JPH088108A - 超電導磁石の荷重支持体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、超電導磁石に働く荷重を支える荷重
支持体に関するもので、コイル冷却時の内槽の熱変形を
吸収しながら支持する荷重支持体を提供することにあ
る。また、本発明の他の目的は、コイル冷却時に荷重支
持体自身が熱収縮して、無駄な力を発生しないような支
持体の構造を提供することにある。 【構成】本支持体はロッド部９、シリンダ部１０及び締
結金具１１より構成される。更にロッド部９先端に内槽
１への取付け金具１２が取り付けられる。またシリンダ
部１０の端部には外槽３への取付け金具１３が取り付け
られる。締結金具１１上面には熱シ−ルド板２が取り付
けられるようにもなっている。締結金具１１の筒部１４
の板厚を変えることで、支持体４の軸方向の剛性と軸直
角方向の剛性を変化させることができる。ロッド部９、
シリンダ部１０を繊維強化プラスチックスで製作し、締
結金具１１をステンレスで製作してあることが望まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁石に働く荷重
を支える荷重支持体に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石は、超電導線を液体ヘリウム
で冷却し永久電流を流す。その為、超電導コイルを内槽
と呼ばれる収納容器に入れ、内部には液体ヘリウムが満
たされた状態で使用する。

【０００３】内槽は外槽と呼ばれる真空容器の中で荷重
支持体によって支持される。内槽は液体ヘリウム注入時
に熱収縮するため、荷重支持体は強制変形力を受ける。
また、荷重支持体自身も、内槽に接している部分の温度
が下がることにより、熱収縮し内槽と外槽の間に力を発
生する。

【０００４】この磁石冷却時の熱変形力に対する対策と
して、特開昭５６−２１３０４号公報記載の例がある。
これは、荷重支持体を内槽及び外槽に回転自由になるよ
うに取付け、熱変形力が直接支持体にかからないように
したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、超電
導磁石に変動磁場がかかりコイルに電磁振動が生じた場
合、回転自由に取り付けてある部分が振動で摩擦発熱を
引き起こし、その熱が内槽を通じてコイルへ伝わる恐れ
があるという問題を持っている。コイルの温度上昇はク
エンチと呼ばれる超電導破壊に繋がり非常に危険であ
る。

【０００６】本発明の目的は、しゅう動部分を持つこと
なくコイル冷却時の内槽の熱変形を吸収しながら支持す
る荷重支持体を提供することにある。また、本発明の他
の目的は、コイル冷却時に荷重支持体自身が熱収縮し
て、無駄な力を発生しないような支持体の構造を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は超電導磁石において、コイルを収納した内
槽と、内槽及び熱シ−ルド板、コイルを冷却するために
必要な冷却用配管などを収納する真空容器である外槽を
連結する部材が、線膨張率の違う材料２種類以上から構
成されることを特徴とする。

【０００８】本発明における超電導磁石は、極低温に冷
却されて使用されるものが好ましい。また、内槽とは、
コイルを収納し、冷却剤（例えば液体ヘリウム）が満た
される容器のことをいう。

【０００９】本発明の荷重支持体は、更に以下のいずれ
かの特徴を有するものである。◆ （１）この荷重支持体は、繊維強化プラスチックス（Ｆ
ＲＰ）から製作された部材と、金属部材の連結構造とな
っている。

【００１０】（２）この荷重支持体がアルミナ繊維で強
化されたエポキシ樹脂で製作された部分を持っている。
◆ （３）この荷重支持体が円筒状に成形された繊維強化プ
ラスチックスと、棒状に成形された繊維強化プラスチッ
クスと、両繊維強化プラスチックス材を連結する金属性
金具によって構成される。

【００１１】（４）この荷重支持体が円筒状の繊維強化
プラスチックス部をもち、その繊維強化プラスチックス
が互いに直行する繊維で強化されている。◆ （５）この荷重支持体が棒状の繊維強化プラスチックス
部を持ち、その繊維強化プラスチックスが一方向に揃え
られた繊維で強化されている。

【００１２】（６）この荷重支持体が外槽に取り付けら
れる円筒状の部材と、円筒の外槽取付け部と反対の部分
より円筒内部に向かって伸ばされた２種類目の部材と、
２種類目の部材から円筒部材の軸に沿って円筒外へ伸ば
され内槽へ取り付けられる３種類目の部材よりなる。◆ （７）この荷重支持体が楕円状の内槽の長軸と短軸を含
む平面に対して垂直になるように内槽表面に取り付けら
れる。

【００１３】

【作用】一般の材料は温度の低下とともに収縮する。同
一の材料で荷重支持体を製作するといかなる形状にして
もその全長は温度の低下によって線膨張率分だけ縮む。
線膨張率が小さい部材の間に、線膨張率の大きい部材を
挿入し、後者の収縮によって前者同士の間隔が伸びるよ
うな構造を提供することで、支持体の全長を冷却前後で
変化させないようにできる。

【００１４】具体的には、線膨張率の小さな部材として
繊維強化プラスチックスを選択し、線膨張率の大きな部
材として金属材料を選べばよい。

【００１５】そして、繊維強化プラスチックスを筒状に
成形し、他の棒状に成形した繊維強化プラスチックス
が、その内部に挿入された形になるよう両者間を金属部
材で連結しておく。冷却されると繊維強化プラスチック
スも金属も収縮するが、後者の線膨張率が前者のそれよ
り大きいため、繊維強化プラスチックス棒が筒状繊維強
化プラスチックス内より押し出される形となる。繊維強
化プラスチックス部材と金属部材の寸法を制御すること
で、支持体の全長が変化しないようにできる。

【００１６】また、筒状繊維強化プラスチックスを、そ
の軸に対して直交する向きに変形しやすいような繊維配
向とすることで、冷却時の熱変形で支持体が破壊しない
ようにできる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。◆まず本発明の一実施例を図１、図２を用いて説明
する。

【００１８】図１において、超電導コイルを収納した内
槽１は、熱シ−ルド板２で覆われ、真空容器である外槽
３内に、荷重支持体４によって支持されている。荷重支
持体４は内槽１、熱シ−ルド板２を同時に支持する部材
である。内槽１には超電導コイルを冷却するための液体
ヘリウムを通す配管５が取り付けられている。また、超
電導コイルに通電するためのパワ−リ−ド６及び永久電
流スイッチ７が内槽１に付随する。この永久電流スイッ
チ７には外部の端子８より給電される。

【００１９】荷重支持体４は内槽１、熱シ−ルド板２及
び外槽３へ溶接されていても良いし、ボルト締結されて
いても差し支えない。

【００２０】図２に荷重支持体の内部構造図を示す。◆
本支持体はロッド部９、シリンダ部１０及び締結金具１
１より構成される。更にロッド部９先端に内槽１への取
付け金具１２が取り付けられる。またシリンダ部１０の
端部には外槽３への取付け金具１３が取り付けられる。
締結金具１１上面には熱シ−ルド板２が取り付けられる
ようにもなっている。締結金具１１の筒部１４の板厚を
変えることで、支持体４の軸方向の剛性と軸直角方向の
剛性を変化させることができる。

【００２１】特に本支持体のような構造とすることで、
軸方向の剛性に対して軸直角方向の剛性を低くすること
ができ、支持体を内槽に取り付ける向きを工夫すること
でコイル冷却時の熱変形を吸収することができる。

【００２２】また、本支持体はロッド部９、シリンダ部
１０を繊維強化プラスチックスで製作し、締結金具１１
をステンレスで製作してあることが望ましい。コイルが
冷却され、内槽１が冷えることにより、ロッド部上部が
冷される。これによりロッド部は熱収縮する。

【００２３】締結金具１１上面にはシ−ルド板が取り付
けられ、液体窒素温度に冷却される。これにより、締結
金具１１は熱収縮し、その全長は短くなる。また、同様
の理由でシリンダ部１０も収縮する。

【００２４】繊維強化プラスチックスの熱収縮率は、ス
テンレスのそれよりも小さい為、ロッド部９はシリンダ
部１０よりせり出す形となる。締結金具１１の筒部１４
の軸方向の長さを変えることで、このせり出し量は変え
られ、冷却後も支持体４の全長が変化しないようにでき
る。

【００２５】本発明の他の実施例を図３を用いて説明す
る。図において、シリンダ部１０は繊維強化プラスチッ
クスで製作され、その強化繊維は軸方向と径方向の２方
向に配向されている。強化繊維としては炭素繊維、ガラ
ス繊維、炭化珪素、アルミナ繊維が考えられる。繊維の
織り方としては、平織り、しゅす織りが考えられる。繊
維を固定する樹脂としては熱硬化性樹脂であるエポキシ
系樹脂で作製される。このほかにもＰＥＥＫなどの熱可
塑性樹脂も考えられる。

【００２６】繊維を直交するように編んであることで、
円筒の軸に対して直角方向に変形し易く、軸方向には高
い剛性を出すことが可能となる。

【００２７】本発明の他の実施例を図４を用いて説明す
る。図において、ロッド部９は繊維強化プラスチックス
で製作され、強化繊維は軸方向のみに配向している。強
化繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、炭化珪素、アル
ミナ繊維が考えられる。

【００２８】軸方向のみに配向することで、単位体積あ
たりの繊維の含有率を高くすることが可能となる。また
ロッド状をしている為に、軸直角方向にはたわみ易く、
軸方向の剛性を高めることが可能である。

【００２９】本発明の他の実施例を図５，図６を用いて
説明する。◆図５は繊維強化プラスチックスとステンレ
スの熱ひずみと温度の関係を示したものである。各材料
とも温度の低下に従って収縮する。そして、収縮量はス
テンレスが最も大きく、順に平織の繊維強化プラスチッ
クス、一方向強化の繊維強化プラスチックスとなってい
る。

【００３０】図６は本発明による荷重支持体の断面模式
図である。ロッド部９の長さをＡ、締結金具１１の長さ
をＢ、シリンダ部の長さをＣとすると、支持体の全長Ｄ
は以下の式で表される。

【００３１】Ｄ＝Ａ−Ｂ＋Ｃ ロッド部９の熱収縮量をＬｒ、締結金具１１の収縮量を
Ｌｓ、シリンダ部の熱収縮量をＬｃとすると、収縮後の
支持体の全長Ｄ’は、以下の式で表せる。

【００３２】 Ｄ’＝（Ａ−Ｌｒ）−（Ｂ−Ｌｓ）＋（Ｃ−Ｌｃ） 収縮前後で支持体の全長を変化させないためには上式よ
り、以下の関係が成り立てば良いことがわかる。

【００３３】Ｌｓ＝Ｌｒ＋Ｌｃ すなわち、締結金具１１をステンレスのような熱収縮率
の大きな材料で作製し、ロッド部９及びシリンダ部１０
を熱収縮率の小さな繊維強化プラスチックスで作製し、
また各部材の全長を適当に決めることで、上式を満たす
支持体が可能となる。

【００３４】本発明の他の実施例を図７，図８を用いて
説明する。◆図７は超電導磁石の断面構造を示したもの
である。コイルを収めた内槽１と熱シ−ルド板２は本発
明による荷重支持体４によって外槽３に支持されてい
る。本実施例では、支持体４の軸方向が外槽３に対して
直角になっていることを特徴とする。こうすることで、
図７右のようにコイル冷却時の熱変形をシリンダ部１０
が吸収する。

【００３５】シリンダ部１０の軸直角方向の剛性を更に
低くするために、図８のようにシリンダ部１０と外槽３
の間にバネ１５を入れることも考えられる。バネ１５は
金属材料で作製されていてもよいし、他の非金属材料で
作製されていても差し支えない。こうすることで、繊維
強化プラスチックスシリンダ部１０に無理な熱応力が発
生するのを防止できる。

【００３６】本発明の他の実施例を図９を用いて説明す
る。本実施例では、バネ部を更に柔らかくするためにス
リット１６を入れた例である。スリット１６はバネ部に
入っていても良いし、繊維強化プラスチックスシリンダ
部１０に入っていても差し支えない。この例によれば、
軸直角方向の剛性を更に低くすることができると同時に
断面積が減少したことで、熱侵入量も軽減できるという
効果を生む。

【００３７】本発明の他の実施例を図１０を用いて説明
する。本実施例では、以上に示してきたロッド部を、シ
リンダ部１７に代えている。こうすることで、シリンダ
部上部の金具１８を大きくでき内槽への取付け面積を大
きくすることができる。すなわち大きな負荷に対する面
圧の低下を生み出す。

【００３８】

【発明の効果】本発明による荷重支持体によれば、熱収
縮率の違う数種類の部材をその長さを適当に変えて直列
につなぐことで、支持体冷却時の全長が変化しないとい
う効果を生み出すことができる。また、シリンダ部を直
交する繊維で強化された繊維強化プラスチックスで作製
することで、内槽、熱シ−ルド板の熱変形を吸収しなが
ら、内槽を高い剛性で支持できるという効果を生む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る超電導磁石の側面構造図
である。

【図２】本発明の実施例に係る荷重支持体正面図であ
る。

【図３】本発明の実施例に係る荷重支持体鳥観図であ
る。

【図４】本発明の実施例に係る荷重支持体正面断面図で
ある。

【図５】本発明の実施例に係る熱ひずみと温度の関係を
示す特性図である。

【図６】本発明の実施例に係る荷重支持体正面模式図で
ある。

【図７】本発明の実施例に係る超電導磁石正面断面図で
ある。

【図８】本発明の実施例に係る荷重支持体正面断面図で
ある。

【図９】本発明の実施例に係る荷重支持体正面図であ
る。

【図１０】本発明の実施例に係る荷重支持体正面断面図
である。

【符号の説明】

１…内槽、２…熱シ−ルド板、３…外槽、４…荷重支持
体、５…内槽、９…ロッド部、１０…シリンダ部、１１
…締結金具。

フロントページの続き (72)発明者 園部 正 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所試作開発センタ内 (72)発明者 寺井 元昭 愛知県名古屋市中村区名駅南二丁目14番19 号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 大石 郁夫 愛知県名古屋市中村区名駅南二丁目14番19 号 東海旅客鉄道株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導コイルを収納した内槽と、該内槽、
   熱シ−ルド板、並びに超電導コイルを冷却するための冷
   却用配管を収納する真空容器たる外槽とを連結する部材
   が、線膨張率の違う材料２種類以上から成ることを特徴
   とする超電導磁石の荷重支持体。
2. 【請求項２】請求項１において、前記連結部材が繊維強
   化プラスチックス製の部材と金属部材との連結構造とな
   っていることを特徴とする超電導磁石の荷重支持体。
3. 【請求項３】請求項１において、アルミナ繊維で強化さ
   れたエポキシ樹脂で製作された部分を有することを特徴
   とする超電導磁石の荷重支持体。
4. 【請求項４】請求項１において、円筒状に成形された繊
   維強化プラスチックスと、棒状に成形された繊維強化プ
   ラスチックスと、両繊維強化プラスチックス材を連結す
   る金属性金具とによって成ることを特徴とする超電導磁
   石の荷重支持体。
5. 【請求項５】請求項１において、円筒状の繊維強化プラ
   スチックス部を有し、その繊維強化プラスチックスが互
   いに直行する繊維で強化されていることを特徴とする超
   電導磁石の荷重支持体。
6. 【請求項６】請求項１において、棒状の繊維強化プラス
   チックス部を有し、その繊維強化プラスチックスが一方
   向に揃えられた繊維で強化されていることを特徴とする
   超電導磁石の荷重支持体。
7. 【請求項７】請求項１において、外槽に取り付けられる
   円筒状の部材と、円筒の外槽取付け部と反対の部分より
   円筒内部に向かって伸ばされた２種類目の部材と、２種
   類目の部材から円筒部材の軸に沿って円筒外へ伸ばされ
   内槽へ取り付けられる３種類目の部材とよりなることを
   特徴とする超電導磁石の荷重支持体。
8. 【請求項８】請求項１において、楕円状の内槽の長軸と
   短軸を含む平面に対して垂直になるように内槽表面に取
   り付けられることを特徴とする超電導磁石の荷重支持
   体。