AT525606A1

AT525606A1 - Flüssigkeitsbehälter umfassend zwei Grundkörper

Info

Publication number: AT525606A1
Application number: ATA50900/2021A
Authority: AT
Inventors: Kastler Helmut; Palmetshofer Matthias
Original assignee: Kreisel Electric Gmbh & Co Kg
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-05-15
Also published as: EP4430693A2; WO2023081949A3; WO2023081949A2; US20250030090A1; CN118266120A; AT525606B1; JP2024543838A

Abstract

Es wird ein Flüssigkeitsbehälter umfassend zwei Grundkörper (2a, 2b) beschrieben, wobei zum Ultraschallverschweißen ein Grundkörper (2a) eine wenigstens abschnittsweise umlaufende Nut (7) und ein Grundkörper (2b) eine wenigstens abschnittsweise umlaufende Feder (8) zum Einsetzen in die Nut (7) aufweist. Um eine stabile und fluiddichte Verbindung zwischen den Grundkörpern (2a,2b) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass vor dem Ultraschallverschweißen die Breite (11) der Feder (8) die Breite (12) der Nut (7) übersteigt und die Seitenflächen (13) der Feder (8) umlaufende an den Nutwänden (14) anliegende Schweißflächen bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsbehälter umfassend zwei Grundkörper, wobei zum Ultraschallverschweißen ein Grundkörper eine wenigstens abschnittsweise umlaufende Nut und ein Grundkörper eine wenigstens abschnittsweise umlaufende Feder zum Einsetzen in die Nut aufweist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung einen Flüssigkeitsbehälter zum

Temperieren von Batteriezellen.

Aus der AT522361B1 ist eine Vorrichtung zum Temperieren von Batteriezellen bekannt. Die Vorrichtung weist zwei miteinander über ein

Ultraschallschweiß verfahren verbindbare Grundkörper auf, die einen Strömungskanal für ein Temperierfluid begrenzen. Die Grundkörper bilden Durchtrittsöffnungen aus, in die Batteriezellen eingesetzt sind. Zum miteinander Ultraschallverschweißen umfasst ein Grundkörper eine umlaufende Nut und der andere Grundkörper eine in die Nut eingreifende, umlaufende Feder. Die Feder bildet einen in Richtung Nutgrund spitz zulaufenden Energierichtungsgeber aus, der vor dem Ultraschallverschweißen am Nutgrund anliegt, wodurch sich eine umlaufende Schweißlinie zwischen Energierichtungsgeberspitze und Nutgrund ergibt. Durch Induzieren von Ultraschallwellen wird an dieser Schweißlinie Reibungswärme erzeugt, die zum Verschmelzen der Nut und der Feder führt. Nachteiligerweise wird für diese Stirverschweißung ein relativ hoher und langer Energieeintrag benötigt, da es andernfalls zu einem Verfestigen des vom Energierichtungsgeber abgeschmolzenen Materials kommt, bevor es mit der Nut eine feste Verbindung bildet, wodurch die Fluiddichtheit des Strömungskanals nicht

gewähreistet werden kann. Durch die erforderliche Erhöhung des Energieeintrags

an der Sonotroden-Grundkörper-Kontaktfläche kommen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsbehälter der eingangs geschilderten Art vorzuschlagen, dessen Grundkörper sich bei geringerem Energieeintrag rasch verbinden lassen und gleichzeitig eine stabile und fluiddichte, insbesondere bei Überdruck flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den

Grundkörpern ermöglicht.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass vor dem Ultraschallverschweißen die Breite der Feder die Breite der Nut übersteigt und die Seitenflächen der Feder umlaufende an den Nutwänden anliegende Schweißflächen bilden. Zufolge der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Feder zwischen den Nutwänden unter Vorspannung eingeklemmt, wodurch sich zwei als Schweißflächen dienende Kontaktflächen jeweils zwischen einer Seitenfläche der Feder und einer Nutwand ergeben. Durch diesen zusätzlichen Krafteintrag führt bereits ein verhältnismäßig niedriger Energieeintrag der Sonotrode zu einem Aufschmelzen der Schweißflächen. Beim ultraschallbedingten Aufschmelzen kommt es dabei zu einer Scherströmung zwischen der Nutwand und der Seitenfläche der Feder, was eine stoffliche Vermengung der Schmelze der unterschiedlichen Grundkörper und somit eine homogene Verbindung begünstigt. Durch das Vorsehen zweier Schweißflächen, jeweils zwischen einer Seitenfläche der Feder und einer Nutwand, entsteht nach dem Ultraschweißvorgang eine doppelte Quetschnaht, was einerseits für eine redundante Sicherung der Fluiddichtheit der Grundkörper sorgt und andererseits durch die Verdoppelung des Schweißquerschnitts zu einer verbesserten mechanischen Stabilität führt. Somit ergeben sich insbesondere auch bei Überdruck im Flüssigkeitsbehälter, das heißt bei einem den Außendruck übersteigenden Innendruck, insbesondere innerhalb einer Flüssigkeit, verbesserte Abdichtungsbedingungen. Grundsätzlich kann nur ein Teil jeder Seitenfläche der Feder als Schweißfläche dienen, wobei mit Vergrößerung der Schweißfläche auch die Stabilität der Schweißverbindung

zunimmt. Vorzugsweise können die Seitenflächen der Feder vollflächig an den

andererseits der die Feder aufweisende Grundkörper in der Nut vorzentriert wird.

Damit der Flüssigkeitsbehälter zum effizienten Temperieren von außerhalb des Flüssigkeitsbehälters kontaktierten Batteriezellen eingesetzt werden kann, können die Grundkörper Durchtrittsöffnungen für einzelne Batteriezellen aufweisen und einen Strömungskanal begrenzen. Der Strömungskanal kann mit einem die Batteriezellen direkt anströmenden Temperierfluid, vorzugsweise mit einer Temperierflüssigkeit befüllt sein. Die Endabschnitte einer Batteriezelle können durch zwei einander gegenüberliegende Durchtrittsöffnungen ragen, wobei der zwischen den Endabschnitten der Batteriezellen liegende Mantelabschnitt im Strömungskanal verläuft. Um eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den Batteriezellen und den Durchtrittsöffnungen zu erhalten, können die Durchtrittsöffnungen mit die

Batteriezellen umschließenden Ringdichtungen versehen sein.

Eine ausreichende Kontaktkraft zwischen der Nut und der Feder, ohne dabei, insbesondere bei der Verwendung von thermoplastischen Werkstoffen wie Polyamid, Beschädigungen der Feder zu verursachen, ergibt sich, wenn die Breite der Feder die Breite der Nut um 0,1 mm bis 0,8 mm, bevorzugt um 0,3 mm bis 0,5

mm übersteigt.

Zusammenwirken einen Anschlag der Feder am Nutgrund verhindert.

Damit ein ausreichend großes Volumen zur Aufnahme der Schmelze bereitgestellt werden kann, ohne dabei den erforderlichen Energieeintrag zu erhöhen und die Schweißverbindung zu schwächen, kann die Höhe des Hohlraums 10 % bis 60 % der Höhe der Nut entsprechen. Im Bereich unter 10 % kann nicht genug Schmelze aufgenommen werden. Im Bereich über 60 % ergeben sich einerseits zu kleine Schweißflächen und wird andererseits die von der Nut auf die Feder wirkende Klemmkraft zu stark reduziert, sodass dies durch Erhöhung des von der Sonotrode

erzeugten Energieeintrags kompensiert werden müsste.

Die Schmelze fließt nicht nur in den Hohlraum, sondern tritt auch auf der dem Hohlraum abgewandten Seite der Schweißflächen aus. Verläuft die Schmelze an der Innenseite des Grundkörpers in Richtung Strömungskanal und erstarrt dort, kann dies die Temperierung der Batteriezellen durch Veränderung des beabsichtigten Strömungsverhaltens negativ beeinflussen. Verläuft die Schmelze an der Außenseite des Grundkörpers, können Anschlüsse oder andere Baukomponenten in negativer Weise beeinträchtigt werden. Um daher zu verhindern, dass die austretende Schmelze die Funktionalität der Vorrichtung beeinträchtig, empfiehlt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass der die Nut aufweisende Grundkörper einen

an die Nut in Richtung des anderen Grundkörpers anschließenden Schmelzekanal

erstarren kann, bevor andere Bereiche der Vorrichtung erreicht werden.

Eine ausreichend hohe Stabilität der Verbindung zwischen den Grundkörpern kann erzielt werden, wenn die Höhe der Schweißflächen zwischen Seitenflächen der Feder und den Nutwänden 1 mm bis 3 mm, insbesondere 1,4 mm bis 1,7 mm

beträgt.

Um eine Deformation der Feder beim Zusammenstecken der Grundkörper zu verhindern und gleichzeitig Materialkosten zu sparen, kann die Federbasis 1 mm bis

2 mm, insbesondere 1,2 mm bis 1,4 mm, breit sein.

Eine besonders kompakte Vorrichtung ergibt sich, wenn die Nut in Fügerichtung der Grundkörper auf Höhe der Durchtrittsöffnungen des mit der Nut versehenen Grundkörpers verläuft. Insbesondere ist die Nut quer zur Fügerichtung der zu assemblierenden Grundkörper in Richtung des Randbereichs des Grundkörpers von den Durchtrittsöffnungen beabstandet, wodurch die Durchtrittsöffnungen nicht im Nahfeld der Sonotrode liegen und somit ein unbeabsichtigtes Aufschmelzen der

Durchtrittsöffnungen bzw. deren Dichtungen verhindert werden kann.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es

zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren von Batteriezellen,

Fig. 2 eine Detailansicht der Nut-Feder-Verbindung vor dem Zusammensetzen der Grundkörper und vor dem Ultraschallverschweißen,

Fig. 3 eine Detailansicht der Nut-Feder-Verbindung nach dem Zusammensetzen der Grundkörper und vor dem Ultraschallverschweißen, sowie

Fig. 4 eine Detailansicht der Nut-Feder-Verbindung nach dem Zusammensetzen

der Grundkörper und nach dem Ultraschallverschweißen.

Grundkörpers 2b angeordnet sind, ausbilden.

Wie insbesondere aus den Figs. 2 und 3 zu sehen ist, weist der Grundkörper 2a eine Nut 7 und der Grundkörper 2b eine Feder 8 auf, wodurch die Grundkörper 2a, 2b zusammengesteckt und anschließend mittels Ultraschallverschweißens stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Die Nut 7 und Feder 8 können abschnittsweise quer zur Fügerichtung 9 verlaufen, vorzugsweise aber auch durchgehend ausgebildet sein, sodass die Feder 8 von der Wand 10 des Grundkörpers 2b gebildet sein kann. Erfindungsgemäß ist die Breite 11 der Feder 8, insbesondere die größte innerhalb der Nut verlaufende Breite der Federbasis, vor dem Ultraschallverschweißen größer als die Breite 12 der Nut 7. Auf diese Weise ergibt sich im zusammengesteckten Zustand zwischen den Seitenflächen 13 der Feder 8 und den Nutwänden 14 jeweils eine umlaufende Kontaktfläche, welche als Schweißfläche 15 fungiert. Nach dem Ultraschallverschweißen ergibt sich demnach eine doppelte umlaufende Quetschnaht, wodurch die Stabilität und Fluiddichtheit

der Vorrichtung gesteigert werden kann.

Wie in den Figs. 2 und 3 offenbart ist, kann zwischen dem Nutgrund 16 und dem Federkopf 17 ein Hohlraum 18 vorgesehen sein, der die vom Schmelzebad abfließende Schmelze aufnehmen kann (vgl. Fig. 4). Die Höhe 19 des Hohlraums 18 kann 50 % der Höhe 20 der Nut 7 betragen.

Der die Nut 7 aufweisende Grundkörper 2a kann einen an die Nut 7 in Richtung des anderen Grundkörpers 2b anschließenden Schmelzekanal 21 aufweisen, der breiter als die Nut 7 sein kann. Auf diese Weise ergeben sich zwei Schmelzkanalabschnitte 22, entlang denen aus dem Schmelzbad austretende Schmelze verlaufen und

während des Abkühlens erstarren kann, wie dies in der Fig. 4 angedeutet ist.

Die Höhe 23 der Schweißflächen 15 kann 1,5 mm betragen. Die Breite 11 der

Federbasis kann 1,33 mm betragen.

Im Sinne einer kompakten Vorrichtung kann die Nut 7 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 4 verlaufen. Die Durchtrittsöffnungen 4 können Dichtungen 24

für die Batteriezelle 1 aufweisen.

Claims

(344198.4) IV Patentansprüche

1. Flüssigkeitsbehälter umfassend zwei Grundkörper (2a, 2b), wobei zum Ultraschallverschweißen ein Grundkörper (2a) eine wenigstens abschnittsweise umlaufende Nut (7) und ein Grundkörper (2b) eine wenigstens abschnittsweise umlaufende Feder (8) zum Einsetzen in die Nut (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ultraschallverschweißen die Breite (11) der

Feder (8) die Breite (12) der Nut (7) übersteigt und die Seitenflächen (13) der Feder

(8) umlaufende an den Nutwänden (14) anliegende Schweißflächen bilden.

2. Vorrichtung zum Temperieren von Batteriezellen (1) mit einem Flüssigkeitsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper (2a,2b) zum Temperieren von Batteriezellen (1) Durchtrittsöffnungen

(4) für einzelne Batteriezellen (1) aufweisen und einen Strömungskanal begrenzen

(3).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (11) der Feder (8) die Breite (12) der Nut (7) um 0,1 mm bis 0,8 mm,

bevorzugt um 0,3 mm bis 0,5 mm übersteigt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweißen zwischen dem Nutgrund (16) und dem Federkopf (17)

der eingesetzten Feder (8) ein Hohlraum (18) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (19) des Hohlraums (18) 10 % bis 60 % der Höhe (20) der Nut (7) entspricht.

des anderen Grundkörpers (2b) anschließenden Schmelzekanal (21) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (23) der Schweißflächen (15) zwischen Seitenflächen (13) der Feder (8) und den Nutwänden (14) 1 mm bis 3 mm, insbesondere 1,4 mm bis 1,7

mm beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

dass die Federbasis 1 mm bis 2 mm, insbesondere 1,2 mm bis 1,4 mm, breit ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) in Fügerichtung (9) der Grundkörper (2a,2b) auf Höhe der

Durchtrittsöffnungen (4) des mit der Nut (7) versehenen Grundkörpers (2a) verläuft.