JP2013105720A - 電池温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電素子モジュールにおける第１の面と第２の面との温度差を小さくすること。
【解決手段】第２の面３２に、外気と熱交換されるヒートシンク２１と、第２の面３２からの熱により沸騰する作動流体が封入されたヒートパイプ４１とを熱的に結合した。そして、二次電池１１を冷却する際には、熱電素子モジュール３０に対して一方の向きに電流を流すことで、第１の面３１が吸熱するとともに第２の面３２が放熱する。このため、第２の面３２の放熱によりヒートパイプ４１内の作動流体が沸騰し、第２の面３２が沸騰冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電素子モジュールを備えた電池温度調節装置に関する。

この種の電池温度調節装置としては、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１の蓄電池（二次電池）の温度調節装置は、電流の流れる向きに応じて放熱と吸熱の相反する作用をする第１の面と、第２の面とを持った熱電変換デバイス（熱電素子モジュール）を備えている。第１の面は１つ又は複数の蓄電池と熱結合されるとともに、第２の面はその面の熱作用を促進する熱作用促進媒体（熱媒体）と熱結合されている。

そして、例えば、熱電変換デバイスに対して電流（電気）を一方の向きへ流すことにより、第１の面が冷却されて吸熱を行うとともに第２の面が加熱されて放熱を行い、第１の面に熱結合された蓄電池が冷却され、蓄電池の温度が所定の温度以上に上がらないように温度調節される。また、例えば、熱電変換デバイスに対して電流を他方の向きへ流すことにより、第１の面が加熱されて放熱を行うとともに第２の面が冷却されて吸熱を行い、第１の面に熱結合された蓄電池が加熱され、蓄電池の温度が所定の温度以下に下がらないように温度調節される。

特開２００３−７３５６号公報

ところで、特許文献１のような熱電変換デバイスでは、熱電変換デバイスに対して電流を流すことに伴い、第１の面と第２の面との温度差が徐々に大きくなっていく。この温度差が大きくなればなるほど、熱電変換効率が低下する。そこで、例えば、第２の面に対して熱結合された熱作用促進媒体として外気を利用して第２の面の温度を調節して、第１の面と第２の面との温度差を少なくすることが考えられる。

ここで、例えば、外気温の高い環境において、蓄電池を冷却する場合を考える。この場合、熱電変換デバイスに対して電流を一方の向きへ流すことで、第１の面が吸熱するとともに第２の面が放熱するため、第１の面と第２の面との温度差を小さくするためには、第２の面を外気によって冷却する必要がある。しかしながら、外気温の高い環境である場合、外気による第２の面の冷却が不十分になる虞があり、その結果として、第１の面と第２の面との温度差を小さくすることができなくなってしまう。

なお、このような問題は、熱作用促進媒体として外気を利用した場合に限らず、例えば、熱作用促進媒体として水を利用した場合においても、水が温まっていると、上記問題と同様な問題が起こり得る。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、熱電素子モジュールにおける第１の面と第２の面との温度差を小さくすることができる電池温度調節装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、二次電池と熱的に結合される第１の面と、熱媒体と熱的に結合される第２の面とを有するとともに、電流の流れる向きによって前記第１の面及び前記第２の面が吸熱又は放熱する熱電素子モジュールを備えた電池温度調節装置であって、前記第２の面に熱的に結合されるとともに前記熱媒体と熱交換可能な熱伝達部材と、前記第２の面に熱的に結合されるとともに前記第２の面からの熱により沸騰する作動流体が封入された沸騰冷却器と、を備えることを要旨とする。

この発明によれば、二次電池を冷却する際には、熱電素子モジュールに対して一方の向きに電流を流すことで、第１の面が吸熱するとともに第２の面が放熱するため、第２の面の放熱により沸騰冷却器内の作動流体が沸騰し、第２の面を沸騰冷却することができる。よって、熱電素子モジュールを用いて二次電池を冷却する際に、例えば、外気等を用いて第２の面を冷却する場合に比べると、第２の面を効率良く冷却することができ、第１の面と第２の面との温度差を小さくすることができる。また、二次電池を加熱する際には、熱電素子モジュールに対して他方の向きに電流を流すことで、第１の面が放熱するとともに第２の面が吸熱する。このとき、熱伝達部材で熱媒体と熱交換された熱が第２の面に伝わることで、第２の面を加熱することができ、第１の面と第２の面との温度差を小さくすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記熱伝達部材は、前記第２の面に熱的に結合される熱結合部と、前記熱結合部と一体形成されるとともに前記熱結合部よりも上方に位置する基部とを有し、前記基部は、前記熱結合部から離間する側に向かうにつれて上方に向かって延びる延設面を有し、前記沸騰冷却器は、前記作動流体を貯留する貯留部と、前記貯留部に連なるとともに前記貯留部内で沸騰して蒸発した前記作動流体を凝縮する凝縮部とを備え、前記貯留部は前記第２の面に沿って延びるように形成されるとともに、前記凝縮部は前記延設面に沿って延びるように形成されていることを要旨とする。

沸騰冷却器は、貯留部内において作動流体が沸騰して蒸発し、その蒸発した作動流体が凝縮部で凝縮されて再び液体に戻されるといった循環を繰り返す冷却方式であるため、貯留部及び凝縮部は、作動流体を蒸発又は凝縮させるための空間を形成するために、ある程度の長さを確保する必要がある。この発明によれば、凝縮部が基部の延設面に沿って延びるように形成されているため、凝縮部が基部よりも上方側へ突出する部位を極力少なくすることができ、電池温度調節装置自体を極力小型化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記熱結合部は前記第２の面に面接触しているとともに、前記沸騰冷却器は前記熱伝達部材を介して前記第２の面に熱的に結合されていることを要旨とする。

この発明によれば、例えば、熱結合部が第２の面に面接触しておらず、第２の面と間接的に熱的に結合している場合に比べると、第２の面と熱結合部との熱交換を効率良く行うことができる。よって、二次電池を冷却する際には、放熱した第２の面からの熱が熱伝達部材に効率良く伝達されるとともに、熱伝達部材に伝わった熱が沸騰冷却器の作動流体に伝わって、作動流体が沸騰するため、第２の面を効率良く沸騰冷却することができる。また、二次電池を加熱する際には、熱媒体と熱交換された熱伝達部材の熱が熱結合部を介して第２の面に効率良く伝わるため、第２の面を効率良く加熱することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記熱媒体は外気であることを要旨とする。
例えば、熱媒体として水を用いる場合、水を流すための配管が必要になる。しかし、この発明のように、熱媒体として外気を用いることで、熱媒体として水を用いる場合のように配管が必要無くなり、電池温度調節装置自体を小型化することができる。

この発明によれば、熱電素子モジュールにおける第１の面と第２の面との温度差を小さくすることができる。

実施形態における電池温度調節装置を示す斜視図。 図１におけるＡ−Ａ線断面図。 図１におけるＢ矢視図。 別の実施形態における電池温度調節装置を示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。なお、電池温度調節装置は、車両としてのハイブリッド車に搭載されるとともに、走行モータを駆動するための二次電池を温度調節するために用いられる。また、以下の説明において、「前後方向」、「左右方向」、「上下方向」をいう場合は図１〜図３に矢印で示す前後方向、左右方向、上下方向をそれぞれ示すものとする。

図１に示すように、電池温度調節装置２０を構成する熱電素子モジュール３０には、図示しない給電部から供給される電流の流れる向きによって、吸熱又は放熱する第１の面３１及び第２の面３２が形成されている。第１の面３１は熱電素子モジュール３０の前面に位置するとともに、第２の面３２は熱電素子モジュール３０の後面に位置している。第１の面３１には熱交換器１３が取り付けられるとともに、第１の面３１と熱交換器１３とは熱的に結合されている。熱交換器１３の前側（熱交換器１３における第１の面３１とは反対側）には、電池パック１２が配置されるとともに、電池パック１２内には複数（図１では４つ図示）の二次電池１１が収容されている。

第２の面３２には熱伝達部材としてのヒートシンク２１が熱的に結合されている。ヒートシンク２１は、第２の面３２に沿って延びるように配置される矩形板状の熱結合部２４と、熱結合部２４と一体形成されるとともに熱結合部２４よりも上方に位置する矩形板状の基部２２とから形成されている。基部２２は、熱電素子モジュール３０、熱交換器１３及び電池パック１２上に配置されている。なお、基部２２と電池パック１２との間には図示しない断熱部材が介在されており、基部２２と電池パック１２との間の熱交換が遮断されている。熱結合部２４の前面は第２の面３２全体に面接触している。基部２２の上面には左右方向に一定の間隔をおいて配置された複数（本実施形態では４本）のフィン２３が突出形成されている。各フィン２３は、基部２２の前後方向に沿って直線状に延びている。また、各フィン２３は基部２２の前後方向にそれぞれ平行に延びている。

図２に示すように、基部２２の上面における各フィン２３に挟まれた面は、後面側（熱結合部２４側）から前面側（熱結合部２４から離間する側）に向かうにつれて上る傾斜面２２ａになっている。この傾斜面２２ａは、熱結合部２４から離間する側に向かうにつれて上方に向かって延びる延設面になっている。また、図３に示すように、熱結合部２４の後面及び熱結合部２４と連なる基部２２の後面には、上下方向に延びる溝２５が各傾斜面２２ａに連なるように複数（本実施形態では３つ）形成されている。

図２に示すように、ヒートシンク２１には、沸騰冷却器としてのヒートパイプ４１が複数配設されている。各ヒートパイプ４１は、作動流体を貯留する貯留部４１ａと、貯留部４１ａに連なるとともに貯留部４１ａで沸騰して蒸発した作動流体を凝縮する凝縮部４１ｂとから構成されている。各貯留部４１ａは各溝２５に沿って延びるように形成されるとともに、各凝縮部４１ｂは各傾斜面２２ａに向かって屈曲して各傾斜面２２ａに沿って延びるように形成されており、各ヒートパイプ４１は側面視略Ｌ字状をなしている。貯留部４１ａは、熱結合部２４及び基部２２の一部分を介して第２の面３２と熱的に結合されており、第２の面３２に沿って延びるように形成されている。凝縮部４１ｂの下面は傾斜面２２ａに沿うようにして基端から先端に向かうにつれて上る傾斜面となっている。

ヒートシンク２１の各フィン２３及び凝縮部４１ｂは、熱媒体としての外気と熱交換可能になっている。また、図１に示すように、ハイブリッド車には車室内の空気を熱交換器１３に向けて送るファン５１が搭載されており、ファン５１から熱交換器１３に向けて送られた空気は、熱交換器１３と熱交換された後、電池パック１２に形成された開口（図示せず）を介して各二次電池１１に向けて送られるようになっている。この二次電池１１に送られた空気によって、二次電池１１が温度調節されるようになっている。よって、第１の面３１は、熱交換器１３及び空気を介して二次電池１１と熱的に結合されている。本実施形態では、熱電素子モジュール３０、ヒートシンク２１、ヒートパイプ４１、及び熱交換器１３により電池温度調節装置２０が構成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
二次電池１１を冷却する場合、給電部から供給される電流が一方の向きに流れるように熱電素子モジュール３０に対して電流を供給する。すると、第１の面３１が吸熱するとともに、第１の面３１によって熱交換器１３が冷却される。そして、ファン５１から熱交換器１３に向けて送られる空気が、熱交換器１３との熱交換により冷却されるとともに、この冷却された空気が電池パック１２の開口を介して各二次電池１１に向けて送られることで、各二次電池１１が空気により冷却される。

一方、第２の面３２が放熱するとともに第２の面３２の熱がヒートシンク２１の熱結合部２４に伝わって、熱結合部２４が加熱される。この熱結合部２４との熱交換により、ヒートパイプ４１の貯留部４１ａ内の作動流体が加熱されるとともに沸騰し、この沸騰により熱結合部２４が沸騰冷却される。よって、冷却された熱結合部２４により第２の面３２が冷却され、第１の面３１と第２の面３２との温度差が少なくなる。

貯留部４１ａ内で蒸発した作動流体は、凝縮部４１ｂに向かって移動し、外気と熱交換されて冷却された凝縮部４１ｂによって凝縮されることで、凝縮部４１ｂ内で液体に戻る。そして、液体に戻った作動流体は、凝縮部４１ｂの傾斜面を下るとともに、貯留部４１ａ内に向けて移動することで、貯留部４１ａ内に戻されて貯留される。

二次電池１１を加熱する場合、給電部から供給される電流が他方の向きに流れるように熱電素子モジュール３０に対して電流を供給する。すると、第１の面３１が放熱するとともに第１の面３１の熱が熱交換器１３に伝わって、熱交換器１３が加熱される。そして、ファン５１から熱交換器１３に向けて送られる空気が、熱交換器１３と熱交換されることで加熱されるとともに、この加熱された空気が電池パック１２の開口を介して各二次電池１１に向けて送られることで、各二次電池１１が空気により加熱される。

一方、第２の面３２が吸熱するとともに第２の面３２との熱交換によりヒートシンク２１の熱結合部２４が冷却される。ヒートシンク２１は、各フィン２３と外気との間で熱交換されて加熱されているため、第２の面３２によって冷却された熱結合部２４も各フィン２３側からの熱が伝達されることで加熱される。これにより、熱結合部２４から第２の面３２に熱が伝達されて第２の面３２が加熱され、その結果として、第１の面３１と第２の面３２との温度差が少なくなる。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）熱電素子モジュール３０の第２の面３２に、外気と熱交換されるヒートシンク２１と、作動流体が封入されたヒートパイプ４１とを熱的に結合した。よって、二次電池１１を冷却する際に、熱電素子モジュール３０に対して一方の向きに電流を流すことで、第１の面３１が吸熱するとともに第２の面３２が放熱するため、第２の面３２の放熱によりヒートパイプ４１内の作動流体が沸騰し、第２の面３２を沸騰冷却することができる。したがって、熱電素子モジュール３０を用いて二次電池１１を冷却する際に、例えば、外気等を用いて第２の面３２を冷却する場合に比べると、第２の面３２を効率良く冷却することができ、第１の面３１と第２の面３２との温度差を小さくすることができる。また、二次電池１１を加熱する際に、熱電素子モジュール３０に対して他方の向きに電流を流すことで、第１の面３１が放熱するとともに第２の面３２が吸熱する。このとき、ヒートシンク２１で外気と熱交換された熱が第２の面３２に伝わることで、第２の面３２を加熱することができ、第１の面３１と第２の面３２との温度差を小さくすることができる。

（２）ヒートシンク２１の基部２２に、熱結合部２４から離間する側に向かうにつれて上方に向かって延びる延設面としての傾斜面２２ａを形成した。そして、ヒートパイプ４１を、第２の面３２に沿って延びる貯留部４１ａと、貯留部４１ａに連なるとともに傾斜面２２ａに向かって屈曲されて傾斜面２２ａに沿って延びる凝縮部４１ｂとから形成した。ヒートパイプ４１は、貯留部４１ａ内において作動流体が沸騰して蒸発し、その蒸発した作動流体が凝縮部４１ｂで凝縮されて再び液体に戻されるといった循環を繰り返す冷却方式であるため、貯留部４１ａ及び凝縮部４１ｂは、作動流体を蒸発又は凝縮させるための空間を形成するために、ある程度の長さを確保する必要がある。本実施形態によれば、凝縮部４１ｂが基部２２の傾斜面２２ａに沿って延びるように形成されているため、凝縮部４１ｂが基部２２よりも上方側へ突出する部位を極力少なくすることができ、電池温度調節装置２０自体を極力小型化することができる。

（３）熱結合部２４を第２の面３２に面接触させた。そして、ヒートパイプ４１を、ヒートシンク２１を介して第２の面３２に熱的に結合させた。よって、例えば、熱結合部２４が第２の面３２に面接触しておらず、第２の面３２と間接的に熱的に結合している場合に比べると、第２の面３２とヒートシンク２１との熱交換を効率良く行うことができる。よって、二次電池１１を冷却する際には、放熱した第２の面３２からの熱がヒートシンク２１に効率良く伝達されるとともに、ヒートシンク２１に伝わった熱がヒートパイプ４１の作動流体に伝わって、作動流体が沸騰するため、第２の面３２を効率良く沸騰冷却することができる。また、二次電池１１を加熱する際には、外気と熱交換されたヒートシンク２１の熱が熱結合部２４を介して第２の面３２に効率良く伝わるため、第２の面３２を効率良く加熱することができる。

（４）本実施形態では、熱媒体として外気を用いた。例えば、熱媒体として水を用いる場合、水を流すための配管が必要になる。しかし、本実施形態のように、熱媒体として外気を用いることで、熱媒体として水を用いる場合のように配管が必要無くなり、電池温度調節装置２０自体を小型化することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図４に示すように、基部２２の上面における各フィン２３に挟まれた面が、後面側（熱結合部２４側）から前面側（熱結合部２４から離間する側）に向かうにつれて上る階段状（段差状）に形成されていてもよい。具体的に、基部２２の上面における各フィン２３に挟まれた面は、第１〜第５延設部２２１，２２２，２２３，２２４，２２５により形成されている。第１延設部２２１は、熱結合部２４に連なるとともに基部２２の前後方向に沿って延びている。第２延設部２２２は、第１延設部２２１に連なるとともに基部２２の上下方向に沿って上方へ延びている。第３延設部２２３は、第２延設部２２２に連なるとともに基部２２の前後方向に沿って熱結合部２４から離間する側へ延びている。第４延設部２２４は、第３延設部２２３に連なるとともに基部２２の上下方向に沿って上方へ延びている。第５延設部２２５は、第４延設部２２４に連なるとともに基部２２の前後方向に沿って熱結合部２４から離間する側へ延びている。これら第１〜第５延設部２２１，２２２，２２３，２２４，２２５は、熱結合部２４から離間する側に向かうにつれて上方に向かって延びる延設面を形成している。凝縮部４１ｂの下面は第１〜第５延設部２２１，２２２，２２３，２２４，２２５に沿うようにして基端から先端に向かうにつれて上る階段状（段差状）に形成されている。なお、基部２２の上面における各フィン２３に挟まれた面に形成される段数は特に限定されるものではない。また、基部２２の上面における各フィン２３に挟まれた面の一部分のみが階段状（段差状）になっていてもよい。

○ 実施形態において、基部２２の上面における各フィン２３に挟まれた面の一部分のみが傾斜面になっていてもよい。
○ 実施形態では、熱媒体として外気を用いたが、これに限らず、例えば、水等の熱交換作用を持つ流体であれば、特に限定されるものではない。

○ 実施形態において、凝縮部４１ｂが傾斜面２２ａに沿って延びるように形成されておらず、例えば、貯留部４１ａに連続して貯留部４１ａの延設方向に沿って延びるように形成されていてもよい。

○ 実施形態において、ヒートシンク２１の熱結合部２４が第２の面３２全体に面接触していなくてもよく、例えば、第２の面３２の一部分に面接触していてもよい。
○ 実施形態において、ヒートシンク２１の熱結合部２４と第２の面３２との間に隙間が形成されていてもよい。この場合、熱結合部２４と第２の面３２とは間接的に熱的に結合されている。

○ 実施形態において、第２の面３２に対してヒートシンク２１の熱結合部２４とヒートパイプ４１の貯留部４１ａとが第２の面３２の左右方向において交互に接触していてもよい。すなわち、ヒートパイプ４１の貯留部４１ａが第２の面３２に直接接触していてもよい。

○ 実施形態において、ヒートパイプ４１の数は特に限定されるものではない。
○ 実施形態では、ファンにより送られた車室内の空気を用いて二次電池１１を温度調節したが、これに限らず、例えば、水等の熱交換作用を持つ流体を用いて二次電池１１を温度調節してもよい。

○ 実施形態において、熱交換器１３を削除してもよい。
○ 実施形態において、第１の面３１に二次電池１１を直接接触させて、第１の面３１と二次電池１１とを熱的に結合させることで、二次電池１１を温度調節するようにしてもよい。

○ 実施形態では、ハイブリッド車に適用したが、これに限らず、例えば、電気自動車やエンジン車に適用してもよい。
○ 実施形態では、車両用の電池温度調節装置２０としたが、これに限らず、例えば、住宅用の電池温度調節装置としてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記電池温度調節装置は車両に搭載されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電池温度調節装置。

１１…二次電池、２０…電池温度調節装置、２１…熱伝達部材としてのヒートシンク、２２…基部、２２ａ…延設面としての傾斜面、２４…熱結合部、３０…熱電素子モジュール、３１…第１の面、３２…第２の面、４１…沸騰冷却器としてのヒートパイプ、４１ａ…貯留部、４１ｂ…凝縮部、２２１〜２２５…延設面を形成する第１〜第５延設部。

Claims (4)

1. 二次電池と熱的に結合される第１の面と、熱媒体と熱的に結合される第２の面とを有するとともに、電流の流れる向きによって前記第１の面及び前記第２の面が吸熱又は放熱する熱電素子モジュールを備えた電池温度調節装置であって、
   前記第２の面に熱的に結合されるとともに前記熱媒体と熱交換可能な熱伝達部材と、前記第２の面に熱的に結合されるとともに前記第２の面からの熱により沸騰する作動流体が封入された沸騰冷却器と、を備えることを特徴とする電池温度調節装置。
2. 前記熱伝達部材は、前記第２の面に熱的に結合される熱結合部と、前記熱結合部と一体形成されるとともに前記熱結合部よりも上方に位置する基部とを有し、
   前記基部は、前記熱結合部から離間する側に向かうにつれて上方に向かって延びる延設面を有し、
   前記沸騰冷却器は、前記作動流体を貯留する貯留部と、前記貯留部に連なるとともに前記貯留部内で沸騰して蒸発した前記作動流体を凝縮する凝縮部とを備え、
   前記貯留部は前記第２の面に沿って延びるように形成されるとともに、前記凝縮部は前記延設面に沿って延びるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池温度調節装置。
3. 前記熱結合部は前記第２の面に面接触しているとともに、前記沸騰冷却器は前記熱伝達部材を介して前記第２の面に熱的に結合されていることを特徴とする請求項２に記載の電池温度調節装置。
4. 前記熱媒体は外気であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電池温度調節装置。