JP2020101345A - 車載バッテリ冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】車載バッテリの熱を、この車載バッテリから離れた位置まで効率よく輸送して消散させることができる車載バッテリ冷却構造を提供する。【解決手段】車載バッテリ冷却構造１Ａは、車載バッテリＢから熱を受け取るヒートパイプ１２を有する熱輸送部１０と、熱を放出する放熱部３０と、熱輸送部１０から放熱部３０へと熱を輸送するループヒートパイプ２０と、を備える。ヒートパイプの凝縮部１２ｂと、ループヒートパイプの蒸発器２１とが、互いに接している。【選択図】図１

Description

本発明は、車載バッテリ冷却構造に関する。

発熱源を冷却する冷却構造として、例えば下記特許文献１では、ヒートパイプを用いてＣＰＵの熱をコールドプレートまで輸送し、コールドプレートにおいてこの熱を消散させる、サーバーボードの冷却構造が開示されている。

特開２０１７−３３２６７号公報

近年では、電気自動車やハイブリットカー等、電気エネルギーを動力とする車両（以下、単に「車両」と記す）の普及が進んでいる。この種の車両に用いられる車載バッテリは、充放電可能なバッテリセルを備えているが、バッテリセルは充放電する際に発熱するため、このバッテリセルを冷却する冷却構造が求められている。
ところで、この種の車両に用いられる車載バッテリ用の冷却構造では、車内のスペースの都合上、車載バッテリから離れた位置まで効率よく熱を輸送して、この熱を消散させることが求められている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、車載バッテリの熱を、この車載バッテリから離れた位置まで効率よく輸送して消散させることができる車載バッテリ冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る車載バッテリ冷却構造は、車載バッテリから熱を受け取るヒートパイプを有する熱輸送部と、熱を放出する放熱部と、前記熱輸送部から前記放熱部へと熱を輸送するループヒートパイプと、を備え、前記ヒートパイプの凝縮部と前記ループヒートパイプの蒸発器とが互いに接している。

上記態様によれば、熱輸送部およびループヒートパイプを用いて、車載バッテリから遠く離れた放熱部へと熱を効率よく輸送し、放熱部において熱を消散させることができる。また、熱輸送部に含まれるヒートパイプと、ループヒートパイプとはいずれもパッシブ（受動性）であり、熱を輸送するために動力や電力などを必要としない。したがって、スペースが限られた車内における設置性が優れている。さらに、ヒートパイプの凝縮部とループヒートパイプの蒸発器とが互いに接していることで、ヒートパイプからループヒートパイプへと熱をより効率よく受け渡すことができる。

ここで、前記放熱部はコールドプレートを有していてもよい。

この場合、放熱部において、熱をより効率よく消散させることができる。

また、上記態様の車載バッテリ冷却構造は、複数の前記熱輸送部を備え、複数の前記熱輸送部は、前記蒸発器に接していてもよい。

この場合、１つのループヒートパイプを用いて、複数の車載バッテリの熱を放熱部へと輸送することができる。

また、前記車載バッテリは前記蒸発器と接していてもよい。

この場合、車載バッテリ冷却構造は、車載バッテリからヒートパイプを経由してループヒートパイプへと熱を輸送する第１の経路と、車載バッテリからループヒートパイプへと熱を直接輸送する第２の経路と、を有することになる。このように複数の熱輸送経路を設けることで、より多くの車載バッテリの面を冷却することができる。

また、前記車載バッテリは、前記ヒートパイプの蒸発部と接し、かつ前記蒸発器と接していなくてもよい。

本発明の上記態様によれば、車載バッテリの熱を、この車載バッテリから離れた位置まで効率よく輸送して消散させることができる車載バッテリ冷却構造を提供することができる。

本実施形態の車載バッテリ冷却構造の概略図である。 図１の蒸発器の斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面矢視図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面矢視図である。 第２実施形態に係る車載バッテリ冷却構造の概略図である。 第３実施形態に係る車載バッテリ冷却構造の概略図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態の車載バッテリ冷却構造について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、車載バッテリ冷却構造１Ａは、熱輸送部１０と、ループヒートパイプ２０と、放熱部３０と、を備えている。
車載バッテリ冷却構造１Ａは、熱輸送部１０に接するように配置された車載バッテリＢを冷却するように構成されている。

車載バッテリＢは、車両のモータ部などに電気エネルギーを供給するとともに、回生エネルギーなどによって充電することができる。車載バッテリＢとしては、リチウムイオン電池などの二次電池を用いることができる。各車載バッテリＢは、充放電に伴って発熱する。

（方向定義）
本実施形態ではＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。以下、Ｘ方向を左右方向といい、Ｙ方向を前後方向といい、Ｚ方向を上下方向という。

熱輸送部１０は、プレート１１と、複数のヒートパイプ１２とを備えている。プレート１１の上面は車載バッテリＢに当接している。複数のヒートパイプ１２は、プレート１１に埋設されている。より詳しくは、プレート１１の上面に複数の凹部が形成されており、各凹部にヒートパイプ１２が収容されている。各凹部は、プレート１１の上面から下方に向けて窪んでいる。各凹部は、左右方向に延びるとともに、前後方向に間隔を空けて配置されている。このため、複数のヒートパイプ１２も、左右方向に延びるとともに、前後方向に間隔を空けて配置されている。

ヒートパイプ１２をプレート１１に固定する方法としては、圧入、ロウ付け、はんだ付けなどを用いることができる。ヒートパイプ１２は、例えば銅管内にウィックおよび作動流体が封入されたものを用いることができる。作動流体は、漏電などを防止するために、非導電性液体であることが好ましい。非導電性液体としては、ハイドロフルオロエーテル（例えば３Ｍ社製のＮＯＶＥＣ（登録商標）７１００）などを用いることができる。

ヒートパイプ１２のうち、車載バッテリＢの熱を受け取る部分は作動流体の蒸発部１２ａとして機能し、ループヒートパイプ２０に接する部分は作動流体の凝縮部１２ｂとして機能する。
ヒートパイプ１２の蒸発部１２ａは、車載バッテリＢに当接していてもよい。あるいは、ヒートパイプ１２の蒸発部１２ａと車載バッテリＢとの間に隙間が形成されており、プレート１１を介して車載バッテリＢからヒートパイプ１２へと熱を伝えてもよい。

ループヒートパイプ２０は、蒸発器２１と、凝縮器２２と、蒸気管２４と、液戻り管２３と、を備えている。ループヒートパイプ２０内には、作動流体が封入されている。作動流体は、漏電などを防止するために、非導電性液体であることが好ましい。非導電性液体としては、ハイドロフルオロエーテル（例えば３Ｍ社製のＮＯＶＥＣ（登録商標）７１００）などを用いることができる。

蒸発器２１は、ヒートパイプ１２またはプレート１１の少なくとも一方に接している。本実施形態では、ヒートパイプ１２の凝縮部１２ｂとループヒートパイプ２０の蒸発器２１とが互いに接している。
蒸発器２１の内部では、熱輸送部１０により輸送された車載バッテリＢの熱を受け取ることで、作動流体が蒸発する。蒸発器２１の詳細な構成については後述する。

凝縮器２２は、放熱部３０に接している。本実施形態の放熱部３０は複数のフィン３１を有しており、凝縮器２２はフィン３１に接している。凝縮器２２において、作動流体が放熱部３０に熱を受け渡すことで、凝縮器２２の内部では、作動流体が凝縮する。蒸気管２４は、蒸発器２１と凝縮器２２とを接続している。蒸気管２４は、蒸発器２１で気化された作動流体を凝縮器２２まで送る。液戻り管２３は、凝縮器２２と蒸発器２１とを接続している。液戻り管２３は、凝縮器２２で液化された作動流体を、蒸発器２１まで送る。

図２〜４に示すように、蒸発器２１は、グルーブ管２１ａと、ウィック２１ｂと、を備えている。グルーブ管２１ａは筒状に形成されており、両端の開口部はシール部材２１ｃ、２１ｄにより覆われている。なお、グルーブ管２１ａは円筒状であってもよいし、角形の筒状であってもよい。シール部材２１ｃには貫通孔が形成されており、この貫通孔を通じて、液戻り管２３の端部がグルーブ管２１ａ内に挿通されている。シール部材２１ｄには貫通孔が形成されており、この貫通孔に蒸気管２４が接続されている。

図３に示すように、グルーブ管２１ａの内周面には、前後方向（グルーブ管２１ａの長手方向）に延びる複数の溝が形成されている。複数の溝は、グルーブ管２１ａの内周面のうち、蒸気管２４側の端部から、グルーブ管２１ａの長手方向における中間部にかけて形成されている。複数の溝は、グルーブ管２１ａの内周面のうち、液戻り管２３側の端部には形成されていない。また、複数の溝の液戻り管２３側の端部は、ウィック２１ｂによって閉塞されている。一方、複数の溝の蒸気管２４側の端部は、蒸気管２４に向けて開口している。

図４に示すように、ウィック２１ｂは、グルーブ管２１ａ内に挿入されている。ウィック２１ｂには、作動流体に毛管力を作用させる多数の細孔が形成されている。ウィック２１ｂの材質としては、多孔質性の焼結金属体、金属繊維、ガラス繊維、ポリエチレン等の高分子体などが利用可能である。ウィック２１ｂは筒状に形成されており、内部に液戻り管２３が挿入されている。ウィック２１ｂの前後方向の長さは、グルーブ管２１ａよりも短い。このため、グルーブ管２１ａ内には、ウィック２１ｂが配置されていない空間（リザーバ部２１ｅ）が形成されている。リザーバ部２１ｅ内には、液相の作動流体を溜めておくことができる。

次に、蒸発器２１の内部における作動流体の流れを説明する。図４の矢印に示すように、凝縮器２２で凝縮した液相の作動流体は、液戻り管２３によって、蒸発器２１の内部へと送られる。液戻り管２３の端部から吐出された液相の作動流体は、ウィック２１ｂに供給される。ウィック２１ｂの細孔により作用する毛管力によって、液相の作動流体はウィック２１ｂ内をグルーブ管２１ａの溝に向かって送られる。グルーブ管２１ａは、熱輸送部１０によって輸送された車載バッテリＢの熱によって、加熱されている。このため、グルーブ管２１ａの溝の内部や溝の近傍のウィック２１ｂでは、作動流体が熱せられて蒸発する。気化した作動流体は、グルーブ管２１ａの溝に沿って流動し、蒸気管２４に送られる。

蒸気管２４によって、気相の作動流体は再度凝縮器２２に送られる。そして、凝縮器２２では再び作動流体が凝縮し、凝縮した作動流体は液戻り管２３によって蒸発器２１に送られる。上記の作用により、ループヒートパイプ２０の内部では作動流体の相変化を伴う循環が生じる。この循環により、蒸発器２１から凝縮器２２へと、熱を継続して効率よく輸送することができる。そして凝縮器２２では、輸送された熱が放熱部３０へと受け渡される。

放熱部３０において、熱は外気へと放出されて消散する。放熱部３０の構成は種々選択可能であるが、例えばフィン３１が外気に触れるように配置され、車両の走行に伴ってフィン３１同士の間を空気が流れるようにしてもよい。あるいは、ファンなどによって生じた気流を、フィン３１同士の間で流動させてもよい。また、車両のラジエータを放熱部３０として用いても良い。

以上説明したように、本実施形態の車載バッテリ冷却構造１Ａは、車載バッテリBから熱を受け取るヒートパイプ１２を有する熱輸送部１０と、熱を放出する放熱部３０と、熱輸送部１０から放熱部３０へと熱を輸送するループヒートパイプ２０と、を備える。この構成によれば、熱輸送部１０およびループヒートパイプ２０を用いて、車載バッテリＢから遠く離れた放熱部３０へと熱を効率よく輸送し、放熱部３０で熱を消散させることができる。また、ヒートパイプ１２およびループヒートパイプ２０はいずれもパッシブ（受動性）であり、熱を輸送するために動力や電力などを必要としない。このように、２つのパッシブな系を接続することで、スペースが限られた車内における設置性が優れた車載バッテリ冷却構造１Ａを提供することができる。また、ヒートパイプ１２の凝縮部１２ｂとループヒートパイプ２０の蒸発器２１とが互いに接していることで、ヒートパイプ１２からループヒートパイプ２０へと熱をより効率よく受け渡すことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

本実施形態の車載バッテリ冷却構造１Ｂでは、放熱部３０の構成が第１実施形態と異なっている。図５に示すように、本実施系形態の放熱部３０にはコールドプレート３２が含まれている。コールドプレート３２は、パイプ３２ａと、ポンプ３２ｂと、接続部３２ｃと、受熱部３２ｄと、を有している。パイプ３２ａ、接続部３２ｃ、および受熱部３２ｄの内部には冷媒が充填されており、ポンプ３２ｂによって冷媒が循環する。

受熱部３２ｄでは、ループヒートパイプ２０の凝縮器２２から冷媒へと熱が受け渡される。接続部３２ｃは、放熱部３０に接続されている。接続部３２ｃでは、冷媒からフィン３１へと熱が放出される。
本実施形態のように、放熱部３０がコールドプレート３２を有することで、熱をより効率よく消散させることができる。

また、本実施形態では、車載バッテリＢと蒸発器２１との間の間隔が大きくなっている。このような構成により、ヒートパイプ１２を備える熱輸送部１０によって車載バッテリＢから遠く離れた放熱部３０へと輸送効率を損なうことなく熱を輸送しながら、熱輸送部１０におけるレイアウトの自由度を高めることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態の車載バッテリ冷却構造１Ｃは、複数の熱輸送部１０を備えている。複数の熱輸送部１０はそれぞれ、プレート１１と、プレート１１に固定された複数のヒートパイプ１２と、を有している。複数の熱輸送部１０は、前後方向に間隔を空けて配置されており、各熱輸送部１０のプレート１１の上面に、それぞれ車載バッテリＢが接している。また、複数の熱輸送部１０は、ループヒートパイプ２０の蒸発器２１に接している。

本実施形態によれば、１つのループヒートパイプ２０を用いて、複数の車載バッテリＢの熱を、放熱部３０へと輸送することができる。このため、余計なスペースを必要とすることなく車載バッテリＢから遠く離れた放熱部３０へと熱を効率よく輸送し、放熱部３０で熱を消散させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では車載バッテリＢがループヒートパイプ２０の蒸発器２１に接していないが、車載バッテリＢを蒸発器２１に接触させてもよい。この場合、車載バッテリ冷却構造は、車載バッテリＢからヒートパイプ１２を経由してループヒートパイプ２０へと熱を輸送する第１の経路と、車載バッテリＢからループヒートパイプ２０へと熱を直接輸送する第２の経路と、を有することになる。このように複数の熱輸送経路を設けることで、より多くの車載バッテリＢの面を冷却することができる。

あるいは、車載バッテリＢがヒートパイプ１２の蒸発部１２ａと接し、かつ蒸発器２１とは接していなくてもよい。また、蒸発器２１が接しているのはヒートパイプ１２の凝縮部１２ｂのみであってもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１Ａ〜１Ｃ…車載バッテリ冷却構造 １０…熱輸送部 １１…プレート １２…ヒートパイプ １２ａ…蒸発部 １２ｂ…凝縮部 ２０…ループヒートパイプ ２１…蒸発器 ３０…放熱部

Claims (5)

1. 車載バッテリから熱を受け取るヒートパイプを有する熱輸送部と、
   熱を放出する放熱部と、
   前記熱輸送部から前記放熱部へと熱を輸送するループヒートパイプと、を備え、
   前記ヒートパイプの凝縮部と前記ループヒートパイプの蒸発器とが互いに接している、車載バッテリ冷却構造。
2. 前記放熱部はコールドプレートを有している、請求項１に記載の車載バッテリ冷却構造。
3. 複数の前記熱輸送部を備え、
   複数の前記熱輸送部は、前記蒸発器に接している、請求項１または２に記載の車載バッテリ冷却構造。
4. 前記車載バッテリは前記蒸発器と接している、請求項１から３のいずれか１項に記載の車載バッテリ冷却構造。
5. 前記車載バッテリは、前記ヒートパイプの蒸発部と接し、かつ前記蒸発器とは接していない、請求項１から３のいずれか１項に記載の車載バッテリ冷却構造。

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