JP2000283061A - ヘリコイダルモータまたはヘリコイダルポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステータの部分的な交換が可能であり、ま
た、ステータがロータとの摩擦により外管から剥離して
回転することを防止可能なヘリコイダルモータまたはヘ
リコイダルポンプを提供すること。 【解決手段】 ステータ２０を複数のステータ単位体２
４を連接させてなるものとする。また、外管４０に開口
部（図示せず）を設けるとともに、ステータ単位体２４
の外周面に凹部（図示せず）を設け、この開口部および
凹部に係止具を挿入嵌合して、ステータ単位体２４がロ
ータ３０との摩擦により回転することを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘリコイダルモー
タおよびヘリコイダルポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、石油井や地熱井の傾斜掘削を
行う場合は、掘削装置としてヘリコイダルモータが用い
られている。このヘリコイダルモータは、ダウンホール
モータとも呼ばれており、ヘリコイダルモータの概要の
説明図である図３に示すように、傾斜掘削を行う場合
に、ドリルパイプ６２の先端に取り付けられ、ドリルパ
イプ６２中に圧入された液体により回転させる。また、
ヘリコイダルモータ１の先端にはビット５６が取り付け
られ、ヘリコイダルモータ１がビット５６を回転させる
ことにより岩盤７０を切削する。なお、注入する液体に
は、一般的に、掘削時の掘屑の地上への回収、坑底と地
上の圧力差の調整、裸坑壁の崩壊防止、さらにはビット
の潤滑、冷却を目的として地上で調合した泥水６８を利
用している。

【０００３】その具体的な構造は、ヘリコイダルモータ
の構造の説明図である図４（出典：「Hydraulic downho
le drilling motor」Wladimir TIRASPOLSKY原著、M.I.R
ock英訳、TRANS-INTER-SCIENTIA出版）に示すように、
大別して、ステータ２０とロータ３０とから構成されて
いる。ステータ２０は、全体として略円筒形状を呈して
おり、鉄、ステンレス等から形成された外管４０にはめ
込まれており、一般的に天然ゴムで形成されている。ま
た、その内部空間は、ロータ３０を収納するものである
とともに、泥水等の流路となる。さらに、この内部空間
は、ロータ３０の断面形状に応じて長円筒形に形成した
り、後述するように、歯車のように内周面の一部を等間
隔に稜線状に突出させた形状に形成されている。

【０００４】ロータ３０は、ステータ２０に内在して設
けられるものであり、その材料としては一般的に鉄など
の金属が使われている。その全体形状は、概ね棒状を呈
しており、ねじれた円筒形や長円形、あるいは従来のヘ
リコイダルモータの断面図である図５（出典：図４に同
じ）に示すように、歯車の歯のように、その外周面に３
つまたはそれ以上の稜線状の突出部（この突出部は通常
「ローブ」と称される。以下ローブとする。）を形成し
ている。さらに、ステータ２０のローブ２２（ステータ
においては谷状の部分に相当）とロータ３０のローブ３
２とは互いに噛み合う形状になされている。

【０００５】なお、ステータの断面形状は、ロータの断
面形状が円形である場合は長円形、長円形である場合は
３つのローブを持つ歯車型、３つのローブを持つ歯車型
である場合は４つのローブをもつ歯車型、というよう
に、一般的にそのローブ数がロータのローブ数よりも１
つ多くなるように形成されている。また、これらのロー
ブは、それぞれの形成面に対してはすば歯車の歯のよう
に形成されており、ステータ及びロータのローブの側面
展開図である図６に示すように、それぞれの形成面を展
開すると、水平方向に対して一定のリード角θα、θβ
（傾斜角）を持つようにして設けられている。また、図
５に示すように、ステータの内周面との間には隙間３４
が存在するが、隙間３４は、ロータのローブにより仕切
られて複数の空間に分割されている。

【０００６】また、図４に示すように、ステータ２０の
基端側には泥水等の注入用のバルブ５０が設けられてい
る。また、ロータ３０の先端側にはユニバーサルジョイ
ント５２の基端側が接続されており、さらに、ユニバー
サルジョイント５２の先端側にはドライブシャフト５４
を介してビット５６が接続されている。

【０００７】以上のような構造を持つヘリコイダルモー
タは、例えば、泥水をステータの基端側から圧入する
と、この泥水がステータとロータとの隙間に先端側に向
かって浸入する。ステータおよびロータのローブは、前
述のようにそれぞれの形成面に一定のリード角を持って
設けられているので、泥水の浸入によりロータのローブ
が回転運動し、この回転運動がユニバーサルジョイント
およびドライブシャフトを介してビットに伝達される。

【０００８】また、上述したステータとロータとによる
構造は、ロータを外部の駆動源により回転させることに
より、流体を脈動させずに連続的に移送することが可能
なポンプとして用いることができ、このようなポンプを
ヘリコイダルポンプと呼んでいる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヘリコイダ
ルモータおよびヘリコイダルポンプのステータは、前述
のように天然ゴムにより形成されているので、ロータと
の摩擦によりステータ内周面の各所が次第に摩耗してゆ
くことは避けられない。また、深部の掘削に使用される
ヘリコイダルモータは、ステータが高温に曝されること
により劣化しやすい。この摩耗が進むと、ロータの回転
運動が不安定になるので、ステータを交換する必要があ
る。

【００１０】ところが、このステータの摩耗の進行は均
等なものではなく、ステータの交換が必要なほど摩耗が
進んでいる部分が全体の一部分にすぎないことも多い。
しかしながら、従来のステータは全体を一体のものとし
て成形、加工しているので、部分的な交換は不可能であ
る。よって、複雑な成形、加工を要し、高価なものであ
るにもかかわらず、ステータ全体を交換せざるを得なか
った。

【００１１】また、ステータは、外管に対して接着剤に
よって固着されているが、ロータとの摩擦や前述の高温
に曝されることにより、外管から部分的に剥離すること
がある。外管から剥離した部分は、ロータとの摩擦によ
りロータの回転方向に引っ張られる。そして、その引張
力により剥離が他の部分におよんで、ついにはステータ
全体が外管から剥離してロータとともに回転してしま
い、モータまたはポンプとしての機能を果たさなくな
る。

【００１２】そこで、本発明は、前述の従来技術の欠点
を解消するために、ステータの部分的な交換が可能なヘ
リコイダルモータまたはヘリコイダルポンプを提供する
ことを目的としている。また、ステータがロータとの摩
擦により外管から剥離して回転することを防止可能なヘ
リコイダルモータまたはヘリコイダルポンプを提供する
ことを第２の目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、ヘリコイダルモータまたはヘリコイダ
ルポンプとして、複数のステータ単位体を連結してなる
ステータを有することを特徴とするものである。

【００１４】また、ステータ単位体の外周面の端部近傍
にＯリングを設けてなることを特徴とするものである。
さらに、ステータを内嵌する外管の周側面に設けられた
開口部に挿入されるとともに、前記ステータの外周面に
設けられた凹部に嵌合して設けられる係止具を有するこ
とを特徴とする。なお、上記Ｏリングを設ける場合は、
外管の内周面にこのＯリングを嵌合するための溝を設け
ることが好ましい。

【００１５】さらに、ステータ単位体がロータとともに
回転することを確実に防止するために、ステータ単位体
の端部に、隣接するステータ単位体の端部と相互に噛み
合う凹凸部を設けることが好ましい。なお、この凹凸部
は、隣り合うステータ単位体の間に隙間が生じることな
く嵌合できるものであることが好ましい。

【００１６】

【作用】ステータを複数のステータ単位体を連結してな
るものとしたので、外管に内嵌したステータ単位体のう
ち、摩耗、劣化の進んだもののみを交換することが可能
となる。また、ステータ単位体の外周面の端部近傍にＯ
リングを設けるものとしたので、ステータ単位体同士の
継目から泥水等がステータ単位体と外管の間に広く浸入
し、高圧泥水がロータの回転エネルギーに変換される時
の効率ロスを押さえることができる。また、ステータ単
位体が外管から剥離することを防止することができる。

【００１７】さらに、ステータを内嵌する外管の周側面
に設けられた開口部に挿入されるとともに、前記ステー
タの外周面に設けられた凹部に嵌合して設けられる係止
具を有するものとしたので、ステータがロータから部分
的にあるいは全体にわたって剥離した場合でも、ステー
タの外周面の凹部に嵌合されている係止具によりステー
タが回転することを阻止することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の具体的な実施の形
態について図面を参照して詳細に説明する。なお、「従
来の技術」の記載と重複する点については簡略化して説
明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の説明図で
あり、図２は、本発明の第２の実施の形態の説明図であ
る。

【００１９】まず、第１の実施の形態について説明す
る。図１に示すように、本発明においては、ヘリコイダ
ルモータおよびヘリコイダルポンプのステータ２０を３
つのステータ単位体２４を連接してなるものとしてい
る。また、継目２６においてステータ単位体２４のロー
ブ同士が連続するように位置合わせされている。ステー
タをこのような構成にしたことにより、このような、ス
テータ単位体の嵌入後においても、すべてのステータ単
位体を引き出した後、特定のステータ単位体を別なもの
に交換して再度嵌入することにより、ステータの部分交
換が可能である。

【００２０】したがって、例えばステータ単位体のうち
１つの摩耗が激しくあるいは高温による劣化が進み、交
換が必要になった場合でも、当該ステータ単位体のみを
新たなものに交換して再度嵌入することにより、ステー
タ全体を交換する必要がなくなる。なお、ステータ単位
体の個数は、３つに限られるものではなく、ステータ全
体の長さに応じて適宜個数を変更することが望ましい。
また、ステータ単位体を用いる構成は、従来の天然ゴム
を素材とするステータに限られるものではなく、耐熱フ
ェノール、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、
サーモポリイミド（ＴＰＩ）、セラミックス、鉄やステ
ンレスなどの金属材料などで作られるものに対しても好
適である。

【００２１】また、ステータ単位体２４外周面の継目２
６の近傍には、Ｏ（オー）リング４２が環装されてい
る。Ｏリング４２は、ステータ２０を複数のステータ単
位体２４よりなるものとした場合、泥水等の圧入時に、
継目２６から漏水してステータ単位体２４と外管４０と
の間に広く浸入し、回転効率を落としたり、外管からス
テータ単位体２４が乖離する可能性があるので、Ｏリン
グ４２により泥水等がステータ単位体２４と外管４０と
の間への浸入を防止するために設けるものである。な
お、Ｏリング４２をステータ単位体２４に環装すること
を容易にするために、外管４０内周面のＯリングの環装
部位に対応する位置にあらかじめ溝を形成しておき、次
にこの溝にＯリングを嵌合し、最後にステータ単位体を
外管に嵌入する順序によりヘリコイダルモータまたはヘ
リコイダルポンプを組み立てることが好ましい。

【００２２】次に、第２の実施の形態について説明す
る。図２に示すように、ステータ２０を複数のステータ
単位体２４からなるものとし、外管４０にステータ単位
体の個数に応じた開口部４８を設けるとともに、各ステ
ータ単位体２４の外周面に凹部２８を設けたものとし、
開口部４８に係止具４４を挿入貫通させ、さらに凹部２
８に嵌合させるようにしたものである。また、係止具４
４はボルト４６により止着されている。

【００２３】このような係止具を設けたことにより、ス
テータ単位体２４が外管４０内で回転することを制止可
能となる。したがって、ステータ単位体２４がロータと
の摩擦によりロータの回転方向に引っ張られても、係止
具４４によりステータ単位体２４が回転することを抑制
できるので、ステータ単位体と外管を特に接着しなくて
もステータ単位体２４が外管４０から乖離することがな
い。よって、従来技術に係るもののように、ステータと
外管とが剥離することによりヘリコイダルモータまたは
ヘリコイダルポンプの機能が損なわれるようなことがな
い。

【００２４】なお、係止具は、ステータ単位体が乖離し
て回転することをより確実に防止するために、ステータ
単位体１つに対して１つ設けるのではなく、複数個設け
るものとしてもよい。また、ステータ内の泥水等が外管
の開口部から漏出するのを防止するために、外管の開口
部は、ステータ単位体同士の継目の部位を避け、ステー
タ単位体の中央部付近に設けることが好ましい。くわえ
て、係止具の先端部がステータの肉を突き破ってステー
タ内部に露出することを防止するために、係止具を嵌合
する凹部をローブとローブとの中間、つまりステータ単
位体の最も肉厚な位置に設けるものとすることが好まし
い。

【００２５】また、係止具の止着は、ボルトにより行う
ほかに、係止具自体をボルト状に形成するとともに、外
管の開口部およびステータ外周面の凹部にねじを切り、
係止具を開口部および凹部に螺着するものとしてもよ
い。また、ステータは、複数のステータ単位体からなる
ものではなく、一体のものであってもよい。

【００２６】以上述べたように、ヘリコイダルモータま
たはヘリコイダルポンプのステータにおいて、複数のス
テータ単位体からなるものとしたので、補修が必要な部
分のみを交換することが可能となる。さらに、ロータと
の摩擦によりステータが外管から乖離して回転すること
を防止することができる。くわえて、ステータと外管と
を接着する必要がなくなるので、接着に係る工程を省略
することができ、製造コストを削減することができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明は上記のように、ヘリコイダルモ
ータまたはヘリコイダルポンプとして、複数のステータ
単位体を連結してなるステータを有する構成にしたの
で、ステータ単位体毎の交換が可能となり、ヘリコイダ
ルモータまたはヘリコイダルポンプの維持コストの低減
が図れる。また、前記ステータ単位体の外周面の端部近
傍にＯリングを設けてなる構成としたので、ステータと
外管の間に泥水等が浸入することを確実に防止でき、信
頼性の高いヘリコイダルモータまたはヘリコイダルポン
プを提供することができる。さらに、ステータを内嵌す
る外管の周側面に設けられた開口部に挿入されるととも
に、前記ステータの外周面に設けられた凹部に嵌合して
設けられる係止具を有する構成にしたので、ステータが
ロータとの摩擦力により回転することを確実に防止で
き、信頼性の高いヘリコイダルモータまたはヘリコイダ
ルポンプを提供することができる。くわえて、ステータ
と外管との接着が不要になるので、製造にかかるコスト
を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の説明図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の説明図である。

【図３】ヘリコイダルモータの概要の説明図である。

【図４】ヘリコイダルモータの構造の説明図である。

【図５】従来のヘリコイダルモータの断面図である。

【図６】ステータおよびロータのローブの側面展開図で
ある。

【符号の説明】

１ ヘリコイダルモータ ２０ ステータ ２２ ローブ ２４ ステータ単位体 ２６ 継目 ２８ 凹部 ３０ ロータ ３２ ローブ ３４ 隙間 ４０ 外管 ４２ Ｏリング ４４ 係止具 ４６ ボルト ４８ 開口部 ５０ バルブ ５２ ユニバーサルジョイント ５４ ドライブシャフト ５６ ビット ６０ 掘削井 ６２ ドリルパイプ ６４ ケーシング ６６ セメントスラリ ６８ 泥水 ７０ 岩盤 ８０ 基礎円 ８２ 転円 ８４ 軌跡円 ８６ コモントロコイダル曲線 ８８ エピトロコイダル曲線 Ａ₁ サイクロイド曲線 Ａ₂ コモントロコイダル曲線 Ｂ₁ 一致点 Ｂ₂ 一致点 Ｃ₁ 軌跡円 Ｃ₂ 軌跡円 Ｄ₁ ステータの内部空間の断面形状 Ｄ₂ ロータの断面形状 Ｆ₁、Ｆ₂ 外サイクロイド曲線 Ｆ₁’Ｆ₂’ 内サイクロイド曲線 θα、θβ リード角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H041 AA00 AA01 AA03 BB05 CC01 CC15 DD01 DD03 DD05 DD21 DD34 DD37 3H084 AA31 BB25 CC02 CC23 CC48

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のステータ単位体を連結してなるス
   テータを有することを特徴とするヘリコイダルモータま
   たはヘリコイダルポンプ。
2. 【請求項２】 前記ステータ単位体の外周面の端部近傍
   にＯリングを設けてなることを特徴とする請求項１に記
   載のヘリコイダルモータまたはヘリコイダルポンプ。
3. 【請求項３】 ステータを内嵌する外管の周側面に設け
   られた開口部に挿入されるとともに、前記ステータの外
   周面に設けられた凹部に嵌合して設けられる係止具を有
   することを特徴とするヘリコイダルモータまたはヘリコ
   イダルポンプ。