WO2016006648A1 - 液体供給システム - Google Patents

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bellows
container
liquid
pump chamber
supply system
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PCT/JP2015/069741
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森　浩一
大澤　芳夫
清隆 古田
Original Assignee
イーグル工業株式会社
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    • F04B2015/081—Liquefied gases

Definitions

  • the present invention relates to a liquid supply system for supplying an ultra-low temperature liquid such as liquid nitrogen or liquid helium.
  • a technique for supplying an ultra-low temperature liquid such as liquid nitrogen to a vacuum heat insulating tube containing the superconducting cable or the like is known.
  • a liquid supply (circulation) system for the ultracold liquid is used to maintain the superconducting cable in a superconducting state for a cooled device equipped with a superconducting cable inside the vacuum insulating pipe. Is always supplied.
  • a positive displacement bellows circulator as shown in FIG. 5 is known (see Patent Document 1).
  • the conventional positive displacement bellows circulator is relatively difficult to increase in pressure due to the structure in which the internal pressure is applied to the bellows. Further, when a high discharge pressure is applied as the bellows internal pressure, the bellows may buckle.
  • the vacuum insulation container is filled with ultra-low temperature liquid, and a positive displacement bellows circulator is inserted and immersed in the vacuum insulation container, so that heat transfer through the support member of the positive displacement bellows circulator and the wall surface of the vacuum insulation container Intrusion heat is generated due to the heat transfer.
  • An object of the present invention is to provide a liquid supply system with an improved pump function.
  • a liquid supply system comprises: A container configured to inhale liquid from a first passage communicating with the outside of the system and to deliver the inhaled liquid to a second passage communicating with the outside of the system; A first bellows and a second bellows arranged in series in the expansion / contraction direction inside the container, each first end portion on the side close to each other being fixed to the inner wall of the container, and each on the side far from each other A first bellows and a second bellows, each of which is configured to be movable in the extending and contracting direction, The first bellows and the second bellows are inserted into the container so that the second end portions of the first bellows and the second bellows are respectively fixed and reciprocated in the expansion and contraction direction by a driving source.
  • a shaft to extend and contract A liquid supply system comprising: The outside of the first bellows in the container is a first pump chamber.
  • the first pump chamber has a first suction port for sucking liquid from the first passage into the first pump chamber, and a suction port.
  • a first delivery port for delivering the liquid from the first pump chamber to the second passage is provided,
  • the outside of the second bellows in the container is a second pump chamber.
  • the second pump chamber has a second suction port for sucking liquid from the first passage into the second pump chamber, and a suction port.
  • a second outlet for delivering the liquid from the second pump chamber to the second passage is provided, A sealed space is formed inside the first bellows and the second bellows.
  • the second end portions of the first bellows and the second bellows move integrally in the expansion and contraction direction of the bellows by the reciprocating movement of the shaft. That is, by movement in one direction of the shaft, one of the first bellows and the second bellows contracts and the other extends, and one of the first pump chamber and the second pump chamber sucks liquid from the first passage, and the other Liquid is delivered to the second passage. Therefore, the liquid can be continuously and alternately supplied from the first pump chamber and the second pump chamber by the reciprocating movement of the shaft, and the liquid supply with suppressed pulsation becomes possible.
  • the pressure acting on the inner side (inner peripheral surface) of the first bellows and the second bellows does not change. Thereby, it can suppress that buckling generate
  • the sealed space may be in a vacuum state or may be filled with a gas.
  • the pressure acting on each bellows is only the external pressure, and the stability of the expansion and contraction operation of the bellows can be improved. Moreover, the peak value of the pressure which acts on a bellows can be reduced by the pressurization by the gas with which the sealed space inside bellows was filled. Therefore, the design freedom in the high pressure design for increasing the pump discharge pressure can be increased.
  • the container is disposed in the outer container so as to be surrounded by a vacuum space;
  • the shaft may be inserted from the outside of the outer container to the inside of the container.
  • the heat transfer path to the container is limited to the heat radiation from the outer container wall surface, the first and second passages, the container support member, etc., and the heat insulation effect can be enhanced.
  • the cooling efficiency can be improved by reducing the intrusion heat into the liquid to be delivered.
  • a third bellows arranged in series in a telescopic direction with respect to the second bellows, wherein one end is fixed to the container so that the inside is open to the outside of the container, and the other An end portion is connected to the second end portion of the second bellows, and further includes a third bellows that expands and contracts with the expansion and contraction of the second bellows,
  • the shaft may be inserted through the inside of the third bellows and connected to the second end.
  • each bellows can be connected and the bellows to be expanded and contracted without forming a sliding portion between the shaft and the container. Therefore, it can be set as the structure which does not generate
  • the third bellows may be arranged so that an outer diameter is smaller than an inner diameter of the second bellows and at least a part of the third bellows enters the inside of the second bellows.
  • the pump function can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a liquid supply system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the liquid supply system according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating fluctuations in the discharge pressure of the liquid supply system according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating fluctuations in the discharge pressure of the liquid supply system according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the operation of the liquid supply system according to the conventional example.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating fluctuations in the discharge pressure of the liquid supply system according to the conventional example.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a liquid supply system according to an embodiment of the present invention.
  • the liquid supply system 10 is a pump device for a cryogenic fluid, and maintains the superconducting cable 32 in a superconducting state with respect to the cooled device 30 in which the superconducting cable 32 is provided inside the resin container 31. Therefore, the ultra-low temperature liquid L is constantly supplied into the container 31. Specific examples of the ultra-low temperature liquid L include liquid nitrogen and liquid helium.
  • the liquid supply system 10 generally includes a first container (outer container) 11 whose inside is evacuated, and a second container 12 arranged so as to be surrounded by a vacuum space inside the first container 11. .
  • a first container (outer container) 11 whose inside is evacuated
  • a second container 12 arranged so as to be surrounded by a vacuum space inside the first container 11.
  • the second container 12 roughly, three bellows 41, 42, 43 are arranged in series in the extending and contracting direction, and the inside of the container is partitioned into three sealed spaces by these bellows 41-43.
  • the second container 12 is supported inside the first container 11 by a support member 51 inserted from the outside of the first container 11 into the first container 11.
  • the first bellows 41 and the second bellows 42 have the same diameter, and are arranged side by side in series in the respective expansion / contraction directions with the axis centers coincident.
  • the first bellows 41 and the second bellows 42 are fixed to the inner wall of the container 12 at respective end portions (first end portions) 41 b and 42 b on the side close to each other. Further, in the first bellows 41 and the second bellows 42, the respective end portions (second end portions) 41a and 42a far from each other are integrated by fixing a shaft 15 which will be described later, and each expansion and contraction is performed. It is configured to be movable in the direction.
  • the third bellows 43 is arranged in series on the opposite side of the second bellows 42 from the first bellows 41.
  • the third bellows 43 has an outer diameter smaller than the inner diameter of the second bellows 42 and is disposed so that a part thereof enters the inside of the second bellows 42 in the expansion / contraction direction.
  • One end 43 b of the third bellows 43 is fixed to the inner wall of the container 12 so that the inside of the third bellows 43 is open to the outside of the container 12.
  • the other end 43 a of the third bellows 43 is connected to the end 42 a of the second bellows 42, and the third bellows 43 expands and contracts with the expansion and contraction of the second bellows 42.
  • the end 41a of the first bellows 41 is closed, and a sealed space formed by a region outside the first bellows 41 in the second container 12 constitutes the first pump chamber P1.
  • a sealed space formed by a region outside the second bellows 42 and the third bellows 43 in the second container 12 constitutes the second pump chamber P2.
  • the end portion 42a of the second bellows 42 and the end portion 43a of the third bellows 43 are closed, and the end portion 41b of the first bellows 41 and the end portion 42b of the second bellows 42 are open.
  • the inner region of the first bellows 41 and the inner region of the second bellows 42 constitute one sealed space R1.
  • the second container 12 has a first suction port 21 for sucking the liquid L into the first pump chamber P1 from a return passage (return pipe) K2 communicating with the outside of the system, and the sucked liquid L in the first pump chamber P1. And a first delivery port 22 for delivery to a supply passage (supply pipe) K1 communicating with the outside of the system. Further, the second container 12 sends out the liquid L from the return passage K2 into the second pump chamber P2, and the sucked liquid L is sent out from the second pump chamber P2 to the supply passage K1.
  • a second delivery port 24 is also provided.
  • the first inlet 21 and the second inlet 23 are provided with check valves 100a and 100c, respectively, and the first outlet 22 and the second outlet 24 are also provided with check valves 100b and 100d, respectively. Is provided.
  • the shaft 15 configured to reciprocate by the linear actuator 14 as a driving source enters the inside of the sealed space R1 of the second container 12 from the outside of the first container 11 through the inside of the third bellows 43.
  • the end portion 41a of the first bellows 41 and the end portion 42a of the second bellows 42 are fixed. Thereby, when the shaft 15 reciprocates, each bellows expands and contracts.
  • the shaft 15 is configured to be inserted from the outside of the first container 11 into the inside through a bellows 52 provided in the first container 11.
  • the bellows 52 has one end fixed to the first container 11 and the other end fixed to the shaft 15, and is configured to expand and contract as the shaft 15 reciprocates.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the liquid supply system according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a view showing the inside of the second container 12 in a state in which the bellows 41 and 42 are not displaced in either the extending direction or the contracting direction.
  • FIG. 2B the liquid L is sucked from the return passage (first passage) K2 into the first pump chamber P1, and the liquid L is sent from the second pump chamber P2 to the supply passage (second passage) K1.
  • FIG. 3 The upper part of FIG. 3 is a diagram schematically showing the fluctuation of pressure applied to the bellows 42 of the liquid supply system according to the first embodiment, and the lower part of FIG. 3 is a diagram schematically showing the fluctuation of pressure applied to the bellows 41.
  • the sealed space R1 is a vacuum space. Therefore, as shown in FIG. 3, the pressure applied to the bellows 42 of the liquid supply system 10 according to the present embodiment is zero and the maximum discharge pressure (P discharge) as shown in FIG. It fluctuates so that it alternates between.
  • the pressure fluctuation when the maximum discharge pressure (P discharge) is 1 MPa is shown. 3, (a) corresponds to the displacement position of the shaft 15 in FIG.
  • the pressure applied to the bellows 41 and 42 is a differential pressure between the pressure outside the bellows and the pressure inside the bellows, and the liquid is not sucked or discharged into the pump chamber without the displacement of the shaft 15 before the start of the apparatus. Since there is no difference between the external pressure and the internal pressure of the bellows 41 and 42, the pressure applied to the bellows is 0 and approaches the state of (b) (the first pump chamber P1 discharges and the second pump chamber P2 sucks).
  • the pressure applied to the bellows 42 increases, and when the outside of the bellows reaches the maximum discharge pressure (P discharge), the pressure applied to the bellows 42 reaches the maximum (P discharge). Further, as the state approaches (c) (the first pump chamber P1 sucks and the second pump chamber P2 discharges), the pressure applied to the bellows 42 decreases and the suction pressure is zero. The pressure applied to becomes zero. Note that this pressure fluctuation also exhibits the same behavior with the bellows 41 only with a different phase.
  • the liquid L is supplied to the cooled device 30 through the supply passage K1 by repeating the reciprocating movement of the shaft 15 and the expansion and contraction of each bellows. Further, the liquid L is configured to return to the liquid supply system 10 by the amount supplied to the apparatus to be cooled 30 through the return path K2 connecting the liquid supply system 10 and the apparatus to be cooled 30.
  • a cooler 20 that cools the liquid L to an extremely low temperature 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 20 circulates between the liquid supply system 10 and the apparatus to be cooled 30.
  • the liquid L is sent to the supply passage K1 when each bellows contracts and extends.
  • the liquid supply amount by the expansion / contraction operation of each bellows can be doubled compared to, for example, the case where the pump function is exhibited only in the first pump chamber P1. 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 volume of the sealed space R1 formed inside the first bellows 41 and the second bellows 42 does not change even when the first bellows 41 and the second bellows 42 expand and contract, and the first bellows 41 and the second bellows 41
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the operation of the liquid supply system according to the conventional example.
  • two pump chambers P1 and P2 are formed inside and outside the bellows 61, respectively. That is, when the bellows 61 and 62 contract due to the movement of the shaft 15 (FIG. 2 (a) ⁇ FIG. 2 (b)), the liquid L enters the supply passage K1 from the second pump chamber P2 via the second delivery port 24. The liquid L is delivered and sucked into the first pump chamber P1 through the first suction port 21.
  • the bellows 61 and 62 are extended by the movement of the shaft 15 (FIG. 2 (b) ⁇ FIG. 2 (a) ⁇ FIG. 2 (c))
  • the liquid L flows through the second suction port 23 into the second pump chamber P2.
  • the liquid L is sucked into the first pump chamber P1 and supplied from the first pump chamber P1 to the supply passage K1.
  • FIG. 6 is a diagram showing fluctuations in the discharge pressure of the liquid supply system according to the conventional example.
  • the pressure applied in the outward direction of the bellows 61 is positive, and the pressure applied in the inward direction of the bellows 61 is negative.
  • FIG. 6 in the configuration of the conventional example, when the liquid L is alternately discharged from the first pump chamber P1 and the second pump chamber P2, the discharge of the same size is alternately performed inside and outside the bellows 61, respectively. Pressure (P discharge) will act. That is, the discharge pressure (P discharge) is applied in the inward direction and the outward direction of the bellows.
  • the pressure fluctuation is twice that of the present embodiment (FIGS. 3 and 6). Therefore, the pressure resistance required for the bellows 61 is also twice that of the bellows of the present embodiment.
  • the conventional example has a configuration in which the internal pressure acts on the bellows 61. Therefore, if an attempt is made to increase the discharge pressure, the internal pressure acting on the bellows 61 also increases, and the bellows 61 is likely to buckle. End up. In general, a bellows is strong against an external pressure but weak against an internal pressure, and is likely to buckle when a high internal pressure acts.
  • the pressure acting on each bellows is only the external pressure, so that the pump discharge pressure can be increased as compared with the conventional configuration in which the internal pressure acts on the bellows.
  • the stability of the expansion and contraction operation of the bellows can be improved. Therefore, the number of circulators arranged on the cable can be reduced.
  • the degree of freedom of cable laying is improved.
  • the second container 12 is surrounded by the first container 11 in a vacuum space. Therefore, since the vacuum space surrounding the second container 12 exhibits a function of hindering heat transfer, heat generated from the linear actuator 14 and atmospheric heat can be prevented from being transmitted to the liquid L. That is, the heat exchange of the liquid L is limited to the heat radiation from the wall surface of the first container 11 which is a vacuum heat insulating container and the heat transfer through the support member 51 and each passage of the second container 12. Intrusion heat can be reduced. Moreover, even if heat is transmitted to the liquid L and vaporizes, the new liquid L is always supplied and has a cooling effect, and therefore, it is possible to suppress the temperature rising to the temperature at which the liquid L evaporates in the pump chamber. Therefore, the pump function is not lowered.
  • the shaft 15 is inserted into the second container 12 through the end 43a opposite to the end 43b fixed to the second container 12 in the third bellows 43, and each bellows.
  • the third bellows 43 is configured to expand and contract as the shaft 15 reciprocates. Accordingly, the pump chambers P1, P2 and the sealed space R1 are formed without forming a sliding portion between the shaft 15 and the second container 12, so that heat is generated due to frictional resistance due to sliding. It never happens.
  • the third bellows 43 is arranged such that the outer diameter is smaller than the inner diameter of the second bellows 42 and at least part of the third bellows 43 enters the inside of the second bellows 42. Since it can be used, it is not necessary to enlarge the space, and the size of the second container 12 can be reduced.
  • the sealed space R1 is a vacuum space, it may be configured to communicate with the vacuum space around the second container 12.
  • Example 2 In the said Example 1, although the sealed space R1 is made into the vacuum space, Example 2 of this invention employ
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the gas sealed in the sealed space R1 for example, a gas that does not easily change its state such as liquefaction or freezing in the usage environment of the system, such as neon gas or helium gas, is used.
  • the pressure of the gas sealed in the sealed space R1 is set to a range from vacuum ( ⁇ 100 kPa) to a desired discharge pressure (preferably 1/2 of the discharge pressure).
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating fluctuations in the discharge pressure of the liquid supply system according to the second embodiment, in which the upper stage shows pressure fluctuations applied to the bellows 42 and the lower stage shows pressure fluctuations applied to the bellows 41.
  • FIG. 4 shows fluctuations in the discharge pressure when a gas having a pressure half that of the discharge pressure (P discharge) is sealed in the sealed space R1.
  • the fluctuation range of the discharge pressure is 1 MPa, which is the same as in the first embodiment, but the peak value is 1 ⁇ 2 of that in the first embodiment.
  • the pressure applied to the bellows is a differential pressure between the internal pressure of the sealed space R1 and the spaces of the pump chambers P1 and P2, when a gas having a pressure half the discharge pressure is sealed in the sealed space R1, the bellows Since the maximum pressure in the pump chamber is P discharge, From P discharge- (1/2) P discharge to (1/2) P discharge.
  • the pressure in the sealed space R1 can be set as appropriate according to the specifications, such as not only the (1/2) P discharge, but also the size of the two bellows and the size of the two pump chambers.
  • the peak value of the pressure acting on the bellows 41 and 42 can be reduced by pressurizing the inside of the bellows 41 and 42 with the sealed gas. Therefore, the design freedom in the high pressure design for increasing the pump discharge pressure can be increased.

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Abstract

ポンプ機能の向上を図った液体供給システムを提供する。容器（１２）内部に伸縮方向に直列に配置され、互いに近接する側のそれぞれの第１端部がそれぞれ容器（１２）の内壁に固定され、互いに遠い側のそれぞれの第２端部がそれぞれ伸縮方向に移動可能に構成された第１ベローズ（４１）及び第２ベローズ（４２）であって、容器（１２）内のうち第１ベローズ（４１）の外側が第１ポンプ室（Ｐ１）、第２ベローズ（４２）の外側が第２ポンプ室（Ｐ２）、第１ベローズ（４１）及び第２ベローズ（４２）の内側が密閉空間（Ｒ１）となり、第２端部がそれぞれ固定された軸（１５）が往復移動することにより、それぞれ伸縮する第１ベローズ（４１）及び第２ベローズ（４２）を備える。

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、超電導ケーブルなどを超低温状態に維持するため、液体窒素などの超低温の液体を超電導ケーブルなどが収容された真空断熱管に供給する技術が知られている。超低温液体の液体供給（循環）システムは、真空断熱管の内部に超電導ケーブルが備えられた被冷却装置に対して、超電導ケーブルを超電導可能な状態で維持させるために、真空断熱管内に超低温の液体を常時供給するものである。
　従来の超電導ケーブルは長さが短かく、液体供給システムに必要とされる吐出圧は、流量に対して比較的低い吐出圧力で充分であったため、ポンプ機構として、代表的には遠心ポンプが採用されることが多かった。しかし、今後の超電導ケーブルは数ｋｍと長くなり、設置場所も高低差が生じるため、液体供給システムには、流量に対して従来よりも高い吐出圧力が要求される。遠心ポンプ機構を用いた液体供給システムは、単体で液体の長距離移送を行うには、ポンプの吐出圧が低いため、例えば、ケーブルに沿って複数のポンプを配置して吐出圧を維持する必要があり、高コストとなる。また、ケーブルを敷設する地形に高低差があると、ポンプ吐出圧が足りなくなるため、ケーブルの敷設に制限がある。
　また、液体供給システムとしては、他に、図５に示すような、容積型ベローズ・サーキュレータが知られている（特許文献１参照）。しかし、従来の容積型ベローズ・サーキュレータは、ベローズに内圧がかかる構造のため、高圧化が比較的困難であった。また、高い吐出圧力がベローズ内圧としてかかるとベローズが座屈することがある。さらに、真空断熱容器に超低温液体を充填し、そこに容積型ベローズ・サーキュレータを挿入、浸漬した構成となるため、容積型ベローズ・サーキュレータの支持部材を介した伝熱とともに、真空断熱容器の壁面を介した伝熱による侵入熱が発生する。
国際公開ＷＯ２０１２／１２４３６３号
　本発明の目的は、ポンプ機能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。
　上記目的を達成するために、本発明における液体供給システムは、
　システムの外部と通じる第１通路から液体を吸入し、かつ吸入した液体をシステムの外部と通じる第２通路に送出するように構成された容器と、
　前記容器の内部に伸縮方向に直列に配置された第１ベローズ及び第２ベローズであって、互いに近接する側のそれぞれの第１端部がそれぞれ前記容器の内壁に固定され、互いに遠い側のそれぞれの第２端部がそれぞれ伸縮方向に移動可能に構成された第１ベローズ及び第２ベローズと、
　前記容器の内部に挿通されて前記第１ベローズ及び前記第２ベローズの前記第２端部がそれぞれ固定され、駆動源によって前記伸縮方向に往復移動することにより、前記第１ベローズ及び第２ベローズを伸縮させる軸と、
を備える液体供給システムであって、
　前記容器内のうち前記第１ベローズの外側は第１ポンプ室となっており、該第１ポンプ室には、前記第１通路から液体を第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第２通路に送出する第１送出口が設けられ、
　前記容器内のうち前記第２ベローズの外側は第２ポンプ室となっており、該第２ポンプ室には、前記第１通路から液体を第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第２通路に送出する第２送出口が設けられ、
　前記第１ベローズ及び第２ベローズの内側は、密閉空間が形成されていることを特徴とする。
　本発明によれば、軸の往復移動によって第１ベローズ及び第２ベローズの第２端部はベローズの伸縮方向に一体的に移動する。すなわち、軸の一方向の移動により、第１ベローズ及び第２ベローズのうち一方は縮んで他方は伸び、第１ポンプ室及び第２ポンプ室のうち一方に第１通路から液体が吸入され、他方から液体が第２通路に送出される。したがって、軸の往復移動によって液体を第１ポンプ室及び第２ポンプ室から交互に連続的に供給することができ、脈動を抑制した液体供給が可能となる。このポンプ動作において、第１ベローズ及び第２ベローズの内側（内周面）に作用する圧力は変化しない。これにより、ベローズに座屈が発生することを抑制することができ、ポンプ動作の安定性を向上させることができる。
　前記密閉空間は、真空状態でもよいし、あるいは気体によって満たされていてもよい。
　ベローズ内側の密閉空間が真空状態であることにより、各ベローズに作用する圧力が外圧のみとなり、ベローズの伸縮動作の安定性を向上させることができる。また、ベローズ内側の密閉空間に満たされた気体による加圧により、ベローズに作用する圧力のピーク値を低減することができる。したがって、ポンプ吐出圧を高める高圧設計における設計自由度を高めることができる。
　内部が真空にされた外側容器をさらに備え、
　前記容器は、真空空間に囲まれるように前記外側容器内に配置され、
　前記軸は、前記外側容器の外部から前記容器の内部に至るように挿通される
とよい。
　これにより、容器への伝熱経路は、外側容器壁面からの熱輻射と、第１及び第２通路や容器支持部材などに限定され、断熱効果を高めることができる。このように送出する液体への侵入熱が低減されることで、冷却効率を高めることができる。
　前記第２ベローズに対して伸縮方向に直列に配置される第３ベローズであって、内側が前記容器の外部に開放されるように、一方の端部が前記容器に固定されるとともに、他方の端部が前記第２ベローズの前記第２端部に連結され、前記第２ベローズの伸縮にともなって伸縮する第３ベローズをさらに備え、
　前記軸は、前記第３ベローズの内側を挿通されて前記第２端部に連結されるとよい。
　これにより、軸と容器との間に摺動部位を形成することなく、軸と各ベローズの第２端部とを連結し、各ベローズを伸縮させることができる。したがって、軸の摺動摩擦による発熱のない構成とすることができる。
　前記第３ベローズは、外径が前記第２ベローズの内径よりも小さく、少なくとも一部が前記第２ベローズの内側に入り込むように配置されるとよい。
　これにより、容器のベローズ伸縮方向におけるサイズダウンを図ることができる。
　本発明によれば、ポンプ機能の向上を図ることができる。
図１は、本発明の実施例に係る液体供給システムの構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施例に係る液体供給システムの動作を説明する模式図である。 図３は、実施例１に係る液体供給システムの吐出圧の変動を示す図である。 図４は、実施例２に係る液体供給システムの吐出圧の変動を示す図である。 図５は、従来例に係る液体供給システムの動作を説明する模式図である。 図６は、従来例に係る液体供給システムの吐出圧の変動を示す図である。
　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、本発明の実施例に係る液体供給システムについて説明する。図１は、本発明の実施例に係る液体供給システムの概略構成図である。
　液体供給システム１０は、低温流体用のポンプ装置であり、樹脂製の容器３１の内部に超電導ケーブル３２が備えられた被冷却装置３０に対して、超電導ケーブル３２を超伝導可能な状態で維持させるために、容器３１内に超低温の液体Ｌを常時供給するものである。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１０は、概略、内部が真空にされた第１容器（外側容器）１１と、第１容器１１の内部に真空空間で囲まれるように配置される第２容器１２とを備えている。第２容器１２は、概略、内部に３つのべローズ４１、４２、４３がそれぞれの伸縮方向に直列に配置され、これらベローズ４１～４３により容器内部が３つの密閉空間に仕切られている。第２容器１２は、第１容器１１の外部から第１容器１１の内部に挿通された支持部材５１によって第１容器１１の内部で支持されている。
　第１ベローズ４１と第２ベローズ４２は、同径であり、軸中心を一致させてそれぞれの伸縮方向に互いに直列に並んで配置されている。第１ベローズ４１と第２ベローズ４２は、互いに近接する側のそれぞれの端部（第１端部）４１ｂ、４２ｂが、容器１２の内壁に固定されている。また、第１ベローズ４１と第２ベローズ４２において互いに遠い側のそれぞれの端部（第２端部）４１ａ、４２ａは、後述する軸１５が固定されることで一体化されており、それぞれの伸縮方向に移動可能に構成されている。
　また、第３ベローズ４３は、第２ベローズ４２に対して第１ベローズ４１とは反対側に直列に並んで配置されている。第３ベローズ４３は、外径が第２ベローズ４２の内径よりも小さく、伸縮方向において一部が第２ベローズ４２の内側に入り込むように配置されている。第３ベローズ４３の一方の端部４３ｂは、第３ベローズ４３の内側が容器１２の外部に開放されるように容器１２の内壁に固定されている。第３ベローズ４３の他方の端部４３ａは、第２ベローズ４２の端部４２ａと連結されており、第３ベローズ４３は、第２ベローズ４２の伸縮にともなって伸縮する。
　第１ベローズ４１の端部４１ａは塞がっており、第２容器１２内のうち第１ベローズ４１の外側の領域によって形成される密閉空間が、第１ポンプ室Ｐ１を構成している。第２容器１２内のうち第２ベローズ４２及び第３ベローズ４３の外側の領域によって形成される密閉空間が、第２ポンプ室Ｐ２を構成している。第２ベローズ４２の端部４２ａと第３ベローズ４３の端部４３ａとの間は塞がっており、第１ベローズ４１の端部４１ｂと第２ベローズ４２の端部４２ｂとの間は開放されており、第２容器１２内において、第１ベローズ４１の内側の領域と第２ベローズ４２の内側の領域とが１つの密閉空間Ｒ１を構成している。
　第２容器１２には、液体Ｌをシステムの外部と通じる戻り通路（戻り管）Ｋ２から第１ポンプ室Ｐ１内に吸入する第１吸入口２１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２２とが設けられている。また、第２容器１２には、液体Ｌを戻り通路Ｋ２から第２ポンプ室Ｐ２内に吸入する第２吸入口２３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２４も設けられている。また、第１吸入口２１及び第２吸入口２３には、それぞれ逆止弁１００ａ、１００ｃが設けられており、第１送出口２２及び第２送出口２４にも、それぞれ逆止弁１００ｂ、１００ｄ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１４によって往復移動するように構成された軸１５が、第１容器１１の外部から第３ベローズ４３の内側を通って第２容器１２の密閉空間Ｒ１の内部に入り込み、第１ベローズ４１の端部４１ａと第２ベローズ４２の端部４２ａがそれぞれ固定されている。これにより、軸１５が往復移動することによって、各ベローズが伸縮する。
　軸１５は、第１容器１１に設けられたベローズ５２を介して、第１容器１１の外部から内部に挿通された構成となっている。ベローズ５２は、一端が第１容器１１に固定され、他端が軸１５に固定されており、軸１５の往復移動に伴って伸縮するように構成されている。
　図２を参照して、液体供給システム１０の動作について説明する。図２は、本発明の実施例に係る液体供給システムの動作を説明する模式図である。図２（ａ）は、ベローズ４１、４２が伸びる方向にも、縮む方向にも変位していない状態の第２容器１２の内部を示す図である。図２（ｂ）は、第１ポンプ室Ｐ１に戻り通路（第１通路）Ｋ２から液体Ｌが吸入されるとともに、第２ポンプ室Ｐ２から供給通路（第２通路）Ｋ１に液体Ｌが送出されるときの状態、つまり、ベローズ４１が最大に縮んだ状態、及びベローズ４２が最大に伸びた状態の第２容器１２の内部を示す図である。図２（ｃ）は、第２ポンプ室Ｐ２に戻り通路（第１通路）Ｋ２から液体Ｌが吸入されるとともに、第１ポンプ室Ｐ１から供給通路（第２通路）Ｋ１に液体Ｌが送出されるときの状態、つまり、ベローズ４１が最大に伸びた状態、及びベローズ４２が最大に縮んだ状態の第２容器１２の内部を示す図である。
　第１ベローズ４１が縮み、第２ベローズ４２が伸びるように、軸１５が移動すると（図２（ａ）→図２（ｂ））、第２送出口２４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２１を介して液体Ｌが第１ポンプ室Ｐ１内に吸入される。また、第１ベローズ４１が伸び、第２ベローズ４２が縮むように、軸１５が移動すると（図２（ｂ）→図２（ａ）→図２（ｃ））、第２吸入口２３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２２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、軸１５が往復移動する際のいずれの方向においても液体Ｌが供給通路Ｋ１に送出される。
　図３の上段は、実施例１に係る液体供給システムのベローズ４２にかかる圧力の変動を概略的に示す図であり、図３の下段は、ベローズ４１にかかる圧力の変動を概略的に示す図である。本実施例では、密閉空間Ｒ１を真空空間としている。したがって、本実施例に係る液体供給システム１０のベローズ４２にかかる圧力は、軸１５の往復移動による各ベローズの伸縮にともない、図３に示すように、ゼロと最大吐出圧（Ｐ吐）との間の交互に行き来するように変動する。ここでは、最大吐出圧（Ｐ吐）が１ＭＰａの場合の圧力変動を示す。また、図３において、（ａ）は図２（ａ）の軸１５の変位位置に対応し、（ｂ）は図２（ｂ）の軸１５の変位位置に対応し、（ｃ）は図２（ｃ）の軸１５の変位位置に対応する。ベローズ４１，４２にかかる圧力はベローズ外部の圧力とベローズ内部の圧力との差圧であり、本装置起動前の軸１５の変位が無い状態ではポンプ室内に液体を吸入、吐出しておらず、ベローズ４１，４２の外部圧力と内部圧力の差は無いため、ベローズにかかる圧力は０であり、（ｂ）の状態に近づく（第１ポンプ室Ｐ１が吐出し、第２ポンプ室Ｐ２が吸入を行う）につれ、ベローズ４２にかかる圧力が大きくなり、ベローズ外部が最大吐出圧（Ｐ吐）になった際、ベローズ４２にかかる圧力は最大（Ｐ吐）になる。また、（ｃ）の状態に近づく（第１ポンプ室Ｐ１が吸入し、第２ポンプ室Ｐ２が吐出を行う）につれ、ベローズ４２にかかる圧力は小さくなり、吸入圧は０であるため、ベローズ４２にかかる圧力は０になる。尚、この圧力変動はベローズ４１でも位相が異なるのみで、同様の挙動を示す。
　以上のように、液体供給システム１０においては、軸１５の往復移動及び各ベローズ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３０に供給される。また、液体供給システム１０と被冷却装置３０とを繋ぐ戻り通路Ｋ２を通じて、被冷却装置３０に供給された分だけ、液体供給システム１０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２０が設けられている。このような構成により、冷却機２０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１０と被冷却装置３０との間を循環する。
　以上説明したように、２つのポンプ室を有し、その２つのポンプ室から交互に流体を供給するため、各ベローズが縮む際、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、各ベローズの伸縮動作による液体供給量を、例えば、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。したがって、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ベローズ４１と第２ベローズ４２の内側に形成される密閉空間Ｒ１は、第１ベローズ４１と第２ベローズ４２が伸縮しても容積が変化せず、第１ベローズ４１と第２ベローズ４２に作用する内圧（それぞれの内周面に作用する圧力）が変化しない空間となっている。すなわち、本実施例に係る液体供給システム１０は、ポンプ室が各ベローズの外側に配置され、ベローズの内圧変動による座屈の発生が生じない構成となっている。したがって、ベローズの耐圧設計において、内圧座屈を考慮する必要がなくなるため、設計自由度が高められ、吐出圧の高圧化を図ることができる。この本実施例の利点について、図５及び図６を参照し、従来例と比較して説明する。
　図５は、従来例に係る液体供給システムの動作を説明する模式図である。図５に示すように従来例に係る液体供給システムにおいては、ベローズ６１の内側と外側にそれぞれ２つのポンプ室Ｐ１、Ｐ２が形成された構成となっている。すなわち、軸１５の移動によってベローズ６１、６２が縮むと（図２（ａ）→図２（ｂ））、第２送出口２４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２１を介して液体Ｌが第１ポンプ室Ｐ１内に吸入される。また、軸１５の移動によってベローズ６１、６２が伸びると（図２（ｂ）→図２（ａ）→図２（ｃ））、第２吸入口２３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２２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。
　図６は、従来例に係る液体供給システムの吐出圧の変動を示す図である。尚、図において、ベローズ６１の外向き方向にかかる圧力を正、ベローズ６１の内向き方向にかかる圧力を負とする。図６に示すように、従来例の構成では、第１ポンプ室Ｐ１と第２ポンプ室Ｐ２から交互に液体Ｌを吐出する際に、ベローズ６１の内側と外側にそれぞれ交互に同じ大きさの吐出圧（Ｐ吐）が作用することになる。つまりベローズの内向き方向、外向き方向、に吐出圧（Ｐ吐）がかかることになる。したがって、本実施例と同じ最大吐出圧（１ＭＰａ）を得るための構成を考えると、その圧力変動は、本実施例の構成の２倍となる（図３、図６）。そのため、ベローズ６１に要求される耐圧性能も、本実施例のベローズの２倍となる。また、従来例は、ベローズ６１に内圧が作用する構成となっているため、吐出圧を高めようとするとベローズ６１に作用する内圧も高くなってしまい、ベローズ６１に座屈が発生しやすくなってしまう。一般的に、ベローズは外圧に対しては強いが内圧に対しては弱く、高い内圧が作用すると座屈を生じやすい。
　このように、本実施例によれば、各ベローズに作用する圧力が外圧のみとなることで、ベローズに内圧が作用する従来例の構成と比べて、ポンプ吐出圧の高圧化を図ることができるとともに、ベローズの伸縮動作の安定性を向上させることができる。したがって、ケーブルに配置するサーキュレータの台数を少なくすることができる。また、地形に高低差があっても液体を供給することができるので、ケーブル敷設の自由度が向上する。
　さらに、本実施例では、第２容器１２の周囲を第１容器１１により真空空間で囲む構造を採用している。したがって、第２容器１２を囲む真空空間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１４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。すなわち、液体Ｌの熱交換は、真空断熱容器である第１容器１１の壁面からの熱輻射と、第２容器１２の支持部材５１や各通路を介した伝熱に限定され、液体Ｌへの侵入熱を少なくすることができる。また、仮に液体Ｌまで熱が伝わって気化したとしても、常に新しい液体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る。したがって、ポンプ機能を低下させることもない。
　また、本実施例では、軸１５が、第３ベローズ４３における第２容器１２に固定された端部４３ｂとは反対側の端部４３ａを介して第２容器１２の内部に挿通されて各ベローズと連結され、第３ベローズ４３が軸１５の往復移動に伴って伸縮するように構成されている。したがって、軸１５と第２容器１２との間に摺動部位を形成することなく、各ポンプ室Ｐ１、Ｐ２、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。
　また、本実施例では、第３ベローズ４３は、外径が第２ベローズ４２の内径よりも小さく、少なくとも一部が第２ベローズ４２の内側に入り込むように配置され、入り込んだ部分もポンプ空間として使用することが出来るため、その分、空間を大きくする必要が無く第２容器１２のサイズダウンを図ることができる。
　ここで、本実施例では、密閉空間Ｒ１を真空空間としているため、第２容器１２の周りの真空空間と連通する構成としてもよい。
　（実施例２）
　上記実施例１では、密閉空間Ｒ１を真空空間としているのに対し、本発明の実施例２は、密閉空間Ｒ１を気体で満たす構成を採用する。他の構成は、実施例１と同様であり、同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
　密閉空間Ｒ１に封入する気体としては、例えば、ネオンガスやヘリウムガスなど、本システムの使用環境において液化、凍結などの状態変化が生じ難い気体を用いる。そして、密閉空間Ｒ１に封入する気体の圧力は、真空（－１００ｋＰａ）から所望の吐出圧までの範囲（好ましくは、吐出圧の１／２）とする。
　図４は、実施例２に係る液体供給システムの吐出圧の変動を概略的に示す図であり、上段がベローズ４２にかかる圧力変動、下段がベローズ４１にかかる圧力変動をそれぞれ示している。図４は、密閉空間Ｒ１に吐出圧（Ｐ吐）の１／２の圧力の気体を封入した場合の吐出圧の変動を示している。吐出圧の変動幅は、上記実施例１と同じ１ＭＰａであるが、ピーク値は、実施例１の１／２となっている。ベローズにかかる圧力は密閉空間Ｒ１の内部圧力とポンプ室Ｐ１，Ｐ２各々の空間との差圧であるため、密閉空間Ｒ１に吐出圧の１／２の圧力の気体を封入した場合、ベローズに係る圧力は、ポンプ室の最大圧力がＰ吐であるため、
Ｐ吐－（１／２）Ｐ吐
から、（１／２）Ｐ吐となる。また、密閉空間Ｒ１の圧力は（１／２）Ｐ吐だけでなく、２つのベローズの大きさ、２つのポンプ室の大小、等、仕様により適宜設定することができる。このように、ベローズ４１、４２内側に対して、封入気体で加圧することにより、ベローズ４１、４２に作用する圧力のピーク値を低減することができる。したがって、ポンプ吐出圧を高める高圧設計における設計自由度を高めることができる。
　１０　      液体供給システム
　１１        第１容器
　１２        第２容器
　２１        第１吸入口
　２２        第１送出口
　２３        第２吸入口
　２４        第２送出口
　１４        リニアアクチュエータ
　１５        軸
　４１        第１ベローズ
　４２        第２ベローズ
　４３        第３ベローズ
　５１        支持部材
　５２        ベローズ
　２０        冷却機
　３０        被冷却装置
　３１        容器
　３２        超電導ケーブル
　Ｋ１        供給通路
　Ｋ２        戻り通路
　Ｌ          液体
　Ｐ１        第１ポンプ室
　Ｐ２        第２ポンプ室
　Ｒ１        密閉空間

Claims (6)

  1. 　システムの外部と通じる第１通路から液体を吸入し、かつ吸入した液体をシステムの外部と通じる第２通路に送出するように構成された容器と、
    　前記容器の内部に伸縮方向に直列に配置された第１ベローズ及び第２ベローズであって、互いに近接する側のそれぞれの第１端部がそれぞれ前記容器の内壁に固定され、互いに遠い側のそれぞれの第２端部がそれぞれ伸縮方向に移動可能に構成された第１ベローズ及び第２ベローズと、
    　前記容器の内部に挿通されて前記第１ベローズ及び前記第２ベローズの前記第２端部がそれぞれ固定され、駆動源によって前記伸縮方向に往復移動することにより、前記第１ベローズ及び第２ベローズを伸縮させる軸と、
    を備える液体供給システムであって、
    　前記容器内のうち前記第１ベローズの外側は第１ポンプ室となっており、該第１ポンプ室には、前記第１通路から液体を第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第２通路に送出する第１送出口が設けられ、
    　前記容器内のうち前記第２ベローズの外側は第２ポンプ室となっており、該第２ポンプ室には、前記第１通路から液体を第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第２通路に送出する第２送出口が設けられ、
    　前記第１ベローズ及び第２ベローズの内側は、密閉空間が形成されていることを特徴とする液体供給システム。
  2. 　前記密閉空間は、真空状態であ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. 　前記密閉空間は、気体によって満た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. 　内部が真空にされた外側容器をさらに備え、
    　前記容器は、真空空間に囲まれるように前記外側容器内に配置され、
    　前記軸は、前記外側容器の外部から前記容器の内部に至るように挿通されることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の液体供給システム。
  5. 　前記第２ベローズに対して伸縮方向に直列に配置される第３ベローズであって、内側が前記容器の外部に開放されるように、一方の端部が前記容器に固定されるとともに、他方の端部が前記第２ベローズの前記第２端部に連結され、前記第２ベローズの伸縮にともなって伸縮する第３ベローズをさらに備え、
    　前記軸は、前記第３ベローズの内側を挿通されて前記第２端部に連結されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の液体供給システム。
  6. 　前記第３ベローズは、外径が前記第２ベローズの内径よりも小さく、少なくとも一部が前記第２ベローズの内側に入り込むように配置されることを特徴とする請求項５に記載の液体供給システム。
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