JPS6038514B2 - 抗底用多条ねじ式らせん遊星歯車モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は穿孔装置、特に坑底用多条ねじ式スクリュー・
モータに関するものである。

本発明はオイル・ボアホール、ガス・ボアホールおよび
探査用ボアホールを掘削するための坑底油圧式スクリュ
ー・モータに用いて最も有益である。

掘削用の坑底スクリュー・モー夕で、その作用部材が多
条ねじ式遊星歯車機構を形成しているものは公知である
。

この機構はステータとロータとからなる。ステータはら
せんねじ状の作用面を有する弾性ラィニングを内側に備
えたケーシングからなる。またステータは、このステー
タに対して橘心配設されかつらせんねじ条を外部に備え
たロー夕を収容している。上記ロータとステータとは、
内歯歯車機構のように常時噛合する動的カップリングを
形成しており、かつ開空洞を画成している。

ロータの軸線はステータの軸線に対し、偏心度“ｅ”だ
けずらされている。

ステータおよびロータのらせん面状の歯の数はそれらの
らせん状ねじ条数に相当している。このらせん遊星歯車
機構においては、ステータの歯数はロー夕のそれに比べ
、１だけ大きくなっている。ステータおよびロータのピ
ッチ比はそれらの歯数比に正比例している。多条らせん
遊星歯車機構の横断面形状の基本とのなるのはサィクロ
ィド歯車である。

ステータの横断面形状は、サィクロィド曲線の部分とお
よび円弧の部分とを交互配設することにより得られる。

ロータの横断面形状は、ステータの所期設定円の内側で
ロータとステータのらせん面が連続的に係合するよう選
定されたロータの最大ピッチ円を転動させることにより
得られるステータの輪郭の包絡線から得られる。多数ね
じ式スクリュー・モータの作用部材の幾何学的パラメー
タについては一部、米国特許第３８２２９７２号（１９
７２王１１月２０日交付、ＩＰＣＦＣ１ｃｌ／１０）に
開示されており、該特許明細書には横断面上の、作用部
材の最適寸法比率が開示されている。

スクリュー・モータにおいて、ロー夕およびステータの
らせん面の三次元形状は、ステータおよびロータのらせ
ん面のピッチの、それぞれのピッチ径との比率を示すパ
ラメータに依存する。

従来技術の坑底スクリュー・モー夕では、このパラメー
タは４乃至４．６の範囲内である。この範囲内のパラメ
ータ値を示すモータは、モータの作用部材が自己制動し
得るためにスタート性能が不安定であるという特徴をも
っている。本発明は、作用部材の漏れ率が小さく抑えら
れいかなる使用状態においてもモータの自己制動が生ず
ることがない最適ねじれ角をもった坑底用スクリュー・
モータを提供するものである。

本発明の上記目的は、下記のような多条ねじ式らせん遊
星歯車モータを提供することにより達成される。

すなわち、この発明の多条ねじ式らせん遊星歯車モー外
よ、らせんねじ条を内側に備えたステータと、らせんね
じ条を外側に備え、上記ステータ内に偏心配設されたロ
ータとからなり、上記ロータとステータとは内歯歯車の
ように常時噛合する動的カップリングを形成しており、
上記ステータの歯数が上記ロータの歯数より１だけ大き
く、上記ステータとロータのらせんねじ条のピッチ比が
それらの歯数の比と直接比例しており、上記ステータお
よびロータのらせん面のピッチの、それぞれのピッチ径
に対する比率が実質上、５．５乃至１２の範囲内にある
ことを特徴としている。上記の、作用部材の幾何学パラ
メータを有する多数ねじ条式スクリュー・モータを得る
ことにより、モータのあらゆる動作状態、特にスタート
時における自己制動現象をなくしてモー夕の信頼性と動
作の安定性を改善できる。次に添付図面に従い、本発明
を更に詳しく説明する。

第１図は穿孔用の油圧スクリュー・モータの実施例を示
す。

本実施例においてモー外ま加圧供給される流体により作
動される。その流体としては水、掘削泥水その他の液体
を用てよい。加圧流体の種類の選択は特定の地勢的かつ
生産的掘削条件に従って行なわれる。

スクリュー・モータは弾性ラィニング２が剛着されてい
るケーシング１からなる。

このライニング２は通常、ゴム製であるが、その他の弾
性材料で作ったものでもよい。このラィニングは多条の
らせんねじを内側に備えている。そのねじ条数はステー
タのらせん面の歯数乙に相当する。当該特定実施例にお
いては、Ｚ＝１０である。但し、これはモー外こ課せら
れた技術的要求事項により大きく変化してよい。ライニ
ング２と共にケーシング１は本発明のスクリュー・モー
タのステータ３を構成している。

上記ステータ３は、通常金属製のロータ４を収容してい
る。ロータは歯数Ｚ＝９のねじ条を外側に備えている。
〇ータ４は偏心度“ｅ”（第２図）をもってステータ２
内に取付けられ、ステータのらせん面のピッチＴ（第３
図）の、ロータのらせん面のピッチｔに対する比率はそ
れらの歯数の比率に正比例する。すなわち、Ｔ／ｔ＝Ｚ
／Ｚ 上記のステータ３およびロータ４（第２図）は動的カッ
プリングを形成しており、このカップリングは歯数差が
１での内部噛合の歯車のように、常に係合状態にある。

ロータ４およびステータ３のらせん状の歯は互いに係合
してピッチ長Ｔに亘り閉じられたチヤンバを画成してい
る。第３図はピッチ径Ｄ，，Ｄ２をそれぞれ有する、ス
テータ・ピッチ長Ｔに百つたステータおよびロータの側
面の展開図である。

この図において実線はステータとロータとの接触線を示
し、またこれらの接触線間の流体で満たされるチャンバ
を示している。第２図はらせん遊星歯車機構の横断面形
状を示しており、この図においてステータ３の横断面形
状は、ステータ３の歯を画成するサィクロィド曲線とス
テータの横断面における歯空間を画成する半径“ｒ”の
円弧とを交互配設することにより得られる。

ステータ３の輪郭を基本的に形成するサィクロィド曲線
は、ステータ３の初期設定円上を摺動させることなく偏
心度“ｅ”に応じて選ばれた直径の別の仮想的な円を転
勤させることにより得られる。

ステータの所期設定円は一般に、スクリュー機構の予想
動作状態に応じて決まり、そして与えられた条件下で許
容される最大直径サイズにより決まる。ロータ４の横断
面輪郭はステータ３の輪郭に接合させられ、ロ−夕４の
ピッチ円をステータ３のピッチ円上に転勤させることに
より得られるステータ３の最初の輪郭の包絡線により形
成される。

ロータ４は２重ヒンジ取付けされた継手により出力軸６
に連結されており、この軸はその端に、これに取付けら
れ坑底モ−夕の掘削工具（図示せず）を有している。そ
の出力軸６はラジアル軸受８によりハウジング７内にジ
ャーナル結合されている。このハウジング７内に設けら
れたスラスト軸受は坑底モータの動作中軸方向負荷を支
持するのに用いられる。本発明の坑底モータは下記の通
り動作する。

油圧ポンプが加圧液体をパイプに沿ってモータの空洞Ａ
へ送る。この空洞内では同一圧力が生じる。空洞Ａは以
下高圧空洞と云う。ロータ４およびステータ３のらせん
状歯は互いに咳合してステータ３のらせん面のピッチＴ
の長さに亘つて閉じられたチャンバを画成する。こうし
て多数のチャンバが高圧空洞Ａと蓮通し、また多数のチ
ャンバが低圧空洞Ｂと蓮適する。従って、機構の各横断
面に不均衡な力が生じ、すなわちトルクが発生する。こ
れらの力の作用でステータ３の弾性ラィニング２の径方
向変形が生じ、ロータ４はその藤線を横断する方向に変
位させられ、この後にロータが遊星運動を行ないステー
タ３の歯上を転勤する（第２図において時計方向に）。
ロー夕４は２重ヒンジ結合された継手５により出力軸６
へ回転運動を与え、その運動は坑底モータの掘削工具に
伝えられる。

理論的研究かつ実験から判明しているように、動作中の
スクリュー・モータのスタート性能および信頼性はパラ
メータＣｔに大きく依存している。

このパラメータＣｔはステータおよびロータのピッチＴ
の、それらのそれぞれのピッチ蓬Ｄ，，○２に対する比
率を示すものである。

モータの作用部材がねじ・ナット歯車機構を形成すると
仮定すれば、モータの理論的トルクＭとロータに加えら
れる軸方向力Ｇとの関係は下記の如くなる。

Ｍ＝（ＧＤｔｇ（Ｑ−８））／２ ここで・ Ｄ：ねじ・ナット歯車機構のピッチ蚤 Ｑ：ねじれ角 Ｂ：塔ｆに等しい摩擦角度 ｆ：ロータ・ステータ系の摩擦係数 坑底スクリュー・モータにおける特定の状態において、
静摩擦係数ｆは１に近いあるいは１より大きい値でもよ
く、摩擦角度８はかかる場合にはねじれ角Ｑとほぼ等し
くなる。

従って、かかる摩擦状態はＱ−Ｐ値がゼロになる時に起
り得、機構に自己制動が生じるのでモータはステータさ
れ得ない。

上記の欠点は本発明の坑底スクリュー・モータではその
作用部材が、ピッチ径Ｄに対するらせん面のピッチｔの
比率が実質上Ｃｔ＝５．５乃至１２の範囲内にあること
を特徴とする多条らせん遊星歯車機構を形成するので、
解消される。

パラメータＣｔ＝５．５乃至１２である作用部村では、
ねじれ角がＱ＝６〆乃至７５ｏの範囲内であるから機構
の自己制動は防止される。

作用部材の幾何学的パラメータの上記関係を示すのが第
３図である。スクリュー・モータにおいて生じる自己制
動現象の物理的意味を示すのが第４図である。

第４図はパラメータＣｔに応じたモ−夕のトルクの変化
および相対的漏れ率の変化を示している。上記２つの値
、すなわち、Ｃｔ＝１２で生じるトルクに対する百分率
比としてのモータのトルクＭと、Ｃｔ＝４．６における
基準漏れ率（１００％）での相対的漏れ率ｑとは第４図
で縦、横の座標で示されている。

横座標は無次元パラメータＣｔである。

曲線１０はスクリュー・モータの出すトルクと最大摩擦
係数時の○ｔとの関係を示し、また曲線１１はモータの
出すトルクと、最小摩擦係数時のＣｔとの関係を示して
いる。

曲線１２はモータの作用部村における漏れ率とパラメー
タＣｔとの関係を示している。第４図から判るように、
最大摩擦係数ｆｍａｘ（曲線１０）時におけるＣｔ＜５
．５を特徴とするモータにおいては、摩擦損失は発生ト
ルクがゼロに近くなりかつ自己制動状態が起る程大きく
てもよい。

最小摩擦係数（曲線１１）時には、Ｃｔニ２で機構に自
己制動状態が生じる。従って、モータの信頼できる動作
を確保するにはパラメータＣｔを実質上少なくとも５．
５にするだけで十分である。これはパラメータＣｔの下
限である。このパラメータＣｔの上限は作用部村におけ
る漏れ率に依存する。第４図（曲線１２）から判るよう
に、漏れ率はＣｔ＞１２において激しく増大し始める。
本発明によるパラメータＣｔの範囲により、モータの安
定したステータと高い動作の信頼性が保証される。本発
明のモータの別の利点は、パラメータＣ【を増大させ、
作用部材のその他の幾何学的パラメータを不変に維持す
れば、出力軸の回転速度が低下して１回の当りの掘削距
離が増大する。

本発明はモータの信頼性とスタート性能を実質的に改善
でき、モータの出力性能もある程度まで改良される。

井戸の深い所におけるモータの故障のときの停止時間が
節約され、また掘削工具の進行距離が増大することから
、本発明のモータにより費用の節約を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の坑底多条ねじ式モータの縦断面全体図
、第２図は第１図の線ロ一０‘こよる断面図、第３図は
当該モータの作用部材の展開図、第４図は当該モータの
トルクおよび、パラメータＣｔに左右される作用部材の
液体漏れ率の変動を示すチャート、である。 １……ケーシング、２……ライニング、３……ステー夕
、４・・・・・・ロータ、５・・・・・・２重ヒンジ結
合された継手、６……出力軸、７・・・…ハウジング、
８・・・・・・ラジアル軸受。 財投夕 別段４ 柵，′ 柿崎２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ らせんねじ条を内側に備えたステータと、らせんね
   じ条を外側に備え、上記ステータ内に偏心配設されたロ
   ータとからなり、上記ロータとステータとは内歯歯車機
   構のように常時噛合する動的カツプリングを形成し、上
   記ステータの歯数が上記ロータの歯数より１だけ大きく
   、上記ステータとロータのらせんねじ条のピツチ比がそ
   れらの歯数の比と直接比例しており、上記ステータおよ
   びロータのらせん面のピツチの、それぞれのピツチ径に
   対する比率が実質上、５．５乃至１２の範囲内にあるこ
   とを特徴とする坑底用多条ねじ式らせん遊星歯車モータ
   。