今日视点：相变冷却式散热系统工作原理

2022-06-14 05:50:56来源：新能源热管理技术

相变材料 (Phase - Change Material， PCM) 是一类特殊的功能性材料，能在恒温或近似恒温的情况下发生相变，同时伴随有较大热量的吸收或释放。 PCM 最初是用来作为储存热量的介质，主要目的是平衡热能的供需差异。 PCM 应用的基础有两个: 其一， PCM 相变过程的等温性，这种特性有利于将温度变化控制在较小的范围内，可以用来控制温度; 其二， PCM有很高的相变潜热，少量的材料可以存储大量的热量，在各系统应用时可显著减轻系统重量。PCM 发生的相变可以是固态 - 气态、固态 - 液态以及液态 - 气态之间的转变，固态 - 气态、固态 - 气态的转变尽管相变潜热很高，但是由于体积变化大，对于系统的空间需求就会增加，这是不实际的。另外一种固态-固态转变只是晶体结构的转变，因为潜热较小故应用也很少。 PCM通常利用的是固态 - 液态转变，这一过程伴随着较高的相变潜热以及较小的温度与体积变化。相变冷却的优点在于:

1) 冷却效率比液冷高出3~4倍。 2) 更能满足快充需求。

3) 结构紧凑。

4) 潜在地降低了成本。

5) 避免了乙二醇溶液在电池箱体内部的流动。

PCM 用于电池热管理系统时，把电池组浸在 PCM 中， PCM 吸收电池放出的热量而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在 PCM 中，在充电或很冷的环境下工作时释放出来，

(资料图片)

针对电动汽车散热，相变材料可以安放在电池组内，直接与电池模块接触换热，还可以包覆在电池模块外表面，采用间接接触的方式。相变冷却方式能够较好地缓解动力电池内部的温升，是较为有效的冷却方式，但同时也增加了电池组系统的重量和成本，使结构更为复杂，维护也不方便。

宝马 i3 的热管理采用直冷方案 (也有液冷方案)，制冷剂为 R134a，相变冷却技术中还有一种热管技术，热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3 ×(10-1 ~10-4)Pa 的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段 (加热段)，另一端为冷凝段 (冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管工作原理

热管具有导热性高、等温性高、热流方向可逆等优点，已经在电子、航天等领域广泛应用。在电池热管理系统中，热管式冷却系统与强制对流散热系统相比，可以使动力电池在正常温度范围工作，并能够很好地保持电池单体之间的温度均匀性。

著名科学家 Cotter 为热管学奠定了理论基础，一般称之为 Cotter 理论，其中提到了热管正常工作的必要条件:

Δpc≥Δpl +Δpv +Δpg (1-1) 热管内的流体流动属于气 - 液两相逆流流动，其中蒸气从蒸发段流向冷凝段会产生压力降Δpv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段会产生压力降Δpl，而重力场对液体流动也会产生压力降 Δpg ( 可以是正值、负值或为零，视热管在重力场中的位置而定)。 Δpl + Δpv + Δpg 形成了工质回流的阻力，而热管中工质的循环动

力依靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头，也就是Δpc。 Δpv和Δpl一般随热负荷的增加而增加，主要受工质的黏度、密度、质量流量、热管长度、多孔物质渗透系数等影响，而Δpc则由吸液芯结构决定，毛细孔半径越小， Δpc越大。毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的，如果由毛细力作用抽回的液体不能满足蒸发所需的量，便会出现蒸发段的吸液芯干涸，造成蒸发段管壁温度剧烈上升，甚至出现烧坏管壁和热源的现象，这就是常见的毛细极

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