KR20220154715A - 방열 구조체 및 이를 구비한 배터리 - Google Patents

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KR20220154715A
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히토시 안도
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신에츠 폴리머 가부시키가이샤
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Abstract

<과제> 열원의 여러 가지의 형태에 순응 가능하고, 탄성 변형성이 풍부하고, 방열 효율이 뛰어나고, 복수의 열원 각각의 방열성의 균일화를 높이고, 또한 생산성의 향상을 도모할 수가 있는 방열 구조체 및 배터리를 제공한다.
<해결 수단> 본 발명은, 복수의 방열 부재(20)와, 복수의 방열 부재(20)를 지지하는 지지판(10)을 구비한 방열 구조체(1)로서, 방열 부재(20)는, 중공 혹은 중실의 형상을 가지는 복수의 쿠션 부재(22)와, 쿠션 부재(22)의 외측면을 덮은 열전도 시트(21)를 구비하고, 지지판(10)은, 방열 부재(20)를 지지하는 홈부(15)를 방열 부재(20)의 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 복수 구비하고, 홈부(15)는, 방열 부재(20) 측을 개구하여 두께 방향으로 움푹 패인 만곡한 홈부로서, 그 곡률 반경 R2가 방열 부재(20)의 곡률 반경 R1보다 크고, 또한 그 깊이 T가 방열 부재(20)의 원환산 직경 D보다 작게 되도록 형성되는 방열 구조체(1) 및 배터리에 관한 것이다.

Description

방열 구조체 및 이를 구비한 배터리
본 발명은 방열 구조체 및 이를 구비한 배터리에 관한 것이다.
<크로스 레퍼런스(cross reference)>
본 출원은 2020년 5월 28일에 일본국에 있어서 출원된 특허출원 2020-092967에 기초하여 우선권을 주장하고, 당해 출원에 기재된 내용은 본 명세서에 원용한다. 또, 본 출원에 있어서 인용한 특허, 특허출원 및 문헌에 기재된 내용은 본 명세서에 원용한다.
자동차, 항공기, 선박, 혹은 가정용 혹은 업무용 전자 기기의 제어 시스템은, 보다 고정밀도 또한 복잡화해지고 있고, 이에 수반하여 회로 기판 상의 소형 전자 부품의 집적 밀도가 증가의 일로를 걷고 있다. 그 결과, 회로 기판 주변의 발열에 의한 전자 부품의 고장이나 단수명화를 해결하는 것이 강하게 요망되고 있다.
회로 기판으로부터의 신속한 방열을 실현하는 데는, 종래로부터 회로 기판 자체를 방열성이 뛰어난 재료로 구성하고, 히트 싱크(heat sink)를 부착하거나, 혹은 냉각 팬(fan)을 구동한다고 하는 수단을 단일로 하거나 혹은 복수 조합하여 행해지고 있다. 이들 중에서 회로 기판 자체를 방열성이 뛰어난 재료, 예를 들면, 다이아몬드(diamond), 질화알루미늄(AlN), 입방정 질화붕소(cBN) 등으로 구성하는 방법은, 회로 기판의 비용을 매우 높게 해 버린다. 또, 냉각 팬(fan)의 배치는, 팬이라고 하는 회전 기기의 고장, 고장 방지를 위한 유지관리(maintenance)의 필요성이나 설치 스페이스(space)의 확보가 어렵다고 하는 문제를 일으킨다. 이에 반해, 방열 핀(fin)은, 열전도성이 높은 금속(예를 들면, 알루미늄)을 이용한 기둥 형상 혹은 평판 형상의 돌출 부위를 많이 형성함으로써 표면적을 크게 하여 방열성을 보다 높일 수 있는 간단하고 쉬운 부재이기 때문에, 방열 부품으로서 범용적으로 이용되고 있다(특허 문헌 1, 참조).
그런데, 현재 온 세상에서 지구 환경에의 부하 경감을 목적으로 하여 종래로부터의 가솔린차 혹은 디젤차를 서서히 전기 자동차로 전환하려고 하는 움직임이 활발화 하고 있다. 특히, 프랑스, 네덜란드, 독일을 시작으로 하는 유럽 제국 외에, 중국에서도, 전기 자동차의 보급이 진행되어 오고 있다. 전기 자동차의 보급에는, 고성능 배터리의 개발 외에, 다수의 충전 스탠드(stand)의 설치 등이 필요하다. 특히, 리튬계의 자동차용 배터리의 충방전 기능을 높이기 위한 기술개발이 중요하다. 상기 자동차 배터리는, 섭씨 60도 이상의 고온 하에서는 충방전의 기능을 충분히 발휘할 수 없는 것이 잘 알려져 있다. 이 때문에, 앞에서 설명한 회로 기판과 마찬가지로, 배터리에 있어서도, 방열성을 높이는 것이 중요시되고 있다.
배터리의 신속한 방열을 실현하는 데는 알루미늄 등의 열전도성이 뛰어난 금속제의 케이스에 수냉 파이프를 배치하고, 당해 케이스에 배터리 셀을 다수 배치하고, 배터리 셀과 케이스의 바닥면의 사이에 밀착성의 고무 시트를 끼운 구조가 채용되고 있다. 이러한 구조의 배터리에서는, 배터리 셀은, 고무 시트를 통해서 케이스에 전열하여 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 케이스로 효율적으로 열을 이동시키는 것이 어렵다. 또, 고무 시트에 대신하여 그라파이트 등의 스페이서(spacer)를 사이에 두는 방법도 생각할 수 있지만, 복수의 배터리 셀의 하면이 평탄하지 않고 단차를 가지기 때문에, 배터리 셀과 스페이서의 사이에 간극이 생겨 전열 효율이 저하한다. 이러한 일례에서도 볼 수 있듯이 배터리 셀은 여러 가지의 형태(단차 등의 요철 혹은 비평활한 표면 상태를 포함한다.)를 취할 수 있기 때문에, 배터리 셀의 여러 가지의 형태에 순응 가능하고 높은 전열 효율을 실현하는 것에 대해 요망이 높아지고 있다. 또, 높은 전열(傳熱) 효율을 실현하기 위해서는, 다수의 배터리 셀의 온도가 균일하게 되도록 다수의 배터리 셀 각각으로부터 균일하게 방열시키는 것이 바람직하다. 또, 배터리 셀을 제거했을 때에 원래의 형상에 가까운 형상으로 되돌아오는 방열 구조체가 요망되고 있다. 또, 방열 구조체의 생산성의 향상을 도모하는 것도 요구되고 있다. 이것은 배터리 셀뿐만 아니라, 회로 기판, 전자 부품 혹은 전자 기기 본체와 같은 다른 열원에도 통한다. 이러한 요망에 응하는 것은 「모든 사람들이, 염가이고 신뢰할 수 있는 지속 가능한 근대적 에너지에의 접근(access)을 확보한다.」라고 하는 본 출원인의 지속 가능한 개발 목표의 달성에도 이바지한다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 열원의 여러 가지의 형태에 순응 가능하고, 탄성 변형성이 풍부하고, 방열 효율이 뛰어나고, 복수의 열원 각각에 있어서의 방열성의 균일화를 높이고, 또한 생산성의 향상을 도모할 수가 있는 방열 구조체 및 이를 구비한 배터리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 상기 목적을 달성하기 위한 하나의 실시 형태와 관련되는 방열 구조체는, 열원으로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재와, 당해 복수의 방열 부재를 지지하는 지지판을 구비한 방열 구조체로서, 상기 방열 부재는, 중공(中空) 혹은 중실(中實)의 형상을 가지는 복수의 쿠션 부재와, 상기 열원으로부터의 열을 전하기 위한 시트로서, 상기 쿠션 부재의 외측면을 덮은 열전도 시트를 구비하고, 상기 지지판은, 상기 방열 부재를 지지하는 홈부(groove part)를 상기 방열 부재의 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 복수 구비하고, 상기 홈부는, 상기 방열 부재 측을 개구하여 두께 방향으로 움푹 패인 만곡한 홈부로서, 그 곡률 반경이 상기 방열 부재의 곡률 반경보다 크고, 또한 그 깊이가 상기 방열 부재의 원환산 직경보다 작게 되도록 형성된다.
(2) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는 상기 지지판은, 상기 길이 방향으로 냉각 매체를 흘리는 적어도 하나 이상의 유로를 구비하여도 좋다.
(3) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는 상기 유로는, 상기 지지판을 관통하는 관통로라도 좋다.
(4) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는 상기 지지판은, 금속제의 판상(板狀) 부재라도 좋다.
(5) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는 상기 방열 부재는, 상기 길이 방향을 따르는 중공부를 구비한 통상(筒狀) 부재라도 좋다.
(6) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는 상기 쿠션 부재는, 상기 길이 방향으로 상기 중공부를 구비한 통상 쿠션 부재이며, 상기 열전도 시트는, 상기 통상 쿠션 부재의 외측면을 상기 길이 방향을 향해 스파이럴(spiral) 형상으로 감아 돌리고 있어도 좋다.
(7) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는 상기 열전도 시트와 상기 쿠션 부재는, 일체로 스파이럴 형상으로 한 방향으로 진행하는 형태를 가져도 좋다.
(8) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체는, 바람직하게는 상기 열전도 시트의 표면에, 당해 표면에 접촉하는 열원으로부터 당해 표면으로의 열전도성을 높이기 위한 열전도성 오일을 가져도 좋다.
(9) 다른 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에서는, 바람직하게는 상기 열전도성 오일은, 실리콘 오일(oil)과, 상기 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 하나 이상으로 이루어지는 열전도성 필러(filler)를 포함해도 좋다.
(10) 하나의 실시 형태와 관련되는 배터리는, 케이스 내에, 하나 또는 둘 이상의 열원으로서의 배터리 셀을 구비한 배터리로서, 상기 배터리 셀과 상기 케이스의 사이에 상술의 어느 방열 구조체를 구비한다.
본 발명에 의하면, 열원의 여러 가지의 형태에 순응 가능하고, 탄성 변형성이 풍부하고, 방열 효율이 뛰어나고, 또한 복수의 열원 각각에 있어서의 방열성의 균일화를 높이고, 또한 생산성의 향상을 도모할 수가 있는 방열 구조체 및 이를 구비한 배터리를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체의 평면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 있어서의 A-A선 단면도 및 그 일부 C의 확대도를 각각 나타낸다.
도 3은 도 1에 있어서의 B-B선 단면도를 나타낸다.
도 4는 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체를 도 2와 동시(同視)의 도에 의해 나타낸다.
도 5는 방열 구조체를 구성하고 있는 방열 부재의 제조 공정을 설명하기 위한 도를 나타낸다.
도 6은 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체를 구성하고 있는 지지판의 제조 공정을 설명하기 위한 도를 나타낸다.
도 7은 방열 구조체를 구성하고 있는 방열 부재의 변형예의 매우 적합한 제조 공정을 설명하기 위한 도를 나타낸다.
도 8은 방열 구조체를 구비한 배터리의 종단면도를 나타낸다.
도 9는 방열 구조체 상에 배터리 셀의 측면을 접촉시키도록 옆으로 두었을 때의 단면도, 그 일부 확대도 및 충전 및 방전시에 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.
1. 방열 구조체
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체의 평면도를 나타낸다. 도 2는 도 1에 있어서의 A-A선 단면도 및 그 일부 C의 확대도를 각각 나타낸다. 도 3은 도 1에 있어서의 B-B선 단면도를 나타낸다. 또한, 이 실시 형태에 있어서, 열원은, 도 2 및 도 3의 지면(紙面) 상방에 배치되는 것으로 한다. 이후의 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다. 또, 도 1의 방열 구조체(1)는, 10개의 방열 부재(20)를 구비하고 있지만, 방열 부재(20)의 수는 특히 한정되지 않는다. 이후의 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다.
(1) 개략 구성
제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(1)는, 열원으로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재(20)와, 복수의 방열 부재(20)를 지지하는 지지판(10)을 구비한 부재이다. 방열 부재(20)는, 중공(中空) 혹은 중실(中實)의 형상을 가지는 복수의 쿠션 부재(22)와, 열원으로부터의 열을 전하기 위한 시트로서, 쿠션 부재(22)의 외측면을 덮은 열전도 시트(21)를 구비한다. 지지판(10)은, 방열 부재(20)를 지지하는 홈부(groove part)(15)를 방열 부재(20)의 길이 방향과 직교하는 방향(도 1의 좌우 방향)을 따라 복수 구비한다. 홈부(15)는, 방열 부재(20) 측을 개구하여 두께 방향으로 움푹 패인 만곡한 홈부이다. 홈부(15)는, 그 곡률 반경 R2가 방열 부재(20)의 곡률 반경 R1보다 크고, 또한 그 깊이 T가 방열 부재(20)의 원환산 직경 D보다 작게 되도록 형성된다(도 2, 참조). 방열 부재(20)는, 「열전도 부재」 또는 「전열 부재」라고 칭해도 좋다. 또한, 「곡률 반경」이란, 방열 부재(20) 및 홈부(15)를 그 길이 방향과 수직으로 절단했을 때의 단면에 있어서의 곡선의 구부러짐 상태를 가장 잘 근사하는 진원(眞圓)의 반경을 의미한다. 또, 「원환산 직경」이란, 방열 부재(20)를 그 길이 방향과 수직으로 절단했을 때의 관단면(管斷面)의 면적과 같은 면적의 진원의 직경을 의미한다. 이들은 이후의 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다.
(2) 열전도 시트
열전도 시트(21)는, 바람직하게는 스파이럴(spiral) 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상의 시트(sheet)이다. 열전도 시트(21)는, 그 구성 재료를 따지지 않지만, 바람직하게는 탄소를 포함하는 시트이며, 더 바람직하게는 90질량% 이상을 탄소로 구성되는 시트이다. 예를 들면, 열전도 시트(21)에, 수지를 소성하여 이루어지는 그라파이트(graphite)제의 필름을 이용할 수도 있다. 다만, 열전도 시트(21)는, 탄소와 수지를 포함하는 시트라도 좋다. 이 경우에 수지는, 합성섬유라도 좋고, 이 경우에 수지로서 매우 적합하게는 아라미드 섬유(aramid fiber)를 이용할 수가 있다. 본 출원에서 말하는 「탄소」는, 그라파이트, 그라파이트보다 결정성이 낮은 카본 블랙(carbon black), 다이아몬드(diamond), 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(21)는, 이 실시 형태에서는, 수지에, 그라파이트 섬유나 카본 입자를 배합 분산한 재료를 경화시킨 얇은 시트로 할 수가 있다. 열전도 시트(21)는, 메쉬(mesh) 형상으로 짠 탄소 섬유라도 좋고, 또 혼방(混紡)되어 있어도 혼편(混編)되어 있어도 좋다. 또한, 그라파이트 섬유, 카본 입자 혹은 탄소 섬유라고 하는 각종 필러(filler)도 모두 탄소 필러의 개념에 포함된다.
열전도 시트(21)를 탄소와 수지를 구비한 시트로 하는 경우에는, 당해 수지가 열전도 시트(21)의 전체 질량에 대해서 50질량%를 넘고 있어도, 혹은 50질량% 이하라도 좋다. 즉, 열전도 시트(21)는, 열전도에 큰 지장이 없는 한, 수지를 주재(主材)로 하는지 아닌지를 따지지 않는다. 수지로서는, 예를 들면, 열가소성 수지를 매우 적합하게 사용할 수 있다. 열가소성 수지로서는, 열원으로부터의 열을 전도할 때에 용해하지 않는 정도의 고융점을 구비한 수지가 바람직하고, 예를 들면, 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아미드이미드(PAI), 방향족 폴리아미드(아라미드 섬유(aramid fiber)) 등을 매우 적합하게 들 수가 있다. 수지는, 열전도 시트(21)의 성형 전의 상태에 있어서, 탄소 필러의 간극에, 예를 들면, 입자 형상 혹은 섬유 형상으로 분산하고 있다. 열전도 시트(21)는, 탄소 필러, 수지 외에, 열전도를 보다 높이기 위한 필러로서 Al2O3, AlN 혹은 다이아몬드를 분산하고 있어도 좋다. 또, 수지에 대신하여, 수지보다 유연한 엘라스토머(elastomer)를 이용해도 좋다. 열전도 시트(21)는, 또 상술과 같은 탄소에 대신하거나 혹은 탄소와 함께, 금속 및/또는 세라믹스를 포함하는 시트로 할 수가 있다. 금속으로서는, 알루미늄, 동(銅), 이들 중의 적어도 하나를 포함하는 합금 등의 열전도성이 비교적 높은 것을 선택할 수 있다. 또, 세라믹스로서는, Al2O3, AlN, cBN, hBN 등의 열전도성이 비교적 높은 것을 선택할 수 있다.
열전도 시트(21)는, 도전성이 뛰어난지 아닌지는 따지지 않는다. 열전도 시트(21)의 열전도율은, 바람직하게는 10W/mK 이상이다. 이 실시 형태에서는, 열전도 시트(21)는, 바람직하게는 그라파이트제의 필름이며, 열전도성과 도전성이 뛰어난 재료로 이루어진다. 열전도 시트(21)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(21)의 열전도율은, 그 두께가 증가하는 만큼 두께 방향으로 저하하지만, 열전송량은 두꺼운 쪽이 많아지기 때문에, 시트의 강도, 가요성(可撓性) 및 열전도성을 종합적으로 고려하여 그 두께를 결정하는 것이 바람직하다.
(3) 쿠션 부재
쿠션 부재(22)의 중요한 기능은 변형 용이성과 회복력이다. 회복력은, 탄성변형성에 의한다. 변형 용이성은, 열원의 형상에 추종하기 위해서 필요한 특성이며, 특히 리튬 이온 배터리 등의 반고형물, 액체적 성질과 상태도 가지는 내용물 등을 변형하기 쉬운 패키지에 거두고 있는 것 같은 배터리 셀의 경우에는, 설계 치수적으로도 부정형이거나 또는 치수 정밀도가 주어져 있지 않는 경우가 많다. 이 때문에, 쿠션 부재(22)의 변형 용이성이나 추종력을 보유하기 위한 회복력의 보유는 중요하다.
쿠션 부재(22)는, 이 실시 형태에서는 방열 부재(20)의 길이 방향으로 중공부(23)를 구비한 통상(筒狀) 쿠션 부재이다. 쿠션 부재(22)는, 열전도 시트(21)에 접촉하는 열원이 평탄하지 않은 경우에도, 열전도 시트(21)와 열원의 접촉을 양호하게 한다. 또한, 중공부(23)는, 쿠션 부재(22)의 변형을 용이하게 하고, 이에 더하여 방열 구조체(1)의 경량화에 기여하고, 또 열전도 시트(21)와 열원의 접촉을 높이는 기능을 가진다. 쿠션 부재(22)는, 열전도 시트(21)에 가해지는 하중에 의해 열전도 시트(21)가 파손 등을 하지 않도록 하는 보호 부재로서의 기능도 가진다. 이 실시 형태에서는, 쿠션 부재(22)는, 열전도 시트(21)에 비해 저열전도성의 부재이다. 또한, 이 실시 형태에서는, 중공부(23)는, 단면 원형 형상으로 형성되어 있지만, 중공부(23)의 단면 형상은 원형에 한정되지 않고, 예를 들면, 다각형, 타원형, 반원형, 정점이 둥그스름함을 띤 대략 다각형 등이라도 좋다. 또, 중공부(23)는, 예를 들면, 단면 원형 형상이 상하 또는 좌우에 2개로 분할된 2개의 단면 반원 형상의 중공부 등 복수의 중공부 등으로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 쿠션 부재(22)는, 중공부(23)를 구비하지 않은 중실(中實)의 형상이라도 좋다.
쿠션 부재(22)는, 바람직하게는 실리콘 고무, 우레탄 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 천연 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 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(22)는, 열전도 시트(21)를 전해지는 열에 의해 용해 혹은 분해 등을 하지 않고 그 형태를 유지할 수 있는 정도의 내열성이 높은 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 이 실시 형태에서는, 쿠션 부재(22)는, 보다 바람직하게는, 우레탄계 엘라스토머 중에 실리콘을 함침한 것, 혹은 실리콘 고무에 의해 구성된다. 쿠션 부재(22)는, 그 열전도성을 조금이라도 높이기 위해서, 고무 중에 Al2O3, AlN, cBN, hBN, 다이아몬드의 입자 등으로 대표되는 필러를 분산하여 구성되어 있어도 좋다. 쿠션 부재(22)는, 그 내부에 기포를 포함하는 것 외에, 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(22)의 변형예로서는, 상기 고무 형상 탄성체는 아니고, 금속을 이용하여 구성할 수도 있다. 예를 들면, 쿠션 부재(22)는, 스프링강(spring steel)으로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 쿠션 부재(22)로서 코일 스프링을 배치하는 것도 가능하다. 또, 스파이럴 형상으로 감은 금속을 스프링강으로 하여 쿠션 부재로서 열전도 시트(21)의 환상(環狀) 이면에 배치해도 좋다. 또, 쿠션 부재(22)는, 수지나 고무 등으로 형성된 스펀지 혹은 솔리드(solid)(스펀지와 같은 다공질이 아닌 구조의 것)로 구성하는 것도 가능하다.
(4) 지지판
지지판(10)은, 바람직하게는 금속제의 판상(板狀) 부재이다. 지지판(10)은, 보다 바람직하게는, 알루미늄, 동(銅), 이들 중의 적어도 하나를 포함하는 합금 등의 열전도성이 비교적 높은 것 등으로 구성된다. 다만, 지지판(10)은, 수지 및/또는 세라믹스를 포함하고 있어도 좋고, 상기 금속에 대신하여 수지 및/또는 세라믹스로 구성되어 있어도 좋다. 수지 및 세라믹스로서는, 예를 들면, 전술의 열전도 시트(21)의 구성 재료와 마찬가지의 재료를 들 수가 있다.
지지판(10)은, 바람직하게는 방열 부재(20)를 지지하는 복수의 홈부(groove part)(15)를 구비한 지지 기판(11)과, 바닥판(12)을 구비한다. 지지 기판(11)은, 바람직하게는 방열 부재(20)의 길이 방향과 직교하는 방향(도 2의 좌우 방향)을 따라 열원과 대향하는 면에 배치되는 복수의 홈부(15)와, 당해 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 바닥판(12)과 대향하는 면에 배치되는 복수의 절결부(切缺部)(18)를 구비한다(후술의 도 7, 참조). 홈부(15)는, 방열 부재(20) 측(열원 측)을 개구하여 두께 방향(도 2의 상하 방향)으로 움푹 패인 만곡한 홈부이다. 절결부(18)는, 바람직하게는 바닥판(12) 측을 개구하여 두께 방향(도 2의 상하 방향)으로 직사각형 형상으로 절결(切缺)된 홈부이다. 절결부(18)는, 바람직하게는 길이 방향(도 2의 지면(紙面) 깊이 방향)으로 관통하여 형성된다. 바닥판(12)은, 바람직하게는 지지 기판(11)의 절결부(18)가 형성되어 있는 면과 접합하는 평판 형상의 부재이다. 지지판(10)은, 지지 기판(11)과 바닥판(12)이 접합됨으로써, 절결부(18)와 바닥판(12)에 의해 지지판(10)을 길이 방향으로 관통하는 관통로(17)를 형성한다. 관통로(17)는, 길이 방향으로 냉각 매체(45)를 흘리는 유로(43)로서의 역할을 하는 부재이다. 또한, 절결부(18)의 크기 및 형상은, 적어도 냉각 매체(45)를 흘리는 것이 가능한 크기 및 형상이면, 특히 제약되지 않는다. 또, 방열 구조체(1)가 구비한 절결부(18)의 개수는, 특히 제약되지 않는다. 또, 지지판(10)은, 지지 기판(11)과 바닥판(12)이 일체 성형되어 있어도 좋다. 또, 냉각 매체(45)는, 「냉각 부재」 혹은 「냉각제」라고 바꾸어 읽어도 좋다. 냉각 매체(45)는, 냉각수에 한정되지 않고, 액체질소, 에탄올 등의 유기용제도 포함하도록 해석된다. 냉각 매체(45)는, 냉각에 이용되는 상황 하에서, 액체라고는 할 수 없고, 기체 혹은 고체라도 좋다. 또, 「지지판」은, 방열 부재(20)로부터 냉각 매체로 열을 전하여 열원을 냉각하는 판상 부재이기 때문에, 「냉각판」이라고 바꾸어 말해도 좋다.
방열 부재(20)는, 열원으로부터의 압압(押壓)을 받아 상하 방향, 즉 열원으로부터 냉각 매체(45)를 흘리는 유로(43)를 향하는 방향으로 찌부러진다. 방열 부재(20)가 거의 찌부러지지 않는 경우에는, 열전도 시트(21)와 열원 등의 밀착성이 낮아질 가능성이 있다. 이러한 위험(risk)을 저감하는데 적절한 방열 부재(20)가 상하 방향으로 압축되었을 때의 두께는, 적어도, 방열 부재(20)의 관경(管徑)(=원환산 직경 : D)의 80% 이다. 홈부(15)는, 그 깊이 T가 방열 부재(20)의 원환산 직경 D보다 작게 되도록 형성된다. 홈부(15)는, 바람직하게는 그 깊이 T가 적어도 방열 부재(20)의 관경의 80%(0.8D) 이하로 되도록 형성된다(도 2의 일부 C의 확대도, 참조). 이 실시 형태에서는, 홈부(15)는, 그 깊이 T가 방열 부재(20)의 관경의 80%(0.8D)로 되도록 형성된다. 여기서, 홈부(15)의 깊이 T는, 지지 기판(11)의 열원과 대향하는 면에서 홈부(15)의 바닥부까지의 길이이다. 홈부(15)를 이와 같이 형성함으로써, 열원과 방열 부재(20)를 확실하게 접촉시킬 수가 있어 방열 부재(20)를 적어도 전술(前述)의 상하 방향으로 압축되었을 때의 적절한 두께까지 압축시킬 수가 있다.
또, 홈부(15)는, 그 곡률 반경 R2가 방열 부재(20)의 곡률 반경 R1(=0.5D)보다 커지도록 형성된다. 홈부(15)를 이와 같이 형성함으로써, 방열 부재(20)가 열원으로부터의 압압을 받아 찌부러질 때에, 방열 부재(20)가 홈부(15)의 만곡면을 따라 대략 타원 형상으로 변형할 수가 있다(도 2의 일부 C의 확대도, 참조). 따라서, 방열 구조체(1)는, 예를 들면, 홈부(15)의 곡률 반경 R2가 방열 부재(20)의 곡률 반경 R1보다 작은 경우나 지지판(10)이 홈부(15)를 구비하지 않는 경우에 비해, 방열 부재(20)가 열원으로부터의 압압을 받아 찌부러질 때의 방열 부재(20)와 지지판(10)의 접촉 면적이 커진다. 또, 홈부(15)는, 그 길이 방향의 길이 L2가 방열 부재(20)의 길이 방향의 길이 L1보다 길게 되도록 구성되는 것이 바람직하다(도 3, 참조). 이와 같이 구성됨으로써, 지지판(10)은, 열원으로부터의 압압에 의해 방열 부재(20)가 그 길이 방향으로 신축한 경우라도, 확실하게 방열 부재(20)를 지지할 수가 있다. 그러나, 지지판(10)은, 홈부(15)의 길이 방향의 길이 L2가 방열 부재(20)의 길이 방향의 길이 L1과 동일하게 되도록 구성되어 있어도 좋다. 또한, 방열 구조체(1)가 구비한 홈부(15)의 개수는, 적어도 방열 부재(20)의 개수 이상이면 특히 제약되지 않고, 예를 들면, 방열 부재(20)와 동수라도 좋고, 방열 부재(20)보다 다수라도 좋다.
(5) 열전도성 오일
열전도성 오일은, 바람직하게는 실리콘 오일과, 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 하나 이상으로 이루어지는 열전도성 필러(filler)를 포함한다. 열전도 시트(21)는, 미시적으로, 간극(구멍 혹은 오목부)을 가진다. 통상, 당해 간극에는 공기가 존재하여, 열전도성에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 열전도성 오일은, 그 간극을 매워, 공기에 대신하여 존재하게 되어, 열전도 시트(21)의 열전도성을 향상시키는 기능을 가진다.
열전도성 오일은, 열전도 시트(21)의 표면, 적어도 열원과 열전도 시트(21)가 접촉하는 면에 구비되어 있다. 본 출원에 있어서, 열전도성 오일의 「오일」은, 비수용성의 상온(20~25℃의 범위의 임의의 온도)에서 액상 혹은 반고형상의 가연 물질을 말한다. 「오일」이라고 하는 문언에 대신하여 「윤활유」 혹은 「왁스」를 이용할 수도 있다. 열전도성 오일은, 열원으로부터 열전도 시트(21)에 열을 전할 때에 열전도의 장해가 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 하나 이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함한다.
실리콘 오일은, 바람직하게는 실록산 결합이 2000 이하인 직쇄 구조의 분자로 이루어진다. 실리콘 오일은, 스트레이트 실리콘 오일과 변성 실리콘 오일로 대별된다. 스트레이트 실리콘 오일로서는, 디메틸 실리콘 오일, 메틸 페닐 실리콘 오일, 메틸 하이드로젠 실리콘 오일을 예시할 수 있다. 변성 실리콘 오일로서는, 반응성 실리콘 오일, 비반응성 실리콘 오일을 예시할 수 있다. 반응성 실리콘 오일은, 예를 들면, 아미노 변성 타입, 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, 폴리 에테르 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(21)의 표면에 도포하여, 열원과 열전도 시트(21)의 사이에 개재시키는 열전도성 오일로서 특히 매우 적합하다.
열전도성 오일은, 바람직하게는 유분(油分) 이외에, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 하나 이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함한다. 금속으로서는, 금(金), 은(銀), 동(銅), 알루미늄, 베릴륨, 텅스텐 등을 예시할 수 있다. 세라믹스로서는, 알루미나, 질화알루미늄, 큐빅(cubic) 질화붕소, 헥사고날(hexagonal) 질화붕소 등을 예시할 수 있다. 탄소로서는, 다이아몬드(diamond), 그라파이트(graphite), 다이아몬드 라이크 카본(diamond like carbon), 아모퍼스 카본(amorphous carbon), 카본 나노 튜브(carbon nano-tube) 등을 예시할 수 있다.
열전도성 오일은, 열원과 열전도 시트(21)의 사이에 개재하는 것 외에, 열전도 시트(21)와 후술의 배터리의 케이스와의 사이에 개재하는 편이 바람직하다. 열전도성 오일은, 열전도 시트(21)의 전면에 도포되어 있어도, 열전도 시트(21)의 일부분에 도포되어 있어도 좋다. 열전도성 오일을 열전도 시트(21)에 존재시키는 방법은, 특히 제약은 없고, 스프레이를 이용한 분무, 솔 등을 이용한 도포, 열전도성 오일 중에의 열전도 시트(21)의 침지 등 어떤 방법을 따르는 것이라도 좋다. 또한, 열전도성 오일은, 방열 구조체(1) 혹은 후술의 배터리에 있어 필수의 구성은 아니고, 매우 적합하게 구비할 수 있는 추가적인 구성이다. 이것은, 이후의 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다.
방열 구조체(1)는, 복수의 방열 부재(20)가 홈부(groove part)(15)에 지지된 상태로, 그 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 지지판(10) 상에 배치된다. 홈부(15)는, 방열 부재(20) 측을 개구하여 두께 방향으로 움푹 패인 만곡한 홈부로서, 그 곡률 반경 R2가 방열 부재(20)의 곡률 반경 R1보다 크고, 또한 그 깊이 T가 방열 부재(20)의 원환산 직경 D보다 작게 되도록 형성된다. 이에 의해 복수의 열원의 하단부가 평탄하지 않은 경우에도, 열전도 시트(21)와 당해 하단부의 접촉이 양호하게 된다. 높은 전열 효율을 실현하기 위해서는, 다수의 열원 각각의 온도가 균일하게 되도록 다수의 열원 각각으로부터 균일하게 방열시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 각 열원에 접촉하는 방열 부재(20)의 수가 균일하게 되도록 복수의 방열 부재(20)를 배치하는 것이 바람직하다. 방열 구조체(1)는, 다수의 열원의 크기를 고려하여 지지판(10)에 있어서의 홈부(15)의 수 및 위치를 설정하고, 방열 부재(20)의 수를 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 방열 구조체(1)를 설계함으로써, 복수의 방열 부재(20)가 지지판(10)에 위치 결정된다. 따라서, 방열 구조체(1)는, 다수의 열원 각각에 있어서의 방열성의 균일화를 높일 수가 있다. 또, 방열 구조체(1)는, 복수의 방열 부재(20)를 실(thread) 등으로 연결하는 일이 없이 지지판(10)의 홈부(15)에 배치시킴으로써 위치 결정을 행할 수가 있어 생산성의 향상을 도모할 수가 있다. 또, 방열 구조체(1)는, 각 방열 부재(20)가 쿠션 부재(22)의 외측면에 열전도 시트(21)를 스파이럴 형상으로 감은 구조를 가지고 있기 때문에, 쿠션 부재(22)의 변형을 과도하게 구속하지 않는다. 또한, 복수의 방열 부재(20)는, 방열 부재(20) 사이의 거리가 등간격으로 되도록 배치되는 것에 한정되지 않는다. 즉, 복수의 홈부(15)는, 홈부(15) 사이의 거리가 등간격으로 되도록 배치되는 것에 한정되지 않는다.
(제2 실시 형태)
다음에, 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체에 대해 설명한다. 전술의 실시 형태와 공통되는 부분에 대해서는 같은 부호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다.
도 4는 제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체를 도 2와 동시(同視)의 도에 의해 나타낸다.
제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(1a)는, 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(1)와 유사한 구조를 가지지만, 지지판(10)에 대신하여, 지지판(10a)을 구비한 점에 있어서, 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(1)와 다르다. 또한, 방열 구조체(1a)는, 지지판(10a) 이외의 구성은, 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(1)와 마찬가지이기 때문에 상세한 설명을 생략한다.
지지판(10a)은, 바람직하게는 지지 기판(11)과 바닥판(12)이 접합되어 제조되는 제1 실시 형태의 지지판(10)과 달리, 일체 성형에 의해 제조되는 부재이다. 지지판(10a)은, 방열 부재(20)의 길이 방향과 직교하는 방향(도 4의 좌우 방향)을 따라 열원과 대향하는 면에 배치되는 복수의 홈부(15)와, 당해 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 배치되는 관통로(17a)를 구비한다. 관통로(17a)는, 지지판(10a)을 길이 방향(도 4의 지면 깊이 방향)으로 관통하여 형성된다. 관통로(17a)는, 제1 실시 형태의 관통로(17)와 마찬가지로, 길이 방향으로 냉각 매체(45)를 흘리는 유로(43)로서의 역할을 하는 부재이다. 또한, 이 실시 형태에서는, 관통로(17a)는, 단면 원형 형상으로 형성되어 있지만, 관통로(17a)의 단면 형상은 원형에 한정되지 않고, 예를 들면, 다각형, 타원형, 반원형, 정점이 둥그스름함을 띤 대략 다각형 등이라도 좋다. 또, 관통로(17a)는, 예를 들면, 단면 원형 형상이 상하 또는 좌우에 2개로 분할된 2개의 단면 반원 형상의 관통로 등 복수의 관통로로 구성되어 있어도 좋다. 또, 관통로(17a)의 크기 및 위치는, 적어도 냉각 매체(45)를 흘리는 것이 가능한 크기 및 위치이면, 특히 제약되지 않는다. 또, 방열 구조체(1)가 구비한 관통로(17a)의 개수는, 특히 제약되지 않는다. 또, 지지판(10a)의 재료 및 홈부(15)의 구성은, 제1 실시 형태의 지지판(10)과 마찬가지이기 때문에 상세한 설명을 생략한다. 이와 같이 구성된 방열 구조체(1a)도 또 제1 실시 형태와 같은 효과를 나타낸다.
2. 방열 구조체의 제조 방법
다음에, 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(1)의 매우 적합한 제조 방법의 일례를 설명한다.
도 5는 방열 구조체를 구성하고 있는 방열 부재의 제조 공정을 설명하기 위한 도를 나타낸다. 도 6은 제1 실시 형태와 관련되는 방열 구조체를 구성하고 있는 지지판의 제조 공정을 설명하기 위한 도를 나타낸다.
우선, 방열 구조체(1)를 구성하고 있는 방열 부재(20)의 매우 적합한 제조 방법의 일례를 설명한다. 우선, 중공부(23)를 가지는 쿠션 부재(22)를 성형한다(도 5의 a, 참조). 다음에, 쿠션 부재(22)의 외측면에 접착제를 도포한다. 다음에, 띠모양의 열전도 시트(21)를 쿠션 부재(22)의 외측면 상에 스파이럴 형상으로 감은 후, 열전도 시트(21)가 쿠션 부재(22)의 양단으로부터 초과한 부분이 있으면, 그 초과한 부분을 절단(cut) 혹은 쿠션 부재(22)째 절단한다(도 5의 b 및 c, 참조). 마지막으로, 열전도 시트(21)의 표면에 열전도성 오일을 도포한다. 쿠션 부재(22)와 열전도 시트(21)의 사이에 접착제를 개재시키지 않고 고정하는 것도 가능하다. 그 경우에는, 완전 경화하기 전의 상태의 쿠션 부재(22)를 준비하고, 그 외측면에 띠모양의 열전도 시트(21)를 감는다. 그 후, 쿠션 부재(22)를 가온하여 완전 경화시켜 쿠션 부재(22)의 외측면에 열전도 시트(21)를 고정한다.
열전도 시트(21)의 쿠션 부재(22)의 양단으로부터 초과한 부분을 절단하는 절단(cut) 공정 및 열전도성 오일(oil)을 도포하는 도포 공정은, 상술의 타이밍으로 행하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 절단 공정은, 도포 공정 후에 행하여도 좋다.
다음에, 방열 구조체(1)를 구성하고 있는 지지판(10)의 매우 적합한 제조 방법의 일례를 설명한다. 우선, 지지 기판(11) 및 바닥판(12)을 준비한다(도 6의 d, 참조). 지지 기판(11)은, 바람직하게는 절삭 가공이나 압출 성형 등에 의해 제조된다. 지지 기판(11)은, 홈부(15)의 곡률 반경 R2가 방열 부재(20)의 곡률 반경 R1보다 크고, 또한 홈부(15)의 깊이 T가 방열 부재(20)의 원환산 직경 D보다 작게 되도록 성형된다(도 2, 참조). 다음에, 지지 기판(11)과 바닥판(12)을 용접 등에 의해 접합함으로써, 지지판(10)이 제조된다(도 6의 e, 참조). 이때, 지지 기판(11)이 구비한 절결부(18)와 바닥판(12)이 대향하도록 지지 기판(11)과 바닥판(12)이 접합된다.
방열 구조체(1)는, 상술의 제조 방법에 의해 제조된 지지판(10)이 구비한 복수의 홈부(15)에, 상술의 제조 방법에 의해 제조된 복수의 방열 부재(20)를 각각 배치함으로써 제조된다. 이 경우, 복수의 방열 부재(20)는, 지지판(10)의 홈부(15)를 구비한 면이 수평면에 대해서 비스듬하게 경사지도록 고정된 상태로, 비스듬하게 경사진 경사면의 상류측으로부터 당해 경사면을 구르게 함으로써, 복수의 홈부(15) 각각에 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 제조된 방열 구조체(1)는, 비스듬하게 경사지도록 고정된 지지판(10)의 경사면을 구르게 하는 것만으로 복수의 방열 부재(20)를 복수의 홈부(15)에 각각 배치할 수가 있기 때문에, 복수의 방열 부재(20)를 실(thread) 등으로 연결하는 일이 없이 용이하게 복수의 방열 부재(20)를 지지판(10)에 위치 결정할 수가 있어 생산성의 향상을 도모할 수가 있다. 또한, 방열 구조체(1)는, 지지 기판(11)과 바닥판(12)을 접합하기 전에, 지지 기판(11)에 복수의 방열 부재(20)를 배치해도 좋다. 이 경우, 방열 구조체(1)는, 복수의 방열 부재(20)가 배치된 지지 기판(11)과 바닥판(12)이 접합됨으로써 제조된다.
제2 실시 형태와 관련되는 방열 구조체(1a)는, 절삭 가공이나 압출 성형 등에 의해 제조된 지지판(10a)이 구비한 복수의 홈부(15)에, 상술의 제조 방법에 의해 제조된 복수의 방열 부재(20)를 각각 배치함으로써 제조된다. 이 경우, 복수의 방열 부재(20)는, 지지판(10a)의 홈부(15)를 구비한 면이 수평면에 대해서 비스듬하게 경사지도록 고정된 상태로, 비스듬하게 경사진 경사면의 상류측으로부터 당해 경사면을 구르게 함으로써, 복수의 홈부(15) 각각에 배치되는 것이 바람직하다. 지지판(10a)은, 지지판(10)과 마찬가지로, 홈부(15)의 곡률 반경 R2가 방열 부재(20)의 곡률 반경 R1보다 크고, 또한 홈부(groove part)(15)의 깊이 T가 방열 부재(20)의 원환산 직경 D보다 작게 되도록 성형된다. 이와 같이 제조된 방열 구조체(1a)도 또 복수의 방열 부재(20)를 실(thread) 등으로 연결하는 일이 없이 용이하게 복수의 방열 부재(20)를 지지판(10a)에 위치 결정할 수가 있어 생산성의 향상을 도모할 수가 있다.
방열 구조체(1)의 변형예의 매우 적합한 제조 방법의 일례를 설명한다. 이 변형예에 있어서, 상술의 방열 구조체(1)를 구성하고 있는 방열 부재(20)를 방열 부재(20a)에 대신하는 점 이외는, 상술의 방열 구조체(1)와 마찬가지의 제조 방법에 의해 제조되고 있기 때문에 상세한 설명을 생략한다. 이하, 방열 부재(20a)의 매우 적합한 제조 방법에 대해 설명한다.
도 7은 방열 구조체를 구성하고 있는 방열 부재의 변형예의 매우 적합한 제조 공정을 설명하기 위한 도를 나타낸다.
우선, 띠모양의 적층 시트(28)를 제조한다. 띠모양의 적층 시트(28)의 제조에 있어서, 열전도 시트(21)와 쿠션 부재(22)는, 바람직하게는 접착제로 고정되어 있다. 다음에, 띠모양의 적층 시트(28)를 스파이럴(spiral) 형상으로 감아 돌리면서 한 방향으로 진행시켜 장척 형상의 방열 부재(20a)를 제조한다. 열전도 시트(21)와 쿠션 부재(22)의 사이에 접착제를 개재시키지 않는 제조 방법으로서는, 이하와 같은 방법을 예시할 수 있다. 예를 들면, 쿠션 부재(22)가 완전하게는 경화하고 있지 않는 미경화 상태로, 열전도 시트(21)를 쿠션 부재(22) 상에 붙인다. 그 후, 가온에 의해 쿠션 부재(22)를 완전하게 경화시킨다.
띠모양의 적층 시트(28)를 스파이럴 형상으로 감아 돌린 후, 적층 시트(28)의 양단을 절단하여 형상을 정돈해도 좋다. 마지막으로, 열전도 시트(21)의 표면에 열전도성 오일을 도포한다. 방열 부재(20a)는, 그 길이 방향으로 관통하는 중공부(23a)를 구비하고 있다. 중공부(23a)는, 상술의 실시 형태에 있어서의 방열 부재(20)와 달리, 방열 부재(20a)의 외측면 방향으로도 관통하고 있다. 이와 같이, 쿠션 부재(22)는, 열전도 시트(21)의 내측에 배치되고, 열전도 시트(21)와 쿠션 부재(22)는, 일체로 스파이럴 형상으로 한 방향으로 진행하는 형태를 가진다. 방열 부재(20a)는, 그 전체가 스파이럴 형상이기 때문에, 상술의 방열 부재(20)에 비해, 방열 부재(20a)의 길이 방향으로 신축 용이하다.
또한, 방열 구조체(1a)도 또 방열 부재(20)에 대신하여 방열 부재(20a)를 구비할 수가 있다. 이 경우, 방열 구조체(1a)는, 방열 부재(20)를 방열 부재(20a)에 대신하는 점 이외는, 전술의 방열 구조체(1a)와 같은 제조 방법에 의해 제조할 수가 있다.
3. 배터리(battery)
다음에, 본 실시 형태와 관련되는 배터리에 대해 설명한다.
도 8은 방열 구조체를 구비한 배터리의 종단면도를 나타낸다. 여기서, 「종단면도」는, 배터리의 케이스 내부의 상방 개구면으로부터 바닥부로 수직으로 절단하는 도를 의미한다.
이 실시 형태에 있어서, 배터리(40)는, 예를 들면, 전기 자동차용의 배터리로서, 다수의 배터리 셀(50)을 구비한다. 배터리(40)는, 일방으로 개구하는 바닥가짐형의 케이스(41)를 구비한다. 케이스(41)는, 바람직하게는 알루미늄 혹은 알루미늄기 합금으로 이루어진다. 배터리 셀(50)은, 케이스(41)의 내부(44)에 배치된다. 배터리 셀(50)의 상방에는, 전극(미도시)이 돌출되어 설치되어 있다. 복수의 배터리 셀(50)은, 바람직하게는 케이스(41) 내에 있어서, 그 양측으로부터 나사 등을 이용하여 압축하는 방향으로 힘이 주어져 서로 밀착하게 되어 있다(미도시). 배터리 셀(50)은, 케이스(41)의 바닥부(42)의 사이에, 방열 구조체(1)를 사이에 두도록 하여 케이스(41) 내에 배치된다. 방열 구조체(1)의 바닥부(42) 측에는, 냉각 매체(45)의 일례인 냉각수를 흘리기 위한 유로(43)(관통로(17))가 구비되어 있다.
배터리(40)는, 케이스(41) 내에, 하나 또는 둘 이상의 열원으로서의 배터리 셀(50)을 구비한다. 방열 구조체(1)에 구비된 복수의 방열 부재(20)는, 배터리 셀(50)과 냉각 매체(45)의 사이에 개재한다. 이러한 구조의 배터리(40)에서는, 배터리 셀(50)은, 방열 부재(20)를 통해서 유로(43)(관통로(17))를 흐르는 냉각 매체(45)에 전열하여 수냉에 의해 효과적으로 제열(除熱)된다.
배터리 셀(50)을 케이스(41) 내에 세트(set)한 상태에서는(도 8, 참조), 방열 구조체(1)는, 배터리 셀(50)과 바닥부(42)의 사이에 있어서, 방열 구조체(1)의 두께 방향으로 압축된다. 이 결과, 배터리 셀(50)로부터의 열은, 열전도 시트(21), 지지판(10), 유로(43), 냉각 매체(45)로 전해지기 쉽게 된다. 또, 배터리 셀(50)에 의해 방열 구조체(1)가 그 두께 방향으로 압축되는 경우, 방열 구조체(1)는, 방열 부재(20)의 두께 방향의 길이가 홈부(15)의 깊이 T로 되는 위치까지 압축된다. 즉, 방열 부재(20)는, 그 두께 방향의 길이가 홈부(15)의 깊이 T보다 작아지는 위치까지 압축되지 않는다. 이 때문에, 배터리 셀(50)로부터의 압압에 의해 방열 부재(20)가 당해 두께 방향(상하 방향)으로 압축되어도, 배터리 셀(50)이 지지판(10)에 접촉하여, 방열 부재(20)가 홈부(15)의 깊이 T보다 압축되는 것을 억제할 수가 있다. 홈부(15)의 깊이 T는, 방열 부재(20)의 원환산 직경 D의 80%의 두께(0.8D)인 것이 바람직하다. 또, 방열 구조체(1)는 지지판(10)을 구비하기 때문에, 작업자가 지지판(10)을 가지고 배터리(40)에 방열 구조체(1)를 부착할 수가 있어 작업성이 향상된다. 또한, 배터리(40)는, 방열 구조체(1)에 대신하여, 전술의 방열 구조체(1a)를 구비하고 있어도 좋다.
4. 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 실시 가능하다.
도 9는 방열 구조체 상에 배터리 셀의 측면을 접촉시키도록 옆으로 두었을 때의 단면도, 그 일부 확대도 및 충전 및 방전시에 배터리 셀이 팽창했을 때의 일부 단면도를 각각 나타낸다.
전술의 제1 실시 형태에서는, 배터리 셀(50)을 세로로 하고 그 하단에 방열 구조체(1)를 접촉하게 하고 있는 상황에 대해 설명하였지만, 배터리 셀(50)의 배치 형태는 이것에 한정되지 않는다. 도 9에 나타내듯이, 배터리 셀(50)의 측면을 방열 구조체(1)의 각 방열 부재(20, 20a)에 접촉시키도록 배터리 셀(50)을 배치해도 좋다. 배터리 셀(50)은, 충전 및 방전시에 온도 상승한다. 배터리 셀(50)의 용기 자체가 유연성이 풍부한 재료로 형성되어 있으면, 배터리 셀(50)의 특히 측면이 부풀어 오를 가능성이 있다. 그러한 경우라도, 도 9에 나타내듯이, 방열 구조체(1)가 구성하고 있는 각 방열 부재(20, 20a)가 배터리 셀(50)의 외면의 형상에 맞추어 변형할 수 있으므로, 충전 및 방전시에도 방열성을 높게 유지할 수 있다. 또, 전술의 제2 실시 형태에 있어서도 마찬가지로 배터리 셀(50)의 측면을 방열 구조체(1a)의 각 방열 부재(20, 20a)에 접촉시키도록 배터리 셀(50)을 배치해도 좋다.
또, 지지판(10, 10a)은, 배터리(40)의 케이스(41)(바닥부(42) 등)에 구비된 위치 결정 핀(pin)을 삽입통과 가능한 하나 이상의 위치 결정 구멍이 형성되어 있어도 좋다. 위치 결정 구멍은, 배터리(40)의 바닥부(42)로부터 돌출된 위치 결정 핀을 삽입통과 가능한 구멍이다. 위치 결정 구멍에 위치 결정 핀이 삽입통과 함으로써, 배터리(40)와 방열 구조체(1, 1a)의 위치 결정이 용이하게 된다. 또한, 위치 결정 구멍 및 위치 결정 핀의 형상 및 위치는 특히 제약은 없다.
또, 전술의 제1 실시 형태에 있어서, 지지판(10)은 지지 기판(11)과 바닥판(12)으로 구성되어 있었지만, 지지판(10)은, 바닥판(12)을 구비하지 않아도 좋다. 즉, 지지판(10)은, 지지 기판(11)만 등으로 구성되어 있어도 좋다. 이 경우, 지지판(10)이 배터리(40)에 설치될 때에, 지지판(10)의 절결부(18) 측의 면이 케이스(41)의 바닥부(42) 상에 재치되도록 지지판(10)을 설치하면 좋다. 이에 의해 절결부(18)와 바닥부(42)에 의해 길이 방향으로 냉각 매체(45)를 흘리는 유로(43)를 형성할 수가 있다.
또, 지지판(10, 10a)은, 그 형태에 특히 제약은 없고, 적어도 복수의 방열 부재(20, 20a)를 지지하는 복수의 홈부(15)를 방열 부재(20, 20a)의 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 구비하고 있으면, 예를 들면, 관통로(17, 17a)를 구비하지 않아도 좋다. 이 경우, 배터리(40)는, 케이스(case)(41)의 바닥부(42)에 냉각 매체(45)를 흘리기 위해서 하나 또는 복수의 수냉 파이프(43)가 구비되어 있는 것이 바람직하다.
또, 방열 부재(20)는, 쿠션 부재(22)에 중공부(23)가 형성되어 있지 않아도 좋다. 그 경우, 방열 부재(20)는, 스파이럴 형상의 열전도 시트(21)의 중공부 내에 쿠션 부재(22)를 충전한 구성을 가진다. 중공부는, 열전도 시트(21) 및 쿠션 부재(22) 중, 적어도 열전도 시트(21)의 감아 돌리는 구조에 의해 형성되어 있으면, 쿠션 부재(22)에 형성되어 있지 않아도 좋다.
또, 방열 부재(20)가 구비한 열전도 시트(21)는, 적어도 쿠션 부재(22)의 외측면을 덮는 형상이면, 스파이럴(spiral) 형상으로 감아 돌리면서 진행하는 형상이 아니라도 좋다. 방열 부재(20)는, 예를 들면, 쿠션 부재(22)의 외측면을 평면 형상의 1매의 열전도 시트(21)로 덮은 형태라도 좋다.
또, 방열 부재(20a)에 있어서의 스파이럴 형상의 쿠션 부재(22)는, 열전도 시트(21)의 폭과 동일하게 한정되지 않고, 열전도 시트(21)의 폭에 대해서 커도, 혹은 작아도 좋다.
또, 열원은, 배터리 셀(50)뿐만 아니라, 회로 기판이나 전자 기기 본체 등의 열을 발하는 대상물을 모두 포함한다. 예를 들면, 열원은, 캐패시터 및 IC칩 등의 전자 부품이라도 좋다. 마찬가지로 냉각 매체(45)는, 냉각용의 물뿐만 아니라, 유기용제, 액체질소, 냉각용의 기체라도 좋다. 또, 방열 구조체(1, 1a)는, 배터리(40) 이외의 구조물, 예를 들면, 전자 기기, 가전, 발전 장치 등에 배치되어 있어도 좋다.
또, 상술의 각 실시 형태의 복수의 구성 요소는, 서로 조합 불가능한 경우를 제외하고, 자유롭게 조합 가능하다. 예를 들면, 방열 구조체(1a)는, 배터리(40)에 구비되어 있어도 좋다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명과 관련되는 열전도 부재는, 예를 들면, 자동차용 배터리 외에, 자동차, 공업용 로봇(robot), 발전 장치, PC(Personal Computer), 가정용 전자 제품 등의 각종 전자 기기에도 이용할 수가 있다. 또, 본 발명과 관련되는 배터리는, 자동차용의 배터리 외에, 가정용의 충방전 가능한 배터리, PC 등의 전자 기기용의 배터리에도 이용할 수 있다.
1, 1a···방열 구조체 10, 10a···지지판
15···홈부(groove part) 17, 17a···관통로(貫通路)
20, 20a···방열 부재 21···열전도 시트(sheet)
22···쿠션 부재 23, 23a···중공부
40···배터리(battery) 41···케이스(case)
43···유로(流路) 45···냉각 매체
50···배터리 셀(cell)(열원의 일례)
R1···방열 부재의 곡률 반경 R2···홈부의 곡률 반경
T···홈부(groove part)의 깊이
D···방열 부재의 원환산 직경.

Claims (10)

  1. 열원으로부터의 방열을 높이는 복수의 방열 부재와, 당해 복수의 방열 부재를 지지하는 지지판을 구비한 방열 구조체로서,
    상기 방열 부재는,
    중공 혹은 중실의 형상을 가지는 복수의 쿠션 부재와,
    상기 열원으로부터의 열을 전하기 위한 시트로서, 상기 쿠션 부재의 외측면을 덮은 열전도 시트를 구비하고,
    상기 지지판은, 상기 방열 부재를 지지하는 홈부를 상기 방열 부재의 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 복수 구비하고,
    상기 홈부는, 상기 방열 부재 측을 개구하여 두께 방향으로 움푹 패인 만곡한 홈부로서, 그 곡률 반경이 상기 방열 부재의 곡률 반경보다 크고, 또한 그 깊이가 상기 방열 부재의 원환산 직경보다 작게 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지판은, 상기 길이 방향으로 냉각 매체를 흘리는 적어도 하나 이상의 유로를 구비한 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유로는, 상기 지지판을 관통하는 관통로인 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지판은, 금속제의 판상 부재인 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열 부재는, 상기 길이 방향을 따르는 중공부를 구비한 통상 부재인 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쿠션 부재는, 상기 길이 방향으로 상기 중공부를 구비한 통상 쿠션 부재이며,
    상기 열전도 시트는, 상기 통상 쿠션 부재의 외측면을 상기 길이 방향을 향해 스파이럴 형상으로 감아 돌리고 있는 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열전도 시트와 상기 쿠션 부재는, 일체로 스파이럴 형상으로 한 방향으로 진행하는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도 시트의 표면에, 당해 표면에 접촉하는 열원으로부터 당해 표면으로의 열전도성을 높이기 위한 열전도성 오일을 가지는 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열전도성 오일은, 실리콘 오일과, 상기 실리콘 오일보다 열전도성이 높고, 금속, 세라믹스 또는 탄소의 하나 이상으로 이루어지는 열전도성 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  10. 케이스 내에, 하나 또는 둘 이상의 열원으로서의 배터리 셀을 구비한 배터리로서, 상기 배터리 셀과 상기 케이스의 사이에 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재의 방열 구조체를 구비한 배터리.
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