JP6920478B2 - 液化流体供給システム及び液化流体噴射装置 - Google Patents

液化流体供給システム及び液化流体噴射装置 Download PDF

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Description

本開示は、液化流体供給システム及び液化流体噴射装置に関する。
本願は、２０１８年１月３１日に日本に出願された特願２０１８−０１５６８２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
例えば特許文献１には、水に換えて液体窒素を噴射することによって、対象物の加工や洗浄を行う方法が開示されている。水を用いるウォータジェット法では、切削片等や汚れが水に交じることから、水自体の処理に配慮する必要があり、大量の二次廃棄物が発生する場合がある。一方で、噴射後に気化する液体窒素を用いる場合には、液体窒素は切削片や汚れと分離して気化するため、二次廃棄物を発生させることなく、加工や洗浄が可能となる。
米国特許第７３１０９５５号明細書
ところで、特許文献１においては、液体窒素供給源から供給された液体窒素を、プレポンプ及びインテンシファイアポンプとで昇圧し、昇圧した液体窒素をノズルから噴射している。これらのポンプによって昇圧することで液体窒素が昇温するため、特許文献１では昇圧過程及び昇圧後に液体窒素を熱交換器によって冷却している。
しかしながら、液体窒素は昇温された際や送液中に一部が気化し、窒素ガスとして大気中に放出されてしまう。このため、特許文献１による方法では、ノズルから噴射されずに大気中に放出されることで消費される液体窒素が多量に発生し、液体窒素の消費量が無駄に増加する。
本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、噴射後に気化する液化流体を用いる液化流体供給システム及び液化流体噴射装置において、ノズルから噴射されずに消費される液化流体の量を削減することを目的とする。
本開示は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
本開示の第１の態様の液化流体供給システムは、噴射後に気化する液化流体をノズルに供給する液化流体供給システムであって、上記液化流体を飽和温度よりも低温に冷却して過冷却液とする過冷却部と、上記過冷却部により過冷却液とされた上記液化流体を昇圧して上記ノズルに供給する昇圧部とを備える。
本開示の第２の態様の液化流体供給システムは、上記第１の態様において、上記過冷却部が、上記昇圧部への供給時及び上記昇圧部での昇圧時に上記液化流体が飽和温度を上回らない過冷却度となるように、上記液化流体を冷却する。
本開示の第３の態様の液化流体供給システムは、上記第１または第２の態様において、上記過冷却部が、上記昇圧部に供給する上記液化流体を当該液化流体よりも低温の冷却用液化流体との熱交換により冷却する過冷却部熱交換器を備える。
本開示の第４の態様の液化流体供給システムは、上記第３の態様において、上記過冷却部が、上記昇圧部に上記液化流体を圧送する過冷却昇圧ポンプを備える。
本開示の第５の態様の液化流体供給システムは、上記第４の態様において、上記過冷却昇圧ポンプが、上記過冷却部熱交換器に収容されている。
本開示の第６の態様の液化流体供給システムは、上記第３〜第５いずれかの態様において、上記過冷却部が、上記液化流体を貯蔵する貯蔵タンクに接続された払出配管と、上記過冷却部熱交換器と上記払出配管とを接続すると共に、上記昇圧部に供給する上記液化流体を上記過冷却部熱交換器に案内する昇圧部供給用配管と、上記過冷却部熱交換器と上記払出配管とを接続すると共に、上記液化流体を上記冷却用液化流体として上記過冷却部熱交換器に案内する冷却用配管と、上記冷却用配管の途中部位に設けられると共に上記冷却用液化流体の抵抗となる冷却用配管抵抗部とを備える。
本開示の第７の態様の液化流体供給システムは、上記第６の態様において、上記昇圧部で昇圧された上記液化流体を冷却する昇圧後冷却熱交換器と、上記昇圧後冷却熱交換器と上記払出配管とを接続すると共に、上記液化流体を後冷却用液化流体として上記昇圧後冷却熱交換器に案内する後冷却配管と、上記後冷却配管の途中部位に設けられると共に上記後冷却用液化流体の抵抗となる後冷却配管抵抗部とを備える。
本開示の第８の態様の液化流体供給システムは、上記第３〜第７いずれかの態様において、上記昇圧部が、上記液化流体を昇圧する昇圧ポンプと、上記昇圧ポンプで昇圧された上記液化流体の一部を、上記冷却用液化流体として上記過冷却部に返流する返流配管と、上記返流配管の途中部位に設けられると共に上記冷却用液化流体として返流される上記液化流体の抵抗となる返流配管抵抗部とを備える。
本開示の第９の態様の液化流体供給システムは、上記第８の態様において、上記昇圧部が、上記返流配管の途中部位に設けられると共に上記返流配管を流れる液化流体の流量を調整する返流量制限機構を備える。
本開示の第１０の態様の液化流体供給システムは、上記第１〜第９いずれかの態様において、上記昇圧部が、上記過冷却部から供給された上記液化流体を１次昇圧する１次昇圧ポンプと、１次昇圧された上記液化流体を２次昇圧する２次昇圧ポンプとを備える。
本開示の第１１の態様の液化流体供給システムは、上記第１〜第９いずれかの態様において、上記昇圧部が、上記過冷却部から供給された上記液化流体を上記ノズルへの供給圧まで一度に昇圧する単段昇圧ポンプを備える。
本開示の第１２の態様の液化流体噴射装置は、噴射後に気化する液化流体を噴射するノズルと、上記ノズルに上記液化流体を供給する、上記第１〜第１１いずれかの態様の液化流体供給システムとを備える。
本開示によれば、昇圧前の液化流体を過冷却部によって飽和温度よりも低い温度まで冷却して過冷却度が高い過冷却液の状態とする。このため、昇圧部への供給時や昇圧過程において液化流体が飽和温度以上に至ることを防止あるいは抑止することができ、液化流体の一部が気化して大気中に放出されることを防止あるいは抑制することができる。したがって、本開示によれば、噴射後に気化する液化流体を用いる液化流体供給システム及び液化流体噴射装置において、ノズルから噴射されずに消費される液化流体の量を削減することが可能となる。
本開示の第１実施形態の液化流体噴射装置の概略構成を示すフロー図である。 本開示の第２実施形態の液化流体噴射装置の概略構成を示すフロー図である。 本開示の第３実施形態の液化流体噴射装置の概略構成を示すフロー図である。
以下、図面を参照して、本開示に係る液化流体供給システム及び液化流体噴射装置の一実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態の液化流体噴射装置１の概略構成を示すフロー図である。この図に示すように、本実施形態の液化流体噴射装置１は、貯蔵タンク２と、液化流体供給システム３と、ノズル４とを備えている。
貯蔵タンク２は、液体窒素Ｘ（液化流体）を貯蔵する圧力タンクであり、液化流体供給システム３と接続されている。なお、本実施形態の液化流体噴射装置１は、この貯蔵タンク２を備えずに外部から液体窒素Ｘの供給を受ける構成とすることも可能である。液化流体供給システム３は、貯蔵タンク２から供給された液体窒素Ｘを一定の噴射圧にまで昇圧する。液化流体供給システム３は、ノズル４と接続されている。ノズル４は、液化流体供給システム３から供給された液体窒素Ｘを先端部から噴射する。
このような本実施形態の液化流体噴射装置１は、大気中に噴射されることによって気化する液体窒素Ｘを液化流体供給システム３によって昇圧し、ノズル４から噴射する。つまり、液化流体噴射装置１は、噴射後に気化する液体窒素Ｘを噴射するノズル４と、ノズル４に液体窒素Ｘを供給する液化流体供給システム３とを備えている。
図１に示すように、液化流体供給システム３は、過冷却部５と、昇圧部６と、後冷却部７と、フレキシブルチューブ８とを備えている。過冷却部５は、払出配管５ａと、昇圧部供給用配管５ｂと、過冷却部熱交換器５ｃと、接続配管５ｄと、ブーストポンプ５ｅ（過冷却昇圧ポンプ）と、送出配管５ｆと、冷却用配管５ｇと、冷却用配管オリフィス５ｈ（冷却用配管抵抗部）とを備えている。
払出配管５ａは、貯蔵タンク２に接続された配管であり、貯蔵タンク２から払い出される液体窒素Ｘを昇圧部供給用配管５ｂ等に向けて案内する。昇圧部供給用配管５ｂは、払出配管５ａと過冷却部熱交換器５ｃとを接続する配管であり、払出配管５ａから過冷却部熱交換器５ｃまで液体窒素Ｘを案内する。この昇圧部供給用配管５ｂは、払出配管５ａを流れる液体窒素Ｘのうち、後段の昇圧部６に供給するための液体窒素Ｘを案内する。
過冷却部熱交換器５ｃは、昇圧部供給用配管５ｂから供給される液体窒素Ｘを、冷却用配管５ｇから供給される液体窒素Ｘと熱交換することによって飽和温度よりも低い温度まで冷却する熱交換器である。この過冷却部熱交換器５ｃは、例えばプレートフィン型の熱交換器であり、貯蔵タンク２から払い出されて昇圧部供給用配管５ｂから供給される加圧状態の液体窒素Ｘと、冷却用配管５ｇから供給される低圧かつ低温の液体窒素Ｘとを熱交換する。このような過冷却部熱交換器５ｃは、昇圧部供給用配管５ｂから供給される液体窒素Ｘを飽和温度よりも低温に冷却することで過冷却液とする。ここでは、過冷却部熱交換器５ｃは、後段の昇圧部６への供給時及び昇圧部６での昇圧時に液体窒素Ｘが飽和温度を上回らない過冷却度となるように、液体窒素Ｘを冷却する。
接続配管５ｄは、過冷却部熱交換器５ｃとブーストポンプ５ｅとを接続する配管であり、過冷却部熱交換器５ｃによって過冷却液とされた液体窒素Ｘを過冷却部熱交換器５ｃからブーストポンプ５ｅに案内する。ブーストポンプ５ｅは、接続配管５ｄを介して供給される液体窒素Ｘを昇圧して、送出配管５ｆを介して昇圧部６に向けて圧送するポンプである。このようなブーストポンプ５ｅとしては、例えば遠心ポンプが用いられる。送出配管５ｆは、ブーストポンプ５ｅと昇圧部６とを接続する配管であり、ブーストポンプ５ｅから昇圧部６に液体窒素Ｘを案内する。
冷却用配管５ｇは、払出配管５ａと過冷却部熱交換器５ｃとを接続する配管であり、払出配管５ａから過冷却部熱交換器５ｃまで液体窒素Ｘを案内する。この冷却用配管５ｇは、払出配管５ａを流れる液体窒素Ｘのうち、過冷却部熱交換器５ｃで冷却用液体窒素（冷却用液化流体）として用いる液体窒素Ｘを案内する。なお、ここでの冷却用液体窒素とは、過冷却部熱交換器５ｃで冷却対象とされる液体窒素Ｘ（昇圧部６に過冷却液として供給される液体窒素Ｘ）を冷却するために用いられる液体窒素Ｘである。
冷却用配管オリフィス５ｈは、冷却用配管５ｇの途中部位に設けられる抵抗部であり、液体窒素Ｘの流れに対する抵抗となっている。この冷却用配管オリフィス５ｈは、冷却用配管５ｇの冷却用配管オリフィス５ｈよりも上流側の部位の圧力を維持するための絞り流路である。冷却用液体窒素として過冷却部熱交換器５ｃに供給された液体窒素Ｘは、過冷却部熱交換器５ｃにて減圧される。冷却用配管オリフィス５ｈによって、冷却用配管５ｇの上流側が過冷却部熱交換器５ｃの内部の圧力に応じて減圧されることを防止し、さらには払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおいて液体窒素Ｘが減圧されることが抑止され、払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおける液体窒素Ｘの圧力が維持される。
このような過冷却部５は、貯蔵タンク２から供給された液体窒素Ｘの一部を飽和温度よりも低温の過冷却液となるまで冷却し、過冷却液となった液体窒素Ｘを昇圧部６に対して供給する。
昇圧部６は、プレポンプ６ａ（１次昇圧ポンプ）と、接続配管６ｂと、第１インテンシファイアポンプ６ｃ（２次昇圧ポンプ）と、第２インテンシファイアポンプ６ｄ（２次昇圧ポンプ）と、送出配管６ｅと、昇圧部熱交換器６ｆと、返流配管６ｇと、返流配管オリフィス６ｈ（返流配管抵抗部）と、返流量制限弁６ｉとを備えている。
プレポンプ６ａは、過冷却部５の送出配管５ｆと接続されたポンプであり、過冷却部５によって飽和温度より低温に冷却された液体窒素Ｘが供給される。このプレポンプ６ａは、例えばピストンポンプであり、過冷却部５から供給される液体窒素Ｘを１次昇圧する。接続配管６ｂは、プレポンプ６ａと、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄとを接続する配管である。この接続配管６ｂの第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄ側の端部は２股に分岐されており、一方が第１インテンシファイアポンプ６ｃに接続され、他方が第２インテンシファイアポンプ６ｄに接続されている。また、接続配管６ｂは、分岐されていない途中部位の領域が昇圧部熱交換器６ｆを通過している。このような接続配管６ｂは、プレポンプ６ａで昇圧された液体窒素Ｘをプレポンプ６ａから第１インテンシファイアポンプ６ｃあるいは第２インテンシファイアポンプ６ｄまで案内する。
第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄは、接続配管６ｂに対して並列的に接続されたポンプであり、接続配管６ｂを介してプレポンプ６ａで昇圧された液体窒素Ｘが供給される。これらの第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄは、例えばピストンポンプであり、プレポンプ６ａで１次昇圧された液体窒素Ｘを２次昇圧する。このように、昇圧部６は、並列接続されて多段化された複数のインテンシファイアポンプ（第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄ）を備えている。
送出配管６ｅは、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄと後冷却部７とを接続する配管であり、第１インテンシファイアポンプ６ｃあるいは第２インテンシファイアポンプ６ｄで２次昇圧された液体窒素Ｘを後冷却部７に案内する。この送出配管６ｅの第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄ側の端部は２股に分岐されており、一方が第１インテンシファイアポンプ６ｃに接続され、他方が第２インテンシファイアポンプ６ｄに接続されている。また、送出配管６ｅは、分岐されていない途中部位の領域が昇圧部熱交換器６ｆを通過している。
昇圧部熱交換器６ｆは、上述のように接続配管６ｂの途中部位と、送出配管６ｅの途中部位とが通過された熱交換器であり、接続配管６ｂを流れる液体窒素Ｘと送出配管６ｅを流れる液体窒素Ｘとを熱交換する。送出配管６ｅを流れる液体窒素Ｘは、第１インテンシファイアポンプ６ｃあるいは第２インテンシファイアポンプ６ｄで昇圧されることによって昇温されている。このため、昇圧部熱交換器６ｆでは、接続配管６ｂを流れる液体窒素Ｘを熱交換により昇温し、送出配管６ｅを流れる液体窒素Ｘを熱交換により降温する。なお、例えば、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄの低温側の耐熱温度が十分に低く、また後段の後冷却部７の冷却性能が十分に高い場合には、昇圧部熱交換器６ｆを省略することも可能である。つまり、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄの内部部品がプレポンプ６ａで１次昇圧された液体窒素Ｘの温度に耐えることができ、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄで２次昇圧された液体窒素Ｘを後冷却部７のみでノズル４での噴射温度にまで冷却可能である場合には、昇圧部熱交換器６ｆを備えない構成とすることが可能である。
返流配管６ｇは、プレポンプ６ａと過冷却部５とを接続する配管であり、プレポンプ６ａ（昇圧ポンプ）で昇圧された液体窒素Ｘの一部を過冷却部５に返流する。この返流配管６ｇは、過冷却部５側の端部が２股に分岐されており、一方が過冷却部５の昇圧部供給用配管５ｂと接続されており、他方が過冷却部５の過冷却部熱交換器５ｃと接続されている。この返流配管６ｇは、プレポンプ６ａで昇圧された液体窒素Ｘの一部を過冷却部５の昇圧部供給用配管５ｂに合流させることで循環させ、プレポンプ６ａで昇圧された液体窒素Ｘの残部を冷却用液体窒素として過冷却部５の過冷却部熱交換器５ｃに返流する。
返流配管オリフィス６ｈは、過冷却部５の過冷却部熱交換器５ｃに接続される部位の途中部位に設けられる抵抗部であり、液体窒素Ｘの流れに対する抵抗となっている。この返流配管オリフィス６ｈは、返流配管６ｇの返流配管オリフィス６ｈの上流側の部位の圧力を維持するための絞り流路である。冷却用液体窒素として過冷却部熱交換器５ｃに供給された液体窒素Ｘは、過冷却部熱交換器５ｃにて減圧される。返流配管オリフィス６ｈによって、返流配管６ｇの上流側が過冷却部熱交換器５ｃの内部の圧力に応じて減圧されることを防止し、さらにはプレポンプ６ａにおいて液体窒素Ｘが減圧されることが抑止され、プレポンプ６ａにおける液体窒素Ｘの圧力が維持される。
返流量制限弁６ｉ（返流量制限機構）は、返流配管６ｇの途中部位であって返流配管オリフィス６ｈの上流に設けられている。この返流量制限弁６ｉは、返流配管６ｇを流れて過冷却部５に返流される液体窒素Ｘの流量を調整するための流量調整弁である。このような返流量制限弁６ｉによって、プレポンプ６ａから返流配管６ｇを介して過冷却部５に返流される液体窒素Ｘの流量を調整することができ、過剰に液体窒素Ｘがプレポンプ６ａから過冷却部５に返流されることを抑制することができる。なお、返流量制限弁６ｉに換えて、開閉弁とオリフィスを備える返流量制限機構を設置することも可能である。
後冷却部７は、昇圧後冷却熱交換器７ａと、後冷却配管７ｂと、後冷却配管オリフィス７ｃとを備えている。昇圧後冷却熱交換器７ａは、昇圧部６から供給される昇圧後の液体窒素Ｘを、後冷却配管７ｂから供給される液体窒素Ｘと熱交換することによって噴射温度まで冷却する熱交換器である。この昇圧後冷却熱交換器７ａは、例えばシェルアンドチューブ型の熱交換器であり、昇圧部６で昇圧された加圧状態の液体窒素Ｘと、後冷却配管７ｂから供給される低圧かつ低温の液体窒素Ｘとを熱交換する。
後冷却配管７ｂは、過冷却部５の払出配管５ａと昇圧後冷却熱交換器７ａとを接続すると共に、払出配管５ａから昇圧後冷却熱交換器７ａまで液体窒素Ｘを案内する。この後冷却配管７ｂは、払出配管５ａを流れる液体窒素Ｘのうち、昇圧後冷却熱交換器７ａで冷却用液体窒素（後冷却用液化流体）として用いる液体窒素Ｘを案内する。なお、ここでの冷却用液体窒素とは、昇圧後冷却熱交換器７ａで冷却対象とされる液体窒素Ｘ（ノズル４から噴射される液体窒素Ｘ）を冷却するために用いられる液体窒素Ｘである。
後冷却配管オリフィス７ｃは、後冷却配管７ｂの途中部位に設けられる抵抗部であり、液体窒素Ｘの流れに対する抵抗となっている。この後冷却配管オリフィス７ｃは、後冷却配管７ｂの後冷却配管オリフィス７ｃよりも上流側の部位の圧力を位置するための絞り流路である。冷却用液体窒素として昇圧後冷却熱交換器７ａに供給された液体窒素Ｘは、昇圧後冷却熱交換器７ａにて減圧される。後冷却配管オリフィス７ｃによって、後冷却配管７ｂの上流側が昇圧後冷却熱交換器７ａの内部の圧力に応じて減圧されることを防止し、さらには払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおいて液体窒素Ｘが減圧されることが抑止され、払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおける液体窒素Ｘの圧力が維持される。
フレキシブルチューブ８は、後冷却部７とノズル４とを接続する鋼管であり、ノズル４を作業者が容易に姿勢変更なように後冷却部７と接続している。後冷却部７は、このようなフレキシブルチューブ８を介してノズル４と接続されており、昇圧後の液体窒素Ｘを冷却してノズル４に供給する。
このような構成の本実施形態の液化流体噴射装置１では、貯蔵タンク２に貯蔵された液体窒素Ｘが過冷却部５に供給される。過冷却部５に供給された液体窒素Ｘは、払出配管５ａで案内された後、昇圧部供給用配管５ｂと、冷却用配管５ｇと、後冷却配管７ｂに分配される。昇圧部供給用配管５ｂに供給された液体窒素Ｘは、加圧状態のまま過冷却部熱交換器５ｃに供給され、冷却用配管５ｇを介して過冷却部熱交換器５ｃに供給されかつ減圧された液体窒素Ｘと熱交換されることで冷却されて過冷却液とされる。過冷却部熱交換器５ｃで過冷却液とされた液体窒素Ｘは、ブーストポンプ５ｅによって送出配管５ｆを介して昇圧部６に向けて圧送される。
昇圧部６に過冷却液の状態で供給された液体窒素Ｘは、プレポンプ６ａにて１次昇圧される。プレポンプ６ａで昇圧された液体窒素Ｘのうち一部は、接続配管６ｂを介して第１インテンシファイアポンプ６ｃあるいは第２インテンシファイアポンプ６ｄに供給される。また、プレポンプ６ａで昇圧された液体窒素Ｘのうち残部は、返流配管６ｇを介して過冷却部５の昇圧部供給用配管５ｂあるいは過冷却部熱交換器５ｃに返流される。
接続配管６ｂを流れる液体窒素Ｘは、昇圧部熱交換器６ｆで加温された後、第１インテンシファイアポンプ６ｃあるいは第２インテンシファイアポンプ６ｄで２次昇圧される。２次昇圧された液体窒素Ｘは、送出配管６ｅを介して後冷却部７に供給される。このとき、送出配管６ｅを流れる液体窒素Ｘは、昇圧部熱交換器６ｆで降温される。
後冷却部７に供給された液体窒素Ｘは、昇圧後冷却熱交換器７ａにおいて、後冷却配管７ｂを介して昇圧後冷却熱交換器７ａに供給されかつ減圧された液体窒素Ｘと熱交換されることで噴射温度まで冷却される。後冷却部７で冷却された液体窒素Ｘは、フレキシブルチューブ８を介してノズル４に供給され、ノズル４から噴射される。
以上のような本実施形態の液化流体噴射装置１及び液化流体供給システム３によれば、昇圧前の液体窒素Ｘを過冷却部５によって飽和温度よりも低い温度まで冷却して過冷却度が高い過冷却液の状態とする。このため、昇圧部６への供給時や昇圧過程において液体窒素Ｘが飽和温度以上に至ることを防止あるいは抑止することができ、液体窒素Ｘの一部が気化して大気中に放出されることを防止あるいは抑制することができる。したがって、液化流体噴射装置１及び液化流体供給システム３によれば、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量を削減することが可能となる。
また、液化流体供給システム３においては、過冷却部５は、昇圧部６への供給時及び昇圧部６での昇圧時に液体窒素Ｘが飽和温度を上回らない過冷却度となるように、噴射される液体窒素Ｘを冷却している。このため、液化流体供給システム３によれば、昇圧部６によって気化する液体窒素Ｘをより削減することができ、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
また、液化流体供給システム３においては、過冷却部５は、昇圧部６に供給する液体窒素Ｘをこの液体窒素Ｘよりも低温の冷却用液化流体（冷却用配管５ｇから供給される液体窒素Ｘ）との熱交換により冷却する過冷却部熱交換器５ｃを備えている。このため、液化流体供給システム３によれば、簡易な構成にて昇圧部６に供給する液体窒素Ｘを過冷却液の状態とすることが可能となる。
また、液化流体供給システム３においては、過冷却部５は、昇圧部６に液体窒素Ｘを圧送するブーストポンプ５ｅを備えている。このため、過冷却部５での冷却過程で液体窒素Ｘの圧力が低下した場合であっても、ブーストポンプ５ｅによって確実に昇圧部６に液体窒素Ｘを供給することが可能となる。ただし、貯蔵タンク２から送り出された液体窒素Ｘの圧力を昇圧部６に液体窒素Ｘを供給できる程度十分に高く保持できる場合には、ブーストポンプ５ｅを省略することも可能である。
また、液化流体供給システム３においては、過冷却部５は、液体窒素Ｘを貯蔵する貯蔵タンク２に接続された払出配管５ａと、過冷却部熱交換器５ｃと払出配管５ａとを接続すると共に、昇圧部６に供給する液体窒素Ｘを過冷却部熱交換器５ｃに案内する昇圧部供給用配管５ｂと、過冷却部熱交換器５ｃと払出配管５ａとを接続すると共に、液体窒素Ｘを冷却用液体窒素として過冷却部熱交換器５ｃに案内する冷却用配管５ｇと、冷却用配管５ｇの途中部位に設けられると共に冷却用液体窒素の抵抗となる冷却用配管オリフィス５ｈとを備えている。このため、冷却用配管オリフィス５ｈによって、冷却用配管５ｇの上流側が過冷却部熱交換器５ｃの内部の圧力に応じて減圧されることを防止し、さらには払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおいて液体窒素Ｘが減圧されることが抑止され、払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおける液体窒素Ｘの圧力が維持される。このように払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおける液体窒素Ｘの圧力が維持されることによって、過冷却部熱交換器５ｃで液体窒素Ｘを過冷却液とするのに要する冷熱量を削減することできる。この結果、冷却用配管５ｇを介して過冷却部熱交換器５ｃに供給する液体窒素Ｘの流量を減少することができ、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
また、液化流体供給システム３においては、昇圧部６で昇圧された液体窒素Ｘを冷却する昇圧後冷却熱交換器７ａと、昇圧後冷却熱交換器７ａと払出配管５ａとを接続すると共に、液体窒素Ｘを後冷却用液体窒素として昇圧後冷却熱交換器７ａに案内する後冷却配管７ｂと、後冷却配管７ｂの途中部位に設けられると共に後冷却用液体窒素の抵抗となる後冷却配管オリフィス７ｃとを備えている。後冷却配管オリフィス７ｃによって、後冷却配管７ｂの上流側が昇圧後冷却熱交換器７ａの内部の圧力に応じて減圧されることを防止し、さらには払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおいて液体窒素Ｘが減圧されることが抑止され、払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおける液体窒素Ｘの圧力が維持される。このように払出配管５ａ及び昇圧部供給用配管５ｂにおける液体窒素Ｘの圧力が維持されることによって、過冷却部熱交換器５ｃで液体窒素Ｘを過冷却液とするのに要する冷熱量を削減することできる。この結果、後冷却配管７ｂを介して昇圧後冷却熱交換器７ａに供給する液体窒素Ｘの流量を減少することができ、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
また、液化流体供給システム３においては、昇圧部６が、液体窒素Ｘを昇圧するプレポンプ６ａと、プレポンプ６ａで昇圧された液体窒素Ｘの一部を、冷却用液体窒素として過冷却部５に返流する返流配管６ｇと、返流配管６ｇの途中部位に設けられると共に冷却用液体窒素として返流される液体窒素Ｘの抵抗となる返流配管オリフィス６ｈとを備えている。返流配管オリフィス６ｈによって、返流配管６ｇの上流側が過冷却部熱交換器５ｃの内部の圧力に応じて減圧されることを防止し、さらにはプレポンプ６ａにおいて液体窒素Ｘが減圧されることが抑止され、プレポンプ６ａにおける液体窒素Ｘの圧力を維持することができる。さらに、液体窒素Ｘの過冷却度を維持することができるため、後冷却配管７ｂを介して昇圧後冷却熱交換器７ａに供給する液体窒素Ｘの流量を減少することができ、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
また、液化流体供給システム３においては、返流配管６ｇの途中部位に設けられると共に返流配管６ｇを流れる液体窒素Ｘの流量を調整可能な返流量制限弁６ｉを備えている。このため、過剰に液体窒素Ｘがプレポンプ６ａから過冷却部５に返流されることを抑制することができ、昇圧部供給配管５ｂを流れる液体窒素Ｘの流量を抑えることができる。したがって、昇圧部供給配管５ｂでの液体窒素Ｘの流量低下に応じて、冷却用配管５ｇを介して過冷却部熱交換器５ｃに供給する液体窒素Ｘの流量を減少することができ、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
また、液化流体供給システム３においては、昇圧部６が、過冷却部５から供給された液体窒素Ｘを１次昇圧するプレポンプ６ａと、１次昇圧された液体窒素Ｘを２次昇圧する第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄとを備えている。このため、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄのみで液体窒素Ｘを昇圧する場合と比較して、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄの負荷を抑えることが可能となる。
なお、本実施形態では２つのインテンシファイアポンプ６ｃ及び６ｄが設けられているが、この構成に限定されず、インテンシファイアポンプが１つまたは３つ以上設けられていてもよい。すなわち、本開示の２次昇圧ポンプの個数が１つまたは３つ以上であってもよい。
（第２実施形態）
次に、本開示の第２実施形態について、図２を参照して説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態の同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図２は、本第２実施形態の液化流体噴射装置１Ａの概略構成を示すフロー図である。この図に示すように、本実施形態の液化流体噴射装置１Ａの液化流体供給システム３において、ブーストポンプ５ｅは、過冷却部熱交換器５ｃに収容されている。また、過冷却部５において接続配管５ｄが設けられておらず、昇圧部供給用配管５ｂが直接的にブーストポンプ５ｅに接続されている。
このような液化流体供給システム３によれば、ブーストポンプ５ｅにおいて昇圧部６に供給する液体窒素Ｘが昇温することを抑制し、より過冷却度を大きくした状態で液体窒素Ｘを昇圧部６に供給することができる。したがって、昇圧部６において液体窒素Ｘが気化することをより防止することができ、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
さらに、このような液化流体供給システム３によれば、接続配管５ｄを設けなくても良いために小型化が可能となり、外部からの液体窒素Ｘへの入熱をより確実に抑えることができる。したがって、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
（第３実施形態）
次に、本開示の第３実施形態について、図３を参照して説明する。なお、本第３実施形態の説明において、上記第１実施形態の同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図３は、本第３実施形態の液化流体噴射装置１Ｂの概略構成を示すフロー図である。この図に示すように、本実施形態の液化流体噴射装置１Ａの液化流体供給システム３において、ブーストポンプ５ｅは、過冷却部熱交換器５ｃに収容されている。また、過冷却部５において接続配管５ｄが設けられておらず、昇圧部供給用配管５ｂが直接的にブーストポンプ５ｅに接続されている。
さらに、昇圧部６は、昇圧部熱交換器６ｆ、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄを備えておらず、過冷却部５から供給された液体窒素Ｘをノズル４への供給圧まで一度に昇圧する１つの単段インテンシファイアポンプ６ｉ（単段昇圧ポンプ）のみを備えている。
このような液化流体供給システム３においては、上記第２実施形態と同様に、ブーストポンプ５ｅにおいて昇圧部６に供給する液体窒素Ｘが昇温することを抑制し、より過冷却度を大きくした状態で液体窒素Ｘを昇圧部６に供給することができる。したがって、昇圧部６において液体窒素Ｘが気化することをより防止することができ、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
さらに、このような液化流体供給システム３によれば、接続配管５ｄ、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄを備えておらず、１つの単段インテンシファイアポンプ６ｉのみを備えている。このため、小型化が可能となり、外部からの液体窒素Ｘへの入熱をより確実に抑えることができる。したがって、ノズル４から噴射されずに消費される液体窒素Ｘの量をさらに削減することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、噴射される液化流体として液体窒素を用いる構成について説明した。しかしながら、本開示はこれに限定されない。例えば、液化流体として、液体二酸化炭素や液体ヘリウムを用いることも可能である。
また、上記実施形態においては、冷却用配管抵抗部、後冷却配管抵抗部及び返流配管抵抗部としてオリフィスを用いる構成について説明した。しかしながら、本開示はこれに限定されず、絞り弁等を冷却用配管抵抗部、後冷却配管抵抗部及び返流配管抵抗部として用い、絞り量を可変とする構成を採用することも可能である。
また、上記第１実施形態及び第２実施形態においては、昇圧部熱交換機６ｆを備える構成について説明した。例えば、本開示では昇圧部熱交換器６ｆに対してあるいは別体でヒータを設置し、接続配管６ｂを流れる液体窒素Ｘをより高温に加熱することも可能である。このような場合には、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄに供給される液体窒素Ｘの温度が高くなることから、第１インテンシファイアポンプ６ｃ及び第２インテンシファイアポンプ６ｄに設置されるシールリング等の低温側の耐熱要求を緩和することができる。ただし、当然にヒータを設置しない構成、さらには昇圧部熱交換器６ｆも設置しない構成を採用することも可能である。これによって、接続配管６ｂを流れる液体窒素Ｘの温度を低温に維持することができるため、昇圧後冷却熱交換器７ａで必要となる冷却用の液体窒素Ｘの消費量を削減することが可能となる。
本開示は、噴射後に気化する液化流体を用いる液化流体供給システム及び液化流体噴射装置に利用することができる。
１ 液化流体噴射装置
１Ａ 液化流体噴射装置
１Ｂ 液化流体噴射装置
２ 貯蔵タンク
３ 液化流体供給システム
４ ノズル
５ 過冷却部
５ａ 払出配管
５ｂ 昇圧部供給用配管
５ｃ 過冷却部熱交換器
５ｄ 接続配管
５ｅ ブーストポンプ
５ｆ 送出配管
５ｇ 冷却用配管
５ｈ 冷却用配管オリフィス（冷却用配管抵抗部）
６ 昇圧部
６ａ プレポンプ（昇圧ポンプ、１次昇圧ポンプ）
６ｂ 接続配管
６ｃ 第１インテンシファイアポンプ（２次昇圧ポンプ）
６ｄ 第２インテンシファイアポンプ（２次昇圧ポンプ）
６ｅ 送出配管
６ｆ 昇圧部熱交換器
６ｇ 返流配管
６ｈ 返流配管オリフィス（返流配管抵抗部）
６ｉ 単段インテンシファイアポンプ（単段昇圧ポンプ）
７ 後冷却部
７ａ 昇圧後冷却熱交換器
７ｂ 後冷却配管
７ｃ 後冷却配管オリフィス（後冷却配管抵抗部）
８ フレキシブルチューブ
Ｘ 液体窒素（液化流体）

Claims (10)

  1. 噴射後に気化する液化流体をノズルに供給する液化流体供給システムであって、
    前記液化流体を飽和温度よりも低温に冷却して過冷却液とする過冷却部と、
    前記過冷却部により過冷却液とされた前記液化流体を昇圧して前記ノズルに供給する昇圧部と
    を備え、
    前記過冷却部は、前記昇圧部に供給する前記液化流体を当該液化流体よりも低温の冷却用液化流体との熱交換により冷却する過冷却部熱交換器を備え、
    前記過冷却部は、
    前記液化流体を貯蔵する貯蔵タンクに接続された払出配管と、
    前記過冷却部熱交換器と前記払出配管とを接続すると共に、前記昇圧部に供給する前記液化流体を前記過冷却部熱交換器に案内する昇圧部供給用配管と、
    前記過冷却部熱交換器と前記払出配管とを接続すると共に、前記液化流体を前記冷却用液化流体として前記過冷却部熱交換器に案内する冷却用配管と、
    前記冷却用配管の途中部位に設けられると共に前記冷却用液化流体の抵抗となる冷却用配管抵抗部と
    を備える
    液化流体供給システム。
  2. 前記過冷却部は、前記昇圧部への供給時及び前記昇圧部での昇圧時に前記液化流体が飽和温度を上回らない過冷却度となるように、前記液化流体を冷却する請求項１記載の液化流体供給システム。
  3. 前記過冷却部は、前記昇圧部に前記液化流体を圧送する過冷却昇圧ポンプを備える請求項１または２記載の液化流体供給システム。
  4. 前記過冷却昇圧ポンプは、前記過冷却部熱交換器に収容されている請求項３記載の液化流体供給システム。
  5. 前記昇圧部で昇圧された前記液化流体を冷却する昇圧後冷却熱交換器と、
    前記昇圧後冷却熱交換器と前記払出配管とを接続すると共に、前記液化流体を後冷却用液化流体として前記昇圧後冷却熱交換器に案内する後冷却配管と、
    前記後冷却配管の途中部位に設けられると共に前記後冷却用液化流体の抵抗となる後冷却配管抵抗部と
    を備える請求項１〜４いずれか一項に記載の液化流体供給システム。
  6. 前記昇圧部は、
    前記液化流体を昇圧する昇圧ポンプと、
    前記昇圧ポンプで昇圧された前記液化流体の一部を、前記冷却用液化流体として前記過冷却部に返流する返流配管と、
    前記返流配管の途中部位に設けられると共に前記冷却用液化流体として返流される前記液化流体の抵抗となる返流配管抵抗部と
    を備える請求項１〜５いずれか一項に記載の液化流体供給システム。
  7. 前記昇圧部は、前記返流配管の途中部位に設けられると共に前記返流配管を流れる液化流体の流量を調整する返流量制限機構を備える請求項６記載の液化流体供給システム。
  8. 前記昇圧部は、前記過冷却部から供給された前記液化流体を１次昇圧する１次昇圧ポンプと、１次昇圧された前記液化流体を２次昇圧する２次昇圧ポンプとを備える請求項１〜７いずれか一項に記載の液化流体供給システム。
  9. 前記昇圧部は、前記過冷却部から供給された前記液化流体を前記ノズルへの供給圧まで一度に昇圧する単段昇圧ポンプを備える請求項１〜７いずれか一項に記載の液化流体供給システム。
  10. 噴射後に気化する液化流体を噴射するノズルと、
    前記ノズルに前記液化流体を供給する、請求項１〜９いずれか一項に記載の液化流体供給システムと
    を備える液化流体噴射装置。
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