(57)【要約】  コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリは、互いに離間していてそれぞれが低温側と高温側になるように構成される第１および第２部材を含む。第１および第２部材の間には絶縁プレートが配置される。熱電素子が絶縁プレートに配置されて第１および第２部材と作動係合する。締結要素は、組立条件で絶縁プレートを中心に第１および第２部材を互いに固定する。締結要素は、圧縮リミッタとなる仮圧縮材料を含む。
2018522408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリであって、
第１および第２部材が互いに離間しており、それぞれが低温側と高温側になるように構成され、
前記第１および第２部材の間に絶縁プレートが配置され、
熱電素子が前記絶縁プレートに配置されて前記第１および第２部材と作動係合し、
締結要素が、組立条件で前記絶縁プレートを中心に前記第１および第２部材を互いに固定して、圧縮リミッタとなる仮圧縮材料を前記締結要素が含む、
アセンブリ。
【請求項２】
前記仮圧縮材料が、前記組立条件での液体状態と前記組立条件での硬化状態とを含み、前記硬化状態での前記仮圧縮材料が、前記液体状態での前記仮圧縮材料よりも高い程度まで前記第１および第２部材の間の移動を阻止するように構成されている、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記仮圧縮材料がエポキシである、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記仮圧縮材料がＲＴＶである、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記締結要素が、前記熱電素子を中心に前記第１および第２部材をクランプして前記組立条件でクランプ負荷を付与するネジ締結具を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記仮圧縮材料が前記熱電素子を中心に前記第１および第２部材をクランプしてネジ締結具を伴わずに前記組立条件でクランプ負荷を付与する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記第１および第２部材が金属であって前記絶縁プレートがプラスチックである、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記第２熱部材が、前記熱電素子を支持する隆起パッドを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記パッドと前記熱電素子との間に係合状態で配置されるサーマルホイルを包含する、請求項８に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記熱電素子がペルティエ素子である、請求項８に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記絶縁プレートと協働して前記絶縁プレートと前記第２部材とを互いに横方向に位置決めする突部を前記第２部材が含み、前記仮圧縮材料が前記突部に設けられる、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記締結要素が、前記突部のネジ内径部に固定されるネジ締結具を含む、請求項１１に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記絶縁プレートが、前記熱電素子を囲繞する少なくとも４個の個別の突部を有する、請求項１１に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記第１および第２部材が第１および第２熱スプレッダであり、前記第１および第２熱スプレッダと前記絶縁プレートとが互いに固定されて前記熱電モジュールアセンブリが設けられる、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記第１部材が熱スプレッダとなって前記第２部材が低温プレートアセンブリとなり、冷却通路で循環される冷却剤を収容するように構成されている冷却通路を前記低温プレートアセンブリが含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
熱電モジュールアセンブリを製造する方法であって、
第１および第２部材の間に仮圧縮材料を設けるステップと、
熱電素子を中心に前記第１および第２部材をクランプして前記熱電素子にクランプ負荷を付与するステップと、
前記クランプ負荷を維持しながら前記仮圧縮材料を凝固させるステップと、
を包含する方法。
【請求項１７】
前記仮圧縮材料が液体状態と前記クランプ負荷を受けた硬化状態とを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記クランプステップが、ネジ締結具を締め付けて前記第１および第２部材を互いに固定することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
凝固した前記仮圧縮材料が、バッテリ負荷を受けた前記熱電素子の圧縮を制限する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記仮圧縮材料が前記クランプステップの後に前記クランプ負荷を維持する、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年６月１０日に出願されて参照により援用される米国仮出願第６２／１７３，４８５号の優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、バッテリなどの車両コンポーネントを冷却するのに使用される熱電モジュールに関する。詳しく記すと、この開示は、熱伝達効率を向上させる圧縮リミッタ構成に関する。
【背景技術】
【０００３】
リチウムイオンバッテリは、車両に推進力を提供する電気モータに動力を提供するため乗用車や他のタイプの車両で使用される。このようなバッテリは大量の熱を発生するため、性能低下を防止するにはバッテリが冷却されなければならない。
【０００４】
提案されている車両バッテリ冷却配置タイプの一つは、バッテリの下で低温プレートアセンブリに隣接して配置される熱電モジュールを含む。熱電モジュールは、ペルティエ効果に基づいて作動しバッテリに隣接して冷却を行う熱電素子を含む。熱電素子内を伝達された熱は、冷却流体が循環して熱交換器へ送られる低温プレートアセンブリに排出される。
【０００５】
熱電モジュール内の幾つかのコンポーネントで効率的に熱を伝達する一方で熱電モジュール内の他のコンポーネントを絶縁するように熱電モジュールを設計することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な一実施形態において、コンポーネントを温度調節するための熱電モジュールアセンブリは、互いに離間しておりそれぞれが低温側と高温側になるように構成されている第１および第２部材を含む。第１および第２部材の間には絶縁プレートが配置されている。熱電素子は絶縁プレートに配置され、第１および第２部材と作動係合する。締結要素は、組立条件で絶縁プレートを中心として第１および第２部材を互いに固定する。締結要素は、圧縮リミッタとなる仮圧縮材料を含む。
【０００７】
上記のさらなる実施形態において、仮圧縮材料は、組立条件での液体状態と組立条件での硬化状態とを含む。硬化状態での仮圧縮材料は、液体状態での仮圧縮材料よりも高い程度まで第１および第２部材の間の移動を阻止するように構成されている。
【０００８】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、仮圧縮材料はエポキシである。
【０００９】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、仮圧縮材料はＲＴＶである。
【００１０】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、締結要素は、熱電素子を中心に第１および第２部材をクランプして組立条件でクランプ負荷を付与するネジ締結具を含む。
【００１１】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、仮圧縮材料は、熱電素子を中心に第１および第２部材をクランプして、ネジ締結具を伴わずに組立条件でクランプ負荷を付与する。
【００１２】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、第１および第２部材は金属であって絶縁プレートはプラスチックである。
【００１３】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、第２熱部材は、熱電素子を支持する隆起パッドを含む。
【００１４】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、パッドと熱電素子との間にサーマルホイルが係合状態で配置される。
【００１５】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、熱電素子はペルティエ素子である。
【００１６】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、第２部材は、絶縁プレートと協働して絶縁プレートと第２部材とを互いに対して横方向に位置決めする突部を含む。仮圧縮材料は突部に設けられる。
【００１７】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、締結要素は、突部のネジ内径部に固定されるネジ締結具を含む。
【００１８】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、絶縁プレートは、熱電素子を囲繞する少なくとも４個の個別の突部を有する。
【００１９】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、第１および第２部材は第１および第２熱スプレッダである。第１および第２熱スプレッダと絶縁プレートとは互いに固定されて熱電モジュールアセンブリとなる。
【００２０】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、第１部材は熱スプレッダになり、第２部材は低温プレートアセンブリになる。低温プレートアセンブリは、冷却通路で循環される冷却剤を収容するように構成されている冷却通路を含む。
【００２１】
別の例示的な実施形態において、熱電モジュールアセンブリを製造する方法は、第１および第２部材の間に仮圧縮材料を設けるステップを含む。第１および第２部材は熱電素子を中心にクランプされて、熱電素子にクランプ負荷を付与する。仮圧縮材料はクランプ負荷を維持しながら凝固される。
【００２２】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、仮圧縮材料は、液体状態とクランプ負荷を受けた硬化状態とを含む。
【００２３】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、クランプステップは、ネジ締結具を締め付けて第１および第２部材を互いに固定することを含む。
【００２４】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、凝固した仮圧縮材料は、バッテリ負荷を受けた熱電素子の圧縮を制限する。
【００２５】
上記のいずれかのさらなる実施形態において、仮圧縮材料は、クランプステップの後でクランプ負荷を維持する。
【００２６】
添付図面と関連して検討されると、以下の詳細な説明の参照により開示内容がさらに理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】車両システム温度が冷却システムにより調整される車両の非常に概略的な図である。
【図１Ｂ】熱電モジュールアセンブリと低温プレートアセンブリとを含む冷却システムを図示している。
【図２】熱電モジュールアセンブリの分解斜視図である。
【図３Ａ】熱スプレッダに取り付けられた絶縁プレートの斜視図である。
【図３Ｂ】熱電素子が絶縁プレートに配置された、図３Ａに示された絶縁プレートおよび熱スプレッダの斜視図である。
【図４】熱電モジュールアセンブリの斜視図である。
【図５】一つの熱電モジュールアセンブリの断面図である。
【図６】別の熱電モジュールアセンブリの断面図である。
【図７Ａ】仮圧縮性圧縮リミッタを使用する組立手順の概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示された組立手順の後の熱電モジュールアセンブリの概略図である。
【００２８】
前出の段落、請求項、または以下の説明および図面の実施形態と例と代替例は、その様々な態様のいずれかまたはそれぞれの個別特徴を含み、単独または組み合わせで解釈される。一実施形態に関連して説明される特徴は、このような特徴が不適合である場合を除いてすべての実施形態に適用可能である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１Ａには、車両１０が概略的に図示されている。車両１０は、加熱または冷却される必要がある車両システム１２を含む。一例において、車両システム１２は、車両推進に使用されて大量の熱を発生するリチウムイオンバッテリなどのバッテリ１４を含む。このようなバッテリは動作中に冷却されなければならず、さもなければバッテリ効率および／または完全性が低下しうる。
【００３０】
冷却システム１８は、スタックのバッテリ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１６との間に配置されて、バッテリ１４から熱を除去することにより車両システム１２を冷却する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、バッテリ１４と車両電気部品との間の電気インタフェースとなる。冷却システム１８は、冷却ループ２４との連通状態にある低温プレートアセンブリ２２に取り付けられる熱電モジュールアセンブリ２０を含む。グリコールなどの冷却流体は、冷却ループ２４の中でポンプ３１により循環される。熱交換器２６に接続される冷却剤供給および復帰ライン３０，３２を通る冷却剤に、低温プレートアセンブリ２２を介して熱が排出される。熱交換器２６の中の冷却剤から例えば周囲環境へ熱を除去するのに、ファンまたはブロワ２８が使用されうる。
【００３１】
制御装置３４は、車両１０と車両システム１２と冷却システム１８の様々なコンポーネントと通信して、バッテリ冷却を調整する。センサと出力（不図示）が制御装置３４に接続されてもよい。
【００３２】
図１Ｂには冷却システム１８の例が詳しく示されている。熱電モジュールアセンブリ２０は、バッテリ１４の表面３６を支持する低温側３８を含む。プラスチックで製作される絶縁プレート５０は熱電素子を支承し（図２の５８に図示）、低温側３８（バッテリ１４）を高温側４０（低温プレートアセンブリ２２）から分離する。
【００３３】
低温プレートアセンブリ２２は、低温プレートアセンブリ２２で冷却剤を連通させて高温側４０から排出された熱を受け取る流体通路網４３を包囲するように互いに固定される第１および第２低温プレート４２，４４を含む。熱電モジュールアセンブリ２０と低温プレートアセンブリ２２との間にはシール４１が設けられうる。加熱された冷却剤は、スタックから離れたところに位置決めされうる熱交換器２６に伝達される。
【００３４】
図２を参照すると、熱電モジュールアセンブリ２０の例が詳しく示されている。低温および高温側３８，４０はそれぞれ、金属で製作される第１および第２熱スプレッダ４６，４８により設けられる。絶縁プレート５０は、低温プレートアセンブリ２２に固定されうる単一のユニットに組み立てられると、第１および第２熱スプレッダ４６，４８の間に挟持される。
【００３５】
絶縁プレート５０は、熱電素子５４が配置される開口部５２を含む。この例において、熱電素子はペルティエ効果を利用して、第１熱スプレッダに隣接する低温側と、第２熱スプレッダ４８に隣接する高温側とを設ける。
【００３６】
絶縁プレート５０は、熱電モジュールアセンブリ２０の熱電素子５４のワイヤ６１を収容する形成ワイヤ通路６０を含む。この例では、３個のペルティエ素子が互いに直列に配線されている。
【００３７】
マトリクス状のボイド６２が絶縁プレート５０に設けられて、絶縁プレート５０の熱質量を低減させるとともに、第１および第２熱スプレッダ４６，４８を互いから絶縁する空隙となる。ボイド６２は、適当な大きさ、形状、またはパターンでよい。ボイドは、絶縁プレート５０（図示）の厚さと比べて深い凹部であっても、絶縁プレート５０の全体を貫通してもよい。
【００３８】
第２熱スプレッダ４８は、絶縁プレート５０に向かって上向きに延出して熱電素子５４を支持する隆起パッド６４を含む。サーマルホイル６６が熱電素子５４と第１および第２熱スプレッダ４６，４８との間に設けられて、熱効率のためコンポーネント間の適切な係合を保証する。
【００３９】
図２および３Ａ〜３Ｂを参照すると、絶縁プレート５０は、第１および第２熱スプレッダ４６，４８に関して絶縁プレート５０を位置決めするのに使用されうるスペーサ６８を含む。突部７０は例えば第２熱スプレッダ４８に設けられて、組立中に第２熱スプレッダ４８に対して絶縁プレート５０を位置決めする。
【００４０】
熱電素子５４への所定のクランプ負荷を維持して、スタックの熱電素子５４と隣接コンポーネントとの間での充分な係合および熱伝達を保証することが望ましい。しかしながら、熱電素子５４の損傷を防止するため、特にバッテリ１４の重量を受けた状態では、熱電素子５４への負荷が制限されなければならない。この目的のため、第１および第２熱スプレッダ４６，４８の間に仮圧縮材料９４（図５および６）が設けられる。仮圧縮材料９４は液体状態では比較的圧縮可能であるが、硬化状態では実質上は比較的剛性である。こうして、組立中には液体／未硬化の仮圧縮材料９４がコンポーネントの間の公差の積み重ねに対応し、そしていったん硬化すると仮圧縮材料９４が剛性になることで、バッテリ１４の重量を受けた熱電素子５４の過負荷を防止する。
【００４１】
図４および５を参照すると、この例では第１および第２熱スプレッダ４６，４８により全体が設けられる熱電モジュールアセンブリ２０の第１および第２部材の間に熱電素子５４が挟持されている。熱電モジュールアセンブリ２０のコンポーネント間の公差の積み重ねに対応するように、突部７０は第１熱スプレッダ４６までの距離全体に延在しているわけではない。この例では、絶縁プレート５０は第１厚さを有し、突部７０は第１厚さより小さい第２厚さを有する。例えばＲＴＶシリコンやエポキシなどの仮圧縮材料９４が突部７０の端部に付着され、第１熱スプレッダ４６の下側と係合する。硬化中に充分な材料を突部７０の上に維持するのに望ましい粘度が選択される。硬化した圧縮材料は第１および第２厚さの差を補う。接着剤、プラスチック、はんだスズ、他の材料が使用されうる。
【００４２】
この例で、締結具７４などの締結要素は第１熱スプレッダ４６の孔に延在して突部７０のネジ内径部７２に収容され、第１および第２スプレッダ４６，４８と絶縁プレート５０のスタックを固定する。仮圧縮材料９４は、この例ではそれぞれの締結具７４を包囲している。それゆえ、仮圧縮材料９４の硬化に先立って締結具７４を第２熱スプレッダ４８に固定することが望ましい。仮圧縮材料９４がまだ未硬化である間に、締結具７４が所望のクランプ負荷まで所定のトルクで締め付けられる。それから、バッテリ１４が熱電モジュール２０に取り付けられる前に仮圧縮材料９４が硬化または凝固して剛性となるため、液体状態である時の仮圧縮材料９４よりも高い程度まで第１および第２熱スプレッダ４６，４８の間の移動が阻止される。
【００４３】
仮圧縮材料９４はコンポーネント公差の変化に対応できるので、サーマルホイル６６が取り除かれるか薄いホイルが使用されうる。
【００４４】
図６に示されているように、第２熱スプレッダ４８が取り除かれて、第１熱スプレッダ４６が低温プレートアセンブリ２２に固定されうる。仮圧縮材料９４は、図４および５に関して上述したのと同じように使用される。
【００４５】
図７Ａおよび７Ｂに示されている例では、締結具７４が取り除かれ、第１および第２熱スプレッダ１４６，１４８を固定するのに仮圧縮材料１９４が使用される。このような配置では、アセンブリ負荷（図６の対向矢印）が熱電モジュールアセンブリ１２０で維持され、仮圧縮材料１９４が硬化するまで所望のクランプ負荷が熱電素子５４に印加される。それからアセンブリ負荷が除去され、硬化した仮圧縮材料１９４によりクランプ負荷が維持されて第１および第２負荷プレッダ１４６，１４８を互いに接着する。
【００４６】
動作時に、仮圧縮材料９４は、バッテリ重量を受けた状態でバッテリ１４が熱電素子５４に過負荷を与えるのを防止する。望ましくないバッテリ温度が制御装置３４により検出される。熱電素子５４に通電されて熱電素子５４に低温側が発生し、これがバッテリ１４に隣接する第１熱スプレッダ４６に伝達されて、これらのコンポーネントの間の温度差を大きくするとともに間の熱伝達を高める。バッテリからの熱は、第１熱スプレッダ４６から熱電素子５４を通って第２熱スプレッダ４８へ伝達される。しかしながら、絶縁プレート５０は第１熱スプレッダ４６から第２熱スプレッダ４８へ熱が伝達されるのを防止するように作用する。第２熱スプレッダ４８は、低温プレートアセンブリ２２内の冷却剤へ熱を排出する。低温プレートアセンブリ２２から熱交換器２６へ冷却剤が循環し、熱交換器は周囲環境へ熱を排出して、この熱伝達率はブロワ２８の使用により高められる。
【００４７】
図の実施形態では、特定のコンポーネント配置が開示されているが、他の配置がここから導出されることが理解されるべきである。特定のステップ順序が図示、説明、請求されているが、他に指摘されていなくても本発明から導出されるのであれば、ステップはいかなる順序で実施されても、分離されても、また組み合わされてもよいことも理解されるべきである。
【００４８】
異なる例でも図示された固有のコンポーネントを有するが、本発明の実施形態はこれら特定の組み合わせには限定されない。一つの例からのコンポーネントまたは特徴の幾つかを別の例からの特徴またはコンポーネントとの組み合わせで使用することが可能である。
【００４９】
実施形態例を開示したが、当業者であれば、ある種の変形が請求項の範囲に含まれることを認識するだろう。その理由から、真の範囲および内容を判断するには以下の請求項が検討されるべきである。
【符号の説明】
【００５０】
１０  車両
１２  車両システム
１４  バッテリ
１６  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１８  冷却システム
２０  熱電モジュールアセンブリ
２２  低温プレートアセンブリ
２４  冷却ループ
２６  熱交換器
２８  ファン／ブロワ
３０  冷却剤供給ライン
３１  ポンプ
３２  冷却剤復帰ライン
３４  制御装置
３６  バッテリ表面
３８  低温側
４０  高温側
４１  シール
４２  第１低温プレート
４３  流体通路網
４４  第２低温プレート
４６，１４６  第１熱スプレッダ
４８，１４８  第２熱スプレッダ
５０  絶縁プレート
５２  開口部
５４  熱電素子
６０  ワイヤ通路
６１  ワイヤ
６２  ボイド
６４，１６４  パッド
６６  サーマルホイル
６８  スペーサ
７０，１７０  突部
７２  内径部
７４  締結具
９４，１９４  仮圧縮材料
【図１Ａ】
2018522408.tif 000003
【図１Ｂ】
2018522408.tif 000004
【図２】
2018522408.tif 000005
【図３Ａ】
2018522408.tif 000006
【図３Ｂ】
2018522408.tif 000007
【図４】
2018522408.tif 000008
【図５】
2018522408.tif 000009
【図６】
2018522408.tif 000010
【図７Ａ】
2018522408.tif 000011
【図７Ｂ】
2018522408.tif 000012
【国際調査報告】
2018522408.tif 000013
2018522408.tif 000014
2018522408.tif 000015