[논문]에어백용 인플레이터를 이용한 미니 가스발생기 연소특성 실험연구

김종한; 이상무; 김방식

doi:10.9766/kimst.2013.16.6.881

에어백용 인플레이터를 이용한 미니 가스발생기 연소특성 실험연구
An Experimental Study on Combustion Characteristics of Mini Gas Generator by using a Automotive Airbag Inflater 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.6, 2013년, pp.881 - 888

김종한 (국방과학연구소) , 이상무 (국방과학연구소) , 김방식 ((주)한화)

Abstract ▼ AI-Helper

A basic study was performed to develop a mini gas generator by using a commercial automotive airbag inflater. The mini gas generator can be used for industrial and military application like a seat belt pretensioner. Some parameters were experimentally investigated to reduce the size of the inflater. Basic combustion tests were performed in the closed chamber and measured the pressure and the temperature behavior according to the design parameters. From the study, essential parameters were determined to design a mini gas generator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 자동차의 에어백에 사용하는 화약식 인플레이터를 이용한 소형 가스발생기의 개발가능성을 검토할 목적으로 수행되었다. 상용 인플레이터는 치열한 경쟁의 결과로 개별 요소가 최적화되어 있어 소형 가스발생기의 개발에 필요한 최적의 경제적, 기술적 여건을 갖추고 있다.
본 연구에서는 자동차용 인플레이터를 구성하고 있는 기본 설계 변수들에 따른 기초시험을 통해 연소특성을 검토하고 소형 가스발생기를 설계할 수 있는 기초자료를 획득하였다.
현재의 구성에서 조절 가능한 인자로는 가스발생제의 약량을 포함한 부스터화약 및 자동점화약의 약량, 연소실의 내부 부피, 디퓨져의 출구 크기, 필터의 특성 등이 있다. 이들 설계변수들의 변화에 따른 연소가스의 압력특성과 온도 자료를 획득 하기 위한 실험적 연구를 수행하였다.
2 A, 2 ms)를 공급하고 기폭신호와 계측장치의 트리거를 연동시켜 압력(센서 KISTLER - 4043A10) 및 온도의 시간에 따른 변화를 측정하였다. 일반 챔버 실험의 경우 인플레이터의 출구에서 가스의 온도에 대한 정보를 획득하기 어려우나 본 실험의 경우 가능한 수준에서 발생가스의 온도를 측정(센서 KIMO사 TK100)하고자 하였다. 본 연구와 같이 인플레이터의 용량이 매우 작은 시험의 경우 인플레이터로 부터 발생한 고온가스와 기존 챔버내에 남아 있는 저온의 공기가 섞이면서 압력시간 곡선에 영향을 미칠 수 있다^[4].
현재 양산중인 인플레이터의 사양을 분석하여 주요 인자에 영향을 미치는 부품을 분류하고 각 부품의 변경 가능성을 판단하여 최적의 설계 조건을 찾고자 하였다.

제안 방법

1차 시험으로 가스발생제의 약량 축소에 따른 연소특성에 대하여 실험을 수행하였다.
Table 3에 가스발생제 약량을 달리한 연소시험 결과를 제시하였다. 가스발생제 약량을 제외한 모든 시험 조건은 앞의 시험에서와 동일하며, 시험 후 연소 잔량의 무게를 측정하여 연소량을 얻었다. Table 3에서 실효 연소량은 자동점화약과 부스터 화약에 대해서는 50%와 58 %, 가스발생제에 대해서는 75 %의 연소 효율을 적용하여 아래식에 따라 계산한 예측치로서, 시험 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
다음은 디퓨져 홀의 크기에 따른 영향을 검토하였다. 기존 인플레이터 모델에는 직경 8.
가스발생기에 적용하는 필터는 연소 시 발생하는 고온의 가스가 필터를 통과하면서 필터에 열을 전달함으로써 연소기체를 냉각시키거나 연소시 발생한 잔사물질을 걸러주는 역할을 하는 것으로 메시(mesh) 형태나 다공성(porous) 매질을 사용할 수 있다. 본 연구에서 기본적으로 사용한 필터는 다음 Fig. 9의 좌측에 있는 타공형(Expanded type)이며 추가로 선경 0.7 mm 의 편물형(knitted type) 스테인레스 필터를 제작하여 적용하였다.
소용량의 인플레이터를 개발하기 위해 기존의 양산 제품인 DI9.2 모델을 선정하였으며 가스발생제의 양을 축소 조절하고 시험과 계측을 통해 설계 인자에 따른 연소특성을 검토하였다. 현재의 구성에서 조절 가능한 인자로는 가스발생제의 약량을 포함한 부스터화약 및 자동점화약의 약량, 연소실의 내부 부피, 디퓨져의 출구 크기, 필터의 특성 등이 있다.
소형 가스발생기의 개발 가능성을 검토하기 위하여 대량 생산되는 자동차용 인플레이터를 이용하여 인플레이터의 주요 설계 파라메터에 대한 연소특성 실험을 수행하였다. 가스발생제의 약량과 필터, 디퓨져의 영향 등에 대한 실험적 검토를 통해 소형 가스발생기 개발을 위한 주요 설계 파라미터 자료를 획득하였으며 최종 압력 기준으로 출구압력이 10 kPa(60리터 탱크 기준) 이하이면서 출구측 온도도 100 ℃ 이하인 소형 가스발생기의 설계가 가능함을 확인하였다.
일반적으로 60 L형 탱크는 운전자용 에어백에 대한 시험용으로 사용하고 있으며, 146L형 탱크는 승객용 에어백에 대한 시험용으로 사용하고 있다. 실험은 챔버 내에 설치한 인플레이터의 점화기에 기폭전류(1.2 A, 2 ms)를 공급하고 기폭신호와 계측장치의 트리거를 연동시켜 압력(센서 KISTLER - 4043A10) 및 온도의 시간에 따른 변화를 측정하였다. 일반 챔버 실험의 경우 인플레이터의 출구에서 가스의 온도에 대한 정보를 획득하기 어려우나 본 실험의 경우 가능한 수준에서 발생가스의 온도를 측정(센서 KIMO사 TK100)하고자 하였다.
최종 시험은 복합형 이중 필터 조건 및 디퓨져 홀의 크기를 줄인 조건으로 수행하였다.

대상 데이터

따라서 기존 모델의 연소실(내용적 45.7 cc)을 소형단일점화구조의 연소실(내용적 5.6 cc) 형태로 제작하여 적용하였으며 최고압력 도달시간을 단축하기 위해 부스터화약(650 mg)과 자동점화약(200 mg)을 같이 적용하였다.
본 연구에 사용한 인플레이터는 운전자용 에어백에 사용되는 독일 TRW 사의 이중 구조 모델 DI 9.2를 국내 생산한 것으로 연간 100만개 이상이 생산되고 있다. 이 인플레이터의 주요 특성은 다음과 같다.
사용 화약으로는 가스발생제로 37 g의 GuNi-75를 사용하며, 부스터화약으로는 650 mg의 GuNi-327을, 자동점화약으로는 200 mg의 TS-1을 사용한다. 가스발생제와 부스터화약은 tablet 형상으로 제작하여 사용하며, 펠렛 형상의 자동점화약이 점화기와 부스터화약 사이에 배치되어 있다.
실험을 위해 아래 Fig. 4와 같이 시험장치를 구성하였으며, 챔버는 146 L형 또는 60L 형을 사용하였다. 일반적으로 60 L형 탱크는 운전자용 에어백에 대한 시험용으로 사용하고 있으며, 146L형 탱크는 승객용 에어백에 대한 시험용으로 사용하고 있다.

성능/효과

가스발생제 약량을 제외한 모든 시험 조건은 앞의 시험에서와 동일하며, 시험 후 연소 잔량의 무게를 측정하여 연소량을 얻었다. Table 3에서 실효 연소량은 자동점화약과 부스터 화약에 대해서는 50%와 58 %, 가스발생제에 대해서는 75 %의 연소 효율을 적용하여 아래식에 따라 계산한 예측치로서, 시험 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
소형 가스발생기의 개발 가능성을 검토하기 위하여 대량 생산되는 자동차용 인플레이터를 이용하여 인플레이터의 주요 설계 파라메터에 대한 연소특성 실험을 수행하였다. 가스발생제의 약량과 필터, 디퓨져의 영향 등에 대한 실험적 검토를 통해 소형 가스발생기 개발을 위한 주요 설계 파라미터 자료를 획득하였으며 최종 압력 기준으로 출구압력이 10 kPa(60리터 탱크 기준) 이하이면서 출구측 온도도 100 ℃ 이하인 소형 가스발생기의 설계가 가능함을 확인하였다.
기존의 부품을 그대로 사용하면서 적은 양의 가스발생제를 충전하기 때문에 생기는 빈 공간이 정상 연소 및 압력상승에 불리하게 작용한 것으로 판단되어 가스발생제의 약량에 맞는 단일점화구조의 소형 연소실 (combustor)을 새로 가공하여 적용할 필요가 있음을 확인하였다.
5와 같다. 동일한 가스발생제를 적용하여 146 리터 탱크 내에서 5회 실험한 결과 측정 압력은 실험 간에 큰 편차를 보이고 있었으며 가스발생제에 따른 예상압력보다 낮은 압력이 형성되었다. 최고 연소압력에 도달하는 시간도 100 ms를 초과하여 발생하고 있다.
최고 압력은 35∼55 kPa로 60～80 ms에서 도달하였으며 출구 온도는약 130 ℃로 측정되었다. 시험 결과로부터 연소실 부피를 줄이고 부스터 화약과 자동점화약을 사용하면 가스발생제를 안정적으로 연소시킬 수 있음을 확인할 수있었고, 목표로하는 출구압력을 얻기 위해서는 가스 발생제의 약량을 감소 조절해야 함을 알 수 있었다.
시험결과는 Fig. 12와 같이 70 msec 부근에서 약 6.4 kPa 수준의 최고 압력에 도달하였으며, 출구 측 온도는 평균 55 ℃로 측정되었다.
앞의 실험결과를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 금속 필터를 추가하여 열 흡수양을 늘리거나 디퓨져 홀의 크기를 축소함으로써 출구의 배출가스 온도를 낮출수 있음을 확인하였다.
디퓨져의 바깥에서 측정한 연소가스의 온도는 대략 84 ℃ 수준이다. 이 시험결과로부터 우선 균일한 연소결과를 얻기 위하여 점화속도를 상승시키는 것이 필요하다고 판단하여 추가로 부스터화약을 적용하여 시험을 수행할 필요가 있음을 확인하였다.
5 kPa이며 출구측 온도는 72 ℃였다. 편물형태의 금속필터를 추가로 적용하여 실험한 결과 배출되는 가스의 최고 압력은 25～30 % 정도 낮아지고, 디퓨져를 통과하는 출구측의 평균가스 온도도 68 ℃로 낮아짐을 확인하였다.

후속연구

소형 가스발생기는 자동차의 안전벨트시스템에서 충돌 시 벨트를 미리 당겨주어 탑승자를 안전하게 구속시켜 주는 프리텐셔너(pretensioner) 등에 사용되기도 한다^[1～3]. 소형 가스발생기는 이와 같은 민수분야 외에도 빠르고 정밀한 제어가 필요한 군사용 구동기기로 다양한 파이로테크닉 장치 등과 함께 활용이 가능할 것으로 판단된다.
향후 본 연구결과를 활용하고 기본 점화기 등 일부 구성품만 군규격에 맞도록 개선한다면 최소의 노력과 비용으로 소형 가스발생기의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차용 에어백 시스템은 어떻게 구성되는가?	자동차용 에어백 시스템은 차량 충돌 시 승객을 보호하기 위한 장치로서 충돌감지센서와 에어백(airbag) 그리고 백을 부풀리기 위한 인플레이터(inflater) 등으로 구성되어 있다. 에어백시스템은 자동차가 충돌 시 센서가 외부 충격을 감지하고 전자 제어장치가 이를 유효한 신호로 판단하여 점화신호를 인플레이터에 인가하면, 인플레이터의 가스발생제가 점화되고 이때 발생하는 고온, 고압의 가스가 순간적으로 백을 부풀려 탑승자가 차량 핸들이나 앞 유리 등에 직접 충격하지 않고 백에 부딪혀 완충작용을 하게 함으로써 탑승자를 보호하게 한다.
	에어백시스템은 어떤 과정으로 탑승자를 보호하는가?	자동차용 에어백 시스템은 차량 충돌 시 승객을 보호하기 위한 장치로서 충돌감지센서와 에어백(airbag) 그리고 백을 부풀리기 위한 인플레이터(inflater) 등으로 구성되어 있다. 에어백시스템은 자동차가 충돌 시 센서가 외부 충격을 감지하고 전자 제어장치가 이를 유효한 신호로 판단하여 점화신호를 인플레이터에 인가하면, 인플레이터의 가스발생제가 점화되고 이때 발생하는 고온, 고압의 가스가 순간적으로 백을 부풀려 탑승자가 차량 핸들이나 앞 유리 등에 직접 충격하지 않고 백에 부딪혀 완충작용을 하게 함으로써 탑승자를 보호하게 한다. 이를 위해 인플레이터는 점화 신호 접수 이후 4 ms 이내에 가스를 방출시키기 시작하여 30～50 ms 정도의 시간 동안 가스를 방출하여 에어백을 부풀리고 팽창을 유지하여야 한다.
	인플레이터는 어떤 순서로 작동되는가?	인플레이터는 다음과 같은 순서로 작동된다. 먼저 자동차의 사고 등으로 충돌 감지센서가 충격신호를 에어백 콘트롤 유닛으로 보내면 에어백 콘트롤 유닛이 신호를 판단하여 점화기에 점화신호를 인가한다. 점화기에서 시작된 연소는 부스터화약(booster charge)으로 전달되고 부스터화약의 연소로 발생한 고온 고압으로 가스발생제가 연소를 시작한다. 연소실(combustor)내의 가스발생제에서 연소가 진행되면 압력이 상승하고 일정압력(220 bar) 이상이 되면 디퓨져 커버와 연소실 상부에 간극이 발생하여 고압가스가 분출된다. 이 가스는 필터를 통과하고 최종적으로 디퓨져의 구멍을 통해 외부로 확산되어 에어백(airbag)을 부풀리게 된다.

참고문헌 (6)

Belt Pretensioner with a Pyrotechnic Gas Generator, US Patent, 5468019, 1995.
Gas Generator for Seat Belt Pretensioner, US Patent, 6454306, 2002.
Micro Gas Generator, US Patent, 7370885, 2008.
Jochen Neutz, Andres Konig etc, "Mass Flow Discharge and Total Temperature Characterization of a Pyrotechnic Gas Generator Formulation for Airbag Systems", Propellant Explos. Pyrotech., 34, pp. 267 -273, 2009.

상세보기
V. A. Shanda Kov etc, "Method of Generating Cold Gas in Solid-Fuel Gas Generator", Combustion, Explosion and Shock Waves, Vol. 35, No. 4., pp. 418-421, 1999.

상세보기
H. M. Sanders, L. D. van Vliet, P. van Put, J. Kuiper, "Cool Gas Generators, an Innovation in the Storage of Pneumatic Energy", Trends and Future of On-Board Energy in Space Systems, Avignon, France, 2008.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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