JP5476385B2 - 爆発を発生させるための方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、独立特許クレームに係る、爆発、特に高強度の圧力インパルスを発生させるための方法および装置に関する。

たとえばボイラーを洗浄するために圧力波および圧力インパルスを発生させるためのさまざまな装置が知られている。このような装置は、ＷＯ２００７／０２８２６４に記載されている。そこに示されている装置では、再現性が高い状態で爆発を発生させることが可能である。

したがって、本発明の目的は、このタイプの爆発生成器の特別な構成を作製することである。

この目的は、特許クレームに規定される装置および方法によって達成される。
この装置は、圧力インパルスのための出口開口を有する耐圧容器と、たとえばピストンまたはスライドのような出口開口を閉鎖する閉鎖手段とを備える。閉鎖手段は、出口開口を解放するように補助的爆発によってその位置に移動させられる。出口開口の解放が遅延すると、主爆発室での爆発は耐圧容器の中で点火され、これによって発生する圧力インパルスは、今は少なくとも部分的に開いている出口開口を通って出ていく。補助的爆発室および主爆発室は、好ましくは耐圧容器に導入される。

最初に、補助的爆発の点火が引起される。これは、補助的爆発室内または補助的爆発室上の点火装置によって行なわれる。主爆発の点火は、補助的爆発の点火に対して遅延した態様で引起される。補助的爆発室および主爆発室は、好ましくは、閉鎖手段自体によって互いに切離されている。主爆発の遅延は、たとえば遅延回路によって、時間的に遅延した態様で点火される、主爆発室内または主爆発室上に取付けられた点火装置によって引起されてもよい。しかしながら、補助的爆発室と主爆発室との間に設置された遅延導管を介して補助的爆発を導くことも可能である。したがって、補助的爆発室は、点火装置を備え、主爆発室内または主爆発室上の点火装置なしで済ましてもよい。

耐圧容器の出口開口は、閉鎖手段によって閉鎖したまま保たれる。これは、好ましくはばね要素によって引起される。ばね要素は、一般的な渦巻きばねであってもよいが、好ましくはガススプリングによって形成される。このようなばね要素も、爆発後の閉鎖手段の戻りを引起し、この方法の再現性を可能にする。

流動および爆発することが可能な物質、または、それ自体は爆発することができない成分を混合することによって形成される、流動および爆発することが可能な混合物が、爆発室に導入される。流動性物質および／または物質混合物は、たとえば気体状成分物質、液体成分物質、粉末のようなもしくは粉末状成分物質、またはこのような成分物質の混合物であり、好ましくは圧力下の２つの気体からなる混合物である。以下では、物質および混合物の変形例ならびに可能な組合せをすべて流動性爆発性材料と呼び、これは単一の物質またはある特定の混合物に限定するものと見なされない。

主爆発室での流動性爆発性材料の点火によって、気体圧力が非常に高い爆発が結果として生じ、上記気体圧力は、以前はまたは本質的には爆発性材料の点火の直前まで閉鎖されている排出開口を通って出される。それによって、排出開口は、出ていく圧力波の方向を規定する。

閉鎖手段は、好ましくは、非常にすばやく開けられるので、実際の点火の前には主爆発室内の圧力下の気体混合物は、せいぜい一部が、閉鎖手段によって既に部分的に開けられている排出開口を通って漏れ得る。すなわち、気体混合物は、これによる点火で、圧力下に置かれ続け、発生する爆発圧力はそれに応じて高い。たとえばエタン（Aethan）および酸素を化学量論比で用いることによって、点火の時点の圧力よりも約２５倍大きな爆発圧力が発生する。この方法の狙いは、圧力ピークができる限り高い圧力インパルスを発生させることである。このため、閉鎖手段は好ましくは最大速度で動かされ、その結果、主爆発の点火の時点で、出口開口が開いているにもかかわらず気体圧力ができる限り高いままであり続ける。このような閉鎖手段の高速度を作り出すために、好ましくは同様に圧力下にある気体混合物を補助的爆発室において爆発させる。これによって、非常に高い補助的爆発圧力が閉鎖手段に作用し、これを大きく加速させる。閉鎖手段の移動は、その後、ばね要素によって制動されてもよい。

閉鎖手段が排出開口を閉鎖し、補助的爆発の点火のために、閉鎖手段が移動させられて、その結果、排出開口が直接的な態様で解放されるようにこの装置の構成が設計されるという事実により、装置一式は非常に単純な態様で構築されてもよい。特に、この装置は、非常に少ない部品から構築されてもよい。閉鎖手段は別として、好ましくは他の可動部品は用いられない。これらは、この高強度の爆発の発生とともに生じるような高負荷下で極度な材料負荷（Materialbelastungen）を受ける。繰返し爆発を発生させることができる装置を作製するために、特に負荷がかかった部品の面倒を最適にみながらできる限り直線的な態様で動かす方法を有することが必要である、または特に有利である。これは、この発明に係る方法および対応する装置に当てはまる。

この装置の好ましい実施例では、主爆発室の充填圧力、したがって点火を引起す前に爆発室を流動性爆発性材料で充填する気体圧力が閉鎖手段の移動方向に垂直に作用するように、主爆発室および閉鎖手段が耐圧容器に配置される。これは、装置の完全閉鎖状態では、ばね要素がこの充填圧力に対してではなく補助的爆発室内の充填圧力に対してのみ作用する必要があり、したがって、これは排出開口を閉鎖したまま保つことができるようにするためでもなく、この力に対して排出開口を解放することができるようにするためでもないという利点を有する。

この発明の一実施例では、排出開口の最初の移動および解放後の閉鎖手段は、この後、主爆発室の充填圧力または爆発圧力によってその上さらに加速されて、後方に押される。

補助的爆発および主爆発のための２つの独立した点火装置を用いることによって、補助的爆発室および主爆発室内の流動性爆発性材料の充填圧力ならびに組成は、互いに異なっていてもよい。したがって、同じシステムにおいて、駆動装置および圧力インパルスのために異なる爆発圧力を発生させることができ、この手段によって、適用された手段の構成および使用に関して高い柔軟性を同じ装置で達成できる。

補助的爆発室および主爆発室、ならびに、排出開口のための弁として機能する、耐圧容器とその中に配置された閉鎖手段との構成によるガススプリング室の好適な配置によって、これらの室は、好ましくはピストンとして設計される単一の閉鎖手段によって互いに切離されてもよく、これによって封止されてもよい。

この装置は、好ましくは、スラグまたは堆積物などを取除くための、廃棄物焼却設備、石炭火力発電所、サイロなどの大型の設備においてボイラーを洗浄するために用いられる。そこでは、非常に高速かつ複数回の態様で個々の洗浄サイクルを繰返すことができることに大きな利点がある。これが必然的に伴う爆発および圧力インパルスを発生させるために気体を洗浄材料として用いることも非常に好ましく、高い爆発圧力を発生させることができる。それ自体は爆発性でない物質を導くことは、爆発を引起す直前の時点で、人および設備に対する安全性をさらに大きく高めることになる。それはまた、依然として暖かい設備での洗浄または動作中の高温設備での洗浄を可能にする。なぜなら、爆発性物質は、長時間にわたって高温環境にさらされることがないためである。それによって、発生した圧力波は、パイプを介して、より長い距離にわたって、洗浄すべき場所であるボイラーに導かれ得る。パイプは、固定した態様で洗浄すべき設備に設置されてもよいが、たとえば伸縮式に移動可能な態様で外から設備またはボイラーに挿入されてもよい。爆発で発生した圧力インパルスによってボイラーパイプおよびボイラー壁からコーティングおよび汚染物質が吹き飛ばされ、パイプおよび壁は同時に振動する。両方の作用によって、洗浄すべき絶縁体の効率的な除去が引起される。

より大きく、よりすばやい力の衝撃、高強度の圧力インパルスもしくは圧力波、および／または（高速の）再現性が必要であるさまざまなさらなる使用の可能性が考えられる。例は、圧力板金形成のための圧力発生器、または、発射体を加速させるために圧力インパルスを用いる発射体武器用の駆動装置である。

出口開口からの爆発気体の出口速度、したがって発生した推力も、ロケットモータでの連続的な燃焼の場合よりも大きいので、この発明に係る方法および宇宙船またはパルスデトネーションエンジンの駆動のための装置の使用も考えられる。

以下では、例示的な実施の形態の形でこの発明を示す。

２つの点火装置を有する爆発生成器である。 遅延導管を有する爆発生成器である。 スライダを有する爆発生成器である。

耐圧容器１と、容器に位置する排出開口２とを有する爆発生成器が図１に示されている。容器の中で移動可能なピストン３は、排出開口を閉鎖して、排出開口を閉鎖したまま保つための弁の役割を果たす。ピストンの後端４は、直径が拡張しており、ぴったり合った態様で、好ましくは完全な態様で後端が容器内壁上を摺動するようにシールを有する。耐圧容器は、後方領域に、ピストンの後端によって２つの部分の室に分割される第１の室を備える。一方の部分の室はガススプリング室５であり、他方は補助的爆発室６である。ガススプリング室５は、気体、たとえば空気、窒素、ＣＯ₂などで充填され、上記気体は、このために設けられた気体充填開口７を通ってガススプリング室５に導かれる。弁であるピストン３の最前端は、ガススプリング室内の気体圧力または閉鎖圧力によって排出開口における弁シート８に押付けられる。この閉鎖圧力は非常に高いので、補助的爆発室内の充填圧力に対しても、ピストンを閉鎖位置に導いて、それをそこに保持することができ、したがって、排出開口をしっかりと閉鎖する。

補助的爆発室６は、供給導管９を介して、爆発性混合物、たとえば酸素およびエタンで充填される。補助的爆発室での補助的爆発の点火は、点火装置１０、たとえばスパークプラグもしくはグロープラグによって、または、装置に導かれる強力なレーザビームによって引起される。補助的爆発室６での爆発性混合物の点火により発生する高い圧力によって、ピストンは、ガススプリングの力とは反対方向に、後方に向かって押されて、動く。排出開口２は、ピストンを押し戻すことによって開き、このときピストンは、主爆発室１１内の充填圧力の力のために、さらに加速されて、後方に動く。

主爆発室１１は、耐圧容器の前部に配置される。これは、この実施例では、ピストンに対して横方向に直角に配置され、一方の側が閉鎖している２つのパイプからなる。これらのパイプは、同様に供給導管９′を介して、場合によっては、補助的爆発室の供給導管と同じ供給導管を介しても、爆発性材料で充填される。主爆発のための爆発性材料は、好ましくは、補助的爆発のための爆発性材料と同じである。それによって、主爆発室の充填圧力は、本質的に垂直にピストンに作用し、この状況では、位置に影響を及ぼさない。

両方の爆発室を充填する際、爆発性混合物に用いられる物質は、できる限り化学量論的な比率まで次々に充填される。優れた通し混合（Durchmischung）を達成するために、個々の物質を好適な比率でこの前に別個の圧力容器に同じ圧力で充填し、これらの物質を圧力容器から爆発室に導くことも可能である。

点火装置１０による補助的爆発の点火後、圧力センサ１５は補助的爆発室内の圧力増加を記録する。この信号は、遅延スイッチ１３、たとえばタイムリレーによる遅延した態様で、主爆発室における点火装置１４を作動させ、したがって主爆発を引起す。外部圧力センサの代わりに、ピストン経路自体が、たとえば可動ピストンによって作動する点火スイッチによって主爆発の点火を始動させてもよい。補助的爆発室および主爆発室の２つの点火装置１０，１４を遅延スイッチによって直接接続することも可能であろう。しかしながら、圧力センサまたは点火スイッチによる遅延の制御によって、たとえば補助的爆発室での点火不良の場合に、排出開口を依然として閉鎖した状態で主爆発が点火されないことが確実になる。

図２に示されるように遅延導管２２によって遅延を作り出すことも可能である。この遅延導管リード線２２または点火導管によって、爆発が補助的爆発室６から主爆発室１１に導かれる。したがって、導管の長さおよび爆発速度によって遅延時間が決定され、主爆発室には別個の点火装置は必要でない。その場合、主爆発室の充填が遅延導管２０を通して引起されてもよく、その結果、主爆発室には別個の供給導管２０も必要でない。示される例では、主爆発室は供給導管９を備え、補助的爆発室６は遅延導管を介して充填される。補助的爆発室および主爆発室は、この充填方法によって同じ充填圧力を受ける。

２つの点火装置を用いることによって、スパークプラグまたはレーザ点火装置などの好ましくは「高速の」装置が用いられる。なぜなら、両方の点火が正確な時点で引起されなければならないためである。このような並列の点火装置はまた、この発明に係るいくつかの装置が協働する場合に好ましい。並列に配置されたいくつかの装置を用いることによって、相互に増幅する効果が生じ得て、その効果を利用できる。たとえば、いくつかの爆発生成器でのいくつかの爆発の同時の点火によって大型のボイラーを洗浄するために、圧力波または圧力インパルスを蓄積してもよく、その結果、これによって、洗浄効果が強化され、またはこの代わりに、洗浄装置の数を減らすことができる。補助的爆発室において遅延導管、したがって点火装置を１つだけ用いることにより、これはたとえば、加熱するのに数秒、すなわち約３秒必要である「ゆっくりとした」グロープラグであってもよい。新しいタイプの点火は、レーザ、すなわち爆発生成器または圧力波生成器における点火装置としてまだ知られていないレーザ点火装置による点火である。それによって、レーザビームが耐圧容器に結合される。それによって、レーザビームは直接的な態様で気体を点火してもよく、またはしかしながら、レーザビームは、容器に位置する爆発性気体がその後発火する、容器の表面の特定の場所を加熱する。このために、耐圧容器は、それぞれのレーザ波長に対して透過的な窓を備える。この装置の利点は、爆発によって摩耗し、汚染され、または破壊され得る室に点火要素がないことである。また、耐圧容器には電気リードスルーは必要でない。レーザビームは、非常に高いエネルギ密度に焦点を合わせられることができ、非常に正確であり、時間に関して非常に正しく設定されることができ、他の点火装置にとって不利であろう表面汚染物質さえも用いることができる。

ピストンまたは一般的には閉鎖手段に作用する力、および特に、圧力波が漏れることにより発生する熱は、ピストン排出開口の領域では極めて高い。補助的爆発によって、ピストンは既に排出開口の領域から後方に移動させられており、したがって、実際の爆発の前には既になしで済まされている（geschont）。しかしながら、同時に、発生した圧力波は、制約を受けずかつ制動されない態様で、装置を離れ得る。好ましい実施例では、２つの爆発の時間的ずれは、数ミリ秒、好ましくは０．２ミリ秒〜１０ミリ秒、たとえば０．５ミリ秒〜２ミリ秒の範囲である。

ガススプリング室内の気体は、逆戻りピストンによってますます圧縮され続ける。これによって、一方では、爆発に起因してピストンが制動されることなく圧力容器の後方壁に当接することを防ぎ、他方では、実際の爆発が終わるや否や、排出開口の閉鎖位置である開始位置にピストンがその後戻される。これによって、爆発後、装置は自動的に開始位置にあることになり、爆発発生方法は室の充填を再び開始し得る。

爆発生成器が図３に示されており、ここでは、排出開口２はスライダ（Schieber）３３によって閉鎖された状態に保持される。主爆発室３１は、耐圧容器１００の排出開口に対して同一平面方向に配置される。スライダは、排出開口の平面に平行に、または、排出開口によって規定される排出方向（矢印）に垂直に動く。主爆発室、ガススプリング室およびスライダの原理は、図２に係るピストンと本質的に同等の態様で構築され、ここでは、これら２つの室は排出方向に垂直に配置される。スライダは、好ましくは、平坦な態様で設計されるが、円柱（ピストン）または長方形として設計され、ピストン駆動装置を備えていてもよく、またはそのようなものとして直接設計されてもよい。補助的爆発室での点火は、共通の供給導管９を介して補助的爆発室および主爆発室を充填した後、点火装置１０の助けを借りて始動される。その後、爆発は、遅延導管２２を介して主爆発室３１に導かれる。

爆発を発生させる装置のための例示的な値は以下で特定される：
−主爆発室の容積：１〜３リットル
−気体充填圧力（爆発室）：１０〜３０バール、たとえば１５〜２５バール
−排出開口の直径：４０〜８０ｍｍ。

Claims (19)

1. 爆発を発生させるための装置であって、点火装置（１０，１４）を有する、中に導入される主爆発室（１１，３１）と補助的爆発室（６）とを有する耐圧容器（１，１００）を備え、流動性爆発性材料を供給するための少なくとも１つの供給導管（９，９′）と、前記主爆発室における前記流動性爆発性材料の点火によって発生する気体圧力の方向付けられた排出のための排出開口（２）とをさらに備え、前記排出開口を閉鎖し、前記補助的爆発室における爆発の圧力によって前記排出開口を解放する閉鎖手段をさらに備え、前記主爆発室における主爆発の遅延した点火のための、前記主爆発室と前記補助的爆発室との間の遅延手段を有する、装置。
2. 前記耐圧容器（１）は、前記排出開口（２）の閉鎖位置に前記閉鎖手段を保持し得て、前記閉鎖手段をこれに戻し得るばね要素を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記ばね要素は、気体で充填されるガススプリング室（５）におけるガススプリングである、請求項２に記載の装置。
4. 前記主爆発室（１１，３１）は、点火装置（１０，１４）を備える、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記遅延手段は、前記点火装置（１０，１４）を始動させるタイムリレーである、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記遅延手段は、爆発を前記主爆発室に導くための、前記補助的爆発室（６）と前記主爆発室（１１，３１）との間の遅延導管（２２）である、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
7. 前記主爆発室（１１，３１）および前記排出開口（２）を閉鎖する前記閉鎖手段は、前記主爆発室内の充填圧力が前記閉鎖手段の移動方向に垂直に作用するように配置される、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記閉鎖手段はスライダ（３３）であり、前記主爆発室（１１，３１）は、前記排出開口（２）によって規定される排出方向に平行に配置される、請求項７に記載の装置。
9. 前記閉鎖手段はピストン（３）であり、前記主爆発室（１１，３１）は、前記排出開口（２）によって規定される排出方向に垂直に配置される、請求項７に記載の装置。
10. 前記点火装置（１０，１４）は、スパークプラグ、グロープラグまたはレーザ点火装置である、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 爆発を発生させるための方法であって、
    耐圧容器（１，１００）の排出開口（２）の閉鎖位置に閉鎖手段を導くステップと、
    前記耐圧容器における主爆発室（１１，３１）および補助的爆発室（６）を流動性爆発性材料で充填するステップと、
    前記主爆発室（１１，３１）内の前記流動性爆発性材料を点火し、これによって、開いた前記排出開口を介して漏れる圧力波を発生させるステップとを備え、
    前記主爆発室における点火の前に、前記補助的爆発室（６）内の前記流動性爆発性材料を爆発させ、補助的爆発の圧力により、主爆発の時点で前記排出開口が少なくとも部分的に開けられるように前記閉鎖手段が動かされる、方法。
12. 前記閉鎖手段は、ばね要素によって、前記主爆発室（１１，３１）および／または前記補助的爆発室（６）の圧力衝突もなしに、閉鎖位置に保持され、これに戻される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ばね要素はガススプリングである、請求項１２に記載の方法。
14. 補助的爆発の点火と主爆発の点火との間の遅延は、１０ミリ秒未満である、請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 補助的爆発の点火と主爆発の点火との間の前記遅延は、０．５ミリ秒〜２ミリ秒である、請求項１４に記載の方法。
16. 解放された圧力インパルスは、パイプを介して作用場所に導かれる、請求項１１から１５のいずれかに記載の方法。
17. 気体状炭化水素および酸素の混合物が、流動性爆発性材料として用いられる、請求項１１から１６のいずれかに記載の方法。
18. 圧力が少なくとも２バールである気体混合物が、流動性爆発性気体混合物として用いられる、請求項１１から１７のいずれかに記載の方法。
19. 圧力が１５バール〜２５バールである気体混合物が、流動性爆発性気体混合物として用いられる、請求項１８に記載の方法。

Images