JPH0494500A - 極低温液体用ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、液体窒素などの極低温液体Ａを低流量で移送
するポンプに関するものである。

（従来の技術） 液体窒素、ＬＮＧなどの極低温液体Ａを移送するのに従
来は第３図のような渦巻きポンプや、第４図のようなピ
ストンポンプが利用されている。

特に渦巻きポンプは近年小型で性能に優れ、信頼性が高
まったことにより広く用いられている。

第３図は前記渦巻きポンプの一例であり、これはフェル
ミ国立研究所で用いられているものであり、毎分８０リ
ツトルの能力を有する。この渦巻きポンプは駆動用モー
タＥが室温側りに配置され、ポンプ部Ｆが低温側Ｃに配
置されており、前記駆動用モータＥの回転力はポンプ軸
Ｇを介してポンプ部Ｆのインペラー（羽根）Ｈに伝達さ
れるようにしである。この場合、前記ポンプ軸Ｇは極低
温液体への吸熱により前記モータＥが冷えないようにす
ること、また同液体Ａ中への熱侵入を少なくすることか
ら、十分に長尺にする必要がある。

また、この種の渦巻きポンプには、通常のボルベアリン
グに使用されている潤滑材では一２００℃程度の極低温
で潤滑性を失って使用できないため、ガスベアリングや
低温でも十分なシール性能を持ち且つ駆動力を円滑に伝
達できるＰＴＦＥ製の特殊なベアリングが用いられてい
る。

前記ピストンポンプは実用上は殆ど使用されていないが
、カールスルーエ国立研究所で液体ヘリウムの移送用と
して開発されたものを第４図に示す。このピストンポン
プは三つのシリンダＪが並設されたタイプのものであり
、各シリンダｊのピストンＫが１２０’の位相差で駆動
されるようにしである。このピストンポンプはモータＬ
の回転軸Ｍに取付けられたカムＮが偏心回転することに
より、同カムＮに連結されたピストンロッドＰの下端の
ピストンＫが上下動して極低温液体Ａが吸入・吐出され
るようにしである。このピストンポンプも前記渦巻きポ
ンプと同様に、モータＬの冷却防止と極低温液体Ａへの
熱流入とを防ぐために、モータＬを含むドライビングユ
ニットＱは室温側りに配置され、ポンプ部Ｆは低温側Ｃ
に配置されている。この場合、ピストンにとシリンダＪ
の内壁とのシールにはＰＴＦＥ製の特殊なリングが用い
られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら前記極低温液体用ポンプには以下のような
問題があった。

■　第３図の渦巻ポンプも第４図のピストンポンプもポ
ンプ軸Ｇ、ピストンロッドＰ及びそれらのケースは堅牢
である必要があり、そのためそれらには金属製の断面積
の大きな管材や棒材が使用されている。例えば、ポンプ
軸ＧやピストンロッドＰに直径１０ｍｍの丸棒材が、ケ
ースに直径２０ｍｍ、肉厚１ｍｍのバイブが使用されて
いる場合、室温から液体Ａ窒素温度（７７Ｋ）までの熱
侵入量はそれらの軸及びケース２０ｃｍ当りで約２ｗａ
ｔｔとなる。また、特に渦巻ポンプでは流量が毎分数リ
ットル程度の低流量となるとポンプ効率が著しく悪くな
り、モータＥの動力の５０％近くが熱になり、その結果
、極低温液体Ａへの熱侵入量は数ｗ　ａ　ｔ　を程度に
なる。これらの熱侵入量は、ポンプ流量が受流量の場合
は無視できない量である。

■　前記■の問題からも室温側りの装置と低温側Ｃの装
置とはできるだけ離して配置する必要があり、そのよう
にするとそれだけ装置全体が大型で複雑な構造となる。

しかも前記ポンプ軸ＧやピストンロッドＰは元々寸法精
度の高いものが要求されるが、そのうえ前記のように室
温側りと低温側Ｃとを離すためにそれらを長尺にすると
、それらの材料が極低温で寸法変化するため、装置の設
計及び製作にあたっては細心の注意を払って寸法精度を
高くしなければならない。従って、どうしてもポンプが
高価なものとなってしまう。

■　渦巻ポンプ及びピストンポンプとも接液部から軸受
は部への極低温液体Ａの漏れを防止するためにシールす
る必要があり、このシール材として、低温でシール性能
が保持され且つ駆動を円滑に伝達できるようにＰＴＦＥ
が使用されている。

このＰＴＦＥは長期間使用していると摩擦により摩耗し
たり削られたりして渦巻きポンプでは前記ポンプ軸Ｇに
がたが生し、ピストンポンプではピストンにとシリンダ
Ｊとのシール性能が低下する。また、摩耗したり、削ら
れたりした粉が極低温液体Ａ中に混入して、同液体Ａが
汚れるという問題があった。

（発明の目的） 本発明の目的は前記諸問題に鑑み、極低温液体中への熱
侵入量を低減でき、構造の簡素化を図ることが可能で、
小型で安価で、しかも信頼性の高い極低温液体用ポンプ
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明のうち請求項第１の極低温液体用ポンプは、第１
図、第２図のように極低温液体Ａと非凝縮性ガスＢとを
収容することができ且つ極低温液体Ａの液入口４と液出
口５とが備えられてなる気密構造の容器ｌが低温側Ｃに
設けられ、同容器ｌと接続管３で接続されて同容器ｌ内
の非凝縮性ガスＢを吸排気する吸排気装置２が室温側り
に設けられてなることを特徴とするものである。

本発明のうち請求項第２の極低温液体用ポンプは、第１
図、第２図のように前記容器ｌ内に極低温液体Ａの液面
を感知する液面センサが設けられ、同センサによる液面
検知に基づいて前記容器１及び吸排気装置２内の非凝縮
性ガスＢの量を制御するガス量制御装置ＩＯが備えられ
てなることを特徴とするものである。

（作用） 本発明のうち請求項第１の極低温液体用ポンプでは、例
えば第２図ａのように吸排気装置２内の非凝縮性ガスＢ
が容器ｌ内に送り込まれた状態がら、同吸排気装置２の
ピストン１１が第２図すのように後退すると、容器ｌ内
の非凝縮性ガスＢが接続管３を通って吸い出されて減圧
され、それにより同容器ｌの液入口４の逆止弁６が開い
て極低温液体Ａが同容器ｌ内に吸い込まれる。そして同
吸排気装置２のピストン１１が第２図Ｃのように後退限
位置になると前記極低温液体Ａの吸入が停止される。こ
の状態から同吸排気装置２のピストン１１が前進すると
、第２図ｄのように非凝縮性ガスＢが接続管３を通って
容器１内に送り込まれ、それにより容器ｌ内の極低温液
体Ａが加圧され、同容器１の液出口５の逆止弁７が開い
て同液出口５から極低温液体Ａが送り出される。そして
前記ピストン１１が再び後退されると容器ｌ内に極低温
液体Ａが吸入され、同ピストン１１が前進されると容器
１内の極低温液体Ａが吐出され、これら一連の動作を繰
返して極低温液体Ａが次々と吸入・吐出される。

本発明のうち請求項第２の極低温液体用ポンプでは、第
２図Ｃのように極低温液体Ａの液面の上昇限で同液面が
液面センサ８より高くなった場合には、同液面センサ８
がそれを検出してガス量制御装置ＩＯにより接続管３内
に非凝縮性ガスＢが加圧補給され、それにより極低温液
体Ａが前記液出口５から強制的に排出されてその液面が
押し下げられる。これとは逆に第２図ａのように極低温
液体Ａの液面の下降限で同液面が液面センサ９より低く
なった場合には、同液面センサ９がそれを検出してガス
量制御装置ｌＯにより接続管３内の非凝縮性ガスＢが放
出され、同非凝縮性ガスＢの圧力が低下し、極低温液体
Ａが前記液入口４から吸入されてその液面が引上げられ
る。このように液面の位置を一定内に保持することによ
り、室温側りから接続管３を通じて侵入する熱侵入量が
定値内に抑制され、極低温液体Ａの吐出量が安定する。

（実施例） 第１図は本発明の極低温液体用ポンプの一実施例である
。

同図に示すＡは極低温液体であり、この液体としては液
温７７にの液体窒素が使用されている。

Ｂは前記極低温液体Ａに接しても凝縮しない非凝縮性ガ
スＢであり、このガスとしては前記液体窒素よりも沸点
の低いヘリウムガス（沸点４２Ｋ）が使用されている。

同図に示すｌは低温側Ｃに設置された気密構造の筒状の
金属製容器であり、これには前記極低温液体Ａと非凝縮
性ガスＢとが収容されている。この容器１の下方には極
低温液体Ａが外部から流入するための液入口４と、同液
体Ａが外部に吐出するだめの液出口５とが設けられてお
り、液入口４には同液体Ａの流入する方向に、液出口５
には同液体Ａの吐出する方向にのみ開放される逆止弁６
．７が夫々取付けられている。

第１図に示す８．９はｉｉｉ記容器１内に設けられた液
面センサであり、これにはセンサ自体が発熱しない光フ
アイバー製液面計や温度計式液面計等が使用されている
。そしてこの実施例では前記極低温液体Ａの最上限液面
位置と最下限液面位置とを検出するために、同容器ｌの
上方と下方とに夫々一つずつ設けられている。このうち
上方の液面セン勺８は極低温液体Ａが室温側りまで上昇
しない位置に取イ」ける必要があり、下方の液面センサ
９は非凝縮性ガスＢが前記液出口５がら排出されない位
置に取付ける必要がある。そして両センサ８．９間の容
器ｌ内の容積は、前記吸排気装置２により吸排気される
非凝縮性ガスＢの体積より十分大きな量である必要があ
る。

第１図に示す３は接続管であり、その一端が前記容器ｌ
に接続されている。この接続管３としてはテフロンチュ
ーブのような極めて熱伝導の悪い材料からなる細管が使
用されている。

第１図に示す２は前記接続管３の他端に接続されて室温
側りに設置された吸排気装置である。この吸排気装置２
は前記容器１内から非凝縮性ガスＢを排気したり、同容
器１内に同ガスを加圧供給したりするものである。この
吸排気装置２はシリンダ１２と、同シリンダ１２内に往
復移動自在に挿入されたピストン１１と、モータ１３と
、同モータ１３の回転軸１４に取付けられた偏心カム１
５と、同カム１５とピストン１１とを連結する連結杆１
６とから構成されている。そして同モータ１３及びカム
１５の回転によりピストン１１がシリンダ１２内を往復
移動して、前記非凝縮性ガスＢが周期的に吸排気される
ようにしである。

第１図に示すｌＯは前記容器ｌ内及び吸排気装置２内の
非凝縮性ガスＢの量を制御する制御装置である。この制
御装置１０は前記前記接続管３かも分岐された分岐管１
７と、同分岐間１７に取付けられた電磁弁１８と、ｍｉ
記液液面センサ８９からの液面検出信号を処理してそれ
に応じて電磁弁１８を駆動する電磁弁駆動装置１９と、
非凝縮性ガスＢを加圧供給する図示されていないガス供
給装置とから構成されている。そして、このガス量制御
装置１０では第２図Ｃの状態において前記上方の液面セ
ンサ８が液面の下方になった場合には、電磁弁駆動装置
１９が非凝縮性ガスＢの凱が少ないと判断して前記電磁
弁１８を開き、前記ガス供給装置から非凝縮性ガスＢが
接続管３内に加圧供給される。また、第２図ａの状態に
おいて前記下方の液面センサ９が液面の上方になった場
合には、電磁弁駆動装置１９が非凝縮性ガスＢの量が多
いと判断して前記電磁弁１８を開き、接続管３内の非凝
縮性ガスＢが外部に放出されるようにしである。

なお、この実施例の吸排気装置２にはシリンダ型のもの
が使用されているが、その他にも例えばベローズ型のも
のやグイアフラム式のものを用いることもできる。

また、前記低温側Ｃの雰囲気は真空状態とするのが望ま
しく、そのようにすれば真空断熱効果により室温側りか
らの熱侵入が減少する。また、低温側Ｃの雰囲気全体を
真空状態にすることが困難であれば、前記容器ｌの外側
を二重構造として、いわゆる魔法瓶のようにその二重構
造部分だけを真空状態にしてもよい６ ちなみに前記液面センサ８．９とガス量制御装置１０と
の接続線２０を介する室温側りからの熱流入は、同接続
線２０使用されている導体の線径を小さ（することによ
り、極めて小さくすることが可能である。

（発明の効果） 本発明の極低温液体用ポンプは以下のような効果がある
。

■　極低温液体への液入口４及び液出口５が設けられた
容器ｌと、同容器１内の非凝縮性ガスＢを吸排気する吸
排気装置２と、両者を接続する接続管３と、必要に応じ
て非凝縮性ガスＢの量をコントロールするガス量制御装
置１０とだけから構成されるので、構造が極めて簡潔に
なる。

■　低温側Ｃの構造が簡潔であるため、特殊な設計や製
作を必要とせず、従って安価な極低温液体用ポンプを提
供することができる。

■　容器ｌ内の非凝縮性ガスＢを排気することにより容
器ｌ内に極低温液体Ａを吸入し、同非凝縮性ガスＢを加
圧供給することにより容器ｌから同液体Ａを吐出させる
ものであるため、低温側Ｃの容器ｌと室温側りの吸排気
装置２とを従来のようなポンプ軸ＧやピストンロッドＰ
で連結する必要がなく、その分だけ室温側りからの熱流
入量を低減できる。しかも、同容器１と吸排気装置２と
を接続する接続管３は、非凝縮性ガスＢの圧力（実際に
はゲージ圧で０．２気圧から１気圧程度）に耐えればよ
いので、熱伝導率の小さい材料からなる薄肉バイブを使
用することができ、前記熱流入量をより一層低減するこ
とができる。

■、低温側Ｃの装置に、従来のようなシール材やベアリ
ング等の機械的摩擦部材を使用する必要がないので、摩
擦熱の発生を防ぐことはもとよりそれらの摩耗や削れに
よる装置の劣化がなく、極めて信頼性の高いポンプとな
る。

■、液面センサ８．９とガス量制御装置１ｏにより、極
低温液体Ａの液面の位置を一定内に保持されるので、室
温側りから接続管３を通じて侵入する熱侵入量が一定値
内に抑制され、極低温液体Ａの吐出量も安定する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の極低温液体用ポンプの一実施例を示す
説明図、第２図ａ〜ｄは同ポンプの動作説明図、第３図
は従来の極低温液体用渦巻きポンプの説明図、第４図は
従来の極低温液体用ピストンポンプの説明図である。 １は容器 ２は吸排気装置 ３は接続管 ４は液入口 ５は液出口 ６．７は逆止弁 ８．９は液面センサ １０はガス量制御装置 Ａは極低温液体 Ｂは非凝縮性ガス Ｃは低温側 りは室温側

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）極低温液体Ａと非凝縮性ガスＢとを収容すること
   ができ且つ極低温液体Ａの液入口４と液出口５とが備え
   られてなる気密構造の容器１が低温側Ｃに設けられ、同
   容器１と接続管３で接続されて同容器１内の非凝縮性ガ
   スＢを吸排気する吸排気装置２が室温側Ｄに設けられて
   なることを特徴とする極低温液体用ポンプ。
2. （２）前記容器１内に極低温液体Ａの液面を感知する液
   面センサが設けられ、同センサによる液面検知に基づい
   て前記容器１及び吸排気装置２内の非凝縮性ガスＢの量
   を制御するガス量制御装置１０が備えられてなることを
   特徴とする請求項第１の極低温液体用ポンプ。