JP6168908B2 - 発熱体収容装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、発熱体収容装置に関する。

例えばバッテリなどの蓄電装置は発熱体であり、蓄電容量の増加に伴い発熱量も増すことから、発熱体を収容する発熱体収容装置の冷却効率を向上することが望まれている。

一般に、発熱体を収容する発熱体収容装置の筐体は、下部に給気口を配置し上部に排気口を配置し、給気口と排気口との間に多段に積層した蓄電モジュールを配置する冷却構造をとっている。

また、上記のような冷却構造の発熱体収容装置では、さらなる冷却性能の向上のため、排気口に排気ファンを設け、筐体内の熱気を排気ファンが強制的にはき出すようにしたものがある。

一般にこのような発熱体収容装置は、発熱体の温度が運転開始後など低い時にはエネルギ節約のため排気ファンを停止させ自然空冷とし、所定の温度以上になると排気ファンを駆動するといったファンの作動制御を行っている。

特開２０１２−８４４８６号公報

しかしながら、排気口に排気ファンを設ける従来の発熱体収容装置の場合、筐体内を流れる冷却気は排気口に近くなるほど温度が高い。したがって上記のような構造および制御では、排気ファンは停止しているときに高温の排気にさらされ続けることになる。
このような高温環境では排気ファンの軸受に封入される潤滑グリースが時間の増加と共に潤滑性能が落ち、軸受さらには排気ファンの寿命が短くなるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、筐体の下部に給気口を設け上部の排気口と排気ファンを設ける空冷構造において、排気ファンの寿命を長くすることができる発熱体収容装置を提供することにある。

実施形態の発熱体収容装置は、発熱体収容装置は、第１側面、第２側面、第１仕切り板、第２仕切り板、発熱モジュール、排気ファン、排気ガイド部材を備える。第１側面には下部に給気口が設けられている。第２側面は第１側面に対向して配置され、上部に排気口が設けられている。第１仕切り板は給気口の上に設けられており、給気口から吸気されたエアを上方へ送るための開口を有する。第２仕切り板は排気口の下に設けられており、エアを排気口へ送るための開口を有する。発熱モジュールは第１仕切り板と第２仕切り板との間に高さ方向に所定間隔で配置されており、モジュールの一端から第１側面までの給気流路とモジュールの他端から第２側面までの排気流路とを設けるように固定されている。排気ファンは排気口から排気流路の幅以上離れた第２仕切り板の上方の位置に、送風方向を排気口に向けて配置されている。排気ガイド部材は排気ファンと排気口との間で、排気流路からのエアが、排気ファンの側へ回り込む第１の流れと、排気口へ直接向かう第２の流れを作るように配置されている。

（Ａ）は第１実施形態の蓄電装置の構成を示す正面断面図である。 （Ｂ）は図１（Ａ）の蓄電装置をＢ方向から見た側部断面図である。 蓄電装置における温度ばらつきを説明するための図である。 （Ａ）は第２実施形態の蓄電装置の構成を示す正面断面図である。 （Ｂ）は図３（Ａ）の蓄電装置をＢ方向から見た側部断面図である。 （Ａ）は第３実施形態の蓄電装置の構成を示す正面断面図である。 （Ｂ）は図４（Ａ）の蓄電装置をＢ方向から見た側部断面図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の蓄電装置の構成を示す図である。
図１に示すように、この実施形態の蓄電装置は、発熱体群としてのバッテリ群が収容（収納）された発熱モジュールとしてのモジュールケース２と、このモジュールケース２を複数、多段に配置するように支持（固定）するステーなどの支持部材１１と、第１仕切り板としての上部ガイド板１２と、第２仕切り板として下部ガイド板１３と、中央ガイド板８と、排気ファン７などの送風機器と、排気ガイド部材としての仕切り板９と、これら機器および部材を収容する筐体１とを備える。つまりこの蓄電装置は発熱体を収容する発熱体収容装置である。

個々（上下）のモジュールケース２間には、通気できるように一定の間隔が設けられている。モジュールケース２は最下段のものを最下段モジュールケース２ａといい、最上段のものを最上段モジュールケース２ｚという。

モジュールケース２には、複数のバッテリ３が厚さ方向に列設されておりバッテリ群４とされている。バッテリ３は略直方体の形状をなす発熱体であり、このようにバッテリ群４とした場合、バッテリ３は単体の状態よりも発熱時に温度が高くなる。つまりモジュールケース２は、その内部でバッテリ群４が発熱によって昇温するため、外部からの冷却が必要になる。

筐体１は、上面１ａとこの上面１ａと対向する底面１ｂと、上面１ａおよび底面１ｂの縁を繋ぐ側面１ｃ，第１側面としての前側面１ｄ，第２側面としての後側面１ｅとで構成されている。前側面１ｄは後側面１ｅと対向して配置されている。

筐体１の下部、より詳細には前側面１ｄの底部には、給気口５が設けられている。筐体１の上部、より詳細には後側面１ｅの上部には、排気口６が設けられている。

下部ガイド板１３は給気口５の上に設けられている。下部ガイド板１３は給気口５から給気されたエアを上方へ送るための開口１３ａを有する。開口１３ａは前側面１ｄに近い側に設けられている。

上部ガイド板１２は排気口６の下に設けられている。上部ガイド板１２は下方からのエアを排気口６へ送るための開口１２ａを有する。開口１２ａは後側面１ｅに近い側に設けられている。

支持部材１１は上部ガイド板１２と下部ガイド板１３との間に高さ方向に所定間隔で側面１ｃに配置（固定）されている。

中央ガイド板８はモジュールケース２ａ，２ｂ間およびモジュールケース２ｂ，２ｚ間に配置されている。中央ガイド板８は下側のモジュールケース、例えばモジュールケース２ａの上面からの放熱で昇温したエアとその上側のモジュールケース２ｂの下面を冷却するエアとが混合しないように仕切ることで、エアの流路を上側流路と下側流路に分けるためのものである。

モジュールケース２はモジュール前面（一端）から前側面１ｄまでの給気流路幅（第１の幅）Ｗ１（距離）よりもモジュール後面（他端）から後側面１ｅまでの排気流路幅（第２の幅）Ｗ２（距離）を広くして各段の支持部材１１に固定されている。

換言すると、モジュールケース２は支持部材１１により上部ガイド板１２と下部ガイド板１３との間に高さ方向に所定間隔で配置されており、モジュールの一端から前側面１ｄまでの給気流路とモジュールの他端から後側面１ｅまでの排気流路とを設けるように固定されている。

排気ファン７は後側面１ｅの排気口６から排気流路幅Ｗ２以上離れた上部ガイド板１２の上方の位置に、送風方向を排気口６に向けて配置されている。排気ファン７は筐体１内部の温度に応じて動作させたり、停止（非動作）させたりするものとする。筐体１内部の温度の一定値を超えた場合に排気ファン７を動作させ、温度が一定値を下回った場合に排気ファン７を停止させるものとする。

仕切り板９は板状の部材であり、排気を排気ファン７または排気口６へ誘導するためのものである。排気ファン停止時に、仕切り板９は排気ファン７と排気口６との間で、排気流路Ｗ２から開口１２ａを通じたエアが、排気ファン７の側へ回り込む第１の流れ（図１の破線矢印）が殆ど生じないで、排気口６へ直接向かう第２の流れ（図１の実線矢印）が主となるように傾斜して配置されている。

仕切り板９の一方端は排気ファン７に当接し、他端が排気口６を２分するように配置されている。仕切り板９は排気口６の側に向かうにつれて高くなるように傾斜して設けられている。

この第１実施形態の蓄電装置の作用を説明する。
この第１実施形態では、筐体１の下部に給気口５を配置し、また筐体１の上部で給気口５と反対側の後側面１ｅに排気口６を配置し、最上段モジュールケース２ｚの上方に、排気口６側を開口した上部ガイド板１２と、最下段モジュールケース２ａの下方に、給気口５側を開口した下部ガイド板１３を設け、モジュールケース２の後面と筐体１の排気口６側の後側面１ｅとの距離である排気流路幅Ｗ２を、モジュールケース２の前面と筐体１の給気口５側の前側面１ｄとの距離である吸気流路幅Ｗ１よりも広くしている。

このため、排気口６側の鉛直方向流路の通風抵抗は、給気口５側の鉛直方向流路よりも小さくなる。

（エアの流れ）
筐体１の前側面１ｄ下部の給気口５から筐体１内に給気されたエアは、開口１３ａを通り、前側面１ｄ（給気口５側）の鉛直方向流路と最下段モジュールケース２ａの底面と下部ガイド板１３で挟まれた水平方向流路に分岐し上方と後方へ流れる。水平方向流路をエアが通る際に最下段モジュールケース２ａの底面が冷却される。

その後、エアは後側面１ｅ側（排気口６側）へ抜けて後部の鉛直方向流路である排気流路を通じて上方へ上り開口１２ａに到達し、排気口６から排気される。

また、前側面１ｄ（給気口５側）の鉛直方向流路を通るエアは、各段のモジュールケース２の位置で上方へのものとモジュールケース２間の流路である水平方向流路へのものに分流する。水平方向流路を通ったエアは後方へ流れる。

そして、エアは排気口６側の鉛直方向流路である排気流路に出ると、その流路に沿って上昇し開口１２ａを通過し、上記同様に排気口６から排気される。

各段のモジュールケース２からの放熱によりエアの温度が高くなった場合、排気口６側の鉛直方向流路の煙突効果が上がり、エアは各モジュールケース２間の水平方向流路を通り後側面１ｅ側へ抜けて後部の鉛直方向流路に沿って上昇し排気口６へスムーズに流れるようになる。

給気口５側の鉛直方向流路の上流側および下流側は、殆ど給気と同じ温度であるため各モジュールケース２間では、水平方向流路へ流入する空気に温度差が殆どなくなる。

したがって各段のモジュールケース２は殆ど等温の空気（エア）で冷却され、上段のモジュールケース２ほど高い温度のエアで冷却されるという従来例のようなことがなくなり、モジュールケース２の高さ位置よる温度ばらつきが従来よりも小さくなる。
（仕切り板９の効果）

開口１２ａを抜けたエアは、排気ファン７が動作している状態（排気ファン動作状態）では、排気ファン７によって吸い寄せられるので、エアの多くは仕切り板９が傾斜しているにも関わらず排気ファン７の側へ回り込み、排気ファン７を通じて排気口６から排気される。

一方、排気ファン７が動作していない状態（排気ファン非動作状態で自然空冷状態）では、先述したように開口１２ａを抜けたエア（暖まった排気）の多くは仕切り板９の傾斜に沿って（ガイドされて）排気口６へ導かれて排気口６から直接排気されるので、エアが排気ファン７の側に回り込まなくなり、動作を停止した排気ファン７が高温の排気にさらされ続けることがなくなる。

図２に排気流路幅とモジュールケース２（ケース内部の発熱体群４）の温度上昇との関係（吸気流路幅Ｗ１を５０ｍｍに固定し排気流路幅Ｗ２を５０ｍｍ，７０ｍｍ，１４０ｍｍに変えた場合）を示す。

図２に示すように、固定幅の吸気流路幅Ｗ１に対し排気流路幅Ｗ２を広くするにつれて、モジュールケース２の最大上昇温度、高さ位置よる温度ばらつきが共に小さくなる傾向があることが判る。

このようにこの第１実施形態によれば、筐体１の下部に給気口５を設け上部には排気口６と排気ファン７を設ける空冷構造をとる上で、モジュールケース２の前面（モジュールケース２の一端）から前側面１ｄまでの吸気流路幅Ｗ１よりもモジュールケース２の後面（モジュールケース２の他端）から後側面１ｅまでの排気流路幅Ｗ２を広くするように各段のモジュールケース２を配置し、排気ファン７を筐体１上部の中程に配置し、排気ファンの動作状況に応じて仕切り板９でエアの流れる方向を変えるようにしたことで、排気ファン７動作時にはエアが排気ファン７の側に回り込んで排気ファン７を通じて排気口６から排気される一方、排気ファン７非動作時にはエアが排気ファン７の側に回り込むことなく直接排気口６から排気されるようになるので、動作を停止した排気ファン７が高温の排気にさらされ続けることがなくなる。

この結果、給気口５より筐体１内に給気したエアをモジュールケース２に効果的に当ててモジュールケース２をほぼ一様に冷却して、筐体１内における各段のモジュールケース２の温度差（温度ばらつき）を小さくしつつ排気ファン７の寿命を長くすることができる。

（第２実施形態）
続いて、図３を参照して第２実施形態の蓄電装置について説明する。なお上記第１実施形態（図１に示した構成）と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

図３に示すように、第２実施形態の蓄電装置は、上記第１実施形態の仕切り板９を、軸１５を中心として回動自在な可動式の仕切り板９ａとし、排気ファン７の作動状況に応じて仕切り板９ａの位置を矢印Ｓの方向へ回動し、排気流路を切り替える。軸１５は排気ファン７の下端部に固定するものとする。

より詳細には、可動式の仕切り板９ａはその一方端を排気ファン７に当接しこの当接部位を中心に回動自在とし、他端を排気ファン７からの風を排気口６へ誘導する第１の位置と、排気流路からのエアを排気口６へ直接通す第２の位置とに切換自在である。

具体的な可動式の仕切り板９ａの実現手段としては、例えば仕切り板９ａをバネなどの付勢部材で吊った状態でその一端を排気口６の上端６ａに当接させておき、排気ファン７を動作させたときの送風力で仕切り板９ａを排気口６の下端６ｂの位置に押し下げるようにする。これにより仕切り板回動用のモータなどの機器とそれを動作させる電力が不要になる。

この第２実施形態では、例えば排気ファン７非作動時には排気ファン７を通じた排気の流出流路を塞ぐように仕切り板９ａが回動し、仕切り板９ａの先端が排気口６の上端６ａの部位に位置する（９ａ：実線）。

一方、排気ファン７作動時には、仕切り板９の先端が排気口６の下端６ｂの部位に位置する（９ａ：破線）ように回動する。

上記第１実施形態の構造では、仕切り板９の傾斜角度があまり大きくとれない場合など、排気ファン７非作動時に温排気の一部が排気ファン７の近傍を通過することもあり得たが、この第２実施形態の構造では、可動式の仕切り板９ａにより、温排気の一部がファン７近傍に及ぶことは皆無になる。

このようにこの第２実施形態によれば、排気ファン７の軸受に封入される潤滑グリースも高温にならず、温度によって潤滑性能が落ちることがなくなる。したがって第１実施形態よりも軸受さらには排気ファン７の寿命を長くでき、ファン交換インターバルが延びるなど、メンテナンス性をさらに向上することができる。
したがってモジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚの高さ位置よる温度ばらつきを第１実施形態よりも小さくできる。

なお下側のモジュールケース２ａの上面からの放熱で昇温したエアと上側のモジュールケース２ｂの下面を冷却するエアとが混合しないよう中央ガイド板８の幅は、モジュールケース２ａ，２ｂの幅に対し給気側および排気側それぞれの側に突出するよう広くする方がよい。

（第３実施形態）
続いて、図４を参照して第３実施形態の蓄電装置について説明する。なお上記第２実施形態（図３に示した構成）と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

図４に示すように、第３実施形態の蓄電装置は、第２実施形態（図３）の構成にさらに給気ファン１０を増設（追加）したものである。下部ガイド板１３の開口１３ａ端には、底面１ｂに向けて仕切り板１４が設けられており、仕切り板１４によりエアが上方へ流れるよう規制されている。給気ファン１０は仕切り板１４と前側面１ｄ間に設けられている。つまり給気ファン１０は給気口５の開口方向と直交する方向（鉛直方向）に給気するように開口１３ａの位置に配置されている。

このように給気ファン１０を設けたことで、各モジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚの上側流路および下側流路に流入するエアの流速が増し、熱伝達率を高めることができるので、モジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚの温度上昇を全体的に大幅に下けることができる。

なお、この場合、排気口６は筐体１の上部に限らず、給気口５が設けられている前側面１ｄと対向する後側面１ｅの略全面または筐体１の頂部（角部）に設けてもよい。

このようにこの第３実施形態によれば、第２実施形態の構成にさらに給気ファン１０を増設（追加）したことで、各モジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚの上側流路および下側流路に流入するエアの流速が著しく早くなり、モジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚの温度上昇を全体的に下げることができる。つまり第２実施形態よりも空気流量が増え、排気ファン７の付近の温排気の温度を下げることができる。

またモジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚ（発熱体群４）の高さ位置よる温度ばらつきを第２実施形態よりもさらに小さくできる。

以上のように本発明の実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
上記実施形態では、モジュールケースを３段にした例を示したが、モジュールケースの段数は３段に限定されるものではなく、５段、８段、１０段、それ以上であってもよい。

１…筐体、１ａ…上面、１ｂ…底面、１ｃ…側面、１ｄ…前側面、１ｅ…後側面、２，２ａ，２ｂ，２ｚ…モジュールケース、３…バッテリ、４…バッテリ群、５…給気口、６…排気口、７…排気ファン、８…中央部ガイド板、９，９ａ…仕切り板、１０…吸気ファン、１２…上部ガイド板、１３…下部ガイド板、１４…仕切り板、１５…軸。

Claims (5)

1. 下部に給気口が設けられた第１側面と、
   前記第１側面に対向して配置され、上部に排気口が設けられた第２側面と、
   前記給気口の上に設けられ、前記給気口から吸気されたエアを上方へ送るための開口を有する第１仕切り板と、
   前記排気口の下に設けられ、前記エアを前記排気口へ送るための開口を有する第２仕切り板と、
   前記第１仕切り板と前記第２仕切り板との間に高さ方向に所定間隔で配置され、モジュールの一端から前記第１側面までの給気流路とモジュールの他端から前記第２側面までの排気流路とを設けるように固定された発熱モジュールと、
   前記排気口から前記排気流路の幅以上離れた前記第２仕切り板の上方の位置に、送風方向を前記排気口に向けて配置された排気ファンと、
   前記排気ファンと前記排気口との間で、前記排気流路からのエアが、前記排気ファンの側へ回り込む第１の流れと、前記排気口へ直接向かう第２の流れを作るように配置された排気ガイド部材と
   を具備する発熱体収容装置。
2. 前記排気ガイド部材を、一方端が前記排気ファンに当接し、他端が前記排気口を２分するように配置した請求項１に記載の発熱体収容装置。
3. 前記排気ガイド部材は、その一方端を前記排気ファンに当接しこの当接部位を中心に回動自在とし、他端を前記排気ファンからのエアを前記排気口へ誘導する第１の位置と、前記排気流路からのエアを前記排気口へ通す第２の位置とに切換自在である請求項１に記載の発熱体収容装置。
4. 前記排気流路の幅を前記給気流路の幅よりも広くするように前記発熱モジュールを配置した請求項１乃至３いずれか１項に記載の発熱体収容装置。
5. 前記給気口に配置された給気ファンを備える請求項１乃至４いずれか１項に記載の発熱体収容装置。

Images