JP2008218861A

JP2008218861A - Ｆｒｐ製クライオスタットの製造方法

Info

Publication number: JP2008218861A
Application number: JP2007056819A
Authority: JP
Inventors: Katanobu Uemori; 賢悦上森; Yasuharu Kamioka; 泰晴上岡; Masahiro Takeuchi; 雅弘武内
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18

Abstract

【課題】ＦＲＰ製クライオスタットの壁面を貫通して取り付けられる金属製部材を確実に固定することができ、各種応力による破損や真空リークの発生を防止できるＦＲＰ製クライオスタットの製造方法を提供する。
【解決手段】ＦＲＰ製クライオスタット１１の壁面に電極部材１４，１４を鍔付き雄ねじ部材１５と鍔付き雌ねじ部材１６とを使用して貫通状態で取り付けるに際し、容器壁に両ねじ部材の鍔部１８，２４を収容した状態で鍔部表面が壁面と面一になる大きさの凹部２６を形成する。また、電極部材１４は鍔付き雄ねじ部材１５の一端でのみ固着し、他端側は非接触状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＲＰ製クライオスタットの製造方法に関し、詳しくは、液体窒素や液体ヘリウム等の低温流体を収納するためのＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製クライオスタットに関し、ＦＲＰからなる壁面にパイプや電極等の金属製部材を貫通状態で固定する方法に関する。

超伝導マグネット等の冷却に用いるクライオスタットは、クライオスタット内に超伝導マグネット等の被冷却物を入れなければならないため、完全な密閉型を考えると一体成形で製造することはできない。特に、ＦＲＰ製クライオスタットの場合は、金属のように溶接ができないため、クライオスタットの本体となる有底筒状の容器本体部と、該容器本体部の上部開口に被着される板状蓋部材とを組み合わせ、これらを接着することで製作するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６１−２１０６０３号公報

このようなＦＲＰ製クライオスタットの壁面に排気ポート等の配管や電極等の金属製部材を貫通状態で取り付ける際には、ＦＲＰ製部材に形成した雌ネジ孔に金属製部材の雄ネジ部を接着剤を介して螺合することが一般的に行われていた。しかし、この場合、ＦＲＰ製部材の雌ネジに対して外側からのみの取り付けのため、その接着部に機械的な衝撃や熱的な衝撃が繰り返して加えられると、接着部が剥離したり、クラックが発生したりするおそれがあった。このような剥離やクラックが発生すると、真空リークを起こし、断熱真空層へ大気や保存した液化ガスが漏れ込んでしまうため、クライオスタットとしての機能が失われるおそれがあった。

さらに、これまでのクライオスタットは、一般的に床に備えつけるなどの安定した状態で使用されることが多く、取り付けるパイプや電極等が機械的な衝撃や振動に対応した造りとなっていないため、強度的に弱く、さらに繰り返し低温冷却（熱的衝撃）に耐え得る構造となっていなかった。このため、低温流体が存在する容器内部から断熱真空層を介して配管や電極を外部へ取り出す構造は、真空リークのリスクが大きく、これまで行われていないのが現状である。

そこで本発明は、ＦＲＰ製クライオスタットの壁面を貫通して取り付けられる金属製部材を確実に固定することができ、各種応力による破損や真空リークの発生を防止できるＦＲＰ製クライオスタットの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法は、低温流体を収容するＦＲＰ製容器の壁面に金属製部材を貫通させたＦＲＰ製クライオスタットの製造方法において、外周面に雄ねじ部を有し、該雄ねじ部の基端に鍔部を有する鍔付き雄ねじ部材の軸線方向に、前記金属製部材の外径より大きな内径を有する継手挿入用の大径部と、該大径部の一端に設けられた継手固着用の小径部とを有する継手挿入孔を設けるとともに、前記ＦＲＰ製容器の容器壁に前記鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部が螺合する雌ねじ孔を設け、該雌ねじ孔の周囲の内外両壁面に、前記鍔付き雄ねじ部材の鍔部及び鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部に螺合される鍔付き雌ねじ部材の外周に設けた鍔部の外径に対応した内径を有し、各鍔部を収容した状態で鍔部の外面と壁面とが面一となる深さの凹部をそれぞれ設け、前記継手挿入孔に前記金属製部材を挿通して該金属製部材の外周面と前記小径部の一端面とを密封状態で固着し、前記鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部をＦＲＰ製容器の前記雌ねじ孔に接着剤を介して螺合し、該雌ねじ孔から突出した鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部に前記鍔付き雌ねじ部材を螺合し、鍔付き雄ねじ部材の鍔部と鍔付き雌ねじ部材の鍔部とで容器壁を挟着した状態で両鍔部を前記凹部内にそれぞれ収容した状態とし、次いで、鍔付き雄ねじ部材の鍔部外面と容器壁面、及び、鍔付き雌ねじ部材の鍔部外面と容器壁面とを覆うようにプリプレグを貼り付けて積層し、該プリプレグを脱気して硬化させることを特徴としている。

本発明のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法によれば、鍔付き雄ねじ部材の鍔部及び鍔付き雌ねじ部材の鍔部をＦＲＰ製容器の容器壁面に設けた凹部にそれぞれ収容するとともに、これらの鍔部の表面を凹部周囲の壁面と面一にしているので、凹部底面と鍔部内面との接着面全体に接着剤が満遍なく行き渡り、より確実にこれらを接着することができ、さらに、プリプレグを貼り付けて積層するときのプリプレグのシワ付きがなくなり、空気等の気体をかまないでしっかりとした貼り付け、積層が可能であることから、金属製部材貫通部の機械的強度の向上及び真空リークの発生防止を図ることができる。また、金属製部材と鍔付き雄ねじ部材とが低温収縮率が異なる異種金属の場合であっても、金属製部材と鍔付き雄ねじ部材とが継手挿入孔の一端面の１箇所でのみ固着されているので、異種金属間における低温収縮率の違いによる固着部への応力の集中を緩和することができる。

したがって、金属製部材貫通部における取付強度の向上や熱応力集中の緩和を図れ、低温流体と接触している内槽内部から断熱真空層及び外槽壁面を介して配管や電極を外部に取り出すことが可能となり、配管や電極の位置の制限やクライオスタットの使用場所の制限等を緩和できるとともに、低コストでＦＲＰ製クライオスタットを製造することが可能となる。

図１は本発明の製造方法で製造したＦＲＰ製クライオスタットの一例を示す要部の断面図、図２は同じくＦＲＰ製クライオスタットの一部断面正面図である。

このＦＲＰ製クライオスタット１１は、ＦＲＰ製の一対の容器半体１２，１３の開口部同士を接合して形成されるものであって、クライオスタットの上半部となる容器半体１２の壁面には、一対の金属製部材である棒状の電極部材１４，１４が、金属製の鍔付き雄ねじ部材１５と鍔付き雌ねじ部材１６とを使用して貫通状態で設けられている。

鍔付き雄ねじ部材１５は、容器壁の厚さより十分に長い雄ねじ部１７と、該雄ねじ部１７の基端に設けられた鍔部１８と、鍔付き雄ねじ部材１５の軸線方向に連続して設けられた大径部１９と小径部２０とからなる継手挿入孔２１とを有している。大径部１９は、前記電極部材１４の外径よりも僅かに大きな内径を有し、大径部１９の内周面と電極部材１４の外周面とが低温収縮しても非接触状態が保たれるように形成されている。また、大径部１９の一端に設けられた小径部２０の内径は、電極部材１４の外径と略同一で、小径部２０に電極部材１４を挿入乃至圧入可能な寸法に設定されている。さらに、前記鍔部１８よりも反雄ねじ部１７側で、小径部２０の外側を含む部分は雄ねじ部１７に比べて厚肉に形成されており、小径部２０の端面内周には、電極部材１４と鍔付き雄ねじ部材１５とをロウ付けする際のロウ置き溝、あるいは、溶接を行う際の溶け込み代を形成する面取部２２が形成されている。

鍔付き雌ねじ部材１６は、内周に前記雄ねじ部１７に螺合する雌ねじ部２３を有するとともに、一端外周面に鍔部２４を有するものであって、この鍔付き雌ねじ部材１６の外周面及び前記鍔付き雄ねじ部材１５の鍔部１８よりも反雄ねじ部１７側の外周面には、両者を螺合して締め付ける際の工具を係合させる工具係合部（図示せず）がそれぞれ設けられている。

前記容器半体１２の容器壁には、鍔付き雄ねじ部材１５の雄ねじ部１７が螺合する雌ねじを設けた雌ねじ孔２５が所定位置に形成されるとともに、該雌ねじ孔２５の周囲の内外両壁面には、鍔付き雄ねじ部材１５の前記鍔部１８及び鍔付き雌ねじ部材１６の前記鍔部２４の各外径に対応させて各鍔部１８，２４の外径と同一乃至僅かに大きな内径を有し、各鍔部１８，２４をそれぞれ収容した状態で鍔部１８，２４の各外面と各壁面とが面一となる深さの凹部２６がそれぞれ設けられている。

前記鍔部１８，２４及び前記凹部２６の形状は任意であり、皿ねじ状の円錐面とすることもできるが、鍔部１８，２４の両面を軸線と直交する平面とした平板状とすることにより、凹部２６を一定の深さで壁面に形成できるので、凹部２６の加工を容易に行うことができる。また、鍔部１８，２４及び凹部２６の直径は、鍔部１８，２４によって容器半体１２の容器壁を挟着した際に、十分な強度が得られるとともに真空リークを確実に防止できる広い面積の接着面が得られるように設定する。さらに、鍔部１８，２４と凹部２６との当接面（接着面）は、接着性を向上させるために適当な粗面としておくことが好ましい。

また、ＦＲＰ製クライオスタット１１が円筒状、球形状等であって、鍔付き雄ねじ部材１５及び鍔付き雌ねじ部材１６を取り付ける容器壁が曲面となっている場合は、電極部材１４が貫通する部分の壁面に、鍔部１８，２４よりも十分広い範囲にプリプレグを貼り付けて積層し、該プリプレグを脱気して硬化させた後、表面を平面加工して壁内外の先端面を平行な平面としたＦＲＰ製座部を容器壁と一体に形成し、このＦＲＰ製座部に前記雌ねじ孔２５と凹部２６とを形成しておけばよい。あるいは、表面が平面で、裏面が壁面の曲面に対応した曲面としたＦＲＰ製部材をあらかじめ製作しておき、このＦＲＰ製部材を内外両壁面にそれぞれ接着して前記同様のＦＲＰ製座部を形成するようにしてもよい。

上述の各部材を用いてＦＲＰ製クライオスタットを製造する手順を説明する。まず、ＦＲＰ製クライオスタット１１を形成する容器半体１２，１３を製作する。このＦＲＰ製の容器半体１２，１３の製作は、従来から行われているＦＲＰ製品と同様にして行うことができ、その製造手順は特に限定されるものではない。次に、一方の容器半体１２の壁面における電極部材１４の取付位置に雌ねじ孔２５を形成するとともに、その周囲の内外両壁面に凹部２６をそれぞれ形成する。このとき、必要に応じて前記ＦＲＰ製座部を形成してから雌ねじ孔２５及び凹部２６をそれぞれ形成する。

一方、鍔付き雄ねじ部材１５の継手挿入孔２１に、鍔付き雄ねじ部材１５より長く形成された電極部材１４を挿通し、小径部２０側から突出した電極部材１４の外周面と小径部２０の端面とをロウ２７又は溶接により密封状態で固着して一体化する。電極部材１４を一体化した鍔付き雄ねじ部材１５は、鍔部１８の雄ねじ部１７側の面及び雄ねじ部１７、さらに容器半体１２の雌ねじ孔２５に接着剤をそれぞれ塗布した後、容器内側から雄ねじ部１７を雌ねじ孔２５に螺合させ、鍔部１８が容器内側の凹部２６内に収容されて鍔部１８の反雄ねじ部１７側の面（表面）が凹部２６の周囲の壁面と面一になるまで締め付ける。

次いで、雌ねじ孔２５から容器外方に突出した鍔付き雄ねじ部材１５の雄ねじ部１７に、雌ねじ部２３や鍔部２４の先端面に接着剤を塗布した鍔付き雌ねじ部材１６を螺合し、鍔部２４が容器外側の凹部２６内に収容されて鍔部２４の表面が凹部２６の周囲の壁面と面一になるまで締め付ける。

このようにして鍔付き雄ねじ部材１５の雄ねじ部１７に雌ねじ部材１６を螺合し、鍔付き雄ねじ部材１５の鍔部１８と鍔付き雌ねじ部材１６の鍔部２４とで容器半体１２の容器壁を挟着した状態とすることにより、従来の容器外側からのネジ込み接着に比べて取付強度を大幅に向上させることができる。

次に、容器内側の凹部２６に収容された鍔部１８の表面と容器内壁面とを覆うようにプリプレグ２８を貼り付けて積層するとともに、容器外側の凹部２６に収容された鍔部２４の表面と容器外壁面とにも、前記同様にプリプレグ２８を貼り付けて積層する。使用するプリプレグ２８の形状は任意であり、多数の小片を用いてもよく、一部が開いたリング形状や円弧状のものを適宜に用いることができる。そして、所定位置に所定枚数のプリプレグ２８を積層した後、積層したプリプレグを脱気して加熱硬化させることにより、電極部材１４が鍔付き雄ねじ部材１５及び鍔付き雌ねじ部材１６によって容器半体１２の壁面を貫通した状態で取り付けられる。

なお、容器内側に位置する鍔付き雄ねじ部材１５の鍔部１８部分へのプリプレグ２８の貼り付け、積層、脱気及び硬化は、容器半体１２，１３を接合する前に行う必要があるが、容器外側に位置する鍔付き雌ねじ部材１６の鍔部２４部分へのプリプレグ２８の貼り付け、積層、脱気及び硬化は、容器半体１２，１３の接合と同時、あるいは、容器半体１２，１３を接合した後に行うこともできる。

このように、凹部２６に収容して表面が壁面と面一になった状態の鍔部１８，２４の表面と容器壁面とにプリプレグ２８を貼り付けるようにしたことにより、貼り付け時にプリプレグ２８にシワが寄ったり、空気等の気体を巻き込んだりすることがほとんどなくなり、しっかりとした状態で貼り付けて積層接着することができ、機械的な取り付け強度の向上が図れるとともに、この部分からの真空クリークを確実に抑えることができる。

また、鍔付き雄ねじ部材１５の継手挿入孔２１を貫通した状態の電極部材１４は、継手挿入孔２１の一端の小径部２０の端面部分でのみ固着されているので、鍔付き雄ねじ部材１５と電極部材１４とが異なる金属、例えば鍔付き雄ねじ部材１５がステンレス鋼、電極部材１４が銅で形成されている場合でも、異種金属間における低温収縮率の違いによる固着部への応力の集中を緩和することができ、繰り返し低温に冷却しても、鍔付き雄ねじ部材１５と電極部材１４とのロウ付け部又は溶接部にクラックを生じることがなくなる。

したがって、このような方法でＦＲＰ製クライオスタット１１を製造することにより、容器壁面を貫通する金属製部材を確実に取り付けることができ、長期にわたる使用にも耐えることができる。

なお、本形態例では、ＦＲＰ製容器の壁面を貫通する部材として金属製の電極部材１４を例示したが、容器内外に気液を流通させる金属製パイプからなる管継手をＦＲＰ製クライオスタット１１の壁面に貫通させる場合にも、前記同様の鍔付き雄ねじ部材１５及び鍔付き雌ねじ部材１６を用いることにより、前記同様の手順で管継手をＦＲＰ製クライオスタット１１に貫通状態で確実に取り付けることができる。

本発明の製造方法で製造したＦＲＰ製クライオスタットの一例を示す要部の断面図である。同じくＦＲＰ製クライオスタットの一部断面正面図である。

符号の説明

１１…ＦＲＰ製クライオスタット、１２，１３…容器半体、１４…電極部材、１５…鍔付き雄ねじ部材、１６…鍔付き雌ねじ部材、１７…雄ねじ部、１８…鍔部、１９…大径部、２０…小径部、２１…継手挿入孔、２２…面取部、２３…雌ねじ部、２４…鍔部、２５…雌ねじ孔、２６…凹部、２７…ロウ、２８…プリプレグ

Claims

低温流体を収容するＦＲＰ製容器の壁面に金属製部材を貫通させたＦＲＰ製クライオスタットの製造方法において、外周面に雄ねじ部を有し、該雄ねじ部の基端に鍔部を有する鍔付き雄ねじ部材の軸線方向に、前記金属製部材の外径より大きな内径を有する継手挿入用の大径部と、該大径部の一端に設けられた継手固着用の小径部とを有する継手挿入孔を設けるとともに、前記ＦＲＰ製容器の容器壁に前記鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部が螺合する雌ねじ孔を設け、該雌ねじ孔の周囲の内外両壁面に、前記鍔付き雄ねじ部材の鍔部及び鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部に螺合される鍔付き雌ねじ部材の外周に設けた鍔部の外径に対応した内径を有し、各鍔部を収容した状態で鍔部の外面と壁面とが面一となる深さの凹部をそれぞれ設け、前記継手挿入孔に前記金属製部材を挿通して該金属製部材の外周面と前記小径部の一端面とを密封状態で固着し、前記鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部をＦＲＰ製容器の前記雌ねじ孔に接着剤を介して螺合し、該雌ねじ孔から突出した鍔付き雄ねじ部材の雄ねじ部に前記鍔付き雌ねじ部材を螺合し、鍔付き雄ねじ部材の鍔部と鍔付き雌ねじ部材の鍔部とで容器壁を挟着した状態で両鍔部を前記凹部内にそれぞれ収容した状態とし、次いで、鍔付き雄ねじ部材の鍔部外面と容器壁面、及び、鍔付き雌ねじ部材の鍔部外面と容器壁面とを覆うようにプリプレグを貼り付けて積層し、該プリプレグを脱気して硬化させることを特徴とするＦＲＰ製クライオスタットの製造方法。