JPS6336068A - 極低温流体用ピストンポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はポンプシリンダー付の冷却液体用ピストンポン
プに関するもので、このシリンダー内にはピストンがシ
リンダーの内壁と密接して往復運動し、又、このポンプ
には、吸込弁と吐出弁とポンプシリンダーの外側でシリ
ンダーを取り巻いている環状通路とが収り付けられてお
り、この環状通路は、ポンプで吸いあげられｆｓ％低温
流体の排出路ｔ！−形成している。

〔従来の技術〕

このようなビス１〜ンボンプは、例えば液体窒素、或は
液体水素などと言った極低温流体からなる冷力Ｈ・音を
吸い上げる時に使用される。（Ｇｏｔｔｚｍａｎｎ著、
パ液体水素、液体ヘリウム用高圧ポンプ’　ＩＩｉｇｈ
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｌｉｑｕｉｃｌ　Ｉｌｙｄｒｏｇｅ
ｎ　ａｎｄ　ｌｌｅｌｉｕｍ　Ｐｕｍｐｓ。

八ＩＣＥ、ａｄｖａｎｃｅｓ　　ｉｎ　　Ｃｒｙｏｇｅ
ｎｉｃ　　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、　　第５巻、１９
６０年、２８９頁〜２９８頁参照）前記冷却液を吸い上
げる際、この冷却液の沸騰、低い温度及び低い動粘度等
による問題点がいくつか生じていた。つまり温度が低い
ため材料の選択が制限され特にピストンとシリンダーを
組合せる場合、収縮作用をひき起こすので潤滑剤を付加
できなかった。また、この流体は動粘度が小さいため潤
滑性が小さく、従って潤滑作用はピストン及びシリンダ
ーの表面の、自己潤滑性に依存していた。すなわち圧縮
空間の密閉は、自己潤滑性表面同士により又は言わゆる
ガスクツションの非接触シールにより行われていた。

しかし密閉を保つ反面ビスｌ〜ンとシリンダーとの間の
摩擦は最小限に抑えなければならない。というのは摩擦
熱により気泡が発生するからである。

この事は、ポンプの機能を果たす性能を正常に保つため
には、極力避けなければならない。最終排出圧力及び容
請効率に応じて容積の約１５〜２０９≦のガス割合は許
容範囲とみなすことかできる。例えば、米国１ν許４１
５６５８４及び４３９６３６２に開示された固体ビス１
〜ンボンプの場斤は、蒸発した液体は、漏管を通り、貯
蔵器又は供給管へ戻さ五る。空洞のビスｌ〜ンから成る
往復ポンプ（ＤＥ−ＯＳ（ドイツ公開公報＞　３３４２
３８１）の場合は、漏管は必要ない。なぜならここては
、ピストンの往ＩＷ運動の際、隙間の１ｍ　ｌ？７によ
りできた蒸発液は吸入空間に戻り、次の往復運動の時に
一緒に吸い上げられるからである。

さらに蒸発した漏液〈米国特許４３９６３６２）により
又はポンプ本体内（米国特許４１５６５８４）の圧力側
を流れる本流によりシリンダーの壁面を冷却することが
必要であった。これによりシリンダー壁の熱の蓄積を防
止していた。つまり熱は、極低温流体と一緒に放出され
るのである。圧縮室の下流側では、冷却媒体液（極低温
流体）への熱伝導は、吸入室での熱の伝導に比べ問題は
少い。というのは、特に吐出弁の下流側では熱伝導によ
り圧力上昇の効果さえもたらすからである。特に臨界圧
力を越えれば２相流の危険性はない。

以上述べた理由からポンプの重要な部分を成すピストン
、シリンダー、バッキングリングなどには、以下の材料
が適当である。例えば低温に強いオーステナイト鋼や、
ＦｅＮｉ３６、ブロンズ、ＰＴＦＥ　（ポリテトラフル
オロエチレン）、ＰＴＦＥ−カーホン、ＰＴＦＥ−ブロ
ンズ、ＰＴＦＥ−グラファイト、セラミック、カーボン
１ａ維強化プラスチックなどである。

セラミックとカーボン繊維強化プラスチックに関しては
、比較的にまだあまり研究が進められていないが、周知
のポンプのピストンとシリンダーは、たいてい低温に強
いオーステナイト鋼かＦｅＮｉ３６で製造されている。

圧縮室を密閉するには、ＰＴＦＥ−グラファイトかＰＴ
ＦＥ−カーボンで作られたピストンリングが使用される
。この両者の材料は、鋼材に対し極めてすぐれた滑性（
活動性）があり、その上、自己潤滑の特性を備えている
。ただ短所となるのは、熱膨張率が高い点である。例え
ばＰＴＦＥを使用した場合周囲温度を７７Ｋまで低下さ
せるとＰＴＦＥの熱膨張は、特殊鋼よりも６〜７倍大き
く、又、ＦｅＮｉ３６−鋼よりも４０倍近くも大きいた
めＰＴＦＥのピストンリングの半径方向の収縮は致命的
である。

切り込みの入った（孔明きの）ピストンリングの場合、
収縮は、ベリリウム−銅のばねにより予め張力を付加し
ておくことにより補償できるが、孔からの液漏れ及び製
造コストの点で問題がある。

孔無しのＰＴＦＥのピストンリングの場合は、冷却の際
ビス）〜ンとシリンダーとの間の間隙の増加は、次にあ
げるいくつかの処置を組み合わせることによって抑える
ことができる。

１、　ピストンリングの厚さを可能な限り薄くして実際
の収縮量を減少させる。

２、　　ＦｅＮｉ３６のピストン上にピストンリングを
焼きばめすることにより、ピストンリングの内径は、冷
却時に一定に保たれ横方向の収縮だけが問題となる。

３、耐冷性のあるオーステナイト鋼をシリンダーの材料
として使用することにより、隙間は最終的にはＰＴＦＥ
の横方向の収縮と、耐冷性のオーステナイト鋼でできた
シリンダーの収縮との差まで減少する。

圧力上昇１０バール以上の高圧ポンプに対してはこれら
の処置ととっても、できる隙間はまだ大きすぎる。シリ
ンダーに対して通常温度では径の大きいピストンリング
を備えた冷１ｍピストンを用いることもできる。しかし
、この場合、温度が高いとビスｌ−ンとシリンダーが抵
触しピストン運動ができなくなるという問題がある。ま
た、ピストンリングの塑性変形も問題である。

ピストンをＰＴＦＥの膜で被覆することも可能である。

しかしこの場合もピストンへの被膜の接着性及び被膜層
（層の厚さ１５μｍ〜４０μ１１１）の磨損に対する耐
久性が問題となる。

〔発明の目的〕

そこで、本発明の目的は、米国特許４１５６５３４て示
された公知技術と異り、使用温度においてビスＩ・シリ
ンダを使用せずに、しかも高温状態でピストン運動を制
約することなしに最適な密閉状態を可能にさせるような
ピストンポンプ構造を提供することである９ 〔発明の構成〕 この課顧は、本発明に従い、冒頭で述べたようなピスト
ンポンプを使用すれば解決される。つまり、シリンダー
がすぐれた滑性、或はそれ自体潤滑性を備えた材料で作
られ、ピストンよりも高い熱膨張率を侍っていること、
シリンダーとピストンの寸法は、使用温度の状況下でも
ピストンがシリンダーの内壁に対して間隙なく密閉され
ているように設定されるということ、又、環状通路の流
れの下った最後の箇所に吐出弁が取り付けられている、
ということを特徴とするビスＩ・ンボンプである。

〔発明の作用及び効果〕

本発明に従った構造の場合は、ピストンリングは使用さ
れない。通常ピストンリングに使用されているような材
料で作られたポンプシリンダー全体により密閉作用が行
われる。使用温度の状況下で最適な密閉が果たされるよ
うに寸法が設定される。

シリンダーに使用されている材料は、実質上ピストンよ
りも高い熱膨張率を有するので、ピストンとシリンダー
の内壁間の間隙は、高温時に大きくなる。これはポンプ
の機能に対しわずかに影響を与える程度であり、ピスト
ン運動の膠着化といった危険性や使用している部品が変
形するといった危険性は生じない。しかも極低温流体が
ピストンとシリンダーの内壁との間の微小の間隙を通っ
て流れることにより各構成部材の冷却が促進されるとい
う効果をもたらす。

シリンターを製造するのに使用する材料は、従来のシリ
ンダーの材料よりも実質上弱いので、環状通路の下流側
端部に吐出弁を設けて環状通路内圧力をポンプシリンダ
ーの内部と同じ高圧としている。これによりシリンダー
には、内側と外側から同じ圧力が与えられ、全体的にシ
リンダーが受ける応力は、最小限度に押えることができ
る。さらに、シリンダーの外側から内側に作用する力は
、少なくとも吸入室においては内側から外側へ作用する
力よりも大きいのて、シリンダーは外側からピストンの
方へ押圧される。これにより、ピストンとシリンダーの
内壁との間の密閉作用が高まる。

さらにシリンダーの自己潤滑性をおびた内壁面は、ピス
トンがその内壁面を従来のシリンダーのピストンリング
の接触面よりも大きいストロークで摺動するため、自己
潤滑性材料の１２粍を減少させることができる。

シリンダーの材料はＰＴＦＥ、ＰＴＦＥ−グラファイト
、１’ＴＦＥ−ブロンズ、ＰＴＦＥ−カーボン、カーボ
ン繊維強ｒヒプラスチック、或は、真鍮、で構成し、ピ
ストンは、熱膨張率の小さい特殊鋼、特に低温特性の良
好な耐冷性オーステナイト鋼、或は、ＦｅＮｉ３６で構
成することが望ましい。

好ましい実施例においては、ビス１〜ンは、そのジャケ
ッ１〜表面に１個ないしは数個の環状肩を備え付けてお
り、これはポンプシリンダーの内壁と間隙なく接触して
いる。このような実買上線状の密閉手段によりピストン
とシリンダー内壁との間の摩擦は減少し、従ってポンプ
操作の除土じる不要な熱も減少する。

環状肩を形成するにあたりこの環状肩の形成部分でのピ
ストンは研磨により球形状としてもよい。

さらに、本発明の別の実施例においては、ピストンは空
洞（中空）で片側が開口し、該ピストンには逆止弁によ
って閉鎖可能な開口部が形成される。

このような空洞体を用いることにより、冷却すべきピス
トンの’ＩｔＭが減少し特に速い冷却が可能となる。こ
の冷却効果は冷却中、ピストンの外側と内側を流れる極
低温流体及び同様にシリンダーの内側と外側を流れる極
低温流体により高まる。

環状通路の容積が１回のビストンストロークによる液体
吐出量より少ないように、環状通路の半径方向寸法を小
さくすることが望ましい。これにより環状通路内の流体
速度が増加し特にポンプシリンダーからの熱の放出を効
果的に行なうことができる。

ポンプシリンダーの一端分シリンダーヘッドに焼きばめ
し、他端を吐出流体が流れる部分に開放させてもよい。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施例につい
て詳述する。

図面に記されているピストンポンプは、上部にフランジ
２、下部にフランジ３を収り付けたシリンダーの真空容
器１で囲まれており、このフランジ２と３で上部のふた
・１と下部のふた５は、密閉されて閉められている。側
面に収りつけて閉じられている空気抜き（短いパイプ）
６により、真空容器の室内は排気できるようになってい
る。上部のふた１１の中央部に固定されている金属サッ
ク７のｆｌ＋１面上にカラス繊維性ｆヒプラスチックで
出来たパイプ８が収り付けられ、例えば接着剤で固定さ
れている。パイプ８の端９はフランジ状に外側方向に曲
がりふた板１０と一緒にねじで固定され、このふた板に
より外枠シリンダー１１の上部の薄壁部を閉じている。

この外枠シリンダー１１の下部は固定リング１２によっ
て、シリンダーヘッド１３と一緒に間隙が生じないよう
に密閉して締められている。

シリンダーヘッド１３は、外枠シリンダー１１の下部の
中の方にも突出しており、この部分のシリンダーヘッド
の中央部には弁室１４が備わりこの弁室の上側には弁ホ
ルダ−１５がネジ止めされている。弁室１４の下側は、
吸上管１６がこの弁室に挿入されており、この吸上管１
６は、真空封止状態で真空容器１の下ぶた５を通過して
いる。吸−ヒ管１６の弁室１４への入口は、球冠状に牛
られたバルブ体］７のための弁座として形成されている
。このバルブ体１７は、弁ホルダ−１５内にガイドされ
ベリリウム銅のばね１８によって弁座に対して押圧され
る。バルブ体１７はばね１８に抗して弁座から離れて上
昇可能である。

外枠シリンダー１１内に突出したシリンダーヘッド１３
の上端に段差１つが設けられる。この部分のシリンダー
ヘッド１３−Ｅに両側が開口しているポンプシリンダー
２０が焼きばめて固定されており、このポンプシリンダ
ーの外壁と外枠シリンダー１１の内壁との間には、半径
方向に狭い環状通ｉ￥３２１が形成されている。ポンプ
シリンダー２０の、シリンダーヘッド１３との反対側の
端部は、ふた板１０かられずかの距離を隔てて配置され
、ポンプシリンダー２０内と環状通路２１とが連通して
いる。さらにポンプシリンダー２０の内部は弁ホルダ−
１５の開口部（孔）２２を介して弁室１４と連通してい
る。

環状通ｉ？８２１は、固定リング１２内に半径方向に拡
大して形成されたリング室２３内に開口する。

シリンダーヘッド１３の下部には、吐出弁２４が取り付
けられ、これはリング室２３と吐出管２５とを連結しこ
の吐出管２５も吸上管１６と同様に、下ぶた５を貫通し
真空封止されている。吐出弁２４はばね２７により弁座
２８に対して押圧される球状のバルブ体２６を備えてい
る。

ポンプシリンダー２０の内部には、空洞ピストン２つが
取り付けられており、このピストンの外側の被覆面（シ
ャケ１１〜面）には、軸方向に互いに間隔をおいて研磨
加工により丸みを帯びて形成された複数の球状部３０が
備わる。これらは、一番外側の外周部でポンプシリンダ
ー２０の内壁と接触している。空洞ピストン２９は、−
面は開口されており反対側の面の端部壁３１にピストン
駆動軸３３が貫通する開口３２が形成されている。この
ビスｌ〜ン駆動軸３３は、空洞ピストン２つの内部でバ
ルブ体３４を支持し、圧縮ばね３５がバルブ体３４を支
えている。圧縮ばねの反対側の端部は空洞ピストン２９
の開口端部で止め輪３６上に支持されている。圧縮ばね
３５はバルブ体３４を開口部３２の方向へ押圧し、バル
ブ体３４が開口部３２に当接すると開口部は閉じられる
９ピストン駆動軸３３は、外枠シリンダー１１のふた板
１０を通過してピストン運動を行い、バイブ８及び金属
サック７の部分では、ピストン駆動軸は、うすい金属バ
イブ３７で収り囲まれている。

この金属バイブ３７は、上部のふな４の箇所でリングバ
ッキング３８でふた４を貫通して−Ｅ方に伸びるピスト
ン駆動軸３３に対しシールされる。ふた４の上側には、
図示しないピストン駆動軸用の往復駆動機関が設置され
ている。

空洞のピストン２９は、熱膨張率の低い魚属、例えば低
温で強度の大きいオーステナイト鋼又はＦｅＮｉ３６か
ら出きている。これに対しポンプシリンダー２０は、ピ
ストンの材料よりも潤滑性のある材料で、しかもピスト
ンの材料よりも熱膨張率の大きい材料、例えば、ＰＴＦ
Ｅ、ＰＴＦＥ−グラフアイＩ・、ＰＴＦＥ−ブロンズ、
ＰＴＦＥ−カーボン、カーボン繊維強化プラスチック、
真鍮などから製造される。ピストンとポンプシリンダー
の寸法は、使用温度、つまり、吸入吐出する極低温流体
の温度ではピストンの球状部３０がポンプシリンダー２
０の内壁と密接し、それより高い温度状況の下では、ピ
ストン２９とシリンダー２０との間にすき間が生じるよ
うに設計される。

第１図及び第２図に示したポンプの生動は以下のとおり
である。ピストン駆動軸３３が下に押される下方行程の
時はバルブ体３４は、開口部３２から離れるので、ポン
プシリンダー２０の内室にある液体は、空洞ビス１〜ン
２９の開口した下側から開口部３２を通って空洞ピスト
ン２つの上側へ達する（第１図）。ピストン駆動軸３３
が上の方へ引っぼられる上方行程運動の時は、空洞ピス
トン２９の開口部３２は、バルブ体３４によりｊ看じら
れる。この行程運動の時は、吸上弁（バルブ体１７）も
吐出弁２４（バルブ体２６）も開いているので、流体は
空洞ビス）・ン２９の上方部のポンプシリンダー２０か
ら環状通路２１を通り吐出管２５の開いている吐出弁２
４の方へ流れる。これと同時に空洞ピストン２９の下方
部のポンプシリンダー２０内へも流体は吸上管１６を通
って吸引される　（第２図）。

図面で示されたビスｌ−ンボンブの機能にとって重要な
ことは、環状通路２１内は常にポンプ圧力側の高圧が作
用し、ポンプシリンダー２０は常に外側から高い圧力を
受けることである。これにより、空洞ピストン２９の下
（吸上室）では、外から中へ作用する圧力が大きく、空
洞ピストン２つの−にの部分では、ポンプシリンダーに
作用する圧力は両側でバランスを保っている。

これにより強度の小さい材料から成るポンプシリンダー
２０は、半径方向外側に向かう応力を受けず常に内側に
向かって圧力を受け、従ってピストンとシリンダ間の密
閉状信がさらに良くなる。

ポンプシリンダー２０の内側と外側を流れる流体は、ポ
ンプシリンダーを効果的に冷却し、被圧面で摩擦により
発生する熱を放出させる。

ピストンとポンプシリンダー間の密閉性に関しては、低
温の使用温度の時が最適なシールが得られる。それより
高い温度の時は、わずがな漏れが生ずるがこれはポンプ
作動に悪影響を与えるものではなく逆にポンプ駆動の際
の迅速な冷却効果を伴う。

真空容器内にポンプを配置することにより、ポンプを液
体に浸水させない状態でも駆動させることができる。外
部との間の熱伝導部材は、真空封止された吸上管１６、
同様に真空封止された吐出管２５、被覆管３７で覆われ
たピストン駆動軸３３、及び金属チューブ７と、ガラス
繊維、強化プラスチックから成り、金属チューブの外側
に設けた管８などである。これらの熱伝導部材に関して
はポンプ装置の周囲に対する断熱性がすぐれている。

ピストン駆動軸３３は高温時に上ぶた４の部分で密閉さ
れ従って密閉作用は非常に効果的である。

金属管３７の内部ではピストン駆動軸３３がガス　　層
で覆われ、このガス層は変化しない。この金属管３７と
、ビス１ヘン駆動軸３３の間のガス容積はできるだけ最
小限にする。

第１図及び第２図の空洞ピストン２つには軸方向に４箇
所の球状部３０を設けたが、第３図の別の実施例の空洞
ピストンには、上端部と下端部の２ケ所にのみ球状部３
０を形成している。このポンプの場合でも本発明に従い
ピストンとポンプシリンダーとの間には使用温度の際す
ぐれた密閉性分保つことができる。

本発明において、例えば円筒形に研磨されたピストンや
、弁で関しられた開口部がついていないコンパクトなピ
ストン等を用いることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は吸込弁と吐出弁が閉じた時の極低温流体用ピス
トンポンプの中心部縦断面図、第２図は吸込弁と吐出弁
が開いた時の極低温流体用ピストンポンプの中心部縦断
面図、第３図は本発明の別の実施例のピストンの縦断面
図である。 （符号の説明） １・・・真空容器、　　　２・・・フランジ、３・・・
フランジ、　　　４・・・ふた、５・・・ふた、　　　
　　６・・・空気抜き、７・・・金属サック、　　８・
・・パイプ、９・・・パイプ８の端、 １０・・・ふた板（プレート）、 １１・・・外枠シリンダー、 １２・・・固定リング、 １３・・・シリンダーヘッド、 １４・・・弁室、　　　　１５・・・弁ホルダ−，１６
・・・吸上管、　　　　１７・・・バルブ体、１８・・
・ベリリウム銅ばね、 １つ・・・段差、 ２０・・・ポンプシリンダー、 ２１・・・環状通路、　　２２・・・孔、２３・・・リ
ング室、　　２４・・・吐出弁、２５・・・吐出管、　
　　２６・・・球状バルブ体、２７・・・ばね、　　　
　　２８・・・弁座、２９・・・ピストン、　　　３０
・・・環状肩、３１・・・外壁、　　　　３２・・・孔
、３３・・・ピストン駆動軸、 ３４・・・バルブ体（逆止めバルブ）、３５・・・圧縮
ばね、　　３６・・・止め輪、３７・・・金属パイプ、
　３８・・・リングバッキング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、密閉状態でピストンを振動変位させるポンプシリン
   ダーと、吸込弁及び吐出弁と、前記ポンプシリンダーの
   外周に設けられかつポンプにより吐出された極低温流体
   の出口を形成する環状通路とを具備した極低温流体用ピ
   ストンポンプにおいて、前記ポンプシリンダー（２０）
   は、良好な摺動性と自己潤滑性を有しかつ前記ピストン
   （２９）の熱膨張率よりも大きい熱膨張率をもつ材料で
   構成し、前記ポンプシリンダー（２０）及びピストン（
   ２９）は使用温度においてピストン（２９）がポンプシ
   リンダー（２０）の内壁に密閉的に接するように各寸法
   を選定し、前記吐出弁（２４）は前記環状通路（２１）
   の下流側端部に設けられたことを特徴とする極低温流体
   用ピストンポンプ。 ２、前記ポンプシリンダー（２０）は、ＰＴＦＥ−グラ
   ファイト、ＰＴＦＥ−ブロンズ、ＰＴＦＥ−カーボン、
   カーボン繊維強化プラスチック、又は真鍮から作られて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のピス
   トンポンプ。 ３、前記ピストン（２９）は、鋼材又は、熱膨張率の小
   さいＦｅＮｉ３６から作られていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のピストンポンプ。 ４、前記ピストン（２９）は、そのジャケット面にポン
   プシリンダー（２０）の内壁と密接する１つ又はいくつ
   かの環状肩（３０）を備えたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項から第３項までのいずれか１項記載のピス
   トンポンプ。 ５、なだらかな環状肩（３０）を形成するために、ピス
   トン（２９）は、この環状肩部分で丸く研磨されている
   、ということを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
   ピストンポンプ。 ６、前記ピストン（２９）は、空洞で、片面は開口し、
   該ピストン（２９）に、逆止弁（弁体３４）により、閉
   鎖可能な開口部（３２）を設けたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項記載の
   ピストンポンプ。 ７、前記環状通路（２１）の半径方向寸法は、該環状通
   路の容積が１回のピストン運動で吐出される流体量より
   少くなるような寸法であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項から第６項までのいずれか１項記載のピスト
   ンポンプ。