JPWO2014091866A1 - 液体供給システム - Google Patents

Abstract

逃し弁の機能の低下を抑制すると共に、冷却効率の向上を図った液体供給システムを提供する。密閉容器１１０と、密閉容器１１０内に収容される超低温液体Ｌ中に配置され、リニアアクチュエータ１３０によって駆動されるポンプ１２０と、ポンプ１２０によって送り出される超低温液体Ｌを密閉容器１１０の外部に設けられた被冷却装置３００に導く第１配管Ｋ１と、被冷却装置３００から密閉容器１１０内部まで超低温液体Ｌを戻す第２配管Ｋ２と、密閉容器１１０内において第１配管Ｋ１に接続され、かつ密閉容器１１０内に超低温液体Ｌを逃がす逃し弁１７０と、を備え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。このような技術においては、流路内の過度な流体圧力による装置の破損を抑制するために、システム外に流体を逃がす逃し弁を設けていた（特許文献１参照）。また、脈動による圧力の最大負荷や変動負荷によって、耐圧不足破壊や疲労破壊が生じるおそれがあることから、従来、超低温液体を供給する配管にダンパーを設けることで圧力の変動を抑制していた（特許文献２参照）。

しかしながら、上記のような従来例においては、逃し弁やダンパーの部分で熱交換が生じてしまったり、逃し弁によって超低温液体を放出してしまったりすることから冷却効率の低下や液量の低下を招いていた。また、逃し弁に大気中の水分等が氷結することによって、逃し弁が十分に機能しなくなってしまう問題もあった。

特表２００９−５００５８７号公報 特開２００８−２１５６４０号公報

本発明の目的は、逃し弁の機能の低下を抑制すると共に、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、
密閉容器と、
密閉容器内に収容される超低温液体中に配置され、リニアアクチュエータによって駆動されるポンプと、
前記ポンプによって送り出される超低温液体を密閉容器の外部に設けられた被冷却装置に導く第１配管と、
被冷却装置から密閉容器内部まで超低温液体を戻す第２配管と、
密閉容器内において第１配管に接続され、かつ密閉容器内に超低温液体を逃がす逃し弁と、
を備えることを特徴とする。

これにより、何らかの原因によって、液体の流れが不十分になってしまっても、第１配管中の内部圧力が所定圧以上になってしまうことを抑制できる。

また、密閉容器内において前記ポンプに接続され、かつ密閉容器内に超低温液体を逃がす逃し弁を備えることも好適である。

これにより、何らかの原因によって、液体の流れが不十分になってしまっても、ポンプ中の内部圧力が所定圧以上になってしまうことを抑制できる。

また、これらの発明によれば、逃し弁は密閉容器内に設けられている。そのため、逃し弁において密閉容器外部との熱交換がなされることはなく、かつ超低温液体が、超低温のまま密閉容器内に戻される。従って、冷却効率を向上させることができる。また、氷結等によって逃し弁の機能が低下してしまうことを抑制できる。

また、逃し弁における弁が開く圧力の設定値を、逃し弁を設けなかった場合において、第１配管及び第２配管内における脈動の最大圧力よりも小さな値に設定するとよい。これにより、脈動の最大圧力を低下させることができる。

また、密閉容器内部において、超低温流体が液層と気層に分かれる場合に、逃し弁を液層に配置させるとよい。これにより、超低温液体が流れる流路中に気体が含まれることを抑制することができる。

前記ポンプは、前記リニアアクチュエータによって往復移動するロッドに固定されたベローズに仕切られた第１ポンプ室及び第２ポンプ室が形成されており、
前記ベローズが縮む過程では、第１ポンプ室の容積は増加し、第２ポンプ室の容積は減少し、
前記ベローズが伸びる過程では、第１ポンプ室の容積は減少し、第２ポンプ室の容積は増加すると共に、
前記ポンプには、前記密閉容器内の超低温液体を第１ポンプ室内に吸入する第１吸入口、及び吸入した超低温液体を第１ポンプ室内から第１配管に送出する第１送出口が設けられ、かつ第１容器内の超低温液体を第２ポンプ室内に吸入する第２吸入口、及び吸入した超低温液体を第２ポンプ室内から第１配管に送出する第２送出口が設けられているとよい。

このように構成すれば、ベローズが縮むと、第２ポンプ室内からは超低温液体が第１配管に送出され、かつ第１ポンプ室内に超低温液体が吸入され、ベローズが伸びると、第２ポンプ室内に超低温液体が吸入され、かつ第１ポンプ室からは超低温液体が第１配管に送出される。従って、ベローズの伸縮動作による液体供給量を、一つのポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて多くすることができる。また、一つのポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合には超低温液体が間欠的に供給されるのに対して、上記のように構成すれば、ベローズが縮む際、及び伸びる際のいずれも超低温液体が供給される。従って、超低温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。

また、第１ポンプ室と第２ポンプ室のそれぞれに上記の逃し弁を備えるとよい。これにより、各ポンプ室の内部圧力が所定圧以上になってしまうことを抑制できる。

前記リニアアクチュエータによって往復移動するロッドが挿通される密閉空間が形成されており、かつ当該密閉空間内は超低温液体の層と超低温液体が気化した気体の層とが形成されており、第１配管から分岐された分岐配管が当該密閉空間に繋がれることによって、第１配管を通じて供給される超低温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。

このように構成すれば、第１配管を通じて供給される超低温液体の圧力の変動（脈動）を緩衝する緩衝構造が、システム内に設けられる。これにより、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、リニアアクチュエータや大気からの熱がロッドに伝わることで、密閉空間内部の液体が気化したとしても、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ない。従って、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。

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、逃し弁の機能の低下を抑制すると共に、冷却効率の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施形態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は圧力変動について示すグラフである。 図３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４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。

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、実施形態及び実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、これらの実施形態及び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。

（実施形態）
図１及び図２を参照して、本発明の実施形態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を参照して、本実施形態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。本実施形態に係る液体供給システム１００は、被冷却装置３００に超低温液体Ｌを供給するシステムである。なお、超低温液体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、超低温流体が収容される密閉容器１１０と、リニアアクチュエータ１３０によって駆動されるポンプ１２０とを備えている。密閉容器１１０の内部においては、超低温液体Ｌの層と、超低温液体Ｌが気化した気体Ｇの層とが形成されている。ポンプ１２０は、密閉容器１１０内に収容される超低温液体Ｌ中に配置されている。また、このポンプ１２０は、リニアアクチュエータ１３０によって往復移動するロッド１４０により駆動されるように構成されている。更に、ポンプ１２０に設けられている吸入口１５０と送出口１６０には、それぞれ１方向弁１５０ａ，１６０ａが備えられている。

また、液体供給システム１００は、ポンプ１２０によって送り出される超低温液体Ｌを密閉容器１１０の外部に設けられた被冷却装置３００に導く第１配管Ｋ１、及び被冷却装置３００から密閉容器１１０内部まで超低温液体Ｌを戻す第２配管Ｋ２を備えている。また、第１配管Ｋ１の途中には液体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によって冷却された超低温液体Ｌは、液体供給システム１００と被冷却装置３００との間を循環する。

そして、本実施形態に係る液体供給システム１００においては、密閉容器１１０内において第１配管Ｋ１に接続され、かつ密閉容器１１０内に超低温液体Ｌを逃がす第１逃し弁１７０を備えている。また、液体供給システム１００は、密閉容器１１０内においてポンプ１２０に接続され、かつ密閉容器１１０内に超低温液体Ｌを逃がす逃し弁１８０も備えている。なお、これら第１逃し弁１７０及び第２逃し弁１８０はポペット弁などの各種公知の弁構造を採用し得る。ただし、弁を構成する材料としては、低温脆化しない材料を用いる必要がある。例えば、弁座を構成するメタル材として、オーステナイト系ステンレスを採用できる。また、弁体の材料として、ポリテトラフルオロエチレン系材料やポリイミドなどを採用できる。

＜本実施形態に係る液体供給システムの優れた点＞
以上のように構成された本実施形態に係る液体供給システム１００によれば、第１逃し弁１７０を備えていることで、何らかの原因によって、超低温液体Ｌの流れが不十分になってしまっても、第１配管Ｋ１中の内部圧力が所定圧以上になってしまうことを抑制できる。また、第２逃し弁１８０を備えていることから、何らかの原因によって、超低温液体Ｌの流れが不十分になってしまっても、ポンプ１２０中の内部圧力が所定圧以上になってしまうことを抑制できる。これらのことから、内部圧力が異常に高くなってしまうことを起因とする各部材の破損を抑制できる。

また、第１逃し弁１７０及び第２逃し弁１８０は、密閉容器１１０内に設けられているので、これらの逃し弁において密閉容器１１０外部との熱交換がなされることはなく、かつ超低温液体Ｌが、超低温のまま密閉容器１１０内に戻される。従って、冷却効率を向上させることができる。また、氷結等によって、これらの逃し弁の機能が低下してしまうことを抑制できる。

また、第１逃し弁１７０及び第２逃し弁１８０における弁が開く圧力の設定値を、これらの逃し弁を設けなかった場合において、第１配管Ｋ１及び第２配管Ｋ２内における脈動の最大圧力よりも小さな値に設定するのが望ましい。これにより、脈動の最大圧力を低下させることができる。すなわち、図２に示すように、第１逃し弁１７０及び第２逃し弁１８０における弁が開く圧力の設定値をＰｘに設定することで、第１配管Ｋ１及び第２配管Ｋ２内における最大圧力をＰｘ以下にすることができる。なお、図中の点線は、第１逃し弁１７０及び第２逃し弁１８０を設けなかった場合に生じる圧力変動である。

また、第１逃し弁１７０及び第２逃し弁１８０は、密閉容器１１０の内部であれば、液層中であっても、気層中であっても、上記のように、冷却効率を高めることができる。ただし、これらの逃し弁を液層に配置させることで、超低温液体Ｌが流れる流路中に気体が含まれることを抑制することができる効果も発揮される。すなわち、超低温液体Ｌが流れる流路中に気体が残留した場合には、当該気体が振動し、脈動が発生するなどの不具合が生じ得る。従って、このような不具合が生じないようにしたい場合には、液層中に第１逃し弁１７０及び第２逃し弁１８０を配置するとよい。

以下、上述した実施形態のより具体的な例を説明する。

（実施例１）
図３には、本発明の実施例１が示されている。基本的な構成は、上記実施形態で示した構成および作用と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は適宜省略する。

本実施例に係る液体供給システム１００においては、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に超低温液体Ｌを供給する場合を例にして説明する。

本実施例におけるポンプ１２０は、密閉容器１１０に収容された超低温液体Ｌ中に配置される容器１２１と、この容器１２１の内部に配置されるベローズ１２２とを備えている。容器１２１は小ベローズ１２３によって、図３中上部の開口部が塞がれており、その内部は密閉空間となっている。そして、この容器１２１の内部の密閉空間は、上記のベローズ１２２により仕切られることで、第１ポンプ室Ｐ１と第２ポンプ室Ｐ２とが形成されている。

容器１２１には、密閉容器１１０内の超低温液体Ｌを第１ポンプ室Ｐ１内に吸入する第１吸入口１５１と、吸入した超低温液体Ｌを第１ポンプ室Ｐ１内から密閉容器１１０の外部に通じる第１配管Ｋ１に送出する第１送出口１６１とが設けられている。また、容器１２１には、密閉容器１１０内の超低温液体Ｌを第２ポンプ室Ｐ２内に吸入する第２吸入口１５２と、吸入した超低温液体Ｌを第２ポンプ室Ｐ２内から第１配管Ｋ１に送出する第２送出口１６２も設けられている。また、第１吸入口１５１及び第２吸入口１５２には、それぞれ１方向弁１５１ａ，１５２ａが設けられており、第１送出口１６１及び第２送出口１６２にも、それぞれ１方向弁１６１ａ，１６２ａが設けられている。

また、リニアアクチュエータ１３０によって往復移動するように構成されたロッド１４０が、密閉容器１１０の外部から内部に入り込み、その先端がベローズ１２２の先端に固定されている。これにより、ロッド１４０が往復移動することによって、ベローズ１２２は伸縮する。

そして、本実施例においては、ロッド１４０の周囲に密閉空間Ｒが形成されている。この密閉空間Ｒは、密閉容器１１０の外部からベローズ１２２に至るように伸びるロッド１４０が挿通される筒状（望ましくは円筒状）の管部１４１と、この管部１４１の下端部と上端部にそれぞれ設けられる小ベローズ１２３，１１１とによって形成されている。なお、この密閉空間Ｒと第２ポンプ室Ｐ２との間を隔てる小ベローズ１２３と、この密閉空間Ｒと外部空間との間を隔てる小ベローズ１１１は、いずれも先端がロッド１４０に固定されており、ロッド１４０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１２３，１１１は、その外径がベローズ１２２の外径よりも小さくなるように構成されている。

以上の構成により、ベローズ１２２が縮む過程では、第１ポンプ室Ｐ１の容積は増加し、第２ポンプ室Ｐ２の容積は減少する。従って、この過程では、第２送出口１６２を介して第２ポンプ室Ｐ２内から超低温液体Ｌが第１配管Ｋ１に送出され、かつ第１吸入口１５１を介して超低温液体Ｌが第１ポンプ室Ｐ１内に吸入される。また、ベローズ１２２が伸びる過程では、第１ポンプ室Ｐ１の容積は減少し、第２ポンプ室Ｐ２の容積は増加する。従って、この過程では、第２吸入口１５２を介して超低温液体Ｌが第２ポンプ室Ｐ２内に吸入され、かつ第１送出口１６１を介して第１ポンプ室Ｐ１内から超低温液体Ｌが第１配管Ｋ１に送出される。このように、ベローズ１２２が縮む際、及び伸びる際のいずれにおいても超低温液体Ｌが第１配管Ｋ１に送出される。

そして、本実施例に係る液体供給システム１００においても、密閉容器１１０内において第１配管Ｋ１に接続され、かつ密閉容器１１０内に超低温液体Ｌを逃がす第１逃し弁１７０を備えている。また、本実施例に係る液体供給システム１００は、密閉容器１１０内において第１ポンプ室Ｐ１に接続され、かつ密閉容器１１０内に超低温液体Ｌを逃がす第２逃し弁１８１と、密閉容器１１０内において第２ポンプ室Ｐ２に接続され、かつ密閉容器１１０内に超低温液体Ｌを逃がす第２逃し弁１８２とを備えている。

＜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においても、上記実施形態の場合と同様の作用効果が得られる。なお、本実施例の場合には、第１ポンプ室Ｐ１と第２ポンプ室Ｐ２とが設けられ、各ポンプ室にそれぞれ第２逃し弁１８１，１８２が備えられている。従って、各ポンプ室の内部圧力が所定以上になってしまうことを抑制できる。

また、本実施例の場合には、第１ポンプ室Ｐ１と第２ポンプ室Ｐ２とを備え、ベローズ１２２が縮む際、及び伸びる際のいずれにおいても超低温液体Ｌが第１配管Ｋ１に送出される。これにより、ベローズ１２２の伸縮動作による液体供給量を、一つのポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて多く（例えば２倍程度に）することができる。そのため、所望の供給量に対して、一つのポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合に比べて、一回分の供給量を少なく（例えば半分に）することができ、第１配管Ｋ１内における液体の最大圧力を低くすることができる。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、一つのポンプ室のみでポンプ機能を発揮させた場合には超低温液体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１２２が縮む際、及び伸びる際のいずれも超低温液体Ｌが供給される。従って、超低温液体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。

また、本実施例においては、密閉空間Ｒを、管部１４１と一対の小ベローズ１２３，１１１によって形成する構成を採用している。また、小ベローズ１２３，１１１は、いずれも先端がロッド１４０に固定されており、ロッド１４０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Ｒ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。

（実施例２）
図４を参照して、本発明の実施例２に係る液体供給システム１００について説明する。本実施例においては、上記実施例１の構成において、軸が挿通される密閉空間Ｒ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上記実施形態及び実施例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、ロッド１４０の周囲に、第１配管Ｋ１を通じて供給される超低温液体Ｌの圧力の変動（脈動）を緩衝する緩衝構造が設けられている。この緩衝構造は、密閉容器１１０の外部からベローズ１２２に至るように伸びるロッド１４０が挿通される筒状（望ましくは円筒状）の管部１４１と、この管部１４１の下端部と上端部にそれぞれ設けられる小ベローズ１２３，１１１とを備えている。これら管部１４１と一対の小ベローズ１２３，１１１によって、その内部は密閉空間Ｒとなっている。なお、この密閉空間Ｒと第２ポンプ室Ｐ２との間を隔てる小ベローズ１２３と、この密閉空間Ｒと外部空間との間を隔てる小ベローズ１１１は、いずれも先端がロッド１４０に固定されており、ロッド１４０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１２３，１１１は、その外径がベローズ１２２の外径よりも小さくなるように構成されている。

そして、密閉空間Ｒ内は、超低温液体Ｌの層と、超低温液体Ｌが気化した気体Ｇの層が形成されている。密閉空間Ｒ内の下方においては温度が安定しており（液体窒素の場合７０Ｋ程度）、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（液体窒素の場合７８Ｋ程度）の付近に、超低温液体Ｌの層と気体Ｇの層との境界面が形成される。

また、第１配管Ｋ１から分岐された分岐配管Ｋ３が、この密閉空間Ｒに繋がるように設けられている。これにより、第１配管Ｋ１を通じて供給される超低温液体Ｌの圧力が、密閉空間Ｒ内にもかかるため、密閉空間Ｒの内部の気体がダンパーとして機能する。従って、第１配管Ｋ１を通じて供給される超低温液体Ｌの圧力の変動（脈動）を緩衝することが可能となる。

＜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においても、上記実施形態及び実施例１の場合と同様の作用効果が得られる。また、本実施例に係る液体供給システム１００によれば、第１配管Ｋ１を通じて供給される超低温液体Ｌ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ている。従って、上記実施形態及び実施例１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、緩衝構造として、ロッド１４０が挿通される筒状の管部１４１内を密閉空間Ｒとして、その内部に超低温液体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１３０で発生する熱や大気熱が超低温液体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、仮に超低温液体Ｌまで熱が伝わって気化したとしても、常に新しい超低温液体Ｌが供給され、冷却効果が発揮される。そのため、密閉空間Ｒ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超低温液体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。

１００ 液体供給システム
１１０ 密閉容器
１１１，１２３ 小ベローズ
１２０ ポンプ
１２１ 容器
１２２ ベローズ
１３０ リニアアクチュエータ
１４０ ロッド
１４１ 管部
１５０ 吸入口
１５０ａ，１５１ａ，１５２ａ，１６０ａ，１６１ａ，１６２ａ １方向弁
１５１ 第１吸入口
１５２ 第２吸入口
１６０ 送出口
１６１ 第１送出口
１６２ 第２送出口
１７０ 第１逃し弁
１８０，１８１，１８２ 第２逃し弁
２００ 冷却機
３００ 被冷却装置
３１０ 容器
３２０ 超電導コイル
Ｋ１ 第１配管
Ｋ２ 第２配管
Ｋ３ 分岐配管
Ｐ１ 第１ポンプ室
Ｐ２ 第２ポンプ室
Ｒ 密閉空間

Claims (3)

1. 密閉容器と、
   密閉容器内に収容される超低温液体中に配置され、リニアアクチュエータによって駆動されるポンプと、
   前記ポンプによって送り出される超低温液体を密閉容器の外部に設けられた被冷却装置に導く第１配管と、
   被冷却装置から密閉容器内部まで超低温液体を戻す第２配管と、
   密閉容器内において第１配管に接続され、かつ密閉容器内に超低温液体を逃がす逃し弁と、
   を備えることを特徴とする液体供給システム。
2. 密閉容器内において前記ポンプに接続され、かつ密閉容器内に超低温液体を逃がす逃し弁を備え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. 前記逃し弁が前記超低温液体中に配置され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。

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