(57)【要約】【課題】モーターを効果的に冷却し、損失を低減することができるモーターの冷却構造を提供する。【解決手段】冷媒を貯留する冷媒タンク１０と、この冷媒タンク１０から供給された冷媒を保冷する熱シールド２０と、前記熱シールド２０内を介して供給される冷媒を用いて電気エネルギーを発生させる電源（燃料電池５０）と、前記熱シールド２０内の冷媒により保冷されるモーター３０およびインバーター４０とを具える。このインバーター４０は、前記電源とモーター３０との間に接続される。モーター３０のみならず、インバーター４０も併せて冷却することで、モーター３０およびインバーター４０の発熱を抑え、モーター３０とインバーター４０を合わせた損失を効果的に低減する【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を貯留する冷媒タンクと、
この冷媒タンクから供給された冷媒を保冷する熱シールドと、
前記熱シールド内を介して供給される冷媒を用いて電気エネルギーを発生させる電源と、
前記熱シールド内の冷媒により保冷されるモーターおよびインバーターとを具え、
このインバーターは、前記電源とモーターとの間に接続されることを特徴とするモーターの冷却構造。
【請求項２】
前記冷媒タンク内および熱シールド内の冷媒が液体で、電源に供給される冷媒が気体であることを特徴とする請求項１に記載のモーターの冷却構造。
【請求項３】
前記熱シールドは、モーターを収納する第１熱シールドと、インバーターを収納する第２熱シールドとから構成され、
前記第１熱シールド内の冷媒が液体で、前記第２熱シールド内の冷媒が気体であることを特徴とする請求項１に記載のモーターの冷却構造。
【請求項４】
前記モーターのコイルに超電導線材を用いたことを特徴とする請求項２または３に記載のモーターの冷却構造。
【請求項５】
前記冷媒タンクには、高圧の気体冷媒が貯留され、
前記熱シールド内には、前記高圧の気体冷媒を断熱膨張させた低圧の気体冷媒が供給されることを特徴とする請求項１に記載のモーターの冷却構造。
【請求項６】
前記冷媒が水素であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のモーターの冷却構造。
【請求項７】
前記電源が燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載のモーターの冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モーターの冷却構造に関するものである。特に、電気自動車などのモーターを効果的に冷却し、損失を低減することができるモーターの冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車や、バッテリーとエンジンとを併用したハイブリッドカーなどの開発が進んでいる。これらのバッテリーを利用した車両において、モーターの損失低減は電力の効率利用の上で重要である。
【０００３】
モーターには、一般に導線を鉄心に巻き付けたコイルが用いられている。このコイルに電流が流れるが、一般に導線の温度が上昇すると抵抗が大きくなり、いわゆる銅損が大きくなる。その他、モーターには鉄損などの損失もある。
【０００４】
銅損低減には、モーターの冷却が有効であり、燃料電池を電源とし、超電導線材をコイルに用いてモーターを冷却する技術が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−６９０７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の技術では損失の低減がなお不十分であるという問題がある。
【０００７】
一般に、電源とモーターとの間には、直流を交流に変換するインバーターが接続されている。このインバーターには、半導体素子が用いられることが多く、インバーター自体も適切に冷却しないと性能が低下したり、場合によっては動作しなくなったりする。その結果、電源からモーターへの電力供給機構全体としての損失が十分に低減できているとは言い難い。
【０００８】
従って、本発明の主目的は、モーターを効果的に冷却し、損失を低減することができるモーターの冷却構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モーターのみならずインバーターも併せて冷却することで上記の目的を達成する。
【００１０】
すなわち、本発明は、冷媒を貯留する冷媒タンクと、この冷媒タンクから供給された冷媒を保冷する熱シールドと、前記熱シールド内を介して供給される冷媒を用いて電気エネルギーを発生させる電源と、前記熱シールド内の冷媒により保冷されるモーターおよびインバーターとを具え、このインバーターは、前記電源とモーターとの間に接続されることを特徴とする。
【００１１】
モーターのみならず、インバーターも併せて冷却することで、モーターおよびインバーターの発熱を抑え、モーターとインバーターを合わせた損失を効果的に低減することができる。
【００１２】
具体的な冷却構造は冷媒が液体か気体かにより、いくつかの構成が考えられる。
【００１３】
まず、第１の構成は、モーターとインバーターの両方を液体冷媒で冷却する構成である。つまり、前記冷媒タンク内および熱シールド内の冷媒を液体とし、電源に供給される冷媒を気体とする。この構成では、モーターとインバーターのいずれも液体冷媒温度に冷却され、極低温に保持されることになる。もっとも、インバーターに用いられる半導体素子は、極端に低温になっても性能が低下することがあり、インバーターとしての動作が不安定にならない程度の冷却に留めることが好適である。例えば、熱シールド内において、インバーターを別の断熱層で覆ったり、インバーターの一部を熱シールドの外部に露出させることが考えられる。
【００１４】
第２の構成は、モーターは液体冷媒で冷却し、インバーターは気体冷媒で冷却する構成である。つまり、熱シールドが、モーターを収納する第１熱シールドと、インバーターを収納する第２熱シールドとから構成され、第１熱シールド内の冷媒を液体とし、前記第２熱シールド内の冷媒を気体とする。一般に、液体冷媒よりも気体冷媒の方が温度が高いため、上記の構成ではインバーターを過冷却することがない。この構成では、第２熱シールドの構成を第１熱シールドの構成に比べて簡略化することができる。
【００１５】
第３の構成は、モーターとインバーターを共に気体冷媒で冷却する構成である。つまり、前記冷媒タンクには、高圧の気体冷媒が貯留され、前記熱シールド内には、前記高圧の気体冷媒を断熱膨張させた低圧の気体冷媒を供給する。この構成では、冷媒タンク内の冷媒が気体であるため、冷媒を極低温に保持する必要が無く、タンクに大げさな断熱層を必要としない。また、熱シールドも、内部を気体冷媒で冷却するため、その構成を簡略化することができる。
【００１６】
以下、本発明の構成要件をより詳しく説明する。
【００１７】
冷媒タンクは、冷媒と反応せず、冷媒を所定の温度に保持できる構成であれば良い。液体冷媒を貯留する場合、断熱層を有するタンクとすればよい。また、高圧の気体冷媒を貯留する場合、この高圧に十分耐えられる耐圧構造とする。
【００１８】
冷媒は常温において気体で、極低温において液体となる種々のものが利用できる。例えば水素を用いることが好適である。水素であれば、ガス化した水素をそのまま燃料電池の燃料として用いることで電源を構成することができる。水素の沸点は約２０Ｋなので、上述の冷却構造において、冷媒を液体に保持する場合は、この沸点温度以下に保冷する必要がある。
【００１９】
熱シールドの構成は、冷媒を必要温度に保持できる断熱機能を有するものであれば、特に限定されない。例えば、二重の金属容器の間にスーパーインシュレーションなどの断熱材を収納し、両金属容器間の空間を真空引きした構成が挙げられる。
【００２０】
モーターの構造自体は、鉄心に導線を巻き付けたコイルを有する一般的なものが利用できる。特に、液体冷媒を用いる場合、コイルを構成する導線に超電導材料を用いることが好ましい。中でも、高温超電導線材が好適である。冷媒に水素を用いた場合、その沸点は約２０Ｋであるから、２０Ｋにおいて超電導状態が維持できる材料、例えばＢｉ系酸化物超電導材料を利用することが好ましい。一例としてはＢｉ２２２３系超電導材料が挙げられる。超電導線材自体は、複数の超電導フィラメントが銀シース材中に配列されたマルチフィラメント超電導線材が好適である。
【００２１】
電源としては、燃料電池が好適である。例えば、水素を燃料とした燃料電池が挙げられる。このような燃料電池は、水素と酸素が結合しても水が排出されるだけであり、環境に及ぼす影響もほとんどない点で好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１はモーターとインバーターを共に液体冷媒で冷却する本発明冷却構造の概略構成図である。
【００２３】
この冷却構造は、冷媒となる液体水素を貯留するタンク１０と、このタンク１０から供給される液体水素を保冷する熱シールド２０と、熱シールド２０内に収納されるモーター３０およびインバーター４０と、熱シールド２０内の冷媒をガス化した水素を燃料とする燃料電池５０と、燃料電池５０からの電力を蓄える蓄電部６０とを有する。
【００２４】
タンク１０内には、水素が液体状態で貯留されるため、水素をその沸点以下に保持できる断熱層を設ける。このタンク１０は配管１５を介して熱シールド２０と接続される。配管１５の途中には、バルブ（図示せず）を設けておき、熱シールド２０側に液体水素を適量供給する。
【００２５】
熱シールド２０は、タンク１０から供給された液体水素の液体状態を保持できる温度に保冷する。ここでは、二重の金属容器の間にスーパーインシュレーションなどの断熱材を収納し、両金属容器間の空間を真空引きした熱シールドを用いた。この熱シールド２０内には、モーター３０とインバーター４０が収納され、液体水素に浸漬される。
【００２６】
モーター３０は、鉄心に超電導線材を巻回したコイルを有する。ここでは、Ｂｉ２２２３超電導材料のフィラメントを銀シース中に複数埋設したテープ状超電導線材を用いた。このモーター３０は、燃料電池５０とインバーター４０を介して接続されており、燃料電池５０の発生した直流電流はインバーター４０で交流に変換されてモーター３０に供給される。さらにインバーター４０と燃料電池５０の間には蓄電部６０が接続されて、燃料電池５０の発生した電気エネルギーを蓄えることができる。この蓄電部６０には、一般的な蓄電池やキャパシターが利用できる。そして、蓄電部６０からの放電電流をモーター３０に供給することもできるように構成されている。
【００２７】
インバーター４０は、燃料電池５０とモーター３０との間に接続され、燃料電池５０の発生した直流電流を交流電流に変換する。インバーター４０にはＳｉなどの半導体が利用されることが多い。これらの半導体は過熱すると正常に動作せず、過冷されるとやはり半導体素子としての性能が低下するため、過冷却とならないようにすることが好ましい。本例では、熱シールド２０からインバーター４０の一部を外部に露出し、インバーター４０が過冷されないように構成した。熱シールド２０からインバーター４０を露出させると、内部の液体水素の保冷能が低下するおそれがあるため、熱シールド２０の外側に、熱シールド２０ごと収納する外部熱シールド（図示せず）を設けても良い。インバーターの温度は、−４０〜１００℃、より好ましくは−３０〜８５℃以下に保持することが好ましい。
【００２８】
燃料電池５０は熱シールド２０と配管２５で接続され、熱シールド２０内の液体水素を気化した水素ガスが供給される。この電池５０は、供給された水素ガスを燃料として電気エネルギーを発生させ、モーター３０の駆動電源としたり、蓄電部６０に蓄電する。
【００２９】
このような構成の冷却機構とすることで、モーターのみならずインバーターも効果的に冷却でき、損失を低減することができる。
【００３０】
（実施例２）
次に、モーターは液体冷媒で、インバーターは気体冷媒で冷却する本発明冷却構造を説明する。図２は同冷却構造の概略構成図である。
【００３１】
この冷却構造も、液体水素を貯留するタンク１０と、水素ガスを燃料とする燃料電池５０、ならびに燃料電池５０の発生した電気エネルギーを蓄電する蓄電部６０を具える。これら各部の機能は前記実施例１と共通であるため、主たる相違点である熱シールド２０に関して説明する。
【００３２】
本構造では、熱シールド２０を直列する２つの熱シールド２１、２２で構成した。すなわち、モーター３０を収納する第１熱シールド２１と、インバーター４０を収納する第２熱シールド２２とを有する。第１熱シールド２１内は、冷媒を液体水素状態に維持する低温度に保持される。第２熱シールド２２内は、冷媒が水素ガス状態となる温度に保持される。
【００３３】
この構成では、第２熱シールド２２内が水素ガスで冷却されるため、インバーター４０が過冷されにくく、インバーター４０の好適動作温度に保持しやすい。また、第１熱シールド２１よりも第２熱シールド２２は要求保冷能が低いため、第２熱シールド２２の断熱構成は比較的簡略化できる。
【００３４】
（実施例３）
次に、モーターもインバーターも気体冷媒で冷却する本発明冷却構造を説明する。図３は同冷却構造の概略構成図である。
【００３５】
この冷却構造も、水素ガスを燃料とする燃料電池５０、ならびに燃料電池５０の発生した電気エネルギーを蓄電する蓄電部６０を具える。これら各部の機能は前記実施例１と共通であるため、主たる相違点であるタンク１０および熱シールド２０に関して説明する。
【００３６】
本例では、タンク１０内に高圧の水素ガスを貯え、熱シールド２０内には水素ガスが低圧で保持される。ここで、タンク１０内の高圧水素ガスを熱シールド２０内に導入すると、断熱膨張して低圧水素ガスとなり、温度が下がる。この温度低下を利用してモーター３０とインバーター４０とを冷却する。この冷却構造ではタンク１０、熱シールド２０共に極低温となる液体冷媒を用いないため、両者の断熱構造を簡略化することができる。さらに、インバーター４０は水素ガスで冷却されるため、液体水素で冷却する場合のように過冷却のおそれが少ない。モーター用の導線としては、超電導線材ではなく銅線、アルミ線等を用いることが望ましい。この様な常電導線材を用いた場合でも、冷却による電気抵抗低下の影響が大きく、損失低減の効果は大きい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明冷却構造によれば、モーターのみならずインバーターも併せて冷却するため、損失を効果的に低減して電気エネルギーの利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モーターとインバーターを共に液体冷媒で冷却する本発明冷却構造の概略構成図である。
【図２】モーターは液体冷媒で、インバーターは気体冷媒で冷却する本発明冷却構造の概略構成図である。
【図３】モーターもインバーターも気体冷媒で冷却する本発明冷却構造の概略構成図である。
【符号の説明】
１０　タンク
１５　配管
２０　熱シールド
２１　第１熱シールド
２２　第２熱シールド
２５　配管
３０　モーター
４０　インバーター
５０　燃料電池
６０　蓄電部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004104925.tif 000005