WO2020121922A1

WO2020121922A1 - 電池冷却装置

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Publication number: WO2020121922A1
Application number: PCT/JP2019/047484
Authority: WO
Inventors: 森本　正和; 憲志郎村松; 智史二田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JP2020095912A

Abstract

電池（２１，２２）と冷媒との熱交換により電池を冷却する電池冷却装置は、冷媒が流れる、分岐のない一つの流路（Ｗ１）が形成されるプレート部材（３０）を備える。流路は、互いに隣り合うように配置される第１流路部（Ｗ１１）と第２流路部（Ｗ１４）とを有している。第１流路部は、冷媒の流れ方向において第２流路部よりも上流側に配置される部分である。電池は、第１流路部と第２流路部との間で熱交換されるようにプレート部材に配置されている。

Description

電池冷却装置

関連出願の相互参照

　本出願は、２０１８年１２月１４日に出願された日本国特許出願２０１８－２３４５５７号に基づくものであって、その優先権の利益を主張するものであり、その特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

　本開示は、電池を冷却する電池冷却装置に関する。

　従来、下記の特許文献１に記載の電池冷却装置がある。特許文献１の電池冷却装置は、複数のチューブと、各チューブの一端部に接続される第１タンクと、各チューブの他端部に接続される第２タンクとを備えている。各チューブの内部には冷媒が流れている。第１タンク及び第２タンクは、各チューブに冷媒を分配したり、各チューブを流れた冷媒を集合させたりする部分である。この電池冷却装置では、複数のチューブに接触するかたちで電池が配置される。各チューブを流れる冷媒と電池との間で熱交換が行われることにより、電池の熱が冷媒に吸収されて、電池が冷却される。

米国特許出願公開第２０１４／０２９９３０２号明細書

　特許文献１に記載の電池冷却装置は、チューブの部分だけに電池が配置可能であるため、タンクの部分は、電池を配置することのできない無駄なスペースになっている。このようにタンクの部分が無駄なスペースになっていることが、電池冷却装置の小型化を妨げる要因の一つとなっている。

　また、特許文献１に記載の電池冷却装置では、冷媒が最初に流れるチューブを入口側チューブとし、冷媒が最後に流れるチューブを出口側チューブとするとき、冷媒は、入口側チューブから出口側チューブに向かって流れている間に電池の熱を徐々に吸収する。そのため、入口側チューブを流れる冷媒の温度よりも、出口側チューブを流れる冷媒の温度の方が高くなりやすい。入口側チューブには、通常、液相冷媒が流れているが、電池の熱を吸収することにより冷媒の温度が上昇すると、液相冷媒が気化して気相冷媒となる。仮に出口側チューブを流れる冷媒の全てが気相冷媒になっていると、冷媒の吸熱量が著しく低下するため、電池を十分に冷却できない可能性がある。

　本開示の目的は、小型化が可能であるとともに、電池の冷却性能を向上させることの可能な電池冷却装置を提供することにある。

　本開示の一態様による電池冷却装置は、電池と冷媒との熱交換により電池を冷却する電池冷却装置であって、冷媒が流れる、分岐のない一つの流路が形成されるプレート部材を備える。流路は、互いに隣り合うように配置される第１流路部と第２流路部とを有している。第１流路部は、冷媒の流れ方向において第２流路部よりも上流側に配置される部分である。電池は、第１流路部と第２流路部との間で熱交換されるようにプレート部材に配置されている。

　この構成によれば、タンクを設けることなくプレート部材に冷媒を流すことが可能である。そのため、タンクが設けられている従来の電池冷却装置と比較すると、タンクの設置スペースが不要な分だけ、電池冷却装置の小型化が可能である。
　また、プレート部材に形成される流路において、第２流路部よりも上流側に配置されている第１流路部には、第２流路部を流れる冷媒よりも温度の低い冷媒が流れている。そのため、第１流路部と第２流路部との間で熱交換されるように電池が配置されていれば、仮に下流側の第２流路部を流れる冷媒の温度が上昇した場合であっても、第１流路部を流れる冷媒により電池を冷却することができる。よって、電池の冷却性能を向上させることが可能である。

図１は、実施形態の電池冷却装置の正面構造を示す正面図である。図２は、実施形態の下側プレート部材の斜視構造を示す斜視図である。図３は、実施形態の下側プレート部材の合流部周辺の拡大構造を示す拡大図である。図４は、実施形態のプレート部材の部分断面構造を示す断面図である。図５は、実施形態の第１プレート部材の平面構造を示す平面図である。図６は、実施形態の第２プレート部材の平面構造を示す平面図である。図７は、他の実施形態の第１プレート部材の平面構造を示す平面図である。

　以下、電池冷却装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
　図１に示される本実施形態の電池冷却装置１０は、複数の電池２１～２４を冷却するための機器である。例えば電池冷却装置１０が車両に搭載されている場合、電池冷却装置１０は、車両を走行させるための電動機や、車両に搭載される各種電子機器に電力を供給する電池２１～２４を冷却するために用いることが可能である。電池冷却装置１０は、第１プレート部材３０と、第２プレート部材４０と、配管５０と、ポンプ６０とを備えている。

　第１プレート部材３０の設置面３６には、電池２１，２２が設置されている。第１プレート部材３０では、その内部を流れる冷媒と電池２１，２２との間で熱交換が行われることにより、電池２１，２２の熱を冷媒が吸収することで電池２１，２２が冷却される。
　図１に示されるように、第１プレート部材３０は、下側プレート部材３０ａと上側プレート部材３０ｂとが互いに組み付けられることにより構成されている。

　図２に示されるように、下側プレート部材３０ａは、略矩形板状に形成されている。以下では、便宜上、下側プレート部材３０ａの短手方向を「Ｘ軸方向」と称し、下側プレート部材３０ａの長手方向を「Ｙ軸方向」と称し、下側プレート部材３０ａの厚さ方向を「Ｚ軸方向」と称する。また、Ｙ軸方向のうちの一方向を「Ｙ１方向」と称し、その逆方向を「Ｙ２方向」とも称する。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向が鉛直方向となっている。より詳しくは、Ｚ軸方向のうちの一方向であるＺ１方向が鉛直方向上方であり、その逆方向であるＺ２方向が鉛直方向下方である。

　下側プレート部材３０ａのＸ軸方向の一側面３１ａの上端部には、突出部３２が形成されている。突出部３２は、配管５０やポンプ６０等が連結される部分である。
　下側プレート部材３０ａには、凹状の溝３３が蛇行するように形成されている。この溝３３が、冷媒が流れる流路Ｗ１を構成している。流路Ｗ１は、分岐のない一つの流路として構成されている。

　具体的には、流路Ｗ１には、複数の直線流路部Ｗ１１～Ｗ１４と、複数の連結流路部Ｗ２１～２３とが設けられている。
　第１～第４直線流路部Ｗ１１～Ｗ１４は、Ｙ軸方向に直線状に延びるように形成されている。第４直線流路部Ｗ１４は、下側プレート部材３０ａの一側面３１ａに最も近い位置に配置されている。第３直線流路部Ｗ１３は、下側プレート部材３０ａの他側面３１ｂに最も近い位置に配置されている。第１直線流路部Ｗ１１及び第２直線流路部Ｗ１２は、第３直線流路部Ｗ１３と第４直線流路部Ｗ１４との間に配置されている。より詳しくは、第１直線流路部Ｗ１１は、第４直線流路部Ｗ１４の隣に配置されている。また、第２直線流路部Ｗ１２は、第３直線流路部Ｗ１３の隣に配置されている。

　第１～第３連結流路部Ｗ２１～２３は、第１～第４直線流路部Ｗ１１～Ｗ１４のうちの互いに異なる２つの直線流路部のそれぞれの端部を連結するように設けられている。具体的には、第１連結流路部Ｗ２１は、第１直線流路部Ｗ１１及び第２直線流路部Ｗ１２のＹ２方向の各端部を連結している。第２連結流路部Ｗ２２は、第２直線流路部Ｗ１２及び第３直線流路部Ｗ１３のＹ１方向の各端部を連結している。第２連結流路部Ｗ２２は、下側プレート部材３０ａのＹ１方向の一側面３１ｃに沿うように設けられている。第３連結流路部Ｗ２３は、第３直線流路部Ｗ１３及び第４直線流路部Ｗ１４のＹ２方向の各端部を連結している。第３連結流路部Ｗ２３は、下側プレート部材３０ａのＹ１方向の他側面３１ｄに沿うように設けられており、第１連結流路部Ｗ２１よりも下側プレート部材３０ａの他側面３１ｄの近くに配置されている。

　下側プレート部材３０ａには、突出部３２から第１直線流路部Ｗ１１のＹ１方向の一端部に延びるように端部流路部Ｗ３１が形成されている。突出部３２に形成される端部流路部Ｗ３１の一端部には、連通孔３４が形成されている。下側プレート部材３０ａには、突出部３２から第４直線流路部Ｗ１４のＹ１方向の一端部に延びるように端部流路部Ｗ３２が形成されている。突出部３２に形成される端部流路部Ｗ３２の一端部には、連通孔３５が形成されている。連通孔３４，３５は、冷媒が流入又は排出される部分として用いられる。

　第１～第４直線流路部Ｗ１１～Ｗ１４、第１連結流路部Ｗ２１、及び端部流路部Ｗ３２には、隔壁Ｂが形成されている。隔壁Ｂは、各流路部Ｗ１１～Ｗ１４，Ｗ２１，Ｗ３１を幅方向に複数の小流路Ｐに分割している。
　第１～第４直線流路部Ｗ１１～Ｗ１４のそれぞれの略中央部には、複数の小流路Ｐを合流させる合流部Ｍが形成されている。図３に示されるように、各小流路Ｐが合流部Ｍにおいて互いに連通されることにより、各小流路Ｐを流れる冷媒が合流部Ｍを介して合流することが可能となっている。

　図４に示されるように、第１直線流路部Ｗ１１における鉛直方向上方Ｚ１の開口部分は、下側プレート部材３０ａの上面に組み付けられる上側プレート部材３０ｂにより閉塞されている。他の直線流路部Ｗ１２～Ｗ１４、第１～第３連結流路部Ｗ２１～Ｗ２３、端部流路部Ｗ３１，Ｗ３２のそれぞれの鉛直方向上方Ｚ１の開口部分に関しても、同様に上側プレート部材３０ｂにより閉塞されている。

　鉛直方向上方Ｚ１において外部に露出する上側プレート部材３０ｂの外面３６は、電池２１，２２が設置される設置面となっている。具体的には、図５に示されるように、電池２１は、第１直線流路部Ｗ１１、第４直線流路部Ｗ１４、第１連結流路部Ｗ２１の右半分、及び第３連結流路部Ｗ２３の右半分に対向するように配置されている。また、電池２２は、第２直線流路部Ｗ１２、第３直線流路部Ｗ１３、第１連結流路部Ｗ２１の左半分、第２連結流路部Ｗ２２、及び第３連結流路部Ｗ２３の左半分に対向するように配置されている。なお、図５において、電池２１，２２に記載される二点鎖線は、電池２１，２２を構成するセルの境界を示している。

　図１に示されるように、第２プレート部材４０は、第１プレート部材３０に対して鉛直方向下方Ｚ２に配置されている。第２プレート部材４０の設置面３６には、電池２３，２４が配置されている。
　第２プレート部材４０は、第１プレート部材３０と同一の形状を有しているため、その詳細な説明は割愛する。第２プレート部材４０では、電池２３，２４が、下側プレート部材３０ａに形成される各流路部Ｗ１１～Ｗ１４，Ｗ２１～Ｗ２３に対して図６に示されるように配置されている。

　図１に示されるように、配管５０は、第１プレート部材３０の突出部３２から第２プレート部材４０の突出部３２に延びるように配置されている。配管５０は、第１プレート部材３０の連通孔３４と第２プレート部材４０の連通孔３４とを連通させている。
　ポンプ６０は、第２プレート部材４０の突出部３２に隣接して配置されている。ポンプ６０は、第２プレート部材４０の連通孔３５に液相冷媒を圧送する。

　次に、本実施形態の電池冷却装置１０の動作例について説明する。
　本実施形態の電池冷却装置１０では、ポンプ６０から圧送される液相冷媒が、はじめに、第２プレート部材４０の連通孔３５を通じて第２プレート部材４０の端部流路部Ｗ３２に流入する。第２プレート部材４０の端部流路部Ｗ３２に流入した冷媒は、図６に矢印で示されるように流れる。すなわち、冷媒は、第２プレート部材４０の端部流路部Ｗ３２、第４直線流路部Ｗ１４、第３連結流路部Ｗ２３、第３直線流路部Ｗ１３、第２連結流路部Ｗ２２、第２直線流路部Ｗ１２、第１連結流路部Ｗ２１、第１直線流路部Ｗ１１、及び端部流路部Ｗ３１を順に流れる。この際、各流路部Ｗ１１～Ｗ１４，Ｗ２１～Ｗ２３を流れる冷媒と電池２３，２４との間で熱交換が行われることにより、電池２３，２４が冷却される。第２プレート部材４０において端部流路部Ｗ３１まで流れた冷媒は、端部流路部Ｗ３１の端部に形成された連通孔３４から配管５０を通じて第１プレート部材３０の連通孔３４に流入する。

　第１プレート部材３０の連通孔３４に流入した冷媒は、図５に矢印で示されるように流れる。すなわち、冷媒は、端部流路部Ｗ３１、第１直線流路部Ｗ１１、第１連結流路部Ｗ２１、第２直線流路部Ｗ１２、第２連結流路部Ｗ２２、第３直線流路部Ｗ１３、第３連結流路部Ｗ２３、第４直線流路部Ｗ１４、及び端部流路部Ｗ３２を順に流れる。この際、各流路部Ｗ１１～Ｗ１４，Ｗ２１～Ｗ２３を流れる冷媒と電池２１，２２との間で熱交換が行われることにより、電池２１，２２が冷却される。第１プレート部材３０において端部流路部Ｗ３２まで流れた冷媒は、端部流路部Ｗ３２の端部に形成された連通孔３５から図示しない配管を介して外部に排出される。本実施形態では、第１直線流路部Ｗ１１が、第１プレート部材３０において冷媒の流れ方向の最も上流側に配置される第１流路部に相当する。また、第４直線流路部Ｗ１４が、第１プレート部材３０において冷媒の流れ方向の最も下流側に配置される第２流路部に相当する。第１流路部に相当する第１直線流路部Ｗ１１は、冷媒の流れ方向において、第２流路部に相当する第４直線流路部Ｗ１４よりも上流側に配置されている。

　ところで、本実施形態の電池冷却装置１０では、ポンプ６０から第２プレート部材４０に圧送される液相冷媒が第２プレート部材４０において電池２３，２４と熱交換を行うため、第２プレート部材４０の流路Ｗ１の下流側に向かうほど、冷媒の温度が上昇する。これにより、液相冷媒が徐々に気化するため、第２プレート部材４０から第１プレート部材３０に流入する冷媒は、液相冷媒と気相冷媒とが混合した２相冷媒となっている。

　この２相冷媒は第１プレート部材３０において電池２１，２２と熱交換を行うため、第１プレート部材３０の流路Ｗ１の下流側に向かうほど、冷媒の温度が更に上昇する。そのため、第１プレート部材３０において最も下流側に配置される第４直線流路部Ｗ１４では、冷媒のほとんどが気相状態になっている可能性がある。このように、冷媒のほとんどが気相状態になると、液相状態である場合と比較して、冷媒の吸熱性能が著しく低下する。

　この点、本実施形態の電池冷却装置１０では、図５に示されるように、電池２１が第４直線流路部Ｗ１４だけでなく第１直線流路部Ｗ１１に対向するように配置されているため、仮に第４直線流路部Ｗ１４を流れる冷媒だけでは電池２１を冷却することが難しい場合であっても、第１直線流路部Ｗ１１を流れる２相冷媒により電池２１を冷却することができる。よって、電池２１の冷却性能を向上させることができる。

　以上説明した本実施形態の電池冷却装置１０によれば、以下の（１）～（４）に示される作用及び効果を得ることができる。
　（１）電池２１は、第１直線流路部Ｗ１１及び第４直線流路部Ｗ１４に対向するように第１プレート部材３０に配置されることにより、第１直線流路部Ｗ１１と第４直線流路部Ｗ１４との間で熱交換されるように第１プレート部材３０に配置されている。このような構成によれば、下流側の第４直線流路部Ｗ１４を流れる冷媒の温度が上昇した場合であっても、上流側の第１直線流路部Ｗ１１を流れる冷媒により電池２１を冷却することができるため、電池２１の冷却性能を向上させることができる。また、本実施形態の第１プレート部材３０及び第２プレート部材４０には、タンクを設けることなく冷媒を流すことが可能であるため、タンクが設けられている従来の電池冷却装置と比較すると、タンクの設置スペースが不要な分だけ、電池冷却装置の小型化が可能である。

　（２）各プレート部材３０，４０には、冷媒の流れる流路Ｗ１を幅方向に複数の小流路Ｐに分割する隔壁Ｂが形成されている。このような構成によれば、流路Ｗ１を流れる冷媒が複数の小流路Ｐに分けられて流れるため、流路Ｗ１における冷媒の分配性を向上させることができる。これにより、より均一に電池２１～２４を冷却することが可能となる。

　（３）各プレート部材３０，４０には、複数の小流路Ｐの途中部分を合流させる合流部Ｍが形成されている。このような構成によれば、複数の小流路Ｐをそれぞれ流れる冷媒を合流部Ｍで合流させることができるため、流路Ｗ１における冷媒の分配性を更に向上させることができる。これにより、更に均一に電池２１～２４を冷却することが可能となる。

　（４）第２直線流路部Ｗ１２から第２連結流路部Ｗ２２を介して第３直線流路部Ｗ１３に冷媒が流れる際に、冷媒は第２連結流路部Ｗ２２を曲がるように流れるため、第２連結流路部Ｗ２２では冷媒の流れに偏りが生じ易い。なお、冷媒の流れの偏りとは、気相冷媒及び液相冷媒のそれぞれの流量の偏りである。第２連結流路部Ｗ２２において冷媒の流れに偏りが生じると、仮に電池が第２連結流路部Ｗ２２の一部のみに対向するように配置されている場合、第２連結流路部Ｗ２２において液相冷媒の流量が少ない部分に電池が配置される可能性がある。このように電池が配置されると、電池を十分に冷却できない可能性がある。

　この点、本実施形態の電池冷却装置１０では、図５及び図６に示されるように、第２連結流路部Ｗ２２の幅Ｈ２２が電池２２，２４の幅ＨＢよりも小さいため、第２連結流路部Ｗ２２の全体が電池２２，２４に対向している。そのため、仮に第２連結流路部Ｗ２２において冷媒の流れに偏りが生じた場合であっても、第２連結流路部Ｗ２２を流れる冷媒の全てと電池２２，２４との間で熱交換を行うことができるため、冷媒の流れの偏りに起因する電池２２，２４の冷却能力の低下を回避することができる。

　また、図５及び図６に示されるように、第３連結流路部Ｗ２３の幅Ｈ２３、及び端部流路部Ｗ３１の幅Ｈ３１も、同様に電池２１～２４のそれぞれの幅ＨＢよりも小さい。そのため、第３連結流路部Ｗ２３及び端部流路部Ｗ３１においても同様の作用及び効果を奏することが可能である。なお、本実施形態の電池冷却装置１０では、端部流路部Ｗ３１の幅Ｈ３１、第２連結流路部Ｗ２２の幅Ｈ２２、及び第３連結流路部Ｗ２３の幅Ｈ２３は、各直線流路部Ｗ１１～Ｗ１４の幅Ｈ１０よりも小さくなっている。

　なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
　・各プレート部材３０，４０には、合流部Ｍが形成されていなくてもよい。
　・各プレート部材３０，４０には、隔壁Ｂが形成されていなくてもよい。換言すれば、各プレート部材３０，４０に形成される流路Ｗ１は、複数の小流路Ｐに分割されていない構成であってもよい。

　・各プレート部材３０，４０の形状は適宜変更可能である。例えば、第１プレート部材３０は、図７に示されるような流路Ｗ１を有するものであってもよい。図７に示される流路Ｗ１は、２つの直線流路部Ｗ４１，Ｗ４２と、それらの各端部を連結する連結流路部Ｗ５１とにより構成されている。この第１プレート部材３０の設置面３６には、２つの直線流路部Ｗ４１，Ｗ４２に対向するように電池２１～２４が配置されている。このような構成を有する第１プレート部材３０でも、上記の（１）に示される作用及び効果に類似する作用及び効果を得ることが可能である。

　・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

Claims

　電池（２１，２２）と冷媒との熱交換により前記電池を冷却する電池冷却装置であって、
　冷媒が流れる、分岐のない一つの流路（Ｗ１）が形成されるプレート部材（３０）を備え、
　前記流路は、互いに隣り合うように配置される第１流路部（Ｗ１１）と第２流路部（Ｗ１４）とを有しており、
　前記第１流路部は、冷媒の流れ方向において前記第２流路部よりも上流側に配置される部分であり、
　前記電池（２１）は、前記第１流路部と前記第２流路部との間で熱交換されるように前記プレート部材に配置されている
　電池冷却装置。
　前記電池（２１）は、前記第１流路部及び前記第２流路部に対向するように前記プレート部材に配置されている
　請求項１に記載の電池冷却装置。
　前記プレート部材には、前記流路を幅方向に複数の小流路（Ｐ）に分割する隔壁（Ｂ）が形成されている
　請求項１又は２に記載の電池冷却装置。
　前記プレート部材には、複数の前記小流路のそれぞれの途中部分を合流させる合流部（Ｍ）が形成されている
　請求項３に記載の電池冷却装置。
　前記流路は、
　直線状に延びる複数の直線流路部（Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１４）と、
　複数の前記直線流路部のうちの一つの直線流路部（Ｗ１１）に冷媒を流入させる端部流路部（Ｗ３１）と、
　複数の前記直線流路部のうちの異なる２つの直線流路部のそれぞれの端部を連結するように設けられる連結流路部（Ｗ２２，Ｗ２３）と、を有しており、
　前記端部流路部及び前記連結流路部のそれぞれの幅は、前記直線流路部の幅よりも小さい
　請求項１～４のいずれか一項に記載の電池冷却装置。
　前記端部流路部及び前記連結流路部のそれぞれの幅は、前記電池の幅よりも小さい
　請求項５に記載の電池冷却装置。
　前記流路は、
　直線状に延びる複数の直線流路部（Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１４）と、
　複数の前記直線流路部のうちの一つの直線流路部（Ｗ１１）に冷媒を流入させる端部流路部（Ｗ３１）と、
　複数の前記直線流路部のうちの異なる２つの直線流路部のそれぞれの端部を連結するように設けられる連結流路部（Ｗ２２，Ｗ２３）と、を有しており、
　前記第１流路部は、複数の前記直線流路部のうち、冷媒の流れ方向の最も上流側に配置される直線流路部であり、
　前記第２流路部は、複数の前記直線流路部のうち、冷媒の流れ方向の最も下流側に配置される直線流路部である
　請求項１又は２に記載の電池冷却装置。
　前記プレート部材に流入する冷媒は、液相冷媒と気相冷媒とが混合した２相冷媒である
　請求項１～７のいずれか一項に記載の電池冷却装置。