JP2017062985A - 冷却装置およびこの冷却装置を有する電源装置 - Google Patents

冷却装置およびこの冷却装置を有する電源装置 Download PDF

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Abstract

【課題】簡単な構造の冷却装置を実現する技術を提供する。【解決手段】ある態様の冷却装置は、第1プレート30と、第2プレート31と、第1プレート30と第2プレート31の間に形成される流路と、シール部40と、を備える。第1プレート30は、一面から突出する区画壁34を有する。第2プレート31は、第1プレート30の一面側に位置し、第1プレート30に固定される。流路は、流入口36と連結される流入側流路32aと、流出口37と連結される流出側流路32bを含んでいる。流入側流路32aおよび流出側流路32bは、区画壁34を介して隣接している。シール部40は、区画壁34と第2プレート31の間の隙間を閉塞する。シール部40は、流入側流路32aに面する第1斜面41を有している。第1斜面41は、第1斜面の上端が下端よりも外側に位置するように、第2プレートの延在方向に対して傾斜している。【選択図】図7

Description

本発明は、冷却装置およびこの冷却装置を有する電源装置に関する。
近年、推進用の電源装置を使用する電気自動車が普及している。電気自動車は、様々な構成が知られており、例えば、駆動用のモータを搭載する車両(BEV:Battery Electric Vehicle)や、モータに加えてエンジンを搭載しているハイブリッドカー(HEV:Hybrid Electric Vehicle)などがある。これらの電気自動車に搭載される電源装置では、複数の電池セルが用いられる。各々の電池セルは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の充放電が可能な二次電池である。
典型的な電気自動車用の電源装置は、複数の電池セルからなる複数の組電池を備えている。複数の電池セルを集合化して組電池を形成することで、電源装置の組立性を向上させることができる。組電池の電池セルの数は、組立性や作業性等を考慮して適宜決められる。
この分野において、複数の電池セルを冷却するための技術は重要である。例えば、高温の状態で充放電されると、電池セルは電池特性が著しく劣化することが知られている。このような問題に鑑みて、下記の特許文献1に記載の通り、冷却装置を有する電源装置が提案されている。
下記特許文献1に開示されている電源装置は、組電池と、冷却装置を備えている。組電池は、集合化された複数の電池セルを含んでいる。冷却装置は、組電池を載置するためのプレートと、熱交換用の冷却パイプを含んでいる。電池セルの温度が上昇すると、電池セルの熱がプレートに伝わる。冷却パイプの内部を流れる冷媒を介して、プレートと冷却パイプの熱交換が行われる。また、冷却パイプは、湾曲した配管を含んでいる。この構成により、冷却プレートの一方の端部に流入口と流出口を設けることができるようになっている。
特開2010−277863号公報
特許文献1の冷却装置は、金属製のプレートの内部に、冷却パイプを内蔵する構成である。冷却パイプを内蔵する金属製のプレートは、例えば、鋳造で形成することができる。具体的には、予め成形した冷却パイプを配置した状態で、鋳型に溶解した金属を流し込むことで、冷却パイプを内蔵する金属製のプレートを形成することができる。一方で、鋳造の金属プレートは、比較的製造コストが高くなる傾向にあり、製造コストを低減できるような構造の冷却装置が求められている。
本発明は、斯かる実情に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、簡単な構造の冷却装置およびこの冷却装置を備えた電源装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の冷却装置は、第1プレートと、第2プ
レートと、第1プレートと第2プレートの間に形成される流路と、シール部と、を備える。第1プレートは、一面から突出する区画壁を有する。第2プレートは、第1プレートの一面側に位置し、第1プレートに固定される。流路は、流入口と連結される流入側流路と、流出口と連結される流出側流路を含んでいる。流入側流路および流出側流路は、区画壁を介して隣接している。シール部は、区画壁と第2プレートの間の隙間を閉塞する。シール部は、流入側流路に面する第1斜面を有している。第1斜面の上端が下端よりも外側に位置するように、第1斜面は第2プレートの延在方向に対して傾斜している。
2つのプレートを固定し、2つのプレートの間に流路を形成する構成の冷却装置では、区画壁を介して、流路が区画される。区画壁を介して区画される流路は、区画壁を介して隣接する流入側流路と流出側流路を含んでいる。この構成において、区画壁とプレートの境界の気密性が不充分であると、流路を流れる冷媒が流路に沿って流れず、区画壁とプレートの隙間から隣接する流路へ冷媒が漏洩してしまう問題が生じることがある。冷媒が流路どおりに流れないと、設計どおりにプレートを冷却することができず、冷却装置の冷却効率が低下する。特に、冷却装置を構成するプレートが大型化すると、自重によりプレートが変形するおそれがあるため、区画壁とプレートとの境界の気密性を充分に高めることが重要である。
本発明のある態様の構成で、区画壁と第2プレートの間の隙間を閉塞するシール部が設けられており、流入側流路のほうが流出側流路よりも水圧が高いことを利用して、シール部が区画壁に向けて付勢されるように構成されている。また、シール部の第1斜面にかかる外力により、シール部の浮き上がりを防止することもできるようになっている。第2プレートが自重によって変形した場合、第1プレートと第2プレートの間に隙間が生じるが、斯かる構成によると、シール部を第1プレートと第2プレートによって挾持できない状態となった場合でも、第2プレートと区画壁の間の隙間を閉塞することができる。
本発明の実施形態における電源装置の分解斜視図である。 本発明の実施形態における冷却装置の分解斜視図である 図1の組電池の一例を示す斜視図である。 図2の組電池の分解斜視図である。 図1の組電池の他の一例を示す分解斜視図である。 図1の組電池の他の一例を示す分解斜視図である。 図1の電源装置の断面図である。 本発明の実施形態におけるシール部の断面図である。 図7の電源装置の変形例を示す断面図である。 図7の電源装置の変形例を示す断面図である。 図7の電源装置の変形例を示す断面図である。
図1に示すように、本発明のある態様の電源装置1は、組電池2と、冷却装置3とを備える。組電池2は、冷却装置3の上に配置される。図2に示すように、本発明のある態様の冷却装置3は、第1プレート30と、第2プレート31を有している。第1プレート30に第2プレート31が固定され、第1プレート30と第2プレート31の間に流路32が形成される。第2プレート31には、流路32を流れる冷媒の流入口36と流出口37が設けられており、冷媒が循環するように構成されている。第1プレート30は、上面が平坦面となっており、組電池2が載置することができる。なお、流入口36および流出口37は、第2プレート31の代わりに、第1プレート30に設けてもよい。
また、図1には、組電池2が模式的に図示されている。組電池2は、図3から図6に示すように様々な形態をとり得る。一方で、これらの組電池2は、熱交換するための冷却面を共通して有している。組電池2の冷却面は、冷却装置3に熱的に接触している。組電池2と冷却装置3の間の熱交換が組電池の冷却面において行われる。なお、組電池2と冷却装置3の間に絶縁性の熱伝導部材を配置してもよい。具体的には、シートやゲルなどの熱伝導部材が知られている。
図3および図4に示すある態様の組電池2は、電池積層体20Aと、締結部25Aと、を有している。電池積層体20Aは、複数の電池セルと、複数の絶縁スペーサ24Aを含んでいる。各々の電池セルは、扁平な直方体形状の外装体22Aと、外装体22Aの一面に設けられる出力端子を有する角形電池21Aである。角形電池21Aの外装体22Aは、金属で形成され、電位を有している。結露水等による短絡を防止するために、外装体22Aの表面を絶縁性のシュリンクチューブ等の絶縁層で覆ってもよい。互いの外装体22Aの幅広面が対向するように、複数の角形電池21Aは一方向に積層される。各々の絶縁スペーサ24Aは、隣接する角形電池21Aの間に介在し、隣接する角形電池21Aの外装体22A同士の接触を防止している。締結部25Aは、一対のエンドプレート26Aと、複数の拘束部材27Aと、を含んでいる。一対のエンドプレート26Aは、積層方向における電池積層体20Aのそれぞれの端面に配置される。各々の拘束部材27Aは、一対のエンドプレート26Aに固定され、電池積層体20Aの積層方向に延在している。
上述の構成によると、複数の外装体22Aが組電池2の冷却面に形成される。従って、組電池2の冷却面において行われる組電池2と冷却装置3の間の熱交換により、各々の電池セルを冷却することができる。
図5に示すある態様の組電池2は、複数の電池セルと、複数の電池セルを保持する直方体形状の保持部23Bと、電池セルを接続するための一対の接続部24Bを有している。各々の電池セルは、円筒形状の外装体22Bと、外装体22Bの軸方向のそれぞれの端面に設けられる出力端子を有する円筒形電池21Bである。円筒形電池21Bの外装体22Bは、金属で形成され、電位を有している。結露水等による短絡を防止するために、外装体22Bの表面を絶縁性のシュリンクチューブ等の絶縁層で覆ってもよい。保持部23Bは、複数の貫通孔を有する絶縁部材である。複数の円筒形電池21Bは、保持部23Bのそれぞれの貫通孔に挿通される。保持部23Bは、両端の出力端子を露出させた状態でそれぞれの円筒形電池21Bを保持している。
各々の接続部24Bは、複数の円筒形電池21Bの出力端子を接続するための導電プレート25Bと、導電プレート25Bを保持するためのバスバーホルダ26Bと、バスバーホルダ26Bに嵌合するカバープレート27Bを含んでいる。バスバーホルダ26Bは、各々の円筒形電池21Bに対応する複数の貫通孔を有している。バスバーホルダ26Bの複数の貫通孔に複数の円筒形電池21Bを挿入するように、バスバーホルダ26Bが保持部23Bの端部に連結される。バスバーホルダ26Bとカバープレート27Bは、導電プレート25Bを収納するための収容空間を区画している。導電プレート25Bを複数の円筒形電池21Bの出力端子に接続した後、収容空間に樹脂(図示せず)が充填される。収容空間に充填される樹脂は、熱伝導性および絶縁性を有している。また、収容空間に充填される樹脂は、複数の円筒形電池21Bおよびカバープレート27Bに熱的に接触している。
上述の構成によると、一方のカバープレート27Bが組電池2の冷却面に位置する。上述の通り、収容空間に充填される樹脂を介して、複数の円筒形電池21Bの熱はカバープレート27Bに伝わる。従って、組電池2の冷却面において行われる組電池2と冷却装置3の間の熱交換により、各々の電池セルを冷却することができる。
図6に示すある態様の組電池2は、電池積層体20Cと、締結部25Cと、を有している。電池積層体20Cは、複数の電池セルと、複数の伝熱板23Cと、複数の枠体24Cと、を含んでいる。各々の電池セルは、扁平なシート形状の外装体22Cを有するパウチ電池21Cである。パウチ電池21Cの外装体22Cは、ラミネートフィルムで形成されている。ラミネートフィルムは、樹脂層と金属層を組み合わせた複合材料であり、絶縁性を有している。発電要素をラミネートフィルムで包んだ後、ラミネートフィルムの周縁部分を熱溶着する。このようにして、封止部28Cが外装体22Cの周縁に形成される。また、発電要素を収容するための収容部29Cが外装体22Cの中央に形成される。
複数の枠体24Cは、一方向に積層されている。一つの伝熱板23Cを挾持する一対のパウチ電池21Cが、隣接する枠体24Cの間に配置される。各々の枠体24Cは中央に開口が形成されている。これにより、一対の枠体24Cが外装体22Cの収容部29Cを避けて封止部28Cを挾持する。伝熱板23Cは、一対のパウチ電池21Cの収容部29Cと当接している。つまり、各々の伝熱板23Cは、対応する一対のパウチ電池21Cに熱的に接触している。
締結部25Cは、一対のエンドプレート26Cと、一対の拘束部材27Cとを含んでいる。一対のエンドプレート26Cは、電池積層体20Cの積層方向におけるそれぞれの端部に配置される。各々の拘束部材27Cは、一対のエンドプレート26Cに固定される。図5の組電池2の拘束部材27Cは、金属板で形成されている。各々の伝熱板23Cは、一方の拘束部材27Cに熱的に接触するように、断面がL字の形状に成形されている。
上述の構成によると、一方の拘束部材27Cが組電池2の冷却面に位置する。上述の通り、各々の伝熱板23Cを介して、複数のパウチ電池21Cの熱は拘束部材27Cに伝わる。従って、組電池2の冷却面において行われる組電池2と冷却装置3の間の熱交換により、各々の電池セルを冷却することができる。
次に図7、図8に基づいて、本願発明のある態様の冷却装置について説明する。図7の冷却装置3は、第1プレート30と、第2プレート31と、シール部40と、を含んでいる。第1プレート30は、組電池2を載置するための金属板である。組電池2は、第1プレート30に固定してもよい。固定する手段としては、ボルトやナットなどの螺合部材などがある。第1プレート30は、組電池2が載置される載置面と、載置面の反対に流路形成面を有している。第1プレート30は、流路形成面側に設けられる側壁33と区画壁34を有している。側壁33は、第1プレート30の外周に沿って設けられている。側壁33には、固定用のボルトを挿通するための貫通孔が形成されている。区画壁34は、側壁33に囲まれた空間を区画するように、第1プレート30の中央に設けられている。
第2プレート31は、第1プレート30の流路形成面側に位置しており、側壁33の貫通孔に挿通されるボルトを介して、第1プレート30に固定される。側壁33と第2プレート31の間には、ガスケット38が配置されており、第1プレート30と第2プレート31の間に流路32が形成される。区画壁34は、冷媒が第1プレート30の全体に行き渡るように流路32を区画しており、流路32が流入口36と連通する流入側流路32aと、流出口37と連通する流出側流路32bとに分けられている。この構成によると、区画壁34を介して、流入側流路32aおよび流出側流路32bが隣接するようになっている。
区画壁34と第2プレート31との間には隙間が形成されており、区画壁34に沿って設けられるシール部40によって、この隙間が閉塞される。シール部40は、区画壁34に対して流入側流路32a側に配置される。また、シール部40は、垂直方向において、シール部40の寸法が、区画壁34と第2プレート31の間の隙間の寸法よりも大きくな
るように形成されている。
上述の通り、区画壁34は、流入側流路32aと流出側流路32bを区画するようになっているが、圧力損出の影響により、流入側流路32aの水圧のほうが流出側流路32bの水圧よりも高くなる。そのため、シール部40には、流出側流路32bへ向けて付勢されるように外力が働くことが期待できる。このような圧力差に起因する付勢力を利用する構成の場合、第1プレート30と第2プレート31の密着性の変化の影響を受けにくい特徴がある。例えば、第2プレート31が変形すると、第2プレート31と区画壁34の間の隙間が広がるおそれがあるが、上述の構成によると、隙間の大きさがシール部の寸法より大きくならない限り、シール部40が区画壁34に向けて押し付けられるので、シール部40により第2プレート31と区画壁34の間の隙間を閉塞することができる。
図7および図8に示すように、シール部40は、断面が三角形状であり、流入側流路32aに面する第1斜面41を有している。第1斜面41は、第1斜面41の上端が下端よりも外側に位置するように、第2プレートの延在方向に対して傾斜している。図8に示すように、第1斜面41を有するシール部40は、第1斜面41の法線方向に水圧荷重Fがかかる。水圧荷重Fは、第1斜面41の法線方向にかかる外力であり、水圧の大きさに相関がある。第1斜面41にかかる外力は、垂直方向の成分f1と、水平方向の成分f2とに分解することができる。
以上の通り、シール部40の第1斜面41には、流路32を流れる冷媒による圧力によって、水圧荷重Fがかかり、その結果として、シール部40は、区画壁34に向けて付勢されると共に、垂直方向に付勢される。第2プレート31が変形すると、第2プレート31と区画壁34の間の隙間が広がるおそれがあるが、上述の構成によると、シール部40は、区画壁34に向けて押し付けられると共に、第2プレート31に向けて押し付けられるため、シール部40の浮き上がりを防止することができる。それにより、第2プレート31と区画壁34の間の隙間が広がっても安定して区画壁34と第2プレート31の隙間を閉塞することができるようになっている。特に、第1斜面41を有する構成とすることで、水圧によって垂直方向に付勢されるようになっているため、シール部40を垂直方向に直接的に押圧することなく、第2プレート31と区画壁34の間の隙間を閉塞することができるという特徴がある。
図7に示すように、シール部40は、流出側流路32bに面する第2斜面42を有する構成としてもよい。第2斜面42を有することで、シール部40は、両側から第2プレート31に向けて押さえつけられるため、安定した姿勢を維持しやすくなる。特に、第1斜面41の斜度と第2斜面42の斜度を実質的に同一とすることで、より一層の効果を期待することができる。
また、第1プレート30は、区画壁34に沿って設けられるガイド壁35を有する構成としてもよい。ガイド壁35は、区画壁34の間に隙間を形成するように立設されており、区画壁34との間の隙間にシール部40を配置できるようになっている。この構成によると、冷却装置3を組み立てる際、ガイド壁35と区画壁34の間にシール部40を位置決めすることができ、作業性を向上させることができる。
図9に示すように、区画壁34の形状をシール部40の第2斜面42と整合するように形成してもよい。この構成によると、シール部40と区画壁34が密着する面を大きくすることができるので、シール部40と区画壁34の間からの漏洩を安定的に防止することができる。
図10に示すように、シール部40は、第1プレート30と第2プレート31によって
挾持されるように構成することもできる。この構成によると、流入側流路32aと流出側流路32bの水圧差を利用した付勢力に加えて、第1プレート30と第2プレート31とによってシール部40が挾持されることで、シール部40が、第1プレート30及び第2プレート31と密着し、シール部40と区画壁34の間からの漏洩を安定的に防止することができる。
図11は、本願発明の変形例の冷却装置3の構成を説明するための図である。図11のシール部40は、シール本体部43とガイド部44とを含んでおり、シール本体部43とガイド部44が連結部45を介して連結されている。シール本体部43は、区画壁34に対して流入側流路32a側に位置しており、第1斜面41を有している。ガイド部44は、区画壁34に対して流出側流路32b側に位置している。ガイド部44の高さは、区画壁34と第2プレート31の間の隙間より大きくなっている。また、シール本体部43との間に区画壁34が整合する溝が形成されている。この構成によると、冷却装置3を組み立てる際、シール本体部43とガイド部44との間の溝に区画壁34を挿入することで、シール部40を位置決めすることができ、作業性を向上させることができる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各々の構成要素や各々の処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
1 電源装置、2 組電池、3 冷却装置、20A 電池積層体、21A 角形電池、22A 外装体、24A 絶縁スペーサ、25A 締結部、26A エンドプレート、27A 拘束部材、21B 円筒形電池、22B 外装体、23B 保持部、24B 接続部、25B
導電プレート、26B バスバーホルダ、27B カバープレート、20C 電池積層体、21C パウチ電池、22C 外装体、23C 伝熱板、24C 枠体、25C 締結部、26C エンドプレート、27C 拘束部材、28C 封止部、29C 収容部、30 第1プレート、31 第2プレート、32 流路、32a 流入側流路、32b 流出側流路、33 側壁、34 区画壁、35 ガイド壁、36 流入口、37 流出口、38 ガスケット、40 シール部、41 第1斜面、42 第2斜面、43 シール本体部、44 ガイド部、45 連結部

Claims (8)

  1. 一面から突出する区画壁を有する第1プレートと、
    前記第1プレートの一面側に位置すると共に、前記第1プレートと固定される第2プレートと、
    前記第1プレートと第2プレートの間に形成される流路であって、流入口と連結される流入側流路と、流出口と連結される流出側流路を含んでおり、かつ、前記流入側流路および前記流出側流路が前記区画壁を介して隣接している、該流路と、
    前記区画壁と前記第2プレートの間の隙間を閉塞するシール部であって、前記流入側流路に面する第1斜面を有しており、かつ、前記第1斜面の上端が下端よりも外側に位置するように、前記第1斜面が前記第2プレートの延在方向に対して傾斜している、該シール部と、を備える冷却装置。
  2. 請求項1に記載の冷却装置において、
    前記区画壁は、前記シール部に対して流出側流路側に位置することを特徴とする冷却装置。
  3. 請求項2に記載の冷却装置において、
    前記第2プレートの法線方向において、前記シール部の寸法が、前記区画壁と前記第2プレートの間の前記隙間の寸法よりも大きいことを特徴とする冷却装置。
  4. 請求項1から3のいずれかに記載の冷却装置において、
    前記シール部は、前記流出側流路に面する第2斜面を有しており、
    前記第2斜面は、上端が下端よりも流入側流路側に位置するように前記第2プレートの延在方向に対して傾斜していることを特徴とする冷却装置。
  5. 請求項4に記載の冷却装置において、
    前記シール部は、前記第1斜面および前記第2斜面のそれぞれの斜度が実質的に同一であること特徴とする冷却装置。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の冷却装置において、
    前記第1プレートは、位置決め用の壁部が設けられており、
    前記シール部は、前記壁部と前記区画壁の間に配置されていることを特徴とする冷却装置。
  7. 請求項1から6のいずれかに記載の冷却装置において、
    さらに、前記シール部と連なる位置決め用のガイド部を備えており、前記シール部と前記ガイド部の間に前記区画壁が位置するように、前記シール部が配置されることを特徴とする冷却装置。
  8. 請求項1から7のいずれかに記載の冷却装置と、前記冷却装置によって冷却される少なくとも一つの電池と、を備える電源装置において、
    前記少なくとも一つの電池は、前記第1プレートの上面に配置されることを特徴とする電源装置。
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