(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンザホールハンマーが、
該装置の前端部に配置されたドリルビット（11）と、
前記ドリルビットを繰り返し打つために、長手方向に往復動するための、前記ドリルビットの後方に長手方向に設けられたピストン（10）と、
を備えていて、
前記ドリルビット（11）が異なるインピーダンスの前部（11ａ）と後部（11ｂ）を含んでおり、かつ前記ピストン（10）が異なるインピーダンスの前部（10ｂ）と後部（10ａ）とを含んでおり、
ＺM1／ＺT1が3.5〜5.8の範囲で、かつ
ＺM2／ＺT2が3.5〜5.8の範囲で、
ここでＺM1が前記ピストンの後部（10ａ）のインピーダンスで、ＺT1が前記ピストンの前部（10ｂ）のインピーダンスで、ＺM2が前記ドリルビットの前部（11ａ）のインピーダンスで、ＺT2が前記ドリルビットの後部（11ｂ）のインピーダンスである、
ところのダウンザホールハンマーにおいて、
ＬM1／ＬT1又はＴM1／ＴT1が、1.0〜3.0、好ましくは1.5〜2.5の範囲で、かつ
ＬM2／ＬT2又はＴM2／ＴT2が、1.0〜3.0、好ましくは1.5〜2.5の範囲で、ここで、ＬM1が、前記ピストンの後部（10ａ）の長さで、ＴM1が前記ピストンの後部（10ａ）の時間パラメータであり、ＬT1が前記ピストンの前部（10ｂ）の長さで、ＴT1が前記ピストンの前部（10ｂ）の時間パラメータであり、ＬM2が前記ドリルビットの前部（11ａ）の長さで、ＴM2が前記ドリルビットの前部（11ａ）の時間パラメータであり、ＬT2が前記ドリルビットの後部（11ｂ）の長さで、ＴT2が前記ドリルビットの後部（11ｂ）の時間パラメータである、
ことを特徴とするダウンザホールハンマー。
【請求項２】
ＺM1／ＺT1及びＺM2／ＺT2の該率が、4.0〜5.3の範囲、好ましくは4.6の大きさであり、ＬM2／ＬT2又はＴM2／ＴT2の該率が約２で、ＺM1がＺM2に等しく、ＺT1がＺT2に等しいことを特徴とする請求項１に記載のダウンザホールハンマー。
【請求項３】
ピストン（10）とドリルビット（11）とが、時間パラメータ（Ｔ）又は長さパラメータ（Ｌ）に関して互いに相対的に逆の構造となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のダウンザホールハンマー。
【請求項４】
ピストンの前部に置かれたドリルビットと衝突係合するために長手方向に往復動するダウンザホールハンマーに使用するピストンであって、
前記ピストン（10）が異なるインピーダンスの前部（10ｂ）と後部（10ａ）とを含んでおり、
ＺM1／ＺT1が3.5〜5.8の範囲であり、
ここでＺM1は前記ピストンの後部（10ａ）のインピーダンスで、ＺT1は前記ピストンの前部（10ｂ）のインピーダンスである、
ところのダウンザホールハンマー用ピストンにおいて、
ＬM1／ＬT1又はＴM1／ＴT1が、1.0〜3.0、好ましくは、1.5〜2.5の範囲であり、
ここで、ＬM1は前記ピストンの後部（10ａ）の長さで、ＴM1は前記ピストンの後部（10ａ）の時間パラメータであり、ＬT1は前記ピストンの前部（10ｂ）の長さで、ＴT1は前記ピストンの前部の時間パラメータである、
ことを特徴とするダウンザホールハンマー用ピストン。
【請求項５】
ＬM1／ＬT1又はＴM1／ＴT1の該率が約２であることを特徴とする請求項４に記載のダウンザホールハンマー用ピストン。
【請求項６】
ドリルビット（11）の後方に置かれた長手方向に往復動することによって繰り返し打たれる、ダウンザホールハンマーに使用するドリルビットであって、
前記ドリルビット（11）が異なるインピーダンスの前部（11ａ）と後部（11ｂ）とを含んでおり、
ＺM2／ＺT2が3.5〜5.8の範囲であり、
ここで、ＺM2が前記ドリルビットの前部（11ａ）のインピーダンスであり、ＺT2が前記ドリルビットの後部（11ｂ）のインピーダンスである、
ところのダウンザホールハンマー用ドリルビットにおいて、
ＬM2／ＬT2又はＴM2／ＴT2が、1.0〜3.0、好ましくは1.5〜2.5の範囲であり、
ここで、ＬM2が前記ドリルビットの前部（11ａ）の長さで、ＴT2が前記ドリルビットの前部（11ａ）の時間パラメータであり、ＬT2が前記ドリルビットの後部（11ｂ）の長さで、ＴT2が前記ドリルビットの後部（11ｂ）の時間パラメータである、
ことを特徴とするダウンザホールハンマー用ドリルビット。
【請求項７】
ＬM2／ＬT2又はＴM2／ＴT2の該率が約２であることを特徴とする請求項６に記載のダウンザホールハンマー用ドリルビット。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、ハンマー装置、好ましくはダウンザホールハンマーであって、ケーシングと、ピストンと、ドリルビット及びドリルビットを頻繁に打つためにピストンを作動させる手段とを含んでいるハンマー装置に関する。本発明はまたピストン及びドリルビット自身に関する。
ダウンザホールハンマーにおいては、ピストンの運動エネルギは、弾性波によってドリルビットを通って最終的には岩盤に伝えられる。しかしながら、前記伝搬は、ピストンが長さと質量の点からドリルビットとうまくいかないために、最適な方法では行われない。ドリルビットもまた最善のやり方で岩盤と協力していない。
従来技術のダウンザホールハンマーにおいては、前記ドリルビットが岩盤に向けられた端部で質量の集中がある場合に、ピストンとドリルビットの適合性にほんの僅かな注意が払われるにすぎない。
しかしながら出願人の米国特許第5,305,841号には、ドリルビットとピストンとの協力に関し、適切なインピーダンスを選択する重要性が論じられている。この資料は、ドリルビットが異なったインピーダンスの前部と後部とを含み、かつピストンが異なったインピーダンスの前部と後部とを含んでいるダウンザホールハンマーを開示している。ドリルビットでは、前部は後部よりも大きなインピーダンスを有している。ピストンでは、後部は前部よりも大きなインピーダンスを有している。しかしながら、ドリルビットの後部とピストンの前部は、かなり小さな質量であり、穴明け加工中の効率に負に影響する。そのうえさらに、公知のハンマー装置は、ビットとピストンの延長部分を案内する必要から、製造するのが複雑になっている。
本発明の目的は、ドリルビットによるピストンから岩盤へのエネルギの伝搬を更に改善し、ハンマー装置の製造を容易にすることである。このことは、請求の範囲に記載されているように、ハンマー装置のピストンとドリルビットのインピーダンスの分布にもまた注意を払うことによって達成される。
【図面の簡単な説明】
以下に本発明のダウンザホールハンマーの実施の形態が、添付の図面を参照して説明されている。
図１は、本発明のダウンザホールハンマーのピストンとドリルビットとを概略で示している。
図２は、岩盤の表面に作用するドリルビットの供給力対侵入度との関係を示している。
図３は、効率対ＺM／ＺTの関係との間の関係をグラフで示している。
図４は、効率対ＬM／ＬT又はＴM／ＴTの関係との間の関係をグラフで示している。
図５は、効率対パラメータβとの間の関係をグラフで示している。
図６は、ピストン及びドリルビットにおける圧縮及び引張応力を示しているグラフである。
図１には、ピストン10とドリルビット11とが概略で示されている。図１から明らかなように、ピストン10とドリルビット11とは、実質的に互いに対し逆の構造を有している。
ピストン10は、２つのピストン10ａと10ｂを有している。ピストン10ａは長さＬM1とインピーダンスＺM1を有しているが、ピストン10ｂは、長さＬT1とインピーダンスＺT1を有している。ドリルビット11は、２つの部分11ａと11ｂを有している。部分11ａ、即ちドリルビットの頭部は、長さＬM2とインピーダンスＺM2を有しているが、部分11ｂ、即ちドリルビットの軸は、長さＬT2とインピーダンスＺT2を有している。
ピストンとドリルビットを通って応力波エネルギが伝搬されると、横断面積Ａの変化による影響と、ヤング率Ｅ及び密度δとがインピーダンスというパラメータＺに要約されていることが解る。インピーダンスＺ＝AE／ｃ、ここでｃ＝（Ｅ／δ）1/2、即ち弾性波速度、である。インピーダンスＺの値に一致しているＡ，Ｅ，δのどんな組み合わせも、応力波エネルギの伝搬に関しては同じ結果を与えている。
インピーダンスＺが、ピストン10とドリルビット11の軸方向に垂直な断面で決められる、即ちインピーダンスＺが、ピストン10とドリルビット11の軸方向に沿って作用していることを指摘しておく。
それ故、本発明の範囲内で、異なる部分10ａ，10ｂ，11ａ及び11ｂのインピーダンスが僅かに変わる、即ちＺM1，ＺT1，ＺT2及びＺM2が各々の部分内で一定の値をもつ必要はないが、前記部分10ａ，10ｂ，11ａ及び11ｂの軸方向で変わることが、勿論可能である。ピストン10とドリルビット11の実際の構造においては、例えば周囲の溝及び／又はキー溝を設けることが非常に頻繁である。また周囲に肩部を設けることも必要である。
例えば部分10ａと10ｂがそれぞれ異なるインピーダンスＺM1及びＺT1を有していなければならないとしても、部分10ａと10ｂとに異なる材料を用いることによって、ピストン10をほぼ一定の断面積をもつ構造にすることが可能であることを指摘しておく。
更にパラメータを、例えば時間パラメータＴで定義することも必要である。その定義は、Ｔ＝Ｌ／ｃ、ここでＬは該当部分の長さであり、ｃは該当部分での弾性波速度である。こうして、部分10ａに対しては、ＴM1＝ＬM1／ｃM1で、部分11ａに対しては、ＴT2＝ＬM2／ｃM2で、部分10ｂに対しては、ＴT1＝ＬT1／ｃT1で、部分11ｂに対しては、ＴT2＝ＬT2／ｃT2である。長さＬの代りに時間パラメータＴをもつ必要がある理由は、異なる部分が、弾性波速度ｃに関して異なる値をもつ異なった材料よりなっているからである。
本発明の範囲内で、例えば部分10ａが異なる弾性波速度ｃをもついくつかの副部分よりなることもまた可能である。そのような場合には、時間パラメータＴが各々の副部分に対して計算され、全体の部分10ａの時間パラメータＴの全体の値は、各々の副部分の時間パラメータの合計である。
図２は、岩盤に供給された力Ｆ対岩盤内への侵入度ｕとの間の関係を示している。ラインｋ1は、力Ｆが岩盤にかけられたときの力Ｆと侵入度ｕとの間の関係を示している。こうして負荷期間中、ｋ1＝Ｆ／ｕであり、ｋ1は一定である。力Ｆ1は侵入度ｕ1に一致している。力Ｆの負荷を無くしたものがラインｋ2で示される。完全に無負荷になったときに、ある一定の作業が岩盤に対して行われたことを意味している侵入度ｕ2が残っており、前記作業は三角形の点が打たれた領域によって示されている。前記領域が示している作業量はＷで表わされている。
ドリルビット11の方向に動くときのピストン10の運動エネルギは、ＷKで表わされる。
前述したように、本発明の目的は、Ｗ／ＷKの関係で表わされる効率を最大にすることである。
本発明は、ピストン10の質量分布が初期に小さい質量、即ちピストン10ｂがドリルビット11に接触するようにするという考えに基づいている。その後に大きな質量、即ち部分10ａがあとに続く。そのような配置によってピストンのほとんど全ての運動エネルギが、ドリルビットより岩盤に伝搬される。
最も重要なパラメータは、インピーダンス率ＺM1／ＺT1及びＺM2／ＺT2である。前記パラメータは、或る範囲内にあらねばならない。最適の効率を有するために、時間パラメータ率ＴM1／ＴT1及びＴM2／ＴT2が或る範囲内にあることもまた重要である。
図３は、効率Ｗ／ＷK対インピーダンス率ＺM／ＺTとの間の関係をグラフで示しており、前記率がピストン10とドリルビット11の両者にとって妥当である。図３のグラフを設定する場合ＴM／ＴT＝２及びβ＝0.5である。βの定義に関しては以下に説明する。図３から分るように、効率のピークは、3.5〜5.8の範囲、好ましくは4.0〜5.3ＺM／ＺTの範囲内にある。前記の好ましい範囲において、効率Ｗ／ＷKは96％より高い。前記範囲内の最高効率Ｗ／ＷKは、ＺM／ＺTが約4.6であるときに達成される。
効率Ｗ／ＷKが、ＺM／ＺTが約4.6であるときに、そのピークがあるので、理論上の好ましい構造は、ピストン10及びドリルビット11のそれぞれ異なる部分10ａ，10ｂ及び11ａ，11ｂの各々が、その軸方向で一定のインピーダンスＺを有する場合であるということである。部分10ａと11ａとが同じインピーダンスを有し、部分10ｂと11ｂとが同じインピーダンスを有するべきである。しかしながら、これは、前記を参照すると実際の実施の形態では起りそうにない。それ故、インピーダンスＺM1，ＺT1，ＺT2及びＺM2は、一定値をもつ必要がなく、対応する部分10ａ，10ｂ，11ａ及び11ｂのそれぞれの軸方向で変えることができることを、再度強調しておく。唯一の制限は、率ＺM1／ＺT1及びＺM2／ＺT2が請求の範囲で特定された範囲内にあることである。
図４は、効率Ｗ／ＷK対長さ率ＬM／ＬT又は時間率ＴM／ＴTとの間の関係を示すグラフであり，前記率はピストン10及びドリルビット11の両者にとって妥当である。図４のグラフを設定する場合、ＺM／ＺT＝4.6及びβ＝１である。βの定義は以下で説明する。図４から分るように、Ｗ／ＷKの第１のピークＡは、ＬM／ＬT又はＴM／ＴTが0.4〜0.6の範囲内にある。前記範囲内で効率Ｗ／ＷKは十分に90％を越している。第１のピークＡから利益を受ける我々の従来の特許によれば、最高の効率は、ＬM／ＬT又はＴM／ＴT＝0.5であるときに達成される。
今までは、この説明は、米国特許第5,305,841号に開示されたような技術の状態と一致している。しかしながら我々は、前記従来の特許の図４のグラフの境界の外に、第２のピークＢがあることを調べ、見い出した。この第２のピークＢは第１のピークＡよりもやや低いが、ピークＢはピークＡよりも非常に幅が広い。ピークＢが広い幅であるので、本発明のハンマー装置の製造での溝や、肩部及び／又はキー溝の提供にそれほど神経を使わなくてすむ。例えば効率が96％又はそれ以上であるなら、ＬMとＬT（又はＴMとＴT）との間の率を、ピークＡの領域の0.43〜0.60のみの範囲内で変えられる一方で、ピークＢの領域の1.34〜2.61の間でも変えられる。すなわち、ピークＢの領域は96％以上の効率でピークＡの領域の少なくとも７倍あり、そのことがハンマー装置の効率を、溝等のような邪魔な付加物に対して神経を使わないでよくしている。最適な構造は、ＴM1がＴM2に等しく、ＴT1がＴT2に等しい場合である。ピストン10ａと11ａの長さの増加に伴なう更なる利点は、全運動質量が増加する、即ち従来の特許のハンマー装置に比較して、各々の衝突時でもっと大きな力を与えることである。
ディメンション作業におけるインピーダンス率ＺM／ＺT及び時間率ＴM／ＴTに関する本発明による知見を用いる場合、βとするパラメータを導入することもまた必要である。前記パラメータβ＝2LHk1／AT2ET2であり、ここでＬH＝ＬT2＋ＬM2で、ｋ1は図２に示された定数であり、ＡT2は部分11ｂの断面積で、ＥT2は部分11ｂのヤング率である。
図５には、効率Ｗ／ＷK対パラメータβの関係が示されている。図５のグラフを設定する場合、ＺM／ＺT＝4.6及びＴM／ＴT＝２である。図５から効率Ｗ／ＷKがβの値の増加に対して減っていることが分る。それ故、ＬH及びＡT2に適切に合っている値が選択され、適切なヤング率ＥT2を有する材料が選択されることが重要である。効率Ｗ／ＷKがβの値が減れば増加するが、実際上は、βをあまり小さな値にすることは不可能である。
本発明の非常に重要な好ましい特徴は、本発明のハンマー装置のピストンとドリルビットが、岩盤を砕く応力波の作動期間中に、言及するに値するほどのどんな引張応力も受けないことである。こうして元の応力波が、言及するに値するほどのどんな引張応力も発生することなく、装置内で数度反射される。図６には、ピストン10とドリルビット11のあらゆる断面での最大の正の（引張）応力と最大の負の（圧縮）応力とが示されている。グラフでは、示されている応力は、それらが基準応力に関連しているので、ディメンションがない。図６からほぼピストン前部10ｂとドリルビット後部11ｂのみが引張応力を受け、前記応力の値が無視し得るものであることが分る。本発明によるピストンとドリルビットには、引張応力がほとんどないので、前記部品は、従来のダウンザホールハンマーの同じ部品よりももっと長寿命である。それは、その種の部品の金属疲労を起こすのが引張応力だからである。
図３，４，５及び６によるグラフは、衝突による岩盤の穴明け作業をシミュレートするコンピュータプログラムを用いることによって、設定されている。しかしながらコンピュータプログラムは、本発明の理論を確認する、例えばピストン10とドリルビット11の構造を逆にする、ことのみに使用されている。
本発明は、決してダウンザホールハンマーに限定するものではなく、例えばいわゆる打撃ブレーカ及び硬い岩盤掘削機にもまた利用できる。言わば本発明は、ピストンがドリルビットに直接に作用しているピストン−ドリルビット装置に用いることができる。ピストンの作動に関しては何ら制約するものではない。これは、そのような作動が、例えば流体媒体や、空気又は他のどんな適当な手段によっても達成できることを意味している。
本発明を好ましい実施の形態に関連して説明してきたが、請求の範囲に記載されている本発明の精神及び範囲を外れることなく、特に説明しなくても、当業者であれば、付加や、削除や、変更及び入れ換えが行えることが解るであろう。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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