TWI465681B - 產生爆炸的裝置和方法 - Google Patents

Description

產生爆炸的裝置和方法

本發明有關用於產生爆炸之方法及裝置，特別是根據該申請專利範圍之獨立項的高強度之壓力脈衝。

用於產生壓力波及壓力脈衝之不同裝置係已知的，例如用於該清潔槽(cleaning vessel)。此種裝置被敘述於世界專利第WO 2007/028264號中。以此裝置，其係可能產生高重現性之爆炸。現在，本發明之目的係建立此種爆炸產生器的一特別設計。

該目的係藉由如該等申請專利範圍所界定之裝置及方法所達成。

該裝置包括一具有用於該等壓力脈衝的排出開口之耐壓容器及一關閉該排出開口之關閉機構、例如活塞或閘閥。該關閉機構係在其位置被輔助爆炸所運動，使得該排出開口被打開。在對該排出開口之打開的一遲延處，一爆炸係在該耐壓容器中之一主要爆炸室被點火，其中該如此產生之壓力脈衝經過該至少局部打開之排出開口逸出。該輔助爆炸室及該主要爆炸室較佳地係被定位在該耐壓容器內側。

第一輔助爆炸被點火。一於該輔助爆炸室中或在該輔 助爆炸室上之點火裝置施行該點火。在對該輔助爆炸之點火的一遲延處，該主要爆炸之點火被施行。該輔助及主要爆炸較佳地是藉由該關閉機構本身彼此分開。該主要爆炸之遲延可如此被施行，其中例如藉著一遲延電路，該主要爆炸室中之點火裝置或該主要爆炸室上之點火裝置係以一遲延被點火。然而，其係亦可能經由一安裝在該輔助爆炸室及該主要爆炸室的中間之遲延管線引導該輔助爆炸。然後該輔助爆炸室包括一點火裝置，且該主要爆炸室中之點火裝置或該主要爆炸室上之點火裝置係不需要的。

該耐壓容器之排出開口係藉著該關閉機構所保持關閉。這較佳地係藉由一彈簧元件所施行。該彈簧元件可為一傳統之盤簧，然而較佳地是藉由一氣壓彈簧所形成。此種彈簧元件在一爆炸之後施行該關閉機構之返回作用，且允許該方法之重現性。

一流動的可爆炸材料或一流動的可爆炸混合物被導入該爆炸室，該混合物較佳地是藉由混合不可爆炸的成分所形成。該等可流動的材料及/或材料之混合物例如係氣體、液體、或粉末形式、或此等構成材料之混合物。一混合物較佳地是包括二加壓氣體。在下文中，材料及混合物之所有變形及可能的組合稱為流動的可爆炸材料，以省事，而不將這視為對單一材料或所決定之混合物之限制。

藉由使該主要爆炸室中之流動的可爆炸材料發火花，產生一具有很高氣體壓力之爆炸，該壓力係經過該排出開口解除，該排出開口緊接在該流動的可爆炸材料的點火之 前被關上。該排出開口據此界定該逸出壓力波的方向。

該關閉機構較佳地是如此快速地被打開，以致該主要爆炸室中之加壓氣體混合物可經過業已藉由該關閉機構在該實際點火之前局部打開之排出開口僅只局部地逸出。這意指一氣體混合物於該點火期間係連續地在壓力之下，且所產生之爆炸壓力係相當高的。當在一化學空燃比使用例如乙烷及氧時，建立一爆炸壓力，該爆炸壓力係比在該點火瞬間之壓力高達大約25倍。該方法之一目的係以盡可能為高之壓力峰值建立壓力脈衝。用於此目的，該關閉機構較佳地是在最大速率運動，使得於該主要爆炸之點火瞬間，儘管該排出開口被打開，該氣體壓力仍然保持盡可能高的。用於建立該關閉機構之此種高速，該輔助爆炸室中之亦被加壓氣體混合物較佳地是被帶入產生爆炸。如此，該很高之爆炸壓力作用在該關閉機構上，且強大地加速該關閉機構。該關閉機構之運動可隨後被一彈簧元件所減速。

藉由以一關閉機構關閉該排出開口及設計該裝置之配置，使得藉由一輔助爆炸之點火，該關閉機構被脫位，且該排出開口係隨其被直接地打開，該整個裝置可為很簡單之設計。特別地是，該裝置可被極少之零件所構成。除了該關閉機構以外，較佳地是無另外之可運動零件被使用。這些零件係在該高應變之下暴露至極端之材料應變，該應變係以此高強度之爆炸所存有。為了建立一允許爆炸之反覆產生的裝置，具有一方法係分別需要的或為特別之優點，該方法在最佳化之下具有盡可能直線的運動，而免於 該等特別應變的零件之損壞。這是具有根據本發明之方法及該對應裝置的案例。

於該裝置之一較佳具體實施例中，該主要爆炸室及該關閉機構被配置在該耐壓容器中，使得該主要爆炸室之充填壓力、亦即該氣體壓力在垂直於該關閉機構之一運動方向中作用，該爆炸室係在該爆炸的點火之前以該氣體壓力用流動的可爆炸材料充填。這具有該優點，即在該裝置之完全關閉狀態中，一彈簧元件不只必須作用頂抗此充填壓力，同時也頂抗該輔助爆炸室中之充填壓力、亦即既不便保持一排出打開口關閉，也不便頂抗此力量打開該排出開口。

於本發明的一具體實施例中，在該排出開口的預備運動及打開之後，該關閉機構係隨後分別藉由該主要爆炸室之充填壓力或爆炸壓力額外地加速、及向後運動。

當對於輔助及主要爆炸室使用二獨立的點火裝置時，該等充填壓力及該輔助與主要爆炸室中之流動的可爆炸材料之成份可為彼此不同的。如此，不同的爆炸壓力可在該相同之系統中產生，藉此當被提供時，一裝置可關於該機構之設計及使用達成一高度彈性。

在用於該排出開口之閥門的功能中，藉著輔助及主要爆炸室與氣壓彈簧室之合適的配置、藉著該耐壓容器及配置在其中的關閉機構之設計，這些室可僅只藉由該關閉機構彼此分開，該關閉機構係有利地設計為一活塞，且較佳地是亦被此機構所密封。

該裝置較佳地係被用於諸如廢物焚化廠、燃煤火力發電廠、儲倉的大設備中之清潔槽，用於移去殘渣或沈積物等。在此該實質之優點係該等個別之清潔循環係很快速的，且可被重複數次。當作用於產生爆炸及對應壓力脈衝之清潔材料的氣體之使用係亦相當不被重視的，且高爆炸壓力可被產生。非可爆炸的材料-個別地取用-之供給直至緊接在該爆炸的點火之前的一瞬間，對於人及設備額外非常地增加安全性。其亦使仍然溫暖或熱及運轉設備之清潔成為可能，因沒有爆炸材料被暴露至該熱環境達一段長服刑時期。所產生之壓力波可據此經由一管子橫越較長之距離被引導進入一槽罐至待清潔的位置。該管子可被固定式地安裝或亦由外邊導入，例如以可伸縮地運動之方式被移入一設備或一槽罐。藉著以該爆炸所產生之壓力脈衝，沈積物及污染物被吹離該等槽罐管子，且該等管子或該等壁面係分別同時地遭受振動。兩作用影響待清潔設備之有效率的清潔。

不同之進一步使用的可能性係能想到的，其中高強度及/或(快速)重現性之高、快速脈衝、壓力脈衝、或壓力波係需要的。範例係用於壓力金屬片形成之壓力產生器或當作用於射擊武器之推進器，其中該壓力脈衝被用於加速一發射體。

因來自該排出開口的爆炸氣體之排出速率與如此所產生之推力係大於以火箭發動機中之連續的燃燒，根據本發明之方法及裝置的使用係亦能想到當作用於太空飛行器之 驅動器或當作脈衝爆震引擎。

於圖1中，顯示一具有耐壓容器1及位於該容器中之排出開口2的爆炸產生器。一可運動地配置在該容器中之活塞3具有閥門之作用，用於關閉該排出開口及將其維持於關閉狀態中。該活塞之後端4包括一放大之直徑及一密封件，使得該後端較佳地是以一完全緊密之方式在該容器之內部壁面上滑動。該耐壓容器於後方區域中包括第一室，該第一室藉由該活塞之後端分成二局部室。該等局部室之一係該氣壓彈簧室5，該另一局部室係該輔助爆炸室6。該氣壓彈簧室5係以例如空氣、氮、CO₂ 等氣體充填，該氣體經過一提供用於此目的之氣體充填開口7被導入該氣壓彈簧室5。分別藉著該氣壓彈簧室中之氣體壓力或該關閉壓力，該活塞3之最前端、即該閥門被壓抵靠著該排出開口中之閥座8。此關閉壓力係充分高，用於引導該活塞進入一關閉位置，且將其保持在此位置，甚至頂抗該輔助爆炸室中之充填壓力，如此安全地關閉該排出開口。

該輔助爆炸室6藉著供給管線9被以例如氧及乙烷之爆炸混合物充填。該輔助爆炸室中之輔助爆炸的點火係經由例如火星塞或預熱塞之點火裝置10或藉著強大之雷射光束施行，其被導入該裝置。藉著由點火該輔助爆炸室6中之爆炸混合物所建立的高壓，該活塞係向後運動頂抗該 氣壓彈簧之力量。藉由該活塞之向後運動，該排出開口2被打開，且及該活塞現在係由於該主要爆炸室11中之充填壓力的力量而被加速及甚至進一步向後運動。

該主要爆炸室11被配置在該耐壓容器之前面部份中。於此具體實施例中，該主要爆炸室包括在一側面上關閉之二管子，該等管子係垂直於該活塞橫側地配置。該等管子亦被以一流動的可爆炸材料經由一供給管線9'充填，亦可能經由與該輔助爆炸室之供給管線相同的管線充填。用於該主要爆炸之可爆炸的材料較佳地是與用於該輔助爆炸者相同。該主要爆炸室之充填壓力大體上垂直地作用在該活塞上，且於此狀態中在該活塞之位置上沒有影響。

當充填該二爆炸室時，用於流動的可爆炸混合物之材料較佳地是可被連續地供給，直至一化學空燃比。為了達成一完全混合，其係亦可能以相應的比率在該相同壓力預先充填個別材料進入分開之壓力容器，且由該等壓力容器引導這些材料進入該爆炸室。

在藉著該點火裝置10之輔助爆炸的點火之後，一壓力感測器15登記在該輔助爆炸室中之壓力上昇。此信號在一遲延下經由例如定時繼電器之遲延開關13引發該主要爆炸室中之點火裝置14及如此引發該主要爆炸。代替該外部壓力感測器，該活塞推進本身亦可引發該主要爆炸之點火，例如其中該運動活塞操作一點火開關。其係亦可能藉著一遲延電路直接地連接該輔助及主要爆炸室之二點火裝置10,14。然而，經由一壓力感測器或一點火開關的 遲延之控制確實保證例如於該輔助爆炸室中之爆發失敗之案例中，沒有主要爆炸係以一仍然關閉之排出開口點火。

其係亦可能藉著一遲延管線22配置一遲延，如在圖2中所顯示。經過此遲延管線22或點火線，該爆炸被由該輔助爆炸室6引導進入該主要爆炸室11。該遲延時間係接著藉由該管線之長度所決定，且在該主要爆炸室中，沒有分開之點火裝置係需要的。該主要爆炸室之充填可經過該供給管線22發生，使得再次不需要該主要爆炸室中之分開的供給管線。於如所示範例中，該主要爆炸室包括一供給管線9，且該輔助爆炸室6係經由該遲延管線充填。以此充填方法，輔助及主要爆炸室係以相同之充填壓力加壓。

當使用二點火裝置時，較佳地是使用諸如火星塞或雷射點火之'快速'裝置，因為兩點火必需在一精密之瞬間發生。亦以根據本發明之數個裝置的協調作用，此種快速點火裝置係較佳的。當使用數個平行連接之裝置時，互相強化之效果可發生及被使用。例如用於巨大槽罐之清潔，藉著數個爆炸產生器中之數個爆炸的同時發火花，該壓力波或壓力脈衝被分別堆積，使得藉此該清潔效果係增加，或代替地可減少清潔裝置之數目。當使用一遲延管線及據此在輔助爆炸室中僅只有一點火裝置時，這亦可為一'緩慢'之預熱塞，其需要數秒、大約3秒供加熱。一新類型之點火裝置係藉著雷射點火，即一雷射點火，其以此方式係尚未已知作為爆炸產生器或壓力波產生器中之點火裝置。據 此，一雷射光束被耦合進入該耐壓容器。然而，該雷射光束可據此直接地點火該氣體，或其加熱該容器中之所決定的表面積，在此該容器內側之爆炸氣體接著點火。用於此目的，該耐壓容器包括該對應雷射波長可透過的窗口。此裝置之優點係於該室中沒有點火元件，該等點火元件係遭受磨損、被污染或可被該爆炸所摧毀。亦不需要進入該耐壓容器之電線過篩物。一雷射光束可被聚焦至很高之能量密度，並很精密的，且可很精確地被暫時調整，及甚至可利用對其他點火裝置為不利的表面污染物。

作用於該活塞上或大致上在該關閉機構上之力量，且尤其是該活塞-排放開口的區域中之壓力波的逸出所產生之熱係非常高的。藉著該輔助爆炸，該活塞業已在該實際爆炸之前被運動，出該排出開口的區域朝向該後面，且如此免於損壞。所產生之壓力波可未受阻撓的及無阻尼的離開該裝置係亦同時地實現。於一較佳具體實施例中，該二爆炸之暫時偏置係在數毫秒之區域中，較佳地是0.2-10毫秒，例如0.5-2毫秒。

該氣壓彈簧室中之氣體藉由該縮回活塞被越來越多地壓縮。如此，一方面其防止該活塞以無阻尼的方式撞擊在在該壓力容器之後壁面上，在另一方面一旦該實際之爆炸已通過，該活塞隨後被帶回至其開始位置、即該排出開口之關閉位置。如此，在爆炸之後，該裝置係自動地回至該開始位置，且該爆炸產生方法能以該等室之充填被重新開始。

圖3顯示一爆炸產生器，其中該排出開口2藉由閥門 33被保持關閉。該主要爆炸室31係在逸出方向中相對於該耐壓容器100中之排出開口配置。該閥門分別在平行於該排出開口平面或垂直於藉由該排出開口所界定之排出方向(箭頭)中運動。大體上，以與根據圖2的活塞相同之方式設計該輔助爆炸室、氣壓彈簧室及閥門之原理，其中在此這些二室被配置垂直於該排出方向。該閥門較佳地是被設計成為平坦的，然而，亦可被設計為圓柱形(活塞)或多邊形，且分別地包括一活塞驅動器或直接地被設計為如此。在該相互供給管線9上方充填該輔助及主要爆炸室之後，以一點火裝置10之輔助引發該輔助爆炸室中之點火。該爆炸係隨後經由一遲延管線22引導進入該主要爆炸室31。

於下文中，用於產生爆炸之裝置的一些示範值被指定：

-主要爆炸室之體積：1-3升

-氣體充填壓力(爆炸室)：10-30巴，例如15-25

-排出開口之直徑：40-80毫米

1‧‧‧耐壓容器

2‧‧‧排出開口

3‧‧‧活塞

4‧‧‧後端

5‧‧‧氣壓彈簧室

6‧‧‧輔助爆炸室

7‧‧‧氣體充填開口

8‧‧‧閥座

9‧‧‧供給管線

9’‧‧‧供給管線

10‧‧‧點火裝置

11‧‧‧主要爆炸室

13‧‧‧遲延開關

14‧‧‧點火裝置

15‧‧‧壓力感測器

22‧‧‧遲延管線

31‧‧‧主要爆炸室

33‧‧‧閥門

100‧‧‧耐壓容器

於該下文中，本發明係基於所舉例說明之具體實施例被顯示。據此：圖1顯示一具有二點火裝置之爆炸產生器；圖2顯示一具有遲延管線之爆炸產生器；圖3顯示一具有閘閥之爆炸產生器。

1‧‧‧耐壓容器

2‧‧‧排出開口

3‧‧‧活塞

4‧‧‧後端

5‧‧‧氣壓彈簧室

6‧‧‧輔助爆炸室

7‧‧‧氣體充填開口

8‧‧‧閥座

9‧‧‧供給管線

9’‧‧‧供給管線

10‧‧‧點火裝置

11‧‧‧主要爆炸室

13‧‧‧遲延開關

14‧‧‧發火花裝置

15‧‧‧壓力感測器

Claims (17)

1. 一種用於產生爆炸之裝置，包括一耐壓容器(1,100)，該耐壓容器具有定位在其中之主要爆炸室(11,31)及設有點火裝置(10,14)之輔助爆炸室(6)；另包括用於供給一流動的可爆炸材料之至少一供給管線(9,9')，及一用於氣體壓力之被引導排出的排出開口(2)，該氣體壓力係藉由該主要爆炸室中之流動的可爆炸材料的點火所產生；另包括一關閉該排出開口之關閉機構，其藉著該輔助爆炸室中之爆炸的壓力解除該排出開口之關閉作用，且設有一在該主要爆炸室及該輔助爆炸室間之遲延機構其中該耐壓容器(1)包括一彈簧元件，該關閉機構可用該彈簧元件被保留在該排出開口(2)的一關閉位置中及返回此位置。
2. 如申請專利範圍第1項用於產生爆炸之裝置，其中該彈簧元件係一在充填氣體的氣壓彈簧室(5)中之氣壓彈簧。
3. 如申請專利範圍第1或2項的用於產生爆炸之裝置，其中該主要爆炸室(11,31)包括一點火裝置(10,14)。
4. 如申請專利範圍第1或2項的用於產生爆炸之裝置，其中該遲延機構係一引發該點火裝置(10,14)之定時繼電器。
5. 如申請專利範圍第1或2項的用於產生爆炸之裝置，其中該遲延機構係一在該輔助爆炸室(6)及該主要爆炸(11,31)間之遲延管線(22)，用於將該爆炸引導進入該主要爆炸室。
6. 如申請專利範圍第1或2項的用於產生爆炸之裝置，其中將該主要爆炸室(11,31)及關閉該排出開口(2)之關閉機構配置，使得該主要爆炸室中之充填壓力對於該關閉機構之運動方向成垂直地作用。
7. 如申請專利範圍第6項用於產生爆炸之裝置，其中該關閉機構係一閘閥(33)，且該主要爆炸室(11,31)係對於藉由該排出開口(2)所界定之排出方向成平行地配置。
8. 如申請專利範圍第6項用於產生爆炸之裝置，其中該關閉機構係一活塞(3)，且該主要爆炸室(11,31)係對於藉由該排出開口(2)所界定之排出方向成垂直地配置。
9. 如申請專利範圍第1或2項的用於產生爆炸之裝置，其中該點火裝置(10,14)係一火星塞、一預熱塞或一雷射點火。
10. 一種用於產生爆炸之方法，具有以下之步驟：將關閉機構引導進入一耐壓容器(1,100)中之排出開口(2)的關閉位置；以流動的可爆炸材料充填該耐壓容器中之主要爆炸室(11,31)及輔助爆炸室(6)；將該主要爆炸室(11,31)中之流動的可爆炸材料點火，且因此產生一經由該被打開之排出開口逸出的壓力波，其中在該主要爆炸室中的點火之前，該流動的可爆炸材料係在該輔助爆炸室(6)中產生爆炸，且由於該輔助爆炸之壓力，該關閉機構被運動，使得就在該主要爆炸之時，該排 出開口至少局部地被打開。
11. 如申請專利範圍第10項用於產生爆炸之方法，其中該關閉機構藉著一較佳地係氣壓彈簧之彈簧元件被維持在一關閉位置中，且亦返回此關閉位置，而沒有該主要爆炸室及/或該輔助爆炸室(11,31,6)之加壓。
12. 如申請專利範圍第10或11項用於產生爆炸之方法，其中該輔助爆炸及該主要爆炸的點火間之遲延係多於0毫秒且少於10毫秒。
13. 如申請專利範圍第12項用於產生爆炸之方法，其中該輔助爆炸及該主要爆炸的點火間之遲延是0.5-2毫秒。
14. 如申請專利範圍第10或11項用於產生爆炸之方法，其中一被解除之壓力脈衝係經由一管子引導至一碰撞點。
15. 如申請專利範圍第10或11項用於產生爆炸之方法，其中氣態碳氫化物及氧之混合物被使用當作流動的可爆炸材料。
16. 如申請專利範圍第10或11項用於產生爆炸之方法，其中一具有至少2巴之壓力的氣態混合物被使用當作流動的可爆炸材料。
17. 如申請專利範圍第16項用於產生爆炸之方法，其中一具有15-20巴之壓力的氣態混合物被使用當作流動的可爆炸材料。