DE19709918A1 - Hochleistungs-Druckwellenquelle - Google Patents
Hochleistungs-DruckwellenquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Druckwellenquelle zur Erzeugung
einzelner hochenergetischer, in kurzen Zeitabständen wiederholbarer Druck
wellen jeweils durch Zündung eines definierten Volumens eines brennbaren
Fluidgemisches, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Druck- und Stoßwellenquellen mit relativ niedriger Leistung (etwa 10 bis 100
mJ) sind insbesondere aus der Medizintechnik bekannt, z. B. in Form von Li
thotriptern. Aktuelle Versionen arbeiten in der Regel nach dem elektromagneti
schen Prinzip, wobei mittels einer Spule-/Membran-Einheit ebene, fokussierba
re Druckwellen erzeugt werden.
Für nichtmedizinische, insbesondere industrielle Anwendungen besteht ein Be
darf nach einer wesentlich höheren Druckwellenenergie (etwa 50- bis 100-fach
größer). Eine einfache Vergrößerung/Skalierung der bekannten elektromagneti
schen Stoßwellenquellen ist wegen ihres schlechten Wirkungsgrades nicht
sinnvoll.
Aus der DE-OS 39 21 808 ist eine Vorrichtung zur fokussierten Stoßwellenbe
handlung von Tumoren bekannt, mit verschiedenen Möglichkeiten zur Stoß
wellenerzeugung, z. B. mittels eines explosiven Gasgemisches (siehe Anspruch
10). Es werden aber keine Hinweise zur konstruktiven Verwirklichung dieses
Prinzips gegeben.
Auch bei Hubkolbenmotoren werden Druckwellen durch Zünden brennbarer
Fluidgemische erzeugt, wobei der Zündvorgang in kurzen Zeitabständen be
liebig oft wiederholbar ist. Das Fluidgemisch, zumindest der Luftanteil, wird
stark verdichtet (Faktor < 10), die Verbrennung wird durch elektrische Fun
kenzündung oder Einspritzen des Brennstoffes eingeleitet. Dabei wird generell
eine "weiche", nicht zu schnelle Verbrennung angestrebt, da detonationsartige
Brennvorgänge die Motorbauteile (Kolben, Pleuel, Lager etc.) mechanisch
überlasten würden. Eine Übertragung dieses Verdichtungsprinzips auf andere
Druckwellenquellen wäre konstruktiv und energetisch relativ aufwendig, d. h.
wenig wirtschaftlich.
Es ist bekannt, Wasserstoff-Luft-Gemische bei atmospärischem Druck zu zün
den und die zunächst langsame, laminare Verbrennung (Deflagration) mit ge
ringer Druckerhöhung durch strömungstechnische Maßnahmen (Wirbeler
zeuger/Strömungshindernisse) über eine schnelle turbulente Verbrennung bis
hin zur Detonation mit hohen Druckspitzen zu beschleunigen. Dieses Prinzip
wird versuchstechnisch genutzt, um die möglicherweise bei Kernkraftwerksun
fällen (Kernschmelzen, Wasserstofffreisetzung) auftretenden Verhältnisse und
Belastungen im Reaktorgebäude zu simulieren. Siehe hierzu die Zeitschrift
"NACHRICHTEN"-Forschungszentrum Karlsruhe Jahrgang 28 2-3/96 Seiten
175 bis 191. Zu diesem Zweck wurden große rohrförmige bzw. kanalartige
Verbrennungskammern mit 12 m und 70 m Länge und mit variablen, strö
mungstechnisch wirksamen Einbauten/Geometrien errichtet, wobei die kleinere
Anlage (FZK) in Deutschland, die größere (RUT) in Rußland steht.
Ausgehend von dem dort in großen Dimensionen verwirklichten Prinzip der
Verbrennungsbeschleunigung bis zur Detonation besteht die Aufgabe der Er
findung darin, eine Hochleistungs-Druckwellenquelle mit kurzer Pulsdauer und
guter Wiederholrate zu schaffen, weiche relativ einfach, handlich, robust und
preiswert ist und welche sicher, zuverlässig und wirtschaftlich arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Ober
begriff.
Die Druckwellenquelle umfaßt eine Verbrennungskammer in Form eines Kana
les definierter Länge mit einem querschnittsmäßig erweiterten Ende. Den stirn
seitigen Abschluß des weiten Kanalendes bildet eine als akustisches Über
tragungselement fungierende Membran, wobei in deren Bereich eine Abführ
einrichtung für das Abgas vorhanden ist. Das enge Kanalende dient der Zufuhr
der Gemischkomponenten sowie der Zündung. Zwischen dem engen und dem
weiten Kanalende sind Wirbelerzeuger vorgesehen, welche den Abbrandvor
gang bis zur Detonation beschleunigen. Durch die geometrischen/volume
trischen Verhältnisse wird erreicht, daß der Großteil des Gemisches sich im
Bereich der Membran befindet, dort detonationsartig abbrennt und somit die
Druckwellenerzeugung bewirkt. Mit der Membran kann im Einsatzfall ein be
liebiges, akustisch leitendes Medium (z. B. fest, flüssig, gelartig, gummiartig) in
Kontakt stehen. Es können sich auch Elemente zur Fokussierung der von der
Membran ausgehenden Druckwellen anschließen.
Die Unteransprüche 2 bis 9 beinhalten bevorzugte Ausgestaltungen der Hoch
leistungs-Druckwellenquelle nach dem Hauptanspruch.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
Diese zeigt in stark vereinfachter, perspektivischer Darstellung - mit Blickrich
tung von rechts nach links im spitzen Winkel auf die Zeichenebene - einen
Längsmittelschnitt durch eine Hochleistungs-Druckwellenquelle.
Die Hochleistungs-Druckwellenquelle 1 - im folgenden vereinfacht nur
Druckwellenquelle 1 genannt - besteht großteils aus einem Rohr 2 mit über die
Länge variierendem, rundem Querschnitt, welches sowohl ein tragendes Ge
häuse als auch einen Strömungskanal/eine Verbrennungskammer 3 bildet. Die
Durchströmung erfolgt von links nach rechts, d. h. vom engen zum trompeten
artig erweiterten Rohrende. Das enge Rohrende ist mit einer Zuführeinrichtung
4 für die Komponenten eines brennbaren Fluidgemisches, hier Luft und Was
serstoff (H2), versehen, wobei die Zufuhr im Betrieb kontinuierlich oder in
termittierend erfolgen kann. Die dargestellte, koaxiale Zuströmung der Kom
ponenten in Rohrlängsrichtung erscheint vorteilhaft, sie ist aber nur eine von
vielen denkbaren Zuströmvarianten. Wichtig ist in jedem Fall, daß schnell und
auf kurzem Weg ein möglichst homogenes Fluidgemisch erzeugt wird. Das
Fluidgemisch besteht mindestens aus einem Brennstoff und einem Oxidator,
wobei das Abbrandverhalten über das Mischungsverhältnis, d. h. die Abwei
chung vom stöchiometrischen Verhältnis, beeinflußbar ist. Im Hinblick auf eine
vollständige Verbrennung sollte die Einstellung zur "mageren" Seite hin tendie
ren. Gemische mit mehr als zwei Komponenten sind ebenfalls denkbar, bei
spielsweise um das Abbrandverhalten, die Abgaszusammensetzung oder die
thermische Belastung zu beeinflussen.
Die Zündeinrichtung 5 arbeitet intermittierend, wobei eine hohe Wiederholrate
(1 Hz oder mehr) angestrebt wird. Am zweckmäßigsten erscheint hier eine
elektrische Funkenzündung. Möglicherweise genügt auch eine schnelle Glüh
zündung den Anforderungen.
Mit mäßiger, d. h. wirtschaftlicher Zündenergie läßt sich zunächst nur eine sehr
niedrige Abbrandgeschwindigkeit von beispielsweise 0,15 m/s erzeugen, wel
che noch keine nutzbaren Druckwellen hervorrufen kann. Die erforderliche
Beschleunigung des Abbrandes wird mittels mehrerer Wirbelerzeuger 6 bis 9,
d. h. einen zunehmend turbulenten Strömungscharakter, erreicht. Damit läßt
sich die Abbrandgeschwindigkeit auf Werte weit über 1000 m/s mit kurzen,
hohen Druckspitzen (Detonation) steigern. Im vorliegenden Fall sind die Wir
belerzeuger 6 bis 9 beispielsweise als Lochblenden mit "Zahnlücken" bis zur
Rohrwand ausgeführt. Am besten ist dies beim Wirbelerzeuger 9 zu erkennen,
dessen zentrische Öffnung 10 örtlich in Form mehrerer Aussparungen 11 bis
zur Rohrwand erweitert ist. Der kleinste und der größte Durchmesser des Wir
belerzeugers 9 sind zusätzlich strichpunktiert angedeutet.
Die optimale Anzahl und Geometrie der Wirbelerzeuger ist voraussichtlich ex
perimentell zu ermitteln. Nach Passieren des letzten Wirbelerzeugers sollte die
Verbrennung jedenfalls Detonationscharakter haben.
Die Querschnitts- und damit die Volumenverteilung innerhalb der Verbren
nungskammer 3 ist so gewählt, daß ein großer Anteil des Fluidgemisches deto
nationsartig verbrennt, d. h. sich hinterhalb der "Flammenbeschleunigungszone"
befindet.
Die dargestellte, trompetenartige Form mit stetiger Querschnittserweiterung,
z. B. gemäß einer Exponentialfunkfion, kann vorteilhaft sein, z. B. hinsichtlich
der Druckwellenausbreitung. Es sind aber auch andere Wandkonturen vorstell
bar. z. B. mit Knicken und stufenartigen Durchmessersprüngen. Es kann ausrei
chend sein, zwei zylindrische Rohrstücke mit stark unterschiedlichem Durch
messer über eine lochblendenartige Wand (Durchmessersprung) zu verbinden.
Auch kegelige oder mehrfach gestufte Übergänge können anwendbar sein.
Die Verbrennungskammerquerschnitte müssen auch nicht rund sein. Quadrati
sche, rechteckige oder andere Geometrien mit und ohne Ecken sind vorstellbar.
Die dargestellte "Druckwellentrompete" könnte durch die Verwendung von
quadratischen statt runden Querschnitten unter Beibehaltung der stetigen, ex
ponentiellen Querschnittserweiterung zu einem "Druckwellenhorn" modifiziert
werden. Letztlich ist wichtig, daß ein großer Teil des Volumens der Verbren
nungskammer detonationsartig abbrennt, und daß dieser Volumensteil sich im
Bereich der die Verbrennungskammer stirnseitig begrenzenden Membran be
findet. Der Zündvorgang und der Flammenbeschleunigungsvorgang sollen sich
auf einen volumetrisch kleinen Teil der Verbrennungskammer beschränken.
Dabei ist es so, daß vor jedem Zündvorgang die Verbrennungskammer in vol
ler Länge mit brennbarem Fluidgemisch gefüllt, d. h. gespült wird.
Für die bei der Verbrennung entstehenden Abgase ist im Bereich der Membran
14 eine Abführeinrichtung 12 vorgesehen, hier in Form mehrerer, über den
Umfang verteilter Abströmschlitze 13. Der Abströmvorgang sollte möglichst
keine seitlichen Reaktionskräfte auf die Druckwellenquelle 1 hervorrufen. An
stelle der Abströmschlitze 13 können auch Klappen, Ventile oder andere Aus
strömorgane verwendet werden.
Falls unverbrannte Restmengen an Brennstoff im Abgas enthalten sind, kann
eine gezielte Nachverbrennung sinnvoll bzw. erforderlich sein. Die die Ver
brennungskammer 3 stirnseitig abschließende Membran 14 hat sowohl eine
trennende als auch eine übertragende Funktion. Einerseits schützt sie angren
zende Substanzen vor den unmittelbaren Auswirkungen des Verbrennungsvor
ganges (Hitze, Verbrennungsprodukte etc.), andererseits bildet sie ein ver
lustarmes, akustisches Übertragungselement für die erzeugten Stoßwellen. Die
zu bearbeitende Substanz steht entweder direkt mit der Membran 14 in körper
lichem Kontakt, oder es ist mindestens ein weiteres Übertragungsmedium, z. B.
Gel, Wasser oder Gummi, zwischen Membra und Substanz eingefügt. Die
letztgenannte, indirekte Kontaktierung ist insbesondere dann gegeben, wenn
die erzeugten Druckwellen nach der Membran fokussiert werden.
Im vorliegenden Beispiel ist strichpunktiert eine Fokussiereinrichtung 15 in
Form einer akustischen Linse angedeutet. Auf Details wurde der Übersicht
lichkeit halber verzichtet. Die Fokussiereinrichtung 15 oder weitere Fokus
siereinrichtungen werden nur im Bedarfsfall, als Anbauelemente, lösbar mit der
Druckwellenquelle 1 verbunden, welche entsprechende Anschlußmöglichkeiten
aufweist.
Hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ist zu sagen, daß
deren tatsächlicher Umfang jetzt noch nicht absehbar ist. Voraussichtlich kön
nen die meisten Substanzen von fest bis gasförmig behandelt werden. Insbe
sondere ist an Flüssigkeiten mit Feststoffbeimischung, an Stäube, Pulver und
Granulate zu denken. Denkbare Wirkungen sind z. B. Homogenisieren, Zer
kleinern, Beseitigen von Hohlräumen oder anderen "Fehlstellen", Auflösen von
Ablagerungen, Verkrustungen etc. und somit das Reinigen von Oberflächen
sowie vieles mehr.
1
Hochleistungs-Druckwellenquelle
2
Rohr
3
Verbrennungskammer
4
Zuführeirrichtung
5
Zündeinrichtung
6
Wirbelerzeuger
7
Wirbelerzeuger
8
Wirbelerzeuger
9
Wirbelerzeuger
10
Öffnung
11
Aussparung
12
Abführeinrichtung
13
Abströmschlitz
14
Membran
15
Fokussiereinrichtung
Claims (9)
1. Hochleistungs-Druckwellenquelle zur Erzeugung einzelner hochener
getischer, in kurzen Zeitabständen wiederholbarer Druckwellen jeweils durch
Zündung eines definierten Volumens eines brennbaren Fluidgemisches sowie
durch Erhöhung seiner Abbrandgeschwindigkeit bis zur Detonation, gekenn
zeichnet durch einen zu einem seiner beiden Enden hin im Querschnitt erwei
terten, eine Verbrennungskammer (3) bildenden Kanal definierter Länge, eine
Zuführeinrichtung (4) für die Komponenten des Fluidgemisches und eine
Zündeinrichtung (5) im Bereich des engen Kanalendes, eine Abführeinrichtung
(12) für das Abgas im Bereich des weiten Kanalendes und eine das weite Ka
nalende stirnseitig abschließende, ein akustisches Übertragungselement bilden
de Membran (14) sowie mehrere über die Kanallänge verteilte Wirbelerzeuger
(6 bis 9).
2. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch die Auslegung für einen Betrieb mit magerem bis stöchiometrischem
Wasserstoff-Luft-Gemisch.
3. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach Anspruch 1 oder 2, gekenn
zeichnet durch eine Ausführung der Verbrennungskammer (3) als zur Mem
bran (14) hin kontinuierlich, z. B. trompetenartig, erweitertes Rohr (2).
4. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Ausführung der Zündeinrichtung
(5) als elektrische Funkenzündung.
5. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Abführeinrichtung (12) in Form
mehrerer Abströmschlitze (13) im Bereich des Membranrandes.
6. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch blendenartige Wirbelerzeuger (6 bis 9)
mit einer zentrischen Öffnung (10) und mit mehreren, diese Öffnung (10) stel
lenweise bis in den Bereich der Kanalwand fortsetzenden, zahnlückenartigen
Aussparungen (11).
7. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch eine Rohrgeometrie, bei welcher zumindest in der Nähe der Membran
(14) der Rohrinnendurchmesser exponentiell - in Relation zur Rohrlängskoor
dinate - zunimmt.
8. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Pulsdauer der erzeugten einzelnen
Druckwelle von weniger als 100 Mikrosekunden und eine Wiederholrate von
mindestens einem Hertz.
9. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anbaumöglichkeit einer oder ver
schiedener, der Membran (14) nachgeschalteter, akustischer Fokussiereinrich
tungen (15).
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