Brevet FR2927291A1 — publié le 20090814

La présente invention se rapporte à un générateur de gaz pour un dispositif de sécurité pour véhicule automobile. Il permet notamment de gonfler un coussin de sécurité, en particulier pour une protection frontale ou latérale. Cependant, il peut être adapté à tout système de sécurité dans lequel la génération de gaz est souhaitée. De nombreux générateurs de gaz, actuellement sur le marché, font usage de charges pyrotechniques énergétiques constituées de propergols. Ces produits, qu'ils soient extrudés ou compressés, sont adaptés en ce qui concerne leur forme et leur composition pour satisfaire aux besoins de génération de gaz. Toutefois, ces produits ont une forte valeur ajoutée, donc un coût élevé. De plus, ils présentent un rendement qui est limité, en premier lieu, par les spécifications relatives aux niveaux de toxicité et, en second lieu, par les possibilités de formulation des principales molécules à faible coût, disponibles sur le marché. Dans le document WO-A-01/89885 est décrite une structure de générateur qui fait usage d'une charge de matière énergétique à fort rendement gazeux et à faible coût placée dans une première chambre, qui est décomposée par un jet de gaz provenant d'une chambre de combustion dans laquelle brûle un propergol. Les charges décrites sont respectivement du nitrate d'ammonium fortement oxydant, qui est associé à un propergol fortement réducteur (de type "LOVA" (pour "Low Vulnerability Ammunition"), ou double base, ou tout autre propergol adapté aux besoins). Le jet de gaz provenant de la chambre de combustion traverse une chambre de diffusion et entre dans la chambre où se situe le nitrate d'ammonium. La chambre de diffusion est alors le siège d'une réaction d'oxydoréduction entre les gaz générés par le propergol et ceux provenant de la combustion du nitrate d'ammonium. Cette interaction chimique a donc lieu dans une chambre non 30 confinée ou faiblement confinée. Une autre structure existante fait usage d'un propergol dont la balance en oxygène est équilibrée, qui décompose un mélange oxydoréducteur dont la balance en oxygène est également équilibrée. Dans ces deux structures, la charge énergétique est sous forme de 35 poudre dont la granulométrie est très inférieure au millimètre (typiquement de 10 à 200 micromètres). Ceci implique un temps de décomposition très court, incompatible avec le temps de fonctionnement attendu par le système. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un générateur de gaz dont la combustion de la charge génératrice de gaz n'est pas 5 dépendante chimiquement de la combustion d'une autre charge. Un autre but de l'invention est de fournir un générateur qui permet de régler à la demande les temps de fonctionnement. Encore un autre but est de proposer un générateur qui fasse usage de matières premières à rendement molaire élevées, disponibles à grande échelle et 10 dont le coût est faible. La présente invention se rapporte donc à un générateur de gaz pour un dispositif de sécurité pour véhicule automobile, qui comprend au moins deux chambres distinctes dénommées respectivement première et deuxième chambres, qui communiquent entre elles, directement ou indirectement, par au moins un 15 orifice ou tuyère, la première de ces chambres, dite chambre de � réaction �, étant isolée de l'extérieur, la deuxième, dite chambre de � diffusion � étant apte à recevoir des gaz générés par la combustion d'une charge pyrotechnique solide placée dans la première chambre, et à les évacuer, via au moins une ouverture de décharge communiquant avec l'extérieur. 20 Ce générateur est essentiellement remarquable en ce que : - ladite charge solide est un mélange constitué d'au moins une charge oxydante et une charge réductrice dont la balance en oxygène est équilibrée ; - il est pourvu un moyen générateur de chaleur qui génère suffisamment de chaleur pour déclencher et entretenir la combustion de ladite 25 charge, ceci sans aucune autre interaction, notamment de type chimique, entre ce moyen et cette charge. Grâce à cette structure, le moyen générateur de chaleur a pour seule fonction d'initier et entretenir la combustion de la charge, cette combustion ne dépendant pas d'autres paramètres liés au moyen générateur de chaleur. 30 La charge va pouvoir ainsi être choisie parmi celles ayant un faible prix de revient, mais dont le rendement molaire issu de la réaction est élevé. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce générateur : - ladite charge solide est formée d'un ensemble de charges unitaires 35 distinctes, ces charges unitaires étant chacune séparées de la suivante et de la précédente par un écran destructible qui offre une faible résistance à la chaleur ; - ladite charge solide est constituée d'un mélange nitrate d'ammonium / nitrate de guanidine ; - le mélange solide comprend 33 à 53% de nitrate d'ammonium et 47 à 67% de nitrate de guanidine assurant une balance d'oxygène équilibrée à +5% ; - ladite charge énergétique est sous forme d'une solution aqueuse ; - la solution aqueuse comprend 65 à 75% d'eau et 25 à 35% de CaCL2. -ledit moyen générateur de chaleur est une charge pyrotechnique contenue dans une troisième chambre isolée de l'extérieur, qui communique directement ou indirectement, par au moins un orifice ou tuyère, avec les première et deuxième chambres ; - ladite charge est formée de propergol ; - il est de type tubulaire ; - ledit écran présente un contour qui correspond sensiblement à la 15 section droite de la première chambre ; -lesdites deuxième et troisième chambres encadrent la première chambre comprenant la charge pyrotechnique solide; - ladite charge est répartie circonférenciellement à l'intérieur de la première chambre, de manière à générer un canal généralement axial, exempt de 20 charge, qui fait communiquer les deuxième et troisième chambres ; - ladite première chambre comporte des moyens de retenue de la charge, perméables à la chaleur et aux gaz ; - le générateur est de forme discoïde ; - ledit moyen générateur de chaleur est un moyen non chimique qui 25 agit par rayonnement, convection ou conduction. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre. Elle sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma très simplifié d'un générateur de gaz, de 30 forme tubulaire, conforme à l'invention ; - la figure 2 est également un schéma très simplifié d'une autre forme de réalisation de ce générateur ; - la figure 3 est encore schéma très simplifié d'une autre variante de réalisation de ce générateur ; 35 - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un générateur selon l'invention, qui présente une forme discoïde ; - la figure 5 est une vue analogue à la précédente, qui est essentiellement destinée à visualiser le cheminement des gaz. Le générateur représenté à la figure 1 annexé a une structure généralement connue. En l'occurrence, il s'agit d'un générateur 1 de type tubulaire, par exemple à enveloppe métallique, qui est compartimenté en trois chambres 2, 3 et 4 disposées successivement l'une à la suite de l'autre. Elles communiquent entre elles par des ouvertures ou tuyères non représentées formées dans des parois qui les séparent deux à deux. La chambre 2 ne comporte aucune ouverture de communication avec l'extérieur. Cette chambre renferme une charge énergétique 5. Selon une variante de réalisation, cette charge est formée d'un mélange solide constitué d'au moins une charge oxydante et une charge réductrice dont la balance en oxygène est équilibrée. Ceci permet de réduire la toxicité des gaz produits lors de la réaction. Par l'expression "balance en oxygène équilibrée", on entend que les charges oxydantes et réductrices sont capables de réagir entièrement l'une avec l'autre c'est-à-dire sans qu'un apport d'oxygène supplémentaire soit nécessaire, pour qu'à l'issue de la réaction d'oxydoréduction, il ne subsiste aucun composé n'ayant pas réagi. La chambre 3 est une chambre de diffusion qui communique à la fois avec les chambres 2 et 4 mais également vers l'extérieur, par exemple, au travers d'un filtre référencé 30, via des ouvertures non représentées. Enfin, le générateur comporte une chambre 4, qui elle aussi, ne communique pas avec l'extérieur et qui reçoit un moyen générateur de chaleur. Ce moyen 6 est capable de décomposer la charge 5 contenue dans la chambre 2. Le terme "décomposer", lorsqu'il est employé en relation avec la charge 5, est utilisé ici pour décrire un phénomène physique ou une réaction chimique telle que la vaporisation, la combustion ou la sublimation, apte à 30 permettre la libération de moles de gaz. A la figure 1, on a référencé par la flèche f le flux de chaleur généré par le moyen 6, ce flux étant dirigé vers la chambre 2. Les gaz résultant de la décomposition de la charge 5 se répandent dans la chambre de diffusion 3 et sortent de celle-ci pour gonfler un système de sécurité automobile, par exemple de type 35 airbag non représenté. Cet échappement est symbolisé par les flèches g. 10 15 20 25 En ce qui concerne la charge 5, on préférera utiliser des produits dont le rendement molaire est élevé et qui sont disponibles à grande échelle et à un faible coût. Ainsi, un mélange constitué de nitrate d'ammonium (oxydant) et de 5 nitrate guanidine (réducteur) convient parfaitement. A titre d'exemple le mélange comprend 33 à 53% de nitrate d'ammonium et 47 à 67% de nitrate de guanidine assurant ainsi une balance d'oxygène équilibrée à +5%. Selon une autre variante, la charge énergétique peut être sous forme 10 liquide, par exemple constitué d'un mélange de 65 à 75% d'eau et 25 à 35% de CaCl2. Le moyen générateur de chaleur 6 est un moyen dont la quantité de chaleur émise permet de piloter la durée de décomposition de la charge 5. Ainsi, si l'on souhaite une courte durée de décomposition, on utilisera 15 un générateur délivrant une grande quantité de chaleur dans un temps très court, tandis qu'à l'inverse, si l'on souhaite une longue durée de décomposition, on utilisera un générateur de chaleur fournissant une quantité moins importante de chaleur sur une durée plus longue. A titre indicatif, les durées de décomposition sont généralement 20 comprises entre 30 et 60 millisecondes pour le gonflage d'un coussin de sécurité en vue d'une application frontale, et de 5 à 25 millisecondes pour des applications latérales. Dans le présent mode de réalisation, on envisage que le moyen 6 soit constitué d'une charge énergétique de type propergol. On pourra aussi bien utiliser 25 une charge fournissant un débit de gaz progressif, constant ou dégressif selon l'application souhaitée du générateur. Dans un autre mode de réalisation, on peut faire usage d'un moyen générateur de chaleur adaptatif ou pilotable comme un faisceau à laser, un brûleur à gaz ou un fil résistif ou encore tout autre moyen de chauffage mettant en oeuvre des 30 phénomènes physiques comme le rayonnement, la conduction ou la convection. Dans une telle hypothèse, il pourra être prévu de se dispenser de la chambre 4 et de monter le moyen de générateur au plus près de la chambre de diffusion 3. A la figure 2 est représenté une variante du générateur précédent 35 dans lequel le moyen générateur de chaleur 6 est de type impulsif, c'est-à-dire constitué d'une charge pyrotechnique. Dans ce mode de réalisation, la charge 5 est fractionnée en plusieurs charges unitaires distinctes référencées 5, 5', 5", 5". Ces charges sont séparées deux à deux par un écran destructible 20 qui présente une faible résistance à la chaleur. I1 s'agit de préférence d'écrans dont le contour correspond sensiblement à la section droite de la chambre 2. Ainsi, sous l'effet du flux de chaleur, les écrans 20 se détruisent tour à tour, ce qui permet de diffuser la chaleur à la charge suivante, mais avec un effet retard suffisant pour régler à la demande le temps de fonctionnement de la charge. Un tel générateur est compact et léger et d'un faible coût. En effet, il utilise un chargement énergétique à faible coût et à haut rendement gazeux. De même, il met en oeuvre des méthodes d'assemblage bien connue et il comporte un nombre faible de composants. Enfin, il permet une utilisation indifférenciée d'un chargement en vrac de type poudre, granulé ou pastille. Le chargement peut également être monolithique. Le générateur représenté à la figure 3 est toujours un générateur tubulaire. Toutefois, il se différencie de ceux décrits précédemment par le fait que la chambre de diffusion 3 n'est plus intercalée entre les chambres 2 et 4, mais à l'opposé de la chambre 4. Cette dernière est pourvue d'un allumeur référencé 40 et contient une 20 charge 6 constituée par exemple de propergol. Elle est séparée de la chambre 2 attenante par une cloison 20 dans laquelle est percée une ouverture axiale ou tuyère 21. Un opercule 22 obture cet orifice, du côté de la chambre 2. La chambre 2 est quant à elle séparée de la chambre de diffusion 3 25 par une cloison 32 pourvue d'une ouverture ou tuyère 33, d'un diamètre plus important que celui de la tuyère 21. Elle est aussi obturée par un opercule 34 également placé du côté intérieur de la chambre 2. La chambre 2 renferme la charge 5. Celle-ci est répartie circonférentiellement dans la chambre de manière à générer un canal C 30 généralement axial, exempt de charge, qui fait communiquer les chambres 3 et 4. Pour ce faire est prévu un moyen 7 de retenue de la charge qui a la forme d'un conduit et dont la paroi est perméable au gaz et à la chaleur. Ce moyen 7 comporte, dans sa partie intermédiaire, une restriction de section référencée 70. Le moyen de retenue est par exemple sous forme d'une grille 35 perforée mise en forme selon la géométrie souhaitée. Le fonctionnement d'un tel générateur est le suivant. L'allumeur 40 est initié et provoque la combustion de la charge 6, de sorte que la chambre 4 monte en pression. Lorsque cette pression arrive à un seuil prédéterminé, l'opercule 21 se rompt et les gaz en sortent et traversent la chambre 2 contenant la charge 5. La restriction de section 70 du moyen 7 disperse le jet de gaz qui vient impacter le chargement de nitrates retenus par l'élément 7. Dans un même temps, une faible partie des gaz traverse directement le conduit C et vient ouvrir le second opercule 34. La pression demandée pour cette ouverture est plus faible que celle qui autorise l'ouverture de la chambre pyrotechnique 4. Les gaz résultant de la combustion de la charge 5 peuvent alors s'échapper par la chambre de diffusion 3, via les ouvertures 31 prévues à cet effet. La chambre 4 peut être réalisée en utilisant des matériaux d'une épaisseur importante car elle subit une pression élevée. Par contre, les deux chambres 2 et 3 peuvent être réalisées en utilisant des matériaux d'épaisseur moins importante, car elles subissent des pressions moins élevées. Une telle structure permet de réduire la taille générale de l'ensemble. Elle est d'une conception simplifiée et autorise la diffusion des gaz de gonflage à l'opposé de l'allumeur ce qui est sécurisant, enfin, un tel générateur est particulièrement léger. Dans la forme de réalisation de la figure 4, le générateur est formé d'un corps de révolution généralement discoïde. Il comporte une plaque de support circulaire 10 pourvue d'une ouverture centrale 100 de forme également circulaire et d'axe X, X'. Sur cette plaque de support prend appui un couvercle 11 présentant un fond 110 circulaire centré sur l'axe précité, qui se raccorde à une paroi cylindrique 111 dont les génératrices s'étendent parallèlement audit axe. L'extrémité libre de celle-ci est rabattue à 90° vers l'extérieur, pour constituer une collerette périphérique 113 qui autorise sa fixation à la plaque 10, notamment par soudure. On notera que la paroi cylindrique 111 est percée d'une série d'orifices radiaux 112, disposés à proximité de la collerette 113. A l'intérieur de l'ensemble ainsi constitué sont montés deux éléments de cloisonnement référencés 12 et 13. Le premier élément de cloisonnement 12 présente une allure générale globalement similaire à celle du couvercle. Ainsi, son fond 120 s'étend 35 parallèlement au fond 110. Sa paroi périphérique 121 présente une hauteur légèrement inférieure à celle de la paroi 111 et son extrémité libre est rabattue à 90° vers l'extérieur pour constituer une collerette 123, qui est également fixée à la plaque 10 notamment par soudage. On notera également que la paroi périphérique de cet élément de cloisonnement 12 présente une série d'ouvertures 122 sur lesquelles on reviendra plus loin. Sur la partie supérieure de l'élément 12 est emmanché le deuxième élément de cloisonnement 13. Sa partie centrale, constituée d'un fond 130 et d'une paroi cylindrique 131, s'intercalent entre le couvercle 11 et le premier élément de cloisonnement 12. Le bord inférieur de la paroi cylindrique 131 est rabattu à 90° vers l'extérieur pour délimiter une paroi 132 parallèle aux collerettes 113 et 123. Cette paroi se raccorde à un élément formant réservation annulaire 137, qui est lui-même délimité par deux parois cylindriques et concentriques 134 et 136, ainsi que par une paroi de fond 135. Le rebord libre de la paroi externe 136 est rabattu à 90° vers l'extérieur pour former une collerette 137, qui est pincée entre la plaque 10 et la collerette 113. On notera que la paroi 132 précitée est pourvue d'ouvertures 133 dont on expliquera plus loin la fonction. A l'intérieur de l'espace délimité d'une part par la plaque de support 10 et par le premier élément de cloisonnement 12 est monté un allumeur 40 dont les broches sont accessibles par l'ouverture 100 précitée. Cet allumeur est en place sur un support 41 de type connu. Sur ce support prend appui une grille 42 pourvue d'ouvertures 43 25 dont la fonction est de retenir un moyen générateur de chaleur 6 à distance de l'allumeur 40. Les ouvertures 122 précitées sont disposées au niveau de la paroi périphérique 121, de telle manière qu'elles se situent en regard de l'allumeur, légèrement au-dessus de son support, dans l'espace libre que ménage la grille 42. 30 Ces ouvertures sont obturées par un opercule 44 qui est apte à être détruit au-delà d'une certaine pression. Le positionnement des ouvertures 122 est également choisi pour qu'il se situe en deçà de la paroi 132 du deuxième élément de cloisonnement 13. Les parois 134, 135 et 136 du deuxième élément de cloisonnement 35 délimitent un espace annulaire qui reçoit une charge solide 5 constituée d'au moins une charge oxydante et une charge réductrice. Cette charge est de préférence conditionnée à l'intérieur d'un matériau étanche apte à se fragmenter sous l'effet de la pression. Par ailleurs, la paroi 135 de l'élément 13 sert de support à un filtre annulaire F qui constitue un moyen de séparation entre les parois 131 et 134 d'une 5 part et entre les parois 136 et 111 d'autre part. On se reportera à la figure 5 pour expliquer le fonctionnement d'un tel dispositif dans la mesure où y sont représentés, sous la forme de flèches, les différents circuits suivis par les gaz. A la suite du déclenchement de l'initiateur 40, les gaz qu'il génère 10 traversent la grille 43 et provoquent l'initiation du moyen générateur de chaleur 6 qui, dans le cas présent, est constitué de pastilles de propergol. Les gaz qu'il génère à son tour traversent la grille 43 via ses ouvertures 43 et sortent de la chambre de combustion 4 au travers des ouvertures 122, après avoir provoqués la rupture de l'opercule 44. 15 Ils entrent alors dans la chambre de combustion 2, à la périphérie de laquelle est placée la charge 5 qui se décompose sous l'effet de l'apport de chaleur. Le flux de gaz ainsi généré traverse les ouvertures 133, progresse à travers le filtre F et s'engouffre dans le couloir périphérique délimité par les parois 136 et 111. 20 Enfin, les gaz s'échappent par les ouvertures 112 formées à la base du couvercle 11 et remplissent le coussin de sécurité non représenté. Une telle structure présente sensiblement les mêmes avantages que celles décrites précédemment, en termes de compacité et de faible coût notamment. REVENDICATIONS 1. Générateur de gaz (1) pour un dispositif de sécurité pour véhicule automobile, qui comprend au moins deux chambres distinctes dénommées respectivement première (2) et deuxième chambres (3), qui communiquent entre elles, directement la première(2) de ces chambres, dite de �réaction �, étant isolée de l'extérieur, la deuxième (3), dite de � diffusion �, étant apte à recevoir des gaz générés par la réaction d'une charge énergétique (5) placée dans la première chambre (2), et à les évacuer, via au moins une ouverture de décharge (31, 112) communiquant avec l'extérieur, caractérisée par le fait que : - ladite charge énergétique (5) est un mélange constitué d'au moins 10 une charge oxydante et une charge réductrice dont la balance en oxygène des produits de réaction est équilibrée ; - il est pourvu un moyen générateur de chaleur (6) qui génère suffisamment de chaleur pour déclencher et entretenir la combustion de ladite charge (5), ceci sans aucune autre interaction, notamment de type chimique, entre 15 ce moyen (6) et cette charge (5). 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite charge énergétique (5) est formée d'un ensemble de charges unitaires distinctes (5, 5', 5", 5"), ces charges unitaires étant chacune séparées de la suivante et de la précédente par un écran destructible (20) qui offre une faible résistance à la 20 chaleur. 3. Générateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite charge énergétique (5) est constituée d'un mélange solide de nitrate d'ammonium / nitrate de guanidine. 4. Générateur selon la revendications 3, caractérisé par le fait que le 25 mélange solide comprend 33 à 53% de nitrate d'ammonium et 47 à 67% de nitrate de guanidine assurant une balance d'oxygène équilibrée à +5%. 5. Générateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite charge énergétique (5) est sous forme d'une solution aqueuse. 6. Générateur selon la revendications 5, caractérisé par le fait que la 30 solution aqueuse comprend 65 à 75% d'eau et 25 à 35% de CaCL2. 7. Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que ledit moyen générateur de chaleur (6) est une charge pyrotechnique contenue dans une troisième chambre, dite de combustion, (4) isolée de l'extérieur, 2927291 i i qui communique directement ou indirectement, par au moins un orifice ou tuyère (21, 33 ; 122, 133), avec les première (2) et deuxième (3) chambres. 8. Générateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ladite charge constituant le moyen générateur de chaleur (6) est formée d'une 5 charge énergétique de type propergol 9. Générateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est de type tubulaire. 10. Générateur selon les revendications 2 et 9 prises en combinaison, caractérisé par le fait que ledit écran (20) présente un contour qui correspond 10 sensiblement à la section droite de la première chambre (2). 11. Générateur selon la revendication 7 à 10, caractérisé par le fait que lesdites deuxième et troisième chambres (3 ; 4) encadrent la première chambre (2). 12. Générateur selon la revendication 1l, caractérisé par le fait que 15 ladite charge (5) est répartie circonférenciellement à l'intérieur de la première chambre (2), de manière à générer un canal (C) généralement axial, exempt de charge, qui fait communiquer les deuxième et troisième chambres (3 ; 4). 13. Générateur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que ladite première chambre (2) comporte des moyens (7) de retenue de la charge (5), 20 perméables à la chaleur et aux gaz. 14. Générateur selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'il affecte une forme discoïde. 15. Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que ledit moyen générateur de chaleur (6) est un moyen non chimique qui agit 25 par rayonnement, convection ou conduction.