(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される電圧の周波数制御により回転数が制御され掘削装置の掘管回転部とドローワークスを駆動する交流誘導電動機と、該交流誘導電動機に対する回転数指令値を設定する回転数設定器と、足踏みペダルの踏み込み量に比例して変化する空気圧を検知する圧力センサによって揚管作業時に前記交流誘導電動機に対する回転数指令値を設定する圧力センサ部と、該圧力センサ部が前記ドローワークスの運転に要する最小回転数以上の回転数指令値を出力したことを示す確認信号を、足踏みペダルの踏み込みを確認して出力する圧力スイッチと、上記交流誘導電動機に対するトルク制限指令値を設定するトルク制限設定器と、掘削作業時に前記回転数設定器で設定された回転数指令値に基づいて回転している上記交流誘導電動機が発生するトルクを前記トルク制限指令値以下となるように制御して、上記掘管回転部の回転方向に発生するトルクを制限し、揚管作業時に前記圧力スイッチによって確認信号が出力された場合にのみ、上記交流誘導電動機の回転数を前記圧力センサ部の回転数指令値によって可変制御する制御部とを備えていることを特徴とする掘削装置の駆動制御装置。
【請求項２】
上記掘管回転部の回転方向に発生するトルクが上記掘管回転部によって回転されるドリルストリングの回転方向の破損トルク以下となるよう、上記交流誘導電動機が発生するトルクを制限することを特徴とする請求項１に記載の掘削装置の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、掘削装置の駆動制御装置に係り、特に、掘管回転部とドローワークスを回転させる交流誘導電動機の駆動を制御する駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水井戸、温泉井、地熱井、地下資源採掘井、あるいは地震観測井等に代表される各種坑井の掘削に使用される掘削装置の例を図５に示す。この掘削装置１００は、地上に構築されたマスト１０１を備え、マスト１０１の頂部には、定滑車であるクラウンブロック１０２が支持されている。また、マスト１０１の基部近傍には、巻上げ装置であるドローワークス１０３が設置されている。ドローワークス１０３のドラム（図示せず。）には、巻上げ作業用のワークライン１０４の一端が連結され、ワークライン１０４の他端は、クラウンブロック１０２に巻き掛けられ、更に、クラウンブロック１０２と、その下方に位置する、動滑車であるフックブロック１０５との間とを数往復している。
【０００３】
フックブロック１０５の下端には、ドリルストリング１０６が垂直な軸回りに回転可能に支持され、ドリルストリング１０６の下端からは、ドリルカラー１０７が下方に延び、ドリルカラー１０７の下端には、掘削用のビット１０８が設置されている。また、符号１０９は、ドローワークス１０３が備えるロータリ駆動装置（図示せず。）の駆動力を受けてドリルストリング１０６を回転させるロータリ（掘管回転部）である。
【０００４】
ドリルストリング１０６を坑内から引き上げる場合には、ドローワークス１０３のドラムを回転させ、ワークライン１０４を巻き取る。一方、ドリルストリング１０６を坑内に降ろす場合には、ドローワークス１０３のドラムを駆動するモータ（図示せず。）を停止または揚管方向に回転させた状態で上記ドラムのクラッチを操作し、上記モータと上記ドラムの駆動部とを切り離した後、フリーとなったドラムの回転を間欠的に制動しつつ、ドリルストリング１０６を、その自重により下降させる。また、掘削作業を行う場合には、ドリルストリング１０６を坑内に降ろした後、ドリルカラー１０７の自重によりビット１０８に下向きの力を付与しつつ、ロータリ１０９を介してドリルストリング１０６を回転させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記掘削装置１００の場合、ドリルストリング１０６やドリルカラー１０７、あるいはビット１０８等が、何らかの理由により坑内に抑留されることがある。しかしながら、ロータリ駆動装置に、トルク制御が不可能な交流誘導電動機を用いていると、ロータリ駆動装置が発生するトルクがドリルストリング１０６の破損トルクより大きい場合、ドリルストリング１０６が破損する恐れがあった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、坑内におけるドリルストリング１０６やドリルカラー１０７、あるいはビット１０８等の抑留に伴う、ドリルストリング１０６の破損防止をその目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は掘削装置の駆動制御装置に係り、印加される電圧の周波数制御により回転数が制御され掘削装置の掘管回転部とドローワークスを駆動する交流誘導電動機と、該交流誘導電動機に対する回転数指令値を設定する回転数設定器と、足踏みペダルの踏み込み量に比例して変化する空気圧を検知する圧力センサによって揚管作業時に前記交流誘導電動機に対する回転数指令値を設定する圧力センサ部と、該圧力センサ部が前記ドローワークスの運転に要する最小回転数以上の回転数指令値を出力したことを示す確認信号を、足踏みペダルの踏み込みを確認して出力する圧力スイッチと、上記交流誘導電動機に対するトルク制限指令値を設定するトルク制限設定器と、掘削作業時に前記回転数設定器で設定された回転数指令値に基づいて回転している上記交流誘導電動機が発生するトルクを前記トルク制限指令値以下となるように制御して、上記掘管回転部の回転方向に発生するトルクを制限し、揚管作業時に前記圧力スイッチによって確認信号が出力された場合にのみ、上記交流誘導電動機の回転数を前記圧力センサ部の回転数指令値によって可変制御する制御部とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
この場合、上記掘管回転部の回転方向に発生するトルクが上記掘管回転部によって回転されるドリルストリングの回転方向の破損トルク以下となるよう、上記交流誘導電動機が発生するトルクを制限することが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の記載中、上記図５に示したものと同様の構成を有する部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１１】
本発明に係る掘削装置の駆動制御装置１の構造の例を図１及び図２に示す。この駆動制御装置１は、上記掘削装置１００のロータリ１０９に適用されるもので、ロータリ駆動装置である交流誘導電動機（以下、モータと呼称する。）２を備えるモータ部３と、モータ２の回転数やトルクを制御する制御部４と、作業者が掘削装置１００を操作するためのドリラー操作部５と、モータ２の回転数を制御する圧力センサ部６とから概略構成されている。
【００１２】
モータ２は、周波数制御により回転数が制御されるインバータ専用の交流誘導電動機で、冷却ファン（図示せず。）を備えている。また、モータ部３は、モータ２の回転数を検出する回転計７と、モータ２の温度を検出するサーミスタ検出部（図示せず。）を備え、サーミスタ検出部が検出したモータ２の温度が異常値を示すと、モータ２が運転を停止する。
【００１３】
制御部４は、交流配電部８と、インバータ装置部９と、制御装置部１０とを備えている。交流配電部８は、外部に位置する電源から供給される交流電圧を受電して、インバータ装置部９及び制御装置部１０に配電する。インバータ装置部９は、制御装置部１０から入力された回転数指令値及びトルク規制値に基づき、モータ２の回転数を制御するとともに、モータ２のトルクを、所定の規制値以下に制限する。また、インバータ装置部９には、モータ部３の回転計７から、モータ２の回転数が入力される。
【００１４】
制御装置部１０は、Ａ／Ｄ部１１と、Ｄ／Ａ部１２と、Ｉ／Ｏ部１３と、演算部１４と、記憶部（図示せず。）とを備えている。モータ２の運転中、制御装置部１０には、インバータ装置部９から、モータ２の実回転数値と実負荷トルク値とが入力される。更に、制御装置部１０には、ドリラー操作部５の回転数設定部１５（図３参照）にて設定される回転数指令値及びトルク制限設定部２５（図３参照）にて設定されるトルク制限指令値と、圧力センサ部６にて設定される回転数指令値がそれぞれ入力される。
【００１５】
制御装置部１０は、入力された回転数指令値及びトルク制限指令値に応じた回転数指令値及びトルク規制値をインバータ装置部９に送り、モータ２の回転数及びトルクを、モータ２が指令された回転数で回転し、かつモータ２のトルクがトルク制限指令値以下となるよう制御する。この場合、インバータ装置部９から入力されたモータ２の実回転数値と、ドリラー操作部５から入力された回転数指令値、あるいは圧力センサ部６に設けられて作業者により操作される足踏みペダル（図示せず。）の踏み込み量に比例して変化する空気圧を検知する圧力センサ（図示せず。）からの回転数指令値とは、演算部１４にて常時比較され、制御装置部１０は、その偏差に基づき、モータ２の回転数をフィードバック制御する。
【００１６】
ドリラー操作部５は、図３に示すように、操作部１７と表示部１８とから構成されている。操作部１７は、モータ２の回転数を、例えば０〜２４００ｒｐｍの範囲で設定する回転数設定部１５と、非常停止ボタン１９と、ブザ停止ボタン２０と、ドローワークス１０３を駆動する揚管作業時とロータリ１０９を駆動する掘削作業時に際し、モータ２の運転内容及び制御内容を切り替える切替スイッチ２１とを備えている。また、表示部１８は、回転計２２と、トルク計２３と、表示灯２４とを備えている。
【００１７】
表示灯２４の詳細を図４に示す。表示灯２４の、「インバータ電源」は、インバータ装置部９に電源が投入されると点灯する。「ブロア電源」は、モータ２の冷却ファンに電源が投入されると点灯する。「インバータ運転中」は、インバータ装置部９によりモータ２が回転すると点灯する。「ＭＡＸトルク出力中」は、負荷トルクが最大（例えば１５０％）となり、インバータ装置部９が最大トルクでモータ２を運転中に点灯する。「故障」は、駆動制御装置１の電装品が故障すると点灯する。「ＤＷモード」は、切替スイッチ２１がドローワークス１０３側に切り替えられていると点灯する。「ＲＴモード」は、切替スイッチ２１がロータリ１０９側に切り替えられていると点灯する。「定出力領域」は、モータ２が、定格出力領域（例えば１５００〜２４００ｒｐｍ）で回転中に点灯する。「トルク指令ＭＡＸ」は、インバータ装置部９におけるトルク規制値が最大値（例えば１５０％）に設定されると点灯する。「トルク指令規制」は、インバータ装置部９におけるトルクが所定の規制値（例えば８０％または１００％）に設定されると点灯する。「インバータ故障」は、インバータ装置部９が故障すると点灯する。
【００１８】
圧力センサ部６は、上記する足踏みペダル及び圧力センサを備えている。モータ２の回転数は足踏みペダルの踏み込み量に応じて上昇し、圧力センサは、上記空気圧の変化に比例して変化する出力電圧を、モータ２の回転数指令値に対応するアナログ信号として出力する。
【００１９】
符号３０は、ドローワークス１０３の運転に必要な最小回単数に対応する圧力以上の圧力を圧力センサ部６が検知した際に接点信号を出力する圧力スイッチである。この信号は、足踏みペダルを確実に踏み込んだことを示す確認信号として利用される。すなわち、圧力センサ部６からの回転数指令値と圧力スイッチ３０からの接点信号とが両方とも制御装置部１０に入力された場合にのみ、制御装置部１０が回転数指令値をインバータ装置部９に出力してモータ２の回転数を制御する。
【００２０】
また、圧力センサ部６における空気圧の漏れにより、圧力センサ部６の圧力センサが、足踏みペダルを踏んでいないにもかかわらずアナログ信号を出力する場合や、圧力センサが、圧力センサ部６内の温度変化によりアナログ信号を出力する場合がある。しかしながら、本掘削装置１の場合、圧力スイッチ３０を備えているため、作業者が実際に足踏みペダルを踏み込み、モータ２の回転数を上昇させる操作を行っている場合にのみ、モータ２の回転数が制御される。
【００２１】
次いで、上記構成を有する駆動制御装置１の動作について説明する。
揚管作業時（ドリルストリング１０６を坑内から引き上げる場合）には、切替スイッチ２１をドローワークス１０３側に設定し、モータ２によりドローワークス１０３のドラムを回転させ、ワークライン１０４を巻き取る。モータ２の回転数は、圧力センサ部６の足踏みペダルと、ドリラー操作部５の回転数設定部１５のいずれによっても設定可能である。前者の場合、足踏みペダルを踏み込むことにより、ドリルストリング１０６を坑内から引き上げる。また、モータ２の回転数は、圧力センサ部６または回転数設定部１５における設定値のうち、大きい方の値に設定される。
【００２２】
更に、揚管作業時には、インバータトリップの発生を防止するため、インバータ装置部９から制御装置部１０に入力されたモータ２の実負荷トルク値が、制御装置部１０の演算部１４により常時監視される。その結果、インバータトリップの発生前にトルク規制値が自動的に制御され、安定した運転が行われる。
【００２３】
掘削作業を行う場合には、ドリルストリング１０６を坑内に降ろした後、切替スイッチ２１をロータリ１０９側に設定し、ドリルカラー１０７の自重によりビット１０８に下向きの力を付与しつつ、ロータリ１０９を介してドリルストリング１０６を回転させる。また、モータ２の回転数は、回転数設定部１５によってのみ設定可能となり、圧力センサ部６による設定は受け付けなくなる。
【００２４】
掘削作業時には、制御装置部１０からインバータ装置部９に送られたトルク規制値により、モータ２のトルクが制御される。また、掘削に伴うモータ２の実負荷トルク値は、インバータ装置部９から制御装置部１０及びドリラー操作部５に入力される。ドリラー操作部５に入力された実負荷トルク値はトルク計２３に表示される。この実負荷トルク値は、制御装置部１０の演算部１４にて、ドリラー操作部５から入力されたトルク制限指令値と比較され、実負荷トルク値がトルク制限指令値を越えないよう常時監視される。実負荷トルク値がトルク制限指令値を越えると制御装置部１０が警報を発生するが、警報発生時には、ドリルストリング１０６の折損または破損を防止するため、モータ２を停止させることも可能である。
【００２５】
上記構成を有する駆動制御装置１によれば、掘削時におけるモータ２のトルクが、ドリラー操作部５のトルク制限設定部２５により、任意のトルク制限指令値以下に制限される。従って、モータ２によりロータリ１０９を介して駆動されるドリルストリング１０６の回転方向に発生するトルクがドリルストリング１０６の破損トルク以下となるよう、上記トルク制限指令値を設定することにより、モータ２に交流誘導電動機を用いた場合でも、ドリルストリング１０６に発生するトルクが常時ドリルストリング１０６の破損トルク以下に抑制される。その結果、本発明によれば、坑内におけるドリルストリング１０６やドリルカラー１０７、あるいはビット１０８等の抑留に伴う、過大なトルクの発生によるドリルストリング１０６の破損が防止される。
【００２６】
なお、上記モータ２の数については、図示の例のように、１台のモータ２でドローワークス１０３とロータリ１０９との双方を駆動してもよく、また、ドローワークス１０３とロータリ１０９とを別々のモータ２で駆動してもよい。また、上記回転数指令値及びトルク制限指令値は、連続的（無段階）に設定しても、段階的に設定してもよい。
【００２７】
更に、本発明は、ドローワークス１０３とロータリ１０９とが一体的に構成された掘削装置１００のみならず、交流誘導電動機を駆動源とするスピンドル式掘削装置の駆動制御装置にも適用可能な技術である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、回転に伴い掘削装置の掘管回転部に発生するトルクがドリルストリングの破損トルク以下となるよう、駆動源のトルクが制御される。従って、ドリルストリングが坑内に抑留された場合でも、ドリルストリングが破損することがない。また、揚管作業時にドリルストリングを引き上げるドローワークスを回転させるモータの回転速度を設定する圧力センサ部が、空気圧の漏れにより、足踏みペダルを踏んでいないにもかかわらず回転数指令信号を出力する場合や、圧力センサ部がその内部の圧力センサの温度変化により回転数指令信号を出力する場合があっても、圧力センサ部の足踏みペダルの踏み込みを確認する圧力スイッチを備えているため、作業者が実際に足踏みペダルを踏み込み、駆動源の回転数を上昇させる操作を行っている場合にのみ、駆動源の回転数を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る駆動制御装置の構成の例を示す図である。
【図２】図１に示す駆動制御装置の構成の一部をより詳細に示す図である。
【図３】図１に示す駆動制御装置のドリラー操作部の拡大図である。
【図４】図３に示すドリラー操作部の表示灯の拡大図である。
【図５】本発明が適用される掘削装置の例を示す上方斜視図である。
【符号の説明】
１  （掘削装置の）駆動制御装置
２  交流誘導電動機（モータ）
４  制御部
６  圧力センサ部
１５  回転数設定部
２５  トルク制限設定部
３０  圧力スイッチ
１００  掘削装置
１０３  ドローワークス
１０６  ドリルストリング
１０９  ロータリ（掘管回転部）
【図１】
0003590743.tif 000002
【図２】
0003590743.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003590743.tif 000006