JP3694850B2 - 極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置にかかるもので、とくに超電導磁石、極低温ガス容器および超電導ウィグラーなどの極低温部材をクライオスタットなどに支持する極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の極低温クライオスタットにおける、たとえば超電導磁石や極低温ガス容器、超電導ウィグラーなどの極低温部材は、外部（室温）からの侵入熱量を極力少なくするため、熱伝導率の小さな、たとえばＣＦＲＰやＧＦＲＰなど繊維強化合成樹脂その他の高強度材料製の荷重支持材により上記クライオスタットの内部にこれを支持している。
【０００３】
この荷重支持材には、その目的に応じて、いろいろな種類がある。
たとえば図３は、平板状の荷重支持材１を示す斜視図である。
図４は、円筒状の荷重支持材２を示す斜視図である。
図５は、連結板状の荷重支持材３を示す斜視図である。
図６は、バンド状の荷重支持材４を示す斜視図である。
バンド状の荷重支持材４は、その構造上引っ張り荷重しか支えることができないが、全体的に応力集中が発生しにくいという利点がある。しかして、この特性を充分に引き出すために、荷重の方向が荷重支持材４の長さ方向と一致している必要がある。
さらにバンド状の荷重支持材４は、構造が単純で、たとえば炭素繊維複合材でこれを作ると、高強度で熱侵入が非常に少なく、高性能の荷重支持材とすることができる。
【０００４】
図７は、このバンド状の荷重支持材４を用いたクライオスタット５の斜視図であって、クライオスタット５は、真空容器６と、極低温部材７と、荷重支持装置８と、を有する。
【０００５】
極低温部材７は、三次元空間において六軸の自由度を持っており、複数本のバンド状の荷重支持材４を用いてそのほとんどの自由度を拘束することにより、荷重支持装置８を構成する。
すなわち、荷重支持装置８は、真空容器６の内壁面に取り付けた容器側支持軸９（支持軸）と、極低温部材７の外壁面に取り付けた部材側支持軸１０（支持軸）と、容器側支持軸９および部材側支持軸１０の間に所定の張力をもって掛けまわしたエンドレスバンド状の荷重支持材４と、を有する。
【０００６】
こうした構成のクライオスタット５および荷重支持装置８において、支持対象物（極低温部材７）は、冷却されてその温度が低下するにしたがって収縮し、この熱収縮により容器側支持軸９および部材側支持軸１０と荷重支持材４との間における荷重支持点は移動する。たとえば、室温側を基準に考えて冷却前の最初の支点間を結ぶ直線の方向と、熱収縮後の支点間を結ぶ直線の方向とは異なる場合が多い。
【０００７】
すなわち図８は、極低温部材７の軸方向から見たクライオスタット５の側面図、図９は、クライオスタット５の側面図であって、極低温部材７は冷却にともなってそれぞれ図示の仮想線の状態から熱収縮して実線の状態となり、この変化にともなって荷重支持材４も容器側支持軸９および部材側支持軸１０に対して傾斜し、荷重の方向が荷重支持材４の長さ方向と一致しなくなる。
【０００８】
図１０は、極低温部材７が図８および図９に示したように収縮したときの要部の拡大側面図であって、荷重支持材４は、仮想線の状態から実線の状態に傾斜し、荷重支持材４には容器側支持軸９および部材側支持軸１０に対して基準位置の軸線から外れるように無理な変形が起こり、最悪の場合に破壊してしまうという問題がある。
【０００９】
図１１は、上述のような問題を解消するために従来採用されていた荷重支持装置１１の側面図および断面図であって、この荷重支持装置１１では、容器側支持軸９および部材側支持軸１０に断面円弧状の球面１２をそれぞれ突出させて設ける。
また荷重支持材１３は、バンド状の支持材本体１４と、その両端部に取り付けた球面すべり軸受け１５とからこれを構成する。
なお、容器側支持軸９および部材側支持軸１０には、脱落防止用カラー１６および止め輪１７をはめてある。
【００１０】
こうした構成の荷重支持装置１１およびバンド状の荷重支持材１３においては、極低温部材７の熱収縮によって支点間（容器側支持軸９および部材側支持軸１０の間）を結ぶ直線の方向が変化しても、断面円弧状の球面１２と球面すべり軸受け１５との間のメタル接触により、荷重支持材１３がその両端部における支持点（容器側支持軸９および部材側支持軸１０）を中心にして揺動運動ができるようにして、荷重支持材１３（支持材本体１４）に無理な変形が発生することを防止している。
【００１１】
しかしながら荷重支持装置１１ないし荷重支持材１３では、両端の支持点を中心にして揺動運動が可能なように球面すべり軸受け１５を組み込んでいるが、球面すべり軸受け１５は、中心軸となる容器側支持軸９および部材側支持軸１０の軸径に対して、その外径が比較的大きくなり、結果としてバンド状の荷重支持材１３の形状も大きなものとなってしまうという問題がある。
さらに球面すべり軸受け１５は制作費もかさむという問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、極低温部材と室温との間で大きな温度勾配がある状況下で、極低温部材の荷重支持および熱侵入の低減を同時に満足可能な極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置を提供することを課題とする。
【００１３】
また本発明は、バンド状など任意の形態の荷重支持材をコンパクトに構成可能な極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置を提供することを課題とする。
【００１４】
また本発明は、極低温部材の熱収縮にともなう無理な変形を防止し、極低温部材あるいは低温装置全般に適用可能な極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、熱収縮により起こる荷重支持材の支点間における方向の変化は通常ごくわずかであり、この変化にともなって起こる荷重支持材の応力変化も小さいこと、すなわち、わずかな揺動運動が可能であれば、荷重支持材の両端に設ける軸受け（荷重支持機構）は大きな球面すべり軸受け１５（図１１）である必要はないこと、かくして球面すべり軸受け１５の代わりに高強度のブッシュを荷重支持材の両端部に設けることに着目したもので、第一の発明は、所定の長さの支持材本体を有し極低温部材とクライオスタットとの間に介在させてこの極低温部材をこのクライオスタットの内部に支持する極低温部材の荷重支持材であって、上記極低温部材に取り付ける支持軸および上記クライオスタットに取り付ける支持軸に対して凸面を有するブッシュを上記支持材本体の両端部にそれぞれ設けるとともに、この凸面を上記支持軸の表面に当接させ、上記ブッシュは、上記支持軸と直交する方向のまわりにこれを揺動可能としたことを特徴とする極低温部材の荷重支持材である。
【００１６】
第二の発明は、所定の長さの支持材本体を有する荷重支持材を極低温部材とクライオスタットとの間に介在させてこの極低温部材をこのクライオスタットの内部に支持する極低温部材の荷重支持装置であって、上記極低温部材に取り付ける支持軸および上記クライオスタットに取り付ける支持軸と、これらの支持軸に対して凸面を有するとともに上記支持材本体の両端部にそれぞれ設けてこの凸面を上記支持軸の表面に当接させたブッシュと、を設け、上記ブッシュは、上記支持軸と直交する方向のまわりにこれを揺動可能としたことを特徴とする極低温部材の荷重支持装置である。
【００１７】
上記荷重支持材としては、バンド状のものはもとより、その他任意の形態の荷重支持材を採用可能である。
【００１８】
本発明による極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置においては、凸面を有する高強度のブッシュを介在させて支持材本体と支持軸（容器側支持軸および部材側支持軸）とを対向させるようにしたので、このブッシュが支持軸のまわりに自由に回転することができる。
したがって、ブッシュが揺動可能なように、たとえば、支持軸とブッシュの内径との間にわずかな隙間を設けておけば、ブッシュの内面が軸方向に凸面となっているので、ブッシュは支持軸の表面に沿ってわずかではあるが転がることができる。
したがって、極低温部材の冷却による熱収縮にともなって荷重支持材は支持軸と直交する方向のまわりにわずかではあるが自由に揺動することができ、荷重支持材は無理な変形を受けることなく極低温部材の荷重を支持することが可能となるとともに、単純かつ小型化した構成とすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の第１の実施の形態による極低温部材の荷重支持材および荷重支持装置を図１にもとづき説明する。ただし、図３ないし図１１と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、極低温部材７の荷重支持装置２０および荷重支持材２１の側面図および断面図であって、荷重支持装置２０は、容器側支持軸９および部材側支持軸１０に取り付けた荷重支持材２１を有する。
【００２０】
荷重支持材２１は、所定の長さを有するバンド状の支持材本体１４と、一対のブッシュ２２と、を有する。
ブッシュ２２は、高強度の、たとえば機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃなどの材料でこれを構成し、その内壁面を容器側支持軸９および部材側支持軸１０の軸表面に対して凸面２３としてあるとともに、その左右側面にフランジ２４を形成している。
凸面２３の形成によりブッシュ２２、いわゆるトーラスあるいはドーナツ形の内壁面を形成している。
フランジ２４は、支持材本体１４の寸法に合う寸法を有し、ブッシュ２２が支持材本体１４から外れることを防止している。
【００２１】
容器側支持軸９および部材側支持軸１０はブッシュ２２の凸面２３の内径よりわずかに小さい径、たとえば通常は０．５〜１ｍｍ程度細い径としてある。このブッシュ２２を介在して容器側支持軸９および部材側支持軸１０に荷重支持材２１を掛けまわし、脱落防止用カラー１６および止め輪１７により脱落を防止する。
容器側支持軸９および部材側支持軸１０の長さ自体は、これをブッシュ２２より少し長くし（通常０．５〜１ｍｍ程度）、ブッシュ２２が自由に動くことができるようにしてある。
【００２２】
こうした構成の荷重支持装置２０および荷重支持材２１において、極低温部材７の熱収縮により荷重支持材２１の支点部分（凸面２３）で、支持材本体１４の長さ方向が変化しても、ブッシュ２２がその凸面２３を中心として容器側支持軸９あるいは部材側支持軸１０の面に対して揺動し、すなわち、凸面２３が容器側支持軸９および部材側支持軸１０の表面を転動し、支持材本体１４に無理な変形を起こさせることがない。
【００２３】
したがって、同じ荷重条件では、荷重支持装置２０の寸法を、とくに荷重支持材２１の長さ方向と直交する方向の寸法を小さくすることが可能となり、クライオスタット５全体を小型化することができる。
また、荷重支持材２１を小さくすることができるので、設計の自由度が増してクライオスタット５の高性能化、さらには制作費の削減が可能となる。
【００２４】
図２は、本発明の第２の実施の形態による荷重支持装置３０および荷重支持材３１の要部拡大断面図であって、荷重支持装置３０は、図４に示した前記円筒状の荷重支持材２に本発明を適用したものである。
すなわち、荷重支持装置３０における荷重支持材３１は、円筒状の荷重支持材２と、円筒状の荷重支持材２の両端部に係合した荷重支持材取付け金具３２と、からこれを構成する。
【００２５】
荷重支持材取付け金具３２は、そのネジ部３３を荷重支持材２の端部に係合するとともに、その凸面３４を容器側支持軸９あるいは部材側支持軸１０の軸表面に当接可能としている。
【００２６】
こうした構成の荷重支持装置３０および円筒状の荷重支持材３１においても、図１の荷重支持装置２０および荷重支持材２１と同様に、凸面３４を中心として荷重支持材３１が揺動可能であり、円筒状の荷重支持材２への無理な応力の発生を回避し、その破損を防止することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、容器側支持軸および部材側支持軸などの支持軸に対して凸面を有するブッシュを支持材本体の端部に取り付けたので、極低温部材の冷却にともなう熱収縮によっても荷重支持材の無理な変形を、小型かつ低コストで防止可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による、極低温部材の荷重支持材２１および荷重支持装置２０の側面図および断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による荷重支持装置３０および荷重支持材３１の要部拡大断面図である。
【図３】従来の、平板状の荷重支持材１を示す斜視図である。
【図４】従来の、円筒状の荷重支持材２を示す斜視図である。
【図５】従来の、連結板状の荷重支持材３を示す斜視図である。
【図６】従来の、バンド状の荷重支持材４を示す斜視図である。
【図７】同、バンド状の荷重支持材４を用いたクライオスタット５の斜視図である。
【図８】同、極低温部材７の軸方向から見たクライオスタット５の側面図である。
【図９】同、クライオスタット５の側面図である。
【図１０】同、極低温部材７が図８および図９に示したように収縮したときの要部の拡大側面図である。
【図１１】同、従来採用されていた荷重支持装置１１の側面図および断面図である。
【符号の説明】
１ 平板状の荷重支持材（図３）
２ 円筒状の荷重支持材（図４）
３ 連結板状の荷重支持材（図５）
４ バンド状の荷重支持材（図６）
５ クライオスタット（図７）
６ 真空容器
７ 極低温部材
８ 荷重支持装置
９ 容器側支持軸
１０ 部材側支持軸
１１ 荷重支持装置（図１１）
１２ 断面円弧状の球面
１３ 荷重支持材
１４ バンド状の支持材本体
１５ 球面すべり軸受け
１６ 脱落防止用カラー
１７ 止め輪
２０ 荷重支持装置（第１の実施の形態、図１）
２１ 荷重支持材（第１の実施の形態、図１）
２２ ブッシュ
２３ 凸面
２４ フランジ
３０ 荷重支持装置（第２の実施の形態、図２）
３１ 荷重支持材（第２の実施の形態、図２）
３２ 荷重支持材取付け金具
３３ ネジ部
３４ 凸面

Claims (2)

1. 所定の長さの支持材本体を有し極低温部材とクライオスタットとの間に介在させてこの極低温部材をこのクライオスタットの内部に支持する極低温部材の荷重支持材であって、
   前記極低温部材に取り付ける支持軸および前記クライオスタットに取り付ける支持軸のそれぞれの表面に対して凸面を有するブッシュを前記支持材本体の両端部にそれぞれ設けるとともに、この凸面を前記支持軸の前記表面に当接させ、
   前記ブッシュは、前記極低温部材の冷却によるその熱収縮にともなって、前記支持材本体とともに、前記支持軸と直交する方向のまわりにこれを揺動可能としたことを特徴とする極低温部材の荷重支持材。
2. 所定の長さの支持材本体を有する荷重支持材を極低温部材とクライオスタットとの間に介在させてこの極低温部材をこのクライオスタットの内部に支持する極低温部材の荷重支持装置であって、
   前記極低温部材に取り付ける支持軸および前記クライオスタットに取り付ける支持軸と、
   これらの支持軸のそれぞれの表面に対して凸面を有するとともに前記支持材本体の両端部にそれぞれ設けてこの凸面を前記支持軸の前記表面に当接させたブッシュと、を設け、
   前記ブッシュは、前記極低温部材の冷却によるその熱収縮にともなって、前記支持材本体とともに、前記支持軸と直交する方向のまわりにこれを揺動可能としたことを特徴とする極低温部材の荷重支持装置。

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