(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導コイルと外部構造物とを懸架し、所定の長さの支持体を有して超伝導コイルを断熱支持する荷重支持体において、前記荷重支持体は互いに連結された金属フレームと繊維強化プラスチックとで構成され、前記超伝導コイル側に前記金属フレームが、前記外部構造物側に前記繊維強化プラスチックが接続されるようにし、前記金属フレームはベース部とそのベース部から中央で上方向に突き出た部分とを有し、前記ベース部と前記外部構造物との間を前記繊維強化プラスチックで接続し、前記繊維強化プラスチックは前記ベース部に対して前記突き出た部分と同方向に向けられて接続されることによって、前記繊維強化プラスチックを前記外部構造物に釣り下げたことを特徴とする超伝導磁石の荷重支持体。
【請求項２】
前記繊維強化プラスチックの端部に設けたテーパを金属フレームに設けたテーパを有する溝に挿入して締結することを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石の荷重支持体。
【請求項３】
前記繊維強化プラスチックは２軸強化の積層構造とし、積層方向が金属フレームの溝に対して交差する方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導磁石の荷重支持体。
【請求項４】
前記テーパ部表面に組立前に摩擦低減剤を塗布し、繊維強化プラスチックの底部より圧力を与えて締結を行うことを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石の荷重支持体。
【請求項５】
超伝導コイルと、その周り囲うと共に冷却ガスが通されるコイル容器と、前記超伝導コイルを前記コイル容器を介して断熱支持する前記請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の超伝導磁石の荷重支持体と、前記コイル容器と前記荷重支持体の金属フレーム部分を囲う断熱容器とを備えた超伝導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温で使用される超伝導磁石を支持する荷重支持体と、その荷重支持体を用いた超伝導磁石装置に係わり、それらは、加速器，磁気分離装置，医療用装置等に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導磁石は、超伝導導体を冷媒とともに低温容器に収容した超伝導コイルを断熱性の高い荷重支持体を介して液体窒素温度または室温環境下の構造物と締結されているのが通例である。
【０００３】
たとえば図８に示すような超伝導コイル１を棒状の繊維強化プラスチック構造の荷重支持体２で外部構造物に支持する構成となる。荷重支持体２は、超伝導コイル１の冷却時の熱収縮による変形と超伝導コイル１の自重および励磁後の電磁力に強度的に耐え、且つ外部熱の侵入量を極力少なくしなければならない。
【０００４】
このため荷重支持体２の構成材料は、熱伝導率が小さく強度が高い繊維強化プラスチック、たとえばガラス繊維や炭素繊維を強化繊維としてエポキシ樹脂をマトリックスとする繊維強化プラスチックなどが使用されている。
【０００５】
従来の超伝導コイル等の極定温装置の荷重支持装置は、特開平８−５６０２１号公報に記載のように繊維強化樹脂製円筒と金属製円筒を径方向に多重に組み合わせた多重円筒方式で、繊維強化樹脂製円筒に圧縮荷重を金属製円筒に引張荷重が加わる構造であった。
【０００６】
このような構造では断熱距離を長くすることができる代わりにその構造が複雑な構造をとらなければならない。また、繊維強化樹脂に圧縮応力が生じるため繊維強化樹脂の座屈に対して十分な安全率をとらなければならない。
【０００７】
また、特願平８−８１０８号公報に記載のように、棒状の繊維強化プラスチックと円筒状に成形された繊維強化プラスチックとこれらを連結する金属製金具で構成された荷重支持体とすることにより、コイル冷却時の熱変形を吸収しながら支持することができる。
【０００８】
この荷重支持体に関しても２重の円筒と棒を組み合わせた複雑な構造である。また、荷重支持体の繊維強化プラスチック部のロッドを超伝導コイルの内槽に直接取り付ける構造のため、コイルの変形により繊維強化プラスチックのロッドに曲げ変形が生じるため、一部に圧縮応力が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、繊維強化プラスチックは引張強度に比べて圧縮強度が低いため、繊維強化プラスチックに圧縮応力が生じる状態で使用する場合には断面積を大きくする必要があり、断熱距離を大きくするために繊維強化プラスチックの長さを増加させると座屈を生じ易く、初期不整などによる座屈強度の減少を考慮すると安全率を大きくとる必要があった。
【００１０】
本発明は複雑な多重円筒構造とすることなく繊維強化プラスチックに座屈が生じない荷重支持体とすることを目的とする。他の目的は、その荷重支持体を用いた超伝導磁石装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、金属フレームと繊維強化プラスチックより構成し、超伝導コイル側を金属フレーム，外部構造物側を繊維強化プラスチックになるように配置した。
【００１２】
また、端部にテーパを有する繊維強化プラスチックを金属フレームの溝に挿入して締結したものである。
【００１３】
さらに、締結部における繊維強化プラスチックの破損防止ために繊維強化プラスチックを２軸強化の積層構造としたものである。
【００１４】
さらに、強固な締結のためにテーパ部表面に組立前に摩擦低減材を塗布し、繊維強化プラスチックの底部より圧力を与えたものである。
【００１５】
これらの荷重支持体を採用した超伝導磁石装置は、これらの荷重支持体が、超伝導コイルを内蔵し、ヘリウムガス等の冷却ガスが通されるコイル容器を断熱支持していて、その荷重支持体の金属フレームは伝熱によりコイル容器と同様に低温になっているので、その金属フレームとコイル容器とは断熱容器によって周囲から断熱された構成を有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の各実施例につき説明する。図１に示す第１実施例による超伝導コイルの荷重支持体を採用した超伝導磁石装置の縦断面図を示す。図１において、超伝導コイル１はコイル容器１３内に内蔵されている。
【００１７】
その超伝導コイル１はコイル容器１３内を流通するヘリウムガス１２を冷却ガスとして冷却されている。このコイル容器１３は荷重支持体２によって外部構造材５から支持され、荷重支持体２は超伝導コイル１を間接的に支持している。コイル容器１３と荷重支持体２の金属フレーム３部分と同じく繊維強化プラスチック４の下部一部分は断熱容器１４に囲われて外部から断熱されている。この断熱容器１４は荷重支持体２の金属フレーム３や繊維強化プラスチック４に支持されるものではなく、別の部分から支持されている。そのため、繊維強化プラスチック４の部分は断熱容器１４に対して相対的移動が可能に取り合っている。
【００１８】
前述の通り、荷重支持体２は、金属フレーム３と繊維強化プラスチック４より構成されている。その金属フレーム３は、中央で上方向（超伝導コイル１のある方向）に突き出た丸棒の部分と、その丸棒の部分と一体とされていて締結のための円盤状のベース部分９より成る。
【００１９】
一方、繊維強化プラスチック４は外部構造材５とベース部分９との間を締結し、繊維強化プラスチック４は外部構造材５に釣り下げられ、荷重支持体２が超伝導コイル１の自重および励磁時の電磁力を外部構造材５に伝達することが出来るようにする。
【００２０】
ここで、荷重支持体２は励磁時の超伝導コイルの電磁力を支えるように配置する。例えば図１では、電磁力は図中上方から下方に向かって働く。超伝導コイル１が超伝導コイル１の自重と電磁力によって金属フレーム３は下方に押し下げられ、それによって圧縮応力を生じる。一方、繊維強化プラスチック４は金属フレーム３に引張られて引張応力を生じる。
【００２１】
金属フレーム３と繊維強化プラスチック４および繊維強化プラスチック４と外部構造材５の接合部は、接着やボルト締結などで行われる。
【００２２】
このように本実施例によれば、繊維強化プラスチック４は主に引張負荷を受けることとなる。これによって、繊維強化プラスチックに圧縮応力が生じる状態で使用する場合に比べて断面積を小さくでき、断熱距離を大きくするために繊維強化プラスチックの長さを増加させた場合にも座屈は生じ難い。
【００２３】
繊維強化プラスチック４の形状は棒状のものを金属フレーム３の中心と同心の円状（ベース部分９の円盤縁沿い）に複数個配置したものであってもよいし、図２のように、円筒状のものであってもよい。
【００２４】
図２は図１の構造を応用した荷重支持体２の全体斜視図である。ただし、コイル容器１３や超伝導コイル１や断熱容器１４は備えられてはいるが省略表示している。金属フレーム３は、図１のように、超伝導コイル１に連結される丸棒の部分と締結のための円盤状のベース部分９より成り、円筒形の繊維強化プラスチック４の下端部分がそのベース部分９に、同じく上端部分が外部構造物５に締結されている。金属フレーム３および繊維強化プラスチック４の形状は、丸棒や円筒状に限らず角柱や板状でもよい。
【００２５】
図３は図１，図２の繊維強化プラスチック４の接続部での変形例を示しており、繊維強化プラスチック４の端部に機械加工で設けたテーパ部６を金属フレーム３に設けたテーパ部を有する溝１１に挿入して締結する。この事は、外部構造物５と繊維強化プラスチック４の上端との締結部においても同様である。この変形例でも断熱容器１４は図１と同様に備えられてはいるが省略表示している。
【００２６】
励磁により電磁力が生じた場合、繊維強化プラスチック４が引張られることでテーパ部６と溝１１との間に締結面圧が生じ、強固に締結される。
【００２７】
たとえば、図２の円筒形状の繊維強化プラスチック４に図３の構造を適用する場合は、円筒形の繊維強化プラスチック４を半割りにし、同様に半割りにした金属フレーム３のベース部９に設けた溝１１に差し込む形で締結する。
【００２８】
その後、金属フレーム３のベース部９に棒状の支持部８を溶接，ボルト締結または拡散接合などで取付ける。半割りされたベース部９同士も溶接，ボルト締結または拡散接合などで接合する。以上の構成とすることで簡単な締結構造とすることができる効果がある。
【００２９】
金属フレーム３と繊維強化プラスチック４の締結部において、繊維強化プラスチック４のテーパ部６に応力が集中し、特に１軸繊維強化プラスチックでは、層間せん断破壊を生じ易い。
【００３０】
そこで、層間せん断破壊を防止するために、図４に示すように繊維強化プラスチック４を２軸強化の積層構造とし、積層方向が金属フレームの溝１１に対して交差する方向に配置することで、テーパ部６の層間せん断破壊を回避することができる。
【００３１】
図５に金属フレーム３と繊維強化プラスチック４の締結部の引張試験結果を示す。図５中のａで示す特性を有する１軸繊維強化プラスチックを使用した場合には、層間せん断破壊を生じ易くて、低荷重で破損する。一方図５中のｂで示す特性を有する繊維強化プラスチック４を用いた場合は、層間せん断破壊を生じ難いために破壊強度が高い。
【００３２】
たとえば、本発明を図２の構造に適用するためには、以下のように製作を行う。金属フレーム３のベース部９を最低２分割最大３６分割し、ベース部９にはテーパ状の溝１１を機械加工する。
【００３３】
また、繊維強化プラスチック４は、２軸織り繊維強化プラスチックの積層平板から、円筒を径方向に１２から３６分割した部品１０を機械加工により採取する。その部品１０の採取方向は、図４に示すように織り面が径方向となるようにする。
【００３４】
その部品１０の端部にはテーパ部６を設ける。その部品１０のテーパ部６をベース部９の溝１１に挿入した後、金属フレーム３のベース部９を溶接，ボルト締結または拡散接合で締結し、その後棒部８を同様の方法で接続し、図２の形状とする。
【００３５】
分割した繊維強化プラスチックの部品１０同士は接合しない。また、分割された繊維強化プラスチックは、全周に配置する必要はなく、間隙をもって配置してもよい。このように組み立てると繊維強化プラスチック４の積層方向と溝１１の交差角を６０度から８０度とすることができる。
【００３６】
以上の構成とすることで、締結部の繊維強化プラスチック４のせん断破損を防止することができる。また、繊維強化プラスチック４が分割されていることで、荷重支持体の径方向の変形に対して柔な構造となり、繊維強化プラスチック４の破損を防止することができる。この事は、外部構造物５と繊維強化プラスチック４の上端との締結部においても同様である。
【００３７】
図６に示すように、締結部となるテーパ部６の表面に締結組立前に摩擦低減剤を塗布し、繊維強化プラスチック４の底部よりボルトを金属フレームにねじ込む。そのボルトによって繊維強化プラスチック４の端部は押し込まれて圧力を受け、締結部に面圧を残留させ、冷却収縮によるガタをなくせ、強固な締結が可能となる。この事は、外部構造物５と繊維強化プラスチック４の上端との締結部においても同様である。
【００３８】
図７の一定の面圧をテーパ部６に残留させるために必要な締結応力とデーパ角度の関係に示すように一定の面圧を残留させるのに必要な底部より与える圧力は、摩擦係数が小さいほど、またテーパ角度が小さいほど小さい圧力を負荷すればよい。
【００３９】
高い面圧を得るためにはテーパ角を小さくすればよいが、その場合繊維強化プラスチック４が抜けてしまう可能性がある。また、締結金具の破損を防ぐためにも降伏応力を超えた締結応力を負荷することは避けたい。
【００４０】
したがって、摩擦低減剤を用いて締結面の摩擦係数を減少させることで、繊維強化プラスチック４が抜けないのに十分なテーパ角の採用ができ、また、締結金具の破損を生じないで高い面圧を残留させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、繊維強化プラスチックの圧縮応力による破損が生じない超伝導磁石の荷重支持体とすることができるという効果を奏する。
【００４２】
また、その超伝導磁石の荷重支持体を採用した超伝導磁石装置は、超伝導磁石の荷重支持体部分の破損が生じ無い分、信頼性が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷重支持体の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の荷重支持体の一実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の荷重支持体の一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の荷重支持体の締結部の一実施形態を示す斜視図である。
【図５】荷重支持体の締結部の荷重と変位の関係を示す特性図である。
【図６】本発明の荷重支持体の締結部の一実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明において、一定の面圧を締結部のテーパ部に残留させるために必要な締結応力とテーパ角度の関係を示す特性図である。
【図８】従来の荷重支持体を示す断面図である。
【符号の説明】
１…超伝導コイル、２…荷重支持体、３…金属フレーム、４…繊維強化プラスチック、５…外部構造物、６…テーパ部、７…ボルト、８…棒状部、９…ベース部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003855648.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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