WO2023104701A1 - Bohrhammer und verfahren zum tiefbohren - Google Patents

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WO2023104701A1
WO2023104701A1 PCT/EP2022/084384 EP2022084384W WO2023104701A1 WO 2023104701 A1 WO2023104701 A1 WO 2023104701A1 EP 2022084384 W EP2022084384 W EP 2022084384W WO 2023104701 A1 WO2023104701 A1 WO 2023104701A1
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WO
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piston
cylinder
hammer drill
drive fluid
fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/084384
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simon HAHN
genannt Fleutert Philipp Schroer
Volker Wittig
Marian Bunk
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of WO2023104701A1 publication Critical patent/WO2023104701A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D9/00—Portable percussive tools with fluid-pressure drive, i.e. driven directly by fluids, e.g. having several percussive tool bits operated simultaneously
    • B25D9/06—Means for driving the impulse member
    • B25D9/12—Means for driving the impulse member comprising a built-in liquid motor, i.e. the tool being driven by hydraulic pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D17/00—Details of, or accessories for, portable power-driven percussive tools
    • B25D17/06—Hammer pistons; Anvils ; Guide-sleeves for pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D17/00—Details of, or accessories for, portable power-driven percussive tools
    • B25D17/20—Devices for cleaning or cooling tool or work
    • B25D17/22—Devices for cleaning or cooling tool or work using pressure fluid

Definitions

  • the invention relates to a rotary hammer with at least one cylinder in which at least one piston is mounted so that it can be displaced axially between an upper and a lower end position, the cylinder having at least one lower fluid supply to which a drive fluid can be supplied cyclically. Furthermore, the invention relates to a method for deep drilling with a hammer drill with at least one cylinder in which at least one piston is mounted so that it can be displaced axially between an upper and a lower end position, the cylinder having at least one lower fluid supply which cyclically supplies a drive fluid is supplied.
  • Devices and methods of this type are used for deep drilling, for example to drill hard layers of rock economically. Such deep wells can be used, for example, in oil or gas production, in geothermal energy or as exploratory wells in mining.
  • a hammer drill in which a piston slides in a cylinder.
  • the piston movement is transmitted to the drilling tool via a connecting rod or push rod.
  • a drive fluid for example the flushing liquid used to discharge the drill cuttings, is used to drive the piston.
  • the drive fluid enters the cylinder alternately from below and from above introduced so that a corresponding piston movement is induced.
  • This known hammer drill has the disadvantage that the seals between the piston and cylinder on the one hand and between the connecting rod and the cylinder base on the other hand are heavily loaded and therefore only have a short service life, especially when an abrasive flushing liquid mixed with particles is used as the drive fluid is used. Due to the limited service life, the use of the known rotary hammer is limited to a few special cases and/or a few drilling sections of a deep well. Thus, although the known hammer drill allows high drilling progress in hard layers of rock, it requires frequent tool changes for larger drilling work, since the service life is limited.
  • the invention is based on the object of specifying a drilling tool which has a longer service life and/or improved performance.
  • a hammer drill which has at least one cylinder.
  • the cylinder is formed in a housing which can be made of a metal or an alloy, for example.
  • Fluid channels can optionally be formed in the cylinder wall, for example to transport a drive fluid to the underside of the piston or cylinder facing the drilling tool and/or to transport flushing liquid to the drilling tool.
  • the housing can be built up modularly from several individual parts joined together.
  • the cross section of the housing can be polygonal or round.
  • the housing and the cylinder formed in the housing have a greater length than its diameter.
  • the outside diameter of the housing can be between about 5 cm and about 40 cm.
  • the housing can be made by machining or by archetypes.
  • At least one piston can be accommodated within the cylinder, which is mounted so that it can be displaced axially between an upper and a lower end position.
  • the piston can also be made of a metal or an alloy.
  • the piston can have stop elements made of a softer material on its end face, for example a ductile metal or a polymer or an elastomer.
  • the piston can be provided with a hard coating on its end face in order to prevent premature wear.
  • the outer surface of a cylindrical piston can be provided with a wear protection layer and/or a friction-reducing coating, which can reduce wear on the piston.
  • the inside of the cylinder can be provided with an optional coating to reduce friction and/or wear.
  • Such a coating may be selected from TiN, or hard chrome, or CrN, or an oxide, or diamond-like carbon (DLG).
  • the cylinder has at least one lower fluid supply, to which a drive fluid can be supplied cyclically.
  • the drive fluid is supplied with a pressure which is sufficient to lift the piston inside the cylinder against the force of gravity, so that it falls down again under its own weight.
  • an impact energy can be generated, which on a Drilling tool can be transferred and leads to the crushing of the rock lying in the borehole.
  • the cylinder is closed with an upper cover and a lower cover, with the piston resting on the inside of the lower cover or striking dynamically in the lower end position.
  • the lower cover is closed and in particular also has no passage for a connecting rod or a connecting rod. The impact energy is thus exclusively transferred from the piston via the lower cover to the drilling tool. This saves a wear-prone seal of the passage through the lower cover, so that the service life of the hammer drill can be extended, particularly when the drive is provided by a drive fluid containing particles, which can also serve as flushing liquid, for example.
  • the pressure of the drive fluid can act on the piston over a larger area, so that the efficiency of the rotary hammer can be increased.
  • the hammer drill can additionally contain an upper fluid supply. This allows the piston to be actively moved downwards by applying a drive fluid, so that the impact energy and thus the drilling progress can be increased.
  • the drive fluid can be conveyed into the cylinder through the upper fluid supply at higher pressure than through the lower fluid supply. This allows the piston to be raised gently in preparation for the impact and a powerful downward movement with high impact energy.
  • the piston can also exert impact energy on the drilling tool when the bore is horizontal and the piston does not fall down due to gravity.
  • the lower fluid supply can be designed as a first channel, which is guided through the upper cover and the cylinder wall and the lower cover. This results in a compact construction of the rotary hammer. By integrating the fluid supply within the housing, damage to external lines is avoided. Due to the modular design, wear parts of the rotary hammer can be replaced quickly and inexpensively on the construction site.
  • the upper fluid supply can be designed as a second channel, which is guided through the upper cover.
  • the hammer drill also contains a flushing channel through which the drive fluid can be discharged from the cylinder.
  • the drive fluid can then be routed to the drilling tool via the flushing channel, so that the drill cuttings produced can be carried away by the flushing liquid.
  • the drive fluid can contain particles which increase the abrasive wear of the rock to be drilled and thereby accelerate the drilling progress. The particles can have a diameter of less than about 200 pm, or less than about 100 pm, or less than about 80 pm, or less than about 50 pm.
  • an outside of the bottom cover may be in contact with a drilling tool. Because there are no connecting rods or push rods, the impact energy that occurs when the piston hits the inside of the lower cover is transferred directly to the drilling tool via the outside of the lower cover. This results in a compact and mechanically simple construction of the rotary hammer.
  • an annular gap can be formed between the surface area of the piston and the inner wall of the cylinder.
  • the annular gap can have a length which corresponds to the length of the piston, ie the annular gap extends over the entire lateral surface of the piston.
  • the annular gap has a height H which corresponds to the difference between the inner radius of the cylinder and the outer radius of the piston.
  • the height H of the annular gap can be chosen so large that particles within the drive fluid can pass through the annular gap. Since a liquid film can form between the piston and the cylinder, effective lubrication of the piston/cylinder pairing is achieved, which reduces wear on the rotary hammer and ensures a long service life. In addition, the production of the rotary hammer can be simplified because a close-tolerance fit of the piston/cylinder pairing is avoided.
  • an annular gap can be formed between the lateral surface of the piston and the inner wall of the cylinder, which has a gap height H that is greater than H ⁇ 2•(R a,cylinder +R a,piston )+3•D Particles , where R a,cylinder and R a,piston denote the mean roughness values of the lateral surface of the piston and the inner wall of the cylinder and Dpartikei denotes the maximum particle size in the drive fluid.
  • the mean roughness value of the lateral surface of the piston and the inner wall of the cylinder can each be between approximately 3 ⁇ m and approximately 25 ⁇ m.
  • the maximum particle size in the motive fluid can be between about 50 ⁇ m and 200 ⁇ m, or between about 90 ⁇ m and about 110 ⁇ m.
  • the gap height of the annular gap which represents the difference between the inner radius of the cylinder and the outer radius of the piston, is thus chosen so that the particles of the flushing liquid can pass through the annular gap and/or the liquid film has a sufficient thickness to to allow a low-wear sliding of the piston / cylinder pairing.
  • an annular gap can be formed between the lateral surface of the piston and the inner wall of the cylinder, which has a gap height of about 45 ⁇ m to about 1500 ⁇ m.
  • the gap height can be chosen between about 50 ⁇ m and about 500 ⁇ m.
  • the gap height can be between approximately 500 ⁇ m and approximately 1000 ⁇ m. The gap heights mentioned can be produced with little production effort, so that the hammer drill according to the invention can be produced more easily than known hammer drills and can also be used permanently under rough operating conditions.
  • the piston can have a length from about 10 cm to about 60 cm, or from about 20 cm to about 40 cm, or from about 40 cm to about 60 cm.
  • the piston is thus much longer than in known rotary hammers.
  • the length of the piston increases the flow resistance within the annular gap, so that pressure losses are reduced and the piston can be driven by the drive fluid despite the increased gap height compared to the prior art.
  • the pressure loss dP gap of the drive fluid in the annular gap when the rotary hammer is in operation can be greater than the quotient of the weight F g of the piston and the cross-sectional area A des
  • Piston ie. The one acting on the piston
  • the hammer drill also contains at least one hydraulic pump, which is set up to deliver the drive fluid into the cylinder.
  • a hydraulic pump can be coupled to the upper and lower fluid supply of the cylinder via a hydraulic changeover switch, so that the drive fluid is supplied alternately above and below the piston and moves the piston accordingly.
  • the hydraulic pump can be part of the rotary hammer and can be lowered into the borehole together with it. In some embodiments of the invention, the hydraulic pump can remain on the surface and be connected to the rotary hammer via a pipe or hose line.
  • the hydraulic pump itself can in turn be hydraulically driven by a flushing liquid.
  • a flushing liquid can be water that is provided with abrasive particles.
  • the drive fluid of the rotary hammer can be, for example, particle-free, clear water, an alcohol and/or an oil.
  • a hydraulic pump in this case, a centrifugal pump, a Gear pump or a piston pump can be used. A turbine or an inverse-acting gear pump can be used to drive this pump .
  • the hammer drill can also contain a switching element, which interrupts the supply of drive fluid to the cylinder when the hammer drill with its attached drilling tool is not in engagement with a layer of rock. As soon as the hammer drill is subjected to an axial load, the switching element can release the drive fluid so that the hammer drill is switched on. This allows the hammer drill to be lowered into the wellbore while flushing fluid is being supplied thereto.
  • the switching element contains a cylindrical housing with a control piston slidably mounted therein, the housing having an inlet on its upper side.
  • the housing also contains a first outlet on a side wall, via which the flushing liquid is routed via a flushing channel to the front of the rotary hammer or to the drilling tool.
  • the switching element contains a second outlet, which is arranged inside the control piston and via which the drive fluid is supplied to the hammer drill.
  • the control piston is mounted in the housing with a compression spring so that it releases the first outlet. When the switching element is subjected to an axial load, the control piston moves in against the spring force, so that the first outlet is closed by the piston. The flushing liquid is then fed through the hammer drill and switches on the percussion mechanism.
  • Figure 1 shows a known hammer drill.
  • FIG. 2 shows the functional principle of a rotary hammer according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows the construction of a rotary hammer according to the invention in a first embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows the construction of a rotary hammer according to the invention in a second embodiment.
  • FIG. 5 schematically shows the construction of a rotary hammer according to the invention in a third embodiment.
  • FIG. 6 shows a possible embodiment of a switching element.
  • a known hammer drill 1 is explained in more detail with reference to FIG.
  • the hammer drill 1 is set up and intended for deep drilling in the earth's crust 45 .
  • the deep well can be, for example, a mining or scientific exploration well or a well for the exploitation of mineral resources such as oil or natural gas.
  • the deep well can be used to generate heat through geothermal energy.
  • the deep hole can run approximately vertically or also inclined or horizontally.
  • a drilling tool 4 is provided, which optionally with 465 on its end face Cutting can be equipped.
  • the drilling tool 4 can be rotated by means of a drive, not shown.
  • a cylinder 2 in which a piston 10 is mounted in an axially displaceable manner, serves to generate the impact energy.
  • the cylinder 2 has a lower fluid feed 21 and an upper fluid feed 22 .
  • the cylinder 2 is closed with a lower cover 23 on the side facing the drilling tool 4 .
  • a drive fluid is introduced under pressure into the space between the piston and the lower cover 23 via the lower fluid supply line 21 , so that the piston moves in the direction of the upper cover 24 .
  • the upper fluid supply 22 is supplied with a drive fluid which moves the piston 10 inside the cylinder 2 downwards.
  • the impact energy generated in this way is transmitted to the drilling tool 4 via a connecting rod 101 .
  • a connecting rod 101 there is a passage 235 in the lower cover 23, in which the connecting rod 101 is accommodated in an axially displaceable and sealing manner.
  • the length of the piston of the known hammer drill 1 is about 4 cm.
  • a hydraulic changeover switch 3 is available in order to load the cylinder 2 with drive fluid alternately through the lower fluid supply 21 and the upper fluid supply 22 .
  • the hydraulic changeover switch is supplied with the drive fluid via a pump (not shown) with increased pressure, so that this alternately a first output 31 and a second output 32 of the hydraulic changeover switch 3 exits, which are each connected to the lower fluid supply 21 and the upper fluid supply 22 .
  • a flushing liquid which essentially contains water in which abrasive particles are dispersed is preferably used as the drive fluid.
  • the rinsing liquid can partially be routed past the hydraulic changeover switch 3 via rinsing channels, not shown, in order to cool the drilling tool 4 directly in the borehole 46, to transport away any drilling dust and to accelerate the drilling progress through the abrasive wear caused by the particles.
  • all or part of the flushing liquid can be used to drive the rotary hammer, as described above.
  • the drive fluid ejected from the cylinder 2 can likewise be ejected via flushing channels (not shown) in the direction of the drilling tool 4 or can also be returned directly to the surface.
  • the known hammer drill shown in FIG. 1 has the disadvantage that a close-tolerance fit must be produced between the piston 10 and the cylinder 2 in order to allow the piston 10 to slide easily in the cylinder 2 and to ensure adequate sealing between the two components.
  • sealing elements are usually used, for example in the form of a metal seal made of ductile material or an elastomer seal. If a flushing liquid containing particles is used as the drive fluid, the piston/cylinder pairing, which is manufactured with great precision, is quickly destroyed by abrasive wear. The frequent replacement of the rotary hammer 1 after a short period of operation makes it uneconomical for many applications and requires frequent interruptions in the drilling progress, during which the rotary hammer must be brought to the surface for replacement or maintenance.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a hammer drill which can be operated more reliably, so that the drilling progress is accelerated.
  • the rotary hammer 1 should have greater stability.
  • the solution found for this is explained in more detail with reference to FIGS. 2 shows the functional principle. Three embodiments of the invention are explained in more detail with reference to FIGS.
  • FIG. 2 shows the functional principle of the hammer drill 1 according to one aspect of the invention. Identical components of the invention are provided with the same reference symbols.
  • the hammer drill 1 according to FIG. 2 also includes a drilling tool 4 which is set up and intended to smash and/or chip the rock and discharge it as drilling dust together with a flushing liquid.
  • the drilling tool 4 can have a diameter of about 5 cm to about 40 cm.
  • the drilling tool can be a hollow cylinder be or contain a hollow cylinder, so that the material of the borehole 46 can be removed as core.
  • the rotary hammer 1 contains a cylinder 2 in which a piston 10 is mounted so as to be axially displaceable.
  • the cylinder 2 can be formed in a housing which can be made of a metal or an alloy.
  • the housing can be provided with a wear-reducing or friction-reducing coating on the outside and/or on the inner wall 26 of the cylinder 2 .
  • the coating may be selected from hard chrome plating and/or an oxide and/or a nitride and/or a carbide and/or diamond-like carbon (DLC).
  • DLC diamond-like carbon
  • the cylinder 2 is closed with a lower cover 23 on its side facing the drilling tool 4 .
  • the cylinder 2 is closed with an upper cover 24 on the side facing away from the drilling tool 4 .
  • An upper fluid feed 22 is located in the upper cover 24.
  • a lower fluid feed 21 is located in the lower cover 23.
  • the hammer drill can have a hydraulic changeover switch 3 .
  • the hydraulic switch 3 is part of the cylinder housing.
  • the hydraulic changeover switch 3 can also be located outside of the Be arranged cylinder housing and connected to hoses with the upper and lower fluid supplies 21 and 22.
  • the drive fluid is supplied to the cylinder 2 or the hydraulic changeover switch 3 via a high-pressure pump 65 .
  • the drive fluid is first supplied to the lower fluid supply 21 via the hydraulic changeover switch 3 .
  • the drive fluid which is located between the piston 10 and the upper cover 24, is displaced and expelled from the cylinder chamber, while the piston 10 moves upwards.
  • the further supply of the drive fluid via the lower fluid supply 21 is interrupted.
  • the drive fluid is then supplied to the cylinder 2 via the second outlet 32 of the hydraulic changeover switch 3 via the upper fluid supply 22 .
  • the driving fluid is expelled from the lower part of the cylinder 2.
  • the piston 10 hits the inside 231 of the lower cover 23 .
  • the braking of the piston 10 creates an impact force which is transmitted to the drilling tool 4 via the outside 232 of the lower cover 23 .
  • the drive fluid is then fed back to the lower fluid supply 21 via the hydraulic changeover switch 3 and its first outlet 31, and the process is repeated cyclically.
  • the drive fluid ejected from the cylinder 2 with each working cycle can be conveyed to the end face 465 or to the engagement surface of the drilling tool 4 via flushing channels 35, which are formed in the housing of the rotary hammer 1, in order to cool the drilling tool 4 in this way and/or to lubricate and/or to transport away the resulting drilling dust.
  • the hydraulic changeover switch 3 can have an optional third output 33 .
  • this can serve to conduct the drive fluid discharged from the cylinder 2 into the scavenging channel 35 .
  • the drive fluid can also be fed directly to the third outlet 33 in whole or in part in a third switching position of the changeover switch 3 in order to feed the drive fluid as flushing liquid to the drilling tool 4 without the impact mechanism of the rotary hammer 1 being in operation .
  • An annular gap 5 is formed between the inner wall 26 of the cylinder 2 and the lateral surface 106 of the piston 10 .
  • the gap height H of this annular gap 5 is defined as the difference between the inner radius of the cylinder 2 and the outer radius of the piston 10. The following applies to the gap height H in some embodiments of the invention
  • the annular gap has a gap height of about 45 ⁇ m to about 1500 ⁇ m.
  • the gap height is between about 50 pm and about 500 pm. In still other embodiments of the invention, the gap height is approximately 500 ⁇ m to approximately 1000 ⁇ m.
  • the annular gap can extend over the entire length of the piston. As a result, both a narrow tolerance between the piston and the cylinder and an additional sealing element can be dispensed with if the piston is compared to known ones Hammer drills is increased and, for example, has a length of about 10 cm to about 60 cm. In these cases, the pressure loss of the drive fluid flowing in the annular gap is so great that the piston can be moved by the drive fluid with sufficient frequency and speed, regardless of the lack of sealing between the lateral surface 106 and the inner wall 26 .
  • the rotary hammer offers an advantage of about 30% compared to known rotary hammers in terms of pressure loss and impact frequency and in this way, together with the extended maintenance intervals, enables work progress to be significantly faster.
  • the hydraulic toggle switch 3 is not part of the cylinder 2 or its housing, but is connected to the rotary hammer 1 as a separate component by means of pipes or hoses.
  • the housing of the rotary hammer 1 is made in three parts, with an upper cover 24, a lower cover 23 and a cylinder housing located in between, in which the cylinder 2 is made as a through hole. After inserting the piston 10, the housing of the rotary hammer 1 can be completed by screwing and/or riveting and/or welding the upper cover 24, the middle part and the lower cover 23.
  • First channels 215 and second channels 225 are formed in the upper cover 24 and in the lower cover 23, via which the lower fluid supply 21 and the upper fluid supply 22 are realized.
  • channels are provided in the cylinder wall 25 for the scavenging channel 35 and the lower fluid supply 21 .
  • a second embodiment of the present invention is explained in more detail with reference to FIG. Identical components of the invention are again provided with the same reference symbols.
  • the cylinder 2 is shown only schematically in FIG.
  • the piston 10, which is also part of the second embodiment, is not shown for reasons of clarity.
  • the embodiment according to FIG. 4 can also be provided with a multi-part housing, as explained above with reference to the first embodiment.
  • the second embodiment according to FIG. 4 differs from the previous embodiments essentially in that there is a hydraulic pump 6 with which the drive fluid can be guided in a closed circuit.
  • the drive fluid is supplied via the lower fluid supply 21 .
  • the drive fluid pressed out of the upper part of the cylinder 2 at the same time is discharged via the upper fluid supply 22 and fed to a sump or a reservoir.
  • the drive fluid is removed from the reservoir by the hydraulic pump 6 and fed back to the cylinder 2 via the upper fluid supply line 22 . Since the circuit of the drive fluid is thus closed in itself and the drive fluid does not escape into the environment, it can be different from the flushing liquid.
  • water without particles dispersed therein can be used as the drive fluid.
  • an alcohol, a water/alcohol mixture or a hydraulic oil can be used as the drive fluid. This can reduce the abrasive wear of the piston/cylinder pairing or improve cooling.
  • the hydraulic pump 6 can be driven, for example, by an electric motor with the supply of electrical energy.
  • the Hydraulic pump 6 have a hydraulic drive 61 .
  • the hydraulic drive 61 can be driven by the flushing fluid in the borehole.
  • the rinsing liquid is provided by a high-pressure pump 65 .
  • This enters the hydraulic drive via a fourth input 34 and leaves it via the third output 33 and is then used to flush the borehole or cool the drilling tool 4.
  • the energy drawn from the flow of the flushing liquid by the hydraulic drive 61 can then be used as mechanical power serve to drive the hydraulic pump 6.
  • the hydraulic pump 6 can be selected, for example, from a gear pump or a centrifugal pump or a piston pump.
  • the hydraulic drive 61 can contain a turbine or an inverse-acting gear pump.
  • a third embodiment of the invention is explained in more detail with reference to FIGS.
  • the third embodiment differs essentially in a hydraulic switching element 7 .
  • the flushing liquid is supplied to the hydraulic switching element 7 from the high-pressure pump 65 via an inlet 703 .
  • the rinsing liquid is discharged from the hydraulic switching element 7 either via the first outlet 701 and/or through the second outlet 702 .
  • the first outlet 701 opens into a second flushing channel 36 which leads past the percussion mechanism of the hammer drill 1 and directs the flushing liquid directly to the drilling tool 4 .
  • the second output 702 is connected to the impact mechanism of the hammer drill and drives it either directly via the hydraulic toggle switch 3, as described in connection with FIGS. 2 and 3, or indirectly via a hydraulic drive 61, as explained in more detail in connection with FIG.
  • the hydraulic switching element 7 is intended in particular to switch off the percussion mechanism of the hammer drill 1 while the hammer drill is being lowered into the borehole. At the same time, however, the borehole is to be flushed. When the drilling tool 4 is placed on the bottom of the drilled hole 46, the percussion mechanism of the rotary hammer 1 switches on automatically.
  • the switching element 7 contains a cylindrical housing 70 with a control piston 75 mounted so as to slide therein.
  • the housing 70 has an inlet 703 on its upper side 71 .
  • the housing 70 has at least one first outlet 701 on a side wall 72 .
  • the control element 7 has at least one second outlet 702 which is arranged within the control piston 75 .
  • the control piston 75 can be extended out of the housing with at least one compression spring 79 . If the switching element 7 is not subjected to an axial load, the control piston is extended out of the housing 70 by the action of the at least one compression spring 79 . In this position of the control piston, the first outlet 701 is released. A spring valve or a throttle valve 77 can be arranged in the second outlet 702, which generates an increased flow resistance at the second outlet 702. As a result, most or all of the flushing liquid is discharged through the first outlet 701 and conducted to the drilling tool 4 via the second flushing line 36 .

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Abstract

Bohrhammer (1) mit zumindest einem Zylinder (2), in welchem zumindest ein Kolben (10) axial zwischen einer oberen und einer unteren Endlage verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder (2) zumindest eine untere Fluidzuführung (21) aufweist, welcher ein Antriebsfluid zyklisch zuführbar ist, wobei der Zylinder (2) mit einem oberen Deckel (24) und einem unteren Deckel (23) verschlossen ist, wobei der Kolben (10) in der unteren Endlage auf einer Innenseite (231) des unteren Deckels (23) aufliegt und zwischen der gesamten Mantelfläche (106) des Kolbens (10) und der Innenwand (26) des Zylinders (2) ein Ringspalt (5) ausgebildet ist. Verfahren zum Tiefbohren unter Verwendung eines solchen Bohrhammers.

Description

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Bohrhammer und Verfahren zum Tiefbohren
Die Erfindung betrifft einen Bohrhammer mit zumindest einem Zylinder, in welchem zumindest ein Kolben axial zwischen einer oberen und einer unteren Endlage verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder zumindest eine untere Fluidzuführung aufweist, welcher ein Antriebsfluid zyklisch zuführbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Tief- bohren mit einem Bohrhammer mit zumindest einem Zylinder, in welchem zumindest ein Kolben axial zwischen einer oberen und einer unteren Endlage verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder zumindest eine untere Fluidzuführung aufweist, wel- cher ein Antriebsfluid zyklisch zugeführt wird. Vorrich- tungen und Verfahren dieser Art werden für Tiefbohrungen eingesetzt, beispielsweise um harte Gesteinsschichten wirt- schaftlich zu bohren. Solche Tiefbohrungen können beispiels- weise in der Öl- oder Gasförderung, in der Geothermie oder als Erkundungsbohrung im Bergbau eingesetzt werden.
Aus J.-M. Peng, Q.-L. Yin, G.-L. Li, H. Liu und W. Wang: "The effect of actuator parameters on the critical flow velocity of a fluidic amplifier", Applied Mathematical Modelling 37 (2013) 7741 ist ein Bohrhammer bekannt, bei welchem ein Kolben in einem Zylinder gleitet. Die Kolben- bewegung wird über eine Pleuelstange bzw. eine Schubstange auf das Bohrwerkzeug übertragen. Zum Antrieb des Kolbens dient ein Antriebsfluid, beispielsweise die zum Austrag des Bohrkleins verwendete Spülflüssigkeit. Das Antriebsfluid wird alternierend von unten und von oben in den Zylinder eingebracht, sodass eine entsprechende Kolbenbewegung induziert wird.
Dieser bekannte Bohrhammer weist den Nachteil auf, dass die Dichtungen zwischen Kolben und Zylinder einerseits und zwischen der Pleuelstange und dem Zylinderboden andererseits stark belastet sind und hierdurch nur eine geringe Lebens- dauer aufweisen, insbesondere wenn eine mit Partikeln ver- setzte, abrasive Spülflüssigkeit als Antriebsfluid verwendet wird. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer ist die Anwendung des bekannten Bohrhammers auf wenige Spezialfälle und/oder einige Bohrabschnitte einer Tiefbohrung begrenzt. Somit erlaubt der bekannte Bohrhammer zwar hohe Bohrfortschritte in harten Gesteinsschichten, erfordert jedoch bei größeren Bohrarbeiten einen häufigen Werkzeugwechsel, da die Stand- zeit begrenzt ist.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug anzugeben, welches längere Standzeiten und/oder eine verbesserte Leistung aufweist .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Bohrhammer vorgeschlagen, welcher zumindest einen Zylinder aufweist. Der Zylinder ist in einem Gehäuse ausgebildet, welches beispielsweise aus einem Metall oder aus einer Legierung gefertigt sein kann. In der Zylinderwandung können optional Fluidkanäle ausgebildet sein, beispielsweise um ein Antriebsfluid auf die dem Bohrwerkzeug zugewandte Unterseite des Kolbens bzw. des Zylinders zu transportieren und/oder um Spülflüssigkeit zum Bohrwerkzeug zu transportieren. Das Gehäuse kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung modular aus mehreren, miteinander gefügten Einzelteilen aufgebaut sein. Der Querschnitt des Gehäuses kann polygonal oder rund sein. In der Regel weist das Gehäuse und der im Gehäuse ausgebildete Zylinder eine größere Länge auf als dessen Durchmesser. Der Außendurchmesser des Gehäuses kann zwischen etwa 5 cm und etwa 40 cm betragen. Das Gehäuse kann durch spanende Bearbeitung oder durch Urformen hergestellt sein.
Innerhalb des Zylinders kann zumindest ein Kolben aufge- nommen ein, welcher axial zwischen einer oberen und einer unteren Endlage verschiebbar gelagert ist. Der Kolben kann ebenfalls aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt sein. Der Kolben kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung an seiner Stirnseite Anschlagelemente aus einem weicheren Material aufweisen, beispielsweise einem duktilen Metall oder einem Polymer oder einem Elastomer. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kolben an seiner Stirnseite mit einer Hartschicht versehen sein, um vorzei- tigen Verschleiss zu verhindern. Die Mantelfläche eines zylindrischen Kolbens kann mit einer Verschleißschutzschicht und/oder einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen sein, welche den Verschleiß des Kolbens reduzieren kann. In gleicher Weise kann die Innenseite des Zylinders mit einer optionalen reibungs- und/oder verschleißmindernden Beschich- tung versehen sein. Eine solche Beschichtung kann ausgewählt sein aus TiN oder Hartchrom oder CrN oder einem Oxid oder diamantartigem Kohlenstoff (DLG).
Der Zylinder weist zumindest eine untere Fluidzuführung auf, welcher ein Antriebsfluid zyklisch zuführbar ist. Das Antriebsfluid wird bei Betrieb des Bohrhammers mit einem Druck zugeführt, welcher hinreichend ist, den Kolben inner- halb des Zylinders gegen die Schwerkraft anzuheben, sodass dieser unter seinem Eigengewicht wieder herabfällt. Hier- durch kann eine Schlagenergie erzeugt werden, welche auf ein Bohrwerkzeug übertragen werden kann und zur Zertrümmerung des im Bohrkanal liegenden Gesteins führt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Zylinder mit einem oberen Deckel und einem unteren Deckel verschlossen ist, wobei der Kolben in der unteren Endlage auf der Innenseite des unteren Deckels aufliegt bzw. dynamisch anschlägt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der untere Deckel ver- schlossen und weist insbesondere auch keine Durchführung für eine Pleuelstange bzw. eine Schubstange auf. Die Schlagener- gie wird somit ausschließlich vom Kolben über den unteren Deckel auf das Bohrwerkzeug übertragen. Hierdurch wird eine verschleißanfällige Dichtung der Durchführung durch den unteren Deckel eingespart, sodass die Standzeit des Bohr- hammers verlängert sein kann, insbesondere dann, wenn der Antrieb durch ein partikelhaltiges Antriebsfluid erfolgt, welches beispielsweise auch als Spülflüssigkeit dienen kann. Darüber hinaus kann der Druck des Antriebsfluides über eine größere Fläche am Kolben angreifen, so dass der Wirkungsgrad des Bohrhammers erhöht sein kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Bohr- hammer zusätzlich eine obere Fluidzuführung enthalten. Diese erlaubt es, den Kolben durch Beaufschlagung mit einem Antriebsfluid aktiv nach unten zu bewegen, sodass die Schlagenergie und damit der Bohrfortschritt vergrößert sein kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Antriebsfluid durch die obere Fluidzuführung mit höherem Druck in den Zylinder gefördert werden als durch die untere Fluidzuführung. Dies erlaubt ein materialschonendes Anheben des Kolbens zur Vorbereitung des Schlages und eine kraft- volle Abwärtsbewegung mit hoher Schlagenergie. Weiterhin kann der Kolben auch dann eine Schlagenergie auf das Bohr- werkzeug ausüben, wenn die Bohrung horizontal verläuft und der Kolben nicht durch die Schwerkraft herunterfällt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die untere Fluidzuführung als erster Kanal ausgebildet sein, welcher durch den oberen Deckel und die Zylinderwandung und den unteren Deckel geführt ist. Hierdurch ergibt sich ein kompakter Aufbau des Bohrhammers. Durch die Integration der Fluidzuführung innerhalb des Gehäuses wird eine Beschädigung außenliegender Leitungen vermieden. Aufgrund des modularen Aufbaus können Verschleißteile des Bohrhammers schnell und kostengünstig auch auf der Baustelle getauscht werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die obere Fluidzuführung als zweiter Kanal ausgebildet sein, welcher durch den oberen Deckel geführt ist. Durch die Integration der Fluidzuführung innerhalb des Gehäuses wird eine Beschädigung außenliegender Leitungen vermieden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält der Bohr- hammer weiterhin einen Spülkanal, durch welchen das Antriebsfluid aus dem Zylinder austragbar ist. Das Antriebs- fluid kann dann über den Spülkanal zum Bohrwerkzeug geführt werden, sodass das entstehende Bohrklein durch die Spül- flüssigkeit abgeführt werden kann. In einigen Ausführungs- formen der Erfindung kann das Antriebsfluid Partikel ent- halten, welche den abrasiven Verschleiß des zu bohrenden Gesteins vergrößern und dadurch den Bohrfortschritt be- schleunigen. Die Partikel können einen Durchmesser von weni- ger als etwa 200 pm oder weniger als etwa 100 pm oder weni- ger als etwa 80 pm oder weniger als etwa 50 pm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Außen- seite des unteren Deckels mit einem Bohrwerkzeug in Kontakt stehen. Durch den Verzicht auf Pleuelstangen bzw. Schub- stangen wird die Schlagenergie, welche beim Auftreffen des Kolbens auf der Innenseite des unteren Deckels entsteht, unmittelbar über die Außenseite des unteren Deckels auf das Bohrwerkzeug übertragen. Hierdurch ergibt sich ein kompakter und mechanisch einfacher Aufbau des Bohrhammers. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Innenwand des Zylinders ein Ringspalt ausgebildet sein. Der Ringspalt kann eine Länge aufweisen, welche der Länge des Kolben entspricht, d.h. der Ringspalt erstreckt sich über die gesamte Mantelfläche des Kolbens. Der Ringspalt weist eine Höhe H auf, welche der Differenz des Innenradius des Zylinders und des Außenradius des Kolbens entspricht. Die Höhe H des Ringspaltes kann so groß gewählt sein, dass Partikel innerhalb des Antriebs- fluides den Ringspalt passieren können. Da sich somit zwischen Kolben und Zylinder ein Flüssigkeitsfilm ausbilden kann, wird eine effektive Schmierung der Kolben-/Zylinder- paarung erreicht, welche den Verschleiß des Bohrhammers reduziert und für lange Standzeiten sorgt. Darüber hinaus kann die Fertigung des Bohrhammers vereinfacht sein, weil eine eng tolerierte Passung der Kolben-/Zylinderpaarung vermieden wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Innenwand des Zylinders ein Ringspalt ausgebildet sein, welcher eine Spalthöhe H aufweist, welche größer ist als H — 2 •(Ra,Zylinder + Ra,Kolben)+ 3•DPartikel, wobei Ra,Zylinder und Ra,Kolben die Mittenrauwerte der Mantelfläche des Kolbens und der Innenwand des Zylinders bezeichnen und Dpartikei die maximale Partikelgröße im Antriebsfluid bezeich- net. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Mittenrauwert der Mantelfläche des Kolbens und der Innenwand des Zylinders jeweils zwischen etwa 3 pm und etwa 25 pm be- tragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die maximale Partikelgröße im Antriebsfluid zwischen etwa 50 pm und 200 pm oder zwischen etwa 90 pm und etwa 110 pm liegen. Die Spalthöhe des Ringspaltes, welche die Differenz zwischen dem Innenradius des Zylinders und dem Außenradius des Kolbens darstellt, ist somit so gewählt, dass die Partikel der Spülflüssigkeit den Ringspalt passieren können und/oder der Flüssigkeitsfilm eine hinreichende Dicke aufweist, um ein verschleißarmes Gleiten der Kolben-/Zylinderpaarung zu ermöglichen .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Innenwand des Zylinders ein Ringspalt ausgebildet sein, welcher eine Spalthöhe von etwa 45 pm bis etwa 1500 pm aufweist. In anderen Ausführungs- formen der Erfindung kann die Spalthöhe zwischen etwa 50 pm und etwa 500 pm gewählt sein. In wiederum anderen Aus- führungsformen der Erfindung kann die Spalthöhe zwischen etwa 500 pm bis etwa 1000 pm betragen. Die genannten Spalt- höhen sind mit geringem Fertigungsaufwand herstellbar, sodass der erfindungsgemäße Bohrhammer gegenüber bekannten Bohrhämmern einfacher herstellbar sein kann und auch unter rauen Betriebsbedingungen dauerhaft einsetzbar bleibt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kolben eine Länge von etwa 10 cm bis etwa 60 cm oder von etwa 20 cm bis etwa 40 cm oder von etwa 40 cm bis etwa 60 cm aufweisen. Der Kolben ist somit wesentlich länger als bei bekannten Bohrhämmern. Die Länge des Kolbens erhöht den Strömungs- widerstand innerhalb des Ringspaltes, sodass Druckverluste reduziert sind und der Kolben trotz der gegenüber dem Stand der Technik vergrößerten Spalthöhe durch das Antriebsfluid angetrieben werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung befindet sich zwischen dem Kolben und der Zylinderwand kein Dichtelement. Hierdurch kann die Standzeit erhöht sein, weil auf ein verschleißbehaftetes Bauteil verzichtet werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druck- verlust dPSpalt des Antriebsfluides im Ringspalt bei Betrieb des Bohrhammers größer sein als der Quotient der Gewichts- kraft Fg des Kolbens und der Querschnittsfläche A des
Kolbens, d. h. . Die auf den Kolben einwirkende
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Kraft ergibt sich aus dem Druck des Antriebsfluides und der Stirnfläche des Kolbens. Diese muss zumindest im Falle der unteren Fluidzuführung so groß sein, dass die Gewichtskraft des Kolbens aufgebracht werden kann, um den Kolben nach oben zu bewegen. Da das Antriebsfluid durch den Ringspalt am Kolben vorbeiströmen kann, baut sich unterhalb des Kolbens kein größerer Druck auf als der Druckverlust im Ringspalt. Dieser Druckverlust ist nach der Darcy-Weissbach-Formel proportional zum Aspektverhältnis von Kolbenlänge und Spalthöhe, der Rohrreibungszahl der Strömung, der Dichte des Antriebsfluides und dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit des Antriebsfluides.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält der Bohr- hammer weiterhin zumindest eine Hydraulikpumpe, welche dazu eingerichtet ist, das Antriebsfluid in den Zylinder zu fördern. Eine Hydraulikpumpe kann über einen hydraulischen Wechselschalter mit der oberen und der unteren Fluidzu- führung des Zylinders gekoppelt sein, sodass das Antriebs- fluid alternierend oberhalb und unterhalb des Kolbens zugeführt wird und den Kolben entsprechend bewegt.
Die Hydraulikpumpe kann Teil des Bohrhammers sein und mit diesem zusammen in das Bohrloch abgesenkt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Hydraulikpumpe an der Oberfläche verbleiben und über eine Rohr- oder Schlauch- leitung mit dem Bohrhammer verbunden sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Hydraulikpumpe selbst wiederum durch eine Spülflüssigkeit hydraulisch angetrieben werden. Dies erlaubt es, für die Spülflüssigkeit einerseits und für das Antriebsfluid des Bohrhammers andererseits unterschiedliche Flüssigkeiten zu verwenden. Beispielsweise kann die Spülflüssigkeit Wasser sein, welches mit abrasiven Partikeln versehen ist. Das Antriebsfluid des Bohrhammers kann beispielsweise partikel- freies, klares Wasser sein, ein Alkohol und/oder ein Öl. Als Hydraulikpumpe kann in diesem Fall eine Kreiselpumpe, eine Zahnradpumpe oder eine Kolbenpumpe verwendet werden. Zum Antrieb dieser Pumpe kann eine Turbine oder eine invers wirkende Zahnradpumpe verwendet werden, welche von der Spül- flüssigkeit durchströmt wird und auf diese Weise aus der Strömungsenergie der Spülflüssigkeit mechanische Antriebsleistung für die Hydraulikpumpe des Antriebsfluides generiert, ähnlich wie ein Abgasturbolader bei einer Brenn- kraftmaschine .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Bohr- hammer weiterhin ein Schaltelement enthalten, welches die Zufuhr des Antriebsfluides zum Zylinder unterbricht, wenn der Bohrhammer mit seinem daran befestigten Bohrwerkzeug nicht in Eingriff mit einer Gesteinsschicht steht. Sobald der Bohrhammer axial belastet wird, kann das Schaltelement das Antriebsfluid freigeben, sodass der Bohrhammer einge- schaltet wird. Dies erlaubt es, den Bohrhammer im Bohrloch abzusenken, während diesem eine Spülflüssigkeit zugeführt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält das Schaltelement ein zylindrisches Gehäuse mit einem darin gleitend gelagerten Steuerkolben, wobei das Gehäuse einen Zulauf auf seiner Oberseite aufweist. Das Gehäuse enthält weiterhin einen ersten Ablauf an einer Seitenwand, über welchen die Spülflüssigkeit über einen Spülkanal auf die Vorderseite des Bohrhammers bzw. zum Bohrwerkzeug geleitet wird. Darüber hinaus enthält das Schaltelement einen zweiten Ablauf, welcher innerhalb des Steuerkolbens angeordnet ist und über welchen das Antriebsfluid dem Bohrhammer zugeführt wird. Der Steuerkolben ist mit einer Druckfeder im Gehäuse gelagert, sodass dieser den ersten Ablauf freigibt. Bei axialer Belastung des Schaltelementes fährt der Steuerkolben gegen die Federkraft ein, sodass der erste Ablauf durch den Kolben verschlossen wird. Die Spülflüssigkeit wird sodann durch den Bohrhammer geführt und schaltet das Schlagwerk ein. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
Figur 1 einen bekannten Bohrhammer.
Figur 2 zeigt das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Bohrhammers .
Figur 3 zeigt schematisch den konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen Bohrhammers in einer ersten Ausführungsform .
Figur 4 zeigt schematisch den konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen Bohrhammers in einer zweiten Ausführungsform .
Figur 5 zeigt schematisch den konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen Bohrhammers in einer dritten Ausführungsform .
Figur 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Schalt- elementes.
Anhand der Figur 1 wird ein bekannter Bohrhammer 1 näher erläutert. Der Bohrhammer 1 ist dazu eingerichtet und bestimmt, eine Tiefbohrung in der Erdkruste 45 vorzunehmen. Die Tiefbohrung kann beispielsweise eine bergbauliche oder wissenschaftliche Erkundungsbohrung sein oder eine Bohrung zur Ausbeutung von Bodenschätzen wie Erdöl oder Erdgas. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Tiefbohrung der Wärmegewinnung durch Geothermie dienen. Die Tiefbohrung kann in etwa senkrecht oder auch geneigt bzw. waagerecht verlaufen .
Zur Herstellung der Tiefbohrung 46 ist ein Bohrwerkzeug 4 vorgesehen, welches an seiner Stirnseite 465 optional mit Schneiden ausgestattet sein kann. Das Bohrwerkzeug 4 kann mittels eines nicht dargestellten Antriebes in Rotation versetzt werden. Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, insbesondere beim Bohren von Hartgestein Schläge in axialer Richtung auf das Bohrwerkzeug 4 auszuüben, sodass das Hartgestein zertrümmert wird und zusammen mit einer Spülflüssigkeit als Bohrmehl abtransportiert werden kann.
Zur Erzeugung der Schlagenergie dient ein Zylinder 2, in welchem ein Kolben 10 axial verschiebbar gelagert ist. Der Zylinder 2 weist eine untere Fluidzuführung 21 und eine obere Fluidzuführung 22 auf. Darüber hinaus ist der Zylinder 2 auf der dem Bohrwerkzeug 4 zugewandten Seite mit einem unteren Deckel 23 verschlossen. Auf der dem Bohrwerk- zeug gegenüberliegenden Seite ist ein oberer Deckel 24 vorhanden .
Zur Erzeugung eines Schlages wird über die untere Fluidzu- führung 21 ein Antriebsfluid unter Druck in den Raum zwischen Kolben und unteren Deckel 23 eingeführt, sodass sich der Kolben in Richtung des oberen Deckels 24 bewegt. Wenn der Kolben den oberen Umkehrpunkt erreicht hat, wird der oberen Fluidzuführung 22 ein Antriebsfluid zugeführt, welches den Kolben 10 innerhalb des Zylinders 2 nach unten bewegt. Die so erzeugte Schlagenergie wird über eine Pleuel- stange 101 auf das Bohrwerkzeug 4 übertragen. Hierzu ist im unteren Deckel 23 eine Durchführung 235 vorhanden, in wel- cher die Pleuelstange 101 axial verschiebbar und dichtend aufgenommen ist. Die Länge des Kolbens des bekannten Bohr- hammers 1 beträgt etwa 4 cm.
Um den Zylinder 2 alternierend durch die untere Fluidzu- führung 21 und die obere Fluidzuführung 22 mit Antriebsfluid zu beaufschlagen, steht ein hydraulischer Wechselschalter 3 zur Verfügung. Dem hydraulischen Wechselschalter wird das Antriebsfluid über eine nicht dargestellte Pumpe mit erhöhtem Druck zugeführt, sodass dieses alternierend über einen ersten Ausgang 31 und einen zweiten Ausgang 32 des hydraulischen Wechselschalters 3 austritt, welche jeweils mit der unteren Fluidzuführung 21 und der oberen Fluidzu- führung 22 verbunden sind. Als Antriebsfluid wird bevorzugt eine Spülflüssigkeit verwendet, welche im Wesentlichen Wasser enthält, in welches abrasive Partikel dispergiert sind. Die Spülflüssigkeit kann teilweise am hydraulischen Wechselschalter 3 über nicht dargestellte Spülkanäle vorbeigeführt werden, um unmittelbar im Bohrloch 46 das Bohrwerkzeug 4 zu kühlen, entstehendes Bohrmehl abzu- transportieren und durch den durch die Partikel erzeugten abrasiven Verschleiß den Bohrfortschritt zu beschleunigen. Darüber hinaus kann die Spülflüssigkeit vollständig oder teilweise zum Antrieb des Bohrhammers Verwendung finden, wie vorstehend beschrieben. Das aus dem Zylinder 2 ausgestoßene Antriebsfluid kann ebenfalls über nicht dargestellte Spül- kanäle in Richtung des Bohrwerkzeuges 4 ausgestoßen oder auch unmittelbar zur Oberfläche zurückgeführt werden.
Der in Figur 1 gezeigte, bekannte Bohrhammer weist den Nachteil auf, dass zwischen dem Kolben 10 und dem Zylinder 2 eine eng tolerierte Passung hergestellt werden muss, um einerseits ein leichtes Gleiten des Kolbens 10 im Zylinder 2 zu ermöglichen und andererseits eine hinreichende Dichtig- keit zwischen beiden Bauteilen zu erreichen. Üblich werden zusätzlich Dichtungselemente eingesetzt, beispielsweise in Form einer metallischen Dichtung aus duktilem Material oder eine Elastomerdichtung. Wird eine partikelhaltige Spül- flüssigkeit als Antriebsfluid verwendet, so wird gleichwohl die mit hoher Präzision gefertigte Kolben-/Zylinderpaarung durch abrasiven Verschleiß rasch zerstört. Der häufige Austausch des Bohrhammers 1 nach kurzem Betrieb macht den Einsatz für viele Anwendungsfälle unwirtschaftlich und erfordert häufige Unterbrechungen des Bohrfortschrittes, in welchen der Bohrhammer zum Austausch oder zur Wartung an die Oberfläche geholt werden muss. Dasselbe Problem ergibt sich an der Durchführung 235 im unteren Deckel 23. Auch dort muss mittels eng tolerierter Passungen und zusätzlicher Dichtelemente sichergestellt werden, dass der über die untere Fluidzuführung 21 eingeleitete Druck auch tatsächlich auf den Kolben 10 einwirkt und nicht durch die Öffnung 235 aus dem Zylinder 2 austritt. Auch diese Passung bzw. das darin eingesetzte Dichtelement muss mit hoher Präzision gefertigt sein und unterliegt einem starken abrasiven Verschleiß durch die als Antriebsfluid eingesetzte Spülflüssigkeit. Schließlich weist der in Figur 1 dargestellte Bohrhammer den Nachteil auf, dass der Kolben 10 und die Pleuelstange 101 aufgrund der doppelten Lagerung im Zylinder 2 und im unteren Deckel 23 bei seitlicher Belastung des Bohrwerkzeuges zum Verklemmen neigt. Auch in diesem Fall muss die Arbeit unterbrochen und der Bohrhammer 1 zur Oberfläche geholt werden.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Bohrhammer anzugeben, welcher zuverlässiger betrieben werden kann, sodass der Bohrfort- schritt beschleunigt wird. Darüber hinaus soll der Bohr- hammer 1 eine höhere Standfestigkeit aufweisen. Die hierzu aufgefundene Lösung wird anhand der Figuren 2 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigt Figur 2 das Funktionsprinzip. Anhand der Figuren 3 bis 6 werden drei Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Figur 2 zeigt das Funktionsprinzip des Bohrhammers 1 nach einem Aspekt der Erfindung. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auch der Bohrhammer 1 nach Figur 2 umfasst ein Bohrwerkzeug 4, welches dazu eingerichtet und bestimmt ist, das Gestein zu zertrümmern und/oder zu zerspanen und als Bohrmehl zusammen mit einer Spülflüssigkeit abzuführen. Das Bohrwerkzeug 4 kann einen Durchmesser von etwa 5 cm bis etwa 40 cm aufweisen. Optional kann das Bohrwerkzeug ein Hohlzylinder sein bzw. einen Hohlzylinder enthalten, sodass das Material des Bohrloches 46 als Bohrkern entnehmbar ist.
Darüber hinaus enthält der Bohrhammer 1 einen Zylinder 2, in welchem ein Kolben 10 axial verschiebbar gelagert ist. Der Zylinder 2 kann in einem Gehäuse ausgeformt sein, welches aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt sein kann. Das Gehäuse kann außen und/oder an der Innenwand 26 des Zylinders 2 mit einer verschleiß- oder reibungsvermindernden Beschichtung versehen sein. Die Beschichtung kann in einigen Ausführungsformen ausgewählt sein aus einer Hartverchromung und/oder einem Oxid- und/oder einem Nitrid und/oder einem Carbid und/oder diamantartigem Kohlenstoff (DLC). In gleich- artiger Weise kann die Mantelfläche 106 des Kolbens 10 zumindest teilweise beschichtet sein.
Der Zylinder 2 ist auf seiner dem Bohrwerkzeug 4 zugewandten Seite mit einem unteren Deckel 23 verschlossen. An der dem Bohrwerkzeug 4 abgewandten Seite ist der Zylinder 2 mit einem oberen Deckel 24 verschlossen. Im oberen Deckel 24 befindet sich eine obere Fluidzuführung 22. Im unteren Deckel 23 befindet sich eine untere Fluidzuführung 21.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist im unteren Deckel 23 keine Öffnung 235 ausgebildet. Auch fehlt dem Kolben 10 eine Pleuelstange. Zwischen dem Kolben 10 und dem Bohrwerkzeug 4 besteht keine unmittelbare, mechanische Verbindung. Bei Betrieb des Bohrhammers 1 schlägt der Kolben periodisch auf die Innenseite des geschlossenen unteren Deckels 23, welcher die Schlagenergie auf das Bohrwerkzeug überträgt .
Darüber hinaus kann der Bohrhammer einen hydraulischen Wechselschalter 3 aufweisen. Im Prinzipschaltbild der Figur 1 ist der hydraulische Schalter 3 Bestandteil des Zylindergehäuses. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der hydraulische Wechselschalter 3 auch außerhalb des Zylindergehäuses angeordnet und mit Schlauchleitungen mit den oberen und unteren Fluidzuführungen 21 und 22 verbunden sein.
Dem Zylinder 2 bzw. dem hydraulischen Wechselschalter 3 wird das Antriebsfluid über eine Hochdruckpumpe 65 zugeführt.
Wie beim bekannten Bohrhammer wird das Antriebsfluid über den hydraulischen Wechselschalter 3 zunächst der unteren Fluidzuführung 21 zugeführt. Hierdurch wird das Antriebs- fluid, welches sich zwischen dem Kolben 10 und dem oberen Deckel 24 befindet, verdrängt und aus dem Zylinderraum ausgestoßen, während sich der Kolben 10 nach oben bewegt. Beim Erreichen der oberen Endlage wird die weitere Zufuhr des Antriebsfluides über die untere Fluidzuführung 21 unterbrochen. Sodann wird das Antriebsfluid über den zweiten Ausgang 32 des hydraulischen Wechselschalters 3 dem Zylinder 2 über die obere Fluidzuführung 22 zugeführt. Dies führt dazu, dass der Kolben 10 nach unten bewegt wird. Hierbei wird das Antriebsfluid aus dem unteren Teil des Zylinders 2 ausgestoßen. In der unteren Endlage schlägt der Kolben 10 auf der Innenseite 231 des unteren Deckels 23 an. Durch das Abbremsen des Kolbens 10 entsteht eine Schlagkraft, welche über die Außenseite 232 des unteren Deckels 23 auf das Bohr- werkzeug 4 übertragen wird. Sodann wird das Antriebsfluid wieder über den hydraulischen Wechselschalter 3 und dessen ersten Ausgang 31 der unteren Fluidzuführung 21 zugeführt und der Vorgang wiederholt sich zyklisch. Das bei jedem Arbeitstakt aus dem Zylinder 2 ausgestoßene Antriebsfluid kann über Spülkanäle 35, welche im Gehäuse des Bohrhammers 1 ausgebildet sind, an die Stirnseite 465 bzw. an die Ein- griffsfläche des Bohrwerkzeuges 4 gefördert werden, um auf diese Weise das Bohrwerkzeug 4 zu kühlen und/oder zu schmieren und/oder das entstehende Bohrmehl abzutranspor- tieren. Darüber hinaus kann der hydraulische Wechselschalter 3 einen optionalen dritten Ausgang 33 haben. Dieser kann einerseits dazu dienen, das aus dem Zylinder 2 abgeführte Antriebsfluid in den Spülkanal 35 zu leiten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Antriebsfluid jedoch in einer dritten Schaltstellung des Wechselschalters 3 auch ganz oder teil- weise unmittelbar dem dritten Ausgang 33 zugeführt werden, um das Antriebsfluid als Spülflüssigkeit dem Bohrwerkzeug 4 zuzuleiten, ohne dass das Schlagwerk des Bohrhammers 1 in Betrieb ist.
Zwischen der Innenwand 26 des Zylinders 2 und der Mantel- fläche 106 des Kolbens 10 ist ein Ringspalt 5 ausgebildet. Die Spalthöhe H dieses Ringspaltes 5 ist definiert als Differenz des Innenradius des Zylinders 2 und des Außenradius des Kolbens 10. Für die Spalthöhe H gilt in einigen Ausführungsformen der Erfindung
H — 2 •(Ra,Zylinder + Ra,Kolben)+ 3•DPartikel , wobei Ra,Zylinder und Ra,Kolben die Mittenrauwerte der Mantelfläche 106 des Kolbens 10 und der Innenwand 26 des Zylinders 2 bezeichnen. DPartikel bezeichnet die maximale Partikelgröße im Antriebsfluid. Die Mittenrauwerte betragen typischerweise zwischen etwa 4 pm und etwa 25 pm, je nach Herstellungs- verfahren des Kolbens einerseits und des Zylinders anderer- seits. Die maximale Partikelgröße ergibt sich aus den Anforderungen an die Spülflüssigkeit, beträgt jedoch oftmals weniger als etwa 100 pm oder weniger als 80 pm. Demgemäß weist der Ringspalt in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Spalthöhe von etwa 45 pm bis etwa 1500 pm auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Spalthöhe zwischen etwa 50 pm und etwa 500 pm. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Spalthöhe etwa 500 pm bis etwa 1000 pm. Der Ringspalt kann sich über die gesamte Länge des Kolbens erstrecken. Hierdurch kann sowohl auf eine enge Toleranz zwischen Kolben und Zylinder als auch auf ein zusätzliches Dichtelement verzichtet werden kann, wenn der Kolben gegenüber bekannten Bohrhämmern vergrößert wird und beispielsweise eine Länge von etwa 10 cm bis etwa 60 cm aufweist. In diesen Fällen ist der Druckverlust des im Ringspalt strömenden Antriebsfluides so groß, dass der Kolben ungeachtet der fehlenden Abdichtung zwischen der Mantelfläche 106 und der Innenwand 26 durch das Antriebsfluid mit hinreichender Frequenz und hinreichender Geschwindigkeit bewegt werden kann. Völlig überraschend hat sich gezeigt, dass der Bohrhammer gegenüber bekannten Bohr- hämmern bei Druckverlust und Schlagfrequenz etwa 30 % Vor- teil bietet und auf diese Weise zusammen mit den verlänger- ten Wartungsintervallen einen wesentlich schnelleren Arbeitsfortschritt ermöglicht.
Anhand der Figur 3 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesent- lichen Unterschiede beschränkt. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, ist der hydraulische Wechselschalter 3 nicht Bestand- teil des Zylinders 2 bzw. dessen Gehäuses, sondern wird als separates Bauteil mittels Rohr- oder Schlauchleitungen mit dem Bohrhammer 1 verbunden. Darüber hinaus ist das Gehäuse des Bohrhammers 1 dreiteilig ausgeführt, mit einem oberen Deckel 24, einem unteren Deckel 23 und einem dazwischen befindlichen Zylindergehäuse, in welchem der Zylinder 2 als Durchgangsbohrung gefertigt ist. Nach dem Einlegen des Kolbens 10 kann das Gehäuse des Bohrhammers 1 durch Ver- schrauben und/oder Vernieten und/oder Verschweißen des oberen Deckels 24, des Mittelteils und des unteren Deckels 23 fertiggestellt werden. Im oberen Deckel 24 und im unteren Deckel 23 sind erste Kanäle 215 und zweite Kanäle 225 ausge- bildet, über welche die untere Fluidzuführung 21 und die obere Fluidzuführung 22 realisiert sind. Für den Spülkanal 35 und die untere Fluidzuführung 21 sind darüber hinaus Kanäle in der Zylinderwandung 25 angebracht. Anhand der Figur 4 wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen ver- sehen. In Figur 4 ist der Zylinder 2 nur schematisch darge- stellt. Der Kolben 10, welcher auch Bestandteil der zweiten Ausführungsform ist, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Darüber hinaus kann auch die Ausführungs- form gemäß Figur 4 mit einem mehrteiligen Gehäuse versehen sein, wie vorstehend anhand der ersten Ausführungsform erläutert .
Die zweite Ausführungsform gemäß Figur 4 unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsformen im Wesentlichen dadurch, dass eine Hydraulikpumpe 6 vorhanden ist, mit welcher das Antriebsfluid in einem geschlossen Kreislauf führbar ist. Somit wird bei Aufwärtsbewegung des Kolbens das Antriebsfluid über die untere Fluidzuführung 21 zugeführt. Das gleichzeitig aus dem oberen Teil des Zylinders 2 heraus- gedrückte Antriebsfluid wird über die obere Fluidzuführung 22 abgeführt und einem Sumpf bzw. einem Reservoir zugeführt. Nach Erreichen des oberen Umkehrpunktes wird das Antriebs- fluid durch die Hydraulikpumpe 6 aus dem Reservoir entnommen und über die obere Fluidzuführung 22 dem Zylinder 2 wieder zugeführt. Da der Kreislauf des Antriebsfluides somit in sich geschlossen ist und das Antriebsfluid nicht in die Umgebung entweicht, kann dieses von der Spülflüssigkeit verschieden sein. Beispielsweise kann als Antriebsfluid Wasser ohne darin dispergierte Partikel verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann als Antriebs- fluid ein Alkohol, eine Wasser/Alkohol-Mischung oder ein Hydrauliköl verwendet werden. Hierdurch kann der abrasive Verschleiß der Kolben/Zylinderpaarung reduziert oder die Kühlung verbessert sein.
Die Hydraulikpumpe 6 kann beispielsweise durch einen Elektromotor unter Zufuhr elektrischer Energie angetrieben werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Hydraulikpumpe 6 einen Hydraulikantrieb 61 aufweisen. Der Hydraulikantrieb 61 kann seinerseits durch die Spülflüssig- keit des Bohrloches angetrieben werden. Die Spülflüssigkeit wird dazu durch eine Hochdruckpumpe 65 bereitgestellt. Diese tritt über einen vierten Eingang 34 in den Hydraulikantrieb ein und verlässt diesen über den dritten Ausgang 33 und dient sodann der Spülung des Bohrloches bzw. der Kühlung des Bohrwerkzeuges 4. Die vom Hydraulikantrieb 61 aus der Strömung der Spülflüssigkeit entnommene Energie kann sodann als mechanische Leistung zum Antrieb der Hydraulikpumpe 6 dienen. Die Hydraulikpumpe 6 kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer Zahnradpumpe oder einer Kreiselpumpe oder einer Kolbenpumpe. Der hydraulische Antrieb 61 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Turbine oder eine invers wirkende Zahnradpumpe enthalten.
Anhand der Figuren 5 und 6 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen durch ein hydraulisches Schaltelement 7. Dem hydraulischen Schaltelement 7 wird die Spülflüssigkeit ausgehend von der Hochdruckpumpe 65 über einen Eingang 703 zugeführt. In Abhängigkeit der Stellung des Schaltelementes 7 wird die Spülflüssigkeit entweder über den ersten Ausgang 701 und/oder durch den zweiten Ausgang 702 aus dem hydraulischen Schaltelement 7 abgeführt. Der erste Ausgang 701 mündet in einem zweiten Spülkanal 36, welcher am Schlagwerk des Bohrhammers 1 vorbeiführt und die Spülflüssigkeit direkt zum Bohrwerkzeug 4 leitet. Der zweite Ausgang 702 ist mit dem Schlagwerk des Bohrhammers verbunden und treibt diesen entweder direkt über den hydraulischen Wechselschalter 3 an, wie in Verbindung mit Figur 2 und 3 beschrieben, oder indirekt über einen hydraulischen Antrieb 61, wie in Verbindung mit Figur 4 näher erläutert.
Das hydraulische Schaltelement 7 ist insbesondere dazu vorgesehen, das Schlagwerk des Bohrhammers 1 abzuschalten, während der Bohrhammer in das Bohrloch abgesenkt wird. Gleichzeitig soll das Bohrloch dabei jedoch gespült werden. Beim Aufsetzen des Bohrwerkzeuges 4 am Grund des Bohr- loches 46 schaltet sich das Schlagwerk des Bohrhammers 1 automatisch ein.
Der Aufbau des hydraulischen Schaltelementes 7 wird anhand der Figur 6 näher erläutert. Wie aus Figur 6 ersichtlich ist, enthält das Schaltelement 7 ein zylindrisches Gehäuse 70 mit einem darin gleitend gelagerten Steuer- kolben 75. Das Gehäuse 70 weist einen Zulauf 703 an seiner Oberseite 71 auf. Darüber hinaus weist das Gehäuse 70 zumindest einen ersten Ablauf 701 an einer Seitenwand 72 auf. Darüber hinaus besitzt das Steuerelement 7 zumindest einen zweiten Ablauf 702, welcher innerhalb des Steuer- kolbens 75 angeordnet ist.
Der Steuerkolben 75 ist mit zumindest einer Druckfeder 79 aus dem Gehäuse ausfahrbar. Sofern das Schaltelement 7 axial nicht belastet wird, wird der Steuerkolben durch die Wirkung der zumindest einen Druckfeder 79 aus dem Gehäuse 70 ausge- fahren. In dieser Stellung des Steuerkolbens ist der erste Ablauf 701 freigegeben. Im zweiten Ablauf 702 kann ein Federventil oder ein Drosselventil 77 angeordnet sein, wel- ches am zweiten Ablauf 702 einen erhöhten Strömungswider- stand erzeugt. Hierdurch wird die Spülflüssigkeit über- wiegend oder vollständig durch den ersten Ablauf 701 abge- führt und über die zweite Spülleitung 36 zum Bohrwerkzeug 4 geleitet .
Wenn das Bohrwerkzeug 4 über die Stirnseite 465 beim Auf- setzen am Grund des Bohrloches 46 axial belastet wird, wird auch das hydraulische Schaltelement 7 axial belastet. Hierdurch wird der Steuerkolben 75 in das Gehäuse 70 eingeschoben, bis dieser den ersten Ablauf 701 verschließt. Sodann tritt die über den Zulauf 703 zugeführte Spülflüssigkeit ausschließlich oder überwiegend durch den zweiten Ablauf 702 aus und setzt das Schlagwerk in Gang. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die darge- stellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be- schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus- führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Die Forschungsarbeiten, welche zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.

Claims

22
Ansprüche Bohrhammer (1) mit zumindest einem Zylinder (2), in welchem zumindest ein Kolben (10) axial zwischen einer oberen und einer unteren Endlage verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder (2) zumindest eine untere Fluidzuführung (21) aufweist, welcher ein Antriebsfluid zyklisch zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) mit einem oberen Deckel (24) und einem unteren Deckel (23) verschlossen ist, wobei der Kolben (10) in der unteren Endlage auf einer Innenseite (231) des unteren Deckels (23) aufliegt und zwischen der gesamten Mantelfläche (106) des Kolbens (10) und der Innenwand (26) des Zylinders (2) ein Ringspalt (5) ausgebildet ist. Bohrhammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (5) eine Spalthöhe H aufweist, welche größer ist als H = 2•(Ra,Zylinder + Ra,Kolben)+ 3•DPartikel , wobei Ra,Zylinder und Ra,Kolben die Mittenrauwerte der Mantelfläche (106) des Kolbens (10) und der Innenwand (26) des Zylinders (2) bezeichnen und DPartikel die maximale Partikelgröße im Antriebsfluid bezeichnet. Bohrhammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die untere Fluidzuführung (21) als erster Kanal (215) ausgebildet ist, welcher durch den oberen Deckel (24) und eine Zylinderwandung (25) und den unteren Deckel (23) geführt ist und/oder dass eine obere Fluidzuführung (22) vorhanden ist, welche als zweiter Kanal (225) ausgebildet ist, welcher durch den oberen Deckel (24) geführt ist. Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin enthaltend einen Spülkanal (35), durch welchen das Antriebsfluid aus dem Zylinder (2) austragbar ist. Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Außenseite (232) des unteren Deckels (23) mit einem Bohrwerkzeug (4) in Kontakt steht und/oder dass keine mechanische Verbindung (101) zwischen dem Kolben (10) und dem Bohrwerkzeug (4) besteht. Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Ringspalt (5) eine Spalthöhe von etwa 45 pm bis etwa 1500 pm oder von etwa 50 pm bis etwa 500 pm oder von etwa 500 pm bis etwa 1000 pm aufweist. Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Kolben (10) eine Länge von etwa 10 cm bis etwa 60 cm oder von etwa 20 cm bis etwa 40 cm oder von etwa 40 cm bis etwa 60 cm aufweist. Bohrhammer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Druckverlust dPSpalt des Antriebs- fluides im Ringspalt (5) bei Betrieb des Bohrhammers (1) größer ist als der Quotient der Gewichtskraft Fg des Kol- bens (10) und der Querschnittsfläche A des Kolbens (10), d.h.
Figure imgf000025_0001
Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin enthaltend eine Hydraulikpumpe (6), welche dazu eingerichtet ist, das Antriebsfluid in den Zylinder (2) zu fördern oder weiterhin enthaltend eine Hydraulikpumpe (6), welche dazu eingerichtet ist, das Antriebsfluid in den Zylinder (2) zu fördern und welche durch eine Spülflüssigkeit antreibbar ist. Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin enthaltend ein Schaltelement (7), welches ein zylin- drisches Gehäuse (70) mit einem darin gleitend gelagerten Steuerkolben (75) aufweist, wobei das Gehäuse (70) einen Zulauf (703) auf einer Oberseite (71) des Gehäuses (70) und einen ersten Ablauf (701) an einer Seitenwand (72) des Gehäuses (70) aufweist, wobei der Steuerkolben (75) mit einer Druckfeder (79) aus dem Gehäuse (70) ausfahrbar ist, so dass der erste Ablauf (701) freigegeben wird und der Steuerkolben (75) bei axialer Belastung gegen die Federkraft der Druckfeder (79) einfahrbar ist, so dass der erste Ablauf (701) durch den Kolben verschlossen wird, wobei das Steuerelement (7) weiterhin einen zweiten Ablauf (702) aufweist, welcher innerhalb des Steuerkolbens (75) angeordnet ist und welcher mit einem Feder- oder Drossel- ventil (77) versehen ist. Bohrhammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Ablauf (701) ein Spülkanal (35) angeschlossen ist und der zweite Ablauf (702) über einen hydraulischen Wechselschalter (3) mit der oberen und der unteren Fluid- zuführung (22, 21) gekoppelt ist. Verfahren zum Tiefbohren mit einem Bohrhammer (1) mit zumindest einem Zylinder (2), in welchem zumindest ein Kolben (10) axial zwischen einer oberen und einer unteren Endlage verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder zumindest eine untere Fluidzuführung (21) aufweist, welcher ein Antriebsfluid zyklisch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet , dass der Zylinder mit einem oberen Deckel (24) und einem unteren Deckel (23) verschlossen ist, wobei der Kolben (10) in der unteren Endlage auf einer Innenseite (231) des unteren Deckels (23) aufschlägt und zwischen der gesamten Mantelfläche (106) des Kolbens (10) und der Innenwand (26) des Zylinders (2) ein Ringspalt (5) ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsfluid alternierend über die untere Fluidzu- führung (21) und eine obere Fluidzuführung (22) zugeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsfluid dem Zylinder mit einem Druck dPSpalt zugeführt wird, welcher größer ist als der Quotient der Gewichtskraft des Kolbens Fg und der Querschnittsfläche A des Kolbens, d.h.
Figure imgf000027_0001
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Antriebsfluid eine Spülflüssigkeit ist, welche über einen Spülkanal (35)aus dem Zylinder (2) ausgetragen wird. .Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsfluid durch eine Hydraulikpumpe (6) gefördert wird, welche durch die Spülflüssigkeit angetrieben wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Bohrhammer (1) weiterhin ein Schaltelement (7) enthält, über welches die Spülflüssig- keit zugeführt wird, wobei der Bohrhammer (1) unter Zufuhr von Spülflüssigkeit funktionslos in ein Bohrloch (46) abgesenkt wird und bei erreichen eines Bohrlochgrundes (465) eingeschaltet wird.
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