JP2009252646A - 発熱体の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱体を冷媒で間接的に冷却しつつ、発熱体の均一で良好な冷却を実現できると同時に、防水・防塵性能を向上できる発熱体の冷却装置の提供。
【解決手段】 第１冷媒の流通により内部から冷却される冷却ブロック５と、バッテリモジュール２と密着した状態で設けられる受熱板３と、冷却ブロック５と受熱板３を第１冷媒とは異なる第２冷媒による熱移動で熱的に連結するヒートパイプ４を備えることとした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、発熱体の冷却装置に関する。

従来、発熱体としてのバッテリモジュールに冷却風を直接当ててバッテリモジュールを冷却する技術が公知になっている（特許文献１、２参照）。
特開２００５−２６２０１号公報 特開２００７−１７２９８２号公報

しかしながら、従来の発明にあっては、冷却風を発熱体に直接当てて冷却しているため、発熱体の部位によって当たる風量の分布差が大きく、発熱体を均一に冷却できない上、防水・防塵性能が低い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、発熱体を冷媒で間接的に冷却しつつ、発熱体の均一で良好な冷却を実現できると同時に、防水・防塵性能を向上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、第１冷媒の流通により内部から冷却される冷却部と、発熱体と密着した状態で設けられる受熱部と、上記冷却部と受熱部を上記第１冷媒とは異なる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、連結部を介して冷却部で放熱して発熱体を冷却できる。
これにより、発熱体を間接的に冷却でき、発熱体の均一な冷却を実現できる。
また、受熱部は発熱体と密着した状態で設けられる上、冷却部は第１冷媒の流通により内部から冷却されるため、外部から冷媒を受熱部や冷却部に直接当てて冷却する場合に比べて、防水・防塵性能を大幅に向上できる。

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の冷却装置の平面図、図２は同左側面図、図３は実施例１の筐体の分解図、図４は実施例１の受熱部と連結部を説明する分解斜視図、図５は同斜視図、図６は図５のＳ６−Ｓ６線における断面図、図７は実施例１の冷却部を説明する分解斜視図、図８は同斜視図である。

先ず、全体構成を説明する。
図１〜３に示すように、実施例１の発熱体の冷却装置１では、バッテリモジュール２（請求項の発熱部に相当）と、受熱板３（請求項の受熱部に相当）と、ヒートパイプ４（請求項の連結部に相当）と、冷却ブロック５（請求項の冷却部に相当）と、筐体６等が備えられている。

バッテリモジュール２は、図示しない自動車の電動機（主に走行用モータ）に電気を供給するためのバッテリであって、公知のものと同様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。
図４〜６に示すように、バッテリモジュール２は、長尺な平板状に形成された６つのバッテリモジュール２ａ〜２ｆが受熱板３によって図中横３個×縦２個に並べられた状態で組み付けられている。
また、バッテリモジュール２ａ〜２ｆ同士は、図示しない接続配線によって互いに電気的に直列または並列に接続されている。

受熱板３は、バッテリモジュール２ａ〜２ｆの内側にそれぞれ密着した状態で接合された２枚の板状の内側受熱板7,8と、バッテリモジュール２の外側に組み付けられた複数の板状の外側受熱板９で構成されている。
また、受熱板３は、隣接するバッテリモジュール２ａ〜２ｆを所定間隔で所定位置に配置した状態で組み付けるための治具の役目も果たしている。
なお、内側受熱板7,8同士は図外しない溶接または固定部材等により接合されている。

ヒートパイプ４は、内側受熱板7,8同士の間に介装され、偏平した円形断面形状を有する６本のヒートパイプ４ａ〜４ｆで構成されている。
各ヒートパイプ４ａ〜４ｆの両端部は閉塞される他、その内部には冷媒（水、アルコール、アンモニア、フロン、または代替フロン等、請求項の第１冷媒とは異なる冷媒に相当）が封入されている。
ヒートパイプ４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7,8と密着した加熱部側で冷媒の蒸発が生じ、冷媒の蒸気が冷却ブロック５側に移動して凝縮し、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４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側へ再び戻ることにより、加熱部側から冷却ブロック５側への熱の移動が行われるようになっている。

図４、５に示すように、各ヒートパイプ４ａ〜４ｆを内側受熱板7,8に固定するには、先ず、内側受熱板7,8に形成された略半円形断面形状の溝10,11間に予め製造すべき外形よりも僅かに大きな外形を有する円形断面形状のヒートパイプ４ａ〜４ｆの母材をそれぞれ配置する。
次に、図外のプレス用成形装置で内側受熱板7,8同士を当接させて、母材をプレス成形して所望の偏平した円形断面形状に変形させることにより、ヒートパイプ４ａ〜４ｆの両端部を除く部分と溝10,11とを密着した状態で固定できるようになっている。

また、ヒートパイプ４ａ〜４ｆの一端部は内側受熱板7,8から外部に大きく突出した状態で配置され、ここに後述する冷却ブロック５が連結されている。

図７、８に示すように、冷却ブロック５は、各ヒートパイプ４ａ〜４ｆの一端部を介装した状態で接合される上下一対の分割部12,13で構成される他、下方の分割部１３には略Ｕ字型に屈曲された冷却パイプ１４の一部が該冷却ブロック５の長手方向に貫通した状態で配置されている。
また、冷却ブロック５を貫通する冷却パイプ１４の貫通部１４ａは各ヒートパイプ４ａ〜４ｆの一端部と近接して配置されている。

また、ヒートパイプ４ａ〜４ｆの一端部を両分割部12,13に固定するには、先ず、両分割部12,13に形成された略半円形断面形状の溝15,16間に予め製造すべき外形よりも僅かに大きな外形を有する円形断面形状のヒートパイプ４ａ〜４ｆの母材の一端部をそれぞれ配置する。
次に、図外のプレス用成形装置で両分割部12,13同士を当接させて、母材をプレス成形して所望の偏平した円形断面形状に変形させることにより、ヒートパイプ４ａ〜４ｆの一端部と溝15,16とを密着した状態で固定できるようになっている。
なお、冷却ブロック５と冷却パイプ１４同士、及び両分割部12,13同士はそれぞれ図示しない溶接または固定部材等により接合されている。

図１〜３に示すように、筐体６は下方へ開口した箱状の蓋体１７と平板状のベース１８とから構成され、これら両者でバッテリモジュール２と受熱板３の外周を覆う状態で設けられている。
なお、蓋体１７とベース１８同士、及び冷却ブロック５とベース１８同士はそれぞれ図示しない溶接または固定部材等で互いに固定されている。
図３に示すように、蓋体１７には各ヒートパイプ４ａ〜４ｆとの接触を回避するための開口部１７ａが形成されると共に、この開口部１７ａには各ヒートパイプ４の配置に合わせた最小の開口部を有する薄板状のシール部材１９が貼着されて塞がれている。

その他、少なくとも受熱板３、ヒートパイプ４、及び冷却ブロック５等の各部材はアルミや銅等の熱伝導性が高い良熱伝熱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冷却装置１では、図２に示すように、冷却パイプ１４の一端部から第１冷媒（図中二点鎖線矢印で図示）を導入して、貫通部１４ａを流通させることにより、冷却ブロック５を内部から冷却した後、他端部から排出させる。
なお、第１冷媒としては、例えば、公知の車室内空調装置の冷媒として用いられる低温状態時のＨＦＣ−１３４ａ、ＣＯ_２、または、この車室内空調装置で冷却された冷却風等を利用する。あるいは、専用の独立した冷却回路を設けてその冷媒を用いても良い。

そして、バッテリモジュール２が発熱して発生した熱を、受熱板３で受熱させた後、ヒートパイプ４を介して冷却ブロック５に移動させて、冷却ブロック５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２を冷却できる。
この際、バッテリモジュール２、受熱板３、ヒートパイプ４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２の熱を受熱板３を介してヒートパイプ４に効率良く伝達でき、これにより、冷却ブロック５との熱交換を効率良く行うことができる。
また、冷却ブロック５において、ヒートパイプ４の一端部と冷却パイプ１４の貫通部１４ａを近接して配置しているため、これら両者の熱交換を効率良くできる。

なお、ヒートパイプ４の冷媒の種類、封入量、設置数等は適宜設定できるが、バッテリモジュール２が結露しない周囲雰囲気温度・湿度状況下で作動するように設定する。
一方、バッテリモジュール２は筐体６で囲繞されて、筐体６外での結露による悪影響を受けにくいため、第１冷媒は冷却ブロック５を積極的に冷却するように設定する。

このように、実施例１では、第１冷媒をバッテリモジュール２に直接当てることなく、バッテリモジュール２を間接的に冷却できる。
従って、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の部位によって冷却風量の分布差が生じる虞がなく、バッテリモジュール２を均一に冷却でき、バッテリモジュール２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・結露防止について］
第１冷媒は冷却パイプ１４を流通して冷却ブロック５を内部から冷却するため、バッテリモジュール２側に第１冷媒が飛散することはない。
また、バッテリモジュール２は受熱板３に密着した状態で設けられる上、この受熱板３はバッテリモジュール２と共に筐体６で覆われるため、防水性・防塵性に優れる。
さらに、第１冷媒で冷却ブロック５を積極的に冷却してもバッテリモジュール２が結露する虞がなく、冷却ブロック５の冷却性能の向上とバッテリモジュール２の結露防止を同時に実現できる。

［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］
実施例１では、バッテリモジュール２（ヒートパイプ４共）を組み付けるための治具として受熱板３を兼用できる。
また、バッテリモジュール２ａ〜２ｆ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、バッテリモジュール２ａ〜２ｆを共用の受熱板３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３をバッテリモジュール２ａ〜２ｆで共用させることになり、受熱板３を介して全てのヒートパイプ４に熱を伝達でき、好適となる。

次に、効果を説明する。
以上、説明したように、実施例１では、第１冷媒の流通により内部から冷却される冷却ブロック５と、バッテリモジュール２と密着した状態で設けられる受熱板３と、冷却ブロック５と受熱板３を第１冷媒とは異なる冷媒による熱移動で熱的に連結する連結部（ヒートパイプ４）を備えるため、バッテリモジュール２を間接的に冷却しつつ、バッテリモジュール２の均一で良好な冷却を実現できると同時に、防水・防塵性能を向上できる。
また、連結部を、冷却ブロック５と受熱板３に亘って配設され、冷媒が封入されたヒートパイプ４としたため、簡便な構成でもって冷却ブロック５と受熱板３を熱的に連結できる。
また、ヒートパイプ４を偏平断面形状に形成したため、放熱・冷却面積を容易に確保でき、熱伝達効率を向上できる。
また、ヒートパイプ４を冷却ブロック５と受熱板３の内部に設けたため、外部の熱抵抗による放熱・冷却性能の低減を招く虞がなく、冷却ブロック５と受熱板３との熱交換効率を向上できる。
また、冷却ブロック５と受熱板３を、それぞれ重ね合わせた際に製造すべきヒートパイプ４の外形と合致する溝を有する複数の分割部（内側受熱板7,8及び分割部12,13）で構成し、製造すべきヒートパイプ４よりも大きな外形を有するヒートパイプ４の母材を複数の分割部（内側受熱板7,8及び分割部12,13）の溝10,11及び溝15,16内でプレス成形して、溝10,11及び溝15,16とヒートパイプ４とを密着させたため、溝10,11及び溝15,16とヒートパイプ４の製造精度の誤差に掛からず、これら両者を密着させることができ、ヒートパイプ４の放熱・冷却性能を向上できる。
また、バッテリモジュール２と受熱板３の外周を覆う筐体６を備えるため、防水・防塵性能を向上できると同時に、第１冷媒の冷却ブロック５の冷却によるバッテリモジュール２の結露を防止でき、第１冷媒で冷却ブロック５を積極的に冷却して放熱・冷却性能を向上できる。

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９は実施例２の冷却装置の平面図、図１０は同左側面図、図１１は実施例２の受熱部と連結部を説明する分解斜視図、図１２は実施例２の冷却パイプと受熱板の配置を説明する断面図、図１３は実施例２の冷却部を説明する斜視図である。

図９、１０に示すように、実施例２の冷却装置２０では、実施例１で説明したヒートパイプ４の代わりに、アルミや銅等の熱伝導性が高い良熱伝熱材を用いて形成され、第３冷媒が流通する冷却パイプ２１を備えると共に、この冷却パイプ２１の一部に第３冷媒を受熱板１０の内部で蛇行状に流通させる蛇行部２１ａが設けられているという点が実施例１と異なる。

図１１、１２に示すように、冷却パイプ２１の蛇行部２１ａを両内側受熱板7,8に固定するには、先ず、両内側受熱板7,8に形成された半円形断面形状の蛇行状の溝22,23間に予め製造すべき外形よりも僅かに大きな外形を有する円形断面形状の冷却パイプ２１の母材を配置する。
次に、図外のプレス用成形装置で両内側受熱板7,8同士を当接させて、母材をプレス成形して所望の円形断面形状に変形させることにより、冷却パイプ２１の蛇行部２１ａと溝22,23とを密着した状態で固定できるようになっている。
なお、内側受熱板7,8同士は図外しない溶接または固定部材等により接合されている。

また、冷却パイプ２１の一端部は、冷却パイプ１４の一端部に近接して配置される一方、図１３に示すように、他端部は冷却パイプ１４の貫通部１４ａに近接した貫通部２１ｂを有して貫通した後、冷却パイプ１４の他端部に近接して配置されている。
その他、冷却パイプ１４の他端部は屈曲されているがこの限りではない。

このように構成された冷却装置１では、図１０に示すように、実施例１と同様に冷却パイプ１４の一端部から第１冷媒（図中一点鎖線矢印で図示）を流入させて冷却ブロック５を冷却した後、他端部から排出する。

一方、図９に示すように、冷却パイプ２１の一端部から第３冷媒（二点鎖線矢印で図示、第１冷媒とは異なる冷媒に相当）を流入させて冷却ブロック５の第１冷媒と熱交換させて冷却した後、受熱板３に配設された蛇行部２１ａで蛇行するように流通して他端部から排出される間に、該受熱板３を介してバッテリモジュール２と熱交換させることにより、バッテリモジュール２を冷却できる。
第３冷媒としては、公知のラジエータに用いられる低温時の冷却水や、オイルクーラに用いられる低温時のオイル等を利用する。あるいは、専用の独立した冷却回路を設けてその冷媒を用いても良い。
なお、第３冷媒の種類、封入量、設置数等は適宜設定できるが、バッテリモジュール２が結露しない周囲雰囲気温度・湿度状況下で作動するように設定する。

従って、実施例２では、連結部を、冷却ブロック５と受熱板３に亘って配設され、冷媒を冷却ブロック５で冷却した後、受熱板３に流通させる冷却パイプ２１としたため、実施例１の作用・効果と同様に、バッテリモジュール２を間接的に冷却しつつ、バッテリモジュール２の均一で良好な冷却を実現できると同時に、防水・防塵性能を向上できる。
また、第３冷媒を冷却ブロック５の第１冷媒で冷却した後、受熱板３に流通させてバッテリモジュール２を冷却するため、実施例１に比べて冷却効率を向上でき、冷却ブロック５の小型化も可能となる。
また、冷却パイプ２１の一部を受熱板３に蛇行状に配設したため、流路長を容易に確保することができ、熱交換を効率良く行うことができる。
さらに、冷却ブロック５において、冷却パイプ２１の貫通部２１ｂと冷却パイプ１４の貫通部１４ａを近接して配置しているため、これら両者の熱交換を効率良くできる。

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１４に示すように、冷却ブロック５に放熱フィン３０を設けて周囲空気と熱交換させるようにしても良い。

また、例えば、ヒートパイプの断面形状は実施例で説明したような偏平断面形状でなく、外周全体が湾曲した偏平断面形状（楕円）でも良い。
この場合、図１５に示すように、ヒートパイプ４断面の短軸半径ａ１、湾曲した溝10,11（15,16）の深さ方向の寸法を示す寸法ｂ、溝10,11（15,16）の幅方向の寸法を示す寸法ｃを、ｂ>ａ１>ｃの関係となるように設定する。
そして、溝10,11（15,16）の幅方向にヒートパイプ４を潰して溝10,11（15,16）の内壁に密着させるようにしても良い。
このようにすれば、変形量を少なくしてヒートパイプ４を潰す工程を容易にできる。
また、楕円の縦・横の圧縮方向の変化（弾性）をヒートパイプ４外径（ａ１）が溝内径（ｂ）に密着するように作用させることができる。

あるいは、図１６に示すように、実施例と同様の幅広の溝10,11（15,16）に円形断面のヒートパイプ４を潰して密着させるようにしても良い。

実施例１の冷却装置の平面図である。 実施例１の冷却装置の左側面図である。 実施例１の筐体の分解図である。 実施例１の受熱部と連結部を説明する分解斜視図である。 実施例１の受熱部と連結部を説明する斜視図である。 図５のＳ６−Ｓ６線における断面図である。 実施例１の冷却部を説明する分解斜視図である。 実施例１の冷却部を説明する斜視図である。 実施例２の冷却装置の平面図である。 実施例２の冷却装置の左側面図である。 実施例２の受熱部と連結部を説明する分解斜視図である。 実施例２の冷却パイプと受熱板の配置を説明する断面図である。 実施例２の冷却部を説明する斜視図である。 その他の実施例の冷却部を説明する斜視図である。 その他の実施例のヒートパイプと溝の密着を説明する図である。 その他の実施例のヒートパイプと溝の密着を説明する図である。

符号の説明

１ 冷却装置
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ バッテリモジュール
３ 受熱板
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ ヒートパイプ
５ 冷却ブロック
６ 筐体
７、８ 内側受熱板
９ 外側受熱板
１０、１１、１５、１６ 溝
１２、１３ 分割部
１４ 冷却パイプ
１４ａ 貫通部
１７ 蓋体
１７ａ 開口部
１８ ベース
１９ シール部材
２０ 冷却装置
２１ 冷却パイプ
２１ａ 蛇行部
２１ｂ 貫通部
２２、２３ 溝
３０ フィン

Claims (8)

1. 第１冷媒の流通により内部から冷却される冷却部と、
   発熱体と密着した状態で設けられる受熱部と、
   前記冷却部と受熱部を第１冷媒とは異なる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、冷却部と受熱部に亘って配設され、冷媒が封入され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形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、
   前記ヒートパイプを冷却部または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、
   前記冷却部または受熱部を、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記載の発熱体の冷却装置において、
   前記連結部を、冷却部と受熱部に亘って配設され、冷媒を冷却部で冷却した後、受熱部に流通させる冷却パイプとしたことを特徴とする発熱体の冷却装置。
7. 請求項６記載の発熱体の冷却装置において、
   前記冷却パイプを受熱部に蛇行状に配設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、
   前記発熱体と受熱部の外周を覆う筐体を備えることを特徴とする発熱体の冷却装置。

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