JP2013125772A - Cooling device of heating element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、発熱体の温度上昇を抑える冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device that suppresses a temperature rise of a heating element.
例えば、車両(移動体)においては、発熱体となる部品が搭載される。その1つに蓄電装置(例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛バッテリ、電気二重層キャパシタ、など)があり、ハイブリッド車や電気自動車にあっては、蓄電装置が車両の駆動源となるので、容量が大きく充放電に伴って流れる電流値も大きい。そのため、蓄電装置は、内部抵抗と充放電に伴って流れる電流に応じて発熱する。この発熱量が蓄積すると、蓄電装置の温度が上昇し、電気抵抗をさらに増大させるばかりなく、蓄電装置の性能や寿命に致命的な影響を及ぼす可能性がある。 For example, in a vehicle (moving body), a part that becomes a heating element is mounted. One of them is a power storage device (for example, a lithium ion battery, a nickel metal hydride battery, a lead battery, an electric double layer capacitor, etc.). In a hybrid vehicle or an electric vehicle, the power storage device serves as a drive source for the vehicle. In addition, the capacity is large and the value of current flowing along with charging / discharging is also large. Therefore, the power storage device generates heat according to the internal resistance and the current that flows along with charging / discharging. When this amount of heat generation accumulates, the temperature of the power storage device rises, which not only further increases the electrical resistance, but may have a fatal effect on the performance and life of the power storage device.
そのため、発熱体(蓄電装置)の温度上昇を抑える冷却装置が備えられる。冷却は、気体、液体、固体などの媒体を介して発熱体からの熱量を外部へ運び出して放熱することで行われる(特許文献1〜特許文献4、参照)。一般に媒体の密度が高い程、発熱体の熱量を外部へ伝熱する効果が大きい。 Therefore, a cooling device that suppresses the temperature rise of the heating element (power storage device) is provided. Cooling is performed by carrying out the heat quantity from a heat generating body outside via mediums, such as gas, liquid, and solid, and radiating heat (refer to patent documents 1-patent documents 4). Generally, the higher the density of the medium, the greater the effect of transferring the amount of heat of the heating element to the outside.
液体を冷却媒体とする技術にあっては、発熱体の周辺に冷却液の流路が設けられ、この流路を満たす冷却液を循環させるためのポンプが備えられる。ポンプは、流路(発熱体の周辺に設けられる)を経由する循環路に介装される。この循環路に冷却液の持つ熱量を外部へ放出するための放熱器が備えられる。 In the technology using a liquid as a cooling medium, a coolant flow path is provided around the heating element, and a pump for circulating the coolant filling the flow path is provided. The pump is interposed in a circulation path that passes through a flow path (provided around the heating element). The circulation path is provided with a heat radiator for releasing the heat quantity of the cooling liquid to the outside.
このような装置においては、流路が冷却液で満たされるため、発熱体を冷却する効果を確保する上から、循環路やポンプなどの付帯設備が必要となり、冷却装置の大型化および設備コストの上昇を招くという問題が考えられる。とくに、車両においては、搭載(設置)スペースが限られるので、冷却装置の付帯設備に伴う大型化については、省エネルギ化の面からも、避けたい、という要望がある。 In such an apparatus, since the flow path is filled with the cooling liquid, an additional facility such as a circulation path and a pump is required to secure the effect of cooling the heating element, which increases the size of the cooling device and the equipment cost. The problem of incurring a rise can be considered. In particular, in a vehicle, the mounting (installation) space is limited, and there is a demand for avoiding the increase in size associated with the auxiliary equipment of the cooling device from the viewpoint of energy saving.
この発明は、発熱体の温度上昇を抑える冷却装置において、装置の小型化・軽量化および設備コストの低下を実現することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to realize a reduction in size and weight of a cooling device and a reduction in equipment cost in a cooling device that suppresses a temperature rise of a heating element.
この発明は、発熱体の温度上昇を抑える冷却装置において、前記発熱体を収納する槽が構成され、前記槽は密閉され、前記槽内の定位置に前記発熱体が支持され、前記槽の壁面と前記発熱体の外面との隙間が流路に構成され、前記流路に冷却媒体として液体の流動する液流領域と同じく気体の流動する気流領域が設定され、前記液流領域の液体中に前記発熱体の全体または一部が沈められる、ことを特徴とする発熱体の冷却装置である。
The present invention provides a cooling device for suppressing a temperature rise of a heating element, wherein a tank for storing the heating element is configured, the tank is sealed, the heating element is supported at a fixed position in the tank, and the wall surface of the tank And the outer surface of the heating element is formed in a flow path, and an air flow area in which a gas flows is set in the flow path as the liquid flow area in which the liquid flows as a cooling medium. The heating element cooling apparatus according to
この発明においては、流路が気流領域を持つので、液流領域の液体をよく流動させることが可能となる。液流領域の液体が流動すると、液面が波立って上下するため、気流領域の気体の流動も促進される。その結果、冷却媒体が流路を通して槽の外部へ持ち出す熱量が増えるため、発熱体の温度上昇を有効に抑えられるようになる。この場合、従来のように冷却液をポンプで強制的に循環させなくて済むので、冷却装置の小型化・軽量化および設備コストの大幅な低下が図れ、電気的な動力の節約(省エネルギ化)も促進できる。 In this invention, since the flow path has the air flow region, the liquid in the liquid flow region can be flowed well. When the liquid in the liquid flow region flows, the liquid level rises and falls, so that the gas flow in the air flow region is also promoted. As a result, the amount of heat that the cooling medium takes out of the tank through the flow path increases, so that the temperature rise of the heating element can be effectively suppressed. In this case, it is not necessary to forcibly circulate the coolant with a pump as in the conventional case, so that the cooling device can be reduced in size and weight, and the equipment cost can be greatly reduced, saving electrical power (saving energy). ) Can also be promoted.
図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図において、10は車両(移動体)に搭載される蓄電装置(発熱体)であり、蓄電装置10は槽11ともども車両に配置される。
In the figure,
槽11は、図示の場合、底部および上部と、4つの側部(前後の側部および左右の側部)と、の外形6面体に構成され、これらに囲まれる室(密閉室)に蓄電装置10が納められる。
In the case shown in the drawing, the
蓄電装置10は、槽11の底部に支持部12を介して固定される。槽11の内面と蓄電装置10の外面との間に隙間が設定され、蓄電装置10を囲む流路13に構成される。流路13に冷却媒体として液体Lの流動する液流領域14と、同じく気体Gの流動する気流領域15と、が備えられる。槽11に所定量の液体Lが封入され、液流領域14が設定され、液流領域14の上側(液面Lfの上方)が気流領域15に設定される。
The
蓄電装置10は、所要の蓄電性能および充放電電出力(電力)を確保すべく、所要数の蓄電要素(例えば、電気二重層キャパシタ)を1つの集合体(槽11の室に合わせて外形6面体)に組み、これらの要素同士を所定の接続状態に配線することによって構成される。
The
蓄電装置10は、全体が液流領域14の液体L中に沈められる。蓄電装置10の外面は、全体が保護カバー(図示せず)で密封される。カバーは、薄い樹脂等のシートから形成され、液体Lが蓄電装置10に侵入するのを防止する。
The entire
16は蓄電装置10から外部への放電電力や外部から蓄電装置10への充電電力を供給するための配線(ケーブル)であり、槽11の外部へ引き出される。配線16が貫通する槽11の部位を密封するグロメット(図示せず)が設けられ、配線16はグロメットに隙間なく嵌挿される。
液体Lは、水も考えられるが、この例においては、流動性が良く伝熱性や電気絶縁性に優れる液体(例えば、フッ素系不活性液体:商品名フロリーナ)が用いられる。気体Gは、特殊な冷却用のガスも考えられるが、とくに限定されるものでなく、この例においては、空気が用いられる。 The liquid L may be water, but in this example, a liquid (for example, a fluorine-based inert liquid: trade name Florina) having good fluidity and excellent heat conductivity and electrical insulation is used. The gas G may be a special cooling gas, but is not particularly limited. In this example, air is used.
槽11においては、気流領域15の圧力を一定に保つための内圧調整用のブリーザ(図示せず)と、メンテナンス用の開閉可能な注液ポート(図示せず)および同じく開閉可能なドレンポート(図示せず)と、が備えられる。19は冷却フィンであり、槽11の外面に配置される。必要があれば、槽11の周辺に冷却ファンを配置することも想定される。
In the
蓄電装置10は、内部抵抗とそこを流れる電流値に応じて発熱する。その熱量は、蓄電装置10から流路13の液流領域14および気流領域15へ伝えられる。液体Lは気体Gよりも密度が高く、伝熱効果が大きいので、主に液流領域14を通して槽11の外面へ伝熱され、槽11の外面から外部へ放熱される。
The
液流領域14の液体Lおよび気流領域15の気体Gは、蓄電装置10の発熱量を受けて流動(対流)する。槽11は、蓄電装置10ともども車両に搭載されるので、車両の運転に伴って液体Lおよび気体Gの流動が促進される。例えば、車両の加減速時においては、車両の前後方向へ作用する慣性力により、液体Lおよび気体Gの流動が促進される。また、車両の旋回時においては、車両の左右方向へ作用する慣性力により、液体Lおよび気体Gの流動が促進される。液流領域14の液体Lは、流動の促進により、液面Lfも波立って上下するため、気体Gの流動がさらに促進される。
The liquid L in the
槽11は、車両において、液流領域14の液体Lおよび気流領域15の気体Gが車両の移動に伴う慣性力によって流動しやすく設定される。図示の場合、槽11は、車両の移動(走行)に伴う慣性力の作用方向(車両の前後方向および左右方向)へ流路13が延在する設定になっている。
The
このような構成により、蓄電装置10の発熱量は、流路13の冷却媒体を通して槽11の外部へ効率よく伝熱・放熱される。そのため、冷却が良好に行えるので、蓄電装置10(発熱体)の充放電に伴う温度上昇を有効に抑えることができる。
With such a configuration, the heat generation amount of the
流路13の全容積を液体L(気体Gよりも密度が高く冷却媒体として有利となる)によって満たすと、流路13の気流領域15が無くなり、前記の促進効果(冷却媒体の流動の促進)が得られなくなってしまう。そのため、槽11を満たす液体Lをポンプで強制的に循環させることが必要となり、冷却装置の大型化や設備コストの上昇を招いてしまうのである。
When the entire volume of the
この実施形態においては、所定量の液体Lが槽11に封入され、槽11の上側(液流領域14の上方)に気流領域15が設定されるので、車両の運転に伴って流路13の液体Lおよび気体Gの流動が促進され、冷却媒体の温度分布が均一化されることになる。そのため、冷却媒体をポンプで強制的に循環させる必要がなくなり、冷却装置の小型化・軽量化や設備コストの大幅な低下が図れるのある。
In this embodiment, a predetermined amount of liquid L is sealed in the
図示の場合、冷却媒体の流動を活性化させるため、流路13にワンウエイフラップ20が配置される。ワンウエイフラップ20は、流路を遮断するフラップ20aと、フラップ20aを開閉可能に支持するピボット20bと、フラップ20aの開動を一方向にのみ許容(反対方向への開動を規制)するストッパ20cと、フラップ20aを閉方向へ軽く付勢するバネ(図示せず)と、から構成される。
In the illustrated case, a one-
ワンウエイフラップ20は、この例においては、蓄電装置10の両側を車両の前後方向へ平行に延びる流路部分13a,13bに配置される。1つは、蓄電装置10の右側(車両の左右方向の右側)に配置され、流路部分13aを車両の後側から前側への冷却媒体の流れを許容すると共にその反対側への流れを規制する。もう1つは、蓄電装置10の左側(車両の左右方向の左側)に配置され、流路部分13bを車両の前側から後側への冷却媒体の流れを許容すると共にその反対側への流れを規制する。
In this example, the one-
例えば、車両の移動に伴う慣性力によって、蓄電装置10の後側から前側へ冷却媒体の流れが付勢されると、蓄電装置10の左側の流れは、ワンウエイフラップ20Lによって規制され、冷却媒体はワンウエイフラップ20Rを通して蓄電装置10の右側を速く活発に流れるようになる(図3、参照)。また、冷却媒体の流れが反対方向へ付勢されると、蓄電装置10の右側の流れは、ワンウエイフラップ20Rによって規制され、冷却媒体はワンウエイフラップ20Lを通して蓄電装置10の左側を速く活発に流れるようになる(図4、参照)。
For example, when the flow of the cooling medium is energized from the rear side to the front side of the
ワンウエイフラップ20により、冷却媒体の流動が活性化されるため、流路13の伝熱性の向上が得られるのである。
Since the flow of the cooling medium is activated by the one-
図5、図6は、別の実施形態を説明するものであり、冷却媒体の流動が活性化させるべく、流路13の幅(間隔)に変化が与えられる。
FIGS. 5 and 6 illustrate another embodiment, and the width (interval) of the
具体的には、蓄電装置10(外形6面体)が、槽11の底面上(水平面内)において、車両の前後方向に対して傾斜する支持状態に配置される。mは蓄電装置10の中心線であり、cは槽11の中心線(車両の前後方向と平行に延びる)であり、蓄電装置10は、中心線mが槽11の中心線cと角度θをもって交差する配置状態に支持されるのである(図6、参照)。
Specifically, the power storage device 10 (outer hexahedron) is disposed on a bottom surface (in a horizontal plane) of the
この角度θにより、蓄電装置10の前部左側角部と槽11の左側部の壁面との間が狭められ、蓄電装置10の左側面と槽の左側部の壁面との間が蓄電装置10の後部左側角度へ向けて次第に広がり、蓄電装置10の後部右側角部と槽11の右側部の壁面との間が狭められ、蓄電装置10の右側面と槽11の右側部の壁面との間が蓄電装置10の後部左側角度へ向けて次第に広がるように設定される。つまり、流路13は、蓄電装置10の前部左側角部と槽11の左側部の壁面との間および蓄電装置10の後部右側角部と槽11の右側部の壁面との間が、幅(間隔)がとくに狭く、絞り部25(25R,25L)を構成するように設定されるのである。
With this angle θ, the space between the front left corner of the
例えば、車両の移動(走行)に伴う慣性力によって、液体Lの流れが蓄電装置10の後側から前側へ付勢されると、絞り部25Rの直下流から蓄電装置10の前側を通って絞り部25Lへ流れる液体Lは、流路部分が次第に広がるため、速く移動する。蓄電装置10の後側から絞り部25Rへ流れる液体Lは、流路部分は次第に広がるものの、絞り部25Rで押し止められるため、これを乗り越えて前方へ移動しようと液面Lfが大きく波立って活発に流動する。また、蓄電装置10の後側から絞り部25Lへ流れる液体Lは、流路部分が次第に狭まるため、流れは遅くなるものの、絞り部25Lで押し止められるため、これを乗り越えて前方へ移動しようと液面Lfが大きく波立って活発に流動するようになる(図7、参照)。
For example, when the flow of the liquid L is urged from the rear side to the front side of the
また、液体Lの流れが反対方向へ付勢されると、絞り部25Lの直下流から蓄電装置10の後側を通って絞り部25Rへ流れる液体は、流路部分が次第に広がるため、速く移動する。蓄電装置10の前側から絞り部25Lへ流れる液体Lは、絞り部25Lで押し止められるため、これを乗り越えて前方へ移動しようと液面が大きく波立って活発に流動する。また、蓄電装置10の前側から絞り部25Rへ流れる液体Lは、流路部分が次第に狭くなり、流れは遅くなるが、絞り部25Rを乗り越えて後方へ移動しようと液面が大きく波立って活発に流動するようになる(図8、参照)。
In addition, when the flow of the liquid L is urged in the opposite direction, the liquid flowing from the immediately downstream side of the
この実施形態においても、流路13の絞り部25により、冷却媒体の流動が活性化されるため、流路13の伝熱性の向上が得られるのである。
Also in this embodiment, since the flow of the cooling medium is activated by the
図9は、別の実施形態を説明するものであり、蓄電装置10(槽11の室に合わせて外形6面体に構成される)が槽11の定位置に支持部30を介して揺動可能に設定される。支持部30は、球面凸部30aと、これが滑動自在に嵌合する球面凹部30bと、から構成される。球面凹部30bは、蓄電装置10の底面の中心部に配置され、球面凸部30aは、槽11の底部の定位置(この例においては、槽の底面の中心部)に配置される。従って、蓄電装置10は、槽11の底面に対し、球面凹部30bと球面凸部30aとの滑動に伴って前後左右へ揺動自在に支持される。
FIG. 9 illustrates another embodiment, in which the power storage device 10 (configured in an outer shape hexahedron to match the chamber of the tank 11) can swing to a fixed position of the
蓄電装置10を弾性的に支持するバネ31(スプリング)が配置される。バネ31は蓄電装置10の底面と槽11の底部(底面)との間に介装され、この例においては、蓄電装置11の底面の四隅に1つずつ配置され、蓄電装置10を槽11の底面(水平面)と平行に保持する。各バネ31は、蓄電装置10が揺動すると、これに伴って伸縮するように設定される。
A spring 31 (spring) that elastically supports the
このような構成により、例えば、車両の移動(走行)に伴って慣性力が作用すると、蓄電装置10がバネ31を伸縮させながら支持部30を中心に慣性力の作用方向へ揺動することになり、この動きに伴って冷却媒体の流動・攪拌が促進され、流路13の伝熱性の向上が得られるのである。
With such a configuration, for example, when an inertial force acts as the vehicle moves (runs), the
バネ31は、蓄電装置10の揺動に伴って伸縮するので、蓄電装置10の揺動エネルギを蓄積する手段として機能するため、蓄電装置10(発熱体)を往復動させることができる。
Since the
その結果、冷却媒体をポンプで強制的に循環させなくて済むため、冷却装置の小型化・軽量化および設備コストの大幅な低下が図れ、電気的な動力の節約(省エネルギ化)も促進できる。 As a result, it is not necessary to forcibly circulate the cooling medium with a pump, so the cooling device can be reduced in size and weight, and the equipment cost can be greatly reduced, and the saving of electrical power (energy saving) can be promoted. .
冷却対象となる発熱体が複数の場合、例えば、1つが蓄電装置10、もう1つが発熱要素を含む電気機器や電子機器を1つの集合体に構成するパワー・エレクトリカル・デバイス40(例えば、インバータ)の場合、図10のように各発熱体10,40の冷却装置を配管45を介して閉ループに接続することも想定される。
When there are a plurality of heating elements to be cooled, for example, a power electrical device 40 (for example, an inverter) in which one
この場合、蓄電装置10の冷却装置は、図1と同様のもの(図5または図9と同様のものでも良い)が用いられる。パワー・エレクトリカル・デバイス40の冷却装置は、密閉した容器46(冷却用チャンバ)に構成され、容器46内の全容積が液体Lで満たされる。パワー・エレクトリカル・デバイス40は、その一面が容器46に接する状態に配置される。19は放熱フィンであり、蓄電装置10の槽11の外面ばかりなく、配管45を放熱器として利用するべく配管45の外面に数多く付設される。
In this case, the cooling device for the
例えば、車両の移動(走行)に伴う慣性力が作用すると、蓄電装置10の槽11において、液体Lおよび気体Gの流動が促進され、槽11内の液体Lの流動が配管45を通してパワー・エレクトリカル・デバイス40の容器46(冷却用チャンバ)へ伝えられる。容器46側においては、槽11から配管45を通して送り込まれる量の液体Lが配管45を通して槽11へ送り出され、液体Lの持ち出す熱量は、配管45上の冷却フィン19からも効率よく放熱されることになる。
For example, when an inertial force accompanying the movement (running) of the vehicle acts, the flow of the liquid L and the gas G is promoted in the
この実施形態においては、ポンプで冷却媒体を強制的に循環させることなく、複数の発熱体(蓄電装置10、パワー・エレクトリカル・デバイス40)を良好に冷却することができる。また、ポンプで冷却媒体を強制的に循環させなくて済むため、冷却装置の小型化・軽量化および設備コストの低下が図れ、電気的な動力の節約(省エネルギ化)も促進できる。
In this embodiment, a plurality of heating elements (
なお、パワー・エレクトリカル・デバイス40の冷却装置についても、図1または図5または図9と同様のものを用いることが想定される。その場合、パワー・エレクトリカル・デバイス40側の槽においても、液体Lの流動が促進されて活性化するため、複数の発熱体を一段と良好に冷却することができる。
In addition, it is assumed that the cooling device for the power
図5、図9、図10において、図1と同一の部位に同一の符号を付け、重複説明は省略する。 5, 9, and 10, the same parts as those in FIG.
この発明に係る冷却装置は、移動体に搭載される発熱体に利用が限られるものでなく、所定の場所に据え付けられる定置の発熱体(例えば、発電機)を冷却する装置としても広く利用することができる。 The cooling device according to the present invention is not limited to the heating element mounted on the moving body, but is widely used as a device for cooling a stationary heating element (for example, a generator) installed at a predetermined place. be able to.
10 蓄電装置(発熱体)
11 槽
12 固定用の支持部
13 流路
14 液流領域
15 気流領域
19 冷却フィン
20 ワンウエイフラップ
25 絞り部
30 揺動用支持部
31 バネ
40 パワー・エレクトリカル・デバイス(発熱体)
45 配管
46 容器
L 冷却媒体としての液体
G 冷却媒体としての気体
10 Power storage device (heating element)
DESCRIPTION OF
45
Claims (5)
前記発熱体を収納する槽が構成され、
前記槽は密閉され、前記槽内の定位置に前記発熱体が支持され、前記槽の壁面と前記発熱体の外面との隙間が流路に構成され、
前記流路に冷却媒体として液体の流動する液流領域と同じく気体の流動する気流領域が設定され、
前記液流領域の液体中に前記発熱体の全体または一部が沈められる、
ことを特徴とする発熱体の冷却装置。 In the cooling device that suppresses the temperature rise of the heating element,
A tank for storing the heating element is configured,
The tank is sealed, the heating element is supported at a fixed position in the tank, and a gap between the wall surface of the tank and the outer surface of the heating element is configured as a flow path,
An airflow region in which a gas flows is set in the flow path as well as a liquid flow region in which a liquid flows as a cooling medium,
All or part of the heating element is submerged in the liquid in the liquid flow region;
A cooling device for a heating element.
前記流路に冷却媒体の流れる方向を規定する手段が備えられる、
ことを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。 The heating element is mounted on a moving body, and is fixed to a fixed position in the tank via a support portion.
Means are provided for defining a flow direction of the cooling medium in the flow path.
The cooling device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。 The heating element is mounted on a moving body, and uses an inertial force accompanying the movement of the moving body to promote the flow of the cooling medium via a support portion at a fixed position in the tank. Configured to be swingable,
The cooling device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1つに記載の冷却装置。 A plurality of the heating elements are arranged, the tanks are arranged one by one for each heating element, and include a pipe connecting between the liquid flow regions of the tanks.
The cooling device according to any one of claims 1 to 4, wherein the cooling device is characterized in that
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018122621A (en) * | 2017-01-30 | 2018-08-09 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell vehicle |
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2011
- 2011-12-13 JP JP2011272241A patent/JP2013125772A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2018122621A (en) * | 2017-01-30 | 2018-08-09 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell vehicle |
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