DE19709918C2

DE19709918C2 - Hochleistungs-Druckwellenquelle

Info

Publication number: DE19709918C2
Application number: DE19709918A
Authority: DE
Inventors: Harald Eizenhoefer
Original assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Current assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2017-03-12
Also published as: US6408614B1; DE59807921D1; EP0864811A3; EP0864811A2; EP0864811B1; DE19709918A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Druckwellenquelle zur Erzeugung einzelner hochenergetischer, in kurzen Zeitabständen wiederholbarer Druckwellen jeweils durch Zündung eines definierten Volumens eines brennbaren Fluidgemisches, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Druckwellen sind beispielsweise einsetzbar in der Medizintechnik in Form von Lithotriptern, können jedoch auch zur Materialbehandlung verwendet werden.

Druck- und Stoßwellenquellen mit relativ niedriger Leistung (etwa 10 bis 100 mJ) sind insbesondere aus der Medizintechnik bekannt, z. B. in Form von Lithotriptern. Aktuelle Versionen arbeiten in der Regel nach dem elektromagnetischen Prinzip, wobei mittels einer Spule-/Membran-Einheit ebene, fokussierbare Druckwellen erzeugt werden.

Für nichtmedizinische, insbesondere industrielle Anwendungen besteht ein Bedarf nach einer wesentlich höheren Druckwellenenergie (etwa 50- bis 100-fach größer). Eine einfache Vergrößerung/Skalierung der bekannten elektromagnetischen Stoßwellenquellen ist wegen ihres schlechten Wirkungsgrades nicht sinnvoll.

Aus der DE-OS 39 21 808 ist eine Vorrichtung zur fokussierten Stoßwellenbehandlung von Tumoren bekannt, mit verschiedenen Möglichkeiten zur Stoßwellenerzeugung, z. B. mittels eines explosiven Gasgemisches (siehe Anspruch 10). Es werden aber keine Hinweise zur konstruktiven Verwirklichung dieses Prinzips gegeben.

Aus der DE AS 12 33 207 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von repetierenden Schockwellen bekannt. Dort wird ein Großteil der Schockwellen-Energie innerhalb der Apparatur verwendet, um einen selbstzündenden, sich selbst erhaltenden Zyklus aufrecht zu erhalten. Nachteilig ist hierbei, daß kaum Energie ausgekoppelt wird.

Aus der DE 37 04 153 C2 ist ein medizinisches Instrument bekannt, bei welchem durch die bei einer chemischen Reaktion entstehenden heißen Gase verwendet werden, um Tumorgewebe zu devitalisieren. Dort findet eine relativ langsame Deflagration statt, ohne daß eine Brenngeschwindigkeit erreicht werden kann, die der Detonationsgeschwindigkeit nur im entferntesten nahe kommt. Daher treten dort keine Schockwellen Effekte auf, die Devitalisierung erfolgt nur mittels thermischer Effekte. Auch ist dort keine druckübertragende Membran im Sinne der Anmeldung vorhanden. Durch die Abströmschlitze entweicht heißes Gas, das aber keine Druckwirkung sondern nur noch thermische Wirkung erzeugt.

Aus der DE 23 51 247 A1 ist eine Vorrichtung bekannt bei welcher eine Detonationsladung in einem zylinder- oder einen ellipsoidförmigen Volumen, welches mit einem flüssigen, nicht reaktivem passivem Medium gefüllt ist, gezündet wird. Es wird durch das Fluid in passiver Weise nur die durch den die Detonationsladung hervorgerufene Schockwelle weitergeleitet.

Aus der US 54 30 691 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt. Bei der dortigen Lösung sind in der Mitte des Verbrennungsraumes stabförmige Verwirbelungskörper angeordnet. Diese Verwirbelungskörper zeigen in radialer Richtung zur Aussenwand. Die dort auftretende Verwirbelung der reaktiven Stoffe im Brennraum ist im wesentlichen um die stabförmigen Verwirbelungskörper begrenzt und es ergibt sich keine - auf den jeweiligen Querschnitt entlang der Flammstrecke bezogen - homogene, zeitgleich auftretende geradeauslaufende Flammfront.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, bei der neben einer Verwirbelung der reaktiven Stoffe im Brennraum eine zur Ausbreitungsrichtung senkrecht verlaufende, ebene Flammfront auftritt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.

Die Druckwellenquelle umfaßt eine Verbrennungskammer in Form eines Kana les definierter Länge mit einem querschnittsmäßig erweiterten Ende. Den stirn seitigen Abschluß des weiten Kanalendes bildet eine als akustisches Über tragungselement fungierende Membran, wobei in deren Bereich eine Abführ einrichtung für das Abgas vorhanden ist. Das enge Kanalende dient der Zufuhr der Gemischkomponenten sowie der Zündung. Zwischen dem engen und dem weiten Kanalende sind Wirbelerzeuger vorgesehen, welche den Abbrandvor gang bis zur Detonation beschleunigen. Durch die geometrischen/volume trischen Verhältnisse wird erreicht, daß der Großteil des Gemisches sich im Bereich der Membran befindet, dort detonationsartig abbrennt und somit die Druckwellenerzeugung bewirkt. Mit der Membran kann im Einsatzfall ein be liebiges, akustisch leitendes Medium (z. B. fest, flüssig, gelartig, gummiartig) in Kontakt stehen. Es können sich auch Elemente zur Fokussierung der von der Membran ausgehenden Druckwellen anschließen.

Die Unteransprüche 2 bis 9 beinhalten bevorzugte Ausgestaltungen der Hoch leistungs-Druckwellenquelle nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Diese zeigt in stark vereinfachter, perspektivischer Darstellung - mit Blickrich tung von rechts nach links im spitzen Winkel auf die Zeichenebene - einen Längsmittelschnitt durch eine Hochleistungs-Druckwellenquelle.

Die Hochleistungs-Druckwellenquelle 1 - im folgenden vereinfacht nur Druckwellenquelle 1 genannt - besteht großteils aus einem Rohr 2 mit über die Länge variierendem, rundem Querschnitt, welches sowohl ein tragendes Ge häuse als auch einen Strömungskanal/eine Verbrennungskammer 3 bildet. Die Durchströmung erfolgt von links nach rechts, d. h. vom engen zum trompeten artig erweiterten Rohrende. Das enge Rohrende ist mit einer Zuführeinrichtung 4 für die Komponenten eines brennbaren Fluidgemisches, hier Luft und Was serstoff (H₂), versehen, wobei die Zufuhr im Betrieb kontinuierlich oder in termittierend erfolgen kann. Die dargestellte, koaxiale Zuströmung der Kom ponenten in Rohrlängsrichtung erscheint vorteilhaft, sie ist aber nur eine von vielen denkbaren Zuströmvarianten. Wichtig ist in jedem Fall, daß schnell und auf kurzem Weg ein möglichst homogenes Fluidgemisch erzeugt wird. Das Fluidgemisch besteht mindestens aus einem Brennstoff und einem Oxidator, wobei das Abbrandverhalten über das Mischungsverhältnis, d. h. die Abwei chung vom stöchiometrischen Verhältnis, beeinflußbar ist. Im Hinblick auf eine vollständige Verbrennung sollte die Einstellung zur "mageren" Seite hin tendie ren. Gemische mit mehr als zwei Komponenten sind ebenfalls denkbar, bei spielsweise um das Abbrandverhalten, die Abgaszusammensetzung oder die thermische Belastung zu beeinflussen.

Die Zündeinrichtung 5 arbeitet intermittierend, wobei eine hohe Wiederholrate (1 Hz oder mehr) angestrebt wird. Am zweckmäßigsten erscheint hier eine elektrische Funkenzündung. Möglicherweise genügt auch eine schnelle Glüh zündung den Anforderungen.

Mit mäßiger, d. h. wirtschaftlicher Zündenergie läßt sich zunächst nur eine sehr niedrige Abbrandgeschwindigkeit von beispielsweise 0,15 ^m/_s erzeugen, wel che noch keine nutzbaren Druckwellen hervorrufen kann. Die erforderliche Beschleunigung des Abbrandes wird mittels mehrerer Wirbelerzeuger 6 bis 9, d. h. einen zunehmend turbulenten Strömungscharakter, erreicht. Damit läßt sich die Abbrandgeschwindigkeit auf Werte weit über 1000 ^m/_s mit kurzen, hohen Druckspitzen (Detonation) steigern. Im vorliegenden Fall sind die Wir belerzeuger 6 bis 9 beispielsweise als Lochblenden mit "Zahnlücken" bis zur Rohrwand ausgeführt. Am besten ist dies beim Wirbelerzeuger 9 zu erkennen, dessen zentrische Öffnung 10 örtlich in Form mehrerer Aussparungen 11 bis zur Rohrwand erweitert ist. Der kleinste und der größte Durchmesser des Wir belerzeugers 9 sind zusätzlich strichpunktiert angedeutet.

Die optimale Anzahl und Geometrie der Wirbelerzeuger ist ex perimentell zu ermitteln. Nach Passieren des letzten Wirbelerzeugers sollte die Verbrennung jedenfalls Detonationscharakter haben.

Die Querschnitts- und damit die Volumenverteilung innerhalb der Verbren nungskammer 3 ist so gewählt, daß ein großer Anteil des Fluidgemisches deto nationsartig verbrennt, d. h. sich hinterhalb der "Flammenbeschleunigungszone" befindet.

Die dargestellte, trompetenartige Form mit stetiger Querschnittserweiterung, z. B. gemäß einer Exponentialfunktion, kann vorteilhaft sein, z. B. hinsichtlich der Druckwellenausbreitung. Es sind aber auch andere Wandkonturen vorstell bar, z. B. mit Knicken und stufenartigen Durchmessersprüngen. Es kann ausrei chend sein, zwei zylindrische Rohrstücke mit stark unterschiedlichem Durch messer über eine lochblendenartige Wand (Durchmessersprung) zu verbinden. Auch kegelige oder mehrfach gestufte Übergänge können anwendbar sein.

Die Verbrennungskammerquerschnitte müssen auch nicht rund sein. Quadrati sche, rechteckige oder andere Geometrien mit und ohne Ecken sind vorstellbar.

Die dargestellte "Druckwellentrompete" könnte durch die Verwendung von quadratischen statt runden Querschnitten unter Beibehaltung der stetigen, ex ponentiellen Querschnittserweiterung zu einem "Druckwellenhorn" modifiziert werden. Letztlich ist wichtig, daß ein großer Teil des Volumens der Verbren nungskammer detonationsartig abbrennt, und daß dieser Volumensteil sich im Bereich der die Verbrennungskammer stirnseitig begrenzenden Membran be findet. Der Zündvorgang und der Flammenbeschleunigungsvorgang sollen sich auf einen volumetrisch kleinen Teil der Verbrennungskammer beschränken. Dabei ist es so, daß vor jedem Zündvorgang die Verbrennungskammer in vol ler Länge mit brennbarem Fluidgemisch gefüllt, d. h. gespült wird.

Für die bei der Verbrennung entstehenden Abgase ist im Bereich der Membran 14 eine Abführeinrichtung 12 vorgesehen, hier in Form mehrerer, über den Umfang verteilter Abströmschlitze 13. Der Abströmvorgang sollte möglichst keine seitlichen Reaktionskräfte auf die Druckwellenquelle 1 hervorrufen. An stelle der Abströmschlitze 13 können auch Klappen, Ventile oder andere Aus strömorgane verwendet werden.

Falls unverbrannte Restmengen an Brennstoff im Abgas enthalten sind, kann eine gezielte Nachverbrennung sinnvoll bzw. erforderlich sein. Die die Ver brennungskammer 3 stirnseitig abschließende Membran 14 hat sowohl eine trennende als auch eine übertragende Funktion. Einerseits schützt sie angren zende Substanzen vor den unmittelbaren Auswirkungen des Verbrennungsvor ganges (Hitze, Verbrennungsprodukte etc.), andererseits bildet sie ein ver lustarmes, akustisches Übertragungselement für die erzeugten Stoßwellen. Die zu bearbeitende Substanz steht entweder direkt mit der Membran 14 in körper lichem Kontakt, oder es ist mindestens ein weiteres Übertragungsmedium, z. B. Gel, Wasser oder Gummi, zwischen Membran und Substanz eingefügt. Die letztgenannte, indirekte Kontaktierung ist insbesondere dann gegeben, wenn die erzeugten Druckwellen nach der Membran fokussiert werden.

Im vorliegenden Beispiel ist strichpunktiert eine Fokussiereinrichtung 15 in Form einer akustischen Linse angedeutet. Auf Details wurde der Übersicht lichkeit halber verzichtet. Die Fokussiereinrichtung 15 oder weitere Fokus siereinrichtungen weden nur im Bedarsfall, als Anbauelemente, lösbar mit der Druckwellenquelle 1 verbunden, welche entsprechende Anschlußmöglichkeiten aufweist.

Hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ist zu sagen, daß deren tatsächlicher Umfang vielseitig ist. Voraussichtlich kön nen die meisten Substanzen von fest bis gasförmig behandelt werden. Insbe sondere ist an Flüssigkeiten mit Feststoffbeimischung, an Stäube, Pulver und Granulate zu denken. Denkbare Wirkungen sind z. B. Homogenisieren, Zer kleinern, Beseitigen von Hohlräumen oder anderen "Fehlstellen", Auflösen von Ablagerungen, Verkrustungen etc. und somit das Reinigen von Oberflächen sowie vieles mehr.

Bezugszeichenliste

1

Hochleistungs-Druckwellenquelle

2

Rohr

3

Verbrennungskammer

4

Zuführeinrichtung

5

Zündeinrichtung

6

Wirbelerzeuger

7

8

9

10

Öffnung

11

Aussparung

12

Abführeinrichtung

13

Abströmschlitz

14

Membran

15

Fokussiereinrichtung

Claims

1. Hochleistungs-Druckwellenquelle zur Erzeugung einzelner hochenergetischer, in kurzen Zeitabständen wiederholbarer Druckwellen jeweils durch Zündung eines definierten Volumens eines brennbaren Fuidgemisches sowie durch Erhöhung seiner Abbrandgeschwindigkeit bis zur Detonation, mit

- einem zu einem seiner beiden Enden hin im Querschnitt erweiterten, eine Verbrennungskammer (3) bildenden Kanal definierter Länge,
- einer Zuführeinrichtung (4) für die Komponenten des Fluidgemisches und einer Zündeinrichtung (5) im Bereich des engen Kanalendes,
- einer Abführeinrichtung (12) für das Abgas im Bereich des weiten Kanalendes
- einer das weite Kanalende stirnseitig abschließende, ein akustisches Übertragungselement bildende Membran (14) und
- mehrere über die Kanallänge verteilte Wirbelerzeuger (6 bis 9)

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Wirbelerzeuger blendenartig mit einer zentrischen Öffnung ausgebildet sind.

2. Hochleistungsdruckwelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die blendenartigen Wirbelerzeuger von der zentrischen Öffnung ausgehende, stellenweise, sich bis in den Bereich der Kanalwand fortsetzende zahnlückenartige Aussparungen aufweisen.

3. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Auslegung für einen Betrieb mit magerem bis stöchiometrischem Wasserstoff-Luft-Gemisch.

4. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekenn zeichnet durch eine Ausführung der Verbrennungskammer (3) als zur Mem bran (14) hin kontinuierlich, z. B. trompetenartig, erweitertes Rohr (2).

5. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch eine Ausführung der Zündeinrichtung (5) als elektrische Funkenzündung.

6. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Abführeinrichtung (12) in Form mehrerer Abströmschlitze (13) im Bereich des Membranrandes.

7. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch eine Rohrgeometrie, bei welcher zumindest in der Nähe der Membran (14) der Rohrinnendurchmesser exponentiell - in Relation zur Rohrlängskoor dinate - zunimmt.

8. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Pulsdauer der erzeugten einzelnen Druckwelle von weniger als 100 Mikrosekunden und eine Wiederholrate von mindestens einem Hertz.

9. Hochleistungs-Druckwellenquelle nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anbaumöglichkeit einer oder ver schiedener, der Membran (14) nachgeschalteter, akustischer Fokussiereinrich tungen (15).