DE102004013573B3

DE102004013573B3 - Elektromagnetischer Wandler zur Erzeugung von Zugimpulsen

Info

Publication number: DE102004013573B3
Application number: DE200410013573
Authority: DE
Inventors: Harald Eizenhöfer
Original assignee: Dornier Medtech Systems GmbH
Current assignee: Dornier Medtech Systems GmbH
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-03-20
Also published as: EP1577878A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Zugimpulses zwischen elektrisch leitfähigen Strukturen, das die Schritte umfasst: Bereitstellen von drei gegeneinander isolierten, nebeneinander liegenden und elektrisch leitfähigen Strukturen, Erzeugen eines Magnetfelds mit einer ersten der drei leitfähigen Strukturen, derart, dass dessen Magnetflusslinien die zweite und dritte leitfähige Struktur im Wesentlichen gleichsinnig durchdringen, und Abschalten des Magnetfelds, wobei in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur jeweils ein im Wesentlichen gleichsinniger Strom induziert wird, der zur Ausbildung einer Anziehungskraft zwischen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur führt. Des Weiteren wird auch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Durch das Verfahren und die Vorrichtung werden Zugimpulse mit verbesserter Effizienz und höheren Amplituden ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Zugimpulses zwischen mehreren elektrisch leitfähigen Strukturen.

Bekannte elektromagnetische Wandler, bestehend aus einer Spulenstruktur und einer leitfähigen Membranstruktur, wie sie beispielsweise in Stoßwellenquellen zur Nierensteinzertrümmerung eingesetzt werden, erzeugen beim Aufschalten von Stromimpulsen stets Druckimpulse. Wenn in einer Anwendung jedoch Zugimpulse erforderlich sind, so werden üblicherweise Zugimpulse in Fluiden oder Festkörpern dadurch erzeugt, dass ein Druckimpuls, der in dem Fluid oder Festkörper erzeugt worden ist, durch Reflexion an einer akustisch weichen Grenzfläche in einen Zugimpuls verwandelt wird. Piezoelektrische Wandler (Transducer) hingegen können theoretisch so geschaltet werden, dass sie zur Erzeugung von Zugimpulsen dienen. Die Ankopplung an einen Prüfling erfordert dabei fluide Koppelmedien. Anwendung findet dieses Verfahren in der zerstörungsfreien Materialprüfung, mit der insbesondere kleine Störstellen in Materialien oder Delaminationen detektiert werden können.

Die Benutzung piezoelektrischer Transducer zur Erzeugung von Zugimpulsen hat jedoch folgende Nachteile: bei hohen Zugimpulsamplituden kann es zur Entstehung von Kavitation im Ankoppelmedium kommen, wodurch starke Verluste entstehen. Außerdem beruht der piezoelektrische Effekt auf Festkörpereigenschaften des benutzten piezoelektrischen Materials, wodurch es zur Einschränkung in der maximalen Amplitude und zu einer Begrenzung der Schnelligkeit der Vorrichtung kommt. Weitere Probleme piezokeramischer Materialien sind Depolarisation und mechanische Zerrüttung bei hohen Zugamplituden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das diese Nachteile überwindet, d.h., das Zugimpulse mit verbesserter Effizienz und höheren Amplituden herstellen kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das verbesserte Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 als auch mit der Vorrichtung nach Anspruch 16 gelöst.

Danach wird ein Verfahren zur Erzeugung von attraktiven Kräften zwischen elektrisch leitfähigen Strukturen bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen von drei gegeneinander isolierten, nebeneinanderliegenden und elektrisch leitfähigen Strukturen, b) Erzeugen eines Magnetfelds mit einer der beiden äußeren leitfähigen Strukturen, der ersten leitfähigen Struktur, derart, dass dessen Magnetflusslinien die zweite und dritte leitfähige Struktur durchdringen und c) Abschalten des Magnetfelds, wobei in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur jeweils ein im Wesentlichen gleichsinniger Strom induziert wird, der zur Ausbildung einer Anziehungskraft zwischen mindestens der zweiten und dritten leitfähigen Struktur führt.

Im Gegensatz zur Erzeugung von Zugimpulsen mit Hilfe piezoelektrischer Transducer wird im erfindungsgemäßen Verfahren somit ein elektromagnetisches Prinzip benutzt, nämlich die Ausbildung induzierter Ströme in benachbarten leitfähigen Strukturen nach dem Lenz'schen Prinzip und der daraus resultierenden attraktiven Kraft zwischen den beteiligten Strukturen. Die Kräfte des Zugimpulses greifen also direkt in den leitfähigen Strukturen an. Dadurch ist einerseits das Vorhandensein eines Koppelmediums nicht mehr zwingend erforderlich und andererseits kann der Zugimpuls ohne Reflexion eines Druckimpulses erzeugt werden. Weiterhin hängt die Stärke und/oder die Dauer des Zugimpulses weniger von Festkörpereigenschaften als von der Stärke des Magnetfelds und/oder der Magnetfeldabschaltdauer, der Kommutierungszeit, ab.

Das Verfahren lässt sich außerdem auch auf mehr als drei elektrisch leitfähige gegeneinander isolierte Strukturen erweitern, wobei es zur Ausbildung von attraktiven Kräften in den Strukturen kommt, die vom Magnetfeld durchdrungen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Dicke der mittleren der drei leitfähigen Strukturen, die zweite leitfähige Struktur, kleiner oder gleich einer Eindringtiefe, die sich aus der Zeit, in der das Magnetfeld abgeschaltet wird, ergibt, gewählt werden. Die Eindringtiefe eines induzierten Stroms ergibt sich dabei durch die Skintiefe, die sich unter anderem aus der Frequenz eines Stroms ergibt. Hier lässt sich die Frequenz als Kehr wert der Kommutierungszeit ermitteln, wodurch somit die Eindringtiefe berechnet werden kann. Wählt man die Dicke der zweiten leitfähigen Struktur dünner als diese Eindringtiefe, so kommt es bereits während der Kommutierungszeit zu einer Durchflutung (magnetische Durchdringung) auch der mittleren leitfähigen Struktur. Das heißt, dass die mittlere elektrisch leitfähige Struktur den Abschaltvorgang nicht vollständig abschirmt. Die Kombination von "Kraftwirkung infolge des Abschaltens der primären stromführenden Struktur" mit der "Kraftwirkung infolge des Zerfalls einer sekundären, induzierten Stromdichteverteilung in der mittleren leitfähigen Struktur" erlaubt somit eine Effizienzoptimierung des Verfahrens. Daher kann nicht allgemein gültig gesagt werden, dass eine schnellstmögliche, also kürzeste Kommutierungszeit die maximalen Zugamplituden zur Folge hat.

Vorteilhafterweise können die zweite und/oder dritte leitfähige Struktur aus nichtmagnetischem und nichtferritischem Material bestehen. Im Gegensatz zur Permeabilität hat die Leitfähigkeit keine Sättigung, die die Ausbildung hoher Impulsleistungen einschränken könnten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann im Schritt c) die aus der Anziehungskraft entstehende Beschleunigung der dritten leitfähigen Struktur dadurch verstärkt werden, dass die erste und die zweite leitfähige Struktur über eine Isolierung starr miteinander verbunden, insbesondere verklebt, sind und somit einen einzelnen großen Massekörper darstellen. Dank der Trägheit dieses großen Massekörpers wird somit die Beschleunigung im Wesentlichen auf die dritte leitfähige Struktur beschränkt.

Vorteilhafterweise kann im Schritt a) zwischen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur ein inhomogenes, kompressibles Medium bereitgestellt werden. Dieses Medium lässt sich leicht komprimieren und erfüllt gleichzeitig die elektrisch isolierende Funktion.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann im Schritt b) das Magnetfeld durch eine Spule, insbesondere eine einlagige, flächenhafte Spule mit runden oder rechteckigen Drahtquerschnitten, die mit einem Stromkreis verbunden ist, erzeugt werden. Durch ein der Anwendung entsprechendes Design kann somit ein Magnetfeld bereitgestellt werden, das die entsprechende Feldgeometrie und Magnetfeldstärke aufweist, wobei die Magnetfeldstärke durch die Stromstärke im Stromkreis einstellbar ist.

Günstigerweise kann im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur aufgeschaltete Strom mindestens etwa achtfach, insbesondere mindestens etwa zehnfach, langsamer ansteigen als er abfällt, damit die beim Einschalten entstehenden abstoßenden Kräfte auf die zweite und dritte leitfähige Struktur gering bleiben. Da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um Zugimpulse geht, kann durch das langsame Ansteigen eine unnötige Ausbildung von Druckimpulsen auf einfache Weise vermindert werden.

Zweckmäßigerweise kann im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur fließende Strom so geregelt werden, dass der Strom im Wesentlichen linear ansteigt. Dadurch werden bei dem langsamen Ansteigen des Stroms die vorhandenen Abstoßungskräfte im Wesentlichen konstant gering gehalten.

Vorzugsweise kann im Schritt c) der durch die erste leitfähige Struktur fließende Strom mit mindestens etwa 0,8 kA/μs, insbesondere mit etwa 1 kA/μs unterbrochen werden. Die gewählte Abschaltzeit bzw. Kommutierungszeit bestimmt dabei die Eindringtiefe des Induktionsstroms (Wirbelstrom, Skin-Effekt) und somit die zu wählenden Dicken der leitfähigen Strukturen.

Vorteilhafterweise ermöglichen dabei Öffnungsschalter auf Halbleiterbasis solche Abschaltzeiten. Dabei können Abschaltströme von bis zu 6 kA, insbesondere 3 bis 4 kA, innerhalb weniger Mikrosekunden realisiert werden, wodurch man starke Zugimpulse mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich generieren kann. Geeignete Öffnungsschalter sind dabei Halbleiterstrukturen wie beispielsweise Abschalt- oder Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO) und Integrated-Gate-Commutated-Thyristoren (IGCT).

Günstigerweise kann im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur fließende Strom so geregelt werden, dass der Strom bis auf maximal etwa 5 kA, insbesondere etwa 3 bis 4 kA ansteigt. Ausgehend von einer guten elektromagnetischen Kopplung zwischen den beteiligten Strukturen lassen sich in den zweiten und dritten Strukturen dabei ähnlich große Ströme und Stromänderungen erzielen. Insgesamt ergibt sich der maximale Stromwert dabei aus dem für den benutzten Öffnungsschalter maximal zulässigen Abschaltwert.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann entweder die zweite oder die dritte leitfähige Struktur, insbesondere die äußere leitfähige Struktur, ein Material umfassen, das durch den erzeugten Zugimpuls zerstörungsfrei geprüft wird und wobei das zu prüfende Material elektrisch leitfähig ist oder eine mit dem zu prüfenden Material fest verbundene elektrisch leitfähige Schicht aufweist.

Wie oben erwähnt, können Zugimpulse dazu benutzt werden, Materialien zu untersuchen, wobei insbesondere Störstellen im Material oder Delaminationen in homogenen Werkstoffen oder in Verbundstoffen detektiert werden können. Mit ausreichend starken Anregungsimpulsen ist es denkbar auch nichtlineare Effekte im Festkörper oder in einem Fluid anzuregen und zu untersuchen. Stellt eine der zweiten und dritten leitfähigen Strukturen, insbesondere die außenliegende Struktur, ein zu untersuchendes Material dar, so kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein je nach Magnetfeldstärke und Kommutierungszeit beliebig starker Zugimpuls in dem Material erzeugt werden. Dabei ist die Anwendung jedoch nicht auf elektrisch leitfähige Materialien beschränkt, da es auch möglich ist, auf nichtelektrisch leitfähige Materialien eine elektrisch leitfähige Schicht anzubringen. Diese Schicht sollte dann allerdings mit dem zu untersuchenden Material fest verbunden sein. Auch in einer solchen Struktur lassen sich dann die Zugimpulse nach dem elektromagnetischen Prinzip vorteilhaft erzeugen.

In einer Variante kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen: d) Ankoppeln der dritten leitfähigen Struktur an ein Fluid zur Erzeugung von Kavitationen im Fluid. Somit ließe sich zur Herstellung von Kavitation die Benutzung von piezoelektrischen Transducern, die aufgrund ihrer Festkörpereigenschaften nur beschränkte Zugimpulse erzielen können, ersetzt werden. In einer praktischen Anwendung der Vorrichtung könnten Moleküle, beispielsweise die Moleküle eines Medikaments, durch die erzeugten Kavitationen in eine lebende Zelle eingebracht und so das Medikament zielgerichtet verabreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können die Schritte b) und c) beliebig oft wiederholt werden. Dadurch lässt sich eine Zugimpulsfolge realisieren, die sowohl regelmäßig als auch unregelmäßig ausgebildet sein kann.

Günstigerweise kann dabei das im Schritt b) erzeugte Magnetfeld oder die Dauer des Abschaltvorgangs des Schritts c) veränderbar sein, um Pulsfolgen mit veränderlichen Zugimpulsamplituden und/oder Zugimpulsdauern auszubilden. Somit ließe sich die Erfindung auch als Ultraschalltransducer benutzen, bei dem der piezoelektrische Effekt durch den elektrodynamischen Effekt ersetzt wird. Je nach Anwendung lässt sich dabei der Spulenstrom so einstellen, dass die Zugimpulsamplitude der gewünschten Art, ohne dabei durch Festkörpereigenschaften eingeschränkt zu sein, realisiert werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst.

Demgemäß umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Zugimpulsen drei gegeneinander isolierte, nebeneinanderliegende und elektrisch leitfähige Strukturen, ein Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit einer der äußeren leitfähigen Strukturen, der ersten leitfähigen Struktur, wobei die Magnetfeldlinien die zweite und die dritte leitfähige Struktur durchdringen, und ein Mittel zum Abschalten des Magnetfelds, wobei beim Abschalten in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur jeweils ein im Wesentlichen gleichsinniger Strom induziert wird, wodurch es mindestens zwischen der zweiten und dritten Struktur zur Ausbildung einer Anziehungskraft kommt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Erzeugung von Zugimpulsen nach dem elektromagnetischen Prinzip, nämlich durch die Ausbildung induzierter Ströme in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur nach dem Lenz'schen Prinzip und der daraus resultierenden attraktiven Kraft zwischen den beteiligten Strukturen, während der Kommutierungszeit zwischen allen dreien Strukturen und nach dem Abschalten des ursprünglichen Magnetfelds zwischen der zweiten und der dritten Struktur. Der Zugimpuls wird also elektromagnetisch direkt in den Werkstoffen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur erzeugt. Dadurch ist einerseits das Vorhandensein eines Koppelmediums nicht zwingend erforderlich und kann andererseits der Zugimpuls auch ohne Reflexion eines Druckimpulses erzeugt werden. Weiterhin hängt die erzielbare Stärke des Impulses weniger von Festkörpereigenschaften wie Polarisation (bei piezoelektrischem Prinzip) oder Permeabilität (bei ferromagnetischem Prinzip) als von der Größe des Magnetfelds, von der Güte der elektromagnetischen Kopplung bzw. der Geometrie und von der Optimierung der Parameter Leitfähigkeit und Kommutierungszeit ab und unterliegt somit kaum Sättigungseffekten. Die Vorrichtung muss dabei nicht auf drei elektrisch leitfähige Struk turen beschränkt sein, sondern solange das Magnetfeld auch noch weitere elektrisch leitfähige Strukturen durchdringen kann, tritt der Effekt auch bei mehr als drei elektrisch leitfähigen Strukturen auf.

Vorzugsweise kann die erste leitfähige Struktur einer Spule, insbesondere eine einlagige flächenhafte Spule sein. Durch ein der Anwendung entsprechendes Design kann somit ein Magnetfeld bereitgestellt werden, das die entsprechende Feldgeometrie und Magnetfeldstärke aufweist, wobei die Magnetfeldstärke durch die Stromstärke im Stromkreis einstellbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Mittel zum Abschalten des Magnetfelds ein Halbleiter-Öffnungsschalter sein. Derartige Öffnungsschalter ermöglichen Stromstärkeänderungen von 3 bis 4 kA/μs, wodurch man starke Zugimpulse generieren kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die mittlere leitfähige Struktur, bezeichnet als die zweite leitfähige Struktur, eine Dicke aufweisen die kleiner oder gleich einer Eindringtiefe ist, wobei sich die Eindringtiefe aus der Kommutierungszeit, der Zeit in der das Magnetfeld abgeschaltet wird, ergibt. Die Induktionsstromeindringtiefe lässt sich dabei mit Hilfe der Kommutierungszeit, wie oben dargestellt, berechnen. Dank der dünnen zweiten leitfähigen Struktur kommt es zu einer Durchflutung der zweiten leitfähigen Struktur bereits während der Kommutierungszeit. Das heißt, dass die zweite Struktur den Abschaltvorgang nicht vollständig vor der dritten Struktur abschirmt. Dadurch erzielt man eine Effizienzoptimierung des Verfahrens.

Zweckmäßigerweise kann die erste und zweite leitfähige Struktur über eine Isolierung starr miteinander verklebt sein. Dadurch lässt sich eine möglichst große Beschleunigung der dritten leitfähigen Struktur erzielen, da durch die Verklebung, insbesondere eine glasharte Verklebung, die Masse der verklebten Struktur im Vergleich zur dritten Struktur größer wird.

Günstigerweise kann zwischen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur ein inhomogenes, kompressibles Medium angeordnet sein. Zweckmäßigerweise sind diese Materialien elektrisch isolierende, faserartige, Hohlräume enthaltende Folien wie beispielsweise Nomex, ein synthetisches Papier auf Polyarylamidfaserbasis. Dadurch ist eine große Kompressibilität sichergestellt, wodurch die gewünschte mechanische Relativbewegung ermöglicht wird, jedoch gleichzeitig die elektrische Isolierung beibehalten wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung von Zugimpulsen eignet sich in besonderem Maße zur Erzeugung von Kavitation in einem Fluid. Da die Zugimpulsamplitude weniger von Festkörpereigenschaften, wie dies im Falle der piezoelektrischen Transducer der Fall ist, als von den Magnetfeldeigenschaften abhängt, lässt sich somit der Anwendung entsprechend die Energie in das Fluid übertragen, die benötigt wird um die Kavitation zu erzeugen. Bei piezoelektrischen Transducern lassen sich große Amplituden nur durch Hintereinanderschalten von mehreren Einheiten erzielen, was zu unnötiger Komplexität und relativ großen Vorrichtungen führt. In einer praktischen Anwendung der Vorrichtung könnten Moleküle, beispielsweise die Moleküle eines Medikaments, durch die erzeugte Kavitation in eine lebende Zelle eingebracht werden.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Verwendung der oben dargestellten Vorrichtung lassen sich die erzeugten Zugimpulse zum Prüfen von Materialeigenschaften benutzen, wobei das zu prüfende Material elektrisch leitfähig ist oder eine mit dem zu prüfenden Material fest verbundene elektrisch leitfähige Schicht aufweist und als dritte leitfähige Struktur dient.

Dabei lassen sich insbesondere Störstellen im Material oder Delaminationen in homogenen Werkstoffen oder in Verbundstoffen detektieren. Mit ausreichend starken Anregungsimpulsen ist es auch denkbar, nichtlineare Effekte im Festkörper oder in einem Fluid anzuregen und zu untersuchen. Stellt entweder die zweite oder die dritte leitfähige Struktur, insbesondere die außenliegende Struktur, ein zu untersuchendes Material dar, so kann mit der Vorrichtung je nach Magnetfeldstärke und Kommutierungszeit ein beliebig starker Zugimpuls in dem Material erzeugt werden.

Für die erfindungsgemäße Verwendungen kann auch eine allgemeinere Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung eines Zugimpulses hergenommen werden. Eine solche allgemeinere Vorrichtung umfasst mindestens zwei gegeneinander isolierte, nebeneinanderliegende und elektrisch leitfähige Strukturen, ein Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit einer ersten der leitfähigen Strukturen, wobei die Magnetfeldlinien mindestens eine der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur durchdringen, und wei terhin ein Mittel zum Abschalten des Magnetfelds, wodurch in mindestens einer der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur jeweils ein Strom induziert wird, wodurch es mindestens zwischen der ersten und der mindestens einen der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur zur Ausbildung einer Anziehungskraft kommt. Diese Vorrichtung kann dann auch zur Erzeugung von Kavitation in einem Fluid bzw. zur Prüfung von Materialeigenschaften wie oben beschrieben benutzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2a-c die Verfahrensschritte a, b, c des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 einen typischen Stromstärkenverlauf in der ersten leitfähigen Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung der 1, sowie den zeitlichen Verlauf der in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur induzierten Ströme,
4 zeigt den zeitlichen Verlauf des negativen Drucks in einer angekoppelten Flüssigkeit (Wasser) in Abhängigkeit von der Zeit für drei verschiedene Kommutierungszeiten T1 = 0,1 μs, T2 = 1 μs und T3 = 10 μs.
1 stellt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines Zugimpulses zwischen zwei elektrisch leitfähigen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Vorrichtung 1 umfasst drei nebeneinanderliegende elektrisch leitfähige Strukturen I bis III, wobei die elektrisch leitfähigen Strukturen I und II durch eine Isolationsschicht 5 und die elektrisch leitfähigen Strukturen II und III durch eine Isolationsschicht 7 gegeneinander isoliert sind. Dabei kann die Isolationsschicht 7 aus einem kompressiblen Medium, insbesondere einem inhomogenen Medium, hergestellt sein. Außerdem kann die Isolierschicht 5 so ausgebildet sein, dass die elektrisch leitfähige Struktur I starr mit der elektrisch leitfähigen Struktur II verbunden ist. Insbesondere können die beiden Schichten glashart miteinander verklebt sein. Die Achse 3 stellt eine Rotationsachse dar, um die die Vorrichtung 1 rotationssymmetrisch ist.
Wenn die Achse 3' die Rotationsachse ist, dann entsteht eine Ausführungsform der Erfindung, die sich z. B. in Rohre zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einführen lässt. Dabei stellt dann die elektrisch leitfähige Struktur III das Rohr dar.
Wenn die Achse 3'' die Rotationsachse ist, dann kann die Zugimpulserzeugungseinheit über ein Rohr, das der elektrisch leitfähigen Struktur III entspricht, geschoben werden, um z. B. in einem Fluid innerhalb des Rohrs Kavitation zu erzeugen.
Die daraus resultierende Form der elektrisch leitfähigen Struktur I bis III stellt jedoch keine Einschränkung der Erfindung dar, sondern dient nur zur Illustration der Erfindung. Andere Formen der Strukturen I bis III sind daher auch möglich.
In der gezeigten Ausführungsform entspricht der elektrisch leitfähigen Struktur I eine Spule, insbesondere eine einlagige flächenhafte Spule, die mit einem Stromkreis 9 verbunden ist. Der Stromkreis 9 umfasst eine Stromquelle 11 und einen geregelten Schließ- und Öffnungsschalter 13. Die Spule 1 dient dazu, mit Hilfe des Stromkreises 9 ein magnetisches Feld aufzubauen, dessen Magnetflusslinien die elektrisch leitfähigen Strukturen II und III durchdringen. Beim Abschalten des Magnetfelds bilden sich dann attraktive Kräfte zwischen der elektrisch leitfähigen Struktur I und II bzw. III aus. Zwischen den elektrisch leitfähigen Strukturen II und III existieren diese Kräfte solange noch während der Kommutierungsphase ein sich ändernder Strom durch den Stromkreis 9 fließt. Attraktive Kräfte zwischen den Strukturen II und III sind aufgrund der induzierten Ströme weiterhin vorhanden, wenn im Stromkreis 9 bereits kein Strom mehr fließt.
Als Öffnungsschalter können dabei beispielsweise Abschalt- bzw. Gate-Turn-Off Thyristoren (GTO) oder Integrated Gate Commutated Thyristoren (IGCT) oder andere Schalter auf Halbleiterbasis benutzt werden. Mit solchen Bauteilen lassen sich Abschaltströme von mehreren Kiloampere in wenigen Mikrosekunden realisieren und sind daher in besonderem Masse für diese Anwendung geeignet.
In 1 ist die elektrisch leitfähige Struktur II wesentlich dünner ausgebildet als die elektrisch leitfähige Struktur III. Dies soll symbolisieren, dass die mittlere der drei leitfähigen Strukturen dünner ist als die Eindringtiefe des Induktionsstroms, der sich aus der Kommutierungsdauer ergibt. Dadurch kommt es bereits während der Kommutierungszeit zu einer Durchflutung (magnetische Durchdringung) der mittleren leitfähigen Struktur II. Damit wird ermöglicht, dass die mittlere elektrisch leitfähige Struktur II den Abschaltvorgang nicht vollständig abschirmt, wodurch es zu einer Optimierung der Effizienz des Verfahrens kommt.
Bevorzugt werden für die elektrisch leitfähigen Strukturen II und III bzw. auch für die Magnetfeld erzeugende Struktur 1 hochleitfähige nichtmagnetische bzw. nichtferritische Materialien, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder Silber benutzt. Es ist auch denkbar, dass eine oder beide der elektrisch leitfähigen Strukturen II und III elektrisch leitfähige Fluide, wie etwa Quecksilber, sind. Außerdem können die Isolationsschichten 5 und 7, falls die Relativbewegung erwünscht ist, aus elektrisch isolierenden faserartigen Hohlräume enthaltenden Folien, wie beispielsweise Nomex ausgebildet sein. Dies schließt jedoch die Anwendung anderer geeigneter Materialien nicht aus. Wird eine mechanische Relativbewegung nicht erwünscht, so kann ein glashart aushärtender Epoxydkleber benutzt werden, der ebenfalls die Isolierung zwischen elektrisch leitfähigen Strukturen garantiert.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Zugimpulsen ist gemäß der Erfindung auch bei der berührungslosen Materialprüfung verwendbar. Hierzu ist die Vorrichtung vorzugsweise so ausgelegt, dass die elektrisch leitfähige Struktur III das zu prüfende Material umfasst. Um auch verschiedene nichtleitende Materialien prüfen zu können, kann die elektrisch leitfähige Struktur III galvanisch oder durch Aufdampfen oder durch Plattieren auf das zu prüfende Material aufgebracht werden.
Außerdem ist die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Zugimpulsen auch geeignet Kavitation in einem an die dritte leitfähige Struktur III angrenzenden Fluid zu erzeugen. Eine solche Vorrichtung 1 ließe sich dann beispielsweise beim Transport von Molekülen, wie beispielsweise von Molekülen von Medikamenten, in eine Zelle vorteilhaft benutzen.
Die genannten Anwendungen lassen sich eventuell auch unter Ausnutzung einer Vorrichtung mit nur zwei elektrisch leitfähigen Strukturen erzielen. Eventuell denkbar wäre auch das Benutzen von mehr als drei elektrisch leitfähigen Strukturen.
In den 2a bis 2c wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Zugimpulses zwischen zwei elektrisch leitfähigen Strukturen illustriert. Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt hierzu die erfindungsgemäße Vorrichtung wie in 1 gezeigt, wobei dies jedoch nur als ein Beispiel anzusehen ist. Die in Verbindung mit der Beschreibung der 1 gemachten Aussagen über die Merkmale und Eigenschaften dieser Vorrichtung treffen daher auch auf die für das Verfahren benutzte Vorrichtung zu und werden nicht mehr im Detail wiederholt. Gleiche Bezugszeichen in den 1 und 2 beziehen sich auf gleiche Bauteile und besitzen daher gleiche Eigenschaften.
2a illustriert den im Anspruch 1 definierten Verfahrensschritt a) und zeigt die drei gegeneinander isolierten, nebeneinanderliegenden und elektrisch leitfähigen Strukturen 1, II und III, wobei die elektrisch leitfähige Struktur 1 eine Spule darstellt, durch die im Verfahrensschritt a) noch kein Strom fließt und somit auch noch kein Magnetfeld ausgebildet ist.
2b illustriert den Verfahrensschritt b) gemäß Anspruch 1. Ein elektrischer Strom fließt durch die Flachspule 1 und erzeugt ein Magnetfeld B_Spule, das die beiden anderen elektrisch leitfähigen Strukturen II und III durchflutet. Der zeitliche Anstieg des Stroms dl/dt ist so klein gewählt, dass die dadurch entstehende abstoßende Kraft zwischen der zweiten Struktur II und der Flachspule 1 und die abstoßende Kraft zwischen der dritten Struktur III und der Flachspule 1 gering ausfällt und somit der daraus resultierende positive Druckimpuls vernachlässigbar klein ist. Ein Beispiel des Verlaufs der Stromstärke in der Spule wird im Zusammenhang mit der 3 gezeigt und näher erläutert.
2c illustriert den Verfahrensschritt c) gemäß Anspruch 1. Das Magnetfeld B_Spule wird durch den in 1 gezeigten Öffnungsschalter 13 abgeschaltet, wodurch es zu einer starken zeitlichen Stromstärkenänderung in der Spule kommt. Entsprechend nimmt auch das Magnetfeld B_Spule stark ab. Als Folge davon entstehen in der Struktur II und in der Struktur III jeweils ein Induktionsstromstoß I_indII und I_indIII, wobei beide induzierten Stromstöße gleichsinnig sind. Aufgrund dieser Stromstöße entsteht ein induzierte Magnetfeld B_ind, und nach der Lenz'schen Regel versucht dieses induzierte Magnetfeld B_ind das ursprüngliche Magnetfeld B_Spule aufrecht zu halten. Da die Induktionsströme I_indII und I_indIII gleichsinnig sind, kommt es ferner zur Ausbildung der anziehenden Kräfte F. Dadurch entsteht der Zugimpuls zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Strukturen II und III. Diese Kräfte können auch noch weiter wirken, wenn der Strom in der Flachspule 1 bereits auf Null abgeschaltet ist.
Gemäß der Erfindung lassen sich die Schritte a) bis c) beliebig oft wiederholen und durch variable Magnetfeldamplituden und/oder variable Kommutierungszeiten lassen sich Impulsfolgen mit unterschiedlichen Amplituden und Impulsdauern erzeugen.
3 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Stromverlauf innerhalb der Spule 1 und den in den Strukturen II und III induzierten Strömen I_indII und I_indIII. Vom Zeitpunkt t₀ an steigt die Stromstärke in der Spule langsam linear an, wodurch wie oben erwähnt, die Ausbildung starker Abstoßungskräfte verhindert wird, und erreicht zum Zeitpunkt t, ihr Maximum. Zu schnelle Stromstärkenanstiege würden zur Ausbildung starker Abstoßungskräfte führen, die in dieser Anwendung verhindert werden sollen. Zum Zeitpunkt t, wird dann der Öffnungsschalter 13 geöffnet und der Strom in der Spule 1 fällt mit der Kommutierungszeit T = t₂ – t₁ auf Null zurück. Während des Stromabfalls in der Spule werden gleichzeitig in den elektrisch leitfähigen Strukturen II und III die Induktionsstromstöße I_indII und I_indIII erzeugt, die je nach Größe der Ohm'schen Dämpfung schnell oder vergleichsweise langsam wieder abfallen. Wie aus der 3 erkennbar, schirmt die elektrisch leitfähige Struktur II die elektrisch leitfähige Struktur III nicht vollständig magnetisch ab, da es auch in der dritten elektrisch leitfähigen Struktur III zur Ausbildung eines Induktionsstroms kommt. Wie weiter erkenntlich ist, existieren die Induktionsströme I_indII und I_indIII über die Kommutierungszeit T hinweg weiter. Der Induktionsstrom ist jedoch nur schemenhaft gezeichnet, da der exakte Verlauf von der Geometrie, d.h. den gegenseitigen Induktivitäten der Vorrichtung 1 und den elektrischen Leitfähigkeiten der Strukturen II und III abhängt.
Unter Nutzung der in 1 dargestellten Vorrichtung, deren elektrisch leitfähige Struktur III an ein Fluid, wie beispielsweise Wasser, angekoppelt wird, ergeben sich in dem Fluid Zugimpulsverläufe wie sie in der 4 dargestellt sind. 4 zeigt dabei den zeitlichen Verlauf des Drucks, der sich im Fluid ausbildet, in Abhängigkeit von der Zeit für drei verschiedene, beispielhafte Kommutierungszeiten T1 = 0,1 μs, T2 = 1 μs und T3 = 10 μs. Es lässt sich deutlich erkennen, dass mit verlängerter Kommutierungszeit auch die Zug impulsdauer länger wird und bei größeren Kommutierungszeiten eine Drucksteigerung zu beobachten ist, die auf eine bessere magnetische Kopplung der dritten leitfähigen Struktur III zurückzuführen ist, da bei größerer Abschaltzeit die elektrisch leitfähige Struktur II eine geringe Schirmwirkung hat. Dabei lassen sich im Fluid Drücke in einem Bereich von bis zu 10MPa erzielen.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Zugimpulses zwischen elektrisch leitfähigen Strukturen (I, II, III), das die Schritte umfasst: a) Breitstellen von drei gegeneinander isolierten, nebeneinanderliegenden und elektrisch leitfähigen Strukturen (I, II, III), b) Erzeugen eines Magnetfelds (B_Spule) mit einer der beiden äußeren leitfähigen Strukturen, der ersten leitfähigen Struktur (I), derart, dass dessen Magnetflusslinien die zweite und dritte leitfähige Struktur (II, III) durchdringen, und c) Abschalten des Magnetfelds (B_Spule), wobei in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur (II, III) jeweils ein im wesentlichen gleichsinniger Strom (I_indII, I_indIII) induziert wird, der zur Ausbildung einer Anziehungskraft zwischen mindestens der zweiten und dritten leitfähigen Struktur (II, III) führt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke der mittleren (II) der drei leitfähigen Strukturen (I, II, III), also die zweite leitfähige Struktur (II), kleiner oder gleich einer Eindringtiefe, die sich aus der Zeit, in der das Magnetfeld (B_Spule) abgeschaltet wird, ergibt, gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite und/oder dritte leitfähige Struktur (II, III) aus nichtmagnetischem und nichtferritischem Material besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Schritt c) die aus der Anziehungskraft entstehende Beschleunigung der dritten leitfähigen Struktur (III) dadurch verstärkt wird, dass die erste und die zweite leitfähige Struktur (I, II) über eine Isolierung starr miteinander verbunden, insbesondere verklebt, sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Schritt a) zwischen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur (II, III) ein inhomogenes, kompressibles Medium bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Schritt b) das Magnetfeld (B_Spule) durch eine Spule, insbesondere eine einlagige, flächenhafte Spule mit runden oder rechteckigen Drahtquerschnitten, die mit einem Stromkreis (4) verbunden ist, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur (I) aufgeschaltete Strom mindestens etwa achtfach, insbesondere mindestens etwa zehnfach, langsamer ansteigt als er abfällt, damit die beim Einschalten entstehenden abstoßenden Kräfte auf die zweite und dritte leitfähige Struktur (II, III) gering bleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur (I) fließende Strom so geregelt wird, dass der Strom im wesentlichen linear ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei im Schritt c) der durch die erste leitfähige Struktur (I) fließende Strom mit mindestens etwa 0,8 kA/μs abgeschaltet, insbesondere mit etwa 1 kA/μs, abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei im Schritt c) der Strom durch einen Öffnungsschalter (6) auf Halbleiterbasis abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur (I) fließende Strom so geregelt wird, dass der Strom bis auf maximal etwa 6 kA, insbesondere etwa 3-4 kA ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei entweder die zweite oder die dritte leitfähige Struktur (II, III), insbesondere die äußere leitfähigen Struktur (III), ein Material umfasst, das durch den erzeugten Zugimpuls zerstörungsfrei geprüft wird und wobei das zu prüfende Material elektrisch leitfähig ist oder eine mit dem zu prüfenden Material festverbundene elektrisch leitfähige Schicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das ferner den Schritt umfasst: d) Ankoppeln der dritten leitfähigen Struktur (III) an ein Fluid zur Erzeugung von Kavitation im Fluid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Schritte b) und c) beliebig oft wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Magnetfeldstärke des im Schritt b) erzeugten Magnetfelds und/oder die Dauer des Abschaltvorgangs des Schritt c) veränderbar sind um Pulsfolgen mit veränderlichen Zugimpulsamplituden und/oder Zugimpulsdauern auszubilden.
Vorrichtung zur Erzeugung von Zugimpulsen, die umfasst: – drei gegeneinander isolierte, nebeneinanderliegende und elektrisch leitfähige Strukturen (I, II, III), – ein Mittel zum Erzeugen (4) eines Magnetfelds mit einer der äußeren leitfähigen Strukturen, der ersten leitfähigen Struktur (I), und wobei die Magnetfeldlinien die zweite und dritte leitfähige Struktur (II, III) durchdringen, und – ein Mittel zum Abschalten (6) des Magnetfelds, wobei beim Abschalten in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur (II, III) jeweils ein im wesentlichen gleichsinniger Strom induziert wird, wodurch es mindestens zwischen der zweiten und dritten Struktur (II, III) zu Ausbildung einer Anziehungskraft kommt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die erste leitfähige Struktur (I) eine Spule, insbesondere eine flächenhafte Spule, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Mittel zum Abschalten (6) des Magnetfelds einen Öffnungsschalter umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Dicke der mittlere leitfähige Struktur (II), also die zweite leitfähige Struktur (II), kleiner oder gleich einer Eindringtiefe ist, die sich aus der Zeit, in der das Magnetfeld (B_Spule) abgeschaltet wird, ergibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die erste und die zweite leitfähige Struktur (II, III) über eine Isolierung starr miteinander verbunden, insbesondere verklebt, sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei zwischen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur (II, III) ein inhomogenes, kompressibles Medium angeordnet ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 zum Erzeugen von Kavitation in einem Fluid.
Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Zugimpulses, mit – mindestens zwei gegeneinander isolierten, nebeneinanderliegenden und elektrisch leitfähigen Strukturen (I, II, III), – einem Mittel zum Erzeugen (4) eines Magnetfelds mit einer ersten der leitfähigen Strukturen (I), und wobei die Magnetfeldlinien mindestens eine der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur (II, III) durchdringen, und – einem Mittel zum Abschalten (6) des Magnetfelds, wodurch in mindestens einer der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur (II, III) jeweils ein Strom induziert wird, wodurch es mindestens zwischen der ersten und der mindestens einen der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur (II, III) zu Ausbildung einer Anziehungskraft kommt, zum Erzeugen von Kavitation in einem Fluid.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 zum Prüfen von Materialeigenschaften, wobei das zu prüfende Material elektrisch leitfähig ist oder eine mit dem zu prüfenden Material festverbundene elektrisch leitfähige Schicht aufweist und als dritte leitfähige Struktur (III) dient.
Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Zugimpulses, mit – mindestens zwei gegeneinander isolierten, nebeneinanderliegenden und elektrisch leitfähigen Strukturen (I, II, III), – einem Mittel zum Erzeugen (4) eines Magnetfelds mit einer ersten der leitfähigen Strukturen (I), und wobei die Magnetfeldlinien mindestens eine der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur (II, III) durchdringen, und – einem Mittel zum Abschalten (6) des Magnetfelds, wodurch in mindestens einer der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur (II, III) jeweils ein Strom induziert wird, wodurch es mindestens zwischen der ersten und der mindestens einen der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur (II, III) zu Ausbildung einer Anziehungskraft kommt, zum Prüfen von Materialeigenschaften, wobei das zu prüfende Material elektrisch leitfähig ist oder eine mit dem zu prüfenden Material festverbundene elektrisch leitfähige Schicht aufweist und als dritte leitfähige Struktur (III) dient.