相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求根據(jù)35u.s.c.§119(e)的于2014年12月17日提交并仍正在處理的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.62/093,121的優(yōu)先權(quán)。

所公開的實(shí)施方式大體上涉及電池組冷卻，特別地但不排他地涉及使用可變傳導(dǎo)性熱管(vchp)冷卻的電池組。

背景技術(shù)：

在低速、高空、長(zhǎng)時(shí)間的飛機(jī)上調(diào)節(jié)電池的溫度是困難的。沒(méi)有明顯的加熱功率的情況下保護(hù)電池免受寒冷需要非常好的絕緣，但絕緣使電池在使用過(guò)程中變熱時(shí)需要冷卻電池。受控制的冷卻的常見解決方案涉及長(zhǎng)時(shí)間飛行特別關(guān)注的運(yùn)動(dòng)部件，因此希望在提供高可靠性的同時(shí)最大限度地減少額外的加熱負(fù)擔(dān)的解決方案。

對(duì)于地面應(yīng)用，冷卻風(fēng)扇是系統(tǒng)溫度控制的近乎通用的標(biāo)準(zhǔn)。這工作得很好，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的飛機(jī)，它具有潛在的可靠性問(wèn)題。然而更重要的是，高空空氣太薄，無(wú)法有效利用冷卻風(fēng)扇。從飛機(jī)的進(jìn)來(lái)的氣流排出空氣，而另一個(gè)選擇，提出了如何確保系統(tǒng)不會(huì)以潛在的有害的方式發(fā)生故障的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

參考以下附圖描述本發(fā)明的非限制性和非窮舉性實(shí)施方式，除非另有說(shuō)明，相同的附圖標(biāo)記表示各種視圖中的相同部件。

圖1a-1b是飛機(jī)實(shí)施方式的前視圖。

圖2是可變傳導(dǎo)性熱管的實(shí)施方式的示意圖。

圖3a-3b是電池組冷卻組件的實(shí)施方式的截面圖；圖3b是基本上沿圖3a中的截面線b-b截取的截面。

圖4a-4c是電池組冷卻組件的替代實(shí)施方式的截面圖。

圖5a-5c是包括多個(gè)電池組的電池組冷卻組件的替代實(shí)施方式的截面圖。

圖6是包括電池組冷卻組件的飛機(jī)電池吊艙的實(shí)施方式的側(cè)截面圖。

具體實(shí)施方式

描述了使用可變傳導(dǎo)性熱管(vchp)在高空、長(zhǎng)時(shí)間飛機(jī)中冷卻電池組的裝置、系統(tǒng)和方法。描述具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)實(shí)施方式的透徹理解，但是相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以在沒(méi)有所描述的細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)或者其他方法、組件、材料等的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在一些示例中，眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作未被詳細(xì)地示出或描述，但仍包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

在本說(shuō)明書中對(duì)“一個(gè)實(shí)施方式”或“實(shí)施方式”的引用意味著所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特征可以被包括在至少一個(gè)所描述的實(shí)施方式中，使得“在一個(gè)實(shí)施方式中”或“在實(shí)施方式中”的出現(xiàn)不一定都是指相同的實(shí)施方式。此外，特定的特征、結(jié)構(gòu)或特征可以以任何合適的方式組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中。

圖1a-1b示出高空、高耐力飛機(jī)的實(shí)施方式。圖1a示出了飛機(jī)100的實(shí)施方式，其包括結(jié)構(gòu)地聯(lián)接到機(jī)翼104和尾部106的機(jī)身102。飛機(jī)100是低翼飛機(jī)，意味著機(jī)身102位于機(jī)翼104上，或者換句話說(shuō)，機(jī)翼104定位在機(jī)身102的下部。機(jī)翼104包括翼展方向延伸的翼梁108，以及弦向延伸的肋(未示出)和翼蒙皮109，該翼梁108是機(jī)翼的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一。

電池容納吊艙110通過(guò)掛架112聯(lián)接到翼梁108。電池容納吊艙110允許飛機(jī)100遠(yuǎn)離飛機(jī)100的主要結(jié)構(gòu)元件安全地?cái)y帶電池，使得電池可以安全地存儲(chǔ)由在翼蒙皮109上或翼蒙皮109中的其他機(jī)載系統(tǒng)(例如太陽(yáng)能電池板)產(chǎn)生的電力，并且可以向驅(qū)動(dòng)螺旋槳以推動(dòng)飛機(jī)的一個(gè)或多個(gè)旋翼以及導(dǎo)航電子器件、通信電子器件等車載系統(tǒng)供電。

圖1b示出了飛機(jī)150的另一實(shí)施方式。飛機(jī)150在大多數(shù)方面與飛機(jī)100類似，除了飛機(jī)150具有高翼構(gòu)造，意味著機(jī)翼位于機(jī)身102的頂部而不是底部，或者換句話說(shuō)，機(jī)身從機(jī)翼懸掛而不是位于上方。作為高翼構(gòu)造的結(jié)果，掛架152比掛架112長(zhǎng)，但是飛機(jī)150的其它實(shí)施方式可以具有比所示的掛架短的掛架152。

圖2示出了可變傳導(dǎo)性熱管(vchp)200的實(shí)施方式。諸如vchp200的vchp可從各種來(lái)源商購(gòu)，包括美國(guó)賓夕法尼亞州蘭開斯特的advancedcoolingtechnologies，inc.；美國(guó)賓夕法尼亞州蘭開斯特的thermacore，inc.；或英國(guó)英格蘭莫珀斯的crsengineering。

vchp200具有蒸發(fā)器端208、冷凝器端210，并且由細(xì)長(zhǎng)管202形成。芯204定位在管202內(nèi)，使得其在管內(nèi)形成通道206，蒸氣可以通過(guò)該通道206從蒸發(fā)器端208移動(dòng)到冷凝器端210。在一個(gè)實(shí)施方式中，管202可以由諸如金屬的高導(dǎo)熱性材料制成，但是在其他實(shí)施方式中，管202可以由導(dǎo)熱非金屬制成。芯204可以由具有毛細(xì)作用的材料制成，并且可以在管202內(nèi)具有不同的構(gòu)造。在所示實(shí)施方式中，芯204是軸向或環(huán)形的芯，其緊抱管202的內(nèi)壁并且沿著管202的中心形成通道206。但是在其它實(shí)施例中，芯204可以具有不同的構(gòu)造，例如沿著管202的中間延伸的板狀芯，在這種情況下，通道206將在板芯的任一側(cè)上包括沿著管202的長(zhǎng)度延伸的一對(duì)通道。如下所述，工作流體包含在管202內(nèi)以將熱量從一個(gè)傳遞到另一個(gè)中；可能的工作流體的示例包括水、甲醇、氨、鉀、鈉、鋰。

非冷凝氣體(ncg)儲(chǔ)存器212保持一定量的非冷凝氣體，并且在冷凝器端210處流體聯(lián)接到通道206，使得一定量的非冷凝氣體可以注入通道206中；可以在不同實(shí)施方式中使用的非冷凝氣體的示例包括任何惰性氣體(例如氦(he)、氖(ne)、氬(ar)、氪(kr)或氙(xe))或氮(n)。當(dāng)vchp200不操作時(shí)，ncg和工作流體蒸氣在通道206中混合。但是當(dāng)vchp操作時(shí)，氣相工作流體的流動(dòng)將ncg推向冷凝器端210。ncg中的大部分位于儲(chǔ)存器212中，但其余部分封閉冷凝器端部210的一部分。然后，ncg有效地改變冷凝器的有效長(zhǎng)度。如果熱量輸入qin或蒸發(fā)器端的溫度增加，則熱管蒸氣溫度和壓力增加；這迫使更多的ncg進(jìn)入儲(chǔ)存器212，這增加了有效冷凝器長(zhǎng)度，并且因此增加了熱管傳導(dǎo)性。但是，如果熱量輸入qin或蒸發(fā)器端208的溫度降低，則熱管蒸氣溫度和壓力降低，并且ncg膨脹以減小有效冷凝器長(zhǎng)度，從而降低熱管傳導(dǎo)性。

在vchp200的操作中，蒸發(fā)器端208與要冷卻的系統(tǒng)熱接觸，使其作為被冷卻的系統(tǒng)的散熱器，同時(shí)冷凝器端210放置在比蒸發(fā)器端208低的溫度的位置。來(lái)自被冷卻的系統(tǒng)的熱量qin流入蒸發(fā)器端208，在那里它加熱并蒸發(fā)芯204中的工作流體，即進(jìn)入的熱量將芯204中的液相工作流體改變成通道206中的氣相工作流體。氣相工作流體通過(guò)通道206流到冷凝器端210。冷凝器端210較冷，導(dǎo)致熱量qout在冷凝器端被輸出，并且導(dǎo)致氣相工作流體的溫度降低。該溫度降低導(dǎo)致通道206中的氣相工作流體冷凝回液相工作流體并被再吸收到芯204中。芯204將液相工作流體輸送回蒸發(fā)器端208，在那里再次開始加熱。

圖3a-3b一起示出了電池組冷卻組件300的實(shí)施方式。電池組冷卻組件300包括電池組301，電池組301具有相對(duì)于彼此定位以形成電池腔305的多個(gè)單獨(dú)電池302。在所示的實(shí)施方式中，電池組301包括六個(gè)單獨(dú)的電池302a-302f，但是其他實(shí)施方式可以包括更多或更少的單獨(dú)電池。在所示的實(shí)施方式中，各個(gè)電池是正圓柱體(具有圓形橫截面的柱體)，但是在其他實(shí)施方式中，各個(gè)電池可以具有不同的形狀，例如具有其他橫截面形狀的袋狀或柱形(參見例如圖4b–4c)。

可變傳導(dǎo)性熱管(vchp)304具有蒸發(fā)器306和冷凝器308。蒸發(fā)器端306的至少一部分位于電池腔305內(nèi)，使得其與所有單獨(dú)的電池302a-302f熱接觸。在一個(gè)實(shí)施方式中，熱界面材料(tim)316可用于填充未被蒸發(fā)器端308占據(jù)的電池腔305中的任何空間。在一個(gè)實(shí)施方式中，tim316可以是熱粘合劑，但是在其它實(shí)施方式中，tim316可以是另一種材料，例如導(dǎo)熱粘合劑。

絕熱蓋310位于電池組301周圍，使得電池組301位于絕熱蓋310內(nèi)部；換句話說(shuō)，絕熱蓋310圍繞所有單獨(dú)電池302a-302f以及電池腔305中的蒸發(fā)器端306的部分。冷凝器端308的至少一部分延伸到絕熱蓋310的外部，使得vchp304在電池組301和外部之間的接觸時(shí)提供僅熱收縮。在所示的實(shí)施方式中，包括多個(gè)冷卻翅片314的散熱器312形成在絕熱蓋310的外部、冷凝器端308處或其附近，以增強(qiáng)從冷凝器端的熱傳遞，但vchp304的其它實(shí)施方式可以具有聯(lián)接到冷凝器端308的不同的熱傳遞增強(qiáng)裝置。

圖4a-4c示出了電池組冷卻組件的替代實(shí)施方式。圖4a示出了在大多數(shù)方面與電池組冷卻組件300類似的電池組冷卻組件400。主要區(qū)別在于冷卻組件400具有不同形狀的絕熱蓋402。絕熱蓋402是六邊形的，使得其外形更接近于電池組的外形。如果需要更緊湊的冷卻組件，這種實(shí)施方式將是有用的。

圖4b示出了電池組冷卻組件425的另一實(shí)施方式。冷卻組件425在大多數(shù)方面與冷卻組件300類似。主要的區(qū)別在于冷卻組件425具有不同數(shù)量的單獨(dú)電池，在該實(shí)施方式中為八個(gè)單獨(dú)電池426a-426h，并且在于單獨(dú)電池具有四邊形橫截面，這意味著它們是基本上為正四邊形的柱體。如在冷卻組件300中，冷卻組件425還可以包括熱界面材料316以占據(jù)未被vchp304占據(jù)的電池腔中的空間。單獨(dú)電池426a-426h的其它實(shí)施方式可以具有其他四邊形形狀，例如矩形。

圖4c示出了電池組冷卻組件450的另一實(shí)施方式。冷卻組件450在大多數(shù)方面類似于冷卻組件300；主要區(qū)別在于，在冷卻組件450中，六個(gè)單獨(dú)電池452a-452f具有不同的形狀。單獨(dú)電池452a-452f具有基本上梯形的橫截面，但是每個(gè)單獨(dú)電池452還具有成形為基本上符合vchp304的外輪廓456的表面454。該電池構(gòu)造可以有助于使單獨(dú)電池452a-452f和vchp304之間的熱接觸最大化。如在其他實(shí)施方式中，熱界面材料316可以用于占據(jù)由單獨(dú)電池452a-452f形成但不被vchp304占據(jù)的電池腔中的任何空間。

圖5a-5c示出了具有多個(gè)電池組的電池組冷卻組件的實(shí)施方式。圖5a示出了電池組冷卻組件500的裝配。vchp304被定位成使得蒸發(fā)器端306的至少一部分位于多個(gè)電池組(例如電池組502和504)的電池腔內(nèi)。盡管在所示的實(shí)施方式中示出了兩個(gè)電池組502和504，但是其它實(shí)施方式可以具有熱聯(lián)接到蒸發(fā)器端306的多于兩個(gè)的電池組(參見例如圖5b-5c)。

圖5b示出了具有多個(gè)電池組的電池組冷卻組件525的實(shí)施方式。電池組冷卻組件525的結(jié)構(gòu)基本上類似于電池組冷卻組件300。主要區(qū)別在于，冷卻組件525包括三個(gè)電池組502,504和526，全位于相同的絕熱蓋528內(nèi)。當(dāng)然，其它實(shí)施方式可以具有與絕熱蓋528中所示不同數(shù)量的電池組。

圖5c示出了具有多個(gè)電池組的電池組冷卻組件550的實(shí)施方式。冷卻組件550基本上類似于電池組冷卻組件525；主要區(qū)別在于，冷卻組件550包括三個(gè)電池組502,504和526，每個(gè)電池組502,504和526位于分離的絕熱蓋內(nèi)：電池組502在絕熱蓋552內(nèi)，電池組504在絕熱蓋554內(nèi)，并且電池組526在絕熱蓋556內(nèi)。在絕熱蓋552,554和556之間延伸的vchp304的部分也可以是絕熱的，如在一些實(shí)施方式中所示。與電池組冷卻組件525一樣，所示的冷卻組件550的實(shí)施方式具有三個(gè)電池，但是其他實(shí)施方式可以具有不同的數(shù)量。

圖6示出了可以與本文所述的任何電池組冷卻組件一起使用的電池容納吊艙600的實(shí)施方式。電池容納吊艙600的實(shí)施方式可以用作圖1a-1b所示的飛機(jī)構(gòu)造中的吊艙110。吊艙600由絕熱材料602形成，并具有對(duì)稱翼型的橫截面形狀。腔608形成在材料602中以容納電池組冷卻組件610(電池組冷卻組件610可以是上述的任何一個(gè))以及其它電子器件和相關(guān)聯(lián)的設(shè)備。因此，腔608可以容納諸如電池組1-6的組件以及用于將熱量從電池組1-6導(dǎo)出并調(diào)節(jié)其溫度的vchp304。vchp304從電池組1-6延伸，使得其冷凝器端位于外表面606的外部，在那里其熱聯(lián)接到的散熱器312，散熱器312可以增強(qiáng)熱量傳遞到在吊艙上方流動(dòng)的外部空氣。

絕熱材料602可以是容易形成的材料；在一個(gè)實(shí)施方式中，材料602可以是擠出聚苯乙烯(xps)，但是可以使用其它材料。腔608的內(nèi)部可以襯有諸如金屬箔的材料、諸如kevlar的芳族聚酰胺纖維材料或其他材料，用于進(jìn)一步的絕熱和防火。在一個(gè)實(shí)施方式中，絕熱材料602本身可以形成腔608內(nèi)的電池組的絕熱蓋，從而其代替絕熱蓋310,402,428,528等?？梢栽诓牧?02中形成通道以容納vchp304。薄、光滑的材料的涂層被放在外表面606上，以使吊艙具有光滑和空氣動(dòng)力學(xué)的外表面。吊艙600的全部或部分可以包括“外骨骼”以提供硬點(diǎn)，其中吊艙可以通過(guò)諸如掛架112的掛架被牢固地附接到飛機(jī)。在一個(gè)實(shí)施方式中，框架或外骨骼可以由碳纖維制成，但是在其它實(shí)施方式中，可以使用金屬、塑料、芳族聚酰胺纖維材料如kevlar或其它材料。

本發(fā)明的所示實(shí)施方式的上述描述，包括摘要中所描述的實(shí)施方式，并不旨在是窮盡性的或?qū)⒈景l(fā)明限制于所公開的精確形式。雖然為了說(shuō)明的目的在本文中描述了具體實(shí)施方式和示例，但是如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種等同的修改。根據(jù)上述詳細(xì)描述，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行這些修改。

所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制于說(shuō)明書和權(quán)利要求書中公開的具體實(shí)施方式。相反，本發(fā)明的范圍將完全由所附權(quán)利要求來(lái)確定，所述權(quán)利要求將根據(jù)所建立的權(quán)利要求解釋的理論來(lái)解釋。