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Die
Erfindung betrifft einen Tiefloch-Bohrhammer gemäss dem Oberbegriff von Anspruch
1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Tiefloch-Bohrhammers gemäss dem Oberbegriff
von Anspruch 11.
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Tiefloch-Bohrhämmer werden
im allgemeinen eingesetzt, um Bohrungen in kiesigen und steinigen
Böden,
vor allem aber in Fels durchzuführen.
Dabei wird der Tiefloch-Bohrhammer über das Bohrgestänge von
hinten unter Vorspannung gehalten und kontinuierlich gedreht. Tiefloch-Bohrhämmer kommen
beispielsweise bei Weichgestein zum Einsatz, beim Erstellen von
Bohrlöchern
mit grosser Tiefe von beispielsweise 300 Metern, oder beim Bohren
von Sprenglöchern.
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Ein
Druckmittel, im allgemeinen Druckluft, dringt von hinten in den
Tiefloch-Bohrhammer ein und wird über ein Steuer-Ventil derart
einer Kolbenkammer zugeführt,
dass ein sich darin befindlicher Schlagkolben hin und her bewegt
wird. Der Schlagkolben prallt auf einen Bohrkopf, beispielsweise
eine Bohrkrone, die nicht starr mit dem Mantelrohr des Tiefloch-Bohrhammers
verbunden ist, sondern über einen
mit einer Längsverzahnung
versehenen Schaft drehfest aber längs verschieblich im Mantelrohr
geführt
ist. Dem Tiefloch-Bohrhammer
wird das Druckmittel über
ein beliebig verlängerbares Bohrrohr
in das Hammer-Oberteil zugeführt.
Die Bohrleistung des Tiefloch-Bohrhammers hängt daher wesentlich davon
ab, wie effizient die über
das Druckmittel bereitgestellte Energie in kinetische Energie des Schlagkolbens
gewandelt werden kann, wobei insbesondere zu berücksichtigen ist, dass ein zuverlässiger Betrieb
mit geringer Störanfälligkeit
gewährleistet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wirtschaftlich vorteilhafteren
Tiefloch-Bohrhammer auszubilden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Tiefloch-Bohrhammer aufweisend die Merkmale von Anspruch
1. Die Unteransprüche
2 bis 9 betreffen weitere, vorteilhaft ausgestaltete Tiefloch-Bohrhämmer. Die
Erfindung wird insbesondere gelöst
mit einem Tiefloch-Bohrhammer
umfassend einen Zylinder, einen in einer Kolbenkammer des Zylinders
hin- und herbewegbaren druckmittelbetätigten Schlagkolben, ein Anschlussstück zum Anschluss
einer Druckmittelleitung, sowie ein Umschaltventil zur Versorgung einer
ersten und einer zweiten Kolbenkammer mit einem Druckmittel, wobei
zwischen dem Anschlussstück
und dem Umschaltventil ein Druckmittelspeicher angeordnet ist, welcher über ein
Ventil Druckmittel leitend mit dem Anschlussstück verbunden ist.
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Die
Aufgabe wird weiter gelöst
mit einem Verfahren zum Betrieb eines Tiefloch-Bohrhammers aufweisend
die Merkmale von Anspruch 11.
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Der
erfindungsgemässe
Tiefloch-Bohrhammer weist einen mit einem Ventil verschliessbaren Druckmittelspeicher
auf, wobei das Ventil auf Grund der vorliegenden Druckverhältnisse
selbsttätig öffnet und schliesst.
In einem ersten Betriebszustand liegt im Druckmittelspeicher ein
kleinerer Druck an als im Anschlussstück, sodass das Druckmittel
dem Druckmittelspeicher zugeleitet, und anschliessend den zwei Kolbenkammern
zugeleitet wird. In einem zweiten Betriebszustand wird im Druckmittelspeicher
ein Überdruck
erzeugt, sodass das Ventil die Verbindung zum Anschlussstück hin schliesst.
Der Überdruck wird
im Druckmittelspeicher mit Hilfe des vom Schlagkolben während dem
Rückwärtshub verdrängten Druckmittels
erzeugt. Durch das kurzfristig in den Druckmittelspeicher gepresste
Druckmittel wird einerseits die Rückwärts-Geschwindigkeit des Schlagkolbens
reduziert, und andererseits beim anschliessenden Vorwärtshub eine
zusätzliche
Schubkraft auf den Schlagkolben bewirkt. Das Druckmittel im Druckmittelspeicher
zum Zeitpunkt des Stillstandes des Schlagkolbens bzw. dessen Richtungsumkehr
weist einen Druck auf, welcher vorzugsweise etwa dem 1.2 bis 2.5-fachen
des dem Tiefloch-Bohrhammer
zugeführten
Druckmitteldrucks entspricht.
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Der
erfindungsgemässe
Tiefloch-Bohrhammer weist somit dem Vorteil auf, dass das sich unter Überdruck
im Druckmittelspeicher befindliche Druckmittel zu Beginn des Vorwärtshubes
eine zusätzliche Schubkraft
auf den Schlagkolben bewirkt, woraus ein stärkerer Impuls auf die Bohrkrone
resultiert. Der erfindungsgemässe
Tiefloch-Bohrhammer weist somit eine höhere Schlagkraft und dadurch
eine höhere Leistungsfähigkeit
auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der erfindungsgemässe Tiefloch-Bohrhammer als weitere
Vorteile eine höhere
Schlagfrequenz und reduzierte Vibrationen auf, was wiederum eine
höhere
Leistungsfähigkeit
zur Folge hat.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Umschaltventil als Klappventil
ausgestaltet und vorzugsweise an zwei vorstehenden Nocken schwenkbar
gelagert. Ein Vorteil dieser Anordnung ist die hohe Betriebszuverlässigkeit,
trotz des durch die Verwendung eines Druckmittelspeichers bewirkten Überdrucks,
welcher am Umschaltventil anliegt.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung weist der Tiefloch-Bohrhammer ein in
Richtung der Längsachse
im Zentrum angeordnetes, durchgängig
verlaufendes Zufuhrrohr auf, über
welches ein Hilfsmittel, beispielsweise ein Bindemittel, dem Bohrkopf
und dadurch dem Bohrloch zuführbar
ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die
Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Explosionszeichnung eines Tiefloch-Bohrhammers;
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2 teilweise
einen Längsschnitt
durch den in 1 dargestellten Tiefloch-Bohrhammer,
wobei sich der Schlagkolben kurz vor dem oberen Wendepunkt befindet;
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3 teilweise
einen Längsschnitt
durch den in 1 dargestellten Tiefloch-Bohrhammer,
wobei sich der Schlagkolben kurz nach dem unteren Wendepunkt befindet;
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4 einen
Längsschnitt
durch ein weiteres Ausführungsbeispiels
eines Druckmittelspeichers mit Ventil;
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5 einen
Querschnitt durch ein Einspeisesystem;
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6 den
in 2 dargestellten Längsschnitt, wobei der Tiefloch-Bohrhammer
zusätzlich eine
durchgehendes Zufuhrrohr aufweist.
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Die
in 1 dargestellten Explosionszeichnung zeigt den
Aufbau eines Tiefloch-Bohrhammers 1 im Detail. Ein Anschlussstück 2 ist über ein
Dichtungsring 3 und ein Mantelrohr 13 mit einem
Vordergehäuse 17 verbunden.
Das Anschlussstück 2 ist
mit einer nicht dargestellten Druckmittelzuführung, beispielsweise einem
Bohrrohr, verbunden, um das Druckmittel dem Tiefloch-Bohrhammer 1 zuzuführen. Das
Vordergehäuse 17 weist
Längsnuten
auf, in welchen ein nicht dargestellter Bohrkopf wie eine Bohrkrone
in Richtung der Längsachse
des Mantelrohrs 13 verschiebbar gelagert ist, beispielsweise
um 25 mm. Innerhalb des Mantelrohrs 13 sind insbesondere die
Komponenten angeordnet, welche die Schläge auf den Bohrkopf erzeugen.
Innerhalb des Mantelrohrs 13 befindet sich das Ventil 6 sowie
ein Zylinder 11 umfassend eine erste Steueröffnung 11a sowie eine
zweite Steueröffnung 11b,
wobei der Zylinder 11 über
den Lagerring 12 und den Spaltzwischenring 14 beziehungsweise über das
Einspeisesystem 9 im Mantelrohr 13 gehalten ist.
Innerhalb des Zylinders 11 ist ein Schlagkolben 10 hin
und her verschiebbar gelagert, wobei der Schlagkolben 10 ein
schlagendes Kolbenende 10a aufweist, welches auf den nicht dargestellten
Bohrkopf aufschlägt.
Zur Halterung und Abdichtung sind im Bereich des Vordergehäuses 17 zudem
ein Spaltzwischenring 14, ein Kronenrückhaltering 15 sowie
ein Dichtungsring 16 angeordnet. Um die Hin- und Herbewegung
des Schlagkolbens 10 zu bewirken ist das Druckmittel auf
geeignete Weise einer im Zylinder 11 gebildeten Kolbenkammer 20 zuzuführen. Dazu
dient insbesondere ein Einspeisesystem 9 mit Fluidkanaleintrittsöffnungen 9b, 9c,
Fluidkanalaustrittsöffnungen 9d, 9h,
sowie einem Steuerrohr 9e. Zudem umfasst das Einspeisesystem 9 eine Auflagefläche für ein Umschaltventil 8,
welches als ringförmiges
Klappventil ausgestaltet ist, das an zwei Nocken 9a verschwenkbar
gelagert ist. Das Einspeisesystem 9 ist mit einem Druckmittelspeicher 5 verbunden.
Der Druckmittelspeicher 5 weist Einlassöffnungen 5a auf. Innerhalb
des Druckmittelspeichers 5 ist ein Ventilsitz angeordnet,
auf welchem ein ringförmiges
Dichtungsteil 6a aufliegt, welches die Einlassöffnungen 5a von
innerhalb des Druckmittelspeichers 5 öffnet oder schliesst, in Abhängigkeit
der anliegenden Druckverhältnisse,
und derart ein Ventil 6 ausbildet.
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Sofern
die Bohrkrone nicht auf einem Grund aufliegt sondern im Tiefloch-Bohrhammer 1 hängt, befindet
sich der Tiefloch-Bohrhammer
in einem sogenannten Durchblasbetrieb. Das über das Anschlussstück 2 zugelieferte
Druckmittel wird über
den Druckmittelspeicher 5 und das Einspeisesystem 9 dem
ersten, oberen Kolbenraum 20a zugeleitet, und fliest danach über den
zylinderförmigen
Hohlraum 10b des Schlagkolbens 10 in Richtung
Vordergehäuse 17 und
danach durch Spüllöcher in
der Bohrkrone in das Bohrloch. Derart kann eine grosse Menge Druckmittel
durch den Tiefloch-Bohrhammer 1 geblasen werden, um insbesondere
das Bohrloch zu reinigen. Sobald die Bohrkrone auf Grund aufliegt
wird der Schlagkolben 10 geringfügig zum Einspeisesystem 9 hin verschoben,
was zur Folge hat, dass der Schlagkolben 10 die erste Steueröffnung 11a bedeckt
und die zweite Steueröffnung 11b öffnet, sodass
der Schlagkolben 10, wie mit 3 im Detail beschreiben,
in Richtung zum Einspeisesystem 9 hin angetrieben wird,
und dadurch den Bohrbetrieb aufnimmt.
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2 zeigt
teilweise einen Längsschnitt durch
den in 1 dargestellten, nun jedoch zusammengebauten Tiefloch-Bohrhammer 1.
Das Einspeisesystem 9, welches fest mit dem Mantelrohr 13 verbunden
ist, weist eine erste Fluidkanaleintrittsöffnung 9c auf, welche über den
Fluidkanal 9g zur ersten Fluidkanalaustrittsöffnung 9h und
somit in eine erste, obere Kolbenkammer 20a mündet. Das
Einspeisesystem 9 weist eine zweite Fluidkanaleintrittsöffnung 9b auf,
welche über
den Fluidkanal 9f zur Fluidaustrittsöffnung 9d mündet. Zwischen
dem Mantelrohr 13 und dem Zylinder 11 ist eine
Ringkammer 21 derart ausgebildet, dass, wie in 3 dargestellt,
zwischen der Fluidaustrittsöffnung 9d und
einer zweiten, unteren Kolbenkammer 20b eine Druckmittel
leitende Verbindung entsteht. Das Umschaltventil 8 ist
um die Nocke 9a schwenkbar gelagert und gibt, in Abhängigkeit
der jeweiligen Stellung, entweder die erste Fluidkanaleintrittsöffnung 9c oder
die zweite Fluidkanaleintrittsöffnung 9b frei,
sodass das vom Anschlussstück 2 in
Pfeilrichtung A zugeleitete Druckmittel entweder der ersten oder
zweiten Kolbenkammer 20a, 20b zugeleitet wird,
und der Schlagkolben 10 entsprechend angetrieben wird.
Das Einspeisesystem 9 weist eine ringförmige Ausnehmung bzw. Andrehung 9i auf,
in welche der Druckmittelspeicher 5 eingreift, sodass der
Druckmittelspeicher 5 sowie das Einspeisesystem 9 den
Druckspeicherraum 5b begrenzen. Innerhalb des Druckmittelspeichers 5 ist ein
Ventilsitz 7 angeordnet, welcher über einen Fortsatz 7a mit
Gewinde 7c fest mit dem Druckmittelspeicher 5 verschraubt
ist. Der Ventilsitz 7 umfasst zudem eine Auflagemittel 7b,
auf welchem ein elastischer Dichtungsring 6a aufliegt.
Im dargestellten Zustand liegt der Dichtungsring 6a über den
Fluideinlassöffnungen 5a und
verschliess diese. Der Dichtungsring 6a und die Fluideinlassöffnungen 5a bilden
ein Ventil 6, sodass der Druckmittelspeicher 5 in
Abhängigkeit
der anliegenden Druckverhältnisse über das Ventil 6 Druckmittel
leitend mit dem Anschlussstück 2 verbunden
ist.
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In
dem in 2 dargestellten Zustand bewegt sich der Schlagkolben 10 nach
oben, zur Anschlagfläche 9k hin.
Der Schlagkolben 10 weist einen zylinderförmigen Hohlraum 10b auf,
in welchen ab einer gewissen Lage des Schlagkolbens 10 ein
Steuerrohr 9e eingreift, sodass das sich in der ersten
Kolbenkammer 20a befindliche Druckmittel nicht oder kaum
mehr über
den Hohlraum 10b entweichen kann, was zu einer Druckerhöhung in
der ersten Kolbenkammer 20a, und über den Fluidkanal 9g,
zu einer Druckerhöhung
im Druckspeicherraum 5b führt. Sobald der Druck im Druckspeicherraum 5b den Druck
im Anschlussstück 2 übersteigt
bleibt das Ventil 6, wie in 2 dargestellt,
geschlossen. Während der
weiteren Aufwärtsbewegung
des Schlagkolbens steigt der Druck des Druckmittels im Druckspeicherraum 5b zunehmend
an. Das Druckmittel im Druckspeicherraum 5b wirkt als elastisches
Medium bzw. als elastischer Energiespeicher, welcher ein Teil der kinetischen
Energie des Schlagkolbens 10 aufnimmt, sodass dieser abgebremst
wird. Nach dem Stillstand des Schlagkolbens 10 in der Umkehrposition
dient die gespeicherte Energie dazu den Schlagkolben 10 wieder
nach unten zu beschleunigen. Sobald der Druck im Druckspeicherraum 5b unter
den Druck im Anschlussstück 2 sinkt, öffnet sich
das Ventil 6, und das Druckmittel strömt vom Anschlussstück 2 herkommend
in Richtung A durch die Fluideinlassöffnung 5a, und über den
Druckspeicherraum 5b und den Fluidkanal 9g in
die erste Kolbenkammer 20a, um dadurch den Schlagkolben 10 während seiner Bewegung
nach unten zu beschleunigen.
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Während der
Bewegung des Schlagkolbens 10 nach unten verringert sich,
wie in 3 dargestellt, das Volumen der zweiten Kolbenkammer 20b, sodass
das über
die zweite Steueröffnung 11b,
die Ringkammer 21 und den Fluidkanal 9f geleitete Druckmittel
eine Druckerhöhung
erfährt,
weshalb das Umschaltventil 8 bei entsprechenden Druckverhältnissen
die Stellung wechselt und die Fluidkanaleintrittsöffnung 9b freigibt.
Nach dem Aufschlag des Schlagkolbens 10 auf den Bohrkopf
bewegt sich der Schlagkolben 10 in die entgegengesetzte
Richtung zum Einspeisesystem 9 hin nach oben, wobei das Druckmittel über das
geöffnete
Ventil 6 bis in die zweite, untere Kolbenkammer 20b zugeleitet
wird, sodass der Schlagkolben 10 einen Antrieb nach oben erfährt. Sobald
der Schlagkolben 10 während
seiner Bewegung nach oben eine Druckerhöhung im Druckspeicherraum bewirkt,
wird das Umschaltventil 8 wieder in die in 2 dargestellte
Lage geschwenkt, sodass das Druckmittel der ersten Kolbenkammer 20a zuführbar ist.
Derart wird das Umschaltventil 8 während dem Bohrbetrieb selbsttätig umgeschaltet,
sodass der Schlagkolben 10 einen Antrieb nach unten beziehungsweise
nach oben erfährt.
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Das
Volumen des Druckspeicherraums 5b beträgt zwischen 5% und 20% des
sich im Zylinder befindlichen, zur Aufnahme von Druckmittel vorgesehenen
freien Volumens, welches im wesentlichen die Summe der Volumen der
ersten, oberen Kolbenkammer 20a, der zweiten, unteren Kolbenkammer 20b und
dem zylinderförmigen
Hohlraum 10b ist. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Druckspeicherraums 5b etwas
10% bis 15% des vorhin genannten freien Volumens.
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Das
Steuerrohr 9e weist, wie in 2 dargestellt,
eine Länge
L auf. Sobald sich der zylinderförmige
Hohlraum 10b des sich nach oben bewegenden Schlagkolbens 10 über das
Steuerrohr 9e schiebt, ist die erste, obere Kolbenkammer 20a gegen
unten weitgehend abgedichtet, sodass das in der ersten, oberen Kolbenkammer 20a befindliche
Druckmittel im wesentlichen in das zugängliche Volumen, nämlich in
den Fluidkanal 9g und den Druckspeicherraum 5b entweichen
kann. Dies bewirkt eine entsprechende Druckerhöhung im Fluidkanal 9g sowie
im Druckspeicherraum 5b. In einer bevorzugten Ausgestaltung
wird die Länge
L des Steuerrohrs 9e beziehungsweise das Volumen der erste,
oberen Kolbenkammer 20a, welches sich zum Zeitpunkt des
Eintrittes des Steuerrohrs 9e ergibt, derart bezüglich dem Gesamtvolumen
von Druckspeicherraum und Fluidkanal 9g angepasst, dass
im Gesamtvolumen eine Druckspitze entsteht, welche einen Wert von
zwischen 1.2 und 2.5 mal den zugeführten, am Anschlusstück 2 anliegenden
Druckes aufweist. Vorzugsweise beträgt die Druckspitze etwa 1.5
mal den Druck im Anschlussstück 2,
d.h. weist das dem Anschlussstück 2 zugeführte Druckmittel
einen Druck von 12 Bar auf, so beträgt die maximal im Druckspeicherraum 5b sowie
im Fluidkanal 9g auftretende Druckspitze etwa 18 Bar. Unmittelbar
nach dem Stillstand des Schlagkolbens 10 und dessen Richtungsumkehr
liegt am Schlagkolben 10 somit ein Druck von 18 Bar an,
sodass dieser entsprechend schnell vom Einspeisesystem 9 weg
in Richtung Vordergehäuse 17 beschleunigt
wird.
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Das
Gesamtvolumen von Druckspeicherraum 5b und Fluidkanal 9g zusammen
weist etwa zwischen 30% und 80%, vorzugsweise zwischen 50% und 60%
des Volumens der ersten, oberen Kolbenkammer 20a auf, welches
die erste, obere Kolbenkammer 20a zum Zeitpunkt des Eintritts des Steuerrohrs 9e begrenzt.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Ventils 6. Eine ringförmige
Stahlplatte 18 ist über
eine Feder 19 vorgespannt gegen die Fluideinlassöffnung 5a hin
gehalten. Auf der Stahlplatte 18 liegt ein elastischer
Dichtungsring 6a auf, welcher gegen die Fluideinlassöffnung 5a gepresst
wird. Das Ventil 6 könnte
in einer Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten
ausgestaltet sein.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Einspeisesystems 9, wobei der Schnitt, wie in 2 angedeutet,
entlang der Linie A-A verläuft.
Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform
weist das in 5 dargestellte Einspeisessystem 9 eine
Mehrzahl von Fluidkanälen 9f, 9g auf,
wobei, wie in 2 dargestellt, die Fluidkanäle 9f Fluidkanaleintrittsöffnungen 9b und
Fluidkanalaustrittsöffnungen 9d aufweisen,
um den Druckspeicherraum 5b mit der weiten Kolbenkammer 20b zu
verbinden. Die Fluidkanäle 9g weisen
Fluidkanaleintrittsöffnungen 9c und
Fluidkanalaustrittsöffnungen 9h auf,
um den Druckspeicherraum 5b mit der ersten Kolbenkammer 20a zu
verbinden.
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6 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Tiefloch-Bohrhammers 1.
Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform
weist der in 6 dargestellte Tiefloch- Bohrhammer 1 ein
durchgehendes Zuführrohr 23 auf,
welches in Längsrichtung
im Zentrum des Mantelrohrs 13 verlaufend angeordnet ist,
und alle im Mantelrohr 13 angeordneten Komponenten durchdringt.
Dieses durchgängige
Zuführrohr 23 ermöglicht dem
Bohrbereich ein zusätzliches
Medium zuzuführen,
beispielsweise ein Bindemittel, um loses Gestein im Bohrloch zu
binden.
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Der
Druckmittelspeicher 5 kann, wie in 2 dargestellt,
einen hohlzylinderförmigen
Fortsatz 5c aufweisen, innerhalb welchem ein Rückschlagventil und
eine Feder angeordnet ist. Bei dieser Anordnung besteht zudem eine
Fluid leitende Verbindung zwischen dem Fortsatz 5c und
dem Druckspeicherraum 5b. Dieses Rückschlagventil dient dazu einen
Wassereintritt vom Bohrkopf her in den Tiefloch-Bohrhammer 1 dann
zu vermindern oder zu vermeiden, wenn kein Druckmittel anliegt bzw.
das Druckmittel nicht unter Druck steht, wie dies beispielsweise
bei einem Bohrrohrwechsel der Fall ist.