從磁懸浮到鐵路均可使用的超導節(jié)電技術（下）

　　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。今后還預定開發(fā)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，并希望到2012年能利用大型裝置進行試驗。

利用多孔狀態(tài)以樹脂作加強

　　在磁懸浮新干線使用的超導磁鐵之外，塊狀高溫超導材料的開發(fā)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懸浮列車上配備為目的。現在Maglev雖采用了鈮鉍類線材，但塊材本身還有望應用于其他用途，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個直徑80mm的環(huán)裝塊材層疊，用液氮冷卻，開發(fā)出了可產生2.59T磁場的超導磁鐵（圖4）。該塊材的特點在于，通過對燒結的高溫超導塊材含浸含有玻璃纖維的環(huán)氧樹脂，而提高了強度*6。

圖4：高溫超導塊材
通過含浸環(huán)氧樹脂提高了強度。照片中的塊材的直徑為87mm?？僧a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系數差異較大，反復冷卻時容易產生變形，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(tài)時都會結露，因此反復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(yōu)等采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，以制成堅固的塊材*7。

　?。? 為了易于去除內部生產的焦耳熱，2003年還開發(fā)了在中央開孔，向孔中注入低熔點金屬，并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。

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

應用于已有鐵路線以減少變電站

　　該塊材有望應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。但旋轉軸在加長后容易晃動。因此，以非接觸方式支持旋轉軸的超導軸承就成為了有效手段。

　　鐵道綜研還以應用于已有鐵路線為目的，開發(fā)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：試制的超導電纜
8kA級電纜的長度為5m左右。今后計劃延長尺寸，并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并行鋪設的電力線。

　　由于送電時電壓通常會下降，因此已有鐵路線的直流電氣化區(qū)段需要每隔2k～3km設置一所變電站，電車從最近的前后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并實現小容量化。如圖中所示，可將3個變電站減至2個。

　　此外，還有利于電力再生。現在的情況是，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(fā)“Go＆Return”結構的線材。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)流動的結構。據稱現在已制成了5m左右的電纜。

　　但是，在實際用于饋電線時需要更長的尺寸。而且還要求能夠承受過電流。其原因在于，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(tài)。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，便可應用于山手線的饋電線路。“順利的話將于2012年內研制出50m以上的長電纜”（富田）。鐵道綜研最早將于2012年在其院內的實驗線路上鋪設超導線，實施行駛試驗*9。

　　*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平的隔熱性。