(57)【要約】【課題】極低温環境における断熱性が良好で、しかも磁場の影響を受けることがなく、特に超電導現象を利用する機器において好適に用いることができる荷重支持材の提供。【解決手段】内容器２と外容器３との間に、その軸方向が水平となるように介在せしめられ、前記内容器２若しくは前記外容器３からの水平方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中実管体10であり、この中実管体10は、内層11及び外層12を積層して構成し、各層の前記アルミナ繊維は中実管体10の軸芯方向に対し、内層11が０±１０°、外層12が８５〜９０°の配向角度で配置し、前記中実管体10の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定する。【選択図】図１
2017054924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内容器と外容器との間に、その軸方向が水平となるように介在せしめられ、前記内容器若しくは前記外容器からの水平方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中実管体であり、
この中実管体は、内層及び外層を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中実管体の軸芯方向に対し、内層が０±１０°、外層が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中実管体の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材。
【請求項２】
内容器と外容器との間に、その軸方向が鉛直となるように介在せしめられ、前記内容器若しくは前記外容器からの鉛直方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中実管体であり、
この中実管体は、内層及び外層を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中実管体の軸芯方向に対し、内層が０±１０°、外層が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中実管体の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材。
【請求項３】
請求項１，２いずれか１項に記載の荷重支持材において、前記アルミナ繊維の組成比は、質量比でγアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）：酸化ケイ素（ＳｉＯ２）＝８３：１７〜８７：１３であり、γアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）以外のαアルミナ（α-Ａｌ２Ｏ３）やムライトなどのアルミナ組成物を含まないものであることを特徴とする荷重支持材。
【請求項４】
請求項３記載の荷重支持材において、２５℃における熱伝導率が１．３［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下で、且つ、−２６９℃における熱伝導率が０．０５［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下であることを特徴とする荷重支持材。
【請求項５】
内容器と外容器との間に、その軸方向が水平となるように介在せしめられ、前記内容器若しくは前記外容器からの水平方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中空管体であり、
この中空管体は、内側層、中間層及び外側層を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中空管体の軸芯方向に対し、内側層が８５〜９０°、中間層が±２０〜±３０°、外側層が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中空管体の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材。
【請求項６】
内容器と外容器との間に、その軸方向が鉛直となるように介在せしめられ、前記内容器若しくは前記外容器からの鉛直方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中空管体であり、
この中空管体は、内側層、中間層及び外側層を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中空管体の軸芯方向に対し、内側層が８５〜９０°、中間層が±２０〜±３０°、外側層が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中空管体の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材。
【請求項７】
請求項５，６いずれか１項に記載の荷重支持材において、前記アルミナ繊維の組成比は、質量比でγアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）：酸化ケイ素（ＳｉＯ２）＝８３：１７〜８７：１３であり、γアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）以外のαアルミナ（α-Ａｌ２Ｏ３）やムライトなどのアルミナ組成物を含まないものであることを特徴とする荷重支持材。
【請求項８】
請求項７記載の荷重支持材において、２５℃における熱伝導率が１．３［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下で、且つ、−２６９℃における熱伝導率が０．０５［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下であることを特徴とする荷重支持材。
【請求項９】
請求項１〜４いずれか１項に記載の荷重支持材の製造方法であって、前記中実管体の前記内層は、前記アルミナ繊維を一方向に引き揃えて形成し、前記中実管体の前記外層は、前記内層の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成することを特徴とする荷重支持材の製造方法。
【請求項１０】
請求項５〜８いずれか１項に記載の荷重支持材の製造方法であって、前記中空管体の前記内側層は、前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成し、前記中空管体の前記中間層は、前記内側層の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成し、前記中空管体の前記外側層は、前記中間層の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回することを特徴とする荷重支持材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温（液体ヘリウム温度：−２６９℃、若しくは、液体窒素温度：−１９６℃）下で荷重を支える荷重支持材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導現象は、超高感度の磁気測定装置（SQUID）や、このSQUIDを用いた医療用核磁気共鳴画像撮影装置（MRI）及び医療用脳磁計測装置（MEG）など、超伝導電磁石（超伝導磁気センサー）を使って磁気を測定する用途において実用化されてきている。超伝導を起こすためには、理論上、絶対零度（-273℃）にすることが必要である。しかし、現実には絶対零度を作出することはできないため沸点が絶対零度付近の液体ヘリウムを用い、この液体ヘリウムの蒸発温度を利用して、超電導磁気センサーをできるだけ絶対零度に近づけ超伝導現象を起こさせている。しかしながら、この液体ヘリウムがきわめて高価であることや、予備冷却に用いる液体窒素も安価ではないことから、超伝導を利用する装置の普及に大きな障害となっている。
【０００３】
超伝導磁気センサー等の超伝導体は液体ヘリウムの沸点付近の温度では電気抵抗がゼロとなるので、永久に電気が流れ続け、強力な磁力を発生し続けることができる。また、超伝導体は、超伝導状態が維持されていれば発熱しないという利点がある一方で、磁場にはきわめて弱いという欠点がある。臨界磁場（超伝導現象を保てる磁場の限界）を越える磁場を発生させると超伝導体の超伝導現象は消失してしまうため、超伝導現象を起こさせるためには超伝導体の周囲から地磁気の影響すらも排除する必要がある。事実、医療用脳磁計測装置（MEG）による脳磁の測定はMRIよりも繊細な磁気を検知するため地磁気の影響を排除した堅牢なシールドルーム内で行われている。
【０００４】
即ち、一般的にほとんどの金属は電流を通す導体であるが、導体中の電流に変化が生じると周辺の磁場が変化する。この磁場の変化によっても超伝導体の超伝導現象は影響を受けるため、この磁場を遮断する必要がある。この磁場を遮断するためには金属などの電気を通す導体を超伝導体の周囲から排除するか、磁場の影響を受けないような遮蔽が必要となる。
【０００５】
磁場変化等の影響により、超伝導体の超伝導現象が消失した場合、急激に電気抵抗が発生して発熱により超伝導体を含む機器が破損することがある。この現象をクエンチと言い、超伝導を利用する機器においては望ましくない現象である。
【０００６】
そこで、例えば超伝導磁気センサーを液体ヘリウム中に浸漬させた状態で保持するためのクライオスタット等で用いられる極低温下で荷重を支えるための荷重支持材としては、超伝導磁気センサー等の磁場に影響を与えることがなく、更に、強度や剛性を確保できる繊維強化樹脂製のものが採用されている（特許文献１等参照）。
【０００７】
しかしながら、このような極低温下で用いられる繊維強化樹脂製の荷重支持材の具体的構造の検討は未だ不十分であるのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−１１０１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、発明者等の繊維強化樹脂に用いる繊維の選定、繊維配向や層構造等に関する種々の検討の結果完成したもので、極低温環境における断熱性が良好で、しかも磁場の影響を受けることがなく、特に超電導現象を利用する機器において好適に用いることができる荷重支持材及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【００１１】
内容器２と外容器３との間に、その軸方向が水平となるように介在せしめられ、前記内容器２若しくは前記外容器３からの水平方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中実管体10であり、
この中実管体10は、内層11及び外層12を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中実管体10の軸芯方向に対し、内層11が０±１０°、外層12が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中実管体10の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１２】
また、内容器２と外容器３との間に、その軸方向が鉛直となるように介在せしめられ、前記内容器２若しくは前記外容器３からの鉛直方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中実管体10であり、
この中実管体10は、内層11及び外層12を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中実管体10の軸芯方向に対し、内層11が０±１０°、外層12が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中実管体10の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１３】
また、請求項１，２いずれか１項に記載の荷重支持材において、前記アルミナ繊維の組成比は、質量比でγアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）：酸化ケイ素（ＳｉＯ２）＝８３：１７〜８７：１３であり、γアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）以外のαアルミナ（α-Ａｌ２Ｏ３）やムライトなどのアルミナ組成物を含まないものであることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１４】
また、請求項３記載の荷重支持材において、２５℃における熱伝導率が１．３［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下で、且つ、−２６９℃における熱伝導率が０．０５［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下であることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１５】
また、内容器２と外容器３との間に、その軸方向が水平となるように介在せしめられ、前記内容器２若しくは前記外容器３からの水平方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中空管体20であり、
この中空管体20は、内側層21、中間層22及び外側層23を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中空管体20の軸芯方向に対し、内側層21が８５〜９０°、中間層22が±２０〜±３０°、外側層23が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中空管体20の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１６】
また、内容器２と外容器３との間に、その軸方向が鉛直となるように介在せしめられ、前記内容器２若しくは前記外容器３からの鉛直方向荷重を受け極低温環境で用いられる荷重支持材であって、
この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中空管体20であり、
この中空管体20は、内側層21、中間層22及び外側層23を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中空管体20の軸芯方向に対し、内側層21が８５〜９０°、中間層22が±２０〜±３０°、外側層23が８５〜９０°の配向角度で配置され、
前記中空管体20の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されていることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１７】
また、請求項５，６いずれか１項に記載の荷重支持材において、前記アルミナ繊維の組成比は、質量比でγアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）：酸化ケイ素（ＳｉＯ２）＝８３：１７〜８７：１３であり、γアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）以外のαアルミナ（α-Ａｌ２Ｏ３）やムライトなどのアルミナ組成物を含まないものであることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１８】
また、請求項７記載の荷重支持材において、２５℃における熱伝導率が１．３［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下で、且つ、−２６９℃における熱伝導率が０．０５［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下であることを特徴とする荷重支持材に係るものである。
【００１９】
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の荷重支持材の製造方法であって、前記中実管体10の前記内層11は、前記アルミナ繊維を一方向に引き揃えて形成し、前記中実管体10の前記外層12は、前記内層11の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成することを特徴とする荷重支持材の製造方法に係るものである。
【００２０】
また、請求項５〜８いずれか１項に記載の荷重支持材の製造方法であって、前記中空管体20の前記内側層21は、前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成し、前記中空管体20の前記中間層22は、前記内側層21の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成し、前記中空管体20の前記外側層23は、前記中間層22の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回することを特徴とする荷重支持材の製造方法に係るものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は上述のように構成したから、極低温環境における断熱性が良好で、しかも磁場の影響を受けることがなく、特に超電導現象を利用する機器において好適に用いることができる荷重支持材及びその製造方法となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施例の使用状態を説明する説明断面図である。
【図２】本実施例の構成概略説明図であり、（ａ）は一部を切り欠いた縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図３】フランジ部を設けた構成例の一部を切り欠いた縦断面図である。
【図４】別例の構成概略説明図であり、（ａ）は一部を切り欠いた縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
【図５】フランジ部を設けた構成例の一部を切り欠いた縦断面図である。
【図６】アルミナ繊維の熱伝導率を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。
【００２４】
例えば、図１に図示したように、液体ヘリウム１を貯める内容器２と該内容器２を囲む外容器３とから成るクライオスタットの内容器２と外容器３との間に、本発明に係る鉛直方向荷重若しくは水平方向荷重を受ける荷重支持材（中実管体10若しくは中空管体20）を配置して内容器２を支持する。
【００２５】
この際、液体ヘリウム１中にMRIやMEGに用いる超伝導磁気センサーが浸漬されていても、本発明は超伝導磁気センサーに磁場の影響を与えることがないのは勿論、液体ヘリウムを貯める内容器２は例えば８０リットル貯めるものであると１０ｋｇ程にもなるが、本発明は所定の繊維配向及び層構造とすることで、強度及び剛性を十分に確保でき内容器２を変形等させることなく安定的に支持できるものとなる。
【００２６】
具体的には、鉛直方向荷重を受ける荷重支持材は、内容器２の自重により管体の軸方向からの荷重（圧縮荷重）を受けることになる。管体が軸方向からの圧縮荷重を受けると、内層11（若しくは中間層22）は中央部が膨らんだ所謂ビヤダル型に変形をしようとする。管体の軸芯方向に沿うように繊維が配置される内層11（若しくは中間層22）を、管体の周方向に沿って繊維が配置される外層12（若しくは外側層23）により締め付ける（若しくは挟み込む）構成とすることで、主に軸方向の圧縮荷重を受ける内層11（若しくは中間層22）のビヤダル型の変形を抑制することが可能となり、長期間安定的に軸方向荷重を支持することが可能となる。
【００２７】
さらに、内容器２は超電導磁気センサー等の運転時には極低温状態となり、機器のシャットダウンの際には常温に戻るため、常温（２５℃）と極低温（液体ヘリウム温度：−２６９℃、若しくは、液体窒素温度：−１９６℃）の間で熱による部材の変形が生ずる。一方、外容器３は常時外気に触れているので、熱による部材の変形はほとんど起こらない。この内容器２と外容器３の熱による部材の挙動によって荷重支持材は前述の軸方向の圧縮荷重のみならず、引張荷重も受けることになる。管体が軸方向からの引張荷重を受けると、内層11（若しくは中間層22）は中央部が凹んだ所謂つづみ型に変形をしようとする。
【００２８】
ここで、中実管体10の軸芯方向に沿うように繊維が配置される内層11は中実であるため（中空ではないため）、このつづみ型の変形（引張荷重）に耐え、長期間安定的に軸方向荷重を支持することが可能となる。また、中空管体20の中間層22は、その内周に内側層21が８５〜９０°の角度で繊維が配向されており、円環形状を保持できるため、中間層22のつづみ型の変形を抑制することが可能となり、長期間安定的に軸方向荷重を支持することが可能となる。
【００２９】
また、例えば、常温から極低温にわたって熱を伝えにくい特性を持つ所定組成のアルミナ繊維を用いることで、本発明に係る荷重支持材が液体ヘリウムを貯める内容器２と外部が常温の外容器３との間に架設された熱橋となる場合でも、熱を可及的に伝え難い構造とすることができ、内容器２と外容器３との断熱状態を維持して内容器２に貯められる液体ヘリウム１の消費量を抑制することが可能となる。
【実施例】
【００３０】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００３１】
本実施例は、液体ヘリウムや液体窒素を用いて冷却される極低温環境で用いられる荷重支持材であって、この荷重支持材は、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中実管体10であり、この中実管体10は、内層11及び外層12を積層して構成され、各層の前記アルミナ繊維は中実管体10の軸芯方向に対し、内層11が０±１０°（−１０°〜＋１０°）、外層12が８５〜９０°の配向角度で配置され、前記アルミナ繊維の組成比は、質量比でγアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）：酸化ケイ素（ＳｉＯ２）＝８３：１７〜８７：１３であり、前記中実管体10の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に夫々設定されているものである。
【００３２】
本実施例の前記中実管体10の前記内層11は、前記アルミナ繊維を一方向に引き揃えて形成されたものである。具体的には、内層11は、引き抜き形成法、ウエットレイアップ（ハンドレイアップ）成形法若しくはVARTM（真空圧適用樹脂含浸）成形法を用いて形成することができる。
【００３３】
本実施例においては引き抜き形成法を用いて一方向に引き揃えたアルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成るロッド（中実丸棒）を成形し、このロッドを内層11としている。また、この際、引き揃えたアルミナ繊維の中実管体10の軸芯に対する配向角度が０±１０°（本実施例においては０°、即ち、中実管体10の軸芯と平行）となるように配置する。
【００３４】
そして、この内層11（ロッド）の外周に、前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して外層12を形成している。具体的には、内層11の外周にエポキシ樹脂を含浸させたアルミナ繊維（連続繊維）を中実管体10の軸芯に対する配向角度が８５〜９０°（本実施例においては９０°）となるようにフープ巻きして硬化させることで外層12（フープ層）を形成している。
【００３５】
なお、エポキシ樹脂としては、酸無水物硬化系及びアミン硬化系のいずれを用いても良く、成形方法や成形条件にあった方を採用すれば良い。本実施例においては、酸無水物硬化系を採用している。また、成形後の各層の樹脂含有量が２０〜３５重量％の範囲となるようにアルミナ繊維に対する樹脂含浸量を夫々適宜設定する。
【００３６】
従って、本実施例の中実管体10は、２層構造で、内層11のアルミナ繊維の配向角度が０±１０°、外層12のアルミナ繊維の配向角度が８５〜９０°である一体のもの（円柱体）となる（図２参照）。
【００３７】
また、図３に図示したように中実管体10の両端部にフランジ部13を設けても良い。このフランジ部13は、外層12を形成する際、中央部より両端部が肉厚となるようにアルミナ繊維を巻回して形成する。具体的には、フランジ部13は、図３に図示したように内方側から外方側に向かって徐々に径大となるように形成し、更に、外方端から内方側に向かって一定距離同径となる同径部が設けられるように形成した構成としている。なお、フランジ部13に同径部を設けずに、外方端まで徐々に径大となる構成としても良い。
【００３８】
フランジ部13を設けることで、中実管体10と内容器２及び外容器３との接触面積が増加し、より強固に且つ安定的に内容器２及び外容器３を支持できるものとなる。
【００３９】
以上のように構成した本実施例は、例えば、図１に図示したように繊維強化樹脂製のクライオスタットの内容器２を支持するために用いられる。このクライオスタットは、例えば超伝導を利用する医療用脳磁計測装置（MEG）において、超伝導磁気センサーを液体ヘリウム１中に浸漬させて液体ヘリウム温度に保持するために用いられるものであり、内容器２と外容器３との間は真空状態となっている。また、内容器２と外容器３との間にはスーパーインシュレーションと呼ばれるＰＥＴフィルムにアルミニウムを蒸着させた断熱材（図示省略）が設けられている。なお、本実施例はクライオスタットに限らず、極低温環境における機器・部材の支持のために同様に用いることができる。
【００４０】
本実施例においては、中実管体10を内容器２の底面を支持する鉛直支持用位置（Ａ）と側面を支持する水平支持用位置（Ｂ）とに夫々配設する。即ち、本実施例においては、内容器２と外容器３の底面間にその軸方向が鉛直となるように鉛直支持用の荷重支持材を介在せしめると共に、内容器２と内容器３の側面間にその軸方向が水平となるように水平支持用の荷重支持材を介在せしめた構成としている。
【００４１】
クライオスタットの内容器２を支持する必要がある理由は以下の通りである。
【００４２】
即ち、クライオスタットの内容器２の容量にもよるが、例えば、８０リットルの液体ヘリウムを溜める場合、液体ヘリウムの密度が０．１２５ｋｇ／ｌ（−２６９℃、１ａｔｍ）であるので、０．１２５ｋｇ／ｌ×８０＝１０ｋｇになる。クライオスタットの内容器２はその上部開口部４が外容器３の上端部５に接合された構成となっているが、１０ｋｇもの重量となると、外容器３の上端部５への接合だけでは内容器２はその重量を保持できず、変形等が生じてしまう。そこで、クライオスタットの内容器２を部分的に支えておく必要がある。
【００４３】
また、本実施例は、鉛直支持用の荷重支持材及び水平支持用の荷重支持材のいずれとしても良好な支持性能を発揮する。その理由は以下の通りである。
【００４４】
鉛直支持用位置（Ａ）に配置する場合、上述したように内容器２に貯められる液体ヘリウム８０リットル分の１０ｋｇを支える必要がある。管体が鉛直方向（上下方向）から力を受けると、つづみ型になったり、ビヤダル型になったりする変形が起こる。繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の場合は、鉛直方向（上下方向）の力に耐えられるように、管体の軸芯方向に繊維を配置する必要がある。
【００４５】
また、水平支持用位置（Ｂ）に配置する場合は、内容器２にかかる重量が管体に片持ち梁のような力がかかり、千歳飴を水平に持っていて先端側がうなだれたような応力が生じ、変形が起こる。
【００４６】
この点、本実施例においては、軸芯方向の繊維に加えて、円周方向（軸芯方向と直交する方向）にも繊維を配置することによって、つづみ型になったり、ビヤダル型になったり、水平部材の先端がうなだれるような変形を抑えられる構成としたから、鉛直支持及び水平支持のいずれに用いても長期間安定的に荷重を支持することができることになる。
【００４７】
また、荷重支持材をクライオスタットの液体ヘリウムが貯められる極低温側の内容器２と外気と接する室温側の外容器３との間に配設した場合、この荷重支持材が外容器３の内周面と内容器２の外周面とに接触し両者間に架設された熱橋（熱の通り道）となるため、極めて高い断熱性が要求される。
【００４８】
そのため、極低温環境で用いられる荷重支持材としては、ＦＲＰの中でも、できるだけ常温（２５℃）から液体ヘリウム温度（−２６９℃）の温度範囲にわたって、熱を伝えにくい方が良い。言い換えると、常温から液体ヘリウムの温度域にわたって、熱伝導率が低いＦＲＰが望ましい。ＦＲＰの熱伝導率は、常温でガラス繊維ＦＲＰ（ＧＦＲＰ）が１．０［Ｗｍ−１Ｋ−１］、ＰＡＮ系カーボン繊維ＦＲＰ（ＣＦＲＰ）が５［Ｗｍ−１Ｋ−１］、アルミナ繊維ＦＲＰ（ＡＬＦＲＰ）が１．３［Ｗｍ−１Ｋ−１］、そしてＦＲＰのマトリックス樹脂となるエポキシ樹脂が０．３［Ｗｍ−１Ｋ−１］で、繊維の熱伝導率が支配的である。また、金属であるステンレス鋼は１８［Ｗｍ−１Ｋ−１］である。繊維も樹脂もステンレス鋼も、液体ヘリウム温度に向かって熱伝導率は下がってくるが、−２６９℃での熱伝導率はＣＦＲＰとＡＬＦＲＰが０．０５［Ｗｍ−１Ｋ−１］となり、ＧＦＲＰが０．１［Ｗｍ−１Ｋ−１］なので、常温から液体ヘリウム温度の温度域においてはアルミナ繊維が優位にある。即ち、ＡＬＦＲＰの常温から−２６９℃の間の熱伝導率の差は１．３−０．０５＝１．２５［Ｗｍ−１Ｋ−１］、ＣＦＲＰの常温から−２６９℃の間の熱伝導率の差は５−０．０５＝４．９５［Ｗｍ−１Ｋ−１］であり、ＡＬＦＲＰの方が高い断熱性を得られる。
【００４９】
また、参考文献１（西嶋、岡田  「クライオスタットの支持材に関する研究」  大阪大学低温センターだより  57  p.17-19  1987-01）によれば、ＡＬＦＲＰが全温度範囲（常温から液体ヘリウムの温度域）で熱絶縁性能が良好であるとしている。また、参考文献１では、ＡＬＦＲＰの熱侵入量を計算し、ＡＬＦＲＰを使用することによってＧＦＲＰの場合の熱侵入量を半分に抑えることができると述べている。また、併せて、参考文献１で液体ヘリウム温度における荷重−変位を測定し、ＡＬＦＲＰが優位であることを述べている。しかしながら、この参考文献１ではアルミナ繊維と表記されているだけで、具体的にどのような組成のアルミナ繊維であるかは示されていない。アルミナ繊維には、αアルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）、γアルミナ（γ−Ａｌ２Ｏ３）、及び、これらのアルミナ組成物と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）との混合物から成るものがある。また、更にムライトというＡｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２〜２Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２で表されるアルミナ組成物を含むものもある等、多種多様である。
【００５０】
この点、本実施例においては、組成比が質量比でγアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）：酸化ケイ素（ＳｉＯ２）＝８３：１７〜８７：１３であるアルミナ繊維（γアルミナ以外の他のアルミナ組成物を含まないアルミナ繊維）を採用している。このアルミナ繊維が常温（２５℃）から液体ヘリウム温度（−２６９℃）の温度範囲にわたって、熱を伝えにくいことを発明者等は見出し、ＦＲＰの繊維とした。
【００５１】
上記組成範囲であるγアルミナ：酸化ケイ素＝８５：１５の組成比のアルミナ繊維（繊維Ａ）と、上述したムライトを含む、γアルミナ：酸化ケイ素：ムライト＝８２：１１：７の組成比（質量比）のアルミナ繊維（繊維Ｂ）との熱伝導率を比較したものが図６である。図６より、ムライトを含まない上記組成のアルミナ繊維が常温（２９８Ｋ）から液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）の全温度範囲にわたり、熱伝導率が低い（熱絶縁性能が良好である）ことが分かる。
【００５２】
以上の組成のアルミナ繊維を用いることにより、常温（２５℃，２９８Ｋ）における熱伝導率が１．３［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下で、且つ、液体ヘリウム温度（−２６９℃，４．２Ｋ）における熱伝導率が０．０５［Ｗｍ−１Ｋ−１］以下である繊維強化樹脂製の荷重支持材とすることができる。
【００５３】
本実施例は上述のように構成したから、クライオスタットの内容器２と外容器３との間に荷重支持材を配置して内容器２を支持する際、液体ヘリウム１中にMRIやMEGに用いる超伝導磁気センサーが浸漬されていても、本実施例は超伝導磁気センサーに磁場の影響を与えることがないのは勿論、強度及び剛性を十分に確保でき内容器２を変形等させることなく安定的に支持できるものとなる。
【００５４】
具体的には、中実管体10の軸芯方向に沿うように繊維が配置される内層11を、中実管体10の周方向に沿って繊維が配置される外層12により締め付ける構成とすることで、主に軸方向荷重を受ける内層11の変形を抑制することが可能となり、長期間安定的に軸方向荷重を支持することが可能となる。
【００５５】
また、本実施例は、常温から極低温にわたって熱を伝えにくい特性を持つ所定組成のアルミナ繊維を用いることで、荷重支持材が液体ヘリウム１を貯める内容器２と外部が常温の外容器３との間に架設された熱橋となる場合でも、熱を可及的に伝え難い構造とすることができ、内容器２と外容器３との断熱状態を維持して内容器２に貯められる液体ヘリウム１の消費量を抑制することが可能となる。
【００５６】
よって、本実施例は、極低温環境における断熱性が良好で、しかも磁場の影響を受けることがなく、特に超電導現象を利用する機器において好適に用いることができる荷重支持材となる。
【００５７】
なお、本実施例は上述のようにしているが、図４に図示した別例のように、荷重支持材として、アルミナ繊維とエポキシ樹脂とから成る繊維強化樹脂製の中空管体20を採用し、この中空管体20は、内側層21、中間層22及び外側層23を積層して構成し、各層の前記アルミナ繊維は中空管体20の軸芯方向に対し、内側層21が８５〜９０°、中間層22が±２０〜±３０°、外側層23が８５〜９０°の配向角度で配置した構成としても良い。この場合も、アルミナ繊維の組成比は、質量比でγアルミナ（γ-Ａｌ２Ｏ３）：酸化ケイ素（ＳｉＯ２）＝８３：１７〜８７：１３とし、前記中空管体の前記各層の前記エポキシ樹脂の含有量は２０〜３５重量％に設定する。
【００５８】
また、別例においては、前記中空管体20の前記内側層21は、前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成し、前記中空管体20の前記中間層22は、前記内側層21の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成し、前記中空管体20の前記外側層23は、前記中間層22の外周に前記アルミナ繊維をフィラメントワインディング法を用いて巻回して形成することができる。
【００５９】
具体的には、フィラメントワインディング法により、エポキシ樹脂を含浸したアルミナ繊維（連続繊維）を円筒状のマンドレルに該マンドレルの軸芯（中空管体の軸芯）に対する配向角度が８５〜９０°（別例においては９０°）となるようにフープ巻きして内側層21（フープ層）を形成し、この内側層21の外周に、エポキシ樹脂を含浸したアルミナ繊維を前記配向角度が±２０〜±３０°（別例においては−２０°及び＋２０°）となるようにヘリカル巻きして中間層22（ヘリカル層）を形成し、この中間層22の外周に、エポキシ樹脂を含浸したアルミナ繊維を前記配向角度が８５〜９０°（別例においては９０°）となるようにフープ巻きして外側層23（フープ層）を形成し、硬化させ、マンドレルを脱型することで中空管体20を形成している。
【００６０】
従って、別例の中空管体20は、３層構造で、内側層21のアルミナ繊維の配向角度が８５〜９０°、中間層22のアルミナ繊維の配向角度が±２０〜±３０°、外側層23のアルミナ繊維の配向角度が８５〜９０°である一体のもの（円環体）となる。
【００６１】
この場合、中空管体20の軸芯方向に沿うように繊維が配置される中間層22を、中空管体20の周方向に沿って繊維が配置される内側層21及び外側層23により挟み込む構成とすることで、主に軸方向荷重を受ける中間層22の変形を抑制することが可能となり、長期間安定的に軸方向荷重を支持することが可能となる。
【００６２】
なお、別例においては、中間層22を本実施例の内層11と同様にアルミナ繊維を一方向に引き揃えて形成する構成としても良い。
【００６３】
また、図５に図示したように中空管体20の両端部にフランジ部24を設けても良い。このフランジ部24は、外側層23を形成する際、中央部より両端部が肉厚となるようにアルミナ繊維を巻回して形成する。具体的には、フランジ部24は、図５に図示したように内方側から外方側に向かって徐々に径大となるように形成し、更に、外方端から内方側に向かって一定距離同径となる同径部が設けられるように形成した構成としている。なお、フランジ部24に同径部を設けずに、外方端まで徐々に径大となる構成としても良い。
【００６４】
その余は本実施例と同様である。
【符号の説明】
【００６５】
２  内容器
３  外容器
10  中実管体
11  内層
12  外層
20  中空管体
21  内側層
22  中間層
23  外側層
【図１】
2017054924.tif 000003
【図２】
2017054924.tif 000004
【図３】
2017054924.tif 000005
【図４】
2017054924.tif 000006
【図５】
2017054924.tif 000007
【図６】
2017054924.tif 000008