JPS61208205A - クライオスタツト - 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】 〔発嬰の利用分野〕 本発明はり、ライオスタットに係シ、特に繊維強化プラ
スチックス（以下、Ｆａｒと記載する）で構成したクラ
イオスタットに関する。

〔発明の背景〕

一般に、超電導マグネットのコイル等の超電導機器は、
液体ヘリウム中に浸漬冷却されるか、あるいは熱伝導の
優れた銅、アルミ等を介して熱伝導で極低温まで冷却さ
れる。

このような超電導機器は、外部からの熱侵入による液体
ヘリウムの蒸発を極力少なくするため、内部に真空断熱
層、および液体窒素シールド等の熱シールドを適宜設け
たクライオスタット中に収納される。通常、このような
りライオスタットは、る。そのため、損失の低減、及び
磁場均一度の向上を図るには、非金属材料でクライオス
タットを構成する必要がある。このようなりライオスタ
ットとしては、ガラス製のものとＦＲＰ製のものとがあ
るが、ガラス製のものは機械的強度が弱い等の欠点があ
シ、小型のもの以外ではＦＲＰ製のものが優れている。

第３図にＦＲ，Ｐクライオスタットの概略構成を示す。

該図の如＜、ＦＲＰクライオスタットはＦＲＰ製の内槽
１、外槽２、及び上蓋５で概略構成され、内槽１と外槽
２とはＯＩＪングの使用あるいは接着等の手段で気密に
一体化される。この内槽ｌと外槽２によって構成される
空間は、通常外槽２に取付けられる真空排気口４から排
気した後、封じ切られ真空断熱層３を形成する。真空断
熱層３中には、放射による熱侵入を防止するため通常図
示しない積層断熱材が設置される。内槽ｌには例えば超
電導マグネット６等が収納きれ、液体ヘリウム８で満た
される。また、上蓋５には図示しない液体ヘリウム８の
注入口、超電導マグネット６への給電線等が取付けられ
る。この糧の構成のＦＲＰクライオスタットの例として
は、既に特開昭５７−１９０３７４号公報等に記載され
ている。このような構成のＰＡＰクライオスタットは、
液体窒素シールド無しで前記したステンレスクライオス
タットと＃１ぼ同程度の断熱性能が得られ、且つうず電
流の発生がない等の利点がある。

しかしながら、このようなＦＲＰ製の内槽１においては
、内槽１内に液体ヘリウム８、あるいは液体窒素等の寒
剤を投入した際の熱応力の発生に起因して、ＦＲＰ層内
ガラス基材に沿ったクラック、あるいは剥離が生ずる懸
念があった。ＦＲＰの場合、繊維強化方向である周方向
、及び軸方向９強度は大きいが、径方向には繊維強化材
が無く強度が小さいことも上記クラックの発生を促進し
ている。

第４図に内槽内へ液体ヘリウムを投入した際の温度分布
の経時変化を示す。Ｃ時間経過とともに’４ｍ　　’！
＊　　ｔｍｍ　　”４１　　Ｆｅ　　ｔ８の如くに変化
。）図において右側が液体ヘリウムに接する内径側であ
シ、Ｗが２８２層の厚みを示す。内径側は液体ヘリウム
に接するか、あるいは低温ガスヘリウムによって急激に
液体ヘリウム温度（ＬＨｅＴ＝４Ｋ）まで冷却されるが
、逆側（外径側）はＦＲＰ層を通しての熱伝導で徐々に
液体ヘリウム温度に近づく。そのため、ＦＥ、Ｐ層内に
は第４図に示すような急激な温度勾配が生じ、外径側に
比較し内径側の熱収縮が大きいことから第５図に示す径
方向の引張シ応力が発生し、この応力がＦＲＰ層の径方
向強度よシ大きくなると前述のクラック。

剥離が発生する。この熱応力によるクラック発生による
クラック発生の問題が顕著に表われる例としては、第６
図に示すようにＦＲＰ層１層内０内部に気体透過遮へい
層１１を設けた場合がある。

この気体透過遮へい層１１は、ＦＲＰ層が金属材料等に
比較し゛て気体透過が大きい（％にヘリウムの透過が問
題となるまため、これを極力防止し真空断熱層の真空劣
化Ｃ真空断熱層は１０−”ｌ’ｏｒｒを目高に用いられ
る。一般に気体透過遮へい層１１は、短冊状のアルミ箔
、あるいはマイカ片等が用いられるが、しかし、これら
の材料のレジンに対する接着強度は、ＦＲＰ層の径方向
強度に比較し、さらに小さいことから前記の熱引張シ応
力に上って、よシ簡単にクラック、剥離等が発生する恐
れがある。

〔発明の目的〕

本発明は上述の点に鑑み成されたもので、その目的とす
るところは、冷熱サイクルに対しても安定でＦＲ，Ｐ層
内にクラック、剥離等の生じない信頼性の高いクライオ
スタットを提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、ガラスマット、ガラスロービングクロス、ガ
ラスクロス、あるいはカーボンクロス等基材の種類、繊
維の種類によ）熱収縮率（常温から、ある益度まで冷却
した際に生ずる収縮分を元の長さで除したもの。通常係
で示す。）が異なるこ七に着眼し、外径側よシ内径側釦
ゆくにしたがい熱収縮率の小さい材料を配置することに
よう、所期の目的を達成するように成したものである。

〔発明の実施例〕

以下、図面の実施例に基づいて本発明の詳細な説明する
。尚、符号は従来と同一のものは同符号を使用する。

第１図に本発明の一実施例を示す。該図は従来例第６図
と同様、熱応力によるクラックの発生しやすい気体透過
遮へい層１１のある場合である。

図において１２、及び１３はそれぞれ内径側（液体ヘリ
ウム等に接する側）、及び外径側の２８２層であり、本
実施例では内径側の２８２層は外径側のＰＲ，Ｐ層に比
較し、よシ熱収縮率の小さい材料で構成される。

一般にＧＦＲＰ　（ガラス繊維強化プラスチックの場合
、ガラス繊維充填量が増加するにしたがい熱収縮率が小
さくなる。そのため、ガラスマット。

カラスクロス、ガラスロービングクロス等を基材として
製作したＧＦＲＰＯ熱収縮率は、ガラスマット基材ＧＦ
几Ｐ〉ガラスクロス基材ＧＦ’ＲＰ＞ロービングクロス
ＧＦＲＰのようになる。また、ＣＦＲＰ　Ｃカーボン繊
維強化プラスチツク１の織繊維方向熱収縮率は、はぼ零
でＧＦＲ，Ｐのそれよりも小さい。

ガラス繊維、カーボン繊維以外にポリエステル繊維など
も考えられるが、これらを用いて製作されるＦ几Ｐは気
体透過、特にヘリウムの透過が大きくクライオスタット
を構成する材料としては不適である。

したがって、本発明を適用したｉｇ１図では、外径側Ｆ
ＲＰ／１１３をガラスマット基材で構成した゛場合内径
側ＦＩ’ＬＰ層１２はガラスロービング基材で構成され
る。また、内径側、及び外径側Ｆ几Ｐ層１２，１３とも
ガラスマットとガラスロービングクロスの組合せで構成
し、外径側２８２層１３に比較し、内径側ＦＲＰ層１２
のロービングクロスの量が多くなるように構成しても良
い。さらに外径側２８２層１３をガラス繊維基材で構成
し内径側をカーボン繊維基材で構成しても良い。

層１３に比較し内径側ＦＲＰｉｌ　２の温度が低くなっ
た場合でも、内径側が熱収縮率の小さい材料で構成され
ているため熱収縮は小さく、同一材料で構成されている
第６図に比較し、熱応力は大幅に低減される。そのため
、接着強度の弱い気体透過遮へい層１１１Ｃおいてもク
ラック、剥離が発生することは無い。

次に本発明の最つとも望ましい実施例を第２図に示す。

核図のように、本実施例では内槽を構成するＦＲＰ／ｉ
は熱収縮率の異る複数の層に分割され、より内径側には
、よシ熱収縮率の小さい材料が選択される。この例は分
割数が５ケの例で、ＦＲＰ慢１４が最内径側である。し
たがって、熱収縮率′ＦｉＦＲＰｌｉ１８，１７，１６
，１５．１４の順に小さくなる＝熱収縮率調整の手段は
、前記したように繊維のＳ類（カーボン、あるいはガラ
ス）、基材の種類（マット、クロス、ロービング）、あ
るいはその組合せを適正に選択することにても、温度変
化の太きｒ部分に熱収縮率の小さい材料が用いられてい
るために、熱収縮量がＦＲＰ層内全体で均等化され第５
図に示した熱応力σはより大幅に低減される。また、全
体がほぼ液体ヘリウム温度になる第４図、ｔ６以降にお
いては内径側に比較して外径側の熱収縮が大きくなるた
め、第５図の熱応力は圧縮応力となるため、ガラス基材
等の層間にクラック、剥離の生ずる懸念は無い。

このようた本実施例によれば、苛酷な冷却に対しても安
定なＦＴＬＰクライオスタットが得られる。

尚、今までの例は、内径側になるにしたがい熱収縮率の
小さい材料を配するという表現で説明してきたが、これ
はマクロに見た場合の表現で、ミクロ忙見て、内径側に
熱収縮率の大きい材料があっても本発明の目的は達成さ
れる。すなわち、ＦＲＰＩｉｊｔ−ガラスマットとガラ
スロービングクロスで構成し、内径側にゆくにしたがい
ロービングクロスの割合を多くした場合等がこの例であ
るが、その場合でも熱応力はマクロに見た熱収縮率と温
度分布で決するため本発明の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明のクライオスタットによれば、内槽
を外径側から内径側になるにしたがい熱温度変化に対し
ても安定で、クラック、剥離等の発生が無く、信頼性の
高いＦＲＰ製のクライオスタットを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すクライオスタット内槽
壁の断面図、第２図は本発明の他の実施例を示すクライ
オスタット内槽壁の断面図、第３図は一般的なＦＲＰ製
クチクライオスタットす断　　　゛面図、第４図は液体
ヘリウム投入時における内槽壁内の温度分布経時変化を
示す特性図、第５図は発生熱応力の方向を示す内槽壁の
部分斜視図、第６図は従来のクライオスタット内槽壁を
示す断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液体ヘリウム、あるいは液体窒素等を収容する繊維
   強化プラスチック製の内槽と、この内槽の周囲に設けら
   れた繊維強化プラスチック製の外槽とによつて構成され
   、前記内槽と外槽との空間を真空排気してなるクライオ
   スタットにおいて、前記内槽を外径側から内径側になる
   にしたがい熱収縮率の小さい材料を配して構成したこと
   を特徴とするクライオスタット。 ２、前記繊維強化プラスチック製の内槽は、外径側から
   内径側に向かいガラスマット、ガラスクロス、ガラスロ
   ービングクロス、カーボンクロスの順に基材を配したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のクライオス
   タット。 ３、前記繊維強化プラスチック製の内槽をガラスマット
   とガラスクロス、あるいはガラスマットとガラスロービ
   ングクロスで構成し、外径筒から内径側に向かうにした
   がいガラスクロス、あるいはガラスロービングクロスの
   割合を増やしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のクライオスタット。 ４、前記繊維強化プラスチツク製の内槽壁内に短冊状の
   気体透過遮へい層を設け、この気体透過遮へい層の内径
   側に、外径側の繊維強化プラスチック層よりも熱収縮率
   の小さい繊維強化プラスチック層を配したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のクライオスタット。 ５、前記気体透過遮へい層は、アルミ箔、マイカ片等で
   構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   記載のクライオスタット。