JP4226157B2

JP4226157B2 - 超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネット

Info

Publication number: JP4226157B2
Application number: JP21152999A
Authority: JP
Inventors: 弘貴上條; 浩之藤本
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: JP2001037012A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導磁気浮上式鉄道車両に搭載する超電導磁気磁石装置に係り、特に、その高温超電導バルクマグネットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体窒素温度で超電導状態になる高温超電導体が発見されて以来、その組成や製法の改良などにより、ピン止め力や臨界電流密度の増加、結晶の大型化などの特性の向上が図られており、それと共に各種機器への応用についての検討が進められている。現在開発が進められている超電導磁気浮上式鉄道への応用としても、磁気シールドや超電導磁石として使用できる可能性があり、その実用化に向けて各種の検討を進めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
現在の浮上式鉄道用超電導磁石は、ＮｂＴｉ超電導線を使用しており、液体ヘリウムでの冷却が必要であるため、経済性や安定性などの点から更なる改良が期待されている。
【０００４】
また、浮上式鉄道用超電導磁石に高温超電導体を応用する場合には、液体窒素による冷却や、安定性の向上が期待できることから、その実用化が期待されている。
【０００５】
高温超電導体を応用する場合としては、従来のＮｂＴｉ超電導体と同様に線材化してコイルに巻く場合や、バルクの状態で着磁して用いるバルクマグネットの場合が考えられる。
【０００６】
本願発明者らも、主に溶融法Ｙ系やＮｄ系などの高温超電導バルク体の持つ大きなピン止め力に注目し、浮上式鉄道用のバルクマグネットとして用いることについて検討を進めている。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、浮上式鉄道用超電導磁石として高温超電導バルクマグネットを用い、冷却の簡便化と安定性を図ることができる超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットにおいて、液体窒素用冷凍機を含む液体窒素タンクと、この液体窒素用冷凍機を含む液体窒素タンクに接続される注液用配管及び回収用配管と、外槽と、この外槽内に荷重支持材を介して固定される内槽と、この内槽内に複数個密に並べて固定される中心部に穴の開いた矩形高温超電導バルク体と、この矩形高温超電導バルク体の冷却用通路とを具備することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットにおいて、前記矩形高温超電導バルク体を、ＳＵＳからなる前記内槽を用いて溶接歪みや熱収縮により押さえて固定することを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔１〕記載の超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットにおいて、前記冷却用通路は前記高温超電導バルク体のみに、前記内槽のみに、又は前記高温超電導バルク体と前記内槽の両方に設けられることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示す超電導磁気浮上式鉄道車両に搭載する高温超電導バルクマグネットの全体模式図、図２は図１のＡ−Ａ′線断面図、図３はその内槽に収納された高温超電導バルクマグネットの１極分の構成図、図４は図３のＢ−Ｂ′線断面図である。
【００１３】
これらの図において、１は液体窒素用冷凍機を含む液体窒素タンク、２はその液体窒素タンク１に接続される注液用配管、３は回収用配管、４は初期冷却、励磁用注液回収ポート、５は外槽、６は内槽、７は外槽と内槽との間に配置される荷重支持材、８は矩形高温超電導バルク体〔ここでは２５０ｍｍ角（２×４個／極配置）〕、９はその矩形高温超電導バルク体に形成される穴、１０は高温超電導バルク体、内槽及び高温超電導バルク体と内槽の両方に形成される冷却用通路である。
【００１４】
以下、超電導バルクマグネットに要求される大きさや臨界電流密度、バルクマグネットを構成した場合の構造、経験磁界、重量などについて説明し、また、２５０ｍｍ角で２００ｍｍ角の穴を開けた矩形高温超電導バルク体を、厚さ１００ｍｍで用いた場合の浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットの構成についても説明する。
【００１５】
上記したバルクマグネットを用いることにより、
（１）冷却の簡素化を図ることができる。すなわち、溶融法Ｙ系やＮｄ系などの高温超電導バルク体は、液体窒素中でも比較的大きな臨界電流密度を有するため、液体窒素による浸漬冷却できる。したがって、液体窒素冷却により、冷却効率の向上、冷却設備の簡素化、さらに車上電源への負荷低減になる。
【００１６】
（２）重量の低減を図ることができる。すなわち、液体窒素冷却により、低温容器、熱遮蔽、荷重支持材などの構造が簡単になり、重量の低減化を図ることができる。
【００１７】
（３）安定性の向上を図ることができる。すなわち、熱容量が大きく、振動などによる機械的な発熱があってもクエンチが発生しにくい。また、超電導コイルの場合とは異なり、仮に一部が常電導転移した場合でも、極全体の磁束が瞬時に減少することがないため、対向消磁などの対策がなくても、車両運動の安定性を向上させることができる。
【００１８】
浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットを用いるに際しては、第１に従来の超電導磁石と同等の磁界を地上コイル位置で発生できることが必要である。
【００１９】
ここでは、超電導バルク体を密に並べて効率的な着磁ができるように、矩形超電導バルク体を密に並べた場合について、発生磁界の分布や大きさ、必要な電流密度、さらに経験磁界の大きさを検討する。
【００２０】
これまでの検討から、超電導バルク体が大きくなるほど必要な電流密度が小さくなることや、超電導バルク体の中心部分より外周部分の方が外部に発生する磁界への寄与が大きいことなどが分かっている。
【００２１】
近年の材料開発により、均質で大きな超電導バルク体の製作が可能になってきているので、１００ｍｍ角（５×１０個／極配置）、１６７ｍｍ角（３×６個／極配置）及び２５０ｍｍ角（２×４個／極配置）の超電導バルク体を密に並べて、厚さを１００ｍｍとした場合について検討した。
【００２２】
また、図１〜図４に示すように、穴９の開いた矩形超電導バルク体８において、その穴の大きさを変えた場合についても検討した。なお、計算の条件は、着磁により超電導バルク体には、磁界によらず一定の電流密度で、断面全体に均一の電流が流れると仮定した。
【００２３】
検討の結果として、表１及び図５に超電導バルク体の大きさや穴の大きさを変えた場合について、必要な電流密度と最大経験磁界の関係を示した。
【００２４】
【表１】

検討結果から、超電導バルク体が大きくなるほど必要な電流密度や最大経験磁界は小さくなる。また、穴を開けた場合には、穴の大きさが大きくなると、最大経験磁界は小さくなるが、必要な電流密度が増加する。外部に発生する磁界に対して超電導バルク体の中心部分の寄与が小さいため、必要な電流密度は穴が外径の半分程度になるまでは増加が小さい。一方、経験磁界は、超電導バルク体の中心部分で大きくなるため、その最大値は穴の大きさが大きくなるに従って減少するが、穴が外径の半分程度になると、電流密度の増加により減少の割合は小さくなる。
【００２５】
（１）高温超電導バルクマグネットの重量
溶融法Ｙ径高温超電導バルク体の比重は６ｇ／ｃｍ³程度であり、極全体に超電導バルク体を並べて敷き詰めると、コイルの場合に比べて相当な重量増になる。一方、超電導バルク体の中心部分は、外部、特に離れた位置に発生する磁界に対する寄与が小さいため、中心部分に穴９を開けた矩形超電導バルク体の使用が、重量の軽減に有効と考えられる。
【００２６】
表１には、厚さ１００ｍｍとして、それぞれの寸法の矩形超電導バルク体にした場合の、１つの極当たり超電導バルク体の重量を示した。
【００２７】
超電導バルク体を、厚さ１００ｍｍとして穴を開けないで極全体に敷き詰めた場合の重量は３００ｋｇ／極となり、超電導磁石全体では超電導バルク体だけで１２００ｋｇに達し、従来の超電導磁石の総重量に匹敵してしまう。一方、外径に対して４／５の内径を持つ穴を開けた場合の重量は１０８ｋｇ／極となり、重量の増加は抑えられる。このように、バルクマグネットでは、穴を開けたり、臨界電流密度を向上させて厚さを薄くすることにより、重量の増加を抑える必要がある。
【００２８】
そこで、浮上式鉄道用超電導磁石にバルクマグネットの一例として、２５０ｍｍ角で２００ｍｍ角の穴を開けた矩形超電導バルク体を、厚さ１００ｍｍで用いた場合の浮上式鉄道用バルクマグネットについて検討する。
【００２９】
バルクマグネットに適した超電導体としては、溶融法Ｙ系、Ｎｄ系などの高磁界中でも臨界電流密度が大きい高温超電導バルク体がある。こうした高温超電導バルク体では、クラックや粒界により特性が低下するため、均質な高温超電導バルク体を使用する必要があり、現在製作されている均質な高温超電導バルク体の大きさは、１００ｍｍを越えるものがあり、さらに大型化への挑戦が進められている。
【００３０】
一方、発生磁界、必要な電流密度、重量などの観点から、できるだけ大型で、穴の開いた高温超電導バルク体を使用することが有利である。そこで、ここでは、２５０ｍｍ角で２００ｍｍ角の穴を開けた矩形高温超電導バルク体の使用を考える。なお、高温超電導バルク体の厚さは、通常２０ｍｍ程度のものが作られているので、それを５枚重ねる構成として、合計の厚さを１００ｍｍとする。配置は、一つの極当たり４×２個で、寸法が１ｍ×０．５ｍ、極ピッチ１．３５ｍの４極配置として、従来の超電導磁石に合わせる。
【００３１】
この場合、高温超電導バルク体の重量は、比重を６．０ｇ／ｃｍ³とすると、一つの極当たり、１３．５ｋｇ／個×（４×２）個／極＝１０８ｋｇ／極となり、従来の超電導コイルの巻線より多少重くなる程度に収まる。
【００３２】
（２）発生磁界
２５０ｍｍ角で２００ｍｍ角の穴を開けた矩形高温超電導バルク体を用いて、厚さ１００ｍｍのバルクマグネット構成した場合には、表１に示すように、必要な電流密度は３６８９４Ａ／ｃｍ²程度、最大経験磁界は７．９Ｔ程度である。
【００３３】
このようなバルクマグネットが発生する磁界の浮上・案内及び推進コイルとの鎖交磁束量は、図６に示すようになる。従来の超電導磁石が発生する磁界と比べると、高温超電導バルク体を並べたことにより、多少の変動が見られるが、ほとんど同等の鎖交磁束量になっていることが分かる。
【００３４】
（３）冷却方法
溶融法Ｙ系、Ｎｄ系などの高温超電導バルク体は、Ｂｉ系超電導体と比べて、液体窒素温度において高磁界中でも臨界電流密度が高い。この特性を活かして液体窒素による浸漬冷却を行うことで、高温超電導バルク体全体を均一な温度に保持するとともに、走行で加わる機械的な振動による発熱が発生しても充分な冷却効果を確保することができる。
【００３５】
従来の超電導磁石では、液体窒素用の冷凍機は搭載せず、地上からの注液により貯蔵タンクに液体窒素を供給している。しかし、バルクマグネットでは、液体ヘリウムによる冷却の必要がなくなるため、液体ヘリウム用の冷凍機の代わりに液体窒素用の冷凍機を搭載しても問題はなく、外部から液体窒素を供給しないシステムとすることができる。
【００３６】
さらに、冷却効率の向上や電流リードが無いことで外部からの熱浸入量が低減されることにより、従来の冷凍機に比べると、小型で、軽量化ができ、消費電力も少なく車上電源の負荷低減になる。なお、初期冷却や励磁時には、液体窒素を地上設備から供給して、効率化することが必要である。
【００３７】
（４）構造
バルクマグネットの構造は、超電導バルク体の機械的な強度が弱いため、電磁力や機械的な振動に耐えるような補強が必要である。バルクマグネットでは、従来の超電導磁石における外槽の強化、荷重支持材の追加などの振動対策に加えて、発生する電磁力に高温超電導バルク体が耐えられるようにするなどの補強も必要になる。
【００３８】
上記を踏まえて、基本的な構造は、図１〜図４に示すように、従来の超電導磁石と同様に、矩形高温超電導バルク体８を納めてそれを液体窒素温度に保つ内槽６、熱遮蔽のための真空層や熱シールド板、機械的な強度と電磁気的な遮蔽効果を持つ外槽５及び液体窒素用冷凍機と貯蔵用タンク１などから構成される。
【００３９】
内槽６は、図３及び図４に示すように、矩形高温超電導バルク体８を液体窒素により冷却するための低温容器の役割と、機械的な強度を補強する役割が必要であることから、ＳＵＳを用いて溶接歪みや熱収縮により矩形高温超電導バルク体８を固定し、液体窒素が流れる冷却用通路１０を確保するような構造とする。
【００４０】
荷重支持材７や熱シールド板（図示なし）などは、従来に準じた構成が考えられるが、冷却が液体窒素であるため、荷重支持材７の多重円筒数の減少、熱シールド板の省略など、構造の簡素化と軽量化を図ることができる。
【００４１】
外槽５には、従来の超電導磁石では、機械的な強度と地上コイルからの変動磁界を遮蔽する役割を持たすために構造用アルミニウムに加えて純アルミが使われており、本発明のバルクマグネットでも同様の構造とすることが考えられる。
【００４２】
バルクマグネットを用いるにあたっては、内槽６部分で矩形高温超電導バルク体８の重量や補強のために重量が増加する可能性があるが、冷凍機や熱シールド板などの冷却系や荷重支持材７などの部分では軽量化できるため、総重量では従来の超電導磁石を用いた場合と同等に抑えることが可能である。
【００４３】
また、内槽の材料としては、ＳＵＳを挙げたが、これに限定されるものではなく、例えば、アルミニウムやチタンなどを用いるようにしてもよい。
【００４４】
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いて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。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４６】
（Ａ）バルクマグネットを用いることにより、冷却の簡素化、重量の低減化、及び安定性の向上を図ることができる。
【００４７】
（Ｂ）ＳＵＳを用いて溶接歪みや熱収縮により超電導バルク体を固定することにより、機械的な強度を補強することができる。また、超電導バルク体の冷却通路の形成により、液体窒素が流れ、内槽は低温容器として機能させることができる。
【００４８】
（Ｃ）超電導バルク体の中心部分は、外部、特に離れた位置に発生する磁界に対する寄与が小さいため、中心部分に穴を開けた矩形超電導バルク体により、磁界への格別の影響を与えること無く、重量の軽減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す超電導磁気浮上式鉄道車両に搭載する高温超電導バルクマグネットの全体模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′線断面図である。
【図３】本発明の実施例を示す内槽に収納された高温超電導バルクマグネットの構成図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ′線断面図である。
【図５】本発明の実施例を示す超電導バルク体の寸法、形状による必要電流密度、最大経験磁界の関係（厚さ１００ｍｍの場合）を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す高温超電導バルクマグネットが発生する磁界の地上コイルと鎖交磁束量（均衡変位：４０ｍｍの場合、浮上・案内コイルは上下単位コイルの鎖交磁束量差）である。
【符号の説明】
１液体窒素用冷凍機を含む液体窒素タンク
２注液用配管
３回収用配管
４初期冷却、励磁用注液回収ポート
５外槽
６内槽
７外槽と内槽との間に配置される荷重支持材
８矩形高温超電導バルク体
９穴
１０冷却用通路

Claims

超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットにおいて、
（ａ）液体窒素用冷凍機を含む液体窒素タンクと、
（ｂ）該液体窒素用冷凍機を含む液体窒素タンクに接続される注液用配管及び回収用配管と、
（ｃ）外槽と、
（ｄ）該外槽内に荷重支持材を介して固定される内槽と、
（ｅ）該内槽内に複数個密に並べて固定される中心部分に穴の開いた矩形高温超電導バルク体と、
（ｆ）該矩形高温超電導バルク体の冷却用通路とを具備することを特徴とする超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネット。
請求項１記載の超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットにおいて、前記矩形高温超電導バルク体を、ＳＵＳからなる前記内槽を用いて溶接歪みや熱収縮により押さえて固定することを特徴とする超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネット。
請求項１記載の超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネットにおいて、前記冷却用通路は前記高温超電導バルク体のみに、前記内槽のみに、又は前記高温超電導バルク体と前記内槽の両方に設けられることを特徴とする超電導磁気浮上式鉄道用高温超電導バルクマグネット。