CN102113166A - 电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池组,其具备:组电池,由具有封口部的多个电池电连接而成;端子部,与组电池电连接,用于向外部输出电;以及复层结构,被配置在所述组电池周围的至少一部分上,且由热吸收层和热传导层层叠而成。热吸收层的比热为1000J/kg·℃以上。热传导层的热导率为10W/m·K以上。由此,可提供一种即使当电池组内的电池在异常时放出高温的可燃气体,从而电池组内部暴露于高温环境下时,电池组也不会破损、可小型轻量化、且安全性优良的电池组。
Description
技术领域
本发明涉及即使在电池发生异常时也能确保安全性的电池组(battery pack)。
背景技术
近年来,伴随着电子设备的多样化,一直寻求具有高容量、高电压及高输出功率,且安全性优良的电池及电池组。为了确保电池及电池组的优良的安全性,例如,在电池中设有用于防止电池温度上升的PTC(Positive temperature coefficient:正温度系数)元件或温度熔断器,进而设有感知电池的内部压力,从而断开电流的保护机构。另外,在电池组中设有用于控生产的安全电路,以便不使电池出现异常状态。
但是,即使电池具备上述那样的保护机构,在电池置于异常的条件下时,也有可能从电池内部喷出高温高压的可燃气体。此时,收纳电池的电池组的筐体(case)因暴露于异常的高温环境下而熔化,因而有筐体的一部分发生破损、高温的可燃气体向电池组外部漏出的可能性。
作为上述问题的对策,例如,为了防止从电池向外部放出的高温的可燃气体造成的筐体的破损,提出了使用耐火性优良的金属或难燃性树脂作为筐体材料的方案(专利文献1)。另外,为了易于散发筐体内部的热,提出了筐体材料使用热传导性优良的树脂材料的方案(专利文献2)。
引用技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2001-229982号公报
专利文献2:日本特开2002-304974号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是,正如专利文献2所记载的那样,即使在筐体材料为热传导性优良的树脂材料的情况下,如果从电池内部喷出高温的可燃气体,也有筐体因暴露于异常的高温环境下而发生破损的可能性。另外,正如专利文献1所记载的那样,即使在筐体材料为金属的情况下,为了防止高温的可燃气体造成的筐体的破损,也需要加大筐体的厚度。因此,电池组的小型轻量化是困难的。
于是,本发明的目的在于,为解决上述以往的问题而提供一种即使在电池组内的电池在异常时放出高温的可燃气体、从而电池组内部暴露于异常的高温环境下时,电池组也不会破损、可进行小型轻量化、且安全性优良的电池组。
用于解决课题的手段
本发明的一个方面涉及一种电池组,其特征在于,具备:
组电池(battery assembly),由具有封口部的多个电池电连接而成,
端子部,与所述组电池电连接,用于向外部输出电,以及
复层结构,被配置在所述组电池周围的至少一部分上,且由热吸收层及热传导层层叠而成;
所述热吸收层的比热为1000J/kg·℃以上;
所述热传导层的热导率为10W/m·K以上。
在各电池的至少与所述封口部对置的部分,优选形成有所述复层结构。
优选的是,所述热传导层及所述热吸收层中的一方形成有收纳所述组电池的筐体,所述热传导层及所述热吸收层中的另一方在各电池的至少与所述封口部对置的部分形成有所述筐体的覆盖部。
所述热吸收层优选含有比热为1000J/kg·℃以上的树脂材料、陶瓷或无机材料。
所述树脂材料优选为氟树脂、含有氢氧化镁的聚丙烯树脂或改性聚苯醚树脂。
所述热吸收层优选含有具有在80℃以上气化并利用潜热吸收热的性质的材料A。
所述材料A优选为丁基橡胶或含水凝胶。
所述热吸收层优选含有具有在100℃以上分解并吸收热的性质的材料B。
所述材料B优选为碳酸氢钠。
所述热传导层优选由金属构成。
所述金属优选为铜或铝。
优选的是,所述电池组具备用于将从所述电池放出的高温气体排放到所述电池组的外部的机构;所述机构包括:设在所述电池组上的开口部,设在所述开口部上的止回阀,及与所述开口部连通、用于对所述高温气体进行冷却并将其排放到外部的导管。
发明效果
根据本发明,可以提供一种即使当电池组内的电池在异常时放出高温的可燃气体,从而电池组内部暴露于异常的高温环境下时,电池组也不会破损、可进行小型轻量化、且安全性优良的电池组。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的电池组的立体图。
图2是图1的电池组的分解立体图。
图3是图2的组电池的立体图。
图4是表示图1的电池组所用的导管的变形例的立体图。
具体实施方式
本发明的一方面具备:组电池,由具有封口部的多个电池电连接而成;端子部,与所述组电池电连接,用于向外部输出电,以及复层结构,被配置在所述组电池周围的至少一部分上,且由热吸收层及热传导层层叠而成。
由此,即使在因电池温度大幅度上升而使电池放出高温的可燃气体,从而电池组内部的筐体因高温的可燃气体而暴露于局部异常的高温环境下时,也由于电池组具有热吸收层,因而可以抑制放出的可燃气体的热所造成的局部且异常的温度上升。另外,由于电池组具有热传导层,因而能够使因放出的可燃气体的热而局部上升的温度得以扩散。由此,能够防止因电池组内部暴露于异常的高温环境下而造成的电池组(筐体)的破损、及由此造成的可燃气体向电池组外部的漏出,从而使电池组的安全性得以提高。
这里所说的所谓热传导层,是指热导率为10W/m·K以上的层。优选热传导层的热导率为400W/m·K以下。例如,即使在金属中,具有优良的热传导性的铜的热导率为398W/m·K。再者,为了有效地使集中产生的热得以分散,热传导层的热导率更优选为50~200W/m·K。
这里所说的所谓热吸收层,是指由热容量高的材料构成的、且起因于热分解反应的吸热或熔化的潜热等,比热(表观的比热)为1000J/kg·℃以上的层。优选热吸收层的比热为5000J/kg·℃以下。例如,水的比热比较高,为4200J/kg·℃。再者,为了更有效地吸收热,更优选热吸收层的比热为2000~4500J/kg·℃。
由热传导层及热吸收层这两层构成的复层的厚度例如为0.2~4mm。热传导层的厚度例如为0.01~3mm。热吸收层的厚度例如为0.1~3mm。为了高效率地使由电池放出的可燃气体的热扩散,优选用热传导层覆盖组电池周围的至少30%。
作为热传导层,例如可采用不燃材料即铁、镍、铝、钛、铜及不锈钢之类的金属、或工程塑料之类的热传导性高的树脂。即使在上述金属中,也优选铜或铝。作为工程塑料,例如可列举出聚苯硫醚(PPS)。
作为构成热吸收层的材料,优选的是具有吸收热的性质的树脂材料、陶瓷或无机材料。作为上述树脂材料,例如可列举出:氟树脂之类的不燃树脂、或含有氢氧化镁的聚丙烯树脂、改性聚苯醚树脂(改性PPE树脂)之类的难燃性树脂、或液晶性全芳香族聚酯、聚醚砜、芳香族聚酰胺之类的耐热性树脂。
改性PPE树脂是以具有醚基的芳香族聚醚树脂(PPE树脂)为主体的、与聚苯乙烯(PS)之类的苯乙烯系树脂等合成树脂的聚合物合金。
作为氟树脂,例如可列举出耐热性优良的聚四氟乙烯(PTFE)。
为了能够将比热提高到可进行树脂成形的界限,含有氢氧化镁的聚丙烯树脂相对于每100重量份的聚丙烯树脂,优选含有50~160重量份的氢氧化镁。
作为上述陶瓷,例如可列举出耐热性玻璃、氧化铝等。作为上述无机材料,例如可列举出碳之类的不燃材料。
在优选的方式中,热吸收层含有具有在80℃以上气化并利用潜热吸收热的性质的材料(例如丁基橡胶或含水凝胶)。
作为含水凝胶,例如可采用(株)PDM研究所生产的HEAT BUSTERTK2。
在另一优选的方式中,热吸收层优选含有具有在100℃以上的高温下发生分解并吸收热的性质的材料(例如,碳酸氢钠或氢氧化铝)。
上述复层也可以进一步含有除热传导层及热吸收层以外的层。例如,也可以在热传导层与热吸收层之间,根据需要设置用于使热传导层粘接在热吸收层上的粘接层(例如,厚度为0.2~1.0mm)。关于粘接层所用的粘接剂的材料,例如可采用环氧树脂系粘接剂或丙烯酸树脂系粘接剂。例如,可采用EMI公司生产的UV固化型粘接剂(商品名为“OPTOCAST”)、或Huntsman Advanced Materials公司生产的“Araldite Standard”(商品名)。粘接层只要是与热传导层及热吸收层的粘接性优良、且不阻碍两层的效果的材料即可。另外,粘接层也可以兼作热传导层或热吸收层。另外,在热传导层或热吸收层含有具有粘附性的树脂时,也可以不设置粘接层。热传导层及热吸收层可以分别是1层,也可以是2层以上的多层。
因为从电池的封口部放出高温的可燃气体,所以在各电池的至少与封口部对置的部分,可以形成上述复层结构。
在本发明的第1优选的实施方式中,收纳组电池的筐体具有所述热传导层及所述热吸收层,在各电池的至少与封口部对置的部分形成有所述复层结构。
在本发明的第2优选的实施方式中,所述热传导层及所述热吸收层中的一方形成有收纳所述组电池的筐体,所述热传导层及所述热吸收层中的另一方在各电池的至少与所述封口部对置的部分形成有筐体的覆盖部。
通过组合使用热传导层及热吸收层,可使筐体的厚度减薄,可使电池组小型轻量化。
也可以通过在筐体内表面预先形成筐体覆盖部来形成复层结构,也可以用筐体覆盖部覆盖组电池,将其收纳在筐体内,从而形成复层结构。
在通过筐体及筐体覆盖体构成复层结构时,可根据组电池的构成、构成组电池的电池的尺寸和种类,容易地变更复层结构的形态。例如,不变更筐体而改变筐体覆盖部的设置部位或形状,就能容易地变更复层结构的设置部位及设置面积。
另外,在构成组电池的多个电池中,也可以在邻接的电池间配置由热传导层或热吸收层构成的隔板,从而形成能够使隔板与筐体嵌合的结构。例如,也可以使隔板与设于筐体上的凹部嵌合,从而在嵌合部分由隔板及筐体构成热吸收层及热传导层的复层。
电池组例如可用于便携式个人计算机或摄像机等电子设备。另外,电池组可以用作例如搭载在四轮车或二轮车等车辆上的电气安装设备的电源、或电动汽车和混合动力汽车等的动力用电源。作为电池,例如可采用锂离子二次电池及镍氢蓄电池之类的二次电池。
构成组电池的多个电池串联或并联地连接在一起。例如,可以只由串联连接的电池构成组电池,也可以通过并联连接多个串联连接而成的电池群(battery groups)来构成组电池。
以下,基于附图对本发明的一实施方式进行说明。图1是本发明的一实施方式的电池组1的立体图。图2是图1的电池组1的分解立体图。图3是图1的电池组1所使用的组电池31的立体图。
如图1及图2所示,电池组1具备由串联地电连接的5节圆筒形电池3构成的组电池31、及收纳组电池31的长方体状的筐体2。在圆筒形电池3中,正极端子侧的端面及负极端子侧的端面中的任一方为封口部。
如图3所示,构成组电池31的5节电池3被交替改变正极端子及负极端子的朝向而并列配置。在5节电池3中,通过用连接板32连接邻接的正极端子和负极端子,将5节电池串联地连接在一起。筐体2具有可向外部输出电的端子部(未图示),组电池31经由连接引线(未图示)与端子部电连接。
作为电池3,例如可采用26650尺寸的圆筒形锂离子二次电池。在该锂离子二次电池中,正极端子侧的端面为封口部。锂离子二次电池具备由正极板、负极板及配置在正极板与负极板之间的隔膜构成的发电部。
正极板例如具有正极集电体及形成于所述正极集电体上的、含有可嵌入和脱嵌锂的正极活性物质的层。作为正极活性物质,例如可采用LiCoO2及LiNiO2之类的含锂复合氧化物。
即使在含锂复合氧化物中,也优选在LiCoO2中用异种元素置换了一部分Co的含锂复合氧化物。通过异种元素的作用,在高电压状态下,可在活性物质表面形成优质的覆盖膜。因此,能够较高地设定充电终止电压。
更具体地说,优选的是用通式:LiaMbNicCodOe(式中,M为选自Al、Mn、Sn、In、Fe、Cu、Mg、Ti、Zn及Mo之中的至少一种金属,0<a<1.3、0.02≤b≤0.5、0.02≤d/c+d≤0.9、1.8<e<2.2、b+c+d=1、及0.34<c)表示的含锂复合氧化物。在用上述通式表示的含锂复合氧化物的粒子中,优选的是与粒子内部相比在粒子的表层部较多地分布元素M的活性物质。
正极集电体例如由铝箔等金属箔构成。
负极板例如具有负极集电体及形成于所述负极集电体上的、含有能可逆地嵌入和脱嵌锂的负极活性物质的层。
作为负极活性物质,例如可列举出:碳材料、金属锂、含锂复合氧化物、可与锂合金化的材料。作为碳材料,例如可列举出:焦炭、热分解碳类、天然石墨、人造石墨、中间相炭微球、石墨化中间相小球体、气相生长碳、玻璃状碳类、碳纤维(聚丙烯腈系、沥青系、纤维素系、气相生长碳系)、无定形碳、或烧成有机物而得到的碳材料。它们可以单独使用,也可以两种以上混合使用。在它们之中,优选的是将中间相小球体石墨化的碳材料、或天然石墨和人造石墨之类的石墨材料。另外,作为可与锂合金化的材料,例如可列举出Si单质及含有Si及O的化合物(例如SiOx)之类的硅材料。它们可以单独使用,也可以两种以上混合使用。负极活性物质通过使用硅材料,能够使其高容量化。
负极集电体例如由铜箔等金属箔构成。
作为隔膜,例如可采用聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、或它们的复合体。隔膜的一部分通过采用陶瓷或耐热性树脂,还可以改善隔膜的热收缩性。
筐体2由有底方筒状的电池收纳部21及覆盖电池收纳部21的开口部的四方板状的盖22构成。通过焊接等将盖22固定在电池收纳部21上。筐体2由热传导层构成,该热传导层由热传导性高的金属(例如铜或铝)构成。筐体2的整个内表面被热吸收层4(筐体覆盖部)覆盖。这样一来,由热吸收层4及筐体2(热传导层)构成复层。例如可采用粘接剂将热吸收层4与筐体2接合。复层例如厚度为0.2~4mm。筐体2例如厚度为0.01~3mm。热吸收层4例如厚度为0.1~3mm。
由于电池组具备复层,因而即使在因电池组内的电池的内部短路或过充电等而使电池温度大幅度上升,以致电池放出高温的可燃气体,从而电池组内部暴露在异常的高温环境下时,也由于在组电池的周围配置有热吸收层,因而可抑制放出的可燃气体的热集中地向热传导层移动。另外,由于在组电池周围配置有热传导层,因而能够使放出的可燃气体的热扩散。由此,能够防止因筐体暴露在异常的高温环境下而造成的筐体的破损、及该破损造成的可燃气体向电池组外部的漏出,从而电池组的安全性得以提高。
因为由热传导层及热吸收层的复层构成电池组,与单独采用热传导层或热吸收层时相比,可减薄筐体的厚度,能够使电池组小型轻量化。通过改善耐热性,可使筐体的厚度为单独采用热传导层或热吸收层时的厚度的1/3~1/2。
热吸收层4由含有具有在100℃以上分解并吸收热的性质的材料B的树脂构成。如果电池产生的热传递给热吸收层4,则材料B产生热分解反应。此时,热吸收层4吸收电池所产生的热。另外,热吸收层4因伴随材料B的热分解所产生的气体而膨胀,从而成为隔热层。因此,通过热吸收层4能够将热对筐体外部的电子设备的影响抑制在最低限度的水平。
作为热吸收层4,例如优选由分散有粒径为0.1~20μm的粒子状材料B的树脂层构成。作为材料B,优选的是碳酸氢钠(热分解温度:大约200℃)及氢氧化铝(热分解温度:大约400℃)中的至少一种。
热吸收层4中的材料B的含量相对于每100重量份的树脂,优选为20~70重量份。如果材料B的含量相对于每100重量份的树脂超过70重量份,则树脂所占的比例过度减小,树脂层中的材料B的保持性往往降低。如果材料B的含量相对于每100重量份的树脂低于20重量份,则材料B所占的比例过度减小,上述材料B的效果往往并不充分。
作为树脂层,优选的是具有优良的粘结性及耐热性的PTFE层。
在邻接的电池3之间,配置有板状的热吸收材料(未图示)作为隔板。热吸收材料的厚度例如为0.1~1mm,优选为0.1~0.5mm。热吸收材料可采用与热吸收层4相同的材料。
电池组1具备用于将从电池放出的高温的可燃气体排放到电池组1的外部的机构。该机构由设在筐体2上的开口部23,设在开口部23上的止回阀24,及与开口部23连通、用于对高温气体进行冷却并将其排放到外部的导管25构成。更具体地说,电池收纳部21具有将从电池3排出的可燃气体排放到电池组1的外部的开口部23。在开口部23上设有止回阀24,以防止大气从开口部23流入到电池组1的内部,同时防止排出的可燃气体产生逆流。在开口部23上通过焊接等连接有具有多个折弯部的导管25。因此,从电池组1排出的高温的可燃气体在通过导管25时被空冷,被冷却的气体被排放到外部。
从可燃气体的冷却及排气的观点出发,优选导管25的直径为3~10mm。图2的导管25在5处设有折弯部,但折弯部的数目并不局限于此。
从冷却效果的观点出发,具有折弯部的导管优选折弯部的数目为1~5处、及长度为20~50cm。更优选折弯部的数目为1~4处。如果导管过细或过长,或者导管的折弯部的数目过多,则往往不能顺畅地向外部排出气体,从而损伤电池组(筐体)。如果导管过粗或过短,或者导管的折弯部的数目过少,则往往不能有效地冷却气体。
另外,也可以采用具有图4所示的螺旋状结构的导管35以取代导管25。从可燃气体的冷却及排气的观点出发,优选导管35的直径为3~10mm。图4的导管35的螺旋圈数为3圈,但螺旋的圈数并不局限于此。
从冷却效果的观点出发,螺旋状导管优选螺旋圈数为1~5圈、及长度为20~50cm。如果导管过细或过长,或者螺旋圈数过多,则往往不能顺畅地向外部排出气体,从而损伤电池组(筐体)。如果导管过粗或过短,或者螺旋圈数过少,则往往不能有效地冷却气体。
以下,示出图1的电池组1的制作步骤的一个例子。
采用粘接剂,使热吸收层4密合在电池收纳部21及盖22中的构成筐体时成为内表面的部分上。将导管25的端部焊接在电池收纳部21的开口部23上。在电池收纳部21内设置组电池31。将组电池31的正极端子及负极端子分别连接在电池收纳部的端子部上。在邻接的电池3之间配置隔板。用盖22盖住电池收纳部21的开口。将盖22的周边部焊接在电池收纳部21的开口端部上。
在本实施方式中,通过将热吸收层配置在筐体的内表面来构成复层,但复层并不局限于此。也可以用热吸收层构成筐体,将热传导层配置在筐体的内表面。
在上述中,用热吸收层覆盖筐体的整个内表面,但也可以仅将与电池3的封口部对置的面(图2中的X面及Y面)用热吸收层覆盖。
实施例
以下,对本发明的实施例进行详细说明,但本发明并不局限于这些实施例。
设想电池组内的电池在异常时放出高温的可燃气体,从而电池组内暴露于异常的高温环境下的情况,实施了以下的安全性评价试验。
《实验例1》
采用环氧树脂系粘接剂(EMI公司生产,UV固化型粘接剂,商品名“OPTOCAST”),在厚度为0.3mm的铝板(A1085材)(热传导层)的单面上,贴附厚度为0.2mm的PTFE薄板作为耐热材料(日本Valqua工业(株)生产,VALQUALON薄板7020)(热吸收层),从而得到试样A(复层)。粘接剂层的厚度为0.7mm。
《实验例2》
在厚度为0.3mm的铝板(热传导层)的单面上,按与实验例1相同的方法,贴附厚度为0.2mm的改性PPE薄板作为耐热材料(三菱树脂(株),DIANIUM MS-9002)(热吸收层),从而得到试样B(复层)。
《实验例3》
在厚度为0.3mm的铝板(热传导层)的单面的整个面上,涂布(株)PDM研究所生产的HEAT BUSTER TK2作为吸热材料,形成厚度为0.2mm的层(热吸收层)而得到试样C(复层)。
《实验例4》
作为吸热材料,用乳钵混练90重量份的碳酸氢钠粉末和10重量份的PTFE粉末,将其成形成薄板状,从而得到厚度为0.2mm的成形体。在厚度为0.3mm的铝板的单面上,按与实验例1相同的方法,贴附该成形体(热吸收层),从而得到试样D(复层)。
设想在电池组内喷出了高温气体,用燃烧器对试样A~D施加30秒钟的1400℃左右的热,确认试样A~D的破损部位的有无。
另外,作为比较例,准备厚度为0.5mm的铝板的试样E(单层)、厚度为1.0mm的铝板的试样F(单层)、厚度为1.0mm的PTFE薄板的试样G(单层)、及厚度为1.0mm的改性PPE薄板的试样H(单层),实施与上述同样的试验。在试样的一部分熔化而开孔时,判断为破损。各试样A~G的尺寸设定为40mm×40mm。
上述试验的结果如表1所示。
表1
上述试验的结果表明,只由厚度为0.5mm的铝板构成的试样E发生了破损,而只由厚度为1.0mm的铝板构成的试样F没有破损。由此得知:要只采用铝板来防止破损,铝板的厚度需要达到1.0mm。
与此相对照,在厚度为0.3mm的比试样E薄的铝板上涂布或贴附有耐热材料或吸热材料的试样A~D没有破损。关于试样A~D所采用的厚度为0.3mm的铝板没有破损的理由,可以认为是因为热在耐热材料或吸热材料中移动,铝板温度没有上升到其熔化温度即660℃以上。另外,在只由耐热性树脂构成的试样G及H中,热集中在燃烧器的火焰所触及的部分,因而该部分达到高温,因高温部分熔化而开孔、破损。
产业上的可利用性
本发明的电池组例如可用作便携式个人计算机或摄像机等电子设备的电源。另外,电池组还可用作例如搭载在四轮车或二轮车等车辆上的电气安装设备的电源、或电动汽车和混合动力汽车等的动力用电源。
Claims (12)
1.一种电池组,其特征在于,具备:
组电池,由具有封口部的多个电池电连接而成,
端子部,与所述组电池电连接,用于向外部输出电,以及
复层结构,被配置在所述组电池周围的至少一部分上,且由热吸收层及热传导层层叠而成;
所述热吸收层的比热为1000J/kg·℃以上;
所述热传导层的热导率为10W/m·K以上。
2.根据权利要求1所述的电池组,其中,在各电池的至少与所述封口部对置的部分形成有所述复层结构。
3.根据权利要求1所述的电池组,其中,
所述热传导层及所述热吸收层中的一方形成有收纳所述组电池的筐体,
所述热传导层及所述热吸收层中的另一方在各电池的至少与所述封口部对置的部分形成有所述筐体的覆盖部。
4.根据权利要求1所述的电池组,其中,所述热吸收层含有比热为1000J/kg·℃以上的树脂材料、陶瓷或无机材料。
5.根据权利要求4所述的电池组,其中,所述树脂材料为氟树脂、含有氢氧化镁的聚丙烯树脂或改性聚苯醚树脂。
6.根据权利要求1所述的电池组,其中,所述热吸收层含有具有在80℃以上气化并利用潜热吸收热的性质的材料。
7.根据权利要求6所述的电池组,其中,所述材料为丁基橡胶或含水凝胶。
8.根据权利要求1所述的电池组,其中,所述热吸收层含有具有在100℃以上分解并吸收热的性质的材料。
9.根据权利要求8所述的电池组,其中,所述材料为碳酸氢钠。
10.根据权利要求1所述的电池组,其中,所述热传导层由金属构成。
11.根据权利要求10所述的电池组,其中,所述金属为铜或铝。
12.根据权利要求1所述的电池组,其中,
具备用于将从所述电池放出的高温气体排放到所述电池组的外部的机构;
所述机构包括:设在所述电池组上的开口部,设在所述开口部上的止回阀,及与所述开口部连通、用于对所述高温气体进行冷却并将其排放到外部的导管。
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