JP2021057187A - 電池冷却器 - Google Patents

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Abstract

【課題】組電池を成す単電池の冷却を電池の熱を受けて気化する冷媒により行う電池冷却器において、冷媒を充填した冷媒充填室で気化した冷媒が凝縮器に向かう冷媒流出路に気化していない冷媒が流れるのを妨害することにより、冷媒流出路から気化してない冷媒が漏れ出るのを抑制する。【解決手段】対向する単電池間に挟まれてそれらの単電池の熱を受ける冷媒充填室１１と、凝縮器で凝縮された冷媒を冷媒充填室１１に流入させる冷媒流入路１２と、冷媒充填室１１で気化された冷媒を凝縮器へ流出させる冷媒流出路１３とを備え、冷媒充填室１１は、冷媒の圧力による自らの膨張変形を抑制する千鳥配置の接合部１４を備え、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて立ち上がる冷媒流出路側壁面１１ｄの冷媒充填室内側面には、水平方向より下方に向けられた傾斜面１１ｅを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、電気自動車等に用いられる電池の冷却器に関する。
特許文献１には、組電池を成す単電池間にヒートパイプを挟んで電池の冷却を行う発明が開示されている。
また、同様の電池の冷却を、電池の熱を受けて気化する冷媒を利用して行い、気化した冷媒を凝縮器で凝縮し、冷却して循環させる電池冷却器がある。
特開２０１３−１５７１１１号公報
後者の電池冷却器の場合、電池が傾斜、又は振動する環境で使用されると、気化した冷媒が凝縮器に向かう冷媒流出路に気化してない冷媒が漏れ出る恐れがある。気化してない冷媒が冷媒流出路から漏れると、冷媒による冷却効率を低下させる。
本発明の課題は、組電池を成す単電池の冷却を電池の熱を受けて気化する冷媒により行う電池冷却器において、冷媒を充填した冷媒充填室で気化した冷媒が凝縮器に向かう冷媒流出路に、気化していない冷媒が流れるのを阻止することにより、冷媒流出路から気化してない冷媒が漏れ出るのを抑制することにある。
本発明の第１発明は、組電池を成す複数の単電池の側面間に挟んで配置され、各単電池の熱を受けて気化される冷媒を充填されており、気化された冷媒が凝縮器により冷却、凝縮されて循環される電池冷却器であって、対向する前記単電池間に挟まれてそれらの単電池の熱を受ける位置に配置され、冷媒が充填される室を構成する冷媒充填室と、該冷媒充填室において重力方向の下部に接続されて前記凝縮器で凝縮された冷媒を前記冷媒充填室に流入させる通路である冷媒流入路と、前記冷媒充填室において重力方向の上部に接続されて前記冷媒充填室で気化された冷媒を前記凝縮器へ流出させる通路である冷媒流出路とを備え、前記冷媒充填室は、冷媒の圧力による自らの膨張変形を抑制するように、両側に配置された前記単電池の並び方向で対向する壁面同士を部分的に相互接合する接合部を備え、前記冷媒充填室の底面から前記冷媒流出路の前記冷媒充填室に対する接続部に向けて重力方向の上方に立ち上がる冷媒流出路側壁面の前記冷媒充填室内側面には、水平方向より下方に向けられた傾斜面を備える。
本発明の第２発明は、上記第１発明において、前記接合部は、複数個備えられ、それらが前記単電池に接する前記冷媒充填室の壁面に沿って千鳥配置されている。
本発明の第３発明は、上記第２発明において、前記冷媒流出路側壁面に隣接する前記接合部は、重力方向に並ぶ複数個の前記接合部の下側が上側に対して水平方向で前記冷媒流出路側壁面側に配置されることにより千鳥配置されている。
本発明の第４発明は、上記第３発明において、前記接続部は、重力方向に並ぶ複数個の前記接合部のうち上側の前記接合部に対して水平方向で側部に位置し、前記傾斜面は、少なくとも前記接続部に隣接した位置に設けられている。
本発明の第５発明は、上記第１〜第４発明のいずれかにおいて、前記接合部は、前記冷媒充填室の底面に沿って重力方向に所定幅で帯状に延びる領域内に配置されており、前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記領域の重力方向の上下両外側に配置されている。
本発明の第６発明は、上記第１において、前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記冷媒充填室を挟む前記各単電池の対向方向に直交する方向で前記冷媒充填室の両外側に分かれて突出配置され、前記冷媒充填室の水平方向の両外側で前記冷媒流入路の重力方向の上部、及び前記冷媒流出路の重力方向の下部には、前記各単電池を組み合わせて組電池とする際の筐体を成す壁体が当接する平面となる平面部を一体に備え、前記冷媒流出路側壁面は、前記平面部として前記壁体が当接する平面を確保可能とし、且つ前記壁体に隣接して配置される前記単電池に接する前記冷媒充填室の冷却面を確保可能とする水平方向の幅内に形成されている。
本発明によれば、冷媒を充填した冷媒充填室の気化した冷媒が凝縮器に向かう冷媒流出路に気化していない冷媒が流れるのを阻止することにより、冷媒流出路から気化してない冷媒が漏れ出るのを抑制することができる。
本発明の電池冷却器の第１実施形態を適用した組電池を示す斜視図である。 上記組電池の電池冷却器及び筐体を示す斜視図である。 上記電池冷却器の斜視図である。 上記電池冷却器の正面図である。 上記電池冷却器の平面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線断面矢視図である。 上記組電池を成す単電池の電池冷却器に対する位置ずれを説明する説明図である。 比較例としての電池冷却器に対する単電池の位置ずれを説明する説明図である。 単電池の位置ずれにより各単電池が接する電池冷却器冷却表面の面積の変化を示すグラフである。 本発明の電池冷却器の第２実施形態の部分正面図である。 本発明の電池冷却器の第３実施形態の部分正面図である。
＜第１実施形態を適用した組電池の構成＞
図１は、本発明の電池冷却器の第１実施形態を適用した組電池を示す。この組電池は、電気自動車等の電動車に用いられるものであり、複数の単電池６が互いに直列接続された状態で筐体２に囲まれて一体化されている。図１では、上下方向を重力方向として組電池を電動車に搭載した状態における各方向を矢印により示している。以下の説明において、方向に関する記述は、この矢印により示す方向を基準として行う。図１以外の図においても同様である。
図１の例では、複数の単電池６が前後２列に並べられており、前後方向で互いに対向する２列の単電池６の側面間に板状に形成された電池冷却器１が挟まれている。電池冷却器１の上下両端には、前後方向に延出したフランジ部１７が形成されており、各列の単電池６は、上下のフランジ部１７により挟まれて保持されている。各単電池６は、電池冷却器１の反対側がそれぞれ保持枠２１により被われている。保持枠２１の上下両端にもフランジ部２１ａが形成されており、各列の単電池６は、上下のフランジ部２１ａによりそれぞれ挟まれて保持されている。
２列の単電池６の左右両端には、筐体２の一部を成すエンドプレート（本発明の壁体に相当）２２がそれぞれ設けられ、これら４枚のエンドプレート２２のうち、左側の２枚のエンドプレート２２は、電池冷却器１及び保持枠２１に溶接にて固定されている。一方、右側の２枚のエンドプレート２２は、電池冷却器１及び保持枠２１に対して固定されず摺動自在とされている。左右方向で複数の単電池６を挟んで対向する２枚のエンドプレート２２同士は、伸縮自在の結束バンド（図示略）により結束されている。また、前後方向で複数の単電池６を挟んで対向する保持枠２１同士も、同様の結束バンド（図示略）により結束されている。このように構成されることにより、各単電池６がその充放電に伴い膨張・収縮しても、右端のエンドプレート２２が電池冷却器１及び保持枠２１に対して摺動して、各単電池６の膨張・収縮を許容している。図２は、図１において単電池６が除かれた状態を示す。
＜電池冷却器（第１実施形態）の構成、作用、効果＞
図３〜６は、電池冷却器１を単独で示す。電池冷却器１は、図６のように上下にフランジ部１７を備えた２枚の鋼板を面合せで接合して一つの密閉空間が形成され、その密閉空間内に冷媒としてのハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が充填されて冷媒充填室１１が構成されている。密閉空間は、上下の接合部１６と左右の平面部１５が溶接にて接合されることにより形成されている。また、接合部１６及び平面部１５により囲まれた内部にも円形スポット状の複数の接合部１４が形成されている。接合部１４は、接合部１６及び平面部１５と同様、２枚の鋼板が溶接にて互いに接合されることにより形成されている。この場合の溶接はレーザー溶接が用いられている。これらの接合部１４は、冷媒充填室１１の前後両表面上で千鳥配置されており、冷媒の圧力により冷媒充填室１１が膨張変形するのを抑制している。
冷媒充填室１１の左上隅部には、単電池６からの熱を受けて気化した冷媒が流出する冷媒流出路１３が形成されている。冷媒流出路１３は、冷媒充填室１１の左端から外側に突出されている。冷媒流出路１３の突出端部には、連通孔１３ａが形成され、冷媒流出路１３の連通孔１３ａは、図１のように、流路４を介して凝縮器３に接続されている。一方、冷媒充填室１１の右下隅部には、凝縮器３で凝縮し、冷却して循環される冷媒が冷媒充填室１１に流入する冷媒流入路１２が形成されている。冷媒流入路１２は、冷媒充填室１１の右端から外側に突出されている。冷媒流入路１２の突出端部には、連通孔１２ａが形成され、冷媒流入路１２の連通孔１２ａは、図１のように、流路５を介して凝縮器３に接続されている。
このような構成により、冷媒充填室１１では、各単電池６の熱を受けて気化した冷媒が冷媒流出路１３から流出して、図１の矢印で示すように流路４を通って凝縮器３に送られる。凝縮器３で凝縮、冷却されて再度液化された冷媒は、図１の矢印で示すように流路５を通って冷媒流入路１２から冷媒充填室１１に循環される。この作用の繰り返しにより、冷媒充填室１１の表面に接触している各単電池６の冷却が行われる。この間、冷媒充填室１１内で液化された冷媒は、図４に一点鎖線で示す液位１１ｋに維持される。
図４のように、上下２列で千鳥配置された接合部１４は、接合部１６及び平面部１５を含む２枚の鋼板の各溶接部分同士の間隔が概ね等しくなるように配置されている。その結果、冷媒により加えられる冷媒充填室１１の内圧による応力が各溶接部分の一部に集中しないようにされている。結果的に、複数の接合部１４は、冷媒充填室１１の底面１１ｂに沿って上下方向に所定幅で帯状に延びる領域ＡＲ内に配置されており、その領域ＡＲの上下両外側に冷媒流入路１２及び冷媒流出路１３が配置されている。そのため、冷媒流入路１２から冷媒充填室１１に流入する冷媒は、底面１１ｂに沿って流れ、接合部１４が冷媒の流入の抵抗にならない。一方、冷媒充填室１１から冷媒流入路１２へ流出する冷媒は、天面１１ａに沿って流れ、接合部１４が冷媒の流出の抵抗にならない。
図４のように、冷媒充填室１１の左側には、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて上方に立ち上がる冷媒流出路側壁面１１ｄが形成されている。冷媒流出路側壁面１１ｄには、冷媒充填室１１内側面が水平方向より下方に向けて傾斜された傾斜面１１ｅが形成されている。傾斜面１１ｅは、冷媒流出路側壁面１１ｄの全域、即ち底面１１ｂに隣接する位置から接続部１３ｂに隣接する位置までの範囲に形成されている。そのため、組電池と共に電池冷却器１が傾斜、又は振動する環境で使用されて、液位１１ｋにある気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｅにより跳ね返されて、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。
傾斜面１１ｅは、平面部１５にエンドプレート２２が溶接されるスペースを確保可能とし、且つ冷媒流出路側壁面１１ｄに隣接する単電池６が接触する冷媒充填室１１の表面を確保可能とする水平方向の幅α１内に形成するように傾斜角度と長さを設定されている。
上下２列で千鳥配置された複数の接合部１４は、冷媒流出路側壁面１１ｄに隣接する接合部１４ａ、１４ｂが傾斜面１１ｅに沿って傾斜配置されるようにされている。このように接合部１４が千鳥配置されることにより、接合部１４が千鳥配置されず、上下２個の接合部１４が上下方向に垂直に配置される場合に比べて、気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れるのを抑制することができる。なぜなら、下側の接合部１４ｂが冷媒流出路側壁面１１ｄに近接配置されて、気化していない冷媒の冷媒流出路１３に向けた流れの抵抗となるためである。
図７は、単電池６の組付けばらつきに伴う電池冷却器１に対する単電池６の位置ずれを示す。一方、図８は、第１実施形態の電池冷却器１の比較例として上下の接合部１４が垂直方向に配置された場合であり、図７と同様、単電池６の組付けばらつきに伴う電池冷却器に対する単電池６の位置ずれを示す。図７、８共に位置ずれが「β」だけ生じた場合を示す。このとき、図７、８のように、接合部１４の配置の違いによって、位置ずれにより各単電池６が接触する電池冷却器１の冷却表面積の変動量が異なる。電池冷却器１の冷却表面積は、接合部１６及び平面部１５により囲まれる領域で、接合部１４が形成された部分を除く面の面積である。図７、８において、最も左側の単電池６に接触する電池冷却器１の冷却表面積がハッチングを施して示されている。
図９はその変動をグラフ化して示す。図９の「Ａ」は図７の千鳥配置の場合であり、「Ｂ」は図８の配置の場合である。図９から明らかなように、図７の千鳥配置の場合Ａは、図８の配置の場合Ｂに比べて位置ずれ量に対する電池冷却器１の冷却表面積の変動が少ない。即ち、接合部１４を千鳥配置とすることにより、単電池６の組付けばらつきに伴う電池冷却器１による単電池６の冷却性能の変動を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
図１０は、本発明の電池冷却器１の第２実施形態を示す。第２実施形態が第１実施形態に対して特徴とする点は、第１実施形態の冷媒流出路側壁面１１ｄの形状を変更して冷媒流出路側壁面１１ｆとした点である。その他の構成は、第２実施形態においても第１実施形態と同一であり、同一部分についての再度の説明は省略する。
図１０のように、冷媒流出路側壁面１１ｆは、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて略垂直に立ち上がり、接続部１３ｂの下部で右側に凸の形状で屈曲している。この屈曲形状により接続部１３ｂの下部（接続部１３ｂに隣接した位置）に傾斜面１１ｇが形成されている。傾斜面１１ｇは、冷媒流出路側壁面１１ｆの冷媒充填室１１内側面が水平方向より下方に向けて傾斜されている。このように冷媒流出路側壁面１１ｆに傾斜面１１ｇが形成されているため、液位１１ｋにある気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｇにより跳ね返され、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。なお、傾斜面１１ｇを備えた冷媒流出路側壁面１１ｆを形成するための水平方向の幅は、第１実施形態（図４）の場合と同様の考え方で「α２」とされている。
＜第３実施形態＞
図１１は、本発明の電池冷却器１の第３実施形態を示す。第３実施形態が第１実施形態に対して特徴とする点は、第１実施形態の冷媒流出路側壁面１１ｄの形状を変更して冷媒流出路側壁面１１ｈとした点である。その他の構成は、第３実施形態においても第１実施形態と同一であり、同一部分についての再度の説明は省略する。
図１１のように、冷媒流出路側壁面１１ｈは、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて左側に凸の形状で湾曲しながら上方に立ち上がり、接続部１３ｂの下部で右側に凸の形状で屈曲している。この屈曲形状により接続部１３ｂの下部に傾斜面１１ｊが形成されている。傾斜面１１ｊは、左側に凸の湾曲形状と右側に凸の屈曲形状との境界部（接続部１３ｂに隣接した位置）に形成され、冷媒流出路側壁面１１ｈの冷媒充填室１１内側面が水平方向より下方に向けて傾斜されている。このように冷媒流出路側壁面１１ｈに傾斜面１１ｊが形成されているため、液位１１ｋにある気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｊにより跳ね返され、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。なお、傾斜面１１ｊを備えた冷媒流出路側壁面１１ｈを形成するための水平方向の幅は、第１実施形態（図４）の場合と同様の考え方で「α３」とされている。
＜その他の実施形態＞
以上、特定の実施形態について説明したが、本発明は、それらの外観、構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、電池冷却器１は、鋼板により構成したが、銅、アルミニウム等によって構成してもよい。また、接合部１４は、円形スポット状としたが、四角形、六角形等他の形状としてもよい。更に、上記実施形態では、冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）を使用したが、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）等の代替フロンを用いてもよい。
＜各発明に対応する上記実施形態の作用効果＞
なお、最後に上述の「課題を解決するための手段」における第１発明以降の各発明に対応する上記実施形態の作用効果を付記しておく。
第１発明によれば、冷媒充填室１１の底面１１ｂから冷媒流出路１３の接続部１３ｂに向けて立ち上がる冷媒流出路側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈの冷媒充填室１１内側面に水平方向より下方に向けられた傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊを備える。そのため、電池が傾斜、又は振動する環境で使用されて、気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊにより阻止され、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から漏れ出ることが抑制される。
第２発明によれば、接合部１４が千鳥配置されているため、組電池とされた際の単電池６の冷媒充填室１１に対する位置が組み付けばらつきに伴い当初の想定位置から変化しても、冷媒充填室１１の接合部１４が一部の単電池６の当接面に偏って配置される可能性が少なく、上記組み付けばらつきに伴う当接面積の変動が抑制される。そのため、冷媒充填室１１の各単電池６に対する冷却能力の変動が抑制される。
第３発明によれば、気化していない冷媒が冷媒流出路１３に向けて流れても、その流れは冷媒流出路側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈの傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊにより妨害されるのと同様に、千鳥配置された接合部１４のうち冷媒流出路側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈに隣接する接合部１４ｂによっても気化していない冷媒が冷媒流出路１３から流出することが抑制される。
第４発明によれば、傾斜面１１ｅ、１１ｇ、１１ｊが接続部１３ｂに隣接した位置に設けられているため、気化していない冷媒が冷媒流出路１３から流出するのを抑制する効果を高めることができる。
第５発明によれば、冷媒流入路１２から流入する冷媒は、冷媒充填室１１の下部で底面１１ｂに沿って流れる。また、冷媒流出路１３から流出する冷媒は、冷媒充填室１１の上部で天面１１ａに沿って流れる。接合部１４は、冷媒流入路１２及び冷媒流出路１３に挟まれる領域ＡＲ内に配置されている。そのため、冷媒流入路１２からの冷媒の流入抵抗、並びに冷媒流出路１３からの冷媒の流出抵抗を抑制することができる。
第６発明によれば、冷媒充填室１１の冷媒流出路側壁面１１ｄ、１１ｆ、１１ｈが形成されても、その水平方向の幅がα１、α２、α３とされ、冷媒流出路１３の下部の平面部１５にエンドプレート２２（壁体）が当接する平面を確保可能とし、且つエンドプレート２２に隣接して配置される単電池６のための冷却面積を確保可能としている。
１ 電池冷却器
１１ 冷媒充填室
１１ａ 天面
１１ｂ 底面
１１ｄ、１１ｆ、１１ｈ 冷媒流出路側壁面
１１ｅ、１１ｇ、１１ｊ 傾斜面
１１ｋ 液位
１２ 冷媒流入路
１２ａ 連通孔
１３ 冷媒流出路
１３ａ 連通孔
１３ｂ 接続部
１４、１４ａ、１４ｂ 接合部
１５ 平面部
１６ 接合部
１７ フランジ部
２ 筐体
２１ 保持枠
２１ａ フランジ部
２２ エンドプレート（壁体）
３ 凝縮器
４、５ 流路
６ 単電池

Claims (6)

  1. 組電池を成す複数の単電池の側面間に挟んで配置され、各単電池の熱を受けて気化される冷媒を充填されており、気化された冷媒が凝縮器により冷却、凝縮されて循環される電池冷却器であって、
    対向する前記単電池間に挟まれてそれらの単電池の熱を受ける位置に配置され、冷媒が充填される室を構成する冷媒充填室と、
    該冷媒充填室において重力方向の下部に接続されて前記凝縮器で凝縮された冷媒を前記冷媒充填室に流入させる通路である冷媒流入路と、
    前記冷媒充填室において重力方向の上部に接続されて前記冷媒充填室で気化された冷媒を前記凝縮器へ流出させる通路である冷媒流出路とを備え、
    前記冷媒充填室は、冷媒の圧力による自らの膨張変形を抑制するように、両側に配置された前記単電池の並び方向で対向する壁面同士を部分的に相互接合する接合部を備え、
    前記冷媒充填室の底面から前記冷媒流出路の前記冷媒充填室に対する接続部に向けて重力方向の上方に立ち上がる冷媒流出路側壁面の前記冷媒充填室内側面には、水平方向より下方に向けられた傾斜面を備える
    電池冷却器。
  2. 請求項１において、
    前記接合部は、複数個備えられ、それらが前記単電池に接する前記冷媒充填室の壁面に沿って千鳥配置されている電池冷却器。
  3. 請求項２において、
    前記冷媒流出路側壁面に隣接する前記接合部は、重力方向に並ぶ複数個の前記接合部の下側が上側に対して水平方向で前記冷媒流出路側壁面側に配置されることにより千鳥配置されている電池冷却器。
  4. 請求項３において、
    前記接続部は、重力方向に並ぶ複数個の前記接合部のうち上側の前記接合部に対して水平方向で側部に位置し、
    前記傾斜面は、少なくとも前記接続部に隣接した位置に設けられている電池冷却器。
  5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
    前記接合部は、前記冷媒充填室の底面に沿って重力方向に所定幅で帯状に延びる領域内に配置されており、前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記領域の重力方向の上下両外側に配置されている電池冷却器。
  6. 請求項１において、
    前記冷媒流入路及び前記冷媒流出路は、前記冷媒充填室を挟む前記各単電池の対向方向に直交する方向で前記冷媒充填室の両外側に分かれて突出配置され、
    前記冷媒充填室の水平方向の両外側で前記冷媒流入路の重力方向の上部、及び前記冷媒流出路の重力方向の下部には、前記各単電池を組み合わせて組電池とする際の筐体を成す壁体が当接する平面となる平面部を一体に備え、
    前記冷媒流出路側壁面は、前記平面部として前記壁体が当接する平面を確保可能とし、且つ前記壁体に隣接して配置される前記単電池に接する前記冷媒充填室の冷却面を確保可能とする水平方向の幅内に形成されている電池冷却器。
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