JP2014071936A - 温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子の第１面と第２面の温度差を小さくすることができる温度調節装置を提供すること。
【解決手段】電池パック１０は、電池モジュール１１に温度調節装置２０を設けることで構成されている。電池モジュール１１は、ケース１２に電池１３（二次電池１３）を収容してなる。温度調節装置２０は、吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面３４ａ及び第２面３４ｂを有する熱電変換素子３４を備えている。ケース１２の内部には、熱電変換素子３４の第１面３４ａで加熱又は冷却された気体状の熱媒体が流通する第１の流路Ｒ１が形成されている。第１の流路Ｒ１には、毛細管現象を利用して液体を移動させるスポンジ５６が設けられている。スポンジ５６は、第２の流路Ｒ２内で、第２のダクト５１の軸方向に延びる立設部５６ａを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面及び第２面を有する熱電変換素子を備えた温度調節装置に関する。

この種の温度調節装置としては、例えば、特許文献１に記載の二次電池システムが知られている。
特許文献１に記載の二次電池システムにおいて、二次電池（被温調体）には、二次電池の温度を検出する温度検出部及び二次電池の加熱又は冷却を行うペルチェ素子（熱電変換素子）が設けられている。ペルチェ素子は、二つの金属片をＮ型半導体とＰ型半導体とで接合した素子であり、半導体に電流を流すことにより一方の金属片が冷却され、他方の金属片が加熱される。そして、ペルチェ素子は、一方の金属片が二次電池と対向するように設置され、一方の金属片を加熱又は冷却することにより、二次電池の温度調節を行っている。

特開２０１０−２８２８７８号公報

ところで、ペルチェ素子は、一方の金属片と他方の金属片との温度差が大きいと、熱電変換効率が低下する。このため、ペルチェ素子においては、一方の金属片と他方の金属片の温度差を小さくすることが望まれている。

本発明の目的は、熱電変換素子の第１面と第２面の温度差を小さくすることができる温度調節装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、放熱と吸熱の相反する作用を行う第１面及び第２面を有する熱電変換素子と、前記第１面に熱的に結合された第１の熱交換器と、前記第２面に熱的に結合された第２の熱交換器と、を備え、前記第１の熱交換器と熱交換された熱媒体によって被温調体の温度調節を行う温度調節装置であって、前記第１の熱交換器に発生した結露水を前記第２の熱交換器に供給する供給手段を備えたことを要旨とする。

これによれば、被温調体を冷却するときに、第１面が吸熱を行い、第１面を介して冷却される第１の熱交換器の温度が、第１の熱交換器の周囲の熱媒体の露点温度以下まで下がると、第１の熱交換器には結露水が発生する。第１の熱交換器に発生した結露水は、供給手段によって第２の熱交換器に供給される。被温調体を冷却するときには、第２面が放熱を行い、これに伴い第２の熱交換器の温度は上昇する。よって、結露水が第２の熱交換器に供給され、第２の熱交換器が冷却されると、第２面が第２の熱交換器を介して冷却されて、第１面と第２面の温度差を小さくすることができる。

また、放熱と吸熱の相反する作用を行う第１面及び第２面を有する熱電変換素子を備え、前記第１面と熱交換された熱媒体によって被温調体の温度調節を行う温度調節装置であって、前記第１面に発生した結露水を前記第２面に供給する供給手段を備えていてもよい。

これによれば、被温調体を冷却するときに、第１面が吸熱を行い、第１面の温度が第１面の周囲の熱媒体の露点温度以下まで下がると、第１面には結露水が発生する。第１面に発生した結露水は供給手段によって第２面に供給される。被温調体を冷却するときには、第２面が放熱を行い、これに伴い第２面の温度は上昇する。よって、結露水が第２面に供給されると、第２面が冷却されて、第１面と第２面の温度差を小さくすることができる。

また、前記供給手段は、毛細管現象を利用して前記結露水を移動させる移動部材であってもよい。
これによれば、第１の熱交換器で発生した結露水を、毛細管現象を利用して第２の熱交換器に供給することができる。毛細管現象は、表面張力によって引き起こされる現象であり、結露水は、重力に影響されずに移動部材の内部を移動することができる。したがって、重力に影響されずに第１の熱交換器で発生した結露水を第２の熱交換器に供給することができる。同様に、第１面で発生した結露水を、重力に影響されずに第２面に供給することができる。

本発明によれば、熱電変換素子の第１面と第２面の温度差を小さくすることができる。

実施形態における温度調節装置を概略的に示す縦断面図。 実施形態における温度調節装置の作用を説明するための拡大図。 別例の温度調節装置を概略的に示す縦断面図。 別例の温度調節装置を概略的に示す縦断面図。

本発明を具体化した一実施形態について図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、電池パック１０は、電池モジュール１１に温度調節装置２０を設けることで構成されている。

電池モジュール１１は、ケース１２に電池１３（二次電池）を収容してなる。ケース１２は、矩形平板状をなす底板１４と、底板１４と対向する天板１５と、底板１４から立設された側壁１６とから形成されている。温度調節装置２０側の側壁１６の内面には、底板１４から天板１５へ向かって延びるとともに、内部に第１の流路Ｒ１が形成された筒状の第１のダクト２１が固定されている。第１のダクト２１の軸方向一端には、第１のダクト２１の軸方向に対して垂直に延びる流入部２２が形成されている。また、第１のダクト２１の軸方向他端には、第１のダクト２１の軸方向に対して垂直に延びる流出部２３が形成されている。流入部２２及び流出部２３は、ケース１２の内部に開口しており、第１の流路Ｒ１とケース１２の内部を連通させている。第１のダクト２１の軸方向両端の側壁の内面には、該側壁の厚み方向に凹む凹部２１ａ，２１ｂが形成されている。流入部２２には、第１の流路Ｒ１に気体状の熱媒体を供給する第１の送風機２４が配設されている。

温度調節装置２０側の側壁１６には、該側壁１６の厚み方向に貫通する嵌合孔１６ａが形成されている。また、第１のダクト２１には、嵌合孔１６ａと対向する位置に貫通孔２１ｃが形成されている。嵌合孔１６ａには、第１の熱交換器３１の基部３２が嵌合されている。第１の熱交換器３１は、平板状の基部３２に対して複数のフィン３３を一定の間隔をおいて並設して形成されている。そして、基部３２が嵌合孔１６ａに嵌合されるとともに、貫通孔２１ｃを貫通してフィン３３が第１の流路Ｒ１内に突出するように第１の熱交換器３１が設けられている。第１の熱交換器３１の基部３２において、フィン３３の並設面と反対側の面（フィン３３の並設面と対向する面）には、第１の基板４２が設けられている。第１の基板４２における第１の熱交換器３１側の面と反対側の面には、第１の電極４１が設けられている。第１の電極４１には、複数（本実施形態では３個）の熱電変換素子３４（ペルチェ素子）が設けられている。熱電変換素子３４は、吸熱と放熱の相反する作用を行う第１面３４ａ及び第２面３４ｂを有しており、第１面３４ａが第１の電極４１に接合されている。これにより、熱電変換素子３４の第１面３４ａは、第１の電極４１及び第１の基板４２を介して第１の熱交換器３１の基部３２に熱的に結合されている。

熱電変換素子３４の第２面３４ｂは、第２の基板４４に設けられた第２の電極４３に接合されている。具体的にいえば、第２の基板４４における熱電変換素子３４側の面には、第２の電極４３が設けられており、この第２の電極４３に熱電変換素子３４の第２面３４ｂが接合されている。複数の熱電変換素子３４は、第１の電極４１と第２の電極４３によって直列接続されている。第２の基板４４における熱電変換素子３４側の面と反対側の面には、第２の熱交換器３５が設けられている。第２の熱交換器３５は、平板状の基部３６に対して複数のフィン３７を一定の間隔をおいて並設して形成されている。熱電変換素子３４の第２面３４ｂは、第２の電極４３及び第２の基板４４を介して第２の熱交換器３５の基部３６に熱的に結合されている。第２の熱交換器３５は、第２のダクト５１によって覆われている。第２のダクト５１は、第１のダクト２１と同一形状をなしている。具体的にいえば、第２のダクト５１は、筒状をなすとともに、内部に第２の流路Ｒ２が形成されている。第２のダクト５１において、熱電変換素子３４側の側壁には、第２の熱交換器３５の基部３６が嵌合される嵌合孔５１ｃが形成されている。第２のダクト５１の軸方向一端には、流入部５２が形成されるとともに、軸方向他端には流出部５３が形成されている。第２のダクト５１の軸方向両端の側壁の内面には、該側壁の厚み方向に凹む凹部５１ａ，５１ｂが形成されている。第２のダクト５１の流入部５２には、第２のダクト５１に気体状の熱媒体を供給する第２の送風機５４が配設されている。

第１のダクト２１には、貫通孔２１ｃよりも流出部２３側（鉛直方向下方）に挿通孔２１ｄが形成されている。また、ケース１２の温度調節装置２０側の側壁１６には、挿通孔２１ｄと対向するように挿通孔１６ｂが形成されている。第２のダクト５１には、嵌合孔５１ｃよりも流出部５３側（鉛直方向下方）に挿通孔５１ｄが形成されている。そして、各挿通孔１６ｂ，２１ｄ，５１ｄには、第１の流路Ｒ１と第２の流路Ｒ２を連通させる例えば、ゴムチューブ製の管５５が挿入されている。管５５の内部には、毛細管現象を利用して液体を移動させる移動部材としてのスポンジ５６が収容されている。スポンジ５６は、一端が管５５内から第１の流路Ｒ１に向けて露出して、第１の流路Ｒ１と繋がっている。また、スポンジ５６は、管５５を通って第２の流路Ｒ２内にまで延びている。また、スポンジ５６は、第２の流路Ｒ２内で、第２のダクト５１の軸方向に延びる立設部５６ａを有する。立設部５６ａには、第２の熱交換器３５のフィン３７が突き刺さっており、フィン３７は、立設部５６ａを貫通して先端側が立設部５６ａから突出している。立設部５６ａは、第２の熱交換器３５の基部３６における第２の流路Ｒ２側の面を覆っている。

管５５の外周面におけるケース１２と第２のダクト５１の間には、管５５を挟圧する挟圧部材５７が設けられている。挟圧部材５７は、制御装置５８に信号接続されており、制御装置５８に制御されることで、管５５の挟圧と、挟圧解除を行えるようになっている。また、制御装置５８には、熱電変換素子３４、第１の送風機２４及び第２の送風機５４が信号接続されており、制御装置５８によって熱電変換素子３４、第１の送風機２４及び第２の送風機５４が制御されている。

次に、本実施形態の温度調節装置２０の作用について説明する。
制御装置５８は、電池１３を冷却するときには、熱電変換素子３４の第１面３４ａが吸熱を行い、第２面３４ｂが放熱を行うように熱電変換素子３４に電流を供給するとともに、第１の送風機２４及び第２の送風機５４を駆動させる。また、制御装置５８は、挟圧部材５７が管５５を挟圧している場合には、挟圧部材５７が挟圧を解除するように制御を行う。

熱電変換素子３４の第１面３４ａが吸熱を行うと、第１面３４ａ、第１の電極４１及び第１の基板４２を介して第１の熱交換器３１の温度が低下する。すると、第１の流路Ｒ１を流通する熱媒体が第１の熱交換器３１と熱交換されることで冷却され、この熱媒体によって電池１３が冷却される。また、熱電変換素子３４の第２面３４ｂが放熱を行うと、第２面３４ｂ、第２の電極４３及び第２の基板４４を介して第２の熱交換器３５の温度が上昇する。すると、第２の流路Ｒ２を流通する熱媒体が第２の熱交換器３５と熱交換されることで加熱される。

第１の熱交換器３１の温度が第１の流路Ｒ１を流通する熱媒体の露点温度以下になると、第１の熱交換器３１は結露し、結露水は、第１の熱交換器３１から凹部２１ａに滴下する。すなわち、凹部２１ａは、第１の流路Ｒ１で発生した結露水を貯留する貯留部として機能している。凹部２１ａに滴下した結露水が溜まっていき、スポンジ５６に触れると、結露水は、スポンジ５６に保持されて、毛細管現象によって第２の流路Ｒ２に向けて管５５内を移動する。管５５内を移動した結露水は、毛細管現象によって、立設部５６ａに向けて移動し、保持される。立設部５６ａに移動した結露水は、立設部５６ａにおける第２の熱交換器３５と接している部分から第２の熱交換器３５に供給される。したがって、本実施形態では、スポンジ５６が供給手段として機能している。

立設部５６ａから第２の熱交換器３５に供給された結露水により、第２の熱交換器３５が冷却される。第２の熱交換器３５に供給された結露水のうち、第２の熱交換器３５によって加熱されて気化した結露水は、第２の流路Ｒ２を流れる熱媒体とともに第２のダクト５１外に排出される。第２の熱交換器３５に供給された結露水のうち、第２の熱交換器３５によって加熱されても気化せず、第２の熱交換器３５から凹部５１ａ滴下した結露水は、立設部５６ａを介して第２の熱交換器３５に再度供給される。

制御装置５８は、電池１３を加熱するときには、熱電変換素子３４の第１面３４ａが放熱を行い、第２面３４ｂが吸熱を行うように熱電変換素子３４に電流を供給する。また、図２に示すように、制御装置５８は、挟圧部材５７が管５５を挟圧するように制御を行う。

熱電変換素子３４の第１面３４ａが放熱を行うと、第１面３４ａ、第１の電極４１及び第１の基板４２を介して第１の熱交換器３１の温度が上昇する。すると、第１の流路Ｒ１を流通する熱媒体が第１の熱交換器３１と熱交換されることで加熱され、この熱媒体によって電池１３が加熱される。また、熱電変換素子３４の第２面３４ｂが吸熱を行うと、第２面３４ｂ、第２の電極４３及び第２の基板４４を介して第２の熱交換器３５の温度が低下する。第２の熱交換器３５の温度が第２の流路Ｒ２を流通する熱媒体の露点温度以下になると、第２の熱交換器３５は結露し、第２の流路Ｒ２に結露水が生じる。電池１３が収容されるケース１２内に第２の流路Ｒ２に生じた結露水が流入することを防止するため、挟圧部材５７によって管５５を挟圧することで、第２の流路Ｒ２から第１の流路Ｒ１への結露水の移動を防止する。

したがって、上記実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）第１の流路Ｒ１と第２の流路Ｒ２を管５５で連通して、管５５の内部にスポンジ５６を収容するとともに、このスポンジ５６は、第２の熱交換器３５に接する立設部５６ａを有している。第１の熱交換器３１で結露水が発生すると、スポンジ５６によって結露水が第２の熱交換器３５に供給される。電池１３を冷却するときには、第２の熱交換器３５は、第２面３４ｂを介して加熱されているため、第２の熱交換器３５を結露水で冷却することで、第２の熱交換器３５を介して第２面３４ｂを冷却することができる。したがって、熱電変換素子３４の第１面３４ａと第２面３４ｂの温度差を小さくすることができる。

（２）供給手段として、毛細管現象によって結露水を移動させるスポンジ５６を用いている。このため、第１の熱交換器３１で発生した結露水は、重力の影響を受けずに第２の熱交換器３５に供給される。したがって、温度調節装置２０を、重力を考慮した構造にする必要がない。

（３）管５５の内部には、スポンジ５６が収容されている。このため、管５５内にゴミや虫などの異物が入り込むことが防止される。したがって、第２の流路Ｒ２から、管５５を介してケース１２内に異物が入り込むことが防止される。

（４）凹部２１ａは、第１の流路Ｒ１に結露水が発生したときに、結露水を貯留する貯留部として機能している。このため、第１の流路Ｒ１からケース１２の内部に結露水が漏れ出すことが防止されている。

なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、第１の熱交換器３１及び第２の熱交換器３５を設けなくてもよい。この場合、スポンジ５６の立設部５６ａは、第２面３４ｂと接するように設けられる。そして、電池１３を冷却するときに、第１面３４ａに結露水が生じると、第１面３４ａで生じた結露水は、スポンジ５６によって第２面３４ｂに供給される。第２面３４ｂは、結露水によって冷却され、これにより第１面３４ａと第２面３４ｂの温度差を小さくすることができる。

○ 図３に示すように、実施形態において、供給手段としてパイプ６１，６２とポンプＰとを用いてもよい。第１のパイプ６１は、一端が凹部２１ａに開口するとともに、他端がポンプＰに接続されている。また、ポンプＰには、第２のパイプ６２の一端が接続されるとともに、この第２のパイプ６２の他端は、第２の流路Ｒ２内に開口している。ポンプＰは、凹部２１ａに貯留された結露水を第１のパイプ６１を介して汲み上げて、第２のパイプ６２を介して第２の流路Ｒ２に供給する。第２の流路Ｒ２に供給された結露水は、第２の流路Ｒ２に滴下されて第２の熱交換器３５に供給される。なお、この場合、液センサなどを設けて、凹部２１ａに一定量以上の結露水が貯留されたことを検知した場合に、ポンプＰを駆動させることが望ましい。

○ 図４に示すように、実施形態において、供給手段から結露水を供給する際に重力を利用してもよい。第１のダクト２１は、第２のダクト５１よりも鉛直方向上方に配設されている。管５５は、第２のダクト５１内を第２のダクト５１の軸方向に延びており、第２の熱交換器３５に接するようになっている。管５５は、第２のダクト５１の軸方向に沿って第２の熱交換器３５から離れるように、鉛直方向下方に向けて傾斜していく。そして、管５５において、第２の熱交換器３５の近傍には、貫通孔５５ａが形成されている。第１の熱交換器３１に結露水が生じると、第１の熱交換器３１で生じた結露水は、第１の流路Ｒ１を流れる熱媒体によって凹部２１ａまで移動させられる。凹部２１ａまで移動した結露水は、管５５内に入り込み、重力にしたがって、第２の流路Ｒ２側に移動する。そして、管５５内を第２の流路Ｒ２側に移動した結露水は、傾斜にしたがって、第２の熱交換器３５に向けて移動し、第２の熱交換器３５の近傍に設けられた貫通孔５５ａから管５５の外部に排出される。貫通孔５５ａから管５５の外部に移動した結露水は、管５５の外周面を伝って第２の熱交換器３５に供給される。なお、この場合、重力に逆らって結露水を移動させる必要が無く、管５５内にスポンジ５６が設けられていなくてもよい。

○ 実施形態において、移動部材として、繊維や、多孔部材など、他の部材を用いてもよい。
○ 実施形態において、第１のダクト２１を設けなくてもよい。この場合、ケース１２の内部全体が電池１３（被温調体）に熱媒体を流通させる第１の流路となる。

○ 実施形態において、スポンジ５６は、第１のダクト２１の軸方向に延びるとともに、第１の熱交換器３１と接する立設部を備えていてもよい。この場合、第２の熱交換器３５で結露水が発生した場合には、第２の熱交換器３５で発生した結露水は、第１の熱交換器３１に供給され、熱電変換素子３４の第１面３４ａと第２面３４ｂの温度差が小さくなる。これによれば、電池１３を加熱するとき（熱電変換素子３４の第１面３４ａが放熱を行い、第２面３４ｂが吸熱を行うとき）にも、第１面３４ａと第２面３４ｂの温度差を小さくすることができる。なお、この場合、ケース１２内で気化した結露水をケース１２外に排出する排出孔をケースに形成したり、ケース１２を設けないことが望ましい。また、この場合、挟圧部材５７を設けなくてもよい。

○ 実施形態において、被温調体として、電池１３以外を採用してもよい。例えば、モータなどの電子機器を採用してもよい。
○ 実施形態において、管５５を設けず、スポンジ５６を電池モジュール１１と温度調節装置２０の間に露出させてもよい。

○ 実施形態において、第２のダクト５１を設けなくてもよい。
○ 実施形態において、熱電変換素子３４は、第１の基板４２及び第２の基板４４を介して第１の熱交換器３１及び第２の熱交換器３５と熱的に結合されているが、これに限られない。例えば、第１の電極４１及び第２の電極４３を第１の熱交換器３１の基部３２及び第２の熱交換器３５の基部３６に設けて、第１の基板４２を介さずに熱電変換素子３４の第１面３４ａを第１の熱交換器３１に熱的に結合し、第２の基板４４を介さずに熱電変換素子３４の第２面３４ｂを第２の熱交換器３５に熱的に結合してもよい。

１３…被温調体としての電池、２０…温度調節装置、３１…第１の熱交換器、３４…熱電変換素子、３４ａ…第１面、３４ｂ…第２面、３５…第２の熱交換器、５６…移動部材及び供給手段としてのスポンジ。

Claims (3)

1. 放熱と吸熱の相反する作用を行う第１面及び第２面を有する熱電変換素子と、前記第１面に熱的に結合された第１の熱交換器と、前記第２面に熱的に結合された第２の熱交換器と、を備え、前記第１の熱交換器と熱交換された熱媒体によって被温調体の温度調節を行う温度調節装置であって、
   前記第１の熱交換器に発生した結露水を前記第２の熱交換器に供給する供給手段を備えたことを特徴とする温度調節装置。
2. 放熱と吸熱の相反する作用を行う第１面及び第２面を有する熱電変換素子を備え、前記第１面と熱交換された熱媒体によって被温調体の温度調節を行う温度調節装置であって、
   前記第１面に発生した結露水を前記第２面に供給する供給手段を備えたことを特徴とする温度調節装置。
3. 前記供給手段は、毛細管現象を利用して前記結露水を移動させる移動部材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度調節装置。