JP5208481B2

JP5208481B2 - 極低温容器の支持装置

Info

Publication number: JP5208481B2
Application number: JP2007286340A
Authority: JP
Inventors: 弘貴上條; 尚生山田; 育孝讃岐; 章富岡
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: JP2009117473A

Description

この発明は、極低温容器の支持装置に関し、特に、極低温容器の上下部に設けた極低温容器支持用の上フレームと下フレームとの間に、極低温容器の底面部と上面の蓋部を介して挟持し、前記上下フレームによって支持するように構成した極低温容器の支持装置に関する。

極低温容器は、液体窒素温度（約77K）や液体ヘリウム温度（約4.2K）などの極低温環境下で、超電導線材や超電導バルク材を用いた超電導応用機器を収納するための容器である。超電導応用機器としては、超電導変圧器や超電導エネルギー貯蔵装置などの超電導コイルや磁気分離装置などがある。

超電導応用機器は、従来の機器に比べ、高効率化、軽量化、小型化が図れるので、さまざまな研究開発が進められている。これに用いる極低温容器は、低熱侵入化、小型・軽量化が求められている。また、安全性、信頼性も重要視されている。

図４，５に、従来の極低温容器とその支持装置の模式的構造を示す。ここでは、極低温容器の支持装置に関し、室温空間に鉄心フレームを持つ超電導変圧器を例に挙げて説明する。図４は、従来の超電導変圧器用の極低温容器と鉄心の模式的構成を示す図であり、図５は、従来の超電導変圧器用の極低温容器の支持装置の模式的構成を示す図である。

極低温容器１は、低熱侵入であること、断熱性に優れていること、強度が優れていること、気密性がよいことなどが求められている。低熱侵入や断熱性に関しては、図４に示すように、極低温容器１を二重構造にして、内槽に超電導部としての超電導コイル５を収納し、外槽を真空や冷媒で断熱している。図４は、真空断熱層１ａを設けて断熱する構成を示す。外槽や内槽を真空状態にする場合、気圧差に耐える構造と材料で構成することが必要であり、特に前記強度と気密性が重要となる。

極低温容器１の材料としては、通常、ステンレス鋼などの金属やガラス繊維強化プラスティック（以下、GFRP）が使われる。ステンレス鋼は、加工が比較的簡単で、強度もある。また組立てて必要なところには溶接によって気密が保てる。一方、GFRPは、加工の自由度は金属より劣るが、比重が小さく、絶縁材料であるため、超電導の電力応用ではステンレスに代わって使われることが多い。組立が必要なところは、はめ込み構造とし、接着により気密を保つ。

極低温容器１の基本的な形状は円筒状であり、側面と底面からなる円筒状の容器本体部と、円板状の蓋部３とからなり、本体部と蓋部を合わせてボルト８により締めつけて組み立てる。蓋部３の内側には、ねじ穴部があり、このねじ穴部に超電導コイル５などを吊り下げる複数本の吊りボルト４を固定しており、蓋部３を持ち上げることで、吊りボルト４で繋がった超電導コイル５などの出し入れを容易にできる。なお、図４において、６は電流リード、７は固定用のナット、９はシール用のOリングである。

また、変圧器やリアクトルなどの超電導コイルを用いた電力応用の静止誘導機器では、コイルのつくる磁束の通り道となる鉄心（主脚）１０をコイルと同軸に配置する。さらに、磁路回路を閉回路とするため、鉄心（帰路脚）１１が、コイルを囲むように配置される（特許文献１参照）。

超電導コイル装置の場合、鉄心を極低温容器に入れると鉄心から出る鉄損が冷却負荷となることから、室温空間に配置されることが多く、そのため、鉄心の主脚１０及び帰路脚１１は、極低温容器の外側に配置される。従って、極低温容器１の上下には、鉄心の帰路脚１１が配置され、極低温容器１は床面から浮いた状態となる。通常は、後述する図２に示すように、鉄心（帰路脚）１１をサンドイッチ状に固定するように設けられ、図４には図示しないフレームに極低温容器を取付けるが、このとき、運送中や地震などによる床面からの振動や、鉄心の磁気ひずみによる振動により、極低温容器１に振動がかかる恐れがある。

極低温容器１に外部から振動が加わると、極低温容器の溶接部や接着部に亀裂が入り、真空断熱層を持つ場合、真空断熱層が破れ、極低温容器内への熱侵入量が急激に増加し、冷媒を蒸発させ、極低温容器内が加圧され、内圧に耐えられなくなると破裂する恐れがある。また、冷媒が蒸発して減ると、内部の超電導材料が常電導化して、装置が正常に動かなくなる。

振動を抑える方法として、極低温容器を床面や鉄心フレームから振動や衝撃から守るため、極低温容器とそれを支える床との間やフレームとの間に、防振ゴムを配置する方法が採用されることがある（特許文献２参照）。

図５は、従来の超電導変圧器用の極低温容器の支持装置の模式的構成を示す図であり、鉄心（帰路脚）１１をサンドイッチ状に固定して設けられた図示しない下側のフレームと極低温容器の底面部との間に、複数個の防振ゴムを配置した例を示す。図５（ａ）は極低温容器内に冷媒を入れない場合を示し、図５（ｂ）は極低温容器内に冷媒を入れた場合であって、後述するように、詰め物２０を、図示しない上側のフレームと極低温容器の蓋部３との間に設けた構成を示す。

極低温容器１を図示しないフレームに載せて支持する場合、下の防振ゴム１２と同時に、上部でも極低温容器を抑える必要があった。この場合、極低温容器１に冷媒が供給されると重量により底部の防振ゴム１２が圧縮され、上側のフレームと極低温容器との距離が開くため、予め、上側のフレームと極低温容器上部とを固定することができない問題があった。防振ゴム特性と重量増加の関係にもよるが、数mmから十数mm程度、防振ゴム１２が縮む場合がある。そこで、極低温容器内に冷媒供給後に、図５（ｂ）に示すように、ゴム製の詰め物２０を図示しない上側のフレームと極低温容器の蓋部３との間に挟んで支持するようにしていた。また、防振ゴムがなく、底部を固定した構造の場合においても、フレームと極低温容器の支持箇所による組立公差の違いで、詰め物の大きさが蓋部の位置で変わることがあり、位置ごとに詰め物の厚さを替えて調整していた。

上記のような詰め物による支持調整は、作業が難しく、かつ調整に時間を要し、さらに上記図５（ｂ）に示すような構成の場合、支持の安定性や信頼性が低い問題があった。
特開平１−１８４８１０号公報特開２００５−１０３０２４号公報

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、極低温容器内への冷媒供給前後の支持調整が容易にでき、極低温容器の支持の安定性や信頼性の向上を図った極低温容器の支持装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、この発明は、超電導応用機器における超電導部を収容して極低温に冷却する極低温容器を、極低温容器の上下部に設けた極低温容器支持用の上フレームと下フレームとの間に、極低温容器の底面部と上面の蓋部を介して挟持し、前記上下フレームによって支持するように構成した極低温容器の支持装置において、前記下フレームは、前記極低温容器の底面部と平行に下フレームから張り出した複数個の支持板を備え、また、前記上フレームは、前記極低温容器の蓋部と平行に上フレームから張り出した複数個の支持板と、この支持板毎に設けられた貫通ねじ穴に係合する押えボルトと、この押えボルトの前記蓋部側先端部に配設され前記押えボルトの上下動により上下方向の位置を変えて前記極低温容器の蓋部に当接可能とした複数個の押し当て板とを備え、前記複数個の押し当て板と、前記下フレームから張り出した複数個の支持板との間で前記極低温容器を支持するように構成したことを特徴とする（請求項１の発明）。

また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載のものにおいて、前記下フレームから張り出した支持板と前記極低温容器の底面部との間に防振ゴムを設けたものとする（請求項２の発明）。

さらに、前記請求項１または２に記載のものにおいて、前記超電導部は前記極低温容器の蓋部に取り付けた複数個の吊りボルトにより吊り下げて支持されるものとし、前記押えボルトの上下動の軸線と前記吊りボルトの軸線とを実質的に一致させたものとする（請求項３の発明）。

また、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載のものにおいて、前記超電導応用機器は超電導変圧器とし、前記超電導変圧器は、前記極低温容器の中央部を貫通する鉄心の主脚と、前記極低温容器の上下および左右の外周部に配設される鉄心の帰路脚とを備えてなり、前記上下の各フレームは、それぞれ２枚の板状部材からなるものとし、前記上下に設けた鉄心の帰路脚を前記２枚の板状部材によりそれぞれサンドイッチ状に挟んで固定してなるものとする（請求項４の発明）。

この発明によれば、支持板を介してフレームに取り付けた押えボルトの調整により、極低温容器への外部からの振動を防ぐことが出来、また、極低温容器内の冷媒の有無でフレームと蓋部の距離が変わったり、蓋部とフレームとの距離が支持位置によって差があっても、極低温容器を安定して支持でき、支持調整するための時間と手間が短縮でき、また安全性の高い極低温容器の支持装置が提供できる。

さらに、極低温容器の蓋部の支持位置を、超電導部を吊っている吊りボルトの鉛直延長上にすることで、吊られている超電導部の機械的支持の基点を押さえることが出来るので、超電導部への振動低減や蓋部への負荷が低減され、極低温容器の支持装置の信頼性がさらに向上する。

図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。図１は本発明の実施の形態に係る極低温容器の支持装置の模式的構造を示す図、図２は図１の極低温容器の支持装置において、特にフレームの構成の一例を示す図、図３は図１の極低温容器の支持装置において、特に超電導部の吊り下げ構造を示す図であり、室温区間に鉄心およびフレームを有する超電導変圧器を例に説明する図である。

図１ないし図３において、１は極低温容器、３は極低温容器の蓋部、４は吊りボルト、５は超電導コイル、１０は鉄心（主脚）、１１は鉄心（帰路脚）、１２は防振ゴム、１３は冷媒、２１は架台、２２，２３は支持板、２４は押えボルト、２５は固定ナット、２６は押し当て板、３０は上フレーム、３１は下フレームである。

まず、図１および図２について述べる。図１（ａ）は極低温容器の支持装置の模式的一部断面構成図を、図１（ｂ）は斜視図を示す。図１においては、上フレームおよび下フレームは、説明の便宜上、図示を省略しており、前記上下フレームの構成例は図２に示す。
図２において前記上下の各フレームは、それぞれ２枚の板状部材からなるものとし、極低温容器の上下に設けた鉄心（帰路脚）１１を前記２枚の板状部材によりそれぞれ挟んで固定してなる構成を示し、以下の説明ではこの構成例に基づいて述べるが、上下フレームの構成は、かならずしも、図２の構成に限定されるものではなく、鉄心（帰路脚）１１から独立して設けるように構成することもできる。

図１および２によれば、図４と同様に、極低温容器１は、鉄心（主脚）１０が極低温容器の中心を貫通するように配置されている。容器内には、鉄心（主脚）と同軸上に、図示しない超電導コイルが配置されている。この場合、中心部において、コイルと鉄心の間を極低温容器が存在することになるため、極低温容器に渦電流損が発生しないように、極低温容器は非金属とすることが好ましい。例えば、ガラス繊維強化プラスティックなどが、強度の面から適している。

極低温容器の周りに設けた鉄心（帰路脚）１１は、図２に示すように、上フレーム３０および下フレーム３１で固定され、極低温容器１は、前記上下フレーム３０，３１で支えられる。

極低温容器１の側面と底面は、熱侵入量低減のため、内槽と外槽の二重構造となっており、その間は真空断熱されている。極低温容器１の底面側は、下フレーム３１と防振ゴム１２を介して支持されている。防振ゴム１２は、下フレーム３１に、防振ゴムのボルト部をナット止めできるように支持板２２が溶接等で取り付けられており、その部分で支持されている。

また、極低温容器の蓋部３の押えとして、上フレーム３０に溶接等で取り付けられた支持板２３が設けられ、支持板２３の図示しない貫通ねじ穴に押えボルト２４を通している。押えボルト２４の先端には、押し当て板２６が設けられ、この押し当て板２６を極低温容器の蓋部３に当接させ、押えボルト２４の締め付け量により、極低温容器の高さにあわせた押さえつけ調整を可能としてる。極低温容器１に冷媒１３を入れる前の、例えば、輸送時や保管時には、外部からの振動があるので、押えボルト２４で押えておくことにより、振動への影響が低減できる。

冷媒１３の供給後は、極低温容器全体の重量が増える。防振ゴムを使用した場合には、防振ゴムが荷重の増加で縮むので、上フレーム３０に対し極低温容器１の高さ位置が下がり、押えボルト２４と極低温容器の蓋部３の距離が開き、接触しなくなる場合が生ずる。この場合、押えボルト２４をよりねじ込むことで上部からの押えが維持できる。押えボルト２４は、一箇所ではなく、複数箇所に設ける。この場合、支持箇所により、極低温容器１と上フレーム３０との高さ位置が組立公差で変わることがあるが、押えボルト２４により、支持箇所毎に位置調整が可能であり、例えば、ボルトの締め付けトルクで押え量を管理すれば、均一な押えが可能となる。従って、防振ゴムがない構造でも所望の支持が可能である。なお、装置の運転中、冷媒の循環冷却機や冷凍機がある場合には、極低温容器の重量はほとんど変わらないので、固定ナット２５を用いて固定するようにすることもできる。

次に、図３について述べる。図３は、超電導コイル５を吊りボルト４を介して極低温容器の蓋部３に吊り下げた構造（図４に示した構造）を備えたものに本発明を適用した場合の実施態様を示す。即ち、図３においては、超電導部としての超電導コイル５は、極低温容器の蓋部３に取り付けた複数個の吊りボルト４により吊り下げて支持され、さらに、前述の押えボルト２４の上下動の軸線と吊りボルト４の軸線とを実質的に一致させたものとしている。なお、図３において、１４は吊りボルト４の直上に設けた押し当て板２６当接用のキャップ、１５はキャップに付随して設けるシール用のOリング、１６はボルトである。

上記のように、極低温容器の蓋部３の押えボルト２４による支持位置を、超電導コイル５を吊っている吊りボルト４の鉛直延長上にすることで、吊られている超電導コイル５の機械的支持の基点を押えボルト２４により押さえることが出来るので、超電導コイル５への振動低減や蓋部への負荷が低減され、極低温容器の支持装置の信頼性がさらに向上する。

本発明の実施の形態に係る極低温容器の支持装置の模式的構造を示す図。図１の極低温容器の支持装置においてフレームの構成の一例を示す図。図１の極低温容器の支持装置において超電導部の吊り下げ構造を示す図。従来の超電導変圧器用の極低温容器と鉄心の模式的構成を示す図。従来の超電導変圧器用の極低温容器の支持装置の模式的構成を示す図。

符号の説明

１：極低温容器、３：極低温容器の蓋部、４：吊りボルト、５：超電導コイル、１０：鉄心（主脚）、１１：鉄心（帰路脚）、１２：防振ゴム、１３：冷媒、２１：架台、２２，２３：支持板、２４：押えボルト、２５：固定ナット、２６：押し当て板、３０：上フレーム、３１：下フレーム。

Claims

超電導応用機器における超電導部を収容して極低温に冷却する極低温容器を、極低温容器の上下部に設けた極低温容器支持用の上フレームと下フレームとの間に、極低温容器の底面部と上面の蓋部を介して挟持し、前記上下フレームによって支持するように構成した極低温容器の支持装置において、
前記下フレームは、前記極低温容器の底面部と平行に下フレームから張り出した複数個の支持板を備え、また、前記上フレームは、前記極低温容器の蓋部と平行に上フレームから張り出した複数個の支持板と、この支持板毎に設けられた貫通ねじ穴に係合する押えボルトと、この押えボルトの前記蓋部側先端部に配設され前記押えボルトの上下動により上下方向の位置を変えて前記極低温容器の蓋部に当接可能とした複数個の押し当て板とを備え、前記複数個の押し当て板と、前記下フレームから張り出した複数個の支持板との間で前記極低温容器を支持するように構成したことを特徴とする極低温容器の支持装置。
請求項１に記載のものにおいて、前記下フレームから張り出した支持板と前記極低温容器の底面部との間に防振ゴムを設けたことを特徴とする極低温容器の支持装置。
請求項１または２に記載のものにおいて、前記超電導部は前記極低温容器の蓋部に取り付けた複数個の吊りボルトにより吊り下げて支持されるものとし、前記押えボルトの上下動の軸線と前記吊りボルトの軸線とを実質的に一致させたことを特徴とする極低温容器の支持装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のものにおいて、前記超電導応用機器は超電導変圧器とし、前記超電導変圧器は、前記極低温容器の中央部を貫通する鉄心の主脚と、前記極低温容器の上下および左右の外周部に配設される鉄心の帰路脚とを備えてなり、前記上下の各フレームは、それぞれ２枚の板状部材からなるものとし、前記上下に設けた鉄心の帰路脚を前記２枚の板状部材によりそれぞれサンドイッチ状に挟んで固定してなることを特徴とする極低温容器の支持装置。