JP7429566B2 - 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
(2)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記クッション部材を備える複数の放熱部材が連結して構成され、前記クッション部材は、その長さ方向に中空部を有する筒形状の長尺の部材である。
(3)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記放熱部材は、金属、炭素若しくはセラミックスの少なくとも1つを含む熱伝導シートをさらに備え、前記クッション部材は、前記熱伝導シートに比べて前記熱源の表面形状に合わせて変形容易であり、前記熱伝導シートは、前記熱源からの熱を伝えるためのシートであって、前記クッション部材の筒外周に備えられる。
(4)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記熱伝導シートは、前記蓄熱カプセルを含有している。
(5)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記熱伝導シートは、スパイラル状に巻回しながら進行する形状で前記クッション部材の筒外周に備えられる。
(6)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記熱伝導シートは、前記クッション部材の長さ方向に沿う第1隙間であって前記熱伝導シートの厚さ分の前記第1隙間を有する状態で前記クッション部材の筒外周を覆うよう備えられ、前記第1隙間は、複数の前記放熱部材を連結する方向以外の方向に形成される。
(7)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記クッション部材は、前記熱伝導シートの前記第1隙間の位置に、前記中空部につながる第2隙間を有する。
(8)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、複数の前記放熱部材は、その長さ方向と直交する方向にて糸で連結されている。
(9)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、複数の前記放熱部材は、枠体の開口部を橋渡しする状態で、前記枠体に固定されている。
(10)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記枠体は、その厚さが、前記熱源からの押圧により変形した前記放熱部材の厚さより薄くなるよう形成される。
(11)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記熱伝導シートの表面に、当該表面に接触する前記熱源から当該表面への熱伝導性を高めるための熱伝導性オイルを有する。
(12)別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記熱伝導性オイルは、シリコーンオイルと、前記シリコーンオイルより熱伝導性が高く、金属、セラミックスまたは炭素の1以上からなる熱伝導性フィラーとを含む。
(13)一実施形態に係るバッテリーは、冷却部材を流す構造を持つ筐体内に、1または2以上の熱源としてのバッテリーセルを備えたバッテリーであって、前記バッテリーセルと前記筐体との間に、上述のいずれか1項に記載の放熱構造体を備える。
図1は、第1実施形態に係る放熱構造体をバッテリーセルの直下に配置する状態の斜視図(1A)および当該(1A)におけるA-A線断面図(1B)をそれぞれ示す。図2は、第1実施形態に係る放熱構造体を備えるバッテリーの縦断面図を示す。
バッテリー40は、図2に示すように、冷却部材45を流す構造を持つ筐体41内に、1または2以上の熱源としてのバッテリーセル50を備えた構造を有する。放熱構造体1は、好ましくは、バッテリーセル50の冷却部材45に近い側の端部(下端部)と冷却部材45に近い側の筐体41の一部(底部42)との間に備えられている。図2では、放熱構造体1は、11個のバッテリーセル50を載置しているが、放熱構造体1に載置するバッテリーセル50の個数は11個に限定されない。なお、本願では、「断面」あるいは「縦断面」とは、バッテリー40の筐体41の内部44における上方開口面から底部42へと垂直に切断する方向の断面を意味する。
第1実施形態に係る放熱構造体1は、バッテリーセル50と冷却部材45との間にあって、バッテリーセル50から冷却部材45に熱を伝導させてバッテリーセル50からの放熱を可能とする構造体である。放熱構造体1は、ゴム状弾性体から構成されるクッション部材11に、相転移によって蓄熱を行う蓄熱材をマイクロカプセル内に封入してなる蓄熱カプセル3を含有する構造体である(図1(1B)参照)。
クッション部材11の重要な機能は変形容易性と回復力である。変形容易性は、バッテリーセル50の形状に追従するために必要な特性であり、特にリチウムイオンバッテリーなどの半固形物、液体的性状も持つ内容物などを変形しやすいパッケージに収めてあるようなバッテリーセル50の場合には、設計寸法的にも不定形または寸法精度があげられない場合が多い。このため、クッション部材11の変形容易性や追従力を保持するための回復力の保持は重要である。
蓄熱カプセル3は、蓄熱物質を含む芯物質の周囲に、被膜(カプセル)が形成されたものである。蓄熱カプセル3は、被膜からの蓄熱物質の漏出を防ぐために、芯物質にエラストマーを含有することが好ましい。なお、この実施形態においては、蓄熱物質、エラストマー、およびその他の添加剤等を併せて「芯物質」とも称する。また、蓄熱カプセル3は、好ましくは、直径50~200μmであり、より好ましくは、直径150μmである。この実施形態において、蓄熱カプセル3は、芯物質が70重量%、被膜が30重量%となるよう構成されることが好ましい。また、この実施形態において、蓄熱カプセル3は、芯物質が77体積%、被膜が23体積%となるよう構成されることが好ましい。蓄熱カプセル3のクッション部材11に対する質量含有率は、好ましくは30~70質量%、より好ましくは40~60質量%、さらにより好ましくは46~53質量%である。他の実施形態でも同様である。
この施形態において、蓄熱物質は、例えば、パラフィン化合物、脂肪酸、脂肪酸エステル化合物、脂肪族エーテル類、脂肪族ケトン類、脂肪族アルコール等の潜熱蓄熱物質が好ましく、化学的および物理的に安定な化合物であり、且つ高い蓄熱容量を有する脂肪酸エステル化合物がより好ましい。脂肪酸エステル化合物としては、例えば、炭素数8~30の長鎖脂肪酸エステルを用いることができ、具体的には、ステアリン酸ビニル、セバシン酸ジメチル、ステアリン酸ブチル、ステアリン酸イソプロピル、パルミチン酸イソプロピル、パルミチン酸プロピルが挙げられる。蓄熱物質の融点が外気温度よりも低い場合、常時、蓄熱物質は相転移した後の状態(液体の状態)となるため、バッテリーセル50からの熱を受けても蓄熱を行わない。一方、蓄熱物質の融点があまりに高い場合、バッテリーセル50の温度が融点温度付近に上昇するまで相転移による吸熱を行わない。これらの点から、蓄熱物質の融点および凝固点は、20~100℃の範囲にあることが好ましく、35℃~60℃の範囲にあることがより好ましい。
この実施形態において、エラストマーは、例えば、共役ジエンゴム(ただし、水添共役ジエン(共)重合体を除く)、エチレン・α-オレフィン共重合体ゴム、水添共役ジエン(共)重合体、エチレン・酢酸ビニル共重合体等であることが好ましい。これらは、1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。エラストマーは、ゴム弾性を有し、蓄熱物質を良好に包接するバインダー成分として働くため、被膜からの蓄熱物質の漏出を防ぐことができる。特に、熱可塑性エラストマーは、製造時において成型加工を繰り返し行うことが可能であるため好ましく、蓄熱物質のブリード(染出し)防止および長期耐久性の観点から、水添共役ジエン(共)重合体がより好ましい。
この実施形態において、被膜は、例えば、メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレン-(メタ)アクリル酸エステル共重合樹脂、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル-スチレン共重合樹脂(AS樹脂)等、バッテリーセル50からの放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硬質樹脂から構成されることが好ましい。なお、これらのポリマーは、蓄熱用途に求められる効果を維持しうる範囲で、機能付与の目的で他のモノマーが含まれていても良いし、これらのポリマーが架橋されていても良い。
蓄熱カプセル3は、その他の添加剤として、AlN、cBN、hBN、ダイヤモンドの粒子等に代表されるフィラーを含有していても良い。フィラーの含有量は、加工時の充填性を維持するという観点から、芯物質がエラストマーの融点以上において流動性を維持できる含有量であることが好ましい。具体的には、芯物質100質量%に対して、0.01~50質量%であることが好ましく、1~30質量%であることがより好ましい。なお、このような添加剤は、放熱構造体1あるいはバッテリー40にとって必須の構成ではなく、好適に備えることのできる追加的な構成である。これは、第2実施形態以降でも同様である。
図3は、第1実施形態に係る放熱構造体を備えるバッテリーの変形例1の縦断面図を示す。
次に、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について説明する。先の実施形態と共通する部分については同じ符号を付して重複した説明を省略する。
熱伝導シート4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。樹脂を合成繊維とすることもでき、その場合には、好適に、アラミド繊維を用いることもできる。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、ダイヤモンドに近い構造を持つ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4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。熱伝導シート4は、メッシュ状に編んだカーボンファイバーであっても良く、さらには混紡してあっても混編みしてあっても良い。なお、グラファイト繊維、カーボン粒子あるいはカーボンファイバーといった各種フィラーも、すべて、炭素フィラーの概念に含まれる。
放熱部材5は、クッション部材11aを備える部材である。クッション部材11aは、その長さ方向に中空部12を有する筒形状の長尺の部材である(図4参照)。放熱部材5は、クッション部材11aに蓄熱カプセル3を含有する(図4(4C)参照)。クッション部材11aは、複数のバッテリーセル50の下端部が平坦でない場合でも、熱伝導シート4と当該下端部との接触を良好にする。さらに、中空部12は、クッション部材11aの変形を容易にし、加えて放熱構造体1aの軽量化に寄与し、また、熱伝導シート4とバッテリーセル50の下端部との接触を高める機能を有する。クッション部材11aは、バッテリーセル50と底部42との間にあってクッション性を発揮させる機能の他に、熱伝導シート4に加わる荷重によって熱伝導シート4が破損等しないようにする保護部材としての機能も有する。この実施形態では、クッション部材11aは、熱伝導シート4に比べて低熱伝導性の部材である。なお、この実施形態では、中空部12は、断面円形状に形成されているが、中空部12の断面形状は円に限定されず、例えば、多角形、楕円形、半円形、頂点が丸みを帯びた略多角形等であっても良い。また、中空部12は、例えば、断面円形状が上下または左右に2つに分割された2の断面半円形状の中空部等、複数の中空部から構成されていても良い。
次に、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について説明する。先の各実施形態と共通する部分については同じ符号を付して重複した説明を省略する。
糸15は、バッテリーセル50からの放熱による温度上昇に耐え得る糸であることが好ましい。より具体的には、糸15は、120℃程度の高温に耐え得る糸であって、天然繊維、合成繊維、カーボン繊維、金属繊維等の繊維からなる撚糸で構成されることが好ましい。糸15は、放熱部材5a同士を自由に動かないように規制する連結部材の一例である。糸15は、放熱部材5aの本数に対応する数の輪を備えている。放熱部材5aは、当該輪の中に挿入されている。複数の輪の連結部分には、輪の拡がりを規制する規制部17が設けられている(図6(6C)参照)。規制部17は、糸15の結び目、あるいは糸15とは別体の樹脂、金属、セラミックスあるいは木材等から成る部材でも良い。放熱構造体1bは、放熱部材5aがバッテリーセル50により圧縮され扁平した形態となっても、放熱部材5aの変形に追従して糸15が撓むため、バッテリーセル50の表面に追従・密着することができる。また、放熱構造体1bは、複数の放熱部材5aの間に規制部17を備えることにより、バッテリーセル50の表面への追従・密着性をより高めることができる。なお、糸15は、必ずしも、規制部17を有していなくても良い。
熱伝導性オイルは、好ましくは、シリコーンオイルと、シリコーンオイルより熱伝導性が高く、金属、セラミックスまたは炭素の1以上からなる熱伝導性フィラーとを含む。熱伝導シート10は、微視的に、隙間(孔あるいは凹部)を有する。通常、当該隙間には空気が存在し、熱伝導性に悪影響を及ぼす可能性が有る。熱伝導性オイルは、その隙間を埋めて、空気に代わって存在することになり、熱伝導シート10の熱伝導性を向上させる機能を有する。
次に、第4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について説明する。先の各実施形態と共通する部分については同じ符号を付して重複した説明を省略する。
枠体30は、好ましくは、矩形の薄いシートであって、中央に、好ましくは矩形の開口部31を有する。枠体30は、バッテリーセル50からの放熱により変形しない材料であれば、熱硬化性樹脂若しくは熱可塑性樹脂に代表される樹脂、金属、セラミックスあるいは木材で構成されていても良い。開口部31は、バッテリーセル50によって放熱部材5aを底部42に向けて押圧可能な領域である。開口部31は、バッテリーセル50を挿通可能なほどに十分な大きさを有しているのが好ましい。しかし、開口部31は、バッテリーセル50を挿通不可な大きさであっても良い。複数の放熱部材5aは、枠体30の開口部31を橋渡しする状態で、枠体30に固定されている。より具体的には、複数の放熱部材5aは、その長さ方向の両端部を枠体30の対向辺上に載せた状態で、放熱部材5aの中空部12に糸25を到達するように縫って固定されている。
次に、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について説明する。先の各実施形態と共通する部分については同じ符号を付して重複した説明を省略する。
図13は、第5実施形態に係る放熱構造体の変形例2を、図12(12B)と同様の視野にて示す。
図16は、第5実施形態に係る放熱構造体を備えるバッテリーの変形例3を、図15と同様の視野にて示す。なお、図16では、放熱構造体1d,1eのうち放熱構造体1dを例に挙げて示す。また、図16では、一部の放熱部材5bを拡大して示す。
次に、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について説明する。先の各実施形態と共通する部分については同じ符号を付して重複した説明を省略する。
以上説明したように、放熱構造体1,1a,1b,1c,1d,1e,1f(放熱構造体1,1a,1b,1c,1d,1e,1fを総称する場合には、「放熱構造体1等」とも称する)は、バッテリーセル50と冷却部材45との間にあってバッテリーセル50から冷却部材45に熱を伝導させてバッテリーセル50からの放熱を可能とする放熱構造体であって、ゴム状弾性体から構成されるクッション部材11,11a,11b(クッション部材を総称する場合には、「クッション部材11等」とも称する)に、相転移によって蓄熱を行う蓄熱材をマイクロカプセル内に封入してなる蓄熱カプセル3を含有する。
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。
Claims (12)
- 熱源と冷却部材との間にあって前記熱源から前記冷却部材に熱を伝導させて前記熱源からの放熱を可能とする放熱構造体であって、
ゴム状弾性体から構成されるクッション部材に、相転移によって蓄熱を行う蓄熱材をマイクロカプセル内に封入してなる蓄熱カプセルを含有し、
前記クッション部材を備える複数の放熱部材が連結して構成され、
前記クッション部材は、その長さ方向に中空部を有する筒形状の長尺の部材である放熱構造体。 - 前記放熱部材は、金属、炭素若しくはセラミックスの少なくとも1つを含む熱伝導シートをさらに備え、
前記クッション部材は、前記熱伝導シートに比べて前記熱源の表面形状に合わせて変形容易であり、
前記熱伝導シートは、前記熱源からの熱を伝えるためのシートであって、前記クッション部材の筒外周に備えられる請求項1に記載の放熱構造体。 - 前記熱伝導シートは、前記蓄熱カプセルを含有している請求項2に記載の放熱構造体。
- 前記熱伝導シートは、スパイラル状に巻回しながら進行する形状で前記クッション部材の筒外周に備えられる請求項2または3に記載の放熱構造体。
- 前記熱伝導シートは、前記クッション部材の長さ方向に沿う第1隙間であって前記熱伝導シートの厚さ分の前記第1隙間を有する状態で前記クッション部材の筒外周を覆うよう備えられ、
前記第1隙間は、複数の前記放熱部材を連結する方向以外の方向に形成される請求項2または3に記載の放熱構造体。 - 前記クッション部材は、前記熱伝導シートの前記第1隙間の位置に、前記中空部につながる第2隙間を有する請求項5に記載の放熱構造体。
- 複数の前記放熱部材は、その長さ方向と直交する方向にて糸で連結されている請求項2から6のいずれか1項に記載の放熱構造体。
- 複数の前記放熱部材は、枠体の開口部を橋渡しする状態で、前記枠体に固定されている請求項2から7のいずれか1項に記載の放熱構造体。
- 前記枠体は、その厚さが、前記熱源からの押圧により変形した前記放熱部材の厚さより薄くなるよう形成される請求項8に記載の放熱構造体。
- 前記熱伝導シートの表面に、当該表面に接触する前記熱源から当該表面への熱伝導性を高めるための熱伝導性オイルを有する請求項2から9のいずれか1項に記載の放熱構造体。
- 前記熱伝導性オイルは、シリコーンオイルと、前記シリコーンオイルより熱伝導性が高く、金属、セラミックスまたは炭素の1以上からなる熱伝導性フィラーとを含む請求項10に記載の放熱構造体。
- 冷却部材を流す構造を持つ筐体内に、1または2以上の熱源としてのバッテリーセルを備えたバッテリーであって、前記バッテリーセルと前記筐体との間に、請求項1から11のいずれか1項に記載の放熱構造体を備えるバッテリー。
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