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JP4134359B2 - 電池冷却装置 - Google Patents
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JP4134359B2 - 電池冷却装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池(蓄電池)の冷却装置に関するもので、電気自動車、ハイブリッド車等の車両に搭載される電池の冷却に用いて好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車、ハイブリッド車等の車両に搭載される電池は、車両走行用電動モータの電源となるため、高圧化、大容量化する必要がある。ところで、このような車載の電池において、充放電の際には各電池での化学反応やジュール損により熱が発生し、電池が高温化して、電池の性能、寿命等に悪影響を及ぼす。
【0003】
そこで、従来、電池を冷却する冷却装置として、種々なものが提案されている。例えば、特開平5−344606号公報では、車両空調用冷凍サイクルの低圧側冷媒が流入する密閉ケース内に電池を収容して、低圧側冷媒の蒸発潜熱を電池から吸熱することにより電池を冷却するものが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車載の電池、具体的には、ニッケル水素系の電池では、電池の高温化等により水素ガスを発生するので、電池の内圧が徐々に上昇していく。そのため、安全弁としてのリリーフ弁を電池に備えている。従って、電池内圧が所定値に到達して、リリーフ弁が開弁すると、電池内部の水素ガスが密閉ケース内に放出される。
【0005】
ここで、水素ガスは冷凍サイクルの冷媒に比して沸点が非常に低く、冷凍サイクル内では水素ガスが不凝縮ガスとして作用するため、密閉ケース内に水素ガスが放出され、サイクル内に水素ガスが蓄積され、水素ガス量が増加すると、電池の冷却効果およびサイクル本来の冷房効果をも低下させるという不具合を生じる。
【0006】
また、水素ガスは引火性のガスであるため、電池や冷凍サイクルの保守点検等の際に、冷凍サイクルを開放すると、今まで蓄積されていた水素ガスが一度にサイクル外部に放出され、危険である。
本発明は上記点に鑑み、電池で発生する水素ガスが、外部と密閉された冷媒系路内に放出されることに起因する不具合を解消することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1記載の発明では、ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)と、この密閉ケース(10)の内部と連通する放熱器(22、31)とを備え、密閉ケース(10)および放熱器(22、31)を含む閉回路からなる冷媒系路内に冷媒が充填されており、この冷媒が密閉ケース(10)の内部で、電池(13)から吸熱して蒸発することにより電池(13)を冷却し、この蒸発したガス冷媒が放熱器(22、31)で放熱して凝縮し、この凝縮した液冷媒が密閉ケース内に流入するようになっており、さらに、電池(13)から発生する水素ガスを選択的に吸着する吸着部材(21)を冷媒系路のうちガス冷媒が流れる、もしくは、ガス冷媒が集まるガス域に備えたことを特徴としている。
【0008】
これによると、電池(13)から冷媒の蒸発潜熱を奪って、電池(13)を冷却する際に、冷媒は密閉ケース(10)の内部空間にて電池(13)のほぼ全表面と直接的に接触しているので、冷却効果が大きい。
しかも、冷媒系路のガス域に備えた吸着部材(21)により水素ガスを選択的に吸着できるから、冷媒系路内に不凝縮性ガスである水素ガスが蓄積するのを防止して、水素ガスによる電池冷却効果の低下を未然に防止できる。また、保守点検時等に、冷媒系路内に溜まった水素ガスが一度に放出されるという危険も解消できる。
【0009】
また、請求項2記載の発明では、ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)と、この密閉ケース(10)の内部と連通する放熱器(22)と、密閉ケース(10)と放熱器(22)とを連通させて、ガス冷媒の流路を構成するガス側連通パイプ(20)と、密閉ケース(10)と放熱器(22)とを連通させて、液冷媒の流路を構成する液側連通パイプ(23)とを備え、密閉ケース(10)放熱器(22)、ガス側連通パイプ(20)および液側連通パイプ(23)を含む冷媒系路内に冷媒が充填されており、放熱器(22)は密閉ケース(10)の内部の液冷媒よりも上方側に配置されており、密閉ケース(10)の内部で、電池(13)から吸熱して冷媒が蒸発し、この蒸発したガス冷媒が自然対流にてガス側連通パイプ(20)を上昇して放熱器(22)に流入し、放熱器(22)でガス冷媒が冷却され凝縮し、この凝縮した液冷媒が自重にて液側連通パイプ(23)を下降して密閉ケース(10)内部の電池(13)周辺に還流するようになっており、さらに、電池(13)から発生する水素ガスを選択的に吸着する吸着部材(21)をガス側連通パイプ(20)に備えたことを特徴としている。
【0010】
これによると、熱サイフォン式の冷却装置にて電池(13)を良好に冷却できる。また、水素ガスについては、請求項1と同様に、吸着部材(21)により吸着できる。
また、請求項3記載の発明では、ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)の内部を冷凍サイクルの低圧側冷媒が流れる通路に接続して、この低圧側冷媒が電池(13)から吸熱して蒸発するようにし、さらに、密閉ケース(10)内部のガス冷媒が集まるガス域を含む、冷凍サイクルのうちガス冷媒が流れる、もしくは、ガス冷媒が集まるガス域のいずれかに、電池(13)から発生する水素ガスを選択的に吸着する吸着部材(21)を備えたことを特徴としている。
【0011】
これによると、空調用冷凍サイクルの低温冷媒を利用して、電池(13)と冷媒との温度差を増大させて、冷却性能を格段と向上できる。水素ガスについては、請求項1、2と同様に、吸着部材(21)により吸着できる。
なお、吸着部材(21)は、請求項4記載のように、ゼオライトまたは水素吸蔵合金からなる吸着材(21a)を用いて構成できる。
【0012】
また、請求項2記載の発明の放熱器(22)は、請求項5のように空気と熱交換してガス冷媒を冷却し、凝縮させる空冷式熱交換器で構成することができる。これによると、ガス冷媒を強制送風による空冷方式にて良好に冷却できるので、
また、請求項6記載の発明では、ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)と、この密閉ケース(10)の内部と連通する放熱器(22、31)とを備え、密閉ケース(10)および放熱器(22、31)を含む閉回路からなる冷媒系路内に冷媒が充填されており、この冷媒が密閉ケース(10)の内部で、電池(13)から吸熱して蒸発することにより電池(13)を冷却し、この蒸発したガス冷媒が放熱器(22、31)で放熱して凝縮し、この凝縮した液冷媒が密閉ケース内に流入するようになっており、さらに、電池(13)から発生する水素ガスを選択的に透過する透過部材(26)を冷媒系路のうちガス冷媒が流れる、もしくは、ガス冷媒が集まるガス域に備え、水素ガスを透過部材(26)を通して冷媒系路の外部に放出することを特徴としている。
【0013】
これによると、電池(13)から冷媒の蒸発潜熱を奪って、電池(13)を良好に冷却できるとともに、電池(13)から発生する水素ガスを透過部材(26)を通して冷媒系路外に放出できるので、冷媒系路内に水素ガスが溜まることがなく、冷媒系路内への水素ガスの蓄積による冷却効果の低下等の不具合を確実に防止できる。
【0014】
また、請求項7記載の発明のように、透過部材(26)を加熱する加熱手段(26c)を備えれば、透過部材(26)による水素ガスの透過量を増大できる。そのため、電池(13)の過酷な使用条件下において水素ガスの発生量が増大しても、これに対応して水素ガスを透過させることができる。
透過部材(26)は、請求項8に記載のようにパラジウムからなる管状体(26b)を用いて構成できる。
【0015】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は第1実施形態を示すもので、密閉ケース10は、ケース本体11と、このケース本体11の上方開口端を気密に閉塞する上蓋12とから構成されている。ここで、ケース本体11と上蓋12は、適宜の金属または樹脂にて形成されており、その全体形状は上下方向に縦長の円筒または多角形状となっている。
【0017】
密閉ケース10の内部には、車載電源となる電池13が収容されている。このの電池13の正極側および負極側の端子13a、13bには出力配線14、15が電気的に接続されている。
上蓋12には密封端子16、17がハーメチックシール構造にて気密に装着されており、この密封端子16、17を通して出力配線14、15は、密閉ケース10の外部の電気配線と電気的に接続可能になっている。従って、密封端子16、17から電池13の電力を取り出すことができる。
【0018】
上記の電池14は再充電可能な二次電池(蓄電池)であり、具体的には、ニッケル水素電池である。このニッケル水素電池は、電池温度が高温(例えば、45°C以上)になると、電池内部に発生した水素ガスを電池内部で吸収しきれず、内圧が上昇する。そこで、電池内圧が所定値に上昇すると開弁するリリーフ弁18が電池13の上部に備えられている。このリリーフ弁18は電池内圧が所定値に上昇すると、弁体(図示せず)がバネ手段(図示せず)のバネ力に抗して変位して、電池13の内部を外部に開放する構成である。
【0019】
ところで、上蓋12の中央部に開口部19が開けてあり、この開口部19にガス側連通パイプ20が上方に立ち上がるように接続されている。このガス側連通パイプ20の途中には後述の吸着部材21が配置されている。ガス側連通パイプ20は、放熱器22の一端側に接続され、この放熱器22の他端側は液側連通パイプ23を介して密閉ケース10のケース本体11の底部近傍に開けられた開口部24に接続されている。
【0020】
従って、密閉ケース10の内部と放熱器22は、ガス側連通パイプ20と液側連通パイプ23を介して連通された1つの閉回路からなる冷媒系路を構成しており、この冷媒系路内には熱サイフォン式冷却装置の作動流体としての冷媒が充填され、封入されている。この冷媒としては、フロリナート等の不燃性の低沸点冷媒を用いる。密閉ケース10の内部において、Aは冷媒の液面を示しており、密閉ケース10と放熱器22との間での冷媒の循環を良好にするために、放熱器22はこの冷媒液面Aより上方側に配置されている。
【0021】
上記の両連通パイプ20、23はアルミニウム等の金属または樹脂で形成することができ、また、放熱器22は熱の伝導性、耐食性等に優れたアルミニウム等の金属からなるチューブ22aを有し、このチューブ22a内部の冷媒と冷却空気との間の熱の授受を促進するためのプレート状のフィン部材22bが設けてある。このフィン部材22bもアルミニウム等の金属からなる。
【0022】
本例の放熱器22は送風機25により送風される空気(外気)との間で熱交換を行う空冷方式として構成されている。送風機25は駆動用モータ25aと、このモータ25aにより回転駆動される送風ファン25bとにより構成されている。
前記した吸着部材21は、電池13から発生する水素ガスを選択的に吸着する吸着材21aをケース21b内に収容したものである。ここで、吸着材21aは例えば、粒状のゼオライトからなる。
【0023】
次に、上記構成において作動を説明すると、電池13の化学反応や放電時のジュール損失等により電池13の温度が上昇すると、密閉ケース10の内部空間に充填されている液冷媒は電池13から速やかに吸熱して沸騰し、ガス化する。
従って、電池13から冷媒の蒸発潜熱を奪って、電池13を冷却できる。しかも、冷媒は密閉ケース10の内部空間にて電池13のほぼ全表面と直接的に接触しているので、冷却効果が大きい。そして、密閉ケース10の内部空間でガス化した冷媒は密度の減少により自然対流でガス側連通パイプ20を上昇して、吸着部材21のケース21b内を通過して放熱器22に流入する。この放熱器22においてガス冷媒は送風機25により送風される空気(外気)との間で熱交換を行って冷却され、凝縮する。凝縮した液冷媒は密度の増大により自重にて液側連通パイプ23を下降して密閉ケース10の内部空間に還流し、再度、電池13の冷却作用に供される。
【0024】
ところで、電池13では、過充電等の際には電池内部での発生ガス(水素ガス)を吸収しきれず、電池内圧が上昇するので、リリーフ弁18が開弁して、電池13の外部へ水素ガスが洩れ出てくることがある。
しかし、本実施形態によると、ガス側連通パイプ20の途中に吸着部材21が配設してあり、かつ、吸着部材21に備えられている吸着材21aはゼオライトのように分子ふるい機能を持つため、分子径の大きいフロリナートのような分子は吸着せず、水素ガス等の分子径の小さい分子を選択的に捕捉できる。この結果、冷媒系路内に水素ガスが蓄積するのを防止できるので、電池13の電極劣化等に伴う保守点検の際に密閉ケース10内を開放しても、多量の水素ガス等が一度に大気中に放出されることがない。
【0025】
また、水素ガスは、熱サイフォン式冷却装置の冷媒であるフロリナートに比して沸点が非常に低く、熱サイフォン式冷却装置の冷媒系路内では水素ガスが不凝縮ガスとして作用するため、密閉ケース10内に水素ガスが放出され、冷媒系路内の水素ガス量が増加すると、電池の冷却効果を低下させることになるが、本実施形態によると、吸着部材21の水素ガス吸着作用により、このような不具合をも回避でき、電池の冷却作用を長期にわたって良好に維持できる。
【0026】
一方、熱サイフォン式冷却装置の冷媒として、フロリナート等の低沸点冷媒を使用することにより、密閉ケース10の内部圧力(作動流体圧力)を引き下げて、密閉ケース10の低強度設計を実現して、密閉ケース10のコスト低減を図ることができる。具体的には、フロリナートの作動圧は、常用35〜70kPa(大気圧の1/2近辺)で、沸点は約56°Cである。
【0027】
また、フロリナート等の低沸点冷媒は不燃性であるので、電池13で発生するガスの洩れに対する引火の危険を回避でき、安全性を向上できる。
(第2実施形態)
図2は第2実施形態であり、第1実施形態における吸着部材21の代わりに、電池13から発生する水素ガスを選択的に透過する透過部材26を設置するものである。
【0028】
すなわち、透過部材26は、水素透過性が優れているパラジウムを用いるものであって、ガス側連通パイプ20の上方側に、このパイプ20の内部に連通するケース26aを設置し、このケース26aの内部を貫通するように管状体26bを配設している。この管状体26bはパラジウムで形成されており、その両端部はケース26aの外部で大気中に開放されている。
【0029】
第2実施形態によると、冷媒系路内に混入した水素ガスは、冷媒系路の最上部に位置するケース26a内に流入する。そして、管状体26bを構成するパラジウムは水素透過性が優れているため、冷媒であるフロリナート等は透過せず、水素ガスのみを選択的に透過し、管状体26bの両端開口部から系路外に排出できる。
【0030】
(第3実施形態)
図3は第3実施形態であり、第2実施形態をより効果的に実施するものである。パラジウムは高温に加熱されると、水素透過性が向上する特性を持っていることに着目して、透過部材26に加熱手段としての電気ヒータ26cを追加設置したものである。
【0031】
第3実施形態によると、電気ヒータ26cに通電して、パラジウムからなる管状体26bを高温に加熱することにより、水素ガスの透過量を増大できる。従って、電池13の過酷な使用環境下のように水素ガスの発生量が多いときでも、パラジウムからなる管状体26bにおける水素ガスの透過量を増大して、冷媒系路内に水素が残存するのを防止できる。
【0032】
なお、加熱手段として、電気ヒータ26cの代わりに、温水が循環する温水パイプ等を使用してもよい。
(第4実施形態)
図4は第4実施形態であり、上記した第1〜第3実施形態では熱サイフォン式の冷却装置にて電池13を冷却する方式について説明したが、第4実施形態は車両空調用冷凍サイクルの低圧側冷媒の冷熱により電池13を冷却するように構成している。
【0033】
図4において、圧縮機30は冷凍サイクルの冷媒(例えば、HFC−134a)を圧縮し、吐出するもので、圧縮機30から吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は凝縮器31で冷却されて凝縮する。この凝縮後の冷媒は受液器32で気液分離され、液冷媒は温度式膨張弁(減圧手段)33で低温低圧の気液2相冷媒に減圧される。そして、この気液2相冷媒は蒸発器34にて空調用送風機(図示せず)により送風される空調空気から吸熱して蒸発してガス化し、そのガス冷媒は圧縮機30に吸入され、再度、圧縮される。
【0034】
このような車両空調用冷凍サイクルに対して、第4実施形態の電池冷却装置では温度式膨張弁33の下流側と蒸発器34の上流側との間の冷媒通路に、電池13を収容した密閉ケース10を設置している。この密閉ケース10の内部の下方側に、温度式膨張弁33で減圧された気液2相冷媒のうち、液冷媒が溜まる液冷媒域Bが形成され、密閉ケース10の内部上方側には気液2相冷媒のガス冷媒が集まり、ガス域Cを形成する。
【0035】
電池13の下方側は、密閉ケース10の内部で液冷媒域Bに浸漬するように配置されている。そして、図4に示す例では、水素ガスを吸着する吸着部材21を密閉ケース10の上蓋12の内側面に配設して、吸着部材21を密閉ケース10内部のガス域Cに位置させている。
第4実施形態によると、車両空調用冷凍サイクルにおいて温度式膨張弁33で減圧された低温低圧の気液2相冷媒が密閉ケース10の内部に流入し、ここで、低圧側液冷媒の一部が電池13から吸熱して蒸発する。そのため、この冷媒の蒸発潜熱で電池13を冷却できる。ここで、電池13を冷却する冷却媒体として、空調用冷凍サイクルの低温冷媒を使用しているので、電池13と低温冷媒との間で非常に大きな温度差を設定でき、電池13の冷却能力を格段と向上できる。
【0036】
なお、車両空調用冷凍サイクルがヒートポンプとして構成されている場合には、冬期の暖房時に、冷凍サイクル側の冷媒が密閉ケース10の内部で吸熱することにより、廃熱回収を行って、冬期の暖房能力を高めることができる。密閉ケース10を通過した冷媒のうち、残余の液冷媒が空調用蒸発器34で蒸発して空調空気を冷却する。
【0037】
一方、密閉ケース10内の電池13から発生した水素ガスは、密閉ケース10内上方のガス域Cに設置された吸着部材21により選択的に吸着される。
なお、第4実施形態では吸着部材21を密閉ケース10内上方のガス域Cに設置しているが、吸着部材21はガス域であれば、どこでも水素ガスの吸着作用を発揮し得るので、吸着部材21を密閉ケース10の外部のガス域、すなわち、圧縮機30の吸入側部位D、圧縮機30の吐出側部位E、受液器32内部のガス域F等に設置することができる。要は、冷凍サイクル中のガス域であれば、どこに吸着部材21を設置してもよい。
【0038】
また、上記各実施形態では、吸着部材21の吸着材21aとしてゼオライトを使用しているが、ゼオライトの他に、水素吸蔵合金のように水素ガスを多量に吸着し得るものであれば、吸着材21aとして使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す全体システムの構成図である。
【図2】本発明の第2実施形態を示す全体システムの構成図である。
【図3】本発明の第3実施形態を示す要部構成図である。
【図4】本発明の第4実施形態を示す冷凍サイクル図である。
【符号の説明】
10…密閉ケース、13…電池、21…吸着部材、22…放熱器、
26…透過部材、33…温度式膨張弁、34…蒸発器。

Claims (8)

  1. ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)と、
    この密閉ケース(10)の内部と連通する放熱器(22、31)とを備え、
    前記密閉ケース(10)および前記放熱器(22、31)を含む閉回路からなる冷媒系路内に冷媒が充填されており、
    この冷媒が前記密閉ケース(10)の内部で、前記電池(13)から吸熱して蒸発することにより前記電池(13)を冷却し、この蒸発したガス冷媒が前記放熱器(22、31)で放熱して凝縮し、この凝縮した液冷媒が前記密閉ケース内に流入するようになっており、
    さらに、前記電池(13)から発生する水素ガスを選択的に吸着する吸着部材(21)を前記冷媒系路のうちガス冷媒が流れる、もしくは、ガス冷媒が集まるガス域に備えたことを特徴とする電池冷却装置。
  2. ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)と、
    この密閉ケース(10)の内部と連通する放熱器(22)と
    前記密閉ケース(10)と前記放熱器(22)とを連通させて、ガス冷媒の流路を構成するガス側連通パイプ(20)と、
    前記密閉ケース(10)と前記放熱器(22)とを連通させて、液冷媒の流路を構成する液側連通パイプ(23)とを備え、
    前記密閉ケース(10)前記放熱器(22)、前記ガス側連通パイプ(20)および前記液側連通パイプ(23)を含む冷媒系路内に冷媒が充填されており、
    前記放熱器(22)は前記密閉ケース(10)の内部の液冷媒よりも上方側に配置されており、
    前記密閉ケース(10)の内部で、前記電池(13)から吸熱して冷媒が蒸発し、この蒸発したガス冷媒が自然対流にて前記ガス側連通パイプ(20)を上昇して前記放熱器(22)に流入し、前記放熱器(22)でガス冷媒が冷却され凝縮し、この凝縮した液冷媒が自重にて前記液側連通パイプ(23)を下降して前記密閉ケース(10)内部の前記電池(13)周辺に還流するようになっており、
    さらに、前記電池(13)から発生する水素ガスを選択的に吸着する吸着部材(21)を前記ガス側連通パイプ(20)に備えたことを特徴とする電池冷却装置。
  3. ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)の内部を冷凍サイクルの低圧側冷媒が流れる通路に接続して、この低圧側冷媒が前記電池(13)から吸熱して蒸発するようにし、
    さらに、前記密閉ケース(10)内部のガス冷媒が集まるガス域を含む、前記冷凍サイクルのうちガス冷媒が流れる、もしくは、ガス冷媒が集まるガス域のいずれかに、前記電池(13)から発生する水素ガスを選択的に吸着する吸着部材(21)を備えたことを特徴とする電池冷却装置。
  4. 前記吸着部材(21)は、ゼオライトまたは水素吸蔵合金からなる吸着材(21a)を有していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の電池冷却装置。
  5. 前記放熱器(22)は空気と熱交換して前記ガス冷媒を冷却し、凝縮させる空冷式熱交換器からなることを特徴とする請求項2に記載の電池冷却装置。
  6. ニッケル水素系の電池(13)を収容する密閉ケース(10)と、
    この密閉ケース(10)の内部と連通する放熱器(22、31)とを備え、
    前記密閉ケース(10)および前記放熱器(22、31)を含む閉回路からなる冷媒系路内に冷媒が充填されており、
    この冷媒が前記密閉ケース(10)の内部で、前記電池(13)から吸熱して蒸発することにより前記電池(13)を冷却し、この蒸発したガス冷媒が前記放熱器(22、31)で放熱して凝縮し、この凝縮した液冷媒が前記密閉ケース内に流入するようになっており、
    さらに、電池(13)から発生する水素ガスを選択的に透過する透過部材(26)を前記冷媒系路のうちガス冷媒が流れる、もしくは、ガス冷媒が集まるガス域に備え、前記水素ガスを前記透過部材(26)を通して前記冷媒系路の外部に放出することを特徴とする電池冷却装置。
  7. 前記透過部材(26)を加熱する加熱手段(26c)を備えることを特徴とする請求項6に記載の電池冷却装置。
  8. 前記透過部材(26)は、パラジウムからなる管状体(26b)を有していることを特徴とする請求項6または7に記載の電池冷却装置。
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