JP2013539899A - 電池のための共形流体冷却熱交換器 - Google Patents

Abstract

一実施形態例によれば、第１電池モジュール及び第２電池モジュールを有する電池ユニットのための熱交換器を提供する。第１電池モジュールは、少なくとも１つの電池モジュールをそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、第２電池モジュールは、少なくとも１つの電池モジュールをそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、第１電池モジュール及び第２電池モジュールとは間隔を空けて配置され、第１電池モジュールの複数の電池容器は、第２電池モジュールの対応する電池容器と間隔を空けて対向して配置される。熱交換器は、熱交換器流体が流れる対応する流体フロー領域内にそれぞれ位置する複数の流体フローチャンバを画定し、流体フロー領域はそれぞれ、第１電池モジュールの対応する電池容器と第２電池モジュールの対応する電池容器との間に位置して係合し、流体流路領域はそれぞれ、流体フロー領域が位置する電池容器間の間隔に適合するべく、別の流体フロー領域とは独立して寸法的に適合可能である。
【選択図】図１

Description

本開示は、充電式電池及びその他の発電用電池における放熱に使用される熱交換器に関する。

［優先権情報］
本願は、２０１０年１０月４日出願の米国仮出願61/389,301号、発明の名称"CONFORMAL FLUID-COOLED HEAT EXCHANGER FOR BATTERY CELL STACK（電池スタックの共形流体冷却熱交換器）の優先権を主張するものである。

前記出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

多くのリチウムイオン電池のような充電式電池が、例えば、電気自動車（ＥＶ）及びハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のような多くのアプリケーションで使用されている。このような電池は、多量の熱を発生するため、放熱が必要である。

一実施形態によれば、少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有する第１電池モジュールと、少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有する第２電池モジュールとを備える電池ユニットを提供し、第１電池モジュールと第２電池モジュールとは、間隔を空けて配置される。熱交換器は、第１電池モジュールと第２電池モジュールとの間に設けられ、第１電池モジュールに接触する第１面及び第２電池モジュールに接する第２面を有し、熱交換器は、熱交換器流体が流れる少なくとも１つの内部流体流路を画定し、熱交換器の第１面及び第２面は、複数の電池容器にわたって第１電池モジュールと第２電池モジュールとの間の間隔における変化に適合するように、弾性を有し圧縮可能である。

一実施形態によれば、第１電池モジュール及び第２電池モジュールを有する電池ユニットのための熱交換器であって、第１電池モジュールは、少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、第２電池モジュールは、少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、第１電池モジュール及び第２電池モジュールは間隔を空けて配置され、第１電池モジュールの複数の電池容器は、第２電池モジュールの対応する電池容器と間隔を空けて対向して配置される。熱交換器は、熱交換器流体が流れる対応する流体流路領域内にそれぞれ位置する複数の流体フローチャンバを画定し、流体流路領域はそれぞれ、第１電池モジュールの対応する電池容器と第２電池モジュールの対応する電池容器との間に位置して係合し、流体フロー領域はそれぞれ、流体フロー領域が位置する電池容器間の間隔に適合するべく、別の流体フロー領域とは独立して寸法的に適合可能である。一実施形態例によれば、第１電池モジュール及び第２電池モジュールを有する電池ユニットのための熱交換器を提供する。第１電池モジュールは、少なくとも１つの電池モジュールをそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、第２電池モジュールは、少なくとも１つの電池モジュールをそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、第１電池モジュール及び第２電池モジュールとは間隔を空けて配置され、第１電池モジュールの複数の電池容器は、第２電池モジュールの対応する電池容器と間隔を空けて対向して配置される。熱交換器は、第１電池モジュール及び第２電池モジュールの間に配置される。熱交換器は、熱交換器流体が流れる対応する流体チャンバ領域内にそれぞれ位置する複数の平行流体フローチャンバを画定し、流体フロー領域はそれぞれ、第１電池モジュールの対応する電池容器と第２電池モジュールの対応する電池容器との間に位置して係合し、流体フロー領域はそれぞれ、別の流体フロー領域とは独立して、流体フロー領域が位置する電池容器間の間隔に適合する寸法的適合性（コンプライアンス）を有する。

別の実施形態例によれば、第１電池モジュール及び第２電池モジュールを有する電池ユニットのための熱交換器を提供する。第１電池モジュールは、少なくとも１つの電池を収容する複数の電池容器を備え、第２電池モジュールは、少なくとも１つの電池を収容する複数の電池容器を備え、第１電池モジュール及び第２電池モジュールは間隔を空けて配置され、第１電池モジュールの複数の電池容器は、間隔を空けて、第２電池モジュールの対応する電池容器と対向するように配置され、熱交換器は、熱交換器流体が流れる対応する流体チャンバ領域内にそれぞれ位置する複数の平行流体フローチャンバを画定し、流体フロー領域はそれぞれ、第１電池モジュールの対応する電池容器と第２電池モジュールの対応する電池容器との間に位置して係合し、流体フロー領域はそれぞれ、流体フロー領域が位置する電池容器間の間隔に適合するべく、別の流体フロー領域とは独立して、寸法的適合性（コンプライアンス）を有する。

別の実施形態例によれば、第１電池モジュール及び第２電池モジュールを有する電池ユニットのための熱交換器を提供する。第１電池モジュールは、少なくとも１つの電池を収容する複数の電池容器を備え、第２電池モジュールは、少なくとも１つの電池を収容する複数の電池容器を備え、第１電池モジュール及び第２電池モジュールは間隔を空けて配置され、第１電池モジュールの複数の電池容器は、間隔を空けて、第２電池モジュールの対応する電池容器と対向するように配置され、熱交換器は、第１電池モジュールと第２電池モジュールとの間に位置し、熱交換器流体が流れる対応する流体チャンバ領域内にそれぞれ位置する複数の平行流体フローチャンバを画定し、流体フロー領域はそれぞれ、第１電池モジュールの対応する電池容器と第２電池モジュールの対応する電池容器との間に位置して係合し、熱交換器は、複数の電池容器間の不均一な間隔に適合するべく、寸法的適合性（コンプライアンス）を有する。

一実施形態例では、少なくとも２つの電池モジュールを使用する熱交換器を提供する。電池モジュールはそれぞれ、剛性容器内に収容される少なくとも１つの電池を備え、熱交換器は、熱交換器流体の内部流路を画定し、圧縮されて熱交換器と２つの電池モジュール間の熱的接触を改善する少なくとも１つの適合領域を有する。

一実施形態例に係る電池ユニットの概略的斜視図である。 図１の電池ユニットの電池モジュールのうちの１つの電池容器の３つの隣接する部分を示した拡大正面図である。 一実施形態例に係る流体冷却熱交換器の斜視図である。 図３の熱交換器の平面図である。 図４の線Ｖ−Ｖに沿った熱交換器の断面図である。 図５の一部分の拡大図である。 図６のフローチャンバ領域の分解図である。 図３の熱交換器の内側コアプレートの斜視図である。 図３の熱交換器の外側コアプレートの斜視図である。 図３の熱交換器の第１遮蔽板の平面図である。 図３の熱交換器の第２遮蔽板の平面図である。 別の実施形態例に係る流体冷却熱交換器の斜視図である。 図１２の熱交換器の一面の平面図である。 図１２の熱交換器の反対側の面を示した平面図である。 図１４のＸＶ−ＸＶに沿った熱交換器の断面図である。 図１２の熱交換器の第１コアプレートの平面図である。 図１２の熱交換器の第２コアプレートの平面図である。 図１７の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに沿った第２コアプレートの断面図である。 図１２の熱交換器の適合プレートの平面図である。 図１９のＸＸ−ＸＸに沿った適合プレートの断面図である。 図１２の熱交換器の適合プレートの拡大断面図である。

技術の実装について、以下に詳細に説明する。以下に説明する例はそれぞれ、技術を例示することのみを目的としており、技術を限定することを意図していない。当業者であれば、本技術において様々な変更及び変形が可能であることは理解できる。例えば、更なる実装形態を生み出すべく、本技術の一実装形態の一部として記載された特徴を別の実装形態で使用することができる。本技術は、このような本技術の範囲内に含まれる変更及び変形も範囲に含むことを意図している。

図１には、本発明の実施形態例に係る充電式電池ユニット１００の一例が示されている。電池ユニット１００は、電池スタック又はモジュール１０２（１）及び１０２（２）（本明細書では、１０２（ｉ）と称される）を備え、電池スタック又はモジュールはそれぞれ、１以上の電池１０６を受容する電池容器１０４から構成されている。例示されている実施形態では、２つの矩形のボックス形状のモジュール１０２（ｉ）を備え、それぞれが水平方向に配置された６つのセル容器１０４から構成されており、各セル容器１０４は１以上の電池１０６を収容する。電池ユニット１００内のモジュール１０２（ｉ）の個数、各モジュール１０２内のセル容器１０４の個数、及び、電池容器１０４それぞれ内の電池１０６の個数は可変であり、これら構成要素の向き及び形状もアプリケーションに応じて可変であり、本明細書で記載される数量及び向きは、例示した実施形態の一例に過ぎない。

少なくとも一部の実施形態において、電池１０６は、リチウムイオン電池であるが、その他の充電式電池を使用することができる。ある実施形態では、電池１０６は、角形リチウムイオン電池である。別の実施形態例では、電池１０６は、円筒形状又はその他の形状を有する。例示されている実施形態では、電池容器１０４はそれぞれ、矩形の実質的に剛性を有する箱型形状の容器であり、１以上の電池１０６を収容する。ある実施形態では、モジュール１０２（ｉ）内の電池容器１０４の全ては、実質的に同一の構成を有し、電池ユニット１００を構成するモジュール１０２（ｉ）は実質的に同一の構成を有する。ある実施形態例では、電池モジュール１０２（ｉ）は、支持フレーム又はラック１０８内で、互いに横に並ぶように配置される又は互いに重なるように配置されてもよい。ある実施形態では、電池容器１０４は、剛性を有さない。

幾つかの実施形態では、熱交換器１１０が、隣接する電池モジュール１０２（１）及び１０２（２）の対向する面１１２及び面１１３の間に位置する。それぞれのモジュール１０２（１）及び１０２（２）と中間に位置する熱交換器１１０との間の接触面１１２及び１１３、は、完全な平面でなくてもよく、加熱及び冷却の間に膨張及び収縮することにより、歪みが発生してもよい。一例として、図２には、上側モジュール１０２（１）における３つの隣接する電池容器１０４の熱交換器接触面１１４によって、接触面１１２が規定されている。電池容器１０４の製造公差及びモジュール組み立て公差が存在する結果、電池容器１０４はそれぞれ、完全に同一とならない又は完璧に並べられない場合がある。その結果、熱交換器接触面１１４がきちんと並べられず、平面でない熱交換器の接触面１１２となり、隣接する電池容器１０４の境界間に僅かな高さの遷移が存在する場合がある。図２に示す"Ｔ"は、モジュール１０２における電池容器１０４の熱交換器接触面１１４間の最大変位公差を表す。非制限的な例として、公差は、例えば、ある適用例では０．５ｍｍから１ｍｍの範囲であるが、別の適用例では、これ以外の範囲の公差であってもよい。

上記のように、一部の適用例では、温度変化の範囲及び接触面の公差の範囲において、隣接するモジュール１０２（ｉ）間で、電池容器１０４の外形と一貫して接触を維持可能であり、良好な熱伝導性を有する熱交換器１１０が望ましい。この点に関して、ある実施形態では、電池容器が、平面の熱交換器接触面を規定しない場合であっても、電池ユニット１００全体にわたって、電池容器１０４との接触を維持する寸法的に適合（dimensionally compliant）する熱交換器構造に関する。ある例では、寸法的に適合する熱交換器１１０は、第１電池モジュール及び第２電池モジュールが膨張すると圧縮され、第１電池モジュール及び第２電池モジュールが収縮すると膨張するので、通常の電池作動温度の範囲全体にわたって、熱交換器構造が電池容器１０４と熱的に接触を保つことができる。

図３及び図４に示すように、一実施形態では、熱交換器１１０は、マルチパスプレート型熱交換器であり、流入口固定部１２０と流体連結する第１端部及び流出口固定部１２２と流体連結する第２端部を有する内部蛇行熱交換器流体流路１１８を規定する。図示の例では、内部蛇行熱交換器流体流路１１８は、複数の直列に接続された平行流体チャンバ１１６（１）−１１６（６）（本明細書では参照番号１１６（ｉ）を使用しており、図３では点線で表されている）を含み、各流体チャンバは、それぞれ実質的にＵ字形状の流路１２６によって次の流体チャンバと結合されている。動作時には、冷却流体のような熱交換器流体が、流入口固定部１２０に入り、流体チャンバ１１６（１）及びＵ字形状流路１２６を通って流体チャンバ１１６（２）に入った後、第２Ｕ字形状流路１２６を通って流体チャンバ１１６（３）に入り、最終的に、流体が最後の流体チャンバ１１６（６）を通って流出口固定部１２２から流出する。内部流路１１８を通過する熱交換器流体は、例えば、電池容器１０４から熱を奪い取る、水又はその他の液体のような冷却液体、若しくは、ガス状流体冷媒である。ある実施形態例では、内部流路１１８を通過する熱交換器流体は、例えば、電池容器１０４を加熱する媒体である。

図１に概略的に示されるように、一実施形態では、流体チャンバ１１６（ｉ）はそれぞれ、一のモジュール１０２（１）に位置する電池容器１０４と、隣接するモジュール１０２（２）に位置する反対側の電池容器１０４との間に位置する。図示の例では、熱交換器は、６つの平行な流体チャンバ１１６（１）−１１６（６）を含み、流体チャンバ１１６（ｉ）はそれぞれ、電池ユニット１００における電池容器１０４の対向する対の間に配置される。しかしながら、流体チャンバの数は、アプリケーション仕様に応じて、６つより多くても少なくてもよい。ある実施形態例では、Ｕ字形状流路１２６を規定するＵ字形状の部分は、電池モジュール１０２（１）、１０２（２）の側面を外側に越えて露出されており、Ｕ字形状流路１２６は、電池容器１０４の間に位置しない。別の実施形態例では、Ｕ字形状の領域は、電池モジュール１０２（１）、１０２（２）の間に位置して露出されない。流体チャンバ１１６（１）−１１６（６）はそれぞれ、熱交換器１１０の対応する流体チャンバ領域１２４（１）−１２４（６）（総称して、参照番号１２４（ｉ）が使用される）内に形成される。以下に詳細に説明するように、実施形態例では、流体チャンバ領域１２４（ｉ）はそれぞれ、熱交換器１１０のその他の流体チャンバ領域１２４（ｉ）に個別に適合可能であり、隣接するモジュール１０２（１）及び１０２（２）の間の対向する面１１２、１１３における電池容器間の変化が、熱交換器１１０によって吸収されるようになっている。

図５から図７には、熱交換器１１０の断面図が示されており、一実施形態では、積層された６枚のプレートから熱交換器１１０の本体が形成されており、これら６枚のプレートはそれぞれ、第１外側カバープレート１２８、第２外側カバープレート１３０、第１外側コアプレート１３２、第２外側コアプレート１３４、第１内側コアプレート１３６及び第２内側コアプレート１３８と称される。この一実施形態例では、複数のプレートはそれぞれ、ロール状の又は型打ちされたアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されて、ろう付けされて、熱交換器１１０の本体を形成する。しかしながら、熱交換器は、これに替えて、その他の弾性を有する金属、又は、プラスチックを含む材料、及び、その他のプロセスから形成される。

一実施形態例では、第１内側コアプレート１３６及び第２内側コアプレート１３８は、実質的に同一に構成され、図８には、内側コアプレート１３６、１３８の一例の斜視図が示されている。内側コアプレート１３６、１３８には、隆起した蛇行ボス（serpentine boss：蛇行突出部）１４２が形成されている矩形平面プレート部分１４０が含まれる。蛇行ボス１４２は、内部流路１１８の形状に適合しており、それぞれフローチャンバ領域１２４（１）−１２４（６）に対応する平行な内側コアプレート領域１４３（１）−１４３（６）（参照番号１４３（ｉ）で総称される）を含む。蛇行スロット１４４が、蛇行ボス１４２の長さに沿って設けられている。蛇行スロット１４４はそれぞれ、反対側の、大きな流入開口部１４６及び流出開口部１４８で終端する。

一実施形態例では、第１外側コアプレート１３２及び第２外側コアプレート１３４は、実質的に同一の構成を有し、図９には、外側コアプレート１３２、１３４の一例の斜視図が示されている。外側コアプレート１３２、１３４は、内部流路１１８の形状と共形の蛇行部材である。コアプレート１２３、１３４は、それぞれフローチャンバ領域１２４（１）−１２４（６）に対応する、直列に接続された平行コアプレート領域１５４（１）−１５４（６）（参照番号１５４（ｉ）で総称される）を有する。隣接するコアプレート領域１５４（ｉ）は、プレート１３２、１３４の１つおきの端部において、実質的にＵ形状の部分１５６で接続されている。このようなコアプレート１３２、１３４の構成によれば、コアプレート領域１５４（ｉ）がその他のコアプレート領域１５４（ｉ）とは独立して弾性的に圧縮されることから、各コアプレート領域１５４（ｉ）間の物理的分離が可能となる。蛇行スロット１４９は、コアプレート１３２、１３４に沿って設けられ、それぞれ、反対側の、大きな流入開口部１５０及び流出開口部１５２で終端する。

図１０は、実質的に平坦な第１カバープレート１２８の一例の平面図である。第１カバープレート１２８は、内部流路１１８の形状と共形する蛇行部である。カバープレート１２８は、それぞれフローチャンバ領域１２４（１）−１２４（６）直列に接続された平行な第１カバープレート領域１５８（１）−１５８（６）（参照番号１５８（ｉ）を使用して総称される）を含む。隣接する第１カバープレート領域１５８（ｉ）は、プレート１２８の１つおきの端部において、実質的に、Ｕ字形状部分１６０によって接続されている。第１カバープレート１２８により、カバープレート領域１５８（ｉ）のそれぞれが、その他のカバープレート領域１５８（ｉ）とは独立して、熱交換器本体の中心部に対して変位可能となることから、各第１カバープレート領域１５８（ｉ）間の物理的分離が可能となる。大きな流入開口部１６２及び流出開口部１６４が、蛇行カバープレート１２８の対向する端部にそれぞれ設けられる。

図１１は、実施的に平坦な第２カバープレート１３０の一例を示した平面図である。第２カバープレート１３０は、流入開口部１６２及び流出開口部１６４を有さない点以外は、第１カバープレート１２８と実質的に同一な蛇行部材である。図面１１では、カバープレート１２８及び１３０の要素と同様な参照番号が使用されている。

プレート１２８、１３０、１３２、１３４、１３６及び１３８の特徴及び組み立て方について、図６及び図７の断面図を参照して詳細に説明する。熱交換器１１０では、内側コアプレート１３６及び１３８が、それぞれの平面プレート部分１４０が、それぞれの隆起したボス部分１４２が熱交換器本体の中心線Ｃから離れるように、面同士が向かい合っている。説明を目的として、特にそうでないと記載されない限りにおいて、本明細書では、中心線Ｃに向かう方向を"内側"とし、中心線Ｃから離れる方向を"外側"として示している。第１内側コアプレート１３６及び第２内側コアプレート１３８の隆起ボス部分１４２は、内部蛇行流路１１８を部分的に規定するように配置される。図７に示されるように、第１内側コアプレート１３６及び第２内側コアプレート１３８それぞれの隆起ボス部分１４２は、平面プレート１４０から延びて、蛇行スロット１４４を画定する平面フランジ１６８で終端する対向する側壁１６６によって形成されている。平面フランジ１６８は、平面プレート部分１４０と実質的に平行である。一実施形態において、側壁１６６はそれぞれ、中心線Ｃに対して外側に湾曲する第１弓状壁部１７０及び中心線Ｃに対して内側に湾曲する第２弓状壁部１７２を有し、これら弓状壁部により、およそ"Ｓ"字形状と見なすことができる形状を有する。ある構成例では、このような側壁形状により、中心線Ｃに向かう方向に圧力が掛かるとボス１４２が変形し、圧力が除かれると通常の形状に跳ね返って戻るような態様で、弾性的な適合性を有するボス１４２を提供する。ある実施形態例では、側壁のＳ字形状は、応力を分散させて、疲労を低減させることができる。これに替えて、その他の形状の側壁を使用して、疲労を低減させてもよい。

第１外側コアプレート１３２及び第２外側コアプレート１３４は、中心線Ｃの両側で、それぞれ第１内側コアプレート１３６及び第２内側コアプレート１３８に固定される。蛇行外側コアプレート１３２、１３４はそれぞれ、中心線Ｃに対して外側に開口して内部蛇行流路１１８を形成する蛇行チャネル１７４を画定する。特に、蛇行チャネル１７４は、１対の対向する側壁１７６によって画定される。側壁１７６はそれぞれ、外側平面周辺フランジ１７８から内側平面フランジ１８０へと延在し、外側フランジ１７８及び内側フランジ１８０は、実質的に平行で対向する面を有する。図示した実施形態では、側壁１７６はそれぞれ、中心線Ｃに対して外側に湾曲する第１弓状壁部１８２及び中心線Ｃに対して内側に湾曲する第２弓状壁部１８４を有し、これら弓状壁部により、およそ"Ｓ"字形状と見なすことができる形状を有する側壁１７６となっている。一例では、内側フランジ１８０はそれぞれ、内側延在リップ１８６で終端しており、一のフランジ１８０上のリップ１８６が他のフランジ１８０上のリップ１８６と対向するように配置されて、蛇行スロット１４９を画定している。

第１外側コアプレート１３２の内側フランジ１８０は、第１内側コアプレート１３６の対応する平面部分１６８と結合して、第１外側コアプレート１３２を第１内側コアプレート１３６に固定する。図６及び図７に示すように、外側コアプレート蛇行スロット１４９は、内側コアプレート蛇行スロット１４４と並ぶように配置され、外側コアプレートの対向するリップ１８６は、内側コアプレート蛇行スロット１４４へと延在する。外側コアプレートリップ１８６を内側コアプレートスロット１４４内に位置させることにより、内側コアプレートと外側コアプレートとの機械的連結を提供し、これら間の結合を強化することができ、プレート間から漏れが生じることを防ぐ密封性を提供することができ、また、熱交換器の組み立ての時にこれらプレートを並べるのを容易にする。ある構成例では、外側コアプレートリップ１８６を内側コアプレートスロット１４４内に位置させることにより、フローチャンバ領域１２４（ｉ）が歪む範囲を制限することができる。ある実施形態では、このような領域の変形量を制限するべく、熱交換器の本体の様々な領域にその他の歪み制限構造が設けられてもよい。第１外側コアプレート１３２が第１内側コアプレート１３６に固定されるのと同様な態様で、第２外側コアプレート１３４が第２内側コアプレート１３８に固定される。一部の実施形態例では、リップ１８６を外側コアプレートではなく内側コアプレートに設けて、外側コアプレート上のスロット１４９に挿入することにより、内側コアプレートと外側コアプレートとの間の結合を反転させることができる。

ある実施形態例では、外側コアプレート１３２、１３４及びの側壁１７６のＳ字形状により、外側コアプレートが中心線Ｃに向かう圧力の下で変形し、圧力が除かれると通常の形状に跳ね返って戻る態様で、弾性を有する一定の適合性が外側コアプレート１３２、１３４に提供される。ある実施形態例では、側壁のＳ字形状は、応力を分散させて、疲労を低減させることができる。これに替えて、その他の形状の側壁を使用して、疲労を低減させてもよい。

図示の実施形態では、蛇行第１外側カバープレート１２８が、蛇行第１外側コアプレート １３２の外側に固定されて、第１外側コアプレートチャネル１７４を封止する。カバープレート領域１５８（ｉ）それぞれ及びＵ字形部分は、反対側の周縁部に沿って内側に向けられたフランジ１９０を有する平面中央領域１８８を有する。平面中央領域１８８の周縁部分は、第１外側コアプレート１３２の外側コアプレート平面外側フランジ１７８と結合して、外側コアプレートの平面外側フランジ１７８は、第１外側カバープレート１２８の内側に向いたフランジ１９０内に位置する。第２外側コアプレートチャネル１７４を封止するべく、同様な態様で、蛇行第２外側カバープレート１３０が、蛇行第２外側コアプレート１３４の外面に固定される。ある実施形態では、内側に向けられたフランジ１９０が、組み立ての間にカバープレートを位置決めするのを容易にしてもよく、フローチャンバ領域に撓み及び変形を制限する効果を有してもよい。図示された熱交換器１１０の実施形態では、内側コアプレート１３６、１３８の流入開口部１４６、外側コアプレート１３２、１３４の流入開口部１５０、及び、外側カバープレート１２８の流入開口部が、熱交換器内部流路１１８への流体流入口を形成するように配置され、流入口固定部１２０が外側カバープレート１２８に固定される。同様に、内側コアプレート１３６、１３８の流出開口部１４８、外側コアプレート１３２、１３４の流出開口部１５２、及び、外側カバープレート１２８の流出開口部が、熱交換器内部流路１１８への流体流出口を形成するように配置され、流入口固定部１２２が外側カバープレート１２８に固定される。第２カバープレート１３０は、流入口固定部１２０及び流出口固定部１２２が位置する側と反対の熱交換器側で、熱交換器流体、流体流入口及び流体流出口を封止する。図６に示すように、上記で説明した実施形態例では、各流体領域１２４（ｉ）の流体チャンバ１１６（ｉ）は、３つの連通領域を含み、これらは、第１カバープレート１２８及び第１外側コアプレート１３２によって画定されるチャネル１７４、第２カバープレート１３０及び第２外側コアプレート１３４によって画定されるチャネル１７４、内側コアプレート１３６、１３８の間に画定される中央チャネル１９２である。スロット１４４、１４９が設けられる結果、チャネル１７４、１９２は、蛇行流路１１８の全長にわたって連通する。

内側カバープレート１２８及び外側カバープレート１３０の平面中央領域１８８は、電池ユニット１００の電池容器１０４との物理的界面を提供する。一実施形態例では、熱交換器１１０の流体チャンバ領域１２４（ｉ）はそれぞれ、第１電池モジュール１０２（１）に電池容器１０４を係合させる第１カバープレート伸長領域１５８（ｉ）、及び、熱交換器の反対側で、対応する電池容器１０４を第２電池モジュール１０２（１）に係合させる第２カバープレート伸長領域１５８（ｉ）を有する。そして、熱交換器１１０の流体チャンバ領域１２４（ｉ）が、１対の対向する電池容器１０４間で確保されて、熱交換面を提供する。上記の説明から明らかなように、外側コアプレート１３２、１３４の側壁１７６、及び、内側コアプレーと１３６、１３８の側壁１６６は、平行流体チャンバ領域１２４（ｉ）にそれぞれ弾性圧縮性を提供するように構成される。更に、外側コアプレート１３２、１３４の平行領域１５４（ｉ）間の細長いスロット１９４（例えば、図５参照）による物理的分離により、流体チャンバ領域１２４（ｉ）が、流体チャンバ領域１２４（ｉ）が位置する２つの電池容器１０４間の物理分離にそれぞれ適合するのを可能にする。フローチャンバ１１６（ｉ）内の熱交換器流体の圧力は、幾つかの実施形態において、流体チャンバ領域１２４（ｉ）の圧縮性に影響を与えることができる。

非限定な例として、一部の適用例では、熱交換器１１０を形成するのに使用されるプレートは、Ｈ３５３４アルミニウムでろう付けされたシート及び／又は３００３アルミニウムから形成されてもよい。別のプレート構成を使用して同様な結果を達成することができる。例えば、６つのプレートよりも少ない数のプレートを使用して、複数の個別の適合流路領域を有する熱交換器を形成するのに使用することができる。

図１２から図１５には、あるアプリケーションでは、熱交換器１１０の代替として使用可能な熱交換器２１０の更なる例が示されている。熱交換器２１０は、図面を参照して以下に説明する相違点を除いて、その機能及び構成は、熱交換器１１０と同様である。一実施形態例として、熱交換器２１０は、実質的に平坦な第１適合プレート構造及び第２適合プレート構造２３０の間に挟まれた、実質的に硬質なコアプレート構造２２８を備える。実施形態例では、適合プレート構造２３０はそれぞれ、熱交換器２１０が寸法的に柔軟に、第１電池モジュール１０２（１）と第２電池モジュール１０２（２）の間の空間に寸法的に適合するように、弾性的に変形可能に構成されている。熱交換器２１０のコアプレート構造２２８は、流入口固定部２２０と連通する第１端及び流出口固定部２２２と連通する第２端を有する内部蛇行熱交換流路２１８を規定する。図示の例では、内部蛇行熱交換流路２１８は、複数の直列に接続された平行流体チャンバ２１６（１）−２１６（６）（本明細書では参照番号２１６（ｉ）を使用しており、図１５では点線で表されている）を含み、各流体チャンバは、それぞれ実質的にＵ字形状の流路２２６によって次の流体チャンバと結合されている。動作時には、冷却流体のような熱交換器流体が、流体流入口固定部２２０に入り、流体チャンバ２１６（１）及びＵ字形状流路２２６を通って流体チャンバ２１６（２）に入った後、第２Ｕ字形状流路２２６を通って流体チャンバ２１６（３）に入り、最終的に、流体が最後の流体チャンバ２１６（６）を通って流出口固定部２２２から流出する。

一実施形態例では、熱交換器１１０と同様に、熱交換器２１０の流体チャンバ２１６（ｉ）はそれぞれ、一のモジュール１０２（１）に位置する電池容器１０４と、隣接するモジュール１０２（２）に位置し対向する電池容器１０４との間に配置される。

流体チャンバ２１６（１）−２１６（６）はそれぞれ、熱交換器２１０のコアプレート構造２２８の対応する流体チャンバ領域２２４（１）−２２４（６）（本明細書では、参照番号２２４（ｉ）を使用して総称される）内に形成される。

図１５の熱交換器２１０の断面図に示されるように、熱交換器コアプレート構造２２８が、対向する第１コアプレート２３２及び第２コアプレート２３４から形成され、第１及び第２適合プレート構造２３０はそれぞれ、対向する適合プレート２３６から形成される。この一実施形態例では、複数のプレートはそれぞれ、ロール状の又は型打ちされたアルミニウム又はアルミニウム合金から形成されて、ろう付けされて、熱交換器２１０の本体を形成する。しかしながら、熱交換器は、これに替えて、その他の弾性を有する金属、又は、プラスチックを含む材料、及び、その他のプロセスから形成される。

図１６及び図１７にコアプレート２３４及び２３２の例を平面図で示すように、一実施形態において、第１コアプレート２３２及び第２コアプレート２３４は実質的に同一である。コアプレート２３４及び２３２にはそれぞれ、隆起した蛇行ボス２４２が形成されている矩形平面プレート部分２４０が含まれる。蛇行ボス２４２は、内部流路２１８の形状に適合しており、それぞれフローチャンバ領域２２４（１）−２２４（６）に対応する平行な内側コアプレート領域２４３（１）−２４３（６）（参照番号２４３（ｉ）で総称される）を含む。第１コアプレート２３２と第２コアプレート２３４との違いは、第１コアプレート２３２の隆起ボス２４２の対向する端部にはそれぞれ、流入開口部２４６及び流出開口部２４８が形成されることである。

一実施形態例において、適合プレート構造２３０を形成する第１適合プレート２３６及び第２適合プレートは、実質的に同一であり、図１９及び図２０には、適合プレート２３６の一例が示されている。図示された例において、適合プレート２３６は、複数の隆起した平行で細長いボス２５０を有する矩形のプレートであり、細長いボス２５０は、プレートに延在するスロット２５２によって分離される。図２１は、対向して結合することにより適合プレート構造２３０を形成している２つの適合プレート２３６を示した、拡大部分断面図である。図２１に示すように、細長いボス２５０はそれぞれ、周辺平面フランジ２５８で終端する側壁２５６によって境界が区切られた平面中央壁を含む。一の適合プレート２３６からのフランジ２５８は、対向する適合プレート２３６からのフランジ２５８と結合し、適合プレート構造２３０を形成する。図２１に示すように、結合した適合プレート２３６から延在する対向するボス２５０は、内部チャンバ２６０を規定し、結合された適合プレート２３６が、複数の平行で細長い適合チャンバ領域２６２（１）−２６２（１２）（本明細書では、参照番号２６２（ｉ）で総称される）が規定される。一実施形態例において、チャンバ２６０は、流体又は空気のようなガス、又は、非流体熱ガスケットで満たされて、封止されたチャンバである。別の実施形態例では、チャンバ２６０は、ベントされてもよい。図示の実施形態では、適合プレート構造２３０は、１２個の細長い適合領域２６２（ｉ）を備え、コアプレート構造２２８の６つのフローチャンバ領域２２４（ｉ）それぞれに対して、２つの適合領域２６２（ｉ）が設けられる。

一実施形態例において、適合プレート構造２３０の適合領域２６２（ｉ）は個別に変形可能であり、適合領域２６２（ｉ）のそれぞれが外部から閾値まで圧力を受けて独立して圧縮可能であり、圧力が取り除かれると元の形状にまで戻るようになっている。

ある実施形態例では、適合プレート２３６は、コアプレート２３２、２３４の材料よりも薄く形成されており、その結果、コアプレート構造２２８は、挟まれている適合プレート構造２３０と比較して相対的に高い剛性を有する。非限定的な例として、適合プレート２３６は、厚さが０．２ｍｍのアルミニウムから形成されてもよく、又、コアプレート２３２、２３４は、厚さ０．６ｍｍのアルミニウムから形成されてもよいが、別の厚みで形成されていてもよい。

図１５−図１８に戻り、熱交換器２１０において、第１コアプレート２３２及び第２コアプレート２３４は、それぞれの平面部分２４０が向かい合うように互いに接触して結合されており、それぞれ隆起したボス部分２４２が互いに離れるように延在して、内部マルチパス蛇行熱交換器流体流路２１８を画定している。適合プレート構造２３０は、コアプレート構造２２８の対向する面に配置され、第１電池モジュール１０２（１）と第２電池モジュール１０２（２）の境界面を提供する。図示の例では、コアプレート構造２２８の両側において、平行に配置された細長い柔軟チャンバ２６２（ｉ）、２６２（ｉ＋１）が、各流体チャンバ領域２２４（ｉ）の長さに沿って延在する。流体チャンバ領域２２４（ｉ）の対向する側に位置する適合チャンバ２６２（ｉ）及び２６２（ｉ＋１）により、流体チャンバ領域１２４（ｉ）が位置する２つの電池容器１０４の間に物理的分離構造に対して、流体チャンバ領域がそれぞれ独立して適合することを可能にしている。

この場合、図１から図２１の実施形態では、熱交換器１１０、２１０が、それぞれ複数の電池容器を含む２つの電池モジュール１０２（１）及び１０２（２）の間に配置される。あるアプリケーションでは、熱交換器１１０、１２０の対向する面に接触する電池モジュール１０２（１）及び１０２（２）の面は、電池モジュール１０２（１）及び１０２（２）を構成する電池容器を完璧に並べることは難しいことから、完全に平坦でない場合がある。したがって、少なくとも幾つかの実施形態例では、電池モジュール面と熱交換器１１０、２１０の対向する面との接触を維持するのを助けるべく、熱交換器１１０、１２０は、対向する電池容器の一対に共形領域がそれぞれ一致し、共形領域に付与される圧縮力の下で適応的に撓むような、バネ効果をそれぞれ有する独立して適合可能な領域を有する。少なくとも一部の実施形態では、電池モジュール１０２（１）、１０２（２）及び熱交換器１１０、１２０を有する電池ユニットを組み立てる際、電池モジュール１０２（１）、１０２（２）及び熱交換器１１０、１２０間の良好な熱接触を促進するべく、熱交交換器１１０の複数の領域が圧縮動作又は段階で一定の圧縮を受ける。

ある実施形態例では、上記したような共形熱交換器は、電池モジュールに替えて、燃料電池モジュールで使用することができる。本明細書に記載された熱交換器構造は、第１モジュール及び第２モジュールを備える発電ユニットにおいて使用することができる。第１モジュールは、電池又は充電式電池のような複数の発電セルを有し、第２モジュールは、電池又は充電式電池のような複数の発電セルを有する。熱交換器構造は、第１スタックと第２スタックとの対向面の間に配置され、１つの又は複数の流体流路を画定する。ある実施形態では、熱交換器構造は、電池ユニット内の対向する複数の電池の間の異なる分離距離を吸収するべく、寸法的に適合可能である。すなわち、熱交換器は、第１スタック及び第２スタックが拡張すると圧縮され、第１スタック及び第２スタックが再び収縮すると拡張する。ある実施形態例では、外側カバープレートと電池容器１０４との間に中間材又は構造が設けられて、熱伝導を促進し、個別の電池容器の表面形状の不規則性を考慮してもよい

上記した様々な実施形態は、例に過ぎず、本開示の範囲を限定することを意図していない。本明細書に説明された様々なイノベーションの変形例が当業者にとって明らかであり、このような変形例も本開示の範囲に含まれることを意図している。特に、上記の実施形態の１以上からの特徴を選び採用して、上記では明記しなかった特徴のサブコンビネーションからなる別の実施形態を形成してもよい。更に、上記の実施形態の１以上からの特徴を選択して組み合わせて、上記で明記されていない特徴の組み合わせからなる別の実施形態を生成してもよい。このような組み合わせ及びサブコンビネーションに適した特徴は、当業者であれば本開示全体を読むことにより理解できる。また、本明細書に記載される特徴及び特許請求の範囲は、当技術分野における全ての好適な変更を範囲に含むことを意図している。

Claims (21)

1. 少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有する第１電池モジュールと、
   少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有する第２電池モジュールと、
   前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの間に設けられ、前記第１電池モジュールに接触する第１面、及び、前記第２電池モジュールに接する第２面を有する熱交換器とを備え、
   前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとは、間隔を空けて配置され、
   前記熱交換器は、熱交換器流体が流れる少なくとも１つの内部流体流路を画定し、
   前記熱交換器の前記第１面及び前記第２面は、前記複数の電池容器にわたって前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの間の前記間隔の変化に適合するように、弾性的に圧縮可能である電池ユニット。
2. 前記熱交換器は、前記第１電池モジュールと前記第２電池モジュールとの間に位置して係合する複数の独立して圧縮可能な領域を有する請求項１に記載の電池ユニット。
3. 前記第１電池モジュールの前記複数の電池容器は、前記第２電池モジュールの対応する電池容器とは間隔を空けて対向するように配置され、
   前記複数の独立して圧縮可能な領域はそれぞれ、前記第１電池モジュールの対応する電池容器と前記第２電池モジュールの対応する電池容器との間に位置して係合し、
   前記複数の独立して圧縮可能な領域はそれぞれ、対応する前記複数の電池容器間の前記間隔に適合する請求項２に記載の電池ユニット。
4. 前記複数の独立して圧縮可能な領域をそれぞれ、前記熱交換器流体が通過するフローチャネルを画定する請求項３に記載の電池ユニット。
5. 前記フローチャネルは直列に接続された、蛇行流路である前記少なくとも１つの流体流路を形成する請求項４に記載の電池ユニット。
6. 前記熱交換器は、共に積層される複数のプレートから構成されており、
   前記複数のプレートは、前記第１電池モジュールと接触する前記熱交換器の前記第１面を形成する第１外側プレートと、前記第２電池モジュールと接触する前記熱交換器の前記第２面を形成する第２外側プレートとを含み、
   前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートはそれぞれ、複数の物理的に分離された領域を有し、前記複数の物理的に分離された領域の各々は、前記熱交換器の前記複数の独立して圧縮可能な対応する領域に結合される請求項２から５の何れか一項に記載の電池ユニット。
7. 前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートは、Ｕ字型の領域によって接続され、物理的に分離され互いに平行に配置された複数の隣接する領域を有する蛇行プレートである請求項６に記載の電池ユニット。
8. 前記熱交換器は、
   対向して結合する第１内側コアプレート及び第２内側コアプレートと、前記第１内側コアプレートに固定された第１外側コアプレートと、前記第２内側コアプレートに固定された第２外側コアプレートとを有し、
   前記第１外側プレートは、前記第１外側コアプレートに固定され、
   前記第２外側プレートは、前記第２外側コアプレートに固定され、
   前記第１内側コアプレート、前記第２内側コアプレート、前記第１外側コアプレート及び前記第２外側コアプレートは共に、前記熱交換器の前記複数の独立して圧縮可能な領域それぞれにおいて内部フローチャンバを画定し、
   前記熱交換器流体が前記電池モジュール間を流れると前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートに前記熱交換器流体が接触するように、前記フローチャンバがそれぞれ前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートによって部分的に画定される請求項６又は７に記載の電池ユニット。
9. 前記第１内側コアプレート、前記第２内側コアプレート、前記第１外側コアプレート及び前記第２外側コアプレートは、複数の物理的に分離された弾性を有する圧縮可能領域を有し、前記複数の物理的に分離された弾性を有する圧縮可能領域はそれぞれ、前記熱交換器の対応する独立して圧縮可能な領域に結合されている請求項８に記載の電池ユニット。
10. 前記熱交換器は、
    間に少なくとも１つの流体流路を画定し、対向する第１コアプレート及び第２コアプレートと、
    前記第１コアプレートの外面と前記第１電池モジュールとの間に位置して、実質的に平面形状の第１適合プレート構造と、
    前記第２コアプレートの外面と前記第２電池モジュールとの間に位置して、実質的に平面形状の第２適合プレート構造とを有する請求項１から５の何れか一項に記載の電池ユニット。
11. 前記第１適合プレート構造及び前記第２適合プレート構造はそれぞれ、対向して結合するプレートを含み、
    前記対向して結合するプレートはそれぞれ、複数の独立して圧縮可能なプレート領域を有する請求項１０に記載の電池ユニット。
12. 前記対向する結合するプレートは、前記第１コアプレート及び前記第２コアプレートよりも薄い材料から形成される請求項１１に記載の電池ユニット。
13. 第１電池モジュール及び第２電池モジュールを有する電池ユニットのための熱交換器であって、
    前記第１電池モジュールは、少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、
    前記第２電池モジュールは、少なくとも１つの電池をそれぞれ収容する複数の電池容器を有し、
    前記第１電池モジュール及び前記第２電池モジュールは間隔を空けて配置され、前記第１電池モジュールの複数の電池容器は、前記第２電池モジュールの対応する電池容器と間隔を空けて対向して配置され、
    前記熱交換器は、熱交換器流体が流れる対応する流体フロー領域内にそれぞれ位置する複数の流体フローチャンバを画定し、
    前記流体フロー領域はそれぞれ、前記第１電池モジュールの対応する電池容器と前記第２電池モジュールの対応する電池容器との間に位置して係合し、
    前記流体フロー領域はそれぞれ、前記流体フロー領域が位置する前記電池容器間の間隔に適合するべく、別の前記流体フロー領域とは独立して寸法的に適合可能である熱交換器。
14. 前記複数の流体フローチャンバは、前記熱交換器の蛇行流路を画定するべく連通する請求項１３に記載の熱交換器。
15. 前記熱交換器は、共に積層される複数のプレートから構成されており、
    前記積層される複数のプレートは、前記第１電池モジュールと接触する第１外側プレートと、前記第２電池モジュールと接触する第２外側プレートとを含み、
    前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートはそれぞれ、複数の物理的に分離された領域を有し、前記複数の物理的に分離された領域はそれぞれ、対応する流体フロー領域に結合されている請求項１３又は１４に記載の熱交換器。
16. 前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートは、複数の物理的に分離された隣接する領域が互いに平行に配置されてＵ字型の領域によって接続されている蛇行プレートである請求項１５に記載の熱交換器。
17. 前記熱交換器は、
    対向して結合する第１内側コアプレート及び第２内側コアプレートと、前記第１内側コアプレートに固定された第１外側コアプレートと、前記第２内側コアプレートに固定された第２外側コアプレートとを有し、
    前記熱交換器流体が前記電池モジュール間を流れると前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートに前記熱交換器流体が接触するように、前記複数の流体フローチャンバはそれぞれ、前記第１外側プレート及び前記第２外側プレートによって部分的に画定される請求項１５又は１６に記載の熱交換器。
18. 前記第１内側コアプレート、前記第２内側コアプレート、前記第１外側コアプレート及び前記第２外側コアプレートは、複数の物理的に分離され弾性を有して圧縮可能なコアプレート領域を有し、
    前記コアプレート領域は、前記熱交換器の対応する流体フロー領域と結合される請求項１７に記載の熱交換器。
19. 前記熱交換器は、
    間に前記複数の流体フローチャンバを画定する対向する第１コアプレート及び第２コアプレートと、
    前記第１コアプレートの外面と前記第１電池モジュールとの間に位置して、実質的に平面形状の第１適合プレート構造と、
    前記第２コアプレートの外面と前記第２電池モジュールとの間に位置して、実質的に平面形状の第２適合プレート構造とを有する請求項１３又は１４に記載の熱交換器。
20. 前記第１適合プレート構造及び前記第２適合プレート構造はそれぞれ、対向して結合するプレートを含み、
    前記結合するプレートはそれぞれ、独立して圧縮可能な複数のプレート領域を有する請求項１９に記載の熱交換器。
21. 前記対向して結合するプレートは、前記第１コアプレート及び前記第２コアプレートよりも薄い材料から形成される請求項２０に記載の熱交換器。

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