DE3343555C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschleuni­ gung einer Flüssigkeitsmenge mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Vorrichtung ist in erster Linie bestimmt zum Schnei­ den und Brechen von harten Substanzen, wie beispielswei­ se Gestein, Straßenpflaster oder gefrorener Boden. Ein traditionelles im Berg- und Straßenbau verwendetes Verfahren ist die Sprengung, bei der Sprengstoffe in mit großem Aufwand hergestellte Bohrlöcher eingebracht werden. Dieses Verfahren verursacht erhebliche Geräusch­ belästigungen, ist gefährlich und erfordert einen großen Zeit- und Kostenaufwand.

Ein anderes bekanntes Verfahren besteht in der Anwendung von mechanischen Bohr- und Brechwerkzeugen, für die der bekannte Bohrhammer ein typisches Beispiel ist. Diese Vorrichtungen sind gut entwickelt und weithin gebräuch­ lich. Sie sind jedoch im allgemeinen schwer und schwer zu handhaben, beanspruchen den Arbeiter stark und brechen das Gestein zu langsam.

Noch ein anderes Verfahren zum Brechen und Trennen harter fester Substanzen, das noch nicht weithin ge­ bräuchlich ist, verwendet einen pulsierenden Flüssig­ keitsstrahl. Ein pulsierender Flüssigkeitsstrahl kann kurzzeitig eine sehr große Strahlkraft bei mäßiger Anschlußleistung erreichen, indem Energie über einen Zeitraum gespeichert wird, der im Vergleich zur Strahl­ dauer lang ist. Pulsierende Flüssigkeitsstrahlen sind an sich bekannt und erreichen typischerweise Geschwindig­ keiten von einigen tausend Kilometern pro Stunde und Staudrücke von einigen 10 000 bar. Experimentelle Labo­ ratoriumsergebnisse einiger Forscher haben die Wirksam­ keit dieser pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen im Einzel­ schußverfahren zum Brechen und Trennen schwer bearbeit­ barer Substanzen, wie Straßenbelag und Fels, demon­ striert.

Pulsierende Strahlvorrichtungen verwenden vorzugsweise eine "Sammel"-Düse, wie beispielsweise die in der US-PS 33 43 794 beschriebene Vorrichtung, bei der eine Energie enthaltende Flüssigkeitsmenge dem Einlaß einer trockenen Düse zugeführt wird. Der vorderste Abschnitt der Flüssigkeitsmenge wird stark beschleunigt, wenn sie längs des sich verengenden Kanals der Sammeldüse läuft, der den größten Teil der Energie der Flüssigkeitsmenge als kinetische Energie in einem kleinen Teil der Flüssigkeitsmenge konzentriert. Der resultierende kurz­ zeitige Flüssigkeitsstrahl, der aus der Düse austritt, besitzt einen Spitzen-Staudruck, der mehrfach größer ist als der statische Druck, der irgendwo innerhalb der Düse auftritt, was von großem praktischen Vorteil ist. Die innere Form der Düse hat großen Einfluß auf die inner­ halb der Düse auftretenden Wanddrücke, was an sich beispielsweise durch die US-PS 39 21 915 hinreichend bekannt ist.

Die oben erwähnten experimentellen Ergebnisse wurden überwiegend unter Verwendung einer Einzelschuß-Laborvor­ richtung erzielt. Eine erfolgreiche kommerzielle Vor­ richtung muß in der Lage sein, diese pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen mit einer brauchbaren Wiederho­ lungsrate bzw. -geschwindigkeit unter den Verhältnissen auf einer Baustelle fortlaufend zu erzeugen. Bei den meisten bekannten Vorrichtungen, die Sammeldüsen verwen­ den, wird dem Wasser durch das Auftreffen einer beweg­ lichen Masse Energie zugeführt, wie beispielsweise in den US-Patenten 33 43 794, 34 12 554, 39 05 552 und 39 21 915 beschrieben. Bei derartigen Vorrichtungen besteht die zum Antrieb des Flüssigkeitsstrahls verfüg­ bare Impulsenergie aus der kinetischen Energie der auftreffenden Masse, die irgendwie beschleunigt werden muß, beispielsweise über die Gravitation, eine Treibla­ dung oder komprimiertes Gas.

Es müssen auch Maßnahmen vorgesehen sein, um die Düse zu entleeren, die Flüssigkeitsmenge wieder aufzufüllen und die Form und die Lage der Wassermenge zur Vorbereitung für jeden Impuls beizubehalten. Bekannte Vorrichtungen verwenden typischerweise einen Zwischenkolben oder eine Membran zwischen der Flüssigkeitsmenge und der auf­ treffenden Masse und ein Ventil oder eine Membran zwischen der Flüssigkeitsmenge und dem Düseneinlaß. Derartige Membranen müssen vor jedem Impuls ersetzt werden, und die Bewegung eines Ventils muß fest mit dem Auftreffen der sich bewegenden Masse synchronisiert werden. Ein Zwischenkolben muß für das Abführen von Luft aus der mit Flüssigkeit gefüllten Kammer sorgen. Werk­ stofferwägungen, insbesondere die zulässige Bean­ spruchung, begrenzen die Massenaufprallgeschwindigkeit. Da die kinetische Energie proportional dem Produkt aus Geschwindigkeitsquadrat und Masse ist, erfordern große Impulsenergiewerte eine große bewegte Masse. Dies führt zu einer Vorrichtung mit hohem Gewicht. Außerdem führt der Rückschlagimpuls, der bei der Beschleunigung einer großen Masse auf einen hohen kinetischen Energiewert auftritt, zu einem Werkzeug, das schwierig zu handhaben ist. Eine vorgeschlagene alternative Maßnahme, der Flüssigkeit Energie zuzuführen, besteht in einer Funken­ entladung, wie in der US-PS 36 47 137 beschrieben ist. Dies erfordert jedoch die Zuführung und das Schalten von großen Mengen elektrischer Energie.

In der US-PS 38 83 075 wird noch ein anderes Verfahren zur Erzeugung eines pulsierenden Flüssigkeitsstrahls vorgeschlagen. Hierbei wird ein Vielkanal-Düsenblock vor einer mit einer ständigen Druckflüssigkeitsströmung versorgten Ausstoßeinrichtung gedreht. Hierdurch zer­ hackt der rotierende Düsenblock den ständigen Flüssig­ keitsstrom. Derartige Vorrichtungen sind jedoch schwer­ fällig und erfordern eine sorgfältige Synchronisierung der Bewegung der Einzelteile.

Im allgemeinen sind die bekannten Vorrichtungen, die mit pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen arbeiten, durch über­ mäßiges Gewicht und mechanische Komplexität, niedrige Impulsenergie oder eine sehr niedrige Schußwiederholrate beeinträchtigt.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Be­ schleunigung einer Flüssigkeitsmenge mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wie sie bei­ spielsweise in der US-PS 40 77 569 beschrieben ist. Diese bekannte Vorrichtung hat vor allem den Nachteil, daß die erreichbare Beschleunigung der Flüssigkeitsmenge sehr begrenzt ist, was darauf zurückzuführen ist, daß die Öffnungsbewegungen des Ventilelementes zu langsam erfolgt und außerdem bei Ausführungsformen mit einem längeren Düsendurchgangskanal Flüssigkeitsreste im Durchgangskanal hängen bleiben, die beim nachfolgenden Impuls behindernd wirken.

Es ist weiterhin in der US-PS 37 84 103 eine Vorrichtung beschrieben, bei der eine Flüssigkeitsmenge mittels eines Kolbens beschleunigt und durch eine Sammeldüse gepreßt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, eine Vorrichtung zur Beschleunigung einer Flüs­ sigkeitsmenge der oben erwähten Bauart so auszubilden, daß die Öffnung der Ventileinrichtung in einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, daß die Ventileinrichtung innerhalb eines Zeitraumes vollständig geöffnet ist, der kleiner ist als der Zeitraum, den der vordere Rand der beschleunigten Flüssigkeitsmenge zum Erreichen der Düsenaustrittsöffnung benötigt und bei der verhindert wird, daß im Durchgangskanal nach dem Ausstoßen der beschleunigten Flüssigkeitsmenge Flüssigkeitsreste zurückbleiben.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Wie weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, besteht die Vorrichtung gemäß der Erfindung im wesentlichen aus einer Kammer und einer Düse, vor­ zugsweise einer Sammeldüse, die durch das Ventilelement voneinander getrennt sind. Die aus einem bruchfesten Druckkessel gebildete Kammer wird mit unter Hochdruck komprimierter Flüssigkeit durch geeignete Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Pumpe oder einen Verdichter, gefüllt. Die Impulsenergie und das Impulsvolumen (d. h. die Flüssigkeitsmenge, die durch die Düse ausgestoßen wird) werden in der leicht komprimierbaren Arbeitsflüs­ sigkeit gespeichert, die in der Kammer enthalten ist. Etwas wiedergewinnbare Energie kann auch durch elastische Verformung der Kammerwände gespeichert werden (Anspruch 2). Der benötigte Kammerdruck hängt von dem Volumen der Kammer und den gewünschten Impulsenergie- und Impulsvolumenwerten ab. Für praktische Anwendungsfälle kann der erforderliche Druck zwischen ca. 345 bar und ca. 2758 bar oder noch höher liegen.

Wenn der benötigte Kammerdruck und die Energiespeiche­ rung erreicht worden ist, wird das Ventil geöffnet, wodurch die Druckflüssigkeit durch die Austrittsdüse ausgestoßen wird. Das Volumen der ausgestoßenen Flüssig­ keit, d. h. das Impulsvolumen oder die bestimmte Flüssig­ keitsmenge ist ein kleiner Bruchteil des Kammervolu­ mens. Das Ventil soll innerhalb eines Zeitraums im wesentlichen vollständig geöffnet sein, der kürzer ist als der Zeitraum, den der vordere Rand der Flüssigkeits­ menge zum Erreichen der Düsenaustrittsöffnung benötigt. Das rasche Öffnen des Ventils wird bei der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung durch Vorsehen eines Ansatzes an einem Ende des Ventilelements erreicht, der dichtend innerhalb des Düsendurchgangs gleitet. Die Länge des Ansatzes ist so bemessen, daß das Ventil bis zu dem Zeitpunkt auf die erforderliche Geschwindigkeit beschleunigen kann, in dem der Ansatz, der zunächst den Eintritt der Flüssigkeit in die Düse blockiert, den Düseneinlaß freigibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird die rasche Expansionsfähigkeit von hochkomprimierter Flüs­ sigkeit besonders gut ausgenutzt. Dies wird mit einem Ventilelement erreicht, das gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7 ausgebildet ist. Der Abschnitt des Ventilelements, der durch das Gehäuse tritt, besitzt einen größeren Querschnitt als der Abschnitt, der gegen den Düsendurchgang sitzt, so daß die komprimierte Flüs­ sigkeit eine Öffnungskraft auf das Ventilelement ausübt. Wenn der Druck der komprimierten Flüssigkeit einen Punkt erreicht, an dem die Öffnungskraft eine das Ventil­ element beaufschlagende schließende Vorspannkraft über­ steigt, öffnet sich das Ventil, um Flüssigkeit auszu­ stoßen, bis der Druck soweit fällt, daß die Vorspann­ kraft das Ventil wieder schließt. Wenn zusätzliche Druckflüssigkeit der Kammer zugeführt wird, vollführt diese Ventilanordnung ein automatisches Arbeitsspiel zur wiederholten Erzeugung von pulsierenden Flüssigkeits­ strahlen.

Die beschriebene Vorrichtung eliminiert den Stoß und die zugeordneten hohen Materialbeanspruchungen und vermeidet auch den Gewichtsnachteil von getrennten Energie­ speichereinrichtungen, die bei den meisten vorbekannten Vorrichtungen benötigt werden. Sie ist auch einfach, erfordert keine exakte Synchronisierung der Bestandtei­ le, wie bei anderen pulsierenden Flüssigkeitsstrahlvor­ richtungen erforderlich, und kann zuverlässig hoch­ energetische Impulse mit einer hohen Wiederholungsge­ schwindigkeit bzw. -rate erzeugen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt entlang der Schnitt­ linie II-II von Fig. 1 und

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt entlang der Schnitt­ linie III-III von Fig. 1.

Fig. 1 veranschaulicht eine Vorrichtung 1 zur Beschleu­ nigung einer Flüssigkeitsmenge, die für das wiederholte Erzeugen von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen verwend­ bar ist. Gemäß der Darstellung weist die Vorrichtung einen hochfesten Druckkessel in Form eines Gehäuses 3 auf, der eine Kammer 5 bildet, wobei das Gehäuse 3 einen Einlaß 7 zum Einführen einer Flüssigkeit besitzt. Das Gehäuse 3 ist kugelförmig dargestellt, obgleich es auch andere Formen einnehmen kann, die zur Erleichterung der Herstellung oder Verwendung der Vorrichtung benötigt werden. Eine Leitung 9, vorzugsweise ein flexibler Schlauch ist mit einer Einrichtung, wie beispielsweise einer (nicht dargestellten) Pumpe verbunden, um Flüssig­ keit unter Druck durch den Einlaß 7 der Kammer 5 zuzu­ führen. Der Schlauch kann biegsam oder starr sein, und es kann ein (ebenfalls nicht dargestellter) Druck­ speicher zur Kontrolle von Druckschwankungen an einer Stelle längs des Schlauchs vorgesehen sein. Eine Sammel­ düse 11, die einen durchlaufenden Durchgangskanal 13 besitzt, deren Querschnittsfläche in Richtung auf eine Austrittsöffnung 15 abnimmt, ist an dem Gehäuse 3 be­ festigt, wobei der Durchgangskanal 13 mit der Kammer 5 verbunden ist. Die Düse 11 kann als einstückiger Be­ standteil des Gehäuses 3 gebildet sein, oder sie kann abnehmbar sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Falls die Düse 11 abnehmbar ist, wird sie am Gehäuse 3 durch eine passende Verbindungseinrichtung, wie beispielsweise eine Schraubverbindung oder einen verbolzten Flansch, be­ festigt. Es sollte dann eine Dichtung 12 vorhanden sein, um das Austreten von Druckflüssigkeit an der Verbin­ dungsstelle zwischen dem Gehäuse 3 und der Düse 11 zu verhindern. Ein Ventilsitz 17 umgibt den Düseneinlaß vor dem Durchgangskanal 13, und das Gehäuse 3 besitzt in der dem Düseneinlaß gegenüberliegenden Wandung eine Öffnung 19.

Ein verschiebbares Ventilelement 21 wird durch eine Vorspannvorrichtung 23 dichtend gegen den Ventilsitz 17 zur Abdichtung des Durchgangskanals 13 der Düse 11 gegenüber der Kammer 5 gedrückt. Das Ventilelement 21 erstreckt sich durch die Kammer und weist erste, zweite und dritte Abschnitte mit zunehmender Querschnittsfläche auf. Der erste Abschnitt 25 des Ventilelements 21 ist in dem Einlaßabschnitt 27 des Durchgangskanals 13 der Düse 11 satt anliegend abgedichtet verschiebbar und ist an seinem Ende 29 mit Leitflügeln 31, beispielsweise drei Leitflügeln, wie dargestellt versehen, welche längs der Wandungen des Durchgangskanals 13 verschiebbar sind. Wie am besten aus Fig. 2 zu erkennen ist, werden durch die Leitflügel 31 Kanäle 33 gebildet, durch die Flüssigkeit aus der Kammer 5 in den Düsendurchgangskanal 13 ausge­ stoßen werden kann, wenn das Ventilelement 21 in die geöffnete Stellung gebracht ist.

Der zweite Abschnitt 35 des Ventilelements 21 besitzt eine Schulter 37, die auf den Ventilsitz 17 paßt, wohin­ gegen sich der dritte Abschnitt 39 des Ventilelements 21 durch die Öffnung 19 in der Wandung des Gehäuses 3 erstreckt. Der erste Abschnitt 25, der zweite Abschnitt 35 und der dritte Abschnitt 39 haben eine zunehmende Querschnittsfläche, wie in der Zeichnung dargestellt, mit D 1 < D 2 < D 3.

Die Vorspannvorrichtung 23, die vorzugsweise in einer Kappe 41 enthalten ist, welche am Gehäuse 3 beispiels­ weise mittels Bolzen 43 und Muttern 45 befestigt ist, beaufschlagt das verschiebbare Ventilelement 21 mit einer Vorspannkraft. Die Vorspannvorrichtung drückt die Schulter 37 des zweiten Abschnitts 35 am verschiebbaren Ventilelement 21 dichtend auf den Ventilsitz 17. Gemäß der Darstellung liefert die Vorspannvorrichtung 23 eine abnehmende Vorspannkraft, wenn sich das verschiebbare Ventilelement 21 vom Ventil 17 weg bewegt. Die darge­ stellte Vorspannvorrichtung 23 enthält eine Feder 27 und zwei Paar schwenkbar miteinander verbundene Arme 49 und 61. Die Arme 49 des ersten Paars sind schwenkbar über Bolzen 51 in Halterungen 53 am Gehäuse 3 angebracht und sind an ihren freien Enden durch die Zugfeder 47 mitein­ ander verbunden, die in Löcher 55 der Arme 49 eingehakt ist. Die Arme 61 des zweiten Paars sind jeweils schwenk­ bar an einem Ende über einen gemeinsamen Bolzen 57 mit einem Fortsatz 59 des Ventilelements 21 am anderen Ende jeweils mit einem der Arme 49 über einen Schenkbolzen 63 verbunden. Da die Vorspannvorrichtung eine abnehmende Kraft ausübt, wenn das Ventilelement sich der geöffneten Stellung nähert, wird durch diesen Mechanismus geringere Energie gespeichert, die eine raschere Beschleunigung des Ventilelements während des Öffnens des Ventils und einen weicheren Stoß während des Schließens des Ventil­ elements erlaubt.

Der dritte Abschnitt 39 des Ventilelements 21 erstreckt sich, wie erläutert, durch die Öffnung 19 im Gehäuse, die mit einer ringförmigen Dichtung 65 versehen ist, um eine Leckage der komprimierten Flüssigkeit aus der Kammer 5 zu verhindern, wenn der Abschnitt 39 in der Öffnung 19 hin- und hergleitet. Die Dichtung 65 wird durch einen Stopfen 67 festgelegt, der einen Flansch 69 besitzt, welcher an dem Gehäuse 3 mit Befestigungs­ mitteln, wie beispielsweise Schraubbolzen 71, befestigt ist.

Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, wird das Ventilelement 21 rasch geöffnet, um eine definierte Flüssigkeitsmenge aus der Kammer 5 freizugeben. Um das sich rasch bewegende Ventilelement 21 anzuhalten und seine kinetische Energie zu absorbieren, wenn es sich der voll geöffneten Stellung nähert, sind energieabsor­ bierende Bremseinrichtungen vorhanden. Die dargestellte Vorrichtung verwendet die Flüssigkeit in der Kammer 5 zur hydraulischen Dämpfung. Ein napfförmiges Element 73 ist koaxial am zweiten Abschnitt 35 des Ventilelements 21 angeordnet, wobei sich sein etwa ringförmiger Flansch 75 mit Abstand um den dritten Abschnitt 39 des Ventil­ elements erstreckt. Dieser ringförmige Flansch 75 bildet einen Tauchkolben, der, wenn sich das Ventilelement 21 der voll geöffneten Stellung nähert, in eine ringförmige Ausnehmung 79 im Gehäuse 3 eintaucht, die die Öffnung 19 umgibt und von dieser durch eine Schulter 81 getrennt ist. Die Außenwand 83 der ringförmigen Ausnehmung 79 erstreckt sich unter einem stumpfen Winkel α von dem Boden 85 der Ausnehmung nach außen, während sich die Außenfläche des ringförmigen Flansches 75 unter dem­ selben Winkel nach innen verjüngt. Durch das napfförmige Element 73 erstrecken sich Öffnungen 77 um den Boden des ringförmigen Raums 87, der zwischen dem Flansch 75 und dem Abschnitt 39 des Ventilelements 21 gebildet ist, mit der Kammer 5 zu verbinden.

Für den Düsendurchgangskanal 13 ist eine Belüftungsein­ richtung in Form eines Kanals 89 vorgesehen, der sich axial durch das Ventilelement 21 erstreckt. Das Ende des Kanals 89 im Abschnitt 39 des Ventilelements 21 kann, wie dargestellt, zur Atmosphäre offen sein, damit rest­ liche Flüssigkeit aus dem Düsendurchgangskanal 13 auf­ grund ihres eigenen Impulses und/oder der Schwerkraft ausströmen kann. Alternativ könnte der Kanal 89 mit Unterdruck beaufschlagt werden, obgleich dies bei einigen Anwendungsfällen die Gefahr birgt, daß Staub in die Düse eingesaugt wird. Vorzugsweise ist der Kanal 89 mit einer (nicht dargestellten) Überdruckgasquelle verbunden, um den Düsendurchgang 13 zwischen Impulsen auszutrocknen.

Beim Betrieb der dargestellten Vorrichtung ist der Schlauch 9 unter Druck mit einer Flüssigkeitsquelle verbunden, wobei das Ventilelement 21 in der in Fig. 1 dargestellten geschlossenen Stellung den Durchgangskanal 13 der Düse 11 abdichtet. Wenn zusätzliche Flüssigkeit in die Kammer eingeführt wird, wird die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, komprimiert, und der Druck in der Kammer steigt an. Wenn die durch die unter Druck ge­ setzte Flüssigkeit in der Kammer ausgeübte Kraft auf das Ventilelement 21 aufgrund der größeren Querschnitts­ fläche des Abschnitts 39 gegenüber dem Abschnitt 35 die durch die Vorspannvorrichtung 23 ausgeübte Kraft über­ steigt, beginnt sich das Ventilelement 21 in Richtung auf die Öffnungsstellung zu bewegen, wobei sie den zweiten Abschnitt 35 von dem Ventilsitz 17 löst. Da der erste Abschnitt 25 des Ventilelements 21 satt anliegend innerhalb des Einlaßabschnitts 27 des Düsendurchgangs­ kanals 13 gleitend abdichtet, wird an dieser Stelle keine Flüssigkeit aus der Kammer ausgestoßen. Da jedoch die Schulter 37, die infolge der Durchmesserdifferenz zwischen den Abschnitten 35 und 25 gebildet ist, nun der sich unter Druck befindlichen Flüssigkeit in der Kammer zur Erhöhung der Öffnungskraft ausgesetzt ist, wird das Ventilelement 21 weiter in Richtung auf die offene Stellung beschleunigt. Zudem übt, wie oben erläutert, die dargestellte Vorspannvorrichtung, wenn sich das Ventil öffnet, eine abnehmende Vorspannkraft aus, um den Widerstand gegenüber den Öffnungskräften zu verringern und eine zusätzliche Beschleunigung des Ventilelements 21 zu ermöglichen.

Die Länge des ersten Abschnitts 25 des Ventilelements 21, die weiterhin die Strömung der Flüssigkeit in den Düsendurchgangskanal 13 blockiert, wird so ausgewählt, daß das Ventilelement eine ausreichende Geschwindigkeit in dem Zeitpunkt erreicht, in dem das Ende 29 des Ab­ schnitts 25 den Einlaß des Düsendurchgangskanals frei­ gibt, und daß das Ventil innerhalb eines Zeitraumes im wesentlichen vollständig geöffnet ist, der kleiner ist als der Zeitraum den der vordere Rand der definierten Flüssigkeitsmenge zum Erreichen des Düsenausgangs 15 benötigt. Das Ventil ist vollständig geöffnet, wenn die Querschnittsfläche der Ventilöffnung im wesentlichen dem Querschnitt des Einlaßabschnittes 27 des Durchgangs­ kanals 13 entspricht. Dies ist für ein optimales Arbei­ ten der Sammeldüse von Bedeutung und bewirkt eine wir­ lungsvolle Umwandlung der in der komprimierten Flüssig­ keit in der Kammer 5 gespeicherten potentiellen Energie in kinetische Energie der in die Sammeldüse 11 einge­ spritzten Flüssigkeitsmenge. Die Leitflügel 31 verblei­ ben während der gesamten Verschiebung des Ventilelements 21 im Innern des Düsendurchgangs 13, um eine Ausrichtung der Teile sicherzustellen.

Das Ventilelement 21 erhält erhebliche kinetische Ener­ gie zur Beschleunigung auf die für das rasche Ein­ spritzen der Flüssigkeit in die Düse 11 benötigten Geschwindigkeit. Um das Ventilelement 21 zum Schließen des Ventils vorbereitend anzuhalten, muß diese Energie über kurze Strecke absorbiert werden, während noch eine erhebliche Öffnungskraft durch die Flüssigkeit in der Kammer auf das Ventilelement ausgeübt wird. Wenn sich das Ventilelement 21 der vollen Öffnungsstellung nähert, beginnt der Flansch 75 am napfförmigen Element 73 in die ringförmige Ausnehmung 79 einzutreten. Die Flüssigkeit in der Ausnehmung 79 wird durch den Zwischenraum zwischen dem Flansch 75 und der Außenwand 83 der Ausnehmung herausgepreßt zur Erzeugung einer Kraft, die die Öffnungsbewegung des Ventilelements 71 verzö­ gert. Die Verjüngung der Außenwand 83 der Ausnehmung 79 und die Außenfläche des Flansches 75 verengen den Zwi­ schenraum zwischen dem Flansch und der Ausnehmung, wenn der Flansch in die Ausnehmung eintritt, wodurch die erzeugte Bremskraft progressiv ansteigt. Die in dem ringförmigen Raum 87 im Innern des napfförmigen Elements 73 eingeschlossene Flüssigkeit tritt durch die Öffnungen 77 aus, um das Eindrücken der eingeschlossenen Flüssig­ keit in die Dichtung 65 zu verhindern.

Das Ausstoßen der Flüssigkeit in den Durchgangskanal 13 der Düse 11 führt zur Abnahme des Kammerdrucks und somit der Öffnungskraft, die auf das Ventilelement 21 ausgeübt wird. Wenn diese Öffnungskraft geringer wird als die durch die Vorspannvorrichtung 23 erzeugte Schließkraft, bewegt sich das Ventilelement 21 in die geschlossene Stellung, wobei der erste Abschnitt 25 im Innern des Durchgangskanals 13 abdichtet und sich die Schulter 37 an den Ventilsitz 17 anlegt, um dadurch das Unterdruck­ setzen der Flüssigkeit in der Kammer 5 für einen Wieder­ holungszyklus zu ermöglichen. So lange wie Druckflüssig­ keit durch die Leitung 9 zugeführt wird, wird der Zyklus automatisch wiederholt und eine fortlaufende Folge von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen erzeugt. Der Durch­ satz, mit dem Druckflüssigkeit der Kammer 5 über die Leitung 9 zugeführt wird, bestimmt die Geschwindigkeit, mit der das Ventil arbeitet und kann in naheliegender Weise durch ein (nicht dargestelltes) Ventil oder eine Öffnung in der Leitung gesteuert werden. Auf diese Weise speichert die Vorrichtung über eine bestimmte Zeitdauer Energie und gibt sie als kinetische Energie der defi­ nierten Flüssigkeitsmengen in vorgegebenen Zeitabständen frei. Auf diese Weise kann die Vorrichtung einen hoch energetischen pulsierenden Flüssigkeitsstrahl bei mäßiger Anschlußleistung erzeugen.

Bekannterweise beschleunigt die Sammeldüse die vordere Kante der in den Düsendurchgangskanal 13 eingespritzten definierten Flüssigkeitsmenge, indem sie die kinetische Energie der Flüssigkeitsmenge in Vorwärtsrichtung kon­ zentriert. Dies kann zum Einschließen von Flüssigkeit mit niedriger kinetischer Energie im Düsendurchgangska­ nal 13 aufgrund des Unterdrucks führen, der hinter der eingeschlossenen Flüssigkeit entsteht, wenn das Ventil­ element 21 in die geschlossene Stellung zurückbewegt wird. Diese eingeschlossene Flüssigkeit muß von der Düse 11 vor dem nächsten Impuls entfernt werden. Der Kanal 89 belüftet den Unterdruck derart, daß der Düsendurchgangs­ kanal 13 in dem Zeitpunkt, in dem die nächste Flüssig­ keitsmenge in die Düse gespritzt wird, frei von Flüssig­ keit ist.

Beispielsweise kann bei einer Vorrichtung, die von einem Mann zur Bearbeitung von Felsen, Beton und anderen harten Werkstoffen anstelle eines konventionellen Bohr­ hammers gehandhabt wird, Druckwasser mit etwa 1379 bar einer Kammer zugeführt werden, die einen Innendurch­ messer von etwa 20 cm aufweist. Dieser Druck könnte zu einer Kompression von etwa 5% führen und würde in die Düse Wassermengen mit jeweils einem Volumen von etwa 213 cm³ mit einer Impulsenergie von etwa 13 560 J aus­ stoßen. Bei dem angegebenen Druck dehnt sich das Kammer­ gehäuse aus, wodurch zusätzliche rückgewinnbare Energie gespeichert wird. Bei einer kugelförmigen Kammer aus Titan, das einen im Vergleich zu Stahl niedrigen Elasti­ zitätsmodul besitzt, könnte die in der Wandung ge­ speicherte Energie leicht mehr als 1356 J betragen, was eine erheblich vergrößerte Gesamtimpulsenergie ohne erhöhten Wasserverbrauch ermöglicht. Die besagte Kugel könnte weniger als etwa 18 kg wiegen und wäre sehr korrosionsfest.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Beschleunigung einer Flüssigkeits­ menge mit einem Gehäuse, dessen Innenraum eine ge­ schlossene Kammer zur Aufnahme einer Druckflüssigkeit bildet und das einen an eine Druckflüssigkeitsquelle anschließbaren Flüssigkeitseinlaß sowie einen als Aus­ trittsdüse ausgebildeten Flüssigkeitsauslaß aufweist, wobei die Austrittsdüse einen sich zum Innenraum hin öffnenden Düseneinlaß besitzt, an den sich ein Durch­ gangskanal anschließt, der in eine Düsenaustrittsöffnung mündet, und mit einer Ventileinrichtung, die ein im Innenraum vor dem Düseneinlaß angeordnetes Ventilelement aufweist, das aus einer geschlossenen, den Düseneinlaß abdichtenden, Stellung in einer beschleunigten Bewegung in eine geöffnete, den Eintritt der Flüssigkeit in den Durchgangskanal freigebenden, Stellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement an seinem dem Düseneinlaß (17) zugekehrten Ende mit einem Ansatz (25) versehen ist, der in das Innere des Durchgangskanals (13) dichtend verschiebbar paßt und dessen Länge so bemessen ist, daß bei der Bewegung des Ventilelements (21) aus der geschlossenen Stellung in Richtung auf die geöffnete Stellung der Ansatz (25) den Eintritt von Flüssigkeit in den Durchgangskanal (13) blockiert bis das Ventilelement (21) auf eine vorgegebe­ ne Geschwindigkeit beschleunigt hat und daß eine das innerhalb des Durchgangskanals (13) der Austrittsdüse (11) hinter einer beschleunigten Flüssigkeitsmenge entstehende Vakuum belüftende Belüftungseinrichtung vorgesehen ist, die einen sich axial durch das Ventil­ element (21) erstreckenden Kanal (89) aufweist, dessen eines Ende am dem Durchgangskanal (13) zugewandten Ende des Ventilelementes (21) ausmündet, während das andere Ende mit einer außerhalb des Gehäuses (3) angeordneten Gaszufuhr verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die geschlossene Kammer (5) bildende Gehäuse (3) aus einem Material besteht, das durch den über die komprimierte Druckflüssigkeit in der Kammer (5) ausge­ übten Druck elastisch verformbar ist, zur Speicherung zusätzlicher Energie, die nach dem Öffnen des Ventil­ elementes (21) für die Beschleunigung der Flüssigkeits­ menge bei deren Eintritt in den Durchgangskanal (13) verfügbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Austrittsdüse eine Sammeldüse (11) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung eine Vorrich­ tung (23) zur Vorspannung der Ventileinrichtung in Richtung auf die geschlossene Stellung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannvorrichtung (23) zur Verringerung der in ihr während des Öffnens der Ventileinrichtung ge­ speicherten Energiemenge eine abnehmende Vorspannkraft liefert, wenn sich die Ventileinrichtung aus der ge­ schlossenen Stellung weg bewegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung eine auf den Druck in der komprimierten Flüssigkeit in der Kammer (5) ansprechende Vorrichtung (39) aufweist, die die Ventileinrichtung (21) in die geöffnete Stellung bringt, wenn der Druck einen vorgewählten Wert überschreitet, und daß die Vorspannvorrichtung (23) die Ventileinrichtung schließt, wenn der Druck der komprimierten Flüssigkeit in der Kammer (5) unter den vorgewählten Wert fällt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (21) sich durch die Kammer (5) des Gehäuses (3) hindurch erstreckt und drei koaxiale Abschnitte (25, 35, 39) mit zunehmenden Querschnittsflächen besitzt, wobei der erste Abschnitt (25) der in der geschlossenen Stellung innerhalb des Durchgangskanals (13) angeordnete Ansatz ist und der zweite Abschnitt (35) als den Düseneinlaß (17) in der geschlossenen Stellung abdichtendes Verschlußelement ausgebildet ist und sich der dritte Abschnitt (39) verschiebbar durch die Wand des Gehäuses (3) gegenüber der Austrittsdüse (11) erstreckt, wobei aufgrund des Unterschieds in den Querschnittsflächen zwischen dem zweiten (35) und dritten Abschnitt (39) durch die kom­ primierte Flüssigkeit die Öffnungskraft zum Antrieb des Ventilelementes in die geöffnete Stellung ausgeübt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannvorrich­ tung (23) außerhalb der geschlossenen Kammer (5) mit dem Gehäuse (3) verbunden ist und die Vorspannkraft auf den dritten Abschnitt (39) des Ventilelements (21) auf­ bringt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Vorspannvorrichtung (23) eine Einrichtung (75, 79) zum Abbremsen des Ventilelements (21) beim Erreichen der geöffneten Stellung vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung ein eine Ausnehmung (79) bil­ dendes Element, das mit dem Gehäuse (3) im Innern der geschlossenen Kammer (5) verbunden ist, und einen am Ventilelement (21) angeordneten Tauchkolben (75) auf­ weist, der bei Annäherung des Ventilelements (21) an die geöffnete Stellung in die Ausnehmung (79) eintritt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausnehmung (79) und der Tauchkolben (75) so ausgebildet und dimensioniert sind, daß bei Eintritt des Tauchkolbens in die Ausnehmung der Zwischenraum zwischen dem Tauchkolben und den Wandungen der Ausnehmung zur Schaffung einer ansteigenden Bremskraft auf das Ventil­ element zunehmend enger wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Dichtung (65) in der Öffnung des Gehäuses (3) vorgesehen ist, durch die der sich durch das Gehäuse erstreckende dritte Abschnitt (39) des Ventilelements (21) verschiebbar geführt ist, und daß die Ausnehmung der Bremseinrichtung eine ringförmige Ausnehmung (79) ist, die die Dichtung umgibt, und daß der Tauchkolben ein napfförmiges Element (73) ist, das axial am Ventil­ element (21) angebracht ist, wobei zur Vermeidung des Hineindrückens von Flüssigkeit in die Dichtung (65) der Boden des napfförmigen Elements (73) mit wenigstens einem Kanal (77) zum Durchtritt von Flüssigkeit beim Eintreten des napfförmigen Elements in die ringförmige Ausnehmung (79) versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Führungseinrichtung (31) vorgesehen ist, die axial am Ansatz (25) des Ven­ tilelements (21) angebracht ist und die zur Aufrechter­ haltung der Ausrichtung des Ventilelements (21) auf den Durchgangskanal (13) während der Entfernung des Ansatzes aus dem Durchgangskanal bei der Bewegung des Ventil­ elements in die geöffnete Stellung innerhalb des Durch­ gangskanals (27) verschiebbar geführt ist.