JP3582602B2 - 極低温用容器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は極低温用容器、特に超電導コイルの安定性に優れた極低温用容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、極低温の環境下で使用される超電導マグネットのスペーサー等の部材は、ステンレス、アルミ合金などの金属又はガラス繊維強化プラスチック材（ＧＦＲＰ）から構成されていた。このため、低温に冷却した場合熱収縮が大きく、スペーサーの両面でゆるみが生ずることとなり固定することができなくなるばかりでなく、材料の摩擦係数が高いため、スペーサー／超電導マグネット間で大きな摩擦発熱を生じ、超電導マグネットがクエンチをする大きな原因となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
極低温分野でのスペーサーの主要な応用として、クライオスタット中のマグネットの固定がある。
通常寒剤貯蔵容器であるクライオスタットは、ステンレス等の金属やガラス繊維強化プラスチック（以下ＧＦＲＰ）が使用される。超電導マグネットはクライオスタット中に、その壁面との間隙をスペーサーを介して固定され、マグネット全体が液体Ｈｅなどの寒剤で浸漬された状態で使用する。ここで、外部容器としてのステンレス又はＧＦＲＰは通常の正膨張材料であるので室温から低温になるに従い収縮する。それに対して、マグネットは通常超電導線を固定するため、エポキシ樹脂などが含浸されているが、これも大きく収縮する。通常外容器とマグネットの収縮は、後者の方が大きいので、両者の間隙は広がる方向になる。さらに両者の間に使用されるスペーサーは、ＧＦＲＰなどが使用されるが、これは正膨張材であるため室温でしっかり固定しても、低温になるにつれて収縮し、ＬＨｅＴでは、間隙がゆるみマグネットは固定できないばかりか滑りによる摩擦発熱のため低電流値でクエンチを生ずることとなる。
【０００４】
本発明は極低温で発生する間隙をなくするとともに材料の摩擦係数を下げ、摩擦発熱を極力抑えることにより、マグネットの安定性を高めるための極低温用容器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために繊維強化プラスチックの繊維材料としてタテ糸に負膨張繊維である高強度高弾性率ポリエチレン繊維、ヨコ糸に正膨張繊維であるアルミナ繊維を用いた織物又はプリプレグを用いる。
【０００６】
本発明において用いられる負膨張（低温になるにつれて膨張する）繊維としては高強力高弾性率繊維であり、ポリエチレン、アラミド、ポリアリレート（全芳香族ポリエステル）、ＰＢＺポリマー（ポレベンツビスオキサゾール、ポリベンツチアゾールなど）及びカーボン等の繊維が挙げられる。これらの繊維はいずれも低温になるにつれて、膨張するという特異な性質を持つととともにガラス繊維に比べてはるかに低比重であるため高強度、高弾性率であり且つ軽い補強繊維を得ることができる。これらのうち最も良好を示す高強度ポリエチレン繊維が好ましい。このようなポリエチレン繊維は例えば特開昭５５−１０７５０６号公報、特開昭５６−１５４０８号公報に開示されたような製法を用いて得ることができる。
【０００７】
これに対して、正膨張繊維としてはポリエステル、ナイロン、ビニロン、低次配向ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル、塩化ビニル、フッ化ビニル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリアミドイミド、ポリアミド、などの有機繊維、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、シリコンカーバイド、シリコンナイトライトなどのセラミックス繊維及びアルミ、銅、ステンレス等の金属繊維を挙げることができる。これらのうち最も好ましいのはガラス繊維である。これら負膨張及び正膨張繊維を用いた繊維強化プラスチックの熱膨張特性を図１に示す。
【０００８】
上記繊維の形態としては縒糸、紡績糸等の各種の糸または平織、縒織、袋織、バスケット等の公知の形態の織物が利用できる。またタテ糸及びヨコ糸の各々に直交する方向に第３の糸を配した、三次元織物を利用することもできる。第３の糸としては負膨張繊維を使用することが望ましい。
また多くの特性をすべて満足させるためには、２種以上の負膨張繊維又は正膨張繊維を混合して使用することもできる。
【０００９】
また負膨張繊維と、正膨張繊維を成形体中でタテ糸、ヨコ糸に配する方法として各々の糸を用いてエポキシ樹脂などをマトリックスとし、一方向強化のプリプレグを作成しておき、これを例えば０／９０°に交互に積層することにより得ることができる。ここで使用されるマトリックスとしては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート樹脂などが使用できるが特に好ましいのは、エポキシ樹脂である。これらのマトリックス樹脂はいずれも正膨張を示すが、負膨張及び正膨張繊維よりなる織物又はプリプレグを各々一方向に引きそろえて成形した成形体は負膨張繊維と直交する面で切断してその切断面が２つの壁面よりなる空隙を支持する方向でスペーサーとして使えば、系が低温になるにつれて、切断面と直交する方向に膨張しマグネットをクライオスタット壁面にしっかりと固定することが可能となる。また、この様な状況下で外部または、マグネット自身の生ずる磁場変動及び外部の衝撃などによる外力により、マグネットがクライオスタット壁面に対して動いた場合でもこれらよりなる強化プラスチックはステンレスなどの金属や、ＧＦＲＰより摩擦係数が大幅に低いため、なめらかで且つゆるやかな滑りが生ずることとなりそれより生ずる摩擦発熱は極めて小さなエネルギーですむことになる。これは、マグネットの擾乱する確率を低下させ安定な運転を可能とすることになる。これらの作用はいずれの負膨張繊維、及び正膨張繊維を用いても可能であるが高強度高弾性率ポリエチレンをタテ糸とする場合が最も好ましい。即ち繊維強化プラスチックにした場合の繊維方向の負膨張性（低温になるにつれて伸びる性質）はこれらの繊維のうちポリエチレンが最も著しく、また、その摩擦係数もポリエチレンが最も低く望ましい。
【００１０】
次に負膨張繊維及び正膨張繊維を各々タテ／ヨコ糸とする織物として使用する場合、タテ方向の膨張率は、ヨコ糸の繊維軸と直交する成分の影響を受ける。即ちタテ糸／ヨコ糸が各々負膨張及び正膨張とする繊維よりなる織物又は積層体よりなる繊維強化プラスチックはタテ方向に著しい負膨張を示す。
【００１１】
従ってこれを繊維と直交する方向に切断して、その切断が２つの壁面よりなる空隙を支持する方向でスペーサーとして使えば、系が低温になるにつれて切断面と直交する方向に膨張しマグネットをクライオスタット壁面に固定することが可能となる。また壁面とマグネットが相対的に動いた場合でも、高強度高弾性率ポリエチレン繊維よりなる繊維強化プラスチックの摩擦係数が低いため摩擦発熱に起因するマグネットのクエンチは極めて生じ難くなる。これより高い安定性を示すマグネット作動システムを得るためのスペーサーを提供することができる。
【００１２】
【実施例】
以下本発明の実施例について図２、３を用いて説明する。
１及び２はステンレス製よりなる外筒−１、内筒−１であり３及び４は同様にステンレス製の内筒−２及び外筒−２である。これらの筒は８フランジ、９下底板−１、１０下底板−２により接合されている。また１〜２の間及び３〜４の間は真空に保たれている。５は超電導コイルであり内筒−１及び内筒−２の容器内に収納され液体Ｈｅで満たされている。
超電導コイルは６外スペーサー及び７内スペーサーにより内筒−１及び−２の壁に室温で固定した後内筒で囲まれた室内に流体Ｈｅを注ぎ、超電導コイルをＬＨｅＴに保って特性を調べた。
スペーサーの作成は以下の方法によった。負膨張繊維としては、ポリエチレン繊維（東洋紡ダイニーマ、ＳＫ−６０）、アラミド繊維（日本アラミド繊維、トワロンＨＭ）、ポリアリレート（クラレ、ベクトラン）、カーボン繊維（ハーキュレス、ＡＳ−４）及び正膨張繊維としてはガラス繊維（日東紡、Ｔ−ガラス）、アルミナ繊維（住友化学、アルテックス）を用い負膨張及び正膨張繊維を、タテ／ヨコ糸としその打込み本数割合が６／４となる様にした織物を作成した。これを用い各々プリプレグを作成した。また比較例として、ガラス、アラミド、ポリエチレンをタテ／ヨコ糸とした織物よりなるプリプレグを作成した。
マトリックスとしては、以下に示すエポキシ樹脂を使用した。

これを積層して１００℃×２ｈｒ、その後１３０℃×３ｈｒにて硬化成形し、繊維体積含有率６５％、厚さ２０ｍｍのクロスよりなる繊維強化プラスチックの平板を成形した。
【００１３】
これを図３の様に厚さ１０ｍｍ、幅２００ｍｍの形状に切り出し負膨張繊維と直交する面Ａ及びその平行面が、クライオスタットと超電導コイルよりなる２つの間隙壁を支える方向にそう入し、コイルをクライオスタット面に固定した。
超電導コイルは一辺の長さが２５ｃｍで四角に曲面をもつＧＦＲＰの巻わくに１．２ｍｍφの超電導体をテンション１０Ｋｇにて５層巻回した後以下の配合よりなるエポキシ樹脂ドープを作成し浸漬含漬した後１００℃×４ｈｒ、更に１３０℃×３ｈｒ加熱硬化した後ＧＦＲＰの巻わくをはずし超電導コイルを完成させた。

これらの評価結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【クエンチ特性】
超電導コイル装置にスペーサーを介してクライオスタット壁に固定し、コイルを液体Ｈｅに浸漬して、クエンチ電流を測定した。結果は、繰り返しのトレーニングにより到達した最大電流密度とその時のトレーニング回数により示す。
【００１６】
【熱膨張率】
各試料より小片を切り出し室温から液体Ｈｅ温度まで繊維方向の寸法変化率をＴＭＡ法により測定し熱膨張率を算出した。（昇温速度：５℃／ｍｉｎ）
【００１７】
【曲げ特性】
各試料からｘ＝５ｍｍ、ｙ＝１００ｍｍ、ｚ＝２０ｍｍの試料を切り出し、支点間距離８０ｍｍ、クロスヘッド速度１ｍｍ／分でＡ面としての並行面に支点を置く３点曲げを室温および液体Ｈｅ温度で行ない比曲げ強度、比曲げ弾性率を算出した。
【００１８】
【圧縮特性】
各試料からｘ＝１０ｍｍ、ｙ＝１０ｍｍ、ｚ＝２０ｍｍの試料を切り出し、クロスヘッド速度１ｍｍ／分で、Ａ面とその平行面に荷重をかける圧縮試験を室温及び液体Ｈｅ温度で行ない圧縮強度、圧縮弾性率を算出した。
【００１９】
【摩擦係数】
各試料を１０×１０ｍｍ×５ｍｍに切りＡ面に垂直荷重２Ｋｇ／ｃｍ^２ をかけＡ面とエポキシ成形体及びステンレスＳＵＳ３０４とを接触させ、ＬＨｅＴにて振幅５００μｍ、振動数８Ｈｚにて摩擦係数を測定した。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によると極低温下で発生する容器内の壁面間の間隙をなくすとともに、容器内部の材料の摩擦係数を下げ、摩擦発熱を極力抑えることによりマグネットの安定性を大幅に改善し、ひいてはマグネットのクエンチ特性を大幅に向上させることを可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において使用する正膨張及び負膨張の熱膨張特性。
【図２】本発明における容器の平面図。
【図３】本発明における容器の正面図。
【図４】本発明において使用するスペーサーの一例。
【符号の説明】
１：外筒、 ２：内筒−１、 ３：内筒−２、 ４：外筒−２、
５：超電導コイル、 ６：外スペーサー、 ７：内スペーサー、
８：フランジ、 ９：下底板−１、 １０：下底板−２

Claims (1)

1. 容器内の対向する壁面間をスペーサーを介して固定されてなる極低温容器において、前記スペーサーが補強繊維としてタテ糸がポリエチレンからなる負膨張繊維、ヨコ糸がアルミナからなる正膨張繊維よりなる織物と樹脂とを一体成形してなる繊維強化プラスチックであり、タテ糸と直交する断面が、上記両壁面に接してなる極低温容器。

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