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 •(R _a,Zylinder + R _a,Kolben )+ 3•D _Partikel , wobei R _a,Zylinder und R _a,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 dP _Spalt des Antriebsfluides im Ringspalt bei Betrieb des Bohrhammers größer sein als der Quotient der Gewichts- kraft F _g des Kolbens und der Querschnittsfläche A des

Kolbens, d. h. . Die auf den Kolben einwirkende

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 •(R _a,Zylinder + R _a,Kolben )+ 3•D _Partikel , wobei R _a,Zylinder und R _a,Kolben die Mittenrauwerte der Mantelfläche 106 des Kolbens 10 und der Innenwand 26 des Zylinders 2 bezeichnen. D _Partikel 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.