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Die Erfindung betrifft einen Schmelzkopf einer Eis-Schmelzvorrichtung, umfassend einen bezüglich der Propagationsrichtung hinteren Befestigungsbereich zur Befestigung an einer Bohrvorrichtung oder einem Bohrgestänge und einen bezüglich der Propagationsrichtung vorderen beheizbaren Frontbereich. Eine erstellte Verbindung aus einem solchen Schmelzkopf und der Bohrvorrichtung bzw. einem Gestänge kann sodann bevorzugt eine Eis-Schmelzvorrichtung bilden.
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Unter der Propagationsrichtung wird die Richtung verstanden in der sich der Schmelzkopf bzw. eine damit gebildete Eis- Schmelzvorrichtung bei bestimmungsgemäßer Verwendung schmelzend im Eis fortbewegt. Die Propagationsrichtung ist dabei bevorzugt übereinstimmend mit einer Mittenachse, insbesondere Mittenlängsachse des Schmelzkopfes und/oder einer damit gebildeten Eis-Schmelzvorrichtung.
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Schmelzköpfe dieser Art sind allgemein im Stand der Technik bekannt und werden eingesetzt um Bohrungen in Eis durchzuführen, insbesondere dadurch, dass durch den beheizten Frontbereich des Schmelzkopfes das den Schmelzkopf umgebende Eis aufgeschmolzen wird und der Schmelzkopf zusammen mit der damit verbundenen Bohrvorrichtung bzw. dem Bohrgestänge in Schwerkraftrichtung durch die wirkende Gewichtskraft in die Tiefe vordringt. Ggfs. kann mittels eines Bohrgestänges auch eine zusätzliche treibende Kraft ausgeübt werden.
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Der Stand der Technik und auch die hier weiterhin beschriebene Erfindung kann vorsehen, dass Heizelemente innerhalb des Schmelzkopfes mit Energie versorgt werden, die durch die Bohrvorrichtung oder das Gestänge bereitgestellt wird.
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Z.B. kann es vorgesehen sein, dass eine Bohrvorrichtung ein zylindrisches Gehäuse ausbildet, an dessen in Propagationsrichtung vorderen Ende der Schmelzkopf mit seinem hinteren Befestigungsbereich befestigt ist. Der Schmelzkopf hat bevorzugt einen maximalen Außenquerschnitt, insbesondere Durchmesser, der dem Querschnitt, insbesondere Durchmesser der zylindrischen Bohrvorrichtung entspricht. Im Inneren der Bohrvorrichtung kann z.B. eine Energiequelle, ggfs. auch eine weitere Elektronik mitgeführt werden, insbesondere z.B. auch ein abspulbarer Kabelvorrat, um eine Kommunikationsmöglichkeit und/oder eine Energieübertragung über das Kabel zwischen der Bohrvorrichtung und der Über-Tage-Oberfläche bereitzustellen.
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Ein mögliches Einsatzgebiet ist z.B. die Erstellung von Bohrungen in Wasser-Eis, z.B. in Gletschergebieten oder auch arktischen Gebieten der Erde. Eine Anwendung ist ebenso gegeben bei der Erstellung von Bohrungen in die Eisoberfläche von erdfernen astronomischen Körpern (z.B. Planeten, Monde, Kometen etc.). Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass der Begriff „Eis“ nicht auf Wasser-Eis beschränkt ist. Unter Eis im Sinne der Erfindung wird auch jeglicher andere Stoff verstanden, der im festen Zustand vorliegt und mittels der Wärme des Schmelzbohrkopfes in einen anderen Aggregatzustand überführt werden kann, insbesondere in den flüssigen Zustand oder sogar gasförmigen Zustand.
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Schmelzköpfe von Schmelzbohrvorrichtungen weisen wie eingangs genannt Heizelemente auf, mit denen Wärme erzeugt wird, z.B. durch Widerstandsbeheizung, die durch Wärmeleitung zwischen dem Heizelement und dem Material des Schmelzkopfes an dessen äußere Oberfläche transportiert wird, um dort den Schmelzprozess hervorzurufen.
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Ein Wärmetransport erfolgt dabei im Regelfall nicht nur von den typischerweise mehreren Heizelementen nach außen zur hierdurch beheizten Fläche des Frontbereiches des Schmelzkopfes, sondern auch in das Innere des Schmelzkopfes und der gesamten Bohrvorrichtung, was zu Problemen führen kann.
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Beispielsweise kann es im Inneren zu einem Wärmestau kommen, der auf die mitgeführte Elektronik oder Energiespeicher zurückwirken kann. Weiterhin steht die zum Inneren abgegebene Wärme effektiv auch nicht oder nur mit verringertem Wirkungsgrad für die Beheizung der Schmelzkopffront zur Verfügung und geht somit ggfs. über die hinteren Bereiche des Schmelzkopfes oder der Bohrvorrichtung verloren ohne zum Schmelzbohrfortschritt beigetragen zu haben.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Schmelzkopf bereit zu stellen, mit dem es ermöglich wird, die genannten Nachteile zu überwinden, insbesondere die von Heizelementen im Schmelzkopf nach außen und nach innen abgegebene Wärmemenge besser nutzbar zu machen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Frontbereich des Schmelzkopfes einen radial außen liegenden Flächenbereich aufweist, in welchem der Frontbereich in der Propagationsrichtung bis zum vorderen axialen Schmelzkopfende im Außenquerschnitt sich verjüngend ausgebildet ist, insbesondere im Außendurchmesser verjüngend ausgebildet ist, und der radial außen liegende Flächenbereich eine innere Ausnehmung, insbesondere in Propagationsrichtung offene innere Ausnehmung umgibt, deren freier Innenquerschnitt sich vom axialen Schmelzkopfende entgegen der Propagationsrichtung verringert. Die Ebene, in der das axial vordere Schmelzkopfende liegt, bildet hierbei bevorzugt auch die Ebene der Öffnung der inneren Ausnehmung. Bevorzugt liegt ein Normalenvektor auf dieser (Öffnungs-) Ebene parallel zur Propagationsrichtung.
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Die hier benannten Außen- und Innenquerschnitte verstehen sich als betrachtet senkrecht zur Propagationsrichtung.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erzielt, dass der beheizte Frontbereich sowohl eine beheizte in radialer Richtung außen liegende Fläche aufweist als auch eine beheizte in radialer Richtung innen liegende Fläche, nämlich die der inneren Ausnehmung.
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Insbesondere wird die radiale Richtung als senkrecht zur Propagationsrichtung bzw. Mittenlängsachse des Schmelzkopfes verstanden. Radial innen liegend und außen liegend bedeutet in Verbindung mit den damit genannten Flächen, dass die innen liegende Fläche einen kleineren radialen Abstand zur Mittenachse aufweist als die außen liegende Fläche.
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Sowohl die innere als auch die äußere Fläche des Frontbereiches sind durch die jeweiligen Verjüngungen in bzw. entgegen axialer Richtung zur Propagationsrichtung nicht parallel bzw. zur Propagationsrichtung geneigt, so dass durch die Bewegung des Schmelzkopfes in Propagationsrichtung sich eine effektive Kraftbeaufschlagung des umgebenden Eises durch diese Flächenbereiche ergibt.
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Durch diese Neigungen der inneren und äußeren Flächen ergeben sich bei Betrachtung einer gedachten Projektion dieser Flächen in Richtung der Propagation bzw. der Mittenachse des Schmelzkopfes jeweilige Projektionsflächen die somit senkrecht zur Propagation liegen und durch das Eis beaufschlagt sind.
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Die innere Projektionsfläche entspricht dabei faktisch dem inneren freien Querschnitt der inneren Ausnehmung in der Ebene des vorderen axialen Schmelzkopfendes. Die äußere Projektionsfläche bildet einen die innere Projektionsfläche umgebenden Ring, dessen Außenquerschnitt, insbesondere Außendurchmesser dem maximalen Außenquerschnitt des Schmelzkopfes und bevorzugt der gesamten Bohrvorrichtung entspricht.
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Die durch den Wärmtransport von den Heizelementen nach außen und nach innen abgegebene Wärmemenge kann somit deutlich besser zur Umgebung abgeführt werden und zwar erfindungsgemäß jeweils über den Frontbereich des Schmelzkopfes was zu einem verbesserten Bohrfortschritt beiträgt und einem inneren Wärmestau vorbeugt.
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Durch die beschriebene Ausführung bildet das vordere axiale Schmelzkopfende einen Rahmen, insbesondere einen Ring, über den der radial außen liegende Flächenbereich und die Fläche der inneren Ausnehmung ineinander übergehen. Die in Propagationsrichtung weisende Stirnseite dieses Rings kann z.B. scharfkantig oder ballig (bzw. gerundet) oder abgeflacht ausgebildet sein.
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Aufgrund der Außenquerschnittsvergrößerung des radial äußeren Flächenbereichs ausgehend vom vorderen Schmelzkopfende entgegen der Propagationsrichtung und der Innenquerschnittsverringerung der Ausnehmung entgegen der Propagationsrichtung ergibt es sich, dass der Frontbereich des Schmelzkopfes einen in axialer Richtung erstreckten Ringbereich ausbildet, dessen Ringbreite, also die Differenz von Außen- zu Innenquerschnitt vom vorderen axialen Schmelzkopfende entgegen der Propagationsrichtung zunimmt, insbesondere bis zur axialen Position des Bodengrundes der inneren Ausnehmung.
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Es stellt eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung dar, wenn die Heizelemente zumindest bereichsweise, insbesondere zumindest mit deren die Wärme abgebenden Spitzenbereichen, in dem Material des Frontbereiches des Schmelzkopfes angeordnet sind, welches zwischen der sich verjüngenden Außenfläche und der Fläche der inneren Ausnehmung angeordnet ist, also faktisch im Material des benannten Ringbereiches des Frontbereichs. Hierdurch wird besonders gut sichergestellt, dass die von den Heizelementen abgegebene Wärme sowohl über den verjüngten Außenflächenbereich als auch die Innenfläche der Ausnehmung durch einen besonders kurzen, insbesondere nahezu radialen Transport zur Umgebung abgeführt werden kann und zum Aufschmelzen beiträgt.
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Besonders bevorzugt kann der Schmelzkopf mehrere Heizelemente umfassen, insbesondere die jeweils in rückwärtige, insbesondere entgegen der Propagationsrichtung offene Ausnehmungen des Schmelzkopfes eingesetzt sind, wobei die Heizelemente und/oder Ausnehmungen jeweils einen radialen Abstand zur Mittenachse des Schmelzkopfes aufweisen, der dem radialen Abstand des rahmen- oder ringförmigen axial vorderen Schmelzkopfendes zumindest im Wesentlichen entspricht, insbesondere dem radialen Abstand des Schmelzkopfendes entspricht. Hierdurch wird erzielt, dass der Transportweg zur inneren Fläche und der Transportweg zur äußeren Fläche zumindest im Wesentlichen gleich lang ist.
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Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die axiale Länge des sich verjüngenden radial außen liegenden Flächenbereichs und die axiale Tiefe der inneren Ausnehmung gleich sind. Auch dies trägt zur Vergleichmäßigung des Wärmetransports bei.
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Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass in einem Bereich zwischen dem Schnittpunkt der inneren Ausnehmung mit der Mittenachse des Schmelzkopfes und dem vorderen axialen Schmelzkopfende die Flächengrößen von der radial außen liegenden Fläche und der Fläche von der inneren Ausnehmung gleich sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass durch diese jeweiligen Flächen pro Zeiteinheit zumindest im Wesentlichen dieselbe Wärmemenge abtransportiert werden kann, insbesondere was wiederum den Wärmetransport nach innen und nach außen vergleichmäßigt.
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Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn, insbesondere in Kombination mit vorgenannter Ausführung, die in Propagationsrichtung projizierten Flächen von dem äußeren Flächenbereich und der inneren Ausnehmung gleich groß sind, insbesondere da sodann durch die Propagation auf die Innen- und Außenfläche eine zumindest im wesentlichen gleiche Kraftbeaufschlagung erfolgt.
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Bei allen möglichen Ausführungen kann es die Erfindung bevorzugt vorsehen, dass der außen liegende Flächenbereich und die innere Ausnehmung um eine in Propagationsrichtung liegende Mittenachse des Schmelzkopfes n-fach drehsymmetrisch, bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Bei n-facher Drehsymmetrie ist der Außen- bzw. Innenquerschnitt des Schmelzkopfes (betrachtet senkrecht zur Propagation) n-polygonal, bzw. die jeweiligen Außen- bzw. Innenflächen facettiert und bei rotationssymmetrischer Ausbildung ist der jeweilige Querschnitt somit kreisförmig.
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Eine bevorzugte, insbesondere rotationssymmetrische Geometrie des Schmelzkopfes kann es vorsehen, dass der äußere Flächenbereich und die Fläche der inneren Ausnehmung jeweils einem Kegelabschnitt oder einem Abschnitt eines Paraboloids entspricht.
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Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass der sich verjüngende Frontbereich einem um die Mittenachse rotationssymmetrischen Rotationskörper, insbesondere Kegelabschnitt oder Paraboloidabschnitt entspricht, dessen Spitzenbereich an der Ebene, in welcher das vordere axiale Schmelzkopfende liegt, zur Bildung der Ausnehmung zum Inneren des Schmelzkopfes umgeklappt ist.
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Insbesondere kann die Form, insbesondere die Querschnittform betrachtet längs der Mittenachse des äußeren Flächenbereiches und der inneren Ausnehmung abgesehen vom Vorzeichen und einer axialen Verschiebung, insbesondere einer axialen Verschiebung von doppelter axialer Länge des Frontbereiches, derselben mathematischen Funktion in Abhängigkeit vom radialen Abstand von der Mittenachse gehorchen.
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Ausführungen der Erfindung werden anhand der Figuren näher beschrieben.
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Die 1A bis 1D zeigen verschiedene Geometrien der Außenfläche 1a und Innenfläche 1b eines erfindungsgemäßen Schmelzkopfes 1 im Querschnitt, d.h. geschnitten in einer Ebene, in der die Mittenachse 2 des Schmelzkopfes 1 liegt.
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Die Propagationsrichtung 3 ist dabei für alle 1 anhand des Pfeiles links von den 1 visualisiert.
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Erkennbar ist für alle Ausführungen der 1, dass der Frontbereich 1c des Schmelzkopfes1 den radial außen liegenden Flächenbereich 1a umfasst. Dieser Flächenbereich ist im Querschnitt senkrecht zur Mittenachse 2 in Richtung der Propagation verjüngend ausgebildet. Bei der hier vorliegenden Rotationssymmetrie nimmt somit der Außendurchmesser des äußeren Flächenbereiches 1a in einer Richtung vom hinteren Befestigungsbereich 4 zum axial vorderen Schmelzkopfende 1d ab. Der Beginn der Verjüngung am Kragen 1e definiert hierbei bevorzugt den axialen Anfang des Frontbereiches und das Schmelzkopfende 1d das Ende des Frontbereiches.
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Die oberen Kreisflächendarstellungen über den 1A bis 1D visualisieren die in Propagationsrichtung bzw. Richtung der Mittenachse 2 projizierten Flächen des radial außen liegenden Flächenbereiches und der inneren Fläche 1b der jeweiligen Ausnehmung 5. Gemäß den Angaben über den projizierten Flächen p1a und p1b repräsentieren die Ausführungen die Möglichkeiten die Größen der Flächen 1a und 1b bzw. die Größen der Projektionen p1a und p1b gleich oder unterschiedlich groß zu gestalten, insbesondere mit den besonderen Vorteilen, wie sie im allgemeinen Beschreibungsteil genannt sind.
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1A repräsentiert hier eine Ausführung, bei welcher die innere Fläche 1b und die äußeren Fläche 1a im hier gezeigten Querschnitt jeweils durch eine Parabel beschrieben werden. Die beiden Parabeln unterscheiden sich nur im Vorzeichen und einem Offset entlang der Mittenachse 2 und sind ansonsten gleich parametriert. Damit gehorcht die mathematische Beschreibung der Querschnittsform beider Flächen derselben Funktion in Abhängigkeit vom radialen Abstand zur Mittenachse 2 abgesehen vom Offset und einer Inversion. Durch die Rotationssymmetrie ergibt sich bei 1A im Raum die Form eines Paraboloidabschnittes beider Flächen.
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Das gleiche kann für die 1B bis 1D gelten, wobei hier die Funktion eine Gerade beschreibt, was bei der Rotationssymmetrie im Raum zu einer Kegelabschnittform beider Flächen führt.
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Die 2 zeigen verschiedene Ausführungen des Schmelzkopfes 1 gemäß 1A, also mit einer jeweiligen Paraboloidform der inneren und äußeren Flächen 1b und 1a.
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Bei 2A bildet das vordere axiale Schmelzkopfende 1d an der axialen Stirnseite eine scharfkantige Form, bei 2B bildet das Schmelzkopfende 1d eine gerundete bzw. ballige Form und bei 2C eine abgeflachte Form.
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Die Figuren visualisieren weiterhin Ausnehmungen 6 die zur Aufnahme von Heizelementen dienen, bzw. die Heizelemente 6'selbst. Dies ist ergänzend in der 3 deutlicher dargestellt. Hier erkennt man, dass die Ausnehmungen 6 bzw. Heizelemente 6' alle auf einem Kreis mit demjenigen Radius angeordnet sind, welcher dem radialen Abstand des Schmelzkopfendes 1d von der Mittenachse 2 entspricht.
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Hierdurch liegen zumindest die wärmeabgebenden Spitzen der Heizelemente 6', bevorzugt zentriert, im Ringbereich 7 des Frontbereiches des Schmelzkopfes, so dass deren Wärmeabgabe sowohl nach außen als auch nach innen auf kurzem Weg erfolgen kann.
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Rechtsseitig in der 3 ist dargestellt, dass sich an den rückwärtigen Befestigungsbereich 4 eine Bohrvorrichtung 8 mit zylindrischem Gehäuse nach hinten anschließt, welches z.B. hier nur symbolisch dargestellte Energiequellen (9) für die Heizelemente (6') oder sonstige Elektronik (9) oder Kabel (10) aufnehmen kann. Der Schmelzkopf (1) bildet somit zusammen mit dieser Bohrvorrichtung (8) eine Eis-Schmelzvorrichtung.
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4 verdeutlich, dass in bevorzugter Ausführung sowohl die Außenfläche 1a als auch die Innenfläche 1b der Ausnehmung 5 durch dieselbe Parabelformel P beschrieben werden und sich nur unterscheiden durch eine Inversion I und einen Offset O entlang der Mittenachse 2.
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Das axial vordere ringförmige Schmelzkopfende liegt bei der hier dargestellten Parametrierung an der Position
Hier gehen die Innenflächen und Außenflächen
1a,
1b ineinander über.
R ist dabei der maximale Außendurchmesser des Schmelzkopfes
1 und h die Tiefe der Ausnehmung
5 bzw. Höhe des verjüngten Frontbereiches bzw. Ringbereiches
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