EP0864811B1 - Hochleistungs-Druckwellenquelle - Google Patents

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EP0864811B1
EP0864811B1 EP98101586A EP98101586A EP0864811B1 EP 0864811 B1 EP0864811 B1 EP 0864811B1 EP 98101586 A EP98101586 A EP 98101586A EP 98101586 A EP98101586 A EP 98101586A EP 0864811 B1 EP0864811 B1 EP 0864811B1
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EP
European Patent Office
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pressure wave
wave source
source according
membrane
intensity pressure
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EP98101586A
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EP0864811A3 (de
Inventor
Harald Dipl.-Phys. Eizenhöfer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dornier Medtech Systems GmbH
Original Assignee
Dornier Medizintechnik GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C15/00—Apparatus in which combustion takes place in pulses influenced by acoustic resonance in a gas mass

Definitions

  • the invention relates to a high-performance pressure wave source for generation individual high-energy pressure waves that can be repeated at short intervals each by igniting a defined volume of a combustible Fluid mixture, according to the preamble of claim 1.
  • Relatively low power pressure and shock wave sources (around 10 to 100 mJ) are known in particular from medical technology, e.g. in the form of lithotripters.
  • Current versions usually work according to the electromagnetic Principle, whereby plane, focusable by means of a coil / membrane unit Pressure waves are generated.
  • a shock wave generator with a cross section expanded combustion chamber for generating detonation waves known from FR-A-1 378 962.
  • DE-OS 39 21 808 describes a device for focused shock wave treatment known from tumors, with different ways of generating shock waves, e.g. using an explosive gas mixture (see claim 10). However, there are no indications for the constructive realization of this Given principles.
  • Ignition also makes pressure waves flammable in reciprocating engines Fluid mixtures are generated, the ignition process being arbitrary in short time intervals is often repeatable.
  • the fluid mixture at least the air fraction, is highly compressed (factor> 10), the combustion is caused by electrical spark ignition or injecting the fuel. It is generally a "soft", not too fast combustion aimed for, as detonation-like Burning processes the engine components (pistons, connecting rods, bearings, etc.) mechanically would overload.
  • a transfer of this compression principle to others Pressure wave sources would be structurally and energetically relatively complex, i.e. little economical.
  • the object of the invention On the basis of the principle of Acceleration of combustion up to detonation is the object of the invention in being a high power pressure wave source with short pulse duration and good repetition rate, which is relatively simple, handy, robust and is inexpensive and which works safely, reliably and economically.
  • the pressure wave source comprises a combustion chamber in the form of a channel defined length with a cross-sectionally enlarged end.
  • the face The end of the wide channel end forms an acoustic transmission element Acting membrane, with a discharge device in the area is available for the exhaust gas.
  • the narrow end of the channel is used for feeding the mixture components and the ignition.
  • vortex generators are provided, which the burning process accelerate to detonation.
  • the geometric / volumetric Ratios is achieved that the majority of the mixture in the Area of the membrane is located, there burns off like an explosion and thus the Pressure wave generation causes.
  • any acoustically conductive medium e.g. solid, liquid, gel-like, rubber-like
  • Subclaims 2 to 9 contain preferred configurations of the high-performance pressure wave source according to the main claim.
  • the high-performance pressure wave source 1 - hereinafter simply referred to as pressure wave source 1 - consists largely of a tube 2 with a round cross-section which varies over the length and which forms both a load-bearing housing and a flow channel / combustion chamber 3.
  • the flow is from left to right, ie from the narrow to the trumpet-like widened tube end.
  • the narrow tube end is provided with a feed device 4 for the components of a combustible fluid mixture, here air and hydrogen (H 2 ), the feed being able to take place continuously or intermittently during operation.
  • the illustrated coaxial inflow of the components in the longitudinal direction of the pipe appears advantageous, but it is only one of many conceivable inflow variants.
  • the fluid mixture consists of at least one fuel and one oxidizer, and the combustion behavior can be influenced via the mixing ratio, ie the deviation from the stoichiometric ratio. With a view to complete combustion, the attitude should tend to the "lean" side. Mixtures with more than two components are also conceivable, for example in order to influence the combustion behavior, the exhaust gas composition or the thermal load.
  • the ignition device 5 works intermittently, with a high repetition rate (1 Hz or more) is aimed for. The most appropriate appears here electric spark ignition. Fast glow ignition may also be sufficient the requirements.
  • the required acceleration of the erosion is achieved by means of several vortex generators 6 to 9, ie an increasingly turbulent flow character. This means that the burn-up speed can be increased to values well above 1000 m / s with short, high pressure peaks (detonation).
  • the vortex generators 6 to 9 are designed, for example, as perforated screens with “tooth gaps” up to the tube wall. This can best be seen in the vortex generator 9, the central opening 10 of which is locally expanded in the form of a plurality of recesses 11 up to the tube wall. The smallest and the largest diameter of the vortex generator 9 are additionally indicated by dash-dotted lines.
  • the cross-sectional and thus the volume distribution within the combustion chamber 3 is selected so that a large proportion of the fluid mixture detonates burns, i.e. behind the "flame acceleration zone" located.
  • the trumpet-like shape shown with continuous cross-sectional expansion may be advantageous e.g. regarding the pressure wave propagation.
  • other wall contours are also conceivable, e.g. with kinks and step-like diameter jumps. It can be enough be, two cylindrical pieces of pipe with very different diameters to connect via a perforated screen-like wall (jump in diameter). Tapered or multi-step transitions can also be used.
  • combustion chamber cross sections do not have to be round either. square, rectangular or other geometries with and without corners are conceivable.
  • the "pressure wave trumpet” shown could be achieved by using square instead of round cross sections while maintaining the steady, exponential Cross-sectional expansion to a "pressure wave horn” modified become.
  • a large part of the volume of the combustion chamber burns off like a detonation, and that this volume part in Area of the membrane delimiting the combustion chamber at the end.
  • the ignition process and the flame acceleration process should be restrict to a volumetrically small part of the combustion chamber. It is the case that the combustion chamber is full before each ignition process Length filled with flammable fluid mixture, i.e. is rinsed.
  • a discharge device 12 is provided, here in the form of several, via the Scope of distributed outflow slots 13.
  • the outflow process should be as possible cause no lateral reaction forces on the pressure wave source 1.
  • the outflow slots 13 can also flaps, valves or other outflow organs be used.
  • the combustion chamber 3 membrane 14 that closes at the end has both separating as well as a transferring function. On the one hand, it protects adjacent ones Substances before the immediate effects of the combustion process (Heat, combustion products etc.), on the other hand it forms a lossy, acoustic transmission element for the generated shock waves.
  • the substance to be processed is either in physical contact with the membrane 14 Contact, or at least one other transmission medium, e.g. Gel, water or rubber, inserted between membrane and substance. The the latter, indirect contact is particularly given when the pressure waves generated are focused after the membrane.
  • a focusing device 15 in is shown in dash-dot lines Form of an acoustic lens indicated. Clarity was on the details for the sake of doing without.
  • the focusing device 15 or further focusing devices can only be detached with the Pressure wave source 1 connected, which corresponding connection options having.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Druckwellenquelle zur Erzeugung einzelner hochenergetischer, in kurzen Zeitabständen wiederholbarer Druckwellen 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 Lithotriptern. Aktuelle Versionen arbeiten in der Regel nach dem elektromagnetischen Prinzip, wobei mittels einer Spule-/Membran-Einheit ebene, fokussierbare Druckwellen erzeugt werden.
Für nichtmedizinische, insbesondere industrielle Anwendungen besteht ein Bedarf nach einer wesentlich höheren Druckwellenenergie (etwa 50- bis 100-fach größer). Eine einfache Vergrößerung/Skalierung der bekannten elektromagnetischen Stoßwellenquellen ist wegen ihres schlechten Wirkungsgrades nicht sinnvoll.
Ein Stoßwellengenerator mit einer sich im Querschnitt erweiterten Brennkammer zur Erzeugung von Detonationswellen ist aus FR-A-1 378 962 bekannt.
Aus der DE-OS 39 21 808 ist eine Vorrichtung zur fokussierten Stoßwellenbehandlung von Tumoren bekannt, mit verschiedenen Möglichkeiten zur Stoßwellenerzeugung, 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 beliebig oft wiederholbar ist. Das Fluidgemisch, zumindest der Luftanteil, wird stark verdichtet (Faktor > 10), die Verbrennung wird durch elektrische Funkenzündung 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 zünden und die zunächst langsame, laminare Verbrennung (Deflagration) mit geringer Druckerhöhung durch strömungstechnische Maßnahmen (Wirbelerzeuger/Strömungshindemisse) über eine schnelle turbulente Verbrennung bis hin zur Detonation mit hohen Druckspitzen zu beschleunigen. Dieses Prinzip wird versuchstechnisch genutzt, um die möglicherweise bei Kernkraftwerksunfällen (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, strömungstechnisch 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 Erfindung darin, eine Hochleistungs-Druckwellenquelle mit kurzer Pulsdauer und guter Wiederholrate zu schaffen, welche 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 Oberbegriff.
Die Druckwellenquelle umfaßt eine Verbrennungskammer in Form eines Kanales definierter Länge mit einem querschnittsmäßig erweiterten Ende. Den Stirnseitigen Abschluß des weiten Kanalendes bildet eine als akustisches Übertragungselement fungierende Membran, wobei in deren Bereich eine Abführeinrichtung 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 Abbrandvorgang bis zur Detonation beschleunigen. Durch die geometrischen/volumetrischen 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 beliebiges, 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 Hochleistungs-Druckwellenquelle nach dem Hauptanspruch.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
Diese zeigt in stark vereinfachter, perspektivischer Darstellung - mit Blickrichtung 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 Gehäuse als auch einen Strömungskanal/eine Verbrennungskammer 3 bildet. Die Durchströmung erfolgt von links nach rechts, d.h. vom engen zum trompetenartig erweiterten Rohrende. Das enge Rohrende ist mit einer Zuführeinrichtung 4 für die Komponenten eines brennbaren Fluidgemisches, hier Luft und Wasserstoff (H2), versehen, wobei die Zufuhr im Betrieb kontinuierlich oder intermittierend erfolgen kann. Die dargestellte, koaxiale Zuströmung der Komponenten 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 Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis, beeinflußbar ist. Im Hinblick auf eine vollständige Verbrennung sollte die Einstellung zur "mageren" Seite hin tendieren. Gemische mit mehr als zwei Komponenten sind ebenfalls denkbar, beispielsweise 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 Glühzündung den Anforderungen.
Mit mäßiger, d.h. wirtschaftlicher Zündenergie läßt sich zunächst nur eine sehr niedrige Abbrandgeschwindigkeit von beispielsweise 0,15 m/s erzeugen, welche 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 Wirbelerzeuger 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 Wirbelerzeugers 9 sind zusätzlich strichpunktiert angedeutet.
Die optimale Anzahl und Geometrie der Wirbelerzeuger ist voraussichtlich experimentell zu ermitteln. Nach Passieren des letzten Wirbelerzeugers sollte die Verbrennung jedenfalls Detonationscharakter haben.
Die Querschnitts- und damit die Volumenverteilung innerhalb der Verbrennungskammer 3 ist so gewählt, daß ein großer Anteil des Fluidgemisches detonationsartig verbrennt, d.h. sich hinterhalb der "Flammenbeschleunigungszone" befindet.
Die dargestellte, trompetenartige Form mit stetiger Querschnittserweiterung, z.B. gemäß einer Exponentialfunktion, kann vorteilhaft sein, z.B. hinsichtlich der Druckwellenausbreitung. Es sind aber auch andere Wandkonturen vorstellbar, z.B. mit Knicken und stufenartigen Durchmessersprüngen. Es kann ausreichend sein, zwei zylindrische Rohrstücke mit stark unterschiedlichem Durchmesser über eine lochblendenartige Wand (Durchmessersprung) zu verbinden. Auch kegelige oder mehrfach gestufte Übergänge können anwendbar sein.
Die Verbrennungskammerquerschnitte müssen auch nicht rund sein. Quadratische, 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, exponentiellen Querschnittserweiterung zu einem "Druckwellenhorn" modifiziert werden. Letztlich ist wichtig, daß ein großer Teil des Volumens der Verbrennungskammer detonationsartig abbrennt, und daß dieser Volumensteil sich im Bereich der die Verbrennungskammer stimseitig begrenzenden Membran befindet. 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 voller 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. Anstelle der Abströmschlitze 13 können auch Klappen, Ventile oder andere Ausströmorgane verwendet werden.
Falls unverbrannte Restmengen an Brennstoff im Abgas enthalten sind, kann eine gezielte Nachverbrennung sinnvoll bzw. erforderlich sein. Die die Verbrennungskammer 3 stirnseitig abschließende Membran 14 hat sowohl eine trennende als auch eine übertragende Funktion. Einerseits schützt sie angrenzende Substanzen vor den unmittelbaren Auswirkungen des Verbrennungsvorganges (Hitze, Verbrennungsprodukte etc.), andererseits bildet sie ein verlustannes, akustisches Übertragungselement für die erzeugten Stoßwellen. Die zu bearbeitende Substanz steht entweder direkt mit der Membran 14 in körperlichem Kontakt, oder es ist mindestens ein weiteres Übertragungsmedium, z.B. Gel, Wasser oder Gummi, zwischen Membran 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 Übersichtlichkeit halber verzichtet. Die Fokussiereinrichtung 15 oder weitere Fokussiereinrichtungen weden nur im Bedarsfall, 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 können die meisten Substanzen von fest bis gasförmig behandelt werden. Insbesondere ist an Flüssigkeiten mit Feststoffbeimischung, an Stäube, Pulver und Granulate zu denken. Denkbare Wirkungen sind z.B. Homogenisieren, Zerkleinern, Beseitigen von Hohlräumen oder anderen "Fehlstellen", Auflösen von Ablagerungen, Verkrustungen etc. und somit das Reinigen von Oberflächen sowie vieles mehr.
Bezugszeichenliste
1
Hochleistungs-Druckwellenquelle
2
Rohr
3
Verbrennungskammer
4
Zuführeinrichtung
5
Zündeinrichtung
6
Wirbelerzeuger
7
"
8
"
9
"
10
Öffnung
11
Aussparung
12
Abführeinrichtung
13
Abströmschlitz
14
Membran
15
Fokussiereinrichtung

Claims (9)

  1. Hochleistungs-Druckwellenquelle zur Erzeugung einzelner hochenergetischer, in kurzen Zeitabständen wiederholbarer Druckwellen jeweils durch Zündung eines definierten Volumens eines brennbaren Fluidgemisches sowie durch Erhöhung seiner Abbrandgeschwindigkeit bis zur Detonation, mit einem zu einem seiner beiden Enden hin im Querschnitt erweiterten, eine Verbrennungskammer (3) bildenden Kanal definierter Länge, einer Zuführeinrichtung (4) für die Komponenten des Fluidgemisches und einer Zündeinrichtung (5) im Bereich des engen Kanalendes, einer Abführeinrichtung (12) für das Abgas im Bereich des weiten Kanalendes gekennzeichnet durch eine das weite Kanalende stirnseitig abschließende, ein akustisches Übertragungselement bildende 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, gekennzeichnet durch eine Ausführung der Verbrennungskammer (3) als zur Membran (14) hin kontinuierlich, z.B. trompetenartig, erweitertes Rohr (2).
  4. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Ausführung der Zündeinrichtung (5) als elektrische Funkenzündung.
  5. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 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 Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch blendenartige Wirbelerzeuger (6 bis 9) mit einer zentrischen Öffnung (10) und mit mehreren, diese Öffnung (10) stellenweise 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 Rohrlängskoordinate - zunimmt.
  8. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 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 Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anbaumöglichkeit einer oder verschiedener, der Membran (14) nachgeschalteter, akustischer Fokussiereinrichtungen (15).
EP98101586A 1997-03-11 1998-01-30 Hochleistungs-Druckwellenquelle Expired - Lifetime EP0864811B1 (de)

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