JP2018003730A - 昇圧用ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧用ポンプの内部空間に低温液体が気化した気体が残留することを防ぎ、吐出および吸入の効率を高める。【解決手段】往復式の昇圧用ポンプ５０は、低圧の低温液体を内部に吸入するための吸入口５５および低温液体を昇圧して外部に吐出するための吐出口５６を有するシリンダ４１と、シリンダの内部空間４３内で往復動するピストン４２と、内部空間と吸入口との間の吸入流路６４を開閉するための吸入用逆止弁６５と、内部空間と吐出口との間の吐出流路６１を開閉するための吐出用逆止弁６２と、を備える。吸入用逆止弁は、シリンダに吸入される前の低温液体の圧力を基準とする内部空間の相対圧力が所定の圧力よりも高いときに閉じる。【選択図】図２

Description

本発明は、液化天然ガス等の低温液体を昇圧するための往復式の昇圧用ポンプに関する。

従来の船舶においては、低速での出力が可能であり、プロペラに直結して駆動することができる、２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンが用いられている。
近年、低速ディーゼルエンジンの燃料として、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ、排出量の少ない天然ガスが注目されている。低速ディーゼルエンジンの燃焼室に高圧の天然ガスを燃料として噴射して燃焼させることで、高熱効率で出力が得られる。

液化天然ガスを昇圧するために、例えばシリンダ及びシリンダの内部で往復動するピストンを有する往復式の昇圧用ポンプが用いられる（例えば、特許文献１参照）。シリンダには、液化天然ガス等の低温液体を内部に吸入するための吸入口および低温液体を昇圧して外部に吐出するための吐出口が設けられている。また、昇圧用ポンプには、シリンダの内部空間と吸入口との間の吸入流路を開閉するための吸入用逆止弁、内部空間と吐出口との間の吐出流路を開閉するための吐出用逆止弁が設けられる。吸入用逆止弁はシリンダの内部空間の圧力が昇圧前の低温液体の圧力よりも小さくなったときに開き、吐出用逆止弁はシリンダの内部空間の圧力が昇圧後の低温液体の圧力よりも高くなったときに開くように調整されている。

特許第５５１９８５７号公報

往復式の昇圧用ポンプを用いて低温液体を昇圧する場合、昇圧用ポンプの始動時にはまだ昇圧用ポンプが低温液体の温度まで冷却されていない。このとき、昇圧用ポンプのシリンダ内に低温液体を吸入すると、シリンダ内で低温液体が気化して気体となる。シリンダの内部空間で低温液体が気化した気体が生じると、気体を圧縮して内部空間の圧力が昇圧後の低温液体の圧力よりも高くなるまで吐出用逆止弁が開かないため、吐出効率が低下するという問題がある。また、低温液体が気化した気体がシリンダの内部空間に残ると、シリンダの内部空間の圧力が下がりにくくなり、吸入用逆止弁が開きにくくなるため、吸入効率が低下するという問題がある。特に昇圧用ポンプの始動時には、昇圧用ポンプが常温であるため、昇圧用ポンプの内部空間に液体燃料が供給されると、昇圧用ポンプが液体燃料の温度まで冷却されるまでの間、液体燃料が気化した気体が昇圧用ポンプの内部空間に大量に発生する。このため、昇圧用ポンプの内部空間に発生した気体を効率よく昇圧用ポンプの外部へ排出する必要がある。

そこで、本発明は、昇圧用ポンプの内部空間に低温液体が気化した気体が残留することを防ぎ、吐出および吸入の効率を高めることができる昇圧用ポンプを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、往復式の昇圧用ポンプであって、
低圧の低温液体を内部に吸入するための吸入口および前記低温液体を昇圧して外部に吐出するための吐出口を有するシリンダと、
前記シリンダの内部空間内で往復動するピストンと、
前記内部空間と前記吸入口との間の吸入流路を開閉するための吸入用逆止弁と、
前記内部空間と前記吐出口との間の吐出流路を開閉するための吐出用逆止弁と、
を備え、
前記吸入用逆止弁は、前記シリンダに吸入される前の低温液体の圧力を基準とする前記内部空間の相対圧力が所定の圧力よりも高いときに閉じることを特徴とする。

前記吸入口は前記シリンダの内部空間の上端部に連通するように設けられていることが好ましい。

昇圧用ポンプは、前記吸入用逆止弁の弁体を弁座から離れる方向に付勢する第１付勢部材と、
前記弁体を前記弁座に近づける方向に付勢する第２付勢部材と、をさらに備えることが好ましい。
前記第１付勢部材による前記弁体への付勢力と前記第２付勢部材による前記弁体への付勢力とは、前記弁体が前記弁座から離れた位置でつりあうように調整されていることが好ましい。

前記低温液体が気化した気体による抗力よりも大きい力が前記吸入用逆止弁の弁体に対して前記弁体を前記吸入用逆止弁の弁座に近づける方向に作用したときに前記吸入用逆止弁が閉じることが好ましい。

本発明の他の態様は、低圧の低温液体を昇圧して高圧の液体とする低温液体の昇圧方法であって、
低圧の低温液体を供給する低圧液体供給管から前記低温液体の昇圧を行う昇圧用ポンプへの前記低温液体の吸入を可能にするとともに、前記昇圧用ポンプから前記低圧液体供給管への前記低温液体の逆流を防ぐ吸入用逆止弁を設け、
前記吸入用逆止弁を、前記低温液体が気化した気体による抗力よりも大きい力が前記吸入用逆止弁の弁体に対して前記弁体を前記吸入用逆止弁の弁座に近づける方向に作用したときに閉じるように調整し、
前記昇圧用ポンプ内で前記低温液体が気化した気体を、前記吸入用逆止弁を通して前記低圧液体供給管に逆流させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、昇圧用ポンプの内部空間に低温液体が気化した気体が残留することを防ぎ、吐出および吸入の効率を高めることができる

第１実施形態の燃料供給装置１０の概略構成図である。 リニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０の断面図である。 図２の弁箱６０の拡大図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃料供給装置を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態にかかる燃料供給装置１０の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の燃料供給装置１０は、液体燃料（低温液体）を昇圧・加熱し、内燃機関９０の燃焼室内へ高圧で噴射して供給する装置である。内燃機関９０はシリンダ内の燃焼室で燃料を燃焼させ、その熱エネルギーによって仕事をする原動機であり、例えばレシプロエンジン、ガスタービンである。特に、燃料を圧縮着火させるディーゼルエンジンを内燃機関９０として用いることが好ましい。以下の実施形態では、内燃機関９０として船舶に搭載されるディーゼルエンジンを用いる場合について説明するが、本発明は船舶以外のディーゼルエンジンへの燃料供給装置に適用することもできる。

燃料供給装置１０は、図１に示すように、液体燃料タンク１１と、低圧燃料供給管１２と、リニアアクチュエータ３０と、昇圧用ポンプ５０と、高圧燃料供給管１３と、熱交換器１４と、高温燃料供給管１５と、調圧弁１６と、圧力計１７と、を備える。燃料供給装置１０のこれらの構成要素は全て船舶に搭載される。

液体燃料タンク１１は、内燃機関９０に供給される燃料を低温液体の状態で貯留する。液体燃料タンク１１に貯留される液体燃料として、例えば、液化メタン、液化エタン、液化プロパン等を用いることができる。液体燃料タンク１１は、低圧燃料供給管１２と接続されており、低圧燃料供給管１２を介して液体燃料を昇圧用ポンプ５０に供給する。

低圧燃料供給管１２は、液体燃料タンク１１の下端部と昇圧用ポンプ５０の上端部とを接続している。低圧燃料供給管１２内の液体燃料の圧力は、液体燃料タンク１１内の液体燃料の温度、昇圧用ポンプ５０に対する液体燃料タンク１１内の液面高さ等に応じた圧力となっている。この圧力を高め有効吸込みヘッド（NPSH：Net Positive Suction Head）を確保し、昇圧用ポンプ５０に液体燃料を供給しやすくするために、液体燃料タンク１１は、昇圧用ポンプ５０よりも高い位置に配置されている。
なお、低温燃料供給管１２には、後述するように、昇圧用ポンプ５０内で気化した気体が昇圧用ポンプ５０から戻される場合がある。昇圧用ポンプ５０内で気化した気体は低温燃料供給管１２を通じて燃料タンク１１に戻してもよい。また、燃料供給管１２とは別に、昇圧用ポンプ５０内で気化した気体を液体燃料タンク１１の気相空間へ戻す配管２１を設けてもよい。さらに、気化した気体を再液化させる再液化装置２０を設け、再液化装置２０で再液化された液体燃料を配管２１を通じて液体燃料タンク１１へ戻してもよい。

昇圧用ポンプ５０は、低圧燃料供給管１２と高圧燃料供給管１３との間に設けられている。昇圧用ポンプ５０はリニアアクチュエータ３０によって駆動される往復式のポンプである。
昇圧用ポンプ５０は、低圧燃料供給管１２から供給される液体燃料を昇圧し、高圧燃料供給管１３を介して熱交換器１４に供給する。高圧燃料供給管１３には、内部の燃料の圧力変動を吸収するパルセーションダンパー（アキュムレータ）が設けられていてもよい。

リニアアクチュエータ３０は昇圧用ポンプ５０のピストンを駆動するものである。リニアアクチュエータ３０を用いることで、クランク軸を用いる場合よりも昇圧用ポンプ５０のピストンを低速で駆動することができる。また、ピストン行程において昇圧用ポンプの液流入始め、液昇圧始め、液昇圧終了時以外は、ピストンが一定の速度で移動するように駆動制御することができる。リニアアクチュエータ３０として、例えば、油圧シリンダユニット、電動シリンダユニＰット等を用いることができる。以下の実施形態では、リニアアクチュエータ３０として油圧シリンダユニットを用いる場合について説明するが、リニアアクチュエータ３０は油圧シリンダユニットに限られるものではない。

熱交換器１４は、入口側が高圧燃料供給管１３と接続され、出口側が高温燃料供給管１５と接続されている。熱交換器１４は、高圧燃料供給管１３を介して供給される昇圧後の液体燃料を加熱する。液体燃料を加熱する熱源として、例えば、液体燃料タンク１１で発生するボイルオフガスの燃焼熱を用いることができる。あるいは、ボイルオフガスの燃焼熱で加熱した温水との熱交換により液体燃料を加熱してもよい。

高温燃料供給管１５には、調圧弁１６が設けられており、高温燃料供給管１５の一端は熱交換器１４と接続され、他端は内燃機関９０の燃焼室と接続されている。また、高温燃料供給管１５には、圧力計１７が設けられている。熱交換器１４で加熱後の液体燃料は、調圧弁１６により内燃機関９０が必要とする所定の範囲の圧力に調圧された後、高温燃料供給管１５を介して内燃機関９０の燃焼室に供給される。
ここで、内燃機関９０が必要とする所定の範囲の圧力は、内燃機関９０の種類や性能に応じて異なる。内燃機関９０が船舶用の２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンであれば、所定の範囲の圧力は、例えば５〜１００ＭＰａ、好ましくは２０〜７０ＭＰａであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

液体燃料タンク１１、低圧燃料供給管１２、リニアアクチュエータ３０、昇圧用ポンプ５０、高圧燃料供給管１３、熱交換器１４、高温燃料供給管１５、調圧弁１６、圧力計１７は、危険区域に配置される。一方、コントローラ２１および制御部８０は、一般に非防爆対応品であり、危険区域から防爆隔壁により隔離された非危険区域に配置するか、危険区域から十分に距離を隔てた非防爆区域に配置しなければならない。

次に、図２を用いて、リニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０の構成について説明する。
本実施形態においては、リニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０が軸方向を同一にして配置される。なお、図２の左右方向がリニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０の軸方向であり、図２においてリニアアクチュエータ３０の左側に昇圧用ポンプ５０が配置されている。

図２に示すように、リニアアクチュエータ３０は、サーボアンプ３１、電動モータ３２、油圧ポンプ３３、第１の油圧配管３４、第２の油圧配管３５、油圧シリンダ４１、油圧ピストン４２、ピストンロッド４７等を備える。

サーボアンプ３１は電動モータ３２を駆動し、電動モータ３２は油圧ポンプ３３を回転させる。電動モータ３２には、サーボモータを用いることができる。電動モータ３２としてサーボモータを用いる場合、インバータモータと比較して応答速度を速くすることができ、また、微細な制御をすることができる。

油圧ポンプ３３は第１の油圧配管３４および第２の油圧配管３５と接続されている。油圧ポンプ３３は電動モータ３２によって駆動される。電動モータ３２の正逆の回転方向に応じて油圧ポンプ３３から作動油が吐出される方向が切り替わる。例えば、電動モータ３２の正回転時には、油圧ポンプ３３は第１の油圧配管３４内の作動油を吸引し、吸引した作動油を第２の油圧配管３５側へ吐出する。また、電動モータ３２の逆回転時には、油圧ポンプ３３は第２の油圧配管３５内の作動油を吸引し、吸引した作動油を第１の油圧配管３４側へ吐出する。第１の油圧配管３４および第２の油圧配管３５内の作動油の流量、圧力は、油圧ポンプ３３の吐出量によって決定される。作動油の流量、圧力は電動モータ３２の回転数によって調整することができる。

作動油としては、石油系作動油、合成系作動油、水性系作動油等から任意の作動油を採用することができる。

油圧シリンダ４１は筒形状であり、図２の左右方向を軸方向としている。油圧シリンダ４１は、作動油を収容する作動油収容空間４３を有しており、作動油収容空間４３内に油圧ピストン４２が軸方向に移動可能に収容されている。

油圧ピストン４２は作動油収容空間４３を油圧ピストン４２よりも左側（昇圧用ポンプ５０側）の第１チャンバ４３ａと油圧ピストン４２よりも右側（昇圧用ポンプ５０と反対側）の第２チャンバ４３ｂとに区画する。油圧ピストン４２はシングルロッド型であり、油圧シリンダ４１の左側端部（図２の左端部）から外部へ突出するピストンロッド４７を有している。ピストンロッド４７は油圧ピストン４２とともに軸方向に移動する。

また、油圧シリンダ４１の側壁の左側端部には、第１チャンバ４３ａに通じる第１貫通孔４４が設けられ、油圧シリンダ４１の側壁の右側端部には、第２チャンバ４３ｂに通じる第２貫通孔４５が設けられている。第１貫通孔４４の外側開口部は第１の油圧配管３４と接続されており、第２貫通孔４５の外側開口部は第２の油圧配管３５と接続されている。

ピストンロッド４７の外側端部（図２の左側）は、連結部４９により昇圧用ポンプ５０の昇圧用ピストン５２の右側端部と連結されている。連結部４９は、ピストンロッド４７と昇圧用ピストン５２の軸芯ずれ調整機能を持っていてもよい。

昇圧用ポンプ５０は、昇圧用シリンダ５１と、昇圧用ピストン５２と、シリンダライナ５３と、カバー５４と、弁箱６０と、等を有する。

昇圧用シリンダ５１は内部にシリンダライナ５３および弁箱６０を収容する空間を有する。昇圧用ピストン５２はシリンダライナ５３内で軸方向に移動可能となるように昇圧用シリンダ５１に収容されている。弁箱６０はカバー５４によって昇圧用シリンダ５１内に固定されている。

昇圧用シリンダ５１の側壁には、内部に弁箱６０が固定される位置に、１又は複数の吸入口５５が設けられている。吸入口５５は低圧燃料供給管１２と接続されている。吸入口の少なくとも１つは昇圧用シリンダ５１の上端部に設けられていることが好ましい。
カバー５４は、昇圧用シリンダ５１の昇圧用ピストン５２が挿入される側と反対側の端部に固定されている。カバー５４には、昇圧用ピストン５２の軸方向に貫通する吐出口５６が設けられている。吐出口５６は高圧燃料供給管１３と接続されている。

昇圧用ピストン５２の外側端部（図２の右側端部）は、連結部４９によってピストンロッド４７の一端（図２の左側端部）と連結されており、昇圧用ピストン５２はピストンロッド４７と連動して軸方向（図２の左右方向）に移動する。
また、昇圧用ピストン５２には、位置センサ７０が設けられる。位置センサ７０は、昇圧用ピストン５２の軸方向（図２の左右方向）の位置を検出し、位置信号をサーボアンプ３１に出力する。なお、位置信号を用いて、昇圧用ピストン５２の変位を時間微分することにより、昇圧用ピストン５２の速度を求めることができる。すなわち、位置センサを速度センサとしても用いることができる。さらに、昇圧用ピストン５２の速度を時間微分することにより、昇圧用ピストン５２の加速度を求めることができる。すなわち、位置センサ７０を加速度センサとしても用いることができる。

位置センサ７０として、例えば、磁歪式位置センサや超音波センサを用いることができる。ここでは磁歪式位置センサを使用した場合について説明する。
具体的には、位置センサ７０は、センサプローブ７１（磁歪線）と、環状マグネット７２と、検出器７３とを有する。センサプローブ７１は昇圧用ピストン５２と平行に設けられる。環状マグネット７２は中央にセンサプローブ７１が挿入された状態で、センサプローブ７１に沿って昇圧用ピストン５２とともに軸方向に移動するように昇圧用ピストン５２に取り付けられる。センサプローブ７１の一端にはセンサプローブ７１に生じる歪みを検出する検出器７３が設けられている。センサプローブ７１に電流パルス信号を与えると、センサプローブ７１を中心とする円周方向の磁場が生じる。センサプローブ７１の環状マグネット７２と同じ位置では、センサプローブ７１の軸方向に磁場が与えられるため、軸方向に対して斜め方向の合成磁場が生じる。これにより、センサプローブ７１に局部的なねじり歪みが生じる。検出器７３はこのねじり歪みを検出することで、環状マグネット７２の位置を検出し、昇圧用ピストン５２の軸方向の位置を示す位置信号をコントローラ２１に出力する。
なお、位置センサ７０を昇圧用ピストン５２に設ける代わりに、ピストンロッド４７に取り付けてもよい。

弁箱６０は昇圧用シリンダ５１内でシリンダライナ５３とカバー５４との間に固定されている。弁箱６０には、吐出流路６１、吐出用逆止弁６２、吸入流路６４、吸入用逆止弁６５、等が設けられている。
吐出流路６１は弁箱６０を昇圧用ピストン５２の軸方向に貫通するように設けられている。吐出流路６１のカバー５４側の開口はカバー５４の吐出口５６と対向する位置に設けられている。吐出流路６１の内部には、シリンダライナ５３側からカバー５４側への流体の流れを許容する一方、カバー５４側からシリンダライナ５３側への流体の流れを防ぐ吐出用逆止弁６２が設けられている。

吸入流路６４は弁箱６０の外側壁からシリンダライナ５３内の空間に連通するように設けられている。吸入流路６４の弁箱６０の外側壁側の開口は昇圧用シリンダ５１の吸入口５５と対向する位置に設けられている。吸入流路６４には、吸入口５５側からシリンダライナ５３側への流体の流れを許容する一方、シリンダライナ５３側から吸入口５５側への流体の流れを防ぐ吸入用逆止弁６５が設けられている。

図３は図２の弁箱６０の拡大図である。図３に示すように、弁箱６０には、吸入流路６４の昇圧用シリンダ５１へ通じる開口部を開閉するように吸入用逆止弁６５が設けられている。吸入流路６４を塞ぐときに吸入用逆止弁６５の弁体６５Ａが当接する部分が弁座６５Ｂである。
弁箱６０には、さらに、第１付勢部材６７と、第２付勢部材６８とが設けられている。第１付勢部材６７は、吸入用逆止弁６５の弁体６５Ａを弁座６５Ｂから離れる方向に付勢する。第２付勢部材６８は、吸入用逆止弁６５の弁体６５Ａを弁座６５Ｂに近づける方向に付勢する。第１付勢部材６７および第２付勢部材６８は、例えばコイルバネである。
第１付勢部材６７による弁体６５Ａへの付勢力と第２付勢部材６８による弁体６５Ａへの付勢力とは、弁体６５Ａが弁座６５Ｂから離れた位置でつりあうように調整されている。

本実施形態においては、吸入用逆止弁６５は、シリンダライナ５３の内部空間に吸入される前の吸入流路６４内の液体燃料の圧力を基準とした、シリンダライナ５３の内部空間の相対圧力が所定の圧力よりも高いときに閉じるように構成されていることが好ましい。具体的には、シリンダライナ５３内の空間に吸入された液体燃料が気化した気体による抗力では弁体６５Ａが閉じず、液体燃料が気化した気体による抗力よりも大きい力が弁体６５Ａに対して弁体６５Ａを弁座６５Ｂに近づける方向に作用したときに弁体６５Ａが閉じるように、第１付勢部材６７による弁体６５Ａへの付勢力と第２付勢部材６８による弁体６５Ａへの付勢力とが調整されていることが好ましい。ここで、「液体燃料が気化した気体による抗力」とは、気体が弁体６５Ａと弁座６５Ｂとの間の微小隙間を通って吸入流路６４に逆流しようとするときに発生させる圧力差による流体力をいう。
このように調整することで、シリンダライナ５３の内部空間に液体燃料が気化した気体が存在する場合には気体を吸入流路６４から低圧燃料供給管１２へ放出することができる。一方、液体である液体燃料が吸入流路６４に逆流しようとするときの抗力で弁体６５Ａが閉じるため、液体である液体燃料が吸入流路６４に逆流することを防ぐことができる。

ここで、図３に符号５５Ａで示すように、吸入口５５の少なくとも１つは、昇圧用シリンダ５１の内部空間の上端部に連通するように設けられていることが好ましい。また、図３に符号６４Ａで示すように、吸入流路６４の少なくとも１つは、昇圧用シリンダ５１の上端部に設けられた吸入口５５Ａに通じるように、弁箱６０の上側部分に設けられていることが好ましい。液体燃料が気化した気体がシリンダライナ５３の内部空間の上側部分に溜まりやすい。このため、吸入口５５Ａが昇圧用シリンダ５１の内部空間の上端部に連通するように設けられていることで、液体燃料が気化した気体がシリンダライナ５３の内部空間の上部から吸入流路６４Ａを経て吸入口５５Ａから昇圧用シリンダ５１の外部の低圧燃料供給管１２へ放出されやすくなる。
低圧燃料供給管１２へ放出された、液体燃料が気化した気体は、再液化装置２０で再液化され、液体燃料として配管２１を通じて液体燃料タンク１１へ戻される。

〔リニアアクチュエータおよび昇圧用ポンプの動作〕
次に、リニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０の動作について説明する。
まず、吸入時には、電動モータ３２により油圧ポンプ３３を駆動し、図２に破線矢印で示すように、第２チャンバ４３ｂ内の作動油を第２貫通孔４５から排出し、第２の油圧配管３５、第１の油圧配管３４を経て第１貫通孔４４から第１チャンバ４３ａへ供給する。すると、第２チャンバ４３ｂの容積が小さくなり、第１チャンバ４３ａの容積が大きくなるように、油圧ピストン４２が作動油収容空間４３内で図２の左方向へ移動する。

油圧ピストン４２が図２の左方向へ移動すると、昇圧用ポンプ５０では、連結部４９でピストンロッド４７の右側端部と連結されている昇圧用ピストン５２がシリンダライナ５３内で図２の左方向に移動する。すると、シリンダライナ５３の内部であって昇圧用ピストン５２よりも右側の空間に、吸入口５５から吸入流路６４を通って液体燃料が供給される。このとき、吸入用逆止弁６５は吸入流路６４を開いた状態であり、吐出用逆止弁６２は吐出流路６１を閉じた状態である。

次に、吐出時には、サーボアンプ３１により電動モータ３２の回転方向を切り替え、油圧ポンプ３３を反対方向に駆動し、図２に実線の矢印で示すように、第１チャンバ４３ａ内の作動油を第１貫通孔４４から排出し、第１の油圧配管３４、第２の油圧配管３５を経て第２貫通孔４５から第２チャンバ４３ｂへ供給する。すると、第２チャンバ４３ｂの容積が大きくなり、第１チャンバ４３ａの容積が小さくなるように、油圧ピストン４２が作動油収容空間４３内で図２の右方向に移動する。

油圧ピストン４２が図２の右方向に移動し始めると、昇圧用ポンプ５０では、連結部４９でピストンロッド４７の右側端部と連結されている昇圧用ピストン５２がシリンダライナ５３内で図２の右方向に移動し始める。このとき、シリンダライナ５３内の圧力の吸入流路６４内の液体燃料の圧力に対する差圧はまだ小さく、弁体６５Ａを閉じる圧力以下であるため、吸入用逆止弁６５は閉じた状態である。一方、高圧燃料供給管１３内の液体燃料の圧力のシリンダライナ５３内の液体燃料の圧力に対する差圧はまだ充分に大きく、吐出用逆止弁６２は吐出流路６１を閉じた状態である。

液体燃料が気化した気体が吸入流路６４に逆流しようとするときの抗力では弁体６５Ａが閉じないため、油圧ピストン４２が図２の右方向に移動し始めるときに、シリンダライナ５３の内部空間に液体燃料が気化した気体が存在すると、気体は弁体６５Ａと弁座６５Ｂとの間の隙間、吸入流路６４を通って吸入口５５から昇圧用ピストン５２の外部の低圧燃料供給管１２へ放出される。

シリンダライナ５３の内部空間から全ての気体が排出されると、液体燃料による抗力で吸入用逆止弁６５が閉じる。ここで、「液体燃料による抗力」とは、液体燃料が弁体６５Ａと弁座６５Ｂとの間の微小隙間を通って吸入流路６４に逆流しようとするときに発生させる圧力差による流体力をいう。すると、さらに油圧ピストン４２が図２の右方向に移動しようとすることで、シリンダライナ５３の内部空間の液体燃料の圧力が上昇する。シリンダライナ５３内の液体燃料の圧力が高圧燃料供給管１３内の液体燃料の圧力に対して充分に大きくなると、吐出用逆止弁６２が開き、昇圧された液体燃料は吐出流路６１から吐出流路６１へ放出される。

このように、液体燃料が気化した気体を吸入流路から昇圧用シリンダの外部の低圧燃料供給管１２へ放出することで、気体を圧縮することなく液体である液体燃料のみを昇圧することができる。特に昇圧用ポンプ５０の始動時には、昇圧用ポンプ５０が常温であるため、シリンダライナ５３の内部空間に液体燃料が供給されると昇圧用ポンプ５０が液体燃料の温度まで冷却されるまでの間、液体燃料が気化した気体がシリンダライナ５３の内部空間に大量に発生する。本実施形態においては、この気体を昇圧用ポンプ５０の外部の低圧燃料供給管１２へ排出することができるため、吐出の効率を高めることができる。

また、シリンダライナ５３の内部空間に気体が残存しないため、シリンダライナ５３の内部空間の圧力が下がりやすくなる。さらに、第１付勢部材６７による弁体６５Ａへの付勢力と第２付勢部材６８による弁体６５Ａへの付勢力とが、弁体６５Ａが弁座６５Ｂから離れた位置でつりあうように調整されているため、シリンダライナ５３の内部空間に液体燃料を速やかに吸入することができ、吸入の効率を高めることができる。

なお、上記実施形態においては、昇圧用ポンプ５０の昇圧用シリンダ５１を水平方向に配置する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、昇圧用シリンダ５１を垂直方向あるいは斜め方向に配置してもよい。この場合、吸入用逆止弁６５に作用する重力を考慮して、弁体６５Ａが弁座６５Ｂから離れた位置でつりあうように、第１付勢部材６７による弁体６５Ａへの付勢力と第２付勢部材６８による弁体６５Ａへの付勢力とを調整すればよい。この場合も、少なくとも１つ吸入口５５Ａおよび吸入流路６４Ａを昇圧用シリンダ５１の内部空間の上端部に連通するように設けることが好ましい。このため、昇圧用シリンダ５１内を昇圧用ピストン５２が上方向に移動するときに液体燃料が吐出され、昇圧用ピストン５２が下方向に移動するときに液体燃料が吸入されるように昇圧用ポンプ５０を設けることが好ましい。

１０ 燃料供給装置
１１ 液体燃料タンク
１２ 低圧燃料供給管
１３ 高圧燃料供給管
１４ 熱交換器
１５ 高温燃料供給管
１６ 調圧弁
１７ 圧力計
２０ 再液化装置
２１ 配管
３０ リニアアクチュエータ
３１ サーボアンプ
３２ 電動モータ
３３ 油圧ポンプ
３４ 第１の油圧配管
３５ 第２の油圧配管
４１ 油圧シリンダ
４２ 油圧ピストン
４３ 作動油収容空間
４３ａ 第１チャンバ
４３ｂ 第２チャンバ
４７ ピストンロッド
４９ 連結部
５０ 昇圧用ポンプ
５１ 昇圧用シリンダ
５２ 昇圧用ピストン
５３ シリンダライナ
５４ カバー
５５、５５Ａ 吸入口
５６ 吐出口
６０ 弁箱
６１ 吐出流路
６２ 吐出用逆止弁
６４、６４Ａ 吸入流路
６５ 吸入用逆止弁
６５Ａ 弁体
６５Ｂ 弁座
６７ 第１付勢部材
６８ 第２付勢部材
７０ 位置センサ
７１ センサプローブ
７２ 環状マグネット
７３ 検出器
８０ 制御部
９０ 内燃機関

本発明の第１の態様は、往復式の昇圧用ポンプであって、
低圧の低温液体を内部に吸入するための吸入口および前記低温液体を昇圧して外部に吐出するための吐出口を有するシリンダと、
前記シリンダの内部空間内で往復動するピストンと、
前記内部空間と前記吸入口との間の吸入流路を開閉するための吸入用逆止弁と、
前記内部空間と前記吐出口との間の吐出流路を開閉するための吐出用逆止弁と、
前記吸入用逆止弁の弁体を弁座から離れる方向に付勢する第１付勢部材と、
前記弁体を前記弁座に近づける方向に付勢する第２付勢部材と、
を備え、
前記吸入口は前記シリンダの内部空間の上端部に連通するように設けられ、
前記吸入用逆止弁は、前記シリンダに吸入される前の低温液体の圧力を基準とする前記内部空間の相対圧力が所定の圧力よりも高いときに閉じることを特徴とする。

前記第１付勢部材による前記弁体への付勢力と前記第２付勢部材による前記弁体への付勢力とは、前記弁体が前記弁座から離れた位置でつりあうように調整されていることが好ましい。

本発明の他の態様は、低圧の低温液体を昇圧して高圧の液体とする低温液体の昇圧方法であって、
低圧の低温液体を供給する低圧液体供給管から前記低温液体の昇圧を行う昇圧用ポンプのシリンダには、前記シリンダの内部空間へ前記低温液体の吸入を可能にするとともに、前記昇圧用ポンプから前記低圧液体供給管への前記低温液体の逆流を防ぐ吸入用逆止弁と、前記吸入用逆止弁の弁体を弁座から離れる方向に付勢する第１付勢部材と、前記弁体を前記弁座に近づける方向に付勢する第２付勢部材と、が設けられ、
前記吸入用逆止弁を、前記低温液体が気化した気体による抗力よりも大きい力が前記吸入用逆止弁の弁体に対して前記弁体を前記吸入用逆止弁の弁座に近づける方向に作用したときに閉じるように調整し、
前記昇圧用ポンプ内で前記低温液体が気化した気体を、前記吸入用逆止弁を通して前記低圧液体供給管に逆流させる、ことを特徴とする。

リニアアクチュエータ３０は昇圧用ポンプ５０のピストンを駆動するものである。リニアアクチュエータ３０を用いることで、クランク軸を用いる場合よりも昇圧用ポンプ５０のピストンを低速で駆動することができる。また、ピストン行程において昇圧用ポンプの液流入始め、液昇圧始め、液昇圧終了時以外は、ピストンが一定の速度で移動するように駆動制御することができる。リニアアクチュエータ３０として、例えば、油圧シリンダユニット、電動シリンダユニット等を用いることができる。以下の実施形態では、リニアアクチュエータ３０として油圧シリンダユニットを用いる場合について説明するが、リニアアクチュエータ３０は油圧シリンダユニットに限られるものではない。

次に、図２を用いて、リニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０の構成について説明する。
本実施形態においては、リニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０が軸方向を同一にして配置される。なお、図２の左右方向がリニアアクチュエータ３０および昇圧用ポンプ５０の軸方向であり、図２においてリニアアクチュエータ３０の右側に昇圧用ポンプ５０が配置されている。

油圧ピストン４２は作動油収容空間４３を油圧ピストン４２よりも右側（昇圧用ポンプ５０側）の第１チャンバ４３ａと油圧ピストン４２よりも左側（昇圧用ポンプ５０と反対側）の第２チャンバ４３ｂとに区画する。油圧ピストン４２はシングルロッド型であり、油圧シリンダ４１の右側端部（図２の右端部）から外部へ突出するピストンロッド４７を有している。ピストンロッド４７は油圧ピストン４２とともに軸方向に移動する。

また、油圧シリンダ４１の側壁の右側端部には、第１チャンバ４３ａに通じる第１貫通孔４４が設けられ、油圧シリンダ４１の側壁の左側端部には、第２チャンバ４３ｂに通じる第２貫通孔４５が設けられている。第１貫通孔４４の外側開口部は第１の油圧配管３４と接続されており、第２貫通孔４５の外側開口部は第２の油圧配管３５と接続されている。

ピストンロッド４７の外側端部（図２の右側）は、連結部４９により昇圧用ポンプ５０の昇圧用ピストン５２の左側端部と連結されている。連結部４９は、ピストンロッド４７と昇圧用ピストン５２の軸芯ずれ調整機能を持っていてもよい。

昇圧用ピストン５２の外側端部（図２の左側端部）は、連結部４９によってピストンロッド４７の一端（図２の右側端部）と連結されており、昇圧用ピストン５２はピストンロッド４７と連動して軸方向（図２の左右方向）に移動する。
また、昇圧用ピストン５２には、位置センサ７０が設けられる。位置センサ７０は、昇圧用ピストン５２の軸方向（図２の左右方向）の位置を検出し、位置信号をサーボアンプ３１に出力する。なお、位置信号を用いて、昇圧用ピストン５２の変位を時間微分することにより、昇圧用ピストン５２の速度を求めることができる。すなわち、位置センサを速度センサとしても用いることができる。さらに、昇圧用ピストン５２の速度を時間微分することにより、昇圧用ピストン５２の加速度を求めることができる。すなわち、位置センサ７０を加速度センサとしても用いることができる。

油圧ピストン４２が図２の右方向に移動し始めると、昇圧用ポンプ５０では、連結部４９でピストンロッド４７の右側端部と連結されている昇圧用ピストン５２がシリンダライナ５３内で図２の右方向に移動し始める。このとき、シリンダライナ５３内の圧力の吸入流路６４内の液体燃料の圧力に対する差圧はまだ小さく、弁体６５Ａを閉じる圧力以下であるため、吸入用逆止弁６５は開いた状態である。一方、高圧燃料供給管１３内の液体燃料の圧力のシリンダライナ５３内の液体燃料の圧力に対する差圧はまだ充分に大きく、吐出用逆止弁６２は吐出流路６１を閉じた状態である。

Claims (7)

1. 往復式の昇圧用ポンプであって、
   低圧の低温液体を内部に吸入するための吸入口および前記低温液体を昇圧して外部に吐出するための吐出口を有するシリンダと、
   前記シリンダの内部空間内で往復動するピストンと、
   前記内部空間と前記吸入口との間の吸入流路を開閉するための吸入用逆止弁と、
   前記内部空間と前記吐出口との間の吐出流路を開閉するための吐出用逆止弁と、
   を備え、
   前記吸入用逆止弁は、前記シリンダに吸入される前の低温液体の圧力を基準とする前記内部空間の相対圧力が所定の圧力よりも高いときに閉じることを特徴とする、昇圧用ポンプ。
2. 前記吸入口は前記シリンダの内部空間の上端部に連通するように設けられている、請求項１に記載の昇圧用ポンプ。
3. 前記吸入用逆止弁の弁体を弁座から離れる方向に付勢する第１付勢部材と、
   前記弁体を前記弁座に近づける方向に付勢する第２付勢部材と、をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の昇圧用ポンプ。
4. 前記第１付勢部材による前記弁体への付勢力と前記第２付勢部材による前記弁体への付勢力とは、前記弁体が前記弁座から離れた位置でつりあうように調整されている、請求項３に記載の昇圧用ポンプ。
5. 前記低温液体が気化した気体による抗力よりも大きい力が前記吸入用逆止弁の弁体に対して前記弁体を前記吸入用逆止弁の弁座に近づける方向に作用したときに前記吸入用逆止弁が閉じる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の昇圧用ポンプ。
6. 前記第１付勢部材による前記弁体への付勢力と前記第２付勢部材による前記弁体への付勢力とは、前記低温液体が気化した気体による抗力よりも大きい力が前記吸入用逆止弁の弁体に対して前記弁体を前記吸入用逆止弁の弁座に近づける方向に作用したときに前記吸入用逆止弁が閉じるように調整されている、請求項４に記載の昇圧用ポンプ。
7. 低圧の低温液体を昇圧して高圧の液体とする低温液体の昇圧方法であって、
   低圧の低温液体を供給する低圧液体供給管から前記低温液体の昇圧を行う昇圧用ポンプへの前記低温液体の吸入を可能にするとともに、前記昇圧用ポンプから前記低圧液体供給管への前記低温液体の逆流を防ぐ吸入用逆止弁を設け、
   前記吸入用逆止弁を、前記低温液体が気化した気体による抗力よりも大きい力が前記吸入用逆止弁の弁体に対して前記弁体を前記吸入用逆止弁の弁座に近づける方向に作用したときに閉じるように調整し、
   前記昇圧用ポンプ内で前記低温液体が気化した気体を、前記吸入用逆止弁を通して前記低圧液体供給管に逆流させる、ことを特徴とする低温液体の昇圧方法。
   

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