JP2015090750A - 熱伝導デバイス及びバッテリーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体の冷却効率を向上することのできる熱伝導デバイスを得る。
【解決手段】バッテリーセル１０からヒートシンク５に熱を伝導する熱伝導デバイス１において、ゴム状弾性体を含んで構成され、バッテリーセル１０の表面に従って変形可能な熱伝導ゴム層２と、金属により構成され、熱伝導ゴム層２のバッテリーセル１０と反対側に積層されるとともに、ヒートシンク５に熱的に接続される金属層３とを有するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、バッテリー等の発熱体の熱を放熱部材に伝導する熱伝導デバイス及びバッテリーモジュールに関する。

電気自動車やハイブリッド車（以下、電気自動車と称する）においては、バッテリーが備えられている。電気自動車においては、航続距離向上のために、バッテリーの適切な放電量を確保することが重要となっている。バッテリーは、バッテリーが設置されている雰囲気温度が、例えば、３０〜５０℃の場合に、最も効率よく放電を行う。

複数のバッテリーを直列に接続する場合に、個々のバッテリーの雰囲気温度にばらつきがあると、効率が著しく低下するために、各バッテリーが設置されている雰囲気温度を均一化することが要求される。

例えば、各バッテリーが設置されている雰囲気温度を均一化する技術として、各バッテリーに対して別個に空気が供給されるようにする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０６−２６１４２２号公報

例えば、各バッテリーに対して空気を供給して冷却する場合には、各バッテリーの周囲に空気が通る流路を用意しなくてはならず、広いスペースが必要となる問題とともに、空気によりバッテリーを冷却するので冷却効率が悪いという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、冷却効率を向上することができる技術を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明の一実施の形態に係る熱伝導デバイスは、発熱体から放熱部材に熱を伝導する熱伝導デバイスであって、ゴム状弾性体を含んで構成され、発熱体の表面に従って変形可能な熱伝導ゴム層と、金属により構成され、熱伝導ゴム層の発熱体と反対側に積層されるとともに、放熱部材に熱的に接続される金属層とを有する。

別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、さらに、熱伝導ゴム層よりも熱伝導率が低く、金属層の発熱体と反対側に積層される断熱層を有する。

別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、また、ゴム状弾性体が、シリコーンゴムを含む弾性体である。

別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、また、断熱層が、層内に空隙を有するシリコーンゴム層である。

別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、また、金属層が、柔軟性を有するように構成されている。別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、また、金属層が、層内に空隙を有する。別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、また、金属層が、パンチング加工された金属板である。

別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、さらに、発熱体が、バッテリーセルである。

別の実施の形態に係る熱伝導デバイスは、また、複数のバッテリーセルを有するバッテリーモジュールに備えられるデバイスであり、断熱層の発熱体と反対側に他のバッテリーセルが配置される。

また、本発明の一実施の形態に係るバッテリーモジュールは、上記した熱伝導デバイスのいずれかと、１以上のバッテリーセルとを有する。

本発明によれば、発熱体に熱伝導ゴム層が密着し、発熱体の熱を効率よく金属層に伝導することができるので、発熱体の冷却効率を向上することができる。

図１は、本発明の一観点に係る熱伝導デバイスの原理を説明する図である。 図２は、第１の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。 図３は、第２の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。 図４は、第３の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。 図５は、第４の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施の形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

＜本発明の一観点の原理＞
まず、本発明の一観点に係る熱伝導デバイスの原理について説明する。

図１は、本発明の一観点に係る熱伝導デバイスの原理を説明する図である。

本発明の一観点に係る熱伝導デバイスは、例えば、電気自動車用のバッテリーパックに用いられる。バッテリーパックは、バッテリーセル１０を含むバッテリーモジュールを有する。バッテリーセル１０は、発熱体の一例であり、例えば、外装がラミネートフィルムで構成されたシート状のバッテリーである。バッテリーセル１０の表面には、凹凸や湾曲がある。

熱伝導デバイス１は、放熱対象のバッテリーセル１０の一方の面（図１では上面）に面的に接触するように配置される熱伝導ゴム層２と、熱伝導ゴム層２のバッテリーセル１０側と反対の方向（以降、上方向という）の面に積層される金属層３と、金属層３の上方向に積層される断熱層４とを有する。熱伝導ゴム層２と、金属層３とは、例えば、接着剤により接着される。また、金属層３と断熱層４とは、例えば、接着剤により接着される。

熱伝導ゴム層２は、略矩形の平面形状であり、例えば、厚さが０．５〜２ｍｍである。熱伝導ゴム層２は、熱伝導性を有するように形成されたゴム状弾性体を含んで構成されている。例えば、熱伝導ゴム層２は、ゴム状弾性体に熱伝導率が高いフィラーが配合されて構成される。熱伝導ゴム層２の熱伝導率は、少なくとも空気よりも高い。熱伝導ゴム層２は、比較的柔軟性（ＪＩＳＫ６２５３の測定法に従うデュロメーター タイプＡ硬度が１０〜４０が好ましい）を有しており、バッテリーセル１０の表面に従って変形可能である。したがって、熱伝導性ゴム層２は、バッテリーセル１０の表面との密着性が高く、効率良くバッテリーセル１０からの熱を受けることができる。

このゴム状弾性体は、ウレタンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンジエンゴムあるいはスチレンブタジエンゴム等の熱硬化性エラストマー； ウレタン系、エステル系、スチレン系、オレフィン系、ブタジエン系あるいはフッ素系等の熱可塑性エラストマー； あるいはそれらの複合物等などから好適に構成され、特に耐熱性に優れたシリコーンゴムにて特に好適に構成される。

熱伝導ゴム層２としては、例えば、信越化学工業株式会社製の低硬度放熱シリコーンパッドのＴＣ−１００ＴＨＳを採用することができる。ＴＣ−１００ＴＨＳは、アスカーＣ硬度が３０（ＪＩＳＫ６２５３の測定法に従うデュロメーター タイプＡ硬度で１０〜１５に相当）であり、熱伝導率（測定法：ＩＳＯ ２２００７−２）が２．１Ｗ／ｍ・Ｋである。

なお、熱伝導ゴム層２の寸法、硬度は、一例にすぎず、これらに限定されない。例えば、熱伝導ゴム層２は、バッテリーセル１０から金属層３への伝熱量を多くするためには、放熱対象のバッテリーセル１０の上面との密着性を或る程度確保できるのであれば、厚さを薄くするほうが良い。また、熱伝導ゴム層２の硬度は、圧接時に流出や脱離をしなければ上記硬度よりも低くても良く、放熱対象のバッテリーセル１０の上面との密着性を或る程度確保できるのであれば、上記硬度よりも高くても良い。

金属層３は、例えば、厚さ０．２ｍｍの金属板（例えば、銅、アルミニウム、錫の板）で構成される。金属層３の熱伝導率は、少なくとも熱伝導ゴム層２の熱伝導率よりも高い。金属層３を構成する金属は、これらに限られず、熱伝導率の高い金属が好ましい。金属層３は、熱伝導ゴム層２のバッテリーセル１０の表面への追従性に影響をあたえるので、比較的柔軟性を有することが好ましい。

金属層３の構成、厚さは、これらに限られない。金属層３は、層内に空隙を有する金属部材であっても良い。より具体的には、金属層３は、例えば、パンチング加工をした金属板であっても良く、金属線を編み込んだメッシュであっても良く、金属部材を発泡させた発泡金属であっても良く、金属を原料とした多孔性金属であっても良い。このような金属層３によると、熱伝導率を比較的高く維持しつつ、柔軟性を有することができる。

金属層３は、放熱部材の一例であるヒートシンク５に熱的に接続されている。ヒートシンク５は、例えば、アルミニウムにより構成されている。本実施の形態では、金属層３上にヒートシンク５が接続されているが、これに限られず、例えば、熱伝導率の高い他の部材を介して接続されていても良い。

断熱層４は、熱伝導率が比較的低い部材、すなわち、少なくとも熱伝導ゴム層２の熱伝導率よりも低い部材で構成されている。断熱層４は、例えば、空隙を有するシリコーンゴムにより構成されている。これにより、金属層３に伝えられた熱が断熱層４を介して、断熱層４よりも上に伝導されることを低減することができる。断熱層４は、シリコーンゴムを発泡させた発泡シリコーンゴム層であっても良い。断熱層４の厚さは、例えば、０．５〜１０ｍｍである。

断熱層４を発泡シリコーンゴム層とする場合には、例えば、信越ポリマー株式会社製のシリコーンスポンジシートのＤＭ−ＴＹＰＥを採用することができる。ＤＭ−ＴＹＰＥは、発泡倍率が２倍であれば、熱伝導率が０．１１Ｗ／ｍ・Ｋであり、発泡倍率が４倍であれば、０．０８Ｗ／ｍ・Ｋである。なお、断熱層４は、これら材質に限られず、断熱性が高い材質であれば良い。

次に、熱伝導デバイス１を介してのバッテリーセル１０の冷却の様子を説明する。

バッテリーセル１０への充電又はバッテリーセル１０からの放電が行われると、バッテリーセル１０は、発熱する。バッテリーセル１０から発せられた熱は、バッテリーセル１０の上面に密着している熱伝導ゴム層２を介して、金属層３に伝えられる。ここで、熱伝導ゴム層２の熱伝導率は、空気の熱伝導率に比べて非常に高いので、効率良く熱が伝えられる。

金属層３に伝えられた熱の大部分は、熱的に接続されたヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から効率良く放熱される。断熱層４の熱伝導率が低いために金属層３から断熱層４に伝えられて、断熱層４上の構成物に伝えられる熱は少ない。したがって、バッテリーセル１０が断熱層４上の構成物に対して熱的に影響を及ぼすことを適切に防止することができる。

＜第１の実施の形態＞
次に、第１の実施の形態に係る熱伝導デバイスを収容するバッテリーモジュールについて説明する。なお、上記した本発明の一観点の原理で説明した各構成と共通する構成部分については、同一の符号を付し、適宜、その説明を省略する。

図２は、第１の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。

バッテリーモジュール２０Ａは、バッテリーセル１０を単層（１列）に格納するバッテリーモジュールである。

バッテリーモジュール２０Ａは、バッテリーセル１０を筐体（筐体底部８ａ、筐体側面部８ｂ，８ｃ、筐体上部８ｄ等）内に収容する。バッテリーセル１０は、筐体底部８ａ上に断熱層６を介して配置される。断熱層６は、熱伝導率が比較的低い部材、すなわち、少なくとも熱伝導ゴム層２の熱伝導率よりも低い部材で構成されている。断熱層６は、断熱層４と同様な部材であって良い。

バッテリーセル１０の上面には、面的に接触するように熱伝導ゴム層２が積層され、熱伝導ゴム層２の上に金属層３が積層されている。熱伝導ゴム層２と、金属層３とは、一部が筐体の外側に突出している。

また、金属層３の筐体の外側に突出した部分の上には、熱伝導ゴム層７を介してヒートシンク５が接続されている。金属層３と熱伝導ゴム層７とは、例えば、接着剤により接着されている。熱伝導ゴム層７は、例えば、熱伝導ゴム層２と同様な部材である。熱伝導ゴム層７によると、ヒートシンク５を金属層３に直接接続する場合に比べて安定性が向上する。なお、熱伝導ゴム層７を備えずに、金属層３とヒートシンク５とを直接接続しても良い。また、金属層３の筐体内の部分の上には、断熱層４が積層されている。

このバッテリーモジュール２０Ａにおいては、バッテリーセル１０から発せられた熱は、バッテリーセル１０の上面に密着している熱伝導ゴム層２を介して、金属層３に伝えられる。ここで、熱伝導ゴム層２の熱伝導率は、空気の熱伝導率に比べて非常に高いので、効率良く熱が伝えられる。

金属層３に伝えられた熱の大部分は、熱伝導ゴム層７を介して、熱的に接続されたヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から外部に効率良く放熱される。また、断熱層４の熱伝導率が低いために金属層３から断熱層４を介して筐体に伝えられる熱は少ない。また、断熱層６の熱伝導率が低いために、バッテリーセル１０から断熱層６を介して筐体に伝えられる熱も少ない。このため、筐体自体が加熱されてしまい、筐体内に熱がこもることを適切に防止することができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態に係る熱伝導デバイスを収容するバッテリーモジュールについて説明する。なお、第１の実施の形態と共通する構成部分については、同一の符号を付し、適宜、その説明を省略する。

図３は、第２の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。

バッテリーモジュール２０Ｂは、バッテリーセル１０を単層（１列）に格納するバッテリーモジュールである。

バッテリーモジュール２０Ｂは、バッテリーセル１０を筐体（筐体底部８ａ、筐体側面部８ｂ，８ｃ、筐体上部８ｄ等）内に収容する。バッテリーセル１０は、筐体底部８ａ上に断熱層４、金属層３、及び熱伝導ゴム層２を介して配置される。金属層３と、熱伝導ゴム層２とは、一部が筐体の外側に突出している。金属層３の筐体から突出した部分の下面には、熱伝導ゴム層７を介してヒートシンク５が接続されている。熱伝導ゴム層７によると、ヒートシンク５を金属層３に直接接続する場合に比べて安定性が向上する。なお、熱伝導ゴム層７を備えずに、金属層３とヒートシンク５とを直接接続しても良い。

バッテリーセル１０の上面には、面的に接触するように熱伝導ゴム層２が積層され、熱伝導ゴム層２の上に金属層３が積層されている。熱伝導ゴム層２と、金属層３とは、一部が筐体の外側に突出している。

また、金属層３の筐体から突出した部分の上には、熱伝導ゴム層７を介してヒートシンク５が接続されている。熱伝導ゴム層７によると、ヒートシンク５を金属層３に直接接続する場合に比べて安定性が向上する。なお、熱伝導ゴム層７を備えずに、金属層３とヒートシンク５とを直接接続しても良い。また、金属層３の筐体内の部分の上には、断熱層４が積層されている。

このバッテリーモジュール２０Ｂにおいては、バッテリーセル１０から発せられた熱は、バッテリーセル１０の上面に密着している熱伝導ゴム層２、金属層３、及び熱伝導ゴム層７を介して、上側のヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から外部に放熱されるとともに、下面に密着している熱伝導ゴム層２、金属層３、及び熱伝導ゴム層７を介して、下側のヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から外部に放熱される。したがって、このバッテリーモジュール２０Ｂによると、複数のヒートシンク５から放熱が行われるので、第１の実施の形態に係るバッテリーモジュール２０Ａよりも放熱効果が高い。

＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態に係る熱伝導デバイスを収容するバッテリーモジュールについて説明する。なお、第１の実施の形態と共通する構成部分については、同一の符号を付し、適宜、その説明を省略する。

図４は、第３の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。

バッテリーモジュール２０Ｃは、バッテリーセル１０を複数層（２列以上）に格納するバッテリーモジュールである。

最下層のバッテリーセル１０（１０Ｂ）は、筐体底部８ａ上に断熱層６を介して配置される。

バッテリーセル１０Ｂの上面には、面的に接触するように熱伝導ゴム層２が積層され、熱伝導ゴム層２の上に金属層３が積層されている。熱伝導ゴム層２と、金属層３とは、一部が筐体の外側に突出している。金属層３の筐体内の部分の上には、断熱層４が積層されている。また、金属層３の筐体の外側に突出した部分の上には、熱伝導ゴム層７を介してヒートシンク５が接続されている。

さらに、断熱層４の上には、上の層のバッテリーセル１０（１０Ａ）が配置されている。このバッテリーセル１０Ａの上面には、面的に接触するように熱伝導ゴム層２が積層され、熱伝導ゴム層２の上に金属層３が積層されている。熱伝導ゴム層２と、金属層３とは、一部が筐体の外側に突出している。金属層３の筐体内の部分の上には、断熱層４が積層されている。また、金属層３の筐体の外側に突出した部分の上には、熱伝導ゴム層７を介してヒートシンク５が接続されている。

このバッテリーモジュール２０Ｃにおいては、バッテリーセル１０Ａから発せられた熱は、バッテリーセル１０Ａの上面に密着している熱伝導ゴム層２、金属層３、及び熱伝導ゴム層７を介して、上側のヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から外部に放熱される。バッテリーセル１０Ａの下面には、断熱層４が存在するので、この断熱層４を介して下側への熱の移動は少ない。また、バッテリーセル１０Ｂから発せられた熱は、バッテリーセル１０Ｂの上面に密着している熱伝導ゴム層２、金属層３、及び熱伝導ゴム層７を介して、下側のヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から外部に放熱される。バッテリーセル１０Ｂの下面には、断熱層６が存在するので、この断熱層６を介して筐体への熱の移動は少ない。

このバッテリーモジュール２０Ｃによると、収容された複数層のバッテリーセル１０の熱を効果的に放熱することができる。

＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態に係る熱伝導デバイスを収容するバッテリーモジュールについて説明する。なお、第１の実施の形態と共通する構成部分については、同一の符号を付し、適宜、その説明を省略する。

図５は、第４の実施の形態に係る熱伝導デバイスを含む電気自動車用のバッテリーモジュールの断面図である。

バッテリーモジュール２０Ｄは、バッテリーセル１０を複数層（２列以上）に格納するバッテリーモジュールである。

最下層のバッテリーセル１０（１０Ｂ）は、筐体底部８ａ上に断熱層６を介して配置される。

バッテリーセル１０Ｂの上面には、面的に接触するように熱伝導ゴム層２が積層され、熱伝導ゴム層２の上に金属層３が積層されている。金属層３は、一部が筐体の外側に突出している。金属層３の筐体内の部分の上には、熱伝導ゴム層２を介して、上側のバッテリーセル１０（１０Ａ）が配置されている。また、金属層３の筐体の外側に突出した部分の上には、ヒートシンク５が接続されている。バッテリーセル１０Ａの上面には、断熱層６が積層されている。尚、金属層３とヒートシンク５との間に熱伝導ゴム層７を介しても良い。

このバッテリーモジュール２０Ｄにおいては、バッテリーセル１０Ａから発せられた熱は、バッテリーセル１０Ａの下面に密着している熱伝導ゴム層２及び金属層３を介して、ヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から外部に放熱される。一方、バッテリーセル１０Ｂから発せられた熱は、上面に密着している熱伝導ゴム層２及び金属層３を介して、ヒートシンク５に伝えられ、ヒートシンク５から外部に放熱される。なお、バッテリーセル１０Ａの上側には、断熱層６が存在するので、この断熱層６を介して筐体への熱の移動は少ない。また、バッテリーセル１０Ｂの下側には、断熱層６が存在するので、この断熱層６を介して筐体への熱の移動は少ない。

このバッテリーモジュール２０Ｄによると、複数のバッテリーセル１０で発せられた熱を一つのヒートシンク５に集約して放熱するようにしているので、バッテリーモジュール２０Ｄの厚みや、重さや、必要となるスペースを効果的に低減することができる。

＜他の実施の形態＞

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態に限られず、他の様々な態様に適用可能である。

例えば、上記第１から第４の実施の形態では、発熱体としてバッテリーセルを例に説明したが、発熱体は、バッテリーセルに限られず、熱を発生するものであれば本発明を適用することができる。

また、上記第１から第４の実施の形態では、熱伝導ゴム層２と、金属層３とを接着剤で接着する例を示していたが、熱伝導ゴム層２と金属層３と積層する方法はこれに限られず、例えば、所定の金型内に金属層３をセットし、未硬化状態の熱伝導ゴム層２のゴム材料を金型内に流し込み、金属層３に熱伝導ゴム層２を形成するインサート成形法を用いても良い。

本発明は、バッテリーの冷却に用いることができる。

１ 熱伝導デバイス
２ 熱伝導ゴム層
３ 金属層
４，６，７ 断熱層
５ ヒートシンク
１０，１０Ａ，１０Ｂ バッテリーセル
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ バッテリーモジュール

Claims (10)

1. 発熱体から放熱部材に熱を伝導する熱伝導デバイスであって、
   ゴム状弾性体を含んで構成され、前記発熱体の表面に従って変形可能な熱伝導ゴム層と、
   金属により構成され、前記熱伝導ゴム層の前記発熱体と反対側に積層されるとともに、前記放熱部材に熱的に接続される金属層と
   を有する熱伝導デバイス。
2. 前記熱伝導ゴム層よりも熱伝導率が低く、前記金属層の前記発熱体と反対側に積層される断熱層を更に有する請求項１に記載の熱伝導デバイス。
3. 前記ゴム状弾性体は、シリコーンゴムを含む弾性体である
   請求項１または請求項２に記載の熱伝導デバイス。
4. 前記断熱層は、層内に空隙を有するシリコーンゴム層である
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱伝導デバイス。
5. 前記金属層は、柔軟性を有するように構成されている
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱伝導デバイス。
6. 前記金属層は、層内に空隙を有する
   請求項５に記載の熱伝導デバイス。
7. 前記金属層は、パンチング加工された金属板である
   請求項６に記載の熱伝導デバイス。
8. 前記発熱体は、バッテリーセルである
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱伝導デバイス。
9. 前記熱伝導デバイスは、複数のバッテリーセルを有するバッテリーモジュールに備えられるデバイスであり、
   前記断熱層の前記発熱体と反対側に他のバッテリーセルが配置される
   請求項８に記載の熱伝導デバイス。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の熱伝導デバイスと、
    １以上のバッテリーセルと、を有するバッテリーモジュール。

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