JPS6329073B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転シヤフトシール、更に特定的に
は、シールと回転シヤ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ヤ
ンバ内に含まれたベアリングによつて相対的回転
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リリング
流体は管状部材により形成された通路を通つて下
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ビツトを吊り下
げている中空シヤフトより成る。タービンの如き
モータは、数千フイ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
る必要なしにシヤフトを従つてビツトを回転する
ためのハウジング及びシヤ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ヤフトを通つ
てその下端でビツトに到るシヤフトの孔までポー
トによつ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、ハウジングはその上
端でドリルストリングに接続されておりそしてシ
ヤフトはハウジングに対してそれらの間のモータ
によつて回転させられ、それによつて、管状シヤ
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そ
してブレードを回すにつれてドリリング流体の圧
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ヤフト及び管状部
材間の環状空間内にシヤフト及び管状部材上のタ
ービンブレードを含んで成る。モータを通つて循
環されるドリリング流体はビツトを通つて流れ去
ることに対して制限されている。

タービン区域及びビツ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リリング流
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
おける他のフアクターは大地構造を通して井戸
（boreholes）を掘る際に遭遇する厳しい軸線方向
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
る摩耗性粒子によつて損傷される。ベアリング取
替えは多額の費用によるドリルストリングの昇降
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
チヤ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リリ
ング流体が潤滑剤チヤ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“マツド”モータの開発に関する研究努
力の多くは、普通ドリリング“マツド”と呼ばれ
るドリリ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（sealing moving
surfaces）の保護に関するものであつた。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3659662号、第3666333号、第3971450号、第
4019591号、第4222445号、第4256189号及び第
4260032号。これらの特許は種々の案によりドリ
リングマツドからベアリング表面又か同様なもの
を保護する問題を取扱つている。

米国特許第3659662号はシヤフトとハウジング
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つ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。シヤフト
には、圧力がラビリンスを横切つて低下し、そし
て圧力がベアリングを収容している潤滑剤チヤン
バを形成するシール手段を横切つて等化されるよ
うにポ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
リリング流体中の粒子により塞がれる傾向があ
り、それによつて冷却効果を減じ、そしてもしそ
れらが大きい容量のドリリング流体を通すのに十
分に大きいならば、ビツトの掘削効率は相低下す
る。更に、ラビリンスが米国特許第3971450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、それは依然としてドリリ
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3666333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ヤンバから成つてい
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
（mating）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回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3971450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（unconfined）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
を受ける不規則な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4222445号はバツフア流体を使用し
て潤滑剤チヤンバを保護する。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4019591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熱焦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3449021号、第2867462号及び第
3831954号は管状部材間の傾斜つきシーリング表
面を取扱つている。米国特許第3449021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
つている。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
（nonconfined）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。Kalsi M.S.and G.A.Fazekas，“Feasibility
Study of ａ Slanted“Ｏ―ring”as ａ High
Pressure Rotary Seal，“ASME Paper No.72
―WA／DE―14（1972）；Kalsi，M.S.，
“Elastohydrodynamic Lubrication of Offset
Ｏ―Ring Rotary Seal，”ASME Paper No.80
―C2／Lub―７（1980）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
た回転シヤ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
ルモータのシヤフトとハウジングとの間の連続的
な軸線方向に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つ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
連続的なしかし軸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ヤフトシー
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
（multiple convolutions 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
表面にかみ合つて係合する表面、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
配列により発生される。

この好ましい態様においては、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ぞ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
（differential pressure forces）を倍増させる
（multiplication）ことによつて差圧を発生する
のに、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 biasing
member）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。シー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
ようにしたシーリング部材の上のチヤンバ内に含
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
の下に位置づけられ、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
と共に、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ヤンバを含む。

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（sub―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、ビツト
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3966369号に記載されそして例示され
た如き深い油井モータのハウジング１３の下に接
続される。モータサブ１３はサブ１１のハウジン
グ１６の範囲内に回転可能に位置づけられたシヤ
フト１４に接続された（示されていない）出力シ
ヤフトを有するタービンモータ、容積式モータ
（positive displacement motor）又は同様なも
のを普通は含む。

ハウジング１６はハウジング孔内に組立てられ
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。ベアリングカラー１９がスペーススリーブ１
８の底部に接続されている。スペーシングスリー
ブ１８，１８ａ，１８ｂ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（depending）鉛直方向配列がハウジン
グ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。

これらの要素はシヤフト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
るシヨルダ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―リング（示されていな
い）はスペーシングスリーブ１８の孔内にシール
可能に係合する。

ハウジング１６とシヤフト１４との間に形成さ
れた一連の相互接続されたチヤンバ及び環状空間
２８は潤滑油を充填されてサブ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内のシヤフト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り引
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
ヨルダ部分３１を有する。ベアリングカラー１９
の下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ヤンバ
（circumferential chamber）の頂部を形成する
ように配列されている。周方向チヤンバの下部及
び内壁部分は、スラストベアリング３２ａの頂部
に乗つている“Ｌ”形状環状リング部材３７によ
つて与えられる。スラストベアリング３２ａの底
部はロータシヤフトカラー３８により支持され、
ロータシヤフトカラー３８はシヤフト１４のまわ
りにクランプされそしてシヤフト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
方向位置にベアリング３２ａを保持するシヨルダ
を有している。

スラストベアリング３２ｂ及び３２ｃは、組立
体においてベアリング３２ａを位置づけるための
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がシヤフト
１４とハウジング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に関してシヤ
フト１４に対して下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
ルストリングが穴の底部の上に位置づけられると
き起こるであろう。ドリルビツトが底部に載つて
おり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３２
ｃはシヤフト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4086788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ヤフトシール組立体は添付
図面の第２図及び第３図に関してより詳細に例示
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、下部シヤフトシール組立体４１はラ
ジアルベアリング２９ａの下にシヤフト１４とハ
ウジングの間に示されている。ベアリング組立体
を潤滑するための油を含有する環状チヤンバ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がシヤフト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ヨ
ルダ４２で終る。環状当接リング４３がハウジン
グ１６の下端にねじ込み可能に受け入れられてシ
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４３を有する環状スリーブから成り、
支持部材４４は環状空間３５の下端に受け入れら
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の頂部に載つている。シール組立体
４１の下端へのドリリ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エルトシールリング
４７の対が支持部材４４の内側に向いている壁上
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、フエルトシールは井戸環状部から環状空間３
５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。ポート４８がハウジング１６の壁を通
つ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
き閉じられたポートをシールする付属品を持つて
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４６の壁におけるポート５１によつて支
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の外壁上のみぞ内に位置づけられ
る。支持部分４６の上部表面５３は下部シール部
材５２の下部表面にかみ合つて合致する
（matingly conform）ような輪郭である。シー
ル部材５２及び合致した輪郭の表面５３は軸線方
向変動により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
convoluted）。

シール組立体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）がシヨルダ４２のすぐ下の環状空間３
５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
まわりに且つシール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Ｏ―リングシール６３
が上部支持部材５９の外壁のまわりのみぞに位置
づけられてチヤンバ２８中の油のより高い差圧
（differential 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
内壁に形成されたシ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
にかみ合つ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り
特徴づけられ、そして好ましくは傾斜しており又
は多重回旋状である。従つて、この好ましい態様
においては、表面６４及び５３は平行でありそし
て下部環状シール５２及び上部環状シール６６を
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及びシヤフト１４の外壁及び部分６２の鉛
直方向内壁により形成されたみぞを充填する。か
くして組立体において使用されるパツキン又はシ
ールの特定の形状とかかわりなくシールはみぞの
形状に変形されるであろう。更に、シールは丸み
（radius）６７がシヤフト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
内縁により形成されるような構造である。

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１
６とシヤフト１４との間の環状空間３５は第２図
における如く上部シヨルダ４２と下部当接リング
４３との間に配置されている。下部支持部材７１
も又、シヤフト１４の外表面に係合するようにそ
の内壁に配置されたフエルトシール４７を有す
る。Ｏ―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ハウジング１６の孔に対して
シールする。グリース注入ポート及び付属部品４
８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とシヤフト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つた環
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
のまわりにラジアルシリーズ（radial series）に
形成されている。大きくなつた部分７２の上部表
面は環状シーリング部材７６にかみ合つて係合す
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）するための下部表面７８を有
する。ばね５７の列がシヨルダ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
成されそして下部支持部材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内に受け入れ
られる寸法のピン８２のヘツド８１を受け入れる
ように大きくなつている。鉛直方向通路８３はシ
ール組立体の下部部分における環状空間３５と各
穴７３の底部とを接続する。油は上部支持体７７
の上のチヤンバ又は空間２８を充填する。添付図
面の第４図は上部支持体７７の頂面図を示す。ピ
ン８２のヘツド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。

シール７６はそれぞれ上部及び下部支持部材７
７及び７１上の表面７８及び７４により規定され
たみぞ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
を通り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げに適応す
る。

シール上の潤滑油フイ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図はシヤフト１４の１回転期間中シヤフト１
４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、たとえばシヤフト表面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ヤフト１４の１回転
期間中鉛直方向幅Ｐを有する路を通つて運動す
る。シヤフトがシールに対して回転するにつれ
て、潤滑剤はシヤフトのまわりの実質的に水平方
向に運動する傾向がある。油に加えられる水平方
向速度は第５図における線V_Oで表わされる。V_O
により表わされた速度は２つのベクトル成分、即
ち、シールの路に沿つ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V_Tに分けることができ
る。成分V_T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、それによりシール７
６とシヤフト１４との間の潤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つて発生
した圧力によるシール７６を横切る圧力差がある
ので、たとえばシヤフトがシールに対して運動す
るにつれてシールを横切つて前後に運動する油に
対する正味の下向きの力がある。油の前後運動
は、シールの上及び下にシヤフトの部分を交互に
位置づける効果を有するシヤフトに対してシール
により取られた波状の（undulated）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ヤフト
を潤滑する傾向のある潤滑表面をたえずシール７
６とシヤフト１４との間に与え、かくしてシール
が焦げること（schorchip）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
に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、装置を横切つて圧力差
が発生し、それによりドリルビツトの下よりもド
リルビツトの上の装置の区域においてより高い圧
力が存在する。この装置におけるより高い圧力は
サブ１１の上端のピストン２１によつてベアリン
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全体にわたつてチ
ヤンバ２８中の潤滑油によつてサブ境界のシール
組立体（sub bodering seal assembly）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A₁を横切つ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
る表面が摩耗するに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シー
ルを絶えず拘束して保持しそしてシールをシヤフ
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（cooperative
relationship）から生じる釣り合つていない区域
効果（unbalanced area effect）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を横切つて作
用する装置孔におけるより高い圧力P_Hによつて
表わされる。下向きの圧力はA₁×P_Hの積である。
井戸環状部のより低い圧力P_Lは支持部材５９か
ら垂れ下がつている支持されていない部分６２上
の区域A₂を横切つて作用する。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P_L×A₂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A₁―
A₂によつても表わされたシール又は区域A₃を横
切つて作用する未知の圧力P_Sにより表わされる。
シールを横切つて作用する圧力P_Sが上のチヤンバ
２８における潤滑剤の圧力よりも常に大きいこと
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
P_SはP_S＝（P_H・A₁―P₁・A₂）／（A₁―A₂）とし
て計算される。この支持されていない区域の効果
はそれによりシステムの摩耗補償特徴を高める。
シールはより長く持ちこたえるのみならず所望の
漏洩速度より大きい速度でシールを通り過ぎる制
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、フエルトシール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。フエルトシ
ール４７も又グリースで含浸される。上記シール
の下のグリースは上記した如き下向きの油の正味
の流れと一緒になつて、ドリリング流体が下から
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リリング流体の圧力
がシール６６及び５２の下のグリースチヤンバに
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り、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
頼つ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
全然ない期間中上部支持部材５９に対して下向き
に作用する。

第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（multiplying effect）
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
を生じるために、十分な軸線方向変動、たとえば
多重回旋（multiple ocnvolution）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り得る。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装置における使用
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なく特許
請求の範囲内に入り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ヤフトシールを組
み込むことができるダウンホール掘削システムに
使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ヤフトシー
ルを含んでいる第１図の下部シヤフトシール区域
の詳細な鉛直断面図である。第３図は本発明に従
う回転シヤフトシールの他の態様を含んでいる第
１図の下部シヤ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
するオフセツトＯ―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…シヤフト、１６…サブ１１のハ
ウジング、１８，１８ａ，１８ｂ，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…環状チヤンバ、３５…
環状空間、４１…下部シヤフトシール組立体、４
２…シヨルダ、４３…環状当接リング、４４…下
部シール支持部材、４７…環状フエルトシールリ
ング、５２…下部シール部材、５７…ばね列、５
９…上部環状支持部材、６２…下向きに延びてい
る環状部分、６３…環状Ｏ―リングシール、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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転するシヤ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ヤフトシール
   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ヤフ
   トに滑動可能に係合するように回転シヤフトのま
   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ヤフトシールシス
   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ヤンバを含んで成る
   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ヤ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チヤ
   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
   チヤ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 該シヤフトの内側の範囲内の環境の圧力を該
   チヤンバの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ヤン
   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 該チヤンバ中の該流体と該ハウジング及びシ
   ヤ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ヤン
   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
   ング及びシヤ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ヤンバを更に
   具備し、該環状リングは該チヤンバと該シール手
   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
   されたチヤ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ヤ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。