JPH057023A - 一体成形断熱支持材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】優れた断熱性能を有し、かつ機械的強度及び生
産性の改良された一体成形の断熱支持材を提供する。 【構成】隣接する外筒１と内筒２がそれらの中央部３で
一体成形された二重円筒構造を有する繊維強化樹脂製断
熱支持材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化樹脂製の断熱支
持材に関する。

【０００２】

【従来の技術】低温を保持するための容器、特に極低温
を保持するための容器、すなわち液体ヘリウムを貯蔵す
るための断熱容器においては、液体ヘリウムの蒸発量を
最小限に押さえるために、優れた断熱特性を有し、内部
への熱浸入量の小さいことが必要条件となる。単純な液
体ヘリウム用の容器で、この条件を満たすために、種々
の断熱支持構造が採用されているが、浮上式鉄道に用い
る超電導磁石用の断熱容器では、内部の超電導磁石に働
く浮上力および推進力を常温部に伝達する必要があり、
そのために、超電導コイルを内蔵した液体ヘリウム内槽
と常温部の間に協力な支持力を有する必要がある反面、
液体ヘリウムへの熱浸入は極力小さくすることが望まし
いため、非常に難しい問題となっている。

【０００３】極低温容器の断熱支持構造について、特開
昭５５−８７０００号公報、同５６−１５２２１１号公
報及び同５９−９８５７０号公報では、複数個の直径の
異なる円筒を同心円状に重ねて配置し、隣接する円筒ど
うしの接合を該円筒の中央部で行うものと両端で行うも
のを交互に組合わせて構成し、前後、左右、上下の支持
力を一個で負担できる極低温容器の断熱支持構造を開示
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来法
では円筒を個々に別々に製作し、ついで隣接する円筒同
士を接合しているので、大きな荷重に耐えるには問題が
残った。すなわち円筒同士を接合する操作は難しく、接
合前には円筒表面を平滑にするための機械加工が必須に
なり、また同心円状に重ねて配置された円筒同士を中央
部で接着剤を用いて接合しようとしても、充分に圧をか
けることが難しく、接着強度に問題があり、更に生産性
にも欠けていた。本発明は、上記欠点を解決しようとす
るものであって、かつ優れた断熱性能を有する低温容器
の断熱支持材を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、２個の径の異
なる円筒が同心円状に重ねて配置され、隣接する円筒同
士が該円筒の中央部にて一体成形された構造を有するこ
とを特徴とする繊維強化樹脂からなる一体成形断熱支持
材に関する。

【０００６】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の繊維強化樹脂製の一体成形断熱支持材
の例であって、隣接する外筒１、内筒２を中央部で一体
成形された二重円筒構造を有する断熱支持材である。

【０００７】図２は、図１に示した一体成形断熱支持材
を用いた低温容器の断熱支持構造の断面図である。これ
は、本発明の隣接する外筒１、内筒２が中央部３で一体
成形された二重円筒からなる断熱支持材と、隣接する外
筒４、内筒５が中央部６で一体成形された二重円筒から
なる断熱支持材とを接続治具７で接合した四重円筒から
なる断熱支持構造を示す。該断熱支持構造は低温容器側
壁８と常温の取付部側壁９とを接続固定している。それ
ぞれとの固定方法は溶接、ピン接合等周知の方法が用い
られる。

【０００８】図３は、浮上式鉄道に用いる超電導コイル
用の断熱構造を示すもので、図２に示した断熱支持材を
用いた極低温容器の断熱支持構造の概略の側面図であ
る。該断熱支持構造は超電導コイルの入った極低温容器
１２と台車取付部１１を、断熱支持材１０が固定してい
るものである。ここでは、補助車輪等は省略して台車の
一部１３を図示している。

【０００９】本発明の一体成形断熱支持材の製造方法と
しては、フィラメントワインディング法、ハンドレイア
ップ法等を適用できるが、フィラメントワインディング
法（以下、ＦＷ法ということがある）が好ましい。図４
は、本発明の一体成形断熱支持材をフィラメントワイン
ディング法で製造するときに用いるマンドレル一式の例
を示すものであって、円筒型マンドレル１４に補助マン
ドレル１５をボルト１６で固定した状態を示している。

【００１０】本発明の一体成形断熱支持材を製造するに
当たっては、まず補助マンドレル１５、ボルト１６を除
いた状態で、回転するマンドレル１４に樹脂を含浸させ
た強化繊維を巻き付ける、そして、内筒に相当する部分
まで成形ができたら、マンドレルを停止して、補助マン
ドレル１５をボルト１６でマンドレル１４に固定して、
再びマンドレル１４を回転して、中央部および補助マン
ドレル１５の上に樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付け
ていき、図１における外筒部１および中央部３を形成す
る。

【００１１】そして、用いた樹脂が常温硬化型樹脂のと
きには、所定時間放置後、加熱硬化型樹脂のときには、
所定時間、所定温度に保持した後、ボルト１６をはずし
補助マンドレル１５を引き抜くと、中央部で一体成形に
より連結された二重円筒の断熱支持材が得られる。

【００１２】補助マンドレル１５は中央部に向けて、外
周のみ０．５°以上のテーパーを付けることが好まし
い。０．５°未満のテーパーでは硬化後のＦＲＰから補
助マンドレル１５を引き抜きにくい。

【００１３】また、マンドレル１４と補助マンドレル１
５の材質については、熱膨張率が異なる２種の金属を用
いることが好ましい。すなわち、マンドレル１４に熱膨
張率の大きい金属を用い、補助マンドレル１５にマンド
レル１４より熱膨張率の小さい金属を用いた場合、加熱
硬化型樹脂の場合、硬化の際にマンドレル１４の膨張の
方が大きいので円筒部に圧力がかかり、繊維に対して樹
脂の含浸を良くする。またマンドレルを離型する際にも
冷却するとマンドレル１４の方が大きく収縮するので、
抜けやすく好ましい。

【００１４】本発明で用いる強化繊維は、アルミナ質繊
維、セラミック繊維，ガラス繊維、炭素繊維、アラミド
繊維等が挙げられる。極低温だけの範囲では、炭素繊維
が熱伝導率が低いので好ましく、液体窒素温度域から室
温域ではガラス繊維が熱伝導率が低いので好ましい。

【００１５】常温から極低温まで断熱性能が優れている
のは、アルミナ質繊維である。例えば、炭素繊維は極低
温域ではガラス繊維より熱伝導率が低いが、室温域では
逆にガラス繊維の方が炭素繊維より熱伝導率が低くな
る。そのため熱の貫入量を最小にするには、ガラス繊維
強化樹脂と炭素繊維強化樹脂を併用した複雑な構造を取
る必要があった。しかし、アルミナ質繊維は、極低温域
から室温域にわたる広い温度範囲で、ガラス繊維および
炭素繊維のそれぞれの低い方とほぼ同一の熱伝導率を示
すので、全体をアルミナ質繊維強化樹脂（以下、ＡＬＦ
ＲＰということがある）からなる単一材料で作ることが
できる。

【００１６】本発明に用いられるアルミナ質繊維の組成
はアルミナ含有量が６０重量％以上、シリカ含有量が４
０重量％以下、好ましくはアルミナ７２重量％以上、シ
リカ２８重量％以下、さらに好ましくはアルミナ７５〜
９８重量％以下、シリカ２５〜２重量％のものがよい。
またシリカ含有量の内、繊維全重量に対して１０重量％
以下、好ましくは５重量％以下の範囲でこれをリチウ
ム、ベリリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、
リン、カリウム、カルシウム、チタン、クロム、マンガ
ン、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、タングス
テン、バリウムの一種または二種以上の酸化物で置き換
えてもよい。

【００１７】本発明に用いられるアルミナ質繊維の形態
は、長繊維で用いる方が高強度の特徴を生かせるので好
ましい。長繊維のときにはロービング、マット、織物と
して用いるのがよい。

【００１８】このようなアルミナ質繊維として、アルテ
ックス（商品名：住友化学工業（株）製）、アルセン
（商品名：電気化学工業（株）製）、Ｎｅｘｔｅｌ（商
品名：３Ｍ社製）、アルマックス（商品名：三井鉱山
（株）製）、ＦＰ Fiber（Du Pont 社製）等を挙げるこ
とができる。これらの中で好ましいアルミナ質繊維は、
アルテックス（住友化学工業（株）製）及びアルセン
（電気化学工業（株）製）である。

【００１９】該アルミナ質繊維の強度、弾性率は繊維径
を約１０μｍとすればそれぞれ１５０ｋｇ／ｍｍ² 、２
０ｔ／ｍｍ² 以上の値を示すものが好ましい。例えばア
ルミナ含有量８５重量％、シリカ含有量１５重量％の組
成からなる径１０μｍのアルミナ質繊維アルテックスは
引張強度１８０ｋｇ／ｍｍ² 以上、引張弾性率２１ｔ／
ｍｍ² 以上の値を示す。

【００２０】また該アルミナ質繊維のＸ線的構造におい
てα−アルミナの反射を実質的に示さないものが望まし
い。一般に無機繊維は高温において繊維内に繊維を形成
する無機物の結晶粒子が成長し、これら結晶粒子間の粒
界破壊のために繊維強度が著しく低下する。同時に、結
晶粒子の成長に伴って繊維の表面積が減少し、この為に
樹脂との接着性が低下する。この事情は該アルミナ質繊
維において本発明者らの検討の結果によれば、そのＸ線
回析像にα−アルミナによる反射が現れることによって
特徴づけられる。従って本発明に用いられるアルミナ質
繊維はそのＸ線回析像にα−アルミナの反射が現れない
ように製造されたものが好ましい。

【００２１】アルテックスは数１００オングストローム
程度の非常に微細な微結晶より構成されているため、熱
伝導率が普通のアルミナ繊維より小さく、従って本発明
の目的には最適な材料である。

【００２２】また本発明のマトリックスに用いられる合
成樹脂類としては、一般にＦＷ法、ハンドレイアップ法
等による繊維強化複合材料の製造に用いられている公知
の合成樹脂が使用される。例示すると、エポキシ樹脂、
フェノール樹脂、アルキッド樹脂、尿素樹脂、メラミン
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、芳香族ポリアミド樹
脂、ポリアミド−イミド樹脂、ビニルエステル樹脂、ポ
リエステル−イミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンゾ
チアゾール樹脂、ケイ素樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリ
エチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタアクリレー
ト、ポリスチレン（いわゆるハイ・インパクト・ポリス
チレンも含む）、ポリ塩化ビニール、弗素樹脂、ＡＢＳ
樹脂、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリアミ
ド（ナイロン６，６・６，６・１０，６・１１，６・１
２など）、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリカーボ
ネート、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエー
テルケトン、ポリエーテルケトン、ポリアミドイミド、
ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、芳香族ポリエス
テルなどの熱可塑性樹脂を挙げることができる。好まし
い熱硬化性樹脂組成物としてはエポキシ樹脂、不飽和ポ
リエステル樹脂およびビニルエステル樹脂が挙げられ
る。また好ましい熱可塑性樹脂としては、ポリエーテル
エーテルケトン、ポリエーテルスルホンおよびポリアミ
ドイミド樹脂が挙げられる。また支持材の熱輻射を低減
する為にメッキ用エポキシ樹脂を用い成形後メッキ、蒸
着等を施すことも有効である。

【００２３】

【発明の効果】本発明の一体成形断熱支持材は、同心円
状に重ねて配置された円筒同士を中央部で接着剤で接合
したものではなく、フィラメントワインディング法で一
体成形され、二重円筒であるから、機械的物性に優れて
おり、またその安定性もよい上、生産性が高い。特にア
ルミナ質繊維強化樹脂からなる極低温容器の一体成形断
熱支持材は、優れた引張強度、曲げ強度およびそれぞれ
の剛性、優れた層間剪断強度および極低温域から常温域
にわたる優れた断熱性を有するものである。

【００２４】

【実施例】図４に示したマンドレルから補助マンドレル
１５、ボルト１６を除いた状態で、回転する円筒形成用
マンドレル１４にエポキシ樹脂を含浸させたアルミナ質
繊維（商品名アルテックスＳＸ−１１−１Ｋ：住友化学
工業（株）製、繊維径１５ｍｍ）を巻き付け、内筒に相
当する部分を形成する。ついで、回転を停止して、補助
マンドレル１５をボルト１６で円筒成形用金型１４の両
端に固定する。再びマンドレルを回転して、補助マンド
レル１５の上に上記の樹脂を含浸させたアルミナ質繊維
を巻き付けて外筒を形成してゆく。補助金型に覆われて
いない中央部は直接に先に巻き付けられた内筒の表面に
直接巻き付けられることになる。かくして外筒と内筒の
一体成形部分が形成される。所定の温度にて所定時間放
置した後、ボルト１６をはずし、補助マンドレル１５を
引き抜くと本発明の図１に示される繊維強化樹脂製一体
成形断熱支持材が得られる。本発明の断熱支持材を用い
た低温容器の断熱支持構造を図２及び図３に示した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一体成形断熱支持材の一部切裁断面図

【図２】一体成形断熱支持材を二体用いた四重円筒から
なる断熱支持構造の断面図

【図３】極低温容器の断熱支持構造の概略の側面図

【図４】本発明の一体成形断熱支持材を製造するときに
用いるマンドレルの一部切裁断面図

【符号の説明】

１，一体成形断熱支持材の外筒部 ２，一体成形断熱支持材の内筒部 ３，一体成形断熱支持材の中央部 ４，一体成形断熱支持材の外筒部 ５，一体成形断熱支持材の内筒部 ６，一体成形断熱支持材の中央部 ７，接続治具 ８，極低温容器壁 ９，取付部側壁 １０，断熱支持材 １１，台車取付部 １２，超伝導コイルの入った極低温容器 １３，台車の一部 １４，円筒型マンドレル １５，補助マンドレル １６，ボルト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中納 佳史 茨城県つくば市北原６ 住友化学工業株式 会社内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】２個の径の異なる円筒が同心円状に重ねて
   配置され、隣接する円筒同士が該円筒の中央部にて一体
   成形された構造を有することを特徴とする繊維強化樹脂
   からなる一体成形断熱支持材。