JP3807764B2 - 移動体アーク集電方法及び移動体側のアーク集電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体側に設けた電極と、該移動体の走行経路に設けられた導体との間にアークを発生させ、導体側から移動体へと電力を供給する様にした移動体アーク集電方法及び移動体側のアーク集電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般の電気鉄道における車上への電力供給は、軌道上方に設けたトロリー線に列車側のパンタグラフを接触させて集電する方式が採用されている。
しかし、今後の高速輸送化、特に磁気浮上式鉄道の実現に当たっては、非接触による集電が望まれる。
【０００３】
そこで、本願出願人らは、地上に電力供給用の導体レールを敷設し、これに対向するように車体底面にプラズマトーチを設置し、このプラズマトーチと導体レールとの間にアークを発生させ、導体レールから車上へと電力を供給する様にした非接触式のアーク集電方法を内部的に検討している。
【０００４】
ところが、こうしたアーク集電方法が望まれる高速車両では、アークに対して列車進行方向からの強い風圧が加わる。このため、アークが後方へ流され、吹き消されてしまうという問題がある。
こうした問題に対して、出願人らは、アーク部分に風が当たらないように防風覆いを設ける方法を検討したが、次の様な理由で実用化技術としては適切でないとの結論に至った。
【０００５】
・地上との接触を防止するため、覆いと地上の間にギャップを設ける必要があり、ここから侵入する風によりアークが変形する。このギャップが広いと防風覆いとして意味をなさなくなるし、逆にギャップを狭くすればするほど侵入する風の風速が速くなりアークに対して強い変形を生じさせるおそれがある。
【０００６】
・防風覆い自体が風圧を受けるため、移動体の走行抵抗の原因となる。
・防風覆いはアークに近いほど効果的であるが、アークによる熱のため、あまり接近した位置への取付が困難である。
・列車の速度が上昇するにつれ、走行抵抗が大きくなると共に、強度をもたすため覆い自体を大型化する必要がある。
【０００７】
以上の様な理由により、実際にアークの吹き消しを防止するのが困難であると考えられる。
そこで、本発明においては、実用化に耐えることのできる非接触集電方式としての移動体アーク集電方法及びそのための移動体側のアーク集電装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段、発明の実施の形態及び発明の効果】
本発明の移動体側のアーク集電装置は、移動体側に設けた電極と、該移動体の走行経路に設けられた導体との間にアークを発生させ、導体側から移動体へと電力を供給する様にした移動体アーク集電方法において、電極の周りに外筒を配置し、該外筒と電極との間の空隙にガスを供給してエアカーテンを形成するエアカーテン形成手段を前記移動体上に備え、エアカーテン形成手段は、移動体の速度に応じてエアカーテン用のガス供給速度を増減することを特徴とする。
【００１５】
このアーク集電装置によれば、電極の周りに外筒を配置し、この外筒と電極との間の空隙にガスを供給するので、アークは周囲をエアカーテンで遮弊された状態となる。よって、前進の場合も後進の場合もエアカーテンによる風避け効果が発揮され、常に安定したアーク集電が可能になる。また、移動体は前進だけでなく後進することもあるので、アークを取り囲む様にエアカーテンを形成するとよいのである。
こうしたエアカーテンを形成するためのガスとしては、アークの安定性の点ではアルゴンガスなどとするとよいのであるが、空気を用いてもよい。
【００１６】
また、この移動体側のアーク集電装置において、前記エアカーテン形成手段は、移動体の速度に応じてエアカーテン用のガス供給速度を増減する機能を有している。即ち、移動体の速度が高いほどガス供給速度を高め、正面からの風圧に十分耐え得るエアカーテンを形成することが望ましいのである。逆に、低速時には、それほど強い風圧を受けないので、それ相応のガス供給速度としておくことで無駄のない実施を可能ならしめるものともいえる。
【００１７】
なお、本発明方法の実施に当たっては、かかる外筒方式を採用しなくてもよく、例えば、電極を取り囲む様にガス噴出用のノズルを多数配置し、これによって筒状のエアカーテンを形成するようにしてもよい。しかし、この場合には、多数のノズルを設置する必要があり、外筒方式に比べると装置構成が複雑化しメインテナンスも面倒になるという問題がある。この点、特に本発明で採用する外筒方式は、装置構成が簡単でメインテナンスも簡単であるという利点を有する。
【００１８】
請求項２に記載のアーク集電装置は、移動体側に設けた電極と、該移動体の走行経路に設けられた導体との間にアークを発生させ、導体側から移動体へと電力を供給する様にした移動体側のアーク集電装置において、電極の周りに外筒を配置し、該外筒と電極との間の空隙にガスを供給してエアカーテンを形成するエアカーテン形成手段と、移動体に、移動体の前進時用と後進時用にそれぞれ異なる方向に開口し、移動体の前進時には前進時用取り込み口から取り込んだ空気をエアカーテン形成用のガスとして供給し、移動体の後進時には後進時用取り込み口から取り込んだ空気を同じくエアカーテン形成用のガスとして供給する切換機構を有する空気取り込み口と、該空気取り込み口から外筒までを連絡する空気給送経路と、を備え、エアカーテン形成手段は、空気給送経路中に必要に応じてコンプレッサを配置することによって構成されていることを特徴とする。
この様なアーク集電装置によれば、電極の周りに外筒を配置し、この外筒と電極との間の空隙にガスを供給するので、アークは周囲をエアカーテンで遮弊された状態となる。よって、前進の場合も後進の場合もエアカーテンによる風避け効果が発揮され、常に安定したアーク集電が可能になる。また、移動体は前進だけでなく後進することもあるので、アークを取り囲む様にエアカーテンを形成するとよいのである。
また、上記アーク集電装置では、空気給送経路中に必要に応じてコンプレッサを配置することによってエアカーテン形成手段を構成している。これにより、移動体周辺の空気を利用して筒状のエアカーテンを形成することができる。なお、必要に応じてコンプレッサを配置するというのは、次の様な構成にした場合には、特にコンプレッサがなくてもラム圧を利用して有効な遮弊を可能ならしめるからである。
【００１９】
即ち、この移動体側のアーク集電装置において、前記空気取り込み口は、移動体の前進時用と後進時用にそれぞれ異なる方向に開口し、移動体の前進時には前進時用取り込み口から取り込んだ空気を前記エアカーテン形成用のガスとして供給し、移動体の後進時には後進時用取り込み口から取り込んだ空気を同じくエアカーテン形成用のガスとして供給する切換機構を有することとすればよいのである。このアーク集電装置によれば、移動体の前進時には自然に前進時用取り込み口から空気を取り込むことができ、しかも移動体速度が速くなればなるほどこの取り込み量が増大する。よって、空気給送経路の有効断面積と空気取り込み口の有効断面積との関係を適切に設計してやれば、特にコンプレッサで加圧しなくても、ラム圧によって十分な遮弊効果を達成できるのである。そして、後進時には、後進時用取り込み口と外筒との間を連通させるように切換機構を作動させてやれば、後進時用取り込み口から取り込まれる空気を有効に利用して十分なる遮弊効果を達成することができる。
【００２０】
これらの移動体側のアーク集電装置において、前記外筒が先細に開口することとしておくと、エアカーテンを形成するガスによってアークを絞り込む作用が働くものと考えられ、アークのふらつきを防止し、これをもってアークの安定性を高めることができるものと考えられる。
【００２１】
また、逆に、上述の移動体側のアーク集電装置において、前記外筒が先太に開口することとしておいてもよい。この場合は、アーク部分の圧力を低下させる効果があり、それによって低圧ほど安定性が高まるというアークの性質にマッチした環境を提供することができるものと考えられる。よって、かかる方向で本発明を実現しても構わないのである。
【００２２】
また、本発明の移動体側のアーク集電装置においては、前記電極とエアカーテンとの間に、アーク安定化用のプラズマ雰囲気を形成するようにアークシールドガスをも噴出し得るようにしておくと一層効果的である。即ち、プラズマ雰囲気形成用のガスとエアカーテン形成用のガスとにより、二重にアークを包み込んでやるのである。これにより、アークの安定化を一層向上しつつ、風圧による吹き消しを防止することができる。
【００２３】
この場合、前記電極として金属加工用プラズマトーチを用いることができる。一方、磁場を利用した装置の方は、移動体側に設けた電極と、該移動体の走行経路に設けられた導体との間にアークを発生させ、導体側から移動体へと電力を供給する様にした移動体側のアーク集電装置において、前記電極の移動方向後方側で、移動方向に直角となる磁場を発生させる吹き消し抑制磁場発生装置を移動体上に設置することを特徴とする。
【００２４】
この装置によれば、吹き消し抑制磁場発生装置によって、移動時にアークが受ける風力に対応した電磁力を作用させ、アークが進行に伴う風によって後方に流れることや導体側のアークの電極点が導体に固着する特性によるアークの変形を抑制することができる。また、吹き消し抑制磁場発生装置によって、導体と平行するアーク部分に導体側への電磁力を作用させ、アークが進行に伴う風によって後方に流れると導体平行部分のアークは導体側に押され、アークの変形を抑制することができる。
【００２５】
【実施例】
次に、本発明の実施例として、地上駆動方式の磁気浮上式鉄道において、列車内の空調や照明などに用いる車上電源を供給するためのシステムを説明する。
実施例は、図１に示す様に、磁気浮上式鉄道の路線に沿って、７５０Ｖ電源供給用の地上導体１を敷設する。そして、この路線で運行する磁気浮上車両の底面には、地上導体１の頂面に対面する様に電極１１を取り付ける。この電極１１は、周囲を覆う先細の円筒形状の外筒１３の中心に支持部材１５にて保持されている。また、車体底面には、前方に向かって開口する前進時用空気取り込み口１７と後方に向かって開口する後進時用空気取り込み口１９とが設けられ、これら空気取り込み口１７，１９と外筒１３との間を配管２１，２３によって連結している。配管２１，２３の合流部２５の前後には、開閉弁２７，２９が配置されている。
【００２６】
この様な構成のシステムにおいて、列車を前進させるとき、図示しないパイロットアーク機構によって電極１１と地上導体１との間にアーク３１を発生させ、さらに、前方側の開閉弁２７を開とし、後方側の開閉弁２９を閉とする。この状態において列車が前進すると、前進時用空気取り込み口１７から取り込まれた空気が、配管２３を通って外筒１３と電極１１との空隙に導かれる。そして、筒状に噴出して、アーク３１の周囲を取り囲むエアカーテン３３を形成する。このエアカーテン３３を形成するための空気取り込み量は、列車の速度が上昇するにつれて増大するので、エアカーテン３３自体も列車の速度上昇に従って次第に強い風圧遮弊効果を発揮するようになる。この結果、自然に車速に応じたエア供給を行うことができ、常に適切な風圧遮弊効果を発揮することができる。
【００２７】
後進の場合には、図１の状態とは逆に、前方の開閉弁２７の方を閉、後方の開閉弁２９の方を開とするように弁の開閉状態を切り換える。後は、前進の場合と同様の効果により、エアカーテン３３によってアーク３１が安定に保持される。
なお、各空気取り込み口１７，１９の開口面積と各配管２１，２３の有効断面積とは、例えば５００ｋｍ／ｈで走行しているときにエアカーテンによる十分な風圧遮弊効果を発揮できる様なラム圧を発生できるように設計しておく。
【００２８】
この実施例によれば、車体の適当な箇所に空気取り込み口１７，１９を設け、電極１１の周囲に小さな外筒１３を配置するだけでよく、防風覆いを設ける場合の様な車体から外部に大きく飛び出す構造物が追加されない。よって、列車の空力性能に悪影響を及ぼさない。
【００２９】
また、アーク３１に沿ってエアカーテン３３を形成することができればよいので、外筒１３を地上導体からある程度離れた位置までとしておくことができ、取付も楽である。加えて、アーク３１自体を覆う位置まで外筒１３を伸ばしておかなくてもよいので、外筒１３が受ける熱的影響も小さいものである。
【００３０】
よって、きわめて実現性の高いアーク集電方法ということができる。
また、実施例では、ラム圧を利用して自然にエアカーテンを形成し、しかも、車速に応じてエアカーテンの風圧遮弊性能を増減できるので、無駄がなく、かつ適切な風圧遮弊効果を実現することができる。そして、かかる適切な風圧遮弊効果を実現するに当たって、複雑な装置構成や複雑な制御が必要ないという利点もある。
【００３１】
加えて、外筒１３を先細としてあるので、エアカーテン３３はアーク３１に密着する様に形成され、アーク３１を周りからしっかりと絞り込むように作用し、これによってアーク３１の安定性を高めることが期待できる。
次に、上記実施例の効果を確認するための実験結果について説明する。
【００３２】
実験は、図２に示すように、溶接用のプラズマトーチ１０１と銅製の回転円盤１０３とを用いて行った。回転円盤１０３は、タイミングベルト１０５及びスリップリング１０７を介してモータ１０９にて回転されるようになっている。
プラズマトーチ１０１には、図示の様に、さらに外筒１１１を装着し、アークＡ及びシールドガスＢの外側にエアカーテンＣを形成し得る様に改良したものを用いた。
【００３３】
また、走行中の風圧を再現するため、プラズマトーチ１０１の先端付近に水平方向に送風パイプ１１３を設置した。
この実験装置により、アーク電流２００Ａとして、下記表に示すような条件でアークが維持できるか否かを確認した。
【００３４】
【表１】

【００３５】
なお、風速１３９ｍ／ｓｅｃは、５００ｋｍ／ｈで走行した場合の風速に相当する。また、エアカーテンガス圧＝０とは、エアカーテンを形成しなかったことを意味する。エアカーテン用には、加圧空気を使用した。一方、シールドガスとは、プラズマ安定化用のシールドガスのことであり、アルゴンガスを用いた。
【００３６】
上記実験の結果から明かな様に、エアカーテンを備えた場合には、５００ｋｍ／ｈでの走行中にアークを安定して維持することが可能であるということが分かる。その場合、ガス圧も５．５ｋｇ／ｃｍ² 程度であるから、上述した様な走行中の風圧を利用した実施例のシステムであっても十分に実用化が可能であることが分かる。また、溶接用のプラズマトーチにエアカーテン形成用の外筒を取り付けることにより、十分に実用に耐えるアーク集電装置を提供できるということも確認できた。従って、本発明のアーク集電方法は、十分に実用化が可能であると判断することができる。
【００３７】
以上、本発明の実施例を説明したが、さらに他の態様にて本発明を実施してもよく、そうした態様も本発明の要旨を逸脱しない限りは本発明の技術的範囲内に含まれるものである。
例えば、図３（Ａ）に示す様に、配管２１，２３の合流部２５にコンプレッサ４１を取り付け、特に低速時の風圧遮弊効果を補助できるようにしてもよい。この場合、常にコンプレッサ４１で空気を加圧することとしてもよいし、低速時にだけ加圧することとしてもよい。常時加圧するシステムでは、実質的にラム圧を利用しない配管設計としても構わない。
【００３８】
また、図３（Ｂ）に示す様に、外筒１３を先太のラッパ状としておいてもよい。この場合、エアカーテン３３は外へと広がる円錐形状となり、内部を圧力の低い状態にするので、アーク３１の安定性を高める効果が期待できる。
さらに、本発明は、磁気浮上式鉄道に限らず、現行方式の鉄道における車上電源供給用に採用しても構わない。この場合、上空ではなく、地上のレール間に導体を敷設すれば、トロリー線用の電柱などが不要となることによる設備コストの低減効果が考えられる。また、現行の接触方式の集電では摩擦音が騒音として問題となるが、こうした摩擦音がなくなることによる騒音低減効果も期待できる。特に、在来方式鉄道でも高速化に当たっての騒音問題は深刻であり、その解決の一助となる。
【００３９】
また、導体も、地面に敷設するのではなく、例えば磁気浮上式鉄道においても上空に設置してもよいし、ガイドウェイとしての側壁に敷設してもよい。さらに、１条に限らず、複数条敷設し、それら全部から集電するようにしてもよいし、いずれかから集電するようにしてもよい。
【００４０】
加えて、鉄道に限らず、工場内の移動装置や新しい交通システムにおいても、本発明の集電方法及び集電装置を適用できることはもちろんである。
また、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、図１の実施例に吹き消し抑制磁場発生装置２０１を設けるとよい。なお、図４（Ｂ）は図４（Ａ）を後方から見た図である。吹き消し抑制磁場発生装置２０１は、電極１１の進行方向後方に設置し、電極１１の進行方向後方に進行方向と直角方向の磁場を発生させる。この磁場により、図４（Ｃ）の▲１▼で示す様に進行方向後方に変形したアークを▲１▼→▲２▼→▲３▼の様に前方へ移動させ、地上導体１上のアーク電極点を電極１１の直下部へと移動させる。これにより、移動体へのアーク集電を一層効率よく行うことができるようになる。なお、磁場の方向は、移動体側から見て、電流が移動体側から固定側に流れているときは時計方向、電流が固定側から移動体側に流れているときは反時計方向とする。この実施例においては、エアカーテンと磁場とを併用すると効果が高いが、低速走行時であれば、磁場だけでアークの吹き消しを抑えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例のアーク集電方式の説明図である。
【図２】 実験例の説明図である。
【図３】 変形例のアーク集電方式の説明図である。
【図４】 変形例のアーク集電方式の説明図である。
【符号の説明】
１・・・地上導体、１１・・・電極、１３・・・外筒、１５・・・支持部材、１７・・・前進時用空気取り込み口、１９・・・後進時用空気取り込み口、２１，２３・・・配管、２５・・・合流部、２７，２９・・・開閉弁、３１・・・アーク、３３・・・エアカーテン、４１・・・コンプレッサ、１０１・・・プラズマトーチ、１１１・・・外筒、２０１・・・吹き消し抑制磁場発生装置。

Claims (7)

1. 移動体側に設けた電極と、該移動体の走行経路に設けられた導体との間にアークを発生させ、導体側から移動体へと電力を供給する様にした移動体側のアーク集電装置において、
   前記電極の周りに外筒を配置し、該外筒と電極との間の空隙にガスを供給してエアカーテンを形成するエアカーテン形成手段を前記移動体上に備え、
   前記エアカーテン形成手段は、前記移動体の速度に応じてエアカーテン用のガス供給速度を増減することを特徴とする移動体側のアーク集電装置。
2. 移動体側に設けた電極と、該移動体の走行経路に設けられた導体との間にアークを発生させ、導体側から移動体へと電力を供給する様にした移動体側のアーク集電装置において、
   前記電極の周りに外筒を配置し、該外筒と電極との間の空隙にガスを供給してエアカーテンを形成するエアカーテン形成手段と、
   前記移動体に、前記移動体の前進時用と後進時用にそれぞれ異なる方向に開口し、前記移動体の前進時には前進時用取り込み口から取り込んだ空気を前記エアカーテン形成用のガスとして供給し、前記移動体の後進時には後進時用取り込み口から取り込んだ空気を同じくエアカーテン形成用のガスとして供給する切換機構を有する空気取り込み口と、該空気取り込み口から前記外筒までを連絡する空気給送経路と、
   を備え、
   前記エアカーテン形成手段は、前記空気給送経路中に必要に応じてコンプレッサを配置することによって構成されていることを特徴とする移動体側のアーク集電装置。
3. 請求項１記載の移動体側のアーク集電装置において、移動体に空気取り込み口と、該空気取り込み口から前記外筒までを連絡する空気給送経路とを備え、該空気給送経路中に必要に応じてコンプレッサを配置することによって前記エアカーテン形成手段を構成することを特徴とする移動体側のアーク集電装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか記載の移動体側のアーク集電装置において、前記外筒が先細に開口することを特徴とする移動体側のアーク集電装置。
5. 請求項１〜請求項３のいずれか記載の移動体側のアーク集電装置において、前記外筒が先太に開口することを特徴とする移動体側のアーク集電装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか記載の移動体側のアーク集電装置において、前記電極とエアカーテンとの間に、アーク安定化用のプラズマ雰囲気を形成するようにアークシールドガスをも噴出し得るようにしたことを特徴とする移動体側のアーク集電装置。
7. 請求項６記載の移動体側のアーク集電装置において、前記電極として金属加工用プラズマトーチを用いることを特徴とする移動体側のアーク集電装置。

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