相变冷却式散热系统工作原理

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，  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限。