KR20210080497A - 펌프용 모션 변환 어셈블리 및 이를 포함하는 펌프 - Google Patents
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Abstract
모션 변환 장치(100)는 두 개의 가이드 부재(140) 및 대향 결합 장치(1201)를 포함하는 로드랙(rodrack) 어셈블리(110)를 포함한다. 모션 변환 장치(100)는 기어샤프트(gearshaft) 부재(150)의 회전 모션에 의해 왕복 방향(D)을 따라 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션을 유발하는 기어샤프트 부재(150)를 추가적으로 포함한다. 상기 기어샤프트 부재(150)는 제1 기어 연결 부재(120)와 맞물리도록 구성된 제2 기어 연결 부재(160), 및 기어샤프트 부재(150)의 회전 모션 동안 가이드 부재(140)와 접촉하도록 구성된 가이드 표면 장치(170)를 포함하고, 여기서 하나의 기어샤프트 부재(150) 회전은 로드랙 어셈블리(110)의 단일의 왕복 선형 모션을 유발한다. 가이드 표면 장치(170)는 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션의 끝 점에서 두 개의 가이드 부재(140) 중 하나와 접촉한다.
Description
본 발명은 회전 모션을 선형 모션으로 변환하는 장치에 관한 것으로, 특히 펌프용 모션 변환 어셈블리 및 모션 변환 어셈블리를 포함하는 펌프에 관한 것이다.
수압 파쇄(Hydraulic fracturing)는 일반적으로 "프랙(frac) 펌프"라고도 언급되는 펌프를 사용하여 소량의 파쇄 유체를 고압에서 웰보어(wellbore)로 펌핑하는 것을 포함한다. 프랙 펌프는 일반적으로 크랭크샤프트(crankshaft)를 통해 펌핑 부재를 선형으로 변위시키는 동력 회전 부재를 포함한다. 이 구성은 에너지 효율 부족과 수압 펌핑 중 고르지 않은 토크(torque)를 포함하는 몇 가지 단점을 나타낸다. 토크의 고르지 않음은 펌핑 중 맥동을 유발하며, 이것은 일반적으로 바람직하지 않다.
더 나은 에너지 효율 및 펌핑 중 더 고른 토크를 갖는 펌프에 대한 요구가 존재한다.
등속 엔진 설계 및 기술은 미국 특허 제8,327,819호에 설명되어 있으며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다. 선형 모션을 회전 모션으로 또는 그 반대로 변환하는 장치는 2018년 3월 15일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2018/022672 및 2018년 8월 30일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2018/022672에 기재되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
모션 변환 장치가 개시된다. 모션 변환 장치는 대향 결합 장치를 포함하는 제1 기어 연결 부재를 포함한다. 제1 기어 연결 부재는 두 개의 가이드 부재를 포함하는 로드랙 어셈블리를 더 포함한다. 모션 변환 장치는 회전축을 중심으로 한 기어샤프트 부재의 회전 모션에 의해 왕복 방향을 따라 로드랙 어셈블리의 왕복 선형 모션을 유발하도록 구성된 기어샤프트 부재를 더 포함한다. 기어샤프트 부재는 기어샤프트 부재의 회전 모션 동안 제1 기어 연결 부재와 결합하도록 구성된 제2 연결 부재, 및 기어샤프트 부재의 회전 모션 동안 두 개의 가이드 부재 중 하나와 접촉하도록 구성된 가이드 표면 장치를 포함하고, 여기서 가이드 표면 장치는 로드랙 어셈블리의 왕복 선형 모션의 끝 점에서 두 개의 가이드 부재 중 하나와 접촉하도록 구성된다.
본 명세서에 개시된 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 모션 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2A-B는 작동 동안 모션 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 3A-L은 기어샤프트 부재의 시계 방향으로 1회 회전 동안 모션 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 모션 변환 장치를 포함하는 펌프 어셈블리의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5는 모션 변환 장치를 포함하는 펌프 어셈블리의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 1은 모션 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2A-B는 작동 동안 모션 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 3A-L은 기어샤프트 부재의 시계 방향으로 1회 회전 동안 모션 변환 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 모션 변환 장치를 포함하는 펌프 어셈블리의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5는 모션 변환 장치를 포함하는 펌프 어셈블리의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 1은 모션 변환 장치(100)의 예시적인 실시예의 개략도이다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 로드랙 어셈블리(110)를 포함한다. 로드랙 어셈블리(110)는 제1 기어 연결 부재(120) 및 두 개의 가이드 부재(140)를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 제1 기어 연결 부재(120)는 대향 결합 장치(1201)를 포함한다. 도 1에서, 상기 결합 장치(1201)는 핀으로 도시되어있다. 예시적인 실시예에서, 상기 결합 장치(1201)는 하나 이상의 톱니(teeth), 홈(groove), 스프로킷(sprocket), 및/또는 스프로킷 결합 롤러, 및/또는 당 업계에 알려진 임의의 다른 결합 장치를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 회전축(A)를 중심으로 한 기어샤프트 부재(150)의 회전 모션에 의해 왕복 방향(D)을 따라 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션을 유발도록 구성된 기어샤프트 부재(150)를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 기어샤프트 부재(150)는 기어샤프트 부재(150)의 회전 모션 동안 두 개의 가이드 부재(140) 중 하나와 접촉하도록 구성된 가이드 표면 장치(170)를 포함하고, 및 기어샤프트 부재(150)의 회전 모션 동안 제1 기어 연결 부재(120)와 결합하도록 구성된 제2 기어 연결 부재(160)를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 가이드 표면 장치(170)는 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션의 끝 점에서 두 개의 가이드 부재(140) 중 하나와 접촉하도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 기어샤프트 부재(150)의 1회전이 로드랙 어셈블리(110)의 단일 왕복 선형 모션을 유발하도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 제2 기어 연결 부재(160)는 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션 동안 한 번에 오직 하나의 대향 결합 장치(1201)와 결합한다.
예시적인 실시예에서, 제2 기어 연결 부재(160)는 결합 부재(1601)를 포함한다. 도 1에서, 결합 부재(1601)는 톱니(teeth)로 도시된다. 예시적인 실시예에서, 결합 부재(1601)는 하나 이상의 톱니, 홈, 스프로킷, 및/또는 스프로킷 결합 롤러, 및/또는 당 업계에 알려진 임의의 다른 결합 장치를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 결합 부재(1601)는 제2 기어 연결 부재(160)의 원주보다 더 작게 걸쳐있다. 따라서, 제2 기어 연결 부재(160)는 제1 기어 연결 부재(120)의 다른 결합 장치(1201)와 결합하지 않고, 제1 기어 연결 부재(120)의 결합 장치(1201) 중 하나와 한번에 결합될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 결합 부재(1601)는 제2 기어 연결 부재(160)의 원주의 절반 또는 절반 미만에 걸쳐있다.
예시적인 실시예에서, 가이드 표면 장치(170)는 홈(172)의 벽 표면(173)을 포함한다.
예시적인 실시예에서, 두 개의 가이드 부재(140) 각각은 제1 기어 연결 부재(120)를 구현하는 로드랙(110)의 맞은편에서 각각 돌출되는 두 개의 맞은편의 단부를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 두 개의 가이드 부재(140)는 두 개의 샤프트를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 두 개의 샤프트 각각은 그 종축(longitudinal axis)을 따라 회전하도록 구성된다. 예를 들어, 각 샤프트는 베어링 결합 또는 샤프트의 회전을 허용하는 다른 메커니즘에 의해 지지 구조(supporting structure)에 부착될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 기어샤프트 부재(150)의 적어도 일부는 대향 결합 장치(1201) 사이 및 두 개의 가이드 부재(140) 사이에 위치된다.
예시적인 실시예에서, 제2 기어 연결 부재(160)는 왕복 로드랙 어셈블리(110)를 통해 연장된다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 기어샤프트 부재(150)의 일정한 회전이 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션의 적어도 일부 동안 로드랙 어셈블리(110)의 일정한 선형 속도를 유발하도록 구성된다. 이것은 예를 들어 고압에서 소량을 펌핑할 때 특히 유리할 수 있다. 예를 들어, 로드랙 어셈블리(110)의 일정한 선형 속도는 펌핑 중에 맥동을 줄이고 효율성을 높일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 기어 샤프트 부재(150)는 제2 기어 연결 부재(160)를 통해 연장되는 중앙 홀(hole)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제1 기어 연결 부재(120)는 왕복 방향(D)을 따라 적어도 한 쌍의 대향 피스톤(130)(도 4에 도시됨) 사이에 위치되고, 대향 피스톤(130)은 왕복 방향(D)을 따라 왕복하도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 기어샤프트 부재(150)의 1회전이 대향 피스톤(130)의 두 개의 스트로크(stroke)를 유발하도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 제2 기어 연결 부재(160)는 두 개의 가이드 부재(140) 사이에 위치된다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 적어도 하나의 레일(180)을 더 포함하고, 로드랙 어셈블리(110)는 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션 동안 레일(180)을 따라 변위되도록 구성된다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션 동안 레일(180)을 따라 슬라이드하는 로드랙 어셈블리(110)의 적어도 하나의 브래킷(190)을 추가적으로 포함한다.
도 2A-B는 기어샤프트 부재(150)의 90도 회전에 걸친 작동 동안 모션 변환 장치(100)의 예시적인 실시예를 도시한 것이다.
도 3A-L은 기어샤프트 부재(150)의 시계 방향으로 1회 회전, 따라서 로드랙 어셈블리(110)의 선형 모션을 왕복하는 한 주기 동안 모션 변환 장치(100)의 예시적인 실시예를 도시한 것이다. 기어샤프트 부재(150)의 180도 회전은 상사점(Top Dead Center, TDC)에서 하사점(Bottom Dead Center, BDC)까지 정의될 수 있다. 기어샤프트 부재(150)의 시계 방향으로 1회전은 따라서 TDC에서 BDC로, 그리고 다시 TDC로의 변위를 포함한다. 도 1에서, 가장 왼쪽의 가이드 부재(140)는 TDC에서 가이드 표면 장치(170)의 중심에 있다. 도 3A는 또한 TDC에서의 모션 변환 장치(100)를 도시한다.
예시적인 실시예에서, 도 3C-D에 도시된 바와 같이, 가이드 표면 장치(170)는 기어샤프트 부재(150)의 90도 회전에 도달하기 직전에 가장 왼쪽의 가이드 부재(140)와 결합 해제된다. 도 3G는 기어샤프트 부재(150)의 90도 회전 후 모션 변환 장치(100)의 예시적인 실시예를 도시한다.
예시적인 실시예에서, 도 3E-G에 도시된 바와 같이, 가이드 표면 장치(170)는 가장 왼쪽의 가이드 부재(140)와 맞물린 직후, 그 다음 BDC로 180도 회전을 완료한다. 도 3G는 BDC에 있는 모션 변환 장치(100)의 예시적인 실시예를 도시하며, 가장 왼쪽의 가이드 부재(140)는 가이드 표면 장치(170)에 중심을 두고 있다. BDC에서, 로드랙 어셈블리(110)는 우측으로의 변위를 완료했다.
도 3H-L은 로드랙 어셈블리(110)가 좌측으로 이동할 때, 모션 변환 장치(100)의 예시적인 실시예의 작동을 도시하며, 도 3L은 TDC에 도달하고 기어샤프트 부재(150)의 시계 방향 1회전을 완료하기 직전(따라서 로드랙 어셈블리(110)의 선형 모션을 왕복하는 한 주기 동안)에 모션 변환 장치(100)의 예시적인 실시예를 도시한 것이다.
예시적인 실시예에서, 모션 변환 장치(100)는 펌프 어셈블리(예를 들어, 이에 제한되지는 않지만, 수압 파쇄 펌프), 압축기 어셈블리, 또는 회전-선형 모션 변환을 수반하는 임의의 다른 장치의 일부를 형성할 수 있다.
도 4는 모션 변환 장치(100)를 포함하는 펌프 어셈블리(200)의 예시적인 실시예를 도시한 것이다. 상기 펌프 어셈블리(200)는 왕복 방향(D)을 따라 로드랙 어셈블리(110)의 각각의 단부에 결합된 적어도 하나의 펌핑 부재(220)를 더 포함한다. 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션은 적어도 하나의 펌핑 부재(220)의 왕복 선형 모션을 유발한다. 예시적인 실시예에서, 펌핑 부재(220)는 피스톤 또는 유체 또는 반유체 물질을 펌핑하는 당 업계에 공지된 임의의 다른 구성 요소를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 펌프 어셈블리(200)는 기어샤프트 부재(150)의 회전을 유발하고 이에 의해 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션을 유발하도록 구성된 모터(210)를 추가적으로 포함한다. 예시적인 실시예에서, 상기 모터(210)는 전기적으로, 연료 연소에 의해, 또는 모터에 동력을 공급하기 위해 당 업계에 공지된 임의의 다른 메커니즘에 의해 동력을 공급받을 수 있다.
도 5는 모션 변환 장치(100), 모션 변환 장치(100)의 로드랙 어셈블리의 왕복 선형 모션을 유발하는 모터(310), 모션 변환 장치의 로드랙 어셈블리의 일 단부에 결합되어 피스톤 챔버(330) 내부에서 왕복하는 피스톤(320), 및 유체 챔버(340)를 포함하는 펌프 어셈블리(300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 상기 유체 챔버(340)는 제1 일방향 밸브(V1)를 통해 피스톤 챔버(330)와 유체 연통한다. 펌프 어셈블리(300)는 모터(310)가 피스톤 챔버(330)에서 피스톤(320)의 왕복 모션을 유발하고, 피스톤 챔버(330)에서 제1 방향(D1)으로 피스톤(320)의 변위는 유체 또는 반유체가 유체 챔버(340)로부터 피스톤 챔버(330)로 이동하게 하며, 피스톤 챔버(330)에서 제2 방향(D2)으로 피스톤(320)의 변위는 유체 또는 반유체가 제2 일방향 밸브(V2)를 통해 피스톤 챔버(330) 밖으로 이동하게 하도록 구성되어 있다. 물론, 본 개시는 왕복 부재를 사용하는 다른 펌프 구성이 또한 당 업계에 공지되어 있고, 통상의 기술자가 그러한 공지된 펌프 구성을 모션 변환 장치(100)에 적용할 수 있기 때문에, 도 5의 구성에 제한되지 않는다.
예시적인 실시예에서, 펌프 어셈블리 또는 회전-선형 모션 변환을 포함하는 임의의 장치는 전술한 특징의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 명세서의 개시가 그 목적 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 것은 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 더욱이, 통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 다양한 특징들이 어떠한 임의의 조합으로 결합될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서 현재 개시된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 간주되며 제한되지 않는다. 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 표시되며, 그 의미와 범위 및 동등성 내에서 발생하는 모든 변경사항은 여기에 포함되도록 의도된다.
Claims (18)
- 다음을 포함하는 모션 변환 장치(100):
제1 기어 연결 부재(120) 및 두 개의 가이드 부재(140)를 포함하는 로드랙 어셈블리(110), 상기 제1 기어 연결 부재(120)는 대향 결합 장치(1201)를 포함하는, 어셈블리; 및
회전축(A)을 중심으로 한 기어샤프트 부재(150)의 회전 모션에 의해 왕복 방향(D)을 따라 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션을 유발하도록 구성된 기어샤프트 부재(150),
상기 기어샤프트 부재(150)는 상기 기어샤프트 부재(150)의 회전 모션 동안 두 개의 가이드 부재(140) 중 하나와 접촉하도록 구성된 가이드 표면 장치(170)를 포함하고, 및 기어샤프트 부재(150)의 회전 모션 동안 제1 기어 연결 부재(120)와 결합하도록 구성된 제2 기어 연결 부재(160)를 포함하며, 여기서 상기 기어샤프트 부재(150)의 1회전은 로드랙 어셈블리(110)의 단일 왕복 선형 모션을 유발하고, 및
로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션의 끝 점에서 두 개의 가이드 부재(140) 중 하나와 접촉하도록 구성되는 가이드 표면 장치(170).
- 제1항에 있어서,
상기 제2 기어 연결 부재(160)는 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션 동안 한번에 하나의 대향 결합 장치(1201)와 결합하는 것을 특징으로 하는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 제2 기어 연결 부재(160)는 상기 제2 기어 연결 부재(160)의 원주보다 작은 길이에 걸쳐있는 결합 부재(1601)를 포함하는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 가이드 표면 장치(170)는 홈(172)의 벽 표면(173)을 포함하는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 두 개의 가이드 부재(140) 각각은 상기 제1 기어 연결 부재(120)의 맞은편에서 각각 돌출되는 두 개의 맞은편의 단부를 포함하는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 두 개의 가이드 부재(140)는 두 개의 샤프트를 포함하는, 모션 변환 장치(100).
- 제6항에 있어서,
상기 두 개의 샤프트 각각은 그 종축을 따라 회전하도록 구성되는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 기어샤프트 부재(150)의 적어도 일부는, 상기 대향 결합 장치(1201) 사이 및 상기 두 개의 가이드 부재(140) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 제2 기어 연결 부재(160)는 왕복 로드랙 어셈블리(110)를 통해 연장되는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 기어샤프트 부재(150)의 일정한 회전은 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션의 적어도 일부 동안 로드랙 어셈블리(110)의 일정한 선형 속도를 유발하도록 구성되는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 기어샤프트 부재(150)는 제2 기어 연결 부재(160)를 통해 연장되는 중앙 홀(hole)을 포함하는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 제1 기어 연결 부재(120)는 상기 왕복 방향(D)을 따라 적어도 한 쌍의 대향 피스톤(130) 사이에 위치되고, 상기 대향 피스톤(130)은 상기 왕복 방향(D)을 따라 왕복하도록 구성되는, 모션 변환 장치(100).
- 제12항에 있어서,
상기 기어샤프트 부재(150)의 1회전은 대향 피스톤(130)의 두 개의 스트로크(stroke)를 유발하도록 구성되는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
상기 제2 기어 연결 부재(160)는 상기 두 개의 가이드 부재(140) 사이에 위치되는, 모션 변환 장치(100).
- 제1항에 있어서,
적어도 하나의 레일(180)을 추가적으로 포함하고, 상기 로드랙 어셈블리(110)는 상기 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션 동안 상기 적어도 하나의 레일(180)을 따라 변위되도록 구성되는, 모션 변환 장치(100).
- 제15항에 있어서,
상기 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션 동안 상기 적어도 하나의 레일(180)을 따라 슬라이드하는 상기 로드랙 어셈블리(110)의 적어도 하나의 브래킷(190)을 추가적으로 포함하는, 모션 변환 장치(100).
- 다음을 포함하는 펌프 어셈블리(200):
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 모션 변환 장치(100); 및
상기 왕복 방향(D)을 따라 로드랙 어셈블리(110)의 각 단부에 결합된 적어도 하나의 펌핑 부재(220),
상기 로드랙 어셈블리(110)의 상기 왕복 선형 모션은 상기 적어도 하나의 펌핑 부재(220)의 왕복 선형 모션을 유발함.
- 제17항에 있어서,
상기 기어샤프트 부재(150)의 회전을 유발하고 이에 의해 로드랙 어셈블리(110)의 왕복 선형 모션을 유발하도록 구성된 모터(210)를 추가적으로 포함하는, 펌프 어셈블리(200).
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