(57)【要約】【課題】  高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器及び探査装置に関し、ＣＦＲＰの内圧に対する強度や軽量性を活かしながら、外圧に対する耐圧性能の安定化やＯリング面の高精度化を図る。【解決手段】  中空円筒状セラミックス部材と、中空円筒状セラミックス部材の軸線方向の少なくとも中央部の外壁に密着したカーボン強化プラスチック焼結体との複合構造により、環境耐圧が１０ＭＰａ以上の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器とする。【選択図】図１
2016041961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空円筒状セラミックス部材と、
前記中空円筒状セラミックス部材の軸線方向の少なくとも中央部の外壁に密着したカーボン強化プラスチック焼結体と
を備えた複合構造を有し、
前記複合構造の環境耐圧が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項２】
前記複合構造の少なくとも軸線方向の一方の端部にネジ嵌合部を有することを特徴とする請求項１に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項３】
前記ネジ嵌合部が非磁性金属部材からなることを特徴とする請求項２に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項４】
前記非磁性金属部材がステンレス部材であることを特徴とする請求項３に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項５】
前記ネジ嵌合部が雄ネジ構造のネジ嵌合部であり、前記円筒状セラミックスの内壁面に接着固定されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項６】
前記ネジ嵌合部が雌ネジ構造のネジ嵌合部であり、前記円筒状セラミックスまたはカーボン強化プラスチック焼結体の外壁面に接着固定されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項７】
前記カーボン強化プラスチック焼結体が、シート状部材を巻回した構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項８】
前記カーボン強化プラスチック焼結体が、ファイバ状部材を巻回した構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器と、
前記高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の両方の端部を封止するシール部材と、
前記高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の内部に挿入された高温超電導量子干渉計及び内部支持部品を有し、
前記高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器、シール部材及び内部支持部品が、非磁性且つ耐熱２００℃以上の材料からなることを特徴とする探査装置。
【請求項１０】
前記シール部材がＯリングを含み、
前記Ｏリングが前記中空円筒状セラミックス部材の内壁面に密着して封止することを特徴とする請求項９に記載の探査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器及び探査装置に関するものであり、例えば、１０００ｍ超える海中および坑井内において使用する磁気センサ容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油増産技術のためのＣ〇２圧入のモニタリングや、シェールガスのモニタリング技術において、高温超電導体を用いたＳＱＵＩＤ地下資源探査装置や磁気観測装置が重要になる。これらの装置は、１０ＭＰａを超える高耐圧環境で使用することになり、場合によっては、地熱の影響で２００℃を超える高温環境で使用することになる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
このような装置の耐圧容器としては、非磁性かつ誘導電流の発生の少ない素材である必要があり、金属の使用は望ましくない。そこで、従来、我々は耐熱性ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を耐圧容器として使用してきた。
【０００４】
このＣＦＰＲを用いた耐圧容器は、ステンレス製の芯材にＣＦＲＰシートを何重にも巻きつけて焼成したのち、ステンレス製の芯材から引き抜いて形成している。ＣＦＲＰは軽量性、耐温度性、耐圧性を兼ね備え、また、カーボン繊維を巻き付けた構造故に内圧に対して特に高い耐圧性能を有している。そのため、高温超電導ＳＱＵＩＤを冷却するために用いる液体窒素が、漏水などの事故によって突沸した場合に爆発を回避するために有用な材料である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】特技懇  ｎｏ.２６４，ｐ.９２−ｐ.１００,２０１２．０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ＣＦＲＰには外圧に対する弱点がある。外圧に対する強度は、プラスチックそのもので維持すると考えていい。ＣＦＲＰは、製造過程で何重にも巻き付けたシート間に巻きムラに起因してわずかな隙間が生じる場合があり、その間隙が耐圧強度を低下させる場合があった。
【０００７】
また、ＣＦＲＰに嵌合部となるネジ構造を形成することは可能であるが、層構造を有する繊維含有材料であるため、加工方向によっては十分な強度を得ることが困難な場合がある。特に、円筒状の形状の開口部に周回方向のネジ構造を製作した場合など、十分な強度や耐久性が確保できない問題があった。
【０００８】
さらに、ステンレス芯材に巻き付けて焼成して、冷却後に心棒を抜き取る製造工程に起因し、ＣＦＲＰからなる耐圧容器の内壁にある程度の凹凸を生じる。図６は、従来の高温超電導ＳＱＵＩＤ用容器の説明図であり、ＣＦＲＰ焼結体３１の容器に凹凸３３が生じている。この凹凸は、勘合部品との間にＯリングを使用した場合に、密着具合に不均一性を生じ、高圧化での漏水の原因になりかねない。なお、符号３２は、ネジ嵌合部である。
【０００９】
したがって、高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器及び探査装置において、ＣＦＲＰの内圧に対する強度や軽量性を活かしながら、外圧に対する耐圧性能の安定化やＯリング面の高精度化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示する一観点からは、中空円筒状セラミックス部材と、前記中空円筒状セラミックス部材の軸線方向の少なくとも中央部の外壁に密着したカーボン強化プラスチック焼結体と
を備えた複合構造を有し、前記複合構造の環境耐圧が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器が提供される。
【００１１】
また、開示する別の観点からは、上述の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器と、前記高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の両方の端部を封止するシール部材と、前記高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の内部に挿入された高温超電導量子干渉計及び内部支持部品を有し、前記高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器、シール部材及び内部支持部品が、非磁性且つ耐熱２００℃以上の材料からなることを特徴とする探査装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
開示の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器及び探査装置によれば、ＣＦＲＰの内圧に対する強度や軽量性を活かしながら、外圧に対する耐圧性能の安定化やＯリング面の高精度化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の斜視図である。
【図２】本発明の実施例１の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器の説明図である。
【図３】本発明の実施例２の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器の説明図である。
【図４】本発明の実施例３の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器の説明図である。
【図５】本発明の実施例４の探査装置の説明図である。
【図６】従来の高温超電導ＳＱＵＩＤ用容器の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器を説明する。図１は、本発明の実施の形態の高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の斜視図である。この高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器は、中空円筒状セラミックス部材１と、中空円筒状セラミックス部材１の軸線方向の少なくとも中央部の外壁に密着したカーボン強化プラスチック焼結体２を備えている。この複合構造の環境耐圧は、深海探査や地下資源探査のためには、１０ＭＰａ以上必要である。
【００１５】
このように、セラミックスでできた容器部品の外周にＣＦＲＰを巻き付けて複合構造とすることにより、焼結後の抜き取り工程がないので、複合容器の内面に凹凸が発生することがなく、Ｏリング等のシール部材による封止が確実になる。なお、金属製の中空部材の外周にＣＦＲＰを巻き付けて複合容器を形成した場合には、電磁探査によって発生する誘導電流によって計測が妨げられるために内芯材として金属部品は使用できない。また、３００℃におよぶＣＦＲＰの焼成温度、その後の冷却工程において、適度な膨張収縮による剥離防止が不可欠であるが、セラミックス材料の使用によりＣＦＲＰの高密度化、剥離防止がはじめて実現可能となった。
【００１６】
なお、セラミックスとしては、アルミナの他、合成ムライトやジルコニアなどを用いることも可能である。また、耐熱性ＣＦＲＰとして、ビスマルイミド系の他、耐熱性ポリイミド材料ＰＥＴＩ−３３０，ＰＥＴＩ−３６５（いずれも、宇部興産株式会社製商品型番）等を使用することも可能である。
【００１７】
この高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の少なくとも軸線方向の一方の端部には、センサを備えたプローブやキャップ部材を取り付けるためのネジ嵌合部３，４を有する。このネジ嵌合部３，４は、通常は、一方の端部に設けるネジ嵌合部３が雄ネジ構造であり、他方の端部に設けるネジ嵌合部４が雌ネジ構造である。
【００１８】
このネジ嵌合部３，４は、カーボン強化プラスチック焼結体２の表面や、中空円筒状セラミックス部材１の内面を加工して形成しても良いが、機械的強度を保つためには、ネジ嵌合部３，４を非磁性金属部材で形成することが望ましい。この非磁性金属部材としてはＡｌ等の非磁性金属であれば何でも良いが、機械的強度や耐腐食性の観点からはステンレスが望ましい。
【００１９】
この非磁性金属性のネジ嵌合部３，４は、カーボン強化プラスチック焼結体２の表面や、中空円筒状セラミックス部材１の内面を研削して、研削部に非磁性金属性のネジ嵌合部３，４をアレムコボンド（アレムコプロダクツ社製商品名）やセラマボンド（アレムコプロダクツ社製商品名）等の耐熱性接着剤で固定すれば良い。
【００２０】
カーボン強化プラスチック焼結体２を形成するためには、シート状のカーボン強化プラスチック部材を中空円筒状セラミックス部材１の側面に巻回したのち焼結しても良い。或いは、中空円筒状セラミックス部材１の側面にカーボン繊維をワインディング（巻回）しながら樹脂を含浸させて、全体が巻き上がった後に焼結して形成しても良い。シート状部材を用いた方が製造工程は簡素化されるが、巻きムラができやすく、一方、フィラメントワインディングの場合には、製造工程は複雑になるが、巻きムラが発生しないとともに、巻き方によって軸方向の強度の調整が可能になる。
【００２１】
このような高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器を用いて探査装置を構成するためには、高温超電導量子干渉計用高耐圧複合容器の内部に高温超電導量子干渉計及び内部支持部品を挿入して、両端をシール部材で封止すれば良い。この場合、シール部材及び内部支持部品は、その使用目的から見て非磁性且つ耐熱２００℃以上の材料であることが望まれる。この場合のシール部材はＯリングを含み、このＯリングが中空円筒状セラミックス部材１の内壁面に密着して封止することになる。
【００２２】
２００℃以上の耐熱性を持たせるためには、嵌合させる、あるいは内包させるプラスチック部品を用いる場合はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）剤やＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）、ＲＥＮＹ（結晶性エンジニアリングプラスチック：登録商標）等の耐熱性の高いプラスチックを用いることが必要となる。
【００２３】
また、シーリング材料としてはナフロンガスケットやナフロンペーストを用い、Ｏリングには、耐熱温度２００℃を超えるフッ素ゴムの他、耐熱温度３００℃を超える高機能ゴム（パーフロロゴムなど）を用いることが有効である。
【００２４】
このように、本発明においては、セラミックス芯材とカーボン強化プラスチック焼結体との複合構造を採用しているので、地下資源探査装置において、従来困難であったケーシング内でのＳＱＵＩＤによる検層が可能となる。
【００２５】
また、複合構造であるので、高圧の外圧に対する強度と、内蔵する液体窒素突沸による急激な内圧上昇に耐え、且つ電磁探査に必要な非磁性、低導電性を実現する画期的な容器を提供することが可能になる。その結果、石油、天然ガス、ＥＯＲ（石油増進回収技術）をはじめとする資源、エネルギー分野へ極めて高い技術的貢献をすることができる。
【実施例１】
【００２６】
次に、図２を参照して、本発明の実施例１の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器を説明する。図２は、本発明の実施例１の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器の説明図であり、図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ-Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。外径が８０ｍｍ、内径が７０ｍｍで長さが１ｍの中空アルミナ芯材１１の外周に耐熱２００℃以上のシート（プリプレグ）状のビスマルイミド系ＣＦＲＰを巻いて総厚１ｃｍにしたのち焼結して、ＣＦＲＰ焼結体１２を形成する。
【００２７】
この場合、中空アルミナ芯材１１に対してシート状のビスマルイミド系ＣＦＲＰにテンションをかけながら巻き付ける。このような製造方法の場合、フィラメントワインディング法と異なり、空隙ができやすい傾向にある。巻き付けた後焼成し、その後温度が下がったとき、ＣＦＲＰとセラミックスパイプの熱膨張率が大きいと層間剥離を起こし、空隙が形成されるリスクが高くなる。しかし、本発明の実施例１においては、アルミナとビスマルイミド系ＣＦＲＰを用いているので、そのような問題は発生せずに、良好な複合構造が形成される。
【００２８】
この実施例１においては、一方の端部のＣＦＲＰ焼結体１２の表面を加工して雄ネジ構造のネジ嵌合部１３を形成する。また、他方の端部においては、中空アルミナ芯材１１の内壁面を加工して雌ネジ構造のネジ嵌合部１４を形成する。この雌ネジ構造のネジ嵌合部１４には、先端キャップ部材が嵌合され、雄ネジ構造のネジ嵌合部１３には、ＳＱＵＩＤを取り付けたプローブを構成するキャップ部材が嵌合される。
【００２９】
本発明の実施例１においては、複合構造を用いているので、機械的強度が高くなるとともに、内面に凹凸が発生せず、Ｏリングとの密着部が平坦性になるので、密着性に優れた防水構造を組み込むことが可能になる。また、外周部には、シート状のビスマルイミド系ＣＦＲＰを用いているので、巻き付け工程が簡単になる。
【実施例２】
【００３０】
次に、図３を参照して、本発明の実施例２の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器を説明する。図３は、本発明の実施例２の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器の説明図であり、図３（ａ）は斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ-Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。外径が８０ｍｍ、内径が７０ｍｍで長さが１ｍの中空アルミナ芯材１１の外周に耐熱温度１８０℃のＣＦＲＰをフィラメントワインディング法で形成し、外径９０ｍｍにしたのち焼結して、ＣＦＲＰ焼結体１５を形成する。
【００３１】
このように、フィラメントワインディング法を用いることで、ＣＦＲＰ内部に耐圧性能を劣化させる原因ともなる空隙の形成を防ぐことができる。また、フィラメントワインディング工程において巻き方を調整することで、複合容器の軸方向に沿った機械的強度を一定に保つことができる。
【００３２】
この実施例２においても、一方の端部のＣＦＲＰ焼結体１５の表面を加工して雄ネジ構造のネジ嵌合部１３を形成する。また、他方の端部においては、中空アルミナ芯材１１の内壁面を加工して雌ネジ構造のネジ嵌合部１４を形成する。この雌ネジ構造のネジ嵌合部１４には、先端キャップ部材が嵌合され、雄ネジ構造のネジ嵌合部１３には、ＳＱＵＩＤを取り付けたプローブを構成するキャップ部材が嵌合される。
【００３３】
本発明の実施例２においても、複合構造を用いているので、機械的強度が高くなるとともに、内面に凹凸が発生せず、Ｏリングとの密着部が平坦性になるので、密着性に優れた防水構造を組み込むことが可能になる。また、フィラメントワインディング法を用いているので、プリプレグを用いた場合に比べて、ＣＦＲＰ内部に耐圧性能を劣化させる原因ともなる空隙の形成を防ぐことができる。
【実施例３】
【００３４】
次に、図４を参照して、本発明の実施例３の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器を説明するが、この実施例３は実施例１におけるネジ嵌合部１３，１４をステンレス製ネジ嵌合部に置き換えたものである。図４は、本発明の実施例１の高温超電導ＳＱＵＩＤ用高耐圧複合容器の説明図であり、図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ-Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。まず、実施例１と同様に、外径が８０ｍｍ、内径が７０ｍｍで長さが１ｍの中空アルミナ芯材１１の外周に耐熱２００℃以上のシート状のビスマルイミド系ＣＦＲＰを巻いて総厚１ｃｍにしたのち焼結して、ＣＦＲＰ焼結体１２を形成する。
【００３５】
次いで、複合容器の一方の端部のＣＦＲＰ焼結体１２を研削で除去して、除去部に雄ネジ構造のステンレス製ネジ嵌合部１６を耐熱性接着剤セラマボンド（アレムコプロダクツ社製商品名）により接着固定する。なお、図においては、ＣＦＲＰ焼結体１２を完全に除去しているが、若干の厚さを残して、残ったＣＦＲＰ焼結体１２の表面にステンレス製ネジ嵌合部１６を接着固定しても良い。
【００３６】
一方、複合容器の他方の端部においては、中空アルミナ芯材１１の一部を研削で除去して、除去部に雌ネジ構造のステンレス製ネジ嵌合部１７を耐熱性接着剤アレムコボンド（アレムコプロダクツ社製商品名）により接着固定する。なお、図においては、中空アルミナ芯材１１を完全に除去しているが、若干の厚さを残して、残った中空アルミナ芯材１１の表面にステンレス製ネジ嵌合部１７を接着固定しても良い。この場合も、雌ネジ構造のネジ嵌合部１７には、先端キャップ部材が嵌合され、雄ネジ構造のネジ嵌合部１には、ＳＱＵＩＤを取り付けたプローブを構成するキャップ部材が嵌合される。
【００３７】
本発明の実施例３においては、ネジ嵌合部としてステンレス製嵌合部を用いているので、繰り返し使用に対する耐久性を高めることができる。即ち、ＣＦＲＰ焼結体１２は層状材料のため、木材のように強度に異方性を持つ。そのため、円筒のような形状を作製した場合、繊維は円周方向となる。この円筒の先端部に、円周方向のネジを形成すると、ネジ山は強度を保つことが困難となる。一方、ステンレス製ネジ嵌合部の場合には、強度に異方性がないので全体の機械的強度を高めることが可能になる。
【００３８】
なお、実施例３の説明においては、セラミクッスに接着する場合にはセラマボンド（アレムコプロダクツ社製商品名）を用い、ＣＦＲＰ焼結体に接着する場合にはアレムコボンド（アレムコプロダクツ社製商品名）を用いているが、逆でも良い。また、両方の接着を同じ接着剤を用いて行っても良い。
【実施例４】
【００３９】
次に、図５を参照して、本発明の実施例４の探査装置を説明する。図５は本発明の実施例４の探査装置の説明図（片方の端部のみ図示しているが、実際には両方の端部を封止）であり、図５（ａ）は要部側面斜視図であり、図５（ｂ）は要部断面図である。図５（ａ）に示すように、複合容器の雌ネジ構造のステンレス製ネジ嵌合部１７を設けた側に耐熱温度が２６０℃のＰＰＳ製の先端キャップ部材２１を嵌合する。
【００４０】
図５（ｂ）に示すように、複合容器に先端キャップ部材２１を嵌合するためには、先端キャップ部材２１の挿入部に設けた雄ネジ構造のネジ嵌合部を利用して嵌合する。この時、先端キャップ部材２１の挿入部の先端の二か所に凹部を設けこの凹部にＯリング２３，２４を収容してシールドする。また、ステンレス製ネジ嵌合部１７の端部との当接部にもＯリング２２を設けてシールドする。
【００４１】
この時、Ｏリング２３，２４は、中空アルミナ芯材１１の内壁面に接することになるが、中空アルミナ芯材１１の内壁面は平滑であるので、凹凸による空隙は発生することがなく、密着性に優れた防水構造となる。
【００４２】
また、複合容器の内部には、防振用発泡ゲル２５を介してガラスデュワ―２６が挿入され、このガラスデュワ―２６には液体窒素２７が注入され、この液体窒素２７中にプローブ２８の先端に取り付けられたＳＱＵＩＤ２９を浸漬する。このように先端キャップ部材２１等が取り付けられた探査装置を、探査のための坑井に挿入して探査を行う。なお、Ｏリング２２〜２４及び防振用発泡ゲル２５としては、耐熱温度が２００℃以上の耐熱性材料を用いる。
【００４３】
本発明の実施例４においては、複合構造容器を用いているので、高圧の外圧に対する強度と、内蔵する液体窒素突沸による急激な内圧上昇に耐えることが可能になる。また、耐熱温度が２００℃以上に素材を用いて探査装置を形成しているので、環境温度が２００℃を超える地下１０００ｍ以上の深い地中での資源探査も可能になる。
【符号の説明】
【００４４】
１  中空円筒状セラミックス部材
２  カーボン強化プラスチック焼結体
３，４  ネジ嵌合部
１１  中空アルミナ芯材
１２，１５  ＣＦＲＰ焼結体
１３，１４  ネジ嵌合部
１６，１７  ステンレス製ネジ嵌合部
２１  先端キャップ部材
２２〜２４  Ｏリング
２５  防振用発泡ゲル
２６  ガラスデュワ―
２７  液体窒素
２８  プローブ
２９  ＳＱＵＩＤ
３１  ＣＦＲＰ焼結体
３２  ネジ嵌合部
３３  凹凸
【図１】
2016041961.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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