(57)【要約】【課題】モータを効果的に冷却し、損失を低減することができながら、冷媒である液体水素からの気体水素の過剰発生を防止できる超電導モータ自動車のモータ冷却構造を提供する。【解決手段】超電導モータ1と、液体水素を貯留する液体水素用タンク51と、液体窒素を貯留する液体窒素用タンク52と、超電導モータ1に設けるコイル冷却用冷媒通路6と、液体水素用タンク51または液体窒素用タンク52からコイル冷却用冷媒通路6に冷媒を供給する冷媒供給手段7とを具える。冷媒供給手段7は、液体水素用タンク51からコイル冷却用冷媒通路6へ、または液体窒素用タンク52からコイル冷却用冷媒通路6への冷媒の供給を選択する供給制御部9を具える。気体水素の発生量に応じて超電導モータ1を液体水素または液体窒素のどちらか一方で冷却する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導モータと、
液体水素を貯留する液体水素用タンクと、
液体窒素を貯留する液体窒素用タンクと、
超電導モータに設けるコイル冷却用冷媒通路と、
液体水素用タンクまたは液体窒素用タンクからコイル冷却用冷媒通路に冷媒を供給する冷媒供給手段とを具え、
超電導モータを液体水素または液体窒素のどちらか一方で冷却することを特徴とする超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項２】
冷媒供給手段は、前記液体水素用タンクから前記コイル冷却用冷媒通路へ、または前記液体窒素用タンクから前記コイル冷却用冷媒通路への冷媒の供給を選択する供給制御部を具えている請求項１に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項３】
供給制御部は、液体水素によるモータ冷却時に発生した気体水素の量が所定値以上になったときに液体窒素による冷却に切り替え、気体水素量が所定値未満になったときに液体水素による冷却に切り替えるように制御している請求項２に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項４】
供給制御部は、駐車時に液体窒素用タンクから液体窒素をコイル冷却用冷媒通路に自動供給するように制御している請求項２に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項５】
供給制御部は、超電導モータの必要駆動力に応じて液体水素用タンクまたは液体窒素用タンクのどちらか一方からコイル冷却用冷媒通路へ冷媒を供給するように制御している請求項２に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項６】
前記超電導モータの必要駆動力は、平均速度に基づいて判断するようにしている請求項５に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項７】
前記超電導モータの必要駆動力は、走行平均勾配に基づいて判断するようにしている請求項５に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項８】
前記超電導モータの必要駆動力は、運転者が選択した走行モードに基づいて判断するようにしている請求項５に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項９】
冷媒供給手段は、液体水素用タンクに連通する液体水素用通路と液体窒素用タンクに連通する液体窒素用通路とを２本ずつ具え、
前記コイル冷却用冷媒通路の冷媒流入口と冷媒流出口に、液体水素用通路または液体窒素用通路に切り替え可能に接続する三方制御弁を具えている請求項１に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項１０】
コイル冷却用冷媒通路は、コイル冷却用水素通路とコイル冷却用窒素通路を具え、
冷媒供給手段は、液体水素用タンクに連通する液体水素用通路と液体窒素用タンクに連通する液体窒素用通路とを２本ずつ具え、
液体水素用通路をコイル冷却用水素通路の冷媒流入口と冷媒流出口に接続し、液体窒素用通路をコイル冷却用窒素通路の冷媒流入口と冷媒流出口に接続している請求項１に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【請求項１１】
超電導モータの超電導コイルに温度センサを設置し、温度センサによって検出した温度に基づいてそのときの最大許容電流値を設定変更し、この最大許容電流内で超電導モータの制御を行うようにしている請求項１に記載の超電導モータ自動車のモータ冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車の動力源として超電導モータを利用した自動車のモータ冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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は、モータの損失低減は電力を効率的に利用する上で重要である。
【０００３】
モータには、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、モータには鉄損などの損失もある。
【０００４】
ところで、超電導体を巻線に利用したモータは、その損失の低さから注目すべきものであり、電気自動車の動力源としても利用価値が高い（たとえば特許文献１を参照）。また、モータを発電機とみなした電力の回収を併用すれば、電力の利用効率をさらに高めることができる。そして、銅損低減には、モータの冷却が有効であり、特許文献１では、燃料電池を電源とし、超電導コイルをコイルに用いてモータを冷却する技術が記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載のものは、超導電体のコイルを、モータの内側スリーブと外側シールド間に形成する密閉空間に配置させ、この密閉空間内を流通する冷却媒体によってコイルを冷却するようになっている。この冷却媒体は、燃料電池の燃料でもある液体水素を用いている。
【０００６】
そして、特許文献１に示す超電導モータを利用した自動車は、コイルでの銅損がなく、また、モータ自身が小型化および大出力を実現できるため、CO2排出削減などの環境問題へ対処できる車として検討されている。さらに、この超電導モータの冷却に用いる液体水素は、燃料電池への水素燃料供給と超電導コイルの冷却を同時に満たすことができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平6-6907号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、自動車に超電導モータを用いる場合、超電導コイルの冷却を維持する断熱方法がとられている。しかしながら、超電導モータが発生する熱エネルギー（鉄損失や交流損失）により、徐々に冷却に用いる液体水素の気化が進み、場合によっては、燃料電池への供給必要量より多くの気化が進む可能性があり、気化し過ぎた気体水素の処分が問題となる。
【０００９】
また、モータの出力を大きくするには、超電導コイルに流す電流をできるだけ大きくすることが有効であるが、超電導コイル、特に高温超電導コイルは、保冷温度にもよるが一定値以上の電流を流すと、超電導状態から常電導に移行してしまう欠点がある。
【００１０】
また、車両を駐車した後に、すぐに自動車を走らせたい要求があるが、超電導モータを動かすには駐車時にも継続してコイルの冷却を行っている必要がある。しかしながら、液体水素による冷却は、完全な断熱ができないかぎり、水素の気化は発生し、水素用タンク内で保持できる一定量の水素量以上の気化があれば、外部に水素を吐き出す必要がでてくる。しかしながら、水素を外部に出すことは、爆発の危険性があることから、できるだけ避けなければならないという問題がある。
【００１１】
従って、本発明の主目的は、モータを効果的に冷却し、損失を低減することができながら、冷媒である気体水素の過剰発生を防止できる超電導モータ自動車のモータ冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、超電導モータ自動車において、冷媒として液体水素と液体窒素のどちらか一方でモータを冷却することにより上記の目的を達成する。
【００１３】
即ち、本発明は、超電導モータ自動車のモータ冷却構造を、超電導モータと、液体水素を貯留する液体水素用タンクと、液体窒素を貯留する液体窒素用タンクと、超電導モータに設けるコイル冷却用冷媒通路と、液体水素用タンクまたは液体窒素用タンクからコイル冷却用冷媒通路に冷媒を供給する冷媒供給手段とを具え、超電導モータを液体水素または液体窒素のどちらか一方で冷却する構成とした。
【００１４】
さらに、本発明は、液体水素によるコイルの冷却と液体窒素によるコイルの冷却とを切り替え可能とするために、冷媒供給手段は、前記液体水素用タンクから前記コイル冷却用冷媒通路へ、または前記液体窒素用タンクから前記コイル冷却用冷媒通路への冷媒の供給を選択する供給制御部を具える構成とすることが好ましい。供給制御部は、ECU(Electric  Control  Unit、電子制御装置)などのMPU(マイクロコンピュータ)を搭載した制御機器を用いることができる。
【００１５】
このとき本発明では、供給制御部は、液体水素によるモータ冷却時に発生した気体水素の量が所定値以上になったときに液体窒素による冷却に切り替え、気体水素量が所定値未満になったときに液体水素による冷却に切り替えるように制御することができる。即ち、液体水素の気化が多すぎて、発生した気体水素を内燃機関（エンジン）や燃料電池にて消化しきれないときは、液体窒素による冷却に切り替える。また内燃機関や燃料電池に供給する気体水素が不足しそうなときには、液体水素による冷却に切り替える。
【００１６】
コイルを冷却するための冷媒格納場所となるコイル冷却用冷媒通路は液体水素、液体窒素を同一のコイル冷却用冷媒通路に入れ替えるようにしてもよいし、コイル冷却用冷媒通路を２本設けて、それぞれの通路を液体水素用、液体窒素用として用いてもよい。
【００１７】
液体水素、液体窒素を同一のコイル冷却用冷媒通路に入れ替えるようにする場合、冷媒供給手段は、液体水素用タンクに連通する液体水素用通路と液体窒素用タンクに連通する液体窒素用通路とを２本ずつ具えるようにする。そして、前記コイル冷却用冷媒通路の冷媒流入口と冷媒流出口に、液体水素用通路または液体窒素用通路に切り替え可能に接続する三方制御弁を設ける。
【００１８】
この三方制御弁の切り替え操作で液体水素用通路とコイル冷却用冷媒通路とを連通させることにより、液体水素用タンクから液体水素用通路を介してコイル冷却用冷媒通路に液体水素を供給し、さらに、コイル冷却用冷媒通路から液体水素用通路を介して液体水素用タンクに戻す循環経路を形成する。
【００１９】
また、三方制御弁の切り替え操作で液体窒素用通路とコイル冷却用冷媒通路とを連通させることにより、液体窒素用タンクから液体窒素用通路を介してコイル冷却用冷媒通路に液体窒素を供給し、さらに、コイル冷却用冷媒通路から液体窒素用通路を介して液体窒素用タンクに戻す循環経路を形成する。
【００２０】
ただし、同一のコイル冷却用冷媒通路で冷媒を入れ替える場合には、気体窒素と気体水素が同居する可能性があるので、燃料電池への水素の供給には、水素分離膜を用いて、水素のみを燃料電池に供給できるようにする。
【００２１】
液体水素から液体窒素への切り替えは、例えば、液体水素がコイル冷却用冷媒通路内に残る状態で液体窒素を入れると、液体水素よりも液体窒素の沸点・融点の方が高いため、液体水素は気化し、液体窒素は凝固してしまう。その結果、液体窒素がコイル冷却用冷媒通路内で凝固してしまうと、通路が封鎖されてしまう虞がある。一方、液体窒素の凝固をできるだけ少なくするため、直接液体窒素を入れるのではなく、まず、気体窒素を入れると、急速に液体水素の気化が進んでしまう。
【００２２】
そこで、冷媒流入口の三方制御弁を液体水素用通路と液体窒素用通路のどちらに対しても閉じた状態で、冷媒流出口から液体水素をコイル冷却用冷媒通路から抜き取って液体水素用タンクに戻す。次に、冷媒流入口と冷媒流出口の三方制御弁を液体窒素用通路がコイル冷却用冷媒通路に連通するように開き、液体窒素をコイル冷却用冷媒通路に注入する。
【００２３】
また、液体窒素から液体水素への切り替えは、液体水素用タンク内での気体水素貯蔵量が一定値以下になったタイミングで液体窒素をコイル冷却用冷媒通路から抜き取り、液体窒素用タンクに戻す。そして、液体水素をコイル冷却用冷媒通路に注入する。
【００２４】
また、液体水素、液体窒素をそれぞれ別のコイル冷却用冷媒通路に供給する場合は、コイル冷却用冷媒通路は、コイル冷却用水素通路とコイル冷却用窒素通路を具えるようにする。そして、冷媒供給手段は、液体水素用タンクに連通する液体水素用通路と液体窒素用タンクに連通する液体窒素用通路とを２本ずつ具えるようする。
【００２５】
さらに、液体水素用通路をコイル冷却用水素通路の冷媒流入口と冷媒流出口に接続し、液体窒素用通路をコイル冷却用窒素通路の冷媒流入口と冷媒流出口に接続する。なお、冷媒流入口と冷媒流出口には、制御弁を設けることが好ましい。
【００２６】
また、超電導モータを自動車に使用する場合、車両を駐車した後に、すぐに自動車を走らせたい要求があるが、超電導モータを動かすには駐車時にも継続してコイルの冷却を行う必要がある。しかし、液体水素のみでコイルの冷却を行うと、駐車する時間にも依存するが蓄えられる気体水素以上となるのが早く、水素を車外に放出せざるをえない状況に陥りやすい。
【００２７】
そこで、本発明では、供給制御部は、駐車時に液体窒素用タンクから液体窒素をコイル冷却用冷媒通路に自動供給するように制御してもよい。このように、駐車と同時に液体窒素による冷却に切り替えれば、液体窒素による駐車時の超電導コイルの超電導状態を維持でき、車に再乗車してもすぐにモータ駆動が可能である。
【００２８】
さらに、供給制御部は、超電導モータの必要駆動力に応じて液体水素用タンクまたは液体窒素用タンクのどちらか一方からコイル冷却用冷媒通路へ冷媒を供給するように制御するようにしてもよい。
【００２９】
超電導モータの必要駆動力は、平均速度に基づいて判断するようにしてもよいし、走行平均勾配に基づいて判断するようにしてもよい。
【００３０】
特に高速走行は、平均速度を元に判断し、山道の上りは加速度センサ（Ｇセンサ）を利用して走行平均勾配より判断する。このとき、例えば高速走行や山道の上り走行においては、自動的に高い駆動力が必要と考えて、液体水素冷却を優先させる。
【００３１】
また、超電導モータの必要駆動力は、運転者が選択した走行モードに基づいて判断するようにしてもよい。
【００３２】
この走行モードの切り替えは、運転者による切り替えにて実施できるようにすれば、例えばスポーツモードは液体水素で冷却し、エコノミーモードは液体窒素または液体窒素と液体水素の切り替え供給で冷却を行うことができる。なお、スポーツモードでは、液体水素のみで冷却するため、走行性能を優先して場合によっては使いきれなかった気化水素は、外部に放出する。
【００３３】
さらに、液体水素と液体窒素では超電導コイルの冷却温度が変わることが予想される。超電導コイルの特徴としては、超電導状態でも冷却温度によって、線材に流される最大許容電流が変化する。特に酸化物系超電導コイルでは、冷却温度が低ければ最大許容電流は大きくなり、冷却温度が比較的高ければ最大許容電流は低くなる。
【００３４】
自動車としては駆動力確保のため、最大許容電流は、大きい方が望ましいが、冷媒量が不十分な場合や、低温冷媒（つまり水素）が使えない場合には、冷却が不十分なため最大許容電流を低く設定する必要がある。
【００３５】
そこで、本発明では、超電導モータの超電導コイルに温度センサを設置し、温度センサによって検出した温度に基づいてそのときの最大許容電流値を設定変更し、この最大許容電流内で超電導モータの制御を行うようにすることが好ましい。この最大許容電流を制御するため、電流によるモータ制御は、この最大許容電流を超えない範囲で行う。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、冷媒として液体水素と液体窒素をともに搭載しているので、どちらの冷媒でも冷却できる。
【００３７】
たとえば、燃料電池を具える超電導モータ自動車の場合、通常の運転時は、冷媒供給手段を用いて液体水素用タンクから液体水素を超電導モータ内のコイル冷却用冷媒通路に供給し超電導コイルを冷却する。また、超電導モータの超電導コイルにおいては、コイル冷却用冷媒通路内の冷媒によるコイルの冷却を効率的に行うため、外部の熱を遮断するように保冷構造をとっている。
【００３８】
しかし、モータの回転軸やモータへの電力供給用の配線から熱が進入することが予想され、しかも、液体水素用タンクやコイル冷却部分での液体水素において完全な保冷は不可能であり、水素は徐々に気化することとなる。
【００３９】
通常、発生した気体水素は、専用弁より取り出され、燃料電池へ送り、モータ駆動に必要な電力に変換するようになっている。
【００４０】
しかし、モータ駆動に必要な水素量と、液体水素が気化した気体水素の量が同じ量になるとは限らず、気化された気体水素量の方が多い場合がある。このような場合、気体水素をある程度まで、液体水素用タンク内や電力エネルギーとして蓄えておく。
【００４１】
そして、蓄えられる限界以上の気体水素が発生した場合には、液体水素用タンクから液体水素を超電導モータ内のコイル冷却用冷媒通路に供給するのを止め、液体窒素用タンクから液体窒素を超電導モータ内のコイル冷却用冷媒通路に供給し超電導コイルを冷却するように切り替える。
【００４２】
なお、液体窒素によるコイルの冷却時に気体窒素が発生する場合があるが、この気体窒素は外気に開放しても爆発などの危険性が無いため、気体窒素を貯留する必要がない。
【００４３】
このようにコイルの冷却を液体水素と液体窒素を使い分けることにより、無駄な気体水素の発生を防ぎ、爆発などの危険性を防ぐことができる。
【００４４】
また、冷媒供給手段は、コイル冷却用冷媒通路への液体水素または液体窒素の供給を選択する供給制御部を具えているので、必要に応じた冷媒の供給を容易に行える。
【００４５】
さらに、本発明では、供給制御部により液体水素によるモータ冷却時に発生した気体水素の量が所定値以上になったときに液体窒素による冷却に切り替え、気体水素量が所定値未満になったときに液体水素による冷却に切り替えるように制御することもできる。その結果、電力供給用の気体水素や電力の蓄えが少なくなるまでは、液体窒素による冷却により超電導コイルの冷却を維持し、液体窒素による冷却を行うことで超電導状態を継続することができる。
【００４６】
また、供給制御部は、駐車時に液体窒素用タンクから液体窒素をコイル冷却用冷媒通路に自動供給するように制御することもできるので、駐車と同時に液体窒素による冷却に切り替えれば、液体窒素による駐車時の超電導コイルの超電導状態を維持でき、車に再乗車してもすぐにモータ駆動が可能となる。
【００４７】
さらに、供給制御部は、超電導モータの必要駆動力に応じて液体窒素用タンクまたは液体水素用タンクのどちらか一方からコイル冷却用冷媒通路へ冷媒を供給するように制御することもできる。その結果、高出力が要求されるときには、液体水素による冷却を積極的に行い、低出力が要求されるときには、液体窒素による冷却により切り替えてモータを冷却することができる。
【００４８】
超電導モータの必要駆動力の判断は、平均速度に基づいたり、走行平均勾配に基づいて走行状態に応じて判断することができる。また、超電導モータの必要駆動力は、運転者が選択した走行モードに基づいて判断することもできる。
【００４９】
また、冷媒供給手段は、液体窒素用通路と液体水素用通路とをコイル冷却用冷媒通路の冷媒流入口と冷媒流出口において三方制御弁を介して接続するようにすれば、モータ内に設けるコイル冷却用冷媒通路の構成を簡単にできながら、液体水素と液体窒素との冷却の切り替えを行える。
【００５０】
また、コイル冷却用冷媒通路としてコイル冷却用窒素通路とコイル冷却用水素通路とを設けるようにして、それぞれ通路に液体窒素用通路と液体水素用通路とを接続するようにすれば、コイル冷却用冷媒通路を共通化させる必要がなくなるので、冷媒の完全入れ替えを行う必要がなくなる。
【００５１】
さらに、超電導モータの超電導コイルの温度を温度センサで検出し、検出した温度に基づいてそのときの最大許容電流値を設定変更することにより、超電導モータが超電導状態から常電導状態に移行するのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００５３】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態にかかる超電導モータを有する電気自動車の概略構成図であり、図２は、二種類の液体冷媒で超電導モータを冷却する冷却構造の概略図である。
【００５４】
本発明の超電導モータ自動車は、超電導モータ1と燃料電池2と車輪3と二次電池4とを具える電気自動車である。
【００５５】
また、超電導モータ1を液体水素と液体窒素のどちらかで冷却できるようになっており、自動車は冷媒となる液体水素を貯留する液体水素用タンク51と、液体窒素を貯留する液体窒素用タンク52とを具える。各タンク51,52内には冷媒が液体状態で貯留されるため、タンク外面には、各冷媒の沸点以下に保持できる断熱層を設けている。
【００５６】
超電導モータ1は、保冷状態を維持するため保冷容器11内に収納されている。さらに、超電導モータ1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。
【００５７】
さらに、超電導モータ1は、図２に示すように、超電導コイルを収納する環状のコイル収納部13と、このコイル収納部13の径方向外方側に同じく環状のコイル冷却用冷媒通路6が設けられたステータ12を有している。コイル冷却用冷媒通路6には、後述するが液体水素または液体窒素が供給されるようになっている。このステータ12は、熱伝導率の高い金属で形成されている。
【００５８】
さらに、このモータ1は燃料電池2と接続されており、燃料電池2で発生した電流は図示しないインバーターを介してモータ1に供給される。モータ1と燃料電池2の間には二次電池4も接続されており、燃料電池2で発生した電気エネルギーを蓄えるようになっている。この二次電池4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、二次電池4からの放電電流をモータ1に供給することもできるように構成されている。
【００５９】
そして、本実施形態では、液体水素用タンク51または液体窒素用タンク52からコイル冷却用冷媒通路6に冷媒を供給する冷媒供給手段7を具えている。
【００６０】
この冷媒供給手段7は、図２に示すように、液体水素用タンク51に連通する液体水素用通路71と液体窒素用タンク52に連通する液体窒素用通路72とを２本ずつ具えている。各通路は、パイプで形成され、保冷するため断熱材でパイプ外面が覆われている。
【００６１】
さらに、前記コイル冷却用冷媒通路6には冷媒流入口61と冷媒流出口62が設けられており、この冷媒流入口61と冷媒流出口62には三方制御弁81が取り付けられている。そして、それぞれの三方制御弁81に液体水素用通路71と液体窒素用通路72とが接続されている。冷媒流出口62に接続される液体水素用通路71と液体窒素用通路72には、ポンプ73,74が設けられている。
【００６２】
さらに、冷媒供給手段7は、前記液体水素用タンク51から前記コイル冷却用冷媒通路6へ、または前記液体窒素用タンク52から前記コイル冷却用冷媒通路6への冷媒の供給を選択する供給制御部9を具えている。この供給制御部9は、ECU(Electric  Control  Unit、電子制御装置)により構成されている。
【００６３】
この供給制御部9により、三方制御弁81の開閉を制御して、コイル冷却用冷媒通路6への液体水素用通路71または液体窒素用通路72の連通を切り替え制御するとともに、液体水素側ポンプ73または液体窒素側ポンプ74のどちらかを駆動するように制御している。この三方制御弁81を介して前記液体水素用タンク51から前記コイル冷却用冷媒通路6へ液体水素を供給したり、または液体窒素用タンク52からコイル冷却用冷媒通路6へ液体窒素を供給したりする。
【００６４】
この三方制御弁81の切り替え操作で液体水素用通路71とコイル冷却用冷媒通路6とを連通させることにより、液体水素用タンク51から液体水素用通路71を介してコイル冷却用冷媒通路6に液体水素を供給し、さらに、コイル冷却用冷媒通路6から液体水素用通路71を介して液体水素用タンク51に戻す循環経路が形成される。
【００６５】
また、三方制御弁81の切り替え操作で液体窒素用通路72とコイル冷却用冷媒通路6とを連通させることにより、液体窒素用タンク52から液体窒素用通路72を介してコイル冷却用冷媒通路6に液体窒素を供給し、さらに、コイル冷却用冷媒通路6から液体窒素用通路72を介して液体窒素用タンク52に戻す循環経路が形成される。
【００６６】
本実施形態では、同一のコイル冷却用冷媒通路6で冷媒を入れ替える構成となっているため、気体窒素と気体水素が同居する可能性がある。そのため、液体水素用タンク51における燃料電池2への気体水素供給口53には水素分離膜を設け、水素のみを燃料電池に供給できるようにしている。
【００６７】
また、液体水素から液体窒素への切り替えは、冷媒流入口61の三方制御弁81を液体水素用通路71と液体窒素用通路72のどちらに対しても閉じた状態で、冷媒流出口62から液体水素をコイル冷却用冷媒通路6から抜き取って液体水素用タンク51に戻し、冷媒流出口62において液体水素用通路71を閉じる。
【００６８】
次に、冷媒流入口61と冷媒流出口62の三方制御弁81を液体窒素用通路72がコイル冷却用冷媒通路6に連通するように開き、液体窒素をコイル冷却用冷媒通路6に注入する。
【００６９】
また、液体窒素から液体水素への切り替えは、液体水素用タンク51内での気体水素貯蔵量が一定値以下になったタイミングで液体窒素をコイル冷却用冷媒通路6から抜き取り、液体窒素用タンク52に戻す。そして、液体水素をコイル冷却用冷媒通路6に注入する。
【００７０】
本実施形態では、さらに供給制御部9で液体水素によるモータ冷却時に発生した気体水素の量が所定値以上になったときに液体窒素による冷却に切り替え、気体水素量が所定値未満になったときに液体水素による冷却に切り替えるようにも制御している。気体水素の量が所定値以上とは、液体水素用タンク51から燃料電池2への気体水素の供給量が必要供給量を上回って、液体水素用タンク51内に溜まった気体水素の量が所定値以上になったときをいう。
【００７１】
本実施形態では、液体水素による冷却から液体窒素による冷却に切り替えることができるので、気体水素の余剰発生を防止できる。
【００７２】
また、本実施形態では、供給制御部9は、駐車時に液体窒素用タンク52から液体窒素をコイル冷却用冷媒通路6に自動供給するように制御している。このように、駐車と同時に液体窒素による冷却に切り替えれば、液体窒素により駐車時の超電導コイルの超電導状態を維持でき、車に再乗車してもすぐにモータ駆動が可能となる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態では、液体水素用タンク51と、液体窒素用タンク52と、コイル冷却用冷媒通路6と、冷媒供給手段7となる液体水素用通路71、液体窒素用通路72、三方制御弁81、供給制御部9によりモータの冷却構造を構成している。
【００７４】
なお、モータ1を保冷する保冷容器11は、各タンク51,52から供給された冷媒、特に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保冷容器を用いた。
【００７５】
燃料電池2には、図1に示すように、液体水素用タンク51内に溜まった気体水素が供給されるようになっている。この燃料電池2では、供給された気体水素を燃料として電気エネルギーを発生させ、二次電池4に蓄えられたり、モータ1の駆動に用いられる。
【００７６】
本実施形態では、以上の構成とすることにより、コイルの冷却を液体水素と液体窒素を使い分けることにより、無駄な気体水素の発生を防ぎ、爆発などの危険性を防ぐことができながら、駐車時にも液体窒素でモータ冷却を行うことにより瞬時にモータ駆動を行える。
【００７７】
（第２実施形態）
次に、本発明のモータ冷却構造の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態にかかる超電導モータを有する電気自動車の概略構成図であり、図４は、二種類の液体冷媒で超電導モータを冷却する冷却構造の概略図である。
【００７８】
第２実施形態の超電導モータ自動車も、燃料電池2と超電導モータ1と車輪3と二次電池4とを具える電気自動車という点で第１実施形態と同じである。本実施形態は、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号で示し、説明を省略する。
【００７９】
第２実施形態も、超電導モータ1を液体水素と液体窒素のどちらかで冷却できるようになっている。
【００８０】
超電導モータ1は、保冷状態を維持するため保冷容器11内に収納されている。超電導モータ1のステータ12には、図４に示すように、超電導コイルを収納する環状のコイル収納部13と、このコイル収納部13の径方向外方側に同じく環状で同心円となる２本のコイル冷却用冷媒通路が設けられている。２本のコイル冷却用冷媒通路は、一方が液体水素が供給されるコイル冷却用水素通路63で、他方が液体窒素が供給されるコイル冷却用窒素通路64となる。本実施形態においてもステータ12は、熱伝導率の高い金属で形成されている。
【００８１】
そして、本実施形態においても冷媒供給手段7を設けており、液体水素用タンク51とコイル冷却用水素通路63とを連通し、液体水素のみ循環させる液体水素用通路71と、液体窒素用タンク52とコイル冷却用窒素通路64とを連通し、液体窒素のみを循環させる液体窒素用通路72とを具える。
【００８２】
液体水素用通路71と液体窒素用通路72は２本ずつ具えている。各通路は、パイプで形成され、保冷するため断熱材でパイプ外面が覆われている。
【００８３】
さらに、前記コイル冷却用水素通路63とコイル冷却用窒素通路64とには冷媒流入口61と冷媒流出口62が設けられており、この冷媒流入口61と冷媒流出口62には流量制御弁82が取り付けられている。そして、それぞれの流量制御弁82に液体水素用通路71と液体窒素用通路72とが接続されている。冷媒流出口62に接続される液体水素用通路71と液体窒素用通路72には、ポンプ73,74が設けられている。
【００８４】
さらに、冷媒供給手段7は、前記液体水素用タンク51から前記コイル冷却用水素通路63へ、または前記液体窒素用タンク52から前記コイル冷却用窒素通路64への冷媒の供給を選択する供給制御部9を具えている。この供給制御部9は、ECU(Electric  Control  Unit、電子制御装置)により構成されている。
【００８５】
この供給制御部9により、流量制御弁82の開閉を制御して、コイル冷却用水素通路63と液体水素用通路71との連通、または液体窒素用通路72とコイル冷却用窒素通路64との連通を切り替え制御する。さらに、供給制御部9は液体水素側ポンプ73または液体窒素側ポンプ74のどちらかを駆動するように制御している。この流量制御弁82を開くことにより、前記液体水素用タンク51から前記コイル冷却用水素通路63へ液体水素を供給したり、または液体窒素用タンク52からコイル冷却用窒素通路64へ液体窒素を供給したりする。また、流量制御弁82を閉じることにより、前記液体水素用タンク51から前記コイル冷却用水素通路63への液体水素の供給を停止したり、または液体窒素用タンク52からコイル冷却用窒素通路64への液体窒素の供給を停止したりする。
【００８６】
さらに、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、供給制御部9で液体水素によるモータ冷却時に発生した気体水素の量が所定値以上になったときに液体窒素による冷却に切り替え、気体水素量が所定値未満になったときに液体水素による冷却に切り替えるようにも制御している。気体水素の量が所定値以上とは、液体水素用タンク51から燃料電池2への気体水素の供給量が必要供給量を上回って、液体水素用タンク51内に溜まった気体水素の量が所定値以上になったときをいう。
【００８７】
本実施形態では、液体水素による冷却から液体窒素による冷却に切り替えることができるので、気体水素の余剰発生を防止できる。
【００８８】
また、本実施形態では、供給制御部9は、駐車時に液体窒素用タンク52から液体窒素をコイル冷却用窒素通路64に自動供給するように制御している。このように、駐車と同時に液体窒素による冷却に切り替えれば、液体窒素による駐車時の超電導コイルの超電導状態を維持でき、車に再乗車してもすぐにモータ駆動が可能となる。
【００８９】
さらに、供給制御部9は、超電導モータ1の必要駆動力に応じて液体水素用タンク51または液体窒素用タンク52のどちらか一方からコイル冷却用冷媒通路63,64へ冷媒を供給するように制御している。
【００９０】
超電導モータの必要駆動力の判断は、平均速度、走行平均勾配、運転者が選択した走行モードに基づいて判断する。
【００９１】
超電導モータの必要駆動力を平均速度に基づいて判断する場合、平均速度を車速センサ91で検出し、この検出結果を供給制御部9に入力して、供給制御部9で必要駆動力を判断する。このように平均速度に基づいて判断する場合とは、例えば、高速走行を行っているとき、即ち、所定の速度以上で走行している場合には、自動的に高い駆動力が必要と考えて、液体水素冷却を優先させる。
【００９２】
超電導モータの必要駆動力を走行平均勾配に基づいて判断する場合、走行平均勾配を車両制御用加速度センサ（Ｇセンサ）92で検出し、この検出結果を供給制御部9に入力して、供給制御部9で必要駆動力を判断する。走行平均勾配に基づいて判断する場合とは、例えば、山道で上り走行をしている場合に、走行平均勾配が所定値以上となったときに、自動的に高い駆動力が必要と考えて、液体水素冷却を優先させる。
【００９３】
超電導モータの必要駆動力を運転者が選択した走行モードに基づいて判断する場合、走行モードは、運転手がHMI(human machine interface)93に入力し、この入力結果が供給制御部9に入力されて、供給制御部9で必要駆動力を判断する。
【００９４】
この走行モードの切り替えは、運転者によるHMI93での切り替えにて実施できるようにしており、例えばスポーツモードは液体水素で冷却し、エコノミーモードは液体窒素、または液体窒素と液体水素の繰り返し供給で冷却を行う。なお、スポーツモードでは、液体水素のみで冷却するため、場合によっては使いきれなかった気化水素が発生するが、走行性能を優先して外部に放出する。
【００９５】
また、本実施形態では、超電導モータ1の超電導コイル近くに温度センサ94を設置している。この温度センサ94によって検出した温度に基づいてそのときの最大許容電流値を設定変更し、供給制御部9において、この最大許容電流内で超電導モータ1の制御も行うようにしている。
【００９６】
以上説明したように、本実施形態では、液体水素用タンク51と、液体窒素用タンク52と、コイル冷却用水素通路63と、コイル冷却用窒素通路64と、冷媒供給手段7となる液体水素用通路71、液体窒素用通路72、流量制御弁82、供給制御部9、車速センサ91、Ｇセンサ92、HMI93によりモータの冷却構造を構成している。
【００９７】
本実施形態も、以上の構成として、コイルの冷却を液体水素と液体窒素を使い分けることにより、無駄な気体水素の発生を防ぎ、爆発などの危険性を防ぐことができながら、モータの必要駆動力に応じて液体水素または液体窒素によるモータ冷却を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車などに超電導モータを用いた場合において、モータを効果的に冷却し、損失を低減することができる点で適している。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】第１実施形態にかかる超電導モータを有する電気自動車の概略構成図である。
【図２】第１実施形態にかかるモータの冷却構造の概略構成図である。
【図３】第２実施形態にかかる超電導モータを有する電気自動車の概略構成図である。
【図４】第２実施形態にかかるモータの冷却構造の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１００】
1  超電導モータ      11  保冷容器      12  ステータ      13  コイル収納部
2  燃料電池          3  車輪          4  二次電池
51  液体水素用タンク      52  液体窒素用タンク      53  気体水素供給口
6  コイル冷却用冷媒通路      61  冷媒流入口      62  冷媒流出口      
63  コイル冷却用水素通路      64  コイル冷却用窒素通路      
7  冷媒供給手段
71  液体水素用通路      72  液体窒素用通路
73  液体水素側ポンプ    74  液体窒素側ポンプ
81  三方制御弁      82  流量制御弁
9  供給制御部
91  車速センサ      92  Ｇセンサ      93  HMI      94  温度センサ
【図１】
2005057930.tif 000003
【図２】
2005057930.tif 000004
【図３】
2005057930.tif 000005
【図４】
2005057930.tif 000006