JP5665736B2 - ドリルヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ドリルヘッド、特に水平ボーリング装置のためのドリルヘッドに関する。

水平ボーリング技術においては、ボーリング装置のドリルヘッドの前の障害物は問題である。このような障害物は、例えば、使用されるボーリング装置によって破壊され得ない硬い岩石である。更に、地表近くの地下には、ボーリングの際に破壊されてはならない水道管、ガス管、通信用管路、電流供給用管路等もある。

前記問題の解決のために、制御式の水平ボーリング装置の開発が行われている。ＨＤＤ(Horizontal Directional Drilling)と呼ばれるこの種のボーリング装置により、障害物を回避することが可能である。更に、障害物を回避するために、地中レーダシステムを用いて障害物の位置検知を行うことも知られている。

米国特許第７１４３８４４号明細書により公知の水平ボーリング装置は、ドリルヘッドの送信ケーシング内に組み込まれたレーダ装置を備えている。レーダ装置を用いることにより、地中にある障害物は、レーダ装置から発信された電磁波が、障害物の導電性の構成部分から反射されて、レーダ装置によって再び受信されることに基づき、確実に検知されるようになっている。受信された電磁波の評価により、障害物の特に位置、即ち、ドリルヘッドを基準とした方向やドリルヘッドと障害物との間の距離が求められて、ボーリング装置の進路調整が行われるようになっている。

しかしながら、重要な問題が、水平ボーリング装置内へのレーダ装置の組み込みにある。レーダ装置を用いて一般的にドリルヘッドの前の領域を監視しなければならないので、電磁波の、水平ボーリング装置自体による妨げを避けるために、レーダ装置をドリルヘッドに配置することが有意義である。

しかしながら、水平ボーリング装置においてドリルヘッドは、水平ボーリング装置の駆動ユニットにより形成される静的な掘削力並びに（打撃式の装置の場合の）動的な掘削力を地中に伝達しなければならないので、最も強く負荷される構成部分である。このような理由から、ドリルヘッドは、必要な特性、つまり、硬度、強度、耐摩耗性及び延性を有しかつ比較的に安価である合金鋼から製造されている。

しかしながら、合金鋼は導電性の材料であり、レーダ装置から発信された電磁波を反射させてしまうことになる。従って、レーダ装置を水平ボーリング装置のドリルヘッド内に組み込む場合には、レーダ装置を収容するケーシングのために、鋼や他の導電性の材料、特に金属性の材料を使用することは、電磁波の発信がケーシング内壁により妨げられてしまうので、極めて厄介である。

米国特許第７１４３８４４号明細書には、レーダ装置を水平ボーリング装置のドリルヘッドのケーシング内に組み込むことについて記載してあるものの、前記問題をどのように解決するかについては開示されていない。

従って、本発明の課題は、レーダ装置をケーシング内に組み込むための有利な手段を提供することである。

本発明の要旨は、本発明に係るドリルヘッドのケーシングの少なくとも、ドリルヘッドに組み込まれたレーダ装置から発信される電磁波がケーシングから出る領域が、誘電性の材料、つまり、非導電性の材料により形成されている。このような材料は、電磁波を反射せず、従って、ドリルヘッドからの電磁波のほぼ妨げられることのない走出を可能にしている。

特に水平ボーリング装置に用いられる、本発明に係るドリルヘッドは、少なくとも１つのケーシング、並びにケーシング内に配置されたレーダ装置を有しており、レーダ装置は、電磁波を形成し、電磁波はケーシングから出るようになっており、ケーシングは少なくとも、電磁波がケーシングから出る領域を、少なくとも部分的に、誘電性の材料により形成されている。

レーダ装置の基本的な構成、特にボーリング装置への使用のために形成された地中レーダ装置の基本的な構成は、公知技術により知られており、補足的に述べると、この種のレーダ装置は、電磁波の発信のための少なくとも１つの発信ユニット、並びに、電磁波の受信のため、特に予め発信されかつ対象物から反射された電磁波の受信のための少なくとも１つの受信ユニットを有している。更に、レーダ装置は、評価ユニットへの受信ユニットの信号の伝送のための伝送装置を有しており、評価ユニットは、ボーリング装置内に配置され、若しくはボーリング装置の外側で特に地面上に設けられた制御装置内に配置されている。更に、評価ユニットは、表示装置に接続されていてよく、表示装置は、地中にありかつレーダ装置により検知された障害物の形状、大きさ、位置（例えば、ボーリング装置を基準とした方向）及び距離に関する情報を表示するようになっている。更に、評価ユニットは、制御ユニットに接続されており、制御ユニットは、検知された障害物とドリルヘッドとの衝突を避けるために、ドリルヘッドの進路調整を自動的に行うようになっている。

本発明に係るドリルヘッドの形態は、ドリルヘッドのケーシングが、ケーシングに適した材料、特に鋼から製造され、かつ該ケーシングの、レーダ装置の電磁波が該ケーシングから出るところに規定された領域のみが、ドリルヘッドのケーシングのための材料に課せられる要求をわずかにしか満たさないものの、しかしながら、誘電性（つまり、電磁波を反射させない）の特性を有している材料から製造されることを可能にしている。

本発明の有利な形態では、ドリルヘッドの端面の領域が、誘電性の材料により形成されている。このような形態は、一般的に地中の掘削方向の領域、つまり、ドリルヘッドの前に位置する領域において障害物が監視されるので、掘削方向でのレーダ装置の電磁波の意図的な発信を可能にしている。

本発明の有利な形態では、誘電性の材料として、セラミックス、特に酸化物セラミックスが用いられる。このような材料は、ドリルヘッドのケーシングの製造に用いられる材料と同じく極めて高い耐摩耗性に優れていて、かつ必要な誘電性を有している。

有利な形態では、ドリルヘッドへのレーダ装置の組み込みのために用いられるケーシングは、適切な材料、例えば鋼から製造されていて、該ケーシングの、誘電性の材料により形成されるべき領域に、開口部を有しており、開口部が後から、誘電性の材料製のプレートにより閉鎖されるようになっている。

有利な形態では、ドリルヘッドのケーシングへのプレートの取り付けは取り外し可能に形成されており、このような構成により、プレートは、例えばセラミックの材料から形成されている場合に、耐摩耗性が高いものの、延性が低く、従って衝撃により破損されやすいので、簡単に交換されるようになっている。プレートをケーシングに取り外し不能に取り付けることも可能である。

プレートは、ドリルヘッドのケーシングに、例えば接着剤によって結合されてよく、プレートとケーシングとの間の結合部は、接着剤の選択により、解離可能若しくは解離不能になっていてよい。解離可能な接着剤結合部の解離は、例えば接着剤の加熱によって行われる。

更に、本発明の形態によれば、プレートは、該プレートの外面がドリルヘッドのケーシングの表面と同一面を成しているように、若しくはケーシングの表面から引っ込められているように、ケーシングの凹部内に配置されている。このような構成により、誘電性の材料から成るプレートは、ドリルヘッドのケーシングによって十分に保護されている。

次に、本発明を図示の実施の形態に基づき詳細に説明する。

本発明の実施の形態に係るドリルヘッドを有する水平ボーリング装置を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るドリルヘッドを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るドリルヘッドを示す図である。

図１は、水平ボーリング装置を概略的に示しており、該水平ボーリング装置はHDD・ドリリング装置とも称される。ＨＤＤは、本実施の形態では水平方向掘削に用いられるものである。水平ボーリング装置は、ドリルヘッド１を有しており、該ドリルヘッドは本発明の実施の形態に係るものである。ドリルヘッド１はドリルロッド２の前側の端部に取り付けられている。ドリルロッド２は、ねじを介して互いに連結された複数の推進ロッド片３から成っている。ドリルロッド２の後側の端部は、駆動ユニット４に連結されており、駆動ユニット４から、ドリルロッド２の長手方向の力並びにトルクがドリルロッド２に伝達されるようになっている。駆動ユニット４により、ドリルロッド２は、該ドリルロッドに取り付けられたドリルヘッド１を含めて、推進及び後退駆動、並びに回転駆動されるようになっている。

ドリルヘッド１は、制御式ドリルヘッドであり、ドリルヘッドの端面５は、ドリルヘッド自体の縦軸線、つまり、掘削方向に対して少なくとも部分的に傾斜されて形成されている。該傾斜面は、推進の際に、側方に向けられた転向力を発生させ、該転向力は、ドリルヘッド１を静止状態で、つまり、非回転状態で作動させる場合に、曲線状の掘削軌道を形成することになる。直線的な掘削若しくはボーリングは、制御式ドリルヘッドを用いて、該制御式ドリルヘッドを推進と共に回転駆動することに基づき、転向力を全周にわたって補償することにより行われる。

図１に示してある水平ボーリング装置において、駆動ユニット４は、地面上に定位置に配置されている。掘削は地面から開始され、まず、地中への傾斜掘りが行われ、次いで、地中内の所望の深さの達成の後に、掘削軌道の転向制御が行われて、引き続きほぼ水平方向の掘削が行われる。

直線的な掘削軌道からそれることは、地中に貫通できない障害物（図示省略）、例えば硬い石等がある場合に、或いは、貫通されてはならない障害物、例えば、電線路、ガス管路、若しくは水道管路等がある場合に必要である。地中の障害物の検出のために、ドリルヘッドはレーダ装置を備えており、レーダ装置は、電磁波を発信し、かつ導電性の対象物から反射された電磁波を受信して、対象物までの距離、対象物の形状、大きさ及び位置を算出するようになっている。

図２及び図３は、本発明の２つの実施の形態に係るドリルヘッドを示しており、ドリルヘッド内にはレーダ装置６が組み込まれており、ドリルヘッドは、図１に示してあるように、水平ボーリング装置に用いられるものである。

図２及び図３のドリルヘッドは、シリンダー状のシャフト７を有しており、シャフト７は、該シャフトの、掘削方向で見て後側の端部に、連結機構を備えていて、該連結機構を介して、ドリルロッド２の前側の端部に取り付けられるようになっている。ドリルヘッド１は、該ドリルロッドの前側の端部にドリルヘッドフロント８を有しており、ドリルヘッドフロント８の形状は、最大の掘削推進を可能にできるように構成されている。このために、ドリルヘッドフロント８は、地中での良好な掘削作用並びに極めて高い耐摩耗性を有する種々の硬質合金要素９を備えている。前に述べてあるように、傾斜面１０は、推進の際に、側方に向けられた転向力を発生させるものであり、該転向力により、水平ボーリング装置の制御が可能になっている。傾斜面１０内には、ベントナイトスプレーのための２つのノズル１１が組み込まれており、外部の供給装置（図示省略）により中空のドリルロッド２の内部を通してドリルヘッド１に供給されているベントナイトは、ノズル１１を介して高圧下で流出されて、一面において液体ジェット切断作用に基づき、かつ他面においてドリルヘッド１の前における地中の土の軟化に基づき、掘削推進を促進するものである。

レーダ装置６は、ドリルヘッド１のシリンダー状のシャフト７内に配置されていて、電磁波の発信のための発信ユニット２１、反射された電磁波の受信のための受信ユニット１２、並びに駆動ユニット４に接続された評価ユニット１４への受信ユニット１２の信号の伝送のための伝送装置１３を含んでいる。評価ユニット１４は、表示装置１５を含んでおり、表示装置１５は、地中にある障害物の形状、大きさ、位置及び距離に関する情報を表示するようになっている。評価ユニット１４は、制御ユニット１６に接続されており、制御ユニット１６は、駆動ユニット４の適切な制御により、障害物を自動的に迂回するようになっている。

レーダ装置６は、電磁波を所定の方向に発信するようになっており、ドリルヘッド１のケーシングの、電磁波が出る領域は、プレート１７によって被われており、プレート１７は、誘電性の材料、例えば酸化物セラミックスから形成されている。ドリルヘッド１の残りのケーシング部分は、導電性の材料、例えば鋼から成っている。酸化物セラミックスから成るプレート１７は、電磁波がドリルヘッド１のケーシングを十分な量で通過することを保証しており、これにより、ドリルヘッド１の前及び／又は横の地中の監視が可能になっている。図２及び図３から良好に見て取れるように、プレート１７は、ケーシングに次のように配置され、つまり、該プレートの外面とケーシングの外面若しくは表面とが同一面を成すように、ケーシングに沈め込まれるように深く配置され、つまり、ケーシングの凹部に配置されている。

図２のドリルヘッド１と図３のドリルヘッド１との間の大きな相違は、酸化物セラミックスから成るプレート１７の位置である。図２の実施の形態において、プレート１７は、傾斜面１０に、結果として直接掘削方向に配置されており、図３の実施の形態においては、プレート１７の位置は、シャフト７の円筒壁の領域部分にある。図２の実施の形態は、電磁波がドリルヘッド１のケーシングから直接に掘削方向に発信されるという利点を有している。しかしながら、問題点として、傾斜面１０はドリルヘッド１のうちで最も負荷される領域であり、その結果、酸化物セラミックスから成っていて従って低い延性しか有さないプレート１７は、破損のおそれが高くなっている。プレート１７の、図３の実施の形態で選ばれた配置は、プレート１７が、直径の拡大されたドリルヘッドフロントによって遮蔽されるので、プレート１７を良好に保護するものである。

図２及び図３に示してあるドリルヘッド１は、実質的に三部構造で構成されており、つまり、ドリルロッド２の前側の端部への取り付けに用いられるシャフト端部１８（図２には示されておらず）、最適な掘削推進のために形成された形状を有するドリルヘッドフロント８、並びにドリルヘッドの前記両方の構成部分間に配置されるレーダケーシング１９から成っており、レーダケーシング１９は、ドリルヘッド１のシャフト７の構成部分を成すものである。レーダケーシング１９には、レーダ装置６が配置されており、図３の実施の形態では、酸化物セラミックスから成るプレート１７も配置されている。ドリルヘッド１の前記３つの構成部分間の結合は、係止要素２０から成る急速継手を用いて行われるようになっている。ドリルヘッドの三分割により、必要な場合にのみレーダ装置６を装備することができ、つまり、ドリルヘッドフロント８をシャフト端部１８に直接に結合することができる。掘削すべき地中の状況に応じて、レーダ監視は場合によっては不要であり、かつレーダ装置は高価であるので、レーダ装置６を必要な場合にしか装備しなくてよいことは、ドリルヘッドよりも少ない数のレーダ装置を購入すればよいことに基づき、経済性の向上に寄与するものである。

１ ドリルヘッド、 ２ ドリルロッド、 ３ 推進ロッド片、 ４ 駆動ユニット、 ６ レーダ装置、 ７ シャフト、 ８ ドリルヘッドフロント、 ９ 硬質合金要素、 １０ 傾斜面、 １２ 受信ユニット、 １３ 伝送装置、 １４ 評価ユニット、 １５ 表示装置、 １６ 制御ユニット、 １７ プレート、 １８ シャフト端部、 １９ レーダケーシング、 ２１ 発信ユニット

Claims (9)

1. ドリルヘッド（１）であって、ケーシング、並びに該ケーシング内に配置されたレーダ装置（６）を有しており、該レーダ装置（６）は、電磁波を形成するようになっており、該電磁波は前記ケーシングから出るようになっている形式のものにおいて、
   前記ケーシングの、前記電磁波が出る領域は、誘電性の材料により形成されたプレート（１７）によって被われており、
   前記プレート（１７）は、直径の拡大されたドリルヘッドフロントによって遮蔽されるシャフト（７）の円筒壁の領域部分に配置されている
   ことを特徴とする、ドリルヘッド。
2. 前記ケーシングの残りの部分は、金属性の材料から成っている請求項１に記載のドリルヘッド。
3. 前記金属性の材料は、鋼である、請求項２記載のドリルヘッド。
4. 前記誘電性の材料は、セラミックスである請求項１から３のいずれか１項に記載のドリルヘッド。
5. 前記誘電性の材料は、酸化物セラミックスである請求項４に記載のドリルヘッド。
6. 前記プレート（１７）は、前記ケーシングの開口部の閉鎖のために、該ケーシングに結合されている請求項１から５のいずれか１項に記載のドリルヘッド。
7. 前記プレート（１７）は、前記ケーシングに分離可能に結合されている請求項６に記載のドリルヘッド。
8. 前記プレート（１７）は、該プレートの外面が前記ケーシングの表面と同一面を成しているように、若しくは前記ケーシングの表面から引っ込められているように、前記ケーシングの凹部内に配置されている請求項６又は７に記載のドリルヘッド。
9. 前記ドリルヘッド（１）は、水平ボーリング装置のためのものである、請求項１から８までのいずれか１項記載のドリルヘッド。

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