DE10133765A1

DE10133765A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschleunigung von Flüssigkeitstropfen auf hohe Geschindigkeit (Hydrojet)

Info

Publication number: DE10133765A1
Application number: DE10133765A
Authority: DE
Inventors: Gernot K Brueck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-30

Description

Stand der Technik

Es gibt schon Anwendungen, bei denen Flüssigkeitstropfen auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Hier ist vor allem das Schneiden mit Wasser zu nennen, bei welchem das Wasser unter extremem Druck in einer Düse beschleunigt wird und sodann auf das zu behandelnde Medium trifft. Eine weitverbreitete Anwendung ist der Hochdruckreiniger. Auch wird das Wasser durch den Pumpdruck getrieben und dann in der Ausgangsdüse beschleunigt. Mit der kinetischen Energie des Wassers können Reinigungsprozeduren durchgeführt werden.

Bei einer Anwendung im Bereich der Zahnmedizin werden einzelne Flüssigkeitstropfen dadurch beschleunigt, dass der hintere Teil des Tropfens durch einen Laserstrahl verdampft wird und zwar in sehr kurzer Zeit. Die nun entstehende Dampfblase treibt den Tropfen an.

Probleme

Bei den oben angeführten Anwendungen ist die Beschleunigung der Flüssigkeit begrenzt und bedarf eines großen Aufwandes und ist von zu vielen Einflussgrößen abhängig. Da sich das erfindungsgemäße Verfahren vorwiegend auf die Beschleunigung relativ kleiner Flüssigkeitsmengen konzentriert und dies auch primär für den zahnmedizinischen Bereich, werden hier auch nur die Probleme in diesem Sektor beobachtet.

Die Beschleunigung einzelner Tropfen mittels Laserlicht führt zwar auch zu vernünftigen Ergebnissen, aber die Anwendungsbreite bleibt begrenzt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass der Beschleunigungsdruck einerseits wegen des freien Raums recht begrenzt ist und andererseits die Richtungen der Beschleunigungskräfte nicht parallel verlaufen. Dieses Verfahren ähnelt einem Raketenantrieb. Auch hier erzeugen die ausströmenden Gase die Beschleunigung des Objektes, wobei aber die Effizienz hier deutlich höher ist, da die Gase durch eine Düse geführt und nachbeschleunigt werden. Beim Tropfen, dessen rückwärtiger Teil verdampft wird, strömt der Wasserdampf in einem relativ großen Winkelbereich ab. Hierdurch ist die resultierende Beschleunigung des Tropfens begrenzt.

Die wirksame kinetische Energie kann auch nur begrenzt variiert werden. Wird durch eine höhere Pulsenergie ein größerer Teil des Tropfens verdampft, dann steigt zwar die Geschwindigkeit des Tropfens, aber die Masse nimmt auch stärker ab. Wegen der Uneinheitlichkeit des abströmenden Wasserdampfs steigt die Geschwindigkeit wesentlich geringer als der Masseverlust des Tropfens, womit die kinetische Energie fast gleich bleibt.

Auch die Richtung der Beschleunigung ist unterschiedlich. Sie hängt davon ab, wie der Wassertropfen durch den Laserstrahl getroffen wird. Nur diejenigen, welche direkt vom Laserstrahl getroffen werden, erhalten auch eine Beschleunigung in Richtung des Strahls. Hierdurch bleibt die Wirkung auf der anvisierten Stelle begrenzt.

Eine letzte Begrenzung ist die Tropfengröße. Bei Tropfen, die vor dem Laserstrahl entwickelt werden, ist der Durchmesser begrenzt und damit dann auch wiederum die Wirkenergie des Tropfens.

Problemlösung

Ideal kann ein solches Verfahren angesehen werden, mit dem die Pulsenergie des Laserstrahls möglichst vollständig in kinetische Energie umgewandelt werden kann. Weiterhin soll die Richtung des beschleunigten Tropfens der Richtung des Laserstrahls entsprechen.

Hierzu muss die Wellenlänge des Laserlichtes so eingestellt sein, dass das Licht möglichst vollkommen im Wasser absorbiert wird, damit die Energie auch voll umgesetzt werden kann. Weiterhin sollte das Wasser während der Beschleunigung geführt werden, um die Richtung eindeutig festzulegen. Letztlich sollte kein Teil des treibendes Dampfes wirkungslos bleiben oder entweichen können.

All diese Anforderungen werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in der entsprechenden Vorrichtung erfüllt.

Das Hydrojet Verfahren nebst entsprechender Vorrichtung

Das erfindungsgemäße Verfahren weicht deutlich von der bekannten Tropfenbeschleunigungsmethode ab. Wie schon zuvor dargestellt, kann der mit Laserlicht teilweise verdampfte Tropfen mit einem Raketenantrieb verglichen werden. Beim Hydrojet Verfahren handelt es sich um einen ballistischen Vorgang.

In einer Quasibrennkammer wird das darin befindliche Wasser mittels des Laserstrahls schlagartig verdampft. Durch den hierdurch entstandenen Dampfdruck wird der im Leitröhrchen befindliche Wasserfaden hoch beschleunigt in Richtung des Röhrchens.

Bei der Verwendung eines Er : YAG Lasers mit einer Wellenlänge von 2940 nm wird das Licht nahezu hundertprozentig absorbiert und damit in Wasserdampf umgewandelt.

Damit der Druck auch fast ausschließlich der Beschleunigung des Wasserfadens zugute kommt, muß die Wasserzuführung entsprechend verriegelt werden. Dies kann geschehen durch z. B. ein Kugelventil oder optimaler durch eine Zahnradpumpe, die durch ein Schneckengetriebe bewegt wird. Da diese nur dann angetrieben wird, wenn der Laser Lichtenergie zuführt, tropft die Einheit nicht während der inaktiven Zeit. Auch kann durch die sehr präzise Wasserzuführung die optimale Wasserfüllung erreicht werden. Erfolgt der Antrieb über ein Schneckengetriebe, so ist der Sperrung des Rücklaufs der Zahnräder der Pumpe automatisch gegeben. Auch wirkt die Masse der Zahnräder als Rücklaufsperre.

Die Beschleunigung ist wegen der geringen Verluste direkt abhängig von der Pulsenergie des Laserstrahls, aber auch von der Pulslänge. Bei gleichbleibender Pulsenergie steigt die Effizienz der Energieumsetzung mit der Kürze des Pulses, womit auch die Pulslänge ein Parameter zur Einstellung der kinetischen Energie des Wassertropfens ist. Die maximal mögliche Umsetzung von 100% der Pulsenergie in kinetische Energie ist natürlich nicht erreichbar.

Eine Umsetzung von bis zu ca. 80% ist aber bei einer optimalen Umgebung möglich. Dies bedeutet, dass zum Beispiel ein Wassertropfen von ca. einem Mikroliter entsprechend einem Gesicht von einem Milligramm auf über dreifache Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann.

Hierdurch kann auch im Mikrobereich der Zahnbehandlung die Reinigung des Zahnschmelzes von jedem darauf lagernden Belag erfolgen, ohne dass der Zahn angegriffen wird. Weiterhin wird das abgesprengte Material durch das Wasser nach verrichtete Arbeit fortgespült.

Die Einstellung der wirksamen kinetischen Energie kann in einem sehr weiten Bereich erfolgen, womit unterschiedliche Applikationen möglich sind.

Da der Hydrojet eine eigenständige Einheit ist und das Laserlicht lediglich als Antriebsenergie verwendet wird, kann der den Hydrojet antreibende Laser nach Abstellen der Wasserzufuhr auch für alle lasertypischen Behandlungen genutzt werde.

Beschreibung

Anhand der Fig. 1 bis 7 wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine dazu gehörigen mögliche Ausprägung der Vorrichtungen dargestellt.
In den Fig. 1 bis 4 werden die folgenden Einzelheiten dargestellt:
Ein Laserstrahl 1 wird in die Lichtleitfaser 2 geleitet. Diese wird im Gehäuse 3 der Vorrichtung gehalten. Eine Wasserzuführung 4 verbindet die Zahnradpumpe 7 mit der Wasserversorgung. Über die Zahnradpumpe 7 wird das Wasser in die Kammer 9 gepumpt, worauf sich diese füllt, einschließlich des Leitröhrchens 8 bis zum Ausfluß 10, durch welchen das überschüssige Wasser ausfließen kann. Die Verlängerung des Leitröhrchens 11 dient dazu eine hinreichend laminare Strömung des Wasser sicherzustellen. Auch die Austrittsöffnung 12 ist so geformt, dass der Flüssigkeitsfaden kompakt austreten kann.
Die Kammer 9 ist zur Lichtleitfaser 2 hin mit einer lichtdurchlässigen Platte 6 abgeschlossen.
Der Lichtpuls 5 ist optisch in der Faser 2 dargestellt und befindet sich danach noch in dieser.
Nachdem der Lichtpuls 5 die Abschlussplatte 6 durchstrahlt hat, trifft er in der Kammer 9 auf das darin enthaltene Wasser resp. die Flüssigkeit und es entsteht eine Gasblase 13.
Diese dehnt sich mit der zunehmenden Umsetzung des Wassers in Wasserdampf weiter aus und füllt als größer gewordene Gasblase 14 fast das ganze Kammervolumen 9 aus. Dabei wird der Flüssigkeitsfaden 15 schon aus der Austrittsöffnung 12 herausgedrückt.
Nachdem die Gasblase 16 sowohl die Kammer 9, als auch einen Teil der Zahnradpumpe 7 und auch das Führungsröhrchen 8 und deren vorderen Teil 11 ausgefüllt hat, tritt der überschüssige Dampf 17 aus der Austrittsöffnung und der Flüssigkeitsfaden 18 fliegt mit hoher Geschwindigkeit in der durch das Führungsröhrchen vorgegeben Richtung.
In den Fig. 5 bis 7 sind weitere Einzelheiten dargestellt, die einerseits unterschiedliche Wasserzuführungen darstellen und das Schneckengetriebe für die Zahnradpumpe.
Statt der Zahnradpumpe 7 läßt sich die Sperrung des Rücklaufs auch durch ein Kugelventil 19 realisieren. Möglich ist aber auch eine Ausprägung des Einströmkanals 20 in der Weise, dass hierdurch ein Entweichen des Drucks verhindert wird, indem die beschleunigte Flüssigkeit daran vorbei strömt und dadurch auch das Wasser für den folgenden Wasserstoß nachgeführt wird nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe. In einem Zuführungskanal 23 können Zusätze in das Leitröhrchen 11 gegeben werden, wobei das überschüssige Wasser aus dem Ablauf 10 herausfließt.
In der Darstellung des Schneckengetriebes kann deutlich die Sperrwirkung dieses Getriebes gegen einen Rücklauf erkannt werden. Durch die Schnecke 21 wird das Getriebezahnrad 22 angetrieben. Dieses ist direkt mit einem Zahnrad der Zahnradpumpe 7 verbunden. Da das Getriebezahnrad 22 durch die Schnecke 21 verriegelt ist, kann daher auch kein Rücklauf in der Zahnradpumpe erfolgen.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Beschleunigung von Flüssigkeitstropfen oder Flüssigkeitsfäden dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in einer Kammer durch einen gepulsten Laser teilweise verdampft wird und durch den so entstandenen Dampfdruck die restliche Flüssigkeit in einem Führungsrohr beschleunigt wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laser um einen Festkörperlaser handelt, dessen Wellenlänge möglichst nahe dem Absorptionsmaximum des Wassers liegt.

3. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laser um einen Erbium dotierten Laser handelt.

4. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laser um einen Er : YAG Laser handelt.

5. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuführung zur Kammer eine Vorrichtung aufweist, die den Rückfluß verhindert.

6. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung zur Sperrung des Rückflusses um eine Zahnradpumpe handelt, die mit einem Schneckengetriebe angetrieben wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Sperrvorrichtung um eine Kugelventil handelt.

8. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszufuhr so in die Kammer geleitet wird, dass die Verriegelung des Rückflusses durch die Strömung geschieht.

9. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitstropfen durch die Pulsenergie des Laserstrahls so beschleunigt wird, dass ein möglichst hoher Anteil der Pulsenergie in kinetische Energie umgesetzt wird.

10. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung optimiert wird durch eine möglichst kurze Pulsdauer und dadurch die Effizienz der Beschleunigung steigt.

11. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die lichtzuführende Faser durch eine davor liegende, licht- und IR durchlässige Platte geschützt wird, die gleichzeitig die Kammer nach hinten abdichtet.

12. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die beschleunigten Flüssigkeitstropfen zur zahnärztlichen Behandlung genutzt werden.

13. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Flüssigkeit so gestaltet wird, dass diese auf weiches Gewebe aufgesetzt werden kann und die Flüssigkeit durch die Haut geschossen wird.

14. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass z. B. Mittel zur lokalen Betäubung unter die Haut gespritzt werden können.

15. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer so konstruiert ist, dass der auftretende Druck gehalten werden kann.

16. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsrohr so gestaltet ist, dass der erzeugte Druck voll zur Beschleunigung genutzt werden kann, eine möglichst laminare Strömung im Führungsrohr entsteht und die Topfenablösung ohne Flüssigkeitsabtrennung geschieht.

17. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit nützliche Zusätze enthält, die entweder die Reinigungskraft erhöhen oder desinfizieren oder sonstige Leistungssteigerungen bewirken.