JP3245890U - 大面積均一温度液体冷却板 - Google Patents

Abstract

【課題】液体冷却板全体のより優れた温度均一効果を達成する。【解決手段】本考案の大面積均一温度液体冷却板１では、流路入口３１を液体冷却板本体１０の側面における中心線Ｍ１部分の近くに設置し、続いて液体冷却板本体の中心部位に向かって延伸させる。さらに順番に屈曲させ、この側面に沿って中心線から離れた後に、液体冷却板本体の周囲を周回する。流路入口に隣接し、さらに端部の比較的近くに流路出口３２が構成される。従って、流路入口が流路出口より中心線に近い設計により、屈曲に応じて、各ブロックの流路を周回して熱交換できる。【選択図】図２Ａ

Description

本考案は液体冷却板に関し、特に薄型で温度均一効果を達成できる大面積の液体冷却板を指す。

新エネルギー自動車の市場が勢いよく発展するのに伴い、駆動用バッテリは新エネルギー電気自動車の三大核心技術の一つとされている。駆動用バッテリにおけるソフトパックセルの単一エネルギー密度は、円筒形又は角形のバッテリよりもさらに潜在能力を有する。しかしながら、ソフトパックセルの熱管理は比較的困難である。現在一般的に見られるのは大きく２つに分類でき、それぞれ間接接触による伝導及び直接接触による伝導の２種類である。

間接接触による伝導は、主に熱伝導板をセル表面に接触させ、セルの熱量を側面に伝導してから、液体冷却装置を利用して熱を逃がす。直接接触による伝導は小型液体冷却板をセルと直接接触させることにより、セルの熱量を直接逃がす。直接接触による伝導方式は比較的高い熱管理効率を有するが、現在セルのサイズは大きくないため、セルの性能に対する影響は限定的である。一方で、間接接触による伝導方式は比較的高いエネルギー密度を有することが可能であるため、現在、間接接触による伝導方式が主流である。

しかしながら、駆動用バッテリの走行距離及び体積利用率を高めるために、ソフトパックセルのサイズ及び容量を高めるのに伴い、間接接触による伝導方式で放熱する場合、温度を理想の状態に制御するのが難しくなっている。他にも、既存の直接接触による伝導を用いた液体冷却板の設計は、セルサイズが比較的小さいため、流路設計は比較的単純で、流路が通過するかどうかを考慮するのみである。しかし比較的大きなサイズのセルに利用すると、単一のセルと、セル及びセルとの間に明らかな温度差がある。その原因については、主にセルの中心部位及び辺縁部位の温度差によるものであり、セルサイズが大きくなるのに伴って拡大し、効果的な熱管理効率を達成するのが難しくなる。このほか、ソフトパックセルからモジュール又はバッテリパックを構成すると、モジュール又はバッテリパックの中心部位の近くに蓄積した熱量を誘導するのが難しく、モジュール又はバッテリパックの中心部位の温度が比較的高くなり、さらには駆動用バッテリパックの電気的性能及び使用寿命に影響を及ぼす。

上記既存技術の欠点に基づいて、本考案は大面積均一温度液体冷却板を示し、上記課題を効果的に解決する。

本考案の主な目的は、大面積均一温度液体冷却板を提供することにある。特殊な冷却液の流路設計を利用して、大きなサイズのセルの放熱温度が不均一である課題を解決し、さらには駆動用バッテリパックの電気的性能及び使用寿命を高める目的を達成する。

本考案は、大面積均一温度液体冷却板を示す。液体冷却板本体及び液体冷却板本体に設けられる少なくとも１つの流路を含み、流路は流路入口及び流路出口を含む。流路入口は液体冷却板本体の側面に位置し、さらにこの側面の中心線に隣接する。流路を液体冷却板本体の中心部位に向かって延伸させて第１ブロックを構成し、続いて屈曲させ、中心線を通過させて第２ブロックを構成する。続いて側面に向かって屈曲させ、第３ブロックを構成し、続いて側面の端部に向かって屈曲させ、第４ブロックを構成する。続いて側面から離れて第５ブロックを構成し、続いて屈曲させ、中心線を通過して第６ブロックを構成し、続いて側面に向かって屈曲させ、第７ブロックを構成する。第７ブロックは続いて流路出口に進入し、液体冷却板本体の側面のもう１つの端部から流出する。

流路入口は流路出口より中心部位のさらに近くに設計され、流路の配置により、進入したばかりの冷却液は直接中心部位に進入する。その後周回してから側面の端部に流路出口が構成される。さらに、周回過程でも異なるブロックの冷却液を熱交換させることが可能であり、従って最適な冷却の温度均一効果を達成できる。

以下、具体的な実施例により本考案を詳細に説明し、その目的、技術内容、特徴及び達成する効果をより容易に理解できるようにする。

本考案の大面積均一温度液体冷却板の概要図である。 本考案の大面積均一温度液体冷却板における流路配置の概要図である。 本考案の大面積均一温度液体冷却板における流路ブロックの概要図である。 本考案の大面積均一温度液体冷却板をセルに利用した概要図である。 本考案の大面積均一温度液体冷却板をバッテリモジュールに利用した概要図である。

本考案の利点、主旨及び特徴をより容易に、明確に理解できるようにするため、以下に実施例により、さらに図を参照して詳述及び議論を行う。これらの実施例は本考案の代表的な実施例に過ぎず、本考案の実施形態及び請求の範囲が、これらの実施例の態様のみに限定されるものではないことを明確に示す必要がある。これらの実施例を提供する目的は、単に本考案の開示内容をより徹底的に、及び容易に理解できるようにすることである。

本考案で開示する各種実施例で使用される用語は、特定の実施例を記載する目的のためにのみ用いられ、本考案で開示する各種実施例を制限するものではない。明確に他に指示しない限り、使用する単数形式は複数形式も含む。他に限定しなければ、本明細書中で使用するすべての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本考案で開示する各種実施例が属する分野の当業者が通常理解する意味と同じ意味を有する。上記用語（例えば一般的に使用される辞典で限定される用語）は、本考案で開示する各種実施例において明確に限定する場合を除き、同じ技術分野における文脈の意味と同じ意味を有すると解釈され、理想化した意味又は過度に形式的な意味を有すると解釈されない。

本明細書の記載において、参照用語の「実施例」、「具体的な実施例」などの記載は、該実施例に記載する具体的な特徴、構造、材料又は特性の組合せが本考案の少なくとも１つの実施例中に含まれることを意味する。本明細書において、上記用語に対する概要的な説明は必ずしも同じ実施例を指すとは限らない。さらに、記載する具体的な特徴、構造、材料又は特性は、いずれか１つ又は複数の実施例において適当に組み合わせることが可能である。

本考案の記載において、他に規定又は限定していなければ、「連結」、「接続」、「設置」という用語は広義に理解するべきであることを説明する必要がある。例えば、機械的に接続又は電気的に接続していても、２つの要素の内部が通じていてもよく、直接つながっていても、媒介物を間に介して間接的につながっていてもよい。当業者は、具体的な状況に基づいて、上記用語の具体的な意味を理解できる。

本考案で開示する大面積均一温度液体冷却板について、図１を参照されたい。大面積均一温度液体冷却板１は、液体冷却板本体１０及び液体冷却板本体１０に設けられる少なくとも１つの流路２０を含み、流路２０は流路入口３１及び流路出口３２を有し、冷却液を流入及び流出させる。液体冷却板本体１０は薄板状であり、設置しようとする冷却素子に応じてその外形及び大きさを設計する。例を挙げると、例えばセルに利用する場合、セルの形状に応じて長方形又は正方形に設計し、その他の素子に利用する場合は、異なる形状に設計できる。以下に図を組み合わせて、液体冷却板本体１０を正方形とした場合のみの説明を行うが、本考案はこれにのみ適用されると特に限定されない。さらに、液体冷却板本体１０は熱伝導性が高い材質で構成される。同時に、セルへの利用は軽量の需要に合わせる必要があるため、材質は（限定されないが）アルミニウムが好ましい。

液体冷却板本体１０は相対する第１側面１０１及び第２側面１０２、並びに第１側面１０１及び第２側面１０２と隣接し、相対する両側に位置する第３側面１０３及び第４側面１０４を有し、流路入口３１及び流路出口３２はいずれも第１側面１０１に設置される。さらに、流路２０は多くの二次流路を含むことが可能であり、図に示すように、第１二次流路２１、第２二次流路２２、第３二次流路２３及び第４二次流路２４を含み、第１二次流路２１、第２二次流路２２、第３二次流路２３及び第４二次流路２４は密閉されて互いに流動しない。言い換えると、流路入口３１から各二次流路（第１二次流路２１、第２二次流路２２、第３二次流路２３及び第４二次流路２４を含む）に進入すると、冷却過程の冷却液はその二次流路（第１二次流路２１、第２二次流路２２、第３二次流路２３及び第４二次流路２４）内のみで流動し、相互に流動することはなく、流路出口３２に達して初めて、冷却液が集まって流出する。従って、流路入口３１及び流路出口３２の断面積は流路２０（第１二次流路２１、第２二次流路２２、第３二次流路２３及び第４二次流路２４）の断面積より大きく、十分な量の冷却液を流入させ（流路入口３１）、冷却液を集めるための十分な空間を提供する（流路出口３２）。流路２０内の二次流路（第１二次流路２１、第２二次流路２２、第３二次流路２３及び第４二次流路２４）はいずれも密閉されて相互に流動しないため、水圧が不足する問題を効果的に防止できる。

続いて、本考案の流路２０の配置を説明する図２Ａを参照されたい。さらに、流路２０が配置される各ブロックをより明確にするため、同時に図２Ｂを参照されたい。図２Ｂは、液体冷却板本体１０のみを示して、その上の流路２０を省略することにより、その配置の相対位置を際立たせて示している。一般的に、液体冷却板本体１０は中心部位では構造、位置の関係により放熱効果が比較的劣る。幾何構造で見ると、液体冷却板本体１０の第１側面１０１及び第２側面１０２の中心線Ｍ１及び第３側面１０３及び第４側面１０４の中心線Ｍ２の交点を中心部位とみなすことが可能であり、流路入口３１は第１側面１０１から進入するように設計するため、流路入口３１を中心線Ｍ１に隣接するように配置する（つまり流路入口３１は流路出口３２より中心線Ｍ１又は中心部位にさらに近い）。その後流路２０を中心部位に向かって、中心線Ｍ２を通過させて延伸させ、第１ブロック２０１を構成する。続いて屈曲させ、中心線Ｍ１を通過して第２ブロック２０２を構成し、その後屈曲させ、第１側面１０１に向かって延伸し、第３ブロック２０３を構成する。これにより第２ブロック２０２は液体冷却板本体１０の中心部位（すなわち液体冷却板本体１０の平面における幾何中心位置、つまり中心線Ｍ１及び中心線Ｍ２の交差部分）を覆い、第１ブロック２０１及び第３ブロック２０３はおおよそ第１側面１０１の中心線Ｍ１の両側に位置する。第２ブロック２０２が液体冷却板本体１０の中心部位を覆うことにより、温度が比較的低い冷却液が液体冷却板本体１０の中心部位を経過する時間を延長させることが可能であり、最適な放熱効果を達成する。

続いて第１側面１０１の端部に向かって屈曲させ、つまり第３側面１０３の方向に向かって第４ブロック２０４を構成する。その後続いて第１側面１０１から離れ（つまり第２側面１０２の方向に向かう）、中心線Ｍ２を通過して第５ブロック２０５を構成する。続いて屈曲させ、第２側面１０２の平行方向に沿って中心線Ｍ１を通過し、第６ブロック２０６を構成し、最後に第１側面１０１に向かって屈曲させ、中心線Ｍ２を通過して第７ブロック２０７を構成し、その後第７ブロック２０７は続いて流路出口３２に進入する。ここで特に説明すべきこととして、流路２０の配置は、図に示すように第１側面１０１、第２側面１０２、第３側面１０３及び第４側面１０４とほぼ平行であるが、実際に使用する需要に基づいて、平行でない（つまり傾斜した配置）ようにも設計できる。さらに流路２０の二次流路（第１二次流路２１、第２二次流路２２、第３二次流路２３及び第４二次流路２４）の数量も実際の需要に応じて調整（増加又は減少）できる。他に、同様に図２Ａを参照すると、第４ブロック２０４は液体冷却板本体１０の右下側領域の中心部位（すなわち液体冷却板本体１０の右下側領域の平面における幾何中心位置）を覆い、さらに放熱効果を強化できる。

上記ブロックの配置は、冷却液流路の順序に基づいて命名している。つまり冷却液は流路入口３１から進入した後、まず第１ブロック２０１に進入し、その後続いて順番に第２ブロック２０２、第３ブロック２０３、第４ブロック２０４、第５ブロック２０５、第６ブロック２０６及び第７ブロック２０７に進入し、その後流路出口３２から流出される。従って第１ブロック２０１の冷却液の温度が最も低く、第２ブロック２０２、第３ブロック２０３、第４ブロック２０４、第５ブロック２０５、第６ブロック２０６及び第７ブロック２０７の順に低温から高温となる。従って、第１ブロック２０１を液体冷却板本体１０の中心部位に向かって直接延伸するように設計することにより、おおよそ第１ブロック２０１、第２ブロック２０２及び第３ブロック２０３は中心部位部分を周回する。つまり温度が最も低い冷却液は温度が最も高い領域に対して直接温度を低下させる。そのほか、第２ブロック２０２は液体冷却板本体１０の中心部位を含み、温度が比較的低い冷却液が液体冷却板本体１０の中心部位を経過する時間を延長させることが可能であり、最適な放熱効果を達成する。第４ブロック２０４は液体冷却板本体１０の右下側領域の中心部位（すなわち液体冷却板本体１０の右下側領域の平面における幾何中心位置）を覆うため、さらに放熱効果を高めることが可能である。

さらに、上記各ブロックの配置により、温度が最も低い第１ブロック２０１は温度が最も高い第７ブロック２０７に隣接し、熱交換を行わせて温度差を平衡にすることが可能である。同様に、温度が次に低い第２ブロック２０２は温度が次に高い第６ブロック２０６に隣接し、熱交換を行って温度差を平衡にし、温度が３番目に低い第３ブロック２０３は温度が３番目に高い第５ブロック２０５に隣接し、熱交換を行って温度差を平衡にし、このようにして、液体冷却板本体１０の温度均一効果を最適化できる。他に、第３側面１０３及び第４側面１０４の中心線Ｍ２から見ると、４つのブロック（第１ブロック２０１、第３ブロック２０３、第５ブロック２０５及び第７ブロック２０７）を経過し、各ブロックの水流方向は平行である。このような設計は、主にブロック数が過度に少ない場合では、流路２０を液体冷却板本体１０に均等に配置するのが比較的難しく、ブロック数が多くなる場合では、流路２０が周回する距離を過度に長くする必要があり、達成する温度均一効果に限りがあることを考慮している。従って、本考案は４つのブロック（第１ブロック２０１、第３ブロック２０３、第５ブロック２０５及び第７ブロック２０７）を配置することにより、最適な放熱効果及び温度均一性を達成する。

上記から、本案の大面積均一温度液体冷却板は、主に液体冷却板本体１０及び液体冷却板本体に設置される流路２０を含み、流路２０は液体冷却板本体１０上の位置及び作用に基づいて、外側流動領域及び内側流動領域に分けることが可能であることがわかる。外側流動領域は液体冷却板本体１０の４つの側面に近く、流路２０内の流体（図示せず）を液体冷却板本体１０から流出させるように誘導するのに用いられ、内側流動領域は外側流動領域と比較して液体冷却板本体１０の中心部にさらに近い。外側流動領域の末端は流路出口３２であり、内側流動領域の末端は外側流動領域の先端と通じ、内側流動領域の先端は流路入口３１である。該内側流動領域は複数の方向転換領域を有し、該内側流動領域を先端から該外側流動領域と接続するまで方向転換させる。該外側流動領域は同様に複数の方向転換領域を有し、該外側流動領域を先端から外側流動領域の末端まで方向転換させ、流路内の流体を排出する。上記方向転換領域は、流体をもとの第１方向から相反する方向の第２方向に変換するときの中間の移行領域と定義する。該方向転換領域は流体を第１方向及び第２方向と異なる第３方向で流動させ、流体の圧力損失を緩和、低下させる状況で、流路及び液体冷却板が接触する面積を増加させる。例を挙げると、第３方向は第１方向及び第２方向に垂直である。本案において内側流動領域の１つ目の方向転換領域は、少なくとも該液体冷却板本体の中心部を覆い、これにより液体冷却板本体１０の中心部及び流路の接触面積を増加させ、液体冷却板本体１０における放熱が難しい高温領域に対して、依然として比較的低温に属する流体により温度低下を行うことを達成する。

本案の実施例について、第１ブロック２０１、第２ブロック２０２及び第３ブロック２０３は内側流動領域であり、内側流動領域の先端は流路入口３１である。第４ブロック２０４、第５ブロック２０５、第６ブロック２０６及び第７ブロック２０７は外側流動領域であり、その末端は流路出口３２であり、内側流動領域の末端は外側流動領域の先端と通じる。第２ブロック２０２は第１ブロック２０１が方向転換して相反する流動方向になる第１方向転換領域とみなすことが可能であり、第４ブロック及び第６ブロックも同様に方向転換領域として、順番に第２方向転換領域及び第３方向転換領域と称することが可能であり、該第１方向転換領域と比較して、該液体冷却板本体１０の中心部から離れている。外側流動領域は内側流動領域と隣接し、さらに外側流動領域は内側流動領域を包囲し、外側流動領域が内側流動領域と熱交換を行って温度差を平衡にできるようにする。内側流動領域は冷却液を直接、液体冷却板本体１０の中心部に向かうように誘導するのに用いられるため、内側流動領域は外側流動領域より液体冷却板本体１０の中心部に近い。同時に内側流動領域は第１方向転換領域（第２ブロック２０２）を有し、第１方向転換領域はこの液体冷却板本体１０の中心部で屈曲するため、第１方向転換領域は少なくとも部分的に液体冷却板本体１０の中心部を覆う。さらに、流路２０は内側流動領域及び外側流動領域の間に第２方向転換領域（第４ブロック２０４）を有し、この第２方向転換領域で屈曲することにより、液体冷却板本体１０を周回して配置され、冷却する。従って、第１方向転換領域（第２ブロック２０２）、第２方向転換領域（第４ブロック２０４）及び第３方向転換領域（第６ブロック２０６）はいずれもほぼ中心線Ｍ２と平行な流路２０を有する。

セルに利用する場合について、図３を参照されたい。本考案の大面積均一温度液体冷却板１は２つのセル７１の間に挟持されて１つのセットを構成でき、セットとセットとの間をさらに緩衝パッド７２（例えば発泡プラスチック材質）で仕切り、このように順番に積み重ねて駆動用バッテリパックの核心を完成する。同時に本考案の大面積均一温度液体冷却板１が提供する温度均一効果により、駆動用バッテリの熱管理効率は高く、セル７１の電気的性能及び使用寿命が高くなる。そのほか、バッテリモジュールに利用する場合について、図４を参照されたい。図に示すように、セットにした角形のバッテリモジュール８０の下方に、本考案の大面積均一温度液体冷却板１を取り付けることにより、バッテリモジュール８０に対して熱伝導及び放熱を行い、温度が均一な冷却効果を達成し、中間に配置されるバッテリモジュール８０の温度が過度に高くなるのを防止することが可能である。

要約すると、本考案は、比較的大きなサイズのセルに適用される大面積均一温度液体冷却板を示す。流路入口は流路出口より比較的中心部位に近く、最も低い温度の冷却液がまず中心部位を経過し、さらに複数の流路ブロックを提供して熱交換を行い、横方向にある４つの流路ブロックの設計を組み合わせることにより、最適化した温度均一性を達成する。このようにして、利用する駆動用バッテリの熱管理性能を大幅に高めることが可能である。

しかし、以上の記載は本考案の好ましい実施例に過ぎず、本考案の実施の範囲を限定するものではない。従って、本考案の実用新案登録請求の範囲に記載する特徴及び主旨に基づく均等変化又は修飾は、いずれも本考案の実用新案登録請求の範囲内に含まれるべきである。

１ 大面積均一温度液体冷却板
１０ 液体冷却板本体
１０１ 第１側面
１０２ 第２側面
１０３ 第３側面
１０４ 第４側面
２０ 流路
２０１ 第１ブロック
２０２ 第２ブロック
２０３ 第３ブロック
２０４ 第４ブロック
２０５ 第５ブロック
２０６ 第６ブロック
２０７ 第７ブロック
２１ 第１二次流路
２２ 第２二次流路
２３ 第３二次流路
２４ 第４二次流路
３１ 流路入口
３２ 流路出口
７１ セル
７２ 緩衝パッド
８０ バッテリモジュール
Ｍ１ 中心線
Ｍ２ 中心線

Claims (10)

1. 液体冷却板本体及び前記液体冷却板本体に設けられる少なくとも１つの流路を含み、前記流路は流路入口及び流路出口を有する大面積均一温度液体冷却板であって、
   前記流路入口は前記液体冷却板本体の側面に位置し、さらに前記側面の中心線に隣接し、前記流路を前記液体冷却板本体の中心部位に向かって延伸させて、第１ブロックを構成し、続いて屈曲させ、前記中心線を通過して第２ブロックを構成し、続いて前記側面に向かって屈曲させ、第３ブロックを構成し、続いて前記側面の端部に沿って屈曲させ、第４ブロックを構成し、続いて前記側面から離れて第５ブロックを構成し、続いて屈曲させ、前記中心線を通過して第６ブロックを構成し、続いて前記側面に向かって屈曲させ、第７ブロックを構成し、前記第７ブロックは続いて前記流路出口に進入し、前記側面のもう１つの端部から流出させ、前記第２ブロックは前記液体冷却板本体の前記中心部位を覆うことを特徴とする、温度均一効果を有する大面積均一温度液体冷却板。
2. 前記第１ブロックは、前記第７ブロックに隣接して熱交換できることを特徴とする、請求項１に記載の大面積均一温度液体冷却板。
3. 前記第３ブロックは、前記第５ブロックに隣接して熱交換できることを特徴とする、請求項１に記載の大面積均一温度液体冷却板。
4. 前記第２ブロックは、前記第６ブロックに隣接して熱交換できることを特徴とする、請求項１に記載の大面積均一温度液体冷却板。
5. 前記流路は複数の二次流路を有し、各前記二次流路は密閉され、相互に流動しないことを特徴とする、請求項１に記載の大面積均一温度液体冷却板。
6. 前記流路は前記中心線に平行であり、４つの前記ブロックを有することを特徴とする、請求項１に記載の大面積均一温度液体冷却板。
7. 液体冷却板本体と、
   前記液体冷却板本体に設けられる少なくとも１つの流路と、
   を含み、前記流路は
   末端が前記流路の出口である外側流動領域と、
   末端が前記外側流動領域の先端と通じる内側流動領域であって、先端は前記流路の入口であり、前記外側流動領域と比較して前記液体冷却板本体の中心部に近く、第１方向転換領域を有し、前記第１方向転換領域は少なくとも前記液体冷却板本体の中心部を覆う内側流動領域と、を含む、大面積均一温度液体冷却板。
8. 前記流路はさらに第２方向転換領域を有し、これは前記第１方向転換領域と比較して、前記液体冷却板本体の中心部から離れていることを特徴とする、請求項７に記載の大面積均一温度液体冷却板。
9. 前記第１方向転換領域及び前記第２方向転換領域は、相互に平行な流路を含むことを特徴とする、請求項８に記載の大面積均一温度液体冷却板。
10. 前記外側流動領域は前記内側流動領域と隣接し、さらに前記外側流動領域は前記内側流動領域を包囲することを特徴とする、請求項７に記載の大面積均一温度液体冷却板。

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