如何选择合适的物理冷却剂

物理冷却剂是利用冷却剂的升温、熔化和蒸发等吸热过程来降低燃气温度的，同时由于自身不发生化学反应还能起到过滤气体残渣的作用。

1980年，美国的Kirchoff等人在申请的氮气气体发生器专利中使用了玻璃纤维织物和碳钢滤网作为过滤层，能将95%以上的固体燃烧残渣留在燃烧室内，得到较为纯净的冷却气体。1989年，Katz等人发明了一种更简单的过滤器用于汽车安全气囊，是在气囊的一部分囊壁上，设计用纤维织物做成过滤器。在每平方厘米织物上，由24根经线和21根纬线织成2/1的斜纹图案，在气体作用下，在气体冲击下，过滤网中小孔无明显形变，过滤网具有很高的防破裂强度。

20世纪90年代以来，国内一批从事汽车碰撞安全和军工研究的专家学者开始关注气体发生器的应用研究与发展，对冷却剂也进行了相关研究。1991年，刘淑贞提到选用粒度为0.1～2mm的Al2 O3和粒度为0.1～2mm的SiO2、SiC等耐热无机物作为物理冷却剂效果较好，如海上救生筏用气体发生器采用的物理冷却剂为0.1～2mm的Al2 O3粒子，采用24目的不锈钢金属筛网盛装。

铁屑、铝屑、氧化铝、硬脂酸、石蜡、水和沙砾等都可作为物理冷却剂。物理冷却剂兼起过滤器的作用，目的是阻止燃烧产物中的火花或固体粒子进入气囊，净化气体，保持气囊强度。过滤层有多种形式，可由多层钢丝网构成，也可由钢木和玻璃纤维构成。其简化模型如图4-1所示。忽略气体发生器壳体部件的吸热和辐射散热，冷却剂吸热总量和冷却效果与压力的关系分析如下。

图4-1　物理冷却剂装填简图(→为气流方向)

1.冷却剂吸热总量

对升温过程中无相变的物理冷却剂，总吸热量为

式中　l——冷却室内长度(m)；

S——冷却室截面积(m2)；

ρc——冷却剂的密度(kg·m-3)；

cp(T)——冷却剂的比热容(J·kg-1·K-1)。

由式(4.8)可见，增加cp(T)有利于燃气降温；增加l、S、ρc虽然也有利于降温，但是增加了冷却剂的用量。

2.冷却效果与压力的关系

设

Tm——气体进入冷却剂前的温度(K)；

Tg(t)——经冷却后的气体温度(K)；

T0——冷却剂的初温(K)；

C-g——气体的比热容(J·kg-1·K-1)；

ρp——气体发生剂的密度(kg·m-3)；

Sp——气体发生剂药柱的横截面积(m2)；

ρ——气体的密度(kg·m-3)；

p——气体发生剂的燃烧压力(Pa)；

tm——气体发生器的工作时间(s)。

气体发生剂的燃速方程为

燃气在AO面上的流速方程为u(t)，BC面上燃气温度与时间呈线

性关系，即

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得出出口燃气的总放热量为

式中，Sρu(t)表示t时刻AO截面上的气体流量，它应该与t时刻每秒的气体生成量相等，即

则

对于等压燃烧过程，积分式(4.13)，可得

式中，ΔTm=Tm-T0。

如果燃烧结束时冷却剂的温度分布为线性分布，即

式中　Ttm——BC面在燃烧结束的瞬间温度；　

h——比例系数。

当ΔTtm=Ttm-T0，由式(4.8)可得

因为气体的放热量等于冷却剂的吸热总量，所以

根据式(4.9)，有

将tm和ΔTg代入式(4.17)，可得

令式(4.18)等号右端为k 2，可得

式(4.19)两边对p求导数，可得

由ΔTg=Tg(tm)-T0，d(ΔTg)=dTg(tm)，可得

因为ΔTg-ΔTm=Tg(tm)-Tm＜0，k2＞0，所以

由此可见，提高燃烧压力，可降低BC端的燃气温度，有利于提高物理冷却剂的冷却效果。