JP2005321404A - 熱遮蔽体 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い熱伝導性をもち、複雑な形状にも適合でき、内部渦電流の発生を可能な限り抑制可能な熱遮蔽体を提供する。
【解決手段】 熱遮蔽体の熱伝導性本体(8)を繊維複合材料（la、1b、lc、1d）、特に炭素繊維、ガラス繊維、ガラス繊維強化プラスチック及び／又はアラミドと、金属（2a、2b、2c）とで構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱伝導性を有する熱遮蔽体に関する。

核融合の研究では数百万度の温度で水素プラズマの実験が行われている。このプラズマは磁場によって本質的に環状の領域に発生される。磁場は平面状及び非平面状超電導ソレノイドコイルの特別な配列によって形成され、これらのコイルは極低温ヘリウムによって約４Ｋの温度に冷却される。

特に熱遮蔽体は、高温のプラズマと極低温超電導システムとの間を熱絶縁するために使用される。この熱遮蔽体は、熱放射による熱移動を最小にするために例えば液体窒素又は深冷ヘリウムガスによって冷却される熱伝導性本体を有している。

今までの熱遮蔽体の熱伝導性本体は多くは銅製である。銅は、その高い熱伝導率のために遮蔽体全体を設定温度まで急速且つ一様に冷却できる利点をもつ。

しかしながら、銅は大電力超電導ソレノイドコイルの熱絶縁にはあまり適しておらず、そのわけはソレノイドコイルが銅の内部に渦電流を誘起し、それによって熱遮蔽体に深刻な力が作用することになるからである。従って、今日までこのような用途には、熱遮蔽体の熱伝導性本体の材料として銅よりもむしろステンレス鋼が用いられている。

前述のプラズマの物理実験では、プラズマは可撓管形態の巻回領域の内部に閉じこめられており、その周囲には、プラズマ域に所要の強力な磁場を発生できるように超電導磁石システムをできるだけ近接させて配置する必要がある。従って、熱絶縁のために使用される熱遮蔽体はプラズマ域の輪郭と整合させる必要がある。しかしながら、ステンレス鋼はこのような所要輪郭に成形することが困難であり、一方では強磁場のために銅製の熱遮蔽体は用ることができず、或いは限られた範囲内で使用できるだけである。

本発明の課題は、高い熱伝導性をもち、複雑な形状にも適合でき、更には内部における渦電流の発生を可能な限り抑制可能な熱遮蔽体を提供することである。

この課題を解決するため、熱伝導性本体を有する本発明の熱遮蔽体では、熱伝導性本体を構成する材料が繊維複合材料、特に炭素繊維、ガラス繊維、ガラス繊維強化プラスチック及び／又はアラミドと、金属とを含んでいることを特徴としている。

本発明による熱遮蔽体の熱伝導性本体は繊維複合材料製である。この繊維複合材料としては、特に炭素繊維及びガラス繊維の網体、並びにガラス繊維強化プラスチック又はアラミドが好適に用いられる。この種の繊維複合材料自体は、例えば自動車や航空機の構造材として特に加工処理性が良好で広範な成形加工法に適応できることが知られている。その意味では、熱遮蔽体の成形に実質的な制限はない。更に繊維複合材料は極めて頑丈な熱遮蔽体を比較的軽量で製作できる利点も有している。

本発明による熱遮蔽体は一体構造の本体形状であってもよく、或いは２つ以上の個別本体を備えていてもよい。特に、先に一例として述べた核融合プラズマ実験用の熱遮蔽体のように複雑な形状の熱遮蔽体を成形する場合、熱遮蔽体は個々に本発明による方式で構成された２つ以上の個別本体から形成することが望ましい。この個別本体の寸法は典型的には２００×２００mm²を超える大きさである。但し、一体型の本体又は個別本体は単純な成形で数ｍ²の寸法とすることができる。

本発明による熱遮蔽体の主要ファクターである熱伝導性本体の高い熱伝導率は、熱伝導率の高い金属で構成された要素を熱伝導性本体に組み込むことによって達成される。この金属要素には、その高い熱伝導率のために銅を用いることが好ましい。金属要素の配置、数量及び寸法を適宜選ぶことにより熱遮蔽体の熱伝導率を変えて所要の熱伝導特性に設定することが可能である。

金属要素は基本的にいかなる所望形状にも成形することができ、例えば、長方形又は正方形であってもよい。但し、金属要素は特に棒状、線状、帯状又は網状の形態で熱伝導性本体に組み込むことが好ましい。熱遮蔽体を超電導磁石の熱絶縁に使用する場合、金属要素内での渦電流の発生は金属要素を細長い形態とすることによって効果的に抑制される。例えば細長い帯片状の形態の金属要素の場合、最大でも金属帯片の幅に亘る微小な電流閉ループしか形成されないようにすることは可能である。従って誘起される力も相応に僅かな大きさでしかない。

細長い金属要素の特に好適な形態により本体全体に亘る高い熱伝導率を達成することが可能である。例えば、帯状、線状、又は棒状の金属要素同士を充分近接させて、好ましくは互いに平行に配置すると、金属要素の横断面に亘って充分な熱伝導率を持たせることができる。但し、熱伝導率が高いにもかかわらず、横断面方向における電導率は特に繊維複合材料として絶縁体であるガラス繊維を用いた場合は実質的にゼロのままであり、従って渦電流の発生を阻止することができる。

金属要素としては、厚さ寸法０．１〜３mm、好ましくは０．１〜１mmのものが特に有利であることが確認されている。金属要素の配置面積範囲は２００×２００mm²より大きいことが好ましいが、用途によっては金属要素を熱遮蔽体全面に亘って延設させてもよい。このような寸法を有する金属要素により、熱遮蔽体の熱伝導率を必要条件に応じて設定することができる。一方で金属要素は、繊維複合材料中に恒久的に組み込まれるように充分に薄くされている。

一例として、熱遮蔽体の熱伝導性本体は、樹脂状化合物を含浸させたガラス繊維網状体で製作することができる。このガラス繊維網状体の上に金属要素、例えば金属線又は金属網を配置する。これらの金属要素が上述したような寸法のものであれば、ガラス繊維網状体の表面や内部の樹脂が個々の金属要素の囲りに侵入し、これらを途切れなく連続した頑丈な形態の全体構造に結合する。網状の金属要素を用いた場合、樹脂が金属網内に充満することから、特に頑丈な結合が達成される。

熱遮蔽体を構成する熱伝導性本体は、繊維複合材料の層と金属要素の層とを含む２層以上の積層構造を有することが好ましい。例えば、所望形状に従って２層以上の繊維網状体の層を重ね、所望形状に成形する。この場合、個々の網状体の層間に金属要素の層を介装する。これらの金属要素の層は、繊維網状体の層同士の結合によって一体に固定される。ガラス繊維網状体の層数と個々の層の強度は、特に熱遮蔽体に要求される堅牢性に依存する。通常は、２０mm未満、特に好ましくは１０mm未満の全厚さ寸法で充分である。但し特に重い荷重を担う目的の熱遮蔽体では数cmの厚さ寸法とすることも可能である。

繊維複合材料を予備含浸体、いわゆるプリプレグとしておくことは特に有利であることが判明している。この形態の繊維複合材料は、樹脂もしくは樹脂状化合物を既に含浸している。この繊維複合材料は、通常はオートクレーブ内で圧力、温度及び真空の作用のもとに硬化される。この硬化プロセス中に繊維層（当初はルーズに積層されている）及びそれらの間に配置された金属要素の層が圧密化される。樹脂は本体全体に一様に分布し、架橋によって硬化する。かくして金属要素を堅固に埋め込んだ頑丈で一様な構造が形成されることになる。

熱伝導性本体は複数の異なる層によって対称的な積層構造に形成することが好ましい。この場合、繊維複合材料の層と金属要素の層は、本体表面に直角な方向における本体内の中心面に関して積層方向に対称的な配列で積層される。個々の層は、材料毎に異なる熱膨張係数を有している。この対称的な配列の積層構造により、熱遮蔽体が冷却するにつれて生じるバイメタル状のいかなる作用も回避される。即ち、冷却中の層の収縮は上記中心面に関して対称的に生じるので、熱伝導性本体は曲がりを生じることなく一様に収縮することになる。

本発明による熱遮蔽体は、放射による熱移動を低減するために用いられるものである。熱伝導性本体から放射される熱は本体表面の放射率に比例し、金属の放射率はプラスチック又は繊維複合材料の放射率よりも充分に低い。従って、熱遮蔽体の熱伝導性本体の少なくとも一方の外表面は金属で構成することが有利である。これは、繊維複合材料から製作される本体の外面に金属要素の少なくとも一部を直接適用することによって達成可能である。

但し、金属要素は、熱遮蔽体の本体内部に埋め込むほうが他の本体構成材、特に繊維複合材料との一層安定した結合を果たすことができることから好ましい。この場合、本体の熱放射率を低くするためには、繊維複合材料から成る本体の表面に金属、例えばアルミニウムを蒸着するか、或いは金属箔を貼着すればよい。

熱遮蔽体を冷却するためには冷却管を設けることが好ましく、この冷却管は熱伝導性本体の一方の表面に好ましくは接着又はろう付けで取り付けられる。また、冷却管を繊維複合材料の最表層下に直接埋め込み、最表層の繊維複合材料で冷却管をカバーするようにしてもよい。更に、繊維複合材料自体に冷却媒体を担持するに適した流路を形成することも有利であるとが確認されている。

冷却媒体のための冷却管や流路は、一端のみを本体に固定した状態としおくことが好ましく、或いは可撓性の熱伝導性中間部材、例えば銅製の編組体を介して本体に結合することが好ましい。更にまた、冷却管を互いに熱伝達可能に接触した２つ以上の管エレメントで構成することも有利である。これにより、互いに異なる熱伝達率を有する冷却管と本体との間に生じる虞のある熱応力を回避することができる。

本発明による熱遮蔽体は、金属要素の形態の選択と配置によって熱遮蔽体内での渦電流の形成をかなり減少し、或いは完全に阻止することさえ可能にするので、超電導磁石の絶縁遮蔽体として特に有利に使用可能である。特にこの場合、例えば絶縁電線や互いに僅かに離して配置された導線、或いは特に好ましい形態で絶縁金属線によって構成された網状体などの相互に絶縁された細長い金属要素を使用することが有利である。熱遮蔽体の本体の熱伝導率は、特に金属要素の寸法、数及び配置を適切に選択することによって設定することが可能である。また繊維複合材料を使用することにより、実質的にいかなる所望形状の熱遮蔽体も製造可能である。更に、全金属製の熱遮蔽体に比べて、本発明による熱遮蔽体は重量を軽減することが可能である。

本発明による熱遮蔽体は、水素燃料車両の車載タンクの熱絶縁にも有利に使用可能である。この場合、先ず熱遮蔽体の軽量化という有利な効果を奏することができる。更に、車両設計においては、車両内の空間条件に適合させた極めて特殊なタンク形状を採用することがしばしば必要であり、従ってタンクの熱絶縁用の熱遮蔽体も同様の形状で省スペース設計とする必要があるが、繊維複合材料の高い成形性はこれらの要求に良好に適合するという主要効果を奏することが可能である。

本発明及びその更なる詳細を添付図面に例示した実施形態を参照して詳述すれば以下の通りである。

図１は、本発明による熱遮蔽体における熱伝導性本体の断面構造を示す部分断面図である。熱遮蔽体全体は図示部分の通りの詳細構造を有している。熱遮蔽体を構成する熱伝導性本体８は、２層以上のガラス繊維網状体の層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを含む積層構造からなる。これらのガラス繊維網状体層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの層間には、銅の細幅帯片を配列した金属層２ａ、２ｂ、２ｃが介装されている。金属層２ａ及び２ｃでは銅帯片の配列の向きが互いにほぼ平行であるが、中心層の金属層２ｂにおける層帯片の配列の向きは、両隣の金属層２ａ及び２ｃの帯片の向きと直角な向き、即ち図面の紙面に対して直角な方向に向いている。また各金属層においては、図面の紙面と直交する面内で複数の銅帯片が互いに平行に離間して配列されている。これは、図２に金属層２ｃについて同じ符号で帯片の配列を示したＡ−Ａ矢視断面図の通りである。全体としての積層構造は、図面の紙面と直交する中心面３に関して厚さ方向に対称的に構成されている。

図１に示した銅帯片の配列による金属層２ａ、２ｂ、２ｃの代わりに、全面に拡がる金属網状体からなる金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ，４ｅ、４ｆを熱遮蔽体の熱伝導のために使用することも有利である。図３は、このようにして構成された熱遮蔽体を例示している。銅線の網状体からなる金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆは、炭素繊維の層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇと交互に熱遮蔽体の熱伝導性本体に積層されている。これら個々の層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ及び５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇは、中心面３に関して対称的な層配置で形成されている。炭素繊維層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇは、周知の方法に従って液状樹脂による予備含浸体とし、圧力と温度の作用の元に各層を相互に結合させることが好ましい。但し、手作業の積層によって個々の層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇを互いに結合することも可能である。

いずれにせよ、液状樹脂は炭素繊維の層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇの層間に位置する銅線網状体の金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆのメッシュ内を通過し、その結果、樹脂が架橋して硬化すれば各網状体は熱遮蔽体の内部に堅固に固定される。

金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆを構成する金属網状体は絶縁電線で網組したものとするのが好ましく、それによって金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ内における電流はいずれにせよ個々の金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆのうちの１本のみの電線に沿って流れるだけとなる。従って、金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ内に渦電流が生じることは不可能である。このような絶縁電線で構成された網状体を用いる場合、個々の層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆはいずれにせよ単純に全面に拡がる網状体で形成することが可能である。例えば、図２に示した金属層２ｃにおける細幅の銅帯片の場合に対し、この場合の金属層４ｆにおける金属網状体は図面の紙面と直交する平面、例えばＢ−Ｂ矢視面内で本体８の横断面全面に亘って拡がっている。

このような金属網状体は、裸導線で製作することも可能であることが確認されている。但しこの場合、渦電流の形成を低減するためには、各金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆにおいて細幅の帯状外形に成形した金属網状体の複数条を（図２に示した実施形態と類似したやり方で）互いに離して並置した形態とすることが好ましい。この場合も隣り合う金属網状体の層同士（例えば４ｃと４ｄ）では帯状の金属網状体が互いに直交する向きとなるように配列して、熱遮蔽体内の熱の分布が可能な限り一様となるようにすることが好ましい。

熱遮蔽体の熱伝導率は、熱遮蔽体の熱伝導性本体８に組み込んだ金属要素、即ち、図３においては銅線網状体からなる金属層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆの層数により一定の方式で設定可能である。

熱伝導性本体８の何れか一方の表面に位置するガラス繊維網状体層１ａ又は５ａの表面には複数本の冷却管６が接着されて固定されている。これらの冷却管は被着表面上に蛇行配置されており、その内部には冷媒としての液体窒素又は気体ヘリウムが導かれる。冷却管６に最も近い金属層２ａ又は４ａは、冷却管６からこれらの金属層２ａ又は４ａへの良好な熱伝達が果たされるように、熱伝導性本８の表層に可能な限り接近した位置に配置しておくことが望ましい。従って、この冷却管に最も近い金属層、即ち図示の例では銅帯片からなる金属層２ａ又は銅線網状体からなる金属層４ａはできるだけ薄肉のガラス繊維網状体層１ａ又は５ａで覆われるようにし、しかもこの薄肉層によって金属層２ａ又は５ａを堅固に保持するように構成しておくことが望ましい。

熱遮蔽体の反対側の表面においては、最外層の繊維網状体層１ｄ又は５ｇの表面にアルミニウム箔７が接着により被着されている。このアルミニウム箔７の放射率はガラス繊維材の放射率よりも充分に低く、従って熱放射を大幅に低減することが可能である。

本発明による熱遮蔽体における熱伝導性本体の断面構造を示す部分断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 熱伝導性本体の別の実施形態による断面構造を示す部分断面図である。

Claims (8)

1. 熱伝導性本体(8)を有する熱遮蔽体において、熱伝導性本体(8)を構成する材料が、繊維複合材料、特に炭素繊維、ガラス繊維、ガラス繊維強化プラスチック及び／又はアラミドと、金属とを含んでいることを特徴とする熱遮蔽体。
2. 熱伝導性本体(8)が、棒状、線状、帯状又は網状形態の金属要素(2a, 2b, 2c)を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の熱遮蔽体。
3. 金属要素(2a, 2b, 2c)の厚さが０．１mm〜３mm、特に１mm未満であることを特徴とする請求項２に記載の熱遮蔽体。
4. 熱伝導性本体(8)が繊維複合材料の複数層(1a, 1b, 1c, 1d)と金属要素の複数層(2a, 2b, 2c)とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱遮蔽体。
5. 前記各層(la, 1b, lc, 1d, 2a, 2b, 2c)が熱伝導性本体の表面に直角な方向において熱伝導性本体(8)内の中心面に関して対称的な配列で積層されていることを特徴とする請求項４に記載の熱遮蔽体。
6. 熱伝導性本体(8)の少なくとも一つの外表面が金属で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱遮蔽体。
7. 熱伝導性本体(8)の少なくとも一方の表面部位に冷却管(6)が配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱遮蔽体。
8. 冷却管(6)が繊維複合材料で形成されているか或いは繊維複合材料で囲まれていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱遮蔽体。

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