JP5960182B2

JP5960182B2 - Ｆｒｐ製クライオスタット

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Publication number: JP5960182B2
Application number: JP2014049749A
Authority: JP
Inventors: 賢悦上森; 智信佐野; 顕蔵池田; 吉田　茂; 茂吉田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: JP2015176882A

Description

本発明は、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製クライオスタットに関し、特にＦＲＰ製容器の壁面に形成した貫通孔に、貫通部品取付用の金属製部材が取り付けられたＦＲＰ製クライオスタットに関する。

高温超伝導線材などを用いた電力機器の開発が進んでおり、このような電力機器は低温液体（液体窒素、液体ヘリウム、液体ネオン等）を収納したクライオスタット内に設置される。クライオスタットは、低温液体を収容する内部容器と、内部容器を囲う外部容器とを備える２重構造となっており、内部容器と外部容器との間を真空引きすることにより内部容器の外部に真空断熱層を形成し、内部容器内を極低温に保っている。
このようなクライオスタット内に収容される電力機器が、例えば超伝導変圧器や超伝導モータなどの交流機器の場合には、クライオスタットには、電流の影響を受けず交流損失や発熱等を引き起こさないことが要求される。
この点、ＦＲＰは非磁性であることから、上記の要求を満たすので、高温超伝導線材を用いた交流機器を収容するクライオスタットはＦＲＰ製であることが必要不可欠となる。

ＦＲＰ製クライオスタットの内部容器（以下、「ＦＲＰ製内部容器」という）の壁面には貫通孔が設けられ、この貫通孔に内部に収納された超電導コイル等に給電するための電極や計装線、内部に低温液体を供給するためのパイプ等が取り付けられている。
このような電極やパイプ等は金属製であるため、ＦＲＰ製内部容器の壁面に形成した貫通孔に金属製の短筒状の部材（以下、「金属製部材」という）を取り付け、この金属製部材に溶接やロウ付等すること電極やパイプ等を取り付けることが行われている。

ＦＲＰ製内部容器に形成した貫通孔に金属製部材を取り付ける方法としては、ねじ込み式で接着することが一般的であったが、ＦＲＰと金属材との熱収縮率の違いから、接着部分に亀裂が入り、ＦＲＰ製内部容器から真空断熱層に低温液体のガスが漏れる（真空リーク）という事態が生じていた。

このような、真空リークを防止する工夫をしたものとして、例えば特許文献１に開示されたＦＲＰ製クライオスタットが挙げられる。
特許文献１に開示されたＦＲＰ製クライオスタットは、「冷媒を収容するＦＲＰ製容器の壁部に貫通孔が形成され、該貫通孔に金属製部材が挿通して取り付けられているＦＲＰ製クライオスタットであって、前記金属製部材は、前記貫通孔の径よりも縮径し、前記貫通孔に対して空間をあけて前記挿通している管部と、該管部に設けられ、前記貫通孔の径よりも拡径したフランジ部とを備えており、前記フランジ部と前記壁部との間を接着すると共に、前記フランジ部と前記壁部との対向面に設けられているＦＲＰ金属間接着層と、前記対向面に対し垂直な方向において、前記フランジ部を前記壁部に対し押し付ける押付機構と、を有することを特徴とする」（特許文献１の請求項１参照）ものである。

特開２０１２−６９６６５号公報

特許文献１に開示された構造は、押付機構によって金属製部材のフランジ部をＦＲＰ製の壁部に押し付けることで密閉性を確保しようとしている。
しかしながら、ＦＲＰ製内部容器に液体窒素等の低温液体を貯留した極低温状態では、ＦＲＰと金属の熱収縮率の違いから、ＦＲＰ製の壁部と金属製のフランジ部との接着部に熱応力（せん断力）が生じ、接着部にずれが生ずることが考えられる。

特に、ＦＲＰ製内部容器に液体窒素等の低温液体が供給されて室温状態から徐々に冷却が進行している状態（以下、「非定常状態」という）では、金属はＦＲＰに比べて熱伝導度や熱拡散が大きいため、金属製のフランジ部の方が早く冷えてしまい、ＦＲＰ製の壁部と金属製のフランジ部との間で温度差が大きくなってしまう。そのため、金属とＦＲＰが同一温度で冷却されている状態（以下、「定常状態」という）よりもさらに、金属とＦＲＰの接着面においては、熱収縮率の差が大きくなり、接着部にずれが生ずる危険が大きくなる。

また、一般に金属よりもＦＲＰの熱収縮率が大きいが、非定常状態では上記のように金属の方が早く冷えることから、金属の熱収縮率が大きく、定常状態ではＦＲＰの熱収縮率が大きくなることで、接着面には非定常状態から定常状態に至る間に逆方向のせん断力が作用することになり、真空リークの生ずる危険が大きくなっていた。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、非定常状態及び定常状態のいずれの状態でも金属製部材と貫通孔との接着部から真空リークの生ずることのない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。

（１）本発明に係るＦＲＰ製クライオスタットは、ＦＲＰ製容器の壁面に形成した貫通孔と、該貫通孔を介して前記ＦＲＰ製容器の内外に亘る貫通部品を取り付ける貫通部品取付部とを備え、
該貫通部品取付部は、前記貫通孔の孔周縁部から立ち上がるＦＲＰ製の環状壁部と、該環状壁部の先端部が嵌入可能な環状溝を有する金属製部材とを有し、該金属製部材が、前記環状壁部の先端部に前記金属製部材の環状溝を嵌入して接着層を介して前記環状壁部に接合されていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記環状壁部は、前記ＦＲＰ製容器と同じＦＲＰ製の別部材からなる環状壁部材をＦＲＰ製容器に接合してなり、該環状壁部材は前記ＦＲＰ製容器の前記貫通孔周縁部に接合される環状の平面部と、該平面部から立ち上がる立上り部とを有し、該立上り部は立上り方向に沿う方向にＦＲＰの繊維の方向が設定されていることを特徴とするものである。

本発明においては、貫通孔を介してＦＲＰ製容器の内外に亘る貫通部品を取り付ける貫通部品取付部が、貫通孔の孔周縁部から立ち上がるＦＲＰ製の環状壁部と、該環状壁部の先端部が嵌入可能な環状溝を有する金属製部材とを有し、該金属製部材が、環状壁部の先端部に金属製部材の環状溝を嵌入して接着層を介して環状壁部に接合されるようにしたので、非定常状態及び定常状態のいずれの状態でも金属製部材と貫通孔との接着部（金属製部材と環状壁部の接合部）から真空リークが生ずることがない。

本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部の縦断面図である。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部の正面図である。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの説明図である。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部の貫通部品取付状態における縦断面図である。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部の貫通部品取付状態における正面図である。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部を構成するＦＲＰ部材の繊維方向の説明図である。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの使用時における作用効果の説明図である。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部へ取り付けられる貫通部品（他の態様）の取付状態における立断面図である（その１）。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部へ取り付けられる貫通部品（他の態様）の取付状態における立断面図である（その２）。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部の他の態様の縦断面図である（その１）。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部の他の態様の縦断面図である（その２）。本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタットの貫通部品取付部の他の態様の説明図である。

本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製クライオスタット１は、図３に示すように、低温液体３を収容するＦＲＰ製内部容器５と、ＦＲＰ製内部容器５を囲う外部容器７との２重構造になっており、ＦＲＰ製内部容器５の壁面に形成された貫通孔９と、貫通孔９を介してＦＲＰ製容器の内外に亘る貫通部品（コネクタ端子１１や低温液体３の供給又は排出用のパイプ１３）を取り付ける貫通部品取付部１５とを備えている。
ＦＲＰ製クライオスタット１内には、例えば超伝導モータや超伝導主変圧器などの交流機器１７が収容される。
ＦＲＰ製内部容器５と外部容器７との間は真空引きされて、ＦＲＰ製内部容器５の外部に真空断熱層１９が形成されており、ＦＲＰ製内部容器５内を極低温に保っている。
以下、ＦＲＰ製クライオスタット１の主な構成について説明する。

＜ＦＲＰ製内部容器＞
ＦＲＰ製内部容器５は、ＦＲＰプリプレグを通常２０層以上積層して硬化させて成形される。ここでＦＲＰプリプレグとは、ガラス繊維、カーボン繊維などの補強繊維のクロスあるいはマットに、繊維量が３０〜４０ｖｏｌ％となるように、樹脂組成物（エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂の液状未硬化物、硬化剤、増粘剤などを含む）を含浸させた未硬化状態のものである。

ＦＲＰ材としては、ガラス繊維強化プラスチック、ボロン繊維強化プラスチック、及びアラミド繊維強化プラスチックから選択された少なくとも１種を用いることが好ましく、実用性の点からガラス繊維強化プラスチックが好ましい。なお、炭素繊維強化プラスチックは導電性を有するため、次の理由から用いることができない。導電性を有する材料を用いてクライオスタットを成形すると、クライオスタット内に収容された交流機器１７により生じた磁力の変動によって渦電流等が発生してジュール損による発熱および磁場に歪を生じるおそれがある。
さらに、ＦＲＰ製クライオスタット１は極低温で使用されるので、３００〜６５Ｋの温度範囲において使用する金属と同等の熱収縮率を持つＦＲＰ材の使用が望ましい。

＜貫通孔＞
貫通孔９はＦＲＰ製内部容器５の壁面に形成されており、貫通孔９の孔周縁部９ａはＦＲＰ製内部容器５の表面より１段下がった段形状になっている（図１参照）。

＜貫通部品取付部＞
貫通部品取付部１５は、ＦＲＰ製内部容器５に形成された上記の貫通孔９を介して、ＦＲＰ製内部容器５の内外に亘る貫通部品を取り付けるためのものであり、図１に示すように、ＦＲＰ製の環状壁部材２１と、環状壁部材２１に取付可能な金属製部材２３と、環状壁部材２１を貫通孔９に取り付けるための押圧板２５とを有している。

貫通部品取付部１５に取り付けられる貫通部品として、本例では、コネクタ端子１１の一例である７ピンコネクタ端子２７（市販品）を例に挙げて説明する。７ピンコネクタ端子２７は、図１に示すように、金属製の円筒体からなる本体部２７ａと、本体部２７ａ内に嵌合状態で装着された円板状のセラミックスシール２７ｂと、セラミックスシール２７ｂに挿通された複数のピン２７ｃとを有している。セラミックスシール２７ｂは本体部２７ａにロウ付けされており、ピン２７ｃはセラミックスシール２７ｂにロウ付けされている。
以下に、貫通部品取付部１５の各構成を説明する。

≪環状壁部材≫
環状壁部材２１は、図１に示すように、ＦＲＰ製の環状体からなり、ＦＲＰ製内部容器５の貫通孔９の孔周縁部９ａに接合される環状の平面部２１ａと、平面部２１ａの内周縁部から立ち上がる立上り部２１ｂとを有している。
環状壁部材２１の平面部２１ａは、貫通孔９の孔周縁部９ａに当接可能な大きさに設定されている。

立上り部２１ｂは、金属製部材２３を環状壁部材２１に取り付ける部位である。
ところで、ＦＲＰ材は積層構造であるため、厚さ方向（ＦＲＰ積層方向）と面内方向（繊維方向）とで熱収縮率（熱膨張率）の異方性を有しており、厚さ方向における熱膨張率は４０（×１０^−６／Ｋ）程度であり、面内方向における熱膨張率は１１（×１０^−６／Ｋ）程度であり、両者は異なる。それ故、常温から極低温（３００〜６５Ｋ）の間で使用されるＦＲＰ製クライオスタット１においてはＦＲＰの繊維方向によって熱収縮率が異なる。

立上り部２１ｂのＦＲＰの繊維方向は、図６に示すように、立上り部２１ｂを構成するＦＲＰの繊維方向が、立上り部２１ｂの立上り方向に沿うように形成されている。つまり、立上り部２１ｂの径方向とＦＲＰ材の積層方向を一致させている。このようにした理由については後述する。
なお、図６はＦＲＰ製内部容器５及び環状壁部材２１のＦＲＰの繊維方向を説明する図であり、図１のＦＲＰ製内部容器５と環状壁部材２１のみを抜き出して図示すると共に、ＦＲＰの繊維方向を矢印で示している。

≪金属製部材≫
金属製部材２３は短円筒状からなり、一端に環状壁部材２１の立上り部２１ｂの先端が嵌入可能な環状溝２３ａと、他端に内方に屈曲してなり７ピンコネクタ端子２７と接合するための貫通部品接合部２３ｂとを有している。
金属製部材２３は例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）等で形成されている。

図１中の拡大図に示すように、環状溝２３ａに立上り部２１ｂの先端が嵌入されることで、金属製部材２３が環状壁部材２１に取り付けられている。嵌入は、環状溝２３ａに接着剤を塗布してから行われ、金属製部材２３は接着層を介して立上り部２１ｂに接合されている。
環状溝２３ａの深さは、金属製部材２３の環状壁部材２１への取付を確実にするために、５mm以上であることが好ましい。なお、本例では環状溝２３ａの深さを７mmとした。

貫通部品接合部２３ｂの内径は７ピンコネクタ端子２７の本体部２７ａが嵌入可能な大きさに設定されており、７ピンコネクタ端子２７は、図１中の白抜き矢印で示す向きで、金属製部材２３の内部に嵌入されて、図２に示すように、本体部２７ａの周面が金属製部材２３に溶接されて取り付けられる。
７ピンコネクタ端子２７の周面は溶接され、金属製部材２３との間で隙間が生じないので、取付状態における７ピンコネクタ端子２７の取付箇所から真空リークが発生することはない。
貫通部品接合部２３ｂが内方に屈曲されているため、貫通部品接合部２３ｂに７ピンコネクタ端子２７の本体部２７ａを接合した状態で、本体部２７ａの外周面と金属製部材２３の内周面との間に所定の隙間Ｓ（0.1mm〜5mm、図４中の拡大図を参照）が形成されている。このような隙間Ｓを形成にすることで、熱収縮時に金属製部材２３に発生する応力によって金属製部材２３が変形でき、過度な応力が残存することがないようにしている。

≪押圧板≫
押圧板２５は、図２に示すように円環状板からなり、ボルト２９によってＦＲＰ製内部容器５の壁面に取り付けられて、環状壁部材２１をＦＲＰ製内部容器５の壁面に固定するためのものである。
押圧板２５の内周部には、板厚方向に突出する押圧部２５ａ（図１中の拡大図参照）が形成されており、押圧板２５をＦＲＰ製内部容器５に取り付けることで、押圧部２５ａが環状壁部材２１の平面部２１ａを貫通孔９の孔周縁部９ａに押圧するようになっている。

以上のように構成された本実施の形態に係る貫通部品取付部１５の使用時における作用効果について、金属製部材２３と環状壁部材２１の接合状態に着目して図７に基づいて説明する。
室温状態のＦＲＰ製内部容器５に低温液体３が供給されると、ＦＲＰ製内部容器５の冷却が徐々に進行している状態（非定常状態）を経て、極低温の定常状態に至る。
図７において、図７（ａ）は非定常状態における金属製部材２３と環状壁部材２１の接合状態の説明図であり、図７（ｂ）は定常状態における金属製部材２３と環状壁部材２１の接合状態の説明図である。
なお、図７は、図１中の金属製部材２３と環状壁部材２１のみを抜き出して図示したものであり、断面を表す斜線（図１参照）の図示を省略している。

冷却が進行している非定常状態においては、金属の方がＦＲＰよりも熱伝導度や熱拡散が大きく冷却速度が速いため、金属製部材２３の方がＦＲＰ製の環状壁部材２１よりも冷やされ、熱収縮度合い（熱収縮量）が大きくなる。金属製部材２３及び環状壁部材２１は共に環状であるため、熱収縮すると全体的に縮径するが、熱収縮率の大きい金属製部材２３の方がＦＲＰ製の環状壁部材２１よりも縮径量が大きい。それ故、図７（ａ）中に矢印で示すように、環状溝２３ａの外周壁で環状壁部材２１の立上り部２１ｂの外周面が押圧されてより強く密着する。このときの押圧力の作用している箇所を図７（ａ）中に太線で示している。

このように、非定常状態において、金属製部材２３と環状壁部材２１とをより強く密着させることで、気密性を確保することができる。
また、この押圧力は、接着部にせん断方向ではなく押圧方向に作用するので、接着層がずれることもない。

次に、定常状態における金属製部材２３と環状壁部材２１の接合状態について説明する。
定常状態における金属製部材２３と環状壁部材２１の接合状態には、それぞれの部材を構成する材料の熱膨張率が主に関係する。
金属製部材２３を構成する材料としては、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４が挙げられる。ＳＵＳ３０４の熱膨張率は１７．３（×１０^−６／Ｋ）であり、ＦＲＰ材の厚さ方向の熱膨張率｛４０（×１０^−６／Ｋ）｝より小さい。

立上り部２１ｂの繊維方向は、図６に示すように、立上り部２１ｂの立上り方向に沿うように設定されており、立上り部２１ｂの径方向とＦＲＰ材の積層方向を一致させている。従って、立上り部２１ｂの径方向の熱膨張率｛４０（×１０^−６／Ｋ）｝が、金属製部材２３の熱膨張率｛例えばＳＵＳ３０４で１７．３（×１０^−６／Ｋ）、ＳＵＳ４１０で１１．０（×１０^−６／Ｋ）｝よりも大きい。

つまり、定常状態においては、ＦＲＰ製の環状壁部材２１の方が金属製部材２３よりも縮径量が大きく、図７（ｂ）中に矢印で示すように、環状壁部材２１の立上り部２１ｂの内周面で環状溝２３ａの内周壁が押圧される。このときの押圧力の作用している箇所を図７（ｂ）中に太線で示している。

このように、定常状態においても非定常状態と同様に、金属製部材２３と環状壁部材２１とをより密着させることができ、気密性を確保することができる。
また、接着部がずれることがないのも非定常状態の場合と同様である。

以上のように、本実施の形態においては、貫通部品取付部１５が、貫通孔９の孔周縁部９ａに対して立ち上がる立上り部２１ｂを有する環状壁部材２１と、立上り部２１ｂの先端部が嵌入可能な環状溝２３ａを有する金属製部材２３とを有し、金属製部材２３が、立上り部２１ｂの先端部に環状溝２３ａを嵌入して接着層を介して環状壁部材２１に接合されるようにしたので、非定常状態及び定常状態のいずれの状態でも金属製部材２３と立上り部２１ｂの気密性を確保でき、接合部から真空リークが生ずることがない。

なお、上記の説明では、貫通部品として７ピンコネクタ端子２７を例に挙げて説明したが、貫通部品はこれに限られない。図８に２４ピンコネクタ端子３１を取り付けた例を示し、図９に低温液体３の排出パイプ３３を取り付けた例を示す。なお、図８及び図９において、図１に示すものと同様のものには同一の符号を付している。これらのいずれの貫通部品も、金属製部材２３と溶接によって接合されている点は、図１に示すものと同様である。

また、ＦＲＰ製内部容器５の壁厚方向におけるコネクタ端子の取付位置（取付深さ）は、図１のものに限られず、例えば、貫通孔９の孔周縁部９ａの段高さを変更することで調整可能である。このようにした一例を図１０に示す。図１０において、図１〜図４に示すものと同様のものには同一の符号を付している。
図１０に示す例は、環状壁部材２１を取り付けた状態で、環状壁部材２１の平面部２１ａとＦＲＰ製内部容器５の外面とが面一になるようにしたものである。

また、上記の説明では、押圧板２５を用いて環状壁部材２１をＦＲＰ製内部容器５の壁面に固定する例を挙げたが、図１１に示すように、押圧板２５を用いずに、接着剤等で直接ＦＲＰ製内部容器５の壁面に環状壁部材２１を接着するようにしてもよい。なお、図１１において、図１〜図４や図１０に示すものと同様のものには同一の符号を付している。

また、上記の説明では、本発明の環状壁部をＦＲＰ製内部容器５とは別部材である環状壁部材２１によって形成した例を示したが、環状壁部をＦＲＰ製内部容器５と一体的に形成するようにしてもよい。

なお、図１２に示すように、環状溝２３ａの底面から金属製部材２３の外面まで貫通する空気抜き孔２３ｃを設けるようにしてもよい。このようにすることで、立上り部２１ｂの先端を環状溝２３ａに嵌入する際に、環状溝２３ａ内の空気や余分な接着剤等を追い出すことができ、より確実に接着可能となる。

１ＦＲＰ製クライオスタット
３低温液体
５ＦＲＰ製内部容器
７外部容器
９貫通孔
９ａ孔周縁部
１１コネクタ端子
１３パイプ
１５貫通部品取付部
１７交流機器
１９真空断熱層
２１環状壁部材
２１ａ平面部
２１ｂ立上り部
２３金属製部材
２３ａ環状溝
２３ｂ貫通部品接合部
２３ｃ空気抜き孔
２５押圧板
２５ａ押圧部
２７７ピンコネクタ端子
２７ａ本体部
２７ｂセラミックスシール
２７ｃピン
２９ボルト
３１２４ピンコネクタ端子
３３排出パイプ

Claims

ＦＲＰ製容器の壁面に形成した貫通孔と、該貫通孔を介して前記ＦＲＰ製容器の内外に亘る貫通部品を取り付ける貫通部品取付部とを備え、
該貫通部品取付部は、前記貫通孔の孔周縁部から立ち上がるＦＲＰ製の環状壁部と、該環状壁部の先端部が嵌入可能な環状溝を有する金属製部材とを有し、該金属製部材が、前記環状壁部の先端部に前記金属製部材の環状溝を嵌入して接着層を介して前記環状壁部に接合されていることを特徴とするＦＲＰ製クライオスタット。
前記環状壁部は、前記ＦＲＰ製容器と同じＦＲＰ製の別部材からなる環状壁部材をＦＲＰ製容器に接合してなり、該環状壁部材は前記ＦＲＰ製容器の前記貫通孔周縁部に接合される環状の平面部と、該平面部から立ち上がる立上り部とを有し、該立上り部は立上り方向に沿う方向にＦＲＰの繊維の方向が設定されてい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。