WO2012124363A1 - 液体供給システム - Google Patents

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WO2012124363A1
WO2012124363A1 PCT/JP2012/050738 JP2012050738W WO2012124363A1 WO 2012124363 A1 WO2012124363 A1 WO 2012124363A1 JP 2012050738 W JP2012050738 W JP 2012050738W WO 2012124363 A1 WO2012124363 A1 WO 2012124363A1
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WO
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liquid
bellows
pump chamber
container
sealed space
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Application number
PCT/JP2012/050738
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Inventor
斉藤賢治
西田真司
森浩一
Original Assignee
イーグル工業株式会社
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    • B67—OPENING, CLOSING OR CLEANING BOTTLES, JARS OR SIMILAR CONTAINERS; LIQUID HANDLING
    • B67D—DISPENSING, DELIVERING OR TRANSFERRING LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B67D7/00—Apparatus or devices for transferring liquids from bulk storage containers or reservoirs into vehicles or into portable containers, e.g. for retail sale purposes
    • B67D7/06—Details or accessories
    • B67D7/80—Arrangements of heating or cooling devices for liquids to be transferred
    • B67D7/82—Heating only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B15/00—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure
    • F04B15/08—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure the liquids having low boiling points
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/08—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having tubular flexible members
    • F04B43/084—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having tubular flexible members the tubular member being deformed by stretching or distortion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
    • F25D17/02—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating liquids, e.g. brine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B2015/082—Helium
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    • F04B2015/0824—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors

Definitions

  • the present invention relates to a liquid supply system for supplying an ultra-low temperature liquid such as liquid nitrogen or liquid helium.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a usage state of a liquid supply system according to a conventional example.
  • the container 310 In the liquid supply system 500 according to this conventional example, in order to maintain the superconducting coil 320 in a superconducting state with respect to the cooled apparatus 300 provided with the superconducting coil 320 inside the resin container 310, the container 310 An ultra-low temperature liquid L is always supplied into the inside.
  • the liquid supply system 500 enters the inside of the first container 510 in which the ultra-low temperature liquid L is stored, the second container 520 disposed in the liquid L stored in the first container 510, and the second container 520. And a bellows 530 disposed on the surface.
  • a pump chamber P is configured by a region outside the bellows 530 in the second container 520.
  • the second container 520 has an inlet 521 for sucking the liquid L into the pump chamber P and an outlet 522 for sending the sucked liquid L from the pump chamber P to the supply passage K1 leading to the outside of the system. Is provided.
  • One-way valves 521a and 522a are provided at the suction port 521 and the delivery port 522, respectively.
  • a shaft 550 configured to reciprocate by the drive source 540 enters the inside of the bellows 530 from the outside of the first container 510, and the tip thereof is fixed to the tip of the bellows 530. Thereby, the bellows 530 expands and contracts when the shaft 550 reciprocates.
  • the bellows 530 contracts to increase the volume of the pump chamber P, and the liquid L in the first container 510 is sucked into the pump chamber P through the suction port 521.
  • the bellows 530 extends to reduce the volume of the pump chamber P, and the liquid in the pump chamber P is sent into the supply passage K1 through the delivery port 522.
  • the liquid L is supplied to the to-be-cooled apparatus 300 through the supply passage K1 by repeating the expansion and contraction operation of the bellows 530.
  • a return passage K2 that connects the liquid supply system 500 and the apparatus to be cooled 300 is also provided so that the liquid L returns to the first container 510 of the liquid supply system 500 by the amount supplied to the apparatus to be cooled 300.
  • a cooler 200 that cools the liquid L to an ultra-low temperature state is provided in the middle of the supply passage K1. With such a configuration, the liquid L cooled to an ultra-low temperature by the cooler 200 circulates between the liquid supply system 500 and the cooled apparatus 300.
  • the liquid L is intermittently supplied to the cooled apparatus 300 through the supply passage K1 by the expansion and contraction of the bellows 530. That is, since the hydraulic pressure in the supply passage K1 alternately repeats a high pressure state and a low pressure state, so-called pulsation occurs. Therefore, when the resin container 310 is configured by bonding two resin molded products with an adhesive or the like, there is a possibility that low-temperature brittle fracture may occur due to pressure load due to pulsation. As a countermeasure against this, conventionally, the damper 600 is provided in the supply passage K1 to suppress the pressure fluctuation.
  • An object of the present invention is to provide a liquid supply system capable of saving space and improving cooling efficiency.
  • the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
  • the liquid supply system of the present invention is A first container that contains a cryogenic liquid; A second container disposed in the liquid contained in the first container and configured to inhale the liquid and deliver the inhaled liquid to a supply passage leading to the exterior of the system; A bellows arranged to enter the interior of the second container; A shaft configured to reciprocate by a drive source and extend and contract the bellows; A liquid supply system comprising: The outside of the bellows in the second container is a first pump chamber.
  • the first pump chamber has a first suction port for sucking the liquid in the first container into the first pump chamber, and the first pump chamber.
  • a first delivery port for delivering the liquid from the first pump chamber to the supply passage is provided;
  • the inside of the bellows is a second pump chamber constituted by a sealed space.
  • the second pump chamber has a second suction port for sucking the liquid in the first container into the second pump chamber, and the sucked liquid. Is provided in the second pump chamber to the supply passage.
  • the liquid when the bellows contracts, the liquid is sent from the second pump chamber to the supply passage, and the liquid is sucked into the first pump chamber.
  • the liquid When the bellows extends, the liquid is sucked into the second pump chamber.
  • the liquid is sent from the first pump chamber to the supply passage. Therefore, the liquid supply amount by the expansion and contraction operation of the bellows can be doubled as compared with the case where the pump function is exhibited only in the first pump chamber.
  • the liquid when the pump function is exhibited only in the first pump chamber, the liquid is intermittently supplied, whereas in the case of the present invention, the liquid is supplied both when the bellows contracts and when it expands. The Therefore, since the liquid is continuously supplied, the pulsation itself can be suppressed. Therefore, it is not necessary to provide a damper outside the system, so that space can be saved and cooling efficiency can be increased as compared with the case where a damper is provided outside the system.
  • the shaft extending from the outside of the first container to reach the bellows is inserted and a sealed space filled with gas is formed.
  • a sealed space in which the shaft extending from the outside of the first container to reach the bellows is inserted and the inside of the shaft is in a vacuum state is formed.
  • the heat insulating effect is exhibited by the sealed space in a vacuum state, it is possible to prevent the liquid from being vaporized by being heated in the first pump chamber or the second pump chamber. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in pump function.
  • the vacuum state has a more heat insulating effect.
  • a sealed space is formed through which the shaft extending from the outside of the first container to reach the bellows is inserted, and the liquid layer and the gas layer are formed in the sealed space and branched from the supply passage. It is preferable that a buffer structure for buffering fluctuations in pressure of the liquid supplied through the supply passage is provided by connecting the branched passage to the sealed space.
  • the buffer structure for buffering the fluctuation (pulsation) of the pressure of the liquid supplied through the supply passage is provided in the system, the space is saved and the cooling efficiency is improved as described above. In combination with suppressing the pulsation itself, the pulsation can be suppressed synergistically.
  • a buffering function function as a gas damper in the above-described sealed space Since the gas layer for exhibiting the above is only thickened and the vaporization in the pump chamber is suppressed, the pump function is not lowered.
  • the buffer structure may be provided with a safety valve for releasing the internal pressure to the outside when the pressure in the sealed space through which the shaft is inserted exceeds a predetermined value.
  • a heater for adjusting the temperature may be provided in the vicinity of the small bellows that separates the sealed space from the external space.
  • the thickness of the liquid and gas layer can be adjusted. Thereby, according to the pulsation which may arise when there is no damper, the thickness of each layer can be adjusted and it becomes possible to control the fluctuation (pulsation) of pressure effectively.
  • a shaft member and a bearing for the shaft member are provided below the bellows.
  • the bottom side of the second container and the bellows are It is good to connect with the inside of the 1st container, and it is connected by the small bellows whose outside diameter is smaller than the bellows which expands and contracts with the reciprocating movement of the axis.
  • the pump amount by the first pump chamber can be reduced, and the difference from the pump amount by the second pump chamber can be reduced. Therefore, pulsation can be further suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a usage state of a liquid supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a usage state of the liquid supply system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating a usage state of the liquid supply system according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating a usage state of the liquid supply system according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a liquid supply system according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing pressure fluctuation.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a usage state of a liquid supply system according to a conventional example.
  • Example 1 With reference to FIG. 1, the liquid supply system which concerns on Example 1 of this invention is demonstrated.
  • ⁇ Liquid supply system> With reference to FIG. 1, an overall configuration and usage method of a liquid supply system 100 according to Embodiment 1 of the present invention will be described. Also in the liquid supply system 100 according to the present embodiment, as in the conventional example, the case where the ultra-low temperature liquid L is supplied to the cooled apparatus 300 in which the superconducting coil 320 is provided inside the resin container 310 is taken as an example. explain. Specific examples of the ultra-low temperature liquid L include liquid nitrogen and liquid helium.
  • the liquid supply system 100 enters the inside of the first container 110 in which the ultra-low temperature liquid L is stored, the second container 120 disposed in the liquid L stored in the first container 110, and the second container 120. And a bellows 130 disposed on the surface.
  • the first pump chamber P ⁇ b> 1 is configured by a region outside the bellows 130 in the second container 120. Further, the inside of the bellows 130 is also a sealed space, and this sealed space is the second pump chamber P2.
  • the second container 120 includes a first suction port 121 that sucks the liquid L in the first container 110 into the first pump chamber P1, and the sucked liquid L from the first pump chamber P1 to the outside of the system.
  • first outlet 122 for feeding to a supply passage (supply pipe) K1 that communicates.
  • second container 120 has a second suction port 123 for sucking the liquid L in the first container 110 into the second pump chamber P2, and the sucked liquid L from the second pump chamber P2 to the supply passage K1.
  • a second delivery outlet 124 for delivery is also provided.
  • the first suction port 121 and the second suction port 123 are respectively provided with one-way valves 121a and 123a, and the first and second delivery ports 122 and 124 are also provided with one-way valves 122a and 124a, respectively. Is provided.
  • a shaft 150 configured to reciprocate by a linear actuator 140 as a drive source enters the inside of the bellows 130 from the outside of the first container 110, and the tip thereof is fixed to the tip of the bellows 130. Thereby, the bellows 130 expands and contracts when the shaft 150 reciprocates.
  • a sealed space R1 filled with gas is formed around the shaft 150.
  • the sealed space R1 includes a tubular (preferably cylindrical) tube 161 through which a shaft 150 extending from the outside of the first container 110 to the bellows 130 is inserted, and a lower end and an upper end of the tube 161. Are formed by small bellows 162 and 163, respectively.
  • the tips of the small bellows 162 that separates the sealed space R1 and the second pump chamber P2 and the small bellows 163 that separates the sealed space R1 and the external space are fixed to the shaft 150, respectively.
  • the shaft 150 is configured to expand and contract as the shaft 150 reciprocates. Further, the small bellows 162 and 163 are configured such that the outer diameter thereof is smaller than the outer diameter of the bellows 130.
  • the small bellows 162 is provided on the upper end side of the bellows 130 as described above, so that the inside of the bellows 130 becomes a sealed space, and the sealed space is as described above. It is the second pump chamber P2.
  • the liquid L is sent from the second pump chamber P2 to the supply passage K1 through the second delivery port 124, and the liquid L is first supplied through the first suction port 121. It is sucked into the pump chamber P1.
  • the liquid L is sucked into the second pump chamber P2 through the second suction port 123, and the liquid L is supplied from the first pump chamber P1 through the first delivery port 122. Sent to K1.
  • the liquid L is delivered to the supply passage K1 when the bellows 130 is contracted and expanded.
  • the liquid L is supplied to the cooled apparatus 300 through the supply passage K ⁇ b> 1 by repeating the expansion and contraction of the bellows 130.
  • a return passage (return pipe) K2 that connects the liquid supply system 100 and the apparatus to be cooled 300 is also provided, and the liquid L is returned to the liquid supply system 100 by the amount supplied to the apparatus to be cooled 300.
  • a cooler 200 that cools the liquid L to an ultra-low temperature state is provided in the middle of the supply passage K1. With such a configuration, the liquid L cooled to an ultra-low temperature by the cooler 200 circulates between the liquid supply system 100 and the apparatus to be cooled 300.
  • the second pump chamber P2 is formed with the inside of the bellows 130 as a sealed space.
  • the liquid L is sent to the supply passage K1 both when the bellows 130 is contracted and when the bellows 130 is extended, and the liquid supply amount due to the expansion / contraction operation of the bellows 130 is exhibited only by the first pump chamber P1. It can be doubled compared to the case. Therefore, compared with the case where the pump function is exhibited only in the first pump chamber P1 with respect to the desired supply amount, the supply amount for one time can be halved, and the maximum pressure of the liquid in the supply passage K1. Can be halved. Therefore, adverse effects due to pressure fluctuations (pulsations) of the supplied liquid can be suppressed.
  • the liquid L is intermittently supplied, whereas in the case of the present embodiment, both the bellows 130 contracts and extends. Liquid L is supplied. Therefore, since the liquid L is continuously supplied, the pulsation itself can be suppressed. Therefore, space saving can be achieved as compared with the case where a shock absorber (damper) is provided outside the system, and the number of parts where heat exchange occurs can be reduced, so that the cooling efficiency can be increased.
  • a shock absorber damper
  • the sealed space R a structure is adopted in which the inside of the cylindrical tube portion 161 through which the shaft 150 is inserted is used as the sealed space R1, and the inside is filled with gas. Therefore, since the sealed space R ⁇ b> 1 filled with gas exhibits a function of hindering heat transfer, heat generated from the linear actuator 140 and atmospheric heat can be prevented from being transmitted to the liquid L. Further, even if heat is transmitted to the liquid L and vaporizes, the new liquid L is always supplied and has a cooling effect, so that it is possible to suppress the temperature rising to the temperature at which the liquid L vaporizes in the pump chamber. Therefore, the pump function is not lowered.
  • the liquid L in the bellows 130 is vaporized and gas is generated due to heat transfer from the shaft 150 or the like, even if the pump function of the second pump chamber P2 is reduced, the first pump chamber P1.
  • the pump function can be stably exhibited.
  • each of the inner side and the outer side of the bellows 130 (which is an incompressible fluid). Since the liquid L exists, the swirling and buckling of the bellows 130 can be suppressed when the bellows 130 expands and contracts.
  • the sealed space R1 is formed by the pipe portion 161 and the pair of small bellows 162 and 163 is employed.
  • the small bellows 162, 163 each has a tip fixed to the shaft 150, and is configured to expand and contract as the shaft 150 reciprocates. Therefore, since the sealed space R1 is formed without forming the sliding portion, heat is not generated with the frictional resistance due to the sliding.
  • the sealed space R1 is filled with gas.
  • a configuration in which the inside of the sealed space R1 is in a vacuum state may be employed. By making the inside of the sealed space R1 into a vacuum state, the heat insulating effect can be further enhanced.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
  • a configuration when a small bellows is provided below the bellows will be described. Since other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the bottom side of the second container 120 and the bellows 130 communicate with the inside of the first container 110 and expand and contract as the shaft 150 reciprocates, and the outer diameter is smaller than that of the bellows 130.
  • the structure connected with the bellows 125 is employ
  • the pump amount (discharge amount) by the first pump chamber P1 is larger than the pump amount by the second pump chamber P2.
  • the difference between these pump amounts is small.
  • the pressure receiving area due to the effective diameter of the bellows 130 is S1
  • the pressure receiving area due to the effective diameter of the small bellows 162 is S2
  • the pressure receiving area due to the effective diameter of the small bellows 125 is S3, the movement distance of the shaft is L.
  • the effective diameter of the bellows 130 is D1
  • the effective diameter of the small bellows 162 is D2
  • the effective diameter of the small bellows 125 is D3
  • S1 ⁇ ⁇ (D1) 2 ⁇ 4
  • S2 ⁇ ⁇ (D2) 2 ⁇ .
  • S3 ⁇ ⁇ (D3) 2 ⁇ 4.
  • the pump amount of the first pump chamber P1 is S1 ⁇ L
  • the pump amount of the second pump chamber P2 is (S1-S2) ⁇ L.
  • Example 2 the pump amount of the first pump chamber P1 is (S1-S3) ⁇ L, and the pump amount of the second pump chamber P2 is (S1-S2) ⁇ L.
  • the difference between the pump amount of the first pump chamber P1 and the pump amount of the second pump chamber P2 can be reduced.
  • S2 and S3 equal, theoretically, the pump amount of the first pump chamber P1 and the pump amount of the second pump chamber P2 can be made equal, and pulsation can be more effectively suppressed. It becomes.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention.
  • a configuration in the case where a structure for suppressing shaft shake is provided below the bellows will be described. Since other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • a configuration in which a shaft member 181 is provided at the lower end portion of the bellows 130 and a bearing 182 of the shaft member 181 is provided at the bottom of the second container 120 is employed.
  • the bearing 182 is composed of an annular member, and a bearing member 182a is provided on the inner peripheral portion at the tip. Since the other configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the bearing 182 be provided with a through-hole on its side surface so that the liquid L can freely travel between the inside and the outside of the bearing 182. Thereby, it can suppress that the reciprocation of the axis
  • a part of the shaft 150 can also function as the shaft member 181 by projecting the shaft 150 so as to penetrate below the bottom of the bellows 130.
  • the shaft member 181a is made of a permanent magnet
  • the bearing member 182a provided at the tip of the bearing 182 is made of a permanent magnet. It is also possible to configure the member 182a to repel by magnetic force. Thereby, the contact between the shaft member 181a and the bearing member 182a can be suppressed, and the shaft blur can be further suppressed.
  • the shaft member is provided on the bellows 130 side and the bearing is provided on the bottom of the second container 120.
  • the shaft member is provided on the bottom of the second container 120 and the bellows 130 side is provided. It is also possible to adopt a configuration in which a bearing is provided on the front.
  • the arrangement and number of shaft members and bearings can be set as appropriate.
  • the configuration shown in the present embodiment can be adopted in the configuration shown in the second embodiment. In this case, the shaft member and the bearing are arranged at the center of the bellows 130 as shown in FIG. It is necessary to arrange at a position shifted from the center, not near.
  • Example 4 With reference to FIG.4 and FIG.5, the liquid supply system which concerns on Example 4 of this invention is demonstrated.
  • the first embodiment the case where the sealed space through which the shaft is inserted is filled with gas or in a vacuum state is shown.
  • a liquid layer and a gas layer are included in the sealed space.
  • the case where it functions as a gas damper by forming is shown. Since other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • a buffer structure 160 is provided around the shaft 150 to buffer fluctuations (pulsations) in the pressure of the liquid L supplied through the supply passage K1.
  • the buffer structure 160 includes a cylindrical (preferably cylindrical) tube portion 161 through which a shaft 150 extending from the outside of the first container 110 to the bellows 130 is inserted, and a lower end portion and an upper end portion of the tube portion 161. Are provided with small bellows 162 and 163, respectively.
  • the inside of the pipe portion 161 and the pair of small bellows 162, 163 is a sealed space R2.
  • each of the small bellows 162 that separates the sealed space R2 and the second pump chamber P2 and the small bellows 163 that separates the sealed space R2 and the external space are fixed to the shaft 150,
  • the shaft 150 is configured to expand and contract as the shaft 150 reciprocates.
  • the small bellows 162 and 163 are configured such that the outer diameter thereof is smaller than the outer diameter of the bellows 130.
  • the sealed space R2 a layer of the liquid L and a layer of the gas G in which the liquid L is vaporized are formed.
  • FIG. 4 the state of the temperature gradient inside the sealed space R2 is shown by a graph (X in the figure). As shown in this graph, the temperature is stable at the temperature T1 (about 70K in the case of liquid nitrogen) in the lower part of the sealed space R2, and the temperature increases toward the upper side exposed to the outside air. A boundary surface between the liquid L layer and the gas G layer is formed in the vicinity of the saturation temperature T0 (about 78K in the case of liquid nitrogen).
  • a branch passage K3 branched from the supply passage K1 is provided so as to be connected to the sealed space R2.
  • the buffer structure 160 is provided with a safety valve 164 near the small bellows 163 for releasing the internal pressure to the outside when the pressure in the sealed space R2 exceeds a predetermined value.
  • a safety valve 164 near the small bellows 163 for releasing the internal pressure to the outside when the pressure in the sealed space R2 exceeds a predetermined value.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the axis of the shaft 150 in the liquid supply system 100 according to the embodiment of the present invention.
  • the return passage (return pipe) K2 is omitted.
  • the shaft 150 is hollow.
  • the weight of the shaft 150 can be reduced, and the cross-sectional area can be reduced, so that heat on the atmosphere side can be prevented from being transmitted to the inside by the shaft 150.
  • the shaft 150 is provided with an escape hole 151 that allows communication between the hollow portion inside and the outside of the shaft 150. For this reason, it is possible to prevent the shaft 150 from bursting due to a sudden increase in internal pressure due to vaporization of the liquid that has entered the hollow interior due to cracks or the like.
  • heaters 171 and 172 are provided in the vicinity of the small bellows 163 (specifically, the hollow interior of the shaft 150 and the outer peripheral side of the shaft 150 near the end on the atmosphere side). Yes. Thereby, the temperature in sealed space R2 can be adjusted, and it can suppress (prevent) that frost and an ice block adhere to the small bellows 163 during a driving
  • the buffer structure 160 that buffers the fluctuation (pulsation) of the pressure of the liquid L supplied through the supply passage (supply pipe) K1 is provided in the system. It has been. Therefore, pulsation can be further suppressed as compared with the case of each of the above embodiments.
  • the buffer structure 160 employs a structure in which a cylindrical tube portion 161 through which the shaft 150 is inserted is used as a sealed space R2, and a liquid L layer and a gas G layer are formed therein. is doing. Therefore, since the layer of the gas G exhibits a function of hindering heat transfer, it is possible to suppress the heat generated from the linear actuator 140 and the atmospheric heat from being transmitted to the liquid L. Even if heat is transmitted to the liquid L and vaporizes, the new liquid L is always supplied and has a cooling effect. Therefore, the gas G layer that exhibits a buffering function (function as a gas damper) in the sealed space R2 Only thickens.
  • heaters 171 and 172 capable of adjusting the temperature in the sealed space R2 inside the pipe portion 161 are provided. Therefore, the thicknesses of the liquid L layer and the gas G layer can be adjusted according to the pulsation that can occur when there is no damper, and the pressure fluctuation (pulsation) can be effectively suppressed.
  • the pulsation itself can be further suppressed by adopting a configuration in which the small bellows 125 is provided below the bellows 130.
  • the third embodiment by providing a structure that suppresses shaft shake, shaft shake can be suppressed and a damper function can be stably exhibited.
  • V1 ⁇ q ⁇ K ⁇ (Pm ⁇ P1) 1 / n ⁇ ⁇ ⁇ 1 ⁇ (Pm ⁇ P2) 1 / n ⁇ [l] It becomes.
  • q is the discharge amount [l] per reciprocating pump
  • K is a constant according to the pump type, which is 0.25 in a series of double-acting reciprocating pumps as in this embodiment.
  • Pm is the discharge average pressure [MPa]
  • P1 which is the sealed gas pressure is (0.6 to 0.8) ⁇ Pm [MPa] when there is no temperature change.
  • P1 0.7 ⁇ Pm [PMa].
  • N is a polytropic index, which is 1.41 when the gas is nitrogen gas.
  • P2 is the target maximum pipe internal pressure
  • P2 ⁇ 1+ (pulsation rate ⁇ 100) ⁇ ⁇ Pm [Mpa] It becomes.
  • the “pipe” corresponds to the supply passage K1 and the return passage K2 in the present embodiment.
  • V2 Va ⁇ (Pa ⁇ P1) It becomes.
  • Pa is the pressure (ordinary pressure) in the piping (supply passage K1 and return passage K2) when no impact pressure is generated.
  • P1 is (0.8 to 0.9) ⁇ Pa [MPa].
  • P1 0.9 ⁇ Pa [MPa].
  • Va which is the amount of gas when the pressure is Pa
  • Va ⁇ W ⁇ v2 ⁇ (n ⁇ 1) ⁇ ⁇ ⁇ 200 ⁇ Pa ⁇ ((Pb / Pa) (n ⁇ 1) / n ⁇ 1 ⁇ .
  • d is the pipe diameter (inner diameter) [mm]
  • L is the pipe length [m]
  • ⁇ is the fluid density [kg / m3].
  • v is a flow velocity
  • v 21.23 ⁇ Q / d2 [m / s].
  • the flow velocity v is an average flow velocity in the supply passage K1 and the return passage K2.
  • Q is the flow rate [l / min].
  • N is a polytropic index, which is 1.41 when the gas is nitrogen gas.
  • FIG. 6A shows a case where the pressure fluctuation is a SIN wave in the conventional example (when the pump function is exhibited only in the first pump chamber), and the left figure shows a case where no damper is provided. This figure shows a case where a damper is provided.
  • FIG. 6B shows a case where the pressure fluctuation is a SIN wave in the present embodiment (when the pump function is exhibited in the first pump chamber and the second pump chamber), and the left diagram is not provided with a damper. Cases (Examples 1 to 3) are shown, and the diagram on the right shows a case where a damper is provided (Example 4).
  • the amount of gas is set to an amount that satisfies the above expression of V1
  • the difference between Pmax and Pmin is 30% or less (pulsation rate 30) compared to the case where no damper is provided. % Or less).
  • FIG. 6C shows a case where the pressure fluctuation is a rectangular wave in the conventional example (when the pump function is exhibited only in the first pump chamber), and the left figure shows a case where no damper is provided, This figure shows a case where a damper is provided.
  • FIG. 6D shows a case where the pressure fluctuation is a rectangular wave in the present embodiment (when the pump function is exhibited in the first pump chamber and the second pump chamber), and the left diagram is not provided with a damper. Cases (Examples 1 to 3) are shown, and the diagram on the right shows a case where a damper is provided (Example 4).
  • the difference between Pmax and Pmin is 30% or less (pulsation rate 30) compared to the case where no damper is provided. % Or less).
  • Japanese Patent Application No. 2011-56426 the graph is simplified, but more specifically, when a damper is provided as shown in FIG. It becomes a behavior that increases for a moment and then decreases after reaching Pmax.
  • the pressure fluctuation (pulsation) itself can be suppressed by exerting the pump function in the first pump chamber and the second pump chamber.
  • pressure fluctuation can be effectively suppressed in the case of a rectangular wave.
  • the pressure fluctuation can be effectively suppressed in combination with the suppression of the pressure fluctuation itself.

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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

液体供給システム
　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

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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