(57)【要約】  【課題】  超電導モータの冷却効率を高めると共に、冷却機構を簡単にする。  【解決手段】  超電導モータの超電導コイルの周囲に冷媒を配置すると共に、該超電導モータに近接して冷却機を配置し、該冷却機で前記冷媒を凝固させるまで冷却させて、凝固された固体冷媒により前記超電導コイルを直接冷却あるいは間接冷却する構成としている。前記冷媒充填部に対して前記冷却機のコールドヘッドを直接挿入して液化した冷媒を凝固させる構成としている。  【選択図】  図１
2005237060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導モータの超電導コイルの周囲あるいは近接位置に冷媒充填部を設けると共に、該超電導モータに近接して冷却機を配置し、該冷却機で前記冷媒充填部内の冷媒を凝固させるまで冷却させて、凝固された固体冷媒により前記超電導コイルを直接冷却あるいは間接冷却する構成としていることを特徴とする超電導モータの冷却装置。
【請求項２】
前記冷媒充填部に対して前記冷却機のコールドヘッドを直接挿入して冷媒を凝固させる構成としている請求項１に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項３】
前記超電導モータの回転子に超電導コイルを取り付けると共に、該回転子の中空部を冷媒充填部とし、該冷媒充填部に前記冷却機から突出させたコールドヘッドを挿入して前記超電導コイルの冷却で液化する前記冷媒を凝固させる構成としている請求項１または請求項２に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項４】
前記超電導モータの回転子に超電導コイルを取り付けると共に固定子に常電導コイルを取り付け、あるいは回転子と固定子に超電導コイルを取り付け、前記固定子と回転子の間の空間に高熱伝導材からなる隔壁を設け、該隔壁で区画された外周空間を冷媒充填部とし、前記冷却機から突出させたコールドヘッドを前記冷媒充填部あるいは該冷媒充填部と連通させて設けた冷媒充填管内に挿入して前記超電導コイルの冷却で液化する前記冷媒を凝固させる構成としている請求項１または請求項２に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項５】
前記超電導モータを冷媒を充填した冷媒ジャケットで覆うと共に、前記冷却機から突出させたコールドヘッドを前記冷媒ジャケットの冷媒充填部分に差し込み、前記超電導コイルの冷却で液化する前記冷媒を凝固させる構成としている請求項１または請求項２に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項６】
前記冷媒ジャケットにペルチェ素子を貼付けて冷媒の液化を抑制している請求項５に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項７】
前記冷媒は全てが液化された時に前記冷却機を動作させて凝固させる構成としている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項８】
前記冷媒充填部に冷媒温度検出センサーを配置し、該センサーからの検出温度から冷媒が液化しているか否か判断する判別手段を備え、該判別手段により前記冷媒が液体であると判断された時に前記冷却機を動作させて、冷媒を凝固させる構成としている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項９】
超電導モータは自動車、電車等を含めた移動体に搭載され、該移動体の停止時に外部固定電源から前記冷却機に電力を供給して稼動させ、前記冷媒を凝固させる構成としている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の超電導モータの冷却装置。
【請求項１０】
前記冷媒として窒素、水素、ネオン、アルゴン、天然ガス、アンモニアあるいはヘリウムを用い、これら冷媒を凝固させて超電導コイルを冷却する構成としている請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の超電導モータの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータの冷却装置に関し、詳しくは、超電導モータの冷却機構を改良し、冷媒の熱交換効率を高めると共に、冷媒循環用の配管を不要とするものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇や内燃機関の排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気によりモータを駆動して走行する電気自動車やハイブリッド車の開発が進められている。常電導モータを使用した場合には、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に通電電流が限られるため高出力化が困難な問題があった。そこで、特開平６−６９０７号公報に開示されているように、超電導モータを採用すれば、超電導コイルでの銅損がなくなり高効率になると共に、モータ自身を小型化および高出力化することができる。
【０００３】
超電導モータを稼働させるには超電導コイルを極低温の超電導温度（例えば、７７ケルビン）まで冷却する必要があるため、冷却手段が非常に重要となる。
上記冷却手段では、超電導モータの冷媒充填部を冷却機と配管を介して循環させ、超電導コイルの冷却により気化した冷媒を冷却機で液化して超電導モータの冷媒充填部に充填している。
【０００４】
しかしながら、配管を介して冷媒を供給すると、冷却機で冷却した冷媒が配管内を流通するときに再度気化しやすく、冷却効率が非常に悪くなる問題がある。また、冷媒が液体状態であると、超電導モータの超電導コイルの冷却時に気化しやすく長時間超電導コイルを冷却することができず、冷却機に常時循環させて液化する必要があり、そのため冷却機への電力供給量が増大する問題もある。
さらに、超電導モータを駆動時に冷却機も駆動させると、これら超電導モータと冷却機の両方に電力を供給する必要があるため、発電機も大型化する必要が生じる。
【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】
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、超電導モータの冷却装置を改良し、超電導コイルの冷却効率を高めると共に、冷却機の稼働率を低減できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、超電導モータの超電導コイルの周囲あるいは近接位置に冷媒充填部を設けると共に、該超電導モータに近接して冷却機を配置し、該冷却機で前記冷媒充填部内の冷媒を凝固させるまで冷却させて、凝固された固体冷媒により前記超電導コイルを直接冷却あるいは間接冷却する構成としていることを特徴とする超電導モータの冷却装置を提供している。
【０００７】
前記構成とすると、超電導モータを冷却する冷媒を冷却して凝固させ、超電導モータの超電導コイルの冷却を固体冷媒で行っているため、液体時よりも冷媒温度を低温化でき、超電導モータの超電導特性を有効に発揮させて、高出力を得ることができる。
また、固体冷媒は熱容量が高いため、長時間継続して超電導モータを冷却し続けることができる。
さらに、固体冷媒が液化されても体積がほとんど変わらない、もしくは減少するため、冷媒充填部の容積を大きくしておく必要はなく、冷媒充填部に充填した状態のままで、液化した冷媒を凝固して固体化することができる。
【０００８】
前記冷媒充填部に対して前記冷却機のコールドヘッドを直接挿入して、前記冷媒充填部の液化した冷媒を凝固させる構成としている。
前記のように、超電導モータ装置に近接して冷却機を配置して、超電導モータの冷媒充填部に冷却機のコールドヘッドを直接挿入し、該コールドヘッドで液化した冷媒を凝固させる構成としているため、当然のことながら、従来設けられていた冷媒充填部と冷却機との間を接続する冷媒流通管が不要とすることができ、その間で発生していた液体冷媒の気化を無くすことができ、冷媒の熱交換効率を最大限に利用することができ、超電導コイルの冷却を効率よく行うことができる。
さらに、冷媒を循環させる流通管を不要としているため冷却機構が複雑化および大型化しない利点もある。
【０００９】
具体的には、前記超電導モータの回転子に超電導コイルを取り付けると共に、該回転子の中空部を冷媒充填部とし、該冷媒充填部に前記冷却機から突出させたコールドヘッドを挿入して前記超電導コイルの冷却で液化する前記冷媒を凝固させる構成としている。
この場合、回転子の軸芯に沿った中空部を冷媒充填部としているため、該冷媒充填部にコールドヘッドを回転させずに挿入した状態に保持しておくことができる。
【００１０】
また、前記超電導モータの回転子に超電導コイルを取り付けると共に固定子に常電導コイルを取り付け、あるいは回転子と固定子に超電導コイルを取り付け、前記固定子と回転子の間の空間に高熱伝導材からなる隔壁を設け、該隔壁で区画された外周空間を冷媒充填部とし、前記冷却機から突出させたコールドヘッドを前記冷媒充填部あるいは該冷媒充填部と連通させて設けた冷媒充填管内に挿入して前記超電導コイルの冷却で液化する前記冷媒を凝固させる構成としてもよい。
【００１１】
さらに、前記超電導モータを冷媒を充填した冷媒ジャケットで覆うと共に、前記冷却機から突出させたコールドヘッドを前記冷媒ジャケットの冷媒充填部分に差し込み、前記超電導コイルの冷却で液化する前記冷媒を凝固させる構成としてもよい。
【００１２】
前記冷媒ジャケットにペルチェ素子を貼り付けておき、ペルチェ冷却を補助的な冷却手段として用い、冷媒の液化を抑制してもよい。
【００１３】
前記冷媒は全てが液化された時に前記冷却機を動作させて凝固させる構成とすることが好ましい。
即ち、液化状態となっても、超電導コイルを超電導温度まで冷却できる冷媒であれば、冷却に利用できるため、冷却機を稼働させる必要がなく、冷却機の電力消費量を低減できる。
【００１４】
前記した観点より、冷媒として窒素、水素、ネオン、アルゴン、天然ガス、アンモニア、ヘリウム等が利用でき、大気圧下で飽和蒸気温度が１５Ｋ〜１００Ｋである冷媒が好適に用いられる。
【００１５】
具体的には、前記冷媒充填部に冷媒温度検出センサーを配置し、該センサーからの検出温度から冷媒が液化しているか否か判断する判別手段を備え、該判別手段により前記冷媒が液体であると判断された時に前記冷却機を動作させて、冷媒を凝固させる構成としている。
【００１６】
超電導モータが自動車、電車等を含めた移動体に搭載され、該超電導モータが移動用動力として用いられる場合、該移動体の停止時に外部固定電源から前記冷却機に電力を供給して稼動させ、前記冷媒を凝固させる構成とすることが好ましい。
【００１７】
前記構成とすると、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動体が移動しているときには冷却機を稼働しないため、車載の発電機やバッテリーの電力を駆動用に全て使用でき、駆動用出力を低下させず、かつ、発電機やバッテリーを小型化できる。また、移動体の停止中に外部電源で冷却機を稼働させて冷媒を凝固させておくと、車載のバッテリーからの給電量を低減することができる。
【００１８】
前記超電導モータの超電導コイルを形成する超電導線は、例えば、酸化ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅系超電導材、酸化イットリウム・バリウム・銅系超電導材、水銀をベースとした超電導材、タリウムをベースとした超電導材等の酸化物からなる高温超電導材が用いられる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、超電導モータを冷却する冷媒を凝固させ、超電導モータの超電導コイルを固体冷媒により冷却しているため、液体冷媒のときよりも低温にでき、超電導モータの超電導特性をさらに発揮させて、高出力を得ることができる。
また、固体冷媒は熱容量が高いため、長時間継続して超電導モータを冷却し続けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は電気自動車に搭載した車両駆動用の超電導モータの冷却装置の第１実施形態を示す。該電気自動車は水素と酸素を反応させて発電する燃料電池車である。
なお、本発明の超電導モータを搭載する車両は燃料電池車に限らず、ハイブリッド車でもよく、さらに、超電導モータで駆動させる電車、エレベータ等の移動体全般に適用できる。
【００２１】
超電導モータ１０は、固定子１１に超電導コイル１３を配置する一方、該固定子１１の内部の回転子２０は、回転駆動軸１２に超電導コイル１５を固定した構成としている。上記超電導コイル１３、１５としては、ビスマス系、イットリウム系、タリウム系の酸化物超電導体が用いられる。
【００２２】
前記回転子２０と固定子１１の間の円環状の空間には高熱伝導材からなる隔壁１６を設け、該隔壁１６で区切られた外周空間を冷媒充填部２２としている。この冷媒充填部２２は固定子１１の端面に形成した貫通孔１１ａに冷却機３０から突出したコールドヘッド３１を差し込み、冷媒充填部２２に封入している液体窒素と接触させて冷却し、液体窒素を凝固して固体窒素Ｓとしている。前記冷媒充填部２２には予め液体窒素を封入しており、該液体窒素はコールドヘッド３１と接触して冷却され、凝固して固体窒素Ｓとされる一方、液化した窒素は、冷却機２０を稼働することによりコールドヘッド３１との接触で、再度凝固されて固体窒素となるようにしている。
前記固体窒素Ｓの温度は６３Ｋ以下となり、超電導材の冷却剤としては十分な超低温となる。
【００２３】
前記固体窒素Ｓにより固定子１１の超電導コイル１３を覆って直接冷却する一方、隔壁１６を介して回転子側の超電導コイル１５は固体窒素Ｓにより間接冷却する構成としている。前記隔壁１６は銅、銀、ダイヤ、アルミニウム（窒化アルミ等）の高熱伝導材を用いて形成しているため、回転子側の超電導コイル１５も超電導温度まで十分に冷却される。
【００２４】
前記冷却機３０は車両に搭載したバッテリー３３と接続している。また、前記冷媒充填部２２に面する固定子１１の内面には温度センサー４０を取り付け、該温度センサー４０から検知信号を受ける判別手段４１を設け、該判別信号４１からの信号でバッテリー３３と冷却機３０との回路を開き、冷却機３０を稼働してコールドヘッド３１を冷却モードに切り替える設定としている。即ち、温度センサー４０で測定された温度が冷媒が全て液化した温度であると判別手段４１が判断すると、冷却機３０を稼働して、液化した窒素を冷却して凝固させ、再度固体窒素としている。
【００２５】
前記固定子１１の外周面は断熱材１７で囲んでいる。さらに、冷却機３０にはコード３４を接続し、家庭用電源３５との接続を可能としている。よって、夜間停車時等において、家庭用電源３５と冷却機３０とを接続して、冷却機３０に電源を供給し、停車時に液化した窒素を凝固させておくことができる。
【００２６】
前記構成とすると、超電導コイル１３、１５を冷却する冷媒を凝固させているため、液体状態より低温化でき、超電導コイルを超電導温度以下まで十分に冷却することができる。かつ、冷却により加熱されて液化した状態であっても冷媒が超電導温度に超電導コイルを冷却することができれば、冷媒による冷却時間を長時間持続することができる。
かつ、コールドヘッド３１を冷媒充填部２２内に直接差し込むと共に、冷媒充填部２２内に冷媒を封入された状態のままとして、液化と凝固を繰り返させるため、従来必要であった冷媒用の配管が不要となり、該配管流通時に生じる冷媒の気化による熱損失も発生させない利点がある。
【００２７】
また、冷媒の温度を温度センサー４０で検出し、判別手段４１で冷媒の全てが液化した状態で冷却機３０を稼働して冷媒を凝固させているため、冷却機３０の稼働を必要時のみ行えばよく、バッテリーからの供給電力を増大させない利点がある。さらに、夜間停車時等に家庭用電源で冷却機３０を稼働させて冷媒を凝固させておくと、車載のバッテリーや発電機から冷媒の凝固に必要な電力量を低減することができる。
【００２８】
図２および図３は第２実施形態を示し、超電導モータ１０を冷媒となる液体水素を封入した冷却ジャケット５０で囲繞している。該冷却ジャケット５０は高熱伝導材で形成し、内部に冷媒充填部５１を備え、該冷媒充填部５１の内部に予め液体水素を封入している。該冷媒充填部５１の内部には第１実施形態と同様に冷却機３０のコールドヘッド３１を直接差し込んで、冷媒と接触させ、液体水素を凝固して固体水素Ｓ’としている。
【００２９】
さらに、冷却ジャケット５０の外周面にはペルチェ素子６２を補助冷却手段として貼り付け、固体水素Ｓ’が液化するのを遅延させている。
前記ペルチェ素子６２は図３に示すように、冷却ジャケット５０の外面にペルチェ素子６２の吸熱面６２ａを当接させて貼着し、冷媒を冷却している。ペルチェ素子６２はｐ型とｎ型半導体からなる熱伝素子６２ｃ、６２ｄを並列に配置すると共に直列接続して電流を流し、かつ、両面にセラミックス板６２ｅ、６２ｆを取り付けた構成からなる。このペルチェ素子６２は通電時にペルチェ効果により吸熱面６２ａと放熱面６２ｂが生成され、吸熱面６２ａを当接させた冷却ジャケット５０の凝固した冷媒は冷却され、液化を遅延させることができる。
【００３０】
前記冷却ジャケット５０の冷媒充填部５１には、冷媒温度検出センサー４０を取り付け、該センサー４０を判別手段４１と接続し、冷却機３０の稼働を制御している点、および家庭用電源と接続可能としている点は第１実施形態と同様である。
【００３１】
前記構成とすると、超電導モータ１０の全体が冷却ジャケット５０内の固体冷媒で冷却されることとなり、固定子１１および回転子２０の両方あるいは回転子２０側にのみ超電導コイルを設けている場合のいずれの場合も、超電導コイルは超電導温度まで十分に冷却することできる。尚、他の作用は第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００３２】
図４は第３実施形態を示し、超電導モータ１０は、回転駆動軸１２’の外周面に超電導コイル１５’を取り付けると共に、回転駆動軸１２’を中空軸とし、軸線に沿った中空部を冷媒充填部２０ａ’としている。前記回転駆動軸１２’の一端は超電導モータ１０より外部に突出して駆動伝達手段と連結される一方、回転駆動軸１２’の他端から冷媒充填部２０ａ’に冷却機３０のコールドヘッド３１を直接差し込んで、液体窒素を凝固させて固体冷媒としている。
超電導モータ１０の固定子１１’には常電導のコイル６０を取り付けている。
【００３３】
前記構成とすると、超電導コイル１５’を取り付けた回転子の軸芯に冷媒充填部を設け、該冷媒充填部に封入している液体窒素がコールドヘッド３１で冷却されて凝固し、固体窒素Ｓとなっているため、超電導コイル１５’は超電導温度まで十分に冷却できる。
他の構成および作用は第１、第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の超電導モータ装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等の移動体の動力源として好適に用いられるものである。また、移動体に限らず、超電導モータを使用する機器において、超電導材を超電導温度まで冷却する必要があるため、本発明の冷却装置を好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態の断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の断面図である。
【図３】第２実施形態で補助冷却に用いるペルチェ素子の概略図である。
【図４】本発明の第３実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  超電導モータ
１１  固定子
１２  回転駆動軸
１３、１５  超電導コイル
２２  冷媒充填部
３０  冷却機
３１  コールドヘッド
５０  冷却ジャケット
６２  ペルチェ素子
【図１】
2005237060.tif 000003
【図２】
2005237060.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005237060.tif 000006