JP7116781B2 - 放熱構造体およびそれを備えるバッテリー - Google Patents

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Description

クロスリファレンス
本出願は、2017年10月26日に日本国において出願された特願2017-207386、2017年10月30日に日本国において出願された特願2017-208836、および2017年11月10日にオランダ王国において出願されたN2019888に基づき優先権を主張し、当該出願に記載された内容は、本明細書に援用する。また、本願において引用した特許、特許出願及び文献に記載された内容は、本明細書に援用する。
本発明は、放熱構造体およびそれを備えるバッテリーに関する。
自動車、航空機、船舶あるいは家庭用若しくは業務用電子機器の制御システムは、より高精度かつ複雑化してきており、それに伴って、回路基板上の小型電子部品の集積密度が増加傾向を示している。この結果、回路基板周辺の発熱による電子部品の故障や短寿命化を解決することが望まれている。
回路基板からの速やかな放熱を実現するには、従来から、回路基板自体を放熱性に優れた材料で構成し、ヒートシンクを取り付け、あるいは放熱用の回転機器を駆動するといった手段を単一で若しくは複数組み合わせて行われている。これらの内、回路基板自体を放熱性に優れた材料、例えばダイヤモンド、窒化アルミニウム(AlN)、cBNなどから構成する方法は、回路基板のコストを高くしてしまう。また、放熱用の回転機器の配置は、故障、故障防止のためのメンテナンスの必要性や、設置スペースの確保が難しいという問題を生じる。これに対して、放熱フィンは、熱伝導性の高い金属(例えば、アルミニウム)を用いた柱状あるいは平板状の突出部位を数多く形成することによって表面積を大きくして放熱性をより高めることのできる簡易な部材であるため、放熱部品として汎用的に用いられている(特許文献1を参照)。
ところで、現在、世界中で、地球環境への負荷軽減を目的として、従来からのガソリン車あるいはディーゼル車を徐々に電気自動車に転換しょうとする動きが活発化している。特に、フランス、オランダ、ドイツをはじめとする欧州諸国の他、中国でも、2040年までにガソリン車とディーゼル車から完全に電気自動車に切り替えることを宣言している。電気自動車の普及には、高性能バッテリーの開発の他、多数の充電スタンドの設置などの課題がある。特に、リチウム系の自動車用バッテリーの充放電機能を高めるための技術開発が大きな課題となっている。上記自動車バッテリーは、摂氏60度以上の高温下では充放電の機能を十分に発揮できないことが良く知られている。このため、先に説明した回路基板と同様、バッテリーにおいても、放熱性を高めることが重要視されている。バッテリーの速やかな放熱を実現するには、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属製の筐体に水冷パイプを配置し、当該筐体にバッテリーセルを多数配置し、バッテリーセルと筐体の底面との間に密着性のゴムシートを挟んだ構造が採用されている。以下、図を参照して説明する。
図12は、従来のバッテリーの概略断面図を示す。図12のバッテリー200は、多数のバッテリーセル201を、アルミニウム若しくはアルミニウム基合金から成る筐体202の内底面203上に備える。筐体202の底部204には、冷却水を流すための水冷パイプ205が備えられている。バッテリーセル201は、底部204との間にゴムシート(例えば、室温硬化型シリコーンゴム製のシート)206を挟んで筐体202内に固定されている。このような構造のバッテリー200では、バッテリーセル201は、ゴムシート206を通じて筐体202に伝熱して、水冷によって効果的に除熱される。
特開2008-243999
しかし、図12に示すような従来のバッテリー200の放熱構造には、次のような解決すべき課題がある。ゴムシート206は、アルミニウムやグラファイトと比べて熱伝導性が低いため、バッテリーセル201から筐体202に効率よく熱を移動させることが難しい。また、ゴムシート206に代えてグラファイト等のスペーサを挟む方法も考えられる。しかし、複数のバッテリーセル201の下面が平らではなく段差を有することから、バッテリーセル201とスペーサとの間に隙間が生じ、伝熱効率が低下する。また、バッテリーセルの下面は種々の形状をとり得ることから、バッテリーセルの形状に依らない高い伝熱効率を実現する要望もある。さらには、バッテリーセルの容器の材質をより軽量なものにすることが要望されており、バッテリーセルの軽量化に対応した放熱構造体が望まれている。これは、バッテリーのみならず回路基板や電子機器本体のような他の熱源にも通じる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱源の形状や材質を問わず放熱効率に優れる放熱構造体及びそれを備えたバッテリーを提供することを目的とする。
(1)上記目的を達成するための一実施形態に係る放熱構造体は、熱源と冷却媒体との間にあって熱源から冷却媒体に熱を伝導させるための放熱構造体であって、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、熱源と冷却媒体との間に配置可能な熱伝導シートと、熱伝導シートに接触して熱源と冷却媒体との間に配置可能なゴム状弾性体と、を備え、熱伝導シートは、複数の熱源同士の隙間に延出配置可能な突出シート部を備える。
(2)別の実施形態に係る放熱構造体では、さらに、熱伝導シートは、熱源と冷却媒体との間に配置される部位において、断面U字状若しくはV字状に折り返された第一折り返し形状、あるいは断面環状の第一袋形状を有し、ゴム状弾性体は、第一折り返し形状あるいは第一袋形状の内部に配置されているのが好ましい。
(3)別の実施形態に係る放熱構造体では、また、突出シート部は、断面U字状若しくはV字状に折り返された第二折り返し形状、あるいは断面環状の第二袋形状を有し、ゴム状弾性体の一部は、第二折り返し形状あるいは第二袋形状の内部に配置されているのが好ましい。
(4)別の実施形態に係る放熱構造体では、また、熱伝導シートと、熱源および冷却媒体の周囲の少なくともいずれか一方とを密着固定するためのゴムシートをさらに備えるのが好ましい。
(5)別の実施形態に係る放熱構造体では、さらに、ゴムシートは、シリコーンゴム製のシートであるのが好ましい。
(6)別の実施形態に係る放熱構造体では、また、熱伝導シートは、炭素フィラーと、樹脂とを含むシートであるのが好ましい。
(7)別の実施形態に係る放熱構造体には、また、熱伝導シート若しくはゴム状弾性体を加熱するために給電可能な通電用電極を、さらに備えるのが好ましい。
(8)また、本発明の一実施形態に係るバッテリーは、冷却媒体を接触させる筐体内に熱源としての複数のバッテリーセルを備えたバッテリーであって、バッテリーセルの冷却媒体に近い側の端部と冷却媒体に近い側の筐体の一部との間に、バッテリーセルから冷却媒体に熱を伝導させるための放熱構造体を備え、放熱構造体は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、バッテリーセルと冷却媒体との間に配置可能な熱伝導シートと、熱伝導シートに接触してバッテリーセルと冷却媒体との間に配置可能なゴム状弾性体と、を備え、熱伝導シートは、複数のバッテリーセル同士の隙間に延出配置可能な突出シート部を備える。
(9)別の実施形態に係るバッテリーでは、さらに、熱伝導シートは、バッテリーセルと冷却媒体との間に配置される部位において、断面U字状若しくはV字状に折り返された第一折り返し形状、あるいは断面環状の第一袋形状を有し、ゴム状弾性体は、第一折り返し形状あるいは第一袋形状の内部に配置されているのが好ましい。
(10)別の実施形態に係るバッテリーでは、また、突出シート部は、断面U字状若しくはV字状に折り返された第二折り返し形状、あるいは断面環状の第二袋形状を有し、ゴム状弾性体の一部は、第二折り返し形状あるいは第二袋形状の内部に配置されているのが好ましい。
(11)別の実施形態に係るバッテリーには、また、熱伝導シートと、バッテリーセルおよび冷却媒体の周囲の少なくともいずれか一方とを密着固定するためのゴムシートをさらに備えるのが好ましい。
(12)別の実施形態に係るバッテリーでは、また、熱伝導シート若しくはゴム状弾性体を加熱するために給電可能な通電用電極をさらに備えるのが好ましい。
(13)また、上記目的を達成するための一実施形態に係る放熱構造体は、熱源と冷却媒体との間にあって熱源から冷却媒体に熱を伝導させるための放熱構造体であって、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、熱源と冷却媒体との間に配置可能な熱伝導シートと、熱伝導シートに接触して熱源と冷却媒体との間に配置可能なゴム状弾性体とを備え、熱伝導シートに、熱源の周囲を半周以上巻く接触部位を有する。
(14)別の実施形態に係る放熱構造体では、さらに、熱伝導シートは、複数の熱源を、断面視にてS字状に被覆、若しくはS字状に連続被覆するのが好ましい。
(15)別の実施形態に係る放熱構造体では、また、熱伝導シートは、1個の熱源を覆うと共にその覆う方向を反転して折り返して上記1個の熱源とは別の熱源を覆うのが好ましい。
(16)別の実施形態に係る放熱構造体では、また、ゴム状弾性体は、熱伝導シートが熱源を覆う部位より冷却媒体に近い位置において、熱伝導シートの一部に備えられているのが好ましい。
(17)別の実施形態に係る放熱構造体では、さらに、ゴム状弾性体は、熱伝導シートの熱源と冷却媒体との間に配置される部位において、少なくとも部分的に熱伝導シートに囲まれているのが好ましい。
(18)また、本発明の一実施形態に係るバッテリーは、冷却媒体を接触させる筐体内に熱源としての複数のバッテリーセルを備えたバッテリーであって、バッテリーセルの冷却媒体に近い側の端部と冷却媒体に近い側の筐体の一部との間に、バッテリーセルから冷却媒体に熱を伝導させるための放熱構造体を備え、放熱構造体は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、バッテリーセルと冷却媒体との間に配置可能な熱伝導シートと、熱伝導シートに接触してバッテリーセルと冷却媒体との間に配置可能なゴム状弾性体とを備え、熱伝導シートは、バッテリーセルの周囲を半周以上巻く接触部位を有する。
(19)別の実施形態に係るバッテリーでは、さらに、熱伝導シートは、複数のバッテリーセルを、断面視にてS字状に被覆、若しくはS字状に連続被覆するのが好ましい。
(20)別の実施形態に係るバッテリーでは、また、熱伝導シートは、1個のバッテリーセルを覆うと共にその覆う方向を反転して折り返して上記1個のバッテリーセルとは別のバッテリーセルを覆うのが好ましい。
(21)別の実施形態に係るバッテリーでは、また、熱伝導シートと、熱伝導シート、バッテリーセルおよび冷却媒体の周囲の少なくともいずれか一方とを密着固定するためのゴムシートをさらに備え、熱伝導シートによって1個のバッテリーセルを覆うと共にその覆う方向を反転して折り返す部分であって熱伝導シート同士の間に、ゴムシートを挟んでいるのが好ましい。
(22)別の実施形態に係るバッテリーでは、また、ゴム状弾性体は、熱伝導シートがバッテリーセルを覆う部位より冷却媒体に近い位置において、熱伝導シートに備えられているのが好ましい。
(23)また、上記目的を達成するための一実施形態に係る放熱構造体は、複数のバッテリーセルを備えるバッテリーの内部に備えることが可能である。その放熱構造体は、バッテリーセルと、バッテリーの筐体の一部を構成しており冷却媒体の流れる壁との間に配置可能なベース部と;ベース部から複数のバッテリーセルの1またはそれ以上の隙間に延出配置可能な1またはそれ以上の突出シート部と;を備える。ベース部は、ゴム状弾性体と、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含む1またはそれ以上の熱伝導シートとの積層体である。ベース部の熱伝導シートの一部は、バッテリーセルに接触可能となるように位置している。突出シート部は、ベース部の熱伝導シートを備える。
(24)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、ベース部の熱伝導シートは、バッテリーの筐体の上方開口面から筐体の底部へと垂直に切断する方向の断面にてU字状若しくはV字状に折り返された第一折り返し形状、あるいは当該断面にて環状の第一袋形状を有する。ベース部のゴム状弾性体は、前記第一折り返し形状あるいは前記第一袋形状の内部に配置されている。
(25)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、突出シート部は、バッテリーの筐体の上方開口面から筐体の底部へと垂直に切断する方向の断面にてU字状若しくはV字状に折り返された第二折り返し形状、あるいは当該断面にて環状の第二袋形状を有する。ベース部のゴム状弾性体の一部は、前記第二折り返し形状あるいは前記第二袋形状の内部に配置されている。
(26)別の実施形態に係る放熱構造体は、好ましくは、熱伝導シートと、バッテリーセルおよび前記壁の少なくともいずれか一方とを密着固定するための1またはそれ以上のゴムシートを、さらに備える。
(27)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、ゴムシートは、シリコーンゴム製のシートである。
(28)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、熱伝導シートは、炭素フィラーと、樹脂とを含むシートである。
(29)別の実施形態に係る放熱構造体は、好ましくは、熱伝導シート若しくはゴム状弾性体を加熱するために給電可能な通電用電極を、さらに備える。
(30)また、上記目的を達成するための一実施形態に係るバッテリーは、冷却媒体を接触させる筐体の内部に複数のバッテリーセルを備える。上述のいずれか1つの放熱構造体は、バッテリーセルと、筐体の一部を構成しており冷却媒体の流れる壁との間に備えられ、かつ複数のバッテリーセル同士の1またはそれ以上の隙間に延出配置される。
(31)また、上記目的を達成するための一実施形態に係る放熱構造体は、複数のバッテリーセルを備えるバッテリーの内部に備えることが可能である。放熱構造体は、バッテリーセルと、バッテリーの筐体の一部を構成しており冷却媒体の流れる壁との間に配置可能なベース部と;複数のバッテリーセル同士の1またはそれ以上の隙間に配置される1またはそれ以上の熱伝導シートと;を備える。ベース部は、ゴム状弾性体と、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含んでいてバッテリーセルの周囲を半周以上巻く1またはそれ以上の接触部位を有する熱伝導シートと、を備える。
(32)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、熱伝導シートは、複数のバッテリーセルを、バッテリーの筐体の上方開口面から筐体の底部へと垂直に切断する方向の断面にてS字状に被覆、若しくはS字状に連続被覆する。
(33)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、熱伝導シートは、1個のバッテリーセルを覆うと共にその覆う方向を反転して折り返して当該1個のバッテリーセルとは別のバッテリーセルを覆う。
(34)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、ゴム状弾性体は、バッテリーセルと前記壁との間に配置される部位において、少なくとも部分的に熱伝導シートによって囲まれている。
(35)別の実施形態に係る放熱構造体において、好ましくは、熱伝導シートは、炭素フィラーと、樹脂とを含むシートである。
(36)別の実施形態に係る放熱構造体は、好ましくは、熱伝導シートと、バッテリーセルおよび前記壁の少なくともいずれか一方とを密着固定するための1またはそれ以上のゴムシートを、さらに備える。
(37)別の実施形態に係る放熱構造体は、好ましくは、熱伝導シート若しくはゴム状弾性体を加熱するために給電可能な通電用電極を、さらに備える。
(38)また、上記目的を達成するための一実施形態に係るバッテリーは、冷却媒体を接触させる筐体の内部に複数のバッテリーセルを備える。上述のいずれか1つの放熱構造体は、バッテリーセルと、筐体の一部を構成しており冷却媒体の流れる壁との間に備えられ、かつ複数のバッテリーセル同士の1またはそれ以上の隙間に配置される。
本発明によれば、熱源の形状や材質を問わず放熱効率に優れる放熱構造体及びそれを備えたバッテリーを提供できる。
図1は、第1実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。 図2は、図1中の領域A1の拡大図(2A)および領域B1の拡大図(2B)をそれぞれ示す。 図3は、第2実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。 図4は、図3中の領域A2の拡大図(4A)および領域B2の拡大図(4B)をそれぞれ示す。 図5は、第3実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。 図6は、図5中の領域C1の拡大図(6A)および領域D1の拡大図(6B)をそれぞれ示す。 図7は、第4実施形態に係る放熱構造体により熱源の一例であるバッテリーセルを覆う状況を表した斜視図を示す。 図8は、図7の放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。 図9は、第5実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図(9A)および当該(9A)中の熱伝導シートの断面形状を模式的に表した図(9B)をそれぞれ示す。 図10は、第6実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。 図11は、図10中の領域C1の拡大図(11A)および領域D1の拡大図(11B)をそれぞれ示す。 図12は、従来のバッテリーの概略断面図を示す。
次に、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、各実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。図2は、図1中の領域A1の拡大図(2A)および領域B1の拡大図(2B)をそれぞれ示す。
第1実施形態に係る放熱構造体25は、バッテリー1内の熱源の一例であるバッテリーセル20と冷却媒体15との間にあって、バッテリーセル20から冷却媒体15に熱を伝導させるための放熱構造体である。放熱構造体25は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含むシートであってバッテリーセル20と冷却媒体15との間に配置可能な熱伝導シート30と、熱伝導シート30に接触してバッテリーセル20と冷却媒体15との間に配置可能なゴム状弾性体31と、を備える。熱伝導シート30は、複数のバッテリーセル20同士の隙間に延出配置可能な突出シート部35を備える。より詳細に説明すると、バッテリー1は、図1に示すように、冷却媒体15を接触させる筐体11内に熱源としての複数のバッテリーセル20を備えたバッテリーである。バッテリーセル20の冷却媒体15に近い側の端部と冷却媒体15に近い側の筐体11の一部(底部12)との間に、バッテリーセル20から冷却媒体15に熱を伝導させるための放熱構造体25が備えられている。複数のバッテリーセル20と底部12との間に配置される熱伝導シート30と、ゴム状弾性体31とは、ベース部を構成する。放熱構造体25は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、バッテリーセル20と冷却媒体15との間に配置可能な熱伝導シート30と、熱伝導シート30に接触してバッテリーセル20と冷却媒体15との間に配置可能なゴム状弾性体31と、を備える。熱伝導シート30は、複数のバッテリーセル20同士の隙間に延出配置可能な突出シート部35を備える。すなわち、放熱構造体25は、複数のバッテリーセル20を備えるバッテリー1の内部に備えられる。放熱構造体25は、バッテリーセル20と、バッテリー1の筐体11の一部を構成しており冷却媒体15の流れる底部12のような壁との間に配置可能なベース部と、ベース部から複数のバッテリーセル20同士の1またはそれ以上の隙間に延出配置可能な1またはそれ以上の突出シート部35と、を備える。ベース部は、ゴム状弾性体31と、熱伝導シート30と、の積層体である。ベース部の熱伝導シート30の一部は、当該熱伝導シート30の一部がバッテリーセル20に接触可能となるように位置している。「熱伝導シート30の一部がバッテリーセル20に接触可能となる」というフレーズは、熱伝導シート30とバッテリーセル20との間に何らの層もないことと、両者30,20の間にゴムシートが存在しても良いことの両方を含むように解釈される。これは、以後の実施形態でも同様にあてはまる。突出シート部35は、ベース部の熱伝導シート30を備える。熱伝導シート30は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含む。
さらに、熱伝導シート30は、バッテリーセル20と冷却媒体15との間に配置される部位において、断面U字状若しくはV字状に折り返された第一折り返し形状を有する。ゴム状弾性体31は、好ましくは、当該第一折り返し形状の内部32に配置されている。なお、第一折り返し形状は、断面環状の第一袋形状であっても良い。その場合には、ゴム状弾性体31は、好ましくは、第一袋形状の内部に配置される。なお、本願では、「断面」あるいは「縦断面」とは、バッテリー1の筐体11の内部14における上方開口面から底部12へと垂直に切断する方向の断面を意味する。
(1)バッテリーの構成の概略
この実施形態において、バッテリー1は、例えば、電気自動車用のバッテリーであって、多数のバッテリーセル20を備える。バッテリー1は、一方に開口する有底型の筐体11を備える。筐体11は、好ましくは、アルミニウム若しくはアルミニウム基合金から成る。バッテリーセル20は、筐体11の内部14に配置される。バッテリーセル20の上方には、電極が突出して設けられている。複数のバッテリーセル20は、好ましくは、筐体11内において、その両側からネジ等を利用して圧縮する方向に力を与えられて、互いに密着するようになっている(不図示)。筐体11の底部12には、冷却媒体15の一例である冷却水を流すために、1または複数の水冷パイプ13が備えられている。バッテリーセル20は、底部12との間に、放熱構造体25を挟むようにして筐体11内に配置されている。このような構造のバッテリー1では、バッテリーセル20は、放熱構造体25を通じて筐体11に伝熱して、水冷によって効果的に除熱される。なお、冷却媒体15は、冷却水に限定されず、液体窒素、エタノール等の有機溶剤も含むように解釈される。冷却媒体15は、冷却に用いられる状況下にて、液体であるとは限らず、気体あるいは固体でも良い。バッテリー1は、冷却媒体15を接触させる筐体11内に複数のバッテリーセル20を備える。放熱構造体25は、バッテリーセル20同士の1またはそれ以上の隙間に備えられると共に、バッテリーセル20と、冷却媒体15の流れる壁(例えば、底部12)であって筐体11の一部を構成する壁と、の間に備えられる。以後に述べる各実施形態に係るバッテリーも同様の構造を有する。
(2)熱伝導シート
熱伝導シート30は、この実施形態では、複数のバッテリーセル20と底部12との間において、縦断面視にてU字状の湾曲部を1つ備えた形態を有する。ただし、熱伝導シート30は、U字状の湾曲部に代えて、V字状の屈曲部を備えても良い。
熱伝導シート30は、好ましくは炭素を含むシートであり、さらに好ましくは炭素フィラーと樹脂とを含むシートである。本願でいう「炭素」は、グラファイト、グラファイトより結晶性の低いカーボンブラック、膨張黒鉛、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン等の炭素(元素記号:C)から成る如何なる構造のものも含むように広義に解釈される。熱伝導シート30は、この実施形態では、樹脂に、グラファイト繊維やカーボン粒子を配合分散した材料を硬化させた薄いシートとすることができる。グラファイト繊維やカーボン粒子に代えて、膨張黒鉛性のフィラーを用いても良い。膨張黒鉛は、化学反応を用いて鱗片状の黒鉛に物質を挿入した黒鉛層間化合物を急熱して層間の物質がガス化し、その時に生じたガスの放出によって黒鉛の層間が広がり、層の積み重なり方向に膨張した状態になった黒鉛をいう。グラファイト繊維、カーボン粒子あるいは膨張黒鉛製のフィラーも、すべて、炭素フィラーの概念に含まれる。熱伝導シート30は、炭素に代えて若しくは炭素と共に、金属および/またはセラミックを含んでも良い。金属としては、アルミニウム、銅、それらの内の少なくとも1つを含む合金などの熱伝導性の比較的高いものを選択できる。また、セラミックとしては、AlN、cBN、hBNなどの熱伝導性の比較的高いものを選択できる。
樹脂は、熱伝導シート30の全質量に対して50質量%を超えていても、あるいは炭素フィラーが上記全質量に対して50質量%を超えていても良い。すなわち、熱伝導シート30は、熱伝導に大きな支障が無い限り、樹脂を主材とし、あるいは炭素フィラーを主材としても良い。樹脂としては、例えば、熱可塑性樹脂を好適に使用できる。熱可塑性樹脂としては、熱源の一例であるバッテリーセル20からの熱を伝導する際に溶融しない程度の高融点を備える樹脂が好ましく、例えば、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアミドイミド(PAI)等を好適に挙げることができる。樹脂は、熱伝導シート30の成形前の状態において、炭素フィラーの隙間に、例えば粒子状に分散している。熱伝導シート30は、炭素フィラー、樹脂の他、熱伝導をより高めるためのフィラーとして、AlNあるいはダイヤモンドを分散していても良い。また、樹脂に代えて、樹脂よりも柔軟なエラストマーを用いても良い。
熱伝導シート30は、後述のゴム状弾性体31よりも熱伝導性に優れているのが好ましく、導電性に優れるか否かは問わない。熱伝導シート30の熱伝導率は、好ましくは10W/mK以上である。この実施形態では、熱伝導シート30に好ましくはグラファイトと、グラファイトより結晶性の低いカーボンとを含ませて、熱伝導シート30中に電流が流れやすいネットワークを形成するようにしている。しかし、熱伝導シート30は、必ずしも導電性に優れていることを要せず、熱伝導性を有するだけでも良い。その場合、熱伝導シート30を、AlN、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン(グラファイトより導電性は低い)などを含むシートとしても良い。熱伝導シート30は、湾曲性(若しくは屈曲性)のあるシートであれば、その厚さに制約はないが、0.3~5mmが好ましく、0.3~1mmがより好ましい。ただし、熱伝導シート30の熱伝導率は、その厚さが増加するほど低下するため、シートの強度、可撓性および熱伝導性を総合的に考慮して、その厚さを決定するのが好ましい。
放熱構造体25は、熱伝導シート30を、複数のバッテリーセル20の冷却媒体15(あるいは筐体11の底部12)に近い側の端部(この実施形態では、バッテリーセル20の底部)と、底部12の内底面との間の領域にて、U字状若しくはV字状に折り返して、その折り返しによって形成された内側空間にゴム状弾性体31を備える。熱伝導シート30は、さらに、バッテリーセル20同士の隙間に延出する1または2以上の突出シート部35を備える。なお、熱伝導シート30は、筐体11の側壁の内面とバッテリーセル20の側面との間に、終端シート部36を備える。終端シート部36を、突出シート部35の一形態と称することもできる。突出シート部35は、放熱構造体25の本体部分(バッテリーセル20と底部12との間の空間に配置されたベース部)からバッテリーセル20同士の1またはそれ以上の隙間に延出する襞(ひだ)と称することもできる。終端シート部36は、筐体11の内面とバッテリーセル20の側面との間に延出する襞(ひだ)と称することもできる。
突出シート部35は、好ましくは、断面U字状(若しくはV字状)に折り返された第二折り返し形状を有する。熱伝導シート30は、底部12の内底面の端から端まで延出し、U字状に折り返し、バッテリーセル20同士の隙間を上昇してから折り返して再び同隙間を下降することで1つの第二折り返しを終え、当該第二折り返しを隙間の数だけ繰り返して、最後に終端シート部36の形成に至る。この結果、放熱構造体25は、先述の本体部分に、第二折り返し形状を有する突出シート部35と、終端シート部36とを備えた形態となる。このように、熱伝導シート30は、好ましくは、1枚のシートを折り曲げて形成されている。ただし、熱伝導シート30を複数のシートから構成することもできる。なお、突出シート部35は、「第二折り返し形状」に代えて、断面環状の第二袋形状を採用しても良い。その場合、この実施形態では、好ましくは、第二袋形状の内部に空気を有する。また、突出シート部35は、第二折り返し形状あるいは第二袋形状ではなく、終端シート部36と同じく、一方向に延出する形態を有していても良い。このように、突出シート部35は、バッテリー1の筐体11の上方開口面から筐体11の底部12へと垂直に切断する方向の断面にてU字状若しくはV字状に折り返された第二折り返し形状、あるいは当該断面にて環状の第二袋形状を有する。ベース部のゴム状弾性体31の一部は、第二折り返し形状あるいは第二袋形状の内部に配置されている。
図2(2A)に示すように、突出シート部35は、第二折り返しによって、本体部分から通じる隙間Mを備えることもある。また、この実施形態では、突出シート部35とバッテリーセル20との間には、ゴムシート40が介在している。ゴムシート40は、バッテリーセル20と突出シート部35(熱伝導シート30の一部)との間の熱伝導を高めるのに寄与する。ゴムシート40の詳細については後述する。
(3)ゴム状弾性体
ゴム状弾性体31は、複数のバッテリーセル20の冷却媒体15に近い側の端部と、底部12の内底面との間の領域にて、湾曲若しくは屈曲させた熱伝導シート30の内部32に配置される弾性体である。ゴム状弾性体31は、バッテリーセル20と底部12との間にあってクッション性を発揮させる機能と、熱伝導シート30に加わる荷重によって熱伝導シート30が破損等しないようにする保護部材としての機能とを有する。ゴム状弾性体31は、熱伝導シート30に比べて低熱伝導性の部材である。
図2(2B)に示すように、熱伝導シート30と底部12との間には、好ましくは、ゴムシート40が介在している。ゴムシート40は、バッテリーセル20から熱伝導シート30を伝わってきた熱を底部12に伝えやすくする機能を有する。バッテリーセル20から発する熱は、突出シート部35に接するゴムシート40を経て、突出シート部35に伝わり、湾曲若しくは屈曲している熱伝導シート30中を伝わって、底部12の内底面に配置されるゴムシート40を経て、底部12、冷却媒体15へと伝わる。
ゴム状弾性体31は、好ましくは、シリコーンゴム、ウレタンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ニトリルゴム(NBR)あるいはスチレンブタジエンゴム(SBR)等の熱硬化性エラストマー; ウレタン系、エステル系、スチレン系、オレフィン系、ブタジエン系、フッ素系等の熱可塑性エラストマー、あるいはそれらの複合物等を含むように構成される。ゴム状弾性体31は、熱伝導シート30を伝わる熱によって溶融あるいは分解等せずにその形態を維持できる程度の耐熱性の高い材料から構成されるのが好ましい。この実施形態では、ゴム状弾性体31は、より好ましくは、ウレタン系エラストマー中にシリコーンを含浸したもの、あるいはシリコーンゴムにより構成される。ゴム状弾性体31は、その熱伝導性を少しでも高めるために、ゴム中にAlN、cBN、hBN、ダイヤモンドの粒子等に代表されるフィラーを分散して構成されていても良い。
(4)ゴムシート
ゴムシート40は、この実施形態では、好ましくは、バッテリーセル20と熱伝導シート30との間、および底部12と熱伝導シート30との間に配置されるシートであり、バッテリー1あるいは放熱構造体25にとって必須の構成ではない。ゴムシート40は、上述のゴム状弾性体31と同様の様々な種類の弾性体にて形成可能であるが、バッテリーセル20からの熱を速やかに熱伝導シート30に伝える必要から、熱伝導性に優れたシリコーンゴムを含むシートであるのが好ましい。ゴムシート40をシリコーンゴムにて主に構成する場合、AlN、アルミニウム等の高熱伝導性のフィラーをシリコーンゴム中に分散させるのが好ましい。また、シリコーンゴム製のゴムシート40としては、粘着性を高めるために、二官能性のシリコーン生ゴムにシリコーンレジンを組み合わせたシリコーンゴムを例示できる。当該シリコーンレジンは、好適には、MQレジンを例示できる。MQレジンとは、Siの4本の結合手に酸素原子を結合させた構造の4方分岐型のQユニットだけを架橋させ、末端の反応性を止めるために、Siの1本の結合手に酸素原子を結合させた構造の一方分岐型のMユニットを加えたレジンである。また、シリコーンレジンとしては、水酸基を多く結合するものを使用した方が、シリコーンゴムの粘着性を高めることができるので好ましい。
ゴムシート40は、バッテリーセル20と熱伝導シート30との密着性、あるいは冷却媒体15の周囲(底部12、筐体11の側壁など)と熱伝導シート30との密着性を高める機能を持つ。ゴムシート40は、耐熱性および粘着性があれば特に硬度を問わないが、特にシリコーンゴムを主材とするシートであれば、ショアOO基準(ショアオーオー基準)にて60度以下、好ましくは40度以下、さらに好ましくは10度以下である。ゴムシート40が低硬度であるほど、バッテリーセル20表面の凹凸を吸収しやすいからである。また、ゴムシート40の厚さは、好ましくは0.3~5mm、より好ましくは0.7~3mm、さらにより好ましくは1~2.5mmである。ただし、ゴムシート40の厚さは、バッテリーセル20表面の凹凸あるいはゴム硬度等の条件に応じて決定するのが好ましい。
(5)バッテリーの好適な組み立て方法
(a)PPS等に代表される樹脂材料と、グラファイト製フィラーおよび/またはグラファイトより低結晶性のカーボン製フィラー(粒子、繊維等の形態が好ましい)を液体(例えば、水)の中で撹拌して紙漉きと同様の方式でフェルト状シートを作製する。
(b)続いて、フェルト状シートを、図1の熱伝導シート30と同一若しくはこれに類似した断面形状になるように折り曲げる。
(c)熱伝導シート30の一部にゴム状弾性体31を固定して放熱構造体25を完成する。
(d)最後に、放熱構造体25をバッテリー1内に組み込む。
(第2実施形態)
図3は、第2実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。図4は、図3中の領域A2の拡大図(4A)および領域B2の拡大図(4B)をそれぞれ示す。
第2実施形態に係る放熱構造体25aおよびバッテリー1aは、突出シート部35の内部にゴム状弾性体31が存在する点および突出シート部35とバッテリーセル20の側面との間にゴムシート40を介在させていない点で、第1実施形態に係る放熱構造体25およびバッテリー1と異なり、それら以外の点で共通する。以下、第1実施形態と異なる点を主に説明する。
(1)相違する構造
図4(4A)に示すように、放熱構造体25aの突出シート部35は、断面U字状若しくはV字状に折り返された第二折り返し形状、あるいは断面環状の第二袋形状を有する。ゴム状弾性体31の一部は、突出シート部35の第二折り返し形状あるいは第二袋形状の内部37に配置されている。バッテリーセル20の側面に多少の凹凸や段差があっても、突出シート部35の内部37に存在するゴム状弾性体31によって、突出シート部35を構成する熱伝導シート30とバッテリーセル20との密着性を高めることができ、その結果、バッテリーセル20の放熱性を高めることができる。
突出シート部35とバッテリーセル20の側面との間にはゴムシート40が介在していなくとも、突出シート部35の内部37にゴム状弾性体31が存在するため、バッテリーセル20と突出シート部35との密着性を高めることができる。ただし、突出シート部35とバッテリーセル20の側面との間にゴムシート40を備える方がより好ましい。一方、筐体11の底部12と熱伝導シート30との間にゴムシート40を備える点は、第1実施形態と共通するため、図4(4B)に基づく構造の説明を省略する。
(2)バッテリーの好適な組み立て方法
第1実施形態と同様の方法にて放熱構造体25aを製造して、バッテリー1a内に組み込む。
(第3実施形態)
図5は、第3実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。図6は、図5中の領域C1の拡大図(6A)および領域D1の拡大図(6B)をそれぞれ示す。
第3実施形態に係る放熱構造体25bおよびバッテリー1bは、複数のバッテリーセル20と底部12との間において熱伝導シート30の折り返し構造を持たない点、ゴム状弾性体31が熱伝導シート30によって包まれていない点、熱伝導シート30が筐体11の内側面に2つの終端シート部36を接している点、熱伝導シート30に通電機構を備えている点で、第1実施形態に係る放熱構造体25およびバッテリー1と異なり、それら以外の点で概ね共通する。以下、第1実施形態と異なる点を主に説明する。
(1)相違する構造
放熱構造体25bは、筐体11の底部12の内底面とバッテリーセル20との間の領域にゴム状弾性体31を備える。放熱構造体25bは、ゴム状弾性体31よりもバッテリーセル20側であって、バッテリーセル20と筐体11の側壁内周面との間に2つの終端シート部36を接して、かつバッテリーセル20同士の隙間に突出シート部35を挿入させた形態の熱伝導シート30を備える。バッテリーセル20から発せられた熱は、熱伝導シート30、筐体11の側壁へと伝わり、底部12の冷却媒体15を通じて減ぜられる。また、バッテリーセル20から発せられた熱は、熱伝導シート30、ゴム状弾性体31を経て、底部12の冷却媒体15を通じて減ぜられる。
ゴム状弾性体31と底部12との間にはゴムシート40は介在していないのは、ゴム状弾性体31が底部12と容易に密着することが期待できるからである。ただし、ゴムシート40をゴム状弾性体31と底部12との間に介在させても良い。
この実施形態では、熱伝導シート30は、導電性を有するとともに通電によってその抵抗に起因する発熱を生じる。熱伝導シート30の一部、ここでは一例として2つの終端シート部36に、プラス側のリード線50とマイナス側のリード線51がそれぞれ接続されている。リード線50,51間に電圧を印加すると、熱伝導シート30に電流が流れて発熱する。
図6(6A)に示すように、リード線50は、通電用電極60に接続されている。通電用電極60は、一方の終端シート部36に固定されている。同様に、図6(6B)に示すように、リード線51は、通電用電極61に接続されている。通電用電極61は、他方の終端シート部36に固定されている。この実施形態では、通電用電極60,61は、熱伝導シート30の表面に、金属フィラーを含有するペーストを塗布することで形成される薄膜である。金属フィラーを含有するペーストとしては、銀のフィラーを含有するペースト(銀ペースト)を好適に例示できる。その場合には、上記薄膜は銀薄膜となる。ただし、銀以外でも、比較的導電性に優れた金属材料を含有するペーストを塗布して通電用電極60,61を作製しても良い。また、通電用電極60,61の形成方法としては、特に制約はなく、例えば、刷毛塗りや、印刷を採用できる。この実施形態では、通電用電極60,61は、熱伝導シート30の表面に形成されている。ただし、通電用電極60,61は、熱伝導シート30の表面から内方にへこんだ領域に形成され、あるいは熱伝導シート30の内部に埋め込まれていても良い。さらに、終端シート部36と筐体11の側壁との間、若しくはバッテリーセル20の側面と終端シート部36との間にゴムシート40を介在させ、通電用電極60,61をゴムシート40の表面若しくは内部に形成しても良い。また、通電用電極60,61は、互いに離れた2つの突出シート部35の頂点付近に形成されても良い。通電用電極60,61は、熱伝導シート30に接続されずに、別の抵抗体に接続され、熱伝導シート30の加熱に代えて、当該別の抵抗体に接するゴム状弾性体31を加熱できるようにしても良い。
(2)バッテリーの好適な組み立て方法
第1実施形態の組み立て工程(a)から(d)と同様と同様の工程を行い、その後若しくは(a)の後の工程において、通電用電極60,61およびリード線50,51を熱伝導シート30に固定する。
上記各実施形態に係る放熱構造体25,25a,25b(「放熱構造体25等」という。)によれば、バッテリーセル20の冷却媒体15に近い側の端部の形状に依存せず、さらにはバッテリーセル20が軽量であって自重による放熱構造体への密着を期待できない状況であっても、突出シート部35を通じてバッテリーセル20からの熱を、熱伝導シート30を経由して、バッテリー1,1a,1b(「バッテリー1等」という。)の底部12、冷却媒体15へと伝えることができる。
また、バッテリーセル20と冷却媒体15との間に配置される部位において、熱伝導シート30に包まれたゴム状弾性体31の柔軟性を利用して、複数のバッテリーセル20の底部の位置が水平ではない場合であっても、バッテリーセル20の底部と熱伝導シート30との密着性およびバッテリーセル20の側面と突出シート部35との密着性を共に高めることができ、より高い放熱性を期待できる。
また、バッテリーセル20の側面の凹凸によらず、突出シート部35とバッテリーセル20の側面との密着性を高めることができ、より高い放熱性を期待できる。
また、ゴムシート40は、バッテリーセル20から熱伝導シート30、あるいは熱伝導シート30から底部12への放熱を高めるのに寄与する。特に、ゴムシート40をシリコーンゴム製のシートとすると、熱劣化しにくく、長期に亘る密着性を実現できる。また、熱伝導性の高いシリコーンゴムシート製のゴムシート40を用いると、ゴムシート40を挟んだ両側の熱移動を容易にする。
また、熱伝導シート30は、好ましくは、炭素フィラーと、樹脂とを含むシートである。これによって、熱伝導性に優れると共に、柔軟で、折り曲げも可能で、さらには湾曲させることも容易なシートを実現できる。よって、バッテリー1等の内部のような複雑な空間内の形状に合わせて賦形できる。加えて、炭素フィラーの存在によって、電気伝導性を付与することもできる。
また、通電用電極60,61を備えることによって、寒冷地であっても、バッテリーセル20の加熱を行い、バッテリー1等の充電/放電を容易に実現できる。
また、上記バッテリー1等によれば、バッテリーセル20の冷却媒体15に近い側の端部の形状に依存せず、さらにはバッテリーセル20が軽量であって自重による放熱構造体への密着を期待できない状況であっても、突出シート部35を通じてバッテリーセル20からの熱を、熱伝導シート30を経由して、バッテリー1等の底部12、冷却媒体15へと伝えることができる。
また、バッテリー1等は、熱伝導シート30と、バッテリーセル20および冷却媒体15の周囲(底部12、筐体11の側壁など)の少なくともいずれか一方とを密着固定するためのゴムシート40を、さらに備える。ゴムシート40は、バッテリーセル20から熱伝導シート30、あるいは熱伝導シート30から底部12等への放熱を高めるのに寄与する。特に、ゴムシート40をシリコーンゴム製のシートとすると、熱劣化しにくく、長期に亘る密着性を実現できる。また、熱伝導性の高いシリコーンゴムシート製のゴムシート40を用いると、ゴムシート40を挟んだ両側の熱移動を容易にする。ゴムシート40は、放熱構造体25等をバッテリー1等の内部に配置する前において、筐体11あるいは放熱構造体25等のいずれの側に固定されていても良い。
(第4実施形態)
図7は、第4実施形態に係る放熱構造体により熱源の一例であるバッテリーセルを覆う状況を表した斜視図を示す。図8は、図7の放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。
第4実施形態に係る放熱構造体125は、熱源の一例であるバッテリーセル120と冷却媒体115との間にあって、バッテリーセル120から冷却媒体115に熱を伝導させるための放熱構造体である。放熱構造体125は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含むシートであってバッテリーセル120と冷却媒体115との間に配置可能な熱伝導シート130と、熱伝導シート130に接触してバッテリーセル120と冷却媒体115との間に配置可能なゴム状弾性体140と、を備える。熱伝導シート130は、バッテリーセル120の周囲を半周以上巻く接触部位132,133,134,135,136,137を有する。
より詳細に説明すると、バッテリー1pは、図8に示すように、冷却媒体115を接触させる筐体111内に熱源としての複数のバッテリーセル120を備えたバッテリーである。バッテリーセル120の冷却媒体115に近い側の端部と冷却媒体115に近い側の筐体111の一部(底部112)との間に、バッテリーセル120から冷却媒体115に熱を伝導させるための放熱構造体125が備えられている。放熱構造体125は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、バッテリーセル120と冷却媒体115との間に配置可能な熱伝導シート130と、熱伝導シート130に接触してバッテリーセル120と冷却媒体115との間に配置可能なゴム状弾性体140と、を備える。熱伝導シート130は、バッテリーセル120の周囲を半周以上巻く接触部位132,133,134,135,136,137を有する。
さらに、熱伝導シート130の上記接触部位132,133,134,135,136,137は、複数のバッテリーセル120を、断面視にてS字状に連続被覆する部位である。図8に示すように、この実施形態では、バッテリー1pは、8個のバッテリーセル120を備える。これら8個のバッテリーセル120は、図7の下方に開口部を持つ逆U字状の熱伝導シート130の内方A、図7の上方に開口部を持つU字状の熱伝導シート130の内方Bに、交互に配置される。ゴム状弾性体140は、好ましくは、熱伝導シート130のバッテリーセル120と冷却媒体115との間に配置される部位において、少なくとも部分的に熱伝導シート130に囲まれている。なお、本願では、「断面」あるいは「縦断面」とは、バッテリー1pの筐体111の内部114における上方開口面から底部112へと垂直に切断する方向の断面を意味する。このように、熱伝導シート130は、複数のバッテリーセル120を、筐体111の上方開口面から筐体111の底部112へと垂直に切断する方向の断面にてS字状に被覆、若しくはS字状に連続被覆する。
(1)バッテリーの構成の概略
この実施形態において、バッテリー1pは、例えば、電気自動車用のバッテリーであって、多数のバッテリーセル120を備える。バッテリー1pは、一方に開口する有底型の筐体111を備える。筐体111は、好ましくは、アルミニウム若しくはアルミニウム基合金から成る。バッテリーセル120は、筐体111の内部114に隣り合わせにて配置される。各バッテリーセル120の上方には、電極121,122が突出して設けられている。筐体111の底部112には、冷却媒体115の一例である冷却水を流すために、1または複数の水冷パイプ113が備えられている。バッテリーセル120は、底部112との間に、放熱構造体125を挟むようにして筐体111内に配置されている。このような構造のバッテリー1pでは、バッテリーセル120は、放熱構造体125を通じて筐体111に伝熱して、水冷によって効果的に除熱される。なお、冷却媒体115は、冷却水に限定されず、液体窒素、エタノール等の有機溶剤も含むように解釈される。冷却媒体115は、冷却に用いられる状況下にて、液体であるとは限らず、気体あるいは固体でも良い。
(2)熱伝導シート
熱伝導シート130は、この実施形態では、複数のバッテリーセル120と底部112との間において、底部112に接触する延出部131から筐体111の内側面に沿って立ち上がるように、縦断面視にて左右反転したL字状に折り曲げた部位(延出部131と接触部位132との角部を含む)を有する。熱伝導シート130は、その折り曲げた部位を、図8の右下の角に合わせて筐体111の内部114に配置されている。熱伝導シート130は、上記折り曲げた部位から、図8の最も右側に配置されるバッテリーセル120の右側面120cに沿って上方に延出している。熱伝導シート130は、図8の左右方向に並んで配置されるバッテリーセル120の隙間に連続接触するように、略S字状に折れ曲がりながら、図8の右側から左側に配置される8個のバッテリーセル120を被覆する。
熱伝導シート130は、バッテリーセル120の一方の側面から、上下いずれかの面、他方の側面を経るようにして、各バッテリーセル120をS字状に、あるいはスネーク状に被覆する形状で、バッテリー1pに備えられる。熱伝導シート130と各バッテリーセル120との接触状態の詳細は、以下のとおりである。
熱伝導シート130は、図8の最も右側に配置されるバッテリーセル120を、右側面120cに接触する接触部位132、上面120aに接触する接触部位133および左側面120dに接触する接触部位134にて被覆する。また、熱伝導シート130は、図8の右から2番目に配置されるバッテリーセル120を、右側面120cに接触する接触部位134、下面120bに接触する接触部位135および左側面120dに接触する接触部位136にて被覆する。また、熱伝導シート130は、図8の右から3番目に配置されるバッテリーセル120を、右側面120cに接触する接触部位136、上面120aに接触する接触部位133および左側面120dに接触する接触部位134にて被覆する。同様に、熱伝導シート130は、図8の右から4番目に配置されるバッテリーセル120を、右側面120cに接触する接触部位134、下面120bに接触する接触部位135および左側面120dに接触する接触部位136にて被覆する。また、熱伝導シート130は、図8の右から5番目に配置されるバッテリーセル120を、右から3番目に配置されているバッテリーセル120と同様の各種接触部位136,133,134にて被覆する。さらに、熱伝導シート130は、図8の右から6番目に配置されるバッテリーセル120を、右から4番目に配置されているバッテリーセル120と同様の各種接触部位134,135,136にて被覆する。また、熱伝導シート130は、図8の右から7番目に配置されるバッテリーセル120を、右から5番目に配置されているバッテリーセル120と同様の各種接触部位136,133,134にて被覆する。熱伝導シート130は、図8の右から8番目(最も左)に配置されるバッテリーセル120を、右側面120cに接触する接触部位134、下面120bに接触する接触部位135、左側面120dに接触する接触部位136および上面120aに接触する接触部位137にて被覆する。
熱伝導シート130の接触部位133,137は、バッテリーセル120の電極121,122を挿通可能なスリット138,139を備える。このため、バッテリーセル120の上面120aに電極121,122を備えていても、接触部位133,137は、上面120aに密着若しくは密着に近い状態で接することができる。また、後述するように、熱伝導シート130は、薄くて、折り曲げ容易な構造を有している。このため、バッテリーセル120の上面120a、下面120b、側面120c,120dが湾曲しあるいは凹凸を有する面であっても、熱伝導シート130は、バッテリーセル120の外周面120a,120b,120c,120dの形状に沿って変形して、当該外周面120a,120b,120c,120dに接触できる。
熱伝導シート130は、熱伝導シート30と同様である。放熱構造体125は、熱伝導シート130を、複数のバッテリーセル120の冷却媒体115(あるいは筐体111の底部112)に近い側の端部(この実施形態では、バッテリーセル120の下面120b)と、底部112の内底面との間の領域にて、折り返しによって形成された内側空間にゴム状弾性体140を備える。
(3)ゴム状弾性体
ゴム状弾性体140は、熱伝導シート130のバッテリーセル120と冷却媒体115との間に配置される部位において、少なくとも部分的に熱伝導シート130に囲まれている。より具体的には、ゴム状弾性体140は、延出部131と、バッテリーセル120の下面120bおよび接触部位135との間に挟まれた空間を埋めるように、熱伝導シート130に接して備えられている。ゴム状弾性体140は、バッテリーセル120と底部112との間にあってクッション性を発揮させる機能と、熱伝導シート130に加わる荷重によって熱伝導シート130が破損等しないようにする保護部材としての機能とを有する。ゴム状弾性体140は、熱伝導シート130に比べて低熱伝導性の部材である。ゴム状弾性体140の材質は、ゴム状弾性体31と同様である。
(4)ゴムシート
ゴムシート40(図2,4を参照)は、この実施形態では、好ましくは、バッテリーセル120と熱伝導シート130との間、および底部112と熱伝導シート130との間に配置されるシートであり、バッテリー1pあるいは放熱構造体125にとって必須の構成ではない。ゴムシート40は、上述のゴム状弾性体140と同様の様々な種類の弾性体にて形成可能であるが、バッテリーセル120からの熱を速やかに熱伝導シート130に伝える必要から、熱伝導性に優れたシリコーンゴムを含むシートであるのが好ましい。ゴムシート40は、バッテリーセル120と熱伝導シート130との密着性、あるいは冷却媒体115の周囲(底部112、筐体111の側壁など)と熱伝導シート130との密着性を高める機能を持つ。ゴムシート40は、ゴムシート40を挟む両側の部材に対する粘着性あるいは接着性を有するシート部材である。ゴムシート40は、熱伝導シート130同士の間に配置されても良い。例えば、後述する第5実施形態において、延出部151と接触部位152との間にゴムシート40を配置することもできる。例えば、バッテリー1qでは、熱伝導シート130と、熱伝導シート130、バッテリーセル120および冷却媒体115の周囲の少なくともいずれか一方とを密着固定するためのゴムシート40をさらに備え、熱伝導シート130によって1個のバッテリーセル120を覆うと共にその覆う方向を反転して折り返す部分であって熱伝導シート130同士の間に、ゴムシート40を挟むことができる。これによって、熱伝導シート130をバッテリーセル120に巻く際に、折り返し部分があっても、熱伝導シート130をゴムシートにて固定しながら巻くことができる。このように、放熱構造体125は、好ましくは、熱伝導シート130と、バッテリーセル120および底部112のような壁の少なくともいずれか一方とを密着固定するための1またはそれ以上のゴムシート40を、さらに備える。
(5)バッテリーの好適な組み立て方法
(a)PPS等に代表される樹脂材料と、グラファイト製フィラーおよび/またはグラファイトより低結晶性のカーボン製フィラー(粒子、繊維等の形態が好ましい)を液体(例えば、水)の中で撹拌して紙漉きと同様の方式でフェルト状シートを作製する。
(b)続いて、フェルト状シートを、図8の熱伝導シート130と同一若しくはこれに類似した断面形状になるように折り曲げる。
(c)熱伝導シート130の一部にゴム状弾性体140を固定して放熱構造体125を完成する。
(d)最後に、放熱構造体125をバッテリー1p内に組み込む。
(第5実施形態)
図9は、第5実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図(9A)および当該(9A)中の熱伝導シートの断面形状を模式的に表した図(9B)をそれぞれ示す。
第5実施形態に係る放熱構造体125aおよびバッテリー1qは、熱伝導シート130が各バッテリーセル120を被覆する形態以外、第4実施形態に係る放熱構造体125およびバッテリー1pと共通する。以下、熱伝導シート130が各バッテリーセル120を被覆する形態について、主に説明する。
(1)熱伝導シートが各バッテリーセルを被覆する形態
図9に示すように、放熱構造体125aを構成する熱伝導シート130は、各バッテリーセル120の外周囲を一周若しくは一周に近い状態で被覆している。具体的には、熱伝導シート130は、図9(9A)の右側のバッテリーセル120の下面120bを延出部151および延出部151から折り返された接触部位152にて被覆し、同バッテリーセル120の右側面120cを接触部位153にて被覆し、同バッテリーセル120の上面120aを接触部位154にて被覆し、同バッテリーセル120の左側面120dを接触部位155にて被覆している。これに連続して、熱伝導シート130は、図9(9A)の右から2番目のバッテリーセル120の下面120bを延出部151および延出部151から折り返された接触部位152にて被覆し、同バッテリーセル120の右側面120cを接触部位153にて被覆し、同バッテリーセル120の上面120aを接触部位154にて被覆し、同バッテリーセル120の左側面120dを接触部位155にて被覆している。このような被覆を、バッテリー1qにおける図9の右側から左側に並ぶ他のバッテリーセル120に対しても同様に行う。最後に、熱伝導シート130は、図9の左側のバッテリーセル120の下面120bを延出部151(これを「接触部位151」と称することもできる)にて被覆し、同バッテリーセル120の左側面120dを接触部位156にて被覆し、同バッテリーセル120の上面120aを接触部位157にて被覆する。このように、熱伝導シート130を図9(9B)の矢印で示す方向にバッテリーセル120の外周囲に巻いていくと、一枚の熱伝導シート130にて複数のバッテリーセル120を連続して被覆できる。上記の各接触部位151,152,153,154,155は、1個のバッテリーセル120を覆うと共にその覆う方向を反転して折り返して当該1個のバッテリーセル120とは別のバッテリーセル120を覆う部位である。上記別のバッテリーセル120は、上記1個のバッテリーセル120の隣に配置されているのが好ましいが、別の位置に配置されていても良い。なお、この実施形態では、熱伝導シート130は、第4実施形態において存在していた延出部131を備えていない。
(2)ゴム状弾性体
ゴム状弾性体140は、熱伝導シート130がバッテリーセル120覆う部位より冷却媒体115に近い位置において、熱伝導シート130の一部に備えられている。具体的には、ゴム状弾性体140は、バッテリーセル120の各下面120bに接する熱伝導シート130(主に接触部位151)と冷却媒体115の流れる底部112との間の空間に配置される。ゴム状弾性体140は、熱伝導シート130を介さずに底部112と接触している。なお、ゴムシート40をゴム状弾性体140と熱伝導シート130との間に介在させても良い。この実施形態では、バッテリーセル120から熱伝導シート130に伝わった熱は、熱伝導シート130に接する筐体111を通じて、あるいは熱伝導シート130に接するゴム状弾性体140を通じて、底部112の内部を流れる冷却媒体115へと伝わる。
(3)バッテリーの好適な組み立て方法
第4実施形態と同様の方法にて放熱構造体125aを製造して、バッテリー1q内に組み込む。
(第6実施形態)
図10は、第6実施形態に係る放熱構造体および当該放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図をそれぞれ示す。図11は、図10中の領域C1の拡大図(11A)および領域D1の拡大図(11B)をそれぞれ示す。
第6実施形態に係る放熱構造体125bおよびバッテリー1rは、筐体111の内側面上方に熱伝導シート130の両端を突出させて当該両端に通電機構を備えている点で、第5実施形態に係る放熱構造体125aおよびバッテリー1qと異なり、それら以外の点で概ね共通する。以下、第5実施形態と異なる点を主に説明する。
(1)通電機構
この実施形態では、熱伝導シート130は、導電性を有するとともに通電によってその抵抗に起因する発熱を生じる。熱伝導シート130の一部、ここでは一例として終端シート部150および接触部位156に、プラス側のリード線160とマイナス側のリード線161がそれぞれ接続されている。リード線160,161間に電圧を印加すると、熱伝導シート130に電流が流れて発熱する。終端シート部150は、延出部151に接続されている。接触部位156は、第2実施形態における接触部位156から接触部位157を形成することなく上方に延ばした部分である。
図11(11A)に示すように、リード線160は、通電用電極170に接続されている。通電用電極170は、終端シート部150に固定されている。同様に、図11(11B)に示すように、リード線161は、通電用電極171に接続されている。通電用電極171は、接触部位156に固定されている。この実施形態では、通電用電極170,171は、熱伝導シート130の表面に、金属フィラーを含有するペーストを塗布することで形成される薄膜である。金属フィラーを含有するペーストとしては、銀のフィラーを含有するペースト(銀ペースト)を好適に例示できる。その場合には、上記薄膜は銀薄膜となる。ただし、銀以外でも、比較的導電性に優れた金属材料を含有するペーストを塗布して通電用電極170,171を作製しても良い。また、通電用電極170,171の形成方法としては、特に制約はなく、例えば、刷毛塗りや、印刷を採用できる。この実施形態では、通電用電極170,171は、熱伝導シート130の表面に形成されている。ただし、通電用電極170,171は、熱伝導シート130の表面から内方にへこんだ領域に形成され、あるいは熱伝導シート130の内部に埋め込まれていても良い。さらに、終端シート部150(若しくは接触部位156)と筐体111の側壁との間、若しくはバッテリーセル120の側面と終端シート部150(若しくは接触部位156)との間にゴムシートを介在させ、通電用電極170,171をゴムシートの表面若しくは内部に形成しても良い。また、通電用電極170,171は、互いに離れた他の2つの接触部位にそれぞれ形成されても良い。
(2)バッテリーの好適な組み立て方法
第4実施形態の組み立て工程(a)から(d)と同様と同様の工程を行い、その後若しくは(a)の後の工程において、通電用電極170,171およびリード線160,161を熱伝導シート130に固定する。
上述のように、放熱構造体125,125a,125bは、それぞれ、複数のバッテリーセル120を備えるバッテリー1p,1q,1rの内部に備えることができる。放熱構造体125,125a,125bは、それぞれ、バッテリーセル120と冷却媒体115が流れていてバッテリー1p,1q,1rの筐体111の一部を構成している底部120のような壁との間に配置可能なベース部と、複数のバッテリーセル120同士の1またはそれ以上の隙間に配置可能な1またはそれ以上の熱伝導シート130と、を備える。ベース部は、ゴム状弾性体140を備える。熱伝導シート130は、金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、かつバッテリーセル120の周囲を半周以上巻く1またはそれ以上の接触部位を有する。
また、上述のように、バッテリー1,1a,1b,1p.1q,1rは、冷却媒体15,115を接触させる筐体11,111内に複数のバッテリーセル20,120を備える。放熱構造体25,25a,25b,125,125a,125bは、それぞれ、バッテリーセル20,120と、冷却媒体15,115が流れる底部であって筐体11,111の一部を構成している底部12,112のような壁との間、および複数のバッテリーセル20,120同士の1またはそれ以上の隙間に配置可能である。
(各実施形態の作用・効果)
上記各実施形態に係る放熱構造体125,125a,125b(「放熱構造体125等」という。)によれば、バッテリーセル120の冷却媒体115に近い側の端部の形状に依存せず、さらにはバッテリーセル120が軽量であって自重による放熱構造体への密着を期待できない状況であっても、バッテリーセル120からの熱を、熱伝導シート130の接触部位132,133,134,135,136,137(あるいは151,152,153,154,155,156,157)を経由して、バッテリー1p,1q,1r(「バッテリー1p等」という。)の底部112、冷却媒体115へと伝えることができる。加えて、導電性を有する熱伝導シート130を用いてバッテリーセル120の外周を半周以上被覆することにより、バッテリーセル120から生じる電磁波を効果的にシールドすることができる。このような効果を「電磁波シールド効果」という。
また、熱伝導シート130の上記構成によれば、1枚の熱伝導シート130にて、できるだけ長さを短くした状態で、複数のバッテリーセル120の外周面を半周以上被覆することができる。よって、低資源にてかつ簡易に、バッテリーセル120と熱伝導シート130との密着性を高め、それによって高い放熱性を期待できる。また、バッテリーセル120の外周囲の半周を超えて、ほぼ一周分若しくは完全に一周分被覆できる。したがって、バッテリーセル120からの熱を熱伝導シート130に伝えやすく、放熱特性をより高めることができる。加えて、導電性を有する熱伝導シート130を用いると、上述の電磁波シールド効果をさらに高めることができる。
また、ゴム状弾性体140を熱伝導シート130に備えているため、バッテリーセル120の端部が水平ではない場合、すなわち段差を形成していても、バッテリーセル120と放熱構造体125等との密着性を高めることができる。これは、放熱特性の向上に寄与する。また、上述の段差の問題に加え、熱伝導シート130を熱伝達媒体として有効に活用できる。これは、第4実施形態のように、熱伝導シート130を左右反転したL字形状とし、その内方にゴム状弾性体140を配置することにより、バッテリーセル120からの熱は熱伝導シート130を伝わり、底部112、冷却媒体115へと伝わりやすくなることを意味する。
また、バッテリー1p等によれば、バッテリーセル120の冷却媒体115に近い側の端部の形状に依存せず、さらにはバッテリーセル120が軽量であって自重による放熱構造体への密着を期待できない状況であっても、バッテリーセル120からの熱を、熱伝導シート130の接触部位132,133,134,135,136,137(あるいは151,152,153,154,155,156,157)を経由して、バッテリー1p等の底部112、冷却媒体115へと伝えることができる。加えて、導電性を有する熱伝導シート130を用いると、電磁波シールド効果を高めることができる。
(その他の実施形態)
上述のように、本発明の好適な各実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されることなく、種々変形して実施可能である。
例えば、熱源は、バッテリーセル20,120のみならず、回路基板や電子機器本体などの熱を発する対象物を全て含む。例えば、熱源は、キャパシタおよびICチップ等の電子部品であっても良い。同様に、冷却媒体15,115は、冷却用の水のみならず、有機溶剤、液体窒素、冷却用の気体であっても良い。また、放熱構造体25等あるいは放熱構造体125等は、バッテリー1等あるいはバッテリー1p等以外の構造物、例えば、電子機器、家電、発電装置等に配置されていても良い。
ゴム状弾性体31は、上述の各実施形態では、熱伝導シート30の湾曲若しくは屈曲にて形成される内方空間、あるいは熱伝導シート30と底部12との間の空間内に配置されているが、これらの空間のみならず、当該空間以外に延出していても良い。
ゴムシート40は、各実施形態では、熱伝導シート30と熱源との間、熱伝導シート30と底部12との間に存在している場合もあるが、これらの間以外に存在していても良い。例えば、ゴムシート40は、終端シート部36と筐体11の側壁の内面との間に存在していても良い。また、ゴムシート40は、熱源や底部12に接着しておらず、接触若しくは密着していて、熱源や底部12から容易に着脱できても良い。また、第3実施形態において、熱伝導シート30は、ゴム状弾性体31より上方(すなわち、バッテリーセル20側)の筐体11の側壁内面に接触しているが、ゴム状弾性体31側(すなわち下方)の当該側壁内面に接触していても良い。
熱伝導シート130のバッテリーセル120と接触する接触部位は、2個のバッテリーセル120を断面視にて1個のS字状に被覆する部位でも良い。図9(9B)において、右側の延出部151、右側の接触部位152あるいは左側の接触部位157は、必ずしも要しない。また、熱伝導シート130は、1枚に限定されず、2枚以上とし、各バッテリーセル120を個別若しくは2以上をまとめて被覆するようにしても良い。
また、上述の各実施形態の複数の構成要素は、互いに組み合わせ不可能な場合を除いて、自由に組み合わせ可能である。例えば、第3実施形態において、第2実施形態のようなゴム状弾性体31を内方する突出シート部35を備えるようにしても良い。また、通電用電極60,61を、第1実施形態または第2実施形態に備えるようにしても良い。また、第6実施形態において備えられる通電機構を、第4実施形態に備えても良い。
本発明に係る放熱構造体は、例えば、自動車用バッテリーの他、自動車、工業用ロボット、発電装置、PC、家庭用電化製品などの各種電子機器にも利用することができる。また、本発明に係るバッテリーは、自動車用のバッテリー以外に、家庭用の充放電可能なバッテリー、PC等の電子機器用のバッテリーにも利用できる。

Claims (7)

  1. 複数のバッテリーセルを備えるバッテリーの内部に備えることの可能な放熱構造体において、
    前記放熱構造体は、前記バッテリーセルと前記バッテリーの筐体の一部を構成しており冷却媒体の流れる壁との間に配置可能なベース部と、
    金属、炭素およびセラミックの少なくとも1つを含み、前記複数のバッテリーセル各々の外周囲を一周若しくは一周に近い状態で被覆する熱伝導シートと、
    を備え、
    前記ベース部は、ゴム状弾性体を備え、
    前記熱伝導シートは、1個の前記バッテリーセルの外周囲を被覆すると共に、前記バッテリーセルの前記冷却媒体側の面にてその被覆方向を反転して折り返された延出部を備え、前記延出部から連続して前記1個のバッテリーセルとは別のバッテリーセルの外周囲を被覆する1枚のシートである放熱構造体。
  2. 前記熱伝導シートは、前記複数のバッテリーセルを、前記バッテリーの前記筐体の上方開口面から前記筐体の底部へと垂直に切断する方向の断面にてS字状に被覆、若しくはS字状に連続被覆する請求項1に記載の放熱構造体。
  3. 前記ゴム状弾性体は、前記バッテリーセルと前記壁との間に配置される部位において、少なくとも部分的に前記熱伝導シートによって囲まれている請求項1または2に記載の放熱構造体。
  4. 前記熱伝導シートは、炭素フィラーと、樹脂とを含むシートである請求項1からのいずれか1項に記載の放熱構造体。
  5. 前記熱伝導シートと、前記バッテリーセルおよび前記壁の少なくともいずれか一方とを密着固定するための1またはそれ1以上のゴムシートを、さらに備える請求項1からのいずれか1項に記載の放熱構造体。
  6. 前記熱伝導シート若しくは前記ゴム状弾性体を加熱するために給電可能な通電用電極を、さらに備える請求項1からのいずれか1項に放熱構造体。
  7. 冷却媒体を接触させる筐体の内部に備えられる複数のバッテリーセルと、
    請求項1からのいずれか1項に記載の放熱構造体であって、前記バッテリーセル同士の隙間および前記バッテリーセルと前記筐体の一部を構成しており前記冷却媒体の流れる壁との間に備える放熱構造体と、
    を備えるバッテリー。
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