JPH1055827A - 電力貯蔵用電池の放熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御機器を用いることなく電池温度に合わせ
て放熱を行い、放電出力が変化しても、自律的に電池温
度を制限内に維持する電力貯蔵用電池の放熱装置を提供
すること。 【解決手段】 電力貯蔵用電池モジュール１に取り付け
られ、蒸発部２２と凝縮部２４とを具備するヒートパイ
プ２０を有する電力貯蔵用電池の放熱装置において、前
記ヒートパイプ２０には、作動流体と不凝縮性ガスとが
封入してあり、前記ヒートパイプ２０の蒸発部２２は、
前記電池モジュール１の下部に取り付けられた均熱板３
に略水平方向に挿入してあり、前記ヒートパイプ２０の
凝縮部２４は、前記電池モジュール１の側面に略鉛直ま
たは水平から３０°以上で立ち上がった管で構成してあ
り、前記凝縮部２４の上部にはガス溜め部２５が設けて
あり、前記凝縮部２４に放熱部２６が装着してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばナトリウ
ム−硫黄電池（ＮＡＳ電池）などの電力貯蔵用電池の放
熱装置に関し、特に放熱能力が連続的に可変である不凝
縮性ガス入りヒートパイプを用いた電力貯蔵用電池の放
熱装置に係り、たとえば自動車用電池の放熱装置、ある
いはその他の用途の電池の放熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】このよ
うな電力貯蔵用電池は、放電、充電、待機を１サイクル
にして、特に、放電時に電池から熱が発生するため放熱
機構を必要とする。現状の温度調節方法としては断熱性
の優れた真空断熱容器とヒータを用いている。これは、
放電時の発熱量に応じて予め真空度を調節した容器表面
から放熱を行って電池の温度上昇を抑え、充電および待
機（調整）時にはすでに調節された真空度に応じた放熱
量により、電池温度が降下する。一般的には、充放電の
１サイクルの終了時には初期温度に合わせる必要がある
ため、待機（調整）時の過程ではヒータ入力を調節しな
がら所定の温度以下になることなく初期温度に到達させ
ている。このようにして、電池を安定に維持する制定温
度（低温側温度、例えば３００℃）と、電池の寿命に関
わる最高温度（例えば３５０℃）の間に納めている。

【０００３】従って、発熱量が変化する運用、即ち電池
の放電出力が変化する運用を行おうとすると、その都
度、真空断熱容器の真空度を調節して、電池温度の最低
値、最大値の間に維持させる必要があり、運転管理がき
わめて煩雑となる。本発明は、このような実状に鑑みて
なされ、放電出力が変化しても自律的に放電量が増加
し、制御機器を用いることなく電池温度に合わせて放熱
を行う電力貯蔵用電池の放熱装置を提供することを目的
とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る電力貯蔵用電池の放熱装置は、電力貯
蔵用電池モジュールに取り付けられ、蒸発部と凝縮部と
を具備するヒートパイプを有する電力貯蔵用電池の放熱
装置において、前記ヒートパイプには、作動流体と不凝
縮性ガスとが封入してあり、前記ヒートパイプの蒸発部
は、前記電池モジュールの下部に取り付けられた均熱板
に略水平方向に挿入してあり、前記ヒートパイプの凝縮
部は、前記電池モジュールの側面に略鉛直または水平か
ら３０°以上で立ち上がった管で構成してあり、前記凝
縮部の上部にはガス溜め部が設けてあり、前記凝縮部に
放熱部が装着してあることを特徴とする。

【０００５】前記作動流体が、ビフェニールとビフェニ
ールエーテルとの混合物、アルキルジフェニル、および
ナフタリンのうちから選ばれる一種以上のものであるこ
とが好ましい。前記ヒートパイプのガス溜め部は、前記
凝縮部に対する容積の比が１以上であることが好まし
い。

【０００６】前記ヒートパイプの蒸発部内壁に、毛細管
現象促進部材が装着してあることが好ましい。毛細管現
象促進部材は、蒸発部内壁のみでなく、凝縮部まで延び
るように敷設しても良い。前記毛細管現象促進部材が、
燒結金属、メッシュ（たとえば金属製あるいはその他の
耐熱性部材）、およびファイバ束によるウイックのうち
のいずれか一種以上のものであることが好ましい。

【０００７】前記ヒートパイプの放熱部は、アルミニウ
ム系金属で構成され、前記凝縮部と接触して前記電池モ
ジュールの一側面に略平行なベース部と、前記ベース部
から電池モジュールとは反対方向または両方向に突出し
て取り付けられた薄板状の櫛形フィンとを有することが
好ましい。フィンは、鉛直方向に沿って延びることがさ
らに好ましい。

【０００８】本発明に係る電力貯蔵用電池の放熱装置
は、発電所などの固定設備のみでなく、電気自動車など
の車両に搭載される電池の放熱装置としても利用でき
る。

【０００９】

【作用】ヒートパイプは真空中に少量の作動流体を注入
し封止しているものであるが、不凝縮性ガス入りヒート
パイプは、作動流体と同時に適量の不凝縮性ガス（例え
ばアルゴン）をヒートパイプ内に封入する。このヒート
パイプを作動させると、ヒートパイプ内の蒸発流によっ
て不凝縮性ガスが凝縮部端に押し込まれる。不凝縮性ガ
スは環境温度に支配され、また、作動流体の飽和圧力の
温度依存性は、不凝縮性ガスに比べて著しく大きいの
で、温度が上昇すると、作動流体と不凝縮性ガスとの界
面が、厳密には多少の拡散効果があるものの、凝縮部側
に移動することになる。

【００１０】したがって、この界面の位置を最低保持温
度（ナトリウム−硫黄電池では約３００℃）付近で蒸発
部の凝縮部側に、最高保持温度（ナトリウム−硫黄電池
では３３０〜３５０℃）付近で凝縮部とガス溜めとの境
界位置になるように不凝縮性ガスを封入すると、最低保
持温度に達するまでの温度では、ヒートパイプとしての
機能が抑制される。一方、その後の温度上昇で凝縮部に
作動流体領域が移動すると有効凝縮部が拡大され、放熱
量が順次増加していき、上限温度に達したとき、つま
り、不凝縮性ガスが凝縮部端のガス溜め部に収納された
ときに発熱量に見合う放熱量が得られれば、外部動力を
全く使用せず適切な温度範囲に電池を保持することがで
きる。

【００１１】このとき、作動流体にビフェニールとビフ
ェニールエーテルの混合物を用いると、毒性が低く安価
で、３５０℃付近で安定であり、ヒートパイプの適切な
作動が可能である。また、蒸発部は水平であるため、ベ
ア管（一般的な配管）では、凝縮した作動流体が蒸発部
の端部まで到達せずにドライアウト（過熱状態になる）
を生じさせてしまうおそれがある。しかしながら、本発
明では、蒸発部の内壁に金属製メッシュなどの毛細管現
象促進部材を敷設することで、毛細管力を利用して作動
流体を端部、あるいは管の上壁まで輸送することができ
る。

【００１２】また、ガス溜め部は、凝縮部に対するガス
溜め部の容積比を１以上にとると、上限温度と下限温度
との差を４０℃程度に抑えることができ、電池の最適温
度範囲に収めることができる。必要に応じてこの比をさ
らに大きくすると、より高精度の温度制御ができる。

【００１３】また、放熱フィンを、アルミニウム系金属
で構成すると軽量かつ熱伝導率が良く放熱効率が向上す
る。また、凝縮部と接触して電池モジュールの一側面に
平行なベース部と、前記ベース部から電池モジュールと
は反対方向に突出し鉛直方向に取り付けられた薄板状フ
ィンからなる放熱フィンを用いることで、横方向の熱伝
導はベース部の肉厚で調節することができ、しかもフィ
ンの表面積を嫁ぐことができ、自然体流に対して良好な
気流を得ることができる。

【００１４】さらに、電池モジュールの下部に、ヒート
パイプを挿入しているため、単電池間の均熱にも貢献で
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電力貯蔵用電
池の放熱装置を、図面に示す実施形態に基づき、詳細に
説明する。図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係る電力
貯蔵用電池の放熱装置の概略断面図、同図（Ｂ）は同図
（Ａ）に示す横断面図、図２はヒートパイプの蒸発部の
横断面図、図３は本発明の他の実施形態に係るヒートパ
イプの蒸発部の横断面図である。

【００１６】第１実施形態 図１に示す実施形態に係る電力貯蔵用電池の放熱装置
は、断熱材で形成されたモジュールケース１内に、円筒
状のナトリウム−硫黄単電池２が複数立設して収納され
ている。本実施形態では、縦２５基、横１２基の単電池
２が収納されているが、本発明では特に限定されること
はない。

【００１７】この断熱モジュールケース１の底部には、
熱伝導性に優れた均熱板３が取り付けてあり、この均熱
板３の長手方向に沿って、ヒートパイプ２０の蒸発部２
２が略水平方向に延在して挿入してある。均熱板３は、
たとえば厚さ２２mmのアルミニウム板材で構成してあ
る。

【００１８】本実施形態のヒートパイプ２０は、真空の
管内に作動流体と不凝縮性ガスを封入したもので、作動
流体としては特に限定されないが、制御する温度範囲に
応じて、ビフェニールとビフェニールエーテルとの混合
物、アルキルジフェニル、およびナフタリンのうちから
選ばれる。具体的には、たとえばサームエス３００（ビ
フェニール２６．５％、ビフェニールエーテル７３．５
％の混合物＝新日鐵化学社製）などを例示することがで
きる。また、不凝縮性ガスとしては、特に限定されない
が、安定性に優れ、作動流体に対して溶解し難い気体が
好ましく、アルゴン、キセノン、窒素などを例示するこ
とができる。

【００１９】ヒートパイプ２０の蒸発部２２は、既述し
たように均熱板３に埋設して設けられているが、他端側
は、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、モジュールケー
ス１の側面で立ち上がり、ここに凝縮部２４が形成さ
れ、この凝縮部２４には、放熱部２６が装着してある。
放熱部２６は、熱伝導性に優れた銅やアルミニウムある
いは加工性に優れた真鍮からなるベース部２６ａと、放
熱フィン２６ｂとを有し、自然空冷による放熱が行われ
る。フィン２６ｂは櫛形であることが好ましく、自然冷
却を促進するために、フィン２６ｂは、鉛直方向に沿っ
たものであることが好ましい。ヒートパイプ２０の凝縮
部２４は、蒸発部２２に対して３０度以上の角度で立ち
上がった管（蒸発部２２と連続する管）であることが好
ましく、さらに好ましくは、モジュールの側面に略鉛直
に配置されることが好ましい。

【００２０】また、ヒートパイプ２０の凝縮部２４の端
部には、不凝縮性ガスを溜めるためのガス溜め部２５が
形成してある。本実施形態では、ヒートパイプ２０の外
径１５ｍｍに対してガス溜め部２５の外径を３０ｍｍと
している。ヒートパイプの材質は、特に限定されない
が、たとえばステンレス製である。

【００２１】本実施形態では、図２に示すように、ヒー
トパイプ２０の蒸発部２２の内壁には、りん青銅製のメ
ッシュ３０が３層（３層以上でも良い）に挿入してあ
る。毛細管現象促進部材としてのメッシュ３０は、蒸発
部２２の内壁に沿って筒状に装着することが好ましい。
流路断面を狭めないようにするためである。

【００２２】本実施形態では、凝縮部２４の長さがたと
えば３００ｍｍで、ガス溜め部２５の長さが１００ｍｍ
で、容積比は約１．６である。放熱部２６は、幅２００
ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚さ８ｍｍのベース部２６ａ
に、厚さ１ｍｍの板状のフィン２６ｂが計１６枚設けて
ある。ベース部２６ａの中央部には凝縮部２４が固定し
てある。これらの寸法は、フィン効率を低下させないた
めの選定である。

【００２３】なお、ヒートパイプ２０に作動流体と不凝
縮性ガスとを封入するにあたり、次の点に留意する。す
なわち、本実施形態では、蒸発部２２の温度に応じて作
動流体と不凝縮性ガスとの界面が移動することを利用し
て、実質的な蒸発部２２および凝縮部２４の長さを可変
とするので、この界面の位置が、最低保持温度（ナトリ
ウム−硫黄電池では約３００℃）付近では蒸発部２２の
うちの凝縮部２４側に、最高保持温度（ナトリウム−硫
黄電池では３３０〜３５０℃）付近では凝縮部２４とガ
ス溜め２５との境界位置になるように、不凝縮性ガスを
封入する。

【００２４】上述したヒートパイプ２０は、図１（Ｂ）
に示すように、一つのモジュールケース１にたとえば３
組設けてある。次に作用を説明する。本実施形態の電力
貯蔵用電池の放熱装置では、作動流体と不凝縮性ガスが
封入されたヒートパイプ２０を有している。したがっ
て、ヒートパイプ２０が作動すると、管内の蒸気流によ
って不凝縮性ガスは凝縮部２４の端、すなわちガス溜め
２５側に押し込まれる。

【００２５】ここで、不凝縮性ガスは、環境温度に支配
され、また、作動流体の飽和圧力の温度依存性は、不凝
縮性ガスに比べて著しく大きいので、温度が上昇する
と、作動流体と不凝縮性ガスとの界面が、厳密には多少
の拡散効果があるものの、凝縮部２４側に移動すること
になる。

【００２６】したがって、この界面の位置を、図１
（Ａ）に示すように、ナトリウム−硫黄電池の最低保持
温度である３００℃付近では、蒸発部２２のうちの凝縮
部２４に近い位置Ａに、最高保持温度である３３０〜３
５０℃付近では凝縮部２４とガス溜め２５との境界位置
Ｂに位置するように不凝縮性ガスを封入する。これによ
り、最低保持温度３００℃に達するまでの温度では、作
動流体は不凝縮性ガスの圧力に押されて、モジュールケ
ース１の均熱板３部分にのみ存在することになるので、
ヒートパイプ２０としての機能が抑制される。一方、こ
れ以上の温度になると、作動流体の圧力が不凝縮性ガス
の圧力に打ち勝って、作動流体と不凝縮性ガスとの界面
が凝縮部２４側に移動するので、凝縮部２４が温度上昇
にともなって実質的に徐々に拡大される。これにより、
放熱量がアナログ的に増加し、最高保持温度３３０〜３
５０℃に達すると、不凝縮性ガスは凝縮部２４の端のガ
ス溜め２５に収納されるので、最も大きい放熱効果を発
揮することとなる。したがって、本実施形態の電池モジ
ュール１からの発熱量に見合う放熱部２６を凝縮部２４
に取り付ければ、蒸発部２２の温度は３４０℃以上にな
ることはない。本実施形態では、放熱すべき熱量から、
３本の可変コンダクタンス−ヒートパイプ２０を併設し
て放熱機能を維持している。

【００２７】このように本実施形態の電力貯蔵用電池の
放熱装置では、放熱量を連続的に可変とすることがで
き、したがって、制御が段階的になることなく、しかも
ハンチング現象を引き起こすことなく、放熱量の微調整
が可能となる。その結果、一定温度以上に加熱された後
は、ヒートパイプ２０のみによって電池温度を制御する
ことができ、ランニングコストの低減および制御機器の
削減を達成できる。

【００２８】また、作動流体および不凝縮性ガス自体が
電池温度を感温し、この電池温度に応じて自動的に放熱
量が制御されるので、温度調節計などの電子機器や、開
閉弁などの機器を設けなくても、作動流体の実質的領域
を電池温度に応じて可変とすることができる。

【００２９】また、放熱手段としてヒートパイプ２０を
用いているので、ベース部２６ａや放熱フィン２６ｂを
大きくすることなく、放熱面積を増加でき、温度コント
ロールの自由度が向上し、またモジュールケース１の小
型化も実現できる。第２実施形態 本実施形態では、図１，２に示す実施形態において、ヒ
ートパイプ２０の蒸発部２２に代えて、図３に示すよう
に、偏平管形状の蒸発部２２ａを持つヒートパイプ２０
ａを用いている。ヒートパイプ２０ａの蒸発部２２ａ以
外の部分は、偏平管形状であってもなくても良い。図３
に示すように、偏平の度合を示す管の長径ａに対する短
径ｂの比ｂ／ａは、好ましくは０．５〜０．３程度であ
る。この比が余りに小さすぎると、流路抵抗が大きく成
りすぎ好ましくなく、この比が余りに大きすぎる（１に
近づく）と、偏平でなくなり、偏平とすることによる効
果が小さくなる。

【００３０】本実施形態では、電池モジュールケース１
からの熱が伝達される部分であるヒートパイプ２０の蒸
発部２２を偏平管形状にすることで、管の流路断面積を
極端に小さくすることなく、しかも必要十分な伝熱面積
を確保した状態で、ヒートパイプ２０の蒸発部２２が取
り付けられる均熱板３の厚さを薄くすることができる。
結果的に、電池モジュールケース１の容積の低減および
軽量化を図ることができる。しかも加工性や製造コスト
の面から有利になる。

【００３１】なお、本発明は、上述した実施形態に限定
されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変する
ことができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の電力
貯蔵用電池の放熱装置によれば、作動流体と不凝縮性ガ
スが封入されたヒートパイプにより、放熱量を連続的に
可変とすることができ、作動流体の実質的な存在領域を
電池温度に応じて可変とすることができるので、放電出
力が変化して電池発熱量が変動しても、電池温度を自律
的に制限範囲内に納めることが可能となるため、電池の
運用性が向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係る電力貯
蔵用電池の放熱装置の概略断面図、同図（Ｂ）は同図
（Ａ）に示す横断面図である。

【図２】図２はヒートパイプの蒸発部の横断面図であ
る。

【図３】図３は本発明の他の実施形態に係るヒートパイ
プの蒸発部の横断面図である。

【符号の説明】

１…モジュールケース ２…単電池 ３…均熱板 ２０，２０ａ…ヒートパイプ ２２，２２ａ…蒸発部 ２４…凝縮部 ２５…ガス溜め部 ２６…放熱部 ２６ａ…ベース部 ２６ｂ…放熱フィン ３０…メッシュ

フロントページの続き (72)発明者 木村 裕一 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 贄川 潤 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 渡辺 健次 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町４−１ 東 京電力株式会社エネルギー・環境研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力貯蔵用電池モジュールに取り付けら
   れ、蒸発部と凝縮部とを具備するヒートパイプを有する
   電力貯蔵用電池の放熱装置において、 前記ヒートパイプには、作動流体と不凝縮性ガスとが封
   入してあり、 前記ヒートパイプの蒸発部は、前記電池モジュールの下
   部に取り付けられた均熱板に略水平方向に挿入してあ
   り、前記ヒートパイプの凝縮部は、前記電池モジュール
   の側面に略鉛直または水平から３０°以上で立ち上がっ
   た管で構成してあり、前記凝縮部の上部にはガス溜め部
   が設けてあり、前記凝縮部に放熱部が装着してある電力
   貯蔵用電池の放熱装置。
2. 【請求項２】 前記作動流体が、ビフェニールとビフェ
   ニールエーテルとの混合物、アルキルジフェニル、およ
   びナフタリンのうちから選ばれる一種以上のものである
   請求項１に記載の電力貯蔵用電池の放熱装置。
3. 【請求項３】 前記ヒートパイプのガス溜め部は、前記
   凝縮部に対する容積の比が１以上である請求項２に記載
   の電力貯蔵用電池の放熱装置。
4. 【請求項４】 前記ヒートパイプの蒸発部内壁に、毛細
   管現象促進部材が装着してある請求項１〜３のいずれか
   に記載の電力貯蔵用電池の放熱装置。
5. 【請求項５】 前記毛細管現象促進部材が、燒結金属、
   メッシュ、およびファイバ束によるウイックのうちのい
   ずれか一種以上のものである請求項４に記載の電力貯蔵
   用電池の放熱装置。
6. 【請求項６】 前記ヒートパイプの放熱部は、アルミニ
   ウム系金属で構成され、前記凝縮部と接触して前記電池
   モジュールの一側面に略平行なベース部と、前記ベース
   部から電池モジュールとは反対方向または両方向に突出
   して略鉛直方向に取り付けられた薄板状の櫛形フィンと
   を有する請求項１〜５のいずれかに記載の電力貯蔵用電
   池の放熱装置。
7. 【請求項７】 前記電力貯蔵用電池モジュールが電気自
   動車用の電池モジュールである請求項１〜６のいずれか
   に記載の電力貯蔵用電池の放熱装置。