KR102677689B1 - 조정 가능한 멀티스테이지 감압 레귤레이터 - Google Patents

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윌리암 씨. 파루치
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무스탕 샘플링, 엘엘씨
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Abstract

가스 샘플 압력 조절 시스템을 통과하는 증기 가스의 압력을 감소시키기 위한 멀티스테이지 압력 조절 시스템, 디바이스 및 관련 방법으로서, 여기서, 시스템 및 방법은 언벤티드 어레이에 배치되는 일련의 교정 가능한 압력 조절 밸브 어셈블리들을 포함하는 선택적으로 가열되는 하우징에 의존하며, 여기서, 각 어셈블리는 통과 중에 이슬점 드롭아웃을 방지하면서 입력되는 증기 샘플의 압력을 선택되는 감소된 압력으로 감소시켜, 다운스트림 분석기에서의 정확한 샘플 분석을 보장하도록 구성된다.

Description

조정 가능한 멀티스테이지 감압 레귤레이터
본 PCT 국제 출원은 그 전체가 여기에 참조로서 포함되는, 2019년 9월 23일에 출원된 미국 임시 출원 번호 제62/904,022호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 증기 감압 방법 및 조정 가능한(adjustable)/교정 가능한(calibratable) 멀티스테이지(multistage) 감압 조절 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 증기 가스의 특정 속성들(properties)과 연관된 상태(phase) 곡선들에 의해 지시되는 바와 같은 응축성(condensable) 증기 가스의 단계식(stepped) 감압의 특정 열역학적 요건들에 따른 커스터마이제이션(customization)에 적합한 지능적인 자동 또는 수동 조정성을 허용한다. 본 발명은, 기화된 천연 가스 샘플 컨디셔닝 애플리케이션에 이용될 때, 다운스트림 분석기(downstream analyzer)에 손상을 주지 않도록 충분히 낮은 압력에서 증기 샘플을 제공하기 위해, 감압 프로세스 전반에 걸쳐 증기의 조성 완전성(compositional integrity)을 유지하면서 줄-톰슨(Joule-Thomson)/이슬점 드롭아웃 응축(dew point dropout condensation)을 피하는, 증기 가스 샘플의 제어되는 단계식 감압을 위한 콤팩트(compact) 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명이 매우 유용한 천연 가스와 관련하여 여기에 기술되지만, 본 발명은 천연 가스 샘플링 분야에만 적용되도록 제한되도록 의도되지 않는다. 프래킹(fracking)에 의해 생성될 때 정확한 조성이 크게 달라질 수 있는 다수의 탄화수소 화합물들의 가연성의, 기체 혼합물로서의 특성들로 인해, 천연 가스 액체(natural gas liquids; NGL)는 광범위한 특성들을 보유한다. 예를 들어, 특정 액체는 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 펜탄 등으로 구성될 수 있으며, 따라서, 가열, 연료, 및 분리/분할 시, 석유화학 공급원료(petrochemical feedstock), 플라스틱 제조 등과 같은 다양한 응용 분야들에 유용할 수 있다. 지난 10년 동안 수평 시추(horizontal drilling) 및 수리학적 파쇄(hydraulic fracturing) 기법들과 같은 기술들이 크게 발전하여, NGL 생산량이 꾸준히 증가했다.
NGL과 달리, 메탄 함량이 높은 액화 천연 가스(liquid natural gas; LNG)는 생산 현장에서 천연 가스를 가져와서, 불순물들을 제거하고, 이송을 위해 천연 가스를 액화함으로써, 생산된다. LNG는 증기 상태의 천연 가스의 부피의 대략 1/600을 차지하므로 기체/증기 상태로 이송하는 것보다 더 안전하고 쉽다. 천연 가스는, 주로 파이프라인들을 설치하는 것이 경제적이지 않거나 기술적으로 실현 가능하지 않은 선박에 의한 장거리 국내 운송 또는 해외 운송을 위해 LNG로 변환된다.
에너지 소스(energy source)로 이용되는 경우, 천연 가스, LNG 및 NGL의 에너지 함량은 일반적으로 BTU로 측정 및 보고된다. NGL 및 LNG 제품들의 상거래(custody transfer) 및 최종 사용 프로세스에서, 특정 추출된 가스 샘플의 BTU 측정이 정확한 것이 중요하다. 따라서, 상거래와 관련하여, 소스로부터, 파이프라인 네트워크를 통해, 최종 사용자에 이르기까지의, 유동 네트워크의 다양한 지점들을 따라 샘플의 정확한 샘플링 및 분석이 경제적으로 중요하다. 특히, 액화 천연 가스 공급이 상이한 소스들과 위치들에서 발생하는 입력으로부터 발생하는 경우, 파이프라인의 임의의 주어진 지점에서의 변화하는(varying) 에너지 함량에 대한 책임은 재정적 결과를 초래한다. 따라서, 특히 상거래 운영들에서, 에너지 감사 관점에서, 각 스테이지에서의 액체 공급원료의 각각의 에너지 함량 값들은 정확하고 정밀하게 샘플링되어야 한다.
또한, 추출된 천연 가스 샘플과 같은 일부 샘플들은 검출 및 제거를 필요로 하는 소량의 불순물들로 오염될 수 있다. 사워 가스(sour gas)는 수은(mercury)(Hg), 황화수소(hydrogen sulfide)(H2S), 황화 카르보닐(carbonyl sulfide)(COS), 메르캅탄(mercaptans)(R-SH), 및 BTEX(벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 에틸벤젠(ethylbenzene) 및 크실렌(xylene))으로 알려진 그룹으로부터의 것들을 포함하는 방향족 화합물들과 같은 미량의 오염 물질들일 수 있다. 따라서, 이러한 미량의 오염 물질들의 양은 샘플의 품질을 결정하기 위해 정확하고 정밀하게 샘플링되어야 한다.
가스 샘플 컨디셔닝 시스템들은 이러한 정확하고 정밀한 샘플링을 위한 기능을 제공한다. 천연 가스를 샘플링하기 위한 하나의 바람직한 시스템은 웨스트 버지니아주 레이븐스우드의 머스탱 샘플링, LLC로부터 입수할 수 있고 미국 특허 제7,162,933호에 기술된 Mustang® P53® Sample Conditioning System을 포함하며, 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다. LNG 및 더 중요하게는, NGL을 샘플링할 때, 가스 샘플 컨디셔닝 프로세스의 중요한 부분은 가스 파이프라인 또는 소스로부터 프로브(probe)를 통해 추출된 액체 샘플의 기화 및 이륙(takeoff)에서 분석까지 기화된 샘플의 조성 완전성을 유지하는 것과 관련이 있다. 이를 위해, 본 발명의 출원인은 특허들 USRE47478, US9285299, US10281368, US7484404, 및 US9057668에 기술되고 공개된 것과 같은 정확하고 정밀한 NGL 및 LNG 추출된 샘플 컨디셔닝 및 제어를 생성하고 유지하기 위한 여러 시스템들 및 기술들을 도입했으며, 각각의 전체가 참조로서 여기에 포함되고 Mustang® Vaporizer Sampling Systems로 판매된다. 특히, 추출된 액체 샘플을 기화하기 위해, Mustang Vaporizer Sampling System® 및 Mustang® NGL Sample Conditioning System은 내부 가열 코어 주위를 캐스케이드할 때 유입되는 샘플을 기화하는 베이퍼라이저(vaporizer) 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 목적들을 위한 예시적인 베이퍼라이저 디바이스는 출원인의 미국 특허 제10,613,006호(WO2020068325A1)에 기술되어 있으며, 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.
유입되는 액체 샘플이 기체 상태로 기화되면, 가스 증기는 내식성 초합금(corrosion-resistant super alloy)으로 구성되고 크로마토그래프(chromatograph)와 같은 분석기와 동등한 작은 직경의 튜빙(tubing)을 통과한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 가스 크로마토그래프는 가스/증기 샘플을 분석하고, 구성하는 가스/증기 성분들을 식별 및 정량화하며, 추출된 샘플의 에너지 함량을 나타내는 데이터 출력을 제공한다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.
분석기/크로마토그래프를 손상시키지 않고 액체 소스에서 파생된 가스 샘플을 정확하게 분석하려면, 일반적으로 고압의 베이퍼라이저에서 나오는 가스 샘플은 도입 전에 분석기 안전 수준으로(최대 두 배까지) 감압되어야 한다. 예를 들어, 기화된 NGL 샘플은 6996.11 kPa을 초과하는 고압에서 베이퍼라이저를 나갈 수 있으며, 이는 분석기 손상 및/또는 작동 불능 상태를 방지하기 위해 일반적으로 135.83 kPa - 328.88 kPa 사이의 분석기 안전 압력으로 감소되어야 한다. 그러나, 임의의 특정 압력에서, 일정 범위의 증기 응축 라인들을 보유하는 성분들의 불균일한 혼합물이든 또는 더 예측 가능한 상태 엔벨로프(envelope) 곡선을 가진 실질적으로 균일한 조성물이든, 가스 샘플의 온도가 특정 액체-증기 상태 곡정과 교차하도록 감소하는 경우, 이슬점 응축/탄화수소 이슬점 드롭아웃이 발생한다. 이러한 경우 및 가스/증기 열역학적 속성들의 결과로, 증기 가스 샘플은 액체 형태로 되돌아간다. 이 바람직하지 않은 상태 전이는, 응축/상태 변이 경계를 통과하는 가스 샘플로부터 생성되는 액체 입력으로 인해, 에너지 함량 평가의 정확도를 감소시킬 뿐만 아니라 다운스트림 분석기/크로마토그래프를 손상시킨다. 예를 들어, 천연 가스 분야에서, 기화된 샘플의 압력 및 온도 파라미터들을 적절하게 유지하지 못하면, 줄-톰슨 탄화수소 이슬점 드롭아웃이 발생될 것이다. 이러한 액체의 도입은 컬럼 플리드(column bleed)에 의해 크로마토그래픽 패킹(chromatographic packing)을 항상 손상시키고, 차례로, 고스트 피크들(ghost peaks) 등에서 잘못된 판독값들을 생성한다. 이러한 파울링(fouling)은 완전한 교체를 위해 또는 운영상 허용 가능한 조건으로의 복원을 위해 훼손된 유닛을 오프라인으로 전환해야 할 필요가 있을 수 있으며, 이는, 대규모 이송 작업의 경우 정상적인 처리에 심각한 혼란들을 초래한다.
따라서, 정확하고 정밀한 천연 가스 성분 분석을 얻고, 액체 입력에 의한 분석기의 파울링을 방지하며, 적절한 시스템 작동을 유지하기 위해서는, 분석에 안전하고 상태 전이 및 증기 응축의 위험을 최소화하는 온도들 및 압력들에서 기화된 액체 샘플을 유지하는 것이 중요하다.
이러한 문제들을 해결하기 위한 노력의 일환으로, 증기의 상태 전이 경계에 접근할 위험을 최소화하기 위해 선택된 온도들을 유지하는 단계적(staged)/단계식 감압을 제공하는 장비가 개발되었다. 예를 들어, 단계적 감압 레귤레이터 시스템들은 증기 상태 전이 이동을 방지하기에 충분한 온도들을 유지하면서 멀티스테이지 감압을 달성한다. 이러한 시스템들은 일반적으로 액체 샘플 베이퍼라이저의 출력과 다운스트림 분석기/크로마토그래프로의 증기 공급 라인의 사이에 직렬로(in-line) 위치된다. 그러나, 기존의 레귤레이터들은 동적으로 조정 가능하지 않으므로, 당면한 다운스트림 시스템의 임계 입력 증기 게이팅(gating) 압력을 충족하거나 초과하기 위해 지정된 최소 출력 압력이 필요하다. 또한, 전용 인라인(in-line) 레귤레이터들의 어레이는 일반적으로 특정 응용 분야에 맞게 제조 및 교정되며, 일단 제조되면, 해당 응용 분야의 외부에서 사용하기 위해 쉽게 변환되거나 적응할 수 없다.
다른 압력 조절 설계들은 감압 레귤레이터 요소들을 모듈식의, 멀티스테이지 구조로 적층함으로써, 분리된 개별 시스템들의 어레이의 설치 공간을 줄이려고 한다. 더 작은 설치 공간을 달성하는 동안, 이러한 레귤레이터 시스템들 또는 어레이들은 개별 모듈들에 대한 압력 파라미터들의 동적 조정 및 교정의 불가능과 같은 멀티-유닛 시스템들의 공유되는 기능적 결함들로 인해 어려움을 겪는다. 이러한 유형의 기존 시스템에서, 각 유닛/모듈에 대한 파라미터들의 범위는 미리 설정되어 있으며,
출력 압력 수준이 전체 조절 시스템의 작동을 보장하도록 다운스트림 모듈로의 도입을 위해 필요한 최소 입력 압력을 초과해야 하는 입력 압력 및 출력 압력의 공장 사전-교정 기능이 있다. 작동 시, 당면한 업스트림 모듈로부터의 출구 압력은 인접한 다운스트림 스테이지로 증기를 차단하는 데 필요한 최소 임계 압력 아래로 떨어질 수 있다. 따라서, 어레이는 필요한 증기 샘플을 다운스트림 분석기 또는 수집 용기(collection vessel)로 전달하지 못한다.
예를 들어, 4-스테이지 모듈식 레귤레이터의 경우, 시리즈의 제1 스테이지에 대한 최소 공급 압력 입력은, 제3 스테이지 이후에, 감압 정도가 제4 스테이지로의 도입을 위한 최소 임계값을 여전히 초과하도록, 충분히 높아야 한다. 임계값이 충족되지 않으면, 기존 시스템들은 다운스트림 요소들로 증기를 전달하는 것을 중단할 것이다.
반대 문제는 기존 시스템 작동들에서 발생할 수 있다. 과압된 샘플 소스들의 경우, 최종 출력의 증기 압력은 다운스트림 분석기의 허용되는 압력 임계값을 초과할 수 있다. 이러한 경우, 손상을 입히는 과압 가스가 크로마토그래프로의 전달되는 것을 방지할 수 없다. 즉, 예를 들어, 제4 스테이지의 미리 설정된 압력은 분석기의 안전한 작동을 위해 필요한 출력 감압에 비해 너무 높다.
따라서, 현재 허용되고 일반적으로 사용되는 샘플링 및 추출된 증기 샘플들의 압력 조절 제어 디바이스들 및 방법들의 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 적어도 여기에서 전술된 문제들을 겪지 않고, 가스 분석기 또는 다른 압력-민감 장비로 전달될 수 있는 증기 가스 샘플의 압력을 조절하기 위해 보다 효율적이고, 동적이며, 신뢰할 수 있는 압력 조절 디바이스를 제공할 수 있는 디바이스, 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태의 다른 목적은 기존 기술보다 개선을 나타내는 콤팩트한 조정 가능하게 교정 가능한 멀티스테이지 압력 조절 디바이스, 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태의 추가 목적은 이슬점 드롭아웃/응축을 방지하는 증기 가스 샘플의 상당한 감압을 위한 단계적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 2-상태 엔벨로프 경계 외부에 있는 증기 가스 샘플의 압력 및 온도를 유지하는 통합된, 멀티스테이지 감압 레귤레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 상거래를 위해 사용되는 BTU 값들의 보다 정확한 측정을 전달하는 데 사용될 수 있는 디바이스, 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 또한, 사워 가스 샘플들의 원치 않는 존재를 모니터링하고 줄이기 위해, 디바이스, 시스템 및 방법은 수은(Hg), 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS), 메르캅탄(RSH) 및 BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 크실렌)과 같은 방향족들과 같은 미량의 오염 물질들의 정확한 측정을 전달하는 데 사용될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 더 콤팩트하고, 기계적 고장에 덜 민감하며, 동적 압력 교정 조정을 제공하는 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다중 성분 증기 가스의 멀티 스테이지 감압 동안 간헐적인 응축을 방지함으로써 베이퍼라이저로부터 분석기까지 증기 조성의 완전성을 유지하는 자동 및/또는 수동으로 구성 가능한 콤팩트 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 목적은 개별 스테이지들에서 압력 입력들 및 출력들의 조정 가능한 교정을 갖는 콤팩트한, 대체로(generally) 일체형의, 멀티스테이지 압력 조절 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적이고 비제한적인 실시예들은 관련 기술의 액체 가스 기화 및 측정 시스템들과 연관된 전술된 단점들 및 기타 단점들을 극복할 수 있다. 또한, 본 발명은 상술된 단점들을 극복하는데 반드시 필요한 것은 아니며, 본 발명의 예시적이고 비제한적인 실시예는 상술된 문제들 중 어느 것도 극복하지 못할 수 있다.
상기의 목적들 및 기타 목적들을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 일 실시예는 증기 샘플의 단계식 감압을 우한 압력 조절 시스템에 의해 특징지어 지며, 이는, 하우징(housing); 하우징의 중심 축을 따라 대체로 길이 방향으로(longitudinally) 배치되는 코어(core); 하우징의 내부에 일체로 형성된 증기 샘플 통로에 연결되는 증기 샘플 입력 포트; 하우징의 상부 표면 상의 복수의 언벤티드 오프닝들(unvented openings) - 각 언벤티드 오프닝은 코어의 주위에서 주변에 배치되고 적어도 하나의 다른 언벤티드 오프닝에 인접하고, 언벤티드 오프닝들의 각각은 선택된 단면 치수를 갖고 실질적으로 하우징의 신장 방향(direction of elongation)으로 연장되며, 언벤티드 오프닝들의 각각은 하우징에 일체로 형성된 상호 연결 채널(interconnect channel)에 의해 연결되고 인접한 벤트리스 오프닝(ventless opening)에 연결됨 -; 복수의 압력 조절 밸브들 - 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 언벤티드 오프닝의 선택된 단면 치수에 대응하는 단면 치수를 갖고, 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 연결된 상호 연결 채널을 통해 선택된 조절 압력(regulated pressure)에서 인접한 다운스트림 압력 조절 밸브로 샘플을 통과시키기 위해 비압 조절 모드(non-pressure regulating mode)와 압력 조절 모드(pressure regulating mode)의 사이에서 전환 가능하며, 여기서, 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 감압 스테이지(pressure reducing stage)를 설정하고 밸브 스템(valve stem), 센스 피스톤(sense piston), 및 센스 피스톤 액추에이터를 포함함 -; 및 감소된 증기 샘플 출력 포트를 특징으로 한다.
본 발명의 추가 실시예는 천연 가스 증기 샘플의 감압을 위한 압력 조절 시스템을 포하며, 이는, 제1 표면 및 제2 반대 표면, 및 증기 샘플 입력 포트 및 증기 샘플 출력 포트를 포함하는 주변 표면을 갖는 레귤레이터 바디(regulator body), 레귤레이터 바디의 열 안정성(thermal stability)을 유지하기 위한 열 제어 수단; 주변 표면에 근접한 제1 표면의 주위에 배치되는 복수의 언벤티드 오프닝들 - 복수의 언벤티드 오프닝들의 각각은 선택된 단면 치수를 갖고 제1 및 제2 표면들의 사이에서 연장되고, 언벤티드 오프닝들의 각각은 하우징에 일체로 형성된 벤트리스 상호 연결 채널에 의해 연결되고 인접한 언벤티드 오프닝에 연결됨 -; 및 증기 샘플을 증기 상태로 유지하면서 증기 샘플의 직렬의(serial), 단계식 감압을 위한 수단을 설정하기 위해, 증기 샘플의 증기 압력을 미리 설정된 최대값으로 조절하기 위해 치수가 설정되고, 벤트리스 상호 연결 채널을 통해 인접한 밸브 어셈블리 수단(valve assembly means)으로 통과하는 미리 설정된 범위 밖의 압력에서 샘플의 통과를 방지하는 조정 가능한 압력 조절을 위한 조정 가능한 밸브 어셈블리 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 압력 조절 디바이스를 포함하고, 이는, 하우징의 중심 축을 따라 대체로 길이 방향으로 배치되는 코어를 갖는 하우징, 하우징의 내부에 일체로 형성된 증기 샘플 통로에 연결되는 증기 샘플 입력 포트, 및 상부 표면 상의 복수의 오프닝들을 포함하며, 각 오프닝은 코어의 주위에 방사상으로(radially) 있으며 실질적으로 하우징의 신장 방향으로 연장된다. 또한, 압력 조절 디바이스는 증기 샘플 통로로부터 수신되는 증기 샘플의 압력을 감소시키도록 구성되는 복수의 압력 조절 밸브들을 포함하며, 각 압력 조절 밸브는 내부에 증기 샘플 흐름 경로를 생성하기 위해 각각의 오프닝의 내부에 배치되고, 어셈블리는 베이스(base) 및 베이스와 수직이고 그로부터 축 방향으로(axially) 연장되는 실질적으로 중앙의 스템(stem)을 갖고, 스템은 코어의 내부에 배치된다. 일 예로, 압력 조절 디바이스는, 베이스 및 베이스와 수직이고 그로부터 축 방향으로 연장되는 스템을 갖는 어셈블리를 포함하고, 스템은 코어의 치수들과 대체로 일치하도록 형성된다.
본 발명의 추가 실시예는 복수의 교정되는 단계식 감압 스테이지들을 통해 증기 샘플의 압력을 감소시키는 방법을 포함하며, 방법은, 압력 조절 디바이스의 하우징의 내부에 형성된 증기 샘플 입구 포트를 통해 증기 샘플을 입력하는 단계; 하우징에 일체로 형성된 제1 벤트리스 오프닝의 내부에 배치되는 조정 가능한 제1 압력 조절 밸브로 증기 샘플을 선택적으로 안내하는 단계 -제1 벤트리스 오프닝은 하우징에 일체로 형성된 제2 벤트리스 오프닝의 내부에 배치되는 인접한 제2 압력 조절 밸브 어셈블리에 상호 연결 채널에 의해 연결됨 -; 증기 샘플의 압력을 미리 설정된 양으로 감소시키고, 하우징에 일체로 형성된 제2 벤트리스 오프닝의 내부에 배치되는 인접한 조정 가능한 제2 압력 조절 밸브 어셈블리로 증기 샘플을 통과시키는 단계 -제2 벤트리스 오프닝은 하우징에 일체로 형성된 제3 벤트리스 오프닝의 내부에 배치되는 인접한 제3 압력 조절 밸브 어셈블리에 상호 연결 채널을 통해 연결됨 -; 증기 샘플의 압력을 제2 미리 설정된 양으로 감소시키고, 인접한 조정 가능한 제3 압력 조절 밸브 어셈블리로 증기 샘플을 통과시키는 단계; 및 증기 샘플이 제1, 제2 및 제3 조절 밸브 어셈블리들을 통과할 때 샘플을 증기 상태로 유지하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 추가 실시예에서, 각 감압 스테이지에서 각 압력 조절 밸브가 유입되는 증기 샘플 압력을 조절하기 위해 선택된 압력 설정에 기반하여 자체 조정하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 적어도 하나의 압력 조절 밸브가 각각의 압력 조절 밸브에 의해 감압 스테이지에서 적용되는 감압량을 조정 가능하게 설정하도록 구성되는 조정 가능한 디바이스를 포함하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 또 다른 실시예에서, 각 스테이지의 센스 피스톤이 센스 피스톤 액추에이터 및 밸브 스템의 배치에 기반하여, 압력 조절 모드에서 개방 조절 위치에 있도록 구성되고, 비압 조절 모드에서 폐쇄 위치에 있도록 구성되는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 밸브 스템 및 센스 피스톤 액추에이터의 배치가 증기 샘플의 압력 및 압력 조절 밸브의 감압 설정을 기반으로 하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 추가 실시예에서, 언벤티드 오프닝들이 나사형이고(threaded), 각 조정 디바이스가 하우징에 대해 축 방향으로 이동하도록 나사형인 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 센스 피스톤이 압력 조절 위치에 있을 때, 각 압력 조절 밸브가 각각의 압력 조절 밸브로부터 증기 샘플을 통과시키기 위한 밸브 스템 채널을 갖고, 센스 피스톤이 폐쇄 위치에 있을 때, 밸브 스템 채널이 압력 조절 밸브를 통한 증기 샘플의 통과를 방지하기 위해 차단되는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 하우징이 베이스 및 베이스와 대체로 수직으로 배치되고 그로부터 축 방향으로 연장되는 스템을 갖는 어셈블리에 의해 더 특징지어 지고, 스템이 코어의 치수들과 대체로 일치하도록 형성되고 베이스의 중앙 부분으로부터 축 방향으로 연장되며, 압력 조절 시스템이 복수의 압력 조절 밸브들을 통과하는 증기 샘플을 가열하도록 구성되는 스탬의 내부에 배치되는 가열 디바이스를 더 포함하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 추가 실시예에서, 하우징이 복수의 오프닝들의 주위에 방사상으로 배치되는 개봉 가능(unsealable) 압력 교정 포트들을 더 포함하고, 각 개봉 가능 압력 교정 포트는 각각의 압력 조절 밸브에 대응하고 압력의 측정을 허용하도록 구성되는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 개봉 가능 압력 교정 포트들의 각각이 각각의 상호 연결 채널과 연결되는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 개봉 가능 압력 교정 포트들 중 적어도 하나는 각각의 상호 연결 채널의 증기 샘플의 압력을 표시하도록 구성되는 압력 게이지(pressure gauge)를 포함하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 또 다른 실시예에서, 조정 디바이스가 전기 기계적으로(electromechanically) 작동되고, 개봉 가능 압력 교정 포트 및 선택된 감압 스테이지에서 증기 샘플의 압력을 조정하기 위해 조정 디바이스에 전자 신호를 제공하도록 구성되는 전자 압력 센서를 더 포함하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 적어도 하나의 고압 조절 밸브 어셈블리가 한 쌍의 중첩되는(nested) 센스 피스톤 액추에이터 압축 스프링들, 외부 센스 피스톤 및 그에 대해 축 방향으로 슬라이딩 가능한 중첩되는 내부 피스톤을 갖는 분기되는(bifurcated) 센스 피스톤 어레인지먼트(arrangement), 중첩되는 센스 피스톤 액추에이터 압축 스프링들과 상기 분기되는 센스 피스톤의 사이에 배치되는 센스 피스톤 액추에이터 컨택 디스크(contact disc)를 포함하고, 컨택 디스크가 강화된(enhanced) 압력 감소를 제공하기 위해 상기 중첩되는 센스 피스톤 액추에이터 압축 스프링들 중 적어도 하나의 힘을 집중시키기 위해 상기 밸브 스템과 접촉하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 다른 실시예에서, 적어도 하나의 고압 조절 밸브 어셈블리가 다른 조절 밸브 어셈블리들에 대응하는 치수들을 보유하는 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 또 다른 실시예에서, 하우징이 다섯 개의 언벤티드 오프닝들을 포함하고, 제1 밸브 오프닝이 증기 샘플 입력 포트에 연결되는 증기 샘플 통로와 연결되며, 제1 및 제2 조절 밸브 어셈블리들은 고압 조절 밸브 어셈블리들인 것을 더 특징으로 한다.
본 발명은, 이전 실시예들에 대한 추가 실시예에서, 각 조정 가능한 밸브 어셈블리 수단에 대한 지능형 자동 제어에 의해 더 특징지어 진다.
본 발명의 양태들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적이고 비제한적인 실시예들을 상세히 설명함으로써 보다 쉽게 명백해질 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스를 도시하는 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스의 절개 사시도이다.
도 1c는 밸브를 통한 증기 흐름을 도시하는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1b의 압력 조절 디바이스의 압력 조절 밸브의 확대도이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스의 평면도이다.
도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1d의 압력 조절 디바이스의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스의 상이한 스테이지들 내의 흐름 경로를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스의 상이한 스테이지들 내의 흐름 경로를 도시한다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스의 상이한 디바이스들 내의 흐름 경로를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스의 내부의 사시도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 압력 조절 디바이스의 내부의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 시스템 및 구성 요소들의 분해도이다.
도 5a는 고압 조절을 제공하는 본 발명의 일 실시예의 단면도이다.
도 5b는 일 실시예의 고압 조절 밸브 어셈블리의 분해도이다.
여기에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들 “일”, “한” 및 “하나”는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때, 어근 용어들 “포함하다” 및/또는 “갖다”는 명시된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 구성 요소들의 존재를 명시하지만, 적어도 하나의 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성 요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 이해될 것이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 용어들 “포함한다”, “포함하는”, “보유하다”, “보유하는”, “갖다” “갖는”, 또는 이들의 임의의 다른 변형은 비배타적인 포함(non-exclusive inclusion)을 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 특징들의 목록을 포함하는 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치는 반드시 그러한 특징들로만 제한되지 않고, 명시적으로 나열되지 않거나 그러한 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치에 고유하지 않은 다른 특징들을 포함할 수 있다.
여기에서 사용되는 바와 같이, “연결된”은 직접적이든 또는 간접적이든, 영구적으로 부착되거나 조정 가능하게 장착된 물리적인 것을 포함한다. 따라서, 명시되지 않는 한, “연결된”은 임의의 작동 가능한 기능적 연결을 포괄하도록 의도된다.
상세한 설명에서, “일 실시예”, “한 실시예”, 또는 “실시예들에서”에 대한 참조들은 언급되는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 더욱이, “일 실시예”, “한 실시예”, 또는 “실시예들에서”에 대한 별도의 참조들은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니며; 그러나, 그러한 실시예들은 그렇게 언급되지 않는 한, 그리고 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 용이하게 명백한 경우를 제외하고는, 상호 배타적이지 않다. 따라서, 본 발명은 여기에서 기술되는 실시예들의 임의의 다양한 조합들 및/또는 통합들을 포함할 수 있다.
여기에서 사용되는 바와 같이, “실질적으로”, “상대적으로”, “대체로”, “약”, 및 “대략”은 그렇게 수식되는 특성으로부터 허용 가능한 변동을 나타내기 위한 상대적인 수식어들이다. 이들은 수정하는 절대 값이나 특성에 제한되는 것이 아니라, 오히려, 그러한 물리적 또는 기능적 특성에 접근하거나 근사하도록 의도된 것이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, “튜브형(tubular)”은 임의의 축 방향으로 배향되는 대체로 길쭉한(elongated), 대체로 대칭적인 기하학적 구성을 의미하며, 원통형의 단면 프로파일만을 보유하는 구조로 제한되지 않는다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 명시되지 않는 경우, “가스”는, 예컨대, 액체 물질을 함유하는 특정 기화된 탄화수소 성분 및/또는 탄화수소 성분들의 불균일한 혼합물을 포함하는 기체 화학 물질 또는 기체 형태의 유체를 의미하며, 여기서, 가스는 천연 가스 액체, 및 액화 천연 가스, 이들의 가스 혼합물들, 및 등가물들을 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 예시적이고 비제한적인 실시예들이 상세하게 설명된다. 명확한 이해를 제공하기 위해 특정 구성들 및 치수들이 설명되지만, 개시된 치수들 및 구성들은 예시의 목적으로만 제공됨을 이해해야 한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람은, 달리 명시되지 한, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 치수들 및 구성들이 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
또한, 여기에서 사용되는 바와 같이, 값들의 범위에 대한 임의의 언급은, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 상기 범위들의 종점들을 포함하여, 그 범위 내의 모든 값을 포괄하는 것으로 의도된다는 것이 이해될 것이다.
하기의 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 예시적인 실시예들을 나타내는 예시 목적들로만 제공되는 첨부된 도면을 참조한다. 하기의 예시되는 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고 현재 알려진 구조적 및/또는 기능적 등가물들에 기초한 구조적 변화들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
하기의 상세한 설명을 감안할 때, 본 발명은 기존의 구조들 및 방법들에서 인식되거나 인식되지 않은 문제들을 완화하면서 상당히 증대된 효율성들을 제공하기 위한 신규한 압력 조절 디바이스 및 그의 방법을 제공함이 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 명백해야 한다.
도 1a 내지 도 1e는 조립 시, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 조절 디바이스(100)를 제공하는, 도시된 실시예에서, 세장형의(elongated) 원통형 기하학적 구조를 갖는 튜브형의 상부 바디 또는 하우징(102), 대응하는 기하학적 구조를 갖는 하부 바디 또는 어셈블리(116), 및 압력 조절 시스템의 조정 가능한 압력 조절 밸브들(112)의 상이한 부분들에 대한 다양한 도면들을 도시하고 있다. 본 발명은 원통형/원형 단면의 기하학적 구조로 제한되지 않으며, 다각형, 타원형 등과 같은 다른 기하학적 구조들이 동일하게 적용될 수 있다.
개략적으로, 압력 조절 디바이스(100)는 바람직하게는 스테인리스-스틸 또는 알루미늄과 같은 내식성 초합금으로 형성되는 어셈블리(116)를 포함한다. 합금들 대신에, 상부 바디(102) 및 어셈블리(116)는 고강도 엔지니어링 열가소성 수지들, 세라믹들, 또는 증기 가스 압력 조절과 관련하여 사용하기에 적합한 다른 재료들로 제조/성형될 수도 있다. 본 실시예의 어셈블리(116)는 원형 단면의, 숄더(shoulder)를 정의하는 상부면을 특징으로 하는 베이스(116A), 및 숄더로부터 중앙 및 수직으로 돌출되는 단차형(stepped) 및 부분적으로 중공형(hollowed)의 스템(116B)을 포함한다. 스템(116B)은 더 좁은 보더 중간 세그먼트(111B)로 테이퍼링되고, 상부 보어 세그먼트(111A)로 확장되는, 더 큰 직경의 하부 세그먼트(111C)를 포함하는 바디(102)의 상보적인 단차형 축 방향 코어 또는 보어(111)에 치수적으로 일치하고 삽입을 위해 적합화되어 있다.
스템(116B)는 공급 라인(feed line)(134)에 의해 전력을 공급받는 선택적 전기 가열 카트리지 엘리먼트(138) 및 가열 카트리지 엘리먼트(138)의 베이스로부터 돌출되고 전기 및 제어 출력 포트(129)를 통해 어셈블리(116)를 빠져나가는 서모커플(thermocouple)(135)에 의해 감지되는 출력을 수용하여 유지하기 위한 내부 캐비티(136)를 포함한다.
도시된 실시예에서, 상부 바디(102)는 보어(111)의 상단에서 상부 표면(106)에 형성되는 오프닝(107)을 특징으로 한다. 일련의 나사형 플러그들(114)은 상부 표면(106)의 주위에서 주변 애뉼러스(perimetric annulus)(104)의 근처에 배치된다. 플러그들(114)의 각각은 보어(111)를 향해 주변 애뉼러스(104)로부터 방사상으로 내향으로 각을 이루는 액세스 채널(access channel)(115)을 밀봉한다. 상부 표면(106)은 또한 다섯 개의 축 방향으로 오프셋된, 길이 방향으로 돌출되는, 밸브 수용 리세스드 오프닝들(valve receiving recessed openings)(146)을 특징으로 한다. 리세스드 오프닝들(146)은 오프닝(107) 주위에 배치되고, 상부 바디(102)의 신장 축에 대해 길이 방향으로 대체로 평행하게 연장된다. 리세스드 오프닝들(146)의 각각은 압력 조절 밸브(112)를 안착시켜 유지하도록 단차형이고 치수가 설정된다(도 4 참조).
도 1b는 어셈블리(116)가 상부 바디(102)의 세그먼트들(111A, B, C)의 내부에 배치되고, 압력 조절 밸브들(112)이 각각의 오프닝들(146) 내에 밀봉되는 압력 조절 디바이스(100)의 절개 사시도를 도시하고 있다. 절개된 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 압력 조절 밸브(112)는 증기 샘플 입구 포트(108)로부터 방사상으로 배향되는 증기 샘플 통로(109)를 통해 증기 샘플을 수용하도록 구성된다.
증기 가스 샘플은 증기 샘플 통로(109)를 통해 커넥터 포트(113A)에서 제1 스테이지 압력 조절 밸브(112)로 안내된다. 후술되는 바와 같이, 압력 조절 밸브(112)는 증기 가스 샘플의 압력을 감소시키며, 증기 가스 샘플은 추가적인 압력 감소를 위해 인접한 압력 조절 밸브(112)로 직렬 방식으로 안내되면서, 선택적으로 중앙의 가열 카트리지 엘리먼트(138)를 통해 선택적으로 동시에 열적으로 제어된다. 최종 스테이지 압력 조절 밸브(112)를 빠져나갈 때, 이제 분석기 안전 압력에 있는, 증기 가스 샘플은 튜브형의 상부 바디(102)로부터 증기 샘플 통로(142)를 통해 증기 샘플 출구 포트(110)로 안내된다.
압력 조절 밸브(112)의 하부 구조 및 배치를 참조하면, 이는 밸브 수용 리세스드 오프닝(146) 내에 안착되어, 스프링 압력에 기반하여 제어되는 축 방향 조정을 허용한다. 리세스드 오프닝(146)은 단차형 구성으로, 하부 보어(118), 직경이 더 큰 중간 보어(121), 및 더 큰 상부 보어(123)를 상부 평면 표면(106)으로부터 오프닝(146)의 내부에 포함한다. 압력 조절 밸브(112)는 위쪽으로 편향되고, 축 방향으로 배치되는 나선형의 압축 밸브 스템 스프링(112M), 나팔 모양의 원추형 밸브 스템 돌기(112L-2)를 정의하는 상부 숄더로 끝나는 원통형의 밸브 스템 베이스(112L-1), 밸브 시트(valve seat)(112J)와 밸브 가이드(valve guide)(112I)를 통해 센스 피스톤(112G)과 아래쪽으로 편향되는 플랫/벨빌(Belleville)/웨이브(wave) 센스 피스톤 (액추에이터) 스프링(112F)으로 위쪽으로 돌출되는 밸브 스템 팁(valve stem tip)(112L-3)으로 분할되는 밸브 스템(112L)을 조합하여 특징으로 한다. 상부 숄더는 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)의 아래에서 밸브 스템(112L)을 감싸는 위쪽으로 편향되고, 축 방향으로 배치되는 나선형의 압축 밸브 스템 스프링(112M)에 대한 스톱(stop)으로서 역할을 한다. 밸브 스템 팁(112L-3)의 세장형 세그먼트는 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)의 테이퍼링 표면(tapering surface)로부터 센스 피스톤(112G)의 바닥 표면까지 축 방향으로 위쪽으로 돌출된다.
중간 보어(121)의 내부에는, O-링과 같은 밀봉 디바이스(112K)로 서로에 대해 밀봉되는 밸브 시트(112J)와 밸브 가이드(112I)가 배치되어 있고, 이들의 각각은 내부에 밸브 스템 팁(112L-3) 및 증기 가스 샘플의 통과를 허용하는 실질적으로 중앙의 채널(127)을 갖는다. 밸브 가이드(112I)는 가이드 홀(131)을 통해 튜브형의 상부 바디(102)에 볼트로 조이거나 나사로 고정됨으로써, 튜브형의 상부 바디(102)에 연결될 수 있다. 밸브 시트(112J)는 일 표면에서 하부 보어(118)를 향하고 다른 표면에서 밸브 가이드(112I)를 향하며, 둘 다 중간 보어(121)의 전체를 형성한다. 밸브 시트(112J)는 세라믹, 엘라스토머 또는 실리콘과 같은 순응성 재료(compliant material)로 구성될 수 있으며, 이는 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)에 의해 실질적으로 중앙의 채널(127)의 밀봉 또는 오염을 방지하는 데 도움이 된다. 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)는 또한 그 형상으로 인해 밸브 시트(112J)로 압축됨에 따라 오염으로부터 보호하고 와이퍼(wiper)로서 역할을 한다. 따라서, 밸브 시트(112J)를 관통하는 중앙의 채널(127)은 압축을 허용하고 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)에 의한 밸브 시트(112J)와의 확실한 와이핑 접촉을 허용하도록, 밸브 가이드(112I)를 관통하는 중앙의 채널(127)보다 더 큰 직경을 갖는다. 밸브 시트(112J) 및 밸브 가이드(112I)는 중간 보어(121)의 내부의 위치에 고정되고, 압력 조절 밸브(112)의 작동 중에 움직이지 않는다.
상부 보어(123)는, 스프링 하우징(112C)에 의해 둘러싸이고, 오프닝(146)으로부터 상부 보어(123)의 하부 내에 배치되는 센스 피스톤(112G)으로 돌출되는, 나사 또는 볼트와 같은, 조정 디바이스(112A)로부터 연장되는, 예컨대, 스프링과 같은 축 방향으로 배치되는 센스 피스톤 액추에이터(112F)를 포함한다. 압력 조절 밸브(112)는 임의의 주어진 시간에 다음의 3 개의 위치들 중 하나에 있을 수 있다: 완전 개방 위치, 조절 위치 및 완전 폐쇄 위치. 압력 조절 밸브(112)는, 압력 조절 디바이스(100)가 사용되지 않고, 하부 보어(118)의 내부에 압력이 없거나 매우 낮은 압력이 존재할 때, 완전 개방 위치에 있을 것이다. 따라서, 이 상태는, 센스 피스톤 스프링(112F)에 의해 가해지는 압력이 하부 보어(118)로 이동하는 임의의 최소로 유입되는 증기 가스 샘플의 압력을 훨씬 초과하여, 밸브 스템 스프링(112M)을 통한 밸브 스템(112L)에 축 방향 이동이 거의 또는 전혀 가해지지 않도록 할 때, 존재한다. 이는, 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)와 밸브 시트(112J)의 사이에 상당한 갭(gap)을 제공한다.
압력 조절 디바이스(100)가 사용 중이고 유입되는 증기 가스 샘플을 조절할 때, 압력 조절 밸브(들)(112)는 조절 위치에 있을 것이다. 이 상태에 존재하기 위해, 센스 피스톤 스프링(112F)의 설정에 기반하여 센스 피스톤 스프링(112F)에 의해 센스 피스톤(112G)에 가해지는 압력은 하부 보어(118)로 이동하는 임의의 유입되는 증기 가스 샘플의 압력을 상쇄한다. 따라서, 압력 조절 밸브(들)(112)가 조절 위치에 있고, 센스 피스톤 스프링(112F)에 의해 가해지는 압력이 하부 보어(118)로 이동하는 임의의 유입되는 증기 가스 샘플의 압력을 초과할 때, 센스 피스톤(112G)은 밸브 가이드(112I)의 상부 표면과 가깝지만 접촉하지 않고, 밸브 시트(112J)로부터 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)를 변위시키는 밸브 스템 팁(112L-3)에 선형 하향 압력을 가하지 않을 것이다. 이 선형 변위는 채널(127)을 통해 하부 보어(123)로부터 상부 보어(123)로의 임의의 증기 샘플의 흐름을 유지한다. 그러나, 센스 피스톤 스프링(112F)에 의해 가해지는 압력보다 큰 압력을 갖는 유입되는 증기 가스 샘플은 밸브 스템(112L)이 축 방향으로 상향 이동하도록 할 것이며, 이로써, 밸브 스템 팁(112L-3)이 센스 피스톤(112G)을 밸브 가이드(112I)에 가까운 그 위치로부터 약간 변위시키게 하면서, 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)를 밸브 시트(112J)의 내부에서 채널(127)의 일부 내로 축 방향으로 상향 변위시킨다. 따라서, 작동 중이고 조절 위치에 있을 때, 압력 조절 밸브(들)(112)는, 다운스트림 분석기를 위한 일정한 유속으로 소비하기 위해 각 스테이지에서 압력이 감소되는 정상 상태에 도달할 때까지, 각 스테이지에서의 압력 설정과 유입되는 증기 샘플 압력에 기반하여 지속적으로 조정될 것이다.
도 1c는 조절 위치에 있는 압력 조절 밸브(112)의 확대도를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 증기 센스 피스톤(112G)에 의해 밸브 스템 팁(112L-3)에 가해지는 압력보다 더 큰 압력을 갖는 증기 가스 샘플(119)은 하부 보어(118)에 들어가고, 이로써, 밸브 스템(112L)이 축 방향으로 상향 이동하여, 밸브 스템 팁(112L-3)이 센스 피스톤(112G)을 상부 보어(123)의 내부에서 축 방향으로 상향 변위시키게 하고, 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)가 밸브 시트(112J) 내부의 채널(123)의 부분을 잠식하게 한다. 도시된 바와 같이, 밸브 시트(112J)와 밸브 가이드(112I)의 사이에 형성되는 중앙의 채널(127)은, 하부 보어(118)로부터 중간 보어(121)를 통해 상부 보어(123) 내부의 갭(128)으로의 증기 샘플(119)의 흐름을 허용하는 밸브 스템 팁(112L-3)의 직경보다 약간 더 큰 직경을 갖는다. 따라서, 상부 보어(123)로 들어가는 임의의 증기 샘플(119)은 하부 보어(118)와 상부 보어(123) 사이의 압력 차이, 중앙의 채널(127)의 제한된 공간 내부의 통로, 및 밸브 시트(112J)와 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2) 사이의 제한된 통로 크기에 기반하여 감소된 압력을 가질 것이다. 감압된 증기 샘플(119)은 계속해서 보어들(118, 121 및 123)을 통과할 것이며, 증기 샘플(119)에 의해 센스 피스톤(112G)에 가해지는 압력은 센스 피스톤 스프링(112F)의 밸브 설정과 동일하다. 증기 샘플(119)의 압력이 센스 피스톤 스프링(112F)에 의해 가해지는 힘과 일치하기에 충분하게 크지 않으면, 압력 조절 밸브(112)는, 센스 피스톤 스프링(112F)이 센스 피스톤(112G)을 변위시키는 보다 개방된 위치로 이동할 것이며, 이는 차례로 밸브 스템 팁(112L-3)을 통해 밸브 시트(112J)로부터 멀어지도록 원추형의 스템 돌기(112L-2)를 변위시킬 것이다. 이와 반대로, 증기 샘플 흐름(119)의 압력이 너무 높으면, 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)는 밸브 시트(112J)를 차단하고, 이로써, 증기 흐름을 방지한다.
따라서, 압력 조절 밸브(112)가 조절 위치에 있는 동안 상부 보어(123)에의 갭(128)으로 하부 보어(118)를 빠져나가는 임의의 증기 샘플(119)은 상호 연결 채널(144)을 통해 미리 선택된 압력으로 빠져나갈 것이고, 추가적인 압력 감소를 위해 바디(102) 내의 다음-스테이지 압력 조절 밸브(112)로 안내될 것이다. 이러한 구성 및 작동은 압력 조절 밸브들 사이의 상호 연결 채널(144)로부터 배출되는 과압 증기 가스의 필요성을 제거한다. 다운스트림 조절 밸브 어셈블리(112)로의 과압 증기 출력을 위한 벤트(vent)의 제공은, 상호 연결 채널(144)의 출력되는 증기 압력이 이미 조정된 수준으로 감소되었기 때문에, 불필요하고 바람직하지 않다. 결과적으로, 개시된 실시예의 언벤티드의, 덜 복잡한 구조가 달성된다. 또한, 분석 전에 증기를 배출하는 것은 궁극적인 샘플 분석의 무결성과 정밀도를 손상시킨다.
압력 조절 밸브(112)는, 밸브의 출력이 차단되고, 출구 압력 조건이 충족되며, 체적 소비 또는 응축이 존재하지 않을 때(즉, 다운스트림 분석기가 꺼져 있고, 출구(110)에서 압력을 지속적으로 감소시키지 않음), 완전 폐쇄 위치에 있을 것이다. 다시 말해, 차단되는 유입되는 증기 샘플에 의해 형성되는 압력은 후방으로 바뀔 것이고, 밸브 스템 팁(112L-3)에 의해 센스 피스톤 스프링(112G)에 가해지는 임의의 압력에 추가하여 센스 피스톤(112G)에 더 큰 압력을 가할 것이다. 센스 피스톤(112G)에 대한 이러한 압력 증가는 센스 피스톤(112G)을 상부 보어(123)의 내부에서 축 방향으로 상향 변위시킴으로써, 밸브 스템(112L)이 상응하게 축 방향으로 변위되게 하며, 밸브 시트(112J)의 내부에 완전히 안착됨으로써 채널(127)을 완전히 차단하게 한다.
도 2a 내지 도 2c는 증기 샘플 통로(109)로부터 복수의 압력 조절 밸브들(112) 및 대응하는 상호 연결 채널들(144)을 통해 다섯 개의 스테이지들을 거쳐 증기 샘플 출구 포트(110)로 하류로 흐를 때의 증기 샘플(119)의 흐름을 도시하고 있다. 이 예에서, 압력 조절 밸브들(112)이 적절하게 교정되었고 조정 디바이스(112A)를 통해 적절한 압력 설정들을 가졌다고 가정하며, 따라서, 유입되는 증기 샘플(119)은 각 압력 조절 밸브(112)를 조절 위치로 강제하기 위해 각 압력 조절 밸브(112)에서 충분한 압력을 가질 것이다. 조정 디바이스(112A)는 나사형의 스프링 하우징(112C) 및 종단 너트(112B)를 통해 오프닝(146)의 내부에서 축 방향으로 이동하도록 구성되고, 따라서, 센스 피스톤 스프링(112F)과 접하는 와셔(washer)(112E)를 변위시킨다. 대안적으로, 도 1e 및 도 3에 도시된 바와 같이, 나사들 또는 볼트들과 같은 조정 디바이스들(112A)은 튜브형의 상부 바디(102)의 상부 평면 표면(106)에 직접 접하고 이를 통해 압력 설정들을 조정하기 위해 압력 조절 밸브들(112) 내로 나사 결합되도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 조정 디바이스들(112A)은 더 적은 공간을 요구하며, 이로써, 압력 조절 디바이스(100)의 전체 프로파일을 감소시킨다. 그러나, 도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3에 도시된 조정 디바이스(112A) 구성과 달리, 이것은 제조 비용을 증가시킬 수 있는 압력 조절 밸브들의 보어(125) 내 추가적인 스레딩(threading)을 필요로 한다.
압력 조절 디바이스(100)의 특정 스테이지의 압력을 조절하기 위해, 조정 디바이스(112A)는 나사형의 스프링 하우징(112C)를 통해 회전되어, 와셔(112E)를 통해 센스 피스톤 스프링(112F)을 압축하거나 압축해제하고, 이로써, 접하는 센스 피스톤(112G) 상의 센스 피스톤 스프링(112F)의 압력을 증가시키거나 감소시켜 교정할 수 있다. 특정 스테이지에서의 더 높은 압력 설정은 더 높은 센스 피스톤 스프링(112F) 압력으로 바뀌고, 이는 센스 피스톤(112G)이 밸브 스템 팁(112L-3)을 통해 밸브 시트(112J)에 가까운 덜 제한적인 위치로 원추형의 밸브 스템 돌기(112L-2)를 변위시키도록 한다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 스테이지1에서의 압력 조절 밸브(112)의 압력 설정은 스테이지2에서의 압력 조절 밸브(112)의 압력 설정보다 더 클 것이고, 이에 따라, 스테이지5에서의 압력 조절 밸브(112)의 압력 설정이 가장 낮을 것이다.
도 1d 및 도 1e를 참조하면, 각 스테이지에서의 압력 설정은 대응하는 압력 조절 밸브(112)의 출력에서 대응하는 상호 연결 채널(144)에 각각 연결되는 각각의 액세스 채널들(115)을 통해 설정되고 검증될 수 있다. 예를 들어, 스테이지5에서의 압력 조절 밸브(112)의 압력 설정을 교정하기 위해, 스테이지5의 압력 조절 밸브(112)로부터 통로(142)를 통해 출력되는 상호 연결 채널(144) 내부의 압력은 대응하는 액세스 채널(115)을 통해 측정된다. 도 1e는 스테이지1에서의 압력 조절 밸브(112)의 상호 연결 채널(144)에 연결되는 액세스 채널(115)을 도시하고 있다. 액세스 채널(115)은 크라운 캡(crown cap) 또는 나사 캡(screw cap)과 같은 액세스 채널 홀 플러그(access channel hole plug)(114)에 의해 막힌 것으로 도시되어 있다. 그러나, 스테이지1에서의 압력 및/또는 온도를 교정하기 위해, 액세스 채널 홀 플러그(114)는 제거되고, 압력 센서 및 열 감지 디바이스 중 하나 또는 둘 모두가 컨트롤러에 대한 추가 입력으로서의 역할을 제공하기 위해 개봉 가능 압력 교정 포트인 액세스 포트(114)에 설치될 수 있다. 따라서, 증기 샘플(119)이 압력 조절 디바이스(100)를 통과할 때, 압력 및/또는 온도 센서는 액세스 채널(115)을 통해 상호 연결 채널(144)에서 스테이지1에서의 압력 조절 밸브(112)를 빠져나가는 증기 샘플(119)의 압력/온도를 검출할 것이다. 그런 다음, 압력 조절 밸브(112)는, 압력 센서가 증기 샘플 입력 포트(108)로 입력되는 증기 샘플(119)로부터의 원하는 감압 판독값을 검출할 때까지, 조정 디바이스(112A)를 통해 조정될 수 있다. 이 후, 이 프로세스는 대응하는 액세스 채널(115)에서 압력 센서를 이용하여 각 스테이지에서 각각의 연속적인 압력 조절 밸브(112)에 대해 반복될 수 있다. 이에 따라, 열 히터(thermal heater)는 컨트롤러에 의해 요구되고 조작되는 대로 증기 샘플 온도를 높이거나 낮추도록 조정될 수 있다.
압력 조절 디바이스(100)를 교정하는 다른 방법은 동시에 각 액세스 채널(115)에서의 온도를 측정하고, 각 스테이지에서의 압력 조절 밸브(112)를 동시에 조정하는 것이다. 압력 설정들은 특정 응용 분야 또는 특정 가스 프로파일에 기반하여 조정될 수 있다. 물론, 교정이 수행되지 않거나, 교정이 완료되면, 액세스 자동 압력 센서들을 지속적으로 유지하려는 경우가 아니면, 채널 홀 플러그들(114)은 교체되어, 액세스 채널들(115)을 막을 것이다.
상이한 스테이지들에서의 압력 조절 밸브들(112)의 압력 설정을 개별적으로 조정하는 능력은 상이한 프로파일들을 갖는 다양한 가스들에 대해 사용될 수 있는 압력 조절 디바이스(100)를 제공한다. 따라서, 압력 조절 디바이스(100)에 의해 처리되는 특정 증기 가스 프로파일의 열역학적 속성들 및 상태 곡선에 기반하여, 각 압력 조절 밸브(112)는 상태 곡선의 2-상태 영역으로 증기 가스 샘플의 복귀 또는 재진입을 허용하지 않는 감소 수준들로 각 스테이지에서의 압력을 감소시키도록 교정될 수 있다. 각 스테이지에서의 감소는 어셈블리(116), 보다 구체적으로는, 방사상으로 둘러싸는 압력 조절 밸브들(112)의 내부에 실질적으로 중앙에 위치되는 선택적 가열 카트리지 엘리먼트(138)에 의해 더 제어될 수 있으며, 이는 이슬점 응축/탄화수소 이슬점 드롭아웃을 방지하기 위해 필요한 모든 감압 스테이지들 동안 증기 샘플(119)의 온도를 일관되게 유지한다. 따라서, 압력 조절 디바이스(100)는 각 응용 분야 또는 가스 프로파일을 위한 상이한 압력 조절 디바이스를 요구하기 보다는 다양한 응용 분야들 및/또는 가스 프로파일들에 대해 시간이 지남에 따라 동적으로 교정될 수 있다. 또한, 압력 조절 디바이스(100)는 압력 조절 디바이스(100)에 들어가는 임의의 초기의 낮은 압력을 상쇄하기 위해 다른 스테이지들이 동적으로 더 낮게 설정될 수 있으므로, 제1 스테이지로 들어가는 초기 압력의 특별히 높은 최소량을 필요로 하지 않는다.
도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 일 예로서, 압력 조절 밸브들(112)이 대응하는 조정 디바이스들(112A) 및 액세스 채널들(115)을 사용하여 적절하게 교정되면, 커넥터 포트(113A)에서 통로(109)를 통해 하부 보어(118)로 입력되는 증기 샘플(119)은 스테이지1에서의 압력 설정보다 더 큰 압력 P0를 가질 것이고, 이는, 밸브 스템 팁(112L-3)이 센스 피스톤(112G)을 변위시키기 위해 축 방향으로 상향 이동하게 할 것이다. 이러한 변위는, 원추형 밸브 스템 돌기(112L-2)가 밸브 시트(112J)의 내부에서 축 방향으로 상향 변위되도록 하며, 이로써, 중간 보어(121) 및 상부 보어(123) 내부의 채널(127)을 통해 안내되는 증기 샘플(119)의 흐름을 상호 연결 채널(144)을 통해 스테이지2로 후속적으로 안내되는 감소된 압력 P1으로 제한한다. 그런 다음, 감소된 압력 P1을 갖는 증기 샘플(119)은 P1보다 낮은 압력 설정을 갖는 스테이지2에서의 압력 조절 밸브(112)의 하부 보어(118)로 들어가고, 따라서, 증기 샘플(119)은 압력 조절 밸브(112)를 통해 다음 스테이지로 다시 통과할 수 있다. 이 프로세는, 감소된 압력 P5를 갖는 증기 샘플(119)이 분석기와 같은 외부 장치로 전달될 출구 샘플 포트(110)를 통해 스테이지5에서의 압력 조절 밸브(112)를 빠져나갈 때까지 반복된다. 증기 샘플(119)이 각각의 방사상으로 배치되는 압력 조절 밸브들(112)에서 각 스테이지를 통해 흐름에 따라, 증기 샘플(119)은 어셈블리(116)의 스템(116B)의 내부에서 실질적으로 중앙에 배치되는 선택적 가열 엘리먼트(138)를 통해 선택적으로 열적으로 제어될 수 있다. 따라서, 증기 샘플(119)의 압력은 감압 시퀀스 동안 2-상태 샘플로의 이슬점 드롭아웃을 피하기 위해, 각 스테이지에서 제어된 감압뿐 아니라 열 제어의 대상이 된다. 웰(well)이 각 스테이지 사이에서 압력 및 온도 감지를 통합할 때, 증기는 2-상태 분리 조건을 생성하여 샘플을 위태롭게 하는 것을 피하기 위해 상태 곡선 외부의 조건으로 유지된다. 특별하게 교정되는 압력 조절 밸브들(112) 및 실질적으로 중앙에 위치되는 가열 엘리먼트(138)에 의해 제공되는 제어된 환경은 증기 상태 영역에서 증기 샘플(119)을 유지하며, 이로써, 샘플 분석을 오염시키고/거나 다운스트림 분석기를 손상시키거나 파괴할 수 있는 응결 또는 이슬점 드롭아웃의 위험을 제거한다.
도시되지는 않았으나, 압력 조절 디바이스(100)는 수동으로, 또는 조정 디바이스들(112A)에 기계적으로 연결되고 압력 센서(들)에 전기적으로 연결되거나 압력 센서(들)을 포함하는 모터로, 다면적 교정 도구(multi-faceted calibration tool)를 사용하여 자동으로 교정될 수 있다는 것이 여기에서 추가로 고려된다. 이러한 교정 도구는 압력 센서(들)를 통해 검출되는 압력들을 계산하고, 그에 따라 실시간으로 하나 이상의 조정 디바이스들(112A)을 자동으로 조정하여 각 스테이지의 최적의 교정 설정을 제공하기 위해 모터를 사용할 수 있다. 대안적으로, 압력 조절 디바이스(100)는 하나 이상의 액세스 채널들(115)에 연결되는 하나 이상의 압력 센서들로부터 처리된 판독값들에 기반하여 각 스테이지에서의 압력 설정들을 조정하기 위해 로컬로 또는 원격으로 액세스될 수 있는 조정 디바이스들(112A)에 연결되는 모터를 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 다른 조립된 압력 조절 디바이스(100)의 내부도를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 압력 조절 디바이스(100)는 상호 연결 채널들(144)에 연결되는 복수의 액세스 채널들(115)을 포함하며, 이로써, 압력을 측정하고 다양한 스테이지들을 교정하는 능력을 제공한다. 또한, 방사상으로 배치되는 압력 조절 밸브들(112)의 내부에서 실질적으로 중앙 위치의 가열 카트리지 엘리먼트(138)(어셈블리 스템(116b) 내에 배치됨)가 도시되어 있다. 증기 가스 샘플은 증기 샘플 입력 포트(108)를 통해 압력 조절 디바이스로 들어가고, 통로(109)를 통해 스테이지1의 압력 조절 밸브(112)로 안내된다. 압력 조절 디바이스가 적절하게 교정되었다고 가정하면, 증기 샘플은 각 스테이지에서 감압을 일으키는 각 압력 조절 밸브(112)를 통해 직렬로 안내되고, 따라서, 출구(110)를 통해 스테이지5의 압력 조절 밸브(112)를 빠져나가는 증기 샘플은 크로마토그래프와 같은 압력-민감 장비에 의한 분석에 적합한 압력을 가질 것이다.
도 4는 조립 시 압력 조절 디바이스(100)를 형성하는 일 예시적인 압력 조절 시스템(101)의 분해도를 도시하고 있다. 압력 조절 시스템(101)은 하나 이상의 압력 조절 밸브들(112), 튜브형의 상부 바디(102), 어셈블리(116) 및 가열 엘리먼트(138)를 포함한다. 압력 조절 밸브들(112) 중 하나 이상은 센스 피스톤(112G)에 대해 센스 피스톤 스프링(112F)에 의해 가해지는 힘을 증가 또는 감소시킬 수 있는 와셔(112E)와 접촉하도록 종단 너트(112B), 스프링 하우징(112C) 및 하우징 씨일(112D)을 통해 나사 결합되는 조정 디바이스(112A)를 포함한다. 밸브 스템 스프링(112M)의 내부에 둘러싸이는 밸브 스템(112L)은 가이드 씨일(112K)을 통해 밀봉되는 밸브 시트(112J)와 밸브 가이드(112I)를 통한 이동을 통해 센스 피스톤 시트(112G)를 향해 반대력을 제공한다. 하나 이상의 압력 조절 밸브들(112)은 튜브형의 상부 바디(102)의 내부에서 축 방향으로 연장되어 튜브형의 상부 바디(102)의 내부 내에 단차-천공된(step-bored) 웰을 제공하는 하나 이상의 오프닝들(146)의 내부에 끼워진다.
일 예에서, 세그먼트(111B)는 방사상으로 천공된 증기 샘플 입력 포트(108) 및 출력 포트(110)(도 1b 참조)의 근처의 바디(102)의 바닥 부분으로부터 천공함으로써, 튜브형의 상부 바디(102)의 내부에 형성된다. 세그먼트(111B)는 세그먼트(111B)의 축 방향 길이를 따라 그 중간점에 대략적으로 테이퍼지도록 형성된다. 오프닝(107)은 튜브형 상부 바디(102)의 상부 평면 표면(106)으로부터 개별적으로 드릴링되어, 세그먼트(111A)를 형성하고 천공된 세그먼트(111B)를 와 연결할 수 있다. 이 예에서, 세그먼트(111A)의 직경이 오프닝(107) 바로 아래에 형성된 세그먼트(111B)의 직경보다 더 크기 때문에, 오프닝(107)은 상부 평면 표면(106)으로부터 형성된다. 세그먼트(111A)가 세그먼트(111B)와 만나는 이 지점에서 어셈블리 씨일이 튜브형의 상부 바디(102)의 내부에 삽입될 때 그 내부에 어셈블리(116)를 밀봉하는 데 사용된다. 이것은, 튜브형의 상부 바디(102)의 중앙의 내부 내에 가열 카트리지 엘리먼트(138)를 유지하고 세그먼트(111B)에 의해 형성된 테이퍼에 대해 스템(116B)를 유지함으로써, 최대 열 전달을 보장한다.
어셈블리(116)는 그 내부에 선택적 가열 카트리지 엘리먼트(138)의 삽입을 제공하기 위해, 어셈블리(116)의 베이스(116A)로부터 어셈블리 스템(116B)의 내부에 천공된 내부 캐비티(136)를 포함한다. 캐비티는 접촉 면적을 증가시키고 바디(102)로의 열 에너지 전달을 향상시키기 위해 원통형이거나 테이퍼질 수 있다. 전기 공급 라인들(134) 및 서모커플(135)은 어셈블리(116) 내로 방사상으로 천공된 컨트롤 출력 포트(129)를 통해 삽입되고, 내부 캐비티(136)를 통해 가열 카트리지 엘리먼트(138)에 연결될 수 있다. 서모커플(135)은 압력 조절 디바이스(100)의 신호 피드백 및 제어를 제공하기 위해, Allen Bradley 850 시리즈 PLC 또는 이와 동등한 컨트롤러와 같은, 비례-미분-적분(proportional-integral-derivative; PID) 컨트롤러 및/또는 프로그램 가능 로직 컨트롤러(programmable logic controller; PLC)(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 가열 카트리지 엘리먼트(138), 전기 공급 라인들(134) 및 서모커플(135)이 어셈블리(116)의 내부에 둘러싸이면, 어셈블리(116)의 베이스(116A) 내로 천공된 오프닝은 내부에서 나사 결합되는 플러그로 폐쇄되어, 폐쇄된 시스템을 제공한다. 안전을 위해, 플러그는 ATEX 표준과 같은 하나 이상의 적용 가능한 표준들을 따르는 방폭형(explosion-proof)일 수 있다.
조립된 압력 조절 디바이스(100)는 제조 비용이 적게 들고 샘플 컨디셔닝 장비 내부의 더 작은 영역들에서의 압력 조절 디바이스(100)의 사용을 가능하게 하는 콤팩트한 설계를 제공한다. 여기에서 기술되는 바와 같이, 압력 조절 디바이스(100)는 측정될 가스의 특정 응용 분야 또는 프로파일에 기반하여 동적으로 조정될 수 있기 때문에, 다양한 상이한 응용 분야들에 대해 사용될 수 있다. 또한, 직렬로 연결되는 방사상으로 위치된 압력 조절 밸브(112)들은 수직으로 설계되는 멀티스테이지 레귤레이터들과 일반적으로 연관되는 중력에 의해 생성되는 문제를 방지한다.
도 5a는 조절 밸브 어셈블리에 대한 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 예컨대, 41300kPa(6000psi)에서 69000kPa(10.000psi)까지의 더 높은 시작 압력들의 샘플들에 대한 유입되는 증기 샘플의 더 큰 감압을 제공한다. 고압 레귤레이터 실시예는 상술된 실시예들로부터 본질적으로 변경되지 않고 유지되는 레귤레이터 하우징(102) 및 베이스(116)를 포함한다. 제3 내지 제5 레귤레이터 밸브들(112)도 마찬가지로 전술된 것으로부터 변경되지 않고 유지된다. 그러나, 적어도 제1 및, 바람직하게는 제2 압력 조절 밸브 어셈블리들(512)은 상이하다. 고압 실시예는 중첩되는 분기되는 센스 피스톤(530) 및 적어도 하나의 더 무거운 센스 피스톤 액추에이터 스프링을 특징으로 한다.
일 실시예의 고압 밸브 어셈블리가 도 5b에 도시되어 있다. 고압 밸브 실시예는, 도시된 바와 같이, 치수적으로 밸브 어셈블리들(112)과 일치하지만, 외부 쉘 실린더(outer shell cylinder)(512Go) 내에 슬라이딩으로 중첩되는 내부 코어 실린더 (엘리먼트)(inner core cylinder element)(512Gi)를 본질적으로 설정하여, 둘 사이의 상대적인 축 방향 이동을 허용하는 2-구성 요소 센스 피스톤(512G)를 포함한다. 실린더 요소들(512Gi 및 512Go)은 증기 누출을 방지하기 위해 그 외부 표면 주위에 배치되는 하나 이상의 밀봉 링들(532)을 포함할 수 있다. 고압 감압 어레인지먼트는 또한 도 4에 도시된 센스 피스톤 아래에 배치된 와셔(112E)를 제거한다. 와셔(112)를 제거하는 것은 더 무거운 아래쪽으로 편향되는 센스 피스톤 액추에이터 스프링, 또는, 바람직하게는, 도 5b에 도시된 바와 같은 이중 스프링 어레인지먼트를 사용할 수 있다. 이중 스프링 구조는 스프링 하우징(512C) 내에 둘 모두 안착되는 외부 스프링(512Fo)의 내부에 중첩되는 내부 스프링(512Fi)을 포함한다. 아래에 배치되는, 적어도 하나의 내부 스프링은 스프링 하우징(512C)의 내부 직경보다 더 작은 직경을 갖는 와셔(530)이다. 일 실시예에서, 내부 스프링(512Fi)은 디스크형 와셔(530)에 직접 충돌하여, 내부 센터 코어 실린더(512Gi)의 직경을 효과적으로 확장하여 내부 스프링(512Fi)으로부터의 하향 스프링력을 집중시킨다. 이 힘은 내부 코어 실린더(512Gi)를 통해 변환되고, 밸브 스템 팁(512L-3)으로 전달된다. 외부 스프링(512Fo)은 센스 피스톤(512G)의 외부 쉘 실린더(512Go)의 상부 표면에 직접 충돌할 수 있다.
다른 실시예에서, 와셔(530)의 직경은 실질적으로 외부 하우징(512C)의 전체 내부 직경을 가로 질러 연장되고, 내부 스프링(512Fi) 및 외부 스프링(512Fo) 둘 모두와 직접 접촉한다. 와셔(530)의 직경이 외부 스프링(512Fo)의 외부 직경에 대응하는 경우, 최대 스프링력은 두 스프링들에 의해 센스 피스톤에 가해진다. 더 작은 직경의 와셔를 사용하는 것은 스프링들과의 감소되는 접촉으로 인해, 와셔에 가해지는 스프링력 압력을 감소시킨다. 이러한 특징은 원하는 감압 조절을 달성하기 위한 더 큰 설계 유연성을 허용한다.
다시 말해, 이러한 어레인지먼트는 스프링들(512Fi 및 512Fo)의 전체 압축 스프링력을 효과적인 압축을 향상시키는 와셔(530)를 통해 더 작은 직경의 내부 코어(512Gi)로 향하게 하고, 아래쪽으로 향하는 힘을 위쪽으로 돌출되는 스템 밸브(512L-3)에 대해 향하게 하며, 여기서, 센스 피스톤의 내부 코어 피스톤 실린더(512Gi)에 접촉하고 가압함으로써 더 높은 시작 압력들에서 효과적인 압력 조절을 제공한다.
구조적으로, 와셔(530)는 스테인리스 스틸 또는 대안적인 강한 강성 재료, 예컨대, 세라믹, 비반응성 금속 합금 등으로 형성되고, 바람직하게는, 스프링 하우징(512) 내에서 와셔(530)를 위치적으로 안정화시키기 위해 내부 코어 피스톤 실린더(512Gi)의 대체로 평면인 상부 표면 위로 돌출되는 돌기(534)를 수용하고 그와 협력하도록 치수가 설정되는 중앙의 오프닝(532) 내에 중심을 둔 수용 노치(receiving notch)를 포함한다.
언급된 바와 같이, 하우징 보어 크기들의 표준화는, 고압 밸브 어셈블리 치수들이 전술된 밸브 어셈블리 실시예들에 대응할 때 달성된다. 그러나, 상황들이 필요한 경우, 필요한 정도의 강화된 압력 조절을 달성하기 위해, 필요할 때 더 큰 크기의 고압 조절 밸브 어셈블리들을 수용하기 위해, 처음 두 개의 밸브 수용 리세스드 오프닝들의 보어 크기들이 확대될 수 있다.
해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 상술된 추가적인 또는 대안적인 세부 사항들 중 일부를 포함하는 디바이스 또는 방법이 아래의 청구범위 및 그의 임의의 등가물에 기반하여 결정되는 바와 같은 본 발명의 범위에 속한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 다섯 개의 액세스 채널들(115), 다섯 개의 오프닝들(146) 및 다섯 개의 대응하는 압력 조절 밸브들(112)이 도시되어 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에 의해 이해되는 바와 같이 더 적거나 더 많은 이러한 특징들이 상이한 구성들을 제공하도록 구현될 수 있다는 것이 여기에서 고려된다. 또한, 여기에서 기술되는 일 예시적인 구현에서, 증기 가스 샘플은 액체 샘플을 증기 형태로 기화시키는 베이퍼라이저 디바이스의 출력으로부터 수용된다. 그러나, 압력 조절 디바이스(100)는 천연 가스로부터 또는 가스 샘플 컨디셔닝 시스템 내부의 업스트림 또는 다운스트림의 다른 지점들에 있는 다른 유형들의 장비로부터 직접 수용되는 증기 가스 샘플을 조절하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태들, 목적들 및 이점들은 주어진 도면 및 본 개시에 의해 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 명백해야 한다.
본 발명은 가스 샘플 압력 조절 시스템을 통과하는 증기 가스의 압력을 감소시키기 위한 디바이스 및 관련 방법을 사용하여 천연 가스 샘플링과 함께 사용하기에 특히 적합한 멀티스테이지 압력 조절 시스템을 제공하는 데 유용하다. 여기서, 시스템 및 방법은 언벤티드 어레이에 배치되는 일련의 교정 가능한 압력 조절 밸브 어셈블리들에 의존하며, 여기서, 각 어셈블리는 다운스트림 분석기로의 전달을 위해 미리 설정되는 감소된 압력으로 기화된 가스 샘플을 출력하기 위해, 통과 중에 이슬점 드롭아웃을 방지하면서, 입력된 증기 샘플의 압력을 선택되는 감소되는 압력으로 감소시키도록 구성된다.

Claims (20)

  1. 증기 샘플(vapor sample)의 단계적 감압(stepped depressurization)을 위한 압력 조절 시스템에 있어서,
    하우징(housing);
    상기 하우징의 중심 축을 따라 길이 방향으로(longitudinally) 배치되는 코어(core);
    상기 하우징의 내부에 일체로 형성된 증기 샘플 통로와 연결되는 증기 샘플 입력 포트;
    상기 하우징의 상부 표면 상의 복수의 언벤티드 오프닝들(unvented openings) - 각 언벤티드 오프닝은 상기 코어의 주위에서 주변에 배치되고 상기 언벤티드 오프닝들 중 적어도 하나의 다른 언벤티드 오프닝에 인접하고, 상기 언벤티드 오프닝들의 각각은 선택된 단면 치수를 갖고 상기 하우징의 신장 방향(direction of elongation)으로 연장되며, 상기 언벤티드 오프닝들의 각각은 상기 하우징에 일체로 형성된 상호 연결 채널(interconnect channel)에 의해 연결되고 상기 언벤티드 오프닝들 중에서 인접한 언벤티드 오프닝에 연결됨 -;
    복수의 압력 조절 밸브들 - 상기 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 언벤티드 오프닝의 상기 선택된 단면 치수에 대응하는 단면 치수를 갖고, 상기 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 상기 연결된 상호 연결 채널을 통해 선택된 조절 압력(regulated pressure)으로 인접한 다운스트림 압력 조절 밸브로 증기 샘플을 통과시키기 위해 비압 조절 모드(non-pressure regulating mode)와 압력 조절 모드(pressure regulating mode)의 사이에서 전환 가능하며, 여기서, 상기 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 감압 스테이지(pressure reducing stage)를 형성하고 밸브 스템(valve stem), 센스 피스톤(sense piston), 및 센스 피스톤 액추에이터를 포함함 -;
    상기 복수의 압력 조절 밸브들에 직렬로 연결된 최하류의 다운스트림 압력 조절 밸브; 및
    상기 최하류의 다운스트림 압력 조절 밸브에 연결된 증기 샘플 출력 포트
    를 포함하고,
    상기 하우징은 베이스(base) 및 상기 베이스와 수직으로 배치되고 그로부터 축 방향으로 연장되는 스템을 갖는 어셈블리(assembly)
    를 포함하고,
    상기 스템은 상기 코어의 치수들과 일치하도록 형성되고 상기 베이스의 중앙 부분으로부터 축 방향으로 연장되며,
    상기 압력 조절 시스템은 상기 복수의 압력 조절 밸브들을 통과하는 증기 샘플을 가열하도록 구성되는 상기 스템의 내부에 배치되는 가열 카트리지 엘리먼트를 더 포함하는,
    압력 조절 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    적어도 하나의 압력 조절 밸브는 각각의 압력 조절 밸브에 의해 상기 감압 스테이지에서 적용되는 감압량을 조정 가능하게 설정하도록 구성되는 조정 디바이스를 포함하는,
    압력 조절 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    각 감압 스테이지의 상기 센스 피스톤은 상기 센스 피스톤 액추에이터 및 상기 밸브 스템의 배치에 기반하여, 상기 압력 조절 모드에서, 개방 조절 위치에 있도록 구성되고, 상기 비압 조절 모드에서, 폐쇄 위치에 있도록 구성되는,
    압력 조절 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 밸브 스템 및 센스 피스톤 액추에이터의 배치는 상기 증기 샘플의 압력 및 상기 압력 조절 밸브의 감압 설정을 기반으로 하는,
    압력 조절 시스템.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 언벤티드 오프닝들은 나사형이고(threaded),
    각 조정 디바이스는 상기 하우징에 대해 축 방향으로(axially) 이동하도록 나사형인,
    압력 조절 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 센스 피스톤이 상기 개방 조절 위치에 있을 때, 각 압력 조절 밸브는 각각의 압력 조절 밸브로부터 상기 증기 샘플을 통과시키기 위한 밸브 스템 채널을 갖고,
    상기 센스 피스톤이 상기 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 밸브 스템 채널은 상기 압력 조절 밸브를 통한 상기 증기 샘플의 통과를 방지하기 위해 차단되는,
    압력 조절 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 복수의 언벤티드 오프닝들의 주위에 방사상으로(radially) 배치되는 개봉 가능(unsealable) 압력 교정(calibration) 포트들을 더 포함하고,
    각 개봉 가능 압력 교정 포트는 각각의 압력 조절 밸브에 대응하고 압력의 측정을 허용하도록 구성되는,
    압력 조절 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 개봉 가능 압력 교정 포트들의 각각은 각각의 상호 연결 채널과 연결되는,
    압력 조절 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 개봉 가능 압력 교정 포트들 중 적어도 하나는 각각의 상호 연결 채널의 상기 증기 샘플의 압력을 표시하도록 구성되는 압력 게이지(pressure gauge)를 포함하는,
    압력 조절 시스템.
  12. 제3 항에 있어서,
    상기 조정 디바이스는 전기 기계적으로(electromechanically) 작동되고, 개봉 가능 압력 교정 포트, 및 선택된 감압 스테이지에서 상기 증기 샘플의 압력을 조정하기 위해 상기 조정 디바이스에 전자 신호를 제공하도록 구성되는 전자 압력 센서를 더 포함하는,
    압력 조절 시스템.
  13. 증기 샘플(vapor sample)의 단계적 감압(stepped depressurization)을 위한 압력 조절 시스템에 있어서,
    하우징(housing);
    상기 하우징의 중심 축을 따라 길이 방향으로(longitudinally) 배치되는 코어(core);
    상기 하우징의 내부에 일체로 형성된 증기 샘플 통로와 연결되는 증기 샘플 입력 포트;
    상기 하우징의 상부 표면 상의 복수의 언벤티드 오프닝들(unvented openings) - 각 언벤티드 오프닝은 상기 코어의 주위에서 주변에 배치되고 상기 언벤티드 오프닝들 중 적어도 하나의 다른 언벤티드 오프닝에 인접하고, 상기 언벤티드 오프닝들의 각각은 선택된 단면 치수를 갖고 상기 하우징의 신장 방향(direction of elongation)으로 연장되며, 상기 언벤티드 오프닝들의 각각은 상기 하우징에 일체로 형성된 상호 연결 채널(interconnect channel)에 의해 연결되고 상기 언벤티드 오프닝들 중에서 인접한 언벤티드 오프닝에 연결됨 -;
    복수의 압력 조절 밸브들 - 상기 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 언벤티드 오프닝의 상기 선택된 단면 치수에 대응하는 단면 치수를 갖고, 상기 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 상기 연결된 상호 연결 채널을 통해 선택된 조절 압력(regulated pressure)으로 인접한 다운스트림 압력 조절 밸브로 증기 샘플을 통과시키기 위해 비압 조절 모드(non-pressure regulating mode)와 압력 조절 모드(pressure regulating mode)의 사이에서 전환 가능하며, 여기서, 상기 복수의 압력 조절 밸브들의 각각은 감압 스테이지(pressure reducing stage)를 형성하고 밸브 스템(valve stem), 센스 피스톤(sense piston), 및 센스 피스톤 액추에이터를 포함하고, 상기 복수의 압력 조절 밸브들 중 적어도 하나는 다른 압력 조절 밸브보다 상대적으로 고압을 조절하기 위한 고압 조절 밸브 어셈블리임 -;
    상기 복수의 압력 조절 밸브들에 직렬로 연결된 최하류의 다운스트림 압력 조절 밸브; 및
    상기 최하류의 다운스트림 압력 조절 밸브에 연결된 증기 샘플 출력 포트
    를 포함하고,
    상기 고압 조절 밸브 어셈블리는 한 쌍의 중첩되는(nested) 센스 피스톤 액추에이터 압축 스프링들, 외부 센스 피스톤 및 상기 외부 센스 피스톤에 대해 축 방향으로 슬라이딩 가능한 중첩되는 내부 피스톤을 갖는 분기되는(bifurcated) 센스 피스톤 어레인지먼트(arrangement), 상기 중첩되는 센스 피스톤 액추에이터 압축 스프링들과 상기 분기되는 센스 피스톤 어레인지먼트의 사이에 배치되는 센스 피스톤 액추에이터 컨택 디스크(contact disc)를 포함하고,
    상기 센스 피스톤 액추에이터 컨택 디스크는 상기 증기 샘플의 압력 감소를 제공하기 위해 상기 중첩되는 센스 피스톤 액추에이터 압축 스프링들 중 적어도 하나에 의한 스프링력을 집중시키기 위해 상기 밸브 스템과 접촉하는,
    압력 조절 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 고압 조절 밸브 어셈블리는 다른 조절 밸브 어셈블리들에 대응하는 치수들을 보유하는,
    압력 조절 시스템.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 복수의 언벤티드 오프닝들로서 다섯 개의 언벤티드 오프닝들을 포함하고,
    상기 언벤티드 오프닝들 중 제1 밸브 오프닝은 상기 증기 샘플 입력 포트에 연결되는 상기 증기 샘플 통로와 연결되며,
    상기 복수의 압력 조절 밸브들 중 상기 제1 밸브 오프닝에 대응하는 압력 조절 밸브는 상기 고압 조절 밸브 어셈블리인,
    압력 조절 시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 천연 가스 증기 샘플의 감압을 위한 압력 조절 시스템에 있어서,
    제1 표면 및 제2 반대 표면, 및 증기 샘플 입력 포트 및 증기 샘플 출력 포트를 포함하는 주변(perimetric) 표면을 갖는 레귤레이터 바디(regulator body), 상기 레귤레이터 바디의 온도를 조절하기 위한 열 제어 수단;
    상기 주변 표면에 근접한 상기 제1 표면의 주위에 배치되는 복수의 언벤티드 오프닝들 - 상기 복수의 언벤티드 오프닝들의 각각은 선택된 단면 치수를 갖고 상기 제1 표면 및 상기 제2 반대 표면의 사이에서 연장되고, 상기 언벤티드 오프닝들의 각각은 상기 레귤레이터 바디에 일체로 형성된 상호 연결 채널에 의해 연결되고 상기 복수의 언벤티드 오프닝들 중에서 인접한 언벤티드 오프닝에 연결됨 -; 및
    상기 증기 샘플을 증기 상태로 유지하면서 상기 증기 샘플의 직렬의(serial), 단계식 감압을 위한 수단을 설정하기 위해, 상기 증기 샘플의 증기 압력을 미리 설정된 최대값으로 조절하기 위해 치수가 설정되고, 상기 상호 연결 채널을 통해 인접한 밸브 어셈블리 수단으로 통과하는 미리 설정된 범위 밖의 압력에서 증기 샘플의 통과를 방지하는 조정 가능한 압력 조절을 위한 조정 가능한 밸브 어셈블리 수단
    을 포함하고,
    상기 레귤레이터 바디는 베이스(base) 및 상기 베이스와 수직으로 배치되고 그로부터 축 방향으로 연장되는 스템을 갖는 어셈블리(assembly)
    를 포함하고,
    상기 스템은 상기 레귤레이터 바디의 중심 축을 따라 길이 방향으로(longitudinally) 배치되는 코어의 치수들과 일치하도록 형성되고 상기 베이스의 중앙 부분으로부터 축 방향으로 연장되며,
    상기 열 제어 수단은 상기 밸브 어셈블리 수단을 통과하는 증기 샘플을 가열하도록 구성되는 상기 스템의 내부에 배치되는 가열 카트리지 엘리먼트를 포함하는,
    천연 가스 증기 샘플의 감압을 위한 압력 조절 시스템.
  20. 삭제
KR1020227011211A 2019-09-23 2020-09-21 조정 가능한 멀티스테이지 감압 레귤레이터 KR102677689B1 (ko)

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