JPS61126288A - 回転シヤフトシ−ル - 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】 本発明は回転シャフトシール、更に特定的には、シール
と回転シャフト間流体力学的潤滑を与えるための環状の
連続的なしかし軸線方向に変動可能なシールに関する。

シールが摩耗するにつれてシールを圧縮して保持するた
めに差圧を使用するシステムが開示される。

本発明は管状部材間の環状空間内の潤滑剤チャンバ内に
含まれたベアリングによって相対的回転をするように支
持されている管状部材を有する装置と使用するように適
合することができる。

かかる装置はドリリングストリング（ｄｒｉｌｌｉｎｇ
ｓｔｒｉｎｇ）の一部として接続されそしてドＩＪ　Ｉ
Ｊング流体は管状部材により形成された通路を通って下
向きに且つ装置と井孔との間の環状部内で上向きに循環
させられる。かくして１つのかかる部材はストリングの
下端から吊り下げられたハウジング又はケースより成り
、他はハウジングにより回転可能に支持されそしてその
下端にピットを吊り下げている中空シャフトより成る。

タービンの如きモータは、数千フィートのドリリングス
トリングを介して表面からハウジングまでトルクを伝達
する必要なしにンヤフトを従ってビットを回転するため
のハウジング及びシャフト間の環状空間内に配置される
ことが多い。かくして上記通路はタービンが中に配置さ
れておりそしてシャフトを通ってその下端でビットに到
るシャフトの孔までボートによって接続される環状空間
を含む。典型的には、かかる装置においては、７・ウジ
ングはその上端でドリルストリングに接続されておりそ
してシャフトはハウジングに対してそれらの間のモータ
によって回転させられ、それによって、管状シャフトの
まわりに支持された螺旋状ブレード又は同様なものはド
リリング流体がブレードを通過しセしてプｌ／−ドを回
すにつれてドＩＪ　ＩＪング流体の圧力の減少を引き起
こす。ターボドリルの場合における如く、モータはしば
しばシャフト及び管状部材間の環状空間内にシャフト及
び管状部材上のタービンブレードを含んで成る。モータ
を通って循環されるドリリング流体はビットを通って流
れ去ることに対して制限されている。

タービン区域及びビットを横切る圧力の降下により、こ
のタイプの掘削装置のシール手段を横切る実質的圧力差
がある。このようにして圧力を分離する回転シール手段
は同じ圧力の流体を単に分離するだけのシール手段より
相当大きい摩耗を受けることは良く知られている。シー
ル手段及び係合した管状部材の表面間に入り込むドＩＪ
　リング流体中の摩耗性粒子による摩耗の問題はこの環
境においては更に由々しい問題である。シール摩耗にお
ける他のファクターは大地構造を通して井戸（ｂｏｒｅ
ｈｏｌｅｓ）を掘る際に遭遇する厳しいｍ線方向及び半
径方向振動である。

それから保護されていない限り、環状空間に取付けられ
たベアリングも又ドリリング流体における摩耗性粒子に
よって損傷される。ベアリング取替えは多額の費用によ
るドリルス）　ＩＪングの昇降を必要とするので、少な
くとも部分的に環状空間におけるシール手段の対により
形成された潤滑剤チャンバ内にベアリングを入れること
によりベアリングを摩耗性ドリリング流体から隔離する
努力がなされた。しかしながら、これらのシール手段の
１つ又は両方が圧力分離要素としても機能するならば、
それは迅速に摩耗しそして摩耗性ドＩＪ　ＩＪング流体
が潤滑剤チャンバに入ることを許容する。

井戸掘削操作において位置づけられたモータ部品を回転
することにより遭遇する不利な環境の故に、ダウンホー
ル掘削操作に使用するためのダウンホール”マッドモー
タの開発に関する研究努力の多くは、普通ドＩＪ　ＩＪ
ングマツドと呼ばれるドＩＪ　ＩＪング流体の摩耗作用
からのベアリング及びシーリング運動表面（ｓｅａｌｉ
ｎｇ　ｍｏｖｉｎｇ　ｓｖｒｆａｃ−ｇ８）の保護に関
するものであった。下記合衆国特許は特にこの問題に関
している。米国特許第１６５９、６６２号、第３，６６
６．３３３号、第３．９７１゜４５０号、第４．０１９
．５９１号、第４．２２２．４４５号、第４．２５６．
１８９号及び＄　４．２６０．０３２号。これらの特許
は種々の案によりドリリングマッドからベアリング表面
又は同様なものを保護する問題を取扱っている。

米国特許第３，６５９，６６２号はシャフトと７１ウジ
ングとの環状空間内にラビリンスが設けられているシス
テムを提供することによってこの問題を克服することを
意図する装置を開示している。シャフトには、圧力が２
ビリンスを横切って低下し、そして圧力がベアリングを
収容している潤滑剤チャンバを形成するシール手段を横
切って等化されるようにボートを設けられている。しか
しながら、ラビリンスを通る通路が小さいならば、それ
らはドＩＪ　ＩＪング流体中の粒子（より塞がれる傾向
があリ、それによって冷却効果を減じ、そしてもしそれ
らが大きい容量のドＩＪ　リング流体を通すのに十分に
大きいならば、ビットの掘削効率は相似下する。更に、
ラビリンスが米国特許第＆９７１，４５０号に開示され
た如き非漏洩型の第３のシール手段により代替されると
しても、それは依然としてトリＩＪング流体中の粒子が
シーリング面間に入る傾向により損傷を受けることがあ
る。

米国特許第３，６６６．３３３号はこの問題を解決する
ために多数のどちらかと言えば複雑な特徴をもり込んで
いる。この特許はベアリングの上下に位置しそしてグリ
ース及び油充填チャンバから成っていて井戸流体がベア
リングに入るのを防止する上部及び下部シールシステム
を示す。更にかみ合う（ｍａ　ｔ　ｉ　７１ｇ）環状部
品のラビリンスが上部シーリングシステムの上に位置づ
けられていてドリルパイプ孔のより高い圧力下にドリリ
ング流体の流れがドリリングモータの＠転ベアリング及
び表面に入るのを更に妨害する。

米国特許第３，９７１，４５０号に示された装置の如き
多くの装置は井戸用装置におけるそれらの組立体に拘束
されていない（ｗｎｃｏｎｆｉｎｅｄ）場合には、井戸
内に発生した熱及び圧力による押出し及び変形を受ける
不規刻々形状を有するシールを使用する。これらのシー
ルは劣化しそして井戸環境から可動部品を保護するのに
効果的ではなくなる。

米国特許第４２２４４４５号はバッファ流体を使用して
潤滑剤チャンバを保護する。しかしながら、シール摩耗
の如き他の重要な問題を考慮しないと、このシステムの
ベアリングを保護する能力は寿命が短い。

この問題に対する多くのアプローチは不合理な力を使用
すること、即ち、米国特許第４，０１９，５９１　　　
・号の下部シールに示されている如き高い圧縮下の大き
いシール面積を使用することを単に試みた。

このアプローチは初期のシールを与えるが、高い摩擦及
び次のシールの黙然げのためシール表面は摩耗しそして
潤滑剤を漏洩し始める。

米国特許第３，４４９，０２１号、第２，８６７．４６
２号及び第八８３１，９５４号は管状部材間の傾斜つき
シーリング表面を取扱っている。米国特許第八４４９、
０２１号は相対的に回転している表面間に使用するため
のかかるシールを例示する。しかしながら、回転してい
る要素に対するシーリング接触表面は、例示された形状
においては、井戸掘削装置の環境への適応に適していな
い、どちらかと言えば狭いバンドに沿っている。更に、
井戸の苛酷なそして接近できない環境は、摩耗に対して
補償して早期の頻繁な取替えの必要を回避することがで
きる効果的なシーリング表面を提供することを重要なら
しめる。傾斜したシーリング表面を指向する上記特許は
すべて、本発明が実施される条件下に変形するであろう
不規則な形状の又は制限されていない（ｎｏｎｃ　ｏｎ
ｆｉｙｔｄ）シーリング部材を使用する。更に、シール
は相対的に長いシーリング寿命を与えるように摩耗に対
して補償されていない。

流体力学的シールの潤滑の特性は本発明者により研究さ
れそしていくつかの論文に報告されている。　Ｋａｌｓ
ｉ　Ｍ、　Ｓ、　ａｎｄ　Ｇ、　Ａ、　Ｆａｚｅｋａｓ
、　　”Ｆｅａｓｉ−ｂｉｌｉｔｙ　５ｔｔＬｄｙ　ｏ
ｆ　ａ　５ｌａｎｔｅｄ　’０−ｒｉｎｇ’　ａｓ　ａ
Ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｏｔａｒｙ　５ｔｔａ
ｌ、”Ａ、ＳＭＥ　Ｐａｐｅｒ＆　７２−Ｈ’Ａ／ＤＥ
−１４（１９７２）　；　Ｋａｌｓｉ、　ｔＫ。

Ｓ、、　　Ｅｌａｓｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　　
Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　　ｏｆＯｆｆｓｅｔ　Ｏ−Ｒ
ｉｎｇ　Ｒｏｔａｒｙ　５ｅａｔ、’　ＡＳＡｆＥ　ｐ
ａｐｅｒｙｌｆｖ　８０−Ｃ，２，／Ｌｕｂ−７（１９
８０）及び１９７５年にＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　
Ｈｏｕｓｔｏｎに提出された同じ標題の論文。

当分野においては、上記した困難及び問題を克服すると
共に摩耗性流体の環境において簡単なしかし効果的なシ
ールを与える新規な且つ改良された回転シャフトシール
が長らく探索されてきた。

本発明はこれらの困難を克服しそしてダウンホールモー
タのシャフトとハウジングとの間の連続的な軸線方向く
変動可能な流体力学的シーリング表面を導入することに
よって望ましいシーリングシステムを提供する。このよ
うなシーリングシステムはシールを横切る圧力差により
且つ高温で効果的に操作する。更に、このようなシステ
ムは高い一体性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）のシールを保持
するようにシールに対する摩耗を補償するための手段を
提供する。

本発明は相対的に回転している部品間の環状に連続的な
しかし用線方向に変動可能な路に配列されたシーリング
部材を使用する回転シャフトシールを指向する。好まし
くは、シールは傾斜した（ｓｌａｎｔｅｄ）Ｏ−リング
又は多重回旋形状（ｍｕｌ’−ｔｉｐｌｅ　　ｃｏｎｖ
ｏｌｕｔｉｏｎｓ　　ｃｏｎｆｉｇａｒａｔｉｏｎ）で
ある。上部及び下部シール接触部材はシーリング部材の
表面Ｋかみ合って係合する表面、好ましくは多重回旋を
有する傾斜した表面（１つ又は複数の）を有する。上部
及び下部シール接触部材はそれらの間でシーリング部材
を圧縮するように相対運動するように配列されている。

差圧はシール接触部材の少なくとも１つを他に向けて動
かすような装置要素（ｔｏｏｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ）の配
列によシ発生される。

この好ましい態ａ！忙おいては、シール接触部材を圧縮
して、シールが摩耗するにつれてシールをその中に支持
しているみそをシールが充填することを引起すように作
用する差圧の力（ｄ　ｉ　ｆ　ｆｅｒｅ−ｎｔｉａｌ　
　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　　ｆｏｒｃｅｓ）　　を倍増させ
る（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）　ことによって差
圧を発生するの釦、支持されていない区域が使用される
。

更に、ばねバイアス作用部材（ｓｐｒｉｎｇ　ｂｉａｓ
ｉｎｇｍ６ｍｂｅ　ｒ　）はモータの始動及び停止期間
中生じる低い差圧状況の期間中シールを圧縮するように
シール接触部材を強制する。この追加的バイアス作用は
、もしそうしなければこれらの時間の期間中ベアリング
及びシーリングサブから潤滑剤が相当漏洩するのを最小
にし又は防止する。

シール支持みぞが制御された圧力下にシールを圧縮する
ことを引起す部品の配列は、保持されるシールのもとの
形状に依存しないシステムを提供する。７−ルはそのも
との形状がどうであれ、シール接触部材の制限内で圧縮
され、かくしてかかる部材により提供された形状をとる
。

本発明の他の特徴は、高い圧力の圧力差が潤滑剤に連通
され、潤滑剤はシール接触部材の１つに対して作用して
そのシール接触部材を他方の接触部材に向けて動かしそ
れによりシールを圧縮するようＫしたシーリング部材の
上のチャンバ内に含まれた潤滑剤の使用を含む。

本発明の更に他の特徴は、下部シール接触部材の丁に位
置づけられ、そして環境の流体の圧力が下部シール接触
部材に打ち当たることを許容すると共忙、該環境の流体
がシーリングシステムに侵入するのを妨害するためのグ
リースの如き高度に粘性の物質で充填された下部チャン
バを含む。

本発明を好ましい態様に関して説明するが、本発明をそ
の態様に限定することを意図するものではないことを理
解すべきである。反対にそれは特許請求の範囲に定義さ
れた本発明の精神内に含まれ得るすべての変更、修正及
び均等物を含むことを意図する。

添付図面の第１図を参照すると、ドリルストリングに組
込むのに好適なベアリング及びシーリングサブ区域（５
ｕｂ−ｓｅｃｔｉｏｎ）　１１が例示される。

典型的ドリルストリング組立体において、ビットサブは
１２においてシーリングサブ１１の下端に接続される。

サブ１１はモータサブ、好ましくは米国特許第３．９６
６．３６９号に記載されそして例示された如き深い油井
モータの／’ｔウジング１３の下に接続される。モータ
サブ１３はサブ１１０ノ−クランプ１６の範囲内に回転
可能に位置づけられたシャフト１４に接続された（示さ
れていない）出力シャフトを有するタービンモータ、容
ｆｔ１式モータ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅ
ｍｅｎｔ　ｍｏｔｏｒ）又は同様なものを普通は含む。

ハウジング１６は・・クランプ孔内に組立てられそして
スペーススリーブ１８にその下端で接続された環状上端
スリーブ１７を有して示されている０ベアリングカラー
１９がスペーススリーブ１８の底部釦接続されている。

スペーシングスリーブ１８．１８　ａ、　　１８　ｂ及
び１８ｃ及びベアリングカラー１９．１９ａ及び１９ｂ
の交互する垂下している（ｄｅｐｅｎｄ　ｉｎｇ）　　
鉛直方向配列が・・クランプ１６の孔内に位置づけられ
ていて、サブ１１の主部分を含む要素を支持することが
示されている。

これらの要素はシャフト１４の外側表面にスペーシング
スリーブ１８及び摩耗スリーブ２２間に滑動可能に位置
づけられた可動ピストン２１を含む。ばね２３がピスト
ン２１の頂部端と上部端スリーブ１７上に形成された環
状の内側に面しているショルダ２４との間に配列されて
いる。ピストン２１の内壁の環状凹みは、ピストン２１
の環状凹みに位置づけられた環状パツキン組立体２７を
圧縮するための環状ばね２６を支持する。ピスト　　　
　　゛ン２１の外側壁上のＯ−ＩＪソング示されていな
い）ケスベーシングスリーブ１８の内孔にシール可能に
係合する。

ハウジング１６と７ヤ７ト１４との間に形成された一連
の相互接続されたチャンバ及び環状空間２８は潤滑油を
光填されてサブ１１内に収容されたベアリングのための
油浴を与える。ラジアルベアリング組立体２９が摩耗ス
リーブ２２とスペーシングスリーブ１８との間に示され
ていて、ハウジング１８内のシャフト１４の同心取付け
を与えそしてサブに対して作用する穴かたよりによシ引
起こされる如きサブ１１に作用する横方向の力を調節す
る。摩耗スリーブ２２の下端は、ベアリングカラー１９
の上向きに突き出している部分３３に対してスラストベ
アリング３２を保持するように配列されている外向きに
突き出している環状ショルダ部分３１を有する。ベアリ
ングカラー１９のＦ向きに突き出している部分３４が非
圧縮性スラストリング３６を収容するための周辺チャン
バ（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ　　ｃｈａｍｂｅ
ｒ）　　の］負部を形成するように配列されている。周
方向チャンバのＦ部及び内壁部分は、スラストベアリン
グ３２ａの頂部に乗っているＬ”形状環状リング部材３
７によって与えられる。スラストベアリング３２ａの底
部はロータシャフトカラー３８により支持され、ロータ
シャフトカラー３８はシャフト１４のまわりにクランプ
されそしてシャフト１４とハウジング１６との間の環状
空間へと延びていてサブ１１のベアリング及びシール組
立体におけるその鉛直方向配列にベアリング３２ａを保
持するショルダを有している。

スラストベアリング３２ｂ及び３２ｃば、組立体におい
てベアリング３２ａを位置づけるだめの上記した配列と
同様な方法において配列される。

下部ラジアルベアリング組立体２９ａがシャフト１４と
・・クランプ１６との間に示されている。上記したベア
リング配列においては、最上部スラストベアリング３２
がハウジング１６に関してシャフト１４に対してＦ向き
に作用しているスラスト力を支持するように配列されて
いる。これはドリルストリングか穴の底部の上に位置づ
けられるとき起こるであろう。ドリルビットが底部に載
っておシそして重量がドリルストリング上にかかるとき
、スラストベアリング３２ａ、３２ｂ及び３２Ｃはシャ
フト１４に対する上向き負荷を支持する。

上記したベアリング及びシール装置は米国特許第４、０
８６．７８８号により詳細に示されている。

参照番号４１により一般的に示されそして本発明の主題
である下部シャフトシール組立体は添付図面の第２図及
び第３図に関してよ）詳細に例示されそして記載されて
いる。添付図面の第２図を参照すると、下部シャフトシ
ール組立体４１はラジアルベア１ノング２９ａの下にシ
ャフト１４とノ）ウジングの間に示されている。ベアリ
ング組立体を潤滑するだめの油を含有する環状チャンバ
２８の１つがベアリング２９ａの下に且つ下部シール組
立体４１の上端と流体連通するように延びているのが示
されている。下部シール組立体を取付けるための環状空
間３５が７ヤ７ト１４とハウジング１６との間に形成さ
れており、そしてその上端でハウジング１６上の内方に
突き出しているショルダ４２で終る。壇状当接リング４
３がハウジング１６の下端にねじ込み可能に受は入れら
れてシール組立体４１を囲うための環状空間３５の下端
を形成する。

下部シール支持部材４４は上向きに延びている支持体部
分４６を有する環状スリーブから成シ、支持部材４４は
環状空間３５のド端に受は入れられるような寸法である
。支持部材４４の下端は当接リング４３の頂部に載って
いる。シール組立体４１の下端へのドＩＪ　１７ング流
体の侵入に対してバリヤーを与えるための環状フェルト
シールリング４７の対が支持部材４４の内側に向いてい
る壁土に縦方向に間隔を置いて配置されて示されている
。

その上に位置づけられたグリースの如き粘性材料と共に
上記のような流体の侵入を防止するが、フェルトシール
は井戸環状部から環状空間３５への下端への圧力の伝達
を防止するのには十分ではない。ボート４８がハウジン
グ１６の壁を通って設けられて環状空間３５へのグリー
スの挿入に適応し、そしてグリースが注入されていない
とき閉じられたボートをシールする付属品を持って配列
されている。グリースは上向きに延びている支持部分４
６の壁におけるボート５１によって支持部材４４の内側
に連通される。Ｏ−リングシール３０は部材４４とハウ
ジング１６の内孔との間に支持部材４４の外壁上のみそ
内に位置づけられる。支持部分４６の上部表面５３はＴ
部シール部材５２の下部表面にかみ合って合致する（ｍ
ａｔｉｎｇｌｙｃｏｎｆｏｒｍ）　　ような輪郭である
。クール部材５２及び合致した輪郭の表面５３は軸線方
向変動にょシ特徴づけられそして好ましくは傾斜し又は
多重回旋状である（ｍｕｌｔｉｐｌｙ　ｃｏｎｖｏｌｕ
ｔｅｄ）０シ一ル組立体４１の上端を参照すると、環状
ばね列５７たとえばベレビレばね（Ｂｅｌｅｖｉｌｌｅ
ｓｐｒｉｎｇｓ）　　がショルダ４２のすぐ下の環状空
間３５内に位置づけられる。ばね列５７の底部は上部環
状支持部材５９の頂部表面５８に対して下向きに作用す
る。支持部材５９は、環状空間の内壁のまわ）に且つシ
ール５２を越えて延びている下向きに延びている環状部
分６２を有しており、環状部分６２の下端はその下で支
持されておらずそしてハウジング１６の下又は外側の環
状空間内の流体圧と連通している。環状０−リングシー
ル６３が上部支持部材５９の外壁のまわシのみそに位置
づけられてチャンバ２８中の油のよシ高い差圧（ｄｉｆ
ｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）から部分６２
の下端をシールする。下部表面６４が上部支持部材５９
の内壁に形成された７ヨルダの底部側に形成されている
。表面６４は上部シール部材６６の上部表面にかみ合っ
て合致するように配列されている。シール部材６６及び
表面６４は軸線方向変動によシ特徴づけられ、そして好
ましくは傾斜しておシ又は多重回旋状である。従って、
この好ましい態様においては、表面６４及び５３は平行
であ）そして下部環状シール５２及び上部環状シール６
６をべ収容する環状傾斜みぞを与える。第２図に、示さ
れた態様においては、上部シール６６はＯ−リングとし
て示されそして下部シール５２はブレード編みされた層
のパツキンとして例示されている。上記したシール組立
体の圧縮効果の故に、シール材料は圧縮されてそれぞれ
上部及び下部表面６４及び５３及びシャフト１４の外壁
及び部分６２の鉛直方向内壁によシ形成されたみそを充
填する。かくして組立体において使用される・ξツキン
又はシールの特定の形状とかかわりなくシールはみその
形状に変形されるであろう。更に、シールは丸み（ｒａ
ｄｉｕｓ）　　６７がシャフト１４に面しているシール
部材５２及び６６の鉛直方向シーリング表面の内縁によ
υ形成されるような構造である０ 添付図面の第３図を参照すると、シール組立体４１の他
の態様が例示されている。ハウジング１６とシャツ）１
４との開の環状空間３５は第２図における如く上部ショ
ルダ４２と下部当接リング４３との間に配置されている
。ド部支持部材７１も又、シャフト１４の外表面に係合
するようにその内壁に配置されたフェルトシール４７を
有する。０−リング３０は下部支持部材７１の外壁に位
置づけられていてノーウジング１６の孔に対してシール
する。グリース注入ボート及び付属部品４８はシール組
立体の下端の環状空間３５の粘性物質による充填を与え
る。下部支持部材７１はハウジング１６とシャフト１４
との間の空間を充填するような寸法のその上端において
大きくなった環状部分７２を有する。

鉛直方向穴７３が支持部材７１の上端部分７２のまわシ
にラジアルシリーズ（ｒａｄｉａｌ　５ｅｒｉｅｓ）に
形成されている。大きくなった部分７２の上部表面は環
状シーリング部材７６にかみ合って係合する表面７４を
有する。これらの表面は軸線方向変動により特徴づけら
れそして好ましくはそれらは傾斜しているか又は多重回
旋状である。上部支持部材７７はシール部材７６の上に
位置づけられそしてシール部材７６の頂部にかみ合い接
触（ｍａｔｉｎｇ　ｃｏｎｔａｃｔ）するためのｒ部表
面７８を有する。ばね５７の列がショルダ４２と上部支
持体７７の頂部との間に位置づけられる。ラジアルシリ
ーズの鉛直方向穴７９も又上部支持体７７に形成されそ
してＦ部支持部材７１の上部部分７２における鉛直方向
穴７３と整列している。穴７９の頂部部分は整列した穴
７９及び７３内に受は入れられる寸法のピン８２のヘッ
ド８１を受は入れるように大きくなっている。鉛直方向
通路８３は７一ル組立体の下部部分における環状空間３
５と各穴７３の底部とを接続する。油は上部支持体７７
の上のチャンバ又は空間２８を充填する。

添付図面の＠４図は上部支持体７７の頂面図を示す。ビ
ン８２のヘッド８１は鉛直方向穴７９のラジアルシリー
ズの範囲内の組立てられた位置で例示されている。

７−ル７６はそれぞれ上部及びＦ部支持部材７７及び７
１上の表面７８及び７４によシ規定されたみそ内に嵌合
するように、好ましくは傾斜した又は多重回旋状の軸線
方向変動を伴なう連続的環状形状に配置された適当なシ
ーリング材料の層から成る。丸味８６はシール７６の頂
部及び底部の内側に向いている縁上に形成されていて、
シールを通シ過ぎて移動する潤滑油の流体力学的力によ
るシールのかかる内向き縁の持ち上プに適応する。

シール上の潤滑油フィルムの流体力学的効果は添付図面
の第５図を参照して更に明らかになる。

第５図はシャフト１４の１回転期間中シャフト１４に関
して動く第３図のシール７６の周方向に展開した路の略
図による表示である。シールの軸線方向変動、たとえば
シャフト表面１４の回転の路に対するシール７６の傾斜
した形状の故に、鉛直方向幅Ｓを有するシールはシャフ
ト１４の１回転期間中鉛直方向幅Ｐを有する路を通って
運動する。ンヤ７トがシールに対して回転するにつれて
、潤滑剤はシャフトのまわシの実質的に水平方向に運動
する傾向がるる。油に加えられる水平方向速度は第５図
における線ｖｏで表わされる。ｖ。

により表わされた速度は２つのベクトル成分、即ち、シ
ールの路に沿って横方向に油を運動させる速度であるＶ
Ｌ及びシール７６の側壁を横切る方向に作用する速度で
あるＶＴに分けることができる。成分ｖＴはシール７６
の縁における丸味８６と協同して油がシールを持ち上げ
そしてシールの下に流れることを引起こし、それにょシ
シール７６とシャツ）１４との間の鯛滑油の薄い層を形
成する。更に、ダウンホールモータを横切って発生した
圧力によるシール７６を横切る圧力差があるので、たと
えばシャフトがシールに対して運動するＫつれてシール
を横切って前後に運動する油に対する正味の丁向きの力
がある。油の前後運動は、シールの上及びドにシャフト
の部分を交互に位置づける効果を有するシャフトに対し
てシールによシ取られた波状の（ｕｎｄｕｌａｔｅａ）
又は正弦波の路によるものである。このシールシステム
及びそれに対して発生した流体力学的流れの効果は、シ
ールの温度を減少し及び回転しているシャフトを潤滑す
る傾向のある潤滑表面をたえずシール７６とシャフト１
４との間に与え、かくしてシールが焦げること（ｓｃｈ
ｏｒｃｈｉｐ）及び脆くなるのを防止することである。

焦げ及び脆化の防止はシールは対する摩耗を大幅に減少
する。１方向の油の正味の流れも又、熱をシーリング表
面から運び去ることによりシステムの温度減少機能を助
長する。

上記した本発明に従うシール組立体を有する掘削装置が
操作されるとき、装置を横切って圧力差が発生し、それ
によジトリルピットの下よシもドリルピットの上の装置
の区域においてよシ高い圧力が存在する。この装置にお
けるよシ高い圧力はサブ１１の上端のピストン２１によ
ってベアリング及びシーリングサブ１１（第１図）の上
端に伝えられる。この圧力はサブ１１全体にわたってチ
ャンバ２８中の潤滑油によってサブ境界のシール組立体
（ｓｕｂ　ｂｏｄｅｒｉｎｇ　５ｅａｌ　ａｓｓｅｍｂ
ｌｙ）４１の下端に運ばれる。第２図を参照すると、こ
の圧力は上部支持部材５９の上端へと送られ、そして区
域Ａ、を横切って下向きに作用する。この下向きの力は
シール５２及び６６の頂部表面へと送られる。底部支持
部材４４は当接リング４３により下向き運動に対抗して
保持され、かくしてそれぞれ上部及び下部支持部材５９
及び４４間でシールを圧縮する。シール５２及び６６の
内側に向いている表面が摩耗するＫつれて支持部材間の
予測され得る力が表面５３及び６４により規定されたみ
ぞを適当に閉じて、シールが摩耗するにつれてプールを
絶えず拘束して保持しそしてシールを７ヤ７ト及び上部
支持部材とシーリング係合するようにプレスする。

支持部材を相互に強制するように作用している、上記し
た差圧（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ
）は、上部及−び下部シール支持体の形状並びに組立体
におけるそれらの共同動作関係（ｃｏｏｐｅｒａｔｉｙ
ｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｉｐ）から生じる釣シ合ってい
ない区域効果（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ　ａｒｅａ　ｅｆ
ｆｅｃｔ）により更に高められる。上記した如く、シー
ルの頂部の下向きの力は第２図に示された如き区域Ａ１
　を横切って作用する装置孔におけるより高い圧力ｐＨ
によって表わされる。下向きの圧力はＡ、　　ｘｐＨの
清である。井戸環状部のよシ低い圧力ＰＬは支持部材５
９から垂れ下がっている支持されていない部分６２上の
区域Ａ、を横切って作用する。

このようにして上部支持部材５９に対して上向きに作用
する流体圧による力はＰＬＸＡ、である。支持部材５９
に対して作用する第３の上向きに作用する力はＡ、−Ａ
、によっても表わされたシール又は区域Ａ、を横切って
作用する未知の圧力Ｐｓによシ表わされる。シールを横
切って作用する圧力Ｐ８が上のチャンバ２８における潤
滑剤の圧力よシも常に大きいことを示すために簡単な力
の線図を圧力及び面積の例を用いて描くことができる。

シールを横切る圧力ｐｓはＰｓ＝（ＰａＡｔ　　Ｐ＋　
・Ａｔ　）　／　（ＡＩ　　Ａ２　）として計算される
。この支持されていない区域の効果はそれによシシステ
ムの摩耗補償特徴を高める。シールはよシ長く持ちこた
えるのみならず所望の漏洩速度よシ大きい速度でシール
を通シ過ぎる制御されていない油の漏洩は防止される。

シール６６及び５２の下のシール組立体の部分は、フェ
ルトシール４７と協同してドリリング流体がシール区域
へと進むのを防止するグリースの如き高度に粘性の物質
で充填される。フェルトシール４７も又グリースで含浸
される。上記シールのドのグリースは上記した如き下向
きの油の正味の流れと一緒になって、ド１７１７ング流
体が下から組立体に侵入するのを防止する。しかしなが
ら、システムは井戸環状部中のドＩ７　＋７ング流体の
圧力がシール６６及び５２の下のグリースチャンバに伝
達されることを許容する。

第１図の装置が定置されておシ、その回転を開始し又は
停止するとき、シールを圧縮することに頼った圧力差は
シールを通り過ぎる潤滑剤の漏洩を防止するように作用
性である程十分に高くはない。かくしてばね列５７が、
組立体における構成部品を保持することに加えて回転が
殆んどないか全熱ない期間中上部支持部材５９に対して
下向きに作用する。

＠３図に示された態様はピン８２がシール７６を横切る
圧力差の倍増効果（ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇｅｆｆｅｃ
ｔ）を与える支持されていない区域を表わすことを除い
て上記した如き第２図の態様と同様に動作する。

本発明の前記説明は主として、説明及び例示の目的で特
許法の要件に従う特定の好ましい態様を指向した。しか
しながら、特定的に説明されそして例示された装置及び
方法における多くの修正及び変更が本発明の範囲及び精
神から逸脱することなくなされ得ることは明らかであろ
う。たとえば、システムの開示は主として傾斜したシー
ル部材に関して説明されたが、所望の流体力学的潤滑を
生じるため釦、十分な釉線方向変動、たとえば多重１旋
（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｏｎｖｏｌｕｔｉ’ｏｎ）　　
を有する形状を有するシール部材を例示された態様の傾
斜したシールに対して代替することは本明細書の説明及
び例示から明らかであシ得る。更に、寸法、形状及び材
料並びに例示された態様の詳細における種々の変更はそ
の最も広い観点における本発明から逸脱することなく当
業者には明らかであろう。

最後に、このシール装置は掘削製蓋における使用に関し
て記載されたけれども、回転シールを使用するいかなる
装置における使用に対しても適合性である。故に本発明
は例示されそして説明された構造の特定の形態に限定さ
れるものでは邊く特許請求の範囲内に入シ得るすべての
修正を含む。

本発明の真の精神及び範囲内に入るこのような修正及び
変更を含むことが特許請求の範囲における本出願人の意
図である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う下部シャフトシールを組み込むこ
とができるダウンホール掘削システムに期用するための
井戸用装置の鉛直方向部分断面図を示す。 第２図は本発明に従う回転シャフトシールを含んでいる
第１図のπ部シャフトシール区域の詳細な鉛直断面図で
ある。 第３図は本発明に従う回転シャフトクールの他の態様を
含んでいる第１図の下部シャフトシール区域の一部分の
鉛直断面図である。 第４図は第３図の上部支持部材の部分頂面図である。 第５図は対応する速度線図を有するオフセット０−リン
グシールの線図である。 図において、 １１・・・・・・ベアリング及びシーリングサブ区域、
１４・・・・・・シャフト、１６・・・・・・サブ１１
のノーウジング、１８．１８ａ１１８ｂ、　　１８ｃ＝
・−スペーシングスリーブ、１９．１９ａ、１９ｂ・・
・・・・ベアリングカラー、２１・・・・・・可動ピス
トン、２９ａ・・・・・・ラジアルベアリング、２８・
・・・・・環状チャンバ、３５・・・・・・環状空間、
４１・・・・・・下部シャフトシール組立体、４２・・
・・・・ショルダ、４３・・・・・・環状当接リング、
４４・・・・・・下部シール支持部材、４７・・・・・
・環状フェルトシールリング、５２・・・・・・下部シ
ール部材、５７・・・・・・ばね列、５９・・・・・・
上部環状支持部材、６２・・・・・・下向きに延びてい
る環状部分、６３・・・・・・ＪＪｔ状０−ＩＪソング
ール、６６・・・・・・上部シール部材、７１・・・・
・・下部支持部材、７６・・・・・・環状シーリング部
材、７７・・・・・・上部支持部材である。 ’ｌ出Ｊ１人　エヌエル・インダストリース・インコー
ポレーテッド 手続補正書（方式） 昭和６０年１月１１日 特許庁長官　　　志　賀　　学　　　殿１、事件の表示
。 Ｉ４碩昭５９−２４７０４８号 λ発明の名称 回転シャフトシール ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ４、代　理　人〒１０７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転するシャフトとそのハウジングとの間の環状空
   間をシールするための回転シャフトシールシステムにお
   いて、該システムは、上部及び下部係合表面を有する環
   状シール手段であつて、該シール手段の１つのシーリン
   グ表面が該回転シャフトに滑動可能に係合するように回
   転シャフトのまわりに軸線方向に変動可能な形状を有す
   る環状シール手段と、 該シール手段の上部及び下部係合表面にかみ合つて係合
   するための第１及び第２手段であつて、相互に対して相
   対的縦方向運動を許容するように配列された第１及び第
   ２手段と、 該第１及び第２係合手段を相互に向けて片寄らせるため
   の差流体圧により作動される手段と、該ハウジングの環
   境における該流体と該シール手段の接触を実質的に防止
   するための手段とを具備することを特徴とする回転シャ
   フトシールシステム。 ２、実質的に接触を防止するための該手段は、該シーリ
   ング手段がその中に位置づけられているところの潤滑流
   体を含有するチャンバを含んで成る特許請求の範囲第１
   項記載の回転シールシステム。 ３、該シール手段は該チャンバを高圧側及び低圧側に分
   離しそして潤滑流体の正の流れが該シーリング手段を横
   切つて保持される特許請求の範囲第２項記載の回転シー
   ルシステム。 ４、該シール手段は潤滑流体を含有する第１チャンバと
   高圧側で流体連通しており、そして該潤滑流体より大き
   い粘度を有する流体を含有する第２チャンバと低圧側で
   流体連通しており、そして潤滑流体の正の流れが該シー
   リング手段を横切つて保持される特許請求の範囲第１項
   記載の回転シールシステム。 ５、該シャフトの内側の範囲内の環境の圧力を該チャン
   バの１つにおける該流体に連通するための手段を更に具
   備する特許請求の範囲第４項記載の回転シールシステム
   。 ６、該ハウジングの外側の環境の圧力を該チャンバの１
   つにおける該流体に連通するための手段を更に含む特許
   請求の範囲第４項記載の回転シールシステム。 ７、該チャンバ中の該流体と該ハウジング及びシャフト
   の環境における流体との間のバリヤ手段を更に具備し、
   該バリヤ手段は圧力を連通せしめることはできるが、該
   環境における流体の該チャンバへの連通を実質的に防止
   することができる特許請求の範囲第４項記載の回転シー
   ルシステム。 ８、該第１及び第２係合手段の１つは、該ハウジング及
   びシャフト間で鉛直方向に移動可能であり且つ該シール
   手段の該頂部及び底部表面の１つにかみ合つて係合する
   ように配列された部分を有する環状リング手段であり、
   該環状リング手段は、該シール手段の該頂部及び底部表
   面の１つとかみ合い係合するように該環状リング手段の
   該部分を片寄らせるために、支持されていない区域を形
   成して該支持されていない区域の方向に該環状リングを
   強制するためのその頂部及び下部表面の１つを有する、
   特許請求の範囲第１項記載のシールシステム。 ９、該シール手段に隣接しそして該シール手段と流体連
   通している油を充填されたチャンバを更に具備し、該環
   状リングは該チャンバと該シール手段との間に位置づけ
   られており、そしてドリルストリング内のドリリング流
   体の圧力を該油を充填されたチャンバに伝えるための手
   段を更に具備する特許請求の範囲第８項記載のシールシ
   ステム。 １０、該ハウジング及びシャフトの間に間置されそして
   該頂部及び底部表面の他方及び該ハウジングの低部から
   縦方向に間隔を置いて配置された環状バリヤ手段を具備
   し、そして更に、該環状バリヤ手段と該頂部及び底部表
   面の該他方との間の縦方向空間における粘性流体を更に
   具備する特許請求の範囲第９項記載のシールシステム。 １１、該平坦なシーリング表面の少なくとも１つの縁上
   に形成された丸味を更に具備する特許請求の範囲第１項
   記載のシールシステム。