KR100312110B1 - 압력감지 밸브와 이를 이용한 유압식 충격착암기 - Google Patents

압력감지 밸브와 이를 이용한 유압식 충격착암기 Download PDF

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로날드 지. 헬러
인거솔-랜드 캄파니
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    • E21B4/14—Fluid operated hammers

Abstract

유체작동식 충격 드릴(10)용 압력 감지 밸브(200)는 밸브면이 구동 체임버(36)로부터 오는 돌발적으로 짧은 순간의 고압 유체에 노출되어 밸브(200)의 조기 폐쇄를 야기하도록 유체 유동을 위한 통로들(44)을 포함한다.

Description

[발명의 명칭]
압력 감지 밸브와 이를 이용한 유압식 충격 착암기
[발명의 배경]
본 발명은 일반적으로 착암기에 관한 것으로서, 특히 유압식 충격 착암기에 관한 것이다.
미국 특허 제5,085,284호에는 구동 체임버내로의 유체 인입점이 압력감지에 따라 작동되는 개폐되는 밸브에 의해 제어되는 하이브리드형의 공압식 충격 착암기가 개시되어 있다. 유체의 효율적인 사용이라는 관점에서 볼 때, 밸브가 구동 체임버로의 충격 액체흐름을 차단하도록 개폐되는 구동 행정에서의 위치를 더욱 정확히 제어하는 것이 바람직하다.
상술한 바는 현존의 유압식 충격 착암기에 실재하는 것으로 알려진 단점들이다. 따라서, 상술한 단점들 중 하나이상을 극복할 수 있는 대체 방안을 제공할 수 있다면 매우 유익할 것은 명백하다. 따라서, 그 특징들이 포함된 적절한 대체 방안을 자세히 설명하면 다음과 같다.
[발명의 요약]
본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 목적은 착암기의 구동 체임버를 교대로 개폐하는 압력 감지 밸브를 제공하면 달성될 수 있으며, 상기 밸브는 구동 체임버와 소통되는 제1밸브 압력면, 고압 포트와 소통되는 제2밸브 압력면, 유체 출구 통로와 소통되는 제3밸브 압력면, 밸브가 개방 위치에 있을 때 일정한 양의 유체로 하여금 고압 포트와 구동 체임버사이로 이동을 허용하는 제1통로수단, 피스톤의 구동 행정의 일 부분동안에, 밸브가 개방 위치에 있을 때 일정한 양의 고압 유체가 구동 체임버와 제3밸브 압력면 사이로 이동할 수 있게 하는 제2통로수단, 밸브가 개방 또는 폐쇄 위치중의 한 위치에 있을 때, 일정한 양의 유체가 유체 출구 통로와 제3밸브 압력면 사이로 이동할 수 있게 하는 제3통로수단을 가진다.
본 발명의 기타 다른 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
[도면에 대한 간단한 설명]
제1a도는 피스톤이 귀환 위치에 있는, 종래 기술에 의한 하이브리드형 착암기의 상부 좌측부분에 대한 일 실시예를 설명하는 단면도.
제1b도는 피스톤이 구동 위치에 있는 것을 제외하고는 제1a도와 유사한, 종래 기술에 의한 하이브리드형 착암기의 상부 우측부분에 대한 일시예를 설명하는 단면도.
제2a도는 피스톤이 귀환 위치에 있는, 종래 기술에 의한 하이브리드형 착암기의 하부 좌측부분에 대한 일 실시예를 설명하는 단면도.
제2b도는 피스톤이 구동 위치에 있는, 종래 기술에 의한 하이브리드형 착암기의 하부 우측부분에 대한 일 실시예를 설명하는 단면도.
제3도는 본 발명의 밸브 폐쇄 장치를 설명하는, 밸브가 폐쇄된 위치에서, 제5도의 A-A선을 따라 취한, 부품들이 제거된, 착암기의 상부 부분에 대한 단면도.
제4도는 밸브가 개방 위치에 있는 제6도의 B-B선을 따라 취한, 제3도와 유사한 단면도.
제5도는 부품들이 제거된, 제4도의 A-A선을 따라 취한 단면도.
제6도는 부품들이 제거된, 제4도의 B-B선을 따라 취한 단면도.
[발명의 상세한 설명]
제1a도 내지 제2b도는 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호가 사용된 종래기술에 의한 하이브리드형 충격 착암기의 일 실시예를 도시하고 있다.
드릴 장치인 착암기는 도면부호 10으로 도시되어 있다. 도면에 도시된 특정 착암기는 하공식 타입이지만, 본 발명은 외공식 착암기에도 적용될 수 있다. 마모 슬리브(12)는 착암기의 요소들을 포함한다. 피스톤(14)은 착암기의 비트(bit)(16)로 왕복적으로 충격을 가한다. 피스톤(14)은 화살표(14a)로 도시된 구동방향과, 화살표(14b)로 도시된 귀환 방향으로 이동한다.
고압 유체는 고압 포트(18)를 거쳐 드릴 장치의 나머지 부분에 전달되므로, 피스톤(14)에 동력을 공급한다. 고압 유체는 유체공급선(20)을 통하여 공급된다. 역지 밸브(21)는 유체공급선(20)내이 압력이 일단 소멸될 경우 공급선을 통하여 드릴 장치로부터의 유체 역류를 방지한다.
피스톤(16)이 비트(16)와 인접할 때, 귀환 체임버(22)(제2a도 및 제2b도)는 유체 통로(24)를 거쳐 고압 포트(18)에 유체연결된다. 공지된 바와 같이, 통로(24)는 마모 슬리브(12)와 결합한 내부 실린더(25)에 의하여 형성된다. 귀환 체임버(22)내의 압력은 피스톤을 귀환 방향(14b)으로 편의시킨다. 피스톤 통로 밀봉점(26)이 마모 슬리브 통로 밀봉점(28)을 지날 때까지, 고압 포트(18)의 압력은 귀환 체임버에 계속 인가된다.
출구 압력 배출구(30)는 그 관통 보어를 거쳐 비트(16)내에 형성된다. 피스톤의 귀환 압력면(32)이 출구(34)를 지나서 출구 압력 배출구(30)에 도달할 때까지, 압력은 피스톤을 귀환 방향(14b)으로 계속 가속시킨다. 이때, 귀환 체임버(22)내의 압력은 출구 포트를 통하여 배출되지만, 피스톤의 모멘텀은 피스톤을 귀환 방향(14b)으로 계속 이동시킨다.
구동 체임버(36)(제1a도)가 배출구(30, 38)를 통하여 출구 압력과 소통되기 때문에, 분배기(40)의 단부가, 보어에서 피스톤(14)까지를 포함한, 구동 체임버에서 출구 압력 배출구(38)까지의 통로를 밀봉할 때까지; 구동 체임버(36)내의 압력은 계속하여 출구 포트의 압력과 같게 된다. 이때, 구동 체임버(36)내의 유체가 압축된다. 이러한 압축은 압력을 증가시켜서, 서서히 피스톤(14)의 귀환 이동을 느리게 한다.
압력 감지 밸브(42)는 고압의 입구 포트(44)로부터 밸브 구멍(56) 및 통로(59)를 거쳐 구동 체임버(36)까지 유체의 유동을 제어한다(제1b도). 제1a도 및 제1b도에 도시된 밸브(42)는 3개의 압력면(46, 48, 50)을 포함한다. 상기 압력면(46)은 고압의 입구 포트(44)의 압력에 항상 노출되어 있다. 압력면(48)은 밸브가 폐쇄되었을 때 구동 체임버(36)의 압력에 노출된다. 압력면(50)은 밸브(42)의 위치에 관계없이 항상 출구 압력에 노출되어 있다.
밸브가 개방되었을 때, 압력면(48)은 밸브 구멍(56) 및 통로(59)의 칫수를 제어하므로써 구동 체임버(36)와 입구 포트(44) 사이의 유체 유동을 제어하도록 설계될 수 있다. 밸브(42)의 위치에 관계없이 배출구(54)를 통하여 압력에 노출되는 압력 포트(52)는 압력면(50)과 소통된다.
압력면(48)에 작용하는 힘이 압력면(46, 50)에 작용하는 합성 압력을 초과할 정도로 피스톤이 귀환 방향(14b)으로 이동하면, 압력 감지 밸브(42)는 제1b도에 도시된 바와 같이 개방된다. 개방된 밸브에 의해, 고압의 공기가 입구 포트(44)로부터 밸브 구멍(56) 및 통로(59)를 거쳐서 구동 체임버(36)로 이동하게 된다.
밸브 개방에 의한 구동 체임버내의 최종 압력의 증가는 우선 피스톤(14)의 귀환 이동을 정지시키며, 이때 피스톤(14)은 구동 방향(14a)으로 빠르게 가속된다. 피스톤 구동면(58)이 분배기(40)의 단부를 지나자 마자, 구동 체임버는 대기로의 배출구(30, 38)를 통하여 출구 압력으로 배출된다.
제3도 내지 제6도에 있어서, 본 발명의 역전 밸브(200)를 기술하면 다음과 같다. 밸브(200)는 밸브(42)와 마찬가지로 제1밸브 압력면(202), 제2밸브 압력면(204) 및 제3밸브 압력면(206)을 포함한다. 하기에 서술되는 바와 같이, 고압의 입구 포트(44)로부터 구동 체임버(36) 및 귀환 체임버(22)로 고압 유체를 분배하기 위하여, 밸브(200)는 마모 슬리브(12)내에 위치될 수 있는 유체분배기 소결합체(210)를 부가로 포함한다. 공기 등의 유체분배기 소결합체(210)는 길이방향 축선(214)으로부터 방사방향으로 연장되는 본체부(212)를 포함하며, 이 본체부(212)는 상부 밀봉시트면(216)과 바닥면(218)을 가진다. 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이, 본체부(212)는 다수의 언더컷(220)을 포함하며; 이러한 언더컷은 축선(214) 주위로 이격되고, 상부 밀봉시트면(216)으로부터 길이방향으로 연장되므로써, 마모슬리브(12)의 내면 및 내부 실린더(25)와 연합하여, 상술한 바와 같이 유체가 귀환 체임버(22)로 유동할 수 있는 통로를 제공한다. 내부 실린더(25)는 분배기의 본체와 일체로 형성되거나 또는 0링 시일(222)과 함께 본체에 체결될 수 있다.
밸브 스템(230)은 상부 밀봉시트면(216)으로부터 길이방향으로 연장하여, 축선(214)과 일치한다. 밸브 캡(232)은 마모 슬리브(12)내에 밀봉가능하게 위치되며, 상단부(234)에서 밸브 스템(230)에 밀봉상태로 삽입된다. 밸브의 시일(236)은 밀봉시트면(216)과 밸브 캡(232)사이의 밸브 스템(230)을 따라 미끄러져서, 구동 체임버(36)를 개폐한다. 분배기의 테일 스템(tail stem)(240)은 바닥면(218)으로부터 길이방향으로 연장되며, 축선(214)과 일치한다. 상술한 바와 같이, 테일 스템(240)은 왕복운동중 피스톤(14)을 밀봉 및 개봉하기 위해 피스톤(14)과 미끄럼가능하게 접촉한다.
밸브 시일(236)은 선택적으로 탄성을 갖는 O 링(238)을 사용하여 밸브 캡(232)과 밸브 스템(230)을 각각 접촉하도록 밀봉가능하게 삽입된다. 제1통로수단은 본체부(212)를 통해 연장되어 고압의 입구 포트(44)를 구동 체임버(36)와 연결하는 하나이상의 구멍(300)을 포함한다. 제5도 내지 6도에 도시된 바와 같이, 축선(214)의 주위로 이격된 다수의 구멍(300)이 제공된다.
제2통로수단은 하나이상의 길이방향의 구멍(302)을 포함하며; 이러한 길이방향 구멍(302)은 밸브 캡(232)과 밸브 스템(230) 사이의 체임버(306)에 의해 테일 스템(240)과 본체부(212) 및 밸브 스템(230)을 통하여 제3밸브 압력면(206)과 연결되어 있는 방사방향연장되는 밸브 스템 통로(305)까지 연장된다. 제5도 내지 6도에 도시된 바와 같이, 축선(214)의 주위로 이격된 다수의 구멍(302)이 제공된다.
제3통로수단은 하나이상의 길이방향 구멍(310)을 포함하며; 이러한 길이방향구멍(310)은 테일 스템(240)과 본체부(212) 및 밸브 스템(230)을 통하여 방사방향으로 연장되는 밸브 스템 통로(304)까지 연장된다. 공지된 바와 같이, 상기 구멍(310)은 밸브 캡(232)을 통하여 역지 밸브(도시않음)까지 연장될 수 있다. 제3통로(310)는 드릴 장치(10) 전체의 중앙 보어의 축선과 일치하는 축선(214)을 따라 중앙 보어가 되는 것이 바람직하다.
제4도에 도시된 바와 같이, 피스톤(14)이 구동 위치에 있으면, 밸브(200)가 개방되고, 구동 체임버(36)가 압축되며, 귀환 체임버(22)(제2b도)는 상술한 바와 같이 배출구까지 배출된다. 제1 밸브 압력면(202)은 구동 체임버(36)내에서 높은 유압에 노출된다. 또한, 제3밸브 압력면(206)은 제3통로수단[구멍(310)]을 거쳐서 압력을 배출하도록 노출된다. 이와 동시에, 제2밸브 압력면(204)은 입구 포트(44)로부터의 고압에 노출된다.
제3도에 도시된 바와 같이, 구동 행정중에, 피스톤(14)은 테일 스템(240)의 측벽에 형성된 구멍(331)의 아래의 상면을 이동시키므로[피스톤(14)의 위치는 점선으로 표시], 구멍(331)이 개방되며, 구멍(302) 및 제3밸브 압력면(206)은 구동 체임버(36)로부터의 고압을 받게 된다. 이러한 고압은 제3도에 실선으로 도시된 바와 같이, 피스톤(14)과 테일 스템(240)의 접촉이 끝날 때까지, 매우 짧은 시간동안만 지속된다. 그후, 제2 및 제3통로수단[통로(302 및 310)]이 제3밸브 압력면(206)을 배출압력에 노출시키는 것처럼, 구동 체임버(36)는 배출 압력에 노출된다. 그러나, 이러한 밸브의 압력면에 작용하는 짧은 간격의 고압은 상술한 바와 같이 이미 압력면(204, 206)에 작용하고 있는 압력에 부가되는 것으로서, 증가된 전체 압력에 의해 밸브(200)는 구동 행정에서 조기에 폐쇄된다. 이와 같은 조기 폐쇄의 정확한 타이밍은 구멍(302)의 총 단면적을 조정하므로써 변화될 수 있다. 주어진 단면적에 대하여, 폐쇄도 또한 밸브 스템 통로(304)의 총 단면적에 의하여 좌우된다. 더 큰 단면적의 구멍(302) 또는 더 작은 스템 통로(304)는 밸브의 조기 폐쇄를 유발하여 공기의 소비를 감소시킨다. 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이, 다수의 통로(302, 304)가 제공되었지만, 드릴 장치의 조립중 하나이상의 제거가능한 플러그(330)[제3도 및 제5도에 도시된 스템 통로(304)]를 삽입하므로써 총 단면적을 조정할 수도 있다. 따라서, 조작자가 밸브(200)로의 접근을 위해 드릴 장치의 후두부를 해체하여 여러개의 제거가능한 플러그(330)를 사용할 수 있게 하므로써 피스톤(14)의 구동 행정중의 밸브 폐쇄 위치가 선택될 수 있다.
축선(214)의 주위로 이격되고 외측의 밀봉 시트 가장자리(334)와 내측의 밀봉 시트 가장자리(336) 사이에 위치된 다수의 랜드(land)(332)에 의하여, 제1밸브 압력면(202)에 밸브 시일(236)을 위한 선택적인 지지체를 제공할 수도 있다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (7)

  1. 피스톤(14)의 왕복운동중 유압식 충격 장치에서 구동 체임버(36)를 압축하기 위한 압력 감지 밸브(200)에 있어서, 구동 체임버(36)와 소통되는 제1밸브 압력면(202)과, 고압의 입구 포트(44)와 소통되는 제2밸브 압력면(204)과, 유체 출구(34)와 소통되는 제3밸브 압력면(206)과, 밸브(200)가 개방 위치에 있을 때, 일정한 유체량이 고압의 입구 포트(44)와 구동 체임버(36)사이를 이동할 수 있도록 허용하는 제1통로수단과, 피스톤(14)의 구동 행정의 일 부분동안에, 밸브(200)가 개방 위치에 있을 때, 고압의 일정한 유체량이 구동 체임버(36)와 제3밸브 압력면(206) 사이를 이동할 수 있도록 허용하는 제2통로수단과, 밸브(200)가 개방위치 또는 폐쇄위치중 어느 한 위치에 있을 때, 일정한 양의 유체가 유체 출구(34)와 제3밸브 압력면(206) 사이를 이동할 수 있도록 허용하는 제3통로수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 감지 밸브.
  2. 중공의 마모 슬리브(12), 상기 마모 슬리브내에 미끄럼가능하게 배치된 피스톤(14), 귀환 및 구동 위치사이에서 피스톤(14)을 각각 왕복운동시키는 구동 압력면 및 귀환 압력면 수단, 드릴 장치(10)내에 형성된 고압의 입구 포트(44), 상기 드릴 장치에 형성되어 귀환 압력면 수단에 노출된 귀환 체임버(22), 상기 드릴 장치에 형성되어 구동 압력면 수단에 노출되는 구동 체임버(36), 피스톤(14)이 귀환위치 및 구동위치에 있을 때, 구동 체임버(36)와 귀환 체임버(22)를 교대로 배출하기 위한 출구(34)를 구비한 유압식 충격 착암기 장치에 있어서, 상기 피스톤(14)의 왕복운동중에 구동 체임버(36)를 가압하기 위한 압력 감지 밸브 수단(200)을 포함하며, 상기 압력 감지 밸브수단은, 구동 체임버(36)와 소통되는 제1밸브 압력면(202)과, 고압의 입구 포트(44)와 소통되는 제2밸브 압력면(204)과, 유체 출구(34)와 소통되는 제3밸브 압력면(206)과, 밸브(200)가 개방 위치에 있을 때, 일정량의 유체가 고압의 입구 포트(44)와 구동 체임버(36) 사이를 이동할 수 있도록 허용하는 제1통로수단;
    피스톤(14)의 구동 행정의 일 부분동안에, 밸브(200)가 개방 위치에 있을 때, 고압의 일정량의 유체가 구동 체임버(36)와 제3밸브 압력면(206) 사이를 이동할 수 있도록 허용하는 제2통로수단; 및 밸브(200)가 개방위치 또는 폐쇄위치중 어느 한 위치에 있을 때, 일정량의 유체가 유체 출구(34)와 제3밸브 압력면(206) 사이를 이동할 수 있도록 허용하는 제3통로수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유압식 충격 착암기.
  3. 제1항에 있어서, 고압의 입구 포트(44)로부터 구동 체임버(36) 및 귀환 체임버(22)에 고압 유체를 분배하기 위하여, 마모 슬리브(12)내에 위치조정되는 공기 분배기 소결합체 수단(210)과, 상기 제1통로수단을 개폐하기 위하여, 피스톤(14)의 왕복운동중 개폐를 위한 상기 공기 분배기 소결합체상의 밸브 시일 수단(200)을 부가로 포함하며, 상기 제1통로수단은 공기 분배기 소결합체에서 상기 고압의 입구포트(44)와 구동 체임버(36) 사이를 소통시키는 수단을 포함하며, 상기 제2통로수단은 피스톤 구동 행정의 일 부분동안에, 밸스 시일수단이 개방 위치에 있을 때, 구동 체임버와 제3밸브 압력면 사이를 소통하기 위하여 공기 분배기 소조립체내의 수단을 포함하며, 상기 제3통로수단은 공기 분배기 소결합체에서 출구(34)와 제3밸브 압력면(206)사이를 소통시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 감지 밸브.
  4. 제3항에 있어서, 상기 공기분배기 소결합체는, 상부 밀봉시트면(216)과 바닥면(218)을 구비하며 길이방향 축선(214)으로부터 방사방향으로 연장되는 본체부(212)와, 상기 상부 밀봉시트면(216)으로부터 길이방향으로 연장되는 밸브스템(230)과, 마모 슬리브(12)에서 위치조정되며 상기 밸브 스템(230)에 밀봉가능하게 삽입되는 밸브 캡(232)과, 피스톤(14)의 왕복운동중 피스톤 보어를 밀봉 및 개봉하기 위해, 상기 바닥면(218)으로부터 길이방향으로 연장되어 피스톤(14)과 미끄럼가능하게 접촉되는 테일 스템(240)을 부가로 포함하며, 상기 밸브 시일 수단(200)은 상기 구동 체임버(36)를 개폐하기 위하여 상기 밀봉시트면(216)과 상기 밸브 캡(232)사이에서 상기 밸브 스템(230)을 따라 미끄럼가능한 것을 특징으로 하는 압력 감지 밸브.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1통로수단은 상기 본체부를 통과하는 하나이상의 길이방향 구멍으로서, 상기 고압의 입구 포트(44)와 구동 체임버(36)를 연결하며, 상기 제2통로수단은 테일 스템(240)과 본체부(212)와 밸브 스템(230)을 통해, 상기 제3밸브 압력면(206)과 소통되는 밸브 스템 통로(305)까지 연장되는 하나이상의 길이방향 구멍(302)이며, 상기 제3통로수단은 테일 스템(240)과 본체부(212)와 밸브 스템(230)을 통해, 상기 밸브 스템 통로(305)까지 연장되는 하나이상의 길이방향 구멍(310)이며, 피스톤(14)의 구동 행정중 제3통로 구멍(310)이 개방되기 전에 제2통로 구멍(331)이 덮이지 않도록, 상기 제2통로수단은 제3통로수단으로부터 구동 체임버(36)를 향하는 구멍(310)보다 상기 본체부(212)에 더 가까운 테일 스템(240)의 일부분으로부터 상기 구동체임버를 향하는 구멍(331)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 감지 밸브.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제3밸브 압력면(206)은 제2밸브 압력면과 동일한 쪽에 위치되는 것을 특징으로 하는 유압식 충격 착암기.
  7. 제6항에 있어서, 밸브(200)를 폐쇄 위치로 편의시키기 위하여, 구동 행정의 일부분 동안에, 제3밸브면(206)에 작용하는 유압력의 분력과 제2밸브면(204)에 작용하는 유압력의 분력의 합은 제1밸브면(202)에 작용하는 유압력의 분력보다 큰 것을 특징으로 하는유압식 충격 착암기.
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