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Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen (Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung
P 23 20 670.4) Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen
für die Durchführung des im Hauptpatent ....
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(PatAnm Akt.-Z. P 23 20 670.4) beschriebenen Verfahrens zur Erzeugung
von Stoßwellen in einer Flüssigkeit, bei dem eine Masse innerhalb einer Flüssigkeit
mit so großer Geschwindigkeit bewegt wird, daß sich in Bewegungsrichtung der Masse
gesehen hinter der schnell bewegten Masse ein Raum stark verminderten Drucks bildet,
der dann nach Art einer Implosion von der umgebenden Flüssigkeit schlagartig ausgefüllt
wird.
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Die im Hauptpatent beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
dient dazu, die Masse in Bewegung zu versetzen und mit hoher Geschwindigkeit innerhalb
der Flüssigkeit fortzubewegen. Entsprechend der im Hauptpatent offenbarten Ausführungsform
besteht die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens aus einem mit Druckgas gefüllten
Raum veränderlichen Volumens, der in Wirkverbindung mit einem weiteren Raum bringbar
ist, welcher seinerseits mit der Umgebungsflüssigkeit in Verbindung bringbar und
gegen diese absperrbar ist. Die Vorrichtung weist einen Kolben auf, der beaufschlagt
durch ein
sich entspannendes Gas bei öffnen eines in besonderer
Weise ausgebildeten Ventils sehr schnell innerhalb einer die fortzubewegende Masse
enthaltenden Kammer verschiebbar ist.
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Das Verfahren und die Vorrichtung des Hauptpatents gestatten die Erzeugung
von wesentlich kräftigeren Stoßwellen als bis dahin möglich, bei gleichzeitig niedrigeren
Betriebskosten.
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Durch die Erfindung soll nunmehr eine weitere Vorrichtung für die
Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptpatent geschaffen werden, die sich durch
einfachen Aufbau und vielseitige Anwendungsmöglichkeit auszeichnet.
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Die nunmehr vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem offenen Mantelrohr,
in welchem ein Kolben über wenigstens einen-Teil der Rohrlänge frei verschiebbar
geführt ist, besteht, das an einem Ende vermittels eines zum Antrieb des Kolbens
dienenden Antriebsgehäuses verschlossen ist.
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Entsprechend einer ersten Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebsgehäuse
zwei Elektroden auf, welche in den zur Aufnahme eines Antriebsmediums dienenden
Innenraum des Antriebsgehäuses hineinragen und mit einer zur Erzeugung eines Lichtbogenübergangs
zwischen den Elektroden dienenden elektrischen Spannungsquelle verbindbar sind.
Das Antriebsmedium kann dabei entweder aus Wasser oder aus einem explosiven Gasgemisch
bestehen.
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Entsprechend einer zweiten Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch
das Antriebsgehäuse über einen schnell öffnenden und schließenden Schieber mit dem
Mantelrohr verbunden sein und einen Sammelraum für Druckgas-Antriebsmedium bilden.
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Vorzugsweise ist der Kolben mit einer senkrecht zu seinen Stirnflächen
verlaufenden, geeichten Öffnung versehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im nachfolgenden anhand der
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform
und Fig. 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform.
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Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung besteht
aus einem Mantelrohr 101, das an seinen beiden Enden 102 und 103 offen ist. Innerhalb
des Mantelrohrs 101 ist überwenigstens einen Teil der Rohrlänge ein Kolben 104 gleitend
verschiebbar geführt und weist einen Vorsprung 104a auf, dessen Außendurchmesser
etwas kleiner ist als der Innendurchmesser eines Rings 102a, der an dem offenen
Ende 102 des Mantelrohrs 101 befestigt ist. Das Mantelrohr 101 ist an seinem anderen
Ende 103 durch ein zum Antrieb des Kolbens 104 dienendes Antriebsgehäuse 105 verschlossen,
das sich in Verlängerung an das Mantelrohr 101 anschließt, an einem Ende fest mit
diesem verbunden und an seinem anderen Ende durch einen Stopfen 105 verschlossen
ist. An dem Antriebsgehäuse 105 ist eine innere Ringschulter 105c ausgebildet, welche
einen zur Begrenzung des Verschiebungsweges des Kolbens 104 nach oben dienenden
Anschlag bildet. Der Stopfen 105b trägt zwei-Elektroden 106 und 107, welche in die
Kammer 108 hineinragen, die durch das Antriebsgehäuse 105 und den Kolben 104 begrenzt
ist. Diese beiden Elektroden sind mit einer bei 109 schematisch angedeuteten elektrischen
Spannungsquelle verbunden. Im Mantelrohr 101 ist in Nähe der oberen Totpunktstellung
des Kolbens 104 eine geeichte Öffnung 110 ausgebildet.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 weist der nach Fig. 1 entsprechende
Bestandteile auf, und diese sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das Mantelrohr 101 ist
jedoch in diesem Falle mit dem Antriebsgehäuse
105 über einen zwischen beiden angeordneten, schnell öffnenden und schließenden
Schieber 111 verbunden. Der hier dargestellte Schieber kann beispielsweise der in
der französischen Patentschrift 71 39095 vom 29. Oktober 1971 beschriebenen Ausführung
entsprechen oder aus einem Schieber anderer Ausführung bestehen, welcher schnell
in die Öffnungsstellung verstellbar ist. Das Absperrglied 112 des Schiebers ist
mittig angeordnet und auf einem mittigen Anker 113 des Schiebers hin und her verschiebbar
geführt. Bei dieser Ausführungsform bildet das mit dem offenen Ende 103 des Mantelrohrs
101 verbundene Ende des Schiebers 111 gleichzeitig den oberen Anschlag für den Kolben
1 04.
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An das Antriebsgehäuse 105 ist eine Druckgaszuführleitung 114 angeschlossen,
durch welche ein Druckgas in die Kammer 108 zuführbar ist, welche hier durch das
Antriebsgehäuse 105 und den Schieber 111 begrenzt ist. Der Kolben 104 ist mit einer
senkrecht zu seinen Stirnflächen verlaufenden, geeichten Öffnung 115 versehen.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist kurz wie folgt.
Dazu sei angenommen, daß die Vorrichtung in einer Flüssigkeit untergetaucht ist
und zu seismischen Untersuchungen des Bodens eines Gewässers verwendet wird. Unter
diesen Bedingungen bewirkt der bei der jeweiligen Eindringtiefe innerhalb der Flüsssigkeit
herrschende hydrostatische Druck die Verschiebung des Kolbens 104 von dem offenen
Ende 102 des Mantelrohrs 101 weg bis zur Anlage gegen die Ringschulter 105c (Fig.
1) bzw. gegen das Ende des Schiebers 111 (Fig. 2). Das die Vorrichtung umgebende
Wasser füllt somit das Innere des Mantelrohrs 101 aus, wobei das hinter dem Kolben
eingeschlossene Gas durch die.dffnung 110 hindurch entweichen kann. In die Kammer
108 im Antriebsgehäuse 105 wird dann ein Antriebsmedium eingeleitet. Im Falle der
Ausführungsform nach Fig. 1
kann dieses Antriebsmedium aus einem
explosiven Gasgemisch bestehen. Zum Zuführen desselben sind selbstverständlich hier
nicht dargestellte Vorrichtungen wie z.B. ein ferngesteuertes Einlaßventil vorgesehen.
Sobald ein Lichtbogenübergang zwischen den beiden Elektroden 106 und 107 erzeugt
wird, kommt es zur Entzündung des Gasgemischs, wodurch ein sehr großes Gasvolumen
entsteht, das bei seiner Entspannung den Kolben 104 mit hoher Geschwindigkeit in
Richtung des Rings 102a hin verschiebt. Der Kolben 104 verdrängt dabei mit hoher
Geschwindigkeit das innerhalb des Mantelrohrs 101 befindliche Wasser und wird am
offenen Ende 102 des Mantelrohrs durch Aufprall auf den Ring 102a hart abgebremst,
wobei sich ein Flüsssigkeitsfilm zwischen dem Innendurchmesser des Rings 102a und
dem Vorsprung 104a an dem Kolben befindet.
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Das durch den Kolben aus dem Mantelrohr 101 herausgeschleuderte Wasser
bewegt sich infolge seiner Massenträgheit in gleicher Richtung innerhalb der die
Vorrichtung umgebenden Flüssigkeit fort, indem es sich dabei von dem Kolben ablöst.
Daher bildet sich hinter der fortbewegten Wassermenge, welche im Hauptpatent als
"Flüsssigkeitsgeschoß" bezeichnet ist, ein Hohlraum bzw. ein Raum stark verminderten
Drucks aus, der implosionsartig von der umgebenden Flüssigkeit aufgefüllt wird,
wobei eine Stoßwelle erzeugt wird. Nach Abfeuern dieses "Schusses" wird der Kolben
104 aufgrund des hydrostatischen Drucks wieder in die in der Zeichnung dargestellte
obere Stellung zurückgedrückt, wobei die Verbrennungsgase durch die Öffnung 110
hindurch entweichen können.
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Als Antriebsmedium kann anstelle eines explosiven Gasgemischs auch
eine bestimmte Wassermenge dienen, in welcher vermittels der Elektroden ein Lichtbogenübergang
erzeugt wird. Bei dieser elektrischen Entladung wird innerhalb sehr kurzer Zeit
eine sehr große Gasmenge erzeugt, die bei Entspannung den Kolben 104 hoch beschleunigt.
Die Verwendung von Wasser als
Antriebsmedium hat den besonderen
Vorteil, daß die Vorrichtung vermittels der elektrischen Entladung als selbständiger
Stoßwellengenerator innerhalb einer Flüssigkeit verwendbar ist.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird als Antriebsmedium
ein komprimiertes Gas (wie z.B. Luft oder Dampf) verwendet, das dem Raum 108 durch
die Druckgaszuführleitung 114 zugeführt wird. Der Raum 108 stellt in diesem Falle
einen Sammelraum für Druckgas-Antriebsmedium dar. Im Auslösezeitpunkt wird der Schieber
111 geöffnet. Da der Schieber aufgrund seiner Konstruktion sehr schnell in die Öffnungsstellung
verstellbar ist, wirkt praktisch augenblicklich und schlagartig eine sehr große
Druckgasmenge auf die Rückseite des Kolbens 104 ein, beaufschlagt diesen und verursacht
die Verschiebung des Kolbens mit hoher Geschwindigkeit.
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Genau wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gestattet
die geeichte Öffnung 110 das Entweichen einer vorbestimmten Gasmenge, welche so
bemessen ist, daß sie die Stoßwellenerzeugung nicht beeinflußt. Außerdem kann das
Antriebsmedium bei Verschiebung des Kolbens 104 nach oben aufgrund des auf diesen
einwirkenden hydrostatischen Drucks durch diese Öffnung 110 hindurch entweichen.
In seiner oberen Stellung verschließt der Kolben diese Öffnung 110. Die im Kolben
104 ausgebildete Öffnung 115 gestattet das Einführen einer kleinen Gasmenge in den
von dem "Flüssigkeitsgeschoß" gebildeten Hohlraum nach Ablösung desselben von dem
Kolben. Diese Gasmenge wirkt als "Stoßdämpfer" und verhindert Rückpralleffekte der
bei der Implosion aufeinandertreffenden Flüssigkeitsmassen, welche die erzeugte
Stoßwelle aufgrund der Erzeugung einer Sekundärstoßwelle stören könnten.
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Diese zweite Ausführungsform der erf-indungsgemäßen Vorrichtung eignet
sich insbesondere zur Verwendung in Institutsgebäuden
oder auf
ozeanografischen Forschungsfahrten, bei denen bereits eine Druckgasquelle oder Vorrichtungen
zur Erzeugung von überhitztem Dampf zur Verfügung stehen. Die Ausführungsform nach
Fig 2 gestattet außerdem, an der Auslaßseite des Schiebers 111 Mantelrohre 101 unterschiedlicher
Durchmesser anzubringen. Auf diese Weise lassen sich die Abmessungen des Flüssigkeitsgeschosses,
d.h. der schnell fortbewegten Masse und damit die Energie der erzeugten Stoßwelle
auf einfache Weise verändern.
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- Patentansprüche: -