Brevet FR2274015A1 — publié le 19760102

La presente invention concerne un nouveau générateur pyrotechnique de gaz A réfrigérant solide de poids et d'encombrement réduits capable de produire en un temps extrémement court, un important volume de gaz non toxiques, sous pression, à faible température, utilisable par exemple au déploiement des coussins gonflables des dispositifs de sécurité mis en place dans les véhicules rapides. De nombreux générateurs- de gaz à faible température sont actuellement connus et utilisent, soit des réfrigérants liquides, soit des réfrigérants solides. Dans la demande de brevet n" 71 40000 de la demanderesse, on a décrit un générageur de gaz comportant une chambre de refroidissement cylindrique équipée. de moyens permettant un brasage du réfrigérant par le flux gazeux issu de la chambre de combustion, ladite chambre de refroidissement étant disposée dans le prolongement de la chambre de combustion.Une telle disposition linéaire présente des inconvénients dans certaines applications particulières et ne permet pas d'obtenir un générateur présentant un volume extérieur de faible élancement, afin de faciliter son logement dans toutes les structures des véhicules et notamment dans la partie centrale du volant d'une voiture automobile. De plus, une structure linéaire conduit A avoir une surface extérieure présentant des zones à des températures très différentes, ce qui est dans tous les cas un inconvénient, la surface active d'échange thermique étant limitée. L'invention a pour but de réaliser un générateur de gaz permettant d'obtenir, d'une part, un volume de faible élancement et, d'autre part, une température homogène sur l'ensemble des parois extérieures qui ne présentent éventuellement qu'une faible surface portée à une te-rature ~différente. ' A cet effet, le générateur pyrotechnique à réfrigérant-solide selon l'invention compotte - d'une part, une chambre centrale de combustion de forme de révolution contenant un propergol avec son dispositif d'allumage;; - d'autre part, une chambre annulaire de refroidissement coaxiale à la première et entourant celle-ci, cette chambre de refroidissement contenant au moins une charge de réfrigérant solide, l'extrémité aval de la chambre de combustion étant maintenue en communication avec la partie amont de la chambre de refroidissement par des tuyères d'injection périphériques.Par contre, l'extrémité de sortie de la chambre de refroidissement est maintenue en communication avec l'extérieur par des tuyères ou fentes périphériques d'évacuation ; de la sorte, les gaz de combustion de la charge de propergol sont dirigés tout d'abord vers l'arrière du générateur quand ils traversent la chambre de combustion, l'espace d'homogénéisation et les tuyères d'injection pour pénétrer dans la chambre de refroidissement, et ensuite ils sont renvoyés d'un angle de 1800 vers l'avant du générateur quand ils traversent la charge de réfrigération et les tuyères ou fentes d'évacuation. Selon ce mode de réalisation, la chambre de combustion contenant la charge pyrotechnique correspond à la chambre interne du générateur et le réfrigérant solide réparti dans la chambre périphérique permet de maintenir la surface extérieure du générateur de gaz à une température limitée et très inférieure à la température de la chambre de combustion, ce qui permet de mettre en place le générateur selon l'invention en contact avec des pièces ne suppportant pas une température élevée. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre de combustion comporte un espace libre d'homogénéisation entre la charge propulsive et les tuyères d'injection, la charge pyrotechnique étant maintenue par une grille de positionnement. Préférentiellement, la charge pyrotechnique présente une durée de combustion inférieure à 30 ms réalisée à partir d'une composition ne générant ni oxyde de carbone, ni oxyde d'azote, ladite composition pouvant être par exemple une poudre composite suroxygénée à liant non azoté ou un mélange comportant essentiellement de l'azoture de sodium etdu perchlorate de potassium. Selon une autre caractéristique de l'invention, la charge réfrigérante est constituée de deux réfrigérants solides à température de décomposition différente, le réfrigérant à température de décomposition la plus élevée étant placé au voisinage des tuyères d'tejection placées à la sortie de la chambre de combustion. Préférentiellement, lorsque la charge pyrotechnique est réalisée à partir d'unepoudre composite suroxygénée à liant non azoté, le refroidissement est effectué par deux réfrigérants, dont le réfrigérant à température élevée est le perchlorate de potassium. Préférentiellement, également, lorsque la charge pyrotechnique est réalisée à partir d'un mélange comportant de l'azoture de sodium et du perchlorate de potassium, le réfrigérant utilisé est l'aminotétrazol. Dans les générateurs de gaz à temps de fonctionnement très court, la surpression initiale est importante du fait de la nécessité d'utiliser une composition d'allumage très rapide et, lorsque les réfrigérants solides sont utilisés sous forme de pastilles ou granulés, ils induisent des pertes de charge très importantes tant qu'ils ne sont pas érodés, ce qui qe traduit par une surpression d'allumage pouvant atteindre jusqu'à 250 7. de la pression du palier de combustion, créant des risques d'explosion.La présence d'un espace libre d'homogénéisation constitue un volume d'amortissement de la surpression d'allumage et permet d'établir un équilibrage de pression entre les brins de poudre dans la chambre de combustion et de répartir les gaz de combustion suivant des trajets multiples, ce qui permet d'obtenir une perte de charge moyenne sensiblement constante quel que soit l'arrangement du réfrigérant dans la chambre de combustion au moment de la mise à feu. Selon une autre caractéristique de l'invention, le générateur comporte également une chambre de détente et de filtration des gaz refroidis disposée à la suite de la chambre de refroidissement. Il a été constaté d'une part que le bruit produit par le fonctionnement des générateurs pyrotechniques pouvait en restreindre les applications, notamment lorsqu'ils sont installés à proximité des usagers, par exemple dans les dispositifs de protection par coussin gonflable mis en place dans les véhicules rapides. D'autre part, l'utilisation de réfrigérants solides dans les générateurs actuellement connus- conduit à observer la présence de particules solides de réfrigérant dans les gaz produits à la sortie du générateur, et cela malgré l'interposition de grilles sur tous les orifices de sortie de ces gaz. Les gaz aprbsleur passage dans le réfrigérant étant à nouveau refroidis par détente, les particules entratnées se maintiennent sensiblement à la température de transformation du réfrigérant, et ces particules chaudes peuvent conduire à des dégradations importantes de l'organe d'utilisation des gaz produits, notamment lorsque cet organe comporte des parois souples en fibres tressées ou en matériaux résistant peu à la chaleur. L'invention permet de supprimer ces inconvénients en prévoyant une chambre de détente et de filtration à la sortie du générateur pyrotechnique à réfrigérant solide, cette chambre de détente et de filtration permettant, d'une part, d'abaisser le niveau sonore de fonctionnement et, d'autre part, de retenir les particules chaudes entralnées dans les gaz produits. A cet effet, la chambre de détent et de filtration est équipée d'un piège à particules solides constitué, soit par la superposition de toiles métalliques maintenues au voisinage des fentes ou tuyères d'évacuation, soit par un réseau de rainures recouvert d'une toile métallique, soit par des chicanes ou des déflecteurs mondés à l'intérieur de la chambre de détente et de filtration. Ces pièges à particules peuvent en outre être prévus dans la chambre de refroidissement, notamment en amont et en aval de celle-ci. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre de détente et de filtration est délimitée par un caisson coiffant la chambre de refroidissement et monté de façon télescopique sur la surface extérieure du corps du générateur, ledit caisson n'étant déployé que lors de la mise à feu du générateur. On décrit l'invention dans ce qui suit en se référant au dessin ci-joint sur lequel - la figure 1 est une vue en élévation d'un générateur selon L'invention montré en coupe sur sa partie droite - la figure 2 est le graphique donnant les pressions en fonction du temps dans les diverses chambres du générateur de la figure 1 - l-a figure 3-est un graphique donnant l'intensité sonore en fonction du temps, mesurée sur le générateur de la figure 1 ; - la figure 4 est une demi-vue en coupe élévation d'une variante du générateur de la figure 1, comportant un détendeur-filtre ; - la figure 5 est une demi-vue en coupe élévation d'une autre variante à détendeur-filtre à deux étages ; - la figure 6 est une demi-vue en coupe élévation d'une autre variante encore à détendeur-filtre télescopique. Le générateur selon la figure 1 comporte un carter extérieur I de révolution, solidaire d'un carter intérieur 2 disposé axialement à l'intérieur dudit carter extérieur, délimitant ainsi une chambre périphérique de refroidissement 3 et une chambre interne de combustion 4 ; les deux chambres cossuniquent entre elles par des tuyères d'injection obliques 5 permettant, d'une part, de maihtenir une pression optimale dans la chambre de combustion et, d'autre part, d'évacuer les gaz de combustion dans la chambre de refroidissement. Cpmme représenté sur le dessin, les tuyères d'injection divergentes 5, par exemple au nombre de huit, sont réparties sur un cercle sur la partie inférieure 6 du carter intérieur 2 et débouchent en amont, dans la chambre interne, dans un espada libre d'homogénéisation 14, le diamètre desdites tuyères étant, par exemple, de 5,8 mm. La chambre interne comporte une traversée étanche 7 permettant le passage des fils de l'infîam- mateur électrique 8 de la charge d'allumage 9, qui est séparée de la charge pyrotechnique 10 par une mince pellicule d'aluminium 11, ladite charge pyrotechnique étant maintenue en position par une grille de calage en acier 12. L'inflammateur électrique présente un temps de réponse extrêmement court et il est place en contact de la charge d'alumage constituée en l'occurrence de 0,8 g de poudre d'allumage à base de zirconium, de chromate de baryum, de perchlorate d'ammonium et de bichromate d'ammonium permettant d'obtenir un délai d'allumage voisin de 2 millisecondes. La charge pyrotechnique principale utilisée est une poudre composite comportant 10 % de triacétate de cellulose, 86% de perchlorate de potassium et 4% d'additifs, dont 3,5% de phosphate de tricrésyle et 0,5% de noir d'acétylène. Cette charge pèse 36 g et est constituée de 56 brins circulaires de 30 mm de long comportant 7 trous de quelques dixièmes de millimètre .Elle présente une durée de combustion de 16 ms et brûle sous une pression de 100 bars à une température voisine de 1500C 70 g de pastilles de perchlorate de potassium comportant un catalyseur de décomposition (chromite de cuivre) sont utilisés, par exemple, comme première charge réfrigérante solide 13 placée dans la chambre de refroidissement 3 au voisinage des tuyères d'injection 5. Les pastilles ont un diamètre de 6 mm et une épaisseur de 2 mm, et la température de décomposition est voisine de 5000C.Une deuxième charge réfrigérante solide 15 constituée, par exemple, de 40 g de bicarbonate de sodium en pastilles est placée dans la partie supérieure de la chambre de refroidissement située au voisinage des fentes d'évacuation 16 pratiquées dans la partie supérieure du carter extérieur 1; ces pastilles ont des dimensions égales ou inférieures aux pastilles de perchlorate de potassium, et la température de décomposition est voisine de 1700C; les deux charges réfrigérantes sont éventuellement séparées par une grille de position-nement 17. Afin d'éviter les projections de particules de réfrigérant, une grille de retenue 18 est placée à l'intérieur de la chambre de refroidissement au contact des fentes d'évacuation.Un organe de fixation 19 est prévu à la partie inférieure du carter extérieur 1 pour le montage du générateur, par exemple sur le volant de direction d'un véhicule automobile. Le générateur décrit ci-dessus permet d'obtenir 45 1 de gaz non toxiques, en un délai légèrement inférieur à 20 millisecondes, la température des gaz produits n'excédant pas 1700C à la sortie du générateur, et étant sensiblement constante du fait du brassage de la charge réfrigérante par les gaz de combustion qui sont expulsés par les tuyères d'injection divergentes et réfléchies par le carter extérieur du générateur, la répartition annulaire de la charge réfrigérante présentant de plus l'avantage de n'offrir qu'une distance restreinte entre les deux parois de la chambre périphérique, ce qui tend à limiter la formation des passages préférentiels des gaz de combustion. Ces gaz sont obtenus dans des conditions de niveau sonore tout à fait acceptables (comme montré sur la graphique de la figure 3 donnant l'intensité sonore en décibels en ordonnées en fonction du temps en millisecondes en abscisses) et sont pratiquement exempts de particules solides. La majorité des particules entraînées dans le courant gazeux et fixées sur les grilles de retenue est constituée de chlorure de potassium. Résidus solides de combustion (10 g) KC1 40 % en poids Na2C 3 19,5 % en poids NaHC03 Néant Ka104 16,3 % en poids Na202 0,2 % en poids sels métalliques divers 24 % en poids Analyse des gaz à la sortie du générateur (45 1) Oxyde de carbone CO 500 ppm Gaz chlorhydrique HC1 Oxydes d'azote NO-N02 7 à 10 ppm Hydrocarbures aucune trace Gaz ammoniac NH3 Vapeur d'eau H20 18 % Gaz carbonique C02 41 % Oxygène 02 41 % Selon la variante représentée à la figure 4 du dessin, la partie aval 20 de la chambre de refroidissement 3 est aménagée en détendeur filtre annulaire.A cet effet, cette chambre de refroidissement 3 est fermée à une certaine distance des fentes d'évacuation 16 par une plaque annulaire perforée 21, elle-meme protégée par une grille de retenue 22. L'espace délimité entre cette plaque perforée 21 et les fentes d'évacuation 16 forme une chambre de détente 23 pour les gaz refroidis sortant de la chambre de refroidissement 3. Au niveau des fentes 16 est disposé un filtre 24 constitué de plusieurs couches de très fines grilles formant un piège efficace aux particules solides en provenance du générateur. Par ailleurs, les tuyères d'injection sont parallèles à l'axe du générateur au lieu d'être obliques comme dans le cas de la figure 1. Une autre amélioration pour éviter la pointe de pression à l'allumage consiste a créer un espace libre en aval desdites tuyères d'injection celui-ci est ménagé par une grille conique 43 qui empeche les pastilles de réfrigérant d'obturer les trous desdites tuyères; la distance entre la sortie des tuyères et le fond du générateur doit etre supérieure ou égale à 8 mm pour avoir d'une part une répartition et une réflexion des jets homogènes de gaz dans le lit de pastilles et d'autre part éviter une pression d'arret trop importante dans cette zone qui réagit alors sur ltécoulement des gaz et la pression dans la chambre de combustion. A titre de sécurité, des tuyères d'injections auxiliaires 44 reliant la chambre de combustion à la chambre de refroidissement sont également prévues; ces tuyères débouchent en amont dans un évidement ménagé dans le fond du générateur et cet évidement est obturé par un opercule de sécurité 45, une surpression de 30 bars par exemple dans la chambre de combustion entratnant la rupture de cet opercule. Selon la variante représentée à la figure 5, le dispositif détendeurfiltre est à double étage. A cet effet, la chambre de refroidissement 3 est fermée à sa sortie par une plaque annulaire perforée 21, elle-meme protégée par une grille de retenue 22. La partie supérieure du carter extérieur 1 est coiffée par un caisson 25 dont l'intérieur est compartimenté en deux étages de détente 26, 27 par un disque perforé 28. La surface totale des orifices d'évacuation 29, ménagés à la partie supérieure du caisson 25 à la périphérie de celui-ci, est de préférence supérieure à la surface totale des orifices d'entrée 30 portés par la plaque perforée 21. A l'intérieur du caisson se trouvent, d'une part, un système de chicanes constitué par une cloison tubulaire perforée 31 et destiné à allonger le trajet des gaz refroidis en provenance de la chambre de refroidissement et à éviter le passage direct des gaz des orifices d'entrée vers les orifices de sortie et, d'autre part, un déflecteur 32, de manière à constituer pour l'écoulement gazeux une zone morte, dans laquelle sont placés des pièges à particules solides en provenance du générateur constitués, par exemple, par plusieurs couches de grilles très fines 34. La partie de la chambre de refroidissement contenant la deuxième charge réfrigérante 15 peut être munie de chicanes 33 également constituées par une cloison tubulaire perforée. Les courbes de pression représentées sur le graphique de la figure 2 (donnant la pression en bars en ordonnées en fonction du temps en milliseconde en abscisses), relevées dans les différentes chambres (courbe A pour la chambre de combustion, courbes B et C pour la chambre de refroidissement avec du perchlorate de potassium et du bicarbonate de sodium respectivement courbes D et E dans la lère et la 2eme chambre de filtration), présentent, d'une part, un pic de pression à la fin de la phase d'allumage, ce pic de courte durée se produisant environ 7 millisecondes après la mise à feu et, d'autre part, un palier de pression d'une durée d'environ 15 millisecondes - dans la chambre de combustion, la pression maximale atteint environ 130 bars et le palier se situe vers 70 bars;; - dans la chambre de refroidissement contenant les deux charges réfrigérantes, la pression maximale atteint 80 bars environ. Ces courbes de pression ont été établies pour un générateur de la figure 5 ayant les mimes caractéristiques pyrotechniques que celles indiquées pour le générateur de la figure 1. Selon la variante représentée à la figure 6, le dispositif détendeurfiltre est télescopique et, à cet effet, la partie supérieure du carter est coiffée par un caisson détendeur-filtre 35 uni d'orifices d'évacuation 36 et de grilles 41 sur sa partie supérieure, et monté de façon télescopique autour du carter extérieur 1, entre deux butées de fin de course 37, 38. Par ailleurs, dans la chambre de refroidissement et dans la paroi supérieure du caisson télescopique sont prévus des pièges à particules solides constitués par des rainures circulaires, concentriques 39 recouvertes de grilles superposées ou par des rondelles 40. Une chambre de détente 42 est délimitée entre le caisson 35 dans sa position haute et le carter extérieur du générateur. REVENDICATIONS 1. Générateur pyrotechnique de gaz à réfrigérant solide, de poids et d'encombrement réduits, capable de produire en un temps extremement court, une quantité importante de gaz, sous pression, à une température relativement modérée, par combustion d'un propergol et refroidissement des gaz de combustion formés par contact avec un réfrigérant solide susceptible d'absorber une grande partie de la chaleur desdits gaz en se décomposant ou en se sublimant, ledit générateur comportant - d'une part, une chambre centrale de combustion de forme cylindrique contenant un propergol avec son dispositif d'allumage;; - d'autre part, une chambre de refroidissement extérieure à ladite chambre de combustion et entourant celle-ci, cette chambre de refroidissement contenant au moins une charge, de réfrigérant solide, caractérisée en ce que l'extrémité aval de la chambre de combustion est maintenue en communication avec la partie amont de la chambre de refroidissement par des tuyères d'injection périphériques , un espace d'homogénéisation étant en outre ménagé entre la face aval de la charge de propergol et l'entrée desdites tuyères, tandis que l'extrémité de sortie de la chambre de refroidissement est maintenue en communication avec l'extérieur par des tuyères ou fentes périphériques d'évacuation. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face aval de la charge de propergol est en contact avec des moyens de retenue, notamment une grille de positionnement. 3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le propergol utilisé est une poudre ayant une vitesse de combustion inférieure ou égale à 100 mm/s, constituée de brins tubulaires disposés parallèlement à l'axe de la chambre de combustion. 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur des brins tubulaires est telle que la durée de combustion est inférieure à 30 millisecondes. 5. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les brins de poudre sont réalisés à partir d'une composition à base de perchlorate de potassium et d'acétate de cellulose. 6. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de refroidissement est divisée en deux compartiments pr une cloison comportant des orifices d'écoulement des gaz, le compartiment amont contenant une première charge de réfrigérant solide à température de décomposition élevée et le compartiment aval étant rempli par une deuxième charge de réfrigérant solide à basse température de décomposition. 7. Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première charge de réfrigérant est constituée de pastilles de perchlorate de potassium et la deuxième charge de réfrigérant est constituée de pastilles de carbonate de sodium. 8. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de refroidissement est prolongée par une chambre de détente et de filtration comportant un piège à particules solides. 9. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le piège à particules solides est constitué par la superposition de toiles métalliques maintenues au voisinage des fentes ou tuyères d'évacuation. 10. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le piège à particules solides est constitué par un réseau de rainures recouvert d'une toile métallique. 11. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre de détente et de filtration est constituée par un caisson coiffant la chambre de refroidissement et monté de façon télescopique sur la surface extérieure du corps du générateur, ledit caisson n'étant déployé que lors de la mise à feu du générateur. 12; Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères d'injection périphériques sont disposées obliquement, la chambre de refroidissement étant extérieure à la chambre de combustion. 13. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères d'injection périphériques sont disposées parallèlement à l'axe de révolution de la chambre de combustion lesdites tuyères débouchant en aval dans une zone de la chambre de refroidissement, située dans le prolongement de la chambre de combustion 14. Générateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la surface de ladite zone de la chambre de refroidissement comporte un piège à particules solides. 15. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre de détente et de filtration et/ou la chambre de refroidissement sont équipées de chicanes et de déflecteurs. 16. Générateur selon la revendication 1 ou 6, caractérisé en ce que des toiles métalliques de retenue sont prévues dans la chambre de refroidissement au niveau des orifices d'évacuation ou d'écoulementvdes gaz. 17. Générateur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un espace libre est ménagé en aval des tuyères d'injection par une grille conique pour empocher le réfrigérant d'obturer lesdites tuyères. 18. Générateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la distance entre la sortie des tuyères d'injection et le fond du générateur est supérieure ou égale à 8 mm. 19. Générateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que des tuyères auxiliaires relient la chambre de combustion à la chambre de refroidissement, ces tuyères débouchant en amont dans un évidement ménagé dans le fond du générateur, cet évidement étant obturé par un opercule de sécurité qui se rompt dès que la surpression dans la chambre de combustion atteint une valeur fixée à l'avance.