JP3741359B2 - バッテリーパック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の蓄電池を内蔵し、電動工具等の電源として使用されるバッテリーパックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バッテリーパックは、端子を備えた共通の装着部を充電器へ装着することで蓄電池へ充電され、電動工具等の他の電気機器へ装着することで電源として使用可能となっているが、この充電の際に蓄電池が発熱し、蓄電池の劣化が進行することから、バッテリーパックには蓄電池の冷却手段が設けられている。例えば特開平１１−２１９７３３号公報には、バッテリーパック内でケースと蓄電池の周囲を通過する通気路を形成して、その通気路をバッテリーパックの上下に形成した吸気口と排気口とに連通させると共に、吸気口を充電器への装着面に設け、充電器に内蔵したファンからの冷却用空気を吸気口からバッテリーパック内に送り、通気路を通してバッテリーパックの外部へ排出させることで、蓄電池の冷却を行う構造が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記冷却構造では、ケース内に送られた冷却用空気は下流へ流れるにつれて蓄電池との熱交換で温度上昇するため、下流側での冷却効果が低くなってしまう。又、冷却用空気が蓄電池に直接接触して冷却を行うため、冷却用空気との接触面積にばらつきが生じ、複数の蓄電池を均等に冷却できない。このように冷却効果にムラがあると、一部の蓄電池の温度が高くなって早く寿命に達し、ひいては蓄電池全体の寿命も早める結果になってしまう。
そこで、請求項１に記載の第１発明は、冷却用空気の温度上昇に効果的に対処して蓄電池の温度バランスを調整し、蓄電池の寿命を延ばすことができるバッテリーパックを提供することを目的としたものである。
【０００４】
一方、蓄電池の温度のばらつきは、上記のような冷却用空気の温度上昇以外の原因によっても起こり得る。即ち、一部の蓄電池が他の蓄電池に挟まれたり囲まれたりすることで、冷却用空気の上流下流に関係なく当該一部の蓄電池の温度が高くなり、温度にばらつきが生じてしまうのである。。
そこで、請求項４に記載の第２発明は、冷却用空気の温度上昇も含めて蓄電池の温度のばらつきにより効果的に対処でき、蓄電池の温度バランスを好適に調整して蓄電池の寿命を更に延ばすことができるバッテリーパックを提供することを目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の第１発明は、蓄電池の外面における通気路部分に、蓄電池の外面形状に沿って形成されて蓄電池へ均等に接触する放熱板を設け、その放熱板の表面に、通気路での空気流と平行で、且つ空気流の下流側へ行くに従って多くなる複数のフィンを形成して、放熱板の熱容量を下流側へ行くに従って増加させたことを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
《形態１》
まず第１発明に対応する実施の形態を説明する。図１はバッテリーパックの斜視図、図２はその分解斜視図で、バッテリーパック１は、複数の蓄電池（以下「セル」という）を内蔵した箱体であるが、ここでは、外ケース２内に、セルを覆う一回り小さい内ケース１３を収容した二重構造となっている。まず外ケース２は、内ケース１３が略収まる下ケース３と、下ケース３の上方からネジで被着される上ケース４とからなり、後述する充電器への装着面となる上ケース４の上面には、基端部５と、その基端部５から前方（以下バッテリーパック１では基端部５側を後方として説明する）へ突出する二本の平行なスライドレール６，６とを形成している。このスライドレール６，６は、夫々外方に張り出し部７，７を設けた断面逆Ｌ字状を呈し、両スライドレール６，６の間の基端部５には、スライドレール６と平行なスリット８，８・・が形成されている。又、上ケース４における基端部５の中央後方には、上ケース４を貫通する四角形の吸気口９が形成され、前方には、スライドレール６，６の間で形成した段部１０との境目で開口する排気口１１，１１・・が形成されている。
【０００８】
一方、内ケース１３は、５本ずつ４列に並べた２０本のセル１４，１４・・に上下から被着される合成樹脂製の上ホルダ１５及び下ホルダ１６と、上下ホルダ１５，１６の間に備えられる金属製で帯状の放熱板２２，２２・・とからなる。上下ホルダ１５，１６は、セル１４，１４・・の全体形状に合わせて形成されて各セル１４の安定が図られており、上ホルダ１５の下端周縁と、下ホルダ１６の上端周縁とには、下ケース３の内面形状に沿ったリブ１７，１８が形成されて、収容時の外ケース２内でのがたつきを防止している。又、ここでは、セル１４，１４・・は半数ずつ間隔を置いて二分割された格好で上下ホルダ１５，１６に収容されている（以下分割されたセル１４，１４・・の集まりを夫々「セル群」という）。
【０００９】
更に、下ホルダ１６の前後には、リブ１８より上方に突出して上ホルダ１５と結合される延設部１９，１９が形成されており、各セル群の外方側の放熱板２２，２２は、図３及び図５に示すように、前後方向の長手端部がリブ１７，１８とセル１４との間で、上下方向の短手端部が延設部１９とセル１４との間で夫々狭持されることで、上下ホルダ１５，１６間に固定されている。同様にセル群同士の間に設けられた放熱板２２，２２も、長手端部が、上下ホルダ１５，１６からセル群の間に突設された仕切板２０，２０とセル１４との間で、短手端部が延設部１９とセル１４との間で夫々狭持固定されている。尚、各放熱板２２は、セル群の外面形状に沿った凹凸形状となって各列のセル１４，１４・・とは均等に接触し、外面には、図２，６に示すように、前端を揃えて後方へ向けて４本のフィン２３，２３・・が複数平行に形成されているが、これらのフィン２３，２３・・は、上の１本を除いて、下側の３本を段階的に長くして、放熱板２２の表面積及び体積が前方へ行く程増えるように設定している。
【００１０】
よって、セル群は内ケース１３内で略密封状態で収容され、外ケース２内には、図５に斜線で示す如く、リブ１７，１８との間で内ケース１３を周回する空間と、その空間と連通して内ケース１３を前後に貫通する空間とが形成されるが、リブ１７の前後部分は切除されてこれらの空間が上ケース４の吸気口９及び排気口１１と連通しているため、バッテリーパック１内には、図６の矢印で示すように、吸気口９から進入した空気が左右に分かれて前方へ回り込み、排気口１１から外部へ出る通気路２４，２４と、内ケース１３を貫通して前方へ至り、排気口１１から外部へ出る第２通気路２５とが分岐形成されることになる。尚、前方の延設部１９には、第２通気路２５の両側で上下方向に整流板２１，２１が突設されて、通気路２４，２４と第２通気路２５とを流れる空気流を夫々単独で排気口１１へ案内している。
尚、２６は内ケース１３の下面と下ケース３の内面との間に敷設されるラバーシート、２７，２７はセル群と下ホルダ１６との間に敷設されるスポンジシート、２８，２８は絶縁板で、バッテリーパック１の後方で外ケース２には、コイルバネ２９で上方へ付勢され、上ケース４から爪３１を突出させるフック３０が設けられている。
【００１１】
又、上ホルダ１５の上面後方には、基板３２がネジ止めされる（図２〜４及び図６）。基板３２上には、左右に充放電用端子３３，３３が配置されて、リード板３４，３４によって上ホルダ１５越しに露出されたセル群両端の正負の極と夫々電気的接続されている。更に、充放電用端子３３，３３の間には、温度検出用端子３５とコネクタ形状の通信用端子３６とが夫々配置されて、外ケース２への収容状態では、充放電用端子３３，３３と温度検出用端子３５とが上ケース４のスリット８，８・・を介して外部へ臨み、通信用端子３６が前方へ向けて露出するようになっている。尚、充放電用端子３３，３３は、電動工具へ装着した際に必要な接圧が得られるように、温度検出用端子３５より長く形成されている。
そして、温度検出用端子３５に接続されるサーモスタット３７は、図２に示すように上ホルダ１５前方の透孔３８，３８の一方からリード線３９を介して下方へ垂下され、下ホルダ１６への組付け状態では、セル１４と延設部１９との間に挿入されてセル１４と密着状態となる。ここでは延設部１９の内面に、サーモスタット３７の挿入に伴いサーモスタット３７をセル１４側へ押圧するように傾斜面４０が付されている。
【００１２】
一方、図７は上記バッテリーパック１が装着される充電器５０の全体図で、充電器５０は、上ケース５２と下ケース５３とで形成される箱状の本体ケース５１内に、充電回路を構成する基板を内蔵し、上ケース５２の上面には、バッテリーパック１が着脱可能な結合部５４が形成されている。この結合部５４には、バッテリーパック１のスライドレール６，６の張り出し部７を含めた最大幅より広い間隔で二本の平行なガイドレール５５，５５が突設され、両ガイドレール５５，５５の上縁に、張り出し部５６が内方に向けて夫々突設されて、基端部５側を下向きにしたバッテリーパック１のスライドレール６，６を後方（充電器１では図７の手前側を後方として説明する。以下同じ）からガイドレール５５，５５間に進入させ、そのままスライドさせることで、両レールが嵌合し、ガイドレール５５，５５がスライドレール６，６を抱持可能となっている。バッテリーパック１のスライドは、基端部５の最後方両側に立設したストッパ１２，１２が、ガイドレール５５，５５の後端に当接して停止する。
又、結合部５４におけるガイドレール５５，５５間は、前方部５７と後方部５８とで前方部５７が高くなる段差が形成され、前方部５７は、バッテリーパック１の結合時に段部１０が載置してバッテリーパック１を支持する平坦面となっている。
尚、結合部５４には、全体が前方へ向けて下り坂となる傾斜が付与されている。これはバッテリーパック１の重さを利用して終端までのスライドをスムーズに行わせると共に、終端位置での安定を得るためである。
【００１３】
そして、後方部５８には、充電用端子６０，６０及び温度検出用端子６１、コネクタ形状の通信用端子６２が夫々配置された端子台５９が設けられ、端子台５９の後方で本体ケース５１内には、図８，９に示すように、ファン６３が設けられている。ファン６３は、本体ケース５１の長手方向に沿って配置され、上方に向けた送気口６４を、上ケース５２に形成した四角形状の通気口６６に連結させている。６７，６７・・は下ケース５３に形成した冷却用空気の取り入れ口である。又、下ケース５３には、ファン６３を囲む仕切壁６８が形成される一方、上ケース５２には、送気口６４と通気口６６との連結部分を除いてファン６３の上方形状に合致する仕切壁６９が形成されて、吸込口６５を後方へ向けたファン６３に充電器５０外部の空気のみを取り込んで上方へ送出させるようにしている。
【００１４】
以上の如く構成されたバッテリーパック１は、充電を行う場合、前述の如くバッテリーパック１のスライドレール６，６を充電器５０のガイドレール５５，５５間にあてがい、そのままストッパ１２，１２がガイドレール５５，５５の後端に当接するまで前方へスライドさせると、端子台５９の充電用端子６０，６０及び温度検出用端子６１が基端部５のスリット８，８・・に進入して夫々対応する充放電用端子３３及び温度検出用端子３５と電気的接続すると共に、通信用端子３６，６２同士も電気的接続し、充電が開始される。この装着状態では、図１０のように、バッテリーパック１の吸気口９が充電器５０の通気口６６の真上に位置して両者が連通する。
【００１５】
そして、充電時には、セル１４，１４・・が発熱して放熱板２２，２２・・へ伝わり、各放熱板２２が発熱するが、充電の開始と同時にファン６３が回転し、取り入れ口６７，６７・・から取り込んだ冷却用空気を送気口６４から上方へ排出するため、その空気流は、点線矢印で示すように充電器５０の通気口６６を介してバッテリーパック１の吸気口９から外ケース２内へ進入し、バッテリーパック１の後方から通気路２４及び第２通気路２５を通って（図１０では第２通気路２５での空気流を示す）排気口１１から外部へ排出される。よって、上記空気流により放熱板２２，２２・・が冷却されてセル１４，１４・・の温度上昇も抑えられる。特にここでは、各放熱板２２に、フィン２３が下流へ行く程多くなるように形成されているから、放熱板２２に沿って流れるにつれて放熱板２２との熱交換で冷却用空気の温度が上昇しても、フィン２３の数の増加に伴って多くなる熱容量により対応可能となり、放熱板２２による冷却を放熱板２２の全長に亘って実現できる。又、各放熱板２２が、内面がセル群の外面形状に沿った凹凸形状となって全てのセル１４へ均等に接触するように設けられているから、セル１４，１４・・の発熱が放熱板２２へ均等に伝わる。
【００１６】
このように上記形態によれば、セル１４を外ケース２内で更に内ケース１３に収容する二重構造として、セル１４と区画される通気路２４及び第２通気路２５を形成し、セル群外面における通気路２４又は第２通気路２５部分に、表面に空気流の下流側へ行くに従って多くなるフィン２３を形成した放熱板２２，２２・・を設けたことで、下流側での熱容量を増加させて、冷却用空気の温度上昇にかかわらず放熱板２２を介した冷却効果を好適に維持して各セル１４，１４・・の温度バランスを調整でき、全体の寿命を延ばすことができる。又、フィン２３の形成により放熱板２２の表面積及び体積を増加させたことで、熱容量の増加が簡単に実現可能となっている。
更に、各放熱板２２をセル群の外面形状に沿って形成したことで、各セル１４へ均等に接触し、その冷却をばらつきなくより効率的に行うことができるのである。
【００１７】
尚、放熱板の具体的な形状は上記形態に限定するものでなく、セル１４の長さによっては図１１のように、上下方向の幅が長くなる放熱板４１，４１・・とし、フィン４２，４２・・も幅が長い分密となるように適宜配置する等の設計変更は可能である。又、上記形態では各放熱板２２，４１は一列ごとに別体となっているが、例えば二列ごとに周回するＵ字型としたり、逆にフィンの数の異なる短い放熱板を前後方向で連結したり等、セルの配置形態等に合わせて変更して差し支えない。特に上記形態のように空気流に沿ったフィンとすると、空気流の整流も可能となって好ましい。
更に、上記形態ではセルを内ケースに収容する二重構造として通気路の区画を図っているが、通気路部分のみを仕切部材でセルの収容空間と区画して設け、セルとの接触部分に放熱板を設ける構造としても良い。
【００１８】
《形態２》
次に、第２発明に対応する実施の形態を説明する。尚、ここでは、内ケース内のセルの配列及び冷却構造のみが形態１と異なり、その他の外ケースや充電器との連結構造等は形態１と同じであるので、重複する部分は形態１と同じ符号を用いて説明を省略し、内ケースの構造から説明する。
図１２に示すバッテリーパック１は、形態１よりセルが１０本少ない１２Ｖのもので、内ケース１３では、夫々４本のセル１４ａ〜１４ｄを配列したセル群７０，７０と、両セル群７０，７０の間に２本のセル１４ｅ，１４ｆを配列したセル群７１とを夫々配置して、通気路７２は、セルの数が少ないことで、図１３，１４に示すように各セル群７０の外側には設けず、セル群７０，７０の対向面と上下ホルダ１５，１６の中央に夫々形成された水平な仕切板２０，２０との間で区画形成されると共に、中央のセル群７１の両側を通過する二股に分岐形成されている。又、７３，７３及び７４は、夫々セル群７０の対向面側とセル群７１の全周に設けられた放熱板で、放熱板７３は、各セル１４ａ〜１４ｄの形状に沿った波形に形成される金属製で、形態１と同様に上下ホルダ１５，１６間に組み付けられて各セル１４ａ〜１４ｄと接触する。一方、放熱板７４は、セル１４ｅ，１４ｆの形状に沿って周回する合成樹脂製で、下ホルダ１６と一体成形されている。
【００１９】
又、各放熱板７３は、各セル１４ａ〜１４ｄとの周方向での接触面積を変更している。即ち図１５に示すように、最下流に位置する４番目のセル１４ｄとの接触面積Ｓ４を最も大きくしており、次いで２番目のセル１４ｂとの接触面積Ｓ２、３番目のセル１４ｃとの接触面積Ｓ３、１番目のセル１４ａとの接触面積Ｓ１の順で徐々に接触面積を小さくしている。このように下流側で接触面積を大きくしたのは、通気路７２を通過する冷却用空気が上流側のセルとの熱交換で温度上昇し、同じ接触面積では下流側のセル１４ｄへの冷却効果が低くなるからで、又、２番目、３番目のセル１４ｂ、１４ｃへの接触面積を１番目のセル１４ａより大きくしたのは、夫々左右のセルに挟まれることで冷却効果が低くなるからである。
尚、３番目のセル１４ｃは、通気路７２の下流側でセル間に挟まれることで、２番目のセル１４ｂより大きい接触面積が必要となるが、セル群７０の配列が直線でなく、互いの近接側へカーブすることで必要な接触面積が確保できないことから、放熱板７３は、３番目のセル１４ｃとの接触部分の両側において他の部分よりも肉厚となる肉厚部分７３ａを形成している。即ち、放熱板７３自体の熱容量を大きくすることで当該部分と接触するセル１４ｃの冷却効果の向上を図ったものである。
【００２０】
又、セル群７１において放熱板７４を下ホルダ１６と同じ合成樹脂製としたのは、ここではセルが２本であって、略全周で冷却用空気と接触できることで、金属製でなくても他のセル群７０と同等の冷却効果が期待できるからである。但しこの放熱板７４においても、下流側の冷却用空気の温度上昇を考慮し、下流側のセル１４ｆの周回部分の肉厚を上流側のセル１４ｅの周回部分より薄肉となる薄肉部分７４ａとして、冷却効果の均等化を図っている。
一方、内ケース１３において、下ホルダ１６には、組み付け状態で上ケースの吸気口９から下方に延設される筒体７５と合致し、通気路７２の入口を密封状態で吸気口９と連結する案内通路７６が上方へ向けて延設されている。この案内通路７６には、二股に分岐される通気路７２に合わせて、冷却用空気がスムーズに左右へ分かれるように、底部に２つの谷部７７，７７が形成されている。尚、７８，７９は、夫々上下ホルダ１５，１６の前面へ上下方向に突設され、外ケース２への収容状態で外ケース２の内面と当接して通気路７２の出口から排出された空気流を排気口１１へ案内する整流リブである。
【００２１】
以上の如く構成されたバッテリーパック１においては、充電を行う場合は、形態１と同様に充電器５０のガイドレール５５，５５を利用して着脱可能となり、装着状態では、バッテリーパック１の吸気口９が充電器５０の通気口６６の真上に位置して両者が連通する。
そして、充電の開始と同時にファン６３から送出された冷却用空気が、充電器５０の通気口６６を介してバッテリーパック１の吸気口９から筒体７５を通って外ケース２内に進入し、そのまま下ホルダ１６の案内通路７６から内ケース１３内の通気路７２を通って排気口１１から外部へ排出される。よって、この空気流により放熱板７３，７４が冷却されてセルの温度上昇が抑えられる。特にここでは、各セルの位置による発熱状態の相違に応じて、放熱板７３，７４の材質を変更すると共に、セル群７０では放熱板７３との接触面積を変更し、更に放熱板７３，７４の肉厚を変更して、熱容量を各セルごとに設定しているから、冷却用空気の温度上昇も含めて各セル１４ａ〜１４ｆの温度のばらつきに有効に対処でき、各セル１４ａ〜１４ｆの温度バランスがより効果的に調整可能となる。よって、一部のセルが早く寿命に達してセル全体の寿命劣化を招くといった虞れがなく、形態１よりセル全体の寿命を更に延ばすことができる。又、充電時間の短縮も実現可能となる。
更に、放熱板７３，７４の熱容量の変更を、放熱板７３，７４の材質変更と肉厚変更とによって実現しているから、放熱板７３，７４の熱容量の変更が簡単且つ効果的に実現可能となる。特に、これらの複数の手段を併用することで、熱容量の変更がより簡単且つ正確に行える。
【００２２】
上記形態２では、中央にのみ通気路が形成される構造で説明しているが、形態１のようにセル群の外側に通気路が形成される構造であっても、放熱板の材質変更、セルとの接触面積の変更、肉厚変更の発明を採用可能である。
更に、放熱板の材質は、同じ金属製でもアルミニウムや銅、鉄等の材質変更によって温度の均等化を図ったり、各セルごとに細かく材質を変えたりすることができる。これは放熱板の肉厚やセルとの接触面積についても同様で、セルの数や配列状態、通気路の形態等に応じて適宜設計変更可能である。例えば、接触面積では、セルの円周方向でなく軸方向で放熱板の幅を変えることで接触面積の変更を図っても良い。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１に記載の第１発明によれば、蓄電池の外面における通気路部分に、蓄電池の外面形状に沿って形成されて蓄電池へ均等に接触する放熱板を設け、その放熱板の表面に、通気路での空気流と平行で、且つ空気流の下流側へ行くに従って多くなる複数のフィンを形成して、放熱板の熱容量を下流側へ行くに従って増加させたことで、冷却用空気の温度上昇に有効に対処でき、放熱板を介した冷却効果を維持して蓄電池の温度バランスを調整し、蓄電池全体の寿命を延ばすことができる。特に、フィンによって放熱板の熱容量の増加を図ったことで、放熱板の熱容量の増加が簡単に実現可能となる。また、放熱板を蓄電池の外面形状に沿って形成したことで、蓄電池の冷却をばらつきなくより効率的に行うことができる。加えて、空気流と平行なフィンによって通気路での整流作用も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】形態１のバッテリーパックの斜視図である。
【図２】形態１のバッテリーパックの分解斜視図である。
【図３】形態１のバッテリーパックの断面図である。
【図４】上ケースを取り外した状態のバッテリーパックの平面図である。
【図５】上ケースと上ホルダとを取り外した状態のバッテリーパックの平面図である。
【図６】内ケースの斜視図である。
【図７】充電器の斜視図である。
【図８】ファンの収納部分の平面図である。
【図９】ファンの収納部分の断面図である。
【図１０】充電器にバッテリーパックを装着した状態を示す断面説明図である。
【図１１】放熱板の変更例を示す説明図である。
【図１２】形態２のバッテリーパックの分解斜視図である。
【図１３】上ケース及び上ホルダを取り外した状態のバッテリーパックの平面図である。
【図１４】形態２のバッテリーパックの中央縦断面図である。
【図１５】放熱板の形状を示す拡大平面図である。
【符号の説明】
１・・バッテリーパック、２・・外ケース、５・・基端部、６・・スライドレール、９・・吸気口、１１・・排気口、１３・・内ケース、１４・・セル、１５・・上ホルダ、１６・・下ホルダ、２２，４１，７３，７４・・放熱板、２３，４２・・フィン、２４，７２・・通気路、２５・・第２通気路、３２・・基板、３３・・充放電用端子、５０・・充電器、５１・・本体ケース、５４・・結合部、５５・・ガイドレール、５９・・端子台、６３・・ファン、６６・・通気口。

Claims (1)

1. 複数の蓄電池を収容するケース内に、前記ケース外から進入した空気が前記蓄電池軸心との直交方向で前記蓄電池の周囲及び／又は前記蓄電池の間を通過して前記ケース外へ排出可能な通気路を形成したバッテリーパックであって、
   前記蓄電池の外面における前記通気路部分に、前記蓄電池の外面形状に沿って形成されて前記蓄電池へ均等に接触する放熱板を設け、その放熱板の表面に、前記通気路での空気流と平行で、且つ前記空気流の下流側へ行くに従って多くなる複数のフィンを形成して、前記放熱板の熱容量を下流側へ行くに従って増加させたことを特徴とするバッテリーパック。

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