JP6838981B2 - ダウンホールモータ - Google Patents

Description

本発明は、ダウンホールモータに関する。

油層探鉱産業や深海の鉱物資源採鉱において、地面にドリルで穴を開けるための掘削ビットを駆動するために、ダウンホールモータが用いられている。この種のダウンホールモータでは、一軸偏心ねじポンプの作動原理の逆作動により掘削ビットを回転駆動する駆動方式が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の技術は、図２に示すダウンホールモータ１００のように、流体モータ部１３０と、流体モータ部１３０の下部に設けられた動力伝達部１８０と、動力伝達部１８０の下部に設けられた駆動軸支持部１６０とを有する。

流体モータ部１３０には、円筒状のハウジング１３１内に、螺旋状の内周面を有するステータ１２０が固定されるとともに、そのステータ１２０内に、螺旋状の外周面を有するロータ１１０が回転自在に支持され、ロータ１１０とステータ１２０との間に複数のキャビティＫが画成される。また、ハウジング１３１の上部には、作動流体Ｍを導入する作動流体導入管２００が接続される。

駆動軸支持部１６０には、円筒状のハウジング１７０内に、スラスト荷重およびラジアル荷重を受ける軸受１５０を介して駆動軸１４０が回転自在に支持されている。駆動軸１４０の先端は、ビット装着部１４０ｓとされている。ビット装着部１４０ｓは、ハウジング１７０の下方に張り出しており、ビット装着部１４０ｓの外周面には、掘削ビット１９０を接続可能な雄ねじが形成されている。

また、駆動軸１４０の上部には、動力伝達部１８０のハウジング１８１内に連通する連通口１４１が形成され、連通口１４１は、駆動軸１４０の軸方向に沿って形成された連通路１４２を介して掘削ビット１９０の先端に形成された吐出口１９１に連通している。そして、ロータ１１０の下端と駆動軸１４０の上端とは、動力伝達部１８０のハウジング１８１内にそれぞれ張り出しており、ロータ１１０の下端と駆動軸１４０の上端相互は、ユニバーサルジョイント１８５を介してハウジング１８１内で回転駆動力を伝達可能に接続されている。

このような構成により、このダウンホールモータ１００によれば、作動流体導入管２００から流体モータ部１３０のキャビティＫに高圧の作動流体Ｍを導入することで、流体モータ部１３０は、一軸偏心ねじポンプの作動原理の逆作動により、ロータ１１０に回転力を与えることができる。そして、流体モータ部１３０は、ロータ１１０の下端を出力軸とし、ロータ１１０の回転をユニバーサルジョイント１８５を介して駆動軸１４０に伝達する。
これにより、このダウンホールモータ１００によれば、駆動軸１４０先端に装着された掘削ビット１９０によって地面に穴を開けることができる。なお、流体モータ部１３０を経た作動流体Ｍは、ハウジング１８１内を通り、連通口１４１、連通路１４２を順に介して吐出口１９１から排出される。

米国特許第３９８９１１４号明細書

しかし、特許文献１記載の技術のような、従来のダウンホールモータ１００では、ロータ１１０の回転力を、動力伝達部１８０のユニバーサルジョイント１８５を介して駆動軸１４０に伝達するので、ユニバーサルジョイント１８５の介在により、駆動機構の全長が長くなるという問題がある。

また、掘削ビット１９０を駆動するためには、トルクを伝達する各部材が、高トルクに対応する必要があるところ、従来のダウンホールモータ１００では、その構造上、ユニバーサルジョイント１８５を構成する上下の継手部１８２、１８４および連結ロッド１８３の強度は、ロータ１１０や駆動軸１４０の強度に比較して劣るものである。そのため、掘削ビット１９０への伝達トルクは、ユニバーサルジョイント１８５の強度に依存するという問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、駆動機構をコンパクトに構成するとともに、高トルクに対応し得るダウンホールモータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るダウンホールモータは、作動流体が導入されるハウジングと、前記ハウジング内に自身基端が回転自在に支承された第一シャフトと、前記第一シャフトの先端側に軸方向に沿って延設されて雄ねじ状の外周面を有するインナロータ部と、前記インナロータ部に外挿され且つ前記ハウジング内に回転自在に支承された第二シャフトと、前記第二シャフトの内周面に雌ねじ状に設けられて前記インナロータ部との協働によって画成されたキャビティに前記作動流体が導入されることにより前記第一シャフトおよび前記第二シャフト相互を所定比率で回転させる流体モータを構成するアウタロータ部と、前記第二シャフトの先端に前記ハウジングの端部から張り出すように延設されて自身外周面に掘削ビットが装着されるビット装着部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係るダウンホールモータによれば、ハウジングに対してインナロータ部の回転軸とアウタロータ部の回転軸とをそれぞれ回転自在に支承し、第一シャフト側のインナロータ部と、第二シャフト側のアウタロータ部とによって流体モータを構成しており、ハウジングに作動流体を注入して、インナロータ部とアウタロータ部とで画成されるキャビティに作動流体を流し込むことにより、インナロータ部とアウタロータ部とを所定比率で回転させて、第二シャフトのビット装着部に装着した掘削ビットを駆動して地面に穴を開けることができる。

そして、本発明の一態様に係るダウンホールモータによれば、流体モータに作動流体が導入されると、インナロータ部とアウタロータ部とを所定比率で回転させ、第二シャフト先端の掘削ビットを直接駆動できるため、高圧流体で作り出されたロータの回転力を、ユニバーサルジョイントを介してシャフトに伝達していた従来のダウンホールモータのような、ユニバーサルジョイントが不要となる。したがって、駆動機構の全長を短くしてコンパクトに駆動機構を構成できる。

また、本発明の一態様に係るダウンホールモータによれば、ユニバーサルジョイントが不要なので、その強度に依存するという問題も解消される。さらに、インナロータ部とアウタロータ部とを所定比率で回転させることができるため、インナロータの回転よりも減速されたアウタロータの回転力を掘削ビットに直接伝達可能となる。そのため、インナロータのトルクよりも大きな回転トルクを掘削ビットに効率良く伝達できる。よって、上述したような従来のダウンホールモータに比べて、より高トルクに対応できる。

また、本発明の一態様に係るダウンホールモータによれば、掘削ビットに加わる負荷を、インナロータの外径よりも大きなアウタロータの外径を支承する大きな軸受で受けることができる。そのため、駆動機構の全長をコンパクトに構成し且つ高トルクに対応しつつも、より信頼性の高いダウンホールモータを構成できる。

ここで、本発明の一態様に係るダウンホールモータにおいて、前記ハウジングは、自身上部の開口部から前記作動流体が前記第一シャフトの基端側に導入されるように構成され、前記第一シャフトは、自身基端側から導入された前記作動流体を、自身先端側から前記キャビティ側に吐出可能な連通穴を有することは好ましい。このような構成であれば、第一シャフトに形成された連通穴を介してキャビティ側に作動流体を供給できるので、駆動機構をコンパクトに構成する上で好適である。

上述したように、本発明によれば、駆動機構をコンパクトに構成するとともに、高トルクに対応できる。

本発明の一態様に係るダウンホールモータの一実施形態の模式的説明図であり、同図は、軸線を含む縦断面図であって、掘削ビットを装着した状態を示している。 従来のダウンホールモータの一例を模式的に示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

図１に示すように、本実施形態のダウンホールモータ１は、長尺な中空円筒状のハウジング１０を備える。ダウンホールモータ１は、使用時には、ハウジング１０の軸線を上下方向として配備される。ハウジング１０は、内部が軸方向に沿って貫通しており、上端部および下端部にそれぞれ開口を有している。ハウジング１０の上部開口は、作動流体Ｍを導入する導入口１３になっている。なお、本実施形態では、作動流体Ｍとして高圧水が導入される。

本実施形態のハウジング１０は、中空円筒状の上部ハウジング１１と、上部ハウジング１１の下端に同軸に装着された中空円筒状の下部ハウジング１２とを有する。上部ハウジング１１の下端には、インロー凸部１１ｔと、円環状のフランジ１１ｆとが設けられている。下部ハウジング１２の上端には、インロー凹部１２ｄと、円環状のフランジ１２ｆとが設けられている。インロー凸部１１ｔとインロー凹部１２ｄとは、インロー嵌合され、その状態で、フランジ１１ｆ、１２ｆ相互が複数のボルト８０によって連結されている。そして、上部ハウジング１１には、第一シャフト２０が回転自在に支持され、下部ハウジング１２には、第二シャフト３０が回転自在に支持されている。

上部ハウジング１１は、軸方向での下部の位置に、第一シャフト支持部５１が設けられている。第一シャフト支持部５１は、複数の軸受５１ｊと、複数の軸受５１ｊを上下の軸方向から自身の鍔部で挟持するようにそれぞれ装着される第一のブシュ４１および第二のブシュ４２と、第一のブシュ４１の内周面と第一シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第一のシール６１と、第二のブシュ４２の内周面と第一シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第二のシール６２と、下部開口に装着される円環状の支軸部キャップ８２と、を有して構成されている。
第一シャフト支持部５１は、上記フランジ１１ｆ、１２ｆ相互を連結時に、上部ハウジング１１内の凹の段部に装着された複数の軸受５１ｊおよびその両側の二つのブシュ４１、４２が、上部ハウジング１１の下部開口部に装着された支軸部キャップ８２によって軸方向に挟圧されることにより、装着状態が保持される。

その装着状態において、第一シャフト支持部５１は、上部ハウジング１１の軸線に対して所定の偏心距離Ｅだけ偏心した位置に第一シャフト２０の基端部２１を支持するように複数の軸受５１ｊが軸線方向に沿って配置され、複数の軸受５１ｊを介して第一シャフト２０の基端部２１を回転自在に支持する。第一シャフト支持部５１の複数の軸受５１ｊの両側は、第一のシール６１および第二のシール６２により、第一シャフト２０の基端部２１の外周面と上部ハウジング１１の内周面との間がシールされる。

下部ハウジング１２には、軸方向の上下に離隔して、二つの第二シャフト支持部５２、５３が設けられている。上部側を支持する第二シャフト支持部５２は、複数の軸受５２ｊと、複数の軸受５２ｊを軸方向の上方から自身鍔部で挟持するように装着される第三のブシュ４３と、第三のブシュ４４の内周面と第二シャフト３０の外周面との間に介装された第三のシール６３と、を有して構成されている。

また、下部側を支持する第二シャフト支持部５３は、複数の軸受５３ｊと、複数の軸受５３ｊを軸方向の下方から自身鍔部で挟持するように装着される第四のブシュ４４と、第四のブシュ４４の内周面と第二シャフト３０の外周面との間に介装された第四のシール６４と、円環状のフロントキャップ８１と、を有して構成されている。

そして、第二シャフト３０の外周面には、軸方向の中央部に、凸の段部３１ｍが形成されており、上下の軸受５２ｊ、５３ｊの凸の段部３１ｍ側の側面が、凸の段部３１ｍの側面に当接するように装着されるとともに、下部ハウジング１２の下部開口部に装着されたフロントキャップ８１の装着によって軸方向に挟圧されることにより、装着状態が保持される。なお、フロントキャップ８１は、図示しない複数の埋め込みボルトにより下方から固定される。

その装着状態において、上下の第二シャフト支持部５２、５３は、下部ハウジング１２の軸線に対して同軸となる位置に第二シャフト３０の外周面を支持するように、複数の軸受５２ｊ、５３ｊが軸線方向に沿って配置され、複数の軸受５２ｊ、５３ｊを介して第二シャフト３０の外周面を回転自在に支持する。

また、第二シャフト支持部５２、５３の複数の軸受５２ｊ、５３ｊの上下の側は、第三のシール６３および第四のシール６４により、第二シャフト３０の外周面と下部ハウジング１２の内周面との間がシールされる。なお、本実施形態では、各シャフト２０、３０を支持する複数の軸受５１ｊ、５２ｊ、５３ｊに、スラスト荷重およびラジアル荷重を受ける深溝玉軸受を使用しているが、これに限定されず、種々の軸受を用いることができる。

ここで、本実施形態のダウンホールモータ１は、上述した下部ハウジング１２内に、流体モータを構成する駆動機構部７０が設けられている。
詳しくは、第一シャフト２０は、上記基端部２１と、基端部２１の先端側に形成されたインナロータ部２２とを一体に有して構成されている。基端部２１の上面には、テーパ状の作動流体導入口２３が開口するとともに、作動流体導入口２３に連通して、基端部２１の軸方向に沿って作動流体導入路２５が形成されている。作動流体導入路２５は、基端部２１とインナロータ部２２との境となる位置まで延設されている。

そして、基端部２１とインナロータ部２２との境となる位置には、複数の作動流体導出口２４が、作動流体導入路２５の先端部と下部ハウジング１２の内部とを連通するように斜めに形成されている。つまり、第一シャフト２０には、導入口１３側から順に連通形成された、作動流体導入口２３、作動流体導入路２５および作動流体導出口２４によって、自身基端側の導入口１３から導入された作動流体Ｍを自身先端側の作動流体導出口２４から吐出可能な連通穴が設けられている。

そして、インナロータ部２２は、第一シャフト２０の基端部２１の先端から軸方向に沿って同軸に下方に向けて垂下された状態で延設され、その延設された部分に、雄ねじ状の外周面を有している。一方、第二シャフト３０は、金属製で中空円筒状をなす外筒３１と、外筒３１内に配置されたゴム製のアウタロータ部３２とを一体に有して構成され、アウタロータ部３２は、雌ねじ状の内周面を有している。

本実施形態の駆動機構部７０は、内周面に（Ｎ＋１）条雌ねじを有するアウタロータ部３２と、外周面にＮ条雄ねじを有するインナロータ部２２とを備えている。そして、アウタロータ部３２の回転軸線ＣＬ２に対し、インナロータ部２２の回転軸線ＣＬ１は、相互の軸心が所定の偏心距離Ｅだけ離れた平行な２軸となるように配置されており、インナロータ部２２とともにアウタロータ部３２が、Ｎ／（Ｎ＋１）の回転角度で連れ回り駆動可能に構成されている。但し、Ｎは１以上の自然数である。

本実施形態の例では、駆動機構部７０は、インナロータ部２２の螺旋部２２ｒが、左巻き２条雄ねじになっており、アウタロータ部３２の螺旋部３２ｒの形状が、１２０度間隔の頂点を有する横断面が３角リング形状の左巻き３条雌ねじになっている。そしてインナロータ部２２外周面の螺旋部２２ｒがアウタロータ部３２の螺旋部３２ｒに内装され、相互の隙間には、駆動に応じて独立した密閉空間とされるキャビティＫが軸方向の複数個所に画成されている。

上記構成より、アウタロータ部３２の螺旋部３２ｒ内にインナロータ部２２の螺旋部２２ｒが差し込まれると、相互の隙間には、駆動に応じて独立した密閉空間とされるキャビティＫが、軸方向の複数個所に画成される。

そして、第二シャフト３０の先端に、掘削ビット９０が装着される。本実施形態では、第二シャフト３０の外筒部３１の先端は、フロントキャップ８１よりも下部ハウジング１２の下方に張り出してビット装着部３３とされている。ビット装着部３３の外周面には、掘削ビット９０を接続可能な雄ねじが形成され、掘削ビット９０は、自身基端部が第二シャフト４２先端のビット装着部３３に接続される。なお、掘削ビット９０の下面には、作動流体Ｍを吐出する吐出口９１が、中央部から放射状に複数に分岐して開口しており、複数のキャビティＫを経た作動流体Ｍを吐出口９１から吐出可能になっている。

これにより、このダウンホールモータ１は、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とが、インナロータ部２２の回転軸線ＣＬ１とアウタロータ部３２の回転軸線ＣＬ２とを並列に且つ所定の偏心距離Ｅだけ離してそれぞれ回転自在に支承され、インナロータ部２２と一体の第一シャフト２２内部の連通穴を介して駆動機構部７０の上部の位置３１ｕに作動流体Ｍを導入し、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とで画成されるキャビティＫに高圧の作動流体Ｍを流し込むことにより、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とを所定比率で回転させ、アウタロータ部３２と一体の第二シャフト３０を駆動軸として回転駆動し、その外筒部３１を延設してなるビット装着部３３に装着された掘削ビット９０を回転して地面を掘削可能になっている。

次に、本実施形態のダウンホールモータ１の動作および作用効果について説明する。
ダウンホールモータ１は、作業時には、ハウジング１０の駆動機構部７０を下方とし掘削ビット９０を地面に対向する姿勢で配備する。ハウジング１０上部の導入口１３には、作動流体Ｍを導入可能に、不図示の作動流体導入管を介して作動流体Ｍ（この例では高圧水）を供給するポンプを備える作動流体導入部が接続され、導入口１３から高圧の作動流体Ｍが供給される。

高圧の作動流体Ｍは、第一シャフト２０の導入口１３から作動流体導入路２５を介して作動流体導出口２４から導出されて駆動機構部７０の上部の位置３１ｕに供給され、さらに、インナロータ部２２とアウタロータ部３２との対向空間に画成された複数のキャビティＫに順次に導入される。これにより、駆動機構部７０は、キャビティＫに作用する作動流体Ｍの導入圧により、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とが所定比率で連れ回りを開始する。

つまり、駆動機構部７０において、作動流体Ｍの導入圧が第二シャフト３０の回転駆動力に変換される。駆動機構部７０で第二シャフト３０が回転駆動すると、第二シャフト３０の先端に設けられた掘削ビット９０が共に回転し、地面を掘削することができる。なお、導入口１３から導入された作動流体Ｍは、駆動機構部７０の下部の位置３１ｓを経て掘削ビット９０先端の吐出口９１から装置外に吐出される。

このように、本実施形態のダウンホールモータ１によれば、従来のダウンホールモータのような、高圧の作動流体で作り出されたロータの回転力を、ユニバーサルジョイントを介してシャフトに伝達していた構成と比べて、ユニバーサルジョイントが不要なので、駆動機構部７０の全長を短くしてコンパクトに構成できる。

また、本実施形態のダウンホールモータ１によれば、ユニバーサルジョイントが不要なので、ユニバーサルジョイントやその連結用ロッドも不要なことから、これらの強度に依存するという問題も解消される。また、インナロータ部２２の回転よりも減速されたアウタロータ部３２の回転力を掘削ビット９０に直接伝達できるため、第一シャフト２０のトルクよりも大きな回転トルクを、第二シャフト３０の先端に設けられた掘削ビット９０に効率良く伝達可能なので、より高トルクに対応できる。

さらに、本実施形態のダウンホールモータ１によれば、インナロータ部２２の外径よりも大きなアウタロータ部３２の外筒部３１を支承する大きな軸受５２ｊ、５３ｊを有する第二シャフト支持部５２、５３によって、掘削ビット９０に加わる負荷を受けることができる。そのため、駆動機構部７０の全長をコンパクトに構成しつつも、より信頼性の高いダウンホールモータを提供できる。

以上説明したように、本実施形態のダウンホールモータ１によれば、ユニバーサルジョイントを用いた従来のダウンホールモータに比べて、駆動機構部７０をコンパクトに構成するとともに、高トルクに対応できる。なお、本発明に係るダウンホールモータは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、第一シャフト２０は、自身基端側から導入された作動流体Ｍを、自身先端側からキャビティＫ側に吐出可能な連通穴を有する例を示したが、第一シャフト２０の構成や作動流体Ｍの導入路の構成は、これに限定されない。
つまり、作動流体Ｍは、駆動機構部７０の上部（符号３１ｕの箇所）に供給できれば、インナロータ部２２とともにアウタロータ部３２を所定比率で連れ回り駆動可能である。よって、例えば上部ハウジング１１を二重管構造とし、その二重管構造の部分を作動流体Ｍの導入路として用い、駆動機構部７０の上部（符号３１ｕの箇所）に作動流体Ｍを供給してもよい。

また、例えば上記実施形態では、流体モータによる駆動機構部７０の一例として、内周面に３条雌ねじを有するアウタロータ部３２と、外周面に２条雄ねじを有するインナロータ部２２とを備え、インナロータ部２２とともにアウタロータ部３２が、所定比率として、２／３の回転角度で連れ回り駆動可能な例に説明したが、これに限定されない。

つまり、本発明に係るダウンホールモータは、インナロータ部とともにアウタロータ部が連れ回り駆動可能な流体モータによる駆動機構部であれば、内周面に（Ｎ＋１）条雌ねじを有するアウタロータ部と、外周面にＮ条雄ねじを有するインナロータ部とを備え、インナロータ部とともにアウタロータ部がＮ／（Ｎ＋１）の回転角度で連れ回り駆動可能な構造（但し、Ｎは、１以上の自然数である。）を採用できる。

具体的には、駆動機構部７０の構成を、例えば、Ｎを１としたとき、ハウジング１０と、ハウジング１０内に回転可能に支持されるとともに内周面に２条雌ねじを有するアウタロータ部３２と、アウタロータ部３２内に挿入されるとともに回転可能に支持されて外周面に１条雄ねじを有するインナロータ部２２とを備え、インナロータ部２２とともにアウタロータ部３２が１／２の回転角度で連れ回り駆動する構成としてもよい。

１ ダウンホールモータ
１０ ハウジング
１１ 上部ハウジング
１１ｆ フランジ
１２ 下部ハウジング
１２ｆ フランジ
１３ 導入口
２０ 第一シャフト
２１ 基端部
２２ インナロータ部
２３ 作動流体導入口（連通穴）
２４ 作動流体導出口（連通穴）
２５ 作動流体導入路（連通穴）
３０ 第二シャフト
３１ 外筒部
３２ アウタロータ部
３３ ビット装着部
４１ 第一のブシュ
４２ 第二のブシュ
４３ 第三のブシュ
４４ 第四のブシュ
５１ 第一シャフト支持部
５２ 第二シャフト支持部
５３ 第二シャフト支持部
６１ 第一のシール
６２ 第二のシール
６３ 第三のシール
６４ 第四のシール
７０ 駆動機構部
８０ ボルト
８１ フロントキャップ
８２ 支軸部キャップ
９０ 掘削ビット
９１ 吐出口
ＣＬ１ 第一シャフトの回転軸線
ＣＬ２ 第二シャフトの回転軸線
Ｅ 偏心距離
Ｋ キャビティ
Ｍ 作動流体

Claims (1)

1. 作動流体が導入されるハウジングと、
   前記ハウジング内に自身基端が回転自在に支承された第一シャフトと、
   前記第一シャフトの先端側に軸方向に沿って延設されて雄ねじ状の外周面を有するインナロータ部と、
   前記インナロータ部に外挿され且つ前記ハウジング内に回転自在に支承された第二シャフトと、
   前記第二シャフトの内周面に雌ねじ状に設けられて前記インナロータ部との協働によって画成されたキャビティに前記作動流体が導入されることにより前記第一シャフトおよび前記第二シャフト相互を所定比率で回転させる流体モータを構成するアウタロータ部と、
   前記第二シャフトの先端に前記ハウジングの端部から張り出すように延設されて自身外周面に掘削ビットが装着されるビット装着部と、を備え、
   前記ハウジングは、自身上部の開口部から前記作動流体が前記第一シャフトの基端側に導入されるように構成され、
   前記第一シャフトは、自身基端側から導入された前記作動流体を、自身先端側から前記キャビティ側に吐出可能な連通穴を有する、ことを特徴とするダウンホールモータ。

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