(57)【要約】  【課題】  熱源の表面の凹凸に依存しにくく、熱源との接触面積が高くて高い放熱効率を得られ、かつ放熱構造体の軽量化を図ることのできる放熱構造体およびそれを備えるバッテリーを提供する。  【解決手段】  本発明は、熱源１０からの放熱を高める放熱構造体１であって、シート２の少なくとも片面側に、一方向に長い袋状の突出部３を複数個備え、当該突出部３は、その内空間４を前記シート２側に連通させる開口部５を備える放熱構造体１およびバッテリー２０に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源からの放熱を高める放熱構造体であって、
シートの少なくとも片面側に、一方向に長い袋状の突出部を複数個備え、
当該突出部は、その内空間を前記シート側に連通させる開口部を備える放熱構造体。
【請求項２】
前記開口部の面積は、前記突出部の前記内空間の最大水平面積より小さい請求項１に記載の放熱構造体。
【請求項３】
前記シートと前記突出部とが一つながりである請求項１または２に記載の放熱構造体。
【請求項４】
前記突出部は、前記内空間側の内壁に、前記シートよりも弾性変形可能な弾性層を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の放熱構造体。
【請求項５】
冷却部材を流す構造を持つ筐体内に、１または２以上の熱源としてのバッテリーセルを備えたバッテリーであって、
請求項１から４のいずれか１項に記載の放熱構造体を備え、前記バッテリーセルと前記冷却部材との間に前記放熱構造体を介在させているバッテリー。
【請求項６】
前記放熱構造体は、前記突出部を前記バッテリーセル側に、前記突出部の反対側を前記冷却部材側にそれぞれ対向させて配置される請求項５に記載のバッテリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱構造体およびそれを備えるバッテリーに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、航空機、船舶あるいは家庭用若しくは業務用電子機器の制御システムは、より高精度かつ複雑化してきており、それに伴って、回路基板上の小型電子部品の集積密度が増加の一途を辿っている。この結果、回路基板周辺の発熱による電子部品の故障や短寿命化を解決することが強く望まれている。
【０００３】
回路基板からの速やかな放熱を実現するには、従来から、回路基板自体を放熱性に優れた材料で構成し、ヒートシンクを取り付け、あるいは冷却ファンを駆動するといった手段を単一で若しくは複数組み合わせて行われている。これらの内、回路基板自体を放熱性に優れた材料、例えばダイヤモンド、窒化アルミニウム、立方晶窒化ホウ素などから構成する方法は、回路基板のコストを極めて高くしてしまう。また、冷却ファンの配置は、ファンという回転機器の故障、故障防止のためのメンテナンスの必要性や設置スペースの確保が難しいという問題を生じる。これに対して、放熱フィンは、熱伝導性の高い金属（例えば、アルミニウム）を用いた柱状あるいは平板状の突出部位を数多く形成することによって表面積を大きくして放熱性をより高めることのできる簡易な部材であるため、放熱部品として汎用的に用いられている（特許文献１を参照）。
【０００４】
ところで、現在、世界中で、地球環境への負荷軽減を目的として、従来からのガソリン車あるいはディーゼル車を徐々に電気自動車に転換しょうとする動きが活発化している。特に、フランス、オランダ、ドイツをはじめとする欧州諸国の他、中国でも、２０４０年までにガソリン車とディーゼル車から完全に電気自動車に切り替えることを宣言している。電気自動車の普及には、高性能バッテリーの開発の他、多数の充電スタンドの設置などの課題がある。特に、リチウム系の自動車用バッテリーの充放電機能を高めるための技術開発が大きな課題となっている。上記自動車バッテリーは、摂氏６０度以上の高温下では充放電の機能を十分に発揮できないことが良く知られている。このため、先に説明した回路基板と同様、バッテリーにおいても、放熱性を高めることが重要視されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４３９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱源からの放熱効率をより高めるには、熱源の表面の凹凸に依存しにくく、熱源との接触面積が高くなるような放熱構造体が求められている。また、放熱構造体の軽量化も重要なファクタとなる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するべく、熱源の表面の凹凸に依存しにくく、熱源との接触面積が高くて高い放熱効率を得られ、かつ放熱構造体の軽量化を図ることのできる放熱構造体およびそれを備えるバッテリーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するための一実施形態に係る放熱構造体は、熱源からの放熱を高める放熱構造体であって、シートの少なくとも片面側に、一方向に長い袋状の突出部を複数個備え、当該突出部は、その内空間を前記シート側に連通させる開口部を備える。
【０００９】
（２）別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記開口部の面積は、前記突出部の前記内空間の最大水平面積より小さい。
【００１０】
（３）別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記シートと前記突出部とが一つながりである。
【００１１】
（４）別の実施形態に係る放熱構造体では、好ましくは、前記突出部は、前記内空間側の内壁に、前記シートよりも弾性変形可能な弾性層を備える。
【００１２】
（５）上記目的を達成するための一実施形態に係るバッテリーは、冷却部材を流す構造を持つ筐体内に、１または２以上の熱源としてのバッテリーセルを備えたバッテリーであって、前記いずれかの放熱構造体を備え、前記バッテリーセルと前記冷却部材との間に前記放熱構造体を介在させている。
【００１３】
（６）別の実施形態に係るバッテリーでは、好ましくは、前記放熱構造体は、前記突出部を前記バッテリーセル側に、前記突出部の反対側を前記冷却部材側にそれぞれ対向させて配置される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱源の表面の凹凸に依存しにくく、熱源との接触面積が高くて高い放熱効率を得られ、かつ放熱構造体の軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る放熱構造体の斜視図（１Ａ）、平面図（１Ｂ）および該平面図におけるＡ−Ａ線断面図（１Ｃ）をそれぞれ示す。
【図２】図２は、図１（１Ｃ）の拡大図を示す。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態に係る放熱構造体の斜視図（３Ａ）および図２と同様の断面図（３Ｂ）をそれぞれ示す。
【図４】図４は、熱源としてバッテリーセルを用いた場合の放熱構造体とバッテリーセルとの位置関係を斜視図にて示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係るバッテリーを組み立てる状況の縦断面図（５Ａ）および当該バッテリーを組み立て後の状態の縦断面図（５Ｂ）をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、各実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１７】
１．放熱構造体
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る放熱構造体の斜視図（１Ａ）、平面図（１Ｂ）および該平面図におけるＡ−Ａ線断面図（１Ｃ）をそれぞれ示す。図２は、図１（１Ｃ）の拡大図を示す。
【００１８】
放熱構造体１は、熱源からの放熱を高める放熱構造体であって、シート２の少なくとも片面側に、一方向に長い袋状の突出部３を複数個備える。突出部３は、その内空間４をシート２側に連通させる開口部５を備える。この実施形態に係る放熱構造体１では、好ましくは、シート２と突出部３とが一つながりである。以下、放熱構造体１の詳細について説明する。
【００１９】
シートおよび突出部
シート２および突出部３（以後、適宜、「シート２等」と称する。）は、熱源から放熱する経路となる部材である。シートは、「熱伝導性シート」と読み替えても良い。シート２等は、好ましくは、炭素、金属および／またはセラミックスを含むもの、若しくはこれらのいずれかの単体から成る。シート２等は、より好ましい形態としては、炭素系材料を含む可撓性シートである。炭素を含むシート（あるいは炭素系材料を含む可撓性シート）は、好ましくは炭素フィラーと樹脂とを含むシートである。本願でいう「炭素」は、グラファイト、グラファイトより結晶性の低いカーボンブラック、膨張黒鉛、ダイヤモンド、ダイヤモンドに近い構造を持つダイヤモンドライクカーボン等の炭素（元素記号：Ｃ）から成る如何なる構造のものも含むように広義に解釈される。シート２等は、この実施形態では、樹脂に、グラファイト繊維やカーボン粒子を配合分散した材料を硬化させた薄いシートとすることができる。また、シート２等は、メッシュ状に編んだカーボンファイバーであっても良く、さらには混紡してあっても混編みしてあっても良い。
【００２０】
シート２等に樹脂を含む場合には、当該樹脂がシート２等の全質量に対して５０質量％を超えていても、あるいは５０質量％以下であっても良い。すなわち、シート２等は、熱伝導に大きな支障が無い限り、樹脂を主材とするか否かを問わない。樹脂としては、例えば、熱可塑性樹脂を好適に使用できる。熱可塑性樹脂としては、熱源からの熱を伝導する際に溶融しない程度の高融点を備える樹脂が好ましく、例えば、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等を好適に挙げることができる。樹脂は、シート２等の成形前の状態において、炭素フィラーの隙間に、例えば粒子状に分散している。シート２等は、炭素フィラー、樹脂の他、熱伝導をより高めるためのフィラーとして、ＡｌＮあるいはダイヤモンドを分散していても良い。また、樹脂に代えて、樹脂よりも柔軟なエラストマーを用いても良い。
【００２１】
シート２等は、また、上述のような炭素に代えて若しくは炭素と共に、金属および／またはセラミックスを含むシートとすることができる。金属としては、アルミニウム、銅、それらの内の少なくとも１つを含む合金などの熱伝導性の比較的高いものを選択できる。また、セラミックスとしては、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ｃＢＮ、ｈＢＮなどの熱伝導性の比較的高いものを選択できる。
【００２２】
シート２等は、導電性に優れるか否かは問わない。シート２等の熱伝導率は、好ましくは５Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは１０Ｗ／ｍＫ以上である。シート２等は、金属製のシート、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅あるいはステンレススチール製のシートとしても良い。シート２等は、その構成材料如何に関わらず、湾曲（若しくは屈曲）しやすいシートであるのが好ましく、その厚さに制約はないが、０．０５〜５ｍｍが好ましく、０．０６５〜０．５ｍｍがより好ましい。ただし、シート２等の可撓性はその厚さが増加するほど低下し、シート２等の熱抵抗値、強度および重量はその厚さが増加するほど大きくなる。シート２等の厚さは、シート２等の強度、可撓性、熱抵抗値などを総合的に勘案して決定される。
【００２３】
突出部３は、図２に示すように、シート２の略平らな面を基準として一方側に突出する細長い構造を有する。また、この実施形態では、突出部３は、完全に閉じた袋ではなく、シート２側に開口部５を備える。開口部５の面積（開口面積：Ｓ２）は、好ましくは、突出部３の内空間４の最大水平面積（Ｓ１）より小さい。ここで、Ｓ１は、内空間４をシート２と平行にスライスしたときの最大開口面積を意味する。Ｓ１＞Ｓ２となるように開口部５の大きさを規定すると、放熱構造体１の厚さ方向（シート２の面から突出部３に向かう方向）に放熱構造体１を圧縮したときに、各突出部３は、隣り合う突出部３の隙間を小さくするようにつぶれ、突出部３と接する熱源側の面や冷却部材側の面の凹凸若しくは隙間に密着する挙動をしやすくなる。一方、開口部５を大きくしていき、Ｓ１≦Ｓ２にすると、上記の圧縮を受けたときに、突出部３は圧縮方向につぶれるのみで、熱源側の面や冷却部材側の面の凹凸若しくは隙間に密着しにくくなる。なお、シート２は、突出部３と一体であっても、突出部３と別体であって突出部３と接合されていても良い。
【００２４】
シート２等は、例えば、金型を用いたプレス成形、圧空成形、真空成形、圧空真空成形の他、微細な粒子を平らなシート面に衝突させて部分的に凹部を形成するサンドブラスト製法等により製造できる。また、シート２の突出部３の表面にサンドブラスト加工あるいはスクラッチ加工を施して、突出部３が熱源側の面および／または冷却部材側の面に密着しやすくしても良い。
【００２５】
（２）第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係る放熱構造体について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分については、同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
図３は、本発明の第２実施形態に係る放熱構造体の斜視図（３Ａ）および図２と同様の断面図（３Ｂ）をそれぞれ示す。
【００２７】
第２実施形態に係る放熱構造体１ａは、第１実施形態に係る放熱構造体１と異なり、突出部３の内空間４側の内壁に弾性層８を備え、その他の点については放熱構造体１と同様の形態を有する。シート２等の構成および材料等については、第１実施形態の説明を代り、ここでは重複した説明を省略する。以下、弾性層８について説明する。
【００２８】
弾性層８は、シート２よりも弾性変形可能な層である。弾性層８を構成する弾性部材は、好ましくは、シリコーンゴム、ウレタンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）あるいはスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の熱硬化性エラストマー；  ウレタン系、エステル系、スチレン系、オレフィン系、ブタジエン系、フッ素系等の熱可塑性エラストマー、あるいはそれらの複合物等を含むように構成される。弾性部材は、シート２等を伝わる熱によって溶融あるいは分解等せずにその形態を維持できる程度の耐熱性の高い材料から構成されるのが好ましい。この実施形態では、弾性部材は、より好ましくは、ウレタン系エラストマー中にシリコーンを含浸したもの、あるいはシリコーンゴムにより構成される。弾性部材は、その熱伝導性を少しでも高めるために、ゴム中にＡｌＮ、ｃＢＮ、ｈＢＮ、ダイヤモンドの粒子等に代表されるフィラーを分散して構成されていても良い。弾性部材は、その内部に気泡を含むものの他、気泡を含まないものでも良い。また、「弾性部材」は、柔軟性に富み、弾性的に圧縮と伸張を繰り返すことのできる部材を意味し、かかる意味では「ゴム状弾性体」と読み替えることもできる。
【００２９】
弾性層８は、印刷、塗料の塗布、成形体の貼り付け、金型を用いたシート２等との一体成形などの手法により形成可能である。成形の手法を用いる場合には、金型同士の型締めによる他、真空圧空成形法、真空成形法または圧空成形法を用いても良い。
【００３０】
放熱構造体１ａは、その厚さ方向に圧縮力を受けると、突出部３が潰れて扁平状になる。突出部３の内空間４における内壁に弾性層８を備えることによって、つぶれた突出部３が当該圧縮力の解放時に元の形態に復元しやすくなる。弾性層８は、内空間４を完全に満たさないように内空間４の内壁に形成される方が好ましい。突出部３の変形を容易にする必要からである。
【００３１】
２．バッテリー
次に、先に説明した放熱構造体を備えるバッテリーについて説明する。
【００３２】
図４は、熱源としてバッテリーセルを用いた場合の放熱構造体とバッテリーセルとの位置関係を斜視図にて示す。
【００３３】
図４に示すように、放熱構造体１の突出部３は、複数個のバッテリーセル１０の電極１１，１２と反対側に位置する下端面と接触する。放熱構造体１は、バッテリーセル１０を放熱構造体１の突出部３側に配置すると圧縮される。なお、図４では、図の複雑化を避けるため、バッテリーセル１０は８個のみ図示されている。しかし、バッテリーの仕様や必要な電力に応じて、バッテリーセル１０の数を８個より多くすることができる。放熱構造体１の大きさも、バッテリーセル１０の個数に応じて、任意に変えることができる。放熱構造体１に代えて、放熱構造体１ａを用いることもできる。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態に係るバッテリーを組み立てる状況の縦断面図（５Ａ）および当該バッテリーを組み立て後の状態の縦断面図（５Ｂ）をそれぞれ示す。
【００３５】
この実施形態において、バッテリー２０は、例えば、電気自動車用のバッテリーであって、多数のバッテリーセル１０を備える。バッテリー２０は、一方に開口する有底型の筐体２１を備える。筐体２１は、好ましくは、アルミニウム若しくはアルミニウム基合金から成る。バッテリーセル１０は、前述の熱源の一例であって、筐体２１の内部２４に配置される。バッテリーセル１０は、その外側を硬質樹脂や金属の容器で囲った形態でも、あるいは金属フィルムを樹脂フィルムにてラミネートした、いわゆるパウチ袋で囲った形態でも良い。バッテリーセル１０の上方には、電極が突出して設けられている。複数のバッテリーセル１０は、好ましくは、筐体２１内において、その両側からネジ等を利用して圧縮する方向に力を与えられて、互いに密着するようになっている（不図示）。筐体２１の底部２２には、冷却部材２５の一例である冷却水を流すために、１または複数の水冷パイプ２６が備えられている。バッテリーセル１０は、底部２２との間に、放熱構造体１を挟むようにして筐体２１内に配置される。
【００３６】
バッテリー２０は、冷却部材２５を流す構造を持つ筐体２１内に、１または２以上の熱源としてのバッテリーセル１０を備える。放熱構造体１は、バッテリーセル１０と冷却部材２５との間に介在する。放熱構造体１は、この実施形態では、好ましくは、突出部３をバッテリーセル１０側に、突出部３の反対側となる開口部５を冷却部材２５側にそれぞれ対向させて配置される。このような構造のバッテリー２０では、バッテリーセル１０は、放熱構造体１を通じて筐体２１に伝熱して、水冷によって効果的に除熱される。なお、冷却部材２５は、冷却水に限定されず、液体窒素、エタノール等の有機溶剤も含むように解釈される。冷却部材２５は、冷却に用いられる状況下にて、液体であるとは限らず、気体あるいは固体でも良い。また、放熱構造体１は、突出部３を冷却部材２５側に、突出部３の反対側となる開口部５をバッテリーセル１０側にそれぞれ対向させて配置されても良い。
【００３７】
バッテリーセル１０を筐体２１内にセットした状態では（５Ｂを参照）、放熱構造体１は、バッテリーセル１０と、水冷パイプ２６を備える底部２２との間において、放熱構造体１の厚さ方向に圧縮される（５Ｂを参照）。シート２は突出部３を潰す形態となる結果、バッテリーセル１０からの熱は、シート２等、底部２２、水冷パイプ２６、冷却部材２５へと伝わりやすくなる。バッテリー２０は、放熱構造体１に代えて、放熱構造体１ａを備えても良い。
【００３８】
３．その他の実施形態
上述のように、本発明の好適な各実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００３９】
例えば、熱源は、バッテリーセル１０のみならず、回路基板や電子機器本体などの熱を発する対象物を全て含む。例えば、熱源は、キャパシタおよびＩＣチップ等の電子部品であっても良い。同様に、冷却部材２５は、冷却用の水のみならず、有機溶剤、液体窒素、冷却用の気体であっても良い。また、放熱構造体１，１ａは、バッテリー２０以外の構造物、例えば、電子機器、家電、発電装置等に配置されていても良い。
【００４０】
突出部３は、上記の実施形態では、断面オーム（Ω）形状の部位であるが、そのような形態に限定されない。また、放熱構造体１，１ａは、シート２の両面に突出部３を備えても良い。
【００４１】
なお、上述の各実施形態の複数の構成要素は、互いに組み合わせ不可能な場合を除いて、自由に組み合わせ可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る放熱構造体は、例えば、自動車用バッテリーの他、自動車、工業用ロボット、発電装置、ＰＣ、家庭用電化製品などの各種電子機器にも利用することができる。また、本発明に係るバッテリーは、自動車用のバッテリー以外に、家庭用の充放電可能なバッテリー、ＰＣ等の電子機器用のバッテリーにも利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１，１ａ・・・放熱構造体、２・・・シート、３・・・突出部、４・・・内空間、５・・・開口部、８・・・弾性層、１０・・・バッテリーセル（熱源の一例）、２０・・・バッテリー、２１・・・筐体、２５・・・冷却部材、Ｓ１・・・最大水平面積、Ｓ２・・・開口面積（開口部の面積）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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