JP2004076573A - 流体の射出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ジェットの質を改良すると共に、液体を機械的穿孔ツールに供給することの可能な射出ヘッドを提供する
【解決手段】ストリングの一端部に装着され、圧力液体を射出するヘッド（３０）である。ヘッドの本体（４０）は、供給パイプを有する機械的穿孔ツールを装着する下端部と、ノズル（４２）と、供給パイプをノズルに接続するダクトとを有する。ダクトは、中心軸（Ｌ）を有し、前記供給パイプの下端部に接続された第１の端部と前記ノズル（４２）の軸ｘｘ‘に正接をなして接続された第２の端部とを有し、前記中心軸は、連続的に変化する曲率半径を有する湾曲部分により規定されている。前記ダクトの横断面積は、これの第１の端部（５０ａ）から第２の端部（５０ｂ）に向う全長の少なくとも半分に渡って規則正しく減じる。
【選択図】　　　図４

Description

　本発明は、例えば、土壌に穴を掘るための穴ぐりバイト（機械的穿孔ツール）に装着され、所定の圧力の流体、一般的には、液体を射出するためのヘッドに関し、特に、“ジェットグラウチング(jet　grouting)として知られている技術を実施するための射出ヘッドに関する。

　ジェットグラウチング技術は、ボア孔に吐出され、穴を形成することが望まれている土壌を侵食する非常に高い運動エネルギーを有する流体のジェット噴射により地面を破壊することである。このジェットを発生させるために、穿孔ロッドの一端に固定されたノズルが使用されている。これらロッドは、高圧で流体を１もしくは複数のノズルに送る機能と、地面中へとノズルを徐々に移動させる機能との両方を果たす。これを以下に詳しく説明する。１もしくは複数のノズルは、穿孔ストリング(drill　string)の下端部に固定された“モニター(monitor)”、即ち“射出ヘッド(injection　head)”と一般に称させる部材に装着されている。このモニターは、これの下端部に機械的穿孔ツール（mechanical　drilling　toll）即ち、穴ぐりバイトが装着されるようになっている。既知のように、一般的に使用されている液体は、セメントがベースのグラウトであり、これは、穴開けの後に、地面中のその場所にモールドされるセメントの基礎要素を形成することを可能としている。また、複数の流体のジェットを使用することが可能であり、そのうちの１つにエアーのようなガスが可能である。

　以下の説明は、液体についてなされているが、特別な場合には、流体は、ガスによる少なくとも部分的に形成されるであろうことは、理解され得る。

　液体は、前記ロッドにより運ばれ、１ないし数１０メガパスカルの範囲の圧力でポンプにより、表面から吐出される。液体を運ぶ前記ロッドの内径は、ロッド内でのヘッドロスを制限するのに充分な大きさが必要である。この直径は、代表的には、２０ｍｍないし５０ｍｍのオーダであろう。反対に、ノズルの出口の直径は、射出される液体のジェットが離れた所の地面を侵食することができるように、ジエットにかなりの速度を与えるのに充分な細さにすることが必要である。代表的には、ノズルの出口の直径は、２ｍｍないし５ｍｍの範囲が一般的であり、また、ノズルからの液体の射出速度は、毎秒１ないし数百メートルである。

　高度な質のジェットを得るためには、最小の運動エネルギーを使用しながら可能な限り地面を侵食することができるように、ジェットがノズルから出て地面に向っている間の液体ジェットを可能な限り高速に維持させるように、ノズルの内側の形状を最適にすることが望まれている。この要求を満たす最適なノズルの形状は、広くいき渡った使用においてである。

　しかし、上記のようなノズルにおいてさえも、かなり大きい運動エネルギーが必要なように、地面を侵食する能力における有効性を迅速にロスすることが判っている。このため、ロッドが並進移動され、また、可能であれば回転されたときに、地面は、ノズルからかなりの距離で、例えば、何デシメートル(several　decimeters)で侵食される。柱形、柱状扇形、もしくは扁平形とするための加圧液体のジェットの駆動半径は、実施される方法、地面の質、並びに使用されるエネルギーに応じて、一般的に、２ないし３デシメートルから１もしくは２メートルの範囲である。　　　
　噴射の効率を高めるために、噴射の質を改良することができる射出ヘッド、即ち、ジェット噴射ヘッドの具体例の提案が、特に、米国特許Ｎｏ．５，２２８，８０９（特許文献１）でなされている。

　添付の図１は、上記特許に記載されている射出ノズルを示す。この射出ノズル１０は、内キャビティを規定している側壁１４を有する。所定の圧力で液体を射出するためのノズル１６が、ジェット噴射ヘッドの外壁１４に装着されている。この図において、ロッドストリングに結合するための部材１８と、ノズルに液体をまた環状ノズルエアを同時に供給するために、加圧液体用パイプと、前記ロッドに沿って延びた環状のエアパイプとに結合するための部材２０、２２とを見ることができる。この特許によれば、ノズル１６は、ジェット噴射ヘッド本体中に形成された流路２４と、この流路の一端をノズル１６の入口に接続するチューブ２６とにより、加圧液体用パイプ２２から供給される。前記チューブ２６は、穴ぐりロッドとノズル１６との間の加圧液体の乱れを規制するように、一定の断面と規則正しい曲率とを有する。これにも係わらず、上述されたように、射出ノズル直径は、ロッドに沿って加圧液体を通すために使用されるバイプの直径と比較して非常に小さい。かくして、上述した米国特許で開示された技術は、特に、断面積の相違のために、完全には満足するものではない。また、流路２４は、パイプ２２とパイプ２６に対して直角をなしていることが見ることができる。
米国特許Ｎｏ．５，２２８，８０９

　このような配置では、チューブ２６への入口で、かくして、ノズルの中で、液体流に重要な乱流が生じる傾向がある。

　さらに、上記特許に開示されているモニターは、モニターに装着される機械的ツールに加圧液体が供給されるようにすることは不可能である。

　好ましくはなく、穴ぐり用液体を機械的ツールに、これの潤滑のためと、穴ぐりのための切削を高めるために供給する必要がある。

　かくして、ノズルにジェットグラウトを良好な状態で供給することと、モニターの底で穿孔ツールを送ることとの両方に適した単一のモニターを有することが可能であることが有効である。射出ノズルへの最適な供給を得るために、所定の圧力のもとでの液体、例えば、グラウトの全流れが射出ノズルを供給するために使用されるように、穿孔ツールに対する供給を、ある場合には、中断することができることが必要である。

　本発明の目的は、穿孔ストリングの下端部に装着され、射出ヘッドのノズルにより供給されるジェットの質をかなり改良することができると共に、射出ヘッドと同様に液体を機械的穿孔ツールに供給することの可能な、特に、グラウトのジェット射出を実施するための射出ヘッドを提供することである。

　本発明に係われば、前記目的は、所定の圧力の流体を供給するための同軸的に配置されたパイプを有するロッドもしくはチューブのストリングの一端部に装着され、ボア孔から地面を破壊するように所定の圧力の液体を射出するためのヘッドであって、このヘッドは、前記ロッドもしくはチューブのストリングの下端部に装着するための上端部、供給パイプを有する機械的穿孔ツールを装着するための下端部、外壁、ｄに等しい内径並びに軸ｘｘ‘を有し中に配置された少なくとも１つの射出ノズルを有する本体と、前記供給パイプを前記ノズルの入口に接続するためのダクト形成手段とを具備し、前記ダクト形成手段は、中心軸を有し、前記供給パイプの下端部に接続された第１の端部と前記ノズルの軸ｘｘ‘に正接をなして接続された第２の端部とを有し、前記中心軸は、連続的に変化する曲率半径を有する少なくとも１つの湾曲部分により規定されており、また、前記ダクト形成手段の横断面積は、これの第１の端部からこれの第２の端部に向う全長の少なくとも半分に渡って規則正しく減じるようになっている、射出ヘッドにより達成される。

　この射出ヘッドは、さらに、前記ダクト形成手段の前記一端と、前記射出ヘッドの基端部に配設されたチヤンバとの間に接続され、前記機械的穿孔ツールに所定の圧力の流体を供給する少なくとも１つの供給チャンネルと、
　前記チャンバとパイプとの間に介在され、前記機械的穿孔ツールに液体を供給するための制御可能なバルブとを具備する。

　このようなノズルにより発生されるジェットの質と向きとは、ダクト形成手段、例えば、パイプの横断面積を、流体供給パイプへの接続のためのこれの一端部から射出ノズルの入口（入口オリフイス）への接続のための他端部への全長の少なくとも半分で徐々に規則正しく変えることにより、かなり改良されることが理解されるであろう。この特徴は、ダクト形成手段の中心線が規則正しく変化する曲率半径を有することと組み合わされて、チューブ中の液体の流れに対する乱流を最小にすることを可能にしている。この結果、地面に対して最大距離離れた位置にノズルが維持されるような最大エネルギーで、侵食パワーのあるジェットを得ることができる。

　さらに、モニターは、液体のノズルへのみの供給と、ノズルと機械的穿孔ツールとの両者への供給とを選択的に可能にしている。かくして、穿孔ストリングの一端に固定されるツールを交換しないで、２つの形式の動作を果たすことを可能にしている。この選択は、穿孔のために必要な時間をかなり短縮することを可能にしている。

　好ましい実施の形態において、前記ダクト形成手段は、前記射出ヘッドの長軸（ＸＸ‘）に沿ってほぼ直線状に延び、前記ロッドのストリングの前記供給パイプ゜へと延びた第１の部分と、変曲点がある中心線を有する第２の部分と、中心線が一定のサインカーブの曲率を有する第３の部分とを有する。

　本発明の他の特徴と効果とは、非限定的な例として示された本発明の種々の実施の形態の以下の説明を読むことにより良く判るであろう。

　穿孔ツールが、図２を参照して最初に説明される。このツールは、射出ヘッド、即ち、モニター３０により本質的に構成されている。この射出ヘッドは、以下に詳しく説明されるように、所定の圧力で液体のジェットを、より具体的には、ボア孔の壁を破壊するようにノズルを介して吐出される所定圧の流体ジェットを吐出するように機能する。所定圧の液体は、代表的には、グラウトもしくはこれに類似のものが充填された液体である。モニター３０の上端部３０ａは、ツールを下降並びに回転可能にセットするために符号３２で示すような穿孔ストリング（穿孔ロッド）に接続されている。この穿孔ロッド３２には、好ましくは、内側の同軸パイプ３４が装着されている。この同軸パイプは、射出ノズルと機械的穿孔ツールとに供給するための所定の圧力の液体を運ぶように機能する。モニター３０の下端部３０ｂには、中間部分３６が装着されている。この中間部分自体は、機械的穿孔ツール３８、即ち、ボトムツールを支持するように機能する。

　射出ヘッド３０は、ほぼ円筒形状の外壁を備えた本体４０を有する。１つの射出ノズル、もしくは好ましくは複数の射出ノズル４２が、モニターの下端部近くに設けられている。ノズル４２は、収束部分４６により供給パイプ３４に接続された第１のチャンネル４４を介して、穿孔ロッド３２の供給パイプ３４に接続されている。このチャンネル４４は、穿孔ロッド内の供給パイプ３４の断面よりほんの僅かに小さい断面Ｓ１を有する。また、このチャンネル４４は、モニター３０の長軸ＸＸ‘に沿って、即ち、パイプ３４とほぼ一直線状に、延びている。以下に詳述される形状のパイプ（ダクト形成手段）５０は、ノズル４２を直線状のチャンネル部分４４に接続する機能を果たしている。このパイプ５０の第１の端部５０ａは、前記チャンネル４４の下端部４４ａに接続されており、また、この第２の端部５０ｂは、ノズル４２の入口４２ａに接続されている。記載された好ましい実施の形態では、射出ノズル４２は、ほぼ水平な軸ｘｘ’を有する。

　前記第１の端部５０ａの所で、パイプ５０は、チャンネル４４の断面Ｓ１に等しい断面Ｓ‘１を有し、前記第２の端部５０ｂの所で、ノズル４２の入口の断面ｓ１に等しい断面ｓ’１を有する。このパイプ５０は、中心線(mean　line)Ｌを有し、この中心線Ｌに直交して延びたパイプ５０の断面は、円、楕円、もしくは卵型であり得る。本発明の基本的な特徴に係われば、パイプ５０の直交断面積は、最大値Ｓ‘１から最小値ｓ’１へとの規則正しく減少している。

　さらに、前記パイプ５０の中心線Ｌは、ノズル４２に至るまで、全て可能な限り規則正しい流れラインを得るような特別な形状をしている。中心線Ｌは、上端Ａから中間点Ｂへと延び、垂直正接(vertical　tangent)を有する第１の部分Ｌ１と、中間点Ｂから、射出ノズル４２との接続のための第２の端Ｃへと延びた第２の部分Ｌ２とを有する。上端Ａで、第１の部分Ｌ１は、チャンネル４４の軸ＸＸ‘に正接的に接続している。第１の部分Ｌ１は、一定のサインカーブの規則正しい曲率半径を有する第１のセクションＬ１１と、この第１のセクションＬ１１とは反対の一定のサインカーブの規則正しい曲率半径を有する第２のセクションＬ１２とを有している。中心線Ｌのこれら第１並びに第２のセクシヨンは、変曲点Ｉを介して互いに自然に接続されている。前記パイプ５０の中心線Ｌの第２の部分Ｌ２は、中間点Ｂから第２の端Ｃへと全体に渡って同じサインカーブを維持しながら、規則正しく変化する曲率半径を有する。

　前記パイプ５０に与えられた特別な形状の結果として、一端Ａから他端Ｃへと規則正しく減じる直交断面積を有すると共に、中心線は、他端Ｃから一端Ａへと全体に渡って同じように規則正しい曲率の連続となっている。これら両方の組合せにより、パイプ５０に沿って流れる所定の圧力の液体に対して、ノズル４２の入口４２ａとチャンネル４４との間に、規則正しい流れラインを規定することができることが、判るであろう。この規則正しい流れによって、最適の形状、かくして、ボア孔の壁を穿孔するための最大の能力を有する、ノズル４２から出口で所定圧のジェットを得ることができる。

　パイプ５０の特別な形状により、軸方向のチャンネル４４をノズル４２に、曲率半径が規則正しく変化するパイプを介して、接続することができることが、強調されるべきである。

　最後に、この形状のパイプ５０によって、単一もしくは複数の各々のノズル４２は、モニターの長軸ＸＸ‘に直交した平面上にｘｘ’軸を、即ち、水平軸を有することができる。かくして、ノズルにより発生されるジェットは、穿孔される壁に直交した面内にある。

　機械的穿孔ツール３８に所定圧の液体を供給するのに使用される、モニターの部分について以下に説明する。記載された好ましい実施の形態では、この供給は、モニターの軸ＸＸ‘に平行に延びた２つのパイプ５２，５４によりなされる。夫々のパイプは、所定の圧力の液体を供給するための直線状のチャンネル４４に開口した第１の端部、即ち上端部５２ａ，５４ａと、内方チャンバ５６に開口した下端部５２ｂ，５４ｂとを有する。この内方チャンバ５６は、図８に明確に見ることができ、射出ヘッドの軸ＸＸ’上に位置している。また、この内方チャンバ５６には、モニターの３０の本体の下端部に設けられたハウジング６０内に装着されたバルブ５８が配置されている。

　このバルブ５８は、ハウジング６０内に、これと液密に装着され、チャンバ５６へと延出した円筒状本体（壁）６２を有する。このバルブの壁６２は、移動可能なシャッター部材６６と共同するのに適したバルブ座部６４を規定している。前記シャッター部材６６は、バルブ本体の底壁７２に形成された軸孔７０中を摺動可能に設けられたバルブロッド６８の一端に固定されている。ナット７４が、このロッド６８の外側に螺合されて、これのための外側形部を形成している。この肩部は、シャッター部材６６のためのリセット位置を規定する。このシャッター部材６６は、シャッター部材６６とバルブ本体の底壁７２との間に介在された戻しばね７６により、図８に示されるように、リセット位置に保持される。

　前記シャッター部材６６は、前記チャンバ５８内に位置する上面６６ａを有し、かくして、これは、パイプ５２，５４を介して達した加圧液体の圧力を受ける。チャンバ５６内の液体の圧力が所定値を超えると、液体の流れは、シヤッター部材６６の下側に吸引を生じさせる。このようにして発生される吸引と共働する上面６６ａへの圧力作用は、前記もどしばね７６を圧縮させて、シヤッター部材６６を、これが前記バルブ座部６４と接触するまで、下降させる。この位置で、所定圧力の液体は、パイプ５２，５４からバルブの軸出口７８へと流れる。

　図３により明確に示されるように、バルブ７８からの前記出口７８は、前記中間部材３６の中に形成された軸孔８０へと延びている。この軸孔８０には、チェックバルブ８２が装着されている。最後に、中間部材３６中のこの軸孔８０は、チェックバルブ８２を超えて、機械的穿孔ツール３８に供給するための軸ダクト８４へと延びている。前記チェックバルブ８２は、穿孔用の液体がモニター内のパイプへと逆流するのを単に防止するように機能する。

　組合わされた穿孔ツールは、以下のように動作する。

　機械的穿孔ツール３８により単に穿孔することが望まれている使用の工程の間、パイプ３４，４４，５０，５２，５４並びに７８に沿って流れる穿孔用液体の圧力は、比較的低い。この結果、ノズル４２から吐出される所定圧の液体のジェットは、非常に有効ではなく、機械的穿孔ツール３８が、図８に示されているように、バルブ５８の開成によって液体を受ける。これに反して、ジェットグラウト工程での処理が望まれる場合には、即ち、穿孔を果たすようにノズル４２により発生されるジェットを使用することが望まれる場合には、上述した特別な形状のパイプ内の液体の圧力が高められる。上述されたように、この圧力により、バルブ５８のシャッタ部材６６が下降され、機械的穿孔ツール３６への液体の供給が遮断される。このような状態のもとで、穿孔ロッド中のパイプ３４を介して達する液体の全流れは、射出ノズル４２に供給するために使用され、かくして、ノズルは、最大有効性で動作する。

　液体の圧力が、所定の圧力よりも低い場合には、シャッター部材６６はもこれの座部から放れて、機械的穿孔ツールに再び液体が供給される。

　変形例において、モニター３０は、また、ジェット形成用のノズル４２に液体を供給するための補助パイプ９０を有し得る。このパイプ９０には、ロッド３２とこれの内側パイプ３４との間に存在する環状スペース３５から直接液体が供給される。この補助パイプ９０の下端部９０ａは、ノズル４２の出口の周りの環状スペース９２に液体を供給するように機能する。所定の圧力の液体のこの補助的供給により、ノズル４２により形成される主ジェットの周りに環状ジェットが形成され、これは、ノズル４２により形成されるジェットの質をさらに改良する役割を果たす。

　本発明のモニターにより、１つもしくは複数の射出ノズル４２は、良好な状態で加圧液体を供給することができ、また、この結果、パイプ５０中の液体の規則正しい流れのために、優れた有効性の加圧ジェットを得ることが可能になる。また、モニター３０は、ノズル４２により発生されるジェットの質を落とさないで、所定の圧力の液体を機械的ボットムツール３８に供給することができる。さらに、バルブ５８が設けられているので、加圧液体の全てがジェットを形成するために使用され、これらは、必要゛てあろう。

従来の射出ヘッドの縦断面図である。 ドリルストリングの下端に装着されて示された本発明の穿孔ツール集合体の縦断面図である。 射出ヘッドの縦断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う部分縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う縦断面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う縦断面図である。 どのようにして射出ノズルが差し込まれるかを示す図４の一部の詳細な図である。 機械的穿孔ツールを送るためのバルブの好ましい実施の形態を示す図３の一部の図である。

符号の説明

３０…射出ヘッド（モニター）、３０ａ…上端部、３０ｂ…下端部、３２…穿孔ストリング（穿孔ロッド）、３４…供給パイプ、３６…機械的穿孔ツール、４０…本体、４２…射出ノズル、４４…チャンネル、５０…パイプ（ダクト形成手段）、５０ａ…第１の端部、５０ｂ…第２の端部、５８…バルブ、８２…チェックバルブ、Ｌ…中心線。

Claims (6)

1. 所定の圧力の流体を供給するための同軸的に配置されたパイプ（３４）を有するロッドもしくはチューブのストリング（３２）の一端部に装着され、ボア孔から地面を破壊するように所定の圧力の液体を射出するためのヘッド（３０）であって、このヘッドは、前記ロッドもしくはチューブのストリング（３２）の下端部に装着するための上端部（３０ａ）、供給パイプ（８４）を有する機械的穿孔ツール（３８）を装着するための下端部、外壁、ｄに等しい内径並びに軸ｘｘ‘を有し中に配置された少なくとも１つの射出ノズル（４２）を有する本体（４０）と、前記供給パイプを前記ノズルの入口に接続するためのダクト形成手段（５０）とを具備し、
   　前記ダクト形成手段（５０）は、中心軸（Ｌ）を有し、前記供給パイプ（３４）の下端部に接続された第１の端部と前記ノズル（４２）の軸ｘｘ‘に正接をなして接続された第２の端部とを有し、前記中心軸は、連続的に変化する曲率半径を有する少なくとも１つの湾曲部分により規定されており、また、前記ダクト形成手段（５０）の横断面積は、これの第１の端部（５０ａ）からこれの第２の端部（５０ｂ）に向う全長の少なくとも半分に渡って規則正しく減じるようになっており、さらに、
   　前記ダクト形成手段（５０）の前記一端と、前記射出ヘッドの基端部に配設されたチヤンバ（５６）との間に接続され、前記機械的穿孔ツール（３８）に所定の圧力の流体を供給する少なくとも１つの供給チャンネル（５２，５４）と、
   　前記チャンバ（５６）とパイプ（８４）との間に介在され、前記機械的穿孔ツールに液体を供給するための制御可能なバルブ（５８）とをさらに具備する射出ヘッド。
2. 前記ダクト形成手段（５０）は、前記射出ヘッド（３０）の長軸（ＸＸ‘）に沿ってほぼ直線状に延び、前記ロッドのストリングの前記供給パイプ゜（３４）へと延びた第１の部分（４４）と、変曲点（Ｉ）がある中心線を有する第２の部分（Ｌ１）と、中心線が一定のサインカーブの曲率を有する第３の部分（Ｌ２）とを有することを特徴とする請求項１の射出ヘッド。
3. 前記少なくとも１つのノズル（４２）の軸は、射出ヘッドの長軸（ＸＸ‘）に直交する面内にあることを特徴とする請求項１もしくは２の射出ヘッド。
4. 前記機械的穿孔ツール（３８）に液体を供給するための２つの供給パイプ（５２，５４）を具備し、各供給パイプの第１の端部は、前記ダクト形成手段の第１の部分（４４）に接続されていることを特徴とする請求項２の射出ヘッド。
5. 前記チャンバ（５６）は、射出ヘッドの長軸上に配置されていることを特徴とする請求項４の射出ヘッド。
6. 前記制御可能なバルブ（５８）は、座部（６４）と、位置がこのバルブを通る液体の流れにより制御される移動可能なシャッター部材（６６）とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１の射出ヘッド。

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