JP2022506742A - ポンプ用の運動変換組立体及び運動変換組立体を含むポンプ - Google Patents

Abstract

運動変換装置（１００）は、２つのガイド部材（１４０）と、対向する係合機構（１２０１）を備える第１のギア接続部材（１２０）とを含むロッドラック組立体（１１０）を備える。運動変換装置（１００）は、ギアシャフト部材（１５０）の回転運動により、往復方向（Ｄ）に沿ってロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動を引き起こすギアシャフト部材（１５０）を更に備える。ギアシャフト部材（１５０）は、第１のギア接続部材（１２０）と係合するように構成された第２のギア接続部材（１６０）と、ギアシャフト部材（１５０）の回転運動中にガイド部材（１４０）に接触するように構成されたガイド面機構（１７０）とを含み、１つのギアシャフト部材（１５０）の回転は、ロッドラック組立体（１１０）の１周期の往復直線運動を引き起こす。ガイド面機構（１７０）は、ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動の終点で２つのガイド部材（１４０）のうちの１つに接触する。【選択図】図１

Description

本開示は、回転運動を直線運動に変換するための装置、より詳細には、ポンプ用の運動変換組立体及び運動変換組立体を含むポンプに関する。

水圧破砕は通常、「フラックポンプ」（frac pump）と呼ばれることもあるポンプを使用して、少量の破砕流体を高圧で坑井に圧送することを含む。フラックポンプは、従来、クランクシャフトを介してポンプ部材を直線的に変位させる動力付き回転部材を含む。この構成には、エネルギー効率の欠如、及び液圧圧送中の不均一なトルクを含む、幾つかの欠点がある。トルクの不均一性は、圧送中に脈動を引き起こし、これは一般的に望ましくない。

より優れたエネルギー効率及び圧送中のより均一なトルクを備えたポンプに対する要求がある。

定速エンジンの設計及び技術は、米国特許第８，３２７，８１９号に記載されており、その内容全体は、引用により本明細書に組み込まれる。直線運動を回転運動に変換し、逆の変換をするための装置はまた、２０１８年３月１５日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０２２６７２、及び２０１８年８月３０日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０２２６７２に記載されており、引用により全体が本明細書に組み込まれる。

米国特許第８，３２７，８１９号明細書 国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０２２６７２

運動変換装置が開示される。運動変換装置は、対向する係合機構を含む第１のギア接続部材を備える。第１ギア接続部材は、更に２つのガイド部材を含むロッドラック組立体を備える。運動変換装置は更に、回転軸周りのギアシャフト部材の回転運動により、往復方向に沿ってロッドラック組立体の往復線形運動を引き起こすように構成されたギアシャフト部材を備える。ギアシャフト部材は、ギアシャフト部材の回転運動中に第１のギア接続部材と係合するように構成された第２のギア接続部材と、ギアシャフトの回転運動中に２つのガイド部材の何れかに接触するように構成されたガイド面機構とを含み、ここで、ギアシャフト部材の１回転により、ロッドラック組立体の１周期の往復線形運動を引き起こす。ガイド面機構は、ロッドラック組立体の往復直線運動の終点で２つのガイド部材の１つに接触するように構成されている。

本明細書に開示される他の特徴及び利点は、添付図面と併せて読むと、例示的な実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 ギアシャフト部材の時計回りの１回転にわたる動作中の運動変換装置の例示的な実施形態の概略図である。 運動変換装置を含むポンプ組立体の例示的な実施形態の概略図である。 運動変換装置を含むポンプ組立体の例示的な実施形態の概略図である。

図１は、運動変換装置１００の例示的な実施形態を示している。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は、ロッドラック組立体１１０を備える。ロッドラック組立体１１０は、第１のギア接続部材１２０及び２つのガイド部材１４０を備える。

例示的な実施形態では、第１のギア接続部材１２０は、対向する係合機構１２０１を備える。図１では、係合機構１２０１がピンとして示されている。例示的な実施形態では、係合機構１２０１は、１又は２以上の歯、溝、スプロケット、及び／又はスプロケット係合ローラー、及び／又は当技術分野で知られている他の何れかの係合機構を含むことができる。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は、回転軸Ａの周りのギアシャフト部材１５０の回転運動によって、往復方向Ｄに沿ってロッドラック組立体１１０の往復直線運動を引き起こすように構成されたギアシャフト部材１５０を備える。

例示的な実施形態では、ギアシャフト部材１５０は、ギアシャフト部材１５０の回転運動中に２つのガイド部材１４０の何れか１つに接触するように構成されたガイド面機構１７０と、ギアシャフト部材１５０の回転運動中に第１のギア接続部材１２０と係合するように構成された第２のギア接続部材１６０とを備える。

例示的な実施形態では、ガイド面機構１７０は、ロッドラック組立体１１０の往復直線運動の終点で２つのガイド部材１４０のうちの１つに接触するように構成される。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は、ギアシャフト部材１５０の１回転が、ロッドラック組立体１１０の往復直線運動の１周期を引き起こすように構成される。

例示的な実施形態では、第２のギア接続部材１６０は、ロッドラック組立体１１０の往復直線運動中に一度に対向する係合機構１２０１のうちの１つのみと係合する。

例示的な実施形態では、第２のギア接続部材１６０は、係合部材１６０１を含む。図１では、係合部材１６０１は歯として示されている。例示的な実施形態では、係合部材１６０１は、１又は２以上の歯、溝、スプロケット、及び／又はスプロケット係合ローラー、及び／又は当技術分野で知られている他の何れかの係合機構を含むことができる。

例示的な実施形態では、係合部材１６０１は、第２のギア接続部材１６０の円周よりも小さくわたる。このように、第２のギア接続部材１６０は、第１のギア接続部材１２０の他の係合機構１２０１と係合することなく、一度に第１のギア接続部材１２０の係合機構１２０１のうちの１つと係合することができる。例示的な実施形態では、係合部材１６０１は、第２のギア接続部材１６０の円周の半分又は半分未満にわたる。

例示的な実施形態では、ガイド面機構１７０は、溝１７２の壁面１７３を含む。

例示的な実施形態では、２つのガイド部材１４０の各々は、第１のギア接続部材１２０を具体化するロッドラック１１０の対向する側部から各々突出する２つの対向する端部を含む。

例示的な実施形態では、２つのガイド部材１４０は、２つのシャフトを含む。

例示的な実施形態では、２つのシャフトの各々は、その長手方向軸に沿って回転するように構成される。例えば、各シャフトは、シャフトの回転を可能にする軸受係合又は他の機構によって、支持構造体に取り付けることができる。

例示的な実施形態では、ギアシャフト部材１５０の少なくとも一部は、対向する係合機構１２０１の間及び２つのガイド部材１４０の間に配置される。

例示的な実施形態では、第２のギア接続部材１６０は、往復動ロッドラック組立体１１０を通って延びる。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は、ギアシャフト部材１５０の一定の回転が、ロッドラック組立体１１０の往復直線運動の少なくとも一部の間、ロッドラック組立体１１０の一定の線形速度をもたらすように構成される。これは、例えば、高圧で少量を圧送する際に特に有利である。例えば、ロッドラック組立体の線形速度が一定であると、脈動が減少し、圧送中の効率が向上する可能性がある。

例示的な実施形態では、ギアシャフト部材１５０は、第２のギア接続部材１６０を通って延びる中央孔を含むことができる。

例示的な実施形態では、第１のギア接続部材１２０は、往復方向Ｄに沿って対向するピストン１３０（図４に示される）の少なくとも１つのペア間に配置され、対向するピストン１３０は、往復方向Ｄに沿って往復動するように構成される。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は、ギアシャフト部材１５０の１回転が、対向するピストン１３０の２ストロークを引き起こすように構成される。

例示的な実施形態では、第２のギア接続部材１６０は、２つのガイド部材１４０の間に配置されている。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は更に、少なくとも１つのレール１８０を備え、ロッドラック組立体１１０は、ロッドラック組立体１１０の往復直線運動中にレール１８０に沿って変位するように構成される。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は更に、ロッドラック組立体１１０の少なくとも１つのブラケット１９０を備え、ロッドラック組立体１１０の往復直線運動中にレール１８０に沿って滑動する。

図２Ａ～Ｂは、ギアシャフト部材１５０の９０度回転にわたる動作中の運動変換装置１００の例示的な実施形態を示す。

図３Ａ～Ｌは、ギアシャフト部材１５０の時計回りの１回転、従ってロッドラック組立体１１０の往復直線運動の１周期にわたる動作中の運動変換装置１００の例示的な実施形態を示す。ギアシャフト部材１５０の１８０度回転は、上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）まで定めることができる。従って、ギアシャフト部材１５０の時計回りの１回転は、ＴＤＣからＢＤＣへ、次いでＴＤＣに戻る変位を含む。図１において、最左のガイド部材１４０は、ＴＤＣのガイド面機構１７０の中心にある。図３Ａはまた、ＴＤＣにおける運動変換装置１００を示している。

例示的な実施形態では、図３Ｃ～Ｄに示されるように、ガイド面機構１７０は、ギアシャフト部材１５０の９０度の回転に達する少し前に、最左案内部材１４０と係合を解除する。図３Ｇは、ギアシャフト部材１５０を９０度回転させた後の運動変換装置１００の例示的な実施形態を示している。

例示的な実施形態では、図３Ｅ－Ｇに示されるように、その少し後に、ガイド面機構１７０は、最右ガイド部材１４０と係合し、次いで、ＢＤＣにまでの１８０度回転を完了する。図３Ｇは、ＢＤＣでの運動変換装置１００の例示的な実施形態を示しており、最右ガイド部材１４０は、ガイド面機構１７０の中心にある。ＢＤＣにおいて、ロッドラック組立体１１０は、その右方向への変位を完了した。

図３Ｈ～Ｌは、ロッドラック組立体１１０が左方向に移動するときの運動変換装置１００の例示的な実施形態を示し、図３Ｌは、ＴＤＣに到達して、ギアシャフト部材１５０の時計回り１回転（従って、ロッドラック組立体１１０の往復直線運動の１周期）を完了する直前の運動変換装置１００の例示的な実施形態を示す。

例示的な実施形態では、運動変換装置１００は、ポンプ組立体（限定ではないが、水圧破砕ポンプなど）、圧縮機組立体、又は回転－線形運動変換を含む他の何れかのデバイスの一部を形成することができる。

図４は、運動変換装置１００を含むポンプ組立体２００の例示的な実施形態を示している。ポンプ組立体２００は更に、往復方向Ｄに沿ってロッドラック組立体１１０のそれぞれの端部に結合された少なくとも１つのポンプ部材２２０を備える。ロッドラック組立体１１０の往復直線運動は、少なくとも１つのポンプ部材２２０の往復直線運動を引き起こす。例示的な実施形態では、ポンプ部材２２０は、流体又は半流体物質を圧送するピストン又は当技術分野で知られている他の何れかの構成要素を含む。

例示的な実施形態では、ポンプ組立体２００は更に、ギアシャフト部材１５０の回転を引き起こし、これによりロッドラック組立体１１０の往復直線運動を引き起こすように構成されたモーター２１０を備える。例示的な実施形態では、モーター２１０は、電気的に、燃料燃焼によって、又はモーターに動力を供給するために当技術分野で知られている他の何れかの機構によって動力を供給することができる。

図５は、運動変換装置１００、運動変換装置１００のロッドラック組立体の往復直線運動を引き起こすように構成されたモーター３１０、運動変換装置のロッドラック組立体の一端に結合されてピストンチャンバ３３０の内部で往復運動するピストン３２０及び流体チャンバ３４０を含むポンプ組立体３００の例示的な実施形態を示す。流体チャンバ３４０は、第１の一方向弁Ｖ１を介してピストンチャンバ３３０と流体連通している。ポンプ組立体３００は、モーター３１０がピストンチャンバ３３０においてピストン３２０の往復運動を引き起こし、ピストンチャンバ３３０内の第１の方向Ｄ１でのピストン３２０の変位により、流体又は半流体が流体チャンバ３４０からピストンチャンバ３３０に移動するようになり、ピストンチャンバ３３０内の第２の方向Ｄ２へのピストン３２０の変位により、流体又は半流体が第２の一方向弁Ｖ２を通ってピストンチャンバ３３０から外に移動するように構成される。勿論、往復運動部材を使用する他のポンプ構成も当技術分野で知られており、当業者はこのような既知のポンプ構成を運動変換装置１００に適合させることができるので、開示内容は、図５の構成に限定されない。

例示的な実施形態では、ポンプ組立体又は回転－線形運動変換を含む何れかのデバイスは、上記の特徴の何れかの組み合わせを含むことができる。

本明細書の開示内容は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態において具体化できることは、当業者には理解されるであろう。更に、当業者であれば、本明細書に記載された様々な特徴を任意の何れかの組み合わせて組み合わせることができることを理解するであろう。従って、現在開示されている実施形態は、全ての点において例示的で、限定されないと見なされる。本発明の範囲は、上述の明細書ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、その意味及び範囲並びに均等物の範囲内にある全ての変更がここに含まれるものとする。

１００ 運動変換装置
１１０ ロッドラック組立体
１２０ 第１のギア接続部材
１４０ ガイド部材
１５０ ギアシャフト部材
１７０ ガイド面機構

Claims (18)

1. 運動変換装置（１００）であって、
   第１のギア接続部材（１２０）及び２つのガイド部材（１４０）を含むロッドラック組立体（１１０）であって、前記第１のギア接続部材（１２０）が、対向する係合機構（１２０１）を備える、ロッドラック組立体（１１０）と、
   回転軸（Ａ）の周りのギアシャフト部材（１５０）の回転運動によって、往復方向（Ｄ）に沿った前記ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動を引き起こすように構成されたギアシャフト部材（１５０）と、
   を備え、
   前記ギアシャフト部材（１５０）が、前記ギアシャフト部材（１５０）の回転運動中に前記２つのガイド部材（１４０）の何れか１つに接触するように構成されたガイド面機構（１７０）と、前記ギアシャフト部材（１５０）の回転運動中に前記第１のギア接続部材（１２０）と係合するよう構成された第２のギア接続部材（１６０）とを備え、
   前記ギアシャフト部材（１５０）の１回転が、前記ロッドラック組立体（１１０）の１周期の往復直線運動を引き起こし、
   前記ガイド面機構（１７０）が、前記ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動の終点で前記２つのガイド部材（１４０）のうちの１つに接触するように構成されている、運動変換装置（１００）。
2. 前記第２のギア接続部材（１６０）は、前記ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動中に一度に前記対向する係合機構（１２０１）のうちの１つのみと係合する、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
3. 前記第２のギア接続部材（１６０）は、前記第２のギア接続部材（１６０）の円周よりも小さくわたる係合部材（１６０１）を含む、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
4. 前記ガイド面機構（１７０）は、溝（１７２）の壁面（１７３）を含む、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
5. 前記２つのガイド部材（１４０）の各々は、前記第１のギア接続部材（１２０）の対向する側部から各々突出する２つの対向する端部を含む、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
6. 前記２つのガイド部材（１４０）が２つのシャフトを含む、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
7. 前記２つのシャフトの各々は、その長手方向軸に沿って回転するように構成される、請求項６に記載の運動変換装置（１００）。
8. 前記ギアシャフト部材（１５０）の少なくとも一部が、前記対向する係合機構（１２０１）の間及び前記２つのガイド部材（１４０）の間に配置される、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
9. 前記第２のギア接続部材（１６０）が、前記往復運動するロッドラック組立体（１１０）を通って延びる、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
10. ギアシャフト部材（１５０）の一定の回転が、前記ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動の少なくとも一部の間、前記ロッドラック組立体（１１０）の一定の線形速度をもたらすように構成されている、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
11. 前記ギアシャフト部材（１５０）は、前記第２のギア接続部材（１６０）を通って延びる中央孔を含む、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
12. 前記第１のギア接続部材（１２０）が、前記往復方向（Ｄ）に沿って対向するピストン（１３０）の少なくとも１つのペアの間に配置され、前記対向するピストン（１３０）が、前記往復方向（Ｄ）に沿って往復動するように構成されている、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
13. 前記ギアシャフト部材（１５０）の１回転が、前記対向するピストン（１３０）の２つのストロークを引き起こすように構成されている、請求項１２に記載の運動変換装置（１００）。
14. 前記第２のギア接続部材（１６０）が、前記２つのガイド部材（１４０）の間に配置されている、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
15. 少なくとも１つのレール（１８０）を更に備え、前記ロッドラック組立体（１１０）は、前記ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動中に前記少なくとも１つのレール（１８０）に沿って変位するように構成される、請求項１に記載の運動変換装置（１００）。
16. 前記ロッドラック組立体（１１０）の前記往復直線運動中に前記少なくとも１つのレール（１８０）に沿って滑動する前記ロッドラック組立体（１１０）の少なくとも１つのブラケット（１９０）を更に備える、請求項１５に記載の運動変換装置（１００）。
17. ポンプ組立体（２００）であって、
    請求項１から１５の何れかに記載の運動変換装置（１００）と、
    前記往復方向（Ｄ）に沿って前記ロッドラック組立体（１１０）のそれぞれの端部に結合された少なくとも１つのポンプ部材（２２０）と、
    前記ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動が、前記少なくとも１つのポンプ部材（２２０）の往復直線運動を引き起こす、
    ことを特徴とするポンプ組立体（２００）。
18. 前記ギアシャフト部材（１５０）の回転を引き起こし、これにより前記ロッドラック組立体（１１０）の往復直線運動を引き起こすように構成されたモーター（２１０）を更に備える、請求項１７に記載のポンプ組立体（２００）。

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