JP6556874B2 - 車両バッテリ用の熱的隔離特徴を備える熱電モジュール - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１５年６月１０日に出願されて参照により援用される米国仮出願第６２／１７３，４４６号の優先権を主張する。

本開示は、バッテリなどの車両コンポーネントを冷却するのに使用される熱電モジュールに関する。詳しく記すと、この開示は、熱伝達効率を向上させる熱電モジュール内の熱隔離特徴に関する。

リチウムイオンバッテリは、車両に推進力を提供する電気モータに動力を提供するため乗用車や他のタイプの車両で使用される。このようなバッテリは大量の熱を発生するため、性能低下を防止するにはバッテリが冷却されなければならない。

提案されている車両バッテリ冷却配置タイプの一つは、バッテリの下で低温プレートアセンブリに隣接して配置される熱電モジュールを含む。熱電モジュールは、ペルティエ効果に基づいて作動してバッテリに隣接して冷却を行う熱電素子を含む。熱電素子内を伝達された熱は、冷却流体が循環して熱交換器へ送られる低温プレートアセンブリに排出される。

熱電モジュール内の幾つかのコンポーネントで効率的に熱を伝達する一方で熱電モジュール内の他のコンポーネントを絶縁するように熱電モジュールを設計することが望ましい。

例示的な一実施形態において、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリは、互いに離間しておりそれぞれが低温および高温側になるように構成されている第１および第２熱スプレッダを含む。第１および第２熱スプレッダの間には絶縁プレートが配置されている。絶縁プレートは圧縮リミッタを有する。熱電素子は絶縁プレートに配置され、第１および第２熱スプレッダと作動係合する。締結要素は、組立条件で絶縁プレートを中心として第１および第２熱スプレッダを互いに固定する。圧縮リミッタは、組立条件で第１および第２熱スプレッダの間に所定の間隔を維持するように構成されている。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、第１および第２熱スプレッダは金属製であって絶縁プレートはプラスチックである。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、熱電素子はペルティエ素子である。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、第２熱スプレッダは、熱電素子を支持する隆起パッドを含む。圧縮リミッタは、パッドに隣接して配置される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、パッドと熱電素子との間にサーマルホイルが係合状態で配置される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、第２熱スプレッダは、圧縮リミッタと協働して絶縁プレートと第２熱スプレッダとを互いに横方向に位置決めする突部を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、締結要素は、突部のネジ内径部に固定されるネジ締結具である。突部は圧縮リミッタに収容される。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、絶縁プレートは、熱電素子を囲繞する少なくとも４個の個別圧縮リミッタを有する。圧縮リミッタは、第１および第２熱スプレッダと係合する。

別の例示的実施形態において、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリは、互いに離間しておりそれぞれが低温側と高温側になるように構成されている第１および第２熱スプレッダを含む。第１および第２熱スプレッダの間には絶縁プレートが配置される。熱電素子が絶縁プレートに配置され、第１および第２熱スプレッダと作動係合する。絶縁プレートと熱電素子との間にはリテーナが設けられる。リテーナは、組立手順の間に絶縁プレートとともに熱電素子を支承するように構成されている。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、絶縁プレートは開口部を含み、熱電素子は外周部を有する。リテーナは、開口部に配置されて外周部と係合する。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、リテーナは少なくとも一つの可撓性バネ要素である。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、絶縁プレートはプラスチック製である。少なくとも一つの可撓性バネ要素は絶縁プレートと一体的である。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、リテーナは、第１および第２熱スプレッダの間に延びる方向に偏向可能であって熱電素子の所望の付勢条件に対応する。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、リテーナと熱電素子の外周部構造とは、熱電素子を絶縁プレートに対して位置決めする位置決め特徴を含む。

別の例示的実施形態において、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリは、互いに離間しておりそれぞれが低温側と高温側になるように構成されている第１および第２熱スプレッダを含む。第１および第２熱スプレッダの間に絶縁プレートが配置される。熱電素子は絶縁プレートに配置されて、第１および第２熱スプレッダと作動係合する。熱電素子はワイヤを含む。ワイヤを収容する通路が絶縁プレートに設けられる。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、多数の熱電素子が設けられる。熱電素子はペルティエ素子である。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、絶縁プレートは多数の開口部を含む。各開口部は熱電素子を収容する。通路が開口部を相互接続する。ペルティエ素子は互いに直列接続される。

別の例示的実施形態において、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリは、互いに離間しておりそれぞれが低温側と高温側になるように構成されている第１および第２熱スプレッダを含む。第１および第２熱スプレッダの間に絶縁プレートが配置される。熱電素子は絶縁プレートに配置され、第１および第２熱スプレッダと作動係合する。絶縁プレートに設けられるマトリクス状のボイドは、アセンブリの熱質量を低減するように構成されている。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、絶縁プレートは、第１および第２熱スプレッダと係合する圧縮リミッタを含む。通路は、熱電素子のワイヤを収容して、開口部には熱電素子が配置される。ボイドは、圧縮リミッタと通路と開口部とは異なっている。

上記のいずれかのさらなる実施形態において、ボイドは絶縁プレートの片側に凹設される。ボイドは絶縁プレートの反対側までは貫通していない。

添付図面と関連して検討されると、以下の詳細な説明の参照により開示内容がさらに理解されるだろう。

車両システム温度が冷却システムにより調整される車両の非常に概略的な図である。 熱電モジュールアセンブリと低温プレートアセンブリとを含む冷却システムを図示している。 熱電モジュールアセンブリの分解斜視図である。 絶縁プレートの斜視図である。 図３Ａの絶縁プレートの上面図である。 熱電素子と協働するリテーナの拡大断面図である。 熱スプレッダに取り付けられた絶縁プレートの斜視図である。 図４Ａに示された絶縁プレートおよび熱スプレッダの斜視図であり、熱電素子が絶縁プレートに配置されている。 熱電モジュールアセンブリの斜視図である。 図５Ａに示された熱電モジュールの５Ｂ−５Ｂ線における断面図である。 図５Ｂに図示された「図５Ｃ」部分を示している熱電モジュールアセンブリの一部分の拡大断面図である。

前出の段落、請求項、または以下の説明および図面の実施形態と例と代替例は、その様々な態様のいずれかまたはそれぞれの個別特徴を含み、単独または組み合わせで解釈される。一実施形態に関連して説明される特徴は、このような特徴が不適合である場合を除いてすべての実施形態に適用可能である。

図１Ａには、車両１０が概略的に図示されている。車両１０は、加熱または冷却される必要がある車両システム１２を含む。一例において、車両システム１２は、車両推進に使用されて大量の熱を発生するリチウムイオンバッテリなどのバッテリ１４を含む。このようなバッテリは動作中に冷却されなければならず、さもなければバッテリ効率および／または完全性が低下しうる。

冷却システム１８は、スタックのバッテリ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１６との間に配置されて、バッテリ１４から熱を除去することにより車両システム１２を冷却する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、バッテリ１４と車両電気部品との間の電気インタフェースとなる。冷却システム１８は、冷却ループ２４との連通状態にある低温プレートアセンブリ２２に取り付けられる熱電モジュールアセンブリ２０を含む。グリコールなどの冷却流体は、冷却ループ２４の中でポンプ３１により循環される。熱交換器２６に接続される冷却剤供給および復帰ライン３０，３２を通る冷却剤に、低温プレートアセンブリ２２を介して熱が排出される。熱交換器２６の中の冷却剤から例えば周囲環境へ熱を除去するのに、ファンまたはブロワ２８が使用されうる。

制御装置３４は、車両１０と車両システム１２と冷却システム１８の様々なコンポーネントと通信して、バッテリ冷却を調整する。センサと出力（不図示）が制御装置３４に接続されてもよい。

図１Ｂには冷却システム１８の例が詳しく示されている。熱電モジュールアセンブリ２０は、バッテリ１４の表面３６を支持する低温側３８を含む。プラスチックで製作される絶縁プレート５０は、熱電素子を支承し（図２の５８に図示）、低温側３８（バッテリ１４）を高温側４０（低温プレートアセンブリ２２）から分離する。

低温プレートアセンブリ２２は、低温プレートアセンブリ２２で冷却剤を連通させて高温側４０から排出された熱を受け取る流体通路網（不図示）を包囲するように互いに固定される第１および第２低温プレート４２，４４を含む。熱電モジュールアセンブリ２０と低温プレートアセンブリ２２との間にはシール４１が設けられうる。加熱された冷却剤は、スタックから離れたところに位置決めされうる熱交換器２６に伝達される。

図２を参照すると、熱電モジュールアセンブリ２０の例が詳しく示されている。低温および高温側３８，４０はそれぞれ、金属で製作される第１および第２熱スプレッダ４６，４８により設けられる。低温プレートアセンブリ２２に固定されうる単一のユニットに組み立てられると、絶縁プレート５０は第１および第２熱スプレッダ４６，４８の間に挟持される。

絶縁プレート５０は、熱電素子５４が配置される開口部５２を含む。この例において、熱電素子はペルティエ効果を利用して、第１熱スプレッダ４６に隣接する低温側と、第２熱スプレッダ４８に隣接する高温側とを設ける。図３Ａ〜３Ｃに最も分かりやすく示されているリテーナ５６は開口部５２に配置され、熱電モジュールアセンブリ２０の組立中に熱電素子の外周部５８と協働して熱電素子５４をしっかりと支承する。リテーナ５６は絶縁プレート５０と一体的に設けられる可撓性バネ要素であって、単体構造から射出成型されうる。この例において、リテーナ５６は形状が弓形であって、可撓性を向上させるため絶縁プレート５０の厚さより小さい厚さを有する。

熱電素子５４の一例は、ｐ−ｎアセンブリ５９と係合するプレート５１を含む。例えば弾性材料である外周部構造５３は、熱電素子５４の外側境界の近くでプレート５１の間に配置される。丸い輪郭５７を有するリテーナ５６は外周部構造５３の凹部５５と協働して、熱電素子５４を絶縁プレート５０に確実に位置決めおよび保持する位置決め特徴となる。リテーナ５６が組立中に熱電素子５４から内向きに偏向可能であることに加えて、リテーナ５６は、所望の付勢条件で熱スプレッダ４６，４８の間にクランプされた時に熱電素子５４の移動に対応するため矢印の方向にも偏向可能である。

絶縁プレート５０は、熱電モジュールアセンブリ２０の熱電素子５４のワイヤ６１を収容する形成ワイヤ通路６０を含む。この例では、３個のペルティエ素子が互いに直列に配線されている。

マトリクス状のボイド６２が絶縁プレート５０に設けられて、絶縁プレート５０の熱質量を低減させるとともに、第１および第２熱スプレッダ４６，４８を互いから絶縁する空隙となる。ボイド６２は、適当な大きさ、形状、またはパターンでよい。ボイドは、絶縁プレート５０の厚さ（不図示）と比べて深い凹部であっても、絶縁プレート５０の全体を貫通してもよい。

第２熱スプレッダ４８は、絶縁プレート５０に向かって上向きに延出して熱電素子５４を支持する隆起パッド６４を含む。熱的境界材料６６は、熱電素子５４と第１および第２熱スプレッダ４６，４８との間に設けられて、熱効率のためコンポーネントの間の適切な係合を保証する。この例では、サーマルホイルが使用される。

図２および５Ａ〜５Ｃを参照すると、絶縁プレート５０は、組立中に第１および第２熱スプレッダ４６，４８の間の間隔を規定して圧縮リミッタとして作用するスペーサ６８を含む。スペーサ６８はこの例では絶縁プレート５０と一体的である。この例で、スペーサ６８は、熱電素子５４の各側に隆起部分として設けられて、熱電モジュールアセンブリ２０の上のバッテリ１４の重量が、動作にとって有害である望ましくない高い負荷を熱電素子５４に印加するのを防止する。ゆえに、スペーサ６８の高さは、第１および第２熱スプレッダ４６，４８の間のコンポーネントの公差の積み重ねを考慮したものであるとともに、熱電スタックを通した所望の熱係合を保証するものである。

突部７０が例えば第２熱スプレッダ４８に設けられて、組立中に絶縁プレート５０を第２熱スプレッダ４８に対して位置決めする。この例では、締結具７４が第１熱スプレッダ４６の穴を貫通して、突部７０のネジ内径部７２に収容され、第１および第２熱スプレッダ４６，４８と絶縁プレート５０のスタックを固定する。スペーサ６８と突部７０とはこの例ではそれぞれの締結具７４を包囲するが、スペーサ６８は他の箇所に位置決めされるか図とは異なる構成であってもよい。締結具７４は所定のトルクで締結され、締結具にトルクが加えられる際にスペーサ６８は熱スプレッダの相互移動を制限する。

動作時には、望ましくないバッテリ温度が制御装置３４により検出される。熱電素子５０に通電されると、熱電素子５４の低温側を発生させ、これがバッテリ１４に隣接する第１熱スプレッダ４６へ伝達されて、これらのコンポーネントの間の温度差を大きくするとともにその間の熱伝達を増大させる。バッテリからの熱は、第１熱スプレッダ４６から熱電素子５４を通って第２熱スプレッダ４８へ伝達される。しかしながら、絶縁プレート５０は、第１熱スプレッダ４６から第２熱スプレッダ４８へ熱が伝達されるのを防止するように作用する。第２熱スプレッダ４８は、低温プレートアセンブリ２２内の冷却剤へ熱を排出する。冷却剤は低温プレートアセンブリ２２から熱交換器２６へ循環して熱交換器は周囲環境へ熱を排出し、この熱伝達率はブロワ２８の使用によって高められる。

図の実施形態では、特定のコンポーネント配置が開示されているが、他の配置がここから導出されることが理解されるべきである。特定のステップ順序が図示、説明、請求されているが、他に指摘されていなくても本発明から導出されるのであれば、ステップはいかなる順序で実施されても、分離されても、また組み合わされてもよいことも理解されるべきである。

異なる例でも図示された固有のコンポーネントを有するが、本発明の実施形態はこれらの特定の組み合わせには限定されない。一つの例からのコンポーネントまたは特徴の幾つかを別の例からの特徴またはコンポーネントとの組み合わせで使用することが可能である。

実施形態例を開示したが、当業者であれば、ある種の変形が請求項の範囲に含まれることを認識するだろう。その理由から、真の範囲および内容を判断するには以下の請求項が検討されるべきである。

１０ 車両
１２ 車両システム
１４ バッテリ
１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８ 冷却システム
２０ 熱電モジュールアセンブリ
２２ 低温プレートアセンブリ
２４ 冷却ループ
２６ 熱交換器
２８ ファン／ブロワ
３０ 冷却剤供給ライン
３１ ポンプ
３２ 冷却剤復帰ライン
３４ 制御装置
３６ バッテリ表面
３８ 低温側
４０ 高温側
４１ シール
４２ 第１低温プレート
４４ 第２低温プレート
４６ 第１熱スプレッダ
４８ 第２熱スプレッダ
５０ 絶縁プレート
５１ プレート
５２ 開口部
５３ 外周部構造
５４ 熱電素子
５５ 凹部
５６ リテーナ
５７ 丸い輪郭
５８ 外周部
５９ ｐ−ｎアセンブリ
６０ ワイヤ通路
６１ ワイヤ
６２ ボイド
６４ 隆起パッド
６６ 熱的境界材料
６８ スペーサ
７０ 突部
７２ 内径部
７４ 締結具

Claims (17)

1. （ａ）互いに離間しておりそれぞれが低温側と高温側になるように構成されている第１熱スプレッダおよび第２熱スプレッダと、
   （ｂ）前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダの間に配置されていて、圧縮リミッタを有する、絶縁プレートと、
   （ｃ）前記絶縁プレートに配置されて、前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダと作動係合する熱電素子と、
   （ｄ）組立状態で前記絶縁プレートを中心として前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダを互いに固定する締結要素と、
   を備えた、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリであって、
   （イ）前記絶縁プレートの前記圧縮リミッタが、前記組立状態において前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダの間に所定の間隔を維持するように構成され、
   （ロ）前記圧縮リミッタが、前記熱電素子を囲繞する少なくとも４個の個別圧縮リミッタで構成され、かつ、
   （ハ）前記圧縮リミッタが前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダと係合する、
   熱電モジュールアセンブリ。
2. 前記第１および第２熱スプレッダが金属製であり、かつ、前記絶縁プレートがプラスチック製である、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記熱電素子がペルティエ素子とされている、請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記第２熱スプレッダには、前記熱電素子を支持する隆起パッドが設けられ、かつ、前記圧縮リミッタが前記パッドに隣接して配置されている、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記パッドと前記熱電素子との間には、係合状態で配置されるサーマルホイルが設けられている、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記第２熱スプレッダには、前記圧縮リミッタと協働して、前記絶縁プレートと前記第２熱スプレッダとを互いに横方向に位置決めする突部が設けられている、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記締結要素が、前記突部のネジ内径部に固定されるネジ締結具とされ、かつ、前記突部が前記圧縮リミッタに収容される、請求項６に記載のアセンブリ。
8. （ａ）互いに離間しておりそれぞれ低温および高温側になるように構成されている第１熱スプレッダおよび第２熱スプレッダと、
   （ｂ）前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダの間に配置される絶縁プレートと、
   （ｃ）前記絶縁プレートに配置されるとともに前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダと作動係合する熱電素子と、
   （ｄ）前記絶縁プレートと前記熱電素子との間に設けられるリテーナであって、組立手順の間に前記熱電素子を前記絶縁プレートとともに支承するように構成されているリテーナと、
   を備えた、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリであって、
   （イ）前記リテーナが少なくとも一つの可撓性バネ要素とされ、
   （ロ）前記絶縁プレートがプラスチック製であり、かつ、
   （ハ）前記少なくとも一つの可撓性バネ要素が前記絶縁プレートと一体的とされている、
   熱電モジュールアセンブリ。
9. 前記絶縁プレートが開口部を含み、前記熱電素子が外周部を有し、前記リテーナが前記開口部に配置されて前記外周部と係合する、請求項８に記載のアセンブリ。
10. 前記リテーナが、前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダの間に延びる方向に偏向可能であって、前記熱電素子の所望の付勢条件に対応する、請求項８に記載のアセンブリ。
11. 前記リテーナと前記熱電素子の外周部構造とが、前記熱電素子を前記絶縁プレートに対して位置決めする位置決め特徴を含む、請求項８に記載のアセンブリ。
12. （ａ）互いに離間しておりそれぞれが低温側と高温側になるように構成されている第１熱スプレッダおよび第２熱スプレッダと、
    （ｂ）前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダの間に配置される絶縁プレートと、
    （ｃ）前記絶縁プレートに配置されて前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダと作動係合するように構成されていて、ワイヤを有する、複数の熱電素子と、
    を備えた、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリであって、
    （イ）前記絶縁プレートには、前記熱電素子を収容する複数の開口部と、前記ワイヤを収容する複数の通路とが設けられ、
    （ロ）前記複数の開口部が、少なくとも第１の開口部と、最後の開口部を含む複数の他の開口部と、を含み、
    （ハ）前記複数の通路が、前記絶縁プレートの端部から前記第１の開口部まで延びている第１の通路と、前記最後の開口部を含む前記１つまたは複数の他の開口部どうしを相互接続する１つまたは複数の追加的な通路と、前記絶縁プレートの端部から前記最後の開口部まで延びている第２の通路と、を含む、
    熱電モジュールアセンブリ。
13. 前記熱電素子がペルティエ素子とされている、請求項１２に記載のアセンブリ。
14. 前記ペルティエ素子が互いに直列接続されている、請求項１３に記載のアセンブリ。
15. （ａ）互いに離間しておりそれぞれが低温側と高温側になるように構成されている第１および第２熱スプレッダと、
    （ｂ）前記第１熱スプレッダおよび第２熱スプレッダの間に配置される絶縁プレートと、
    （ｃ）前記絶縁プレートに配置されて前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダと作動係合する熱電素子と、
    を備えた、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリであって、
    （イ）前記絶縁プレートには、アセンブリの熱質量を低減するように構成されているマトリクス状の複数のボイドが設けられ、かつ、
    （ロ）前記マトリクス状の複数のボイドが、前記絶縁プレートの厚さに対して該絶縁プレートの全体を貫通しない程度の深さを有する複数の凹部とされている、
    熱電モジュールアセンブリ。
16. 前記絶縁プレートが、前記第１熱スプレッダおよび前記第２熱スプレッダと係合する圧縮リミッタと、前記熱電素子のワイヤを収容する通路と、前記熱電素子が配置される開口部とを含み、かつ、前記ボイドが前記圧縮リミッタと前記通路と前記開口部とは異なっている、請求項１５に記載のアセンブリ。
17. 前記ボイドが前記絶縁プレートの片側に凹設されるが、前記ボイドが前記絶縁プレートの反対側までは貫通しない、請請求項１５に記載のアセンブリ。

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