鐵道綜研已在利用配備有重50kg左右的飛輪的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。今后還預(yù)定開發(fā)擁有重2噸左右飛輪的大型裝置。計(jì)劃2011年度內(nèi)實(shí)施軸承部分的靜止懸浮試驗(yàn),并希望到2012年能利用大型裝置進(jìn)行試驗(yàn)。
利用多孔狀態(tài)以樹脂作加強(qiáng)
在磁懸浮新干線使用的超導(dǎo)磁鐵之外,塊狀高溫超導(dǎo)材料的開發(fā)也在推進(jìn)之中*5。
*5 鐵道綜研的高溫超導(dǎo)塊材研究原本以在磁懸浮列車上配備為目的。現(xiàn)在Maglev雖采用了鈮鉍類線材,但塊材本身還有望應(yīng)用于其他用途,或者今后用來開發(fā)新的車輛,因此目前仍在繼續(xù)開發(fā)。
比如,2010年將10個(gè)直徑80mm的環(huán)裝塊材層疊,用液氮冷卻,開發(fā)出了可產(chǎn)生2.59T磁場的超導(dǎo)磁鐵(圖4)。該塊材的特點(diǎn)在于,通過對(duì)燒結(jié)的高溫超導(dǎo)塊材含浸含有玻璃纖維的環(huán)氧樹脂,而提高了強(qiáng)度*6。
圖4:高溫超導(dǎo)塊材
通過含浸環(huán)氧樹脂提高了強(qiáng)度。照片中的塊材的直徑為87mm。可產(chǎn)生高達(dá)2.59T的磁場。
?。? 據(jù)鐵道綜研介紹,當(dāng)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系數(shù)差異較大,反復(fù)冷卻時(shí)容易產(chǎn)生變形,因此目前選擇了玻璃纖維環(huán)氧樹脂的組合。
一般情況下,塊材單體因?yàn)槭茄趸锏臒Y(jié)物而較脆。大型化時(shí),有時(shí)會(huì)因自身的洛倫茲力(Lorentz Force)而破裂。而且,每當(dāng)恢復(fù)常溫狀態(tài)時(shí)都會(huì)結(jié)露,因此反復(fù)使用時(shí)會(huì)越來越破爛。
因此,鐵道綜研材料技術(shù)研究部超導(dǎo)應(yīng)用研究室的富田優(yōu)等采用了使塊材含浸樹脂以提高強(qiáng)度的方法。氧化物超導(dǎo)材料原本就為多孔狀,內(nèi)部含有大量微小空隙及裂縫。富田等的想法并非是形成致密的空隙少的材料,而是充分利用多孔狀態(tài),在其中含浸樹脂,以制成堅(jiān)固的塊材*7。
*7 為了易于去除內(nèi)部生產(chǎn)的焦耳熱,2003年還開發(fā)了在中央開孔,向孔中注入低熔點(diǎn)金屬,并以薄薄的低熔點(diǎn)金屬包覆的塊材。由此實(shí)現(xiàn)了世界最高的17T磁場。
“并不是要在如何提高臨界溫度(Tc)上一爭高低,而是(著眼于實(shí)用化)考慮如何做才能提高強(qiáng)度,制造出堅(jiān)固的塊材”(富田)。迄今鐵道綜研已制造出最大直徑為140mm的圓盤狀塊材。
應(yīng)用于已有鐵路線以減少變電站
該塊材有望應(yīng)用于上述蓄電用飛輪的軸承部分。
另外,還可考慮用于液氮循環(huán)泵的軸承。液氮泵為了將來自馬達(dá)等的熱侵入控制在最小限度,需要加長旋轉(zhuǎn)軸。但旋轉(zhuǎn)軸在加長后容易晃動(dòng)。因此,以非接觸方式支持旋轉(zhuǎn)軸的超導(dǎo)軸承就成為了有效手段。
鐵道綜研還以應(yīng)用于已有鐵路線為目的,開發(fā)了使用高溫超導(dǎo)材料的直流供電用電纜(圖5)。將超導(dǎo)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:試制的超導(dǎo)電纜
8kA級(jí)電纜的長度為5m左右。今后計(jì)劃延長尺寸,并鋪設(shè)在鐵道綜研院內(nèi)的試驗(yàn)線路上實(shí)施行駛實(shí)驗(yàn)。
*8 饋電線是指為了向電車架線供應(yīng)電力而與電車架線并行鋪設(shè)的電力線。
由于送電時(shí)電壓通常會(huì)下降,因此已有鐵路線的直流電氣化區(qū)段需要每隔2k~3km設(shè)置一所變電站,電車從最近的前后兩個(gè)變電站接受電力,不會(huì)跨越更遠(yuǎn)的變電站供電。
然而,如果將饋電線換成超導(dǎo)電纜,電力就不會(huì)損失,因此除了能夠減少變電站的數(shù)量之外,還可由遠(yuǎn)方的變電站來供電,而且變電站的容量本身也可減?。▓D6)。
圖6:在現(xiàn)有線路上應(yīng)用超導(dǎo)電纜的示意圖
通過用高溫超導(dǎo)電纜將變動(dòng)站連接起來,有望使變電站數(shù)量減少并實(shí)現(xiàn)小容量化。如圖中所示,可將3個(gè)變電站減至2個(gè)。
此外,還有利于電力再生?,F(xiàn)在的情況是,要么在距行駛中的電車最近的變電站上有蓄電裝置,有么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(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)化,則不管距離蓄電裝置有多遠(yuǎn),都可回收電車的再生能量。
目前,富田等正在開發(fā)“Go&Return”結(jié)構(gòu)的線材。這種線材類似同軸電纜。采用冷卻用液氮在雙層管狀線材的中空部分中循環(huán)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。據(jù)稱現(xiàn)在已制成了5m左右的電纜。
但是,在實(shí)際用于饋電線時(shí)需要更長的尺寸。而且還要求能夠承受過電流。其原因在于,如果因過電流而一時(shí)有超過標(biāo)準(zhǔn)的大電流流過,液氮就會(huì)沸騰,從而無法維持超導(dǎo)狀態(tài)。因此,在原本流過電流的超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)能夠流過約8kA電流的電纜,富田等表示將在2011年內(nèi)使這一數(shù)值提高到10kA以上。據(jù)稱如果能耐10kA,便可應(yīng)用于山手線的饋電線路。“順利的話將于2012年內(nèi)研制出50m以上的長電纜”(富田)。鐵道綜研最早將于2012年在其院內(nèi)的實(shí)驗(yàn)線路上鋪設(shè)超導(dǎo)線,實(shí)施行駛試驗(yàn)*9。
*9 不過,電纜越長就越容易出現(xiàn)冷卻收縮問題。而且,侵入的熱量也會(huì)增加,因此還要求具有超過目前水平的隔熱性。