JP3400256B2 - 極低温容器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気浮上式鉄道用
超電導磁石のような超電導磁石に利用する極低温容器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気浮上式鉄道用超電導磁石に利
用している極低温容器は、図６に示すような構成であ
る。この従来の極低温容器は、外槽１内にレーストラッ
ク形状の超電導コイル２を複数個収容し、その上方にこ
の超電導コイル２を冷却するための極低温冷媒としての
液体ヘリウムを溜めておく液体ヘリウム溜３を設けてい
る。

【０００３】超電導コイル２それぞれはステンレス鋼な
どで構成される内槽４に収容し、冷媒回収用低温配管５
ａによって液体ヘリウム溜３とこの内槽４との間を接続
して、蒸発したガスヘリウムを超電導コイル２から液体
ヘリウム溜３に回収するようにしている。また外槽１と
内槽４との間の空間には、外部から超電導コイル２に電
流を供給するための電流リードや各種センサのリード線
を収容した電流リード用低温配管５ｂも配管されてい
る。

【０００４】そして外槽１の内側に少しの間隔を開けて
この外槽１に沿うように、外部からの輻射熱の侵入を低
減させるための箱形の熱シールド体６を設置して、液体
ヘリウム溜３、内槽４及び低温配管５ａ，５ｂをこの熱
シールド体６内に収容している。加えて、超電導磁石の
運転中には低温配管５ａ，５ｂと内槽４との間の温度差
はほとんどないが、冷却開始直後などには各部に温度差
が出て熱収縮差が発生するので、この熱収縮差を吸収す
るために低温配管５ａ，５ｂの一部にベローズのような
フレキシブル配管７を用いている。

【０００５】さらに、熱シールド体６と内槽１との間の
空間に配管されている冷媒回収用低温配管５ａ、電流リ
ード用低温配管５ｂなどの低温配管群をすべて内槽４に
支持部材８によって固定して支持させている。これは、
低温配管群と内槽４には同じ材料が用いられており、ま
た熱シールド体６内であるために温度差も小さいことか
ら熱収縮差がほとんど出ないこと、また外槽から低温配
管群を支持しようとすれば、外槽１と低温配管群との間
の温度差が大きくて、外部から熱伝導によって低温配管
群に大きな熱量が伝わってしまい、液体ヘリウムのよう
な極低温冷媒の蒸発量が大きくなってしまう問題点があ
ったためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の極低温容器では、低温配管群をすべて内槽に対し
て支持部材によって固定、支持させる構造であったため
に、次のような問題点があった。すなわち、磁気浮上式
鉄道車両用超電導磁石の場合、車両走行時に外部からの
変動磁場を受け、超電導コイル２の電磁力との作用によ
り超電導コイル２を収容している内槽４が振動する。そ
して内槽４が振動すると、この内槽４に対して支持部材
８によって固定されている低温配管５ａ，５ｂも振動す
ることになる。このようにして低温配管５ａ，５ｂが振
動すると、低温配管とこの低温配管内に収容されている
計測線の固定部との間で、また支持部材８と低温配管５
ａ，５ｂの固定部などとの間に相対変位が生じ、これに
よりすべり摩擦熱が発生する。

【０００７】加えて、超電導コイル２は図示していない
固定金具により内槽４内に要所要所で固定されているた
め、内槽４が振動すると超電導コイル２とその固定金具
との間、また固定金具と内槽４との間でも相対変位が発
生し、それに伴ってすべり摩擦熱が発生する。

【０００８】これらのすべり摩擦熱の発生量は内槽４や
低温配管５ａ，５ｂの振動の大きさと強い関係があり、
内槽４や低温配管５ａ，５ｂの振動が大きくなれば発熱
量も大きくなり、液体ヘリウムの蒸発量が増加し、その
蒸発量が冷凍機の冷凍能力を超えるまでになれば液体ヘ
リウムを補給しなければならなくなり、運用上の大きな
制約となる。

【０００９】そこでこの低温配管の振動を抑制するため
に、支持部材８を強固なものとする対策が考えられる
が、これがひいては車両の重量増加となり、可能な限り
軽量化が望まれている磁気浮上式鉄道車両用の超電導磁
石としては採用できないものである。

【００１０】振動を抑制する対策としてまた、実使用時
に剛性が高くて振動が小さい外槽の台枠側に支持部材に
よって低温配管群を直接支持させる構造も考えられる
が、この場合には、上述したように外槽と低温配管との
温度差が極端に大きいために外部から熱が支持部材を通
じて低温配管側に直接伝わってきてしまい、振動抑制に
よるすべり摩擦熱の抑制効果を打ち消してしまい、結
局、そのような対策をしない場合と変わらないか、悪化
することにもなり、採用できないものである。

【００１１】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたもので、熱シールド体に対して低温配管を支持
部材によって支持する構造にして外部からの入熱を超電
導磁石としての運用上、問題のない大きさまで抑制し、
また内槽や低温配管の振動を低減させ、すべり摩擦によ
る発熱をも抑制することができる構造の極低温容器を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の極低温
容器は、外槽と、その内部に配置された箱形の熱シール
ド体と、その内部に配置され、内部に超伝導コイルを収
容する内槽と、前記熱シールド体と前記内槽との間の空
間に配置され、その一端が前記内槽に接続されている低
温配管と、前記外槽に対して前記熱シールド体を固定支
持するシールド体支持部材と、前記熱シールド体に対し
て前記低温配管を固定支持する配管支持部材とを備えた
ものである。

【００１３】この請求項１の発明の極低温容器では、低
温配管を外槽と内槽との中間温度に冷却されている熱シ
ールド体に固定することによって外部の熱が直接低温配
管に伝わることを防止し、かつ超電導コイルを収容して
いる内槽から低温配管に直接振動が伝わらないようにし
て振動によるすべり摩擦熱の発生を抑制し、低温配管の
温度上昇を小さくする。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１の極低温容器
において、前記低温配管の一端を前記内槽にフレキシブ
ル配管を介して接続したものであり、これによって低温
配管と内槽との接続部分での振動の伝達を絶縁し、低温
配管の振動を効果的に抑制し、すべり摩擦熱の発生を小
さくして低温配管の温度上昇をより小さくする。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１又は２の極低
温容器において、前記配管支持部材を熱シールド体側支
持部材と、低温配管側支持部材とに分割した構造にし
て、前記熱シールド体側支持部材によって前記低温配管
側支持部材を摺動可能な状態で支持したものであり、こ
れによって、熱シールド体と低温配管との間の熱伝達経
路を長くして熱シールド体から低温配管に伝わる熱量を
より少なくし、また極低温環境で熱シールド体と低温配
管との間に発生する熱収縮差を支持部材の摺動可能な分
割部分で吸収し、低温配管が熱収縮差の影響を受けない
ようにする。

【００１６】請求項４の発明は、請求項３の極低温容器
において、前記熱シールド体側支持部材と前記低温配管
側支持部材との摺動部に低摩擦材を介在させたものであ
り、これによって、振動発生時に低摩擦材の存在によっ
て支持部材の分割部分に発生するすべり摩擦熱を小さく
抑え、低温配管の温度上昇をより小さくする。

【００１７】請求項５の発明は、請求項１〜４の極低温
容器において、前記熱シールド体に他の部分よりも剛性
が高い高剛性部を形成し、この高剛性部に前記配管支持
部材を取り付けたものであり、剛性の高い熱シールド体
の高剛性部に低温配管を支持することによって振動を抑
え、かつ全体的な重量を大きく増加させることもない。

【００１８】請求項６の発明は、請求項１〜５の極低温
容器において、前記外槽に対する前記シールド体支持部
材の取り付け位置を、実使用時の振動が他の部分よりも
小さい箇所に設定したものであり、これによって低温配
管の振動をさらに低減する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の
極低温容器を示している。この図１の実施の形態の極低
温容器において、図６の従来の極低温容器に共通する部
分には同一の符号を付すことによってその詳しい説明を
省略する。

【００２０】この第１の実施の形態の特徴部分は、外槽
１に対して熱シールド体６の要所要所をシールド体支持
部材１１によって固定支持し、この熱シールド体６に対
して冷媒回収用低温配管５ａ、電流リード用低温配管５
ｂなどの低温配管群の要所要所を配管支持部材１２によ
って固定支持した点にある。

【００２１】また低温配管５ａ，５ｂそれぞれと内槽４
と接続部分にはベローズのようなフレキシブル配管１３
を介在させることによって超電導コイル２と内槽４の振
動が直接に低温配管群に伝達しない構造にしている。

【００２２】この第１の実施の形態の極低温容器では、
冷媒回収用低温配管５ａや電流リード用低温配管５ｂな
どの低温配管群が内槽４と分離、独立して支持されてい
るので低温配管群の振動が内槽４の振動に影響しにく
く、加えて、低温配管５ａ，５ｂ各々と内槽４との接続
部分にフレキシブル配管１３を介在させることによって
両者の振動を絶縁し、これらの結果、振動に伴う発熱を
効果的に抑制することができ、ひいては液体ヘリウムの
ような冷媒の消費量を少なくすることができる。

【００２３】図２は、第２の実施の形態の極低温容器を
示している。この図２は、図１におけるII−II線断面に
相当する部分の図である。この第２の実施の形態の極低
温容器では、熱シールド体６の一部である上底部を厚肉
部６ａにして剛性を側部や下底部よりも高くしている。
そしてこの厚肉部６ａにおいて外槽１に対して熱シール
ド体６をシールド体支持部材１１によって固定支持し、
さらにこの厚肉部６ａに対して配管支持部材１２によっ
て低温配管５ａ，５ｂなどの低温配管群を固定支持して
いる。

【００２４】低温配管群の振動を抑制するためにはこれ
らを固定支持している熱シールド体６の剛性を上げれば
よいが、剛性を上げるために熱シールド体６の全体の肉
厚を増加させると重量が極端に増加して軽量化の必要な
磁気浮上式鉄道車両用の超電導磁石として利用すること
ができなくなる。

【００２５】そこでこの第２の実施の形態では、低温配
管群を固定しない側面、すなわち低温配管群の振動への
影響の少ない面の肉厚は薄くして重量増加を抑制し、か
つ低温配管群を固定支持する面だけを厚肉とすることに
より剛性を高くして低温配管群の振動を抑制できる構造
にしたのである。

【００２６】次に、本発明の第３の実施の形態を、図３
に基づいて説明する。図３は図１における III部分に相
当する部分の拡大断面図である。この第３の実施の形態
の極低温容器の特徴は、配管支持部材１２の構造にあ
り、熱シールド体６に一端が固定されたシールド体側分
割支持材１２ａと、このシールド体側分割支持材１２ａ
の孔部分１２ｂに摺動できるように通されていて、その
内周部で冷媒回収用低温配管５ａ、電流リード用低温配
管５ｂそれぞれを支持するリング状の配管側分割支持材
１２ｃとで配管支持部材１２が構成されている。

【００２７】そしてシールド体側分割支持材１２ａと配
管側分割支持材１２ｃとの摺動可能な接触面部分にはポ
リイミドシートのような低摩擦係数の低摩擦材１２ｄを
介在させている。また配管側分割支持材１２ｃと低温配
管５ａ，５ｂとの接触面部分は接着剤１２ｅによって接
着固定してある。

【００２８】通常、内槽４や低温配管群の材料にはステ
ンレスが用いられるのに対して、外槽１の材料にはアル
ミニウムが用いられ、熱シールド体６にはアルミニウム
やＦＲＰが用いられる。そして低温配管群や熱シールド
体６は極低温に冷却される。したがって、実使用時には
これらの材料の差と温度差とに起因して大きな熱収縮差
が各部で発生する。このために熱シールド体６に対して
低温配管群を単純に単一の支持部材で支持する構造では
熱収縮差による変位が発生しやすい。

【００２９】そこで図３に示す第３の実施の形態のよう
に、熱シールド体６に対して低温配管群を固定支持する
配管支持部材１２をシールド体側分割支持材１２ａと配
管側分割支持材１２ｃとの分割構造とすることによって
熱の伝達経路を長くし、外部から熱シールド材６を通じ
て入ってくる熱量を抑制する。またこれらのシールド体
側分割支持材１２ａと配管側分割支持材１２ｃとの分割
部分を摺動可能な構造とすることによって、熱シールド
体６と低温配管５ａ，５ｂとの熱収縮差をこの分割部分
で吸収し、低温配管群の変位を最小に抑える。

【００３０】加えてこの第３の実施の形態では低温配管
５ａ，５ｂと配管側分割支持材１２ｃとの接触部分を接
着剤１２ｅで固定している。これは、振動発生時にこの
接触部分で摺動が起こるとその際のすべり摩擦熱が直接
に低温配管群に伝わってしまうため、この接触部分を固
定することによって摺動による摩擦熱の発生を防止し、
低温配管群の温度上昇を抑制するためである。さらに配
管支持部材１２のシールド体側分割支持材１２ａと配管
側分割支持材１２ｃとの間の接触部分に低摩擦材１２ｄ
を介在させることによってすべり摩擦熱の発生を抑制
し、低温配管５ａ，５ｂの温度上昇をいっそう抑制する
ことができる。

【００３１】次に、本発明の第４の実施の形態を図４に
基づいて説明する。この第４の実施の形態の極低温容器
の特徴は、外槽１の比較的に肉厚にして剛性が高い台車
側側面１ａからシールド体支持部材１１を用いて熱シー
ルド体６の要所要所を固定支持し、また低温配管群の要
所要所を配管固定部材１４によって一体化し、この配管
固定部材１４を熱シールド体６に対して配管支持部材１
２によって固定支持した構造にある。

【００３２】特に磁気浮上式鉄道車両用の超電導磁石
は、その実運用時には外槽１に地上コイル側側面１ｂの
方から振動が加えられるので、地上コイル側側面１ｂの
振動が大きく、その反対面である台車側側面１ａは振動
が小さい。そこでこの第４の実施の形態では、振動が比
較的小さく、しかも剛性が高い台車側側面１ａにおいて
熱シールド体６を支持し、この熱シールド体６によって
低温配管群を支持する構造とすることにより、低温配管
群の振動を小さくし、振動に伴う発熱を効果的に抑制す
るようにしているのである。

【００３３】なお、この第４の実施の形態ではさらに、
低温配管群の要所要所を１つの配管固定部材１４によっ
て同時に支持し、この配管固定部材１４を配管支持部材
１２によって熱シールド体６に固定支持する構造とする
ことにより、低温配管群と熱シールド体６との一体化が
向上し、低温配管群の剛性が上がり、共振周波数を高く
することができる。

【００３４】この場合、超電導磁石は実運転時には走行
速度に比例した周波数で振動するので、低温配管群の固
定箇所の調整、また固定箇所の数の調整によって共振周
波数が超電導磁石の最高速度に相当する周波数よりも高
くすれば、磁気浮上鉄道車両の走行中の低温配管群の共
振を小さく抑えることができるようになる。なおさら
に、第２の実施の形態と同様に配管支持部材１２を熱シ
ールド体６の厚肉部６ａに固定することによって振動を
いっそう抑制することができることになる。

【００３５】次に、本発明の第５の実施の形態を図５に
基づいて説明する。この第５の実施の形態は冷媒回収用
低温配管の構成が図１に示した第１の実施の形態と異な
り、液体ヘリウム溜３から冷媒回収用親配管５−１が中
継箱５−２まで出ていて、中継箱５−２において複数個
の超電導コイル２それぞれを収容している内槽４に至る
分岐配管５−３が接続されており、これらの各分岐配管
５−３と内槽４との接続部分にフレキシブル配管１３を
介在させている。また電流リード用低温配管５−４もこ
の中継箱５−２に接続されていて、ここから各分岐配管
５−３内に電流リードその他のセンサリードを通してい
る。

【００３６】そして外槽１に対して熱シールド体６がシ
ールド体支持部材１１によって固定支持され、熱シール
ド体６に対してこれらの冷媒回収用親配管５−１、分岐
配管５−３、電流リード用低温配管５−４のいずれもが
配管支持部材１２によって固定支持されている。

【００３７】この第５の実施の形態にあっても、第１の
実施の形態と同様に低温配管群が内槽４と分離、独立し
て支持されているので低温配管群の振動が内槽４の振動
に影響しにくく、加えて、低温配管群と内槽との接続部
分にフレキシブル配管１３を介在させることによって両
者の振動を絶縁し、これらの結果、振動に伴う発熱を効
果的に抑制することができ、ひいては液体ヘリウムのよ
うな冷媒の消費量を少なくすることができる。

【００３８】なお、この第５の実施の形態の低温配管群
に対しても、第２の実施の形態〜第４の実施の形態と同
様の固定支持構造を適用することができ、同じ効果を得
ることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明によれば、
低温配管を外槽と内槽との中間温度に冷却されている熱
シールド体に固定しているので、外部の熱が直接低温配
管に伝わることを防止し、かつ超電導コイルを収容して
いる内槽から低温配管に直接振動が伝わることもなく、
重量増加をもたらさない構造にして、振動によるすべり
摩擦熱の発生を抑制し、低温配管の温度上昇を小さくす
ることができる。

【００４０】請求項２の発明によれば、低温配管の一端
を内槽にフレキシブル配管を介して接続しているので、
低温配管と内槽との接続部分での振動の伝達を絶縁し、
低温配管の振動を効果的に抑制し、すべり摩擦熱の発生
を小さくして低温配管の温度上昇をより小さくすること
ができる。

【００４１】請求項３の発明によれば、配管支持部材を
熱シールド体側支持部材と、低温配管側支持部材とに分
割した構造にし、熱シールド体側支持部材によって低温
配管側支持部材を摺動可能な状態で支持しているので、
熱シールド体と低温配管との間の熱伝達経路を長くして
熱シールド体から低温配管に伝わる熱量をより少なく
し、また極低温環境で熱シールド体と低温配管との間に
発生する熱収縮差を支持部材の摺動可能な分割部分で吸
収し、低温配管が熱収縮差の影響を受けないようにする
ことができる。

【００４２】請求項４の発明によれば、配管支持部材を
熱シールド体側支持部材と、低温配管側支持部材とに分
割した構造にし、熱シールド体側支持部材によって低温
配管側支持部材を摺動可能な状態で支持し、さらに熱シ
ールド体側支持部材と低温配管側支持部材との摺動部に
低摩擦材を介在させているので、振動発生時に低摩擦材
の存在によって支持部材の分割部分に発生するすべり摩
擦熱を小さく抑え、低温配管の温度上昇をより小さくす
ることができる。

【００４３】請求項５の発明によれば、熱シールド体に
他の部分よりも剛性の高い高剛性部を形成し、この高剛
性部に配管支持部材を取り付けているので、熱シールド
体の全体的な重量を大きく増加させることもなく、剛性
の高い熱シールド体の高剛性部で低温配管を支持するこ
とができて振動を効果的に抑えることができる。

【００４４】請求項６の発明によれば、外槽に対するシ
ールド体支持部材の取り付け位置を、実使用時の振動が
他の部分よりも小さい箇所に設定しているので、低温配
管の振動をさらに低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の正面縦断面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態の側面縦断面図。

【図３】本発明の第３の実施の形態の低温配管群の支持
構造を示す拡大断面図。

【図４】本発明の第４の実施の形態の側面縦断面図。

【図５】本発明の第５の実施の形態の正面縦断面図。

【図６】従来例の正面体断面図。

【符号の説明】

１ 外槽 １ａ 台車側側面 １ｂ 地上コイル側側面 ２ 超電導コイル ３ 液体ヘリウム溜 ４ 内槽 ５ａ 冷媒回収用低温配管 ５ｂ 電流リード用低温配管 ５−１ 親配管 ５−２ 中継箱 ５−３ 分岐配管 ５−４ 電流リード用低温配管 ６ 熱シールド体 ６ａ 厚肉部 １１ シールド体支持部材 １２ 配管支持部材 １２ａ 熱シールド体側分割支持材 １２ｂ 孔 １２ｃ 配管側分割支持材 １２ｄ 低摩擦材 １２ｅ 接着剤 １３ フレキシブル配管 １４ 配管固定部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 6/00 - 6/06 ZAA H01L 39/02 - 39/04 ZAA B60L 13/02 - 13/10 ZAA

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外槽と、その内部に配置された箱形の熱
   シールド体と、その内部に配置され、内部に超伝導コイ
   ルを収容する内槽と、前記熱シールド体と前記内槽との
   間の空間に配置され、その一端が前記内槽に接続されて
   いる低温配管と、前記外槽に対して前記熱シールド体を
   固定支持するシールド体支持部材と、前記熱シールド体
   に対して前記低温配管を固定支持する配管支持部材とを
   備えて成る極低温容器。
2. 【請求項２】 前記低温配管の一端を前記内槽にフレキ
   シブル配管を介して接続して成る請求項１に記載の極低
   温容器。
3. 【請求項３】 前記配管支持部材を熱シールド体側支持
   部材と、低温配管側支持部材とに分割した構造にして、
   前記熱シールド体側支持部材によって前記低温配管側支
   持部材を摺動可能な状態で支持して成る請求項１又は２
   に記載の極低温容器。
4. 【請求項４】 前記熱シールド体側支持部材と前記低温
   配管側支持部材との摺動部に低摩擦材を介在させて成る
   請求項３に記載の極低温容器。
5. 【請求項５】 前記熱シールド体に他の部分よりも剛性
   の高い高剛性部を形成し、この高剛性部に前記配管支持
   部材を取り付けて成る請求項１〜４のいずれかに記載の
   極低温容器。
6. 【請求項６】 前記外槽に対する前記シールド体支持部
   材の取り付け位置を、実使用時の振動が他の部分よりも
   小さい箇所に設定したことを特徴とする請求項１〜５の
   いずれかに記載の極低温容器。