DE19532219C2 - Energiewandler zur Hochleistungspulserzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der Stand der Technik weist eine Vielzahl von Energiewandlern aus. Aus deren Einsatz ergeben sich die unterschiedlichsten Konstruktionen.

Eine gattungsbildende Vorrichtung zur Zertrümmerung von Konkrementen, insbesondere von Nierensteinen, ist in der DE-OS 32 20 751 angegeben. Dabei enthält die Vorrichtung ein Flüssigkeitsmedium zur Erzeugung mehrerer Stoßwellen zu einer gebündelten Stoßwelle. Das Konkrement muß in einen Brennpunkt, der außerhalb der Vorrichtung liegt, einjustiert werden.

Die erzeugten Stoßwellen müssen in Phase und Frequenz derart liegen, daß sich diese Schwingungen überlagern, um im Brennpunkt eine maximale Energie zur Zerstörung von Konkrementen zu erlangen. Um diesen Brennpunkt, in dem das zu zerstörende Konkrement, das sich im menschlichen Körper befindet, liegt, einjustieren zu können, ist am Gehäuse ein rohr- bzw. schlauchförmiges Teil, über das eine Membran angebracht ist, befestigt. Das Gehäuse weist im Innenraum ein Hohl-Teilellipsoid auf, in dessen einem Brennpunkt sich zwischen zwei Elektroden eine Funkenstrecke befindet, mit der die Stoßwellen erzeugt werden. Diese breiten sich allseitig aus und werden durch Reflexion am Teilellipsoid auf dessen 2. Brennpunkt gebündelt, in dem sich das zu zerstörende Material befindet.

Die DE-12 03 498-AS beschreibt einen Übertrager von elektrischen in mechanische Schwingungen für die Ultraschall- Werkstoffprüfung.

Die DE-41 20 259-A1 betrifft einen Generator zur Erzeugung akustischer Wellen. Ein Ausführungsbeispiel betrifft die Behandlung pathologischer Gewebeveränderungen, ein Verwendungszweck betrifft die Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Die Wellen werden in einem Gehäuse erzeugt, daß mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und über das eine Membran gestülpt ist. In der Flüssigkeit befindet sich gegenüber einem Umgebungsdruck ein um 25 bis 100 mbar erhöhter Druck. Eine Körperoberfläche des zu bearbeitenden Objektes wird an die Membran gepreßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiewandler mit einem in einem Gehäuse befindlichen Arbeitsmedium zur Pulserzeugung für die Zerkleinerung oder Umformung von Material so zu schaffen, daß das Material auch im trockenen Zustand zu zerkleinern oder umzuformen ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Schaffung eines gekapselten Energiewandlers zur Hochleistungspulserzeugung ergibt sich, neben der trockenen Zerkleinerung oder Umformung des zu bearbeitenden Materials, der Vorteil, daß er eine breite Verwendbarkeit aufweist. Ohne wesentliche Veränderung an der Anlagetechnik ist der Energiewandler in bereits bekannten Anlagen integrierbar. Es entfällt die Trocknungsstufe des zu zerkleinernden oder gleichfalls umzuformenden Materials. Rotierende Teile in der Bearbeitungszone entfallen.

Im übrigen ist vielfach ein Hochleistungspuls oder eine Hochleistungspulsfolge, die beide nicht fokussiert oder einjustiert werden müssen, zur Zerstörung oder Umformung des zu bearbeitenden Materials ausreichend. Der Puls mit einer hohen Energiedichte wird direkt von einem Arbeitsmedium über eine Membran auf das Material geleitet, das gegebenenfalls geschichtet sein kann. Die Pulsfolge muß nicht phasengleich zur Frequenzüberlagerung erzeugt werden. Die Zerstörung oder Umformung erfolgt mittels Druckimpuls und nicht mittels Schwingungen.

Die flexible Gestaltung der Membran birgt den Vorteil in sich, daß sie geringe Energieverluste beim Energieumsatz in Druckimpulse zur Folge hat. Damit besitzt der Energiewandler selbst einen geringen Energieverbrauch.

In den Unteransprüchen enthalten sind die vorzugsweisen Ausgestaltungen.

Auch die elliptische Form der Innenwandung des Gehäuses trägt zum geringeren Energieverbrauch bei. Mit der Konzentration der Druckwellen zur Membran wird eine Reduzierung des Gesamtenergieumsatzes, bezogen auf die zu zerkleinernden Stoffmengen erreicht.

Die Lösung findet überall dort Anwendung, wo eine Druckeinwirkung direkt auf das Material erwünscht ist, z. B. beim Recycling.

Anhand eines Ausführungsbeispieles sollen der Aufbau und die Wirkungsweise näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Energieversorgung zur Erzeugung von Hochleistungspulsen;

Fig. 2 ein Prinzipdruckverlauf eines Hochleistungspulses am Werkstoff;

Fig. 3 ein mechanischer Aufbau des gekapselten Energiewandlers;

Fig. 4 einen in der Fig. 3 mit A-A gekennzeichneten Schnittverlauf.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird über einen Netzanschluß 30, eine Hochspannungserzeugung mit Ladestrombegrenzung 31 und einen Hochspannungsgleichrichter 32 in einer Kondensatorbatterie 33 die Energie zur Erzeugung von elektrischen Hochleistungspulsen gespeichert.

Diese wird mittels eines Leistungsschalters 34 über ein Energieleitsystem 35 zu einem Energiewandler 36 geleitet. Die Rückführung zur Regelung der Energieversorgung erfolgt über eine Steuerungs- und Sicherheitstechnik 37. Zwischen einer im Energiewandler 36 befindlichen Anoden-Elektrode 5 und mindestens einer vorzugsweise drei Masse-Elektroden 4, die sich in einem flüssigen Arbeitsmedium befinden, bildet sich ein Plasmakanal aus. In diesen wird die Energie der Kondensatorbatterie 33 im µs-Bereich eingespeist. Dadurch kommt es zur Verdichtung einer Schicht im Arbeitsmedium. Diese Schicht dehnt sich kugelförmig aus und ist der Energieträger. Am zu bearbeitenden Werkstoff wird dann über eine am Energiewandler 36 befindliche Membran 14 ein wie in Fig. 2 gezeigter Druckverlauf erzeugt.

Im Verlauf der Entwicklungsphase dieser elektrischen Entladung erfolgt ein schnelles Aufweiten des Plasmakanals. Hierbei entsteht an seiner Hülle eine Durck-Dichte-Änderung, die sich als Hochleistungspuls im Arbeitsmedium ausbreitet. So erzeugt, je nach Bemessung des Entladekreises, ein Hochleistungspuls von einer µs-Dauer einen Spitzendruck bis zu 1000 bar. Der prinzipielle Arbeitsbereich liegt bei 200 bis 600 bar. Die Hochleistungspulse werden Träger der Energie, d. h. das Werkzeug.

Über die Membran 14 wird eine Folge von Hochleistungspulsen in den zu bearbeitenden Werkstoff eingeleitet. Für den Energieumsatz sind der Spitzendruck, d. h. das Druckmaximum des ersten Pulses, und die Steilheit des Druckanstieges, je steiler desto höher der Druck, von entscheidender Bedeutung.

Durch den so erzeugten Druckimpuls ruft dieser eine Druck- und Zugbeanspruchung, die Aufhebung von Verbindungsgrenzen an Korngrenzen sowie die Zerstörung oder Umformung des Materials an Stoffunstetigkeitsstellen im Material des Werkstoffes hervor. Der innere Aufbau des Energiewandlers 36 stellt sich in Fig. 3 dar. Die Anoden-Elektrode 5 ist in einem Isolator 6 senkrecht und mittig in einem Gehäuse 1 angeordnet. Der Isolator 6, an dem sich ein Anschluß 7 für ein Hochspannungskabel befindet, ist beidseitig mittels O-Ring- Dichtungen 12, modifizierten Buchsen 15 und O-Ring-Dichtungen 11 über Stützringe 3 und Innensechskantschrauben 20 im Gehäuse 1 befestigt. Die Masse-Elektroden 4 befinden sich zur Anoden-Elektrode 5 senkrecht am Gehäuse 1 und sind mit dem Gehäuse 1 über weitere Innensechskantschrauben 17 und Dichtung 10 (vgl. Fig. 4) verbunden. Die Masse- Elektroden 4 stehen zueinander in einer Ebene im Abstand von vorzugsweise 120°, ohne sich zu berühren. Die innere Form des Gehäuses 1 ist ellipsenförmig. Über das Gehäuse 1 ist die Membran 14 gezogen, die durch einen Spannring 2, Innensechskantschrauben 18 und Sechskantmuttern 16 zur Befestigung des Spannringes 2 am Gehäuse 1 an das Gehäuse 1 gepreßt wird. Im Gehäuse 1 befindet sich außerdem mindestens eine Entlüftungsbohrung 19 mit Schraube 13. Über diese Schraube 13 ist der innere Druck im Gehäuse 1 regulierbar.

Der Eintritt des Arbeitsmediums erfolgt über mindestens eine, vorzugsweise zwei Wasserbefüllungsvorrichtungen 22, 23 (Fig. 4). Die Wasserbefüllungsvorrichtungen 22, 23 können den entsprechenden Anforderungen angepaßt werden. Als die einfachste Variante ist ein Kugelventil, das die Wasserzufuhr regelt und ein Kugelventil, das den Wasserausfluß regelt, verwendbar. Druckaufnehmer 24, die sich über Adapter 8 und Dichtung 9 im oberen Teil des Gehäuses 1, direkt unter der Membran 14, befinden, dienen zur internen Regelung des Arbeitsablaufes der eingangs beschriebenen Energieversorgung, so daß mittels Druckkontrolle zur Prozeßüberwachung einer Zerstörung der Membran 14 vorgebeugt wird.

Claims (5)

1. Energiewandler (36) mit einem Arbeitsmedium zur Pulserzeugung, das sich in einem Gehäuse (1) des Energiewandlers (36) befindet, welches durch eine flexible Membran (14) abgeschlossen ist, durch die der Puls zur Zerkleinerung oder Umformung von Material gelangt, dadurch gekennzeichnet,
daß im Arbeitsmedium ein Hochleistungspuls mit einem Spitzendruck von 200 bis 1000 bar erzeugt wird,
daß der Hochleistungspuls im µs-Bereich erzeugt wird,
daß die flexible Membran (14) über das Gehäuse (1) gezogen und gegen dieses gepreßt ist,
daß das zu zerkleinernde oder umzuformende Material direkt an der Membran (14) anliegt.

2. Energiewandler (36) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) des Energiewandlers (36) senkrecht eine Anoden-Elektrode (5) in einem Isolator (6) angeordnet ist und mindestens eine Masse-Elektrode (4) am Gehäuse gegenüber der Anoden-Elektrode (5) senkrecht und zueinander in einer Ebene befestigt sind.

3. Energiewandler (36) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennnzeichnet, daß die Innenwandung des Gehäuses (1) eine elliptische Form aufweist.

4. Energiewandler (36) nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) Befüllungsvorrichtungen (22; 23) zum Einlaß des Arbeitsmediums in das Gehäuse (1) angebracht sind.

5. Energiewandler (36) nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenwandung des Gehäuses (1) Druckaufnehmer (24) eingebracht sind.