KR102637678B1 - 방열 구조체 및 그것을 구비하는 배터리 - Google Patents

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Abstract

<과제> 열원의 여러 가지의 형태에 순응이 가능하고, 경량이고, 탄성변형성이 풍부하고, 또한 방열 효율이 뛰어난 방열 구조체, 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리를 제공한다.
<해결 수단> 본 발명은 열원(20)으로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재(28)가 연결된 방열 구조체(25)이며, 방열 부재(28)는, 열원(20)으로부터의 열을 전하기 위한 스파이럴 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상의 열전도 시트(30)와, 열전도 시트(30)의 환상 이면에 구비되고, 열전도 시트(30)에 비해 열원(20)의 표면 형상에 맞추어 변형이 용이한 쿠션 부재(31)와, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향으로 관통하는 관통로(32)를 구비하고, 복수의 방열 부재(28)는, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어선 상태로 연결 부재(35)에 의해 연결되는 방열 구조체(25), 및 그것을 구비하는 배터리(1)에 관한 것이다.

Description

방열 구조체 및 그것을 구비하는 배터리
<상호 참조(cross reference)>
본 출원은 2018년 11월 21일에 일본에 있어서 출원된 특허출원 2018-218082에 기초하여 우선권을 주장하고, 당해 출원에 기재된 내용은 본 명세서에 원용한다. 또, 본 출원에 있어서 인용한 특허, 특허 출원 및 문헌에 기재된 내용은 본 명세서에 원용한다.
본 발명은 방열 구조체 및 그것을 구비하는 배터리에 관한 것이다.
자동차, 항공기, 선박 혹은 가정용 혹은 업무용 전자기기의 제어 시스템은, 보다 고정밀도 또한 복잡화 해 오고 있고, 이에 수반하여 회로 기판 상의 소형 전자 부품의 집적 밀도가 증가의 일로를 걷고 있다. 이 결과, 회로 기판 주변의 발열에 의한 전자 부품의 고장이나 단수명화를 해결하는 것이 강하게 요망되고 있다.
회로 기판으로부터의 조속한 방열을 실현하는 데는, 종래로부터 회로 기판 자체를 방열성이 뛰어난 재료로 구성하고, 히트 싱크(heat sink)를 부착하거나 혹은 방열 팬(fan)을 구동한다고 하는 수단을 단일로 혹은 복수 조합하여 행해지고 있다. 이들 중에서 회로 기판 자체를 방열성이 뛰어난 재료, 예를 들면 다이아몬드, 질화알루미늄(AlN), 입방정질화붕소(cBN) 등으로 구성하는 방법은, 회로 기판의 비용을 매우 높게 해 버린다. 또, 방열 팬의 배치는, 팬이라고 하는 회전 기기의 고장, 고장 방지를 위한 유지보수의 필요성이나 설치 공간의 확보가 어렵다고 하는 문제를 일으킨다. 이에 반해 방열 핀(fin)은, 열전도성이 높은 금속(예를 들면, 알루미늄)을 이용한 기둥 모양 혹은 평판 모양의 돌출 부위를 많이 형성함으로써 표면적을 크게 하여 방열성을 보다 높일 수 있는 간단하고 쉬운 부재이기 때문에 방열 부품으로서 범용적으로 이용되고 있다(특허 문헌 1을 참조).
그런데, 현재 세계적으로 지구 환경에의 부하 경감을 목적으로 하여, 종래부터의 가솔린차 혹은 디젤차를 서서히 전기 자동차로 전환하려고 하는 움직임이 활발히 행해지고 있다. 특히, 프랑스, 네델란드, 독일을 시작으로 하는 유럽 제국 이외에, 중국에서도 2040년까지 가솔린차와 디젤차로부터 완전하게 전기 자동차로 전환하는 것을 선언하고 있다. 전기 자동차의 보급에는, 고성능 배터리의 개발 이외에, 다수의 충전 스탠드(stand)의 설치 등이 필요하다. 특히, 리튬계의 자동차용 배터리의 충방전 기능을 높이기 위한 기술개발이 중요하다. 상기 자동차 배터리는, 섭씨 60도 이상의 고온하에서는 충방전의 기능을 충분히 발휘할 수 없는 것이 잘 알려져 있다. 이 때문에, 먼저 설명한 회로 기판과 같이, 배터리에 있어서도, 방열성을 높이는 것이 중요시되고 있다.
배터리의 조속한 방열을 실현하는 데는 알루미늄 등의 열전도성이 뛰어난 금속제의 케이스에 수냉 파이프를 배치하고, 당해 케이스에 배터리 셀(battery cell)을 다수 배치하고, 배터리 셀과 케이스의 저면과의 사이에 밀착성의 고무 시트를 사이에 둔 구조가 채용되어 있다. 이러한 구조의 배터리에서는, 배터리 셀은, 고무 시트를 통해서 케이스에 열전도하여 수냉에 의해 효과적으로 제열(除熱)된다.
일본국 특허공개 2008-243999
그러나, 상술과 같은 종래의 배터리에 있어서, 고무 시트는, 알루미늄이나 그라파이트(graphite)에 비해 열전도성이 낮기 때문에, 배터리 셀로부터 케이스에 효율적으로 열을 이동시키는 것이 어렵다. 또, 고무 시트에 대신하여 그라파이트 등의 스페이서(spacer)를 사이에 두는 방법도 생각할 수 있지만, 복수의 배터리 셀의 하면이 평평하지 않고 단차를 가지기 때문에, 배터리 셀과 스페이서와의 사이에 간극이 생겨 열전도 효율이 저하한다. 이러한 일례에도 보여지듯이, 배터리 셀은 여러 가지의 형태(단차 등의 요철 혹은 표면 상태를 포함한다)를 취할 수 있기 때문에, 배터리 셀의 여러 가지의 형태에 순응이 가능하고 높은 열전도 효율을 실현하는 것의 요망이 높아지고 있다. 또, 배터리 셀의 용기의 재질을 보다 경량으로 탄성변형 하는 것이 요망되고 있고, 배터리 셀의 경량화나 배터리 셀을 제거했을 때에 원래의 형상에 가까운 형상으로 되돌아오는 방열 구조체가 요망되고 있다. 이것은 배터리 셀 뿐만 아니라, 회로 기판, 전자 부품 혹은 전자기기 본체와 같은 다른 열원에도 통한다.
본 발명은, 상기 과제을 감안하여 이루어진 것으로서, 열원의 여러 가지의 형태에 순응이 가능하고 , 경량이고, 탄성변형성이 풍부하고, 또한 방열 효율이 뛰어난 방열 구조체, 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 상기 목적을 달성하기 위한 일실시 형태와 관련되는 방열 구조체는, 열원으로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재가 연결된 방열 구조체로서, 상기 방열 부재는, 상기 열원으로부터의 열을 전하기 위한 스파이럴(spiral) 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상의 열전도 시트와, 상기 열전도 시트의 환상 이면에 구비되고, 상기 열전도 시트에 비해 상기 열원의 표면 형상에 맞추어 변형이 용이한 쿠션 부재와, 상기 열전도 시트가 감아 돌리면서 진행하는 방향으로 관통하는 관통로를 구비하고, 상기 복수의 방열 부재는, 상기 열전도 시트가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어선 상태로 연결 부재에 의해 연결된다.
(2) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는, 상기 쿠션 부재는, 그 길이 방향으로 상기 관통로를 가지는 통 모양 쿠션 부재이며, 상기 열전도 시트는, 상기 통 모양 쿠션 부재의 외측면을 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있다.
(3) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는, 상기 쿠션 부재는, 상기 열전도 시트의 상기 환상 이면을 따라 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있는 스파이럴 형상 쿠션 부재이다.
(4) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는, 상기 연결 부재는, 실(thread)로 구성되어 있고, 상기 복수의 방열 부재의 사이에, 꼬임(撚)이 가해진 연부(撚部)를 구비하고, 상기 복수의 방열 부재는, 상기 열전도 시트가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 상기 실로 연결된다.
(5) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는, 상기 복수의 방열 부재는, 상기 방열 부재의 원환산 직경의 0.114배 이상 이간하여 배치되어 있다.
(6) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는, 상기 열전도 시트의 표면에, 당해 표면에 접촉하는 열원으로부터 당해 표면으로의 열전도성을 높이기 위한 열전도성 오일을 가진다.
(7) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는, 상기 열전도성 오일은, 실리콘 오일과, 상기 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 1이상으로 이루어지는 열전도성 필러(filler)를 포함한다.
(8) 일실시 형태와 관련되는 배터리는, 냉각 부재를 흘리는 구조를 갖는 케이스 내에, 1 또는 2이상의 열원으로서의 배터리 셀을 구비한 배터리로서, 상기 배터리 셀과 상기 케이스와의 사이에, 상술의 어느 한 항에 기재의 방열 구조체를 구비한다.
본 발명에 의하면, 열원의 여러 가지의 형태에 순응이 가능하고, 경량이고, 탄성변형성이 풍부하고, 또한 방열 효율이 뛰어난 방열 구조체, 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리를 제공할 수 있다.
도 1a는 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체의 평면도를 나타내고, 도 1b는 도 1a에 있어서의 A-A선 단면도를 나타내고, 도 1c는 도 1b 중의 영역 B의 확대도를 나타낸다.
도 2a는 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리의 종단면도를 나타내고, 도 2b는 도 2a 중의 배터리 셀에 의해 방열 구조체를 압축하는 전후의 방열 구조체의 형태 변화의 단면도를 나타낸다.
도 3a는 도 1a의 방열 구조체의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 도를 나타내고, 도 3b는 도 1a의 방열 구조체의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 도를 나타내고, 도 3c는 도 1a의 방열 구조체의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 도를 나타낸다.
도 4a는 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체의 평면도를 나타내고, 도 4b는 도 4a에 있어서의 C-C선 단면도를 나타내고, 도 4c는 도 4b 중의 영역 D의 확대도를 나타낸다.
도 5a는 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리의 종단면도를 나타내고, 도 5b는 도 5a 중의 배터리 셀에 의해 방열 구조체를 압축하는 전후의 방열 구조체의 형태 변화의 단면도를 나타낸다.
도 6은 제3 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리의 종단면도를 나타낸다.
도 7a는 도 6의 방열 구조체의 제조 상황의 일부를 나타내고, 도 7b는 도 7a의 제조 상황의 일부의 평면도를 나타낸다.
도 8은 방열 구조체 상에 배터리 셀의 측면을 접촉시키도록 옆으로 두기로 했을 때의 단면도, 그 일부 확대도 및 충방전시에 배터리 셀이 팽창했을 때의 일부 단면도를 각각 나타낸다.
다음에, 본 발명의 각 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한 이하에 설명하는 각 실시 형태는, 특허 청구의 범위와 관련되는 발명을 한정하는 것은 아니고, 또 각 실시 형태 중에서 설명되고 있는 모든 요소 및 그 조합의 모두가 본 발명의 해결 수단에 필수라고는 할 수 없다.
(제1 실시 형태)
도 1a는 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체의 평면도를 나타낸다. 도 1b는 도 1a에 있어서의 A-A선 단면도를 나타낸다. 도 1c는 도 1b 중의 영역 B의 확대도를 나타낸다. 도 2a는 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리의 종단면도를 나타낸다. 도 2b는 도 2a 중의 배터리 셀에 의해 방열 구조체를 압축하는 전후의 방열 구조체의 형태 변화의 단면도를 나타낸다.
배터리(1)는, 도 2a에 나타내듯이, 냉각 부재(15)를 접촉시키는 케이스(11) 내에 복수의 배터리 셀(20)을 구비한 구조를 가진다. 방열 구조체(25)는, 바람직하게는, 열원의 일례인 배터리 셀(20)의 냉각 부재(15)에 가까운 쪽의 단부(하단부)와 냉각 부재(15)에 가까운 쪽의 케이스(11)의 일부(바닥부(12))와의 사이에 구비되어 있다. 여기에서는, 방열 구조체(25)는, 11개의 배터리 셀(20)을 재치하고 있지만, 방열 구조체(25)에 재치하는 배터리 셀(20)의 개수는 11개에 한정되지 않는다. 또, 배터리(1)에 구비되는 방열 구조체(25)를 구성하는 방열 부재(28)의 개수에 대해서도 특히 한정되지 않는다.
방열 구조체(25)는, 배터리 셀(20)로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재(28)가 연결된 구조체이다. 방열 부재(28)는, 배터리 셀(20)로부터의 열을 전하기 위한 스파이럴 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상의 열전도 시트(30)와, 열전도 시트(30)의 환상 이면에 구비되고, 열전도 시트(30)에 비해 배터리 셀(20)의 표면 형상에 맞추어 변형이 용이한 쿠션 부재(31)와, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향으로 관통하는 관통로(32)를 구비한다. 또, 복수의 방열 부재(28)는, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어선 상태로 연결 부재(35)에 의해 연결된다. 여기에서는, 열전도 시트(30)는, 바람직하게는, 쿠션 부재(31)에 비해 열전도성이 뛰어난 재료로 이루어진다. 쿠션 부재(31)는, 바람직하게는, 그 길이 방향으로 관통로(32)를 가지는 통 모양 쿠션 부재이다. 열전도 시트(30)는, 당해 통 모양 쿠션 부재의 외측면을 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있다. 또, 방열 구조체(25)는, 바람직하게는, 열전도 시트(30)의 표면 및/또는 그 내부에, 당해 표면에 접촉하는 배터리 셀(20)로부터 당해 표면으로의 열전도성을 높이기 위한 열전도성 오일을 가진다. 방열 구조체(25)를 구성하는 복수의 방열 부재(28)는, 배터리 셀(20)을 재치하고 있지 않는 상태에서는 대략 원통 형상을 가지고 있지만, 배터리 셀(20)을 재치하면 그 무게로 압축되고 편평한 형태로 된다.
열전도 시트(30)는, 방열 부재(28)의 외측면을 스파이럴(spiral) 형상으로 감아 돌리면서 대략 원통의 길이 방향으로 진행하는 띠모양의 시트(sheet)이다. 열전도 시트(30)는, 금속, 탄소 혹은 세라믹스의 적어도 1개를 포함하는 시트이며 배터리 셀(20)로부터의 열을 냉각 부재(15)로 전도시키는 기능을 가진다. 또한 본 출원에서는, 「단면」 혹은 「종단면」이란, 배터리(1)의 케이스(11)의 내부(14)에 있어서의 상방 개구면으로부터 바닥부(12)로 수직으로 절단하는 방향의 단면을 의미한다.
다음에, 배터리(1)의 개략 구성 및 방열 구조체(25)의 구성 부재에 대해 보다 자세하게 설명한다.
(1) 배터리의 구성의 개략
이 실시 형태에 있어서, 배터리(1)는, 예를 들면, 전기 자동차용의 배터리로서, 다수의 배터리 셀(단지, 셀이라고 칭해도 좋다.)(20)을 구비한다. 배터리(1)는, 일방에 개구하는 바닥을 갖는 케이스(11)를 구비한다. 케이스(11)는, 바람직하게는, 알루미늄 혹은 알루미늄기 합금으로 이루어진다. 배터리 셀(20)은, 케이스(11)의 내부(14)에 배치된다. 배터리 셀(20)의 상방에는, 전극(미도시)이 돌출되어 설치되어 있다. 복수의 배터리 셀(20)은, 바람직하게는, 케이스(11) 내에 있어서, 그 양측으로부터 나사 등을 이용하여 압축하는 방향으로 힘이 주어져 서로 밀착하게 되어 있다(미도시). 케이스(11)의 바닥부(12)에는, 냉각 부재(15)의 일례인 냉각수를 흘리기 위해서, 단수 또는 복수의 수냉 파이프(13)가 구비되어 있다. 냉각 부재는, 냉각 매체 혹은 냉각제라고 칭해도 좋다. 배터리 셀(20)은, 바닥부(12)와의 사이에, 방열 구조체(25)를 사이에 두도록 하여 케이스(11) 내에 배치되어 있다. 이러한 구조의 배터리(1)에서는, 배터리 셀(20)은, 방열 구조체(25)를 통해서 케이스(11)에 열전도하여 수냉에 의해 효과적으로 제열(除熱)된다. 또한 냉각 부재(15)는, 냉각수에 한정되지 않고, 액체 질소, 에탄올 등의 유기용제도 포함하는 것으로 해석된다. 냉각 부재(15)는, 냉각에 이용되는 상황 하에서, 액체이다라고 한정하지 않고, 기체 혹은 고체라도 좋다.
(2) 열전도 시트
열전도 시트(30)는, 바람직하게는 탄소를 포함하는 시트이며, 더 바람직하게는, 탄소 필러와 수지를 포함하는 시트이다. 수지를 합성 섬유로 할 수도 있고, 그 경우에 매우 적합하게 아라미드 섬유(aramid fiber)를 이용할 수도 있다. 본 출원에서 말하는 「탄소」는, 그라파이트, 그라파이트보다 결정성이 낮은 카본 블랙(carbon black), 팽창 흑연, 다이아몬드, 다이아몬드에 가까운 구조를 가지는 다이아몬드 라이크 카본(diamond like carbon) 등의 탄소(원소 기호 : C)로 이루어지는 어떤 구조의 것도 포함하도록 광의로 해석된다. 열전도 시트(30)는, 이 실시 형태에서는, 수지에, 그라파이트 섬유나 카본 입자를 배합 분산한 재료를 경화시킨 얇은 시트로 할 수가 있다. 열전도 시트(30)는, 메쉬(mesh) 형상으로 짠 탄소 섬유라도 좋고, 또 혼방되어 있어도 혼합하여 짜여 있어도 좋다. 또한 그라파이트 섬유, 카본 입자 혹은 탄소 섬유라고 하는 각종 필러(filler)도, 모두 탄소 필러의 개념에 포함된다.
열전도 시트(30)에 수지를 포함하는 경우에는, 당해 수지가 열전도 시트(30)의 전질량에 대해서 50질량%를 넘고 있어도, 혹은 50질량% 이하라도 좋다. 즉, 열전도 시트(30)는, 열전도에 큰 지장이 없는 한 수지를 주된 재료로 하는지 아닌지를 묻지 않는다. 수지로서는, 예를 들면, 열가소성 수지를 매우 적합하게 사용할 수 있다. 열가소성 수지로서는, 열원의 일례인 배터리 셀(20)로부터의 열을 전도할 때에 용융하지 않는 정도의 고융점을 구비하는 수지가 바람직하고, 예를 들면, 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리에테르에테르 케톤(PEEK), 폴리아미드이미드(PAI), 방향족 폴리아미드(아라미드 섬유(aramid fiber)) 등을 매우 적합하게 들 수가 있다. 수지는, 열전도 시트(30)의 성형전 상태에 있어서, 탄소 필러의 간극에, 예를 들면 입자 형상 혹은 섬유 형상으로 분산하고 있다. 열전도 시트(30)는, 탄소 필러, 수지 이외에, 열전도를 보다 높이기 위한 필러로서 AlN 혹은 다이아몬드를 분산하고 있어도 좋다. 또, 수지에 대신하여, 수지보다 유연한 엘라스토머(elastomer)를 이용해도 좋다. 열전도 시트(30)는, 또 상술과 같은 탄소에 대신하거나 혹은 탄소와 함께, 금속 및/또는 세라믹스를 포함하는 시트로 할 수가 있다. 금속으로서는, 알루미늄, 동(copper), 이들 중의 적어도 1개를 포함하는 합금 등의 열전도성이 비교적 높은 것을 선택할 수 있다. 또, 세라믹스로서는, AlN, cBN, hBN 등의 열전도성이 비교적 높은 것을 선택할 수 있다.
열전도 시트(30)는, 도전성이 뛰어난지 아닌지는 묻지 않는다. 열전도 시트(30)의 열전도율은, 바람직하게는 10W/mK 이상이다. 이 실시 형태에서는, 열전도 시트(30)는, 바람직하게는, 그라파이트, 알루미늄, 알루미늄 합금, 동(copper) 혹은 스테인레스강(stainless steel)의 띠모양의 판이며, 열전도성과 도전성이 뛰어난 재료로 이루어진다. 열전도 시트(30)는, 만곡성(혹은 굴곡성)이 뛰어난 시트인 것이 바람직하고, 그 두께에 제약은 없지만, 0.02~3㎜가 바람직하고, 0.03~0.5㎜가 보다 바람직하다. 다만, 열전도 시트(30)의 열전도율은, 그 두께가 증가할수록 저하하기 때문에, 시트(sheet)의 강도, 가요성 및 열전도성을 종합적으로 고려하여 그 두께를 결정하는 것이 바람직하다.
(3) 쿠션 부재
쿠션 부재(31)의 중요한 기능은 변형 용이성과 회복력이다. 회복력은 탄성변형성에 의한다. 변형 용이성은 배터리 셀(20)의 형상에 추종하기 위해서 필요한 특성이며, 특히 리튬 이온 배터리 등의 반고형물, 액체적 성질과 상태도 가지는 내용물 등을 변형하기 쉬운 패키지(package)에 거두고 있는 것 같은 배터리 셀(20)의 경우에는, 설계 치수적으로도 부정형 또는 치수 정밀도가 올라가지 않는 경우가 많다. 이 때문에, 쿠션 부재(31)의 변형 용이성이나 추종력을 보유하기 위한 회복력의 보유는 중요하다.
쿠션 부재(31)는, 이 실시 형태에서는 관통로(32)를 구비하는 통 모양 쿠션 부재이다. 쿠션 부재(31)는, 복수의 배터리 셀(battery cell)(20)의 하단부가 평탄하지 않은 경우라도, 열전도 시트(30)와 당해 하단부와의 접촉을 양호하게 한다. 또한, 관통로(32)는, 쿠션 부재(31)의 변형을 용이하게 하고, 이에 더하여 방열 구조체(25)의 경량화에 기여하고, 또 열전도 시트(30)와 배터리 셀(20)의 하단부와의 접촉을 높이는 기능을 가진다. 쿠션 부재(31)는, 배터리 셀(20)과 바닥부(12)와의 사이에 있어서 쿠션성을 발휘시키는 기능 이외에, 열전도 시트(30)에 가하는 하중에 의해 열전도 시트(30)가 파손 등을 하지 않게 하는 보호 부재로서의 기능도 가진다. 이 실시 형태에서는, 쿠션 부재(31)는, 열전도 시트(30)에 비해 낮은 열전도성의 부재이다.
쿠션 부재(31)는, 바람직하게는, 실리콘 고무, 우레탄 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 천연 고무, 에틸렌프로필렌디엔 고무, 니트릴 고무(NBR) 혹은 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 등의 열경화성 엘라스토머 ; 우레탄계, 에스테르계, 스티렌계, 올레핀계, 부타디엔계, 불소계 등의 열가소성 엘라스토머, 혹은 이들의 복합물 등을 포함하도록 구성된다. 쿠션 부재(31)는, 열전도 시트(30)를 전해지는 열에 의해 용융 혹은 분해 등을 하지 않고 그 형태를 유지할 수 있는 정도의 내열성이 높은 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 이 실시 형태에서는, 쿠션 부재(31)는, 보다 바람직하게는, 우레탄계 엘라스토머 중에 실리콘을 함침한 것, 혹은 실리콘 고무에 의해 구성된다. 쿠션 부재(31)는, 그 열전도성을 조금이라도 높이기 위해서, 고무 중에 AlN, cBN, hBN, 다이아몬드의 입자 등으로 대표되는 필러를 분산하여 구성되어 있어도 좋다. 쿠션 부재(31)는, 그 내부에 기포를 포함하는 것 이외에, 기포를 포함하지 않는 것이라도 좋다. 또, 「쿠션 부재」는, 유연성이 풍부하고, 열원의 표면에 밀착 가능하게 탄성변형 가능한 부재를 의미하고, 이러한 의미에서는 「고무 형상 탄성체」라고 바꾸어 읽을 수도 있다. 또한, 쿠션 부재(31)의 변형예로서는, 상기 고무 형상 탄성체는 아니고, 금속을 이용하여 구성할 수도 있다. 예를 들면, 쿠션 부재는, 스프링강(spring steel)으로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 쿠션 부재로서 코일 용수철을 배치하는 것도 가능하다. 또, 스파이럴(spiral) 형상으로 감은 금속을 스프링강으로 하여 쿠션 부재로서 열전도 시트(30)의 환상 이면에 배치해도 좋다.
(4) 연결 부재
연결 부재(35)는, 예를 들면, 실(thread)이나 고무 등, 적어도 복수의 방열 부재(28)의 사이에 위치하는 부분이 변형 자유로운 재료로 구성된 부재이다. 본 실시 형태에 있어서, 연결 부재(35)는, 실로 구성되는 것이 바람직하고, 배터리 셀(20)로부터의 방열에 의한 온도 상승에 견딜 수 있는 실인 것이 보다 바람직하다. 보다 구체적으로는, 연결 부재(35)는, 120℃ 정도의 고온에 견딜 수 있는 실이며, 천연 섬유, 합성 섬유, 카본 섬유, 금속 섬유 등의 섬유로 이루어지는 연사(撚絲)로 구성되는 것이 바람직하다. 또, 연결 부재(35)는, 바람직하게는, 복수의 방열 부재(28)의 사이에, 꼬임(撚)이 가해진 연부(撚部)(37)를 구비한다(도 1c 참조). 방열 구조체(25)는, 방열 부재(28)가 배터리 셀(20)에 의해 압축되어 편평한 형태로 되어도, 방열 부재(28)의 변형에 추종하여 연결 부재(35)가 휘기 때문에, 배터리 셀(20)의 표면에 추종·밀착할 수가 있다. 또, 방열 구조체(25)는, 복수의 방열 부재(28)의 사이에 연부(撚部)(37)를 구비함으로써, 배터리 셀(20)의 표면에의 추종·밀착성을 보다 높일 수가 있다. 또한 연결 부재(35)는, 반드시, 연부(撚部)(37)를 가지지 않아도 좋다.
방열 부재(28)끼리의 간극 L1은, 방열 부재(28)가 배터리 셀(20)로부터의 압압(押壓)을 받아 찌부러질 때에 좁아진다. 방열 부재(28)가 거의 찌부러지지 않는 경우에는, 열전도 시트(30)와 배터리 셀(20) 및 바닥부(12)와의 밀착성이 낮아질 가능성이 있다. 이러한 위험(riks)을 저감하는데 적절한 방열 부재(28)의 상하 방향, 즉 배터리 셀(20)의 바닥으로부터 바닥부(12)의 면을 향한 수선 방향으로 압축되었을 때의 두께는, 적어도, 방열 부재(28)의 관경(=원환산 직경 : D)의 80%이다. 여기서, 「원환산 직경」이란, 방열 부재(28)를 그 길이 방향과 수직으로 절단했을 때의 관단면의 면적과 같은 면적의 진원(眞圓)의 직경을 의미한다. 방열 부재(28)가 진원(眞圓)의 단면을 가진 원통인 경우에는, 그 직경은 원환산 직경과 동일하다. 방열 부재(28)는, 상기의 압축을 받으면, 배터리 셀(20) 및 바닥부(12)와 접하는 면을 평면으로 하고, 방열 부재(28) 사이의 간극 L1의 방향을 대략 원호 단면으로 하도록 변형하는 것으로 간주할 수가 있다(도 1c를 참조). 방열 부재(28)가 원환산 직경 D의 80%에 상당하는 0.8D의 두께로 찌부러진 경우, 방열 부재(28)가 어느 정도, 간극 L1의 방향으로 펼쳐지는지를 계산한다. 도 1c에 나타내듯이, 찌부러진 방열 부재(28)에 있어서, 그 좌우 방향에 존재하는 반원호의 길이의 전체 길이는, 0.8πD이다. 또, 바닥부(12)에 접하는 평면의 길이는, 방열 부재(28)의 관원주로부터, 상기의 반원호의 길이의 전체 길이를 공제한 길이의 반이기 때문에, (πD-0.8πD)/2=0.314D이다. 평면의 좌우 방향으로 확장한 원호 부분의 길이는, 0.4D×2=0.8D이다. 따라서, 찌부러진 방열 부재(28)가 원의 방열 부재(28)로부터 간극 L1의 방향으로 펼쳐진 거리는, 0.314D＋0.8D-D=0.114D로 된다. 간극 L1을 충분히 크게 하면, 방열 부재(28)는 이웃하는 방열 부재(28)와 접촉하지 않는다. 반대로, 간극 L1이 너무 작으면, 방열 부재(28)가 상하 방향으로 압축되어도, 이웃하는 방열 부재(28)에 접촉하여, 그 이상으로 찌부러지지 않게 될 가능성이 있다. 간극 L1을 방열 부재(28)의 원환산 직경 D의 11.4% 이상으로 하면, 방열 부재(28)가 원환산 직경 D의 80%의 두께로 압축되어 변형할 때에, 방열 부재(28)끼리가 접촉하여, 당해 변형의 장해로 되는 것을 방지할 수 있다. 또한 이 실시 형태에서는, 간극 L1을 0.6D로 하고 있다.
(5) 열전도성 오일
열전도성 오일은, 바람직하게는, 실리콘 오일과, 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 1이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함한다. 열전도 시트(30)는, 미시적으로 간극(구멍 혹은 오목부)을 가진다. 통상, 당해 간극에는 공기가 존재하여, 열전도성에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 열전도성 오일은, 그 간극을 매워서, 공기에 대신하여 존재하게 되어, 열전도 시트(30)의 열전도성을 향상시키는 기능을 가진다.
열전도성 오일은, 열전도 시트(30)의 표면, 적어도 배터리 셀(20)과 열전도 시트(30)가 접촉하는 면에 구비되어 있다. 본 출원에 있어서, 열전도성 오일의 「오일」은, 비수용성의 상온(20~25℃의 범위의 임의의 온도)에서 액체 형상 혹은 반고체 형상의 가연물질을 말한다. 「오일」이라고 하는 문언에 대신하여 「윤활유」 혹은 「왁스」를 이용할 수도 있다. 열전도성 오일은, 배터리 셀(20)로부터 열전도 시트(30)에 열을 전할 때에 열전도의 장해로 되지 않는 성질의 오일이다. 열전도성 오일에는, 탄화수소계의 오일, 실리콘 오일을 이용할 수가 있다. 열전도성 오일은, 바람직하게는, 실리콘 오일과, 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 1이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함한다.
실리콘 오일은, 바람직하게는, 실록산 결합이 2000이하인 직쇄 구조의 분자로 이루어진다. 실리콘 오일은, 스트레이트 실리콘 오일과 변성 실리콘 오일로 대별된다. 스트레이트 실리콘 오일로서는, 디메틸실리콘 오일, 메틸페닐실리콘 오일, 메틸하이드로젠실리콘 오일을 예시할 수 있다. 변성 실리콘 오일로서는, 반응성 실리콘 오일, 비반응성 실리콘 오일을 예시할 수 있다. 반응성 실리콘 오일은, 예를 들면, 아미노 변성 타입(type), 에폭시 변성 타입, 카르복시 변성 타입, 카르비놀 변성 타입, 메타크릴 변성 타입, 메르캅토 변성 타입, 페놀 변성 타입 등의 각종 실리콘 오일을 포함한다. 비반응성 실리콘 오일은, 폴리에테르 변성 타입, 메틸스티릴 변성 타입, 알킬 변성 타입, 고급 지방산 에스테르 변성 타입, 친수성 특수 변성 타입, 고급 지방산 함유 타입, 불소 변성 타입 등의 각종 실리콘 오일을 포함한다. 실리콘 오일은, 내열성, 내한성, 점도 안정성, 열전도성이 뛰어난 오일이기 때문에, 열전도 시트(30)의 표면에 도포하여, 배터리 셀(20)과 열전도 시트(30)와의 사이에 개재(介在)시키는 열전도성 오일로서 특히 매우 적합하다.
열전도성 오일은, 바람직하게는, 유분(油分) 이외에, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 1이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함한다. 금속으로서는, 금, 은, 동, 알루미늄, 베릴륨, 텅스텐 등을 예시할 수 있다. 세라믹스로서는, 알루미나, 질화알루미늄, 큐빅 질화붕소, 헥사고날 질화붕소 등을 예시할 수 있다. 탄소로서는, 다이아몬드, 그라파이트(graphite), 다이아몬드 라이크 카본(diamond like carbon), 아모퍼스 카본(amorphous carbon), 카본 나노 튜브(carbon nano tube) 등을 예시할 수 있다.
열전도성 오일은, 배터리 셀(2)과 열전도 시트(30)와의 사이에 개재하는 것 이외에, 열전도 시트(30)와 케이스(11)와의 사이에 개재하는 편이 바람직하다. 열전도성 오일은, 열전도 시트(30)의 전면에 도포되어 있어도, 열전도 시트(30)의 일부분에 도포되어 있어도 좋다. 열전도성 오일을 열전도 시트(30)에 존재시키는 방법은, 특히 제약되는 일이 없이, 스프레이를 이용한 분무, 솔 등을 이용한 도포, 열전도성 오일 중에의 열전도 시트(30)의 침지 등, 어떤 방법을 따르는 것이라도 좋다. 또한 열전도성 오일은, 방열 구조체(25) 혹은 배터리(1)에 있어서 필수의 구성은 아니고, 매우 적합하게 구비할 수 있는 추가적인 구성이다. 이것은 제2 실시 형태 이후에서도 마찬가지이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 도 1a의 방열 구조체의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 도를 나타낸다.
우선, 쿠션 부재(31)를 성형한다. 다음에, 띠모양의 열전도 시트(30)를 쿠션 부재(31)의 외측면에 스파이럴 형상으로 감는다. 이 때에 쿠션 부재(31)가 완전하게는 경화하고 있지 않는 미경화 상태로, 열전도 시트(30)를 쿠션 부재(31)의 외측면에 감고, 그 후에 가온에 의해 쿠션 부재(31)를 완전하게 경화시킨다. 그리고, 띠모양의 열전도 시트(30)의 쿠션 부재(31)의 양단으로부터 비어져나온 부분이 있으면 컷(cut)한다. 최후에 열전도 시트(30)의 표면에 열전도성 오일을 도포한다. 방열 부재(28)를 이와 같이 제조함으로써, 열전도 시트(30)의 미시적인 간극에 미경화 상태의 쿠션 부재(31)가 비집고 들어간 상태로 경화되기 때문에, 접착제 등을 사용하지 않아도 쿠션 부재(31)와 열전도 시트(30)를 강고하게 고정할 수가 있다.
이렇게 하여 완성된 방열 부재(28)는, 쿠션 부재(31)의 외측면보다 열전도 시트(30)의 두께분만큼 돌출된 형태를 가진다. 다만, 열전도 시트(30)와 쿠션 부재(31)는, 하나의 면이라도 좋다. 또, 열전도성 오일은, 열전도 시트(30) 중에서 적어도 배터리 셀(20)과 접촉하는 면에 도포되면 좋다. 열전도 시트(30)의 쿠션 부재(31)의 양단으로부터 비어져나온 부분을 컷(cur)하는 공정 및 열전도성 오일을 도포하는 공정은, 상술의 타이밍에 행하는 것에 한정되지 않고, 적어도 쿠션 부재(31)에 열전도 시트(30)를 감은 후이면, 언제 행하여도 좋다. 또, 열전도 시트(30)는, 쿠션 부재(31)를 완전하게 경화시킨 상태로, 그 외측면에 감아도 좋다. 이 경우, 쿠션 부재(31)의 외측면이 점착성을 가지지 않으면, 접착제 등을 사용하여 열전도 시트(30)를 쿠션 부재(31)에 고정해도 좋다.
방열 구조체(25)는, 상술의 제조 방법에 의해 제조된 복수의 방열 부재(28)를, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어놓은 상태로, 연결 부재(35)와 연결함으로써 제조된다. 보다 구체적으로는, 방열 구조체(25)는, 복수의 방열 부재(28)를 늘어놓은 상태로, 손바느질로 실을 꿰맴으로써 연결된다. 이 때에 복수의 방열 부재(28)는, 간극 L1을 0.114D 이상으로 하여서 늘어놓여지는 것이 바람직하다(도 1c 참조). 또, 복수의 방열 부재(28)의 사이에, 연부(撚部)(37)가 형성되도록 꿰매는 것이 바람직하다. 이와 같이, 방열 구조체(25)는, 복수의 방열 부재(28)가 대나무발 형상으로 연결되기 때문에, 배터리 셀(20)로 압축된 상태에 있어서 배터리 셀(20)의 표면에 추종하여 방열 부재(28)가 상하 좌우 방향으로 찌부러지고, 또한, 배터리 셀(20)을 제외한 상태에 있어서 방열 부재(28)의 탄성력에 의해 원래의 형상으로 되돌아올 수가 있다. 또, 방열 구조체(25)는, 복수의 방열 부재(28)가 대나무발 형상으로 연결됨으로써, 예를 들면, 자동차의 진동 등에 의해 방열 부재(28)가 편재하는 사태를 억제할 수 있어 시공성이 높아진다. 또, 방열 구조체(25)는, 각 방열 부재(28)가 쿠션 부재(31)의 외측면에 열전도 시트(30)를 스파이럴 형상으로 감은 구조를 가지고 있기 때문에, 쿠션 부재(31)의 변형에 대해서 과도하게 구속되지 않는다.
(제2 실시 형태)
다음에, 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리에 대해 설명한다. 제1 실시 형태와 공통되는 부분에 대해서는 같은 부호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다.
도 4a는 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체의 평면도를 나타낸다. 도 4b는 도 4a에 있어서의 C-C선 단면도를 나타낸다. 도 4c는 도 4b 중의 영역 D의 확대도를 나타낸다. 도 5a는 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리의 종단면도를 나타낸다. 도 5b는 도 5a 중의 배터리 셀에 의해 방열 구조체를 압축하는 전후의 방열 구조체의 형태 변화의 단면도를 나타낸다.
제2 실시 형태와 관련되는 배터리(1a)는, 제1 실시 형태와 관련되는 배터리(1)와 달리, 복수의 방열 부재(28)가 연결 부재(35a)로 연결된 방열 구조체(25a)를 구비한다. 연결 부재(35a) 이외의 구성에 대해서는 제1 실시 형태와 공통되므로 설명을 생략한다.
연결 부재(35a)는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 예를 들면, 실이나 고무 등, 적어도 복수의 방열 부재(28)의 사이에 위치하는 부분이 변형 자유로운 재료로 구성된 부재이다. 본 실시 형태에 있어서, 연결 부재(35)는, 실(thread)로 구성되는 것이 바람직하고, 배터리 셀(20)로부터의 방열에 의한 온도 상승에 견딜 수 있는 실인 것이 보다 바람직하다. 연결 부재(35a)는, 미싱 등을 이용하여 복수의 방열 부재(28)를 꿰매는 부재이다. 연결 부재(35a)의 꿰매는 방법은, 특히 한정되지 않고, 손바느질, 재봉, 새발뜨기, 단환 꿰맴, 이중환 꿰맴, 가장자리 꿰맴, 편평 꿰맴, 안전 꿰맴, 오버로크 등의 어떤 꿰매는 방법이라도 좋다. 또, JISL0120의 규정하는 표시 기호에 의하면, 매우 적합한 꿰매는 방법으로서 「101」, 「209」, 「301」, 「304」, 「401」, 「406」, 「407」, 「410」, 「501」, 「502」, 「503」, 「504」, 「505」, 「509」, 「512」, 「514」, 「602」 및 「605」의 각종 꿰맨 자리를 구성하는 꿰매는 방법을 예시할 수 있다. 또한 연결 부재(35a)는, 제1 실시 형태와 관련되는 연결 부재(35)와 달리, 복수의 방열 부재(28)의 사이에 연부(撚部)(37)를 구비하지 않는다.
방열 구조체(25a)는, 제1 실시 형태와 같은 제조 방법에 의해 제조된 복수의 방열 부재(28)를, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어놓은 상태로, 연결 부재(35a)로 연결함으로써 제조된다. 보다 구체적으로는, 방열 구조체(25a)는, 복수의 방열 부재(28)를 늘어놓은 상태로, 미싱 등을 이용하여 실로 꿰맴으로써 연결된다. 이 때에 방열 부재(28)는, 복수의 방열 부재(28)의 사이의 거리 L2가 먼저 말한 L1보다 작아지도록 이간하여 늘어놓여져 있다(도 4c 참조). 구체적으로는, L2를 방열 부재(28)의 원환산 직경 D의 11.4%의 거리(=0.114D)로 설정하고 있다. 이 조건 하에서는, 방열 부재(28)는, 상하 방향으로, 원환산 직경 D의 약 80%의 두께까지 찌부러지는 것이 가능하게 된다. 간극 L2를 0.114D 이상으로 하면, 방열 부재(28)가 그 원환산 직경 D의 80% 이하의 두께로 압축 변형할 때에, 이웃하는 방열 부재(28)가 당해 변형의 장해로 되지 않는다. 또한 복수의 방열 부재(28)의 사이의 거리 L2가 좁을수록 미싱 등으로 꿰맬 때에 복수의 방열 부재(28)를 보다 안정되게 연결할 수가 있다. 방열 부재(28)는, 서로 이웃하는 방열 부재(28)끼리가 접촉하는 위치까지는 상하 좌우 방향으로 찌부러질 여지가 있고, 배터리 셀(20)의 표면에 추종하고, 또한 밀착할 수가 있다. 또, 방열 구조체(25a)는, 배터리 셀(20)을 제외한 상태에 있어서 방열 부재(28)의 탄성력에 의해 원래의 형상으로 되돌아올 수가 있다. 또, 방열 구조체(25a)는, 복수의 방열 부재(28)가 대나무발 형상으로 연결됨으로써, 예를 들면, 자동차의 진동 등에 의해 방열 부재(28)가 편재하는 사태를 억제할 수 있어 시공성이 높아진다. 특히, 방열 구조체(25a)는, 미싱 등을 이용하여 복수의 방열 부재(28)를 연결 부재(35a)로 연결하기 때문에, 방열 구조체(25a)를 구성하는 방열 부재(28)의 개수가 많은 경우에, 시공성이 보다 높아진다.
(제3 실시 형태)
다음에, 제3 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리에 대해 설명한다. 전술의 각 실시 형태와 공통되는 부분에 대해서는 같은 부호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다.
도 6은 제3 실시 형태와 관련되는 방열 구조체 및 당해 방열 구조체를 구비하는 배터리의 종단면도를 나타낸다. 도 7a는 도 6의 방열 구조체의 제조 상황의 일부를 나타낸다. 도 7b는 도 7a의 제조 방법에 따라 완성한 방열 구조체의 제조 상황의 일부의 평면도를 나타낸다.
제3 실시 형태와 관련되는 배터리(1b)는, 제1 실시 형태와 관련되는 배터리(1) 내에 배치되는 방열 구조체(25)와 다른 방열 구조체(25b)를 구비하고, 그 외에 대해서는 배터리(1)와 공통된 구조를 가진다. 이 실시 형태에 이용되는 방열 구조체(25b)는, 제1 실시 형태와 관련되는 방열 부재(28)와 다른 방열 부재(28b)가, 연결 부재(35)에 의해 복수 연결하고 있다. 방열 부재(28b)는, 쿠션 부재(31)를, 통 모양 쿠션 부재로 하지 않고 , 열전도 시트(30)의 이측(裏側)에 구비되는 띠모양의 쿠션 부재이며 열전도 시트(30)와 함께 스파이럴 형상으로 감겨져 있는 스파이럴 형상의 쿠션 부재로 한다.
상술의 스파이럴 형상의 쿠션 부재(31)(「스파이럴 형상 쿠션 부재」라고도 한다)를 구비하는 방열 구조체(25b)의 제조 방법의 일례는 다음과 같다.
우선, 대략 동등의 폭을 가지는 열전도 시트(30) 및 쿠션 부재(31)의 2층으로 이루어지는 적층체(40)를 제조한다. 다음에, 열전도 시트(30)의 표면에 열전도성 오일을 도포한다. 그리고, 열전도성 오일이 도포된 적층체(40)를 스파이럴 형상(코일 모양이라고 칭해도 좋다)으로, 일방향으로 진행하도록 감아 돌린다. 이렇게 하여 적층체(40)를 스파이럴 형상으로 감아 돌린 가늘고 긴 형상의 방열 부재(28b)가 완성된다. 또한 열전도성 오일은, 적층체(40)를 제조하기 전에 열전도 시트(30) 상에 도포해도 좋고, 최후에 열전도 시트(30) 상에 도포해도 좋다. 또, 적층체(40)는, 바람직하게는, 쿠션 부재(31)가 완전하게는 경화하고 있지 않는 미경화 상태로, 열전도 시트(30)를 쿠션 부재(31)에 적층하고, 그 후에 가온에 의해 쿠션 부재(31)를 완전하게 경화시켜 형성한다.
방열 구조체(25b)는, 복수의 방열 부재(28b)를, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어놓은 상태로, 연결 부재(35)와 연결함으로써 제조된다. 또한 복수의 방열 부재(28b)를 연결 부재(35)와 연결하는 방법은 제1 실시 형태와 마찬가지이기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
방열 부재(28b)는, 그 길이 방향으로 관통하는 관통로(33)를 구비하고 있지만, 제1 실시 형태와 관련되는 방열 부재(28)와 달리, 방열 부재(28b)의 외측면 방향에도 관통하고 있다. 방열 부재(28b)는, 스파이럴 형상이기 때문에, 상술의 방열 부재(28)에 비해, 방열 부재(28b)의 길이 방향(도 7b의 흰색 화살표 방향)으로 신축이 용이하다.
방열 구조체(25b)는, 배터리 셀(20)과 케이스(11)의 바닥부(12)와의 사이에만이 아니라, 배터리 셀(20)과 케이스(11)의 내측면과의 간극, 및/또는 배터리 셀(20)끼리의 간극에도 배치 가능하다.
(각 실시 형태의 작용·효과)
이상 설명한 것처럼, 방열 구조체(25, 25a, 25b)(방열 구조체를 총칭하는 경우에는, 「방열 구조체(25) 등」이라고도 칭한다.)는, 배터리 셀(20)로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재(28, 28a, 28b)(방열 부재를 총칭하는 경우에는, 「방열 부재(28) 등」이라고도 칭한다.)가 연결된 방열 구조체로서, 방열 부재(28) 등은 배터리 셀(20)로부터의 열을 전하기 위한 스파이럴 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상의 열전도 시트(30)와, 열전도 시트(30)의 환상 이면에 구비되고, 열전도 시트(30)에 비해 배터리 셀(20)의 표면 형상에 맞추어 변형이 용이한 쿠션 부재(31)와, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향으로 관통하는 관통로(32, 33)를 구비한다. 또, 복수의 방열 부재(28) 등은 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어선 상태로 연결 부재(35, 35a)에 의해 연결된다.
방열 구조체(25) 등을 이와 같이 구성함으로써, 배터리 셀(20)의 여러 가지의 형태에 순응이 가능하고, 탄성변형성 및 방열 효율이 뛰어난 구조체로 된다. 또, 방열 구조체(25) 등은 관통로(32, 33)에 기인하여 보다 경량으로 된다.
또, 방열 구조체(25, 25a)를 구성하는 쿠션 부재(31)는, 그 길이 방향으로 관통로(33)를 가지는 통 모양 쿠션 부재이며, 열전도 시트(sheet)(30)는, 통 모양 쿠션 부재의 외측면을 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있다. 배터리(1, 1a, 1b)는, 이러한 방열 구조체(25, 25a, 25b)를 배터리 셀(20)에 접촉시켜 케이스(11)에 구비한다. 열전도 시트(30)는, 통 모양 쿠션 부재의 외측면을 부분적으로 덮고 있고, 또한 스파이럴 형상으로 통 모양 쿠션 부재의 길이 방향으로 감아 돌리고 있다. 배터리(1, 1a)는, 방열 구조체(25, 25a)를 적어도 배터리 셀(20)과 냉각 부재(15)와의 사이에 배치하고 있다. 이 때문에, 방열 구조체(25, 25a)는, 열전도 시트(30)에 의한 구속을 받기 어렵고, 배터리 셀(20)의 표면의 요철 등에 추종하여 변형이 가능하게 된다.
또, 방열 구조체(25b)에 있어서, 쿠션 부재(31)는, 열전도 시트(30)의 환상 이면을 따라 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있는 스파이럴 형상 쿠션 부재이다. 배터리(1b)는, 방열 구조체(25b)를 적어도 배터리 셀(20)과 냉각 부재(15)와의 사이에 배치하고 있다. 방열 구조체(25b)는, 케이스(11)의 내측면과 배터리 셀(20)과의 사이 및/또는 배터리 셀(20)끼리의 사이에 배치되어 있어도 좋다. 방열 구조체(25b)는, 그 전체가 스파이럴 형상으로 되어 있으므로, 배터리 셀(20)의 여러 가지의 크기에 보다 적응하기 쉽다. 보다 구체적으로는 다음과 같다. 강성이 높은 열전도 시트(30)를 구비하는 경우라도, 저하중으로 열전도 시트(30)를 변형시켜, 배터리 셀(20)의 표면에 추종·밀착시킬 수가 있다. 또한, 부분적으로 다른 양의 변형량이라도 밀착 추종성이 좋아진다. 또, 쿠션 부재(31)도 스파이럴 형상으로 끊어져 있으므로, 1회전씩의 스파이럴이 개략 독립하고 있는 것 같은 변형을 일으킬 수가 있다. 따라서, 방열 구조체(25b)는, 국소적인 변형의 자유도를 높게 할 수 있다. 이에 더하여, 방열 구조체(25b)는, 관통로(33)뿐만 아니라, 관통로(33)으로부터 측면에도 관통하는 스파이럴 형상의 관통 홈(groove)을 구비하고 있으므로 보다 경량으로 된다.
또, 연결 부재(35)는, 실로 구성되어 있고, 복수의 방열 부재(28) 등의 사이에, 꼬임(撚)이 가해진 연부(撚部)(37)를 구비한다. 복수의 방열 부재(28) 등은 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 실로 연결된다. 이 때문에, 방열 구조체(25) 등은 복수의 방열 부재(28) 등이 대나무발 형상으로 연결되기 때문에, 예를 들면, 자동차의 진동 등에 의해 방열 부재(28) 등이 편재하는 사태를 억제할 수 있어 시공성이 높아진다.
또, 복수의 방열 부재(28) 등은 방열 부재(28) 등의 원환산 직경 D의 0.114배 이상 이간하여 배치되어 있다. 연결 부재(35)는, 바람직하게는, 복수의 방열 부재(28) 등의 사이에서 수축 혹은 변형이 가능하다. 이 때문에, 방열 부재(28) 등이 배터리 셀(20)로 원래의 높이의 80%로 압축된 경우라도, 서로 이웃하는 방열 부재(28) 등끼리가 서로 겹치는 일이 없이 편평한 상태로 되기 때문에, 배터리 셀(20)의 표면에의 추종·밀착성을 보다 높일 수가 있다. 방열 부재(28) 등끼리를 충분히 압축 변형시킴으로써, 배터리 셀(20)로부터의 무게가 가해졌을 때에, 배터리 셀(20)과 방열 부재(28) 등을 충분히 밀착시키고, 이에 의해 배터리 셀(20)과 방열 부재(28) 등과의 사이의 열전도성을 보다 높일 수가 있다.
또, 열전도 시트(30)의 표면에, 당해 표면에 접촉하는 배터리 셀(20)로부터 당해 표면으로의 열전도성을 높이기 위한 열전도성 오일을 가진다. 열전도 시트(30)는, 미시적으로 간극(구멍 혹은 오목부)을 가진다. 통상, 당해 간극에는 공기가 존재하여, 열전도성에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 열전도성 오일은, 그 간극을 매워서, 공기에 대신하여 존재하게 되어, 열전도 시트(30)의 열전도성을 향상시키는 기능을 가진다.
또, 열전도성 오일은, 실리콘 오일과, 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 1이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함한다. 실리콘 오일은, 내열성, 내한성, 점도 안정성, 열전도성이 뛰어난 오일이기 때문에, 열전도 시트(30)의 표면에 도포하여, 배터리 셀(20)과 열전도 시트(30)와의 사이에 개재시키는 열전도성 오일로서 특히 매우 적합하다. 또, 열전도성 오일은, 열전도성 필러를 포함하기 때문에, 열전도 시트(30)의 열전도성을 높일 수가 있다.
배터리(1, 1a, 1b)는, 냉각 부재(15)를 흘리는 구조를 가지는 케이스(11) 내에, 1 또는 2이상의 열원으로서의 배터리 셀(20)을 구비한 배터리로서, 상술의 방열 구조체(25) 등을 구비한다. 방열 구조체(25) 등은 복수의 방열 부재(28) 등이 연결되어 있고, 방열 부재(28) 등에, 배터리 셀(20)로부터의 열을 전하기 위한 스파이럴 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상의 열전도 시트(30)와, 열전도 시트(30)의 환상 이면에 구비되고, 열전도 시트(30)에 비해 배터리 셀(20)의 표면 형상에 맞추어 변형이 용이한 쿠션 부재(31)와, 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향으로 관통하는 관통로(32, 33)를 구비한다. 복수의 방열 부재(28) 등은 열전도 시트(30)가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어선 상태로 연결 부재(35, 35a)에 의해 연결된다. 배터리(1, 1a, 1b)를 이와 같이 구성함으로써, 배터리 셀(20)의 여러 가지의 형태에 순응이 가능하여 방열 효율이 뛰어난 방열 구조체(25) 등을 구비하는 배터리로 된다. 또, 방열 구조체(25) 등은 관통로(32, 33)에 기인하여 보다 경량으로 된다.
(그 외의 실시 형태)
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 매우 적합한 각 실시 형태에 대해 설명하였지만 본 발명은 이들에 한정되는 일이 없이 여러 가지로 변형하여 실시가 가능하다.
도 8은 방열 구조체 상에 배터리 셀의 측면을 접촉시키도록 옆으로 두기로 했을 때의 단면도, 그 일부 확대도 및 충방전시에 배터리 셀이 팽창했을 때의 일부 단면도를 각각 나타낸다.
전제의 각 실시 형태에서는, 배터리 셀(20)을 세로로 하고 그 하단에 방열 구조체(25) 등을 접촉하게 하고 있는 상황에 대해 설명하였지만, 배터리 셀(20)의 배치 형태는 이것에 한정되지 않는다. 도 8에 나타내듯이, 배터리 셀(20)의 측면을 방열 구조체(25) 등의 각 방열 부재(28) 등에 접촉시키도록 배터리 셀(20)을 배치해도 좋다. 배터리 셀(20)은, 충전시 및 방전시에 온도 상승한다. 배터리 셀(20)의 용기 자체가 유연성이 풍부한 재료로 형성되어 있으면, 배터리 셀(20)의 특히 측면이 부풀어 오를 가능성이 있다. 이러한 경우라도, 도 8에 나타내듯이, 방열 구조체(25) 등이 구성하고 있는 각 방열 부재(28) 등이 배터리 셀(20)의 외면의 형상에 맞추어 변형할 수 있으므로, 충방전시에도 방열성을 높게 유지할 수 있다.
예를 들면, 열원은, 배터리 셀(20)뿐만 아니라, 회로 기판이나 전자기기 본체 등의 열을 발하는 대상물을 모두 포함한다. 예를 들면, 열원은, 캐패시터 및 IC칩(Integrated Circuit chip) 등의 전자 부품이라도 좋다. 마찬가지로 냉각 부재(15)는, 냉각용의 물뿐만 아니라, 유기용제, 액체 질소, 냉각용의 기체라도 좋다. 또, 방열 구조체(25) 등은 배터리(1) 등 이외의 구조물, 예를 들면, 전자기기, 가전, 발전 장치 등에 배치되어 있어도 좋다.
또, 방열 부재(28b)에 있어서의 스파이럴 형상의 쿠션 부재(31)는, 열전도 시트(30)의 폭과 동일하게 한정되지 않고, 열전도 시트(30)의 폭에 대해서 커도 혹은 작아도 좋다.
또, 상술의 각 실시 형태의 복수의 구성 요소는 서로 조합이 불가능한 경우를 제외하고 자유롭게 조합이 가능하다. 예를 들면, 제3 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(25b)를 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(25)에 대신하여 배치해도 좋다.
본 발명과 관련되는 방열 구조체는, 예를 들면, 자동차용 배터리 이외에, 자동차, 공업용 로봇, 발전 장치, PC(Personal Computer), 가정용 전자제품 등의 각종 전자기기에도 이용할 수가 있다. 또, 본 발명과 관련되는 배터리는, 자동차용의 배터리 이외에, 가정용의 충방전이 가능한 배터리, PC 등의 전자기기용의 배터리에도 이용할 수 있다.
1, 1a, 1b···배터리(battery)
11···케이스(case) 15···냉각 부재
20···배터리 셀(열원의 일례)
25, 25a, 25b··방열 구조체
28, 28a, 28b···방열 부재 30···열전도 시트(sheet)
31···쿠션 부재 32, 33···관통로
35, 35a···연결 부재 37···연부(撚部)

Claims (8)

  1. 열원으로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재가 연결된 방열 구조체로서,
    상기 방열 부재는,
    상기 열원으로부터의 열을 전하기 위한 스파이럴 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상의 열전도 시트와,
    상기 열전도 시트의 환상 이면에 구비되고, 상기 열전도 시트에 비해 상기 열원의 표면 형상에 맞추어 변형이 용이한 쿠션 부재와,
    상기 열전도 시트가 감아 돌리면서 진행하는 방향으로 관통하는 관통로를 구비하고,
    상기 복수의 방열 부재는, 상기 열전도 시트가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 늘어선 상태로 연결 부재에 의해 연결되는 방열 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쿠션 부재는, 그 길이 방향으로 상기 관통로를 가지는 통 모양 쿠션 부재이며,
    상기 열전도 시트는, 상기 통 모양 쿠션 부재의 외측면을 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있는 방열 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 쿠션 부재는, 상기 열전도 시트의 상기 환상 이면을 따라 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있는 스파이럴 형상 쿠션 부재인 방열 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 부재는, 실로 구성되어 있고, 상기 복수의 방열 부재의 사이에, 꼬임(撚)이 가해진 연부(撚部)를 구비하고,
    상기 복수의 방열 부재는, 상기 열전도 시트가 감아 돌리면서 진행하는 방향과 직교하는 방향으로 상기 실로 연결되는 방열 구조체.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 방열 부재는, 상기 방열 부재의 원환산 직경의 0.114배 이상 이간하여 배치되고 있는 기재의 방열 구조체.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도 시트의 표면에, 당해 표면에 접촉하는 열원으로부터 당해 표면으로의 열전도성을 높이기 위한 열전도성 오일을 가지는 방열 구조체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열전도성 오일은, 실리콘 오일과, 상기 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 1이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함하는 방열 구조체.
  8. 케이스 내에, 1 또는 2이상의 열원으로서의 배터리 셀을 구비한 배터리로서, 상기 배터리 셀과 상기 케이스와의 사이에 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재의 방열 구조체를 구비하는 배터리.
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