JPS5821065A - 軸シ−ル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 式の軸シール装置、特に高圧の地中孔掘削装置駆動用摩
擦材含有掘削流体、例えば泥流を回転ビット軸用軸受装
置から隔絶するための圧力補償型軸シール装置に関する
ものである。

従来、流体駆動される地中孔ｍ削装置の軸受は、ごれら
軸受を泥のような摩擦掘削流体から封止することができ
ないため、摩耗寿命が極めて短かかった。これら掘削装
置はドリルを地中孔内に固定状態に保持して臭え、掘削
流体の加圧流を下方へ孔内に導びく。ドリルの底近くに
液圧作動のモータ又はタービンを具え、これを掘削流体
により移動又は推進させる。このモータ又はタービンＦ
ｉｍ　　　’直に配置し丸軸を回転し、この軸をドリル
の下端内に延在させて地中孔掘削用ビットの駆動に用い
る。ｍ制流体はモータ又はタービン部分を通過すると、
軸の下端におけるビットを経て地中孔を上昇する。

回転軸及びこれを取巻く固定ドリルの下端間における環
状空所内に成る種の軸受装置を設ける必要がある。これ
ら軸受装置を泥流等の掘削流体中における摩擦粒の侵入
から保護しなければ、これら軸受装置は永久に駄目にな
る。軸受装置の交換は費用のかかるドリルの上げ降ろし
作業を要求するため、環状軸受室の両端にシール装置を
設けて軸受装置を隔絶する仁とにより、軸受装置から掘
削流体を排除する多くの努力がなされてきた。軸受装置
はしばしば潤滑剤を要求することがら、シール装置は軸
受室内に潤滑剤を収容することも必要である。

ドリルビット軸用軸受装置を保護する効果的で安価なシ
ール装置がｔｌ削技術における基本的な問題である。軸
受室の頂部及び底部にパツキンシールを設けて潤滑剤を
収容すると共に摩擦粒の侵入を防止する場合、これらパ
ツキンシールが掘削流体中の摩擦粒にさらされて早期に
摩耗し、潤滑剤の洩れや、軸受室への摩擦粒の侵入を許
すようｋなる。軸受内の摩擦粒は、軸受をタングステン
カーバイドのような硬質材料で造っても、これを摩滅さ
せてしまう。そこで従来、軸受室内の潤滑剤を周囲の掘
削流体圧に応じ加圧し、そのために軸受室及び掘削流体
間に可動隔壁を設けて掘削流体が軸受室内に漏れるのを
防止する提案がなされた。

この技術は米国特許第弘，ｏｉｖ，ｚｔＩ号明細書に示
されている。しかし、この技術で社、軸受を変動圧の潤
滑剤中で又高い掘削流体圧下で作動させねばならない欠
点がある。又、軸受室の加圧に関して、潤滑剤が軸受室
から時として洩れる欠点があり、この洩れは軸受室のタ
ービン又はモータ部分側と、ドリルビット周辺の地中孔
空間に対面する軸受室１側との間における掘削流体圧の
降下によって生じた軸受室の前後圧力差に起因する。

従って、流体駆動ドリルの軸に対する軸受及び軸受潤滑
室を確実にシールして掘削流体中の摩擦粒子が軸受に侵
入し表いようＫすると共に軸受用潤滑剤を収容しておけ
るような装置を提供することが重大事である。

本発明は流体作動の地中孔掘削装置における軸受を掘削
流体中の摩擦粒子の侵入から確実に保護すると共に潤滑
剤を軸受室内に封入しておけるようＫした軸シール装置
を提供しようとするものである。本発明軸シール装置で
は、相対的に回転するフェースリングを持つ型式のもの
であるが、このフェースリングに摺接させて複数個の相
互に嵌合した環状シールリングを設け、これらシールリ
、ングをその接触端面においてフェースリングの半径方
向面に押圧せしめる。又、シールリングを環状支持エレ
メント内に摺動自在に取付ける。シールリング間に封止
中間室を画成し、この中間室内に流体を収容する。中間
室の流体圧力を比較的高圧な周囲媒体の圧力に応じ生じ
させるようにし、この目的のため中間室はフェースリン
グ又は支持エレメントに取付けた圧力伝達手段により封
止すると共に、該手段の両端面を夫々中間室及び周囲媒
体に通じさせる。圧力伝達手段は浮動ピストン、１゜０
１Ｊング等の型式のものとし、両端面の面積を好ましく
は同じにして外側リング及び中間室間の圧力降下を零又
は無視できるようｋし、これＫより封止され九周囲媒体
が外側シールリング及びフェースリング関よ抄侵入しな
いようＫする。内側シールリングは中間室及び比較的低
い圧力流体を収容する保護空所間の内側障壁として作用
する。外側シールリングの前後圧力差が小さく、好まし
くは零であるため、外側シールリングの端面における接
触面積を小さくすることができる。内側シールリングを
外側シールリング及び中間室で保護するため、内側シー
ルリングの端面における面積も小さくすることができる
。

特に、摩擦流体で駆動される地中孔掘削装置、例えば泥
流モータで駆動される蟲該装置に本発明。

を適用する場合、本発明装置はドリルシャフト軸受を収
納した環状潤滑剤室の両端に配設することができる。こ
の場合、中間室流体は好ましくはシールリング用潤滑剤
として軸受室の潤滑剤と共用できるものにするのが良い
。又、掘削流体圧は常に軸受室圧力より高くして、軸受
室の潤滑剤が失なわれることのないようにする。

以下、図面につき本発明の詳細な説明する。

第１図において、１０は流体駆動される地中孔掘削装置
を示し、この装置は駆動流体に泥を使うものとする。一
般的には、泥状ドリル流体はリザーバｉｉから吸引され
、液圧ポンプｌコによ抄加工される。吐出泥流は固定の
ドリルケーシング１３を経て下方に通過し、泥流モータ
／ψ、例えば液圧駆動されるロータリタービンのモータ
駆動流体として作用し、このモータをロータリドリルビ
ットシャツ）　／Ｊの上端に駆動連結する。掘削用の泥
はモータ／弘への通過後、ビットシャツ）　／Ｊの孔１
６を経てシャツ）　１１の下端に至る孔１７内を下方に
通流し、ドリルピッ）　／ｌｆの整列孔を経て流出し、
ドリルビット／Ｉはシャフトｌｊの下端に取付ける。そ
の後掘削泥は井戸状孔Ｗを経て上方に通過する。

ビットシャフトｌｊは固定のケーシング１３内に周知の
軸受装置コ０を介して回転自在に取付ける。

軸受装置λＯはシャツ）　ＩＩに同心で潤滑剤ココを充
満させた環状空所内に収納して軸受室Ｂを画成する。こ
の軸受室をドリル泥流により運ばれた摩耗粒の侵入から
保護し、潤滑剤ココを室Ｂ内に収容するために、シール
装置１００を軸受室Ｂの上下端に夫々配置する。ドリル
泥流が固定ドリルケーシング１３を経て下方に通過し、
ドリルビット／１から出、孔Ｗを経て上昇する時、ドリ
ル泥流を常時軸受室Ｂ内の潤滑剤圧力よ抄高圧と表す。

第３図に示すように、シール装置１００は相対回転する
フェースリング予備組立体１１０及びｉａｏで構成する
。予備組立体ｌｌＯはフェースリング／／２を具え、そ
の比較的幅広の半径方向面を軸受室Ｂに最も接近させて
位置させる。フェースリング／／、２を固定とし、ドリ
ルケーシング１３により形成された固定軸受室ハウジン
グに１個又はそれ以上の廻り止めピン／／Ｊを介して取
付け、これらピンを軸受外匣に取着すると共に、リング
／／コに形成したスロツ）　／／ＩＩにゆるく係合させ
る。廻り止めピンｌ１３はフェースリング／／Ｊの円周
方向に相互に離間させる。フェースリング／ココ（Ｄ外
周ｍＫＯリング／／ｊを設け、これによりリング／／Ｊ
を軸受外匣に対し封止する。フェースリングｉｉコはシ
リコンカーバイドを含浸させたカーボンで造る。

シール予備組立体／２０を予備組立体／１０よりも軸受
室Ｂから遠い位置に配置する。予備組立体ココＯに支持
エレメント／１２λを設け、これをビットシャフトｉｔ
と共に回転するよう固着し、支持エレメントｌココ内に
複数個の環状シールリングココ３゜／２４７を一体回転
するよう嵌合する。リング／２３　。

１２弘をリング／／λの半径方向面内で延在させる。

支持エレメントｌココは止めねじりＯによりビットシャ
ツトノｊに取付ると共に、０リンゲタｌによりピットシ
ャフトｉｊに対し封止する。内側シールリング１２３、
外側シールリング１２μを支持エレメント／ココに形成
し丸環状溝１ｊＪ　、　／ｊｔ≠内に複数個の障り止め
ビン／３３　、　／３４Ｉを介して駆動連結下に支持し
、これらピンは支持エレメント外匣に取付けると共にシ
ールリングのスロットノ２１　、）ＪＰＫゆるく係合さ
せる。夫々の駆動ピン及びスロットな支持エレメント／
、２λ、シールリングｉ２Ｊ　、　／評の周方向に相互
に離間させる。シールリングココ３゜７．２弘を夫々溝
／！１３　、　／ｊｌ内にゆるく取付けると共ニ、ピン
／ＪＪ　、　／３０を夫々スロットココ１，１コタ内に
ゆるく掛合させることにより、シールリングココＪ　、
　／ｌｌは軸線方向、径方向及び円周方向に調整移動す
ることができる。各シールリングを支持エレメント／、
２コに形成した環状溝内に摺動自在に取付け、各リング
を個々に溝から外方に附勢して夫々の接触端面ココ３′
、ｌλ参′をフェースリング／ココに摺接させる。シー
ルリングｌコＪ、／コ参をステンレス鋼で造り１接触端
面ノコＪ’、／２弘′をステンレス鋼に被覆したタング
ステンカーバイドで造るのがよい。

附勢手段は第３図に示すようにコイルスプリングを用い
る。第参図に示すように、複数個の円周方向に離間した
コイルスプリングｌ≠３を内側シールリングココ３の下
側に配置し、複数個の円周方向　　　゛に離間したコイ
ルスプリングｌ←参を外側シールリングココ≠の下側に
配置する。シールリングココ３゜ｌコ弘の附勢手段とし
てはコイルスプリングに代え第４図に示すように波板ば
ねを用いることができる。又、シールリングココ３．コ
コ事の附勢には第３図及び第参図に示す複数個のコイル
スプリングに代え、連続環状ばね手段を用いてもよい。

しかし複数個の個々のばねを用いる場合、ばねの追加、
除去により各シールリングの附勢力を一層容易且つ正確
に調整することができる。

シールリングｌコＪ、／コ参は両者間に流体を充満した
環状中間室０を画成し、これをフェースリング／ココの
半径方向面により閉塞する。中間室Ｃ内に流体ノコｊを
封じ込めておくために、内外リングｌλＪ、ｌコ亭を夫
々の溝ｉｊｓ　、　ｉｓａ内に０リング／４３　、　＃
参等のシール手段を介して封止下に取付ける。０リング
／ｌ、Ｊ　、　／ｌ＃はシールリングの外周面に配置す
る。地中孔掘削装置の場合中間室流体ココｊを非摩擦剤
とし、シールリングの潤滑に軸受室Ｂ内のオイルココを
用いる。中間室流体のいかなる僅かな漏れも保護スペー
ス又はその流体に有害とならない。エレメントｌココに
形成した圧力伝達手段収納溝内に可動圧力伝達手段又は
圧力補償手段！を設け、これを一端において中間室流体
ココ！に、又他端においてドリル泥流に通じさせる。

溝はシール予備組立体に配置してフェースリングシール
組立体をコンパクトにする。

第３図及び第参図に示すように１圧力伝達手段Ｔは複数
個の円周方向に離間した浮動ピストン側壁上で構成し、
これらを支持エレメントｌココの面に形成した一連の円
周方向に離間する個々の圧力伝達手段収納溝内に摺動自
在に取付ける。浮動ピストン／ｊ２はピストン側壁上に
配置し九〇リングシールを介して夫々の溝内に摺動自在
に取付ける。

スナップリング／ｊＪのような手段を支持エレメントｌ
λλの外周間に配置し、これにより圧力伝達ピストンｉ
ｓＪを夫々の溝内に抑止する。

圧力伝達手段Ｔの両側を夫々ドリル泥流及び中間室流体
に露出させる。これら両側面積を等しくして、外側シー
ルリング／Ｊ４Ｃ及びフェースリング／／Ｊ関に圧力差
がほとんどないようＫする。この場合、ドリル泥流の侵
入が阻止され、摺動摩擦が小さくなり、端ｍ　／２４Ａ
’の摩耗が小さくなる。中間室流体圧が大気圧の泥流と
ｌ対ｌであるため、この中間室Ｏ内の流圧体は常に軸受
室Ｂ内の潤滑剤圧より高い。これがため、潤滑剤は軸受
室Ｂから内側シールリングノコ仏及びフェースリング７
７２間を経て漏出することがない。潤滑剤型式の中間室
流体／コｊの加圧は、この流体が潤滑剤をシールリング
ノコＪ　、　／Ｊ参及びフェースリング／７２間にも与
えて部分的な摩耗を減することができる。

圧力伝達手段としては他の同様な型式のものを１１１用
いることができること勿論である。即ち、圧力伝達手段
Ｔはピストンリングのような単一連続環状部材で構成し
ても良く、これを支持エレメントに形成した環状圧力伝
達手段収納溝内に摺動自在に取付ける。圧力伝達手段Ｔ
は浮動させる必要は７なく、その両側に等しく対向する
力を作用させて圧力伝達手段収納溝内の中立□位置に支
持することができる。この観点により構□成した圧力伝
達手段の他の例を第５図にＴ′で示す。各圧力伝達手段
Ｔ′は可動Ｏリング部分１６λで構成し、これを夫々の
支持エレメント溝内に摺動自在に取付ける。０リングｌ
ｔコをその溝内で対向上方板ばねｌｔＪ及び下方板ばね
１８に抗し摺動可能に取付け、これら板ばねをＯリング
／ｊコの両端にゆるく配置した上方板ｌ評及び下方板ｉ
ｔｔを介してＯリング／ｊコに係合させる。上方板ばね
１４Ｊを圧力伝達手段収納溝の上端壁に着座させ、下方
板ばねｔｔｚを溝開口端の支持板／４１に着座させ、こ
の支持板を支持エレメント／Ｊコ上に鎖着したスナップ
リング部材／４Ｆにより所定位置に保持する。第４図は
圧力伝達手段の更に他の例をＴ＃で示し、本例では核手
段τ′を円筒ピストン部材１７コで構成し、これにその
中央に配して環状窪みを形成する。各部材１７コをその
環状窪みに設けた０リングシ一ル部材／７３を介して圧
力伝達手段収納溝内に封止下に嵌合する。

部材／７コは上方及び下方板ばね／７４ｋ　、　／７ｊ
のばね力に坑し摺動可能で、これら板ばねで部材１７コ
を溝内の所定位置に・保持する。

本発明によるシール装置１０００作用を第３図につキ説
明する。外シールリングｌ−参及びフェースリング１／
コはドリル泥流が軸受室ＢＫ侵入するのを阻止する障壁
として作用する。外リング／Ｊ参の端面／Ｊ参′は抑圧
手段１杯によりフェースリング１／コに対し摩擦接触状
態を維持される。しかし、外シールリングを経て生ずる
漏洩の防止を一層確実にするために１泥流圧が圧力伝達
手段ＴＯ露出面に作用して、中間室０内の流体ｌコｊを
周囲媒体の圧力に応じ直接加圧するようにする。圧力伝
達手段での両側を同じ面積とするから、外側シールリン
グの内外の圧力差は零又ははとんど無視でき、ドリル泥
流が外側リング／２４１及びフェースリング１／コ関を
経て中間ｉ１０内に入ることはない。内側リングノコＪ
の端面ｌコ３′は抑圧手段／４１−３によりフェースリ
ング１／コに対し摩擦接触させられてお沙、外側シール
手段ｌコ亭、／／Ｊで洩れ防止し損なったドリル泥流が
軸受室ＢＫ侵入するのを阻止する補助又はバックアップ
障壁として作用し、合せて軸受室Ｂ内に潤滑剤ココを収
納するよう作用する。内側シールリングを経て生ずる軸
受室Ｂからの潤滑剤の漏れは、軸受室Ｂ内における流体
ココの圧力よ抄常に高くされている泥流圧と同じ中間室
流体ｌコ！の加圧により生じ走向側シールリングの前後
差圧によ抄確実に防止される。中間室流体の軸受室Ｂ内
への漏洩は、抑圧手段／＃Ｊによる内側シールリング接
触面／２１’ＩＱ摩ｊｌｉ！Ｉ触に起因して微少である
が、この漏洩は中間室流体ｌコ！を軸受室潤滑剤にも使
える潤滑剤として軸受を摩耗しないものにする場合、有
害ではない。なお、圧力伝達手段Ｔをほぼシールリング
／ＪＪ及び／Ｊ４Ｉ−間、並びに支持ニレメン）　／Ｊ
コとして図示する予備組立部分内に位置させる場合、シ
ール装置をコンパクトにし得ると共に１メインテナンス
に際しニレメン）Ｋ容易に手を接近させ得ることとなる
。

外側シールリングの前後にほとんど圧力差がないため、
外側リング接触面／Ｊ４Ｌ’の面積を最小となし得る。

内側シールリングの前後に圧力差があって潤滑剤ココが
軸受室Ｂから漏洩するのを確実に防止できるため、又内
側シール手段ｌコＪ　、　／ｌコが外側シール手段ｌコ
＄　、　ｉｔコ及び中間室流体障壁により保護されてい
るため、内側シールリング接触・面ｌｊ３′の面積を最
小に減することができる。

本発明は種々の変更を加えることができる。例えば、周
囲媒体から保護室まで半径方向内方に相互離間し九一連
の中間流体室を設定して、一層多くの流体障壁シールを
設けることができる。又、種々の面積の流体作用面を有
する圧力伝達手段を用いて、周囲媒体及び中間室流体間
に圧力差が生ずるようにするも、中間室流体が周囲媒体
の侵入を阻止する外側リング障壁として作用し続けるよ
うにすることができる。

第７図は地中孔掘削装置と共に用いるよう構成した本発
明シール装置７００′を示す０本例では、支持エレメン
トｌココ′をねじノｌＯＫより固定ドリルケーシング／
Ｊに固設し、フェースリング予備組立体ｌｌコ′を駆動
ビン／ＩＩ　Ｋよりビットシャフトｌｊと共に１１転す
るよう連結する。フェースリング予備組立体を保躾室か
ら最も遠くに、又支持エレメントの最も近くに配置して
、□圧力伝達手段及び圧力伝達手段収納溝をフェースリ
ングに取付ける。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明シール装置を＾えた泥流駆動型地中孔掘
削装置の縦断側面図、第２図は第１図の１−１断面図、
第３図は第１図に示す装置における本発明シール装置部
分の詳細拡大断面図、第参図は第３図のＩ！−４断面図
、第５図は本発明の他の例を示す圧力伝達手段の詳細部
分断面図、第を図は本発明の更に他の例を示す要部断面
図、第７図は本発明の更に別の例を示す要部断面図であ
る。 ＩＯ・・・地中孔掘削装置、ｌｌ・・・リザーバ、１２
・・・液圧ポンプ、１３・・・ドリルケーシング、１４
Ａ・・・泥流モータ、ｌｊ・・・ロータリドリルビット
シャフト、ｌｊ　、　１７・・・孔、ｌｌ・・・ドリル
ビット、２０・・・軸受装置、λλ・・・潤滑剤、Ｂ・
・・軸受室、りＯ・・・止めねじ、タト・・０リング、
ｉｏｏ　、　ｉｏｏ’・・・シール装置、ｌ１０・・フ
ェースリング予備組立体、ｌｊコ、　ＩＩコ′・・・フ
ェースリング、ｌ１３・・・廻抄止めビン、ｌｌｌ田川
スロットｌココ、ノコλ′・・・支持エレメント、ｌｊ
３．／−≠・・・シールリング、／ａ２Ｊ’、　／コダ
′・・・接触端面、ｌコｒ、ｌコタ・・・・スロット、
ｌλ！・・・流体、／Ｊ！　、　／Ｊ＃・・・廻り止め
ビン、／＄３．　＃４４＜−・・コイルスプリング、０
・・・中間室、１’　、　Ｔ’、　Ｔ・・・圧力補償手
段、Ｉｎ・・・ピストン、ｌ３３　、　Ｉｎ・・・環状
溝、／！！・・・スナップリング、＃Ｊ　・Ｏリング、
＃Ｊ　、　／４＃−０リング、ｉｔｓ　。 １４１・・・板ばね、ｉｔｔ・・・支持板、！４デ・・
・スナップリング部材、１７コ・・・ピストン部材、１
７３・・・０リングシ一ル部材、／７＄　、　ｌ７１・
・・板ばね、ｌ１０・・・ねじ、ｔｒｔ・・・駆動ビン
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可変圧力媒体を軸受から封止するための軸シール装
   置において、フェースリングと、前−。 記媒体及び軸受に夫々露出され、各々端面が前記フェー
   スリングに衝接して共働することによね封止中間室を画
   成するようにした一対の相互に離間した嵌合シールリン
   グと、前記中間室を媒体に露出させることなく媒体の圧
   力を該中間室に伝達して媒体に露出したシールリングの
   前後差圧を最小にすると共に軸受に露出し九シールリン
   グを媒体から保護するための手段と、前記フェースリン
   グ及びシールリングを相対回転させる手段とを具備して
   なることを特徴とする軸シール装置。 ２、地中孔を掘削するよう取付けた回転ドリルビットと
   、液圧作動モータと、これらモータ及びビット間を連結
   する軸と、該軸をこれから離間して包囲しドリル及び軸
   間に環状室を１゜提供する固定のドリル支持体と、前記
   環状室内における潤滑剤及び軸支持手段と、加圧摩擦掘
   削流体を軸駆動モータを経て環状室の周りに流す手段と
   を具える地中孔掘削装置において、対をなす相互に離間
   した嵌合シールリングをこれに対し封止関係にある支持
   エレメントの環状溝内に摺動自在に支持し、支持エレメ
   ントをシールリングに共働させて封止中間室を形成した
   特許請求の範囲第１項記載の軸シール装置。 ３、圧力伝達手段を掘削流体の圧力変化に応じ掘削流体
   及び中間室間に封止下に支持した特許請求の範囲第２項
   記載の軸シール装置。 ４、前記中開封正室に潤滑剤を充填してこれをフェース
   リングに露出させた特許請求の範囲第１項記載の軸シー
   ル装置。 ５、シールリングにばね手段を設けて夫々の端面を７エ
   ースリングに選択的に押圧した特許請求の範囲第１項記
   載の軸シール装置。 ６、前記対をなすシールリングを摺動自在及び封止関係
   に支持する環状支持エレメントを設け１前記フエースリ
   ング又は支持エレメントを他のリング又はエレメントの
   回転中回転しないよう鎖錠する特許請求の範囲第１項記
   載の軸シール装置。 ７、フェースリングに比較的広い半径方向面を設け、嵌
   合シールリングを骸半径方向面の範囲内Ｋｉｔ在させる
   と共に、シールリングの接触端面を直接フェースリング
   に摩擦接触するよう押圧し九特許請求の範囲第１項記載
   の軸シール装置。 ８、圧力伝達手段を可変圧力媒体及び刺止中間空間にそ
   の圧力変化に応じ封止下に支持し、これによ抄フェース
   リング及び外側シールリング間を経て前記媒体が侵入す
   るのを最小にすると共に１フエースリング及び内側シー
   ルリングの端面間を経て保■スペース流体が漏洩するの
   を最小にした特許請求の＊Ｓ第７項記載の軸シール装置
   。 ９、圧力伝達手段が複数個の浮動ピストンである特許請
   求の範囲第８項記載の軸シール装置。 １０、シールリングの端間をフェースリングに１’Ｆ圧
   する手段を設けた特許請求の範囲第２項記載の軸シール
   装置。