從磁浮列車到鐵路均可使用的超導節電技術

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以磁浮列車為首，超導技術在鐵路各領域的應用備受期待。東海旅客鐵道（JR東海）提出的2027年開業的磁懸浮中央新幹線，超導是主要技術這這自不必說，將來該技術還有望導入現有鐵路線的蓄電裝置及供電電纜（圖1）。

圖1：JR東海的超導磁浮列車（Maglev）「MLX01-1」曾在2005年愛知世博會上展出

在鐵路以外，超導技術的應用範圍也很廣。設想將該技術應用於MRI（核磁共振成像）裝置及污水處理等，需要強力磁場的裝置及系統。

今後尤為看好的是高溫超導材料的應用。採用該材料，能夠以更少的能量驅動磁浮列車，或者減少現有鐵路線中上的供電損失。如果採用于軸承上，還可實現低損失的大型蓄電用飛輪，可有效利用再生能量。


因無需製冷機故可小型化

正在研發此類高溫超導技術的是日本鐵道綜合技術研究所（鐵道綜研）。如，使用稀土族元素（RE）的高溫超導線材就是正在開發的超導技術之一。RE類線材是一種擁有X-Ba-Cu-O（X為稀土族元素）成分的材料。這種材料在高磁場中的臨界電流密度較大，特性不易劣化。

2010年，鐵道綜研開發出了在線圈中使用釔（Y）類高溫超導線材的小型超導磁鐵（圖2）。通過發展該技術，超導磁浮列車配備的超導磁鐵有望實現小型化並降低運用成本。

圖2：使用釔類高溫超導線材的小型超導磁鐵設想配備在磁浮列車上，尺寸為現行Maglev的約1/4。可維持1T以上的磁場在9小時以上

此次開發的小型超導磁鐵，其外形尺寸為寬600×高400×進深200mm，大約是JR東海的超導磁懸浮鐵道山梨實驗線上行駛的「Maglev」*1上所配超導磁鐵的約1/4。通過改進隔熱構造，只要冷卻到20K，便可在9個多小時內使線圈溫度保持在50K以下。而如果線圈溫度在50K左右，就能夠形成1T（特斯拉）以上的磁場。

*1 Maglev一詞由磁懸浮Magnetically Levitation的前幾個字母組成。

現有Maglev的超導磁鐵線圈使用了鈮鉍（Nb-Ti）類線材，用液氦（He）冷卻至4.2K。為了持續冷卻液氦，超導磁鐵分別安裝了製冷機，並在車輛上配備燃氣輪機作為製冷機的電源。

然而，以液氮冷卻的小型超導磁鐵，其熱容量為現有超導磁鐵的約1000倍，對溫度上升的耐受能力很強。由於能夠長時間維持超導狀態，因此無需為每個線圈配備製冷機。而且還可省去線圈的輻射熱遮蔽材料及液氦罐，從而可實現小型化。這樣便有望使將來的磁浮列車降低製造成本及運行成本*2。

＊2 即使要配備製冷機，也只需維持較高溫度的小型機即可。


2012年力爭達到5T

鐵道綜研今後打算以增加線圈匝數等使外形尺寸變化不太大的情況下，實現與目前的鈮鉍類磁鐵同等程度的5T磁場。鐵道綜研磁懸浮鐵路技術研究部低溫系列研究室長長島賢自信地表示：「只要掌握超導線材的性能，憑我們的能力和經驗就能設計出具有實用水準的磁鐵」。

另外，現為9小時左右的運行時間也應能進一步延長。鐵道綜研表示，只要減小超導線材以外部分的電阻，即有望將連續運轉的時間延長到1天左右。

實用面臨的課題，不僅有性能，還有可靠性。這就是對可在何種程度上防止失超*3而穩定發揮磁鐵功能的疑問。

*3 失超是指某種原因引發的容器無法保持隔熱性，或磁通釘扎（Flux Pinning）稍有偏移，導致從超導狀態一下子變為常導狀態的現象。

「RE類線材作為磁浮懸列車用磁鐵是一種新型材料，因此有可能需要新的評測方法」（長島賢）。鐵道綜研計劃2012年開發擁有5T能力的磁鐵，並進行實驗評測＊4。

*4 不過，JR東海目前正在計劃的磁懸浮中央新幹線預計將採用現有的鈮鉍類磁鐵。這是由於鈮鉍類磁鐵已在山梨實驗線經過了長期試驗。

另外，還考慮將其推廣至磁懸浮新幹線以外的領域。這是因為，利用RE類線材的磁鐵即使沒有製冷機也可長時間運轉，並且還小型、易操作。例如，在利用磁力的污水凈化裝置、電車減速時蓄積再生能量的蓄電用飛輪上應用的探討已經開始。

應用於飛輪時，在軸承部分採用高溫超導線圈以及後面將提到的高溫超導塊材，以非接觸方式支撐旋轉軸。具體而言，就是以高溫超導線圈作起動器，支援嵌有高溫超導塊材的旋轉軸（圖3）。整個飛輪收放在低溫恒溫器中，軸承部分以稀薄的低溫氦氣冷卻。通過利用基於超導線圈的電磁鐵來支撐超導塊體，能夠以非接觸方式支撐重達數噸的巨大飛輪。

圖3：飛輪試驗裝置和超導線圈，可用定子採用高溫超導線圈、轉子採用高溫超導塊體的軸承，以非接觸方式支撐50kg左右的飛輪（a）。下方的照片為用作定子的高溫超導線圈試製品（b）

鐵道綜研已在利用配備有重50kg左右的飛輪的試驗裝置進行試驗。今後還預定開發擁有重2噸左右飛輪的大型裝置。計劃2011年度內實施軸承部分的靜止懸浮試驗，並希望到2012年能利用大型裝置進行試驗。


利用多孔狀態以樹脂作加強

在磁懸浮新幹線使用的超導磁鐵之外，塊狀高溫超導材料的開發也在推進之中*5。

*5 鐵道綜研的高溫超導塊材研究原本以在磁浮列車上配備為目的。現在Maglev雖採用了鈮鉍類線材，但塊材本身還有望應用於其他用途，或者今後用來開發新的車輛，因此目前仍在繼續開發。

比如，2010年將10個直徑80mm的環裝塊材層疊，用液氮冷卻，開發出了可產生2.59T磁場的超導磁鐵（圖4）。該塊材的特點在於，通過對燒結的高溫超導塊材含浸含有玻璃纖維的環氧樹脂，而提高了強度*6。

圖4：高溫超導塊材通過含浸環氧樹脂提高了強度。照片中的塊材的直徑為87mm。可產生高達2.59T的磁場

＊6 據鐵道綜研介紹，當初也曾嘗試使用過碳纖維，但因碳纖維與原塊材之間的線膨脹係數差異較大，反覆冷卻時容易產生變形，因此目前選擇了玻璃纖維環氧樹脂的組合。

一般情況下，塊材單體因為是氧化物的燒結物而較脆。大型化時，有時會因自身的洛倫茲力（Lorentz Force）而破裂。而且，每當恢復常溫狀態時都會結露，因此反覆使用時會越來越破爛。

因此，鐵道綜研材料技術研究部超導應用研究室的富田優等採用了使塊材含浸樹脂以提高強度的方法。氧化物超導材料原本就為多孔狀，內部含有大量微小空隙及裂縫。富田等的想法並非是形成緻密的空隙少的材料，而是充分利用多孔狀態，在其中含浸樹脂，以製成堅固的塊材*7。

＊7 為了易於去除內部生產的焦耳熱，2003年還開發了在中央開孔，向孔中注入低熔點金屬，並以薄薄的低熔點金屬包覆的塊材。由此實現了世界最高的17T磁場。

「並不是要在如何提高臨界溫度（Tc）上一爭高低，而是（著眼于實用化）考慮如何做才能提高強度，製造出堅固的塊材」（富田）。迄今鐵道綜研已製造出最大直徑為140mm的圓盤狀塊材。


應用於已有鐵路線以減少變電站

該塊材有望應用於上述蓄電用飛輪的軸承部分。

另外，還可考慮用於液氮循環泵的軸承。液氮泵為了將來自馬達等的熱侵入控制在最小限度，需要加長旋轉軸。但旋轉軸在加長後容易晃動。因此，以非接觸方式支援旋轉軸的超導軸承就成為了有效手段。

鐵道綜研還以應用於已有鐵路線為目的，開發了使用高溫超導材料的直流供電用電纜（圖5）。將超導電纜用作從變電站向電車架線輸送電力的饋電線*8，有望大幅降低電力損失，減少變電站及有效利用再生能量。

圖5：試製的超導電纜，8kA級電纜的長度為5m左右。今後計劃延長尺寸，並鋪設在鐵道綜研院內的試驗線路上實施行駛實驗

*8 饋電線是指為了向電車架線供應電力而與電車架線並行鋪設的電力線。

由於送電時電壓通常會下降，因此已有鐵路線的直流電氣化區段需要每隔2k～3km設置一所變電站，電車從最近的前後兩個變電站接受電力，不會跨越更遠的變電站供電。

然而，如果將饋電線換成超導電纜，電力就不會損失，因此除了能夠減少變電站的數量之外，還可由遠方的變電站來供電，而且變電站的容量本身也可減小（圖6）。

圖6：在現有線路上應用超導電纜的示意圖，通過用高溫超導電纜將變動站連接起來，有望使變電站數量減少並實現小容量化。如圖中所示，可將3個變電站減至2個

此外，還有利於電力再生。現在的情況是，要嘛在距行駛中的電車最近的變電站上有蓄電裝置，有麼有需要充電的行駛中的其他電車，否則就不能回收再生能量。但如果饋電線實現了超導化，則不管距離蓄電裝置有多遠，都可回收電車的再生能量。

目前，富田等正在開發「Go＆Return」結構的線材。這種線材類似同軸電纜。採用冷卻用液氮在雙層管狀線材的中空部分中循環流動的結構。據稱現在已製成了5m左右的電纜。

但是，在實際用於饋電線時需要更長的尺寸。而且還要求能夠承受過電流。其原因在於，如果因過電流而一時有超過標準的大電流流過，液氮就會沸騰，從而無法維持超導狀態。因此，在原本流過電流的超導線材之外，配合使用了使過電流得以分流的銅線材。

迄今已實現能夠流過約8kA電流的電纜，富田等表示將在2011年內使這一數值提高到10kA以上。據稱如果能耐10kA，便可應用於山手線的饋電線路。「順利的話將於2012年內研製出50m以上的長電纜」（富田）。鐵道綜研最早將於2012年在其院內的實驗線路上鋪設超導線，實施行駛試驗*9。（全文完）

*9 不過，電纜越長就越容易出現冷卻收縮問題。而且，侵入的熱量也會增加，因此還要求具有超過目前水準的隔熱性。

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/mech/57865-20110912.html?ref=ML&start=0

10kA.可以考慮用於電力輸送.