(57)【要約】【課題】容積形ポンプにより二酸化炭素を臨界圧力を超える圧力にまで昇圧させて送り出す際のエネルギー効率を向上する。【解決手段】供給タンク２に収容された液化二酸化炭素を第１の容積形ポンプ３により吸い込む。第１の容積形ポンプ３により、液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力未満の圧力まで昇圧させて送り出す。第１の容積形ポンプ３における液化二酸化炭素を冷却装置４により冷却する。第１の容積形ポンプ３から送り出された液化二酸化炭素を第２の容積形ポンプ５により吸い込む。第２の容積形ポンプ５により、液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力を超える圧力にまで昇圧させ、この臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素を送り出す。【選択図】図１
2018009630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給タンクに収容された液化二酸化炭素を少なくとも一台の第１の容積形ポンプにより吸い込み、
前記第１の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力未満の圧力まで昇圧させて送り出し、
前記第１の容積形ポンプにおいて液化二酸化炭素を冷却し、
前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素を、少なくとも一台の第２の容積形ポンプにより吸い込み、
前記第２の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力を超える圧力にまで昇圧させ、この臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素を送り出す二酸化炭素の供給方法。
【請求項２】
前記第１の容積形ポンプと前記第２の容積形ポンプとの間に中間タンクを介在させ、
前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素を、前記中間タンクに収容した後に前記第２の容積形ポンプにより吸い込み、
前記中間タンクに収容された液化二酸化炭素の一部を、減圧弁により減圧することで温度低下させて前記供給タンクに還流させる請求項１に記載の二酸化炭素の供給方法。
【請求項３】
前記供給タンクに収容される液化二酸化炭素を一定範囲内の圧力に保持し、前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力に対応する値を検出し、前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力変動が抑制されるように、その検出された値に応じて前記減圧弁の二次側圧力設定値を調節する請求項２に記載の二酸化炭素の供給方法。
【請求項４】
液化二酸化炭素を収容する供給タンクと、
前記供給タンクに収容された液化二酸化炭素を吸い込むように前記供給タンクに接続される少なくとも一台の第１の容積形ポンプと、
前記第１の容積形ポンプにおいて液化二酸化炭素を冷却する冷却装置と、
前記第１の容積形ポンプに直列に接続される少なくとも一台の第２の容積形ポンプとを備え、
前記第１の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素が加圧されることで臨界圧力未満の圧力まで昇圧されて送り出され、
前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素が前記第２の容積形ポンプにより吸い込まれ、
前記第２の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素が加圧されることで臨界圧力を超える圧力にまで昇圧され、この臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素が送り出される二酸化炭素の供給システム。
【請求項５】
前記第１の容積形ポンプと前記第２の容積形ポンプとの間に介在する中間タンクと、
前記中間タンクを前記供給タンクに接続する還流路と、
前記還流路に設けられる減圧弁とを備え、
前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素が、前記中間タンクに収容された後に前記第２の容積形ポンプにより吸い込まれ、
前記中間タンクに収容された液化二酸化炭素の一部が、前記減圧弁により減圧されることで温度低下され、
前記減圧弁により減圧された液化二酸化炭素が前記還流路を介して前記供給タンクに還流される請求項４に記載の二酸化炭素の供給システム。
【請求項６】
前記供給タンクに収容される液化二酸化炭素を一定範囲内の圧力に保持する手段と、
前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力に対応する値の検出装置を備え、
前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力変動が抑制されるように、前記検出装置により検出された値に応じて前記減圧弁の二次側圧力設定値を調節する制御装置が設けられている請求項５に記載の二酸化炭素の供給システム。
【請求項７】
前記第１の容積形ポンプとしてプランジャー式定量ポンプが用いられ、前記第２の容積形ポンプとしてダイヤフラム式定量ポンプが用いられる請求項４〜６の中の何れか１項に記載の二酸化炭素の供給システム。
【請求項８】
前記第１の容積形ポンプの数は複数とされ、前記第１の容積形ポンプそれぞれは互いに並列に接続される請求項４〜７の中の何れか１項に記載の二酸化炭素の供給システム。
【請求項９】
前記第２の容積形ポンプの数は複数とされ、前記第２の容積形ポンプそれぞれは互いに並列に接続される請求項４〜８の中の何れか１項に記載の二酸化炭素の供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素の供給方法および供給システムに関し、発砲樹脂を成形するための押出機に臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素を供給するのに適する。
【背景技術】
【０００２】
ポリスチレン樹脂等から成形される発泡樹脂は、一般的な工業製品として製造され、例えば建材としての断熱材、食品や電気製品などの梱包材として使用されている。そのような発泡樹脂の製造に際しては、例えばポリスチレン樹脂をポリエステル樹脂等と混合したものが、押出機に発泡剤として供給される二酸化炭素と混練され、好適な温度に加熱調整されながら高圧で押し出され、押し出し後に減圧されることで発泡が行われる。すなわち二酸化炭素が無機系物理発泡剤として使用される。この際、押出機において樹脂は最大で１０ＭＰａ（絶対圧）近くまで加圧されるので、押出機に発泡剤として供給される二酸化炭素の圧力を、臨界圧力である７．３８ＭＰａ（絶対圧）を大きく超える１０ＭＰａ以上まで上昇させる必要がある。
【０００３】
そのため、図７の従来例に示すような二酸化炭素の供給システム１０１が用いられている。供給システム１０１は、液化二酸化炭素を収容する供給タンク１０２と、供給タンク１０２に接続された容積形ポンプ１０３を備える。
【０００４】
供給タンク１０２内において液化二酸化炭素は液面Ｌを有し、例えば−２０℃の温度で、その温度での飽和蒸気圧に対応する２．０ＭＰａ（絶対圧）の圧力で収容される。供給タンク１０２は真空断熱層１０２ａにより保冷され、内部空間にコイル式熱交換器１０４が設けられている。冷凍機１０６により−３０℃〜−２５℃に冷却されたエチレングリコール冷媒１０７が、冷媒ポンプ１０８によりコイル式熱交換器１０４と冷媒タンク１０５の間で循環させられる。
【０００５】
容積形ポンプ１０３としてはダイヤフラム式定量ポンプが用いられている。容積形ポンプ１０３は複数とされ、互いに並列に接続されている。容積形ポンプ１０３の吸入口１０３ａは供給タンク１０２に接続され、吐出口１０３ｂは発泡樹脂の押出機１０９に接続される。供給タンク１０２に収容された液化二酸化炭素は容積形ポンプ１０３に吸い込まれ、容積形ポンプ１０３により加圧されることで、臨界圧力である７．３８ＭＰａを超える１０ＭＰａ以上まで昇圧される。これにより臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素が押出機１０９に送り出される。
【０００６】
容積形ポンプ１０３に吸い込まれた液化二酸化炭素は、臨界圧力に到達する前に作動部の摩擦熱や外気からの侵入熱により温度が上昇すると飽和蒸気圧が大きくなり、一部が気化して気泡が発生し、容積形ポンプ１０３による加圧が阻害される。そこで、容積形ポンプ１０３における液化二酸化炭素を冷却することで飽和蒸気圧を低下させ、気化が抑制されている。すなわち、容積形ポンプ１０３は冷却ジャケット１１１により覆われ、冷凍機１１２により−３０℃〜−２５℃に冷却されたエチレングリコール冷媒１１３が、冷媒ポンプ１１４により冷却ジャケット１１１と冷媒タンク１１５の間で循環させられる。また、特許文献１に開示されているように、ダイヤフラム式定量ポンプの駆動油を冷媒により冷却することも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１３４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の供給システム１０１における容積形ポンプ１０３は、二酸化炭素を供給タンク１０２における液体状態での収容圧力から、押出機１０９への臨界圧力を超える送り出し圧力まで加圧する。そのため、従来の容積形ポンプ１０３は圧縮比が大きく、それだけ作動部の摩擦熱が増大し、それに応じて冷却に必要なエネルギーが大きくなり、エネルギー効率が低下するという問題がある。
【０００９】
また、容積形ポンプ１０３としてダイヤフラム式定量ポンプのみを用いて二酸化炭素を送り出す場合、精度良く定量を送り出すのには適するが、送り出し量が多くなるとハウジングが大型化し、外部から内部の液化二酸化炭素を冷却するのが困難になる。そのため、送り出し量を多くするためには互いに並列に接続される容積形ポンプ１０３の数を多くしなければならず、エネルギー効率が低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、供給タンク１０２に収容される液化二酸化炭素の圧力の上限は安全基準上から制限される。そのため、上記のような冷凍機１０６等を用いて供給タンク１０２に収容される液化二酸化炭素の温度上昇を抑制する必要があり、これによってもエネルギー効率が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題を解決できる二酸化炭素の供給方法および供給システム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】
【００１２】
本発明による二酸化炭素の供給方法は、供給タンクに収容された液化二酸化炭素を少なくとも一台の第１の容積形ポンプにより吸い込み、前記第１の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力未満の圧力まで昇圧させて送り出し、前記第１の容積形ポンプにおいて液化二酸化炭素を冷却し、前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素を、少なくとも一台の第２の容積形ポンプにより吸い込み、前記第２の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力を超える圧力にまで昇圧させ、この臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素を送り出すことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、第１の容積形ポンプと第２の容積形ポンプにより、二酸化炭素を供給タンクにおける液体状態での収容圧力から臨界圧力を超える圧力まで段階的に加圧する。すなわち、従来は二酸化炭素を単段で圧縮して送り出していたのに対し、多段で圧縮して送り出す。よって、第１の容積形ポンプと第２の容積形ポンプそれぞれにおける圧縮比を従来よりも小さくでき、それぞれの作動部の摩擦熱を低減できる。さらに、供給タンクに収容された臨界圧力未満の液化二酸化炭素の圧力を、第１の容積形ポンプにより臨界圧力に近付けることで、第２の容積形ポンプにおいて液化二酸化炭素が臨界圧力に到達するまでの圧力上昇幅を小さくでき、これにより、第２の容積形ポンプにおいて臨界圧力に到達する前に液化二酸化炭素の一部が気化して気泡が発生するのを抑制するのに必要な冷却エネルギーを可及的に小さくでき、不要にすることも可能になる。すなわち、臨界圧力に到達する前に液化二酸化炭素中に気泡が発生するのを抑制する上で、従来よりも作動部の摩擦熱が低減された第１の容積形ポンプにおいて液化二酸化炭素を冷却すれば、第２の容積形ポンプにおいて必要な冷却エネルギーを小さくでき、不要にすることも可能であるので、冷却に必要なエネルギーの総和を従来よりも低減できる。
【００１４】
本発明による二酸化炭素の供給システムは、液化二酸化炭素を収容する供給タンクと、前記供給タンクに収容された液化二酸化炭素を吸い込むように前記供給タンクに接続される少なくとも一台の第１の容積形ポンプと、前記第１の容積形ポンプにおいて液化二酸化炭素を冷却する冷却装置と、前記第１の容積形ポンプに直列に接続される少なくとも一台の第２の容積形ポンプとを備え、前記第１の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素が加圧されることで臨界圧力未満の圧力まで昇圧されて送り出され、前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素が前記第２の容積形ポンプにより吸い込まれ、前記第２の容積形ポンプにより、液化二酸化炭素が加圧されることで臨界圧力を超える圧力にまで昇圧され、この臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素が送り出されることを特徴とする。
本発明システムによれば本発明方法を実施できる。
【００１５】
本発明方法において、前記第１の容積形ポンプと前記第２の容積形ポンプとの間に中間タンクを介在させ、前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素を、前記中間タンクに収容した後に前記第２の容積形ポンプにより吸い込み、前記中間タンクに収容された液化二酸化炭素の一部を、減圧弁により減圧することで温度低下させて前記供給タンクに還流させるのが好ましい。
これにより、第１の容積形ポンプの送り出し流量を第２の容積形ポンプの送り出し流量よりも過剰にし、その過剰な液化二酸化炭素を中間タンクを介して供給タンクに還流させることができる。供給タンクに還流される液化二酸化炭素は減圧されることで温度低下するので、供給タンクに収容された液化二酸化炭素の温度上昇を抑制できる。すなわち、供給タンクに収容される液化二酸化炭素の温度上昇を冷凍機を用いることなく抑制でき、冷却に要するエネルギーを低減できる。
また、第１の容積形ポンプから送り出される液化二酸化炭素が中間タンクに一時的に滞留され、中間タンクにおいて液化二酸化炭素が液面を有し、その液面の上方に気相が存在することにより、第１の容積形ポンプから送り出される液化二酸化炭素の圧力脈動を中間タンクにおいて吸収する緩衝作用を奏することができ、第２の容積形ポンプから送り出される二酸化炭素の圧力変動を低減できる。
この場合に本発明方法を実施するため、本発明システムは前記第１の容積形ポンプと前記第２の容積形ポンプとの間に介在する中間タンクと、前記中間タンクを前記供給タンクに接続する還流路と、前記還流路に設けられる減圧弁とを備え、前記第１の容積形ポンプから送り出された液化二酸化炭素が、前記中間タンクに収容された後に前記第２の容積形ポンプにより吸い込まれ、前記中間タンクに収容された液化二酸化炭素の一部が、前記減圧弁により減圧されることで温度低下され、前記減圧弁により減圧された液化二酸化炭素が前記還流路を介して前記供給タンクに還流されるのが好ましい。これにより、供給タンクに還流される液化二酸化炭素により、外部からの侵入熱による供給タンク内の二酸化炭素の温度上昇が抑制される。
【００１６】
さらに、前記供給タンクに収容される液化二酸化炭素を一定範囲内の圧力に保持し、前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力に対応する値を検出し、前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力変動が抑制されるように、その検出された値に応じて前記減圧弁の二次側圧力設定値を調節するのが好ましい。
これにより、中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力変動を小さくし、第２の容積形ポンプから送り出される二酸化炭素の圧力変動を低減できる。
この場合に本発明方法を実施するため、本発明システムは前記供給タンクに収容される液化二酸化炭素を一定範囲内の圧力に保持する手段と、前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力に対応する値の検出装置を備え、前記中間タンクにおける液化二酸化炭素の圧力変動が抑制されるように、前記検出装置により検出された値に応じて前記減圧弁の二次側圧力設定値を調節する制御装置が設けられているのが好ましい。
【００１７】
前記第１の容積形ポンプとしてプランジャー式定量ポンプが用いられ、前記第２の容積形ポンプとしてダイヤフラム式定量ポンプが用いられるのが好ましい。
液化二酸化炭素をプランジャーの往復駆動により圧縮するプランジャー式定量ポンプは、駆動シャフトの往復駆動によるダイヤフラムの動きにより圧縮するダイヤフラム式定量ポンプに比べ、一定の吐出量に必要な駆動部の機械的な運動量を大きくできるので、吐出量を大きく、ケーシングを薄くできる。よって、プランジャー式定量ポンプはダイヤフラム式定量ポンに比べ、ケーシングを小型化できるので外部からポンプ室内の液化二酸化炭素を冷却する際の冷却効果を高めることができる。
一方、プランジャー式定量ポンプにおいてはプランジャーをケーシングに対してグランド部においてシールを介して摺動させるため、プランジャーとケーシングとの間からの液化二酸化炭素の漏れが高圧になる程に多くなるのに比べ、ダイヤフラム式定量ポンプにおいては圧縮時にダイヤフラムはケーシングに対して摺動しないのでグランド部が不要で密閉性が高くなり、液化二酸化炭素の漏れを少なくして圧縮効率を向上できる。
本願発明における第２の容積形ポンプは第１の容積形ポンプよりも臨界圧力を超えた高圧で使用されるため、第２の容積形ポンプでの液化二酸化炭素の温度は約３０℃以上に上昇する。そのため、第２の容積形ポンプを、内部温度が標準環境温度よりも高い状態で運転することが可能となり、冷却に要するエネルギーを低減することができる。よって、第１の容積形ポンプとして冷却効果を高くできるプランジャー式定量ポンプを用い、第２の容積形ポンプとして高圧での液化二酸化炭素の漏れの少ないダイヤフラム式定量ポンプを用いることで、エネルギー効率を高めることができる。
【００１８】
前記第１の容積形ポンプの数は単一でも複数でもよい。前記第１の容積形ポンプの数が複数の場合、前記第１の容積形ポンプそれぞれは互いに並列に接続されてもよい。
【００１９】
前記第２の容積形ポンプの数は単一でも複数でもよい。前記第２の容積形ポンプの数が複数の場合、前記第２の容積形ポンプそれぞれは互いに並列に接続されるのがよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による二酸化炭素の供給方法および供給システムによれば、容積形ポンプにより二酸化炭素を臨界圧力を超える圧力にまで昇圧させて送り出す際のエネルギー効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態における二酸化炭素の供給システムの構成を示す図。
【図２】本発明の実施形態におけるプランジャー式定量ポンプの断面図。
【図３】図２のIII −III 線断面図。
【図４】本発明の実施形態におけるダイヤフラム式定量ポンプの断面図。
【図５】本発明の実施形態におけるダイヤフラム式定量ポンプの部分拡大断面図。
【図６】二酸化炭素の状態図。
【図７】従来の二酸化炭素の供給システムの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示す二酸化炭素の供給システム１は、工業的に発泡樹脂を成形するために用いられる高圧の液化二酸化炭素を収容する供給タンク２を備える。本実施形態の供給タンク２としては、液化二酸化炭素を一定範囲内の圧力に保持するための加圧蒸発器と圧力調整器のような圧力保持手段と真空断熱層２ａのような保冷手段とを有する公知のコールドエバポレーターを用いることができる。供給タンク２に収容される液化二酸化炭素は液面Ｌを有する。供給タンク２は発泡樹脂を工業的に連続生産できるように大量の液化二酸化炭素を収容するのに適したものとされ、液化二酸化炭素の収容圧力は強度上から制限される。そのため、供給タンク２に液化二酸化炭素は一般的に常用される圧力、温度で収容され、また、収容圧力は収容温度での飽和蒸気圧に対応するよう収容圧力と収容温度はバランスし、さらに、収容圧力と収容温度はそれぞれ一定範囲内の値に保持されるのが好ましい。例えば、供給タンク２における液化二酸化炭素の収容温度の設定値が−２０℃、収容圧力の設定値が収容温度の設定値での飽和蒸気圧に対応する２．０ＭＰａ（絶対圧）とされ、供給タンク２の運転操作により収容温度が設定値になるよう一定の変動幅で昇降されることに伴い、収容圧力が設定値になるよう一定の変動幅で昇降される。その収容温度の一定の変動幅はできるだけ小さくされるのが好ましく、例えば±１℃とされ、この場合、収容圧力の一定の変動幅は収容圧力が収容温度での飽和蒸気圧に対応するよう±０．１ＭＰａとされる。これにより、収容温度は−２０℃±１℃の範囲内の値に保持され、収容圧力は２．０ＭＰａ（絶対圧）±０．１ＭＰａの範囲内であって収容温度での飽和蒸気圧に対応する値に保持される。なお、供給タンク２における液化二酸化炭素の収容温度は限定されないが、経済効率上から−２０℃〜−２５℃の間の値に設定されるのが好ましく、収容圧力は収容温度での飽和蒸気圧に対応すればよい。
【００２３】
供給タンク２の下部出口２ｂに第１の容積形ポンプとしてプランジャー式定量ポンプ３の吸込口３ａが配管接続される。供給タンク２に収容された液化二酸化炭素がプランジャー式定量ポンプ３により吸い込まれる。プランジャー式定量ポンプ３は、液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力未満の圧力まで昇圧させて吐出口３ｂから送り出す。すなわち、液化二酸化炭素はプランジャー式定量ポンプ３により圧縮されることで、圧力と温度が供給タンク２におけるよりも上昇され臨界点に近付けられて送り出される。
【００２４】
プランジャー式定量ポンプ３としては公知のものを用いることができる。例えば図２、図３に示すように、プランジャー式定量ポンプ３におけるプランジャー３ｃとケーシング３ｄにより囲まれるポンプ室３ｅは、吸込時に開く逆止弁により構成される吸入弁３ｆを介して吸込口３ａに通じ、吐出時に開く逆止弁により構成される吐出弁３ｇを介して吐出口３ｂに通じる。プランジャー３ｃは図外の駆動装置により往復駆動され、ケーシング３ｄに対してグランド部３ｈにおいてＯ−リングなどのシールを介して摺動する。プランジャー３ｃが図２において二点鎖線で示すように右方移動することにより、ポンプ室３ｅにおける液化二酸化炭素は加圧されて吐出弁３ｇを介して送り出される。プランジャー３ｃが図２において実線で示すように左方移動することにより、ポンプ室３ｅへ吸入弁３ｆを介して液化二酸化炭素が吸い込まれる。
【００２５】
プランジャー式定量ポンプ３において液化二酸化炭素を、例えば−２０℃以下に冷却する冷却装置４が設けられている。冷却装置４としては公知のものを用いることができ、プランジャー式定量ポンプ３のケーシング３ｄを覆う冷却ジャケット４ｅを介して液化二酸化炭素を冷却するため、冷媒タンク４ａに収容されたエチレングリコール等の冷媒４ｂを冷凍機４ｃにより冷却する。冷媒４ｂの温度は、プランジャー式定量ポンプ３において液化二酸化炭素に気泡が発生するのを防止できるように設定すればよく、例えば冷凍機４ｃにより−３０℃に冷却した冷媒４ｂを冷媒ポンプ４ｄにより配管を介して冷却ジャケット４ｅに入口４ｅ′から送り込み、出口４ｅ″から配管を介して−２５℃で還流させる。
【００２６】
プランジャー式定量ポンプ３における液化二酸化炭素は、冷却装置４により冷却されることで飽和蒸気圧が低減され、一部が気化して気泡発生するのが抑制される。すなわち、加圧前、加圧中、加圧後において液化二酸化炭素中の気泡発生を抑制できるように冷却により飽和蒸気圧が低減され、有効吸込みヘッドが十分大きくされる。プランジャー式定量ポンプ３における加圧前の液化二酸化炭素の温度と圧力は、供給タンク２とプランジャー式定量ポンプ３の間の配管での圧力損失、熱損失が小さく無視できる場合、供給タンク２における収容温度、収容圧力と同様とされるのが好ましい。また、プランジャー式定量ポンプ３における加圧後の液化二酸化炭素の温度は３０℃〜−２５℃の間の値とされ、圧力は７．０ＭＰａ〜７．３ＭＰａ（絶対圧）の間の値とされるのが好ましい。例えば、プランジャー式定量ポンプ３における液化二酸化炭素は、加圧前の吸込口３ａにおいて温度が−２０℃、圧力がその温度での飽和蒸気圧に対応する２．０ＭＰａ（絶対圧）とされる場合、加圧後の吐出口３ｂにおいては温度が−５℃、圧力がプランジャー式定量ポンプ３による液化二酸化炭素の圧縮比により定まる値とされ、圧縮比を約３．３として７．０ＭＰａ（絶対圧）とされる。
【００２７】
第２の容積形ポンプとしてダイヤフラム式定量ポンプ５が、プランジャー式定量ポンプ３に密閉型の中間タンク６を介して直列に接続され、これによりプランジャー式定量ポンプ３とダイヤフラム式定量ポンプ５との間に中間タンク６が介在する。すなわち、プランジャー式定量ポンプ３の吐出口３ｂは中間タンク６の入口６ａに配管を介して接続され、中間タンク６の主出口６ｂにダイヤフラム式定量ポンプ５の吸込口５ａが配管を介して接続される。本実施形態のダイヤフラム式定量ポンプ５の数は複数とされ、ダイヤフラム式定量ポンプ５それぞれは互いに並列に接続され、異なる押出機７に接続される。
【００２８】
プランジャー式定量ポンプ３から送り出された液化二酸化炭素は、中間タンク６に収容された後にダイヤフラム式定量ポンプ５により吸い込まれる。中間タンク６における液化二酸化炭素の収容圧力は臨界圧力未満とされ、プランジャー式定量ポンプ３と中間タンク６との間の配管での圧力損失が小さく無視できる場合、プランジャー式定量ポンプ３からの送り出し圧力と等しくされるのが好ましく、例えば約７．０ＭＰａ（絶対圧）とされる。中間タンク６において液化二酸化炭素は臨界温度未満の温度で収容され、プランジャー式定量ポンプ３と中間タンク６との間の配管での熱損失が小さく無視できる場合、プランジャー式定量ポンプ３から送り出される温度と等しい温度で収容されるのが好ましく、例えば−５℃で収容される。中間タンク６における液化二酸化炭素の圧力は７．０ＭＰａ〜７．３ＭＰａ（絶対圧）の間の値とされ、温度は３０℃〜−２５℃の間の値とされるのが好ましく、温度は−５℃前後とされるのが特に好ましい。なお、中間タンク６における二酸化炭素の温度変化を防止するため、中間タンク６を断熱材で覆って保冷したり、中間タンク６を覆う冷却ジャケットを設け、冷凍機により冷却される冷媒を冷却ジャケットと冷媒タンクの間でポンプにより循環させてもよい。
【００２９】
中間タンク６を供給タンク２に接続する還流路１２が設けられ、還流路１２に減圧弁８が設けられる。還流路１２の一端は中間タンク６の還流口６ｃに接続され、他端は供給タンク２の上部入口２ｃに接続される。中間タンク６に収容された液化二酸化炭素の一部が減圧弁８により減圧され、減圧弁８により減圧された液化二酸化炭素が還流路１２を介して供給タンク２に還流される。そのため、プランジャー式定量ポンプ３からの液化二酸化炭素の送り出し流量は、ダイヤフラム式定量ポンプ５による液化二酸化炭素の吸い込み流量と還流路１２での液化二酸化炭素の流量との和に対応するものとされる。すなわち、プランジャー式定量ポンプ３からの液化二酸化炭素の送り出し流量（例えば３０ｋｇ／ｈ）は、押出機７における発泡樹脂の形成に必要な流量（例えば６ｋｇ／ｈ）よりも過剰とされ、過剰分（例えば２４ｋｇ／ｈ）が供給タンク２に還流される。減圧弁８は二次側圧力設定値を調節可能な公知のものを用いることができ、例えば、バネの弾力と二次側圧力である供給タンク２の内圧との差により移動する弁体と、そのバネのバネ受け部材を変移させるアクチュエータを有するものを採用できる。これにより減圧弁８は、二次側圧力が低下する程に開度が増加するように弁体がバネの弾力に抗して移動することで二次側圧力を設定値に保持でき、また、バネ受け部材をアクチュエータにより変移させてバネの弾力を変化させることで二次側圧力設定値を調節できる。
【００３０】
供給タンク２に還流される液化二酸化炭素は、減圧されることで温度低下するので、供給タンク２に収容された液化二酸化炭素が外部からの侵入熱により温度上昇するのが抑制される。例えば、減圧弁８の二次側圧力設定値が供給タンク２に収容される液化二酸化炭素の収容圧力の設定値と等しくされ、中間タンク６に例えば７．０ＭＰａ（絶対圧）、−５℃で収容された液化二酸化炭素が、例えば２．０ＭＰａ（絶対圧）まで減圧弁８により減圧されて供給タンク２に還流される。これにより、中間タンク６の液化二酸化炭素は供給タンク２の液化二酸化炭素の収容温度の設定値、例えば−２０℃まで温度低下されるので、供給タンク２に収容された液化二酸化炭素の温度上昇は抑制される。この際、還流される液化二酸化炭素は、図６における二酸化炭素の熱力学的な状態量と相との関係における三重点と臨界点を結ぶ沸騰線に沿うように温度、圧力が変化する。
【００３１】
中間タンク６における液化二酸化炭素の圧力に対応する値の検出装置９が設けられている。本実施形態の検出装置９は、液化二酸化炭素の圧力に対応する値として、中間タンク６において液化二酸化炭素の液面Ｌ′の高さを検出する液面計が用いられている。検出装置９として液化二酸化炭素の圧力そのものを検出する圧力センサを用いてもよい。
【００３２】
プランジャー式定量ポンプ３の送り出し流量からダイヤフラム式定量ポンプ５の吸い込み流量を差し引いた液化二酸化炭素の過剰分が変動した場合でも、過剰分の液化二酸化炭素を中間タンク６における圧力変動を抑制しつつ供給タンク２に還流させることができるように、検出装置９により検出された値に応じて減圧弁８の二次側圧力設定値を調節する制御装置１０が設けられている。
【００３３】
すなわち、液化二酸化炭素の過剰分が一定である通常状態においては、予め設定された一定流量の液化二酸化炭素が過剰分として圧力変動することなく供給タンク２に還流されるものとされ、また、減圧弁８の二次側圧力設定値は初期値とされ、この時の中間タンク６における液化二酸化炭素の圧力が基準圧力とされる。
液化二酸化炭素の過剰分が予め設定された一定流量から変動した場合、その変動量に応じて中間タンク６における液化二酸化炭素の圧力が基準圧力から変動する。制御装置１０は、検出装置９の検出圧力と基準圧力との差に応じて減圧弁８のアクチュエータを作動させる制御信号を出力する。これにより減圧弁８の二次側圧力設定値を、中間タンク６に収容された液化二酸化炭素の圧力が基準圧力よりも上昇する程に初期値よりも大きくし、基準圧力よりも下降する程に初期値よりも小さくするように、減圧弁８のバネ受け部材を変移させる。これにより、減圧弁８の二次側圧力設定値の初期値からの変更に応じ、中間タンク６から供給タンク２に還流させる液化二酸化炭素の流量を変更できる。よって、液化二酸化炭素の過剰分が変動しても、中間タンク６における圧力変動を抑制しつつ過剰分を供給タンク２に還流させ、ダイヤフラム式定量ポンプ５から送り出される二酸化炭素の流量、圧力の変動を防止できる。なお、検出圧力が基準圧力から変動した場合に制御装置１０は警告ランプ等の警報装置にアラーム信号を出力してもよい。
【００３４】
ダイヤフラム式定量ポンプ５は、液化二酸化炭素を加圧することで臨界点を超える圧力まで昇圧させて超臨界状態に転移させ、この超臨界状態の二酸化炭素を吐出口５ｂから送り出す。ダイヤフラム式定量ポンプ５それぞれの吐出口５ｂは発泡樹脂の押出機７それぞれに接続される。ダイヤフラム式定量ポンプ５により圧縮されることで、二酸化炭素は例えば１０ＭＰａ（絶対圧）以上まで昇圧され、これにより温度も臨界温度である３１．１℃を超える値に昇温される。押出機７は、例えばポリスチレン系樹脂の発泡板を成形する。なお、ダイヤフラム式定量ポンプ５から送り出されて押出機７に供給される二酸化炭素の温度は臨界温度未満でもよく、ダイヤフラム式定量ポンプ５は液化二酸化炭素を加圧することで臨界圧力を超える圧力にまで昇圧させ、この臨界圧力を超える圧力の二酸化炭素を送り出せればよい。
【００３５】
ダイヤフラム式定量ポンプ５としては公知のものを用いることができる。例えば図４、図５に示すように、ダイヤフラム式定量ポンプ５におけるダイヤフラム５ｃの一面とケーシング５ｄにより囲まれるポンプ室５ｅは、吸込時に開く逆止弁により構成される吸入弁５ｆを介して吸込口５ａに通じ、吐出時に開く逆止弁により構成される吐出弁５ｇを介して吐出口５ｂに通じる。また、ダイヤフラム５ｃの他面とケーシング５ｄと駆動シャフト５ｋにより囲まれる油室５ｈは、加圧時に開く逆止弁により構成される逃がし弁５ｉと加圧解除時に開く逆止弁により構成される流入弁５ｊを介して、ケーシング５に一体化された作動油５ｍのタンク５ｎに通じる。駆動シャフト５ｋは図外の駆動装置により往復駆動される。駆動シャフト５ｋの図４における左方移動によりダイヤフラム５ｃが作動油５ｍを介して変形することで、ポンプ室５ｅにおける液化二酸化炭素は加圧されて超臨界状態とされて吐出弁５ｇを介して押出機７に送り出され、右方移動により加圧解除されたダイヤフラム５ｃの変形によりポンプ室５ｅへ吸入弁５ｆを介して液化二酸化炭素が吸い込まれる。
【００３６】
ダイヤフラム式定量ポンプ５において二酸化炭素を冷却する冷却装置１１が設けられている。冷却装置１１としては公知のものを用いることができ、ダイヤフラム式定量ポンプ５のケーシング５ｄを覆う冷却ジャケット１１ｅを介して二酸化炭素を冷却するため、冷媒タンク１１ａに収容されたエチレングリコール等の冷媒１１ｂを冷凍機１１ｃにより例えば−３０℃に冷却し、冷媒１１ｂを冷媒ポンプ１１ｄにより配管を介して冷却ジャケット１１ｅに入口１１ｅ′から送りこみ、出口１１ｅ″から配管を介して−２５℃で還流させる。
【００３７】
ダイヤフラム式定量ポンプ５において臨界点に到達する前の液化二酸化炭素は、冷却装置１１により冷却されることで飽和蒸気圧が低減される。すなわち、加圧前、臨界点に到達するまでの加圧中において液化二酸化炭素中の気泡発生を抑制できるように冷却により飽和蒸気圧が低減され、有効吸込みヘッドが十分大きくされる。例えば、ダイヤフラム式定量ポンプ５における液化二酸化炭素は、中間タンク６とダイヤフラム式定量ポンプ５との間の配管での圧力損失、熱損失が小さく無視できる場合、加圧前の吸込口５ａにおいて中間タンク６におけると同様に温度が−５℃、圧力が約７．０ＭＰａ（絶対圧）とされる。ダイヤフラム式定量ポンプ５における加圧前の液化二酸化炭素の温度は３０℃〜−２５℃の間の値とされ、圧力は７．０ＭＰａ〜７．３ＭＰａ（絶対圧）の間の値とされるのが好ましく、温度は−５℃前後とされるのが特に好ましい。これにより、臨界点に到達する前に液化二酸化炭素の一部が気化して気泡が発生するのが抑制される。なお、中間タンク６における液化二酸化炭素の温度が十分に低く、ダイヤフラム式定量ポンプ５における液化二酸化炭素の一部が臨界点に到達する前に気化して気泡発生するのを抑制できる場合、冷却装置１１を設けなくてもよい。
【００３８】
上記供給システム１によれば、供給タンク２に収容された液化二酸化炭素をプランジャー式定量ポンプ３により吸い込み、加圧することで臨界圧力未満の圧力まで昇圧させて送り出し、その送り出された液化二酸化炭素をダイヤフラム式定量ポンプ５により吸い込み、加圧することで臨界点を超える圧力と温度まで昇圧、昇温させて超臨界状態に転移させ、この超臨界状態の液化二酸化炭素を送り出す。すなわち、従来は二酸化炭素を単段で圧縮して送り出していたのに対し、プランジャー式定量ポンプ３とダイヤフラム式定量ポンプ５により、二酸化炭素を供給タンク２における液体状態での収容圧力から臨界圧力を超える圧力まで、２段階に分けて圧縮して送り出す。
【００３９】
このように二酸化炭素を段階的に加圧することで、プランジャー式定量ポンプ３とダイヤフラム式定量ポンプ５それぞれにおける圧縮比を従来よりも小さくでき、それぞれの作動部の摩擦熱を低減できる。さらに、供給タンク２に収容された臨界圧力未満の液化二酸化炭素の圧力を、プランジャー式定量ポンプ３により臨界圧力に近づけることで、ダイヤフラム式定量ポンプ５において液化二酸化炭素が臨界圧力に到達するまでの圧力上昇幅を小さくでき、これにより、ダイヤフラム式定量ポンプ５において臨界圧力に到達する前に液化二酸化炭素が気化するのを抑制するのに必要な冷却エネルギーを可及的に小さくでき、不要にすることも可能になる。すなわち、臨界圧力に到達する前に液化二酸化炭素の気化を抑制する上で、従来よりも作動部の摩擦熱が低減されたプランジャー式定量ポンプ３において液化二酸化炭素を冷却すれば、ダイヤフラム式定量ポンプ５において必要な冷却エネルギーは小さくでき、不要にすることも可能であるので、冷却に必要なエネルギーの総和を従来よりも低減できる。
【００４０】
また、中間タンク６に収容された液化二酸化炭素の一部が減圧されて供給タンク２に還流され、その還流される液化二酸化炭素は減圧されることで温度低下するので、供給タンク２に収容された液化二酸化炭素の温度上昇を抑制できる。これにより、供給タンク２に収容される液化二酸化炭素の温度上昇を冷凍機を用いることなく抑制でき、冷却に要するエネルギーを低減できる。
【００４１】
また、プランジャー式定量ポンプ３から送り出された液化二酸化炭素は中間タンク６に一時的に滞留され、中間タンク６において液化二酸化炭素が液面Ｌ′を有し、その液面Ｌ′の上方に気相が存在することにより、プランジャー式定量ポンプ３から送り出される液化二酸化炭素の圧力脈動を吸収する緩衝作用を中間タンク６において奏することができ、ダイヤフラム式定量ポンプ５から送り出される超臨界二酸化炭素の圧力変動を低減できる。さらに、中間タンク６における液化二酸化炭素の圧力に応じて減圧弁８の二次側圧力設定値を調節することで、中間タンク６における液化二酸化炭素の圧力変動を小さくできる。
【００４２】
液化二酸化炭素をプランジャー３ｃの往復駆動により圧縮するプランジャー式定量ポンプ３は、駆動シャフト５ｋの往復駆動によるダイヤフラム５ｃの動きにより圧縮するダイヤフラム式定量ポンプ５に比べ、一定の吐出量に必要な駆動部の機械的な運動量を大きくできるので、吐出量を大きくでき、また、ケーシングを薄くできるので小型化が容易である。よって、プランジャー式定量ポンプ３はダイヤフラム式定量ポンプ５に比べ、ケーシング３ｄを薄く小型化することで外部からポンプ室３ｅ内の液化二酸化炭素を冷却する際の冷却効果を高めることができる。一方、プランジャー式定量ポンプ３においてはプランジャー３ｃをケーシング３ｄに対してグランド部３ｈにおいてシールを介して摺動させるため、プランジャー３ｃとケーシング３ｄとの間からの液化二酸化炭素の漏れが高圧になる程に多くなるのに比べ、ダイヤフラム式定量ポンプ５においては圧縮時にダイヤフラム５ｃはケーシング５ｄに対して摺動しないのでグランド部が不要で密閉性が高くなり、液化二酸化炭素の漏れを少なくして圧縮効率を向上できる。また、第２の容積形ポンプは第１の容積形ポンプよりも、臨界圧力を超えた高圧で使用されるため、第２の容積形ポンプでの二酸化炭素の温度は約３０℃以上に上昇する。そのため、第２の容積形ポンプを、内部温度が標準環境温度よりも高い状態で運転することが可能となり、冷却に要するエネルギーを低減することができる。よって、第１の容積形ポンプとして冷却効果を高くできるプランジャー式定量ポンプ３を用い、第２の容積形ポンプとして高圧での液化二酸化炭素の漏れが少ないダイヤフラム式定量ポンプ５を用いることで、エネルギー効率を高めることができる。
【００４３】
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、第１の容積形ポンプとしてダイヤフラム式定量ポンプやギヤポンプ等を用いてもよいし、第２の容積形ポンプとしてプランジャー式定量ポンプやギヤポンプ等を用いても良い。
第１の容積形ポンプの数を複数としてもよく、この場合は第１の容積形ポンプそれぞれを互いに並列に接続してもよい。
また、第２の容積形ポンプの数は単一としてもよい。
中間タンク６において液化二酸化炭素を冷却したり、プランジャー式定量ポンプ３において液化二酸化炭素の冷却後の温度を上記実施形態におけるよりも低下させることで、ダイヤフラム式定量ポンプ５における液化二酸化炭素の冷却を不要にしてもよい。また、周囲環境温度が低く中間タンク６における液化二酸化炭素が冷却されるような場合、第２の容積形ポンプにおける液化二酸化炭素の冷却を不要にしてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
２…供給タンク、３…プランジャー式定量ポンプ（第１の容積形ポンプ）、４…冷却装置、５…ダイヤフラム式定量ポンプ（第２の容積形ポンプ）、６…中間タンク、８…減圧弁、９…検出装置、１０…制御装置、１２…還流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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