JP6261975B2

JP6261975B2 - 発熱体収容装置

Info

Publication number: JP6261975B2
Application number: JP2013255926A
Authority: JP
Inventors: 中濱　敬文; 敬文中濱; 黒川　健也; 健也黒川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: US9825344B2; US20150162651A1; CN104716400A; KR20150068324A; EP2884561B1; CN104716400B; KR101708978B1; EP2884561A1; JP2015115167A

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。バッテリは蓄電容量を増加するため複数接続して構成され、これを蓄電モジュールという。

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蓄電モジュールを多段に積層配置する冷却構造をとっている。

特開２０１２−８４４８６号公報

しかしながら、従来の発熱体収容装置の筐体冷却構造の場合、給気口から導入した空気が多段に積層した蓄電モジュールの隙間を下から順に通過する間に暖められ、また各段では各蓄電モジュールの位置で空気が対流するため、段間にて温度差が生じるばかりか同じ段の蓄電モジュールであっても給気口側と排気口側では温度差（温度ばらつき）が生じるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、発熱するモジュールの給気口側と排気口側での温度差（温度ばらつき）を小さく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、第１側面、第２側面、第１棚板、給気口、第２棚板などからなる筺体、及び発熱体であるバッテリ群を包含するモジュールケース、良熱伝導部材を備える。第１側面には外気を導入するための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ており、上部に排気口が設けられている。第１棚板は排気口の下に設けられており、下方からの空気を排気口へ送るための第１開口を第２側面近傍に設けている。給気口は第１側面の第１棚板より下に設けられ、外部の気体を導入するためのものである。第２棚板は第１棚板の下の給気口に対応する位置に設けられる第２棚板であって、給気口から導入される気体が、第２棚板の上側と第２棚板の下側を第１側面から第２側面へ向かって流れるように配置される。第２棚板は伝熱性を有している。モジュールケースはほぼ直方体であり、長手方向の辺部を有する第３側面を備えている。モジュールケースは第３側面が第２棚板の上側の気体の流れに沿うように第２棚板に固定されており、発熱体の群を収容している。良熱伝導部材は伝熱面を有しており、モジュールケースの第３側面に伝熱面を当接し伝熱面の辺部を第２棚板に当接して固定されている。

（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（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（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（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４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（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５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（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６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（Ａ）の蓄電装置をＢ方向から見た側部断面図である。（Ｃ）は（Ｂ）の蓄電装置をＣ方向から見た平面断面図である。

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４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）する水平方向構造材１３ｈおよび鉛直方向構造材１３ｖなどの支持部材と、第１棚板としての天板１０と、第２棚板としての棚板１２と、良熱伝導部材としての伝熱板９と、これら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。

モジュールケース２はほぼ直方体であり、長手方向の辺部を有する側面を備えている。各モジュールケース２は空気などの気体が流れる方向に沿って長手方向を向けて各高さの棚板１２に載置され固定されている。

個々（上下）のモジュールケース２間には、通気できるように鉛直方向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、その上の段のモジュールケースを２段目モジュールケース２ｂ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、発熱体としてのバッテリ３が複数水平方向に一列に並べるよう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はほぼ直方体の形状をなす発熱体であり、端子を側方に向けるように配置されている。

このように複数のバッテリ３をそれぞれの面を密着させて並べてバッテリ群４とした場合、バッテリ群４はバッテリ３単体の状態よりも発熱時に温度が高くなる。バッテリ３は列設方向中央に向かって温度が高くなる。バッテリ３には電極（端子）が設けられているが、個々のバッテリの端子を向ける方向については、モジュールケース２、伝熱板９への伝熱に支障をきたさないよう適宜変更するものとする。

モジュールケース２の内部でバッテリ群４が発熱して昇温するため、外部への放熱が必要になる。バッテリ３を積層する列設方向が筐体１の前面から後面へ向かう方向の場合、バッテリ群４としては前側の温度が高く後ろ側の温度が低くなる。

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の前側面１ｄには、各段のモジュールケース２に対応する位置に給気口１５が設けられている。給気口１５は外気を筐体１内に導入（給気）するためのものである。筐体１の上部、より詳細には後側面１ｅの上部には、排気口１６が設けられている。

筐体１内の上部には第１棚板としての天板１０が設けられている。天板１０は排気口１６の下に設けられている。天板１０の上には多数のバッテリ３の出力を制御するための制御部品１１が載置されている。天板１０の横には下方からの空気を排気口１６へ送るための開口１０ａが設けられている。開口１０ａは後側面１ｅに近い側に設けられている。

筐体１内には第２棚板としての棚板１２が設けられている。棚板１２は各給気口１５の下に高さ方向に所定間隔で配置されている。棚板１２は例えばアルミ板などの金属板であり、高い伝熱性を有している。棚板１２の横には給気口１５から給気された空気を上方へ送るための隙間である開口１２ａが設けられている。開口１２ａは前側面１ｄに近い位置と後側面１ｅに近い位置にそれぞれ設けられている。後ろ側の開口１２ａは空気の流れを考慮して前側の開口１２ａよりも広くされている。

鉛直方向構造材１３ｖは筐体１の角に１本ずつ垂直に立てるように配置されている。水平方向構造材１３ｈは各棚板１２を載置するためのものであり、高さ方向に所定間隔で鉛直方向構造材１３ｖおよび側板１ｃに固定されている。

伝熱板９は伝熱面を有しており、この伝熱面が各モジュールケース２の側面に当接して固定されている。また伝熱板９はその端縁部（辺部）が棚板１２に当接して固定されている。

なおこの例では伝熱板９をモジュールケース２の側面に配置したが、この他、例えば伝熱板９を、辺部で直角に折り曲げた２面の板材とし、モジュールケース２の上面と側面に接するように配置してもよく、３面の板材としてモジュールケース２を囲うように配置してもよい。つまりモジュールケース２の長手方向の少なくとも一つの側面に伝熱板９の伝熱面を当接すればよい。

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の前側面１ｄに給気口１５を配置し、また筐体１の後側面１ｅの上部で給気口１５と反対側の後側面１ｅに排気口１６を配置し、最上段モジュールケース２ｚの上方に、排気口１６側を開口した天板１２と、各モジュールケース２ａに対応する前側板１ｄの位置に給気口１５をそれぞれ設け、各モジュールケース２の側面に熱伝導率の高い伝熱板９の伝熱面を当接し、伝熱板９の辺を棚板１２と当接して固定している。

これにより、各モジュールケース２の側面からの熱流が伝熱板９へ熱拡散される。したがってモジュールケース２に収容されているバッテリ３の列設方向（この場合、ケースの長手方向）による温度ばらつきが小さくなる。

また、モジュールケース２の熱を、伝熱板９の面で受けて棚板１２へ伝熱することにより空気への放熱面積が大きくなる。よってバッテリ３から空気への熱通過率が大きくなり、バッテリ３の温度を低減することができる。

（空気の流れ）
筐体１の前側面１ｄに設けた複数の給気口１５から筐体１内に給気された空気は、各段のモジュールケース２と棚板１２および側板１ｃで挟まれた水平方向流路と前側面１ｄ（給気口１５側）の鉛直方向流路とに分岐して後方と上方へ流れる。水平方向流路を空気が通る際に各モジュールケース２の底面が冷却される。その後、空気は後側面１ｅ側（排気口１６側）へ抜けて後部の鉛直方向流路から開口１０ａを通じて排気口１６から排気される。

また、前側面１ｄの各給気口１５側の鉛直方向流路を通る空気は、各段のモジュールケース２の位置で上方への流れ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流れに分かれる。水平方向流路を通った空気は後方へ流れ、排気口１６側の鉛直方向流路に出ると、その流路に沿って上昇し、排気口１６から排気される。

各段のモジュールケース２からの放熱により空気の温度が高くなった場合、排気口１６側の鉛直方向流路の煙突効果が向上し、空気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１６へスムーズに流れるようになる。

前側面１ｄに複数の給気口１５を設けたことで前側面１ｄ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。この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は殆ど等温の空気で冷却され、上下のモジュールケース２の温度差、つまりモジュールケース２の高さ位置よる温度ばらつきを小さくできる。

このようにこの第１実施形態によれば、各モジュールケース２の側面に熱伝導率の高い伝熱板９の伝熱面を当接し、伝熱板９の辺を棚板１２と当接して固定したことで、各モジュールケース２の側面からの熱流が伝熱板９へ熱拡散されるようになり、モジュールケース２に収容されているバッテリ３の配列方向（この場合、筐体１の前側から後ろ側の方向）による温度ばらつきが小さくなる。また伝熱板９を経て棚板１２へ伝熱することにより放熱面積が大きくなり、バッテリ３から空気への熱通過率が大きくなり、バッテリ３自体の温度についても低減することができる。

この結果、蓄電モジュールであるモジュールケース２の給気口１５側と排気口１６側での温度差（温度ばらつき）を小さくできる。

また、各モジュールケース２に対応する前側面１ｄの位置に給気口１５を設けたことで、各給気口１５より筐体１内に給気した空気を、水平方向流路で各モジュールケース２の表面に接触させつつ流動性を高めることにより各モジュールケース２をほぼ一様に冷却することができ、筐体１内における上下の位置によるモジュールケース２の温度差（温度ばらつき）を小さくすることができる。

（第２実施形態）
続いて、図２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２に示すように、第２実施形態の蓄電装置は、バッテリ３の厚さ方向Ｔを鉛直方向とし、棚板１２とモジュールケース２との間に熱伝導率の高い伝熱シート１９を介挿配置している。伝熱シート１９は例えばアルミ箔シート、銅箔シートなどの伝熱性を有するシート材である。

この第２実施形態では、モジュールケース２と棚板１２との間に熱伝導率の高い伝熱シート１９を介挿したことにより、発熱体群４を収容するモジュールケース２からの熱流が伝熱シート１９にも熱拡散され、伝熱シート１９を通じて棚板１２、水平構造材１３ｈおよび垂直構造材１３ｖへ放熱される。したがって、モジュールケース２からの有効放熱面積が増えることになる。

このようにこの第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、モジュールケース２と棚板１２との間に熱伝導率の高い伝熱シート１９を介挿したことで、モジュールケース２からの熱流が伝熱シート１９を通じて棚板１２、水平構造材１３ｈおよび垂直構造材１３ｖへ放熱されるので、モジュールケース２からの有効放熱面積が増えることになり、モジュールケース２内に収容されているバッテリ３の温度を低くすることができる。

（第３実施形態）
続いて、図３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３実施形態の蓄電装置は、第１実施形態（図１）の構成にさらにスロット２０を設けたものである。スロット２０はモジュールケース２に収容されている各バッテリ３に対応して、モジュールケース２の側面の位置にそれぞれ設けられている。モジュールケース２の反対の側面には伝熱板９が設けられている。この場合、バッテリ３の端子は上方となる。伝熱板９をモジュールケース２の両側に設ける場合は片面の伝熱板９にもスロット２０を設けることになる。

この第３実施形態では、バッテリ３の高さ方向に対向するモジュールケース２の側面に各バッテリ３に対向してスロット２０を設けることにより、バッテリ３からモジュールケース２を介することなく、バッテリ３で発生した熱を、スロット２０を通じて空気の通り道である水平方向流路に直接、放熱することができる。したがってバッテリ３から筐体１内の空気への熱通過率を小さくできる。

このようにこの第３実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、モジュールケース２の側面にスロット２０を設けたことで、バッテリ３から筐体１内の空気への熱通過率を小さくできるので、バッテリ３の温度を低くすることができる。

（第４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４に示すように、第４実施形態の蓄電装置は、第１実施形態（図１）の構成にさらに排気ファン１８を増設（追加）したものである。排気ファン１８は排気口１６に設けられている。このように排気口１６に排気ファン１８を設けたことで、下からの空気が天板１０の横の開口１０ａを通じて排気口１６へ吸い出される。

このように排気ファン１８を設けたことで、各給気口１５から筐体１内に流入してきた空気の水平方向流路および鉛直方向流路における流速が著しく早くなり、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の中に格納されたバッテリ３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、排気ファン１８および排気口１６は筐体１の上部に限らず、給気口１５が設けられている前側面１ｄと対向する後側面１ｅの位置に複数設けてもよく、また略全面または筐体１の頂部（角部）に設けてもよい。

このようにこの第４実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、第２実施形態の構成にさらに排気ファン１８を増設（追加）したことで、各モジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚの上側および下側の水平方向流路や鉛直方向流路の空気の流速が著しく早くなり、モジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚの中に格納されたバッテリ３の温度上昇を全体的に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。

（第５実施形態）
続いて、図５を参照して第５実施形態の蓄電装置について説明する。なお上記第１乃至４実施形態（図１乃至図４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５に示すように、第５実施形態の蓄電装置は、第４実施形態の構成から給気口１５を１箇所にしたものである。給気口１５は最下段モジュールケース２ａの高さに対応する前側面１ｄの位置に設けられている。

第５実施形態では、鉛直方向に多段に配置されたモジュールケース２のうち、最下段のモジュールケース２ａのみに対向させて給気口１５を設けたことで、空気が筺体下部から排気口１６に向けて流れ、筺体１の下部で淀むことがなくなる。したがって、鉛直方向に複数配されるモジュールケース２に対して、最下段のモジュールケース２ａの温度が高くなるということがなくなる。

このようにこの第５実施形態によれば、最下段のモジュールケース２ａに対応する前側面１ｄの位置に給気口１５を１か所設置したことで、鉛直方向に複数段で配置されるモジュールケース２に対して、最下段のモジュールケース２ａの温度が高くなるということがなくなり、鉛直方向のモジュールケース２の位置よる温度ばらつきを小さくすることができる。

また、このように前側面１ｄの下に給気口１５を設けることで、排気ファン１８の負圧によって各モジュールケース２ａ，２ｂ，２ｚへの水平流路に流れる空気がスムーズに流れるようになり、筐体１内部の冷却効率を向上することができる。

（第６実施形態）
続いて、図６を参照して第６実施形態の蓄電装置について説明する。なお上記第１乃至５実施形態（図３乃至図５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６に示すように、第６実施形態の蓄電装置は、水平方向構造材１３ｈと鉛直方向構造材１３ｖをそれぞれ中空の配管（水平配管８と垂直配管７）とし、管内に通水できるように配管をつなぎ合わせて、配管の接続部を密封し端部を封止して前側面１ｄに給液口としての給水口５を設け、後側面１ｅに排液口としての排水口６を設ける。

また給水口５と排水口６からは外配管またはホースなどで通水用のポンプ（図示せず）に接続し、配管に通水する。水平配管８は各段の棚板１２に接触して配管されている。

これにより、棚板１２から垂直配管７、水平配管８の内部を流れる水への熱通過率を、棚板１２から冷却空気への熱通過率よりも小さくできる。なお水は不凍液などの液体であってもよい。

このようにこの第６実施形態によれば、空気の流路と棚板１２に接するように通水用の配管を配置して水冷構造とすることで、棚板１２から垂直配管７、水平配管８の内部を流れる水への熱通過率を、棚板１２から冷却空気への熱通過率よりも小さくできるので、各モジュールケース２の熱をより多く拡散させて各モジュールケース２内に収容されているバッテリ３の温度を低くすることができる。

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、開口部１５と伝熱板９の組み合わせを前提とし、さらに伝熱シート１９、排気ファン１８、スロット２０を追加した構成や筐体１内の構造材（支持部材）を水冷配管とした例について説明したが、これらはさまざまに組み合わせてもよい。

例えば第６実施形態の構成（図６参照）に排気ファン１８を設けることにより筐体１内の空気流量が増え、水平配管８と垂直配管７などの配管によって温度が下がる棚板１２の近傍を空気が高速に通過するため、筺体１内の空気温度が下がり、モジュール表面の放熱が促進され、バッテリ３の温度をさらに低くすることができる。

また上記実施形態では、モジュールケース２を３段にした例を示したが、モジュールケース２の段数は３段に限定されるものではなく、２段でもよく、４段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、７…垂直配管、８…水平配管、９…伝熱板、１０…天板、１２…棚板、１３ｈ…水平方向構造材、１３ｖ…鉛直方向構造材、１５…給気口、１６…排気口、１８…排気ファン、１９…伝熱シート、２０…スロット。

Claims

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、
前記排気口の下に設けられ、下方からの気体を前記排気口へ送るための第１開口を前記第２側面近傍に設けた第１棚板と、
前記第１側面の前記第１棚板より下に設けられ、外部の気体を導入するための給気口と、
前記第１棚板の下の前記給気口に対応する位置に設けられる第２棚板であって、前記給気口から導入される気体が、前記第２棚板の上側と前記第２棚板の下側を前記第１側面から前記第２側面へ向かって流れるように配置される伝熱性の第２棚板と、
前記第２棚板と前記第２側面との間に設けられ、前記第２棚板の下側を流れる気体を上方へ通し前記第２棚板の上側を流れる気体と合わせて前記第１開口へ流すための第２開口と、
ほぼ直方体であり、長手方向の辺部を有する第３側面を備え、前記第３側面が前記第２棚板の上側の気体の流れに沿うように前記第２棚板に固定され、発熱体の群を収容するモジュールケースと、
伝熱面を有し、前記モジュールケースの前記第３側面に前記伝熱面を当接し前記伝熱面の辺部を前記第２棚板に当接して固定された良熱伝導部材と
を具備する発熱体収容装置。
前記給気口を、前記モジュールケースに対応する前記第１側面の位置に設けた請求項１に記載の発熱体収容装置。
前記モジュールケースと前記第２棚板との間に配置された伝熱シートを備える請求項１または請求項２いずれかに記載の発熱体収容装置。
前記モジュールケース内の各発熱体が露出するように、前記モジュールケースの前記第３側面に設けられた開口部を備える請求項１乃至３いずれか１項に記載の発熱体収容装置。
前記排気口に配置された排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。
前記モジュールケースを複数段に設ける場合、前記給気口を、最下段のモジュールケースに対応する前記第１側面の位置に配置した請求項１に記載の発熱体収容装置。
前記第２棚板に接触して装置内部に配管された中空の配管と、
前記配管内に外部から装置内へ通液するための給液口および排液口を備えた請求項１乃至６いずれか１項に記載の発熱体収容装置。