(57)【要約】  液体ボリュームを受けるチャンバ（３）と、液体ボリュームにおける圧力パルスをツールにおける応力波パルスに変換するように構成された衝撃ピストン（４）とを備える衝撃ツールのためのインパルス発生器１である。チャンバ（３）はその形状に関してチャンバの内側で少なくとも１つの圧力波腹（１１、１５、１７）を形成するため液体ボリュームにおける液体用の共鳴チャンバを形成するよう適応されている。また本発明は方法及び油圧式インパルスツールにも関わる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ボリュームを受けるチャンバ（３）と、液体ボリュームにおける圧力パルスを衝撃ツールにおける応力波パルスに変換するよう構成された衝撃ピストン（４）とを備える衝撃ツール用のインパルス発生器（１）において、
チャンバ（３）がその形状に関してチャンバの内側で少なくとも１つの圧力波腹（１１、１５、１７）を形成するため液体ボリュームにおける液体用の共鳴チャンバを形成するようにされている、
ことを特徴とするインパルス発生器。
【請求項２】
チャンバが、衝撃ピストン（４）から離間して、チャンバから及びチャンバへ特定の振動数で定期的に液体を入出する少なくとも１つの液体入口／出口（１０）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のインパルス発生器。
【請求項３】
複数の流体入口／出口（１０）がチャンバ（３）の周囲に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のインパルス発生器。
【請求項４】
チャンバが、動作中、共鳴チャンバの内側で圧力波節（１２）が上記液体入口／出口の領域に集中するようにされていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のインパルス発生器。
【請求項５】
チャンバ（３）が、動作中、４分の１波の共鳴或いは４分の１波の奇数倍数の共鳴が行き渡るようにされていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項６】
チャンバが、およそ２００乃至１０００Ｈｚの振動数に適応されることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項７】
チャンバの断面が円形であることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項８】
チャンバが線状に伸張していることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項９】
チャンバが曲線状に伸張していることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項１０】
チャンバが、共鳴振動数を制御可能であるようにその形状を変更可能であることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項１１】
チャンバが、その全長に関して変更可能であることを特徴とする請求項１０に記載のインパルス発生器。
【請求項１２】
特定の振動数で液体をチャンバに送るために構成された少なくとも１つのポンプ装置（９）を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項１３】
各ポンプ装置（９）が、ピストン・シリンダー装置を備えていることを特徴とする請求項１２に記載のインパルス発生器。
【請求項１４】
ポンプ装置が、回転駆動されるように構成されていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載のインパルス発生器。
【請求項１５】
ポンプ装置が、カム従動子装置によって駆動されるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のインパルス発生器。
【請求項１６】
チャンバは、圧力波腹（１２）が衝撃ピストン（４）に関して直接的に集中するような形状であることを特徴とする請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項１７】
衝撃ピストン（４）に位置決めされている衝撃チャンバ（２０）が、チャンバ（３）から切り離され、チャネル手段がチャンバ（３）と衝撃チャンバ（２０）の間に構成されていることを特徴とする請求項１１〜請求項１５の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項１８】
流量を制御するバルブ手段（２１）が、上記チャネル手段に設けられていることを特徴とする請求項１７に記載のインパルス発生器。
【請求項１９】
上記チャネル手段の全長及び／又は領域を調整する手段が設けられていることを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載のインパルス発生器。
【請求項２０】
複数の互いに直列接続されたチャンバ（３’、３”） を有すること特徴とする請求項１〜請求項１９の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項２１】
チャンバが、液体ボリュームに水、シリコン油、油圧式オイル、鉱油のグループから１つの液体を有するようにされていることを特徴とする請求項１〜請求項２０の何れか一項に記載のインパルス発生器。
【請求項２２】
請求項１〜請求項２１の何れか一項に記載のインパルス発生器を備えることを特徴とする油圧式インパルスツール。
【請求項２３】
液体ボリュームを受けるチャンバと、液体ボリュームにおける圧力パルスをツールにおける応力波パルスに変換するように構成された衝撃ピストンとを備える衝撃ツール用のインパルス発生方法において、
チャンバの液体は、液体ボリュームにおける液体がチャンバで少なくとも１つの圧力波腹を形成する共鳴状態に設定されるように定期的に影響されている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２４】
チャンバにおける液体が、チャンバに特定の振動数で定期的に液体を入出力することによって定期的に影響されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
液体が、チャンバの周囲に配置された複数の液体入口／出口を通してチャンバから外に及びチャンバの中に送られることを特徴とする請求項２３又は請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
圧力波節が上記液体入口／出口の領域において形成され、また圧力波腹が衝撃ピストンの領域において最も大きな圧力振幅をもつように構成されているとこを特徴とする請求項２３、２４、２５の何れか一項に記載の方法。
【請求項２７】
共鳴は、動作中、４分の１波の共鳴或いは４分の１波の奇数倍数の共鳴が行き渡るよう発生されることを特徴とする請求項２３〜請求項２６の何れか一項に記載の方法。
【請求項２８】
振動数が、およそ２００乃至１０００Ｈｚになるよう制御されていることを特徴とする請求項２３〜請求項２７の何れか一項に記載の方法。
【請求項２９】
液体が、チャンバの周囲に分配して送られることを特徴とする請求項２３〜請求項２８の何れか一項に記載の方法。
【請求項３０】
チャンバの形状が共鳴振動数を制御するために変更されることを特徴とする請求項２３〜請求項２９の何れか一項に記載の方法。
【請求項３１】
チャンバの全長が変更されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
圧力パルスがチャンバと衝撃チャンバの間に構成されているチャネル手段を介して衝撃チャンバに送られ、衝撃チャンバが衝撃ピストンに位置決めされ、そしてチャンバから切り離されていることを特徴とする請求項２３〜請求項３１の何れか一項に記載の方法。
【請求項３３】
上記チャネル手段における流量が制御されていることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
上記チャネル手段の長さ及び／又は面積が、上記応力波パルスの形状を制御するように調節されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
圧力パルスが、複数の互いに直列接続されたチャンバの間に送られることを特徴とする請求項２３〜請求項３４の何れか一項に記載の方法。
【請求項３６】
水、シリコン油、油圧式オイル、鉱油のグループから１つの液体が使用されることを特徴とする請求項２３〜請求項３５の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文によるインパルス発生器に関するものである。本発明はまたそのようなインパルス発生器を含む油圧式インパルスツール及びインパルス発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
国際公開２００５／００２８０２Ａ１によれば、作動チャンバの圧力よりも高い圧力の圧力流体が、圧力急増を達成するために作動チャンバに流すことができるインパルス発生器は従来公知である。これによってツールにおける応力パルスを発生するためにツールの方向に伝達ピストンに影響を及ぼす力が達成される。
【０００３】
このように従来公知のインパルス発生器は、圧力源と作動チャンバの間の圧力を変換するために、相当量の圧力及び正確で迅速な制御手段による発生と変換とを必要とし、結果として費用的な問題を引き起こす。さらに上記伝達に絡んだ別の種類の損失も存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、従来技術の欠点を回避する或いは少なくとも減少させる冒頭に述べたようなインパルス発生器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項１の特徴とする部分に記載した特徴によるインパルス発生器で達成される。対応する利点は、このようなインパルス発生器を含む油圧式インパルスツール及び本発明による方法によって得られる。
【０００６】
かかるチャンバをこのような方法に適応することによって、圧力波腹がその第二の領域で形成されるようチャンバの１つの領域内で液体に影響することができる。さらに衝撃ピストンは、圧力の様々な変化或いはこのような圧力波腹に存在する液体圧力パルスに晒されることを可能にする。結果として衝撃ピストンに作用する液体圧力パルスは、すなわち岩盤破砕のための動作と共にそれをツールに圧力張力応力パルスとして伝達される。
【０００７】
チャンバにおける液体が共鳴振動数で励起される際、定常波はこうして形成される。この波の形状は、チャンバの境界条件すなわちその端壁によって決定される。境界条件すなわち端壁が非常に堅固である場合、流量波節（流量変化なし）及び圧力波腹（最大変化圧力）はこの位置で引き起こされる。境界条件が液体に対して非堅固である場合、流量波腹（最大変化流量）及び圧力波節（圧力変化なし）はこの位置で引き起こされる。流量波腹において液体は最大限に動き、エネルギーがそこで運動エネルギーとして結合されることを意味している。圧力波腹においてエネルギーは弾性エネルギーとして結合する。
【０００８】
したがって、共鳴チャンバを特徴付けることは、エネルギーが運動エネルギー及び弾性エネルギーの複合構成として伝達されるということである。
【０００９】
共鳴チャンバの１つの壁をそのチャンバの共鳴振動数と同じ振動数で動かすことによって非堅固な境界条件は満たされ、したがってそのような位置で流量波腹を発生させる。
【００１０】
共鳴チャンバの第二の端部では、チャンバ壁は本質的に堅固であり、事実結果として上記圧力波腹の形成を伴って、上述の通り液体に堅固な境界条件を形成する。圧力波腹において圧力は理想的に正弦波形を描いて時間の経過と共にすなわち平均圧力の周辺で対称的に変化する。この位置における最大限の圧力変化はゼロ及び平均圧力の２倍の間であり得る。
【００１１】
事実圧力はまた、圧力波節側で幾分変化する。しかしこの変化は、求められるのと同様に小さく、或いは、共鳴のピークの高さに影響することで受け入れることができるのと同様に小さくすることができる。このように穿孔ストリング及び共鳴チャンバさらに共鳴チャンバに送るためのポンプのインピーダンスを適応することによって達成することができる。
【００１２】
チャンバの内側で共鳴振動数に影響するパラメーターは、本質的に以下の通りである：チャンバの全長、境界条件、液体の密度及び圧縮性モジュール、さらにある程度までのチャンバの断面寸法。
【００１３】
液体は、入口／出口を通ってチャンバに送られまたチャンバから送り出されるのが好ましく、それは経済的であって現実的に取り扱える可能性のある解決策となる。
【００１４】
チャンバの周囲に配置された多数の入口／出口によって、液体のインプット／アウトプットを均等に分配して、迅速な反応とより小さな損失を達成するために幾つかの液体用ポンプ或いは液体源としても使用することが可能である。
【００１５】
一般的に、本発明による解決策は、特に１つ或いは幾つかのポンプから構成される液体源を満たす本質的に一定のカウンター圧力が入口側に行き渡っているので、関係する構成要素に寛大である。したがって、各ポンプは相対的に低負荷で長い寿命を有するということを予想することができる。
【００１６】
単に例として、典型的な圧力値はインプットがおよそ２２５−２７５バールであり、平均圧力Ｐ０が２５０バールであって、さらに衝撃ピストンの圧力が、結果として最も単純な場合で、およそゼロから５００バールの間で変化し得ることを言及することができる。
【００１７】
特に、チャンバは動作中４分の１波の共鳴或いは奇数倍数の４分の１波の共鳴であるように適応されるのが好ましい。適切には、チャンバはおよそ２００乃至１０００Ｈｚの間の振動数に適応される。しかし他の振動数もまた使用できる。
【００１８】
チャンバが環状の断面をもつことで、製造作業は簡素化される。この形状はまた、（共鳴）チャンバの損失から最も効果的で最も自由である。
【００１９】
線状に伸びるチャンバの形状は、たくさんのアプリケーションに適するように細長い形状の可能性を保証している。しかし曲がったチャンバの形状はその全長を制限することができる。
【００２０】
その形状に関連してチャンバが変化自在、特に長さが変化自在であることによって、共鳴振動数を制御する可能性を実現し、種々の材料でも作動する利点を有することができる。
【００２１】
衝撃ピストンを設けることによって、衝撃チャンバは（共鳴）チャンバから切り離され、チャンバ同士の間にチャネル手段を設けて共鳴チャンバとツールそれ自体に直接的に接続する部材とを分離することができる。
【００２２】
上記チャネル手段に流量を制御するバルブ手段を設けることによって、衝撃ピストンに影響するパルスの構成の有意性のある調整が可能である。よってパルスはその形状が行き渡っている正弦波形から別な方法で逸れるように、さらに例えば影響を受ける岩盤或いは同様のものから反射効果を最小限にするように制御できる。
【００２３】
相互に直列で接続された複数の共鳴チャンバを使用することによって、例えばパルス振幅に影響することができ、特に１つの共鳴チャンバを備えたシステムを使用する際、そうでなければ可能であること以上に、さらに振幅を上げることができる。
【００２４】
対応する利点は対応する方法の請求項に関連して実現され、さらなる利点は他の独立請求項の特徴から得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は実施形態の背景及び添付図面を参照して、より詳細に説明されるであろう。
【００２６】
図１において、符号番号１は、一般的にその一端に衝撃ピストン４を構成するチャンバ３において液体容量を受けるハウジング２を包含する岩盤破砕ツールに関わる。これは、穿孔ロッド６を介して岩盤破砕ツール７に直接的にロッド形状のピストン５を通した状態で置かれている。
【００２７】
チャンバ３は、長さｌと外径ｄでその形状を形成し、選択された液体で充たされ、そこでポンプ装置９から液体入口／出口１０を通して同一の液体が定期的に送られる際、チャンバ３の内側の液体は共鳴状態に置かれるようになる。特に圧力波節が入口／出口１０の領域に存在し、また圧力波腹が衝撃ピストン４の領域に存在し、そこで作用するというような仕方である。
【００２８】
符号番号８は、チャンバ３の内側に一定量の平均圧力を提供する発生源を表示し、平均圧力の周囲で共鳴チャンバの内側の圧力は変動する。このような構成はまた、起こり得る漏出液体をシステムの内側に戻すのを保証している。
【００２９】
符号番号Ｆは、例えば穿孔装置の送りビームに構成されている従来の送り装置から岩盤破砕ツール１に作用する送り力を表示している。
【００３０】
図２は、装置動作中、液体入口／出口１０を通ってポンプ９から定期的な液体のインプットでチャンバ３における液体の共鳴状態での圧力分布を図示している。圧力分布は、圧力波節１２と圧力波腹１１を伴って、形成された共鳴チャンバ３の全長に亘る振幅を描く上位曲線１３で表示されている。さらに圧力源８によって、そこに平均圧力Ｐ０を行き渡らせ、かかる圧力の周囲で共鳴チャンバの内側で変化する。
【００３１】
このように、最も大きな圧力振幅は衝撃ピストン４の領域で圧力波腹１１を引き起こし、共鳴チャンバのこの端部の圧力は、ロッド形状部分を通りさらにツールを通って圧力張力波或いは応力波としてさらに送られるために伝達される。軸方向にチャンバの全長方向でツールの応力波としての圧力パルスの送りと関連して、ピストン４の動作は小さいということを注目すべきである。さらにエネルギーは、衝撃ピストンからツールに運動エネルギーではなくて応力波エネルギーとして直接的に送られるということを言及することができる。
【００３２】
また図２は、３つの図表が配置され、右の図表は圧力波節１２の領域における圧力の変化を表示している。図示された通り、実際ここでは特定の最小の圧力変化がもたらされ、圧力変化がこの位置でゼロでなくてはならない理想的なケースから外れている。しかしこのような小さな変化は許容できるものであり、実際インパルス発生器の機能に不利益なものではない。
【００３３】
共鳴チャンバ３のツール端部にある図表は、圧力波腹１１にもたらされる圧力変化を表示している。このように、これは振幅Ｐ０で中間値Ｐ０の周囲で正弦波形に変化するような場合である。この例におけるこのような方法で衝撃ピストン４は０から２Ｐ０の間の圧力によって影響を受けている。振幅とＰ０の間の他の圧力関係も本発明の範囲内であることを特筆すべきである。
【００３４】
最も左にあるＦ−ｔ図表は、時間に応じた衝撃ピストン４にかかる力を表示している。力Ｆは、０と特定の最大値Ｆの間で正弦波形を変化させる。
【００３５】
振動数Ｆについて、以下の式は図２に関して本質的に有効である：
４・ｌ・ｆ＝ｃ
ここで、ｌはチャンバの全長であり、ｃは音速である。
【００３６】
図３は、３つの４分の１波共鳴が共鳴チャンバ３の内側でもたらされるよう振動数が高められている動作例を表示している。圧力変化は曲線１４で表示され、入口／出口１０の領域で圧力波節１６が依然として存在する。以前同様、衝撃ピストン４の領域に圧力波腹１５が存在する。さらに、この場合、インプット側からチャンバ全長の３分の１の距離で本質的に圧力波腹１７が存在する。
【００３７】
図３の右の２つの図表は、入口と衝撃ピストンとにおける圧力分布を表示している。 Ｆ−ｔ図表は、ツールに影響しようとする力の分布を示している。この場合、このように衝撃振動数は図２の動作例によればその３倍程度大きくなる。
【００３８】
振動数Ｆについて、以下の式は図３に関して有効である：
４・ｌ・ｆ＝ｎ・ｃ
ここで、ｌはチャンバの全長であり、ｃは音速であり、ｎ＝１、３、５、７．．．であり、図３ではｎ＝３である。
【００３９】
図４では、堅固な中間壁１９が図２の衝撃ピストン４の位置に配置されているという事実によって、図２のものと異なる変形例が示されている。代わりに、衝撃ピストン４は左へ動き、図に見えるように、衝撃ピストン４と中間壁の間に衝撃チャンバ２０を構成し、選ばれた位置で、中間壁１９に最も近い共鳴チャンバ３の部分と関連している。
【００４０】
この方法で、衝撃チャンバ２０に送られる圧力パルスの形状は、それらがツールに要求される応力波伝播に関わるように制御され得る。共鳴チャンバ３と衝撃チャンバ２０の間にチャネル手段を構成しそれらのチャンバ間の接続及びそれらの接続の切断を制御可能にするバルブ装置２１を有している。さらに、バルブ装置２１は衝撃チャンバ２０を空にすることができる。
【００４１】
図示された例では、共鳴チャンバ３は圧力曲線の上昇する部分において衝撃チャンバ２０に接続されるが、振幅のピークの後僅かに切断される。これによって時間の経過に伴って見られるように、急激な切断で上昇する部分を伸張させる曲線の形状を引き起こし、例えば動作されようとする岩盤からの反射に抵抗するために、非常に最適な力の分配をツールに保証することができる。この方法によるパルスの形状が、あらゆる種類の構成で制御され得るということは注目すべきである。特に多くの場合、ツールの反射を最小限にする形状を最適化することが求められている。下降するフランジのみならずかかる上昇は、このような目的に近づくために適応され得る。他の観点では、共鳴振動数よりも低いパルス振動数を有して種々の動作状況に適合する可能性を備えている。
【００４２】
右手の２つの図は、図２の２つの図に対応している。それらの図の上位にある破線で囲まれた部分は、バルブ２１がチャンバを開いている間接続状態のままであるのを表示している。
【００４３】
バルブ２１に近い小さな図は、この方法により形成された曲線形状の例を示している。Ｆ−ｔ図表は、結果としてもたらされる応力波の形状を示している。
【００４４】
図５は、壁１９’によって分離されているが直列に接続された２つの共鳴チャンバ３’及び３”を示し、バルブ２１’を備えたチャネルを介して互いに直列接続され、それぞれポンプ装置９’及び９”を備えている。１９”及び２０’の詳細は、それぞれ図３における１９及び２０の詳細に対応している。チャンバ３’及び３”の間のチャネルは、上記バルブに当てはまることによれば一般的にバルブ２１’を制御可能である。同様にバルブ２１”に適用される。この場合、一例として、Ｆ−ｔ図表に示されている通り、さらなる急激なパルスが得られる。図表が意味するところは先に検討された図表の説明から容易に理解される。
【００４５】
１２、２１’及び２１”に対応するバルブの最適な制御によれば、最適なパルス形状及び応力波形状を得ることができる。例えばバルブは要求された形状をそこで得るために、それぞれ制御された開閉の特徴を備えて動作するよう制御され得る。ツールの反射を最小限にすることがこの方法で達成可能である。それらに代わる或いは補完するものとして、図４及び５におけるように共鳴チャンバ及び衝撃チャンバの間の接続は、異なる全長及び／又は領域を備えた複数のチャネルを包含することができる。１つのチャネルか或いは複数のチャネルかの選択によって、そこを通して接続が確立され、衝撃チャンバにおける圧力増加の連続性が制御され得、またツールの応力波の形状が要求された連続的なフランク形状を得るように制御され得る。このように装置の効率を高める可能性を保証している。これは実際、一例として、図４におけるチャンバ３と２０の間に平行な導管を構成することで実現することができ、そこで上述の通りそれらのチャネルは適応される。それらのチャネルは、図４におけるバルブ２１に相当するバルブの補助で開かれ／閉じられ得る。さらにそれに代わるものとして、チャネルは全長を調節可能である。これは、例えばチャンバ３及び／又は４その他で、はめ込み式で置換可能なＵ字型パイプ、置換可能なスリーブによって種々の方法で実現することができる。
【００４６】
本発明は、特許請求の範囲内で変更することができる。したがって装置の構造はさらに変更することができる。例えば、液体は示された例以上の他の幾つかの方法で影響され得る。この一例として、ポンプ装置の代わりに特定の振動数を備えて物理的に可動な壁を有することが挙げられる。他の形態のポンプ及びバルブが検討課題として取り上げられてもよい。圧力波節はチャンバの壁から切り離されて構成されてもよい。共鳴チャンバは、ツールに要求された効果を達成するために種々の振動数で同時に発生する共鳴を得るために、同時に種々の振動数によって影響される或いは種々の振動数で送られるという余地を与えないというのではない。
【００４７】
チャンバは、共鳴振動数を制御可能であるようにその形状を変更可能にすることができる。その最も簡単な方法によれば、チャンバを形成する筒状の管状体の内側に置換可能な後部壁を有することによって長さを変更可能にする。
【００４８】
種々の液体が使用することができ、特に水、シリコン油、油圧式オイル、鉱油のグループから１つの液体を選ぶことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるインパルス発生器を含む岩盤破砕ツールを示す図。
【図２】本発明によるインパルス発生器の共鳴チャンバで得られる圧力分布を示す図。
【図３】本発明によるインパルス発生器の圧力分布の変形例を示す図。
【図４】本発明による第二のインパルス発生器の圧力分布の変形例を示す図。
【図５】本発明による第三のインパルス発生器の圧力分布の変形例を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2008545540.tif 000009
2008545540.tif 000010
2008545540.tif 000011