JP2012054001A

JP2012054001A - 放熱筐体及びこれを用いたリチウム電池パック、並びに、半導電性放熱用テープ

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Publication number: JP2012054001A
Application number: JP2010193540A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Tagawa; 憲一田河; Yoshinari Takayama; 嘉也高山; Shunsuke Nomi; 俊祐能見
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15
Also published as: EP2613619A1; WO2012029240A1; CN103081582A; TW201214840A; US20120171546A1

Abstract

【課題】高い放熱・冷却効果を実現できる放熱筐体を提供する。
【解決手段】本発明の放熱筐体１は、金属製の筐体本体１１と、筐体本体１１の内壁の少なくとも一部に貼付された第１の半導電性放熱用テープ１２と、を備え、第１の半導電性放熱用テープ１２が、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材１３と、フッ素樹脂基材１３上に形成された粘着剤層１４とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体の収容に適した放熱筐体とこれを用いたリチウム電池パック、並びに、半導電性放熱用テープに関する。

コージェライト又はゼオライトを焼成した板に銅めっきを施した放熱フィルムは、高い放射率及び熱伝導率を有する。そこで、従来、この放熱フィルムは、電子部品が搭載された基盤やそれを囲った筐体等に接着されて、電子部品から発生する熱を外へ逃がす役割を果たしていた。

また、熱放射に基づく放熱機構を利用した他の例として、電池等の電気化学素子に、無機酸化物及び／又はケイ酸塩化合物の粒子を主成分とする被覆層を形成して、当該被覆層の熱放射機能によって電気化学素子から発生する熱を外へ逃がす技術が、特許文献１に開示されている。

しかし、筐体内に収容されるリチウム電池等の大型化により、筐体内の温度上昇がさらに激しくなってきており、従来の放熱フィルムや特許文献１で提案されているような放熱機構に対し、さらなる放熱・冷却効果が求められている。そこで、筐体内の温度上昇を抑えるために、様々な放熱・冷却構造及び方法が提案されている。例えば、特許文献２では、冷却媒体が流通する中空体が筐体内に設けられ、冷却媒体によって筐体内を冷却する電池パックが提案されている。特許文献３では、筐体内に収容される電池に熱伝導性のタブが形成され、このタブにより筐体内の熱を外へ逃がす構造が提案されている。

特開２００９−８７８７５号公報特開２００９−５４２９７号公報特開２０１０−１０８９３２号公報

しかし、特許文献２及び３で提案されている放熱・冷却構造では、筐体内部に中空体を設けたり、電極にタブを設けたりする必要があり、比較的大がかりである。したがって、さらなる放熱・冷却効率の向上を目的としてシステムを増強しようとすると、筐体内部にさらなるスペースを要するので、スペースに制約がある場合に対応できないという課題がある。

本発明は、より高い放熱・冷却効果を実現できる筐体を、特許文献２及び３で提案されているような大がかりな構造を採用せずに、より簡便に提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような筐体を利用したリチウム電池パックを提供することも目的とする。さらに、本発明は、そのような筐体の実現を容易とする放熱用テープを提供することも目的とする。

本発明は、金属製の筐体本体と、前記筐体本体の内壁の少なくとも一部に貼付された第１の半導電性放熱用テープと、を備え、前記第１の半導電性放熱用テープが、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材と、前記フッ素樹脂基材上に形成された粘着剤層とを含む、放熱筐体を提供する。

さらに、本発明は、リチウム単電池、又は、複数のリチウム単電池が互いに接続された組電池と、前記リチウム単電池又は前記組電池を内部に収容する上記本発明の放熱筐体と、を備えた、リチウム電池パックを提供する。

さらに、本発明は、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材と、前記フッ素樹脂基材上に形成された粘着剤層とを含み、前記フッ素樹脂基材の波長２μｍ〜１４μｍにおける全放射率が０．９以上であり、前記フッ素樹脂基材の表面抵抗率が１×１０²〜１×１０⁶Ω／□の範囲内である、半導電性放熱用テープを提供する。

本発明の放熱筐体に設けられている第１の半導電性放熱用テープは、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材を含んでおり、高い熱放射性を有する。したがって、筐体本体の内壁に貼付された第１の半導電性放熱用テープは、筐体内に電池等の発熱体が収容されている場合に、高温の発熱体から放射された熱を効率良く吸収する。第１の半導電性放熱用テープに吸収された熱は、金属製の筐体本体全体に伝導し、筐体本体全体から効果的に外部へと逃がされる。このように、本発明の放熱筐体によれば、第１の半導電性放熱用テープを筐体本体の内壁に貼付するだけの簡単な構成であるにも関わらず、高い放熱・冷却効果を実現できる。

本発明のリチウム電池パックは、本発明の放熱筐体を備えている。本発明の放熱筐体は、上記のとおり高い放熱・冷却効果を実現できる。したがって、本発明のリチウム電池パックは、収容されたリチウム単電池又は組電池の発熱量が増大した場合でも、効率良く外部に放熱できるので、筐体内の温度上昇に起因する電池破壊等の問題を抑制できる。

本発明の半導電性放熱用テープによれば、放熱性を向上させたい筐体等の部品に当該テープを貼り付けるという簡単な方法で、その部品の放熱性を向上させることができ、さらに半導電性も付与できる。さらに、本発明の半導電性放熱用テープは、複雑な形状を有する部品に対してでも、その部品の形状に追随して貼り付けることができるため、賦形加工等の必要もなく、取扱性に非常に優れている。

本発明の実施の形態１における放熱筐体の一構成例を示す断面図である。本発明の実施の形態１における放熱筐体の他の構成例を示す断面図である。本発明の実施の形態２におけるリチウム電池パックの構成を模式的に示す斜視である。図３ＡのＩ−Ｉ断面図である。実施例１における評価装置の模式図である。実施例２における評価装置の模式図である。

本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下に説明する。なお、以下の記載は本発明を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態の放熱筐体１は、筐体本体１１と、筐体本体１１の内壁の少なくとも一部に貼付された半導電性放熱用テープ（第１の半導電性放熱用テープ）１２と、を備えている。放熱筐体１は、内部に、電池等の発熱体１５を収容する。

筐体本体１１は金属製であり、例えばアルミニウムからなる筐体が好適に用いられる。

半導電性放熱用テープ１２は、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材１３と、フッ素樹脂基材１３上に形成された粘着剤層１４とを含んでおり、粘着剤層１４によって筐体本体１１の内壁に貼付されている。

フッ素樹脂基材１３は、カーボンブラックを含んでいるので、高い熱放射性を有する。したがって、フッ素樹脂基材１３は、高温の発熱体１５から放射された熱を、放射伝熱によって効率良く受け取って吸収できる。フッ素樹脂基材１３に吸収された熱は、金属製の筐体本体１１の全体へと伝導し、筐体本体１１の全体から外部へと放散される。発熱体１５から放射された熱をより効率良く受け取るために、フッ素樹脂基材１３は、波長２μｍ〜１４μｍにおいて０．９以上の全放射率を有することが好ましい。

フッ素樹脂基材１３は、カーボンブラックをフッ素樹脂粒子と混合して分散させ、さらに圧延することにより製造される。種々のフッ素樹脂を用いることが可能であるが、フッ素樹脂粒子としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いることが好ましい。これは、基材表面の摩擦係数が非常に低くなるので、他の部材に対して摺動するような状況に置かれた場合でも、基材の摩耗を十分に抑制できるからである。また、ＰＴＦＥは耐薬品性及び耐候性等にも優れているため、製品の長期信頼性を確保する上で、非常に好ましい。

フッ素樹脂基材１３に含まれるカーボンブラックは、半導電性を有し、熱伝導率が大きく、分散性に優れたものであればよく、特には限定されない。カーボンブラックを含ませることにより、フッ素樹脂基材１３に半導電性を付与できる。この半導電性により、放熱筐体１を適用した製品の製造プロセスにおける部品同士の擦れから発生する帯電電荷を、放熱筐体１を介して除電することができる。このため、例えば放熱筐体１を精密部品に適用する際、当該精密部品の製造時の帯電に起因するショート及びノイズの発生を緩和でき、さらに、着火しやすい部品が周囲に存在する場合の火災発生リスクを低減できるという効果も得られる。特に、内部に収容する発熱体１５がリチウム電池である場合、フッ素樹脂基材１３に付与された半導電性により、組立て時のチャージアップがなくなり、リチウム電池の破壊が起きにくくなる。また、放熱筐体１を精密部品に使用する場合、半導電性による帯電防止効果により、塵及び埃等の混入が防止できる。これらの効果を十分に得るために、フッ素樹脂基材１３は、１×１０²〜１×１０⁶Ω／□の表面抵抗率を有することが好ましい。

フッ素樹脂基材１３におけるカーボンブラックの充填量は、フッ素樹脂１００重量部に対して、１重量部以上５０重量部以下が好ましい。更に好ましくは、１重量部以上３０重量部以下である。１重量部よりも少ないと、フッ素樹脂基材１３の半導電性及び熱伝導率が低くなりすぎる場合がある。５０重量部を超えると、フッ素樹脂基材１３の機械強度が低くなりすぎる場合がある。

本実施の形態におけるフッ素樹脂基材１３として、例えば、ニトフロン（登録商標）Ｎｏ．９０３ＳＣ（日東電工製）が好適に使用できる。

粘着剤層１４には、公知のアクリル系粘着剤又はシリコーン系粘着剤を用いることができる。アクリル系粘着剤は、比較的低温の用途に適している。シリコーン系粘着剤は、耐寒性及び耐熱性に優れており、アクリル系粘着剤よりも低温域及び高温域で使用される用途に適している。

半導電性放熱用テープ１２の貼付位置は、特には限定されないが、受熱しやすいように発熱体１５に対向する位置であることが好ましい。また、半導電性放熱用テープ１２の面積も、特には限定されないが、受熱効果を考慮するとより大きい面積であることが望ましい。

図１に示した放熱筐体１では、筐体本体１１の内壁にのみ半導電性放熱用テープ１２が貼付されているが、図２に示す放熱筐体２のように、筐体本体１１の外壁の少なくとも一部に半導電性放熱用テープ（第２の半導電性放熱用テープ）２１をさらに貼付してもよい。半導電性放熱用テープ２１は、半導電性放熱用テープ１２から熱が伝わりやすいように、筐体本体１１を挟んで半導電性放熱用テープ１２と対向する位置に配置されていることが望ましい。半導電性放熱用テープ２１は、半導電性放熱用テープ１２と同様に、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材２２と、フッ素樹脂基材２２上に形成された粘着剤層２３とを含んでいる。フッ素樹脂基材２２及び粘着剤層２３は、それぞれ、フッ素樹脂基材１３及び粘着剤層１４と同じであるので、詳細な説明を省略する。

筐体本体１１の外壁に半導電性放熱用テープ２１をさらに貼付することにより、半導電性放熱用テープ２１の熱放射による放熱効果も加わるので、さらなる放熱・冷却効果が得られる。

（実施の形態２）
図３Ａに本実施の形態のリチウム電池パック３の模式図を示し、図３Ｂに図３ＡのＩ−Ｉ断面図を示す。本実施の形態のリチウム電池パック３は、複数のリチウム単電池３１が互いに接続された組電池３２と、組電池３２を内部に収容する放熱筐体１と、を備えている。

ここでのリチウム単電池３１とは、リチウム一次電池であってもよいし、リチウムイオン二次電池であってもよい。なお、本実施の形態では、単電池３１の形状が角形扁平であるが、これに限定されず、他の形状を有するリチウム単電池であってもよい。さらに、複数の単電池３１の配列方法も、図３Ａ及び図３Ｂに示す配列方法には限定されない。複数のリチウム単電池３１は、用途に応じて直列接続及び並列接続から適宜選択して、互いに接続すればよい。なお、本実施の形態では、放熱筐体の内部に組電池が収容された電池パックについて説明しているが、組電池の代わりにリチウム単電池が単独で収容されていてもよい。

本実施の形態のリチウム電池パック３は、実施の形態１で説明した放熱筐体１を用いているので、リチウム単電池３１からの熱を効率良く外部に放熱できる。したがって、筐体内の温度上昇に起因する電池破壊等の問題を抑制できる。また、実施の形態１でも説明したように、フッ素樹脂基材１３に付与された半導電性により、組立て時のチャージアップがなくなり、リチウム電池の破壊が起きにくくなるという効果も得られる。さらに、リチウム電池パック３を精密部品に使用する場合、半導電性による帯電防止効果により、塵及び埃等の混入が防止できるという効果も得られる。

次に、本発明の放熱筐体について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図４Ａに示すような、幅１００ｍｍ、奥行き１００ｍｍ、高さ４２ｍｍの外形を有する、底面が開口したアルミニウム筐体４１（熱伝導率１４０Ｗ／ｍＫ、波長２μｍ〜１４μｍにおける全放射率０．０３）を準備した。アルミニウム筐体４１の内寸は、幅８０ｍｍ、奥行き８０ｍｍ、高さ４０ｍｍであった。アルミニウム筐体４１の天井内壁に、第１の半導電性放熱用テープとして、８０ｍｍ×８０ｍｍのニトフロン（登録商標）Ｎｏ．９０３ＳＣ（日東電工製）４２を貼付した。すなわち、本実施例では、筐体本体の天井内壁全面に半導電性放熱用テープが貼付されていた。なお、ニトフロン（登録商標）Ｎｏ．９０３ＳＣ（日東電工製）は、熱伝導率１．２８Ｗ／ｍＫ（測定装置：「ＬＦＡ４４７ＮａｎｏＦｌａｓｈ（登録商標）」ＮＥＴＺＳＣＨ社製）、厚さ０．１１ｍｍ、表面抵抗率１．９８×１０⁴Ω／□（試験方法：ＪＩＳＫ７１９４準拠）、波長２μｍ〜１４μｍにおける全放射率０．９５２、であった。断熱材４３上に発熱体としてヒーター４４を設置し、ヒーター４４をアルミニウム筐体４１で囲って、図４Ａに示すような測定装置を作製した。ヒーター４４の出力を２０Ｗとし、断熱材４３の表面から高さ２０ｍｍの位置に設置した熱電対４５によって、筐体内部の空間温度を測定した。筐体内部の空間温度は、１５７．２５℃であった。

また、第１の半導電性放熱用テープのサイズのみを４０ｍｍ×４０ｍｍ、６０ｍｍ×６０ｍｍと変更した場合についても同様の測定を行ったところ、空間温度はそれぞれ、１６４．５５℃、１６１．９５℃となった。実施例１におけるこれらの結果から、半導電性放熱用テープは、その面積が大きい程、高い放熱効果が得られることが確認された。

（実施例２）
図４Ｂに示すように、アルミニウム筐体４１の天井外壁にも、第２の半導電性放熱用テープとして、８０ｍｍ×８０ｍｍのニトフロン（登録商標）Ｎｏ．９０３ＳＣ（日東電工製）４６を貼付した。第２の半導電性放熱用テープを貼付した点以外は、実施例１において第１の半導電性放熱用テープのサイズを８０ｍｍ×８０ｍｍとした場合と同様の方法で、空間温度の測定を行った。実施例２における筐体内部の空間温度は１５２．４１℃となり、内壁のみに半導電性放熱用テープを貼付した実施例１よりも、高い放熱効果が得られた。

また、第１の半導電性放熱用テープのサイズを４０ｍｍ×４０ｍｍとした実施例１の測定装置に対して、サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍの第２の半導電性放熱用テープをさらに設けた構成、第１の半導電性放熱用テープのサイズを６０ｍｍ×６０ｍｍとした実施例１の測定装置に対して、サイズ６０ｍｍ×６０ｍｍの第２の半導電性放熱用テープをさらに設けた構成についても同様の測定を行ったところ、空間温度はそれぞれ、１６１．３２℃、１５９．４９℃であった。これらの結果から、実施例１の場合と同様に、半導電性放熱用テープは、その面積が大きい程、高い放熱効果が得られることが確認された。

（比較例１）
半導電性放熱用テープを貼付しなかった点以外は、実施例１の測定装置と同様の構成とし、同様の方法で空間温度の測定を行った。空間温度は１７３．２０℃であった。

（比較例２）
半導電性放熱用テープを、アルミニウム筐体４１の天井内壁には貼付せずに、天井外壁のみに貼付した。この点以外は、実施例２の測定装置と同様の構成とし、同様の方法で空間温度の測定を行った。空間温度は１７１．９４℃であった。

実施例１及び２の放熱筐体は、比較例１の半導電性放熱用テープが設けられていない筐体と比較して空間温度が大きく低下しており、高い放熱効果が確認された。さらに、実施例１と比較例２との比較により、筐体本体の内壁に半導電性放熱用テープを貼付する方が、筐体本体の外壁に貼付するよりも、高い放熱効果が得られることが確認された。これは、半導電性放熱用テープを筐体本体の内壁に貼付することで、高温の発熱体から放射された熱が放射伝熱によって効果的に半導電性放熱用テープに吸収され、さらにアルミニウム筐体全体へと伝導して外部へと放散されるという、効率の良い放熱システムが実現されたためであると考えられる。

また、筐体本体の内壁のみに半導電性放熱用テープを貼付した実施例１の空間温度と、筐体本体の内壁及び外壁に半導電性放熱用テープを貼付した実施例２の空間温度との差（（実施例１の空間温度）−（実施例２の空間温度））は、約５℃であった。一方、半導電性放熱用テープを貼付しなかった比較例１の空間温度と、筐体本体の外壁のみに半導電性放熱用テープを貼付した比較例２の空間温度との差（（比較例１の空間温度）−（比較例２の空間温度））は、約１℃であった。この結果から、筐体本体の外壁に半導電性放熱用テープを貼付することで得られる放熱効果は、筐体本体の内壁に半導電性放熱用テープを貼付する構成と組み合わせた場合に、外壁のみに単独で半導電性放熱用テープを設ける場合と比較して、非常に高くなるといえる。

本発明の放熱筐体は、簡単な構成であるにも関わらず高い冷却・放熱効果が得られるので、電池等の発熱体を内部に収容する筐体として好適に適用できる。

１，２放熱筐体
１１筐体本体
１２第１の半導電性放熱用テープ
１３フッ素樹脂基材
１４粘着剤層
１５発熱体
２１第２の半導電性放熱用テープ
２２フッ素樹脂基材
２３粘着剤層
３リチウム電池パック
３１リチウム単電池
３２組電池
４１アルミニウム筐体
４２，４６ニトフロン（登録商標）Ｎｏ．９０３ＳＣ
４３断熱材
４４ヒーター
４５熱電対

Claims

金属製の筐体本体と、
前記筐体本体の内壁の少なくとも一部に貼付された第１の半導電性放熱用テープと、
を備え、
前記第１の半導電性放熱用テープが、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材と、前記フッ素樹脂基材上に形成された粘着剤層とを含む、
放熱筐体。
前記第１の半導電性放熱用テープにおいて、前記フッ素樹脂基材の波長２μｍ〜１４μｍにおける全放射率が０．９以上であり、前記フッ素樹脂基材の表面抵抗率が１×１０²〜１×１０⁶Ω／□の範囲内である、
請求項１に記載の放熱筐体。
前記筐体本体の外壁の少なくとも一部に貼付された第２の半導電性放熱用テープをさらに備え、
前記第２の半導電性放熱用テープが、カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材と、前記フッ素樹脂基材上に形成された粘着剤層とを含む、
請求項１又は２に記載の放熱筐体。
前記第２の半導電性放熱用テープは、前記筐体本体を挟んで前記第１の半導電性放熱用テープと対向する位置に配置されている、
請求項３に記載の放熱筐体。
前記第２の半導電性放熱用テープにおいて、前記フッ素樹脂基材の波長２μｍ〜１４μｍにおける全放射率が０．９以上であり、前記フッ素樹脂基材の表面抵抗率が１×１０²〜１×１０⁶Ω／□の範囲内である、
請求項３又は４に記載の放熱筐体。
前記第１の半導電性放熱用テープにおける前記粘着剤層は、アクリル系粘着剤又はシリコーン系粘着剤からなる、
請求項１〜５の何れか１項に記載の放熱筐体。
前記第２の半導電性放熱用テープにおける前記粘着剤層は、アクリル系粘着剤又はシリコーン系粘着剤からなる、
請求項３〜５の何れか１項に記載の放熱筐体。
リチウム単電池、又は、複数のリチウム単電池が互いに接続された組電池と、
前記リチウム単電池又は前記組電池を内部に収容する、請求項１〜７の何れか１項に記載の放熱筐体と、
を備えた、リチウム電池パック。
カーボンブラックを含有するフッ素樹脂基材と、前記フッ素樹脂基材上に形成された粘着剤層とを含み、
前記フッ素樹脂基材の波長２μｍ〜１４μｍにおける全放射率が０．９以上であり、前記フッ素樹脂基材の表面抵抗率が１×１０²〜１×１０⁶Ω／□の範囲内である、
半導電性放熱用テープ。
前記粘着剤層は、アクリル系粘着剤又はシリコーン系粘着剤からなる、
請求項９に記載の半導電性放熱用テープ。