(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三段以上に俵積み状態で積層された複数の円筒型アルカリ蓄電池と、
前記複数の円筒型アルカリ蓄電池を囲ったケースと、
前記複数の円筒型アルカリ蓄電池の中央部に位置する電池の近傍に設置された、アルミナや窒化ホウ素をシリコンゴムや樹脂の高分子に混合した複合高分子材料からなる熱伝導性高分子、もしくは前記熱伝導性高分子にアルミニウムまたは銅を組み合せた材料から作られている集熱部と、
前記ケースの一面に設置され、前記集熱部に連結されたヒートシンクで構成した放熱部と、前記ケースの他面に設置された熱伝達板と、
前記集熱部と前記放熱部との間に設置されたヒートパイプで構成した第一の熱伝達部と、前記集熱部と前記熱伝達板との間に設置されたヒートパイプで構成した第二の熱伝達部とを備え、前記熱伝達板を前記ケースの前記放熱部に対向する側に設置した二次電池パック。
【請求項２】
放熱部は、ヒートシンクの材質がアルミニウム、銅、およびアルミナや窒化ホウ素をシリコンゴムや樹脂の高分子に混合した複合高分子材料からなる熱伝導性高分子から選ばれる少なくとも一つの材料により作られたヒートシンクを有する請求項１記載の二次電池パック。
【請求項３】
放熱部は、フィン型形状を有する請求項１記載の二次電池パック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の円筒型アルカリ蓄電池を有する二次電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動工具に使用される二次電池としては、一般に、ニッケル−カドミウム二次電池が使用されている。しかしながら、近年では、ニッケル−水素二次電池等が用いられ始めている。電動工具のハイパワー化に伴なって、その電動工具に用いられる電池パックは、高電圧と強放電に耐えることが必要となり、したがって、１個の電池パックに用いられる二次電池の数が激増している。
【０００３】
従来、この種の電池パックは、図５に示されるように、複数の円筒型二次電池１を俵積み状態に積層して、各電池１の電極を端子板で直列もしくは並列に電気接続されている。
【０００４】
密閉型ニッケル−カドミウム二次電池及びニッケル−水素二次電池等の二次電池は、充放電時に発生するジュール熱とガス吸収反応に伴なう反応熱とにより、温度が上昇する。従って、従来の電池パックのように、多数の電池が所定の決められたスペースの中に配置された場合、電池の温度は、８０℃以上になることもある。（発熱温度は電池の充電電流や放熱特性により異なる）。このように、複数の電池が俵積み状態で積層された構成の場合、複数の電池の中心に位置する電池は、その周囲に他の電池が位置するために、放熱性が悪くなり、その結果、中心部に位置する電池は、他の電池に比較して、温度上昇が激しい。
【０００５】
また、熱は上方向に伝熱しやすいため、積層された電池のうちの下部に位置する電池に比較して、上部に位置する電池の温度が高くなる。このように、電池の温度が上昇し、また、積層された個々の電池は、互いに異なる温度を有するようになる。一般に、アルカリ二次電池においては、高温では、充電特性が低下し、さらに、充放電サイクル寿命特性も劣化する。
【０００６】
電池の温度上昇を防止する方法として、例えば、特開平７−１４６１６号公報は、電池間に金属板を設置するとともにその一端から放熱する方法を開示している。
【０００７】
また、俵積みされた電池を内蔵する電池パックが電動工具等に使用される場合、その電池パックは電動工具の機器本体に設けられた放電用装着部に装着されている。この構成において、負荷時に電力が供給されるとともに、放電後には、充電器の充電用装着部に装着されて充電される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成において、俵積みされた電池のうちの中央に位置する電池は、その周囲に他の電池が位置するため、放熱性が悪くなる。そのため、中央部の電池は、充電時の発熱により、電池の温度上昇を発生し、その結果、その中央部の電池の充電効率が低下してしまう。また、電池の放電時には、電動工具のモータを駆動させる為に、大電流が流れる。この大電流が流れることによって、電池の温度がさらに上昇してしまう。
【０００９】
本発明は、発熱による電池の温度上昇を低くすることにより、充電特性の低下と寿命の劣化とを抑制する円筒型アルカリ蓄電池用の二次電池パックを提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池パックは、三段以上に俵積み状態で積層された複数の円筒型アルカリ蓄電池と、前記複数の円筒型アルカリ蓄電池を囲ったケースと、前記複数の円筒型アルカリ蓄電池の中央部に位置する電池の近傍に設置された、アルミナや窒化ホウ素をシリコンゴムや樹脂の高分子に混合した複合高分子材料からなる熱伝導性高分子、もしくは前記熱伝導性高分子にアルミニウムまたは銅を組み合せた材料から作られている集熱部と、前記ケースの一面に設置され、前記集熱部に連結されたヒートシンクで構成した放熱部と、前記ケースの他面に設置された熱伝達板と、前記集熱部と前記放熱部との間に設置されたヒートパイプで構成した第一の熱伝達部と、前記集熱部と前記熱伝達板との間に設置されたヒートパイプで構成した第二の熱伝達部とを備え、前記熱伝達板を前記ケースの前記放熱部に対向する側に設置したことを特徴とする。
【００１１】
上記の構成により、電池の充放電による電池パックの発熱が抑制される。使用中においても、放電特性の劣化が防止され、優れた放電特性を有する電池パックが得られる。さらに、ハイパワーを持つ二次電池パックが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、三段以上に俵積み状態に積層された複数の円筒型アルカリ蓄電池と、これらの複数の電池を囲ったケースとを備え、これらの複数の二次電池は、電気的に直列および／または並列に接続されて、電池群を構成し、集熱部が、前記電池群の中央部に設置されていて、放熱部が前記ケースの一面に設置されており、前記集熱部と放熱部とは、第一の熱伝達部によって互いに接続されており、熱伝達板が、前記ケースの放熱板に対向する面に設置されている。前記集熱部と熱伝達板とは第二の熱伝達部によって接続されている電池パックである。
【００１３】
集熱部の材質としては、アルミナや窒化ホウ素をシリコンゴムや樹脂の高分子に混合した複合高分子材料からなる優れた熱伝導性を有する熱伝導性高分子、もしくは前記熱伝導性高分子にアルミニウムまたは銅を組み合せた材料が使用される。
【００１４】
熱伝達部としては、同一断面積の金属と比較して約１０倍の熱伝達率を有するヒートパイプが使用される。
【００１５】
放熱板としては、放熱性を向上させるためにフィン型ヒートシンクが使用される。また、このフィン型ヒートシンクの材質としては、高い熱伝導性を持つアルミニウム、銅もしくは熱伝導性高分子が使用される。
【００１６】
ヒートシンクの材質としては、高い熱伝導性を持つアルミニウム、銅もしくは熱伝導性高分子が使用される。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明の典型的実施例を詳しく説明する。
【００１８】
本発明の実施例における円筒型二次電池パック３０の中央を切断したときの断面図が図１に示される。
【００１９】
図１において、電池ケース２の中に複数のニッケル−水素二次電池１が収納されている。放熱部としてのフィン型のヒートシンク３が電池ケース２の外側面に設置されている。そのヒートシンク３は電池パックの充電時に発生する熱を放熱する機能を持つ。集熱部５が複数の電池のうちの中央部に設置されている。その集熱部５は電池１に発生した熱を効率よく集熱する機能を持つ。熱伝達部としての第一のヒートパイプ６が集熱部５とヒートシンク３とを接続して設置されている。第一のヒートパイプ６は、集熱部５に伝達された熱をヒートシンク３に熱を伝える機能を持つ。熱伝達板４は電池ケース２に設置され、その熱伝達板４はヒートシンク３に対向する側に設置されている。
【００２０】
熱伝達板４はケース２の外側又はケース２の一部に設置されている。熱伝達部としての第二のヒートパイプ７が集熱部５と熱伝達板４との間に設置されている。第二のヒートパイプ７は、集熱部５に伝達した熱を熱伝達板４に熱を伝える機能を有する。
【００２１】
本発明の一実施例における前述の電池パック３０を使用した電動工具４０の断面図が図２に示される。
【００２２】
図２において、電動工具４０は、筺体２１と、モータ１２と、電池パック３０と、格子
型の外ヒートシンク１０と、外ヒートパイプ９と、外集熱板８とを備える。空気の吸入口と排気口１１が枠体１４に形成されている。吸入口と排気口１１は、電動工具４０内の空気の吸入と排気とを行う。電池パック３０は図１に示される電池パックと同じ構成を有する。
【００２３】
図１に示された電池パック３０の中央断面図に直行する面２０ａ−２０ｂ線に沿った断面図が図３に示される。
【００２４】
図３において、電池パック３０は、嵌合部１３と、端子１４を有する。嵌合部１３は、電池パック３０と電動工具４０とを勘合する機能を持つ。端子１４は、電動工具４０本体または充電器１５と電気的な接続をする機能を有する。
【００２５】
電池パック３０を充電器１５にセットした場合の側面図が図４に示される。図４において、充電器１５に接続されたコード１７は、ＡＣ電源（図示なし）に接続される。
【００２６】
本典型的実施例を、図面を用いて更に詳しく説明する。
【００２７】
図１に示されるように、複数の円筒型ニッケル−水素二次電池１は、俵積み状態に積層され、電池ケース２の中に収納されている。これらの複数の電池１は互いに直列又は並列に電気的に接続されている。俵積み状態は、複数の電池のうちのそれぞれの電池が、互いに隣り合って設置された電池の間の上部又は下部に設置された状態を意味する。
【００２８】
図３に示されるように、中央部に位置する電池１ａは、他の電池１ｂにより囲まれている。その中央の電池１ａは、集熱部５により覆われている。集熱部５としては、高い熱伝導性を持つアルミニウムや銅、もしくは、熱伝導性高分子が使用される。第一の熱伝達部としての第一のヒートパイプ６と、第二の熱伝達部としての第二のヒートパイプ７とが、集熱部５に接するように設置されている。
【００２９】
第一のヒートパイプ６の一端は集熱部５に接続され、第一のヒートパイプ６の他端が、放熱部としてのフィン型ヒートシンク３に接続されている。フィン型ヒートシンク３は電池ケース２の外側に設置されている。ヒートシンク３としては、多数のフィンを持つ構造が望ましい。
【００３０】
この多数のフィンにより、表面積が増加し、そのために、放熱性が著しく向上する。ヒートシンク３の材質としては、アルミニウム、銅、もしくは熱伝導性高分子が望ましい。
【００３１】
第二のヒートパイプ７の一端が集熱部５に接続され、第二のヒートパイプ７の他端が熱伝達板４に接続されている。
【００３２】
図２において、電動工具４０の筺体２１と電池パック３０とが互いに接触する面に、外集熱板８が設置されている。また、電動工具４０の内部には、電動工具４０の中の熱を外部に放出するための吸気口と排気口とを有する開口１１が形成されている。開口１１の近傍に、外放熱部としての外ヒートシンク１０が設置されている。外ヒートシンク１０は格子型形状を有する。外集熱板８と外ヒートシンク１０は、外熱伝達部としての外ヒートパイプ９によって接続されている。外ヒートパイプ９は、金属の１００倍以上の熱伝達率を有する。
【００３３】
図１〜３を用いて、電池の放電時（すなわち、電動工具４０が動作している時）における電動工具の動作を以下に詳しく説明する。なお、電動工具としては、電動ドリル、電動かんな、電動グライダー、電動やすりなどの電池により駆動する工具が使用できる。
【００３４】
電動工具４０の中のモーター１２が動作したとき、電池パック３０のニッケル−水素二次電池１が放電する。この放電により、約１０〜７０Ａの電流「Ｉ」が流れる。複数の電池１が直列あるいは並列に接続された場合、それぞれの電池１の内部抵抗、および、それぞれの電池１間を電気的に接続する接続リードの抵抗などの抵抗「Ｒ」により、ジュール熱が発生する。ジュール熱「Ｑ」は、Ｑ＝Ｉ2Ｒで示される。したがって、流れる電流の２乗に相当するジュール熱が発生する。したがって、電動工具４０の駆動力がハイパワー化するにしたがって、発熱量が増大する。
【００３５】
電池の放電により電池１から発生した熱は、集熱部５において効率的に集熱される。その集熱された熱は、優れた熱伝達率を持つヒートパイプ９によって、熱伝達板４に伝わる。
【００３６】
電池パック３０が電動工具４０に嵌合されている状態においては、熱伝達板４に伝わる。電池パック３０が電動工具４０に嵌合されている状態においては、熱伝達板４と外集熱板８とが互いに密着するように設置される。
【００３７】
そのため、集熱部５に集熱された熱は容易に、熱伝達板４を経て外集熱板８に伝わり、さらに、外ヒートパイプ９を経て、外ヒートシンク１０へ伝わる。このようにして、電池パック３０において発熱した熱は、外ヒートシンク１０から工具の外に放熱される。
【００３８】
電動工具４０は、モーター１２の発熱を電動工具４０の筺体２１の中から外へ放出するために吸気口と排気口１１とを有する。さらに、外ヒートシンク１０は、その排気口１１の近傍に位置するように設置され、外ヒートシンク１０はモーター１２から発生する風を受けるような位置に位置する。
【００３９】
このようにして、外ヒートシンク１０は、強制的に空冷される。外ヒートシンク１０が強制的に空冷される場合の放熱効率は、自然空冷に比較して、約１０倍以上の放熱効率を有する。そのために、本構成における外ヒートシンク１０の表面積は、著しく小さくすることが可能である。
【００４０】
すなわち、外ヒートシンク１０を小型化することが可能であるとともに、十分な放熱効果が確保できる。
【００４１】
なお、上記の外ヒートシンク１０の冷却能力は、約１０〜１２Ｗの冷却能力である。その結果、上記実施例の構造にしたことにより、電池１の放電時において、少なくとも約１０℃の温度上昇が抑制することが出来た。
【００４２】
次に、電池パック３０を充電する際の放熱作用について、図面を用いて説明する。
【００４３】
図４は、充電器１５に電池パック３０を嵌合させたときの断面図である。電池パック３０が充電器１５にセットされる場合、電池パック３０の中に設置されているヒートシンク３は上方に向くことになる。熱は上方に伝わりやすく、第一のヒートパイプ６も熱を上方に伝えやすい。
【００４４】
そのために、集熱部５に設置された第一のヒートパイプ６によって、電池１の充電時に発熱した熱は良い効率でもってヒートシンク３に伝えられ、その熱はヒートシンク３から放熱される。このようにして、電池パック３０の温度上昇が抑制される。
【００４５】
なお、上記実施例の電池パック３０に用いられたヒートシンク３の冷却能力は、約６〜約８Ｗであり、電池温度の上昇を１０℃抑制することができた。
【００４６】
また、上記実施例の電池パック３０は、ヒートシンク３としてフィン型の放熱部を使用し、電動工具４０の外ヒートシンク１０として格子型の放熱部を使用したが、これに限定されることなく、これらと同等の冷却能力を発揮する形状の放熱部を使用することができる。
【００４７】
さらに、上記実施例で用いたヒートシンク３、熱伝達板４、集熱部５、外集熱板８および外ヒートシンク１０の材質としては、アルミニウム、銅あるいは熱伝導性高分子のいずれか、もしくは、それらを組み合わせた材質が使用できる。
【００４８】
熱伝導性高分子としては、優れた熱伝導性を持つアルミナや窒化ホウ素等を、シリコンゴムや樹脂等の高分子に混合した複合高分子材料が使用できる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の二次電池パックの構成により、充電中の二次電池の温度上昇が抑制されるとともに、その放電中の温度上昇も抑制される。
【００５０】
その結果、使用中においても、放電特性の劣化が防止され、優れた放電特性を有する二次電池パックが得られる。
【００５１】
さらに、円筒型アルカリ蓄電池の充放電特性を十分に確保して発揮できるハイパワーを持つ二次電池パックが得られる。さらに、充放電サイクル寿命が著しく向上する。
【００５２】
さらに、使用中においても、駆動力の劣化が防止され、優れた駆動力を連続して確保できる電動工具が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例における電池パックＡの中央断面図
【図２】  同電池パックＡを有する電動工具Ｂの断面図
【図３】  同電池パックＡの２０ａ−２０ｂ線における断面図
【図４】  同電池パックＡを充電器に設置したときの側面図
【図５】  従来の二次電池パックに使用される複数の円筒型二次電池の斜視図
【符号の説明】
１  ニッケル−水素二次電池
２  電池ケース
３  放熱部（ヒートシンク）
４  熱伝達板
５  集熱部
６  第一の熱伝達部（第一のヒートパイプ）
７  第二の熱伝達部（第二のヒートパイプ）
８  外集熱板
９  外熱伝達部（外ヒートパイプ）
１０  外放熱部（外ヒートシンク）
１１  開口部（吸気口と排気口）
１２  モータ
１３  嵌合部
１４  端子
１５  充電器
１６  接続コード
１７  コード
２１  筺体
３０  電池パック
４０  電動工具
【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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