液体供给系统的制作方法

本发明涉及一种用于供给液氮或液氦等超低温液体的液体供给系统。

背景技术：

迄今为止，为了将超导电缆等维持在超低温状态而向收纳有超导电缆等的真空隔热管供给液氮等超低温液体的技术已为公众所知。为了使真空隔热管内部具备超导电缆的被冷却装置能够在超导状态下维持超导电缆，超低温液体的液体供给(循环)系统始终向真空隔热管内供给超低温液体。

迄今为止，设想仅使液体循环而使用超低温液体循环系统的情况较多，并且较多地采用具有代表性的离心泵作为超低温液体循环系统的泵机构。但是，由于考虑到将输送含有金属粉末、石料、陶瓷等固体粒子的超低温浆液也作为超低温液体循环系统的用途，则需要一种与此相对应的超低温液体循环系统。

由于离心泵的排出压力较低，难以供给高浓度的浆料。而且，由于叶轮等旋转部件与浆料的相对速度较大，因而摩擦力大而容易磨损。并且，旋转部的间隙夹住固体粒子而容易卡住。此外，使用金属波纹管部件的超低温用波纹管泵作为可实现高于离心泵的排出压力的泵机构已众所周知(专利文献1)。但是，当送液对象为含有浆料的液体时，由于浆料碰撞到金属波纹管而可能产生损伤，或夹在波纹部分而可能损伤金属材料。

使用树脂波纹管的树脂泵作为使用含有浆料等沉淀物质的输送液的液体供给系统已为公众所知(专利文献2)。但是，同金属材料相比，由于树脂泵的柔软性较差而无法确保冲程量，因而难以获得用于供给较大流量所需的泵性能，而且，同金属材料相比，可能会弯曲。

而且，迄今为止利用橡胶等具有弹性的弹性体涂覆液体供给系统的润湿部分的方法作为浆料对策已为公众所知。由于具有弹性的涂覆使固体粒子等浆料的冲击得以缓和，因此在室温附近对浆料具备耐磨性能。但是，在玻璃化温度以下的超低温环境下，由于橡胶成为玻璃状会失去弹力，因而超低温浆料不具备耐磨性能。

专利文献1：国际公开第2012/124363号

专利文献2：日本特开2001-153051号公报

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种液体供给系统，该液体供给系统即使以含有浆料的超低温液体为送液对象时也能够实现稳定的泵动作。

为了达成上述目的，本发明的液体供给系统通过波纹管的伸缩而供给含有浆料成分的超低温液体，其特征在于，所述波纹管中的至少所述液体接触的区域由低温脆化温度为液体供给系统的使用温度以下的树脂所涂覆。

波纹管中的超低温液体接触的区域由低温脆化温度低于系统使用温度的树脂所涂覆。通过这种方式，抑制了在系统的液体供给动作中波纹管伸缩时液体含有的浆料与波纹管表面碰撞或浆料夹在波纹管波纹部而损伤波纹管的情况。即，由于用于涂覆波纹管的润湿区域的树脂的低温脆化温度低于系统使用温度，因而能够在使用时维持弹性，从而能够通过相对于碰撞或夹住的浆料进行变形而抑制损伤波纹管的情况。

此外，超低温液体包括液氮或液氦。

本发明的液体供给系统包括：容器，其被构成为从与系统外部连通的第一通道吸入液体，并将吸入的液体送至与系统外部连通的第二通道；

第一波纹管和第二波纹管，其在所述容器内部的伸缩方向上串联配置，并被构成为，相互接近一侧的各个第一端部分别固定在所述容器的内壁上，相互远离一侧的各个第二端部分别在伸缩方向上可移动；以及

轴，其插入所述容器的内部并分别使所述第一波纹管和所述第二波纹管的所述第二端部固定，并通过驱动源在所述伸缩方向上往复移动而使所述第一波纹管和所述第二波纹管伸缩，

所述容器内的所述第一波纹管的外侧为第一泵室，在该第一泵室中设置有第一吸入口和第一送出口，所述第一吸入口用于将液体从所述第一通道吸入第一泵室内，所述第一送出口用于将吸入的液体从第一泵室内送至所述第二通道，

所述容器内的所述第二波纹管的外侧为第二泵室，在该第二泵室中设置有第二吸入口和第二送出口，所述第二吸入口用于将液体从所述第一通道吸入第二泵室内，所述第二送出口用于将吸入的液体从第二泵室内送至所述第二通道，

所述第一波纹管和所述第二波纹管的内侧形成有密闭空间，

至少所述第一波纹管中的面向所述第一泵室的区域和所述第二波纹管中的面向所述第二泵室的区域由低温脆化温度为液体供给系统的使用温度以下的树脂所涂覆。

本发明为通过轴的往复移动而使第一波纹管和第二波纹管的第二端部在波纹管的伸缩方向上整体移动的结构，并通过轴的单向移动使第一波纹管和第二波纹管中的一方缩短而另一方伸长，从而使液体从第一通道吸入第一泵室和第二泵室中的一方，并从另一方送至第二通道。这里，本发明中的第一波纹管、第二波纹管中的润湿部分，即各泵中的面向第一泵室、第二泵室的区域由低温脆化温度低于系统使用温度的树脂所涂覆。从而在液体中含有浆料时，抑制了泵动作中的波纹管伸缩时含有液体的浆料与波纹管表面碰撞或浆料夹在波纹管波纹部中而损伤波纹管的情况。即，由于用于涂覆波纹管的润湿区域的树脂的低温脆化温度低于系统使用温度，因而能够在使用时维持弹性，从而能够通过相对于碰撞或夹住的浆料进行变形而抑制损伤波纹管的情况。

而且，当波纹管为金属时，涂覆树脂直接与液体接触比金属波纹管直接与液体接触更难以使热传向液体，从而在送液对象为超低温液体时能够抑制液体的升温并维持在低温状态。

而且，本发明能够通过轴的往复移动而交替连续地从第一泵室和第二泵室供给液体，因而能够供给抑制了脉动的液体。在该泵动作中，当作用于第一波纹管和第二波纹管的内侧(内周面)的压力未变化时，能够抑制波纹管发生弯曲，从而实现更稳定的泵动作。

而且，至少所述容器内中的面向所述第一泵室和所述第二泵室的区域也由所述树脂所涂覆。

因此，能够抑制容器内壁与包含于液体中的浆料碰撞引起的损伤、热传导。

还包括第三波纹管，所述第三波纹管与所述第二波纹管在伸缩方向上串联配置，其一侧端部固定于所述容器，另一侧端部与所述第二波纹管的所述第二端部连接，使所述第三波纹管的外侧成为所述第二泵室，内侧向所述容器的外部敞开，并随着所述第二波纹管的伸缩而伸缩，

所述轴插入所述第三波纹管的内侧并与所述第二端部连接，

所述第三波纹管中的面向所述第二泵室的区域也可由所述树脂所涂覆。

因此，能够不在轴与容器之间形成滑动部位而将轴与各波纹管的第二端部连接，并使各波纹管伸缩，从而成为不会因轴的滑动摩擦而发热的结构。而且，即使在所述结构中也能够通过涂覆的树脂抑制与包含于液体中的浆料碰撞而引起的损伤、热传导。

按照本发明，即使在以含有浆料的超低温液体为送液对象时也能够实现稳定的泵动作。

附图说明

图1为用于表示本发明实施例的液体供给系统结构的示意图。

图2为用于说明本发明实施例的液体供给系统动作的示意图。

图3为用于表示本发明实施例的液体供给系统的排出压力变化的图。

图4为用于表示本发明实施例的变形例的液体供给系统的排出压力变化的图。

图5为用于说明本发明现有例的液体供给系统动作的示意图。

图6为用于表示本发明现有例所涉及的液体供给系统的排出压力变化的图。

图7为用于表示本发明实施例所涉及的液体供给系统中的润湿区域的示意图。

图8为用于表示本发明实施例所涉及的液体供给系统中的树脂涂覆区域的示意图。

附图标号的说明

100 液体供给系统

11 第一容器

12 第二容器

21 第一吸入口

22 第一送出口

23 第二吸入口

24 第二送出口

14 线性执行机构

15 轴

41 第一波纹管

42 第二波纹管

43 第三波纹管

51 支撑部件

52 波纹管

20 冷却机

30 被冷却装置

31 容器

32 超导电缆

K1 供给通道

K2 返回通道

L 液体

P1 第一泵室

P2 第二泵室

R1 密闭空间

C 树脂涂覆区域

具体实施方式

下面参照附图并根据实施例例示地对实施本发明的方式详细地进行说明。如无特别记载，本实施例所记载的组成部件的尺寸、材质、形状以及其相对位置等并非将本发明的范围限定于此。

(实施例1)

参照图1对本发明的实施例的液体供给系统进行说明。图1为本发明的实施例所涉及的液体供给系统的简要结构图。

液体供给系统10为低温流体用泵装置，为了使树脂容器31的内部具有超导电缆32的被冷却装置30可在超导状态下维持超导电缆32，液体供给系统10始终向容器31内供给超低温的液体L。作为超低温液体L的具体例子，不仅能够举出液氮或液氦，还能够举出具有使液氮或液氦成为液体温度以下的温度的液体。

液体供给系统10大致包括：第一容器(外侧容器)11，其内部为真空；第二容器12，其配置成在第一容器11的内部由真空空间所环绕。在第二容器12的内部，三个波纹管41、42、43大致在各自的伸缩方向上串联配置，这些波纹管41～43将容器内部分隔成三个密闭空间。第二容器12由自第一容器11外部插入第一容器11内部的支撑部件51在第一容器11的内部支撑。

第一波纹管41和第二波纹管42为相同直径，轴心一致并在各自的伸缩方向上相互串联配置。第一波纹管41和第二波纹管42的相互靠近一侧端部(第一端部)41b、42b分别固定于第二容器12的内壁。而且，第一波纹管41和第二波纹管42中的相互远离一侧端部(第二端部)41a、42a分别被构成为由后述的轴15固定成一体，并在各自的伸缩方向上可移动。

并且，第三波纹管43与第二波纹管42串联配置在第一波纹管41的相反一侧。第三波纹管43被配置成外径小于第二波纹管42的内径，并且一部分在伸缩方向上进入第二波纹管42的内侧。第三波纹管43的一侧端部43b固定于第二容器12的内壁，第三波纹管43的内侧向第二容器12的外部敞开。第三波纹管43的另一侧端部43a与第二波纹管42的端部42a连结，并且第三波纹管43随着第二波纹管42的伸缩而伸缩。

第一波纹管41的端部41a被封闭，由第二容器12中的第一波纹管41外侧区域所形成的密闭空间构成第一泵室P1。由第二容器12中的第二波纹管42和第三波纹管43外侧区域所形成的密闭空间构成第二泵室P2。第二波纹管42的端部42a与第三波纹管43的端部43a之间被封闭，第一波纹管41的端部41b与第二波纹管42的端部42b之间敞开，第二容器12内的第一波纹管41内侧的区域和第二波纹管42内侧的区域构成一个密闭空间R1。

在第二容器12中设置有第一吸入口21和第一送出口22，所述第一吸入口21将液体从与系统外部连通的返回通道(返回管)K2吸入第一泵室P1内，所述第一送出口22将吸入的液体L从第一泵室P1内送至通向系统外部的供给通道(供给管)K1。并且，在第二容器12中设置有第二吸入口23和第二送出口24，所述第二吸入口23将液体从返回通道K2吸入第二泵室P2内，所述第二送出口24将吸入的液体L从第二泵室P2内送至供给通道K1。而且，在第一吸入口21和第二吸入口23中分别设置有止回阀100a、100c，并在第一送出口22和第二送出口24中分别设置有止回阀100b、100d。

而且，被构成为通过作为动力源的线性执行机构14进行往复移动的轴15从第一容器11的外部穿过第三波纹管43的内侧而进入第二容器12的密闭空间R1内部，并分别使第一波纹管41的端部41a和第二波纹管42的端部42a固定。由此，轴15的往复移动使各波纹管42a伸缩。

轴15的结构为经由设置于第一容器11的波纹管52，从第一容器11的外部插入内部。波纹管52被构成为，一端固定在第一容器11上，另一端固定在轴15上，并随着轴15的往复移动而伸缩。

参照图2对液体供给系统10的动作进行说明。图2为用于说明本发明实施例所涉及的液体供给系统动作的示意图。图2(a)为波纹管41、42既未在伸长方向也未在缩短方向上移动状态的第二容器12内部的图。图2(b)为用于表示液体L从返回通道(第一通道)K2被吸入第一泵室P1，并且液体L从第二泵室P2被送至供给通道(第二通道)K1时的状态、即第一波纹管41为最大缩短状态和第二波纹管42为最大伸长状态的第二容器12内部的图。图2(c)为用于表示液体L从返回通道(第一通道)K2被吸入第二泵室P2，并且液体L从第一泵室P1被送至供给通道(第二通道)K1时的状态、即第一波纹管41为最大伸长状态和第二波纹管42为最大缩短状态的第二容器12内部的图。

当轴15移动而使第一波纹管41缩短，第二波纹管42伸长时(图2(a)→图2(b))，液体L经由第二送出口24从第二泵室P2内被送至供给通道K1，并且液体L经由第一吸入口21被吸入第一泵室P1内。而且，当轴15移动而使第一波纹管41伸长，第二波纹管42缩短时(图2(b)→图2(a)→图2(c))，液体L经由第二吸入口23被吸入第二泵室P2内，并且液体L经由第一送出口22从第一泵室P1被送至供给通道K1。通过这种方式，在轴15往复移动时的任一方向上液体L均被送至供给通道K1。

图3的上段为示意地表示实施例1所涉及的液体供给系统的第二波纹管42所受到的压力变化的图，图3的下段为示意地表示第一波纹管41所受到的压力变化的图(为了便于说明而忽略液体未从泵室排出时的压力)。本实施例中的密闭空间R1为真空空间。因此，本实施例所涉及的液体供给系统10的第二波纹管42所受到的压力随着轴15的往复移动产生的各波纹管的伸缩而变化，如图3所示，在零与最大排出压力(P排出)之间交替往复。这里，最大排出压力(P排出)表示1MPa时的压力变化。而且，在图3中，(a)对应于图2(a)的轴15的变化位置，(b)对应于图2(b)的轴15的变化位置，(c)对应于图2(c)的轴15的变化位置。波纹管41、42所受到的压力为波纹管外部压力与内部压力之间的差值，由于在本装置启动前的轴15未移动状态下，将液体吸入泵室内并不排出，波纹管41、42的外部压力与内部压力之间没有差值，因而波纹管所受到的压力为零，随着接近(b)状态(第一泵室P1进行排出，第二泵室P2进行吸入)，第二波纹管42所受到的压力变大，当波纹管外部为最大排出压力(P排出)时，第二波纹管42所受到的压力成为最大(P排出)。并且，随着接近(c)状态(第一泵室P1进行吸入，第二泵室P2进行排出)，由于第二波纹管42所受到的压力变小，吸入压力为零，因此第二波纹管42所受到压力变为零。此外，第一波纹管41的压力变化仅相位不同，但显示同样的特性。

如上所述，在液体供给系统10中，通过重复轴15的往复移动和各个波纹管的伸缩动作，液体L经由供给通道K1而被供给至被冷却装置30。并且被构成为液体L中仅供给至被冷却装置30的部分经由用于连接液体供给系统10和被冷却装置30的返回通道K2，返回液体供给装置10中。而且，在供给通道K1的中间设置有用于将液体L冷却至超低温状态的冷却机20。这种结构使由冷却机20冷却至超低温的液体L在液体供给系统10与被冷却装置30之间循环。

如上所述，由于具有两个泵室并从两个泵室交替供给液体，因而无论在各个波纹管缩短或伸长时，液体L均被送至供给通道K1，例如同仅第一泵室P1发挥泵功能时相比，能够使各个波纹管的伸缩动作产生的液体供给量成为两倍。为此，同仅第一泵室P1发挥泵功能时相比，能够将希望供给量的一次供给量变为一半，从而能够使供给通道K1内的液体的最大压力变为一半左右。因此，能够抑制供给液体的压力变化(脉动)产生的不良影响。

而且，即使第一波纹管41和第二波纹管42伸缩，由于在第一波纹管41和第二波纹管42内侧形成的密闭空间R1的容积也不变化(由于两波纹管伸缩部分的内部空间的断面面积相等)，从而成为作用于第一波纹管41和第二波纹管42的内压(作用于各自的内周面的压力)不变化的空间。即，本实施例的液体供给系统10的结构为泵室配置在各波纹管的外侧，并且不会发生因波纹管的内压变化而产生弯曲。因此，在波纹管的耐压设计中，由于无需考虑内压弯曲，提高了设计自由度，从而能够提高排出压力。参照图5和图6，并通过与现有例进行对比来说明本实施例的优点。

图5为用于说明现有例的液体供给系统动作的示意图。如图5所示，现有例的液体供给系统的结构为，在波纹管61的内侧和外侧分别形成有两个泵室P1、P2。即，当轴15的移动使波纹管61、62缩短时(图2(a)→图2(b))，液体L经由第二送出口24从第二泵室P2内被送至供给通道K1，并且液体L经由第一吸入口21被吸入第一泵室P1内。而且，当轴15的移动使波纹管61、62伸长时(图2(b)→图2(a)→图2(c))，液体L经由第二吸入口23被吸入第二泵室P2内，并且液体L经由第一送出口22而从第一泵室P1被送至供给通道K1。

图6为用于表示现有例的液体供给系统的排出压力变化的图。此外，将图中的波纹管61向外方向所受到的压力设定为正，将波纹管61向内方向所受到的压力设定为负(为便于说明而忽略液体未从泵室排出时的压力)。如图6所示，在现有例的结构中，当从第一泵室P1和第二泵室P1交替地排出液体L时，相同大小的突出压力(P排出)分别交替地作用于波纹管61的内侧和外侧。也就是说波纹管的向内方向、向外方向受到排出压力(P排出)。因此，当考虑用于获得与本实施例相同的最大排出压力(1MPa)时，其压力变化为本实施例结构的两倍(图3、图6)。为此，波纹管61所要求的耐压性能也为本实施例的波纹管的两倍。而且，由于现有例为内压作用于波纹管61的结构，因而当打算提高排出压力时，作用于波纹管61的内压也会升高，从而导致波纹管61容易发生弯曲。通常，波纹管对外压有较强的抵抗力而对内压的抵抗力较弱，从而当较高的内压作用时，容易发生弯曲。

如上所述，按照本实施例，通过使作用于各个波纹管的压力仅为外压，从而同内压作用于波纹管的现有例结构相比，不仅能够提高泵排出压力，而且能够提高波纹管伸缩动作的稳定性。因此，能够减少配置于电缆的循环器的台数。而且，由于即使形状有高度差也能够供给液体，从而提高了电缆布设的自由度。

而且，本实施例采用由第一容器11的真空空间环绕第二容器12的结构。因此，由于环绕第二容器12的真空空间发挥防止热传导的功能，从而能够抑制线性执行机构14产生的热或者空气热量传递至液体L。即液体L的热交换被限定于来自作为真空隔热容器的第一容器11的壁面的热辐射和经由第二容器12的支撑部件51或各个通道的热传导，从而能够减少侵入液体L的热量。而且，即使热传递至液体L并气化，但由于始终有新鲜的液体L供给而具有冷却效果，从而能够抑制液体L在泵室内部上升至气化温度。因此，不会降低泵功能。

而且，本实施例被构成为，轴15经由端部43a插入第二容器12的内部并与各波纹管连接，第三波纹管43随着轴15的往复移动而伸缩，其中端部43a位于与固定在第三波纹管43中的第二容器12上的端部43b相反一侧。因此，由于不在轴15与第二容器12之间形成滑动部位而形成各泵室P1、P2、密闭空间R1，从而不会随着滑动产生的摩擦阻力而产生热。

而且，由于本实施例中的第三波纹管43被配置为外径小于第二波纹管42的内径，并且至少一部分进入第二波纹管42的内侧，进入的部分也能够作为泵空间使用，这使得无需增大空间就能够减小第二空间12的尺寸。

这里，由于本实施例将密闭空间R1设定为真空空间，也可以设定为与第二容器12周围的真空空间连通的结构。

而且，尽管本实施例将密闭空间R1设定为真空空间，但也可以采用气体充满密闭空间R1的结构。

例如，使用氖气或氦气等在本系统的使用环境中难以产生液化、冻结等状态变化的气体作为封入密闭空间R1的气体。而且，将封入密闭空间R1的气体压力设定为从真空(-100kPa)到希望的排出压力范围(优选为排出压力的1/2)。

图4为用于示意地表示实施例所涉及的液体供给系统的排出压力变化的图，上段表示第二波纹管42所受到的压力变化，下段表示第一波纹管41所受到的压力变化。图4表示将突出压力(P排出)的1/2压力的气体封入密闭空间R1时的排出压力变化(为了便于说明而忽略液体未从泵室排出时的压力)。尽管突出压力的变化幅度与上述实施例1形同为1MPa，但峰值为实施例1的1/2。由于波纹管所受到的压力为密闭空间R1的内部压力与泵室P1、P2各自空间之间的差值，当将突出压力的1/2压力的气体封入密闭空间R1时，由于波纹管所受到的压力的泵室的最大压力为P排出，因而P排出－(1/2)P排出则为(1/2)P排出。而且，密闭空间R1的压力也可以不是(1/2)P排出，而是根据两个波纹管的尺寸、两个泵室的大小等规格而适当地进行设定。由此，通过封入气体对波纹管41、42内侧加压，能够降低作用于波纹管41、42的压力的峰值。因而能够提高用于增加泵排出压力的高压设计中的设计自由度。

这里，参照图7和图8对本实施例的特征结构进行说明。图7为用于表示本发明实施例的液体供给系统中的润湿区域的示意图。图8为用于表示本发明实施例的液体供给系统中的树脂涂覆区域的示意图。图7中用阴影线表示的区域为本实施例的液体供给系统10中的液体L的流通区域。而且，图8中用粗线表示的区域为与本实施例的液体供给系统10中的液体L之间的润湿区域(树脂涂覆区域C)。

本实施方式的液体供给系统10的特征在于用树脂涂覆系统各结构中的润湿部位。用于涂覆的树脂采用即使在超低温环境下也能够发挥耐磨性能的树脂，即，采用低温脆化温度低于系统使用温度的树脂。例如，包括PTFE(聚四氟乙烯)、聚酰亚胺等。

由上述树脂涂覆的部位如下：第一波纹管41、第二波纹管42、第三波纹管43各自的波纹部的外周面；从第二容器12的内壁面整个区域经由吸入口21、吸入口23、送出口22、送出口24而至供给通道K1、返回通道K2、止回阀100a～100d中的润湿面；以及轴15中固定有第一波纹管41的端部41a的第一凸缘部15a、固定有第二波纹管42的端部42a的第二凸缘部15b、固定有第三波纹管43的端部43a的第三凸缘部15c中的润湿面等部位。使用将树脂材料喷到涂覆区域进行涂布等现有方法实施涂覆。

尽管优选将涂覆区域设定为可与液体L接触的部位的所有区域，但也可以至少覆盖系统中的可动部位，即系统中与含有浆料的液体L之间积极地产生相对移动的部位。

按照本实施例，由于用于涂覆系统的润湿区域的树脂的低温脆化温度低于系统使用温度，因而在使用时能够维持弹性，从而通过相对于因与液体L之间相对移动而碰撞等的浆料进行变形，能够抑制损坏系统的各组成的情况。尤其是当泵动作中的各波纹管伸缩时，抑制因液体L中含有的浆料与波纹管表面之间的碰撞或浆料夹在波纹管波纹部而损伤波纹管的情况。

而且，在波纹管为金属时，与金属波纹管直接与液体接触相比，涂覆树脂进行接触更难以使热传递至液体L，从而在送液对象为超低温液体时能够抑制液体L的升温并维持在低温状态。

此外，树脂涂覆层无需紧贴被覆部位，尤其是树脂涂覆层与波纹管的金属表面之间也可以有间隙。即，只要能够缓和因与浆料接触、碰撞而引起的系统各组成的损害即可。因此，当将系统中的润湿区域全部涂覆树脂时，则系统成为液体L在树脂袋中流通的结构。

而且，相对于图5所示的现有泵结构中的波纹管波纹部的内周面侧也需要涂覆树脂，而在本实施例中的泵结构中，由于波纹管的润湿部位仅为波纹管波纹部的外周面，也可以仅将波纹部外周面涂覆树脂。