JP6695422B2 - 熱管理および爆発伝播防止用の多機能高温構造 - Google Patents

Description

本発明は、相変化冷却システムに関し、より詳細には、ウィックを使用する相変化システムに関する。

Ｌｉイオンバッテリアレイは、所望の寿命よりも短くなりがちであり、信頼性の問題を抱えがちであり、そして、一定の充電および放電動作中に過剰な熱の蓄積により致命的な故障が発生する可能性もある。これらの懸念は、余剰のバッテリ容量を提供して、アレイ内の特定のいずれか１つのバッテリの充電／放電率を低下させることによって対処することができる。アレイは、セルケースの温度を低下させるために積極的に冷却されてもよい。例えば、空気または電気的に非導電性の液体をアレイの周りに循環させて、余剰の熱をアレイから取り除くことができる。あるいは、余剰の熱を吸収するためにアレイの周りに相変化材料を配置してもよい。フェイルセーフシステムを提供するためには、一般に複数層もの安全特徴が必要である。

バッテリおよび他の熱源のための改善された熱管理および物理的安全特徴を提供する必要性が依然として存在する。

熱管理および構造的封じ込め用のシステムは、筐体と、筐体内に配置された熱源と、熱源の外側表面の少なくとも一部を取り囲むウィックとを備えてもよい。システムはまた、筐体内に配置され、ウィックと連通する作動流体を含んでもよい。筐体は、実質的に蒸気密であってもよい。ウィックは、セラミック繊維、セルロース繊維、ガラス繊維、グラファイト繊維、またはポリマー繊維からなる群から選択された材料を含んでもよく、不織繊維、織り繊維、編み繊維、または編組繊維からなる群から選択された布地を含んでもよい。ウィックは、マルチスケールウィックであってもよく、隣接する層それぞれが異なる孔径分布を有する複数のウィック層を有していてもよい。一実施形態では、システムはまた、筐体の第１の内壁に第１のマルチスケールウィックを備えていてもよく、筐体の第１の内壁の反対側にある外壁に配置されたヒータブランケットを備えていてもよい。第２のマルチスケールウィックが、筐体の第１の内壁に対向する第２の内壁にさらに備えられ得る。熱源は、筐体内に配置された第１の複数のエネルギー蓄積装置のうちの１つであるエネルギー蓄積装置であってもよい。第１の複数のエネルギー蓄積装置は、第１のマルチスケールウィック構造にモノブロック構成で積み重ねられてもよく、第１の複数のエネルギー蓄積装置はそれぞれ、複数の織りセラミックウィックのうちの対応する１つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有していてもよい。システムはまた、複数の織りセラミックウィックに沿って延在する二次マルチスケールウィックを備えていてもよく、二次マルチスケールウィックは、複数の織りセラミックウィックと液体連通してもよい。二次マルチスケールウィックは、複数の織りセラミックマルチスケールウィックの各々の半径Ｒに沿って延在し、二次マルチスケールウィックと複数の織りセラミックマルチスケールウィックの各々との間の液体接触表面積を増加させてもよい。他の実施形態では、システムは、第１のマルチスケールウィック構造にモノブロック構成で積み重ねられた第２の複数の熱源を備えていてもよく、第２の複数の熱源はそれぞれ、複数の織りセラミックマルチスケールウィックのうちの対応する１つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有していてもよい。内部フレーム構造は、第１の複数の積み重ねられた熱源と第２の複数の積み重ねられた熱源との間に設けられていてもよい。

熱管理および構造的封じ込め用の別のシステムは、筐体と、筐体内に配置されたバッテリと、バッテリの外側表面の少なくとも一部を取り囲む織りセラミックジャケットと、織りセラミックジャケットと液体連通する作動流体とを有する。システムはまた、筐体の第１の壁の内側にある第１のマルチスケールウィック構造と、第１の壁の外側に配置され、かつ第１のマルチスケールウィックに相補的に対向して配置されるヒータとを有していてもよい。バッテリは、筐体内に配置された第１の複数のバッテリのうちの１つであってもよい。第１の複数のバッテリは、モノブロック構成で積み重ねられてもよく、一実施形態では、このようなバッテリはさらに、内部ベースウィックに積み重ねられてもよい。システムは、内部ベースウィックにモノブロック構成で積み重ねられた第２の複数のバッテリをさらに備えていてもよく、第２の複数のバッテリはそれぞれ、複数の織りセラミックジャケットのうちの対応する１つによって取り囲まれた外側表面を有していてもよい。内部フレーム構造は、第１の複数の積み重ねられたバッテリと第２の複数の積み重ねられたバッテリとの間に設けられていてもよい。
熱を伝達させる方法は、筐体内のバッテリの外側表面を実質的に取り囲むマルチスケールウィックで熱エネルギーを受け取ることと、マルチスケールウィックと筐体の第１の壁の内側にある第１のマルチスケールウィック構造との間で熱エネルギーを伝達させることと、を含む。本方法はまた、熱エネルギーの受け取りに応じてマルチスケールウィック内で蒸気を生成することと、第１のマルチスケールウィック構造内で凝縮液を生成することと、を含んでもよい。一実施形態では、バッテリからマルチスケールウィックに熱が伝達される。いくつかの実施形態では、本方法はまた、マルチスケールウィックによってバッテリの半径方向の膨張に対する構造的補強を提供することを含んでもよい。「逆方向動作」と呼ばれる方法の一実施形態では、本方法はまた、熱エネルギーの受け取りに応じて筐体の第１の壁の内側にある第１のマルチスケールウィック構造内で蒸気を生成することと、熱がマルチスケールウィックからバッテリへと伝達できるように、バッテリの外側表面を実質的に取り囲むマルチスケールウィック内で凝縮液を生成することとを含んでもよい。

図面内の構成要素は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、本発明の原理を示すにあたり強調されている場合がある。さらに、同様の参照番号は、異なる図面を通して対応する部分を示す。

対応するウィックに包まれた複数の熱源を含む筐体内の蒸気凝縮熱伝達システムの分解斜視図である。

変形前のマルチスケールウィックに包まれた熱源の一実施形態の斜視図である。 変形後のマルチスケールウィックに包まれた熱源の一実施形態の斜視図である。

マルチスケールウィックに包まれた直角プリズムの形態の熱源の斜視図である。

モノブロック構成で積み重ねられた複数の熱源の一実施形態の斜視図であり、各熱源は対応する一次ジャケットに包まれ、モノブロックは二次ジャケットに包まれている。

２つのバッテリセルを示す切り欠き図であり、２つのバッテリセルは、対応する第１のマルチスケールウィックと、その第１のマルチスケールウィックの外面に沿って延在し、これに部分的に適合する、第２のマルチスケールウィックと、によって包まれている。

筐体内に設置された複数のモノブロックの斜視図である。

筐体の１つの内部コーナーの拡大斜視図である。

複数の熱源を含む筐体内の蒸気および液体の動作フローを示す。

断熱および破片封じ込めのために故障した熱源の周りを包むマルチスケールウィックの使用を示す。

筐体内のマルチスケールウィックに包まれた熱源の熱管理の一実施形態を示すフローチャートである。

急速放電中のＬｉイオンセルの温度対時間を示すグラフであって、一つ目が、セルの周りを包む一実施形態の液体充填多孔質ウィックありの場合であり、二つ目が、セルの周りを包む多孔質ウィックなしの場合である。

急速充電中のＬｉイオンセルの温度対時間を示すグラフであって、一つ目が、セルの周りを包む一実施形態の液体充填多孔質ウィックありの場合であり、二つ目が、セルの周りを包む多孔質ウィックなしの場合である。

バッテリ等の熱源の熱管理および故障封じ込めの両方のための単一の独自の解決策を提供するシステムが開示される。通常の動作条件下では、このシステムは液相−気相変化熱管理システムとして機能する。故障状態では、システムは防火壁および故障封じ込めシステムとして機能する。

図１は、筐体内の複数の熱源の熱管理および構造的封じ込め用のシステムの分解斜視図である。バッテリセル（「バッテリ」）１００の形態の発熱電気部品またはエネルギー蓄積装置等の複数の熱源はそれぞれ、対応するウィック１０５に包まれているか、そうでなければ対応するウィック１０５に実質的に覆われた表面を有する。各バッテリセル１００の第１の端子面１０７は、好ましくは、ウィック材料を実質的に含まず、導電性リード線１１２への上部電気接点１１０の電気的接続を容易にする。各バッテリ１００の第２の端子面１０９は、底部ウィック（図示せず）に部分的に覆われており、バッテリセル１００は、内部ベースウィック１１５が底部ウィック（図示せず）と流体連通するように、筐体１２０の第１の内壁１１８に配置されるかまたは取り付けられる内部ベースウィック１１５上にそれぞれ設置され得る。筐体は、含まれる作動流体の大気への損失を減少させるように、蒸気密であるか、または実質的に蒸気密であってもよい。他の実施形態では、複数の熱源は、筐体内に存在する単一の熱源であってもよい。また、バッテリ１００または他の発熱デバイスは、円筒形として図示されているが、正方形、矩形、または他の形状であってもよく、ウィックが液体で満たされたときに熱伝達を促進するために、その外面の周りがウィックに物理的に接触していてもよい。ウィック構造は、故障の場合に、セルの物理的封じ込めを提供するように設計することができる。バッテリが過熱（即ちオーバーヒート）すると、多孔質層は、隣接するセルを保護する防火壁として機能する。最終的に、過熱および暴走発熱反応によりセル壁が破損した場合、繊維性ジャケットは追加の封じ込めを提供する。

内部ウィック構造１２５は、対向する対の内壁（１３０、１３５）に配置することができ、各内部ウィック構造１２５は、筐体１２０底部にある内部ベースウィック１１５と液体連通し、それらの間の吸上作用を用いて液体を移動させる。ウィック１０５、底部ウィック（図示せず）、内部ベースウィック１１５、および内部ウィック構造１２５は、それぞれ、電気的に非導電性であり、１０００℃を超える温度に耐えることができるものであることが好ましい。熱源は密閉された加熱室の底部部分に設置されるものとして図示されているが、熱源は、対向する対の内壁（１３０、１３５）の壁のうちの一方に設置されても、または筐体の幅または高さに及んでもよい。対向する対の内壁（１３０、１３５）は、内部ウィック構造１２５から過剰な熱を受け取るために金属のような熱伝導性材料で形成されてもよい。筐体１２０には、３Ｍ ＮＯＶＥＣ ７２００のような、好ましくは誘電液体である作動流体が充填されてもよく、その作動流体は、−１３８℃の凝固点、７６℃の沸点（１気圧の圧力）、および約１７０℃の臨界点を有するため、通常のバッテリ動作範囲（−４０〜＋７０℃）を可能にすることができるものである。周囲温度（バッテリボックスの外部）が７０℃である場合、飽和圧力は１気圧よりもわずかに低くてもよい。筐体が立方体でない、例えば、球形または円筒形の筐体等の実施形態では、「対向する対の内壁」は、筐体の互いに対向する側にある壁セグメントを指してもよい。

図２Ａおよび図２Ｂは、単一の熱源の一実施形態の斜視図であって、単一の熱源は、円筒形であり、図１に示す筐体内で使用するためにウィックによって実質的に取り囲まれた外側表面を有する。単一の熱源は、図１に示す円筒形バッテリセル１００のうちの１つであってもよく、それは、単なる例であるが、公称電圧３．２ボルトおよび２．６Ａｈｒを定格とし、例えば４０℃の周囲温度で１０Ａ等の高電流量で充放電するように構成された、高出力リン酸リチウム鉄（ＬＦＰ）充電バッテリを含んでもよい。代替的実施形態では、単一の熱源は、コバルト酸リチウム充電バッテリ、またはリン酸リチウムマンガン鉄充電バッテリ、または他のタイプの充電バッテリもしくはエネルギー蓄積装置であってもよい。

好ましい実施形態では、バッテリ１００の外側表面のかなりの部分は、セラミック（「セラミックジャケット」または「セラミックマルチスケールウィック」とも呼ばれる）またはガラス繊維のような高温材料で形成され得るマルチスケールウィック２００によって取り囲まれ得る。本明細書で使用される場合、「マルチスケールウィック」という語句は、キャピラリーポンプのために複数の有効孔径を提供するように異なる平均孔径および分布を有するウィック構造を指してもよい。マルチスケールウィックの例としては、積み重ねられるかまたは表面に噴霧された異なる直径の繊維を有する（すなわち、２本以上の繊維深さの）単層ウィック、または各隣接層が異なる孔径分布を有する複数の繊維層（図２Ｃ参照）、または編組されたもしくは編まれた繊維の１つもしくは複数の層、を含み得る。例えば、セラミックマルチスケールウィックは、編組されたもしくは編まれたセラミック繊維から、または不織セラミックプロセスから形成されてもよい。一実施形態では、マルチスケールウィック２００は、約１ｍｍの壁厚を有する織り構造で形成されてもよい。別の実施形態では、繊維直径は、約１０ｎｍ〜３００μｍであってもよく、ウィックを形成する繊維層は、バッテリの種類およびサイズに応じて５ミクロン〜５ｍｍであってもよい。他の実施形態では、孔にはマトリックス（例えば、粉末）が充填されていてもよい。繊維はまた、濡れを改善するために処理されてもよい。セラミックマルチスケールウィック材料の一例は、絶縁に使用される３Ｍ（登録商標）によって販売されているＮｅｘｔｅｌ（登録商標）ファミリーの繊維をベースとする。織りセラミックマルチスケールウィック２００は、熱管理および故障封じ込めの二重の役割を提供する。

動作中、図１の筐体１２０で使用されるように、バッテリ１００によって放出される過剰な熱は、液体が充填されたマルチスケールウィック２００中の液体の一部の液体から蒸気への相変化を誘発してもよく、それによって、過剰な熱は、液体から蒸気への相変化を介してバッテリセルから効果的に移動し、生成された蒸気がバッテリ１００から移動する。図２Ｂに最も良く示されているように、織りセラミックジャケット２００’の高い引張強度は、バッテリ１００の圧力封じ込めを助け、バッテリが破裂した場合の破片を収容するために、バッテリの半径方向の膨張に対して追加の構造的補強をさらに提供し得る。ウィックはまた、隣接するセルを過熱から隔離することによって、カスケード効果を回避し、突発的な故障を防止するのに役立ち得る。

図２Ｃは、ウィック構造のマルチスケール特徴の例を示す。マルチスケールウィックは、２０１、２０２、および２０３のような複数の層を有することができる。各層（２０１、２０３、２０３）は、異なる孔径および分布を有することができる。微細な孔構造２１８は、好ましくは、蒸気空間に対して開いており、バッテリ１００に隣接している。

図３は、単一の熱源の斜視図であり、その熱源は、図１に示す筐体内で使用するためにマルチスケールウィックに包まれた直角プリズムのようなプリズム形状の単一の熱源である。熱源は、織りセラミックジャケット３０５によって取り囲まれるかまたは包まれた発熱エレクトロニクスまたはバッテリ３００であってもよい。

図４は、複数の熱源の一実施形態の斜視図であり、複数の熱源は、筐体内で使用するための平行に積み重ねられたバッテリのアレイを形成するためにモノブロック構成で積み重ねられた、円筒形バッテリセル等の複数の熱源である。本明細書において参照される場合、「モノブロック」という用語は、好ましくは互いに平行に配向された、積み重ねられた複数の熱源を意味する。モノブロック４００の個々の円筒形バッテリセル１００はそれぞれ、織りセラミックウィック（「一次ジャケット」とも呼ばれる）４０５であってもよいマルチスケールウィックによって実質的に取り囲まれるかまたは包まれてもよい。一次ジャケット４０５は、約１ｍｍの壁厚を有していてもよい。代替的実施形態では、一次ジャケットは、マルチスケールウィックではないウィックであってもよい。織りセラミックウィックであってもよい二次マルチスケールウィック（「二次ジャケット」とも呼ばれる）４１０は、モノブロック４００の一次ジャケット４０５を取り囲むかまたは包んでいてもよい。代替的実施形態では、一次ジャケット（４０５）および二次ジャケット（４１０）のいずれかまたは両方は、編組繊維もしくは編み繊維から、または不織プロセスから形成されてもよい。また、セラミックベースではなく、一次ジャケットまたは二次ジャケットのいずれかが、ガラスまたはＫｅｖｌａｒのような高温合成繊維から形成されてもよい。一次ジャケット（４０５）および二次ジャケット（４１０）は、互いに液体連通しているため、液体がその間で伝達され得る。モノブロック４００は、複数の積み重ねられた列または単一の積み重ねられた列によって形成されてもよく、バッテリ１００の長さにほぼ等しい距離で離間した相補的なパネル（４１５、４１７）によって軸方向に支持され、相補的なパネル（４１５、４１７）におけるバッテリ端子の電気的接続を容易にすることができる。二次ジャケット４１０は、バッテリ１００の少なくとも部分的な半径方向支持を提供できるため、それらがモノブロック４００から落ちない。相補的なパネル（４１５、４１７）のそれぞれは、マルチスケールウィッキング層４３０であってもよいウィックで覆われた外面（４２０、４２５）を有していてもよい。図４では、モノブロックは２４個のバッテリを含む。通常動作の間、一次セルジャケット（４０５）および二次セルジャケット（４１０）は、誘電液体の他の部分がバッテリ１００からの過剰な熱の吸収によりバッテリで蒸発するときに、誘電液体を複数のバッテリ１００各々の外側表面に向かって引き寄せる強い毛管力を提供する。

一次ジャケット４０５間の液体連通は、二次ジャケット４１０に沿った液体連通により向上する。各一次ジャケット４０５の形状に二次ジャケット４１０の形状を適合させることにより、このような液体の連通が向上し得る。例えば、平らな外面を有する平面に二次ジャケットを形成するのではなく、二次ジャケット４１０は、各バッテリセル１００の外側円筒面を取り囲む、対応する織りセラミックジャケット４０５各々の部分半径Ｒに沿って延在できる（図５参照）。一体的に織られたジョイントチューブおよび多層生地を含む他の構成は、両方の役割を果たす単一のジャケットとして考案することができる。別の実施形態では、液体は内部ベースウィック１１５から一次ジャケットへ直接（図１参照）、または一次ジャケットと液体連通している液体貯蔵部（図示せず）から移動することにより、二次ジャケットを省略することができる。

モノブロック４００の代替的使用では、一次ジャケット（４０５）および二次ジャケット（４１０）は、モノブロック４００から外れた場所から蒸気の形態の熱エネルギーを受け取り得る。蒸気は、吸上作用によりバッテリ１００へと凝縮した液体が連通するように、二次ジャケット４１０で、および／または二次ジャケット４１０から一次ジャケット４０５を通って、凝縮し得る。このようにして、バッテリは、上述したようにバッテリ１００から過剰な熱エネルギーを排出させるのではなく、一次ジャケット（４０５）および二次ジャケット（４１０）を通って過剰な熱エネルギーを受け取り得る。この方法は、起動時における理想的な動作には寒すぎる気候での使用のためにバッテリ１００を暖めるのに有用であり得る。バッテリ１００が使用され、それ自体が過剰に発熱し始めると、バッテリ１００の外側表面に蒸気が形成された状態で、バッテリ１００とモノブロックから外れた場所との間の熱エネルギーの伝達が逆転し得る。

図６Ａは、筐体内のいくつかのモノブロックに配置された複数の熱源の切り欠き斜視図である。各モノブロック（６００、６０５、６１０）は、円筒形バッテリセル１００からなるものとして示されているが、他の熱源を使用することもできる。各モノブロック（６００、６０５、６１０）は、同じ数の列およびバッテリ１００を有しても、または各モノブロックは、独自の組み合わせの列、バッテリ、および熱源の種類を有してもよい。例えば、各モノブロックの各列は、単一のバッテリまたは複数のバッテリからなってもよい。各バッテリ１００の外側円筒形表面のかなりの部分は、個々が一次ジャケット６１５に取り囲まれるかまたは包まれている。二次ジャケット６２０または複数の二次ジャケットは、各モノブロックの一次ジャケット６１５の外側を包み、それぞれが対応するモノブロック（６００、６０５、６１０）のバッテリ１００間の液体連通を提供し得る。各モノブロックの二次ジャケット６２０は、モノブロックの周囲および下を包み込むため、二次ジャケットの一部はモノブロックとバッテリベースマルチスケールウィック６２５との間に挟まれる。バッテリベースマルチスケールウィック６２５が誘電液体等の貯蔵液で充填されると、誘電液体は、モノブロック（６００、６０５、６２０）それぞれの一次ジャケット６１５間のさらなる分配のためにバッテリベースマルチスケールウィック６２５から二次ジャケット６２０へと引き上げられ得る。ウィック構造は、電気的接続を促すように設計されている。

各モノブロックは、バッテリ上のバッテリ端子と相補的なパネル（６３０、６３５）の端子との間の電気的接続を促すために、バッテリ１００の長さにほぼ等しい距離で離間した相補的なパネル（６３０、６３５）を有する。相補的なパネル間の適切な電気的接続により、第１のモノブロックの正端子は、適切な電気的構成のために第２のモノブロックの負端子に接続され得る。

図６Ｂは、筐体の１つの内部コーナーの拡大斜視図である。複数のマルチスケールウィック６４０は、筐体の内壁の内面に沿って延在している。このようなウィックは、凝縮、蒸発、および流体移動のために使用され得る。一実施形態では、マルチスケールウィック６４０は、筐体の重力の向きに関係なく液体を吸い上げることを可能にすることによって重力に依存しない動作を可能にする。

図７は、動作を説明するためにバッテリボックス７１５である筐体内に封入された、一次ジャケット（７０５）および二次ジャケット（７１０）を有するマルチセルバッテリアレイ７００の断面図である。各セル７２０は、それぞれ約１ｍｍの壁厚を有する多孔質織り構造から形成され得る対応する一次セルジャケット７０５によって取り囲まれている。より大きなバッテリシステムのモノブロックを形成する平行なセル７２０のアレイはまた、二次セルジャケット７１０と呼ばれる多孔質ウィック構造によって取り囲まれている。一次多孔質構造（７０５）および二次多孔質構造（７１０）は、互いに物理的に接続され、それらの間の液体連通を可能にできる。セルおよびセルのブロック周りの開放空間は、迅速な蒸気移動を可能にする。バッテリアレイの底壁７２５も薄い多孔質層７３０で覆われている。セルの放電および充電の通常の動作状態では、一次セルジャケット（７０５）および二次セルジャケット（７１０）はウィックとして機能し、毛管作用によってバッテリボックスの底部から各セルの外面７３５（すなわちセルケーシング）へと誘電液体を引き上げる。セル壁の近くの液体は、セル７２０の内部で発生した熱を吸収した後に蒸発する。蒸気は、バッテリボックス７１５の内壁７４０で凝縮する。凝縮液は、重力によって、または（重力に依存しないことが望まれる場合に）バッテリボックス７１５の内壁７４０に実装される同様の多孔質構造７４５の毛管力によって底部に蓄積する。相変化および液体／蒸気循環により、セル壁７３５からバッテリ壁７２５に熱を伝達し続け、バッテリ壁７２５から大気へと排出される。基本的に、動作のコンセプトは、筐体内の蒸気凝縮熱伝達システム、受動的な放熱および拡散技術である。

一次セルジャケット（７０５）および二次セルジャケット（７１０）のマルチスケール孔（１０ｎｍ〜１ｍｍ）を設計することにより、１００Ｗ／ｃｍ２を超える冷却能力を達成することができる。冷却能力は、３０Ｃ（すなわち、セルまたはバッテリの定格容量よりも３０倍速い）の最も過酷な放電率条件であっても、セル７２０の典型的なワット損密度をはるかに超え得る。バッテリケース７００内でつながっている蒸気空間および同一の蒸気飽和温度により、セル７２０間で熱放散が異なっていても、大型のバッテリモジュール７１０内のセル７２０間でほぼ等温状態を達成することができる。わずかな過圧ガス放出バルブを安全性のために追加することができる。

３Ｍ ＮＯＶＥＣ ７２００のような誘電液体は、−１３８℃の凝固点、７６℃の沸点（１気圧の圧力）、および約１７０℃の臨界点を有する。したがって、これは、バッテリ７００が動作可能な周囲温度範囲の全体（−４０〜＋７０℃）に適している。周囲温度（バッテリボックス７１５の外部）が７０℃である場合、飽和圧力は１気圧よりもわずかに低い。わずかな差圧により、バッテリボックス壁７２５の強度および厚さの要求が緩和され、その結果、壁７２５を介する効果的な熱伝導による軽量バッテリがもたらされる。バッテリは、現在の鉛蓄電池と同様に上述の動作を達成するために密閉されることが好ましい。ガス放出バルブは、システムが過熱した場合の過圧の場合に蒸気逃がし経路を提供することができる。

図８は、外面の周りを包む対応するセラミックマルチスケールウィック（「一次ジャケット」）と物理的に接触している複数の熱源を有するシステムにおける熱管理および物理的安全性の特徴を示す。動作中、好ましくは、継続的な液体の供給が、物理的に接続されたバッテリ８１０内の各セル８０５の一次ジャケット（８００、８００ａ）を飽和させる。したがって、単一のセル８０５ａが局所的な故障のために過熱すると、その一次ジャケット８００ａおよび利用可能な液体供給によって代表される冷却機構は、まず、二次ジャケット（図示せず）、内部ウィック構造８１５、および周囲のセルからより多くの液体がもたされるように自動制御する（液体急冷）。単一のセル８０５ａに対してこの自己適応型液体急冷機構が限界に達すると、その対応する一次ジャケット８００ａが乾燥し始め、その温度が上昇するにつれて、対応する一次ジャケット８００ａは素早く絶縁体になり、隣接するセル８０５ｂを局所的な熱から保護する。最後に、単一のセル８０５ａのセル故障および破裂の場合、一次ジャケット８００ａの織り構造は、その高温（１０００℃超）に耐える能力のため防火壁として機能するだけでなく、織り繊維の強度により物理的封じ込めとしても機能する。一次ジャケット８００ａの歪みおよび強度は、繊維の種類および織物構造等の多数のパラメータに依存する。

図９は、筐体内に閉じ込められたマルチスケールウィックで包まれたバッテリの熱管理および構造的封じ込め用のシステムの「順方向」および「逆方向」動作についての方法の一実施形態を示すフローチャートである。熱エネルギーは、バッテリの一次ジャケットで受け取ることができる（ブロック９００）。便宜上「順方向動作」と記載される一実施形態では、バッテリから受け取った過剰な熱エネルギーであってもよい熱エネルギーの受け取りに応じて蒸気が一次ジャケット内に生成される（ブロック９０５）。一次ジャケット内の液体から蒸気への相変化は、バッテリから過剰な熱エネルギーを引き出すように機能する。熱管理および構造的封じ込めの方法の一実施形態では、バッテリ内での過剰な熱の蓄積によってバッテリの半径方向の膨張および／または封じ込め不良を引き起こす場合、一次ジャケットは、一次ジャケット内での液体の利用可能性にかかわらず半径方向の膨張に対して構造的補強を提供できる（ブロック９１０）。

便宜上「逆方向動作」と記載される別の実施形態では、筐体の第１の壁の内側における第１のマルチスケールウィック内で発生した蒸気によって、バッテリの一次ジャケットで熱エネルギーが受け取られる（ブロック９１５）。第１のマルチスケールウィック内の蒸気は、筐体外部の熱源から、または一次ジャケットと連通するために筐体の外部に取り付けられた熱源から受け取られた熱エネルギーによって促進される液体から蒸気への相変化によって発生し得る。一実施形態では、熱源はヒータブランケットである。一次ジャケット内での蒸気から液体への相変化（ブロック９２０）は、さもなければ起動時におけるバッテリの理想的な動作には寒すぎる環境で使用するためにバッテリを暖めるように機能する。この「逆動作」モードでは、蒸気の浮遊形態である作動流体は、蒸気から液体への相変化熱伝達動作のために一次ジャケットと連通している。

順方向動作では、一次ジャケットで発生する蒸気（ブロック９０５）は、筐体の第１の壁の内側にある第１のマルチスケールウィックへと移動する（ブロック９２５）。蒸気は、第１のマルチスケールウィックによって冷却されて凝縮液を生成する（ブロック９３０）ときに、蒸気から液体へと相変化し、最終的に過剰な熱エネルギーをバッテリから引き離すことができる。次いで、凝縮液は、さらなる熱エネルギーを受け取るために、一次ジャケットに吸い上げられるか、さもなければ移動して、筐体から熱エネルギーを移動させるために、バッテリから第１のマルチスケールウィックへと過剰なエネルギーを戻すための液体から蒸気への相変化を達成できる。

実施例：

実施例１：

公称寸法が直径２６ｍｍ、高さ６５ｍｍである円筒形の充電式リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）バッテリ（２６６５０ＬＦＰ、Ｋ２ Ｅｎｅｒｇｙ）を蒸気密な筐体に入れる。導線は、筐体のカバー内のフィードスルーを用いてセルに接続されている。ある量の誘電液体３Ｍ ＮＯＶＥＣ ７２００は筐体の底部に配置される。バッテリは、まず０．５Ｃレートで３．６５Ｖまで充電され、次いで、電流が６５ｍＡまで時間とともに減少しながら、定電圧でさらに充電される。次いで、バッテリは、１０Ａｍｐの電流から開始して、一定の抵抗負荷の下でＳＯＣ０％まで完全に放電される。セルの温度は、放電中の時間の関数として記録される。筐体周囲の周囲温度は４０℃に保たれる。図１０に示すように、セル壁の温度はＳＯＣ０％で２３℃上昇する。

実施例２：

円筒形のセルに２５０ミクロン厚の不織多孔質構造を用いて、円筒形の充電式２６６５０ ＬＦＰセル（２６６５０、Ｋ２ Ｅｎｅｒｇｙ）を覆い、蒸気密な筐体に入れる。実施例１の充放電プロセスを繰り返す。放電中の温度上昇を図１０に示す。チャンバ内の蒸発凝縮プロセスの効果により、温度上昇をわずか３℃まで低下させる。

実施例３：

実施例１の実験を繰り返すが、ただし、セル電圧が３．６５Ｖ（約３０００ｓ時）に達するまでは定電流（ＣＣ）４Ａｍｐ（１．５Ｃ）充電で、次いで電流が６５ｍＡに低下するまでは定電圧充電で、充電が行われる。周囲温度は６０℃である。セルの温度は、充電中の時間の関数として記録され、図１１に示すように、温度は１１℃で定電流ステップ直後にピークに達する。

実施例４：

実施例２のようにセルを不織多孔質構造で覆い、続いて、実施例３の充電手順を行う。この実施例では、セルの温度上昇は約２℃でピークに達し（図１１）、多孔質ウィックの追加によってもたらされる冷却プロセスの劇的な効果が実証されている。

本出願の各種実施形態について説明したが、本発明の範囲内にあるより多くの実施形態および実施態様が可能であることが当業者には明らかであろう。
以下は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
［項目１］
熱管理および構造的封じ込め用のシステムであって、
筐体と、
前記筐体内に配置される熱源と、
前記熱源の外側表面の少なくとも一部を取り囲むウィックと
を備える、システム。
［項目２］
前記筐体内に配置され、前記ウィックと連通する作動流体をさらに含む、項目１に記載のシステム。
［項目３］
前記筐体は実質的に蒸気密である、項目１に記載のシステム。
［項目４］
前記ウィックは、セラミック繊維、セルロース繊維、ガラス繊維、グラファイト繊維、またはポリマー繊維からなる群から選択された材料を含む、項目１に記載のシステム。
［項目５］
前記ウィックは、不織繊維、織り繊維、編み繊維、または編組繊維からなる群から選択された布地を含む、項目１に記載のシステム。
［項目６］
前記ウィックはマルチスケールウィックである、項目１に記載のシステム。
［項目７］
前記マルチスケールウィックは、それぞれが異なる孔径分布を有する複数のウィック層を有する、項目６に記載のシステム。
［項目８］
前記筐体の第１の内壁に第１のマルチスケールウィックをさらに備える、項目１に記載のシステム。
［項目９］
前記筐体の前記第１の内壁の反対側にある外壁に配置されたヒータブランケットをさらに備える、項目８に記載のシステム。
［項目１０］
前記筐体の前記第１の内壁に対向する第２の内壁に第２のマルチスケールウィックをさらに備える、項目８に記載のシステム。
［項目１１］
前記熱源はエネルギー蓄積装置を備える、項目１に記載のシステム。
［項目１２］
前記エネルギー蓄積装置は、前記筐体内に配置された第１の複数のエネルギー蓄積装置のうちの１つである、項目１１に記載のシステム。
［項目１３］
前記第１の複数のエネルギー蓄積装置は、前記第１のマルチスケールウィック構造にモノブロック構成で積み重ねられる、項目１２に記載のシステム。
［項目１４］
前記第１の複数のエネルギー蓄積装置はそれぞれ、複数の織りセラミックウィックのうちの対応する１つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有する、項目１３に記載のシステム。
［項目１５］
前記複数の織りセラミックウィックに沿って延在する二次マルチスケールウィックをさらに備え、前記二次マルチスケールウィックは、前記複数の織りセラミックウィックと液体連通する、項目１４に記載のシステム。
［項目１６］
前記二次マルチスケールウィックは、前記複数の織りセラミックマルチスケールウィックの各々の半径Ｒに沿って延在し、前記二次マルチスケールウィックと前記複数の織りセラミックマルチスケールウィックの各々との間の液体接触表面積を増加させる、項目１５に記載のシステム。
［項目１７］
前記第１のマルチスケールウィック構造に前記モノブロック構成で積み重ねられた第２の複数の熱源を備え、前記第２の複数の熱源はそれぞれ、複数の織りセラミックマルチスケールウィックのうちの対応する１つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有する、項目１３に記載のシステム。
［項目１８］
前記第１の複数の積み重ねられた熱源と前記第２の複数の積み重ねられた熱源との間に内部フレーム構造をさらに備える、項目１７に記載のシステム。
［項目１９］
熱管理および構造的封じ込め用のシステムであって、
筐体と、
前記筐体内に配置されるバッテリと、
前記バッテリの外側表面の少なくとも一部を取り囲む織りセラミックジャケットと、
前記織りセラミックジャケットと液体連通する作動流体と
を備える、システム。
［項目２０］
前記筐体の第１の壁の内側に第１のマルチスケールウィック構造をさらに備える、項目１９に記載のシステム。
［項目２１］
前記第１の壁の外側に配置され、前記第１のマルチスケールウィック構造に相補的に対向して配置される熱源をさらに備える、項目２０に記載のシステム。
［項目２２］
前記バッテリは、前記筐体内に配置された第１の複数のバッテリのうちの１つである、項目２０に記載のシステム。
［項目２３］
前記第１の複数のバッテリは、モノブロック構成で積み重ねられる、項目２０に記載のシステム。
［項目２４］
モノブロック構成で積み重ねられた前記第１の複数のバッテリは、内部ベースウィックに積み重ねられる、項目２３に記載のシステム。
［項目２５］
前記内部ベースウィックに前記モノブロック構成で積み重ねられた第２の複数のバッテリをさらに備え、前記第２の複数のバッテリはそれぞれ、複数の織りセラミックマジャケットのうちの対応する１つによって取り囲まれた外側表面を有する、項目２４に記載のシステム。
［項目２６］
前記第１の複数の積み重ねられたバッテリと前記第２の複数の積み重ねられたバッテリとの間に内部フレーム構造をさらに備える、項目２４に記載のシステム。
［項目２７］
熱を伝達させる方法であって、
筐体内のバッテリの外側表面を実質的に取り囲むマルチスケールウィックで熱エネルギーを受け取ることと、
前記マルチスケールウィックと前記筐体の第１の壁の内側にある第１のマルチスケールウィック構造との間で熱エネルギーを伝達させることと、
を含む、方法。
［項目２８］
前記バッテリからの前記熱エネルギーの受け取りに応じて前記マルチスケールウィック内で蒸気を生成することと、
前記第１のマルチスケールウィック構造内で凝縮液を生成することと、
を含み、
熱は、前記バッテリから前記マルチスケールウィックに伝達される、項目２７に記載の方法。
［項目２９］
前記マルチスケールウィックによる前記バッテリの半径方向の膨張に対する構造的補強を提供することをさらに含む、項目２８に記載の方法。
［項目３０］
前記第１のマルチスケールウィック構造内で蒸気を生成することと、
前記熱エネルギーの受け取りに応じて前記マルチスケールウィック内で凝縮液を生成することと、
をさらに含み、
熱は、前記マルチスケールウィックから前記バッテリに伝達される、項目２７に記載の方法。

Claims (21)

1. 熱管理および構造的封じ込め用のシステムであって、
   筐体と、
   前記筐体内に配置される熱源と、
   前記熱源の外側表面の少なくとも一部を取り囲む一次マルチスケールウィックと、
   前記筐体内に配置され、前記一次マルチスケールウィックと連通する作動流体と、
   二次マルチスケールウィックと、
   を備え、
   前記熱源はエネルギー蓄積装置を備え、前記エネルギー蓄積装置は、前記筐体内に配置された第１の複数のエネルギー蓄積装置のうちの１つであり、前記第１の複数のエネルギー蓄積装置は、モノブロック構成で積み重ねられ、前記第１の複数のエネルギー蓄積装置はそれぞれ、複数の前記一次マルチスケールウィックのうちの対応する１つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有し、
   前記二次マルチスケールウィックは、前記複数の一次マルチスケールウィックに沿って延在し、前記二次マルチスケールウィックは、前記複数の一次マルチスケールウィックと液体連通する、
   システム。
2. 前記筐体は実質的に蒸気密である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記一次マルチスケールウィックは、セラミック繊維、セルロース繊維、ガラス繊維、グラファイト繊維、またはポリマー繊維からなる群から選択された材料を含む、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記一次マルチスケールウィックは、不織繊維、織り繊維、編み繊維、または編組繊維からなる群から選択された布地を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記一次マルチスケールウィックは、それぞれが異なる孔径分布を有する複数のウィック層を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記筐体の第１の内壁に第１のマルチスケールウィックをさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記筐体の前記第１の内壁の反対側にある外壁に配置されたヒータブランケットをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
8. 前記筐体の前記第１の内壁に対向する第２の内壁に第２のマルチスケールウィックをさらに備える、請求項６又は７に記載のシステム。
9. 前記二次マルチスケールウィックは、前記複数の一次マルチスケールウィックの各々の半径Ｒに沿って延在し、前記二次マルチスケールウィックと前記複数の一次マルチスケールウィックの各々との間の液体接触表面積を増加させる、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記モノブロック構成で積み重ねられた第２の複数の熱源を備え、前記第２の複数の熱源はそれぞれ、複数の一次マルチスケールウィックのうちの対応する１つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記第１の複数の積み重ねられた熱源と前記第２の複数の積み重ねられた熱源との間に内部フレーム構造をさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 熱管理および構造的封じ込め用のシステムであって、
    筐体と、
    前記筐体内に配置されるバッテリと、
    前記バッテリの外側表面の少なくとも一部を取り囲む一次織りセラミックジャケットと、
    前記一次織りセラミックジャケットと液体連通する作動流体と、
    二次織りセラミックジャケットと、を備え、
    前記バッテリは、前記筐体内に配置された第１の複数のバッテリのうちの１つであり、前記第１の複数のバッテリは、モノブロック構成で積み重ねられ、前記第１の複数のバッテリはそれぞれ、複数の前記一次織りセラミックジャケットのうちの対応する一つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有し、
    前記二次織りセラミックジャケットは、前記複数の一次織りセラミックジャケットに沿って延在し、前記二次織りセラミックジャケットは、前記複数の一次織りセラミックジャケットと液体連通する、
    システム。
13. 前記筐体の第１の壁の内側に第１のマルチスケールウィック構造をさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１の壁の外側に配置され、前記第１のマルチスケールウィック構造に相補的に対向して配置される熱源をさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記モノブロック構成で積み重ねられた前記第１の複数のバッテリは、内部ベースウィックに積み重ねられる、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記内部ベースウィックに前記モノブロック構成で積み重ねられた第２の複数のバッテリをさらに備え、前記第２の複数のバッテリはそれぞれ、複数の一次織りセラミックマジャケットのうちの対応する１つによって取り囲まれた外側表面を有する、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記第１の複数の積み重ねられたバッテリと前記第２の複数の積み重ねられたバッテリとの間に内部フレーム構造をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 熱を伝達させる方法であって、
    筐体内のバッテリの外側表面を実質的に取り囲む一次マルチスケールウィックで熱エネルギーを受け取ることと、
    前記一次マルチスケールウィックと前記筐体の第１の壁の内側にある第１のマルチスケールウィック構造との間で熱エネルギーを伝達させることと、
    を含む、方法であって、
    前記方法は、熱管理および構造的封じ込め用のシステムであって、
    筐体と、
    前記筐体内に配置される前記バッテリと、
    前記バッテリの外側表面の少なくとも一部を取り囲む前記一次マルチスケールウィックと、
    前記筐体内に配置され、前記一次マルチスケールウィックと連通する作動流体と、
    二次マルチスケールウィックと、
    を備え、
    前記バッテリは、前記筐体内に配置された第１の複数のバッテリのうちの１つであり、前記第１の複数のバッテリは、モノブロック構成で積み重ねられ、前記第１の複数のバッテリはそれぞれ、複数の前記一次マルチスケールウィックのうちの対応する一つによって実質的に取り囲まれる外側表面を有し、
    前記二次マルチスケールウィックは、前記複数の一次マルチスケールウィックに沿って延在し、前記二次マルチスケールウィックは、前記複数の一次マルチスケールウィックと液体連通する、
    前記システムにおいて実現される、方法。
19. 前記バッテリからの前記熱エネルギーの受け取りに応じて前記一次マルチスケールウィック内で蒸気を生成することと、
    前記第１のマルチスケールウィック構造内で凝縮液を生成することと、
    を含み、
    熱は、前記バッテリから前記マルチスケールウィックに伝達される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記一次マルチスケールウィックによる前記バッテリの半径方向の膨張に対する構造的補強を提供することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１のマルチスケールウィック構造内で蒸気を生成することと、
    前記熱エネルギーの受け取りに応じて前記一次マルチスケールウィック内で凝縮液を生成することと、
    をさらに含み、
    熱は、前記一次マルチスケールウィックから前記バッテリに伝達される、請求項１８に記載の方法。
    
    

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