從磁懸浮到鐵路均可使用的超導(dǎo)節(jié)電技術(shù)（下）

　　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(chǎng)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?？僧a(chǎn)生高達(dá)2.59T的磁場(chǎng)。

　　＊6 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。

　?。? 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(chǎng)。

　　“并不是要在如何提高臨界溫度（Tc）上一爭(zhēng)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小（圖6）。

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?！绊樌脑拰⒂?012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。