一种基于三维闭孔晶格结构的传热结构及其制备方法

1.本发明涉及电池相变冷却技术领域，具体涉及一种基于三维闭孔晶格结构的传热结构及其制备方法。


背景技术：

2.常用的锂电池热管理技术包括空气冷却技术、液体冷却技术、热管冷却技术和相变材料冷却技术。空气冷却技术的散热结构简单，而散热效果较差。液体冷却的散热效果较好，但管路结构复杂且容易泄露。热管冷却技术则制造成本高且安装复杂。与以上两种热管理方式相比，相变材料冷却能有效降低锂电池的峰值温度和提高电池组的稳定性。然而大多数相变材料，尤其是一些有机相变材料的导热系数较低，导致相变材料的相变传热过程缓慢，限制了该技术的应用。
3.现有技术中采用开孔泡沫金属或三维开孔晶格结构与相变材料相结合来高相变材料的热转换效率，开孔泡沫金属或开孔的三维晶格结构越复杂，其比表面积越大，换热效率越高。但开孔泡沫金属或开孔晶格结构内相变材料熔化过程中，由于自然对流的影响，会导致相变材料在顶部和底部的熔化速率和传热速率不同，造成系统的均温性较差，且这种对流也会产生高压降导致能量损失问题。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中的传热结构的开孔泡沫金属或开孔晶格结构内相变材料熔化过程中，由于自然对流的影响，会导致相变材料在顶部和底部的熔化速率和传热速率不同，造成系统的均温性较差，且这种对流也会产生高压降导致能量损失问题，从而提供一种基于三维闭孔晶格结构的传热结构及其制备方法。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种基于三维闭孔晶格结构的传热结构，包括：本体，具有中空的内腔，所述内腔中设置有若干互不连通的晶格单元；相变材料，填充在所述晶格单元中。
7.进一步地，所述晶格单元在所述内腔中呈阵列均匀布设。
8.进一步地，所述晶格单元包括空心的多边体、锥体、球体以及类球体中的一种或多种。
9.进一步地，所述相变材料包括有机材料、熔融盐以及复合材料中的一种或多种。
10.进一步地，所述本体由高导热系数和高抗压强度的金属或合金材料制成。
11.一种基于三维闭孔晶格结构的传热结构的制备方法，包括上述所述的传热结构，包括如下步骤：建立所述传热结构的物理模型；基于所述物理模型，利用3d打印技术进行一体加工制造；在打印好的所述传热结构中的晶格单元中填充相变材料。
12.进一步地，所述建立所述传热结构的物理模型具体包括；根据电池组的形貌与尺寸参数，使用数值建模软件建立与电池组相适配的物理模型。
13.进一步地，所述在打印好的所述传热结构中的晶格单元中填充相变材料具体包
括；在所述晶格结构的壁面上打微小细孔，采用熔化、抽真空、渗透的方法将所述相变材料填充至所述晶格单元中。
14.本发明技术方案，具有如下优点：
15.本发明提供的基于三维闭孔晶格结构的传热结构，每个晶格单元均为封闭结构，晶格单元的各个侧壁都为高导热材料壁面，从而增大了接触熔化区域的面积，有利于提高换热效率。而且，晶格单元之间彼此互不连通，熔化后的相变材料无法流入其它晶格单元内，且流动速度较小，有效减小了自然对流导致的温度分布不均匀的影响，使传热结构顶部和底部温度分布更均匀，提高电池的均温性；同时，三维闭孔晶格结构的稳固性高，因此可以提高锂电池系统的机械性能。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例中的基于三维闭孔晶格结构的传热结构的示意图；
18.图2为本发明实施例中的基于三维闭孔晶格结构的传热结构应用时的示意图；
19.图3为本发明实施例中的基于三维闭孔晶格结构的传热结构的制备方法的流程示意图。
20.1、本体；2、晶格单元；3、锂电池。
具体实施方式
21.下面将结合附图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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
25.图1为本发明实施例中的基于三维闭孔晶格结构的传热结构的示意图，如图1所示，本实施例提供一种基于三维闭孔晶格结构的传热结构，包括：本体1，本体1可以为板状
或块状结构，本体1具有中空的内腔，内腔中设置有若干互不连通的晶格单元2，即每个晶格单元2都是密闭的；相变材料，填充在晶格单元2中。使用时，可以将本体1夹在两层电池之间，本体1与电池接触，可以快速的将电池的产生热量吸收。
26.本实施例提供的基于三维闭孔晶格结构的传热结构，每个晶格单元2均为封闭结构，晶格单元2的各个侧壁都为高导热材料壁面，从而增大了接触熔化区域的面积，有利于提高换热效率。而且，晶格单元2与晶格单元2之间彼此互不连通，熔化后的相变材料无法流入其它晶格单元2内，且流动速度较小，有效减小了自然对流导致的温度分布不均匀的影响，使传热结构顶部和底部温度分布更均匀，提高电池的均温性；同时，三维闭孔晶格结构的稳固性高，因此可以提高锂电池系统的机械性能。其中，晶格单元2包括空心的多边体、锥体、球体以及类球体中的一种或多种。其中，晶格单元2在内腔中呈阵列均匀布设，例如，每一个晶格单元2均为立方体状结构，内腔中的晶格单元2自上而下可以设置c层，每层可以设置n行m列个晶格单元2。其中，m、n以及c均为整数。其中，各个晶格单元2的尺寸可以根据需要设置，各个晶格单元2的尺寸可以相同，也可以不同。
27.其中，相变材料包括有机材料、熔融盐以及复合材料中的一种或多种。例如，相变材料可以是石蜡，也可以是添加有石墨的有机混合材料。
28.其中，本体1由高导热系数和高抗压强度的金属或合金材料制成。例如，不锈钢，铝合金等材料。
29.图2为本发明实施例中的基于三维闭孔晶格结构的传热结构应用时的示意图，如图2所示，使用时，可以将传热结构放置于锂电池3间并与锂电池3壁面相贴合，形成锂电池3相变冷却系统。
30.图3为本发明实施例中的基于三维闭孔晶格结构的传热结构的制备方法的流程示意图，如图3所示，另一个实施例中还提供一种基于三维闭孔晶格结构的传热结构的制备方法，包括上述的传热结构，包括如下步骤：建立传热结构的物理模型；基于物理模型，利用3d打印技术进行一体加工制造，在打印好的传热结构中的晶格单元2中填充相变材料。如此设置，能够降低晶格单元2与晶格单元2之间的结构热阻，提高晶格单元2壁面间的热传导速率，强化相变材料的换热速率，提高锂电池3的散热速率。
31.其中，建立传热结构的物理模型具体包括；根据电池组的形貌与尺寸参数，使用数值建模软件建立与电池组相适配的物理模型。
32.其中，在打印好的传热结构中的晶格单元2中填充相变材料具体包括；在晶格单元2的壁面上打微小细孔，采用熔化、抽真空、渗透的方法将相变材料填充至晶格单元2中。
33.另外，经过模拟计算，相同晶格单元2和相变材料，相同孔隙率且边界条件完全相同情况下，具有封闭式晶格单元2的传热结构内相变材料的熔化时间要明显短于开孔式晶格单元2的传热结构，可以明显提高相变材料的换热速率。
34.综上，本技术中的基于三维闭孔晶格结构的传热结构，通过3d打印技术使用同种高导热金属材料，根据数值建模软件建立的物理模型进行一体加工。本体1的内腔中包括多个相同尺寸的密闭晶格单元2，每个密封晶格单元2都为空心腔体，晶格单元2内填充相变材料。一体加工的密闭晶格结构可以减小晶格单元2之间的接触热阻，增强传热结构的牢固性与稳定性，增大晶格单元2和相变材料的换热面积。该传热结构可应用于新能源汽车锂电池3的控温及散热等问题，具有换热效率高、均温性好、机械性能高等优点，有助于提高近新能
源汽车锂电池3的性能、使用寿命及安全性。
35.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。