JPH0469492A - 極低温容器の断熱支持部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、液体ヘリウム、液体水素、液体窒素等の極
低温の寒剤が入った極低温容器と該極低温容器を囲む外
側容器との間に断熱空間が形成されるように支持するた
めの断熱支持部材に関し、上記極低温容器内にスキンド
磁束計の検出用素子または核磁気共鳴断層を最影装置の
超伝導マグネットのような微弱電磁場の検出部を設置し
た場合、上記の極低温容器に寒剤を注入する前後におい
て極低温容器に位置ずれを生じさせないために利用され
る。

（従来技術） 微弱な電磁場の検出部、例えば核磁気共鳴断層撮影装置
の超伝導マグネットを液体ヘリウム等の寒剤が入った極
低温容器内に設置し、この極低温容器を真空状態の外側
容器内に連結固定するための断熱支持部材として、ガラ
ス繊維およびエポキシ樹脂からなる繊維強化プラスチッ
ク製のものが知られている。この断熱支持部材は、フィ
ラメントワインディング法によって偏平なループ状に成
形され（第１図参ＷＩ）、その両端にスプールを取付け
、このスプールを介して上記の極低温容器および外側容
器間の複数箇所に掛は渡され、両者を連結固定している
。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の断熱支持部材は、極低温容器に液
体ヘリウムが充填されたとき、外側容器に接する部分が
大気温度（２９３Ｋ）に維持されるのに対して極低温容
器に接する部分が液体ヘリウム温度（４，２Ｋ）に冷却
されるため、長さ方向に収縮し、その収縮量が０．１〜
０．２％に達する。

方、ステンレス＠板製の極低温容器および外側容器のう
ち、外側容器は伸縮しないのに対し、極低温容器は上記
の冷却により、０．２〜０．３％収縮する。そのため、
上記の断熱支持部材に引張り応力が発生して破断したり
、極低温容器の位置がずれて撮影＠像が乱れたりする等
の問題があった。

この問題を解決するため、ガラス繊維で補強された繊維
強化プラスチックにより熱膨張率が正の支持部材を、ま
たアラミド繊維で補強された繊維強化プラスチックによ
り熱膨張率が負の支持部材をそれぞれ形成し、この熱膨
張率が正の支持部材と負の支持部材とを直列に連結し、
断熱支持部材全体としての熱膨張率をほぼ零に、または
所望の大きさに設定することが提案されているが（特開
平１−２８９１７９号公報参照）、この場合は、熱膨張
率が正および負の繊維強化プラスチツク製支持部材を個
別に製作し、これを直列に接合する必要があり、この接
合が面倒であると共に、断熱支持部材としての構造が複
雑になり、かつ全長が長くなるという問題があった。

この発明は、繊維強化プラスチックの成形の際に、熱膨
張率が正および負の補強繊維を混合配列することにより
、断熱支持部材の熱膨張率を所望の大きさに設定して断
熱支持部材に異常な応力が発生したり、極低温容器が位
置ずれしたりするのを防止し、かつ繊維強化プラスチ７
クの成形後に接合する必要がなく、長さの短い断熱支持
部材が容易に得られるようにしたものである。

（課題を解決するための手段） この発明の極低温容器の断熱支持部材は、繊維強化プラ
スチックからなり、極低温容器と該極低温容器を囲む外
側容器との間に断熱空間が形成されるように上記の極低
温容器および外側容器との間の複数箇所に介設される極
低温容器の断熱支持部材において、上記の繊維強化プラ
スチックが正の熱膨張率を有する繊維および負の熱膨張
率を有する繊維を」二記断熱支持部材の長さ方向と平行
に混合配列して強化繊維としたものであることを特徴と
する。

この発明で使用される正の熱膨張率を有する繊維として
は、ガラス、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア
、シリコンナイトライド、シリコンカーバイド等のセラ
ミックスからなる繊維、およびアルミニウム、スチール
等の単体金属やソノ合金からなる金属繊維が例示される
が、ガラス、アルミナおよびシリカからなる繊維は、熱
伝導率が小さ（、かつ機械的特性が優れている点で特に
好ましい。

また、負の熱膨張率を有する繊維としては、高強力ポリ
エチレン繊維、アラミド繊維、ボリアリレート繊維、カ
ーボン繊維などが例示されるが、高強力ポリエチレン繊
維は、熱伝導率が小さく、かつ機械的特性が優れている
点で好ましい。

上記の高強力ポリエチレン繊維は、以下の方法によって
製造される。すなわち、垂蓋平均分子量がｌＯ万以上、
好ましくは１００万以上の可撓性高分子鎖を有する超高
分子量ポリエチレンをデリカンに溶解して紡糸原液とし
、この紡糸原液を紡糸口金から室温の大気中、または水
中に押し出し、冷却してゲル状繊維を形成する。このデ
リカンを含有するゲル状繊維を、該ゲル状繊維が溶断し
ない温度で１段または多段に、かつ合計倍率３０〜４０
倍に延伸する。

この発明では、上記の熱膨張率が正および負の繊維が互
いに平行に、かつ所望の割合で混合配列された状態でマ
トリックス樹脂が含浸されるが、その混合割合は、これ
らの繊維の熱膨張率に応じて適当に設定される。例えば
、繊維強化プラスチックの熱膨張率を実質的に零にする
場合は、熱膨張率が正の繊維Ａおよび熱膨張率が負の繊
維Ｂの合計体積に対する繊維Ａの体積分率をａ、繊維Ｂ
の体積分率をｂとしたとき、繊維Ａ、Ｂの体積比率ａ　
／　ｂを、次式で定めることが好ましい。

（ｃｒ−ａ＋β・ｂ）　Ｖｆ　＋ｒ　（１−Ｖｆ）＝Ｄ
ただし、式中のＶｆは繊維強化プラスチック中の補強繊
維全体（繊維ＡおよびＢの合計）の体積分率、αは繊維
への熱膨張率、βは繊維Ｂの熱膨張率、γはマトリック
ス樹脂の熱膨張率である。

なお、繊維Ａ、Ｂを混合するには、繊維へのフィラメン
ト系および繊維Ｂのフィラメント糸を合糸する方法、繊
維へのプリプレグおよび繊維Ｂのプリプレグを重ねる方
法等の任意の方法を用いることができる。また、熱膨張
率が正および負の繊維をそれぞれ２種以上使用すること
もできる。

また、この発明に使用する７１−リノクス樹脂は、１４
０″Ｃ以下で硬化または脱溶媒により最終的に固化され
る樹脂であればよく、特に限定されるものではない。例
えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリ
エステル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ポリオ
レフィン樹脂またはその共重合樹脂、ウレタンアクリレ
ート樹脂などが挙げられるが、熱硬化性樹脂、特にエポ
キシ樹脂が好ましい。

（作用） 熱膨張率が正および負の繊維が互いに平行に混合配列さ
れるので、その混合割合に応して繊維強化プラスチツク
全体の熱膨張率が定まり、上記の混合割合を前記の式で
設定した場合は、繊維強化プラスチックの熱膨張率が実
質的に零になり、極低温容器に寒剤を注入する前後にお
いて、断熱支持部材の伸縮がほとんど生じない。また、
熱膨張率が正の繊維へを多くした場合は、繊維強化プラ
スチックの熱膨張率が正になり、上記の極低温容器に寒
剤を注入することにより、断熱支持部材に若干の収縮が
生じる。また、熱膨張率が９の繊維Ｂを多くした場合は
、繊維強化プラス千ツクの熱膨張率が負になり、上記の
極低温容器に寒剤を注入した際、断熱支持部材に若干の
伸びが生しる。

したがって、極低温容器に対する寒剤の注入に伴う極低
温容器の寸法変化、すなわち極低温容器および外側容器
間の距離の変化に応じて上記の繊維Ａ、Ｂの混合割合を
設定することにより、断熱支持部材にかかる引張り応力
または圧縮応力を無視できる程度に小さくして破断を免
れ、かつ極低温容器の位置づ′れを防止することができ
る。

（実施例） 第２図および第３図は、従来から使用されている核磁気
共鳴断層↑最影装置の一例を示し、外側容器１は、ステ
ンレス鋼板製の長さが等しい内筒２、外筒３およびその
両端を塞ぐドーナツ形の端板４．４からなり、内部が真
空に形成されている。この外側容器Ｉの内側に位置する
極低温容器５は、同様にステンレス鋼板製の内筒６、外
筒７、端板８．８からなり、その内側にリング状の超電
導マグネット９が設置され、かつ液体ヘリウムが充填さ
れている。また、外側容器１の片側端板４および極低温
容器５の片側端板４が４木の棒状支持部材ｌＯによって
互いに連結固定され、さらに各側容器Ｉの外筒３および
極低温容器５の外筒７が４本の棒状支持部材１１によっ
て互いに連結固定されている。

熱膨張率が正の繊維Ａおよび負の繊維Ｂの種類、混合割
合を種々に変えて、実施例１〜５および比較例１〜３の
合計８種類の繊維強化プラスチックをフィラメントワイ
ンディング法により成形し、この繊維強化プラスチック
からそれぞれ支持部材１０．１．１を作成し７た。ずな
わら、マンドレル上に先ず熱膨張率が負の繊維フィラメ
ントＢを巻付けながらエポキシ樹脂を含浸させ、次いで
イの上るこ熱膨張率が正の繊維フィラメイトを巻付けな
がら」１記エポキシ樹脂を含浸させ、さらにその上に再
び熱膨張率がｐの繊維フィラメンＦＢを巻付けなからエ
ポキシ樹脂を含浸させ、２種の繊維１．８を所定の体積
割合で混合配列した円筒状の成形体を得、この成形体を
マンドレルに保持したまま１３０°Ｃで３時間の硬化成
形を行い、得られた繊維強化プラスチックを繊維方向（
円周方向）と平行に１０却間隔で切断し、第１図に示す
ように、長さ１７０閣、幅１０ｍ、厚み１ｗｎ、繊維体
積含有率６５％の偏平なリング状の断熱支持部材２０を
作成し、その両端にスプール２１を嵌合し、これを第２
図および第３図の断熱支持部材１０．１１の位置に従来
と同様に取付けた。

得られた断熱支持部材を室温から液体ヘリウム温度まで
冷却したときの収縮率、室温および液体ヘリウム温度に
おける引張り強度、耐破断性、並びに核磁気共鳴断層撮
影装置として使用したときの撮影像の状態を比較した。

その結果を下記の表に示す。ただし、表中のポリエチレ
ン繊維は、重量平均分子量１００万以上の超高分子量ポ
リエチレンから製造された高強力ポリエチレン繊維であ
り、熱膨張率および収縮率は、いずれも繊維軸方向のも
のである。また、測定は以下の方法によった。

（１）繊維の熱膨張率 各繊維を緊張しながらＴＭＡ法によって室温ＲＴ（２９
３Ｋ）から液体ヘリウム温度ＬＩＩｅＴ　（４，２Ｋ）
まで温度を下げながら長さの変化を測定し、上記の温度
範囲の平均値を算出して熱膨張率とした。

（２）支持部材の熱収縮率 各繊維強化プラスチックの支持部材をＴＭＡ法により、
室温から液体ヘリウム温度まで温度を下げながら上記断
熱支持部材の長さを測定し、室温から液体ヘリウム温度
までの寸法変化率を収縮率として算出した。

（３）引張り強度 各断熱支持部材から採取した試料の一端を固定し、他端
をクロスヘッドスピード２閤／分の速度で引張り、室温
および液体ヘリウム温廣下の強度を測定した。

（４）耐破断性 各支持部材の試料を第２図および第３図の核磁気共鳴断
層撮影装置に室温下で設置し、液体ヘリウムを充填して
上記試料を液体ヘリウム温度まで冷却し、この温度に２
時間保持したのち、液体ヘリウムを排出して容器の温度
を室温に戻し、この状態で２時間保持したのち再び液体
ヘリウムを充填し、これを繰り返して極低温まで合計５
回冷却し、しかるのち支持部材に損傷の有無を観察し、
損傷が無いものを○で、また一部に有るものをΔで、ま
た全体に有るものを×で示した。

（５）断層撮影像 上記（４）の操作で液体ヘリウム温度に達した都度、核
磁気共鳴断層撮影を行って像の状態を観察し、鮮明なも
のをＯで、またぼけが有って不鮮明なものを×で示した
。

上記の表で明らかなように、この発明の実施例１〜５は
、いずれも液体ヘリウムで冷却したときの収縮率が極め
て小さく、引張り強度が室温および液体ヘリウム温度の
双方で優れており、かつ耐破断性および断層撮影像が良
好であった。これに対し、補強繊維として熱膨張率が負
の高強力ポリエチレン繊維のみを使用した比較例６は、
伸びが大きく、断層撮影画像が不鮮明であった。また、
熱膨張率が正のガラス繊維のみを使用した比較例２は、
収縮が大きく、耐破断性および断層撮影画像が不鮮明で
あった。また、熱膨張率が負のカーボン繊維のみを使用
した比較例３は、収縮率が大きく、液体ヘリウム温度で
の引張り強度が低く、耐破断性および断層を最影画像が
共に不鮮明であった。

（発明の効果） この発明の断熱支持部材は、繊維強化プラスチンク製で
あって、熱膨張率が正および負の繊維を互いに平行に混
合配列して補強繊維としたものであるから、上記の繊維
の混合割合によって熱膨張率を実質的に零にしたり、ま
たは所望の大きさにしたりするこ七ができ、極低温容器
に寒剤を入れたとき、断熱支持部材に加わる応力を低く
抑えて破断を防ぎ、また極低温容器の位置ずれを防止す
ることができる。また、熱膨張率が正および負の繊維を
平行に混合配列するので、熱膨張率が正および負の支持
部材を別々に成形してこれらを連結した場合に比べ、繊
維強化プラスチックの成形後にこれらを接合する面倒な
作業が不要であり、得られた断熱支持部材の形状、ｆＩ
ｔ造が従来のガラス繊維またはカーボン繊維を単独で使
用したものと同様に簡単になり、長さの短い断熱支持部
材が容易に得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例の正面図、第２図は核磁気
共鳴断層撮影装置の一部破断側面図、第３図は第２図の
ＩＩＩ−Ｉ線断面図である。 １：外側容器、５：極低温容器、９：超電導マグネット
、１０．１１．２０：支持部材。 第１図 第２図 手続補正書 平成２年１１月１５日 特許庁長官　植　松　　敏　殿　　　　しｌ　事件の表
示 平成２年特許願第１８２１９６号 ２　発明の名称 極低温容器の断熱支持部材 ３、手続をする者 事件との関係　　特許出願人 居　所　大阪市北区堂島浜二丁目２番８号名　称　（３
１６）東洋紡績株式会社 ４　代理人 居　所　大阪市中央区安土町１丁目７番２０号（新トヤ
マビル）電話０６（２６４）６５５５氏名（８１６６）
弁理士吉田了司′ち・５　補正命令の日付　　自発　　
　　　　　　〜“６、補正の対象 明細書の特許請求の範囲および発明の詳細なｆｌ）特許
請求の範囲を別紙のとおり訂正。 （２）明細書第５頁２行目 ［繊維を・・・・・・平行にＪを「繊維を互いに平行に
Ｊに訂正。 別　　　紙 （特許請求の範囲） Ｃ１〕繊維強化プラスチックからなり、極低温容器と該
極低温容器を囲む外側容器との間に断熱空間か形成され
るように上記の極低温容器および外側容器との間の複数
箇所に介設される極低温容器の断熱支持部材において、
上記の繊維強化プラスチックか正の熱膨張率を有する繊
維および負の熱膨張率を有する繊維を互いに平行に混合
配列して補強繊維としたものであることを特徴とする極
低温容器の断熱支持部材。 手続補正書　　　　　（ 平成３年３月１１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕繊維強化プラスチックからなり、極低温容器と該
   極低温容器を囲む外側容器との間に断熱空間が形成され
   るように上記の極低温容器および外側容器との間の複数
   箇所に介設される極低温容器の断熱支持部材において、
   上記の繊維強化プラスチックが正の熱膨張率を有する繊
   維および負の熱膨張率を有する繊維を上記断熱支持部材
   の長さ方向と平行に混合配列して補強繊維としたもので
   あることを特徴とする極低温容器の断熱支持部材。