(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された電池の温度を調節するための電池温度調節装置であって、
熱媒体の液相と気相との相変化により前記電池の温度を調節する温度調節部と、
前記温度調節部から流出する気相の熱媒体が流れる気相流路と、
前記気相流路から流入する気相の熱媒体を凝縮する熱媒体冷却部と、
前記熱媒体冷却部から前記温度調節部へ向かう液相の熱媒体が流れる液相流路とを備え、
前記温度調節部と前記熱媒体冷却部とは、前記温度調節部内の液相の熱媒体の液面よりも前記熱媒体冷却部内の液相の熱媒体の液面の方が上方に位置するように配置され、
前記温度調節部は、前記液相流路が接続される部位が下側、前記気相流路が接続される部位が上側となるように、傾斜して配置されている、電池温度調節装置。
【請求項２】
前記温度調節部と前記熱媒体冷却部とは、前記温度調節部の上端よりも前記熱媒体冷却部の下端の方が上方に位置するように配置される、請求項１に記載の電池温度調節装置。
【請求項３】
前記温度調節部は、前記電池の長手方向に沿って延在する、請求項１または２に記載の電池温度調節装置。
【請求項４】
前記温度調節部の延在方向における一方の端部に前記気相流路が接続され、他方の端部に前記液相流路が接続される、請求項３に記載の電池温度調節装置。
【請求項５】
前記電池は、複数のセルを有し、
前記セルは、前記電池の長手方向に積層される、請求項３または４に記載の電池温度調節装置。
【請求項６】
前記温度調節部に接触するとともに前記複数のセル間に配置される放熱板をさらに備える、請求項５に記載の電池温度調節装置。
【請求項７】
前記液相流路は、前記熱媒体冷却部から前記温度調節部へ向かって低くなるように傾斜している、請求項１から６のいずれかに記載の電池温度調節装置。
【請求項８】
前記気相流路は、前記温度調節部から前記熱媒体冷却部へ向かって高くなるように傾斜している、請求項１から７のいずれかに記載の電池温度調節装置。
【請求項９】
前記気相流路は、前記電池から離れて配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の電池温度調節装置。
【請求項１０】
前記温度調節部は、熱媒体を加熱する加熱部材を有する、請求項１から９のいずれかに記載の電池温度調節装置。
【請求項１１】
前記加熱部材は、前記温度調節部内に貯留された液相の熱媒体を加熱する、請求項１０に記載の電池温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池温度調節装置に関し、特に、熱媒体を用いて電池の温度を調節する電池温度調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、高温にさらされると耐久寿命が減少してしまう問題があるため、電池温度を適切に調節することが望まれている。従来、電池の温度を調節するための装置は、たとえば特開２０１２−２２６９５４号公報（特許文献１）、特開２０１１−１８３８６２号公報（特許文献２）、特開２００９−９８８８号公報（特許文献３）、特開２０１２−２２７０７２号公報（特許文献４）および特開２０１３−０１２７００号公報（特許文献５）などに開示されている。
【０００３】
特開２０１１−１８３８６２号公報（特許文献２）では、複数のモジュールからなる車載用バッテリーにおいて、単電池にヒートパイプを熱交換可能に組み付けてモジュールが構成されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２２６９５４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８３８６２号公報
【特許文献３】特開２００９−９８８８号公報
【特許文献４】特開２０１２−２２７０７２号公報
【特許文献５】特開２０１３−０１２７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した通り、ヒートパイプを用いた電池温度調節装置は知られているが、ヒートパイプ内部の冷媒の流れなどの、ヒートパイプを効率的に作動するための構成については検討されていない。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、効率よく電池の温度を調節できる電池温度調節装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電池温度調節装置は、電池の温度を調節するための電池温度調節装置であって、温度調節部と、気相流路と、熱媒体冷却部と、液相流路とを備えている。温度調節部は、熱媒体の液相と気相との相変化により電池の温度を調節する。気相流路には、温度調節部から流出する気相の熱媒体が流れる。熱媒体冷却部は、気相流路から流入する気相の熱媒体を凝縮する。液相流路には、熱媒体冷却部から温度調節部へ向かう液相の熱媒体が流れる。温度調節部と熱媒体冷却部とは、温度調節部内の液相の熱媒体の液面よりも熱媒体冷却部内の液相の熱媒体の液面の方が上方に位置するように配置されている。
【０００８】
上記電池温度調節装置において好ましくは、温度調節部と熱媒体冷却部とは、温度調節部の上端よりも熱媒体冷却部の下端の方が上方に位置するように配置されている。
【０００９】
上記電池温度調節装置において好ましくは、温度調節部は、電池の長手方向に沿って延在している。好ましくは、温度調節部の延在方向における一方の端部に気相流路が接続されており、他方の端部に液相流路が接続されている。
【００１０】
上記電池温度調節装置において好ましくは、電池は、複数のセルを有しており、セルは、電池の長手方向に積層されている。好ましくは、電池温度調節装置は、温度調節部に接触するとともに複数のセル間に配置される放熱板をさらに備えている。
【００１１】
上記電池温度調節装置において好ましくは、液相流路は、熱媒体冷却部から温度調節部へ向かって低くなるように傾斜している。
【００１２】
上記電池温度調節装置において好ましくは、気相流路は、温度調節部から熱媒体冷却部へ向かって高くなるように傾斜している。
【００１３】
上記電池温度調節装置において好ましくは、気相流路は、電池から離れて配置されている。
【００１４】
上記電池温度調節装置において好ましくは、温度調節部は、熱媒体を加熱する加熱部材を有している。好ましくは、加熱部材は、温度調節部内に貯留された液相の熱媒体を加熱する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電池温度調節装置によると、電池の温度を効率よく調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態に係る電池温度調節装置の構成の概略を示す斜視図である。
【図２】放熱板の構成を拡大して示す斜視図である。
【図３】図２中の矢印ＩＩＩ方向から見た放熱板および温度調節部の平面図である。
【図４】本実施の形態の電池温度調節装置を接続するための冷凍サイクルの構成を示す模式図である。
【図５】熱交換器の構成の一例を示す模式図である。
【図６】熱交換器の構成の他の例を示す模式図である。
【図７】本実施の形態の電池温度調節装置の電池冷却時の動作を示す断面模式図である。
【図８】本実施の形態の電池温度調節装置の電池昇温時の動作を示す断面模式図である。
【図９】実施の形態２の電池温度調節装置の構成の概略を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１８】
（実施の形態１）
［電池温度調節装置１０の構成］
図１は、本実施の形態に係る電池温度調節装置１０の構成の概略を示す斜視図である。本実施の形態の電池温度調節装置１０は、複数の電池セル２を積層配置した電池１の温度を調節するために用いられる。電池１は、複数の電池セル２を有している。複数の電池セル２が、積層方向Ｓに沿って積層配置されて、電池１を構成している。
【００１９】
各々の電池セル２は、扁平な直方体状の箱状の形状を有している。電池セル２は、その厚み方向に積層されている。電池セル２は、その上端部に図示しない電極部を有している。複数の電池セル２は、電極部を介して、互いに電気的に直列接続されている。電池セル２は、一般的には、正極にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）またはマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、負極にグラファイト（炭素）を使い、各電極間には絶縁のためのセパレータを挟みそれぞれの極板を何層かに積層した後、電解液と共にアルミラミネートなどで封止した構造を有している。なお、電池セル２は、直方体形状に限られず、円筒形状などの他の形状を有していてもよい。また、電池１は、電気的に並列接続された電池セル２を含んでいてもよい。
【００２０】
積層方向Ｓに沿って積層配置される電池セル２の積層方向Ｓの両端部には、図示しない一対のエンドプレートが配置されている。一対のエンドプレート同士が拘束部材で互いに固定され、複数の電池セル２をエンドプレートで挟み込むことにより、複数の電池セル２が一体化された電池１が形成されている。電池１は、全体として、細長い矩形箱状の形状を有している。複数の電池セル２の積層方向Ｓは、電池１の長手方向に対応している。複数の電池セル２は、電池１の長手方向に積層されている。
【００２１】
電池温度調節装置１０は、温度調節部３０を備えている。温度調節部３０は、電池１の側面に対向する位置に配置されている。温度調節部３０は、扁平で細長い矩形箱状の形状を有している。温度調節部３０は、電池１の長手方向に沿って延在している。温度調節部３０は、電池１の長手方向の一端から他端にまで延びて設けられている。温度調節部３０は、少なくとも２つの電池セル２に対向するように設けられている。温度調節部３０は、複数の電池セル２に亘って配置されている。温度調節部３０は、複数の電池セル２のうち、積層方向Ｓにおける両端の電池セル２に対向するように、配置されている。温度調節部３０は、たとえば銅、アルミニウムなどの熱伝導性に優れた金属または合金を用いて作製されている。
【００２２】
温度調節部３０は、加熱部材７０を有している。加熱部材７０は、温度調節部３０の外表面に取り付けられているか、または、温度調節部３０の内部空間に配置されている。加熱部材７０は、温度調節部３０の下端３４近くに配置されている。加熱部材７０は、たとえば電気ヒータなどの、自ら熱を発生する部材である。または加熱部材７０は、外部から伝達された熱を受ける伝熱部材であってもよい。
【００２３】
電池温度調節装置１０は、熱媒体冷却部４０を備えている。熱媒体冷却部４０は、電池１および温度調節部３０から離れた位置に配置されている。電池温度調節装置１０はまた、気相流路５０および液相流路６０を備えている。気相流路５０および液相流路６０は、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０とを接続している。気相流路５０は、温度調節部３０に接続される側の端部５１と、熱媒体冷却部４０に接続される側の端部５２とを有している。液相流路６０は、熱媒体冷却部４０に接続される側の端部６１と、温度調節部３０に接続される側の後述する端部６２とを有している。
【００２４】
温度調節部３０は、その延在方向（すなわち、電池セル２の積層方向Ｓ）における一方の端部３１と、他方の端部３２とを有している。気相流路５０の端部５１は、温度調節部３０の端部３１に接続されている。液相流路６０の端部６２は、温度調節部３０の端部３２に接続されている。気相流路５０と液相流路６０とは、温度調節部３０の延在方向において相対向する一対の面の一方および他方に接続されている。気相流路５０と液相流路６０とは、温度調節部３０の外表面のうち最も離れている位置に、それぞれ接続されている。気相流路５０の端部５１は、温度調節部３０の上端付近に接続されている。液相流路６０の端部６２は、温度調節部３０の下端付近に接続されている。
【００２５】
温度調節部３０、気相流路５０、熱媒体冷却部４０および液相流路６０は、互いに接続されることにより、閉じられた環状の経路を形成している。温度調節部３０、気相流路５０、熱媒体冷却部４０および液相流路６０によって形成されている閉ループ状の経路を密閉し真空排気して、熱媒体を経路内に封入することにより、電池温度調節装置１０が形成されている。電池温度調節装置１０は、熱媒体の蒸発および凝縮により熱移動を行なうヒートパイプであり、気相の熱媒体の流路と液相の熱媒体の流路とを分離したループ型サーモサイフォンの構成を有している。なお熱媒体としては、たとえば二酸化炭素またはフロン類などの、常温常圧で気体となる熱媒体を用いることができる。
【００２６】
気相流路５０は、温度調節部３０の端部３１から上方に湾曲して、温度調節部３０を迂回するように配置されている。気相流路５０は、電池１に対して上方に配置されており、そのため気相流路５０は、電池１から離れて配置されている。
【００２７】
電池１と、温度調節部３０との間には、放熱板２０が配置されている。図２は、放熱板２０の構成を拡大して示す斜視図である。図３は、図２中の矢印ＩＩＩ方向から見た放熱板２０および温度調節部３０の平面図である。図２および図３に示すように、放熱板２０は、層間プレート部２１と、側壁プレート部２２とを有している。層間プレート部２１と側壁プレート部２２とは、平板状の形状を有している。
【００２８】
層間プレート部２１は、電池セル２の積層方向Ｓにおいて、電池セル２によって挟み込まれている。層間プレート部２１は、扁平な箱状の電池セル２の主表面に面接触し、電池セル２の積層方向Ｓの両側から電池セル２に挟持されている。電池セル２の積層方向Ｓにおいて、電池セル２と放熱板２０の層間プレート部２１とは、交互に配置されている。層間プレート部２１は、２つの電池セル２の間に配置されており、電池セル２と密着して配置されている。
【００２９】
図３に示す平面視において、層間プレート部２１は、図中上下方向に延びており、側壁プレート部２２は、図中左右方向に延びている。層間プレート部２１の端部の一方（図３中の下側の端部）は、電池セル２の側面から離れた電池１の外部の位置に配置されている。層間プレート部２１の当該端部に、側壁プレート部２２が連結されている。層間プレート部２１は、電池セル２の積層方向Ｓに直交する方向に延びている。側壁プレート部２２は、電池セル２の積層方向Ｓに延びている。側壁プレート部２２は、層間プレート部２１に対して交差する方向に延びている。そのため、放熱板２０は、全体としてＬ字状の平面形状を有している。
【００３０】
放熱板２０の材質は、熱輸送効率に優れるものであれば特に制限は無いが、耐荷重性を考慮すると、金属製であることが好ましい。金属としては、アルミニウム、銅、鉄など種々の金属を用いることが可能であるが、装置を軽量化する観点から、アルミニウムの使用が好ましい。また、放熱板２０には、絶縁性を付与することが好ましく、この目的のために樹脂などの絶縁性物質により被覆することが好ましい。樹脂としては、絶縁性を有するものであれば特に制限はないが、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を好適なものとして挙げることができる。
【００３１】
図３を参照して、積層配置された電池セル２および放熱板２０においては、放熱板２０の側壁プレート部２２の外面、すなわち、平板状の側壁プレート部２２の主面のうち電池セル２に対向しない側の面に、電池１の側面に沿って温度調節部３０が配置されている。温度調節部３０は、巨視的に、放熱板２０の側壁プレート部２２の外面に面接触している。側壁プレート部２２は、温度調節部３０の表面に、溶接されて固定されている。温度調節部３０と放熱板２０とは、溶接により一体化されている。温度調節部３０と放熱板２０とは、一体の構造物として構成されており、そのため温度調節部３０と放熱板２０との間の熱抵抗が低減されている。
【００３２】
温度調節部３０は、側壁プレート部２２に熱的に接触している状態、すなわち、温度調節部３０と側壁プレート部２２との間で、熱が直接的に伝達され、熱伝達効率が十分に高い状態とされていればよい。そのため、温度調節部３０が側壁プレート部２２に溶接されている構成に限られない。たとえば、温度調節部３０と側壁プレート部２２とがロウ付け、半田などの他の方法で一体化されていてもよい。またたとえば、熱伝導性の高い材料を温度調節部３０と側壁プレート部２２との間に介在させて、温度調節部３０と側壁プレート部２２が間接的に接触している構成であってもよい。
【００３３】
放熱板２０の層間プレート部２１が電池１の外部の位置にまで延びており、放熱板２０を平面視して、側壁プレート部２２は電池セル２の側面に対して離れた位置に配置されている。層間プレート部２１は、当該層間プレート部２１を挟持している２つの電池セル２の間から突出しており、その突出している先端に側壁プレート部２２が設けられている。側壁プレート部２２と、電池セル２の側面との間には、隙間が形成されている。その結果、電池セル２に対向する温度調節部３０の表面と、電池セル２の側面との間には、隙間が形成されている。なお、温度調節部３０と電池セル２とは隙間なく接触していてもよく、この場合温度調節部３０と電池セル２との間の熱伝達効率を向上できるので好ましい。
【００３４】
放熱板２０は、温度調節部３０に接触するとともに複数の電池セル２の間に配置されることにより、温度調節部３０と電池セル２との間の熱伝達を促進している。電池セル２が発生する熱は、放熱板２０を経由して温度調節部３０に伝達され、温度調節部３０により熱が吸収される。これにより、電池セル２から熱が外部に放出されて、電池セル２の温度上昇が抑制され、電池セル２の性能維持および長寿命化が図られる。
【００３５】
図４は、本実施の形態の電池温度調節装置１０を接続するための冷凍サイクル１００の構成を示す模式図である。図４に示す冷凍サイクル１００は、たとえば室内の冷房を行なうための空調装置として設けられている。冷凍サイクル１００を用いた冷房は、たとえば、冷房を行なうためのスイッチがオンされた場合、または、自動的に室内の温度を設定温度になるように調整する自動制御モードが選択されており、かつ、室内の温度が設定温度よりも高い場合に行なわれる。
【００３６】
冷凍サイクル１００は、圧縮機１１０と、凝縮器１２０と、膨張弁１３０と、蒸発器１４０とを含んでいる。圧縮機１１０は、冷凍サイクル１００の作動時に冷媒を断熱的に圧縮して、過熱蒸気状態の冷媒を吐出し、冷凍サイクル１００に冷媒を循環させる。凝縮器１２０は、圧縮機１１０において圧縮された気相冷媒を、外部媒体へ等圧的に放熱させて冷媒液とする。膨張弁１３０は、凝縮器１２０によって凝縮された高圧の液相冷媒を膨張させて、低温・低圧の気液混合状態に変化させる。蒸発器１４０は、膨張弁１３０によって減圧された湿り蒸気状態の冷媒が蒸発（気化）して冷媒ガスとなる際の気化熱を、蒸発器１４０に接触するように導入された周囲の空調用空気から吸収する。
【００３７】
冷凍サイクル１００は、圧縮機１１０に対し上流側の冷媒の経路に設けられたアキュムレータ１５０を含んでいる。アキュムレータ１５０は、圧縮機１１０の吸入する冷媒の状態を一定に保つために設けられている。アキュムレータ１５０は、アキュムレータ１５０へ流入する冷媒が気液二相混合状態である場合、冷媒を気液分離し、冷媒液をアキュムレータ１５０内に溜め、飽和蒸気状態の気相冷媒を圧縮機１１０に戻す機能を有している。アキュムレータ１５０は、気体状の冷媒蒸気のみを圧縮機１１０へ吸入させ、冷媒液が圧縮機１１０へ流入するのを防止する。
【００３８】
冷凍サイクル１００はまた、熱交換器１６０、膨張弁１７０および電磁弁１８０を含んでいる。熱交換器１６０、膨張弁１７０および電磁弁１８０は、膨張弁１３０および蒸発器１４０に対して、並列に接続されている。電磁弁１８０は、全開と全閉との切替が可能な仕様の弁である。膨張弁１７０は、膨張弁１３０と同様に、液冷媒を膨張させて低温・低圧の気液混合状態に変化させる。熱交換器１６０は、膨張弁１７０において減圧された低温の冷媒と、熱媒体冷却部４０を流れる熱媒体との熱交換を行なう。熱交換器１６０において、熱媒体冷却部４０へ流入した気相の熱媒体からの放熱が行なわれ、熱媒体は液化する。
【００３９】
図５は、熱交換器１６０の構成の一例を示す模式図である。図５に示す熱交換器１６０では、熱媒体冷却部４０の内部に、配管１９０が配置されている。配管１９０は、膨張弁１７０とアキュムレータ１５０とを接続している。膨張弁１７０を通過した低温の冷媒が、配管１９０を経由してアキュムレータ１５０へ向けて流れる。熱媒体冷却部４０を流れる熱媒体は、冷凍サイクル１００を循環する冷媒と直接熱交換を行なう。そのため、図５に示す例では、熱媒体冷却部４０自体が熱交換器１６０としての機能を有している。
【００４０】
配管１９０は、熱交換器１６０の内部で、蛇行する形状を有している。そのため、熱媒体冷却部４０内において配管１９０が熱媒体に接触する表面積が大きくなっており、これにより熱媒体から冷媒への熱伝達効率が向上されている。
【００４１】
図６は、熱交換器１６０の構成の他の例を示す模式図である。図６に示す熱交換器１６０は、筺体１６１を有している。筺体１６１の内部空間には、たとえば水などの液体が充満されている。熱媒体冷却部４０および配管１９０は、筺体１６１の内部に配置されている。配管１９０は、筺体１６１に充満されている液体中に浸漬されている。配管１９０が蛇行する形状を有しているために、配管１９０を流れる冷媒と筺体１６１に充満されている液体との熱交換が促進されている。
【００４２】
配管１９０を流れる低温の冷媒によって、筺体１６１内に充満されている液体が冷却される。熱媒体冷却部４０を流れる熱媒体は、筺体１６１内に充満されている液体に放熱して冷却される。熱媒体冷却部４０を流れる熱媒体は、筺体１６１内に充満されている液体を介して、冷凍サイクル１００を循環する冷媒と熱交換を行なう。筺体１６１内に充満されている液体が蓄熱性を有しているために、熱媒体冷却部４０を流れる熱媒体の冷却性能の変動が抑制されている。
【００４３】
なお、熱媒体冷却部４０を流れる熱媒体は、図４〜図６を参照して説明した冷凍サイクル１００を循環する冷媒との熱交換によって冷却される例のほか、空冷式または水冷式の任意のクーラによって冷却されても構わない。
【００４４】
［電池温度調節装置１０の動作］
以上の構成を備えている電池温度調節装置１０を用いて電池１の温度を調節するときの動作について、以下に説明する。図７は、本実施の形態の電池温度調節装置１０の電池冷却時の動作を示す断面模式図である。
【００４５】
図７に示すように、温度調節部３０は、中空に形成されている。温度調節部３０の中空の内部空間の下側の一部が、液相の熱媒体を貯留する液相媒体部３５を構成している。温度調節部３０の中空の内部空間の上側の一部が、気相の熱媒体が充満している気相媒体部３６を構成している。液相媒体部３５に貯留された液相の熱媒体の液面Ｓ１が、液相媒体部３５と気相媒体部３６との界面を形成している。温度調節部３０は、自然状態（環境温度状態）でその内部に液相の熱媒体が貯まっている状態に設けられており、液溜めとしての機能を有している。
【００４６】
熱媒体冷却部４０は、中空に形成されている。熱媒体冷却部４０の中空の内部空間の下側の一部が、液相の熱媒体を貯留する液相媒体部４５を構成している。熱媒体冷却部４０の中空の内部空間の上側の一部が、気相の熱媒体が充満している気相媒体部４６を構成している。液相媒体部４５に貯留された液相の熱媒体の液面Ｓ２が、液相媒体部４５と気相媒体部４６との界面を形成している。
【００４７】
なお、電池１の発熱状態の変動、熱媒体冷却部４０における熱媒体の冷却能力の変動、または大気温度の変動などに因って、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０とを接続する閉ループ状の経路内における熱媒体の状態は随時変化する。そのため、温度調節部３０内の液面Ｓ１の高さは随時変動し、熱媒体冷却部４０内の液面Ｓ２の高さは随時変動する。よって、温度調節部３０内の特定の領域が液相媒体部３５および気相媒体部３６として規定されるのではなく、熱媒体冷却部４０内の特定の領域が液相媒体部４５および気相媒体部４６として規定されるのではない。液相媒体部３５および気相媒体部３６の容積は常に変動し、液相媒体部４５および気相媒体部４６の容積は常に変動することに、留意すべきである。
【００４８】
気相流路５０は、温度調節部３０の気相媒体部３６と、熱媒体冷却部４０の気相媒体部４６とを接続している。気相流路５０は、温度調節部３０に接続される側の端部５１と、熱媒体冷却部４０に接続される側の端部５２とを有している。気相流路５０の端部５１は、温度調節部３０の上端３３付近に接続されている。気相流路５０の端部５２は、熱媒体冷却部４０の上端付近に接続されている。気相流路５０は、温度調節部３０側の端部５１から熱媒体冷却部４０側の端部５２へ向かって徐々に高くなるように、傾斜した形状を有している。
【００４９】
液相流路６０は、温度調節部３０の液相媒体部３５と、熱媒体冷却部４０の液相媒体部４５とを接続している。液相流路６０は、熱媒体冷却部４０に接続される側の端部６１と、温度調節部３０に接続される側の端部６２とを有している。液相流路６０の端部６１は、熱媒体冷却部４０の下端４４付近に接続されている。液相流路６０の端部６２は、温度調節部３０の下端３４付近に接続されている。液相流路６０は、熱媒体冷却部４０側の端部６１から温度調節部３０側の端部６２へ向かって徐々に低くなるように、傾斜した形状を有している。
【００５０】
図７には、地面Ｇが図示されている。温度調節部３０は、地面Ｇに対して平行な水平方向に延在するように配置されている。地面Ｇに対して垂直な鉛直方向において、熱媒体冷却部４０は、温度調節部３０よりも上方に配置されている。温度調節部３０は、熱媒体冷却部４０よりも低い位置に配置されている。温度調節部３０と熱媒体冷却部４０との間に熱媒体を循環させる環状の経路において、温度調節部３０が下方に配置され、熱媒体冷却部４０が上方に配置されている。
【００５１】
より具体的には、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０とは、温度調節部の上端３３よりも熱媒体冷却部４０の下端４４の方が上方に位置するように、配置されている。そのため、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０とは、温度調節部３０内の液相の熱媒体の液面Ｓ１よりも熱媒体冷却部４０内の液相の熱媒体の液面Ｓ２の方が上方に位置するように、配置されている。温度調節部３０の上端３３は、熱媒体冷却部４０内の液相の熱媒体の液面Ｓ２よりも低い位置に配置されている。熱媒体冷却部４０の下端４４は、温度調節部３０内の液相の熱媒体の液面Ｓ１よりも高い位置に配置されている。
【００５２】
電池１を冷却する場合、各々の電池セル２で発生した熱が放熱板２０を経由して温度調節部３０へ伝達される。電池１は、放熱板２０を経由して温度調節部３０内の熱媒体に放熱することにより、冷却される。温度調節部３０において、熱媒体は、電池セル２から伝達された熱を受けて加熱される。液相媒体部３５に貯留されている液相の熱媒体が加熱されることにより、熱媒体は蒸発して温度調節部３０内を上昇し、気相媒体部３６へ移動する。温度調節部３０は、熱媒体の液相から気相への相変化により、電池１を冷却して、電池１の温度を適切に調節する。気相媒体部３６において、気相の熱媒体がさらに加熱されることにより、熱媒体は過熱蒸気の状態となり、熱媒体の圧力および温度が上昇する。
【００５３】
温度調節部３０で圧力が上昇した気相の熱媒体は、温度調節部３０から流出して気相流路５０へ流入し、気相流路５０を経由して、熱媒体冷却部４０へ移動する。気相流路５０の内部には、温度調節部３０から熱媒体冷却部４０へ向かう気相の熱媒体が流れる。気相流路５０が端部５１から端部５２へ向かって高くなる経路を形成しているために、気相流路５０内での熱媒体の滞留が抑制されており、熱媒体は気相流路５０内を上昇して熱媒体冷却部４０へ到達する。
【００５４】
熱媒体は、熱媒体冷却部４０において冷却され、凝縮して液相の状態になる。熱媒体冷却部４０は、気相流路５０から気相媒体部４６へ流入する気相の熱媒体から熱を奪って、熱媒体を凝縮する。気相の熱媒体が液化して熱媒体の比重が増大することにより、熱媒体は熱媒体冷却部４０内を下降し、液相媒体部４５へ移動する。
【００５５】
液相の熱媒体はさらに、熱媒体冷却部４０内の液相の熱媒体の液面Ｓ２と温度調節部３０内の液相の熱媒体の液面Ｓ１との位置ヘッドを駆動力として、重力の作用により熱媒体冷却部４０から流出して液相流路６０へ流入し、液相流路６０を経由して温度調節部３０へ戻る。液相流路６０の内部には、熱媒体冷却部４０から温度調節部３０へ向かう液相の熱媒体が流れる。このとき、液相の熱媒体のうち、相対的に比重の大きい低温の熱媒体が、優先して熱媒体冷却部４０から流出する。液相流路６０が端部６１から端部６２へ向かって低くなる経路を形成しているために、液相流路６０内での熱媒体の滞留が抑制されており、熱媒体は液相流路６０内を下降して温度調節部３０へ到達する。
【００５６】
このようにして、温度調節部３０と、熱媒体冷却部４０と、これらを接続する気相流路５０および液相流路６０とによって、ループ型のサーモサイフォン式ヒートパイプが形成される。重力による熱媒体冷却部４０から温度調節部３０への還流によって熱媒体が閉回路を循環し、熱媒体の循環に要する駆動力は不要であるため、効率よく電池１が冷却されて、電池１の温度が適切に調節される。気相の熱媒体と液相の熱媒体との干渉がないために、電池１からの放熱性能がさらに向上されている。
【００５７】
図８は、本実施の形態の電池温度調節装置１０の電池昇温時の動作を示す断面模式図である。電池１の場合、温度が低下すると、電池１内部での化学変化が抑制されて出力密度が低下するので、温度が低いときには出力が確保できない虞がある。また電池１の特性として低温度域で放置されると内部の電気抵抗が大きくなり、入力効率が低下することから、充電時間が増大し、電池充電効率が低下する。そのため、外気温の低い寒冷地などの低温環境下など、電池１の適度な昇温が望まれる場合がある。
【００５８】
電池１を昇温する場合、温度調節部３０内の熱媒体を加熱することにより、放熱板２０を経由して電池セル２へ熱を伝達すればよい。そのため本実施の形態の温度調節部３０は、熱媒体を加熱する加熱部材７０を有している。図８に示すように、加熱部材７０は、温度調節部３０の下端３４近くに配置されており、液相媒体部３５に対応する位置に配置されている。加熱部材７０は、温度調節部３０の液相媒体部３５内に貯留された液相の熱媒体を加熱できるように、設けられている。
【００５９】
加熱部材７０が液相の熱媒体を加熱すると、温度調節部３０の内部が真空減圧状態にあるため、加熱された熱媒体はすみやかに蒸気化する。図１に示すように、温度調節部３０はその上下方向の全体において放熱板２０の側壁プレート部２２に接触しているため、液相の熱媒体中で発生した気泡は、その場で側壁プレート部２２へ熱を伝達することにより、再度液化する。一部の気泡は、液相の熱媒体中を上昇して、液面Ｓ１から気相媒体部３６へ移動する。気相媒体部３６において、気化した熱媒体が側壁プレート部２２へ凝縮潜熱を放出することで凝縮し、液相へと状態変化して、元の液相媒体部３５へ還流する。
【００６０】
このようにして、熱媒体から放熱板２０の側壁プレート部２２への熱輸送が繰り返し行われ、側壁プレート部２２、層間プレート部２１を順に経由して、電池セル２へ熱が伝達される。温度調節部３０は、熱媒体の液相から気相への相変化により、電池１を加熱する。これにより電池１の温度が上昇し、電池１の温度が適切に調節される。このとき、熱媒体は温度調節部３０の内部のみを流動し、熱媒体冷却部４０へ熱媒体が移動することはないため、昇温を必要とする電池１のみに熱伝達することができ、効率が良い。
【００６１】
［作用・効果］
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
【００６２】
本実施の形態の電池温度調節装置１０によれば、図７に示すように、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０とは、温度調節部３０内の液相の熱媒体の液面Ｓ１よりも熱媒体冷却部４０内の液相の熱媒体の液面Ｓ２の方が上方に位置するように配置されている。これにより、温度調節部３０を加熱部とし熱媒体冷却部４０を冷却部とする、ボトムヒート式のサーモサイフォン式ヒートパイプが形成されている。液相の熱媒体の液面の高低差により温度調節部３０と熱媒体冷却部４０とを熱媒体が自然循環するため、熱媒体を循環させるためのポンプまたはコンプレッサなどの機械的機構が必要なく、装置の製造コストおよび動作時の動力費を低減できる。ヒートパイプが気相の熱媒体の流路と液相の熱媒体の流路とを分離したループ型であるため、高速に熱媒体を循環することができ、効率よく電池１の温度を調節することができる。
【００６３】
ヒートパイプに封入される熱媒体として、常温常圧で気体となる熱媒体を使用することにより、熱媒体の漏れが万一発生した場合にも熱媒体は直ちに気化するため、電池１の絶縁性を確保し短絡を防止することができる。
【００６４】
また図７に示すように、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０とは、温度調節部３０の上端３３よりも熱媒体冷却部４０の下端４４の方が上方に位置するように配置されている。これにより、温度調節部３０内の液相の熱媒体の液面Ｓ１と熱媒体冷却部４０内の液相の熱媒体の液面Ｓ２との高低差が増大している。そのため、液相の熱媒体を熱媒体冷却部４０から温度調節部３０へ還流させるヘッドが増大することとなり、熱媒体をより確実に自然循環することが可能になる。
【００６５】
また図１に示すように、温度調節部３０は、電池１の長手方向に沿って延在している。この場合、温度調節部３０がその内部に液相の熱媒体を常時溜めておく構造であるため、電池１の長手方向における温度調節部３０内の熱媒体と電池１との熱交換の均一性を向上でき、電池１の長手方向における温度バラツキを低減できる。電池温度調節装置１０による電池１の温度調節能力を、電池１の長手方向において均一化することができるので、電池１内の温度分布の均一性を向上することができる。
【００６６】
温度調節部３０がその内部に液相の熱媒体を常時溜めておく構造であることにより、電池１の熱容量を大きくすることが可能になる。
【００６７】
温度調節部３０の延在方向を、図７に示すように水平方向にすることで、温度調節部３０の延在方向に対して液面Ｓ１が傾斜することを抑制できる。液面Ｓ１が傾斜していると、温度調節部３０の延在方向で液相の熱媒体量の偏りが発生し、液相の熱媒体量が多い位置と少ない位置とにおいて電池１の冷却能力が不均一になる。そこで、温度調節部３０を水平に配置すれば、温度調節部３０の延在方向、すなわち電池１の長手方向において、温度調節部３０内の熱媒体と電池１との熱交換の均一性をより向上することができる。加えて、温度調節部３０からの熱媒体の出口が温度調節部３０への熱媒体の入口よりも低く配置されて熱媒体が逆流することを、確実に防止することができる。
【００６８】
また図１および図７に示すように、温度調節部３０の延在方向における一方の端部３１に気相流路５０が接続されており、他方の端部３２に液相流路６０が接続されている。これにより、温度調節部３０への気相流路５０の接続部と液相流路６０の接続部とは離れた位置に配置されるので、温度調節部３０の延在方向の全体に気相および液相の熱媒体を循環させることが可能になる。
【００６９】
また図１に示すように、電池１は複数の電池セル２を有しており、電池セル２は電池１の長手方向に積層されている。この場合、電池１の長手方向、すなわち複数の電池セル２の積層方向Ｓに温度調節部３０が延在していることになるため、複数の電池セル２の各々を効率よく温度調節することができる。複数の電池セル２に温度差を発生させず、均一に全ての電池セル２を同等の温度に温度調節することができるので、複数の電池セル２の温度分布の均一性を向上することができる。
【００７０】
また図２，３に示すように、電池温度調節装置１０は、放熱板２０をさらに備えている。放熱板２０は、温度調節部３０に接触するとともに複数の電池セル２間に配置されている。このようにすれば、電池セル２間からの放熱および吸熱が可能になるので、各々の電池セル２と熱媒体との間の伝熱効率を向上することができる。
【００７１】
温度調節部３０と電池１との間に放熱板２０が介在していることにより、図３に示すように、温度調節部３０は電池１から離れて配置されている。電池１は、充電と放電とを繰り返す際に、内圧上昇により電池セル２が膨張して変形する場合がある。温度調節部３０が放熱板２０を介在させて電池１と熱的に接触している構造のため、電池１が変形した場合でも、温度調節部３０への影響はなく、電池１と熱媒体との熱交換を同様に行なうことができる。放熱板２０は、平板状の層間プレート部２１が２つの電池セル２間に挟持されている構造であるので、電池１が変形した場合でも、電池セル２と層間プレート部２１との接触を維持することができ、電池１と熱媒体との熱交換効率の低下を抑制することができる。
【００７２】
また図７に示すように、液相流路６０は、熱媒体冷却部４０から温度調節部３０へ向かって低くなるように傾斜している。これにより、熱媒体冷却部４０で液化した液相の熱媒体が温度調節部３０へ移動しやすくなるため、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０との間の熱媒体の循環を促進することができ、より効率よく電池１の温度を調節することができる。なお液相流路６０は、端部６１から端部６２までの全体が水平方向に対して傾斜している必要はなく、水平方向に延びる部分を含んでいても構わない。
【００７３】
また図７に示すように、気相流路５０は、温度調節部３０から熱媒体冷却部４０へ向かって高くなるように傾斜している。これにより、温度調節部３０で気化した気相の熱媒体が熱媒体冷却部４０へ移動しやすくなるため、温度調節部３０と熱媒体冷却部４０との間の熱媒体の循環を促進することができ、より効率よく電池１の温度を調節することができる。なお気相流路５０は、端部５１から端部５２までの全体が水平方向に対して傾斜している必要はなく、水平方向に延びる部分を含んでいても構わない。
【００７４】
気相流路５０の端部５１を温度調節部３０内の液相の熱媒体の液面Ｓ１よりも高い位置に配置し、端部５１から端部５２へ向かって次第に高くなるように気相流路５０を配置するとともに、液相流路６０の端部６２を液面Ｓ１よりも低い位置に配置し、端部６２から端部６１へ向かって次第に高くなるように液相流路６０を配置すれば、熱媒体の気化と液化との繰り返しによる循環流れが形成できる。熱媒体の循環流れを形成することにより、熱媒体の体積膨張によって熱が高速移動できるので、電池温度調節装置１０の性能を向上することができる。
【００７５】
また図１に示すように、気相流路５０は、電池１から離れて配置されている。電池１を冷却するときに、気相流路５０の内部には、温度調節部３０で蒸発し、さらに圧力および温度が上昇した過熱蒸気状態の熱媒体が流れる。気相流路５０を電池１から離して配置することにより、気相流路５０内を流れる熱媒体から電池１への熱伝達が発生して電池１が加熱されてしまう不具合を抑制できるので、より効率よく電池１の温度を調節することができる。
【００７６】
また図１に示すように、温度調節部３０は、熱媒体を加熱する加熱部材７０を有している。これにより、電池１の冷却に用いられるヒートパイプを構成している温度調節部３０に加熱部材７０を追加的に設けるだけの簡単な構成で、電池１を満遍なく昇温できるので、電池１の冷却と昇温との両方に対応した電池温度調節装置１０を実現することができる。またこのとき、電池１を均一に昇温することができる。
【００７７】
また図８に示すように、加熱部材７０は、温度調節部３０内に貯留された液相の熱媒体を加熱する。このようにすれば、液相の熱媒体を加熱部材７０で積極的に昇温することができるため、効率的に温度調節部３０を昇温して、電池１への熱伝達を促進することができる。
【００７８】
（実施の形態２）
上述した実施の形態１では、温度調節部３０が水平方向に延在している例について説明した。電池１が車両に搭載されており、電池温度調節装置１０も車両に搭載されている場合には、車両の走行状態の変動に伴って、水平面に対する電池温度調節装置１０の配置が変化する。具体的には、車両が坂を上るときと下るときとでは、車両の傾斜が大きく異なっていることになる。
【００７９】
電池温度調節装置１０の熱媒体の自然循環をどのような車両姿勢でも実現するためには、液相流路６０が温度調節部３０に接続される端部６２が、温度調節部３０内の液相の熱媒体の液面Ｓ１よりも鉛直方向において下の位置に配置されている必要がある。このような配置を確実に実現するために、温度調節部３０を水平ではなく予め傾斜させておいてもよい。
【００８０】
図９は、実施の形態２の電池温度調節装置１０の構成の概略を示す断面模式図である。図７に示す温度調節部３０と比較して、図９に示す実施の形態２の温度調節部３０は、液相流路６０の端部６２が接続される端部３２が下側となり、気相流路５０の端部５１が接続される端部３１が上側となるように、傾斜して配置されている。
【００８１】
このようにすれば、車両が傾斜した場合にも、鉛直方向において液面Ｓ１よりも端部５１を上に配置し、液面Ｓ１よりも端部６２を下に配置し、かつ、熱媒体冷却部４０に気相流路５０が接続される端部５２を液相流路６０の端部６１よりも上に配置できる。したがって、熱媒体の自然循環を実現することができる。加えて、熱媒体の循環方向が逆転して熱媒体冷却部４０における熱交換性能が低下する不具合を、より確実に回避することができる。
【００８２】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の電池温度調節装置は、ハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などの車両に搭載された電池の温度調節に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００８４】
１  電池、２  電池セル、１０  電池温度調節装置、２０  放熱板、２１  層間プレート部、２２  側壁プレート部、３０  温度調節部、３１，３２，５１，５２，６１，６２  端部、３３  上端、３４，４４  下端、３５，４５  液相媒体部、３６，４６  気相媒体部、４０  熱媒体冷却部、５０  気相流路、６０  液相流路、７０  加熱部材、１００  冷凍サイクル、１１０  圧縮機、１２０  凝縮器、１３０，１７０  膨張弁、１４０  蒸発器、１５０  アキュムレータ、１６０  熱交換器、１６１  筺体、１８０  電磁弁、１９０  配管、Ｇ  地面、Ｓ  積層方向、Ｓ１，Ｓ２  液面。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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