JP2018516040A - クライオスタットおよび関連した磁気浮上輸送車両およびシステム - Google Patents

Abstract

磁気浮上輸送システムに組み込むことが意図されたクライオスタット（２８）であって、クライオスタット（２８）は、少なくとも１つの超電導性要素（３６）およびジャケット（３４）を含み、ジャケットの中にそれぞれの超電導性要素（３６）が配置されている。このクライオスタットは、それぞれの超電導性要素（３６）を所望の温度に維持するのに好適であり、ジャケット（３４）は長手方向の軸（Ｘ）に沿って延在している。長手方向の軸（Ｘ）に沿ったそれぞれの超電導性要素（３６）の長さは、ジャケット（３４）の長さの３０％〜１００％の範囲であり、そしてそれぞれの超電導性要素は、超電導体材料で作られたバルクの要素である。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気浮上輸送システムに組み合わせることを意図されたクライオスタットに関し、そのクライオスタットは、少なくとも１つの超電導性要素およびジャケットを含んでおり、そのジャケット内にそれぞれの超電導要素が配置されており、そのクライオスタットは、それぞれの超電導要素を、所望の温度に維持するのに好適であり、そしてジャケットは、長手方向の軸に沿って延びている。

また、本発明は、そのようなクライオスタット含む磁気浮上輸送車両およびそのような車両を含む磁気浮上輸送システムに関する。

磁気浮上輸送システムの分野では、車両が軌道上に浮上したままに保つように、磁気軌道と相互作用することができる磁気浮上手段を含む磁気浮上車両を用いることが知られている。磁気浮上手段は、通常は、クライオスタット、少なくとも１つの超電導性要素および、それぞれの超電導性要素を冷却することが意図された冷媒を含み、そしてそれを、そのクライオスタット中で定められた所望の温度に保持する。軌道とそれぞれの超電導性要素の間で発現され、そして車両が磁気軌道上に浮上することを引き起こす磁気浮揚力を誘発するのは、それぞれの超電導性要素と磁気軌道の間の相互作用である。

そのような超電導性要素は、例えば、文献欧州特許第1,390,992 B1号明細書中に記載されており、それには、浮揚システム中で用いることができる二ホウ化マグネシウムを基礎とした超電導性要素が記載されている。しかしながら、そのような超電導性要素が磁気軌道の上に配置された、すなわち磁気誘導場に浸漬された場合に誘導される、浮揚力は、車両、例えば鉄道車両を浮揚されたままに維持するには限界があり、そして不十分である。

従って、複数の超電導性要素を含むクライオスタットを製造して、それによってクライオスタットが、鉄道車両が浮上することを可能にするのに十分な浮揚力を誘導することを可能にすることが知られている。しかしながら、そのようなクライオスタットは、多大の費用を要し、そして、磁気軌道の上に配置された場合には、それらの大きさに対して限定された浮揚力を誘導する。実際に、そのようなクライオスタットでは、クライオスタットが磁気誘導場と相互作用する場合にクライオスタットによって誘導されることができる浮揚力を増加するためには、クライオスタット内に含まれる超電導性要素の数を増加させるために、クライオスタットの大きさを増大させることが必要である。

従って、本発明の目的は、より低い製造コストを有し、そして、超電導性要素が磁気誘導場と相互作用した場合に、特にはそのサイズに対して、最適化された浮揚力を誘導することができる、超電導性要素を組み込んだクライオスタットを提供することである。

上記の目的のために、本発明は前述の種類のクライオスタットに関し、それぞれの超電導性要素の長手方向の軸に沿った長さは、ジャケットの長さの３０％〜１００％の範囲であり、そしてそれぞれの超電導性要素は、超電導体材料で作られたバルクの要素であることを特徴とする。

本発明によれば、製造コストならびに、特に、クライオスタットが磁気軌道の上に配置された場合の、クライオスタットによって誘導されることができる浮揚力は、向上する。実際に、それぞれの超電導性要素が、クライオスタットのサイズと比較して、十分な長さを有しているという事実が、クライオスタットのジャケット中に配置された超電導性要素の数を最小化することを可能にし、一方で、クライオスタットによって誘導されることができる浮揚力を最適化する。

本発明の有利な、しかしながら随意選択的な態様によれば、そのようなクライオスタットは、以下の特徴の１つもしくは２つ以上を、単独で、または技術的に可能ないずれかの組み合わせで、更に含む。
− それぞれの超電導性要素は、二ホウ化マグネシウムで作られている。
− それぞれの超電導性要素は、クライオスタットの垂直軸に垂直な水平切断面中に、透かし加工（open-worked）表面の形態の水平断面を有している。
− この水平断面は、水平断面の外側の輪郭によって画定される全体の表面積の、２％〜７５％の範囲、好ましくは５％〜３０％の範囲の面積を有する。
− この水平断面は、全体的に矩形の、または楕円形の形状を有する外側の輪郭および内側の輪郭を有している。
− 超電導性要素は、クライオスタットの、長手方向の軸に垂直な、横軸に沿って、ジャケット３４の幅の、６０％〜１００％の範囲を占める。
− ジャケットンの長さは、３０ｃｍ〜３ｍの範囲、好ましくは４０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲である。

また、本発明は、上記で規定した少なくとも１つのクライオスタットを含む、磁気浮上輸送車両に関し、このクライオスタットは、磁気軌道に面して配置されることが意図されており、磁気軌道の上を、その車両が動くことができる。

本発明は、更に、永久磁石および複数の別個の強磁性要素を含み、それぞれの強磁性要素は北磁極または南磁極を有する磁気軌道、ならびに磁気浮上車両を含む磁気浮上輸送システムに関し、この磁気浮上車両は、上記のものであり、そしてそれぞれのクライオスタットは、磁気軌道によって発生される磁気誘導場と相互作用することができることを特徴とする。

有利には、それぞれのクライオスタットの超電導性要素の数は、磁気軌道に垂直な横断切断面に沿って２つの永久磁石の間に含まれる強磁性要素の数と等しい。

限定するものではない例としてのみ与えられ、そして添付の図面を参照してなされる以下の説明によって、本発明はよりよく理解され、そして本発明の他の利点が明らかとなろう。

図１は、磁気軌道およびクライオスタットを備えた磁気浮上車両を含む、本発明による磁気浮上輸送システムの、長手方向の軸Ｘに沿ってクライオスタット中に組み込まれた超電導体の端面を通過する磁気軌道に垂直な第１の横断切断面Ｐ１に沿った、部分的な概念図であり、 図２は、クライオスタットの幾何学的中心を通過する第２の横断切断面Ｐ２に沿った、図１のクライオスタットの概略図である。 図３は、磁気軌道に平行な水平切断面Ｐ３に沿った、図１および２のクライオスタットの概略図である。

図１に示された磁気浮上輸送システム１０は、磁気軌道１２および磁気浮上車両１４を含んでいる。

図１では、磁気軌道１２の単一のレール１６が示されている。

レール１６は、複数の永久磁石１８ならびに、永久磁石１８によって磁化された外側強磁性要素２０および内側強磁性要素２２を含んでいる。

有利には、そして図１中に示されたように、レール１６は、ハルバッハ構造であり、そして、軌道１２に垂直な横軸Ｙに沿って、交互の永久磁石１８ならびに外側２０および／または内側２２強磁性要素で、作られている。

図１では、極性矢印２４が、永久磁石１８について示されており、そして永久磁石１８の南／北の極性軸、すなわち、永久磁石１８の極性を示している。

永久磁石１８は、示されてはいないが、磁気誘導場Ｂ１を発生させ、これはまたレール１６の磁気誘導場とも称される。

外側強磁性要素２０は、レール１６の外側端２５Ａおよび２５Ｂ上に配置される。

内側強磁性要素２２は、外側端２５Ａ、２５Ｂの間に配置される。内側強磁性要素２２は、横軸Ｙに沿って、２つの永久磁石１８の間に、それぞれ構成される。より具体的には、内側強磁性要素２２は、２つの永久磁石１８の間に、それぞれが抱え込まれている。

内側強磁性要素２２は、永久磁石１８上に、磁気軌道１２に直交する垂直軸Ｚおよび横軸Ｙに沿って、それぞれ存在する。

外側２０および内側２２の強磁性要素は、レール１６の上部に、車両１４に面して配置される。

外側２０および内側２２の強磁性要素は、強磁性材料、例えば鋼で作られ、そしてそれらに並んだ永久磁石１８の極性に応じて、北極または南極のいずれかを形成する。

より具体的には、それぞれの強磁性要素２０、２２は、強磁性要素と並んだ永久磁石１８の極性矢印２４が、強磁性要素２０、２２に向いている場合には、北極を形成する。

同様に、それぞれの強磁性要素２０、２２は、強磁性要素２０、２２に並んだ永久磁石１８の極性矢印２４が、強磁性要素２０、２２の方向と反対の方向を指す場合には、南極を形成する。

外側２０および内側２２の強磁性要素は、磁気誘導場Ｂ１をレール１６および車両１４の上部表面へと誘導することを可能にし、それによって車両１４は、磁気誘導場Ｂ１と相互作用する。

磁気浮上車両１４は、列車２６および、磁気軌道１２、そしてより具体的にはレール１６、に面するように配置されるように、列車２６の下部に配置されたクライオスタット２８を含んでいる。

より一般的には、そして示されていない方法では、車両１４は、幾つかの列車２６を含み、それぞれは少なくとも２つのクライオスタット２８を与えられており、それぞれのクライオスタット２８は、磁気軌道１２のレール１６の１つに面している。

列車２６は、クライオスタット２８中の循環する冷媒Ｃを冷却するために好適な、クライオスタット２８を冷却するためのシステム３０を含んでいる。

冷却システム３０は、例えば、冷媒Ｃを所望の温度、例えば約３０ケルビン（Ｋ）に保持することができる。

クライオスタット２８は、筐体３２、ジャケット３４および、筐体３２内に包含された２つの超電導性要素３６を含んでいる。ジャケット３４は、内部ジャケットであり、そして超電導性要素３６および冷媒Ｃを含んでいる。

従って、クライオスタット２８は、それぞれの超電導性３６を、冷媒Ｃを用いて所望の温度に保持するのに好適である。

クライオスタット２８は、筐体３２とジャケット３４の間に配置された断熱材３８を含んでいる。

クライオスタット２８は、列車２６に機械的に固定されている。

ジャケット３４は、冷却システム３０の援けを得て、そして冷媒Ｃ循環チューブ４０を経由して、冷媒Ｃを供給され、冷媒Ｃは、例えば液体ヘリウムである。

ジャケット３４は、長手方向軸Ｘに沿って、第１の横断切断面Ｐ１に垂直に、そして磁気軌道１２に平行に、延在している。ジャケット３４の長さＬ１は、長手方向の軸Ｘに沿って測定され、例えば３０ｃｍ〜３ｍの範囲、好ましくは４０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲である。

ジャケット３４の幅Ｗ１は、横軸Ｙに沿って測定され、ほぼレール１６の幅であり、例えば１５ｃｍ〜４０ｃｍの範囲にある。

それぞれの超電導性要素３６は、ジャケット３４の下部に配置され、そしてレール１６の上に位置するように意図されている。

超電導性要素３６の数は、有利には、内側強磁性要素２２の数に等しい。

それぞれの超電導性要素３６は、２つの永久磁石１８の間に含まれた内側強磁性要素２２の１つに面して、横断切断面Ｐ１に沿って、配置され、そして有利には、横軸Ｙに沿って、対応する内側強磁性要素２２を中心とする。

図３に示されているように、それぞれの超電導性要素３６の長さＬ２は、長手方向の軸Ｘに沿って測定され、ジャケット３４の長さＬ１の３０％〜１００％の範囲にある。有利には、それぞれの超電導性要素３６の長さＬ２は、ジャケット３４の長さＬ１の約９０％である。

図２に示されているように、それぞれの超電導性要素３６は、垂直軸Ｚに沿って測定された高さＨ２を有しており、０．３ｃｍ〜１５ｃｍの範囲、好ましくは０．５ｃｍ〜５ｃｍの範囲にある。

有利には、それぞれの超電導性要素３６の幅Ｗ２は、横軸Ｙに沿って測定され、ジャケット３４の幅Ｗ１の３０％〜５０％の範囲にあり、そして超電導性要素３６は、横軸Ｙに沿って、ジャケット３４の幅の６０％〜１００％の範囲を占める。

それぞれの超電導性要素３６は、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）で作られ、そして有利には固体二ホウ化マグネシウム要素である。固体二ホウ化マグネシウム要素は、構造的に単一の部品を形成する要素を表しており、保持具と結合されておらず、そして本質的には二ホウ化マグネシウム、例えば９５％超の二ホウ化マグネシウムで作られている。

有利には、それぞれの超電導性要素３６は、二ホウ化マグネシウム以外の超電導性材料、例えば銅塩またはプニクチド族の構成要素で作られている。

より一般的には、それぞれの超電導性要素３６は、固体超電導性材料要素である。

それぞれの超電導性要素３６は、例えば、その内部で二ホウ化マグネシウム粉末が圧縮され、次いで加熱される型で得られる。超電導性要素の製造方法は、例えば米国特許第7,569,520号または米国特許出願公開第2007/0123427号明細書中に記載されている。

図３に示されているように、それぞれの超電導性要素３６は、垂直軸Ｚに平行な中心軸の周りに延在した管の形態である。言い換えれば、それぞれの超電導性要素３６は、透かし加工された（open-worked）中心部４１を形成する、対応する中心軸に沿った貫通オリフィス（through orifice）を有している。

言い換えれば、それぞれの超電導性要素３６は、水平の切断面Ｐ３中に、透かし加工された矩形の形態の水平断面Ｓ１を有している。

水平断面Ｓ１は、外側輪郭４２ならびに図３における矩形の透かし加工された中心部４１を取り囲む内側輪郭４４によって画定されている。

言い換えれば、外側輪郭４２および内側輪郭４４は、全体的に矩形であり、そして対応する中心軸の周りに配置されている。

水平断面Ｓ１は、外側輪郭４２によって画定された全表面積の２％〜７５％の範囲の、好ましくは５％〜３０％の範囲の面積を有している。

同様に、図２に示されているように、それぞれの超電導性要素３６は、第２の横断切断面Ｐ２中に、透かし加工された中心部４１によって互いに分離された２つの矩形の面によって形成された横断面Ｓ２を有している。横軸Ｙに沿って測定された、それぞれの矩形の面の厚さＥ２は、等しく、そして長手方向の軸Ｘに沿って、全体的に一定である。

有利には、それぞれの矩形の面は、等しく、そして長手方向の軸Ｘに沿って一定の面積であり、それぞれの超電導性要素３６の高さＨ２と幅Ｗ２との積、すなわちＷ２×Ｈ２からもたらされる面積の５％〜３０％の範囲である。

それぞれの超電導性要素３６の寸法は、車両１４がレール１６上に配置された場合に、車両１４、そして特には列車２６に最適化された値の磁気浮上力を誘導するのに好適である。

より一般的には。クライオスタット２８は、クライオスタット２８がレール１６上にある場合に、すなわち、クライオスタット２８が、レール１６によって発生された磁気誘導場Ｂ１と相互作用する場合に、最適化された値を備えた磁気浮上力Ｆを誘導するように最適化された形状および寸法を備えた超電導性要素３６を含んでいる。

磁気浮上力Ｆは、磁気誘導場源Ｂ１を形成するレール１６と、それぞれの超電導性要素３６との間に発生される。

磁気浮上力Ｆは、超電導性要素３６が磁気誘導場Ｂ１と相互する場合に、超電導性要素３６の磁気モーメントの増加関数である。より具体的には、超電導性要素３６の磁気モーメントは、超電導性要素３６が磁気誘導場Ｂ１中に浸漬され、そして力を受ける、例えば、それらの質量または列車２６の質量が、レール１６に対してそれらの位置を変更するように向かう場合に、超電導性要素３６中に生成された電流によって誘導される。更に、レンツの法則によって、生じる電流は、電磁誘導場を生成し、それはレールによって発生された磁気誘導場と反対であり、そのことが磁気浮上力Ｆの発現を引き起こし、そして浮揚現象を説明する。

従って、超電導性要素３６がレール１６の磁気誘導場Ｂ１と相互作用する場合に、超電導性要素３６の磁気モーメントが大きければ大きい程、浮揚力Ｆはより大きい。

更には、それぞれの超電導性要素３６では、磁気モーメントは、ファクターＰにほぼ比例する。
Ｐ＝Ｗ２×Ｌ２^２＋Ｌ２×Ｗ２^２

従って、超電導性要素３６の寸法は、特に、従来技術で典型的に観察される、幅Ｗ２および長さＬ２を備えた面を形成するように互いに並んだ多数の超電導体３６に匹敵する、最適化された浮揚力Ｆを発生させることを可能にする。

より具体的には、磁気源と面するように配置された所定の面積を備えた面を含む超電導性要素の磁気モーメントは、所定の面積を備えた面と等しい面を画定する多数の超電導性要素の磁気モーメントよりも大きい。結果として、それぞれの超電導性要素３６の磁気モーメントの増加関数である、クライオスタット２８によって誘導することができる浮揚力Ｆは、向上する。

更に、冷媒Ｃの使用は、超電導性要素３６をそれらの臨界温度以下に冷却し、他の全てのものを同じに維持して、車両１４の浮揚に貢献し、それらが、それらの超電導性の性質を失わせることなく、それらを通ることができる電流密度を増大させることを可能にする。超電導性要素３６の磁気モーメントは、それらを通る電流密度の増加関数であり、冷媒Ｃによって超電導性要素３６を冷却して、磁気モーメントを、そして従って浮揚力Ｆを、増加することを可能にする。

更に、超電導性要素３６が透かし加工された表面の形態で水平断面Ｓ１を有するとの事実は、材料を節約し、そしてそれぞれの超電導性要素３６の質量を低減させることを可能にするが、一方で、その超電導性要素が、非透かし加工された水平断面を有する場合と同様の浮揚力Ｆを全体的に保持する。事実、それぞれの超電導性要素３６で誘導された電流は、超電導性要素３６の周辺部で生じ、そして超電導性要素の非透かし加工された中央部における電流密度は、通常は無視することができる。

従って、それぞれの超電導性要素３６の質量および製造コストは、低減され、そして最適化された浮揚力を誘導することができるので、クライオスタット２８は、最適化された質量および製造コストを有する。

クライオスタット２８によって誘導することができる浮揚力Ｆは最適化されるために、与えられた質量の磁気浮揚のために必要なクライオスタット２８の数は、例えば４または５の係数で低減される。

従って、車両１４の浮揚のために必要とされるクライオスタット２８の数は、車両１４の製造のコストと同様に、低減される。

更に、それぞれの超電導性要素３６が固体の二ホウ化マグネシウムを有するという事実は、クライオスタット２８がレール１６の上に配置された場合に、それぞれの超電導体３６に最適化された、そして特には、超電導性要素、例えばワイヤーまたはテープの組立体によって得ることができる磁気モーメントよりも大きな、磁気モーメントを提供することを可能にする。

あるいは、それぞれの超電導性要素３６は、水平の切断面Ｐ３中に、楕円形のもしくは円形の内側および外側輪郭を画定する、全体的に環状の透かし加工（open-worked）された表面を有している。

１つの代替案によれば、超電導性要素３６の数は、内部強磁性要素２２の数の倍数であり、そして超電導性要素３６は、ジャケット３４の長手方向の軸Ｘに配置されており、それらの長手方向の軸は、有利には、内側強磁性要素２２がそれに沿って延在する方向に揃えられている。

更に他の代替案によれば、超電導性要素３６の数は、それぞれのクライオスタット２８について１〜１２の範囲にある。

他の代替案によれば、冷却システム３０が、クライオスタット２８中に含まれている。

他の代替案によれば、それぞれの超電導性要素３６は、水平切断面Ｐ３中に、中実の表面の形態の水平断面を有している。

更に他の代替案によれば、磁気軌道１２、そして特にレール１６は、前記のハルバッハ配列以外の配列、例えば、２超の内部極性部２２を含むハルバッハ配置、または単一の内部極性部２２を備えたシェイパーフラックス配列（Shaper flux configuration）である。

他の代替案によれば、示されてはいないが、磁気軌道１２は、モノレール軌道であり、単一のレール１６を含んでいる。

超電導性要素３６および超電導性要素３６の中心の透かし加工部の大きさの相対的な増加のせいで、クライオスタット２８は、一方で、現行のソリューションと全体的に同等の超電導体を備えた磁気浮上システムの浮揚力を向上させることを、そして他方で、同等の浮揚力を得るための、提供される超電導体３６のコストを低減することを可能とする。

上記で考慮された態様および代替案は、本発明の新規な態様を生み出すために、互いに組み合わせることができる。

Claims (10)

1. 磁気浮上輸送システム（１０）に組み込むためのクライオスタット（２８）であって、該クライオスタット（２８）は、少なくとも１つの超電導性要素（３６）および、その内部にそれぞれの超電導性要素（３６）が配置されたジャケット（３４）を含み、該クライオスタットは、それぞれの超電導性要素（３６）を所望の温度に維持するのに好適であり、そして該ジャケット（３４）は、長手方向の軸（Ｘ）に沿って延在しており、それぞれの超電導性要素（３６）の該長手方向の軸（Ｘ）に沿った長さ（Ｌ２）は、該ジャケット（３４）の長さ（Ｌ１）の３０％〜１００％の範囲にあり、そしてそれぞれの超電導性要素は、中実の超電導性材料要素である、クライオスタット（２８）。
2. それぞれの超電導性要素（３６）が、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）で作られている、請求項１記載のクライオスタット。
3. それぞれの超電導性要素（３６）が、前記クライオスタット（２８）の垂直軸（Ｚ）に垂直な水平切断面（Ｐ３）中に、透かし加工された表面の形態の水平断面（Ｓ１）を有している、請求項１または２記載のクライオスタット。
4. 前記水平断面（Ｓ１）が、前記水平断面（Ｓ１）の外側輪郭（４２）によって画定される全表面の面積の２％〜７５％の範囲、好ましくは５％〜３０％の範囲の面積を有している、請求項３記載のクライオスタット。
5. 前記水平断面（Ｓ１）が、全体的に矩形もしくは楕円形である外側輪郭（４２）および内側輪郭（４４）を有している、請求項３また４記載のクライオスタット。
6. 前記超電導性要素（３６）が、前記長手方向の軸（Ｘ）に垂直な、前記クライオスタット（２８）の横軸（Ｙ）に沿って、前記ジャケット（３４）の幅（Ｗ１）の６０％〜１００％を占める、請求項１〜５のいずれか１項記載のクライオスタット。
7. 前記ジャケット（３４）の前記長さ（Ｌ１）が、３０ｃｍ〜３ｍの範囲、好ましくは４０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲である、請求項１〜６のいずれか１項記載のクライオスタット。
8. 前記クライオスタット（２８）が、その上を車両（１４）が動くことができる磁気軌道（１２）に面して配置される、少なくとも１つの、請求項１〜７のいずれか１項記載のクライオスタットを含む、磁気浮上輸送車両（１４）。
9. 永久磁石（１８）および複数の別個の強磁性要素（２０、２２）であって、それぞれの強磁性要素（２０、２２）は北または南の磁極を規定する強磁性要素（２０、２２）、を含む磁気軌道（１２）、ならびに、
   磁気浮上車両（１４）、
   を含む、磁気浮上輸送システム（１０）であって、該磁気浮上車両（１４）は、請求項８記載の磁気浮上車両（１４）であり、それぞれのクライオスタット（２８）は、該磁気軌道（１２）によって発生された磁気誘導場（Ｂ１）と相互作用することができる、磁気浮上輸送システム（１０）。
10. それぞれのクライオスタット（２８）の超電導性要素（３６）の数が、２つの永久磁石（１８）の間に、前記磁気軌道（１２）に垂直な、横方向の切断面（Ｐ１）に沿って含まれる強磁性要素（２２）の数に等しい、請求項９記載のシステム。

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