CN113097598B - 一种基于相变材料浸没式被动热开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

基于相变材料的浸没式被动热开关，包括直接浸没式被动热开关和间接浸没式被动热开关；相变材料、冷板、热源均封装于外壳箱体中，外壳箱体底部带有箱池，相变材料固态时存储于电池和冷板下方的箱池内，热源通过支撑机构固定于箱池上方，冷板布置于热源之间的空隙或热源上方，与热源不发生直接接触，相变材料液态时全部或部分填充冷板与电池间的空隙。相比于主动式热开关，结构和组装简单，无传感器，动作驱动装置等主动部件，减少了发生故障的可能并降低了成本；相比于活塞式的被动热开关，无机械运动部件，减少了发生液态物质渗漏的可能性；由于利用了相变材料，更好的储热能力，能够在低温环境下为电池提供热量，保持最佳工作温度。

Description

一种基于相变材料浸没式被动热开关及其控制方法

技术领域

本发明设计一种开关及其控制方法，尤其是涉及一种基于相变材料浸没式被动热开关及其控制方法，属于热管理技术领域。

背景技术

动力/储能电池作为目前储能技术发展的核心模块，在全球能源紧缺和保护环境的大背景下，成为人们广泛关注和研究的对象。对电动汽车而言，电池的性能很大程度地决定汽车的整体性能，对电池储能系统而言，电池工作状况直接关系到储能系统的收益和安全性。电池在工作以及停机状态下的热管理情况将会直接影响电池的工作效率、循环寿命以及安全性能。

特别是动力电池，往往处于大工作电流下，产热量也较大，同时电池包又是一个相对封闭的环境，这会导致电池温度的上升。以常用的磷酸铁锂和三元锂电池为例，其最佳工作温度一般在20～50℃。根据锂电池的生热机理，内部产热主要分电化学反应热，欧姆内阻热，极化热，电解液分解热等。当电池生热速率大于散热速率，温度升高，一方面，电解液活性随温度升高而提高，内阻减小，电池性能提高；另一方面，高温会同时加快电极降解和电解液分解，对电池内部造成损伤。如果电池长期在热传递不均匀的环境中运行，电池内部温差可达8～10℃，电池单体的性能出现差异，电池组的一致性越来越差，导致电池内部形成“热点”，最终产生热失控，威胁车辆运行安全。当环境温度较低时，电池内部结构发生变化，内阻增大，充电电压平台提高，放电电压平台降低，倍率放电的能力和放电容量下降，电池工作效率下降。同时，低温条件下，车辆的启动性能会变差。因此，对电池的热管理应不限于散热提升，还要具有保温措施。

比风冷、液冷等传统冷却方式，相变冷却因相变材料吸热放热过程，系统温度平稳，可以达到近似恒温的效果，已经在很多领域得到应用。大功率电力电子器件的冷却，太阳能系统的冷却，建筑材料，工业余热利用，家用车用空调系统以及锂电池的热管理系统。相变材料的两个指标参数，相变潜热和相变温度，基本圈定了一种材料所能适用的环境类型。相变潜热越大，材料保持环境温度恒定的能力越强。而相变材料在相变过程中因密度改变引起的体积变化，也为其在冷却功能中起到了额外的作用。可以形象的说，相变材料对于电池就是一个“恒温池”，把电池控制在一个最佳的温度范围内。相变材料通常利用的是固-液相变，这一过程具有相变过程平缓、蓄热密度大、体积变化小和相变温度易控制等优点。

在相变过程中，相变材料存在随温度的体积变化，在部分材料中体积变化显著，固相和液相体积变化的程度可超出20％，如石蜡、月桂酸等。相变材料的体积变化问题在相变过程以往常被认为需要进行控制，避免因体积变化过大造成的外壳形变、泄露等问题。

现有其他技术包含数个有关相变材料热管理装置的实例。以下内容并非有关技术的完整列表。

国外文献Development of a phase change material(PCM)-based thermalswitch,HKIE Transactions,24:2,107-112.中利用石蜡作为相变材料，根据不同温度下石蜡体积的膨胀和收缩，改变导热块的位置，实现上下铜板间热传导的打开与闭合。这一热开关的设计表明相变材料在参与热传导结构的机械变化中有重要意义。但该热开关基于的机械结构和本发明的浸没方法具有本质的不同。

美国专利号US2017/0125866A1公开了一种新型电池包热管理解决方案，其中在电池阵列和水冷系统之间设计了一种多空框架结构用以填充相变材料，这种方式能够在实现高效冷却的条件下，充分利用相变材料的高储热特性。但这种热管理方案的导热系数比较低，并且结构单一，相变材料与水冷系统之间为固定贴合结构，在环境温度及电池包温度过高过低时，此热管理结构的导热系数都一样，不能实现低温环境下自动隔绝冷却通道，高温环境下自动贴合冷却通道，被动开合热传导的效果，因此其不具有控制热传递“开关”功能。

中国专利申请CN110416658A，公开了一种带有温控热开关的热管-PCM耦合无功耗热管理模块，其中电池箱体内排列有若干电池单体，相邻电池单体间及最外侧电池表面与箱体间隙填充相变材料；相变材料内布置热管构成相变材料热管耦合散热模块；热管冷凝端装有热开关，底部加装肋板，肋板伸出至风道。与本发明相比，该方法通过温度传感器主动控制，并非被动调控，也并非浸没式热管理装置。

此外，虽然现有技术中存在采用相变材料实现对热源进行温度调节，如：CN211507827U、CN111403847 A、CN111834700 A、CN111883877 A、CN211829109U、CN211980830U、CN211907628U、CN102664292 A、CN109361036 A、CN110391479 A、CN110459829 A、CN210838022U、CN209658367U、CN209766514U、CN109449528 A、CN109888436 A、CN110112499 A、CN110289460 A、CN209001082U、CN209232856U、CN209515765U、CN207925627U、CN108879019 A、CN109244593 A、CN109361036 A、CN109449334 A、CN207765585U、CN208014863U、CN208315711U、CN208570863U、CN106299542A、CN107591587 A、CN108206316 A、CN108258162 A、CN206148574U、CN206628561U、CN206976398U、CN103855441 A、CN106025426 A，但是上述现有技术常规手段都是：或将相变材料包裹在热源上或设置在冷板内、或填充在电池与箱体内壁之间的间隙中或设置弹性吸热件等，并不构成浸没式热开关及其控制方法，经过理论和实践论证，上述类似现有技术其温度调节效果都不理想，尤其是相变材料设置的位置、方式、热源与冷板之间的位置设置都影响了热源温度调节，进而无法保证热源在适合的温度下发挥其最大的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相变材料的直接/间接浸没式被动热开关，通过使用相变材料的热胀冷缩特性和相变中体积变化特性来实现对热源(电池组)和冷板的浸没与脱离，从而实现对热的传递和阻隔。其构成材料简单，制作方便，能在电池工作温度较高时迅速为其散热，并能在电池工作温度较低时停止散热及时保温，用于在不同运行工况和外界环境条件下维持电池的工作温度处于合理区间。

本发明基于相变材料的体积变化的特殊性能，基于顺应材料热胀冷缩本身物性特征的思路，提出了一种基于相变材料的直接/间接浸没式被动热开关，通过体积变化实现浸没液体接触或脱离冷板，实现对热源(电池组)温度的调节，在极端和不稳定的环境温度中具有优异的热管理性能。目前并无相关相似的专利或文献涉及类似的热管理方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于相变材料直接浸没式被动热开关控制方法，其特征为：在热源放热温度较高时，相变材料从固态融化为液态体积膨胀，淹没热源与冷板之间的空隙，使换热加强，热开关处于闭合状态，当外界温度过低时，液态相变材料冷却逐渐变为固态体积缩小，热源与冷板之间空隙露出，换热减弱，热开关处于打开状态。

优选为：在热源与冷板之间的空隙填充一部分密度低于相变材料且与液态相变材料不互溶的浸没液体，当热源加热或冷却时，相变材料体积增大或减小，对应的浸没液体液位也发生上升或下降；浸没液体同时起到相变材料密封液的作用。

当热源工作(电池充放电)温度升高时，箱池内固态相变材料温度升高，引起相变材料温度超过熔点逐渐变为液体，液态相变材料体积膨胀，填充电池与冷板之间的空隙，此时在液态相变材料的传热下，电池热量向相变材料及冷板传输，换热显著增强。当环境温度较低，热源停止工作时，液态相变材料中存储的显热和潜热逐渐向环境释放，此时维持电池工作温度处于合适温度区间，液态相变材料逐渐变为固态，液位下降，冷板与电池之间重新变为空隙，起到保温的作用，当液态相变材料全部变为固态后，电池温度才进一步下降。外壳箱体上可连接膨胀箱或排气孔，当液位上升及溢出时可容纳从箱体内排出的气体或液体。

本发明还公开一种基于相变材料间接浸没式被动热开关控制方法，其特征为：在热源放热温度较高时，相变材料从固态融化为液态体积膨胀，使包裹相变材料的弹性材料扩张，弹性材料外部的液体液位上升淹没热源与冷板之间的空隙，使换热加强，热开关处于闭合状态，当外界温度过低时，液态相变材料冷却逐渐变为固态体积缩小，使包裹相变材料的弹性材料缩小，弹性材料外部的液体液位下降热源与冷板之间空隙露出，换热减弱，热开关处于打开状态。

当相变材料体积变化时，弹性包裹层随之变化。弹性包裹层及其中的相变材料紧贴电池下方及附近区域，并全部或部分浸没于浸没液体。电池通过支撑结构固定于箱池上方，冷板布置于电池之间的空隙或电池上方，与电池不发生直接接触。当热源工作(电池充放电)温度升高时，箱池内固态相变材料温度升高，引起相变材料温度超过熔点逐渐变为液体，液态相变材料体积膨胀，弹性包裹层随之膨胀挤压浸没液体，浸没液体液位上升，逐步填充电池与冷板之间的空隙，此时在浸没液体的传热下，电池热量向浸没液体及冷板传输，换热显著增强。当环境温度较低，热源停止工作时，液态相变材料中存储的显热和潜热逐渐向环境释放，此时维持电池工作温度处于合适温度区间，液态相变材料逐渐变为固态，相变材料及其弹性包裹层体积缩小，浸没液体的液位下降，冷板与电池之间重新变为空隙，起到保温的作用，当液态相变材料全部变为固态后，电池温度才进一步下降。

本发明还公开一种基于相变材料的浸没式被动热开关，包括采用上述浸没式被动热开关控制方法控制的浸没式被动热开关，其特征为：所述浸没式被动热开关包括热源、相变材料、冷板、外壳箱体；所述相变材料、冷板、热源均封装于外壳箱体中，其中外壳箱体底部带有箱池，相变材料固态时存储于热源和冷板下方的箱池内，热源通过支撑机构固定于箱池上方，冷板布置于热源之间的空隙或热源上方，与热源不发生直接接触，相变材料液态时全部或部分填充冷板与热源间的空隙。

本发明的所采用的解决方案，其总体特征为：当热源(电池组)处于高温状态时，箱池内的相变材料通过电池底部吸收热量，由固态逐渐变为液态，体积膨胀，直接或间接推动液位上升，逐渐增大与电池和冷板之间的换热系数，实现从热源到冷源的高效传热。当相变材料完全浸没冷板和电池并溢出膨胀箱，热源与冷源传热达到最大，热开关状态为“闭合”，通过冷板为热源散热降温并同时已储存一定热量。外界环境温度过低，热源电池处于非工作状态时，相变材料温度逐渐下降，相变材料液态变为固态，体积缩小，直接或间接驱动液位下降，直至完全脱离冷板或与冷板接触面积达到最小。此时，热源与冷源之间存在空隙，换热系数显著下降，热开关状态为“断开”，在此过程中，相变材料中储存的潜热及显热部分热量、以及间接浸没冷却方式中浸没液体中的显热起到蓄热材料的作用，在低温下持续放热，实现电池低温下保温的效果。基于这两个过程，热开关的“闭合”同相变材料的液态关联，热开关的“断开”与相变材料的固态关联，利用相变材料的潜热和显热作为热缓冲层，可将电池温度控制在一个合理的范围。

优选为：所述热源包括但不限于动力/储能电池、IGBT器件等。

优选为：所述电池包括但不限于软包电池、方形电池、圆柱形电池等。

优选为：所述电池包括但不限于铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池，锂空电池等。

优选为：所述相变材料包括但不限于石蜡类、烷烃类、脂肪酸类、氟利昂类、水合盐类材料或多种材料混合物，以及它们与高导热材料或颗粒混合制成的复合材料等。所述高导热颗粒包括但不限于石墨、铜、铝、等金属、合金、半导体、碳基、硅基颗粒等。

优选为：所述弹性包裹层包括但不限于有机硅树脂、聚氨酯弹性体、聚醚酯弹性体、热塑性硫化胶等合成橡胶。

优选为：所述弹性包裹层的包裹形式包括但不小于块状包裹、球状包裹，整体包裹、分散包裹等。

优选为：所述浸没液体包括但不限于水、乙二醇与水的混合液等流体。

优选为：所述外壳箱体材料包括但不限于铜、铝、镍等金属材料、合金、高分子材料等。

优选为：所述支撑结构包括但不限于支柱、金属网、水平支撑等。

优选为：所述外壳箱体上可连接膨胀箱，当浸没液位上升及溢出时可容纳从箱体内排出的气体或液体。

优选为：所述冷板材料采用高导热材料制成，包括但不限于铜、铝、等金属、合金、硅等。

优选为：所述冷板技术形式包括但不限于匀温板、热管、微通道等技术形式。

优选为：所述冷板固定位置包括但不限于电池组之间或电池组顶部。

优选为，为减少液态相变材料在电池或冷板表面的浸润性，其接触面表面光滑，并进行表面处理。

优选为，所述热源向相变材料或相变材料及其弹性包裹层的传热过程可通过布置翅片的方式加强换热。

优选为，所述相变材料可以填充于泡沫骨架增强换热，泡沫骨架由金属或非金属材料制成。

优选为，所述相变材料与单体电池与相变材料接触面可涂抹有绝缘导热剂。

优选为，所述相变材料可以选用具有一定过冷度的相变材料，使融化温度与凝固温度分离，在不同温度上控制相变材料的充放热。

优选为，所述弹性包裹层可以为多个或多层，包裹于弹性包裹层的相变材料可以选用不同温度相变或具有不同物性(例如高潜热值，或高导热率，或高膨胀率)。

本发明的相对现有技术，其发明点在于：利用固液相变的体积变化，使冷板浸没或露出相变材料，从而实现热开关的“闭合”和“断开”，使电池向冷板的热传导过程按温度信号被动处于高换热或低换热，从而进一步实现对电池的散热或保温，在此过程中，基于相变材料本身的潜热和显热，可以起到兼具吸热和蓄热的热缓冲层的作用，高温时吸收热量，防止电池温度过高造成的损伤失控等问题，低温时放出热量，防止电池温度过低造成的效率降低。

有益效果：

本发明的有益作用体现在，与现有热开关相比,具有如下优点：

(1)相比于主动式热开关，结构和组装简单，无传感器，动作驱动装置等主动部件，减少了发生故障的可能并降低了成本。

(2)相比于活塞式的被动热开关，浸没式热开关无机械运动部件，减少了发生液态物质渗漏的可能性。

(3)由于利用了相变材料，本热开关更好的储热能力，能够在低温环境下为电池提供热量，保持最佳工作温度。

(4)相变材料固态时存储于电池和冷板下方的箱池内，电池通过支撑结构固定于箱池上方，冷板布置于电池之间的空隙或电池上方，与电池不发生直接接触。

附图说明

图1为本申请实施例1直接接浸没方式热开关的外形结构图；

图2为图1所示结构的俯视剖面图；

图3为图1所示结构的侧视剖面图，a)相变材料未融化，b)相变材料部分融化，c)相变材料完全融化；

图4为电池升温及降温时的温度曲线；

图5为辅助换热装置冷却液循环回路；

图6为本申请实施例2间接浸没方式的外形结构图和侧视剖面图,a)间接被动热开关，b)相变材料部分融化，c)相变材料完全融化；

图7为本申请实施例3直接/间接复合浸没方式的侧视剖面图,a)相变材料未融化，b)相变材料部分融化，c)相变材料完全融化；

图8为本申请实施例4带有翅片结构的侧视剖视图；

图9为本申请实施例5带有多层相变材料结构的侧视剖视图；

图10为本申请实施例6带有圆柱形两个电池的外形结构图；

图11为本申请实施例7带有相变材料弹性包裹层结构的侧视剖视图，a)相变材料未融化，b)相变材料部分融化，c)相变材料完全融化；

附图标记：

10-外壳箱体 用来固定和支撑电池组及其周围的相变材料

102-支撑结构 固定于外壳，支撑电池组

1021-网状支撑结构 固定于外壳，支撑电池组，阻隔相变材料包裹球

103-箱池 用于盛放相变材料或浸没液体

104-带翅片的热沉 通过布置翅片的方式加强换热

105-电池之间的空隙 电池之间的空隙，或电池上方空隙，用于布置冷板

20-相变材料 当热量缓冲件的潜热被完全利用后进行辅助换热

201-第一层相变储能材料 多层结构储存相变材料的区域

202-第二层相变储能材料 多层结构储存相变材料的区域

30-相变材料的弹性包裹层 调节气/液填充层的厚度来调节等效导热系数

301-第一层弹性包裹层 多层结构储存弹性材料的包裹体

302-第二层弹性包裹层 多层结构储存弹性材料的包裹体

40-热源(电池组) 可选用方型或圆柱型电池

401-圆柱形电池组 可由多个圆柱型或方形电池构成

50-浸没液体 用于在相变材料体积变化时填充热源与冷板之间的空隙

60-冷板 当热量缓冲件的潜热被完全利用后进行辅助换热，冷板内可带有孔道，冷却流体在其中流通

602-冷却液 优先选取比热容较大粘度较小的液体如水

603-冷却液循环回路 冷却液换热流通的回路

6031-储液槽 储存冷却液的区域

6032-水泵 为冷却液循环回路提供动力的部件

6033-节流阀 调节冷却液流量与流速、

6034-空气冷却装置 将冷却液中含有的热量散发到环境中

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。可以理解的，热源(电池组)40、外壳箱体10、冷板60、相变材料20、弹性包裹层30和浸没液体50的配合形式多种多样，下面列举几种综合效果比较理想的形式，当然，三者之间的配合形式并不局限于以下列举的几种。

实施例1

如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种基于相变材料的直接浸没式被动热开关，该热开关装置包括热源(电池组)40、相变材料20、冷板60、外壳箱体10。相变材料20、冷板60、电池组40均封装于外壳箱体10中，其中外壳箱体10底部带有箱池103，相变材料20固态时存储于电池组40和冷板60下方的箱池103内，电池组40通过支撑结构102固定于箱池103上方，冷板60布置于电池之间的空隙105，与电池不发生直接接触。

当电池工作时，温度逐渐上升，相变材料20起到缓冲存蓄热量的作用，避免电池温度过高，同时，也利用相变材料20的体积膨胀实现热开关的“闭合”动作(如图4a所示，温度上升的储热过程，34-36℃之间换热系数随液位逐步升高)。如图3a所示，相变材料20在温度较低时为固态，填充于电池底部的支撑结构102之间的箱池103内，电池组40与冷板60之间并不能直接接触，存在空隙105，此时热源40与冷板60之间的换热系数较低；如图3b所示，当电池组40温度升高，相变材料20吸收热量，逐渐融化，密度减小，体积增大，填充进电池组40与冷板60之间的空隙105中，液面升高，并且随着相变材料20与冷板60的接触面积增大，电池组40与冷板60之间的换热系数逐步增大；如图3c所示，当电池组40温度继续升高，相变材料20完全融化，液态相变材料体积完全充满空隙105，电池组40侧面通过液态相变材料20与冷板60完全接触，换热系数达到最大值。反之，当环境温度较低，热源停止工作时，液态相变材料20中存储的显热和潜热逐渐向环境释放，此时维持电池工作温度处于合适温度区间，同时，也利用相变材料20的体积收缩实现热开关的“断开”动作(如图4a所示，温度下降的释热过程，34-36℃之间换热系数随液位逐步降低)。当电池组40温度由高温逐渐冷却，相变材料20逐渐凝固下沉，电池组40与冷板60之间出现空隙105，换热系数逐渐降低，相变材料释放的热量起到保温作用。当液态相变材料20全部变为固态后，电池温度才进一步下降。在此结构下，热开关的换热系数变化过程为逐渐变化的过程。

冷板60与电池组40外壁可以喷一层减小液体相变材料浸润性和摩擦的涂层，用于减少相变材料20液体挂壁残留；同时外壳箱体10上可连接膨胀箱，当液位上升及溢出时可容纳从箱体内排出的气体或液体。相变材料20可选择具有高潜热和膨胀率的相变材料。例如本发明例举的相变材料为石蜡RT35HC，其各项物理性质如下表所示。由表中数据可以看出，石蜡RT35HC在相变的过程中存在明显的体积变化，由此我们可以利用体积的变化实现热传递在相变材料20和间隙105的切换，进而调节电池到冷板之间等效换热系数。

相变材料	RT35HC
		导热系数	0.2w/(m·℃)
潜热	240J/g
		固体密度	880kg/m3
液体密度	770kg/m3
		熔点	34-36℃
凝固点	36-34℃

上述电池组开关装置工作时，相变材料在电池温度变化时储存或释放热量，产生缓冲的作用，防止电池组在短时间内温度产生较大的变化。因此，在相变材料20和冷板60的帮助下，电池组40温度变化更加平缓，从而将电池组40的性能维持在最佳状态，延长电池使用寿命。同时，相变材料20起到了存储热量的作用，维持电池温度高于工作温度下限所需热量来自于电池本身的热耗散，从而起到了节能的作用。

冷板60内的孔道中可通有冷却液602加强换热，图5展示了冷板60的可选的冷却液循环回路603。冷却液循环回路603包括储液槽6031，泵6032，节流阀6033，空气冷却装置6034。储液槽6031用于储存冷却液，泵6032提供整个冷却液循环回路的动力，使冷却液能够持续在回路中流通。节流阀6033用于调节液体的流量与流速，使其能够满足不同程度的换热需求。空气冷却装置6034可由若干个风扇组成，其作用为将冷却液带出的电池热量通过对流换热的方式释放到环境中，此部分亦可以利用动力电动汽车在行驶中产生的迎面风速来实施。

图5中实线箭头表示冷却液602流通方向，虚线箭头表示热量传递方向。冷却液循环回路603的工作过程为：冷却液602由水泵6032从储液槽6031中抽出，进入循环回路603管道中，通过节流阀6033来控制冷却液602的流量与流速，冷却液602随后进入冷板60中的孔道与相变材料20进行换热。将电池组产生的多余热量吸收后，冷却液602进入空气冷却装置6034中，通过与空气的对流换热来将热量散发到环境中。最终冷却液流入储液槽6031中，形成封闭式的冷却液循环回路603。

实施例2

如图6所示，一种基于相变材料的间接浸没式被动热开关，包括电池组40、相变材料20、相变材料的弹性包裹层30、浸没液体50、冷板60、外壳箱体10。其特征在于，相变材料20及其弹性包裹层30、浸没液体50、冷板60、电池40均封装于外壳箱体10中，其中外壳箱体10底部带有箱池103，浸没液体50存储于电池组40和冷板60下方的箱池103内，相变材料20被弹性包裹层30包裹防止泄露，当相变材料20体积变化时，弹性包裹层30随之变化。弹性包裹层30及其中的相变材料20紧贴电池组40下方及附近区域，并全部或部分浸没于浸没液体。电池通过网状支撑结构1021固定于箱池103上方，冷板60布置于电池组40顶部，当相变材料20为固态时，冷板60与电池组之间存在空隙105，冷板与电池不发生直接接触。

如图6b所示，当电池组40温度升高时，箱池105内固态相变材料20温度升高，引起相变材料20温度超过熔点逐渐变为液体，液态相变材料体积膨胀，弹性包裹层30随之膨胀挤压浸没液体50，浸没液体50液位上升，逐步填充电池组40与冷板60之间的空隙105，呈现图6c的状态，此时在浸没液体50的传热下，电池组40的热量向浸没液体50及冷板60传输，换热显著增强。当环境温度较低，电池40停止工作时，液态相变材料20中存储的显热和潜热逐渐向环境释放，此时维持电池40工作温度处于合适温度区间，液态相变材料20逐渐变为固态，相变材料20及其弹性包裹层30体积缩小，浸没液体50的液位下降，冷板60与电池组40之间重新变为空隙105，起到保温的作用，当液态相变材料20全部变为固态后，电池温度才进一步下降。同样，外壳箱体10上可连接膨胀箱，当浸没液位上升及溢出时可容纳从箱体内排出空气。

为进一步说明本实施例的作用和效果，图4b表示了本发明电池组40温度升高和温度降低的过程。如图4b所示，温度较低时，石蜡RT35HC相变材料处于固态，浸没液体50液位较低，电池组40与冷板60之间存在空气间隙，热开关处于“断开”状态，等效换热系数为低值；随电池组40工作温度升高，相变材料20温度超过熔点逐渐变为液体，液态相变材料体积膨胀，弹性包裹层30随之膨胀挤压浸没液体，浸没液体50液位升高直到与冷板60完全接触，热开关处于“闭合”状态，等效换热系数跃升为高值。在此结构下，热开关的换热系数变化过程为阶跃过程。

实施例3

如图7所示，基于实施例1的结构，进一步在电池组40与冷板60之间的空隙105中填充一部分密度低于相变材料20且与液态相变材料不互溶的浸没液体50，当电池组40加热或冷却时，相变材料20体积增大或减小，对应的浸没液体50的液位也发生上升或下降。浸没液体50同时起到相变材料密封液的作用。

实施例4

如图8所示，基于实施例1的结构，进一步在电池组40底部处增加带翅片的热沉104，可加强电池组40底部与相变材料20的热传导，加快相变材料20融化过程对电池组温度的响应速度。

实施例5

如图9所示，基于实施例2的结构，进一步改变相变材料为多层不同类型的相变材料，并具有多个包裹层。将相变材料20改为多层相变储能材料201、202的组合。多层相变材料201、202可包括不同类型的相变，包括：体积变化较大的相变材料，如不饱和脂肪酸(月桂酸)层等，有助于相变过程中体积产生较大变化；具有较大潜热的相变材料，如脂肪烃类、聚多元醇类、聚烯醇类等有机固-液相变材料(石蜡)层等，有助于通过相变潜热储存更多热量；高导热率的相变材料，如添加石墨，泡沫金属等的复合相变材料等，有助于加强热量的传递；具有过冷度的相变蔡丽奥，如五水合硫代硫酸钠、三水合醋酸钠、三水合硝酸锂等，有助于通过实现不同的凝固-熔化温度。并将包裹相变材料20的弹性包裹层30改为多层弹性材料301、302的组合，以便于在弹性包裹层301内包裹相变材料201，在弹性包裹层301和302之间内包裹相变材料202。

实施例6

如图10所示，热源(电池组)40由数个圆柱形电池401组成，可采用相同的基于相变材料的直接/间接浸没式被动热开关。

实施例7

如图11所示，相变材料20被整体包裹于弹性包裹层30之中，并固定于电池组40底部。弹性包裹层30及相变材料20体受热后由电池底部向下膨胀，浸没液体50受挤压液面向上浮动。该实施例同样属于基于相变材料的间接浸没式被动热开关，其温度升高和温度降低的过程符合图4-a所示的储释热过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种基于相变材料的浸没式被动热开关，其采用基于相变材料直接浸没式被动热开关控制方法为：在热源放热温度较高时，相变材料从固态融化为液态体积膨胀，淹没热源与冷板之间的空隙，使换热加强，热开关处于闭合状态，当外界温度过低时，液态相变材料冷却逐渐变为固态体积缩小，热源与冷板之间空隙露出，换热减弱，热开关处于打开状态；在热源与冷板之间的空隙填充一部分密度低于相变材料且与液态相变材料不互溶的浸没液体，当热源加热或冷却时，相变材料体积增大或减小，对应的浸没液体液位也发生上升或下降；浸没液体同时起到相变材料密封液的作用；所述浸没式被动热开关包括热源、相变材料、冷板、外壳箱体；所述相变材料、冷板、热源均封装于外壳箱体中，其中外壳箱体底部带有箱池，相变材料固态时存储于热源和冷板下方的箱池内，热源通过支撑机构固定于箱池上方，冷板布置于热源之间的空隙或热源上方，与热源不发生直接接触，相变材料液态时全部或部分填充冷板与热源间的空隙；所述外壳箱体上连接膨胀箱；所述冷板与热源外壁喷有一层减小液态相变材料浸润性和摩擦的涂层，用于减少相变材料液体挂壁残留；相变材料被多层弹性包裹层包裹；所述冷板具有冷却液循环回路；所述冷却液循环回路包括储液槽，泵，节流阀，空气冷却装置；储液槽用于储存冷却液，泵提供整个冷却液循环回路的动力，使冷却液能够持续在回路中流通；节流阀用于调节液体的流量与流速，使其能够满足不同程度的换热需求；空气冷却装置由若干个风扇组成，其作用为将冷却液带出的热源热量通过对流换热的方式释放到环境中；所述相变材料选择具有高潜热和膨胀率的烷烃类、脂肪酸类、氟利昂类、水合盐类材料；所述热源包括储能电池、IGBT器件；所述相变材料填充于泡沫骨架增强换热，泡沫骨架由金属或非金属材料制成。

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