JP2008283027A - 磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石を提供する。
【解決手段】 磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル５とその温度上昇を防ぐ輻射熱シールド板２を具備し、初回冷却のみ超電導コイル５を能動的に冷却する一方、その後は前記超電導コイル５の大きな熱容量と前記輻射熱シールド板２の冷却により、前記超電導コイル５が超電導状態となる温度以上にならないように間接的に冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石に係り、特に、その輻射熱シールド板の熱容量及び冷却に関するものである。

従来、希土類元素系高温超電導磁石（下記特許文献１参照）や、Ｙ系超電導コイル（下記非特許文献１参照）などが提案されている。
米国特許第５，７２４，８２０号公報 「超電導コイル応用」，石山 敦士，長屋 重夫，ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｖｏｌ．１２６，Ｎｏ．５，２００６，ｐｐ．２８６−２８７

そこで、本願発明者は、上記した希土類元素系高温超電導磁石を磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石として利用することを検討した。

図４は従来の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の模式図である。

この図において、１１１は磁気浮上式鉄道車両に搭載されるヘリウム圧縮機、１１２は外槽、１１３は輻射シールド板、１１４はＮｂＴｉ合金超電導コイル、１１５は電流リード、１１６は永久電流スイッチ、１１７は窒素冷凍機、１１８はヘリウム冷凍機、１１９は窒素タンク、１２０はヘリウムタンクである。

かかる超電導磁石を搭載する磁気浮上式鉄道車両の右側の半分の断面は、概略、図５に示すように構成されている。

図５に示すように、車体１７０の下部には台車１７２が構成されており、台車枠１７３にはＮｂＴｉ合金超電導コイル１６１、クライオスタット１６２等を具備する超電導磁石１６０が搭載され、更に、補助案内装置１７４、緊急着地装置１７６などが設けられる。また、軌道１３０の両側壁１３１の凹所１３２には、地上コイル１４１，１４２が配置され、ヌルフラックス線１４５が接続される。ここで、軌道１３０の両側壁１３１の高さはＨ₁ である。

このように現在の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石は、複雑な構造を有し、また、容積が大きく、信頼性の面でも問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルとその温度上昇を防ぐ輻射熱シールド板を具備し、初回冷却のみ前記超電導コイルを能動的に冷却する一方、その後は前記超電導コイルの熱容量と前記輻射熱シールド板の冷却により、前記超電導コイルが超電導状態となる温度以上にならないように間接的に冷却することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記輻射熱シールド板は７７Ｋ以下を保持するような熱容量を持つことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記輻射熱シールド板は液体窒素を溜める機構を持つことを特徴とする。

本発明によれば、構造が簡単になり、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石を提供することができる。

本発明の磁気浮上式鉄道用超電導磁石は、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルとその温度上昇を防ぐ輻射熱シールド板を具備し、初回冷却のみ前記超電導コイルを能動的に冷却する一方、その後は前記超電導コイルの大きな熱容量と前記輻射熱シールド板の冷却により、前記超電導コイルが超電導状態となる温度以上にならないように間接的に冷却する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の側面断面模式図である。

この図において、１は外槽、２は輻射熱シールド板、３は内槽、４は２段ＧＭ冷凍機、５は輻射熱シールド板２内に配置される、レーストラック型の希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル、６は超電導コイル５を冷却する熱容量の大きい物質、例えば、固体窒素である。

２段ＧＭ冷凍機４の場合、２段の冷却ステージを有しているため、高温超電導コイル５は外槽１と輻射熱シールド板２からなる二重のサーマルシールドに囲まれる構成となっている。その外側のサーマルシールドである外槽１には、２段ＧＭ冷凍機４の１段ステージによって溜めが設けられる。

初回冷却後は、２段ＧＭ冷凍機４を抜き取るか、または装着していても運転をしないようにする。なお、運転するとしても消費電力を抑制した運転をする程度とする。

このように、希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル５とその温度上昇を防ぐ輻射熱シールド板２を具備し、初回冷却のみ２段ＧＭ冷凍機４により、超電導コイル５を能動的に冷却する。一方、初回の能動的な冷却後は、超電導コイル５を冷却する熱容量の大きな物質６と輻射熱シールド板２の冷却により、超電導コイル５が超電導状態となる温度以上にならないように間接的に冷却する。

また、輻射熱シールド板２は、７７Ｋ以下を保持するような熱容量を持つようにする。輻射熱シールド板２の熱容量を高めるには、多層蓄熱シールド（第５６回 １９９７年度春季低温工学・超電導学会、ｐｐ．１１５−１１６参照）を用いるようにしてもよい。図２は本発明の第２実施例を示す多層蓄熱シールドを用いる磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の側面断面模式図である。例えば、図２に示すように、輻射熱シールド板２として、複数枚、例えば２枚のシールド板２Ａと２Ｂを配置する。

初回冷却では、冷凍機（図示なし）で複数のシールド板２Ａ，２Ｂと超電導コイル５を同じ温度（例えば、２０Ｋ）に冷やしておく。このとき、熱スイッチ（図示なし）によって輻射熱シールド板２と超電導コイル５の温度は同じ温度に保たれる。その後、熱スイッチ（図示なし）を切り超電導コイル５及び輻射熱シールド板２が絶縁されると、それぞれの熱侵入と熱容量に応じて温度が上昇していく。その際、外側のシールド板２Ａから温度が上昇していくので、内部は長時間低温に保たれる。

図３は本発明の第３実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の側面断面模式図である。

この図において、１１は外槽、１２は外側のシールド板１２Ａと内側のシールド板１２Ｂを有する輻射熱シールド板、１３は内槽、１４は注液管、１５は輻射熱シールド板１２内に配置される、レーストラック型の希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル、１６は超電導コイル１５を冷却する固体窒素、１７は外側のシールド板１２Ａを冷却する液体窒素のシールド板冷却タンクである。

ここでは、外側のシールド板１２Ａを液体窒素のシールド板冷却タンク１７で冷却できる構成にしておく。それにより、液体窒素が蒸発してなくなるまでは外側のシールド板１２Ａが７７Ｋ以下に保持される。そのため、上記第１及び第２実施例よりさらに長時間内部が低温に保たれる。液体窒素の蒸発潜熱を使った冷却なので、重量あたりの冷却効果（熱容量）は非常に高い。また、液体窒素の補給は短時間で容易に終えることができる。

運用に際しては、初回冷却時は外側のシールド板１２Ａと内側のシールド板１２Ｂを有する輻射熱シールド板１２と超電導コイル１５、シールド板冷却タンク１７まで冷凍機（図示なし）で冷却する（例えば２０Ｋ）。この冷却により、シールド板冷却タンク１７の窒素も固化する。その後、第２実施例と同様に熱スイッチ（図示なし）を切ると、外側のシールド板冷却タンク１７の窒素は固体→液体→気体と相転移しながら温度が徐々に上昇する。ガスとして注液管１４から出てしまった分は液体窒素の形で補給する。

このような磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の場合は、初めに液体窒素を注液さえすれば、その後は液体窒素の減少がないため、ある一定期間ごとに液体窒素を補給する必要がないという利点がある。

なお、車庫の中では冷凍機で２０Ｋまで冷却する。

上記第１〜第３実施例で用いる希土類元素系高温超電導コイルは、希土類元素系線材であり、希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材である。

なお、希土類元素としては、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙ等が挙げられる。

また、本発明の希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルを有する磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石は、これまでのＮｂＴｉ合金線材を用いた超電導コイルを有する磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石と比べて下記のメリットがある。
（１）希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材は、曲げ半径を１０ｍｍ程度にまで低減できる。つまり曲げに対して強い超電導コイルを製作することができる。
（２）希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材からなる超電導コイルは高い応力にも耐えられる。
（３）希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料を使用した高温超電導テープ線材は、高温、高磁場中での臨界電流密度を大きくできる。

このような希土類元素−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ材料による線材のメリットを活かせば、図１，図２及び図３に示すように、構造が簡単になり、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムが構成可能である。特に、交通機関の車上装置に求められることは安全性・信頼性と軽量化であるが、構成要素を減らすことは軽量化と同時に信頼性（安全性）の向上に役立つ。

具体的には、下記の理由により、単純な構成の高温超電導磁石システムを構成することができる。

（１）運転温度上昇（５０Ｋ以上）により、熱容量を増大させることができる。なお、走行中は熱容量で温度上昇を抑制することができる。

また、低温で磁気エネルギーを開放しても温度上昇が少ないので、保護回路をなくすことができる。

（２）冷凍システム削減を図ることができる。つまり、従来の図４に示された窒素冷凍機やヘリウム冷凍機、ヘリウム圧縮機、窒素タンクやヘリウムタンク及び配管をなくすことができる。

これにより、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の重量低減、製造コスト低減、信頼性向上を図ることができる。

（３）フラックスポンプによる励磁により、電流リードをなくし、熱侵入量を低減することができ、冷凍保持時間の増大を図ることができる。

（４）電流リード及び配管をなくすことができ、外槽の高さを低減することができる。これにより、磁気浮上式鉄道車両の案内輪の低位置化を図ることができるとともに、ガイドウェイの高さを低減し、建設費低減化を図ることができる。

（５）小さな曲げ半径で超電導コイルを構成することができ、高温高磁場特性の向上を図ることができる。よって、超電導コイル形状の矩形化（ラダー化）を図り、超電導磁石の構成の単純化を図ることができる。

さらには、起磁力を増大（１０００ｋＡ）することにより、車両走行時の地上コイルの通電電流を低減し、地上コイルの長寿命化乃至メンテナンスコストの低減を図ることができる。

本発明の希土類元素系ＨＴＳ−ＳＣＭは、以下のように構成することができる。
（１）希土類元素系ＨＴＳ−超電導磁石の重量を１トン以下にする。なお、現在の超電導磁石は１．６トン（圧縮機含み）となっている。
（２）運用温度を５０Ｋ以上とする。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムは、構造が簡便になり、軽量で信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石として利用可能である。

本発明の第１実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の側面断面模式図である。 本発明の第２実施例を示す多層蓄熱シールドを用いる磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の側面断面模式図である。 本発明の第３実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の側面断面模式図である。 従来の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の模式図である。 従来の磁気浮上式鉄道車両の断面を示す図である。

符号の説明

１，１１ 外槽
２，１２ 輻射熱シールド板
２Ａ，１２Ａ 外側のシールド板
２Ｂ，１２Ｂ 内側のシールド板
３，１３ 内槽
４ ２段ＧＭ冷凍機
５，１５ 希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイル
６ 超電導コイルを冷却する熱容量の大きい物質
１４ 注液管
１６ 超電導コイルを冷却する固体窒素
１７ 外側のシールド板を冷却する液体窒素のシールド板冷却タンク

Claims (3)

1. 希土類元素系高温超電導体からなる超電導コイルとその温度上昇を防ぐ輻射熱シールド板を具備し、初回冷却のみ前記超電導コイルを能動的に冷却する一方、その後は前記超電導コイルの大きな熱容量と前記輻射熱シールド板の冷却により、前記超電導コイルが超電導状態となる温度以上にならないように間接的に冷却することを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
2. 請求項１記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記輻射熱シールド板は７７Ｋ以下を保持するような熱容量を持つことを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。
3. 請求項１又は２記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石において、前記輻射熱シールド板は液体窒素を溜める機構を持つことを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石。

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