超電導磁石装置
【課題】 ＣＦＲＰ製熱シールド板の線膨張係数をＬＮ２冷却配管の線膨張係数に近づけることによって、信頼性を向上した超電導磁石装置を得る。
【解決手段】 超電導コイルと、超電導コイルを収納する内槽と、内槽を冷却するための冷却剤を封入している冷却配管と、冷却配管を備え、内槽を被覆して熱侵入を抑制する輻射熱シールド板とを備えた超電導磁石装置において、輻射熱シールド板は、±６０度に繊維配向したプリプレグシートを積層して形成した炭素繊維強化プラスチックから成る。
【解決手段】 超電導コイルと、超電導コイルを収納する内槽と、内槽を冷却するための冷却剤を封入している冷却配管と、冷却配管を備え、内槽を被覆して熱侵入を抑制する輻射熱シールド板とを備えた超電導磁石装置において、輻射熱シールド板は、±６０度に繊維配向したプリプレグシートを積層して形成した炭素繊維強化プラスチックから成る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気浮上式鉄道に使用される超電導磁石装置に関し、特に超電導コイルを収納した内槽の輻射熱シールド板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気浮上式鉄道に使用される超電導磁石装置においては、軽量で電気抵抗が高く、熱伝導率も高い材質として炭素繊維に樹脂を含浸した強化プラスチック材（ＣＦＲＰ）を使用して輻射熱シールド板を構成している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２３２４６１号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の超電導磁石装置では、主に熱伝導性を向上させることによって輻射熱シールド板の温度分布を均一に保ち、内槽への熱侵入量低減が図られている。即ち、輻射熱シールド板を構成する液体窒素（ＬＮ２）冷却配管、金属製熱シールド板、ＣＦＲＰ製熱シールド板の温度分布の均一化が図られている。
【０００５】
しかし、剛性確保と熱伝導のため、アルミニウム或いは銅などの合金が使用されるＬＮ２冷却配管と金属製熱シールド板は、ＣＦＲＰ製熱シールド板との熱膨張率の差が顕著であり、超電導磁石装置が極低温に冷却される際、熱膨張差から生じる熱応力に留意する必要があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＣＦＲＰ製熱シールド板の熱膨張率をＬＮ２冷却配管の熱膨張率に近づけることによって、超電導磁石装置の信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルを収納する内槽と、
前記内槽を間接的に冷却するための液体窒素を封入している冷却配管と、
前記冷却配管を備え、前記内槽を被覆して熱侵入を抑制する輻射熱シールド板とを備えた超電導磁石装置において、
前記輻射熱シールド板は、±６０度に繊維配向したプリプレグシートを積層して形成した炭素繊維強化プラスチックから成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、輻射熱シールド板を構成するＬＮ２冷却配管、金属製熱シールド板、ＣＦＲＰ製熱シールド板の熱膨張差が小さくなり、超電導磁石装置冷却時の熱応力に対する信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態
図１は、本発明の超電導磁石装置を適用した磁気浮上式鉄道の概略図である。
図１において、超電導磁石装置１は車両２の台車３の両側に取り付けられ、Ｕ字型のガイドウェイ４に設置されている地上コイル５と電磁気的に作用することにより、車両２を浮上走行させている。
【００１０】
図２は、本発明の超電導磁石装置の断面図である。
図２において、超電導磁石装置１は、超電導コイル６を収納する内槽７に液体ヘリウムなどの冷却剤を満たして冷却し、さらに、外部からの熱侵入を抑制するための輻射熱シールド板８で内槽７を被覆し、内部を真空断熱した外槽９に荷重支持材１０によって結合支持されている。
【００１１】
この輻射熱シールド板８は、磁場中での振動による渦電流発熱を抑制する目的で、軽量で電気抵抗が高く、熱伝導率が高い材質として炭素繊維に樹脂を含浸した強化プラスチック材（以下ＣＦＲＰと略する）によって構成されている。
【００１２】
図３に輻射熱シールド板８の構成を示す。図３において、輻射熱シールド板８の全面を構成するＣＦＲＰ製熱シールド板１１には、液体窒素などの冷却剤が封入された金属製の冷却配管１２が引き回され、Ａｌなどの金属製熱シールド板１３を介して温度分布が均一となるように冷却されている。
【００１３】
冷却配管１２と金属製熱シールド板１３は、溶接などによって固定され、金属製熱シールド板１３とＣＦＲＰ製熱シールド板１１は、リベット止めによって接合されているため、それぞれに適用されている材料の線膨張係数に大きな差があると熱応力が発生する。
【００１４】
銅やアルミニウム合金などから成る冷却配管１２、及び金属製熱シールド板１３の線膨張係数は１０〜２５ｐｐｍ／Ｋであり、ＣＦＲＰ製熱シールド板１１の線膨張係数−１ｐｐｍ／Ｋとの差が顕著であり、超電導磁石装置１の冷却・昇温過程毎に熱応力が発生し、特に冷却配管１２の接合部などに熱応力の厳しい部分が生じる可能性があった。
【００１５】
そのため、例えば図４に示すようにＣＦＲＰ製熱シールド板１１として、弾性率８５０ＧＰａ以上で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭素繊維からなる第１のプリプレグシート１４を外側に、その内側に弾性率８５０ＧＰａ未満で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の炭素繊維からなる第２のプリプレグシート１５を、それぞれ繊維配向角度（θ）を±θとして積層し、成形・加工した。
【００１６】
図５は、上述のように積層し、成形・加工したＣＦＲＰ製熱シールド板１１の繊維配向角度と線膨張係数の関係を示したものである。この結果、繊維配向角度を９０度に近づけるほど、ＣＦＲＰ製熱シールド板１１の線膨張係数が大きくなることがわかる。
【００１７】
一方、図６は上述のように積層し、成形・加工したＣＦＲＰ製熱シールド板１１の繊維配向角度と弾性率の関係を示したものである。各繊維配向角度（±４５〜７５度）で積層したＣＦＲＰにおいて、（１）θ＝０度（配管方向）、（２）θ＝４５度、（３）θ＝９０度の３方向の弾性率を示している。
この結果、（３）は繊維配向角度が９０度に近づくほど弾性率が増大しているが、（１）及び（２）は繊維配向角度が９０度に近づくほど弾性率が低下し、繊維配向角度が６０度を超えるとＣＦＲＰ製熱シールド板１１が従来並の剛性（１０ＧＰａ）を確保できなくなる。
【００１８】
以上の結果より、第１のプリプレグシート１４と第２のプリプレグシート１５を繊維配向角度を６０度として積層し、成形・加工することにより、（１）〜（３）の全ての方向で従来並の剛性を確保し、且つ線膨張係数が冷却配管１２とほぼ同等の１０ｐｐｍ／ＫであるＣＦＲＰ製熱シールド板１１を得ることができる。
【００１９】
例えば、超電導磁石装置が極低温に冷却された状態では、冷却配管１２とＣＦＲＰ製熱シールド板１１は−１９６℃になり、冷却配管１２と従来のＣＦＲＰ製熱シールド板１１の間に生じる熱収縮差は、０．００４２４であったが、冷却配管１２と本実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板１１の間に生じる熱収縮差は、０．００１７８となり、熱収縮差を従来のＣＦＲＰ製熱シールド板を使用したときと比較して約６０％低減でき、発生する熱応力も約６０％低減することができる。
【００２０】
また、超電導磁石装置を常温に戻して保守・点検を行い、その終了後再び極低温に冷却する冷却・昇温過程の度にも冷却配管１２とＣＦＲＰ製熱シールド板１１の間に同様の熱応力が生じていたが、これについても本実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板１１を使用することにより、繰り返し発生する熱応力が約６０％低減することができる。
【００２１】
以上、本実施の形態では、第２のプリプレグシート１５を１層ずつ配向させて積層したが、複合則によれば線対称に積層すれば特性差は生じないため、２層ずつ、３層ずつとして配向させて積層する、或いは厚さ（繊維密度）が第１のプリプレグシート１４の２倍、３倍の第２のプリプレグシート１５を配向させて積層しても同様のＣＦＲＰ製熱シールド板１１を得ることができ、作業効率が向上する。
【００２２】
以上のように本発明の実施の形態に係る超電導磁石装置は、従来並の剛性を有し、且つ、冷却配管１２や金属製熱シールド板１３とほぼ同等の線膨張係数を有することによって、繰り返し冷却・昇温された場合でも各々の接合面で生じる熱応力が緩和され、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の磁気浮上式鉄道の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の超電導磁石装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の輻射熱シールド板の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板の繊維配向角度と線膨張係数の関係を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板の繊維配向角度と弾性率の関係を示した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ 超電導磁石装置、 ２ 車両、 ３ 台車、 ４ ガイドウェイ、 ５ 地上コイル、 ６ 超電導コイル、 ７ 内槽、 ８ 輻射熱シールド板、 ９ 外槽、 １０ 荷重支持材、 １１ ＣＦＲＰ製熱シールド板、 １２ 冷却配管、 １３ 金属製熱シールド板、 １４ 第１のプリプレグシート、 １５ 第２のプリプレグシート。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気浮上式鉄道に使用される超電導磁石装置に関し、特に超電導コイルを収納した内槽の輻射熱シールド板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気浮上式鉄道に使用される超電導磁石装置においては、軽量で電気抵抗が高く、熱伝導率も高い材質として炭素繊維に樹脂を含浸した強化プラスチック材（ＣＦＲＰ）を使用して輻射熱シールド板を構成している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２３２４６１号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の超電導磁石装置では、主に熱伝導性を向上させることによって輻射熱シールド板の温度分布を均一に保ち、内槽への熱侵入量低減が図られている。即ち、輻射熱シールド板を構成する液体窒素（ＬＮ２）冷却配管、金属製熱シールド板、ＣＦＲＰ製熱シールド板の温度分布の均一化が図られている。
【０００５】
しかし、剛性確保と熱伝導のため、アルミニウム或いは銅などの合金が使用されるＬＮ２冷却配管と金属製熱シールド板は、ＣＦＲＰ製熱シールド板との熱膨張率の差が顕著であり、超電導磁石装置が極低温に冷却される際、熱膨張差から生じる熱応力に留意する必要があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＣＦＲＰ製熱シールド板の熱膨張率をＬＮ２冷却配管の熱膨張率に近づけることによって、超電導磁石装置の信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る超電導磁石装置は、超電導コイルと、前記超電導コイルを収納する内槽と、
前記内槽を間接的に冷却するための液体窒素を封入している冷却配管と、
前記冷却配管を備え、前記内槽を被覆して熱侵入を抑制する輻射熱シールド板とを備えた超電導磁石装置において、
前記輻射熱シールド板は、±６０度に繊維配向したプリプレグシートを積層して形成した炭素繊維強化プラスチックから成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、輻射熱シールド板を構成するＬＮ２冷却配管、金属製熱シールド板、ＣＦＲＰ製熱シールド板の熱膨張差が小さくなり、超電導磁石装置冷却時の熱応力に対する信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態
図１は、本発明の超電導磁石装置を適用した磁気浮上式鉄道の概略図である。
図１において、超電導磁石装置１は車両２の台車３の両側に取り付けられ、Ｕ字型のガイドウェイ４に設置されている地上コイル５と電磁気的に作用することにより、車両２を浮上走行させている。
【００１０】
図２は、本発明の超電導磁石装置の断面図である。
図２において、超電導磁石装置１は、超電導コイル６を収納する内槽７に液体ヘリウムなどの冷却剤を満たして冷却し、さらに、外部からの熱侵入を抑制するための輻射熱シールド板８で内槽７を被覆し、内部を真空断熱した外槽９に荷重支持材１０によって結合支持されている。
【００１１】
この輻射熱シールド板８は、磁場中での振動による渦電流発熱を抑制する目的で、軽量で電気抵抗が高く、熱伝導率が高い材質として炭素繊維に樹脂を含浸した強化プラスチック材（以下ＣＦＲＰと略する）によって構成されている。
【００１２】
図３に輻射熱シールド板８の構成を示す。図３において、輻射熱シールド板８の全面を構成するＣＦＲＰ製熱シールド板１１には、液体窒素などの冷却剤が封入された金属製の冷却配管１２が引き回され、Ａｌなどの金属製熱シールド板１３を介して温度分布が均一となるように冷却されている。
【００１３】
冷却配管１２と金属製熱シールド板１３は、溶接などによって固定され、金属製熱シールド板１３とＣＦＲＰ製熱シールド板１１は、リベット止めによって接合されているため、それぞれに適用されている材料の線膨張係数に大きな差があると熱応力が発生する。
【００１４】
銅やアルミニウム合金などから成る冷却配管１２、及び金属製熱シールド板１３の線膨張係数は１０〜２５ｐｐｍ／Ｋであり、ＣＦＲＰ製熱シールド板１１の線膨張係数−１ｐｐｍ／Ｋとの差が顕著であり、超電導磁石装置１の冷却・昇温過程毎に熱応力が発生し、特に冷却配管１２の接合部などに熱応力の厳しい部分が生じる可能性があった。
【００１５】
そのため、例えば図４に示すようにＣＦＲＰ製熱シールド板１１として、弾性率８５０ＧＰａ以上で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭素繊維からなる第１のプリプレグシート１４を外側に、その内側に弾性率８５０ＧＰａ未満で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の炭素繊維からなる第２のプリプレグシート１５を、それぞれ繊維配向角度（θ）を±θとして積層し、成形・加工した。
【００１６】
図５は、上述のように積層し、成形・加工したＣＦＲＰ製熱シールド板１１の繊維配向角度と線膨張係数の関係を示したものである。この結果、繊維配向角度を９０度に近づけるほど、ＣＦＲＰ製熱シールド板１１の線膨張係数が大きくなることがわかる。
【００１７】
一方、図６は上述のように積層し、成形・加工したＣＦＲＰ製熱シールド板１１の繊維配向角度と弾性率の関係を示したものである。各繊維配向角度（±４５〜７５度）で積層したＣＦＲＰにおいて、（１）θ＝０度（配管方向）、（２）θ＝４５度、（３）θ＝９０度の３方向の弾性率を示している。
この結果、（３）は繊維配向角度が９０度に近づくほど弾性率が増大しているが、（１）及び（２）は繊維配向角度が９０度に近づくほど弾性率が低下し、繊維配向角度が６０度を超えるとＣＦＲＰ製熱シールド板１１が従来並の剛性（１０ＧＰａ）を確保できなくなる。
【００１８】
以上の結果より、第１のプリプレグシート１４と第２のプリプレグシート１５を繊維配向角度を６０度として積層し、成形・加工することにより、（１）〜（３）の全ての方向で従来並の剛性を確保し、且つ線膨張係数が冷却配管１２とほぼ同等の１０ｐｐｍ／ＫであるＣＦＲＰ製熱シールド板１１を得ることができる。
【００１９】
例えば、超電導磁石装置が極低温に冷却された状態では、冷却配管１２とＣＦＲＰ製熱シールド板１１は−１９６℃になり、冷却配管１２と従来のＣＦＲＰ製熱シールド板１１の間に生じる熱収縮差は、０．００４２４であったが、冷却配管１２と本実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板１１の間に生じる熱収縮差は、０．００１７８となり、熱収縮差を従来のＣＦＲＰ製熱シールド板を使用したときと比較して約６０％低減でき、発生する熱応力も約６０％低減することができる。
【００２０】
また、超電導磁石装置を常温に戻して保守・点検を行い、その終了後再び極低温に冷却する冷却・昇温過程の度にも冷却配管１２とＣＦＲＰ製熱シールド板１１の間に同様の熱応力が生じていたが、これについても本実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板１１を使用することにより、繰り返し発生する熱応力が約６０％低減することができる。
【００２１】
以上、本実施の形態では、第２のプリプレグシート１５を１層ずつ配向させて積層したが、複合則によれば線対称に積層すれば特性差は生じないため、２層ずつ、３層ずつとして配向させて積層する、或いは厚さ（繊維密度）が第１のプリプレグシート１４の２倍、３倍の第２のプリプレグシート１５を配向させて積層しても同様のＣＦＲＰ製熱シールド板１１を得ることができ、作業効率が向上する。
【００２２】
以上のように本発明の実施の形態に係る超電導磁石装置は、従来並の剛性を有し、且つ、冷却配管１２や金属製熱シールド板１３とほぼ同等の線膨張係数を有することによって、繰り返し冷却・昇温された場合でも各々の接合面で生じる熱応力が緩和され、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の磁気浮上式鉄道の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の超電導磁石装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の輻射熱シールド板の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板の繊維配向角度と線膨張係数の関係を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態のＣＦＲＰ製熱シールド板の繊維配向角度と弾性率の関係を示した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ 超電導磁石装置、 ２ 車両、 ３ 台車、 ４ ガイドウェイ、 ５ 地上コイル、 ６ 超電導コイル、 ７ 内槽、 ８ 輻射熱シールド板、 ９ 外槽、 １０ 荷重支持材、 １１ ＣＦＲＰ製熱シールド板、 １２ 冷却配管、 １３ 金属製熱シールド板、 １４ 第１のプリプレグシート、 １５ 第２のプリプレグシート。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、前記超電導コイルを極低温で収納する内槽と、
前記内槽を間接的に冷却するための液体窒素を封入している冷却配管と、
前記冷却配管を備え、前記内槽を被覆して熱侵入を抑制する輻射熱シールド板とを備えた超電導磁石装置において、
前記輻射熱シールド板は、±６０度に繊維配向したプリプレグシートを積層して形成した炭素繊維強化プラスチックから成ることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
輻射熱シールド板は、
弾性率８５０ＧＰａ以上で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭素繊維からなる第１のプリプレグシートを外側に積層し、
弾性率８５０ＧＰａ未満で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の炭素繊維からなる第２のプリプレグシートをその内側に積層して、成形・加工した炭素繊維強化プラスチックから成ることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項１】
超電導コイルと、前記超電導コイルを極低温で収納する内槽と、
前記内槽を間接的に冷却するための液体窒素を封入している冷却配管と、
前記冷却配管を備え、前記内槽を被覆して熱侵入を抑制する輻射熱シールド板とを備えた超電導磁石装置において、
前記輻射熱シールド板は、±６０度に繊維配向したプリプレグシートを積層して形成した炭素繊維強化プラスチックから成ることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
輻射熱シールド板は、
弾性率８５０ＧＰａ以上で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭素繊維からなる第１のプリプレグシートを外側に積層し、
弾性率８５０ＧＰａ未満で熱伝導率３００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の炭素繊維からなる第２のプリプレグシートをその内側に積層して、成形・加工した炭素繊維強化プラスチックから成ることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３１１４７１（Ｐ２００７−３１１４７１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３７６２１（Ｐ２００６−１３７６２１）
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３９００２１５７７）東海旅客鉄道株式会社 (413)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３９００２１５７７）東海旅客鉄道株式会社 (413)
【Ｆターム（参考）】
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