KR20150001052A - 역순환 천공 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템 및 이를 이용한 해머 - Google Patents

Abstract

역순환 천공 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템은 해머의 외부 케이싱과 피스톤 사이에서 그리고 피스톤과 샘플 튜브 사이에서 각각 동축으로 배치된 원통부 및 원통형 제어 튜브를 포함한다. 2개의 챔버는 피스톤 상에서 워크(work)를 행사하는 전방 및 후방 챔버들의 안으로 그리고 밖으로 가압된 유체를 각기 공급하고 방출하는 것을 돕는데, 이때 2개의 챔버는 피스톤의 내부 표면부들에 있는 중심 홈부에 의해 형성되고 가압된 유체의 소스부와 영속적으로 연결되는 내부 챔버 및 외부 케이싱의 내부 표면부에 있는 하나 이상의 홈부들에 의해 형성되고 홀의 바닥과 영속적으로 연통되는 방출 챔버이다. 가압된 유체의 워크 챔버들 안으로의 유동은 피스톤의 각각의 내부 슬라이딩 표면부의 다른 부분들과의 샘플 튜브의 외부 표면부들의 일부 및 제어 튜브의 외부 표면부의 일부의 오버랩에 의해 각기 제어되는 한편, 워크 챔버들로부터 방출된 가압된 유체의 유동은 원통부의 내부 표면부와의 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부들의 오버랩 또는 상대적인 위치에 의해 제어된다. 이러한 시스템이 제공된 해머는 외부 케이싱의 전방 단부의 외부 표면부 상에 형성된 각각의 길이방향 방출 채널들에 연결된 하나 이상의 단부 방출 포트들을 구비한다.

Description

역순환 천공 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템 및 이를 이용한 해머{PRESSURIZED FLUID FLOW SYSTEM FOR A REVERSE CIRCULATION DOWN-THE-HOLE HAMMER AND HAMMER THEREOF}

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

가압된 유체로 작동하는 DTH 해머들은 원통형 외부 케이싱, 해머를 가압된 유체의 소스부에 연결하기 위한 후방 서브, 드릴링 기능을 수행하도록 최전방 단부에 위치한 드릴 비트 및 해머의 내부에 형성되고 피스톤의 양 단부들에 위치된 전방 챔버와 후방 챔버인 2개의 주요 워크(work) 챔버들에 수용된 가압된 유체의 압력에서의 변화로 인하여 왕복하는 운동을 발생시키는 피스톤을 포함하는 것에 의해 특징지워지는 것으로, 상기 피스톤의 왕복운동은 가압된 유체로부터의 에너지를 드릴 비트 상의 피스톤의 각각의 충격으로 암반에 전달하는 것을 가능케 한다.

해머의 열역학적 사이클은 피스톤이 드릴 비트와 접촉 상태(충격 위치로 알려져 있음)에 있는 스트로크의 지점으로부터 해머의 작동에 따른 스트로크의 최후방 지점까지의 피스톤의 왕복운동에 따라서 발전한다. 이에 따라, 피스톤이 운동함에 따라, 전방 및 후방 챔버들은 교대로 그리고 주기적으로 가압된 유체가 공급되고, 동일한 것이 배출되며, 또는 피스톤 운동의 방향에 따른 팽창 또는 압축 공정을 겪게 되는데, 이때 챔버는 단단히 밀폐되어 챔버 내부에 둘러싸인 볼륨이 각기 증가되거나 감소되는 것을 야기한다. 하나의 상태로부터 다른 상태로의 천이는 각각의 챔버에 대하여 독립적인 것으로 피스톤이 그 자체로 충격 부재 뿐만 아니라 밸브로서 기능하는 방식으로 해머의 다른 부품들에 대한 피스톤의 위치에 의해 제어된다.

역순환 드릴링에서, 내부 파이프 또는 샘플링 튜브와 외부 파이프의 2개의 동심의 파이프들에 의해 형성되는 2중 벽으로 형성된 로드(rod)가 사용된다. 상기 샘플링 튜브의 연장부는 암반 커팅물들과 흙 샘플들을 회수하고 이것들을 드릴 스트링의 중심을 통하여 지표면으로 이동시키는 것을 가능케 하기 위하여 해머의 중심부를 따라 연속적인 중심 통로를 형성하도록 해머의 중심부를 따라 드릴 비트로부터 후방 서브까지 제공된다.

해머는 2가지 모드에서 작동될 수 있다. 제1 모드 또는 드릴링 모드에서, 가압된 유체가 해머에 공급되어 피스톤의 왕복운동을 발생시키는데, 이때 피스톤은 각각의 사이클의 끝에서 드릴 비트를 충격하고, 이에 따라 드릴 비트의 전방 단부는 암반을 드릴링하는 기능을 수행하게 되며, 암반 커팅물들은 홀의 바닥으로 방출되는 가압된 유체에 의해 지표면으로 배출된다. 제2 모드 또는 플러싱 모드에서, 드릴 스트링 및 해머는 드릴 비트가 암반과의 접촉을 벗어나도록 드릴 리그(rig)에 의해 들어올려지고, 모든 가압된 유체가 해머 사이클을 통과하지 않으면서 즉 피스톤의 왕복운동을 중단시키지 않으면서 세척하는(cleaning) 목적들을 위해 홀의 바닥으로 바로 해머를 통해 방출된다.

드릴링 및 샘플 회수를 위해 이용가능한 많은 다른 타입들의 역순화 DTH 해머들이 있다. 일반적으로, 3가지 방법이 전방 및 후방 챔버들로의 가압된 유체의 공급을 제어하기 위하여 사용된다: 1) 원통부의 외부 표면부와 외부 케이싱의 내부 표면부 사이에 형성된 유체 통로의 사용, 이때 원통부는 피스톤과 동축인 외부 케이싱의 내부에 장착됨; 2) 피스톤이 왕복운동함에 따라 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부들에 있는 홈부들 및 외부 케이싱에 있는 통로들과 상호작용하는 외부 케이싱의 내부에 형성된 공급 챔버의 사용; 및 3) 피스톤 내부에 공급 챔버를 형성하기 위한 피드(feed) 튜브의 사용, 이때 이러한 피드 튜브는 피스톤이 왕복운동함에 따라 피스톤의 내부 또는 중심 구멍 측면 표면부들에 있는 홈부들과 상호작용함. 한편, 가압된 유체의 전방 챔버로부터의 방출은 일반적으로 드릴 비트에 장착된 풋(foot) 밸브 또는 피스톤 가이드부와 상호작용하는 더 작은 직경의 피스톤 전방부에 의해 제어된다. 마찬가지로, 가압된 유체의 후방 챔버로부터의 방출은 일반적으로 후방 챔버의 후방부 상에 배치된 에어 가이드부 또는 피드 튜브의 전방 단부에 의해 제어된다.

일반적으로, 가압된 유체를 드릴 비트의 후방 단부로부터 이의 전방 단부로 운반하기 위하여, 드라이버 서브의 내부 표면부 상의 스플라인들(splines) 및 실링 부재로서 작용하는 링 또는 슬리브와 협력적으로 작용하여 가압된 유체를 드릴 비트의 전방 단부의 주변으로 방출하도록 둘러싸인 통로들을 형성하는 약간의 채널들이 드릴 비트의 외부 표면부에 형성된다. 또한, 가압된 유체는 드릴 비트에서의 중간 지점으로부터 드라이버 서브에 있는 구멍들을 통하여 드라이버 서브의 외부 표면부와 실링용 링의 내부 표면부 사이에 형성된 통로로 벗어나질 수도 있다. 또는, 가압된 유체는 드릴 비트의 헤드부 상에 형성된 길이방향 구멍들을 통하여 상기 중간 지점으로부터 벗어나질 수도 있다.

전방 및 후방 챔버들로의 가압된 유체의 공급을 제어하고 가압된 유체를 이들로부터 방출하는 새로운 방법을 제안한 역순환 DTH 해머의 일 타입이 미국 특허 제7,921,941(B2)호에 개시되어 있다. 구체적으로, 원통부는 외부 케이싱과 피스톤 사이에서 동축으로 배치되고, 공급 챔버는 방출 챔버와 연속하여(in series) 길이방향으로 배치되는데, 이때 이들 모든 챔버들은 외부 케이싱의 내부 표면부에 있는 각각의 홈부들에 의해 형성되고, 원통부의 외부 표면부에 의해 내부적으로 범위가 정해지며, 그리고 구획하는 벽에 의해 분리된다. 공급 챔버는 가압된 유체를 해머의 전방 챔버 및 후방 챔버에 공급하기 위하여 가압된 유체의 소스부에 영속적으로 연결되는 한편, 방출 챔버는 가압된 유체를 전방 및 후방 챔버들로부터 방출하기 위하여 홀의 바닥과 영속적으로 연통된다. 유체 안내(conducting) 수단 세트가 가압된 유체의 유동을 공급 챔버로부터 전방 및 후방 챔버들로 그리고 상기 챔버들 밖으로 수로를 따라 보내기 위하여 피스톤에 제공된다. '941 특허의 두번째 실시예에서, 내부 챔버가 챔버들의 더 효율적인 채움을 위해 피스톤과 샘플링 튜브 사이에 제공된다. 내부 챔버는 피스톤의 내부 표면부에 있는 홈에 의해 형성되고 공급 챔버에 영속적으로 연결된다.

상기의 동일한 특허에서, 가압된 유체를 방출 챔버로부터 방출하고 이를 드릴 비트의 전방 단부의 주변 영역으로 운반하기 위하여, 단부 방출 포트들이 외부 케이싱의 전방 단부 부분에 제공된다. 이러한 단부 방출 포트들은 외부 케이싱의 외부 표면부를 따라 형성된 각각의 길이방향 채널들과 나란하게 정렬된다. 또한, 단부 방출 포트들 및 길이방향 채널들 모두는 슈라우드 또는 외부 실링 슬리브에 의해 덮인다.

즉, 전방 및 후방 챔버들의 안과 밖으로의 가압된 유체의 유동의 제어는 단순화되고 피스톤에 있는 "블라인드(blind)" 통로들의 사용 덕분에 피스톤에서의 스러스트(thrust) 영역들이 암반에의 에너지의 더 좋은 전달을 위해 최대화되고, 이에 따라 해머의 깊은 드릴링 능력을 향상시킨다. 또한, 더 간단하면서 견고한 비트 설계가 가압된 유체의 홀의 바락으로의 방출이 더 중심으로 위치된 유체 안내 수단에 의해 달성되는 다른 공지된 역순환 DTH 해머들에 대조적으로 제공된다.

상기에서 언급된 '941 특허의 이점들에도 불구하고, 이것들을 다음의 개선점들과 통합하는 것이 바람직할 수 있을 것이다:

- 제작 비용을 감소시킬 수 있도록 구조적으로 더 단순한 가압된 유체 유동 시스템 및 해머를 제공하는 것; 및

- 해머가 더 높은 압력에서 작동하고 더 높은 에너지를 피스톤의 파국적인 고장의 위험 없이 암반에 전달하기 위하여 더 견고한 피스톤을 제공하는 것.

본 발명의 첫번째 측면에서, 가압된 유체 유동 시스템은 역순환 DTH 해머를 위해 개발되어 온 것으로, 이러한 해머는 원통형 외부 케이싱, 케이싱의 후방 단부에 부착되고 가압된 유체의 소브부에 연결되는 후방 서브, 외부 케이싱의 내부에 슬라이딩가능하고 동축으로 배치되는 중심 관통형 피스톤, 드라이버 서브 상에서 해머의 전방 단부에 슬라이딩가능하게 장착되는 드릴 비트 및 외부 케이싱의 내부에 동축으로 배치되고 피스톤의 중심 구멍을 관통하여 지나가면서 후방 서브로부터 드릴 비트까지 연장형성된 샘플 튜브를 포함하고,

이때 가압된 유체 유동 시스템은

외부 케이싱과 피스톤 사이에서 동축으로 배치되고, 후방 서브로부터 드릴 비트 가이드부까지 연장형성된 원통부;

피스톤과 샘플 튜브 사이에서 동축으로 배치되고, 후방 서브에 결합되면서 후방 서브로부터 전방으로 연장형성되며, 제어 튜브와 샘플 튜브 사이에 형성된 환형 통로에 연결되는 가압된 유체 유입 수단을 구비한 원통형 제어 튜브; 및

워크(work) 챔버들의 안으로 그리고 밖으로 가압된 유체를 각기 공급하고 방출하는 것을 돕는 2개의 챔버들: 피스톤의 내부 표면부들에 있는 중심 홈부에 의해 형성되는 내부 챔버 및 외부 케이싱의 내부 표면부에 있는 하나 이상의 홈부들 바람직하게는 하나의 환형 홈에 의해 형성되는 방출 챔버를 포함한다.

이러한 구성요소들은 다음과 같은 구성을 갖는다:

샘플 튜브의 외부 표면부들은 홈형의 전방 단부 및 후방 부분들, 및 이들 사이에 있는 중심 제어 부분을 포함하고;

원통형 제어 튜브는 전방 단부 제어 외부 표면부 및 홈형의 후방 단부 외부 표면부를 포함하며;

방출 챔버는 원통부의 외부 표면부 및 외부 케이싱의 내부 표면부에 의해 범위가 정해지고; 그리고

내부 챔버는 해머의 작동 동안에서의 피스톤의 위치에 따라 샘플 튜브의 외부 표면부들에 의해 또는 제어 튜브의 외부 표면부들과 함께에 의해 일 측면 상에서, 그리고 피스톤의 내부 표면부들에 의해 타 측면 상에서 범위가 정해진다.

본 발명은 가압된 유체를 해머의 전방 및 후방 챔버들에 공급하기 위하여, 제어 튜브와 샘플 튜브 사이에 형성된 환형 통로를 통해 내부 챔버에 가압된 유체가 영속적으로 채워지고 내부 챔버가 가압된 유체의 소스부에 영속적으로 연결되는 것에 의해 특징지워진다. 이를 위해, 본 발명의 가압된 유체 유동 시스템은 전방 환형 공급 통로가 피스톤의 전방 내부 슬라이딩 표면부와 샘플 튜브의 홈형의 전방 단부 외부 표면부 사이의 오버랩 부분에 형성되고, 후방 환형 공급 통로가 피스톤의 후방 내부 슬라이딩 표면부와 제어 튜브의 홈형의 후방 단부 외부 표면부 사이의 오버랩 부분에 형성되도록 각기 구성된다.

한편, 방출 챔버는 해머의 전방 및 후방 챔버들로부터의 가압된 유체를 상기 홀 안으로 방출하기 위하여 해머에 의해 천공된 홀의 바닥과 영속적으로 연통된다.

전방 챔버에 가압된 유체가 공급되는 단계 동안에, 가압된 유체의 유입은 피스톤의 전방 내부 슬라이딩 표면부와의 샘플 튜브의 중심 제어 외부 표면부의 오버랩에 의해 제어된다. 마찬가지로, 후방 챔버에 가압된 유체가 공급되는 단계 동안에, 가압된 유체의 유입은 피스톤의 후방 내부 슬라이딩 표면부와의 제어 튜브의 전방 단부 제어 외부 표면부의 오버랩에 의해 제어된다. 전방 및 후방 챔버들로의 유입 제어의 이러한 형태를 이용하여 전방 및 후방 챔버들의 더 효율적인 채움이 해머의 매 사이클마다 달성되고 양 챔버들에서의 수동적인(passive) 볼륨의 크기가 감소된다.

또한, 전방 및 후방 챔버들로부터 방출되는 가압된 유체의 유동은 원통부의 내부 표면부와의 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부들의 오버랩 또는 상대적인 위치만에 의해 제어된다. 가압된 유체를 전방 챔버로부터 방출 챔버로 방출하기 위하여 가압된 유체 방출 통과 포트들의 전방 세트가 원통부에 있고, 가압된 유체를 후방 챔버로부터 방출 챔버로 방출하기 위하여 가압된 유체 방출 통과 포트들의 후방 세트가 원통부에 있다. 반면, 가압된 유체를 내부 챔버로부터 해머의 전방 및 후방 챔버들로 그리고 이러한 전방 및 후방 챔버들로부터 방출 챔버로 수로를 따라 보내기 위하여, 피스톤에 어떠한 도관들 또는 통로들이 가공되지 않고, 따라서 피스톤을 더 강하게 만들고 해머를 더 저렴하게 제조하도록 만든다.

또한, 본 발명의 가압된 유체 유동 시스템이 외부 케이싱의 내부 표면부에 인접한 방출 챔버를 가짐에 따라 가압된 유체 유동을 케이싱 벽에 뚫린 하나 이상의 단부 방출 포트들을 통하여 외부 케이싱의 밖으로 방향을 전환시키고 그리고 이를 통하여 가압된 유체를 드릴 비트의 전방 단부의 주변 영역으로 방출하는 것을 가능케 한다.

본 발명의 두번째 측면에서, 상기에서 설명된 개선된 가압된 유체 유동 시스템을 구비한 것에 의해 그리고 가압된 유체를 방출 챔버로부터 외부 케이싱의 전방 단부 부분의 측면들을 따라 외부 케이싱의 밖으로 앞서 언급된 단부 방출 포트들을 통하여 방출하는 것에 의해 특징지워지는 역순환 DTH 해머가 제공된다.

바람직하게는, 단부 방출 포트들은 외부 케이싱의 전방 단부 부분의 외부 표면부 상에 형성된 각각의 길이방향 방출 채널들에 연결된다. 단부 방출 포트들 및 길이방향 방출 채널들은 모두 슈라우드 또는 외부 실링 슬리브와 같은 실링 부재에 의해 덮여, 가압된 유체를 드릴 비트의 전방 단부의 상기 주변 영역으로 안내하고 암반 커팅물들을 해머의 중심부를 따라 형성된 연속적인 중심 통로의 내부를 향해 끌어당기도록 드릴 비트의 전방면을 가로지르는 가압된 유체 유동을 만든다.

아래에서, 앞선 아이디어들의 이해를 용이하게 하기 위하여, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 제작 비용을 감소시킬 수 있도록 구조적으로 더 단순한 가압된 유체 유동 시스템 및 해머를 제공할 수 있고, 해머가 더 높은 압력에서 작동하고 더 높은 에너지를 피스톤의 파국적인 고장의 위험 없이 암반에 전달하기 위하여 더 견고한 피스톤을 제공할 수 있다.

도면들에서:
도 1은 본 발명의 역순환 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, 드릴 비트, 제어 튜브 및 샘플 튜브에 대한 피스톤의 배치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 역순환 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, 드릴 비트, 제어 튜브 및 샘플 튜브에 대한 피스톤의 배치를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 역순환 DTH 해머의 길이방향 단면도를 도시한 것으로, 상세하게는 해머가 플러싱 모드에 있는 때의 외부 케이싱, 원통부, 제어 튜브 및 샘플 튜브에 대한 피스톤 및 드릴 비트의 배치를 나타낸다.
도 4는 절개된 외부 케이싱을 가진 본 발명의 역순환 DTH 해머의 등각도를 도시한 것으로, 전방 챔버에 가압된 유체가 공급되고 있고 후방 챔버는 가압된 유체를 홀의 바닥으로 방출하고 있는 때의 해머의 내부 부품들의 배치를 나타낸다.
이러한 도면들에서, 해머의 유동 시스템은 암반 커팅물들을 플러싱하기 위한 드릴 비트 전방 단부의 주변 영역으로의 가압된 유체의 배출을 포함하여 모든 가능한 모드들과 상태들에서 가압된 유체를 전방 챔버 및 후방 챔버로 그리고 이들로부터 홀의 바닥으로 운반하기 위하여 본 발명 하에서 설계된 솔루션에 대하여 도시되어 있다. 가압된 유체의 방향은 화살표들을 통하여 나타내져 있다.

도 1 내지 4를 참조하면, 역순환(reverse circulation) DTH 해머는 다음의 주요 구성요소들을 포함하는 것으로 도시되어 있다:

원통형 외부 케이싱(1);

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

상기 외부 케이싱(1)의 내부에 슬라이딩가능하게 동축으로 배치되고, 외부 슬라이딩 표면부들(63) 및 내부 표면부들(64)을 가진 피스톤(60)의 양 단부들에 위치된 전방 챔버(240) 및 후방 챔버(230)의 내부에 수용된 가압된 유체의 압력에서의 변화로 인하여 왕복운동할 수 있는, 중심 관통형(centrally-bored) 피스톤(60);

외부 케이싱(1)의 전방 단부에 장착되는 드라이버 서브(110) 상에서 해머의 전방 단부에 슬라이딩가능하게 장착되고, 상기 외부 케이싱(1)의 내부에 배치된 드릴 비트 가이드부(150)에 의해 외부 케이싱(1)과 나란하게 정렬되며(aligned), 그리고 드릴 비트 리테이너(retainer)(210) 및 드라이버 서브(110)의 드릴 비트 지지면(supporting face)(111)에 의해 슬라이딩 움직임이 제한되는, 드릴 비트(90); 및

외부 케이싱(1)의 내부에 동축으로 배치되고, 드릴 비트(90)로부터 후방 서브(20)까지 연장형성된, 샘플(sample) 튜브(130).

본 발명의 가압된 유체 유동 시스템에 따르면, 중심 관통형 피스톤은 외부 슬라이딩 표면부들(63)과, 피스톤(60)의 내부 표면부들(64)에서의 전방 내부 슬라이딩 표면부(64a), 후방 내부 슬라이딩 표면부(64b) 및 중심 홈부(64c)를 구비하고; 그리고 샘플 튜브(130)는 피스톤의 상기 전방 내부 슬라이딩 표면부(64a)와 상호작용하기 위한 중심 제어 외부 표면부(131c)를 구비한다.

또한, 원통부(cylinder)(40) 및 원통형 제어 튜브(170)는 각기 외부 케이싱(1)과 피스톤(60) 사이에서 그리고 피스톤(60)과 샘플 튜브(130) 사이에서 동축으로 배치되도록 제공되고, 이때 샘플 튜브는 환형 통로(annular passageway)(175)가 샘플 튜브(130)와 제어 튜브(170) 사이에 형성되도록 홈형의(recessed) 후방 단부 외부 표면부(131b)를 포함한다. 원통형 제어 튜브(170)가 후방 서브(20)의 전방 내부 가이드 표면부들(21) 상에서 지지되는 동안에 외부 케이싱(1)의 내부 표면부(5) 중 일부분, 드릴 비트 가이드부(150) 및 후방 서브(20)는 원통부(40)에 대하여 지지를 제공한다. 원통형 제어 튜브(170)는 내부 표면부(178), 전방 단부 제어 외부 표면부(171a) 및 후방 단부 홈형 외부 표면부(171b)를 갖는다. 원통부(40)는 후방 서브(20)로부터 드릴 비트 가이드부(150)까지 연장형성되고, 제어 튜브(170)는 결합부(174)에 의해 후방 서브(20)에 결합되고 내부 표면부들(178) 및 외부 표면부들(171)을 가지면서 후방 서브(20)로부터 전방으로 연장형성된다.

이에 따라, 해머의 후방 챔버(230)는 후방 서브(20), 원통부(40), 제어 튜브(170) 및 피스톤(60)의 후방 스러스트(thrust) 표면부(62b)에 의해 범위가 정해진다. 다음, 해머의 전방 챔버(240)는 드릴 비트(90), 원통부(40), 드릴 비트 가이드부(150), 샘플 튜브(130) 및 피스톤(60)의 전방 스러스트 표면부(62a)에 의해 범위가 정해진다. 이러한 챔버들(230, 240)의 볼륨은 변화가능한 것으로 피스톤(60)의 위치에 따른다.

본 발명의 가압된 유체 유동 시스템은 방출 챔버(2)를 더 포함하는 것으로, 이러한 방출 챔버는 해머가 작동 상태에 있는 때에 가압된 유체를 전방 챔버(240) 및 후방 챔버(230)로부터 해머의 전방으로 그리고 이로부터 홀의 바닥으로 방출하기 위하여 해머에 의해 천공된 홀의 바닥과 영속적인 유체 연통 상태에 있다. 도면들에 도시되어 있는 예시적인 실시예에서, 방출 챔버(2)는 중간에 있는 중심 환형 공간부(2a) 및 중심 환형 공간부(2a)의 각각의 단부로부터 연장형성된 방출 통로들(2b, 2c)의 세트로 구성되는 것으로, 이때 환형 공간부(2a) 및 통로들(2b, 2c) 모두는 외부 케이싱(1)의 내부 표면부들(5)에서 홈들에 의해 형성되고 원통부(40)에 의해 내부적으로 범위가 정해진다. 방출 챔버(2)는 외부 케이싱(1)의 내부 표면부(5)에서 하나의 환형 홈에 의해 형성되는 것과 같이 다른 구성들을 가질 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.

가압된 유체 방출 통과 포트들의 전방 세트(42) 및 가압된 유체 방출 통과 포트들의 후방 세트(41)가 각기 가압된 유체를 전방 및 후방 챔버들(240, 230) 밖으로 그리고 방출 챔버(2) 안으로 수로를 따라 보내기 위하여 원통부(40)에 제공되고, 따라서 전방 및 후방 챔버들로부터 방출된 가압된 유체의 유동은 원통부의 내부 표면부와의 피스톤의 외부 슬라이딩 표면부들의 오버랩 또는 상대적인 위치에 의해서만 제어된다.

또한, 본 발명의 가압된 유체 유동 시스템은 가압된 유체를 전방 챔버(240) 및 후방 챔버(230)에 공급하기 위한 내부 챔버(68)를 포함한다. 도면들에 도시되어 있는 실시예에서, 내부 챔버(68)는 피스톤(60)의 내부 표면부들(64)에 있는 중심 홈부(64c)에 의해 형성되는 것으로, 상기 중심 홈부(64c)에 의해 외부적으로 범위가 정해지고, 해머의 작동 동안에 피스톤의 위치에 따라 샘플 튜브(130)의 외부 표면부들(131)만에 의해(도 1 참조) 또는 제어 튜브(170)의 외부 표면부들(171)과 함께 샘플 튜브(130)의 외부 표면부들(131)에 의해(도 2 참조) 내부적으로 범위가 정해진다.

도면들에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제어 튜브(170)는 그의 후방 단부에서 유입 포트들(177) 세트를 갖고, 이러한 유입 포트들 세트는 가압된 유체가 제어 튜브(170)의 내부 표면부(178)와 샘플 튜브(130)의 홈형의 후방 단부 외부 표면부(131b) 사이에 형성된 환형의 통로(175)를 통하여 후방 서브(20)로부터 내부 챔버(68)로 흐르는 것을 가능케 한다.

해머가 작동 상태에 있는 때에, 내부 챔버(68)는 가압된 유체의 소스부와 영속적인 유체 연통 상태에 있고 상기의 가압된 유체로 채워져 있다. 피스톤(60)이 왕복운동함에 따라, 전방 환형 공급 통로(67a)는 피스톤(60)의 전방 내부 슬라이딩 표면부(64a)와 샘플 튜브(130)의 홈형의 전방 단부 외부 표면부(131a) 사이에 형성되고, 후방 환형 공급 통로(67b)는 피스톤(60)의 후방 내부 슬라이딩 표면부(64b)와 제어 튜브(170)의 홈형의 후방 단부 외부 표면부(171b) 사이에 형성되어, 각기 가압된 유체를 해머의 전방 및 후방 챔버들(240, 230)로 공급하게 된다. 이에 따라, 가압된 유체의 전방 및 후방 챔버들(240, 230)로의 유입은 샘플 튜브(130)의 중심 제어 외부 표면부(131c)와의 피스톤(60)의 전방 내부 슬라이딩 표면부(64a)의 오버랩에 의해 그리고 원통형 제어 튜브(170)의 전방 단부 제어 외부 표면부(171a)와의 피스톤(60)의 후방 내부 슬라이딩 표면부(64b)의 오버랩에 의해 각기 제어된다.

또한, 본 발명의 가압된 유체 유동 시스템의 외부 케이싱(1)은 외부 케이싱의 전방 단부 부분의 외부 표면부 상에 가공된 각각의 길이방향 방출 채널(4)에 연결되는 하나 이상의 단부 방출 포트(3)를 그의 전방 단부 부분에서 갖고, 이때 단부 방출 포트(3) 및 길이방향 방출 채널(4) 모두는 방출 챔버(2) 안에 수용된 가압된 유체의 유동을 해머의 전방 및 후방 챔버들(240, 230)로부터 외부 케이싱(1)의 밖으로 그리고 이로부터 드릴 비트(90)의 전방 단부의 주변 영역으로 운송하는 기능을 갖는다. 단부 방출 포트(3) 및 길이방향 방출 채널(4)은 슈라우드(shroud) 또는 원통형 외부 실링 슬리브(190)와 같은 실링 부재로 덮인다.

전방 챔버(240)의 상태 제어

해머 사이클에서 피스톤(60)의 충격면(61)이 드릴 비트(90)의 충격면(95)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 피스톤(60)의 전방 내부 슬라이딩 표면부(64a)와 샘플 튜브(130)의 홈형의 전방 단부 외부 표면부(131a) 사이에서 형성되는 전방 환형 공급 통로(67a)를 통하여 그리고 드릴 비트(90)의 충격면(95) 상에 가공된 유동 향상(enhancing) 통로들(99) 세트를 통하여 내부 챔버(68)와 유체적으로 연통된다. 이러한 방법으로, 가압된 유체는 내부 챔버(68)로부터 전방 챔버(240)를 향해 흘러 피스톤(60)의 후방으로의 운동을 시작하게 할 수 있다.

가압된 유체의 전방 챔버(240) 안으로의 유입은 피스톤(60)의 전방의 가압된 유체 공급 에지(66a)가 샘플 튜브(130)의 전방의 가압된 유체 공급 에지(133)에 도달하는 지점까지 피스톤(60)이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 이동한 때에 정지할 것이다. 피스톤(60) 운동이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 더 계속됨에 따라, 피스톤(60)의 전방의 가압된 유체 방출 에지(65a)가 원통부(40)의 가압된 유체 방출 통과 포트들의 전방 세트(42)의 전방 제한부(limit)와 매치되는(match) 지점이 도달될 것이다. 피스톤(60) 운동이 더욱 더 계속됨에 따라, 해머의 전방 챔버(240)는 원통부(40)의 가압된 유체 방출 통과 포트들의 전방 세트(42)를 통하여 방출 챔버(2)와 유체적으로 연통되게 될 것이다(도 2 참조). 이러한 방법으로, 전방 챔버(240) 안에 수용되어 있는 가압된 유체는 방출 챔버(2) 안으로 방출될 것이고 방출 챔버(2)로부터 외부 케이싱(1)의 밖으로 자유롭게 흘러나가는 것이 가능하다. 도면들에 도시되어 있는 예시적인 실시예에 따르면, 방출 챔버(2)로부터의 가압된 유체는 드릴 비트 가이드부(150)의 가압된 유체 방출 통로들(151), 방출 홈부들(152) 및 방출 포트들(153)을 통하여 그리고 이를 통하여 외부 케이싱(1)의 단부 방출 포트들(3)로 방출된다. 그리고나서, 상기 포트들(3)로부터 가압된 유체는 외부 케이싱(1)의 길이방향 방출 채널들(4)을 통하여 드릴 비트(90)의 전방 단부의 주변 영역으로 안내된다. 이러한 포트들(3) 및 채널들(4)은 슈라우드 또는 외부 실링 슬리브(190)에 의해 커버된다.

후방 챔버(230)의 상태 제어

해머 사이클에서 피스톤(60)의 충격면(61)이 드릴 비트(90)의 충격면(95)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 원통부(40)의 가압된 유체 방출 통과 포트들의 후방 세트(41)를 통하여 방출 챔버(2)와 직접적인 유체 연통 상태에 있다. 이러한 방법으로, 후방 챔버(230) 안에 수용되어 있는 가압된 유체는 방출 챔버(2)로 자유롭게 흘러가는 것이 가능하고, 방출 챔버(2)로부터 드릴 비트 가이드부(150)의 가압된 유체 방출 통로들(151), 방출 홈부들(152) 및 방출 포트들(153)을 통하여 그리고 외부 케이싱(1)의 단부 방출 포트들(3)을 통하여 외부 케이싱(1)의 밖으로 자유롭게 흘러나가는 것이 가능하며, 여기서부터 외부 케이싱(1)의 길이방향 방출 채널들(4)을 통하여 드릴 비트(90)의 전방 단부의 주변 영역으로 안내된다(directed). 이러한 포트들(3) 및 채널들(4)은 슈라우드 또는 외부 실링 슬리브(190)에 의해 커버된다.

가압된 유체의 후방 챔버(230)로부터의 유출은 피스톤(60)의 후방의 가압된 유체 방출 에지(65b)가 원통부(40)의 가압된 유체 방출 통과 포트들의 후방 세트(41)의 후방 제한부에 도달할 때까지 피스톤(60)이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 이동한 때에 정지할 것이다. 피스톤(60) 운동이 전방 단부에서 스트로크의 후방 단부 방향으로 더 계속됨에 따라, 피스톤(60)의 후방의 가압된 유체 공급 에지(66b)가 제어 튜브(170)의 후방의 가압된 유체 공급 에지(172)와 매치되는 지점이 도달될 것이다. 피스톤(60) 운동이 더욱 더 계속됨에 따라, 해머의 후방 챔버(230)는 피스톤(60)의 후방 내부 슬라이딩 표면부(64b)와 제어 튜브(170)의 홈형의 후방 단부 외부 표면부(171b) 사이에서 형성되는 후방 환형 공급 통로(67b)를 통하여 피스톤(60)의 내부 챔버(68)와 유체적으로 연통되게 된다(도 2 참조). 이러한 방법으로, 후방 챔버(230)는 내부 챔버(68)로부터 오는 가압된 유체로 채워질 것이다.

플러싱(Flushing) 모드 작동

도 3에 의해 도시되어 있는 해머의 플러싱 모드에서, 즉 해머의 충격이 정지한 때에, 피스톤(60)의 충격면(61)은 드릴 비트(90)의 충격면(95) 상에 놓이고, 그리고 가압된 유체는 다음과 같이 후방 챔버(230) 안으로, 후방 서브(20)를 통하여, 제어 튜브(170)의 가압된 유체 유입 포트들(177)의 세트를 통하여, 제어 튜브(170)의 내부 표면부(178)와 샘플 튜브(130)의 홈형의 후방 단부 외부 표면부(131b) 사이에서 형성되는 환형 통로(175)를 통하여, 후방 챔버(230)로; 그리고 후방 챔버(230)로부터 원통부(40)의 가압된 유체 방출 통과 포트들의 후방 세트(41)를 통하여 방출 챔버(2)로의 경로를 통하여 드릴 비트(90)의 전방 단부의 주변 영역으로 바로 운반된다. 방출 챔버(2)로부터 가압된 유체는 드릴 비트 가이드부(150)의 가압된 유체 방출 통로들(151), 방출 홈부들(152) 및 방출 포트들(153)을 통하여 그리고 외부 케이싱(1)의 단부 방출 포트들(3)을 통하여 외부 케이싱(1)의 외부로 자유롭게 흐르는 것이 가능하고, 여기서부터 외부 케이싱(1)의 길이방향 방출 채널들(4)을 통하여 드릴 비트(90)의 전방 단부의 주변 영역으로 안내된다. 이러한 포트들(3) 및 채널들(4)은 슈라우드 또는 외부 실링 슬리브(190)에 의해 덮인다.

그리고나서, 피스톤(60)의 내부 챔버(68)로부터 전방 챔버(240) 안으로 흘러들어온 가압된 유체는 드릴 비트 가이드부(150)의 가압된 유체 방출 홈부들(152) 및 방출 포트들(153)을 통하여 그리고 외부 케이싱(1)의 단부 방출 포트들(3)의 세트를 통하여 외부 케이싱(1)의 밖으로 운반된다.

1 ... 외부 케이싱 2 ... 방출 챔버
20 ... 후방 서브 40 ... 원통부
60 ... 피스톤 90 ... 드릴 비트
130 ... 샘플 튜브 170 ... 제어 튜브
230, 240 ... 후방 및 전방 챔버

Claims (7)

1. 역순환 천공 해머를 위한 가압된 유체 유동 시스템으로서,
   해머는:
   전방 단부와 후방 단부를 가진 원통형 외부 케이싱(1);
   해머를 가압된 유체의 소브부에 연결하기 위하여 상기 외부 케이싱(1)의 후방 단부에 부착된 후방 서브(20);
   상기 외부 케이싱(1)의 내부에 슬라이딩가능하게 동축으로 배치되고, 외부 슬라이딩 표면부들(63) 및 내부 표면부들(64)을 가진 피스톤(60)의 양 단부들에 위치된 전방 챔버(240) 및 후방 챔버(230)의 내부에 수용된 가압된 유체의 압력에서의 변화로 인하여 왕복운동할 수 있는, 중심 관통형 피스톤(60);
   외부 케이싱의 전방 단부에 장착되는 드라이버 서브(110) 상에서 해머의 전방 단부에 슬라이딩가능하게 장착되는 드릴 비트(90); 및
   외부 케이싱(1)의 내부에 동축으로 배치되고, 피스톤(60)의 중심 구멍을 관통하여 지나가면서 드릴 비트(90)로부터 후방 서브(20)까지 연장형성되며, 내부 표면부들(136)과 외부 표면부들(131)을 가진, 샘플 튜브(130)를 주요 구성요소들로 포함하고,
   가압된 유체 유동 시스템은:
   외부 케이싱(1)과 피스톤(60) 사이에서 동축으로 배치되고, 후방 서브(20)로부터 드릴 비트 가이드부(150)까지 연장형성되며, 내부 표면부(43) 및 외부 표면부(44)를 가진, 원통부(40);
   피스톤(60)과 샘플 튜브(130) 사이에서 동축으로 배치되고, 결합부(174)에 의해 결합되는 후방 서브(20)로부터 전방으로 연장형성되며, 내부 표면부들(178) 및 외부 표면부들(171)을 가진, 원통형 제어 튜브(170);
   외부 케이싱(1)의 내부 표면부에 있는 하나 이상의 홈부들에 의해 형성되고, 원통부(40)에 의해 내부적으로 범위가 정해지며, 가압된 유체를 전방 및 후방 챔버들(240, 230)로부터 방출하기 위하여 홀의 바닥과 영속적인 유체 연통 상태에 있는, 방출 챔버(2); 및
   피스톤(60)의 내부 표면부들(64)에 만들어진 중심 홈부(64c)에서 형성되고, 해머의 작동 동안에서의 피스톤의 위치에 따라 샘플 튜브(130)의 외부 표면부들(131)만으로 또는 제어 튜브(170)의 외부 표면부들(171)과 함께에 의해 범위가 정해지며, 상기 가압된 유체를 전방 및 후방 챔버들(240, 230)로 공급하기 위하여 가압된 유체의 소스부와 영속적인 유체 연통 상태에 있는, 내부 챔버(68)를 포함하며,
   원통부(40)는 가압된 유체를 전방 및 후방 챔버들(240, 230) 밖으로 그리고 방출 챔버(2) 안으로 수로를 따라 각각 보내기 위한 가압된 유체 방출 통과 포트들의 전방 세트(42) 및 가압된 유체 방출 통과 포트들의 후방 세트(41)를 갖고;
   제어 튜브(170)는 가압된 유체가 후방 서브(20)로부터 내부 챔버(68)로 흐르는 것을 가능케 하도록 제어 튜브(170)와 샘플 튜브(130) 사이에 형성된 환형 통로(175)에 연결되는 가압된 유체 유입 수단(177)을 결합부(174)에서 가지며;
   샘플 튜브(130)는 가압된 유체의 유동을 전방 챔버(240) 안으로 수로를 따라 보내도록 피스톤(60)의 내부 표면부들(64)과 전방 환형 공급 통로(67a)를 형성하는 홈형의 전방 단부 외부 표면부(131a)를 포함하고;
   제어 튜브(170)는 가압된 유체의 유동을 후방 챔버(230) 안으로 수로를 따라 보내도록 피스톤(60)의 내부 표면부들(64)과 제어 튜브(170)의 홈형의 후방 단부 외부 표면부(171b) 사이에 후방 환형 공급 통로(67b)를 형성하기 위한 홈형의 후방 단부 외부 표면부(171b)를 포함하여,
   전방 및 후방 챔버들(240, 230)로부터 방출된 가압된 유체의 유동은 원통부(40)의 내부 표면부(43)와의 피스톤(60)의 외부 슬라이딩 표면부들(63)의 오버랩 또는 상대적인 위치만으로 제어되고, 가압된 유체의 전방 및 후방 챔버들(240, 230)로의 유입은 원통형 제어 튜브(170)의 외부 표면부들(171) 및 샘플 튜브(130)의 외부 표면부들(131)과의 피스톤(60)의 내부 표면부들(64)의 오버랩에 의해 제어되는 가압된 유체 유동 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   피스톤(60)의 내부 표면부들(64)은 중심 홈부(64c)에 의해 분리되는 전방 내부 슬라이딩 표면부(64a)와 후방 내부 슬라이딩 표면부(64b)로 나뉘고;
   샘플 튜브(130)는, 제어 튜브(170)의 전방에 위치되고 해머의 작동 동안에 전방 챔버(240) 안으로의 가압된 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 데에 있어서 피스톤(60)의 상기 전방 내부 슬라이딩 표면부(64a)와 상호작용하기 위하여 홈형의 전방 단부 외부 표면부(131a)까지 연장형성된 중심 제어 외부 표면부(131c)를 더 포함하는 가압된 유체 유동 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   샘플 튜브(130)는 제어 튜브(170)의 가압된 유체 유입 수단(177)으로부터 상기 중심 제어 외부 표면부(131c)까지 연장형성되어 원통형 제어 튜브(170)의 상기 내부 표면부들(178)과 함께 환형 통로(175)를 형성하는 홈형의 후방 외부 표면부(131b)를 더 포함하는 가압된 유체 유동 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   제어 튜브(170)는 해머의 작동 동안에 후방 챔버(230) 안으로의 가압된 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 데에 있어서 피스톤(60)의 후방 내부 슬라이딩 표면부(64b)와 상호작용하기 위한 전방 단부 제어 외부 표면부(171a)를 더 포함하는 가압된 유체 유동 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제어 튜브(170)와 샘플 튜브 사이에 형성된 환형 통로(175)와 연결되는 제어 튜브(170)의 가압된 유체 유입 수단(177)의 세트는 유입 포트들의 세트로 구성되는 가압된 유체 유동 시스템.
6. 제1항의 가압된 유체 유동 시스템; 및
   외부 케이싱의 전방 단부의 외부 표면부 상에 형성된 각각의 길이방향 방출 채널들(4)에 연결되는 하나 이상의 단부 방출 포트들(3)을 포함하고,
   단부 방출 포트(3) 및 길이방향 방출 채널(4) 모두는 가압된 유체의 유동을 방출 챔버(2)로부터 외부 케이싱(1)의 밖으로 외부 케이싱(1)의 전방 단부의 측면들을 따라 그리고 이로부터 드릴 비트(90)의 전방 단부의 주변 영역으로 운반하는 기능을 가진 역순환 DTH 해머.
7. 제6항에 있어서,
   단부 방출 포트들(3) 및 길이방향 방출 채널들(4)은 가압된 유체를 드릴 비트의 전방 단부의 상기 주변 영역으로 안내하고 암반 커팅물들을 샘플 튜브(130)를 향해 끌어당기도록 드릴 비트의 전방면을 가로지르는 가압된 유체 유동을 만들기 위한 슈라우드 또는 원통형 외부 실링 슬리브(190)와 같은 실링 부재에 의해 덮인 역순환 DTH 해머.
   

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