JPH08270364A - 掘削機の掘削方向制御部密封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 掘削機の掘削方向制御装置部に封入した潤滑
油の漏洩や泥水の侵入を長期間に亘って防止する。 【構成】 回転シャフト２に軸受２２を介して取付けた
シールボックス２１と、該シールボックス２１と回転シ
ャフト２間に介在せしめたシール機構２３と、シールボ
ックス２１と円筒型ハウジング６下部とを連結するベロ
ーズ２６からなる下部シール装置７、および上部軸受の
上部近傍の円筒型ハウジング円形内周面に回転シャフト
との間にベアリングを介して取付けたブラダケースと、
該ブラダケースと回転シャフト間に介在せしめたシール
機構と、ブラダケースに収納した内部が掘削方向制御部
に封入した潤滑油の流入経路を有し外部が泥水と接触す
るブラダとからなる上部シール装置を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、油井、ガス井掘削機
等に代表される掘削装置の円筒型ハウジング内に収納さ
れた掘削方向制御部に封入した潤滑油の漏出を防止する
と共に、潤滑油封入部への泥水の侵入を防止するための
密封装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下資源の採取あるいは土木工事を目的
として地下に孔を掘削する掘削装置、特に石油、天然ガ
ス、地熱蒸気などの地下流体資源を採取するためにその
賦存地層まで大深度の坑井を能率よく掘削する代表的な
掘削装置であるロータリー式掘削装置においては、固い
岩盤などを迂回させて掘削作業を継続させるために、ド
リルの進行方向を変更させる掘削方向制御装置が必要で
ある。また、掘削中に何らかの原因で掘削方向に狂いが
生じた場合には、掘削方向を目標とする方向に修正する
ため、掘削方向制御装置が必要である。

【０００３】従来、ロータリー式掘削装置の掘削方向制
御装置としては、特開昭５７−２１６９５号公報、特開
昭５７−１００２９０号公報、特開昭５８−２１０３０
０号公報等に各種の掘削方向制御機構が提案されてい
る。しかし、特開昭５７−２１６９５号公報、特開昭５
７−１００２９０号公報、特開昭５８−２１０３００号
公報等に開示の掘削方向制御機構は、掘削方向を全方位
に亘って制御できないばかりでなく、機構が複雑である
などの問題点を有しており、十分に満足できるものでは
なかった。

【０００４】また、最近においては、複数の中空型調和
歯車減速機と、中空型調和歯車減速機のそれぞれの出力
要素に連結され、対応する各減速機回転軸に対して偏心
回転する偏心中空部を備えた複数の偏心回転部材と、前
記中空型調和歯車減速機の中空部および前記偏心回転部
材の前記偏心中空部を貫通した状態に装着された掘削機
ドリルの回転シャフトとを有し、偏心回転する前記偏心
中空部の内周面によって、前記回転シャフトの部分がシ
ャフト中心軸線とほぼ直行する方向に向けて変位せしめ
られるようになっている装置（特開平４−７６１８３号
公報）、同軸状態に配置した第１および第２の中空型調
和歯車減速機と、前記第１の中空型調和歯車減速機と同
軸状態に配列され、この減速機により回転させられる第
１の円環状部材と、前記第２の中空型調和歯車変速機と
同軸状態に配列され、この変速機により回転させられる
第２の円環状部材とを有し、前記第１および第２の円環
状部材は相対回転可能な状態にそれらの環状端面が相互
に重ね合わされており、これらの重ね合わされた端面
は、中心軸線方向に対して一定の角度だけ傾斜した傾斜
面に設定されており、前記第１および第２の円環状部材
の中空部分を貫通した状態に掘削ドリルの回転シャフト
を配置し、これらの第１および第２の円環状部材を相対
回転させて、この回転シャフトを所定の方向に撓める装
置（特開平５−１４９０７９号公報）、図５に示すとお
り、円筒型ハウジング１０１と、この円筒型ハウジング
１０１の円形内周面上に回転自在に支持されていると共
に、当該円筒型ハウジング１０１に対して偏心した円形
内周面を備えた第１の円環状部材１０２と、この第１の
円環状部材１０２の前記円形内周面上に回転自在に支持
されていると共に、当該円形内周面に対して偏心した円
形内周面を備えた第２の円環状部材１０３と、前記第１
および第２の円環状部材１０２、１０３をそれらの部材
中心の回りに相対的に回転させる中空型の調和歯車減速
機１０４、１０５とを有し、前記円筒型ハウジング１０
１に対する前記第１の円環状部材１０２の円形内周面の
偏心量と、この第１の円環状部材１０２に対する前記第
２の円環状部材１０３の円形内周面の偏心量とが等しく
なるように設定されており、前記第２の円環状部材１０
３の円形内周面の中心と一体的に移動するように先端に
ドリルビット１０６を有する回転シャフト１０７を当該
第２の円環状部材１０３に連結して、前記第１および第
２の円環状部材１０２、１０３を相対回転させることに
よって、前記第１および第２の円環状部材１０２、１０
３より上部の支点軸受１０８を支点として前記回転シャ
フト１０７の位置決めを行う装置（特開平５−２０２６
８９号公報）等の提案が行われている。

【０００５】上記掘削機の掘削方向制御装置は、坑底で
使用されるため泥水の高温、高圧から保護する必要があ
る。掘削方向制御装置は、回転シャフトの外周に設けた
円筒型ハウジングとの間の環状間隙に配置され、潤滑油
が円筒型ハウジング両端のシールで水密状態に封入する
必要がある。掘削方向制御装置を保護する潤滑油は、地
上での大気圧、常温の状態で封入されたのち、坑底での
高温、高圧の状態にさらされるため、容積が変化しよう
として圧力変動が生じ、泥水圧との圧力差が大きくなっ
て円筒型ハウジング両端のシールの限界差圧を超えると
漏洩するか、あるいは泥水が潤滑油封入部に侵入し、掘
削方向制御装置の操作が不可能になる。従来、円筒型ハ
ウジングと回転シャフト間のシール装置としては、特開
昭５７−２１６９５号公報の第４図ａおよび第４図ｆに
見られるような二重のリングシールが採用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭５７−２１
６９５号公報の第４図ａおよび第４図ｆに見られるよう
な二重のリングシールでは、円筒型ハウジングと回転シ
ャフト間の掘削方向制御装置部に封入した潤滑油の圧力
変動に追従できないばかりでなく、掘削方向を変更する
際の回転シャフトの軸直角方向変位に対応することがで
きず、潤滑油の漏洩や泥水の侵入を防止することは不可
能である。

【０００７】この発明の目的は、前記従来技術の問題点
を解消し、掘削機の掘削方向制御装置部に封入した潤滑
油の漏洩や泥水の侵入を長期間に亘って防止できる掘削
機の掘削方向制御部密封装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく種々試験検討を重ねた結果、掘削機の掘削
方向制御装置部による掘削方向変更時の回転シャフトの
軸直角方向変位は、ユニバーサルジョイントを回転シャ
フトの一部として介在させることによって吸収でき、ユ
ニバーサルジョイントより上部の回転シャフトは、軸方
向に移動しないこと、また、ユニバーサルジョイントよ
り下部の回転シャフトの軸直角方向変位は、シールボッ
クスと円筒型ハウジングとをフレキシブルに連結するこ
とによって吸収できること、ユニバーサルジョイントよ
り上部の回転シャフトの軸受近傍に潤滑油と泥水間に均
圧機構を介在させシール装置を設けることによって、掘
削機の掘削方向制御装置部に封入した潤滑油の漏洩や泥
水の侵入を長期間に亘って防止できることを確認し、こ
の発明に到達した。

【０００９】すなわちこの発明は、円筒型ハウジング
と、該円筒型ハウジングの円形内周面上に回転自在に支
持されていると共に、当該円筒型ハウジングに対して偏
心した円形内周面を備えた第１の円環状部材と、この第
１の円環状部材の前記円形内周面上に回転自在に支持さ
れていると共に、当該円形内周面に対して偏心した円形
内周面を備えた第２の円環状部材と、前記第１および第
２の円環状部材をそれらの部材中心の回りに相対的に回
転させる中空型の調和歯車減速機とを有し、前記円筒型
ハウジングに対する前記第１の円環状部材の円形内周面
の偏心量と、この第１の円環状部材に対する前記第２の
円環状部材の円形内周面の偏心量とが等しくなるように
設定されており、前記第２の円環状部材の円形内周面の
中心と一体的に移動するように掘削機ドリルの回転シャ
フトを当該第２の円環状部材に連結し、前記第１および
第２の円環状部材の直上にフレキシブルジョイントと、
さらにその上部で回転シャフトを支持する上部軸受とを
配設した掘削機の掘削方向制御装置において、回転シャ
フトに軸受を介して取付けたシールボックスと、該シー
ルボックスと回転シャフト間に介在せしめたシール機構
と、シールボックスと円筒型ハウジング下部とを連結す
るベローズからなる下部シール装置、および上部軸受の
上部近傍の円筒型ハウジング円形内周面に回転シャフト
との間にベアリングを介して取付けたブラダケースと、
該ブラダケースと回転シャフト間に介在せしめたシール
機構と、ブラダケースに収納した内部が掘削方向制御部
に封入した潤滑油の流入経路を有し外部が泥水と接触す
るブラダとからなる上部シール装置を設けたことを特徴
とする掘削機の掘削方向制御部密封装置である。

【００１０】

【作用】この発明の下部シール装置は、回転シャフトに
軸受を介して取付けたシールボックスと、該シールボッ
クスと回転シャフト間に介在せしめたシール機構と、シ
ールボックスと円筒型ハウジング下部とを連結するベロ
ーズとからなり、掘削方向制御装置による掘削方向変更
により回転シャフトが円筒型ハウジングに対し傾くと、
シールボックスと円筒型ハウジング下部間に介在せしめ
たベローズが変形して回転シャフトの軸直角方向の傾き
を吸収し、シールボックスおよびシール機構は、回転シ
ャフトと平行状態を保持したままで移動するから、シー
ル機能が損なわれることはない。また、回転シャフトと
円筒型ハウジング間の環状間隙に封入されている潤滑油
は、前記ベローズにより外部と遮断されており、外部に
漏洩することはない。

【００１１】また、この発明の上部シール装置は、上部
軸受の上部近傍の円筒型ハウジング円形内周面に回転シ
ャフトとの間にベアリングを介して取付けたブラダケー
スと、該ブラダケースと回転シャフト間に介在せしめた
シール機構と、ブラダケースに収納した内部が掘削方向
制御部に封入した潤滑油の流入経路を有し外部が泥水と
接触するブラダとで構成されるから、坑底での高温にな
って上下シール装置間に封入した潤滑油が膨張すると、
潤滑油が流入経路を介して流入し、ブラダ内に外部の泥
水圧力と均圧するまで外部へ膨張する。さらに、外部の
泥水圧力が高圧になってくると、ブラダ内の潤滑油が流
入経路を介して前記と逆に流出し、ブラダが収縮して内
部の潤滑油の圧力が外部の泥水圧力と均圧する。したが
って、上部シール装置と下部シール装置間に封入した潤
滑油の内部圧力は、外部の泥水圧力と均圧して差圧がほ
ぼ零となり、上部シール装置および下部シール装置から
の潤滑油の漏洩や泥水の侵入を防止することができる。

【００１２】この発明の下部シール装置の一部を形成す
るベローズの機能としては、軸直角方向の撓みの吸収、
メカニカルシールの摺動抵抗に対して耐え得ると共に、
坑底での高温、高圧に対して耐え得ることが要求され、
それぞれの数値に基づいて適切に設計される。また、こ
の発明の上部シール装置の一部を形成するブラダの材質
は、坑底での高温、高圧に耐えることが必要であり、合
成ゴム弾性体で、合成ゴムとしては、ウレタンゴム、ニ
トリルゴム等を用いることができる。また、上部シール
装置と下部シール装置に介在せしめるシール機構として
は、メカニカルシールとＯリングを組み合せたものを用
いることができる。

【００１３】

【実施例】以下にこの発明の詳細を実施の一例を示す図
１ないし図４に基づいて説明する。図１はこの発明の掘
削方向制御装置の概略全体構成図、図２はこの発明の掘
削方向制御装置で回転シャフトを偏心させた状態の概略
全体構成図、図３は下部シール装置の詳細を示す全体拡
大断面図、図４は上部シール装置の詳細を示す全体拡大
断面図である。図１ないし図２において、１はロータリ
ー式掘削装置の上部回転シャフト、２は下部回転シャフ
トで上部回転シャフト１とユニバーサルジョイント３に
より接続されている。４は下部回転シャフト２の先端に
同軸状態に連結したドリルカラー、５はドリルカラー４
の先端に固定したドリルビットで、上部回転シャフト１
は上部にある図示しない回転駆動機構に連結されてい
る。６はドリルカラー４より上部の上下回転シャフト
１、２の外周を囲むように配置した円筒型ハウジング
で、該円筒型ハウジング６の先端と下部回転シャフト２
との間には下部シール装置７が設けられている。

【００１４】８は下部シール装置７上部の円筒型ハウジ
ング６と下部回転シャフト２との間に設けたドリルビッ
ト５の荷重を受ける支点軸受、９は支点軸受８上部の円
筒型ハウジング６と下部回転シャフト２との間に設けた
二重偏心機構部で、円筒型ハウジング６の内周面に回転
自在に装着された円筒型ハウジング６に対して偏心した
円形内周面を備えた第１の円環状部材１１と、第１の円
環状部材１１の円形内周面に回転自在に装着された当該
円形内周面に対して偏心した円形内周面を備えた第２の
円環状部材１２から構成されている。１３は二重偏心機
構部９の直上に設けた前記第１の円環状部材１１を回転
させる第１の調和歯車減速機、１４は二重偏心機構部９
の直下に設けた前記第２の円環状部材１２を回転させる
第２の調和歯車減速機である。１５は上部回転シャフト
１の下部を軸支する軸受、１６は円筒型ハウジング６の
上部と上部回転シャフト１との間の上部シール装置であ
る。

【００１５】図３に示す下部シール装置７において、２
１は下部回転シャフト２に軸受２２を介して取付けたシ
ールボックス、２３はシールボックス２１と下部回転シ
ャフト２との間の環状間隙に組込んだメカニカルシー
ル、２４はシールボックス２１に取付けたベローズ保持
部材、２５は円筒型ハウジング６下部内周に取付けたベ
ローズ保持部材、２６はベローズ保持部材２４とベロー
ズ保持部材２５とを連結するベローズ、２７は円筒型ハ
ウジング６下端に螺合した下部回転シャフト２が貫通す
るシールボックス２１およびベローズ２６の保護カバー
である。二重偏心機構部９の第１および第２の円環状部
材１１、１２を第１および第２の調和歯車減速機１３、
１４により回転させ、下部回転シャフト２を支点軸受８
を中心として円筒型ハウジング６に対して曲げると、シ
ールボックス２１とメカニカルシール２３は円筒型ハウ
ジング６に対して偏心するが、ベローズ２６が変形して
この偏心量を吸収し、シール機能に影響を及ぼさないよ
う構成されている。また、ベローズ２６は、ベローズ保
持部材２４、２５の円筒型ハウジング６およびシールボ
ックス２１との連結部が密閉シールされており、掘削方
向制御装置の内部に封入した潤滑油が外部に漏れないよ
う構成されている。

【００１６】図４に示す上部シール装置１６において、
４１は円筒型ハウジング６の内周面に固定されたブラダ
ケース４２に収納されたゴムなどの弾性体からなるブラ
ダで、ブラダケース４２の下部の軸受１５側に設けた連
絡孔４３を介してブラダ４１内部に掘削方向制御装置の
内部に封入した潤滑油４４が流入、流出し、外面は泥水
４５と接触するよう構成されている。４６はブラダケー
ス４２の内周面と上部回転シャフト１との間に設けた玉
軸受、４７は玉軸受４６上部のブラダケース４２と上部
回転シャフト１との間の環状間隙に組込んだメカニカル
シールで、ブラダケース４２と上部回転シャフト１との
間の環状間隙を密閉する。坑底での高温により掘削方向
制御装置の内部に封入した潤滑油４４の圧力が泥水４５
の圧力より高くなると、連絡孔４３を介してブラダ４１
内部に潤滑油４４が流入し、ブラダ４１は円筒型の状態
から少しずつ外側に膨張して圧力が均等になった時点で
潤滑油４４の流入による膨らみは停止する。また、逆に
泥水４５の圧力が掘削方向制御装置の内部に封入した潤
滑油４４の圧力より高くなると、連絡孔４３を介してブ
ラダ４１内部から潤滑油４４が流出してブラダ４１は外
側に膨張した状態から収縮し、圧力が均等になった時点
で潤滑油４４の流出による収縮が停止し、掘削方向制御
装置の内部に封入した潤滑油４４の圧力と泥水４５の圧
力がバランスするよう構成されている。

【００１７】上記のとおり構成したことによって、図３
に示す下部シール装置７と、図４に示す上部シール装置
１６との間の環状間隙に地上で密に封入された潤滑油４
４は、坑底に降管すると高温となって膨張して高圧が発
生するが、泥水４５の圧力より高くなると連絡孔４３を
介してブラダ４１内部に流入し、ブラダ４１は円筒型の
状態から少しずつ外側に膨張して圧力が均等になった時
点で、流入による膨らみは停止する。また、環状間隙に
封入された潤滑油４４は、外部の泥水４５の圧力が潤滑
油４４の圧力より高くなると、ブラダ４１内部から連絡
孔４３を介して環状間隙に流出し、外部の泥水４５の圧
力と均等になった時点で、流出によるブラダ４１の収縮
は停止する。したがって、図３に示す下部シール装置７
と、図４に示す上部シール装置１６との間の環状間隙に
地上で密に封入された潤滑油４４の圧力は、泥水４５と
の差圧が常に零となり、下部シール装置７および上部シ
ール装置１６からの潤滑油４４の漏洩を防止できると共
に、潤滑油４４封入部への泥水４５の侵入を防止するこ
とができる。

【００１８】さらに、二重偏心機構部９の第１および第
２の円環状部材１１、１２を第１および第２の調和歯車
減速機１３、１４により回転させ、図２に示すとおり、
下部回転シャフト２を支点軸受８を中心として円筒型ハ
ウジング６に対して曲げると、下部シール装置７は、シ
ールボックス２１とメカニカルシール２３が円筒型ハウ
ジング６に対して偏心するが、ベローズ２６の変形によ
ってこの偏心量が吸収され、メカニカルシール２３のシ
ール機能が損なわれることがなく、また、下部回転シャ
フト２と円筒型ハウジング６との相対的な傾きは、下部
シール装置７のベローズ２６で吸収することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたとおり、この発明の掘削方向
制御部密封装置は、下部回転シャフトを傾斜させて掘削
方向を変更する場合においても、下部回転シャフトと円
筒型ハウジング間の下部シール装置のシール機能が損な
われず、しかも相対的な傾きは下部シール装置のベロー
ズで吸収でき、掘削方向制御部を含む環状間隙に封入し
た潤滑油の圧力を上部シール装置のブラダによって泥水
圧力と均等に保持でき、下部シール装置および上部シー
ル装置からの潤滑油の漏洩を防止できると共に、潤滑油
封入部への泥水の侵入を防止でき、掘削方向制御部の損
傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の掘削方向制御装置の概略全体構成図
である。

【図２】この発明の掘削方向制御装置で回転シャフトを
偏心させた状態の概略全体構成図である。

【図３】下部シール装置の全体拡大断面図である。

【図４】上部シール装置の全体拡大断面図である。

【図５】特開平５−２０２６８９号公報に開示の油井掘
削機の掘削方向制御装置の概略説明図である。

【符号の説明】

１ 上部回転シャフト ２ 下部回転シャフト ３ ユニバーサルジョイント ４ ドリルカラー ５、１０６ ドリルビット ６、１０１ 円筒型ハウジング ７ 下部シール装置 ８、１０８ 支点軸受 ９ 二重偏心機構部 １１、１０２ 第１の円環状部材 １２、１０３ 第２の円環状部材 １３ 第１の調和歯車減速機 １４ 第２の調和歯車減速機 １５、２２ 軸受 １６ 上部シール装置 ２１ シールボックス ２３、４７ メカニカルシール ２４、２５ ベローズ保持部材 ２６ ベローズ ２７ 保護カバー ４１ ブラダ ４２ ブラダケース ４３ 連絡孔 ４４ 潤滑油 ４５ 泥水 ４６ 玉軸受 １０４、１０５ 調和歯車減速機 １０７ 回転シャフト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒型ハウジングと、該円筒型ハウジン
   グの円形内周面上に回転自在に支持されていると共に、
   当該円筒型ハウジングに対して偏心した円形内周面を備
   えた第１の円環状部材と、この第１の円環状部材の前記
   円形内周面上に回転自在に支持されていると共に、当該
   円形内周面に対して偏心した円形内周面を備えた第２の
   円環状部材と、前記第１および第２の円環状部材をそれ
   らの部材中心の回りに相対的に回転させる中空型の調和
   歯車減速機とを有し、前記円筒型ハウジングに対する前
   記第１の円環状部材の円形内周面の偏心量と、この第１
   の円環状部材に対する前記第２の円環状部材の円形内周
   面の偏心量とが等しくなるように設定されており、前記
   第２の円環状部材の円形内周面の中心と一体的に移動す
   るように掘削機ドリルの回転シャフトを当該第２の円環
   状部材に連結し、前記第１および第２の円環状部材の直
   上にフレキシブルジョイントと、さらにその上部で回転
   シャフトを支持する上部軸受とを配設した掘削機の掘削
   方向制御装置において、回転シャフトに軸受を介して取
   付けたシールボックスと、該シールボックスと回転シャ
   フト間に介在せしめたシール機構と、シールボックスと
   円筒型ハウジング下部とを連結するベローズからなる下
   部シール装置、および上部軸受の上部近傍の円筒型ハウ
   ジング円形内周面に回転シャフトとの間にベアリングを
   介して取付けたブラダケースと、該ブラダケースと回転
   シャフト間に介在せしめたシール機構と、ブラダケース
   に収納した内部が掘削方向制御部に封入した潤滑油の流
   入経路を有し外部が泥水と接触するブラダとからなる上
   部シール装置を設けたことを特徴とする掘削機の掘削方
   向制御部密封装置。