der Erfindung.
Das Verfahren umfasst ein Freisetzen des Gases aus einer Gasquelle
der ersten Stufe, um eine ausreichend hohe Menge an Gas unter einer
ausreichend hohen Temperatur zu liefern, um das gesamte verflüssigte Gas
in einer Gasquelle der zweiten Stufe, welche mit der Gasquelle der
ersten Stufe in einer Fluidverbindung steht, im Wesentlichen zu
verdampfen, und das Verfahren umfasst ein Einführen des freigesetzten Gases
aus der Gasquelle der ersten Stufe in die Gasquelle der zweiten
Stufe, welche sich in einer Fluidverbindung mit einem aufblasbaren
Element befindet und welche verflüssigtes Gas in einer Menge
enthält,
welche groß genug
ist, um das aufblasbare Element nachfolgend an die Verdampfung des
verflüssigten
Gases aufzublasen und das Verfahren umfasst ein Verteilen des verdampften
Gases aus der Gasquelle der zweiten Stufe im Innern des aufblasbaren
Elements zwecks Aufblasens des aufblasbaren Elementes.
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Vorzugsweise
wird ein pyrotechnisches Material, welches sich innerhalb des Gehäuses der
Gasquelle der ersten Stufe befindet, verbrannt, um Hitze zu erzeugen
und um dadurch den Druck des Druckgases innerhalb der Gasquelle
der ersten Stufe auf einen Druck zu erhöhen, welcher hoch genug ist,
um die Erststufenabdichtung zu öffnen
und um es so dem Gas zu ermöglichen,
aus der ersten Stufe zu der zweiten Stufe hinüberzuströmen. Am stärksten bevorzugt man, dass
der erste Druck ausreichend hoch ist und dass das pyrotechnische
Material eine Verbrennungszeit aufweist, welche ausreichend kurz
ist, so dass infolge der Verbrennung das pyrotechnische Material
im Wesentlichen vollständig
verbrennt und zwar ohne einen wesentlichen Kontakt des brennenden
Materials mit der inneren Oberfläche
des Gehäuses.
Als Ergebnis hieraus wird, wenn das pyrotechnische Material verbrannt
ist, die Wärme
aus dem brennenden Material im Wesentlichen vollständig auf das
Druckgas übertragen,
so dass das unter dem ersten Druck stehende Druckgas erhitzt wird,
wodurch der Gasdruck auf mindestens den zweiten Druck erhöht wird,
um die Erststufenabdichtung dadurch zu veranlassen sich zu öffnen und
um das Druckgas zu veranlassen, aus dem inneren Volumen in einer
Zeitspanne auszutreten, welche kurz genug ist, um im Wesentlichen
einen Übergang
von Wärme auf
die Gehäusevorrichtungen
zu verhindern.
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Das
Einführen
des Gases aus der Gasquelle der ersten Stufe in das innere Volumen
der Gasquelle der zweiten Stufe verdampft das verflüssigte Gas
in der Gasquelle der zweiten Stufe, wodurch sich der Druck innerhalb
der zweiten Stufe erhöht
und die Zweitstufenabdichtung geöffnet
wird, und wodurch dem verdampften, verflüssigten Gas aus der Gasquelle
der zweiten Stufe erlaubt wird, aus der Gasquelle der zweiten Stufe
freigesetzt zu werden in das aufblasbare Element hinein zwecks Aufblasens
des aufblasbaren Elementes.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Längsschnittsansicht
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, einschließlich
der ersten und der zweiten Gaserzeugungskomponenten;
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2 ist
eine Querschnittsansicht durch die Gasquelle der ersten Stufe, angelegt
entlang der Schnittlinie 2-2 der 1;
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3 ist
eine Querschnittsansicht durch die Gasquelle der zweiten Stufe,
angelegt entlang der Schnittlinie 3-3 der 1;
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4 illustriert
eine alternative Ausführung einer
zweiten Gasquelle gemäß der Erfindung,
welche ausgestattet ist mit einem Stopfen am Ende des durchlöcherten
Rohres in dem abschließenden
Ende des Rohres, welches sich bis in die zweite Stufe erstreckt;
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4A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
Teiles der 4, wobei sich die Öffnung der
Gassteuervorrichtung in einer ersten Position (Position A) jener
Steuervorrichtung befindet;
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5 ist
eine ähnliche
Ansicht wie diejenige der 4 und sie
illustriert eine Ausführung
mit Rohrperforationen in dem Endteil des Rohres gegenüber dem
abschließenden
Ende des Rohres, welches sich bis in die zweite Stufe erstreckt;
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5A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
Teiles der 5, wobei sich die Öffnung der
Gassteuervorrichtung in einer zweiten Position (Position B) jener
Steuervorrichtung befindet;
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6 illustriert
eine weitere alternative Ausführung
der Gasquelle der zweiten Stufe.
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6A ist eine erweiterte Querschnittsansicht
eines Teiles der 6, wobei sich die Öffnung der
Gassteuervorrichtung in einer dritten Position (Position C) jener
Steuervorrichtung befindet; und
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7 ist
ein Kurvenverlauf, bei welchem die Differenz der Temperatur zwischen
dem Inneren eines aufblasbaren Elementes und der Temperatur der Umgebung
aufgetragen ist gegen die Aufblaszeit für eine Gassteuervorrichtung,
welche an einer Vielzahl verschiedener Positionen mit einer Öffnung ausgestattet
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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So
wie der Begriff hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Temperaturprofil" auf die sich im
Verlauf der Zeit vollziehende Temperaturveränderung des Ausgangsgases der
Vorrichtung zum Aufblasen gemäß der Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufblasen
und auf ein Verfahren zum schnellen Erzeugen von großen Mengen
an Gas mit einer kontrollierten Temperatur unter Zuhilfenahme der
Vorrichtung zum Aufblasen. Die Vorrichtung zum Aufblasen umfasst
eine Gasquelle einer ersten Stufe, welche Gas mit einer Temperatur
erzeugt, die ausreichend hoch ist, um ein verflüssigtes Gas zu verdampfen,
und die Vorrichtung zum Aufblasen umfasst eine Hauptgasquelle einer
zweiten Stufe, welche verflüssigtes
Gas enthält.
Die Gasquellen der ersten und der zweiten Stufe stehen in einer
Fluidverbindung miteinander, so dass Gas, welches in der ersten
Stufe erzeugt wird oder gespeichert ist, in das verflüssigte Gas
in der Gasquelle der zweiten Stufe eingeführt wird, wodurch das verflüssigte Gas verdampft
und dadurch der Druck innerhalb der Gasquelle der zweiten Stufe
erhöht
wird. Der erhöhte Druck
innerhalb der Gasquelle der zweiten Stufe veranlasst eine Abdichtung
in der Gasquelle der zweiten Stufe dazu, sich zu öffnen, wodurch
dem verdampften Gas erlaubt wird, aus der Gasquelle der zweiten Stufe
zu entweichen. Das so erzeugte Gas wird z. B. zum Aufblasen eines
aufblasbaren Elementes verwendet, wie etwa bei einem Floß, bei einer
Rutsche oder bei einer Rampe oder bei einer Gleitrutsche.
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Die
Temperatur des Ausgangsgases aus der Quelle der zweiten Stufe wird
gesteuert durch die Stelle innerhalb der Gasquelle der zweiten Stufe,
an welcher der Ausgang aus der Gasquelle der ersten Stufe eingeführt wird.
Somit und in Abhängigkeit
von der Stelle, an welcher das Gas in die Gasquelle der zweiten
Stufe eingeführt
wird, kann die Vorrichtung zum Aufblasen gemäß der Erfindung erzeugen; (1) ein
Ausgangsgas mit einer im Wesentlichen konstanten Temperatur über diejenige
Zeitspanne hinweg, während
welcher die Vorrichtung zum Aufblasen sich im Betrieb befindet,
d. h. während
des Ausgangs des Gases, (2) ein Ausgangsgas mit einer anfänglich hohen
Temperatur, welche während
des Ausgangs des Gases abnimmt oder (3) ein Ausgangsgas mit einer anfänglich niedrigen
Temperatur, welche während des
Ausgangs des Gases zunimmt.
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Eine
Vorrichtung zum Aufblasen gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in der 1 gezeigt. Die Vorrichtung zum
Aufblasen 100 umfasst eine Gasquelle der ersten Stufe 101 für die Erzeugung
eines relativ heißen
Gases und eine Gasquelle der zweiten Stufe 102 für die Erzeugung
eines relativ kalten Gases. Eine vielfältige Anzahl von Gasgeneratoren,
wie sie gemäß dem Stand
der Technik bekannt sind, sind zur Erzeugung einer ausreichend großen Menge
an Gas bei einer ausreichend hohen Temperatur in der Lage, um das
verflüssigte
Gas in der Gasquelle der zweiten Stufe 102 zu verdampfen,
und sie können
in der Gasquelle der ersten Stufe 101 mit eingeschlossen
sein. Diese Generatoren erstrecken sich auf pyrotechnische Gasgeneratoren,
Druckgasquellen und Hybriddetektoren, welche aus einer Kombination
eines pyrotechnischen Materials und einer Druckgasquelle bestehen.
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Reine
pyrotechnische Gasgeneratoren für den
Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung finden gewöhnlich auch
als Vorrichtungen zum Aufblasen von Airbags (Luftsicherheitskissen)
in passiven Zurückhaltesystemen
von Automobilen Verwendung und sie sind nach dem Stand der Technik
gut bekannt. Pyrotechnische Gasgeneratoren umfassen typischerweise
ein Gehäuse,
welches ein pyrotechnisches Material enthält, das in der Lage ist, ein
Volumen an heißem
Gas über
die Verbrennung des pyrotechnischen Materials zu erzeugen, einen
Initiator oder einen Anzünder,
um die Verbrennung des pyrotechnischen Materials einzuleiten, und
sie umfassen typischerweise eine Abdichtung, welche sich bei einem
vorher bestimmten Druck öffnet,
um das erzeugte heiße
Gas freizusetzen, wie etwa ein zerreißbares Diaphragma oder ein Überdruckventil.
Anschließend an
den Empfang eines geeigneten Signals veranlasst der Initiator, dass
das pyrotechnische Material anfängt
zu brennen, und damit veranlasst er das Erzeugen eines heißen Gases
und damit das Erhöhen
des Drucks innerhalb des Gehäuses.
Die Abdichtung öffnet
sich, wodurch das heiße
Gas freigesetzt wird, wenn der Druck innerhalb des Gehäuses den
vorher bestimmten Druck erreicht hat.
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Typische
reine Druckgasquellen, wie sie im Zusammenhang mit der Gasquelle
der ersten Stufe 101 verwendet werden können, enthalten eine gewisse
Menge an Druckgas, das sich nach dem Freisetzen aus der Quelle ausdehnt,
um ein gewünschtes
Gasvolumen zu erzeugen. Weil der schnelle Anstieg des Druckes, welcher
die Abdichtung gegenüber
einer pyrotechnischen Gasquelle öffnet,
nicht während
des normalen Arbeitsbetriebs mit einer Quelle von reinem Druckgas
eintritt, ist für
die Freisetzung des Gases aus der Druckgasquelle ein zerreißbares Diaphragma
nicht geeignet, d. h. ein Diaphragma, das aus Metall, Kunststoff
oder aus einem anderen geeigneten Material hergestellt ist, welches bricht
und sich öffnet,
wenn der Druckunterschied quer über
das Diaphragma hinweg einen vorher bestimmten Wert überschreitet,
oder ein Überdruckventil
ist nicht geeignet, d. h. ein Ventil, welches sich automatisch öffnet, wenn
der Druckunterschied quer über
das Ventil hinweg einen vorher bestimmten Wert überschreitet. Stattdessen sind
andere Vorrichtungen zur Freisetzung des Druckgases, wie etwa ein sich
schnell öffnendes
Ventil, eine mit einem explosiven Bolzen gehaltene Abdichtung oder
andere ähnliche
mechanische, chemische oder elektronische Geräte erforderlich, um das Gas
aus der Gasquelle der ersten Stufe 101 freizusetzen.
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Die
bevorzugte Gasquelle der ersten Stufe 101 ist jedoch eine
Hybridvorrichtung zum Aufblasen, wie sie in der gleichzeitig anhängigen,
gemeinsam übertragenen
und am 22. Dezember 1995 eingereichten Anmeldung No. 08/587,773 über ein "Inflatable Passenger
Restraint and Inflator therefore" ("Aufblasbares System
zum Zurückhalten
von Insassen und Vorrichtung zum Aufblasen desselben") offenbart worden
ist, wovon der Inhalt durch die Bezugnahme im vollen Umfang mit
hierin eingebunden wird. Eine bevorzugte Hybridvorrichtung zum Aufblasen
umfasst ein Gehäuse 1,
welches ein erstes inneres Volumen 6 definiert, wobei das
Volumen 6 ein unter einem hohen Druck stehendes chemisches
Inertgas enthält,
wie etwa Stickstoff oder Argon, ein pyrotechnisches Material 3p und
einen Initiator 5, z. B. eine pyrotechnische Zündkapsel,
um die Verbrennung des pyrotechnischen Materials 3p in
Gang zu setzen. Andere nützliche
Zündinitiatoren
zum Einleiten der Zündung
der im Rahmen der Erfindung nützlichen
pyrotechnischen Materialien sind nach dem Stand der Technik gut
bekannt. Das bevorzugte pyrotechnische Material enthält Ammoniumnitrat
als ein Oxidationsmittel, eine Energiequelle, z. B. RDX, HMX, C1-20,
TEX, NQ, NTO, TAGN, PETN, TATB, TNAZ oder Mischungen derselben und
ein mit einem Lösungsmittel
verarbeitbares Bindemittel. Das unter Druck stehende Gas kann durch
einen Fülleingang 9 in
das Gehäuse
eingeführt
werden. Eine Dichtung für die
erste Stufen 8, welche innerhalb einer Auslassöffnung 7 der
ersten Stufe angeordnet ist, hält
den Druck des Druckgases innerhalb des inneren Volumens 6 aufrecht,
aber sie öffnet
sich, wenn das Gas infolge der Verbrennung eines pyrotechnischen
Materials 3p einen vorher bestimmten höheren Druck erreicht. Die Erststufenabdichtung 8 kann
ein zerreißbares
Diaphragma oder ein Überdruckventil
sein.
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Das
pyrotechnische Material 3p kann irgendein nach dem Stand
der Technik bekanntes pyrotechnisches Material sein, welches eine
schnelle Brenngeschwindigkeit aufweist, d. h. in typischer Weise
eine solche von weniger als etwa 10 Millisekunden, und es kann zu
irgendeiner Gestalt geformt sein, welche die schnelle Verbrennung
des Materials erlaubt, z. B. zu Pulver, Flocken, Pellets oder Stäben. Das
bevorzugte pyrotechnische Material weist eine Brennzeit auf, welche
ausreichend kurz ist, und der Druck des Gases in der Gasquelle der
ersten Stufe ist ausreichend hoch, d. h. typischerweise größer als etwa
10.000 psi, so dass infolge der Verbrennung das pyrotechnische Material
im Wesentlichen vollständig
verbrennt und zwar ohne einen wesentlichen Kontakt des brennenden
Materials mit der inneren Oberfläche
des Gehäuses 1 der
Gasquelle der ersten Stufe, so dass wenig oder gar keine thermische
Energie von dem brennenden Material auf das Gehäuse 1 übertragen
wird. Das pyrotechnische Material 3p kann innerhalb einer
mit einem Endstopfen 4 ausgestatteten Halterung 2h angeordnet
sein, wie dies in 1 gezeigt ist. Einer von den
beiden oder beide, nämlich
die Halterung 2h oder der Endstopfen 4, können in
einer festen, zerbrechlich oder porösen Form vorliegen, so lange
wie die Halterung 2h und der Endstopfen 4 es den durch
die Verbrennung des pyrotechnischen Materials 3p gebildeten
heißen
Gasen ermöglichen,
leicht und bequem aus der Halterung 2h zu entweichen, um
das Druckgas in dem Volumen 6 zu erhitzen, wodurch der
Druck des Gases erhöht wird.
Das pyrotechnische Material in der bevorzugten Gasquelle der ersten
Stufe braucht jedoch nicht in einem Behälter gespeichert zu sein, wie
dies in 1 gezeigt ist, sondern es kann
stattdessen als ein Stab ausgebildet sein, wobei das pyrotechnische
Material in einer dünnen
Beschichtung über
einer Schicht eines Isoliermaterials auf einer Oberfläche innerhalb des
Erststufengehäuses 1 aufgetragen
wird, oder in irgendeiner anderen Konfiguration, wie man sie gut nach
dem Stand der Technik kennt, wobei die Konfiguration so angepasst
ist, dass die erforderliche Geschwindigkeit der Verbrennung geliefert
wird.
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Wie
dies oben diskutiert worden ist überträgt die Verbrennung
des pyrotechnischen Materials 3p Wärmeenergie an den inerten Druckgas,
wodurch der Druck innerhalb des Erststufengehäuses 1 angehoben wird.
Die Erststufenabdichtung 8 öffnet sich, wenn der Druck
des Inertgases einen im voraus bestimmten höheren Druck erreicht, wodurch
es dem Gas ermöglicht
wird sich aus der Gasquelle der ersten Stufe 101 heraus
auszudehnen und durch die Auslassöffnung 7 der ersten
Stufe in die Gasquelle der zweiten Stufe 102 der Vorrichtung 100 zum
Aufblasen hinüberzuströmen. Dieser
Vorgang tritt vorzugsweise während
einer Zeitspanne auf, welche kurz genug ist, um irgendeinen wesentlichen Übergang
von Wärme
auf das Erststufengehäuse 1 zu verhindern.
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Die
Gasquelle der zweiten Stufe 102 umfasst ein zweites Gehäuse 10,
welches ein zweites inneres Volumen 13 mit einer inneren
Oberfläche
aufweist, und sie enthält
ein gespeichertes, verflüssigtes
Gas 11 mit einem typischerweise kleinen fehlenden Volumen 17 an
nicht verflüssigtem
Gas. Obwohl sowohl das Zweitstufengehäuse 10 als auch das
Erststufengehäuse 1 zylindrisch
sein können,
wie dies in den 1,2 und 3 gezeigt
wurde, können
diese Gehäuse
in irgendeiner Gestalt gebaut werden, welche den Raumanforderungen
für eine
gegebene Anwendung entspricht und welche die schnelle Erzeugung
von Gas ermöglicht.
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Das
verflüssigte
Gas 11 kann irgendein nach dem Stand der Technik bekanntes
Gas sein, welches in einem flüssigen
Zustand gespeichert werden kann, wenn es unter Druck steht, und
welches schnell verdampft, wenn es erhitzt wird oder wenn der Druck
auf das Gas vermindert wird. Gase, welche für den Gebrauch im Rahmen der
Erfindung verflüssigt
werden können,
entweder alleine oder in Verbindung miteinander, schließen mit
ein, ohne aber darauf beschränkt
zu sein, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff sowie Freone und Halone,
d. h. Chlorfluorkohlenstoffe und Bromfluorkohlenstoffe, welche jetzt
im Handel unter Formen erhältlich
sind, welche im Gegensatz zu Freon 11, CFCL3 und
Freon 12, CF2CL2,
mindestens ein Wasserstoffatom enthalten, und somit in der unteren Atmosphäre chemisch
entfernt werden, wodurch das Hineintragen der in den Molekülen vorhandenen Chlor-
und der Bromatome in die Stratosphäre verhindert wird und damit
die daraus resultierende Entfernung des Ozons aus der Ozonschicht.
Vorzugsweise besteht das verflüssigte
Gas aus Kohlenstoffdioxid oder aus einer Mischung von Kohlenstoffdioxid mit
bis zu etwa 25 Prozent Stickstoff.
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Das
Gehäuse
in der zweiten Stufe 10 umfasst weiterhin eine Öffnung und
einen Anschluss 12 zum Einfüllen von Gas, welche dazu verwendet
werden können,
um den Druck des gespeicherten, verflüssigten Gases 11 zu überwachen,
und es umfasst eine Auslassöffnung 14 für die zweite
Stufe, welche mit einer Zweitstufenabdichtung 15 geschlossen
ist. Die Zweitstufenabdichtung 15 hält das verflüssigte Gas 11 innerhalb
des inneren Volumens 13 des Zweitstufengehäuses 10 auf
einem ersten Speicherdruck aufrecht, aber sie öffnet sich, wenn das verflüssigte Gas
durch die Einführung
eines relativ heißen Gases
aus der Gasquelle der ersten Stufe 101 verdampft, und der
Druck innerhalb der Gasquelle der zweiten Stufe 102 auf
einen vorherbestimmten höheren
Druck ansteigt. Wie die Erststufenabdichtung 8 kann die
Zweitstufenabdichtung 15 ein zerreißbares Diaphragma, ein Überdruckventil
oder irgendein anderer Typ einer nach dem Stand der Technik bekannten
Abdichtung sein, die geöffnet
werden kann.
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Typischerweise
umfasst das Stufengehäuse 10 auch
einen Adapter 16 für
die Zwischenverbindung der Vorrichtung zum Aufblasen 100 mit
einem aufblasbaren Element 103, derart dass, wenn die Zweitstufenabdichtung 15 sich öffnet, verdampftes Gas
aus dem inneren Volumen 13 des Zweitstufengehäuses 10 heraus
fließt,
durch die Auslassöffnung 14 der
zweiten Stufe und durch den Adapter 16 hindurch in das
aufblasbare Element 103 hinein, so dass das aufblasbare
Element 103 schnell aufgeblasen wird.
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Die
Gasquelle der zweiten Stufe 102 umfasst auch ein Hilfsmittel
zum Lenken einer gewissen Menge Gas von der Gasquelle der ersten
Stufe zu einer vorherbestimmten Stelle im Innern der Gasquelle der zweiten
Stufe. Vorzugsweise ist das Hilfsmittel zum Lenken einer gewissen
Menge Gas von der Gasquelle der ersten Stufe zu einer vorherbestimmten
Stelle im Innern der Gasquelle der zweiten Stufe ein Messrohr 20.
Der Durchmesser des Messrohres 20 ist typischerweise annähernd der
gleiche wie derjenige der Öffnung 7 der
ersten Stufe, aber er kann angepasst werden, um die Geschwindigkeit
der Gase in dem Messrohr 20 in Abhängigkeit der Anwendung zu steuern.
Das Messrohr 20 führt
die Menge eines relativ heißen
Gases aus der Gasquelle der ersten Stufe 101 in das verflüssigte Gas 11 innerhalb
des inneren Volumens 13 des Zweitstufengehäuses 10 hinein.
Wenn das Zweitstufengehäuse 10 zylindrisch
ist, dann ist das Messrohr 20 typischerweise konzentrisch
mit dem Gehäuse 10,
wie dies in den 1 und 3 gezeigt
wird, aber es kann so angepasst werden, dass das Ausgangsgas aus
der Gasquelle der ersten Stufe 101 an irgendeinem Punkt
im Innern des verflüssigten
Gases 11 eingeführt
wird, welcher ein gewünschtes
Temperaturprofil des Ausgangsgases liefern wird. Das Messrohr 20 kann
an dem Rohrende 22 entweder offen oder geschlossen sein,
und es kann in seiner Länge
verändert
werden, damit es sich im Wesentlichen irgendeinen Teil innerhalb
des Volumens 13 erstrecken kann. Wenn das Rohrende 22 geschlossen
ist, dann muss das Rohrende 22 anderweitig so angepasst
sein, um es dem Gas aus der Gasquelle der ersten Stufe 101 zu
ermöglichen
in das innere Volumen 13 des Zweitstufengehäuses 10 einzutreten,
um das verflüssigte
Gas 11 zu verdampfen. Dies kann erreicht werden durch Verwendung
eines porösen
Materials zur Herzustellung des Messrohres 20, oder indem
man ein oder mehrere Löcher von
geeigneter Größe in den
Wänden
des Messrohres 20 anordnet. Die Anordnung der Löcher oder, wenn
das Rohrende 22 offen ist, die Länge des Rohres 20 können verwendet
werden, um die Temperatur des aus der Vorrichtung zum Aufblasen
austretenden Gases zu steuern.
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Wenn
zum Beispiel das Rohrende 22 offen ist, wie in der 1 gezeigt,
oder wenn das Rohrende 22 geschlossen ist und wenn das
Messrohr 20 ein oder mehrere Öffnungen 34 entweder
in der Nähe seines
Endes 22 oder in einem durchlöcherten Stopfen 33 aufweist,
wie dies in den 4 und 4A gezeigt wird,
dann ist der anfängliche
Ausgang aus der Gasquelle der zweiten Stufe 102 relativ
heiß,
gefolgt von einem zunehmend kälter
werdenden Gas, wenn das verflüssigte
Gas 11 verdampft und durch die Auslassöffnung 14 der zweiten
Stufe hindurch entweicht. Dies entspricht dem Temperaturprofil A
der 7.
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Alternativ
sollte, um ein Temperaturprofil eines Ausgangsgases zu erhalten,
welches zunehmend wärmer
wird während
verdampftes Gas aus der Vorrichtung zum Aufblasen austritt, wie
dies durch das Temperaturprofil B in der 7 gezeigt
ist, der Ausgang aus der Gasquelle der ersten Stufe in das verflüssigte Gas
an einer Stelle gegenüber
der Auslassöffnung 14 der
zweiten Stufe eingeführt
werden. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung eines kurzen,
offenen Messrohres 20 oder durch ein Abschließen des
Endstückes 22 des
Messrohres 20, typischerweise mit einem Steckrohling oder
mit einem festen Stopfen 36 und durch die Bereitstellung
von Löchern 38 in
dem Messrohr 20 an dem Ende gegenüber dem Ende 22, wie
dies in den 5 und 5A gezeigt
wurde.
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Es
ist auch möglich,
ein Ausgangsgas mit einer im Wesentlichen konstanten Temperatur
nach einer kurzen Betriebsdauer zu erzielen, wie dies durch das
Temperaturprofil C gezeigt wird, indem man den Ausgang des Messrohres 20 in
der Nähe
des Mittelpunktes des Zweitstufengehäuses 10 anordnet.
Dies ist in den 6 und 6A gezeigt,
in welchen die Öffnungen 40 etwa
in der Mitte entlang der Länge
des Messrohres 20 angeordnet sind.
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Wie
es einem Experten auf diesem Gebiet der Technik offensichtlich sein
wird, kann das Hilfsmittel zum Lenken einer gewissen Menge eines
relativ heißen
Gases von der Gasquelle der ersten Stufe 101 zu einer vorherbestimmten
Stelle im Innern der Gasquelle der zweiten Stufe 102 irgendeine
Form unter einer Vielfalt von Formen und Gestalten annehmen, im
Gegensatz zu der für
das Messrohr 20 in den 1 und 3 gezeigten
Konfiguration, so lange wie der Gasausgang aus der Gasquelle der
ersten Stufe 101 an eine Stelle oder an Stellen im Innern
der Gasquelle der zweiten Stufe 102 eingeführt wird,
was die schnelle Freisetzung des Gases aus der Gasquelle der zweiten
Stufe 102 mit dem gewünschten Temperaturprofil
ermöglicht.
Zum Beispiel kann die Gassteuervorrichtung irgendeine Kombination
von zwei oder von mehreren der oben beschriebenen Messrohre oder
irgendwelcher anderer Vorrichtungen umfassen, welche die Einführung eines
Gases an eine gewünschte
Stelle im Innern der Gasquelle der zweiten Stufe ermöglichen.
Für ein
Messrohr oder für
Messrohre können
Löcher
an verschiedenen Stellen entlang der Länge des Messrohres angeordnet
werden, oder die Rohre können
aus einem porösen
Material hergestellt werden, in welchem die Porosität gleichförmig ist
oder sich entlang der Länge des
Messrohres 20 verändert,
um das gewünschte Temperaturprofil
für das
Ausgangsgas zu liefern. Die optimale Konfiguration, welche für die Gassteuervorrichtung
erforderlich ist, um das optimale Temperaturprofil des Ausgangsgases
für irgendeine
spezifische Anwendung zu liefern, kann leicht über ein Minimum an Experimentieren
bestimmt werden.
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Die
bevorzugte Vorrichtung zum Aufblasen 100, welche eine Hybridvorrichtung
zum Aufblasen als eine Gasquelle der ersten Stufe enthält, arbeitet wie
folgt: ein Initiator 5, welcher typischerweise eine pyrotechnische
Zündkapsel
ist, leitet die Verbrennung des pyrotechnischen Materials 3p im
Innern der Gasquelle der ersten Stufe 101 ein, welche ein
unter Druck stehendes, chemisch inertes Gas enthält, und durch diese Verbrennung
steigt der Druck dieses Gases an. In der bevorzugten Gasquelle der
ersten Stufe kann der maximale Druck, welcher durch die Verbrennung
des pyrotechnischen Materials erreicht wird, so hoch wie etwa 30.000
psi sein. Wenn jedoch ein davon verschiedener Druck für eine spezifische Anwendung
erforderlich ist, dann kann die Gasquelle der ersten Stufe angepasst
werden, um den erforderlichen Druck zu liefern, indem man die Größe des Erststufengehäuses 1 verändert, die
Menge oder den Typ des pyrotechnischen Materials verändert oder
indem man den Anfangsdruck des gespeicherten Druckgases oder ein
Kombination derselbigen Größen variiert.
Die Erststufenabdichtung 8 wird so ausgewählt, dass
sie bei einem Druck öffnet,
welcher höher
ist als der Anfangsdruck des inerten Druckgases, aber kleiner als
der während
der Betriebsdauer der Gasquelle der ersten Stufe erreichte Maximaldruck.
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Die Öffnung der
Erststufenabdichtung erlaubt es den heißen Gasen, schnell über das
Messrohr 20 in die Gasquelle der zweiten Stufe 102 hinein zu
fließen
und hinein in das in der Gasquelle der zweiten Stufe 102 gespeicherte,
verflüssigte
Gas, dies durch die Übergabeöffnungen
in dem Messrohr hindurch, so wie dies oben beschrieben worden ist, was
dann zu der Verdampfung des verflüssigten Gases führt. Das
Volumen, die Temperatur und der Druck der Gase, welche an die Gasquelle
der zweiten Stufe aus der Gasquelle der ersten Stufe heraus geliefert
werden, sind derart bemessen, dass das gesamte oder im Wesentlichen
das gesamte flüssige Gas
in der Gasquelle der zweiten Stufe verdampft wird. Diese Werte sind
leicht bestimmbar durch einen jeden der Experte auf diesem Gebiet
ist, ohne dass dabei die Notwendigkeit für irgendein langatmiges Herumexperimentieren
bestehen würde.
Wie oben bemerkt, es gibt eine Vielfalt von alternativen Gasverteilungstechniken,
d. h. andere Techniken als das Messrohr 20 können verwendet
werden, um das aus der Gasquelle der ersten Stufe gelieferte Gas
mit dem verflüssigten
Gas in der Gasquelle der zweiten Stufe zu vermischen, was zu der
Verdampfung des verflüssigten
Gases und zu der Entladung der Gase aus der Gasquelle der zweiten
Stufe führt.
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Die
aus dem Rohr 20 verteilten heißen Gase erhitzen das gespeicherte,
verflüssigte
Gas, welches typischerweise bei einem Druck von etwa 900 psi in der
Gasquelle der zweiten Stufe 102 gespeichert ist, wodurch
die verflüssigten
Gase verdampft werden und dadurch wird der Druck im Innern der Gasquelle der
zweiten Stufe auf einen Druck angehoben, bei welchem die Zweitstufenabdichtung 15 sich öffnet, typischerweise
bei etwa 3.500 psi, wodurch den Gasen im Innern der Quelle der zweiten
Stufe erlaubt wird, sich auszudehnen und die Gasquelle der zweiten
Stufe durch die Auslassöffnung 14 der
zweiten Stufe und typischerweise durch den Adapter 16 hindurch
in den aufblasbaren Gegenstand 103 zu verlassen.
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Wie
es für
einen Experten auf diesem Gebiet leicht verständlich sein wird, kann das
System zum Aufblasen gemäß der vorliegenden
Erfindung leicht angepasst werden, um aufblasbare Elemente verschiedener
Größen und
Formen aufzublasen. Die Anforderungen zum Aufblasen eines besonderen aufblasbaren
Elements erstrecken sich auf das zum Aufblasen erforderliche Volumen,
auf die gewünschte
Temperatur der Gase während
und nach dem Aufblasen, und auf die Arbeit oder Energie, welche
erforderlich ist, um das aufblasbare Element während des Aufblasens zu entfalten
oder zu öffnen.
Diese Anforderungen können
erfüllt
werden, indem man die geeigneten Größen für die Gehäuse der Gasquellen der ersten
Stufe und der zweiten Stufe und für die Auslassöffnungen
der ersten Stufe und der zweiten Stufe auswählt; indem man den Typ und
die Menge des verbrannten Treibstoffs in der Gasquelle der ersten Stufe
auswählt;
die Typen, die Mengen und die Drücke
der in jeder Stufe gespeicherten Gase; und indem man die Technik
des Ausbreitens und des Verteilens der Gase auswählt, wenn sie in den zweiten Behälter fließen.
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Die
Temperatur des Gases zum Aufblasen für eine für den Notfall vorgesehene Gleitrutsche
zum Aussteigen oder für
ein aufblasbares Floß für ein großes Passagierflugzeug
sollte in dem Bereich von etwa –10°C bis etwa
100°C liegen,
wobei eine Temperatur bei etwa 0°C
bevorzugt wird. Die Endtemperatur und der Enddruck des Gases im
Innern eines aufblasbaren Elementes, welches mit der Vorrichtung
zum Aufblasen gemäß der Erfindung
aufgeblasen worden ist, wird gesteuert sowohl durch die Thermodynamik der
Vorrichtung zum Aufblasen als auch durch die Größe des aufblasbaren Elements
und durch die Mengen an den unter Druck stehenden und verflüssigten
Gasen, welche in den Gasquellen der ersten und der zweiten Stufe
gespeichert sind. Die Faktoren, Phänomene und Bedingungen, welche Veränderungen
in der Temperatur, bei dem Druck und bei dem Wärmeübergang bewirken, werden unten
bekannt gemacht.
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Wenn
das pyrotechnische Material im Innern der Gasquelle der ersten Stufe
verbrannt wird, dann werden gasförmige
Verbrennungsprodukte und Wärme
freigesetzt, wobei mindestens ein Teil des unter Druck stehenden,
inerten Gases im Innern der Gasquelle der ersten Stufe erwärmt wird
und wodurch der Druck des Gases angehoben wird. Wenn der Druck des
inerten Gases einen vorher bestimmten Wert erreicht, dann öffnet die
Erststufenabdichtung und sie erlaubt damit der Mischung aus den
Verbrennungsgasen und dem Inertgas, in einer isentropischen, irreversiblen
und im Wesentlich adiabatischen Art und Weise durch die Auslassöffnung der
ersten Stufe beschleunigt zu werden. An der Auslassöffnung der
ersten Stufe wird der Druck der Gasmischung aus der Gasquelle der
ersten Stufe auf annähernd
die Hälfte vermindert,
und die Gastemperatur wird auf annähernd zehn Prozent vermindert.
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Wenn
die Gase durch die Auslassöffnung der
ersten Stufe austreten, dann beschleunigen sie auf die lokale Geschwindigkeit
des Schalls in dem Messrohr in der Gasquelle der zweiten Stufe.
Wenn dem Gas an dieser Stelle keine Energie zugeführt wird,
dann werden die Temperatur und der Druck des Gases vermindert. Das
ausgedehnte Messrohr veranlasst den Schallfluss des Gases dazu eine
Serie von Schocks zu durchlaufen, welche den Druck und die Temperaturen
aus der Gasquelle der ersten Stufe teilweise wiederherstellen. Wenn
die gesamte Bewegung des Gases an dieser Stelle gestoppt würde, dann
würde der
Druck des Gases aus der Gasquelle der ersten Stufe im Wesentlichen
wieder auf die Bedingungen an dem Kopfende der Kammer hergestellt werden.
Obwohl der Vorgang des Gasdurchtritts durch die Auslassöffnung der
ersten Stufe hindurch im Wesentlichen adiabatisch verläuft, haben
Tests jedoch gezeigt, dass ein Energieverlust von so viel wie etwa
fünf Prozent
eintreten kann auf Grund der Energieverluste bei den Schocks, wie
etwa dem Lärm
und dem Licht, was zu der nur teilweise wiederhergestellten Temperatur
führt.
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Wenn
die Mischung aus den Verbrennungsgasen und dem Inertgas durch das
Messrohr hindurch- und
aus dem Messrohr heraustritt, dann werden die von der Gasquelle
der ersten Stufe freigesetzten Gase mindestens teilweise mit dem
verflüssigten
Gas gemischt, welches in der Gasquelle der zweiten Stufe gespeichert
ist. Obwohl sich der überwiegende
Teil des Gases aus der Gasquelle der ersten Stufe zumindest teilweise
mit dem verflüssigten Gas
mischt oder er in der Gasquelle der zweiten Stufe verdampft, bevor
dieser überwiegende
Teil des Gases die Gasquelle der zweiten Stufe verlässt, können einige
der von der Gasquelle der ersten Stufe freigesetzten Gase aus der
Gasquelle der zweiten Stufe in das aufblasbare Element oder in einen
Gegenstand austreten, ohne dass sie sich mit dem gespeicherten,
verflüssigten
Gas vermischen. Dieses unvollständige
Vermischen beeinträchtigt
jedoch nicht das endgültige
Ergebnis, obwohl es zumindest teilweise für die verschiedenen Temperaturprofile verantwortlich
ist, welche man bei Verwendung verschiedener Konfigurationen von
Messrohren erhält.
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Wenn
sich die von der Gasquelle der ersten Stufe freigesetzten Gase mit
dem verflüssigten
Gas vermischen, dann verdampft das verflüssigte Gas, wobei es eine Menge
an Energie absorbiert, welche gleich der Verdampfungswärme des
Gases bei der Temperatur der Flüssigkeit
ist. Wenn andere Veränderungen
bei der Temperatur auftreten, dann wird Wärmeenergie absorbiert oder
freigesetzt gemäß der Wärmekapazität der erhitzten
oder abgekühlten
Materialien. Zum Beispiel absorbiert ein Gramm CO2 bei 20°C 40 Kalorien,
wenn es verdunstet, aber, wenn ein Gramm von verdampftem CO2 um 1°C
erhitzt wird, dann absorbiert es nur 0,2 Kalorien.
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Obwohl
in der Theorie sich die Mischung von Gasen aus den Gasquellen der
ersten und der zweiten Stufe ausdehnt, ohne dabei Arbeit zu verrichten, wenn
Gase aus der Gasquelle der zweiten Stufe austreten und in das aufblasbare
Element hinüberströmen, wird
Energie aufgewandt, weil Arbeit von den Gasen geleistet wird, um
das aufblasbare Element gegen den Atmosphärendruck aufzurollen, aufzufalten
und auszudehnen. Dies führt
zu einem Verlust an Energie in dem Gas, was dessen Temperatur vermindert.
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Es
sollte, wie oben vermerkt, die Temperatur der zum Aufblasen eingesetzten
Gase, dort wo das aufblasbare Element eine für den Notausstieg bei einem
Flugzeug vorgesehene Rampe oder eine Gleitrutsche oder ein Lebensrettungsfloß ist, nicht
mehr als etwa 100°C
sein und vorzugsweise etwa 0°C
betragen. Als Ergebnis wird jeglicher in dem zum Aufblasen eingesetzten
Gas enthaltener Wasserdampf kondensieren, was die Gesamtmenge an
vorhandenem Gas vermindert und Verdampfungswärme des Wasserdampf freisetzt,
d. h. 585 Kalorien pro Gramm, was das übrige Gas erwärmt. In ähnlicher Weise
wird bei der bevorzugten Temperatur von 0°C irgendein flüssiges Wasser
in dem aufblasbaren Element gefrieren, wobei es eine Menge an Wärme freisetzt,
welche der Schmelzwärme
des Wassers gleichkommt, d. h. 80 Kalorien pro Gramm. Die Freisetzung
von Wärme
durch das Wasser, wenn es gefriert, und die Absorption von Wärme, wenn
es schmilzt, hilft dabei, das System zu stabilisieren. In einer
kalten Umgebung wird irgendein flüssiges Wasser die Abkühlung so
lange mildern, wie flüssiges Wasser
vorhanden ist, und in einer warmen Umgebung wird das Vorhandensein
von Eis einen dämpfenden
Einfluss auf die Erwärmung
ausüben.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Aufblasen aufblasbarer
Elemente von einer ausgewählten
Größe, Konfiguration
und von einem ausgewählten
Material unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufblasen.
Das Verfahren erstreckt sich auf ein Freisetzen einer ausreichend
hohen Menge an Gas aus einer Gasquelle der ersten Stufe in eine
zweite Gasquelle unter einer ausreichend hohen Temperatur, um das
gesamte verflüssigte
Gas in der Gasquelle der zweiten Stufe im Wesentlichen zu verdampfen.
Dies veranlasst das verflüssigte
Gas zu verdampfen, wodurch eine Menge an Gas erzeugt wird, welche
in das aufblasbare Element eingeführt wird, um das aufblasbare
Element aufzublasen.
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Die
Gasquellen der ersten und der zweiten Stufe der Vorrichtung zum
Aufblasen müssen
in der Lage sein, eine Menge an Gas zum Aufblasen zu liefern, welche
ausreichend groß ist,
um das aufblasbare Element bei dem Druck aufzublasen, welcher für das aufblasbare
Element erforderlich ist, damit dieses auf geeignete Weise funktioniert.
Wie von denjenigen, welche Experten auf diesem Gebiet sind, verstanden
werden wird, sind der Druck und das Volumen des von der Vorrichtung
zum Aufblasen erzeugten Gases abhängig sowohl von dem Gesamtvolumen
des aufblasbaren Elements und von dem Volumen der Gasquellen der
ersten und der zweiten Stufe als auch von der Endtemperatur des
Gases zum Aufblasen. Die Temperatur der Gase in dem aufblasbaren
Element unmittelbar nach der Aufblasung sollte auf eine maximale
Wirksamkeit zugeschnitten sein. Das Verfahren dieser Erfindung liefert
weiterhin ein Auswahl von geeigneten pyrotechnischen Materialien, Öffnungen,
Größen, zerreißbaren Diaphragmen oder Überdruckventilen
und Rohren (oder anderen Gasverteilern), um ein Aufblasen eines
schnell aufblasbaren Elements durch Gase zu erzielen, welche ein
Volumen, Temperaturen und Drücke
von geeigneter Größe aufweisen.
Die Natur des Materials des aufblasbaren Elements und die Art, wie
es vor der Aufblasung gespeichert und positioniert wird, beeinflussen
die Menge an Energie, welche erforderlich ist, um das Element aufzublasen.
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BEISPIEL
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Das
folgende nicht begrenzende Beispiel dient lediglich zur Illustration
der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung und es ist nicht darauf hin angelegt,
die Erfindung zu begrenzen, deren Umfang durch die angehängten Ansprüche definiert
wird.
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Ein
Test einer gemäß der Erfindung
gebauten Vorrichtung zum Aufblasen wurde durchgeführt unter
Verwendung eines 1/6 Skalenmodells. Eine Hochskalieren des Skalenmodells,
um eine Vorrichtung zum Aufblasen und ein aufblasbares Element im vollen
Maßstab
zu liefern, bei welchem die Volumenflächen und Gewichte sechs mal
größer wären als
bei dem in dem Test verwendeten Skalenmodell, aber mit denselben
Anfangsdrücken,
dieses Hochskalieren würde
Endtemperaturen und Enddrücke
liefern, welche dieselben wären
wie diejenigen, welche man in dem Test erhalten hat. Die in dem
Test verwendete Gasquelle der ersten Stufe umfasste einen ersten Druckbehälter, welcher
ein inertes Argondruckgas enthielt und ein pyrotechnisches Material,
das aus Ammoniumnitrat, aus einer Energiequelle aus Cyclotrimethylentrinitramin
und aus einem Bindemittel bestand, und welcher ein zerreißbares Diaphragma
als eine Abdichtung enthielt, welche geöffnet werden kann. Dieser erste
Behälter
wurde mit einer Gasquelle der zweiten Stufe verbunden, welche einen
bei einem Druck von 1.100 psi gespeicherten, verflüssigten
Stickstoff enthielt und welche ihrerseits mit einem aufblasbaren
Gegenstand verbunden war, welcher ein Skalenmodell einer Fluchtrampe
oder einer Gleitrutsche mit einem aufblasbaren Volumen von einhundertsechzehn
(116) Litern darstellte. Der Druckbehälter der Gasquelle der ersten
Stufe betrug 1,5 Inches im Durchmesser und war 8 Inches lang und
er enthielt ein unter einem Druck von 3.500 psi gespeichertes Inertgas. Über die
Zündung
des pyrotechnischen Materials wurden 16 Inch3 an
Gas bei einer Temperatur von etwa 700°C freigesetzt, als der Druck
im Innern des Behälters
auf den Punkt anstieg, wo das Diaphragma zerriss. Die freigesetzten
heißen
Gase flossen aus der Gasquelle der ersten Stufe in den Behälter der
Gasquelle der zweiten Stufe, welcher 2 Inches im Durchmesser und
6 Inches in der Länge
betrug.
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Die
Einführung
des Gases aus der Gasquelle der ersten Stufe in die Gasquelle der
zweiten Stufe veranlasste den verflüssigten Stickstoff in der Gasquelle
der zweiten Stufe dazu zu verdampfen, wodurch sich der Druck erhöhte und
damit die Ursache dafür
lieferte, dass die als Abdichtung für die Gasquelle der zweiten
Stufe verwendete, zerreißbare Platzmembran
zerriss. Dies setzte eine ausreichende Menge an Gas in das einhundertsechzehn
(116) Liter umfassende Volumen des aufblasbaren Gegenstandes frei,
um den Gegenstand auf einen Druck von 3 psi bei einer Temperatur
von 0°C
aufzublasen. Der Gegenstand wurde von den Gasen aufgeblasen, welche
aus dem zweiten Behälter
flossen ohne das ein Bedarf an irgendeiner anderen Gasquelle bestanden
hätte,
wie etwa derjenige einer Pumpe oder einer Saugvorrichtung.
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Obwohl
es offensichtlich ist, dass die hier offenbarte Erfindung gut berechnet
ist, um die oben angegebenen Ziele zu erfüllen, wird man anerkennen, dass
zahlreiche Veränderungen
und Ausführungsformen
von Experten auf diesem Gebiet ausgedacht werden können. Daher
ist es beabsichtigt, dass die Ansprüche alle derartigen Modifikationen
und Ausführungsformen
mit abdecken, welche in den Rahmen des wahren Umfangs der vorliegenden
Erfindung fallen.