WO2019065166A1 - ヒートパイプ及びヒートパイプを備えた二次電池 - Google Patents

Abstract

本明細書で開示するヒートパイプは、内部に作動流体が封入される筒体と、筒体の内部の少なくとも一部に設けられたウィックを備えている。筒体は、セラミックス材料で作製された部分を有している。そして、筒体の軸方向の寸法をＬとすると、セラミックス材料で作製された部分の軸方向の寸法がＬ／２以上となっている。

Description

ヒートパイプ及びヒートパイプを備えた二次電池

　本明細書に開示する技術は、ヒートパイプに関する。詳しくは、二次電池を冷却するために好適に用いられるヒートパイプに関する。

　リチウムイオン二次電池のような二次電池では、充放電時に発熱し、電池が高温になることが知られている。二次電池が高温となった状態が長く続くと、性能の劣化につながるため、二次電池を冷却するための技術が開発されている。例えば、特開２０１１－１１３８９５号公報に開示する二次電池では、捲回型の電極体と、その電極体の中心に配置された軸芯とを備えている。軸芯は、熱伝導率の高い金属で作製されており、電極体の軸線に沿って軸方向に伸びている。この二次電池では、充放電等によって電極体が発熱すると、その熱が軸芯を通って電極体の中心から外側に向かって伝達され、二次電池の冷却が図られる。

　特開２０１１－１１３８９５号公報の二次電池では、電極体の軸芯が熱伝導性の高い金属で作製されているため、電極体の内部で発生した熱を効率的に外部に伝達することができる。しかしながら、電極体の中心を貫通するように金属製の軸芯が配置されるため、電極体の正極板と負極板が軸芯を介して短絡（ショート）する可能性が高くなる。本明細書は、二次電池が短絡することを抑制しながら、二次電池を効率的に冷却することができる技術を提供する。

　本明細書で開示するヒートパイプは、内部に作動流体が封入される筒体と、筒体の内部の少なくとも一部に設けられたウィックと、を備えている。筒体は、セラミックス材料で作製された部分を有している。そして、筒体の軸方向の寸法をＬとすると、セラミックス材料で作製された部分の軸方向の寸法がＬ／２以上となっている。

　上記のヒートパイプは、筒体の内部で作動流体が循環し、熱を効率的に伝達することができる。また、筒体はセラミックス材料で作製された部分を有し、その部分の軸方向の寸法がＬ／２以上となっている。このため、上記のヒートパイプを二次電池の内部に配置すると、二次電池を効率的に冷却しながら、二次電池が短絡することを抑制することができる。

　また、本明細書で開示する二次電池は、電池ケースと、電池ケース内に収容される電極体と、電池ケース内に収容され、電極体を冷却するヒートパイプを備えている。ヒートパイプは、本明細書に開示するいずれかのヒートパイプが用いられる。この二次電池では、電極体を効率的に冷却しながら、二次電池の短絡を抑制することができる。

実施例１のヒートパイプ１０の構成を示す断面図。 実施例２のヒートパイプ３０の構成を示す断面図。 実施例３のヒートパイプ４０の構成を示す断面図。 実施例４のヒートパイプ５０の構成を示す断面図。 実施例１に係るヒートパイプ１０を備えるリチウムイオン二次電池の構成を示す縦断面図。 図５のＶＩ－ＶＩ線断面図。 本実施例に開示のヒートパイプを備えるリチウムイオン二次電池の他の構成を示す概略図。

　本明細書で開示するヒートパイプでは、筒体は全体がセラミックス材料で作製されていてもよい。このようなヒートパイプを二次電池の冷却に用いると、二次電池の短絡を好適に抑制することができる。

　上記のヒートパイプでは、筒体は、筒状の本体部と、本体部の一端に設けられ、その一端を封止する第１蓋部と、本体部の他端に設けられ、その他端を封止する第２蓋部と、を有していてもよい。第１蓋部と第２蓋部の少なくとも一方の内面にはウィックが設けられていなくてもよい。このような構成によると、少なくとも一方の蓋部にウィックを設けないことで、その蓋部と本体部との接合が容易となり、本体部の端部を好適に封止することができる。

　また、本明細書で開示するヒートパイプでは、筒体は、セラミックス材料で作製されている第１部分と、セラミックス材料より熱伝導率の高い金属材料で作製されている第２部分と、を有していてもよい。そして、第１部分の軸方向の寸法をＬ１とし、第２部分の軸方向の寸法をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２が成立してもよい。このような構成によると、筒体が熱伝導率の高い金属材料で作製された第２部分を有することで、ヒートパイプの冷却能力をより向上することができる。一方、金属で作製された第２部分を設けても、その軸方向の寸法Ｌ２はセラミックス材料で作製された第１部分の軸方向の寸法Ｌ１よりも短い。このため、このヒートパイプを二次電池の冷却に用いても、二次電池の短絡を抑制することができる。

　上記のヒートパイプでは、第１部分は、筒体の一方の端部に配置されていてもよい。また、第２部分は、筒体の他方の端部に配置されており、第１部分の他方の端部に接合されていてもよい。そして、ウィックは、第１部分の少なくとも一部に設けられていてもよい。

　また、上記のヒートパイプでは、第１部分は、筒体の中央部に配置されていてもよい。第２部分は、筒体の一方の端部に配置されると共に第１部分の一方の端部に接合されている第１蓋部分と、筒体の他方の端部に配置されると共に第１部分の他方の端部に接合されている第２蓋部分と、を有していてもよい。そして、ウィックは、第１部分の少なくとも一部に設けられていてもよい。

　あるいは、上記のヒートパイプでは、第２部分が筒体の中央部に配置されていてもよい。第１部分は、筒体の一方の端部に配置されると共に第２部分の一方の端部に接合されている第１蓋部分と、筒体の他方の端部に配置されると共に第２部分の他方の端部に接合されている第２蓋部分と、を有していてもよい。ウィックは、第１部分の少なくとも一部に設けられていてもよい。

　なお、上記の各ヒートパイプを備える二次電池は、電池ケースと、電池ケース内に収容される電極体を備えていてもよい。この場合、電極体とヒートパイプを、ヒートパイプの軸方向に沿って見ると、ヒートパイプの周囲に電極体が配置されていてもよい。このような構成によると、電極体の内部で発生する熱を電極体の外部に好適に伝達することができる。

　また、上記の二次電池では、電池ケースは、電極体に接続される外部端子が設けられた端子面を有していてもよい。そして、ヒートパイプの一端は、端子面に向かって伸びていてもよい。このような構成によると、ヒートパイプで伝達される熱を、電池ケースの端子面から電池外に放熱することを容易にすることができる。

（実施例１）
　図１を参照して、実施例１に係るヒートパイプ１０について説明する。ヒートパイプ１０は、筒状の容器（筒体の一例）１６と、容器１６の内部に設けられたウィック１８を備えている。

　容器１６は、その全体が絶縁性のセラミックス材料で作製されている。容器１６を作製するセラミックス材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物系セラミックスの他、熱伝導率の高い窒化物系セラミックス（例えば、ＡｌＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣ等）を用いることができる。また、ガラス材とセラミックスの複合材料を用いることもでき、さらには、容器１６の一部をガラス材によって作製することもできる。

　容器１６は、両端が開口した筒状の本体部１２と、本体部１２の一端を閉じる第１蓋部１４ａと、本体部１２の他端を閉じる第２蓋部１４ｂを備えている。本体部１２と第１蓋部１４ａと第２蓋部１４ｂは、同一のセラミックス材料によって作製されている。第１蓋部１４ａは、公知の方法によって本体部１２に接合されている。第１蓋部１４ａと本体部１２の間はガラス材によってシールされている。第２蓋部１４ｂも、公知の方法によって本体部１２に接合されており、両者の間もガラス材によってシールされている。

　容器１６内には、流体（作動流体）が封入されている。容器１６内に封入される流体には、水、アンモニア、有機溶媒を用いることができる。有機溶媒の一例としては、アセトン、アルコール、フロン、グリコールエーテル類、ナフタレン、ジエチルジフェニル等が挙げられる。流体には、ヒートパイプ１０が使用される温度域で液相から気相に変化するものが適宜選択される。また、ヒートパイプ１０が使用される温度域で流体が液相から気相に変化するように、容器１６内の圧力が調整（減圧）されている。なお、高電圧や大電流を使用する機器にヒートパイプ１０が用いられる場合、絶縁性の高い流体（例えば、フッ素系液体）を用いることが好ましい。

　ウィック１８は、両端が開口した筒状をしており、容器１６の内部に設けられている。ウィック１８は、本体部１２の内面に配設されており、蓋部１４ａ，１４ｂの内面にはウィックが配設されていない。ただし、蓋部１４ａ，１４ｂの内面にもウィックを配設することもできる。ウィック１８の一端は第１蓋部１４ａに当接し、ウィック１８の他端は第２蓋部１４ｂに当接している。ウィック１８が筒状であることから、ウィック１８の内側に空間１１が形成されている。空間１１は、第１蓋部１４ａから第２蓋部１４ｂまで容器１６内を軸方向に伸びている。ウィック１８には、流体に対して毛細管現象を発現する連通孔が形成されている。ウィック１８は、容器１６と同一のセラミックス材料によって作製されている。本体部１２にウィック１８を接合し、両者を一体化してもよいし、本体部１２とウィック１８を個別に制作し、本体部１２にウィック１８を挿入してもよい。本実施例では、ウィック１８をセラミックス材料によって作製したが、セラミックス材料以外の材料、例えば、樹脂、金属等を用いて作製することもできる。

　上述したヒートパイプ１０の使用方法を説明する。ヒートパイプ１０は、その一端が高温部（入熱部）２２に配置され、その他端が低温部（放熱部）２０に配置される。ヒートパイプ１０内の流体は、高温部２２において液相から気相に変化する。気相に変化した流体は、ウィック１８の内側の空間１１を通って低温部２０に移動する（図内の矢印Ｆ２）。低温部２０に移動した流体は、低温部２０において気相から液相に変化する。液相に変化した流体は、ウィック１８の毛細管現象によって高温部２２に移動する（図内の矢印Ｆ１）。高温部２２に移動した液相の流体は、高温部２２において気相に変化し、空間１１を通って低温部２０に移動する。以下、同様の手順でヒートパイプ１０内を流体が循環する。流体が液相と気相との間で相変化しながらヒートパイプ１０内を循環することで、高温部２２から低温部２０に効率的に熱移動を行うことができる。

　本実施例のヒートパイプ１０では、容器１６の全体が絶縁性のセラミックス材料によって製作されている。すなわち、容器１６の軸方向（Ｘ方向）の寸法をＬとすると、セラミックス材料で作製された部分の軸方向の寸法もＬ（＞Ｌ／２）となっている。したがって、電気回路の短絡が生じ得るような環境下に配置しても、電気回路の短絡を好適に抑制することができる。

（実施例２）
　図２を参照して、実施例２に係るヒートパイプ３０について説明する。以下では、実施例１と相違する点を主に説明し、実施例１と共通する部分については説明を省略する。

　ヒートパイプ３０は、流体が封入される容器３６と、容器３６の内部に配設されたウィック３８を備えている。容器３６は、セラミックス材料で作製された第１部分３４と、金属材料で作製された第２部分３２を備えている。

　第１部分３４は、一端が閉じる一方で他端が開放された筒状を有しており、容器３６の一端側に配置されている。第１部分３４を作製するセラミックス材料は、実施例１と同様の材料を用いることができる。また、第１部分３４の内側面にはウィック３８が設けられている。実施例１と同様、第１部分３４の一端を閉じる蓋部分の内面にはウィックが配置されていない。

　第２部分３２は、他端が閉じる一方で一端が開放された筒状を有しており、容器３６の他端側に配置されている。第２部分３２は、第１部分３４の他端に接合され、第１部分３４の他端を閉じている。第２部分３２と第１部分３４の間は封止されている。第２部分３２を作製する金属材料には、第１部分３４のセラミックス材料より熱伝導率の高い金属材料が用いられ、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、それらの合金、あるいは、ＳＵＳ（ステンレススチール）等を用いることができる。本実施例では、第２部分３２の内面にはウィックが設けられていないが、第２部分にもウィックを設ける構成を採用することもできる。

　ここで、第１部分３４の軸方向の寸法Ｌ１は、第２部分３２の軸方向の寸法Ｌ２より長くなっている。すなわち、セラミックス材料で作製された第１部分の軸方向の寸法Ｌ１は、金属材料で作製された第２部分３２の軸方向の寸法Ｌ２より長くなっている。

　上述したヒートパイプ３０でも、その一端が高温部（入熱部）２２に配置され、その他端が低温部（放熱部）２０に配置される。ヒートパイプ１０内の流体は、高温部２２（すなわち、セラミックス製の第１部分３４）において液相から気相に変化する。気相に変化した流体は、ウィック３８の内側の空間１１を通って低温部２０に移動する（図内の矢印Ｆ２）。低温部２０に移動した流体は、低温部２０（すなわち、金属製の第２部分３２）において気相から液相に変化する。液相に変化した流体は、ウィック３８の毛細管現象によって高温部２２に移動する（図内の矢印Ｆ１）。高温部２２に移動した液相の流体は、高温部２２において気相に変化し、空間１１を通って低温部２０に移動する。以下、同様の手順でヒートパイプ３０内を流体が循環し、高温部２２から低温部２０に効率的に熱移動が行われる。

　本実施例のヒートパイプ３０では、セラミックス製の第１部分３４に金属製の第２部分３２を接合して、容器３６を製作している。このため、容器３６の製作を容易に行うことができる。すなわち、容器３６を製作する際は、例えば、第１部分３４と第２部分３２を接合した後に、第２部分３２に設けた開口から容器３６内に流体を供給し、容器３６内の圧力を調整する。圧力調整後は、金属製の第２部分３２に設けた開口を閉じるだけでよい。このような製造方法が採用可能となるため、容器３６の製造をより簡易に行うことができる。

　また、ヒートパイプ３０では、低温部２０に熱伝導率の高い金属製の第２部分３２が配置されるため、ヒートパイプ３０からの放熱性能を向上することができる。その結果、ヒートパイプ３０による冷却能力を向上することができる。なお、容器３６に金属製の第２部分３２が配置されるが、第２部分３２は第１部分に比較して軸方向の寸法Ｌ２が短くされる。このため、電気回路の短絡が生じ得るような環境下に配置しても、電気回路の短絡を好適に抑制することができる。

（実施例３）
　図３を参照して、実施例３に係るヒートパイプ４０について説明する。ヒートパイプ４０は、流体が封入される容器（４２，４４，４６）と、容器（４２，４４，４６）の内部に配設されたウィック４８を備えている。容器（４２，４４，４６）は、セラミックス材料で作製された第１部分４２と、金属材料で作製された第１蓋部分４６，第２蓋部分４４を備えている。

　第１部分４２は、両端が開放された形状を有しており、容器の中央に配されている。第１蓋部分４６は、第１部分４２の一端に接合されており、第２蓋部分４４は第１部分４２の他端に接合されている。第１部分４２の両端は、蓋部分４４，４６によって閉じられている。第１部分４２と第１蓋部分４６との間はシールされており、第１部分４２と第２蓋部分４４の間はシールされている。これによって、容器（４２，４４，４６）が密閉されている。なお、容器（４２，４４，４６）内には流体が封入されている。また、容器の第１部分４２にのみウィックが配設されている。

　ここで、第１部分４２の軸方向の寸法Ｌ１は、第１蓋部分４６の軸方向の寸法Ｌ２２と第２蓋部分４４の軸方向の寸法Ｌ２１との和よりも長くなっている（Ｌ１＞Ｌ２１＋Ｌ２２）。すなわち、セラミックス材料で作製された部分４２の軸方向の寸法Ｌ１は、金属材料で作製された部分４４，４６の軸方向の寸法（Ｌ２１＋Ｌ２２）より長くなっている。このため、金属材料で作製された部分４４，４６を両端部に限定的に配置することで、電気回路の短絡を好適に抑制することができる。

　本実施例のヒートパイプ４０では、高温部（入熱部）と低温部（放熱部）の両者に、金属製の部分４４，４６が配置される。このため、ヒートパイプ４０への入熱性能と、ヒートパイプ４０からの放熱性能を向上することができる。その結果、ヒートパイプ４０の冷却能力を向上することができる。

（実施例４）
　上述した実施例３のヒートパイプ４０では、容器の両端に金属製の蓋部分４４，４６を配置したが、このような例に限られない。図４に示す実施例４のヒートパイプ５０のように、容器（５２，５４，５６）は、両端にセラミックス材料で作製された蓋部分５４，５２を配置し、その中央に金属材料で作製された部分５６を配置している。この場合でも、セラミックス製の蓋部分５４，５６の軸方向の寸法の和（Ｌ１２＋Ｌ１１）は、金属製の部分５６の軸方向の寸法Ｌ２より長くなっている。金属製の部分５６を配置する場所を調整することで、電気回路の短絡を効果的に抑制することができる。なお、ヒートパイプ５０では、金属製の部分５６と蓋部分５４，５６の全ての内側面にウィックが配置されている。

（リチウムイオン二次電池）
　ここで、上述したヒートパイプ１０をリチウムイオン二次電池に装備した一例について、図５，６を参照して説明する。なお、この例ではリチウムイオン二次電池にヒートパイプ１０を装備した例であったが、他のヒートパイプ３０，４０，５０についても同様に装備することができる。

　図５に示すように、リチウムイオン二次電池７０は、電池ケース７４と、電池ケース７４内に収容される電極体７２と、電極体７２の中央に配置されるヒートパイプ１０を備えている。電池ケース７４は、円筒状であり、その両端が端子壁７６，７８で閉じられている。端子壁７６，７８には外部端子（図示省略）が設けられている。

　電極体７２は、正極板と負極板とセパレータとを積層した積層体を備えており、この積層体は軸線周りに捲回されている。電極体７２の正極板は、端子壁７６に設けられた外部端子に電気的に接続されている。電極体７２の負極板は、端子壁７８に設けられた外部端子に電気的に接続されている。

　ヒートパイプ１０は、電極体７２の軸線上に配置されており、電極体７２の中央を貫通している。このため、図６に示すように、電極体７２とヒートパイプ１０を軸方向に沿って見ると、ヒートパイプ１０の周囲に電極体７２が配置されていることになる。ヒートパイプ１０の一端は端子壁７６に支持され、ヒートパイプ１０の他端は端子壁７８から隔離されている。

　上述の説明から明らかなように、リチウムイオン二次電池７０では、ヒートパイプ１０の端子壁７６側の端部が低温部（放熱部）となり、電極体７２と接触する部分が高温部（入熱部）となる。充放電によって電極体７２から発生する熱は、ヒートパイプ１０によって端子壁７８側に運ばれ、端子壁７８から外部に放熱される。電極体７０の中央で発生する熱をヒートパイプ１０によって外部に放熱できるため、リチウムイオン二次電池７０が高温になることを好適に抑制することができる。その結果、リチウムイオン二次電池７０の電池性能の劣化を好適に抑制することができる。

　また、ヒートパイプ１０は、容器１６がセラミックス材料で制作されているため、リチウムイオン二次電池７０の短絡を防止し、また、耐食性及び耐熱性を向上することができる。さらに、リチウムイオン二次電池７０の温度上昇が抑制できるため、電池容量を向上することができる。

　なお、上述した実施例の二次電池は、電極体を円筒状に捲回したリチウムイオン二次電池であったが、本明細書に開示のヒートパイプは、種々の二次電池に装備することができる。例えば、図７に示すように、捲回型の電極体を扁平状に成形した二次電池８０に装備することができる。電池ケース８２は、断面が長方形の直方体状であり、その上面には図示しない外部端子（正極端子と負極端子）が設けられている。この場合でも、ヒートパイプ８４は、電池ケース８２の上面に一端が支持され、図示しない電極体の中心に配置される。さらに、本明細書に開示のヒートパイプは、電極体を積層した積層型の二次電池にも装備することができる。

　以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (10)

1. 　ヒートパイプであって、
   　内部に作動流体が封入される筒体と、
   　前記筒体の内部の少なくとも一部に設けられたウィックと、を備えており、
   　前記筒体は、セラミックス材料で作製された部分を有しており、
   　前記筒体の軸方向の寸法をＬとすると、前記セラミックス材料で作製された部分の軸方向の寸法がＬ／２以上となっている、ヒートパイプ。
2. 　前記筒体は、全体が前記セラミックス材料で作製されている、請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 　前記筒体は、
   　　筒状の本体部と、
   　　前記本体部の一端に設けられ、前記一端を封止する第１蓋部と、
   　　前記本体部の他端に設けられ、前記他端を封止する第２蓋部と、を有しており、
   　前記第１蓋部と前記第２蓋部の少なくとも一方の内面にはウィックが設けられていない、請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 　前記筒体は、前記セラミックス材料で作製されている第１部分と、前記セラミックス材料より熱伝導率の高い金属材料で作製されている第２部分と、を有しており、
   　前記第１部分の軸方向の寸法をＬ１とし、前記第２部分の軸方向の寸法をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２が成立する、請求項１に記載のヒートパイプ。
5. 　前記第１部分は、前記筒体の一方の端部に配置されており、
   　前記第２部分は、前記筒体の他方の端部に配置されており、前記第１部分の他方の端部に接合されており、
   　前記ウィックは、前記第１部分の少なくとも一部に設けられている、請求項４に記載のヒートパイプ。
6. 　前記第１部分は、前記筒体の中央部に配置されており、
   　前記第２部分は、前記筒体の一方の端部に配置されると共に前記第１部分の一方の端部に接合されている第１蓋部分と、前記筒体の他方の端部に配置されると共に前記第１部分の他方の端部に接合されている第２蓋部分と、を有しており、
   　前記ウィックは、前記第１部分の少なくとも一部に設けられている、請求項４に記載のヒートパイプ。
7. 　前記第２部分は、前記筒体の中央部に配置されており、
   　前記第１部分は、前記筒体の一方の端部に配置されると共に前記第２部分の一方の端部に接合されている第１蓋部分と、前記筒体の他方の端部に配置されると共に前記第２部分の他方の端部に接合されている第２蓋部分と、を有しており、
   　前記ウィックは、前記第１部分の少なくとも一部に設けられている、請求項４に記載のヒートパイプ。
8. 　電池ケースと、
   　前記電池ケース内に収容される電極体と、
   　前記電池ケース内に収容され、前記電極体を冷却する請求項１～７のいずれか１項に記載のヒートパイプと、
   　を備える、二次電池。
9. 　前記電極体と前記ヒートパイプを、前記ヒートパイプの軸方向に沿って見ると、前記ヒートパイプの周囲に前記電極体が配置されている、請求項８に記載の二次電池。
10. 　前記電池ケースは、前記電極体に接続される外部端子が設けられた端子面を有しており、
    　前記ヒートパイプの一端は、前記端子面に向かって伸びている、請求項８又は９に記載の二次電池。

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