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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-05-29
(54)【発明の名称】鉄道線路または車輪の表面調整
(51)【国際特許分類】
B61K 3/00 20060101AFI20230522BHJP
B61D 15/00 20060101ALI20230522BHJP
H05H 1/32 20060101ALI20230522BHJP
【ＦＩ】
B61K3/00
B61D15/00 B
H05H1/32
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022560259
(86)(22)【出願日】2021-04-06
(85)【翻訳文提出日】2022-11-28
(86)【国際出願番号】 GB2021050845
(87)【国際公開番号】W WO2021198711
(87)【国際公開日】2021-10-07
(31)【優先権主張番号】2004896.3
(32)【優先日】2020-04-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522387076
【氏名又は名称】プラズマトラック リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】スワン，ジュリアン
(72)【発明者】
【氏名】キャンディー，マシュー
【テーマコード（参考）】
2G084
【Ｆターム（参考）】
2G084AA07
2G084CC02
2G084FF32
2G084GG07
2G084GG23
2G084GG26
2G084GG30
2G084HH12
2G084HH20
2G084HH42
2G084HH45
(57)【要約】
鉄道線路レール（２）および／または鉄道車両車輪（７）のための表面調整（１）デバイスであって、直流電源（３）と、ガス供給（９）と、前記電源（３）から直流電力、および前記ガス供給９からガスを受け取るように接続されたプラズマ供給ヘッド（１３）と、前記プラズマ供給ヘッド（１３）内の前記ガスに点火するためのイグナイタ（６）とを含み、使用中、プラズマが、前記供給ヘッド（１３）内の前記ガスの点火によって前記供給ヘッド（１３）内で生成され、ガスを伴うプラズマが、供給ヘッドから鉄道線路レール（２）および／または鉄道車両車輪（７）上に吹き付けられ、それによって、前記レール（２）および／または車輪（７）を調整する。
【選択図】図１および図２
【選択図】図１および図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪のための表面調整デバイスであって、直流電源と、
ガス供給と、
前記電源から直流電力および前記ガス供給からガスを受け取るように接続されたプラズマ供給ヘッドと、
前記プラズマ供給ヘッド内の前記ガスに点火するためのイグナイタとを含み、
使用中、プラズマが、前記供給ヘッド内の前記ガスの点火によって前記供給ヘッド内で生成され、ガスを伴うプラズマが、前記供給ヘッドから鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪上に吹き付けられ、それによって、前記レールおよび／または車輪を調整する、
表面調整デバイス。
【請求項2】
前記ガスが窒素を含む、請求項１に記載の表面調整デバイス。
【請求項3】
前記ガスがガスの混合物を含む、請求項１または２に記載の表面調整デバイス。
【請求項4】
前記ガスの混合物が、水素と窒素の混合物、または窒素と酸素の混合物を含む、請求項２および３に記載の表面調整デバイス。
【請求項5】
前記ガスが、点火を開始するための初期ガスとしてのアルゴンと、前記アルゴンを置き換えて前記プラズマを生成するための別のガスまたはガスの混合物とを含む、請求項１～４のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項6】
前記電源が、デュアル電圧インバータ電源である、請求項１～５のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項7】
前記プラズマ供給ヘッドまたはその近傍の温度を低下させるように動作可能である熱交換システムをさらに含む、請求項１～６のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項8】
前記プラズマ供給ヘッドまたはその近傍で不凍媒体を循環させるように動作可能である不凍システムをさらに含む、請求項１～７のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項9】
前記プラズマ供給ヘッドまたはその近傍で冷却剤を循環させるように動作可能である冷却システムをさらに含む、請求項１～８のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項10】
前記プラズマ供給ヘッドが３００℃～１５００℃の範囲の温度で動作する、請求項１～９のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項11】
前記レールまたは車輪と接触することなく、鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪上の汚染物質の有無を感知するように動作可能であるラマン分光計をさらに含む、請求項１～１０のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項12】
前記ラマン分光計が、前記汚染物質の組成を分析し、汚染のレベルを示すように動作可能である、請求項１１に記載の表面調整デバイス。
【請求項13】
前記ラマン分光計の出力に応答して、前記レールまたは車輪の調整のエネルギー要件を最適化するように動作可能であるオプティマイザをさらに含む、請求項１１または１２に記載の表面調整デバイス。
【請求項14】
レールまたは車輪の調整の達成レベルを感知するように動作可能であるラマン分光計をさらに含む、請求項１１、１２、または１３に記載の表面調整デバイス。
【請求項15】
前記供給ヘッドがレールを次々に順次調整するように、前記レールに沿った移動方向に沿って間隔をあけて配置されている複数の前記プラズマ供給ヘッドを含む、請求項１～１４のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項16】
ユーザが前記デバイスの動作を制御することができる操作インターフェースを含む、請求項１～１５のいずれかに記載の表面調整デバイス。
【請求項17】
添付の図面を参照して実質的に上述した表面調整デバイス。
【請求項18】
鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪を調整する方法であって、レールまたは車輪を調整するために、請求項１～１７のいずれかに記載の表面調整デバイスを動作させることを含む、方法。
【請求項19】
鉄道車両が前記鉄道線路レールに沿って走行する際に、鉄道車両上で前記表面調整デバイスが操作される、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記鉄道車両が前記鉄道線路レールに沿って複数回通過するときに、前記表面調整デバイスが操作される、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項21】
鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪を調整する方法であって、実質的に添付の図面を参照して上述した方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、表面調整の分野に関し、特に、レール－車輪境界面の最適な状態を維持するのを助けるために、鉄道線路レールおよび鉄道車両車輪上で使用するための表面調整デバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
鉄道線路の表面状態は、鉄道車両の通行のために最適な状態に十分に維持され、保たれることを確実にしなければならない鉄道ネットワーク事業者にとって、真の課題を提示する。鉄道線路レールは、典型的にはスチール製であり、通過する車両からかなりの力を受け、これは、表面および構造的な摩耗を引き起こす可能性がある一方で、悪天候および頻繁に変化する気象状態、また、１年を通して他の環境上の危険にさらされる。レール－車輪境界面、典型的にはスチール対スチールは、エネルギー効率の良い組み合わせを提供するが、この境界面は、汚染に対して非常に敏感であることがわかり得る。降水、露、落葉、局所的な温度変化、極端な気象状態、草木および他のデトリタスは、鉄道線路の表面状態、したがって、その上を通過する鉄道車両の通行に影響を及ぼし得る事象の一部にすぎない。これらの汚染物質の大部分は、かなりの含水量を有し、これは、レール表面上の車輪の接着に影響を及ぼす。
【0003】
鉄道車両の滑らかで、安全で、効率的な走行は、スチールレールとスチール車輪との間の摩擦に依存する。従来のブレーキを使用した鉄道車両の予測可能かつ最適化されたブレーキに対する基本は、所望の減速度に対して十分な摩擦を有する信頼性の高いレール－車輪境界面を作り出すことである。多くの場合、雨、露、油などの流体、またはさらには軌道上に落ちて圧縮される可能性のある腐敗した葉のために、レールが滑りやすくなったり、油っぽくなったりすると、摩擦が低減され得る。これによって、水溶性の葉の成分とスチールレールコーティングとの間で化学反応が起こる可能性がある。このコーティングは、半永久的であり、したがって、列車の通過によって十分に摩耗するのに時間がかかることがある。水分およびデトリタスの観点から、鉄道線路の表面状態に対するそのような変化および予測不可能性は、ネットワーク事業者に真の課題を提示し得る。事業者は、通過する車両が低摩擦状態になり、車両がスリップする可能性を、これが起こる前に予測し、その影響を最小限に抑えるための措置を講じなければならない。事業者は、懸念のあるエリアにフラグを立てるために線路状態の継続的な監視を実施し、これらを是正するための措置を再度講じなければならない。事業者は、変化しやすい表面状態に照らして必要な停止距離が考慮されることを確実にするために、列車が、軌道に沿って適切な間隔で配置されることを確実にしなければならない。そのような状態は、特に、変化しやすい天候に起因する環境条件では、常に変化しやすく、問題が発生することが非常に一般的である。鉄道ネットワーク事業者は、乗客の安全を脅かすのではなく、列車を迅速に遅らせたり、キャンセルしたりする。時刻表は、季節ごとに変更されることが多く、例えば、イギリスでは、落葉シーズン中に、これらの遅延を予測して、定期的な秋のダイヤ編成が行われる。これは、鉄道業界にとってかなりのコストがかかる。軌道上の落ち葉は、英国だけでも毎年約６０００万ポンドの直接コストがかかると推定されており、これは約３億５０００万ポンドの社会的コストに相当すると推定されている。
【0004】
レール－車輪境界面での摩擦の損失は、列車が最初に発車して動き出すときの牽引力に影響し、貨物列車の場合、運搬能力に影響を及ぼす。車輪のスピンを引き起こし、場合によっては、列車が動かなくなる。これらの低摩擦状態は、車輪とレールとの境界面の接着性が悪くなり、制動時および停止時に問題を引き起こす。摩擦の大幅な損失は、制動力の低下をもたらし、これは、停止距離が大幅に長くなり、鉄道ネットワーク内に列車を配車するときにこれを考慮しなければならないことを意味する。極端な場合には、車輪がロックし、列車が滑走することすらある。これは、車輪および鉄道線路に著しい損傷を引き起こす可能性がある。また、運転手が列車を停止させるのに十分な距離を持たせていない場合、駅のプラットフォームがオーバーシュートすることがある。
【0005】
雪および氷が鉄道線路上に堆積すると、そのような低接着状態が生じる可能性があり、制動中に鉄道車両が滑ったりスリップしたりしやすくなり、列車が発進するのが困難になる。しかし、乾燥した天候が続いた後の小雨、またはレール上の朝露など、あまり目立たない状態も、鉄道ネットワークが考慮すべき困難な鉄道状態を引き起こす可能性がある。鉄道線路の表面状態への影響は短期的なものに過ぎないが、そのような影響の予測不可能な性質は、通過する鉄道車両に重大な事故を引き起こすのに十分であり得る。試験は、空気中の水蒸気がレールヘッドに凝縮して流体膜を形成する露点の発生と、低接着性の事故との間に強い相関関係があることを示した。この流体膜は、車輪とレールとの境界面における牽引力の損失をもたらす。
【0006】
他の寄与因子は、ブレーキシューからディスクブレーキへの移動を含むと考えられ、これは、レールの何らかの表面清掃および調整がもはや摩耗によって行われなくなったことを意味する。また、蒸気機関車時代には、草木の発火を防ぐために必要とされていたであろう十分な軌道側のメンテナンスを鉄道ネットワーク事業者が実施する必要がなくなったと考えられている。草木からの余分な成長は、葉の供給を増加させ、軌道上への落ち葉を増加させ、それによって問題を悪化させる。また、一部のエリアでは、露点および局地的な気候にも影響を及ぼす可能性がある。極端な場合、葉の蓄積によって、車輪が線路から電気的に絶縁され、結果として信号故障が生じる可能性がある。これは、葉によって車輪が線路から電気的に絶縁され、結果として信号故障をもたらすとき、Ｗｒｏｎｇ Ｓｉｄｅ Ｔｒａｃｋ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｆａｉｌｕｒｅ、すなわちＷＳＴＣＦなどのイベントを引き起こす可能性がある。列車が停止できなかったために信号を通過したときにも、Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｓｓｅｄ ａｔ Ｄａｎｇｅｒ、すなわちＳＰＡＤなど他のイベントが発生する可能性がある。
【0007】
鉄道車両は、滑りやすいレール状態に対抗するため、典型的には、車輪スライド保護装置を備えている。車輪がロックされると、特に、鉄道線路の滑りにくい部分に入るときに車輪が依然として滑っている場合、平らなスポットがスチールリム内に研削され得る。これは、車輪形状が元の外形から変更された車輪フラットを引き起こし、激しい振動をもたらし、かなりの費用をかけて車輪の削正、または車輪交換さえも必要となる可能性がある。
【0008】
そのような変化しやすい状況に対処するために鉄道線路を表面調整する多くの異なる方法が試みられており、多くのものが動作中である。これらは、何らかの形態の機械的スクラビング装置と一緒に、水ジェットなどを用いるなど、ジェットを適用して、任意の堆積物またはデトリタスを吹き飛ばすことに及ぶ。レールのレーザーブラストも試みられ、試験されている。または、砂をペーストまたは他の方法で堆積させるか、レール上に接着改良剤を塗布するなどして、鉄道線路および／または車輪を高摩擦材料でコーティングする。砂は、制動および加速中の接着を補助する。しかしながら、砂を使用することは、望ましくない断熱のリスクを増大させる可能性があり、したがって、砂は、金属粒子を含有する可能性もある。例えば、砂、アルミニウム粒子および接着剤の組み合わせであるＳａｎｄｉｔｅ（商標）などの接着改質剤である。Ｓａｎｄｉｔｅ（商標）など砂および物質でレールをブラスティングまたはコーティングすることは、経済的に健全な解決策を提供するとは考えられず、これらの物質を環境中に放出することは環境に優しいとは考えられない。現在使用されている代替コーティングとしては、レール用の接着増強剤であるＴｒａｃｋ Ｇｒｉｐ ６０（商標）（ＴＧ６０（商標））、またはゲル中に懸濁されたスチール粒子および砂からなるＥｌｅｃｔｒａｇｅｌが挙げられる。水分および鉄道線路上の露の形成によって経験される問題に対処し、それによって牽引特性とインピーダンス特性の両方の向上を試みるために、レールは、典型的には、疎水性製品で処理されている。これらのコーティングまたは処理を鉄道線路に塗布するには、典型的には、特別な列車または鉄道車両が必要であり、また、手動または手作業による塗布を伴うこともある。英国では、これらの車両は、典型的には、Ｒａｉｌ Ｈｅａｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ＴｒａｉｎｓすなわちＲＨＴＴ、またはＭｕｌｔｉ－Ｐｕｒｐｏｓｅ ＶｅｈｉｃｌｅｓすなわちＭＰＶを含む。この場合も、鉄道ネットワーク事業者が、そのような鉄道車両の通行、または線路が使用されていないときのそのようなコーティングおよび物質の塗布を確保し、ネットワークの全体的な運行を考慮に入れることが課題である。
【0009】
駅へのアプローチなど、著しい低接着が定期的に生じる特定の場所または鉄道線路の一部において、牽引ゲルアプリケータが設置されていることがある。これらは、鉄道車両が通過するときにレールヘッドに液体を塗布する。
【0010】
これらのプロセスは、短期間のみ有効である。鉄道線路へのジェットブラストでは、次の葉が落ちたり、通過する列車による空力的な乱れでレール上に位置したり、他のデトリタスが軌道に沿って着地したりすると、すぐに効果がなくなる。鉄道線路やレールヘッドに直接堆積した砂や他の処理生成物は、耐久性が高くなる可能性はあるが、これらの物質は降雨によって容易に洗い流されてしまう。
【0011】
従来技術は、様々な方法でこれらの必要性に対処しようとするいくつかのデバイスを示している。
【0012】
ＵＳ ３ ６８５ ４５４（Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｒａｉｌｗａｙｓ Ｂｏａｒｄ）は、車両上に支持された１つ以上のプラズマトーチを使用して、車輪とレールとの接着を改善するためにレールを清掃する手段を開示している。装置は、トーチヘッドが前記線路から適切な距離で鉄道線路にもはや作用していないときに、エラー信号を検出して送信するために、キャリアに取り付けられた電磁検出器を含む。この文献は、線路表面を調整するためにプラズマトーチを使用することを紹介しているが、鉄道線路とレールヘッドとの境界面への適用と並行した効率的で効果的なプラズマ生成の組み合わせよりも、線路に対するトーチヘッドの配置に関心がある。
【0013】
ＧＢ １ １７９ ３９１（Ｔｅｔｒｏｎｉｃｓ Ｒ＆Ｄ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ）は、超大気高電流密度アークプラズマ源からのガス状流出物で表面を処理することによって金属表面を清掃する装置および方法を開示している。一実施形態では、装置は、鉄道機関車または路面電車内に組み込まれるように構成される。この文献は、鉄道車両の車輪踏面とレールヘッド表面との間の摩擦を増加させるための狭窄アークプラズマジェットの使用を開示している。このデバイスは、鉄道車両に取り付けられ、車輪踏面がそれに接触する直前にレールヘッドを処理する。
【0014】
従来技術は、鉄道線路および／もしくは車輪からデトリタス、水分、または他の物質の一部を除去し、したがって２つの表面間の接着を改善する問題に対処するように見えるが、通過する鉄道車両の走行中に、鉄道線路の表面および／または車輪の表面を連続的または断続的に調整し、それによって鉄道ネットワーク提供者による最小限の介入しか必要としない解決策を提案していない。従来技術はまた、サンドブラスト、ジェットブラスト、または化学物質の添加によって表面を清掃することによって、鉄道線路表面の摩擦を改善し、したがって接着を改善するという問題に対処しようとしているが、前記線路表面を調整し、瞬時に線路表面の状態の変化を感知し、それに応答する手段を提供していない。レール－車輪境界面、および一方の表面と他方の表面との接着は、これらの提案された解決策では、ネットワーク全体にわたって、かつ絶えず変化する状況の間に、鉄道車両に通常レベルのブレーキをかけることができる点まで最適化されていない。
【0015】
従来技術は、レールを清掃するためのプラズマの適用を導入しているように見え、プラズマトーチによるレールの処理が有効であることを認識しているが、必要なプラズマを生成するための過剰な電力要件、トーチを調整すべきレールの極めて近くに取り付けるためのそのような提案の必要性、およびこれが提示する課題、ならびに対処されていないプラズマを使用することの追加の安全性およびメンテナンスの問題など、単にプラズマトーチを鉄道車両に取り付けることに関するいくつかの問題も提示する。プラズマ形成ガスの選択も重要である。空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、および蒸気のような個々のガスがプラズマ形成ガスとして使用されることが多い。アルゴンおよび水素、窒素および水素、窒素および酸素など、これらのガスの混合物も、プラズマを形成するために使用することができる。プラズマ形成ガスは、レールに十分な熱を供給するための高い熱伝導率、レールから物質を除去するための十分なエネルギーを提供するための高いイオン化エネルギーおよび高い原子量を有さなければならないと考えられる。従来技術は、これらの問題に対処していない。
【発明の概要】
【0016】
本発明の好ましい実施形態は、線路に沿った鉄道車両の通過中に、鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪の表面を連続的または断続的に調整するための表面調整デバイスを提供することを目的とし、表面調整デバイスは、レール－車輪境界面にエネルギーを供給することによって、水および他の汚染物質を対象とし、前記境界面から水分、デブリおよび他のデトリタスを効果的に除去し、したがって、それらの間の摩擦、したがって接着を改善する手段を提供する。好ましい実施形態はまた、エネルギー効率の良い方法で、線路および／またはレールを損なうことなく、かつ過剰な電力要件なしに、調整された鉄道線路および車輪インターフェースを提供することを目的とする。本発明のさらなる実施形態は、状態の変化に直接応答して鉄道線路表面の処理状態を供給し、最適化する、レール－車輪境界面のための表面調整デバイスを提供することを目的とする。レール－車輪境界面における接着を最適化することによって、鉄道車両の一貫した制動を可能にし、車輪フラットなど、車輪および／またはレール損傷の可能性を低減する。
【0017】
本発明の一態様によれば、鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪のための表面調整デバイスが提供され、デバイスは、直流電源と、ガス供給と、前記電源から直流電力および前記ガス供給からガスを受け取るように接続されたプラズマ供給ヘッドと、前記プラズマ供給ヘッド内の前記ガスに点火するためのイグナイタとを含み、使用中、プラズマが、前記供給ヘッド内の前記ガスの点火によって前記供給ヘッド内で生成され、ガスを伴うプラズマが、供給ヘッドから鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪上に吹き付けられ、それによって、前記レールおよび／または車輪を調整する。
【0018】
本明細書の文脈では、「吹き付け」は、ターゲット表面、この場合、鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪へのプラズマの供給を指す一般的な意味で使用される。
【0019】
好ましくは、ガスは窒素を含み得る。
【0020】
ガスは、ガスの混合物を含み得る。
【0021】
ガスの混合物は、水素と窒素の混合物または窒素と酸素の混合物を含み得る。
【0022】
好ましくは、ガスは、点火を開始するための初期ガスとしてのアルゴンと、アルゴンを置き換えてプラズマを生成するための別のガスまたはガスの混合物とを含み得る。
【0023】
好ましくは、電源は、デュアル電圧インバータ電源を含み得る。
【0024】
表面調整デバイスは、プラズマ供給ヘッドまたはその近傍の温度を低下させるように動作可能である熱交換システムを含み得る。
【0025】
表面調整デバイスは、プラズマ供給ヘッドまたはその近傍で不凍媒体を循環させるように動作可能である不凍システムを含み得る。
【0026】
表面調整デバイスは、プラズマ供給ヘッドまたはその近傍で冷却剤を循環させるように動作可能である冷却システムを含み得る。
【0027】
好ましくは、プラズマ供給ヘッドは、３００℃～１，５００℃の範囲の温度で動作し得る。
【0028】
表面調整デバイスは、レールまたは車輪と接触することなく、鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪上の汚染物質の有無を感知するように動作可能であるラマン分光計を含み得る。
【0029】
ラマン分光計は、前記汚染物質の組成を分析し、汚染物質のレベルを示すように動作可能であり得る。
【0030】
表面調整デバイスは、ラマン分光計の出力に応答して、レールまたは車輪の調整のエネルギー要件を最適化するように動作可能であるオプティマイザを含み得る。
【0031】
ラマン分光計は、レールまたは車輪の調整の達成レベルを感知するように動作可能であり得る。
【0032】
表面調整デバイスは、前記供給ヘッドがレールを次々に順次調整するように、レールに沿った移動方向に沿って間隔をあけて配置されている複数の前記プラズマ供給ヘッドを含み得る。
【0033】
表面調整デバイスは、ユーザがデバイスの動作を制御することができる操作インターフェースを含み得る。
【0034】
本発明のさらなる態様によれば、鉄道線路レールおよび／または鉄道車両車輪を調整する方法が提供され、方法は、レールまたは車輪を調整するために、前述の表面調整デバイスを動作させることを含む。
【0035】
鉄道車両が鉄道線路レールに沿って走行する際に、鉄道車両上で表面調整デバイスが操作され得る。
【0036】
鉄道車両が鉄道線路レールに沿って複数回通過するときに、表面調整デバイスが操作され得る。
【0037】
本発明をよりよく理解するために、また、本発明の実施形態がどのように実行され得るかを示すために、一例として、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】出力Ａ、Ｂ、およびＣを通して、冷却剤、窒素供給、および高電圧供給を供給するための窒素発生器、直流電源、および冷却システムの間の相互関係を示す、表面調整デバイスの一実施形態を示す概略図である。
【図3】前記鉄道車両の車輪間の一対のプラズマ供給ヘッドを示す、鉄道車両に取り付けられたときの表面調整デバイスの一実施形態を示す図である。
【図4】プラズマ供給ヘッドに動作可能に接続された窒素発生器、点火ボックス、および直流電源の遠隔位置を示す、手動線路処理車両に取り付けられたときの表面調整デバイスのさらなる実施形態を示す図である。
【図5】プラズマ供給ヘッドを取り付けるための可能な位置を示す、鉄道線路処理に特有の鉄道車両として構成されたときの表面調整デバイスのさらなる実施形態を示す図である。
【図6】乗客または貨物を運ぶための鉄道車両にプラズマ供給ヘッドを取り付けるための可能な位置を示す、機関車に取り付けられたときの表面調整デバイスのさらなる実施形態を示す図である。
【図11】連続した通過に伴う状態の変化を示す、表面調整デバイスがレールの表面状態に及ぼす影響を示す一連のグラフである。
【図12】連続した通過に伴う状態の変化を示す、表面調整デバイスがレールの表面状態に及ぼす影響を示す一連のグラフである。
【図13】連続した通過に伴う状態の変化を示す、表面調整デバイスがレールの表面状態に及ぼす影響を示す一連のグラフである。
【図14】連続した通過に伴う状態の変化を示す、表面調整デバイスがレールの表面状態に及ぼす影響を示す一連のグラフである。
【図15】連続した通過に伴う状態の変化を示す、表面調整デバイスがレールの表面状態に及ぼす影響を示す一連のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0039】
図面において、同様の参照符号は、同様のまたは対応する部分を示す。
【0040】
以下に記載され、および／または図面に示される様々な特徴は、好ましいが、必須ではないことを理解されたい。記載され、および／または示された特徴の組み合わせは、唯一の可能な組み合わせであるとは見なされない。反対の記載がない限り、個々の特徴は、実際的である場合、省略され、変更され、または異なる組み合わせで組み合わせることができる。
【0041】
図１は、表面調整デバイス１を構成するいくつかの構成要素に動作可能に接続され、これらの構成要素に電源を提供するＡＣ三相発電機２４を示す、表面調整デバイス１の一実施形態を示す。発電機２４の入力は、充電式バッテリからのものであってもよいし、回生電力を使用してもよい。発電機２４から電力を供給され得る構成要素は、冷却システム１０、熱交換器１１、窒素発生器４、直流電源３、点火ボックス５、およびガスボックス２５を含む。表面調整デバイス１は、操作インターフェース１４を介してオペレータによって手動で制御されてもよい。図示していない１つ以上のセンサは、１つ以上の状態に応答して表面調整デバイス１を動作させるために、操作インターフェース１４と通信し得る。例えば、表面調整デバイス１は、鉄道車両８（例えば、図３）が制動を開始したときに、レール２および／または車輪７の表面を調整するように構成されてもよい。さらなる例では、表面調整デバイス１は、レール２の近傍の水分の検出などの環境条件に応答してもよく、またはレール２の周囲の環境の温度の低下に応答してもよい。これによって、状態を検出した鉄道車両８によって、特定の状態が検出されたことに直接応答して、表面調整を行うことができる。また、これによって、レール２に沿って通過する鉄道車両８が、走行しながらこれらのレール２を調整することができる。表面調整デバイス１は、汚染物質の性質および強度を感知し、分析するように構成されてもよい。例えば、汚染物質の量が予想よりも少ない場合、それに応じて供給されるプラズマエネルギーを下げてもよく、または、汚染物質の量が多い場合、その逆にしてもよい。
【0042】
直流電源３は、発電機２４から受け取った交流電源から直流電流を生成し、点火ボックス５に直流電流の高電圧電源１２を供給するように構成されている。点火ボックス５は、図２に示されるように、プラズマ供給ヘッド１３内のイグナイタ６でスパークを発生させるための回路を設ける。プラズマは、アノード２０とカソード２１との間で電気アークを打つことによって、プラズマ供給ヘッド１３内で生成され、それによって、イグナイタ６の先端にスパークが生成される。次いで、プラズマ供給ヘッド１３からレール２または車輪７上にプラズマジェットが出る。
【0043】
表面調整デバイス１は、窒素発生器４を組み込んでいる。この窒素発生器４は、圧縮空気を膜窒素発生器１５に供給するエアコンプレッサ１６を含む。この膜窒素発生器１５は、圧縮空気を分離し、この圧縮空気からの窒素の供給を凝縮物処理１８に通過させる。凝縮物処理１８は、窒素を凝縮し、この供給物を圧力容器１７に供給するように構成される。圧力容器１７は、窒素を加圧して、管によってガスボックス２５に通過させるのに適した窒素供給９を生成する。
【0044】
ガスボックス２５は、一次および二次ガスマスフローコントローラ、業界標準Ｅｔｈｅｒｎｅｔインターフェースを有する制御ＰＬＣ、制御弁、ならびにシステムの順序付けおよび安全動作のためのスイッチング、Ｅ－ｓｔｏｐ回路の構成要素のうちの１つ以上を収容し得る。これらの構成要素からの信号はすべて、操作インターフェース１４を介して制御システムにリンクすることができる。ガスボックス２５はまた、冷却剤圧力、温度および流量、一次、二次および／またはキャリアガス圧力および流量、故障表示ストローブ、直流電源３のための制御接続、またはＤＩＰＳ電源があらかじめ設定された限界内にない限り、システム動作を阻止するインターロックを含んでいてもよい。
【0045】
図２は、プラズマガンまたはピストルと呼ばれ得るプラズマ供給ヘッド１３を示す。イグナイタ６は、プラズマ供給ヘッド１３内で、プラズマ供給ヘッド１３内でスパークを発生させることによって窒素供給９に点火するように構成される。イグナイタ６からの単一のスパークが、窒素供給９を励起し、点火し、そのような熱エネルギーを加えることによって、窒素供給９は、その電子の一部を失い、イオン化され、プラズマに変換される。生成されたプラズマは、窒素供給９によって運ばれ、直流電源３から供給される高電圧供給１２からエネルギーを得る。生成されたプラズマおよび高電圧供給１２が大気圧でガスを励起しイオン化することによって、窒素供給９からより多くのプラズマが生成される。窒素供給９によってガス渦が生成され、この渦は、高電圧供給１２によって励起され続け、ノズル２２を通してプラズマを駆動し、プラズマ供給ヘッド１３から出て、調整される表面上に吹き付けられる。ノズル２２は、プラズマを収容し、濃縮するのに役立つ。この構成は、調整されるレールまたは車輪にプラズマの高速ブラストを供給することを可能にする。これは、レールまたは車輪上の汚染物質の熱除去を容易にする。
【0046】
本発明を具現化するデバイスは、好ましくは、プラズマ供給ヘッド１３と調整されるレール表面または車輪との間にいかなる追加の電流も伴わずに、非転送構成を採用することに留意されたい。
【0047】
代替の実施形態では、窒素供給９の前に、第１のガスがプラズマ供給ヘッド１３に導入される。この第１のガスは容易に点火される。好適な第１のガスの一例はアルゴンである。アルゴンがスパークによってイグナイタ６で点火され、プラズマが形成され始めると、電流および電圧を増加させることができ、次いで、安定したプラズマを達成するために、窒素供給９がプラズマ供給ヘッド１３に導入される。図示していない第１のガスは、窒素供給９と同じ供給ラインに沿って通過するように構成される。ガスの供給がアルゴンから窒素に切り替わる瞬間は、制御回路によって自動的に決定され、最適なレベルのプラズマが生成されることを確実にするように時間調整される。
【0048】
イグナイタ６は、火花を発生させ、窒素供給９、または点火に適した他のガス供給に点火するのに十分な数秒間だけ作動され得る。窒素供給９は、代替的に、任意の単原子もしくは二原子、またはガス混合物であり得る別のガスを含んでもよい。例えば、ガス混合物は、ガスに加えられた水分子を含み得る。
【0049】
表面調整デバイス１は、プラズマ供給ヘッド１３が、周囲に危険を及ぼす可能性があり、また、ヘッドの構成要素が溶融する可能性があるので、プラズマヘッドに損傷を与える可能性もある所定の温度レベルを超えないことを確実にするために、冷却システム１０を組み込んでもよい。この冷却システム１０は、プラズマ供給ヘッド１３が経験する高い熱負荷に対処するのを助けるように構成される。冷却システム１０は、冷却剤１９をプラズマ供給ヘッド１３に供給するために、冷却剤リザーバまたは冷却剤発生器を含み得る。冷却剤１９は、プラズマ供給ヘッド１３から熱エネルギーを引き出すための水、油、または同様の流体を含んでもよい。
【0050】
冷却システム１０は、熱交換器１１に動作可能に接続されて示されている。熱交換器は、冷却剤１９の供給を生成し、冷却剤は、次いで、プラズマ供給ヘッド１３に供給される。
【0051】
図２は、３つの入力Ａ、Ｂ、およびＣを介して図１に動作可能に接続されるプラズマ供給ヘッド１３の一実施形態を示す。これらの入力は、プラズマ供給ヘッド１３への、窒素発生器４からの窒素供給９、直流電源３からの高電圧供給１２、および冷却システム１０からの冷却剤１９を含む。プラズマ供給ヘッドは、表面にプラズマを供給するように構成された、例えば銅など導電性材料の中空の細長い管を含む供給管を組み込んでもよい。プラズマ供給ヘッド１３は、プラズマを表面に供給するためのノズル２２を組み込んでもよい。ノズル２２は、プラズマ供給ヘッド１３のプラズマ出力に取り付けられた別個の要素であってもよい。あるいは、ノズル２２は、プラズマ供給ヘッド１３の一部として形成されてもよく、一端において、ベンチュリ、発散、収束、または非対称などその幾何学的形状を介して、有効なノズル２２を形成するように成形されてもよい。ノズル２２は、処理されるレール２または車輪７の部分にプラズマを集中させるのに役立つ。レール２または車輪７の表面のこの部分は、一度に調整される５ｍｍ～２０ｍｍの範囲内にある可能性が高い。調整される表面に対して２５ｍｍ～７５ｍｍの距離でノズル２２の端部孔を取り付けることは、レール２のこの部分に十分なカバーを提供する。ノズル２２は、金属を含むことができ、したがって、ＥＭＣ放出を低下させることになる。ノズル２２および／またはプラズマ供給ヘッド１３は、周囲を遮蔽するために、図示していない何らかの形の遮蔽を組み込み得る。遮蔽は、ＵＶ光を遮蔽することができ、また、鉄道線路レール２上へのプラズマの供給を支援するための空気力学的効果を生成することができる。
【0052】
プラズマ供給ヘッド１３と調整されるレールまたは車輪との間の距離は、１０ｍｍ～７５ｍｍの範囲であってもよい。１０ｍｍ～２５ｍｍの範囲の距離は、調整の改善を促進し得る。
【0053】
表面調整デバイス１は、表面調整デバイス１を構成する構成部品を鉄道車両８に取り付けるための、図示していない少なくとも１つの取り付け手段を組み込むことができる。この取り付け手段は、永久的であってもよく、または取り外し可能であってもよい。永久的な手段は、溶接、または複数のボルトもしくはリベットを介して鉄道車両８に固定することを含み得る。
【0054】
表面調整デバイス１は、状態を感知し、その状態の変化または所定の値に応答して表面調整デバイス１を作動させるための、図示していない少なくとも１つのセンサを組み込み得る。センサは、ラマン分光計を含み得る。センサは、熱センサ、機械センサ、および／もしくは運動センサ、またはこれらの任意の組み合わせを含み得る。熱センサは、レール２の状態に影響を及ぼし得る周囲環境内の温度の変化を検出し、レール２の表面が変化によって影響を受けないままであることを確実にするために、表面調整が作動されることを必要とする。熱センサは、温度計またはサーモスタットを含み得る。センサは、鉄道車両８の遅延または制動を検出し、鉄道車両８の制動中に表面調整デバイス１を作動させるための、加速度計または速度計などの動きセンサまたは速度センサを含んでいてもよい。センサは、摩擦センサ、視覚線路状態センサ、またはスリップセンサを含んでいてもよい。これは、レール２と車輪７との境界面間のスリップを防止するのに役立つ。センサはまた、レール２の周囲の身近な環境内の露を検出するための水分センサを含んでいてもよい。
【0055】
図３は、典型的な鉄道車両８の車輪７間に取り付けられたときの表面調整デバイス１の一実施形態を示している。車輪７は、レール２またはレールヘッドに沿って走行し、表面調整デバイス１は、鉄道車両８が通過するときにレール２の表面を調整するように取り付けられる。表面調整デバイス１は、少なくとも１つの直流電源３と、少なくとも１つの窒素発生器４と、少なくとも１つのプラズマ供給ヘッド１３とを含む。直流電源３は、デュアル電圧インバータ電源（ＤＩＰＳ：Ｄｕａｌ－ｖｏｌｔａｇｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）であってよい。図３には、互いに隣接して取り付けられた一対のプラズマ供給ヘッド１３が示されている。表面調整デバイス１は、複数のプラズマ供給ヘッド１３を有するモジュール構成を含み得る。そのようなモジュール構成では、表面調整デバイス１がレール２の表面を調整することを可能にし、および／または鉄道車両８の車輪７の表面を、任意の一度に、断続的に、または継続的に調整することを可能にするために、プラズマ供給ヘッド１３を鉄道車両８全体の様々な位置に取り付けることができる。各プラズマ供給ヘッド１３は、独立して制御されてもよく、またはプラズマ供給ヘッド１３のすべてが、図示していない操作インターフェース１４を介して同時に動作するように制御されてもよく、操作インターフェース１４は、鉄道車両８の運転室内にある。操作インターフェース１４は、鉄道車両オペレータによっての表示が読み取られ、応答され得るように、鉄道車両８内の適切な位置に取り付けられてもよい。
【0056】
各プラズマ供給ヘッド１３は、プラズマを生成し、このプラズマをレール２および／または車輪７上に供給するために、窒素供給９、高電圧供給１２、および冷却剤の供給１９に動作可能に接続される。プラズマ供給ヘッド１３は、この表面を調整するために、端部がレール２の表面から適切な距離にあるように、鉄道車両８に取り付けられる。プラズマ供給ヘッド１３を鉄道車両８の車輪７の間に取り付けることによって、鉄道車両８の先頭の車輪７の前で経験する過酷な状態から、プラズマ供給ヘッド１３が確実に遮蔽される。鉄道車両８は、乗客または貨物を輸送するための任意の鉄道車両８の機関車または台車であってもよく、したがって、表面調整手段１は、鉄道車両８のレール２に沿った通常の通過中に実行されてもよい。
【0057】
図４は、専門鉄道車両８または手動線路処理車両の一部を形成する表面調整デバイス１を示す。この鉄道車両８は、レール２に沿って走行する唯一の目的を有し、これらのレール２を調整する手段を提供する。この線路処理車両には、表面調整デバイス１の構成要素を支える台車が設けられている。示した構成では、第２の台車は、窒素発生器４を支え、この台車は、ガスボックス２５に動作可能に接続される。冷却システム１０および直流電源３は、第１の台車内に収容される。この第１の台車は、図示していない窒素供給９、高電圧供給１２、および冷却剤の供給１９を介してプラズマ供給ヘッド１３に動作可能に接続される。プラズマ供給ヘッド１３は、図示していないプラズマ出力またはノズル２２が、調整されるレール２の表面と密接に連通する一端を有するように、鉄道車両８の台車に取り付けられる。
【0058】
図５は、一対のプラズマ供給ヘッド１３が鉄道車両８の台車に沿って間隔を置いて取り付けられている、鉄道車両８または線路処理車両のさらなる実施形態を示す。この線路処理車両は、軌道を使用する必要のある貨物列車または旅客列車がないときにレール２を調整する。図６は、機関車など典型的な鉄道車両８内に設置されたときの表面調整デバイス１を示しており、前記鉄道車両８が軌道に沿って通常通過する間にレール２を調整するという利点を提供する。このモジュール構成では、鉄道車両８の台車に取り付けられた２つのプラズマ供給ヘッド１３と、おそらく鉄道車両８の反対側の同様の位置にあるさらなる一対のプラズマ供給ヘッド１３とが示されている。このモジュール構成によって、鉄道線路レール２の表面を完全にカバーし、調整を確実にするために、いくつかのプラズマ供給ヘッド１３は、いつでも様々な位置でレールを調整することができる。したがって、レール２の各部分は、鉄道車両８のただ１回の通過で表面調整の複数回の通過を受ける。
【0059】
図３～図６の各々について、例えば図９および図１０に示されるように、鉄道車両８の車輪７の表面を調整するために、プラズマ供給ヘッド１３が追加的にまたは代替的に取り付けられてもよい。これらの実施形態では、プラズマ供給ヘッド１３は、出力またはノズルが、調整を必要とする鉄道車両８の各車輪７の表面に、その表面から適切な距離で、向けられるように取り付けられる。
【0060】
表面調整デバイス１を構成する構成要素の一部は、これらの鉄道車両８のいずれかの中で、プラズマ供給ヘッド１３からかなり離れて配置され得る。これによって、表面調整システム１の任意のかさばるまたは重い構成要素を、鉄道車両８内のより適切な位置に配置することができる。表面調整デバイス１を構成する感応素子は、これらの素子が動作中に振動および衝撃にさらされることを防止するために、図示していない緩衝または振動減衰素子が設けられてもよい。
【0061】
表面監視デバイス２９は、表面の必要な処理が最適化されることを確実にするために、表面調整デバイス１に命令をフィードバックするために、図示のようにオプティマイザ３１に動作可能に接続され得る。オプティマイザ３１は、さらなる表面調整プロセスを作動させるために、図示していない制御デバイスを通して命令を送ることができる。
【0062】
図７および図８は、プラズマ供給ヘッド１３がレール２の表面を調整するように構成されているときの、車輪７に対するプラズマ供給ヘッド１３の１つの可能な配置の等角図および側面図を示す。プラズマ供給ヘッド１３は、鉄道車両８の両側に、車輪７および車軸２３から適切な間隔を置いて取り付けられる。
【0063】
【0064】
図１１、図１２、図１３、図１４、および図１５は、表面上の汚染レベル、および表面調整デバイス１が表面上を通過したときの影響を示すグラフを示す。グラフ上のメインピークは汚染の強度を表し、周波数は化合物のタイプを表す。強度値は、ラマン分光計アルゴリズムに直接関連するので、無次元である。図１１には、高い強度のセルロース、酢酸セルロース、およびチロシンが存在する。これらの主要化合物は、葉層汚染の存在の指標である。プラズマは、これらの化合物をターゲットとし、それらを除去するように調整されている。
【0065】
これは、同じ表面上をプラズマが漸進的に通過することによってわかる。各グラフは、有意な葉層がもはや残らなくなるまで、プラズマの各通過で強度がどのように減少するかを示し、表面調整デバイス１の通過後の表面の表面状態の変化を示す。図１１は、表面調整デバイス１上を通過する前にラマン分光法によって取得された結果をグレーで示し、調整後の表面調整の結果をより濃いグレーで示す。このグラフは、プラズマ供給ヘッド１３とレール２との間の処理高さ１５ｍｍで行った実験を表す。
【0066】
図１２、図１３、図１４、および図１５は、一連のグラフを示しており、一連のグラフの各々は、２０ｍｍの処理高さで、レール２上を表面調整デバイス１がさらに通過した結果を示している。図１２は、より明るいグレーの線によって示される、この第１の状態から、表面調整デバイス１の第１の通過後の結果までの結果の変化を示す。メインピークは分かれているように見え、これは汚染の２つの異なる成分を表す。図１３は、明るいグレーで示される、第１の通過後の結果に対して、濃いグレーで示される、第２の通過の結果を示す。ピークのサイズは大幅に縮小されている。図１４は、表面調整デバイス１のさらなる通過後の同じ表面の状態を示し、ここで、第２の通過後の結果は、明るいグレーで示され、この第３の通過後の結果は、濃いグレーで示される。ピークはもう少し均等になった。図１５は、表面調整デバイス１のさらなる、または第４の通過の結果を示す。第３の通過の結果は、ここでは明るいグレーで示されており、第４の通過の結果は、濃いグレーで示されている。ここで、ピークは事実上無くなり、表面状態が第４の連続した通過後に最適化されたことを示している。
【0067】
ラマン分光計が提供される場合、鉄道ネットワーク上の運転手または他の操作者に特に関心のある周波数を走査するように構成され得る。これらの周波数は、レール上の予想される汚染物質の成分に対応し得る。例えば、６４０、１４３０、１４８０、１２６０、１２１３、１２４０、１５８０、２０００ｃｍ－１を含む群から選択される波数を有する周波数である。潜在的に関心のある汚染物質としては、セルロース、酢酸セルロース、およびチロシンが挙げられ得る。
【0068】
ラマン分光分析を、予想される対象の汚染物質に対応する、特定の対象の周波数に限定することによって、広帯域周波数が走査される場合よりもはるかに迅速に走査を実行することができる。これは、重要なデータを運転手または他の操作者がはるかに迅速に利用できるようになり、それによって鉄道ネットワーク上の安全性が向上する。
【0069】
ラマン分光法からの結果が、運転室内の運転者またはレールの状態を維持する責任者に表示されてもよい。ディスプレイは、監視されるレールの状態を表す詳細なデータを示してもよい。追加または代替として、それは単に、監視されているレールの状態が良好か不良かを示すことができ、例えば、チェックマークまたはクロスで示されている。これは、運転手または線路管理者が、より詳細なデータを分析するのに時間を費やす必要なしに、速度変更または線路調整の要求のいずれかに迅速に対応することを可能にする。
【0070】
汚染物質は、第１の層と第２の層との間の「第３の層」と呼ぶことができ、第１の層と第２の層は、それぞれ、レール２および車輪７である。
【0071】
本明細書において、動詞「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」は、その通常の辞書の意味を有し、非排他的包含を示す。すなわち、１つ以上の特徴を含むための「含む」（またはその派生語のいずれか）という単語の使用は、さらなる特徴も含む可能性を排除しない。「好ましい」という用語（またはその派生語のいずれか）は、好ましいが必須ではない１つ以上の特徴を示す。
【0072】
（任意の添付の特許請求の範囲、要約書、および図面を含む）本明細書に開示された特徴のすべてまたはいずれか、および／またはそのように開示された任意の方法またはプロセスのステップのすべてまたはいずれかは、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除いて、任意の組み合わせで組み合わせることができる。
【0073】
（任意の添付の特許請求の範囲、要約書、および図面を含む）本明細書に開示された各特徴は、別段に明記されていない限り、同じ、同等の、または同様の目的を果たす代替の特徴によって置き換えることができる。したがって、別段に明記されていない限り、開示された各特徴は、同等または同様の特徴の一般的なシリーズの一例に過ぎない。
【0074】
本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、（任意の添付の特許請求の範囲、要約書、および図面を含む）本明細書に開示された特徴の任意の新規な１つ、または任意の新規な組み合わせ、またはそのように開示された任意の方法またはプロセスのステップの任意の新規な１つ、または任意の新規な組み合わせに拡張される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【国際調査報告】