Плавильная головка устройства для плавления льда
Группа изобретений относится к области образования скважин во льду путем плавления. Плавильная головка устройства для плавления льда, содержащая задний, относительно направления внедрения, участок фиксации для фиксации к буровому устройству или к буровой штанге и передний, относительно направления внедрения, выполненный с возможностью подогрева участок, причем передний участок имеет находящийся радиально снаружи участок поверхности, в котором передний участок выполнен в направлении внедрения до переднего осевого конца плавильной головки с уменьшением наружного диаметра, и находящийся радиально снаружи участок поверхности окружает внутреннюю выемку, поперечное сечение которой уменьшается от осевого конца плавильной головки навстречу направлению внедрения. На участке между точкой пересечения внутренней выемки с центральной осью и передним осевым концом плавильной головки размеры поверхности радиально находящейся снаружи поверхности и поверхности внутренней выемки одинаковые, при этом проецированные в направлении внедрения поверхности внешнего участка поверхности и поверхности внутренней выемки одинаковые по размеру. Изобретение относится также к образованному с помощью плавильной головки устройству для плавления льда. Обеспечивается эффективное использование тепла, отдаваемого нагревательными элементами наружу и вовнутрь плавильной головки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к плавильной головке устройства для плавления льда, содержащей задний, относительно направления внедрения, участок фиксации для фиксации к буровому устройству или буровой штанге и передний, относительно направления внедрения, с возможностью подогрева участок. Выполненное соединение из такой плавильной головки и бурового устройства или штанги может образовывать в этом случае, предпочтительно, устройство для плавления льда.
Под направлением внедрения понимают направление, в котором передвигается плавильная головка или образованное с помощью нее устройство для плавления льда, при использовании его по предназначению, во льду, расплавляя его. Направление распространения предпочтительно совпадает с центральной осью, в частности с центральной продольной осью плавильной головки и/или образованного с помощью нее устройства для плавления льда.
Плавильные головки этого типа известны в целом из Уровня техники и используются для осуществления бурения во льду, в частности, посредством того, что лед, окружающий плавильную головку, расплавляется подогреваемым передним участком плавильной головки, и плавильная головка вместе с соединенным с ней буровым устройством или буровой штангой продвигается вперед, в глубину, в направлении силы тяжести действующим весом. При необходимости, дополнительную движущую силу можно производить посредством буровой штанги.
Уровень техники, а также описанное далее настоящее изобретение может предусматривать, что нагревательные элементы внутри плавильной головки снабжаются энергией, вырабатываемой буровым устройством или буровой штангой.
Например, может быть предусмотрено, что буровое устройство образует цилиндрический корпус, в переднем конце которого, в направлении внедрения, фиксирована своим задним участком фиксации плавильная головка. Плавильная головка предпочтительно имеет максимальное внешнее поперечное сечение, в частности, диаметр, соответствующий поперечному сечению, в частности, диаметру, цилиндрического бурового устройства. Внутри бурового устройства имеется, например, источник энергии, при необходимости также и другая электроника, в частности, например, также запас сматываемого кабеля для обеспечения возможности обмена данными и/или передачи энергии по кабелю между буровым устройством и земной поверхностью.
Возможная область применения - это, например, создание отверстий в водяном льду, например, в областях глетчера или также арктических областях земли. Также существует возможность использования этого устройства при создании сверлений в ледовой поверхности отдаленных от Земли астрономических тел (например, планет, лун, комет и т.д.). В частности, следует обратить внимание на то, что понятие «Лед» не ограничивается водяным льдом. Под термином «лед», согласно изобретению, понимают также любое другое вещество, присутствующее в твердом состоянии и которое может переходить с помощью тепла плавильной бурильной головки в другое структурное состояние, в частности, в жидкое состояние или даже в газообразное состояние.
Плавильные головки термических буровых устройств имеют, как уже было названо в начале, нагревательные элементы, с помощью которых вырабатывается тепло, например, посредством резистивного нагрева, переносимого за счет теплопроводности между нагревательными элементами и материалом плавильной головки на ее внешнюю поверхность, вызывая там процесс плавления.
При этом передача тепла осуществляется не только, как обычно, от нескольких нагревательных элементов наружу к прогреваемой ими поверхности переднего участка плавильной головки, но также и вовнутрь плавильной головки, и всего бурового устройства, что может приводить к проблемам.
Например, это может приводить к скоплению тепла внутри, что может отразиться на имеющейся электронике или на накопителе энергии. Кроме того, отдаваемое вовнутрь тепло не предоставляется также эффективно или предоставляется с пониженным коэффициентом полезного действия для нагревания передней части плавильной головки, а вследствие этого, при данных условиях оно может теряться через задние участки плавильной головки или бурового устройства, не способствуя скорости термического бурения.
Поэтому задача изобретения - предоставить усовершенствованную плавильную головку, лишенную названных недостатков, в частности, лучше использовать отдаваемое нагревательными элементами наружу и вовнутрь в плавильную головку количество тепла.
Эта задача решается, согласно изобретению, посредством того, что передний участок плавильной головки имеет находящийся радиально снаружи участок поверхности, в котором передний участок выполнен в направлении внедрения до переднего осевого конца плавильной головки, или во внешнем поперечном сечении с сужением, в частности, выполнен с сужением в наружном диаметре, и находящийся радиально снаружи участок поверхности окружает внутреннюю выемку, в частности, в направлении внедрения, открытую внутреннюю выемку, открытое внутреннее поперечное сечение которой уменьшается от осевого конца плавильной головки навстречу направлению внедрения. Плоскость, в которой находится осевой передний конец плавильной головки, образует при этом, предпочтительно, также плоскость отверстия внутренней выемки. Предпочтительно, если вектор нормали лежит на этой (открытой) плоскости, параллельно к направлению внедрения.
Представленные здесь внешние поперечные сечения и внутренние поперечные сечения понимают, как рассматриваемые перпендикулярно к направлению внедрения. С помощью этого, предлагаемого согласно изобретению варианта исполнения, достигают того, что подогреваемый передний участок имеет, как подогреваемую находящуюся снаружи в радиальном направлении поверхность, так и подогреваемую находящуюся внутри в радиальном направлении поверхность, а именно, - поверхность внутренней выемки.
В частности, под «радиальным направлением» понимают направление - перпендикулярное к направлению внедрения или к центральной продольной оси плавильной головки. Признак «Находясь радиально внутри и, находясь снаружи», - означает в сочетании с названными в этой взаимосвязи поверхностями, что находящаяся внутри поверхность имеет меньшее радиальное расстояние к оси, чем находящаяся снаружи поверхность.
Как внутренняя, так и внешняя поверхность переднего участка, вследствие соответствующих сужений, не параллельны и не наклонены в осевом или навстречу осевому направлению к направлению внедрения, так что при движении плавильной головки в направлении внедрения получают эффективное приложение силы к окружающему льду этими участками поверхностей.
Благодаря этим наклонам внутренних и внешних радиусов, при рассмотрении воображаемой проекции этих поверхностей в направлении внедрения или центральной оси плавильной головки, получают соответствующие поверхности проекции, находящиеся, таким образом, перпендикулярно к внедрению и на которые воздействует лед.
При этом внутренняя поверхность проекции соответствует фактически внутреннему открытому поперечному сечению внутренней выемки в плоскости переднего осевого конца плавильной головки. Внешняя поверхность проекции образует окружающее внутреннюю поверхность проекции кольцо, внешнее поперечное сечение которого, в частности, наружный диаметр, соответствует максимальному внешнему поперечному сечению плавильной головки и, предпочтительно, всего бурового устройства.
Отдаваемое при теплопередаче от нагревательных элементов наружу и вовнутрь количество тепла может, таким образом, значительно лучше отводиться в окружающую среду и, в частности, согласно изобретению, соответственно через передний участок плавильной головки, что способствует улучшенной скорости бурения и предотвращает внутреннее скопление тепла.
Благодаря описанному варианту исполнения, передний осевой конец плавильной головки образует раму, в частности, кольцо, посредством которого радиально находящийся снаружи участок поверхности и поверхность внутренней выемки переходят друг в друга. Обращенная в направлении внедрения торцевая сторона этого кольца может быть выполнена, например, остроугольной или шарообразной (или округлой), или уплощенной.
Вследствие внешнего увеличения поперечного сечения радиального внешнего участка поверхности, исходя от переднего конца плавильной головки, навстречу направлению внедрения и внутреннему уменьшению поперечного сечения выемки, навстречу направлению внедрения, реализуется то, что передний участок плавильной головки образует продолжающийся в осевом направлении кольцевой участок, ширина кольца которого, в частности, разница между внешним и внутренним поперечным сечением увеличивается от переднего осевого конца плавильной головки - навстречу направлению внедрения, в частности, вплоть до осевого положения дна основания внутренней выемки.
Особенно предпочтительным является то, что нагревательные элементы по меньшей мере на некоторых участках, в частности, по меньшей мере своими отдающими тепло участками вершины, расположены в материале переднего участка плавильной головки, расположенном между сужающейся внешней поверхностью и поверхностью внутренней выемки, то есть, фактически, в материале названного кольцевого участка переднего участка. Предпочтительным образом, реализуется то, что выданное нагревательными элементами тепло может отводиться, как через сужающийся участок внешних поверхностей, так и через внутреннюю поверхность выемки посредством наиболее короткого, в частности, почти радиального переноса тепла в окружающую среду и способствует расплавлению.
Особенно предпочтительно, если плавильная головка может содержать несколько нагревательных элементов, в частности, вставленных соответственно в тыльные, в частности, открытые навстречу направлению внедрения выемки плавильной головки, причем нагревательные элементы и/или выемки имеют соответственно радиальное расстояние к центральной оси плавильной головки, соответствующее по меньшей мере по существу радиальному расстоянию в виде рамы или кольцеобразного осевого переднего конца плавильной головки, в частности, радиальному расстоянию конца плавильной головки. Этим достигают того, что путь переноса тепла к внутренней поверхности, и путь переноса к внешней поверхности имеют по меньшей мере одинаковую длину.
В частности, также может быть предусмотрено, что осевая длина сужающегося радиально находящегося снаружи участка поверхности и осевая глубина внутренней выемки одинаковые. Это способствует также выравниванию переноса тепла.
Особенно предпочтительно, если предусмотрено, что на участке между точкой пересечения внутренней выемки с центральной осью плавильной головки и передним осевым концом плавильной головки размеры поверхности радиально находящейся снаружи поверхности и поверхности внутренней выемки одинаковые. Таким образом, обеспечивается, чтобы по меньшей мере, по существу, такое же количество тепла может отводиться этими соответствующими поверхностями за единицу времени, в частности, что, в свою очередь, выравнивает перенос тепла вовнутрь и наружу.
Кроме того, особенно предпочтительно, если, в частности, в комбинации с вышеуказанным исполнением, проецированные в направлении внедрения поверхности внешнего участка поверхности и внутренней выемки одинаковы по размеру, в частности, потому, что посредством внедрения на внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность происходит по меньшей мере, по существу, одинаковое приложение силы.
Во всех возможных вариантах исполнения изобретение может предусматривать, предпочтительно, что находящийся снаружи участок поверхности и внутренняя выемка выполнены n - кратно осесимметрично, предпочтительно, вращательно - симметрично вокруг располагающейся в направлении внедрения центральной оси плавильной головки. При n - кратной вращательной симметрии внешнее поперечное сечение или внутреннее поперечное сечение плавильной головки (при рассмотрении перпендикулярно к внедрению) n - полигонально, или соответствующие внешние или внутренние поверхности фацетированы, а при вращательно-симметричном варианте исполнения - соответствующее поперечное сечение имеет, благодаря этому, круглую форму.
Предпочтительная, в частности, вращательно-симметричная геометрическая форма плавильной головки может предусматривать, что внешний участок поверхности и поверхность внутренней выемки соответствует соответственно участку конуса или участку параболоида.
Кроме того, изобретение может предусматривать, что сужающийся передний участок соответствует вращательно-симметричному, вокруг центральной оси телу вращения, в частности, конусному участку или параболоидному участку, участок вершины которого в плоскости, в которой находится передний осевой конец плавильной головки, повернут для образования выемки к внутренней части плавильной головки.
В частности, форма, в частности, форма поперечного сечения, если смотреть вдоль центральной оси внешнего участка поверхности и внутренней выемки, независимо от символа и осевого смещения, в частности, осевого смещения вдвое превышающего осевую длину переднего участка, может подчиняться одной и той же математической функции, в зависимости от радиального расстояния от центральной оси.
Варианты исполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей, на которых представлено следующее.
На фиг. 1A-1D показаны различные геометрические формы внешней поверхности 1a и внутренней поверхности 1b предлагаемой согласно изобретению плавильной головки 1 в поперечном сечении, в частности, разрезанной в плоскости, в которой лежит центральная ось плавильной головки 1.
При этом направление 3 внедрения визуально отображено для всех фиг. 1 с помощью стрелки, слева от фиг. 1.
Для всех вариантов исполнений изобретения по фиг. 1 представлено, что передний участок 1с плавильной головки 1 содержит находящийся радиально снаружи участок 1а поверхности. Этот участок поверхности выполнен с сужением в поперечном сечении, перпендикулярно к центральной оси 2, сужаясь в направлении внедрения. Благодаря этому, при наличии данной симметрии вращения, наружный диаметр внешнего участка 1а поверхности уменьшается в направлении заднего участка 4 фиксации к переднему по оси концу 1d плавильной головки. При этом начало сужения на фланце 1e, предпочтительно, определяет осевое начало переднего участка, а конец 1d плавильной головки - конец переднего участка.
Верхние изображения поверхностей круга над фиг. 1A-1D визуально отображают проецированные в направлении внедрения или в направлении центральной оси 2 поверхностей находящегося радиально снаружи участка поверхности и внутренней поверхности 1b соответствующей выемки 5. Согласно данным о проецированных поверхностях p1a и p1b варианты исполнения предоставляют возможности выполнять размеры поверхностей 1a и 1b или размеры проекций p1a и p1b одинаковыми или разными, в частности, с особенными преимуществами, названными в общем разделе описания.
Фиг. 1A представляет в нем вариант исполнения, в котором внутренняя поверхность 1b и внешняя поверхность 1a описаны в показанном на чертеже поперечном сечении, соответственно, параболой. Обе параболы отличаются только символом и смещении вдоль центральной оси 2, а в остальном имеют идентичные заданные параметры. Вместе с тем математическое описание формы поперечного сечения обеих поверхностей подчиняется одной и той же функции в зависимости от радиального расстояния к центральной оси 2, не принимая во внимание смещение и инверсию. Вследствие симметрии вращения на фиг. 1а в пространстве получается форма параболоидного участка обеих поверхностей.
То же самое может относиться для фиг. 1B-1D, причем в данном случае функция описывает прямую линию, что при симметрии вращения в пространстве приводит к форме участка в виде конуса обеих поверхностей.
На фиг. 2 показаны различные варианты исполнения плавильной головки 1 согласно фиг. 1 A, в частности, с соответствующей параболоидной формой внутренних и внешних поверхностей 1b и 1 a.
На фиг. 2A передний осевой конец 1d плавильной головки образует на осевой торцевой стороне остроугольную форму, на фиг. 2В конец 1d плавильной головки образует округленную или выпуклую форму, а на фиг. 2C - уплощенную форму.
Кроме того, фигуры визуально отображают выемки 6, служащие для установки нагревательных элементов, или сами нагревательные элементы 6'. Это дополнительно более понятно изображено на фиг. 3. На ней видно, что выемки 6 или нагревательные элементы 6 расположены по окружности с таким радиусом, который соответствует радиальному расстоянию конца плавильной головки 1d от центральной оси 2.
Вследствие этого, отдающие тепло острые концы нагревательных элементов 6' располагаются по меньшей мере, предпочтительно по центру, в кольцевом участке 7 переднего участка плавильной головки, так что их теплоотдача может осуществляться как наружу, так и вовнутрь по короткому пути.
С правой стороны на фиг. 3 изображено, что к тыльному участку 4 фиксации назад примыкает буровое устройство 8 с цилиндрическим корпусом, в котором могут быть установлены, например, изображенные на чертеже только символически источники (9) энергии для нагревательных элементов (6') или прочая электроника (9) или кабель (10). Таким образом, плавильная головка (1) образует вместе с этим буровым устройством (8) устройство для плавления льда.
Фиг. 4 поясняет, что в предпочтительном варианте исполнении, как внешняя поверхность 1a, так и внутренняя поверхность 1b выемки 5 описывают одинаковую форму параболы P и отличаются только инверсией i и смещением О вдоль центральной оси 2.
Передний осевой кольцеобразный конец плавильной головки располагается при отображенных на чертеже заданных параметрах в положении 
. На нем внутренние поверхности и внешние поверхности 1a, 1b переходят одна в другую. При этом R является максимальным наружным диаметром плавильной головки 1, а h - глубиной выемки 5 или высотой суженного переднего участка или кольцевого участка 7.
1. Плавильная головка (1) устройства (1, 8) для плавления льда, содержащая задний, относительно направления внедрения, участок (4) фиксации для фиксации к буровому устройству (8) или к буровой штанге и передний, относительно направления внедрения, выполненный с возможностью подогрева участок (1с), причем передний участок (1с) имеет находящийся радиально снаружи участок (1а) поверхности, в котором передний участок (1с) выполнен в направлении внедрения до переднего осевого конца (1d) плавильной головки с уменьшением наружного диаметра, и находящийся радиально снаружи участок (1a) поверхности окружает внутреннюю выемку (5), поперечное сечение которой уменьшается от осевого конца (1d) плавильной головки навстречу направлению (3) внедрения, отличающаяся тем, что на участке между точкой пересечения внутренней выемки (5) с центральной осью (2) и передним осевым концом (1d) плавильной головки размеры поверхности радиально находящейся снаружи поверхности (1а) и поверхности (1b) внутренней выемки (5) одинаковые, при этом проецированные в направлении (3) внедрения поверхности (p1a, p1b) внешнего участка (1a) поверхности и поверхности (1b) внутренней выемки (5) одинаковые по размеру.
2. Плавильная головка по п. 1, отличающаяся тем, что конец (1d) плавильной головки образует раму, в частности, кольцо, посредством которого радиально находящийся снаружи участок (1a) поверхности и поверхность (1b) внутренней выемки переходят друг в друга, а ее обращенная в направлении (3) внедрения торцевая сторона выполнена остроугольной или шарообразной или уплощенной.
3. Плавильная головка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что расположенный снаружи участок (1а) поверхности и внутренняя выемка (5) выполнены n - кратно осесимметрично, предпочтительно, вращательно - симметрично вокруг располагающейся в направлении (3) внедрения центральной оси (2).
4. Плавильная головка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что осевая длина (h) сужающегося радиально находящегося снаружи участка (1a) поверхности и осевая глубина (h) внутренней выемки (5) одинаковые.
5. Плавильная головка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что она содержит несколько нагревательных элементов (6́), расположенных по меньшей мере в материале переднего участка (1с), расположенном между сужающимся находящимся радиально снаружи участком (1а) поверхности и поверхностью (1b) внутренней выемки (5), то есть, в материале продолжающегося по оси кольцевого участка (7) переднего участка (1с).
6. Плавильная головка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что она содержит несколько нагревательных элементов (6́), в частности, вставленных соответственно в тыльные выемки (6), причем нагревательные элементы (6́) и/или выемки имеют соответственно радиальное расстояние к центральной оси (2) плавильной головки, соответствующее по существу радиальному расстоянию кольцеобразного конца (1d) плавильной головки, в частности, радиальному расстоянию конца (1d) плавильной головки.
7. Плавильная головка по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что внешний участок (1а) поверхности и поверхность (1b) внутренней выемки (5) соответствует соответственно участку конуса или участку параболоида.
8. Плавильная головка по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что сужающийся передний участок (1с) соответствует вращательно-симметричному вокруг центральной оси (2) телу вращения, в частности, конусному участку или параболоидному участку, участок вершины которого в плоскости, в которой находится передний осевой конец (1d) плавильной головки, повернут для образования выемки (5) вовнутрь.
9. Плавильная головка по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что форма, в частности, форма поперечного сечения, если смотреть вдоль центральной оси (2) внешнего участка (1а) поверхности и поверхности (1b) внутренней выемки (5), независимо от значения (I) и осевого смещения (O), в частности, вдвое превышающего осевую длину переднего участка (1c), подчиняется одной и той же математической функции (P), в зависимости от радиального расстояния от центральной оси (2).
10. Устройство для плавления льда, содержащее плавильную головку (1) по любому из пп. 1-9, соединенное на своем заднем в направлении (3) внедрения участке (4) фиксации с буровым устройством (8), в частности, причем буровое устройство (8) содержит продолжающийся по оси цилиндрический корпус (8), в котором содержатся накопитель (9) энергии для подогрева нагревательных элементов (6) плавильной головки (1) и/или сворачиваемый запас (10) кабеля.
