(57)【要約】  第１の流体と第２の流体との間で圧力を交換するようにされた回転等圧圧力交換器（ＩＰＸ）と、水圧エネルギー伝達システムに接続されて水圧エネルギー伝達システムに動力供給するようにされたモーターシステムと、を備えている、システム。【選択図】図１
2017523345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラッキングシステムを備えているシステムであって、
前記フラッキングシステムが、
第１の流体と第２の流体との間で圧力を交換するようにされた、水圧エネルギー伝達システムと、
前記水圧エネルギー伝達システムに接続されて、前記水圧エネルギー伝達システムに動力を供給するようにされた、モーターシステムと、
を備えている、
システム。
【請求項２】
前記第１の流体が、粒子をほとんど含有しない流体であり、前記第２の流体が、粒子を含有する流体である、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記モーターシステムが、電動モーターを備えている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記水圧エネルギー伝達システムが、回転等圧圧力交換器（ＩＰＸ）を備えている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記回転等圧圧力交換器が、ローターと、前記ローターを取り囲むスリーブと、を備えている、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記モーターシステムが、前記ローターに接続されたシャフトを備えている、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ローターが、永久磁石又は電磁石を備えている、
請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記シャフトが、永久磁石又は電磁石を備えている、
請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記モーターシステムを制御するようにされた１つ又は２つ以上の運転モードを有するコントローラを備えている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記１つ又は２つ以上の運転モードが、起動モード、速度制御モード、連続的出力モード、又は周期的出力モード、のうちの少なくとも１つを含んでいる、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記水圧エネルギー伝達システムが閾値範囲内で回転しているか否かを検出するようにされたセンサーを備え、前記コントローラが、センサーに接続されており、前記センサーからのフィードバックに応答して前記モーターシステムを制御している、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
システムであって、
第１の流体と第２の流体との間で圧力を交換するようにされた、回転等圧圧力交換器（ＩＰＸ）と、
水圧エネルギー伝達システムに接続されて、前記水圧エネルギー伝達システムに動力を供給するようにされた、モーターシステムと
を備えている、
システム。
【請求項１３】
前記第１の流体が、粒子をほとんど含まない流体であり、前記第２の流体が、粒子含有流体である、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モーターシステムが、電動モーターを備えている、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記モーターシステムが、電動モーターを備え、前記電動モーターが、前記回転ＩＰＸのローターに、第１の永久磁石又は第１の電磁石を備え、前記第１の永久磁石又は第１の電磁石が、第２の電磁石又は第２の永久磁石と相互作用するようにされている、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２の永久磁石又は第２の電磁石が、前記ローターを通って延びるシャフトに接続されている、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記モーターシステムを制御するようにされた１つ又は２つ以上の運転モードを有するコントローラを備え、前記１つ又は２つ以上の運転モードが、起動モード、速度制御モード、連続的出力モード、又は周期的出力モードのうちの少なくとも１つを含んでいる、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
方法であって、前記方法が、
回転等圧圧力交換器（ＩＰＸ）内のローターの回転をモニタリングするステップと、
前記ローターが閾値範囲外で回転しているときの状態を検出するステップと、
前記状態に応答して前記回転ＩＰＸに接続されたモーターシステムを操作するステップと、
を備えている、
方法。
【請求項１９】
前記ローターの回転をモニタリングするステップが、流量センサー、圧力センサー、トルクセンサー、回転速度センサー、音響センサー、磁気センサー、又は光学センサーを、コントローラでモニタリングするステップを備えている、
請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記状態に応答して前記モーターシステムを操作するステップが、１つ又は２つ以上の運転モードを選択するステップを含み、前記１つ又は２つ以上の運転モードが、起動モード、速度制御モード、連続的出力モード、又は周期的出力モード、のうちの少なくとも１つを含んでいる、
請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、「Pressure Exchange System with Motor System」と題する特許文献１の優先権及び利益を主張する。この明細書は、その全体を参照することにより、本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
このセクションは、以下に説明され及び／又は特許請求の範囲で主張されている、本発明の様々な態様に関連する技術の、様々な態様を、読者に紹介しようとするものである。ここでの議論は、本発明の様々な態様をよりよく理解しやすくするための背景情報を、読者に提供する上で、役立つものと考えられる。したがって、これらの記述は、この観点から読まれるべきであり、従来技術を承認するものとして読まれるべきではないことは、明らかである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国仮特許出願第６２／０３１，４８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
油及びガス産業における坑井を完成させる作業は、岩石層における油及びガスの放出量を増大させるために、水圧破砕（しばしばフラッキング（fracking又はfracing）と呼ばれる）をしばしば伴う。水圧破砕は、水、化学物質、及びプロパント（proppant）（例えば砂、セラミックス）の組み合わせを含有する流体（例えばフラッキング流体）を、高圧で井戸の中へポンピングすることを伴う。流体の高い圧力は、クラックのサイズを増大させ、クラックを岩石層に伝搬させることにより、油及びガスを放出する一方、プロパントは、ひとたび流体が減圧されたときにクラックが閉じるのを防止する。破砕作業は、フラッキング流体の圧力を高めるために、高圧ポンプを使用する。残念ながら、フラッキング流体中のプロパントは、回転式の設備の運転を妨害することがある。ある特定の環境では、固形物は、回転する構成部分の回転を遅くしてしまうか、回転を妨げるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
添付の図面を参照しながら下記詳細な説明を読めば、本発明の様々な特徴、態様、及び利点をよりよく理解できるようになる。図面全体を通して、同様の符号は同様の部材を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、モーターシステムを有する水圧エネルギー（hydraulic energy）伝達システムの１実施態様を示すダイヤグラムである。
【図２】図２は、回転ＩＰＸの１実施態様を示す分解斜視図である。
【図３】図３は、回転ＩＰＸの１実施態様を第１の運転位置で示す分解斜視図である。
【図４】図４は、回転ＩＰＸの１実施態様を第２の運転位置で示す分解斜視図である。
【図５】図５は、回転ＩＰＸの１実施態様を第３の運転位置で示す分解斜視図である。
【図６】図６は、回転ＩＰＸの１実施態様を第４の運転位置で示す分解斜視図である。
【図７】図７は、モーターシステムを有する回転ＩＰＸの１実施態様を示す断面図である。
【図８】図８は、図７の線８−８の内部の、回転ＩＰＸ及びモーターシステムの１実施態様を示す断面図である。
【図９】図９は、図７の線８−８の内部の、回転ＩＰＸ及びモーターシステムの１実施態様を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図７の線８−８の内部の、モーターシステムを有する回転ＩＰＸシステムの１実施態様の一部を示す断面図である。
【図１１】図１１は、複数の回転ＩＰＸを駆動するモーターシステムの実施態様を示す側面図である。
【図１２】図１２は、回転ＩＰＸに接続された液圧モーターシステムの１実施態様を示す側方断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の１つ又は２つ以上の具体的な実施態様を以下に説明する。記載されたこれらの実施態様は、本発明を例示するものにすぎない。更に、これらの模範的実施態様を簡潔に説明するために、明細書において実際の実施形態の特徴を全て記載することは、できない可能性がある。言うまでもなく、いかなる工学的又は設計上の企画においてもそうであるように、このような実際の実施形態の開発に際しては、開発者固有の目標を達成するため、例えば実施形態間で多様に異なるシステム関連及びビジネス関連の制約を遵守するために、実施形態固有の数多くの決定を下さなければならない。更に、言うまでもなく、このような開発努力は、複雑なものであり、多大な時間を費やすものであるにもかかわらず、この開示内容の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、及び製造に取り組むという、日常的な仕事であろう。
【０００８】
下で詳述するように、フラッキングシステム又は水圧破砕システムは、第１の流体（例えば圧力交換流体、例えばプロパントをほとんど含有しない流体）と第２の流体（例えばフラッキング流体、例えばプロパント含有流体）との間で、仕事及び／又は圧力を伝達する水圧エネルギー伝達システムを含む。例えば、第１の流体の第１の圧力は、第２の流体の第２の圧力よりも、ほぼ５，０００ｋＰａ〜２５，０００ｋＰａ、２０，０００ｋＰａ〜５０，０００ｋＰａ、４０，０００ｋＰａ〜７５，０００ｋＰａ、７５，０００ｋＰａ〜１００，０００ｋＰａ、又はそれ以上高くてよい。作業中、水圧エネルギー伝達システムは、第１の流体と第２の流体との間で、圧力を完全に等しくなるようにしなくてもよい。したがって、水圧エネルギー伝達システムは等圧的、又はほぼ等圧的に運転してよい（例えば、第１の流体及び第２の流体の圧力は、互いにほぼ＋／−１，２，３，４，５，６，７，８，９又は１０パーセント以内で等しくなるようにする）。
【０００９】
水圧エネルギー伝達システムは、水圧保護システム（hydraulic protection system）、水圧緩衝システム（hydraulic buffer system）、又は水圧分離システム（hydraulic isolation system）と記されることもある。なぜならばこのシステムは、第１の流体と第２の流体との間で、仕事及び／又は圧力を交換しながら、フラッキング流体と様々な水圧破砕設備（例えば高圧ポンプ）との接触を阻止又は制限するからである。水圧破砕設備の様々な部品と第２の流体（例えばプロパント含有流体）との接触を阻止又は制限することによって、水圧エネルギー伝達システムは、摩損及び摩耗を低減し、したがって、この設備（例えば高圧ポンプ）の寿命を長くして性能を高める。更に、水圧エネルギー伝達システムは、フラッキングシステムが、より低廉な設備、例えば研磨性流体（フラッキング流体及び／又は腐食性流体）のために設計されているのではない高圧ポンプを、当該システムで使用することを、可能にする。いくつかの実施態様の場合、水圧エネルギー伝達システムは、回転等圧圧力交換器（例えば回転ＩＰＸ）であってよい。回転等圧圧力交換器は、大まかに言えば、遠心技術を利用することなしに、ほぼ５０％、６０％、７０％、８０％、又は９０％を超える効率で、高圧入口流と低圧入口流との間で流体圧力を伝達する装置として、形成されることができる。
【００１０】
運転中、水圧エネルギー伝達システムは、第１の流体と第２の流体との間で、仕事及び／又は圧力を伝達する。これらの流体は、多相流体、例えば気体／液体流、気体／固体粒子流、液体／固体粒子流、気体／液体／固体粒子流、又は任意のその他の多相流であってよい。例えば、多相流体は、砂、固形粒子、粉末、デブリ（debris）、セラミックス、又はこれらの任意の組み合わせを含んでよい。これらの流体は、非ニュートン流体（例えば剪断減粘性流体）、高粘性流体、プロパント含有非ニュートン流体、又はプロパント含有高粘性流体であってもよい。回転を容易にするために、水圧エネルギー伝達システムは、モーターシステム（例えば、電動モーター、燃焼機関（combustion engine）、液圧モーター、空気圧モーター、及び／又は他の回転駆動装置）に接続されることができる。運転中、モーターシステムは、水圧エネルギー伝達システムが、高粘性であり及び／又は固形粒子、粉末、デブリなどを有する流体とともに回転するのを可能にする。例えば、モーターシステムは、高粘性流体又は粒子含有流体を伴う起動を容易にすることができ、これにより、水圧エネルギー伝達システムの迅速な始動が可能になる。モーターシステムは、高粘性／粒子含有流体を有する状態で適切な運転速度（例えばｒｐｍ）を維持するために、水圧エネルギー伝達システムが粒子を粉砕する（grind through）のを可能にする付加的な力を与えることもできる。いくつかの実施態様では、モーターシステムは、運転速度を制御することにより、水圧エネルギー伝達システム内の流体間の、より正確な混合を容易にすることもできる。
【００１１】
図１は、モーターシステム１２に接続された水圧エネルギー伝達システム１０を有するフラッキングシステム８（例えば流体取り扱いシステム）の、１実施態様を示すダイヤグラムである。上述のように、モーターシステム１２は、高粘性流体及び／又は粒子含有流体を使用したときの、水圧エネルギー伝達システム１０の回転を容易にする。例えば、坑井を完成させる作業中、フラッキングシステム８は、加圧された粒子含有流体をポンピングする。この流体は、クラック１６を伝搬してそのサイズを増大させることにより、岩石層１４内の油及びガスの放出量を増大させる。フラッキングシステム８が減圧した場合に、クラック１６が閉じるのを阻止するために、フラッキングシステム８は、固形粒子、粉末、デブリなどを有する流体を使用する。この流体は、クラック１６に進入し、クラック１６を開いたままにする。
【００１２】
この粒子含有流体を井戸内へポンピングするために、フラッキングシステム８は、水圧エネルギー伝達システム１０に接続された１つ又は２つ以上の第１の流体のポンプ１８と、１つ又は２つ以上の第２の流体のポンプ２０と、を備えることができる。例えば、水圧エネルギー伝達システム１０は、回転ＩＰＸであってよい。運転中、水圧エネルギー伝達システム１０は、第１の流体のポンプ１８によってポンピングされた第１の流体（例えばプロパント非含有流体）と、第２の流体のポンプ２０によってポンピングされた第２の流体（例えばプロパント含有流体又はフラッキング流体）と、の実質的な混合を伴わずに、圧力を伝達する。こうして、水圧エネルギー伝達システム１０は、第１の流体のポンプ１８（例えば高圧ポンプ）の摩耗を阻止又は制限する一方、油及びガスを放出するために、フラッキングシステム８が高圧のフラッキング流体を井戸１４内へポンピングするのを、可能にする。腐食性及び研磨性の環境において運転するために、水圧エネルギー伝達システム１０は、第１の流体中及び第２の流体中の腐食性及び摩耗性物質に対して耐性の材料から形成されていてよい。例えば、水圧エネルギー伝達システム１０は、金属マトリックス（例えばＣｏ、Ｃｒ、又はＮｉ、又はこれらの任意の組み合わせ）の内部のセラミックス（例えばアルミナ、サーメット、例えば炭化物、酸化物、窒化物、又はホウ化物硬質相（boride hard phases））、例えばＣｏＣｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、又はＣｏの、マトリックス内の、炭化タングステンから形成されていてよい。
【００１３】
図２は、回転等圧圧力交換器４０（回転ＩＰＸ）の１実施態様を示す分解斜視図である。回転ＩＰＸは、流体の混合を最小限にしか伴わずに、第１の流体と第２の流体と（例えばプロパント非含有流体とプロパント含有流体と）の間で、圧力及び／又は仕事を伝達することができる。回転ＩＰＸ４０は、スリーブ４４（例えばロータースリーブ）とローター４６とを含むほぼ円筒形の本体部分４２を含んでいてよい。回転ＩＰＸ４０は、それぞれ、マニホルド５２及び５４を含む２つのエンドキャップ４８及び５０を含んでいてもよい。マニホルド５２は、それぞれの入口ポート及び出口ポート５６及び５８を含むのに対して、マニホルド５４は、それぞれの入口ポート及び出口ポート６０及び６２を含む。運転中、これらの入口ポート５６，６０は、第１の流体及び第２の流体（例えばプロパント非含有流体）が圧力交換のために回転ＩＰＸ４０に入るのを可能にするのに対して、出口ポート５８，６２は、第１の流体及び第２の流体が回転ＩＰＸ４０を出るのを可能にする。運転中、入口ポート５６は、高圧の第１の流体を受け取ることができ、そして圧力交換後、出口ポート５８は、低圧の第１の流体をＩＰＸ４０から送出するために使用することができる。同様に、入口ポート６０は、低圧の第２の流体（例えばプロパント含有流体、フラッキング流体）を受け取ることができ、そして出口ポート６２は、高圧の第２の流体をＩＰＸ４０から送出するために使用することができる。エンドキャップ４８及び５０は、それぞれマニホルド５２及び５４内部に配置された、それぞれのエンドカバー６４及び６６を含み、エンドカバー６４及び６６は、ローター４６との流体密な接触を可能にする。ローター４６は円筒形であり、スリーブ４４内に配置されていてよく、スリーブ４４は、ローター４６が軸線６８を中心として回転するのを可能にする。ローター４６は、ローター４６を通ってほぼ長手方向に延びる複数のチャンネル７０を有していてよく、各端部の開口７２及び７４は、長手方向軸線６８を中心として対称的に配置されている。ローター４６の開口７２及び７４は、エンドカバー５２及び５４の入口のアパーチャー及び出口のアパーチャー、７６及び７８、及び８０及び８２と、水力学的に連通（hydraulic communication）するように配置されて、回転中、チャンネル７０が高圧の流体と低圧の流体とに晒されるようになっている。図示のように、入口のアパーチャー及び出口のアパーチャー、７６及び７８、及び８０及び８２は、円弧又は円の一部（例えばＣ字形）の形態を成すように構成されている。
【００１４】
いくつかの実施態様では、センサーフィードバックを用いたコントローラが、回転ＩＰＸ４０内の第１の流体と第２の流体との混合の程度を制御することができる。コントローラは、流体取り扱いシステムの操作性を改善するために使用することができる。例えば、ＩＰＸ４０に入る第１の流体と第２の流体との比を変化させると、プラント作業者は、水圧エネルギー伝達システム１０内部の流体混合量を制御することが可能になる。混合に影響を与えるＩＰＸ４０の３つの特徴は、（１）ローターチャンネル７０のアスペクト比と、（２）第１の流体と第２の流体との短い暴露時間と、（３）ローターチャンネル７０内部の第１の流体と第２の流体との間の流体バリア（例えば界面）の形成、である。第一に、ローターチャンネル７０は、概ね長く狭い。このことは、回転ＩＰＸ４０内部の流れを安定化させる。更に、第１の流体及び第２の流体は、軸線方向の混合を最小限にしか伴わずに栓流の態様でチャンネル７０を通流することができる。第二に、ある特定の実施態様では、ローター４６の速度は、第１の流体と第２の流体との接触を低減する。例えば、ローター４６の速度は、第１の流体と第２の流体との接触時間をほぼ０．１５秒、０．１０秒、又は０．０５秒未満に低減することができる。第三に、ローターチャンネル７０の小さな部分が、第１の流体と第２の流体との間の圧力の交換のために使用される。したがって、所定の体積の流体が、第１の流体と第２の流体との間のバリアとしてチャンネル７０内に残る。これらのメカニズム全てが、ＩＰＸ４０内部の混合を制限することができる。更に、いくつかの実施態様では、回転ＩＰＸ４０は、内部ピストンで運転するように構成されていてよい。この内部ピストンは、圧力伝達を可能にしながら第１の流体と第２の流体とを分離する。
【００１５】
図３〜６は、回転ＩＰＸ４０の１実施態様を示す分解図である。これらの図は、チャンネル７０が全サイクルにわたって回転するのに伴う、ローター４６に設けられた単一のチャンネル７０の一連の位置を明らかにしている。なお、図３〜６は、１つのチャンネル７０を示す、回転ＩＰＸ４０を単純化したものであり、チャンネル７０は円形断面形状を有するものとして示されている。他の実施態様では、回転ＩＰＸ４０は、同じ又は異なる断面形状（例えば円形、楕円形、正方形、長方形、多角形など）を有する複数のチャンネル７０を含んでよい。このように、図３〜６は、例示の目的で単純化したものであり、回転ＩＰＸ４０の他の実施態様は、図３〜６に示されたものとは異なる形態を有していてよい。下で詳述するように、回転ＩＰＸ４０は、第１の流体と第２の流体と（例えばプロパント非含有流体とプロパント含有流体と）をローター４６内部で短時間にわたって互いに接触させることにより、これら第１の流体と第２の流体との間の圧力交換を容易にする。ある特定の実施態様では、この交換は、第１の流体と第２の流体との制限された混合をもたらす速度で行わる。
【００１６】
図３において、チャンネルの開口７２は第１の位置にある。第１の位置において、チャンネルの開口７２は、エンドカバー６４のアパーチャー７８と、したがって、マニホルド５２と、流体連通（fluid communication）しているのに対して、反対側のチャンネルの開口７４は、エンドカバー６６のアパーチャー８２と、したがって、マニホルド５４と、水力学的に連通（hydraulic communication）している。以下に述べるように、ローター４６は、矢印８４によって示される時計回り方向に回転することができる。運転中、低圧の第２の流体８６はエンドカバー６６を通過し、チャンネル７０に入る。ここで低圧の第２の流体８６は、第１の流体８８と動的流体界面９０において接触する。次いで第２の流体８６は、第１の流体８８をチャンネル７０から駆出し、エンドカバー６４を貫流させ、そして回転ＩＰＸ４０から駆出する。しかしながら、接触時間が短いため、第２の流体８６と第１の流体８８との混合は、最小限である。
【００１７】
図４において、チャンネル７０は、ほぼ９０度の円弧を通って時計回りに回転している。この位置では、出口７４は、エンドカバー６６のアパーチャー８０及び８２と、もはや流体連通しておらず、そして開口７２は、エンドカバー６４のアパーチャー７６及び７８と、もはや流体連通していない。したがって、低圧の第２の流体８６は、チャンネル７０内部に一時的に含まれている。
【００１８】
図５において、チャンネル７０は、図６に示された位置からほぼ６０度を通って回転している。開口７４は、エンドカバー６６のアパーチャー８０と流体連通しており、そしてチャンネル７０の開口７２は、エンドカバー６４のアパーチャー７６と流体連通している。この位置で、高圧の第１の流体８８は、低圧の第２の流体８６に入ってこれを加圧し、第２の流体８６を、流体チャンネル７０から駆出して、フラッキングシステム８において使用するために、アパーチャー８０を通過させる。
【００１９】
図６において、チャンネル７０は、図６に示された位置からほぼ２７０度の円弧を通って回転している。この位置では、出口７４は、エンドカバー６６のアパーチャー８０及び８２と、もはや流体連通しておらず、そして開口７２はエンドカバー６４のアパーチャー７６及び７８と、もはや流体連通していない。したがって、第１の流体８８は、もはや加圧されず、そしてローター４６が更に９０度回転するまでチャンネル７０内に一時的に含まれ、繰り返しサイクルを始動させる。
【００２０】
図７は、回転ＩＰＸ４０に接続されたモーターシステム１２（例えば外部モーターシステム）の、１実施態様を示す断面図である。図示のように、モーターシステム１２は、ケーシング１００を通ってローター４６に接続されるシャフト９８を含んでいる。具体的には、シャフト９８は、ケーシング１００のアパーチャー１０２、エンドカバー６４のアパーチャー１０４を通って、ローター４６のアパーチャー１０６内へ延びている。シャフト９８の回転を容易にするために、モーターシステム１２は、シャフト９８を支持する１つ又は２つ以上の軸受１０８を含んでもよい。軸受１０８は、ケーシング１００の内部にあっても外部にあってもよい。いくつかの実施態様では、シャフト９８は、ローター４６及びエンドカバー６６を完全に貫通して延び、シャフト９８を、ローター４６の互いに反対の側で、軸受１０８によって支持することができる。
【００２１】
運転中、モーターシステム１２は、粒子を粉砕するためのトルクを与えること、ローター４６の運転速度を維持すること、回転ＩＰＸ４０内部の流体の混合を制御すること（例えばローター４６の回転速度を変えること）、又は、高粘性流体又は粒子含有流体を有する状態で回転ＩＰＸ４０を始動させること、によって、回転ＩＰＸ４０の運転を容易にする。図示のように、コントローラ１１０は、モーターシステム１２、及び１つ又は２つ以上のセンサー１１２（例えば、流量センサー、圧力センサー、トルクセンサー、回転速度センサー、音響センサー、磁気センサー、光学センサーなど）に接続されている。運転中、コントローラは、センサー１１２からのフィードバックを用いてモーターシステム１２を制御する。コントローラ１１０は、プロセッサ１１４とメモリ１１６とを含んでいてよい。メモリ１１６は、プロセッサ１１４によって実行可能な非一時的コンピュータ命令を記憶する。例えば、コントローラ１１０が１つ又は２つ以上のセンサー１１２からのフィードバックを受信するのに伴って、プロセッサ１１４は、メモリ１１６内に記憶された命令を実行することによって、モーターシステム１２から出力される動力を制御する。
【００２２】
メモリ１１６内に記憶された命令は、モーターシステム１２のための様々な運転モード（例えば、起動モード、速度制御モード、連続的出力モード、周期的出力モードなど）を含んでよい。例えば、起動モードでは、コントローラ１１０は、メモリ１１６内の命令を実行して、シャフト９８を回転させ始めるように、モーターシステム１２に信号を送ることができる。モーターシステム１２が作動するのに伴って、センサー１１２は、コントローラ１１０へ、シャフト９８が適切な速度（例えばｒｐｍ）で、又は閾値範囲内で回転しているか否かを示すフィードバックを与えることができる。シャフト９８の回転は、第１の流体及び第２の流体を、回転ＩＰＸ４０を通って流れるようにし、回転出力を、ローター４６に与えるものであるが、シャフト９８が所定の速度又は範囲に達すると、コントローラ１１０は、シャフト９８の回転を止めるように、モーターシステム１２に信号を送ることができる。しかしながら、いくつかの実施態様では、回転ＩＰＸ４０は、ローター４６の回転を周期的に補うように、モーターシステム１２を使用してよい（例えば周期的出力モード）。例えば、回転ＩＰＸ４０の定常状態運転中に、粒子が、ローター４６とスリーブ４４との間のギャップ１２０、ローター４６と第１のエンドカバー６４との間のギャップ１２２、及び／又は、ローター４６と第２のエンドカバー６６との間のギャップ１２４、に入るのに伴って、ローター４６は、減速することがある。時間とともに、ローター４６が、回転ＩＰＸ４０を定常状態回転速度に戻すのに充分な速さで、粒子を粉砕又は破砕することができないならば、粒子は、ローター４６を減速させるおそれがある。これらの状況において、コントローラ１１０は、ローター４６が減速しているか又は閾値外にあることを示すフィードバックを、センサー１１２から受信することができる。次いで、コントローラ１１０は、ローター４６を定常状態回転速度、又は閾値範囲に戻す動力を、シャフト９８に与えるように、モーターシステム１２に信号を送ることができる。ローター４６を適切な回転速度に戻した後で、コントローラ１１０は、モーターシステム１２を、再びシャットダウンすることができる。いくつかの実施態様では、モーターシステム１２は、ローター４６の回転速度を、連続的に入力／制御することができる（例えば連続的出力モード及び／又は速度制御モード）。例えば、いくつかの実施態様では、回転ＩＰＸ４０は、混合要件（例えば暴露要件（exposure requirement））を有する流体で運転してよい。換言すれば、回転ＩＰＸ４０は、第１の流体と第２の流体との間の暴露を制限して、第２の流体を有する回転ＩＰＸ４０からアパーチャー７８を通って外に出る第１の流体の量を、遮断又は制限することができる。
【００２３】
図８は、回転ＩＰＸ４０及びモーターシステム１２の１実施態様を図７の線８−８内で示す断面図である。図８の実施態様において、モーターシステム１２は、ローター４６の周りで永久磁石１６０が周方向に間隔を置いて設けられた電動モーターである。これらの永久磁石はスリーブ４４（例えばステーター）内部の電磁石１６２（例えばステーター巻き線）と相互作用する。いくつかの実施態様では、スリーブ４４は永久磁石１６０を含んでよく、これに対してローター４６は電磁石１６２を含み、あるいは、ローター４６及びスリーブ４４は両方とも電磁石１６２を含んでよい。更に、いくつかの実施態様では、スリーブ４４又はローター４６は、電磁石１６２と相互作用する磁性材料（例えば永久磁石材料）から完全又は部分的に形成されていてよい。図示のように、電磁石１６２（例えばステーター巻き線）及び永久磁石１６０はそれぞれスリーブ４４及びローター４６内部に位置することにより、回転ＩＰＸを貫流する流体との接触からこれらの磁石を保護する。しかしながら、いくつかの実施態様では、電磁石１６２（例えばステーター巻き線）及び／又は永久磁石１６０はスリーブ４４及びローター４６の外面に配置されてもよい。
【００２４】
運転中、コントローラ１１０（例えば可変周波数ドライブ）は、永久磁石１６０を吸引し及び／又は永久磁石１６０に反発するように電磁石１６２をターンオン・ターンオフすることによって、ローター４６の回転を制御する。対抗する磁界は、印加された交流電流の周波数に対して比例する速度でローターを回転させる。磁石１６０，１６２はこれらが互いに吸引し合い及び／又は反発し合うのに伴って、ローター４６の回転を駆動するか、又は回転を低減する。このように、モーターシステム１２からの動力は、ローター４６が粒子を粉砕し（grind through）、特定の運転速度を維持し、回転ＩＰＸ４０内部の流体の混合を制御する（例えばローター４６の回転速度を制御する）のを可能すること、又は高粘性流体又は粒子含有流体を有する状態で回転ＩＰＸ４０を始動させることによって、回転ＩＰＸ４０の運転を容易にする。いくつかの実施態様では、コントローラ１１０は、１つ又は２つ以上のセンサー１１２（例えば流量センサー、圧力センサー、トルクセンサー、回転速度センサー、音響センサー、磁気センサー、光学センサー、振動センサーなど）からのフィードバックに応答して、モーターシステムの運転を制御することができる。
【００２５】
ある特定の実施態様では、モーターシステム１２を使用して電気を発生させることができる。例えばローター４６は、回転ＩＰＸ４０を通る流体の運動に起因する第１の速度で回転することができる。次いでコントローラ１１０を使用して、モーターシステム１２がローター４６を、第１の速度よりも低い第２の速度まで減速させるようにすることができる。誘導発電効果の結果として、電磁界によって電気が発生する。この電気は次いで様々な目的で使用することができる。例えば、発生した電気を用いて、回転ＩＰＸ４０と関連する他の電気的な構成部分、例えばオンボード診断及び／又はモニタリングシステムに動力供給することができる。
【００２６】
更に、モーターシステム１２の開示された実施態様を用いてローター４６の速度を制御することによって、ローター４６の速度を直接に知ることができる。次いで、ローター４６の速度は、回転ＩＰＸ４０の運転をモニタリングし及び／又は制御するために、コントローラ１１０又は他のシステムによって用いることができる。例えば、ローター４６の回転速度が第１の閾値を下回る場合、このことは回転ＩＰＸ４０の望まれない運転を示すことがあるが、このような場合には、コントローラ１１０は、モーターシステム１２を使用してローター４６の速度を高めるのに適した信号を送ることができる。同様に、ローター４６の速度が第２の閾値を上回る場合、このことも回転ＩＰＸ４０の望まれない運転を示すことがあるが、このような場合には、コントローラ１１０は、ローター４６の速度を低減することができる。回転ＩＰＸ４０の望まれない運転は、センサーによって、又は電子装置からの電気的フィードバックによって示される（例えば、ローター４６の回転を生じさせるために必要な動力が大きいことによって示される）が、回転ＩＰＸ４０の予防的なメンテナンスを計画するために用いることができ、これにより、回転ＩＰＸ４０の操作に付随するメンテナンスコストを低減することができる。ある特定の実施態様の場合、コントローラ１１０は、所定の閾値内で回転ＩＰＸ４０が運転していることを示すために第１の指示（例えば緑色光）を表示し、そして所定の閾値外で運転していることを示すために第２の指示（例えば赤色光）を表示することができる。更に、コントローラ１１０は、コントローラのディスプレイに、ローター４６の速度を表示することができる。ある特定の実施態様では、ローター４６の速度が第１の閾値を下回る場合、回転を維持するために高い動力レベルを必要とする場合、第２の閾値を上回る場合、下降傾向を示す場合、上昇傾向を示す場合、速度の急激な変化を示す場合、又はこれらの任意の組み合わせの場合に、操作者が適切なアクションを起こすのを可能にするように、コントローラ１１０は警告又は他の指示を活性化することができる。ある特定の実施態様では、ローター４６の速度が所定の閾値外にある又は所定の閾値に近づいていることに基づいて、コントローラ１１０は適切なアクションを自動的に起こすことができる。操作者又はコントローラ１１０によって起こされるアクションは、速度異常の性質、例えば変化が徐々に生じているのか又は突然生じたのかに応じて異なっていてよい。いくつかの実施態様では、コントローラ１１０は、所定の制御アクションを見極めるために、ローター４６の速度を示す様々な他のパラメータをモニタリングすることができる。
【００２７】
図９は、回転ＩＰＸ４０及びモーターシステム１２の１実施態様を図７の線８−８内で示す断面図である。図９の実施態様において、モーターシステム１２は、ローター４６の周りで永久磁石１６０が周方向に間隔を置いて設けられた電動モーターである。これらの永久磁石はケーシング１００の外面１８０の上の電磁石１６２（例えばステーター巻き線）と相互作用する。いくつかの実施態様では、回転ＩＰＸ４０の外面１８０は永久磁石１６０を含んでよく、これに対してローター４６は電磁石１６２を含み、あるいは、回転ＩＰＸ４０の外面１８０及びローター４６は両方とも電磁石１６２を含んでよい。ある特定の実施態様では、ローター４６は、ローター４６全体が電磁石１６２と相互作用するのを可能にする磁性材料から形成されていてよい。電磁石１６２を回転ＩＰＸ４０の外面１８０に接続することにより、モーターシステム１２は、回転ＩＰＸ４０を貫流する流体から電磁石１６２を保護している。更に、電磁石１６２が回転ＩＰＸ４０の外面１８０の上に位置することによって、モーターシステム１２はメンテナンス及び検査のための電磁石１６２へのアクセスを容易にする。上述のように、運転中、コントローラ１１０はローター４６の回転を駆動するための電磁石１６２への出力を制御する。このことは、ローター４６が粒子を粉砕し、特定の運転速度を維持し、回転ＩＰＸ４０内部の流体の混合を制御し、又は高粘性又は粒子含有流体を有する状態で回転ＩＰＸ４０を始動させるのを可能にする。
【００２８】
図１０は、図７の線８−８の内部の、回転ＩＰＸ４０及びモーターシステム１２の、１実施態様を示す断面図である。図示の実施態様では、回転ＩＰＸ４０は、スリーブ４４を含まず、その代わりに、ローター４６の回転を可能にするために、中心の支柱（a center bearing post）１９０（例えばシャフト）を使用することができる。具体的には、中心の支柱１９０は、エンドカバー６４，６６に取り付けられており、そして１つ又は２つ以上（例えば１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、又は６つ以上）の永久磁石及び／又は電磁石１６２を含む。このように、ローター４６の永久磁石及び／又は電磁石１６２と電磁石及び／又は永久磁石１６０との間の間隔を小さくすることにより、永久磁石及び／又は電磁石１６２とローター４６（例えば部分的又は完全に磁性材料から形成されている場合）、又はローター４６内部の電磁石及び／又は永久磁石１６０との誘導結合の効率が高められる。図示のように、永久磁石及び／又は電磁石１６２が中心の支柱１９０内部に配置されているので、回転ＩＰＸ４０は、流体の流れと永久磁石及び／又は電磁石１６２との接触を阻止する。上述のように、運転中、コントローラ１１０はローター４６の回転を駆動するための電磁石１６０及び／又は１６２への出力を制御し、ローター４６が粒子を粉砕し、特定の運転速度を維持し、回転ＩＰＸ４０内部の流体の混合を制御し、又は高粘性又は粒子含有流体（例えばフラッキング流体）を有する状態で回転ＩＰＸシステムを始動させるのを可能にする。
【００２９】
図１１は、複数の回転ＩＰＸを同時に駆動することができるモーターシステム１２の１実施態様を示す側面図である。例えば、各回転ＩＰＸ４０は、ローター４６に接続しているそれぞれのシャフト１９８を備えることができる。シャフト１９８はコネクタ２００（例えばベルト、チェーンなど）を使用してモーターシステム１２のシャフト９８に接続されている。運転中、モーターシステム１２はシャフト９８から回転ＩＰＸ４０のそれぞれへ回転出力を伝達し、したがって、１つのモーターシステム１２で複数の回転ＩＰＸ４０を駆動する。この実施態様では、モーターシステム１２には２つの回転ＩＰＸ４０が接続されている。しかしながら、いくつかの実施態様では、１、２、３、５、１０、１５個、又は１６個以上の回転ＩＰＸ４０が、モーターシステム１２に接続されていてよい。例えば、回転ＩＰＸ４０をモーターの周りで周方向に位置決めすることにより、複数の回転ＩＰＸ４０が、単一のモーターシステム１２に接続されることが可能になる。
【００３０】
ある特定の実施態様では、回転ＩＰＸ４０はクラッチ２０２を含んでよい。クラッチ２０２はモーターシステム１２からの回転入力を選択的に接続し断絶する。例えば、コントローラ１１０は、回転ＩＰＸ４０のうちの１つ又は２つ以上が減速している（例えば粒子を粉砕（grind through）することができない）ことを示すフィードバックをセンサー１１２から受信することがある。これに応じて、コントローラ１１０は、モーターシステム１２が適切な回転ＩＰＸ４０へ回転エネルギーを伝達するのを可能にする相応のクラッチ２０２を閉じることができる。上述のように、コントローラ１１０は、モーターが回転ＩＰＸ４０の回転を駆動する時点、量、及び時間を制御する。コントローラ１１０は１つの回転ＩＰＸからの、又は複数の回転ＩＰＸ４０からのセンサーフィードバックに基づいてモーターを制御することができる。例えば、１つの回転ＩＰＸ４０が粒子を粉砕すること、特定の運転速度を維持すること、又は回転ＩＰＸ４０内部の流体の混合を制御することができない場合、コントローラ１１０はモーターシステム１２を始動させてよい。しかしながら、他の実施態様では、コントローラ１１０は、２つ以上の回転ＩＰＸ４０が付加的な動力を必要とする場合にのみ、モーターシステム１２を始動させることができる。
【００３１】
図１２は、回転ＩＰＸ４０に接続されたモーターシステム１２（例えば液圧モーター）の１実施態様を示す側方断面図である。モーターシステム１２は、粒子を粉砕するためのトルクを与えること、回転ＩＰＸ４０の運転速度を維持すること、回転ＩＰＸ４０内部の流体の混合を制御すること、又は高粘性流体又は粒子含有流体を有する状態で回転ＩＰＸ４０を始動させること、によって、回転ＩＰＸ４０の運転を容易にする。例えば、液圧モーターシステム１２は、回転ＩＰＸ４０にシャフト９８で接続された液圧タービン２２０を含んでいてよい。運転中、モーターシステム１２は、流体源２２２から、流体の流れ（例えば高圧のプロパント非含有流体）を受け取る。この流体の流れは、液圧タービン２２０の回転を、したがって、シャフト９８の回転を駆動する。流体源２２２は、回転ＩＰＸ４０を運転させるのに使用されるものと同じ流体源であってよく、又は異なる流体源であってもよい。シャフト９８が回転するのに伴って、シャフト９８はローター４６を回転させる。いくつかの実施態様では、コントローラ１１０は、液圧タービン２２０を通る流体の流れを制御するために、弁２２４を制御することができる。例えば、コントローラ１１０がセンサー１１２（例えば流量センサー、圧力センサー、トルクセンサー、回転速度センサー、音響センサー、磁気センサー、光学センサーなど）からのフィードバックを受信するのに伴い、プロセッサ１１４は、メモリ１１６内に記憶された非一時的コンピュータ命令を実行することにより、弁２２４の開閉を制御し、したがって、液圧タービン２２０の始動及び停止を制御する。
【００３２】
本発明は、様々な変更及び別の形態が可能であるが、具体的な実施態様を一例として図示し本明細書中で詳述してきた。しかしながら言うまでもなく、本発明は開示された特定の形態に限定されるものではない。むしろ、本発明は、以下の添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の思想及び範囲の中に含まれる、あらゆる変更形、等価形、及び代替形を包含することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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