EP4042209A1 - Druckwellengenerator und verfahren zum betreiben eines druckwellengenerators - Google Patents

Druckwellengenerator und verfahren zum betreiben eines druckwellengenerators

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Publication number
EP4042209A1
EP4042209A1 EP20790036.6A EP20790036A EP4042209A1 EP 4042209 A1 EP4042209 A1 EP 4042209A1 EP 20790036 A EP20790036 A EP 20790036A EP 4042209 A1 EP4042209 A1 EP 4042209A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure chamber
volume
pressure
opening
outlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20790036.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Rüegg
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.)
P Wave Ag
Original Assignee
Explotechnik AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Explotechnik AG filed Critical Explotechnik AG
Publication of EP4042209A1 publication Critical patent/EP4042209A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/02—Generating seismic energy
    • G01V1/133—Generating seismic energy using fluidic driving means, e.g. highly pressurised fluids; using implosion
    • G01V1/137—Generating seismic energy using fluidic driving means, e.g. highly pressurised fluids; using implosion which fluid escapes from the generator in a pulsating manner, e.g. for generating bursts, airguns
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/04—Pumps for special use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/02—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the valving being fluid-actuated
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/02—Generating seismic energy
    • G01V1/104—Generating seismic energy using explosive charges
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices
    • G10K15/043—Sound-producing devices producing shock waves

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for generating high-intensity pressure pulses. It relates in particular to a pressure wave generator and a method for operating a pressure wave generator according to the preamble of the independent claims.
  • auxiliary and a main explosion are ignited in separate chambers.
  • the auxiliary explosion serves to release a closure of the main explosion chamber directly or via other locking mechanisms, so that a subsequent main explosion does not act with full force on the closure and impair or destroy it accordingly.
  • there is an explosion delay between the auxiliary and main explosion takes place, for example, by means of a delay line in which an explosion from an auxiliary to an Main chamber is performed or by means of delayed ignition in the two chambers via separate ignition devices present in the chambers.
  • At least one of these objects is achieved by a pressure wave generator and a method for operating a pressure wave generator according to the claims.
  • the method is used to operate a pressure wave generator with a pressure chamber, the pressure wave generator having
  • a closure element which closes the pressure chamber with respect to an outlet in a closed position and which closes it in an open position
  • An actuator by means of which the closure element can be brought from the closed position into the open position and, in particular, can also be brought from the open position into the closed position; the method comprising repetitively performing the following steps:
  • a volume of the pressure chamber is more than three liters, in particular more than four liters, in particular more than five liters.
  • the area at the narrowest point of the outlet is more than twenty square centimeters, in particular more than eighty square centimeters, in particular more than one hundred and eighty square centimeters.
  • the stated values for the area at the narrowest point correspond to the diameter being more than five centimeters, in particular more than ten centimeters, in particular more than fifteen centimeters.
  • an opening speed of the closure element is more than ten meters / second, in particular more than twenty meters / second, in particular at least thirty meters / second.
  • a stroke of the closure element during the opening and closing movement is between thirty and one hundred and fifty millimeters, in particular between forty and one hundred millimeters, in particular between fifty and eighty millimeters.
  • the pressure chamber is filled with the working medium at a pressure of more than one hundred and fifty bar, in particular of more than two hundred bar.
  • the discharge period is less than ten milliseconds, in particular less than five milliseconds, in particular less than three milliseconds.
  • the working medium is one of air, nitrogen and steam, in particular superheated steam or saturated steam.
  • the method has the following step carried out after the filling and before the opening of the pressure chamber:
  • the method has the following step carried out during the filling of the pressure chamber:
  • the working medium is heated to a temperature of 150 degrees Celsius to 250 degrees Celsius, in particular 230 degrees Celsius, or to a temperature of 200 degrees Celsius to 450 degrees Celsius, in particular 250 degrees Celsius.
  • the heating can take place, for example, by a temperature difference of more than 100 degrees Celsius, in particular more than 200 degrees Celsius, in particular more than 300 degrees Celsius, and possibly more than 400 degrees Celsius.
  • the heating can be done, for example, with a electric heating element happen.
  • the outflow speed and thus an impulse of the outflowing working medium increase with the square root of the temperature. Another effect of heating the working medium is that it can be prevented that the working medium cools down too much when it flows out of the pressure chamber.
  • the working medium When flowing out, the working medium expands to the ambient pressure and can thereby - depending on the circumstances and depending on which working medium is present - cool down to a temperature below its liquefaction temperature. As a result, the beam spreads at the speed of sound at the most after its exit, which limits the effectiveness of the device.
  • a heater which is arranged to heat the working medium located in the pressure chamber, in particular an electrical heater.
  • the heater is a heat exchanger, in particular with heat exchanger elements, in particular with electrically heated heat exchanger elements
  • the method occurs using a pneumatic actuator which has
  • a first piston surface which acts against a gaseous control medium in a first volume, a pressure in the first volume on the first piston surface causing an actuator force in a first direction;
  • the closure element can be brought from the closed position into the open position by the pneumatic actuator and in particular can also be brought from the open position into the closed position; wherein the method for opening the pressure chamber comprises the following steps:
  • the method is carried out using a pneumatic actuator which has:
  • a first piston surface which acts against a gaseous control medium in a first volume, a pressure in the first volume on the first piston surface causing an actuator force in a first direction;
  • a second piston surface which acts against the control medium in a second volume, a pressure in the second volume on the second piston surface causing an actuator force in a second direction opposite to the first.
  • the closure element can be brought from the closed position into the open position by the pneumatic actuator and, in particular, can also be brought from the open position into the closed position.
  • the procedure includes repeating the following steps: a) filling the first volume with a pressurized gaseous control medium, in particular by means of a filling valve, for example a compressed air valve; b) pressure equalization between the first volume and the second volume by means of a throttle and thereby, due to an area difference of the first piston surface and the second piston surface, moving the actuator in the first direction and thereby moving a closure element in a closing direction and closing the pressure chamber; c) filling the pressure chamber with a gaseous working medium; d) draining at least part of the control medium from the first volume, in particular by opening an inlet / outlet opening of the first volume, and thereby opening the pressure chamber; e) by a more rapid pressure drop in the first volume than in the second volume, moving the actuator in the second direction and thereby moving the closure element in the opening direction to open the pressure chamber with respect to an outlet, and releasing the working medium from the pressure chamber through the outlet.
  • a filling valve for example a compressed air valve
  • Steps a), b) and c) can be carried out simultaneously or overlapping in time.
  • Step d) is typically carried out after steps a), b) and c).
  • step d) the opening of the pressure chamber, triggered by the opening of the inlet / outlet opening, goes directly to step e).
  • a period of time between the triggering of the opening movement of the closure element, for example by actuating a drain solenoid valve, and the maximum opening of the closure element is in the range from 20 milliseconds to 120 milliseconds, in particular between 40 milliseconds and 60 milliseconds.
  • the time to open the closure element is less than ten milliseconds, in particular less than five milliseconds, in particular less than three milliseconds. It can be substantially equal to the drain time.
  • the pressure wave generator according to a first aspect is used to carry out the method described above. He has a pressure chamber, as well
  • a closure element which, in a closed position, closes the pressure chamber with respect to an outlet and, in an open position, enables the working medium to flow out of the pressure chamber into the outlet;
  • An actuator by means of which the closure element can be brought from the closed position into the open position and can be brought from the open position into the closed position;
  • a volume of the pressure chamber is more than three liters, in particular more than four liters, in particular more than five liters;
  • the area at the narrowest point of the outlet being more than twenty square centimeters, in particular more than eighty square centimeters, in particular more than one hundred and eighty square centimeters;
  • a stroke of the closure element during the opening and closing movement is between thirty and one hundred and fifty millimeters, in particular between forty and one hundred millimeters, in particular between fifty and eighty millimeters.
  • the Pressure wave generator generated mass flow made as large as possible.
  • the mass flow is proportional to the density and exit speed of the working medium as well as to the area of the exit opening.
  • a closure area of a closure opening which is closed and opened by the closure element, is at least as large as the area at the narrowest point of the outlet, in particular at least ten percent larger than the area at the narrowest point of the outlet.
  • the closure element is hollow-cylindrical and is arranged to close or open a closure opening corresponding to a cylindrical surface.
  • the hollow-cylindrical configuration allows the mass of the closure element to be reduced.
  • the annular surface of the piston which surrounds the hollow cylindrical recess, determines a recoil force with which the escaping gases drive the piston back.
  • the area of the hollow cylindrical recess is more than twenty-five, in particular more than fifty percent of the area of the locking element.
  • the cylindrical closure surface allows a large change in the surface area of the closure surface as a function of the movement of the closure.
  • a sum of areas on the closure element on which the pressurized working medium exerts a force acting on the closure element in the closing direction is less than ten percent of the cross-sectional area of the outlet at the point where the outlet is closed by the closure element.
  • an area of the inlet / outlet opening of the first volume is between two hundred square millimeters and five hundred square millimeters, or a maximum of one thousand five hundred square millimeters. In the case of a round cross-section of the opening, this corresponds to a diameter, rounded, between sixteen millimeters and twenty-five millimeters, or a maximum of forty-four millimeters. This enables the first volume to be emptied sufficiently quickly and, in turn, a correspondingly quick opening movement. The result is that this diameter is by and large independent of the first piston area, that is to say the area of the piston in the first volume.
  • the closure element upon an opening movement of the closure element, starting from an end position in which the closure element closes the closure opening, the closure element opens the closure opening only after having covered a minimal distance.
  • This path is different from zero. In particular, this path is more than five millimeters or more than eight millimeters.
  • a pressure wave generator according to a second aspect is used to carry out the method described above. He has a pressure chamber, as well A closure element which, in a closed position, closes the pressure chamber with respect to an outlet and, in an open position, enables the working medium to flow out of the pressure chamber into the outlet;
  • An actuator by means of which the closure element can be brought from the closed position into the open position and can be brought from the open position into the closed position;
  • a heater which is arranged to heat a working medium that is fed to the pressure chamber or a working medium present in the pressure chamber, in particular wherein the heater is an electrical heater.
  • a pneumatic actuator in particular for use in a pressure wave generator, has:
  • a first piston surface which acts against a gaseous control medium in a first volume, a pressure in the first volume on the first piston surface causing an actuator force in a first direction;
  • a second piston surface which acts against the control medium in a second volume, a pressure in the second volume on the second piston surface causing an actuator force in a second direction opposite to the first;
  • An inlet / outlet opening of the first volume for introducing and discharging the control medium into or out of the first volume
  • the pneumatic actuator has end position damping, in particular by closing the inlet / outlet opening.
  • the inlet / outlet opening is thus closed with respect to the first volume.
  • a piston closure element is arranged for closing the inlet / outlet opening.
  • the end position damping can thus be implemented in a simple manner by means of an element of the piston itself. In one method of operating the pneumatic actuator, the following steps are performed:
  • the inlet / outlet opening can be made relatively large in order to bring about the rapid pressure drop in the first volume.
  • the piston closure element is also arranged to separate a control medium filling line with respect to the first volume. This avoids high pressure surges in the filling line.
  • the two volumes are implemented as parts of a common working space of a cylinder in which a single piston is arranged, on which the two piston surfaces are formed. This makes the sealing of the pistons against the (now common) cylinder uncritical. There may even be a gap between the piston and cylinder. This acts as a throttle between the two volumes. The pressure equalization therefore takes place through this gap. This enables a further simplification of the construction. In this embodiment, the throttle is thus formed by the gap between the cylinder and the piston. There is no need for an otherwise customary piston seal.
  • the two volumes and piston surfaces lie on separate pistons in separate cylinders, and the two separate pistons are mechanically coupled and their movements are also coupled.
  • the first piston surface and a piston closure element for closing the inlet / outlet opening are formed on the same piston. This enables a particularly simple and reliable construction.
  • the pneumatic actuator has a cylinder discharge valve for quickly discharging the control medium from the first volume by opening the inlet / outlet opening.
  • the cylinder discharge valve has a piston surface on which a force for closing the cylinder discharge valve is generated when the control medium is applied, and a valve surface on which a force in the opening direction of the cylinder discharge valve is generated when the control medium is applied, the valve surface being smaller than the piston area. In this way, by applying the same pressure to both surfaces, the cylinder discharge valve can be brought into the closed position and held.
  • the pneumatic actuator has a discharge pilot valve for discharging control medium from a discharge valve volume in which the control medium acts on the piston surface. This can create a brief, temporary imbalance in the pressure on the two surfaces, which opens the cylinder drain valve.
  • a control medium filling line for filling both the discharge valve volume and the first volume with control medium is arranged under the same pressure. In this way, on the one hand, the same pressure can be achieved in the two volumes and, on the other hand, by virtue of the filling line acting as a throttle between the two volumes, the temporary imbalance can be achieved.
  • the pressure in the control medium is, for example, between 50 and 140 bar, in particular between 80 bar and 100 bar.
  • a section of the control medium filling line, through which the first volume is supplied with the control medium runs through the cylinder discharge valve, in particular a shut-off body of the valve.
  • this section is a passage in the shut-off body, which allows a small flow through the valve even when the valve is in the closed position.
  • a section of the control medium filling line, through which the first volume is supplied with the control medium runs through a housing of the pressure wave generator.
  • a linear guide of the piston is formed in that the piston encloses a rear closure guide and is linearly movable along the rear closure guide in a direction of movement, and a hollow cylindrical piston connecting element extending away from the piston in the direction of movement encloses a bearing element which is attached to the rear Lock guide is attached.
  • the second volume is formed between the piston, an inside of the piston connecting element, the bearing element and the rear locking guide.
  • the rear lock guide is fixedly connected to the housing.
  • a hollow cylindrical element can be driven as an extension of the hollow cylindrical piston connecting element, which is advantageous in certain applications.
  • this is the case with the pressure wave generator described here with a hollow cylindrical closure element.
  • the pressure wave generator can have a controller which is set up to control the pressure wave generator for carrying out the method according to at least one of the method claims.
  • the activation takes place by activating at least the valves of the pressure wave generator.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a pressure wave generator
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through another embodiment
  • FIGS. 3-4 embodiments with a heater for heating the working medium.
  • FIGS. 1 and 2 each show a pressure wave generator 1 with a pressure chamber 2.
  • a closure element 9 is arranged opposite an outlet 15 for closing the pressure chamber 2.
  • the closure element 9 is guided on a bearing element 14, which allows a linear opening and closing movement of the closure element 9.
  • the closure element 9 is hollow-cylindrical and has a piston which is guided through the bearing element 14, which is firmly connected to a housing 16.
  • the closure element 9 is shaped as a hollow cylinder and surrounds the bearing element 14, which is firmly connected to a housing 16.
  • FIGS. 1 and 2 show the closure element 9 in a closed position, ie the pressure chamber 2 is closed with respect to the outlet 15.
  • the outlet 15 is used for the directed discharge or discharge of the working medium. A pressure wave can thus be generated.
  • the closure element 9 In an open position, the closure element 9 exposes a closure surface of a closure opening. In the closed position, the closure opening is closed by the closure element 9. Here the locking surface is a cylinder surface.
  • the pressure chamber 2 is annular.
  • the pressure chamber 2 encloses the closure element 9.
  • the closure opening leads, starting from the pressure chamber 2, in the radial direction - with respect to the annular pressure chamber 2 - inwards. Working medium exiting through the closure opening flows inward in the radial direction and then in the axial direction - again with respect to the annular pressure chamber 2 - through the outlet 15. In the closed state, the closure element 9 rests against a valve seat of the housing 16.
  • the valve seat can be designed with a collar, which means that when the closure element is moved in the opening direction, starting from an end position in the closed position, the closure opening is only opened and the working medium can flow out after the closure element 9 has covered a certain distance. This path is shown as collar width 77. This makes it possible to accelerate the movement of the closure element 9 before the closure opening is opened, which in turn enables the closure opening to be opened sufficiently quickly to allow the working medium to flow out suddenly.
  • the size of the closure area is larger than the area of the outlet or outlet area, i.e. the cross-sectional area at which the outlet merges into the free space.
  • the outlet 15 corresponds to the narrowest point along the path of the working medium out of the pressure chamber 2. This has the consequence that the speed of the outflowing working medium is highest in the outlet 15 or shortly thereafter. In particular, the outflowing working medium only reaches the speed of sound shortly after the narrowest point, that is to say after the outlet 15. This is advantageous for the operation of the device.
  • a first filling line or working medium filling line 12 is arranged for filling the pressure chamber 2 with a working medium. It is fed valve 10 by a working medium.
  • the pressure chamber 2 is closed by the closure element 9 with respect to the outlet 15;
  • the pressure chamber 2 is filled with the working medium under high pressure, ie with a pressure of more than one hundred bar, in particular more than one hundred and fifty bar, in particular of more than two hundred bar;
  • the pressure chamber 2 opens suddenly so that the energy stored in the working medium is converted into kinetic energy over the shortest possible period of time. The shorter the period, the higher the speed and the impulse of the outflowing working medium and thus the effect of the pressure wave.
  • Opening speed 15 m / s to 40 m / s
  • Outlet area 80 cm 2 (corresponds to a diameter of approx. 100 mm)
  • Opening speed more than 15 m / s stroke: 60 mm
  • Pressure 250 bar to 300 bar, in particular 280 bar
  • Opening speed more than 25 m / s Stroke: 60 mm to 90 mm, in particular 75 mm
  • Pressure 250 bar to 300 bar, in particular 280 bar
  • Volume 4 liters to 6 liters, especially 5 liters
  • Stroke 50 mm to 70 mm, especially 60 mm
  • the working medium can be heated to a temperature of 150 degrees Celsius to 250 degrees Celsius, in particular 230 degrees Celsius, or to a temperature of 200 degrees Celsius to 450 degrees Celsius, in particular 250 degrees Celsius.
  • the opening movement of the closure element 9 is brought about by an active gas spring or pneumatic actuator 4b.
  • This has a cylindrical working space 43 with a piston 93 moved therein, the movement of which with the
  • Movement of the closure element 9 is coupled, in particular by being firmly connected to one another, in particular formed in one piece.
  • the coupling takes place by means of a piston connecting element 94.
  • this is a piston rod
  • this is a hollow cylinder.
  • the piston 93 divides the working space 43 into a first volume 41 and a second volume 42. There is no seal between a cylinder inner wall 44 of the working space 43 and the piston 93. In particular, there can also be a small gap, hereinafter referred to as piston gap 96. This allows a gas exchange between the two volumes and acts in particular as a throttle. In other embodiments, a separate line can be arranged between the first volume 41 and the second volume 42 and have a throttle which, in addition or as an alternative to the piston gap 96, allows the gas exchange. Such a throttle can also be used as a piston throttle 100 through one or more bores the piston 93 can be realized, which thus also allows a gas exchange between the two volumes.
  • a gas pressure of the control medium in the first volume 41 causes a force counter to the direction of the opening movement of the closure element 9, one effective area being a first piston area 91.
  • a gas pressure of the control medium in the second volume 42 causes a force in the direction of the opening movement of the closure element 9, one effective area being a second piston area 92.
  • the second piston surface 92 is smaller than the first piston surface 91, for example. at least five or ten or twenty percent smaller.
  • the piston 93 has a piston closure element 95 which closes a cylinder inlet / outlet 45 or inlet / outlet opening of the first volume 41 in the course of the opening movement.
  • the cylinder inlet / outlet 45 is drawn here concentrically to the working chamber 43, but could alternatively also be arranged laterally. Closing the cylinder inlet / outlet 45 slows down or dampens the end position of the opening movement.
  • the compressed air valve 49 is also protected from a pressure surge through the compressed air filling line 48.
  • the cylinder inlet / outlet 45 can be opened by a cylinder exhaust valve 46.
  • the control medium flows out through a drain or vent line 102, for example.
  • the cylinder discharge valve 46 can have a relatively large valve cross-section compared to a fill line. A sudden pressure reduction in the first volume 41 can thus be achieved.
  • the cylinder discharge valve 46 is held closed by pressure in a compressed air fill line 48. This pressure can be reduced by opening a discharge pilot valve 47 become. The opening movement of the closure element is thus triggered by opening the drain pilot valve.
  • the cylinder discharge valve 46 is, for example, a seat valve with a movable shut-off body.
  • the shut-off body has a piston surface 52 on which it is acted upon by the compressed air from the compressed air filling line 48 in a discharge valve volume 51.
  • a valve surface 53 which is acted upon by the pressure in the cylinder inlet / outlet 45, is smaller than the piston surface 52.
  • the forces on the piston surface 52 and the valve surface 53 are opposite to one another.
  • the compressed air filling line 48 also feeds the first volume 41 via a section 101 of the compressed air filling line 48.
  • the compressed air filling line 48 in turn is fed via a compressed air valve 49.
  • a ventilation line 97 effects a pressure equalization between the ambient air and an intermediate cylinder.
  • the intermediate cylinder lies between a rear end of the closure element 9 and the active gas spring or the pneumatic actuator 4b.
  • the working space 43 and the piston 93 are implemented in a compact manner.
  • the same mode of operation can, however, also be implemented with separate first and second volumes and with separate pistons with different piston surfaces.
  • a line with a throttle is arranged between the two volumes and the movements of the two pistons are mechanically coupled. This means that a linear movement of one of the two pistons always results in a linear movement of the other piston.
  • a piston travel can be, for example, between 20 mm and 150 mm, in particular between 30 mm and 80 mm.
  • a diameter of the piston can for example be between 20 mm and 200 mm, in particular between 40 mm and 120 mm.
  • a heating element 99 is present.
  • the pressurized working medium in the pressure chamber 2 can thus be heated. This can increase the energy of the pressure wave generated.
  • FIGS. 1 and 2 show the pneumatic actuator 4b in combination with a pressure wave generator 1.
  • Opening the compressed air valve 49 with the drain pilot valve 47 closed This has the following effects:
  • the pressure in the compressed air filling line 48 (eg 70 bar) closes the cylinder drain valve 46.
  • the compressed air filling line 48 provides the first volume 41 with compressed air applied.
  • the second volume 42 is also acted upon through the piston gap 96, the same pressure being present in both volumes over time. Because the first piston surface 91 is larger than the second piston surface 92, the piston 93 and thus the closure element 9 are moved into a closed position (opposite to the direction of the opening movement).
  • Closing the cylinder discharge valve 46 in particular by closing the discharge pilot valve 47. This can be done by increasing a piston surface via which the compressed air in the compressed air filling line 48 presses the cylinder discharge valve 46 or its shut-off element into the closed position is as a surface on which the compressed air acts in the opposite direction on the cylinder discharge valve 46 or its shut-off body. After closing the cylinder drain valve 46, the pressure in the first volume 41 can still be sufficiently high (e.g. 20 bar) to move the piston 93 back and thus the closure element 9 into the closed position even after pressure equalization with the second volume 42 bring to.
  • the pressure in the first volume 41 can still be sufficiently high (e.g. 20 bar) to move the piston 93 back and thus the closure element 9 into the closed position even after pressure equalization with the second volume 42 bring to.
  • the process can then be started again by opening the compressed air valve 49.
  • the closure element is moved in the opening direction by moving the pneumatic actuator in the second direction.
  • the closure element is moved in the closing direction by moving the pneumatic actuator in the first direction.
  • FIG. 2 shows an embodiment with an alternative pneumatic actuator 4b that differs from that of FIG.
  • a cylinder discharge valve 46 with a section 101 of the compressed air filling line can be combined with a pressure wave generator 1 according to FIG. Furthermore, the embodiment can also have a heating element 99 (not shown).
  • the mode of operation is basically the same as that of the embodiment of FIG. 1, with the following differences in the implementation of individual elements:
  • the piston connecting element 94 which connects the piston 93 to the closure element 9, is formed by a hollow cylinder.
  • the piston 93 encloses a rear closure guide 98, which can be designed as a general cylinder, in particular as a circular cylinder, and can be moved linearly along the same in the direction of movement.
  • the piston connecting element 94 surrounds the bearing element 14, which is firmly connected to a housing 16.
  • the second volume 42 lies between the rear closure guide, the piston 93 and the inside of the hollow cylinder or the piston connecting element 94.
  • the throttle between the first volume 41 and the second volume 42 is implemented as a piston throttle 100 through one or more bores through the piston 93. Additionally or alternatively, however, the function of the piston throttle can also be perceived through a gap between the piston 93 and the rear closure guide 98.
  • the section 101 of the compressed air filling line 48, through which the first volume 41 is supplied with the control medium, does not run through the housing 16 but through the shut-off body of the cylinder discharge valve 46, for example as a bore, and can also be a piston throttle of the cylinder discharge valve 46 to be named.
  • the first volume 41 is thus supplied with the control medium via the drain valve volume 51.
  • End position cushioning can be dispensed with. If end position damping is to be implemented in the embodiment of FIG. 5, this can be done, as in FIG. 1, by a protruding piston closure element 95, which enters the cylinder inlet / outlet 45, or by the cylinder inlet / outlet 45 laterally is introduced into the first volume 41 and is closed by the piston 93 sliding over the cylinder inlet / outlet 45 during the opening movement.
  • two or three or more closure elements 9 are arranged parallel to one another in order to increase a total outlet area. They can be triggered synchronously with one another or at the same time in order to generate a pressure wave of higher energy than with a single closure element 9.
  • closure elements are connected to a single pressure chamber 2 and are actuated by a single pneumatic actuator.
  • Such a parallel arrangement of closure elements 9 can also be implemented with pressure wave generators which use explosions to generate the pressure in the pressure chamber and / or to drive the closure element.
  • a controller 20 is set up to carry out the method steps described. To this end, the controller 20 is set up to control the compressed air valve 49, the working medium valve 10 and the cylinder discharge valve 46. The cylinder discharge valve 46 can be activated by means of the discharge pilot valve 47.
  • Figures 3 and 4 show embodiments with a heater 80 for heating the working medium.
  • the heater 80 is arranged for heating the working medium when it flows through the first filling line or working medium filling line 12. The heated air does not experience any pressure increase.
  • the heater 80 is arranged for heating the working medium when it flows through a circulation line 84.
  • the circulation line 84 leads from the pressure chamber 2 through the heater 80 and back to the pressure chamber 2. Both the temperature and the pressure in the pressure chamber 2 are increased by the heating.
  • a circulation fan 85 can be arranged for conveying the working medium through the circulation line 84.
  • the heater can each have a heat exchanger 81 with heat exchanger elements 82 around which the working medium flows.
  • the heat exchanger elements 82 can be heated by an electric heater 83.
  • heat exchanger elements 82 are arranged in the pressure chamber 2.

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Druckwellengenerators (1) mit einer Druckkammer (2), wobei der Druckwellengenerator (1) aufweist • ein Verschlusselement (9), welches in einer Schliessstellung die Druckkammer (2) gegenüber einem Auslass (14) verschliesst und in einer Öffnungsstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer (2) in den Auslass (15) ermöglicht; • einen Aktuator, durch welchen das Verschlusselement (9) von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und insbesondere auch von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist; weist die wiederholte Durchführung der folgenden Schritte auf: • Befüllen der Druckkammer (2) mit einem gasförmigen Arbeitsmedium mit einem Druck von über hundert bar; • Bewegen des Aktuators und dadurch Bewegen des Verschlusselements (9) in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen der Druckkammer (2) bezüglich eines Auslasses (15), und Ablassen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus der Druckkammer (2) durch den Auslass (15) innerhalb einer Ablasszeitdauer von weniger als fünfzehn Millisekunden.

Description

DRUCKWELLENGENERATOR UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES DRUCKWELLENGENERATORS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Druckimpulsen hoher Intensität. Sie bezieht sich insbesondere auf einen Druckwellengenerator und ein Verfahren zum Betreiben eines Druckwellengenerators gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
In Druckwellengeneratoren, wie sie in WO 2007/028264 und insbesondere in WO 2010/025574 beschrieben sind, wird eine Hilfs- und eine Hauptexplosion in voneinander abgetrennten Kammern gezündet. Die Hilfsexplosion dient dazu, einen Verschluss der Hauptexplosionskammer direkt oder über anderweitige Riegelmechanismen freizugeben, so dass eine nachfolgende Hauptexplosion nicht mit voller Kraft auf den Verschluss wirkt und diesen entsprechend beeinträchtigt bzw. zerstört. Zwischen der Hilfs- und Hauptexplosion findet entsprechend eine Explosionsverzögerung statt. Eine solche Verzögerung erfolgt beispielsweise mittels einer Verzögerungsleitung, in welcher eine Explosion von einer Hilfs- in eine Hauptkammer geführt wird oder mittels verzögerter Zündung in den beiden Kammern über separate, in den Kammern vorhandene Zündvorrichtungen.
Es besteht ein Bedarf nach einem vereinfachten Druckwellengenerator.
Es ist somit eine mögliche Aufgabe der Erfindung, einen Druckwellengenerator zu schaffen, welcher bezüglich der bekannten Geräte vereinfacht ist.
Es ist eine mögliche weitere Aufgabe der Erfindung, einen Druckwellengenerator zu schaffen, welcher im Vergleich mit den bekannten Geräten robuster und/oder langlebiger ist.
Mindestens eine dieser Aufgaben wird durch einen Druckwellengenerator und ein Verfahren zum Betreiben eines Druckwellengenerators gemäss den Patentansprüchen gelöst.
Das Verfahren dient zum Betreiben eines Druckwellengenerators mit einer Druckkammer, wobei der Druckwellengenerator aufweist
• ein Verschlusselement, welches in einer Schliessstellung die Druckkammer gegenüber einem Auslass verschliesst und in einer Öffnungsstellung ein
Ausströmen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer in den Auslass ermöglicht;
• einen Aktuator, durch welchen das Verschlusselement von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und insbesondere auch von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist; wobei das Verfahren die wiederholte Durchführung der folgenden Schritte aufweist:
• Befüllen der Druckkammer mit einem gasförmigen Arbeitsmedium mit einem Druck von über hundert bar;
• Bewegen des Aktuators und dadurch Bewegen des Verschlusselements in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen der Druckkammer bezüglich eines Auslasses, und Ablassen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus der Druckkammer durch den Auslass innerhalb einer Ablasszeitdauer von weniger als fünfzehn Millisekunden. Innerhalb der Ablasszeitdauer ist der Druck in der Druckkammer auf den Umgebungsdruck abgesunken.
In Ausführungsformen beträgt ein Volumen der Druckkammer mehr als drei Liter, insbesondere mehr als vier Liter, insbesondere mehr als fünf Liter.
In Ausführungsformen beträgt die Fläche an der engsten Stelle des Auslasses mehr als zwanzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als achtzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als hundertachtzig Quadratzentimeter. Bei einem kreisrunden Auslass entsprechen die genannten Werte für die die Fläche an der engsten Stelle, bezogen auf deren Durchmesser und gerundet, dass der Durchmesser mehr als fünf Zentimeter, insbesondere mehr als zehn Zentimeter, insbesondere mehr als fünfzehn Zentimeter beträgt. In Ausführungsformen beträgt eine Öffnungsgeschwindigkeit des Verschlusselementes mehr als zehn Meter/Sekunde, insbesondere mehr als zwanzig Meter/Sekunde, insbesondere mindestens dreissig Meter/Sekunde.
In Ausführungsformen beträgt ein Hub des Verschlusselements bei der Öffnungs- und Schliessbewegung zwischen dreissig und hundertfünfzig Millimeter, insbesondere zwischen vierzig und hundert Millimeter, insbesondere zwischen fünfzig und achtzig Millimeter. In Ausführungsformen geschieht das Befüllen der Druckkammer mit dem Arbeitsmedium mit einem Druck von mehr als hundertfünfzig bar, insbesondere von mehr als zweihundert bar. In Ausführungsformen beträgt die Ablasszeitdauer weniger als zehn Millisekunden, insbesondere weniger als fünf Millisekunden, insbesondere weniger als drei Millisekunden.
In Ausführungsformen ist das Arbeitsmedium eines von Luft, Stickstoff und Dampf, insbesondere überhitzter Dampf oder Sattdampf.
In Ausführungsformen weist das Verfahren den folgenden nach dem Befüllen und vor dem Öffnen der Druckkammer ausgeführten Schritt auf:
• Aufheizen des in der Druckkammer befindlichen Arbeitsmediums, insbesondere beim Durchströmen einer mit der Druckkammer verbundenen Umwälzleitung, insbesondere wobei das Arbeitsmedium mittels eines Umwälzgebläses durch die Umwälzleitung gefördert wird.
In Ausführungsformen weist das Verfahren den folgenden während dem Befüllen der Druckkammer ausgeführten Schritt auf:
• Aufheizen des der Druckkammer zugeführten Arbeitsmediums, insbesondere beim Durchströmen einer Arbeitsmedium-Füllleitung.
In Ausführungsformen wird das Arbeitsmedium auf eine Temperatur von 150 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius, insbesondere auf 230 Grad Celsius aufgeheizt, oder auf eine Temperatur von 200 Grad Celsius bis 450 Grad Celsius, insbesondere auf 250 Grad Celsius aufgeheizt. Relativ gesehen kann das Aufheizen beispielsweise um eine Temperaturdifferenz von mehr als 100 Grad Celsius, insbesondere von mehr als 200 Grad Celsius, insbesondere mehr als 300 Grad Celsius, unter Umständen auch mehr als 400Grad Celsius geschehen. Das Aufheizen kann beispielsweise mit einem elektrischen Heizelement geschehen. Die Ausströmgeschwindigkeit und damit ein Impuls des ausströmenden Arbeitsmediums nehmen mit der Quadratwurzel der Temperatur zu. Eine weitere Wirkung des Aufheizens des Arbeitsmediums ist, dass verhindert werden kann, dass sich das Arbeitsmedium beim Ausströmen aus der Druckkammer zu sehr abkühlt. Beim Ausströmen entspannt sich das Arbeitsmedium auf den Umgebungsdruck und kann sich dadurch - je nach Umständen und je nachdem, welches Arbeitsmedium vorliegt - auf eine Temperatur unter seiner Verflüssigungstemperatur abkühlen. Dadurch breitet sich der Strahl nach dem Austritt mit höchstens Schallgeschwindigkeit aus, was die Wirkung des Gerätes beschränkt.
In Ausführungsformen liegt eine Heizung vor, welche zum Aufheizen des in der Druckkammer befindlichen Arbeitsmediums angeordnet ist, insbesondere eine elektrische Heizung.
In Ausführungsformen liegt eine Heizung vor, welche zum Aufheizen des Arbeitsmediums in der Arbeitsmedium-Füllleitung angeordnet ist. In Ausführungsformen ist die Heizung ein Wärmetauscher, inbesondere mit Wärmetauscherelementen, insbesondere mit elektrisch beheizten Wärmetauscherelementen·
In Ausführungsformen geschieht das Verfahren unter Verwendung eines pneumatischen Aktuators, welcher aufweist
• eine erste Kolbenfläche welche gegen ein gasförmiges Steuermedium in einem ersten Volumen wirkt, wobei ein Druck im ersten Volumen auf die erste Kolbenfläche eine Aktuatorkraft in eine erste Richtung bewirkt;
• eine zweite Kolbenfläche welche gegen das Steuermedium in einem zweiten Volumen wirkt, wobei ein Druck im zweiten Volumen auf die zweite Kolbenfläche eine Aktuatorkraft in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung bewirkt; wobei das Verschlusselement durch den pneumatischen Aktuator von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und insbesondere auch von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist; wobei das Verfahren zum Öffnen der Druckkammer die folgenden Schritte aufweist:
• Ablassen mindestens eines Teils des Steuermediums aus dem ersten Volumen, insbesondere durch Öffnen einer Ein/ Auslass-Öffnung des ersten Volumens, und dadurch Öffnen der Druckkammer; · durch einen rascheren Druckabfall im ersten Volumen als im zweiten
Volumen, Bewegen des Aktuators in die zweite Richtung und dadurch Bewegen, des Verschlusselements in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen der Druckkammer bezüglich eines Auslasses, und Ablassen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer durch den Auslass.
In Ausführungsformen geschieht das Verfahren unter Verwendung eines pneumatischen Aktuators, welcher aufweist:
• eine erste Kolbenfläche welche gegen ein gasförmiges Steuermedium in einem ersten Volumen wirkt, wobei ein Druck im ersten Volumen auf die erste Kolbenfläche eine Aktuatorkraft in eine erste Richtung bewirkt;
• eine zweite Kolbenfläche welche gegen das Steuermedium in einem zweiten Volumen wirkt, wobei ein Druck im zweiten Volumen auf die zweite Kolbenfläche eine Aktuatorkraft in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung bewirkt. Dabei ist das Verschlusselement durch den pneumatischen Aktuator von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar und insbesondere auch von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar.
Das Verfahren weist die wiederholte Durchführung der folgenden Schritte auf: a) Füllen des ersten Volumens mit einem unter Druck stehenden gasförmigen Steuermedium, insbesondere mittels eines Füllventils, beispielsweise eines Pressluftventils; b) Druckausgleich zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen durch eine Drossel und dadurch, aufgrund einer Flächendifferenz der ersten Kolbenfläche und der zweiten Kolbenfläche, Bewegen des Aktuators in die erste Richtung und dadurch Bewegen eines Verschlusselements in eine Schliessrichtung und Verschliessen der Druckkammer ; c) Befüllen der Druckkammer mit einem gasförmigen Arbeitsmedium; d) Ablassen mindestens eines Teils des Steuermediums aus dem ersten Volumen, insbesondere durch Öffnen einer Ein/ Auslass-Öffnung des ersten Volumens, und dadurch Öffnen der Druckkammer; e) durch einen rascheren Druckabfall im ersten Volumen als im zweiten Volumen, Bewegen des Aktuators in die zweite Richtung und dadurch Bewegen, des Verschlusselements in Öffnungsrichtung zum Öffnen der Druckkammer bezüglich eines Auslasses, und Ablassen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer durch den Auslass.
Die Schritte a), b) und c) können gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Schritt d) wird typischerweise nach den Schritten a), b) und c) durchgeführt. Bei Schritt d) geht das Öffnen der Druckkammer, ausgelöst durch das Öffnen der Ein/Auslass-Öffnung, unmittelbar in den Schritt e) über.
In Ausführungsformen liegt eine Zeitdauer zwischen dem Auslösen der Öffnungs- bewegung des Verschlusselements, beispielsweise durch Betätigen eines Ablass- Magnetventils, und der maximalen Öffnung des Verschlusselements im Bereich von 20 Millisekunden bis 120 Millisekunden, insbesondere zwischen 40 Millisekunden und 60 Millisekunden. In Ausfiihrungsformen beträgt dabei die Zeitdauer zum Öffnen des Verschlusselementes weniger als zehn Millisekunden, insbesondere weniger als fünf Millisekunden, insbesondere weniger als drei Millisekunden. Sie kann im Wesentlichen gleich der Ablasszeitdauer sein.
Der Druckwellengenerator gemäss einem ersten Aspekt dient zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Er weist eine Druckkammer auf, sowie
• ein Verschlusselement, welches in einer Schliessstellung die Druckkammer gegenüber einem Auslass verschliesst und in einer Öffnungsstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer in den Auslass ermöglicht;
• einen Aktuator, durch welchen das Verschlusselement von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist;
• wobei ein Volumen der Druckkammer mehr als drei Liter, insbesondere mehr als vier Liter, insbesondere mehr als fünf Liter beträgt;
• wobei insbesondere das Volumen der Druckkammer weniger als fünfzehn Liter beträgt;
• wobei die Fläche an der engsten Stelle des Auslasses mehr als zwanzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als achtzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als hundertachtzig Quadratzentimeter beträgt;
• wobei ein Hub des Verschlusselements bei der Öffnungs- und Schliessbewegung zwischen dreissig und hundertfünfzig Millimeter, insbesondere zwischen vierzig und hundert Millimeter, insbesondere zwischen fünfzig und achtzig Millimeter beträgt.
Dies erlaubt, mittels des Druckwellengenerators einen Austrittsstrahl zu erzeugen, der nach freier Strahlexpansion im Freiraum dort einen möglichst grossen maximalen Druck erzeugt, respektive eine möglichst grosse Kraft. Dazu wird der mittels des Druckwellengenerators erzeugte Massenstrom möglichst gross gemacht. Der Massen strom ist proportional zu Dichte und Austrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums sowie zur Fläche der Austrittsöffnung. Damit kann, ausgehend von einem vorgege benen Fülldruck des gasförmigen Arbeitsmediums in der Druckkammer, innerhalb der oben definierten Grenzen eine Kombination von Parametern bestimmt werden, welche den maximalen Druck des Austrittsstrahls erzeugt.
In Ausführungsformen ist eine Verschlussfläche einer Verschlussöffnung, welche durch das Verschlusselement jeweils verschlossen und geöffnet wird, mindestens so gross ist wie die Fläche an der engsten Stelle des Auslasses, insbesondere mindestens zehn Prozent grösser als die die Fläche an der engsten Stelle des Auslasses.
Dies ist im Unterschied zu einem üblichen Ventil, bei welchem das Ventil die engste Stelle bildet. Im engsten Querschnitt strömt das Gas mit Schallgeschwindigkeit. Befindet sich diese Stelle nicht am Ende des Auslasses, so stellt sich eine
Überschallströmung nach der engsten Stelle ein. Dies führt zu Verdichtungsstössen im Auslass, durch welche die Leistung des Geräts behindert wird. Indem die Expansion des Austrittstahls ausserhalb des Auslasses erfolgt, wird dies verhindert. In Ausführungsformen ist das Verschlusselement hohlzylindrisch und zum Schliessen respektive Öffnen einer Verschlussöffnung entsprechend einer Zylinderfläche angeordnet ist.
Die hohlzylindrische Ausgestaltung erlaubt eine Reduktion der Masse des Verschlusselements. Zudem bestimmt die Ringfläche des Kolbens, welche die hohlzylindrische Aussparung umschliesst, eine Rückstosskraft, mit welcher die austretenden Gase den Kolben zurücktreiben. In Ausführungsformen beträgt, im Querschnitt betrachtet, die Fläche der hohlzylindrischen Aussparung mehr als fünfundzwanzig, insbesondere mehr als fünfzig Prozent der Fläche des Verschlus selementes. Die zylindrische Verschlussfläche erlaubt eine grosse Flächenänderung der Verschlussfläche in Funktion der Bewegung des Verschlusses. In Ausführungsformen ist eine Summe von Flächen am Verschlusselement, an denen das unter Druck stehende Arbeitsmedium eine in Schliessrichtung auf das Verschlusselement wirkende Kraft ausübt, kleiner als zehn Prozent der Querschnittsfläche des Auslasses an der Stelle, wo der Auslass durch das Verschlusselement verschlossen ist.
In Ausführungsform beträgt eine Fläche der Ein/Auslass-Öffnung des ersten Volumens zwischen zweihundert Quadratmillimeter und fünfhundert Quadratmillimeter, oder maximal eintausendfünfhundert Quadratmillimeter. Bei einem runden Querschnitt der Öffnung entspricht dies einem Durchmesser, gerundet, zwischen sechzehn Millimetern und fünfundzwanzig Millimetern, oder maximal vierundvierzig Millimetern. Damit ist eine ausreichend rasche Entleerung des ersten Volumens und damit wiederum eine entsprechend schnelle Öffnungsbewegung möglich. Es ergibt sich, dass diese Durchmesser im Grossen und Ganzen unabhängig von der ersten Kolbenfläche, also der Fläche des Kolbens im ersten Volumen ist.
In Ausführungsformen öffnet bei einer Öffnungsbewegung des Verschlusselementes, ausgehend von einer Endlage, in welcher das Verschlusselement die Verschlussöffnung verschliesst, das Verschlusselement die Verschlussöffnung erst nach Zurücklegen eines minimalen Weges. Dieser Weg ist von Null verschieden. Insbesondere beträgt dieser Weg mehr als fünf Millimeter oder mehr als acht Millimeter.
Ein Druckwellengenerator gemäss einem zweiten Aspekt dient zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Er weist eine Druckkammer auf, sowie • ein Verschlusselement, welches in einer Schliessstellung die Druckkammer gegenüber einem Auslass verschliesst und in einer Öffnungsstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer in den Auslass ermöglicht;
• einen Aktuator, durch welchen das Verschlusselement von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist;
• eine Heizung, welche dazu angeordnet ist, ein der Druckkammer zugeführt werdendes Arbeitsmedium oder ein in der Druckkammer vorliegendes Arbeitsmedium aufzuheizen, insbesondere wobei die Heizung eine elektrische Heizung ist.
Ein pneumatischer Aktuator, insbesondere zur Verwendung in einem Druckwellengenerator, weist auf:
• eine erste Kolbenfläche welche gegen ein gasförmiges Steuermedium in einem ersten Volumen wirkt, wobei ein Druck im ersten Volumen auf die erste Kolbenfläche eine Aktuatorkraft in eine erste Richtung bewirkt;
• eine zweite Kolbenfläche welche gegen das Steuermedium in einem zweiten Volumen wirkt, wobei ein Druck im zweiten Volumen auf die zweite Kolbenfläche eine Aktuatorkraft in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung bewirkt;
• eine Drossel zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen;
• eine Ein/ Auslass-Öffnung des ersten Volumens zum Einbringen und Ablassen des Steuermediums in das respektive aus dem ersten Volumen;
• wobei die erste Kolbenfläche grösser als die zweite Kolbenfläche ist.
In Ausführungsformen weist der pneumatische Aktuator eine Endlagendämpfung auf, insbesondere durch Verschliessen der Ein/Auslass-Öffnung. Damit wird also die Ein/Auslass-Öffnung bezüglich des ersten Volumens verschlossen. In Ausführungsformen ist ein Kolben-Verschlusselement zum Verschliessen der Ein/Auslass-Öffnung angeordnet. Damit kann die Endlagendämpfung in einfacher Weise durch ein Element des Kolbens selber realisiert werden. In einem Verfahren zum Betreiben des pneumatischen Aktuators werden die folgenden Schritte ausgeführt:
• Füllen des ersten Volumens mit einem unter Druck stehenden gasförmigen Steuermedium, insbesondere mittels eines Füllventils, beispielsweise eines Pressluftventils; · Druckausgleich zwischen dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen durch die Drossel und dadurch, aufgrund einer Flächendifferenz der ersten Kolbenfläche und der zweiten Kolbenfläche, Bewegen des Aktuators in die erste Richtung;
• Ablassen mindestens eines Teils des Steuermediums aus dem ersten Volumen, insbesondere durch Öffnen der Ein/Auslass-Öffnung;
• durch einen rascheren Druckabfall im ersten Volumen als im zweiten Volumen, Bewegen des Aktuators in die zweite Richtung.
Es ist somit möglich, mit einfachen Mitteln - nur dem Füllventil und der Ein/Auslass- Öffnung - eine Hin- und Her-Bewegung des Aktuators zu realisieren. Dies ist eine Folge einerseits der Flächendifferenz zwischen den Kolbenflächen und andererseits der Drossel zwischen den beiden Volumina.
Die Ein/Auslass-Öffnung kann relativ gross gestaltet werden, um den raschen Druckabfall im ersten Volumen zu bewirken.
In Ausführungsformen ist das Kolben- Verschlusselement auch zum Abtrennen einer Steuermedium-Füllleitung bezüglich des ersten Volumens angeordnet. Damit können hohe Druckstösse in der Füllleitung vermieden werden. In Ausführungsformen sind die beiden Volumina als Teile eines gemeinsamen Arbeitsraums eines Zylinders realisiert, in welchem ein einziger Kolben angeordnet ist, an welchem die beiden Kolbenflächen ausgebildet sind. Damit wird die Abdichtung der Kolben gegen den (nun gemeinsamen) Zylinder unkritisch. Es kann sogar ein Spalt zwischen Kolben und Zylinder vorliegen. Dieser hat die Funktion der Drossel zwischen den beiden Volumina. Der Druckausgleich findet also durch diesen Spalt statt. Damit ist eine weitere Vereinfachung der Konstruktion möglich. Die Drossel ist in dieser Ausführungsform also durch den Spalt zwischen Zylinder und Kolben gebildet. Dabei wird auf eine sonst übliche Dichtung des Kolbens verzichtet.
In andern Ausführungsform liegen die beiden Volumina und Kolbenflächen an separaten Kolben in separaten Zylindern, und sind die beiden separaten Kolben mechanisch gekoppelt und sind dabei auch ihre Bewegungen gekoppelt.
In Ausführungsformen sind die erste Kolbenfläche und ein Kolben-Verschlusselement zum Verschliessen der Ein/ Auslass-Öffnung an demselben Kolben ausgebildet. Damit ist eine besonders einfache und zuverlässige Konstruktion möglich.
In Ausführungsformen weist der pneumatische Aktuator ein Zylinder-Ablassventil auf, zum raschen Ablassen des Steuermediums aus dem ersten Volumen durch Öffnen der Ein/ Auslass-Öffnung. Das Zylinder-Ablassventil weist eine Kolbenfläche auf, an welcher bei Beaufschlagung mit dem Steuermedium eine Kraft zum Schliessen des Zylinder-Ablassventils entsteht, und eine Ventilfläche, an welcher bei Beaufschlagung mit dem Steuermedium eine Kraft in Öffnungsrichtung des Zylinder-Ablassventils entsteht wobei die Ventilfläche kleiner als die Kolbenfläche ist. Damit kann, indem beide Flächen mit demselben Druck beaufschlagt werden, das Zylinder-Ablassventil in die geschlossene Stellung gebracht und gehalten werden. In Ausführungsformen weist der pneumatische Aktuator ein Ablass-Pilotventil zum Ablassen von Steuermedium aus einem Ablassventil- Volumen auf, in welchem das Steuermedium auf die Kolbenfläche wirkt. Damit kann ein kurzzeitiges, vorübergehendes Ungleichgewicht des Drucks auf die beiden Flächen erzeugt werden, wodurch das Zylinder-Ablassventil geöffnet wird.
In Ausführungsformen ist eine Steuermedium-Füllleitung zum Füllen sowohl des Ablassventil-Volumens als auch des ersten Volumens mit Steuermedium unter demselben Druck angeordnet. Damit kann einerseits derselbe Druck in den beiden Volumina erreicht werden, und andererseits - indem die Füllleitung zwischen den beiden Volumina als Drossel wirkt - das vorübergehende Ungleichgewicht realisiert.
Der Druck im Steuermedium beträgt beispielsweise zwischen 50 und 140 bar, insbesondere zwischen 80 bar und 100 bar.
In Ausführungsformen verläuft ein Abschnitt der Steuermedium-Füllleitung, durch welchen das erste Volumen mit dem Steuermedium versorgt wird, durch das Zylinder- Ablassventil, insbesondere einen Absperrkörper des Ventils. Beispielsweise ist dieser Abschnitt ein Durchlass im Absperrkörper, welcher auch in geschlossener Stellung des Ventils einen kleinen Durchfluss durch das Ventil zulässt.
In Ausführungsformen verläuft ein Abschnitt der Steuermedium-Füllleitung, durch welchen das erste Volumen mit dem Steuermedium versorgt wird, durch ein Gehäuse des Druckwellengenerators.
In Ausführungsformen ist eine Linearführung des Kolbens gebildet, indem der Kolben eine hintere Verschlussführung umschliesst und entlang der hinteren Verschluss führung linear in eine Bewegungsrichtung bewegbar ist, und ein sich in Bewegungsrichtung vom Kolben weg erstreckendes hohlzylindrisches Kolben- Verbindungselement ein Lagerelement umschliesst, welches an der hinteren Verschlussführung befestigt ist. Dabei ist das zweite Volumen zwischen dem Kolben, einer Innenseite des Kolbenverbindungselements, dem Lagerelement und der hinteren Verschlussführung gebildet. Typischerweise ist die hintere Verschlussführung fest mit dem Gehäuse verbunden.
Damit kann, als Verlängerung des hohlzylindrischen Kolbenverbindungselementes ein hohlzylindrisches Element angetrieben werden, was in bestimmten Anwendungen von Vorteil ist. Beispielsweise ist dies der Fall beim hier beschriebenen Druckwellengenerator mit einem hohlzylindrischen Verschlusselement.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Dabei sind Merkmale der Verfahrens ansprüche sinngemäss mit den Vorrichtungsansprüchen kombinierbar und umgekehrt. Insbesondere kann der Druckwellengenerator eine Steuerung aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, den Druckwellengenerator zur Ausführung des Verfahrens gemäss mindestens einem der Verfahrensansprüchen anzusteuern. Die Ansteuerung geschieht durch Ansteuerung mindestens der Ventile des Druckwellengenerators. Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Druckwellengenerator; Figur 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform; und
Figuren 3 - 4 Ausführungsformen mit einer Heizung zum Aufheizen des Arbeitsmediums.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils einen Druckwellengenerator 1 mit einer Druckkammer 2. Ein Verschlusselement 9 ist zum Verschliessen der Druckkammer 2 gegenüber einem Auslass 15 angeordnet. Das Verschlusselement 9 ist an einem Lagerelement 14 geführt, welches eine lineare Öffnungs- und Schliessbewegung des Verschlusselements 9 erlaubt. In der Ausführungsform der Figur 1 ist das Verschlusselement 9 hohlzylindrisch und weist einen Kolben auf, der durch das Lagerelement 14 geführt ist, welches fest mit einem Gehäuse 16 verbunden ist. In der Ausführungsform der Figur 2 ist das Verschlusselement 9 hohlzylindrisch geformt und umgibt das Lagerelement 14, welches fest mit einem Gehäuse 16 verbunden ist. Die Bewegungsrichtung, durch einen Doppelpfeil dargestellt, ist typischerweise gleich einer Längsrichtung des Druckwellengenerators 1, und auch gleich einer Ausströmrichtung, in welcher das Arbeitsmedium aus dem Auslass 15 strömt. Figur 1 und 2 zeigen das Verschlusselement 9 in einer geschlossenen Stellung, d.h. die Druckkammer 2 ist gegenüber dem Auslass 15 geschlossen.
Der Auslass 15 dient zum gerichteten Auslassen oder Ableiten des Arbeitsmediums. Damit ist eine Druckwelle erzeugbar.
In einer geöffneten Stellung gibt das Verschlusselement 9 eine Verschlussfläche einer Verschlussöffnung frei. In der geschlossenen Stellung ist die Verschlussöffnung durch das Verschlusselement 9 verschlossen. Hier ist die Verschlussfläche einer Zylinderfläche. Die Druckkammer 2 ist ringförmig. Die Druckkammer 2 umschliesst das Verschlusselement 9. Die Verschlussöffnung führt ausgehend von der Druckkammer 2 in radialer Richtung - bezüglich der ringförmigen Druckkammer 2 - nach innen. Durch die Verschlussöffnung austretendes Arbeitsmedium strömt in radialer Richtung nach innen und dann in axialer Richtung - wiederum bezüglich der ringförmigen Druckkammer 2 - durch den Auslass 15. Das Verschlusselement 9 steht im geschlossenen Zustand an einem Ventilsitz des Gehäuses 16 an. Der Ventilsitz kann mit einem Kragen ausgestaltet werden, welcher dazu führt, dass wenn das Verschlusselement in Öffnungsrichtung bewegt wird, ausgehend von einer Endlage in geschlossener Stellung, erst nach Zurücklegen eines bestimmtem Weges des Verschlusselements 9 die Verschlussöffnung geöffnet wird und das Arbeitsmedium ausströmen kann. Dieser Weg ist als Kragenweite 77 eingezeichnet. Dadurch ist es möglich, die Bewegung des Verschlusselementes 9 zu beschleunigen, bevor die Verschlussöffnung geöffnet wird, was wiederum ermöglicht, die Verschlussöffnung ausreichend schnell zu öffnen, um das schlagartige Ausströmen des Arbeitsmediums zu erlauben.
Die Grösse der Verschlussfläche ist grösser als die Fläche des Auslasses oder Auslassfläche, d.h. der Querschnittsfläche, an welcher der Auslass in den Freiraum übergeht. Insbesondere entspricht der Auslass 15 der engsten Stelle entlang des Weges des Arbeitsmediums aus der Druckkammer 2. Dies hat zur Folge, dass die Geschwindigkeit des ausströmenden Arbeitsmediums im Auslass 15 respektive kurz danach am höchsten ist. Insbesondere erreicht dadurch das ausströmende Arbeitsmedium erst kurz nach der engsten Stelle, also nach dem Auslass 15, Schallgeschwindigkeit. Dies ist für den Betrieb der Vorrichtung von Vorteil.
Eine erste Füllleitung oder Arbeitsmedium-Füllleitung 12 ist zum Befüllen der Druckkammer 2 mit einem Arbeitsmedium angeordnet. Sie ist durch ein Arbeitsmedium ventil 10 gespeist. In einem Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung wird
• die Druckkammer 2 durch das Verschlusselement 9 bezüglich des Auslasses 15 geschlossen;
• die Druckkammer 2 mit dem Arbeitsmedium unter hohem Druck befüllt, d.h. mit einem Druck von mehr als hundert bar, insbesondere mehr als hundertfünfzig bar, insbesondere von mehr als zweihundert bar; • die Druckkammer 2 schlagartig geöffnet, so dass die im Arbeitsmedium gespeicherte Energie über einen möglichst kurzen Zeitraum in kinetische Energie umgesetzt wird. Je kürzer der Zeitraum, desto höher sind die Geschwindigkeit und der Impuls des ausströmenden Arbeitsmediums und damit die Wirkung der Druckwelle.
In Ausführungsformen sind die folgenden Parameter realisiert:
Druck: 100 bar bis 300 bar
Volumen: 3 Liter bis 15 Liter Auslassfläche: 50 cm2 bis 320 cm2 (= Durchm. ca. 80-200 mm)
Öffnungsgeschwindigkeit: 15 m/s bis 40 m/s
Hub: 50 mm bis 100 mm
In Ausführungsformen sind die folgenden Parameter realisiert: Druck: mehr als 120 bar
Volumen: 4 Liter
Auslassfläche: 80 cm2 (entspricht einem Durchmesser von ca. 100 mm)
Öffnungsgeschwindigkeit: mehr als 15 m/s Hub: 60 mm
In Ausführungsformen sind die folgenden Parameter realisiert:
Druck: 250 bar bis 300 bar, insbesondere 280 bar
Volumen: 8 Liter bis 12 Liter, insbesondere 10 Liter Auslassfläche: 150 cm2 bis 210 cm2, insbesondere 180 cm2
(entspricht einem Durchmesser von ca. 150 mm) Öffnungsgeschwindigkeit: mehr als 25 m/s Hub: 60 mm bis 90 mm, insbesondere 75 mm In Ausführungsformen sind die folgenden Parameter realisiert: Druck: 250 bar bis 300 bar, insbesondere 280 bar
Volumen: 4 Liter bis 6 Liter, insbesondere 5 Liter
Auslassfläche 60 cm2 bis 80 cm2, insbesondere 70 cm2 (entspricht einem Durchmesser von ca. 95 mm) Öffnungsgeschwindigkeit: mehr als 20 m/s
Hub: 50 mm bis 70 mm, insbesondere 60 mm
In allen Ausführungsformen kann eine Aufheizung des Arbeitsmediums auf eine Temperatur von 150 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius, insbesondere auf 230 Grad Celsius, oder auf eine Temperatur von 200 Grad Celsius bis 450 Grad Celsius, insbesondere auf 250 Grad Celsius, realisiert sein.
Die Öffnungsbewegung des Verschlusselements 9 wird bewirkt durch eine aktive Gasfeder oder pneumatischen Aktuator 4b. Diese weist einen zylindrischen Arbeitsraum 43 mit einem darin bewegten Kolben 93 auf, dessen Bewegung mit der
Bewegung des Verschlusselements 9 gekoppelt ist, insbesondere indem sie fest miteinander verbunden, insbesondere einteilig ausgebildet sind. In den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 geschieht die Kopplung durch ein Kolbenverbindungselement 94. In der Figur 1 ist dies eine Kolbenstange, in der Figur 2 ist dies ein Hohlzylinder.
Der Kolben 93 teilt den Arbeitsraum 43 in eine erstes Volumen 41 und ein zweites Volumen 42 auf. Zwischen einer Zylinderinnenwand 44 des Arbeitsraums 43 und dem Kolben 93 liegt keine Dichtung vor. Es kann insbesondere auch ein kleiner Spalt vorliegen, im Folgenden Kolbenspalt 96 genannt. Dieser erlaubt einen Gasaustausch zwischen den beiden Volumina und wirkt dabei insbesondere als Drossel. In anderen Ausführungsformen kann eine separate Leitung zwischen dem ersten Volumen 41 und dem zweiten Volumen 42 angeordnet sein, und eine Drossel aufweisen, welche zusätzlich oder alternativ zum Kolbenspalt 96 den Gasaustausch zulässt. Eine solche Drossel kann auch als Kolbendrossel 100 durch eine oder mehrere Bohrungen durch den Kolben 93 realisiert sein, welche somit ebenfalls einen Gasaustausch zwischen den beiden Volumina erlaubt.
Ein Gasdruck des Steuermediums im ersten Volumen 41 bewirkt eine Kraft entgegen der Richtung der Öffnungsbewegung des Verschlusselements 9, wobei eine dabei wirksame Fläche eine erste Kolbenfläche 91 ist.
Ein Gasdruck des Steuermediums im zweiten Volumen 42 bewirkt eine Kraft in Richtung der Öffnungsbewegung des Verschlusselements 9, wobei eine dabei wirksame Fläche eine zweite Kolbenfläche 92 ist.
Dabei ist die zweite Kolbenfläche 92 kleiner als die erste Kolbenfläche 91, bsw. mindestens um fünf oder zehn oder zwanzig Prozent kleiner. Der Kolben 93 weist ein Kolben-Verschlusselement 95 auf, welches im Verlauf der Öffnungsbewegung einen Zylinder-Ein/Auslass 45 oder Ein/Auslass-Öffnung des ersten Volumens 41 verschliesst. Der Zylinder-Ein/Auslass 45 ist hier konzentrisch zum Arbeitsraum 43 gezeichnet, könnte alternativ aber auch seitlich angeordnet sein. Durch das Verschliessen des Zylinder-Ein/ Auslasses 45 wird ein Abbremsen respektive eine Endlagendämpfung der Öffnungsbewegung bewirkt. Gleichzeitig wird auch das Pressluftventil 49 vor einem Druckstoss durch die Pressluft-Füllleitung 48 geschützt.
Der Zylinder-Ein/Auslass 45 kann durch ein Zylinder-Ablassventil 46 geöffnet werden. Das Steuermedium fliesst beispielsweise durch eine Ablass- oder Entlüftungsleitung 102 ab. Das Zylinder- Ablassventil 46 kann einen relativ grossen Ventilquerschnitt aufweisen, verglichen mit einer Füllleitung. Damit ist eine schlagartige Druckreduktion im ersten Volumen 41 realisierbar. Das Zylinder- Ablassventil 46 wird durch einen Druck in einer Pressluft-Füllleitung 48 geschlossen gehalten. Durch Öffnen eines Ablass-Pilotventils 47 kann dieser Druck reduziert werden. Durch das Öffnen des Ablass-Pilotventils wird also die Öffnungsbewegung des Verschlusselements ausgelöst.
Das Zylinder-Ablassventil 46 ist beispielhaft ein Sitzventil mit einem bewegbaren Absperrkörper. Der Absperrkörper weist eine Kolbenfläche 52 auf, an welcher er mit der Druckluft aus der Pressluft-Füllleitung 48 in einem Ablassventil-Volumen 51 beaufschlagt wird. Eine Ventilfläche 53, welche mit dem Druck im Zylinder- Ein/ Auslass 45 beaufschlagt ist, ist kleiner als die Kolbenfläche 52. Die Kräfte auf die Kolbenfläche 52 und die Ventilfläche 53 sind einander entgegengesetzt. Wenn das Ablass-Pilotventil 47 geschlossen ist, ist der Gasdruck an den beiden Flächen derselbe, und die Kraft auf die Kolbenfläche 52 höher als jene auf die Ventilfläche 53, wodurch der Absperrkörper respektive das Zylinder-Ablassventil 46 in der geschlossenen Stellung gehalten wird. Die Pressluft-Füllleitung 48 speist auch, über einen Abschnitt 101 der Pressluft- Füllleitung 48, das erste Volumen 41. Die Pressluft-Füllleitung 48 wiederum ist über ein Pressluftventil 49 gespeist.
Eine Belüftungsleitung 97 bewirkt einen Druckausgleich zwischen der Umgebungsluft und einem Zwischenzylinder. Der Zwischenzylinder liegt zwischen einem hinteren Ende des Verschlusselements 9 und der aktiven Gasfeder respektive dem pneumatischen Aktuator 4b.
In der Variante der Ausführungsform der Figur 1 sind der Arbeitsraum 43 und der Kolben 93 kompakt realisiert. Die gleiche Funktionsweise kann aber auch mit separaten ersten und zweiten Volumina und mit getrennten Kolben mit unterschiedlichen Kolbenflächen realisiert werden. Dabei ist eine Leitung mit einer Drossel zwischen den beiden Volumina angeordnet und sind die Bewegungen der beiden Kolben mechanisch gekoppelt. Das heisst, das eine Linearbewegung eines der beiden Kolben immer auch eine Linearbewegung des anderen Kolbens bedingt. In den Ausführungsformen der Figur 1 und der Figur 2 kann ein Kolbenweg beispielsweise zwischen 20 mm und 150 mm betragen, insbesondere zwischen 30 mm und 80 mm. Ein Durchmesser des Kolbens kann beispielsweise zwischen 20 mm und 200 mm betragen, insbesondere zwischen 40 mm und 120 mm.
In Ausführungsformen liegt ein Heizelement 99 vor. Damit kann das unter Druck stehende Arbeitsmedium in der Druckkammer 2 aufgeheizt werden. Dadurch kann die Energie der erzeugten Druckwelle erhöht werden.
Die Figuren 1 und 2 zeigen den pneumatischen Aktuator 4b in Kombination mit einem Druckwellengenerator 1.
Im Betrieb dieser Variante können die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
• Öffnen des Pressluftventils 49 bei geschlossenem Ablass-Pilotventil 47. Dies hat folgende Auswirkungen: Der Druck in der Pressluft-Füllleitung 48 (z.B. 70 bar) schliesst das Zylinder-Ablassventil 46. Durch die Pressluft-Füllleitung 48 wird das erste Volumen 41 mit Pressluft beaufschlagt. Durch den Kolbenspalt 96 wird auch das zweite Volumen 42 beaufschlagt, wobei mit der Zeit in beiden Volumina derselbe Druck vorliegt. Weil die erste Kolbenfläche 91 grösser als die zweite Kolbenfläche 92 ist, wird der Kolben 93 und damit der Verschlusselement 9 in eine geschlossene Stellung (entgegen der Richtung der Öffnungsbewegung) bewegt.
• Schliessen des Pressluftventils 49. Das Verschlusselement 9 bleibt in der geschlossenen Stellung.
• Öffnen des Arbeitsmedium ventils 10 und dadurch Befüllen der Druckkammer
2.
• Auslösen der Öffnungsbewegung durch Öffnen des Zylinder-Ablassventils 46, was insbesondere durch Öffnen des Ablass-Pilotventils 47 und Reduktion des Drucks in der Pressluft-Füllleitung 48 geschehen kann. Durch das Öffnen des Zylinder-Ablassventils 46 fällt der Druck im ersten Volumen 41 ab. Der Druck im zweiten Volumen 42 fällt ebenfalls ab, aber wegen der Drosselwirkung des Kolbenspalts 96 langsamer als im ersten Volumen 41. Dadurch wiederum wird die Kraft auf die zweite Kolbenfläche 92 grösser als die Kraft auf die erste Kolbenfläche 91. Dies bewirkt eine Bewegung des Kolbens 93 und damit die Öffnungsbewegung des Verschlusselements 9.
• Bevor der Kolben 93 oder das Verschlusselement 9 an einen Anschlag geraten, verschliesst das Kolben-Verschlusselement 95 den Zylinder-Ein/Auslass 45. Die im (nun kleineren) ersten Volumen 41 verbleibende Luft wird komprimiert und bremst die Bewegung des Kolbens 93 und des Verschlusselements 9. Es wird verhindert, dass das Pressluftventil 49 durch eine Druckspitze beansprucht wird.
• Das Arbeitsmedium strömt aus der Öffnung, die durch das Verschlusselement 9 freigegeben worden ist, aus.
• Schliessen des Zylinder-Ablassventils 46, insbesondere durch Schliessen des Ablass-Pilotventils 47. Dies kann geschehen, indem eine Kolbenfläche, über welche die Druckluft in der Pressluft-Füllleitung 48 das Zylinder-Ablassventil 46 respektive seinen Absperrkörper in die geschlossene Stellung drückt, grösser ist als eine Fläche, an welcher die Druckluft in Gegenrichtung auf das Zylinder- Ablassventil 46 respektive seinen Absperrkörper wirkt. Nach dem Schliessen des Zylinder- Ablassventils 46 kann der Druck im ersten Volumen 41 noch ausreichend hoch sein (z.B. 20 bar), um auch nach einem Druckausgleich mit dem zweiten Volumen 42 den Kolben 93 zurück zu bewegen und damit das Verschlusselement 9 in die geschlossene Stellung zu bringen.
• Anschliessend kann mit dem Öffnen des Pressluftventils 49 das Verfahren erneut begonnen werden. Bei Verwendung des pneumatischen Aktuators 4b wie oben beschrieben geschieht Bewegen des Verschlusselements in die Öffnungsrichtung durch die Bewegung des pneumatischen Aktuators in die zweite Richtung. Das Bewegen des Verschlusselements in die Schliessrichtung geschieht durch die Bewegung des pneumatischen Aktuators in die erste Richtung.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform mit einem zu dem von der Figur 1 verschiedenen alternativen pneumatischen Aktuator 4b. Es kann der gesamte in der Figur 2 gezeigte pneumatische Aktuator oder es können auch nur einzelne Elemente, beispielsweise · eine Kolbendrossel 100 und/oder
• ein Verschlusselement 9 mit Hohlzylinder anstelle der Kolbenstange als Kolbenverbindungselement 94 und/oder
• ein Zylinder- Ablassventil 46 mit einem Abschnitt 101 der Pressluft-Füllleitung mit einem Druckwellengenerator 1 gemäss Figur 1 kombiniert sein. Ferner kann die Ausführungsform auch ein Heizelement 99 aufweisen (nicht eingezeichnet).
Die Funktionsweise ist grundsätzlich gleich wie jene der Ausführungsform der Figur 1, mit den folgenden Unterschieden in der Realisierung einzelner Elemente: Das Kolbenverbindungselement 94, welches den Kolben 93 mit dem Verschlusselement 9 verbindet, ist durch einen Hohlzylinder gebildet. Der Kolben 93 umschliesst eine hintere Verschlussführung 98, die als allgemeiner Zylinder, insbesondere als Kreiszylinder ausgebildet sein kann und ist linear entlang derselben in Bewegungsrichtung bewegbar. Das Kolbenverbindungselement 94 umgibt das Lagerelement 14, welches fest mit einem Gehäuse 16 verbunden ist. Das zweite Volumen 42 liegt zwischen der hinteren Verschlussführung, dem Kolben 93 und der Innenseite des Hohlzylinders respektive des Kolbenverbindungselements 94.
Die Drossel zwischen dem ersten Volumen 41 und dem zweiten Volumen 42 ist als Kolbendrossel 100 durch eine oder mehrere Bohrungen durch den Kolben 93 realisiert. Zusätzlich oder alternativ kann aber auch die Funktion der Kolbendrossel durch einen Spalt zwischen Kolben 93 und hinterer Verschlussfiihrung 98 wahrgenommen werden.
Der Abschnitt 101 der Pressluft-Füllleitung 48, durch welchen das erste Volumen 41 mit dem Steuermedium versorgt wird, verläuft nicht durch das Gehäuse 16 sondern durch den Absperrkörper des Zylinder-Ablassventils 46, beispielsweise als Bohrung, und kann auch Kolbendrossel des Zylinder-Ablassventils 46 genannt werden. Somit wird das erste Volumen 41 via das Ablassventil-Volumen 51 mit dem Steuermedium versorgt.
Es kann auf eine Endlagendämpfung verzichtet werden. Wenn in der Ausführungsform der Figur 5 eine Endlagendämpfung realisiert werden soll, kann dies wie in der Figur 1 durch ein vorstehendes Kolben- Verschlusselement 95 geschehen, welche in den Zylinder-Ein/ Auslass 45 einfährt, oder indem der Zylinder-Ein/ Auslass 45 seitlich in das erste Volumen 41 hineingeführt ist, und verschlossen wird, indem sich der Kolben 93 bei der Öffnungsbewegung über den Zylinder-Ein/ Auslass 45 schiebt.
In Ausführungsformen (nicht dargestellt) sind zwei oder drei oder mehr Verschlusselemente 9 parallel zueinander angeordnet, um eine gesamte Auslassfläche zu erhöhen. Sie können synchron zueinander respektive gleichzeitig ausgelöst werden, um eine Druckwelle höherer Energie als mit einem einzelnen Verschlusselement 9 zu erzeugen. Dabei sind mehrere Verschlusselemente mit einer einzigen Druckkammer 2 verbunden und werden von einem einzigen pneumatischen Aktuator betätigt. Eine solche parallele Anordnung von Verschlusselementen 9 kann auch mit Druckwellengeneratoren realisiert werden, welche Explosionen zum Erzeugen des Drucks in der Druckkammer und/oder zum Antreiben des Verschlusselementes verwenden. Eine Steuerung 20 ist zur Durchführung der beschriebenen Verfahrensschritte eingerichtet. Dazu ist die Steuerung 20 zum Ansteuem des Pressluftventils 49, des Arbeitsmediumventils 10 und des Zylinder- Ablassventils 46 eingerichtet. Das Zylinder-Ablassventils 46 kann mittels des Ablass-Pilotventils 47 angesteuert sein.
Figuren 3 und 4 zeigen Ausführungsformen mit einer Heizung 80 zum Aufheizen des Arbeitsmediums. Gemäss der Ausführungsform von Figur 3 ist die Heizung 80 zum Aufheizen des Arbeitsmediums beim Durchströmen der ersten Füllleitung oder Arbeitsmedium-Füllleitung 12 angeordnet. Die aufgeheizte Luft erfährt dabei keine Druckerhöhung. Gemäss der Ausführungsform von Figur 4 ist die Heizung 80 zum Aufheizen des Arbeitsmediums beim Durchströmen einer Umwälzleitung 84 angeordnet. Die Umwälzleitung 84 führt aus der Druckkammer 2 durch die Heizung 80 und zurück zur Druckkammer 2. Durch das Aufheizen werden sowohl Temperatur als auch Druck in der Druckkammer 2 erhöht. Ein Umwälzgebläse 85 kann zum Fördern des Arbeitsmediums durch die Umwälzleitung 84 angeordnet sein.
Die Heizung kann jeweils einen Wärmetauscher 81 mit Wärmetauscherelementen 82 aufweisen, die vom Arbeitsmedium umströmt sind. Die Wärmetauscherelemente 82 können durch eine Elektroheizung 83 beheizt werden.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform sind Wärmetauscherelemente 82 in der Druckkammer 2 angeordnet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Druckwellengenerators (1) mit einer Druckkammer (2), wobei der Druckwellengenerator (1) aufweist
• ein Verschlusselement (9), welches in einer Schliessstellung die Druckkammer (2) gegenüber einem Auslass (14) verschliesst und in einer Öffnungsstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums aus der
Druckkammer (2) in den Auslass (15) ermöglicht;
• einen Aktuator, durch welchen das Verschlusselement (9) von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und insbesondere auch von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist; wobei das Verfahren die wiederholte Durchführung der folgenden Schritte aufweist:
• Befüllen der Druckkammer (2) mit einem gasförmigen Arbeitsmedium mit einem Druck von über hundert bar;
• Bewegen des Aktuators und dadurch Bewegen des Verschlusselements (9) in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen der Druckkammer (2) bezüglich eines Auslasses (15), und Ablassen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus der Druckkammer (2) durch den Auslass (15) innerhalb einer Ablasszeitdauer von weniger als fünfzehn Millisekunden. 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei ein Volumen der Druckkammer (2) mehr als drei Liter, insbesondere mehr als vier Liter, insbesondere mehr als fünf Liter beträgt.
3. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fläche an der engsten Stelle des Auslasses (15) mehr als zwanzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als achtzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als hundertachtzig Quadratzentimeter beträgt.
4. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Öffnungsgeschwindigkeit des Verschlusselementes (9) mehr als zehn
Meter/Sekunde, insbesondere mehr als zwanzig Meter/Sekunde, insbesondere mindestens dreissig Meter/Sekunde beträgt.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Hub des Verschlusselements (9) bei der Öffnungs- und Schliessbewegung zwischen dreissig und hundertfünfzig Millimeter, insbesondere zwischen vierzig und hundert Millimeter, insbesondere zwischen fünfzig und achtzig Millimeter beträgt. 6. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Befüllen der
Druckkammer (2) mit dem Arbeitsmedium mit einem Druck von mehr als hundertfünfzig bar, insbesondere von mehr als zweihundert bar geschieht.
7. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ablasszeitdauer weniger als zehn Millisekunden, insbesondere weniger als fünf
Millisekunden, insbesondere weniger als drei Millisekunden beträgt.
8. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das
Arbeitsmedium eines ist von Luft, Stickstoff oder Dampf, insbesondere überhitzter Dampf oder Sattdampf.
9. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend den während dem Befüllen respektive nach dem Befüllen und vor dem Öffnen der Druckkammer ausgeführten Schritt: • Aufheizen des der Druckkammer zugeführten respektive in der Druckkammer befindlichen Arbeitsmediums, insbesondere auf 200 Grad Celsius bis 450 Grad Celsius, insbesondere auf 250 Grad Celsius; insbesondere wobei das Aufheizen mit elektrischer Energie erfolgt.
10. Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines pneumatischen Aktuators (4b), welcher aufweist
• eine erste Kolbenfläche (91) welche gegen ein gasförmiges Steuermedium in einem ersten Volumen (41) wirkt, wobei ein Druck im ersten Volumen (41) auf die erste Kolbenfläche (91) eine Aktuatorkraft in eine erste
Richtung bewirkt;
• eine zweite Kolbenfläche (92) welche gegen das Steuermedium in einem zweiten Volumen (42) wirkt, wobei ein Druck im zweiten Volumen (42) auf die zweite Kolbenfläche (92) eine Aktuatorkraft in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung bewirkt; wobei das Verschlusselement (9) durch den pneumatischen Aktuator (4b) von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und insbesondere auch von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist; wobei das Verfahren zum Öffnen der Druckkammer (2) die folgenden Schritte aufweist:
• Ablassen mindestens eines Teils des Steuermediums aus dem ersten Volumen (41), insbesondere durch Öffnen einer Ein/Auslass-Öffnung des ersten Volumens (41), und dadurch Öffnen der Druckkammer (2);
• durch einen rascheren Druckabfall im ersten Volumen (41) als im zweiten Volumen (42), Bewegen des Aktuators in die zweite Richtung und dadurch Bewegen, des Verschlusselements (9) in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen der Druckkammer (2) bezüglich eines Auslasses (15), und Ablassen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer (2) durch den Auslass (15). 11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, unter Verwendung eines pneumatischen Aktuators (4b), welcher aufweist
• eine erste Kolbenfläche (91) welche gegen ein gasförmiges Steuermedium in einem ersten Volumen (41) wirkt, wobei ein Druck im ersten Volumen (41) auf die erste Kolbenfläche (91) eine Aktuatorkraft in eine erste
Richtung bewirkt;
• eine zweite Kolbenfläche (92) welche gegen das Steuermedium in einem zweiten Volumen (42) wirkt, wobei ein Druck im zweiten Volumen (42) auf die zweite Kolbenfläche (92) eine Aktuatorkraft in eine zweite, der ersten entgegengesetzte Richtung bewirkt; wobei das Verschlusselement (9) durch den pneumatischen Aktuator (4b) von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und insbesondere auch von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist; wobei das Verfahren die wiederholte Durchführung der folgenden Schritte aufweist:
• Füllen des ersten Volumens (41) mit einem unter Druck stehenden gasförmigen Steuermedium, insbesondere mittels eines Füllventils, beispielsweise eines Pressluftventils (49);
• Druckausgleich zwischen dem ersten Volumen (41) und dem zweiten Volumen (42) durch eine Drossel und dadurch, aufgrund einer
Flächendifferenz der ersten Kolbenfläche (91) und der zweiten Kolbenfläche (92), Bewegen des Aktuators in die erste Richtung und dadurch Bewegen eines Verschlusselements (9) in eine Schliessrichtung und Verschliessen der Druckkammer (2); · Befüllen der Druckkammer (2) mit einem gasförmigen Arbeitsmedium;
• Ablassen mindestens eines Teils des Steuermediums aus dem ersten Volumen (41), insbesondere durch Öffnen einer Ein/Auslass-Öffnung des ersten Volumens (41), und dadurch Öffnen der Druckkammer (2);
• durch einen rascheren Druckabfall im ersten Volumen (41) als im zweiten Volumen (42), Bewegen des Aktuators in die zweite Richtung und dadurch Bewegen, des Verschlusselements (9) in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen der Druckkammer (2) bezüglich eines Auslasses (15), und Ablassen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer (2) durch den Auslass (15).
12. Druckwellengenerator (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend eine Druckkammer (2), sowie
• ein Verschlusselement (9), welches in einer Schliessstellung die Druckkammer (2) gegenüber einem Auslass (14) verschliesst und in einer Öffnungsstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums aus der
Druckkammer (2) in den Auslass (15) ermöglicht;
• einen Aktuator, durch welchen das Verschlusselement (9) von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und von der Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist; · wobei ein Volumen der Druckkammer (2) mehr als drei Liter, insbesondere mehr als vier Liter, insbesondere mehr als fünf Liter beträgt;
• wobei eine Fläche an der engsten Stelle des Auslasses (15) mehr als zwanzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als achtzig Quadratzentimeter, insbesondere mehr als hundertachtzig Quadratzentimeter beträgt;
• wobei ein Hub des Verschlusselements (9) bei der Öffnungs- und Schliessbewegung zwischen dreissig und hundertfünfzig Millimeter, insbesondere zwischen vierzig und hundert Millimeter, insbesondere zwischen fünfzig und achtzig Millimeter beträgt.
13. Druckwellengenerator (1) gemäss Anspruch 12, wobei eine Verschlussfläche einer Verschlussöffnung, welche durch das Verschlusselement (9) jeweils verschlossen und geöffnet wird, mindestens so gross ist wie die Fläche an der engsten Stelle des Auslasses, insbesondere mindestens zehn Prozent grösser als die Fläche an der engsten Stelle des Auslasses. 14. Druckwellengenerator (1) gemäss Anspruch 12 oder 13, wobei das Verschlusselement (9) hohlzylindrisch ist und zum Schliessen respektive Öffnen einer Verschlussöffnung entsprechend einer Zylinderfläche angeordnet ist.
15. Druckwellengenerator (1) gemäss einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei bei einer Öffnungsbewegung des Verschlusselementes (9) ausgehend von einer Endlage, in welcher das Verschlusselement (9) die Verschlussöffnung verschliesst, das Verschlusselement die Verschlussöffnung erst nach Zurücklegen eines minimalen Weges öffnet, der von Null verschieden ist, insbesondere wobei dieser Weg mehr als fünf Millimeter oder mehr als acht Millimeter beträgt.
16. Druckwellengenerator (1) zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 9, aufweisend eine Druckkammer (2), sowie · ein Verschlusselement (9), welches in einer Schliessstellung die
Druckkammer (2) gegenüber einem Auslass (14) verschliesst und in einer Öffnungsstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer (2) in den Auslass (15) ermöglicht;
• einen Aktuator, durch welchen das Verschlusselement (9) von der Schliessstellung in die Öffnungsstellung bringbar ist und von der
Öffnungsstellung in die Schliessstellung bringbar ist;
• eine Heizung (80), welche dazu angeordnet ist, ein der Druckkammer (2) zugeführt werdendes Arbeitsmedium oder ein in der Druckkammer (2) vorliegendes Arbeitsmedium aufzuheizen, insbesondere wobei die Heizung (80) eine elektrische Heizung ist.
17. Druckwellengenerator (1) gemäss einem der Ansprüche 12 bis 16, aufweisend eine Steuerung (20), welche dazu eingerichtet ist, den Druckwellengenerator (1) zur Ausführung des Verfahrens gemäss mindestens einem der Verfahrensansprüche 1 bis 11 anzusteuem.
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