KR20090082182A - 공기 작동식 다운 홀 해머와 드릴 비트 및 해머에 사용되는 풋 밸브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 충격식 다운 홀 해머, 드릴 비트 및 풋 밸브에 관한 것이다. 드릴 비트는 전방 드릴링 면을 갖는 몸체 및 중앙통로를 포함하고, 이 중앙통로는 드릴링 면에 세척 매체를 전달하기 위해 드릴링 면을 향하는 방향으로 몸체의 후단부에서 연장된다. 후단부는 통로를 둘러싸는 충격면을 포함한다. 중앙통로는 풋 밸브를 수용하여 드릴 비트를 통해 가압 공기를 전달하도록 되어 있다. 풋 밸브 및 중앙통로는 삽입 방지 수단과 풋 밸브를 위한 주 빠짐 방지 수단을 포함한다. 삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단에서 떨어져 제공된다.
다운 홀 해머, 드릴 비트, 풋 밸브
Description
본 발명은 일반적으로 착암 (rock drilling) 용 공기 작동식 다운 홀 해머 (donw-the-hole hammer), 드릴 비트 (drill bit) 및 다운 홀 해머에 사용되는 풋 밸브 (foot valve) 에 관한 것이다.
다운 홀 해머로 터널과 같은 땅 아래를 드릴링하는 경우, 드릴링 작업에 의해 발생되는 먼지는 종종 해머를 구동하고 먼지를 불어내기 위한 압축공기 속에 섞인 물의 사용에 의해 구속된다. 다운 홀 해머는 드릴 비트 앤빌에 있는 중앙통로에 위치하여 그 앤빌의 충격면으로부터 돌출된 플라스틱 풋 밸브를 구비한다. 풋 밸브는 사용된 구동 압축공기를 드릴 비트를 통해 전달하기 위한 왕복운동 피스톤의 중앙 보어에 의해 반복적으로 둘러싸인다. 이러한 기술의 예는 미국 특허 No. 6,125,952 에 개시되어 있고, 주요한 내용은 다운 홀 해머 기술의 개시에 관하여 본 명세서에서 참조한다. 드릴링하는 동안, 장기간의 심공 드릴링으로 인한 마모, 다른 제조업체들에 의한 공차 차이 및 피스톤 보어와 풋 밸브의 외경 사이에 끼일 수 있는 찌꺼기로 인하여 피스톤이 상향 스트로크를 시작하는 때에 피 스톤은 드릴 비트 섕크 몸체에서 풋 밸브를 이탈시킬 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "심공 드릴링" 은 100 ~ 3000 미터의 범위에 있는 오일 및 가스를 위해 드릴링하는 것을 의미한다. 해머, 드릴 비트 및 풋 밸브의 작동 시간은 연속하여 36 시간을 넘을 수 있고, 따뜻한 온도 하에서는 약 135 ℃ 의 홀까지 내려간다. 단지 플라스틱 풋 밸브를 바꾸기 위해 홀에서 그렇게 많은 파이프를 다시 빼내는 것은 단점이 된다. 현재, 관련 비용은 장비하는 시간 동안 하루에 대략 ＄ 12,000.00 를 초과한다.
본 발명은 이미 알려진 장치의 전술한 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 풋 밸브의 수명이 더 늘어난 충격식 다운 홀 해머를 위한 드릴 비트 및 풋 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 특히 심공 드릴링 조건 동안, 비트 몸체에서 풋 밸브의 이탈을 방지하는 다운 홀 해머를 위한 드릴 비트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 알려진 충격식 다운 홀 해머보다 점검 수리간의 수명이 더 긴 다운 홀 드릴 비트를 위한 풋 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 공차 오류에 덜 민감한 드릴 비트와 풋 밸브를 제공하는 것이다.
일 실시형태에서, 본 발명은 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머를 제공하고, 이 해머는 축선을 규정하는 일반적으로 원통형인 케이스, 케이스의 후단부에 장착되는 드릴 서브 (drill sub), 케이스의 전단부에 장착되는 드릴 척 (drill chuck) 및 드릴 척에 장착되고 전방 커팅면과 후방 앤빌부 (anvil portion) 를 포함하는 드릴 비트를 포함한다. 앤빌부는 후방을 향하는 앤빌면을 포함한다. 드릴 비트는 앤빌면을 통해 연장되는 제 1 중앙통로를 포함하고, 이 통로는 후방 앤빌면과 인접한 공동을 형성한다. 피스톤은 드릴 비트의 뒤에서 케이스에 장착되고 전방을 향하는 충격면 및 충격면을 통해 연장되고 제 1 중앙통로와 정렬하여 배치되는 제 2 중앙통로를 포함한다. 피스톤은 드릴 비트를 향하고 멀어지는 축선방향 왕복운동을 하도록 장착되고, 이 운동에 의해 충격면이 피스톤의 전방 스트로크 동안 앤빌면에 충격을 가하게 된다. 충격면이 앤빌면에 충격을 가하여 제 2 중앙통로에서 제 1 중앙통로로 압축공기를 전달하는 때, 풋 밸브는 부분적으로는 제 1 중앙통로에서, 또한 부분적으로는 제 2 중앙통로에 있게 된다. 상기 풋 밸브와 제 1 중앙통로는 풋 밸브에 대한 삽입 방지 수단과 주 빠짐 방지 수단을 포함하고, 이 삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단으로부터 떨어져 제공된다.
다른 실시형태에서, 본 발명은 다운 홀 해머용 충격식 드릴 비트를 제공하는데, 이 드릴 비트는 전방 드릴링 면, 후방 앤빌면 및 드릴 비트의 중심축선을 따라 앤빌면을 통과하여 연장되는 중앙통로를 포함하고, 이 통로는 후방 앤빌면에 인접한 공동을 형성하며, 이 공동은 적어도 부분적인 테이퍼형 부분과 상단부 및 하단부에 의해 형성되는 언더컷을 포함한다.
또다른 실시형태에서, 본 발명은 중심선, 상단부와 하단부를 규정하는 일반적으로 원통형인 튜브를 포함하고 삽입 방지 수단과 주 빠짐 방지 수단을 포함하는 풋 밸브를 포함하며 이 삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단으로부터 떨어져 있는, 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머에 있는 드릴 비트 통로에 사용되는 풋 밸브를 제공한다.
본 명세서에서 참조하고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내고, 이상의 발명의 상세한 설명 및 이하의 실시예와 함께 본 발명의 내용을 설명하는 역할을 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 다운 홀 해머의 단면도이다.
도 2a 는 본 발명의 따른 드릴 비트의 측면도이다.
도 2b 는 도 2a 에서 2B-2B 선을 따라 자른 드릴 비트를 나타낸다.
도 2c 는 도 2a 의 드릴 비트의 사시도이다.
도 3a 는 본 발명에 따른 드릴 비트의 일부, 피스톤의 일부 및 본 발명에 따른 풋 밸브의 단면도이다.
도 3b 는 도 3a 의 원으로 표시한 부분의 확대도이다.
도 4a 는 본 발명에 따른 풋 밸브의 측면도이다.
도 4b 는 풋 밸브의 단부를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 다운 홀 해머 (10) 가 도 1 에 나타나 있다. 해머 (10) 는 회전 가능한 드릴 파이프 스트링 (미도시) 에 연결 가능한 외부 원통형 케이스 (11) 를 포함하고, 이 스트링을 통해 압축 공기가 전달된다. 해머 피스톤 (16) 은 원통형 케이스 (11) 내에서 왕복운동하고, 압축 공기는 피스톤의 상단부 및 하 단부로 교대로 향하여 피스톤에 왕복운동을 일으키며, 각각의 하향 스트로크는 원통형 케이스의 하부 내에서 상방으로 연장되는 드릴 비트 (13) 의 앤빌 (30) 에 충격을 가한다. 피스톤은 가압된 공기를 위한 통로 (31) 를 포함한다. 충격식 다운 홀 해머는 탑 서브 (top sub; 14), 체크밸브 (35), 제어 또는 유체 공급 튜브 (15), 풋 밸브 (20), 유지 수단 (33) 및 구동 서브 (12) 를 더 포함한다.
풋 밸브 (20) 는 일반적으로 원통형의 기본 형태를 갖고 있고, 도 4a 및 도 4b 에 나타난 바와 같이 Nylon® 또는 Delrin® 과 같은 플라스틱으로 만들어진다. 풋 밸브는, 풋 밸브 (20) 의 최대 직경을 규정하는 원주 릿지 (22) 가 구비된 중공형 튜브 (21) 이다. 피스톤 전방면 (23) 이 드릴 비트의 후방면 (24) 에 충격을 가하는 경우, 풋 밸브 (20) 는 피스톤 (16) 안으로보다 드릴 안으로 더 들어가게 된다. 풋 밸브 (20) 의 평균 벽 두께는, 피스톤에 들어가는 부분에서보다 드릴 비트에 들어가는 부분에서 더 크다. 즉, 풋 밸브 하부의 평균 벽 두께는 풋 밸브 상부의 두께보다 더 크다.
드릴 비트 통로 (18) 의 공동 안에 있는 대응 환형 홈, 또는 제 4 테이퍼형 부분 (17) 내에 릿지 (22) 가 가압되어 풋 밸브가 드릴 비트에 유지된다. 공동은 앤빌에 인접하도록 형성된다. 릿지 (22) 는 제 1 테이퍼형 부분 (25) 과 제 2 테이퍼형 부분 (26) 사이에 형성된다. 테이퍼형 부분 (25, 26) 은 릿지 (22) 에서부터 경사져 있다.
제 1 테이퍼형 부분 (25) 은 제 1 밸브부 (27) 에 인접하게 배치되고, 이 밸브부는 바람직하게는 원통형이다. 피스톤이 제 1 밸브부 (27) 상으로 내려온 경우 그 밸브부 (27) 는 피스톤 통로 (31) 에 수용되어 해머의 바닥 공기 배출구를 닫게 된다. 제 1 밸브부 (27) 는 상대적으로 작은 벽 두께를 갖는다. 제 1 테이퍼형 부분 (25) 은 풋 밸브 (20) 의 중심선 또는 해머 (10) 의 중심선 (CL) 에 대하여 약 1.5 ~ 2.5 도의 각 (β) 으로 테이퍼져 있는데, 즉, 제 1 부분 (25) 은 피스톤 (16) 을 향하여 축선방향으로 테이퍼져 있다. 제 1 테이퍼형 부분 (25) 은, 드릴 비트 통로 (18) 에 있는 상보적인 제 1 공동부 또는 제 3 테이퍼형 부분 (28) 과 억지 끼워맞춤을 할 수도 있다. 제 1 공동부 (29) 의 경사는 각 (β) 과 비슷하게 선택된다. 억지 끼워맞춤을 통해 빠지는 것을 방지하고 피스톤의 상향 사이클 동안 피스톤 (16) 으로부터 당기는 힘에 대항하게 된다. 또한 풋 밸브의 벽을 더 두껍게 하여 더 강한 영역으로 만들어준다.
제 2 테이퍼형 부분 (26) 은 풋 밸브 (20) 의 중심선 또는 해머 (10) 의 중심선 (CL) 에 대하여 약 3 ~ 6 도의 각 (α) 으로 테이퍼져 있는데, 즉, 제 2 부분 (26) 은 드릴 비트 (13) 를 향하여 축선방향으로 테이퍼져 있다. 즉, 제 2 테이퍼형 부분 (26) 은 각 (β) 과 반대 방향으로 경사져 있다. 각 (α) 은 풋 밸브의 직경이나 크기에 따라 3 ~ 6 도가 될 수 있다. 각 (α) 은 풋 밸브를 드릴 비트 통로 (18) 내에 장착하는 데 필요한 힘의 양을 줄이고, 따라서 장착 과정 동안 풋 밸브에 생길 수 있는 변형 및/또는 손상의 양을 줄이고, 더 나아가 풋 밸브가 조기에 파손될 가능성을 줄인다.
각 (β) 은 하향 당김력을 만들어내고 제조 과정해서 공차 차이를 메꿔서, 비트 몸체내에 풋 밸브를 유지시키는 힘을 더 크게 해 준다.
테이퍼형 부분 (25, 26) 이 만나는 부분에 외부 환형 숄더 (28) 가 형성될 수 있다. 숄더 (28) 는 일반적으로 반경 방향으로 연장된다. 숄더 (28) 는 통로 (18) 에 있는 환형 칼라 (32) 또는 언더컷의 상단부에 결합하여 그와 같이 작동하고, 가장 강한 유지 형태를 제공하여 빠지지 않도록 해 준다. 숄더 (28) 와 칼라 (32) 는 또한 주 빠짐 방지 수단으로도 불릴 수 있다.
안내부 (34) 가 풋 밸브의 하단부에 제공된다. 안내부 (34) 는 실질적으로 원통형이고, 통로 (18) 의 하부 안내면 (36) 과 함께 작동하는 하부 안내 부싱 (bushing) 의 역할을 한다. 안내부와 안내면은 동일한 직경을 갖고 있고 바람직하게는 전술한 다른 부분들처럼 가압 끼워맞춤되지 않는다. 안내부 (34) 와 안내면 (36) 은 각각 노우즈 단부 (37) 및 언더컷의 제 2 칼라 (38) 또는 하단부에 각각 연결된다. 노우즈 단부 (37) 와 제 2 칼라 (38) 는 풋 밸브가 통로에서 바닥을 칠 때 통로 (18) 안으로 풋 밸브가 더 삽입되는 것을 막는다. 노우즈 단부 (37) 와 제 2 칼라 (38) 는 라운딩 처리되거나 모따기될 수 있다. 노우즈 단부 (37) 와 제 2 칼라 (38) 는 삽입 방지 수단으로도 불릴 수 있다. 삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단으로부터 적어도 12 mm 의 거리에 배치된다. 따라서 통로 (18) 에서 언더컷이 테이퍼형 부분 (17), 안내부 (36) 와 상단부 (32) 및 하단부 (38) 에 의해 규정된다.
풋 밸브의 장착은 다음과 같이 이루어진다. 안내부 (34) 가 통로의 제 1 공동부 (29) 안으로 삽입될 수 있도록 풋 밸브 (20) 는 드릴 비트 통로 (18) 와 정렬된다. 노우즈 단부 (37) 가 라운딩 처리되거나 모따기되어 있으면 그 노우즈 단부는 통로 안으로 더 손쉽게 들어간다. 전체 안내부가 통로 (18) 에 들어간 경우 제 2 테이퍼형 부분 (26) 은 통로에 인접할 수 있다. 부분 (26) 의 직경이 증가하는 것에 의해 릿지 (22) 가 통로 (18) 에 들어갈 때까지 풋 밸브 삽입에 필요한 힘은 점진적으로 증가한다. 릿지가 타는 공동부 (29) 의 직경이 증가하는 것에 의해, 릿지가 통로 (18) 내의 칼라 (32) 에 결합될 때까지 풋 밸브가 더 삽입되기 위해 필요한 힘은 점진적으로 감소한다. 만약 풋 밸브를 5 mm 미만으로 조금 더 밀면, 삽입 방지 수단 (37, 38) 은 풋 밸브의 가능한 최대 삽입 길이 (L) 을 규정하게 될 것이다. 드릴 비트 내로의 풋 밸브의 삽입 길이 (L) 는 전형적으로는 40 ~ 70 mm 이고, 도시된 예에서는 약 60 mm 이다. 주 빠짐 방지 수단 (28, 32) 과 드릴 비트의 충격면 (24) 간의 거리 (L3) 는 15 ~ 30 mm 이다. 삽입 방지 수단 (37, 38) 과 안내부 (34, 36) 의 상부 사이의 거리 (L2) 는 20 ~ 40 mm 이다. 해머가 사용 중이고 피스톤이 상향 이동하는 경우, 피스톤 통로 (31) 는 풋 밸브를 붙잡아서 드릴 비트 통로에서 들어올리는 경향이 있다. 그러나 이러한 풋 밸브의 운동은 주로 주 빠짐 방지 수단, 즉 숄더 (28) 와 칼라 (32) 에 의해 멈춰지게 될 것이다. 또한, 제 1 테이퍼형 부분 (25) 과 드릴 비트 통로 (18) 에 있는 제 1 공동부 (29) 는 빠짐을 어느 정도 막는데 도움을 준다.
본 발명에 따른 드릴 비트와 풋 밸브는 점검 수리가 필요할 때까지의 해머의 수명을 늘리게 해 줄 수 있을 것이다. 더욱이, 본 발명에 따른 다운 홀 해머는 지금까지 알려진 해머에 비해 기능이 믿을만하고 경제적으로 사용할 수 있을 것이다. 더불어, 다운 홀 해머는 공차 오류에 덜 민감하다.
본 명세서에 사용된 "하부","상부", "상향" 및 이와 유사한 용어는 구멍에서 수직으로 위치한 해머의 통상적인 위치를 나타낸다.
본 발명은 바람직한 특정 실시예를 참조로 하여 개시되었으나, 청구된 청구항 및 균등범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변경, 대안 및 변화가 가능하다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시형태에 한정되지 않고 이하의 청구항에 의해 정의된 전체 범위를 포함한다.
Claims (22)
- 축선을 규정하는 일반적으로 원통형인 케이스;케이스의 후단부에 장착되는 드릴 서브;케이스의 전단부에 장착되는 드릴 척; 및드릴 척에 장착되고 전방 커팅면과 후방 앤빌부를 포함하는 드릴 비트로서, 앤빌부는 후방을 향하는 앤빌면을 포함하고, 드릴 비트는 앤빌면을 통해 연장되는 제 1 중앙통로를 포함하고, 이 통로는 후방 앤빌면과 인접한 공동을 형성하는 상기 드릴 비트,드릴 비트의 뒤에서 케이스에 장착되고, 전방을 향하는 충격면 및 충격면을 통해 연장되고 제 1 중앙통로와 정렬하여 배치되는 제 2 중앙통로를 포함하는 피스톤으로서, 드릴 비트를 향하고 멀어지는 축선방향 왕복운동을 하도록 장착되고 이 운동에 의해 충격면이 피스톤의 전방 스트로크 동안 앤빌면에 충격을 가하게 되는 상기 피스톤,충격면이 앤빌면에 충격을 가하여 제 2 중앙통로에서 제 1 중앙통로로 압축공기를 전달하는 때, 부분적으로는 제 1 중앙통로에서, 또한 부분적으로는 제 2 중앙통로에 있게 되는 풋 밸브를 포함하고,상기 풋 밸브와 제 1 중앙통로는 풋 밸브를 위한 삽입 방지 수단과 주 빠짐 방지 수단을 포함하고, 이 삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단으로부터 떨어져 제공되는 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머.
- 제 1 항에 있어서,삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단으로부터 적어도 12 mm 의 거리에 제공되는 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머.
- 제 1 항에 있어서,주 빠짐 방지 수단은 풋 밸브에서 일반적으로 반경 방향으로 연장되는 외부 환형 숄더 및 제 1 중앙통로에서 일반적으로 반경 방향으로 연장되는 환형 칼라를 포함하는 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머.
- 제 1 항에 있어서,주 빠짐 방지 수단은, 주 빠짐 방지 수단의 축선방향 양 반대측에 위치한 축선방향 테어퍼형 부분에 연결되는 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머.
- 제 4 항에 있어서,테이퍼형 부분들은 제 1 및 제 3 부분은 피스톤을 향해 테이퍼져 있고 제 2 및 제 4 부분은 드릴 비트를 향해 테이퍼지도록 서로 반대 방향으로 테이퍼져 있는 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머.
- 제 5 항에 있어서,제 1 및 제 3 부분은 해머의 중심선에 대해 1.5 ~ 2.5 도의 각으로 테이퍼진 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머.
- 제 5 항에 있어서,제 2 및 제 4 부분은 해머의 중심선에 대해 3 ~ 6 도의 각으로 테이퍼진 공기 작동식 다운 홀 해머.
- 전방 드릴링 면;후방 앤빌면; 및드릴 비트의 중심축선을 따라 앤빌면을 통과하여 연장되는 중앙통로를 포함하고,이 통로는 후방 앤빌면에 인접한 공동을 형성하고, 이 공동은 적어도 부분적인 테이퍼형 부분과 상단부 및 하단부에 의해 형성되는 언더컷을 포함하는 다운 홀 해머용 충격식 드릴 비트.
- 제 8 항에 있어서,상단부 및 하단부는 서로로부터 적어도 12 mm 거리로 배치된 다운 홀 해머용 충격식 드릴 비트.
- 제 8 항에 있어서,하단부는 중앙통로에서 일반적으로 반경 방향으로 연장되는 다운 홀 해머용 충격식 드릴 비트.
- 제 8 항에 있어서,상단부는 상단부의 축선방향 양 반대측에 위치한 축선방향 테이퍼형 부분에 연결되는 다운 홀 해머용 충격식 드릴 비트.
- 제 11 항에 있어서,테이퍼형 부분들은, 제 3 부분은 후방 앤빌면을 향하여 테이퍼지고 제 4 부분은 전방 드릴면을 향하여 테이퍼지도록 서로 반대 방향으로 테이퍼진 충격식 드릴 비트.
- 제 11 항에 있어서,제 3 부분은 드릴 비트의 중심선에 대하여 1.5 ~ 2.5 도의 각으로 테이퍼진 충격식 드릴 비트.
- 제 4 항에 있어서,제 4 부분은 드릴 비트의 중심선에 대하여 3 ~ 6 도의 각으로 테이퍼진 충격식 드릴 비트.
- 착암용 공기 작동식 다운 홀 해머에 있는 드릴 비트 통로에 사용되는 풋 밸브로서,중심선, 상단부와 하단부를 규정하는 일반적으로 원통형인 튜브를 포함하고,상기 풋 밸브는 삽입 방지 수단과 주 빠짐 방지 수단을 포함하고,이 삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단으로부터 떨어져 있는 풋 밸브.
- 제 15 항에 있어서,삽입 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단으로부터 적어도 12 mm 거리에 배치되는 풋 밸브.
- 제 15 항에 있어서,주 빠짐 방지 수단은 일반적으로 반경 방향으로 연장된 외부 환형 숄더를 포함하는 풋 밸브.
- 제 15 항에 있어서,주 빠짐 방지 수단은 주 빠짐 방지 수단의 축선방향 양 반대측에 위치한 축선방향 테이퍼형 부분에 연결되는 풋 밸브.
- 제 18 항에 있어서,테이퍼형 부분은, 제 1 부분은 상단부를 향하여 테이퍼지고 제 2 부분은 하 단부를 향하여 테이퍼지도록 서로 반대 방향으로 테이퍼진 풋 밸브.
- 제 18 항에 있어서,제 1 부분은 풋 밸브의 중심선에 대해 1.5 ~ 2.5 도의 각으로 테이퍼진 풋 밸브.
- 제 16 항에 있어서,제 2 부분은 풋 밸브의 중심선에 대해 3 ~ 6 도의 각으로 테이퍼진 풋 밸브.
- 제 15 항에 있어서,풋 밸브 하부의 평균 벽 두께는 풋 밸브 상부의 평균 벽 두께보다 더 큰 풋 밸브.
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