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Einrichtung zur Erzeugung von Druckwellen durch Funkenentladungen in Flüssigkeiten, insbesondere für die
Hochdruckverformung von Metallblechen
Die Explosivverformung von Metallblechen durch Sprengstoffe wurde in der letzten Zeit aus Gründen der einfacheren Wiederholbarkeit bei kleineren Werkstücken häufig durch das Verfahren der Druckerzeugung mittels Funkenbildung in Wasser abgelöst. Hiebei stellte sich heraus, dass das Verfahren umso zuverlässiger arbeitet, je höher die Funkenspannung ist. Man pflegt deshalb meistens mit etwa 20 kV Ladespannung des speisenden Kondensators zu arbeiten. Bei kleineren Spannungen wird es immer schwieriger, den Übergang des elektrischen Funkens zwischen den Elektroden zu erzwingen, und man muss sich verschiedener Kunstgriffe bedienen, z.
B. einen zu verdampfenden Draht zwischen die Elektroden spannen oder an eine oder beide Elektroden eine Metallspitze anbringen, die regelmässig nachzuschieben ist, was alles Massnahmen sind, die zu einer Erschwerung eines streng wiederholbaren Betriebes führen. Unterhalb der Spannungen von etwa 5 kV wird es dann praktisch unmöglich, einen Funken zu erzeugen, und man kann dann nur noch einen Lichtbogen zwischen den Elektroden erzwingen, z. B. durch einen verdampfenden Draht oder Auseinanderziehen der Elektroden. Erschwerend kommt dazu, dass das Wasser, welches normalerweise die druckerzeugende Flüssigkeit ist, eine mehr oder minder hohe elektrolytische Leitfähigkeit besitzt, welche die. Anwendung normaler Zündverfahren, wie in Gasen üblich, ausschliesst.
Auf der andern Seite hat sich gezeigt, dass derWirkungsgrad, von derVerformungsenergie am Werkstück, bezogen auf die im Kondensator gespeicherte Ladeenergie, immer hoher wird, je kleiner bei gleich gehaltener Ladeenergie die Kondensatorspannung wird. Dieses ist verständlich, denn bei gleicher Ladeenergie und kleinerer Spannung wird der Kondensator immer grösser, und bei geometrisch gleicher Konfiguration des Entlade- kreiscs, d. h. gleicher Induktivität, wird die Entladung immer langsamer, und die Zeitdauer des Druckanstieges und desDruckmaximums kommt in immer bessere Übereinstimmung mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstückes während der Druckverformung. Zu harte Stösse sind offenbar zu vermeiden, weil diese schneller abklingen als die Verformungsgeschwindigkeit des Werkstückes es benötigt.
Daher besteht zur Zeit das ungelöste Problem, mit geringen Entladespannungen zuverlässige Funken in der Flüssigkeit, vorzugsweise Untcrwasserfunken mit hoher Energie zu erzeugen, ohne dabei Drähte zwischen den Elektroden verdampfen lassen zu müssen. Die Erfindung löst dieses Problem. Die Druckwellenerzeugung geschieht durch eine Kondensatorentladung zwischen zwei in der Flüssigkeit angeordneten Elektroden. Diese Elektroden sind erfindungsgemäss gleichzeitig mit zwei verschiedenen elektrischen Entladungskreisen verbunden. Der erste Kreis erzeugt an den Elektroden eine steil ansteigende Spannung, die mit Sicherheit höher sein muss als die zwischen Überschlag des Funkens erforderliche Durchbruchspannung.
Der zweite Entladungskreis besteht aus einer grossen Kondensatorbatterie vergleichsweise kleiner Spannung, die unter allen Umständen wesentlich kleiner als die Durchbruchsspannung des Mediums zwischen den Elektroden sein muss. Die Trennung der Funktion des die Entladung einleitenden ersten Kreises gegenüber der Funktion der Hauptentladung geschieht in derWeise, dass die für den starken Hauptentladungsstrom ausgelegten Verbin-
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ElektrodenMaterial umschlossen sind. Dieses Material verursacht im stromlosen Ruhezustand des Hauptentladungskreises eine hohe Induktivität der Entladungsleitung, die alsbald nach Einsetzen der Entladung infolge
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wirksam.
Am Beispiel gemäss der Zeichnung wird die Arbeitsweise der Erfindung erläutert.
Das Arbeitsgefäss ist durch Ziffer 1 dargestellt. In ihm ist die Flüssigkeit 2, vorzugsweise Was- ! ser, mit dem zu verformenden Werkstück 3, das in die evakuierte Form 4 in deren Innenfläche 5 hineingedrückt werden soll. Die Vakuumleitung ist mit 6 angedeutet. Die Druckwelle wird durch den
Funken 7 erzeugt, der sich zwischen den Elektroden 8a und 8b entlädt. Der speisende Hauptkonden- sator 9 wird von dem Energiegerät 10 auf willkürliche Spannungen aufgeladen. Zur Vorbereitung des jeweiligen Arbeitsablaufes ist ein Schutzschalter 11 vorgesehen, der erst kurz vor der Entladung den 'Kondensator mit den Elektroden verbindet.
Die beiden Stromzuleitungen 12a und 12b, die den oft in die Grössenordnung von 10 5A gehenden Entladestrom aushalten müssen, sind möglichst induktionsfrei und mit entsprechend grossen Kupferquerschnitten auszuführen. Zusätzlich sind als stromabhängige Induktivität
Ferritringe in grosser Anzahl, z. B. 13a und 13b, um eine oder beide Zuleitungen gelegt. Man kann sie selbstverständlich auch durch Ferritblöcke ersetzen. Stets soll hier ein Material gewählt werden, das eine ! sehr hohe Anfangspermeabilität besitzt und bei bereits verhältnismässig kleinen Feldstärken die Sättigung erreicht, so dass dann seine wirksame Permeabilität gleich der von Luft ist.
Dadurch ist im Ruhezustand, ohne dass ein Strom durch die Leitungen 12a und 12b fliesst, die Induktivität zwischen den Polen 14a und 14b und dem Kondensator 9 ausserordentlich hoch, verursacht durch den Induktivitätszuwachs der ferritischenKörper 13a und 13b im stromlosenzustand des Leiters. Die Zündung zwischen den Elektro- den 8a und 8b wird durch einen ausserordentlich leistungsstarken Impuls sehr kurzer Dauer erzeugt, der über die Hilfsfunkenstrecke 15 aus dem Entladekondensator 16 kommt. Dieser wird durch den Im- pulstransformator 17 aufgeladen. Man kann statt dessen natürlich auch andere Ladeeinrichtungen spon- taner Art, z. B. Marx-Kaskadenschaltungen, wählen. Im Fall des Impulstransformators wird man diesen aus einem kleinen Impulsgenerator 18, der z.
B. ein Wasserstoffthyratron enthält, primärseitig versorgen. 19 sei die auslösende Steuerleitung, 20 die Stromversorgung. Das Zusammenwirken ist wie folgt :
Der Kondensator 9 sei aufgeladen, z. B. auf eine Spannung von nur 1000 V. Sobald man den Schal- ter 11 schliesst, fliesst ein kleiner elektrolytischer Entladestrom zwischen den Elektroden 8aund8b.
Die ferritischen Materialien 13a und 13b müssen in ihrer Struktur so beschaffen sein, dass dieser elektro- lytische Entladestrom noch nicht zu ihrer Übersättigung führt. Im Augenblick, in dem das Thyratron 18 gezündet wird, liefert der Impulstransformator 17 einen spontanen Entladestoss zu dem Kondensator 16, so dass er in z. B. 10-5s oderkürzer auf seine volle Ladespannung von beispielsweise 60 oder 80 kV, in An- passung an das jeweilige Elektrodensystem und den Elektrodenabstand, aufgeladen wird. Die Schlagweite der Funkenstrecke 15 liegt um ein geringes tiefer als die Ladespannung des Kondensators 16.
Sobald der Kondensator 16 bis kurz vor das Erreichen seiner Ladungsspannungsspitze aufgeladen ist, schlägt die
Funkenstrecke 15 über, und infolge der sehr hohen aus dem Kondensator 16 spontan entnehmbaren
Spitzenleistung bei vergleichsweise kleiner Energie kommt es sofort zu einemFunkendurchschlag zwischen den Elektroden 8a und 8b. Dieser Funke hat aber keine ausreichende Energie, um eine selbständige nützliche Druckwelle zu erzeugen. Für sehr dünne Bleche, z. B. Staniol usw., würde die Druckwelle die- ses Zündfunkens bereits ausreichen, um eine Verformung zu veranlassen.
Durch den Kanal dieses Funkens, der auf Grund der Struktur der Flüssigkeits-Ionen im allgemeinen bis zu 10-4s lang stehen bleibt, erfolgt nun die Entladung des Kondensators 9, indem dieser Ionenschlauch sich aufweitet bis zur vollen Kanal- weite, wie sie für den Stromtransport des Entladungsstromes vom Kondensator 9 erforderlich ist. Damit erreicht man die volle Ausbildung der Druckwelle mit einem ausserordentlich hohen elektromechanischen
Wirkungsgrad in der üblichen Richtung auf das Blech.
Man kann sich dabei verschiedener Reflektoren und sonstiger Mittel, wie sie bisher in der Metallverformungstechnik mittels Explosivverformung üblich sind,
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wahl am Kondensator 9, d. h. man kann ohne an den Elektroden eine Veränderung vorzunehmen, kleine oder mittlere oder hohe Ladespannungen erneut anlegen, und dadurch die Energie stufenlos so variieren, dass das Optimum der Verformung des Werkstückes 3 erreicht wird. Gleichzeitig hat man eine erheblich höhere Energie zur Verfügung, was zur Kosteneinsparung führt, da das Verfahren z. B. bei 1 bis 2 kV Ladespannung des Kondensators bereits den etwa 8 fachen Arbeitswirkungsgrad für die Umsetzung elektrischer
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Minderung der Investitionskosten.
Das geschilderte Verfahren ist von der Funkenentladungstechnik her im Prinzip aus der österr. Patent- schriftNr. 239375 bekannt. Es ist jedoch dimensionierungsmässigeingrosserUnterschied, ob man damit Gas-
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entladungen oder Funken in Flüssigkeiten zünden will. Bei einfacher und auch ingenieurmässig modifizier- ter Übernahme des Verfahrens zur Zündung von Funkenstrecken in Gasen auf dieses Verfahren zur Zündung von Funken unter Wasser gelingt es nicht, eine zuverlässige Arbeitsweise sicherzustellen. Dieses liegt an dem hohen elektrolytischen Leitwert des Wassers zwischen den Elektroden 8a und 8b. Und auch wenn i man andere Flüssigkeiten benutzt, werden diese durch Suspension von Elektrodenmaterial bereits nach wenigen Funkenübergängen erfahrungsgemäss leitend. Wenn man z.
B. davon ausgeht, dass man bei einer angelegten Spannung von 1000 V bereits etwa 10 A wegen der elektrolytischen Leitfähigkeit zwischen den Elektrodenfliessenlassenkann, dieFlüssigkeit also einen ungefähren Widerstand von 100 Ohm hat, so sieht man, dass man zum Erreichen der Durchschlagsspannung, die z. B. bei 60 kV liegen kann, Stromspitzen von etwa 6 000 A benötigt. Diese machen es erforderlich, dass der Zündimpulsgenerator eine Spitzenlei- stung von in diesem Fall 360MW zu liefern imstande sein muss. Der Zündimpuls braucht dabei aber nur z. B. 1 lis lang zu sein. Das würde bedeuten, dass eine Energie von 360 Ws verfügbar sein muss. Die Im- pedanz der Zuleitung zwischen dem Impulstransformator 17 bzw.
Entladungskondensator 16 und der
Funkenstrecke 8a - 8b muss daher an die Impedanz des Flüssigkeitsfunkens angepasst sein oder noch nie- derohmiger sein. Andernfalls würde man nur eine induktiveSpeicherung desStromes ohne wirksamen Fun- kendurchschlag bekommen. Spitzenleistungen dieser Art sind hier jedoch leicht mit einer induktionsarmen
Kondensatorbatterie 16 und einer trägheitsarm ansprechendenFunkenstreckenanordnung 15 möglich.
Die technische Lehre der Ausgestaltung solcher Funkenstrecken kann der Literatur entnommen werden.
(Früngel : Impulstechnik, Erzeugung und Anwendung von Kondensatorentladungen, Akademische Verlags- gesellschaft Leipzig, 1960. ) Der Schalter 11 ist ein Präventivschalter, um einen unnützen Stromver- lust durch die elektrolytische Leitfähigkeit zu verhindern. Man kann ihn als Schalter ausbilden, z. B. auch als Ignitron oderFunkenstreckenschalter, mit entsprechend gross gewählten Elektroden. Letzterer Weg wird sich jedoch bei sehr tiefen Betriebsspannungen von 2 oder 1 kV nicht empfehlen, da dann wieder das Pro- blem der zusätzlichen Zündung bei diesen kleinen Spannungen Schwierigkeiten macht.
Hier werden an dieser Stelle mechanische Schlagschalter benutzt, wie sie in der angegebenen Literatur in Beispielen beschrieben sind.
In besonderen Fällen reicht es aus, an Stelle von ferritischen Umhüllungen der Zuleitungen 12a und 12b diese mit hochpermeablen Eisenblechen zu umwickeln. Dies ändert aber nichts an dem Wesen der Erfin- dung.
Die Erfindung lässt sich auch zur Erzeugung von sehr starken Stosswellen, z. B. in der Seismik, für geophysikalische Untersuchungen und auch bei Hydrophonen zur Erzeugung von Unterwasserschallwellen 'ürOrtu/. gs- und Navigationszwecke oder zur Signalübertragung nützlich verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erzeugung von Druckwellen durch Funkenentladungen in Flüssigkeiten, insbeson- dere für die Hochdruckverformung von Metallblechen, gekennzeichnet durch folgende gemein- sam anzuwendende Merkmale : a) Das Elektrodensystem, zwischen dem sich der druckerzeugende Funke entlädt, ist mit einer Kon- densatorbatterie verbunden, deren Ladespannung kleiner ist als die zur Erzeugung des Flüssigkeitsfunkens erforderliche Durchbruchspannung der Flüssigkeit.
b) Das vorzugsweise niederinduktiv ausgeführte Verbindungssystem zwischen den Elektroden und dem
Energiekondensator enthält stromabhängige Glieder, die bei einer Stromführung im Entladungssystem in der Höhe der Entladungsströme vorzugsweise zwischen 1000 und 100000 A bereits völlig übersättigt und wirkungslos sind, die jedoch bei geringen Strömen eine hohe Induktivität aufweisen.
c) Parallel zu den Arbeitselektroden ist mittels einer Impedanzleitung, deren Impedanz gleich oder kleiner ist als der elektrolytische Flüssigkeitswiderstand zwischen den Elektroden ein Kondensatorent- ladungssystem zur Auslösung des Zündfunkens wirksam, das so dimensioniert ist, dass es bei dem kleinsten beobachtbaren elektrolytischen Widerstand zwischen den Elektroden mit Sicherheit noch einen Spannungs- stoss erzeugen kann, der höher als die Durchbruchsspannung zwischen den Elektroden ist.