JP5030575B2

JP5030575B2 - Ｆｒｐ製クライオスタットの製造方法及びｆｒｐ製クライオスタット

Info

Publication number: JP5030575B2
Application number: JP2006339771A
Authority: JP
Inventors: 賢悦上森; 泰晴上岡; 雅弘武内; 史理片桐
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: JP2007210325A

Description

本発明は、ＦＲＰ製クライオスタットの製造方法に関し、詳しくは、液体窒素や液体ヘリウム等の低温流体を収納するためのＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製クライオスタットの製造方法及びこの製造方法によって製造されたＦＲＰ製クライオスタットに関する。

超伝導マグネット等の冷却に用いるクライオスタットは、クライオスタット内に超伝導マグネット等の被冷却物を入れなければならないため、一体成形で製造することはできない。特に、ＦＲＰ製クライオスタットの場合は、金属のように溶接ができないため、クライオスタットの本体となる有底筒状の容器本体部と、該容器本体部の上部開口に被着される板状蓋部材とを組み合わせ、これらを接着することで製作するのが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭６１−２１０６０３号公報

しかし、容器本体部と板状蓋部材との接着部はガラス繊維が途切れているため、接着する２つ以上の部材に渡るガラス繊維が織り込まれておらず、幾重にも繊維が重なっている容器本体部や板状蓋部材のＦＲＰに比べると格段に強度が落ちる。このため、衝撃や振動によって接着部分が剥離し、真空リークが生じる可能性があった。

この接着部の剥離を防止するため、接着する部材にネジ加工を施し、ネジ込み接着を行う補強策もある。しかし、この手法である程度強度は増すものの、ガラス繊維が積層された部分に比べれば、やはり強度が劣るため、接着部の剥離による低温真空リークに対する強度を十分に改善することはできない。また、このネジ込み方式は、クライオスタットが円形点対称のような方向性を伴わないものには適用できるが、クライオスタットの付属部品の位置が指定されていたり、構造上、回転不可能な形状のクライオスタットには応用することができないという制約がある。

上述のネジ込み方式を含め、このようなＦＲＰ同士の接着面は、ガラス繊維が多く重なり合って繊維同士が入り組んでいる部分に比べると、その強度は小さく、機械的、熱的衝撃等によって、接着部の剥離やクラックが起こるおそれがある。そのため、剥離部分から内槽と外槽とに挟まれた断熱真空層へ大気や保存中の液化ガスが漏れ込み、クライオスタットの性能が維持できないおそれがあった。

そこで本発明は、ＦＲＰ製クライオスタットを複数の部材を接合して製造するにあたり、各部材の接合部の強度を確保し、機械的衝撃や熱衝撃に強く、真空リークの生じにくいＦＲＰ製クライオスタットの製造方法及び該製造方法によって製造したＦＲＰ製クライオスタットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法は、低温流体を収容する密封容器状のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法において、前記クライオスタットを複数のＦＲＰ製部材を接合して形成するにあたり、前記各ＦＲＰ製部材をあらかじめ設定された形状にそれぞれ製作する部材製作工程と、該部材製作工程で製作したＦＲＰ製部材における他のＦＲＰ製部材との接合部近傍の外面部分を接合部に向かって薄肉となるテーパー面を形成するテーパー形成工程と、互い接合されるＦＲＰ製部材の接合部端面を、一方のＦＲＰ製部材の端面からは内側位置に、他方のＦＲＰ製部材の端面からは外側位置に、それぞれ突出した状態の重合片をそれぞれ形成する重合片形成工程と、前記一方のＦＲＰ製部材を下方に、前記他方のＦＲＰ製部材を上方にして、上部側となる重合片を下部側となる重合片の外側に位置させ、前記重合片の重合面部を接着剤を介して内外方向に重合させてＦＲＰ製部材の接合部同士を接合する部材接合工程と、接合した両ＦＲＰ製部材の前記テーパー面にプリプレグを貼り付けて積層するプリプレグ積層工程と、積層したプリプレグを脱気して硬化させるプリプレグ硬化工程とを含むことを特徴としている。

さらに、本発明のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法は、前記部材接合工程で前記ＦＲＰ製部材の接合部同士を一次接着した後に、気密テストを行って気密性が確保されていることを確認することを特徴としている。また、前記ＦＲＰ製部材は、円筒状容器の上半部と下半部とであることを特徴としている。加えて、前記プリプレグ硬化工程において、容器外側のプリプレグ積層部分を真空引きするとともに、容器内側を加圧することを特徴としている。

また、本発明のＦＲＰ製クライオスタットは、複数のＦＲＰ製部材をあらかじめ設定された形状にそれぞれ製作する部材製作工程と、該部材製作工程で製作したＦＲＰ製部材における他のＦＲＰ製部材との接合部近傍の外面部分を接合部に向かって薄肉となるテーパー面を形成するテーパー形成工程と、互い接合されるＦＲＰ製部材の接合部端面を、一方のＦＲＰ製部材の端面からは内側位置に、他方のＦＲＰ製部材の端面からは外側位置に、それぞれ突出した状態の重合片をそれぞれ形成する重合片形成工程と、前記一方のＦＲＰ製部材を下方に、前記他方のＦＲＰ製部材を上方にして、上部側となる重合片を下部側となる重合片の外側に位置させ、前記重合片の重合面部を接着剤を介して内外方向に重合させてＦＲＰ製部材の接合部同士を接合する部材接合工程と、接合した両ＦＲＰ製部材の前記テーパー面にプリプレグを貼り付けて積層するプリプレグ積層工程と、積層したプリプレグを脱気して硬化させるプリプレグ硬化工程とを含む製造方法によって製造されたＦＲＰ製クライオスタットである。

本発明によれば、各部材の接合部もプリプレグを積層して硬化させているので、接合部がガラス繊維で何重にも覆われた状態になり、テーパー面を形成していない部材本体部に近い強度が得られる。したがって、機械的衝撃や熱衝撃に対する強度を大幅に向上させることができ、樹脂の剥離やクラックの発生も防止することができ、真空リークもほとんど生じないＦＲＰ製クライオスタットを製造することができる。

以下、容器上半部と容器下半部とに２分割したＦＲＰ製部材を使用して円筒状のＦＲＰ製クライオスタットを製造する手順を説明する。なお、図１乃至図１０では、テーパー面や重合片等が明示されるように作図しており、説明上不要な部分の表示は省略している。

まず、図１に示すように、ＦＲＰ製クライオスタットを構成する複数のＦＲＰ製部材として、一端が開口した有底円筒体からなるＦＲＰ製容器半体１１を製作する（部材製作工程）。このＦＲＰ製容器半体１１の製作は、従来から行われているＦＲＰ製品と同様にして行うことができ、その製造手順は特に限定されるものではない。また、クライオスタットが円柱形状のように上下対称の場合は、同一のＦＲＰ製容器半体１１を２個製作すればよい。

次に、図２に示すように、容器下半部となる一方のＦＲＰ製容器半体１１ａの接合部近傍の外面部分、すなわち、開口近傍の外周面を、接合部となる開口に向かって徐々に薄肉となるように切削してテーパー面１２ａを形成するとともに（テーパー形成工程）、開口端の内周側を残して外周側を切削することにより、接合部端面の内側位置に重合片１３ａを形成する（重合片形成工程）。

一方、図３に示すように、容器上半部となる他方のＦＲＰ製容器半体１１ｂに対しても、開口近傍の外周面を切削してテーパー面１２ｂを形成するとともに（テーパー形成工程）、開口端の外周側を残して内周側を切削することにより、接合部端面の外側位置に重合片１３ｂを形成する（重合片形成工程）。また、必要に応じて配管や配線を挿通するための通孔やネジ穴等の貫通孔１４を形成した後、図４に示すように、この貫通孔１４に配管１５等を適宜な手段で固着する。なお、貫通孔１４や配管１５等の位置は特に限定されるものではなく、テーパー面１２ａを形成した部分を避けたところであれば、ＦＲＰ製容器半体１１ａ，１１ｂのいずれの部分でもよい。

前記重合片１３ａ、１３ｂは、両者を重ね合わせた際に両者が密着し、その合計厚さが接合部端面の厚さと同一になるように形成することが好ましい。通常は、接合部端面の厚さの半分の厚さで各重合片１３ａ、１３ｂを形成することが望ましいが、内側に位置する重合片１３ａを外側に位置する重合片１３ｂより厚く形成してもよい。

次に、図５に示すように、前記テーパー面１２ａ，１２ｂ及び前記重合片１３ａ，１３ｂをそれぞれ形成したＦＲＰ製容器半体１１ａ，１１ｂを、その開口同士を突き合わせて重合片１３ａ，１３ｂの重合面部を内外方向に重合させながら接合する（部材接合工程）。このとき、重合片１３ａ，１３ｂの重合面、すなわち、内側位置の重合片１３ａにおける外周面と、外側位置の重合片１３ｂにおける内周面との間に接着剤を介して両重合片１３ａ，１３ｂを重合させる一次接着を行うことにより、重合部の接合強度や気密性を確保することができる。なお、気密性の確保とは、両重合片１３ａ，１３ｂの重合部に気泡が存在せず、空気の通り道が無いことを指す。この一次接着時に気密性が確保されていないと、次のプリプレグ積層工程やプリプレグ硬化工程において、十分な気密性を確保することが困難となる。したがって、この一次接着を終えた後に気密テストを行い、リークが発生していないこと、すなわち、気密性が確保されていることを確認することが好ましい。

このように接着剤を使用する場合、重合片１３ａ，１３ｂの重合面に接着代を設けておくことが好ましく、また、下方に内側位置の重合片１３ａを配置し、上方に外側位置の重合片１３ｂを配置することにより、接着剤が重合部から容器内側面に流れ出すことを防止できる。なお、クライオスタット内に収納される機器は、この時点で容器内に設置し、配管、配線等をあらかじめ接続しておく。

両容器半体１１ａ，１１ｂを接合した後、図６に示すように、前記テーパー面１２ａ，１２ｂの外周面にプリプレグ１６を貼り付けていき、積層したプリプレグ１６の外周面が容器半体１１ａ，１１ｂの外周面と略面一になるように積層する（プリプレグ積層工程）。プリプレグ１６の貼り付けは、通常はテープ状のプリプレグを巻回するようにして行うことが好ましいが、前述の部材製作工程と同様に、プリプレグ１６の状態や貼り付け部の状態に応じた一般的なＦＲＰ成形手順で行うことができる。

プリプレグ１６を所定の状態に積層した後、図７に示すように、プリプレグ１６を積層した部分を気密性シート１７で覆って密封状態とし、気密性シート１７に排気管１８を接続する。このとき、必要に応じてシール材１９や粘着テープを使用し、図８に示すように、排気管１８に真空ポンプ２１を接続して真空引きを行い、気密性シート１７で覆った部分の必要十分な気密性を確認する。

次に、図９に示すように、オートクレーブ２０内に入れ、外部に引き出した排気管１８を介して真空ポンプ２１でプリプレグ１６を積層した部分の真空引きを開始し、オートクレーブ２０内を所定温度に加熱するとともに所定圧力に加圧する。さらに、前記配管１５等を利用して内部側からも加圧する（プリプレグ硬化工程）。

図１０に示すように、プリプレグ１６が十分に脱気されると、気密性シート１７がプリプレグ１６の外周面に密着した状態になり、外部側からの加圧と内部側からの加圧とによってプリプレグ１６が容器外周面に強く押し付けられ、テーパー面１２ａ，１２ｂとプリプレグ１６とがより確実に密着した状態となる。同時に、所定温度に加熱されることによってプリプレグ１６が硬化し、テーパー面１２ａ，１２ｂの凹んでいた部分が容器半体１１ａ，１１ｂのテーパー面１２ａ，１２ｂを形成しない部分と同様のＦＲＰ１６ａで覆われた状態となる。

真空引き及び加圧を終了するとともに加熱を終了してオートクレーブ２０から取り出し、冷却後に気密性シート１７を取り外すと、図１１の一部断面正面図に示すように、中空円筒状で、上部に配管１５等を配置した密封容器状のＦＲＰ製クライオスタット２２が得られる。このＦＲＰ製クライオスタット２２における容器半体１１ａ，１１ｂの接合部外周は、前述のようにしてテーパー面１２ａ，１２ｂの外周面に積層したプリプレグ１６を硬化させたＦＲＰ１６ａで覆われているので、テーパー加工を行わなかった部分の容器半体１１ａ，１１ｂと同様に幾重にも重なったガラス繊維で補強された構造となっている。したがって、従来のＦＲＰ製クライオスタットにおける接合部に比べて機械的衝撃や熱衝撃に対する強度が高く、樹脂の剥離やクラックの発生もなく、真空リークもほとんど生じることがない。

したがって、このようにして製造されたＦＲＰ製クライオスタット２２は、接着面がクライオスタット外面に存在せず、接合部とその周辺とが幾重ものガラス繊維で覆われていることより、液体窒素や液体ヘリウム等の低温液体による繰り返し冷却による応力−歪みにも強い構造になる。従来のＦＲＰ製クライオスタットは、振動や衝撃を伴わない静的な場で使用されることが一般的であったが、本発明方法によって製造されたＦＲＰ製クライオスタット２２は、揺動・振動を伴う動的な場においても使用が可能となる。

なお、ＦＲＰ製部材の分割数は、製造するクライオスタットの形状や大きさに応じて任意に設定することができる。また、テーパー面の角度も、各部材の大きさや厚さを考慮して任意に設定することができ、ＦＲＰ製部材を製作するときにテーパー面や重合片を形成するようにしてもよい。さらに、テーパー面１２ａ，１２ｂの外周に形成されるＦＲＰを、他の部分と面一にすることによってクライオスタットの外観を向上させることができるが、多少の凹凸があってもよい。

ＦＲＰ製部材として製作したＦＲＰ製容器半体の断面正面図である。容器下半部となる一方のＦＲＰ製容器半体にテーパー面と重合片とを形成した状態を示す断面正面図である。容器上半部となる他方のＦＲＰ製容器半体にテーパー面と重合片とを形成した状態を示す断面正面図である。他方のＦＲＰ製容器半体に配管等を固着した状態を示す断面正面図である。ＦＲＰ製容器半体の開口同士を突き合わせて接合するときの状態を示す断面正面図である。テーパー面の外周面にプリプレグを積層した状態を示す断面正面図である。プリプレグを積層した部分を気密性シートで覆った状態を示す断面正面図である。気密性シートで覆った部分の気密性を確認している状態を示す断面正面図である。オートクレーブ内で加熱及び加圧してプリプレグの硬化を開始した状態を示す断面正面図である。オートクレーブ内でのプリプレグの硬化が終了した状態を示す断面正面図である。得られたＦＲＰ製クライオスタットの一形態例を示す一部断面正面図である。

符号の説明

１１，１１ａ,１１ｂ…ＦＲＰ製容器半体、１２ａ，１２ｂ…テーパー面、１３ａ，１３ｂ…重合片、１４…貫通孔、１５…配管、１６…プリプレグ、１７…気密性シート、１８…排気管、１９…シール材、２０…オートクレーブ、２１…真空ポンプ、２２…ＦＲＰ製クライオスタット

Claims

低温流体を収容する密封容器状のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法において、
前記クライオスタットを複数のＦＲＰ製部材を接合して形成するにあたり、
前記各ＦＲＰ製部材をあらかじめ設定された形状にそれぞれ製作する部材製作工程と、
該部材製作工程で製作したＦＲＰ製部材における他のＦＲＰ製部材との接合部近傍の外面部分を接合部に向かって薄肉となるテーパー面を形成するテーパー形成工程と、
互い接合されるＦＲＰ製部材の接合部端面を、一方のＦＲＰ製部材の端面からは内側位置に、他方のＦＲＰ製部材の端面からは外側位置に、それぞれ突出した状態の重合片をそれぞれ形成する重合片形成工程と、
前記一方のＦＲＰ製部材を下方に、前記他方のＦＲＰ製部材を上方にして、上部側となる重合片を下部側となる重合片の外側に位置させ、前記重合片の重合面部を接着剤を介して内外方向に重合させてＦＲＰ製部材の接合部同士を接合する部材接合工程と、
接合した両ＦＲＰ製部材の前記テーパー面にプリプレグを貼り付けて積層するプリプレグ積層工程と、
積層したプリプレグを脱気して硬化させるプリプレグ硬化工程と
を含むことを特徴とするＦＲＰ製クライオスタットの製造方法。
前記ＦＲＰ製部材は、円筒状容器の上半部と下半部とであることを特徴とする請求項１記載のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法。
前記プリプレグ硬化工程において、容器外側のプリプレグ積層部分を真空引きするとともに、容器内側を加圧することを特徴とする請求項１又は２記載のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法。
前記部材接合工程で前記ＦＲＰ製部材の接合部同士を一次接着した後に、気密テストを行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のＦＲＰ製クライオスタットの製造方法。
請求項１乃至４のいずれか１項記載の製造方法により製造されたことを特徴とするＦＲＰ製クライオスタット。