JP4790660B2 - 磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システム - Google Patents

Description

本発明は、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムに関するものである。

従来、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用は、車両に車載用冷凍機と圧縮機ユニットを具備し、車両基地、停車場、車庫などの停留箇所に限らず、超電導コイルの冷却のための車載用冷凍機と圧縮機ユニットの運転を行うようにしている。

図４は従来の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石（低温ＳＣＭ）の模式図、図５はその磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムの模式図、図６はかかる超電導磁石を有する磁気浮上式鉄道車両の断面図である。

図４において、１０１はＮｂＴｉ合金超電導コイル、１０２は超電導コイル締付金具、１０３は内槽、１０４は左右荷重支持材、１０４Ｂは上下荷重支持材、１０５は輻射シールド板、１０６は外槽、１０７は車載冷凍機、１０８は液体ヘリウムタンク、１０９は液体窒素タンクである。

このように従来の磁気浮上式鉄道車両には車載用冷凍機と圧縮機ユニットが搭載されるように構成されている。

また、図５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。

図６は従来の超電導磁石を有する磁気浮上式鉄道車両の右側の半分を示す断面図である。

この図に示すように、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。
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

上記したように従来の磁気浮上式鉄道車両は、車載用冷凍機と圧縮機ユニットを具備し、常時、超電導コイルを冷却するように運用しているため、車両に搭載する冷凍システム（冷凍機と圧縮機）の重量が大きくなる、あるいは運転に伴う車上の消費電力が大きくなるといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、信頼性が高く、軽量で、低コストな磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システム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の運用システムにおいて、車両を一定時間以上停車させておく車両基地、停車場、車庫などの停留箇所に冷凍設備を配置し、車両に搭載された超電導コイルが超電導状態となる温度まで前記冷凍設備により冷却を行い、前記停留箇所外を走行しているときには前記超電導コイルの冷却を能動的に行わないように運用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の運用システムにおいて、前記超電導コイルに超電導状態となる温度以下に保持する熱容量を持たせるようにすることを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムにおいて、前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下に保持する車載用冷凍機と圧縮機ユニットを具備し、前記停留箇所で前記車載用冷凍機を運転して前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下まで冷却し、前記停留箇所外を走行しているときには前記車載用冷凍機の運転を行わないように運用することを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムにおいて、前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下に保持する車載用冷凍機を具備し、前記停留箇所でこの停留箇所に設置した圧縮機ユニットと前記車載用冷凍機とを接続し、この車載用冷凍機を運転して前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下まで冷却し、前記停留箇所外を走行しているときには前記車載用冷凍機の運転を行わないように運用することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕から〔４〕記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムにおいて、前記超電導コイルが希土類元素系高温超電導体からなることを特徴とする。

本発明によれば、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。

本発明の磁気浮上式鉄道用超電導磁石の運用システムは、車両を一定時間以上停車させておく車両基地、停車場、車庫などの停留箇所に冷凍設備を配置し、車両に搭載された超電導コイルが超電導状態となる温度まで前記冷凍設備により冷却を行い、前記停留箇所外を走行しているときには前記超電導コイルの冷却を能動的に行わないように運用することを特徴とする。

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模式図、図２はそれを用いた磁気浮上式鉄道車両の右側の半分を示す断面図である。

図１に示すように、図４〜図６に示した従来の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石から冷凍機及び圧縮機ユニットを除去するようにした。その代わりに車両を一定時間以上停車させておく車両基地、停車場、車庫などの停留箇所に冷凍設備を配置し、車両に搭載された超電導コイルが超電導状態となる温度までその冷凍設備により冷却を行い、停留箇所外を走行しているときには超電導コイルの冷却を能動的に行わないように運用する。

図１において、１は外槽、２は超電導コイル、３は内槽、４は超電導コイル２の熱絶縁支持部材、５は電流端子、６は電流リード、７は熱スイッチ、８はＰＬ（パワーリード）熱アンカ冷却伝熱板、９はコイル冷却伝熱板、１０は排気ポートである。冷凍設備である冷凍機及び圧縮機ユニットは磁気浮上式鉄道車両には搭載されないように構成されている。なお、ここでは、熱スイッチ７がオフとなっている。

ここで、超電導コイル２には、一旦冷却されたら少なくとも所定時間は超電導状態となる温度以下に保持される熱容量を持つものを用いる。

なお、超電導コイル２としては、希土類元素系高温超電導コイルを用いると種々の利点がある。なお、ここで、希土類元素の例としては、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙなどが挙げられる。

ここ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。

かかる磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムは図２に示すように構成されている。

図２に示すように、車体１１の下部には台車１３が構成されており、台車枠１４には希土類元素系高温超電導コイル１５、クライオスタット１６等を具備する高温超電導磁石２０が搭載され、更に、補助案内装置２１、緊急着地装置２３などが設けられる。また、軌道３０の両側壁３１の凹所３２には、地上コイル４１，４２が配置され、ヌルフラックス線４５が接続される。

そして、上記したようにこの磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムでは、車上に冷凍機及び圧縮機ユニットは搭載せず、車両基地、停車場、車庫などの停留箇所で冷却を行う。これにより、磁気浮上式鉄道車両の超電導磁石装置の構造が簡単になり、信頼性の高い磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムを提供することができる。

このように構成するようにしたので、軌道３０の両側壁３１の高さＨ₂ は、図６に示す従来の軌道１３０の両側壁１３１の高さＨ₁ に対して大幅に低減することができる。

図３は本発明の第２実施例を示す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、５１は外槽、５２は超電導コイル、５３は内槽、５４は超電導コイル５２の熱絶縁支持部材、５５は一段冷凍機、５６は電流端子、５７は電流リード、５８は熱スイッチ、５９はＰＬ（パワーリード）熱アンカ冷却伝熱板、６０はコイル冷却伝熱板、６１は排気ポートである。ここでは、圧縮機ユニットは磁気浮上式鉄道車両には搭載されないように構成されている。

この実施例では、上記したように、磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石には、一段冷凍機５５は搭載されているが、圧縮機ユニットは搭載されていない。その代わりに車両基地、停車場、車庫などの停留箇所に圧縮機ユニットを配置しておく。そして磁気浮上式鉄道車両が停留箇所に停車中、一段冷凍機５５は熱スイッチ５８をオンとなし、また、圧縮機ユニットと一段冷凍機５５が接続され、車両に搭載された超電導コイルが超電導状態となる温度まで冷却を行うことができる。

したがって、磁気浮上式鉄道車両には一段冷凍機５５のみを搭載するだけで、車両が停留箇所外を走行しているときには、超電導コイルの冷却を能動的に行わないようにすることができる。

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に示すように、構造が簡単であり、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。それによって、車上に冷凍機及び圧縮ユニット、又は圧縮ユニットのみを搭載せず、車両基地、停車場、車庫などの停留箇所で冷凍を行う磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石として使用することができる。なお、走行中は超電導コイルの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５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）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、輻射シールド板は省略することもできる。
（３）現在の圧縮機は２４０ｋｇ、消費電力は８ｋＷである。液体窒素用冷凍機の動力も含むと１２ｋＷとなる。
（４）夜間は車両基地で希土類元素系ＨＴＳ−超電導磁石の冷凍（８時間）を行い、昼間（１６時間）は冷凍なしで運用する。

例えば、冷凍機を引き抜き構造とし、冷凍機を下ろせば、圧縮機分２４０ｋｇの重量低減が可能である。

また、車上電源も８ｋＷ／ＳＣＭの電力低減となる。つまり、１車両当たり１６ｋＷの電力の低減となる。
（５）起磁力を１０００ｋＡＴとする。

なお、本発明は、現在の低温ＳＣＭの運用においても適用でき、高温ＳＣＭ構成とすると種々の利点が挙げられ望ましい。

また、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の運用システムは、構造が簡易であり、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模式図である。 本発明の第１実施例を示す磁気浮上式鉄道車両の右側の半分を示す断面図である。 本発明の第２実施例を示す磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石システムの模式図である。 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用超電導磁石システムの模式図である。 従来の超電導磁石を有する磁気浮上式鉄道車両の右側の半分を示す断面図である。

符号の説明

１，５１ 外槽
２，５２ 超電導コイル
３，５３ 内槽
４，５４ 超電導コイルの熱絶縁支持部材
５，５６ 電流端子
６，５７ 電流リード
７，５８ 熱スイッチ
８，５９ ＰＬ（パワーリード）熱アンカ冷却伝熱板
９，６０ コイル冷却伝熱板
１０，６１ 排気ポート
１１ 車体
１２ 空気バネ
１３ 台車
１４ 台車枠
１５，１７ 希土類元素系高温超電導コイル
１６，１８ クライオスタット
２０ 高温超電導磁石
２１ 補助案内装置
２２ 補助支持装置
２３ 緊急着地装置
３０ 軌道
３１ 軌道の両側壁
３２ 凹所
４１，４２，４３，４４ 地上コイル
４５，４６ ヌルフラックス線
５５ 一段冷凍機

Claims (5)

1. 車両を一定時間以上停車させておく車両基地、停車場、車庫などの停留箇所に冷凍設備を配置し、車両に搭載された超電導コイルが超電導状態となる温度まで前記冷凍設備により冷却を行い、前記停留箇所外を走行しているときには前記超電導コイルの冷却を能動的に行わないように運用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の運用システム。
2. 請求項１記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムにおいて、前記超電導コイルに超電導状態となる温度以下に保持する熱容量を持たせるように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の運用システム。
3. 請求項２記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムにおいて、前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下に保持する車載用冷凍機と圧縮機ユニットを具備し、前記停留箇所で前記車載用冷凍機を運転して前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下まで冷却し、前記停留箇所外を走行しているときには前記車載用冷凍機の運転を行わないように運用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の運用システム。
4. 請求項２記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムにおいて、前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下に保持する車載用冷凍機を具備し、前記停留箇所で該停留箇所に設置した圧縮機ユニットと前記車載用冷凍機とを接続し、該車載用冷凍機を運転して前記超電導コイルを超電導状態となる温度以下まで冷却し、前記停留箇所外を走行しているときには前記車載用冷凍機の運転を行わないように運用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の運用システム。
5. 請求項１から４記載の磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システムにおいて、前記超電導コイルが希土類元素系高温超電導体からなることを特徴とする磁気浮上式鉄道車両用超電導磁石の運用システム。

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