JP6662239B2 - Thermal switch device - Google Patents

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Description

この明細書における開示は、熱スイッチ装置に関する。   The disclosure herein relates to a thermal switch device.

特許文献１には、熱流束の調節が可能な高伝導性スイッチが開示されている。この高伝導性スイッチは、下部壁と、膜アセンブリである上部壁と、下部壁と上部壁によって形成される密閉空洞とを備える。さらに高伝導性スイッチは、密封空洞の一部を満たし、温度とともに体積を変化するようになされた熱アクチュエータ材料と、密閉空洞の一部を満たし、下部壁と上部壁との間に高伝導性接触をもたらす伝熱構造を形成する導体材料とを備える。上部壁は、受構造に対してギャップをもって配置される。このギャップにより、受構造と上部壁との熱接触が遮断されている。アクチュエータ材料は、温度によって誘発された体積変化時に、上部壁を移動させ、その結果、受構造に対するギャップを埋めることが可能である。これにより、受構造と上部壁とが熱接触し、熱流束が上部壁から受構造へと流れることが可能となる。   Patent Document 1 discloses a highly conductive switch capable of adjusting a heat flux. The high conductivity switch includes a lower wall, an upper wall that is a membrane assembly, and a closed cavity formed by the lower wall and the upper wall. In addition, the high conductivity switch fills a portion of the sealed cavity and changes the volume with temperature, and the thermal actuator material fills a portion of the closed cavity and provides high conductivity between the lower and upper walls. A conductive material that forms a heat transfer structure that provides contact. The upper wall is arranged with a gap relative to the receiving structure. This gap blocks thermal contact between the receiving structure and the upper wall. The actuator material is capable of moving the top wall during a temperature induced volume change, thereby filling the gap to the receiving structure. Thereby, the receiving structure and the upper wall are in thermal contact, and the heat flux can flow from the upper wall to the receiving structure.

特許第５０８１１６４号公報Japanese Patent No. 5081164

特許文献１の高伝導性スイッチは、上部壁と受構造との間のギャップによって熱的な接続を遮断することで断熱を行っている。しかし、大気中で使用する場合にはギャップに存在する空気によって対流伝熱が発生し、断熱性が低下するという課題がある。また、伝熱時の上部壁と受構造との熱的な接続は、上部壁と受構造との固体表面同士の接触によってなされる。このため、上部壁と受構造との間の密着性が十分でなく、伝熱性が低下するという課題がある。   The high-conductivity switch of Patent Literature 1 performs heat insulation by interrupting thermal connection by a gap between an upper wall and a receiving structure. However, when used in the atmosphere, there is a problem that convective heat transfer is generated by air existing in the gap, and the heat insulation property is reduced. Thermal connection between the upper wall and the receiving structure during heat transfer is made by contact between the solid surfaces of the upper wall and the receiving structure. For this reason, there is a problem that the adhesion between the upper wall and the receiving structure is not sufficient, and the heat conductivity is reduced.

開示される目的は、断熱時における断熱性および伝熱時における伝熱性を向上できる熱スイッチ装置を提供することである。   An object disclosed is to provide a heat switch device that can improve heat insulation during heat insulation and heat transfer during heat transfer.

この明細書に開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。また、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であって、技術的範囲を限定するものではない。   The embodiments disclosed in this specification employ different technical means from each other in order to achieve the respective objects. Further, the reference numerals in the claims and the parentheses described in this section are examples showing a correspondence relationship with specific means described in the embodiment described below as one aspect, and limit the technical scope. is not.

開示された熱スイッチ装置のひとつは、発熱体（１０）と熱的に接続されている第１壁
部（２１、２２１、３２１）および第１壁部に対向する第２壁部（２２、２２２、３２２
）を含む複数の壁部と、複数の壁部によって囲まれる密閉空間（Ｓ）と、を有する容器（
２０、２２０、３２０）と、密閉空間に収容され、温度変化によって液相状態と固相状態
との間で相転移可能であり、相転移によって体積変化する熱伝導材料であって、液相状態
において密閉空間を充填し、固相状態において密閉空間の第１壁部の内面との間に空洞（
Ｓｖ）を形成する熱伝導材料（３０）と、を備え、密閉空間の第２壁部側の横断面積は、第２壁部に対して鉛直上方に位置する第１壁部側の横断面積よりも大きい。 One of the disclosed thermal switch devices includes a first wall (21, 221, 321) thermally connected to the heating element (10) and a second wall (22, 222) opposed to the first wall. , 322
) And a closed space (S) enclosed by the plurality of walls (S).
20, 220, 320); a heat conducting material that is housed in an enclosed space, is capable of phase transition between a liquid phase state and a solid state state by a temperature change, and changes in volume by the phase transition. In the closed space, and a cavity (in the solid state) between the inner space of the first wall of the closed space (
Sv), and a cross-sectional area of the closed space on the second wall portion side is larger than a cross-sectional area of the first wall portion located vertically above the second wall portion. Is also big .

この開示によれば、熱スイッチ装置は、熱伝導材料が液相の場合には熱伝導材料が容器の密閉空間を充填するので、熱伝導材料の対流によって発熱体の熱が第１壁部から第２壁部へと伝熱される。さらに、熱伝導材料が固相の場合には密閉空間の第１壁部の内面との間に空気の存在しない空洞が形成されるので、この空洞によって発熱体の熱が断熱される。したがって、断熱時に空気の対流が発生しないので断熱性が向上できる。また、熱伝導材料の相転移によって断熱する状態と伝熱する状態とに変化するため、容器の第１壁部は発熱体と熱的に接続された状態を保つことができる。したがって、発熱体と第１壁部とが密着した状態を保つことが可能である。このため、伝熱時の伝熱性を向上することができる。以上により、断熱時における断熱性および伝熱時における伝熱性を向上できる熱スイッチ装置を提供することができる。   According to this disclosure, when the heat conductive material is in the liquid phase, the heat conductive material fills the closed space of the container, so that the heat of the heating element is transferred from the first wall by the convection of the heat conductive material. Heat is transferred to the second wall. Further, when the heat conductive material is a solid phase, a cavity without air is formed between the heat conducting material and the inner surface of the first wall portion of the closed space, so that the heat of the heating element is insulated by the cavity. Therefore, convection of air does not occur during heat insulation, so that heat insulation can be improved. In addition, since the state changes to a heat-insulating state and a heat-transferring state due to the phase transition of the heat conductive material, the first wall portion of the container can be kept in a state of being thermally connected to the heating element. Therefore, it is possible to keep the heating element and the first wall portion in close contact with each other. For this reason, the heat transfer at the time of heat transfer can be improved. As described above, it is possible to provide a heat switch device that can improve the heat insulation during heat insulation and the heat transfer during heat transfer.

第１実施形態に係る熱スイッチ装置の放熱時の断面を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a section at the time of heat radiation of a thermal switch device concerning a 1st embodiment. 第１実施形態に係る熱スイッチ装置の断熱時の断面を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a section at the time of heat insulation of a thermal switch device concerning a 1st embodiment. 第１実施形態において熱伝導材料として使用される物質の例を示す表である。4 is a table showing an example of a substance used as a heat conductive material in the first embodiment. 空間の真空度と熱伝導率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the degree of vacuum of space and thermal conductivity. ｎ−Ｃ２０Ｈ４２の温度と飽和蒸気圧の対応関係を示す表である。Temperature of n-C 20 H 42 and is a table showing the correspondence between the saturation vapor pressure. 第２実施形態に係る熱スイッチ装置の断面を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a section of a thermal switch device concerning a 2nd embodiment. 第３実施形態に係る熱スイッチ装置の断面を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a section of a thermal switch device concerning a 3rd embodiment.

（第１実施形態）
図１および図２に示すように、熱スイッチ装置１は、内部に密閉空間Ｓを有する容器２０と、密閉空間Ｓに収容された熱伝導材料３０とを含んで構成される。熱スイッチ装置１は、発熱体に接続される。図１において、熱スイッチ装置１は、リチウムイオン電池等の蓄電池が積層された組電池を有する電池パック１０に接続される。換言すれば、発熱体は例えば電池パック１０である。図１における上下方向を示す矢印は、熱スイッチ装置１が電池パック１０に接続された状態における上下方向を示す。なお、重力が作用する方向に沿った方向を下、重力が作用する方向と反対の方向を上とする。 (1st Embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the thermal switch device 1 is configured to include a container 20 having a closed space S therein, and a heat conductive material 30 accommodated in the closed space S. The thermal switch device 1 is connected to a heating element. In FIG. 1, a thermal switch device 1 is connected to a battery pack 10 having an assembled battery in which storage batteries such as lithium ion batteries are stacked. In other words, the heating element is, for example, the battery pack 10. Arrows indicating the vertical direction in FIG. 1 indicate the vertical direction in a state where the thermal switch device 1 is connected to the battery pack 10. In addition, the direction along the direction in which gravity acts is referred to as down, and the direction opposite to the direction in which gravity acts is referred to as up.

容器２０は、例えば第１壁部２１と、第１壁部２１に対向する第２壁部２２と、第１壁部２１と第２壁部２２とをつなぐ側壁部２３とによって形成される。換言すれば、容器２０は複数の壁部によって形成される。容器２０は、密閉空間Ｓを上下方向に二分割した際の、第２壁部２２側の空間の横断面積が、第１壁部２１側の横断面積よりも大きくなるように形成される。なお、横断面積とは上下方向に直交する方向の断面積である。容器２０は、例えば第１壁部２１の表面積よりも第２壁部２２の表面積が大きい錐台形状の箱体として形成される。容器２０は、例えば第１壁部２１および第２壁部２２が円形状である円錐台形状の箱体である。または、容器２０は、第１壁部２１および第２壁部２２が多角形状である角錐台形状の箱体であってもよい。   The container 20 includes, for example, a first wall 21, a second wall 22 facing the first wall 21, and a side wall 23 connecting the first wall 21 and the second wall 22. In other words, the container 20 is formed by a plurality of walls. The container 20 is formed such that the cross-sectional area of the space on the second wall 22 side is larger than the cross-sectional area of the first wall 21 side when the closed space S is divided into two in the vertical direction. Note that the cross-sectional area is a cross-sectional area in a direction perpendicular to the vertical direction. The container 20 is formed as, for example, a frustum-shaped box in which the surface area of the second wall 22 is larger than the surface area of the first wall 21. The container 20 is, for example, a frustoconical box in which the first wall 21 and the second wall 22 are circular. Alternatively, the container 20 may be a truncated pyramid-shaped box in which the first wall 21 and the second wall 22 are polygonal.

第１壁部２１は、熱スイッチ装置１が電池パック１０に取り付けられた状態において、電池パック１０と熱的に接続されている。第１壁部２１は、例えば伝熱グリスによって電池パック１０と熱的に接続される。または、第１壁部２１は、ろう付け接合によって電池パック１０と熱的に接続されていてもよい。図１に示すように、第１壁部２１は、電池パック１０における第１壁部２１と接続される面の下方に設置されている。すなわち、熱スイッチ装置１が電池パック１０に取り付けられた状態において、第１壁部２１は第２壁部２２よりも上方に位置する。第１壁部２１、第２壁部２２、および側壁部２３は、伝熱性の高い材料、例えば金属材料によって形成される。   The first wall portion 21 is thermally connected to the battery pack 10 when the thermal switch device 1 is attached to the battery pack 10. The first wall 21 is thermally connected to the battery pack 10 by, for example, heat transfer grease. Alternatively, the first wall 21 may be thermally connected to the battery pack 10 by brazing. As shown in FIG. 1, the first wall 21 is installed below a surface of the battery pack 10 connected to the first wall 21. That is, when the thermal switch device 1 is attached to the battery pack 10, the first wall portion 21 is located above the second wall portion 22. The first wall portion 21, the second wall portion 22, and the side wall portion 23 are formed of a material having high heat conductivity, for example, a metal material.

第２壁部２２は、外部へ熱を放出するためのヒートシンク４０と熱的に接続されている。例えば、第２壁部２２は伝熱グリスによってヒートシンク４０と熱的に接続されている。または、第２壁部２２がヒートシンク４０として形成されていてもよい。例えば、第２壁部２２の外面から、外面に垂直な方向に複数のフィンが突き出している構成であってもよい。または、第２壁部２２は、金属部材等の伝熱部材を介して間接的にヒートシンク４０と熱的に接続される構成であってもよい。   The second wall portion 22 is thermally connected to a heat sink 40 for releasing heat to the outside. For example, the second wall portion 22 is thermally connected to the heat sink 40 by heat transfer grease. Alternatively, the second wall 22 may be formed as a heat sink 40. For example, a configuration in which a plurality of fins protrude from the outer surface of the second wall portion 22 in a direction perpendicular to the outer surface may be employed. Alternatively, the second wall portion 22 may be configured to be indirectly thermally connected to the heat sink 40 via a heat transfer member such as a metal member.

密閉空間Ｓは、第１壁部２１、第２壁部２２および側壁部２３によって周囲の空間から区画され密閉された容器２０内部の空間である。熱スイッチ装置１は、密閉空間Ｓに、液相の状態の熱伝導材料３０が充填されている容器２０を備えている。   The closed space S is a space inside the container 20 which is partitioned from the surrounding space by the first wall portion 21, the second wall portion 22, and the side wall portion 23 and is sealed. The thermal switch device 1 includes a container 20 in which a closed space S is filled with a heat conducting material 30 in a liquid phase.

熱伝導材料３０は、温度変化によって液相と固相との間で相転移可能な性質を有する。熱伝導材料３０は、液相の状態における体積が固相の状態における体積よりも大きい性質を有する。換言すれば、熱伝導材料３０は液相から固相に相転移すると体積が減少する。液相の熱伝導材料３０は、密閉空間Ｓを充填する。換言すれば、液相の熱伝導材料３０は、容器２０の内部を満たす。   The heat conductive material 30 has a property of being able to undergo a phase transition between a liquid phase and a solid phase by a change in temperature. The heat conductive material 30 has a property that a volume in a liquid phase state is larger than a volume in a solid phase state. In other words, the volume of the heat conductive material 30 decreases when a phase transition from a liquid phase to a solid phase occurs. The liquid phase heat conductive material 30 fills the closed space S. In other words, the liquid-phase heat conductive material 30 fills the inside of the container 20.

液相の熱伝導材料３０が固相に相転移すると、体積の減少によって密閉空間Ｓに空洞Ｓｖが形成される。熱スイッチ装置１が電池パック１０に取り付けられた状態において、熱伝導材料３０が液相から固相へと相転移する際には、熱伝導材料３０は重力によって密閉空間Ｓの下方側に片寄りながら相転移する。すなわち、液相の熱伝導材料３０が固相に相転移すると、密閉空間Ｓの第１壁部２１の内面との間に空洞Ｓｖが形成される。換言すれば、熱伝導材料３０が固相の状態で、容器２０は密閉空間Ｓの第１壁部２１の内面との間に空洞Ｓｖを有する。すなわち、熱伝導材料３０は、液相の状態で密閉空間Ｓを充填可能であってかつ固相の状態で密閉空間Ｓに空洞Ｓｖを形成可能な量が収容されている。   When the liquid phase heat conductive material 30 undergoes a phase transition to a solid phase, a cavity Sv is formed in the closed space S due to a decrease in volume. In a state where the heat switch device 1 is attached to the battery pack 10, when the heat conductive material 30 undergoes a phase transition from a liquid phase to a solid phase, the heat conductive material 30 is biased toward the lower side of the closed space S by gravity. Phase transition. That is, when the liquid-phase heat conductive material 30 undergoes a phase transition to a solid phase, a cavity Sv is formed between the liquid-phase heat conductive material 30 and the inner surface of the first wall 21 of the closed space S. In other words, when the heat conductive material 30 is in a solid phase, the container 20 has a cavity Sv between itself and the inner surface of the first wall 21 of the closed space S. That is, the heat conductive material 30 is filled in an amount that can fill the closed space S in a liquid phase state and can form a cavity Sv in the closed space S in a solid phase state.

熱伝導材料３０は、液相の状態で密閉空間Ｓを充填することで、第１壁部２１から第２壁部２２へと熱を伝熱することができる。また、熱伝導材料３０は、固相の状態で第１壁部２１と空洞Ｓｖによって隔てられるため、第１壁部２１から第２壁部２２への熱の伝熱を抑制することができる。   The heat conductive material 30 can transfer heat from the first wall 21 to the second wall 22 by filling the closed space S in a liquid state. In addition, since the heat conductive material 30 is separated from the first wall 21 and the cavity Sv in a solid state, heat transfer from the first wall 21 to the second wall 22 can be suppressed.

熱伝導材料３０には、熱スイッチ装置１を適用する温度範囲に応じた物質を適宜選択することができる。例えば、発熱体が電池パック１０である場合、熱伝導材料３０は、固相から液相への相転移温度、すなわち融点が４０℃付近の物質によって提供することができる。例えば熱伝導材料３０は、一般式がＣｎＨ２ｎ＋２で表される鎖式飽和水素であるアルカンのうち、炭素数が２０以上、すなわちｎ≧２０であるパラフィンによって提供することができる。一般に、アルカンは炭素数が増えると融点が高くなることが知られており、特にパラフィンは融点が４０℃付近となる。例えば、炭素数が２０のパラフィンであるｎ−Ｃ２０Ｈ４２は融点が３６．７℃であるため、電池パック１０に適用される熱スイッチ装置１に適している。 A substance corresponding to the temperature range to which the thermal switch device 1 is applied can be appropriately selected as the heat conductive material 30. For example, when the heating element is the battery pack 10, the heat conductive material 30 can be provided by a substance having a phase transition temperature from a solid phase to a liquid phase, that is, a melting point of about 40 ° C. For example, the heat conductive material 30 can be provided by a paraffin having 20 or more carbon atoms, that is, n ≧ 20, among alkanes that are chain-type saturated hydrogen represented by the general formula C n H 2n + 2 . In general, it is known that the melting point of alkanes increases as the number of carbon atoms increases. In particular, the melting point of paraffin is around 40 ° C. For example, nC 20 H 42, which is a paraffin having 20 carbon atoms, has a melting point of 36.7 ° C., and thus is suitable for the thermal switch device 1 applied to the battery pack 10.

熱伝導材料３０は、パラフィン以外の物質によって提供されてもよい。例えば、図３に示した物質を熱伝導材料３０として使用してもよい。図３に示した複数の物質は、融点が３０℃から４５℃付近であり、かつ液相から固相に相変化した際に体積が減少する性質を有する。したがって、発熱体が電池パック１０である場合に、熱伝導材料３０として使用することができる。なお、図３において化学式がＣ１６Ｈ３４−Ｃ２８Ｈ５８で表された、パラフィンを含む混合物は、炭素数が１６のアルカンであるＣ１６Ｈ３４と、炭素数が２２のパラフィンであるＣ２８Ｈ５８との混合物である。Ｃ１６Ｈ３４−Ｃ２８Ｈ５８以外にも、パラフィンを含む混合物として、炭素数が１９以下のアルカンと、パラフィンとの混合物を熱伝導材料３０として使用してもよい。また、パラフィンを含む混合物として、炭素数が異なる複数のパラフィンの混合物、または炭素数が異なる複数のパラフィンを含む混合物を熱伝導材料３０として使用してもよい。パラフィンを含む混合物を熱伝導材料３０として使用した場合でも、パラフィンを熱伝導材料３０として使用した場合と同様の作用効果を得ることができる。 The heat conductive material 30 may be provided by a substance other than paraffin. For example, the substance shown in FIG. The plurality of substances shown in FIG. 3 have a melting point of about 30 ° C. to about 45 ° C., and have a property of decreasing in volume when the phase changes from a liquid phase to a solid phase. Therefore, when the heating element is the battery pack 10, it can be used as the heat conductive material 30. In FIG. 3, the mixture containing paraffin, whose chemical formula is represented by C 16 H 34 -C 28 H 58 , has C 16 H 34 which is an alkane having 16 carbon atoms and C 16 H 34 which is a paraffin having 22 carbon atoms. 28 is a mixture of H 58. In addition to C 16 H 34 -C 28 H 58 , as a mixture containing paraffin, a mixture of an alkane having 19 or less carbon atoms and paraffin may be used as the heat conductive material 30. Further, as the mixture containing paraffin, a mixture of a plurality of paraffins having different carbon numbers or a mixture containing a plurality of paraffins having different carbon numbers may be used as the heat conductive material 30. Even when a mixture containing paraffin is used as the heat conductive material 30, the same operation and effect as when the paraffin is used as the heat conductive material 30 can be obtained.

図３における体積変化率（％）は、図３に示した各物質についての固体の密度（ｋｇ／Ｌｉｔ）および液体の密度（ｋｇ／Ｌｉｔ）の値から、各物質が固相状態から液相状態へと変化した際の単位質量あたりの体積の変化率を算出した値である。熱伝導材料３０は、液相と固相との間の相転移による体積変化が大きい材料であることが望ましい。体積変化が大きいと、固相となった熱伝導材料３０が形成する空洞Ｓｖの上下方向の厚みが大きくなるため、断熱時の断熱性を向上することができる。   The volume change rate (%) in FIG. 3 is obtained from the values of the solid density (kg / Lit) and the liquid density (kg / Lit) of each substance shown in FIG. This is a calculated value of the rate of change in volume per unit mass when the state changes. It is desirable that the heat conductive material 30 be a material whose volume change due to a phase transition between a liquid phase and a solid phase is large. When the volume change is large, the vertical thickness of the cavity Sv formed by the solid-state heat conductive material 30 increases, so that the heat insulating property during heat insulation can be improved.

熱伝導材料３０は、固相の状態において飽和蒸気圧が負圧であることが望ましい。飽和蒸気圧が負圧の場合は、形成される空洞Ｓｖが真空に近い状態となるため、断熱性が向上される。図４は、空気で満たされた空間の空気圧と熱伝達率の関係を示したグラフである。これによれば、空気の圧力が小さくなると、空間の熱伝達率が小さくなる。一般的に、空間の中を満たす気体の圧力が低下すると、図４と同様に空間の熱伝導率が低下する。したがって熱伝導材料３０の場合も、飽和蒸気圧が低いと空洞Ｓｖの熱伝達率が低下する。すなわち、固相の状態における飽和蒸気圧が低い物質を熱伝導材料３０として使用することで、断熱時の断熱性を向上することができる。特に、飽和蒸気圧が負圧である熱伝導材料３０を使用することで、空洞Ｓｖを真空に近い状態にすることができるため、断熱性をより向上させることができる。例えばｎ−Ｃ２０Ｈ４２は、図５の表に示すように固相の状態における飽和蒸気圧が負圧であり、この点においても熱伝導材料３０に適している。 It is desirable that the heat conductive material 30 has a negative saturated vapor pressure in a solid state. When the saturated vapor pressure is a negative pressure, the formed cavity Sv is in a state close to a vacuum, so that the heat insulating property is improved. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the air pressure of the space filled with air and the heat transfer coefficient. According to this, when the pressure of the air decreases, the heat transfer coefficient of the space decreases. Generally, when the pressure of the gas filling the space decreases, the thermal conductivity of the space decreases as in FIG. Therefore, also in the case of the heat conductive material 30, when the saturated vapor pressure is low, the heat transfer coefficient of the cavity Sv decreases. That is, the use of a substance having a low saturated vapor pressure in the solid state as the heat conductive material 30 can improve the heat insulating property during heat insulation. In particular, by using the heat conductive material 30 having a saturated vapor pressure of a negative pressure, the cavity Sv can be brought into a state close to a vacuum, so that the heat insulating property can be further improved. For example, nC 20 H 42 has a negative saturated vapor pressure in a solid phase as shown in the table of FIG. 5, and is also suitable for the heat conductive material 30 in this regard.

熱スイッチ装置１は、例えば電池パック１０の温度を所定の温度範囲に保つために適用される。すなわち、熱スイッチ装置１は、電池パック１０の温度が上昇し所定の温度範囲を上回ると、電池パック１０が発する熱の外部への放熱を行い、電池パック１０の温度が所定の温度範囲にある場合は、電池パック１０の熱の外部への放熱を抑制する断熱を行う。所定の温度範囲とは、電池パック１０が最適に作動する温度範囲である。電池パック１０は、０℃〜４０℃が最適に作動する温度範囲であることが知られており、この範囲を超えると電池の劣化や性能の低下等が発生する。したがって、熱スイッチ装置１は、電池パック１０の温度を０℃〜４０℃に保つように放熱および断熱を行う。   The thermal switch device 1 is applied, for example, to keep the temperature of the battery pack 10 in a predetermined temperature range. That is, when the temperature of the battery pack 10 rises and exceeds a predetermined temperature range, the heat switch device 1 radiates the heat generated by the battery pack 10 to the outside, and the temperature of the battery pack 10 is in the predetermined temperature range. In such a case, heat insulation is performed to suppress the heat radiation of the battery pack 10 to the outside. The predetermined temperature range is a temperature range in which the battery pack 10 operates optimally. It is known that the battery pack 10 has a temperature range in which 0 ° C. to 40 ° C. operates optimally. If the temperature exceeds this range, the battery deteriorates and the performance deteriorates. Therefore, the heat switch device 1 performs heat radiation and heat insulation so as to maintain the temperature of the battery pack 10 at 0 ° C to 40 ° C.

熱スイッチ装置１が放熱を行う場合について説明する。電池パック１０が４０℃を上回ると、融点が４０℃付近である熱伝導材料３０は、電池パック１０に熱的に接続された第１壁部２１からの輻射熱が熱移動することで融点に到達して溶融する。すなわち、熱伝導材料３０が固相から液相へと相転移する。熱伝導材料３０が液相になると、固相よりも体積が増加し、密閉空間Ｓを充填する。すなわち、空洞Ｓｖが液相の熱伝導材料３０によって満たされる。液相の熱伝導材料３０によって密閉空間Ｓが充填されると、電池パック１０の熱は第１壁部２１から熱伝導材料３０へと直接伝熱される。第１壁部２１からの熱は、熱伝導材料３０内を伝達し、第２壁部２２へと到達する。第２壁部２２へと到達した熱は、ヒートシンク４０へと伝達されて外部へ放出される。以上により、熱スイッチ装置１は、熱伝導材料３０が液相である場合に、電池パック１０の熱を外部へスムーズに放出することができる。熱伝導材料３０が固相から液相へと変化しても、第１壁部２１は電池パック１０と密着した状態を保っているため、伝熱性を良好な状態に保つことができる。   The case where the heat switch device 1 radiates heat will be described. When the temperature of the battery pack 10 exceeds 40 ° C., the heat conductive material 30 having a melting point of about 40 ° C. reaches the melting point by radiant heat from the first wall 21 thermally connected to the battery pack 10. And melt. That is, the heat conductive material 30 undergoes a phase transition from a solid phase to a liquid phase. When the heat conductive material 30 is in the liquid phase, the volume is larger than that of the solid phase, and fills the closed space S. That is, the cavity Sv is filled with the liquid-phase heat conductive material 30. When the closed space S is filled with the liquid-phase heat conductive material 30, the heat of the battery pack 10 is directly transferred from the first wall 21 to the heat conductive material 30. The heat from the first wall 21 is transmitted through the heat conductive material 30 and reaches the second wall 22. The heat that has reached the second wall portion 22 is transmitted to the heat sink 40 and released to the outside. As described above, when the heat conductive material 30 is in the liquid phase, the heat switch device 1 can smoothly release the heat of the battery pack 10 to the outside. Even if the heat conductive material 30 changes from a solid phase to a liquid phase, the first wall portion 21 is kept in close contact with the battery pack 10, so that good heat transfer can be maintained.

熱スイッチ装置１が断熱を行う場合について説明する。電池パック１０の温度が低下し、熱伝導材料３０の融点を下回ると、熱伝導材料３０は液相から固相へと相転移する。熱伝導材料３０は、液相の状態における体積よりも固相の状態における体積の方が小さいため、重力によって密閉空間Ｓの下方側へと片寄りながら相転移する。したがって、密閉空間Ｓの第１壁部２１と隣接する空間には空洞Ｓｖが形成される。第１壁部２１と熱伝導材料３０は、この空洞Ｓｖによって隔てられるため、第１壁部２１からの熱の熱伝導材料３０への伝熱が抑制される。したがって、電池パック１０の熱を断熱することができる。また、熱伝導材料３０がパラフィンの場合、固相における飽和蒸気圧が負圧であるため、断熱性をより向上することができる。   The case where the thermal switch device 1 performs heat insulation will be described. When the temperature of the battery pack 10 decreases and falls below the melting point of the heat conductive material 30, the heat conductive material 30 undergoes a phase transition from a liquid phase to a solid phase. Since the volume of the heat conductive material 30 in the solid phase state is smaller than the volume in the liquid phase state, the heat conductive material 30 undergoes a phase transition while leaning toward the lower side of the closed space S by gravity. Therefore, a cavity Sv is formed in a space adjacent to the first wall portion 21 of the closed space S. Since the first wall 21 and the heat conductive material 30 are separated by the cavity Sv, the heat transfer from the first wall 21 to the heat conductive material 30 is suppressed. Therefore, the heat of the battery pack 10 can be insulated. When the heat conductive material 30 is paraffin, the heat insulating property can be further improved because the saturated vapor pressure in the solid phase is a negative pressure.

次に第１実施形態の熱スイッチ装置１がもたらす作用効果について説明する。熱スイッチ装置は、発熱体である電池パック１０と熱的に接続可能な第１壁部２１および第１壁部２１に対向する第２壁部２２を含む複数の壁部と、複数の壁部によって囲まれる密閉空間Ｓと、を有する容器２０と、密閉空間Ｓに収容される熱伝導材料３０とを備える。熱伝導材料３０は、温度変化によって液相と固相との間で相転移可能であり、相転移によって体積変化する。熱伝導材料３０は、液相において密閉空間Ｓを充填し、固相において密閉空間Ｓの第１壁部２１の内面との間に空洞Ｓｖを形成する。   Next, the function and effect of the thermal switch device 1 according to the first embodiment will be described. The heat switch device includes a plurality of wall portions including a first wall portion and a second wall portion opposed to the first wall portion thermally connectable to the battery pack as a heating element, and a plurality of wall portions. And a heat conductive material 30 housed in the closed space S. The heat conductive material 30 can undergo a phase transition between a liquid phase and a solid phase by a change in temperature, and changes in volume by the phase transition. The heat conductive material 30 fills the closed space S in the liquid phase, and forms a cavity Sv between itself and the inner surface of the first wall 21 of the closed space S in the solid phase.

これによれば、熱スイッチ装置１は、熱伝導材料３０が液相の場合には熱伝導材料３０が容器２０の密閉空間Ｓを充填するので、熱伝導材料３０の対流によって発熱体の熱が第１壁部２１から第２壁部２２へと伝熱される。さらに、熱伝導材料３０が固相の場合には密閉空間Ｓの第１壁部２１の内面との間に空洞Ｓｖが形成されるので、この空洞Ｓｖによって発熱体の熱が断熱される。したがって、断熱時に空気の対流が発生しないので断熱性が向上できる。また、第１壁部２１が常に発熱体と熱的に接続されているため、発熱体と第１壁部２１とが密着した状態を保つことが可能である。このため、伝熱時の伝熱性を向上することができる。したがって、断熱時における断熱性および伝熱時における伝熱性を向上できる熱スイッチ装置１を提供することができる。   According to this, when the heat conductive material 30 is in the liquid phase, the heat conductive material 30 fills the closed space S of the container 20, and thus the heat of the heating element is reduced by the convection of the heat conductive material 30. Heat is transferred from the first wall 21 to the second wall 22. Furthermore, when the heat conductive material 30 is a solid phase, a cavity Sv is formed between the heat conductive material 30 and the inner surface of the first wall 21 of the closed space S, and the heat of the heating element is insulated by the cavity Sv. Therefore, convection of air does not occur during heat insulation, so that heat insulation can be improved. In addition, since the first wall 21 is always thermally connected to the heating element, it is possible to keep the heating element in close contact with the first wall 21. For this reason, the heat transfer at the time of heat transfer can be improved. Therefore, it is possible to provide the thermal switch device 1 that can improve the heat insulation during heat insulation and the heat transfer during heat transfer.

熱伝導材料３０は、固相の飽和蒸気圧が負圧となる材料である。これによれば、熱伝導材料３０が固相である場合に密閉空間Ｓに形成される空洞Ｓｖが大気圧よりも真空に近い状態となる。したがって、真空断熱に近い状態を形成することができるため、断熱性を向上することができる。   The heat conductive material 30 is a material in which the saturated vapor pressure of the solid phase becomes negative. According to this, when the heat conductive material 30 is in a solid phase, the cavity Sv formed in the closed space S is in a state closer to a vacuum than the atmospheric pressure. Therefore, a state close to vacuum heat insulation can be formed, and heat insulation can be improved.

熱伝導材料３０は、パラフィンである。これによれば、融点が４０℃付近であり、液相から固相への相変化による体積変化が大きく、且つ固相の状態における飽和蒸気圧が負圧である熱伝導材料３０を提供することができる。したがって、電池パック１０の放熱に適した熱スイッチ装置１を提供することができる。   The heat conductive material 30 is paraffin. According to this, it is possible to provide a heat conductive material 30 having a melting point of about 40 ° C., a large volume change due to a phase change from a liquid phase to a solid phase, and a negative saturated vapor pressure in a solid phase. Can be. Therefore, it is possible to provide the thermal switch device 1 suitable for the heat radiation of the battery pack 10.

第１壁部２１は、発熱体と熱的に接続された状態において、第２壁部２２よりも鉛直方向上方に位置する。これによれば、第１壁部２１に隣接する空洞Ｓｖを、重力によって形成することができる。したがって、熱伝導材料３０が第２壁部２２側に片寄るための構成を採用する必要がなく、簡素な構成の熱スイッチ装置１を提供することができる。   The first wall portion 21 is located vertically above the second wall portion 22 when thermally connected to the heating element. According to this, the cavity Sv adjacent to the first wall 21 can be formed by gravity. Therefore, it is not necessary to adopt a configuration in which the heat conductive material 30 is biased toward the second wall portion 22 side, and the thermal switch device 1 having a simple configuration can be provided.

密閉空間Ｓは、第２壁部２２側の横断面積が、第１壁部２１側の横断面積よりも大きい。これによれば、熱伝導材料３０が固相に相転移する際に、密閉空間Ｓの第１壁部２１の内面との間に形成される空洞Ｓｖの上下方向の厚みが大きくなる。したがって、断熱性を向上することができる。   In the closed space S, the cross-sectional area on the second wall 22 side is larger than the cross-sectional area on the first wall 21 side. According to this, when the heat conductive material 30 undergoes a phase transition to the solid phase, the vertical thickness of the cavity Sv formed between the heat conductive material 30 and the inner surface of the first wall portion 21 of the closed space S increases. Therefore, the heat insulation can be improved.

複数の壁部は、金属材料で形成されている。これによれば、第１壁部２１から液相の熱伝導材料３０へと熱が伝熱されやすくなる。さらに、液相の熱伝導材料３０から第２壁部２２へと熱が伝熱されやすくなる。したがって、伝熱性を向上することができる。   The plurality of walls are formed of a metal material. According to this, heat is easily transferred from the first wall portion 21 to the liquid phase heat conductive material 30. Further, heat is easily transferred from the liquid phase heat conductive material 30 to the second wall portion 22. Therefore, heat conductivity can be improved.

（第２実施形態）
第２実施形態では、第１実施形態における熱スイッチ装置１の変形例について説明する。図６において第１実施形態の図面中と同一符号を付した構成要素は、同様の構成要素であり、同様の作用効果を奏するものである。以下、第１実施形態と相違する内容について説明する。 (2nd Embodiment)
In the second embodiment, a modified example of the thermal switch device 1 in the first embodiment will be described. In FIG. 6, components denoted by the same reference numerals as those in the drawings of the first embodiment are the same components, and have the same functions and effects. Hereinafter, contents different from the first embodiment will be described.

容器２２０は、直方体形状の箱体として形成される。すなわち、容器２２０は、表面積が等しい矩形形状の第１壁部２２１および第２壁部２２２と、第１壁部２２１および第２壁部２２２を繋ぐ矩形形状の４つの側壁部２２３を有する。容器２２０は、上下方向に最も長い直方体形状を有する。換言すれば、容器２２０は、第１壁部２２１から第２壁部２２２までの長さが、対向する側壁部２２３から側壁部２２３までの長さよりも長い。   The container 220 is formed as a rectangular parallelepiped box. That is, the container 220 has a first wall portion 221 and a second wall portion 222 having the same surface area and a rectangular shape, and four rectangular side walls 223 connecting the first wall portion 221 and the second wall portion 222. The container 220 has the longest rectangular parallelepiped shape in the vertical direction. In other words, in the container 220, the length from the first wall portion 221 to the second wall portion 222 is longer than the length from the opposing side wall portion 223 to the side wall portion 223.

第２実施形態の熱スイッチ装置１は、容器２２０が、上下方向の長さが最も長い直方体形状であるため、第１壁部２２１の内面との間に形成される空洞Ｓｖの上下方向の長さを比較的長くすることができる。したがって、第１壁部２２１と固相の熱伝導材料３０との間隔が大きくなるため、断熱時の断熱性を向上することが可能となる。   In the thermal switch device 1 according to the second embodiment, since the container 220 has a rectangular parallelepiped shape having the longest length in the vertical direction, the vertical length of the cavity Sv formed between the container 220 and the inner surface of the first wall portion 221 is set. The length can be relatively long. Therefore, the distance between the first wall portion 221 and the solid-phase heat conductive material 30 is increased, so that the heat insulating property at the time of heat insulation can be improved.

（第３実施形態）
第３実施形態では、第１実施形態における熱スイッチ装置１の変形例について説明する。図７において第１実施形態の図面中と同一符号を付した構成要素は、同様の構成要素であり、同様の作用効果を奏するものである。以下、第１実施形態と相違する内容について説明する。 (Third embodiment)
In the third embodiment, a modified example of the thermal switch device 1 in the first embodiment will be described. In FIG. 7, the components denoted by the same reference numerals as those in the drawings of the first embodiment are the same components, and have the same functions and effects. Hereinafter, contents different from the first embodiment will be described.

容器３２０は、立方体形状の箱体として形成される。すなわち、容器３２０は、表面積が等しい正方形形状の第１壁部３２１および第２壁部３２２と、第１壁部３２１および第２壁部３２２と表面積の等しい正方形形状の４つの側壁部３２３を有する。第３実施形態の熱スイッチ装置１においても、熱伝導材料３０の相転移に伴う体積変化により、密閉空間Ｓの第１壁部３２１の内面との間に空洞Ｓｖを形成することができる。   The container 320 is formed as a cubic box. That is, the container 320 has the first wall portion 321 and the second wall portion 322 having a square shape with the same surface area, and the four side wall portions 323 having the square shape with the same surface area as the first wall portion 321 and the second wall portion 322. . Also in the thermal switch device 1 according to the third embodiment, the cavity Sv can be formed between the heat conductive material 30 and the inner surface of the first wall portion 321 of the closed space S due to the volume change accompanying the phase transition.

（他の実施形態）
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品、要素の組み合わせに限定されず、種々変形して実施することが可能である。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品、要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品、要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。 (Other embodiments)
The disclosure of this specification is not limited to the illustrated embodiments. The disclosure includes the illustrated embodiments and variations based thereon based on those skilled in the art. For example, the disclosure is not limited to the combination of the components and elements shown in the embodiment, and can be implemented with various modifications. The disclosure can be implemented in various combinations. The disclosure may have additional parts that can be added to the embodiments. The disclosure includes those in which the components and elements of the embodiments are omitted. The disclosure encompasses the replacement or combination of parts, elements between one embodiment and another. The disclosed technical scope is not limited to the description of the embodiments. Some of the disclosed technical ranges are indicated by the appended claims, and should be construed to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the appended claims. .

上述の実施形態において、熱スイッチ装置１は、電池パック１０の放熱に適用されるとしたが、熱スイッチ装置１は、放熱が必要なものであればいかなるものにも適用できる。例えば、熱スイッチ装置１は、トランスミッションオイルのオイルクーラに適用してもよい。トランスミッションオイルは、所定の温度範囲を上回ると粘度が小さくなり油膜切れを起こしやすくなり、下回ると粘度が大きくなり潤滑性が低下する。したがって、所定の温度の融点、例えば６０℃付近の融点を有する熱伝導材料３０を選択することで、熱スイッチ装置１をトランスミッションオイルのオイルクーラに適用することができる。   In the above-described embodiment, the heat switch device 1 is applied to heat radiation of the battery pack 10, but the heat switch device 1 can be applied to any device that requires heat radiation. For example, the thermal switch device 1 may be applied to an oil cooler for transmission oil. When the transmission oil exceeds a predetermined temperature range, the viscosity decreases and the oil film tends to break, and when it falls below a predetermined temperature range, the viscosity increases and lubricity decreases. Therefore, by selecting the heat conductive material 30 having a melting point at a predetermined temperature, for example, a melting point near 60 ° C., the heat switch device 1 can be applied to an oil cooler for transmission oil.

上述の実施形態において、熱スイッチ装置１は、第１壁部２１が第２壁部２２よりも鉛直方向上方に位置することで、固相の熱伝導材料が第２壁部２２側に片寄る構成とした。これに代えて、遠心力によって固相の熱伝導材料３０が第２壁部２２側に片寄る構成としてもよい。例えば、熱スイッチ装置１と発熱体を、第１壁部２１から第２壁部２２に向かう方向に遠心力が作用するように一体で回転する構成とすることで、密閉空間Ｓの第１壁部２１の内面との間に空洞Ｓｖを形成することができる。この構成によれば、無重力空間または微小重力空間で使用される発熱体であっても熱スイッチ装置１を適用することができる。   In the above-described embodiment, the thermal switch device 1 has a configuration in which the first wall portion 21 is located vertically above the second wall portion 22 so that the solid-phase heat conductive material is biased toward the second wall portion 22. And Alternatively, a configuration may be adopted in which the heat conductive material 30 in the solid phase is biased toward the second wall 22 by centrifugal force. For example, the heat switch device 1 and the heating element are integrally rotated so that a centrifugal force acts in a direction from the first wall portion 21 to the second wall portion 22, so that the first wall of the closed space S is formed. A cavity Sv can be formed between the cavity 21 and the inner surface of the portion 21. According to this configuration, the heat switch device 1 can be applied to a heating element used in a weightless space or a microgravity space.

上述の実施形態において、複数の壁部は金属材料によって形成されているとしたが、金属材料以外の材料によって形成されていてもよい。例えば、樹脂材料によって形成されていてもよい。なお、複数の壁部が樹脂材料によって形成されている場合、第１壁部２１と発熱体とは溶着によって熱的に接続されていてもよい。また、複数の壁部のうち、第１壁部２１および第２壁部２２を熱伝導率が比較的高い材料で形成し、側壁部２３を熱伝導率が比較的低い材料で形成してもよい。この構成では、放熱状態での熱伝導材料３０における熱伝導が促進するので、ヒートシンク４０への熱移動の効率を向上し、断熱状態での断熱性を向上することができる。   In the above embodiment, the plurality of wall portions are formed of a metal material, but may be formed of a material other than a metal material. For example, it may be formed of a resin material. When the plurality of walls are formed of a resin material, the first wall 21 and the heating element may be thermally connected by welding. Further, among the plurality of walls, the first wall 21 and the second wall 22 may be formed of a material having a relatively high thermal conductivity, and the side wall 23 may be formed of a material having a relatively low thermal conductivity. Good. In this configuration, heat conduction in the heat conductive material 30 in the heat radiation state is promoted, so that the efficiency of heat transfer to the heat sink 40 can be improved, and the heat insulation in the heat insulation state can be improved.

第１実施形態において、容器２０は錐台形状の箱体であるとしたが、第２壁部２２側の横断面積が第１壁部２１側の横断面積よりも大きい形状であれば、錐台形状以外の形状の箱体として形成された構成でもよい。例えば、第１壁部２１を上底面とした柱体と第２壁部を下底面とした柱体とが接続された形状であってもよい。または、断面が湾曲した側壁部を有する箱体であってもよい。   In the first embodiment, the container 20 is a frustum-shaped box. However, if the cross-sectional area on the second wall 22 side is larger than the cross-sectional area on the first wall 21 side, the frustum is It may be configured as a box having a shape other than the shape. For example, a shape in which a column having the first wall portion 21 as the upper bottom surface and a column member having the second wall portion as the lower bottom surface may be connected. Alternatively, a box body having a side wall portion having a curved cross section may be used.

１…熱スイッチ装置
１０…電池パック（発熱体）
２０、２２０、３２０…容器
２１、２２１、３２１…第１壁部
２２、２２２、３２２…第２壁部
３０…熱伝導材料
Ｓ…密閉空間
Ｓｖ…空洞 1. Thermal switch device 10. Battery pack (heating element)
20, 220, 320: container 21, 221, 321: first wall 22, 22, 322, second wall 30: heat conductive material S: closed space Sv: cavity

Claims (6)

発熱体（１０）と熱的に接続されている第１壁部（２１、２２１、３２１）および前記第１壁部に対向する第２壁部（２２、２２２、３２２）を含む複数の壁部と、前記複数の壁部によって囲まれる密閉空間（Ｓ）と、を有する容器（２０、２２０、３２０）と、
前記密閉空間に収容され、温度変化によって液相状態と固相状態との間で相転移可能であり、前記相転移によって体積変化する熱伝導材料であって、前記液相状態において前記密閉空間を充填し、前記固相状態において前記密閉空間の前記第１壁部の内面との間に空洞（Ｓｖ）を形成するように体積変化する熱伝導材料（３０）と、
を備え、
前記密閉空間の前記第２壁部側の横断面積は、前記第２壁部に対して鉛直上方に位置する前記第１壁部側の横断面積よりも大きい熱スイッチ装置。 A plurality of wall portions including a first wall portion (21, 221 and 321) thermally connected to the heating element (10) and a second wall portion (22, 222 and 322) opposed to the first wall portion. A container (20, 220, 320) having a closed space (S) surrounded by the plurality of walls;
A heat conductive material accommodated in the closed space, capable of undergoing a phase transition between a liquid phase state and a solid state state by a temperature change, and changing in volume by the phase transition, wherein the closed space in the liquid phase state A thermally conductive material (30) that fills and changes volume in the solid state to form a cavity (Sv) with the inner surface of the first wall of the enclosed space;
Equipped with a,
The thermal switch device , wherein a cross-sectional area of the closed space on the second wall portion side is larger than a cross-sectional area of the first wall portion located vertically above the second wall portion . 前記熱伝導材料は、前記固相状態の飽和蒸気圧が負圧となる材料である請求項１に記載の熱スイッチ装置。   The heat switch device according to claim 1, wherein the heat conductive material is a material whose saturated vapor pressure in the solid state becomes a negative pressure. 前記熱伝導材料は、パラフィンまたはパラフィンを含む混合物である請求項１または請求項２に記載の熱スイッチ装置。   The heat switch device according to claim 1, wherein the heat conductive material is paraffin or a mixture containing paraffin. 前記複数の壁部は金属材料で形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱スイッチ装置。 The thermal switch device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the plurality of walls are formed of a metal material. 前記複数の壁部は樹脂材料で形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱スイッチ装置。 The thermal switch device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the plurality of wall portions are formed of a resin material. 前記第１壁部は、電池と熱的に接続されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の熱スイッチ装置。 The thermal switch device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the first wall portion is thermally connected to a battery.
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