KR102356133B1 - 편심 스크류 펌프에서의 갭 기하학적 형상의 제어 - Google Patents

편심 스크류 펌프에서의 갭 기하학적 형상의 제어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체가 로딩된 액체를 이송하기 위한 프로그레시브 캐비티 펌프(progressive cavity pump)(1)에 관한 것이며, 상기 펌프는 나선형 회전자(4), 입구(10)와 출구(12)를 갖고, 상기 회전자(4)에 대응하는 나선형 내벽(8)을 포함하는 고정자(2) - 상기 회전자(4)는 상기 고정자(2)의 종축(L1)을 중심으로 회전 가능하게 배치됨 - 를 가지며, 상기 회전자(4)는 상기 출구(12) 또는 상기 입구(10)를 향하여 점점 가늘어지는(tapering down), 바람직하게는 원추형 및/또는 가변 편심(e1, e2) 형상을 포함하고, 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)는, 서로에 관하여 배치되고 적어도 하나의 챔버(5)가 액체를 이송하도록 형성되며, 상기 챔버(5)는 협착부(constriction)(7), 특히 밀봉 라인(D)에 의해 막히도록(cut off) 구현된다. 본 발명은 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)의 상대적인 축방향 위치를 조절하기 위한 조절 장치를 특징으로 하고, 상기 조절 장치(39)는 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 상기 협착부(7)를 확대시키도록 구현된다.

Description

편심 스크류 펌프에서의 갭 기하학적 형상의 제어
본 발명은 고체가 로딩된 액체를 이송하기 위한 프로그레시브 캐비티 펌프에 관한 것이며, 상기 프로그레시브 캐비티 펌프는 나선형 회전자 및 입구와 출구를 갖고, 상기 회전자에 대응하는 나선형 내벽을 포함하는 고정자 - 상기 회전자는 상기 고정자의 종축을 기준으로 회전 가능하게 배치됨 - 를 가지며, 상기 회전자는 상기 출구 또는 상기 입구를 향하여 점점 가늘어지는(tapering down) 형상, 바람직하게는 원추형 및/또는 가변 편심을 포함하고, 상기 회전자와 상기 고정자는, 서로에 관하여 배치되고 적어도 하나의 챔버가 액체를 이송하도록 형성되며, 상기 챔버는 협착부(constriction), 특히 밀봉 라인에 의해 막힌다. 또한 본 발명은 이러한 프로그레시브 캐비티 펌프를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
상기에 나타낸 유형의 프로그레시브 캐비티 펌프는 수년간 알려졌었으며, 특히 고체, 연마액 또는 일반 액체가 로딩된 액체를 부드럽게 이송하고 계량하는데 사용된다. 상기 펌프는 고정자의 대응하는 이중 또는 다중 시작 챔버에 배치된 단일 또는 다중 시작 나선형 회전자를 사용하고 그 내부에서 회전한다. 프로그레시브 캐비티 펌프의 스크류는 스크류 회전축을 중심으로 회전하고, 그에 따라 통상적으로 평행한 종방향 고정자 축을 중심으로 회전하여 스크류의 회전 운동을 야기하고, 원형 경로를 따라 편심으로 안내되며, 이로부터 "편심"이라는 기재는 프로그레시브 캐비티 펌프를 위해 파생되었다. 이에 따라 프로그레시브 캐비티 펌프의 스크류는 구동 모터와 회전자 사이의 각 단부에 카르단 조인트(Cardan joint)를 갖는 샤프트에 의해 형성된 편심 샤프트에 의해 종종 구동된다. 이에 따라 회전자의 외부 프로파일 및 고정자의 내부 프로파일을 설계함으로써, 수축 결과, 특히 적어도 하나의 챔버, 바람직하게는 복수의 챔버의 개별 챔버로부터 서로 밀봉되는 밀봉 라인이 형성된다. 회전자와 고정자는 서로 직접 접촉하여 밀봉 라인을 형성할 수 있거나, 협착부에서 챔버를 분리하는 밀봉 갭을 가질 수 있다. 이에 의해, 회전자는 전형적으로 단일 나선으로서 그리고 고정자는 두 배의 피치를 갖는 이중 나선으로서 구현되어, 개별 챔버의 밀봉을 초래한다.
원추형 스크류 및 원추형 압력 쉘을 포함하는 스크류 펌프가 DE 2632716으로부터 알려졌다. 상기 실시예에서, 스크류는 약 30° 원추 각의 원추형을 가지며, 이에 의해 이송 압력의 증가가 짧은 스크류 길이 동안 달성되도록 의도된다. 스크류 및 압력 쉘은 압력 쉘이 슬리브에서 축방향으로 변위 가능하게 안내되기 때문에 서로에 대해 축방향으로 조절 가능하다. 이에 의해, 압력 쉘이 펌프 내의 압력 쉘의 링 구성 요소에 대한 액체 압력의 영향하에 시프트된다는 점에서 압력이 일정하게 유지되도록 의도된다. 그러나, 체계적으로, 출구에서의 압력 증가는 수직 변위를 야기할 수 있고 따라서 스크류에 대한 압력 쉘의 가압을 야기할 수 있다. 상기 공지된 시스템의 또 다른 단점은 상기 시스템의 목적이 원추형 펌프 갭의 이송 방향에서 단면적의 감소에 의해 발생된 증가된 압력의 불변성만을 위해 설계되었으며, 다른 영향을 미치는 파라미터들에 따라 어떠한 축방향 이동도 허용하지 않는다는 것이다.
또한, 고정자와 회전자를 포함하는 스크류 펌프가 AT223042로부터 알려져있다. 회전자와 출력 샤프트 사이에 삽입된 스레드형 슬리브에 의해, 상기 스크류 펌프의 회전자는 고정자에 대해 축방향으로 조절될 수 있으며, 그것에 의해, 사용자는 펌프가 정지된 동안 핸드 홀을 통해 공구에 의해 슬리브를 수동으로 회전시킨다. 이에 의해, 고정자 및/또는 회전자의 마모 또는 고정자의 팽창에 의해 발생하는 고정자와 회전자 사이의 시징(seizing) 및 과도한 클리어런스가 보상될 수 있다.
프로그레시브 캐비티 펌프는 DE 102015112248A1에 공지되어 있으며, 여기서 회전자와 고정자 사이의 갭 형상은 고정자의 프리텐션을 조절함으로써 변경될 수 있다. 프리텐션을 증가시키면 엘라스토머 성분으로 구현된 고정자의 압축이 발생하여 갭 형상을 줄일 수 있다. 그러나, 상기 프로그레시브 캐비티 펌프의 단점은 고정자의 엘라스토머 두께가 그 기하학적 구조로 인해 원주 방향과 길이 방향으로 변하기 때문에, 인장력이 증가하면 불균일한 탄성 변형이 초래된다는 것이다. 따라서, 프로그레시브 캐비티 펌프의 신뢰성있는 작동이 보장되지 않으며 상기 조절과 관련된 불균일한 갭 구조에 의해 국부적으로 증가된 마모가 야기될 수 있다.
원추형 프로그레시브 캐비티 펌프는 또한 프로그레시브 캐비티 펌프로 알려져 있는데, 이는 마모시 고정자에 대한 회전자의 간단한 조립 및 조절을 가능하게 한다. 그러한 프로그레시브 캐비티 펌프는 예를 들어 WO 2010/100134 A2로부터 알려져있다. 상기 문헌은 개별 챔버가 모두 동일한 체적을 갖도록 구현된, 마모 방지 또는 보상을 위한 원추형 회전자를 갖는 프로그레시브 캐비티 펌프를 제안한다. 작동 중에 마모, 특히 캐비테이션(cavitation)으로 알려진 마모가 발생하면, 챔버 체적이 크기에 있어서 다시 동일해지고 밀봉이 성취되도록 고정자에 대하여 회전자를 축방향으로 이동시키는 것이 가능하다.
상기 알려진 해결책의 단점은 상기 해결책이 회전자를 이동시킴으로써 고정자의 기존 마모만을 보상할 수 있다는 것이다. 종래 기술로부터 알려진 스크류 펌프 및 프로그레시브 캐비티 펌프는 마모의 발생을 방지할 수 없다.
그러므로, 본 발명의 목적은 기존의 마모를 보상할 뿐만 아니라 마모의 발생을 감소시켜서, 프로그레시브 캐비티 펌프의 서비스 수명을 증가시키고 유지 보수 노력을 줄이기 위한, 상기 기재된 유형의 프로그레시브 캐비티 펌프를 개시하는 것이다.
상기 목적은, 상기 펌프가 회전자의 상대적인 축방향 위치를 조절하기 위한 조절 장치 및 회전자와 고정자 사이에서 갭 기하학적 형상을 최적화하기 위하여 구현된 고정자를 갖는 것, 상기 장치가 회전자와 고정자 사이에서 협착부를 확대시키기 위하여 셋업되는 것에 있어서 상기 기재된 타입의 프로그레시브 캐비티 펌프에 의해 성취된다.
본 발명은 챔버(들)를 분리하는 협착부의 기하학적 형상이 밀봉을 충분히 구현하기 위해 중요하므로 펌핑이 가능하고, 프로그레시브 캐비티 펌프의 작동 중에 마찰이 발생하며, 그렇게 함으로써, 개별 부품, 특히 회전자와 고정자가 가열되어 재료 팽창으로 인해 회전자와 고정자 사이의 프리텐션이 증가하거나 협착부가 매우 작아진다는 통찰을 기반으로 한다. 증가된 프리텐션은 추가 마모로 이어진다.
본 발명은 작동 중에 협착부가 확대되어 갭 기하학적 형상이 작동 조건에 맞추어 최적화될 수 있으면 모든 마모가 방지되거나 감소될 수 있음을 인지한다. 따라서, 본 발명은 회전자와 고정자 사이의 협착부를 확대시키도록 구현된 조절 장치를 제안한다. 협착부가 더 확대되면, 더 낮은 인장력에서 접촉하거나 접촉이 없고, 이에 따라 회전자와 고정자 사이의 마찰이 줄어들어 마모가 감소한다. 액체를 펌핑 할 때 추가적인 냉각 효과가 발생하여 프리텐션이 감소할 때 부품이 다시 냉각될 수 있다. 이에 의해, 예를 들어, 건식 상태에서 마찰을 낮게 유지하기 위해 프로그레시브 캐비티 펌프를 시동할 때 더 큰 갭을 조절할 수도 있다. 체적 효율 및 마찰 손실을 고려하여 최적의 전체 효율로 조절함으로써 프로그레시브 캐비티 펌프를 에너지 절약 방식으로 작동시킬 수도 있다. 그러나 협착부을 약간 확대하는 것은 전단에 민감한 매체에 유리하다. 따라서, 프로그레시브 캐비티 펌프는 본 발명에 따라 이송되는 매체로 조절될 수 있다.
회전자는 출구 또는 입구를 향하여 테이퍼링되는 형상을 포함한다. 형상은 회전자를 둘러싸는 엔벨로프에 의해 결정된다. 형상은 바람직하게는 원추형이다. 따라서, 회전자는 출구 또는 입구 방향으로 직경이 작아진다. 회전자는 바람직하게는 선형으로 테이퍼링된다. 그러나, 회전자는 2도, 3도 또는 4도 함수(2nd, 3rd, or 4th degree function)과 같은 규정된 함수(function)에 따라 테이퍼링 형상을 포함하는 것이 바람직하다. 그런 다음 직경이 점진적으로 또는 체감적으로 줄어든다. 회전자의 하중에 따라 과도한 마모를 방지하는 이점이 있다. 회전자가 입구 또는 출구쪽으로 테이퍼링되는지 여부의 선택은 특히 구조적 경계 조건에 따라 달라지며 조립 유형에 따라 선택되어야 한다. 테이퍼의 방향은 회전자가 고정자에 삽입되는 방향을 결정한다.
대안적으로 또는 추가로, 회전자는 입구 또는 출구 방향으로 변하는 편심을 포함한다. 편심은 바람직하게는 선형적으로 변화하고, 즉 선형적으로 증가 또는 감소한다. 그러나, 회전자는 2도, 3도 또는 4도 함수와 같은 규정된 함수에 따라 편심을 포함하는 것이 바람직하다. 편심은 점진적으로 또는 체감적으로 감소된다.
두 경우 모두, 고정자는 회전자에 적합하고 결과적으로 대응하는 내부 윤곽을 포함한다.
이송 방향으로의 회전자의 테이퍼링 및/또는 편심의 변화는 너무 작아서 바람직하지 않은 압력의 증가를 방지하기 위해 이송 방향으로의 갭 단면에서의 현저한 감소가 발생하지 않는 것이 기본적으로 바람직하다. 이는, 예를 들어, 테이퍼링이 양측의 종방향 섹션에서 엔벨로프 단부를 중심으로 하는 2개의 선이 20° 미만, 바람직하게는 10° 미만 그리고 특히 5° 미만의 서로에 대한 원추 각도를 형성하도록 선택되어 달성될 수 있다. 테이퍼링에 의해 야기되는 고정자의 출구에서의 갭 단면적과 테이퍼링에 이해 야기되는 고정자의 입구에서의 갭 단면적 사이의 면적의 차이가 고정자의 입구에서의 갭 단면적의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만인 것이 특히 바람직하다.
일정한 직경에서 변화하는 편심에 대해, 축방향 이동에 의해 협착부을 확대하는 것도 가능하다. 따라서 작은 편심을 갖는 회전자의 세그먼트는 큰 편심을 갖는 고정자의 세그먼트로 만들어 질 수 있고, 이에 의해 협착부가 확대된다. 테이퍼링 회전자와 변화하는 편심을 갖는 회전자의 조합이 또한 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 조절 장치는 회전자와 고정자 사이에 누설 갭이 구현될 정도로 회전자와 고정자 사이의 협착부를 확대시키도록 셋업된다. 이 경우에, 협착부는 회전자와 고정자 사이의 접촉에 의해서가 아니라 약간의 갭, 누설 갭에 의해 형성되지만 그럼에도 불구하고 일정한 밀봉을 제공한다. 이 경우, 이송 속도는 실제로 감소되지만, 회전자와 고정자 사이의 물리적 접촉의 부족 및 상기 구성요소 사이의 액막으로 인해 추가적인 냉각이 발생하며 마모가 더 감소된다. 이러한 누설 갭은 작동 중에 연속적으로 존재하지 않고, 예외적인 로딩 동안 또는 이후에만 설정되는 것이 규정될 수 있다.
조절 장치는 하나 이상의 미리 결정된 작동 파라미터에 따라 협착부의 확대를 수행하도록 설정되는 것이 더 바람직하다. 예를 들어, 협착부의 확대는 특정 작동 기간 후에 자동으로 조절되는 것을 고려할 수 있다. 구동 모터의 전력 소비가 측정되고 전력 소비가 증가할 때 협착부가 확대되는 것도 고려할 수 있다. 협착부의 확대는 바람직하게는 복수의 작동 파라미터에 따라 발생한다. 실제로 하나의 단일 작동 파라미터만을 사용하는 것이 또한 고려될 수 있지만, 복수의 작동 파라미터를 사용함으로써 마모가 보다 효과적으로 감소될 수 있다.
작동 파라미터 중 하나, 고정자 및/또는 회전자의 온도가 특히 선호된다. 고정자의 온도는 바람직하게 측정된다. 이를 위해, 프로그레시브 캐비티 펌프는 고정자 내에 또는 고정자 상에 배치되고 고정자의 온도를 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함하는 것이 바람직하다. 온도는 특히 마모를 특히 효과적으로 감소시킬 수 있도록 복수의 위치에서 측정되는 것이 바람직하다. 협착부의 연속 확대는 온도에 따라 바람직하게 일어난다. 대안적으로, 하나 이상의 스레스홀드 값이 미리 결정되고, 하나 이상의 스레스홀드 값을 초과하면 협착부의 단계적 확대가 수행된다.
동작 파라미터들 중 하나, 바람직하게는 추가의 파라미터는 이송된 체적의 액체이다. 이송된 액체 체적은 바람직하게는 회전당 액체 체적이다. 회전당 액체의 이송된 체적이 감소하면, 이는 더 많은 가스 또는 공기가 이송되고 있음을 의미한다. 가스 또는 공기가 이송될 때, 매체가 프로그레시브 캐비티 펌프에 미치는 냉각 효과는 액체를 이송할 때보다 적다. 따라서 이 경우 마모를 방지하기 위해 협착부를 확대시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 유량계가 고정자의 입구 또는 출구에 배치되는 것도 고려될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 작동 파라미터들 중 하나는 고정자의 입구에서의 액체 레벨이다. 액체 센서 또는 복수의 액체 센서가 여기에 바람직하게 제공된다. 스레스홀드 값으로서 특정 충전 레벨만을 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 대안적으로, 고정자 입구에서 충전 레벨을 연속적으로 측정하는 것이 또한 바람직하다. 고정자 유입구에서 액체 레벨이 낮으면, 프로그레시브 캐비티 펌프가 건조될 가능성이 더 커지고, 이에 따라 마찰이 또한 커지고 프로그레시브 캐비티 펌프의 냉각이 더 낮아진다. 이것은 급속 가열로 이어지고 협착부가 더 축소되고(contract) 프리텐션이 증가할 수 있는 재료 팽창으로 이어진다. 따라서, 고정자의 입구에서 낮은 액체 레벨이 측정되는 경우, 회전자와 고정자의 협착부가 확대되는 것이 바람직하다.
다른 가능한 파라미터는 출구에서의 압력이다. 상기 파라미터가 동일하게 유지되거나 감소하고 동시에 토크가 증가하는 경우, 이는 회전자와 고정자 사이의 증가된 마찰의 지표이고 따라서 고정자 재료의 팽창의 지표이다. 그러한 경우에, 갭 기하학적 형상을 수정된 경계 조건에 적응시키기 위해 협착부를 확대시키는 것이 또한 바람직하다.
다른 바람직한 실시예에서, 고정자는 축방향으로 변위 가능하게 지지되며, 조절 장치는 회전자와 고정자 사이의 협착부를 적어도 부분적으로 확대시키기 위해 고정자를 축방향으로 변위시키도록 설정된다. 회전자는 전형적으로 구동 장치에 연결되고 고정자는 회전 방향으로 고정되어 지지된다. 마모의 경우 일반적으로 고정자가 회전자보다 부드러운 재질로 만들어지므로 고정자를 먼저 교체해야 한다. 이러한 이유로 고정자는 쉽게 교체 가능하게 배치되어야 하므로, 본 실시예에서는 고정자가 축방향으로 변위 가능하도록 지지하여 회전자와 고정자 사이에서 협착부를 적어도 부분적으로 확대시키는 것이 제안된다. 이를 위해, 조절 장치는 고정자를 이동시키기 위해 고정자에 결합되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 조절 장치는 이러한 이유로 제공된 고정자의 드라이브에 연결될 수 있다. 고정자의 이러한 드라이브는 바람직한 실시예에서 유압 드라이브, 랙 앤 피니언 드라이브, 체인 드라이브, 스핀들 드라이브 등으로 구현된다. 고정자의 구동은 고정자의 축방향 위치가 유지될 수 있도록 구현되는 것이 바람직하다. 이는 바람직하게는 고정자의 구동이 설계 상 자체 차단이라는 점에서 구현된다.
다른 바람직한 실시예에서, 회전자는 축방향으로 변위 가능하게 지지되며, 조절 장치는 회전자와 고정자 사이의 협착부를 적어도 부분적으로 확대시키기 위해 회전자를 축방향으로 변위 시키도록 셋업된다. 두 변위의 조합이 가능하고 바람직하며, 즉 회전자와 고정자 모두 축방향으로 변위된다는 것을 이해해야 한다. 이에 의해, 변위의 절대 거리를 작게 유지하는 것이 가능하다.
변형에서, 구동 모터 및 구동 샤프트를 포함하는 회전자의 구동 트레인은 회전자와 함께 변위 가능하다. 회전자는 전형적으로 샤프트를 통해 일반적으로 전기 모터로 구현되는 구동 모터에 연결된다. 회전자가 고정자의 중심축을 중심으로 편심 회전하기 때문에, 즉 그 중심축은 고정자의 중심축을 중심으로 하는 원형 경로를 나타내며, 이러한 구동 샤프트는 전형적으로 적어도 하나의 카르단 조인트 또는 유연한 로드를 포함하여 편심 토크 전달을 허용한다. 본 실시예에서, 구동 트레인의 일부인 구동 모터 및 구동 샤프트는 회전자와 함께 변위되도록 지지된다. 이에 의해 구동 트레인의 설계가 단순화되고, 예를 들어 고정자에 대해 전술한 바와 같이 이러한 이유로 제공된 드라이브를 갖는 구동 모터를 위한 선형 베어링이 제공된다.
전술한 변형에 더하여 구현가능한 다른 변형에서, 회전자와 구동 샤프트는 함께 구동 모터에 대해 변위 가능하다. 본 변형 예에서, 구동 샤프트와 구동 모터 사이에 기어 박스가 배치되어 구동 샤프트의 축방향 변위를 허용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기어 박스의 기어는 축방향 변위가 가능하도록 구현된다. 본 변형 예에서, 구동 모터의 배치는 단순화되는 반면, 기어 박스의 설계는 전술한 실시예보다 더 어렵다. 이에 의해 추가의 장점은 변위 가능한 구성 요소의 질량이 더 낮다는 것이다. 구동 모터를 별도로 지지하는 것이 또한 가능하다.
일 변형에서, 또는 이에 추가로, 구동 샤프트는 적어도 2개의 부분을 가지며 회전자를 축방향으로 변위시키기 위해 구동 샤프트를 신장 및 단축시킬 수 있는 팽창 부재를 포함한다. 본 실시예의 구동 샤프트는 설계상으로 텔레스코핑(telescoping)할 수 있고, 자동으로 연장을 수행할 수 있거나, 회전자를 대체하기 위한 별도의 드라이브가 회전자를 위해 제공된다. 예를 들어, 유압 구동식 팽창 부재가 구동 샤프트에 배치되고 유압을 가함으로써 축방향 조절이 가능하다는 것이 고려될 수 있다. 유압식 팽창 부재에 대한 대안으로서, 예를 들어 스핀들 구동의 의미에서 기계적으로 작동하는 팽창 부재가 제공될 수도 있다.
대안적으로 또는 추가로, 별도의 구동 유닛이 회전자를 위해 제공되고 팽창 부재가 수동적이며 변위를 허용하는 동안 회전자를 축방향으로 변위시킨다. 이에 의해 설계가 더욱 단순화된다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 고정자의 종축은 작동 중에 실질적으로 수직 또는 직립으로 배향되고 고정자의 출구는 상단에 배치된다. 이것으로부터 추가 장점이 발생한다. 일 장점은 회전자와 고정자 사이의 협착부 또는 프리텐션이 회전자의 추가 중량에 의해 하부 고정자 영역에서 수축되거나 증가되지 않는다는 것이다. 갭 기하학적 구조가 누설 갭의 정도로 변경될 때, 액체는 입구 방향으로 하향 유동하여 추가적인 냉각 효과가 달성된다는 추가 이점이 발생한다. 액체뿐만 아니라 기체가 또한 이송되는 경우, 액체가 접촉점의 영역, 즉 밀봉 라인의 영역에 지속적으로 존재하고 따라서 밀봉 라인의 냉각은 많은 비중의 가스를 이송할 때도 보장되는 것이 본 변형에서 특히 유리하다. 이에 의해, 가열 및 마찰 및 프리텐션의 증가, 또는 협착부의 과도한 축소가 방지된다. 이로 인해 마모가 더 방지된다. 수직 배열은 공간을 추가로 절약하고 프로그레시브 캐비티 펌프는 기존 시스템에 특히 쉽게 설치할 수 있다. 협착부가 확대될 수 있도록 수직 배열이 가능하다.
다른 바람직한 실시예에서, 고정자는 적어도 내벽 영역에서 유연한 재료, 특히 엘라스토머로 형성된다. 이에 의해 고정자의 제조가 단순화되고, 고정자와 회전자 사이에 양호한 밀봉이 생성된다. 변형 예에서, 고정자의 내벽은 실질적으로 균일한 두께의 엘라스토머 물질 층으로 코팅될 수 있다. 다른 변형에서, 전체 고정자는 엘라스토머 재료로 형성되고 안정화를 위한 외부 커프를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 조절 장치는 시동 절차의 시작 전에 또는 회전자의 회전을 위한 구동 모터의 셧다운 절차 동안 또는 후에 회전자와 고정자 사이에서 협착부를 확대시키기 위하여 그리고 구동 모터의 시동 절차 동안 시작하기 전에 회전자와 고정자 사이에서 협착부를 축소시키도록 구현되는 것이 규정된다. 본 실시예에 따르면, 회전자와 고정자 사이의 협착부는 프로그레시브 캐비티 펌프의 이송 절차의 시작 동안, 즉 고정자에 대한 회전자의 회전 운동을 생성하는 구동 모터의 시동 동안 또는 이후에 확대된 협착부로부터 연장된 협착부로 조절된다. 이에 따라, 프로그레시브 캐비티 펌프는 초기에 높은 내부 누설 전류로부터 감소된 누설 전류로 조절된다. 조절 동작은, 프로그레시브 캐비티 펌프 및 연결된 라인에 높은 부하를 야기하는, 프로그레시브 캐비티 펌프의 이송 체적 및/또는 이송 압력을 급격히 증가시키는 것이 아니라 시작 기간에 걸쳐 연속적으로 형성된다. 상기 시작 기간은 1초 내지 복수 초 범위일 수 있다. 본 실시예는 속도를 제어하기 위해 가변 주파수 드라이브를 갖지 않고 시동시 공칭 속도로 즉시 증가하는 구동 모터가 사용되는 경우에 특히 유리하다.
상기 제어의 목적을 위해, 이송 절차의 각 단부에서 회전자와 고정자 사이의 협착부가 확대될 수 있어서, 상기 협착부는 이송 절차의 후속 시작을 위해 확대 상태에 있는 것, 또는 이송 절차를 시작할 때 구동 모터가 시동되기 전에, 대응하는 협착부의 확대가 수행되어 상기 확대를 수행한 후 상기 구동 모터를 시동시키는 것이 기본적으로 이해되어야 한다. 두 가지 방식 모두에서, 구동 모터가 시동될 때, 고정자와 회전자 사이에서 축소된 협착부 또는 직접적인 접촉이 존재하지 않아, 출발 직후에 즉시 높은 이송 체적 및 높은 이송 압력을 야기하는 것이 보장될 수 있다.
조절 장치가 압력 신호를 수신하기 위한 입력 인터페이스를 포함하고 압력 신호에 따라 회전자와 고정자 사이의 협착부를 확대 또는 축소시키도록 구현되는 것이 더욱 바람직하다. 본 개선에 따르면, 잠재적으로 전자 컨트롤러로서 구현될 수 있는 대응하는 컨트롤러를 잠재적으로 기본적으로 포함하는 조절 장치는 압력 신호에 따라 회전자와 고정자 사이의 협착부의 변화를 수행하도록 구현된다. 이에 의해 압력 신호는 입구 측 압력, 고정자 내부 압력, 또는 고정자 출구 측 압력, 특히 프로그레시브 캐비티 펌프의 압력 측 압력일 수 있다. 이러한 방식으로, 압력이 정밀하게 조절될 수 있고, 이에 따라 협착부를 조절함으로써 규정된 압력 곡선이 실제 압력 곡선으로 설정될 수 있다. 상기 설정 또는 제어는 회전자와 고정자 사이의 연장부를 팽창 또는 축소시킴으로써 본 발명에 따라 수행되며, 회전자와 고정자의 속도를 잠재적으로 제어하는 것과 비교하여 실질적으로 더 정확하고, 자발적이며, 보다 반응성의 조절 또는 제어를 가능하게 한다. 본 실시예는 특히 과압 보호를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 특정 압력에 도달하거나 특정 압력을 초과하면 회전자와 고정자 사이의 협착부가 확대되어 특정 최대 압력 이상의 압력 증가가 방지된다.
본 발명에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프는, 상기 조절 장치는 체적 신호를 수신하기 위한 입력 인터페이스를 포함하고, 상기 체적 신호에 따라 상기 회전자와 상기 고정자 사이에서 상기 협착부를 확대시키도록 구현되고, 상기 이송 절차의 시작 이후에 이송된 체적이 특정 체적에 상응함을 시그널링하는 상기 체적 신호의 값에 대해, 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 협착부가 확대되어서 상기 고정자의 상기 출구 밖으로의 체적 이송이 추가로 발생하지 않게 되는 것에 있어서 더 개선된다. 본 실시예에 따르면, 조절 장치는 체적 신호를 수신하도록 구현된다. 상기 체적 신호는 기본적으로 프로그레시브 캐비티 펌프에 의해 이송될 특정 체적을 특성화할 수 있다. 이는 일체형 이송 절차의 시작부터 끝까지, 즉, 프로그레시브 캐비티 펌프의 일정한 작동에서, 특정 양이 프로그레시브 캐비티 펌프에 의해 이송된다는 것을 의미한다. 본 발명자들은 관성 및 런-온(run-on) 효과로 인해, 회전자를 구동하는 구동 모터를 제어 및 조절함으로써 특정 이송 체적의 이러한 정확한 계량이 충분히 도달될 수 없다는 것을 기본적으로 인지하였다. 대신에, 본 발명에 따르면, 정확한 계량이 조절 및 제어될 수 있도록 회전자와 고정자 사이의 협착부가 조절된다. 이는 특히 원하는 체적에 도달할 때, 즉 특정 체적 값에 도달할 때 협착부가 확대되어 프로그레시브 캐비티 펌프에 의해 더 이상의 체적이 전달되지 않는다. 회전자와 고정자 사이의 협착부의 조절 또는 제어는 특히 원하는 특정 체적의 작은 부분만 이송될 때 회전자와 고정자 사이의 협착부의 확대가 설정되어있는 방식으로 수행될 수 있으며, 이러한 방식으로, 이송된 체적은 하나 또는 2개의 단계로 또는 연속적으로 감소된다. 이에 의해, 실제 용적은 대응하는 용적 측정기에 의해 포착될 수 있거나, 또는 이송 시간 기간에 걸친 프로그레시브 캐비티 펌프의 회전 수 및 회전자와 고정자 사이의 협착부 치수로부터 계산될 수 있다. 지정된 값의 신호는 체적 신호로서 조절 장치에 의해 캡처되거나 조절 장치에 입력될 수 있고; 이 경우, 회전자와 고정자 사이의 협착부를 위한 작동 변수의 계산은 조절 장치 내에서 이루어지며, 실제 값을 조절 장치에 내적으로 계산하거나 추가로 입력함으로써 구현될 수 있다. 체적 신호는 또한 조절 장치 내에서 작동 변수를 직접 계산할 수 있도록 지정된 값과 실제 값으로부터 도출된 차이 신호일 수 있다. 또한, 회전자가 고정자에 대해 회전하는 동안 조절 장치는 회전자의 고정자에 대한 상대 축방향 위치를 조절하도록 구현되는 것이 바람직하다. 펌프가 작동하는 동안 축방향으로 조절하기 위한 본 실시예는 예를 들어 외부로부터 접근 가능하거나 작동 가능한 조절 장치에 의해 구현될 수 있다. 조절 장치는 에너지 구동식 액추에이터로서 구현될 수 있고, 예를 들어 회전자 및 고정자 사이의 축방향 조절을 위해 유압식, 공압식 또는 전기식 구동식 액추에이터가 펌프에 제공되는 경우 회전 동안 조절이 가능하다.
본 발명의 제 2 고려에 따르면, 본 발명의 제 1 고려에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프의 상기 기재된 선호되는 실시예들 중 적어도 하나에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프를 작동하기 위한 방법에 의해 상기 표시된 목적이 달성되고, 상기 방법은: 액체를 이송하기 위한 회전자를 구동하는 단계, 상기 회전자와 상기 고정자를 서로에 대하여 축방향으로 변위시킴으로써 상기 회전자와 상기 고정자 사이에서 상기 협착부를 확대시키는 단계를 갖는다. 본 발명의 제 1 고려에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프 및 본 발명의 제 2 고려에 따른 방법은 종속항에 특히 상술된 바와 같이 동일하고 유사한 선호되는 실시예를 갖는 것이 이해되어야 한다. 이와 관련하여 본 발명의 제1 고려의 상기 기재가 완전히 참조된다.
방법은 바람직하게는 회전자와 고정자 사이의 누설 갭을 조절하는 단계를 더 포함한다. 누설 갭의 조절은 바람직하게는 액체를 이송하기 위한 회전자의 구동 중에 수행된다. 즉, 누설 갭의 조절뿐만 아니라 회전자 및 고정자의 서로에 대한 변위는 바람직하게는 작동 중에, 바람직하게는 작동 파라미터가 스레스홀드 값에 도달하거나 이를 초과할 때 발생한다.
방법은 바람직하게는 회전자 및/또는 고정자의 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 온도에 기초하여 회전자와 고정자를 축방향으로 상대적으로 변위시키는 단계를 포함한다. 예를 들어, 미리 결정된 스레스홀드 온도가 초과되면, 회전자와 고정자는 서로에 대해 축방향으로 변위되어 상기 초과에 따라 협착부가 확대된다. 또한, 온도가 떨어지면 협착부를 축소시켜 최대 인장력 하에서 접촉하여 누설을 낮게 유지할 수 있다. 회전자 및/또는 고정자의 온도는 바람직하게는 미리 결정된 작은 시간 간격으로 연속적으로 측정되는 것이 바람직하다. 상기 측정에 따라, 회전자와 고정자 사이의 이동이 동적으로 수행되어, 회전자와 고정자 사이에 존재하는 협착부 및 갭 형상이 측정된 온도와 항상 조화를 이루어 마모가 방지될 수 있다.
다음 단계들이 더 바람직하게 수행된다 : 고정자의 입구에서 액체 레벨을 결정하는 단계; 및 결정된 액체 레벨에 따라 회전자와 고정자를 축방향으로 상대적으로 변위시키는 단계. 액체 레벨은 액체 센서에 의해 결정되는 것이 바람직하다. 액체 레벨은 최대 유입 유량의 절반과 같은 특정 스레스홀드 값에 대해서만 결정될 수 있는 것이 규정될 수 있다. 결정된 액체 레벨에 기초하여, 회전자와 고정자의 상대적인 축방향 변위는 바람직하게는 미리 정해진 고정 값에 의해 수행된다. 이에 의해 협착부가 확대되어 마모가 방지된다. 또한, 액체 레벨이 다시 상승할 때, 협착부가 다시 축소되고, 즉 더 작은 갭 또는 접촉이 설정되어, 최적의 갭 기하학적 형상 및 이송을 달성할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 방법은 회전자의 회전당 이송된 액체 체적을 결정하는 단계; 및 결정된 액체 체적에 따라 회전자와 고정자를 상대적으로 축방향으로 변위시키는 단계를 포함한다. 회전자의 회전당 적은 양의 이송된 액체는 비교적 많은 비율의 가스가 이송되고 있음을 나타낸다. 이송 가스는 서로 접촉하는 부품 사이의 윤활을 방지하고 냉각을 방지한다. 이 경우, 회전자의 회전당 비교적 많은 양의 가스가 이송되고 액체가 적을 때 협착부를 확대시켜서 마모를 방지하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 회전자를 회전시키기 위한 구동 모터의 시동이 시작될 때 회전자와 고정자 사이의 협착부가 확대되고, 구동 모터의 시동을 시작한 후 회전자와 고정자 사이의 협착부가 축소되는 것에 있어서 추가로 개선될 수 있다. 본 방법의 개선에 의해, 이송 체적 및 이송 압력의 급격한 증가 없이 젠틀한(gentle) 시동 거동이 달성된다. 본 개선의 장점, 변형 및 고려와 관련하여, 프로그레시브 캐비티 펌프의 대응하는 실시예의 상기 설명을 참조한다.
압력 센서에 의해 압력이 포착되고 압력에 따라 회전자와 고정자 사이의 협착부가 확대 또는 축소되는 것이 더욱 바람직하다. 본 방법의 본 실시예에 의해, 회전자와 고정자 사이의 협착부가 그에 따라 조절된다는 점에서, 압력의 제어, 압력 곡선, 또는 최소 및/또는 최대 압력의 컴플라이언스(compliance)가 달성된다. 이것은 자연스럽고(spontaneous) 정확한 압력 제어를 가능하게 한다. 이를 위해, 프로그레시브 캐비티 펌프의 대응하는 설계 및 그 설명이 참조된다.
특정 체적이 포착되고, 지정된 체적에 따라 회전자와 고정자 사이의 협착부가 확대 또는 축소되는 것이 더욱 바람직하다. 본 실시예에 따르면, 프로그레시브 캐비티 펌프는 정밀 계량 펌프로서 제어 및 조절된다. 이를 위해, 프로그레시브 캐비티 펌프에 의해 특정 체적이 유입되거나 수용되며, 상기 특정 체적에 따라 회전자와 고정자 사이의 협착부가 확대 또는 축소된다. 회전자와 고정자 사이의 협착부의 확대 또는 축소는 특정 체적에 도달할 때 이송 체적이 0으로 감소되도록 조절된다. 이는 협착부를 상응하게 확대시킴으로써 수행될 수 있거나, 회전자의 회전을 팽창시키고 종결시키는 것과 관련하여 수행될 수 있다. 이러한 팽창은, 특정 체적의 적은 비율이 특정 체적을 성취하도록 이송될 필요가 있을 때 수행될 경우, 단계별 또는 연속적인 팽창 또는 수축은 원하는 특정 체적으로 정밀 계량을 특히 야기할 수 있다. 본 실시예에서, 프로그레시브 캐비티 펌프의 대응하는 실시예의 상기 설명을 다시 참조한다.
본 발명은 5개의 실시예를 사용하고 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1 은 제 1 실시예에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프를 통한 개략적인 단면도이다.
도 2a는 도 2b에 따른 종축에 수직인 개략적인 단면도이다.
도 2b는 밀봉 라인 세트를 갖는 종축을 따르는 프로그레시브 캐비티 펌프를 통한 개략적인 단면도이다.
도 2c는 도 2b에 따른 종축에 수직인 개략적인 단면도이다.
도 3a는 도 3b에 따른 종축에 수직인 개략적인 단면도이다.
도 3b는 누설 갭이 설정된, 종축을 따른 프로그레시브 캐비티 펌프를 통한 개략적인 단면도이다.
도 3c는 도 3b에 따른 종축에 수직인 개략적인 단면도이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프의 개략적인 단면도이다.
도 5는 제 3 실시예에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프의 개략적인 단면도이다.
도 6은 제 4 실시예에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프의 개략적인 단면도이다.
도 7은 제 5 실시예에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프의 개략적인 단면도이다.
도 8은 프로그레시브 캐비티 펌프를 작동시키기 위한 방법의 실시예의 흐름도이다.
프로그레시브 캐비티 펌프(1)는 고정자(2) 및 회전자(4)를 포함한다. 회전자는 고정자(2)의 내부 캐비티(6)의 중앙을 통해 연장하는 중심 축(L1)을 갖는다. 고정자(2)는 캐비티(6)를 둘러싸고 엘라스토머 물질로 형성된 내벽(8)을 포함한다. 내벽(8)의 내부 윤곽은 이중 나선을 규정하도록 형성된다. 회전자(4)는 또한 전체 설계에서 나선형이며, 여기서 고정자(2)의 나선의 피치는 회전자(4)에 비해 2배의 피치를 갖는다. 따라서 협착부(7)에 의해 분리된 개별 챔버(5)가 형성된다.
고정자(2)는 입구(10) 및 출구(12)를 더 포함한다. 입구(10)는 입구 파이프(18)가 연결되는 입구 플랜지(16)를 포함하는 입구 하우징(14)에 연결된다. 출구(12)는 출구 파이프(24)가 연결되는 출구 플랜지(22)를 포함하는 출구 하우징(20)을 더 포함한다.
구동 샤프트(26)는 입구 하우징(14)을 통해 연장하며 제 1 카르단 조인트에 의해 회전자(4)에 연결되며 제 2 카르단 조인트(30)에 의해 기어박스(34)의 출력 샤프트(32)에 연결된다. 2개의 카르단 조인트(28, 30)를 갖는 이러한 구동 샤프트(26)의 자리에서, 얇은 유연한 샤프트가 또한 바람직하며 편심 구동을 허용한다. 기어 박스(34)의 입력 측은 본 실시예에 따른 전기 모터로서 구현되는 구동 모터(36)에 연결된다.
본 발명에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프(1)는 최적의 갭 기하학적 구조를 설정하기 위해 회전자(4)와 고정자(2) 사이에서 협착부(7)를 확대시키기 위한 조절 장치(39)를 포함한다. 본 실시예(도 1)에 따르면, 조절 장치(39)는 고정자(2)가 축방향으로 변위가능하게 지지되도록 구현된다. 고정자(2)는 화살표(38)로 표시된 바와 같이 종축(L1)을 따라 변위가능하다. 이를 위해, 상기 고정자(2)는 입구 하우징(14) 및 출구 하우징(20)의 세그먼트를 수신하고 밀봉부(seal)(40, 42)에 의해 밀봉된다. 조절 장치(39)는 고정자(2)를 변위시키고 이 목적을 위해 제공된 드라이브에 잠재적으로 연결된 결합 세그먼트(44)를 포함한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c뿐만 아니라 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 갭 기하학적 형상의 변화, 즉 개략적인 묘사를 사용하여 협착부(7)의 확대를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 회전자(4)와 고정자(2) 사이에 접촉이 존재하는 밀봉 갭을 갖는 갭 기하학적 형상을 도시하고, 도 3a 내지 도 3c는 누설 갭(S)이 설정되도록 협착부(7)의 확대를 도시한다. 도 2b는 도 1 에 도시된 바와 같이 종축(L1)을 따른 단면을 도시한다. 특히 도 2a 및 도 2c에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전자(4)는 도 2a 내지 도 2c에 대해 최대 상부 위치에 있고, 각각은 종축(L1)에 수직인 섹션을 도시한다. 도 2a는 입구(10) 근처 섹션을 도시하고, 도 2c는 출구(12) 근처의 섹션을 도시한다. 도 2a 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 회전자(4)의 외주면(3)의 세그먼트는 고정자(2)의 내벽(9)에 접촉한다. 밀봉 라인(D)은 접촉에 의해 협착부(7)에서 형성된다. 전형적으로, 회전자(4)는 변형이 반경 방향으로 발생하도록 고정자(2)에 축방향으로 위치되는 것이 규정된다. 고정자(2)는 특히 엘라스토머와 같은 유연한 재료로 만들어진다. 반경 방향으로의 프리텐션은 밀봉 라인(D)의 영역에서 고정자(4)의 탄성 변형을 초래한다. 이에 의해 마찰이 비교적 높다. 높은 마찰력은 높은 마모로 이어진다. 작동 중에, 예를 들어 고정자(2)의 재료의 팽창으로 인해 또는 열 입력으로 인한 재료의 팽창으로 인해 상기 방사상 프리텐션이 더 증가할 수 있다.
전단-민감성 매체의 경우, 예를 들어 밀봉 라인(D)을 형성하고 동시에 비교적 높은 방사상 프리텐션을 달성하는 것이 바람직하며, 따라서 매체는 챔버들 사이의 밀봉 라인(D)에서 명확하게 분리되고 적은 전단이 발생한다.
전체 원추형 형상을 갖는 회전자(4)를 축방향으로 조절함으로써, 협착부(7)를 확대시켜 밀봉 라인(D) 대신에 반경 방향 프리텐션을 감소시키거나 누설 갭(S)을 설정할 수 있다. 누설 갭(S)은 밀봉되고; 회전자(4)는 이 상태에서 협착부(7)에서 액막 상에 부유하는 것이 이해되어야 한다. 협착부를 확대시키는 것은 회전자(4)가 원추형 팽창의 방향으로, 즉, 도 2a 내지 도 3c와 관하여 좌측으로 변위 되는 것에 있어서 달성될 수 있다. 이에 의해 협착부(7)가 더 확대되고 누설 갭(S)이 형성될 수 있다.
반대의 경우에, 협착부(7)를 더 작게 만드는 것, 즉 누설 갭(S)을 제거하고 밀봉 라인을 설정하기 위해 상기 협착부를 더 축소시키는 것도 가능하다. 이것은 예를 들어 고압에서 유리할 수 있다. 고압은 고정자(2)가 방사상으로 팽창하고 누설 갭(S)을 자동으로 설정하게 할 수 있다. 최적의 갭 기하학적 형상을 유지하기 위해, 이러한 경우에 원추형 협착부 방향으로의, 즉 도 2a 내지 도 3c와 관련하여 우측 방향으로의 축방향 변위가 존재한다.
본 실시예(도 2a 내지 도 3c)에서 편심(e1, e2)은 일정하며, 회전자(4)의 직경(D1, D2)은 출구(12) 방향으로 작아진다. 즉, e1 및 e2은 일치하며, D1은 D2보다 크다. 직경이 일정하고, 즉, D1이 D2와 동일하며 편심이 변화하고, 즉, e1이 e2보다 큰 실시예들 또한 포함된다. 축방향 변위 효과는 그에 따라 다르다.
도 4는 도 1과 관련하여 변형된 실시예를 도시하며, 유사한 요소에는 동일한 참조 번호가 표시되어 있다. 이와 관련하여, 제 1 실시예(도 1)의 상기 설명을 완전히 참조한다. 협착부(7)에서의 갭의 기하학적 구조와 관련하여, 도 2a 내지 도 3c를 참조한다.
제 1 실시예와 달리, 본 실시예(도 4)에서, 조절 장치(39)는, 회전자(4)가 축방향으로 변위가능하도록 구현되고, 본 실시예에서 구동 샤프트(26), 기어 박스(34) 및 구동 모터(36)를 포함하는 전체 구동 트레인(25)을 포함한다. 이와 관련하여, 화살표(37)는 구동 모터(36)도 변위되었음을 표시한다. 이를 위해, 기어 박스(34)의 하우징(46)은 고정자(2)의 입구(10)와 대향하는 입구 하우징(14)의 세그먼트(48)에서 변위 가능하게 지지되고, 밀봉부(50)에 의해 주변 영역으로부터 밀봉된다.
별도의 드라이브(52)는 이를 위해 축방향으로 회전자(4)를 변위시키도록 제공되며 스핀들 드라이브(개략적으로만 도시됨)(54)에 의해 구동 트레인(25)을 변위 시킬 수 있으므로, 회전자(4)와 고정자(2) 사이의 협착부(7)가 확대된다. 필요할 때, 협착부(7)는 누설 갭(S)이 회전자(4)와 고정자(2) 사이의 밀봉 라인(D)의 영역을 초래할 정도로 충분히 확대될 수 있다. 회전자(4)와 고정자(2) 사이의 프리텐션은 이송된 액체가 역압을 가함에 따라 일반적으로 완전히 완화되지는 않는다.
드라이브(52)는 바람직하게는 신호 라인(56)에 의해 이를 위해 컨트롤러에 연결된다. 컨트롤러는 바람직하게는 예를 들어 신호 라인(60)에 의해 컨트롤러(58)에 통합되거나 컨트롤러(58)에 연결된다. 컨트롤러는 바람직하게는 제어 또는 조절 데이터가 입력되고, 상기 제어 또는 조절 데이터에 따라 제어 또는 조절을 수행하기 위해 구현되는 입력 인터페이스를 갖는다. 예를 들어, 특정 체적 또는 특정 체적과 실제 체적의 차이는 상기 인터페이스를 통해 컨트롤러에 입력될 수 있다. 따라서 인터페이스는 사용자 인터페이스 또는 센서 또는 스위치를 연결하기 위한 인터페이스일 수 있다. 컨트롤러(58)는 갭 기하학적 형상이 변경되어야 하는 지 그리고 어느 정도까지 변경되어야 하는지 여부, 즉 회전자(4)와 고정자(2) 사이의 협착부(7)가 확대되어야 하는지를 결정하는 역할을 한다. 본 실시예에서, 컨트롤러(58)는 이를 위해 고정자(2)에 배치된 센서(62)에 먼저 연결된다. 센서(62)는 온도 센서로서 구현되고 고정자(2)의 온도를 포착하는 역할을 한다. 센서(62)는 또한 회전자(4)의 온도를 포착하도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 센서(62)는 회전자(4)의 외부 표면을 감지할 수 있거나, 상기 센서 또는 추가 센서가 회전자(4)에 배치될 수 있다. 컨트롤러(58)는 그 스레스홀드 온도에 도달했는지 여부를, 상기 센서(62)에 의해 측정된 온도에 기초에 기초하여 결정하고 그를 기초로, 갭 기하학적 형상이 변경되어야 하는지 어느 정도로 변경되어야 하는지를 결정한다. 상기 결과는 라인(60, 56)을 통해 조절 신호 형태로 드라이브(52)에 전송되어, 회전자(4)와 고정자(2) 사이의 협착부(7)를 확대시키기 위해 구동 트레인(25)이 변위된다.
본 실시예(도 4)에서, 프로그레시브 캐비티 펌프(1)는 고정자(2)의 입구(10)에서 액체의 충전 레벨을 결정하기 위한 충전 레벨 센서(64)를 더 포함한다. 상기 센서(64)는 또한 컨트롤러(58)에 연결된다. 컨트롤러(58)는 수신된 충전 레벨에 기초하여 고정자(2)에 대한 회전자(4)의 변위를 결정하고, 구동 트레인(25)을 조절하기 위해 대응하는 신호를 드라이브(52)에 전송한다.
본 실시예(도 4)에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프(1)는 고정자(2)를 통한 액체의 유량을 측정하는 유량 센서(66)를 더 포함한다. 상기 센서(66)는 또한 컨트롤러(58)에 연결되고, 컨트롤러(58)는 센서(66)로부터의 신호 및 회전자(4)의 속도에 기초하여 회전당 유량 또는 흐름 체적을 결정한다. 상기 유량이 낮으면, 이것은 비교적 많은 양의 가스가 이송되어, 이에 의해 회전자(4)와 고정자(2) 사이의 마찰이 증가되고 냉각이 동시에 감소되는 것을 표시한다. 이는 전형적으로 재료 팽창을 증가시키고 결과적으로 회전자(4)와 고정자(2) 사이의 증가된 프리텐션 및 결과적으로 마모 증가를 초래한다. 그런 다음 갭 기하학적 형상을 조절하는 것이 바람직하다. 유량 센서(66) 대신에 압력 센서(66)가 제공될 수 있으며, 회전자와 고정자 사이의 협착부를 조절함으로써 압력을 조절할 수 있다. 이러한 압력 센서에 의해, 최소 압력 또는 최대 압력의 유지는 협착부를 조절함으로써 조절되거나 제어될 수 있다. 유량 센서(66) 외에 이러한 압력 센서가 또한 제공될 수 있다는 것이 기본적으로 이해되어야 한다. 압력 센서는 또한 고정자의 영역 또는 입구 측에 배치될 수 있다.
3개의 센서(62, 64, 66) 중 하나만이 존재하는 실시예가 또한 바람직하다는 것을 이해해야 한다. 컨트롤러(58)는 또한 드라이브(52)의 컨트롤러 및/또는 구동 모터(36)의 컨트롤러에 통합될 수 있음을 이해해야 한다.
도 5는 도 4의 실시예와 기본적으로 유사한 다른 실시예를 도시한다. 동일 및 유사한 요소에는 동일한 참조 번호가 붙여져 상기 설명을 완전히 참조한다. 도 4와 관련하여 설명된 센서(62, 64, 66)는 또한 도 1, 5, 6 및 7의 실시예에서 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 실시예(도 5)에 따르면, 회전자(4)는 정적(stationary) 고정자(2)에 변위 가능하게 배치된다. 그러나, 본 실시예에서, 구동 모터(36)는 또한 정적이며 변위 불가능하다. 전체적으로, 구동 샤프트(26)는 카르단 조인트(30)에 의해 구동 모터(36)의 구동 샤프트(32)에 연결된다. 회전자(4) 및 구동 샤프트(26)를 변위시키는 것을 허용하기 위해, 구동 샤프트(32)는 기어 박스(34)의 출력 기어(68)에 축방향으로 변위 가능하게 지지된다. 기어(68)는 축방향으로 변위가능한 샤프트-허브 연결에 의해 출력 샤프트(32)에 결합된다. 기어 박스(34)는 따라서 중공 샤프트로서 구현된 기어(68)를 구비하고, 샤프트(32)는 변위될 수 있다. 출력 샤프트(32)는 밀봉부(70)를 통해 가이드되어 액체는 구동 입구 하우징(14)으로부터 기어 박스(34) 내로 침투할 수 없다. 드라이브(52)(도 4 참조)는 출력 샤프트(32)를, 그리고 결과적으로 회전자(4)를 축방향으로 변위시키기 위하여 출력 샤프트(32)의 외부 세그먼트(72)에 배치된다.
이와 관련하여 변형된 다른 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 동일 및 유사한 요소는 동일한 참조 번호로 다시 지정되어, 상기 설명을 완전히 참조한다.
도 6에 따른 실시예에서, 회전자(4)는 또한 변위 가능하고, 고정자(2)는 고정되어 입구 하우징(4) 및 출구 하우징(20)에 수용된다. 본 실시예에 따르면, 구동 샤프트(26)는 2개의 부분으로 구현되며 제1 부분(74) 및 제2 부분(76)을 포함한다. 2개의 부분(74, 76)은 텔레스코픽(telescopic) 방식으로 서로 삽입되고 팽창 부재(80)는 두 부분(74, 76) 사이의 제 1 요소(74)의 리세스(78)에 구현된다. 팽창 부재(80)는 구동 샤프트(26)의 축방향 길이가 샤프트(74)의 제1 부분에 대하여 샤프트(76)의 제2 부분을 변위시킴으로써 조절되는 것을 허용하는 역할을 한다. 팽창 부재(80)를 팽창시키거나 또는 팽창 부재(80)를 수축시켜서 회전자(4)의 변위가 가능하다.
팽창 부재(80)를 수동 팽창 부재, 특히 유압 부재로서 구현하는 것이 고려될 수 있다. 유압 부재는 회전자(4)와 고정자(2) 사이에 대략 일정한 프리텐션을 유지하여 회전자(4)에 작용하는 미리 가해진 힘(preload force)이 실질적으로 일정하게 유지되도록 작용한다. 고정자(2) 및/또는 회전자(4)의 재료가 팽창할 때, 회전자(4)가 도 4에 대해 좌측으로 편향될 수 있고 팽창 부재(80) 내의 유압 부재에 의해 보상되는 것이 가능하다. 과도한 마모가 이로써 드라이브에 의해 회전자(4) 및/또는 고정자(2)를 능동적으로 조절하는 것에 의해서 방지된다. 유압 부재에서 작용하는 압력은 펌프 압력에 맞춰질 수 있다.
도 7은 고정자(2)에 대한 회전자(4)의 변위를 가능하게 하는 최종적으로 프로그레시브 캐비티 펌프(1)의 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 구동 샤프트(26)는 도 1, 도 4 및 도 5가 3개의 제 1 실시예와 같이 단일 부분으로서 구현된다. 구동 샤프트(26)는 카르단 조인트(30)에 의해 구동 샤프트(32)에 접속된다.
도 7에 따른 실시예에서, 카르단 조인트(28)를 회전자(4)에 연결하는 샤프트 스터브(shaft stub)(82)는 두 부분으로 구현되고 회전자(4)에 견고하게 연결된 제 1 부분(84) 및 카르단 조인트(28)에 연결된 제 2 부분(86)을 포함한다. 부분(84, 86)은 서로 텔레스코픽하게 삽입되며 도 4에 상응하는 팽창 부재(80)에 상응하는 팽창 부재(80)가 부분(84)으로 구현된다. 상기 팽창 부재(80)는 결국 능동 또는 수동, 예를 들어, 유압식 부재의 형태로 수동일 수 있다. 대안적으로, 드라이브가 회전자(4)의 단부면(88)에 작용하고 회전자(4)를 축방향으로 변위시키는 것도 제공될 수 있다.
도 8은 실시예 1 내지 7 중 하나에 따라 전술된 프로그레시브 캐비티 펌프의 바람직한 실시예 중 하나에 따른 프로그레시브 캐비티 펌프를 작동시키는 방법의 순서의 예를 도시한다. 단계(100)에서, 프로그레시브 캐비티 펌프(1)가 시작되고 회전자(4)가 회전하도록 유도된다. 단계(102)는 회전자(4)를 회전시킴으로써 고정자(2)의 입구(10)로부터 출구(12)로 액체를 이송하는 것을 나타낸다. 현재 이송 단계(102) 동안, 고정자(2)의 온도는 온도 센서에 의해 단계(104)에서 측정된다.
상기 측정된 온도는 단계(106)에서 하나 이상의 스레스홀드 값과 비교된다. 단계(108)에서, 스레스홀드 값 또는 복수의 스레스홀드 값 중 어느 것이 초과되었는지, 그리고 스레스홀드 값이 초과되지 않은 경우, 또는 프리텐션, 즉 고정자에 대한 회전자의 축방향 위치, 따라서 갭 기하학적 형상, 즉 제한부(restriction)(7)의 기하학적 형상은 단계(106)에서 결정된 스레스홀드 값과 일치하고, 단계(108)에서 결정이 이루어져서, 액체를 계속 이송하고 단계(102)로 되돌아간다. 그렇지 않으면, 단계(110)에서 상응하는 프리텐션이 설정된다. 단계(110)에서 갭 기하학적 형상이 선택적으로 새로 조절된 후, 시퀀스는 단계(102)로 되돌아 갈 수 있다.
예를 들어, 단계(104)에서 측정된 온도는 단계(106)에서 복수의 스레스홀드 값에 대해 결정되며, 각각의 스레스홀드 값은 회전자(4)와 고정자(2)의 상대 축방향 위치와 서로에 대하여 등가인 것으로 생각할 수 있다. 단계(110)에서, 단계(106)에서 결정된 스레스홀드 값에 제공된 대응하는 축방향 위치가 설정된다. 동시에, 액체는 단계(102)에서 계속 이송된다.
기본적으로, 이송 절차의 시작에서, 즉, 고정자에 대한 회전자의 회전 동작이 시작되기 전에, 회전자와 고정자 사이의 협착부는 내부 누설로 인하여 낮은 이송 속도가 발생하거나 이송 속도가 발생하지 않을 정도로 충분히 멀리 확대한다. 이어서, 원하는 이송 속도 또는 원하는 이송 압력이 달성될 때까지 약 1.5초의 시간 제한 시동 절차에 따라 협착부가 축소된다.

Claims (27)

  1. 고체가 로딩된 액체를 이송하기 위한 프로그레시브 캐비티 펌프(progressive cavity pump)(1)로서,
    - 나선형 회전자(4),
    - 입구(10)와 출구(12)를 갖고, 상기 회전자(4)에 대응하는 나선형 내벽(8)을 포함하는 고정자(2) - 상기 회전자(4)는 상기 고정자(2)의 종축(L1)을 중심으로 회전 가능하게 배치됨 -,
    - 구동 모터(36) 및 구동 샤프트(26)를 가지며,
    상기 회전자(4)는 상기 출구(12) 또는 상기 입구(10)를 향하여 점점 가늘어지는(tapering down) 형상을 포함하고,
    상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)는, 서로에 관하여 배치되고 적어도 하나의 챔버(5)가 액체를 이송하도록 형성되며, 상기 챔버(5)는 협착부(constriction)(7)에 의해 막히도록(cut off) 구현되며,
    상기 회전자(4)는 상기 구동 샤프트(26)에 의해 상기 구동 모터(36)에 결합되고,
    상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)의 상대적인 축방향 위치를 조절하기 위한 조절 장치(39)를 가지고,
    상기 조절 장치(39)는 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 상기 협착부(7)를 확대시키도록 구현되고,
    상기 회전자(4)는 축방향으로 변위 가능하고, 상기 조절 장치(39)는 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 상기 협착부(7)를 적어도 부분적으로 확대시키도록 상기 회전자(4)를 축방향으로 변위시키기 위해 구성되고,
    a) 구동 모터(36) 및 구동 샤프트(26)를 포함하는, 상기 회전자(4)의 구동 트레인(25)은 상기 회전자(4)와 함께 변위가능하거나, 또는,
    b) 기어 박스(34)가 상기 구동 샤프트(26)와 상기 구동 모터(36) 사이에 배치되며, 상기 기어 박스(34)에 의해, 상기 회전자(4)는 상기 구동 샤프트(26)와 함께, 상기 구동 모터(36)에 관하여 변위가능하고, 상기 기어 박스(34)는 상기 구동 샤프트(26)를 축방향으로 변위하는 것을 허용하는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 조절 장치(39)는, 누설 갭(S)이 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 구현될 정도로 상기 회전자와 고정자 사이에서 협착부(7)를 확대시키도록 셋업되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 조절 장치(39)가 하나 이상의 미리 결정된 동작 파라미터들에 따라 상기 협착부(7)의 확대를 수행하도록 셋업되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  4. 청구항 3에 있어서, 동작 파라미터들 중 하나는 상기 고정자(2) 및/또는 상기 회전자(4)의 온도인, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 동작 파라미터들 중 하나는 이송된 액체의 체적인, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 동작 파라미터들 중 하나는 상기 고정자(2)의 상기 입구(10)에서의 액체 레벨인, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 구동 모터(36)는 정적(stationary)이며 변위 불가능한, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 구동 샤프트(26)는 상기 구동 모터(36)의 구동 샤프트(32)에 접속되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 구동 샤프트(32)는, 상기 기어 박스(34)의 적어도 하나의 출력 기어(68) 내에 축방향으로 변위 가능하게 지지되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 적어도 하나의 출력 기어(68)는 축방향으로 변위가능한 샤프트-허브 연결에 의해 상기 출력 샤프트(32)에 결합되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 고정자(2)는 축방향으로 변위가능하게 지지되며, 상기 조절 장치(39)는 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 상기 협착부(7)를 적어도 부분적으로 확대시키도록 상기 고정자(2)를 축방향으로 변위시키기 위해 셋업되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 고정자의 종축(L1)은 작동 동안 실질적으로 수직으로 배향되며 상기 고정자(2)의 상기 출구(12)는 상부에 있는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 고정자(2)는 적어도 내벽(8)의 영역에서 유연한 재료로 형성되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 조절 장치는
    - 상기 회전자를 회전시키기 위하여 구동 모터의 셧다운 절차 동안 또는 셧다운 절차 후에 또는 시동 절차의 시작 전에 상기 회전자와 상기 고정자 사이에서 상기 협착부를 확대시키도록, 그리고
    - 상기 구동 모터의 상기 시동 절차 동안 시작 전에 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 협착부를 축소시키도록 구현되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 조절 장치는 압력 신호를 수신하기 위한 입력 인터페이스를 포함하며 상기 압력 신호에 따라 상기 회전자와 상기 고정자 사이에서 상기 협착부를 확대시키거나 축소시키도록 구현되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 조절 장치가 체적 신호를 수신하기 위한 입력 인터페이스를 포함하고, 상기 조절 장치가 상기 체적 신호에 따라 상기 회전자와 상기 고정자 사이에서 상기 협착부를 확대시키도록 구현됨으로써, 상기 이송 절차의 시작 이후에 이송된 체적이 특정 체적에 상응함을 시그널링하는 상기 체적 신호의 값에 대해, 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 협착부가 확대되어서 상기 고정자의 상기 출구 밖으로의 체적 이송이 추가로 발생하지 않게 되는, 프로그레시브 캐비티 펌프.
  17. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 조절 장치는 상기 고정자(2)에 대한 상기 회전자(4)의 축방향 위치를 조절하도록 구현되고, 상기 회전자는 상기 고정자에 대해 회전하는 것을 특징으로 하는 프로그레시브 캐비티 펌프.
  18. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된, 고체가 로딩된 액체를 이송하기 위한 프로그레시브 캐비티 펌프(1)를 작동하기 위한 방법으로서,
    상기 프로그레시브 캐비티 펌프(1)는,
    - 나선형 회전자(4),
    - 입구(10)와 출구(12)를 갖고, 상기 회전자(4)에 대응하는 나선형 내벽(8)을 포함하는 고정자(2) - 상기 회전자(4)는 상기 고정자(2)의 종축(L1)을 중심으로 회전 가능하게 배치됨 -,
    - 구동 모터(36) 및 구동 샤프트(26)를 가지며,
    상기 회전자(4)는 상기 출구(12) 또는 상기 입구(10)를 향하여 점점 가늘어지는(tapering down) 형상을 포함하고,
    상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)는, 서로에 관하여 배치되고 적어도 하나의 챔버(5)가 액체를 이송하도록 형성되며, 상기 챔버(5)는 협착부(constriction)(7)에 의해 막히도록(cut off) 구현되며,
    상기 회전자(4)는 상기 구동 샤프트(26)에 의해 상기 구동 모터(36)에 결합되고,
    상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)의 상대적인 축방향 위치를 조절하기 위한 조절 장치(39)를 가지고,
    상기 조절 장치(39)는 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 상기 협착부(7)를 확대시키도록 구현되고,
    상기 회전자(4)는 축방향으로 변위 가능하고, 상기 조절 장치(39)는 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 상기 협착부(7)를 적어도 부분적으로 확대시키도록 상기 회전자(4)를 축방향으로 변위시키기 위해 구성되고,
    a) 구동 모터(36) 및 구동 샤프트(26)를 포함하는, 상기 회전자(4)의 구동 트레인(25)은 상기 회전자(4)와 함께 변위가능하거나, 또는,
    b) 기어 박스(34)가 상기 구동 샤프트(26)와 상기 구동 모터(36) 사이에 배치되며, 상기 기어 박스(34)에 의해, 상기 회전자(4)는 상기 구동 샤프트(26)와 함께, 상기 구동 모터(36)에 관하여 변위가능하고, 상기 기어 박스(34)는 상기 구동 샤프트(26)를 축방향으로 변위하는 것을 허용하는 것을 특징으로 하고,
    상기 프로그레시브 캐비티 펌프(1)를 작동하기 위한 방법은,
    - 액체를 이송하기 위한 회전자(4)를 구동하는 단계,
    - 상기 조절 장치(39)에 의해 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)를 서로에 대하여 축방향으로 변위시킴으로써 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 상기 협착부(7)를 확대시키는 단계 및
    - 상기 조절 장치(39)에 의해 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)를 축방향으로 서로 상대적으로 변위시킴으로써, 상기 고정자(2)의 반경 방향으로의 프리텐션을 설정하는 단계를 갖는, 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 협착부(7)를 확대시키는 단계는:
    - 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2) 사이에서 누출 갭(S)을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    - 상기 회전자(4) 및/또는 상기 고정자(2)의 온도를 측정하는 단계;
    - 상기 측정된 온도에 따라 상기 회전자(4) 및 상기 고정자(2)를 축방향으로 상대적으로 변위시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    - 상기 고정자(2)의 상기 입구(10)에서의 액체 레벨을 결정하는 단계;
    - 결정된 상기 액체 레벨에 따라 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)를 축방향으로 상대적으로 변위시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 청구항 18에 있어서,
    - 상기 회전자(4)의 회전 당 이송된 액체 체적을 결정하는 단계;
    - 결정된 상기 액체 체적에 따라 상기 회전자(4)와 상기 고정자(2)를 축방향으로 상대적으로 변위시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 청구항 18에 있어서,
    - 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 협착부는 상기 회전자를 회전시키기 위하여 구동 모터의 시동의 시작에서 확대되고,
    - 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 협착부는 상기 구동 모터의 시동 절차를 시작한 후에 축소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 청구항 18에 있어서,
    - 압력이 압력 센서에 의해 포착되고,
    - 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 협착부가 상기 압력에 따라 확대되거나 축소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 청구항 18에 있어서,
    - 특정 체적이 포착되고,
    - 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 협착부가 상기 특정 체적에 따라 확대되거나 축소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 청구항 18에 있어서,
    상기 회전자는 회전의 축을 따라 상기 축방향으로 상기 고정자에 대하여 조절되되, 상기 회전자는 상기 고정자에 대하여 상기 액체를 이송하기 위한 회전 동작으로 상기 회전의 축을 중심으로 구동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 삭제
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