DE602004002932T2

DE602004002932T2 - Einrichtung zur injektion eines gepulsten überschallgasstroms

Info

Publication number: DE602004002932T2
Application number: DE602004002932T
Authority: DE
Inventors: Gilles Martin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: ES2274420T3; EP1588591B1; DE602004002932D1; JP2006518038A; EP1588591A1; ATE343920T1; KR20050105186A; WO2004071138A1; CN1742521A; FR2850298B1; US20060086822A1; US7093774B2; FR2850298A1; CN100352315C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft generell die Vorrichtungen zur Injektion eines gepulsten Gasstroms.
Spezifischer ausgedrückt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Injizieren eines Stoffs in eine Anlage zur Erforschung bzw. Untersuchung von Thermonuklearfusionsplasmas.
STAND DER TECHNIK
Bei einer Thermonuklearfusionsanlage kann der verwendete Brennstoff zum Beispiel Deuterium und/oder Tritium sein. Er muss auf eine Temperatur von mehreren hundert Millionen Grad gebracht werden und bei dieser Temperatur während der längstmöglichen Periode eingeschlossen bleiben. Dazu umfassen die leistungsfähigsten bis heute in Betracht gezogenen Lösungen die Anwendung von starken Magnetfeldern, die ermöglichen, das Fusionsplasma, welches das ionisierte Gas mit ungefähr 300 Millionen Grad Kelvin umfasst, von den Wänden des Einschließungsraums zu isolieren.
Zu diesem Thema ist bekannt, dass die gute Qualität der Einschließung sich in einen Hauptschwachpunkt für den Betrieb der Anlage verwandelt. Denn das Magnetfeld hindert zwar die heißen Teilchen daran, das Magnetfeld zu verlassen, aber es verhindert auch das Ersetzen des Brennstoffs. Jedoch bleiben diese Risiken in dem Maße relativ gering, wie die Austausche zwischen der Außenseite und dem Plasmakern effektiv stattfinden, und dies aufgrund des Vorhandenseins eines gewissen Diffusionsniveaus, erzeugt durch verschiedene Faktoren wie etwa dem Fehlen einer perfekten Einschließung, den Turbulenzen oder auch den ständigen Kollisionen zwischen den Teilchen des Plasmas.
Die Kontrolle bzw. Steuerung der in dem Plasma enthaltenen Stoffmenge erfolgt also durch ein Gleichgewicht zwischen dem Pumpen bzw. Abpumpen der das Plasma in Richtung Wand verlassenden Teilchen und dem Injizieren des frischen Brennstoffs. Diesbezüglich sei präzisiert, dass das spezifische Problem der Versorgung eines Ultravakuumraums mit Leichtgas wie Wasserstoff oder Helium eine sehr gute Dichtheit und eine sehr gute Kontrolle bzw. Steuerung erfordert.
Aus dem Stand der Technik kennt man bis heute zwei unterschiedliche Lösungen, um Stoff in das Plasma einer Thermonuklearfusionsanlage zu injizieren.
Eine erste Lösung besteht darin, den Brennstoff in Form von Gas mit Umgebungstemperatur zu injizieren (s. zum Beispiel L. Yao et al.: "Hydrogen cluster-like behaviour during supersonic molecular beam injection on the HL-1M tokamak" – Nuclear Fusion, Vol.41, Nr.7).
Diese Gasinjektion erfolgt generell mit Hilfe eines oder mehrerer piezoelektrischer Ventile mit einem Durchsatz in der Größenordnung von 0,1 bis 3 Pa.m³/s. Zur Erläuterung ist anzumerken, dass die Mengeneinheit der üblicherweise für die Fusionsplasmas verwendeten Stoffe der Stoffmenge entspricht, die mit einem Druck von einem Pascal in einem Kubikmeter enthalten ist, gemessen bei einer Umgebungstemperatur von 20°C. Wieder sei erläuternd angemerkt, dass diese Menge 2,7.10²⁰ Molekülen entspricht und die Menge der in einem klassischen Plasma der Anlage 'Tore Supra" ungefähr 1 bis 2 Pa.m³ beträgt, jede Sekunde erneuert mit Hilfe von einem bis drei piezoelektrischen Ventilen.
Außerdem beträgt die Ansprechzeit der verwendeten Ventile 5 bis 10 ms, was an eine kontrollierte Versorgung des Plasmas angepasst ist (s. zum Beispiel A. Auerbach et al.: "Modified pulsed valve for supersonic jet applications"- Rev. Sci. Instum. 51(9), Sept. 1980).
Jedoch wird in einem solchen Fall das durch diese Ventile zwischen der Wand des Raums und der Oberfläche des Plasmas injizierte Gas ionisiert, sobald es einige Zentimeter in dieses letztere eindringt, um anschließend durch Diffusion in den Kern dieses Plasmas befördert zu werden. Nun hat man aber bei der Anwendung dieser Lösung konstatiert, dass der injizierte Stoff relativ schnell wieder austrat aus dem Kern des Plasmas, was dieses Phänomen zu wenig wirkungsvoll gemacht hat.
Zu diesem Thema wurde auch beobachtet, dass die Effizienz dieser Lösung, definiert durch das Vehältnis aus der Anzahl der Teilchen, die die zentralen Zonen des Plasmas erreichen, und der Anzahl der in die Kammer injizierten Teilchen, 10 bis 20 % nicht überschreitet. Also, trotz des Umstands, dass die verwendeten piezoelektrischen Ventile sich als geeignet für die kontrollierte Versorgung des Plasmas erwiesen haben, bleibt die Effizienz dieser ersten Lösung zu gering für eine Optimierung der Verwaltung der in der Anlage verwendeten Gasmengen.
In anderen Gebieten gibt es Beispiele von Überschallventilen, zum Beispiel beschrieben in JP-A-2001115657, oder auch in JP-A-07218380, wo eine Injektionsvorrichtung eines Überschallgasstroms beschrieben wird, die eine erste Kammer umfasst, in deren Innern sich das zu injizierende Gas unter Druck beiderseits eines freien Kolbens befindet, wobei die Vorrichtungen Einrichtungen umfasst, um diesen freien Kolben in Bewegung zu versetzen, die mit der ersten Kammer verbunden sind und den freien Kolben antreiben können. Diese Vorrichtung umfasst außerdem eine Überschalldüse für den Gasausstoß, die durch eine in der ersten Kammer vorgesehene Öffnung mit dieser ersten Kammer verbunden ist.
Eine zweite Lösung wird dann im Stand der Technik vorgeschlagen. Sie beruht auf der Injektion des Brennstoffs in fester Form durch Kryogentechniken. Man lässt Deuterium und/oder Tritium bei 4°K erstarren, um "Eiswürfel" zu erhalten, die anschließend mit Hilfe eine pneumatischen Injektors des Scarabantyps (type "scaraban") oder eines Injektors des Schleudertyps in die Anlage injiziert werden, mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von mehreren hundert Metern pro Sekunde.
Diese Injektoren können bis ungefähr 10 Hz arbeiten und die erzeugten Eiswürfel umfassen jeder eine Stoffmenge von ungefähr 0,2 bis 0,5 Pa.m³, was einem zwischen 2 und 5 mm³ enthaltenen Wert entspricht.
Bei diesem Injektionstyp dringt der Stoff tief in das Plasma ein, denn die Eiswürfel werden vor der hohen Temperatur im Kern des Plasmas durch die Bildung eines sehr dichten Gaswolke geschützt, die jeden von ihnen umgibt, entsprechend einem Erhitzungsphänomen. Wenn nämlich der Eiswürfel in das Plasma eindringt, verdampft der Stoff partiell und bildet eine Schutzwolke, deren Temperatur in dem Maße zunimmt, wie dieser Würfel sich dem Kern des Plasmas nähert. Es bildet sich also eine "Plasmakugel", abgelenkt durch den Magnetfeldgradient, bis der injizierte Stoff sich mit dem des Hauptplasmas homogenisiert.
Bei der Anwendung einer solchen Lösung hat man eine Effizienz von nahezu 100 % erzielt. Außerdem, wie oben erwähnt, hat man beobachtet, dass die gebildete Plasmakugel, abgelenkt durch den Magnetfeldgradient, die Penetration dieses Stoffs in Richtung Plasmakern noch verstärkt.
Jedoch, trotz der guten durch diese zweite Lösung des Injektionsproblems erzielten Versorgungseffizienz, drückt sich die Komplexität ihrer Anwendung direkt in Form ihrer Kosten aus, die 10- bis 100-mal höher sind als die der ersten Lösung.
Es sei übrigens präzisiert, dass bei den gegenwärtigen Thermonuklearfusionsanlagen die hauptsächlich benutzten Brennstoffe Wasserstoff und/oder Deuterium sind. Diese Gase sind nicht teuer, so dass auch wenig effiziente Lösungen nicht kostspielig sind. Anders verhält es sich, wenn der verwendete Brennstoff teuer ist, wie etwa Tritium, das als der Hauptbrennstoff zukünftiger Anlagen betrachtet wird. Auch ist es schwierig, Tritium in den Erstarrungszustand zu versetzen, wegen seiner Radioaktivität und dem Vorhandensein des Elements He³. Die zweite oben präsentierte Lösung des Injektionsproblems ist auch nicht ganz zufriedenstellend hinsichtlich der Verwendung eines solchen Brennstoffs in Thermonuklearfusionsanlagen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine einfache und daher kostengünstige Vorrichtung vorzuschlagen, die ermöglicht, einen starken gepulsten Gasstrom schnell unter sehr hohem Druck zu injizieren und dabei zwischen den Gaspulsen eine sehr gute Dichtheit zu garantieren.
Diese Vorrichtung findet insbesondere Anwendung in Anlagen zur Erforschung bzw. Untersuchung von Thermonuklearfusionsplasmas. Diese Vorrichtung eignet sich außerdem generell für jede Art von Gaseinspeisung in einen geschlossenen Raum wie etwa eine Verbrennungskammer eines Motors oder eines physikalisch-chemischen Reaktors.
Dazu hat die Erfindung eine Injektionsvorrichtung eines gepulsten Überschallgasstroms, die insbesondere aber nicht ausschließlich dazu bestimmt ist, eine Anlage zur Erforschung bzw. Untersuchung von Thermonuklearfusionsplasmas zu versorgen. Nach der Erfindung umfasst die Injektionsvorrichtung eine erste Kammer, in deren Innern sich das unter Druck stehende Injektionsgas beiderseits eines freien Kolbens befindet, wobei die Vorrichtung Antriebseinrichtungen dieses freien Kolbens umfasst, die mit der genannten ersten Kammer verbunden und fähig sind, den freien Kolben anzutreiben, und die Vorrichtung außerdem eine Überschalldüse zum Ausstoßen des Gases umfasst, die durch eine in der ersten Kammer vorgesehene Öffnung mit dieser ersten Kammer verbunden ist, und ein Ventil zum Verschließen der Öffnung umfasst, das durch den Aufschlag des freien Kolbens geöffnet werden kann.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Injektionsvorrichtung von einfacher und ganz an eine Anlage zur Erforschung bzw. Untersuchung von Thermonuklearfusionsplasmas angepasster Konzeption.
Das Prinzip der Erfindung beruht auf einer Injektion von schnellen und konzentrierten Gasstößen, wobei diese spezifischen Charakteristik ermöglicht, bei der Ausführung eine Einfachheit beizubehalten, die der der ersten Lösung aus dem Stand der Technik entspricht, wo die Gasinjektion mit Hilfe von piezoelektrischen Ventilen erfolgt. Die vorgeschlagene besondere Konzeption ermöglicht auch eine Gasinjektion, deren Charakteristika stark denen der zweiten Lösung aus dem Stand der Technik gleichen, wenn die Injektion des Brennstoffs in Form von Eiswürfeln erfolgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dann vorteilhafterweise eine Effizienz in der Größenordnung von 50 bis 60 % erreichen, also deutlich höher sein als die der ersten Lösung aus dem Stand der Technik, dabei aber so konzipiert sein, dass ihre Kosten wenigsten zehnmal niedriger sind als die der zweiten Lösung des Stands der Technik.
Die in der Anlage "Tore Supra" durchgeführten Tests haben andererseits gezeigt, dass die präsentierte Injektionsvorrichtung eine Injektion eines Gaspulses der Größenordnung 0,5 Pa.m³ während ungefähr 0,5 ms mit einer Betriebsfrequenz von wenigstens gleich 10 Hz ermöglicht, wobei diese Werte eine sehr zufriedenstellende Brennstoffversorgung der Anlage ermöglichen.
Vorzugsweise sind die Antriebseinrichtungen 12 des freien Kolbens fähig, in dem Injektionsgas einen Druckunterschied bezüglich der beiden Seiten des freien Kolbens zu erzeugen. Dazu kann man vorsehen, dass diese Antriebseinrichtungen des freien Kolbens eine zweite Kammer umfassen, in deren Innern das Injektionsgas auf beiden Seiten eines gesteuerten Kolbens unter Druck steht.
In einem solchen Fall kann die zweite Kammer dann mit der ersten Kammer durch eine erste Verbindungsleitung kommunizieren, die einen ersten Endteil der ersten Kammer mit einem zweiten Endteil der zweiten Kammer verbindet, und durch eine zweite Verbindungsleitung, die einen ersten Endteil der zweiten Kammer mit einem zweiten Endteil der ersten Kammer verbindet. Eine Bewegung des Kolbens, in die Richtung gesteuert, die von dem zweiten in Richtung erstem Endteil verläuft, bewirkt einen Antrieb des freien Kolbens in der Richtung, die von dem zweiten zum ersten Endteil der ersten Kammer verläuft, und umgekehrt.
Bei einer solchen Konzeption ist es dann möglich, den gesteuerten Kolben durch ein magnetisches System betätigt wird, das zwei beabstandete Spulen umfasst, die so montiert sind, dass sie die zweite Kammer der Vorrichtung umgeben.
Zudem hat der erste Endteil der zweiten Kammer vorzugsweise einen Gaseingang, der dazu bestimmt ist, an eine Injektionsgasversorgung angeschlossen zu werden. Diesbezüglich, um sicherzustellen, dass die gesamte Vorrichtung mit Gas gefüllt wird, kann die zweite Kammer einen regelbaren Bypass umfassen, der das Fließen von Injektionsgas zwischen dem ersten und dem zweiten Endteil dieser zweiten Kammer ermöglicht. Außerdem ist es möglich, diese Funktion sicherzustellen, indem man wenigstens eines der Elemente vorsieht, die ausgewählt werden zwischen dem freien Kolben und dem gesteuerten Kolben, der in seiner Kammer so zwischen den beiden durch ihn abgegrenzten Teilen der Kammer sitzt, dass er eine schmale Passage für das Gas freilässt.
Bei einer bevorzugten Realisierungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Kammer auf Höhe ihres zweiten Endteils mittels eines Verschlussblocks verschlossen, der eine erste und eine zweite Öffnung umfasst, wobei die erste Öffnung mit der ersten Verbindungsleitung kooperiert und in einem der ersten Kammer benachbarten Kanal mündet, der mit dem ersten Endteil dieser ersten Kammer kommuniziert, und die genannte zweite Öffnung mit der zweiten Verbindungsleitung kooperiert und direkt in der ersten Kammer der Vorrichtung mündet.
Außerdem kann das die in der ersten Kammer der Vorrichtung vorgesehene Öffnung verschließende Ventil einen Kopf umfassen, der diese Öffnung durchquert und in einen in dem ersten Endteil vorgesehenen Injektionsraum hineinragt, wobei dieser Injektionsraum durch den freien Kolben geschlossen werden kann. Dazu ist der freie Kolben vorteilhafterweise so konzipiert, dass er ein Außenelement sowie ein in diesem Außenelement verschiebbares Innenelement umfasst, wobei das Innenelement dazu bestimmt ist, auf den Kopf des genannten Ventils zu schlagen, um ihn zu betätigen, und das Außenelement dazu bestimmt ist, den genannten Injektionsraum zu verschließen.
Bei dieser bevorzugten Realisierungsart wird das Ventil Ventil mittels einer Feder so gespannt, dass es eine Dichtung quetscht, die die genannte Öffnung umgibt, die in der ersten Kammer der Vorrichtung vorgesehen ist.
Die Feder befindet sich in einem Sitz, der aus einem Stück mit der ersten Kammer ist, wobei dieser Sitz und die erste Kammer im Wesentlichen zylindrisch und koaxial sind und durch die genannte Öffnung getrennt sind, die in der ersten Kammer der Vorrichtung vorgesehen ist.
Außerdem hat der Sitz der Feder eine Öffnung, die einen Innenraum dieses Sitzes mit der genannten Überschalldüse der Vorrichtung verbindet.
Schließlich ist noch anzumerken, dass die Antriebseinrichtungen des freien Kolbens fähig sind, eine Ventilöffnung mit einer Dauer von ungefähr 2 ms und einen Gasausstoß der Überschalldüse (6) mit einer Menge von ungefähr 0,5 Pa.m³ während einer Dauer von ungefähr 0,5 ms zu realisieren, mit einer Betriebsfrequenz von wenigstens 10 Hz.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen der nachfolgenden detaillierten aber nicht einschränkenden Beschreibung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Beschreibung bezieht sich auf die folgenden beigefügten Figuren:
die 1, die eine das Erfindungsprinzip schematisch darstellende Ansicht einer Vorrichtung zur Injektion eines gepulsten Überschallgasstroms ist;
die 2, die eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Injektion eines gepulsten Überschallgasstroms nach einer bevorzugten Realisierungsart der vorliegenden Erfindung ist;
die 3a bis 3g, die die Funktionsweise der in der 2 dargestellten Injektionsvorrichtung darstellen;
die 4, die ein Diagramm ist, das die Entwicklung der verschiedenen Parameter der in der 2 dargestellten Injektionsvorrichtung ist, wenn diese letztere in Betrieb ist; und
die 5, die eine partielle und schematische Schnittansicht einer Anlage zur Untersuchung bzw. Erforschung von Thermonuklearfusionsplasmas ist, welche die in den 2 bis 4 dargestellte Injektionsvorrichtung umfasst.
DETAILLIERITE DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN REALISIERUNGSARTEN
In der das Erfindungsprinzip schematisierenden 1 ist eine Vorrichtung zur Injektion eines gepulsten Überschallgasstroms dargestellt.
Die Injektionsvorrichtung 1 umfasst eine erste Kammer 2, in deren Innern sich ein freier Kolben 4 befindet, der auf beiden Seiten einem Druckgas ausgesetzt ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst außerdem eine Überschalldüse 6, durch die das Gas austritt, um einen gepulsten Überschallstrom zu bilden.
Wie in der 1 zu sehen, kann die Kammer 1 durch eine Bohrung 8, die in dieser ersten Kammer 2 vorgesehen und durch ein Ventil 10 geschlossen wird, mit der Überschalldüse 6 kommunizieren.
Um den gepulsten Überschallstrom zu erzeugen, verfügt die Vorrichtung 1 über Antriebseinrichtungen 12 des freien Kolbens 4, die mit der ersten Kammer 2 verbunden sind und fähig sind, den freien Kolben 4 in dieser ersten Kammer 2 der Injektionsvorrichtung 1 anzutreiben.
Mit dieser Konfiguration ist der sich in der Kammer 2 bewegende freie Kolben 4 fähig, derart auf das Ventil 10 zu schlagen, dass dieses die Bohrung 8 während einer bestimmten Dauer freigibt, so dass zu injizierendes Gas aus der Kammer 2 in die Überschalldüse 6 strömen kann.
Die 2 zeigt eine Injektionsvorrichtung 100 eines gepulsten Überschallgasstroms nach einer bevorzugten Realisierungsart der vorliegenden Erfindung. Wie oben in dem Erfindungsprinzip erwähnt, umfasst die Injektionsvorrichtung 100 eine erste Kammer 2, einen freien Kolben 4, der in der ersten Kammer 2 bewegt werden kann, eine Überschalldüse 6, eine Bohrung 8 in der ersten Kammer 2 sowie ein diese Öffnung verschließendes Ventil.
Bei dieser bevorzugten Realisierungsart der vorliegenden Erfindung umfassen die Antriebseinrichtungen 12 des freien Kolbens 4 eine zweite Kammer 14, in deren Innern sich ein gesteuerter Kolben 16 befindet, wobei sich das zu injizierende Druckgas beiderseits dieses Kolbens 16 befindet.
Um die Verbindung zwischen der ersten Kammer 2 und der zweiten Kammer 14 der Injektionsvorrichtung 100 herzustellen, umfasst diese letztere eine erste Verbindungsleitung 18, durch die ein erster Endteil 2a der ersten Kammer 2 mit einem zweiten Endteil 14b der zweiten Kammer 14 kommuniziert. Zudem ist die Vorrichtung 100 auch mit einer zweiten Verbindungsleitung 20 versehen, durch die erster Endteil 14a der ersten Kammer 14 mit einem zweiten Endteil 2b der ersten Kammer 2 kommuniziert.
Die Verbindungsleitungen 18 und 20 sind folglich ebenfalls mit Injektionsgas gefüllt und so angeordnet, dass eine Bewegung des gesteuerten Kolbens 16 in der Richtung von dem zweiten Endteil 14b zum ersten Endteil 14a der zweiten Kammer 2 auf den Seiten des freien Kolbens 4 Druck bzw. Unterdruck erzeugt, was diesen freien Kolben 4 in der Richtung antreibt, die vom zweiten Endteil 2b zum ersten Endteil 2a der ersten Kammer 2 geht. Auf analoge Weise kann man feststellen, dass eine Bewegung des gesteuerten Kolbens 16 in der Richtung vom ersten Endteil 14a zum zweiten Endteil 14b der zweiten Kammer 2 einen Antrieb des freien Kolbens 4 in der Richtung erzeugt, die vom ersten Endteil 2a zum zweiten Endteil 2b der ersten Kammer 2 geht.
Präzisiert sei, dass die ersten Endteile 2a und 14a der ersten und der zweiten Kammer 2 und 4 vorzugsweise oberen Endteilen entsprechen, während die zweiten Endteile 2b und 14b der ersten und der zweiten Kammer 2 und 4 vorzugsweise unteren Endteilen entsprechen. Derart, aufgrund der im Wesentlichen vertikalen Position der ersten und der zweiten Kammer 2 und 14, wenn sich die Injektionsvorrichtung 100 in einer wie in der 2 dargestellten Ruheposition befindet, ist der Druck des Injektionsgases im Wesentlichen in allen Elementen der Vorrichtung 100 gleich, was dann dem freien und dem gesteuerten Kolben 4 und 16 ermöglicht, sich aufgrund der Schwerkraft in das zweite, untere Endteil 2b bzw. 14 der Kammer 2 bzw. 14 zu verschieben.
Die Injektionsvorrichtung 100 ist an eine Gasversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen, wobei diese Gasversorgung die Vorrichtung 100 mit einem Gas versorgt, dessen Druck zwischen 3 und 10 bar enthalten ist und vorzugsweise ungefähr 5 bar beträgt. Zu diesem Zweck kann die Versorgung an einen Gaseingang 22 angeschlossen ist, der mit dem ersten Endteil 14a der zweiten Kammer 14 verbunden ist.
Außerdem, um einen im Wesentlichen gleichen Druck in allen Elementen der Vorrichtung 100 sicherzustellen, ist die zweite Kammer 14 mit einem regel- bzw. einstellbaren Bypass 24 versehen, der das Strömen des Gases zwischen dem ersten Endteil 14a und dem zweiten Endteil 14b, also beiderseits des gesteuerten Kolbens 16, ermöglicht. Auf diese Weise, nach jeder Betätigung des Ventils 10, so dass es die in der ersten Kammer 2 vorgesehene Bohrung 8 freigibt, kann die durch die Überschalldüse 6 entwichene Menge an Gas durch den Gaseingang 22 wieder in die Vorrichtung 100 eingespeist und mit Hilfe des regel- bzw. einstellbaren Bypass 24 gleichmäßig verteilt werden, was ermöglicht, das Gleichgewicht der Drücke in ungefähr einer Sekunde wiederherzustellen.
Eine Lösung, zusätzlich oder alternativ zu dem Bypass 24 könnte darin bestehen, an dem freien und dem gesteuerten Kolben 4 und 16 ein Leck in Form eines Durchlasses zwischen diesen Kolben und ihren jeweiligen Kammern 2 und 14 vorzusehen. Dieser Durchlass kann ganz einfach ein Spiel zwischen diesen verschiedenen Elementen sein.
Es sind mehrere Steuerungstechniken des gesteuerten Kolbens 16 vorstellbar, um das Injektionsgas in den Elementen der Injektionsvorrichtung 100 zu verschieben und in Höhe des freien Kolben 4 Druck/Unterdruck herzustellen.
In dieser Hinsicht kann man die Kompressionstechnik eines Balgs bzw. Faltenbalgs mittels eines Hydraulikzylinders nennen. Jedoch ist es bei der beschriebenen bevorzugten Realisierungsart der vorliegenden Erfindung eine magnetisches System 26, das den gesteuerten Kolben 16 im Innern der zweiten Kammer 14 antreibt. Anzumerken ist, dass diese Lösung in dem Maße besonders vorteilhaft ist, wie sie ermöglicht, in Bezug auf die anderen vorgeschlagenen Lösungen den Vorrat an Injektionsgas zu minimieren.
In der 2 sieht man außerdem, dass das magnetische System 26 zwei Spulen 28 und 30 umfasst, die vertikal voneinander beabstandet sind und die zweite Kammer 14 der Vorrichtung 100 umgeben. Diese spezifische Anordnung des Typs "magnetische Linse" ermöglicht eine schnelle Verschiebung des gesteuerten Kolbens 16 in seiner Kammer 14, so dass der entsprechend angetriebene freie Kolben 4 bei seinem Aufprall auf das Ventil 10 der Vorrichtung 100 über eine große Schlagkraft verfügt.
Typischerweise werden die Spulen 28 und 30 durch 800 Windungen eines Drahts mit 2,5 mm Durchmesser gebildet und mit einem Strom der Größenordnung 30 bis 40A versorgt. Der Widerstand beträgt ungefähr 1 Ω und die Selbstinduktion ungefähr 0,1 H. Durchgeführte Messungen haben ermöglicht, festzustellen, dass das in Höhe des gesteuerten Kolbens 16 erzeugte Feld ungefähr 25 mT/A beträgt.
Zur Erläuterung ist anzumerken, dass die Erzeugung des Stroms in den Spulen 28 und 30 eine große Leistung mit insbesondere einer hohen Anfangsspannung benötigt, um der Selbstinduktion dieser Spulen entgegenzuwirken. Eine Spannung von 500 V und eine Stromstärke von 40A können als Werte gelten, die eine adäquate elektrische Anfangsversorgung der Spulen 28 und 30 sicherstellen. Zudem, um diese Spulen zu steuern, ist es möglich, eine einfache und wirtschaftliche Methode anzuwenden, darin bestehend, zwischen der Induktivität der Spulen 28 und 30 und einer Kondensatorenbank (nicht dargestellt), zum Beispiel von 530 μF, einen RLC-Schwingkreis zu realisieren. Diese Kondensatorenbank wird aufgeladen bevor sie durch einen schnellen Thyristor mit einer der Spulen 28, 30 verbunden wird und dann im Moment der Stromumkehrung mit der anderen Spule verbunden wird. Auf diese Weise ist es relativ einfach, eine Hin-und-Herbewegung des gesteuerten Kolbens 16 in seiner Kammer 14 zu erzeugen, nämlich mit Hilfe einer elektrischen Versorgung, die während Perioden von ungefähr 100 ms mit Hilfe einer zwischen 100 und 150 V enthaltenen Spannung und einer zwischen 30 und 40A enthalten Stärke arbeitet.
Bei diesen bevorzugten Realisierungsarten der vorliegenden Erfindung ist die erste Kammer 2 aus einem Materialblock bzw. einem Stück 31, vorzugsweise aus nichtoxidierbarem Stahl, wobei diese Kammer, in der sich der freie Kolben 4 bewegt, im Wesentlichen zylindrisch ist und einen kreisförmigem Querschnitt hat. Ein an die erste Kammer 2 angrenzender Kanal 34 kommuniziert durch eine seitliche Öffnung 39 mit dem ersten, oberen Endteil 2a dieser ersten Kammer 2. Außerdem erstreckt sich dieser angrenzende Kanal 34 vertikal längs der ersten Kammer 2 bis zum zweiten Endteil 2b, welches das untere Endteil dieser Kammer 2 ist.
Die erste Kammer 2 und der angrenzende Kanal 34 sind in Höhe ihrer unteren Endteile durch einen Verschlussblock 40 geschlossen.
Der Verschlussblock 40, der an den Materialblock 31 montiert ist, weist eine erste Öffnung 42 auf, die in den angrenzenden Kanal 34 mündet und die mit der ersten Verbindungsleitung 18 kooperiert, so dass zwischen dem ersten Endteil 2a der ersten Kammer 2 und dem zweiten Endteil 14b der zweiten Kammer 14 Injektionsgas fließt. Der Verschlussblock 40 ist auch noch mit einer zweiten Öffnung 44 versehen, die mit der zweiten Verbindungsleitung 20 kooperiert und direkt in den zweiten Endteil 2b der ersten Kammer 2 mündet, so dass zwischen dieser letzteren und dem ersten Endteil 14a der zweiten Kammer Injektionsgas fließt.
Der Verschlussblock 40 kann mit dem Materialblock 31 verschraubt und dann mit diesem verschweißt werden, um eine perfekte Dichtheit sicherzustellen.
In dem ersten Endteil 2a der ersten Kammer 2 ist ein Injektionsraum 46 mit einer oberen Bohrung 8 vorgesehen, der oben durch das Ventil 10 der Vorrichtung 100 begrenzt wird. Wie weiter unten genauer beschrieben, kann der Injektionsraum 46 auch unten begrenzt werden, durch den freien Kolben 4, wenn dieser auf das Ventil 10 schlägt. Das Volumen dieses Injektionsraums 46 wird selbstverständlich in Abhängigkeit von der Gasmenge festgelegt, die man bei jedem Puls durch die Überschalldüse 6 ausstoßen will. Es kann zum Beispiel ungefähr 0,65 cm³ betragen.
Das Ventil 10, welches die Bohrung 8 der ersten Kammer 2 der Vorrichtung 100 verschließt, verfügt über einen Kopf 48, der diese Bohrung 8 durchquert und in das Innere des Injektionsraums 46 hineinragt. Zudem, dank einer Feder 50, ist dieses Ventil 10 vorgespannt, so dass es eine Dichtung 52 quetscht, die um die Bohrung 8 herum vorgesehen ist. Die Dichtung 52 ist vorzugsweise eine Fluorkunststoff-Dichtung, die bis zu einer Temperatur von ungefähr 250 °C Dichtheit gewährleistet. Die Feder 50 ist zum Beispiel so angepasst, dass die maximale Öffnung des Ventils 10 einem Federdruck von ungefähr 25 daN entspricht.
Bei dieser bevorzugten Realisierungsart der Erfindung befindet sich die Feder 50 in einem Sitz 54, wo sie mit Hilfe einer Schraube 56, die sich am oberen Ende des Sitzes 54 befindet, einige Millimeter vorgespannt wird, zum Beispiel 5 mm. Dieser Sitz 54 ist in demselben Materialblock 31 realisiert, der auch die erste Kammer 2 und den angrenzenden Kanal 34 der Vorrichtung 100 umfasst. Der Sitz 54 ist im Wesentlichen zylindrisch, hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist koaxial zu der ersten Kammer 2 und von dieser durch die Bohrung 8 getrennt, die ebenfalls koaxial ist zu diesen beiden Elementen 2 und 54.
In der Nähe der Bohrung 8 der ersten Kammer 2 hat der Sitz 54 der Feder 50 eine seitliche Öffnung 58, durch die ein Innenraum des Sitzes 54 mit der Überschalldüse 6 der Vorrichtung 100 kommuniziert. Das Ventil umfasst einen Schließteil 59, der – wenn die Injektionsvorrichtung 100 sich in einem Ruhezustand befindet – dazu dient, mit seiner Unterseite die Bohrung 8 zu verschließen und mit seinem Seitenrand 58 die in dem Sitz 54 vorgesehene seitliche Öffnung 58 total zu verschließen.
Die Überschalldüse 6 ist auf die Außenseite des Sitzes 54 montiert, zum Beispiel mittels Schweißung, so dass bei einer Betätigung des Ventils 10 das in dem Injektionsraum 46 befindliche Injektionsgas durch die Bohrung 8 und die progressiv freigegebene seitliche Öffnung 58 entweichen und dann durch die Überschalldüse 6 der Vorrichtung 100 ausgestoßen werden kann.
Zu bemerken ist, dass bei der in der 2 dargestellten bevorzugten Realisierungsart die Überschalldüse 6 so an dem Sitz 54 der Feder 50 befestigt ist, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu dieser letzteren ist. Selbstverständlich könnte die Überschalldüse 6, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, anders angeordnet werden, zum Beispiel mit einer spezifischen Neigung, bestimmt in Abhängigkeit von der Anwendung der Injektionsvorrichtung 100.
Die an den Sitz 54 montierte Überschalldüse 6 ist vorzugsweise eine Überschalldüse des Lavalldüsentyps, die dazu bestimmt ist, die axiale Dispersion des Gases zu begrenzen, und die an die jeweiligen Erfordernisse angepasst wird. Es ist nämlich möglich, die Eingangs- und Ausgangsquerschnitte der Düse 6 so zu dimensionieren, dass man eine bestimmte Mach-Zahl erreicht. Zum Beispiel ermöglichen ein Eingangsquerschnitt von 0,8 mm² und ein Ausgangsquerschnitt von 0,5 mm² Mach 4 zu erreichen, wobei der Betriebsdruck der Vorrichtung 100 wenigstens 10 bar erreichen kann. Der Wert der Querschnitte der Düse 6 kann also, um eine höhere Mach-Zahl zu erreichen, modifiziert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Jedoch muss man bei der Dimensionierung der Überschalldüse 6 auch dem Einsatzgebiet der Vorrichtung 100 Rechnung tragen, damit die Größe der Vorrichtung mit diesem Einsatz kompatibel ist.
Der freie Kolben 4, der sich in der ersten Kammer 2 bewegt, wird vorzugsweise durch zwei Elemente gebildet. Eines dieser beiden Elemente ist das Außenelement 60, das aus Bronze ist, so dass der freie Kolben 4 dank dieses Materials relativ leicht in der ersten Kammer 2 gleitet. Wenn der freie Kolben 4 in Richtung Endteil 2a der Kammer 2 getrieben wird, wird seine Translationsbewegung durch eine Schulter 62 gestoppt, die in dem Materialblock 31 vorgesehen ist, der die erste Kammer 2 bildet. Außerdem verschließt in dieser Anschlagsposition an der Schulter 62 das äußere Element 60 die seitliche Öffnung 39, die seitliche Öffnung 39 zu dem angrenzenden Kanal 34, so dass der in dem ersten Endteil 2a vorgesehene Injektionsraum 46 der ersten Kammer 2 geschlossen ist.
Außerdem umfasst der freie Kolben 4 auch ein Innenelement 64, das in dem Außenelement 60 verschiebbar ist. Die Hauptfunktion dieses Innenelements 64 besteht darin, zuerst leicht auf das Ventil 10 zu schlagen, wenn der Kolben 4 in der ersten Kammer in Bewegung versetzt worden ist, ehe das Innenelement 60 auf der Schulter 62 aufprallt. Um eine gute Funktionsweise der Injektionsvorrichtung 100 zu gewährleisten, ist anzustreben, den Rückprall des Innenelements 64 des freien Kolbens 4, der durch das Aufschlagen auf das Ventil 10 verursacht wird, zu minimieren. In diesem Sinne ist es vorteilhaft, auf diesem Innenelement 64 einen Überzug aus Kupfer oder Aluminium anzubringen, der den Rückprall abschwächt und die Abdichtung des Injektionsraums 46 verbessert.
Als nicht einschränkendes Beispiel und in Verbindung mit den oben schon gemachten Angaben kann die Injektionsvorrichtung 100 eines gepulsten Überschallgasstroms gemäß der in der 2 dargestellten bevorzugten Realisierungsart mit den folgenden Parametern konzipiert werden:

– Außendurchmesser des Außenelements 60 des freien Kolbens 4: 16 mm;
– Gesamtmasse des freien Kolbens 4: 40 g;
– Hub des freien Kolbens 4 in der ersten Kammer 2: 85 mm;
– Volumen der ersten Kammer 2: 17 cm³;
– Innendurchmesser der beiden Verbindungsleitungen 18 und 20: 6 mm;
– Länge von jeder der beiden Verbindungsleitungen 18 und 20: 5 m;
– Volumen von jeder der beiden Verbindungsleitungen 18 und 20: 140 cm³;
– Außendurchmesser des gesteuerten Kolbens 16: 32 mm;
– Länge des gesteuerten Kolbens 16: 50 mm;
– Masse des gesteuerten Kolbens 16: 320 g;
– Hub des gesteuerten Kolbens 16 in der zweiten Kammer 14: 20 bis 40 mm;
– Volumen der zweiten Kammer 14: 80 cm³.

Mit Hilfe einer solchen Injektionsvorrichtung 100 haben Tests, realisiert in einer Thermonuklearfusions-Forschungsanlage, gezeigt, dass es möglich ist, einen Gaspuls mit einer Menge in der Größenordnung von 0,2 bis 0,5 Pa.m³ während ungefähr 0,4 bis 0,5 ms mit einer Arbeitsfrequenz von wenigstens 10 Hz zu injizieren, und dies, indem man ein Öffnen des Ventils 10 während einer zwischen 1 und 3 ms enthaltenen Periode vorsieht. Wie schon weiter oben sei auch hier daran erinnert, dass die benutzte und üblicherweise für die Fusionsplasmas verwendete Stoffmengeneinheit "Pa.m³" der Stoffmenge entspricht, die bei einem Druck von einem Pascal in einem Kubikmeter enthalten ist, gemessen bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C.
Die Injektionsvorrichtung 100 kann mit schnellen und konzentrierten Gaspulsen einen Durchsatz von ungefähr 400 Pa.m³/s leisten.
Die 3a bis 3g schematisieren die Funktionsweise der Vorrichtung 100, wenn der gesteuerte Kolben 16 (in diesen Figuren nicht dargestellt) sich von dem zweiten Endteil 14b in Richtung erstes Endteil 14a der zweiten Kammer 14 bewegt.
Wie symbolisiert durch den Pfeil der 3a, bewirkt die oben beschriebene Bewegung des gesteuerten Kolbens 16 dank der Verbindungsleitungen 18 und 20 einen Vortrieb des freien Kolbens 4 in der Richtung vom zweiten Endteil 2b zum ersten Endteil 2a der Kammer 2. Vorzugsweise erreicht der freie Kolben 4, angetrieben entsprechend des jeweiligen Drucks/Unterdrucks auf seinen beiden Seiten, den zweiten Endteil 2a der ersten Kammer 2 mit einer zwischen ungefähr 5 und 8 m/s enthaltenen Geschwindigkeit.
Das Innenelement 64 des freien Kolbens 4 schlägt dann auf dem Kopf 48 des Ventils 10 auf, wie dargestellt in der 3b. Daraufhin löst sich das Schließteil 59 des Ventils 10 von der Dichtung 52, so dass ein relativ schmaler Durchlass entsteht, durch den das in dem Injektionsraum 46 enthaltene Druckgas in Richtung der Überschalldüse 6 entweichen kann, durch die Bohrung 8 und die progressiv frei werdende seitliche Öffnung 58.
In der 3c sieht man, dass das Außenelement 60 des freien Kolbens 4 sich nach dem Aufprall des Innenelements 4 zunächst weiter in Richtung des ersten Endteils 2a der ersten Kammer 2 verschiebt, bis es dann durch die Schulter 62 gestoppt wird, die zu diesem Zweck in dem Materialblock 31 vorgesehen ist. In diesem Zustand werden die seitliche Öffnung 39 zwischen der ersten Kammer 2 und dem angrenzenden Kanal 34 und der Injektionsraum 46 an seiner Unterseite durch das Außenelements 60 verschlossen. Der Injektionsraum 46 ist dann total isoliert vom Rest der ersten Kammer 2 und das Druckgas verlässt diesen Raum 46 in Richtung der Überschalldüse 6. Zudem hält der in dem Injektionsraum 46 erzeugte Unterdruck das Außenelement 60 auf abdichtende Weise an der Schulter 62 fest.
Anschließend, wie dargestellt in der 3d, verschiebt sich das Innenelement 64 in dem freien Kolben 4, so dass sich das Ventil 10 noch weiter öffnet und der Druckgasdurchsatz in Richtung Überschalldüse 6 zunimmt. Dieser Gasdurchsatz wird dann relativ schnell durch den Eingangsquerschnitt dieser Düse 6 kontrolliert.
Die 3e symbolisiert den Zustand, in dem das Ventil 10 maximal betätigt wird. In einem solchen Zustand ist die in dem Sitz 54 der Feder 50 vorgesehene seitliche Öffnung 58 total geöffnet, während sie bisher durch die Seitenwand des Schließteils 59 des Ventils 10 zumindest teilweise geschlossen war. Dabei, wie weiter oben erwähnt, wird die Feder 50 in ihrem Sitz 54 durch eine Kraft in der Größenordnung von 25 daN komprimiert. Außerdem ist in diesem Zustand der Gasausstoß durch die Überschalldüse 6 beendet.
Unter der Wirkung der Kompressionsfeder 50 verschließt das Ventil 10 wieder die Bohrung 8 und, wie zu sehen in der 3f, verschieben sich das Außen- und das Innenelement 60 und 64 des freien Kolbens 4 wieder in Richtung des zweiten Endteils 2b, so dass sich das Außenelement 60 von der Schulter 62 löst. Der Schließteil 59 des Ventils 10 setzt sich wieder auf die die Bohrung 8 umgebende Dichtung 52, 1 bis 3 ms nachdem er von ihr abgehoben hatte, und quetscht sie dann wieder total, wie dargestellt in der 3g. In dieser 3g, die einen Zustand darstellt, wo die Injektionsgasdrücke im Wesentlichen auf beiden Seiten des freien Kolbens 4 gleich sind, sieht man, dass der Kontakt zwischen dem Kopf 48 des Ventils 10 und dem Innenelement 64 des freien Kolbens 4, nicht mehr existiert. Eine Umkehrung des Stroms in den Spulen 28 und 30 des magnetischen Systems 26 ermöglicht nun, einen Antrieb des freien Kolbens 4 in der Richtung des zweiten Endteils 2b zu erzeugen, so dass er in seine Ruheposition im Unterteil der Kammer 2 der Injektionsvorrichtung 100 zurückkehrt.
Die Entwicklung der verschiedenen Parameter der Vorrichtung 100 während einer Injektion eines Überschallgaspulses wird auch durch das Diagramm der 4 illustriert, das auf der Durchführung von Versuchen beruht, die mit einer Injektionsvorrichtung 100 durchgeführt wurden, deren technische Charakteristika denen entsprachen, die oben dargestellt worden sind.
In diesem Diagramm ist die Abszissenachse eine Millisekunden-Zeitachse, während die Ordinatenachse verschiedenen Funktionen dient, nämlich:

– die Kurve (a) repräsentiert den Druck im Innern des Injektionsraums 46 in Bar;
– die Kurve (b) repräsentiert die Menge des durch die Überschalldüse 6 ausgestoßenen Gases in Pa.m³x10;
– die Kurve (c) repräsentiert den Durchsatz des durch die Überschalldüse 6 ausgestoßenen Gases in arbiträrer Einheit;
– die Kurve (d) repräsentiert den Hub des Ventils 10;
– die Kurve (e) repräsentiert den Hub des Außenelements 60 des freien Kolbens 4 in mm.

In diesem Diagramm zeigt die Kurve (e), dass das Außenelement 60 nach einer Dauer von etwas weniger als 50 ms nach dem Anlegen der Spannung an die Spulen 28 und 30 des magnetischen Systems 26 auf der Schulter 62 anschlägt, etwas von ihr zurückprallt und dann auf ihr ruht, quasi während der gesamten Öffnungszeit des Ventils 10. Mit Bezug auf die Kurve (d) sieht man, dass das Ventil 10 durch das Innenelement 64 des Kolbens 4 betätigt wird, ehe das Außenelement 60 auf der Schulter 62 anschlägt, wie dies oben beschrieben und durch die 3b dargestellt wird.
Ab dem Beginn der Öffnung des Ventils 10 wird der Wert des Durchsatzes des durch die Düse 6 ausgestoßenen Gases maximal ehe das Außenelement 60 durch die Schulter 62 gestoppt wird, und nimmt dann exponential ab, wie an der Kurve (c) zu sehen. Ebenso hat die Öffnung des Ventils 10 eine plötzlichen Druckabfall im Innern der Injektionskammer 46 zur Folge, wie an der Kurve (a) zu sehen.
An der Kurve (b) stellt man fest, dass während der gesamten Aufwärtshub-Phase des Ventils 10 die Menge des aus der Düse 6 ausgestoßenen Gases über der Zeit zunimmt, um eine Gesamtmenge in der Größenordnung von 0,4 Pa.m³ zu erreichen, ungefähr 0,5 ms nach dem Beginn der Betätigung des Ventils 10, wobei dieses letztere jedoch während einer Periode von ungefähr 2 ms offen bleibt. Mit anderen Worten wurde festgestellt, dass während des Abwärtshubs des Ventils 10 in Richtung Bohrung 8 die Menge des durch die Düse 6 ausgestoßenen Gases quasi null war.
Die 5 zeigt den Einbau einer Injektionsvorrichtung 100 in einen torusförmigen Vakuumraum 200, der dem der Thermonuklearfusionsanlage 'Tore Supra" ähnlich ist, in der die Erfindung entwickelt worden ist.
In dieser 5 sieht man, dass der Materialblock 31, in dem insbesondere die erste Kammer 2 ausgebildet ist, die den freien Kolben 4 der Injektionsvorrichtung 100 enthält, fest auf die Innenseite des Raums 200 montiert ist. Zudem ist die Überschalldüse 6 der Vorrichtung 100 so angeordnet, dass sie sich zwischen den Abdeckungsziegeln bzw. -platten 210 befindet, so dass die von dieser Düse 6 ausgestoßenen Gaspulse das Plasma 208 erreichen können.
Der Materialblock 31 ist so befestigt, dass die erste Kammer 2 sich in einer im Wesentlichen vertikalen Lage befindet, so wie in den 1, 2 und 3a bis 3g dargestellt, und dies mit dem Zweck, dass sich der freie Kolben 4 im Ruhezustand der Vorrichtung 100 aufgrund der Schwerkraft immer im unteren Teil bzw. auf dem Boden der Kammer 2 befindet.
Die Verbindungsleitungen 18 und 20, angeschlossen an die erste Kammer 2, sind außerhalb des Vakuumraums 200 an Antriebseinrichtungen 12 des Kolbens 4 angeschlossen, wie weiter oben beschrieben. Die zweite Kammer 14 und das magnetische System 26 können außerhalb des Raums 200 angeordnet werden, so dass ihr Betrieb auf gar keinen Fall durch das Plasma 208 beeinflusst wird. Außerdem, wie weiter oben beschrieben, wird die zweite Kammer 14 außerhalb des Vakuumraums 200 vorzugsweise vertikal angeordnet, damit der gesteuerte Kolben 16 sich aufgrund der Schwerkraft im zweiten Endteil 14b befindet, wenn sich die Vorrichtung 100 in einem Ruhezustand befindet.
Eine derartige technische Lösung zur Brennstoffversorgung des Plasmas 208 hält sehr gut die Umgebungsbeanspruchungen des Vakuumraums 200 aus.
Die Einfachheit der Konzeption und die Funktionsweise der Vorrichtung 100 ermöglichen nämlich, diese letztere dem Plasma 208 in einem etwa 6 T starken Magnetfeld und bei einer Temperatur von ungefähr 200 bis 250 °C bis auf einige 10 cm zu nähern und dabei der durch das Plasma 208 abgestrahlten Leistung auszusetzen, die bis zu 1 MW/m³ erreichen kann. Zudem ist die vorgeschlagene Injektionsvorrichtung 100 kompatibel mit dem in dem Raum 200 herrschenden Ultravakuum, wobei in diesem Ultravakuum ein Restdruck von ungefähr 10^-5 herrscht, der für eine gute Qualität des Plasmas 208 notwendig ist.
Selbstverständlich ist die Anzahl der Injektionsvorrichtungen 100 in dem Vakuumraum 200 von den jeweiligen Erfordernissen abhängig, insbesondere von dem Volumen des Plasmas 208. Es können zum Beispiel drei an der Zahl sein.
Selbstverständlich kann der Fachmann an den oben erläuternd und nichteinschränkend beschriebenen Vorrichtungen 1 und 100 diverse Modifikationen vornehmen. Gleichwohl wird die Vorrichtung durch die Ansprüche definiert.

Claims

injektionsvorrichtung (1, 100) eines gepulsten Überschallgasstroms, eine erste Kammer (2) umfassend, in deren Innern sich das unter Druck stehende Injektionsgas beiderseits eines freien Kolbens (4) befindet, wobei die Vorrichtung (1, 100) Antriebseinrichtungen (12) dieses freien Kolbens umfasst, die mit der genannten ersten Kammer (2) verbunden und fähig sind, den freien Kolben (4) anzutreiben, und die Vorrichtung (1, 100) außerdem eine Überschalldüse (6) zum Ausstoßen des Gases umfasst, die durch eine in der ersten Kammer (2) vorgesehene Öffnung (8) mit dieser ersten Kammer (2) verbunden ist, und ein Ventil (10) zum Verschließen der Öffnung (8) umfasst, das durch ein Aufschlagen des freien Kolbens (4) geöffnet werden kann.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der die Antriebseinrichtungen (12) des freien Kolbens fähig sind, in dem Injektionsgas einen Druckunterschied bezüglich der beiden Seiten des freien Kolbens (4) zu erzeugen.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Antriebseinrichtungen (12) des freien Kolbens eine zweite Kammer (14) umfassen, in deren Innern das Injektionsgas auf beiden Seiten eines gesteuerten Kolbens (16) unter Druck steht.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 3, bei der die genannte zweite Kammer (14) mit der ersten Kammer (2) kommuniziert durch eine erste Verbindungsleitung (18), die einen ersten Endteil (2a) der ersten Kammer (2) mit einem zweiten Endteil (14b) der zweiten Kammer (14) verbindet, und durch eine zweite Verbindungsleitung (20), die einen ersten Endteil (14a) der zweiten Kammer (14) mit einem zweiten Endteil (2b) der ersten Kammer (2) verbindet.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 4, bei der die zweiten Endteile (2b, 14b) der ersten und der zweiten Kammer (2, 14) jeweils einem unteren Endteil der ersten und der zweiten Kammer (2, 14) der Vorrichtung (100) entsprechen.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der der erste Endteil (14a) der zweiten Kammer (14) der Vorrichtung (100) einen Gaseingang (22) für den Anschluss an eine Injektionsgasversorgung umfasst.
Injektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der der gesteuerte Kolben (16) durch ein magnetisches System (26) betätigt werden kann, das zwei Spulen (28, 30) umfasst, die beabstandet sind und die genannte zweite Kammer (14) der Vorrichtung (100) umgeben.
Injektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die zweite Kammer (14) einen regelbaren Bypass (24) umfasst, der das Fließen von Injektionsgas zwischen dem ersten und dem zweiten Endteil (14a, 14b) dieser zweiten Kammer (14) ermöglicht.
Injektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der wenigstens einer der Kolben, entweder der freie Kolben (4) oder der gesteuerte Kolben (16) in seiner Kammer so zwischen den beiden durch ihn abgegrenzten Teilen der Kammer sitzt, dass er eine schmale Passage für das Gas bildet bzw. freilässt.
Injektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der die genannte erste Kammer (2) auf Höhe ihres zweiten Endteils (2b) mittels eines Verschlussblocks (40) verschlossen ist, der eine erste (42) und eine zweite Öffnung (44) umfasst, wobei die erste Öffnung (42) mit der ersten Verbindungsleitung (18) kooperiert und in einem der ersten Kammer (2) benachbarten Kanal (34) mündet, der mit dem ersten Endteil (2a) dieser ersten Kammer (2) kommuniziert, und die genannte zweite Öffnung (44) mit der zweiten Verbindungsleitung (20) kooperiert und direkt in der ersten Kammer (2) der Vorrichtung (100) mündet.
Injektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der das die in der ersten Kammer (2) der Vorrichtung (100) vorgesehene Öffnung (8) verschließende Ventil (10) einen Kopf (48) umfasst, der diese Öffnung (8) durchquert und in einen in dem ersten Endteil (2a) vorgesehenen Injektionsraum (46) hineinragt, wobei dieser Injektionsraum (46) durch den freien Kolben (4) verschlossen werden kann.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 11, bei der der freie Kolben (4) ein Außenelement (60) sowie ein in diesem Außenelement (60) verschiebbares Innenelement (64) umfasst, wobei das Innenelement (64) dazu bestimmt ist, auf den Kopf (48) des genannten Ventils (10) zu schlagen, um ihn zu betätigen, und das Außenelement (60) dazu bestimmt ist, den genannten Injektionsraum (46) zu verschließen.
Injektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das genannte Ventil (10) mittels einer Feder (50) so gespannt wird, dass es eine Dichtung (52) quetscht, die die genannte Öffnung (8) umgibt, die in der ersten Kammer (2) der Vorrichtung (100) vorgesehen ist.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 13, bei der die Feder (50) sich in einem Sitz (54) befindet, der aus einem Stück mit der ersten Kammer (2) ist, wobei dieser Sitz (54) und die erste Kammer (2) im Wesentlichen zylindrisch und koaxial sind und durch die genannte Öffnung (8) getrennt sind, die in der ersten Kammer (2) der Vorrichtung (100) vorgesehen ist.
Injektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 14, bei der der Sitz (54) der Feder (50) eine Öffnung (58) hat, die einen Innenraum dieses Sitzes (54) mit der genannten Überschalldüse (6) der Vorrichtung (100) verbindet.
Injektionsvorrichtung (1, 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Injektionsgas mit einem Druck zwischen ungefähr 3 und 10 bar in die Vorrichtung (100) eingespeist wird.
Injektionsvorrichtung (1, 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Antriebseinrichtungen (12) des freien Kolbens fähig sind, eine Ventilöffnung mit einer Dauer von ungefähr 2 ms und einen Gasausstoß der Überschalldüse (6) mit einer Menge von ungefähr 0,5 Pa.m³ während einer Dauer von ungefähr 0,5 ms zu realisieren, mit einer Betriebsfrequenz von wenigstens 10 Hz.