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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines Tiefbohrloches
in Gestein gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus
DE 25 54 101 A1 bekannt. Die vorbekannte
Vorrichtung verfügt über eine
Penetrationseinheit, die sich in einer Längsrichtung erstreckt. Die
Penetrationseinheit weist Speiseleitungsanordnungen auf, die sich
zwischen einem Schwanzabschnitt und Auslässen erstrecken. In die Speiseleitungsanordnungen
sind Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoffmedium einführbar, das
aus den Auslässen
aus der Penetrationseinheit austritt und zum Aufschmelzen von die Penetrationseinheit
umgebendem Gestein dient.
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Aus
Lueger Lexikon der Technik, 4. vollständig bearbeitete und erweiterte
Auflage, Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart, 1960, Seiten 411–412, 452 ist
eine selbsttätige
Regeleinheit bekannt, die zum Regeln der Durchflussmenge eines gasförmigen Mediums
mittels Veränderung
des Strömungsquerschnittes
in einem Steuerteil über
ein verschiebbares Teil dient.
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Aus
DE 196 23 718 C1 ist
ebenfalls eine Regeleinheit zum kontinuierlichen Steuern einer Durchflussmenge
bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art anzugeben, die sich durch ein effizientes und prozessstabiles
Einbringen eines Tiefbohrloches in Gestein auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Dadurch,
dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine in eine Speiseleitungsanordnung fluiddynamisch integrierte
Regeleinheit vorhanden ist, die ein in einer Ausgleichskammer in
einer axialen Richtung verschiebbares Strömungssteuerteil aufweist, wobei
die Ausgleichskammer mit einer Auslassfluidanordnung dynamisch verbunden
ist, lässt sich
die Durchflussrate in der entsprechenden Speiseleitungsanordnung
in Abhängigkeit
von der Stellung des auf die Druckverhältnisse im Bereich des Auslasses
reagierenden Strömungssteuerteils
einstellen. Dabei bewirken die Durchströmungshülse, der Nebenstromdurchlass
und die Stömungshomogenisierdüse stabile
und effiziente Strömungsverhältnisse.
Dadurch lässt
sich der Aufschmelzprozess sehr wirkungsvoll gestalten.
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Weitere
zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nachfolgend
werden zweckmäßige Ausführungsbeispiele
sowie deren Vorteile anhand der beigefügten Figurenbezeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in
einer schematischen anschaulichen Ansicht ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer ersten Ausgestaltung einer Penetrationseinheit, die an
eine Brennstoffanordnung und an eine Steueranordnung angeschlossen ist,
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2 in
einer anschaulichen Ansicht die Ausgestaltung der Penetrationseinheit
gemäß 1 in
einer Anordnung in einem Endbereich eines Tiefbohrloches,
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3 in
einer anschaulichen Ansicht eine weitere Ausgestaltung einer Penetrationseinheit
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung,
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4 in
einem Längsschnitt
eine weitere Ausgestaltung einer Penetrationseinheit für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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5 in
einer anschaulichen Darstellung einen Ausschnitt aus einem Durchströmkanal bei
den Penetrationseinheiten gemäß 1 bis 4,
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6 in
einer Ansicht eine weitere Ausgestaltung einer Penetrationseinheit
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit diversen Leitungen zum Anschliessen an eine Brennstoffanordnung
und an eine Steueranordnung,
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7 in
einer Stirnansicht die Penetrationseinheit gemäß 6,
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8 einen
Querschnitt der Penetrationseinheit gemäß 6 entlang
der Linie VIII-VIII von 7,
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9 einen
Längsschnitt
durch die Penetrationseinheit gemäß 6 entlang
der Linie IX-IX von 7,
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10 einen
Längsschnitt
durch die Penetrationseinheit gemäß 6 entlang
der Linie X-X von 7,
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11 einen
Längsschnitt
durch die Penetrationseinheit gemäß 6 entlang
der Linie XI-XI von 7,
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12 einen
Längsschnitt
durch die Penetrationseinheit gemäß 6 entlang
der Linie XII-XII von 7,
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13 in
einem Längsschnitt
ein Ausführungsbeispiel
einer Regeleinheit für
eine Penetrationseinheit für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie
sie insbesondere bei der anhand 4 und 6 bis 12 dargestellten
Ausgestaltungen von Penetrationseinheiten eingesetzt wird, in einer
Startstellung und
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14 in
einem Längsschnitt
die Regeleinheit gemäß 13 in
einer Betriebsstellung.
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1 zeigt
in einer schematischen anschaulichen Ansicht ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Penetrationseinheit 1 gemäß einer ersten Ausgestaltung,
die in der Darstellung gemäß 1 in
einem von festem Gestein 2 umgebenden Tiefbohrloch 3 angeordnet ist.
Die Penetrationseinheit 1 ist zum einen an eine Brennstoffanordnung 4 und
zum anderen an eine Steueranordnung 5 angeschlossen.
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Die
Brennstoffanordnung 4 verfügt bei diesem Ausführungsbeispiel
als Brennmedium über
in einem Wasserstoffvorratsbehälter 6 bevorrateten Wasserstoff
und über
in einem Sauerstoffvorratsbehälter 7 bevorrateten
Sauerstoff. Der Wasserstoffvorratsbehälter 6 ist über ein
Einlassventil 8, über
ein erstes Regelventil 9 und über ein zweites Regelventil 10 an
eine Wasserstoffzuführleitung 11 einer
ersten Speiseleitungsanordnung der Penetrationseinheit 1 angeschlossen.
Zwischen dem ersten Regelventil 9 und dem zweiten Regelventil 10 sind
ein erster Drucksensor 12 und ein Flusssensor 13 angeordnet. Das
zweite Regelventil 10 ist mit einem Volumensensor 14 verbunden,
während
zwischen dem zweiten Regelventil 10 und der Penetrationseinheit 1 ein zweiter
Drucksensor 15 angeordnet ist. Die Drucksensoren 12, 15,
der Flusssensor 13 und der Volumensensor 14 dienen
der Kontrolle des Druckes sowie der in die Penetrationseinheit 1 eingespeisten Menge
an Wasserstoff.
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Entsprechend
ist der Sauerstoffvorratsbehälter 7 über ein
weiteres Einlassventil 16, über ein weiteres erstes Regelventil 17 und über ein
zweites Regelventil 18 mit einer Sauerstoffzuführleitung 19 verbunden,
die der Penetrationseinheit 1 den in dem Sauerstoffvorratsbehälter 7 bevorrateten
Sauerstoff zuführt.
Zwischen dem weiteren ersten Regelventil 17 und dem weiteren
zweiten Regelventil 18 sind ein weiterer erster Drucksensor 20 und
ein weiterer Flusssensor 21 angeschlossen, während zwischen dem
weiteren zweiten Regelventil 18 und der Penetrationseinheit 1 ein
weiterer zweiter Drucksensor 23 mit der Sauerstoffzuführleitung 19 verbunden
ist. Mit dem weiteren ersten Regelventil 17, dem weiteren zweiten
Regelventil 18, dem weiteren ersten Drucksensor 20,
dem weiteren Flusssensor 21, dem weiteren Volumensensor 22 und
dem weiteren zweiten Drucksensor 23 ist der Druck und die
Menge des der Penetrationseinheit 1 zugeführten Sauerstoffs
regelbar.
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Die
Steueranordnung 5 bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
verfügt über eine
Steuerzentraleinheit 24, die beispielsweise in Gestalt
eines vorzugsweise mobilen Arbeitsplatzrechners ausgebildet ist.
Der Steuerzentraleinheit 24 sind über eine Signalwandlerschnittstelle 25 Daten
aus einem Messsignalverarbeitungsmodul 26 einer Messsignalerfassungseinheit 27 einspeisbar.
Das Messsignalverarbeitungsmodul 26 ist mit einem Wasserstoffregelmodul 28,
mit einem Sauerstoffregelmodul 29 sowie mit einem Penetrationsregelmodul 30 der
Messsignalerfassungseinheit 27 verbunden.
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An
das Wasserstoffregelmodul 28 sind die Ausgangssignale des
ersten Drucksensors 12, des Flusssensors 13, des
Volumensensors 14 und des zweiten Drucksensors 15 gelegt.
An das Sauerstoffregelmodul 29 sind die Ausgangssignale
des weiteren ersten Drucksensors 20, des weiteren Flusssensors 21,
des weiteren Volumensensors 22 und des weiteren zweiten
Drucksensors 23 gelegt. Das Messsignalverarbeitungsmodul 26 und
das Penetrationsregelmodul 30 sind über eine Signalleitungsanordnung 31 mit
der Penetrationseinheit 1 verbunden.
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Mit
der Steueranordnung 5 sind die Ausgangssignale der Sensoren 12 bis 15, 20 bis 23 zum Einstellen
der Regelventile 9, 10, 17, 18 so
verarbeitbar, dass der Druck und das Volumen von von der Penetrationseinheit 1 eingespeistem
Wasserstoff und Sauerstoff im Wesent lichen durch die Steuerzentraleinheit 24 vorbestimmten
Sollwerten entspricht.
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2 zeigt
in einer anschaulichen Ansicht die länglich ausgebildete Penetrationseinheit 1 gemäß 1 in
einer gegenüber
dem Massstab von 1 vergrösserten Darstellung. Aus 2 ist
ersichtlich, dass die Penetrationseinheit 1 in der Ausführung gemäß 1 und 2 über einen Schwanzabschnitt 32 verfügt, in den
insbesondere die in 2 dargestellte Wasserstoffzuführleitung 11 und
die Sauerstoffzuführleitung 19 münden. Der Schwanzabschnitt 32 ist
im Wesentlichen zylinderförmig
ausgebildet und verhältnismässig dicht
an der Seitenwand 33 des Tiefbohrloches 3 angeordnet.
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Auf
der den Enden der Wasserstoffzuführleitung 11 und
der Sauerstoffzuführleitung 19 abgewandten
Seite des Schwanzabschnittes 32 ist die Penetrationseinheit 1 mit
einem im Umfang gegenüber dem
Schwanzabschnitt 32 kleineren Schmelzenkanalabschnitt 34 aus
einem feuerfesten Material mit einem besonders hohen Schmelzpunkt
ausgebildet, der sich von dem Schwanzabschnitt 32 wegweisend im
Umfang kontinuierlich verjüngt.
Der Schmelzenkanalabschnitt 34 ist mit einer Anzahl von
wenigstens drei Schmelzenkanälen 35 ausgebildet,
die sich jeweils von einem dem Schwanzabschnitt 32 zugewandten
Schmelzenkanaleinlass 36 in Längsrichtung der Penetrationseinheit 1 unter
bis zu einem Scheitelbereich zu der Längsachse der Penetrationseinheit 1 hingebogener
Ausgestaltung und nach dem Scheitelbereich von der Längsachse
weggebogener Ausgestaltung zu einem dem Schwanzabschnitt 32 abgewandten
Schmelzenkanalauslass 37 erstrecken.
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Auf
der dem Schwanzabschnitt 32 abgewandten Seite des Schmelzenkanalabschnittes 34 verfügt die Penetrationseinheit 1 gemäß der in 1 und 2 dargestellten
Ausführung über einen
Kopfabschnitt 38, der aus einer Anzahl von rechtwinklig zu
der Längsachse der
Penetrationseinheit 1 ausgerichteten tellerartigen Kopfabschnittsegmenten 39 und
mit einem den Kopfabschnitt 38 abschließenden, von dem Schmelzenkanalabschnitt 34 wegweisenden
kalottenartig gewölbten
Stirnsegment 40 ausgebildet ist. Die Kopfabschnittsegmente 39 und
die in einem Abstand voneinander angeordneten Stirnsegmente 40 verfügen jeweils über eine
Anzahl von Auslasskanälen 41,
die teilweise parallel zu der Längsachse
der Penetrationseinheit 1 und teilweise schräg nach aussen
zu der Längsachse
der Penetrationseinheit 1 ausgerichtet ausgebildet sind.
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Der über die
Wasserstoffzuführleitung 11 der Penetrationseinheit 1 zugeführte und über eine
erste, in 2 nicht im Detail dargestellte
Speiseleitungsanordnung durch die Penetrationseinheit 1 durchgeführte Wasserstoff
und der über
die Sauerstoffzuführleitung 19 der
Penetrationseinheit 1 zugeführte und über eine zweite, in 2 nicht
im Detail dargestellte zweite Speiseleitungsanordnung durch die
Penetrationseinheit 1 durchgeführte Sauerstoff treten aus
den Freibereichen zwischen den Stirnsegmenten 40 sowie
den Auslasskanälen 41 aus
und bilden ein Brennstoffmedium, das nach Entzünden exotherm verbrennt, und,
wie in 2 durch einen gegenüber dem Tiefbohrloch 3 aufgeweiteten
Bodenbereich 42 dargestellt, mit der freigewordenen Wärme das
an den Kopfabschnitt 38 angrenzende feste Gestein 2 aufschmilzt.
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Durch
das aufgeschmolzene Gestein werden aufgrund der thermischen Spannungen
in dem anstehenden festen Gestein 2 eine Vielzahl von Klüften 43 erzeugt,
in die ein Teil des aufgeschmolzenen Gesteins, wie durch Pfeile
angedeutet, eintritt. Ein anderer Teil des aufgeschmolzenen Gesteins
steigt aufgrund des durch das Einspeisen des Brennmediums im Bodenbereich 42 erzeugten
Drucks in Richtung des Schwanzabschnittes 32 auf und bildet
in Umfangsrichtung um die Längsachse
der Penetrationseinheit 1 eine in 2 durch
spiralförmig
gebogene Wirbelpfeile angedeutete, den Schmel zenkanalabschnitt 34 umfänglich umschließende Wirbelringschleppe
aus. Ein Teilvolumen des in der Wirbelringschleppe vorhandenen geschmolzenen
Gesteins tritt in die Schmelzenkanaleinlässe 36 der Schmelzenkanäle 35 ein
und wieder aus den Schmelzenkanalauslässen 37 der Schmelzenkanäle 35 aus,
wobei durch eine weiter unten näher
erläuterte
Engführung
des Querschnitts der Schmelzenkanäle 35 ein die Penetrationseinheit 1 stabilisierender
Effekt hervorgerufen ist.
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Das
geschmolzene Gestein wiederum, das, wie durch entsprechende Pfeile
angedeutet, in den dem Schwanzabschnitt 32 benachbarten
Bereich des Tiefbohrloches 3 aufgestiegen ist, erkaltet
und bildet somit die Seitenwand 33 des Tiefbohrloches 3 aus.
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Durch
diesen im Wesentlichen kontinuierlichen Prozess des Aufschmelzens
von festem Gestein 2 im Bereich des Kopfabschnittes 38,
der Verpressens von geschmolzenem Gestein in den Klüften 43,
des Ablagerns von wieder verfestigtem Gestein 2 im Bereich
des Schwanzabschnittes 32 unter Ausnutzen des Stabilisierungseffektes
bei Durchströmen von
geschmolzenem Gestein durch die Schmelzenkanäle 35 lässt sich
die Penetrationseinheit 1 unter Ausbilden eines sich von
einer Eintrittsseite wegweisenden Richtung vertiefenden Tiefbohrloches 3 absenken.
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3 zeigt
in einer anschaulichen Ansicht eine weitere Ausführung einer Penetrationseinheit 1, wobei
sich bei der Ausgestaltung gemäß 1 und 2 sowie
bei der Ausgestaltung gemäß 3 einander
entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und
im Weiteren nicht näher erläutert sind.
Eine wesentliche Abänderung
bei der Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 gemäß 3 gegenüber der
Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 gemäß 1 und 2 besteht
darin, dass der Schmelzenkanalabschnitt 34 aus einem feuerfesten
Material mit einem besonders hohen Schmelzpunkt ausgebildet ist
und bei der Ausgestaltung gemäß 3 sich
in einem Mittenbereich zwischen dem Schwanzabschnitt 32 und
dem Kopfabschnitt 38 radial nach außen aufgeweitet erstreckt, wobei
die Schmelzenkanaleinlässe 36 auf
der dem Schwanzabschnitt 32 zugewandten Seite des Maximalumfangs
verhältnismässig dicht
an dem Maximalumfang liegen, während
die Schmelzenkanalauslässe 37 unmittelbar
benachbart des Kopfabschnittes 38 angeordnet sind. Durch
diese doppelglockenartige Ausgestaltung des Schmelzenkanalabschnittes 34 im
Bereich der Schmelzenkanäle 35 wird
die in Zusammenhang mit 2 erläuterte Wirbelbildung von geschmolzenem
Gestein fluiddynamisch unterstützt sowie
der Eintritt von geschmolzenem Gestein in die Schmelzenkanaleinlässe 36 erleichtert,
so dass sich der Stabilisierungseffekt erhöht.
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Die
Penetrationseinheit 1 gemäß 2 ist im Bereich
des Schmelzenkanalabschnittes 34 mit Mitteln ausgestattet,
die eine Verringerung des Querschnittes des Schmelzenkanalabschnittes 34 auf
einen in etwa den Querschnitten des Schwanzabschnittes 32 beziehungsweise
des Kopfabschnittes 38 entsprechenden Durchmesser bewirken,
um nach Erstellen des Tiefbohrloches 3 in der gewünschten Tiefe
die Penetrationseinheit 1 aus dem Tiefbohrloch 3 zu
entfernen. In einer demgegenüber
vereinfachten Ausgestaltung verfügt
die Penetrationseinheit 1 über einen Schmelzenkanalabschnitt 34 mit
unveränderlichen
Dimensionen, falls die Penetrationseinheit 1 nach Erstellen
des Tiefbohrloches 3 in diesem verbleiben soll.
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4 zeigt
in einer Schnittansicht eine weitere Ausführung einer länglichen
Penetrationseinheit 1 für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
wobei sich den beiden Ausgestaltungen gemäß 1 bis 3 und
bei der Ausgestaltung gemäß 4 einander entsprechende
Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und wenigstens
teilweise nicht näher
erläutert
sind. Die Penetrationseinheit 1 gemäß 4 verfügt in einem
Schwanzabschnitt 32 über
ein zylinderförmi ges
Schwanzabschlussrohr 45, das mit einem Endabschnitt in
ein tropfenartig ausgebildetes Mantelstück 46 aus einem feuerfesten
Material mit einem besonders hohen Schmelzpunkt eingefügt ist. Das
bei dieser Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 in dem
vorderseitig angeordneten Schmelzenkanalabschnitt 34 ausgebildete
Mantelstück 46 weist wenigstens
drei Schmelzenkanäle 35 auf,
die sich jeweils von einem dem Schwanzabschnitt 32 zugewandten
Schmelzenkanaleinlass 36 mit einer in Bezug auf die Längsachse
der Penetrationseinheit 1 konkav gekrümmten Mittellinie zu einem
dem Schwanzabschnitt 32 abgewandten Schmelzenkanalauslass 37 erstrecken.
Weiterhin lässt
sich 4 entnehmen, dass jeder Schmelzenkanal 35 zwischen dem
Schmelzenkanaleinlass 36 und dem Schmelzenkanalauslass 37 eine
durch einen gegenüber
den übrigen
Bereichen des Schmelzenkanals 35 minimalen Querschnitt
gekennzeichnete Engführung 47 aufweist.
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Auf
der dem Endbereich des Schwanzabschlussrohrs 45 gegenüberliegenden
Seite ist in das Mantelstück 46 ein
im Wesentlichen zylinderförmiger Kernblock 48 ebenfalls
aus einem feuerfesten Material mit einem sehr hohen Schmelzpunkt
eingefügt, der
das Mantelstück 46 an
einer Stirnseite 49 zwischen den Schmelzenkanalauslässen 37 abschliesst.
Auf der der Stirnseite 49 abgewandten Seite ist der Kernblock 48 mit
einer tellerartigen, mit einem umlaufenden Rand ausgebildeten Abschlusskappe 50 verbunden
und über
einen mit der Abschlusskappe 50 in Eingriff stehenden Fixierblock 51 in
dem Mantelstück 46 gehalten.
Der Fixierblock 51 ist auf seiner dem Kernblock 48 abgewandten
Seite abschnittsweise von dem Schwanzabschlussrohr 45 umgeben.
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Weiterhin
ist aus 4 ersichtlich, dass eine Sauerstoffzuführleitung 19 als
Teil einer ersten Speiseleitungsanordnung in eine weiter unten näher erläuterte Sauerstoffregeleinheit 52 als
Regeleinheit mündet,
die über
ein durch den Fixierblock 51 durchgreifendes erstes Durchführrohr 53 mit
einem zwischen dem Kernblock 48 und dem Fixierblock 51 beidseitig
der Abschlusskappe 50 ausgebildeten Sauerstoffverteilerraum 54 fluiddynamisch
in Verbindung steht. Ein zwischen der Abschlusskappe 50 und dem
Fixierblock 51 ausgebildeter Wasserstoffverteilerraum 54' steht mit einer
in 4 nicht dargestellten Wasserstoffregeleinheit
als weitere Regeleinheit fluiddynamisch in Verbindung.
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Der
Wasserstoffverteilerraum 54' steht
fluiddynamisch weiterhin mit in der Abschlusskappe 50 und
dem Kernblock 48 gehaltenen Düsenrohren 55 mit einem
gegenüber
dem ersten Durchführrohr 53 kleineren
Innenquerschnitt in Verbindung. Der Sauerstoffverteilerraum 54 steht
mit die Düsenrohre 55 umgebenden
Düsenrohrkanälen 55' in Verbindung.
Der in den Düsenrohren 55 strömende Wasserstoff
und der in den Düsenrohrkanälen 55' strömende Sauerstoff
wird an den der Stirnseite 49 zugewandten Enden der Düsenrohre 55 im
Bereich von an der Stirnseite 49 in den Kernblock 48 eingefügten Schutzkappenteilen 56 gemischt
und tritt in die die Penetrationseinheit 1 umschließende Umgebung
aus.
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Weiterhin
ist in 4 eine weitere Sauerstoffzuführleitung 19 erkennbar,
die als Teil einer zweiten Speiseleitungsanordnung mit einem durch den
Fixierblock 51 durchtretenden zweiten Durchführrohr 57 in
Verbindung steht, wobei das zweite Durchführrohr 57 gegenüber dem
Verteilerraum 54 gekapselt in den Kernblock 48 mündet. In
dem Kernblock 48 ist zum Zünden eine Zündungseinheit 58 angeordnet.
Auf der dem zweiten Durchführrohr 57 gegenüberliegenden
Seite der Zündungseinheit 58 ist in
den Kernblock 48 ein weiteres Schutzkappenteil 56 als
Abschluss der zweiten Speiseleitungsanordnung angeordnet, um entsprechend
der ersten Speiseleitungsanordnung die Verbindung mit der die Penetrationseinheit 1 umschliessenden
Umgebung zu schaffen.
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Um
die Penetrationseinheit 1 vor einer übermässigen Erwärmung beim Verbrennen des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs
unter Aufschmelzen von festem Gestein 2 zu schützen, verfügt die Penetrationseinheit 1 über eine
Kühlanordnung,
die bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 durch
eine zwischen dem Mantelstück 46 und
dem Kernblock 48 angeordnete labyrinthartige Leitungsanordnung
gebildet ist. Über
einen hohlzylinderartigen Separationsmantel 59, der mit
einem Ende mit dem Fixierblock 51 in Verbindung steht,
und der sich von dem Fixierblock 51 in Längsrichtung
der Penetrationseinheit 1 in Richtung der Stirnseite 49 erstreckt,
ist ein zwischen dem Mantelstück 46 und
dem Kernblock 48 ausgebildeter Kühlfluidaufnahmeraum 60 gekammert,
um ein effizientes Durchströmen
von in die Penetrationseinheit 1 eingespeistem Kühlfluid
zu gewährleisten.
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5 zeigt
in einer anschaulichen Darstellung zur Erläuterung des Stabilisierungseffekts
einen Ausschnitt aus einem Schmelzenkanal 35 zwischen dem
Schmelzenkanaleinlass 36 und einer Engführung 47. Aus 5 ist
ersichtlich, dass sich aufgrund der zunehmenden Querschnittsverengung
von dem Schmelzenkanaleinlass 36 zu der Engführung 47 sowie
durch Biegung des Schmelzenkanals eine Nettoimpulsdifferenz sowohl
im Betrag durch die sich erhöhende
Strömungsgeschwindigkeit
als auch in der Richtung durch Umlenkung ergibt. Eine Stabilisierung
ergibt sich bereits bei unterschiedlicher Richtung der Impulse entlang
der Bahn in dem Schmelzenkanal 35, selbst wenn keine Engführung 47 vorhanden
ist, so dass ein gewisser Stabilisierungseffekt auch bei einem gleichbleibenden
Querschnitt in dem gebogenen Schmelzenkanal 35 vorhanden
ist.
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Weiterhin
ergibt sich aus den Erläuterungen in
Zusammenhang mit 5, dass durch Verändern des
Querschnittes sowie der Biegung der Schmelzenkanäle 35 und die dadurch
bewirkte Änderung
der Impulsverhältnisse
die Ausrichtung der Penetrationseinheit 1 gesteuert werden
kann. Dies lässt
sich beispielsweise dadurch ausnüt zen,
dass auch gegenüber
der Richtung der Schwerkraft schräge Penetrationsschächte 3 erstellt
werden können.
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6 zeigt
in einer Ansicht eine weitere Ausgestaltung einer Penetrationseinheit 1 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei sich bei den Ausgestaltungen von Penetrationseinheiten 1 gemäß 1 bis 4 und
bei der Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 gemäß 6 einander
entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und
wenigstens teilweise im Detail nicht näher erläutert sind. Die Penetrationseinheit 1 in
der Ausgestaltung gemäß 6 weist
einen Schwanzabschnitt 32 und einen Kopfabschnitt 38 auf,
bei dem an einer dem Schwanzabschnitt 32 gegenüberliegenden
Stirnseite 49 Schutzkappenteile 56 angeordnet
sind. In den Schwanzabschnitt 32 münden eine Wasserstoffzuführleitung 11 und
eine Sauerstoffzuführleitung 19,
die jeweils mit einer in der Penetrationseinheit 1 ausgebildeten
Speiseleitungsanordnung zum Ausgeben von Wasserstoff und Sauerstoff
aus den Schutzkappenteilen 56 in Verbindung stehen.
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Weiterhin
sind in 6 eine Druckmessleitung 61 für einen
externen Drucksensor, eine Kühlmittelzuführleitung 62 und
eine Kühlmittelauslassleitung 63 zum
Zuführen
beziehungsweise Abführen
eines Kühlmittels,
ein Leitungsaufnahmerohr 64 für die Energiezufuhr zu der
Zündungseinheit 58 und
eine Messsignalleitung für
einen Temperatursensor dargestellt, die ebenfalls in den Schwanzabschnitt 32 der
Penetrationseinheit 1 münden.
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7 zeigt
in einer Ansicht die Penetrationseinheit 1 in der Ausgestaltung
gemäß 6 mit
Blick auf die Stirnseite 49. Aus 7 ist ersichtlich,
dass in einem Kernblock 48 eine Anzahl von Schutzkappenteilen 56 integriert
sind, um durch ein außermittig
angeordnetes Schutzkappenteil 56 Sauerstoff und über mittig
sowie konzentrisch um die Mitte angeordnete Schutzkappenteile 56 Wasserstoff
zum Ausbilden eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs als Brennmedium
abzugeben. Weiterhin lässt
sich 7 entnehmen, dass der Kernblock 48 von
einem aus einem feuerfesten Material mit einem sehr hohen Schmelzpunkt
hergestellten Mantelstück 65 umgeben
ist, das als massives Teil frei von innenseitig durchgreifenden Kanälen hergestellt
ist und eine Anzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden
Rippen 66 aufweist, die außenseitig eine Flachseite aufweisen.
Zwischen den Rippen 66 sind Nuten 67 ausgebildet,
die ebenfalls über
flache Außenseiten
verfügen.
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Weiterhin
weist die Ausgestaltung einer Penetrationseinheit 1 gemäß 7,
wie im übrigen auch
die Ausgestaltungen von Penetrationseinheiten 1 gemäß 1 bis 4,
einen Druckmesskanal 68 sowie einen Lichtausfallschacht 69 auf,
die in dem Kernblock 48 ausgebildet sind und auf der Stirnseite 49 in
die die Penetrationseinheit 1 umschließende Umgebung münden.
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8 zeigt
einen Querschnitt durch die Penetrationseinheit 1 gemäß 6 und 7 entlang der
Linie VIII-VIII von 7 im Bereich des Schwanzabschnittes 32.
Aus 8 ist die Anordnung der Wasserzuführleitung 11,
der Sauerstoffzuführleitung 19,
der Kühlmittelzuführleitung 62 sowie
der Kühlmittelauslassleitung 63 ersichtlich.
Weiterhin sind in 8 eine Temperaturmessöffnung 71 für den Temperatursensor,
eine Lichtausfallöffnung 72 für aus der Stirnseite 49 der
Penetrationseinheit 1 stammendes Licht, ein Energieversorgungsleitungskanal 73,
ein Kühlmittelauslasstemperatursignalleitungskanal 74 zum
Aufnehmen einer Temperatursignalleitung für ein Kühlmittelauslasstemperatursignal
und eine Energiezuführleitung 75 für die elektrisch
betriebenen Bauelemente im Innern der Penetrationseinheit 1 dargestellt.
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9 zeigt
einen Längsschnitt
der Ausgestaltung einer Penetrationseinheit 1 gemäß 6 bis 8 entlang
der Linie IX-IX von
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7.
Aus 9 ist ersichtlich, dass sich der Druckmesskanal 68 durch
den Kernblock 48 hindurch erstreckt und mit einem Drucksensor 76 in
Verbindung steht, der ein dem in der die Penetrationseinheit 1 umschließenden Umgebung
herrschenden Druck entsprechendes Drucksignal dem bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 erläuterten
Messsignalverarbeitungsmodul 26 einspeist.
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Weiterhin
weist die Penetrationseinheit 1 in der Ausgestaltung gemäß 6 bis 9 als
auch in den Ausgestaltungen gemäß 1 bis 4 einen
Temperatursensor 77 auf, der mit einem sich von der der
Stirnseite 49 abgewandten Seite des Fixierblockes 51 durch
den Kernblock 38 bis nahe der Stirnseite 49 erstreckenden
geschlossenen Temperaturmesskanal 78 in Verbindung steht,
um die Temperatur im Bereich der Stirnseite 49 zu messen.
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In 9 ist
weiterhin eine Kühlmediumabführleitung 79,
ein Temperatursensorzuführkanal 80 sowie
ein Lichteinfallschacht 81 zu einem photovoltaischen Sensor
dargestellt.
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10 zeigt
die Penetrationseinheit 1 in der Ausgestaltung gemäß 6 bis 9 im
Längsschnitt
entlang der Linie X-X von 7. Aus 10 ist
ersichtlich, dass die Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 gemäß 6 bis 10,
wie auch die Ausgestaltungen von Penetrationseinheiten 1 gemäß 1 bis 4, über eine
Optikeinheit 82 verfügt, die über einen
Lichteinfallschacht 83 einfallende elektromagnetische Strahlung
aus einer typischerweise zu spektroskopischen Zwecken verwendeten externen
Strahlungsquelle wie einem Laser in den den Fixierblock 51 und
den Kernblock 48 querenden Lichtausfallschacht 69 überführt sowie
aus der die Penetrationseinheit 1 umschließenden Umgebung rückgeworfene
Strahlung über
den Lichtausfallschacht 69 sowie den Lichteinfallschacht 83 auf
einen an das Messsignalverarbeitungsmodul 26 gemäß 1 angeschlossenen
Lichtsensor zurückführt, um
aufgrund spektroskopisch gewonnener Daten Informationen über die
Verhältnisse
im Bereich der Stirnseite 49 der Penetrationseinheit 1 zu
gewinnen.
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11 zeigt
die Penetrationseinheit 1 in der Ausgestaltung gemäß 6 bis 10 in
einem Längsschnitt
entlang der Linie XI-XI von 7. Aus 11 ist
insbesondere ersichtlich, dass die Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 gemäß 6 bis 11 im
wesentlichen der Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 gemäß 4 entspricht.
Aus 11 ist ersichtlich, dass die Sauerstoffregeleinheit 52 mit einem
Anschlussstück 84 an
die Sauerstoffzuführleitung 19 angeschlossen
ist. Das Anschlussstück 84 steht
mit einem im wesentlichen hohlzylinderartig ausgebildeten Gehäuseteil 85 in
Verbindung, das eine Ausgleichskammer 86 umschließt und an
seinem dem Anschlussstück 84 abgewandten
Ende mit einem rohrartigen Verbindungsstück 87 in Eingriff
ist, das in den zwischen dem Kernblock 48 und der Abschlusskappe 50 ausgebildeten
Teil des Verteilerraumes 54 mündet.
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Weiterhin
ist die Sauerstoffregeleinheit 52 mit einem Führungsstück 88 ausgestattet,
das sich an das Anschlussstück 84 anschließt und innerhalb des
Gehäuseteiles 85 angeordnet
ist. Das hohlzylinderartig ausgebildete Führungsstück 88 umschließt ein Strömungssteuerteil 89,
das in dem Führungsstück 88 in
Längsrichtung
verschiebbar gelagert ist. Auf der dem Anschlussstück 84 abgewandten
Seite des Führungsstückes 88 verfügt die Sauerstoffregeleinheit 52 über eine
Durchströmungshülse 90,
deren von dem Führungsstück 88 abgewandter
Auslass in eine Strömungshomogenisierdüse 91 mündet, die wiederum
einen Auslass in das Verbindungsstück 87 besitzt.
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Die
Strömungshomogenisierdüse 91 weist einen
verhältnismäßig steil
angestellten und sich von der Durchströmhülse 90 wegweisend
verjüngenden Einströmtrichter,
eine im Endbereich des Einströmtrichters
ausgebildete Engstelle und einen dem Einströmtrichter ge genüberliegenden,
sich von der Durchströmhülse 90 wegweisend
gegenüber
dem Einströmtrichter
mit einer geringeren Steigung erweiternden Ausströmtrichter
auf. Dadurch ergibt sich eine fluiddynamische Homogenisierung der
aus der Sauerstoffregeleinheit 52 austretenden Strömung.
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12 zeigt
der Ausgestaltung der Penetrationseinheit 1 gemäß 6 bis 11 im
Längsschnitt
entlang der Linie XII-XII von 7. Aus 12 ist
ersichtlich, dass eine Kühlmittelabführleitung 92 vorhanden
ist, die über
eine den Fixierblock 51 querende Kühlmittelkanalanordnung 93 in
den Kühlfluidaufnahmeraum 60 mündet, um
erwärmtes Kühlmedium
aus der Penetrationseinheit 1 abzuführen. Weiterhin lässt sich 12 entnehmen,
dass die größtenteils
wie die Sauerstoffregeleinheit 52 aufgebaute Wasserstoffregeleinheit 52' als Regeleinheit
in den zwischen dem Fixierblock 51 und der Abschlusskappe 50 ausgebildeten
Wasserstofferteilerraum 54' mündet.
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13 zeigt
in einer vergrösserten
Darstellung den Aufbau einer Sauerstoffregeleinheit 52 gemäß 11 und 12.
Aus 13 ist ersichtlich, dass die Durchströmhülse 90 über seitliche
Nebenstromdurchlässe 94 verfügt, die
radial zu der Längsachse
der Durchströmungshülse 90 ausgerichtet sind
und eine ununterbrochene Verbindung zwischen dem von dem Gehäuseteil 85 umschlossenen
Volumen und der Strömungshomogenisierdüse 91 schaffen.
Weiterhin lässt
sich 13 entnehmen, dass das Strömungssteuerteil 89 mit
einem kegelstumpfartig ausgebildeten Kopfabschnitt 95 ausgestattet
ist, der einen in dem Führungsstück 88 verschiebbar
gelagerten Rückabschnitt 96 zu
der Durchströmungshülse 90 abschließt.
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In
der in 13 dargestellten Anfangsstellung
des Strömungssteuerteiles 89 liegt
der Kopfabschnitt 95 dicht an einer komplementär zu der
Außenseite
des Kopfabschnittes 95 ausgebildeten Sitzfläche 97 der
Durchströmungshülse 89 an,
so dass bei Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus der Wasserstoffzuführleitung 11 einströmender Wasserstoff
zunächst
lediglich über
die Nebenstromdurchlässe 94 geleitet
aus der Penetrationseinheit 1 austreten kann. Bei zunehmendem
Druckaufbau in der die Penetrationseinheit 1 umschließenden Umgebung
wird das Strömungssteuerteil 89 von
der Durchströmungshülse 90 weg
in Richtung des Anschlussstückes 84 verschoben.
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14 zeigt
die Sauerstoffregeleinheit 52 gemäß 13 in
einer betriebstypischen Anordnung, in der sich das Strömungssteuerteil 89 in
einem Abstand von der Durchströmungshülse 90 befindet.
In dieser Stellung des Strömungssteuerteils 89 ist
nunmehr der fluiddynamisch wirksame Querschnitt der Sauerstoffregeleinheit 52 gegenüber der Stellung
gemäß 13 erhöht, so dass
Sauerstoff mit einer höheren
Durchflussrate in die die Penetrationseinheit 1 umschließende Umgebung
einströmt. Falls
es zu Änderungen
in der die Penetrationseinheit 1 umschließenden Umgebung
kommt, wie dies beispielsweise bei einem verhältnismäßig abrupten Druckabfall aufgrund
des schnellen Eintretens erheblicher Volumina an geschmolzenem Gestein
in Klüfte 43 vorkommen
kann, verschließt
das dann sich wieder an die Durchströmungshülse 90 anlegende Strömungssteuerteil 89 einen
erheblichen fluiddynamisch wirksamen Querschnitt der Sauerstoffregeleinheit 52,
so dass sich wie in der Anordnung gemäß 13 zunächst wieder über die
Nebenstromdurchlässe 94 ein
für einen
kontinuierlichen Betrieb erforderlicher Druck aufbauen muss, bevor
das Strömungssteuerteil 89 wieder
die Anordnung gemäß 14 einnimmt.
Auch diese Art und Weise ist eine sehr wirksame und insbesondere
von äußerem Einwirken
unabhängige
selbsttätige
Regelung der Durchflussrate durch die Sauerstoffregeleinheit 52 erzielt.
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Die
Wasserstoffregeleinheit 52' weicht
von der Sauerstoffregeleinheit 52 dahingehend ab, dass bei
der Wasserstoffregeleinheit 52' der wirksame Auslassquerschnitt
kleiner als bei der Sauerstoffregeleinheit 52 ist.
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Es
sei an dieser Stelle festgestellt, dass das Ausstatten der mit Schmelzenkanälen 35 ausgebildeten
Ausführungsbeispiele
gemäß 1 bis 4 mit
einer Sauerstoffregeleinheit 52 und mit einer Wasserstoffregeleinheit 52' bevorzugt ist.
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Aus
der vorangegangenen Beschreibung der Ausführungsbeispiele und Ausgestaltungen
ist ersichtlich, dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Einbringen
eines Tiefbohrloches 3 durch Verarbeitung einer Anzahl
von Parametern verhältnismäßig präzise steuern
lässt.
Zu diesen Parametern gehören
neben den bereits genannten Parametern insbesondere auch:
- – Temperaturen
an der Seitenwand 33 des Tiefbohrloches 3 sowie
an der Stirnseite 49 der Penetrationseinheit 1
- – Druck
an der Stirnseite 49 der Penetrationseinheit 1
- – seismische
Verhältnisse
im Tiefbohrloch 3
- – Austrittstemperatur
des Kühlmediums
- – Stöchiometrie,
Durchflussrate und Injektionsdruck des Brennmediums
- – Absenkgeschwindigkeit
und Position der Penetrationseinheit 1 durch eine Beschleunigungsmesseinheit
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Das
Aufnehmen, Gewinnen und Verarbeiten dieser Parameter erfolgt durch
die vorangehend erwähnten
Sensoren sowie durch im Detail nicht näher erläuterte Elemente der Steueranordnung 5.