KR20170042753A - 액체 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

슬러리를 함유한 초저온의 액체를 송액 대상으로 하는 경우에도, 안정한 펌프 동작을 실현할 수 있는 액체 공급 시스템을 제공한다. 벨로우즈(41, 42)의 신축에 의해, 슬러리 성분을 함유한 초저온의 액체를 공급하는 액체 공급 시스템으로서, 벨로우즈(41, 42)에 있어서 적어도 액체가 접촉하는 영역이, 저온 취화 온도가 액체 공급 시스템의 사용 온도 이하의 수지로 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

액체 공급 시스템 {LIQUID SUPPLY SYSTEM}

본 발명은, 액체 질소나 액체 헬륨 등의 초저온의 액체를 공급하는 액체 공급 시스템에 관한 것이다.

종래, 초전도 케이블 등을 초저온 상태로 유지하기 위해, 액체 질소 등의 초저온의 액체를 초전도 케이블 등이 수용된 진공 단열관에 공급하는 기술이 알려져 있다. 초저온 액체의 액체 공급(순환) 시스템은, 진공 단열관의 내부에 초전도 케이블이 갖추어진 피냉각장치에 대해, 초전도 케이블을 초전도 가능한 상태로 유지시키기 위해, 진공 단열관 내로 초저온의 액체를 상시 공급하는 것이다.

종래, 초저온의 액체 순환 시스템은, 액체만을 순환시키는 것을 상정하여 사용되는 경우가 많고, 그 경우의 펌프기구로서 대표적으로는 원심 펌프가 채용되는 일이 많았다. 그러나, 용도로서는, 금속 분말, 돌, 세라믹 등의 고체 입자를 함유한 초저온 슬러리액을 이송하는 것도 고려되어, 이것에 대응한 초저온 액체 순환 시스템이 요구된다.

원심 펌프는 토출압(吐出壓)이 비교적 낮기 때문에, 고농도의 슬러리(slurry)를 공급하는 것이 어렵다. 또, 임펠러(impeller) 등의 회전 부품은 슬러리에 대한 상대 속도가 크기 때문에, 마찰력이 크게 마모하기 쉽다. 또, 회전부의 간극(間隙, 틈새)에 고체 입자가 말려 들어가 로크(lock)되기 쉬워진다. 또, 원심 펌프보다 높은 토출압을 실현할 수 있는 펌프 구성으로서, 금속제의 벨로우즈 부재를 이용한 극저온용 벨로우즈 펌프(bellows pump)가 알려져 있다(특허 문헌 1). 그러나, 송액(送液) 대상이 슬러리를 함유한 액체의 경우, 슬러리가 금속제의 벨로우즈에 부딪힘으로써 손상되거나 주름진 부분(蛇腹部分)에 말려 들어감으로써 금속 재료를 손상시킬 우려가 있다.

슬러리 등의 침전 물질을 함유한 이송액을 사용하는 액체 공급 시스템으로서, 수지제의 벨로우즈를 이용한 것이 알려져 있다(특허 문헌 2). 그러나, 수지제 펌프의 경우, 금속 재료에 비해 유연성이 나쁘고, 스트로크량을 확보할 수 없기 때문에, 많은 유량을 공급하는데 필요한 펌프 성능을 얻기 어렵고, 또 금속 재료에 비해 좌굴(座屈, buckling)할 가능성이 있다.

또, 슬러리 대책으로서, 종래로부터 고무 등의 탄력성을 갖는 엘라스토머(elastomer, 탄성중합체)에 의해, 액체 공급 시스템의 접액(接液) 개소를 피복하는 방법이 알려져 있다. 탄력성을 갖는 피복에 의해 고체 입자 등의 슬러리의 충격이 완화되기 때문에, 실온 근방에서는 슬러리에 대해 내마모성을 나타낸다. 그러나, 유리 전이점 이하로 되는 초저온 환경 하에서는, 고무는 유리 상태로 되어 탄력을 잃어버리기 때문에, 초저온 슬러리에 대해 내마모성을 갖지 않는다.

특허 문헌 1 : 국제공개 제2012/124363 호 특허 문헌 2 : 일본 특개 2001-153051 호 공보

본 발명의 목적은, 슬러리를 함유한 초저온의 액체를 송액 대상으로 하는 경우에도, 안정한 펌프 동작을 실현할 수 있는 액체 공급 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서의 액체 공급 시스템은,

벨로우즈의 신축에 의해, 슬러리 성분을 함유한 초저온의 액체를 공급하는 액체 공급 시스템으로서,

상기 벨로우즈에 있어서 적어도 상기 액체가 접촉하는 영역이, 저온 취화(低溫脆化) 온도가 액체 공급 시스템의 사용 온도 이하의 수지로 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

벨로우즈에 있어서 초저온의 액체가 접촉하는 영역이, 시스템 사용 온도보다 저온 취화 온도가 낮은 수지로 코팅되어 있다. 이에 따라, 시스템의 액체 공급 동작에 있어서 벨로우즈가 신축할 때, 액체가 함유된 슬러리와 벨로우즈 표면의 충돌이나, 벨로우즈 주름 부분(蛇腹部)으로의 슬러리의 말려 들어감에 의해 벨로우즈가 손상되는 것이 억제된다. 즉, 벨로우즈의 접액 영역을 코팅하는 수지는, 저온 취화 온도가 시스템 사용 온도보다 낮기 때문에, 사용 시에 있어서 탄성을 유지할 수 있고, 충돌하거나 말려 들어간 슬러리에 대해 변형함으로써, 벨로우즈가 손상되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 초저온의 액체로서는, 액체 질소나 액체 헬륨을 들 수 있다.

본 발명에서의 액체 공급 시스템은,

시스템의 외부와 통하는 제1 통로로부터 액체를 흡입하고 또한 흡입한 액체를 시스템의 외부와 통하는 제2 통로로 송출하도록 구성된 용기와,

상기 용기의 내부에 신축 방향으로 직렬로 배치된 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈로서, 서로 근접하는 쪽의 각각의 제1 단부가 각각 상기 용기의 내벽에 고정되고, 서로 먼 쪽의 각각의 제2 단부가 각각 신축 방향으로 이동 가능하게 구성된 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈와,

상기 용기의 내부에 삽통(揷通, 삽입 통과)되어 상기 제1 벨로우즈 및 상기 제2 벨로우즈의 상기 제2 단부가 각각 고정되고, 구동원에 의해 상기 신축 방향으로 왕복 이동함으로써 상기 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈를 신축시키는 축을 구비한 액체 공급 시스템으로서,

상기 용기 내부 중 상기 제1 벨로우즈의 바깥쪽은 제1 펌프실로 되어 있고, 이 제1 펌프실에는 상기 제1 통로로부터 액체를 제1 펌프실 내로 흡입하는 제1 흡입구, 및 흡입한 액체를 제1 펌프실 내로부터 상기 제2 통로로 송출하는 제1 송출구가 설치되며,

상기 용기 내부 중 상기 제2 벨로우즈의 바깥쪽은 제2 펌프실로 되어 있고, 이 제2 펌프실에는 상기 제1 통로로부터 액체를 제2 펌프실 내로 흡입하는 제2 흡입구, 및 흡입한 액체를 제2 펌프실 내로부터 상기 제2 통로로 송출하는 제2 송출구가 설치되며,

상기 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈의 안쪽은 밀폐 공간이 형성되고,

적어도 상기 제1 벨로우즈에 있어서 상기 제1 펌프실에 면하는 영역 및 상기 제2 벨로우즈에 있어서 상기 제2 펌프실에 면하는 영역이, 저온 취화 온도가 액체 공급 시스템의 사용 온도 이하의 수지로 코팅되어 있으면 좋다.

본 발명은, 축의 왕복 이동에 의해 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈의 제2 단부가 벨로우즈의 신축 방향으로 일체적으로 이동하는 구성으로 되어 있고, 축의 한 방향의 이동에 의해 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈 중 한쪽은 줄어들고 다른쪽은 늘어나, 제1 펌프실 및 제2 펌프실 중 한쪽에 제1 통로로부터 액체가 흡입되고, 다른쪽으로부터 액체가 제2 통로로 송출된다. 여기서, 본 발명에서는, 제1 벨로우즈, 제2 벨로우즈에서의 접액 개소, 즉 각 펌프에 있어서 제1 펌프실, 제2 펌프실에 면하는 영역이, 시스템 사용 온도보다 저온 취화 온도가 낮은 수지로 코팅되어 있다. 이에 따라, 액체에 슬러리가 함유되는 경우로서, 펌프 작동에 있어서 벨로우즈가 신축할 때, 액체가 함유된 슬러리와 벨로우즈 표면의 충돌이나, 벨로우즈 주름 부분으로의 슬러리의 말려 들어감에 의해 벨로우즈가 손상되는 것이 억제된다. 즉, 벨로우즈의 접액 영역을 코팅하는 수지는, 저온 취화 온도가 시스템 사용 온도보다 낮기 때문에, 사용 시에 있어서 탄성을 유지할 수 있고, 충돌하거나 말려 들어간 슬러리에 대해 변형함으로써, 벨로우즈가 손상되는 것을 억제할 수 있다.

또, 벨로우즈가 금속제의 경우, 금속제의 벨로우즈가 직접 액체와 접촉하기보다 코팅 수지가 접촉하는 편이 액체로 열이 전해지기 어려워, 송액 대상이 초저온 액체의 경우에 있어서는 액체의 승온을 억제하여 저온 상태로 유지할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 축의 왕복 이동에 의해 액체를 제1 펌프실 및 제2 펌프실로부터 교대로 연속적으로 공급할 수 있어, 맥동(脈動)을 억제한 액체 공급이 가능하다. 이 펌프 동작에 있어서, 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈의 안쪽(내주면)에 작용하는 압력이 변화하지 않는 경우는, 벨로우즈에 좌굴이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 보다 안정한 펌프 동작을 실현할 수 있다.

더욱이, 적어도 상기 용기 내에 있어서 상기 제1 펌프실 및 상기 제2 펌프실에 면하는 영역도 상기 수지로 코팅되어 있으면 좋다.

이에 따라, 용기 내벽에 있어서도, 액체에 함유된 슬러리와의 충돌에 의한 손상, 전열(傳熱)을 억제할 수 있다.

상기 제2 벨로우즈에 대해 신축 방향으로 직렬로 배치되는 제3 벨로우즈로서, 바깥쪽이 상기 제2 펌프실로 되고, 안쪽이 상기 용기의 외부에 개방되도록, 한쪽의 단부가 상기 용기에 고정됨과 더불어 다른쪽의 단부가 상기 제2 벨로우즈의 상기 제2 단부에 연결되어, 상기 제2 벨로우즈의 신축에 따라 신축하는 제3 벨로우즈를 더 구비하되,

상기 축은 상기 제3 벨로우즈의 안쪽을 삽통되어 상기 제2 단부에 연결되고,

상기 제3 벨로우즈에 있어서 상기 제2 펌프실에 면하는 영역도, 상기 수지로 코팅되면 좋다.

이에 따라, 축과 용기 사이에 접동(摺動, sliding) 부위를 형성하는 일없이, 축과 각 벨로우즈의 제2 단부를 연결하여 각 벨로우즈를 신축시킬 수 있고, 축의 접동 마찰에 의한 발열이 없는 구성으로 할 수 있다. 그리고, 이러한 구성에 있어서도, 코팅한 수지에 의해 액체에 함유된 슬러리와의 충돌에 의한 손상, 전열을 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 슬러리를 함유한 초저온의 액체를 송액 대상으로 하는 경우에도, 안정한 펌프 동작을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템의 동작을 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템의 토출압의 변동을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 액체 공급 시스템의 토출압의 변동을 나타내는 도면이다.
도 5는 종래예에 따른 액체 공급 시스템의 동작을 설명하는 모식도이다.
도 6은 종래예에 따른 액체 공급 시스템의 토출압의 변동을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템에서의 접액 영역을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템에서의 수지 코팅 영역을 나타내는 모식도이다.

이하에 도면을 참조하여, 이 발명을 실시하기 위한 형태를, 실시예에 기초하여 예시적으로 상세하게 설명한다. 다만, 이 실시예에 기재되어 있는 구성부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은, 특별히 특정적인 기재가 없는 한은, 이 발명의 범위를 그것들만으로 한정하는 취지의 것은 아니다.

(실시예)

도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템의 개략 구성도이다.

액체 공급 시스템(10)은, 저온 유체용의 펌프 장치로서, 수지제의 용기(31)의 내부에 초전도 케이블(32)이 갖추어진 피냉각장치(30)에 대해, 초전도 케이블(32)을 초전도 가능한 상태로 유지시키기 위해, 용기(31) 내에 초저온의 액체(L)를 상시 공급하는 것이다. 초저온의 액체(L)의 구체예로서는, 액체 질소나 액체 헬륨을 들 수 있고, 그것들이 액체로 되는 온도 이하의 온도를 갖는 액체도 들 수 있다.

액체 공급 시스템(10)은, 개략적으로, 내부가 진공으로 된 제1 용기(바깥쪽 용기; 11)와, 제1 용기(11)의 내부에 진공 공간으로 둘러싸이도록 배치되는 제2 용기(12)를 갖추고 있다. 제2 용기(12)는, 개략적으로, 내부에 3개의 벨로우즈(41, 42, 43)가 각각의 신축 방향으로 직렬로 배치되어 이들 벨로우즈(41∼43)에 의해 용기 내부가 3개의 밀폐 공간으로 사절(仕切)되어 있다. 제2 용기(12)는, 제1 용기(11)의 외부로부터 제1 용기(11)의 내부로 삽통된 지지부재(51)에 의해 제1 용기(11)의 내부에서 지지되어 있다.

제1 벨로우즈(41)와 제2 벨로우즈(42)는, 같은 직경이고, 축 중심을 일치시켜 각각의 신축 방향으로 서로 직렬로 나란히 배치되어 있다. 제1 벨로우즈(41)와 제2 벨로우즈(42)는, 서로 근접하는 쪽의 각각의 단부(제1 단부; 41b, 42b)가, 제2 용기(12)의 내벽에 고정되어 있다. 또, 제1 벨로우즈(41)와 제2 벨로우즈(42)에 있어서 서로 먼 쪽의 각각의 단부(제2 단부; 41a, 42a)는, 후술하는 축(15)이 고정됨으로써 일체화되어 있고, 각각의 신축 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다.

또, 제3 벨로우즈(43)는, 제2 벨로우즈(42)에 대해 제1 벨로우즈(41)와는 반대쪽에 직렬로 나란히 배치되어 있다. 제3 벨로우즈(43)는, 외경이 제2 벨로우즈(42)의 내경보다 작고, 신축 방향에 있어서 일부가 제2 벨로우즈(42)의 안쪽으로 들어가도록 배치되어 있다. 제3 벨로우즈(43)의 한쪽의 단부(43b)는, 제3 벨로우즈(43)의 안쪽이 제2 용기(12)의 외부로 개방되도록 제2 용기(12)의 내벽에 고정되어 있다. 제3 벨로우즈(43)의 다른쪽의 단부(43a)는, 제2 벨로우즈(42)의 단부(42a)와 연결되어 있고, 제3 벨로우즈(43)는 제2 벨로우즈(42)의 신축에 따라 신축한다.

제1 벨로우즈(41)의 단부(41a)는 막혀 있고, 제2 용기(12) 내부 중 제1 벨로우즈(41)의 바깥쪽의 영역에 의해 형성되는 밀폐 공간이 제1 펌프실(P1)을 구성하고 있다. 제2 용기(12) 내부 중 제2 벨로우즈(42) 및 제3 벨로우즈(43)의 바깥쪽의 영역에 의해 형성되는 밀폐 공간이 제2 펌프실(P2)을 구성하고 있다. 제2 벨로우즈(42)의 단부(42a)와 제3 벨로우즈(43)의 단부(43a) 사이는 막혀 있고, 제1 벨로우즈(41)의 단부(41b)와 제2 벨로우즈(42)의 단부(42b) 사이는 개방되어 있으며, 제2 용기(12) 내에 있어서, 제1 벨로우즈(41)의 안쪽의 영역과 제2 벨로우즈(42)의 안쪽의 영역이 1개의 밀폐 공간(R1)을 구성하고 있다.

제2 용기(12)에는, 액체(L)를 시스템의 외부와 통하는 복귀 통로(복귀관; K2)로부터 제1 펌프실(P1) 내로 흡입하는 제1 흡입구(21)와, 흡입한 액체(L)를 제1 펌프실(P1) 내로부터 시스템의 외부로 통하는 공급 통로(공급관; K1)로 송출하는 제1 송출구(22)가 설치되어 있다. 또, 제2 용기(12)에는, 액체(L)를 복귀 통로(K2)로부터 제2 펌프실(P2) 내로 흡입하는 제2 흡입구(23)와, 흡입한 액체(L)를 제2 펌프실(P2) 내로부터 공급 통로(K1)로 송출하는 제2 송출구(24)도 설치되어 있다. 또, 제1 흡입구(21) 및 제2 흡입구(23)에는, 각각 체크 밸브(check valve; 100a, 100c)가 설치되어 있고, 제1 송출구(22) 및 제2 송출구(24)에도 각각 체크 밸브(100b, 100d)가 설치되어 있다.

또, 구동원으로서의 리니어 액츄에이터(linear actuator; 14)에 의해 왕복 이동하도록 구성된 축(15)이, 제1 용기(11)의 외부로부터 제3 벨로우즈(43)의 안쪽을 지나 제2 용기(12)의 밀폐 공간(R1)의 내부로 들어가, 제1 벨로우즈(41)의 단부(41a)와 제2 벨로우즈(42)의 단부(42a)가 각각 고정되어 있다. 이에 따라, 축(15)이 왕복 이동함으로써, 각 벨로우즈가 신축한다.

축(15)은, 제1 용기(11)에 설치된 벨로우즈(52)를 개재시켜, 제1 용기(11)의 외부로부터 내부로 삽통된 구성으로 되어 있다. 벨로우즈(52)는, 일단이 제1 용기(11)에 고정되고 타단이 축(15)에 고정되어 있는바, 축(15)의 왕복 이동에 따라 신축하도록 구성되어 있다.

도 2를 참조하여, 액체 공급 시스템(10)의 동작에 대해 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템의 동작을 설명하는 모식도이다. 도 2(a)는, 벨로우즈(41, 42)가 늘어나는 방향으로도, 줄어드는 방향으로도 변위하고 있지 않은 상태의 제2 용기(12)의 내부를 나타내는 도면이다. 도 2(b)는, 제1 펌프실(P1)로 복귀 통로(제1 통로; K2)로부터 액체(L)가 흡입됨과 더불어, 제2 펌프실(P2)로부터 공급 통로(제2 통로; K1)로 액체(L)가 송출될 때의 상태, 즉 제1 벨로우즈(41)가 최대로 줄어든 상태, 및 제2 벨로우즈(42)가 최대로 늘어난 상태의 제2 용기(12)의 내부를 나타내는 도면이다. 도 2(c)는, 제2 펌프실(P2)로 복귀 통로(제1 통로; K2)로부터 액체(L)가 흡입됨과 더불어, 제1 펌프실(P1)로부터 공급 통로(제2 통로; K1)로 액체(L)가 송출될 때의 상태, 즉 제1 벨로우즈(41)가 최대로 늘어난 상태, 및 제2 벨로우즈(42)가 최대로 줄어든 상태의 제2 용기(12)의 내부를 나타내는 도면이다.

제1 벨로우즈(41)가 줄어들고, 제2 벨로우즈(42)가 늘어나도록, 축(15)이 이동하면(도 2(a)→도 2(b)), 제2 송출구(24)를 개재시켜 제2 펌프실(P2) 내로부터 액체(L)가 공급 통로(K1)로 송출되고, 또한 제1 흡입구(21)를 개재시켜 액체(L)가 제1 펌프실(P1) 내로 흡입된다. 또, 제1 벨로우즈(41)가 늘어나고 제2 벨로우즈(42)가 줄어들도록, 축(15)이 이동하면(도 2(b)→도 2(a)→도 2(c)), 제2 흡입구(23)를 개재시켜 액체(L)가 제2 펌프실(P2) 내로 흡입되고, 또한 제1 송출구(22)를 개재시켜 제1 펌프실(P1) 내로부터 액체(L)가 공급 통로(K1)로 송출된다. 이와 같이, 축(15)이 왕복 이동할 때의 어느 방향에 있어서도 액체(L)가 공급 통로(K1)로 송출된다.

도 3의 상단은 실시예에 따른 액체 공급 시스템의 제2 벨로우즈(42)에 걸리는 압력의 변동을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3의 하단은 제1 벨로우즈(41)에 걸리는 압력의 변동을 개략적으로 나타내는 도면이다(펌프실로부터 액체가 토출되고 있지 않을 때의 압력은 설명의 편의상 무시한다). 본 실시예에서는, 밀폐 공간(R1)을 진공 공간으로 하고 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 액체 공급 시스템(10)의 제2 벨로우즈(42)에 걸리는 압력은, 축(15)의 왕복 이동에 의한 각 벨로우즈의 신축에 따라, 도 3에 나타낸 바와 같이 제로와 최대 토출압(P토)과의 사이를 교대로 왔다 갔다 하도록 변동한다. 여기에서는, 최대 토출압(P토)이 1MPa의 경우의 압력 변동을 나타낸다. 또, 도 3에 있어서, (a)는 도 2(a)의 축(15)의 변위 위치에 대응하고, (b)는 도 2(b)의 축(15)의 변위 위치에 대응하며, (c)는 도 2(c)의 축(15)의 변위 위치에 대응한다. 벨로우즈(41, 42)에 걸리는 압력은 벨로우즈 외부의 압력과 벨로우즈 내부의 압력의 차압이며, 본 장치 기동 전의 축(15)의 변위가 없는 상태에서는 펌프실 내에 액체를 흡입, 토출하고 있지 않아 벨로우즈(41, 42)의 외부 압력과 내부 압력의 차는 없기 때문에, 벨로우즈에 걸리는 압력은 0이고, (b)의 상태에 가까워짐(제1 펌프실(P1)이 토출하고, 제2 펌프실(P2)이 흡입을 행함)에 따라 제2 벨로우즈(42)에 걸리는 압력이 커져, 벨로우즈 외부가 최대 토출압(P토)으로 되었을 때, 제2 벨로우즈(42)에 걸리는 압력은 최대(P토)로 된다. 또, (c)의 상태에 가까워짐(제1 펌프실(P1)이 흡입하고, 제2 펌프실(P2)이 토출을 행함)에 따라 제2 벨로우즈(42)에 걸리는 압력은 작아져, 흡입압은 0이기 때문에, 제2 벨로우즈(42)에 걸리는 압력은 0으로 된다. 또한, 이 압력 변동은 제1 벨로우즈(41)에서도 위상이 다를 뿐이고, 마찬가지의 거동을 나타낸다.

이상과 같이, 액체 공급 시스템(10)에 있어서는, 축(15)의 왕복 이동 및 각 벨로우즈의 신축 동작의 반복에 의해, 공급 통로(K1)를 통해, 액체(L)가 피냉각장치(30)로 공급된다. 또, 액체 공급 시스템(10)과 피냉각장치(30)를 연결하는 복귀 통로(K2)를 통해, 피냉각장치(30)에 공급된 분량만큼, 액체 공급 시스템(10)으로 액체(L)가 되돌아오도록 구성되어 있다. 또, 공급 통로(K1)의 도중에는 액체(L)를 초저온의 상태까지 냉각하는 냉각기(20)가 설치되어 있다. 이러한 구성에 의해, 냉각기(20)에 의해 초저온까지 냉각된 액체(L)는, 액체 공급 시스템(10)과 피냉각장치(30) 사이를 순환한다.

이상 설명한 바와 같이, 2개의 펌프실을 가지며, 그 2개의 펌프실로부터 교대로 유체를 공급하기 때문에, 각 벨로우즈가 줄어들 때, 및 늘어날 때의 어느 것에 있어서도 액체(L)가 공급 통로(K1)로 송출되어, 각 벨로우즈의 신축 동작에 의한 액체 공급량을, 예를 들어 제1 펌프실(P1)만으로 펌프 기능을 발휘시킨 경우에 비해 2배로 할 수 있다. 그 때문에, 소망하는 공급량에 대해, 제1 펌프실(P1)만으로 펌프 기능을 발휘시킨 경우와 비교해, 1회분의 공급량을 반으로 할 수 있고, 공급 통로(K1) 내에서의 액체의 최대압력을 반정도로 할 수 있다. 따라서, 공급되는 액체의 압력 변동(맥동)에 의한 악영향을 억제할 수 있다.

또, 제1 벨로우즈(41)와 제2 벨로우즈(42)의 안쪽에 형성되는 밀폐 공간(R1)은, 제1 벨로우즈(41)와 제2 벨로우즈(42)가 신축해도 용적이 변화하지 않고(양 벨로우즈의 신축 부분의 내부 공간의 단면적이 같기 때문에), 제1 벨로우즈(41)와 제2 벨로우즈(42)에 작용하는 내압(각각의 내주면에 작용하는 압력)이 변화하지 않는 공간으로 되어 있다. 즉, 본 실시예에 따른 액체 공급 시스템(10)은, 펌프실이 각 벨로우즈의 바깥쪽에 배치되어 벨로우즈의 내압 변동에 의한 좌굴의 발생이 일어나지 않는 구성으로 되어 있다. 따라서, 벨로우즈의 내압 설계에 있어서, 내압 좌굴을 고려할 필요가 없어지기 때문에, 설계 자유도가 높아져 토출압의 고압화를 도모할 수 있다. 이 본 실시예의 이점에 대해, 도 5 및 도 6을 참조해, 종래예와 비교하여 설명한다.

도 5는 종래예에 따른 액체 공급 시스템의 동작을 설명하는 모식도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이 종래예에 따른 액체 공급 시스템에 있어서는, 벨로우즈(61)의 안쪽과 바깥쪽에 각각 2개의 펌프실(P1, P2)이 형성된 구성으로 되어 있다. 즉, 축(15)의 이동에 의해 벨로우즈(61, 62)가 줄어들면(도 5(a)→도 5(b)), 제2 송출구(24)를 개재시켜 제2 펌프실(P2) 내로부터 액체(L)가 공급 통로(K1)로 송출되고, 또한 제1 흡입구(21)를 개재시켜 액체(L)가 제1 펌프실(P1) 내로 흡입된다. 또, 축(15)의 이동에 의해 벨로우즈(61, 62)가 늘어나면(도 5(b)→도 5(a)→도 5(c)), 제2 흡입구(23)를 개재시켜 액체(L)가 제2 펌프실(P2) 내로 흡입되고, 또한 제1 송출구(22)를 개재시켜 제1 펌프실(P1) 내로부터 액체(L)가 공급 통로(K1)로 송출된다.

도 6은 종래예에 따른 액체 공급 시스템의 토출압의 변동을 나타내는 도면이다. 또한, 도면에 있어서, 벨로우즈(61)의 외향 방향(밖으로 향하는 방향)으로 걸리는 압력을 정(正), 벨로우즈(61)의 내향 방향(안으로 향하는 방향)으로 걸리는 압력을 부(負)로 한다(펌프실로부터 액체가 토출되고 있지 않을 때의 압력은 설명의 편의상 무시한다). 도 6에 나타낸 바와 같이, 종래예의 구성에서는, 제1 펌프실(P1)과 제2 펌프실(P2)로부터 교대로 액체(L)를 토출할 때에, 벨로우즈(61)의 안쪽과 바깥쪽에 각각 교대로 같은 크기의 토출압(P토)이 작용하게 된다. 즉 벨로우즈의 내향 방향, 외향 방향으로 토출압(P토)이 걸리게 된다. 따라서, 본 실시예와 같은 최대 토출압(1MPa)을 얻기 위한 구성을 생각하면, 그 압력 변동은 본 실시예의 구성의 2배로 된다(도 3, 도 6). 그 때문에, 벨로우즈(61)에 요구되는 내압 성능도, 본 실시예의 벨로우즈의 2배로 된다. 또, 종래예는, 벨로우즈(61)에 내압이 작용하는 구성으로 되어 있기 때문에, 토출압을 높이고자 하면 벨로우즈(61)에 작용하는 내압도 높아져 버려, 벨로우즈(61)에 좌굴이 발생하기 쉽게 되어 버린다. 일반적으로, 벨로우즈는 외압에 대해서는 강하지만 내압에 대해서는 약하고, 높은 내압이 작용하면 좌굴을 일으키기 쉽다.

이와 같이, 본 실시예에 의하면, 각 벨로우즈에 작용하는 압력이 외압만으로 됨으로써, 벨로우즈에 내압이 작용하는 종래예의 구성과 비교해서, 펌프 토출압의 고압화를 도모할 수 있게 됨과 더불어, 벨로우즈의 신축 동작의 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 케이블에 배치하는 써큘레이터의 대수를 줄일 수 있다. 또, 지형에 고저차가 있어도 액체를 공급할 수 있으므로, 케이블 부설의 자유도가 향상된다.

더욱이, 본 실시예에서는, 제2 용기(12)의 주위를 제1 용기(11)에 의해 진공 공간으로 둘러싸는 구조를 채용하고 있다. 따라서, 제2 용기(12)를 둘러싸는 진공 공간이 전열을 방해하는 기능을 발휘하기 때문에, 리니어 액츄에이터(14)에서 발생하는 열이나 대기열이 액체(L)까지 전해져 버리는 것을 억제할 수 있다. 즉, 액체(L)의 열교환은, 진공 단열 용기인 제1 용기(11)의 벽면으로부터의 열복사와, 제2 용기(12)의 지지부재(51)나 각 통로를 개재시킨 전열로 한정되어, 액체(L)로의 침입열을 적게 할 수 있다. 또, 설령 액체(L)까지 열이 전해져 기화했다고 해도, 항상 새로운 액체(L)가 공급되고 냉각 효과도 있기 때문에, 펌프실 내부에 있어서 액체(L)가 기화하는 온도까지 상승하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 펌프 기능을 저하시키는 일도 없다.

또, 본 실시예에서는, 축(15)이 제3 벨로우즈(43)에서의 제2 용기(12)에 고정된 단부(43b)와는 반대쪽의 단부(43a)를 개재시켜 제2 용기(12)의 내부에 삽통되어 각 벨로우즈와 연결되고, 제3 벨로우즈(43)가 축(15)의 왕복 이동에 따라 신축하도록 구성되어 있다. 따라서, 축(15)과 제2 용기(12) 사이에 접동 부위를 형성하는 일없이, 각 펌프실(P1, P2), 밀폐 공간(R1)이 형성되기 때문에, 접동에 의한 마찰 저항에 따라 열이 발생해 버리는 일은 없다.

또, 본 실시예에서는, 제3 벨로우즈(43)는 외경이 제2 벨로우즈(42)의 내경보다 작고, 적어도 일부가 제2 벨로우즈(42)의 안쪽으로 들어가도록 배치되며, 들어간 부분도 펌프 공간으로서 사용할 수 있기 때문에, 그 만큼 공간을 크게 할 필요가 없어 제2 용기(12)의 사이즈 다운(size down, 소형화)을 도모할 수 있다.

여기서, 본 실시예에서는, 밀폐 공간(R1)을 진공 공간으로 하고 있기 때문에, 제2 용기(12)의 주위의 진공 공간과 연통하는 구성으로 해도 좋다.

또, 본 실시예에서는, 밀폐 공간(R1)을 진공 공간으로 하고 있지만, 밀폐 공간(R1)을 기체로 가득 채우는 구성을 채용해도 좋다.

밀폐 공간(R1)에 봉입하는 기체로서는, 예를 들어 네온 가스나 헬륨 가스 등, 본 시스템의 사용 환경에 있어서 액화(液化), 동결(凍結) 등의 상태 변화가 생기기 어려운 기체를 이용한다. 그리고, 밀폐 공간(R1)에 봉입하는 기체의 압력은, 진공(-100kPa)으로부터 소망하는 토출압까지의 범위(바람직하게는, 토출압의 1/2)로 한다.

도 4는, 변형예에 따른 액체 공급 시스템의 토출압의 변동을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 상단이 제2 벨로우즈(42)에 걸리는 압력 변동, 하단이 제1 벨로우즈(41)에 걸리는 압력 변동을 각각 나타내고 있다. 도 4는 밀폐 공간(R1)에 토출압(P토)의 1/2의 압력의 기체를 봉입한 경우의 토출압의 변동을 나타내고 있다(펌프실로부터 액체가 토출되고 있지 않을 때의 압력은 설명의 편의상 무시한다). 토출압의 변동폭은, 상기 실시예와 같은 1MPa이지만, 피크치는 실시예의 1/2로 되어 있다. 벨로우즈에 걸리는 압력은 밀폐 공간(R1)의 내부 압력과 펌프실(P1, P2) 각각의 공간과의 차압이기 때문에, 밀폐 공간(R1)에 토출압의 1/2의 압력의 기체를 봉입한 경우, 벨로우즈에 걸리는 압력은, 펌프실의 최대압력이 P토이기 때문에,

P토 - (1/2) P토

로부터, (1/2) P토로 된다. 또, 밀폐 공간(R1)의 압력은 (1/2) P토 뿐만 아니라, 2개의 벨로우즈의 크기, 2개의 펌프실의 대소 등, 사양에 의해 적절히 설정할 수 있다. 이와 같이, 벨로우즈(41, 42) 안쪽에 대해, 봉입 기체로 가압함으로써, 벨로우즈(41, 42)에 작용하는 압력의 피크치를 저감할 수 있다. 따라서, 펌프 토출압을 높이는 고압 설계에서의 설계 자유도를 높일 수 있다.

여기서, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 실시예의 특징적 구성에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템에서의 접액 영역을 나타내는 모식도이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급 시스템에서의 수지 코팅 영역을 나타내는 모식도이다. 도 7에 있어서, 해칭으로 나타낸 영역이, 본 실시예에 따른 액체 공급 시스템(10)에서의 액체(L)의 유통 영역이다. 또, 도 8에 있어서, 굵은 선으로 나타낸 영역이, 본 실시예에 따른 액체 공급 시스템(10)에서의 액체(L)와의 접액 영역(수지 코팅 영역(C))이다.

본 실시예에 따른 액체 공급 시스템(10)은, 시스템의 각 구성에서의 접액 개소를 수지로 코팅한 것을 특징으로 하고 있다. 코팅하는 수지는, 초저온 환경 하에 있어서도 내마모성을 발휘할 수 있는 것, 즉 시스템 사용 온도보다 저온 취화 온도가 낮은 것을 채용한다. 예를 들어, PTFE(폴리테트라 플루오로 에틸렌), 폴리이미드 등을 들 수 있다.

상기 수지로 코팅되는 개소는, 제1∼제3의 각 벨로우즈(41∼43)의 각각의 주름 부분(蛇腹部)의 외주면, 제2 용기(12)의 내벽면 전역으로부터, 각 흡입구(21, 23), 송출구(22, 24)를 개재시켜, 공급 통로(K1), 반환 통로(K2), 체크 밸브(100a∼100d)에서의 접액면, 또 축(15)에 있어서 제1 벨로우즈(41)의 단부(41a)가 고정된 제1 플랜지부(15a), 제2 벨로우즈(42)의 단부(42a)가 고정된 제2 플랜지부(15b), 제3 벨로우즈(43)의 단부(43a)가 고정된 제3 플랜지부(15c)에서의 접액면 등으로 된다. 코팅 영역에 수지 재료를 내뿜어 도포하는 등, 종래 수법에 의해 코팅을 실시한다.

코팅 영역은, 액체(L)와 접촉할 가능성이 있는 개소 전체의 영역으로 하는 것이 바람직하지만, 적어도 시스템에서의 가동(可動) 개소, 즉 시스템에 있어서 슬러리를 함유한 액체(L)와의 상대 이동이 적극적으로 생기는 개소는 커버하는 것이 좋다.

본 실시예에 따르면, 시스템의 접액 영역을 코팅하는 수지는, 저온 취화 온도가 시스템 사용 온도보다 낮기 때문에, 사용 시에 있어서 탄성을 유지할 수 있고, 액체(L)와의 상대 이동에 의해 충돌 등 하는 슬러리에 대해 변형함으로써, 시스템의 각 구성이 손상되는 것을 억제할 수 있다. 특히, 펌프 동작에 있어서 각 벨로우즈가 신축(伸縮)할 때에, 액체(L)가 함유된 슬러리와 벨로우즈 표면과의 충돌이나, 벨로우즈 주름 부분으로의 슬러리의 말려 들어감에 의해 벨로우즈가 손상되는 것이 억제된다.

또, 벨로우즈가 금속제의 경우, 금속제의 벨로우즈가 직접 액체(L)와 접촉하기보다 코팅 수지가 접촉하는 편이 액체(L)로 열이 전해지기 어려워, 송액 대상이 초저온 액체의 경우에 있어서는 액체(L)의 승온(昇溫)을 억제하여 저온 상태로 유지할 수 있다.

또한, 수지 코팅층은, 피복 개소에 대해 밀착되어 있을 필요는 없는 바, 특히 벨로우즈의 금속 표면과의 사이에 공극이 있어도 좋다. 즉, 슬러리와의 접촉, 충돌에 의한 시스템 각 구성으로의 대미지를 완화할 수 있으면 좋다. 따라서, 시스템에서의 접액 영역을 모두 수지 코팅한 경우에는, 수지의 주머니 속을 액체(L)가 유통하는 것과 같은 구성으로 된다.

또, 도 5에 나타낸 종래의 펌프 구성에서는, 벨로우즈 주름 부분의 내주면 측에도 수지 코팅이 필요로 되는데 대해, 본 실시예에서의 펌프 구성에서는, 벨로우즈의 접액 개소가 벨로우즈 주름 부분의 외주면만으로 되기 때문에, 수지 코팅도 주름 부분 외주면만으로 좋다.

10 액체 공급 시스템
11 제1 용기
12 제2 용기
21 제1 흡입구
22 제1 송출구
23 제2 흡입구
24 제2 송출구
14 리니어 액츄에이터
15 축
41 제1 벨로우즈
42 제2 벨로우즈
43 제3 벨로우즈
51 지지부재
52 벨로우즈
20 냉각기
30 피냉각장치
31 용기
32 초전도 케이블
K1 공급 통로
K2 복귀 통로
L 액체
P1 제1 펌프실
P2 제2 펌프실
R1 밀폐 공간
C 수지 코팅 영역

Claims (5)

1. 벨로우즈의 신축에 의해, 슬러리 성분을 함유한 초저온의 액체를 공급하는 액체 공급 시스템으로서,
   상기 벨로우즈에 있어서 적어도 상기 액체가 접촉하는 영역이, 저온 취화 온도(低溫脆化溫度)가 액체 공급 시스템의 사용 온도 이하의 수지로 코팅되는 것을 특징으로 하는 액체 공급 시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 초저온의 액체는, 액체 질소 또는 액체 헬륨인 것을 특징으로 하는 액체 공급 시스템.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 시스템의 외부와 통하는 제1 통로로부터 액체를 흡입하고 또한 흡입한 액체를 시스템의 외부와 통하는 제2 통로로 송출하도록 구성된 용기와,
   상기 용기의 내부에 신축 방향으로 직렬로 배치된 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈로서, 서로 근접하는 쪽의 각각의 제1 단부가 각각 상기 용기의 내벽에 고정되고, 서로 먼 쪽의 각각의 제2 단부가 각각 신축 방향으로 이동 가능하게 구성된 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈와,
   　상기 용기의 내부에 삽통되어 상기 제1 벨로우즈 및 상기 제2 벨로우즈의 상기 제2 단부가 각각 고정되고, 구동원에 의해 상기 신축 방향으로 왕복 이동함으로써 상기 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈를 신축시키는 축을 구비하되,
   상기 용기 내부 중 상기 제1 벨로우즈의 바깥쪽은 제1 펌프실로 되어 있고, 이 제1 펌프실에는 상기 제1 통로로부터 액체를 제1 펌프실 내로 흡입하는 제1 흡입구, 및 흡입한 액체를 제1 펌프실 내로부터 상기 제2 통로로 송출하는 제1 송출구가 설치되며,
   상기 용기 내부 중 상기 제2 벨로우즈의 바깥쪽은 제2 펌프실로 되어 있고, 이 제2 펌프실에는 상기 제1 통로로부터 액체를 제2 펌프실 내로 흡입하는 제2 흡입구, 및 흡입한 액체를 제2 펌프실 내로부터 상기 제2 통로로 송출하는 제2 송출구가 설치되며,
   상기 제1 벨로우즈 및 제2 벨로우즈의 안쪽은 밀폐 공간이 형성되고,
   적어도 상기 제1 벨로우즈에 있어서 상기 제1 펌프실에 면하는 영역 및 상기 제2 벨로우즈에 있어서 상기 제2 펌프실에 면하는 영역이, 저온 취화 온도가 액체 공급 시스템의 사용 온도 이하의 수지로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 공급 시스템.
   
4. 제3항에 있어서, 더욱이 적어도 상기 용기 내에 있어서 상기 제1 펌프실 및 상기 제2 펌프실에 면하는 영역도, 상기 수지로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 공급 시스템.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제2 벨로우즈에 대해 신축 방향으로 직렬로 배치되는 제3 벨로우즈로서, 바깥쪽이 상기 제2 펌프실로 되고, 안쪽이 상기 용기의 외부에 개방되도록, 한쪽의 단부가 상기 용기에 고정됨과 더불어 다른쪽의 단부가 상기 제2 벨로우즈의 상기 제2 단부에 연결되어, 상기 제2 벨로우즈의 신축에 따라 신축하는 제3 벨로우즈를 더 구비하되,
   상기 축은 상기 제3 벨로우즈의 안쪽을 삽통되어 상기 제2 단부에 연결되고,
   상기 제3 벨로우즈에 있어서 상기 제2 펌프실에 면하는 영역도, 상기 수지로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 공급 시스템.

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