CN111540920B - 一种热电池真空全覆盖式保温结构及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电池真空全覆盖式保温结构及其应用，保温结构包括电池外壳、电池内壳、反射红外辐射层和电池盖板，电池内壳安装在电池外壳内部正中间，电池外壳环绕电池内壳构成真空保温腔体，反射红外辐射层设于电池外壳的内壁和电池内壳的外壁上；电池内壳外壁的底面和侧面均安装有陶瓷支撑块，陶瓷支撑块分布于电池外壳内壁上的反射红外辐射层与电池内壳外壁上的反射红外辐射层之间；所述保温结构还具有双层结构的盖板，实现了电池电堆上端、下端及外侧的真空全覆盖，能大大提升热电池的整体保温效果，利用所述保温结构制备的热电池具有体积小的特点。

Description

一种热电池真空全覆盖式保温结构及其应用
技术领域
本发明涉及热电池应用技术领域，具体涉及一种热电池真空全覆盖式保温结构及其应用。
背景技术
热电池是以共晶熔融盐作为电解质，利用电池自身的加热系统使电解质融化而激活的一次贮备电池，其激活原理通常为采用电点火头引燃内部的引燃纸和加热片，使其在短时间内释放大量热量令电解质由固态变为液态，从而使电解质能进行离子导电，引发正负极发生电化学反应。
热电池工作原理的特殊性决定了其适宜的工作温度区间较窄，要使热电池能较好地工作，对其内部温度有较为严苛的要求，通常须保持在400～520℃之间，高于和低于该温度段热电池均不能发挥最佳性能甚至不能正常工作。上述特点使得热电池的设计难度大大增加，这是因为：一方面，工作温度不能过高，这就要求热电池的初始配热不能太高；另一方面，工作温度不能过低，这就要求热电池必须采取优良的保温措施。
纳米气凝胶材料是目前公开报道的针对热电池最好的多孔型保温材料，其导热系数通常在0.025～0.040W/m/K之间，如国外的Min-K材料、Microtherm保温材料，国内湖南荣岚、上海宥纳等公司的纳米气凝胶材料等都属于该类材料，该类材料的保温性能通常显著优于普通的无机保温棉、保温毡等。虽然纳米气凝胶材料能较好的满足中等寿命热电池的要求，但对长寿命热电池特别是1h以上寿命的热电池而言并不理想，为了达到好的保温效果，通常所需的保温层很厚，相应地体积很大，难以满足热电池对占用空间的要求；另外，单独以纳米气凝胶材料作为保温材料时，由于其传热较快，热电池表面温度会迅速升高，存在着影响热电池周围其它电子元器件工作可靠性的潜在风险。
此外，目前已报道的热电池保温结构的电池盖板区域通常均为非真空设计，因而会出现大量热量从该区域散失的现象，而该区域是散热的最主要区域，散热在总散热中的占比高达约75％以上，电池盖板区域的非真空设计会导致整体保温效果不理想，并且会导致电池表面温度尤其是盖板处温度偏高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电池真空全覆盖式保温结构及其应用，所述保温结构具有双层结构的盖板，实现了电池电堆上端、下端及外侧的真空全覆盖，能大大提升热电池整体的保温效果，利用所述保温结构制备的热电池具有体积小的特点，以解决背景技术中提到的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种热电池真空全覆盖式保温结构，包括电池外壳、电池内壳、反射红外辐射层和电池盖板，所述电池内壳安装在所述电池外壳内部正中间，所述电池外壳环绕所述电池内壳构成真空保温腔体，所述反射红外辐射层设于所述电池外壳的内壁和电池内壳的外壁上，所述电池外壳内壁的底面和侧面均安装有陶瓷支撑块；所述陶瓷支撑块分布于所述电池外壳内壁上的反射红外辐射层与所述电池内壳外壁上的反射红外辐射层之间；
所述电池盖板包括上层盖板和下层盖板，所述下层盖板与所述电池内壳的顶端连接，所述上层盖板通过盖板外侧圆环与所述电池外壳的顶端连接。
本发明无气凝胶保温材料，由于气凝胶材料通常为低密度、高体积的材料，因此大大减小了保温层的总体积，上层盖板和下层盖板之间的区域及电池内壳和电池外壳之间的区域均为真空区域，实现了电池电堆上端、下端、外侧的真空全覆盖，全覆盖式结构与非全覆盖式结构相比，能使通过电池盖板向外散失的热量大幅减小。
进一步地，所述反射红外辐射层为厚度为1～100μm的薄膜层，所述薄膜层通过电镀或蒸镀附着于所述电池外壳的内壁表面及所述电池内壳的外壁表面。
上述优选方案的有益效果为：反射红外辐射层是通过电镀或蒸镀的方式附着于所述电池外壳的内壁表面和所述电池内壳的外壁表面，能防止反射材料出现翘曲导致保温失效的现象发生。
进一步地，所述反射红外辐射层由反射材料制成，所述反射材料为铝。
上述优选方案的有益效果为：所述反射材料价格低廉，更易推广应用。
进一步地，所述陶瓷支撑块由氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷制成。
上述优选方案的有益效果为：陶瓷支撑块具有低的导热系数和较小横截面积，因而不会形成明显的热桥，有利于保温。
进一步地，所述真空保温腔体的腔体内设有吸气材料，所述吸气材料为钡铝合金、钡钛合金、锆铝合金、锆镍合金、锆石墨中的任一种或其组合。
上述优选方案的有益效果为：吸气材料能吸收真空保温腔体内部的微量气体，利于热电池真空保温腔体内真空度的保持。
进一步地，所述电池外壳的底部设有排气口。
上述优选方案的有益效果为：在制造真空保温腔体时，所述排气口用来排气。
进一步地，所述电池外壳和电池内壳由不锈钢材料或工业纯钛材料制成。
上述优选方案的有益效果为：不锈钢材料或工业纯钛材料具有较强的耐腐蚀性，还具有比其它大部分金属低的固体热导率。
进一步地，所述电池盖板还包括接线柱和玻璃封接体，所述上层盖板和下层盖板上开设有通孔，所述接线柱穿设于所述通孔并通过玻璃封接体固定在所述上层盖板和下层盖板上。
上述优选方案的有益效果为：电池盖板、气凝胶保温块及接线柱之间利用玻璃封接体安装连接，能确保上层盖板和下层盖板之间的区域及电池内壳和电池外壳之间的区域均为真空区域。
一种热电池真空全覆盖式保温结构的应用，采用任一项所述的热电池真空全覆盖式保温结构制备热电池，所述真空保温腔体设于电池电堆的上端、下端和外侧。
本发明的有益效果是：
1)本发明热电池真空全覆盖式保温结构，将电池盖板设计为双层结构，上层盖板通过盖板外侧圆环与电池外壳相连接，下层盖板直接连接电池内壳，上层盖板和下层盖板之间的区域及电池内壳和电池外壳之间的区域均为真空区域，实现了电池电堆上端、下端、外侧的真空全覆盖，全覆盖式结构与非全覆盖式结构相比，通过电池盖板向外散失的热量大幅减小；因传统的非全覆盖式保温结构中电池盖板是最主要的散热区域，该区域的散热量在总散热中的占比高达约75％以上，电池盖板是传统的非全覆盖式保温结构的短板；因此与传统的非全覆盖式保温结构相比能大幅提升保温壳体整体的保温效果，同时还能进一步降低电池外壳尤其是电池盖板处的表面温度。
2)本发明热电池真空全覆盖式保温结构中无气凝胶保温材料，由于气凝胶材料通常为低密度、高体积的材料，本发明弃用气凝胶保温材料则可大大减小保温结构层的总体积，有利于大幅降低热电池整体的体积，从而有助于节约热电池占用的空间。又加上真空全覆盖式设计，使得在不含气凝胶保温层的情况下，与传统的非全覆盖式结构相比，保温性能不仅没有降低反而进一步得到提升，保温壳体整体的保温效果提升约21％以上，在保温性能提升和节约体积两个方面实现了鱼与熊掌兼得的效果。
3)本发明反射红外辐射层是通过电镀或蒸镀的方式附着于电池外壳的内壁表面和电池内壳的外壁表面，与传统的将金属箔通过点焊的方式固定于壳体表面相比，电镀或蒸镀的方式的附着强度更高，能避免红外反射层在振动、加速度、冲击等力学环境下，例如在武器系统中，因点焊强度不高而发生金属箔的翘曲或脱落，而翘曲或脱落会将电池内壳和电池外壳相搭接，形成高导热的热桥，进而导致保温失效；再者，反射材料采用的是低辐射系数、高反射系数的铝，与传统的红外反射层材料金箔、银箔等贵金属材料相比，价格低廉，更易推广应用。
4)本发明的陶瓷支撑块具有低的固体导热系数和小的横截面积，因而不会形成明显的热桥，除了起到支撑作用外，也有利于保温。
附图说明
图1为本发明热电池真空全覆盖式保温结构的整体结构示意图；
图2为本发明电池盖板的结构示意图；
图3为应用真空全覆盖式保温结构和单独应用气凝胶保温筒的热电池模拟电堆中心温度随时间变化曲线图；
图中，1-电池外壳，2-电池内壳，3-反射红外辐射层，4-电池盖板，401-上层盖板，402-下层盖板，403-接线柱，404-玻璃封接体，5-真空保温腔体，6-陶瓷支撑块，7-盖板外侧圆环，8-吸气材料，9-排气口，10-电池电堆。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：
请参照图1-2，一种热电池真空全覆盖式保温结构，包括电池外壳1、电池内壳2、反射红外辐射层3和电池盖板4，所述电池内壳2安装在所述电池外壳1内部正中间，所述电池外壳1环绕所述电池内壳2构成真空保温腔体5，所述反射红外辐射层3设于所述电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁上，所述电池外壳2内壁的底面和侧面均安装有陶瓷支撑块6；所述陶瓷支撑块6分布于所述电池外壳1内壁上的反射红外辐射层3与所述电池内壳2外壁上的反射红外辐射层3之间；
所述电池盖板4包括上层盖板401和下层盖板402，所述下层盖板402与所述电池内壳2的顶端连接，所述上层盖板401通过盖板外侧圆环7与所述电池外壳1的顶端连接。
本发明热电池真空全覆盖式保温结构中无气凝胶保温材料，由于气凝胶材料通常为低密度、高体积的材料，因此本发明大大减小了保温层的总体积，从而大幅降低了热电池整体的体积；本发明上层盖板401通过盖板外侧圆环7与电池外壳1相连接，下层盖板402直接连接电池内壳2，上层盖板401和下层盖板402之间的区域及电池内壳2和电池外壳1之间的区域均为真空区域，实现了电池电堆10上端、下端、外侧的真空全覆盖，全覆盖式结构与非全覆盖式结构相比，能使通过电池盖板4向外散失的热量大幅减小，也能进一步降低电池外壳1特别是电池盖板4处的表面温度；反射红外辐射层3能反射大量热量抑制传热，从而也能起到提升保温壳体整体的保温效果的作用。
进一步地，所述反射红外辐射层3为厚度为1～100μm的薄膜层，所述薄膜层通过电镀或蒸镀附着于所述电池外壳1的内壁表面及所述电池内壳2的外壁表面。
与传统的将金属箔通过点焊的方式固定于壳体表面相比，电镀或蒸镀的方式的附着强度更高，能避免红外反射层在振动、加速度、冲击等力学环境下，例如在武器系统中，因点焊强度不高而发生金属箔的翘曲或脱落，而翘曲或脱落会将电池内壳2和电池外壳1相搭接，形成高导热的热桥，进而导致保温失效。
进一步地，所述反射红外辐射层3由反射材料制成，所述反射材料为铝。
本发明反射材料为铝，采用的是低辐射系数、高反射系数的铝，与传统的红外反射层材料金箔、银箔等贵金属材料相比，价格低廉，更易推广应用。
进一步地，所述陶瓷支撑块6由氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷制成。
本发明陶瓷支撑块6具有低的固体导热系数和小的横截面积，因而不会形成明显的热桥，除了起到支撑作用外，也有利于保温。
进一步地，所述真空保温腔体5的腔体内设有吸气材料8，所述吸气材料8为钡铝合金、钡钛合金、锆铝合金、锆镍合金、锆石墨中的任一种或其组合。
本发明的吸气材料8不仅能吸收壳体材料在热电池工作过程中因温度升高而放出的气体，同时还能在真空全覆盖式保温结构贮存期间持续吸收渗透进入真空保温腔体5内部的微量气体，有利于热电池真空保温腔体5内真空度的保持，因而能使热电池具有更长的真空度保持寿命。
进一步地，所述电池外壳1的底部设有排气口9。
在制造真空保温腔体时，所述排气口用来排气。
进一步地，所述电池外壳1和电池内壳2由不锈钢材料或工业纯钛材料制成。
本发明的电池外壳1和电池内壳2采用不锈钢材料或工业纯钛材料制成的好处是：不锈钢材料或工业纯钛材料具有较强的耐腐蚀性，还具有比其它大部分金属低的固体热导率。
进一步地，所述电池盖板4还包括接线柱403和玻璃封接体404，所述上层盖板401和下层盖板402上开设有通孔，所述接线柱403穿设于所述通孔并通过玻璃封接体404固定在所述上层盖板401和下层盖板402上。
一种热电池真空全覆盖式保温结构的应用，采用任一项所述的热电池真空全覆盖式保温结构制备热电池，所述真空保温腔体5设于电池电堆10的上端、下端和外侧。
实施例1
以不锈钢304材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁电镀好反射材料铝，厚度为1μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料8钡铝合金，在电池外壳1内壁的底部和内侧固定好氧化锆陶瓷支撑块6。将装配好的电池电堆10装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环7的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、盖板外侧圆环7三部分的组合体装入电池外壳1中，将盖板外侧圆环7的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体5。
实施例2
以工业纯钛材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁蒸镀好反射材料铝，厚度为10μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料8钡钛合金，在电池外壳1内壁的底部和内侧固定好氧化铝陶瓷支撑块6。将装配好的电池电堆10装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环7的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、盖板外侧圆环7三部分的组合体装入电池外壳1中，将盖板外侧圆环7的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体5。
实施例3
以工业纯钛材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁电镀好反射材料铝，厚度为100μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料8锆铝合金，在电池外壳1内壁的底部和内侧固定好氧化锆陶瓷支撑块6。将装配好的电池电堆10装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环7的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、盖板外侧圆环7三部分的组合体装入电池外壳1中，将盖板外侧圆环7的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体5。
实施例4
以不锈钢304材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁电镀好反射材料铝，厚度为50μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料8锆镍合金，在电池外壳1内壁的底部和内侧固定好氧化铝陶瓷支撑块6。将装配好的电池电堆10装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环7的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、盖板外侧圆环7三部分的组合体装入电池外壳1中，将盖板外侧圆环7的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体5。
实施例5
以工业纯钛材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁电镀好反射材料铝，厚度为20μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料8钡铝合金和锆石墨，在电池外壳1内壁的底部和内侧固定好氧化锆陶瓷支撑块6。将装配好的电池电堆10装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环7的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、盖板外侧圆环7三部分的组合体装入电池外壳1中，将盖板外侧圆环7的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体5。
实验对比：本发明用模拟电堆法对比研究了单独采用气凝胶保温材料与单独采用本发明的保温结构时对热电池保温性能的影响，实验时两种保温结构的总体积相同，实验结果如图3所示。
以单独的气凝胶保温筒作为保温组件装配的热电池模拟电堆作为对照组，测试模拟电堆中心温度随时间的变化规律，结果显示其在3600s内下降了167.3℃，整个过程中外壳高度一半处的表面温度由初始的25℃最高上升至97.5℃。
以实施例1～5的保温结构制备的真空全覆盖式保温结构作为保温组件装配热电池模拟电堆为实验组，测试模拟电堆中心温度随时间的变化规律，算出各个参数的平均值，结果显示其在3600s内下降了112.0℃，下降幅度只有对照组的66.9％，结果表明：同等体积的情况下，采用本发明的真空全覆盖式保温结构的模拟电堆中心的降温速率明显低于对照组，能进一步延长热电池的热寿命。换言之，在保温性能相同的情况下，所需的保温层的厚度更小，有利于减小热电池的体积，节约空间。此外，实施例1～5的保温结构在整个测试过程中外壳高度一半处的表面温度的平均值由初始的25℃最高上升至73.8℃，上升幅度只有对照组的67.3％，表明本发明的真空全覆盖式保温结构能显著抑制热电池模拟电堆表面温度的上升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种热电池真空全覆盖式保温结构，其特征在于：包括电池外壳(1)、电池内壳(2)、反射红外辐射层(3)和电池盖板(4)，所述电池内壳(2)安装在所述电池外壳(1)内部正中间，所述电池外壳(1)环绕所述电池内壳(2)构成真空保温腔体(5)，所述反射红外辐射层(3)设于所述电池外壳(1)的内壁和电池内壳(2)的外壁上，所述电池外壳(1)内壁的底面和侧面均安装有陶瓷支撑块(6)；所述陶瓷支撑块(6)分布于所述电池外壳(1)内壁上的反射红外辐射层(3)与所述电池内壳(2)外壁上的反射红外辐射层(3)之间；
所述电池盖板(4)包括上层盖板(401)和下层盖板(402)，所述下层盖板(402)与所述电池内壳(2)的顶端连接，所述上层盖板(401)通过盖板外侧圆环(7)与所述电池外壳(1)的顶端连接；所述上层盖板(401)和所述下层盖板(402)之间的区域及所述电池内壳(2)和所述电池外壳(1)之间的区域均为真空区域，实现了电池电堆上端、下端、外侧的真空全覆盖；
所述电池盖板(4)还包括接线柱(403)和玻璃封接体(404)，所述上层盖板(401)和下层盖板(402)上开设有通孔，所述接线柱(403)穿设于所述通孔并通过所述玻璃封接体(404)固定在所述上层盖板(401)及下层盖板(402)上。
2.根据权利要求1所述的热电池真空全覆盖式保温结构，其特征在于：所述反射红外辐射层(3)为厚度为1～100μm的薄膜层，所述薄膜层通过电镀或蒸镀附着于所述电池外壳(1)的内壁表面及所述电池内壳(2)的外壁表面。
3.根据权利要求2所述的热电池真空全覆盖式保温结构，其特征在于：所述反射红外辐射层(3)由反射材料制成，所述反射材料为铝。
4.根据权利要求1所述的热电池真空全覆盖式保温结构，其特征在于：所述陶瓷支撑块(6)由氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷制成。
5.根据权利要求1所述的热电池真空全覆盖式保温结构，其特征在于：所述真空保温腔体(5)的腔体内设有吸气材料(8)，所述吸气材料(8)为钡铝合金、钡钛合金、锆铝合金、锆镍合金、锆石墨中的任一种或其组合。
6.根据权利要求1所述的热电池真空全覆盖式保温结构，其特征在于：所述电池外壳(1)的底部设有排气口(9)。
7.根据权利要求1所述的热电池真空全覆盖式保温结构，其特征在于：所述电池外壳(1)和电池内壳(2)均由不锈钢材料或工业纯钛材料制成。
8.一种热电池真空全覆盖式保温结构的应用，其特征在于：采用权利要求1-7中的任一项所述的热电池真空全覆盖式保温结构制备热电池，所述真空保温腔体(5)设于电池电堆(10)的上端、下端和外侧。
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