(57)【要約】【課題】省スペース化を図りつつ、冷却能力を向上させることが可能な冷却機構を提供する。【解決手段】  ヒートパイプ５は、複数の発熱体２の間の領域２ａを延びる第１の部分である蒸発部５ａと、発熱構造体２１の外部に位置する第２の部分である凝縮部５ｂとを有する。凝縮部５ｂは蒸発部５ａと異なる方向に延びている。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発熱体を備えた発熱構造体の冷却機構であって、
前記複数の発熱体の間の領域を延びる第１の部分と、前記発熱構造体の外部に位置する第２の部分とを有するヒートパイプを複数有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分と異なる方向に前記発熱構造体の外面に沿って延び
前記発熱構造体は複数の前記領域を有し、複数の前記領域のそれぞれには、少なくとも一つの前記ヒートパイプの前記第１の部分が延び、
複数の前記ヒートパイプのそれぞれの前記第２の部分は互いに平行に延び、当該ヒートパイプのそれぞれの前記第１の部分は、前記領域の面内方向であって前記第１の部分の延びる方向と直交する方向に関し、互いに異なる位置を延び、
複数の前記発熱体は一方向に配列しており、複数の前記ヒートパイプのそれぞれの前記第２の部分は前記一方向に延び、複数の前記ヒートパイプには、前記第２の部分の先端が第１の向きに向いている前記ヒートパイプと、前記第２の部分の先端が前記第１の向きとは逆の前記第２の向きに向いているヒートパイプとがある、発熱構造体の冷却機構。
【請求項２】
前記第２の部分は複数の屈曲部を有している、請求項１に記載の冷却機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱構造体の冷却機構に関し、特には、複数の発熱体を備えた発熱構造体を冷却する冷却機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の発熱体が並設された発熱構造体を冷却する冷却機構として、空冷式の冷却機構が知られている。空冷式の冷却機構は、発熱体と発熱体の間に設けられた流路を有し、それらの流路に空気を流すことで各発熱体を冷却している。この冷却機構において、空気の流量を増やして冷却能力を向上させるためには、流路のギャップを大きくする必要があるが、流路のギャップを大きくすると、冷却機構の大型化を招いてしまう。
【０００３】
これに対して特許文献１には、作動流体が封入されたヒートパイプを備える冷却機構で二次電池を冷却する携帯型電気機器が開示されている。この携帯型電気機器では、二次電池にヒートパイプが挿入されている。ヒートパイプの凝縮部は外部に露出して、空気の流れる排気流路に配置されている。ヒートパイプの露出した部分には、複数の放熱フィンが装着されている。この構成により、二次電池の熱は、ヒートパイプおよび放熱フィンを介して排気流路を流れる空気中に放出される。したがって、空気よりも熱伝導率が高い作動流体を使用して二次電池を冷却することができ、また、放熱フィンなどにより伝熱面積を増加させることができるため、冷却機構の大型化を抑制しながら、冷却能力を向上させることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５５９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたヒートパイプを備えた冷却機構では、ヒートパイプの露出した凝縮部で放熱を行うため、冷却能力を向上させるためには、凝縮部を長くすることが重要である。しかしながら、凝縮部を長くすると、発熱構造体から離れる方向に向かって冷却機構が長くなってしまうため、発熱構造体の周辺にスペースが必要となる。しかしながら、発熱構造体が他の装置などに組み込まれている場合などでは、周辺にスペースを設けることが難しい。
【０００６】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、省スペース化を図りつつ、冷却能力を向上させることが可能な発熱構造体の冷却機構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】
【０００７】
本発明による発熱構造体の冷却機構は、
複数の発熱体を備えた発熱構造体の冷却機構であって、
前記複数の発熱体の間の領域を延びる第１の部分と、前記発熱構造体の外部に位置する第２の部分とを有するヒートパイプを複数有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分と異なる方向に前記発熱構造体の外面に沿って延び
前記発熱構造体は複数の前記領域を有し、複数の前記領域のそれぞれには、少なくとも一つの前記ヒートパイプの前記第１の部分が延び、
複数の前記ヒートパイプのそれぞれの前記第２の部分は互いに平行に延び、当該ヒートパイプのそれぞれの前記第１の部分は、前記領域の面内方向であって前記第１の部分の延びる方向と直交する方向に関し、互いに異なる位置を延び、
複数の前記発熱体は一方向に配列しており、複数の前記ヒートパイプのそれぞれの前記第２の部分は前記一方向に延び、複数の前記ヒートパイプには、前記第２の部分の先端が第１の向きに向いている前記ヒートパイプと、前記第２の部分の先端が前記第１の向きとは逆の前記第２の向きに向いているヒートパイプとがある。
【０００８】
上記発明によれば、ヒートパイプにおける発熱構造体の外部に位置する第２の部分が、発熱構造体が備える複数の発熱体の間の領域を延びる第１の部分とは異なる方向に延びているため、第２の部分を長くしても、発熱構造体の外側に向かって冷却機構が延びることを抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
したがって、本発明によれば、省スペース化を図りつつ、冷却能力を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態の冷却機構を備えた装置を模式的に示す斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る冷却機構を備えた装置を示す概略縦断面図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る冷却機構を備えた装置を示す概略側方断面図である。
【図１Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る冷却機構を備えた装置を示す概略横断面図である。
【図２】図１に示す冷却機構を備えた装置のヒートパイプが露出した面の概略図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態に係る冷却機構を備えた装置を示す概略縦断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る冷却機構を備えた装置を示す概略横断面図である。
【図４】図３に示す冷却機構を備えた装置のヒートパイプが露出した面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１２】
図１Ａは、本発明の第１の実施形態の冷却機構を備えた装置を模式的に示す斜視図である。図１Ｂ〜図１Ｄは、本発明の第１の実施形態の冷却機構を備えた装置を示す概略断面図である。具体的には、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線に沿った、冷却機構を備えた装置の概略縦断面図、図１Ｃは、図１ＡのＢ−Ｂ線に沿った、冷却機構を備えた装置の概略側方断面図、図１Ｄは、図１ＡのＣ−Ｃ線に沿った、冷却機構を備えた装置の概略横断面図である。
【００１３】
図１Ａに示す冷却機構を備えた装置１は、複数の発熱体２を備えた発熱構造体２１を有する。発熱体２は、例えば、充放電可能な電池セルであり、発熱構造体２１は、電池セルを複数備えた電池である。なお、電池セルとしては、リチウムイオン電池セルが挙げられる。冷却機構を備えた装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車のような別の装置に組み込まれていてもよい。発熱体２の形状、個数および配置は特に限定されない。図１の例では、平板形状の６個の発熱体２が一方向に配列されている。
【００１４】
複数の発熱体２の間の領域２ａには、図１Ａに示すように熱伝導材料（ＴＩＭ：Thermal Interface Material）で形成された熱伝導性シート３を介して、アルミブロック４とアルミブロック４に支持されたヒートパイプ５とが挿設される。熱伝導性シート３は、各発熱体２における他の発熱体と対向する面に予め接着されており、発熱体２で発生した熱を効率的にヒートパイプ５に伝達する。熱伝導性シート３を形成する熱伝導材料は、発熱体２の種類などに応じて適宜選択することができ、例えば、発熱体２が電池セルのような電気部品の場合、電気絶縁性を有する材料を用いることが望ましい。なお、熱伝導性シート３は本発明の必須の要素ではない。
【００１５】
アルミブロック４は、ヒートパイプ５を支持する支持部材であり、熱伝導性シート３と密着するように領域２ａに挿設されている。アルミブロック４には、挿入凹部または挿入孔（共に図示せず）が設けられており、その挿入凹部または挿入孔にヒートパイプ５が挿入される。このとき、挿入凹部または挿入孔にグリースが予め塗布され、その潤滑剤が塗布された挿入凹部または挿入孔にヒートパイプ５が挿入されてもよい。なお、グリースは、具体的には、発熱体２からヒートパイプ５までの熱抵抗を下げるためのサーマルグリースである。また、ヒートパイプ５を支持する支持部材としては、アルミブロック４とは異なる部材が使用されてもよいし、ヒートパイプ５が発熱体２によって挟持できるのであれば、支持部材はなくてもよい。
【００１６】
アルミブロック４およびヒートパイプ５は、複数の領域２ａにそれぞれ挿設されてもよい。このとき、アルミブロック４およびヒートパイプ５は、全ての領域２ａに挿設されてもよいし、一部の領域２ａにだけ挿設されてもよい。図１の例では、アルミブロック４およびヒートパイプ５は、３つの領域２ａにだけ挿設されている。アルミブロック４およびヒートパイプ５が挿設されていない領域２ａには、熱伝導性シート３のみが形成されている。また、同一の領域２ａに複数のヒートパイプ５が挿設されてもよい。図１の例では、所定の領域２ａには、少なくとも一つのヒートパイプ５が挿入され、複数のヒートパイプ５が挿設された領域２ａと、１つのヒートパイプ５が挿設された領域２ａとが混在している。
【００１７】
ヒートパイプ５は、中空部を有する中空菅であり、中空部には、水やアルコールなどの作動流体が封入されている。ヒートパイプ５は、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように領域２ａを延びる第１の部分である蒸発部５ａと、発熱構造体２１の外部に位置する第２の部分である凝縮部５ｂとを有する。なお、図１Ｃでは、実際には、１本のヒートパイプ５の蒸発部５ａおよび凝縮部５ｂと、３本のヒートパイプ５の凝縮部５ｂのみが見えるが、便宜上、凝縮部５ｂのみが見えるヒートパイプ５の蒸発部５ａも点線で示している。また、図１Ｄでは、実際には、１本のヒートパイプ５の蒸発部５ａおよび凝縮部５ｂのみが見えるが、便宜上、見えない３本のヒートパイプ５の蒸発部５ａも示している。
【００１８】
凝縮部５ｂは、蒸発部５ａとは異なる方向に延びている。つまり、蒸発部５ａが延びる方向と凝縮部５ｂが延びる方向は交差する。また、本実施形態では、複数のヒートパイプ５のそれぞれの蒸発部５ａは、領域２ａの面内方向において蒸発部５ａの延びる方向と直交する方向に関し、それぞれ異なる位置を延びている。このため、図１Ｂ〜図１Ｄの紙面左右方向から見ると、複数のヒートパイプ５のそれぞれの蒸発部５ａは重なっていない。複数のヒートパイプ５のそれぞれの凝縮部５ｂはそれぞれ平行に、発熱構造体２１の外面に沿って延びている。発熱構造体２１の外面は、発熱構造体２１の発熱体２の外部に露出した面を繋げた面である。本実施形態の構成とすることで、凝縮部５ｂを発熱構造体２１の外面に効率良く配置することができる。また、凝縮部５ｂには、ヒートパイプ５から熱を空気中に放熱するためのフィン６が複数設けられる。凝縮部５ｂおよびフィン６は、空気Ａが流れる流路を形成するダクト７に覆われている。なお、図１Ａでは、ダクト７を省略している。
【００１９】
図２は、ヒートパイプ５およびフィン６の構成をより詳細に説明するための図であり、冷却機構を備えた装置１におけるヒートパイプ５が露出した面を示す概略図である。図２に示すように、凝縮部５ｂは屈曲部５ｂ１と直線部５ｂ２とを有し、直線部５ｂ２は発熱構造体２１の端まで延びている。フィン６は、直線部５ｂ２に複数並設される。凝縮部５Ｂの先端の向きや凝縮部５Ｂの長さはヒートパイプ５に応じて異なっていてもよい。図２の例では、凝縮部５Ｂとして、第１の向きである紙面右向きに延びるものと、第１の向きとは逆の第２の向きである紙面左向きに延びるものとが混在しており、また、異なる長さを有するものも混在している。このとき、互いに異なるヒートパイプ５の凝縮部５ｂが互いに接触しないように凝縮部５ｂが配置される。なお、ダクト７は、図示していないファンの回転によって、直線部５ｂ２の延びている方向とは直交する方向に空気Ａが流れるように設けられる。また、熱伝導性シート３、アルミブロック４、ヒートパイプ５、フィン６およびダクト７は、発熱構造体２１を冷却する冷却機構３１を構成する。
【００２０】
以上の構成により、各発熱体２で発生した熱は、熱伝導性シート３およびアルミブロック４を介して、ヒートパイプ５における領域２ａを延びる第１の部分である蒸発部５ａに伝達される。この熱移動によりヒートパイプ５内に封入された作動流体が蒸発部５ａにおいて蒸発し、その蒸発に伴って潜熱（気化熱）を吸収する。これにより、発熱体２で発生した熱がヒートパイプ５に吸収されることになる。また、蒸発した作動流体は、ヒートパイプ５内を拡散移動して、凝縮部５ｂに達する。凝縮部５ｂに達した作動流体は、凝縮部５ｂで冷却され凝縮し、その凝縮に伴って潜熱（凝縮熱）を放出する。この放出された熱は、ダクト７内を流れる空気Ａに放熱される。したがって、各発熱体２で発生した熱は最終的にダクト７内の空気Ａに放熱されることとなる。このとき、発熱体２で発生した熱を効率良く放熱するためには、発熱体２の表面からヒートパイプ５の凝縮部５ｂまでの熱抵抗である総熱抵抗Ｒをできるだけ小さくすることが重要である。
【００２１】
総熱抵抗Ｒは、具体的には、Ｒ＝ＲＴＩＭ＋ＲＡ＋Ｒｅ＋Ｒｃ＋Ｒｆと表すことができる。ＲＴＩＭは熱伝導性シート３の熱抵抗、ＲＡはアルミブロック４の熱抵抗、Ｒｅはヒートパイプ５の蒸発部５ａの熱抵抗、Ｒｃはヒートパイプ５の凝縮部５ｂの熱抵抗、Ｒｆはフィン６の熱抵抗である。また、凝縮部５ｂの熱抵抗Ｒｃは、Ｒｃ＝１/（αｃ・Ａｃ）と表すことができる。ここでαｃは凝縮部５ｂの熱伝達率、Ａｃは凝縮部５ｂの内表面積である。凝縮部５ｂの内表面積Ａｃは、凝縮部５ｂが長いほど、大きくなる。例えば、ヒートパイプ５の内径が一定の場合、凝縮部５ｂの内表面積Ａｃは、円周率と、ヒートパイプ５の内径と、凝縮部５ｂの長さとの積で表される。このため、凝縮部５ｂを長くするほど、凝縮部５ｂの熱抵抗Ｒｃは小さくなり、その結果、総熱抵抗Ｒも小さくなるため、発熱体２で発生した熱を効率良く放熱することができる。
【００２２】
本実施形態では、ヒートパイプ５の凝縮部５ｂが、複数の発熱体２の間の領域２ａを延びる蒸発部５ａとは異なる方向に延びているため、凝縮部５ｂを長くしても、発熱構造体２１から離れる方向に向かって冷却機構３１が長くなることを抑制することが可能になる。したがって、省スペース化を図りつつ、冷却能力を向上させることが可能になる。
【００２３】
また、発熱構造体２１を冷却する冷却機構として空冷式の冷却機構が使用された場合、発熱構造体２１はダクトに設けられたファンによる風でのみ冷却されるため、ファンが停止すると、冷却機構による冷却は停止される。一方、本実施形態では、ヒートパイプ式の冷却機構３１が使用されているため、ファンが停止しても、ダクト７内の空気により凝縮部５ｂが冷却されてヒートパイプ５内の作動流体の自然対流が発生することにより、ヒートパイプ５による発熱構造体２１の冷却は持続する。このため、発熱構造体２１が高温状態でファンが停止される状況でも、本実施形態では、発熱構造体２１を速やかに冷却することができる。例えば、発熱構造体２１がハイブリッド自動車や電気自動車で使用されているリチウムイオン電池の場合、空冷式の冷却機構が使用されると、自動車が停止してからリチウムイオン電池が常温になるまで４時間程度必要となるが、本実施形態では、ヒートパイプ式の冷却機構３１が使用されているため、自動車が停止してからリチウムイオン電池が常温になるまで２時間程度で十分である。
【００２４】
また、ファンが停止している状態で発熱構造体２１が発熱するような状況でも、発熱構造体２１の温度上昇を抑制することができる。例えば、リチウムイオン電池は通常の充電であればあまり発熱しないため、ハイブリッド自動車や電気自動車などでは、充電中にはファンは停止している。しかしながら、リチウムイオン電池の急速充電を行うと、リチウムイオン電池は発熱することがある。この場合、空冷式の冷却機構が使用されていて、ファンが停止されていると、リチウムイオン電池が高温になり、急速充電後直ぐには自動車を走行することができなくなるなどの不具合が生じる。また、リチウムイオン電池の急速充電中にファンが稼働されると、電力が消費されるため、充電時間が長くなってしまう。これに対して本実施形態では、ヒートパイプ式の冷却機構３１が使用されているため、ファンを稼働しなくても、リチウムイオン電池が高温になることを抑制することができるので、短い時間で充電が可能であり、また、急速充電後に速やかに自動車を走行させることが可能である。
【００２５】
また、空冷式の冷却機構が使用されていて、自動車の駆動中にファンが故障すると、リチウムイオン電池が高温状態となり、その結果、自動車やリチウムイオン電池に不具合が発生する恐れがある。本実施形態では、ファンが故障しても冷却を維持することができるため、自動車やリチウムイオン電池に不具合が発生することを抑制することが可能になる。
【００２６】
次に第２の実施形態について説明する。図３Ａ、図３Ｂおよび図４は、本発明の第２の実施形態の冷却機構を備えた装置を示す概略図である。具体的には、図３Ａは冷却機構を備えた装置１の概略縦断面図、図３Ｂは図３ＡのＤ−Ｄ線に沿った、冷却機構を備えた装置１の概略横断面図、図４は冷却機構を備えた装置１におけるヒートパイプ５が露出した面を示す図である。
【００２７】
図３Ａ、図３Ｂおよび図４に示す冷却機構を備えた装置１は、図１Ａ〜図１Ｄおよび図２で示した第１の実施形態の冷却機構を備えた装置１と同じ構成を有するが、ヒートパイプ５の凝縮部５ｂの形状が第１の実施形態とは異なる。第１の実施形態では、凝縮部５ｂは屈曲部５ｂ１を１つ有していたが、本実施形態では、凝縮部５ｂは、複数の屈曲部５ｂ１を有している。具体的には、凝縮部５ｂは、発熱構造体２１から露出した箇所で発熱構造体２１の外面に沿った方向に屈曲し、さらに、発熱構造体２１の一端部でＵ字型に屈曲して発熱構造体２１の他端部まで延びている。フィン６は、第１の実施形態と同様に直線部５ｂ２に複数並設される。なお、図３Ｂでは、実際には、１本のヒートパイプ５の蒸発部５ａおよび凝縮部５ｂのみが見えるが、便宜上、見えない３本のヒートパイプ５の蒸発部５ａも示している。
【００２８】
本第２の実施形態によれば、凝縮部５ｂが複数の屈曲部５ｂ１を有しているため、発熱構造体２１から離れる方向に向かって長くすることなく、凝縮部５ｂをさらに長くすることが可能になり、冷却能力をさらに向上させることが可能になる。
【００２９】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３０】
１  冷却機能を備えた装置
２  発熱体
３  熱伝導性シート
４  アルミブロック
５  ヒートパイプ
５ａ  蒸発部
５ｂ  凝縮部
５ｂ１  屈曲部
５ｂ２  直線部
６  フィン
７  ダクト
２１  発熱構造体
３１  冷却機構
【図１Ａ】
2016191522.tif 000003
【図１Ｂ】
2016191522.tif 000004
【図１Ｃ】
2016191522.tif 000005
【図１Ｄ】
2016191522.tif 000006
【図２】
2016191522.tif 000007
【図３Ａ】
2016191522.tif 000008
【図３Ｂ】
2016191522.tif 000009
【図４】
2016191522.tif 000010