JP2021532321A - 多結晶ダイヤモンドラジアル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】多結晶ダイヤモンド要素を含むラジアル軸受組立体を提供する。【解決手段】ラジアル軸受組立体は、各々が対向する係合面とスライド係合した係合面を有する多結晶ダイヤモンド要素を含む。対向する係合面は、ダイヤモンド反応性材料を含む。ラジアル軸受組立体は、ロータ及びステータ組立体内に含む、様々な構成要素及び用途において展開することができる。ラジアル軸受組立体の使用方法、並びにラジアル軸受組立体を設計する方法も提供される。【選択図】図１

Description

本開示は、ラジアル軸受、ラジアル軸受を含む装置及びシステム、並びにその使用方法に関する。

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年７月３０日出願の米国特許出願第１６／０４９，６０８号（係属中）の利益を主張するものであり、この全体が引用により本明細書に組み込まれる。

本出願は、２０１７年２月１０日に出願され且つ本出願と同じ譲受人である、名称が「Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ」の米国特許出願第１５／４３０，２５４号の関連出願であり、当該特許出願は全てが記載されたように全体が本明細書に組み込まれる。本出願はまた、名称が「Ｒｏｌｌｅｒ Ｂａｌｌ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｅｒｈａｒｄ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」である同時出願の米国特許出願、名称が「Ｃａｍ Ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｗｉｔｈ Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄ Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ」である同時出願の米国特許出願、及び名称が「Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｔｈｅｒｅｏｆ」である同時出願の米国特許出願の関連出願であり、これらの各々は本出願と同じ譲受人に譲受され、全てが記載されたように全体が本明細書に組み込まれる。

（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
適用せず。

ラジアル軸受は、工具、機械、及び荷重を担うための構成要素において使用されている。炭化タングステンによって担持されるか又は担持されない熱的に安定した多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）及び多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ又はＰＣＤ）は、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、クロム、マンガン、銅、チタン、又はタンタルを含む、微量を超えるダイヤモンド触媒又は溶媒元素を含む鉄ベース金属及び他の金属、金属合金、複合材料、表面硬化、コーティング又はめっきを含む、ダイヤモンド反応性材料の機械加工での使用には禁忌であるものと見なされてきた。更に、多結晶ダイヤモンドの使用のこの従来の禁忌は、微量を超えるダイヤモンド触媒又は溶媒元素を含有する鉄ベース超合金、コバルトベース超合金、ニッケルベース超合金を含む、いわゆる「超合金」にまで広がっている。このような材料の機械加工において通常使用される表面速度は、典型的には、約０．２ｍ／ｓ〜約５ｍ／ｓの範囲である。これらの表面速度は、特に高くはないが、切削先端などで発生する荷重及びそれに伴う温度は、ダイヤモンドの黒鉛化温度（すなわち、約７００℃）を超えることが多く、ダイヤモンド触媒又は溶媒元素が存在する場合には、構成要素の急激な摩耗及び故障につながる可能性がある。理論に縛られることなく、特定の故障メカニズムは、機械加工中である炭素誘引材料との炭素含有ダイヤモンドの化学的相互作用に起因すると考えられている。金属もしくは合金を含むダイヤモンド触媒又は溶媒機械加工のための多結晶ダイヤモンドの禁忌に関する例示的な参考文献は、米国特許第３，７４５，６２３号明細書であり、その全体が引用により本明細書に組み込まれる。ダイヤモンド触媒又はダイヤモンド溶剤含有材料を機械加工するための多結晶ダイヤモンドの禁忌は、このような材料との全ての接触用途での多結晶ダイヤモンドの使用の回避を長期にわたり引き起こしてきた。

非鉄超硬材料と又はより一般的には緊密に適合された相補的な多結晶ダイヤモンド面と嵌合する多結晶ダイヤモンドを含む面を有する多結晶ダイヤモンドラジアル軸受が開発されてきた。本明細書で使用する場合、「超硬材料」は、炭化タングステン（例えば、超硬炭化タングステンタイル又は炭化タングステンタイル）と少なくとも同程度の硬質の材料である。超硬材料又は適合する多結晶ダイヤモンドと接触する多結晶ダイヤモンドラジアル軸受に関する例示的な参考文献は、ＭｃＰｈｅｒｓｏｎに付与され、Ｓｍｉｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社に譲受された米国特許第４，７６４，０３６号であり、この全体が引用により本明細書に組み込まれる。当業者には理解されるように、硬度は、ＡＳＴＭ Ｅ１０−１４によるなど、ブリネルスケールを使用して決定することができる。

いわゆる高性能多結晶ダイヤモンド軸受は、ダウンホール掘削及びポンピング環境又は風力タービンのエネルギーユニットなどの過酷な環境向けに特別に設計され、スライドし嵌合した重なり合う多結晶ダイヤモンド要素を利用する。これには、多数の多結晶ダイヤモンド要素が必要であり、各々が厳格な外側輪郭で成形される。例えば、ロータに取り付けられた多結晶ダイヤモンド要素は、ロータの外径に実質的に適合された凸状の外側輪郭で成形される。ステータ多結晶ダイヤモンド要素は、ステータの内径に実質的に適合された凹状の外側輪郭で成形される。多結晶ダイヤモンド要素のこの成形は、厳しい精度を必要とし、高価であり、例えば、放電加工（ＥＤＭ）、レーザー又はダイヤモンド研削を用いた切削を必要とする。そのため、多結晶ダイヤモンド要素は、嵌合スライド係合を確保するために、正確な場所に、正確な位置合わせで、及び正確に規定された高さ又は暴露で取り付ける必要がある。このような構成要素の目標は、軸受領域としての多結晶ダイヤモンド要素の全面接触である。従って、このような多結晶ダイヤモンド要素を作製するのに使用されるプロセスは、費用及び時間がかかり、ばらつきの有意な機会が部品の廃棄を生じさせる。位置合わせ及び／又は暴露の不良は、多結晶ダイヤモンド要素が互いに回転して破損した要素を生成し、最終的には軸受故障を生じるので、いわゆる「エッジ衝突」を引き起こす可能性がある。

多結晶ダイヤモンドを利用する安価なラジアル軸受が提案されており、ここで、曲線輪郭の多結晶ダイヤモンド要素のほぼ完全な円周方向のアレイが、ロータ上に取り付けられ、超硬材料は、ステータ上に取り付けられる。この手法では前述の手法よりも必要な多結晶ダイヤモンド要素が少ないが、それでも依然としてロータ搭載要素の曲線輪郭形成が必要である。加えて、このようないわゆる超硬材料は、本明細書で開示されるダイヤモンド反応性材料よりも脆性であり、衝撃損傷を生じやすい。

本出願の技術の背景に関する情報を提供する追加の重要な参考文献は、「Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒｉｃｔｉｏｎ， ｐａｒｔ １： Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅ」及び「Ｐａｒｔ ２， Ｍａｔｅｒｉａｌ ｒｅｍｏｖａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ」（２００５及び２００６）という表題のＭａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ４６及び４７のＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌから提供される。これらの参考文献は、炭素誘因スチールディスクを使用した荷重下での乾式スライド接触を利用したＰＤＣ面の動的摩擦研磨について報告している。これらの参考文献の重要な知見は、研磨速度が荷重よりもスライド速度に敏感であること、並びにダイヤモンド表面の表面仕上げが改善されるにつれて、スチールディスクとダイヤモンド表面の間の熱化学反応の速度が大幅に低下することを示している。著者らは、Ｉｗａｉ， Ｍａｎａｂｕ ＆ Ｕｅｍａｔｓｕ， Ｔ ＆ Ｓｕｚｕｋｉ， Ｋ ＆ Ｙａｓｕｎａｇａ， Ｎ． （２００１）、「Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ＰＣＤ ｗｉｔｈ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｄｉｓｃ」、ＩＳＡＡＴ２００１の講演論文集、２３１−２３８を参照し、ここでは、スチールディスクとＰＤＣ面の間の熱化学反応は、２７ＭＰａの圧力で１０．５ｍ／ｓ未満のスライド速度では発生しないと結論付けている。これらの参考文献は、全て記載されているかのように、引用により本明細書に組み込まれる。上記の数値は空気中での乾燥稼働に基づいていることを強調しておく必要がある。明らかに、液冷、潤滑環境での稼働の場合、熱化学反応を開始することなく、より高い速度及び荷重を達成することができる。また、研磨された多結晶ダイヤモンド面の熱化学応答が低いことも注目に値する。銅及びチタンは、通常はダイヤモンド合成に関する初期のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃの文献には記載されていなかったが、後で追加された。関連参考文献には、「Ｄｉａｍｏｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ Ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ ａｎｄ ＳｉＯ２」、Ｄｏｂｒｚｈｉｎｅｔｓｋａｙａ ａｎｄ Ｇｒｅｅｎ、ＩＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．４９、２００７、及び「Ｎｏｎ−ｍｅｔａｌｌｉｃ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｆｏｒ ｄｉａｍｏｎｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ １９９９年８月が挙げられる。

米国特許第３，７４５，６２３号明細書 米国特許第４，７６４，０３６号明細書 米国特許第８，８８１，８４９号明細書 米国特許第５，４４７，２０８号明細書 米国特許第５，６５３，３００号明細書

Ｉｗａｉ， Ｍａｎａｂｕ ＆ Ｕｅｍａｔｓｕ， Ｔ ＆ Ｓｕｚｕｋｉ， Ｋ ＆ Ｙａｓｕｎａｇａ， Ｎ． （２００１）、「Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ＰＣＤ ｗｉｔｈ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｄｉｓｃ」、ＩＳＡＡＴ２００１の講演論文集、２３１−２３８ 「Ｄｉａｍｏｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ Ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ ａｎｄ ＳｉＯ2」、Ｄｏｂｒｚｈｉｎｅｔｓｋａｙａ ａｎｄ Ｇｒｅｅｎ、ＩＩ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ Ｖｏｌ．４９、２００７ 「Ｎｏｎ−ｍｅｔａｌｌｉｃ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｆｏｒ ｄｉａｍｏｎｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ １９９９年８月

本開示の幾つかの態様は、多結晶ダイヤモンド要素を含むラジアル軸受組立体を含む。各多結晶ダイヤモンド要素は、対向する係合面とスライド係合した係合面を含む。対向する係合面は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む。

本開示の他の態様は、ロータとステータの間を含む、構成要素間の係合を界接する方法を含む。本方法は、多結晶ダイヤモンド要素を含むラジアル軸受組立体を提供するステップを含み、各多結晶ダイヤモンド要素が係合面を有する。本方法は、係合面が、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料を含む対向する係合面とスライド係合するように、ロータと多結晶ダイヤモンド要素を有するステータとの係合を界接するステップを含む。

本開示の更なる態様は、ロータ及びステータのためのラジアル軸受組立体を設計する方法を含む。ラジアル軸受組立体は、多結晶ダイヤモンド要素を含み、各多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む対向する係合面とスライド係合した係合面を含む。本方法は、ロータ及びステータの最大スライド速度が予め設定された限界（例えば１０．５ｍ／ｓ）未満であるかどうかを決定するステップを含む。最大スライド速度が予め設定された限界未満である場合、本方法は、ステータ及びロータ内のラジアル軸受組立体の構成を選択するステップを含む。本方法は、ステータ及びロータ内のラジアル軸受組立体の選択された構成内の多結晶ダイヤモンド要素の選択された数に基づいて、及び予想される荷重に基づいて多結晶ダイヤモンド要素当たりの最大接触圧を算出するステップを含む。算出された最大接触圧は、任意選択的に安全係数で除算される。本方法は、任意選択的に安全係数で除算された算出最大接触圧が、予め設定された最大許容圧力未満であるかどうかを決定するステップを含む。算出最大接触圧が予め設定された最大許容圧力未満であると決定された場合、本方法は、少なくとも最小数の多結晶ダイヤモンド要素をステータ及びロータ内のラジアル軸受組立体の選択された構成で展開するステップを含む。この数の多結晶ダイヤモンド要素がステータ及びロータ内のラジアル軸受組立体の選択された構成に適合する場合、本方法は、ラジアル軸受組立体、ロータ及びステータの組立体を作製するステップを含む。

本開示のシステム、装置、及び／又は方法の特徴及び利点をより詳細に理解することができるように、上記で概略的に要約されたより具体的な説明は、本明細書の一部を形成する添付図面において例示された実施形態を参照することにより行われた。しかしながら、図面は、様々な例示的な実施形態を例示しているに過ぎず、従って、他の効果的な実施形態も含むことができるので、開示された概念を限定するものと見なすべきではない点に留意されたい。

本明細書で開示される技術の使用に対する一般化された評価基準を示すフローチャートである。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ａ−Ａに沿った図２Ａのロータ及びステータラジアル軸受組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｂ−Ｂに沿った図３Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｃ−Ｃに沿った図４Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｄ−Ｄに沿った図５Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｅ−Ｅに沿った図６Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｆ−Ｆに沿った図７Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｇ−Ｇに沿った図８Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｈ−Ｈに沿った図９Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｉ−Ｉに沿った図１０Ａの組立体の上部断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｊ−Ｊ沿った図１１Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｋ−Ｋに沿った図１２Ａの組立体の断面図である。 本出願の技術の１つの実施形態のロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図である。 線Ｌ−Ｌに沿った図１３Ａの組立体の断面図である。

本開示によるシステム、装置、及び方法について、様々な例示的な実施形態を示す添付図面を参照しながらより完全に説明する。しかしながら、本開示による概念は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載の例示の実施形態によって限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全且つ網羅し、様々な概念の範囲を当業者及び最良で好ましい実施方法に対して完全に伝えるように提供される。

本開示の特定の態様は、ラジアル軸受及びラジアル軸受組立体、これらを含む装置及びシステム、並びにこれらの使用方法を含む。便宜上、以下の説明は、外側ステータ構成要素及び内側ロータ構成要素を示す。しかしながら、当業者であれば、本明細書で開示される例示的な実施形態の各々において、内側構成要素は静的に保持することができ、外側構成要素は回転させることができることが理解されるであろう。更に、当業者であれば、本開示の説明は、ロータ構成及びステータ構成に関するが、本明細書で開示される技術は、このような用途に限定されず、外側レース及び内側レースが両方とも回転するか、又は外側レース及び内側レースの一方又は他方が静止状態に保たれている、内側レース及び外側レースを有する個別の軸受を含む、様々な他の用途に適用できることが理解されるであろう。

（ダイヤモンド反応性材料）
本明細書で使用する場合、「ダイヤモンド反応性材料」は、微量を超える量のダイヤモンド触媒又はダイヤモンド溶媒を含む材料である。本明細書で使用する場合、「ダイヤモンド反応性材料」は、微量を超える量のダイヤモンド触媒又はダイヤモンド溶媒を含む材料である。本明細書で使用する場合、「微量」を超える量のダイヤモンド触媒又はダイヤモンド溶媒を含むダイヤモンド反応性材料は、少なくとも２重量パーセント（ｗｔ．％）のダイヤモンド反応性材料を含む。幾つかの態様において、本明細書で開示されるダイヤモンド反応性材料は、２〜１００ｗｔ．％、又は５〜９５ｗｔ．％、又は１０〜９０ｗｔ．％、又は１５〜８５ｗｔ．％、又は２０〜８０ｗｔ．％、又は２５〜７５ｗｔ．％、又は２５〜７０ｗｔ．％、又は３０〜６５ｗｔ．％、又は３５〜６０ｗｔ．％、又は４０〜５５ｗｔ．％、又は４５〜５０ｗｔ．％のダイヤモンド触媒又はダイヤモンド溶媒を含む。本明細書で使用する場合、「ダイヤモンド触媒」は、荷重下で且つダイヤモンドの黒鉛化温度（すなわち、約７００°Ｃ）以上の温度などで、多結晶ダイヤモンドの黒鉛化を触媒することができる化学元素、化合物、又は材料である。本明細書で使用する「ダイヤモンド溶媒」とは、荷重下で且つダイヤモンドの黒鉛化温度以上の温度などで多結晶ダイヤモンドを可溶化できる化学元素、化合物、又は材料である。従って、ダイヤモンド反応性材料は、荷重下で且つダイヤモンドの黒鉛化温度以上の温度で、ダイヤモンドチップツールなどの少なくとも一部の多結晶ダイヤモンドから形成された又はこれを含む構成要素の摩耗、場合によっては急速な摩耗、及び故障につながる可能性のある材料を含む。

ダイヤモンド反応性材料としては、微量を超える量のダイヤモンド触媒又は溶媒元素を含有する金属、金属合金及び複合材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの態様において、ダイヤモンド反応性材料は、表面硬化、コーティング又はめっきの形態である。例えば、限定ではないが、ダイヤモンド反応性材料は、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、クロム、マンガン、銅、チタン、タンタル又はその合金とすることができる。幾つかの態様において、ダイヤモンド反応性材料は、鉄ベース超合金、コバルトベース超合金、ニッケルベース超合金を含むがこれらに限定されない超合金である。特定の態様において、ダイヤモンド反応性材料は、いわゆる「超硬材料」ではなく、及び／又はダイヤモンド反応性材料を含まない（すなわち、特に除外する）。当業者には理解されるように、「超硬材料」は、材料の硬度によって定義される材料のカテゴリーであり、ブリネルスケール、ロックウェルスケール、ヌープスケール及び／又はビッカーススケールに従って決定することができる。例えば、超硬材料は、ビッカーススケール試験によって測定されたときに４０ギガパスカル（ＧＰａ）を超える硬度値を有する材料を含む。本明細書で使用する場合、超硬材料は、ブリネルスケールなど、これらの硬度スケールの内の１つに従って決定されるなど、炭化タングステンタイル及び／又は超硬炭化タングステンと少なくとも同程度の硬い材料を含む。当業者であれば、例えば、ブリネルスケール試験がＡＳＴＭ Ｅ１０−１４に従って実施できること、ビッカース硬度試験は、例えば、ＡＳＴＭ Ｅ３８４に従って実施できること、ロックウェル硬度試験は、例えば、ＡＳＴＭ Ｅ１８に従って実施できること、及びヌープ硬度試験は、例えば、ＡＳＴＭ Ｅ３８４に従って実施できることを理解するであろう。本明細書で開示される「超硬材料」としては、炭化タングステン（例えば、タイル又は超硬）、浸潤炭化タングステンマトリックス、炭化ケイ素、窒化ケイ素、立方晶系窒化ホウ素、及び多結晶ダイヤモンドが挙げられるがこれらに限定されない。従って、幾つかの態様において、「ダイヤモンド反応性材料」は、ブリネルスケールなど、これらの硬度試験の内の１つに従って決定された場合、炭化タングステン（例えば、タイル又は超硬）よりも硬くないなど、超硬材料よりも軟質である（硬質が劣る）材料（例えば、金属、金属合金、複合材料）で部分的に又は全体的に構成されている。

（多結晶ダイヤモンドとダイヤモンド反応性材料の界接）
幾つかの態様において、本開示は、多結晶ダイヤモンド要素がダイヤモンド反応性材料と接触した状態で、ロータとステータとの間の係合を界接することを提供する。例えば、多結晶ダイヤモンド要素は、ロータとスライド接触するようにステータ上に位置付けて配置することができ、ここでロータは、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む。或いは、多結晶ダイヤモンド要素は、ステータとスライド接触するようにロータ上に位置付けて配置することができ、ここでステータは、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む。多結晶ダイヤモンド要素は、ダイヤモンド反応性材料の対向する係合面と係合するための係合面を有することができる。本明細書で使用する場合、「係合面」とは、軸受組立体の動作中に、係合面が２つの構成要素間（例えば、ステータとロータの間）の接触を界接するように、軸受組立体内に位置付けられて配置される材料（例えば、多結晶ダイヤモンド又はダイヤモンド反応性材料）の表面を指す。「係合面」はまた、本明細書では「軸受面」と呼ぶことができる。

幾つかの態様では、対向する係合面は、少なくとも２ｗｔ．％のダイヤモンド反応性材料、又は２〜１００ｗｔ．％、又は５〜９５ｗｔ．％、又は１０〜９０ｗｔ．％、又は１５〜８５ｗｔ。％、又は２０〜８０ｗｔ．％、又は２５〜７５ｗｔ．％、又は２５〜７０ｗｔ．％、又は３０〜６５ｗｔ．％、又は３５〜６０ｗｔ．％、又は４０から５５ｗｔ．％、又は４５から５０ｗｔ．％のダイヤモンド反応性材料を含むか、又はこれから構成される。特定の用途では、多結晶ダイヤモンド要素又は少なくともその係合面は、ラップ仕上げ又は研磨され、任意選択的に、高度にラップ仕上げ又は研磨される。少なくとも幾つかの用途では高度に研磨された多結晶ダイヤモンド要素が好ましいが、本開示の範囲は、高度に研磨された多結晶ダイヤモンド要素に限定されず、高度にラップ仕上げ又は研磨された多結晶ダイヤモンド要素を含む。本明細書で使用する場合、表面は、約１８〜約２２μｉｎに及ぶ表面仕上げなどのように、２０μｉｎ又は約２０μｉｎの表面仕上げを有する場合に「高度にラップ仕上げされた」と定義される。本明細書で使用する場合、表面は、約１０μｉｎ未満又は約２〜約１０μｉｎの表面仕上げを有する場合に「研磨された」と定義される。本明細書で使用する場合、表面は、約２μｉｎ未満、又は約０．５μｉｎから約２μｉｎ未満の表面仕上げを有する場合に、「高度に研磨された」と定義される。幾つかの態様において、係合面は、０．５μｉｎ〜４０μｉｎ、２μｉｎ〜３０μｉｎ、５μｉｎ〜２０μｉｎ、８μｉｎ〜１５μｉｎ、又は２０μｉｎ未満、又は１０μｉｎ未満、２μｉｎ未満、又はこれらの間の任意の範囲の表面仕上げを有する。０．５μｉｎの表面仕上げに研磨された多結晶ダイヤモンドは、表面仕上げが２０〜４０μｉｎで標準的なラップ仕上げの多結晶ダイヤモンドの約半分の摩擦係数を有する。Ｌｕｎｄらに対する米国特許第５，４４７，２０８号及び第５，６５３，３００号（その全体が引用により本明細書に組み込まれる）は、多結晶ダイヤモンドの研磨に関する開示を提供する。当業者には理解されるように、表面仕上げは、プロフィロメータ（表面形状測定装置）又は原子間力顕微鏡法で測定することができる。

以下の表１は、乾燥した静的状態と潤滑された静止状態の両方における研磨された多結晶ダイヤモンドを含む様々な材料の摩擦係数の要約を示しており、ここで、「第１の材料」は、「第２の材料」に対して移動されて、第１の材料のＣｏＦを決定する。
表１^*

＊参考文献としては、Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ’ｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ；Ｓｅｘｔｏｎ ＴＮ， Ｃｏｏｌｅｙ ＣＨ、ダウンホールオイル及びガス掘削工具、Ｗｅａｒ２００９；２６７：１０４１−５が挙げられる。

（評価基準）
図１は、乾燥した無潤滑環境における本出願の技術の使用に対する評価基準の象徴的な一般化されたセットのフローチャート１００を示す。ボックス１０１によって示されるように、最初に、ある用途における最大スライド速度が１０．５ｍ／ｓ未満であるかどうか評価する。本明細書で使用する場合、「スライド速度」は、「スライド界接速度」とも呼ばれ、接触した２つの構成要素が互いに対して移動する速度（例えば、ロータが、ステータと接触し、ステータに対して移動する速度）である。

最大スライド速度が１０．５ｍ／ｓ未満ではないと決定された場合、ボックス１０２によって示されるように、評価された用途は、スライド速度が高すぎるので、ダイヤモンド反応性材料とスライド係合する多結晶ダイヤモンド要素の使用のための候補ではないと決定する。当業者であれば、潤滑環境又は湿潤環境において、スライド界接速度は、（本明細書で評価されるような）乾燥した無潤滑環境においてよりも有意に高い可能性があることを理解するであろう。

最大スライド速度が１０．５ｍ／ｓ未満であると決定された場合、ボックス１０３によって示されるように、多結晶ダイヤモンド要素の構成（例えば、形状、サイズ及び配置）が、当該特定の用途に応じて選択される。ボックス１０３は、様々な軸受構成におけるダイヤモンド反応性材料とのスライド係合のための様々な非限定的な多結晶ダイヤモンド要素構成を記載している。例えば、平面多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円筒形ロータと係合されるステータ上で使用するように選択することができ、凸状の多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円筒形ロータと係合されるステータ上で使用するよう選択することができ、凹状又は少なくとも僅かに凹状の表面を有する多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円筒形ロータと係合されるステータ上で使用するよう選択することができ、凸状又は少なくとも僅かに凸状の表面を有する多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円筒形ステータと係合されるロータ上で使用するよう選択することができ、のみ状多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む溝付きロータと係合されるステータ上で使用するよう選択することができ、ドーム形又は半球形の多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む溝付きロータと係合されるステータ上で使用するよう選択することができ、平面多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円錐形のロータと係合される円錐形のステータ上で使用するよう選択することができ、凸状又は少なくとも僅かに凸状の表面を有する多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円錐形のロータと係合される円錐形のステータ上で使用するよう選択することができ、凸状又は少なくとも僅かに凸状の表面を有する多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円錐形のステータと係合される円錐形のロータ上で使用するよう選択することができ、凹状の又は少なくとも僅かに凹状の表面を有する多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む円錐形のロータと係合される円錐形のステータ上で使用するよう選択することができ、凸状又は少なくとも僅かに凸状の表面を有する多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む球状のステータと係合される球状のロータ上で使用するよう選択することができ、又は平面の凸状又は少なくとも僅かに凸状の表面を有する多結晶ダイヤモンド要素は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む球状のロータと係合される球状のステータ上での使用に選択することができる。当業者であれば、本開示は、これらの特定の選択された形状及び輪郭に限定されず、ロータ、ステータ、多結晶ダイヤモンド要素及び他の用途に特有の構成要素の表面の曲線輪郭形成を含め、形状は、特定の用途に応じて異なる場合ことができる点を理解するであろう。

構成を選択した後、ボックス１０３に記載されるように、多結晶ダイヤモンド要素当たりの最大接触圧を算出する。ボックス１０４で記載されるように、多結晶ダイヤモンド要素当たりの最大接触圧は、多結晶ダイヤモンド要素の数と、ラジアル荷重、軸方向荷重、曲げ荷重又は他の荷重を含む予想荷重とに基づいて算出される。最大接触圧は、当業者に知られている方法によって決定することができる。

多結晶ダイヤモンド要素当たりの最大接触圧の計算後、ボックス１０５で記載されるように、多結晶ダイヤモンド要素当たりの算出した最大圧力が安全係数で除算される。ボックス１０４において決定した最大圧力に加えて、安全係数の適用は、例えば、設計担当者の判断で設定及び適用することができる。従って、安全係数は、適用された場合、多結晶ダイヤモンド要素当たりの最大接触圧に対する多結晶ダイヤモンド要素当たりの減圧を提供する。

ボックス１０６において、算出した最大圧力が装置の予想サイクルについて最高許容圧力未満であるかどうかを決定する。当業者によって理解されるように、ダイヤモンド反応性材料に作用する疲労は制限要因である。荷重は、ダイヤモンド／ダイヤモンド反応性材料（例えば、金属）の界接面にある。組立体内のＰＤＣ要素が多いほど、金属に掛かる現在の荷重が小さくなる。Ｓ−Ｎ曲線（サイクルに対する接触応力）を使用して、ボックス１０６においてこの決定を行うことを容易にすることができる。

ボックス１０６に従って、算出した圧力が最高許容圧力未満ではないと決定された場合、ボックス１０７に示すように、更なる多結晶ダイヤモンド要素をボックス１０３において選択した設計構成に展開する。これらの更なる多結晶ダイヤモンド要素が展開された後、このように修正した設計構成は、ボックス１０４及びボックス１０５に従って評価し、その後、再度、ボックス１０６の基準に従って評価する。

ボックス１０６に従って、算出した圧力が最高許容圧力未満であると決定された場合、ボックス１０８に示すように、前のボックス１０１〜ボックス１０６によって必要に応じて示された少なくとも最小数の多結晶ダイヤモンド要素をボックス１０３の選択した設計構成の構成要素上に展開する（例えば、最小数の多結晶ダイヤモンド要素をステータ又はロータ上に取り付ける）ことによって、提案された設計構成を作成する。

ボックス１０９において、最小数の多結晶ダイヤモンド要素が、ボックス１０８に従って、ボックス１０３の選んだ構成に適合することになるかどうかを決定する。最小数の多結晶ダイヤモンド要素が、ボックス１０３の選択した構成に適合することになると決定された場合、ボックス１１０に示すように、ロータ及びステータ内の軸受組立体を製造する。最小数の多結晶ダイヤモンド要素が、ボックス１０３の選択した構成に適合しないと決定された場合、ボックス１０３の選択した構成は、ボックス１０２に従って、ダイヤモンド反応性材料とスライド係合する多結晶ダイヤモンド要素の使用の候補ではないと決定される。

軸受構成の設計担当者はまた、所要の最小数の多結晶ダイヤモンド要素が当初選択した設計構成に適合しない場合には、ボックス１０３から代替の軸受構成を選ぶオプション（図示せず）を有する。代替的に、安全係数を下げて、必要とされる多結晶ダイヤモンド要素の最小数を低減することができる。当業者であれば、図１に記載される基準は、例示的なものに過ぎず、特定の用途に応じて他の基準を評価することができること、及び少なくとも幾つかの用途において、本開示の範囲から逸脱することなく図１に記載された基準の一部を除外できることは理解されるであろう。

次に、様々な例示的なロータ及びステータラジアル軸受組立体について、図２Ａ〜図１３Ｂを参照して説明する。図２Ａ〜図１３Ｂにおいて、同様の参照番号は同様の要素を指す。例えば、例示的な組立体は、図２Ａ及び図２Ｂの参照番号「２００」で識別され、図３Ａ及び図３Ｂの参照番号「３００」で識別される。

（平面多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図２Ａは、ロータ及びステータラジアル軸受組立体の部分側面図であり、図２Ｂは、線Ａ−Ａに沿った図２Ａのロータ及びステータラジアル軸受組立体の断面図である。図２Ａ及び２Ｂの両方を参照しながら、ロータ及びステータラジアル軸受組立体２００を説明する。

ロータ及びステータラジアル軸受組立体２００は、ロータ２０３と係合されたステータ２０２を含む。４つの平面多結晶ダイヤモンド要素２０１は、ステータ２０２に嵌入されて、ステータ２０２とロータ２０３との間のスライド係合を提供し、ロータ２０３は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む。多結晶ダイヤモンド要素２０１は、載荷ポート２０４内でステータ２０２に展開され（例えば、機械的に嵌合され）、載荷ポート２０４は、ステータ本体２１１内に形成及び／又は位置付けられたポートである。例えば、限定ではないが、各多結晶ダイヤモンド要素２０１は、当業者に知られている方法によりステータ２０２（又は他の用途ではロータ）上に圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。当業者であれば、本開示は、これらの特定の取り付け方法又はステータ本体内のポートの使用に限定されず、多結晶ダイヤモンド要素は、様々な方法の何れかによってステータ又はロータに取り付けることができることを理解するであろう。更に、等間隔の平面多結晶ダイヤモンド要素を含むように示されているが、当業者であれば、多結晶ダイヤモンド要素の数、間隔、装備、形状及びサイズは、限定ではないが図１に記載される基準を含む任意の数の様々な設計基準に応じて異なる場合があることを理解するであろう。幾つかの態様において、多結晶ダイヤモンド要素は、炭化タングステンによって担持されるか又は担持されない熱的に安定した多結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンド焼結体から構成される。

各多結晶ダイヤモンド要素２０１は、係合面２１３（本明細書では平面として図示される）を含み、ロータ２０３は、対向する係合面２１５を含む。多結晶ダイヤモンド要素２０１は、作動中にロータ２０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ２０３の横方向移動を制限するために、ロータ２０３と確実に接触した状態でステータ２０２上に位置付けられる。多結晶ダイヤモンド要素２０１は、係合面２１３が対向する係合面２１５と接触（例えば、スライド接触）するように位置付け及び配置されている。従って、係合面２１３及び対向する係合面２１５は、ロータ２０３とステータ２０２の間のスライド接触を界接する。

図２Ａ及び図２Ｂは、ダウンホールポンプ又はダウンホールモータにおいて使用されるようなロータ及びステータを示す。しかしながら、当業者であれば、他の用途用のラジアル軸受、並びに別個のラジアル軸受は、本開示に従って同じ又は同様の方法で設計及び製造することができることは理解するであろう。このような別個の軸受の非限定的な近位及び遠位の寸法は、図２Ａに示す破線２０５で示されている。図２Ｂに示すように、任意選択的に、貫通孔２０７がロータ２０３内に設けられ、これは、例えば、別個の軸受において使用することができる。図２Ｂにおいて明らかなように、多結晶ダイヤモンド要素２０１は、ステータ２０２内に展開されて、ロータ２０３とのスライド係合を半径方向で担持して提供する。

図２Ａ及び図Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素２０１を含む組立体を示すが、当業者であれば、ステータ又はロータ上のこのような多結晶ダイヤモンド要素が利用可能な空間などの特定の用途及び構成に応じて、３つの多結晶ダイヤモンド要素など４つ未満の多結晶ダイヤモンド要素又は４つを超える多結晶ダイヤモンド要素を使用できることを理解するであろう。更に、図２Ａ及び図２Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素２０１の単一の円周方向セットを示すが、多結晶ダイヤモンド要素の１又は２以上の更なる円周方向のセットをステータ（又はロータ）内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向担持及び横方向荷重を増大させることができることは、当業者には理解されるであろう。

（凸状の多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図３Ａ及び図３Ｂは、ロータ及びステータラジアル軸受組立体３００を示し、これは、多結晶ダイヤモンド要素３０１が図２Ａ及び図２Ｂの平坦な平面係合面ではなく凸状の係合面３１３を有する点を除いて、図２Ａ及び２Ｂと実質的に類似している。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、ロータ及びステータラジアル軸受組立体３００は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含むロータ３０３とのスライド係合を提供するために、ステータ３０２のステータ本体３１１に嵌入された凸状の多結晶ダイヤモンド要素３０１を含む。多結晶ダイヤモンド要素３０１は、載荷ポート３０４を介してステータ３０２内に展開され、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。多結晶ダイヤモンド要素３０１は、作動中にロータ３０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ３０３の横方向移動を制限するように、ロータ３０３との確実な接触位置に配置される。図３Ｂから明らかなように、多結晶ダイヤモンド要素３０１は、ステータ３０２内に展開されて、ロータ３０３とのスライド係合を半径方向に担持し提供する。図３Ｂはまた、別個の軸受において使用できるような任意選択的な貫通ボア３０７を示す。

図３Ａ及び図３Ｂは、ダウンホールポンプ又はモータにおいて使用されるようなロータ及びステータを示すが、別個のラジアル軸受組立体を含む他の組立体を同じ又は実質的に同じ方法で設計及び製造することができる。このような別個の軸受の非限定的な近位及び遠位の寸法は、破線３０５で示されている。更に、図３Ａ及び図３Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素３０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をステータ３０２内に展開することができることは、当業者には理解されるであろう。更に、図３Ａ及び図３Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素３０１の単一の円周方向のセットを示すが、セットの多結晶ダイヤモンド要素の１又は２以上の更なる円周方向をステータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向担持及び横方向荷重を増大させることができる点は、当業者には理解されるであろう。

組立体２００と同様に、作動時、係合面３１３は、対向する係合面３１５と界接し、ロータ３０３とステータ３０２と間の荷重を担持する。

（凹状の多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図４Ａ及び図４Ｂは、ロータ及びステータラジアル軸受組立体４００を示し、これは、多結晶ダイヤモンド要素４０１が、図２Ａ及び図２Ｂの平坦な平面係合面又は図３Ａ及び図３Ｂの凸状の係合面ではなく、凹状又は少なくとも僅かに凹状の表面４１３を有する点を除いて、図２Ａ〜図３Ｂと実質的に類似している。

僅かに凹状の多結晶ダイヤモンド要素４０１は、ロータ４０３とのスライド係合を提供するためにステータ４０２のステータ本体４１１に嵌入されている。多結晶ダイヤモンド要素４０１は、載荷ポート４０４を介してステータ４０２内に展開される。多結晶ダイヤモンド要素４０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。多結晶ダイヤモンド要素４０１は、作動中にロータ４０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ４０３の横方向移動を制限するために、ロータ４０３と確実な接触位置に配置されている。

組立体３００の場合と同様に、作動時には、係合面４１３は、ロータ４０３とステータ４０２の間の荷重を担持するために対向する係合面４１５と界接する。各多結晶ダイヤモンド要素４０１の少なくとも僅かな凹部は、ロータ４０３の円周方向の回転に一致して、凹部の軸線に配向され、これにより、多結晶ダイヤモンド要素４０１とロータ４０３との間にエッジ接触なしが確保され、多結晶ダイヤモンド要素４０１とロータ４０３との間で、一般に凹部の最深部分との線形領域接触を提供する。すなわち、多結晶ダイヤモンド要素４０１とロータ４０３との間の係合は、係合面４１３及び対向する係合面４１５によってのみ界接され、多結晶ダイヤモンド要素４０１のエッジ又は点４１７は、ロータ４０３と接触しないようになっている。このため、多結晶ダイヤモンド要素４０１とロータ４０３との間で線形領域接触のみが起こり、エッジ又は点接触は起こらない。図４Ｂから明らかなように、多結晶ダイヤモンド要素４０１は、ステータ４０２内に展開されて、ロータ４０３とのスライド係合を半径方向に担持し提供する。図４Ｂは、別個の軸受において使用できるような、任意選択的な貫通ボア４０７を示す。

図４Ａ及び図４Ｂは、ダウンホールポンプ又はダウンホールモータにおいて使用されるようなロータ及びステータを示すが、別個のラジアル軸受組立体を含めて組立体は、同じか又は実質的に同じ方法で設計及び製造することができる。このような別個の軸受の非限定的な近位及び遠位の寸法は、破線４０５で示されている。更に、図４Ａ及び図４Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素４０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をステータ４０２内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図４Ａ及び図４Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素４０１の単一の円周方向のセットを示すが、多結晶ダイヤモンド要素の１又は２以上の更なる円周方向のセットをステータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向担持及び横方向荷重を増大させることができることは、当業者には理解されるであろう。

（凸状の多結晶ダイヤモンド要素を有するロータ）
図５Ａ及び図５Ｂは、ロータ及びステータラジアル軸受組立体５００を示し、これは、凸状のドーム形の係合面５１３を有する多結晶ダイヤモンド要素５０１がステータ上ではなくロータ５０３上に設置されている点を除いて、図３Ａ及び図３Ｂと実質的に類似している。

凸状の多結晶ダイヤモンド要素５０１は、ステータ５０２とのスライド係合を提供するためにロータ５０３のロータ本体５２３に嵌入され、ステータ５０２は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む。多結晶ダイヤモンド要素５０１は、ロータ本体５２３内へ形成され及び／又は位置付けられたソケット５０４においてロータ５０３内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素５０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。多結晶ダイヤモンド要素５０１は、作動中にロータ５０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ５０３の横方向移動を制限するように、ステータ５０２との確実な接触位置に配置される。図５Ｂから明らかなように、多結晶ダイヤモンド要素５０１は、ロータ５０３内に展開されて、ステータ５０２とのスライド係合を半径方向に担持し提供する。図５Ｂはまた、別個の軸受において使用できるような任意選択的な貫通ボア５０７を示す。

図５Ａ及び図５Ｂは、ダウンホールポンプ又はダウンホールモータにおいて使用されるようなロータ及びステータを示すが、別個のラジアル軸受組立体を含む他の組立体を同じ又は同様の方法で設計及び製造することができる。このような別個の軸受の非限定的な近位及び遠位の寸法は、破線５０５で示されている。更に、図５Ａ及び図５Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素５０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をロータ５０３内に展開できることは、当業者であれば理解されるであろう。更に、図５Ａ及び図５Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素５０１の単一の円周方向のセットを示すが、多結晶ダイヤモンド要素の１又は２以上の更なる円周方向のセットをロータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向担持及び横方向荷重を増大させることができる点は、当業者には理解されるであろう。

従って、図２Ａ〜図４Ｂに示す実施形態とは違って、図５Ａ及び図５Ｂに示す実施形態において、係合面５１３がロータ５０３上にあり、対向する係合面５１５がステータ５０２上にある。

（のみ形多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図６Ａ及び図６Ｂは、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含むロータ６０３とのスライド係合を提供するために、ステータ６０２のステータ本体６１１に嵌入されたのみ状多結晶ダイヤモンド要素６０１を有する、ロータ及びステータラジアル軸受組立体６００を示している。多結晶ダイヤモンド要素６０１は、載荷ポート６０４を介してステータ６０２内に展開され、載荷ポート６０４は、ステータ本体６１１内に形成及び／又は位置付けられている。多結晶ダイヤモンド要素６０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。

多結晶ダイヤモンド要素６０１は、作動中にロータ６０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ６０３の横方向及び軸方向の移動を制限するように、ロータ６０３のラジアル／スラスト面溝６０６内の確実な接触位置に配置される。のみ状多結晶ダイヤモンド要素６０１は、ロータ６０３のラジアル／スラスト嵌め合い面溝６０６にスライド係合するように位置付け、配置、成形、寸法決め、及び配向される。のみ状多結晶ダイヤモンド要素６０１は、（のみ状多結晶ダイヤモンド要素６０１によって定められる）係合面を含み、係合面は、対向する係合面、ここではラジアル／スラスト面溝６０６の表面と接触して界接する。のみ形状多結晶ダイヤモンド要素６０１がステータ６０２内に展開されて、ロータ６０３とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供することは、図６Ｂから明白である。図６Ｂはまた、別個の軸受において使用できるような任意選択的な貫通ボア６０７を示す。図６Ａ及び図６Ｂに示す実施形態は更に、ロータキャッチの役割を果たすことができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、ダウンホールポンプ又はダウンホールモータにおいて使用されるようなロータ及びステータを示すが、別個のラジアル軸受組立体を含む他の組立体は、同じ又は同様の方法で設計及び製造することができる。このような別個の軸受の非限定的な近位及び遠位の寸法は、破線６０５で示されている。更に、図６Ａ及び図６Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素６０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素６０１をステータ６０２内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図６Ａ及び図６Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素６０１の単一の円周方向のセットを示しているが、１又は２以上の更なる円周方向のセットの多結晶ダイヤモンド要素をステータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持並びに横方向及び軸方向荷重を増大させることができることは、当業者には理解されるであろう。

（ドーム形又は半球形の多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図７Ａ及び図７Ｂは、ロータ及びステータラジアル軸受組立体７００を示し、これは、多結晶ダイヤモンド要素７０１がのみ状多結晶ダイヤモンド要素ではなくドーム形の又は半球形の係合面７１３を有する点を除いて、図６Ａ及び図６Ｂと実質的に類似している。

ドーム形又は半球形の多結晶ダイヤモンド要素７０１は、ステータ７０２のステータハウジング７１１に嵌入されて、ロータ７０３とのスライド係合を提供する。多結晶ダイヤモンド要素７０１は、ステータ本体７１１内に形成及び／又は位置付けられた載荷ポート７０４を介してステータ７０２内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素７０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。多結晶ダイヤモンド要素７０１は、作動中にロータ７０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ７０３の横方向及び軸方向の移動を制限するようにロータ７０３のラジアル／スラスト面溝７０６に対して確実な接触位置に配置される。ドーム形又は半球形の多結晶ダイヤモンド要素７０１は、ロータ７０３のラジアル／スラスト嵌め合い面溝７０６にスライド係合する。ドーム形又は半球形の多結晶ダイヤモンド要素７０１は係合面を定め、係合面は、対向する係合面、ここではラジアル／スラスト面溝７０６の表面と接触して界接する。図７Ｂから明らかなように、ドーム形又は半球形の多結晶ダイヤモンド要素７０１は、ステータ７０２内に展開されて、ロータ７０３とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供する。図７Ｂはまた、別個の軸受において使用できるような任意選択的な貫通ボア７０７を示す。図７Ａ及び図７Ｂに示す実施形態は更に、ロータキャッチの役割を果たすことができる。

図７Ａ及び図７Ｂは、ダウンホールポンプ又はダウンホールモータにおいて使用されるようなロータ及びステータを示しているが、別個のラジアル軸受組立体を含む他の組立体を同じ又は同様の方法で設計及び製造することができる。このような別個の軸受の非限定的な近位及び遠位の寸法は、破線７０５で示されている。更に、図７Ａ及び図７Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素７０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をステータ７０２内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図７Ａ及び図７Ｂは、単一の円周方向のセットの多結晶ダイヤモンド要素を示しているが、１又は２以上の更なる円周方向のセットの多結晶ダイヤモンド要素をステータ内に展開し、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持並びに横方向及び軸方向荷重を増大させることができる点は、当業者には理解されるであろう。

（平面多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図８Ａ及び図８Ｂは、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含むロータ８０３とのスライド係合を提供するために、ステータ８０２のステータ本体８１１に嵌入された平面多結晶ダイヤモンド要素８０１を含む、ロータ及びステータラジアル軸受組立体８００を示している。多結晶ダイヤモンド要素８０１は、ステータ本体８１１内に形成及び／又は位置付けられた載荷ポート８０４を介してステータ８０２内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素８０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。

多結晶ダイヤモンド要素８０１は、作動中にロータ８０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ８０３の横方向及び上方への軸方向の移動を制限するようにロータ８０３のラジアル／スラスト面８０６に対して確実な接触位置に配置される。

平面多結晶ダイヤモンド要素８０１は、ロータ８０３のラジアル／スラスト嵌め合い円錐面にスライド係合し、係合面８１３が対向する係合面８０６と接触して界接するようになる。図８Ｂから明らかなように、多結晶ダイヤモンド要素８０１は、ステータ８０２内に展開されて、ロータ８０３とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供する。

図８Ａ及び図８Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素８０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をステータ８０２内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図８Ａ及び図８Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素８０１の単一の円周方向のセットを示しているが、多結晶ダイヤモンド要素の１又は２以上の更なる円周方向のセットをステータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持並びに横方向及び軸方向荷重を増大させることができることは、理解されるであろう。

（凸状の多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図９Ａ及び図９Ｂは、ロータ及びステータラジアル軸受組立体９００を示し、これは、多結晶ダイヤモンド要素９０１が平面係合面ではなく凸状の係合面９１３を有する点を除いて、図８Ａ及び図８Ｂと実質的に類似している。

凸状の多結晶ダイヤモンド要素９０１は、ステータ９０２のステータ本体９１１に嵌入され、ロータ９０３とのスライド係合を提供する。多結晶ダイヤモンド要素９０１は、ステータ本体９１１内に形成及び／又は位置付けられた載荷ポート９０４を介してステータ９０２内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素９０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。

凸状の多結晶ダイヤモンド要素９０１は、作動中にロータ９０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ９０３の横方向及び上方への軸方向の移動を制限するようにロータ９０３のラジアル／スラスト面９０６と確実な接触位置に配置される。多結晶ダイヤモンド要素９０１は、ロータ９０３のラジアル／スラスト嵌め合い円錐面にスライド係合し、係合面９１３が対向する係合面９０６に接触して係合面９０６と整合するようになる。

図９Ｂから明らかなように、凸状の多結晶ダイヤモンド要素９０１は、ステータ９０２内に展開されて、ロータ９０３とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供する。

図９Ａ及び図９Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素９０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をステータ９０２内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図９Ａ及び図９Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素９０１の単一の円周方向のセットを示しているが、１又は２以上の更なる円周方向のセットの多結晶ダイヤモンド要素をステータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持並びに横方向及び軸方向荷重を増大させることができる点は、当業者には理解されるであろう。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又は少なくとも一部のダイヤモンド反応性材料を含むステータ１００２とのスライド係合を提供するために、ロータ１００３のロータ本体１０２３に嵌入された凸状の多結晶ダイヤモンド要素１００１を含むロータ及び半径方向のステータ及びスラスト軸受組立体１０００を示している。多結晶ダイヤモンド要素１００１は、ロータ本体１０２３内に形成及び／又は位置付けられたソケット１００４においてロータ１００３内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素１００１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。

凸状の多結晶ダイヤモンド要素１００１は、作動中にロータ１００３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ１００３の横方向及び上方への軸方向の移動を制限するようにステータ１００２のラジアル／スラスト面１００６内で確実な接触位置に配置される。凸状の多結晶ダイヤモンド要素１００１は、ステータ１００２のラジアル／スラスト嵌め合い円錐面にスライド係合し、係合面１０１３が対向する係合面１００６と接触して界接するようになる。図１０Ｂから明らかなように、凸状の多結晶ダイヤモンド要素１００１は、ロータ１００３内に展開されて、対象材料のステータ１００２とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供する。

図１０Ａ及び１０Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素１００１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をロータ１００３内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図１０Ａ及び１０Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素１００１の単一の円周方向のセットを示しているが、多結晶ダイヤモンド要素の１又は２以上の更なる円周方向のセットをロータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持並びに横方向及び軸方向荷重を増大させることができる点は、当業者には理解されるであろう。

（平面多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図１１Ａ及び図１１Ｂは、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含むロータ１１０３とのスライド係合を提供するために、ステータ１１０２のステータ本体１１１１に嵌入された凹状又は少なくとも僅かに凹状の多結晶ダイヤモンド要素１１０１を含むロータ及び半径方向のステータ及びスラスト軸受組立体１１００を示す。多結晶ダイヤモンド要素１１０１は、それを通って形成及び／又は位置付けられた載荷ポート１１０４を介してステータ１１０２内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素１１０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。

多結晶ダイヤモンド要素１１０１は、作動中にロータ１１０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ１１０３の横方向及び上方への軸方向の移動を制限するようにロータ１１０３のラジアル／スラスト面１１０６内で確実な接触位置に配置される。多結晶ダイヤモンド要素１１０１は、エッジ又は点接触なしを確保し、従って全体的に凹部の最深部分との線形領域接触のみを確保するために、ロータ１１０３の円周方向の回転に一致して凹部の軸線に配向されている。僅かに凹状の多結晶ダイヤモンド要素１１０１は、ロータ１１０３のラジアル／スラスト円錐面にスライド係合し、係合面１１１３が対向する係合面１１０６に接触して界接するようになる。

図１１Ｂから明らかなように、僅かに凹状の多結晶ダイヤモンド要素１１０１は、ステータ１１０２内に展開されて、ロータ１１０３とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供する。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素１１０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をステータ１１０２内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図１１Ａ及び図１１Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素１１０１の単一の円周方向のセットを示しているが、１又は２以上の更なる円周方向のセットの多結晶ダイヤモンド要素をステータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持並びに横方向及び軸方向荷重を増大させることができる点は、当業者には理解されるであろう。

（凸状の多結晶ダイヤモンド要素を有するロータ）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、ステータ１２０２とのスライド係合を提供するためにロータ１２０３のロータ本体１２２３に嵌入されている凸状の多結晶ダイヤモンド要素１２０１を含む、ロータ及びステータのラジアル及びスラスト軸受組立体１２００を示す。多結晶ダイヤモンド要素１２０１は、ロータ本体１２２３内に形成及び／又は位置付けられたソケット１２０４においてロータ１２０３内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素１２０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。

凸状の多結晶ダイヤモンド要素１２０１は、作動中にロータ１２０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ１２０３の横方向及び上方への軸方向の移動を制限するように、ステータ１２０２のラジアル／スラスト凹状湾曲面１２０６内で確実な接触位置に配置される。凸状の多結晶ダイヤモンド要素１２０１は、ステータ１２０２のラジアル／スラスト嵌め合い凹状湾曲面にスライド係合し、係合面１２１３がラジアル／スラスト凹状湾曲面１２０６と係合するようにする。図１２Ａ及び図１２Ｂの実施形態において、ラジアル／スラスト凹状湾曲面１２０６は、対向する係合面であるか又はこれを形成する。組立体１２００において、凸状の多結晶ダイヤモンド要素１２０１上の接触領域は、略円形である。しかしながら、当業者であれば、多結晶ダイヤモンド要素は、このような接触領域を有することに限定されないことを理解されるであろう。

図１２Ｂから明らかなように、凸状の多結晶ダイヤモンド要素１２０１は、ロータ１２０３内に展開されて、ステータ１２０２とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供する。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素１２０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をロータ１２０３内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図１２Ａ及び１２Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素１２０１の単一の円周方向のセットを示しているが、１又は２以上の更なる円周方向のセットの多結晶ダイヤモンド要素をロータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持及び横方向及び軸方向荷重を増大させることができることは、当業者には理解されるであろう。

（平面多結晶ダイヤモンド要素を有するステータ）
図１３Ａ及び図１３Ｂは、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含むロータ１３０３とのスライド係合を提供するために、ステータ１３０２のステータ本体１３１１に嵌入された平面（又はドーム形、図示せず）多結晶ダイヤモンド要素１３０１を含む、ロータ及びステータラジアル及びスラスト組立体１３００の部分側面図を示す。多結晶ダイヤモンド要素１３０１は、ステータ本体１３１１内に形成及び／又は位置付けられた載荷ポート１３０４を介してステータ１３０２内に展開されている。多結晶ダイヤモンド要素１３０１は、当業者に知られている方法を用いて、圧入、接着、ろう付け、螺着、又は他の方法で取り付けることができる。

多結晶ダイヤモンド要素１３０１は、作動中にロータ１３０３の自由なスライド回転を可能にしながら、ロータ１３０３の横方向及び上方への軸方向の移動を制限するようにロータ１３０３のラジアル／スラスト凸状湾曲面１３０６との確実な接触位置に配置される。ラジアル／スラスト凸状湾曲面１３０６は、対向する係合面であるか又はこれを形成する。多結晶ダイヤモンド要素１３０１は、ロータ１４０３のラジアル／スラスト凸状湾曲面１３０６にスライド係合し、係合面１３１３が対向する係合面（すなわち、ラジアル／スラスト凸状湾曲面１３０６）と係合されるようにする。組立体１３００において、平面又はドーム形多結晶ダイヤモンド要素上の接触領域は、典型的には円形である。しかしながら、当業者であれば、多結晶ダイヤモンド要素は、異なる接触領域を有することができることを理解されるであろう。

図１３Ｂから明らかなように、平面多結晶ダイヤモンド要素１３０１は、ステータ１３０２内に展開されて、ロータ１３０３とのスライド係合を半径方向及び軸方向に担持し提供する。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、４つの多結晶ダイヤモンド要素１３０１を示しているが、より少ない（例えば、３つ）又はより多い多結晶ダイヤモンド要素をステータ１３０２内に展開できることは、当業者には理解されるであろう。更に、図１３Ａ及び図１３Ｂは、多結晶ダイヤモンド要素１３０１の単一の円周方向のセットを示しているが、１又は２以上の更なる円周方向のセットの多結晶ダイヤモンド要素をステータ内に展開して、軸受組立体の能力を考慮に入れた横方向及び軸方向担持及び横方向及び軸方向荷重を増大させることができることは、当業者には理解されるであろう。

図２Ａ〜図１３Ｂの図で明らかなように、本開示の幾つかの態様は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む湾曲又は円筒面とスライド係合した多結晶ダイヤモンド要素を組み込む高性能ラジアル軸受を含む。一部のこのような態様は、高性能ラジアル軸受を含み、ここでダイヤモンド反応性材料を含むロータは、ステータ上に取り付けられた好ましくは３又は４以上の多結晶ダイヤモンド要素とスライド接触状態にされる。ステータの多結晶ダイヤモンド要素は、好ましくは平面対向であるが、僅かに凹状、凸状、又は３つの内の任意の組み合わせとすることもできる。ステータの多結晶ダイヤモンド要素の面輪郭は、ステータの円周部の曲面に適合する必要がなく、好ましくは適合しない。３又は４以上の多結晶ダイヤモンド要素が好ましいが、本出願の技術は、多結晶ダイヤモンド要素が、水平配向された容積型ポンプ内のステータの重力の低い側で又は方向掘削組立体のスクライブ側の反対側での摩耗及び摩擦を低減するのに使用される場合など、僅かに１又は２の多結晶ダイヤモンド要素で実施することができる。

特定の用途において、本明細書で開示される軸受組立体は、スラスト荷重に対抗するように構成されている。本明細書で開示される軸受組立体の少なくとも一部の実施形態は、ラジアル及びスラスト荷重の両方の成分を同時に処理することができる。

開示される軸受組立体の少なくとも一部の実施形態は、経済的に実行可能であり、相対的に大きな直径のものである。

（エッジ半径処理）
幾つかの態様において、多結晶ダイヤモンド要素は、エッジ半径処理を受ける。多結晶ダイヤモンド要素のエッジ半径処理は、当技術分野で周知である。平面又は凹状の多結晶ダイヤモンド要素を利用する本出願の技術の一部の実施形態において、このような多結晶ダイヤモンド要素のエッジ半径処理を利用することが好ましい。エッジ半径処理を利用する１つの目的は、対向する係合面（例えば、湾曲面）との所与の多結晶ダイヤモンド要素の線形係合領域の外側限界での外側エッジの切断又はスクラインビングの可能性を低減又は排除することである。

（多結晶ダイヤモンド要素）
特定の用途において、本明細書で開示される多結晶ダイヤモンド要素は、当技術分野で知られているように、外側の多結晶ダイヤモンド面と担持する炭化タングステンスラグとの間コバルト含有量遷移層が増加している。

多結晶ダイヤモンド要素は、炭化タングステンによって担持することができ、又は担持されない、軸受構成要素に直接取り付けられた「スタンドアロン」の多結晶ダイヤモンド要素とすることができる。

多結晶ダイヤモンド要素は、非浸出、浸出、浸出及び埋め戻し、熱的に安定、化学蒸着（ＣＶＤ）によるコーティング、又は当技術分野で知られている様々な方法で処理することができる。

（多結晶ダイヤモンド要素−形状、サイズ、及び配置）
多結晶ダイヤモンド要素は、軸受の用途並びに構成及び直径に応じて、３ｍｍ（約１／８インチ）ほどの小ささ又は７５ｍｍ（約３インチ）ほどの大きさの直径を有することができる。通常、多結晶ダイヤモンド要素は、８ｍｍ（約５／１６インチ）から２５ｍｍ（約１インチ）の直径を有する。

多結晶ダイヤモンド要素は円筒形が最も一般的に利用可能であるが、本出願の技術は、正方形、長方形、楕円形、図を参照して本明細書に記載された形状の何れか、又は当技術分野で知られている他の適切な形状の多結晶ダイヤモンド要素で実施することができることは理解される。幾つかの用途において、ラジアル軸受は、ステータ（又はロータ）とスライド接触したロータ（又はステータ）上に取り付けられた１又は２以上の凸状の曲線輪郭の多結晶ダイヤモンド要素を有する。

幾つかの用途において、多結晶ダイヤモンド要素は、軸受構成要素に沿ってリング状に展開される。非限定的な実施例は、ステータの遠位部分上に展開された５つの平面面多結晶ダイヤモンド要素のリング及びステータの近位部分上に展開された５つの平面面多結晶ダイヤモンド要素の別のリングである。従って、高性能多結晶ダイヤモンド要素軸受組立体は、従来の既存の組立体において使用されるよりも少ない総数の多結晶ダイヤモンド要素を必要としながら、ステータ／ロータ界接面の長さに沿った安定的作動を確保するように展開することができる。

多結晶ダイヤモンド要素は、対向する軸受構成要素上の多結晶ダイヤモンド要素係合面との重なり合う接触の必要性を懸念することなく、所望の担持を提供するために軸受組立体内で任意のパターン、レイアウト、間隔又は交互して配置することができる。

（多結晶ダイヤモンド要素−係合面の接触領域）
本明細書で開示される多結晶ダイヤモンド要素は、一部の実施形態において、対向する係合面に正確に共形となるように成形されない。特定の実施形態において、多結晶ダイヤモンド要素の係合面のスライド界接面接触領域は、多結晶ダイヤモンド要素の総表面領域の８０％未満、又は７５％未満、又は７０％未満、又は６０％未満である。本明細書で使用する場合、係合面の「接触領域」は、対向する係合面と接触状態にある係合面の表面領域を指す。

重要な性能基準は、多結晶ダイヤモンド要素が、対向する係合面又は構成要素とのエッジ又は点接触を排除するように構成及び位置付けられることである。ステータ上に載置された平面対向の多結晶ダイヤモンド要素については、このような多結晶ダイヤモンド要素は通常、ロータとの全面接触未満を生じる。すなわち、ロータが多結晶ダイヤモンド要素に接して回転すると、係合面接触領域は全面未満である。少なくとも僅かにドーム形又は凸状であるロータ又はステータの何れか上に取り付けられた多結晶ダイヤモンド要素については、このような多結晶ダイヤモンド要素は、小さな略円形の係合面接触領域を示す。ロータ又はステータの何れか上に取り付けられた凸状の多結晶ダイヤモンド要素がサドル形である場合、多結晶ダイヤモンド要素は、小さな線形領域の係合面接触領域を示す。ステータ上に展開される僅かに凹状の多結晶ダイヤモンド要素については、幾分狭い線形係合面接触領域が、各多結晶ダイヤモンド要素上で示される。

（多結晶ダイヤモンド要素−取り付け）
前述のように、多結晶ダイヤモンド要素は、限定ではないが、ろう付け、接着、圧入、焼きばめ、又は螺着を含む、当技術分野で知られる方法を介して軸受要素（例えば、ステータ又はロータ）に直接取り付けることができる。更に、多結晶ダイヤモンド要素は、別個の１又は複数のリング状に取り付けることができる。その後、１又は複数のリング又は、接着、圧入、ねじロック又はろう付けを含むがこれらに限定されない、当技術分野において知られている方法を介して軸受要素（ロータ又はステータ）上に展開することができる。

平面又はドーム形の多結晶ダイヤモンド要素は、自己軸線周りに回転することを可能にするように取り付けることができる。Ｓｈｅｎ他の米国特許第８，８８１，８４９号について、多結晶ダイヤモンド要素が対象素材と面接触中に自己軸線周りに回転することを可能にする方法の非限定的な実施例として説明する。

（対向する係合面の処理）
幾つかの態様において、ダイヤモンド反応性材料の対向する係合面は、（例えば、係合面との係合前に）炭素で事前飽和される。このような事前飽和は、多結晶ダイヤモンドの表面の黒鉛化を介して炭素を引き付けるダイヤモンド反応性材料の能力を低下させる。ダイヤモンド反応性材料表面接触領域の事前飽和は、当技術分野で知られている何れかの方法を介して達成することができる。

（固体潤滑剤供給源）
特定の用途において、固体潤滑剤供給源、例えば、黒鉛又は六方晶窒化ホウ素スティック又は介在物は、励起又は非励起かにかかわらず、少なくとも一部のダイヤモンド反応性材料で形成されるか又はこれを含む対向する係合面と接触している。

（用途）
本明細書で開示される軸受組立体は、機械又は他の装置もしくはシステムの一部を成すことができる。一部のこのような態様において、ステータの近位端は、ねじ接続、溶接、又は当技術分野で知られている他の接続手段によって、ドリルストリング又はモータハウジングなど別の構成要素に接続することができる。幾つかの態様において、軸受組立体がダウンホール用途において使用される場合、ロータの遠位端は、スラスト軸受によって増強することができ、ドリルビットの取付用のねじ接続部を保持することができ、又はロータの遠位端は、ロータのマンドレルの端部上に直接形成及び／又は位置付けられたドリルビットとすることができる。構成要素の接続は、ダウンホール用途に限定されず、他の用途、例えば風力タービンエネルギー発生装置又は海洋用途に適用することができる。

更に、本明細書で記載される軸受組立体の別個の変形形態は、限定ではないが、重機、自動車、タービン、変速装置、鉄道車両、コンピュータハードドライブ、遠心器、医療機器、ポンプ、及びモータを含む、広範囲の他の用途で使用することができる。

特定の態様において、本明細書で開示される軸受組立体は、過酷な環境（例えば、ダウンホール）内での展開及び使用に適している。一部のこのような態様において、軸受組立体は、多結晶ダイヤモンド係合面が別の多結晶ダイヤモンド係合面と係合する軸受組立体よりも破断が起こりにくい。特定の態様において、ラジアル軸受に適したこのような過酷な環境は、別の多結晶ダイヤモンド係合面と係合された多結晶ダイヤモンド係合面を含む軸受組立体と比較するとサービス価値の向上をもたらす。更に、本明細書で開示される軸受組立体は、別の多結晶ダイヤモンド係合面と係合された多結晶ダイヤモンド係合面を含む軸受組立体を使用する際に必要とされる間隔よりも大きな距離で離間して配置することができる。

特定の用途において、本明細書で開示される軸受組立体は、ダウンホール用途においてなど、ロータキャッチの役割を果たすことができる。潤滑環境において、軸受組立体は、潤滑油の流体力学の効果の恩恵を受けて、軸受組立体の可動要素と静止要素との間にクリアランスを生成することができる。

（例示的な試験）
出願人らの先に参照した米国特許出願第１５／４３０，２５４号（「２５４出願」）の「Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ」で使用するための堅牢なカム従動子界接面を開発しようとして、出願人らは、高度の試験ベンチを設計及び構築した。試験ベンチは、表面硬化鉄ステータハウジング内で表面硬化の鉄ロータマンドレルを駆動する２００ＲＰＭの電動ギアモータを採用した。マンドレルは、長さに沿って途中に非表面硬化オフセットカムシリンダを組み込んだ。ロータ／ステータ組立体には、容積式ポンプを使用して循環流体を供給した。候補カム従動子界接面機構が、ロータマンドレルのカムシリンダとシール接触及び荷重下で配置された。試験ベンチを使用して、候補界接機構は、清浄水又は砂混じりの掘削流体の何れかにおいて５００〜３０００ｌｂｆの範囲の荷重下での生存性及び摩耗について試験した。

出願人らは、有害な作用又は明らかな化学的相互作用なしで、研磨された多結晶ダイヤモンド面とスライド接触した鉄カムシリンダの試験を実施した。鉄材料は、入手が容易であること、成形及び機械加工が容易であること、高弾性、及びいわゆる超硬材料よりも低コストであることに起因して、軸受用途に魅力的である。

出願人らによって実施された試験プログラムは、比較的高い荷重及び高いＲＰＭ速度でも、多結晶ダイヤモンドとダイヤモンド反応性材料との間の上首尾な荷重界接が軸受用途で利用できることが実証された。

重要な知見は、機械加工及び化学的相互作用につながる可能性があると考えられる、多結晶ダイヤモンド要素がダイヤモンド反応性材料とエッジ又は点接触状態にしない限り、多結晶ダイヤモンドは、多くの用途で要求される典型的な軸受荷重と速度でダイヤモンド反応性材料とのスライド接触を生じる可能性があることである。出願人らの試験のこの予想外の驚くべき成功は、新しい高性能ラジアル軸受の開発につながった。

試験プログラムには、回転下での平面多結晶ダイヤモンドとの高荷重面線形領域接触における湾曲した鉄表面の試験が含まれていた。この試験では、多結晶ダイヤモンドの１／２インチ幅の面全体に沿って、約０．２５０インチ幅のＰＤＣの面上に僅かに変色したヘルツ接触領域が生成された。接触領域の幅は、カムオフセット、システム内の振動、及び荷重下での鉄金属の僅かな変形によって説明することができる。所与の時点での１／２インチ多結晶ダイヤモンド要素面の総接触面積は、多結晶ダイヤモンド要素面の総面積の約７％以下であると推定される。試験で採用された構成は、多結晶ダイヤモンド要素の面上の小さな表面積でも大きな荷重がかかる可能性があることを示している。

平面多結晶ダイヤモンド面に対して荷重及び回転下での球形の鉄球の更なる試験により、多結晶ダイヤモンド要素の中心に直径約０．０３０の小さな変色したヘルツ接触領域が生成された。上記の接触の説明と同様に、理論にとらわれることなく、変色の直径は、試験装置の僅かな振動及び荷重下での鉄金属の僅かな変形の結果であると考えられる。

以下の表２は、スライディング界接の様々な構成について出願人によって実行された試験を要約したデータを記載している。
表２

試験１及び試験２は、荷重下に鋼製カップ内で転動する個々の鋼製ボールの試験不合格を要約している。試験３は、鋼製カップ内の単一の研磨ＰＤＣ要素によって担持された方の鋼製ボールの試験合格を要約している。試験４は、鋼のカップ内の３つの研磨多結晶ダイヤモンド要素のアレイによって担持された単一の鋼製ボールの試験合格率の高さを要約している。試験５〜９は、各々、回転鉄鋼カム面とスライド接触する単一の研磨多結晶ダイヤモンド要素のより厳しい試験を要約している。試験１０は、各々、回転鉄鋼カム面とスライド接続する、単一の未研磨多結晶ダイヤモンド要素対単一の研磨多結晶ダイヤモンド要素の比較試験を要約している。最終試験は、未研磨多結晶ダイヤモンド要素が使用された際の摩擦係数の有意な増加を示す。表２に提示する条件及び結果は、ダイヤモンド反応性材料上の多結晶ダイヤモンドの潜在的な使用を象徴し、制限的ではなく、又は本出願の技術を完全には包含していないとみなされたい。

（試験の結論）
ラジアル軸受における多結晶ダイヤモンド要素の用途は、要素の全面の使用度ははるかに劣り、依然として有意な荷重が掛かる可能性があることがわかった。この発見事項は、ラジアル軸受を含む効果的な多結晶ダイヤモンド要素は、対向面との多結晶ダイヤモンド要素の全面接触の必要はなく、設計及び製造することができることを意味する。この発見事項を本出願の技術において使用することは、ラジアル軸受を使用多結晶ダイヤモンド要素の処理がはるかに少なく製造すること可能であり、エッジ衝突、又はダイヤモンド反応性材料対向面の機械加工の推進のリスクを実質的に低減されることを意味する。

理論に縛られることなく、作動時に、カム及びカム従動子を液冷却潤滑環境において稼働させると、熱化学反応を開始することなく高速度及び高荷重化を達成することができる。更に、研磨された多結晶ダイヤモンド面は、とりわけ、熱化学応答の低減をもたらす。

上記で提供された説明及び図から、本出願の軸受組立体技術は、ダウンホール環境内の用途を含め、広範囲な用途において使用できることは容易に理解することができる。加えて、本明細書で提供される技術は、他の工業用途に広範囲に応用される。

更に、ラジアル軸受組立体内の表面同士の係合に関連して図示及び説明しているが、当業者であれば、本開示がこの特定の用途に限定されないこと、及び本明細書で開示される概念が、ダイヤモンド材料の表面と係合した何れかのダイヤモンド反応性材料面間の係合に適用できることを理解されるであろう。

本実施形態及び利点について詳細に説明してきたが、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更、置換、及び改変を行うことができることを理解されたい。更に、本出願の範囲は、本明細書に記載されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者であれば、本明細書に記載される対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行するか又は実質的に同じ結果を達成する、現在既存の又は今後開発されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、又はステップが本開示に従って利用することができることは、本開示から容易に理解されるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、その範囲内にこのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、又はステップを含むものとする。

Claims (40)

1. ラジアル軸受組立体であって、
   係合面を含む多結晶ダイヤモンド要素と、
   ダイヤモンド反応性材料を含む対向する係合面と、
   を備え、
   前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面が、前記対向する係合面とスライド係合する、ラジアル軸受組立体。
2. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、ドーム形、半球形、卵形、円筒形、放物形、のみ形、方形、及び矩形を含むグループから選択された形状を有する、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
3. 前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、平面を含む、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
4. 前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、凸状面を含む、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
5. 前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、凹状面を含む、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
6. 前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、高度にラップ仕上げ、研磨、又は高度に研磨される、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
7. 前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、２０μｉｎ以下である表面仕上げを有する、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
8. 前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、前記対向する係合面に正確に共形であるように成形されない、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
9. 前記係合面と前記対向する係合面との間の接触領域は、前記係合面の総表面領域の７５％未満である、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
10. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記対向する係合面とエッジ又は点接触をしない、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
11. 前記対向する係合面は、炭素で飽和される、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
12. 前記ダイヤモンド反応性材料は、鉄又はその合金、コバルト又はその合金、ニッケル又はその合金、ルテニウム又はその合金、ロジウム又はその合金、パラジウム又はその合金、クロム又はその合金、マンガン又はその合金、銅又はその合金、チタン又はその合金、又はタンタル又はその合金を含む、或いは、前記ダイヤモンド反応性材料は、鉄ベース超合金、コバルトベース超合金、又はニッケルベース超合金を含む、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
13. 前記ダイヤモンド反応性材料は、表面硬化、コーティング、又はめっきの形態である、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
14. ラジアル荷重に加えて、前記ラジアル軸受組立体は、軸方向荷重を担持する、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
15. 前記ラジアル軸受組立体は、ロータと係合されたステータを含み、前記係合面及び前記対向する係合面は、前記ロータと前記ステータとの間のスライド接触を界接する、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
16. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータとスライド接触して前記ステータ上に位置付け及び配置され、前記ロータは、前記対向する係合面を含む、請求項１５に記載のラジアル軸受組立体。
17. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ステータにおいて載荷ポート内に位置付けられる、請求項１６に記載のラジアル軸受組立体。
18. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの横方向移動を制限する、請求項１６に記載のラジアル軸受組立体。
19. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの軸方向移動を制限する、請求項１８に記載のラジアル軸受組立体。
20. 前記ロータは、前記対向する係合面を定める溝を含み、前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの前記溝内に位置付けられる、請求項１６に記載のラジアル軸受組立体。
21. 前記ロータは、前記対向する係合面を定める円錐面を含み、前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、前記円錐面と接触しており、前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの横方向及び上方への軸方向の移動を制限し、前記ロータの回転を可能にする、請求項１６に記載のラジアル軸受組立体。
22. 前記対向する係合面は、前記ロータ上の凸状面であり、前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、前記凸状面と接触しており、前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの横方向及び上方への軸方向の移動を制限し、前記ロータの回転を可能にする。
23. 前記ステータ上にリング状に配置された複数の多結晶ダイヤモンド要素を更に備える、請求項１６に記載のラジアル軸受組立体。
24. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ステータとスライド接触して前記ロータ上に位置付けられて配置され、前記ステータは、前記ダイヤモンド反応性材料の少なくとも一部を含み且つ前記対向する係合面を含む、請求項１５に記載のラジアル軸受組立体。
25. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータにおいてソケット内に位置付けられる、請求項２４に記載のラジアル軸受組立体。
26. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの横方向移動を制限し、前記ロータの回転を可能にする、請求項２４に記載のラジアル軸受組立体。
27. 前記ステータは、前記対向する係合面を定める円錐面を含み、前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、前記円錐面と接触しており、前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの横方向及び上方への軸方向の移動を制限し、前記ロータの回転を可能にする、請求項２４に記載のラジアル軸受組立体。
28. 前記対向する係合面は、前記ステータ上の凹状面であり、前記多結晶ダイヤモンド要素の前記係合面は、凸状であり、前記ステータの前記凹状面と接触し、前記凸状の多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータの横方向及び上方への軸方向の移動を制限し、前記ロータの回転を可能にする、請求項２４に記載のラジアル軸受組立体。
29. 前記対向する係合面上に固体潤滑剤を更に備える、請求項１に記載のラジアル軸受組立体。
30. ラジアル軸受組立体を提供するステップであって、前記ラジアル軸受組立体は、多結晶ダイヤモンド要素を含み、前記多結晶ダイヤモンド要素の各々が係合面を含む、ステップと、
    前記係合面が対向する係合面とスライド係合するように、ロータと前記多結晶ダイヤモンド要素を有するステータとの係合を界接するステップと、
    を含み、
    前記対向する係合面は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料を含む、
    方法。
31. 前記ラジアル軸受組立体を提供するステップは、前記係合面を高度にラップ仕上げ、研磨、又は高度に研磨するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記係合面は、２０μｉｎ以下である表面仕上げを有するように研磨される、請求項３１に記載の方法。
33. 前記ロータと前記ステータとの間の係合を界接するステップは、前記多結晶ダイヤモンド要素と前記対向する係合面との間のエッジ及び点接触を回避するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
34. 前記界接するステップの前に、前記対向する係合面を炭素で飽和するステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
35. 前記ダイヤモンド反応性材料は、鉄又はその合金、コバルト又はその合金、ニッケル又はその合金、ルテニウム又はその合金、ロジウム又はその合金、パラジウム又はその合金、クロム又はその合金、マンガン又はその合金、銅又はその合金、チタン又はその合金、又はタンタル又はその合金を含む、或いは、前記ダイヤモンド反応性材料は、鉄ベース超合金、コバルトベース超合金又はニッケルベース超合金を含む、請求項３０に記載の方法。
36. 軸方向及び半径方向の荷重を前記ラジアル軸受組立体で担持するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
37. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ステータ上に設けられ、前記対向する係合面は前記ロータ上にある、請求項３０に記載の方法。
38. 前記多結晶ダイヤモンド要素は、前記ロータ上に設けられ、前記対向する係合面は前記ステータ上にある、請求項３０に記載の方法。
39. 固体潤滑剤を前記対向する係合面上に提供するステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
40. ロータ及びステータのためのラジアル軸受組立体を設計する方法であって、前記ラジアル軸受組立体は、多結晶ダイヤモンド要素を含み、前記多結晶ダイヤモンド要素の各々は、対向する係合面とスライド係合した係合面を含み、前記対向する係合面は、少なくとも何らかのダイヤモンド反応性材料を含み、
    前記方法が、
    前記ロータ及び前記ステータの最大スライド速度が予め設定された限界未満であるか否か判断するステップと、
    前記最大スライド速度が前記予め設定された限界未満である場合、前記ロータ及び前記ステータ内の前記ラジアル軸受組立体の構成を選択するステップと、
    前記ロータ及び前記ステータ内の前記ラジアル軸受組立体の前記選択された構成における前記多結晶ダイヤモンド要素の選択された数に基づいて及び予想される荷重に基づいて、多結晶ダイヤモンド要素当たりの最大接触圧を算出するステップであって、前記算出最大接触圧が任意選択的に安全係数で除算される、ステップと、
    任意選択的に前記安全係数によって除算された前記算出最大接触圧が、予め設定された最大許容圧力未満であるかどうかを決定するステップと、
    前記算出最大接触圧が前記予め設定された最大許容圧力未満であると決定された場合、少なくとも最小数の前記多結晶ダイヤモンド要素を前記ロータ及び前記ステータ内の前記ラジアル軸受組立体の前記選択された構成上で展開するステップと、
    前記多結晶ダイヤモンド要素の数が、前記ロータ及び前記ステータ内の前記ラジアル軸受組立体の前記選択された構成に適合する場合、前記ロータ及び前記ステータのための前記ラジアル軸受組立体を作製するステップと、
    を含む、方法。

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