JP2005143166A

JP2005143166A - 超電導モータ車における冷却システム

Info

Publication number: JP2005143166A
Application number: JP2003374946A
Authority: JP
Inventors: Shingo Oohashi; 紳悟大橋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: JP4507561B2

Abstract

【課題】超電導モータの冷却に使用する冷媒の残量を運転手に知らせて、冷媒切れを未然に防止する。
【解決手段】超電導モータ３０と、該超電導モータ３０を冷却する冷媒を貯留しているタンク２０と、該タンク２０に搭載される冷媒の冷媒残量計測手段２２を備え、該冷媒残量計測手段２２によりタンク２０内の冷媒の残量を計測して、運転手に冷媒の残量を知らせる。また、冷媒の残量が一定量以下となった場合には、音声あるいは／および表示により運転手に警告すると共に、バックアップ用の冷却器２７を稼動させて、該冷却器により超電導モータを冷却している。
【選択図】図５

Description

本発明は、超電導モータ車における冷却システムに関し、詳しくは、超電導モータの冷却に使用する液体水素や液体窒素等の冷媒切れを未然に防止するものである。

近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇に対する懸念や内燃機関から排出される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の開発が進められている。該モータとして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誘導電流が減衰し低出力となる問題があった。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、超電導体部分での銅損がなくなり高効率とすることができると共に、モータ自身を小型化および高出力化することが可能となる利点がある。

超電導モータの超電導特性を発揮させるためには極低温に冷却する必要があり、液体水素、液体窒素、各種冷却器等を使用することが検討されている。

しかしながら、超電導モータの冷却に液体水素または液体窒素を冷媒として用いると、超電導モータとの熱交換により冷媒は気化される。液体水素を冷媒とした場合、気化された水素は電気自動車に搭載する燃料電池に供給されて電気エネルギーに変換される。一方、液体窒素を冷媒とした場合、気化された窒素はそのまま外部に放出される。
よって、超電導モータを液体水素または液体窒素の冷媒により冷却する場合には、冷媒が減少してしまうため、冷媒の補充をしなければならない。

一方、超電導モータの冷却に冷却器を用いた場合には、冷却器では超電導モータの冷却に時間がかかってしまい、かつ、冷却器を稼動するのに大きな電力を消費する問題がある。
特開平６−６９０７号公報

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に使用する冷媒の残量を運転手に表示して、冷媒切れを未然に防止することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は、超電導モータと、該超電導モータを冷却する冷媒を貯留しているタンクと、該タンクに搭載される冷媒残量計測手段を備え、かつ、
上記冷媒残量計測手段で計測される上記タンク内の冷媒の残量を運転席側に知らせる監視手段を備えていることを特徴とする超電導モータ車における冷却システムを提供している。

上記構成とすると、超電導モータを冷却する冷媒の残量が監視手段により運転手に知らされるため、運転手は常に冷媒の残量を把握することで、冷媒補充の目安とすることができ、冷媒が切れてしまうのを未然に防止することができる。冷媒の残量を運転手に知らせる手段としては、例えば、メータによる表示や音声による手段等がある。

上記冷媒残量計測手段で上記タンク内の冷媒残量が一定量以下であることを検出すると、警告信号をインストルメントパネルの表示板或いは／および音声出力機に送信して、警告表示あるいは/および警報音を発生させる警告手段を備えていることが好ましい。

上記構成とすると、冷媒の残量が一定量以下になると、運転手に警告が発せられて、運転手に冷媒の補充を促すことにより冷媒が切れてしまうのを未然に防止することができる。

上記冷媒残量計測手段で上記タンク内の冷媒残量が一定量以下であることを検出すると、別に搭載したバックアップ用の冷却器を稼動させ、該冷却器により上記超電導モータを設定値以下に冷却するバックアップモードに切り換える手段を備えていることが好ましい。

上記構成とすると、超電導モータを冷却するための冷媒が残り僅かになると、別に搭載したバックアップ用の冷却器を稼動し、該冷却器により超電導モータを冷却することができる。
バックアップ用の冷却器による超電導モータの冷却方法は、超電導モータを冷却することにより気化された気体水素や気体窒素等の冷媒を再度捕集し、この冷媒を冷却器により冷却して液化させ、液化させた冷媒により超電導モータを冷却する方法や、バックアップ用の冷却器をヘリウム等により冷却し、この冷却器に接触した気体水素や気体窒素を液化させ、液化させた冷媒により超電導モータを冷却する方法等がある。
ここで上記設定値とは、２０ケルビン以上７７ケルビン以下であることが好ましい。７７ケルビンより高いと、超電導モータを十分に冷却することができず、超電導モータのコイルを超電導状態にすることができないからである。また、２０ケルビンより低いと、必要以上に超電導モータを冷却することになり、電力に無駄が生じるからである。

上記タンク内に貯溜している冷媒は液体窒素あるいは液体水素からなることが好ましい。
上記冷媒として極低温の液体水素や液体窒素を使用することで、超電導モータを十分に冷却して超電導材料の最適作動温度を保つことができる。
なお、冷媒として液体水素を使用した場合には、燃料電池の燃料源と共用することができ好適である。

上記超電導モータを走行駆動用モータとして備える電気自動車あるいはハイブリット自動車であって、液体窒素あるいは燃料電池用の液体水素を貯溜している上記タンクを備え、該タンク内の液体窒素あるい液体水素を上記超電導モータの冷却用冷媒として用い、上記タンクから上記超電導モータの冷媒ジャケットに配管を介して循環させていることが好ましい。

上記構成とすると、電気自動車あるいはハイブリット自動車の走行駆動用モータを超電導モータとしているため、自動車の走行を効率良くすることができる。また、走行駆動用モータとしての超電導モータに冷却システムを設けることで、超電導モータを冷却する冷媒が切れるのを未然に防ぐことができ、冷媒が走行中に切れて自動車が走行不能となってしまうのを防止することができる。

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の残量が運転手に知らされるため、運転手は常に冷媒の残量を把握することで、冷媒補充の目安とすることができ、冷媒が切れてしまうのを未然に防止することができる。

また、上記冷媒の残量が一定量以下となった場合に、音声あるいは／および表示により運転手に警告する構成とすると、運転手に冷媒の補充を促すことにより冷媒が切れてしまうのを未然に防止することができる。

さらに、上記冷媒の残量が一定量以下となった場合に、バックアップ用の冷却器を稼動させて、該冷却器により超電導モータを冷却する構成とすると、超電導モータを冷却することにより気化された冷媒を上記冷却器により再び液化させて、該冷媒により超電導モータを冷却することができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図４は、本発明の第１実施形態を示す。

図１は、本発明の冷却システム１００を備えた電気自動車１０の概略図であり、電気自動車１０は超電導コイルが使用された走行駆動源となる超電導モータ３０と、超電導モータ３０を駆動するための電源であり水素と酸素を反応させて発電する燃料電池１２とを備えている。冷却システム１００は、後述する冷媒残量計測手段２２、監視手段、警告手段からなる。

燃料電池１２には、水素と酸素が供給され、該水素と酸素を反応させることで発電し、この電力が電力変換機（図示せず）で直流電流から交流電流に変換されて超電導モータ３０を駆動している。
なお、燃料電池１２への水素の供給については後述する。

超電導モータ３０は、図２に示すように、ハウジングとなる固定子３１の内周面に電気子側の超電導コイル３２である第１コイル３２Ａ、第２コイル３２Ｂ、第３コイル３２Ｃを周方向に１２０°の等間隔をあけて設置している。第１〜第３コイル３２Ａ〜３２Ｃにはそれぞれ燃料電池１２から電線１１を介して三相交流が供給されており、電線１１は３本の分岐線１１ａに分かれて各コイル３２Ａ〜３２Ｃに給電されている。

固定子３１内において超電導モータ３０の回転駆動軸３３に界磁側の超電導コイル３４が固定されており、回転駆動軸３３の一端側は駆動伝達手段（図示せず）まで延在されている。
なお、超電導コイル３２、３４にはビスマス系超電導線材を使用しているが、イットリウム系、タリウム系、ビスマス系の酸化物等のセラミック材を用いてもよい。

超電導モータ３０の動作は、燃料電池１２から第１コイル３２Ａ、第２コイル３２Ｂおよび第３コイル３２Ｃに三相交流が供給されることにより、各コイル３２Ａ〜３２Ｃへの給電の位相ズレにより固定子３１内に回転磁界が発生し回転駆動軸３３が回転される。そして、回転駆動軸３３のトルクが駆動伝達手段に伝達されることで電気自動車１０の車輪の回転動力が得られる。

超電導モータ３０は断熱性を有する冷媒ジャケット１３内に配置され、該冷媒ジャケット１３には液体水素タンク２０から液体水素を供給する液体水素用配管１４が接続されている。液体水素タンク２０は冷却装置２１内に配置され、該冷却装置２１により液体水素タンク２０内の液体水素を約２０ケルビンの極低温まで冷却している。冷却装置２１により極低温まで冷却された液体水素は、液体水素用配管１４を通して冷媒ジャケット１３に供給され、超電導モータ３０を冷却するために使用される。

また、液体水素タンク２０には、液体水素の残量を計測する冷媒残量計測手段２２が搭載されており、該冷媒残量計測手段２２は、図３に示すように、圧力検出器４０と、中継器４１と、変換器４２とからなる。圧力検出器４０は、液体水素タンク２０内に搭載される一方、中継器４１と変換器４２は、液体水素タンク２０外の近傍に配置されている。

圧力検出器４０は、ケース４３に設けた圧力導入口４３ａと対向して差圧検出センサ４８を設け、該差圧検出センサ４８は、ベローズ４４、圧力測定用ばね４５、鉄心４６、コイル４７を備えている。該差圧センサ４８では、ベローズ４４のケース４３外部とケース４３内部に作用する圧力の差に応じて圧力測定用ばね４５の付勢力に抗して鉄心４６が移動し、この移動により生じるコイル４７の出力の変化からベローズ４４内外の圧力差を検出している。

圧力検出器４０は、差圧検出センサ４８の出力信号を送信する信号線４９ａ、４９ｂと、可撓性を有する管部材からなる大気圧導入パイプ５０とを備える１本の中空ケーブル５１を介して中継器４１に接続されている。大気圧導入パイプ５０は、一端が圧力検出器４０のケース４３内で開口する一方、他端が中継器４１のケース５２内で開口しており、また、中継器４１のケース５２には大気導入口５３が設けられている。よって、圧力検出器４０のケース４３内部には、大気圧導入口５３、中継器４１のケース５２の内部及び大気圧導入パイプ５０を介して大気圧が導入される。

差圧検出センサ４８の信号線４９ａ、４９ｂは、中継器４１のケース５２内の基板５４に接続されており、該基板５４に設けた回路（図示せず）は差圧検出センサ４８の出力信号に応じた電流を出力する。また、基板５４は信号線５５ａ、５５ｂを備えるケーブル５６により、電源供給を行う変換器４２に接続されている。また、該変換器４２は、送信線ｗを介して、測定した水圧から導き出される液体水素の残量を表示するインストルメントパネルの表示板２３及び音声出力機２４に接続している。

冷媒残量計測手段２２により計測された液体水素タンク２０内の液体水素の残量が送信線ｗを介して表示板２３に伝達されて、図４に示すインストルメントパネルの表示板２３に設けた液体水素の冷媒残量メータ２５（監視手段）により液体水素の残量および残りの液体水素で自動車が走行できる距離が表示される。

また、本実施形態の冷却システムは、表示板２３に設けた警告灯２６と音声出力機２４からなる警告手段を備えている。液体水素タンク２０内の液体水素の残量が一定量以下になると、冷媒残量計測手段２２から送信線ｗを介して表示板２３と音声出力機２４に警告信号が送信されて、警告灯２６が点滅して警告表示すると共に、音声出力機２４が警告音を発して運転手に液体水素の残量が僅かであることを警告する。

また、超電導モータ３０を収容している冷媒ジャケット１３には、気化冷媒抽出口１５が設けられており、該気化冷媒抽出口１５は水素ガス用配管１６を介して燃料電池１２と接続されている。液体水素タンク２０から冷媒ジャケット１３に供給された液体水素は、超電導モータ３０を冷却することにより気化し、この気化した水素は気化冷媒抽出口１５から抽出され、水素ガス用配管１６を通して燃料電池１２に供給され発電用燃料として使用される。

上記構成とすると、超電導モータ３０を冷却する冷媒として使用される液体水素の残量が冷媒残量メータ２５により運転手に表示されるため、運転手は常に液体水素の残量を把握することができ、かつ、液体水素の残量が一定量以下になると、警告灯２６と音声により運転手に警告が発せられて、運転手に液体水素の補充を促すことにより液体水素が切れてしまうのを未然に防止することができる。
なお、上記冷却システムを搭載する自動車は電気自動車に限らず、ハイブリット自動車であってもよい。
また、上記冷却システムにより冷却する超電導モータは、自動車の走行駆動用モータに限らず、自動車内の機器を稼動させるためのモータとして使用してもよい。

図４は、本発明の第２実施形態を示す。
本実施形態の冷却システム１００’は、第１実施形態と同様の冷媒残量計測手段２２’、監視手段、警告手段に加え、バックアップ用の冷却器２７を備えている。

本実施形態では、超電導モータ３０を冷却する冷媒として液体窒素を使用し、超電導モータ３０を駆動する電源は燃料電池ではなく、従来から用いられているバッテリー１７を使用している。また、冷媒ジャケット１３’内には上記バックアップ用の冷却器２７が搭載されており、該冷却器２７は液体窒素タンク２０’内の冷媒残量計測手段２２’と送信線ｗ’により接続されている。また、冷媒ジャケット１３’の気化冷媒抽出口１５’には配管を接続せず、超電導モータ３０の冷却により気化された窒素は、液体窒素の残量が一定量以下になるまでは気化冷媒抽出口１５’からそのまま外部へ放出される。

上記第１実施形態と同様、液体窒素タンク２０’内の液体窒素の残量は冷媒残量計測手段２２’により計測され、冷媒残量メータ２５により表示される。また、液体窒素の残量が一定量以下になると、警告灯２６が点滅して警告表示すると共に、音声出力機２４’が警告音を発して運転手に液体窒素の残量が僅かであることを警告する。本実施形態では、液体窒素の残量が一定量以下になると、冷媒残量計測手段２２’から冷媒ジャケット１３’内の冷却器２７に信号が伝達されて冷却器２７が稼動し始め、該冷却器２７により気化さた窒素が捕集され２０ケルビンまで冷却されて再び液化され、該液体窒素により超電導モータ３０を冷却するバックアップモードに切り替えられる。よって、液体窒素タンク２０’から供給される液体窒素が切れても、再度液化された液体窒素により超電導モータ３０を冷却することができるため、電気自動車１０’の駆動を継続することができる。このとき、気化冷媒抽出口１５’は閉鎖して、気化された窒素が外部に放出されないようにしている。
なお、バックアップ用の冷却器２７をヘリウム等により冷却し、この冷却された冷却器２７に接触した気体窒素を液化させ、液化させた液体窒素により超電導モータを冷却してもよい。
また、他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様のため、同一の符号を付して説明を省略する。

本発明の第１実施形態の電気自動車の概略図である。電気自動車駆動用の超電導モータを示す図面である。冷媒残量計測手段を示す図面である。表示板を示す図面である。第２実施形態の電気自動車の概略図である。

符号の説明

１０電気自動車
１１電線
１１ａ分岐線
１２燃料電池
１３冷媒ジャケット
１４液体水素用配管
１５気化冷媒抽出口
１６水素ガス用配管
１７バッテリ
２０液体水素タンク
２１液体水素用の冷却装置
２２冷媒残量計測手段
２３表示板
２４音声出力機
２５冷媒残量メータ
２６警告灯
２７バックアップ用の冷却器
３０超電導モータ
３１固定子
３２電気子側の超電導コイル
３４界磁側の超電導コイル
３３回転駆動軸
１００冷却システム

Claims

超電導モータと、該超電導モータを冷却する冷媒を貯留しているタンクと、該タンクに搭載される冷媒残量計測手段を備え、かつ、
上記冷媒残量計測手段で計測される上記タンク内の冷媒の残量を運転席側に知らせる監視手段を備えていることを特徴とする超電導モータ車における冷却システム。
上記冷媒残量計測手段で上記タンク内の冷媒残量が一定量以下であることを検出すると、警告信号をインストルメントパネルの表示板或いは／および音声出力機に送信して、警告表示あるいは/および警報音を発生させる警告手段を備えている請求項１に記載の超電導モータ車における冷却システム。
上記冷媒残量計測手段で上記タンク内の冷媒残量が一定量以下であることを検出すると、別に搭載したバックアップ用の冷却器を稼動させ、該冷却器により上記超電導モータを設定値以下に冷却するバックアップモードに切り換える手段を備えている請求項１または請求項２に記載の超電導モータ車における冷却システム。
上記タンク内に貯溜している冷媒は液体窒素あるいは液体水素からなる請求項１乃至請求項３に記載の超電導モータ車における冷却システム。
上記超電導モータを走行駆動用モータとして備える電気自動車あるいはハイブリット自動車であって、液体窒素あるいは燃料電池用の液体水素を貯溜している上記タンクを備え、該タンク内の液体窒素あるい液体水素を上記超電導モータの冷却用冷媒として用い、上記タンクから上記超電導モータの冷媒ジャケットに配管を介して循環させている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の超電導モータ車における冷却システム。