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JP2009147187A - 発熱体の冷却装置 - Google Patents

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Kazuhiko Matsumoto
和彦 松本
Masa Sawaguchi
雅 沢口
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Calsonic Kansei Corp
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    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
    • HELECTRICITY
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Abstract

【課題】発熱体を均一に冷却できると同時に、防水・防塵性に優れる発熱体の冷却装置の提供。
【解決手段】冷却媒体通路9に配置されるヒートシンク12と、バッテリモジュール1と密着した状態で設けられる受熱板10と、受熱板10とヒートシンク12を冷媒による熱移動で熱的に連結するヒートパイプ11を備えることとした。
【選択図】図2

Description

本発明は、発熱体の冷却装置に関する。
従来、発熱体としての複数のバッテリモジュールの間に冷却風を通過させて各バッテリモジュールを冷却するようにした技術が公知になっている(特許文献1参照)。
特開2007−172982号公報
しかしながら、従来の発明にあっては、複数のバッテリモジュール間に冷却風を通過させて各バッテリモジュールを直接冷却していたため、バッテリモジュール間に流入する冷却風の流量も異なる上、バッテリモジュール間を流れる冷却風の温度はその上流側と下流側で異なるため、バッテリモジュールの部位によって温度差が生じ、バッテリ残量を有効に活用できず、寿命の悪化にも繋がるという問題点があった。
また、バッテリモジュール間の防水・防塵性能が低いという問題点があった。
さらに、バッテリモジュール間に冷却風を流すための空間が必要になり、バッテリの大型化や接続配線の延長による抵抗の増大を招くという問題点があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、発熱体の均一な冷却、防水・防塵性能の向上、及び小型・軽量化等を実現できる発熱体の冷却装置を提供することである。
請求項1記載の発明では、放熱空間に配置される放熱部と、発熱体と密着した状態で設けられる受熱部と、上記受熱部と放熱部を冷媒による熱移動で熱的に連結する連結部を備えることを特徴とする。
請求項1の発明では、発熱体で発生した熱を受熱部で受熱した後、連結部を介して放熱部の放熱空間で放熱でき、発熱体を均一に冷却できる。
また、受熱部は発熱体に密着した状態で設けられるため、防水・防塵性能を向上できる。
さらに、発熱体を電気的に接続した複数のモジュールとした場合に各モジュール間に冷却媒体を流通させるための空間を形成する必要がなく、小型・軽量化や配線抵抗の低減を実現できる。
以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
以下、実施例1を説明する。
図1は実施例1のバッテリパックの平面図、図2は実施例1のバッテリパックの内部を説明する断面図、図3は実施例1のバッテリモジュール、受熱板、ヒートパイプ、ヒートシンクを組み付けた斜視図、図4は実施例1の受熱板とヒートパイプの固定を説明する分解図である。
図5は図1のS5−S5線における断面図、図6は実施例1の受熱板とヒートパイプの固定を説明する図である。
先ず、全体構成を説明する。
図1、2に示すように、実施例1の発明では、後述するバッテリモジュール1(請求項の発熱体に相当)等を収容した箱状の筐体2を有するバッテリパック3が備えられ、例えばハイブリッド自動車の電動機(主に走行用モータ)に電気を供給するためのバッテリとして車両に搭載されるものである。
筐体2の四隅の一角に相当する部位には、筐体2に開口された導入口4から冷却風(請求項の冷却媒体に相当)を筐体2内に導入するための入口パイプ5が連通接続される他、この入口パイプ5の途中には冷却風を筐体2内へ送出するためのファン6が設けられている。
また、筐体2の四隅の入口パイプ5と対向する位置には、筐体2に開口された排出口7から冷却風を筐体2外へ排出するための出口パイプ8が連通接続されている。
これにより、筐体2内には、図2中一点鎖線矢印で示す冷却風が導入口4から排出口7へ向かう冷却媒体通路9(請求項の放熱空間に相当)が形成されている。
図3、4に示すように、筐体2内には、複数のバッテリモジュール1と、受熱板10(請求項の受熱部に相当)と、ヒートパイプ11(請求項の連結部に相当)と、ヒートシンク12(請求項の放熱部に相当)とが組み付けられた状態で収容される他、図2に示すように、ヒートシンク12は前述した冷却媒体通路9に配置されている。
バッテリモジュール1は、図示を省略する車両の電動機(主に走行用モータ)に電気を供給するためのものであって、公知のように、繰り返し充放電が可能なニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、またはリチウムイオン電池等の二次電池が採用されている。
また、バッテリモジュール1は、冷却媒体通路9の長手方向と直交する方向へ長い長尺の板状に形成される他、図5に示すように、後述する受熱板10によって縦3個×横2個に並べられた状態で組み付けられたバッテリモジュール1a〜1fで構成されている。
また、図2に示すように、各バッテリモジュール1a〜1f同士は、筐体2との隙間H1に配設された図示を省略する接続配線により、互いに電気的に直列または並列に接続されている。
図5に示すように、受熱板10は、互いに接合され、且つ、バッテリモジュール1a〜1fの内側にそれぞれ密着した状態で組み付けられた2枚の板状の内側受熱板13,14(請求項の分割部に相当)と、バッテリモジュール1a〜1fの外側に組み付けられた外側受熱板15,16で構成されている。
また、受熱板11〜14には、その厚み方向に凹設された溝17が各受熱板11〜14の長手方向の全長に亘って形成されると共に、各溝17にそれぞれ対応するバッテリモジュール1a〜1fの各部が嵌合した状態で組み付けられている。
従って、各バッテリモジュール1a〜1f同士間とそれらの外周部は受熱板10によって略覆われた状態となっている。
なお、実施例1では、バッテリモジュール1a〜1fと外側受熱板15,16の溝17との間には矩形状の隙間H2が貫通形成されているが、この限りではない。
ヒートパイプ11は、内側受熱板13,14の内部、詳細には各バッテリモジュール1a〜1fの幅方向中央位置にそれぞれ収容された円形断面状のヒートパイプ11a〜11cで構成されている。
具体的には、図4に示すように、内側受熱板13,14同士の接合面には、各ヒートパイプ11a〜11cを収容するための半円形断面の溝18a,18bが内側受熱板13,14の長手方向の全長に亘ってそれぞれ形成されており、各ヒートパイプ11a〜11cを収容する際には、先ず、図6(a)に示すように、内側受熱板13,14の間に、予め製造すべき外径よりも僅かに大きな外径を有するヒートパイプ11の母材Wをそれぞれ配置する。
次に、図6(b)に示すように、図外のプレス用成形装置で内側受熱板13,14を当接させて、円形状に重なった溝18で母材Wをプレス成形して所望の外形に変形させることにより、ヒートパイプ11の一端部を除く部分と溝17を密着させることができるようになっている。
なお、その後、少なくとも内側受熱板13,14同士は図外の溶接または固定部材等により接合される。
ヒートパイプ11は、冷媒が封入された円形断面の管状部材で構成されており、その一端部は内側受熱板13,14から冷却媒体通路9に突出した状態で配置され、ここに後述するヒートシンク12が図外の溶接により固定されている。
ヒートパイプ11は、公知のようにサイホンと同様の動作原理で作動する。
実施例1では、内側受熱板13,14と密着した加熱部で冷媒の蒸発が生じ、冷媒の蒸気がヒートシンク12側の冷却部に移動して凝縮し、ここで、蒸発潜熱の受け渡しが行われる。
その後、凝縮した冷媒はヒートパイプ11内に設けられた図示を省略するウィックの毛細管作用で加熱部へ再び戻ることにより、加熱部から冷却部への熱の移動が行われるようになっている。
ヒートシンク12は、冷却媒体通路9を流れる冷却風の流れに沿って所定間隔で配置された複数(実施例1では5枚)の薄板状のフィン19で構成される他、各フィン19は、各ヒートパイプ11a〜11cの一端部が貫通した状態で図外の溶接により固定支持されている。
その他、実施例1では、少なくとも受熱板10、ヒートパイプ11、及びヒートシンク12の各部はアルミや銅等の熱伝導性が高い素材を用いて形成されている。
次に、作用を説明する。
[バッテリモジュールの冷却について]
このように構成されたバッテリパック3では、冷却風を図外の供給元から入口パイプ5を介してファン6で導入口4から筐体2内に導入して冷却媒体通路9を通過させた後、排出口7から出口パイプ8を介して筐体2外の図外の排出先へ排出する。
なお、冷却風の供給元は、例えば、車室内空調用のエアコンの風(または車室内空気)が用いられ、バッテリモジュール1の温度に応じて冷却風の温度とファン6による導入量を調整できるようにする。なお、バッテリモジュール1の温度はその発熱量により算出できる。
一方、冷却風の排出先は、例えば、車外(または車室内、トランクルーム等)とする。
そして、バッテリモジュール1が発熱して発生した熱を、受熱板10で受熱させた後、ヒートパイプ11を介してヒートシンク12に移動させると共に、フィン19で冷却風と熱交換させて放熱させることにより、バッテリモジュール1を冷却できる。
この際、前述したように、バッテリモジュール1、受熱板10、ヒートパイプ11は互いに密着した状態で組み付けられているため、バッテリモジュール1の熱を受熱板10を介してヒートパイプ11に効率良く伝達でき、これにより、ヒートパイプ11は受熱板10から受けた熱をヒートシンク12へ効率良く移動できる。
また、ヒートシンク12のフィン19を冷却風の流れ方向に沿って配置しているため、冷却風を冷却媒体通路9にスムーズに流して放熱効果を促進できる。
従って、冷却風を各バッテリモジュール1a〜1f間に通過させて冷却する場合に比べて、冷却風の上下流の温度差や不均一な流通によってバッテリモジュール1の部位によって温度差が生じる虞がなく、バッテリモジュール1を均一に冷却でき、バッテリモジュール1の残量を有効に活用できると同時に長寿命化を実現できる。
[防水性・防塵性について]
また、実施例1では、前述したように、各バッテリモジュール1a〜1f間に冷却風が通過しない上、各バッテリモジュール1a〜1fは受熱板10で略覆われた状態で組み付けられるため、防水性・防塵性に優れる。
加えて、ファン6のモータは通常、各バッテリモジュール1a〜1f間の摩耗粉の詰まりを防止するために、摩耗粉の発生が少ないブラシレスモータを採用することが多いが、実施例1では、ブラシ付きモータを採用することも可能となる。
[受熱板の治具化とバッテリモジュールの小型・軽量化について]
また、実施例1では、前述したように、各バッテリモジュール1(ヒートパイプ11共)を組み付けるための治具として受熱板10を兼用できる。
また、各バッテリモジュール1は互いに電気的に接続する接続配線を短くして抵抗を少なくしたいという要求があるため、複数のバッテリモジュール1を共用の受熱板10で近接した状態で正確・容易に位置決め・組み付けできると同時に、小型・軽量化を実現できる。
また、受熱板10を各バッテリモジュール1で共用させることになり、受熱板10を介して全てのヒートパイプ11に熱を伝達でき、好適となる。
さらに、実施例1では入口パイプ5及び出口パイプ8を筐体2の一方側に配置しているため、筐体2の両側に分けて配置した場合に比べて、バッテリパック3を小型化できる。
次に、効果を説明する。
以上、説明したように、実施例1では、冷却媒体通路9に配置されるヒートシンク12と、バッテリモジュール1と密着した状態で設けられる受熱板10と、受熱板10とヒートシンク12を冷媒による熱移動で熱的に連結するヒートパイプ11を備えるため、バッテリモジュール1の均一な冷却、防水・防塵性能の向上、及び小型・軽量化等を実現できる。
以下、実施例2を説明する。
実施例2において、上記実施例1と同様の構成部材については同じ符号を付してその説明は省略し、相違点のみ詳述する。
図7は実施例2のヒートパイプの断面形状を説明する図、図8は実施例2の受熱板とヒートパイプの固定を説明する図である。
図7に示すように、実施例2では、実施例1で説明したヒートパイプ11を偏平断面状にしたヒートパイプ20を採用しているという点が実施例1と異なる。
このようなヒートパイプ11を受熱板10に収容する際には、実施例1と同様に、各内側受熱板13,14同士の当接面に略半長穴断面の溝21a,21bを形成しておき、図8(a)に示すように、内側受熱板13,14の間に、予め製造すべき外形よりも大きな外形(曲率)を有するヒートパイプ11の母材Wをそれぞれ配置する。この母材Wの外形は楕円形でも良い。
次に、図8(b)に示すように、図外のプレス用成形装置で内側受熱板13,14を当接させて、長穴形状に重なった溝21で母材Wをプレス成型して所望の外形に変形させることにより、各ヒートパイプ11と溝21を密着させることができるようになっている。
従って、実施例2では、実施例1と同様の作用効果を得ることができると共に、ヒートパイプ11を円形断面にした場合に比べて受熱面積を容易に増大でき、好適となる。
以上、実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、実施例1では、発熱体をバッテリモジュール1に適用した例を説明したが、走行用モータのインバータ回路等に適用しても良い。
また、ヒートパイプは、吸熱と放熱ができるように、内部で冷媒が循環すればよく、ウィックの毛細管作用を用いず内部で循環させる他の構造のものであっても良い。
また、実施例1で説明した各構成部材の詳細な部位の形状、形成数、配置、固定方法、素材等は適宜設定できる。
例えば、図9に示すように、ヒートシンク12の形状、例えばフィン19の向きや枚数を変えたものを採用しても良い。
また、図10に示すように、筐体2内の両側に冷却媒体通路9を形成して、ここにヒートパイプ11の他端部に連結されたヒートシンク12を設けても良く、この場合、さらにバッテリモジュール1を効率的に冷却できる。
実施例1のバッテリパックの平面図である。 実施例1のバッテリパックの内部を説明する断面図である。 実施例1のバッテリモジュール、受熱板、ヒートパイプ、ヒートシンクを組み付けた斜視図である。 実施例1の受熱板とヒートパイプの固定を説明する分解図である。 図1のS5−S5線における断面図である。 実施例1の受熱板とヒートパイプの固定を説明する図である。 実施例2のヒートパイプの断面形状を説明する図である。 実施例2の受熱板とヒートパイプの固定を説明する図である。 その他の実施例のヒートシンクを説明する図である。 その他の実施例のバッテリパックの内部を説明する断面図である。
符号の説明
H1、H2 隙間
W 母材
1、1a、1b、1c、1d、1e、1f バッテリモジュール
2 筐体
3 バッテリパック
4 導入口
5 入口パイプ
6 ファン
7 排出口
8 出口パイプ
9 冷却媒体通路
10 受熱板
11、11a、11b、11c ヒートパイプ
12 ヒートシンク
13、14 内側受熱板
15、16 外側受熱板
17、18、18a、18b 溝
19 フィン
20 ヒートパイプ
21、21a、21b 溝

Claims (8)

  1. 放熱空間に配置される放熱部と、
    発熱体と密着した状態で設けられる受熱部と、
    前記受熱部と放熱部を冷媒による熱移動で熱的に連結する連結部を備えることを特徴とする発熱体の冷却装置。
  2. 請求項1記載の発熱体の冷却装置において、
    前記連結部を管状部材の中に冷媒を封入したヒートパイプとしたことを特徴とする発熱体の冷却装置。
  3. 請求項2記載の発熱体の冷却装置において、
    前記ヒートパイプを偏平断面状に形成したことを特徴とする発熱体の冷却装置。
  4. 請求項2または3記載の発熱体の冷却装置において、
    前記連結部を受熱部の内部に設けたことを特徴とする発熱体の冷却装置。
  5. 請求項4の記載の発熱体の冷却装置において、
    前記受熱部を、それぞれ重ね合わせた際に製造すべきヒートパイプの外形と合致する溝を有する複数の分割部で構成し、
    前記製造すべきヒートパイプよりも大きな外形を有するヒートパイプの母材を前記複数の分割部の溝内でプレス成形して、前記溝とヒートパイプとを密着させたことを特徴とする発熱体の冷却装置。
  6. 請求項1〜5のうちのいずれかに記載の発熱体の冷却装置において、
    前記発熱体を電気的に接続された複数のモジュールで構成し、
    前記受熱部は複数のモジュールを一体的に組み付ける治具を兼ねることを特徴とする発熱体の冷却装置。
  7. 請求項1〜6のうちのいずれかに記載の発熱体の冷却装置において、
    前記発熱体を冷却媒体の導入口と排出口を有する筐体内に収容し、
    前記筐体内に、該筐体と発熱体との間で導入口から排出口へ向かう冷却媒体通路を形成し、
    前記冷却媒体通路に放熱部を配置したことを特徴とする発熱体の冷却装置。
  8. 請求項1〜7のうちのいずれかに記載の発熱体の冷却装置において、
    前記放熱部を複数のフィンを有するヒートシンクとしたことを特徴とする発熱体の冷却装置。
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