JP2012069665A - Ｆｒｐ製クライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】金属製部材の取り付け部位における真空リークの発生を抑制することができるＦＲＰ製クライオスタットの提供。
【解決手段】冷媒を収容するＦＲＰ製容器の壁部に貫通孔が形成され、該貫通孔に金属製部材が挿通して取り付けられているＦＲＰ製クライオスタットであって、上記金属製部材は、上記貫通孔の径よりも縮径し、上記貫通孔に対して空間をあけて上記挿通している管部と、該管部に設けられ、上記貫通孔の径よりも拡径したフランジ部とを備えており、上記フランジ部と上記壁部との間を接着すると共に、上記フランジ部と上記壁部との対向面に設けられているＦＲＰ金属間接着層と、上記対向面に対し垂直な方向において、上記フランジ部を上記壁部に対し押し付ける押付機構と、を有するという構成を採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＦＲＰ製クライオスタットに関し、特に冷媒を収容するＦＲＰ製容器の壁部に貫通孔が形成され、該貫通孔に金属製部材が挿通して取り付けられているＦＲＰ製クライオスタットに関するものである。

超電導モーター等の低温応用機器においては、超電導コイル等の超電導部材を極低温で保持するクライオスタットを備えている。クライオスタットは、通常、超電導部材及び冷媒（液体窒素、液体ヘリウム、液体ネオン等）を収容する内部容器と、内部容器を囲う外部容器とを備える２重構造となっており、内部容器と外部容器との間において真空引きすることにより内部容器の外部に真空断熱層を形成し、超電導部材を極低温に保つ構成となっている。また、変動する磁場内で使用する際には、磁場の影響を受けない非金属製材料から形成されるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製クライオスタットが使用される。

ＦＲＰ製クライオスタットの内部容器（ＦＲＰ製容器）の壁部には、内部に収容された超電導コイルに給電するための電極や内部に冷媒を供給するためのパイプ等の金属製部材が取り付けられている。壁部に金属製部材を挿通して取り付けるためには、壁部に貫通孔を形成しなければならない。しかし、壁部に貫通孔を形成すると、内部容器には冷媒が収容されているため、外部への冷媒の漏出、そして、その冷媒の気化ガスによる真空断熱層の断熱性の低下が懸念される（所謂、真空リーク）。

このような課題に対して特許文献１には、ＦＲＰ製容器の壁部に電極部材をフランジ付きの雄ネジ部材とフランジ付きの雌ネジ部材とを使用して貫通状態で取り付けるに際し、雄ネジ部材のフランジ部と壁部との間、雄ネジ部材の雄ネジ部と壁部との間、また、雌ネジ部材と壁部との間、雌ネジ部材の雌ネジ部と壁部との間に接着剤を塗布した後、それぞれのフランジ部が壁部の壁面と面一になるまで締め付け、さらに、面一になったフランジ部と壁部との間に跨るようにプリプレグを貼り付け積層することにより、真空リークを抑制するものが開示されている。

特開２００８−２１８８６１号公報

しかしながら、上記従来技術の構成では、真空リークの発生を完全に防ぐことができない虞がある。その理由を、以下に述べる。

真空リークの第１の原因としては、ＦＲＰ材と金属材との線膨張係数の相違による応力の作用が挙げられる。すなわち、冷媒より極低温になると、ＦＲＰ材と金属材との熱収縮量の差に起因する熱荷重により、歪みが発生し、接着層に作用する応力が過大となり、接着破壊が生じる。特にＦＲＰ材はその積層構造上、その厚み方向（ＦＲＰ積層方向）における線膨張係数の方が、その面内方向（内部強化繊維の繊維方向）の線膨張係数よりも大きいという特性を有する。このため、両者の熱収縮量の差が大きくなる壁部の厚み方向（貫通孔の形成方向）において両者を接着していると、接着破壊が起こる虞がある。

また、真空リークの第２の原因としては、真空差圧による応力の作用が挙げられる。すなわち、壁部には冷媒を収容する側から真空断熱層側へは常に圧力がかかっている。このため、フランジ部と壁部との間に跨るようにプリプレグを積層したとしても、その接着面の端部やＦＲＰ材と金属材との界面等で、真空差圧による応力が高くなり、接着破壊が起こる虞がある。

また、真空リークの第３の原因としては、金属材とＦＲＰ材を接着する際の周囲環境を、一貫して接着に適した条件に保つことが困難な点が挙げられる。前述のように、金属材とＦＲＰ材のように異種材を接着する場合、材料物性値の差により接着破壊が起こりやすい。このため、異種材の接着は均一な理想的な条件下で行うことが望ましいが、ＦＲＰ製容器が大きい場合は温度・湿度等が管理された環境で作業することが困難になり、接着条件のバラツキ、およびそれに起因する接着品質のバラツキの原因になる。

本発明は、上記課題点に鑑みてなされたものであり、金属製部材の取り付け部位における真空リークの発生を抑制することができるＦＲＰ製クライオスタットの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、冷媒を収容するＦＲＰ製容器の壁部に貫通孔が形成され、該貫通孔に金属製部材が挿通して取り付けられているＦＲＰ製クライオスタットであって、上記金属製部材は、上記貫通孔の径よりも縮径し、上記貫通孔に対して空間をあけて上記挿通している管部と、該管部に設けられ、上記貫通孔の径よりも拡径したフランジ部とを備えており、上記フランジ部と上記壁部との間を接着すると共に、上記フランジ部と上記壁部との対向面に設けられているＦＲＰ金属間接着層と、上記対向面に対し垂直な方向において、上記フランジ部を上記壁部に対し押し付ける押付機構と、を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、線膨張係数がＦＲＰの面方向の線膨張係数に近い金属を選ぶことにより、金属製部材の管部をＦＲＰ製容器の壁部に形成された貫通孔に空間をあけて挿通し、金属製部材のフランジ部と壁部とを面方向においてのみ接着することで、熱収縮の差が大きくなる厚み方向における過大な応力がＦＲＰ金属間接着層に作用しなくなるため、線膨張係数の相違による接着破壊が生じ難くなる。また、フランジ部を壁部に対し垂直方向に押し付け、ＦＲＰ金属間接着層に面圧をかけることにより、真空差圧による接着破壊を抑制することができる。

また、本発明においては、上記押付機構は、上記フランジ部の上記壁部と対向する面と逆側の面に当接する当接部を有する押付板と、上記ＦＲＰ製容器の外側から上記押付板を上記壁部に対し押し付ける締結部材と、を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、締結部材で押付板を壁部に対して締め付けることにより、フランジ部を壁部に対し垂直方向に押し付けることができる。

また、本発明においては、上記当接部は、上記押付板のベース部から上記フランジ部の位置に向けて突出した突出部に設けられ、上記フランジ部に対し環状に当接しているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、締結部材で押付板を壁部に対して締め付けると、押付板のベース部から突出して設けられた当接部が、フランジ部を環状に当接して押し付けるため、ＦＲＰ金属間接着層に対し均等に面圧をかけることができる。

また、本発明においては、上記押付機構は、上記管部に、上記フランジ部と上記壁部を挟んで逆側において設けられた第２のフランジ部と、上記第２のフランジ部を上記壁部に対し離間する方向に付勢する付勢部材と、を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、管部に設けられた第２のフランジ部を壁部に対し離間する方向に付勢することにより、フランジ部を壁部に対し垂直方向に押し付けることができる。また、フランジ部は常に壁部を挟んで逆側に向けて引っ張られることとなるため、壁部が熱収縮しても、フランジ部と壁部との相対位置関係が変動することはなく、それによる接着破壊を抑制することができる。

また、本発明においては、上記付勢部材は、上記第２のフランジ部に対し環状に当接するバネ部材からなるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、バネ部材が第２のフランジ部に対し環状に当接して付勢力を作用させることにより、逆側のフランジ部においても均等な力を作用させることができる。このため、ＦＲＰ金属間接着層に対し均等に面圧をかけることができる。

また、本発明においては、上記第２のフランジ部は、上記管部に、上記垂直方向において移動自在に螺合しているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第２のフランジ部の管部に対する螺入量の調整により皿バネ部材に適切な荷重をかけて、付勢力を調整することができる。

また、本発明においては、上記壁部は、接着層を介して接着している接着用ＦＲＰ板を有しており、上記接着用ＦＲＰ板と上記フランジ部とが上記ＦＲＰ金属間接着層を介して接着しているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、接着用ＦＲＰ板に金属製部材を予め接着し、その接着用ＦＲＰ板を、ＦＲＰ製容器本体に接着させることができる。すなわち、ＦＲＰ同士の接着は容易であるから、ＦＲＰ製容器本体に比べて小型で品質が安定している接着用ＦＲＰ板に金属製部材を予め接着することにより、ＦＲＰ金属間の接着性を高めることができる。

本発明によれば、冷媒を収容するＦＲＰ製容器の壁部に貫通孔が形成され、該貫通孔に金属製部材が挿通して取り付けられているＦＲＰ製クライオスタットであって、上記金属製部材は、上記貫通孔の径よりも縮径し、上記貫通孔に対して空間をあけて上記挿通している管部と、該管部に設けられ、上記貫通孔の径よりも拡径したフランジ部とを備えており、上記フランジ部と上記壁部との間を接着すると共に、上記フランジ部と上記壁部との対向面に設けられているＦＲＰ金属間接着層と、上記対向面に対し垂直な方向において、上記フランジ部を上記壁部に対し押し付ける押付機構と、を有するという構成を採用することによって、金属製部材の管部をＦＲＰ製容器の壁部に形成された貫通孔に空間をあけて挿通し、金属製部材のフランジ部と壁部とを面方向においてのみ接着することで、熱収縮の差が大きくなる厚み方向における過大な応力がＦＲＰ金属間接着層に作用しなくなるため、線膨張係数の相違による接着破壊が生じ難くなる。また、フランジ部を壁部に対し垂直方向に押し付け、ＦＲＰ金属間接着層に面圧をかけることにより、真空差圧による接着破壊を抑制することができる。また、ＦＲＰ製容器本体に比べて小型で品質が安定している接着用ＦＲＰ板に金属製部材を予め接着すれば、ＦＲＰ金属間の接着性をより高めることができる。
したがって、本発明では、金属製部材の取り付け部位における真空リークの発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態におけるＦＲＰ製クライオスタットの内部構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態におけるＦＲＰ製クライオスタットの構成を示す要部拡大断面図である。 本発明の第２実施形態におけるＦＲＰ製クライオスタットの構成を示す要部拡大断面図である。 本発明の第１実施形態における解析モデルイメージ図である。 本発明の第２実施形態における解析モデルイメージ図である。 本発明の第１実施形態におけるＦＲＰ金属間接着層にかかる面直応力の解析結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態におけるＦＲＰ金属間接着層にかかる面直応力の解析結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるＦＲＰ製クライオスタット１の内部構成を示す断面図である。
本実施形態のＦＲＰ製クライオスタット１は、図に示すように、超電導コイル２を極低温に保持する断熱冷媒容器である。このＦＲＰ製クライオスタット１は、超電導コイル２及び冷媒（本実施形態では液体窒素）を収容するＦＲＰ製の内部容器（ＦＲＰ製容器）３と、内部容器３を囲い、真空排気ポート４が接続されたＦＲＰ製の外部容器５とを備える。

本実施形態では、内部容器３に、超電導コイル２を巻回してスタックするコイルスタック部２ａが設けられている。内部容器３の壁部３ａには、複数の金属製部材が挿通して取り付けられている。この金属製部材としては、内部容器３の内部に収容された超電導コイル２に電気的に接続される電極７（７ａ，７ｂ）と、内部容器３に液体窒素を供給する液体窒素供給ポート８ａの金属継手と、内部容器３から液体窒素を排出する液体窒素排出ポート８ｂの金属継手と、がある。

以下、図２を参照して、金属製部材１０の取り付け部位における構造について説明する。なお、以下の説明では、電極７の取り付け部位における構造を例示して説明する。
図２は、本発明の第１実施形態におけるＦＲＰ製クライオスタット１の構成を示す要部拡大断面図である。なお、図２において、壁部３ａよりも紙面下方が液体窒素側で、また、壁部３ａよりも紙面上方が真空側である。
金属製部材１０は、図２に示すように、セラミックスシール１１を介して電極７を支持するハーメッチックシールコネクタを有する構成となっている。また、壁部３ａには、その厚み方向に所定の径で貫通孔１２が形成されている。

金属製部材１０は、貫通孔１２の径よりも縮径し、貫通孔１２に対して空間をあけて挿通している管部１３と、該管部１３に設けられ、貫通孔１２の径よりも拡径したフランジ部１４とを備えている。管部１３とフランジ部１４とは、溶接により一体的に固着している。本実施形態の管部１３は、Ｆｅ‐Ｎｉ合金の４２Ｎｉアロイから形成されている。また、本実施形態のフランジ部１４は、ＳＵＳ３０４から形成されている。

壁部３ａは、外部壁面１５から所定深さだけ掘り込まれた凹部１６を有する。凹部１６は、貫通孔１２を中心として、フランジ部１４の径よりも大きく形成されている。凹部１６には、円環状（リング状）の接着用ＦＲＰ板１７が填め込んであり、接着層１８を介して接着されている。壁部３ａの一部を構成する接着用ＦＲＰ板１７は、規格品を用いている。壁部３ａ及び接着用ＦＲＰ板１７は同種のＦＲＰ材から形成されており、本実施形態ではＧＦＲＰ（ガラス強化繊維プラスチック）から形成されている。なお、接着層１８を形成する接着剤としては、２液性エポキシ接着剤を用いている。

金属製部材１０と壁部３ａ（接着用ＦＲＰ板１７）とは、ＦＲＰ金属間接着層１９を介して接着されている。なお、ＦＲＰ金属間接着層１９を形成する接着剤としては、２液性エポキシ接着剤を用いている。ＦＲＰ金属間接着層１９は、フランジ部１４と壁部３ａとの間に設けられ、フランジ部１４と壁部３ａとが互いに対向する対向面２０に沿う方向においてのみ、すなわち壁部３ａの面方向においてのみ設けられている。

表１は、フランジ部１４を構成するＳＵＳ材と、壁部３ａを構成するＦＲＰ材との線膨張係数を示す。なお、表１における積層方向とは、図２における紙面上下方向を、また、表１における面内方向とは、図２における紙面左右方向を示す。

表１に示すように、面内方向の線膨張係数において、ＳＵＳ材とＦＲＰ材との差は小さいが、積層方向の線膨張係数においては、ＳＵＳ材とＦＲＰ材との差が大きいことが分かる。これは、ＦＲＰ材の積層構造上の特性によるものである。すなわち、ＦＲＰ材の面方向（左右方向）においては、内部の強化繊維がクロス状となって延在しており、熱収縮し難い強化繊維の線膨張係数が支配的となるためである。一方、ＦＲＰ材の厚さ方向（上下方向）は、ＦＲＰ材の積層方向であり、熱収縮し易い樹脂材の線膨張係数が支配的となるためである。このため、面方向においては、ＳＵＳ材とＦＲＰ材との線膨張係数の差が小さく、厚さ方向においては、ＳＵＳ材とＦＲＰ材との線膨張係数の差が大きくなる。

したがって、本実施形態のように、金属製部材１０の管部１３を内部容器３の壁部３ａに形成された貫通孔１２に空間をあけて挿通し、フランジ部１４と壁部３ａとを対向面２０の面方向に沿う方向においてのみ接着することにより、熱収縮の差が大きくなる厚み方向における過大な応力をＦＲＰ金属間接着層１９に作用しないようにすることができる。

フランジ部１４は、押付機構２１により、対向面２０に対し垂直な垂直方向において、壁部３ａに対し押し付けられている。本実施形態の押付機構２１は、第１の押付板（押付板）２２と、第２の押付板（当接部）２３と、ボルト（締結部材）２４とを有している。なお、本実施形態の第１の押付板２２及び第２の押付板２３は、ＳＵＳ３０４から形成されている。

第１の押付板２２は、円板形状のベース部２５を有する。ベース部２５の中央部には、貫通孔１２と略同径の孔部２５ａが形成されている。また、第１の押付板２２は、ベース部２５からフランジ部１４の位置に向けて突出した突出部２６を有する。突出部２６は、孔部２５ａの縁部において、円環状に突出して設けられている。この突出部２６により、図に示すように、ベース部２５と外部壁面１５との間に隙間が形成され、ボルト２４の締め付けによる力を、外部壁面１５に作用させずに、フランジ部１４に優先的に作用させることができる。
なお、突出部２６の代わりに、フランジ部１４から第１の押付板２２に向けて突出するような突出部を設けても良い。

第２の押付板２３は、突出部２６の先端部に設けられ、フランジ部１４に対する当接面積を増加させ、ＦＲＰ金属間接着層１９に均等に荷重をかけさせる構成となっている。具体的に、第２の押付板２３は、フランジ部１４の壁部３ａと対向する面と逆側の面に対して円環状に当接する構成となっている。また、第２の押付板２３は、フランジ部１４の縁と径方向で係止する係止部２７を有し、フランジ部１４との位置ズレを防止する構成となっている。なお、本実施形態では、第１の押付板２２と第２の押付板２３とは、別体ものであるが、一体ものとして構成してもよい。

ボルト２４は、内部容器３の外側（真空側）から第１の押付板２２を壁部３ａに対し押し付ける構成となっている。壁部３ａの外部壁面１５には、雌ネジ孔２８が形成されており、ボルト２４は、第１の押付板２２の縁部に設けられた孔部２５ｂを介して雌ネジ孔２８に螺入する構成となっている。なお、本実施形態のボルト２４は、１２本設けられ、第１の押付板２２の縁部をその円周方向において等間隔１２箇所で壁部３ａに対し押し付ける構成となっている。

上述した金属製部材１０の取り付け構造は、次のような手順で構築される。
先ず、管部１３とフランジ部１４とを溶接して金属製部材１０を形成する。次に、壁部３ａ装着前に、接着に適した環境で接着できるよう、フランジ部１４と接着用ＦＲＰ板１７とを２液性エポキシ接着剤を用いて事前に接着する。接着用ＦＲＰ板１７は、規格品なので、品質が内部容器３本体と比べて安定している。また、小型なので、温度・湿度が管理された環境において接着ができる。このため、ＦＲＰ材と金属材との間に、シール性が高く液密で均質なＦＲＰ金属間接着層１９を形成することができる。したがって、本実施形態では、ＦＲＰ材と金属材との接着の困難性に起因するＦＲＰ金属間接着層１９の接着破壊及び真空リークの発生を抑制することができる。

接着に適した環境の下でフランジ部１４と接着用ＦＲＰ板１７とを接着したのち、接着用ＦＲＰ板１７に２液性エポキシ接着剤を塗布し、接着用ＦＲＰ板１７を壁部３ａに形成された凹部１６に填め込む。これにより、接着層１８が形成される。なお、接着層１８においては、ＦＲＰ材同士間の接着であるため接着性がよく、ＦＲＰ金属間接着層１９よりもシール性は高い。また、このとき、金属製部材１０の管部１３は、貫通孔１２に対して空間をあけて配置する。

次に、フランジ部１４に、第２の押付板２３を当てた後、第１の押付板２２を取り付ける。なお、第２の押付板２３は、係止部２７をフランジ部１４の縁に掛けるようにして当てる。第１の押付板２２は、突出部２６の先端部を第２の押付板２３に当接させて、ボルト２４を、孔部２５ｂに挿通させ、壁部３ａに形成された雌ネジ孔２８に螺入し、所定量締め付けることで、ＦＲＰ金属間接着層１９に面圧をかけて、取り付ける。なお、この面圧は、少なくとも真空差圧を相殺できるような圧となるように調整する。
以上により、金属製部材１０の取り付け構造が構築される。

続いて、上記金属製部材１０の取り付け構造における作用について説明する。
内部容器３に冷媒（液体窒素）を供給し、室温（例えば２９３Ｋ（ケルビン））から極低温（例えば６５Ｋ）まで冷却すると、壁部３ａが熱収縮する。壁部３ａは、表１で示したように、ＦＲＰの積層方向である厚み方向における熱収縮量が面方向に対して大きくなる。ここで、本実施形態では、金属製部材１０の管部１３を内部容器３の壁部３ａに形成された貫通孔１２に空間をあけて挿通し、フランジ部１４と壁部３ａとを対向面２０の面方向に沿う方向においてのみ接着しているので、熱収縮の差が大きくなる厚み方向における過大な応力をＦＲＰ金属間接着層１９に作用しないようにすることができる。すなわち、ＦＲＰ金属間接着層１９にかかる熱荷重は面方向のみであるので、その熱荷重は小さくなる。また、壁部３ａの厚み方向では接着していないので、本実施形態のように壁部３ａの面方向における線膨張係数が同程度となる金属材をフランジ部１４に選択すれば、面方向においてはＦＲＰ材と金属材とが同様に熱収縮し、ＦＲＰ金属間接着層１９にかかる応力がより低減される。
したがって、本実施形態では、ＦＲＰ材と金属材との線膨張係数の相違に起因する応力の作用による、ＦＲＰ金属間接着層１９の接着破壊及び真空リークの発生を抑制することができる。

また、内部容器３の外部を真空引きして、真空断熱層を形成すると、金属製部材１０の取り付け部位に対し、真空差圧による応力が作用する。この応力は、フランジ部１４と壁部３ａとを引き剥がそうとする面直応力である。ここで、本実施形態では、押付機構２１で、対向面２０に対し垂直な垂直方向において、フランジ部１４を壁部３ａに対し押し付けてＦＲＰ金属間接着層１９に面圧をかけているため、該真空差圧を相殺することができる。
したがって、本実施形態では、真空差圧に起因する応力の作用による、ＦＲＰ金属間接着層１９の接着破壊及び真空リークの発生を抑制することができる。

このため、上述の本実施形態によれば、金属製部材１０の取り付け部位における真空リークの発生を抑制することができるＦＲＰ製クライオスタット１が得られる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
図３は、本発明の第２実施形態におけるＦＲＰ製クライオスタット１の構成を示す要部拡大断面図である。なお、図３において、壁部３ａよりも紙面下方が液体窒素側で、また、壁部３ａよりも紙面上方が真空側である。

第２実施形態では、電極７及びセラミックスシール１１を保持する管部１３が、フランジ部１４が一体成形された管部材（管部）３０に溶接されている。管部材３０は、貫通孔１２の径よりも縮径し、貫通孔１２に対して空間をあけて挿通している。本実施形態の管部材３０は、ＳＵＳ３０４から形成されている。
フランジ部１４は、押付機構２１により、対向面２０に対し垂直な垂直方向において、壁部３ａに対し押し付けられている。第２実施形態の押付機構２１は、ロックナット（第２のフランジ部）３１と、皿バネ部材（付勢部材、バネ部材）３２とを有している。

ロックナット３１は、フランジ部１４と壁部３ａを挟んで逆側（液体窒素側）において、管部材３０に設けられている。管部材３０の外周面には、雄ネジが切ってあり、ロックナット３１は、管部材３０の延在方向（対向面２０に対し垂直な垂直方向）に移動自在に螺合している。ロックナット３１は、フランジ部１４の径よりも大きく形成されている。
第２実施形態の壁部３ａは、内部壁面３３から所定深さ掘り込まれた凹部３４を有する。凹部３４は、貫通孔１２を中心として、フランジ部１４の径よりも大きく形成されている。凹部３４には、円環状の金属製の当て板３５が填め込んで設けられている。本実施形態の当て板３５は、ＳＵＳ３０４から形成されている。当て板３５は、壁部３ａと広く接触することにより、皿バネ部材３２からの局所荷重を分散させ、フランジ部１４に均等に荷重を作用させる機能を有する。

皿バネ部材３２は、ロックナット３１と当て板３５との間に設けられ、ロックナット３１を壁部３ａに対し離間する方向に付勢する構成となっている。また、皿バネ部材３２は、ロックナット３１及び当て板３５とそれぞれ環状に当接することにより、真空側のフランジ部１４を壁部３ａ側に引き付けて、ＦＲＰ金属間接着層１９に対し均等に面圧をかける構成となっている。なお、付勢部材としてコイルバネを用いても良いが、ＦＲＰ金属間接着層１９に対し均等に面圧をかける観点から、本実施形態では圧に偏りが少なくなる皿バネ部材３２を用いている。

上述した金属製部材１０の取り付け構造は、次のような手順で構築される。
先ず、管部１３と管部材３０とを溶接して金属製部材１０を形成する。次に、壁部３ａ装着前に、接着に適した環境で接着できるよう、管部材３０のフランジ部１４と接着用ＦＲＰ板１７とを２液性エポキシ接着剤を用いて事前に接着する。フランジ部１４と接着用ＦＲＰ板１７とを接着したら、接着用ＦＲＰ板１７に２液性エポキシ接着剤を塗布し、接着用ＦＲＰ板１７を壁部３ａに形成された凹部１６に填め込む。

次に、壁部３ａに形成された凹部３４に当て板３５を填め込む。なお、当て板３５は、皿バネ部材３２により壁部３ａに対して付勢されるので、填め込む際に接着剤を塗布しなくてもよい。また、接着剤を塗布するとしても、壁部３ａの面方向に沿う方向のみにすることが好ましい。当て板３５を填め込んだら、管部材３０に皿バネ部材３２を挿通させて配置した後、管部材３０にロックナット３１を取り付ける。そして、ロックナット３１の締め付けで、皿バネ部材３２に荷重をかけて変形させ、付勢力を調整する。
以上により、金属製部材１０の取り付け構造が構築される。

続いて、上記金属製部材１０の取り付け構造における作用について説明する。第２実施形態の金属製部材１０の取り付け構造によれば、上述した実施形態と同様の作用の他に、以下の作用が得られる。
内部容器３に冷媒（液体窒素）を供給し、室温（例えば２９３Ｋ（ケルビン））から極低温（例えば６５Ｋ）まで冷却すると、壁部３ａが熱収縮する。壁部３ａは、表１で示したように、ＦＲＰの積層方向である厚み方向における熱収縮量が面方向に対して大きくなる。ここで、第２実施形態では、押付機構２１に皿バネ部材３２を用いているので、極低温になった際の壁部３ａと管部材３０との熱収縮量の差分だけ、皿バネ部材３２が伸長する。そうすると、ＦＲＰ金属間接着層１９に対し常に荷重を伝えることができる。なお、皿バネ部材３２が伸長した分、付勢力は低減するが、壁部３ａの厚み方向におけるＦＲＰ材と金属材の熱収縮量の差分を予め求めておき、その差分に基づいてロックナット３１の締め付け量を事前に調整すればよい。また、フランジ部１４は、壁部３ａを挟んで逆側（液体窒素側）に向けて引っ張られることとなるため、壁部３ａが熱収縮しても、フランジ部１４と壁部３ａとの相対位置関係が変動することはなく、それによる接着破壊を抑制することができる。加えて、皿バネ部材３２がロックナット３１に対し環状に当接して付勢力を作用させることにより、逆側のフランジ部１４においても均等な力を作用させることができる。

このため、上述の第２実施形態によれば、金属製部材１０の取り付け部位における真空リークの発生を抑制することができるＦＲＰ製クライオスタット１が得られる。

以下、図４〜図７に示す有限要素法に基づく構造解析結果に基づいて、上述の第１実施形態及び第２実施形態における効果をより明らかにする。
図４は、本発明の第１実施形態における解析モデルイメージ図である。図５は、本発明の第２実施形態における解析モデルイメージ図である。図６は、本発明の第１実施形態におけるＦＲＰ金属間接着層１９にかかる面直応力の解析結果を示すグラフである。図７は、本発明の第２実施形態におけるＦＲＰ金属間接着層１９にかかる面直応力の解析結果を示すグラフである。

解析コードとしては、ＡＢＡＱＵＳの２次元軸対称解析を用いた。拘束条件及び荷重条件としては、図４及び図５に示すようにした。
すなわち、拘束条件としては、中心から十分距離をとった位置を拘束点とした。
また、荷重条件としては、以下のようにした。
荷重（Ａ）：ボルト、ナットによる締め付け荷重のみ（図４及び図５中の荷重（１）に対応）
荷重（Ｂ）：真空圧による荷重のみ（図４及び図５中の荷重（２）に対応）
荷重（Ｃ）：熱荷重（２９３．１５Ｋから６５Ｋへ冷却したときの熱荷重：図４及び図５中の荷重（３）に対応）
荷重（Ｄ）：荷重（Ａ）＋荷重（Ｂ）
荷重（Ｅ）：荷重（Ａ）＋荷重（Ｂ）＋荷重（Ｃ）

解析モデルの各部位（Ｋ〜Ｏ：図４及び図５参照）の各材料物性値は、表２に示す。なお、図５に示すロックナット及び皿バネ部材はモデル化しない。

図６に示す第１実施形態における構造解析結果によれば、真空圧のみがかかった場合（荷重（Ｂ）の場合）に、ＦＲＰ金属間接着層１９において、引き剥がし方向側（図中＋側）の面直応力がでるが、荷重（Ｄ）及び荷重（Ｅ）では押付機構２１により、圧縮方向側（図中−側）におさえることができていることが分かる。
また、図７に示す第２実施形態における構造解析結果によれば、真空圧のみがかかった場合（荷重（Ｂ）の場合）に、ＦＲＰ金属間接着層１９において、引き剥がし方向側（図中＋側）の面直応力がでるが、荷重（Ｄ）及び荷重（Ｅ）では押付機構２１により、圧縮方向側（図中−側）におさえることができていることが分かる。

なお、図６に示す第１実施形態における構造解析においては、ボルト２４の締め付け荷重を大きく設定しすぎたために、ＦＲＰ金属間接着層１９の内径側（ゼロ寄り側）に引き剥がし成分がでているが、ボルト２４の締め付け荷重を調整すれば、この引き剥がし成分を０以下に押さえることは可能である。また、第２の押付板２３（当接部）の形状を調整する、例えば、その厚みを、内径側においてはその外径側の厚みより大きくすることで荷重を大きくさせる等により対応させてもよい。また、厚み方向の一部にＦＲＰ金属間接着層を設けてもよい。

以上、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るものではない。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、本発明の主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。

例えば、上記実施形態では、電極７における金属製部材１０の取り付け部位における構成について説明したが、液体窒素供給ポート８ａや液体窒素排出ポート８ｂの金属継手部位においても、本発明を適用することができる。

また、例えば、本発明は、超電導モーター、トランス、発電機、電磁石等のＦＲＰ製クライオスタットにも適用することができる。

１…ＦＲＰ製クライオスタット、３…内部容器（ＦＲＰ製容器）、３ａ…壁部、１０…金属製部材、１２…貫通孔、１３…管部、１４…フランジ部、１７…接着用ＦＲＰ板、１８…接着層、１９…ＦＲＰ金属間接着層、２０…対向面、２１…押付機構、２２…第１の押付板（押付板）、２３…第２の押付板（当接部）、２４…ボルト（締結部材）、２６…突出部、３０…管部材（管部）、３１…ロックナット（第２のフランジ部）、３２…皿バネ部材（付勢部材、バネ部材）

Claims (7)

1. 冷媒を収容するＦＲＰ製容器の壁部に貫通孔が形成され、該貫通孔に金属製部材が挿通して取り付けられているＦＲＰ製クライオスタットであって、
   前記金属製部材は、前記貫通孔の径よりも縮径し、前記貫通孔に対して空間をあけて前記挿通している管部と、該管部に設けられ、前記貫通孔の径よりも拡径したフランジ部とを備えており、
   前記フランジ部と前記壁部との間を接着すると共に、前記フランジ部と前記壁部との対向面に設けられているＦＲＰ金属間接着層と、
   前記対向面に対し垂直な方向において、前記フランジ部を前記壁部に対し押し付ける押付機構と、を有することを特徴とするＦＲＰ製クライオスタット。
2. 前記押付機構は、
   前記フランジ部の前記壁部と対向する面と逆側の面に当接する当接部を有する押付板と、
   前記ＦＲＰ製容器の外側から前記押付板を前記壁部に対し押し付ける締結部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ製クライオスタット。
3. 前記当接部は、前記押付板のベース部から前記フランジ部の位置に向けて突出した突出部に設けられ、前記フランジ部に対し環状に当接していることを特徴とする請求項２に記載のＦＲＰ製クライオスタット。
4. 前記押付機構は、
   前記管部に、前記フランジ部と前記壁部を挟んで逆側において設けられた第２のフランジ部と、
   前記第２のフランジ部を前記壁部に対し離間する方向に付勢する付勢部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ製クライオスタット。
5. 前記付勢部材は、前記第２のフランジ部に対し環状に当接するバネ部材からなることを特徴とする請求項４に記載のＦＲＰ製クライオスタット。
6. 前記第２のフランジ部は、前記管部に、前記垂直方向において移動自在に螺合していることを特徴とする請求項５に記載のＦＲＰ製クライオスタット。
7. 前記壁部は、接着層を介して接着している接着用ＦＲＰ板を有しており、
   前記接着用ＦＲＰ板と前記フランジ部とが前記ＦＲＰ金属間接着層を介して接着していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のＦＲＰ製クライオスタット。

Images