(57)【要約】【課題】液体を昇圧するピストンポンプやこのピストンポンプを用いて液体の昇圧を行う昇圧液体供給システム及び液体噴射装置において、導入流路を通じてシリンダに供給される液体の高密度化を可能とする。【解決手段】シリンダ内に昇圧対象の液体を導入する導入流路とシリンダ内から昇圧された液体を吐出する吐出流路とが併設されたヘッド部を有するピストンポンプであって、導入流路を流れる昇圧対象の液体を熱交換により冷却する冷却材の流路となる冷却材流路を備える。【選択図】図３
2020101111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に昇圧対象の液体を導入する導入流路と前記シリンダ内から昇圧された前記液体を吐出する吐出流路とが併設されたヘッド部を有するピストンポンプであって、
前記導入流路を流れる前記昇圧対象の液体を熱交換により冷却する冷却材の流路となる冷却材流路を備えることを特徴とするピストンポンプ。
【請求項２】
前記導入流路の径方向外側から前記ヘッド部と接続されると共に前記ヘッド部の外壁面との間に前記冷却材流路の少なくとも一部を形成する流路形成部材を備えることを特徴とする請求項１記載のピストンポンプ。
【請求項３】
前記流路形成部材は、
前記ヘッド部の外壁面との間に前記冷却材を貯留するバッファ室を前記冷却材流路の一部として形成する溝部と、
前記バッファ室に接続された入口流路と、
前記入口流路と異なる位置にて前記バッファ室に接続された出口流路と
を有することを特徴とする請求項２記載のピストンポンプ。
【請求項４】
前記入口流路は、前記吐出流路よりも前記導入流路に近い位置にて前記バッファ室に接続されていることを特徴とする請求項３記載のピストンポンプ。
【請求項５】
前記バッファ室は、前記導入流路における前記液体の流れ方向に沿った方向から見て、前記導入流路を全周から囲う環状に設けられていることを特徴とする請求項３または４記載のピストンポンプ。
【請求項６】
前記出口流路は、前記ヘッド部を挟んで前記入口流路と対向する位置にて前記バッファ室に接続されていることを特徴とする請求項５記載のピストンポンプ。
【請求項７】
前記流路形成部材は、前記ヘッド部を前記シリンダに固定する固定部材であることを特徴とする請求項２〜６いずれか一項に記載のピストンポンプ。
【請求項８】
液体を噴射するノズルに前記液体を昇圧して供給する昇圧液体供給システムであって、
前記液体を昇圧するピストンポンプとして請求項１〜７いずれかに記載のピストンポンプを備えることを特徴とする昇圧液体供給システム。
【請求項９】
液体を噴射するノズルと、前記ノズルに前記液体を昇圧して供給する昇圧液体供給システムとを備える液体噴射装置であって、
前記昇圧液体供給システムとして、請求項８記載の昇圧液体供給システムを備えることを特徴とする液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンポンプ、昇圧液体供給システム及び液体噴射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、水に換えて液体窒素を噴射することによって、対象物の加工や洗浄を行う方法が開示されている。水を用いるウォータジェット法では、切削片等や汚れが水に交じることから、水自体の処理に配慮する必要があり、大量の二次廃棄物が発生する場合がある。一方で、噴射後に気化する液体窒素を用いる場合には、液体窒素は切削片や汚れと分離して気化するため、二次廃棄物を発生させることなく、加工や洗浄が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７３１０９５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、液体窒素等の低温液化ガスをノズルから噴射する場合には、低温液化ガスを液体状態のまま昇圧する。例えば、このような低温液化ガスの昇圧はピストンポンプによって行われる。しかしながら、ピストンポンプで低温液化ガスを昇圧すると、低温液化ガスの温度が上昇する。このため、シリンダ内に低温液化ガスを導入する導入流路とシリンダ内から昇圧した低温液化ガスを吐出する吐出流路とが併設されている場合には、吐出流路を流れる昇圧後の低温液化ガスによって、導入流路を流れる低温液化ガスが昇温してしまう。昇圧前の低温液化ガスが昇温されると、ピストンポンプにおいて密度が低い低温液化ガスを昇圧することになり、ピストンポンプにおける効率が低下する。なお、このような問題は、沸点が低い低温液化ガスを昇圧するピストンポンプで顕著なるが、水を昇圧するピストンポンプでも同様に発生する。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、液体を昇圧するピストンポンプやこのピストンポンプを用いて液体の昇圧を行う昇圧液体供給システム及び液体噴射装置において、導入流路を通じてシリンダに供給される液体の高密度化を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００７】
第１の発明は、シリンダ内に昇圧対象の液体を導入する導入流路と上記シリンダ内から昇圧された上記液体を吐出する吐出流路とが併設されたヘッド部を有するピストンポンプであって、上記導入流路を流れる上記昇圧対象の液体を熱交換により冷却する冷却材の流路となる冷却材流路を備えるという構成を採用する。
【０００８】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記導入流路の径方向外側から上記ヘッド部と接続されると共に上記ヘッド部の外壁面との間に上記冷却材流路の少なくとも一部を形成する流路形成部材を備えるという構成を採用する。
【０００９】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記流路形成部材が、上記ヘッド部の外壁面との間に上記冷却材を貯留するバッファ室を上記冷却材流路の一部として形成する溝部と、上記バッファ室に接続された入口流路と、上記入口流路と異なる位置にて上記バッファ室に接続された出口流路とを有するという構成を採用する。
【００１０】
第４の発明は、上記第３の発明において、上記入口流路が、上記吐出流路よりも上記導入流路に近い位置にて上記バッファ室に接続されているという構成を採用する。
【００１１】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記バッファ室が、上記導入流路における上記液体の流れ方向に沿った方向から見て、上記導入流路を全周から囲う環状に設けられているという構成を採用する。
【００１２】
第６の発明は、上記第５の発明において、上記出口流路が、上記ヘッド部を挟んで上記入口流路と対向する位置にて上記バッファ室に接続されているという構成を採用する。
【００１３】
第７の発明は、上記第２〜第６いずれかの発明において、上記流路形成部材が、上記ヘッド部を上記シリンダに固定する固定部材であるという構成を採用する。
【００１４】
第８の発明は、液体を噴射するノズルに上記液体を昇圧して供給する昇圧液体供給システムであって、上記液体を昇圧するピストンポンプとして上記第１〜第７いずれかの発明であるピストンポンプを備えるという構成を採用する。
【００１５】
第９の発明は、液体を噴射するノズルと、上記ノズルに上記液体を昇圧して供給する昇圧液体供給システムとを備える液体噴射装置であって、上記昇圧液体供給システムとして、上記第８の発明である昇圧液体供給システムを備えるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、シリンダ内に昇圧対象の液体を導入する導入流路を流れる液体を熱交換により冷却する冷却材が流れる冷却材流路を有している。このため、冷却材流路に冷却材を流すことによって、昇圧前の液体を冷却することが可能となり、導入流路を通じてシリンダに供給される液体の高密度化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態における液体窒素噴射装置の概略構成を示すフロー図である。
【図２】本発明の一実施形態における液体窒素噴射装置が備えるピストンポンプの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態における液体窒素噴射装置が備えるピストンポンプのヘッド部を含む拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明に係るピストンポンプ、昇圧液体供給システム及び液体噴射装置の一実施形態について説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態の液体窒素噴射装置１（液体噴射装置）の概略構成を示すフロー図である。この図に示すように、本実施形態の液体窒素噴射装置１は、貯蔵タンク２と、液体窒素昇圧システム３（昇圧液体供給システム）と、ノズル４とを備えている。
【００２０】
貯蔵タンク２は、液体窒素Ｘ（液体）を貯蔵する圧力タンクであり、液体窒素昇圧システム３と接続されている。なお、本実施形態の液体窒素噴射装置１は、この貯蔵タンク２を備えずに外部から液体窒素Ｘの供給を受ける構成とすることも可能である。なお、本実施形態において、貯蔵タンク２に貯蔵された液体窒素Ｘは、昇圧されてノズル４に供給される他、冷却材としても用いられる。以下の説明において、最終的にノズル４に供給される昇圧対象の液体窒素Ｘを噴射用液体窒素Ｙと称し、冷却材として用いられる液体窒素Ｘを冷却用液体窒素Ｚと称する。液体窒素昇圧システム３は、貯蔵タンク２から供給された噴射用液体窒素Ｙを一定の噴射圧にまで昇圧するものであり、ノズル４と接続されている。ノズル４は、液体窒素昇圧システム３から供給された噴射用液体窒素Ｙを先端部から噴射する。
【００２１】
液体窒素昇圧システム３について、より詳細に説明する。液体窒素昇圧システム３は、上述のように噴射用液体窒素Ｙを噴射するノズル４に噴射用液体窒素Ｙを昇圧して供給するシステムであり、図１に示すように、液体窒素昇圧システム３は、ブーストポンプ５と、第１熱交換器６と、ピストンポンプ７と、第２熱交換器８と、フレキシブルチューブ９を備えている。
【００２２】
ブーストポンプ５は、接続配管１０を介して貯蔵タンク２と接続されている。このブーストポンプ５は、接続配管１０を介して供給される噴射用液体窒素Ｙをピストンポンプ７が吸い込み可能な圧力まで昇圧するポンプである。このブーストポンプ５としては、例えば遠心ポンプが用いられる。このようなブーストポンプ５は、接続配管１１によって第１熱交換器６と接続されており、接続配管１１を通じて第１熱交換器６に向けて噴射用液体窒素Ｙを圧送する。
【００２３】
第１熱交換器６は、冷却用配管１２によって貯蔵タンク２と接続されており、接続配管１１を介してブーストポンプ５から供給される噴射用液体窒素Ｙと、冷却用配管１２を介して供給される冷却用液体窒素Ｚとを熱交換することによって、ブーストポンプ５から供給される噴射用液体窒素Ｙを冷却する。このような第１熱交換器６は、例えばプレートフィン型の熱交換器である。このような第１熱交換器６は、接続配管１４によってピストンポンプ７と接続されており、接続配管１４を通じてピストンポンプ７に向けてブーストポンプ５で昇圧された噴射用液体窒素Ｙを排出する。
【００２４】
本実施形態においては、ブーストポンプ５よりも第１熱交換器６がピストンポンプ７に近接して配置されている。つまり、本実施形態においては、先にブーストポンプ５で噴射用液体窒素Ｙが昇圧され、昇圧された噴射用液体窒素Ｙが第１熱交換器６で冷却されてピストンポンプ７に供給される。このため、先に冷却してからブーストポンプ５で昇圧する場合と比較して、より低温で密度の高い噴射用液体窒素Ｙをピストンポンプ７に供給することができる。
【００２５】
なお、冷却用配管１２の途中部位には、オリフィス１３が設置されている。オリフィス１３は、冷却用配管１２の途中部位に設けられる抵抗部であり、冷却用液体窒素Ｚの流れに対する抵抗となっている。このオリフィス１３は、冷却用配管１２のオリフィス１３よりも上流側の部位の圧力を維持するための絞り流路である。冷却用の液体窒素として第１熱交換器６に供給された冷却用液体窒素Ｚは、第１熱交換器６にて減圧される。オリフィス１３によって、冷却用配管１２の上流側が第１熱交換器６の内部の圧力に応じて減圧されることを防止することができる。
【００２６】
ピストンポンプ７は、接続配管１４を介して第１熱交換器６から供給される噴射用液体窒素Ｙを、ノズル４での噴射圧まで昇圧するためのポンプである。このピストンポンプ７は、送出配管１５を介して第２熱交換器８と接続されており、昇圧した噴射用液体窒素Ｙを第２熱交換器８に圧送する。また、本実施形態においては、ピストンポンプ７は、冷却用配管１６を介して貯蔵タンク２と接続されており、冷却用配管１６を通じて供給される冷却用液体窒素Ｚによって、第１熱交換器６から供給される噴射用液体窒素Ｙを冷却する。
【００２７】
なお、冷却用配管１６の途中部位には、オリフィス１７が設置されている。オリフィス１７は、冷却用配管１６の途中部位に設けられる抵抗部であり、冷却用液体窒素Ｚの流れに対する抵抗となっている。このオリフィス１７は、冷却用配管１６のオリフィス１７よりも上流側の部位の圧力を維持するための絞り流路である。冷却用の液体窒素としてピストンポンプ７に供給された冷却用液体窒素Ｚは、ピストンポンプ７にて減圧される。オリフィス１７によって、冷却用配管１６の上流側が減圧されることを防止することができる。
【００２８】
図２は、ピストンポンプ７の概略構成を示す断面図である。この図に示すように、ピストンポンプ７は、シリンダ７ａと、スリーブ７ｂと、ピストン７ｃと、ヘッド部７ｄと、流入弁７ｅ、吐出弁７ｆと、固定部材７ｇ（流路形成部材）とを備えている。
【００２９】
シリンダ７ａは、中空の筒体であり、内部が噴射用液体窒素Ｙの収容空間とされている。また、シリンダ７ａの先端部の外周面には、固定部材７ｇを螺合するための雄ネジ部が形成されている。スリーブ７ｂは、シリンダ７ａの内部に嵌合された筒状部材であり、シリンダ７ａの内壁面に外周面が当接された状態で配置されている。ピストン７ｃは、シリンダ７ａに囲まれた空間に往復同可能に配置された棒状部材である。ピストン７ｃは、不図示の動力源から動力を伝達されることによって、シリンダ７ａの軸心に沿った方向に移動される。
【００３０】
図３は、ヘッド部７ｄを含む拡大図である。ヘッド部７ｄは、固定部材７ｇによってシリンダ７ａの片側の端面に配して圧接されるように配置された円柱状の部材である。このヘッド部７ｄは、図３に示すように、内部に導入流路７ｄ１と、吐出流路７ｄ２とが設けられている。導入流路７ｄ１は、シリンダ７ａの内部に噴射用液体窒素Ｙを案内するための流路であり、シリンダ７ａの軸心に沿った方向に延伸されている。この導入流路７ｄ１は、図１に示す接続配管１１に接続されており、接続配管１１から昇圧用の噴射用液体窒素Ｙが供給される。吐出流路７ｄ２は、シリンダ７ａの内部で昇圧された噴射用液体窒素Ｙをヘッド部７ｄの外部に吐出するための流路であり、導入流路７ｄ１と平行に設けられている。この吐出流路７ｄ２は、図１に示す送出配管１５と接続されており、昇圧した噴射用液体窒素Ｙを送出配管１５に供給する。このように本実施形態においては、導入流路７ｄ１と吐出流路７ｄ２とが、ヘッド部７ｄに併設されている。
【００３１】
また、図３に示すように、ヘッド部７ｄは、先端部よりもシリンダ７ａの軸心を中心とする径方向外側に膨出された大径部７ｄ３を有している。この大径部７ｄ３は、シリンダ７ａ側の面がシリンダ７ａの端面と当接され、この面と反対側の面が固定部材７ｇと当接されている。本実施形態では、この大径部７ｄ３がシリンダ７ａと固定部材７ｇとによって挟持されることによって、ヘッド部７ｄがシリンダ７ａに対して固定されている。
【００３２】
流入弁７ｅは、ヘッド部７ｄのシリンダ７ａ側の端部に設けられており、導入流路７ｄ１における逆流を防止する。吐出弁７ｆは、ヘッド部７ｄのシリンダ７ａと反対側の端部である先端部に対して設けられており、吐出流路７ｄ２における逆流を防止する。
【００３３】
固定部材７ｇは、ヘッド部７ｄをシリンダ７ａに固定すると共に、冷却用液体窒素Ｚ（図１に示す冷却用配管１６を介して供給される液体窒素Ｘ）を流すための冷却流路Ｒ（冷却材流路）を形成する部材である。この固定部材７ｇは、１つの部材であるが、図３に示すように、噴射用液体窒素Ｙが吐出される側に位置する天壁部７ｇ１と、天壁部７ｇ１よりもシリンダ７ａ側に配置される囲壁部７ｇ２とに分けて説明する。
【００３４】
天壁部７ｇ１は、中央部にヘッド部７ｄの先端部が挿通可能とされた貫通孔７ｇ３を有している。この天壁部７ｇ１の貫通孔７ｇ３の内壁面には、貫通孔７ｇ３の径方向外側に向けて窪む環状の溝部７ｇ４が設けられている。この溝部７ｇ４は、ヘッド部７ｄの先端部の外壁面との間に環状のバッファ室Ｒ１を形成する。また、天壁部７ｇ１には、溝部７ｇ４（すなわちバッファ室Ｒ１）に接続された入口流路Ｒ２及び出口流路Ｒ３が設けられている。
【００３５】
入口流路Ｒ２は、溝部７ｇ４から天壁部７ｇ１の外周面まで天壁部７ｇ１の径方向に天壁部７ｇ１を貫通して設けられており、図１に示す冷却用配管１６と接続されている。この入口流路Ｒ２は、冷却用配管１６から供給される冷却用液体窒素Ｚをバッファ室Ｒ１まで案内するための流路である。
【００３６】
出口流路Ｒ３は、入口流路Ｒ２と異なる位置にて溝部７ｇ４（すなわちバッファ室Ｒ１）と接続され、溝部７ｇ４から天壁部７ｇ１の外周面まで天壁部７ｇ１の径方向に天壁部７ｇ１を貫通して設けられている。この出口流路Ｒ３は、バッファ室Ｒ１から固定部材７ｇの外部に冷却用液体窒素Ｚを排出するための流路である。
【００３７】
本実施形態においては、上述のバッファ室Ｒ１と、入口流路Ｒ２と、出口流路Ｒ３とによって、冷却流路Ｒが形成されている。つまり、固定部材７ｇは、ヘッド部７ｄの外壁面との間に冷却流路Ｒの一部であるバッファ室Ｒ１を形成すると共に、バッファ室Ｒ１に繋がる入口流路Ｒ２と出口流路Ｒ３とを有している。
【００３８】
冷却流路Ｒの一部を形成するバッファ室Ｒ１は、ヘッド部７ｄの導入流路７ｄ１における噴射用液体窒素Ｙの流れ方向に沿った方向から見て、導入流路７ｄ１を全周から囲う環状に設けられている。この冷却流路Ｒによれば、ヘッド部７ｄの導入流路７ｄ１を流れる噴射用液体窒素Ｙを全周方向から冷却することができる。また、バッファ室Ｒ１は入口流路Ｒ２及び出口流路Ｒ３と比較して容積が大きく、冷却用液体窒素Ｚを一時的に導入流路７ｄ１の周囲に大量に貯留することができる。このため、導入流路７ｄ１の周囲をより低温にすることができ、噴射用液体窒素Ｙをより低温まで冷却することが可能となる。
【００３９】
また、このような冷却流路Ｒの一部を形成する入口流路Ｒ２と出口流路Ｒ３とは、貫通孔７ｇ３に挿通されたヘッド部７ｄを挟んで対向する位置に配置されている。つまり、出口流路Ｒ３は、入口流路Ｒ２とヘッド部７ｄを挟んで対向する位置すなわち入口流路Ｒ２から最も遠い位置に配置されている。このため、入口流路Ｒ２から出口流路Ｒ３に至る経路を長く確保することができ、より効率的に導入流路７ｄ１を流れる噴射用液体窒素Ｙを冷却することができる。
【００４０】
また、入口流路Ｒ２は、導入流路７ｄ１に最も近接した位置にてバッファ室Ｒ１と接続されている。つまり、本実施形態において、入口流路Ｒ２は、吐出流路７ｄ２よりも導入流路７ｄ１に近い位置にてバッファ室Ｒ１に接続されている。このため、入口流路Ｒ２を流れる低温の冷却用液体窒素Ｚが導入流路７ｄ１に近接した位置にてバッファ室Ｒ１に供給される。
【００４１】
囲壁部７ｇ２は、天壁部７ｇ１のシリンダ７ａ側の面からシリンダ７ａ側に延出して設けられた部位であり、径方向における中央部に開口部７ｇ５が設けられている。囲壁部７ｇ２は、外径寸法が天壁部７ｇ１の外形寸法と同一に設定されており、外壁面が天壁部７ｇ１の外壁面と面一とされている。一方、囲壁部７ｇ２の開口部７ｇ５の直径寸法（すなわち囲壁部７ｇ２の内径寸法）は、天壁部７ｇ１の貫通孔７ｇ３の直径寸法（すなわち天壁部７ｇ１の内径寸法）よりも大きく設定されている。このため、全体として筒状とされた固定部材７ｇの内壁面には、天壁部７ｇ１と囲壁部７ｇ２との境界部分に段差部が設けられている。
【００４２】
開口部７ｇ５の内径寸法は、ヘッド部７ｄの大径部７ｄ３の外径寸法よりも大きく設定されている。また、開口部７ｇ５の深さ寸法は、ヘッド部７ｄの大径部７ｄ３の長さ寸法よりも大きく設定されている。このため、図３に示すように、開口部７ｇ５の内部には、ヘッド部７ｄの大径部７ｄ３の全体が収容されている。
【００４３】
また、囲壁部７ｇ２の内壁面には、シリンダ７ａの雄ネジ部に螺合するための雌ネジ部が設けられている。この囲壁部７ｇ２の雌ネジ部がシリンダ７ａの雄ネジ部に螺合されることによって、固定部材７ｇがシリンダ７ａに対して固定される。
【００４４】
このような構成のピストンポンプ７においては、ピストン７ｃが引かれると、流入弁７ｅが導入流路７ｄ１を開放し、導入流路７ｄ１を介して噴射用液体窒素Ｙがシリンダ７ａの内部に供給される。その後、ピストン７ｃが押されると、流入弁７ｅが閉じることによってシリンダ７ａの内部が閉空間となり、ピストン７ｃの移動に伴って噴射用液体窒素Ｙが昇圧される。シリンダ７ａ内の噴射用液体窒素Ｙが所定の圧力まで昇圧されると、吐出弁７ｆが吐出流路７ｄ２を開放し、昇圧された噴射用液体窒素Ｙがヘッド部７ｄから送出配管１５に供給される。
【００４５】
また、ピストンポンプ７においては、上述の噴射用液体窒素Ｙの昇圧動作中に、固定部材７ｇの入口流路Ｒ２に冷却用液体窒素Ｚが供給される。入口流路Ｒ２に供給される冷却用液体窒素Ｚは、大気圧あるいは大気圧に近い圧力の液体窒素Ｘ（ブーストポンプ５によって昇圧されていない液体窒素Ｘ）であり、導入流路７ｄ１を流れる噴射用液体窒素Ｙよりも低温となっている。このため、導入流路７ｄ１を流れる噴射用液体窒素Ｙは、入口流路Ｒ２からバッファ室Ｒ１に流れ込んだ冷却用液体窒素Ｚとの熱交換によって冷却される。なお、バッファ室Ｒ１に供給された冷却用液体窒素Ｚは、出口流路Ｒ３から外部に排出され、例えば大気開放される。
【００４６】
図１に戻り、第２熱交換器８は、送出配管１５から供給される昇圧後の噴射用液体窒素Ｙを、後冷却配管１８から供給される冷却用液体窒素Ｚと熱交換することによって噴射温度まで冷却する熱交換器である。この第２熱交換器８は、例えばコイルチューブ型やシェルアンドチューブ型の熱交換器であり、ピストンポンプ７で昇圧された加圧状態の噴射用液体窒素Ｙと、後冷却配管１８から供給される低圧かつ低温の冷却用液体窒素Ｚとを熱交換する。
【００４７】
後冷却配管１８は、貯蔵タンク２と第２熱交換器８とを接続する配管である。この後冷却配管１８の途中部位には、オリフィス１９が設けられている。オリフィス１９は、後冷却配管１８の途中部位に設けられる抵抗部であり、冷却用液体窒素Ｚの流れに対する抵抗となっている。このオリフィス１９は、後冷却配管１８のオリフィス１９よりも上流側の部位の圧力を位置するための絞り流路である。第２熱交換器８に供給された冷却用液体窒素Ｚは、第２熱交換器８にて減圧される。オリフィス１９によって、後冷却配管１８の上流側が減圧されることが防止される。
【００４８】
フレキシブルチューブ９は、第２熱交換器８とノズル４とを接続する鋼管であり、ノズル４を作業者が容易に姿勢変更なように第２熱交換器８と接続している。第２熱交換器８は、このようなフレキシブルチューブ９を介してノズル４と接続されており、昇圧後の噴射用液体窒素Ｙを冷却してノズル４に供給する。
【００４９】
さらに、本実施形態の液体窒素噴射装置１は、ピストンポンプ７が吸引しなかった噴射用液体窒素Ｙをブーストポンプ５に返流する返流配管２０を備えている。また、返流配管２０の途中部位には、返流配管２０の流路面積を調節可能なバルブ２１が設けられている。なお、バルブ２１に換えてオリフィスを設置しても良い。つまり、返流配管２０を介して返流される噴射用液体窒素Ｙの流量が適正となるように、返流配管２０にバルブ２１やオリフィス等を設置する。
【００５０】
このような構成の本実施形態の液体窒素噴射装置１では、貯蔵タンク２に貯蔵された液体窒素Ｘが噴射用液体窒素Ｙとしてブーストポンプ５に供給される。噴射用液体窒素Ｙは、ブーストポンプ５で昇圧された後、第１熱交換器６で冷却されて密度が高められる。第１熱交換器６で冷却された噴射用液体窒素Ｙは、ピストンポンプ７に供給され、上述の冷却流路Ｒを流れる液体窒素Ｘとの熱交換によってさらに冷却されて密度を高められた状態とされてから昇圧される。ピストンポンプ７で昇圧された噴射用液体窒素Ｙは、第２熱交換器８で冷却され、その後にノズル４に供給される。
【００５１】
以上のような本実施形態の液体窒素噴射装置１に備えられるピストンポンプ７によれば、シリンダ７ａ内に噴射用液体窒素Ｙを導入する導入流路７ｄ１を流れる噴射用液体窒素Ｙを熱交換により冷却する冷却用液体窒素Ｚが流れる冷却流路Ｒを有している。このため、冷却流路Ｒに冷却用液体窒素Ｚを流すことによって、昇圧前の噴射用液体窒素Ｙを冷却することが可能となり、導入流路７ｄ１を通じてシリンダ７ａに供給される噴射用液体窒素Ｙを高密度化することが可能となる。したがって、本実施形態の液体窒素噴射装置１によれば、ピストンポンプ７を効率化することができる。
【００５２】
また、本実施形態のピストンポンプ７においては、導入流路７ｄ１の径方向外側からヘッド部７ｄと接続されると共にヘッド部７ｄの外壁面との間に冷却流路Ｒの少なくとも一部（バッファ室Ｒ１）を形成する固定部材７ｇを備えている。このため、本実施形態のピストンポンプ７によれば、シリンダ７ａの内部に供給される直前の噴射用液体窒素Ｙを冷却することができ、シリンダ７ａの内部に供給される噴射用液体窒素Ｙの密度をより高めることが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態のピストンポンプ７においては、固定部材７ｇは、ヘッド部７ｄの外壁面との間に冷却用液体窒素Ｚを貯留するバッファ室Ｒ１を冷却流路Ｒの一部として形成する溝部７ｇ４と、バッファ室Ｒ１に接続された入口流路Ｒ２と、入口流路Ｒ２と異なる位置にてバッファ室Ｒ１に接続された出口流路Ｒ３とを有している。このため、本実施形態のピストンポンプ７によれば、バッファ室Ｒ１において、冷却用液体窒素Ｚを一時的に貯留することができ、導入流路７ｄ１の周囲により多くの冷熱を蓄えることが可能となる。したがって、本実施形態のピストンポンプ７によれば、シリンダ７ａの内部に供給される噴射用液体窒素Ｙをより確実に冷却して噴射用液体窒素Ｙの密度をより高めることが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態のピストンポンプ７においては、入口流路Ｒ２は、吐出流路よりも導入流路７ｄ１に近い位置にてバッファ室Ｒ１に接続されている。このため、本実施形態のピストンポンプ７によれば、最も温度が低い冷却用液体窒素Ｚをバッファ室Ｒ１の導入流路７ｄ１に近接した領域に供給することができ、昇圧用の噴射用液体窒素Ｙをより低温まで冷却することが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態のピストンポンプ７においては、バッファ室Ｒ１は、導入流路７ｄ１における噴射用液体窒素Ｙの流れ方向に沿った方向から見て、導入流路７ｄ１を全周から囲う環状に設けられている。このため、本実施形態のピストンポンプ７によれば、導入流路７ｄ１を流れる噴射用液体窒素Ｙを導入流路７ｄ１の全周方向から冷却することができ、より効率的に噴射用液体窒素Ｙを冷却することが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態のピストンポンプ７においては、出口流路Ｒ３は、ヘッド部７ｄを挟んで入口流路Ｒ２と対向する位置にてバッファ室Ｒ１に接続されている。このため、本実施形態のピストンポンプ７によれば、入口流路Ｒ２から出口流路Ｒ３に至る経路を最も長く確保することが可能となり、噴射用液体窒素Ｙをより効率的に冷却することができる。
【００５７】
また、本実施形態のピストンポンプ７においては、ヘッド部７ｄをシリンダ７ａに固定する固定部材７ｇによって、冷却流路Ｒを形成している。このため、冷却流路Ｒを形成するための部材を、ヘッド部７ｄをシリンダ７ａに固定するための部材と兼用することができる。したがって、本実施形態のピストンポンプ７によれば、部品点数の増加を抑制しつつ冷却流路Ｒを設けることができる。
【００５８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５９】
例えば、上記実施形態においては、液体窒素噴射装置１及び液体窒素昇圧システム３では、単一のピストンポンプ７を備える構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、並列にあるいは直列にピストンポンプ７を複数設置する構成を採用することも可能である。
【００６０】
また、上記実施形態においては、固定部材７ｇによって冷却流路Ｒを形成する構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ヘッド部７ｄの内部に冷却流路Ｒを形成する構成を採用することも可能である。このような場合には、例えば、導入流路７ｄ１と吐出流路７ｄ２との間に冷却流路Ｒを形成することも可能である。このような場合には、吐出流路７ｄ２から導入流路７ｄ１に伝わる熱を、冷却流路Ｒを流れる冷却用液体窒素Ｚで吸収することが可能となる。
【００６１】
また、上記実施形態において、ヘッド部７ｄの内部に吐出流路７ｄ２を囲う断熱スリーブを設置するようにしても良い。このような構成を採用することによって、吐出流路７ｄ２から導入流路７ｄ１への伝熱をさらに抑制することが可能となる。
【００６２】
また、上記実施形態においては、冷却流路Ｒが環状のバッファ室Ｒ１を設ける構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、冷却流路Ｒが、導入流路７ｄ１を囲むような螺旋状の流路を備える構成を採用することも可能である。
【００６３】
また、上記実施形態においては、冷却流路Ｒが単一の入口流路Ｒ２と単一の出口流路Ｒ３とを備える構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、入口流路Ｒ２及び出口流路Ｒ３のいずれかあるいは両方を複数備える構成を採用することも可能である。
【００６４】
また、上記実施形態においては、入口流路Ｒ２が出口流路Ｒ３よりも上方に配置された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。入口流路Ｒ２を出口流路Ｒ３の下方に配置することも可能である。入口流路Ｒ２を出口流路Ｒ３よりも上方に配置することによって、気化した冷却用液体窒素Ｚが上昇する力により冷却用液体窒素Ｚをバッファ室Ｒ１に長い間貯留させることができる。一方、入口流路Ｒ２を出口流路Ｒ３の下方に配置することによって、気化した冷却用液体窒素Ｚが出口流路Ｒ３から外部に排気されやすくし、冷却流路Ｒの流路抵抗を低減することが可能となる。
【００６５】
また、上記実施形態においては、ピストンポンプ７において液体窒素Ｘを昇圧する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。ピストンポンプ７で昇圧する液体は特に限定されるものではなく、例えば水をピストンポンプ７で昇圧する構成を採用することも可能である。
【００６６】
また、上記実施形態においては、液体窒素Ｘを冷却材として用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の液体等を冷却材として用いることも可能である。
【００６７】
また、上記実施形態においては、噴射用液体窒素Ｙの流れ方向にて、第１熱交換器６よりも上流側にブーストポンプ５を設置する構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、噴射用液体窒素Ｙの流れ方向にて、第１熱交換器６よりも下流側にブーストポンプ５を設置する構成を採用することも可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１……液体窒素噴射装置（液体噴射装置）、２……貯蔵タンク、３……液体窒素昇圧システム（昇圧液体供給システム）、４……ノズル、５……ブーストポンプ、６……第１熱交換器、７……ピストンポンプ、７ａ……シリンダ、７ｂ……スリーブ、７ｃ……ピストン、７ｄ……ヘッド部、７ｄ１……導入流路、７ｄ２……吐出流路、７ｄ３……大径部、７ｅ……流入弁、７ｆ……吐出弁、７ｇ……固定部材（流路形成部材）、７ｇ１……天壁部、７ｇ２……囲壁部、７ｇ３……貫通孔、７ｇ４……溝部、７ｇ５……開口部、８……第２熱交換器、９……フレキシブルチューブ、１０……接続配管、１１……接続配管、１２……冷却用配管、１３……オリフィス、１４……接続配管、１５……送出配管、１６……冷却用配管、１７……オリフィス、１８……後冷却配管、１９……オリフィス、２０……返流配管、２１……バルブ、Ｒ……冷却流路（冷却材流路）、Ｒ１……バッファ室、Ｒ２……入口流路、Ｒ３……出口流路、Ｘ……液体窒素、Ｙ……噴射用液体窒素、Ｚ……冷却用液体窒素
【図１】
2020101111.tif 000003
【図２】
2020101111.tif 000004
【図３】
2020101111.tif 000005