JP2016157580A - 発熱体の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の発熱体の間に冷却風通路を形成して上流側から下流側まで高い冷却効果を得る。【解決手段】第１バッテリセル２Ａと第２バッテリセル２Ｂとの間に冷却風通路Ｔを形成する通路構成部材４１を配設する。通路構成部材４１には、冷却風通路Ｔ内へ突出して冷却風の流れ方向に延びる第１突出部４１ｄと、冷却風通路Ｔ内へ突出して冷却風の流れと交差する方向に延びる第２突出部４１ｅとが設けられている。第１突出部４１ｄと第２突出部４１ｅとは交差している。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電気自動車等に搭載される走行用モーターに電力を供給する車両用バッテリ等の発熱体の冷却構造に関するものである。

従来より、電気自動車やハイブリッド自動車等には、走行用モーターと、該走行用モーターに電力を供給するバッテリとが搭載されている。走行用モーターに電力を供給するバッテリは電力供給時の発熱量が大きいので、従来の電装品用のバッテリとは異なり、冷却構造が要求される（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のバッテリは複数のセルを有している。セルの間には、該セルの間に冷却風通路を形成するためのスペーサが配設されている。スペーサは、冷却風の流れ方向に延びる複数のリブと、複数のボスとを有しており、リブの間及びボスの間に冷却風通路が形成されている。リブは、スペーサにおける冷却風の流れ方向上流側に配置され、ボスは下流側に配置されている。

特開２００７−２００７７８号公報

ところで、スペーサにおけるリブが形成された部位では、リブが冷却風の流れ方向に延びているので、冷却風の整流効果を発揮し、冷却風がスムーズに流れることになる。一方、スペーサにおけるボスが形成された部位では、冷却風がボスに当たりながら流れていくので流れが乱れやすい。つまり、スペーサのリブが形成された部位では冷却効果が低く、ボスが形成された部位では冷却効果が比較的高くなると考えられるので、均一な冷却効果が得られない恐れがある。特に、リブが形成された部位での冷却効果を低下が顕著に表れやすい。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の発熱体の間に冷却風通路を形成して上流側から下流側まで高い冷却効果を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、冷却風通路に、冷却風の流れ方向に延びる突出部と、冷却風の流れと交差する方向に延びる突出部とを配置するようにした。

第１の発明は、
第１発熱体と第２発熱体との間に、該発熱体を冷却するための冷却風通路を形成する通路構成部材を備えた発熱体の冷却構造において、
上記通路構成部材には、上記冷却風通路内へ突出して冷却風の流れ方向に延びる第１突出部と、上記冷却風通路内へ突出して冷却風の流れと交差する方向に延びる第２突出部とが設けられ、上記第１突出部と上記第２突出部とは交差していることを特徴とする。

この構成によれば、通路構成部材が発熱体の間に介在しているので、発熱体の熱が冷却風通路を流れる冷却風に伝わり、このことで発熱体が冷却される。冷却風通路には、冷却風の流れ方向に延びる第１突出部が配置されるので、第１突出部を介して冷却風に熱が伝達される。さらに、冷却風の流れと交差する方向に延びる第２突出部が第１突出部と交差しているので、第１突出部に沿って流れている途中の冷却風が第２突出部に当たり、このことで冷却風通路内の冷却風の流れが乱れやすくなる。

第２の発明は、第１の発明において、
上記通路構成部材は、上記第１発熱体に接する基板部を備え、
複数の上記第１突出部が上記基板部から上記第２発熱体へ向けて突出して突出方向先端部が該第２発熱体に接するように形成され、
上記第２突出部は複数の上記第１突出部に連続するように形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、通路構成部材が第１発熱体と第２発熱体との間でスペーサとして機能する。そして、第２突出部が複数の第１突出部に連続しているので、基板部に、第１突出部と第２突出部とで格子状のリブを形成することが可能になり、基板部の強度が向上する。

第３の発明は、第１または２の発明において、
冷却風が流通するダクトを備え、
上記第１発熱体と上記第２発熱体及び上記通路構成部材は、上記ダクトの壁部に接するように配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１発熱体と第２発熱体及び通路構成部材の熱がダクト内に伝わりやすくなるので、第１発熱体及び第２発熱体の冷却効果がより一層向上する。

第１の発明によれば、発熱体の間に冷却風通路を形成する通路構成部材を備え、通路構成部材には、冷却風の流れ方向に延びる第１突出部と、冷却風の流れと交差する方向に延びる第２突出部とが互いに交差するように設けられているので、冷却風通路の上流側から下流側まで高い冷却効果を得ることができる。

第２の発明によれば、通路構成部材が第１発熱体に接する基板部を備え、複数の第１突出部の先端部が第２発熱体に接するように形成され、第２突出部が複数の第１突出部に連続しているので、通路構成部材を第１発熱体と第２発熱体との間でスペーサとすることができ、この場合に、通路構成部材を軽量かつ高剛性にすることができる。

第３の発明によれば、第１発熱体と第２発熱体及び通路構成部材がダクトの壁部に接するように配置されているので、冷却効果をより一層向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る車両用バッテリユニットの断面図である。 図１におけるII−II線に相当する断面図である。 図１におけるIII−III線に相当する断面図である。 実施形態２に係る図１相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明に係る発熱体の冷却構造が適用された車両用バッテリユニット１の断面図である。車両用バッテリユニット１は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車（プラグインハイブリッド自動車を含む）に搭載されるものであり、これら自動車の走行用モーターに電力を供給するように構成されている。

車両用バッテリユニット１は、第１〜第７バッテリセル（発熱体）２Ａ〜２Ｇからなるバッテリ２と、バッテリケース３と、バッテリケース３の外部に配設されるダクト１０と、第１送風機Ａと、第２送風機Ｂ（図２に示す）と、バッテリケース３の内部に配設される第１〜７通路構成部材４１〜４７とを備えている。

第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池であり、図１における左から右に順に並んでいる。第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇは電極によって接続されている。また、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇは、直列または並列に接続されており、外部からの電力供給によって全てのバッテリセル２Ａ〜２Ｇに同時に充電可能となっている。また、走行用モーターに電力を供給する際には、全てのバッテリセル２Ａ〜２Ｇから同時に供給可能となっている。尚、バッテリセルの数や配置は図示したものに限られず、例えば、バッテリセルを上下方向に２段や３段に並べて配置してもよい。

バッテリケース３は、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇを収容する収容空間Ｒを形成するためのものであり、例えば樹脂材を成形してなる。バッテリケース３の下部には外方へ延出するフランジ３ａが形成されている。

ダクト１０は、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇを下部から冷却するための冷却風が流通する下側冷却風通路Ｓを構成するものであり、収容空間Ｒの外部においてバッテリケース３の下部に設けられている。ダクト１０は扁平な形状である。ダクト１０の延びる方向は、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇの並ぶ方向であり、この実施形態では、冷却風が図１の左側から右側へ向かって流れるようになっている。ダクト１０は、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇの並ぶ方向に延びる上壁部１１と、上壁部１１と略平行に延びる下壁部１２と、図２に示す上壁部１１の幅方向両端部から下壁部１２まで延びる側壁部１３、１３とを有している。上壁部１１の周縁部にバッテリケース３のフランジ３ａが接合され、収容空間Ｒは、外部の埃や水等が入らないように密閉されている。第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇは、ダクト１０の上壁部１１に接するように配置されている。尚、ダクト１０は、バッテリケース３の上部に設けてもよいし、側部に設けてもよい。ダクト１０は、直線状に延びる形状であってもよいし、湾曲して延びる形状であってもよい。

第１送風機Ａは、ダクト１０の上流側に設けられており、冷却風を下側冷却風通路Ｓに導入するためのものである。冷却風としては、例えば車室外の空気や車室内の空気を使用することができる。第１送風機Ａは、ダクト１０の下流側に設けて冷却風を下側冷却風通路Ｓに上流側から導入するように構成してもよい。第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇの熱はダクト１０の上壁部１１に伝わり、ダクト１０の下側冷却風通路Ｓを流れる冷却風が上壁部１１の熱を奪うことによってバッテリ２が冷却される。

図２に示すように、ダクト１０における上壁部１１の下面（ダクト１０の内面）には、下方へ突出し、上流側から下流側に亘って冷却風の流れ方向に延びる５つの下側第１突条部２０Ａ〜２０Ｅが下側冷却風通路Ｓの幅方向に互いに間隔をあけて設けられている。上壁部１１の熱は、下側第１突条部２０Ａ〜２０Ｅを介して冷却風に伝達する。尚、下側第１突条部の数は、５つに限られるものではなく、例えば１つであってもよいし、６つ以上であってもよい。また、下側第１突条部２０Ａ〜２０Ｅの間隔は、下側冷却風通路Ｓの形状に応じて設定することができ、不等間隔であってもよい。

また、ダクト１０における上壁部１１の下面には、下方へ突出し、冷却風の流れ方向と交差する方向に延びる下側第２突条部３１〜３６が設けられている。下側第２突条部３１が冷却風流れ方向の最も上流側に配置され、下側第２突条部３２〜３６は順に冷却風流れ方向に並ぶように配置されている。下側第２突条部３１〜３６は、下側冷却風通路Ｓの幅方向一側の側壁部１３から他側の側壁部１３まで延びており、下側冷却風通路Ｓの幅方向に隣り合う下側第１突条部２０Ａ〜２０Ｅに連続している。これにより、ダクト１０の上壁部１１には、互いに交差するリブを形成することができる。尚、下側第２突条部３１〜３６の突出高さは、下側第１突条部２０Ａ〜２０Ｅと同じにしてもよいが、下側第１突条部２０Ａ〜２０Ｅよりも低くすることや高くすることも可能である。

また、下側第２突条部３１〜３６は、屈曲または湾曲していてもよい。

また、下側第２突条部３１〜３６の断面形状は、下に頂点が位置する略三角形である。下側第２突条部３１〜３６の断面形状を略三角形とすることで、下側第２突条部３１〜３６における冷却風流れ方向上流側の面は、下側へ行くほど下流側に位置するように傾斜し、下側第２突条部３１〜３６における冷却風流れ方向下流側の面は、下側へ行くほど上流側に位置するように傾斜する。これにより、下側冷却風通路Ｓの上側を流れる冷却風が下側第２突条部３１〜３６の上流側の面に当たって下方へ案内され、その後、下流側の面に沿って上方へ流れて上壁部１１の内面に当たり、このような冷却風の流れによって下側冷却風通路Ｓの上側で乱流が発生する。冷却風の流れが上壁部１１の内面に当たることで、上壁部１１の内面近傍を流れる空気に乱流が発生し、これにより、上壁部１１の内面近傍の空気の流れをさらに乱し、上壁部１１の内面近傍において断熱層となりやすい層流が形成されるのを抑制する。よって、冷却効率が向上する。尚、下側第２突条部３１〜３６の断面形状は、正三角形であってもよいし、二等辺三角形であってもよい。また、下側第２突条部３１〜３６の数は特に限定されるものではなく、例えば、１つであってもよい。

下側第２突条部３１〜３６の最大突出高さは、下側冷却風通路Ｓの上下方向の寸法の１／２以下とするのが好ましい。これにより、下側第２突条部３１〜３６を形成したことによる下側冷却風通路Ｓの圧力損失を抑制して冷却風の流量を十分に確保することができる。

また、図２に示すように、第２送風機Ｂは、バッテリケース３の左側壁部に形成された冷却風導入部３ｂに接続されており、第１送風機Ａと同様な外気を冷却風とし、その冷却風をバッテリケース３の内部に送風するように構成されている。バッテリケース３の右側壁部には、バッテリケース３の内部に送風された空気を排出するための排出部３ｃが設けられている。したがって、第２送風機Ｂにより送風された冷却風は、バッテリケース３の内部で図２に示すように左側から右側へ流れることになる。

第１〜７通路構成部材４１〜４７は、それぞれ、バッテリケース３の内部において冷却風が流れる冷却風通路Ｔを形成するためのものである。第１通路構成部材４１は、第１バッテリセル２Ａと第２バッテリセル２Ｂとの間に配置される。第２通路構成部材４２は、第２バッテリセル２Ｂと第３バッテリセル２Ｃとの間に配置される。第３通路構成部材４３は、第３バッテリセル２Ｃと第４バッテリセル２Ｄとの間に配置される。第４通路構成部材４４は、第４バッテリセル２Ｄと第５バッテリセル２Ｅとの間に配置される。第５通路構成部材４５は、第５バッテリセル２Ｅと第６バッテリセル２Ｆとの間に配置される。第６通路構成部材４６は、第６バッテリセル２Ｆと第７バッテリセル２Ｇとの間に配置される。第７通路構成部材４７は、第７バッテリセル２Ｇにおける第６バッテリセル２Ｆ側とは反対側に配置される。第１〜６通路構成部材４１〜４６は、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇの間隔を一定に保つためのスペーサとして機能する。尚、第１〜７通路構成部材４１〜４７は全て同じ構造であるため、以下、第１通路構成部材４１の構造について詳細に説明する。

第１通路構成部材４１は、上下方向に延び、第２バッテリセル２Ｂ（本発明の第１発熱体に相当）の側面に接する基板部４１ａと、基板部４１ａの上縁部から第１バッテリセル２Ａ（本発明の第２発熱体に相当）側へ突出する上部突出部４１ｂと、基板部４１ａの下縁部から第１バッテリセル２Ａ側へ突出する下部突出部４１ｃとを備えており、上部突出部４１ｂと下部突出部４１ｃとの間に、バッテリケース３の左側（図２における左側）から右側（図２における右側）へ延びる冷却風通路Ｔが形成される。第１通路構成部材４１の下部突出部４１ｃは、ダクト１０の上壁部１１に接するように配置されている。

基板部４１ａは、第２バッテリセル２Ｂの側面と略同じ形状とされており、第２バッテリセル２Ｂの熱が伝わるようになっている。上部突出部４１ｂ及び下部突出部４１ｃは、基板部４１の左右方向両端部に亘って延びており、突出方向先端部が第１バッテリセル２Ａの側面に接している。下部突出部４１ｃは、ダクト１０の上壁部１１の上面にも接している。

基板部４１ａには、冷却風通路Ｔ内へ突出して冷却風の流れ方向（左右方向）に延びる３つの第１突出部４１ｄ、４１ｄ、４１ｄと、冷却風通路Ｔ内へ突出して冷却風の流れと交差する方向（上下方向）に延びる４つの第２突出部４１ｅ、４１ｅ、…とが設けられている。第１突出部４１ｄ、４１ｄ、４１ｄは、基板部４１の左右方向両端部に亘って延びており、上部突出部４１ｂと下部突出部４１ｃとの間において互いに上下方向に間隔をあけて配置されている。各第１突出部４１ｄの突出方向先端部が第１バッテリセル２Ａの側面に接している。第１突出部４１ｄ及び第２突出部４１ｅの数は、任意の数に設定することができる。また、第２突出部４１ｅは、傾斜して延びていてもよい。

第２突出部４１ｅ、４１ｅ、…は、基板部４１ａの左右方向に互いに間隔をあけて配置されており、各々が上部突出部４１ｂから下部突出部４１ｃまで延び、これら上部突出部４１ｂ及び下部突出部４１ｃに連続している。また、第２突出部４１ｅ、４１ｅ、…は、第１突出部４１ｄ、４１ｄ、４１ｄと交差するとともに、第１突出部４１ｄ、４１ｄ、４１ｄにも連続して一体化している。これにより、基板部４１ａには、上部突出部４１ｂ、
下部突出部４１ｃ、第１突出部４１ｄ及び第２突出部４１ｅによって、格子状のリブが形成されることになるので、基板部４１ａの強度が向上する。

また、第２突出部４１ｅは、屈曲または湾曲していてもよい。

第２突出部４１ｅの断面形状は、第１バッテリセル２Ａ側に頂点が位置する略三角形である。第２突出部４１ｅの断面形状を略三角形とすることで、第２突出部４１ｅにおける冷却風流れ方向上流側の面（左側の面）は、右側へ行くほど下流側に位置するように傾斜し、第２突出部４１ｅにおける冷却風流れ方向下流側の面（右側の面）は、左側へ行くほど上流側に位置するように傾斜する。これにより、冷却風通路Ｔの第２バッテリセル２Ｂ側を流れる冷却風が第２突出部４１ｅの上流側の面に当たって案内され、その後、下流側の面に沿って流れて第２バッテリセル２Ｂ側の内面に当たり、このような冷却風の流れによって冷却風通路Ｔの内部で乱流が発生する。冷却風の流れが冷却風通路Ｔの内部において第２バッテリセル２Ｂ側の内面の内面に当たることで、その内面近傍を流れる空気に乱流が発生し、これにより、第２バッテリセル２Ｂ側の内面近傍の空気の流れをさらに乱し、その内面近傍において断熱層となりやすい層流が形成されるのを抑制する。よって、冷却効率が向上する。尚、第２突出部４１ｅの断面形状は、正三角形であってもよいし、二等辺三角形であってもよい。また、第２突出部４１ｅの数は、例えば１つであってもよい。

次に、バッテリ２を冷却する場合について説明する。第１送風機Ａによって送風された冷却風は、ダクト１０内の下側冷却風通路Ｓを流れる。このとき、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇの熱が下側第１突条部２０Ａ〜２０Ｅを介して冷却風に伝わる。さらに、下側冷却風通路Ｓを流れる冷却風が下側第２突条部３１〜３６に当たることで冷却風の流れが乱れて乱流が発生する。これにより、下側冷却風通路Ｓによる冷却効果が向上する。

また、第２送風機Ｂによって送風された冷却風は、バッテリケース３の内部に流入して第１〜７通路構成部材４１〜４７の冷却風通路Ｔを流れる。このとき、第１〜第６通路構成部材４１〜４６が第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇの間に介在しているので、第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇの熱が冷却風通路Ｔを流れる冷却風に伝わり、このことで第１〜第７バッテリセル２Ａ〜２Ｇが冷却される。冷却風通路Ｔには、冷却風の流れ方向に延びる第１突出部４１ｄが配置されるので、第１突出部４１ｄを介して冷却風に効率よく熱が伝達される。さらに、冷却風の流れと交差する方向に延びる第２突出部４１ｅが第１突出部４１ｄと交差しているので、第１突出部４１ｄに沿って流れている途中の冷却風が第２突出部４１ｅに当たり、このことで冷却風通路Ｔ内の冷却風の流れが乱れやすくなる。したがって、この実施形態１によれば、冷却風通路Ｔの上流側から下流側まで高い冷却効果を得ることができる。

また、第１通路構成部材４１の第２突出部４１ｅが複数の第１突出部４１ｄに連続しているので、第１突出部４１ｄと第２突出部４１ｅとによって格子状のリブを形成することができ、よって、第１通路構成部材４１を軽量かつ高剛性にすることができる。第２〜第７通路構成部材４２〜４７も同様である。

（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２に係る車両用バッテリユニット１を示すものである。この実施形態２では、バッテリケース３の内部の通路構成部材の配置パターンが実施形態１のものと異なっており、他の部分は実施形態１と同じであるため、以下、実施形態１と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。

実施形態２では、第１〜第３通路構成部材４１〜４３を備えている。そして、第２バッテリセル２Ｂと第３バッテリセル２Ｃとの間、及び、第４バッテリセル２Ｄと第５バッテリセル２Ｅとの間には、通路構成部材が配置されていない。すなわち、第１通路構成部材４１は第１バッテリセル２Ａと第２バッテリセル２Ｂとの間に配置され、また、第２通路構成部材４２は第３バッテリセル２Ｃと第４バッテリセル２Ｄとの間に配置され、また、第３通路構成部材４３は第５バッテリセル２Ｅと第６バッテリセル２Ｆとの間に配置されている。

この実施形態２においても、実施形態１と同様に、冷却風通路Ｔの上流側から下流側まで高い冷却効果を得ることができる。

尚、バッテリケース３の内部の通路構成部材の配置パターンは上述したパターンに限られるものではなく、任意のパターンで配置することができる。

また、上記実施形態１、２では、ダクト１０及び第１送風機Ａを設けているが、これに限らず、ダクト１０及び第１送風機Ａは省略してもよい。

また、上記実施形態１、２では、発熱体がバッテリセルである場合について説明したが、これに限らず、例えばインバーター装置やモーター等を発熱体として冷却するように構成してもよい。

上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明に係る発熱体の冷却構造は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車のバッテリユニットに適用することができる。

１ 車両用バッテリユニット
２Ａ バッテリセル（第２発熱体）
２Ｂ バッテリセル（第１発熱体）
１０ ダクト
１１ 上壁部
４１ 第１通路構成部材
４１ａ 基板部
４１ｄ 第１突出部
４１ｅ 第２突出部
Ｔ 冷却風通路

Claims (3)

1. 第１発熱体（２Ｂ）と第２発熱体（２Ａ）との間に、該発熱体（２Ａ、２Ｂ）を冷却するための冷却風通路（Ｔ）を形成する通路構成部材（４１）を備えた発熱体の冷却構造において、
   上記通路構成部材（４１）には、上記冷却風通路（Ｔ）内へ突出して冷却風の流れ方向に延びる第１突出部（４１ｄ）と、上記冷却風通路（Ｔ）内へ突出して冷却風の流れと交差する方向に延びる第２突出部（４１ｅ）とが設けられ、上記第１突出部（４１ｄ）と上記第２突出部（４１ｅ）とは交差していることを特徴とする発熱体の冷却構造。
2. 請求項１に記載の発熱体の冷却構造において、
   上記通路構成部材（４１）は、上記第１発熱体（２Ｂ）に接する基板部（４１ａ）を備え、
   複数の上記第１突出部（４１ｄ）が上記基板部（４１ａ）から上記第２発熱体（２Ｂ）へ向けて突出して突出方向先端部が該第２発熱体（２Ａ）に接するように形成され、
   上記第２突出部（４１ｅ）は複数の上記第１突出部（４１ｄ）に連続するように形成されていることを特徴とする発熱体の冷却構造。
3. 請求項１または２に記載の発熱体の冷却構造において、
   冷却風が流通するダクト（１０）を備え、
   上記第１発熱体（２Ｂ）と上記第２発熱体（２Ａ）及び上記通路構成部材（４１）は、上記ダクト（１０）の壁部（１１）に接するように配置されていることを特徴とする発熱体の冷却構造。

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