KR101848117B1 - 정상순환 천공 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템 및 이러한 시스템을 포함하는 해머 - Google Patents

Abstract

정상순환 천공 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템은 피스톤의 양 쪽에 위치된 전방 챔버와 후방 챔배의 내부에 수용된 가압된 유체의 압력에서의 변화로 인하여 왕복운동하는 피스톤과 외부 케이싱 사이에서 동축으로 배치된 원통부를 포함하되, 이러한 챔버들의 안과 밖으로의 유동은 외부 케이싱의 내부 표면부 상의 홈부들에 의해 형성되고 분리벽에 의해 분리되는 공급 챔버 및 방출 챔버가 각각 전방 및 후방 챔버들의 가압된 유체를 공급하고 방출하는 동안에 피스톤 및 원통부의 오버랩 또는 상대적인 위치만에 의해 제어된다. 이러한 시스템을 구비한 정상순환 천공 해머는 가압된 유체를 해머 밖으로 방출하기 위하여 드라이버 서브의 내부 표면부 상의 스플라인들과 드릴 비트 섕크의 외부 표면부의 스플라인들 사이에 협력적으로 형성된 채널들로부터 드릴 비트의 전방면으로 연장형성된 하나 이상의 플러싱 통로들을 구비한 드릴 비트를 포함한다.

Description

정상순환 천공 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템 및 이러한 시스템을 포함하는 해머{PRESSURISED FLUID FLOW SYSTEM FOR A NORMAL-CIRCULATION DOWN-THE-HOLE HAMMER AND HAMMER COMPRISING SAID SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 가압된 유체로 작동하는 충격 장치, 상세하게는 천공(Down-The-Hole, DTH) 해머 그리고 더 상세하게는 정상순환 DTH 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템 및 상기의 시스템을 구비한 DTH 해머에 관한 것이다.

백그라운드

힘을 전달하기 위한 수단으로서 가압된 유체를 사용하는 많은 다양한 충격 드릴링 장치들이 존재한다. 이들 중 DTH 해머들은 드릴링 산업에서, 광업에서 그리고 관정, 유정 및 지열정들의 토목공사 및 건설에서 널리 사용된다. 원통 형태의 DTH 해머는 지표면에 위치된 드릴 리그(rig) 상에서 조립하여 사용된다. 또한, 드릴 리그는 함께 조립된 로드들, 회전 및 스러스트 헤드에 조립되는 상단부 및 해머에 결합된 하단부를 포함하는 드릴 스트링을 포함한다. 이러한 드릴 스트링을 통하여 드릴 드리그는 해머가 작동하기 위하여 필요한 가압된 유체를 해머에 공급한다.

DTH 해머의 부품들

해머의 주요 이동가능형 부품은 피스톤이다. 이러한 해머의 부재는 전체가 원통 형태를 갖고 원통형 외부 케이싱의 내부에 동축으로 슬라이딩가능하게 배치된다. 해머가 "드릴링 모드"로 알려진 모드에서 작동되는 때에, 피스톤은 2개의 주요 챔버들, 즉 해머의 내부에 형성되고 피스톤의 양 단부에 위치된 전방 챔버와 후방 챔버에 수용된 가압된 유체의 압력에서의 변화로 인한 왕복운동을 발생시킨다. 피스톤은 전방 챔버와 접촉하는 전방 단부와 후방 챔버와 접촉하는 후방 단부를 갖고, 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부들 또는 외부 표면부의 슬라이딩 섹션들(홈영역들, 홈부들 또는 구멍들을 구비한 섹션들과 대조됨)과 피스톤의 내부 슬라이딩 표면부들 또는 내부 표면부의 슬라이딩 섹션들(홈영역들, 홈부들 또는 구멍들을 구비한 섹션들과 대조됨)을 가진다. 외부 슬라이딩 표면부들은 주로 해머 내부에서 피스톤의 가이드 및 정렬을 보장하기 위하여 설계된다. 또한, 대부분의 해머들에서 이러한 표면부들은, 피스톤의 내부 슬라이딩 표면부들과 함께, 이러한 설명에 따라 더 설명되는 바와 같이 다른 구성요소들과 협력하여, 전방 및 후방 챔버로의 그리고 이로부터의 가압된 유체의 번갈은 공급 및 방출의 제어를 가능케 한다.

드릴링 기능을 수행하는 해머의 가장 앞의 부품은 드릴 비트로 알려져 있는데 이것은 외부 케이싱의 전방 단부에 장착되는 드라이버 서브 상에 슬라이딩가능하게 배치되고, 드릴 비트는 전방 챔버와 접촉 상태에 있으며 피스톤의 전방 단부의 충격을 받아들이도록 만들어진다.

외부 케이싱에 대한 드릴 비트의 정확한 정렬을 보장하기 위하여, 드릴 비트 가이드부로 알려진 구성요소가 보통 사용되는데 이것은 외부 케이싱의 내부에 배치된다. 드릴 리그에 의해 제공되는 회전운동은 드릴 비트(또는 섕크)의 가장 뒤쪽의 부품과 드라이버 서브 모두에서의 홈이 형성된 표면부들 또는 스플라인들을 통하여 드릴 비트로 전달된다. 다음, 외부 케이싱보다 그리고 드릴 비트 섕크와 드라이버 서브보다 더 큰 직경을 가진 드릴 비트 헤드는 그 안에 드릴링 작업을 수행하고 드릴 비트의 전방면으로부터 전방으로 연장형성된 커팅 구성요소를 장착하고 있다. 드릴 비트의 이동은 드라이버 서브에 의해 후방 스트로크가 그리고 특히 상기한 목적을 위해 제공된 리테이닝 구성요소에 의해 전방 스트로크가 제한된다. 해머의 후방 단부에서, 해머를 드릴 스트링과 그리고 궁극적으로는 가압된 유체의 소스부에 연결하는 후방 서브가 제공된다.

상기한 설명과 이후에 제공되는 설명에서, 해머의 후방 단부는 후방 서브가 위치되는 단부인 것으로 그리고 해머의 전방 단부는 드릴 비트가 위치된 단부인 것으로 이해된다.

해머의 작동

해머가 드릴링 모드에서 작동하는 때에, 전방 및 후방 챔버는 다음과 같은 단계들을 겪게 된다:

a- 가압된 유체의 공급, 가압된 유체의 소스부로부터 오는 유체가 챔버 안으로 자유롭게 흐른다;

b- 피스톤의 운동 방향에 따른 팽창(expansion) 또는 압축(compression), 챔버는 기밀하게 밀폐되고 챔버가 둘러싸는 볼륨은 증가하거나 감소한다;

c- 가압된 유체의 방출, 챔버로부터 오는 유체가 홀의 바닥을 향해 자유롭게 흐른다; 이러한 방출 유동은 드릴 비트에 의해 생성되고 가압된 유체 유동에서 부유되어 지표면을 향해 끌어내지는 암반 커팅물들의 플러싱을 가능케 한다(홀의 플러싱이로 알려진 과정).

피스톤의 왕복운동에 따라, 피스톤이 드릴 비트와 접촉 상태에 있고 드릴 비트가 스트로크의 가장 후방 지점에 배치되는 위치(충격 위치로 알려진 위치)로부터 시작하여, 동일한 위치(드릴 비트에 대하여 피스톤의 충격이 이루어짐)에서 끝나면서, 전방 및 후방 챔버의 상태들의 각각의 순서는 다음과 같다: [a - b(팽창) - c - b(압축) - a ] 그리고 [ c - b(압축) - a - b(팽창) - c]. 하나의 상태로부터 다른 상태로의 천이는 각각의 챔버에 대하여 독립적인 것으로 피스톤이 그 자체로 충격 구성요소 뿐만 아니라 밸브로서 기능하는 방식으로 해머의 다른 부품들에 대한 피스톤의 위치에 의해 제어된다.

제1 작동 모드 또는 "드릴링 모드"에서, 가압된 유체가 해머에 공급되고 해머가 충격 위치에 있는 때에, 피스톤은 즉각적으로 왕복운동을 시작하고 드릴 비트는 각각의 사이클에서 피스톤에 의해 충격되며, 이에 따라 드릴 비트의 전방 단부가 각각의 충격에서 암반을 드릴링하는 기능을 수행한다. 암반 커팅물들은 전방 및 후방 챔버로부터 홀의 바닥으로 방출되는 가압된 유체에 의해 지표면으로 배출된다. 홀의 깊이가 증가됨에 따라, 암반 커팅물들을 포함한 가압된 유체 기둥의 크기도 또한 증가되어, 챔버들로부터의 가압된 유체 방출에 대한 더 큰 저항을 발생시킨다. 이러한 현상은 드릴링 공정에 부정적인 영향을 미친다. 일부 적용예에서, 물 또는 다른 유체의 홀 안으로의 누출은 이러한 저항을 훨씬 많이 증가시키고, 해머의 작동이 정지될 수 있다.

일부 해머들에서, 이러한 해머의 작동 모드는 이용가능한 가압된 유체의 유동의 일부를 해머 사이클을 거치지 않고서 가압된 유체의 소스부로부터 홀의 바닥으로 바로 방출하는 것을 가능케 하는 보조식 플러싱 시스템을 이용하여 보완될 수 있다. 보조식 플러싱 시스템은 홀이 천공되고 있는 동안에 완전히 비워지는 것을 가능케 한다.

해머의 제2 작동 모드 또는 "플러싱 모드"에서, 드릴 스트링 및 해머는 드릴 비트가 암반과 접촉하지 않게 되고 모든 가압된 유체가 해머 사이클을 거치지 않고서 세척 목적을 위해 해머를 통하여 홀의 바닥으로 바로 배출되도록 드릴 리그에 의해 들어올려지고, 따라서 피스톤의 왕복운동을 멈추게 한다.

챔버들로부터 배출되는 가압된 유체가 피스톤과의 에너지 교환으로 인하여 실질적으로 더 낮은 압력 상태에 있음에 따라 일어나는 것과 대조적으로, 보조식 플러싱 시스템으로부터 오는 가압된 유체는 가압된 유체의 소스부로부터 나오는 가압된 유체와 실질적으로 유사한 에너지 레벨을 갖는다.

산업상 적용예들

이러한 드릴링 공구들은 산업상 적용의 2가지 분야에서 사용된다:

1) 생산(Production), "정상순환 해머"로 알려진 해머 종류가 사용되는데, 이때 드릴링(또는 천공) 작업 동안에 생성되는 암반 커팅물들은 홀의 벽과 해머 및 드릴 스트링의 외부 표면부에 의해 형성되는 환형 공간을 통하여 지표면으로 플러싱되면서, 상기의 커팅물들의 작용에 의해 해머 및 드릴 스트링의 외부 표면부들 상에 마모를 발생시킨다. 챔버들로부터 그리고 보조식 플러싱 시스템으로부터 나오는 가압된 유체는 후방 단부로부터 전방 단부로 연장형성된 드릴 비트 내부의 중심 통로를 통하여 방출된다. 이러한 통로는 가압된 유체의 방출이 중심부로부터 그리고 드릴 비트의 전방면을 가로질러 동일한 것의 주변 영역을 향해 그리고 홀의 벽을 향해, 그리고나서 해머와 홀의 벽 사이와 드릴 스트링과 홀의 벽 사이의 환형 공간을 따라 지표면을 향해 주로 발생되도록 드릴 비트의 전방면에서 끝나는 2개 이상의 통로들로 분할될 수 있다. 암반 커팅물들은 드래그(drag)에 의해 배출되고 홀의 바닥으로 방출되는 가압된 유체에 부유된다.

정상순환 해머들은 지하 및 표면 개발에서 땅을 파는 데에 사용된다. 딱딱한 암반을 천공하는 능력으로 인하여, 이러한 타입의 해머들의 사용은 또한 유정, 관정 및 지열정의 공사로 확장된다. 일반적으로, 제거되는 토양 또는 암반은 관심이 없고 지표로의 경로 상에서 오염되게 되므로 사용되지 않는다.

2) 탐사, "역순환 해머"로 알려진 해머 종류가 사용되는데, 이것은 홀의 바닥으로부터의 암반 커팅물들이 홀의 바닥으로 방출되는 가압된 유체에 의해 지표면에서 회수되는 것을 가능케 한다. 챔버들로부터 나오는 가압된 유체는 드릴 비트의 전방 단부의 주변 영역을 따라 방출되고, 따라서 드릴 비트의 전방면을 가로질러 해머의 중심을 따라 형성된 연속적인 중심 통로의 내부를 향해, 전형적으로 드릴 비트로부터 후방 서브로 연장형성된 샘플링 튜브로 알려진 내부 튜브를 통하여, 그리고 드릴 스트링을 따르는 이중 벽으로 형성된 로드(rod)들을 통하여 형성되는 가압된 유체 유동을 발생시킨다. 이러한 중심 통로는 드릴 비트의 전방면에서 시작되는 2개 이상의 플러싱 통로들이 수렴하는 지점에서 드릴 비트의 내부에서 시작된다. 암반 커팅물들은 가압된 유체의 작용에 의해 중심 통로를 향해 끌어당겨져, 상기한 암반 커팅물들은 지표면에서 회수된다. 부유되는 암반 커팅물들을 함유한 가압된 유체 유동은 상기한 중심 통로를 형성하는 모든 구성요소들의 내부 표면부들 상에 마모를 발생시킨다.

또한, 드릴 비트 또는 드릴 비트 헤드의 직경과 실질적으로 유사한 그리고 외부 케이싱의 외부 직경보다 더 큰 직경을 가진 해머의 원통형 실링 부재는 홀이 천공되고 있는 때에 가압된 유체 및 암반 커팅물들이 해머와 홀의 벽 사이와 드릴 스트링과 홀의 벽 사이의 환형 공간으로 누출되는 것을 방지하는 기능을 수행하는 것으로(정상순환 해머를 이용함에 따라 발생하는 바와 같음). 이러한 커팅물들이 가압된 유체의 작용에 의해 샘플링 튜브 및 드릴 스트링을 통하여 지표면으로 이동하는 것을 강제한다. 이러한 실링 기능을 수행하는 것이 드릴 비트라면, 이것은 드릴 비트의 전방면을 상기한 환형 공간으로부터 격리시키는 주변 영역을 갖는다.

이러한 타입의 드릴링 공구의 사용은 지표면으로의 이동 동안에 오염되지 않고 추가 분석을 위해 저장되는 암반 커팅물들의 90% 이상의 회수를 가능케 한다.

성능 파라미터들

사용자의 관점에서, 해머의 성능 및 유용성을 평가하는 데에 사용되는 파라미터들은 다음과 같다:

1) 관통속도(rate of penetration), 이것은 해머에서의 가압된 유체 사이클에서 발생되는 파워에 의해 제공되고 값이 2개의 변수에 따른다: 가압된 유체 소비 및 사이클의 에너지 변환 효율, 이것은 소비되는 가압된 유체 질량 단위 당 발생되는 파워로서 정의된다;

2) 지표면을 향해 암반 커팅물들을 끌어당기는 가압된 유체 유동에 의해 유발되는 마모와 관련된 해머의 내구성, 이러한 내구성은 암반 커팅물들의 속성들 및 가압된 유체 유동과 접촉하는 부품들의 두께에 매우 의존적이다;

3) 가압된 유체의 소비, 이것은 전방 챔버의 패시브 볼륨(passive volume), 후방 챔버의 패시브 볼륨 및 해머의 가압된 유체 사이클의 설계에 매우 의존적이다;

4) 심층(deep) 천공 능력, 이것은 높은 에너지 레벨을 가진 가압된 유체를 홀의 바닥으로 전달하는 해머의 능력에 따른다;

5) 제작 비용, 이것은 제작 복잡성, 해머의 구성요소들의 양 및 사용되는 원자재의 양에 따른다;

6) 해머의 신뢰성, 이것은 제작 공정의 질 및 공구 설계의 견고성(sturdiness)에 따른다; 그리고

7) 암반 커팅물들 회수 효율(역순환 해머들만의 경우임), 이것은 홀을 실링하고 해머와 홀의 벽 사이와 드릴 스트링과 홀의 벽 사이에 형성된 환형 공간으로의 가압된 유체 및 암반 커팅물들의 누출을 방지하는 해머의 능력과 주로 관련된다.

관통속도, 해머의 내구성, 가압된 유체 소비, 해머의 신뢰성 및 심층 천공 능력은 사용자에 대한 작업 비용에서의 직접적인 영향 범위를 가진 요소들인 것으로 주의되어야 한다. 일반적으로, 허용 한계 내에서 유효 수명을 가진 더 빠르고 신뢰가능한 해머는 어떠한 타입의 적용을 위하여 항상 선호될 것이다.

가압된 유체 흐름 시스템들

전방 챔버 및 후방 챔버에 가압된 유체를 공급하고 가압된 유체를 이들 챔버들로부터 방출하기 위하여, 다양한 가압된 유체 유동 시스템들이 해머들에서 사용된다. 이들 모두에서, 해머 내부에 형성된 공급 챔버가 존재하고, 피스톤의 위치에 따라서 가압된 유체는 전방 챔버로 또는 후방 챔버로 운반된다. 일반적으로, 피스톤은 밸브로서 작용하는 것으로, 피스톤의 위치에 따라 전방 및 후방 챔버가 있는 상태가 형성되는데, 이러한 상태들은 앞서 공급, 팽창-압축 및 방출로 지시된 것이다.

항상, 피스톤 상에 가해지는 알짜 힘은 전방 챔버에 존재하는 압력, 상기한 챔버와 접촉하는 피스톤의 면적(또는 피스톤의 전방 스러스트 면적), 후방 챔버에 존재하는 압력, 상기한 챔버와 접촉하는 피스톤의 면적(또는 피스톤의 후방 스러스트 면적), 피스톤의 무게 및 존재할 수 있는 소산력(dissipative force)들의 결과이다. 피스톤의 스러스트 면적이 더 클수록, 가압된 유체의 압력으로 인해 피스톤 상에 발생되는 힘이 커지고 얻어질 수 있는 파워 및 에너지 변환 효율 레벨이 커진다.

다음 단락들에서 설명되는 모든 종래기술에 따른 가압된 유체 유동 시스템들은 DTH 해머의 전방 및 후방 챔버의 상태를 제어하기 위한 솔루션들과 관련하여 설명된다. 설명된 예들은 정상순환 해머들에 관한 것이나 이들은 역순환 해머들이 동일하게 적용가능하다.

타입 A 유동 시스템, 미국특허 US4084646 , US5944117 및 US6135216 에 의해 제시되어 있음

이러한 특허들에 설명된 설계들은 외부 케이싱 내부에 장착되는 원통부를 포함하는데, 이러한 원통부는 상기한 원통부의 외부 표면부와 외부 케이싱의 내부 표면부 사이에 유체 통로를 형성한다. 이러한 유체 통로는 피스톤의 후방 절반부를 따라 연장형성되고 공급 챔버에서 끝나는데, 이것은 중간 지점 가까이에서 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부와 외부 케이싱의 내부 표면부에 의해 부분적으로 형성된다. 이러한 원통부의 제공은 이중의 외부 직경으로 형성된 피스톤의 사용을 필요로 하는데, 이때 해당 피스톤의 외부 직경은 전방 단부에서 더 크고 원통부가 배치되는 후방 단부에서 더 작다.

피스톤의 외부 직경이 바뀌는, 즉 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부 상의 숄더부가 있는 부분은 평균적으로 해머의 공급 압력과 동일한 압력을 받는다. 따라서, 각각의 사이클에서 피스톤 상의 이러한 부분에 의해 가해지는 알짜(net) 일은 존재하지 않아, 즉 피스톤에의 에너지 전달 프로세스에 기여하지 않아, 감소된 후방 스러스트 면적을 야기한다.

또한, 이러한 타입의 유동 시스템을 구비한 정상순환 또는 역순환 해머에서, 에어 가이드부가 후방 챔버의 방출을 제어하기 위하여 제공되는데, 이러한 에어 가이드부는 피스톤 및 외부 케이싱과 동축이고 후방 챔버의 후방면에 위치된 관형 부재이다. 또한, 풋밸브(footvalve)는 전방 챔버의 방출을 제어하기 위하여 제공되는데, 이러한 풋밸브는 피스톤 및 외부 케이싱과 동축이고 충격면으로 알려진 드릴 비트의 후방면으로부터 나오는 중공의 관형 부재이다.

상기한 것은 전체 길이를 따라 연장형성되고 에어 가이드부 및 풋밸브와 상호작용하는 중심 구멍을 구비한 피스톤의 사용을 요구한다. 이러한 중심 구멍은 피스톤의 후방 스러스트 면적 및 전방 스러스트 면적을 훨씬 많이 감소시키고, 이것은 결과적으로 훨씬 낮은 파워 사이클을 야기한다.

또한, 원통부의 정렬이 이러한 타입의 설계에서 종종 문제가 되는데, 이것이 해결되지 않는다면 해머의 사이클로부터 파워를 소모시키는 소산력을 유발한다.

타입 B 유동 시스템, 미국특허 US5984021 , US4312412 및 US6454026 에 의해 제시되어 있음

이러한 특허들에 설명된 설계들은 가압된 유체 공급 튜브(이것의 내부에서 공급 챔버가 형성됨)를 포함하는데, 이것은 후방 챔버의 후방면으로부터 연장형성되고 피스톤에 있는 중심 구멍 안에 끼워진다. 이러한 구멍은 피스톤의 전체 길이를 따라 연장형성된다.

전방 챔버 및 후방 챔버에의 가압된 유체의 공급을 제어하고 후방 챔버의 방출을 제어하기 위하여, 공급 튜브는 구멍들 및 피스톤 안쪽의 언더컷부들과 상호작용한다.

피스톤의 외부 슬라이딩 표면부와 외부 케이싱의 내부 표면부 상의 언더컷부들은 챔버들의 상태에 대한 피스톤의 제어를 보완한다. 또한, 전방 챔버의 방출은 드릴 비트에 형성된 풋밸브(미국특허 US5984021 및 US4312412 참조)에 의해 또는 피스톤 가이드부와 상호작용하는 더 작은 직경의 피스톤의 전방 부분(미국특허 US6454026 참조)에 의해 제어된다. 또한, 이러한 마지막 솔루션은 타입 A 유동 시스템에서 그리고 이후에 설명될 나머지 유동 시스템들에서 풋밸브에 대한 대안으로서 사용될 수도 있다.

피스톤을 가로지르는 구멍들이 존재함에 따라 해머의 이러한 부품의 충격 강도를 약하게 하고 더 복잡한 제작 공정을 수반하게 된다. 이러한 관점에서, 타입 A 유동 시스템을 구비한 해머들은 타입 B 유동 시스템을 구비한 해머들보다 더 강한 피스톤 및 더 단순한 제작 공정을 갖는다. 또한, 공급 튜브 내부에 공급 챔버를 형성한 것은 앞쪽과 뒤쪽 사이의 거리로 인하여 가압된 유체를 챔버들에 공급하는 것이 가능한 때에 유동의 개시에 있어서 지연을 발생시킨다. 또한, 구멍들은 챔버들의 패시브 볼륨에서의 증대를 야기하는데, 이것의 주요 결과는 가압된 유체의 소비에서의 증가 및 열역학 사이클의 에너지 효율 전환에서의 감소이다.

피스톤 가이드부와 상호작용하는 더 작은 직경의 전방 부분을 가진 피스톤을 구비한 특정 해머들의 경우에, 충분히 큰 충격 면적이 충격에 의해 발생되는 스트레스를 견디도록 여전히 요구되는 사실로 인하여 피스톤의 전방 스러스트 면적이 크게 감소되고, 따라서 전방 스러스트 면적으로부터 표면부를 제거한다.

또한, 공급 튜브의 제공은 전체 길이를 따라 연장형성된 중심 구멍을 가진 피스톤의 사용을 필요로 하고, 이것은 타입 A 시스템의 경우에서 이미 언급된 파워에 대한 효과들을 야기한다.

타입 C 유동 시스템, 미국특허 US4923018 에 의해 제시되어 있음

이러한 특허에 설명된 설계는 외부 케이싱에 만들어진 공급 통로들의 3개의 다른 세트들을 갖는다. 제1 세트의 통로들은 외부 케이싱의 내부 표면부에서 끝나고 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부와 외부 케이싱의 내부 표면부 사이에 공급 챔버를 형성한다. 제2 및 제3 세트의 통로들은 공급 챔버로부터 전방 챔버 및 후방 챔버 각각을 향한 가압된 유체의 유동을 가능케 한다. 전방 챔버 및 후방 챔버로의 가압된 유체의 공급을 제어하기 위하여, 공급 챔버는 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부에 있는 홈부들과 외부 케이싱에 있는 제2 및 제3 세트의 통로들과 상호작용하고, 한편 전방 챔버 및 후방 챔버의 방출은 각각 풋밸브 및 에어 가이드부의 사용함에 따라 제어된다(정상순환 해머에 적용되는 타입 A 유동 시스템에 관련됨).

이러한 설계의 주요 단점들은 제2 및 제3 세트의 통로들의 존재로 인한 패시브 볼륨의 추가 및 이러한 통로들이 벽의 두께에 크게 의존적인 외부 케이싱의 유효 수명을 상당히 감소시킨다는 점이다. 또한, 에어 가이드부 및 풋밸브의 제공은 전체 길이를 따라 연장형성된 중심 구멍을 가진 피스톤의 사용을 필요로 하는데, 이것은 타입 A 시스템의 경우에서 이미 언급된 파워에 대한 효과들을 야기한다.

타입 D 유동 시스템, 미국특허 US5113950 및 US5279371 에 의해 제시되어 있음

이러한 특허들에 설명된 설계들에서 공급 챔버는 피스톤의 후방 단부에 제공되어, 이러한 설계들은 타입 A 및 타입 B 유동 시스템과 유사한 특성들을 갖는다. 타입 D 유동 시스템은 타입 B 유동 시스템에서와 같이 중심 공급 튜브를 사용하지만, 공급 챔버가 공급 튜브 내부에 형성되지 않는다는 점에서 차이가 있다. 대신, 타입 A 유동 시스템과 유시하게, 공급 챔버는 피스톤의 후방 단부 부분에서 형성되고 작용한다. 이러한 방식으로, 공급 튜브는 가압된 유체를 공급 챔버를 향해 운반하는 것을 돕는 기능을 수행하고 이것의 형성에 관여하지는 않는다. 모든 이러한 것은 결과로서 피스톤의 후방 스러스트 면적에서의 감소를 발생시킨다. 또한, 후방 챔버를 방출해야 하는 필요성은 피스톤의 전방면 상에서 드러나는 중심 구멍을 구비한 피스톤의 사용을 요구하고, 이에 따라 피스톤의 후방 스러스트 면적 및 전방 스러스트 면적을 훨씬 많이 감소시키고, 이것은 훨씬 낮은 파워 사이클을 야기한다.

또한, 미국특허 US5113950에서, 홈부들 및 피스톤을 관통하는 구멍들이 존재함에 따라 이러한 구성요소의 충격 강도를 약하게 만든다.

다음 단락들에서, 알려져 있는 다양한 가압된 유체 유동 시스템들이 암반 커팅물들을 플러싱하기 위하여 전방 챔버 및 후방 챔버로부터 방출된 가압된 유체를 홀의 바닥으로 특히 드릴 비트의 전방면의 주변으로 운반하기 위한 솔루션들과 관련하여 역순환 해머들의 특정 경우에 대하여 설명된다.

타입 1 유동 시스템, 미국특허 US5154244 , RE36002 ( US ), US6702045 및 US5685380에 의해 제시되어 있음

이러한 특허들은 가압된 유체가 드라이버 서브의 내부 표면부 상에 가공된 스플라인들과 드릴 비트 섕크의 외부 표면부 상에 가공된 스플라인들에 의해 협력적인 방식으로 형성된 채널들에 의해 드릴 비트의 후방 단부로부터 전방 단부로 운반되고, 링 또는 슬리브가 실링 부재로서 작용하여, 가압된 유체가 드릴 비트의 전방 단부의 주변으로 방출되는 둘러싸는 식의 통로들을 형성하는 유동 시스템을 설명한다.

미국특허 US6702045에 설명된 앞선 솔루션의 변형례에서, 가압된 유체가 드릴 비트의 외부 표면부 상에 형성된 채널들을 통해 드릴 비트의 후방 단부로부터 동일 드릴 비트의 외측 상의 중간 지점까지 운반되는 유동 시스템이 나타내져 있다. 이러한 채널들은 둘러싸여진 통로들을 형성하도록 드라이버 서브의 스플라인들과 협력적으로 작용한다. 이러한 중간 지점으로부터 가압된 유체의 유동은 가압된 유체를 드릴 비트의 전방 단부의 주변 영역에 방출하도록 드라이버 서브에 있는 구멍들을 통하여 드라이버 서브의 외부 표면부와 링 또는 슬리브의 내부 표면부 사이에 형성된 통로로 벗어나게 된다.

전방 및 후방 챔버의 상태에 대한 제어의 관점에서, 이러한 특허들로부터의 상업 디자인들은 타입 A 및 타입 D 유동 시스템으로 형성된다. 타입 B 유동 시스템을 구비한 경우와 같이, 피스톤 가이드부와 상호작용하는 더 작은 직경의 피스톤의 전방 부분은 전방 챔버의 방출을 제어하기 위한 풋밸브에 대한 대안 솔루션으로서 사용된다. 후방 챔버의 방출은 후방 챔버로부터 피스톤의 내부 슬라이딩 표면부와 샘플링 튜브의 외부 표면부 사이에 형성된 중심 동축 채널로의 가압된 유체의 유동을 개방하거나 차단하는 에어 가이드부에 의해 제어되고, 이러한 통로는 후방 챔버로부터 드릴 비트의 후방 단부로 연장형성된다.

이러한 유동 시스템의 단점들은 타입 A 및 타입 D 유동 시스템과 관련된 것들과 동일한 것들이고, 특히 2가지 측면에서 드릴 비트의 설계에 부정적인 영향을 미친다. 첫번째는 드릴 비트의 외부 표면부에 채널들을 만들기 위한 제작 공정들의 다중성(multiplicity)에 대한 필요성으로, 이겅은 해머의 제작 비용을 증가시킨다. 두번째는 이러한 채널들이 있음으로 인하여 각각의 스플라인의 접촉 면적 및 스플라인들의 전체 개수에 따른 스플라인들의 드래그 표면부가 일부 적용례들에서 불충분할 수 있다는 것이다. 이러한 마지막 문제는 드릴 비트를 길게 함에 따라 상쇄될 수 있지만, 이것은 해머의 비용을 증가시키는 것을 수반한다.

타입 2 유동 시스템, 미국특허 US5407021 및 US4819746 에 의해 제시되어 있음

미국특허 US5407021 및 US4819746은 가압된 유체가 드라이버 서브의 내부 표면부 상에 가공된 스플라인들과 드릴 비트 섕크의 외부 표면부 상에 가공된 스플라인들에 의해 협력적인 방식으로 형성된 채널들에 의해 드릴 비트의 후방 단부로부터 동일 드릴 비트의 외부 표면부 상의 중간 지점까지 안내되는 유동 시스템을 설명한다. 이러한 중간 지점으로부터 가압된 유체의 유동은 가압된 유체를 드릴 비트의 전방 단부의 주변 영역에 방출하도록 드릴 비트의 헤드에 형성된 대략 길이방향의 구멍들을 통하여 벗어나게 된다.

비트 헤드는 해머와 홀의 벽 사이와 로드들과 홀의 벽 사이에 형성된 환형 공간을 통한 가압된 유체의 유출을 방지하는 다른 기능을 갖는다.

전방 및 후방 챔버의 상태를 제어하는 것의 관점에서, 미국특허 US4819746은 타입 A 유동 시스템을 구비한다.

이러한 2개의 특허들에서, 전방 챔버의 방출을 제어하기 위한 풋밸브에 대한 대안 솔루션으로서, 타입 B 유동 시스템에서 설명된 바와 같이 피스톤 가이드부와 상호작용하는 더 작은 직경의 피스톤의 전방 부분이 사용된다.

후방 챔버의 방출은 후방 챔버로부터 피스톤의 내부 슬라이딩 표면부와 샘플링 튜브의 외부 표면부 사이에 형성된 중심 동축 채널로의 가압된 유체의 유동을 개방하거나 차단하는 에어 가이드부(미국특허 US4819746 참조)에 의해 제어되고, 이것은 드릴 비트의 후방 단부까지 연장형성된다.

이러한 경우(미국특허 US4819746)에서의 단점들은 타입 A 유동 시스템의 단점들과 동일하고 또한 드릴 비트의 설계는 타입 1 유동 시스템에 대해 이미 언급된 동일한 2개의 측면들과 이에 더해진 세번째 측면에서 부정적인 영향을 받는다. 이러한 세번째 측면은 주변으로부터 드릴 비트의 전방면을 따라 해머 및 로드들의 중심 동축 통로의 내부를 향한 가압된 유체의 유동을 만들기 위하여 가압된 유체의 수로를 만들고 가압된 유체를 드릴 비트의 전방 단부의 주변 영역에 방출하도록 드릴 비트의 헤드 상에 만들어진 대략 길이방향의 구멍들의 결과에 따라 드릴 비트 상에 유발되는 기계적인 결함으로써 주어진다.

설명된 문제들과 기술적인 선례들에 따라, 본 발명의 목적은 정상순환 해머에 적용되어 종래기술에 따른 정상순환 해머들보다 더 나은 성능을 제공하는 가압된 유체 유동 시스템을 제안하고, 상기한 시스템에 적절하게 만들어진 드릴 비트의 가압된 유체 채널형성 수단과 결합되어 개선된 DTH 정상순환 해머를 제공하는 것이다. 특히 유효 수명을 희생하지 않고서, 정상순환 해머가 다음의 측면들에서 개선되게 만드는 것이 바람직할 것이다:

- 더 높은 관통속도를 수반하는 높은 파워 및 에너지 변환 과정에서의 높은 효율

- 구조적으로 더 단순한 설계 및 감소된 제작 비용

- 높은 신뢰성 및 견고성

본 발명의 추가적인 목적은 관통속도에서나 암반 커팅물들의 회수 능력에서 현저한 감소없이 개선된 심층 천공 능력을 가진 역순환 해머를 제공하는 것이다.

상기한 목표들에 따라 정상순환 DTH 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템을 제공하기 위해서, 해머의 단면적의 효율적인 사용을 만들고 더 적은 부품들을 이용하며 제작하기 더 간단한 설계가 솔루션으로 채택되었다.

또한, 본 발명의 가압된 유체 유동 시스템은 보조식 플러싱 시스템을 포함한다. 이러한 방식으로, 해머에 대해 요구되는 개선된 심층 천공 능력이 충족된다.

또한, 드릴 비트는 드릴 비트의 후방 단부에 있는 종래의 중심 통로 및 정상순환 해머들에 사용되는 이러한 중심 통로로 수렴하는 2개 이상의 통로들이 드라이버 서브 상의 스플라인들과 드릴 비트 섕크 상의 스플라인들 사이에 협력적으로 형성된 채널들로부터 드릴 비트의 전방면까지 연장형성된 드릴 비트를 가로질러 뚫려 형성된 1개 이상의 플러싱 통로에 의해 대체되도록 설계되었다. 이러한 방식으로, 본 발명의 가압된 유체 방출 구성은 타입 1 및 타입 2 유동 시스템과 드릴 비트 청크(chunk) 섹션에서 유사하고 그 위에서 드릴 비트의 면으로의 다른 경로를 따른다.

또한, 본 설계는 피스톤과 이에 일렬로 정렬되지 않는 부품들(에어 가이드부, 공급 튜브, 풋밸브 등등) 사이의 마찰에 의해 유발되는 열적 균열(thermal cracks)로 인한 이러한 부품의 고장을 방지하는 피스톤을 위한 단 하나의 슬라이딩 표면부를 제공한다.

이러한 2개의 특성들은 해머의 신뢰성 및 견고성을 매우 향상시킨다.

본 발명의 가압된 유체 유동 시스템은 외부 케이싱과 피스톤 사이에 동축으로 배치된 원통부; 및 원통부의 외부 표면부와 외부 케이싱의 내부 표면부에 의해 범위가 정해지고 분리벽에 의해 분리되는 공급 채널과 방출 챔버인 2개의 챔버들을 구비하는 것에 특징이 있다. 공급 챔버는 가압된 유체의 소스부로부터 오는 유체로 영속적으로 채워지고 상기 소스부의 배출구에 중단없이 연결된다. 방출 챔버는 해머에 의해 천공되는 홀의 바닥과 영속적으로 연통된다. 바람직하게는, 공급 챔버는 방출 챔버와 길이방향으로 연속하여 배치되고 2개의 챔버들은 외부 케이싱의 내부 표면부 상의 2개의 홈부들에 의해 형성된다.

전방 및 후방 챔버로 공급되고 이들로부터 방출되는 가압된 유체의 유동은 원통부의 내부 표면부와 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부들의 오버랩 또는 상대적인 위치만에 의해 제어된다. 가압된 유체를 공급 챔버로부터 해머의 전방 및 후방 챔버로의 그리고 전방 및 후방 챔버로부터 방출 챔버로의 수로 형성을 위하여, 제1 및 제2 세트의 유체-안내 수단이 피스톤에 제공되고 복수의 공급 및 방출 관통-포트들이 원통부에 제공되며, 이때 이러한 공급 및 방출 관통-포트들은 각각 공급 및 방출 챔버에 면한다.

따라서, 전방 챔버 및 후방 챔버의 상태는 제어가 함께 상호작용하는 더 많은 수의 구성요소들로 달성되는 종래기술에 비해 본 발명에서는 단일 쌍의 구성요소들의 상호작용에 의해 제어된다.

상기에서 언급된 구성은 종래기술에 따른 해머들에 비해 해머의 단면적의 최적 사용을 가능케 한다. 종래기술에 따른 해머들에서의 피스톤들의 전방 스러스트 면적 및 후방 스러스트 면적을 보면, 이러한 피스톤들의 단면적이 피스톤, 외부 케이싱, 샘플링 튜브 및 전방 챔버와 후방 챔버에 가압된 유체를 공급하기 위하여 남겨진 영역들과 가압된 유체를 전방 챔버와 후방 챔버로부터 방출하기 위하여 남겨진 영역들에 의해 대부분 공유되는 것을 증명하는 것이 가능하다. 공급 챔버를 방출 챔버와 길이방향으로 연속하여 배치함에 따라, 스러스트 면적들이 단지 단면적을 방출 챔버와 공급 챔버 각각에 의해 점유되는 영역과 공유한다는 사실로 인하여 피스톤의 전방 스러스트 면적 및 후방 스러스트 면적을 증가시키는 것이 가능하다.

본 발명의 구성 하에서 피스톤의 전방 스러스트 면적과 후방 스러스트 면적은 크기가 동일하거나 실질적으로 동일하다. 또한, 피스톤과 원통부 사이의 상호작용에 의한 전방 챔버 및 후방 챔버의 방출의 제어는 풋밸브 또는 더 작은 직경을 가진 피스톤의 전방 부분이 이를 위해 피스톤 가이드부 또는 에어 가이드부와 상호작용하게 하는 것을 불필요하게 만들고, 이에 따라 종래기술에 따른 유동 시스템들에서 일어나는 바와 같은 스러스트 면적들에서의 추가적인 손실을 방지한다.

또한, 가압된 유체의 소스부로부터의 이용가능한 가압된 유체의 유동의 일부가 홀의 바닥으로 바로 방출되는 것을 가능케 하고, 보조식 플러싱 시스템을 이러한 방식으로 따르게 하며 그리고 관통속도에서의 현저한 감소없이 바람직한 증가된 심층 천공 능력을 가능케 하기 위하여 1개 이상의 플러싱 채널들이 분리벽에 제공될 수 있다. 이러한 채널들은 바람직하게는 길이방향 채널들이고, 더 바람직하게는 나선형이며, 그리고 본 발명의 바람직한 옵션으로 플러싱 채널들은 홈부들에 장착된 때에 보조식 플러싱 시스템의 작동을 못하게 하는 제거가능한 유체 실링재들을 장착하기 위한 환형 실링재-장착용 홈부들과 인터레이스된다.

또한, 본 발명의 가압된 유체 유동 시스템이 외부 케이싱의 내부 표면부에 인접한 방출 챔버를 갖는 것은 가압된 유체의 유동을 드라이버 서브의 내부 표면부 상의 스플라인들과 드릴 비트 섕크의 외부 표면부 상의 스플라인들 사이에 협력적으로 형성된 채널들을 향해 운반함에 따라 타입 1 및 타입 2 유동 시스템을 구비한 역순환 해머들과 유사한 방식으로 방출 챔버로부터 배출되는 가압된 유체 유동을 드릴 비트 섕크의 외부로 우회시키는 것을 가능케 한다. 한편, 본 발명에 따르면, 가압된 유체의 유동은 이후에 이러한 채널들로부터 1개 이상의 플러싱 통로들을 통하여 드릴 비트의 전방 단부로 방출되고, 이때 플러싱 통로들은 비트의 바디를 가로질러 뚫려 형성되는 것으로 상기 채널들로부터 드릴 비트의 전방면까지 연장형성된다. 이것은 정상순환 해머를 위한 단순화되고 더 견고한 드릴 비트 설계를 가능케 한다.

선택적으로, 각각의 플러싱 통로는 개선된 플러싱 작동을 위하여 드릴 비트의 전방면에 도달하기 전에 복수의 부차적인 플러싱 통로들로 분할될 수 있다.

본 발명의 정상순환 DTH 해머는 상기에서 설명된 가압된 유체 유동 시스템 및 드릴 비트의 외부로의 가압된 유체 방출 구성을 갖는 것에 특징이 있다.

앞선 아이디어들의 이해를 쉽게 하기 위하여, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 종래기술에 따른 정상순환 해머들보다 더 나은 성능을 제공하는 가압된 유체 유동 시스템 및 이를 구비한 개선된 DTH 정상순환 해머를 제공할 수 있는 것으로, 이들은 더 높은 관통속도를 수반하는 높은 파워 및 에너지 변환 과정에서의 높은 효율, 구조적으로 더 단순한 설계 및 감소된 제작 비용 및 높은 신뢰성 및 견고성을 갖는다. 또한, 관통속도에서나 암반 커팅물들의 회수 능력에서 현저한 감소없이 개선된 심층 천공 능력을 가진 역순환 해머를 제공할 수 있다.

도면들에서:
도 1은 본 발명의 정상순환 DTH 해머의 길이방향 단면도를 도시한 것으로, 상세하게는 전방 챔버에 가압된 유체가 공급되고 있고 후방 챔버는 가압된 유체를 홀의 바닥으로 방출하고 있는 때의 외부 케이싱, 원통부 및 드릴 비트에 대한 피스톤의 배치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 정상순환 DTH 해머의 길이방향 단면도를 도시한 것으로, 상세하게는 후방 챔버에 가압된 유체가 공급되고 있고 전방 챔버는 가압된 유체를 홀의 바닥으로 방출하고 있는 때의 외부 케이싱, 원통부 및 드릴 비트에 대한 피스톤의 배치를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 정상순환 DTH 해머의 길이방향 단면도를 도시한 것으로, 상세하게는 해머가 플러싱 모드에 있는 때의 외부 케이싱 및 원통부에 대한 피스톤 및 드릴 비트의 배치를 나타낸다.
또한, 이러한 모든 도면들에서, 해머의 유동 시스템은 모든 가능한 모드들과 상태들에서 가압된 유체를 전방 챔버 및 후방 챔버로부터 홀의 바닥으로, 구체적으로는 암반 커팅물들을 플러싱하기 위한 드릴 비트의 전방 단부로 운반하기 위하여 본 발명 하에서 설계된 솔루션에 대하여 도시되어 있다. 가압된 유체 유동의 방향은 화살표들을 통하여 나타내져 있다.

도 1 내지 3을 참조하면, 정상순환(normal circulation) DTH 해머는 다음의 주요 구성요소들을 포함하는 것으로 도시된 것으로:

후방 단부 및 전방 단부를 갖는 원통형 외부 케이싱(1)를 포함하고;

상기 외부 케이싱(1)의 전방 단부에 장착되고 표면 상에 스플라인(spline)(112)들이 가공된 내부 표면부(113)를 갖는 드라이버 서브(sub)(110)를 포함하며;

해머를 가압된 유체의 소브부에 연결하기 위하여 상기 외부 케이싱(1)의 후방 단부에 부착된 후방 서브(20)를 포함하고;

상기 외부 케이싱(1)의 내부에 슬라이딩가능하게 동축으로 배치되고, 피스톤(60)의 양 단부들에 위치된 전방 챔버(240) 및 후방 챔버(230)의 내부에 수용된 가압된 유체의 압력에서의 변화로 인하여 왕복운동할 수 있는, 피스톤(60)을 포함하는데, 이때 피스톤(60)은 복수의(multiple) 외부 슬라이딩 표면부(64)들을 가지며; 그리고

드라이버 서브(110) 상에 슬라이딩가능하게 장착되는 드릴 비트(90)를 포함하는데, 드릴 비트(90)의 슬라이딩 이동은 드릴 비트 리테이너(retainer)(210) 및 드라이버 서브(110)의 드릴 비트 지지면(supporting face)(111)에 의해 제한되고, 드릴 비트(90)는 드릴 비트의 후방 단부에 있는 드릴 비트 섕크(shank)(95) 및 드릴 비트의 전방 단부에 있는 드릴 비트 헤드(head)(96)로 구성되며, 이때 드릴 비트 헤드(96)는 드릴 비트 섕크(95)보다 더 큰 직경으로 형성되고 전방면(99)을 가지며, 드릴 비트 섕크(95)는 표면 상에 스플라인(93)들이 가공된 외부 표면부(98)를 갖고;

드라이버 서브(110)의 내부 표면부(113) 상의 스플라인(112)들과 드릴 비트 섕크(95)의 외부 표면부(98) 상의 스플라인(93)들 사이에 협력적으로 형성된 채널(97)들을 포함한다.

본 발명의 가압된 유체 유동 시스템은 외부 케이싱(1)과 피스톤(60) 사이에 동축으로 배치되는 원통부(cylinder)(40)를 포함한다.

해머의 후방 챔버(230)는 후방 서브(20), 원통부(40) 및 피스톤(60)의 후방 스러스트(thrust) 표면부(62)에 의해 형성된다. 이러한 챔버의 볼륨은 가변적인 것으로 피스톤(60)의 위치에 따른다. 해머의 전방 챔버(240)는 드릴 비트(90), 원통부(40), 드릴 비트 가이드부(150) 및 피스톤(60)의 전방 스러스트 표면부(63)에 의해 형성된다. 이러한 챔버의 볼륨은 가변적인 것으로 역시 피스톤(60)의 위치에 따른다.

외부 케이싱(1)은 내부 표면부 상의 각각의 홈부들에 의해 형성되는 2개의 챔버들을 갖는데, 하나는 가압된 유체를 전방 챔버(240)와 후방 챔버(230)로 공급하기 위한 공급 챔버(2)이고, 다른 하나는 가압된 유체를 전방 챔버(240)와 후방 챔버(230)로부터 방출하기 위한 방출 챔버(3)로서; 이들 챔버들은 원통부(40)에 의해 내부적으로 범위가 정해지고 분리벽(5)에 의해 분리된다. 해머가 작동되는 때에, 이러한 챔버들 중 첫번째 챔버는 가압된 유체의 소스부와 영속적인(permanent) 유체 연통 상태에 있고 두번째 챔버가 홀의 바닥과 연통되어 있는 동안 상기 유체로 채워진다.

하나 이상의 플러싱(flushing) 채널(6)들이 상기 분리벽(5)에 제공되는데, 이것은 가압된 유체의 소스부로부터 이용가능한 가압된 유체의 유동의 일부가 홀의 바닥으로 바로 배출될 수 있도록 공급 챔버(2)로부터 방출 챔버(3)로의 가압된 유체의 직접적인 유동을 가능케 하기 위한 것으로, 이러한 방식으로 보조식(assisted) 플러싱 시스템을 만들어 낸다.

도 1 내지 3에 도시된 실시예들에서, 분리벽(5)은 제거가능한 유체 실링재(seal)(170)들이 장착되는 환형의 실링재-장착용 홈부(7)들을 구비한다. 이러한 환형의 실링재-장착용 홈부(7)들은 상기의 플러싱 채널(6)들과 인터레이스되고(interlaced) 유체 실링재(170)들은 공급 챔버(2)로부터 방출 챔버(3)로의 가압된 유체의 직접적인 유동을 막는 것으로, 이러한 방식으로 보조식 플러싱 시스템을 작동 못하게 한다. 이러한 제거가능한 유체 실링재(170)들의 제거는 보조식 플러싱 시스템을 작동 가능하게 한다.

원통부(40)는 각각 공급 및 방출 챔버들(2, 3)과 면해 있는 복수의 관통-포트(through-port)(41, 42)들 및 복수의 방출 관통-포트(43)들을 구비한다. 피스톤(60)은 가압된 유체가 후방 서브(20)로부터 공급 챔버(2)로, 공급 챔버(2)로부터 전방 챔버(240) 또는 후방 챔버(230)로 그리고 전방 챔버(240) 또는 후방 챔버(230)로부터 방출 챔버(3)로 유동하는 것을 가능케 하는 유체-안내(fluid-conducting) 수단(66, 67, 80, 81)을 구비한다.

전방 챔버(240)의 상태 제어

해머 사이클에서 피스톤(60)의 충격면(impact face)(61)이 드릴 비트(90)의 충격면(91)과 접촉 상태에 있고 드릴 비트(90)가 그의 스트로크(stroke)의 최후방 지점에 있는 때에, 즉 해머가 충격 위치에 있는 때에(도 1 참조), 전방 챔버(240)는 원통부(40)의 공급 관통-포트(42)들의 전방 세트, 피스톤(60)의 공급 도관(conduit)(67)들의 후방 세트 및 피스톤(60)의 하나 이상의 중심축 공급 통로(80)들을 통하여 공급 챔버(2)와 직접적인 유체 연통 상태에 있다. 도시된 바와 같이, 하나 이상의 중심축 공급 통로(80)들은 공급 도관(67)들 세트로 유체적으로(fluidly) 연결된다. 이러한 방식으로, 가압된 유체는 공급 챔버(2)로부터 전방 챔버(240)로 자유롭게 흘러 후방으로의 피스톤의 이동을 시작하게 할 수 있다.

이러한 전방 챔버(240)로의 가압된 유체의 유동은 피스톤(60)이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 피스톤(60)의 전방 외부의 공급 에지(65)가 원통부(40)의 공급 관통-포트(42)들의 전방 세트의 후방 한계(limit)에 도달하는 지점까지 이동된 때에 멈출 것이다. 피스톤(60)의 이동이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 더 계속됨에 따라, 피스톤(60)의 전방 외부의 방출 에지(72)가 원통부(40)의 방출 관통-포트(43)들 세트의 전방 한계와 매치되는(match) 지점에 도달될 것이다. 피스톤(60)의 이동이 더욱 더 계속됨에 따라, 해머의 전방 챔버(240)는 피스톤(60)의 전방 언더컷부(undercut)(81)를 통하여 그리고 원통부(40)의 방출 관통-포트(43)들 세트를 통하여 방출 챔버(3)와 유체적으로 연통되게 될 것이다(도 2 참조). 이러한 방식으로, 전방 챔버(240)의 내부에 수용된 가압된 유체는 방출 챔버(3) 안으로 방출될 것이고 방출 챔버(3)로부터 드릴 비트 섕크(95)의 스플라인(93)들과 드라이버 서브(110)의 스플라인(112)들 사이에 협력적으로 형성된 채널(97)들을 통하여 그리고 드릴 비트(90)의 전방면(99)으로의 드릴 비트(90)의 플러싱 통로(passage)(92)들을 통하여 해머의 밖으로 자유롭게 흘러나갈 수 있다.

보통, 드릴 비트(90)는 도면들에 도시된 바와 같이 방출 홈부(151)들을 구비한 드릴 비트 가이드부(150)에 의해 해머의 외부 케이싱(1)에 일렬로 정렬된다. 본 발명에서, 이러한 방출 홈부들은 방출 챔버(3)를 채널(97)들과 연결하여, 방출된 가압된 유체는 채널(97)들에 도달하기 전에 이러한 방출 홈부(151)들을 통하여 흐르고 그 후에 드릴 비트(90)의 플러싱 통로(92)들을 통하여 흐른다. 그러나, 본 발명은 드릴 비트 가이드부의 사용으로 제한되는 것은 아니고 대안적인 정렬 솔루션들이 해당하는 가압된 유체 방출 수단과 사용될 수 있다.

후방 챔버(230)의 상태 제어

해머 사이클에서 피스톤(60)의 충격면(61)이 드릴 비트(90)의 충격면(91)과 접촉 상태에 있고 드릴 비트(90)가 그의 스트로크(stroke)의 최후방 지점에 있는 때에, 즉 해머가 충격 위치에 있는 때에(도 1 참조), 후방 챔버(230)는 피스톤(60)의 후방 스러스트 표면부(62)로부터 외부 슬라이딩 표면부(64)들로 피스톤(60)의 바디를 통하여 연장형성된 이중 기능의(bifunctional) 길이방향 통로(66)들을 통하여 그리고 원통부(40)의 방출 관통-포트(43)들 세트를 통하여 방출 챔버(3)와 직접적인 유체 연통 상태에 있다.

이에 따라, 후방 챔버(230)의 내부에 수용된 가압된 유체는 가압된 유체가 전방 챔버(240)로부터 방출되는 것과 유사한 방식으로 방출 챔버(3) 안으로 그리고 방출 챔버(3)로부터 해머의 밖으로 그리고 드릴 비트(90)의 전방면(99)으로 방출될 것이다.

이러한 가압된 유체의 유동은 피스톤(60)의 하측 외부의 방출 에지(70)가 원통부(40)의 방출 관통-포트(43)들 세트의 후방 한계에 도달할 때까지 피스톤(60)이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 이동된 때에 멈출 것이다. 피스톤(60)의 이동이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 더 계속됨에 따라, 피스톤(60)의 상측 외부의 방출 에지(71)가 원통 슬리브(sleeve)(40)의 공급 관통-포트(42)들의 전방 세트의 전방 한계와 매치되는 지점에 도달될 것이다(도 2 참조). 피스톤(60)의 이동이 더욱 더 계속됨에 따라, 해머의 후방 챔버(230)는 원통부(40)의 공급 관통-포트(42)들의 전방 세트를 통하여 그리고 피스톤(60)의 이중 기능의 길이방향 통로(66)들을 통하여 공급 챔버(2)와 유체적으로 연통되게 될 것이다. 이러한 방식으로, 후방 챔버(230)에 공급 챔버(2)로부터 오는 가압된 유체가 공급될 것이다.

플러싱 모드 작동

드릴 비트(90)가 천공되고 있는 암반과 접촉된 상태인 것을 멈추고 드릴 비트의 리테이너 지지용 숄더부(shoulder)(94)가 드릴 비트 리테이너(210) 위에 놓이게 되도록 해머가 들어올려진다면, 드릴 비트(90)는 스트로크의 전방 단부에 도달될 것이고 이때 해머는 플러싱 모드로 전환된다. 이러한 위치에서, 해머의 충격이 정지하고, 이에 따라 피스톤(60)의 충격면(61)을 드릴 비트(90)의 충격면(91) 상에 놓이는 상태가 되게 하고(플러싱 모드 설명의 도해를 위해 도 3을 참조하되 형성부들(61, 91)은 도 2에 나타내져 있음), 그리고 가압된 유체는 다음과 같은 후방 서브(20) 및 원통부(40)의 공급 관통-포트(41)들의 후방 세트를 통하여 공급 챔버(2) 안으로, 그리고 원통부(40)의 공급 관통-포트(42)들의 전방 세트를 통하여, 피스톤(60)의 이중 기능의 길이방향 통로(66)들을 통하여, 및 원통부(40)의 방출 관통-포트(43)들 세트를 통하여 공급 챔버(2)로부터 방출 챔버(3)로의 경로를 통하여 드릴 비트(90)의 전방 단부로 바로 운반된다. 방출 챔버(3)로부터 가압된 유체는 가압된 유체가 후방 및 전방 챔버들(230, 240)로부터 방출되는 것과 유사한 방식으로 해머의 밖으로 그리고 드릴 비트(90)의 전방면(99)으로 자유롭게 흐르는 것이 가능하다.

1 ... 외부 케이싱 2 ... 공급 챔버
3 ... 방출 챔버 5 ... 분리벽
20 ... 후방 서브 40 ... 원통부
42 ... 공급 관통-포트 43 ... 방출 관통-포트
60 ... 피스톤 90 ... 드릴 비트
97 ... 채널 110 ... 드라이버 서브
230 ... 후방 챔버 240 ... 전방 챔버

Claims (11)

1. 후방 단부 및 전방 단부를 가진 원통형 외부 케이싱(1)을 포함하고;
   외부 케이싱(1)의 전방 단부에 장착되고 표면 상에 스플라인(112)들이 가공된 내부 표면부(113)를 가진 드라이버 서브(110)를 포함하며;
   해머를 가압된 유체의 소브부에 연결하기 위하여 외부 케이싱(1)의 후방 단부에 부착된 후방 서브(20)를 포함하고;
   외부 케이싱(1)의 내부에 슬라이딩가능하게 동축으로 배치되고, 복수의 외부 슬라이딩 표면부(64)들을 가진 피스톤(60)의 양 쪽에 위치된 전방 챔버(240) 및 후방 챔버(230)의 내부에 수용된 가압된 유체의 압력에서의 변화로 인하여 왕복운동할 수 있는, 피스톤(60)을 포함하며;
   드라이버 서브(110) 상에 슬라이딩가능하게 장착되는 드릴 비트(90)를 포함하는데, 드릴 비트(90)는 드릴 비트의 후방 단부에 있는 드릴 비트 섕크(95) 및 드릴 비트의 전방 단부에 있는 드릴 비트 헤드(96)로 구성되고, 드릴 비트 헤드(96)는 드릴 비트 섕크(95)보다 더 큰 직경으로 형성되고 전방면(99)을 가지며, 드릴 비트 섕크(95)는 표면 상에 스플라인(93)들이 가공된 외부 표면부(98)를 갖고;
   드릴 비트(90)를 해머의 외부 케이싱(1)에 일렬로 정렬하기 위하여 외부 케이싱(1)의 내부에 배치된 드릴 비트 가이드부(150)를 포함하며; 외부 케이싱(1)과 피스톤(60) 사이에 동축으로 배치된 원통부(40)를 포함하고;
   가압된 유체를 전방 챔버(240)와 후방 챔버(230)로 공급하기 위한 공급 챔버(2), 및 가압된 유체를 전방 챔버(240)와 후방 챔버(230)로부터 방출하기 위한 방출 챔버(3)를 포함하는데, 공급 및 방출 챔버들(2, 3)은 외부 케이싱(1)의 내부 표면부 상의 각각의 홈부들에 의해 형성되며;
   공급 및 방출 챔버들(2, 3)은 원통부(40)에 의해 내부적으로 범위가 정해지고 분리벽(5)에 의해 분리되고;
   공급 챔버(2)는 가압된 유체의 소스부와 영속적인 유체 연통 상태에 있으며;
   방출 챔버(3)는 해머에 의해 천공되고 있는 홀의 바닥과 영속적인 유체 연통 상태에 있고;
   각각 공급 및 방출 챔버들(2, 3)과 면하도록 원통부(40)에 제공된 복수의 관통-포트(42)들 및 방출 관통-포트(43)들을 포함하며;
   피스톤(60)의 외부 슬라이딩 표면부(64)들을 전방 챔버(240)와 연결하고, 가압된 유체의 유동을 a) 공급 챔버(2)로부터, 원통부(40)의 복수의 공급 관통-포트(42)들을 통하여, 전방 챔버(240) 안으로, 그리고 b) 전방 챔버(240) 밖으로, 원통부(40)의 복수의 방출 관통-포트(43)들을 통하여, 방출 챔버(3) 안으로 수로를 따라 보내기 위해, 피스톤(60)에 제공되는 유체-안내 수단(67, 80, 81)의 제1 세트를 포함하고; 그리고
   피스톤(60)의 외부 슬라이딩 표면부(64)들을 후방 챔버(230)와 연결하고, 가압된 유체의 유동을 a) 공급 챔버(2)로부터, 원통부(40)의 복수의 공급 관통-포트(42)들을 통하여, 후방 챔버(230) 안으로, 그리고 b) 후방 챔버(230) 밖으로, 원통부(40)의 복수의 방출 관통-포트(43)들을 통하여, 방출 챔버(3) 안으로 수로를 따라 보내기 위해, 피스톤(60)에 제공되는 유체-안내 수단(66)의 제2 세트를 포함하여;
   전방 및 후방 챔버들(240, 230)의 안과 밖으로의 가압된 유체의 유동은 피스톤(60)의 왕복운동 동안에 피스톤(60)의 복수의 외부 슬라이딩 표면부(64)들과 원통부(40)의 내부 표면부의 오버랩 또는 상대적인 위치만에 의해 제어되며;
   드라이버 서브(110)의 내부 표면부(113) 상의 스플라인(112)들과 드릴 비트 섕크(95)의 외부 표면부(98) 상의 스플라인(93)들 사이에 협력적으로 형성된 채널(97)들을 포함하고;
   드릴 비트 가이드부(150)는 방출 챔버(3)를 드릴 비트 채널(97)들과 연결하는 방출 홈부(151)들을 구비하며; 그리고
   드릴 비트(90)는 가압된 유체를 해머 밖으로 방출하기 위하여 드릴 비트(90)의 채널(97)들로부터 전방면(99)으로 연장형성되도록 드릴 비트에 뚫려 형성된 하나 이상의 플러싱 통로(92)들을 구비하는 정상순환 천공 해머.
2. 제1항에 있어서, 피스톤(60)의 유체-안내 수단은:
   가압된 유체를 원통부(40)의 복수의 공급 관통-포트(42)들을 통하여 공급 챔버(2)로부터 전방 챔버(240) 안으로 운반하기 위한 공급 도관(67)들의 후방 세트 및 하나 이상의 중심축 공급 통로(80)들을 포함하고, 하나 이상의 중심축 공급 통로(80)들은 공급 도관(67)들에 유체적으로 연결되고 피스톤(60)의 충격면(61)으로부터 만들어진 해당 통로들에 의해 형성되며; 그리고
   가압된 유체를 공급 관통-포트(42)들의 전방 세트를 통하여 공급 챔버(2)로부터 후방 챔버(230)로 운반하고 가압된 유체를 방출 관통-포트(43)들의 세트를 통하여 후방 챔버(230)로부터 방출 챔버(3)로 운반하기 위하여 피스톤(60)의 바디를 통하여 연장형성된 이중 기능의 길이방향 통로(66)들을 포함하고; 그리고
   가압된 유체를 방출 관통-포트(43)들 세트를 통하여 전방 챔버(240)로부터 방출 챔버(3)로 운반하기 위한 전방 언더컷부(81)를 포함하는 정상순환 천공 해머.
3. 제1항에 있어서, 원통부(40)는 가압된 유체가 후방 서브(20)로부터 공급 챔버(2)로 흐르는 것을 허용하기 위한 공급 관통-포트(41)들의 후방 세트를 구비한 정상순환 천공 해머.
4. 제1항에 있어서, 공급 챔버(2)는 방출 챔버(3)와 길이방향으로 연속하여 배치되는 정상순환 천공 해머.
5. 제1항에 있어서, 가압된 유체 유동 시스템은 공급 챔버(2)와 방출 챔버(3) 사이의 유체 연통 및 가압된 유체의 소스부로부터 해머에 의해 천공되는 홀의 바닥으로의 이용가능한 가압된 유체의 유동의 일부의 운반을 가능케 하기 위하여 분리벽(5) 상에 형성된 하나 이상의 플러싱 채널(6)들을 포함하는 정상순환 천공 해머.
6. 제5항에 있어서, 분리벽(5) 상에 형성된 플러싱 채널(6)들은 홈부(7)들에 장착된 때에 보조식 플러싱 시스템이 작동하지 못하게 하는 제거가능한 유체 실링재(170)들을 장착하기 위한 환형의 실링재-장착용 홈부(7)들과 인터레이스되는 정상순환 천공 해머.
7. 제5항에 있어서, 분리벽(5) 상에 형성된 플러싱 채널(6)들은 길이방향 채널들인 정상순환 천공 해머.
8. 제5항에 있어서, 플러싱 채널(6)들은 나선형인 정상순환 천공 해머.
9. 제1항에 있어서, 각각의 플러싱 통로(92)는 향상된 플러싱 작동을 위해 드릴 비트의 전방면에 도달하기 전에 복수의 부차적인 플러싱 통로들로 나뉘어 형성되는 정상순환 천공 해머.
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