超電導リニア
1987年(昭和62年)3月に導入された実用車両をにらんだ実験車両で1両だけ試作された。全長は22 m、幅3 m、高さ3.7 m、重量17 tで、この車両から台車に超電導電磁石を搭載する方式になった。両端を流線形状とし、客室スペースも広く取り入れ44人分の座席を確保していた。MLU001に備えられていなかった車内の空調設備が導入されており、一般からの試乗体験が考慮されていた。クリーム色の車体に赤とオレンジのストライプが入れられていた。またフジテレビの『ひらけ!ポンキッキ』の「のりたいでんしゃ はしるきかんしゃ」のリニアモーターカーで本車両が紹介された。国鉄時代最後の実験車として貴重な存在であったが、1991年(平成3年)10月、実験走行中に補助支持車輪のパンクを再現する機構が誤作動してロックし、牽引車両で引き上げる際に摩擦でマグネシウムホイールから出火し、焼失してしまった(後述)。
1993年(平成5年)1月に導入された実験車両。MLU002とほぼ同様の外形であるが、正面窓が省略されている。ディスクブレーキ、空力ブレーキなどが追加されている。当然ながらMLU002焼失に対する反省から難燃化も行われた。この車両で、1995年(平成7年)1月に宮崎実験線での有人走行最高速度記録、411 km/hを達成している。
MLU002とMLU002Nでは、クエンチ現象と液体ヘリウムの異常消費の2つの問題に悩まされた。1987年(昭和62年)に初めてこの問題に直面した。1992年(平成4年)にこの現象は究明された。超電導電磁石の線材はニオブチタン合金でできており、それを銅で覆った細線を束ねた構造になっていた。MLU002では軽量化のために銅の比率を低下させたため、強度が低下して走行時に軌道側の電磁石から与えられる力により線材が周期的に曲げられることになり、その振動により熱が発生してクエンチ現象に至っていた。またヘリウムの消費量の問題は、軽量化のためにアルミの断熱板を採用したために、軌道側の電磁石からの磁界により渦電流が発生して発熱していたことが原因であると判明した。これらに対策を講じたことにより、クエンチ現象はまず発生しなくなり、液体ヘリウムの消費量も激減してほぼクローズサイクルで運転できるようになった。浮上方式としては底面に浮上コイルを設けた最後の車両である。これ以降は軌道側の側壁に8の字構造の浮上コイルを持つ側壁浮上方式に置き換わる。試験終了後は、宮崎実験線の施設にて保存されている。
1996年(平成8年)から導入された山梨の実験線用に開発された車両。先行する宮崎実験線における成果が取り入れられ、浮上方式が底面に浮上コイルがある方式(対向反発浮上方式)から側壁浮上方式へと大改良が行われた。これに伴い試験軌道と設備の大改修も行われ、実用段階に向けた最終実験の意味をあらわすExperiment(実験)のXが名前に付けられた。大量輸送に向けた実験を行うため、本格的な客室スペースが用意された。先頭車両の形状は空気抵抗の効果確認のため当初、ダブルカスプ型 (MLX01-1, 4) とエアロウェッジ型 (MLX01-2, 3) の2種類が用意され、2002年(平成14年)には主にトンネル突入時の空気振動低減、列車後端に位置したときの空力特性改善を目的とした超ロングノーズ型 (MLX01-901) が追加された。MLX01のデザインは手銭正道、戸谷毅史、松本哲夫による。製造は日本車輌製造および三菱重工業。
車体長は先頭車が28 m、標準中間車が21.6 m、長尺中間車が24.3 m。幅は2.9 m、高さ3.32 m。車両の連接部に、前後の車両にまたがって1つの台車を配置する連接台車が採用されている。これは台車と客室の距離を離し、超電導コイルの影響を低減させる効果がある。超電導電磁石は台車当り2個搭載されている。台車と車体本体は空気ばねによるサスペンションで接続され、乗り心地改善を図っている。
車体は、アルミニウム合金を主体としたセミモノコック構造である。トンネル走行時にかかる外圧変動にも耐えることができる設計となっている。また、空気抵抗を減らすため正面断面積がなるべく小さくなるように、低床車体が採用されている。
客室スペースには、座席が長尺中間車の場合、1両あたり4座席×17列の68席が用意されている。旅客用の収納スペースとして天井に荷棚が用意されている。乗降口は初期のMLX01では上下に開閉する扉であったが、MLX01-901では一般の鉄道車両と同じ水平開閉の扉になっている。また車上電源としては、誘導集電装置またはガスタービン発電を持つ車両がある。
2009年(平成21年)3月、MLX01-901 と MLX01-22 への改造が発表され、それぞれ車号末尾に "A" が付けられた。MLX01-901 は車体の長さはそのままに、先頭部の長さを23 mから15 mに短縮し、両者ともに車体上部の両端を角型にすることで客室空間を広くした。
以下の編成はそれぞれの製造時の初期編成であり、そのままの編成、あるいは組み換えて3 - 5両編成によって走行試験が行われた。
1995年(平成7年)製造
MLX01-1(ダブルカスプ型先頭車・甲府方) - 愛知万博(愛・地球博)での展示の後、名古屋市港区に留置(腐食試験)。その後、2011年(平成23年)に開館した「リニア・鉄道館」で展示されている。
MLX01-11(標準中間車) - 2005年(平成17年)3月に廃車
MLX01-2(エアロウェッジ型先頭車・東京方 山梨県立リニア見学センター(都留市)に展示)
1997年(平成9年)製造。同年10月25日から翌26日にかけて搬入された。
MLX01-3(エアロウェッジ型先頭車・甲府方) - 走行試験から外され、鉄道総合技術研究所(国分寺市)に留置(展示)
MLX01-21(長尺中間車)
MLX01-12(標準中間車)
MLX01-4(ダブルカスプ型先頭車・東京方)
2002年(平成14年)製造。同年6月18日に搬入された。先頭車が1両のみであるため単独で編成を組めない。2009年に改造、車号末尾に A が追加された。
MLX01-901A(超ロングノーズ型先頭車・甲府方。改造前は MLX01-901)
MLX01-22A(長尺中間車。改造前は MLX01-22)
この9両のうち数両は先に廃車され、2005年度以降の実験は最大4両の1編成のみで行われた。2009年度の走行実験に用いられるのは MLX01-901A + MLX01-22A + MLX01-12 + MLX01-2 の4両編成となっており、ジェー・アール・アール編『JR電車編成表』でも2010年夏版はこの4両しか記載されていない。
2010年(平成22年)10月26日、社長会見においてJR東海が発表した営業線仕様の新型車両。Lは「リニア」、0は「営業線仕様の第1世代の車両」を意味する。中央新幹線の営業運転に向けた最終的な走行試験のため、先頭車4両、中間車10両の合計14両を製作し、山梨実験線の延伸工事終了後、2013年度から2015年度にかけて順次投入される。2015年(平成27年)4月21日に行われた走行試験で 603 の鉄道世界最高度記録を達成した。製造は当初は日本車輌製造および三菱重工業だったが、2017年度に三菱重工業がリニアモーターカー車両の製造から撤退したため、製造は2018年度に日本車輌製造と日立製作所に変更された。補助電源にガスタービンを搭載した初期型の900番台と、誘導集電化した改良型の950番台がある。
前述のクエンチ現象が発生する恐れがあるため、電磁石はそれぞれ独立した系となっており、仮に1つの電磁石がクエンチ現象により急激に磁力を失っても他のコイルに波及しないようになっている。また磁力を失った場合は、車両側の接地ブレーキで軌道と接地して制動、補助支持車輪を出して車体を保持する。また磁気を失ったコイルと対になるコイルの磁力を消してバランスを取る。
仮にクエンチ現象で発熱が起きると、液化ヘリウム・液化窒素が気化して体積が膨張するが、安全弁により大気中に放出されるため装置が破裂することは無い。またヘリウムは、不活性ガスであり人体への影響はないが、空間に充満すると酸欠の恐れがある。
超電導リニアは磁気浮上のため、軌道鉄道で起き得る蛇行運動現象は発生し得ない。しかし、走行中の車両が共振現象により、振動が大きくなって軌道と接触する危険性があるため、車両設計へそれを考慮する必要がある。
1991年(平成3年)10月、宮崎実験線でMLU002が焼失する事故が発生した。原因は、補助車輪のゴムタイヤのパンク状態を再現する機構が誤作動して空気が抜けてしまい、車輪がロックした状態で牽引車両で引き上げようとして、車輪と軌道との摩擦で発火したものであった。さらに、軽量化のためもあったのだが、燃焼特性の点で問題のあるマグネシウムを使用していた事、発火したことにより支持輪を上下させる油圧装置に繋がるパイプが焼損し作動油が漏れたことから一気に火が回った。この教訓を踏まえ、MLU002N以降では難燃性の素材化の徹底を図った。
日本は比較的地震の多い地域であり、地震対策は重要な課題である。実用化時には新幹線と同様に地震を検知した場合、走行中の車両を停止させるシステムが採用される予定になっている。また常用の回生ブレーキで500 km/hからの制動距離は約6 kmであり、(比率としては)新幹線に比べ制動距離は短い。また地震で軌道に歪みが発生した場合でも、浮上が約80 mmあり、軌道と車両が接触する可能性は極めて少ない。電力がロストした場合でも、側面からは反発力が働き壁に激突することはないが、軌道そのものが断層などでずれた場合、深刻な問題となる。
超電導リニアは浮上走行のため空力的安定は重要である。特に横風の影響は懸念されるが、軌道がU字型をしており、従来の軌道鉄道より強い。また風雨による運転基準は実用化時に、新幹線等の基準を参考に決定がなされると思われる。ちなみに、宮崎実験線では台風で空港が閉鎖されたときも走行実験を行い、特に問題は発生しなかった。
降雪地帯へ軌道を敷設する場合は、東海道新幹線と同様の消雪装置を設置するか、もしくは軌道をシェルターで覆う必要が生じると思われる。
超電導リニアでは150 km/h以上の走行では、完全非接触の走行が可能であるため騒音の主原因は空力による音のみである。空力騒音のエネルギーは音源のエネルギーとマッハ数の2乗との積で表現され、車両速度のほぼ6乗に比例するといわれている。
宮崎実験線で、防音壁のない区間でのMLU002の300 km/hの浮上走行では、軌道から25 m離れた場所で、地上から1.2 mの位置でのピーク騒音が79ホン程度であった。
超電導リニアでは定常磁界と走行中に生じる変動磁界が生じる。変動磁界は、運転速度にもよるが、その沿線では最高で50Hz程度が発生するといわれている。イギリスの国立放射線防護委員会 (NRPB) が100Hzで2 mTをガイドラインにしている。宮崎実験線での測定では高さ8 mの高架橋の下の地表で0.05 mT程度の強さでほぼ地磁気と同程度であった。また定常磁界においては、車内ではMLU002の超電導電磁石直上の床で2mTで、このレベルでの生体への影響はないというのが定説である。
現在のMLX01では客室と超電導電磁石の備わった台車は距離が有り、台車直上になる車両貫通部付近では磁気シールドを行うことで対処されているため、MLU002のさらに1/50程度まで低減されている。
国土交通省『交通関係エネルギー要覧 (2000) 』によれば、単位輸送量あたりの二酸化炭素排出量(g-Co2/人キロ)は、鉄道18.3、航空機110.0、乗用車165.0であるのに対して、山梨実験線での推定値で40以上80未満(乗車率80 %、500 km/h走行時)となっている。
1972年(昭和47年)、鉄道総合研究所内にML100などのための実験軌道480 mを敷設した。1977年(昭和52年)から1995年(平成7年)までは、宮崎県の日豊本線沿いに建設された宮崎実験線を使用。1997年(平成9年)からは山梨県の大月付近に建設された山梨実験線を使用している。
総距離 - 7.0 km
最急勾配 - 5 ‰
最小曲線半径 - 10,000 m
総距離 - 42.8 km
最急勾配 - 40 ‰
最小曲線半径 - 8,000 m
最小曲線区間には、約10度のカントがつけられている。より実用的な試験のため実験センターには長さ80 mのプラットホームと乗降設備が整っている。18.4 kmの先行区間から、より実用的な試験に対応するため42.8 kmに延伸した(18.4 kmの先行区間を500 km/hで走行したとすると2分程度で終端まで達してしまう)。先行区間では、一般の人が試乗で時速500 kmを体感することができる。
変電所は現在、実験センターに隣接して設置されているが、延伸後は2か所となる予定である。
2011年に超電導リニアの採用が正式決定し、2027年に品川駅から名古屋駅までを、2037年には新大阪駅までを結ぶ予定で建設中。
2010年以降、JR東海は超電導リニアの国際市場への売り込みを始めており、ノースイースト・マグレブ(Northeast Maglev)はその一つである。北東回廊を通る路線で、ワシントンD.C.から始まってボルチモアまでを15分で結び、ボルチモア・ワシントン国際空港やフィラデルフィア国際空港に中間駅を設け、最終的にはニューヨーク市までを結ぶ。2010年に設立された現地法人である有限責任会社ザ・ノースイースト・マグレブ(The Northeast Maglev, LLC)が計画の推進を行なっているものの、現時点では建設決定には至っていない。L0系車両を用いることとされ、計画時の開業予定は2028年であった。
2015年に設立されたコンソリデイティド・ランド・アンド・レール・オーストラリアは、オーストラリア東海岸の各都市を結ぶ高速鉄道路線を提唱している不動産開発コンソーシアムの一つ。リニアモーターカーの採用を前提とした計画ではないが、同社は採用車両の候補の一つとしてJRの超電導リニアを挙げている。現時点では建設決定には至っていない。
日本国有鉄道(国鉄)のリニアモーターカーに関する研究は、まだ東海道新幹線の開業前の1962年(昭和37年)に、鉄道技術研究所で次世代高速鉄道に関する基礎研究が開始されたことに始まっている。基本目標として、最高速度500 km/hで東京と大阪間を1時間で結ぶことができるものとした。磁気浮上リニアモータ方式以外にも、空気浮上、車輪支持のリニアモータも検討された。
1960年代に、アメリカのブルックヘブン国立研究所のパウエルとダンビーから超電導電磁石によるEDS浮上が提案されていた。これを受けて1969年(昭和44年)、超電導を使った電磁石による磁気浮上が鉄道技術研究所の京谷好泰達のグループによって研究テーマとして提案された。同年12月には超電導磁気浮上方式で東京 - 大阪間を1時間で結ぶための研究をしていることの初の記者発表がなされ、1970年(昭和45年)4月には、東京で開かれた「鉄道の近代化に関する世界鉄道首脳者会議」で国鉄の磯崎叡総裁が超電導電磁石方式の開発に触れた。なお、同年開催された日本万国博覧会の「日本館」にてリニアモーターカーの模型が展示されており、世間一般にも広く認知されることとなった。
1971年(昭和46年)3月に、超電導電磁石は固定し、その下でコイルを載せた円盤が回転する形の基礎実験装置が作られて超電導磁気浮上が初めて実現された。1972年(昭和47年)3月には、鉄道技術研究所構内に220 mの実験線が敷設されて、案内はレールとシューによる接触方式ではあったが、初めて磁気浮上磁気推進の試験車両LSM200が走行した。さらに4人乗りのML100が製作され、この年の10月14日の鉄道記念日には鉄道開業100周年を記念して行われた鉄道技術研究所の一般公開にて、公開実験が行われた。1974年(昭和49年)になると、案内にも磁気を利用した、完全浮上方式のML100Aが製作されて走行に成功した。
こうして技術開発が進捗して、1974年(昭和49年)に浮上式鉄道開発会議で宮崎実験線を建設することが決定し、同年に着工した。1977年(昭和52年)4月に実験センターが開所し、7月に完成した当初の1.3 km区間を利用して、ML500による走行試験が開始された。1979年(昭和54年)8月に全線7 kmが完成し、同年12月21日に無人走行で517 km/hの世界最高記録を達成した。またそれまでの実験車両では液体ヘリウムの再冷却装置がなく、気化したヘリウムは垂れ流して走っていたが、ML500を改造したML500Rで初めて冷凍機が搭載された。
ML500Rでの実験により小型で高性能の冷凍機の必要性が認識され、スターリングサイクルを利用した冷凍機の研究が進められた。これにより車載用の小型の冷凍機が実現した。また、超電導電磁石の大型化の研究が進み、それまで案内・推進用と浮上用に別に超電導電磁石を設置していたのが、兼用できるようになった。これにより大幅に軽量化に成功し、ガイドウェイをU字形に改造して1980年(昭和55年)からMLU001による走行実験が始まった。1982年(昭和57年)9月に宮崎実験線での初めての有人走行実験に成功している。1986年(昭和61年)12月には3両編成で352.4 km/hを達成。1987年(昭和62年)には2両編成で無人405.3 km/h、有人で400.8 km/hの最高速度を達成した。
1987年(昭和62年)3月にMLU002が完成し、4月の国鉄分割民営化により財団法人鉄道総合技術研究所に引き継がれた後、5月から走行実験を開始した。MLU002では、実用化を目指して車内に空調が設置され、一般からの試乗体験も行った。しかしクエンチ現象と液体ヘリウムの異常消費に苦しみ、さらに1991年(平成3年)10月3日にはタイヤがパンクした状態を再現する装置が誤作動して、その状態で牽引車で引きずって回収しようとしたために車輪とガイドウェイの摩擦で炎上し、MLU002を焼失する事故が発生した。暫定的にMLU001を改造し開発が続けられた。焼失事故の教訓から、車輪のディスクをマグネシウムからアルミニウムに変更するなど、難燃化の対策を施したMLU002Nが1993年(平成5年)に導入されて実験が行われた。このMLU002Nにより、1994年(平成6年)には無人で431 km/hを、1995年(平成7年)1月26日にMLU002Nが有人で411 km/hをマークした。クエンチ現象と液体ヘリウムの異常消費の問題についても、研究の結果原因が解明され、対策が施された。
こうして宮崎実験線での技術開発は積み重ねられてきたが、全長7 kmしかない宮崎実験線での実験には限界があり、より本格的な実験線が必要とされるようになった。1990年(平成2年)には山梨実験線の工事に着手された。この間、1988年(昭和63年)にJR東京駅 八重洲北口コンコース および 日本デザイン学会春季大会にて手銭正道、戸谷毅史、福田哲夫、木村一男、松本哲夫、佐藤延夫によるリニアエクスプレスMLU00X1のデザインが発表され、その後大阪・岐阜・甲府でモックアップを使った展示会が行われた。
1996年(平成8年)に山梨実験センターが開所し、1997年(平成9年)2月17日から山梨実験線でMLX01による実験走行が開始し、4月3日に正式に基本走行試験開始のテープカットを行って、5月30日から浮上走行が始まった。同年の12月12日には有人走行で531 km/hを、同月24日には無人走行で設計速度である550 km/hを記録した。無人走行速度は当時鉄道としての世界最高記録であった。
また、複線区間があることを利用して、高速でのすれ違い実験も行われ、1999年(平成11年)11月に相対速度1,003 km/hを記録した。2003年(平成15年)、JR東海の葛西社長(当時)は、技術陣を前に最高速度700 km/hを目指せと喝破した。同年12月2日、3両編成車両で581 km/hの世界最高をマークする (MLX01) 。2004年(平成16年)11月16日の高速すれ違い試験で、これまでの最高記録である相対速度1,015 km/hを更新し、相対速度1,26 km/hを記録した。
2005年(平成17年)3月11日に、超電導磁気浮上式鉄道実用技術評価委員会により「実用化の基盤技術は確立した」と評価された。同年11月22日、新開発の高温超電導電磁石(ビスマス系)による走行実験が開始され、同日中に501 km/hでの走行を達成した。
2006年(平成18年)に、実験線の設備を実用レベルの仕様に全面的に改修するとともに本来の計画である42.8 kmに延伸することを決定し、これらの工事と実用化確認試験に専念するため、2007年(平成19年)4月20日、超電導リニア試乗会の中止が発表された。
2007年(平成19年)1月23日、国土交通大臣により、山梨実験線の設備更新および延伸が承認される。
2009年(平成21年)3月27日、JR東海が新型リニア試験車両のデザインを発表。先頭の形状が従来の円形から角形になり、車両の形状が大きく変更される。
2015年(平成27年)4月16日、L0系が590 km/hで走行し、鉄道における世界最高速度を記録し、さらに4月21日には603 km/hで走行し、鉄道における世界最高度記録を更新した。
田中角栄の『日本列島改造論』の影響で、日本各地に新幹線網の整備が叫ばれるようになると、整備新幹線とは別に第二東海道新幹線として超電導リニアを導入しようという話が先行していた。その後のオイルショックや国鉄分割民営化を経て、中央新幹線での超電導リニア導入が具体的に語られるようになった。中央新幹線は元々新幹線方式での整備計画であったが、これと区別するために中央リニア新幹線と呼ばれるようになった。一方で、地方自治体でも超電導リニア導入に積極的アピールをする所が増えた。
1980年代後半に実用化試験のための新規実験線建設では自治体が名乗りをあげて誘致活動が活発化した。中央リニア新幹線で東京まで約20分で移動可能となる山梨県を始め、札幌と新千歳空港の間への導入を求めた北海道、日本海新幹線用に長岡と上越間の提案をした新潟県、引き続き日向と宮崎での拡張を訴えた宮崎県の5か所が立候補した。結局は、中央リニア新幹線のルートを持ち有力政治家の金丸信がいた山梨に誘致されることとなった。
長年に及ぶ超電導リニアの研究・開発では資金獲得を目的として、マスコミの話題になりやすい最高速度樹立を目的とした実験走行をわざと予算案作成の時期である12月に行うなどの工夫をしていたという。一方、実用路線である中央リニア新幹線については暫く進展を見せていなかったが、21世紀に入りようやく実現に向けて動き出している。
中央リニア新幹線のルートは日本有数の山岳地帯を通るためかなりの部分がトンネル区間となる。2000年(平成12年)には事実上、中央リニア新幹線建設のためともいわれる大深度地下の公共利用使用に関する特別措置法が成立(翌年施行)する。また、山梨実験線も当初42.8 kmが予定されていたが、そのうちの先行区間約18.4 kmを暫定建設し使用している。残り区間については2006年(平成18年)4月にJR東海が約3,550億円を負担して整備すると発表した。
2007年(平成19年)4月26日、JR東海の松本正之社長は、2025年(令和7年)を目標に中央リニア新幹線構想のうち首都圏 - 中京圏間を先行して営業運転を開始することを表明し、12月25日にはJR東海取締役会にて中央リニア新幹線の建設を自己負担で進める方針を決定した。路線長を290 kmと想定した場合の建設費用は5兆1千億円であり、「安定配当を維持しながら自社で投資費用をまかなえる」としている。