CN104956157A - 高温热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高温热交换器(1)，其包括由导热性很好的耐高温的材料构成的固体(3)，该固体具有至少一个引入到其中的加热元件(5)，其中，在固体(3)中构造有可由流体穿流的通道(9)，并且其中，固体(3)是隔热的。此外，本发明还涉及高温热交换器(1)的使用。

Description

高温热交换器
技术领域
本发明涉及高温热交换器以及高温热交换器的应用。
背景技术
高温热交换器例如用于从电加热棒吸热。这种电加热棒例如用在混合动力车辆或电动车中，以便吸收例如在余热利用(Rekuperieren)时在发电机中出现的多余的电能。在此，如果电能储存器满载或例如电池的温度过低，则出现多余的电能。这种电加热棒的使用例如在DE-A 10 2007 032 726中进行了说明。在此还公开了可使用多个加热棒，其中，例如利用多个加热棒可加热不同的构件。
在很低的温度下使用锂离子电池时在输送电能的情况下非常快地达到电池的电压上限并且此时必须对电池很快地进行限制(abgeregelt)。此外，在很低的温度下会在锂离子电池中出现锂镀层，由此在正极处出现锂沉积物。如果针状的锂晶体形成在正极处，则沉积物对于可靠性至关重要。沉积物可穿透分隔件，这结果导致短路。此外，沉积的锂还可与电解质反应，由此电池逐渐地变干。此时，这种现象导致锂离子电池的加速的老化。因此，具有重大关系的是，尽可能快地加热非常冷的电池(即，具有温度低于0℃的电池)。
为了加热非常冷的电池，通常使用液态的热载体。热载体例如可利用电加热棒加热。为此，加热棒通常被液态的热载体在周围冲刷。如果在余热利用时为加热棒输送很高的电功率并且电功率转变成热，则必须将热引出到环境处。在很高的热功率的情况下，这可导致在周围冲刷加热棒的液体不受控地蒸发。为此，这可导致不受欢迎的声学的伴随现象。如此加热的液体由此用于加热电池。
发明内容
根据本发明的高温热交换器包括由导热性很好的耐高温的材料构成的固体，该固体具有至少一个引入到其中的加热元件，其中，在固体中构造有可由流体穿流的通道，并且其中，该固体是绝热的。
通过使用导热性很好的固体将热从加热元件导出并且在此避免了使用液体的缺点。通过使用固体尤其避免液体不受控地蒸发。在使用导热性很好的固体时，另一优点是，可将热从至少一个加热元件输出到很小的空间上，从而高温热交换器还可相应很小地建造。“导热很好”在本发明的范围中意指热导率为至少20W/mK，优选为至少150W/mK。
“耐高温”在本发明的范围中意指材料在可通过加热棒达到的温度下没有受到损害。在此，加热元件例如可达到最高700℃的温度，在特定应用中甚至达到直至1200℃。
引入到固体中的加热元件通常为电加热元件。合适的加热元件例如为电加热棒或加热垫。加热元件还可为加热芯。
为了能够使用高温热交换器，引入到固体中的通道与用于穿流的流体的入口和出口连接。如果多于一个通道容纳在固体中，则入口优选地具有分配器并且出口具有收集器，从而流体可流动通过所有的通道。替代地，也可设置多个入口和多个出口。流动通过固体的流体优选地为气体，例如空气。在使用气体时避免了液体快速蒸发并且在液体管路中出现蒸发冲击并且进而出现声学的伴随现象或压力冲击。这种声学的伴随现象和压力冲击同样在由现有技术已知的系统中出现，在其中直接利用加热棒加热液体。这同样通过根据本发明的高温热交换器得以避免。
使用固体的另一优点是，可将很大的热功率导出到固体处。在此通常将固体加热。通过将固体加热，可将实际的固体(加热元件的能量被引出到该固体处)的质量保持得很小。此外，在固体的很高的热导率的情况下实现尽可能高的效率。因为将固体加热，固体同时还可用作蓄热器，并且在更长的时段上对热分配地加以利用。具有很大的热容量的固体特别好地适合作为蓄热器。
根据本发明，将导热性很好的耐高温的材料用作固体的材料。该材料优选地为陶瓷。特别优选地为基于碳化硅构造的陶瓷。因此，碳化硅陶瓷例如具有的热导率最高为350W/mK。
此外为了可进一步利用输出给流体的热，优选的是，用于穿流的流体的出口与另一热交换器连接，其中，流动通过固体并且已加热的流体将热输出给热载体。于是，如此在热交换器中加热的热载体可用于加热构件，例如锂离子电池。在其他的热交换器中通过流体加热的热载体优选地为液体。
除了使用用于电池的热管理电池系统的液态的热载体之外，还可使用气态的热载体，例如空气。然而，优选使用液态的热载体，例如水-乙二醇-混合物。
此外，如果通过流体简单地穿流固体不足以将流体加热到期望的温度上，优选地设置从出口分出并且通到入口中的旁路。流体的一部分或所有的流体由此可流动经过旁路并且再一次流经固体，由此进一步加热流体。
如果固体的热容量足够大，固体还可用作蓄热器。在本发明的一种实施方式中，固体包含至少一种其他的蓄热材料。作为蓄热材料例如同样合适的是相变材料，相变材料可在确定的温度下通过从固态到液态的相位转变吸收特别多的热。
高温热交换器特别优选地用于电池、尤其锂离子电池的调温。为此，使高温热交换器与用于电池的热管理回路连接。为此，例如可如上述已经说明的那样通过以下方式将流动通过在固体中的通道的流体导引到另一热交换器中，即，将热从流体输出给液态的用于加热电池的热载体。此外，如果电池充满电，热还可用于加热其他的构件或用于加热车辆内部空间。
在另一实施方式中，高温热交换器与热电发电机联结。通过联结热电发电机可将储存在固体中的热的一部分再次转变成电能。该电能可用于为电池重新充电或作为替代还直接用于运行用电运行的构件。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在随后的说明中对其进行详细阐述。
唯一的附图示出了根据本发明的高温热交换器的示意性的图示。
具体实施方式
在唯一的附图中示意性地示出了根据本发明构造的高温热交换器。
高温热交换器1包括固体3，在固体中容纳有加热元件5。固体3包围加热元件5，使得热可从加热元件5直接传递给固体3。固体3在此由导热性很好的耐高温的材料制成。陶瓷、尤其是导热性很好的陶瓷(例如基于碳化硅的陶瓷)特别适合作为用于固体的材料。除了陶瓷之外，例如高熔点的金属或金属合金同样适合作为用于固体的材料。在此，高熔点意指熔化温度大于750℃。除了碳化硅之外，例如氮化铝适合作为陶瓷。
由固体3包围的加热元件5例如为电加热棒、加热芯或加热垫。用于运行加热元件的能量例如可在高温热交换器1使用在混合动力车辆或电动车中时在余热利用的情况下在混合动力车辆或电动车的发电机中获得。
由此将加热元件5的热传输给固体3。如果为固体3选择具有足够好的热容量的材料，那么固体3也可用作蓄热器。此外，为了改善固体3的蓄热能力，还可将蓄热材料引入到固体3中。通过在确定的温度下吸热而经历从固态到液态的相位转变的相变材料例如适合作为蓄热材料。该材料可通过相位转变吸收特别多的热。由此，由相变材料吸收的热可通过从液态到固态的恢复原状再次释放。如此释放的热例如可用于加热或还替代地用于运行热电发电机。此时，利用热电发电机可通过热产生电能。
为了避免热从固体3输出给环境，固体3设有隔绝部7。本领域技术人员已知的任何任意的隔热材料适合作为用于隔绝部7的材料。
为了可利用由加热元件5输出给固体3的热，根据本发明在固体3中构造有通道9。通道9可由用于吸热的流体穿流。优选地，通道9由从固体3吸热的气体(尤其空气)穿流。通过将气体用作用于吸热的流体避免液体不受控地蒸发，从而可避免在液体管路中的蒸发冲击并且进而避免声学的伴随现象或压力冲击。
引入到固体3中的通道9不仅可以孔(例如具有圆形横截面)的形式来设计，或者也可设计为具有多边形横截面的通道。如果通道9具有多边形横截面，通道可具有相比于高度明显更大的宽度。在此，例如同样可行的是，固体3以多个单独的板的形式来设计，其中，优选地在每个板中容纳有加热元件5，并且各个板分别通过通道9分开。除了通过通道9完全分开固体3的各个板之外，例如还可设置桥接部，通过桥接部使各个固体元件彼此连接。桥接部可一方面用于分开各个通道9，或替代地还可在通道中设置多个单独的桥接部，该桥接部可被流体环绕流过。
如果各个固体元件通过桥接部彼此连接，则还无需在每个固体元件中设置加热元件5。在这种情况下，热通过桥接部散布到各个固体元件上。
为了将流体均匀地导引通过通道9，通道9在流入侧上与分配器11连接并且在流出侧上与收集器13连接。
为了运行高温热交换器1，利用鼓风机15将气体(优选空气)通过输入管路17导引到收集器11中并且从此处进一步导引到通道9中。由加热元件5输出给固体3的热被流动通过通道9的气体吸收。已加热的气体通过收集器13导引到管路19中，并且从此处进一步导引到热交换器21中。在热交换器21中加热例如用于后续应用的热载体。为此，热载体通过管路23导引通过热交换器21。
利用通过管路23导引的热载体所进行的后续应用例如为例如用于电池的热管理回路，该电池例如用在混合动力车辆或电动车中。在此通常涉及锂离子电池。尤其在为电池充电时需要尽可能快地加热电池，以避免在低的温度下出现锂镀层并且在正极处形成针状的锂晶体，其可穿透分隔件并且由此导致短路。
如果由加热元件5输出提供较少的热量，并且该热量不足以加热流动通过通道9的流体，有利的是，如在图1中示出的那样，设置旁路25。为了将流体带到期望的温度上，可将流体的一部分通过旁路25引回到输入管路17中并且从此处重新引导通过高温热交换器1。由此进一步加热流体。因此，比起仅仅一次通过高温热交换器1的情况，此时离开高温热交换器1的流体具有更高的温度。在此，在利用旁路25的情况下，已经加热的并且通过旁路25引回的流体与通过鼓风机15新输送的流体混合。
在穿流过热交换器21之后，如果流体的温度此时仍足够高，流体可用于随后的应用，例如用于机动车的乘客舱的调温，或用于加热在混合动力车辆或电动车中的其他构件。

Claims (10)

1.一种高温热交换器，其包括由具有良导热性的耐高温的材料构成的固体(3)，所述固体具有至少一个引入到其中的加热元件(5)，其中，在所述固体(3)中构造有能够由流体穿流的通道(9)，并且其中，所述固体(3)是绝热的。
2.根据权利要求1所述的高温热交换器，其特征在于，所述具有良导热性的耐高温的材料为陶瓷，尤其为基于碳化硅的陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的高温热交换器，其特征在于，所述加热元件(5)为电加热棒或加热垫。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高温热交换器，其特征在于，所述通道(9)与用于穿流的流体的输入管路(17)和出口连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的高温热交换器，其特征在于，所述出口与另一热交换器(21)连接，其中，流经所述固体(3)且已加热的所述流体在所述热交换器(21)中将热输出给热载体。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的高温热交换器，其特征在于，从所述出口分出通到所述输入管路(17)中的旁路(25)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的高温热交换器，其特征在于，在所述固体(3)中包含蓄热材料。
8.根据权利要求7所述的高温热交换器，其特征在于，所述蓄热材料为相变材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的高温热交换器，其特征在于，所述高温热交换器(1)与热电发电机联结。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的高温热交换器(1)在电池、尤其是锂离子电池的热管理回路中的应用。
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