JP2004111370A - 電池の熱制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電池の放熱装置は、放熱の必要がない低温環境下でも放熱手段により過剰放熱されてしまうため、電池の出力特性が極端に低下する。
【解決手段】本発明による電池の熱制御装置は、電池の充放電により発生する熱を発散させる放熱部と、熱により形状が変化する熱制御部とを有する。この構成により、電池が異常に高温となるのを防止するとともに、低温時には、電池からの過剰放熱を防ぎ、電池の出力特性の低下を防止する。
【選択図】図１

Description

　本発明は、充放電により電池から発生した熱の放出を制御する、電池の熱制御装置に関するものである。

　アルカリ蓄電池、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池を使用する電子機器は、電池を機器内部の限られた空間に収納している。特に、近年のリチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池などの高性能小型密閉電池は、高出力パルス放電や急速充電といった大電流による動作が要求されることが多い。そのため、電池の発熱がより大きくなり、結果として電池の電解質が劣化しやすい。すなわち、電池が劣化する可能性が高くなってきている。

　一般的に、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池は電池温度が４０℃以上となると、電解質の劣化に伴い、電池が劣化する。そのため、電池がこの温度に達する前に熱の放散を行う必要がある。

　従来の電池の放熱装置は、例えば特許文献１に記載されている。図１４は特許文献１に記載された従来の電池の放熱装置を示す斜視図である。電池容器１０１は電池容器幅方向の面に放熱効率を上げるために放熱フィン１０２を有する。

　また、特許文献２では、温度を制御する専用の空調機構を搭載することを提案している。
特開平１０−３０２７３４号公報 特開平９−２９８０７０号公報

　しかしながら、特許文献１に記載された構成では、電池の放熱が必要ない低温環境下でも、放熱フィン１０２により放熱されてしまう。このため、電池の自己発熱では電池温度が上がらなくなり、電池の内部抵抗が増加し、出力特性が極端に低下する。また、特許文献２に記載された構成では、電池を収容する以外に、空調機構を設置する空間が必要となるため収納性に劣り、さらに高コストとなるため、小型電子機器に用いるには適していない。

　本発明は、前記従来の課題を解決するもので、小型電子機器に用いるのに適した電池の熱制御装置を提供することを目的とする。

　前記従来の課題を解決するために、本発明による電池の熱制御装置は、電池の充放電により発生する熱を発散させる放熱部と、熱により形状が変化する熱制御部とを有する。

　本発明の電池の熱制御装置は、熱制御部を用いる簡略な構成で、電池の発熱を効率よく外部に放出し、電池が高温になることを抑え、その結果、電池の劣化を防ぐ。また、電池温度が下がると、電池から放出される熱の過剰放出を抑え、電池出力特性が低下することを防止する。つまり、あらゆる環境下で電池を効率的に用いることができる電池の熱制御装置となる。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同様の構成をなすものには同じ符号を付して説明し、詳細な説明を省略する。

　（実施の形態１）
　図１、図２は本発明の実施の形態１における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態１による熱制御装置は、放熱部５と、充放電により発熱する電池１に接触する熱伝導板４と、熱伝導板４と放熱部５とを連結する熱制御部６とを有する。電池１は、電池保持部２によって機器内部に保持されている。電池１には、サイズ９６ｍｍ×４４ｍｍ×１８ｍｍの角型ニッケル水素蓄電池（図示せず）が６個直列に接続された状態で挿入されており、その容量は６．５Ａｈである。放熱部５は、機器外壁３の外側に備えられ、機器外壁３に固定されている。放熱部５は、熱伝導性の良好な材料、例えば、アルミや銅からなり、多数のフィンを有して熱を周囲の空気に発散する。熱制御部６はバイメタルで構成される感熱可動部である。バイメタルとは、熱膨張率の異なる二種の金属の薄板を貼り合わせ、温度変化に伴い湾曲・伸張するようにしたものであり、低膨張なニッケル・鉄合金と高膨張な銅やニッケル、銅・亜鉛合金等からなる。熱制御部６が伸張して熱伝導板４が電池１に接する温度は、外部温度が約２０℃であるように構成する。したがって、熱制御部６の温度が２０℃を境にそれ以上の温度になると、熱伝導板４が電池１に接する。また、熱制御部６の温度が２０℃未満になると、熱制御部６が湾曲して熱伝導板４は電池１から離れる。熱伝導板４は、放熱部５と同様の熱伝導性の良好な材料からなる。

　以下、本実施の形態１による熱制御装置の動作について説明する。

　電池の充放電により電池１が発熱し、電池１の温度が上昇すると、機器内部の空気が温められ、熱制御部６が温まる。温まった熱制御部６は伸張し、２０℃になると図１のように、電池１の表面に熱伝導板４が接し、電池１と放熱部５とは熱的に接続された状態となる。この結果、電池１の熱が熱伝導板４、熱制御部６を介して放熱部５に伝わって外気に放出され、電池１が異常に高温になるのを防止する。

　一方、充放電を行って電池１の温度が上昇しても、熱制御部６の温度が２０℃以上にならない場合、図２のように熱制御部６は湾曲したままの状態であり、電池１と熱伝導板４は離れたままである。あるいは一旦、電池１の温度が２０℃以上になっても、再び２０℃未満になれば、熱制御部６は湾曲し、熱伝導板４は電池１から離れる。そのため、放熱部５は、電池１と熱的に分離された状態となって電池１の過剰放熱を防ぎ、熱制御部６は電池の出力特性の低下を防止する。

　（表１）は本実施の形態１で示した熱制御装置を設けた電池と、図１４に示した従来の放熱部を備えた電池（従来例１）と、放熱部を持たない電池との、電池電圧と電池表面の最高温度を測定した結果である。電池１を２０℃で２Ａの電流で４時間充電した後、外部温度３０℃環境下に移し、４時間放置する。その後、１５０ワットで１０秒放電し、ついで１２０秒放置する動作を１０回繰り返す。そして、１０回目の放電中の、電池電圧の最低値と電池表面の最高温度を測定する。同様の試験を外部温度２０℃および−５℃でも実施する。なお、この測定において、バイメタルからなる熱制御部６の温度は外部温度と同等以上となる。

　（表１）から明らかなように、外部温度３０℃、２０℃での評価では、放熱部なしの電池の表面温度はそれぞれ、５１．０℃、４２．０℃の高温に達している。これに対し、実施の形態１では、バイメタルからなる熱制御部６が作動し、その結果、電池の温度が４０℃を越えていない。このように、本実施の形態１では電池の充放電に伴う電池温度の上昇が抑制され、その結果、電池の劣化が防止される。

　一方、外部温度−５℃での評価では、従来例１の電池の表面温度は−４．３℃まで低下している。従来例１の電池では、電池容器１０１と放熱フィン１０２が常時、熱的に接続された状態であるため、電池の自己発熱により電池自身を温めることができず、電池より発生した熱が絶えず外部に放出される。その結果、従来例１で使用されている電池電圧は４．２Ｖと極端に低下している。これに対し、本実施の形態１を適用した電池では、熱制御部６が作動し、図２の状態になる。これにより、電池１と放熱部５との熱的接続が切断され、電池から発生した熱が機器外部へ放熱されない。このため、電池の自己発熱により電池自身が温められ、電池電圧の低下が抑制されている。

　以上のように本実施の形態１では、バイメタルを用いた熱制御部６を設けることで、熱制御部６が電池１と放熱部５との熱的接続を制御する。これにより、電池が高温になるのを防止し、電池の劣化を防ぐ。さらに低温では、電池の自己発熱により電池自身が温められ、電池の出力特性の低下を防ぐ。

　なお、本実施の形態１では所定の温度以上で電池１に熱伝導板４が接触する。しかし、熱伝導板４の代わりに熱制御部６を大きく構成し、所定の温度以上で熱制御部６が直接、電池１に接触するように構成してもよい。

　また、電池１の側面と熱伝導板４の一部とが平坦部を有し、この平坦部を介して熱伝導が行われることが望ましい。このような構成により、熱制御部６は熱伝導板４と電池１との接触面積の増減、あるいは熱的接続、分離による熱伝導の制御が効率よく行われる。

　また、本実施の形態１では、電池１は角型ニッケル水素蓄電池が６個直列に接続された状態で挿入されているとして説明している。しかし、電池１の構成はこれに限定されない。角型ニッケル水素蓄電池１個でも、角型リチウムイオン二次電池や、鉛蓄電池を１個あるいは複数個で構成しても同様の効果を奏する。あるいは燃料電池に適用してもよい。また、電池１は円筒型電池を１つ以上用いて構成してもよい。円筒型電池で電池１を構成する場合は、角型のケースに収納して電池１を構成したり、後述の実施の形態２のように、放熱部５の下端形状が円筒型電池に沿う形状に構成することが伝熱面積を増加させるので望ましい。

　電池１が電極を捲回した構造を有する円筒型電池の場合、電極を捲回した円柱の半径方向より、捲回軸方向の方が伝熱しやすい。同様の構成とした角形電池の場合でも、厚み方向よりも捲回軸方向の方が伝熱しやすい。そこで、伝熱速度の観点からは、図３に示すように、熱伝導板４を捲回の断面部分に接するようにすることが好ましい。

　なお、燃料電池は、複数のセルをスタックした構造が一般的である。そのような燃料電池に本実施の形態１による熱制御装置を適用する場合は、熱伝導板４をスタックの側面に接触させるように構成するのが熱伝達の面から好ましい。その場合、スタック間の短絡を防止するために、熱伝導板４が燃料電池と接する面には絶縁フィルムを設ける。

　（実施の形態２）
　図４、図５は本発明の実施の形態２における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態２による熱制御装置は、放熱部５と、機器外壁３と放熱部５とを結合している熱制御部２６とを有する。放熱部５は、機器外壁３を貫通し、その一部は機器外部へ露出している。さらに、放熱部５は、電池１と対向する面では、電池表面に沿う形状を備えており、熱伝導シート２４は、放熱部５に貼付されている。熱伝導シート２４は例えば、高分子フィルムを熱分解によりグラファイト化して作られた単結晶に近い構造を持つ高配向性グラファイトや、熱伝導性シリコンゴム、アクリルゴムを主体とし、アルミやカーボングラファイト材料を挟み込んだ材料等からなる。放熱部５は、熱伝導シート２４を介して電池１に熱的に接続され、充放電により電池から発生する熱を機器外部に放熱する。熱制御部２６は、実施の形態１における熱制御部６と同様に、バイメタルで構成されている。熱制御部２６は温められると伸張し、２０℃以上になると図４に示すように、放熱部５を移動させ、熱伝導シート２４を介して電池１と放熱部５とを熱的に接続する。それ未満の温度では、図５に示すようにＪ字型に湾曲し、電池１と放熱部５とを離す。

　電池１は、直径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍの大きさで、容量１２００ｍＡｈの円筒形リチウムイオン二次電池であり、２個直列に接続されている。電池１は、電池保持部２によって機器の内部（図示せず）に固定されている。さらに、電池１は、機器外壁３により外部の環境から隔離されている。

　次に、本実施の形態２による熱制御装置の動作について説明する。

　バイメタルからなる熱制御部２６が温められると伸張し、放熱部５が機器内部に降下する。そして、２０℃になると、図４のように電池１の表面に熱伝導シート２４が接する。この動作により、電池１と放熱部５は熱的に接続された状態となる。この結果、電池１の熱が熱伝導シート２４を介して放熱部５に伝わって外気に放出され、電池１は異常に高温になることを防止される。

　一方、充放電を行って電池１の温度が上昇しても、熱制御部２６の温度が２０℃以上にならない場合、図５のようにバイメタルにより構成された熱制御部２６はＪ字型のままである。すなわち、電池１と熱伝導シート２４とは離れたままである。あるいは一旦、電池１の温度が２０℃以上になっても、再び２０℃未満になれば、熱制御部２６はＪ字型になり、電池１と熱伝導シート２４とは離れる。そのため、放熱部５は機器内部に降下することなく、電池１と放熱部５とは熱的に分離された状態のままである。このように、熱制御部２６は電池１の過剰放熱を防ぎ、電池の出力特性の低下を防止する。

　（表２）は本実施の形態２で示した熱制御装置を設けた電池と、図１４に示した従来の放熱部を備え、本実施の形態２と同サイズの円筒形リチウムイオン二次電池２個を電池容器１０１に納めたもの（従来例２）と、放熱部を持たない円筒形電池との、電池電圧と電池表面の最高温度を測定した結果である。これらを、２０℃で８４０ｍＡの電流で電圧が４．２Ｖになるまで充電し、ついで電池が電圧４．２Ｖで電流が５０ｍＡに減衰するまで充電した後、外部温度３０℃の環境下に移し、４時間放置する。その後、８０ワットで５秒放電し、ついで１５秒放置する動作を１０回繰り返す。そして、１０回目の放電中の電池電圧の最低値と電池表面の最高温度を測定する。同様の試験を外部温度−１０℃でも実施する。なお、この測定において、バイメタルからなる熱制御部２６の温度は外部温度と同等以上となる。

　（表２）から明らかなように、外部温度３０℃での評価では、放熱部なしの電池の表面温度は５２．０℃の高温に達している。これに対し、本実施の形態２では、熱制御部２６が作動し、その結果、電池の温度が４０℃を越えていない。このように、本実施の形態２では電池の充放電に伴う電池温度の上昇が抑制され、その結果、電池の劣化が防止される。

　一方、外部温度−１０℃での評価では、従来例２の電池の表面温度は−５．２℃まで低下している。従来例２の電池では、電池容器１０１と放熱フィン１０２が常時、熱的に接続された状態であるため、過剰放熱が起こり、充放電により電池より発生した熱が絶えず外部に放出される。その結果、従来例２で使用されている電池は、５．２Ｖと極端に低下している。これに対し、本実施の形態２を適用した電池では、熱制御部２６が作動し、図５の状態になる。これにより、電池１と放熱部５との熱的接続が切断され、電池から発生した熱が機器外部へ放散されない。このため、電池の自己発熱により電池自身が温められ、電池電圧の低下が抑制されている。

　以上のように、本実施の形態２では、バイメタルを用いた熱制御部２６を設けることで、電池１と放熱部５との熱的接続を制御する。これにより、電池が高温になるのを防止し、電池の劣化を防ぐ。さらに、低温では電池の自己発熱により電池自身が温められ、電池の出力特性の低下を防ぐ。

　なお、本実施の形態２では、電池１と放熱部５との密着性を向上させるために、熱伝導シート２４を設けている。しかし、放熱部５の電池１に接触する面を適切な形状にすれば、必ずしも熱伝導シート２４を設けなくてもよい。

　（実施の形態３）
　図６は本発明の実施の形態３における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態３による熱制御装置は、放熱部５と、充放電により発熱する電池１に接して設けられた熱制御部３６とを有する。放熱部５は、機器外壁３を貫通し、その一部は機器外部へ露出している。熱制御部３６は、電池１と放熱部５との間に設けられている。電池１は、電池保持部３２によって機器内部に保持されている。

　実施の形態１では、電池１に接触する熱伝導板４と、熱伝導板４と放熱部５とを連結する熱制御部６とを有するが、本実施の形態３では、これらに代わって熱制御部３６を有する。また、電池保持部３２は弾性材料で構成されている。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。

　熱制御部３６は、電池１の熱により膨張する柱状体である。熱制御部３６は、線膨張係数が大きい熱良導体である。例えば、アルミニウムや亜鉛、鉛のように線膨張係数の大きい金属からなる。そして、２０℃で放熱部５に達する寸法に構成されている。

　以下、本実施の形態３による熱制御装置の動作について説明する。

　電池の充放電により電池１が発熱し、電池１の温度が上昇すると、熱制御部３６が温められ、膨張する。熱制御部３６が２０℃になると、熱制御部３６が放熱部５に達する。これにより、電池１と放熱部５とは熱的に接続された状態となる。この結果、電池１の熱が熱制御部３６を介して放熱部５に伝わって外気に放出され、電池１が異常に高温になるのを防止する。

　一方、充放電を行って電池１の温度が上昇しても、熱制御部３６の温度が２０℃以上にならない場合、熱制御部３６は放熱部５と接することはない。あるいは一旦、電池１の温度が２０℃以上になっても、再び２０℃未満になれば、熱制御部３６は収縮し、放熱部５から離れる。そのため、放熱部５は、電池１と熱的に分離された状態となり、熱制御部３６は電池１の過剰放熱を防ぎ、電池の出力特性の低下を防止する。

　熱制御部３６は直接、電池１に接している。そのため、実施の形態１、２に比べ、充放電による発熱に対し、より敏感に応答する。

　なお、図６を参照した上記の説明では、熱制御部３６は１つとして構成している。しかしながら、電池１が大型の場合や本実施の形態３のように複数の単電池を含む場合、電池１は温度分布をもつ。一般的には、中央部ほど温度上昇しやすい。そこで、図７のように熱制御部３６を複数設けることが好ましい。このように構成することで、温度の上がりやすい箇所に設けられた熱制御部３６ほど電池１と放熱部５との熱接続を早く形成する。これにより、電池１において温度が均一化される。複数の単電池からなる電池１の温度を均一化することは、単電池の劣化速度を均一化し、単電池間の特性バラツキの増加を抑制するためにも有効である。

　なお、本実施の形態３において電池保持部３２は弾性材料で構成されている。これは、熱制御部３６が２０℃以上の場合、熱制御部３６の膨張による放熱部５と電池１との間の応力を緩和する。このような電池保持部３２の代わりに、機器外壁３が放熱部５を保持する部分をスプリング等で構成してもよい。

　また、放熱部５の下部の、熱制御部３６と接する部分に、実施の形態２と同様に熱伝導シートを設けてもよい。あるいは、熱制御部３６の上部や下部に熱伝導シートを設けてもよい。

　（表３）は本実施の形態３で示した熱制御装置を設けた電池と、実施の形態１で説明した電池と、放熱部を持たない電池との、電池電圧と電池表面の最高温度を測定した結果である。実験条件や電池１の構成は実施の形態１と同様である。なお、外部温度は３０℃で実験している。表中の電池Ａ、Ｂ、Ｃは、電池１中で直列に接続された６セルの単電池を外側から順に示している。

　（表３）から明らかなように、外部温度３０℃での評価では、放熱部なしの電池の、中央部の表面温度は５６．０℃の高温に達している。また、実施の形態１でも中央部は４０℃に近くなっている。これに対し、本実施の形態３では、複数設けた熱制御部３６が、温度上昇の早い中央部において早く作動して放熱を開始しているため、中央部でも電池の温度が４０℃に達していない。また、実施の形態１と実施の形態３とを比較すると、本実施の形態３では、熱制御部３６が電池１に直接接しているため、電池１の発熱に敏感に反応する。このため、電池の表面温度の平均値が低下している。このように、本実施の形態３では、電池の充放電に伴う電池温度の上昇がより敏感に抑制され、その結果、電池の劣化が防止される。特に、複数の熱制御部３６を設けることにより、より温度上昇しやすく、劣化しやすい箇所の電池の劣化が最小限になる。

　（実施の形態４）
　図８は本発明の実施の形態４における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態４による熱制御装置は、放熱部５と、充放電により発熱する電池１に接して設けた熱制御部４６とを有する。放熱部５は、機器外壁３を貫通し、その一部は機器外部へ露出している。

　実施の形態３では、熱制御部３６として熱膨張する柱状体を用いるが、本実施の形態４では、バイメタルからなる平板を、断面形状がＵ字型となるよう成形した熱制御部４６を用いる。それ以外の構成は実施の形態３と同様である。

　熱制御部４６は、温度上昇するとＵ字の間隔が開くように、内側を高膨張な材料で構成する。そして、熱制御部４６が開いて放熱部５に接する温度は、外部温度が約２０℃であるように寸法構成する。したがって、２０℃を境にそれ以上の温度になると、熱制御部４６が放熱部５に接する。また、２０℃未満になると、熱制御部４６は放熱部５から離れる。

　以下、本実施の形態４による熱制御装置の動作について説明する。

　電池の充放電により電池１が発熱し、電池１の温度が上昇すると、熱制御部４６が温められ、Ｕ字の間隔が開く。熱制御部４６が２０℃になると、熱制御部４６の一面が放熱部５に達する。これにより、電池１と放熱部５とは熱的に接続された状態となる。この結果、電池１の熱が熱制御部４６を介して放熱部５に伝わって外気に放出され、電池１が異常に高温になるのを防止する。このとき、バイメタルからなる熱制御部４６はバネ性を有するので、電池保持部３２は弾性材料で構成する必要はない。

　一方、充放電を行って電池１の温度が上昇しても、熱制御部４６の温度が２０℃以上にならない場合、熱制御部４６は放熱部５と接することはない。あるいは一旦、電池１の温度が２０℃以上になっても、再び２０℃未満になれば、熱制御部４６のＵ字の間隔は狭くなり、熱制御部４６は放熱部５から離れる。そのため、放熱部５は、電池１と熱的に分離された状態となり、熱制御部４６は電池１の過剰放熱を防ぎ、電池の出力特性の低下を防止する。このように、実施の形態３と同様の効果を奏する。

　なお、本実施の形態４の熱制御部４６はＵ字型として説明しているが、Ｓ字型のように湾曲部を２箇所以上有するように構成してもよい。また、熱制御部４６を略Ｊ字型として放熱部５に対向する側に熱伝導板を接続し、温度上昇時に電池１からの熱を熱制御部４６、熱伝導板を介して放熱部５に伝達する構成にしてもよい。

　なお、実施の形態３と同様に、熱制御部４６を複数設けてもよい。

　（実施の形態５）
　図９は本発明の実施の形態５における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態５による熱制御装置は、放熱部５と、充放電により発熱する電池１に接して設けた熱制御部５６とを有する。放熱部５は、機器外壁３を貫通し、その一部は機器外部へ露出している。本実施の形態５では、熱制御部５６は、電池保持部３２を介して電池１と機器内壁５３との間に設けられている。

　熱制御部５６は、形状記憶合金の平板を、断面形状がＵ字型となるように成形した感熱可動部である。形状記憶合金は、ある温度（変態点）未満で変形を加えても、温度が変態点以上になると、変形前の形に戻る性質をもつ。例えば、インジウム−テルルやニッケル−チタンの合金からなる。熱制御部５６は、変態点が２０℃となるように組成を調節してある。そして、２０℃以上になると元のＵ字型に戻るように成形している。それ未満の温度では電池１の重量により、Ｕ字の間隔が閉じた状態になる。そして、熱制御部５６は、２０℃以上で電池１と放熱部５とを接触させ、その温度未満では、電池１と放熱部５とが離れるように寸法構成してある。それ以外の構成は実施の形態３と同様である。

　以下、本実施の形態５による熱制御装置の動作について説明する。

　電池の充放電により電池１が発熱し、電池１の温度が上昇すると、熱制御部５６が温められ、２０℃になると元のＵ字の間隔が開いた形状に変形し、電池１を持ち上げる。これにより、電池１と放熱部５とは直接接し、熱的に接続された状態となる。この結果、電池１の熱が放熱部５に伝わって外気に放出され、電池１が異常に高温になるのを防止する。このとき、形状記憶合金からなる熱制御部５６はバネ性を有するので、電池保持部３２は弾性材料で構成する必要はない。

　一方、充放電を行って電池１の温度が上昇しても、熱制御部５６の温度が２０℃以上にならない場合、電池１は放熱部５と接することはない。そのため、放熱部５は、電池１と熱的に分離された状態となり、熱制御部５６は電池１の過剰放熱を防ぎ、電池の出力特性の低下を防止する。一旦、２０℃以上に上がってＵ字型の間隔が開いた後、２０℃未満になれば、電池１の重量により熱制御部５６のＵ字型部分が閉じ、電池１は放熱部５から離れる。

　本実施の形態５の構成では、電池１と放熱部５とが直接接するので伝熱効率がよい。

　（表４）は本実施の形態５で示した熱制御装置を設けた電池の、電池電圧と電池表面の最高温度を測定した結果である。実験条件や電池１の構成は実施の形態１と同様である。

　（表１）と（表４）とから明らかなように、本実施の形態５では、電池１と放熱部５とを直接接触させて放熱するために、実施の形態１と比べてもさらに放熱が良好になっている。

　なお、本実施の形態５では熱制御部５６を形状記憶合金で構成したが、実施の形態４と同様に、熱制御部５６をバイメタルで構成しても同様の効果が得られる。

　（実施の形態６）
　図１０は本発明の実施の形態６における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態６による熱制御装置は、放熱部５と、充放電により発熱する電池１に接して設けた熱制御部６６とを有する。放熱部５は、機器外壁３を貫通し、その一部は機器外部へ露出している。放熱部５は、熱伝導シート２４を介して電池１と熱的に接続される。熱制御部６６は、Ｌ字形状に構成され、一端が機器外壁３に固定され、他端付近に電池１を載置している。

　熱制御部６６は、変態点が２０℃となるように組成を調節している形状記憶合金を、Ｌ字型となるように成形した感熱可動部である。そして、２０℃以上になると元のＬ字型に戻るように成形している。それ未満の温度では電池１の重量により、Ｌ字の間隔が開いた状態になる。そして、熱制御部６６は、２０℃以上で電池１と放熱部５とを熱的に接続させ、その温度未満では電池１と放熱部５とが離れるように寸法構成してある。それ以外の構成は実施の形態２と同様である。

　以下、本実施の形態６による熱制御装置の動作について説明する。

　電池の充放電により電池１が発熱し、電池１の温度が上昇すると、熱制御部６６が温められ、２０℃になると元のＬ字形状に変形し、電池１を持ち上げる。これにより、電池１と放熱部５とは熱伝導シート２４を介して熱的に接続された状態となる。この結果、電池１の熱が放熱部５に伝わって外気に放出され、電池１が異常に高温になるのを防止する。

　一方、充放電を行って電池１の温度が上昇しても、熱制御部６６の温度が２０℃以上にならない場合、電池１は熱伝導シート２４と接することはない。そのため、放熱部５は、電池１と熱的に分離された状態となり、熱制御部６６は電池１の過剰放熱を防ぎ、電池の出力特性の低下を防止する。一旦、２０℃以上に上がってＬ字形状になった後、２０℃未満になれば、電池１の重量により熱制御部６６のＬ字の間隔が開いた状態になり、電池１は熱伝導シート２４、放熱部５から離れる。

　本実施の形態６の構成では、実施の形態３と同様に、熱制御部６６が電池１に直接接して設けられているので、電池１の温度上昇に熱制御部６６が敏感に応答する。さらに、電池１と放熱部５とが熱伝導シート２４を介して直接接するので伝熱効率がよい。

　（表５）は本実施の形態６で示した熱制御装置を設けた電池の、電池電圧と電池表面の最高温度を測定した結果である。実験条件や電池１の構成は実施の形態２と同様である。

　（表２）と（表５）とから明らかなように、本実施の形態６では熱制御部６６が直接、電池１に接しているため、実施の形態２に比べ、充放電による発熱に対し、より敏感に応答する。その結果、電池１の温度上昇がさらに抑制されている。

　なお、本実施の形態６では熱制御部６６を形状記憶合金で構成したが、実施の形態４と同様に、熱制御部６６をバイメタルで構成しても同様の効果が得られる。

　なお、本実施の形態６では電池保持部を設けておらず、図１０に示すように、熱制御部６６の、電池１を載置する一端に凸部を設けたり、電池１を載置する面上に凹部（図示せず）を設けて電池１を保持することが好ましい。あるいは熱制御部６６の、電池１を載置する面上に電池保持部を別途設けてもよい。

　（実施の形態７）
　図１１は本発明の実施の形態７における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態７による熱制御装置は、放熱部５と、充放電により発熱する電池１に接して設けた熱制御部７６とを有する。放熱部５は、機器外壁３を貫通し、その一部は機器外部へ露出している。実施の形態３では、熱制御部３６は電池１と放熱部５との間に設けられている。一方、本実施の形態７では、熱制御部７６は、電池１と機器内壁７３との間に設けられている。そして、熱制御部７６が電池保持部を兼ねる。それ以外の構成は実施の形態３と同様である。

　熱制御部７６もまた、熱制御部３６と同様に、電池１の熱により膨張する。そして、２０℃以上で電池１と放熱部５とを接触させる寸法に構成されている。この場合、熱制御部７６は熱制御部３６のように金属等の熱良導体である必要はない。電池を充放電する温度域で変形せず、線膨張係数の大きい材料であればよく、例えばナイロン系樹脂や珪素系樹脂などを用いてもよい。

　また、実施の形態３で述べたように、機器外壁３が放熱部５を保持する部分をスプリング等（図示せず）で構成しておく。これにより、熱制御部７６が２０℃を超えた場合、熱制御部７６の膨張による放熱部５と電池１、機器内壁７３との間の応力を緩和する。

　以下、本実施の形態７による熱制御装置の動作について説明する。

　電池の充放電により電池１が発熱し、電池１の温度が上昇すると、熱制御部７６が温められ、膨張する。熱制御部７６が２０℃になると、電池１が放熱部５に達する。これにより、電池１と放熱部５とは熱的に接続された状態となる。この結果、電池１の熱が直接、放熱部５に伝わって外気に放出され、電池１が異常に高温になるのを防止する。

　一方、充放電を行って電池１の温度が上昇しても、熱制御部７６の温度が２０℃以上にならない場合、電池１は放熱部５と接することはない。あるいは一旦、電池１の温度が２０℃以上になっても、再び２０℃未満になれば、熱制御部７６は収縮し、電池１は放熱部５から離れる。そのため、放熱部５は、電池１と熱的に分離された状態となり、熱制御部７６は電池１の過剰放熱を防ぎ、電池の出力特性の低下を防止する。このように、実施の形態５と同様の効果を奏する。

　なお、放熱部５の下部の、電池１と接する部分に、実施の形態２と同様に熱伝導シートを設けてもよい。

　また、熱制御部７６は機器内壁７３の上に設けているが、基板等の上に設けてもよい。そして、この基板を機器内壁にスプリング等を介して固定すれば、熱制御部７６が２０℃を超えた場合、熱制御部７６の膨張による放熱板５と電池１との間の応力が緩和される。

　（実施の形態８）
　図１２は本発明の実施の形態８における電池の熱制御装置における熱制御部の斜視図である。

　本実施の形態８による熱制御装置と実施の形態７とが異なる点は、熱制御部７６の代わりに熱制御部８６を用いる点である。その他の構成は同様である。

　熱制御部８６は２重つる巻き形に構成したバイメタルからなり、電池１の熱により伸長するように構成されている。そして、２０℃以上で電池１と放熱部５とを接触させる寸法に構成されている。この構成により、実施の形態７と同様の効果を奏する。

　なお、熱制御部８６はバネ形状に構成しているため、熱制御部８６が２０℃以上の場合、熱制御部８６の伸長による放熱板５と電池１、機器内壁７３との間の応力を熱制御部８６自身が緩和する。

　（実施の形態９）
　図１３は本発明の実施の形態９における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図である。

　本実施の形態９による熱制御装置は、実施の形態７の構成に加え、基板９３上に設けた熱源９４と、熱源９４と電池１とを熱接続する熱伝導体９５とを有する。熱源９４は、例えば機器がパソコン等の情報端末であれば、ＣＰＵである。機器が車両であれば、エンジンである。熱制御部７６は低温になれば収縮する。熱伝導体９５は、熱制御部７６の線熱膨張係数を考慮して０℃以下の温度において電池１と接するような寸法に構成されている。熱伝導体９５は金属等で構成してもよいが、電池１や熱源９４とのフィット性、熱膨張による応力の緩和の観点から、実施の形態２で述べた熱伝導シート２４と同様の材料で構成することが好ましい。

　この構成により、熱制御部７６の温度が０℃を超える場合は、実施の形態７と同様の動作を行う。そして、外部温度が低下し、熱制御部７６の温度が０℃以下になると、熱伝導体９５が電池１と接する。これにより、熱源９４と電池１とが熱接続される。そして、電池１は熱源９４により温度上昇する。よって、電池１は加温され、実施の形態６の場合以上に電池の出力特性の低下が防止される。

　（表６）は本実施の形態９で示した熱制御装置を設けた電池の、電池電圧と電池表面の最高温度を測定した結果である。なお、熱源９４として６０Ｗ程度で駆動するＣＰＵを用いている。その他の実験条件や電池１の構成は実施の形態２と同様である。

　（表２）と（表６）とから明らかなように、本実施の形態９では、外部温度が３０℃の場合、熱制御部７６が電池１に直接接触しているために、実施の形態６と同様に温度上昇が抑制されている。さらに、外部温度が−１０℃の場合でも、ＣＰＵからなる熱源９４の熱が熱伝導体９５を介して電池１に伝わるため、電池１の温度が上昇し、出力の低下が防止されている。

　なお、熱制御部７６に代えて、実施の形態５で説明した熱制御部５６、実施の形態８で説明した熱制御部８６を用いても同様の効果を奏する。

　以上、全ての実施の形態において、熱制御部が電池と放熱部との熱的接続を制御する温度は２０℃として説明している。なお、熱制御部が作動する温度域の設定は、電池が高温になったとき、放熱しやすく、さらに低温時の過剰放熱を防ぐため、１０〜２０℃の範囲であってもよい。また、実施の形態１で述べたように、全ての実施の形態では電池の種類は限定されない。充放電により発熱する電池であれば、どのような構成のものにも適用できる。但し、燃料電池は一般に他のリチウムイオン二次電池などの二次電池に比べて動作温度が高く、出力特性に著しく影響を来たす温度もこれら二次電池と異なるため、それら出力特性に応じた好適な熱制御部の作動温度を設定する。例えば直接型メタノール燃料電池では約５０℃以下では出力が低下するため、熱的接続を切断する温度は５０℃程度に設定するとよい。

　熱制御部は熱で容易に変形する材料、好ましくは金属を用いたものである。外部温度が低温である場合、高出力放電を間欠で行う動作を要する機器で、特に小型の電子機器であり、省スペース、低コストが求められる場合には、このような機構を用いることに著しい利点がある。

　実施の形態２、３、６〜９では、熱制御部を２個以上使用した例で説明したが、上記全ての実施の形態において、熱制御部は２個以上使用しても問題ない。また、電池と放熱部との熱的接続を熱制御部により制御しているが、熱制御部が熱的接続を制御できるものであれば、その形状はこだわらない。さらに、実施の形態１、２、４ではバイメタル、実施の形態５、６では形状記憶合金を用いて説明したが、熱制御部はこれにこだわるものではない。

　なお、上記全ての実施の形態では、電池１は複数の単電池を組み合わせた例で説明しているが、電池１を１つの単電池で構成してもよい。複数の単電池から構成する場合に、その数や直列、並列の接続構成は限定されない。

　また、実施の形態５〜９においては、熱制御部が電池を移動させるので、図示していないが、電池の移動を規制するガイド部を設けることが好ましい。

　本発明にかかる電池の熱制御装置は、充放電により電池から発生した熱の放出を制御する熱制御装置として有用である。また、充放電はしないが、リチウム電池など電池特性が周囲温度により影響を受ける一次電池の熱制御装置としても応用できる。

本発明の実施の形態１における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態１における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態１における電池の熱制御装置の他の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態２における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態２における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態３における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態３における電池の熱制御装置の他の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態４における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態５における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態６における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態７における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態８による電池の熱制御装置における熱制御部の斜視図 本発明の実施の形態９における電池の熱制御装置の構成を示す一部断面図 従来の電池の放熱装置の斜視図

符号の説明

　１　　電池
　２，３２　　電池保持部
　３　　機器外壁
　４　　熱伝導板
　５　　放熱部
　６，２６，３６，４６，５６，６６，７６，８６　　熱制御部
　２４　　熱伝導シート
　５３，７３　　機器内壁
　９３　　基板
　９４　　熱源
　９５　　熱伝導体
　１０１　　電池容器
　１０２　　放熱フィン

Claims (11)

1. 電池の熱制御装置であって、
   　電池で発生する熱により形状が変形する熱制御部と、
   　電池で発生する熱を発散する放熱部と、を備えた電池の熱制御装置。
2. 前記熱制御部は予め設定した第一温度以上で前記放熱部と前記電池とを熱的に接続する、
   　請求項１に記載の電池の熱制御装置。
3. 前記熱制御部は予め設定した第一温度未満で前記放熱部と前記電池との熱的接続を断つ、
   　請求項１に記載の電池の熱制御装置。
4. 前記熱制御部は、前記熱制御部を介して前記放熱部と前記電池とを熱的に接続する、
   　請求項２に記載の電池の熱制御装置。
5. 前記熱制御部は、前記放熱部と前記電池とを接触させる、
   　請求項２に記載の電池の熱制御装置。
6. 前記熱制御部は、前記熱制御部が湾曲することにより前記放熱部と前記電池とを熱的に接続する、
   　請求項２に記載の電池の熱制御装置。
7. 前記熱制御部は、前記熱制御部が膨張することにより前記放熱部と前記電池とを熱的に接続する、
   　請求項２に記載の電池の熱制御装置。
8. 前記熱制御部を複数備えた、
   　請求項１に記載の電池の熱制御装置。
9. 熱源と、
   　予め設定した第二温度以下で前記熱源の熱を前記電池に伝える熱伝導体と、をさらに備えた、
   　請求項１に記載の電池の熱制御装置。
10. 前記熱制御部が前記電池を移動させる、
    　請求項１に記載の電池の熱制御装置。
11. 前記熱制御部が前記放熱部を移動させる、
    　請求項１に記載の電池の熱制御装置。

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