JP3726204B2

JP3726204B2 - Load support

Info

Publication number: JP3726204B2
Application number: JP30523697A
Authority: JP
Inventors: 博青山; 敏雄服部; 洋之渡邊; 元昭寺井; 哲稲玉
Original assignee: Hitachi Ltd; Central Japan Railway Co
Current assignee: Hitachi Ltd; Central Japan Railway Co
Priority date: 1997-11-07
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: JPH11144937A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は荷重支持体に係り、特に超電導磁石用として好適な荷重支持体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通常の超電導磁石では、内部に液体ヘリウムで冷却されたコイルが内蔵され、コイルの周囲は内槽と呼ばれるステンレス製のケースが覆っている。内槽は、真空容器である外槽内に格納され支持体により支持される。支持に用いられる支持体には、断熱特性を高めるために、複合材料である繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと称する）が使用されている。従来の方法としては、特開昭６２−１２６６０４号公報、特開昭５６−１１６５５５号公報等に記載の例など、円筒状、コーン状に成型されたＦＲＰ部材を使用したものがある。
また、光ファイバを樹脂内に埋め込んだ例としては、特開昭５９−１０１７０９号公報、特開昭６２−１３４６０８号公報等に記載のように、光ファイバがマトリックス材によって固化埋設された例がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術による荷重支持体は、その強度特性と断熱特性を満たすために、炭素繊維やガラス繊維をエポキシ樹脂などで固化させたもので、強化繊維と樹脂以外の物質は存在しない。したがって、ＦＲＰのひずみ、損傷をモニタするためには、後から別に各種のセンサを設置する必要がある。損傷状況を調べる方法には、一般に各構成部品にひずみゲージを貼り付け、荷重に対する変化量を測定する方法がある。
ひずみゲージは、細い銅箔をゲージベースの上に貼り付けたもので、使用時は、ゲージベースを接着剤等で被測定物に貼り付け、ゲージベースの上の銅箔に電流を流している。
超電導磁石の構成部品は、超電導状態になると高い磁場に曝される。そのため、ひずみゲージのように微弱な電流を扱うセンサは、電気的、磁気的ノイズの影響を受けやすく、正確なひずみが計測できない。
また、コイル内槽と外槽との間に配置する荷重支持体は、断熱特性を重視しているため、熱伝導率の高い銅を荷重支持体に取り付けることは、無意味な熱侵入を許すことになり、磁石の超電導状態を悪化させる。
さらに、ひずみゲージを使用する場合、損傷はゲージを取り付けた位置しか検出できず、ゲージを付けていない部位の損傷情報は得られない。
光ファイバを樹脂内に埋設した前記公知例の場合、複数本の光ファイバ、銅線などのそれ以外の繊維は互いに同一方向にのびており、互いが直交したり、繊維が複数の光ファイバにまたがることはない。強度的にみて、この複合材の強度は光ファイバ、繊維方向が最も高く、それと直交する方向には弱い。したがって、この従来技術による光ファイバ埋設樹脂を荷重支持体のように、あらゆる方向に強度を持たせたい構造物に適用することはできない。
本発明の目的は、超電導状態下の高い磁場に曝される荷重支持体のひずみ、損傷を正確に検出することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、超電導コイルを格納する内槽と該内槽を格納する外槽との間に配置され前記内槽を支持する超電導磁石の荷重支持体において、前記荷重支持体は繊維強化プラスチックと、光ファイバとから構成されることにより達成される。
上記目的は、超電導コイルを格納する内槽と該内槽を格納する外槽との間に配置され前記内槽を支持する超電導磁石の荷重支持体において、前記荷重支持体は繊維強化プラスチックと、コアの周囲が屈折率の異なるクラッドで覆われた光ファイバとから構成されることにより達成される。
前記光ファイバの損傷により外部へ漏れた光を検出し前記繊維強化プラスチックの損傷部位を特定する受光素子を前記光ファイバと対向する位置に設けることが望ましい。
前記荷重支持体は、鼓形状、円筒形状、棒状あるいは円錐形状等のうちいずれかの形状であり、前記光ファイバが前記形状の中心軸に対して放射状になるように前記繊維強化プラスチック内に埋め込まれていることが望ましい。
前記光ファイバのコアとクラッドの比屈折率差が０．１〜０．２５％であることが望ましい。
前記荷重支持体は径が異なる複数の光ファイバを有することが望ましい。
前記繊維強化プラスチックの強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、炭化珪素繊維、アラミド繊維およびアルミナ繊維の一種類、あるいはこれらの複数種類の組み合わせであることが望ましい。
前記繊維強化プラスチックのプラスチックは、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であることが望ましい。
前記光ファイバは、前記繊維強化プラスチック成型時のプリプレグシートの間に挟んで埋め込まれることが望ましい。
前記荷重支持体は、光ファイバと、加熱溶融する樹脂を繊維状にしたもの、および強化繊維とで織りあげられた布を積層し、その後、加熱加圧溶融し、冷却固化することにより成型される複合材料であることが望ましい。
前記光ファイバが前記繊維強化プラスチックから外部へ導かれる際に、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂以外の材質のスリーブを貫通することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の荷重支持体。
前記光ファイバの外周は、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂以外の１種類あるいは複数種類の材質で被覆されていることが望ましい。
前記荷重支持体にかかる荷重に対応する前記光ファイバの光透過減衰量が予め計測されていることが望ましい。
前記光ファイバは、繊維強化プラスチック成型時のプリプレグシートの間に挟んで埋め込まれる製作過程中の、あるいは、前記光ファイバと、加熱溶融する樹脂を繊維状にしたもの、および強化繊維とで織りあげられた布を積層し、その後、加熱加圧溶融し、冷却固化することにより成型される製作過程中の光透過量変化が計測されていることが望ましい。
【０００５】
上記構成の荷重支持体の繊維強化プラスチックに混在させた光ファイバを透過する光は、超電導状態下の高い磁場に曝される環境でも電気的、磁気的ノイズに妨害されないから荷重支持体のひずみや損傷に伴って光ファイバが変形すると透過光量が変化し、荷重支持体のひずみや損傷を正確に検出できる。
荷重支持体外部に設置した受光ユニットで、損傷を受けた位置を特定できる。
光ファイバに被覆を施すことで、光ファイバの劣化が防止され樹脂との接着強度を確保することができる。
強化繊維と光ファイバの方向を一致させて埋設することで、繊維間に溜る樹脂だまりを最小にすることができる。
光ファイバと強化繊維と樹脂繊維の混織布を用いることで、所望の形状が製作しやすくなる。
荷重支持体を上下で締結する締結金具にコネクタユニットを設けることで、複数個の荷重支持体を一つの測定装置で計測できる。
光ファイバの光量変化と荷重支持体の受ける荷重とを対応づけておくことで、磁石運転中の実荷重を知ることができる。
荷重支持体に負荷の方向と直交するダミーファイバを配置することで、荷重支持体外で光ファイバに加わる外乱、例えば、ファイバの揺れ、温度変化による光量変化分などを除いた、純粋な荷重支持体の変形量のみを知ることができる。
荷重支持体を構成する繊維強化プラスチックの成型時から、これに埋設された光ファイバの光量変化を監視することで、成型時での内部欠陥あるいは材料の変形を監視でき、製品のばらつきを知ることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態の荷重支持体を示す斜視図である。本図において、本実施の形態の荷重支持体は、コイル内槽と外槽とを連結し、鼓状に成型したＦＲＰ部１を締結金具２ではさんで構成されている。ＦＲＰ部１は板厚が１〜３ｍｍであり、締結金具２が各々内槽および外槽に溶接される。磁石運転中は、コイルに働く電磁力が荷重支持体を介して外槽に伝わるため、ＦＲＰ部１は負荷に応じて変形する。ＦＲＰ部１を構成する強化繊維３としては、アルミナ繊維、炭素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維、アラミド繊維などを用い、樹脂は熱硬化性のエポキシ樹脂を用いて成型されている。成型はプリプレグと呼ばれる繊維と樹脂との混合物でできたシート状のものを積層してできている。プリプレグシート４を積層する際の繊維の配向は、鼓形状の母線軸方向を０度としたとき０度、４５度、９０度、１３５度の方向を持つものとする。各方向を持つ繊維層はそれぞれ８層となっている。したがってトータルで３２層の繊維層が積み重ねられ、エポキシ樹脂で固化される。ＦＲＰ部１の内部には、光ファイバ５が、図１に示すように埋設される。上下の締結金具２には、光ファイバ５が通る穴６が設けられており、光ファイバ５が外部へ導かれる。光ファイバ５は鼓状ＦＲＰ部１の母線方向に沿って取り付けられていてもよいし、周方向に巻き付けられていてもよい。いずれの場合も、光ファイバ５の長手方向が、アルミナ繊維の方向と同じになるように埋設される。こうすることで、光ファイバ５の周囲に無用な樹脂だまりが生じることが防止され、強度上有利になる。１つの荷重支持体に取り付けられる光ファイバ５の数は１本でもよいし、複数本でもよい。光ファイバ５表面には、たとえばシリコン樹脂、紫外線硬化樹脂などが被覆されている。被覆があることで、エポキシ樹脂との接着強度が増す。また、被覆によって光ファイバ５の劣化を防ぐ効果が生まれる。光ファイバ５の径は、ＦＲＰ部１の引っ張り強度、曲げ強度に対応するひずみ量で破壊するように調整される。磁石運転中に荷重支持体に急激な負荷が加わり、ＦＲＰ部１が大きく変形すると、そこに取り付けてある光ファイバ５が破壊する。
【０００７】
図２は本発明による超電導磁石の一例を示す説明図である。
本図において、磁石外槽７内の超電導コイル８を収納した内槽９に、前記荷重支持体が取り付けられる。荷重支持体に埋設された光ファイバ５は、光コネクタ１０を介して、光源１１とパワーメータ１２に接続される。光源１１はレーザであってもよいし、ＬＥＤであってもよい。パワーメータ１２の出力電圧は、ペンレコーダ１３に入力され、各光ファイバ５の透過光量が記録される。
あらかじめ、磁石運転前に荷重支持体に埋設された光ファイバ５に光を通し透過量を測定しておく。磁石運転中に何らかの原因で、荷重支持体が過大な変形を受けると、光ファイバ５が損傷する。この際、透過光量は減少し、ＦＲＰ部１に損傷が生じたことが間接的に分かる。光は常時通していてもよいし、磁石の定期検査時のみ通してもよい。情報の伝達には光を用いているため、強変動磁場中でもノイズの無い安定した情報が得られる。
【０００８】
本発明の他の実施の形態を図３を用いて説明する。
図３は本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す正面図である。
本図において、光ファイバの径が小径光ファイバ１４と大径光ファイバ１５の複数になった例である。径はコアの寸法を変えることでおこなってもよいし、クラッドの寸法を変えることでおこなってもよい。この例によれば、荷重支持体に負荷が加わった場合、小径光ファイバ１４から先に破断が進行する。すべての光ファイバに光を入れ、その透過光量を測定しておき、どの径の光ファイバまでが破断したかを知ることができ、材料にかかっている負荷、あるいは局所的なＦＲＰのひずみの大きさを、定量的に知ることができる。
【０００９】
本発明の他の実施の形態を図４を用いて説明する。
図４は本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図である。
本図において、光ファイバ５が埋設された荷重支持体の内側に、ＣＣＤアレイ１６等を取り付けた受光ユニット１７を、荷重支持体ＦＲＰ部１から、ある距離を置いて設置する。もしＦＲＰ部１が過大な変形を受け、その部位に埋設された光ファイバ５が損傷した場合、光ファイバ５に光を通した際、損傷部位から光が漏れる。ＦＲＰ部１を構成する強化繊維３がガラス繊維やアルミナ繊維などの光を比較的よく通す材質でできているならば、埋設された損傷した光ファイバから漏れた光は外部から観察できる。この漏れた光を前述の受光ユニット１７によって検出し、その位置を特定する。
例えば、図４において、受光素子１８が漏れた光を検出した場合、ＦＲＰ部１が過大な変形を受けた部位を図中ａ部と推定できる。本実施の形態によれば、ＦＲＰに多数のひずみゲージ等のセンサを取り付けなくとも、損傷を受けた部位を知ることができる。また、光ファイバ５を通過した光を再度パワーメータ１２で計測しなくてもよいため、システムが単純化できる。
【００１０】
本発明の他の実施の形態を図５、図６および図７を用いて説明する。
図５は本発明の他の実施の形態における光ファイバの斜視図である。
本図に示す例は、樹脂に内蔵させる光ファイバ５を上下のリング１９と、それらをつなぐファイバ２０とで一体成型した例である。光ファイバ５同士の接合は、融着によって行う。この実施の形態によれば、光を入れるファイバと光量を計測するための出口側ファイバが一つですみ、測定システムが単純化できる。
【００１１】
図６は本実施の形態における締結金具の斜視図である。
本図に示すように、ファイバ端部２１は、コネクタユニット２２内でＦＣコネクタに接続されている。リングファイバ１９を傷つけないようにするために、ＦＲＰ部１を固定する締結金具２には溝２３が切ってある。コネクタユニット２２は光ファイバ５接続後、締結金具２内の穴２４に収納される。
【００１２】
図７は本実施の形態における光コネクタユニットの横断面図である。
本図にコネクタユニット２２の構造を示す。光ファイバ端部２１は接着剤２５でコネクタユニット２２に固定される。コネクタユニット２２内にはＦＣコネクタ２６があって、端部光ファイバ２１がフェルール２７を介して接続される。コネクタユニット２２を介することで、外部の光源、光量測定装置との接続がＦＣコネクタ同士で行えるため、複数個の複合材料構造物を一つの測定システムで計測できる。
【００１３】
本発明の他の実施の形態を図８を用いて説明する。
図８は本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図である。
本図は別のタイプの荷重支持体に、光ファイバ５を取り付けた例を示したものである。コーン状ＦＲＰ部２８に複数本の光ファイバ５が埋設されている。光ファイバコネクタ部２２は、締結金具２に取り付けられ、外部からのソケットをこの部分に差し込み計測する。
【００１４】
本発明の他の実施の形態を図９を用いて説明する。
図９は本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図である。
本図は別のタイプの荷重支持体に、光ファイバ５を取り付けた例を示したものである。円筒状ＦＲＰ部２９に複数本の光ファイバ５が埋設されている。光ファイバコネクタ部２２は締結金具２に取り付けられ、外部からのソケットをこの部分に差し込み計測する。
【００１５】
本発明の他の実施の形態を図１０を用いて説明する。
図１０は本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図である。
本図は別のタイプの荷重支持体に、光ファイバ５を取り付けた例を示したものである。棒状ＦＲＰ部３０に複数本の光ファイバ５が埋設されている。光ファイバコネクタ部２２は締結金具２に取り付けられ、外部からのソケットをこの部分に差し込み計測する。
【００１６】
本発明の他の実施の形態を図１１および図１２を用いて説明する。
図１１は本発明の他の実施の形態における光ファイバ５と強化繊維と樹脂繊維とによる混織布の斜視図である。
本図において、複数本が一方向に並べられた光ファイバ５を、樹脂繊維３１と強化繊維３によって編んだ例である。樹脂繊維３１は、加熱することで溶融し、冷却することで固体化するＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂でできている。光ファイバ５と強化繊維３の向きは同じとし、互い違いに織り込まれる。
【００１７】
図１２は図１１の混織布を適用した荷重支持体を示す斜視図である。
本図に示すようにこの布を所望の金型３２の周囲に貼り、必要な枚数積層した後、加熱、冷却して光ファイバ内蔵型の荷重支持体を製作する。
【００１８】
本発明の他の実施の形態を図１３を用いて説明する。
図１３は本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図である。
本図において、荷重支持体鼓状ＦＲＰ部１中に、母線方向を向いた光ファイバ３３と、それに直交する向きに入れられた周方向の光ファイバ３４が埋設されている。図示はしていないが光ファイバ３３と光ファイバ３４がＦＲＰ部１から外部へ導かれる個所で熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂以外の材質のスリーブを貫通させることが、光ファイバの保護の点で望ましい。
一般に、光ファイバのコアの屈折率は１.４５２、クラッドの屈折率は１.４４７である。本実施の形態においては、コアの屈折率を１.４５１、クラッドの屈折率を１.４４７とし、比屈折率差を一般の０.３３％から０.１〜０.２５％とすることで、光ファイバの曲げによる透過光量損失が大きくなるようにしたものを使用する。
鼓の軸に対し直角方向に負荷が加わった場合、母線方向に埋設した光ファイバ３３は、負荷に対して敏感な光量変化を生ずる。しかし、母線に対し直交方向を向いた光ファイバ３４の光量は、ひずみに対して鈍感となるためそれほど変化しない。
【００１９】
図１４は本発明の他の実施の形態における荷重支持体ひずみ計測系統図である。本図において、光源１１から発射された光は、カプラ３５によって二つに分割され、一方は母線方向（負荷方向）のファイバ３３に、もう一方は負荷方向と直角方向のファイバ３４にそれぞれ入射される。その後、各々のファイバから出てきた光はパワーメータ１２によって、光量に比例した電圧信号に変換される。差分回路３６内では、オペアンプ３７を用いて、両電圧の差を増幅する。
この実施の形態によれば、荷重支持体外での光ファイバに加わる外乱、例えば、ファイバの揺れや、温度変化による光量変化分などを除いた、純粋な荷重支持体の変形量のみを知ることができる。この構造物の変形の影響を受けない内蔵光ファイバ（この場合、負荷方向と直角方向のファイバ）をダミーファイバと呼ぶ。
【００２０】
本発明の他の実施の形態を図１５を用いて説明する。
図１５は本発明の他の実施の形態による荷重支持体負荷装置の正面図である。
本図は光ファイバを埋設した荷重支持体を引張り試験機に搭載した例を示す。油圧アクチュエータ３８は、油圧源３９から送り込まれる油によって軸方向に変位する。軸方向に加圧した際のＦＲＰ部１の変形に伴い、光ファイバ５を透過する光量も変化する。
図１５中に、荷重支持体に負荷した荷重と光量の変化の測定例を示す。変形が進むとともに、光量損失は増加する。この荷重と減衰量との関係をあらかじめ測定しておき、磁石運転中の荷重支持体の光量変化を計測することで、運転中の実荷重を知ることができる。
【００２１】
本発明の他の実施の形態を図１６を用いて説明する。
図１６は本発明の他の実施の形態による荷重支持体成型装置斜視図である。
本図において、加熱炉４０内に電熱線４１が敷設されている。ジャッキによって負荷ロッド４２が上下し、これに取り付けられた加圧治具４３が動く。加圧治具４３の中には、荷重支持体を構成するＦＲＰの基材４４が、光ファイバ５とともに設置されている。基材４４中の光ファイバ５には、光源１１より、一定光量の光が入射されている。光ファイバ５のもう一方の端部は、パワーメータ１２につながっている。パワーメータ１２からの電圧はペンレコーダ１３につながり、ＦＲＰ成型中にその電圧変化を記録できるようになっている。本実施の形態によれば、荷重支持体ＦＲＰの成型時での内部ひずみを測定することができ、成型のばらつきを知ることができる。
【００２２】
以上説明したように、本実施の形態による光ファイバ内蔵荷重支持体を用いることで、磁石運転中でも電磁ノイズに強い、ひずみや損傷のセンシングが可能となる。
また、荷重支持体外部に設置した受光ユニットで、損傷を受けた位置を特定できる。
そして、光ファイバに被覆を施すことで、光ファイバの劣化を防ぐ効果と、樹脂との接着強度を確保することができる。強化繊維と光ファイバの方向を一致させて埋設することで、繊維間に溜る樹脂だまりを最小にすることができる。
さらに、本本実施の形態によれば以下のような優れた効果がある。
光ファイバと強化繊維と樹脂繊維の混織布を用いることで、所望の形状が製作しやすくなる。
荷重支持体を上下で締結する締結金具２にコネクタユニットを設けることで、複数個の荷重支持体を一つの測定装置でコネクタを差し替えて計測できる。
光ファイバの光量変化と荷重支持体の受ける荷重とを対応づけておくことで、磁石運転中の実荷重を知ることができる。
荷重支持体に負荷の方向と直交するダミーファイバを配置しておくことで、荷重支持体外で光ファイバに加わる外乱、例えばファイバの揺れ、温度変化による光量変化分などを除いた純粋な荷重支持体の変形量のみを知ることができる。
荷重支持体を構成するＦＲＰの成型時から、これに埋設された光ファイバの光量変化を監視することで、成型時での内部欠陥あるいは材料の変形を監視でき、製品のばらつきを知ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、繊維強化プラスチックに光ファイバを混在させることにより、超電導状態下の高い磁場に曝される環境でも電気的、磁気的ノイズに妨害されず荷重支持体のひずみや損傷を正確に検出する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の荷重支持体を示す斜視図。
【図２】本発明による超電導磁石の一例を示す説明図。
【図３】本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す正面図。
【図４】本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図。
【図５】本発明の他の実施の形態における光ファイバの斜視図。
【図６】本発明の他の実施の形態における締結金具の斜視図。
【図７】本発明の他の実施の形態における光コネクタユニットの横断面図。
【図８】本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図。
【図９】本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図。
【図１０】本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図。
【図１１】本発明の他の実施の形態における光ファイバと強化繊維と樹脂繊維とによる混織布の斜視図。
【図１２】本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図。
【図１３】本発明の他の実施の形態の荷重支持体を示す斜視図。
【図１４】本発明の他の実施の形態における荷重支持体ひずみ計測系統図。
【図１５】本発明による荷重支持体負荷装置の正面図。
【図１６】本発明による荷重支持体成型装置斜視図。
【符号の説明】
１ＦＲＰ部
２締結金具
３強化繊維
４プリプレグシート
５光ファイバ
６穴
７磁石外槽
８超電導コイル
９内槽
１０光コネクタ
１１光源
１２パワーメータ
１３ペンレコーダ
１４小径光ファイバ
１５大径光ファイバ
１６ＣＣＤアレイ
１７受光ユニット
１８損傷部位近傍ＣＣＤアレイ
１９リングファイバ
２０連結ファイバ
２１ファイバ端部
２２コネクタユニット
２３溝
２４コネクタ用穴
２５接着剤
２６ＦＣコネクタ
２７フェルール
２８コーン状ＦＲＰ
２９円筒状ＦＲＰ
３０棒状ＦＲＰ
３１樹脂繊維
３２金型
３３母線方向光ファイバ
３４周方向光ファイバ
３５光カプラ
３６差分回路
３７オペアンプ
３８油圧アクチュエータ
３９油圧源
４０加熱炉
４１電熱線
４２負荷ロッド
４３加圧治具
４４ＦＲＰ基材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a load support, and more particularly to a load support suitable for a superconducting magnet.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a normal superconducting magnet, a coil cooled with liquid helium is incorporated inside, and a stainless steel case called an inner tank is covered around the coil. The inner tank is stored in an outer tank which is a vacuum vessel and is supported by a support. A fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as “FRP”), which is a composite material, is used for the support used for the support in order to enhance the heat insulation characteristics. As a conventional method, there is a method using an FRP member molded in a cylindrical shape or a cone shape, such as examples described in JP-A-62-126604 and JP-A-56-116555.
Examples of embedding the optical fiber in the resin include an example in which the optical fiber is solidified and embedded with a matrix material as described in JP-A-59-101709, JP-A-62-134608, and the like. is there.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Such a load support according to the prior art is obtained by solidifying carbon fiber or glass fiber with an epoxy resin or the like in order to satisfy its strength characteristics and heat insulation characteristics, and there are no substances other than reinforcing fibers and resin. Therefore, in order to monitor the strain and damage of FRP, it is necessary to install various sensors later. As a method for examining the damage state, there is generally a method in which a strain gauge is attached to each component and a change amount with respect to a load is measured.
A strain gauge is a thin copper foil affixed on a gauge base. When in use, the gauge base is affixed to an object to be measured with an adhesive or the like, and a current is passed through the copper foil on the gauge base. .
The components of the superconducting magnet are exposed to a high magnetic field when in the superconducting state. Therefore, a sensor that handles a weak current such as a strain gauge is easily affected by electrical and magnetic noise, and cannot accurately measure strain.
In addition, since the load support placed between the inner and outer tubs of the coil attaches great importance to heat insulation properties, attaching high thermal conductivity copper to the load support allows meaningless heat intrusion. As a result, the superconducting state of the magnet is deteriorated.
Further, when a strain gauge is used, damage can be detected only at the position where the gauge is attached, and damage information on a part where the gauge is not attached cannot be obtained.
In the case of the known example in which the optical fiber is embedded in the resin, the other fibers such as a plurality of optical fibers and copper wires extend in the same direction, and are orthogonal to each other, or the fibers straddle the plurality of optical fibers. There is nothing. In terms of strength, the strength of this composite material is highest in the optical fiber and fiber directions, and weak in the direction perpendicular thereto. Therefore, the optical fiber-embedded resin according to this conventional technique cannot be applied to a structure that is desired to have strength in all directions, such as a load support.
An object of the present invention is to accurately detect strain and damage of a load support exposed to a high magnetic field under superconducting conditions.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The above object is to provide a superconducting magnet load support that is disposed between an inner tank for storing the superconducting coil and an outer tank for storing the inner tank, and the load support is made of fiber reinforced plastic, This is achieved by comprising an optical fiber.
The above object is to provide a superconducting magnet load support that is disposed between an inner tank for storing the superconducting coil and an outer tank for storing the inner tank, and the load support is made of fiber reinforced plastic, This is achieved by comprising an optical fiber in which the periphery of the core is covered with a clad having a different refractive index.
It is desirable to provide a light receiving element that detects light leaked to the outside due to damage of the optical fiber and identifies the damaged portion of the fiber reinforced plastic at a position facing the optical fiber.
The load support has one of a drum shape, a cylindrical shape, a rod shape, a conical shape, and the like, and is embedded in the fiber reinforced plastic so that the optical fiber is radial with respect to the central axis of the shape. It is desirable that
The relative refractive index difference between the core and the clad of the optical fiber is preferably 0.1 to 0.25%.
The load support preferably has a plurality of optical fibers having different diameters.
The reinforcing fiber of the fiber reinforced plastic is desirably one kind of glass fiber, carbon fiber, silicon carbide fiber, aramid fiber and alumina fiber, or a combination of these kinds.
The plastic of the fiber reinforced plastic is preferably a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
The optical fiber is preferably embedded by being sandwiched between prepreg sheets at the time of molding the fiber reinforced plastic.
The load support is formed by laminating a cloth woven from an optical fiber, a resin that is heated and melted into a fiber, and a reinforcing fiber, and then hot-pressing and melting and cooling and solidifying. It is desirable to be a composite material.
The load support according to claim 1 or 2, wherein when the optical fiber is guided from the fiber reinforced plastic to the outside, the optical fiber penetrates a sleeve made of a material other than a thermosetting resin or a thermoplastic resin. .
The outer periphery of the optical fiber is preferably covered with one or more kinds of materials other than thermosetting resin or thermoplastic resin.
It is desirable that a light transmission attenuation amount of the optical fiber corresponding to a load applied to the load support is measured in advance.
The optical fiber is woven with a fiber reinforced plastic in the process of being embedded and embedded between prepreg sheets at the time of molding fiber reinforced plastic, or a fiber made of heat-melting resin and a reinforcing fiber. It is desirable to measure the change in light transmission amount during the manufacturing process in which the cloths are laminated, then heated and pressurized, melted, and cooled and solidified.
[0005]
The light transmitted through the optical fiber mixed with the fiber reinforced plastic of the load support having the above structure is not disturbed by electrical and magnetic noise even in an environment exposed to a high magnetic field in a superconducting state. When the optical fiber is deformed due to damage, the amount of transmitted light changes, and the strain and damage of the load support can be accurately detected.
The damaged position can be identified by the light receiving unit installed outside the load support.
By coating the optical fiber, the optical fiber is prevented from being deteriorated and the adhesive strength with the resin can be ensured.
By embedding the reinforcing fiber and the optical fiber in the same direction, the resin pool accumulated between the fibers can be minimized.
By using a mixed woven fabric of optical fiber, reinforcing fiber, and resin fiber, a desired shape can be easily manufactured.
A plurality of load supports can be measured with a single measuring device by providing the connector unit on the fastening bracket for fastening the load supports vertically.
By associating the change in the amount of light of the optical fiber with the load received by the load support, the actual load during operation of the magnet can be known.
By placing a dummy fiber perpendicular to the direction of the load on the load support, a pure load support that eliminates disturbances applied to the optical fiber outside the load support, such as fluctuations in the fiber and changes in the amount of light due to temperature changes, etc. Only the deformation amount of can be known.
By monitoring the change in the amount of light in the optical fiber embedded in the fiber-reinforced plastic that forms the load support, it is possible to monitor internal defects or material deformation at the time of molding, and know product variations. Can do.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a load support according to an embodiment of the present invention. In this figure, the load support body of this Embodiment comprises the FRP part 1 which connected the coil inner tank and the outer tank, and was shape | molded in the shape of a drum with the fastening metal fitting 2. The FRP portion 1 has a plate thickness of 1 to 3 mm, and the fastener 2 is welded to the inner tank and the outer tank, respectively. During the magnet operation, the electromagnetic force acting on the coil is transmitted to the outer tank via the load support, so that the FRP unit 1 is deformed according to the load. As the reinforcing fiber 3 constituting the FRP portion 1, alumina fiber, carbon fiber, glass fiber, silicon carbide fiber, aramid fiber, or the like is used, and the resin is molded using a thermosetting epoxy resin. Molding is made by laminating sheet-like products made of a mixture of fibers and resins called prepregs. The orientation of the fibers when laminating the prepreg sheets 4 is assumed to have directions of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees when the drum-shaped bus axis direction is 0 degrees. Each of the fiber layers having each direction has eight layers. Therefore, a total of 32 fiber layers are stacked and solidified with epoxy resin. An optical fiber 5 is embedded in the FRP unit 1 as shown in FIG. The upper and lower fasteners 2 are provided with holes 6 through which the optical fibers 5 pass, and the optical fibers 5 are guided to the outside. The optical fiber 5 may be attached along the generatrix direction of the drum-shaped FRP unit 1 or may be wound in the circumferential direction. In either case, the optical fiber 5 is embedded so that the longitudinal direction thereof is the same as the direction of the alumina fiber. By doing so, it is possible to prevent unnecessary resin pools from occurring around the optical fiber 5, which is advantageous in terms of strength. The number of optical fibers 5 attached to one load support may be one or plural. The optical fiber 5 surface, silicone resin, an ultraviolet curable resin is coated For example other. The presence of the coating increases the adhesive strength with the epoxy resin. Moreover, the effect which prevents deterioration of the optical fiber 5 is produced by the coating. The diameter of the optical fiber 5 is adjusted so as to be broken with a strain amount corresponding to the tensile strength and bending strength of the FRP portion 1. When an abrupt load is applied to the load support during the operation of the magnet and the FRP portion 1 is greatly deformed, the optical fiber 5 attached thereto is broken.
[0007]
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a superconducting magnet according to the present invention.
In this figure, the said load support body is attached to the inner tank 9 which accommodated the superconducting coil 8 in the magnet outer tank 7. FIG. The optical fiber 5 embedded in the load support is connected to the light source 11 and the power meter 12 via the optical connector 10. The light source 11 may be a laser or an LED. The output voltage of the power meter 12 is input to the pen recorder 13, and the amount of light transmitted through each optical fiber 5 is recorded.
Prior to the operation of the magnet, the amount of transmission is measured by passing light through the optical fiber 5 embedded in the load support. If the load support is subjected to excessive deformation for some reason during the operation of the magnet, the optical fiber 5 is damaged. At this time, the amount of transmitted light decreases, and it is indirectly known that the FRP unit 1 is damaged. The light may be always transmitted, or may be transmitted only during the periodic inspection of the magnet. Since light is used to transmit information, stable information without noise can be obtained even in a strongly fluctuating magnetic field.
[0008]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a front view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
In this figure, the diameter of the optical fiber is an example of a plurality of small-diameter optical fibers 14 and large-diameter optical fibers 15. The diameter may be changed by changing the size of the core, or may be changed by changing the size of the cladding. According to this example, when a load is applied to the load support, the breakage proceeds from the small-diameter optical fiber 14 first. Light is put into all the optical fibers, the amount of transmitted light is measured, it is possible to know which diameter of the optical fiber is broken, the load applied to the material, or the magnitude of local FRP strain This can be known quantitatively.
[0009]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
In this figure, a light receiving unit 17 having a CCD array 16 or the like attached is placed at a certain distance from the load support FRP unit 1 inside the load support in which the optical fiber 5 is embedded. If the FRP unit 1 is subjected to excessive deformation and the optical fiber 5 embedded in the part is damaged, when light passes through the optical fiber 5, light leaks from the damaged part. If the reinforcing fiber 3 constituting the FRP portion 1 is made of a material that transmits light relatively well, such as glass fiber or alumina fiber, the light leaking from the damaged damaged optical fiber can be observed from the outside. The leaked light is detected by the light receiving unit 17 and the position thereof is specified.
For example, in FIG. 4, when light leaking from the light receiving element 18 is detected, a part where the FRP unit 1 has undergone excessive deformation can be estimated as a part in the figure. According to the present embodiment, it is possible to know the damaged part without attaching many sensors such as strain gauges to the FRP. Further, since the light passing through the optical fiber 5 does not have to be measured again by the power meter 12, the system can be simplified.
[0010]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a perspective view of an optical fiber according to another embodiment of the present invention.
The example shown in this figure is an example in which the optical fiber 5 incorporated in the resin is integrally molded with the upper and lower rings 19 and the fiber 20 connecting them. The optical fibers 5 are joined to each other by fusion. According to this embodiment, only one fiber for entering light and one exit side fiber for measuring the amount of light are required, and the measurement system can be simplified.
[0011]
FIG. 6 is a perspective view of the fastener in the present embodiment.
As shown in the figure, the fiber end portion 21 is connected to the FC connector in the connector unit 22. In order not to damage the ring fiber 19, a groove 23 is cut in the fastener 2 for fixing the FRP portion 1. The connector unit 22 is accommodated in the hole 24 in the fastener 2 after the optical fiber 5 is connected.
[0012]
FIG. 7 is a cross-sectional view of the optical connector unit in the present embodiment.
This figure shows the structure of the connector unit 22. The optical fiber end 21 is fixed to the connector unit 22 with an adhesive 25. An FC connector 26 is provided in the connector unit 22, and the end optical fiber 21 is connected via a ferrule 27. By connecting via the connector unit 22, an external light source and a light quantity measuring device can be connected between the FC connectors, so that a plurality of composite material structures can be measured with a single measurement system.
[0013]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
This figure shows the example which attached the optical fiber 5 to the load support body of another type. A plurality of optical fibers 5 are embedded in the cone-shaped FRP portion 28. The optical fiber connector part 22 is attached to the fastener 2 and measures by inserting an external socket into this part.
[0014]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
This figure shows the example which attached the optical fiber 5 to the load support body of another type. A plurality of optical fibers 5 are embedded in the cylindrical FRP portion 29. The optical fiber connector portion 22 is attached to the fastener 2 and an external socket is inserted into this portion for measurement.
[0015]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
This figure shows the example which attached the optical fiber 5 to the load support body of another type. A plurality of optical fibers 5 are embedded in the rod-like FRP portion 30. The optical fiber connector portion 22 is attached to the fastener 2 and an external socket is inserted into this portion for measurement.
[0016]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 11 is a perspective view of a mixed woven fabric made of optical fibers 5, reinforcing fibers, and resin fibers according to another embodiment of the present invention.
In this figure, an example is an example in which a plurality of optical fibers 5 arranged in one direction are knitted by resin fibers 31 and reinforcing fibers 3. The resin fiber 31 is made of a thermoplastic resin such as PEEK that melts when heated and solidifies when cooled. The directions of the optical fiber 5 and the reinforcing fiber 3 are the same and are woven in a staggered manner.
[0017]
FIG. 12 is a perspective view showing a load support to which the mixed woven fabric of FIG. 11 is applied.
As shown in this figure, this cloth is applied around the desired mold 32, and a required number of layers are laminated, and then heated and cooled to produce a load support with a built-in optical fiber.
[0018]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 13 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
In this figure, an optical fiber 33 oriented in the busbar direction and a circumferential optical fiber 34 placed in a direction orthogonal thereto are embedded in the load support drum-shaped FRP portion 1. Although not shown, it is possible to penetrate a sleeve made of a material other than a thermosetting resin or a thermoplastic resin at a point where the optical fiber 33 and the optical fiber 34 are led to the outside from the FRP unit 1 in terms of protection of the optical fiber. desirable.
In general, the refractive index of the core of the optical fiber is 1.452, and the refractive index of the cladding is 1.447. In this embodiment, the refractive index of the core is set to 1.451, the refractive index of the cladding is set to 1.447, and the relative refractive index difference is changed from 0.33% in general to 0.1 to 0.25%. In this case, a transmission light loss caused by bending of the optical fiber is increased.
When a load is applied in a direction perpendicular to the axis of the drum, the optical fiber 33 embedded in the direction of the bus generates a light amount change sensitive to the load. However, the amount of light of the optical fiber 34 oriented in the direction perpendicular to the bus does not change so much because it is insensitive to strain.
[0019]
FIG. 14 is a load support strain measurement system diagram according to another embodiment of the present invention. In this figure, the light emitted from the light source 11 is divided into two by a coupler 35, one of which is incident on the fiber 33 in the busbar direction (load direction) and the other is incident on the fiber 34 in the direction perpendicular to the load direction. The Thereafter, the light emitted from each fiber is converted by the power meter 12 into a voltage signal proportional to the amount of light. In the difference circuit 36, an operational amplifier 37 is used to amplify the difference between both voltages.
According to this embodiment, it is possible to know only the amount of deformation of the pure load support excluding disturbances applied to the optical fiber outside the load support, for example, fluctuations in the fiber and changes in the amount of light due to temperature changes. it can. A built-in optical fiber that is not affected by the deformation of the structure (in this case, a fiber perpendicular to the load direction) is called a dummy fiber.
[0020]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 15 is a front view of a load support loading device according to another embodiment of the present invention.
This figure shows an example in which a load support having an optical fiber embedded therein is mounted on a tensile tester. The hydraulic actuator 38 is displaced in the axial direction by the oil fed from the hydraulic source 39. Along with the deformation of the FRP unit 1 when pressurized in the axial direction, the amount of light transmitted through the optical fiber 5 also changes.
FIG. 15 shows a measurement example of changes in load and light amount applied to the load support. As the deformation progresses, the light amount loss increases. The relationship between the load and the amount of attenuation is measured in advance, and the actual load during operation can be known by measuring the change in the light amount of the load support during magnet operation.
[0021]
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 16 is a perspective view of a load support molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
In the figure, a heating wire 41 is laid in the heating furnace 40. The load rod 42 is moved up and down by the jack, and the pressure jig 43 attached thereto moves. In the pressurizing jig 43, an FRP base material 44 constituting a load support is installed together with the optical fiber 5. A certain amount of light is incident on the optical fiber 5 in the substrate 44 from the light source 11. The other end of the optical fiber 5 is connected to the power meter 12. The voltage from the power meter 12 is connected to the pen recorder 13 so that the voltage change can be recorded during FRP molding. According to the present embodiment, the internal strain at the time of molding of the load support FRP can be measured, and the variation in molding can be known.
[0022]
As described above, by using the optical fiber built-in load support according to the present embodiment, it is possible to sense strain and damage that are resistant to electromagnetic noise even during magnet operation.
Moreover, the damaged position can be specified by the light receiving unit installed outside the load support.
By coating the optical fiber, the effect of preventing the optical fiber from deteriorating and the adhesive strength with the resin can be ensured. By embedding the reinforcing fiber and the optical fiber in the same direction, the resin pool accumulated between the fibers can be minimized.
Furthermore, according to the present embodiment, the following excellent effects are obtained.
By using a mixed woven fabric of optical fiber, reinforcing fiber, and resin fiber, a desired shape can be easily manufactured.
By providing the connector unit to the fastening bracket 2 that fastens the load support body up and down, a plurality of load support bodies can be measured by replacing the connector with a single measuring device.
By associating the change in the amount of light of the optical fiber with the load received by the load support, the actual load during operation of the magnet can be known.
By placing a dummy fiber perpendicular to the direction of the load on the load support, a pure load support that eliminates disturbances applied to the optical fiber outside the load support, such as fiber fluctuations and changes in the amount of light due to temperature changes, etc. Only the deformation amount of can be known.
By monitoring the change in the amount of light of the optical fiber embedded in the FRP that constitutes the load support body, it is possible to monitor internal defects or deformation of the material at the time of molding, and to know product variations. .
[0023]
【The invention's effect】
According to the present invention, by mixing an optical fiber with a fiber reinforced plastic, even in an environment exposed to a high magnetic field in a superconducting state, distortion and damage of the load support are accurately prevented without being disturbed by electrical and magnetic noise. The effect to detect is acquired.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a load support according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a superconducting magnet according to the present invention.
FIG. 3 is a front view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of an optical fiber according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of a fastener according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of an optical connector unit according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view of a mixed woven fabric including optical fibers, reinforcing fibers, and resin fibers according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a perspective view showing a load support according to another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a load support strain measurement system diagram according to another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a front view of a load support loading device according to the present invention.
FIG. 16 is a perspective view of a load support molding apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 FRP part 2 Fastening metal fitting 3 Reinforcement fiber 4 Prepreg sheet 5 Optical fiber 6 Hole 7 Magnet outer tank 8 Superconducting coil 9 Inner tank 10 Optical connector 11 Light source 12 Power meter 13 Pen recorder 14 Small diameter optical fiber 15 Large diameter optical fiber 16 CCD array 17 Photosensitive unit 18 CCD array near damaged site 19 Ring fiber 20 Connecting fiber 21 Fiber end 22 Connector unit 23 Groove 24 Connector hole 25 Adhesive 26 FC connector 27 Ferrule 28 Cone-shaped FRP
29 Cylindrical FRP
30 Rod FRP
31 resin fiber 32 mold 33 bus direction optical fiber 34 circumferential direction optical fiber 35 optical coupler 36 differential circuit 37 operational amplifier 38 hydraulic actuator 39 hydraulic source 40 heating furnace 41 heating wire 42 load rod 43 pressure jig 44 FRP base material

Claims

鼓状又は円筒状に形成されたＦＲＰ部と、該ＦＲＰ部の両端に固定された円板状の締結金具とを備え、超電導コイルが格納された内槽とこの内槽を格納する外槽とを連結して前記内槽を支持する荷重支持体において、
前記ＦＲＰ部は、強化繊維の配向の異なる複数のプリプレグを積層して形成され、前記プリプレグの強化繊維の配向が前記ＦＲＰ部の軸方向に延在する位置に光ファイバが埋設され、該光ファイバと直交するように前記ＦＲＰ部の周方向の位置にダミーファイバが埋設され、前記光ファイバと前記ダミーファイバの両端が前記締結金具の外周面から抜き出され、前記光ファイバと前記ダミーファイバの透過光量の差に基づいて、前記ＦＲＰ部のひずみ、損傷を検出可能に形成されたことを特徴とする荷重支持体。An inner tank in which a superconducting coil is stored, and an outer tank in which the inner tank is stored, which includes an FRP portion formed in a drum shape or a cylindrical shape, and disc-shaped fasteners fixed to both ends of the FRP portion. In a load support that supports the inner tank by connecting
The FRP portion is formed by stacking a plurality of prepregs with different orientation of the reinforcing fibers, the orientation of the reinforcing fibers of the prepreg is fiber is embedded in a position extending in the axial direction of the FRP part, the optical fiber A dummy fiber is embedded at a position in the circumferential direction of the FRP portion so as to be orthogonal to the optical fiber, and both ends of the optical fiber and the dummy fiber are extracted from the outer peripheral surface of the fastening bracket, and transmitted through the optical fiber and the dummy fiber. A load support that is formed so as to be able to detect distortion and damage of the FRP portion based on a difference in light amount.

前記光ファイバと前記ダミーファイバの表面は、シリコン樹脂又は紫外線硬化樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の荷重支持体。2. The load support according to claim 1 , wherein surfaces of the optical fiber and the dummy fiber are coated with silicon resin or ultraviolet curable resin .