DE3782458T2

DE3782458T2 - Verfahren und vorrichtung zum ausheben von boden und dergleichen.

Info

Publication number: DE3782458T2
Application number: DE8787305583T
Authority: DE
Inventors: Aubrey C Briggs
Original assignee: Air Technologies Inc
Current assignee: Air Technologies Inc
Priority date: 1986-06-23
Filing date: 1987-06-23
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2007-06-24
Also published as: ATE82027T1; DE251660T1; ES2035862T3; AU6659586A; FR2600373A1; JPS634130A; EP0251660B1; FR2600373B1; EP0251660A1; DE3782458D1; AU593600B2

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen das Ausheben von Erdreich und anderem körnigen Material durch einen Gasstrom von hoher Geschwindigkeit. Insbesondere betrifft die Erfindung ein einen Gasstrom verwendendes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Ausheben von körnigem Material, wie beispielsweise Erdreich rund um vergrabene Objekte. Vorzugsweise wird als Gasstrom ein Luftstrom verwendet. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Ausheben von Erdreich in enger Nachbarschaft oder in Kontakt mit unterirdischen Versorgungsleitungen, Führungen oder dergleichen, wenn konventionelle mechanische und manuelle Aushebetechniken die vergrabenen Rohre, Drähte oder Kabel beschädigen und in einigen Fällen sogar Explosionen verursachen können.
Bis zum jetzigen Zeitpunkt war es notwendig, von den bekannten mechanischen Arbeitsmitteln, wie Schaufelbagger oder Hackvorrichtung auf Handaushebewerkzeuge, wie Spitzhacke und Schaufel zurückzugreifen, um das Ausheben in enger Nachbarschaft von Gasleitungen, Wasser- oder Abwasserleitungen Untergrundstromversorgungs- und Fernsehkabeln, Telefonleitungen und dergleichen, fortzusetzen. Handaushebungen führen nicht nur zu einer erheblichen Reduktion der Materialentfernungsrate, sondern lösen auch nicht vollständig das Problem von unachtsamen Schlagen und Zerstören von vergrabenen Versorgungsleitungen und -rohren. Solche Fehlgriffe führen zu möglicherweise teuren Beschädigungen und gefährlichen Serviceunterbrechungen. Im Falle von Gasleitungen bleibt die Drohung bestehen, daß aufgrund von Explosionen die Arbeiter körperliche Schäden davontragen können, wobei die Explosion durch die Verwendung der Handgeräte innerhalb und um gußeiserne Leitungen erzeugt werden können. In einer solchen Umgebung können durch Kollision des Stahlwerkzeugs mit einer Leitung oder einem Stein erzeugte Funken eine Gasexplosion hervorrufen, wenn ein Leck vorhanden ist.
Um die reduzierten Aushebungsraten von Handarbeitsgeräten zu verbessern, sind verschiedene mechanisierte Grabhilfen, wie Auskratzer, elektrisch betriebene Bürsten oder Flüssigkeitssprays und dergleichen eingesetzt worden, um die Handarbeit zu reduzieren oder vollständig zu eliminieren. Diese Geräte sind nur begrenzt angenommen worden und sind höchstens als Notlösung des Problems zu betrachten. Im Betrieb werden die Werkzeuge schnell stumpf und nutzen sich ab, so daß sie häufig gewartet oder ersetzt werden müssen. Das Erdreich haftet an den Werkzeugen, wodurch deren Effektivität vermindert wird. Bürsten setzen sich zu und Auskratzer verstopfen. Außerdem können die Werkzeuge die Oberfläche der zu reinigenden Objekte beschädigen und ein Auskratzer oder eine Hacke können eine Leitung oder ein Ventil zerstören, wenn die Steuereinrichtungen der Werkzeuge nicht entsprechend oder falsch gesetzt sind.
Im Falle von flüssighydraulischen Sprays, wie beispielsweise Wasser, ergeben sich auch erhebliche Nachteile. Gewöhnlich wird eine große Menge Wasser erfordert, was zu erheblichen Entsorgungsproblemen des Wassers an der Arbeitsstelle führt. Das umherspritzende Wasser muß eingefaßt werden und bedeckt im allgemeinen umgebende Ausrüstung mit einer Schlammschicht. Bei kaltem Wetter muß das Wasser mit einem Antigefrierzusatz behandelt werden oder andere Flüssigkeiten müssen verwendet werden, um die Vereisungsprobleme zu eliminieren.
Aufgrund der Erfindung werden viele der bisher auftretenden Probleme beim Ausheben von vergrabenen Versorgungsleitungen, Rohren, Führungen oder dergleichen, oder beim Ausheben und Kontaktieren von zerbrechlichen Objekten oder Strukturen, wie Fundamenten, die durch mechanisierte Grabeinrichtungen zerstört werden können, gelöst.
In der US-A-3917007 wird ein Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in die Erdoberfläche offenbart. Das Verfahren wird hauptsächlich zum Bohren von Löchern für Aufzeichnungs- und Schürföffnungen während geologischer Untersuchungen eingesetzt. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein von einem Raketenmotor unter hohem Druck abgegebener Gasstrom auf die Erdoberfläche zum Bilden einer Öffnung gerichtet. Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt 80-100 m pro Sekunde, wobei die Temperatur des von der Auslaßöffnung ausgegebenen Gases ungefahrt 1.000º Celsius beträgt. Eine solche Vorrichtung ist nur schlecht geeignet, wenn in enger Nachbarschaft von Gasleitungen, Wasser- oder Abwasserleitungen ausgehoben werden soll, da diese Einrichtungen nicht hohen Temperaturen ausgesetzt werden sollen.
In der US-A-4084648 ist eine kombinierte Grab- und Vergießmaschine offenbart. Im Einsatz bildet die Maschine ein Bohrloch in der Erdkruste, welches vergossen wird. Die Vorrichtung umfaßt eine Auslaßöffnung, aus der unter hohem Druck eine Flüssigkeit mit einem diese konzentrisch umgebenden Strom von Hochdruckluft ausgegeben wird. In der Beschreibung wird angegeben, daß der Gasstrom eine Geschwindigkeit von wenigstens der halben Schallgeschwindigkeit aufweist.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Bewegen oder Entfernen von Erdreich oder ähnlichem körnigen Material bereitgestellt, um ein Ausheben oder Reinigen durchzuführen. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Gasstrom mit einer Geschwindigkeit größer als Mach 1 auf das Erdreich oder das ähnlich körnige Material gerichtet. Der Gasstrom wird durch Hindurchleiten eines Strom von unter Druck stehendem Gas durch einen konvergierenden/divergierenden Auslaßöffnungstyp mit einem Verhältnis von Auslaßquerschnittsfläche zu Einschnittquerschnittsfläche von größer als 1 erzeugt, so daß die Geschwindigkeit des Gasstroms am Auslaß größer als Mach 1 ist.
Vorzugsweise wird Luft als Gas verwendet.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Geschwindigkeit des Gases größer als Mach 1,5 und vorzugsweise größer als Mach 3 ist.
Das Verhältnis des Drucks des unter Druck stehenden Gases zum Umgebungsdruck ist in günstiger Weise zwischen 1.895 und 150.796.
Vorzugsweise entnimmt man den Gasstrom einer Gasquelle mit einem Druck größer als 620 KNm&supmin;² Monometerdruck.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn der Gasstrom vor Beschleunigung auf die Überschallgeschwindigkeit eine Substanz aufnimmt, die sich beim Abkühlen verfestigt, um vom Gasstrom eingeschlossene Partikel zu bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Entfernen von Erdreich oder ähnlichem körnigen Material zum Ausheben oder Säubern bereitgestellt. Die Vorrichtung enthält eine Quelle mit unter Druck stehendem Gas; einen Kanal, der mit der unter Druck stehenden Gasquelle und einer Auslaßöffnung in Verbindung steht, wobei die Auslaßöffnung vom konvergierenden/divergierenden Typ ist, welche Auslaßbereich und einen Einschnürbereich aufweist mit entsprechenden Querschnittsflächen. Das Verhältnis der Auslaßquerschnittsfläche zur Einschnürquerschnittsfläche ist größer als 1.0, wodurch die Vorrichtung in Betrieb einen Gasstrom mit einer Geschwindigkeit größer als Mach 1 erzeugt, wenn das unter Druck stehende Gas vom Reservoir durch die Auslaßöffnung hindurchtritt.
In vorteilhafter Weise weist die Vorrichtung Mittel zum Einführen einer Flüssigkeit oder eines gasförmigen Materials stromaufwärts von der Auslaßöffnung auf, welches beim Abkühlen sich verfestigt.
Vorzugsweise ist eine Ventileinrichtung der Auslaßöffnungen zugeordnet, die den Gasfluß von der Gasquelle zur Auslaßöffnung regulieren. Die Ventileinrichtungen umfassen einen Ventilkörper mit einer Bohrung, der in Verbindung mit der Auslaßöffnung und mit der Gasquelle steht. Weiterhin weisen die Ventileinrichtungen ein Ventilteil mit einem Kopfabschnitt und einem Kolbenabschnitt auf, die durch einen Stößel verbunden sind. Der Kopfabschnitt kooperiert mit einem Ventilsitz, um die Zufuhr von unter Druck stehendem Gas zur Auslaßöffnung zu unterbrechen, wenn das Ventil in der inaktiven Stellung ist. Die Ventileinrichtung umfaßt weiterhin eine Führungsbohrung, die bei einer Ventileinrichtung in aktiver Stellung zwischen der Quelle des unter Druck stehenden Gases und dem Kolbenabschnitt des Ventils angeordnet ist. Auf diese Weise kann das unter Druck stehende Gas durch die Führungsbohrung hindurchtreten, um auf den Kolbenabschnitt einzuwirken und das Ventilteil zu bewegen und weiterhin den Kopfabschnitt vom Ventilsitz zu entfernen und einen Strom unter Druck stehenden Gases zur Auslaßöffnung durchzulassen.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Ventileinrichtung eine Triggereinrichtung umfaßt, die einen drehbaren, zylindrischen Abschnitt mit einem Führungskanal aufweist, welcher mit der Führungsbohrung in Verbindung steht, wenn die Triggereinrichtung in ihrer aktiven Stellung ist, um unter Druck stehendes Gas zum Entfernen des Ventilkopfes vom Ventilsitz hindurchfließen zu lassen. Weiterhin ist der zylindrische Abschnitt zum Verschließen der Führungsbohrung verwendbar, wenn die Triggereinrichtung in ihrer inaktiven Stellung ist.
Vorzugsweise weist der zylindrische Abschnitt der Triggereinrichtung auch einen Belüftungskanal auf, um das unter Druck stehende Gas von der Führungsbohrung an die Atmosphäre abzugeben, wenn die Triggereinrichtung in ihre inaktive Stellung bewegt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausheben in und um relativ fragile Komponenten bereitgestellt, welche einen jet-ähnlichen Gasstrom, vorzugsweise Luft, mit Überschallgeschwindigkeit verwendet, um eine schnelle, effiziente und sichere Technik für die bisher schwierigen Aufgaben bereitzustellen. Die Erfindung kann in Form eines handgehaltenen Werkzeugs verwendet werden. Die Erfindung kann auf einem Rahmen auf einer Aushebemaschine oder in Verbindung mit einer automatisierten Aushebevorrichtung verwendet werden. Die Erfindung stellt einen Überschalluftstrom bereit, der Spalten oder Hohlräume erzeugt, wenn er auf Erdreich oder eine Masse aus ähnlich körnigem Material gerichtet wird. Der auftreffende Hochgeschwindigkeitsluftstrom wird unmittelbar in diesen Erdreichöffnungen gefangen oder aufgestaut, wodurch an den Stellen aufgrund des großen Krafteinflusses, der durch das schnelle Heraustreten der expandierenden Hochdruckluft, auftritt, die in den Öffnungen und Spalten gefangen war, schnell Brüche auftreten. Die gefangene oder aufgestaute Luft muß expandieren, und indem sie das tut, setzt sie das Erdreich unter Spannung, dessen schwächste Eigenschaft.
Folglich umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung zum sicheren Ausheben von Erdreich in unmittelbarer Nähe von Gasleitungen, Wasserleitungen, Abwasserleitungen, Untergrundstromversorgungsleitungen, Telefonleitungen und dergleichen, die in ihrer Arbeitsweise sehr selektiv ist. Der Überschallgasstrom ist extrem aggressiv gegenüber Erdreich, während er vollkommen harmlos gegenüber vergrabenen Objekten, einschließlich von solchen sehr zerbrechlicher Natur, wie Untergrundfernseh- oder Telefonkabeln, ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung eine höhere Produktivität als Handverfahren ermöglichen, mit faktisch keiner zufälligen Beschädigung. Auch nicht in Situationen, wo der Überschallstrom auf vergrabene Objekte gerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Überschalluftstrom bereit, der vorzugsweise 1 1/2 bis 3 mal die Schallgeschwindigkeit aufweist. Die Geschwindigkeit kann auch noch höher sein, abhängig von den verwendeten Drücken und den Auslaßdurchmessern. Der Strom trifft auf die Oberflächen auf, durchdringt sie und bricht das Erdreich auf, während er von undurchlässigen Oberflächen, wie Plastik oder Eisenleitungen oder elektrischen Kabeln oder Führungen abgelenkt wird. Folglich ist zusätzlich zum Ausheben die vorliegende Erfindung auch für Reinigungsoperationen nützlich.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist eine Aushebe- oder Reinigungseinrichtung auf, die einfach zu bedienen und sicher zu verwenden ist und die mit standardmäßigen, kommerziell erhältlichen Luftkompressoren verwendbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt einen Hochgeschwindigkeitsgasstrom bereit, der eine große Bandbreite von Erdreichtypen durchdringt und fragmentiert. Die Bandbreite reicht von sehr harten und sprödem Erdreich, wie trockengebackenem Ton, bis zu Erdreich, das gummiähnlich oder feucht ist. Die Vorrichtung erzeugt einen Überschallstrom, der bei praktisch verwendeten Abstandsentfernungen von der Auslaßöffnung effektiv ist, wodurch die Bedienung bei einer handgetragenen Einrichtung sehr leicht ist.
Eine manuell bediente Einrichtung der vorliegenden Erfindung kann einen einzigen Ventilmechanismus mit Niedrigdrehmomenttrigger umfassen, der das Vorratsgas unter hohem Druck als Hilfe zum Öffnen des Ventils zur Hochdruckzuführleitung verwendet. Der Ventilkörper und dessen Abdeckung bilden eine versiegelte Umgebung gegen Staub, Schlamm und Wasser oder andere schädliche Einwirkungen. Dadurch ist es für die erforderlichen Serviceleistungen gut verwendbar.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden kleine Mengen von flüssigem Wasser oder gasförmigem Kohlendioxid in die Einrichtung eingeführt, um einen von dem Überschalluftstrom eingeschlossenen Fluß fester Partikel zu erzeugen, die dem Hochgeschwindigkeitsstrom eine abschleifende Reinigungsoperation hinzufügen. In diesem Fall werden die Vorteile des Abschleifmittels erzielt, ohne die entsprechenden Probleme einer abschleifenden Abnutzung in einem Schlauch oder das Problem der Abschleifmittelcontamination zu erhalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich Vorrichtungen, die Überschallgasströme mit verschiedenen Querschnittskonfigurationen erzeugen, abhängig von der Form der verwendeten Auslaßöffnung. Kreisförmige oder quadratische Auslaßöffnungen werden für Aushebeanwendungen bevorzugt. Dünne, messerähnliche, rechteckige Auslaßöffnungen sind besonders für Reinigungsanwendungen geeignet, beispielsweise zum Reinigen von auf Förderbändern festgebackenen Substanzen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird von einem Vorrat von unter Druck stehendem Gas, vorzugsweise Luft unter 620 bis 689 KNm&supmin;² (90-100 psig) oder höher, ein Gasfluß, der durch entsprechende Ventileinrichtungen reguliert wird, an eine Büchse der Vorrichtung abgegeben, die an einem Ende der Bohrung mit der konvergierenden/divergierenden Auslaßöffnung versehen ist. Die Auslaßöffnung kann einen kreisförmigen Querschnitt, einen quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, abhängig von der Form des gewünschten Luftstroms. Die konvergierende/divergierende Konfiguration der Auslaßöffnung ist wichtig zur Erzeugung des Überschalluftstroms in Übereinstimmung mit den Prinzipien der Fluidmechanik. Bei Auslaßöffnungen dieser Art erzeugen die Grenzbedingungen der Druckversorgung und Umgebungs- oder atmosphärischer Druck einen abgedrosselten Unterschallfluß an der Einschnürung der Auslaßöffnung und einen Überschallfluß in dem divergierenden Abschnitt. Der divergierende Abschnitt verläuft konisch, so daß die Luft gleichmäßig ohne Schockwellen beschleunigt wird, um eine maximale Geschwindigkeit und Machzahl an der Auslaßöffnung zu erhalten. Der abgedrosselte Fluß ist ein bekanntes Phänomen, was auftritt, wenn die Flüssigkeitsflußrate einen maximalen Wert für eine gegebene Einschnürfläche der Auslaßöffnung bei gegebenen Stromaufwärtsbedingungen für Temperatur und Druck annimmt. Die Flußrate am Ausgang der konvergierenden/divergierenden Auslaßöffnung kann folglich durch genaue Steuerung der Flächenverhältnisse von Einschnür- zu Auslaßöffnung festgelegt werden, zusammen mit dem Druckverhältnis der Luft innerhalb des Vorrats zu dem des Umgebungsdrucks, normalerweise der Atmosphäre.
Bei Verwendung der Erfindung zum Ausheben der meisten Erdreiche von nassem Ton bis trockenem Lehm oder Sand, ist eine Gasstromgeschwindigkeit größer als gerade die Schallgeschwindigkeit erforderlich, insbesondere eine Geschwindigkeit von wenigstens mehr als Mach 2, da mit dieser Geschwindigkeit ein effizienteres Grabewerkzeug gegeben ist. Eine Auslaßöffnung zur Erzeugung einer Ausgangsgeschwindigkeit von Mach 2 weist ein Flächenverhältnis von ungefähr 1 : 1.685 von Auslaßfläche zu Einschnürfläche und ein Druckverhältnis von ungefähr 7.8 : 1 von Vorratsdruck zu Umgebungsdruck auf. Folglich wird bei einer Mach 2 Auslaßgeschwindigkeit ein konventioneller Luftkompressor verwendet, der normalerweise einen Vorratsdruck zwischen 620-758 KNm&supmin;² (90 bis 110 psi) mit einer genügend hohen Flußrate von beispielsweise 3.5 Kubikmetern (125 Kubikfuß) pro Minute von Luft erzeugt.
Nach einer bevorzugten, handbetriebenen Ausführungsform der Erfindung ist ein triggerbetätigtes Ventil zum Führen von unter hohem Druck stehender Luft um das Ventil vorgesehen, um die Kraft der unter Druck stehenden Luft, die normalerweise das Ventil in seiner geschlossenen Position hält, zu überwinden. Das Ventil ist normalerweise zu seiner geschlossenen oder inaktiven Stellung federbeaufschlagt. Das Ventil weist einen Ventilstößel auf, der in der Bohrung eines Ventilkörpers oder Gehäuses angeordnet ist, wobei in dem Gehäuse ein Ventilkopf in dichter Anlage mit einem Ventilsitz an einem Einlaßende ist, welches in Verbindung mit der unter Druck stehenden Einlaßluft steht. Das Ventil umfaßt weiterhin ein zweites Ende, in dem ein Kolben mit im Vergleich zum Ventilkopf größeren Durchmesser angeordnet ist.
Eine Lufteinlaßvorbeiführbohrung ist im Ventilkörper ausgebildet, die an einem ersten Ende mit dem unter Druck stehenden Luftkanal stromaufwärts vom Ventilkopf in Verbindung ist und an ihrem zweiten Ende mit einem inneren Raum im Ventilgehäuse benachbart zum Kolben in Verbindung ist. In einem Raum zwischen dem ersten und zweiten Ende der Lufteinlaßbohrung ist eine drehbare Triggerwelle angeordnet, die eine Bohrung durch ihren Durchmesser aufweist, welche mit der vorstehenden Lufteinlaßbohrung in Verbindung ist, wenn die Triggerwelle in ihre aktive Stellung gedreht ist. In der aktiven Stellung wird unter Druck stehende Luft vom Eingang zu dem Raum benachbart zum Kolben mit größerem Durchmesser zugeführt, wodurch das Ventil sich sofort öffnet. Dadurch wird unter Druck stehende Luft vom Vorrat durch den Ventilkörper in die Bohrung der Büchse und folglich zur konvergierenden/divergierenden Auslaßöffnung geführt.
Der Triggermechanismus fährt federbeaufschlagt in seine geschlossene Stellung zurück, wenn der Betreiber seinen Griff lockert. Die Triggerwelle weist ebenfalls eine Belüftungsöffnung auf, die mit der Lufteinlaßbohrung auf der Kolbenseite in Verbindung ist, um eine Belüftung der Vorbeiführbohrung zu ermöglichen, wenn der Trigger in seine geschlossene Stellung zurückkehrt.
Weiterhin ist vorzugsweise ein Manometer an der Aushebeeinrichtung angeordnet, um die Aufrechterhaltung des richtigen Betriebsdrucks zu sichern. Die Vorrichtung ist vorzugsweise aus einem nichtkorrodierenden und Nichteisenmaterial gebildet, so daß sie resistent gegenüber Rost ist und keine Funken erzeugt. Somit ist die Vorrichtung auch in möglicherweise explosiven Umgebungen einsetzbar. Die Büchse kann weiterhin mit einem verlängerten Pick-Element versehen sein, das sich über die Auslaßöffnung erstreckt. Mit Hilfe des Elements kann ein Benutzer größere Klumpen von Material während der Aushebearbeit entfernen. Die Büchse kann als gradlinige Röhre oder mit einem gekrümmten Endabschnitt für schwer zu erreichende Anwendungen ausgebildet sein.
Zusätzlich zu den möglichen Aushebungen um unterschiedliche Versorgungsleitungen, die schnell und sicher durchgeführt werden können, kann die Erfindung auch zum Herstellen von Gräben, Reinigen von verstopften Silos oder Schächten, Aushebungen unter Bürgersteigen und Straßen, Grabungen zum Abstützen unter Fundamenten, zur Reinigung von Schlaglöchern einer Straße vor deren Ausbesserung und zum Graben von Pfostenlöchern in schwierigem Gelände oder dergleichen verwendet werden.
Bei einem bevorzugten Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird in einem Vorratsbehälter komprimiertes Gas, vorzugsweise Luft unter einem Druck von wenigstens ungefähr 620 KNm&supmin;³g (90 psig) bereitgehalten. Der Strom der unter Druck stehenden Luft wird durch entsprechende Führungen und Bohrungen gesteuert und zu einer konvergierenden/divergerierenden Auslaßöffnung an einem Auslaßende der Führung oder Bohrung geführt. Die konvergierende/divergierende Auslaßöffnung umfaßt einen beschränkten Einschnürbereich und einen divergierenden Bereich, welcher in einen Auslaßbereich mündet. Das Verhältnis der Querschnittsflächen von Auslaßbereich und Querschnittsfläche des Einschnürbereichs der Auslaßöffnung ist größer als 1,0 und vorzugsweise größer als ungefähr 1,2. Entsprechend ist das Verhältnis des Vorratsbehälterdrucks zum Ausgangsdruck größer als ungefähr 1,9 und vorzugsweise größer als ungefähr 3,7, wobei der die Auslaßöffnung verlassende Luftstrom eine berechnete, isotropische Geschwindigkeit von größer als Mach 1,0 und vorzugsweise größer als Mach 1,5 aufweist. Der überschallschnelle Luftstrom wird auf Erdreich oder ähnliches gerichtet, wobei der Strom das Material durchdringt, eingeschlossen wird, expandiert und das Material zerkleinert. Flüssiges Wasser oder gasförmiges Kohlendioxid kann in den Luftstrom stromaufwärts von der Auslaßöffnung zur Herstellung von Eisteilchen oder festen Kohlendioxidteilchen zugefügt werden. Diese Teilchen werden von dem überschallschnellen Luftstrom als Ergebnis eines schnellen Temperatursturzes beim Passieren der Auslaßöffnung mitgeführt.
Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer handbetriebenen Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Handgrifftriggerventilbauteils der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht des Handgriffs und des Ventilbauteils entlang der Linie III-III aus Fig. 4;
Fig. 4 eine teilweise Schnittansicht des Triggerbauteils entlang der Linie IV-IV aus Fig. 2;
Fig. 5 eine teilweise Schnittansicht einer konvergierenden/divergierenden Auslaßöffnung an einer Büchse mit einer Aufnehmspitze daran;
Fig. 6 eine teilweise Schnittansicht einer Auslaßöffnung und einer Büchse ähnlich zu Fig. 5;
Fig. 7 eine teilweise Seitenansicht einer Büchse mit gekrümmten Ausgabeabschnitt;
Fig. 8 eine bildliche Darstellung einer handbetriebenen Einrichtung gemäß der Erfindung, die zum Ausheben von vergrabenen Versorgungsleitungen und elektrischen Leitungen eingesetzt wird;
Fig. 9 eine vergrößerte, teilweise Schnittansicht entlang der Linie IX-IX aus Fig. 10, in der Details der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten konvergierenden/ divergierenden Auslaßöffnung dargestellt sind;
Fig. 10 eine Endansicht der Auslaßöffnung nach Fig. 9;
Fig. 11 eine teilweise Draufsicht auf eine rechteckige Auslaßöffnung gemäß der Erfindung; und
Fig. 12 eine Endansicht der rechteckigen Auslaßöffnung nach Fig. 11.
In den folgenden Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Teile in allen Ansichten und eine handbetriebene Aushebeeinrichtung ist dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Die Aushebeeinrichtung 2 ist für manuelles Ausheben von vergrabenen Versorgungsleitungen, wie der Versorgungsleitung oder der Führung 22 oder der Fernseh-, elektrischen, Telefon oder ähnlichen Kabel 22' gemäß Fig. 8 geeignet. Gemäß der Fig. 1 und 8 ist die Vorrichtung 2 durch eine Hochdruckluftschlauch 16 mit einem Vorrat von durch einen Kompressor 20 erzeugte Hochdruckluft verbunden. Der Luftkompressor ist vorzugsweise vom konventionellen Typ, der normalerweise für Konstruktionsarbeiten verwendet wird und 3,5 Kubikmeter (125 Kubikfuß) Luft pro Minute bei einem Vorratsdruck von wenigstens 620 KNm²g (90 Pfund pro Inch² (psig)) am Ausgang bereitstellt. Der Luftschlauch 16 hat vorzugsweise einen minimalen Innendurchmesser von 2,54 cm (1 Inch), um das für die erwünschten Aushebearbeiten erforderliche Luftvolumen befördern zu können.
Die Vorrichtung 2 ist mit dem Hochdruckluftschlauch 16 durch eine konventionelle Schnellkupplung 18 verbunden, die mit dem Handgriffteil 10 am Ende der Leitung 24 verschraubt werden kann (siehe Fig. 2 und 3). Die Vorrichtung 2 beinhaltet weiterhin einen Steuerventilkörper 4 mit einem Triggermechanismus 12 zur Steuerung des Flusses der Hochdruckluft. Die Vorrichtung 2 beinhaltet außerdem eine konvergierende/divergierende Auslaßöffnung 50, die in eine Bohrung 7 einer Buchse 6 an deren Auslaßende 8 eingepaßt ist. Im folgenden wird im Detail erklärt werden, daß das Verhältnis von Auslaßdurchmesser zu Einschnürdurchmesser der Auslaßöffnung 50 bei einem gegebenen Versorgungsdruck von Luft durch den Kompressor 20 einen auf Schallgeschwindigkeit gedrosselten Fluß in der Auslaßöffnungseinschnürung und einen überschallschnellen Luftstrom in dem divergierenden Abschnitt am Auslaß der Auslaßöffnung 50 erzeugt, der die erforderliche Energie zur Aushebung bereitstellt. Die Vorrichtung 2 beinhaltet weiterhin vorzugsweise einen Handgriff 14 zum bequemen Ergreifen durch einen Benutzer und ein Manometer 21 zum Beobachten des Betriebsluftdrucks, das auf der Rückseite des Ventilkörpers 4 angebracht ist.
Der Ventilmechanismus zur Regulierung des Flusses der Hochdruckluft durch die handbetriebene Aushebevorrichtung 2 ist in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt. Die Leitung 24 hat eine Bohrung 25, die mit dem Luftschlauch 16 und mit der Hochdruckluft innerhalb des durch den Kompressor 20 erzeugten Vorrats in Verbindung ist. Leitung 24 ist im Handgriff 10 angeordnet und am Ventilkörper 4 durch ein Gewinde, Anlöten oder ähnliche Verbindungen, die eine luftdichte Verbindung erzeugen, befestigt. Ventilkörper 4 weist eine Innenbohrung 5 auf, die sich in einer T-Form vom Einlaßende benachbart zur Leitung 24 bis zum Auslaßende benachbart zu Büchse 6 erstreckt. Büchse 6 weist eine Bohrung 7 auf, die mit der Bohrung 5 des Ventilkörpers in Verbindung ist. Büchse 6 ist fest und luftdicht an dem Ventilkörper 4 durch eine Paßhülse 82 angebracht, die durch einen Gewindeabschnitt 83 am Ventilkörper 4 gesichert ist. Ein Paar von O-Ringen 84 und 86 ist um die Paßhülse 82 und die Büchse 6 angeordnet, um eine mechanisch starke und luftdichte Dichtung zu erzielen.
Die in der Bohrung 25 angeordnete Hochdruckeinlaßluft ist von der Bohrung 7 der Büchse durch ein Ventilteil 28 abgetrennt, welches bewegbar innerhalb der Bohrung 5 des Ventilkörpers angeordnet ist. Ventil 28 weist einen Kopfabschnitt 30 mit keilförmigen Ecken auf, der mit einem Ventilsitz 34 von einer Venturi-Typ-Hülse 32 abdichtend in Anlage ist, welche innerhalb der Bohrung 5 aufsitzt. Hülse 32 weist eine zylindrische Bohrung auf, die abgedichtet ist, wenn Ventil 30 in der Fig. 2 dargestellten Schließstellung ist.
In dieser Stellung liegen die keilförmigen Ecken des Ventilkopfes 30 abdichtend an dem keilförmigen Ventilsitz 34 an, um Hochdruckluft vom Eintritt in die Büchsenbohrung 7 abzuhalten. Ein allgemein zylindrischer Kolben 38 ist auf einem Ventilstößel 36 des Ventils 28 an dem Kopf 30 gegenüberliegenden Ende befestigt. Kolben 38 ist in der Kammer 80, die im oberen Abschnitt des Ventilköpers 4 gebildet ist, verschiebbar positionierbar und ist am Ventilstößel 36 durch Unterlegscheibe 40 und eine Mutter gesichert. Der Kolben 38 enthält vorzugsweise einen kreisförmigen Ausschnittsabschnitt 44, der in dessen Unterseite ausgebildet ist und eine Spiralfeder 42 aufnimmt. Eine zylindrisch geformte Ventilführung 46 ist im Ventilkörper 4 eingepaßt und nimmt den Ventilstößel 36 dicht in sich auf. Ein O-Ring 48 ist in die Ventilführung 46 eingepaßt, um Luftlecks rund um den sich bewegenden Ventilstößel zu verhindern, der verschieblich darin bewegbar ist. Die Spiralfeder 42 beaufschlagt das obere Ende der Ventilführung 46 und das untere Ende des Kolbens 38 innerhalb des Abschnitts 44, um das Ventil 28 und den angeordneten Kopfabschnitt 30 in eine geschlossene Stellung gegen den versiegelten Sitz 34 der Hülse 32 vorzuspannen. Ein O-Ring 47 ist ebenfalls um den Umfang des Kolbens 38 angeordnet, um Luftlecks an diesen zu minimieren.
In der in Fig. 2 dargestellten geschlossenen Stellung wird der Ventilkopf 30 fest in Anlage mit dem Ventilsitz 34 durch den hohen Druck in der Bohrung 25 gehalten. Beispielsweise ist eine Kraft von größer als 45 kg (100 Pfund) zum Abheben des Ventilkopfes 30 notwendig, um einen Lufteintritt in die Bohrung 7 der Büchse 6 zu gestatten. In diesem Fall ist die Fläche des Ventilkopfes 30 6,45 cm² (1 Quadratinch) und der Einlaßdruck in der Bohrung 25 ist 689 KNm&supmin;² Manomenterdruck (100 psig). Um der relativ großen Abhebekraft zur Öffnung des Ventils 28 helfend entgegenzuwirken, ist ein Steuerventil angeordnet, das durch einen Steuerluftdruck von der Hauptluftzufuhr innerhalb der Leitung 25 betrieben wird. Der Steuerluftfluß ist durch Bewegung des Triggermechanismus 12 gesteuert, welcher Durchgangsöffnungen zur selektiven Zufuhr von Luft in Abhängigkeit von der Stellung des Triggers 12 enthält.
Der Ventilkörper 4 weist eine Lufteinlaßbohrung 62 mit kleinem Durchmesser auf, die mit der Bohrung 5 an einem Ende in Verbindung ist und mit einem ersten Ende einer Bohrung 64 in der zylindrischen Triggerwelle 26 in Verbindung gebracht werden kann. Ist der Trigger in der inaktiven Stellung gemäß Fig. 2, steht die Bohrung 64 mit der Bohrung 62 in Verbindung. Folglich wird kein unter Druck stehendes Steuergas zur Öffnung des Ventils 28 zugeführt. In der in Fig. 3 dargestellten aktiven Stellung des Triggers 12 ist seine Welle 26 in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht, um die Bohrung 62 und 64 zu verbinden, um einen Steuerluftstrom durch diese zu erlauben.
Der Ventilkörper 4 enthält auch eine Bohrung 66, die mit einem zweiten Ende der Bohrung 64 der Triggerwelle in Verbindung steht, wenn der Trigger 12 in der aktiven Stellung ist. Bohrung 66 steht mit einer sich vertikal erstreckenden Bohrung 68, die auch im Körper 4 gebildet ist, in Verbindung, die wiederum mit einer transversal sich erstreckenden Bohrung 70 in Verbindung ist, die mit einer um die zylindrische Außenwandung der Hülse 32 angeordneten Umfangsnut 72 in Verbindung ist. Diese wiederum ist mit einer Bohrung 64 in Verbindung. Bohrung 64 ist in Verbindung mit einer Bohrung 76, die auch innerhalb des Ventilkörpers 4 gebildet ist. Diese wiederum ist mit einem Durchlaß 78 nahe des oberen Endes des Ventilkörpers 4 in Verbindung. Durchlaß 78 ist mit der Kammer 80 oberhalb des Kolbens 38 des Ventils 28 in Verbindung. Die Oberseitenfläche am Ende des Kolbens 38, die der Kammer 80 zugewandt ist, ist größer als die des Ventilkopfs 30. Folglich, wenn der Trigger in der Fig. 3 dargestellten aktiven Stellung ist, wird Steuerluft mit Leitungsdruck durch Bohrungen 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78 der Kammer 80 zugeführt. Kammer 80 ist in einer luftdichten Umhüllung enthalten, die durch die mit Gewinde versehene Kappe 45 und einer O-Ring-Dichtung 49, die am Ventilkörper 4 fixiert ist, gebildet wird. Die unter Druck stehende Steuerluft wird durch Aktivierung des Triggers 12 zugeführt und verursacht die sofortige Runterbewegung des Ventils 28 aufgrund der auf das Ventil einwirkenden, nicht kompensierten Kräfte. Die Bewegung ergibt sich dadurch, daß die Oberseitenfläche des Kolbens 38 größer als die des Ventilkopfs 30 ist. Runterbewegung des Ventils 28 hebt den Ventilkopf von seinem Sitz und erlaubt der Druckluft vom Kompressor 20 innerhalb der Bohrung 25 und 5 in die Bohrung 7 der Büchse 6 einzudringen und folglich zur Auslaßöffnung 50 und zum Ausgang 8 der Vorrichtung 2 zu gelangen.
Ist der Triggermechanismus 12 gemäß Fig. 2 deaktiviert, wird die Druckluft innerhalb der Kammer 80 durch die obenstehenden Bohrungen 78, 76, 74, 72, 70, 68, 66 entlüftet und folglich durch Bohrungen 87 und 88 innerhalb der Triggerwelle 26, welche wiederum mit einer Bohrung 89 innerhalb des Ventilköpers 4 in Verbindung stehen, weitergegeben. Folglich wird die Druckluft innerhalb der Kammer 80 oberhalb des Kolbens 38 sofort zur Atmosphäre entlüftet, wenn der Triggermechanismus deaktiviert ist. Entsprechend bewegt sich sofort der Ventilkopf 30 nach oben, um auf der Dichtfläche 34 der Hülse 32 aufzusitzen und den Luftstrom durch die Vorrichtung 2 zu unterbrechen.
Gemäß Fig. 4 sind der Triggermechanismus und die Triggerwelle 26 in Richtung der deaktivierten Stellung durch eine Torsionsfeder 27 vorgespannt, die an der Triggerwelle 26 befestigt ist. Druckluftlecks von Bohrungen 64 und 70 sind durch die Vielzahl von O-Ringen 33, 35 und 35' minimiert, die in Schlitzen in dem Umfang der Triggerwelle 26 eingepreßt sind, um dicht gegen die innerhalb des Ventilkörpers 4 gebildete Aufsitzbohrung 37 anzuliegen. Ein paar von Abdeckplatten 29 und 29' ist am Ventilkörper 4 durch mit Gewinde versehene Befestigungen 31 gesichert. Die Platten 29, 29' dichten Triggerwelle 26 und Bohrung 64 des Ventilmechanismus gegenüber der Umgebung ab. Der einzige Zugang zum Inneren des Ventils ist durch eine Steuerauslaßöffnung mit kleinem Durchmesser (nicht dargestellt) gegeben, die das Eindringen von Staub durch Ausgeben eines konstanten Stroms von Luft verhindert. Dieser Luftstrom strömt entlang der Innenfläche der Triggerwelle 26 und der Aufsitzbohrung 37 des Ventilkörpers 4. Der Ventilkörper 4 ist weiterhin mit einem konventionellen Luftmanometer 21 versehen, das auf der Rückseite des Körpers 4 angeordnet ist und mit einer Bohrung 23 in Verbindung steht, die mit dem Inneren 5 des Ventilkörpers in Verbindung steht, um ein Überwachen des Leitungsdrucks durch den Benutzer zu ermöglichen, wenn die Vorrichtung 2 in Gebrauch ist. Fällt der Druck unter einen bestimmten Wert, beispielsweise 620 KNm&supmin;² Manometerdruck (90 psig) wird der Benutzer alarmiert, um entsprechende Aktionen zur Sicherung des richtigen Betriebs des Luftkompressors zu unternehmen.
Die Materialien zur Bildung des Ventilkörpers 4 der internen Ventilteile und des Triggerbauteils wie auch der Büchse 6 sind vorzugsweise nichtkorrodierende Materialien, wie Bronze, Stahl oder hochschlagfester Kunststoff. In Situationen, in denen Funken ein Explosionsunglück bei natürlichen Gasdämpfen erzeugen können, können die Büchse 6 wie auch die Spitze 58 aus einem Nichteisenmaterial, nicht funkenerzeugenden Material, wie Bronze, hergestellt sein. Die Greifabschnitte der Vorrichtung 2, Handgriff 10 und 14 können aus Hartgummi, Kunststoff, Hartholz oder ähnlichem Material hergestellt sein.
Gemäß Fig. 5-7 kann das Auslaßende 8 der Überschallaushebeeinrichtung 2 mit verschieden geformten Formstücken passend zur entsprechenden Arbeit ausgerüstet werden. Fig. 1 und 5. zeigen ein Auslaßende 8 mit einer Aufnehmspitze 58. Mittels dieser kann ein Betreiber Klumpen von normalerweise haftendem Material mit der geschärften Spitze lösen. Die Büchse 7 kann gerade oder einen gekrümmten oder gewinkelten Abschnitt 60 am Auslaßende 8 gemäß Fig. 7 aufweisen. Der gekrümmte Abschnitt 60 erlaubt die Anwendbarkeit der Vorrichtung bei schwer zu erreichenden Tunnelanwendungen und in Gebieten unterhalb von Leitungen oder Führungen.
Die konvergierende/divergierende Auslaßöffnung 50 ist fest am Ende der Büchse 6 durch beispielsweise Silberlöten oder ein feines Gewinde befestigt, so daß das Einlaßende 52 des konvergierenden Abschnitts der Auslaßöffnung glatt in die Bohrung 7 der Büchse übergeht. Der konvergierende Abschnitt verjüngt sich allmählich zu dem Einschnürabschnitt 54, der den Minimaldurchmesser innerhalb der Auslaßöffnung darstellt. Danach nimmt der Durchmesser der Auslaßöffnung allmählich zu und endet im Auslaßabschnitt 56. Die Auslaßöffnung 50 weist einen reduzierten Außendurchmesserabschnitt 51 nahe dem Einlaßende 52 auf, welcher bündig innerhalb der Bohrung 7 der Büchse 6 aufgenommen wird. Wird eine Aufnehmspitze 58 gemäß Fig. 5 verwendet, weist die Auslaßöffnung einen zweiten Abschnitt 53 mit reduziertem Außendurchmeser auf, der um das Auslaßende 56 gebildet ist, um die Befestigung der Spitze 58 zu ermöglichen. Die Befestigung kann durch Löten oder Aufschrauben oder dergleichen erfolgen.
Aus der Fluidmechanik ist bekannt, daß die maximale Flußrate für ein ideales Gas bei reibungslosem adiabatischen oder isotropischen Fluß (ohne Wärmezufuhr oder -abfuhr) durch eine konvergierende Auslaßöffnung bei einer Machzahl von 1 erfolgt, die in dem Minimalabschnitt, d. h. in der Einschnürung der Auslaßöffnung auftritt. Die Machzahl ist dabei definiert als Verhältnis der Geschwindigkeit des Luftstroms im Auslaß 56 der Auslaßöffnung 50 zu der Geschwindigkeit des Schalls an diesem Punkt. Weiterhin ist bekannt, daß ein Überschallfluß auftritt, wenn die Auslaßöffnungsfläche stromabwärts von der Auslaßöffnungseinschnürung zunimmt, wie es durch die erfindungsgemäße konvergierende/divergierende Auslaßöffnung gebildet ist.
Weiterhin ist auf dem Gebiet der Fluidmechanik bekannt, daß es möglich ist, einen stetigen Überschallfluß eines Gases, wie beispielsweise Luft, die aus einem Vorrat erhältlich ist, indem diese zuerst einen konvergierenden Auslaßöffnungsabschnitt und dann durch einen divergierenden Auslaßöffnungsabschnitt hindurchtritt. Weiterhin ist bekannt, daß die Machzahl, die von dem Luftstrom am Auslaß der konvergierenden/divergierenden Auslaßöffnung erreicht wird, durch eine Anzahl von Variablen beeinflußt wird, wie die Grenzbedingungen des Drucks, in diesem Fall den Versorgungsdruck und den Umgebungs- oder atmosphärischen Druck, wie auch durch das Verhältnis der Fläche des Auslaß zu der Fläche der Einschnürung der Auslaßöffnung. Erreicht der Versorgungsdruck einen vorgegebenen Grenzwert, ergibt sich ein auf Schallgeschwindigkeit gedrosselter Fluß in dem Einschnürbereich der Auslaßöffnung, die durch 54 in den Zeichnungen dargestellt ist. Das Gas wird einer isotropen Expansion von den Schallbedingungen an der Einschnürung 54 zu dem divergierenden Abschnitt 55 der Auslaßöffnung unterzogen, wodurch der Fluß den Überschallbereich erreicht, unter der Annahme, daß die Druck- und Temperaturbedingungen erfüllt sind.
Um den Schallgrenzwert zu erreichen, ist es notwendig, daß das Verhältnis von Auslaßfläche 56 zur Einschnürfläche 54 größer als 1 ist. Aufgrund bekannter Formeln und Berechnungen sind Tabellen erzeugt worden, in denen bestimmte Auslaßöffnungsverhältnisse aufgeführt sind, die zum Erzielen eines gegebenen Mach-Wertes bei gegebenen Druck- und Temperaturverhältnissen für Isotropenfluß von trockener Luft durch einen konvergierenden/divergierenden Auslaßöffnungsabschnitt nötig sind. Höhere Mach-Zahlen erreicht man, indem das Verhältnis von Vorratsdruck zu lokalem Druck wächst. In Tabelle 1 ist dieses Prinzip für Isotropenfluß von trockener Luft dargestellt. Tabelle 1 Mach-Zahl
wobei: Po = Vorratsdruck
p = Umgebungsdruck am Ausgang
A = Fläche der Ausgangsöffnung am Auslaß
A* = Fläche der Auslaßöffnung an der Einschnürung.
Es ist überraschenderweise festgestellt worden, daß ein Gasstrom, wie beispielsweise Luft, der sich mit einer Geschwindigkeit größer als Mach 1 bewegt, ein überraschend effektives Medium zum Ausheben von Erdreich oder anderem körnigen Material aufgrund seiner Fähigkeit zur Erzeugung und Infiltration kleiner in dem Material gebildeter Spalten und Öffnungen ist. Es wird angenommen, daß der Überschallstrom die Erdreichstruktur durchdringt, bis in den lokalen Höhlungen ein vollständiger Stau auftritt. Die Höhlungen wirken als Vorratsbehälter zur momentanen Speicherung von abgebremster Hochdruckluft. Die aufgestaute Luft muß dann expandieren und, indem sie expandiert, bricht sie das Erdreich durch Spannung, dessen schwächstes Richtungsattribut, auf. Diese lokalen Vorratsbehälter von Hochdruck sind die Energiequelle zum endgültigen Aufbrechen des Materials durch Spannung und die nahezu augenblickliche Initiierung einer pneumatischen Explosion aufgrund der schnellen Expansion des Hochdruckgases bis zum Atmosphärendruck. Folglich ist die Erfindung so zu verstehen, daß ein Verfahren eine Vorrichtung zum Übertragen von Druckenergie, erzeugt durch einen Kompressor 20, auf lokale Aushebestellen bereitgestellt wird, wo deren zerstörerische Kraft genutzt wird. Weiter werden durch den großen Impulsfluß die vorstehend erwähnten Höhlungen zur augenblicklichen Speicherung und Freigrabe solcher Druckenergien bereitgestellt.
Zur Verdeutlichung des o.g. Prinzips ist eine Auslaßöffnung zur Verwendung für Erdreichaushebungen gemäß der Erfindung im Detail in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Auslaßöffnung 50 ist von kreisförmigem Querschnitt und enthält einen Einlaß 52 mit einem Bohrungsdurchmesser gleich dem der Büchse 7, der beispielsweise ungefähr 2,22 cm (0,875 Inch) sein kann. Das Auslaßöffnungsprofil konvergiert darauffolgend zum Einschnürabschnitt 54 mit einem Durchmesser "A" von beispielsweise 0,64 cm (0,25 Inch). Dann weitet sich die Auslaßöffnungsbohrung in dem divergierenden Bereich 55 auf. Beispielsweise kann der Durchmesser "D" 0,68 cm (0,269 Inch) betragen, wobei "E" gleich 0,44 cm (0,172 Inch) ist. Bei dem dargestellten Auslaß 56 der Auslaßöffnung ist deren Durchmesser durch "B" dargestellt, was gleich 0,72 cm (0,283 Inch) ist. Die Größe "C", d. h. der Abstand zwischen der Einschnürung 54 und dem Auslaß 56 ist bei diesem Beispiel 1,08 cm (0,425 Inch). Bei Verwendung eines Kompressors 20 mit einer Flußratenkapazität von 68 g/sec (0,15 lb/sec) bei einem Verhältnis von Vorratsdruck zum Umgebungsdruck n (Po/P) von ungefähr 4,5 bei 21ºC (70ºF) Umgebungstemperatur, zeigen Berechnungen, daß die obenerwähnte Auslaßöffnung 50 einen Überschalluftstrom mit einer Geschwindigkeit von ungefähr Mach 1,64 erzeugt. Die Berechnungen beruhen auf der Annahme, daß der Fluß isotrop ist, d. h. der Fluß ohne Reibung und ohne Wärmezufuhr oder -abfuhr erfolgt. Die Untersuchungen ergaben, daß eine kreisförmige Auslaßöffnung vorteilhaft gegenüber anderen Formen im Hinblick auf Reibungseffekte in Relation zu Abstandsentfernung im Hinblick auf Flußabfall ist. Weiterhin wurde festgestellt, daß es einen Grenzdruck gibt, unter dem Erdreich nicht effizient ausgehoben werden kann. Der Grenzdruck scheint ungefähr 551 KNm&supmin;² Manometerdruck (80 psig) zu sein. Ein äußerst großes Anwachsen der Aushebemöglichkeit ergibt sich bei einem anwachsenden Vorratsdruck (Po), mit einer 25%igen Verbesserung bei einer Steigerung von 551 KNm&supmin;² Manometerdruck (80 psig) auf 689 KNm&supmin;² Manometerdruck (100 psig).
Das Profil des Überschallstroms kann an der oben beschriebenen Kreisform zu einer Quadrat- oder rechteckigen Form verändert werden, falls dies erwünscht ist. In den Fig. 11 und 12 ist eine Auslaßöffnung 94 dargestellt, die einen rechteckförmigen Überschalluftstrom erzeugt, der zur Reinigung von flachen Oberflächen beispielsweise von Förderbändern zum Transport von sperrigem Material verwendet wird. Auslaßöffnung 94 umfaßt einen Körper 95 mit abgeschrägten Seitenplatten 102 und 102' und einer zwischen diesen angeordneten abgeschrägten Teilerplatte 104. Die Platten 102, 102' und 104 werden durch Abdeckplatten 101 und 103, die durch Befestiger 106 gesichert sind, an ihrer Stelle gehalten. Gemäß Fig. 11 bilden die abgeschrägten Platten 102 und 104 einen konvergierenden Auslaßöffnungsabschnitt 98, eine Einschnürung bei 96 und einen divergierenden Abschnitt, der in einem Auslaß 100 endet. Eine identische Form wird benachbart dazu durch die abgeschrägten Platten 102' und 104 mit einem rechteckförmigen Luftstrom gebildet, der vom Ausgang 100' ausgegeben wird. Im Betrieb verschmelzen die Seite an Seite aus den Ausgängen 100 und 100' austretenden Ströme nach einer kurzen Entfernung von der Auslaßöffnung unter Bildung eines einzelnen, dünnen messerähnlichen Profils. Dieses ist ideal zum Reinigen geeignet, wenn Erdreich oder anderes festgebackenes oder verklumptes Material von flachen Oberflächen entfernt werden muß. Die gleichen Verhältnisse von Auslaßfläche zu Einschnürfläche gelten auch für die Rechteckauslaßöffnung 94 wie vorstehend in Verbindung mit der Kreisauslaßöffnung 50 erwähnt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 6, kann eine Substanz, die bei Abkühlen verhärtet, wie flüssiges Wasser oder gasförmiges Kohlendioxid, in die Bohrung 7 vor der Auslaßöffnung 50' durch eine Zuführung 59 gemäß der gestrichelten Linie in der Zeichnung zugeführt werden. Ein Wasserdunst oder Strom von gasförmigen Kohlenstoffdioxid von Durchführung 59 wird innerhalb des Luftstroms mitgerissen und nahezu sofort bei Durchführung durch die konvergierende/divergierende Auslaßöffnung 50' erstarrt, aufgrund des großen Temperaturgefälles, welches natürlicherweise bei Beschleunigung des Luftstroms durch die Ausgangsöffnung auftritt. Eispartikel oder feste CO&sub2;-Teilchen werden dann mit dem Hochgeschwindigkeitsluftstrom ausgegeben, um eine zusätzliche abschleifende Wirkung beim Ausheben und Säubern zu ermöglichen. Die Ausdrücke "Ausheben" und "Säubern" sind hierbei untereinander austauschbar im Hinblick auf die beabsichtigte Umgebungsverwendung der Erfindung. Insbesondere Kohlendioxid ist ein nützliches Additiv, da es keine Rest oder Abführprobleme nach der Beendigung des Erstarrens mit sich bringt.
Um weiterhin die Effektivität der Erfindung zu demonstrieren, wurde ein Test auf einem Feld durchgeführt, bei dem eine handbetriebene Einrichtung 2 gemäß der Erfindung mit konventionellen Handwerkzeugen, wie einer Spitzhacke und einer Schaufel verglichen wurde. Zum Vergleich wurden drei verschiedene Typen von Aushebelöchern hergestellt. Einmal eine Kerbe, ein vertikales Loch und ein horizontaler Tunnel. Die Ergebnisse sind in der prozentualen Verbesserung im Volumen des ausgehobenen Materials in der jeweils gleichen Zeitperiode für die Einrichtung 2 gemäß der Erfindung gegenüber den konventionellen Handwerkzeugen angegeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet. Tabelle II
Aushebetyp Verbesserung Luftstrom / Handarbeit
Kerbe 260%
vertikales Loch 240%
Tunnel 327%
Der in Tabelle II aufgelistete Test wurde mit einer berechneten Luftstromgeschwindigkeit von Mach 2 bei einem Luftkompressor 20 mit 689 KNm&supmin;² Manometerdruck (100 psig) durchgeführt. Aufgrund der obigen Ergebnisse sind die Vorteile der Erfindung gegenüber den gewöhnlich geführten Handarbeitsverfahren offensichtlich.
Weiterhin ist Fachleuten klar, daß die handbetriebene Einrichtung 2 so modifiziert werden kann, daß sie auf einem mechanisierten Grabeequipment wie einer Hacke angebracht werden kann. Weiterhin kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung in automatisierte, Robotgrabvorrichtungen eingesetzt werden, für welche die Erfindung insbesondere geeignet ist. Bei solchen Anwendungen ist es natürlich wünschenswert oder gar notwendig, den Ventilmechanismus von einer handbetriebenen zu einer pneumatisch, hydraulisch oder ähnlich betriebenen Einrichtung zu modifizieren.
Da eine spezielle Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist es für Fachleute ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details entwickelt werden können, die noch von der Erfindungsoffenbarung überdeckt sind.

Claims

1. Verfahren zum Bewegen oder Entfernen von Erdreich oder ähnlichem körnigen Material zum Zwecke des Aushebens oder Reinigens, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt des Richtens eines Gasstromes auf das Erdreich oder dergleichen körnige Material beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom eine Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 hat und daß der Gasstrom dadurch erzeugt wird, daß eine Strömung unter Druck stehenden Gases durch eine Auslaßöffnung vom konvergierenden/divergierenden Typ mit einem Verhältnis von Auslaßquerschnittsfläche (56) zu Einschnürquerschnittsfläche (54) von mehr als 1 durchgeführt wird, so daß die Geschwindigkeit des Gasstromes an dem Auslaß größer als Mach 1 ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas Luft ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis des Drucks des unter Druck stehenden Gases zu dem Umgebungsdruck zwischen 1,895 und 150,796 liegt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom von einer Gasquelle stammt, die einen Manometerdruck von mehr als 620 KNm&supmin;² aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom in sich selbst, bevor der Gasstrom auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, eine Substanz erhält, welche bei Abkühlung härtet, um Partikel auszubilden, die mit dem Gasstrom herausgeschleudert werden.

6. Vorrichtung zum Entfernen von Erdreich oder ähnlichem körnigen Material zum Zwecke des Aushebens oder Reinigens, mit einer Quelle (20) unter Druck stehenden Gases, einem Kanal (6), der mit der Quelle unter Druck stehenden Gases und einer Auslaßöffnung (50) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung vom konvergierenden/divergierenden Typ mit einem Einschnürungsbereich (54) und einem Auslaßbereich (56) ist, wobei jeder der Bereiche einen entsprechenden Querschnitt aufweist und das Verhältnis des Querschnitts des Auslaßbereiches zu demjenigen des Einschnürungsbereiches größer als 1,0 ist, wodurch die Vorrichtung beim Gebrauch dazu geeignet ist, einen Gasstrom mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 zu erzeugen, wenn unter Druck stehendes Gas von dem Reservoir die Auslaßöffnung durchströmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit Mitteln (59) zum Hineingeben in den Kanal, stromaufwärts von der Auslaßöffnung (50), eines Liquids oder eines gasförmigen Mediums, das beim Abkühlen härtet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei Ventilmittel (4) vorgesehen sind, welche den Kanalmitteln (6) zugeordnet sind und den Gasstrom von der Gasquelle (20) zu einer Auslaßöffnung (50) überwachen, wobei die Ventilmittel einen Ventilkörper mit einer Durchgangsbohrung (5) darin umfassen, angeordnet in Verbindung mit dem Kanal (6) und der Gasquelle (20), wobei die Ventilmittel ferner ein Ventilteil (28) mit einem Kopfabschnitt (30) und einem Kolbenabschnitt (38) beinhalten, wobei die beiden Abschnitte über einen Stößel (36) miteinander verbunden sind und der Kopfabschnitt mit einem Ventilsitz (34) zusammenarbeitet, um die Versorgung der Auslaßöffnung mit unter Druck stehendem Gas zu stoppen, wenn das Ventil in nicht-aktivierter Position steht, wobei die Ventilmittel ferner eine Führungsbohrung (66, 68, 70, 72, 74, 76. 78) umfassen, welche die Quelle unter Druck stehenden Gases mit dem Kolbenabschnitt des Ventiles verbindet, wenn die Ventilmittel in aktivierter Position sind, wodurch das unter Druck stehende Gas die Führungsbohrung passieren kann, um auf den Kolbenabschnitt einzuwirken, so daß das Ventilteil bewegt und es dem Kopfabschnitt erlaubt wird, sich von dem Sitz zu lösen und es dem unter Druck stehenden Gas zu erlauben, zu der Auslaßöffnung zu strömen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8. wobei die Ventilmittel (4) Triggermittel (12) umfassen, beinhaltend einen drehbaren zylindrischen Abschnitt (26) mit einer Führungsöffnung (64) darin, welche mit der genannten Führungsbohrung (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78) in Verbindung steht, wenn die Triggermittel in aktivierter Position stehen, um es dem unter Druck stehenden Gas zu erlauben hindurchzuströmen, um den Ventilkopf vom Sitz zu lösen, und welche die genannten Führungsbohrungsmittel abtrennt, wenn die Triggermittel in nicht-aktivierter Position stehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der zylindrische Abschnitt (26) der Triggermittel (12) ferner eine Lüftungsöffnung (87, 88) darin umfaßt, um es unter Druck stehendem Gas zu erlauben, von der Führungsbohrung in die Atmosphäre zu entweichen, wenn die Triggermittel in die nicht-aktivierte Position gebracht sind.