(57)【要約】  本発明の一つの特徴によれば、一つ又は複数の作動装置（５，５ａ，５ｂ）が設けられた磁気歪み材料で形成されたロッドを利用して削岩機において流体圧パルスを生成し、パルスシリンダ（１）内で衝撃ピストン（３）を前記流体圧パルスに曝し、それにより、削岩機のドリルスチールへ伝達される機械的圧力パルスを衝撃ピストン（３）に発生させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に衝撃ピストン（３）を収容したパルスシリンダ（１）を有し、前記パルスシリンダ（１）が流体（２）を収容している掘削機用パルス発生装置において、
前記パルス発生装置が、さらに、
パルスシリンダ（１）と同じ流体（２）を収容する作業シリンダ（６，６ａ，６ｂ）、前記作業シリンダ（６）に入れられた磁気歪み材料で形成されたロッド（７，７ａ，７ｂ）、及び作業シリンダ（６）の周囲に配置された電気コイル（８，８ａ，８ｂ）を有する少なくとも一つの作動装置（５，５ａ，５ｂ）と、
作業シリンダ（６）をパルスシリンダ（１）に流体連結する導管（９，９ａ，９ｂ）と
を有し、
前記電気コイル（８，８ａ，８ｂ）が磁場を発生させるための電気制御パルスを受け取るように構成され、
前記磁気歪みロッド（７，７ａ，７ｂ）が、長さを周期的に変化させるように磁場によって制御され、それによって、流体（２）に対応する周期的な流体圧パルスを生じさせるように構成され、
前記流体圧パルスが、導管（９，９ａ，９ｂ）を介して、衝撃ピストン（３）に伝播されるようにされ、
前記衝撃ピストンが、前記流体圧パルスと同時に、掘削機のドリススチールに伝達される機械的圧力パルスを発生させるように構成されている
ことを特徴とするパルス発生装置。
【請求項２】
パルス発生装置が、
第一作動装置（５ａ）及び第二作動装置（５ｂ）を備え、
第一作動装置（５ａ）が、第一導管（９，９ａ）を介してパルスシリンダ（１）に流体連結し、
第二作動装置（５ｂ）が、第二導管（９，９ｂ）を介してパルスシリンダ（１）に流体連結し、
前記第一導管の長さと、前記第二導管の長さとが、第一作動装置（５ａ）からの流体圧パルス及び第二作動装置（５ｂ）からの流体圧パルスが、パルスシリンダ（１）に同じ時点で到達するように相互に適合される
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス発生装置。
【請求項３】
作動装置（５，５ａ，５ｂ）とパルスシリンダ（１）との間の導管（９，９ａ，９ｂ）に、第一位置と第二位置との間で切り替わる流体弁（１４）を設け、
前記第二位置においてパルスシリンダ（１）が流体（２）をタンク（１５）に排出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルス発生装置。
【請求項４】
ポンプ（１３ａ，１３ｂ）が圧力流体を作動装置（５，５ａ，５ｂ）に供給する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルス発生装置。
【請求項５】
ポンプ（１３ａ，１３ｂ）と作動装置（５，５ａ，５ｂ）との間に逆止弁が配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載のパルス発生装置。
【請求項６】
圧力流体（２）の圧力値を検出するために、圧力センサ（１６）が導管（９）又はパルスシリンダ（１）に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス発生装置。
【請求項７】
圧力の検出値を、前記圧力パルスの波形を決めるために電気コイル（８，８ａ，８ｂ）における電流の制御に用いる
ことを特徴とする請求項６に記載のパルス発生装置。
【請求項８】
掘削機で用いられるパルス発生装置における衝撃ピストン（３）の機械的圧力パルスの生成方法であって、
駆動システム内で電気制御パルスを発生させ、
前記電気制御パルスで磁場を生成し、かつ、制御し、
前記磁場で磁気歪みロッド（７，７ａ，７ｂ）の長さを周期的に変化させるように、磁気歪みロッドを制御し、
磁気歪みロッド（７，７ａ，７ｂ）の長さの変化を受けて、圧力流体（２）内に、流体圧パルスを発生させ、
衝撃ピストン（３）が前記流体圧パルスに曝された時に、磁気圧力パルスを衝撃ピストン（３）内で発生させて、衝撃ピストン（３）が、掘削機のドリルスチールに機械的圧力パルスを順次伝達するようにした
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
少なくとも二つの作動装置（５ａ，５ｂ）からの異なる流体圧パルスを、協働するために所定の時点で衝撃ピストン（３）に達しさせ、かつ、衝撃ピストン（３）に達する流体圧パルスを所定の曲線形状にするように制御する工程を含む
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１に記載のパルス発生装置を備えた削岩機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の少なくとも一つの削岩機を備えた削岩リグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好ましくは削岩装置で用いられる衝撃装置において圧力パルスを発生させる装置及び方法に関し、この装置及び方法では、磁気歪み材料で形成されたロッドが、液体中に圧力パルスを周期的に発生させ、それにより、繰り返し頻発する圧力パルスを衝撃ピストン上に作用させ、ボアストリング(bore string)上に衝撃力を与える。
【背景技術】
【０００２】
従来技術では、圧力パルスは、ピストン運動の終りにドリルスチールの後端部を打撃する往復運動する打撃ピストンを用いることによって打撃装置内で発生させられる。これにより、ドリルスチールを通して、機械加工される材料へ向けて伝播する圧力パルスが発生させられる。ここでは、ドリルスチールの概念は、一つ又は複数の連結されたドリルロッド又はドリルチューブで構成され得、通常、最先端にドリルビットが設けられるボアストリングも意味する。往復運動打撃ピストンが実行する振動運動は、通常、周期的にピストン上に高圧をかけるために圧力チャンバ内に入れられた圧力媒体によって発生させられ、前記高圧はピストンを軸線方向に動かし、ドリルスチールの後端部上、又はこの目的のためにドリルスチールに設けられたアダプタ上に打撃を与える。周期的に交流圧力を作り出すため、流体圧液体中に高圧を発生させるためにポンプが用いられる。スライドが、加圧流体圧液体の流れを制御して、周期的に、打撃ピストン上に圧力を前向きに作用させる。
【０００３】
この技術分野における従来技術の例は、国際公開ＷＯ２００５／０８００５１号公報（特許文献１）を参照することで見出すことができる。このような従来の技術を使用する上では、周波数やパルス幅等のような圧力パルスのパラメータの制御が制限される可能性がある。
【０００４】
打撃機構を使用してドリルスチール上に圧力パルスを作用させることを達成する従来技術の別の例は、国際公開ＷＯ２００４／０６０６１７号公報（特許文献２）を参照することで見出すことができる。この特許文献２では、圧力媒体の影響下で前後に動く打撃ピストンを使用する代わりに、所望の圧力パルスを生成する他の形式の要素が用いられ得る。このような代替手段として、例えば、圧力パルスを生成する磁気歪み効果に基づく材料があり、言い換えれば、通常ドリルスチール上に打撃を行う打撃ピストン又はその同等物が、磁気歪み材料で形成された対応するロッドに交換される。前記文献及び対応する技術を開示する他の文献では、ドリルスチールのシャンクを支持することによって、磁気歪み材料で形成されたロッドが圧力パルスをドリルスチールに直接伝達する打撃機構が参照されている。例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌのような磁気歪み材料から成るロッドは、それが脆性材料であるため、耐え得る引張荷重が非常に小さく、そのため、このようなロッドを使用すると、例えば、直接的な機械的打撃に関して問題が生じる。
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／０８００５１号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００４／０６０６１７号公報
【発明の開示】
【０００６】
本発明の目的は、従来技術の欠点の解決法を提供することにある。
【０００７】
本発明の一つの特徴によれば、添付の請求項１による特徴を有する装置が提供される。
【０００８】
本発明の別の特徴によれば、添付の方法に関する独立請求項による特徴を有する方法が提供される。
【０００９】
本発明の一つの特徴によれば、磁気歪み材料を利用するパルス発生装置において圧力パルスを生成することを目的としている。このような材料の一つの実施例は、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−ｄ（超磁歪合合金）である。磁気歪み材料は、磁場の存在下で、それらの形状を変える。磁場のエネルギのある部分は、材料を再形成する時に消費される機械的エネルギに変換される。磁気エネルギと機械的エネルギとの間の所謂、カップリングファクタ、即ち、結合性能は、約７５％である。液体に作用する磁気歪み材料の機械的な形状変更を持たせることによって、例えば、水やオイルのような液体中に、圧力パルスが生成され得る。これらの圧力パルスは、ドリルスチール内に機械的な圧力パルスを発生させるために最終的に使用される。
【００１０】
本発明において特徴付けられたタイプのパルス発生装置で用いられる圧力パルス発生による幾つかの利点は以下の通りである。
・電気パルスのパルス制御／パルス形成を、圧力パルスの制御に使用することができる。
・上述したタイプのパルス発生装置は、従来のタイプの対応する打撃機構に比べて著しく静かである。
・効率が良い。
・打撃を制御することによって、素早く減衰することが可能になる（一例としては、衝撃ピストンに遅れてくる逆圧を制限するために、磁気歪みロッドの長さを制御することが可能になる。）
・打撃機構が電気的に操作される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】衝撃ピストンを収容する圧力チャンバと、磁気歪み材料から成るロッドを収容する作動シリンダとが設けられたパルス発生装置の原理を図式的に示す図である。
【図２】図１と同じパルス発生装置を図式的に示す図であるが、この実施例では、異なる長さの圧力導管を介して圧力チャンバに接続された二つの作動シリンダが設けられている。
【図３】図２と同じパルス発生装置を概略的に示す図であるが、この実施例では、作動シリンダに圧力流体用の逆止弁が設けられており、さらに、タンクへの排水路が設けられている。
【図４】図２と同じパルス発生装置を概略的に示す図であるが、ここでは、フィードバック制御によって各作動シリンダのコイルへの電気パルスの制御のために、圧力チャンバの圧力を検出する圧力センサが設けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の幾つかの実施例を、添付図面を参照して以下に説明する。
【００１３】
図１には、磁気歪み材料作動装置を基礎としたパルス発生装置の基本原理が示されている。左側の構成要素は、パルスシリンダ１であり、このシリンダ１は、圧力流体２が満たされた部屋を有する。前記圧力流体２は、適当にはオイルから成るが、水のような他の流体も使用することができる。少なくともピストンヘッド４として形成された衝撃ピストン３の一部が前記部屋の内部に位置し、従って、圧力流体２で包囲されるように、衝撃ピストン３は配置される。機械的な圧力パルスをドリルスチールに伝達するために、前述したように、衝撃ピストン３用のタンクがある。ある実施例では、機械的圧力パルスは、前記ドリルスチールと衝撃ピストン３との間に設けられたアダプタへ伝達される。
【００１４】
図１の右側には、この明細書では作動シリンダ６と称するシリンダを備えた作動装置５が示されている。作動シリンダは、磁気歪み材料で形成されたロッド７を収容している。この実施例によれば、ロッド７は、その外周面と、作動シリンダの内壁との間の空間が、シール７ｃによってシールされている。作業シリンダの内部のロッド７の短辺の前方には空間が形成されており、この空間には圧力流体２が収容されている。作業シリンダ６の周囲には、本質的に磁気歪みロッド７の長さ沿って、磁場を生成するための電気コイル８が設けられており、ロッド７は、この磁場の中に置かれることになる。
【００１５】
パルスシリンダ１と作動装置５との間には、導管９が伸びており、この導管９によって、パルスシリンダ１内の圧力流体２と、作動装置５の作業シリンダ内の圧力流体２とが、相互に連通可能になる。
【００１６】
コイル８を通して電流パルスが送られると、公知の方法で、コイル内に磁場が生成され、それにより、強い磁束が、磁気歪みロッド７に沿って作用する。磁束の影響で、磁気歪みロッド７の形状の変化が生じ、その結果、ロッドは、例えば、磁場が強くなると軸線方向に伸び、磁場が弱くなると軸線方向に縮む。従って、パルスエネルギが増大している間に、このような電流パルスがコイル８に送られると、磁気歪みロッド７の長さが長くなり、それにより、流体２の中に流体圧パルスが作り出される。前記流体圧パルスは導管９を介してパルスシリンダ１に伝播され、パルスシリンダ１で、流体圧パルスは衝撃ピストン３のヘッド４に衝突し、それによって、機械的な圧力パルスが衝撃ピストンに生成される。前記圧力パルスは、その軸線方向で、衝撃ピストンを軸受するドリルスチール上に作用するか、又は、衝撃ピストンに接続されたドリルスチール上に作用する。ドリルスチール用のアダプタが、衝撃ピストンとドリルスチールとの間に設けられ得る。対応する方法で、電流パルスのエネルギが減少する時に、磁気歪みロッド７の長さは短くなる。しかし、同時に、衝撃ピストン３は、ドリルスチールに伝播される機械的圧力パルスによる反跳力による影響を受けることになる。これは、機械的圧力パルスの伝播が完全に終わった後に、衝撃ピストン３が戻る時に、流体２に空洞を形成することなく、電流のパルス時間を、反跳力と、作業シリンダ６の内部のロッド７の前方の空間を満たすための圧力流体の容量とに合わせる必要があることを暗示している。
【００１７】
電流パルスは、電力工学技術を使用することによって供給される。この技術は、周知の技術であるので、ここでは、さらに詳細には説明しない。磁気歪み材料から成るロッドを周期的に活性化させるように制御するための電子工学技術の一実施例として、ここでは、米国特許第４９２７３３４号における電気駆動システムが参照される。
【００１８】
図２には、本発明によるパルス発生装置の別の実施例が示されている。この実施例では、二つの作動装置５ａ及び５ｂが用いられる。各作動装置からパルスシリンダ１に導かれる導管９ａ及び９ｂは、図示実施例では、異なる長さを有する。これにより、電気パルスは、二つの作動装置５ａ及び５ｂに供給され、異なる時点で送り出され得る。電気パルスに応じて各作動装置５ａ及び５ｂで発生させられるそれらの流体圧パルスは、二つの導管９ａ及び９ｂの長さがこれに合わせられるので、いずれにしても、共通のパルスシリンダ１に同時に到達ようにされる。この構造の利点は、電気制御パルスを生成するために設けられる関連駆動システムを、低電力に設計することができ、そして従って、二つの作動装置を同時に作動させる場合に比べて安価にすることができることにある。勿論、図示した原理は、異なる時点でパルスによって制御される二つ以上の駆動装置を有するシステムにも適用することができ、この場合、流体導管９は異なる長さにされる。図１及び図２は、単に、本発明の特徴に従った装置の実施例の概念を示しているにすぎないことを説明しておくべきである。実際には、圧力流体の漏れ防止や加熱のような作動性能を得るために、細かい構成を加える必要がある。さらに、異なる作動装置５ａ及び５ｂで発生させられた流体圧パルスは、必ずしも、同時に衝撃ピストン３に達する必要はないことを説明しておくべきである。流体圧パルスの時点を制御できるので、衝撃ピストン３で、流体圧パルスの所望のパルス形状を確立するために相互に協働させるよう、異なる作動装置からの流体圧パルスを制御でき、及び／又は異なる時点で発生させられる流体圧パルスを制御できる。
【００１９】
異なる長さの流体導管９ａ及び９ｂを備えた第一作動装置５ａ及び第二作動装置５ｂの二つの作動装置をシステムに設け、さらに、システムに、弁によって切り替えられる二つの作動位置を設けることによって、多くの作動装置を利用することなく、駆動システムの大きさや必要電力を低減させることが可能になる。第一の作動位置では、前記異なる流体導管９ａ及び９ｂの両方がある長さで伸び、第一作動装置５ａ及び第二作動装置５ｂへの第一及び第二の電気駆動パルスが、それぞれ、対応する第一及び第二の流体圧パルスを発生し、これらのパルスは同じ時点でパルスシリンダ１に到達するようにされる。この後、バルブは第二作動位置に切り替えられ、ここで、長さが伸ばされた流体導管が切断され、第三及び第四の電気駆動パルスが、それらの対応する第三及び第四の流体圧パルスが同じ時点で、しかも、駆動システムからの第一及び第二電気駆動パルスによって生成される第一及び第二流体圧力パルスがパルスシリンダ１に到達する時と同じ時点で、パルスシリンダ１に到達するように構成される。この構造を通して、四つの流体圧パルスがパルスシリンダ内の衝撃ピストン３に同じ時点で到達し得、たとえ、二つの作動装置５ａ及び５ｂだけが利用可能であるとしても、前述した制御や二つの作動位置間の切り替えをすることなく、四つの作動装置で衝撃ピストン３上に対応する流体圧力を与えるために、必要とされることよりも低い電力の四つ電気駆動パルスが発生させられる。これによって、必要とされる電力に関して制限された電力の電子構造を使用して、強力な流体圧パルスを達成することが可能になる。
【００２０】
前述したように、システム内のキャビテーションを回避するために、即ち、圧力流体内のガス気泡の形成を回避するために、図３に示すように逆止弁が導入され得る。これらの逆止弁１１ａ及び１１ｂは、導管９ａ及び９ｂ内に位置決めされ、圧力流体２用の第一ポンプ１３ａ及び第二ポンプ１３ｂを、各作業シリンダ５ａ，５ｂに連結する。磁気歪みロッド７の長さが減少する時、それらの形状の変化のために、流体２が、逆止弁１１ａ，１１ｂを介して、各ポンプ１３ａ，１３ｂから各作業シリンダ５ａ，５ｂ内に流れるようになる。磁気歪みロッド７ａ，７ｂの最大許容牽引力を超えないようにするために、ポンプ１３ａ，１３ｂを、圧力流体２に対して最小圧力を与えるために設けることも可能である。
【００２１】
図３には、さらに、流体圧弁１４が示されている。この流体圧弁１４は、流体圧パルスがそれらの軌道上にある導管９ａ，９ｂを通してパルスシリンダ１に向けて進む第一位置と、衝撃ピストン３が機械的圧力パルスをドリルスチールに伝達する第二位置との間で切り替えられる。衝撃ピストン３が機械的圧力パルスを伝達した時、送り力からの反跳力と、岩や他の穿孔対象物からの反跳力とのために、それは後ろに持っていかれることになる。この時間の間、即ち、衝撃ピストン３が機械的圧力パルスを伝達した後に反跳力を受けている時、流体２は、パルスシリンダ１からタンク１５に排出される。さらにまた、ポンプ１３ａ，１３ｂから作業シリンダ６へ圧力流体を供給し、かつ、圧力流体２をタンク１５へ排出することによって、システム内での圧力流体２の貫流が得られ、それにより、圧力流体２の過熱が防止される。
【００２２】
図４は、作動装置５ａ，５ｂへの作動パルスの積極的に制御するための別の可能性を示している。作動シリンダとパルスシリンダとを相互連結する導管９に関連して圧力センサ１６を配置することによって、導管９内の流体圧パルスについての圧力センサからの情報が得られる。圧力センサ１６による圧力が上昇する時、ロッド７ａ，７ｂの長さは、ロッドの形状の変化を制御する磁場が低下するにつれて短くなる。コイル８ａ，８ｂの電流は、ＰＷＭ技術（パルス幅変調）を使用する駆動システムによって制御され得る。形状の変化の反応時間は、言い換えれば、どの程度速く、磁気歪みロッドが電気駆動パルスの変化に応答するのかは、約マイクロセコンドである。図４による実施例は、さらに、電気駆動パルスの特性、従って、その曲線形状を制御するために使用することができる。従って、ＰＷＭを使用する駆動システムが、磁場及びその結果の電気駆動パルスを、様々な種類の削岩機の要求に適合させるために使用され得る。流体圧パルスの検出及び制御のためのセンサ１６を備えた実施例は、勿論、上述した二つ以上の作動装置を組み合わせた図３の実施例にも適用することができる。選択的に、センサ１６は、パルスシリンダ１の壁に配置することができる。
【００２３】
図面において、シール７ｃは、作動シリンダ５内の磁気歪みロッド７の前方の空間を、図示された前記ロッドの外面に沿ってシールする。シール７ｃは、磁気歪みロッド７の長さの軸線方向の変化が、長さが変化した時のロッド７前方の空間の容量の最適な変化をもたらすように配置される。
【図１】
2010510413.tif 000003
【図２】
2010510413.tif 000004
【図３】
2010510413.tif 000005
【図４】
2010510413.tif 000006
【国際調査報告】
2010510413.tif 000007
2010510413.tif 000008
2010510413.tif 000009
2010510413.tif 000010