KR20150006041A - 왕복 압축기용 포지티브 드라이브 작동 밸브 및 작동 방법 - Google Patents

왕복 압축기용 포지티브 드라이브 작동 밸브 및 작동 방법 Download PDF

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레오나르도 토그나렐리
리카르도 바가글리
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

본 발명은, 석유 및 가스 산업용 왕복 압축기의 밸브를 작동시키는 데 사용 가능한 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(300)와 관련 방법을 제공한다. 상기 밸브 작동 기구는, 회전 동작을 행하도록 구성되어 있는 드라이버(310, 320)와, 밸브의 이동부 및 드라이버에 연결되어 있는 팔로워(340, 350)를 포함한다. 상기 팔로워는, 상기 드라이버의 회전 동작을 상기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있다.

Description

왕복 압축기용 포지티브 드라이브 작동 밸브 및 작동 방법{POSITIVE DRIVE ACTUATED VALVE FOR RECIPROCATING COMPRESSOR AND METHOD}
본원에 개시된 청구 대상의 실시형태는 일반적으로 석유 및 가스 산업용 왕복 압축기에 사용되는 포지티브 드라이브 작동 밸브와 관련 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 왕복 압축기에 사용되는 밸브는, 밸브의 차압으로 인해 폐쇄 상태와 개방 상태 사이에서 전환되는 자동 밸브이다. 도 1a는 개방 상태인 종래의 자동 밸브(100)를 보여주고, 도 1b는 폐쇄 상태인 밸브(100)를 보여준다. 자동 밸브(100)는 시트(110)와 카운터-시트(120)를 구비한다. 시트(110)와 카운터-시트(120) 사이의 거리 d는 압축 사이클 동안 내내 일정하다[예컨대, 이들 사이에 스페이서(115)가 위치해 있을 수 있다].
개방 상태에서는, 밸브 폐쇄 부재(130)가 카운터-시트(120) 내에 배치되어, 유체가 입구 덕트(140) 및 출구 덕트(150)를 통해 흐를 수 있게 된다. 밸브 폐쇄 부재(130)의 형상은 디스크, 포핏(poppet), 다중-포핏 도는 링일 수 있는데, 이러한 형상의 차이가 밸브의 명칭을 제공한다: 디스크 밸브, 포핏 밸브, 다중-포핏 밸브, 또는 링 밸브.
폐쇄 상태에서, 밸브 폐쇄 부재(130)는 유체가 입구 덕트(140)로부터 출구 덕트(150)를 향해 흐르지 못하게 한다. 스프링(160)이 밸브의 작동에 적극적으로 참여하고, 탄성 변형력이 유로를 따라 생성하는 압력은, 상기 탄성 변형력을 밸브 폐쇄 부재(130)의 면적으로 나눈 값에 상당하다. 밸브 폐쇄 부재(130)를 카운터-시트(120)를 향해 압박하는 힘이 스프링(160)에 인가되어 밸브를 개방시키도록, 밸브(100)가 구성될 수 있다. 이때, 밸브(100)를 개방하기 위해서는, 유체의 공급원에서의 제1 압력 P1이, 유체의 도착지에서의 압력 P2보다 커야만 한다. 스프링(160)은 밸브(100)의 신속한 폐쇄를 도우므로, "리턴" 스프링으로 알려져 있다. 그러나, 힘이 인가되어 밸브 폐쇄 부재(130)를 시트(110)를 향해 압박하도록, 밸브(100)가 구성될 수 있다. 이때, 밸브(100)를 폐쇄하기 위해서는, 유체의 공급원에서의 제1 압력 P1이, 유체의 도착지에서의 압력 P2보다 작아야만 한다.
스프링(160)은 밸브(100)가 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환되는 속도를 높이지만, 밸브의 차압(P1-P2)은 동적으로 변화할 수 있다. 스프링(160)은 밸브에 있어서 자주 고장이 나는 부분으로서, 밸브의 안정성에 영향을 미치며, 이에 따라 전체 왕복 압축기의 안정성에도 영향을 미치는 부분이다.
자동 밸브의 한 가지 단점은, 시트(110)와 카운터-시트(120) 사이의 체적(압축실과 연통해 있는 체적)에 있는 유체가 배출될 수 없고, 이에 따라 비효율성의 원인이 된다는 것이다.
밸브 폐쇄 부재(130)는 선형 동작(즉, 병진)을 행하므로, 자동 밸브(100)는 리니어 밸브이다. 스프링을 구비하는 대신에, 리니어 밸브는, 작동 기구가 밸브 폐쇄 부재의 선형 동작(병진)을 일으키는 작동 밸브일 수 있다. 밸브의 형태와 작동 환경은, 밸브를 어느 한 상태(즉, 폐쇄 또는 개방)로 유지하고, 작동 동작을 받으면 일시적으로 밸브를 다른 상태로 전환하지만, 내장된 리턴 기구로 인해 상기 어느 한 상태로 되돌아가게 하도록 동조할 수 있다.
최근에는, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기용으로 로터리 밸브가 고려되고 있다. 로터리 밸브는, 리니어 밸브보다 넓은 유동 면적을 제공하며, 유체가 배출될 수 없는 밸브-관련 체적으로 인한 비효율성의 문제를 경감시키도록 구성되어 있는 작동 밸브이다. 도 2a와 도 2b는 개방 상태의 로터리 밸브(200)와 폐쇄 상태의 로터리 밸브를 각각 보여주는 개략도이다. 로터리 밸브(200)는 이동부(로터)(210)와 고정부(스테이터)(220)를 구비하고, 상기 고정부는, 왕복 압축기의 압축실과, 상기 압축실에 흘러 들어가거나 혹은 상기 압축실에서 흘러 나가는 유체가 통과하는 입구 덕트와의 사이에 배치되어 있다. 로터(210)는 밸브 샤프트(230)를 중심으로 회전 가능하고 개구(212)를 갖는다. 스테이터(220)는 개구(222)를 갖는다. 밸브(200)가 개방 상태에 있을 때(도 2a), 로터(210)는 그 개구(212)가 스테이터(220)의 개구(222)와 겹쳐져 있는 제1 위치에 있다. 밸브(200)가 폐쇄 상태에 있을 때(도 2b), 로터(210)는 그 개구(212)가 스테이터(220)의 개구(222)와 겹쳐져 있지 않은 제3 위치에 있다. 로터(210)가 제1 위치에서 제2 위치로 회전할 때, 그리고 반대로 제2 위치에서 제1 위치로 회전할 때, 로터리 밸브(200)는 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환된다.
석유 및 가스 산업용 왕복 압축기에 작동 밸브(리니어 또는 로터리)를 사용하려면, 현재 입수 가능한 액추에이터를 특징 짓는 힘, 변위 및 응답 시간 등의 파라미터 각각의 범위에 비해 비교적 큰 힘, 큰 변위 및 짧은 응답 시간이 요구된다. 현재 입수 가능한 액추에이터 중에는, 상기한 조건을 동시에 충족시키도록 작동 가능한 것이 없다. 추가적으로, (요구되는 짧은 응답 시간으로 작동 가능한) 전기 액추에이터를 사용하면, 부식성 및/또는 인화성을 갖는 작동 유체로부터 전기 액추에이터를 격리시키기 위한 요건으로 인해 더 제한을 받게 된다.
석유 및 가스 산업에서의 장비와는 달리, (전기 액추에이터의 사용 빈도가 높은) 자동차 산업에서 밸브를 작동시키는 데에는, 큰 힘과 짧은 응답 시간은 요구되지만, 큰 변위는 요구되지 않을 수 있다. 추가적으로, 자동차 산업의 장비에서는, - 실제 추구하려고 하는 현상인 - 폭발에 관하여는 전혀 고려하고 있지 않아, 폭발로 인해 발생하는 높은 압력이 쉽게 외기속에서 소멸된다.
또한, 석유 및 가스 산업에서의 장비와는 달리, (공기압 또는 유압 액추에이터를 이용하여 실시되는 빈도가 높은) 해양 장비는 큰 힘을 필요로 하고 큰 변위를 필요로 할 수 있지만, 작동 시간은 중요하지 않다.
따라서, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기에서 밸브를 효율적으로 작동시키는 밸브 어셈블리 및 방법의 제공이 요망되고 있다.
현재 본 발명의 개념의 여러 실시형태는, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기의 작동 밸브에서의 기술적 과제를 해결하는 장치 및 방법을 제시한다.
예시적인 일 실시형태에 따르면, 석유 및 가스 산업용 왕복 압축기의 밸브를 작동시키는 데 사용 가능한 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구는, 회전 동작을 행하도록 구성된 드라이버와, 밸브의 이동부 및 드라이버에 연결된 팔로워를 포함한다. 상기 팔로워는, 상기 드라이버의 회전 동작을 상기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있다.
예시적인 다른 실시형태에 따르면, 왕복 압축기는, 압축실과, 유체가 상기 압축실에 들어가거나 또는 상기 압축실에서 방출될 때 통과하는 밸브, 그리고 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 구비한다. 상기 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구는, 회전 동작을 행하도록 구성되어 있는 드라이버와, 밸브의 이동부 및 드라이버에 연결되어 있는 팔로워를 포함한다. 상기 팔로워는, 상기 드라이버의 회전 동작을 상기 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있다.
예시적인 다른 실시형태에 따르면, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기를 보강하는 방법이 제공된다. 왕복 압축기는, 유체가 압축되는 실린더를 갖고, 당초부터 상기 유체는 자동 밸브를 거쳐 상기 실린더에 흘러 들어가거나 실린더에서부터 흘러 나오며, 상기 밸브는 밸브의 차압에 따라 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환되도록 되어 있는 것이다. 상기 방법은, (A) 회전 동작을 행하도록 구성되어 있는 드라이버와, (B) 밸브의 이동부 및 상기 드라이버에 연결되어 있고, 상기 드라이버의 회전 동작을 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있는 팔로워를 구비하는 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 마련하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 상기 밸브의 이동부를 작동시키도록 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 장착하는 단계를 더 포함한다.
본 명세서에 포함되어 있고 본 명세서의 일부분을 구성하는 첨부 도면은, 하나 이상의 실시형태를 예시하며, 상세한 설명과 함께 이들 실시형태를 설명한다. 도면에서:
도 1a 및 도 1b는 종래의 자동 밸브의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 로터리 밸브의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 일 실시형태에 따른, 리니어 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 어셈블리를 보여주는 도면이다.
도 4는 다른 실시형태에 따른, 리니어 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구의 개략도이다.
도 5는 다른 실시형태에 따른, 리니어 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구의 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 예시적인 일 실시형태에 따른, 로터리 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 보여주는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 다른 실시형태에 따른, 로터리 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 보여주는 도면이다.
도 8은 예시적인 일 실시형태에 따른 왕복 압축기의 개략도이다.
도 9는 예시적인 일 실시형태에 따른, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기를 보강하는 방법을 보여주는 흐름도이다.
예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명은, 첨부 도면을 참조로 한다. 서로 다른 도면에 있어서 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별하는데 사용된다. 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다. 이하의 실시형태는, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기의 전문 용어 및 구조에 관해 간단히 다뤄진다. 그러나, 뒤에서 다루게 될 밸브는 다른 장비에도 적용될 수 있다.
발명의 상세한 설명의 전반에 언급되어 있는 "일 실시형태" 또는 "실시형태"는, 실시형태와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시형태에 포함되어 있는 것임을 의미한다. 따라서, 발명의 상세한 설명의 전반에 걸쳐 여러 곳에 보이는 구절 "일 실시형태에서" 또는 "실시형태에서"가, 동일한 실시형태를 나타내는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
이하에 기술하는 실시형태의 한 목적은, 밸브를 개방하고 폐쇄하는 변위를 발생시킴으로써, 석유 및 가스 산업용 왕복 압축기의 밸브를 작동시키는 밸브 어셈블리(즉, 포지티브 드라이브 기구)를 제공하는 것이다. 이렇게 작동되는 밸브는 리니어(병진) 밸브 또는 회전 밸브일 수 있다. 밸브의 밸브 폐쇄 부재의 양측에서의 차압에 따라 개방되는 자동 밸브와는 달리, 작동 밸브는 액추에이터로부터 각각의 변위를 받으면 개방 및/또는 폐쇄된다. 작동 밸브는 자동 밸브보다 더 믿을 만하며, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기의 효율을 증대시키고 틈새 체적을 감소시키는 이점이 있다.
도 3a, 도 3b, 도 4 및 도 5는 리니어(병진) 밸브용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 보여준다. 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b는 로터리 밸브용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 보여준다. 용어 "포지티브 드라이브"는, 밸브를 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환시키도록, 밸브의 이동부를 작동시키는 회전 동작을 행하는 불규칙한 형상의 부분을 구비한 작동 기구에 관하여 사용된다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 일 실시형태에 따른, 리니어 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 어셈블리(300)를 서로 직각을 이루는 두 방향에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다. 밸브 어셈블리(300)는, 제1 캠(310)과, 제2 캠(320), 그리고 연속적인 회전 동작을 제1 캠(310) 및 제2 캠(320)에 전달하도록 구성된 캠 샤프트(330)를 포함한다. 밸브 작동 기구의 제1 아암(340)은, 폐쇄 캠(310) 및/또는 개방 캠(320)과 접촉하는 캠-접촉 단부(342)와, 캠-접촉 단부(342)의 반대편에 있는 조인트 단부(344)를 구비하도록 구성되어 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 캠-접촉 단부(342)는, 폐쇄 캠(310) 또는 개방 캠(320)에 각각 직접 접촉하게 되는 제1 부분(341)과 제2 부분(343)으로 분기되어 있다.
밸브 작동 기구의 제2 아암(350)은, 제1 아암(340)의 조인트 단부(344)에 조인트(360)를 통해 강고히 연결된 조인트 단부(352)와, 제2 아암(350)의 조인트 단부(352)의 반대편에 있는 샤프트 단부(354)를 구비한다. 샤프트 단부(354)는 실제로는 밸브 샤프트(325)의 홈에 결합되는 포크이며, 상기 홈은 제2 아암(350)의 샤프트 단부(354)가 밸브 샤프트(325)에 결합되는 위치를 중심으로 소직경을 갖는 것이다.
제1 캠(310)은 그 연장부로 인해 샤프트(325)를 밀어내린다. 이어서, 제2 캠(320)은 그 비대칭적으로 연장된 프로파일로 인해 제1 아암(340)을 압박하여 시계방향으로 회전시키고, 그 결과 제2 아암(350)도 마찬가지로 시계방향으로 회전하게 되어, 밸브 샤프트(325)가 밀어올려진다. 이어서, 제1 캠(310)이 샤프트(325)를 다시 밀어내리면, 제2 아암(350)도 또한 밀어내려지고, 그 결과 반시계방향으로 회전하게 된다. 이와 같이 제2 아암(350)이 반시계방향으로 회전함으로써, 제1 아암(340)도 또한 회전하여 소정 위치로 되돌아가게 되며, 이후에 제1 아암은 상기 위치에서 제2 캠(320)에 의해 다시 압박될 수 있다.
도 4는 다른 실시형태에 따른, 리니어 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(400)를 도시한다. 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(400)는, 회전 샤프트(415)로 인하여 축(412)을 중심으로 회전하는 캠(410)을 포함한다. 캠(410)은 팔로워(420) 내에 배치되는데, 캠(410)의 둘레로부터 팔로워(420)의 내면까지의 거리에 따라, 팔로워는 우측을 향해 또는 좌측을 향해 압박된다. 팔로워(420)는 샤프트(425)를 통해 리니어 밸브(도시 생략)의 밸브 폐쇄 부재에 부착되어 있다. 따라서, 밸브 작동 기구(400)는, 캠(410)이 연속적으로 회전하는 것을, 축(422)을 따라 번갈아 병진 운동하는 것으로 변환하도록 구성되어 있다.
도 5는 다른 실시형태에 따른, 리니어 밸브 작동용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(500)를 도시한다. 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(500)는 드라이버(510)를 포함하는데, 이 드라이버(510)는 그 일단부에 위치해 있는 축(515)을 중심으로 번갈아 각도를 변위시키도록 되어 있는 것이다. 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(500)는 팔로워(520)를 더 포함하는데, 이 팔로워는 샤프트(525)에 연결되어 있고, 일단부(523)가 타단부(524)보다 축(515)에 더 가까운 폐쇄 프로파일(522)을 갖는 것이다. 드라이버(510)는, 축(515)이 위치해 있는 제1 단부의 반대편에 있는 제2 단부에 노치(512)가 마련되어 있다. 노치(512)는 프로파일(522) 내부에서 미끄럼 이동하도록 배치 및 구성되어 있다. 드라이버(510)가 반시계방향으로 회전할 때, 노치(512)가 프로파일(522)의 일단부(523)에서부터 타단부(524)를 향해 미끄럼 이동함에 따라, 팔로워(520)는 축(515)으로부터 멀어지는 방향(도 5의 하방)으로 밀어내어진다. 드라이버(510)가 시계방향으로 회전할 때, 노치(512)가 프로파일(522)의 타단부(524)에서부터 일단부(523)를 향해 미끄럼 이동함에 따라, 팔로워(520)는 축(515)을 향하는 방향(도 5의 상방)으로 당겨진다. 따라서, 밸브 작동 기구(500)는, 드라이버(510)가 번갈아 각도 변위(회전)되는 것을, 리니어 밸브(도시 생략)의 밸브 폐쇄 부재에 연결된 샤프트(525)가 번갈아 병진 운동하는 것으로 변환하도록 구성되어 있다.
도 6a 및 도 6b는 예시적인 다른 실시형태에 따른, 로터리 밸브 작동용 밸브 작동 기구(600)를 서로 다른 방향(서로 수직한 방향)에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다. 밸브 작동 기구(600)는 개방 캠(610)과 폐쇄 캠(620)을 포함한다. 개방 캠(610)과 폐쇄 캠(620)은 캠 샤프트(615)에 의해 회전된다.
밸브 작동 기구(600)는, (1) 캠 샤프트(615)가 360도 회전하는 동안에 개방 캠(610)의 연장부와 일시적으로 접촉하는 캠 단부(652)와, (2) 밸브 샤프트(630)에 제1 각도 위치로 고정 부착되어 있는 밸브 샤프트 단부(654)를 갖는 개방 아암(650)을 포함한다. 밸브 작동 기구(600)는, (1) 캠 샤프트(615)가 360도 회전하는 동안에 폐쇄 캠(620)의 연장부와 일시적으로 접촉하는 캠 단부(642)와, (2) 밸브 샤프트(630)에 상기 제1 각도 위치와는 다른 제2 각도 위치로 고정 부착되어 있는 밸브 샤프트 단부(644)를 갖는 폐쇄 아암(640)을 더 포함한다. 밸브 샤프트(630)에 대한 개방 아암(650)의 제1 연결 영역과, 밸브 샤프(630)에 대한 폐쇄 아암(640)의 제2 연결 영역 사이에는 스페이서가 있을 수 있다.
밸브 샤프트(630)와 캠 샤프트(615)는 실질적으로 평행하다. 캠 샤프트(615)가 캠(610, 620)과 함께 회전함에 따라, 개방 캠(610)의 연장부가 개방 아암(650)과 밸브 샤프트(630)를 반시계방향으로 압박하여, 로터리 밸브(도시 생략)의 로터의 각도가 변위하게 된다. 이어서, 폐쇄 캠(620)의 연장부가 폐쇄 아암(640)과 밸브 샤프트(630)를 시계방향으로 압박하여, 로터리 밸브의 로터의 각도가 반대방향으로 변위하게 된다. 따라서, 밸브 작동 기구(600)는, 캠(610, 620)이 연속적으로 회전하는 것을, 로터리 밸브의 로터에 연결된 밸브 샤프트(630)가 번갈아 회전하는 것으로 변환하도록 구성되어 있다.
도 7a 및 도 7b는 다른 실시형태에 따른, 로터리 밸브용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(700)를 서로 다른 방향(서로 수직한 방향)에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다. 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(700)는, 샤프트(720)에 부착된 홈을 가진 실린더(710)를 포함한다. 상기 홈을 가진 실린더(710)는 축(715)을 중심으로 회전하며, 그 외표면에서 폐루프를 형성하는 홈(712)을 갖는다. 축(715)을 따르는 방향에서의 홈(712)의 위치는, 상기 폐루프 둘레로 가변적이다.
포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(700)는, 진동 팔로워(730)를 더 포함한다. 진동 팔로워(730)는 일단부에 노치(732)를 갖는다. 상기 홈을 가진 실린더(710)가 회전할 때, 노치(732)는 홈(712) 상에서 미끄럼 이동한다. 홈(712) 상에서 미끄럼 운동하는 노치(732)가 도 7b의 좌측 또는 우측을 향해 이동할 때에는, 축(715)을 따르는 방향에서의 홈(712)의 위치의 변동으로 인하여, 진동 팔로워(730)는 축(735)을 중심으로 회전하도록 구성되어 있다. 진동 팔로워(730)는 샤프트(740)에 부착되어 있는데, 이 샤프트는 축(735)을 따라 배치되며 로터리 밸브(도시 생략)의 로터에 부착되어 있는 것이다. 따라서, 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(700)는, 홈을 가진 실린더(710)가 연속적으로 회전하는 것을, 축(735)을 따라 번갈아 병진 운동하는 것으로 변환하도록 구성되어 있다.
도 8에 개략적으로 도시된 왕복 압축기(800)에, 상기 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구 중 어느 것이나 사용될 수 있다. 압축기(800)는 2실 왕복 압축기이다. 그러나, 도 3~도 7에 도시된 것과 유사한 실시형태에 따른 밸브 어셈블리는 1실 왕복 압축기에도 사용될 수 있다. 압축은 실린더(820)의 실(822, 824) 내에서 일어난다. 압축되는 유체(예컨대, 천연 가스)가 입구(830)를 통해 실린더(820)에 유입되고, 압축 이후에, 출구(840)를 통해 유출된다. 실(822, 824)의 체적은, 피스톤(850)이 실린더(820)의 종축을 따라, 번갈아 헤드 단부(826)와 크랭크 단부(828)를 향해 이동함으로 인해, 변경된다. 피스톤(850)은 실린더(820)를 2개의 실(822, 824)로 나누는데, 이들 두 실은 사이클 과정 중의 서로 다른 단계로 작동되며, 챔버(824)의 체적이 최대값일 때, 챔버(822)의 체적이 최저값이고, 반대로 챔버(824)의 체적이 최저값일 때, 챔버(822)의 체적이 최대값이다.
흡인 밸브(832, 834)는, 압축될(즉, 제1 압력 P1을 갖는) 유체가 입구(830)로부터 챔버(822, 824)로 각각 흘러 들어갈 수 있게 하도록 개방된다. 토출 밸브(842, 844)는, 압축된(즉, 제2 압력 P2를 갖는) 유체가 챔버(822, 824)로부터 각각 출구(840)를 거쳐 흘러 나갈 수 있게 하도록 개방된다. 피스톤(850)은, 예를 들어 크로스헤드(도시 생략) 및 피스톤 로드(880)를 통해 크랭크 샤프트(도시 생략)로부터 에너지를 받아 이동한다. 도 8에서, 밸브(832, 834, 842, 844)는 실린더(820)의 측벽 상에 위치해 있는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 밸브(832, 834, 842, 844)는 실린더(820)의 헤드 단부(826) 및/또는 크랭크 단부(828) 상에 각각 위치해 있을 수 있다.
밸브의 양측의 차압에 따라 개폐되는 자동 밸브와는 달리, 작동 밸브(832)는 밸브 어셈블리(837)로부터 전달받는 각도 변위로 인하여 개폐된다. 왕복 압축기(800)의 하나 이상의 밸브는 작동 밸브일 수 있다. 몇몇 실시형태에서는 작동 밸브와 자동 밸브의 조합이 이루어질 수 있는데, 예를 들어 흡인 밸브는 작동 밸브인 반면에 토출 밸브는 자동 밸브일 수 있다.
일부 실시형태는 후술하는 장점(즉, 밸브 개폐 타이밍 제어의 개선 및 안정성 향상) 중 하나 이상을 가질 수 있다. 추가적으로, 유체가 방출되지 못하는 밸브와 관련된 체적을 줄임으로써, 압축기의 효율이 향상될 수 있다.
유체가 압축되는 실린더를 갖고, 상기 유체는 자동 밸브를 거쳐 상기 실린더에 흘러 들어가거나 실린더에서부터 흘러 나오며, 상기 밸브는 밸브의 차압에 따라 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환되도록 되어 있는 것인 기존의 왕복 압축기는, 전술한 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구 중 어느 하나를 사용하여 작동되는 밸브를 구비함으로써 보강될 수 있다. 도 9는 예시적인 일 실시형태에 따른, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기를 보강하는 방법(900)을 보여주는 흐름도이다. 상기 방법(900)은, (A) 회전 동작을 행하도록 구성되어 있는 드라이버와, (B) 밸브의 이동부 및 상기 드라이버에 연결되어 있고, 상기 드라이버의 회전 동작을 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있는 팔로워를 구비하는 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 마련하는 단계(S910)를 포함한다. 상기 방법(900)은, 상기 밸브의 이동부를 작동시키도록 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 장착하는 단계(S920)를 더 포함한다. 상기 방법(900)은 또한, 회전 동작을 제공하는 샤프트에 드라이버를 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 예시적인 실시형태는, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기의 밸브용 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 제공한다. 상세한 설명은 본 발명을 제한하려는 의도가 없음은 물론이다. 이와는 반대로, 예시적인 실시형태는, 첨부된 청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함되는 변형예, 수정예 및 등가물을 커버하려는 것이다. 또한, 예시적인 실시형태의 상세한 설명에서는, 청구되는 발명을 종합적으로 이해시키기 위하여, 많은 세부 사항이 제시되어 있다. 그러나, 당업자라면, 이러한 세부 사항 없이도 여러 실시형태가 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 예시적인 실시형태의 특징 및 요소가 이들 실시형태에서 특정 조합으로 기술되어 있지만, 각 특징 또는 요소는, 실시형태의 다른 특징 및 요소없이 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 본원에 개시된 다른 특징 및 요소와 함께 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
본 명세서는, 임의의 당업자가 개시된 청구 대상을 실시할 수 있게 하도록 상기 청구 대상의 예를 사용하고 있는데, 이러한 실시에는 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것과, 임의의 수반되는 방법을 행하는 것 등이 있다. 상기 청구 대상의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지며, 당업자에게 떠오르는 다른 예도 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (11)

  1. 석유 및 가스 산업용 왕복 압축기(800)의 밸브(832)를 작동시키는 데 사용 가능한 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(300, 400, 500, 600, 700)로서,
    회전 동작을 행하도록 구성된 드라이버(301, 320, 410, 510, 610, 620, 710); 및
    밸브의 이동부(833) 및 드라이버에 연결되어 있고, 드라이버의 회전 동작을 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있는 팔로워(340, 350, 420, 520, 640, 650, 730)
    를 포함하는 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 드라이버는, 축을 중심으로 회전하도록 구성된 제1 캠과 제2 캠을 포함하고, 제1 캠과 제2 캠의 연장부는 서로 다른 각도 위치에 각각 위치해 있는 것인 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밸브는 리니어 밸브이고, 상기 팔로워는,
    제1 캠과 제2 캠의 프로파일과 접촉하는 캠-접촉 단부를 갖는 제1 아암,
    밸브 샤프트에 부착된 샤프트-접촉 단부를 갖는 제2 아암, 및
    상기 제1 아암에 있어서의 상기 캠-접촉 단부의 반대편과, 상기 제2 아암에 있어서의 상기 샤프트-접촉 단부의 반대편에 각각 있는 강접(剛接) 접속 단부를 포함하며,
    상기 팔로워는, 상기 드라이버의 회전 동작을 상기 밸브 샤프트에 부착된 밸브 폐쇄 부재의 왕복 병진 운동으로 변환하는 것인 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브는 로터리 밸브이고, 상기 팔로워는,
    상기 로터리 밸브의 로터에 부착된 밸브 샤프트,
    상기 밸브 샤프트에 제1 각도 위치로 부착된 제1 아암, 및
    상기 밸브 샤프트에 제2 각도 위치로 부착된 제2 아암을 포함하며,
    상기 드라이버는, 제1 아암의 캠 단부와 제2 아암의 캠 단부 사이에 배치되고, 제1 아암의 캠 단부와 제2 아암의 캠 단부는 밸브 샤프트로부터 멀어지는 방향으로 연장되며, 제1 아암의 캠 단부는 제1 캠에 일시적으로 접촉하고, 제2 아암의 캠 단부는 제2 캠에 일시적으로 접촉하는 것인 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브는 리니어 밸브이고,
    상기 드라이버는, 연장부를 갖고 회전축을 중심으로 회전하는 캠을 구비하며,
    상기 팔로워는, 캠이 회전할 때, 상기 회전축에 실질적으로 수직한 병진축을 따라 번갈아 병진하게 되는 캠과 접촉하는 윤곽을 갖는 것인 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브는 리니어 밸브이고,
    상기 드라이브는, 회전축을 중심으로 번갈아 각도가 변위되도록 구성된 아암으로서, 그 일단부에 회전축이 위치해 있고, 그 타단부에 노치가 마련되어 있는 아암이며,
    상기 팔로워는, 밸브의 밸브 폐쇄 부재에 연결되는 샤프트를 갖고, 상기 팔로워가 갖는 프로파일은, 상기 드라이버의 노치가 내부에서 미끄럼 이동하도록 되어 있으며, 상기 프로파일의 제1 단부가 제2 단부보다는 상기 회전축에 가까이 있는 것인 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 드라이버는, 회전축을 중심으로 회전하는 홈을 가진 실린더로서, 이 홈은 그 외표면에서 폐루프를 형성하고, 상기 회전축을 따르는 방향에서의 상기 홈의 위치는 상기 폐루프 둘레로 가변적인 것인 홈을 가진 실린더이며;
    상기 팔로워는 아암으로서, 아암의 일단부에 있는 노치가 상기 홈을 따라 미끄럼 이동할 때, 진동축을 중심으로 서로 다른 각도 위치 사이에서 진동하도록 되어 있는 아암인 것인 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 드라이버의 회전 동작의 회전축이, 상기 밸브를 개폐하는 상기 왕복 동작의 중심이 되는 축 또는 상기 왕복 동작이 따르는 축에 실질적으로 수직한 것인 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구.
  9. 왕복 압축기(800)로서,
    압축실(822);
    유체가 통과해 상기 압축실에 들어가거나 또는 통과해 상기 압축실에서 방출되도록 배치된 밸브(832); 및
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구
    를 포함하는 왕복 압축기.
  10. 왕복 압축기(800)로서,
    압축실(822);
    유체가 통과해 상기 압축실에 들어가거나 또는 통과해 상기 압축실에서 방출되는 것인 밸브(832); 및
    포지티브 드라이브 밸브 작동 기구(300, 600, 700, 800, 900)
    를 포함하고, 상기 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구는,
    회전 동작을 행하도록 구성된 드라이버(510, 520, 610, 710, 810, 820, 910)와,
    밸브의 이동부(833) 및 드라이버에 연결되어 있고, 드라이버의 회전 동작을 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있는 팔로워(540, 550, 620, 720, 840, 850, 930)를 포함하는 것인 왕복 압축기.
  11. 유체가 압축되는 실린더를 갖고, 상기 유체는 자동 밸브를 거쳐 상기 실린더에 흘러 들어가거나 실린더에서부터 흘러 나오며, 상기 밸브는 밸브의 차압에 따라 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환되도록 되어 있는 것인, 석유 및 가스 산업에 사용되는 왕복 압축기를 보강하는 방법(900)으로서,
    (A) 회전 동작을 행하도록 구성되어 있는 드라이버와, (B) 밸브의 이동부 및 상기 드라이버에 연결되어 있고, 상기 드라이버의 회전 동작을 밸브를 개방하고 폐쇄하는 왕복 동작으로 각각 변환하도록 구성되어 있는 팔로워를 구비하는 포지티브 드라이브 밸브 작동 기구를 마련하는 단계(S910); 및
    상기 밸브의 이동부를 작동시키도록 상기 밸브 작동 기구를 장착하는 단계(S920)
    를 포함하는 왕복 압축기 보강 방법.
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