JP2003519304A - 誘導ボアホール継続用のボーリング時に計測を行う送信器(swb)を搭載したボーリング非開削動力装置 - Google Patents

誘導ボアホール継続用のボーリング時に計測を行う送信器(swb)を搭載したボーリング非開削動力装置

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JP2003519304A
JP2003519304A JP2001549881A JP2001549881A JP2003519304A JP 2003519304 A JP2003519304 A JP 2003519304A JP 2001549881 A JP2001549881 A JP 2001549881A JP 2001549881 A JP2001549881 A JP 2001549881A JP 2003519304 A JP2003519304 A JP 2003519304A
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Abstract

(57)【要約】 ゾンデ(108)の補助により穴の進行を監視して追跡することを可能にして、穿孔時の計測の精度を改善した水平方向掘削用ボトムホールアセンブリ(10)。一つの実施例では、ゾンデ(108)は、ベアリングマンドレル(18)を囲むマッドモータ(12)のハウジング部(41)の壁に収納される。別の実施例では、ゾンデ(108)はベアリングマンドレルハウジング(18)を囲むカラー(126)の壁に支持され、もう一つの実施例では、ゾンデ(108)はベアリングマンドレル(18)とビット(11)の間のアダプタ(131)に支持される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本願は、2000年7月4日に出願された米国仮出願番号60/174,48
7および2000年5月9日に出願された米国仮出願番号60/203,040
の優先権を主張するものである。
【0002】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水平方向掘削、特に、前記掘削技術用のボトムホールアセンブリの
改良に関する。
【0003】
【従来の技術】
水平方向掘削方法はよく知られており、従来の開削工程と比較して多くの長所
がある。掘削時に穴の進路をより正確に監視および誘導することは、依然として
要求されている。この要求は特に、既存の配管がそれぞれの敷設記録や「施工」
記録に対してしばしば不正確に敷設されている、公共設備地役権などの発生する
回廊地帯では緊急性がある。
【0004】 本書で使用される用語「ゾンデ」および「監視/追跡装置」とは、非開削業界
で周知のボアホールを監視および追跡する計測装置を意味する。用語「ボーリン
グ装置」とは、ロックトリコーンドリル用ビット、多結晶ダイアモンド(PDC
)ビット、またはその他の業界で知られているドリルまたはボアホールを延長す
る装置を意味する。最後に、用語「非開削動力装置」および「マッドモータ」と
は、業界で一般的に知られているドリルパイプ/ドリルストリングをある種のド
リルリグにより回転させることなく、ボーリング装置を回転させてホールまたは
ボアを継続する業界で一般的に知られている装置に関する。
【0005】 既知の水平方向掘削用ボトムホールアセンブリは、一般的に、自身の(水平方
向からの)ピッチ、位置記録(水平軸に対して、例えば12時を基準として、時
計方向または反時計方向への揺れ)、および深度を示す電磁的な信号を伝達する
ゾンデを備える。このゾンデはまた、回廊地帯を受信器または検出器で掃引する
人に、指定された回廊地帯のゾンデの水平および垂直位置を特定することを可能
にする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
現在の工具技術の限界により、送信器/誘導システム、またはゾンデは通常、
非開削動力装置を使用する際に、ボーリング装置から相当の距離を置いて配置さ
れている。ゾンデは、ボーリング装置の約20フィートから約50フィートの間
でのみ配置可能である。これは、非開削動力装置が一般的に、ゾンデを組み込ん
で設計されていないことに原因がある。ゾンデとボーリング装置の間の距離は、
特に穿孔経路に関するパラメータがとても制限されている仕事を担当する場合、
公共事業の穿孔担当者にとってとても大きな問題となる。
【0007】 ゾンデは、ボーリング装置から20フィート+後方にあるゾンデの位置を示す
信号を発信する。この種の穿孔は、後部座席からリアウインドウを見ながら車を
前方方向に運転するようなものとして説明されている。穿孔担当者には、現在穿
孔しているところではなく、すでに穿孔されたところしか「見え」ない。これは
、ボーリング装置が進路をはずれ、指定された回廊地帯の外をボーリングし始め
た場合に大きな問題となる。作業者はボーリング装置が進路を20フィート+は
ずれるまでこの問題が起こったかどうか気付くことはない。作業者はが、ボーリ
ング装置が進路に戻るように操縦したかどうかを見るために長く待っている間、
ボーリング装置がさらに進路をはずれて進む場合もある。これは、穿孔担当者が
ケーブル配線、ガス管などを破壊するリスクの原因となり、そのような破壊が発
生した場合、費用がかかるだけでなく、危険も伴うことになる。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ゾンデを非開削動力装置またはマッドモータの先頭部に搭載した水
平方向掘削用改良型ボトムホールアセンブリを提供する。好適な実施例では、ゾ
ンデは、ベアリングマンドレルまたはビット駆動シャフトを囲む非開削動力装置
のハウジングの壁に形成されたポケットに配置される。より詳細には、ゾンデを
収納するポケットは、マンドレルを支持するスラストベアリングとマンドレルと
動力部を結合するフレックスシャフト伝達との間に軸方向に形成される。このよ
うにゾンデを前方に配置することにより、穴をボーリングしている際の計測の精
度を大幅に改善し、目的の経路にある重要な配管と穴の位置の特定を容易にする
【0009】 ここに開示されたゾンデを搭載する配置は、ゾンデを時計方向に適当な調整す
ることを可能にし、一定の柔軟性を有し、作動時にゾンデに伝達される振動の力
を制限する。
【0010】 この他にゾンデを搭載する構造物が開示されている。これらの構造物はそれぞ
れ、比較的ボーリング装置の近くにゾンデを配置することを可能にしているため
、従来技術よりも精度を改善している。
【0011】
【発明の実施の形態】
特に図1、2A−2D、5、および6の図面で、掘削方向は左側に向かうもの
とし、左側方向の構成要素は掘削方向からみて前方部分と呼ぶこともある。反対
に、それらの構成要素の後方または後尾端部は右側に示される。ボーリングが垂
直に行われる場合、前方方向は下方方向であってもよく、後方方法は上方方向で
あってもよい。
【0012】 図1に示されるように、ボトムホールアセンブリ10はボーリング装置または
ビット11と、前方端部にビット11を搭載した非開削動力装置またはマッドモ
ータ12と、から構成される。ドリルストリング13はマッドモータ12の後尾
端部に従来の方法で結合されている。
【0013】 マッドモータ12は、図2A−2Dに示されるように、中心にスルーボア19
が形成された中空円筒形ベアリングマンドレル18を備えている。ビット11は
、ベアリングマンドレル18の前方端部に形成されたビットボックス21に結合
されている。このため、ベアリングマンドレル18はビット11を駆動して回転
させ、ドリルストリング13からの推力を伝達する。
【0014】 その前方端部22に隣接して、ベアリングマンドレル18は下部管状円筒形ハ
ウジング23に一組のラジアルベアリング24により回転可能に支持されている
。ベアリングマンドレル18の円錐形段付き部28は、ラジアルリング31の円
錐形穴29に受けられている。リング31の放射状の面は隣り合う一組のラジア
ルベアリング24の一つに隣接するように配置されている。下部または前方部ハ
ウジング23の雄ネジ36は、雌ネジ38で伸長中空円形外部ハウジング41の
前方端部39に結合している。
【0015】 スラストベアリングの組44、46は環状フランジ48のそれぞれ反対側にキ
ャリアナット47で組み立てられている。キャリアナット47はベアリングマン
ドレル18の外部のネジ部49にネジ込まれている。キャリアナット47は位置
決めネジ51により、フランジ48の周囲に間隔を置いてベアリングマンドレル
18の所定の位置に固定されている。
【0016】 登録商標DUョで市販されている材料などから構成される適当な自動注油材の
スリーブベアリング53は、外部ハウジング41に形成されたカウンタボア54
に受けられ、ベアリングマンドレル18の中部および後尾部の長さにわたって回
転可能に支持する働きをしている。周囲の外部ハウジング41の囲む長手方向の
ボア56は、ベアリングマンドレル18の主な長さにわたってクリアランスを与
えている。
【0017】 環状ピストン59は外部ハウジング41のカウンタボア61のマンドレル18
の後方部分を浮動する。ピストン59は、ベアリング53、44、46の環状区
域の油を保持する。円形ベアリングアダプタ62はベアリングマンドレル18の
後部にネジ込まれている。アダプタ62の周囲に分散された複数のホール63が
斜めに穿孔するなどして、アダプタに形成され、その外部からアダプタの中央ボ
ア64へ泥を流す。示されているように、中央ボア64は、直接ベアリングマン
ドレル18のボア19に直接連通している。ベアリングアダプタ62は、外部ハ
ウジング41の後方部のカウンタボア67に組み立てられたスリーブタイプのマ
リンベアリング66に回転するように放射状に支持されている。部品68は冷却
用に泥がマリンベアリング66を介して流れるようにしている。
【0018】 フレックスシャフト71はロータアダプタ72をベアリングアダプタ62に回
転可能に結合している。フレックスシャフト71のそれぞれの端部には、ベアリ
ングアダプタ62のスカート部76またはロータアダプタ72のスカート部77
に軸方向に延在する溝とフレックスシャフトの窪みに固定された、フレックスシ
ャフトの周囲上に間隔を開けて位置する複数のボール74から構成される低速ユ
ニバーサルジョイント73が備えられている。各カップリングまたはユニバーサ
ルジョイント73はさらに、フレックスシャフトの軸上にボール78と、それぞ
れのベアリングアダプタ62またはロータアダプタ72に受けられたボールシー
ト79を備えている。各ユニバーサルジョイント73は、各スカート76、77
にねじ込まれたボンネット81を有し、ジョイントまたはカップリング73をア
センブリに保持している。円筒形ラバー弾性スリーブ82がボンネット81のそ
れぞれの中に配置されており、ボール74、78のエリアのグリースを保持し、
このエリアから汚染物を排除している。円筒形環状フレックスハウジング84は
フレックスシャフト71を覆い、ジョイント86後部へのねじ込みによって外部
ハウジングの後方端部に固定されている。フレックスハウジング84は中央面8
7で、その後方端部の中央軸がその前方端部の中央軸と、小さな角度、例えば2
°ずれるように湾曲している。その後方端部では、フレックスハウジング84は
、マッドモータ12の動力部89のステータまたはハウジング88にネジ込みジ
ョイント91により固定されている。ステータ88は中空の内部に溝が付いた部
材で、その内部では外部に溝が付いたロータ92が動作する。ステータ88とロ
ータ92により形成される動力部89の構成と動作は一般的に知られている。ロ
ータアダプタ72は、ロータ92の前方端部にネジ込まれ、これらの部材を一緒
に回転可能に結合している。ドリルストリング13はアダプタにより、あるいは
アダプタを使用せずに、ステータの後方端部にネジ込まれている。フレックスシ
ャフト71はロータ92の回転および軌道運動をベアリングマンドレル18の単
純な回転に変換している。
【0019】 特に図3および4で、外部ハウジング41は、スラストベアリングユニット4
4、46の後方のポケットまたは伸長リセス101に形成されている。ポケット
101は、外部ハウジング41の壁をハウジング41の長手方向軸に横断する図
4の面で90°の角度でフライス加工、または切り出す。ポケット101の周囲
は比較的に浅いシートまたはリセス102で、ハウジング41の壁と同様に切り
出されている。図4の面を見ると、このシートはハウジングの軸と中心を同じく
した円筒形の弓形の面103と放射状に延在する面104を有している。
【0020】 ポリウレタンまたはその他の適当な材料のラバー弾性サルコファラガス106
は、一般的にポケット101の表面に適合した外部表面を有している。サルコフ
ァガス106は円形のボトムスロット107とともにゾンデ108を収納するよ
うに構成されている。より詳細には、スロット107は、市販の標準的な寸法の
ゾンデ、たとえば、直径1−1/4インチ長さ19インチ、を収納するようにな
っている。サルコファガスは、スロットとともに、直径1インチ、長さ8インチ
の他の標準サイズのゾンデを取り付けるように構成されてもよいし、あるいは、
第二のサルコファガスを備えて小型のゾンデの有効な寸法を大型サイズの寸法ま
で大きくしてもよい。スチール製またはその他の適当な材料からなる弓形のカバ
ープレート109はシート102のエリアに嵌合して、ゾンデ108を覆う、す
なわち掘削工程時に破損しないように保護するようになっている。カバー109
は、シート102に取り付けられた場合に、ポケットまたはスロット101を覆
うハウジング41の外部円筒形面の半径と同じ半径をもつ外部円筒形面111を
形成するようになっている。カバー109は、複数の長手方向のスロット112
を備えており、ゾンデ108から送信された電磁信号が通過できるようになって
いる。汚物がポケット101に入り込むことや、またはゾンデ108にまで到達
することのないように、スロット112はエポキシなどの非金属材料が充填され
ている。さらに、ゾンデが信号を広角度で送信できるようにするため、ハウジン
グ41本体には、ホール113が穿孔されており、それらのホールはエポキシな
どの非金属の充填材で充填されている。浅い溝114は、ポケット101の周り
の面103の一般的に四角いパターンに切り込まれており、Oリングシールを受
けている。
【0021】 サルコファガスの円形のボトムスロットまたは溝107は、ゾンデ108を摩
擦嵌合するような寸法になっている。これは、ゾンデ108が長手方向の軸に回
転または揺れることができるようにして、フレックスハウジング84の湾曲した
面と比較した角度方向を登録することにより、「位置記録」するようにしている
【0022】 カバーまたはプレート109は、カバーのスルーホール118に組み込まれた
複数のスクリュ117によりゾンデ108の上部の位置に保持され、外部ハウジ
ング41に形成されたネジ穴119に合わせられる。ネジ穴118、119は、
カバー109表面の周囲に分散されている。O−リング116はカバー109の
内側表面に向かい合って、掘削作業中にポケット101に汚物が入り込まないよ
うに密封する。
【0023】 スクリュ117がカバーをシート表面103に向かい合わせて密接に締め付け
ると、サルコファガス106は、ゾンデ108の周りがカバー109により押し
込められるような寸法になっている。こうしてサルコファガス106が押し込め
ることにより、ゾンデはしっかりと保持され、ゾンデは調整されて「位置記録」
された位置に固定されるようになる。サルコファガス106のラバー弾性特性は
、カバー109により押し込まれた時にゾンデを弾力的に保持することができる
だけでなく、掘削作業時に発生する過度の衝撃の力からゾンデ108を緩衝する
働きをすることもできる。
【0024】 ゾンデ108用に弾力性を持った他の構造物を搭載することも考えられる。例
えば、ゾンデ108をポケット101に配置し、その上を覆うように弾性スチー
ルを配置することによりゾンデをポケット101に保持することもできる。スト
ラップは適当なスクリュまたはその他の部品により所定の場所に保持することが
できる。
【0025】 マッドモータ12が動作すると、ステータ88とロータ92の間を通過する泥
または水はマッドモータの伝達部およびベアリング部を介して、フレックスハウ
ジング84、外部ハウジング41、下部ハウジング23に向かい、ビット11に
供給される。より詳細には、泥はフレックスシャフト71とフレックスハウジン
グ84の内部ボア120の間の環状部を介して流れる。この環状部から、泥は環
状に穿孔されたホール63を介してベアリングアダプタの中央ボア64に入る。
泥はこのボア64から軸方向ボア19を介してベアリングマンドレル18に入る
【0026】 上述の記述から、ゾンデがメインハウジング部、すなわち、外部ハウジング4
1の壁に収納される、開示された配列は、最小のハードウェアで複雑な構成を必
要とせずに、ビットのとても近くにゾンデを配置することが可能であることが理
解できる。これから、動力部89からビット11への泥の流れは制限されること
はなく、さらに伝達部の直径を、必須のベアリングおよびその他の構成要素が必
要とする長さよりもさらに延長することも不要であることも理解できる。ゾンデ
108をビット11の近くに配置することにより、従来技術よりもはるかに高い
精度で掘削作業の進行を監視、追跡することが実現される。
【0027】 パイプストリングをその希望する経路に沿って操縦するようにマッドモータを
操作することは当業者には自明である。一般的に、ボアの方向を調整する場合、
ビットが必要な調整された方向を指すようにドリルストリングを回転させる。ビ
ットの位置はゾンデにより地上の受信者に送信される。マッドモータがビットを
回転している間、ドリルストリングは回転に対して保持され、ドリルストリング
は、前方に押し出され、ボアの方向を向け直す。開示されたマッドモータは、前
方部部分にスラストベアリング44の組を備えたことにより、独自の機能が可能
になっている。これらのベアリング44は、ドリルストリングが穴から引き抜か
れている時にビット11を回転させ、この引き抜き作業の間、穴拡張装置により
、穴が都合のいいように広がるようにしている。
【0028】 図5および6は、本発明の追加の実施例を示している。図1−4の実施例に関
連して説明したものと類似した部品には同じ番号を付けている。図5は、ゾンデ
108を収納する管状円筒形カラー126が、図1−4の実施例の外部ハウジン
グ41に対応するハウジング127の周りに備えられている。カラー126はス
チールまたはその他の適当な材料により作られている。カラー126は、カラー
126の壁にねじ込まれ、ハウジング127の壁に穿孔されたブラインドホール
129に受けられている位置決めネジ28によりハウジング127に対して長手
方向に角度をもって固定されている。ゾンデ108はサルコファガス106に収
納され、カバー109により前述のように保護されている。カラー126は、位
置決めネジ28の他にも、その他の様々な技術を応用して、ハウジング127に
固定することができる。カラー127は、例えば、雄ネジや、ストップショルダ
を備えたハウジングの場所で、ハウジング127にねじ込むことができる。もう
一つの技術として、カラー126をハウジング127に溶接することもできる。
望ましい場合、または必要な場合、ゾンデ108はカラー126の軸と同一直線
上の穴に組み込み、一方の端部を開けておくことができる。使用中は適当な栓で
閉じておくことができる。
【0029】 図6は、本発明のもう一つの実施例を示している。ベアリングマンドレル18
とビット11の間にカプラ131が配置されている。カプラ131は、ビットボ
ックス21と対になる雄ネジと、ビット11を受ける雌ねじを有している。カプ
ラ131にはゾンデ108を受けるポケット101が形成されている。カプラ1
31は泥をベアリングマンドレル18からビット11に伝える中央ボアがある。
望ましい場合、一面の開いたポケット101の変わりに、軸方向に向かった穴を
用いてゾンデを収納することができ、その穴は適当な栓で閉じておく。さらに、
望ましい場合、ゾンデをカプラ131の中央に配置し、ウォーターコルセットま
たは注水口を穿孔するか、あるいはカプラを介して軸方向に設け、ゾンデに対し
て周囲方向に間隔を開けて、泥がカプラを介して通過できるようにする。
【0030】 本発明を特定の実施例について示し、記載してきたが、本書は、限定すること
ではなく、説明することを目的としており、当業者には、本発明の意図された精
神と範囲の中で、本書に示され、記載された個別の実施例のその他の変形態様ま
たは修正態様も明らかである。従って、本特許は本書に示し、記載された個別の
実施例の範囲および効果に限定されることはなく、決して、本発明により導かれ
る技術の進歩の範囲と矛盾するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ボトムホールアセンブリと、ドリルストリングの一部の側面図。
【図2A】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図2B】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図2C】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図2D】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図3】 マッドモータとゾンデの一部の部分透視組立図。
【図4】 図2Bの図を4−4で示される面で切ったマッドモータの横断断面図。
【図5】 本発明に従った第二の実施例の、部分的に断面を含んだ側面図。
【図6】 本発明に従った第三の実施例の、部分的に断面を含んだ側面図。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成14年1月8日(2002.1.8)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) E21B 47/18 (31)優先権主張番号 09/617,189 (32)優先日 平成12年7月14日(2000.7.14) (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AL,AM,AT, AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,C H,CN,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,EE ,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR, HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,K P,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU ,LV,MA,MD,MG,MK,MN,MW,MX, NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,S G,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ ,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 リチャーズ ダニエル ジェイ. アメリカ合衆国 ワイオミング州 82604 キャスパー アロヨ ドライブ 3300 Fターム(参考) 2D029 DA02

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 前方端部にビットを搭載した、軸方向に延在するベアリングを含むマッドモー
    タと、 湾曲したハウジングを有した伝達部および動力部と、 前記ベアリング部に回転可能および軸方向に支持された軸方向に延在するベア
    リングマンドレルと、 その位置とその位置に関するその他のデータを電磁信号として地上に発する、
    前記ビットと前記動力部の間のボトムホールアセンブリに位置するゾンデと、か
    ら構成され、前記ベアリング部と前記動力部は、それぞれ軸を有し、それらの軸
    はお互いに小さい角度を形成し、前記ビットは、前記ベアリングマンドレルによ
    り担持され、前記伝達部は前記動力部からトルクを前記ベアリングマンドレルに
    伝達して、前記ビットを回転するように駆動することを特徴とする水平掘削用ボ
    トムホールアセンブリ。
  2. 【請求項2】 前記ゾンデが前記ベアリングマンドレルの端部により限定された空間内に位置
    することを特徴とする請求項1に記載のボトムホールアセンブリ。
  3. 【請求項3】 前記ベアリング部が、軸の周りに回転し、外部半径を有した前記ベアリングマ
    ンドレルを回転可能に支持するベアリングを備え、前記ゾンデが前記ベアリング
    の前記外部半径により制限される区域に配置されることを特徴とする請求項1に
    記載のボトムホールアセンブリ。
  4. 【請求項4】 前記ゾンデが前記ベアリングの後方にあることを特徴とする請求項3に記載の
    ボトムホールアセンブリ。
  5. 【請求項5】 ベアリング部、伝達部、動力部から構成される水平方向掘削用マッドモータに
    おいて、前記ベアリング部は、ビットを駆動するシャフトと、前記シャフトを放
    射状および軸方向に支持するベアリング構造物とを備え、前記動力部は、ドリル
    ストリングから受ける泥の流体力により、動作するロータを備え、前記伝達部は
    、前記動力部の前記ロータからの力を前記シャフトに伝達し、前記ベアリング部
    、伝達部、動力部は、それぞれを囲むハウジングエリアを各々有し、前記動力部
    の前方のハウジングエリアにゾンデが担持されることを特徴とするマッドモータ
  6. 【請求項6】 前記ベアリング部に対応する前記ハウジングエリアは前記シャフトを囲み、前
    記シャフトを囲むハウジングエリアはポケットを形成する壁を有し、前記ゾンデ
    は前記ポケットに配置されることを特徴とする請求項5に記載のマッドモータ。
  7. 【請求項7】 前記シャフトを囲むハウジングエリアに取り外し可能に固定された前記ゾンデ
    を保護する、前記ポケットを覆うカバーを備えたことを特徴とする請求項6に記
    載のマッドモータ。
  8. 【請求項8】 前記カバーは、前記シャフトを囲むハウジングエリアにねじ込まれた複数のス
    クリュにより前記囲むハウジングエリアに固定されていることを特徴とする請求
    項7に記載のマッドモータ。
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