DE102009013853A1

DE102009013853A1 - Fehlertolerantes Chemikalien-Einspritzsystem für Öl- und Gasbohrlöcher

Info

Publication number: DE102009013853A1
Application number: DE200910013853
Authority: DE
Inventors: Richard R. Missouri City Watson
Original assignee: National Coupling Co Inc
Current assignee: National Coupling Co Inc
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: NO343266B1; BR122018068885B1; GB2465639A; GB0904490D0; NO20093276L; US8262367B2; BRPI0900975A2; DE102009013853B4; NO20181292A1; NO343959B1; GB2465639B; US20100126600A1; BRPI0900975B1

Abstract

Ein Dosierkörper für ein Chemikalien-Einspritzsystem umfasst einen freien Kolben mit einem Paar von mechanisch betätigten Tellerventilen, die sich einzeln öffnen können, um einen Flüssigkeitsfluss von einer Seite des freien Kolbens zur anderen zuzulassen. Der freie Kolben gleitet in einem Zylinder, der Zylinderköpfe an gegenüberliegenden Enden aufweist. Einlass/Auslass-Kanäle sind in den Zylinderköpfen vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Tellerventile Aktuatoren, die sich über gegenüberliegende Stirnflächen des freien Kolbens hinaus erstrecken. Wenn eine Stirnfläche des Kolbens sich in einen vorbestimmten Abstand eines Zylinderkopfs bewegt, berührt der Aktuator den Zylinderkopf und eine weitere Bewegung des Kolbens bewirkt, dass sich das entsprechende Tellerventil öffnet, wodurch ein Flüssigkeitsfluss durch den Kolben möglich wird. Auf diese Weise wird ein fehlertolerantes System bereitgestellt. Wenn eine Energieunterbrechung oder ein anderer Fehler der Steuerung auftritt, wird das System fortfahren, Flüssigkeit mit der zuletzt ausgewählten Flüssigkeitsmenge bereitzustellen. Wenn die Energieversorgung wieder hergestellt ist (oder der Fehler korrigiert ist), wirkt die Steuerung auf ein Ventil ein, so dass sich der Flüssigkeitsfluss durch den Dosierkörper umkehrt und das federbelastete Tellerventil schließt, wenn der freie Kolben sich von dem Zylinderkopf wegbewegt.

Description

Bezugnahmen auf verwandte Anmeldungen: keine
Angaben bezüglich öffentlich geförderter Forschung oder Entwicklung: keine

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung.
Diese Erfindung betrifft Chemikalien-Einspritzsysteme für Öl- und Gasbohrlöcher. Genauer betrifft sie ein auf positiver Verdrängung beruhendes volumetrisches Gerät zur Verwendung in Systemen, die dazu ausgelegt sind, in flüssiger Phase befindliche chemische Behandlungswirkstoffe in Unterwasser-Bohrlöcher einzuspritzen.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik, einschließlich Informationen, die unter 37 CFR 1.97 und 1.98 offenbart wurden.
Eine Vielfalt von chemischen Wirkstoffen wird in Kohlenwasserstoff-Bohrlöcher eingespritzt, um Korrosion, Hydrate, Asphaltene, Paraffine, Kalk und ähnliches unter Kontrolle zu halten. Diese chemischen Wirkstoffe sind typischerweise in Flüssigphase und werden unter Verwendung eines Chemikalien- Einspritzsystems in ausgewählter Menge in das Bohrloch gepumpt. Für Unterwasser-Bohrlöcher können der Chemikalienvorrat und die Pumpe auf einer Produktionsplattform angeordnet sein und üblicherweise über eine Nabelleitung mit dem Bohrlochkopf verbunden sein. Wenn der chemische Wirkstoff nur an der Oberfläche abgemessen wird, führt jedes Leck in der Nabelleitung oder seinen Verbindern zu einer fehlerhaften Anzeige der Menge an chemischem Wirkstoff, der in das Bohrloch eingespritzt wird. Darüber hinaus kann für jedes Unterwasser-Bohrloch ein eigenes Einspritzsystem auf der Plattform sowie eine verbindende Nabelleitung erforderlich sein.
Bestimmte Dosiersysteme aus dem Stand der Technik verwenden veränderliche Öffnungen – eine einstellbare Öffnung, die eine Fernkontrolle des Flusses an jedem Bohrloch ermöglicht. Andere Dosiersysteme aus dem Stand der Technik basieren auf Druckkompensierter Flusskontrolle – ein einstellbarer Druckregler und eine feste Öffnung halten einen konstanten Fluss an jedem Bohrloch aufrecht.
Über die Lebensdauer eines Bohrlochs ist es häufig erforderlich, den Fluss innerhalb eines großen Bereich zu dosieren. Das Dosieren über die Öffnung ist in seiner Spanne beschränkt und ist beeinflusst durch Filmbildung, Zusetzung und sich ändernde Flüssigkeitseigenschaften.
Verunreinigung durch Partikel ist in langen Chemikalien-Einspritzleitungen unvermeidbar und kann die kleinen Öffnungen, die zum Dosieren und Steuern erforderlich sind, zusetzen. Filter in den Leitungen erhöhen die Komplexität und beeinflussen die Zuverlässigkeit des Systems, wodurch sich die Kapitalkosten erhöhen und regelmäßige Wartung erforderlich wird (wodurch sich die Betriebskosten erhöhen).
Das US-Patent Nr. 6,973,936 von Richard R. Watson (dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird) offenbart ein Flüssigkeits-Einspritzsystem, das die Verteilung einer Flüssigkeit von einer Vorratsleitung zu ausgewählten Bohrlöchern in einstellbarer Menge steuert. Ein freier Kolben unterteilt einen Zylinder in erste und zweite Kammern. Ein Multi-Positions-Ventil umfasst eine erste Position, in der Flüssigkeit aus der Vorratsleitung in die erste Kammer passiert, so dass Flüssigkeit aus der zweiten Kammer zurück durch das Ventil zu einem Einspritzpunkt verdrängt wird, sowie eine zweite Position, in der Flüssigkeit aus der Vorratsleitung zu der zweiten Kammer passiert, so dass Flüssigkeit von der ersten Kammer zurück durch das Ventil zu dem Einspritzpunkt verdrängt wird. Ein mit einem Positionssensor kommunizierendes Steuersystem regelt die Bewegung des freien Kolbens in ausgewählte Positionen und stellt wahlweise eine variable Ventilöffnung ein, um die Flussmenge zu bestimmen, zwischen ersten und zweiten Positionen umzuschalten und periodisch das Ventil zu Reinigungszwecken zu öffnen.
Das im US-Patent Nr. 6,973,936 offenbarte System kann als „im Fehlerfall geschlossenes” System bezeichnet werden – d. h. wenn Versorgungs- oder Steuersignale zu dem Multi-Positions-Ventil unterbrochen sind, spritzt das System nur solange weiter Flüssigkeit in das Bohrloch ein, bis der freie Kolben die Grenze seines gegenwärtigen Hubs erreicht hat, an welchem Punkt der Flüssigkeitsfluss endet.
Die vorliegende Erfindung bietet einen „im Fehlerfall unverändertes System”-Zustand für ein Chemikalien-Einspritzsystem der im US-Patent Nr. 6,973,936 beschriebenen Art, wenn die Versorgung oder Steuersignale zu dem umkehrenden Ventil unterbrochen sind. In einem erfindungsgemäßen Chemikalien-Einspritzsystem führt die Unterbrechung der Versorgung oder von Steuerleitungen zu dem Ventil dazu, dass sich eine Flüssigkeits- Flussrate einstellt, die im Wesentlichen dem zuletzt ausgewählten Wert entspricht. Auf diese Weise kann die Chemikalien-Behandlung des Bohrlochs in der Zeit zwischen dem Auftreten des Fehlers und seiner Entdeckung und Reparatur fortgesetzt werden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein volumetrischer Dosierkörper, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, umfasst einen Verdrängungszylinder, der von einem freien Kolben in zwei Kammern unterteilt ist. Die abzumessende Flüssigkeit tritt in eine erste Kammer ein, wodurch sich der freie Kolben in einer Richtung bewegt, die das Volumen dieser Kammer vergrößert und das Volumen der zweiten Kammer verkleinert. Flüssigkeit in der zweiten Kammer wird durch die Bewegung des freien Kolbens verdrängt und tritt aus dem Dosierkörper aus. Da die Kammern bekannte Abmessungen haben, wird mit jedem Zyklus des freien Kolbens ein bekanntes Flüssigkeitsvolumen (das in das Bohrloch eingespritzt werden kann) ausgebracht.
In einem Dosierkörper gemäß der vorliegenden Erfindung ist der freie Kolben ausgestattet mit zwei mechanisch betätigten Ventilen, die Tellerventile sein können. Im offenen Zustand erlauben die Tellerventile der Flüssigkeit, von einer Seite des freien Kolbens zu der anderen zu fließen – d. h. Flüssigkeit kann aus einer Kammer des Verdrängungszylinders zu der anderen Kammer fließen. Während des normalen Betriebs des Dosierkörpers bleiben die Ventile geschlossen. Tritt jedoch ein Fehler in dem System auf, der verhindert, dass sich der Flüssigkeitsfluss in dem Dosierkörper am Ende des Kolbenhubs umkehrt, öffnet sich zumindest eines der Ventile, wenn der freie Kolben in einen vorbestimmten Abstand von einem mechanischen Anschlag kommt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst eine innere Stirnfläche eines Zylinderkopfs einen mechanischen Anschlag. Im offenen Zustand des Ventils kann unter Druck stehende Flüssigkeit ihren Fluss durch den Dosierkörper fortsetzen mit der zuletzt ausgewählten Flussmenge. Auf diese Weise wird ein fehlertolerantes System bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER UNTERSCHIEDLICHEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG(EN)
1 ist ein schematisches Diagramm eines Chemikalien-Einspritzsystems gemäß dem Stand der Technik, das einen Verdrängungszylinder zum Abmessen des Volumens der eingespritzten Flüssigkeit umfasst.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Verdrängungszylinders gemäß dem Stand der Technik.
2A ist eine vergrößerte Ansicht des in 2 angezeigten Ausschnitts.
3 ist eine Endansicht eines Verdrängungszylinders gemäß der Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Verdrängungszylinders entlang der Linie 4-4.
4A ist eine vergrößerte Ansicht des in 4 angezeigten Ausschnitts.
5 ist eine Querschnittsansicht eines freien Kolbens gemäß der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch Details eines Dosierkörpers 12, der mit einem Steuersystem 14 und einem Multi-Positions-Ventil 16 in einem Chemikalien-Einspritzsystem 10 verbunden ist. Der Dosierkörper 12 hat eine Bohrung 20 für die Aufnahme einer chemischen Flüssigkeit, die zu einem Bohrloch gefördert werden soll. Ein axial beweglicher freier Kolben 22 in der Bohrung 20 teilt den Dosierkörper 12 in erste und zweite Kammern 24, 26 variablen Volumens. Der freie Kolben 20 dichtet mit dem Dosierkörper 12 durch ein Dichtglied, wie einen O-Ring 25. Der Dosierkörper 12 und freie Kolben 22 umfassen üblicherweise eine Zylinder- und Kolbenanordnung wie gezeigt. Erste und zweite Einlass-Auslass-Kanäle 28, 30 sind vorgesehen für das Passieren von Flüssigkeit in die ersten und zweiten Kammern 24, 26 hinein und aus diesen heraus. Eine Vorratsleitung 33 stellt durch das Multi-Positions-Ventil 16 chemische Flüssigkeit unter hohen Druck zu dem Dosierkörper 12 bereit.
In einer ersten, in 1 gezeigten Ventil-Position, anschaulich dargestellt durch die Ausrichtung der parallelen Liniensegmente 18 mit den Linien 31 und 33, fließt Flüssigkeit von der Vorratsleitung 33 durch das Multi-Positions-Ventil 16, die Leitung 29, den Einlass-Auslass-Kanal 30 in die Kammer 26. Wenn Flüssigkeit sich in die Kammer 26 bewegt, zwingt der Flüssigkeitsdruck den freien Kolben 26 zum Ende 34 des Dosierkörpers 12, vermindert das Volumen der ersten Kammer 24 und verdrängt die Flüssigkeit hinaus durch den Einlass-Auslass-Kanal 28. Flüssigkeit, die durch den Durchlass 28 hinaustritt, bewegt sich durch die Leitung 27, zurück durch das Ventil 16 und hinaus durch die Leitung 31 zu einem Einspritzpunkt in dem Bohrloch.
In einer zweiten Position (nicht gezeigt), die visuell veranschaulicht werden kann, indem die sich kreuzenden Flusslinien 15 im Ventil 16 nach links geschoben werden, so dass sie mit den Linien 31 und 33 ausgerichtet sind, bewegt sich Flüssigkeit von der Vorratsleitung 33 durch das Multi-Positions-Ventil 16, die Leitung 27, den Einlass-Auslass-Kanal 28 in die Kammer 24. Wenn sich Flüssigkeit in die Kammer 24 bewegt, zwingt der Flüssigkeitsdruck den freien Kolben 26 zum Ende 36 des Dosier körpers 12, vermindert das Volumen der Kammer 26 und verdrängt die Flüssigkeit hinaus durch den Einlass-Auslass-Kanal 30. Flüssigkeit, die durch den Durchlass 30 austritt, bewegt sich durch die Leitung 29, zurück durch das Ventil 16 und hinaus durch die Leitung 31 zum selben Einspritzpunkt in dem Bohrloch. Durch Umkehren der Richtung des Multi-Funktions-Ventils 16 jedes Mal, wenn der freie Kolben 22 eine ausgewählte Position erreicht, kann sich die Flüssigkeit daher kontinuierlich von der Leitung 33 zu der Leitung 31 zu dem Einspritzpunkt in dem Bohrloch bewegen.
Positionssensoren 38 und 40 sind vorgesehen zum Fühlen der Position des freien Kolbens 22. Die Positionssensoren 38, 40 stehen, wie es durch die gestrichelten Linien 39, 41 angedeutet ist, über konventionelle Mittel wie Draht, Glasfaserleiter oder drahtlose Signale in Kommunikation mit dem Steuersystem 14. Wenn der freie Kolben 22 ausgewählte Positionen erreicht, geben die Positionssensoren 38, 40 dem Steuersystem 14 ein Signal, worauf das Steuersystem 14 reagieren kann, indem wahlweise die Stellung des Multi-Positions-Ventils 16 umgekehrt wird, um die Richtung des freien Kolbens 22 umzukehren.
Weil die ausgewählten Positionen bekannt sind, ist auch die relative Verdrängung des freien Kolbens 22 bekannt, was einer bekannten volumetrischen Verdrängung von Flüssigkeit aus dem Dosierkörper 12 entspricht, die als Produkt aus der Verdrängung des freien Kolbens 22 und der Querschnittsfläche der Bohrung 20 berechnet wird. Das Steuersystem 14 umfasst einen internen Zeitschalter, um die Verdrängung des freien Kolbens 22 zwischen den ausgewählten Positionen zeitlich festzulegen, wie es durch die Positionssensoren 38, 40 angezeigt wird. Eine volumetrische Flussrate ist daher ebenfalls bekannt, die als Quotient aus der volumetrischen Verdrängung und der Verdrängungszeit berechnet werden kann. Das Multi-Positions-Ventil 16 umfasst eine variable Ventilöffnung, wie sie unten im Zusammenhang mit den 2–4 erläutert ist, um den Fluss zwischen der Vorratsleitung 33 und dem Dosierkörper 12 zu steuern. Das Steuersystem 14 stellt wahlweise die variable Ventilöffnung in Abhängigkeit von der Verdrängungszeit des freien Kolbens 22 ein. Wenn die Verdrängungszeit zu lang ist, was eine Flussmenge anzeigt, die niedriger ist als die gewünschte Flussmenge, kann das Steuersystem 14 die variable Ventilöffnung vergrößern, um die Flussmenge zu vergrößern. Ist umgekehrt die Verdrängungszeit zu kurz, was eine über der gewünschten Flussrate liegende Flussrate anzeigt, kann das Steuersystem 14 wahlweise die variable Ventilöffnung verkleinern, um die Flussmenge zu vermindern. Die Flussmenge der Flüssigkeitsabgabe an das Bohrloch wird dadurch gesteuert.
Wie 1 zeigt, sind die ausgewählten Positionen des freien Kolbens 22 vorzugsweise die Positionen des freien Kolbens 22, wenn er eines der beiden Enden 34, 36 des Dosierkörpers 12 erreicht hat. Die ausgewählten Positionen des freien Kolbens 22 könnten alternativ irgendwo im Rahmen des Bewegungsbereichs des freien Kolbens 22 sein und müssen also nicht an den Enden 34, 36 des Dosierkörpers 12 sein. In typischen Ausführungsformen sind die Positionssensoren 38, 40, wie gezeigt, im Wesentlichen in denselben axialen Positionen wie die ausgewählten Positionen. Konventionelle Positionssensoren, wie federbelastete Bolzen oder magnetische oder Infrarot-Annäherungssensoren können verwendet werden. In anderen Ausführungsformen ist es ersichtlich nicht erforderlich, dass die Positionssensoren axial mit den ausgewählten Positionen ausgerichtet sind. Ein Positionssensor kann ferner einen optionalen Druckumwandler 49 oder Flussumwandler 42 umfassen. Diese Arten von Positionssensoren können die Positionen implizit fühlen, beispielsweise durch das Auftreten eines plötzlichen Druckabfalls in der Leitung 31, wenn der freie Kolben die Enden 34, 36 des Dosierkörpers 12 erreicht. Optionale Durchlass-Ventile, wie sie Dichtelemente 43, 44 auf dem freien Kolben 22 umfassen können, können vorgesehen sein zum Dichten der Einlass-Auslass-Kanäle 28, 30, wenn der freie Kolben die En den 34, 36 erreicht. Dies kann zu einem erheblicheren Druckabfall in der Leitung 31 führen, so dass eine deutlichere Anzeige geboten wird, dass der freie Kolben 22 das Ende seiner Bewegung erreicht hat. Ein solches Anzeichen kann als Backup vorgesehen sein, um die Positionssensoren 38 und 40 zu bestätigen oder zu ersetzen.
Hall-Effekt-Einrichtungen, die in bewegungsfühlenden und bewegungsbegrenzenden Schaltern verwendet werden, können eine verbesserte Zuverlässigkeit in extremen Umgebungen bieten. Da in dem Sensor oder Magnet keine beweglichen Teile enthalten sind, ist die typische Lebenserwartung im Vergleich mit traditionellen elektromechanischen Schaltern verbessert. Zusätzlich können der Sensor und Magnet in ein geeignetes Schutzmaterial eingekapselt sein. Hall-Effekt-Einrichtungen sind bei geeigneter Verpackung immun gegen Staub, Dreck, Schlamm und Wasser. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Hall-Effekt-Einrichtungen besonders bevorzugt in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung für das Fühlen der Kolbenposition im Vergleich mit alternativen Mitteln, wie optischen und elektromechanischen Fühlern.
Wenn der Verdrängungszylinder zur erwarteten Zeit keinen Hub durchführt, eine Bedingung, die ein Anzeichen für Zusetzen ist, kann die Steuerung das Vier-Wege-Ventil in die vollständig geöffnete Position antreiben, damit Verunreinigungen passieren können.
2 zeigt einen Dosierkörper 112 gemäß dem Stand der Technik. Der Dosierkörper 112 umfasst einen Zylinder 114 mit einer Bohrung 120 und an gegenüberliegenden Enden bedeckt mit Zylinderköpfen 116 und 117, die in einem Gewindeeingriff mit dem Zylinder 114 stehen können. Dichtungen 118 und 119 können vorgesehen sein, um eine flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen dem Zylinder 114 bzw. den Zylinderköpfen 116 und 117 sicherzustellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Dichtungen 118 und 119 O-Ring-Dichtungen.
Der Kolben 122 gleitet in der Bohrung 120 zwischen dem Ende 134 des Zylinderkopfs 116 und dem Ende 136 des Zylinderkopfs 117. Der Kolben 122 teilt die Bohrung 120 in variable Verdrängungskammern 124 und 126. Wie es in der vergrößerten Ansicht der 2A besser sichtbar ist, kann der Kolben 122 eine oder mehrere Dichtungen an seinem Außenumfang umfassen, um mit der inneren Wand des Zylinders 114 zu dichten. In dem speziellen Dosierkörper, der in 2 dargestellt ist, umfassen die Dichtglieder eine primäre O-Ring-Dichtung 125 in der Mittellinie des Kolbens 122 und ergänzende Backup-O-Ring-Dichtungen 152 und 153. Zusätzlich können ergänzende radiale Dichtungen 154 und 155 sowie ergänzende Umfangs-Dichtungen 156 vorgesehen sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die O-Ring-Dichtungen 125, 152 und 153 hergestellt unter Verwendung eines elastomeren Polymers und sind die ergänzenden Dichtungen 154, 153 und 156 hergestellt aus Polyetheretherketon (PEEK), einem halbkristallinen thermoplastischen Material.
Die gegenüberliegenden Stirnflächen des Kolbens 122 können ringförmige Magneten 150 und 151 aufweisen, die darin eingelassen sind, um die Positionssensoren 138 und 140 in den Zylinderköpfen 116 bzw. 117 wie unten beschrieben zu betätigen.
Im Betrieb tritt Flüssigkeit über den ersten Einlass-Auslass-Kanal 128 in die Kammer 124 hinein und aus dieser heraus und Flüssigkeit tritt über einen zweiten Einlass-Auslass-Kanal 130 in die Kammer 126 ein und aus dieser heraus. Die Kanäle 128 und 130 können in Flüssigkeitsaustausch stehen mit den optionalen Ablaufkanälen 131 bzw. 132. Die Ablaufkanäle 131 und 132 können vorgesehen sein, um dem Bedienpersonal ein visuelles Anzeichen zu geben, dass die Verbindung an den Kanälen 128 bzw. 130 leckt.
Positionssensoren 138 und 140 können in den Zylinderköpfen 116 bzw. 117 angeordnet sein. In dem in 2 gezeigten Dosierkörper umfassen die Positionssensoren 138 und 140 Hall-Effekt-Schalter, die unter einer Federlast gegen den Boden eines Sacklochs im Zylinderkopf stehen. Wenn der Kolben 122 sich der Stirnfläche 134 des Zylinderkopfs 116 annähert, betätigt der Magnet 150 den Hall-Effekt-Schalter des Positionssensors 138, der der Steuerung (14 in 1) anzeigt, dass der Kolben 122 am Ende eines Hubs ist. Auf die gleiche Weise betätigt der Magnet 151 den Hall-Effekt-Schalter des Positionssensors 140, wenn sich der Kolben 122 an die Stirnfläche 136 des Zylinderkopfs 117 annähert, wodurch der Steuerung (14 in 1) angezeigt wird, dass der Kolben 122 am Ende seines entgegengesetzten Hubs angelangt ist.
Wenn der Kolben der Stirnfläche 134 des Zylinderkopfs 116 hinreichend nahe ist, um den Positionssensor 138 zu betätigen, kann die Steuerung 14 (siehe 1) ein Signal an den Aktuator 45 senden, das Ventil 16 so zu positionieren, dass Flüssigkeit unter Druck durch den Einlass-Auslass-Kanal 128 in die Kammer 124 eingelassen wird. Der Flüssigkeitsdruck in der Kammer 124 bewirkt, dass der freie Kolben 122 in Richtung der Stirnfläche 136 des Zylinderkopfs 117 gezwungen wird, wodurch Flüssigkeit in der Kammer 126 verdrängt wird, die aus dem Dosierkörper 112 über den Einlass-Auslass-Kanal 130 austritt. Dieser Ablauf setzt sich fort, bis der freie Kolben 122 der Stirnfläche 136 hinreichend nahe ist, um den Positionssensor 140 zu betätigen, wodurch zugleich die Steuerung 14 ein Signal an den Ventil-Aktuator 45 sendet, Flüssigkeit unter Druck zu dem Einlass-Auslass-Kanal 130 zuzuführen und Flüssigkeit über den Einlass-Auslass-Kanal 128 auszustoßen. Der Vorgang wiederholt sich dann, indem Flüssigkeit von dem Kanal 128 ausgetragen wird. Das Volumen an Flüssigkeit, das durch einen vollen Hub des freien Kolbens 126 verdrängt wird, ist eine bekannte Größe – entweder durch Berechnung oder durch empirische Messung. Jedes Mal, wenn der Kolben 122 einen Hub vollendet (wie es durch die Deaktivierung eines der Positionssensoren mit nachfolgender Aktivierung des gegenüberliegenden Positionssensors festgestellt wird), ist daher ein bekanntes Volumen an Flüssigkeit von dem Dosierkörper 112 ausgebracht worden.
Für den zuständigen technischen Fachmann ist es ersichtlich, dass das oben beschriebene System als „im Fehlerfall geschlossenes System” bezeichnet werden kann – d. h. im Falle eines Fehlers der Steuerung 14, des Ventil-Aktuators 45 oder des Ventils 16 würde das System noch Flüssigkeit ausbringen, bis der Kolben 122 das Ende seines gegenwärtigen Hubs erreicht hat (unter der Annahme, dass durch den Einlass kontinuierlich Flüssigkeit bereitgestellt wird), an welchem Punkt der Flüssigkeitsfluss enden wird. Ohne Bewegung des Kolbens wirkt der Dosierkörper 112 wie ein geschlossenes Ventil, das den Flüssigkeitsfluss unterbricht. Insofern die Steuerung 14 und der Ventil-Aktuator 45 Energie für den Betrieb brauchen, wird eine Unterbrechung der Energiezufuhr zu dem System dazu führen, dass der Flüssigkeitsfluss endet, sogar wenn eine unter Druck stehende Flüssigkeitsquelle weiterhin verfügbar ist.
Jetzt bezugnehmend auf 4, ist ein Dosierkörper 212 gemäß der vorliegenden Erfindung im Querschnitt gezeigt. Der Dosierkörper 212 umfasst einen Zylinder 214, der eine Bohrung 220 aufweist und an gegenüber liegenden Enden durch Zylinderköpfe 216 und 217 bedeckt ist, die in einem Gewindeeingriff mit dem Zylinder 214 stehen können. Dichtungen 218 und 219 können vorgesehen sein, um eine flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen dem Zylinder 214 und den Zylinderköpfen 216 bzw. 217 sicherzustellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Dichtungen 218 und 219 O-Ring-Dichtungen.
Der Kolben 222 gleitet in der Bohrung 220 zwischen dem Ende 234 des Zylinderkopfs 216 und dem Ende 236 des Zylinderkopfs 217. Die Enden 234 und 236 können konkav sein. Der Kolben 222 teilt die Bohrung 220 in variable Verdrängungskammern 224 und 226. Wie es deutlicher in 4A zu sehen ist, kann der Kolben 222 eine oder mehrere Dichtungen an seinem Außenumfang umfassen, um mit der inneren Wand des Zylinders 214 zu dichten. In der besonders bevorzugten Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, umfassen die Dichtglieder eine primäre O-Ring-Dichtung 225 an der Mittellinie des Kolbens 222 und flankierende Backup-O-Ring-Dichtungen 252 und 253. Zusätzlich können ergänzende radiale Dichtungen 254 und 255 und ergänzende Umfangsdichtungen 256 vorgesehen sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die O-Ring-Dichtungen 225, 252 und 253 gefertigt unter Verwendung eines elastomeren Polymers und sind die ergänzenden Dichtungen 254, 253 und 256 gefertigt aus Polyetheretherketon (PEEK), einem semi-kristallinen thermoplastischen Material.
Die gegenüberliegenden Stirnflächen des Kolbens 222 können ringförmige Magneten 250 und 251 aufweisen, die darin eingelassen sind, um die Positionssensoren 238 und 240 in den Zylinderköpfen 216 bzw. 217 wie unten beschrieben zu betätigen.
Im Betrieb tritt Flüssigkeit einen ersten Einlass-Auslass-Kanal 228 in die Kammer 224 ein und aus dieser heraus über und tritt Flüssigkeit über einen zweiten Einlass-Auslass-Kanal 230 in die Kammer 226 ein und aus dieser heraus. Die Kanäle 228 und 230 können in Flüssigkeitsaustausch stehen mit optionalen Ablaufkanälen 231 bzw. 232. Die Ablaufkanäle 231 und 232 können vorgesehen sein, um dem Bedienpersonal ein visuelles Anzeichen einer leckenden Verbindung an den Kanälen 228 bzw. 230 zu geben.
Positionssensoren 238 und 240 können in den Zylinderköpfen 216 bzw. 217 angeordnet sein. In der in 4 gezeigten Ausführungsform umfassen die Positionssensoren 238 und 240 Hall-Effekt-Schalter, die unter einer Federlast gegen den Boden eines Sacklochs in dem Zylinderkopf stehen. Wenn der Kolben 222 sich an die Stirnfläche 234 des Zylinderkopfs 216 annähert, betätigt der Magnet 250 den Hall-Effekt-Schalter des Positionssensors 238, wodurch der Steuerung (14 in 1) das Signal gegeben wird, dass der Kolben 222 das Ende eines Hubs erreicht hat. Auf die gleiche Weise betätigt der Magnet 251, wenn sich der Kolben 222 an die Stirnfläche 236 des Zylinderkopfs annähert, den Hall-Effekt-Schalter des Positionssensors 240, wodurch der Steuerung (14 in 1) das Signal gegeben wird, dass der Kolben 222 das Ende des entgegengesetzten Hubs erreicht hat.
Wenn der Kolben 222 der Stirnfläche 234 des Zylinderkopfs 216 hinreichend nahe ist, so dass der Positionssensor 238 betätigt wird, kann die Steuerung 14 (siehe 1) dem Aktuator 45 das Signal übermitteln, das Ventil 16 so in Stellung zu bringen, dass Flüssigkeit unter Druck durch den Einlass-Auslass-Kanal 228 in die Kammer 224 eingelassen wird. Der Flüssigkeitsdruck in der Kammer 224 bewirkt, dass der freie Kolben 222 in Richtung der Stirnfläche 236 des Zylinderkopfs 217 gezwungen wird, wodurch Flüssigkeit in der Kammer 226 verdrängt wird, welche Flüssigkeit durch den Einlass-Auslass-Kanal 230 aus dem Dosierkörper 212 austritt. Dieser Ablauf setzt sich fort, bis der freie Kolben 222 der Stirnfläche 236 hinreichend nahe ist, um den Positionssensor 240 zu aktivieren, an welchem Punkt die Steuerung 14 dem Ventil-Aktuator 45 das Signal übermittelt, Flüssigkeit unter Druck zu dem Einlass-Auslass-Kanal 230 bereitzustellen und Flüssigkeit über den Einlass-Auslass-Kanal 228 auszustoßen. Dieser Vorgang wiederholt sich dann mit Flüssigkeit, die von dem Kanal 228 ausgebracht wird. Das Volumen der Flüssigkeit, die durch einen vollen Hub des freien Kolbens 226 verdrängt wird, ist eine bekannte Größe – entweder durch Berechnung oder empirische Mes sung. Jedes Mal, wenn der Kolben 222 einen Hub vollendet (wie es durch die Deaktivierung des einen Positionssensors mit nachfolgender Aktivierung des gegenüberliegenden Positionssensors festgestellt wird), ist daher ein bekanntes Volumen an Flüssigkeit von dem Dosierkörper 212 ausgebracht worden.
Der Kolben 222 umfasst einen ersten Durchlass, der die gegenüberliegenden Stirnflächen des allgemein zylindrischen Kolbens verbindet, sowie einen zweiten Durchlass, der ebenfalls die gegenüberliegenden Stirnflächen des Kolbens verbindet. Jeder Durchlass wird durch ein Ventil 240, 242 geschlossen. In der in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsform sind die Ventile 240 und 242 federbelastete Tellerventile, die in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind. Die Ventile 240, 242 umfassen mechanische Ventil-Aktuatoren 244 bzw. 246, die von der Stirnfläche des Kolbens 222 vorspringen und die die entsprechenden Ventile dazu bringen, sich gegen die Kraft der Ventilfeder zu öffnen, wenn sie niedergedrückt werden.
Falls aus irgendeinem Grund ein Fehler eines oder beider Positionssensoren 238, 240 oder ein Fehler des Ventil-Aktuators 45 oder der Steuerung 14 auftreten sollte, wird der Kolben 222 weiter in Richtung einer der Zylinderkopf-Stirnflächen 234, 236 angetrieben. Zum Zwecke der Erörterung wird nun angenommen, dass ein Fehler in einer der oben angegebenen Komponenten oder eine Unterbrechung der Versorgung auftritt, während Flüssigkeit in die Kammer 226 des Dosierkörpers 212 über den Kanal 230 eingelassen wird und Flüssigkeit von dem Kanal 228 ausgetragen wird, wenn Flüssigkeit aus der Kammer 224 verdrängt wird.
Wenn die sich nach vorne bewegende Stirnfläche des Kolbens 222 der Oberfläche 234 hinreichend nahe kommt, um einen Kontakt zwischen der Oberfläche 234 und dem Ventil-Aktuator 246 zu erreichen, wird eine weitere Bewegung des Kolbens 222 in dieser Richtung dafür sorgen, dass sich das Ventil 240 öffnet, so dass Flüssigkeit aus der Kammer 226 durch das Ventil 240 in den Kolben 222 in die Kammer 224 fließen kann und hinaus über den Kanal 228. Wenn die Stirnfläche des Kolbens 222 allgemein eben ist, hindert die konkave Oberfläche 234 den Kolben 222 daran, das innere Ende des Kanals 228 zu blockieren – d. h., die Kammer 224 hat zu jeder Zeit ein ausreichendes Volumen, so dass der Flüssigkeitsfluss durch sie hindurch sich fortsetzen kann.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Kraftkonstante der Ventilfedern so ausgewählt sein, dass das Ventil sich öffnen kann, wenn der Druckunterschied der Flüssigkeit über den Kolben 222 den nominellen Arbeitsdruck des Dosierkörpers überschreitet. Auf diese Weise kann ein zusätzlicher Flüssigkeitsdurchlass durch den Kolben geöffnet werden, wenn die Hin- und Herbewegung des Kolbens unterbrochen wird.
Für den zuständigen technischen Fachmann ist es ersichtlich, dass das oben beschriebene System kennzeichnet werden kann als „im Fehlerfall unverändertes System” – d. h. beim Auftreten eines Fehlers der Steuerung 14, des Ventil-Aktuators 45 oder des Ventils 16, würde das System fortfahren, Flüssigkeit mit der zuletzt ausgewählten Flüssigkeitsmenge auszutragen (unter der Annahme, dass sich das Ventil 16 nicht bewegt). Insofern die Steuerung 14 und der Ventil-Aktuator 45 für den Betrieb Energie benötigen, wird eine Unterbrechung der Energieversorgung zu dem System kein Ende des Flüssigkeitsflusses zufolge haben, solange eine unter Druck stehende Quelle von Flüssigkeit verfügbar bleibt.
Für den zuständigen technischen Fachmann ist es ersichtlich, dass ein Dosierkörper 112 aus dem Stand der Technik nachgerüstet werden kann, um nach der vorliegenden Erfindung zu arbeiten, indem der Kolben 122 durch einen Kolben 222, wie er in 5 gezeigt ist, ersetzt wird.
Zwar ist die Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, es existieren jedoch Variationen und Abwandlungen innerhalb des Rahmens und Geistes der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen beschrieben und definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6973936 [0006, 0007, 0008]

Claims

Ein volumetrischer Flüssigkeits-Dosierkörper umfassend: einen Zylinder mit einem ersten Ende, einem gegenüberliegenden zweiten Ende und einer zentralen axialen Bohrung; einen ersten Zylinderkopf am ersten Ende des Zylinders; einen zweiten Zylinderkopf am zweiten Ende des Zylinders; einen Kolben, der in der zentralen axialen Bohrung gleitet und die Bohrung in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt, deren jeweilige Volumen sich ändern, wenn der Kolben in der Bohrung gleitet; ein erstes Ventil in dem Kolben, das so ausgelegt ist, dass es sich öffnet, wenn der Kolben sich in einen vorbestimmten Abstand von dem ersten Zylinderkopf bewegt und das im geöffneten Zustand einen Flüssigkeitsfluss durch den Kolben von der ersten Kammer in die zweite Kammer erlaubt; und, ein zweites Ventil in dem Kolben, das so ausgelegt ist, dass es öffnet, wenn der Kolben sich in einen ausgewählten Abstand von dem zweiten Zylinderkopf bewegt und das im geöffneten Zustand einen Flüssigkeitsfluss durch den Kolben von der zweiten Kammer zu der ersten Kammer erlaubt.
Volumetrischer Flüssigkeits-Dosierkörper gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine konkave Oberfläche auf der inneren Stirnfläche der ersten und zweiten Zylinderköpfe.
Volumetrischer Flüssigkeits-Dosierkörper gemäß Anspruch 1, wobei das erste Ventil und das zweite Ventil federbelastete Tellerventile sind.
Volumetrischer Flüssigkeits-Dosierkörper gemäß Anspruch 3, wobei die federbelasteten Tellerventile eine Kraftkonstante haben, die es dem Ventil erlaubt, sich zu öffnen, wenn der Flüssigkeitsdruck einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Volumetrischer Flüssigkeits-Dosierkörper gemäß Anspruch 3, wobei die Tellerventile Ventil-Aktuatoren umfassen, die von der Stirnfläche des Kolbens vorspringen.
Volumetrischer Flüssigkeits-Dosierkörper gemäß Anspruch 5, ferner umfassend zumindest einen Positionssensor, der auf die Entfernung zwischen zumindest einem Zylinderkopf und dem Kolben reagiert und wobei die Ventil-Aktuatoren so bemessen und eingerichtet sind, dass der Positionssensor die Nähe des Kolbens in einem Abstand zwischen der sich nach vorne bewegenden Stirnfläche des Kolbens und der inneren Stirnfläche des Zylinderkopfs entdecken kann, die größer ist als der Abstand, den die Ventil-Aktuatoren gegenüber der Stirnfläche des Kolbens vorspringen.
Flüssigkeits-Einspritzsystem zum Steuern der Verteilung von Flüssigkeit aus einer Vorratsleitung zu einem ausgewählten Bohrloch mit einer einstellbaren Menge, umfassend einen Dosierkörper mit einer Bohrung für die Aufnahme von Flüssigkeit; eine Flüssigkeitssperre, die die Bohrung in erste und zweite Kammern variablen Volumens unterteilt, wobei die Flüssigkeitssperre unter dem Einfluss einer Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Kammer beweglich ist; einen ersten Einlass-Auslass-Kanal zum Durchlass von Flüssigkeit in die erste Kammer hinein und aus dieser heraus, sowie einen zweiten Einlass-Auslass-Kanal zum Durchlass von Flüssigkeit in die zweite Kammer hinein und aus dieser heraus; ein Multi-Positions-Ventil mit einer ersten Position für den Durchlass von Flüssigkeit von der Vorratsleitung in die erste Kammer, wodurch die Flüssigkeitssperre so bewegt wird, dass sie Flüssigkeit von der zweiten Kammer zurück durch das Ventil zu einem Einspritzpunkt verdrängt, sowie einer zweiten Position für den Durchlass von Flüssigkeit von der Vorratsleitung zu der zweiten Kammer, wodurch die Flüssigkeitssperre sich so bewegt, dass Flüssigkeit von der ersten Kammer zurück durch das Ventil zu dem Einspritzpunkt verdrängt wird, wobei das Ventil ferner eine variable Ventilöffnung aufweist, um den Fluss zwischen der Vorratsleitung und dem Dosierkörper zu steuern; einen Positionssensor zum Fühlen der Position der Flüssigkeitssperre in dem Dosierkörper; und ein mit dem Positionssensor kommunizierendes Steuerungssystem, das einen Zeitschalter umfasst, um die Verdrängung der Flüssigkeitssperre in ausgewählte Positionen zeitlich festzulegen, wobei das Steuersystem dazu ausgelegt ist, die variable Ventilöffnung in Abhängigkeit von der Verdrängungszeit der Flüssigkeitssperre wahlweise einzustellen und die Position des Multi-Positions-Ventils in Abhängigkeit von der Position der Flüssigkeitssperre wahlweise umzukehren, wobei die Verbesserung umfasst: ein erstes Ventil in der Flüssigkeitssperre mit einem Ventil-Aktuator, der das erste Ventil öffnet, wenn sich die Flüssigkeitssperre in einen vorbestimmten Abstand von einem Ende der ersten Kammer variablen Volumens bewegt; und, ein zweites Ventil in der Flüssigkeitssperre mit einem Ventil-Aktuator, der das zweite Ventil öffnet, wenn sich die Flüssigkeitssperre in einen vorbestimmten Abstand von einem Ende der zweiten Kammer variablen Volumens bewegt.
Flüssigkeits-Einspritzsystem gemäß Anspruch 7, wobei das erste Ventil in der Flüssigkeitssperre und das zweite Ventil in der Flüssigkeitssperre Tellerventile sind.
Flüssigkeits-Einspritzsystem gemäß Anspruch 7, wobei das erste Ventil in der Flüssigkeitssperre und das zweite Ventil in der Flüssigkeitssperre so ausgelegt sind, dass beim Öffnen eines der Ventile die erste Kammer variablen Volumens und die zweite Kammer variablen Volumens in Flüssigkeitsaustausch miteinander stehen.
Freier Kolben für einen volumetrischen Dosierkörper, umfassend: einen allgemein zylindrischen Körper mit einer ersten Stirnfläche und einer zweiten gegenüberliegenden Stirnfläche; einen ersten Flüssigkeits-Durchlass zwischen der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche; einen zweiten Flüssigkeits-Durchlass zwischen der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche; ein erstes Ventil, das im offenen Zustand einen Flüssigkeitsfluss durch den ersten Flüssigkeits-Durchlass erlaubt und das im geschlossenen Zustand Flüssigkeitsfluss durch den ersten Flüssigkeits-Durchlass verhindert; ein zweites Ventil, das im geöffneten Zustand Flüssigkeitsfluss durch den zweiten Flüssigkeits-Durchlass erlaubt und das im geschlossenen Zustand Flüssigkeitsfluss durch den zweiten Flüssigkeits-Durchlass verhindert; einen mit dem ersten Ventil verbundenen Ventil-Aktuator, der gegenüber der ersten Stirnfläche vorspringt und der so ausge legt ist, dass er das erste Ventil öffnet, wenn sich die erste Stirnfläche in einen vorbestimmten Abstand von einer anderen Oberfläche bewegt; einen mit dem zweiten Ventil verbundenen zweiten Ventil-Aktuator, der von der zweiten Fläche vorspringt und so ausgelegt ist, dass er das erste Ventil öffnet, wenn sich die zweite Stirnfläche in einen vorbestimmten Abstand von einer anderen Oberfläche bewegt.
Freier Kolben gemäß Anspruch 10, wobei die ersten und zweiten Ventile Tellerventile sind.
Freier Kolben gemäß Anspruch 11, wobei die ersten und zweiten Ventile federbelastete Tellerventile sind.
Freier Kolben gemäß Anspruch 12, wobei die Feder in dem ersten Ventil eine Kraftkonstante hat, die es dem ersten Tellerventil erlaubt, sich zu öffnen, wenn der Flüssigkeitsdruck auf die erste Stirnfläche des Kolbens den Flüssigkeitsdruck auf die zweite Stirnfläche des Kolbens in einem Maß überschreitet, das größer ist als der nominelle Arbeitsdruck des Dosierkörpers.