JPWO2012124363A1 - 液体供給システム - Google Patents

Abstract

省スペース化を可能としつつ冷却効率の向上を図った液体供給システムを提供する。第２容器１２０内のうちベローズ１３０の外側で構成される第１ポンプ室Ｐ１が形成されており、この第１ポンプ室Ｐ１には、第１容器１１０内の液体を第１ポンプ室Ｐ１内に吸入する第１吸入口１２１、及び吸入した液体Ｌを第１ポンプ室Ｐ１内から供給通路Ｋ１に送出する第１送出口１２２が設けられ、ベローズ１３０内は密閉空間により構成された第２ポンプ室Ｐ２が形成されており、この第２ポンプ室Ｐ２には、第１容器１１０内の液体Ｌを第２ポンプ室Ｐ２内に吸入する第２吸入口１２３、及び吸入した液体を第２ポンプ室Ｐ２内から供給通路Ｋ１に送出する第２送出口１２４が設けられていることを特徴とする。

Description

本発明は、液体窒素や液体ヘリウムなどの超低温の液体を供給する液体供給システムに関する。

従来、超電導コイルなどを超低温状態に維持させるために、液体窒素などの超低温の液体を超電導コイルなどが収容された容器に供給する技術が知られている（特許文献１参照）。図７を参照して、従来例に係る液体供給システムについて説明する。図７は従来例に係る液体供給システムの使用状態を示す概略構成図である。

この従来例に係る液体供給システム５００は、樹脂製の容器３１０の内部に超電導コイル３２０が備えられた被冷却装置３００に対して、超電導コイル３２０を超電導可能な状態で維持させるために、容器３１０内に超低温の液体Ｌを常時供給するものである。

液体供給システム５００は、超低温の液体Ｌが収容される第１容器５１０と、第１容器５１０に収容された液体Ｌ中に配置される第２容器５２０と、第２容器５２０の内部に入り込むように配置されるベローズ５３０とを備えている。第２容器５２０内のうちベローズ５３０の外側の領域によって、ポンプ室Ｐを構成している。そして、第２容器５２０には、液体Ｌをポンプ室Ｐ内に吸入する吸入口５２１と、吸入した液体Ｌをポンプ室Ｐ内からシステムの外部に通じる供給通路Ｋ１に送出する送出口５２２とが設けられている。吸入口５２１と送出口５２２には、それぞれ１方向弁５２１ａ，５２２ａが設けられている。

また、駆動源５４０によって往復移動するように構成された軸５５０が、第１容器５１０の外部からベローズ５３０の内部に入り込み、その先端がベローズ５３０の先端に固定されている。これにより、軸５５０が往復移動することによって、ベローズ５３０は伸縮する。

以上の構成により、ベローズ５３０が縮むことで、ポンプ室Ｐの体積が増加し、吸入口５２１を介して、第１容器５１０内の液体Ｌがポンプ室Ｐ内へと吸入される。また、ベローズ５３０が伸びることで、ポンプ室Ｐの体積が減少し、送出口５２２を介して、ポンプ室Ｐ内の液体が供給通路Ｋ１内へと送出される。このように、ベローズ５３０の伸縮動作の繰り返しによって、液体Ｌが供給通路Ｋ１を通じて被冷却装置３００に供給される。また、液体供給システム５００と被冷却装置３００とを繋ぐ戻り通路Ｋ２も設けられており、被冷却装置３００に供給された分だけ、液体供給システム５００の第１容器５１０に液体Ｌが戻るように構成されている。また、供給通路Ｋ１の途中には液体Ｌを超低温の状態まで冷却する冷却機２００が設けられている。このような構成により、冷却機２００によって超低温まで冷却された液体Ｌは、液体供給システム５００と被冷却装置３００との間を循環する。

上記のように構成される液体供給システム５００においては、ベローズ５３０の伸縮動作によって、供給通路Ｋ１を通じて、被冷却装置３００に間欠的に液体Ｌが供給される。すなわち、供給通路Ｋ１内の液圧は高圧状態と低圧状態とを交互に繰り返すことになるため、いわゆる脈動が生じてしまう。従って、樹脂製の容器３１０が２つの樹脂成形品を接着剤等で接着させて構成されたような場合に、脈動による圧力の負荷によって、低温脆性破壊が生じるおそれがある。この対策として、従来、供給通路Ｋ１にダンパー６００を設けることで圧力の変動を抑制していた。

しかしながら、従来例においては、ダンパー６００を液体供給システム５００と被冷却装置３００とを繋ぐ供給通路Ｋ１に設けていたため、余分な設置スペースを必要とするだけでなく、ダンパー６００の部分においても熱交換が生じてしまい、冷却効率の低下を招いていた。

特開２００８−２１５６４０号公報

本発明の目的は、省スペース化を可能としつつ冷却効率の向上を図った液体供給システムを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の液体供給システムは、
超低温の液体が収容される第１容器と、
第１容器に収容された液体中に配置され、該液体を吸入し、かつ吸入した液体をシステムの外部に通じる供給通路に送出するように構成される第２容器と、
第２容器の内部に入り込むように配置されるベローズと、
駆動源によって往復移動するように構成され、前記ベローズを伸縮させる軸と、
を備える液体供給システムにおいて、
第２容器内のうち前記ベローズの外側は第１ポンプ室となっており、当該第１ポンプ室には、第１容器内の液体を第１ポンプ室内に吸入する第１吸入口、及び吸入した液体を第１ポンプ室内から前記供給通路に送出する第１送出口が設けられ、
前記ベローズ内は密閉空間により構成された第２ポンプ室となっており、当該第２ポンプ室には、第１容器内の液体を第２ポンプ室内に吸入する第２吸入口、及び吸入した液体を第２ポンプ室内から前記供給通路に送出する第２送出口が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ベローズが縮むと、第２ポンプ室内からは液体が供給通路に送出され、かつ第１ポンプ室内に液体が吸入され、ベローズが伸びると、第２ポンプ室内に液体が吸入され、かつ第１ポンプ室からは液体が供給通路に送出される。従って、ベローズの伸縮動作による液体供給量を、第１ポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて２倍にすることができる。また、第１ポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合には液体が間欠的に供給されるのに対して、本発明の場合、ベローズが縮む際、及び伸びる際のいずれも液体が供給される。従って、液体が連続的に供給されることから脈動自体を抑制することが可能となる。そのため、システムの外部にダンパーを設ける必要がなくなるので、システム外部にダンパーを設ける場合に比して、省スペース化を可能とし、冷却効率を高めることができる。

第１容器外部から前記ベローズに至るように伸びる前記軸が挿通され、かつその内部が気体によって満たされた密閉空間が形成されているとよい。

これにより、気体によって満たされた密閉空間により断熱効果を発揮するため、第１ポンプ室や第２ポンプ室内において、液体が加熱されることによって気化してしまうことを抑制できる。従って、ポンプ機能の低下を抑制できる。

第１容器外部から前記ベローズに至るように伸びる前記軸が挿通され、かつその内部が真空状態となっている密閉空間が形成されているとよい。

これにより、真空状態となっている密閉空間により断熱効果を発揮するため、第１ポンプ室や第２ポンプ室内において、液体が加熱されることによって気化してしまうことを抑制できる。従って、ポンプ機能の低下を抑制できる。なお、密閉空間が気体によって満たされている場合に比して、真空状態の場合の方が、より断熱効果がある。

第１容器外部から前記ベローズに至るように伸びる前記軸が挿通される密閉空間を形成し、かつ当該密閉空間内は前記液体の層と気体の層が形成されており、前記供給通路から分岐された分岐通路が当該密閉空間に繋がれることによって、前記供給通路を通じて供給される液体の圧力の変動を緩衝する緩衝構造が設けられているとよい。

本発明によれば、供給通路を通じて供給される液体の圧力の変動（脈動）を緩衝する緩衝構造が、システム内に設けられるので、省スペース化を図り、かつ冷却効率を高めつつ、上記の通り脈動自体を抑制することと相俟って、相乗的に脈動を抑制することが可能となる。また、第１容器内の液面低下等により駆動源や大気からの熱が軸に伝わることで、内部の液体が気化したとしても、上記の密閉空間内において緩衝機能（ガスダンパーとしての機能）を発揮させる気体の層が厚くなるに過ぎず、ポンプ室内部での気化は抑制されるので、ポンプ機能を低下させることもない。

ここで、前記緩衝構造には、前記軸が挿通される密閉空間内の圧力が所定以上になった場合に、内部の圧力を外部に逃がす安全弁が設けられているとよい。

こうすることで、密閉空間内において、気化した気体の量が多くなるなどして、密閉空間内部の圧力が異常に高くなったとしても、圧力を逃がすことができる。従って、内部の圧力が異常に高くなってしまうことに伴う各種部材の破損等を抑制できる。

前記軸が挿通される密閉空間と第２ポンプ室との間、及び当該密閉空間と外部空間との間は、いずれも前記軸の往復移動に伴って伸縮する、外径が前記ベローズよりも小さな小ベローズによって隔てられているとよい。

これにより、摺動部位を形成することなく、軸が挿通される密閉空間を形成することが可能となる。従って、摺動による摩擦抵抗に伴って、熱が発生してしまうということはない。

前記密閉空間と外部空間との間を隔てる前記小ベローズの付近に温度を調整するヒータが設けられるとよい。

これにより、小ベローズに霜や氷塊が付着することを抑制（防止）することができ、小ベローズの破損を抑制できる。また、上記のように、密閉空間内に液体の層と気体の層が形成される構成の場合においては、液体と気体の層の厚みを調整することができる。これにより、ダンパーがない場合に生じ得る脈動に応じて、各層の層の厚みを調整でき、圧力の変動（脈動）を効果的に抑制することが可能となる。

前記ベローズの下方に、軸部材及び該軸部材の軸受が設けられているとよい。

これにより、軸の往復移動時において、軸及びベローズの軸ブレを抑制することが可能となる。

第２容器の底側と前記ベローズとは、
第１容器内部と連通し、かつ、前記軸の往復移動に伴って伸縮する、外径が前記ベローズよりも小さな小ベローズによって連結されているとよい。

これにより、第１ポンプ室によるポンプ量を減らすことができ、第２ポンプ室によるポンプ量との差を減らすことができる。従って、より一層脈動を抑制できる。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、省スペース化を可能としつつ冷却効率の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施例１に係る液体供給システムの使用状態を示す概略構成図である。 図２は本発明の実施例２に係る液体供給システムの使用状態を示す概略構成図である。 図３は本発明の実施例３に係る液体供給システムの使用状態を示す概略構成図である。 図４は本発明の実施例４に係る液体供給システムの使用状態を示す概略構成図である。 図５は本発明の実施例４に係る液体供給システムの模式的断面図である。 図６は圧力変動について示すグラフである。 図７は従来例に係る液体供給システムの使用状態を示す概略構成図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１を参照して、本発明の実施例１に係る液体供給システムについて説明する。

＜液体供給システム＞
図１を参照し、本発明の実施例１に係る液体供給システム１００の全体構成、及び使用方法について説明する。本実施例に係る液体供給システム１００においても、従来例と同様に、樹脂製の容器３１０の内部に超電導コイル３２０が備えられた被冷却装置３００に超低温の液体Ｌを供給する場合を例にして説明する。なお、超低温の液体Ｌの具体例としては、液体窒素や液体ヘリウムを挙げることができる。

液体供給システム１００は、超低温の液体Ｌが収容される第１容器１１０と、第１容器１１０に収容された液体Ｌ中に配置される第２容器１２０と、第２容器１２０の内部に入り込むように配置されるベローズ１３０とを備えている。第２容器１２０内のうちベローズ１３０の外側の領域によって、第１ポンプ室Ｐ１を構成している。また、ベローズ１３０内も密閉空間となっており、この密閉空間が第２ポンプ室Ｐ２となっている。そして、第２容器１２０には、第１容器１１０内の液体Ｌを第１ポンプ室Ｐ１内に吸入する第１吸入口１２１と、吸入した液体Ｌを第１ポンプ室Ｐ１内からシステムの外部に通じる供給通路（供給管）Ｋ１に送出する第１送出口１２２とが設けられている。また、第２容器１２０には、第１容器１１０内の液体Ｌを第２ポンプ室Ｐ２内に吸入する第２吸入口１２３と、吸入した液体Ｌを第２ポンプ室Ｐ２内から供給通路Ｋ１に送出する第２送出口１２４も設けられている。また、第１吸入口１２１及び第２吸入口１２３には、それぞれ１方向弁１２１ａ，１２３ａが設けられており、第１送出口１２２及び第２送出口１２４にも、それぞれ１方向弁１２２ａ，１２４ａが設けられている。

また、駆動源としてのリニアアクチュエータ１４０によって往復移動するように構成された軸１５０が、第１容器１１０の外部からベローズ１３０の内部に入り込み、その先端がベローズ１３０の先端に固定されている。これにより、軸１５０が往復移動することによって、ベローズ１３０は伸縮する。

そして、本実施例においては、軸１５０の周囲に、気体によって満たされた密閉空間Ｒ１が形成されている。この密閉空間Ｒ１は、第１容器１１０の外部からベローズ１３０に至るように伸びる軸１５０が挿通される筒状（望ましくは円筒状）の管部１６１と、この管部１６１の下端部と上端部にそれぞれ設けられる小ベローズ１６２，１６３とによって形成されている。なお、この密閉空間Ｒ１と第２ポンプ室Ｐ２との間を隔てる小ベローズ１６２と、密閉空間Ｒ１と外部空間との間を隔てる小ベローズ１６３は、いずれも先端が軸１５０に固定されており、軸１５０の往復移動に伴って伸縮するように構成されている。また、小ベローズ１６２，１６３は、その外径がベローズ１３０の外径よりも小さくなるように構成されている。

また、本実施例においては、ベローズ１３０における上端側にも、上記の通り、小ベローズ１６２が設けられることによって、ベローズ１３０内が密閉空間となるように構成され、この密閉空間が上記の通り、第２ポンプ室Ｐ２となっている。

以上の構成により、ベローズ１３０が縮むと、第２送出口１２４を介して第２ポンプ室Ｐ２内から液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出され、かつ第１吸入口１２１を介して液体Ｌが第１ポンプ室Ｐ１内に吸入される。また、ベローズ１３０が伸びると、第２吸入口１２３を介して液体Ｌが第２ポンプ室Ｐ２内に吸入され、かつ第１送出口１２２を介して第１ポンプ室Ｐ１内から液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出される。このように、ベローズ１３０が縮む際、及び伸びる際のいずれにおいても液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出される。

以上のように、本実施例に係る液体供給システム１００においては、ベローズ１３０の伸縮動作の繰り返しによって、供給通路Ｋ１を通じて、液体Ｌが被冷却装置３００に供給される。また、液体供給システム１００と被冷却装置３００とを繋ぐ戻り通路（戻り管）Ｋ２も設けられており、被冷却装置３００に供給された分だけ、液体供給システム１００に液体Ｌが戻るように構成されている。また、供給通路Ｋ１の途中には液体Ｌを超低温の状態まで冷却する冷却機２００が設けられている。このような構成により、冷却機２００によって超低温まで冷却された液体Ｌは、液体供給システム１００と被冷却装置３００と間を循環する。

＜本実施例に係る液体供給システムの優れた点＞
以上説明したように、本実施例に係る液体供給システム１００によれば、ベローズ１３０内を密閉空間として第２ポンプ室Ｐ２を形成している。これにより、ベローズ１３０が縮む際、及び伸びる際のいずれにおいても液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出され、ベローズ１３０の伸縮動作による液体供給量を、第１ポンプ室Ｐ１のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて２倍にすることができる。そのため、所望の供給量に対して、第１ポンプ室Ｐ１のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて、一回分の供給量を半分にすることができ、供給通路Ｋ１内における液体の最大圧力を半分程度にすることができる。従って、供給される液体の圧力変動（脈動）による悪影響を抑制することができる。

また、第１ポンプ室Ｐ１のみでポンプ機能を発揮させた場合には液体Ｌが間欠的に供給されるのに対して、本実施例の場合、ベローズ１３０が縮む際、及び伸びる際のいずれも液体Ｌが供給される。従って、液体Ｌが連続的に供給されることから脈動自体を抑制することが可能となる。従って、システム外に緩衝装置（ダンパー）を設ける場合に比して、省スペース化を図ることができ、また、熱交換が発生する部位を減らせるので、冷却効率を高めることができる。

更に、本実施例においては、軸１５０が挿通される筒状の管部１６１内を密閉空間Ｒ１として、その内部に気体を満たす構造を採用している。従って、気体が満たされた密閉空間Ｒ１が伝熱を妨げる機能を発揮するため、リニアアクチュエータ１４０で発生する熱や大気熱が液体Ｌまで伝わってしまうことを抑制することができる。また、仮に液体Ｌまで熱が伝わって気化したとしても、常に新しい液Ｌが供給され、冷却効果もあるため、ポンプ室内部において液Ｌが気化する温度まで上昇することを抑制することができる。従って、ポンプ機能を低下させることもない。

また、万一、軸１５０からの伝熱等によって、ベローズ１３０内の液体Ｌが気化して気体が発生してしまい、第２ポンプ室Ｐ２によるポンプ機能が低下しても、第１ポンプ室Ｐ１によるポンプ機能を安定的に発揮させることができる。更に、従来例のように、ベローズ５３０の内部側が（圧縮性流体である）気体の場合に比べて、本実施例では、ベローズ１３０の内部側と外部側にそれぞれ（非圧縮性流体である）液体Ｌが存在するため、ベローズ１３０の伸縮の際に、ベローズ１３０の振れ回りや座屈を抑制することができる。

また、本実施例においては、密閉空間Ｒ１を、管部１６１と一対の小ベローズ１６２，１６３によって形成する構成を採用している。また、小ベローズ１６２，１６３は、いずれも先端が軸１５０に固定されており、軸１５０の往復移動に伴って伸縮するように構成されている。従って、摺動部位を形成することなく、密閉空間Ｒ１が形成されるため、摺動による摩擦抵抗に伴って、熱が発生してしまうということはない。

ここで、これまで説明した実施例においては、密閉空間Ｒ１を気体で満たす場合について説明したが、この密閉空間Ｒ１の内部を真空状態にする構成を採用することもできる。密閉空間Ｒ１内を真空状態にすることによって、より一層断熱効果を高めることができる。

（実施例２）
図２には、本発明の実施例２が示されている。本実施例においては、ベローズの下方に小ベローズを設けた場合の構成について説明する。その他の構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

本実施例においては、第２容器１２０の底側とベローズ１３０とが、第１容器１１０内部と連通し、かつ、軸１５０の往復移動に伴って伸縮する、外径がベローズ１３０よりも小さな小ベローズ１２５によって連結させる構成を採用している。

上記実施例１に示す構成を採用した場合には、第１ポンプ室Ｐ１によるポンプ量（吐出量）の方が、第２ポンプ室Ｐ２によるポンプ量よりも大きくなる。圧力変動（脈動）をより小さくするためには、これらのポンプ量の差が少ない方が望ましい。

ここで、実施例１及び実施例２において、ベローズ１３０の有効径による受圧面積をＳ１、小ベローズ１６２の有効径による受圧面積をＳ２、実施例２において、小ベローズ１２５の有効径による受圧面積をＳ３、軸の移動距離をＬとする。なお、ベローズ１３０の有効径をＤ１，小ベローズ１６２の有効径をＤ２、小ベローズ１２５の有効径をＤ３とすると、Ｓ１＝π×（Ｄ１）２÷４，Ｓ２＝π×（Ｄ２）２÷４，Ｓ３＝π×（Ｄ３）２÷４となる。

すると、実施例１においては、第１ポンプ室Ｐ１のポンプ量はＳ１×Ｌとなり、第２ポンプ室Ｐ２のポンプ量は（Ｓ１−Ｓ２）×Ｌとなる。

一方、実施例２においては、第１ポンプ室Ｐ１のポンプ量は（Ｓ１−Ｓ３）×Ｌとなり、第２ポンプ室Ｐ２のポンプ量は（Ｓ１−Ｓ２）×Ｌとなる。

従って、小ベローズ１２５を設けることによって、第１ポンプ室Ｐ１のポンプ量と第２ポンプ室Ｐ２のポンプ量との差を減らすことができる。なお、Ｓ２とＳ３を等しく設定することで、理論上、第１ポンプ室Ｐ１のポンプ量と第２ポンプ室Ｐ２のポンプ量を等しくすることができ、脈動をより効果的に抑制することが可能となる。

（実施例３）
図３には、本発明の実施例３が示されている。本実施例においては、ベローズの下方に軸ブレを抑制するための構造を設けた場合の構成について説明する。その他の構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

本実施例においては、ベローズ１３０の下端部に軸部材１８１を設け、かつ、第２容器１２０の底に、この軸部材１８１の軸受１８２を設ける構成を採用している。軸受１８２は環状の部材で構成されており、その先端の内周部分に軸受部材１８２ａが設けられている。これら以外の構成については、実施例１と同一であるので、その説明は省略する。なお、軸受１８２には、その側面に貫通孔を設けることによって、軸受１８２の内側と外側とで液体Ｌを自由に行き来可能にさせるのが望ましい。これにより、軸１５０の往復移動を妨げてしまうことを抑制できる。

以上の構成により、本実施例においては、軸１５０やベローズ１３０の軸ブレを抑制することが可能となる。これにより、ベローズ１３０の径方向へのずれを抑制でき、ベローズ１３０が損傷してしまうことを抑制することが可能となる。また、軸１５０が小ベローズ１６２，１６３に触れてしまうことも抑制でき、緩衝機能が損なわれてしまうことも抑制できる。

なお、軸１５０をベローズ１３０の底よりも下方に突き抜けるように突出させることによって、軸１５０の一部を軸部材１８１として機能させることも可能である。また、図３中の丸で囲んだ部分に示すように、軸部材１８１ａを永久磁石により構成すると共に、軸受１８２の先端に設ける軸受部材１８２ａを永久磁石で構成することによって、軸部材１８１ａと軸受部材１８２ａとが磁力により反発させるように構成することも可能である。これにより、軸部材１８１ａと軸受部材１８２ａとの接触を抑制でき、軸ブレをより一層抑制することが可能となる。また、本実施例においては、ベローズ１３０側に軸部材を設け、第２容器１２０の底に軸受を設ける場合の構成を示したが、第２容器１２０の底に軸部材を設け、ベローズ１３０側に軸受を設ける構成を採用することもできる。また、軸部材と軸受の配置や個数については、適宜、設定可能である。例えば、本実施例で示した構成に関しては、上記実施例２に示した構成に採用することも可能であるが、その場合には、軸部材と軸受は図３に示すようにベローズ１３０の中心付近ではなく、中心からずれた位置に配置させる必要がある。

（実施例４）
図４及び図５を参照して、本発明の実施例４に係る液体供給システムについて説明する。上記実施例１においては、軸が挿通される密閉空間内をガスで満たしたり真空状態としたりする場合を示したが、本実施例においては、当該密閉空間内に液体の層と気体の層とを形成することによって、ガスダンパーとして機能させる場合について示す。その他の構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

本実施例においては、軸１５０の周囲に、供給通路Ｋ１を通じて供給される液体Ｌの圧力の変動（脈動）を緩衝する緩衝構造１６０が設けられている。この緩衝構造１６０は、第１容器１１０の外部からベローズ１３０に至るように伸びる軸１５０が挿通される筒状（望ましくは円筒状）の管部１６１と、この管部１６１の下端部と上端部にそれぞれ設けられる小ベローズ１６２，１６３とを備えている。これら管部１６１と一対の小ベローズ１６２，１６３によって、その内部は密閉空間Ｒ２となっている。なお、この密閉空間Ｒ２と第２ポンプ室Ｐ２との間を隔てる小ベローズ１６２と、密閉空間Ｒ２と外部空間との間を隔てる小ベローズ１６３は、いずれも先端が軸１５０に固定されており、軸１５０の往復移動に伴って伸縮するように構成されている。また、小ベローズ１６２，１６３は、その外径がベローズ１３０の外径よりも小さくなるように構成されている。

密閉空間Ｒ２内は、液体Ｌの層と、液体Ｌが気化した気体Ｇの層が形成されている。図４中、密閉空間Ｒ２内部の温度勾配の様子をグラフで示している（図中Ｘ）。このグラフに示すように、密閉空間Ｒ２内の下方においては温度Ｔ１（液体窒素の場合７０Ｋ程度）で安定しており、外気に曝される上方に向かうにつれて温度が高くなっている。そして、飽和温度Ｔ０（液体窒素の場合７８Ｋ程度）の付近に、液体Ｌの層と気体Ｇの層との境界面が形成される。

また、供給通路Ｋ１から分岐された分岐通路Ｋ３が、この密閉空間Ｒ２に繋がるように設けられている。これにより、供給通路Ｋ１を通じて供給される液体Ｌの圧力が、密閉空間Ｒ２内にもかかるため、密閉空間Ｒ２の内部の気体がダンパーとして機能し、供給通路Ｋ１を通じて供給される液体Ｌの圧力の変動（脈動）を緩衝することが可能となる。

また、本実施例に係る緩衝構造１６０には、密閉空間Ｒ２内の圧力が所定以上になった場合に、内部の圧力を外部に逃がす安全弁１６４が、小ベローズ１６３の近くに設けられている。これにより、密閉空間Ｒ２内において、気化した気体Ｇの量が多くなるなどして、密閉空間Ｒ２内部の圧力が異常に高くなったとしても、圧力を逃がすことができる。従って、内部の圧力が異常に高くなってしまうことに伴う管部１６１や小ベローズ１６２，１６３の破損等を抑制できる。

図５を参照して、本実施例に係る液体供給システム１００のより具体的な一例を説明する。図５は本発明の実施例に係る液体供給システム１００において、軸１５０の軸心を通るように切断した模式的断面図である。なお、図５に示す断面図においては、戻り通路（戻り管）Ｋ２は省略している。

図５に示す例においては、軸１５０として、内部が中空のものを採用している。これにより、軸１５０の軽量化を図ることができ、かつ断面積が減ることから、大気側の熱が、軸１５０によって内部に伝わってしまうことを抑制できる。なお、軸１５０には、内部の中空部分と軸１５０の外側とを連通する逃がし孔１５１が設けられている。そのため、亀裂等により中空内部に浸入した液体が気化することにより内部圧力が急激に高くなって、軸１５０が破裂してしまうようなことを抑制することができる。

また、図５に示す例においては、小ベローズ１６３の付近（具体的には、軸１５０の中空内部、及び軸１５０における大気側の端部付近の外周側）に、ヒータ１７１，１７２を設けている。これにより、密閉空間Ｒ２内の温度を調整することができ、また、運転中に、小ベローズ１６３に霜や氷塊が付着することを抑制（防止）することができる。

以上のように、本実施例に係る液体供給システム１００によれば、供給通路（供給管）Ｋ１を通じて供給される液体Ｌの圧力の変動（脈動）を緩衝する緩衝構造１６０が、システム内に設けられている。従って、上記の各実施例の場合に比べて、より一層、脈動を抑制することが可能となる。

また、本実施例においては、緩衝構造１６０として、軸１５０が挿通される筒状の管部１６１内を密閉空間Ｒ２として、その内部に液体Ｌの層と気体Ｇの層を形成する構造を採用している。従って、気体Ｇの層が伝熱を妨げる機能を発揮するため、リニアアクチュエータ１４０で発生する熱や大気熱が液体Ｌまで伝わってしまうことを抑制することができる。また、仮に液体Ｌまで熱が伝わって気化したとしても、常に新しい液Ｌが供給され、冷却効果もあるため、密閉空間Ｒ２内において緩衝機能（ガスダンパーとしての機能）を発揮させる気体Ｇの層が厚くなるに過ぎない。従って、ポンプ室内部において液Ｌが気化する温度まで上昇することを抑制することができ、ポンプ機能を低下させることもない。なお、従来例においては、軸により熱が伝わって液体が第２容器５２０内で気化してしまうと、ベローズの圧縮過程で、発生した気体を押し出したり、気体部分が圧縮してしまったりするため、ポンプの効率を低下させてしまうのに対して、本実施例ではそのような問題がない。

更に、図５に示す例においては、管部１６１の内部の密閉空間Ｒ２内の温度を調整することが可能なヒータ１７１，１７２を設けている。従って、ダンパーがない場合に生じ得る脈動に応じて、液体Ｌの層と気体Ｇの層の厚みを調整でき、圧力の変動（脈動）を効果的に抑制することが可能となる。

なお、本実施例においても、上記実施例２で示したように、ベローズ１３０の下方に小ベローズ１２５を設ける構成を採用することで、脈動自体をより一層抑制するようにすることもできる。また、上記実施例３で示したように、軸ブレを抑制する構造を設けることにより、軸ブレを抑制でき、安定的にダンパー機能を発揮させることが可能となる。

＜ガスダンパーにおけるガスの量＞
ここで、本実施例において、密閉空間Ｒ２の内部をガスダンパーとして有効に機能させるために必要なガスの量について簡単に説明する。

＜＜圧力変動がＳＩＮ波の場合＞＞
圧力変動がＳＩＮ波の場合において、密閉空間Ｒ２の内部をガスダンパーとして有効に機能させるために必要なガスの量Ｖ１は、
Ｖ１＝｛ｑ×Ｋ×（Ｐｍ÷Ｐ１）１／ｎ｝÷｛１−（Ｐｍ÷Ｐ２）１／ｎ｝［ｌ］
となる。

ここで、ｑはポンプ１往復当りの吐出量［ｌ］であり、Ｋはポンプ形式による定数であって、本実施例のような一連複動往復動ポンプにおいては０．２５となる。また、Ｐｍは吐出平均圧力［ＭＰａ］であり、封入ガス圧力であるＰ１は温度変化が無い場合、（０．６〜０．８）×Ｐｍ［ＭＰａ］である。例えば、Ｐ１＝０．７×Ｐｍ［ＰＭａ］とする。また、ｎはポリトロープ指数であり、ガスが窒素ガスの場合１．４１である。

更に、Ｐ２は目標最大配管内圧力であり、
Ｐ２＝｛１＋（脈動率÷１００）｝×Ｐｍ［Ｍｐａ］
となる。なお、「配管」は、本実施例においては、供給通路Ｋ１及び戻り通路Ｋ２に相当する。また、「脈動率」は目標最大配管内圧力と吐出平均圧力との差圧を吐出平均圧量で割った割合である。つまり、「脈動率」＝｛（Ｐ２−Ｐｍ）÷Ｐｍ｝×１００となる。

＜＜圧力変動が矩形波の場合＞＞
圧力変動が矩形波の場合において、密閉空間Ｒ２の内部をガスダンパーとして有効に機能させるために必要なガスの量Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｖａ×（Ｐａ÷Ｐ１）
となる。

ここで、Ｐａは衝撃圧力が発生していない状態の時の配管（供給通路Ｋ１及び戻り通路Ｋ２）内の圧力（常用圧力）である。また、Ｐ１は（０．８〜０．９）×Ｐａ［ＭＰａ］である。例えば、Ｐ１＝０．９×Ｐａ［ＭＰａ］とする。

そして、圧力がＰａの際のガス量であるＶａは、
Ｖａ＝｛Ｗ×ｖ２×（ｎ−１）｝÷｛２００×Ｐａ×（（Ｐｂ／Ｐａ）（ｎ−１）／ｎ−１｝となる。

ここで、Ｗは配管（供給通路Ｋ１及び戻り通路Ｋ２）中の流体質量であり、Ｗ＝（π／４）×ｄ２×Ｌ×ρ×１０−６［ｋｇ］である。なお、ｄは配管の径（内径）［ｍｍ］であり、Ｌは配管長さ［ｍ］であり、ρは流体密度［ｋｇ／ｍ３］である。また、ｖは流速であり、ｖ＝２１．２３×Ｑ／ｄ２［ｍ／ｓ］である。ここで、流速ｖは供給通路Ｋ１及び戻り通路Ｋ２内の平均流速である。なお、Ｑは流量［ｌ／ｍｉｎ］である。また、ｎはポリトロープ指数であり、ガスが窒素ガスの場合１．４１である。更に、Ｐｂは許容衝撃圧力であり、許容できる最高の衝撃圧力である。この許容衝撃圧力Ｐｂは、通常、常用圧力Ｐａの１１０％に設定される。すなわち、Ｐｂ＝１．１×Ｐａ［ＭＰａ］となる。

（従来例と実施例との比較）
図６を参照して、従来例と上記各実施例における圧力変動（脈動）についての比較結果を説明する。図６においては、経過時間（横軸）に対する圧力（縦軸）の変動をグラフにて示している。

図６（ａ）は従来例（第１ポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合）において、圧力変動がＳＩＮ波の場合であって、左の図はダンパーを設けていない場合を示し、右の図はダンパーを設けた場合を示している。

図６（ｂ）は本実施例（第１ポンプ室及び第２ポンプ室でポンプ機能を発揮させた場合）において、圧力変動がＳＩＮ波の場合であって、左の図はダンパーを設けていない場合（実施例１〜３）を示し、右の図はダンパーを設けた場合（実施例４）を示している。ここで、上述したように、ガスの量を上記Ｖ１の式を満たす量に設定した場合には、ＰｍａｘとＰｍｉｎの差を、ダンパーを設けていない場合に比して３０％以下（脈動率３０％以下）にすることが可能となる。

図６（ｃ）は従来例（第１ポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合）において、圧力変動が矩形波の場合であって、左の図はダンパーを設けていない場合を示し、右の図はダンパーを設けた場合を示している。

図６（ｄ）は本実施例（第１ポンプ室及び第２ポンプ室でポンプ機能を発揮させた場合）において、圧力変動が矩形波の場合であって、左の図はダンパーを設けていない場合（実施例１〜３）を示し、右の図はダンパーを設けた場合（実施例４）を示している。ここで、上述したように、ガスの量を上記Ｖ２の式を満たす量に設定した場合には、ＰｍａｘとＰｍｉｎの差を、ダンパーを設けていない場合に比して３０％以下（脈動率３０％以下）にすることが可能となる。なお、基礎出願（特願２０１１−５６４２６）においては、当該グラフを簡略化して示していたが、より具体的には、図６（ｄ）に示すように、ダンパーを設けた場合、圧力は、一瞬高くなってＰｍａｘとなった後に低下するような挙動となる。

なお、リニアアクチュエータをクランク軸などの等速でない状態で軸１５０を駆動させた場合には、圧力の変動がＳＩＮ波のような波形となり、軸１５０を等速で駆動させた場合には、圧力の変動が矩形波となる。

図６に示すグラフから分かるように、第１ポンプ室及び第２ポンプ室でポンプ機能を発揮させることによって、圧力変動（脈動）自体を抑制することが可能となる。特に、矩形波の場合に効果的に、圧力変動を抑制できる。また、実施例４のように、システム内にダンパーを設けることによって、圧力変動自体を抑制することと相俟って、圧力変動を効果的に抑制することが可能となる。

１００ 液体供給システム
１１０ 第１容器
１２０ 第２容器
１２１ 第１吸入口
１２２ 第１送出口
１２３ 第２吸入口
１２４ 第２送出口
１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ，１２４ａ １方向弁
１３０ ベローズ
１４０ リニアアクチュエータ
１５０ 軸
１５１ 逃がし孔
１６０ 緩衝構造
１６１ 管部
１６２，１６３ 小ベローズ
１６４ 安全弁
１７１，１７２ ヒータ
１８１，１８１ａ 軸部材
１８２ 軸受
１８２ａ，１８２ｂ 軸受部材
２００ 冷却機
３００ 被冷却装置
３１０ 容器
３２０ 超電導コイル
Ｋ１ 供給通路
Ｋ２ 戻り通路
Ｋ３ 分岐通路
Ｌ 液体
Ｐ１ 第１ポンプ室
Ｐ２ 第２ポンプ室
Ｒ１，Ｒ２ 密閉空間

ここで、実施例１及び実施例２において、ベローズ１３０の有効径による受圧面積をＳ１、小ベローズ１６２の有効径による受圧面積をＳ２、実施例２において、小ベローズ１２５の有効径による受圧面積をＳ３、軸の移動距離をＬとする。なお、ベローズ１３０の有効径をＤ１，小ベローズ１６２の有効径をＤ２、小ベローズ１２５の有効径をＤ３とすると、Ｓ１＝π×（Ｄ１） ^２ ÷４，Ｓ２＝π×（Ｄ２） ^２ ÷４，Ｓ３＝π×（Ｄ３） ^２ ÷４となる。

＜＜圧力変動がＳＩＮ波の場合＞＞
圧力変動がＳＩＮ波の場合において、密閉空間Ｒ２の内部をガスダンパーとして有効に機能させるために必要なガスの量Ｖ１は、
Ｖ１＝｛ｑ×Ｋ×（Ｐｍ÷Ｐ１） ^１／ｎ ｝÷｛１−（Ｐｍ÷Ｐ２） ^１／ｎ ｝［ｌ］
となる。

そして、圧力がＰａの際のガス量であるＶａは、
Ｖａ＝｛Ｗ×ｖ ^２ ×（ｎ−１）｝÷｛２００×Ｐａ×（（Ｐｂ／Ｐａ） ^{（ｎ−１）／ｎ} −１｝となる。

ここで、Ｗは配管（供給通路Ｋ１及び戻り通路Ｋ２）中の流体質量であり、Ｗ＝（π／４）×ｄ ^２ ×Ｌ×ρ×１０ ^−６ ［ｋｇ］である。なお、ｄは配管の径（内径）［ｍｍ］であり、Ｌは配管長さ［ｍ］であり、ρは流体密度［ｋｇ／ｍ ^３ ］である。また、ｖは流速であり、ｖ＝２１．２３×Ｑ／ｄ ^２ ［ｍ／ｓ］である。ここで、流速ｖは供給通路Ｋ１及び戻り通路Ｋ２内の平均流速である。なお、Ｑは流量［ｌ／ｍｉｎ］である。また、ｎはポリトロープ指数であり、ガスが窒素ガスの場合１．４１である。更に、Ｐｂは許容衝撃圧力であり、許容できる最高の衝撃圧力である。この許容衝撃圧力Ｐｂは、通常、常用圧力Ｐａの１１０％に設定される。すなわち、Ｐｂ＝１．１×Ｐａ［ＭＰａ］となる。

Claims (9)

1. 超低温の液体が収容される第１容器と、
   第１容器に収容された液体中に配置され、該液体を吸入し、かつ吸入した液体をシステムの外部に通じる供給通路に送出するように構成される第２容器と、
   第２容器の内部に入り込むように配置されるベローズと、
   駆動源によって往復移動するように構成され、前記ベローズを伸縮させる軸と、
   を備える液体供給システムにおいて、
   第２容器内のうち前記ベローズの外側は第１ポンプ室となっており、当該第１ポンプ室には、第１容器内の液体を第１ポンプ室内に吸入する第１吸入口、及び吸入した液体を第１ポンプ室内から前記供給通路に送出する第１送出口が設けられ、
   前記ベローズ内は密閉空間により構成された第２ポンプ室となっており、当該第２ポンプ室には、第１容器内の液体を第２ポンプ室内に吸入する第２吸入口、及び吸入した液体を第２ポンプ室内から前記供給通路に送出する第２送出口が設けられていることを特徴とする液体供給システム。
2. 第１容器外部から前記ベローズに至るように伸びる前記軸が挿通され、かつその内部が気体によって満たされた密閉空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体供給システム。
3. 第１容器外部から前記ベローズに至るように伸びる前記軸が挿通され、かつその内部が真空状態となっている密閉空間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体供給システム。
4. 第１容器外部から前記ベローズに至るように伸びる前記軸が挿通される密閉空間を形成し、かつ当該密閉空間内は前記液体の層と気体の層が形成されており、前記供給通路から分岐された分岐通路が当該密閉空間に繋がれることによって、前記供給通路を通じて供給される液体の圧力の変動を緩衝する緩衝構造が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体供給システム。
5. 前記緩衝構造には、前記軸が挿通される密閉空間内の圧力が所定以上になった場合に、内部の圧力を外部に逃がす安全弁が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の液体供給システム。
6. 前記軸が挿通される密閉空間と第２ポンプ室との間、及び当該密閉空間と外部空間との間は、いずれも前記軸の往復移動に伴って伸縮する、外径が前記ベローズよりも小さな小ベローズによって隔てられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の液体供給システム。
7. 前記密閉空間と外部空間との間を隔てる前記小ベローズの付近に温度を調整するヒータが設けられることを特徴とする請求項６に記載の液体供給システム。
8. 前記ベローズの下方に、軸部材及び該軸部材の軸受が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の液体供給システム。
9. 第２容器の底側と前記ベローズとは、
   第１容器内部と連通し、かつ、前記軸の往復移動に伴って伸縮する、外径が前記ベローズよりも小さな小ベローズによって連結されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の液体供給システム。

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