特許 7603548 低温液化ガス汲み出し装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-12

(45)【発行日】2024-12-20

(54)【発明の名称】低温液化ガス汲み出し装置

(51)【国際特許分類】

   F17C 9/00 20060101AFI20241213BHJP

   F17C 13/00 20060101ALI20241213BHJP

【ＦＩ】

F17C9/00 A

F17C13/00 302Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021131024

(22)【出願日】2021-08-11

(65)【公開番号】P2023025729

(43)【公開日】2023-02-24

【審査請求日】2023-01-13

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100127845

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 壽彦

(72)【発明者】

【氏名】青木 淳

(72)【発明者】

【氏名】坂本 克矢

【審査官】永石 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－０２５５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１２９９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６１３４８９３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開昭６０－２０７０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－１０４００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭４６－００５９５４（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】特公昭３９－０１２１７５（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】実開昭５４－０９２５６７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１５６３８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０２０－０１１８３０６（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２００５－３２００６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２１３３３１５５４（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ ９／００

Ｆ１７Ｃ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低温液化ガスが貯留された貯槽に一端側が挿入され、他端側が前記貯槽の外部に延出する汲み出し管と、該汲み出し管に直接又は間接的に支持されて前記貯槽内の前記低温液化ガスを前記汲み出し管に吐出するポンプと、前記貯槽の前記低温液化ガスを取り出す取出し口に設けられて前記汲み出し管が回動可能な状態で該汲み出し管の周囲をシールするウィルソンシールとを備えた低温液化ガス汲み出し装置であって、
前記ウィルソンシールの上方に設けられ、前記汲み出し管を前記ウィルソンシールと同軸で回動可能に支持するベアリングを備え、
前記ベアリングは、前記ウィルソンシールを囲むように設けられた架台によって支持されており、該架台は複数の分割片からなり、前記ベアリングを支持した状態で少なくとも一つの分割片を取り外し可能に構成されていることを特徴とする低温液化ガス汲み出し装置。

【請求項2】

前記架台は、前記ウィルソンシールを視認可能にする点検用窓を有することを特徴とする請求項１に記載の低温液化ガス汲み出し装置。

【請求項3】

前記ポンプは、ポンプ支持部材を介して前記汲み出し管に間接的に支持されており、
該ポンプ支持部材は、上端が前記汲み出し管に固定され、下端で前記ポンプを支持していることを特徴とする請求項１又は２に記載の低温液化ガス汲み出し装置。

【請求項4】

前記ポンプの吐出口と前記汲み出し管の間にフレキシブルチューブが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の低温液化ガス汲み出し装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体ヘリウムなどの低温液化ガスを貯留する貯槽から低温液化ガスを汲み出す低温液化ガス汲み出し装置に関する。

【背景技術】

【0002】

大学等の研究では、冷媒として低温液化ガスが用いられている。特に、液体ヘリウムは最も低温が得られる冷媒であるため、物理学分野を中心に様々な研究で利用されている。

【0003】

液体ヘリウムは冷媒として利用後、ヘリウムガスとなる。ヘリウムは貴重な資源であるため、冷媒として使用した後のヘリウムガスは研究所内や大学内のヘリウム供給拠点に集められ、精製後に再液化される。
再液化されたヘリウムは、一旦、大型のヘリウム貯槽(例えば5000L)に貯蔵される。再び研究に利用される際は、小分け容器(例えば100L)に汲み出されて各研究室に分配される。

【0004】

液体ヘリウムを大型のヘリウム貯槽から小分け容器に汲み出す際は、汲み出し管と呼ばれる真空断熱配管が用いられる。大型のヘリウム貯槽と小分け容器の圧力差により液体ヘリウムを汲み出すことも可能であるが、液体ヘリウムの汲み出し量が多い場合には多大な時間を要する。
そこで、液体ヘリウムの使用量が多い研究機関では、汲み出し管の先端に浸漬式のポンプが取り付けられた汲み出し装置が使用されており、ポンプの力で液体ヘリウムの汲み出しが行われている。

【0005】

上記のような従来の汲み出し装置の一例を図５に基づいて説明する。図５は、液体ヘリウムを貯留する貯槽３に設けられた従来の低温液化ガス汲み出し装置３７を示すものであり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図である。
従来の低温液化ガス汲み出し装置３７は、図５（ｂ）に示すように、低温液化ガスである液体ヘリウムが貯留された貯槽３に一端側が挿入され、他端側が貯槽３の外部に延出する汲み出し管５と、貯槽３内の液体ヘリウムを汲み上げて汲み出し管５に吐出するポンプ７と、貯槽３の開口部に設けられて汲み出し管５が回動可能な状態で汲み出し管５の周囲をシールするウィルソンシール９とを備えている。

【0006】

汲み出し管５は、貯槽３に挿入される挿入部５ａと、挿入部５ａから屈曲して水平に延びる水平部５ｂと、水平部５ｂから屈曲して下方に延びる垂下部５ｃとで構成される三重構造の真空断熱配管である。挿入部５ａの最も内側の配管（以下、「最内管」という）の先端にポンプ７が取り付けられており、汲み出し管５がウィルソンシール９を軸に回動すると（図５（ａ）参照）、ポンプ７も連動して回動する。
なお、図中の１５は汲み出し管５の水平部５ｂを支持する汲み出し管サポート部材であり、３９はポンプ７に電源を供給するリード線、４１はリード線３９を汲み出し管５内に気密に導入するためのフィードスルーである。

【0007】

上記は、汲み出し管５によってポンプ７が支持されているものであったが、ポンプ７を他の部材によって支持するようにした例が特許文献１に開示されている。
特許文献１は、貯槽の蓋部材に固定されたサポート部材によってポンプを支持するようにしたものであり、ポンプはフレキシブルチューブを介して汲み出し管と接続されている。上記の例は、可撓性を有するフレキシブルチューブを介してポンプと汲み出し管を接続したことにより、ポンプがサポート部材に固定されていても図５の例と同様に汲み出し管を回動させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０２１-２５５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

図５の従来の低温液化ガス汲み出し装置３７の場合、汲み出し管５の最内管は一端が液体ヘリウムに浸漬されるので、侵入熱軽減のために薄肉となっており、重量の大きいポンプ７を取り付けることが困難である。
また、汲み出し管５の挿入部５ａはウィルソンシール９によって支持されるため、ポンプ７の重量が大きいとウィルソンシール９の劣化を早めることとなる。

【0010】

さらに、ポンプ７の吐出口２１がポンプ７の上面中央に位置していなかったり、ポンプ７の重心が汲み出し管５の挿入部５ａの中心軸から大きく外れていたりすると、ウィルソンシール９に偏心荷重が生じる。このウィルソンシール９にかかる偏心荷重は、ポンプ７の重量が大きいほどより増大する。偏心荷重が増大すると、汲み出し管５とウィルソンシール９の間に発生する摩擦力も大きくなるので、汲み出し管５を回動させるのに必要な力も大きくなり操作性が悪化する。
上記のような理由から、図５の従来の低温液化ガス汲み出し装置３７では、ポンプ７に対して重量や重心、吐出口２１の位置など、多くの制限があった。

【0011】

この点、特許文献１の技術は上記課題を解決したものであるが、フレキシブルチューブに変形限度があることから、汲み出し管の回動範囲に制約を設けて運用する必要がある。

【0012】

また、一定以上の長さを有するフレキシブルチューブを用いる必要があるが、上述のようにフレキシブルチューブには変形限度があるので強く曲げることができない。したがって、特許文献１の低温液化ガス汲み出し装置を貯槽に取り付けるためには、貯槽に大きい開口部を設ける必要があり、貯槽への侵入熱を増大させる懸念があった。

【0013】

上述したように、特許文献１の技術は、図５の従来の低温液化ガス汲み出し装置３７の課題を解決するものの、汲み出し管の回動範囲や、貯槽への侵入熱等の観点において改善の余地があった。
したがって、図５の従来の低温液化ガス汲み出し装置３７の課題を解決するための新たな技術が求められていた。

【0014】

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、ポンプの重量や重心、吐出口の位置などに対する制限を緩和してウィルソンシールへの偏心荷重を低減可能な低温液化ガス汲み出し装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

（１）本発明に係る低温液化ガス汲み出し装置は、低温液化ガスが貯留された貯槽に一端側が挿入され、他端側が前記貯槽の外部に延出する汲み出し管と、該汲み出し管に直接又は間接的に支持されて前記貯槽内の前記低温液化ガスを前記汲み出し管に吐出するポンプと、前記貯槽の前記低温液化ガスを取り出す取出し口に設けられて前記汲み出し管が回動可能な状態で該汲み出し管の周囲をシールするウィルソンシールとを備えたものであって、前記ウィルソンシールの上方に設けられ、前記汲み出し管を前記ウィルソンシールと同軸で回動可能に支持するベアリングを備えたことを特徴とするものである。

【0016】

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記ベアリングは、前記ウィルソンシールを囲むように設けられた架台によって支持されており、該架台は複数の分割片からなり、前記ベアリングを支持した状態で少なくとも一つの分割片を取り外し可能に構成されていることを特徴とするものである。

【0017】

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記ベアリングは、前記ウィルソンシールを囲むように設けられた架台によって支持されており、該架台は、前記ウィルソンシールを視認可能にする点検用窓を有することを特徴とするものである。

【0018】

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記ポンプは、ポンプ支持部材を介して前記汲み出し管に間接的に支持されており、該ポンプ支持部材は、上端が前記汲み出し管に固定され、下端で前記ポンプを支持していることを特徴とするものである。

【0019】

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記ポンプの吐出口と前記汲み出し管の間にフレキシブルチューブが設けられていることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0020】

本発明においては、ウィルソンシールの上方に設けられ、汲み出し管をウィルソンシールと同軸で回動可能に支持するベアリングを備えたことにより、ポンプの重量や重心、吐出口の位置などの制限を緩和し、ウィルソンシールにかかる荷重及び偏心荷重を低減するので、多様なポンプが適用可能であると共に、汲み出し管を回動させる際の操作性も向上し、ウィルソンシールの摩耗や劣化も低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の一実施の形態にかかる低温液化ガス汲み出し装置を説明する図である。

【図2】図１の架台部分を示す斜視図である。

【図3】図２の架台から分割片を一つ取り外した状態を示す図である。

【図4】架台の他の態様を示す図である。

【図5】従来の低温液化ガス汲み出し装置を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の一実施の形態に係る低温液化ガス汲み出し装置１は、図１に示すように、低温液化ガスが貯留された貯槽３から低温液化ガスを汲み出す汲み出し管５と、貯槽３内の低温液化ガスを汲み出し管５に吐出するポンプ７と、貯槽３の低温液化ガスを取り出す取出し口に設けられたウィルソンシール９と、汲み出し管５をウィルソンシール９と同軸で回動可能に支持するベアリング１１と、ウィルソンシール９を囲むように設けられてベアリング１１を支持する架台１３とを備えている。上記の各構成について、以下具体的に説明する。
なお、下記では貯槽３に貯留される低温液化ガスが液体ヘリウムである場合を例に説明する。
また、図５の従来の低温液化ガス汲み出し装置３７と同様の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

【0023】

＜汲み出し管＞
汲み出し管５は、貯槽３に一端側が挿入され、他端側が貯槽３の外部に延出する三重構造の真空断熱配管である。ポンプ７が汲み上げた液体ヘリウムは、汲み出し管５の最内管を通流して貯槽３の外部に汲み出される。

【0024】

汲み出し管５は、図５の従来例と同様に、ウィルソンシール９を貫通して貯槽３に挿入される挿入部５ａと、挿入部５ａから屈曲して水平に延びる水平部５ｂと、水平部５ｂから屈曲して下方に延びる垂下部（図示を省略）とで構成されており、水平部５ｂは下端に車輪が設けられた汲み出し管サポート部材１５によって支持されている。
使用者は、汲み出し管サポート部材１５を把持して動かすことによって汲み出し管５を回動させることができる。

【0025】

＜ポンプ＞
ポンプ７は、貯槽３内の液体ヘリウムに浸漬されて液体ヘリウムを汲み上げ、汲み上げた液体ヘリウムを昇圧して汲み出し管５に吐出するものである。

【0026】

本実施の形態では、比較的大型の液体ヘリウムポンプを使用することを想定し、ポンプ７を支持するポンプサポート部材１７を設けている。ポンプサポート部材１７は、下端にポンプ７が取り付けられ、上端が汲み出し管５の最も外側の配管（以下、「最外管」という）に取り付け金具１９によって取り付けられている。
ポンプサポート部材１７を用いることで、汲み出し管５において比較的強度の高い最外管にポンプ７を取り付けることができるので、薄肉の最内管にポンプ７を取り付ける場合と比べてポンプ７の重量制限を緩和できる。
また、ポンプ７を取り付けた汲み出し管５はベアリング１１に支持されているので、従来例のように荷重がウィルソンシール９にかかることがなく、ポンプ７の重量制限をさらに緩和できる。

【0027】

また、従来例のように汲み出し管５の最内管に直接ポンプ７を取り付ける場合には、最低限ポンプ７を支持可能な強度を有するように最内管の板厚を設定する必要があったが、本実施の形態ではそのような強度を必要としないので、従来例より薄肉にして侵入熱を軽減できる。

【0028】

なお、ポンプサポート部材１７の材質は、汲み出し管５よりも小さい熱伝導度であるものが好ましい。ポンプサポート部材１７の重量はウィルソンシール９にかかる荷重に影響しないので、重量を考慮せずにポンプサポート部材１７の材質を選択できる。したがって、比較的重量があるものの断熱性能に優れ、低温でも大きな強度を有するガラス繊維複合材を用いることもできる。

【0029】

上記は、ポンプ７がポンプサポート部材１７を介して間接的に汲み出し管５に支持されている例であるが、ポンプ７が小型で軽量な場合には、図５の従来例と同様に汲み出し管５の最内管でポンプ７を直接支持するようにしてもよい。

【0030】

なお、図１のポンプ７は、昇圧された液体へリウムを吐出する吐出口２１がポンプ７の側面に設けられており、水平方向に液体へリウムが吐出される。そのため吐出口２１には、水平方向に吐出された液体ヘリウムを導入して垂直方向に吐出する導入配管２３が取り付けられており、導入配管２３はフレキシブルチューブ２５を介して汲み出し管５の最内管と接続されている。
フレキシブルチューブ２５をポンプ７の吐出口２１と汲み出し管５の間に設けることにより、フレキシブルチューブ２５がポンプ７の振動を吸収するので、汲み出し管５の最内管に振動が伝搬しにくくなる。また、フレキシブルチューブ２５は、導入配管２３の熱収縮も吸収するので、フレキシブルチューブ２５を設けない場合と比べて汲み出し管５の破損リスクを低減できる。

【0031】

＜ウィルソンシール＞
ウィルソンシール９は、汲み出し管５が回動可能な状態で汲み出し管５の周囲をシールするものである。本実施の形態の貯槽３においては、貯槽３の開口部に第１蓋部材２７が設けられており、第１蓋部材２７の中央には貯槽３の開口部より小径の小径開口部が形成されている。小径開口部の縁には円筒状に突出する円筒突出部２９が設けられている。円筒突出部２９の上端（本発明の取出し口）には第２蓋部材３１が設けられており、第２蓋部材３１にウィルソンシール９が設けられている。即ち、本実施の形態のウィルソンシール９は、汲み出し管５が第２蓋部材３１を貫通する部分を気密にシールしている。

【0032】

貯槽３内の液体ヘリウムの蒸発により発生するヘリウムガスは低温(約-269℃)であり、しかも、ヘリウムは非常に原子が小さいため漏れが発生しやすい。この条件下で、気密性を確保しつつ、汲み出し管５を回転させることが可能な部材としては、ウィルソンシール９が好適であり一般的に使用されている。

【0033】

なお、図１のように第１蓋部材２７の上に第１蓋部材２７より小径の円筒突出部２９及び第２蓋部材３１を設けることで、ポンプ７を交換する時などに小径の第２蓋部材３１を開放して作業を行うことができ、大径の第１蓋部材２７を開放して行うのと比べて作業が簡易になる。
もっとも、円筒突出部２９及び第２蓋部材３１を設けない場合には、貯槽３の開口部が本発明の取出し口となるので、第１蓋部材２７にウィルソンシール９を設けて、汲み出し管５と第１蓋部材２７の間を気密にシールすればよい。

【0034】

＜ベアリング＞
ベアリング１１は、架台１３の上端に設けられ、ウィルソンシール９の上方において汲み出し管５をウィルソンシール９と同軸で回動可能に支持するものである。本発明においてベアリング１１の種類は限定されないが、本実施の形態のベアリング１１はスラストベアリングを用いている。

【0035】

ベアリング１１は、環状に配置・保持された複数のボール又はコロ等の転動部材１１ａを、２つの円環部材（第１円環部材１１ｂ、第２円環部材１１ｃ）で挟んだ構成になっている。第１円環部材１１ｂは汲み出し管５の挿入部５ａに固定され、汲み出し管５と一体となって回動する。第２円環部材１１ｃは、第２円環部材１１ｃの中心とウィルソンシール９の中心が一致するように架台１３の上面に固定されている。

【0036】

上記のように構成されたベアリング１１を備えたことにより、汲み出し管５の挿入部５ａはベアリング１１と架台１３によって支持される。したがって、汲み出し管５及び汲み出し管５に取り付けられたポンプ７やポンプサポート部材１７の重量は、ベアリング１１と架台１３にかかることになるので、従来例と比べてウィルソンシール９にかかる荷重を低減し、ウィルソンシール９の摩耗を低減できる。

【0037】

また、図１のように、ポンプサポート部材１７を介してポンプ７を汲み出し管５の最外管に取りつけたり、水平方向に吐出口が形成されたポンプ７を用いたりすると、汲み出し管５にかかる荷重の向きが汲み出し管５の回動軸と一致しないことが一般的である。
この場合、ベアリング１１を備えていない図５の従来例では、ウィルソンシール９に多大な偏心荷重がかかり、ウィルソンシール９のオーリングに大きな摩擦力が発生する。その結果、汲み出し管５を回動操作する際の操作性が著しく低下し、ウィルソンシール９の磨耗や劣化が早まって頻繁なメンテナンスが必要となる。

【0038】

この点、本実施の形態では、ベアリング１１によって汲み出し管５がウィルソンシール９に対して芯出しされた状態で保持されているので、汲み出し管５を回動する際の操作性もよく、ウィルソンシール９の摩耗をさらに低減できるので、メンテナンス周期の長期化が期待できる。

【0039】

＜架台＞
架台１３は、ウィルソンシール９を囲うように設けられ、ウィルソンシール９の上方でベアリング１１を支持するものである。
本実施の形態の架台１３は、図２に示すように二つの分割片１３ａから構成されている。各分割片１３ａは、一方の分割片１３ａを取り外した状態でも他方の分割片１３ａでベアリング１１を支持できる強度を有しており、図３に示すようにベアリング１１を支持した状態で一つの分割片１３ａを取り外すことができる。

【0040】

これにより、ウィルソンシール９に通常運転における以上の荷重を掛けることなく、ウィルソンシール９の日常的な目視確認、メンテナンスが容易となり、リーク（漏れ）等の不具合を早期に発見できる。

【0041】

図２、図３は二つの分割片１３ａによって架台１３を構成する例であるが、三つ以上の分割片１３ａによって架台１３を構成するようにしてもよい。その場合にも、ベアリング１１を支持した状態で少なくとも一つの分割片１３ａを取り外し可能に構成するのが好ましい。

【0042】

また、架台１３の他の態様として、図４に示すように、ウィルソンシール９を視認可能にする点検用窓３３を有する架台３５を用いてもよい。
図４のように架台３５に点検用窓３３を設けることにより、ベアリング１１、架台３５を分解等することなく、ウィルソンシール９の目視確認、メンテナンスが可能となる。

【0043】

なお、図２、図３のように分割片１３ａから構成される架台１３の場合においても、分割片１３ａに上述した点検用窓３３を設けてもよい。
もっとも本実施の形態は、前述したようにウィルソンシール９にかかる荷重や偏心荷重が低減されるので、必要なメンテナンスの頻度も少なくなる事が期待できる。

【0044】

上記のように、本実施の形態においては、汲み出し管５の挿入部５ａを支持すると共に汲み出し管５をウィルソンシール９の軸に合わせて芯出しするベアリング１１を設けたことにより、ウィルソンシール９にかかる荷重及び偏心荷重を低減できる。これにより、ウィルソンシール９の摩耗・劣化を防ぎ、汲み出し管５を回動する際の操作性が向上する。また、図１のようなポンプサポート部材１７を介して汲み出し管５の最外管にポンプ７を取り付ける態様も可能となり、ポンプ７の重量や重心、吐出口の位置などの制限が緩和され、様々な種類のポンプ７が使用可能となる。

【符号の説明】

【0045】

１ 低温液化ガス汲み出し装置
３ 貯槽
５ 汲み出し管
５ａ 挿入部
５ｂ 水平部
５ｃ 垂下部
７ ポンプ
９ ウィルソンシール
１１ ベアリング
１１ａ 転動部材
１１ｂ 第１円環部材
１１ｃ 第２円環部材
１３ 架台
１３ａ 分割片
１５ 汲み出し管サポート部材
１７ ポンプサポート部材
１９ 取り付け金具
２１ 吐出口
２３ 導入配管
２５ フレキシブルチューブ
２７ 第１蓋部材
２９ 円筒突出部
３１ 第２蓋部材
３３ 点検用窓
３５ 架台（他の態様）
３７ 低温液化ガス汲み出し装置（従来例）
３９ リード線
４１ フィードスルー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】