JP2023037122A - 熱輸送装置およびこれを用いた電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱を輸送する能力の向上を図ることができる熱輸送装置を提供する。【解決手段】筐体２１は、平板状に形成された吸熱部２１ａと、吸熱部２１ａの端部側において吸熱部２１ａの延在する方向に対して直交する方向に延在する放熱面２４ａが設けられた放熱部２１ｂと、を有し、吸熱部２１ａには、平面状に延在し、吸収した熱によって液体の作動流体を蒸発させる蒸発空間２１ａ１が形成され、放熱部２１ｂには、放熱面２４ａに沿って、蒸発空間２１ａ１の延在する方向に対して直交する方向に延在し、熱を放出させて気体の作動流体を凝縮させる凝縮空間２１ｂ１が形成され、放熱面２４ａは、放熱部２１ｂにおける作動流体が吸収した熱を筐体２１の外側に伝える伝熱部材２４に設けられ、伝熱部材２４は、凝縮空間２１ｂ１において蒸発空間２１ａ１側に向かって張り出す張出部２４ｂを有している。【選択図】図２

Description

本発明は、作動流体の相変化を利用して熱を輸送する熱輸送装置およびこれを用いた電池モジュールに関するものである。

従来の熱輸送装置としては、発熱体から放出される熱を吸収して作動流体を蒸発させる蒸発空間と、前記蒸発空間の延在する方向の端部側に設けられ、前記蒸発空間において前記作動流体が吸収した熱を放出させて前記作動流体を凝縮する凝縮空間と、を有するベーパーチャンバが知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来の熱輸送装置は、蒸発空間における作動流体の流通方向の横断面積を、凝縮空間において拡大することによって、熱を放出する放熱面を大きくし、放熱量を増大させている。

特表２０１８－５０６１６３号公報

しかしながら、従来の熱輸送装置は、蒸発空間と凝縮空間との間に段差が形成されており、凝縮空間において液化した作動流体が凝縮空間に溜まった状態となりやすく、蒸発空間に向かって作動流体を流通させにくくなって、熱を輸送する能力が低下するおそれがある。

本発明の目的とするところは、熱を輸送する能力の向上を図ることができる熱輸送装置およびこれを用いた電池モジュールを提供することにある。

本発明に係る熱輸送装置は、内部に作動流体が封入された筐体を備える熱輸送装置であって、前記筐体は、平板状に形成され、発熱体から放出された熱を吸収する吸熱部と、前記吸熱部の端部側において前記吸熱部の延在する方向に対して直交する方向に延在する放熱面が設けられ、前記吸熱部において吸収した熱を前記放熱面から放出する放熱部と、を有し、前記吸熱部には、平面状に延在し、吸収した熱によって液体の前記作動流体を蒸発させる蒸発空間が形成され、前記放熱部には、前記放熱面に沿って、前記蒸発空間の延在する方向に対して直交する方向に延在し、熱を放出させて気体の前記作動流体を凝縮させる凝縮空間が形成され、前記放熱面は、前記放熱部における前記作動流体が吸収した熱を前記筐体の外側に伝える伝熱部材に設けられ、前記伝熱部材は、前記凝縮空間において前記蒸発空間に向かって張り出す張出部を有している。

また、本発明に係る熱輸送装置は、前記張出部は、前記凝縮空間において前記吸熱部の延在する方向に間隔をおいて配置された複数のフィンである。

また、本発明に係る熱輸送装置は、前記凝縮空間において凝縮した前記作動流体を前記蒸発空間側に流通させる複数のウィック部を備え、複数の前記ウィック部は、それぞれ、前記凝縮空間において複数の前記フィンのそれぞれに沿って前記蒸発空間側に向けて延在する。

また、本発明に係る熱輸送装置は、前記凝縮空間が、前記蒸発空間の延在する方向に対して直交する方向の大きさが、前記蒸発空間に向かって徐々に小さくなる。

また、本発明に係る電池モジュールは、前記熱輸送装置と、前記熱輸送装置の前記吸熱部に積層されるバッテリセルと、前記熱輸送装置の前記放熱部に設けられた前記放熱面から放出される熱が伝わる冷却ジャケットと、を備える。

本発明によれば、放熱部の凝縮空間において、作動流体が熱交換する面積を増大させて、気体の作動流体の凝縮を促進することが可能となるとともに、凝縮空間の液体の作動流体を、短い移動距離で蒸発空間に流入させて、液体の作動流体を効率的に凝縮空間から蒸発空間に流入させることが可能となるので、熱を輸送する能力の向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る熱輸送装置の要部断面図である。 本発明の一実施形態に係る熱輸送装置の要部分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る伝熱部材の平面図である。 本発明の他の実施形態を示す熱輸送装置の要部断面図である。

図１乃至図４は、本発明の一実施形態を示すものである。図１は電池モジュールの斜視図であり、図２は熱輸送装置の要部断面図であり、図３は熱輸送装置の要部分解斜視図であり、図４は伝熱部材の平面図である。本実施形態では、図１におけるＸ方向を右方、Ｙ方向を前方、Ｚ方向を上方として説明する。

本発明の熱輸送装置を適用した電池モジュール１は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両に適用されるものであり、動力源としての電動モータに電力を供給するためのものである。

電池モジュール１は、図１に示すように、上下方向（図１のＺ方向）に並べて配置される発熱体としての複数のバッテリセル１０と、各バッテリセル１０に対して積層され、バッテリセル１０から放出される熱が伝達される複数の熱輸送装置２０と、熱輸送装置２０から放出される熱を吸収するための冷却ジャケット３０と、を備えている。

複数のバッテリセル１０は、それぞれ、例えば、リチウムイオン二次電池である。複数のバッテリセル１０は、それぞれ、電極および電解質等の材料をラミネートフィルムによって覆うことによって矩形の板状に形成されている。バッテリセル１０は、右側端部から電極１１が張り出している。バッテリセル１０は、厚さ方向の大きさが、例えば、１０ｍｍ程度に形成されている。

複数の熱輸送装置２０は、それぞれ、バッテリセル１０から放出される熱を吸収して幅方向に輸送し、冷却ジャケット３０に放出する、所謂ベーパーチャンバである。

熱輸送装置２０は、図２に示すように、内部に作動流体が封入された筐体２１を備えている。ここで、筐体２１に封入される作動流体は、例えば、水、フルオロカーボン類、シクロペンタン、エチレングリコール、または、これらの混合物である。

筐体２１は、例えば、アルミニウム合金、ステンレス鋼、銅合金等の熱伝導率の高い部材によって矩形の板状に形成されている。筐体２１は、前後方向の大きさがバッテリセル１０の前後方向の大きさと略同一に形成され、幅方向の大きさがバッテリセル１０の幅法の大きさよりもやや大きく形成されている。

筐体２１は、図２及び図３に示すように、互いに対向する一対の板状部材２２と、一対の板状部材２２の互いに対向する面側のそれぞれに設けられ、液体の作動流体を流通させるための一対のウィックシート２３と、一対の板状部材２２の左端部側に配置され、作動流体の熱を冷却ジャケット３０に伝えるための伝熱部材２４と、を有している。

板状部材２２は、例えば、０．３ｍｍの厚さの板状部材である。

ウィックシート２３は、例えば、金属線を編み込むことによって形成された０．２ｍｍの厚さのシート状の部材からなる。ウィックシート２３は、図３に示すように、液体の作動流体を幅方向に流通させるための複数のウィック部２３ａと、気体の作動流体を幅方向に流通させるための複数の蒸気流通部２３ｂと、が前後方向に交互に配置されている。ウィック部２３ａは、金属線が編み込まれた帯状に形成され、毛細管現象を利用して液体の作動流体を移動させる。

伝熱部材２４は、一対の板状部材２２の左端部側を前後方向に延びる部材である。伝熱部材２４は、図２に示すように、冷却ジャケット３０の外面に当接することで、冷却ジャケット３０に熱を放出する放熱面２４ａを有している。放熱面２４ａは、伝熱部材２４の左側面において、例えば上下方向の大きさが１０ｍｍに形成されて前後方向に延びるように形成されている。また、伝熱部材２４は、図２乃至図４に示すように、右側面から右方向に張り出す張出部２４ｂを有している。張出部２４ｂは、伝熱部材２４の右側面から右方向に例えば２０ｍｍの大きさで張り出し、前後方向に間隔をおいて配置された複数のフィン２４ｃである。複数のフィン２４ｃは、それぞれ、基端側から先端側に向かって徐々に上下方向の大きさが小さくなるように形成されている。

筐体２１は、図３に示すように、一対の板状部材２２の間に一対のウィックシート２３を配置するとともに、一対の板状部材２２および一対のウィックシート２３の左端部側において、一対の板状部材２２および一対のウィックシート２３によって伝熱部材２４を上下に挟んだ状態で外周部分を閉鎖することにより形成される。このとき、伝熱部材２４は、複数のフィン２４ｃによって、一対の板状部材２２および一対のウィックシート２３を支持している。また、伝熱部材２４の複数のフィン２４ｃの上面及び下面には、ウィックシート２３のウィック部２３ａが位置しており、前後方向に隣り合うフィン２４ｃの間にウィックシート２３の蒸気流通部２３ｂが位置している。

筐体２１は、図２に示すように、平板状に形成され、バッテリセル１０から放出された熱を吸収する吸熱部２１ａと、吸熱部２１ａの端部側において吸熱部２１ａの延在する水平方向に対して直交する上下方向に延在する放熱面２４ａが設けられ、吸熱部２１ａにおいて吸収した熱を放熱面２４ａから放出する放熱部２１ｂと、を有している。筐体２１の吸熱部２１ａは、例えば、１ｍｍの厚さ方向の大きさに形成されている。

吸熱部２１ａには、平面状に延在し、吸収した熱によって液体の作動流体を蒸発させる蒸発空間２１ａ１が形成されている。

放熱部２１ｂには、放熱面２４ａに沿って、蒸発空間２１ａ１の延在する水平方向に対して直交する上下方向に延在し、熱を放出させて気体の作動流体を凝縮させる凝縮空間２１ｂ１が形成されている。

凝縮空間２１ｂ１は、蒸発空間２１ａ１の延在する水平方向に対して直交する上下方向の大きさが、蒸発空間２１ａ１に向かって徐々に小さくなるように形成され、蒸発空間２１ａ１に接続されている。本実施形の凝縮空間２１ｂ１は、蒸発空間２１ａ１の上下両側に位置する板状部材２２が斜めに直線的に延伸して蒸発空間２１ａ１に接続されている。

冷却ジャケット３０は、例えば、アルミニウム合金等の金属からなる中空の部材からなる。冷却ジャケット３０の内部には、図示しないポンプ等の機器によって圧送された冷却水が流通する。冷却ジャケット３０の内部を流通する冷却水は、例えば、ラジエータによって放熱した後の冷却水である。冷却水は、水、または、エチレングリコール等のクーラントである。

以上のように構成された電池モジュール１において、バッテリセル１０から放出された熱は、上方および下方に隣接する熱輸送装置２０の筐体２１の吸熱部２１ａに伝達される。熱輸送装置２０の吸熱部２１ａに伝達された熱は、吸熱部２１ａの蒸発空間２１ａ１の液体の作動流体を蒸発させる。筐体２１の蒸発空間２１ａ１において蒸発した作動流体は、図３に示す、筐体２１のウィックシート２３の蒸気流通部２３ｂを、放熱部２１ｂの凝縮空間２１ｂ１側に向かって流通する。凝縮空間２１ｂ１に流入した気体の作動流体は、伝熱部材２４を介して冷却ジャケット３０内を流通する冷却水と熱交換することによって、放熱して凝縮する。凝縮空間２１ｂ１において凝縮した作動流体は、ウィックシート２３のウィック部２３ａを蒸発空間２１ａ１側に向かって流通する。冷却ジャケット３０内において熱を吸収した冷却水は、冷却ジャケット３０から流出した後、例えば、ラジエータを流通することにより、熱を空気中に放出する。

吸熱部２１ａの蒸発空間２１ａ１において吸熱して蒸発した作動流体は、上下方向の大きさが蒸発空間２１ａ１の上下方向の大きさよりも拡大された放熱部２１ｂの凝縮空間２１ｂ１において、伝熱部材２４を介して冷却ジャケット３０を流通する冷却水と熱交換するため、作動流体と冷却水との熱交換面積が大きくなり、気体の作動流体の凝縮が促進される。また、伝熱部材２４は、凝縮空間２１ｂ１において蒸発空間２１ａ１側に向かって張り出す張出部２４ｂを有しているため、作動流体と冷却水との熱交換面積がより大きくなり、気体の作動流体の凝縮がより促進される。さらに、伝熱部材２４の張出部２４ｂは、凝縮空間２１ｂ１において吸熱部２１ａの延在する方向に間隔をおいて配置された複数のフィン２４ｃであるため、作動流体と冷却水との熱交換面積がさらに大きくなり、気体の作動流体の凝縮がさらに促進される。

また、凝縮空間２１ｂ１において凝縮した作動流体は、上下方向の大きさが徐々に小さくなる凝縮空間２１ｂ１の上部側および下部側に位置するウィックシート２３のウィック部２３ａを流通して吸熱部２１ａの蒸発空間２１ａ１に流入する。これにより、凝縮空間２１ｂ１の液体の作動流体は、短い移動距離で蒸発空間２１ａ１に流入することになるため、凝縮空間２１ｂ１の液体の作動流体が円滑に蒸発空間２１ａ１に流入する。

このように、本実施形態の熱輸送装置２０によれば、内部に作動流体が封入された筐体２１を備える熱輸送装置２０であって、筐体２１は、平板状に形成され、発熱体としてのバッテリセル１０から放出された熱を吸収する吸熱部２１ａと、吸熱部２１ａの端部側において吸熱部２１ａの延在する方向に対して直交する方向に延在する放熱面２４ａが設けられ、吸熱部２１ａにおいて吸収した熱を放熱面２４ａから放出する放熱部２１ｂと、を有し、吸熱部２１ａには、平面状に延在し、吸収した熱によって液体の作動流体を蒸発させる蒸発空間２１ａ１が形成され、放熱部２１ｂには、放熱面２４ａに沿って、蒸発空間２１ａ１の延在する方向に対して直交する方向に延在し、熱を放出させて気体の作動流体を凝縮させる凝縮空間２１ｂ１が形成され、放熱面２４ａは、放熱部２１ｂにおける作動流体が吸収した熱を筐体２１の外側に伝える伝熱部材２４に設けられ、伝熱部材２４は、凝縮空間２１ｂ１において蒸発空間２１ａ１側に向かって張り出す張出部２４ｂを有している。

これにより、放熱部２１ｂの凝縮空間２１ｂ１において、作動流体と冷却水との熱交換面積を増大させて、気体の作動流体の凝縮を促進することが可能となるので、熱を輸送する能力の向上を図ることが可能となる。

また、張出部２４ｂは、凝縮空間２１ｂ１において吸熱部２１ａの延在する方向に間隔を置いて配置された複数のフィン２４ｃである、ことが好ましい。

これにより、凝縮空間２１ｂ１において、作動流体と冷却水との熱交換面積をより増大させることが可能となるので、気体の作動流体の凝縮をより促進することが可能となる。

また、凝縮空間２１ｂ１において凝縮した作動流体を蒸発空間２１ａ１側に流通させる複数のウィック部２３ａを備え、複数のウィック部２３ａは、それぞれ、凝縮空間２１ｂ１において複数のフィン２４ｃのそれぞれに沿って蒸発空間２１ａ１側に向けて延在する、ことが好ましい。

これにより、凝縮空間２１ｂ１において、蒸気流通部２３ｂが、間隔をおいて配置されるフィン２４ｃとフィン２４ｃとの間に配置され、気体の作動流体を放熱面２４ａに近い位置まで到達させることが可能となるので、気体の作動流体をより効率的に凝縮することが可能となる。

また、凝縮空間２１ｂ１は、蒸発空間２１ａ１の延在する方向に対して直交する方向の大きさが、蒸発空間２１ａ１に向かって徐々に小さくなる、ことが好ましい。

これにより、凝縮空間２１ｂ１の液体の作動流体を、短い移動距離で蒸発空間２１ａ１に流入させて、液体の作動流体を効率的に凝縮空間２１ｂ１から蒸発空間２１ａ１に流入させることが可能となるので、熱を輸送する能力のさらなる向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態の電池モジュール１によれば、熱輸送装置２０と、熱輸送装置２０の吸熱部２１ａに積層されるバッテリセル１０と、熱輸送装置２０の放熱部２１ｂの放熱面２４ａから放出される熱が伝わる冷却ジャケット３０と、を備える、ことが好ましい。

これにより、バッテリセル１０から放出される熱を、熱輸送装置２０によって確実に冷却ジャケット３０を流通する冷却水に放出することが可能となるので、バッテリセル１０の性能を維持することが可能となる。

図５は、本発明の他の実施形態を示すものである。尚、前記実施形態と同様の構成部分には同一の符号を付して示す。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示す筐体２１の凝縮空間２１ｂ１は、前記実施形態と同様に、蒸発空間２１ａ１の延在する水平方向に対して直交する上下方向の大きさが、蒸発空間２１ａ１に向かって徐々に小さくなるように形成されている。

図５（ａ）に示す、筐体２１の凝縮空間２１ｂ１は、蒸発空間２１ａ１の上下両側に位置する板状部材２２が曲線状に湾曲しながら延伸して蒸発空間２１ａ１に接続されている。

また、図５（ｂ）に示す、筐体２１の凝縮空間２１ｂ１は、蒸発空間２１ａ１の一方の板状部材２２が、直線的に蒸発空間２１ａ１側に延伸し、他方の板状部材２２が、斜めに直線的に蒸発空間２１ａ１側に延伸し、蒸発空間２１ａ１に接続されている。

このように、本実施形態の熱輸送装置２０によれば、前記実施形態と同様に、放熱部２１ｂの凝縮空間２１ｂ１において、作動流体と冷却水との熱交換面積を増大させて、気体の作動流体の凝縮を促進することが可能となるので、熱を輸送する能力の向上を図ることが可能となる。

また、凝縮空間２１ｂ１は、蒸発空間２１ａ１の延在する方向に対して直交する方向の大きさが、蒸発空間２１ａ１に向かって徐々に小さくなる、ことが好ましい。

これにより、凝縮空間２１ｂ１の液体の作動流体を、短い移動距離で蒸発空間２１ａ１に流入させて、液体の作動流体を効率的に凝縮空間２１ｂ１から蒸発空間２１ａ１に流入させることが可能となるので、熱を輸送する能力のさらなる向上を図ることが可能となる。

尚、前記実施形態では、熱輸送装置２０の筐体２１の吸熱部２１ａの幅方向の一端部にのみ放熱部２１ｂを設け、放熱部２１ｂの放熱面２４ａから冷却ジャケット３０を流通する冷却水に熱を放出するものを示したが、これに限られるものではない。例えば、熱輸送装置２０の筐体２１の幅方向中央部に吸熱部を配置し、吸熱部の幅方向両端側に放熱部を配置し、幅方向両側のそれぞれの放熱部の放熱面から熱を放出させるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、一対の板状部材２２の間に一対のウィックシート２３を配置したものを示したが、これに限られるものではない。毛細管現象を利用して液体の作動流体を凝縮空間２１ｂ１から蒸発空間２１ａ１に流通させるものであれば、例えば、一対の板状部材の間に一枚のウィックシートを配置してもよい。また、例えば、一対の板状部材の間にウィックシートを配置することなく、一対の板状部材の凝縮空間および蒸発空間側の面に金属の粉体を焼結させたり、溝を形成したりすることによりウィック構造を形成してもよい。

また、前記実施形態では、伝熱部材２４に張出部２４ｂとしての複数のフィン２４ｃを形成することによって、凝縮空間２１ｂ１の気体の作動流体と冷却ジャケット３０を流通する冷却水との熱交換面積を増大させるようにしたものを示したが、これに限られるものではない。凝縮空間において伝熱部材から蒸発空間に向かって張り出すものであれば、例えば、それぞれ円錐状に形成された複数の突起を張出部としてもよいし、伝熱部材２４における凝縮空間２１ｂ１に位置する面に粗化処理を施すことによって形成された複数の突起を張出部としてもよい。

１ 電池モジュール
１０ バッテリセル
２０ 熱輸送装置
２１ 筐体
２１ａ 吸熱部
２１ａ１ 蒸発空間
２１ｂ 放熱部
２１ｂ１ 凝縮空間
２３ａ ウィック部
２４ 伝熱部材
２４ａ 放熱面
２４ｂ 張出部
２４ｃ フィン

Claims (5)

1. 内部に作動流体が封入された筐体を備える熱輸送装置であって、
   前記筐体は、
   平板状に形成され、発熱体から放出された熱を吸収する吸熱部と、
   前記吸熱部の端部側において前記吸熱部の延在する方向に対して直交する方向に延在する放熱面が設けられ、前記吸熱部において吸収した熱を前記放熱面から放出する放熱部と、を有し、
   前記吸熱部には、平面状に延在し、吸収した熱によって液体の前記作動流体を蒸発させる蒸発空間が形成され、
   前記放熱部には、前記放熱面に沿って、前記蒸発空間の延在する方向に対して直交する方向に延在し、熱を放出させて気体の前記作動流体を凝縮させる凝縮空間が形成され、
   前記放熱面は、前記放熱部における前記作動流体が吸収した熱を前記筐体の外側に伝える伝熱部材に設けられ、
   前記伝熱部材は、前記凝縮空間において前記蒸発空間に向かって張り出す張出部を有している
   熱輸送装置。
2. 前記張出部は、前記凝縮空間において前記吸熱部の延在する方向に間隔をおいて配置された複数のフィンである
   請求項１に記載の熱輸送装置。
3. 前記凝縮空間において凝縮した前記作動流体を前記蒸発空間側に流通させる複数のウィック部を備え、
   複数の前記ウィック部は、それぞれ、前記凝縮空間において複数の前記フィンのそれぞれに沿って前記蒸発空間側に向けて延在する
   請求項２に記載の熱輸送装置。
4. 前記凝縮空間は、前記蒸発空間の延在する方向に対して直交する方向の大きさが、前記蒸発空間に向かって徐々に小さくなる
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱輸送装置と、
   前記熱輸送装置の前記吸熱部に積層されるバッテリセルと、
   前記熱輸送装置の前記放熱部に設けられた前記放熱面から放出される熱が伝わる冷却ジャケットと、を備える
   電池モジュール。

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