JP6668713B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

Description

本明細書に開示された技術は、蓄電モジュールを冷却する技術に関する。

従来、蓄電モジュールを冷却する技術が知られている。この技術の一例であるヒートパイプとして特許文献１に記載のものが知られている。このヒートパイプは、金属材料で作られたパイプの内部に伝熱流体が液密に封入されている。

特開平１１−２３１６９号公報

上記の構成によると、伝熱流体を封入するために、パイプには強度が必要とされていた。なぜならば、伝熱流体が発熱体から熱を受けて蒸発すると、伝熱流体の体積が増大し、パイプ内の圧力が高まるからである。パイプ内に伝熱流体を液密に封入し、且つ、比較的に強度の高いパイプを用いることは、製造コストの増大を招いていた。

上記の問題を解決する仮想的な技術として、シート部材が液密に接合された封入体と、前記封入体内に封入された冷媒と、前記封入体内に配されると共に前記冷媒を吸収する吸収部材と、を備える冷却部材が、考えられた。

しかし、上記の仮想的な技術によると、冷媒が蒸発すると封入体内の圧力が上昇して、シート部材が膨張する。すると、膨張したシート部材の内部に、液化した冷媒が溜まることが懸念される。シート部材の内部に溜まった冷媒は、冷却に関与しなくなるので、冷却部材の冷却性能が低下することが懸念された。

本明細書に開示された技術は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、冷却部材の冷却性能を向上させることを目的とする。

本明細書に開示された技術は、蓄電素子と、前記蓄電素子に伝熱的に接触する冷却部材と、を備えた蓄電モジュールであって、前記冷却部材は、シート部材が液密に接合された封入体の内部に、冷媒と、前記冷媒を収取する吸収部材と、が配されており、前記冷却部材は、前記蓄電素子と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面に対して０．５°以上１．５°以下の角度で傾いた姿勢で配されており、前記冷却部材のうち前記蓄電素子と接触していない領域においては、前記封入体は、前記冷媒が気化することによって膨張した状態になり、気化した前記冷媒は、前記封入体が膨張した部分において液化して下方に流下するようになっており、前記吸収部材は、前記封入体と前記蓄電素子とが接触している領域よりも広い領域に配されている。

上記の構成によれば、蓄電素子で発生した熱が冷却部材に伝達され、更に、冷却部材内に封入された冷媒にまで伝達されると、冷媒が気化する。このとき、蓄電素子から気化熱が奪われることにより、蓄電素子が冷却される。
また、冷却部材の内部で液化した冷媒は、冷却部材の内部を確実に流下して、冷却部材と蓄電素子とが伝熱的に接触した部分へと移動する。これにより、冷却部材の冷却性能を確実に向上させることができる。

冷却部材は、蓄電素子と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面に対して傾いた姿勢で配されているので、気体となった冷媒は、蓄電素子と伝熱的に接触した部分から上方へと移動し、冷却部材のうち上側に位置する部分において、蒸気となった冷媒が冷却されて液体に戻る。

冷却部材は、蓄電素子と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面に対して傾いた姿勢で配されているので、液体となった冷媒は、封入体の内部を下方へと流下し、冷却部材と蓄電素子とが伝熱的に接触した部分へと移動する。これにより、冷却に寄与しない冷媒が発生することが抑制されるので、冷却部材の冷却性能を向上させることができる。

本明細書に開示された技術の実施態様としては以下の態様が好ましい。

前記冷却部材と、前記蓄電素子とは、ケース内に収容されており、前記ケースが、前記冷却部材と前記蓄電素子と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面に対して傾いた姿勢で配されていることが好ましい。

上記の構成によれば、蓄電モジュールの冷却性能を向上させることができる。

本明細書に開示された技術によれば、冷却部材の冷却性能を向上させることができる。

実施形態１に係る蓄電モジュールを示す、図２におけるＩ―Ｉ線断面図 蓄電素子と冷却部材とを示す平面図 冷却部材を示す分解斜視図 封入体が膨張した状態を示す蓄電モジュールの断面図 実験例１における、温度と、加熱経過時間との関係を示すグラフ 実験例２における、温度と、加熱経過時間との関係を示すグラフ 実験例３における、温度と、加熱経過時間との関係を示すグラフ 仮想的な技術に係る蓄電モジュールを示す断面図

＜実施形態１＞
本明細書に開示された技術の実施形態１を、図１ないし図７を参照しつつ説明する。本実施形態に係る蓄電モジュール１０は、ケース１１と、ケース１１の内部に収容された蓄電素子１２と、ケース１１の内部に収容されると共に蓄電素子１２の外面の一部に接触する冷却部材１３と、を備える。以下の説明においては、Ｘ方向を右方とし、Ｙ方向を前方とし、Ｚ方向を上方として説明する。また、同一形状をなす複数の部材については、一部の部材について符号を付し、他の部材については符号を省略することがある。

（ケース１１）
図１に示すように、ケース１１は、全体として略直方体形状をなしている。ケース１１は、右方に開口すると共に右方から見て略長方形状をなす第１ケース１４と、第１ケース１４の右側に取り付けられるものであって、断面形状が略長方形状をなすと共に左方に開口する箱状の第２ケース１５と、を備える。第２ケース１５の左端縁は、第１ケース１４の右端縁の形状に倣った形状を有している。

第１ケース１４、及び第２ケース１５は、それぞれ、合成樹脂、金属等、任意の材料により形成することができる。第１ケース１４、及び第２ケース１５は、それぞれ異なる材料で形成されてもよく、また、同一の材料で形成される構成としてもよい。

第１ケース１４と第２ケース１５とは、ロック部材と被ロック部材との係合構造、ねじ止め構造、接着材による接着等、公知の手法によって互いに組み付けることができる。また、第１ケース１４、及び第２ケース１５が金属からなる場合には、レーザー溶接、ロウ付け等の公知の手法により接合することができる。本実施形態においては、第１ケース１４、及び第２ケース１５は、互いに液密でない状態で組み付けられている。なお、第１ケース１４、及び第２ケース１５は、互いに液密に組み付けられていてもよい。

ケース１１の左端部寄りの位置には、上下両方向に突出する一対の電力端子１７が配されている。電力端子１７は金属板材からなる。

（蓄電素子１２）
蓄電素子１２は、一対の電池用ラミネートシート２３の間に図示しない蓄電要素を挟んで、電池用ラミネートシート２３の側縁を、熱溶着等の公知の手法により液密に接合してなる。図２に示すように、蓄電素子１２の左端縁からは、金属箔状をなす正極端子２４と、負極端子２５とが、電池用ラミネートシート２３の内面と液密状態で、電池用ラミネートシート２３の内側から外側へと突出している。正極端子２４と負極端子２５とは前後方向に間隔を開けて並んで配されている。正極端子２４及び負極端子２５は、それぞれ、蓄電要素と電気的に接続されている。

図１に示すように、蓄電素子１２は、上下方向に複数（本実施形態では６つ）並べて配されている。上下方向に隣り合う蓄電素子１２は、一の正極端子２４の隣に他の負極端子２５が位置し、また、一の負極端子２５の隣に他の正極端子２４が位置するように配されている。隣り合って位置する正極端子２４と負極端子２５とは、互いに近づく方向に折り曲げられ、正極端子２４と負極端子２５とが左右方向に重ねられた状態でレーザー溶接、超音波用溶接、ロウ付け等の公知の手法により電気的に接続されている。これにより、複数の蓄電素子１２は直列に接続されている。

本実施形態においては、蓄電素子１２として、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池を用いてもよく、また、蓄電素子１２としては、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタを用いてもよい。このように蓄電素子１２としては、必要に応じて任意の蓄電素子１２を適宜に選択できる。

（冷却部材１３）
冷却部材１３は、液密に形成された封入体２６の内部に冷媒２７が封入されてなる。封入体２６内に封入される冷媒２７の量は、必要に応じて適宜に選択できる。本実施形態においては、冷媒２７は、後述する吸収部材３７に吸収されているため、明確には図示されていない。冷媒２７は、例えば、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロケトン、フッ素不活性液体、水、メタノール、エタノール等のアルコールからなる群から選ばれる１つ、又は複数を用いることができる。冷媒２７は、絶縁性を有していてもよく、また、導電性を有していてもよい。冷却部材１３の左右方向の長さ寸法は、蓄電素子１２の左右方向の長さ寸法よりも大きく設定されている。

（封入体２６）
図３に示すように、封入体２６は、略長方形状をなす第１シート部材２８と、第２シート部材２９とを、接着、溶着、溶接等の公知の手法により液密に接合してなる。

第１シート部材２８と、第２シート部材２９は、金属製シートの両面に合成樹脂製のフィルムが積層されてなる。金属製シートを構成する金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等、必要に応じて任意の金属を適宜に選択できる。合成樹脂製のフィルムを構成する合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロン６、ナイロン６，６等のポリアミド等、必要に応じて任意の合成樹脂を適宜に選択できる。

本実施形態に係る封入体２６は、第１シート部材２８のうち合成樹脂製のフィルムが積層された面と、第２シート部材２９のうち合成樹脂製のフィルムが積層された面とを重ね合わせて熱融着されてなる。

封入体２６の外面は、蓄電素子１２と伝熱的に接触する接触部３０が形成されている。

（吸収部材３７）
封入体２６の内部には、吸収部材３７が配されている。吸収部材３７は略長方形のシート状をなしている。

吸収部材３７は、冷媒２７を吸収可能な材料により形成されている。吸収部材３７は、冷媒２７を吸収可能な材料を繊維状に加工したものを織物としたものであってもよく、また、不織布としたものであってもよい。不織布の形態としては、繊維シート、ウェブ（繊維だけで構成された薄い膜状のシート）、又はバット（毛布状の繊維）であってもよい。吸収部材３７を構成する材料としては、天然繊維でもよく、また、合成樹脂からなる合成繊維であってもよく、また、天然繊維と合成繊維の双方を用いたものであってもよい。

吸収部材３７を構成する材料としては、鉛直方向に配した吸収部材３７の下端を冷媒２７内に浸漬した後、６０秒後における、冷媒２７が吸収部材３７を上方に移動した際の、冷媒２７の上端位置と、冷媒２７の液面と、の間の高さ寸法が５ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、冷媒２７の吸収性を向上させることができるので、冷却部材１３の冷却性能を向上させることができる。

吸収部材３７は、封入体２６内に配された状態で、封入体２６の接触部３０と比べて、同等又は広い領域に配されている。本実施形態においては、吸収部材３７は、封入体２６内において、接触部３０よりもやや広い領域に配されている。

ケース１１は、右端部を上側に向け、左端部を下側に向けて、水平面Ｈに対して傾いた姿勢で配されている。これにより、ケース１１内において、蓄電素子１２と、冷却部材１３も、右端部を上側に向け、左端部を下側に向けて、水平面Ｈに対して傾いた姿勢で配されている。換言すると、冷却部材１３の封入体２６の外面が水平面Ｈに対して傾いている。

蓄電素子１２と、冷却部材１３とが伝熱的に接触する接触部３０は、冷却部材１３において、相対的に下側に位置するようになっている。

冷却部材１３の下面が水平面Ｈとなす角度αは、０°よりも大きい。この角度αは、０．５°以上であれば、冷却部材１３の冷却性能を確実に向上させることができるので好ましい。これは、角度αが０．５°以上であることにより、冷却部材１３の内部で液化した冷媒２７は、冷却部材１３の内部を確実に流下して、冷却部材１３と蓄電素子１２とが伝熱的に接触した部分へと移動することができるからである。

また、ケース１１の下壁が水平面Ｈとなす角度θは、０°よりも大きい。この角度θは、０．５°以上であれば、冷却部材１３の冷却性能を確実に向上させることができるので好ましい。これは、角度θが０．５°以上であることにより、冷却部材１３の内部で液化した冷媒２７は、冷却部材１３の内部を確実に流下して、冷却部材１３と蓄電素子１２とが伝熱的に接触した部分へと移動することができるからである。

冷却部材１３の下面が水平面Ｈとなす角度αと、ケース１１の下壁が水平面Ｈとなす角度θは、同じであってもよいし、また、異なっていてもよい。

（実施形態の作用、効果）
本実施形態の作用、効果を説明する前に、図８を用いて、仮想的な技術に係る問題について説明する。なお、図８に表された部材に付された符号は、特に言及しない限り、実施形態に表された部材に付された符号と同じものと用いた。図８に示すように、蓄電モジュール１０のケース１１を水平に配置した場合、以下のような問題が生じる。

蓄電素子１２で発生した熱が冷却部材１３に伝達され、更に、冷却部材１３の内部に封入された冷媒２７に伝達されると、冷媒２７が蒸発して気体になる。すると、封入体２６の内部の圧力が増大する。すると、第１シート部材２８及び第２シート部材２９が変形することにより、封入体２６の内容積が増大する。特に、冷却部材１３のうち、蓄電素子１２に挟まれていない領域においては、封入体２６が膨張した状態になる。

気化した冷媒２７は、封入体２６が膨張した部分において液化して下方に流下する。すると、封入体２６が膨張した部分の下方に、液化した冷媒２７が溜まる。この冷媒２７は、蓄電素子１２と冷却部材１３とが伝熱的に接触する接触部３０に戻ることはできないので、蓄電素子１２の冷却に関与することができなくなる。このような冷媒２７が各冷却部材１３において発生すると、冷却部材１３の冷却効率が低下するという問題が生じる。

上記の問題に鑑み、本明細書に開示された技術に係る蓄電モジュール１０は、以下の構成を有する。すなわち、蓄電素子１２と、蓄電素子１２に伝熱的に接触する冷却部材１３と、を備えた蓄電モジュール１０であって、冷却部材１３は、第１シート部材２８と第２シート部材２９とが液密に接合された封入体２６の内部に、冷媒２７と２７、冷媒２７を収取する吸収部材３７と、が配されており、冷却部材１３は、蓄電素子１２と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面Ｈに対して傾いた姿勢で配されている。

上記の構成によれば、蓄電素子１２で発生した熱が冷却部材１３に伝達され、更に、冷却部材１３内に封入された冷媒２７にまで伝達されると、冷媒２７が気化する。このとき、蓄電素子１２から気化熱が奪われることにより、蓄電素子１２が冷却される。

図４に示すように、冷却部材１３は、蓄電素子１２と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面Ｈに対して傾いた姿勢で配されているので、気体となった冷媒２７は、蓄電素子１２と伝熱的に接触した部分から上方へと移動し、冷却部材１３のうち上側に位置する部分において、蒸気となった冷媒２７が冷却されて液体に戻る。

冷却部材１３は、蓄電素子１２と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面Ｈに対して傾いた姿勢で配されているので、液体となった冷媒２７は、封入体２６の内部を下方へと流下し、冷却部材１３と蓄電素子１２とが伝熱的に接触した部分へと移動する。これにより、冷却に寄与しない冷媒２７が発生することが抑制されるので、冷却部材１３の冷却性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、冷却部材１３と、蓄電素子１２とは、ケース１１内に収容されており、ケース１１が、冷却部材１３と蓄電素子１２と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面Ｈに対して傾いた姿勢で配されている。上記の構成によれば、蓄電モジュール１０の冷却性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、冷却部材１３は、水平面Ｈに対して、０．５°以上の角度で傾いている。

上記の構成によれば、冷却部材１３の内部で液化した冷媒２７は、冷却部材１３の内部を確実に流下して、冷却部材１３と蓄電素子１２とが伝熱的に接触した部分へと移動する。これにより、冷却部材１３の冷却性能を確実に向上させることができる。

＜実験例＞
続いて、図５〜図７を参照しつつ、本明細書に開示された技術の効果を示す実験例１〜３について説明する。実験例１〜３に使用した冷却部材は以下のように作成した。ポリエチレン製のシート部材を１２０ｍｍ×１７０ｍｍの大きさに切断した。このシート部材を２枚重ねて、その間に、冷媒１０ｍｌと、１１８ｍｍ×１５０ｍｍの大きさに切断した不織布と、を挟んだ。その後、２枚のシート部材の側縁を溶着することにより液密に密封した。冷媒は、スリーエムジャパン株式会社製Ｎｏｖｅｃ６４９（以下、冷媒という）（登録商標）を用いた。

１０ｃｍ×１０ｃｍの電気ヒータを冷却部材の片面に押圧した。ヒータは、冷却部材に対して、０．２Ｐａ（圧力を特定できる場合はご記入をお願いいたします。）の圧力で加圧した。ヒータには、１２Ｗの熱量を加えた。温度センサは、ヒータと冷却部材との間に配置した。測定した温度は、ヒータと冷却部材との間の領域における、ヒータの表面の温度を示すものである。ヒータを加熱し始めてから３０分間、温度を測定した。

実験例１においては、冷却部材は水平配置した。すなわち、水平面に対する冷却部材のなす角度αは０°である。図５は、実験例１に係る、加熱時間に対するヒータの温度変化を示すグラフである。実線は、冷却部材の下面に配されたヒータの温度であり、点線は、冷却部材の上面に配されたヒータの温度である。加熱後、約７分間は、ヒータ温度は単調に上昇した。ヒータ温度は、オーバーシュートした後、一旦、下降した。その後、ヒータ温度は加熱後、約８分経過後から再び緩やかに上昇し、加熱後、約２７分経過後には、５５°を超えた。

実験例２においては、冷却部材を、水平面に対する角度αが０．５°となるように配した。図６は、実験例２に係る、加熱時間に対するヒータの温度変化を示すグラフである。加熱後、約７分間は、ヒータ温度は単調に上昇した。ヒータ温度は、オーバーシュートした後、僅かに下降した。その後、ヒータ温度は再び緩やかに上昇したが、加熱後、３０分経過したときであっても、その温度は約５３°であった。

実験例３においては、冷却部材を、水平面に対する角度αが１．５°となるように配した。図７は、実験例３に係る、加熱時間に対するヒータの温度変化を示すグラフである。加熱後、約５分間は、ヒータ温度は単調に上昇した。ヒータ温度は、オーバーシュートした後、僅かに下降した。その後、ヒータ温度は再び緩やかに上昇したが、加熱後、３０分経過したときであっても、その温度は約５４°であった。

このように、水平面に対する冷却部材の角度αが０°である実験例１では、加熱開始後３０分におけるヒータ温度が５５°を超えたのに対し、水平面に対する冷却部材の角度θが０°よりも大きな実験例２及び３では、加熱開始後３０分におけるヒータ温度が５５°よりも低かった。

このように、冷却部材を、水平面に対して傾けた姿勢で配置することにより、熱源の冷却に関与しない冷媒が発生することを抑制することができるので、冷却部材の冷却性能を向上させることができる。

＜他の実施形態＞
本明細書に開示された技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本明細書に開示された技術の技術的範囲に含まれる。

（１）実施形態１に係る冷却部材１３においては、第１シート部材２８、及び第２シート部材２９は金属製シートの両面に合成樹脂が積層されたラミネートフィルムとされる構成とされたが、これに限られず、第１シート部材、及び第２シート部材は金属製シートの一方の面に合成樹脂が積層された構成とされてもよく、また、第１シート部材、及び第２シート部材は、金属製シートからなる構成としてもよい。この場合、第１シート部材、及び第２シート部材は、接着、溶接、ロウ接等により液密に接合される構成とすることができる。また、第１シート部材、及び第２シート部材は、合成樹脂製のシートからなる構成としてもよい。合成樹脂製のシートを構成する合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロン６、ナイロン６，６等のポリアミド等、必要に応じて任意の合成樹脂を適宜に選択できる。

（２）本実施形態においては、封入体２６内には１つの吸収部材３７が配される構成としたが、これに限られず、封入体２６内には、２つ以上の吸収部材３７が配される構成としてもよい。

（３）本実施形態においては、封入体２６は、第１シート部材２８と、第２シート部材２９とを接合することにより形成したが、これに限られず、封入体２６は、１つのシート部材を折り曲げた状態で端縁を液密に接合して形成する構成としてもよく、また、３つ以上のシート部材を液密に接合して形成する構成としてもよい。

１０：蓄電モジュール
１１：ケース
１２：蓄電素子
１３：冷却部材
２６：封入体
２７：冷媒
２８：第１シート部材
２９：第２シート部材
３７：吸収部材
Ｈ：水平面
α：冷却部材と水平面とのなす角度
β：ケースと水平面とのなす角度

Claims (2)

1. 蓄電素子と、
   前記蓄電素子に伝熱的に接触する冷却部材と、を備えた蓄電モジュールであって、
   前記冷却部材は、シート部材が液密に接合された封入体の内部に、冷媒と、前記冷媒を収取する吸収部材と、が配されており、
   前記冷却部材は、前記蓄電素子と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面に対して０．５°以上１．５°以下の角度で傾いた姿勢で配されており、
   前記冷却部材のうち前記蓄電素子と接触していない領域においては、前記封入体は、前記冷媒が気化することによって膨張した状態になり、
   気化した前記冷媒は、前記封入体が膨張した部分において液化して下方に流下するようになっており、
   前記吸収部材は、前記封入体と前記蓄電素子とが接触している領域よりも広い領域に配されている、蓄電モジュール。
2. 前記冷却部材と、前記蓄電素子とは、ケース内に収容されており、
   前記ケースが、前記冷却部材と前記蓄電素子と伝熱的に接触した部分を下側にして、水平面に対して傾いた姿勢で配されている、請求項１に記載の蓄電モジュール。

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