JP2014531543A - 空気圧式ダウンザホールドリル - Google Patents

Abstract

フレーム（21）と、フレーム（21）の長手方向に可動に取り付けられた空気圧式打撃ピストン（24）とを有し、打撃ピストンは、加圧空気が空気圧式ダウンザホールドリルへ送り込まれると往復動し、フレーム（21）の前端部の工具を打撃し、さらに、ＤＴＨドリルへ圧搾空気を送る供給路と、圧搾空気を制御して衝撃運動を生じさせるフレーム（21）内ショルダおよび打撃ピストン（24）内ショルダとを有するＤＴＨドリル。フレーム（21）の後端部において、ＤＴＨドリルは、燃焼室（26）と、衝撃運動中、打撃ピストン（24）を打撃ピストン（24）行程の一部分にわたって押すように構成された加速ピストン（25）と、燃焼用空気および燃料を燃焼室（26）内へ供給する手段とを有し、これによって打撃ピストン（24）は加速ピストンをその衝撃後に燃焼室（26）へ押し込み、燃料を燃焼室（26）へ送り込む前に燃焼室26）内の空気を圧搾するように構成されている。【選択図】図３ａ

Description

従来技術

本発明は、空気圧式ダウンザホールドリルに関するものであり、ダウンザホールドリルは、フレームと、フレーム内にある空気圧式打撃ピストンとを有し、打撃ピストンは、ダウンザホールドリルに加圧空気を送ると、フレームの長手方向に往復動し、その衝撃運動の最後にはフレームの前端部にあってフレームの長手方向に可動に取り付けられた工具を打撃する。ダウンザホールドリルはさらに、フレームと打撃ピストンの間に加圧空気を供給する供給路と、加圧空気を案内して衝撃運動を発生させるフレーム内ショルダおよび打撃ピストン内ショルダとを有する。

ダウンザホールドリルは岩盤に穴を穿孔するのに用いられる。このようなＤＴＨドリルでは、ＤＴＨドリルの直前方に工具が連結され、工具はＤＴＨドリルの衝撃装置により衝撃を受ける。

公知の方式は、例えば、効率が比較的悪いという欠点がある。空気圧式打撃機構だけでは十分な効率を生じず、また液圧式打撃装置は汚染リスクがあるため、手軽には使用されない。

本発明は、簡易で確実に作動する空気圧式ＤＴＨドリルを提供することを目的とする。

本発明のＤＴＨドリルは次のような特徴を有する。すなわち、フレームの後端部に燃焼室を含み、燃焼室内において、フレームと打撃ピストンの間にあってフレームの長手方向に動き燃焼室における燃料の燃焼により作動する別個の加速ピストンを含み、加速ピストンは、衝撃運動中、打撃ピストンを打撃ピストン行程の一部分だけ押し出すように配設され、さらに、燃焼用空気を燃焼室へ送り込む空気流路と、燃料を燃焼室へ噴射する手段と、燃焼室から燃焼ガスを排気する排気流路とを含み、これにより打撃ピストンは、各衝撃後に加圧空気を燃焼室へ戻すことによって加圧ピストンを押し、これにより、燃焼室への燃料供給前に燃焼室において空気を圧縮するように配設されていることである。

本ＤＴＨドリルの思想は以下の通りである。すなわち本ドリルは、工具を打撃する別個の空気圧式打撃ピストンと、燃料の燃焼により作動する別個の加速ピストンとを含み、加速ピストンは、打撃ピストンの運動を加速させるが、衝撃期間中、打撃ピストンから離れて作業工程を打撃ピストンだけによって行うことにある。ＤＴＨドリルの更なる他の思想は、加速ピストンを圧搾空気の圧力により打撃ピストンで押すことによって初期位置へ戻すことにある。

本発明の利点は、燃料作動式加速ピストンにより加速される打撃ピストンによって打撃が行われ、必要な衝撃力が生じることにある。しかし、衝撃時、加速ピストンが打撃ピストンから離れるので、工具から跳ね返る反動力が加速ピストンに影響を及ぼすことはなく、これに応力を与えることもない。

添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
削岩リグを模式的に示す図である。 他の異なる削岩リグを模式的に示す図である。 ないし ダウンザホールドリルの構造と作業サイクルのさまざまな段階におけるその動作を模式的に示す図である。

発明の詳細な説明

図１は削岩リグ１を示し、これは、穿孔ブーム３が設けられた可動キャリア２を有してもよい。ブーム３には、送りビーム５、送り装置５および回転ユニット７から成る削岩ユニット４が設けられている。回転ユニット７はキャリッジ８へ支持してもよく、または、回転ユニットは、これを送りビーム５へ可動に支持する摺動部品もしくは同様の支持部材を有していてもよい。回転ユニット７には穿孔装置９を設けてもよく、これは、１つ以上の相互に連結した穿孔パイプ10と、穿孔装置の最外端部にあるドリルビット11とを有してもよい。図１の削岩ユニット４は回転穿孔を企図し、その場合、回転ユニット７は穿孔装置９をその長手方向の軸を中心として方向Ｒに回転させるのに用いられると同時に、回転ユニット７およびこれに連結された穿孔装置９に対して送り装置６によって送り力Ｆが穿孔方向Ｂに加えられる。したがってドリルビットは、回転力Ｒと送り力Ｆの効果によって岩盤を破壊し、穿孔穴12が形成される。穿孔穴12が所望の深さに穿孔されると、穿孔装置９は、送り装置６によって穿孔穴12から戻り方向Ｃに引き抜くことができ、穿孔装置は、回転ユニット７によって穿孔パイプ10間の接続ネジを緩めて分解することができる。

図２は第２の穿孔ユニット４を示し、これは、穿孔装置９に対して打撃装置13が設けられている点で図１のものと異なる。したがって打撃装置13は、回転ユニット７に対して穿孔装置９の反対側の端部に配されている。穿孔中、ダウンザホールドリル13は穿孔穴の中にあり、ドリルビット11付の工具を直接ダウンザホールドリル13に連結することができる。

図３ａないし図３ｆは、本発明のダウンザホールドリルおよび作業サイクルのさまざまな段階におけるその動作を示す。これはフレーム21と、フレームの前端部にあって長手方向に可動に取り付けられた工具22とを有する。本願および請求項において、前端部とは、ＤＴＨドリル13において、工具が存在して穿孔の際にＤＴＨドリルが進む方向の端部を言い、また後端部とは、ＤＴＨドリル13の反対側の端部を言う。

工具22の中央部にはフラッシング流路がある。さらに、ＤＴＨドリル13は打撃ピストン24を有し、これはフレーム21の長手方向に可動に取り付けられている。さらに、加速ピストン25を有し、これは、打撃ピストン24に対して工具22から見てフレーム21の反対側の端部、すなわち打撃ピストンの後端にあり、ＤＴＨドリルフレーム21の長手方向に可動に取り付けられている。加速ピストンの背後で打撃ピストン24から離れた側には、燃焼室26がある。ＤＴＨドリルは供給路27を含み、これを通って加圧空気が打撃ピストン24とフレーム21の間の環状空間21aへ送り込まれる。さらに、ＤＴＨドリルは空気流路28を含み、これを通って圧搾空気が燃焼室26へ送り込まれ、また吸気弁29も含み、これによって圧搾空気の供給が制御される。吸気弁29は、いずれかの適切な弁構造物、もしくは公知のものでよいが、ここでは、一例として逆止め弁として説明する。さらに、ノズル30を有しているが、これは燃料供給手段に含まれ、これを通って燃料が燃焼室26へ送り込まれる。ＤＴＨドリルはさらに、図示せずかつ公知のタイミングおよび供給手段を含み、これは、加速ピストン25の位置もしくは燃焼室26内の圧力などの条件に基づいて燃焼室26への燃料供給を制御する。

図３ａは、打撃ピストン24が工具22を打撃した状態におけるＤＴＨドリルを示す。ＤＴＨドリルのフレーム21は対向ショルダ21bを含み、加速ピストン25は停止ショルダ25aを含んでいる。図３ａでは、加速ピストン25は、その停止ショルダ25aがフレーム21内の対向ショルダ21bと衝突した際、衝撃動作の前に停止した状態である。打撃ピストン24および加速ピストン25は、それらの間に、開いた隙間もしくは明確な隙間が何ら存在しないようにそれぞれの長さの一部分が入れ子になっている。

燃焼室26内にまだ高圧が広がっているため、吸気弁29は、自身に対して圧搾空気の圧力が流路28を通って作用しているにもかかわらず閉じた状態を保つ。しかし、燃焼室26内の圧力はだんだん低くなるが、その中の燃焼ガスは排気流路32へ、さらに加速ピストンの周囲にある前記ピストンとフレーム2の間の空間21cへ、さらに加速ピストン25の流路33を通って両ピストンの中央の空間を経てフラッシング流路23へ排出される。

図３ｂでは、打撃ピストン24はその逆動を開始した状態であり、燃焼室26内の圧力は減圧して、圧搾空気によって逆止め弁29が押し開く。この段階では、空気流路28からの、例えば３ないし５バールの高圧空気は、燃焼用ガスを燃焼室26から押し出して排気流路32へ入れ、燃焼室を新しい空気で満たす。

打撃ピストン24および加速ピストン25のそれぞれの長さの一部分は、これらの間に、開いた間隙もしくは隙間が何ら存在しないように入れ子になっている。入れ子部分24bおよび25bは作用面24cおよび25cを有し、これらは、加速ピストン25が打撃ピストン24を工具22に向けて押すと、または打撃ピストン24が加速ピストン25を燃焼室26に向けて押すと、互いに接触する。これと同時に、打撃ピストン24内の遮断ショルダ24aが対向ショルダ21bの内面とともに停止ショルダ25aと対向ショルダ21bの間の空間からの連通を気密に閉じる。この状態で、打撃ピストン24と加速ピストン25の間の空間は減衰室31を形成し、圧搾空気で満たされる。

打撃ピストンが加速ピストン25に向かって動くに従って、減衰室31内の圧力が上昇し、打撃ピストン24は、形成され加圧されたエアークッションによって加速ピストン25を燃焼室に向けて押し始める。この場合、加速ピストンは、移動しながら排気流路32を閉じ、その後、空気流路28により供給された空気の圧力より燃焼室26内の圧力上昇の方が高くなるので、この圧力上昇で吸気弁29が押されて閉じる。こうして、いわゆる圧搾段階が行われる。打撃ピストンの表面領域24には圧搾空気の圧力が作用してピストンを逆動させる力が発生するが、その表面領域は、フレーム21の前端部側の打撃ピストン面24fとフレームの後端部に面する側24eの打撃ピストン面24gの間の差によって形成される。前記表面積は、燃焼室26の側の加速ピストン25の表面積より大きく、これによって燃焼室内での空気を圧搾する十分な圧搾力を得る。

図３ｃはさらに、打撃ピストン24が加速ピストン25に向けて十分な距離を移動した状態を示し、遮断ショルダ24aの上端部がフレーム21内で対向ショルダ21bを通過して、減衰室31から打撃ピストン24とフレーム21の間の環状空間21aへの連通を開き、これによって減衰室31内の圧力が低下する。その結果、打撃ピストン24は加速ピストン25に向けて移動することができ、これに到達して、加速ピストン25の停止ショルダ25aおよび打撃ピストン24の遮断ショルダ24a、ならびに作用面24cおよび25cが互いに接触し、両ピストンは同じ速度で燃焼室26へ向かって走行を続ける。

打撃ピストン24と加速ピストン25が燃焼室26に向かって移動するにつれ、打撃ピストン24の下端部における作用ショルダ24dはフレーム内の規制ショルダ21dと整列し、工具22の側の打撃ピストン24の端部にある反転室21fから供給路27への連通を閉じる。同時に、打撃ピストン24は、加速ピストン25とともにその燃焼室26へ向かう運動を続ける。この瞬間から、供給路2７からの圧搾空気の圧力は、打撃ピストン24に対してその作用ショルダ24dの作用面24eに作用し、打撃ピストンを工具22に向けて押し力を生成する。これによって打撃ピストン24および加速ピストン25の運動は、わずかに加速する。

図３ｄにおいて、打撃ピストン24と加速ピストン25は燃焼室26内の空気を圧搾して非常に高圧にし、燃焼室へはノズル30を通って燃料が供給されている。この燃料は発火するが、これは、加熱され圧搾された空気がジーゼルエンジンの作動原理により燃焼室26内の圧力を急上昇させるためである。

打撃ピストン運動の最後の部分において、上記状態以前に、打撃ピストン24は、フラッシング流路23に接続されたフラッシング管23aの端部を通過し、したがって反転室21fからフラッシング流路23への連通を開いている。これによって、反転室21f内の加圧空気はここへ排出される。この状態において、打撃ピストン24および加速ピストン25は、燃料の点火で衝撃運動を開始する。これと同時に、供給路27からの高圧空気が打撃ピストン24の作用ショルダ24dの作用面24eに作用し、これによって打撃ピストン24を工具22へ向けて押そうとする。

図３ｅは、フラッシング流路23に関連したフラッシング管23aにより打撃ピストン24が反転室21fのフラッシング流路23への連通を閉じた段階を示す。同図に示す状態では、作用ショルダ24dが規制ショルダ21dを通過してしまうと、圧搾空気供給路27および作用ショルダ24dの周囲にある空間21aから反転室21fへの連通が開かれる。この状態において、打撃ピストン24および加速ピストン25はさらに、互いに接触したまま工具22の方へ同じ速度で運動し続けるが、圧搾空気の圧力により生成される力は、打撃ピストン24の走行方向に対して影響を及ぼす。なぜなら、反転室21f内で打撃ピストン24の作用ショルダ24dの前方の反転面24fが大きく、これによって打撃ピストン24を減速させるからである。

図３ｆにおいて、打撃ピストン24の遮断ショルダ24aは、フレームの対向ショルダ21bとともに減衰室31から打撃ピストンの周囲の空間への連通を閉じ、これによって減衰室31が形成されて閉鎖空間をなし、打撃ピストン24および加速ピストン25が進行するに従って減衰室31内の空気圧が上昇する。その結果、圧力クッションは、圧力の上昇とともに加速ピストン25の運動を減速させ、これによって打撃ピストンは加速ピストン25から離れ、したがって、もはや加速ピストン25が打撃ピストン24を工具22に向けて押すことはない。

加速ピストン25がそのフレーム21の前端部に向かう運動を続けるにつれ、排気流路32への連通が開く。両ピストンが前進するにつれて、加速ピストン25の周囲の空間21c内に負圧が形成される。なぜなら、加速ピストン25の前端部における停止ショルダ25aの表面積が燃焼室26における加速ピストン25の表面積より大きいからである。したがって、生成された負圧によって燃焼用ガスが迅速に空間21cへ吸い込まれ、これによって燃焼室26のフラッシングが向上する。

この後、図３ａの状態が再び生じ、打撃ピストン24が工具22を打撃し、加速ピストン25がショルダ25aおよび21bを停止させ、その後、作業サイクルが最初から再始動する。

打撃ピストン24および加速ピストン25の動作において重要なのは、打撃ピストン24が工具22を打撃するにつれて、もはや加速ピストン25が打撃ピストン24と衝撃方向で接触することはなく、その衝撃時点以前に停止することである。したがって、加速ピストン25は、何らの衝撃応力も、また工具22からの反射衝撃により生じる応力も受けることがなく、すべての応力は打撃ピストンにのみ加わる。さらに、動作において重要なのは、加速ピストン25が停止ショルダ21bを全速で打撃しないことである。したがって、その衝撃速度は、減衰室31内の圧搾空気クッションにより減速されて、フレーム21の停止ショルダ21bによる衝撃時の加速ピストン25の速度が十分に低速で、衝撃により生じる応力に材料が耐える。

ＤＴＨドリルに対する燃料供給は、燃料供給ホース、燃料タンクなどを用いる公知のさまざまな方法で行うことができる。燃料噴射は、機械式、電気式、空圧式もしくはその他の公知の時間による燃料供給方式および定量燃料供給方式を用いるいくつかのさまざまな技法によって行うことができる。

ＤＴＨドリルは、燃料を燃焼室へ供給することなく圧搾空気だけで作動させることもでき、当然このような場合、その出力はかなり低下する。これは、例えば何らかの理由で穿孔を非常に注意深く行う必要がある場合に使用することができる。同様に、このようにすれば加速ピストンの作動は、グロープラグ等のような別個の点火手段を使わないでも、燃焼室内の空気が燃料の点火に十分なほどの熱さになるまで加速ピストンを打撃ピストンで打撃することだけで開始させることができる。

図３ａないし図３ｆにおいて、本発明を一例として模式的に説明した。フレームおよび両ピストンの形状と、さまざまな流路およびショルダの配置および形状は、当業者の設計常識の範囲内で様々に実現してよい。

Claims (8)

1. フレームと、該フレームの内にある空気圧式打撃ピストン（24）とを含み、該打撃ピストンは、空気圧式ダウンザホールドリルに加圧空気を送ると、前記フレーム（21）の長手方向に往復動し、その衝撃運動の最後には、該フレームの前端部にあって該フレーム（21）の長手方向に可動に取り付けられた工具を打撃し、さらに、前記フレーム（21）と打撃ピストン（24）の間に加圧空気を供給する供給路と、該加圧空気を案内して前記衝撃運動を発生させる前記フレーム（21）内のショルダおよび前記打撃ピストン（24）内のショルダとを含む空気圧式ダウンザホールドリルにおいて、
   該ダウンザホールドリルは、前記フレーム（21）の後端部に燃焼室（26）を含み、該燃焼室内において、前記フレーム（21）と打撃ピストン（24）の間にあって該フレーム（21）の長手方向に動き前記燃焼室（26）における燃料の燃焼により作動する別個の加速ピストン（25）を含み、該加速ピストンは、前記衝撃運動中、前記打撃ピストン（24）を該打撃ピストン（24）行程の一部分だけ押し出すように配設され、該ダウンザホールドリルはさらに、燃焼用空気を前記燃焼室（26）へ送り込む空気流路と、燃料を前記燃焼室（26）に噴射する手段と、該燃焼室（26）から燃焼用ガスを排気する排気流路とを含み、これにより前記打撃ピストン（24）は、各衝撃運動後に加圧空気を前記燃焼室（26）へ戻すことによって前記加圧ピストン（25）を押し、これによって、前記燃焼室（26）への燃料供給前に該燃焼室（26）において前記空気を圧縮するように配設されていることを特徴とする空気圧式ダウンザホールドリル。
2. 請求項１に記載のダウンザホールドリルにおいて、前記加速ピストン（25）は、前記排気流路を前記燃焼室（26）への進入前に閉じ、その前進運動が終わる前に該排気流路を開くように配設されていることを特徴とするダウンザホールドリル。
3. 請求項１または２に記載のダウンザホールドリルにおいて、前記空気流路は、前記燃焼室（26）内の圧力が所定の圧力レベルを下回ると開くブロッキング弁を含み、該ブロッキング弁が開くと、前記空気流路から加圧空気が流れて前記燃焼室（26）を洗い流し、該燃焼室（26）を新しい燃焼用空気で満たすように配設されていることを特徴とするダウンザホールドリル。
4. 前記請求項のいずれかに記載のダウンザホールドリルにおいて、前記加速ピストン（25）は、停止ショルダと、前記フレーム（21）で軸方向において同じ位置にある対向ショルダとを含み、該ショルダが接触すると、前記加速ピストン（25）は、前記打撃ピストン（24）が工具を打撃する前に停止することを特徴とするダウンザホールドリル。
5. 請求項４に記載のダウンザホールドリルにおいて、前記打撃ピストン（24）および加速ピストン（25）は、いずれの段階でもこれらの間に隙間が生じないようにそれぞれの長さの一部分にわたって密に入れ子になり、前記打撃ピストン（24）は、その上端部に遮断ショルダを含み、該ショルダは、前記加速ピストン(25)の停止ショルダが前記フレーム（21）の対向ショルダを打撃する前に、前記ピストンが前記衝撃方向へ前記対向ショルダとともに動くにつれ、前記停止ショルダと対向ショルダの間の空間からの連通を閉じて減衰室を形成し、前記加速ピストン（25）が前進するとともにその体積が減少し、これに含まれる圧搾空気の圧力が上昇し、該加速ピストン（25）の動きを減速し、また同様に、前記打撃ピストン（24）の逆動中は、前記加速ピストン（25）を前記燃焼室（26）へ向けて押してから、前記遮断ショルダが前記減衰室からの連通を開いて、前記打撃ピストン（24）が該減衰室から空気を排出し、前記加速ピストン（25）に到達してこれを前記燃焼室（26）内へ押し戻すことができることを特徴とするダウンザホールドリル。
6. 前記請求項のいずれかに記載のダウンザホールドリルにおいて、該ドリルは、前記加速ピストン（25）の位置に関連して燃料供給のタイミングを選ぶタイミング装置を含むことを特徴とするダウンザホールドリル。
7. 前記請求項のいずれかに記載のダウンザホールドリルにおいて、前記打撃ピストン（24）は作用ショルダを含み、該ショルダの工具側の表面積は前記加速ピストン（25）に面する表面より大きく、前記フレーム（21）は補助ショルダを含み、前記打撃ピストン（24）の後部位置において前記ショルダは整列し、前記圧搾空気の圧力は前記加速ピストン（25）に面した表面にのみ作用して前記打撃ピストン（24）を前記工具の方へ押す力を生成し、該打撃ピストンの前部位置において前記ショルダは互いに離れ、前記圧搾空気の圧力は両表面に対し作用して、前記打撃ピストン（24）を前記工具から押し離す力を生成することを特徴とするダウンザホールドリル。
8. 前記請求項のいずれかに記載のダウンザホールドリルにおいて、前記打撃ピストン（24）において、前記フレーム（21）の前端部に面しこれを通って前記圧搾空気が該打撃ピストン（24）および前記加速ピストン（25）を前記燃焼室（26）へ向けて押す表面の表面積は、該燃焼室（26）に面する前記加速ピストン（25）の表面積より大きいことを特徴とするダウンザホールドリル。

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