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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein ein an Kundenbedarf angepasstes Verfahren
mit geringem Energieverbrauch zum Brechen von Fels bzw. Gestein
(nachfolgend als Fels bezeichnet) in kontrollierter Weise.
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So,
wie der Begriff "Fels" vorliegend verwendet
wird, umfasst er Fels bzw. Gestein, Erz, Kohle, Beton und ähnlich harte
Massen, die über
oder unter Tage verfügbar
sind, und die schwer zu brechen bzw. zu zerteilen sind. Ferner wird
bemerkt, dass "Fels" in weitem Sinne
zu interpretieren ist.
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Eine
Anzahl von Techniken ist zum Brechen von Fels unter Verwendung nicht
explosiver Mittel entwickelt worden. Diese umfassen das Kohlendioxidgas-Druckausübungsverfahren
(Cardox-Verfahren
genannt), die Verwendung von Gasinjektoren (die Sunburst-Technik),
das Brechen mit Hydrokraft sowie verschiedene Verfahren, durch die
energetische Substanzen enthaltende Kartuschen die Wandungen bzw.
die Basis eines abgedichteten Bohrlochs unter Druck setzen, um penetrierende,
konusförmige
Brechvorgänge
zu erzeugen (PCF genannt).
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Diese
Techniken können
um eine Größenordnung
wirksamer sein als herkömmliches
Sprengen insofern, als sie etwa ein Zehntel der Energie zum Brechen
einer gegebenen Felsmenge im Vergleich zu herkömmlichem Sprengen unter Verwendung
von Explosivstoffen erfordern. Die niedrige Energie reduziert die
resultierende Menge an herumfliegenden Fels und das Ausmaß an Luftbewegung
und erlaubt es in einem bestimmten Umfang, dass der Felsbrechvorgang
auf kontinuierlicher Basis fortschreitet im Gegensatz zu der chargenartigen
Situation, die bei herkömmlichen
Sprengungen vorherrscht.
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Die
meisten nicht explosiven Felsbrechtechniken beruhen auf der Erzeugung
von hohen Gasdrücken
zum Initiieren eines Spannungsrisses im Boden eines relativ kurzen
Bohrlochs.
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Der
Begriff "Treibmittel" ist vorliegend in
weitem Sinn zu interpretieren und umfasst Sprengmittel, Treibladungsmittel,
eine Gas evolvierende Substanz, einen Explosivstoff oder ähnliche
Mittel, die, sobald sie initiiert bzw. gezündet sind, ein Hochdruckstrahlmaterial
typischerweise zumindest teilweise in Gasform erzeugen. Treibladungsmittel
dieser Art sind an sich bekannt. "Sprengmittel" und "Treibladungsmittel" werden in dieser Beschreibung sich
gegenseitig ersetzend verwendet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Brechen von Fels bereit, aufweisend
eine Kartusche, die ein Gehäuse
bildet, ein Treibladungsmittel innerhalb des Gehäuses, und zumindest ein Element,
das elektrisch mit Energie versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Element aus einem inerten Material hergestellt ist, das,
wenn es mit Energie versorgt wird, eine Verbrennung des Treibladungsmittels initiiert,
um in der Kartusche Hochdruckmaterial freizusetzen.
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So,
wie der Begriff "inertes
Material" vorliegend
verwendet wird, bedeutet er ein Material, das, solange es nicht
mit Energie versorgt wird, keinen Anlass für Funkenbildung oder ein anderes
Phänomen
geben kann, das das Sprengmittel initiiert bzw. zündet.
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Das
Element kann aus einem Filament oder einem elektrischer Widerstand
bestehen.
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Das
Element kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt
sein. Das bevorzugte Material ist jedoch Kohlenstoff, zum Beispiel
in Form von Graphit.
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Das
Element kann in beliebiger geeigneter Weise behandelt sein, um den
Wirkungsgrad zu erhöhen,
mit dem das Treibladungsmittel initiiert wird. Beispielsweise kann
das Element in Aluminiumpulver oder ein ähnliches Mittel getaucht oder
mit diesem beschichtet sein, das Anlass für einen Zerstäubungseffekt
gibt, wenn das Element mit Energie versorgt wird.
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Das
Element kann aus einem schmelzbaren Verbindungsteil bestehen, d.h.,
ein Teil des Elements kann desintegriert werden, wenn elektrischer
Strom in einem vorbestimmten Übermaß durch
das Element geleitet wird. Die Desintegration des Elements kann
Anlass für
die Erzeugung hoher Energie und relativ kleiner Partikel sein, die
in das Treibladungsmittel vorgetrieben werden, um dadurch die Verbrennung
des Sprengmittels zu initiieren. Dieser Ansatz steht im Kontrast
zu einer Technik, demnach das Element in Form eines Filamentdrahts
erhitzt wird durch Hindurchleiten von elektrischem Strom, und zwar
auf eine höhere
Temperatur, bei der das Treibladungsmittel gezündet wird, bei der das Filament
jedoch integral bleibt und nicht desintegriert auf Grund der direkten
Einwirkung des elektrischen Stroms, der das Filament durchfließt (siehe
beispielsweise die WO-01/65199).
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Das
Filament kann beschichtet sein, um zu verhindern, dass das Treibladungsmittel
bzw. Feuchtigkeit in dem Treibladungs mittel mit dem in dem Filament
enthaltenen Material reagiert oder verschmilzt.
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Das
Filament kann beispielsweise ein Draht oder ein Band sein, hergestellt
aus Aluminium, Nickel-Chrom, Kohlenstoff oder einem ähnlichen
Material, oder ein Widerstand, wie etwa eine Keramik/Metallvorrichtung,
die, wenn sie mit Energie versorgt wird, nicht schmilzt oder desintegriert,
sondern stattdessen integral bleibt ungeachtet der Ausstrahlung von
ausreichend Hitze, um die Verbrennung des Treibladungsmittels zu
initiieren.
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Die
Kartusche kann eine Basis und eine Seitenwand enthalten, die sich
ausgehend von der Basis erstreckt und die Seitenwand bzw. Seitenwandung kann
allgemein zylindrisch sein.
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Die
Kartusche kann aus einem schmiedbaren Material hergestellt sein,
das in diesem Sinne ein Material enthält, das plastisch verformbar
ist, ohne zu zerbrechen, und zwar zumindest in einem vorbestimmten
Ausmaß.
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Die
Kartusche kann bevorzugt aus Kunststoffmaterial, zum Beispiel Polypropylen,
Polyethylen oder dergleichen hergestellt sein. Der Umfang der Erfindung
ist diesbezüglich
nicht beschränkt.
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Ein
oberes Ende der Kartusche, d.h., ein Ende, das der Basis gegenüberliegt,
kann domförmig verlaufen,
und das Filament kann an dem oberen Ende angeordnet sein.
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Es
fällt jedoch
unter den Umfang der Erfindung, das Filament in einer Zwischenposition,
d.h. zwischen den gegenüberliegenden
Enden der Kartusche anzuordnen.
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Das
Filament kann relativ klein sein und damit, wenn es mit Energie
versorgt wird, die Erzeugung eines lokalisierten, relativ hochenergetischen heißen Flecks
hervorrufen. Andererseits kann das Filament länglich derart sein, dass, wenn
es erregt wird, das Treibladungsmittel über eine nennenswerte Länge oder
einen Bereich oder mehrere Punkte gezündet wird.
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Es
fällt unter
den Umfang der Erfindung, dass mehr als ein Element in der Kartusche
enthalten ist, so dass die Zündung
des Treibladungsmittels in mehr als einer Position stattfindet.
Elektrische Leitungen zu dem Element können innerhalb der Kartusche oder
auf einer Außenseite
der Kartusche angeordnet sein; bevorzugt sind sie jedoch in dem
Material eingebettet, aus dem die Kartusche hergestellt wird.
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Die
elektrischen Leitungen können
mit Anschlüssen
verbunden sein, um die Verbindung der Leitungen mit einer Steuereinheit
zu erleichtern. Die Anschlüsse
befinden sich bevorzugt auf einer Außenseite der Kartusche.
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Die
Anschlüsse
können
mit einem entfernbaren Verschluss abgedeckt sein. Alternativ könne die Anschlüsse mit
einem zerbrechbaren oder zerreißbaren
Verschluss bzw. einem entsprechenden Deckel abgedeckt sein. Der
Deckel bzw. der Verschluss ist dazu ausgelegt, die Anschüsse vor
einer Beschädigung
oder einem Freiliegen vor der Nutzung der Kartusche zu schützen.
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Das
Element bzw. die Elemente, je nach vorliegendem Fall, mit geeigneten
Leitungen oder Leitern zu den Elementen und gegebenenfalls Steuervorrichtungen,
wie etwa Zeitgabeschaltungen oder Kondensatoren oder andere Energiequellen
zum Betreiben der Zeitgabeschaltungen, können auf einem geeigneten Substrat
oder Motherboard angebracht sein, um diese Bestandteile leichter
handhaben zu können
sowie deren Zusammenbau mit dem Rest der Kartusche zu erleichtern.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf ein Element der vorstehend genannten Art und auf ein Substrat,
das das Element trägt,
und, falls erforderlich, auf einen oder mehrere Bestandteile zur
Verwendung mit dem Element oder das zur Energieversorgung desselben
erforderlich ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird beispielhaft unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen
näher erläutert; in diesen
zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht, auch von der Seite aus gesehen, einer Sprengvorrichtung
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2 und 3 ähnliche
Ansichten in 1 von einer Sprengvorrichtung
in Übereinstimmung
mit einer zweiten und einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
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4 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Teils einer Kartusche unter Darstellung von Verbindungsanschlüssen an
der Kartusche, und
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5 ein
Substrat, das ein Filament trägt
zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 der
anliegenden Zeichnungen zeigt ein Loch 10, das in eine
Felsmasse bzw. Gesteinsmasse 12 ausgehend von einer Seite 14 gebohrt
ist, und zwar unter Verwendung einer herkömmlichen Bohrvorrichtung. Eine
Kartusche 16 wird in das Loch geladen. In diesem Beispiel
besitzt die Kartusche eine Basis 18 und eine allgemein
zylindrische Wandung 20, die sich ausgehend von der Basis
erstreckt und an einem oberen Ende entfernt von der Basis in einer
runden Form 22 endet.
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Die
Kartusche ist aus Kunststoffmaterial unter Verwendung von Spritztechniken
hergestellt, die an sich bekannt sind. Die Kartusche ist beispielsweise
aus hochdichtem Kunststoffmaterial, wie etwa hochdichtem Polypropylen,
hergestellt.
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Es
ist bevorzugt, die Kartusche aus einem schmiedbaren Material herzustellen,
wodurch die Kartusche plastisch verformbar ist, ohne zu reißen, und
zumindest in einem bestimmten Ausmaß, beispielsweise in der Größenordnung
von 10% oder mehr.
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Die
Kartusche bildet ein Gehäuse
bzw. eine Hülle
für ein
Treibladungsmittel bzw. -material 24 an sich bekannter
Zusammensetzung. Das Treibladungsmittel wird in die Kartusche unter
Fabrikbedingungen unter Verwendung an sich bekannter Techniken geladen.
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Ein
Initiator bzw. Zünder 26 ist
an einem oberen Ende der Kartusche angeordnet. Der Zünder weist
ein Element auf, das in diesem Fall die Form eines Filaments besitzt,
das aus einem inerten Material hergestellt ist, wie etwa Kohlenstoffdraht,
der in Spulenform oder Zickzackkonfiguration bevorzugt gebildet
ist. Das Filament erstreckt sich ausgehend von zwei Leitungen 30 und 32,
die die Wandung der Kartusche durchsetzen, so dass das Filament
freigelegt wird, und zwar im Innern der Kartusche zu dem Treibladungsmittel 24.
Die Leitungen 30 und 32 erstrecken sich zu einer
Sprengsteuereinrichtung, die nicht gezeigt ist und deren Art an
sich bekannt ist.
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In
dem Loch ist ausgehend von der Felsseite unter Abdeckung der Kartusche
mit einem gewünschten
Ausmaß ein
Stopfen 40 angeordnet und dadurch verfestigt, dass er in
seiner Position festgestampft ist.
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Das
Filament wird mit Energie versorgt durch Senden eines Signals vorbestimmten
Energieinhalts durch die Drähte 30 und 32 zu
dem Filament. Das Filament wird dadurch erhitzt und glüht unter
Erzeugung eines lokalisierten heißen Flecks, der ausreichend
Energie auf das Treibladungsmittel im Bereich des Filaments erzeugt,
um eine Zündung
des Treibladungsmittels hervorzurufen.
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Das
Treibladungsmittel verursacht, wenn es gezündet ist, die Freisetzung eines
Hochdruckstrahlmaterials, das im Wesentlichen gasförmig vorliegt. Das
Material erzeugt eine Stoßwelle,
die genutzt wird, um den Fels bzw. das Gestein 12 zu brechen, typischerweise
mit einem anfänglichen
Bruch, der am Boden 40 des Lochs 10 bereitgestellt
wird.
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Das
Kohlenstofffilament 26 ist, wie angesprochen, inert und
folglich kann die Kartusche in einer Form bereitgestellt werden,
die in dem Sinne gebrauchsfertig ist, dass das Treibladungsmittel 24 in die
Kartusche geladen werden kann, obwohl der Zünder 26 bereits an
der Kartusche fest angebracht ist. Unter zahlreichen anderen Umständen ist
es nicht möglich,
die Kartusche mit Treibladungsmittel geladen bereitzustellen, wenn
der Zünder
bereits an der Kartusche fest angebracht ist, weil die Gefahr besteht,
dass der Zünder
unbeabsichtigt mit Energie versorgt wird und dadurch eine unerwünschte Verbrennung
des Treibladungsmittels hervorruft. Auf Grund der Tatsache, dass
das Filament aus einem inerten Material hergestellt ist, wird davon
ausgegangen, dass diese Gefahr effektiv beseitigt ist.
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Das
Filament kann mit einem Aluminiumanstrich beschichtet sein, der,
wenn er erhitzt wird, die Energiemenge erhöht, die freigegeben wird, und
abhängig
von den Umständen
Anlass geben kann zu einer Sprühwirkung,
die den Wirkungsgrad erhöht,
mit dem das Treibladungsmittel gezündet wird.
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Das
Filament kann alternativ in Draht- und Bandform vorliegen und aus
Aluminium oder Nickel-Chrom hergestellt sein. Diese Materialien
können
derartig vorliegen, dass sie, wenn sie durch elektrischen Strom
erhitzt werden, schmelzen und desintegrieren. In einer Abwandlung
wird von einem geeigneten Widerstand Gebrauch gemacht, der beispielsweise
aus einer Keramik/Metallzusammensetzung hergestellt ist, die, wenn
sie erhitzt wird, glüht,
jedoch weder desintegriert noch zersträubt und den notwendigen "heißen Fleck" bereitstellt, um
die Verbrennung zu initiieren.
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Die
in 2 gezeigte Anordnung ist in zahlreichen Belangen ähnlich zu
der in 1 gezeigten, so dass, wo anwendbar, die gleichen
Bezugsziffern genutzt werden, um die gleichen Bestandteile zu bezeichnen.
Der Filamentzünder 26 ist
jedoch in diesem Fall in einer Position mehr oder weniger auf halber
Strecke zwischen der Basis 18 und dem verrundeten oberen
Ende der Kartusche angeordnet. Die Leitungen 30 und 32 erstrecken
sich ausgehend von dem oberen Eintrittspunkt zu dem Filament und
sind in der Wandung 20 der Kartusche eingebettet. Das Filament 26 wird
genau so gezündet,
wie dies in Verbindung mit 1 erläutert ist.
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In
der in 3 gezeigten Anordnung kommt das Filament nicht
so wie in 1 und 2 gezeigt zu
liegen, sondern ist statt dessen länglich. Das Filament erstreckt
sich ausgehend von Endpunkten von Drähten 30 und 32,
die, wie im Fall der Ausführungsform
von 2, in der Seitenwandung 20 eingebettet sind.
Das Filament ist in Form eines Rings geformt, der sich um eine Innenseite
der Wandung 20 erstreckt. Wenn das Filament gezündet wird,
findet folglich eine Verbrennung des Treibladungsmittels 24 über eine
längere
Länge oder
einen längeren
Bereich, oder mit anderen Worten in mehreren Punkten.
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Das
Filament 26 kann so konstruiert und betätigt sein, dass es, wenn es
mit Energie versorgt wird, geheizt wird, um zu glühen, und
um eine lokalisierte Temperaturerhöhung ausreichenden Ausmaßes hervorzurufen,
um das Sprengmittel zu initiieren bzw. zu zünden. Alternativ kann das Filament
in Form eines schmelzbaren Verbindungsteils vorliegen, so dass ein
Bereich des Filaments bis zum Desintegrationspunkt durch Hindurchtritt
von elektrischem Strom erhitzt wird. Bestandteile des Filaments,
die bei der Desintegration freigesetzt werden, sind extrem heiß und aus
der Desintegration des Filaments resultiert eine sprühartige
Wirkung.
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Der
Verbrennungseffekt des Filaments kann verbessert werden durch Beschichten
des Filaments an einer oder mehreren Stellen mit einem Mittel, wie etwa
Aluminiumpulver oder einer beliebigen anderen Substanz, die von
Natur aus explosiv oder entflammbar ist. Erneut werden kleine lokalisierte
heiße
Fle cken erzeugt, wenn ein geeigneter elektrischer Strom durch das
Filament zum Fließen
gebracht wird, und die Verbrennung des Treibladungsmittels wird
dadurch wirksam gleichzeitig in mehreren Positionen initiiert.
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Um
das Filament gegenüber
einer Reaktion mit dem Treibladungsmittels oder vor Feuchtigkeit
in dem Treibladungsmittel zu schützen,
kann das Filament mit einem inerten Material, wie etwa einem geeigneten
Lack, beispielsweise Nitrozellulose, beschichtet sein.
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4 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines oberen Endes 22 der Kartusche, bei der es sich um
einer der in 1 bis 3 gezeigten Arten
handeln kann. Die Leitungen 30 und 32 sind, wie
vorstehend erläutert,
in der Wandung 20 der Kartusche eingebettet und enden in
relativ starren Anschlüssen 50 und 52,
die von der Kartusche nach außen
vorstehen. Die Anschlüsse
sind mittels einer Kappe 54 abgedeckt, die die Anschlüsse während des
Transports und einer Bevorratung der Kartusche schützt. Wenn
auf die Anschlüsse
zugegriffen werden soll, um zu ermöglichen, dass elektrische Verbindungen
zu den Anschlüssen
hergestellt werden, wird die Kappe entfernt. Die Kappe kann beispielsweise mit
der Kartusche im Gewindeeingriff stehen. Alternativ kann die Kappe
im Wesentlichen integral mit der Kartusche gebildet oder daran derart
befestigt sein, dass eine Entfernung der Kappe unmöglich ist. In
diesem Fall umfasst die Kappe einen Deckel 56, der zerbrechbar
ist oder der vom Rest entlang einer Schwächungslinie, die nicht gezeigt
ist, abgerissen werden kann, wie gezeigt, um die Anschlüsse freizulegen,
so dass elektrische Verbindungen daran vorgenommen werden können.
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5 zeigt
eine weitere Modifikation, die an den vorstehend angeführten Prinzipien
vorgenommen werden kann. 5 zeigt eine Kartusche 10,
die mit Treibladungsmittel 24 geladen ist. Ein Substrat 60 ist
in der Kartusche angeordnet. Das Substrat ist aus kostengünstigem,
elektrisch nicht leitfähigem
Material hergestellt und kann von Natur aus eine gedruckte Schaltkarte
sein, die aus einem geeigneten Kunststoffmaterial oder dergleichen
gebildet ist. Das Substrat kann starr oder flexibel sein.
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Diskrete
Bestandteile können
an dem Substrat direkt unter Einsatz von Techniken angebracht werden,
die auf dem Gebiet der Elektronik bekannt sind. Alternativ können Bestandteile
an dem Substrat gebildet werden unter Verwendung von Abscheidungstechniken ähnlich denjenigen,
die bei der Herstellung gedruckter Schaltkarten, integrierter Schaltungen
und dergleichen verwendet werden.
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Unter
Einsatz einer geeigneten Technik wird dadurch ein Filament 26 an
dem Substrat gebildet oder angebracht, und Leitungen 62 werden
gebildet, die das Substrat mit einer Zeitgeberschaltung 64 verbinden.
Die Schaltung ist ebenfalls auf dem Substrat gebildet oder mit diesem
verbunden und umfasst Leitungen 66, die sich zu Anschlüssen 68 erstrecken. Die
Leiter 30 und 32, die von sich aus robuster sind als
die Leitungen 62 und 64 an dem Substrat, werden mit
den Anschlüssen
direkt verbunden.
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Die
Nutzung des Substrats zum Tragen des Filaments erleichtert beträchtlich
die Herstellung und Nutzung des Filaments und trägt dazu bei, die Möglichkeit
einer unbeabsichtigten Beschädigung
des Filament zu verringern, die während der Herstellung der Kartusche
auftreten kann, oder wenn die Kartu sche in einem Loch in einer Felsfläche installiert
wird. Das Substrat kann beliebige Form oder Größe besitzen, so dass dann,
wenn das Substrat in der Kartusche positioniert wird, das Filament 26 im
Wesentlichen automatisch in einer gewünschten Position innerhalb
der Kartusche positioniert wird. Es ist selbstverständlich möglich, mehrere
Filamente an dem Substrat zu bilden, so dass die einzelnen Filamente präzise festgelegte
Positionen relativ zu einander innerhalb der Kartusche einnehmen.