(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞を定める少なくとも２枚の壁を有する本体を含み、該本体の膨張によって、前記少なくとも２枚の壁が少なくとも１つの構造体と係合することができる本体と、
前記本体及び前記構造体と密着係合する黒鉛であって、前記少なくとも１つの構造体によって前記空洞内で圧縮されて弾力的に保持される黒鉛と
を含み、
前記黒鉛以外の圧縮された弾力性部材が、前記黒鉛に対する押圧負荷を保持することを特徴とする、シール構造体。
【請求項２】
空洞を定める少なくとも２枚の壁を有する本体を含み、該本体の膨張によって、前記少なくとも２枚の壁が少なくとも１つの構造体と係合することができる本体と、
前記本体及び前記構造体と密着係合する黒鉛であって、前記少なくとも１つの構造体によって前記空洞内で圧縮されて弾力的に保持される黒鉛と
を含み、
前記本体と前記構造体との係合によって前記黒鉛が前記空洞から漏出するのを防ぎ、
前記本体が前記構造体と係合するに従って、前記空洞の容積が増加することを特徴とする、シール構造体。
【請求項３】
前記本体と前記構造体との間の係合が前記本体の半径方向の膨張によってなされることを特徴とする、請求項２に記載のシール構造体。
【請求項４】
空洞を定める少なくとも２枚の壁を有する本体を含み、該本体の膨張によって、前記少なくとも２枚の壁が少なくとも１つの構造体と係合することができる本体と、
前記本体及び前記構造体と密着係合する黒鉛であって、前記少なくとも１つの構造体によって前記空洞内で圧縮されて弾力的に保持される黒鉛と
を含み、
前記少なくとも１つの構造体が２つの構造体であることを特徴とする、シール構造体。
【請求項５】
前記黒鉛が前記２つの構造体とシール可能に係合することを特徴とする、請求項４に記載のシール構造体。
【請求項６】
空洞を定める少なくとも２枚の壁を有する本体を含み、該本体の膨張によって、前記少なくとも２枚の壁が少なくとも１つの構造体と係合することができる本体と、
前記本体及び前記構造体と密着係合する黒鉛であって、前記少なくとも１つの構造体によって前記空洞内で圧縮されて弾力的に保持される黒鉛と
を含み、
前記黒鉛が複数の厚板の形態であることを特徴とする、シール構造体。
【請求項７】
前記複数の厚板が相互に境界を接して積み重ねられていることを特徴とする、請求項６に記載のシール構造体。
【請求項８】
前記複数の厚板が、その断面がほぼ台形である初期形状を有していることを特徴とする、請求項６に記載のシール構造体。
【請求項９】
前記黒鉛の膨張によって、前記少なくとも１つの構造体に対する前記黒鉛の押圧負荷を生じることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシール構造体。
【請求項１０】
前記黒鉛が変形して、前記少なくとも１つの構造体と密着係合することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシール構造体。
【請求項１１】
前記黒鉛が塑性変形することを特徴とする、請求項１０に記載のシール構造体。
【請求項１２】
前記塑性変形が弾性変形よりも小さな負荷で生じることを特徴とする、請求項１１に記載のシール構造体。
【請求項１３】
前記黒鉛の体積の膨張が５０％〜２００％であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシール構造体。
【請求項１４】
前記黒鉛が温度の変化に伴って膨張することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシール構造体。
【請求項１５】
前記黒鉛が膨張黒鉛であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシール構造体。
【請求項１６】
本体の複数の壁によって定められた空洞内に黒鉛を配置し、
該本体を膨張させ、
少なくとも１つの構造体を前記複数の壁と係合させ、
前記黒鉛を膨張させ、
前記少なくとも１つの構造体に対して該黒鉛を押し付け、
該黒鉛を前記少なくとも１つの構造体と前記本体とに密着させることを含み、
前記黒鉛以外の弾力性部材を前記空洞内に弾力的に押し込むことをさらに含むことを特徴とする、シール方法。
【請求項１７】
本体の複数の壁によって定められた空洞内に黒鉛を配置し、
該本体を膨張させ、
少なくとも１つの構造体を前記複数の壁と係合させ、
前記黒鉛を膨張させ、
前記少なくとも１つの構造体に対して該黒鉛を押し付け、
該黒鉛を前記少なくとも１つの構造体と前記本体とに密着させることを含み、
前記空洞の容積を増大させることをさらに含むことを特徴とする、シール方法。
【請求項１８】
前記黒鉛を前記空洞内に保持することをさらに含むことを特徴とする、請求項１６または１７に記載のシール方法。
【請求項１９】
前記黒鉛を前記空洞内に弾力的に押し込むことをさらに含むことを特徴とする、請求項１６または１７に記載のシール方法。
【請求項２０】
前記黒鉛の温度を変化させて該黒鉛を膨張させることをさらに含むことを特徴とする、請求項１６または１７に記載のシール方法。
【請求項２１】
前記本体を膨張させている間、前記少なくとも１つの構造体に対して前記本体を長手方向に固定して保持することをさらに含むことを特徴とする、請求項１６または１７に記載のシール方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
弾性体は、肌理の粗い表面又は欠陥のある表面に密着する能力があるので、部材を相互に密着させるのに一般的に使用されている。そのようなシール部材の用途には、炭化水素回収及び二酸化炭素隔離産業等において地層掘削孔で用いられる管状体システムが含まれる。しかしながら、このようなシール部材は高温・高圧及び腐食性環境下で劣化してしまうことがある。したがって、操業者は、新しいシール構造体とこれらの欠点を克服する方法とを受け入れる用意が常にできている。
【発明の概要】
【０００２】
この出願に開示されているのは、シール構造体である。シール構造体は、空洞を定める少なくとも２枚の壁を有する本体を含み、該本体の膨張によって、前記少なくとも２枚の壁は少なくとも１つの構造体と係合することができる。また、黒鉛が前記本体及び前記構造体と密着係合し、前記少なくとも１つの構造体によって該黒鉛が前記空洞内で圧縮されて弾力的に保持される。
【０００３】
この出願にさらに開示されているのは、シール方法である。該シール方法は、本体の複数の壁によって定められた空洞内に黒鉛を配置し、該本体を膨張させ、少なくとも１つの構造体を前記複数の壁と係合させ、前記黒鉛を膨張させ、前記少なくとも１つの構造体に対して該黒鉛を押し付け、該黒鉛を前記少なくとも１つの構造体と前記本体とに密着させることを含む。
【０００４】
以下の記載は、いかなる様態にも本発明を限定するものと理解すべきではない。添付の図面に関しては、類似の要素には同様の番号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】シール位置にある、本出願に開示されているシール構造体の部分断面図である。
【図２】非シール位置にある、図１のシール構造体の一態様の部分断面図である。
【図３】非シール位置にある、図１のシール構造体の別の態様の部分断面図である。
【図４】本出願に開示されている別のシール構造体の部分断面図である。
【図５】非シール位置にある、本出願に開示の更に別のシール構造体の部分断面図である。
【図６】シール位置にある、図５に示されているシール構造体の部分断面図である。
【図７】一部を拡大した、本出願に開示のシール構造体のまた別の態様の部分断面図である。
【図８】本体と外側構造体とを取り除いた、本発明のシール構造体の更にまた別の態様の斜視図である。
【図９】図８に示した態様を別の位置から見た斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本出願に開示されている装置と方法との１以上の態様を、図面を参照しながら、例示によって、本発明を限定することなく、詳細に説明する。
【０００７】
図１を参照すると、この出願に開示されているシール構造体の一態様が、参照符号10によって一般的に示されている。シール構造体10は、本体22に設けられた空洞18内に配置された膨張性黒鉛14を有しており、この膨張性黒鉛14は、本体22における開口部30の近傍に配設された構造体26とシール可能に係合する。黒鉛14は、例えば、温度変化等の環境の特定の変化に応答してその体積が膨張可能である。黒鉛14の体積の膨張によって、該黒鉛は本体22の複数の壁34、及び構造体26の表面38と強制的に係合させられる。黒鉛14は、表面38における凹部42、凸部46及びその他の欠陥の形状に従って変形可能であり、この過程で黒鉛14と構造体26との間にシールを形成する。黒鉛14は本体22の複数の壁34にも密着し、その結果、本体22がシールされた状態で構造体26と係合することになる。黒鉛14は、該黒鉛が弾性変形するよりも小さい負荷で塑性変形するように設計されている。この塑性変形によって、黒鉛14が表面38の外形に沿って変形して該表面とシールを形成するのが可能になっている。
【０００８】
膨張した状態にある黒鉛14は圧縮可能であり、したがって、弾力性を有している。この弾力性によって、本体22と構造体26に対して黒鉛を押し付けた状態を維持し、空洞18の容積が変化している間でさえも該空洞への密着状態を維持することができる。任意の第二の圧縮可能な部材50を空洞18内に配置することもでき、この圧縮可能な部材も弾力性があり、それ故に黒鉛14に対して追加的な押圧力を与えることができる。その他の態様も考えられているが、この態様における弾力性部材50は、圧縮可能な流体54をその中に閉じ込めて密封した管状の丸枠である。弾力性部材50にかかる力が初期状態では円形である断面を平たくするにつれ、圧縮可能な流体54の体積が減少し、それによって流体内の圧力が弾力的に増加する。
【０００９】
図２を参照すると、黒鉛14が構造体26と密着係合する前の位置にあるシール構造体10の一態様が示されている。この態様においては、構造体26は管状体であるが、その1／4断面のほんの少しの部分のみが図示されている。この場合における構造体26の表面38は、管状体26の内周表面である。第二の管状体58が構造体26の半径方向内側に配置されており、構造体26と実質的に同心になっている。第二の管状体58の外周面62は傾斜した部分66を有しており、この傾斜した部分66の半径方向の大きさが図の右側に向かって大きくなって行く円錐台の形状をしている。本体22は、図中で右側に動かされたときに、表面62と係合する内側周面70を有しており、右に向かう動きが続くにつれて本体は半径方向に膨張する。この態様では内側周面70にほぼ直交している本体22の複数の壁74も、傾斜している部分66に対して本体22が動くにつれ、半径方向に徐々に大きくなってゆく。半径方向に十分に大きくなった後に、壁74は構造体26の表面38と係合して空洞18を取り囲み、流体又はガスを逃がしながら黒鉛14を空洞中に包み込む。黒鉛14の体積が膨張することによって黒鉛が空洞18を満たし、表面38に対する押圧力が生じる。表面38が図１に関して先に記載した凹部42と凸部46とを有していたとしても、この押圧力によって黒鉛14を表面38に十分に密着係合させることができる。
【００１０】
複数の壁74が構造体26と係合する前に本体22の半径方向の大きさが増大して行くに従い、空洞18の容積が大きくなって行くことに注意する必要がある。黒鉛14の膨張は空洞18の容積の増加よりも大きく、大きくなった空洞18も満たすことができるようになっている必要がある。実際、黒鉛14は、体積の約50％〜200％迄膨張することができる。
【００１１】
図３を参照すると、この図には黒鉛14が構造体26と密着係合する前の位置にある、シール構造体10の別の態様が示されている。この態様は図２の態様に類似しているが、主要な相違点としては、本体22が傾斜部分66を上って表面38と係合状態になる前に、この態様における黒鉛14が膨張することである。この態様においては、複数の壁74が表面38に接触する前に黒鉛14が表面38に接触するので、黒鉛14の一部が空洞18から「拭き取られて」しまうかもしれない。このような状態であっても、この態様の機能が変わることはない。その理由は、本体22が構造体26と係合する前に、黒鉛と表面38との接触によって十分な量の黒鉛14が半径方向に圧縮されて空洞18内に入り、表面38と本体22との両方に黒鉛14が密着するのに十分な弾力を黒鉛14中に生じさせるからである。（図示されていない）他の態様は、壁74が表面38と係合する前と後との両方に黒鉛を膨張させることができるという点において、図２及び図３の要素を取り入れることができる。
【００１２】
図４を参照すると、本出願に開示されているシール構造体のまた別の態様が参照符号110で示されている。シール構造体110は、黒鉛14を含有する空洞118を定める本体122が２つの開口部130を有しているという点において、シール構造体10と相違している。２つの開口部130の内の一方は、先に記載した態様の開口部に類似した様態で、半径方向外側に向いている。もう一方の開口部130は半径方向内側を向いている。空洞118内での黒鉛14の体積圧縮によって生じた弾力は、本体122の壁174に加えて、表面38と第二管体58の外周面とに黒鉛14を密着係合させる。この態様においては、第二弾力性部材50に相当する部材が用いられていないので、黒鉛14のみによって押圧力が生じることに注意されたい。さらに、本体122の複数の構造部材132（その内の１つを透視図で表示）が黒鉛14を通り抜けて延在しており、シール構造体110の機能に悪影響を与えることなく、本体の複数の壁174を一定の距離を離して保持している。
【００１３】
図５及び６を参照すると、本発明によるシール構造体の更にまた別の態様が参照符号210で示されている。シール構造体210は、本体222と膨張性黒鉛14とによって相互に密着することのできる２つの構造体226、258を有している。本体222は、黒鉛14を収容する空洞218を定めている。本体222は開口部230を有しており、この開口部は本体222の複数の壁274と、この態様においては第一構造体226である管状体の内周面である表面238との係合によって閉鎖されている。円錐台状に配向した２本の脚部224の内の少なくとも１本は、第二構造体258の外周面262とスライド可能に係合している。２本の脚部224のそれぞれの端部228が長手方向に沿って互いの方向に向かって動くことによって、壁274が半径方向外側に動いて表面238と係合・接触する。このようにして、黒鉛14を空洞218の内部に包み込む。（非シール位置にある）図５に示されている黒鉛14は、既に体積が膨張してその一部が開口部230を通り抜けて空洞218の外側へと出ている。両方の脚部224が同時に動くことによって、表面238と接触させるためのみに黒鉛14を半径方向外側に動かし、それによって表面238で黒鉛14を擦り取るのを避けることができる。このような擦り取りは、空洞218を囲い込んでいる間に黒鉛と前記表面との間に長手方向の相対的な動きがあると、発生してしまう。前記のように動かすことによって、壁274が図６に示されているように表面238と係合するに従い、黒鉛14は半径方向に直接的に圧縮されて空洞218内に入る。
【００１４】
図５に示されているように空洞218内に黒鉛14を囲い込む前に黒鉛は膨張しているが、図２に示されている態様で行われたように、空洞218が表面238で閉鎖された後に黒鉛14を膨張させることもできる。
【００１５】
図７を参照すると、本願に開示されているシール構造体の別の態様が参照符号310としてその断面が示されており、その小さな一部分が拡大されている。シール構造体310と先に検討した態様におけるシール構造体との主要な相違は、この態様における黒鉛14は、複数の厚板316の形状をしていることである。厚板316は、本体22、122、222の空洞18、118、218において向きを定めて、各厚板316の最も厚みの小さな部分を挟む反対側の２つの面320は、それぞれが境界を接する厚板316の面320と当接する。このようにして、厚板316を、空洞18、118、218の全360度を実質的に埋めるように積み重ねる。
【００１６】
図８及び９を参照すると、シール構造体のまた別の態様が410として示されている。このシール構造体410はシール構造体310に類似しており、主要な相違点は、黒鉛14の厚板416の形状である。この態様においては、この厚板の両面420は、シール構造体310とは異なり、180度の角度をなして正面から向かい合うことはなく、その代わりに、厚板420の１つの長手方向に沿う断面が実質的に台形を形成するような角度を成している。さらに、空洞18、118、218に沿って分配された厚板420は、１つおきに、両側の厚板に対して180度ひっくり返した形状になっている。厚板の向きをこのようにすることによって、例えば、管状体458の傾斜した部分466に沿うなどして厚板が半径方向外側に動いても、厚板の面420と面とは当接した状態を保っている。厚板が半径方向外側に動いている間もその面420を当接した状態にしておくことができることにより、厚板416の変形が少ない状態で、隣接する厚板416と厚板416との間にシールを形成することができる。
【００１７】
この出願に開示されているある態様においては、使用される黒鉛14は膨張性黒鉛である。黒鉛14として使用することのできる膨張性黒鉛の一例が、2013年11月5日に提出された、本願と同じ譲受人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第14／072016号に開示されている。この参照により、当該出願の内容全部を本願に取り入れる。
【００１８】
１以上の好適な態様を参照しながら本発明を記載してきたが、本発明の範囲から離れずに、様々な変更を加えてもよく、また、その要素を同等物で置換してもよいことは、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から離れることなく、特定の状況又は材料を発明の教示に適合させるために、数多くの変更を行ってもよい。したがって、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の態様に本発明が限定されることはなく、本発明は特許請求の範囲内の全態様を含む。また、図面及び明細書には、発明の好適な態様が開示されており、特定の用語が用いられてきたかもしれないが、別に記載がない限り、一般的且つ記述的な意味でのみ使用され、限定のために用いられているのではない。したがって、発明の範囲がそれによって限定されることはない。さらに、第一、第二等の用語は重要度の順を意味するのではなく、１つの要素を他の要素から区別するために使用されている。さらに、「複数の」という限定がない部材等の用語は当該部材等が１つしかないことを意味するのではなく、少なくとも１つあることを意味している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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