JPH06211274A - 真空断熱式樹脂製冷媒槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極低温領域の各種液体の貯蔵・運搬を行う真
空断熱式樹脂製冷媒槽は、従来その冷媒室をガラス繊維
強化エポキシ樹脂の一体整形体で制作し、断熱方式とし
て反射フィルム多層構造と高真空を採用し、一般的普及
が困難となるまで高価な冷媒槽となっている。そこで安
価な熱可塑製樹脂を材料とし、接着剤による接合によっ
て組み立て安価かつ高性能な極低温領域で使用できる冷
媒槽を制作する。 【構成】 冷媒室内外表面に温度均一化層および冷媒室
内表面に熱衝撃緩和層の両方あるいはどちらかを持ち、
構造材料として熱可塑性樹脂が採用され、接着剤を使用
して各構成部材が組み立てられる。冷媒室の底板として
薄い肉厚の断熱真空室側に凹の半球体を用い、半球内に
吸着材が配置される。断熱真空室には有機系発泡断熱体
粒（セル径１０〜１００μｍ粒径０．５〜２ｍｍ）が充
填密度０．０１〜０．０４ｇ／ｃｃで充填される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明は、極低温領域の沸点を
持つ酸素を除く各種液体の貯蔵・運搬及びこれを利用し
た低温環境の発生・保持を行う非磁性・非誘導・安価・
軽量を特徴とする槽に関する。

【０００２】

【従来の技術】 従来の真空断熱式樹脂冷媒槽では、構
造材としてガラス繊維強化型エポキシ樹脂が採用され、
冷媒室を構成する部材は一体整形によって制作されてい
る。この樹脂はガラス布によって機械強度が向上させら
れており、金属と同程度の特性を示す。しかしながら、
冷媒槽としての組み立てを接着剤等による接合を含んで
行うと、その接合部においてはガラス繊維の全面的切断
が生じているため、冷却時には熱歪が接合部に集中し、
破壊にいたる。このため、冷媒室を構成する部材には、
一体整形体を用いる必要がある。この一体整形体には、
高度の真空に対する密閉性が要求されるため、エポキシ
樹脂とガラス布との含浸の良・不良による歩留りが生じ
ている。またこの樹脂は、機械加工時、肺がん等の原因
となりうるとされる細かなガラス繊維の飛散が生じ、作
業者の健康維持のための対策を講じる必要がある。

【０００３】断熱真空室の真空度には１０μＴｏｒｒ程
度が要求されている。これは、アルミ蒸着ポリエステル
フィルムの多層構造によって輻射を防ぎ、真空室内の気
体分子の平均的自由行程をフィルム間の間隙（〜数百μ
ｍ）によって制限し、気体熱伝導率を低下させる方式を
採用されているため、充分な断熱性能をうるには、この
高真空領域の真空度が要求される。この真空度を発生・
維持するために、活性炭等の吸着材を真空室内に配置し
冷媒充填時にこれを冷却することによって真空室内部表
面からのガスの沸きだし、微小な洩れによる気体分子を
吸着させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 冷媒室を構成する部
材に対し、一体整形体を採用しなければならずエポキシ
樹脂のガラス布内への含浸状態の良、不良による歩留り
が発生する問題、ガラス繊維強化樹脂を機械加工する時
のガラス繊維の飛散による作業者の健康阻害の問題、お
よび真空室の真空度に〜１０μＴｏｒｒという高真空が
要求されるために生じる真空発生装置のコストおよび長
時間におよぶ排気そして定期的真空排気の必要性が生じ
ている問題を解決または改善する。

【０００５】

【問題点解決のための手段】 本発明は、冷媒槽の構造
材として日常的に使用されている熱可塑性樹脂を使用す
ることにより、各部材の機械加工時に作業者の健康を阻
害するガラス繊維の飛散を根本的に解決する。一体整形
体ではなく冷媒室を接着剤を使用して各部材を接合し組
み立てることにより含浸工程にともなう歩留りの問題を
解決する。

【０００６】断熱用真空室に要求される１０μＴｏｒｒ
程度の高真空の必要及びそれに付随する上述の問題を、
連続開気孔を持つ有機系発泡断熱体粒（０．５〜２ｍｍ
径）の真空室内への充填密度０．０１〜０．０４ｇ／ｃ
ｃでの充填によって要求される真空度を中真空領域へと
低下させ解決する。

【０００７】

【作用】冷媒層の構造材として、熱可塑性樹脂を使用す
る場合、これらの樹脂の小さな熱伝導率と大きな熱膨張
率に起因して、発生する熱歪によって、槽がその冷却時
に破壊するという困難を防ぐため、この発明は３つの構
造的考案を行っている。

【０００８】ひとつは、冷媒槽内外表面に熱良導体であ
る金属箔を付着させ温度均一化層を構成することであ
る。純アルミないし純銅は通常の熱可塑性樹脂と極低温
領域において、その熱伝導率比は１０００程度であり、
構造体の肉厚よりかなり肉厚の薄い箔（〜０．１ｍｍ）
によっても充分効果のある温度均一化層を構成できる。
この温度均一化層は冷媒室の表面の均一な冷却をうなが
し、熱歪の発生を緩和する。

【０００９】ひとつは、冷媒室内側の表面に発泡断熱材
を用いて熱衝撃緩和層を設けることである。これは発泡
断熱材が熱可塑性樹脂に比して１／１０倍程度の熱伝導
率を持ち、かつまた、構造体を冷却する熱流束値が冷媒
の種類及び接触面と冷媒との温度差とによってほぼ定ま
ることから熱可塑性樹脂内の厚み方向の温度分布の発生
を低減し、厚み方向の熱歪の発生を低減する。この熱衝
撃緩和層の厚みは構造体の厚み方向の温度分布をその樹
脂の各強度特性から許される範囲内におさまるように選
択される。さらに、上述の温度均一化層との相乗効果に
より、冷媒室の構造体が均一に冷却されることをうなが
し、熱歪の発生を低減する。

【００１０】ひとつは、肉薄半球体の底板としての採用
である。真空断熱を断熱方式として採用する場合、冷媒
室は、その周囲に配置される真空室との壁に大気圧で圧
力を受ける。冷媒室の側面の壁を構成する部材には円筒
を採用することが従来からよく行われており、この形状
は薄い肉厚の部材でもその圧力に耐えることができる。
しかし底板は単なる平板を使用すると側面の部材に比し
かなりの肉厚材を使用する必要があるが、熱可塑性樹脂
を材料として使用する場合、この様な厚い肉厚材の使用
は熱歪の問題の解決を困難にする。そこで、この底板と
して、薄肉の部材においてもこの圧力に耐えうる真空室
側に凹の半球体を採用する。そしてこの半球体の肉厚を
側円筒部材の肉厚より充分薄くし、かつ接合部の接合強
度を充分強め、冷却時の熱歪をこの半球体の弾性変形に
よつて吸収する。

【００１１】この発明では、断熱用真空室内の要求真空
度を中真空領域に低減するため、有機系発泡断熱体粒で
真空室内を充填することを考案した。中真空領域の真空
度で、真空室内の気体分子の平均自由行程は１０〜１０
０μｍの発泡体セルの平均直径値程度に制限されるた
め、熱伝導率は気体分子の密度によって制限される状態
にあり、油回転ポンプあるいは液体窒素温度に冷却され
た活性炭・ゼオライトなどの吸着材により達成できる１
０ｍＴｏｒｒにおいて充分な断熱をうることができる。

【００１２】この発明では、この吸着材が配置される位
置として冷媒の充填量にかかわらずもっとも安定して冷
却できる冷媒室の底板である半球体の真空室側半球内と
する。

【００１３】また、この粒による充満は輻射にたいして
この粒が灰色体とみなしうるので発泡体による吸収・散
乱により室温部の輻射光線が直接冷媒室の壁に達するの
を防ぐ。

【００１４】従来よりパーライトなどによる無機系通気
性多孔買の粉末の真空室への充填（典型的な値として充
填密度０．０８ｇ／ｃｃ）は真空断熱の一般的な手法と
して実施されているが、粉体の場合には冷媒槽の重量及
び熱容量の増加という欠点を持ち、また、到達すること
のできる最低熱伝導率がヘリウムなどの蒸発しやすい液
体に対しては不十分である。

【００１５】本発明により考案された有機系発泡体粒は
この上述の欠点を有機系発泡体の材料物質自体が無機系
物質より低い熱伝導率を持つことと粉体と比した場合の
その低い充填密度によって克服している。

【００１６】

【実施例】 図１に本発明の一実施例を示す。この実施
例は、熱可塑性樹脂として透明アクリル樹脂、接着剤と
して低粘度性シアノアクリレート系接着剤を使用し、発
泡断熱体粒として、発泡スチロール粒（セル径１０〜１
００μｍ、粒径０．５〜２ｍｍ）を充填密度０．０２ｇ
／ｃｃで使用した。吸着材として活性炭８０ｇを使用
し、液体窒素充填時油回転ポンプでの数時間の粗引後、
閉じている状態において、理論的限界と考えられる１０
ｍＴｏｒｒの真空の実現をピラニ真空計により確認し
た。このことは窒素分子の真空室への洩れが問題となる
ほどには存在しないことを示している。

【００１７】真空室内径１００ｍｍ、真空室厚み２０ｍ
ｍ、冷媒室長さ４０ｃｍ、冷媒深さ１５ｃｍの場合、こ
の時冷媒への熱侵入は液体窒素の蒸発量に基づいて３Ｗ
であった。粗びきを行わない場合には同条件で７Ｗであ
った。またアクリル樹脂の低ヤング率を原因とする槽の
大気圧による変形を防ぐため、槽の強度を断熱真空室内
の構造に影響を与えることのないように外側にアクリル
樹脂製ドーナツ板を接着することによってそのポアソン
比を利用して高めた。この強化法の採用は冷媒槽の軽量
化に寄与する。

【００１８】１０回以上の液体窒素充填の繰り返し後、
冷媒室の接合部には肉眼上まったく変化は見られなかっ
た。発泡断熱体粒として採用した発泡スチロール粒は大
気圧・真空間の繰り返しに対し、その両圧力状態におい
て肉眼上まったく変化は見られなかった。

【００１９】

【発明の効果】 本発明は、冷媒室の組み立てに接着剤
による接合を採用することを可能とし、一体整形による
歩留りの問題を解決し、部材ごとの加工によるコストの
低減を実現した。また、破壊に対する修理も容易とな
り、またそのコストも低減した。

【００２０】日常的に使用されている熱可塑性樹脂を構
造材として使用することによって、材料のコストを低減
するとともに、ガラス繊維強化樹脂加工における作業者
の健康侵害の問題を根本的に解決した。真空室内に有機
系発泡断熱体粒を充填することにより要求真空度を１０
ｍＴｏｒｒ程度の油回転ポンプによって実現できる中真
空領域に低下させることにより真空びきの時間、設備上
のコストを低減した。真空室内へのヘリウム分子の侵入
が生じた場合も分解を行わなくても断熱性能回復上有効
な真空引きが可能となった。

【００２１】高価かつその作業コストの高いアルミ蒸着
ポリエステルフィルムにかわる安価で充填作業がパーラ
イト等の無機系通気性多孔室の粉末に比して容易な有機
系発泡断熱体粒の使用は断熱真空室の厚みを増すことに
よる断熱能力の向上という手段を適用する場合のコスト
上の困難を解決した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例であるアクリル樹脂製の液体
窒素貯蔵用真空断熱式冷媒槽を示した模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

１．冷媒室側円筒 ２．冷媒室 ３．冷媒室底板 ４．熱衝撃緩和層（コルク層） ５．温度均一化層（アルミ箔層） ６．真空室（発泡断熱体粒が充填される） ７．リーク弁（真空室が陽圧となり破壊されるのを防
ぐ） ８．真空室外側円筒 ９．真空室外側円筒補強用ドーナツ板 １０．真空室底板 １１．真空室上板 １２．真空引き口弁 １３．吸着材（活性炭）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒室内外表面に熱良導体である金属箔
   を用いた温度均一化層および冷媒室内表面に各種発泡断
   熱体による熱衝撃緩和層の両方あるいはどちらかを持
   ち、構造材料として熱可塑性樹脂が採用され、接着剤を
   使用して各構成部材が接合され組み立てられる真空断熱
   式冷媒槽。
2. 【請求項２】 構造材料として熱可塑性樹脂を採用し、
   冷媒室の底板として冷媒室を構成する側円筒部材の肉厚
   より薄い肉厚の断熱真空室側に凹の半球体を用い、この
   側円筒部材との接合をこの内側表面とほぼ平行とみなせ
   かつその接合幅がこの側円筒の肉厚の２倍以上であるす
   りあわせ面で接着剤を用いて行い、接合部の厚みがほぼ
   接合部以外での側円筒部材の肉厚にほぼ等しい真空断熱
   式冷媒槽。
3. 【請求項３】 構造材料として熱可塑性樹脂を採用し、
   冷媒室の底板として冷媒室を構成する側円筒部材の肉厚
   より薄い肉厚の断熱真空室側に凹の半球体を用い、この
   側円筒部材との接合をこの内側表面とほぼ平行とみなせ
   かつその接合幅がこの側円筒の肉厚の２倍以上であるす
   りあわせ面で接着剤を用いて行い、接合部の厚みがほぼ
   接合部以外での側円筒部材の肉厚に等しく、この半球体
   の真空室側半球内に活性炭・ゼオライトなどの吸着材が
   配置される真空断熱式冷媒槽。
4. 【請求項４】 断熱真空室に連続開気孔を持つ有機系発
   泡断熱体粒（セル径１０〜１００μｍ、粒径０．５〜２
   ｍｍ）が充填密度０．０１〜０．０４ｇ／ｃｃで充填さ
   れ、冷媒室底部の真空室側表面に活性炭・ゼオライトな
   どの吸着材が配置された真空断熱式冷媒槽。
5. 【請求項５】構造材料として熱可塑性樹脂を採用し、冷
   媒室の底板として冷媒室を構成する側円筒部材の肉厚よ
   り薄い肉厚の断熱真空室側に凹の半球体を用い、この側
   円筒部材との接合を接着剤を用いてこの内側表面とほぼ
   平行とみなせ、かつその接合幅がこの側円筒の肉厚の２
   倍以上であるすりあわせ面で接着剤を用いて行い、接合
   部の厚みがほぼ接合部以外での側円筒部材の肉厚に等し
   く、この半球体の真空室側半球内に活性炭・ゼオライト
   などの吸着材が配置され、断熱真空室に連続開気孔を持
   つ有機系発泡断熱体粒（セル径１０〜１００μｍ、粒径
   ０．５〜２ｍｍ）が充墳密度０．０１〜０．０４ｇ／ｃ
   ｃで充填された真空断熱式冷媒槽。