JP6876069B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電体を冷却する冷却部材を備える蓄電装置に関する。
従来、並べて配置される蓄電体を冷却部材によって冷却する蓄電装置が知られている。この種の蓄電装置を開示するものとして例えば特許文献１や特許文献２がある。特許文献１には、流入ダクト及び流出ダクトを有し、かつ熱搬送媒体の流れが横断する平坦な熱交換部を有するバッテリの熱交換装置について記載されている。特許文献２には、複数の電池モジュールを互いに冷却用のプレートを挟んで成した組電池において、プレートと電池モジュールとの間に設けられる熱伝導性を有する絶縁シートと、プレート内に設けられ少なくとも冷媒圧縮機を有する冷媒回路を循環する冷媒が流れる冷媒流路とを備える組電池について記載されている。
特表２０１６−５０６０３０号公報 特開２０１１−４９１３７号公報
ところで、蓄電体は充放電によって膨張する等して体積が変化する場合がある。蓄電体が膨張して体積が大きくなると冷却部材内部の冷却流体の流路を潰して冷却性能を低下させてしまうおそれがあった。この点、特許文献１や特許文献２に記載される構成においても、充放電に起因する蓄電体の体積の膨張が考慮されておらず、膨張によって冷却性能の低下が生じる可能性があった。
本発明は、複数の蓄電体と冷却部材を交互に配置する蓄電装置において、蓄電体の膨張に起因する冷却性能の低下を確実に防止できる構成を提供することを目的とする。
本発明は、並べて配置される複数の蓄電体（例えば、後述の蓄電体２１）を冷却部材（例えば、後述の冷却部材３５）によって冷却する蓄電装置（例えば、後述の蓄電装置１）であって、前記冷却部材は、前記蓄電体と交互に配置され、その内部に冷却流体が流れる平板部（例えば、後述のウォータジャケット４０）と、前記蓄電体と前記平板部の間に配置され、弾性変形可能な伝熱シート（例えば、後述の熱伝導シート３０）と、を備え、前記平板部の内部には、前記平板部における冷却流体の入口に連通する入口側空隙部（例えば、後述の流体分配部７０）と、前記平板部における冷却流体の出口に連通する出口側空隙部（例えば、後述の流体回収部７２）と、前記入口側空隙部と前記出口側空隙部の間で前記平板部の厚み方向に立設する仕切り部材（例えば、後述のフィン８０）によって仕切られた流体通路（例えば、後述の流体通路７１）により、前記入口側空隙部と前記出口側空隙部を接続する熱交換部（例えば、後述の熱交換部６７）と、が形成され、前記伝熱シートは、前記平板部の表面における前記熱交換部に対応する範囲であって前記入口側空隙部及び前記出口側空隙部に重ならない範囲に配置される蓄電装置に関する。
これにより、充放電によって蓄電体が膨張した場合でも、熱交換部の範囲に固定された伝熱シートの弾性変形によってその変位量を吸収することができる。蓄電体の体積の変位量が大きい場合でも、熱交換部は厚み方向に立設する仕切り部材によって剛性が高くなっているので、蓄電体の押圧力によって流体通路が潰れることもない。また、入口側空隙部及び出口側空隙部に対応する範囲には伝熱シートがない構成となっているので、蓄電体の膨張スペースが確保され、入口側空隙部及び出口側空隙部が伝熱シートを介して蓄電体に押圧されることもない。このように、蓄電体の膨張が生じても平板部の冷却流体が流れる流路が保護される構成となっている。更に、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電体においては一般的に、内部の発熱エレメントが外周部にないため、ウォータジャケット（平板部）の全面に伝熱シートを配置するよりも、効率的に冷却することができる。
前記熱交換部では、前記平板部の内側面に前記冷却流体の流れる方向に沿って延びる切れ込み部が前記仕切り部材として前記冷却流体の流れる方向に直交する方向に複数形成され、当該切れ込み部が前記内側面に対して起立した構造であることが好ましい。
これにより、内側面から起立する複数の切り込み部によって平板部が内側から支持されるので、押圧力に対する剛性を効果的に向上させることができ、熱交換部を形成する流体通路をより確実に保護できる。
前記蓄電体の両側に配置される前記平板部のそれぞれの入口を接続する入口側接続部材（例えば、後述のイン側接続管６０ａ及びイン側ジョイント部６１ａ）と、前記蓄電体の両側に配置される前記平板部のそれぞれの出口を接続する出口側接続部材（例えば、後述のアウト側接続管６０ｂ及びアウト側ジョイント部６１ｂ）を更に備えることが好ましい。
これにより、各平板部への冷却流体の供給及び回収をシンプルな構成で実現することができる。
本発明の蓄電装置によれば、蓄電体の膨張に起因する冷却性能の低下を確実に防止できる。
本発明の一実施形態に係る蓄電装置を示す斜視図である。 本実施形態の蓄電装置の分解斜視図である。 本実施形態の電路体の分解斜視図である。 本実施形態のＬｉＣ／ＷＪスタックを構成するウォータジャケットに挟み込まれた蓄電体の斜視図である。 本実施形態のＬｉＣ／ＷＪスタックを構成する各部材の一部を示す分解斜視図である。 本実施形態のウォータジャケットの分解斜視図である。 本実施形態のウォータジャケットのフィンを示す拡大斜視図である。 本実施形態のウォータジャケット内部の冷却流体の流れを模式的に示す斜視図である。 本実施形態のＬｉＣ／ＷＪスタックの冷却流体の流れを模式的に示す斜視図である。 変形例のＬｉＣ／ＷＪスタックの冷却流体の流れを模式的に示す斜視図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置１を示す斜視図である。図２は、本実施形態の蓄電装置１の分解斜視図である。なお、以下の説明で便宜的に上下方向及び左右方向を示して説明するが、本実施形態の蓄電装置１の向きが後述する上下左右の向きに限定されるわけではない。
図１及び図２に示すように、本実施形態の蓄電装置１は、筐体１０と、ＬｉＣ／ＷＪスタック２０と、電路体１２と、制御基板１３と、冷却部材３５と、を主要な構成として備える。
筐体１０は、その内側にＬｉＣ／ＷＪスタック２０を収容可能に構成される。ＬｉＣ／ＷＪスタック２０の上方には電路体１２が配置される。電路体１２の上方には、制御基板１３が配置される。
図３は、本実施形態の電路体１２の分解斜視図である。図３に示すように、電路体１２は、電路１５と、電路１５の上方に配置される基板支持体１６と、電路１５の下方に配置される逆Ｔ字状のインシュレータ１７と、を備える。
ＬｉＣ／ＷＪスタック２０は、所定方向に並列配置される複数の蓄電体２１からなるＬｉＣ（リチウムイオンキャパシタ）の積層体である。蓄電体２１は、その形状が横長の直方体形状（平板状）となっており、その平面部分が蓄電体２１の配置される方向を向いている。以下の説明において、蓄電体２１が配置される方向をスタック方向として説明することがある。スタック方向に配置される複数の蓄電体２１は、冷却部材３５によって冷却される。
図４は、本実施形態のＬｉＣ／ＷＪスタック２０を構成するウォータジャケット４０に挟み込まれた蓄電体２１の斜視図である。図５は、本実施形態のＬｉＣ／ＷＪスタック２０を構成する各部材の一部を示す分解斜視図である。
図４及び図５に示すように、本実施形態の冷却部材３５は、平板状のウォータジャケット（平板部）４０と熱伝導シート（伝熱シート）３０と、を備える。冷却部材３５を含めたＬｉＣ／ＷＪスタック２０を構成する各部材は、ウォータジャケット４０、熱伝導シート３０、蓄電体２１、熱伝導シート３０、ウォータジャケット４０・・・の順で繰り返し配置されている。
熱伝導シート３０は、蓄電体２１のスタック方向の両側にそれぞれ配置されており、蓄電体２１の熱は熱伝導シート３０を介してウォータジャケット４０に伝達される。
熱伝導シート３０は、熱伝導性を有する材料、例えば、シリコーンにより構成される。熱伝導シート３０は、厚みを有しており、その厚み方向で弾性変形可能に構成される。本実施形態の熱伝導シート３０は、ウォータジャケット４０の表面である熱交換面４１０に配置される。熱交換面４１０は、後述するウォータジャケット４０内部の後述する熱交換部６７の範囲に対応する範囲である。
ウォータジャケット４０について説明する。図６は、本実施形態のウォータジャケット４０の分解斜視図である。図７は、本実施形態のウォータジャケット４０のフィン８０を示す拡大斜視図であり、図６の領域Ａを拡大したものである。
本実施形態のウォータジャケット４０は、本体部４１と本体部４１の上部両端にそれぞれ配置される延長部４２と、を備える。
図６に示すように、ウォータジャケット４０の本体部４１は、第１板状部材４１１と第２板状部材４１２の２枚の板状部材がスタック方向で重なって構成される。第１板状部材４１１は、その上部左右両側のそれぞれに配置され、上方に延び出る第１延長片４２１を有する。また、第２板状部材４１２は、その上部左右両側のそれぞれに配置され、上方に延び出る第２延長片４２２を有する。
第１板状部材４１１と第２板状部材４１２は、銀ろう枠部材６５を介してスタック方向で結合される。銀ろう枠部材６５は、第１板状部材４１１及び第２板状部材４１２の外形に応じた枠状に形成されており、後述する熱交換部６７が内側に収まっている。
延長部４２のスタック方向の一側にはジョイント部６１が配置され、他側には接続管６０が配置される。本実施形態のジョイント部６１及び接続管６０は、いずれも筒状部材であり、内側の空間が互いに連通する一体的な部材となっている。また、ジョイント部６１は、スタック方向で隣り合うウォータジャケット４０の接続管６０の内側に嵌合可能に構成されている。
ジョイント部６１には、その内側の空間とウォータジャケット４０の内部を接続する開口部６８が形成される。開口部６８は、ジョイント部６１が隣りの接続管６０に嵌合している状態でジョイント部６１の内側とウォータジャケット４０の内部とを連通可能な位置、形状に形成される。
第１延長片４２１には第１貫通孔４３１が形成されるとともに第２延長片４２２には第２貫通孔４３２が形成される。ジョイント部６１は、第１貫通孔４３１及び第２貫通孔４３２を貫通した状態で固定される。本実施形態では、第１延長片４２１における第２延長片４２２と対面する側と反対側の面には筒状部４４１が形成されており、この筒状部４４１からの内側から先端が突出した状態でジョイント部６１が固定される。そして、延長部４２の筒状部４４１から突出するジョイント部６１がＯリング５３を介して隣り合うウォータジャケット４０の接続管６０に結合される。ジョイント部６１の反対側に位置する接続管６０は、ジョイント部６１が第１貫通孔４３１及び第２貫通孔４３２を貫通した状態では、第２延長片４２２側に位置する。接続管６０と第２板状部材４１２の間には、第１銀ろうリング５１及び第２銀ろうリング５２が配置される。
なお、本実施例では、第１・２延長片４２１・４２２より筒状部４４１を一体的に設けているが、個別の環状部材を設けて、接続管６０を固定してもよい。
また、本実施例では、接続管６０の開口部６８を短径断面に切り込む形状としているが、接続管６０の法線方向に複数の穴を設けるようにしてもよい。
ウォータジャケット４０の各部に配置される銀ろう（銀ろう枠部材６５、第１銀ろうリング５１、第２銀ろうリング５２）は、溶接に用いられ、第１板状部材４１１と第２板状部材４１２の接合固定や接続管６０及びジョイント部６１の接合固定に用いられる。スタック方向に並ぶウォータジャケット４０は、接続管６０及びジョイント部６１を通じて冷却流体が循環する。
次に、ウォータジャケット４０内部の冷却流体の流れについて説明する。第２板状部材４１２の第１板状部材４１１と対面する面には熱交換面４１０の位置に対応した冷却流体の流体通路７１が形成される。図７に示すように、流体通路７１は、左右方向に延びる複数のフィン（仕切り部材、切れ込み部）８０によって構成されており、この流体通路７１が形成される部分が熱交換部６７となる。フィン８０は、切れ込み形状となっており、ウォータジャケット４０の内側面から起立（立設）した姿勢となっている。
複数のフィン８０は、上下方向に並んでおり、フィン８０とフィン８０の間を通って冷却流体が左右方向に流れるようになっている。フィン８０が流体通路７１を形成する仕切り部材となっている。本実施形態では、加工によって切れ込みを入れた後、当該切れ込みを起こすようにしてフィン８０が形成される。
図８は、本実施形態のウォータジャケット４０内部の冷却流体の流れを模式的に示す斜視図である。図９は、本実施形態のＬｉＣ／ＷＪスタック２０の冷却流体の流れを模式的に示す斜視図である。なお、図８及び図９では矢印によって冷却流体の流れが示されている。
ウォータジャケット４０の内部を流通する冷却流体は、接続部材としての接続管６０及びジョイント部６１によって各ウォータジャケット４０に送られるとともに回収される。より具体的には、延長部４２を貫通して配置されるジョイント部６１の開口部６８を通じて延長部４２から本体部４１の内部に出入りする。
本実施形態では、左右方向の一側のジョイント部６１の開口部６８が本体部４１に流入する冷却流体の入口となっており、左右方向の他側のジョイント部６１の開口部６８が本体部４１から流出する冷却流体の出口となっている。以下の説明において、左右方向の一側の延長部４２に配置される接続管６０をイン側接続管６０ａとし、左右方向の他側の延長部４２に配置される接続管６０をアウト側接続管６０ｂとする。左右方向の一側の延長部４２に配置されるジョイント部６１をイン側ジョイント部６１ａとし、左右方向の他側の延長部４２に配置されるアウト側ジョイント部６１ｂとする。
ウォータジャケット４０の内部における流体通路７１の上流側には流体分配部７０が接続され、流体通路７１の下流側には流体回収部７２が接続される。
流体分配部７０は、ウォータジャケット４０内部における冷却流体の入口に連通する空間として形成される入口側空隙部である。本実施形態の流体分配部７０は、ウォータジャケット４０内部における流体通路７１の左右方向一方側に配置されており、フィン８０の始端部に隣接している。この流体分配部７０を介してイン側ジョイント部６１ａの開口部６８と流体通路７１が連通している。イン側ジョイント部６１ａからウォータジャケット４０内部に入った冷却流体は、流体分配部７０で上下方向に並ぶフィン８０によって構成される複数の経路に分配され、流体分配部７０側から流体回収部７２側に流れる。
流体分配部７０を通じて流体通路７１に供給された冷却流体が熱交換を行うことによって蓄電体２１が冷却される。本実施形態では、フィン８０によって構成される流体通路７１の範囲が熱交換を行う熱交換面４１０となっている。図５に示すように、蓄電体２１とウォータジャケット４０の間には熱交換面４１０の範囲に応じた大きさの熱伝導シート３０が配置されており、この熱伝導シート３０を介して蓄電体２１が冷却される。また、熱伝導シート３０は、スタック方向において流体分配部７０及び流体回収部７２と重ならないサイズになっている。
流体回収部７２は、ウォータジャケット４０内部における冷却流体の出口に連通する空間として形成される出口側空隙部である。本実施形態の流体回収部７２は、流体分配部７０に対してウォータジャケット４０内部における流体通路７１の左右方向他方側に配置されており、フィン８０の終端部に隣接している。この流体回収部７２を介して流体通路７１とアウト側ジョイント部６１ｂの開口部６８が連通している。複数のフィン８０間（流体通路７１）を上流側から流れてきた流体は、流体回収部７２で合流してアウト側ジョイント部６１ｂからウォータジャケット４０の外部に流出する。これによって流体通路７１の通過中に熱交換によって温度が上昇した冷却流体がウォータジャケット４０の外部に排出される。
図９に示す例では、冷却流体が最後に供給される最も前側のウォータジャケット４０のイン側ジョイント部６１ａの出口９１に冷却流体の外部への流出を防ぐ栓（図示省略）が配置される。また、最も前側のウォータジャケット４０のアウト側接続管６０ｂの出口９２にも冷却流体の外部への流出を防ぐ栓（図示省略）が配置される。
冷却流体の供給源に接続される上流側（図９中のＩＮ側）から冷却流体がスタック方向の一側に流れることにより、スタック方向に並ぶ各ウォータジャケット４０の流体分配部７０に冷却流体がそれぞれ供給される。ウォータジャケット４０の内部の流体通路７１で熱交換を行った冷却流体は、流体回収部７２からアウト側接続管６０ｂ及びアウト側ジョイント部６１ｂを通じて下流側（図９中のＯＵＴ側）に送られる。
本実施形態では、熱交換面４１０の範囲に熱伝導シート３０が配置されており、ウォータジャケット４０と蓄電体２１の熱交換は熱伝導シート３０を介して行われる。なお、ウォータジャケット４０における熱交換面４１０の両側であって、流体分配部７０及び流体回収部７２にスタック方向で重なる範囲には熱伝導シート３０が配置されていない。従って、ウォータジャケット４０における流体分配部７０及び流体回収部７２に対応する範囲には、蓄電体２１との間に熱伝導シート３０の厚みに応じた隙間が形成される。また、蓄電体２１とウォータジャケット４０は、スタック方向に交互に配置されているので、熱伝導シート３０は、ウォータジャケット４０の両側に配置される。
以上説明した実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
蓄電装置１が備える冷却部材３５は、蓄電体２１と交互に配置され、その内部に冷却流体が流れるウォータジャケット４０と、蓄電体２１とウォータジャケット４０の間に配置され、弾性変形可能な熱伝導シート３０と、を備える。ウォータジャケット４０の内部には、ウォータジャケット４０における冷却流体の入口に連通する流体分配部７０と、ウォータジャケット４０における冷却流体の出口に連通する流体回収部７２と、流体分配部７０と流体回収部７２の間でウォータジャケット４０の厚み方向に立設するフィン８０によって仕切られた流体通路７１により、流体分配部７０と流体回収部７２を接続する熱交換部６７と、が形成される。熱伝導シート３０は、本体部４１の表面における熱交換部６７に対応する範囲であって流体分配部７０及び流体回収部７２に重ならない範囲に配置（貼付）される。
これにより、充放電によって蓄電体２１が膨張した場合でも、熱交換部６７の範囲である熱交換面４１０に固定された熱伝導シート３０の弾性変形によってその変位量を吸収することができる。蓄電体２１の体積の変位量が大きい場合でも、熱交換部６７は厚み方向に立設するフィン８０によって剛性が高くなっているので、蓄電体２１の押圧力によって流体通路７１が潰れることもない。また、流体分配部７０及び流体回収部７２に対応する範囲には熱伝導シート３０がない構成となっているので、蓄電体２１の膨張スペースが確保され、ウォータジャケット４０における流体分配部７０及び流体回収部７２に対応する範囲では蓄電体２１との間にスタック方向の隙間が形成される。これによって、流体分配部７０及び流体回収部７２が熱伝導シート３０を介して蓄電体２１に押圧されなくなり、流体分配部７０及び流体回収部７２が潰れる事態の発生を効果的に回避できる。このように、蓄電体２１の膨張が生じてもウォータジャケット４０の内部の流路が保護される構成となっている。
更に、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電体においては一般的に、内部の発熱エレメントが外周部にないため、ウォータジャケット４０の全面に熱伝導シート３０を配置するよりも、効率的に冷却することができる。
また、本実施形態の熱交換部６７では、ウォータジャケット４０の内側面に冷却流体の流れる方向に沿って延びるフィン８０が仕切り部材として冷却流体の流れる方向に直交する方向で所定の間隔をあけて複数形成され、当該フィン８０が内側面に対して起立した構造である。
これにより、内側面から起立する複数のフィン８０によってウォータジャケット４０が内側から支持されるので、押圧力に対する剛性を効果的に向上させることができ、熱交換部６７を形成する流体通路７１をより確実に保護できる。
また、本実施形態の蓄電装置１は、蓄電体２１の両側に配置されるウォータジャケット４０のそれぞれの冷却流体の入口を接続するイン側接続管６０ａ及びイン側ジョイント部６１ａと、蓄電体２１の両側に配置されるウォータジャケット４０のそれぞれの出口を接続するアウト側接続管６０ｂ及びアウト側ジョイント部６１ｂと、を更に備える。
これにより、各ウォータジャケット４０への冷却流体の供給及び回収をシンプルな構成で実現することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、冷却流体を流す方向は、適宜変更することができる。次に、冷却流体の流す方向の異なる例を示す変形例について説明する。図１０は、変形例のＬｉＣ／ＷＪスタック２０ａの冷却流体の流れを模式的に示す斜視図である。図１０に示す例では、冷却流体が最後に供給される最も前側のウォータジャケット４０のイン側ジョイント部６１ａの出口９１に冷却流体の外部への流出を防ぐ栓（図示省略）が配置されるとともに、最も後側のウォータジャケット４０のアウト側接続管６０ｂの出口９３にも冷却流体の外部への流出を防ぐ栓（図示省略）が配置される。図１０に示す変形例の場合、イン側接続管６０ａ及びイン側ジョイント部６１ａを冷却流体が流れる方向と、アウト側接続管６０ｂ及びアウト側ジョイント部６１ｂを冷却流体が流れる方向と、が同じ方向になる。この変形例においても、各ウォータジャケット４０に冷却流体を供給し、回収することができる。
また、蓄電体２１はリチウムイオンキャパシタに限定されず、リチウムイオンバッテリーを含む発熱と膨張をする蓄電体にも適用することができる。
更に、フィン８０については、鋳造等一般的な金属成形方法により製造することも可能であり、形状についても本実施例に限定されるものではない。
１ 蓄電装置
２１ 蓄電体
３０ 熱伝導シート（伝熱シート）
４０ ウォータジャケット（平板部）
６０ａ イン側接続管（接続部材）
６０ｂ アウト側接続管（接続部材）
６１ａ イン側ジョイント部（接続部材）
６１ｂ アウト側ジョイント部（接続部材）
６７ 熱交換部
７０ 流体分配部（入口側空隙部）
７１ 流体通路
７２ 流体回収部（出口側空隙部）
８０ フィン（仕切り部材、切れ込み部）

Claims (3)

  1. 並べて配置される複数の蓄電体を冷却部材によって冷却する蓄電装置であって、
    前記冷却部材は、
    前記蓄電体と交互に配置され、その内部に冷却流体が流れる平板部と、
    前記蓄電体と前記平板部の間に配置され、弾性変形可能な伝熱シートと、
    を備え、
    前記平板部の内部には、
    前記平板部の厚み方向に立設し、前記冷却流体の流れる左右方向に沿って延びる仕切り部材によって仕切られた流体通路が上下方向に複数形成された熱交換部と、
    前記平板部における冷却流体の入口と前記熱交換部との間に設けられ、前記入口と前記複数の流体通路の始端部とを連通するように上下方向に延在する入口側空隙部と、
    前記平板部における冷却流体の出口と前記熱交換部との間に設けられ、前記出口と前記複数の流体通路の終端部とを連通するように上下方向に延在する出口側空隙部と、が形成され、
    前記伝熱シートは、前記平板部の表面における前記熱交換部に対応する範囲にのみ配置され、
    前記冷却部材を前記蓄電体と交互に配置された状態において、前記蓄電体と重なる範囲であり、かつ前記平板部の表面における前記入口側空隙部及び前記出口側空隙部に対応する範囲には、前記蓄電体との間に前記伝熱シートの厚みに応じた隙間が形成される蓄電装置。
  2. 前記熱交換部では、
    前記平板部の内側面に前記冷却流体の流れる方向に沿って延びる切れ込み部が前記仕切り部材として前記冷却流体の流れる方向に直交する方向に複数形成され、
    当該切れ込み部が前記内側面に対して起立した構造である請求項１に記載の蓄電装置。
  3. 前記蓄電体の両側に配置される前記平板部のそれぞれの入口を接続する入口側接続部材と、
    前記蓄電体の両側に配置される前記平板部のそれぞれの出口を接続する出口側接続部材を更に備える請求項１又は２に記載の蓄電装置。
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