JP3104268B2 - 超電導磁石応用装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁石に働く荷重
を支える荷重支持体を用いている超電導磁石応用装置、
特にＭＲＩ（核磁気共鳴装置）、核融合装置、電力貯蔵
装置、加速器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、特開昭６２−１２６６
０４号公報、特開昭５６−１１６５５５号公報が挙げら
れる。この従来例は、コーン状のＦＰＲ２ケをシールド
板をはさんで連結する荷重支持構造を採用していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、２ケ
のコーンが各々の小径部でシールド板を間に介して結合
して一組の荷重支持体となっているため、結合部の強度
が充分でない問題があった。本発明の目的は、内槽への
熱侵入が少なく、かつ、充分に強度を有する荷重支持体
を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するめための手段】上記目的は、超電導コ
イルを格納する内槽と該内槽を支持して格納する真空容
器の外槽とを備えた超電導磁石応用装置において下記の
構成を備えることにより 解決される。

【０００５】（１）：前記内槽を支持する荷重支持体の
側面外形は両端より中央の方が細くなる形状であり、前
記荷重支持体の材質は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）
であり、前記荷重支持体の前記外槽側の外径が前記荷重
支持体を前記内槽に固定するための固定リングの内径よ
りも小さいこと。

【０００６】（２）：前記内槽を支持する荷重支持体の
側面外形は両端より略中央にかけて除々にくびれるよう
な形状であり、前記荷重支持体の材質は繊維強化プラス
チック（ＦＲＰ）であり、前記荷重支持体の前記外槽側
の外径が前記荷重支持体を前記内槽に固定するための固
定リングの内径よりも小さいこと。

【０００７】（３）前記内槽を支持する荷重支持体は鼓
形であり、前記荷重支持体の材質は繊維強化プラスチッ
ク（ＦＲＰ）であり、前記荷重支持体の前記外槽側の外
径が前記荷重支持体を前記内槽に固定するための固定リ
ングの内径よりも小さいこと。

【０００８】（４）；（３）において、前記荷重支持体
の鼓形の固定端での角度が３５°〜５５°の範囲である
こと。

【０００９】（５）：（３）において、前記荷重支持体
の鼓形の中間小径部の肉厚を両端大径部の肉厚よりも厚
くした荷重支持体を用いていること。

【００１０】（６）：（１）乃至（５）の何れかにおい
て、前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は前記荷重支
持体の軸方向（Ｘ方向）の繊維と、周方向（Ｚ方向）の
繊維と、径方向（Ｙ方向）の繊維とを有しており、前記
径方向（Ｙ方向）の繊維の熱伝導率が前記軸方向（Ｘ方
向）繊維及び周方向（Ｚ方向）の繊維熱伝導率よりも高
いこと。

【００１１】

【作用】荷重支持体に外力が各々せん断負荷、軸方向引
圧負荷が加わった場合の、荷重支持体に働く曲げモーメ
ント分布及び引圧力分布を考え、更に支持体内部の応力
分布一様の形状を考えると、両サイドの径を、曲げモー
メントに比例したテーパ状となり、かつ、中央部は、引
圧力を参考に最小径Ｄminが決められ、これを両サイド
テーパ部になめらかに連ながる鼓形状が理想であること
がわかる。

【００１２】さらに、荷重支持体の外槽側の外径を荷重
支持体を内槽に固定するための固定リングの内径よりも
小さくすることにより、特に高い信頼性を必要とする極
低温部での締結を１体のリングで行うことができ、常温
側の締結治具のみを分割すれば組み立て可能となる。

【００１３】また、この鼓形状の固定端での各とθと、
軸方向負荷及びせん断負荷下の強度の関係をみると、鼓
形状の固定端の角度は３５°〜５５°で、両負荷に対す
る強度差が±２％の範囲内にあり、バランスのよい強度
特性を有することがわかる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。先ず本発明の実施例を図１により説明する。図はＭ
ＲＩ用超電導磁石への適用例を示すものである。ヘリウ
ム容器２に取り付けた取付台座１９に荷重支持体３を取
付け、荷重支持体の取付け台座２０と外槽６を結合す
る。また輻射シールドを兼ねる液体窒素容器２１を荷重
支持体の窒素温度部分４に連結する。

【００１５】このようにすると、図示している２個の荷
重支持体だけですべての荷重を受け持つことができるの
で、熱侵入を低減し、ヘリウム消費量の少ないＭＲＩ装
置を得ることができる。

【００１６】この場合、サーマルアンカ４の位置を内槽
２に近付ければ、液体窒素への熱侵入が減り、液体ヘリ
ウムへの熱侵入が増大する。逆にサーマルアンカ５の位
置を外槽６にちかづければ、液体窒素への熱侵入が増
え、得たいヘリウむへの熱侵入が減る。このサーマルア
ンカ４の位置を調節することにより、液体ヘリウム、液
体窒素の消費を最適なものとすることができる。

【００１７】図２に荷重支持体３に外力が加わった場合
の荷重支持体に働く曲げモーメント分布及び、引圧力分
布を示すが、これをもとに、支持体内部の応力分布一様
に形状を考えると、両サイドの径は、曲げモーメントに
比例したテーパ状となり、かつ、中央部は、引圧力を参
考に最小径Ｄminが決められ、これを両サイドテーパ部
になめらかに連ながる鼓形状が理想であることがわか
る。

【００１８】また、この鼓形状の固定端での角度θと、
軸方向負荷及びせん断負荷の強度の関係を示すと図３の
如くになり、この図から、鼓形状の固定端の角度は３５
°から５５°で、両負荷に対する強度差が±２％の範囲
内にあり、バランスのよい強度特性を有することがわか
る。

【００１９】また、図４、図５に示す鼓形荷重支持体の
サーマルアンカ４にはさまれた領域に高熱伝導率の物質
１２を混入させることにより、この部分の径方向温度分
布を均一化（ΔＴmaxをΔＴに小さく）することがで
き、これにより外槽側６から内槽側２への熱の侵入を充
分小さくすることができる。図５は温度分布を示してお
り、曲線ｉが従来例、曲線iiが本発明に相当する。

【００２０】尚、本実施例の特徴はこの他、締結部の存
在しない点にあり、従ってこわれにくい。

【００２１】本発明の他の実施例を図６に示す。本実施
例では、鼓形状ＦＲＰの外槽６側の外径Ｄ0を、内槽２
側の固定用リング７の内径Ｄ1よりも小さくすることに
より、特に高い信頼性を必要とする極低温部での締結を
１体のリングで行うことができ、常温側の締結治具８の
みを分割すれば組み立て可能となる。また、（磁気）シ
ールド板５も最低２分割以上に分割して、サーマルアン
カ４に接続できるようにする。

【００２２】尚、本例ではサーマルアンカ４とシールド
板５とはボルト締めまでは銀ろうで接続している。更に
本実施例では、図のＡ部分が折り曲げてあるので抜け出
さない。

【００２３】本発明の他の実施例を図７に示す。本実施
例では、サーマルアンカ４を周方向に多数に分割し、サ
ーマルアンカ４と鼓形ＦＲＰ３との間の熱膨張率の差に
より熱応力を低下させることができる。また、鼓形ＦＲ
Ｐの外周側のサーマルアンカと内周側のサーマルアンカ
を金属製の連結棒１１で締結することにより、このサー
マルアンカにはさまれた領域のＦＲＰ部材の径方向温度
分布を均一化し、内槽側への熱侵入量を低減できる。

【００２４】本発明の更に他の実施例を図８に示す。本
実施例は図４鼓形ＦＲＰ３の、サーマルアンカ４にはさ
まれた領域１２の強化繊維の配列に関するものである。
図８のｘ，ｙ，ｚ方向は図４のｘ，ｙ，ｚ方向と同じ方
向を意味している。１２ａは銅等の高熱伝導率繊維であ
る。この高熱伝導率繊維はこの銅の他、アルミニウムの
繊維、また最近の石油ピッチ系炭素繊維でもよい。

【００２５】１２ｂと１２ｃは、ｚ方向（周方向）とｘ
方向（軸方向）の低熱伝導率繊維でパン系炭素繊維、ガ
ラス繊維、アルミナ繊維、またはＳｉＣ繊維等の低熱伝
導率の強化繊維である。このように高熱伝導率繊維をｙ
方向（径方向）にのみ配列すれば、液体窒素温度に保た
れるサーマルアンカ４に熱が伝達し易くなり、液体ヘリ
ウム温度に保たれる内槽側への熱侵入を低下できる。

【００２６】図９は高熱伝導率ＦＲＰ１２の他の繊維構
成を示したものである。これはｙ軸方向の高熱伝導率繊
維１２ａを、三方向の低熱伝導率強化繊維１２ｄ、１２
ｅ、１２ｆで三角形状に囲んで関層した構成である。図
１０は、図９のｙ方向から見た拡大図である。

【００２７】本発明の他の実施例を図１１に示す。本実
施例は前述と同様にサーマルアンカ４にはさまれた領域
の径方向熱伝導率を上げる成形法に関するもので、金属
繊維の織物等によりなる高熱伝導率基材１３を、他の部
位にも全般的に用いられる。パン系炭素繊維あるいは、
ガラス繊維などの低熱伝導率基材１４の間に巻き込みな
がら成形する。

【００２８】この高熱伝導性基材１３は、周方向に複数
ヶ所設けられる熱連結部２０によって径方向にも接続さ
れる。この断面図を図１２に示すが、この熱連結部２０
は、例えば銅やアルミニウムのボルトからなり、通常液
体窒素温度に保持されるサーマルアンカ４に接続する。

【００２９】このようにして大気温度に保たれる外槽側
から荷重支持体３を伝導してきた侵入熱をサーマルアン
カ４に充分伝えることができ、液体ヘリウム温度に保た
れる内槽への熱の侵入を低減できる。

【００３０】図１３は、高熱伝導率基材１３を同様にＦ
ＲＰ間に巻き込む別の方法を示している。この方法は、
プリプレグ材を用いて成形する場合に都合が良い。適当
な形状（通常、軸方向に長い）に切断されたプリプレグ
材を所定厚みまで張り合わせながら積層する際、図１３
に示すようにプリプレグ材１５に沿って高熱伝導率基材
１３が巻き込まれる。高熱伝導率基材１３が設けられる
軸方向長さは、図１５に示される、サーマルアンカ４の
締める範囲程度でよい。高熱伝導率基材１３は予めレジ
ンを含浸して、プリプレグ状にしておいてもよい。

【００３１】図１３のように構成されたサーマルアンカ
は径方向にも良く熱が伝わるため、より良好な効果が得
られる。

【００３２】本発明の他の実施例を図１４に示す。この
実施例では、サーマルアンカを設ける軸方向部分で強化
繊維の種類を変え、かつ、この部分に高熱伝導率基材１
３を巻き込んだ例を示している。

【００３３】支持体に用いられる強化繊維としてはガラ
ス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維などがある。例え
ば、カラス繊維用いたＦＲＰ（ＧＦＲＰ）とカーボン繊
維を用いたＦＲＰ（ＣＦＲＰ）の熱伝導率を比較すると
常温から液体窒素温度の範囲ではＧＦＲＰの熱伝導率が
小さく、逆に液体窒素温度以下の温度範囲ではＣＦＲＰ
の熱伝導率が小さい。また前記の繊維を用いたＦＲＰの
剛性を比較すると、ガラス繊維を用いたものに比較し、
カーボン繊維あるいはアルミナ繊維を用いたものが優れ
ている。

【００３４】それらの繊維の特徴を組み合わせて、支持
体を構成することにより、より断熱伊能の優れたものが
得られる。例えば常温側の強化基盤Ａ１４Ａとしてガラ
ス繊維あるいはアルミナ繊維、液体ヘリウム温度側の強
化基板Ｂ１４Ｂとしてカーボン繊維を用い、図中に示す
ように軸方向上下の強化基材がそれぞれ重なり合うよう
に構成し、かつ、この重なり部分に、図１１、図１３で
説明した高熱伝導率基材を巻き込む。

【００３５】このように構成すると、常温側から侵入熱
を液体窒素温度に保持されたシールド板５に逃す効果の
他に、液体ヘリウム温度に保持された内槽側への熱伝導
を低減できる効果がある。

【００３６】また、事なる種類の繊維を重ね併せて一体
に成形するため、従来技術で述べた結合金具等を設ける
ことによる強度低下が無く、高強度の鼓形断熱支持体を
得ることができる。

【００３７】本発明の他の実施例を図１５に示す。本実
施例は鼓形の荷重支持体の成形法に関するもので、この
場合は、プリプレグ材を用いた場合を説明する。尚、成
形法は大別して、プリプレグ材（強化繊維基材に予めエ
ポキシレジンなどを含浸し、半硬化状態にしたもの）を
用いる方法と強化繊維を所定の形に構成した後、レジン
を含浸・硬化させる方法に分けられる。

【００３８】本例においては、成形型は鼓形ＦＲＰの最
小内径部分で軸方向に分割された上型１６と下型１７で
構成される。通常、金属型が用いられる。この成形型
に、適当な形状に切断したプリプレグ材１５を取りつけ
る。必要厚みになるまでプリプレグ材を積層した後、外
部より加圧しながら、成形型を昇温してレジンを硬化さ
せる。

【００３９】こうすることで、プリプレグ材間に残留し
た空気が、プリプレグ材の余分なレジンの流動によって
成形品外に押し出されるため、ボイドのない良好な成形
品が得られる。外部からの加圧の方法としては熱収縮テ
ープを用いる方法、押し型を用いて機械的に加圧する方
法などがあるが、図中に示すようにプリプレグ材の周囲
にシール膜１８を設けて、気体あるいは液体を介して圧
力を加えるのも一方法である。

【００４０】尚、前記した後者の方法でも、ほぼ同様の
成形型に必要料の強化繊維を巻き付け、エポキシレジン
などを減圧含浸し、加熱加圧硬化することによって良好
な鼓形ＦＲＰを得ることが可能である。

【００４１】次に強化繊維間に熱伝導の良好な材料を巻
き込みながら成形してサーマルアンカを形成する方法に
ついて述べる。

【００４２】図１１は、その一実施例を示すサーマルア
ンカ部分の横断面図、図１２は、その縦断面図である。
熱伝導性基板１３が図１２に示される軸方向の必要長を
部分に、強化基材１４の間に巻き込まれる。この場合に
用いられる基材は図１２に示すような軸方向に±４５°
傾いた強化繊維のクロスが良い。このようなクロスを用
いるとクロスの変形が容易であるため、鼓形のくぼみ部
分にも容易になじませることができる。

【００４３】熱伝導性基材１３は、周方向に複数ヶ所設
けられる熱連結部２０によって径方向にも接続される。
熱連結部２０は、通常、液体窒素シールド５あるは鼓形
支持内部に設けられる反射率４’の機械的な支持部ある
いは接続部でもある場合が多い。前記の熱伝導性基材と
しては、銅の細線などで構成された金属網、アルミ箔な
どの金属箔、金などの金属メッキを施した繊維の織布あ
るいは既に述べたピッチ系高弾性カーボン繊維の織布な
どが用いられる。

【００４４】このような構成にすると適当に設けられた
複数の熱連結部２０と周方向に配された熱伝導性基材１
３によって、常温側からＦＲＰを伝導してきた侵入熱を
液体窒素シールド５に伝えることができ、液体ヘリウム
槽への熱侵入を低減可能である。

【００４５】本発明の第２の実施例を図１６により説明
する。図１６はトロイダル型の核融合装置への適用例で
ある。

【００４６】２５は液体ヘリウムを収納するクライオス
タットであり、その内部に超電導磁石が収納されてい
る。超電導磁石は複数（本例では１２本）のトロイダル
コイル２７とその外周上に位置する円環状のポロイダル
コイル２６から構成される。２９は鼓型の荷重支持体で
あり液体ヘリウムに満たされているコイル容器を支持し
ている。荷重支持体２９はトロイダルコイル２７と同数
の１２本有り、つまり１２本の荷重支持体２９によって
超電導磁石を支持している。荷重支持体２９は液体窒素
温度に保たれたサ−マルアンカベ−ス２８上に配置され
ている。荷重支持の構造は前記各実施例に述べた通りで
ある。

【００４７】本実施例はトロイダル型の核融合装置を例
にとったがヘリカル式等他の核融合装置にも適用可能で
ある。すなわちプラズマを閉じ込める超電導コイルをサ
−マルアンカベ−ス上に鼓型の荷重支持体で支持すれば
良い。

【００４８】本発明の第３実施例を図１７により説明す
る。図１７は電力貯蔵装置への適用例であり、荷重支持
の構造は前記各実施例に述べた通りである。

【００４９】超電導コイル部分はアルミニウム導体３６
と超電導体３７とから構成し、内槽３４内に納められて
いる。内槽３４内には液体ヘリウム３５が満たされてい
る。内槽３４の外側両面には熱及び／または磁気シ−ル
ド体３３を介して荷重支持体３２が配置され取付座３１
を介して外壁３０に支持されている。本実施例では荷重
支持体を内槽３４の両側に対称に設けたが、対称である
必要はなく、片側配置でも差し支えない。

【００５０】さらに以上の例の他、加速器等の荷重支持
の構造にも適用可能である。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、超電導磁石の荷重支持
体の全方向の剛性を均一に高くとれるため、超電導磁石
のあらゆる方向の加振力に対して超電導コイルの振動変
形を小さくすることができる。このことは、超電導コイ
ルのクエンチの防止に効果がある。

【００５２】また荷重支持体の強度を上げることができ
るため、クエンチの起こりにくい、信頼性の高い超電導
磁石を提供できる。

【００５３】また、荷重支持体の剛性、強度をこのよう
に充分高くとりながら、熱伝導を充分低く抑えられるた
め、コイル、内槽を冷却している液体ヘリウムの消耗を
極力抑えることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導磁石応用装置の一実施例の断面
図である。

【図２】本発明に用いる荷重支持体の基本形状と負荷分
布の関係を示す説明図である。

【図３】本発明に用いる鼓形荷重支持体の固定端角度と
強度との関係を示す特性図である。

【図４】本発明の他の実施例に用いる荷重支持構造の断
面図である。

【図５】図４の実施例による温度分布図である。

【図６】更に別の実施例に係る荷重支持体の要部断面図
である。

【図７】更に別の実施例に係る荷重支持体の斜視図であ
る。

【図８】支持体のＦＲＰの強化繊維の配列例を示す模式
斜視図である。

【図９】その別の例を示す模式斜視図である。

【図１０】図９のｙ方向から見た拡大模式図である。

【図１１】荷重支持体のサ−マルアンカ近傍領域の成形
方法を説明する部分断面斜視図である。

【図１２】図１１の例を用いた支持体の断面図である。

【図１３】図１１の別の例を示す断面図である。

【図１４】更に別の製法例を示した基材の断面図であ
る。

【図１５】荷重支持体の組立て手順を例示した断面図で
ある。

【図１６】本発明の超電導磁石応用装置の他の実施例の
斜視図である。

【図１７】本発明の超電導磁石応用装置の更に他の実施
例の斜視図である。

【符号の説明】

１…超電導コイル、２，３４…内槽、３，２９，３２…
荷重支持体、４…サーマルアンカ、５…シールド板、６
…外槽、７…内槽側取付リング、８…外槽側取付具、９
…取付ボルト、１０，３５…液体ヘリウム、１１…サー
マルアンカ用締結ボルト、１２…高熱伝導率部位、１２
ａ…高熱伝導率繊維、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２
ｅ、１２ｆ…低熱伝導率繊維、１３…高熱伝導率基材、
１４…低熱伝導率基材、１５…プリプレグ材、１６…上
型、１７…下型、１８…シール膜、１９…取付台座、２
０，３１…取付座、２１…液体窒素容器、２５…クライ
オスタット、２６…ポロイダルコイル、２７…トロイダ
ルコイル、２８…サ−マルアンカベ−ス、３０…外壁、
３３…熱及び／または磁気シ−ルド体、３６…アルミニ
ウム導体、３７…超電導体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 利男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 尾形 久直 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 根本 武夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 河合 末男 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 鈴木 史男 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社 日立製作所内 (72)発明者 園部 正 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社 日立製作所内 (56)参考文献 特開 昭56−133885（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−116555（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 6/00 ZAA

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導コイルを格納する内槽と、該内槽を
   支持して格納する真空容器の外槽とを備えた超電導磁石
   応用装置において、前記内槽を支持する荷重支持体の側
   面外形は両端より中央の方が細くなる形状であり、前記
   荷重支持体の材質は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で
   あり、前記荷重支持体の前記外槽側の外径が前記荷重支
   持体を前記内槽に固定するための固定リングの内径より
   も小さいことを特徴とする超電導磁石応用装置。
2. 【請求項２】超電導コイルを格納する内槽と、該内槽を
   支持して格納する真空容器の外槽とを備えた超電導磁石
   応用装置において、前記内槽を支持する荷重支持体の側
   面外形は両端より略中央にかけて除々にくびれるような
   形状であり、前記荷重支持体の材質は繊維強化プラスチ
   ック（ＦＲＰ）であり、前記荷重支持体の前記外槽側の
   外径が前記荷重支持体を前記内槽に固定するための固定
   リングの内径よりも小さいことを特徴とする超電導磁石
   応用装置。
3. 【請求項３】超電導コイルを格納する内槽と、該内槽を
   支持して格納する真空容器の外槽とを備えた超電導磁石
   応用装置において、前記内槽を支持する荷重支持体は鼓
   形であり、前記荷重支持体の材質は繊維強化プラスチッ
   ク（ＦＲＰ）であり、前記荷重支持体の前記外槽側の外
   径が前記荷重支持体を前記内槽に固定するための固定リ
   ングの内径よりも小さいことを特徴とする超電導磁石応
   用装置。
4. 【請求項４】請求項３において、前記荷重支持体の鼓形
   の固定端での角度が３５°〜５５°の範囲であることを
   特徴とする超電導磁石応用装置。
5. 【請求項５】請求項３において、前記荷重支持体の鼓形
   の中間小径部の肉厚を両端大径部の肉厚よりも厚くした
   荷重支持体を用いていることを特徴とする超電導磁石応
   用装 置。
6. 【請求項６】請求項１乃至５の何れかにおいて、前記繊
   維強化プラスチック（ＦＲＰ）は前記荷重支持体の軸方
   向（Ｘ方向）の繊維と、周方向（Ｚ方向）の繊維と、径
   方向（Ｙ方向）の繊維とを有しており、前記径方向（Ｙ
   方向）の繊維の熱伝導率が前記軸方向（Ｘ方向）繊維及
   び周方向（Ｚ方向）の繊維熱伝導率よりも高いことを特
   徴とする超電導磁石応用装置。