CN105229844B - 热交换组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换组件(1)，用于电蓄能器(18)的温度控制系统。根据本发明，热交换组件(1)由载体材料(2)和至少两层(3,4)组成，第一层(3)有电绝缘效果并且第二层(4)允许温度控制，也就是说电蓄能器(18)的冷却和/或加热。本发明的热交换组件很灵活并且重量减轻。

Description

热交换组件
技术领域
本发明涉及一种热交换组件，用于电能存储的温度控制系统。本发明同样涉及一种有所述类型热交换组件的电能存储，和一种制造所述类型热交换组件的方法。
背景技术
为控制现代混合动力和电动汽车中蓄电池的温度，通常使用冷却板和/或附加的加热器，流体通过该冷却板流动。因为总的来说更好的导热特性，所述冷却板通常由金属或导电材料制造。由于蓄电池单元使用时通常有由金属材料组成的壳体，在冷却板和蓄电池单元之间要求有附加的电绝缘以防止短路和漏泄电流。为能保证所述绝缘，通常使用由导热材料组成的薄塑料箔或应用层，例如有机硅。但是，所述绝缘层的应用通常包括大量支出，例如用于准备，清洁和颗粒消除，其中由有机硅组成的涂层通常十分昂贵，并且因为其粘性特征在处理过程中会造成问题。此外，要求固化时间，这对制造费用有不利影响。
发明内容
附加的加热器使得附加的组件或类似于上述绝缘层的附加的涂层必须得以应用或结合至冷却回路作为附加的外部组件。这进一步增加费用，其中所述解决方法此外关于可利用的安装空间不利。因此，对于一般类型的热交换组件，本发明关心的问题是明确指明一种改善或至少可供选择的实施方式，该实施方式特别消除，或至少减少，现有技术已知的缺点。
本发明基于所述总体概念，借助原先已知的用于电能存储的温度控制系统的冷却板，和例如附加的加热层，现在根据本发明形成为多层热交换组件，其中每层现在都指定有专用功能。因此，根据本发明所述热交换组件因此由载体材料和至少两层形成，其中第一层有电绝缘作用并且第二层允许对电能存储的温度控制，也就是说冷却和/或加热。从纯理论上来说，电绝缘层同样可由载体材料自身形成，该电绝缘层允许热交换组件直接配对至能量存储的壳体或其中的蓄电池单元，借以此外，可实现紧凑的设计和最佳的热交换，特别是冷却。因为所述热交换组件根据本发明的多层构造，此外可消除至今为止所述绝缘塑料要求的单独并且累赘的应用，这样关于制作过程产生大量的优点。
此外，热交换组件根据本发明的多层构造允许所述热交换组件完全单独的制作，此外更加特殊的是以适用于个别要求的方式制作，使得总的来说，可借助于个别设置层数或个别设置的层构造来制造最能满足各种要求的热交换组件。此外，根据本发明的热交换组件关于成形为制造商提供极大的自由，同时减少重量和费用。
在根据本发明的解决方法的一个有利改进中，载体材料有纤维增强的塑料，其中所述载体材料的形式可为例如有机板材，纤维增强的带或纤维增强的有机板材，或覆盖有完整金属层的塑料，特别是用于机械加固的增强层。至于纤维，在这里可特别使用碳纤维，芳纶纤维或玻璃纤维，或者纤维毡和无纺布，例如粗纱。所述纤维毡例如从塑料模具构造领域的示例中得知。纤维自身可短，可长或为无尽的纤维，其中所述纤维自身因为相对较高的抗拉强度，可令根据本发明的热交换组件产生相当大的加固，而同时重量极轻。在这里，层一般同样可以所述的多层带构成，其中单个带可充满不同的纤维或功能材料。这样，单个的功能，例如机械强度，加热，绝缘和扩散密封，可得以分配，因此首先在达到要求时获得最佳的变化性，并且其次凭借根据本发明和要求的最大效益组装的层状结构限制费用。
在这种情况下，功能材料的结合可在例如纤维增强的复合材料或预浸料，例如有机板材或带，半成品的制造期间进行。这样，例如流体指导随后的形状可已经预制，例如流体管道，借以可省去为此要求的随后的成形过程。在这种情况下，可能的制造方法特别为纤维的编织或针织，该纤维接下来在进一步的工作步骤中被载体材料环绕，例如塑料基体。此外，所述结构同样可由金属或导热材料组成(例如以无纺布，织物，花格结构或变形件的形式)，并且借助于模制或包裹成型的塑料表面或成形的塑料件逆动地造成相对应的流体指导。此外，上述功能化同样可借助于所述混合型无纺布实现，该混合型无纺布由不同的纤维材料组成。
此外，可理解的是，所述结构同样可穿透应用的塑料表面并且与用于冷却的所述组件，也就是说例如所述电能存储，直接接触。这将相当大的改善相对于塑料表面的热交换。在一进一步的改进中，所述组件可穿透与所述外部环境相接触，并且因此冷却位于所述热交换组件内部的冷却流体或冷却介质。这样，可进一步使用根据本发明的有反向导热路径的热交换组件。在这里，如果所述元件穿透和大的表面结构相对应的成形，这改善了和所述外部环境的热交换。特别地，在根据本发明的热交换组件一个有利的改进中，所述第二层可有放大的表面，该放大的表面例如由尖状物或尾翼形成。
便利地，提供所述第二或另一层有流体管道，热交换流体或热交换介质可通过该流体管道流动。总的来说，因此多层构造为用于热交换介质的管道系统的结合服务，管道系统优选与要控制其温度的所述电能存储直接热交换接触。在这种情况下，所述成形的流体管道另外可包括用于增加机械强度的元件，该元件例如由金属或塑料组成，并且在制作期间以形式适合或黏合的方式嵌入和/或掺入所述载体材料。
总的来说，整体形成在，特别是成型在所述第二层上的连接件，可提供用来供应/释放热交换流体至/出所述第二层，其中所述流体指导可由大量材料组成，例如塑料，金属或发泡材料，该流体指导不是直接在所述层状结构外部形成。外部流体指导，例如连接件，其制作可特别借助于以下制作方法实现：注射成型(模制/包裹成型，注射成型工具的变形，特殊方法，例如气体注入，流体注入)，粘接，热成形，压印，吹气模制，去屑切削或压铸。另一可能是将所述有机板材压印或按压成特定形状。这样，可在一侧形成平面并且另一面形成流体指导，不需要附加的材料。这样实现现存的基质材料从纤维增强的复合材料中逼出进入按压/压印工具相对应的洞中。这样消除对附加的模制过程步骤，或附加组件和/或材料的需要。
借助于所述有机板材的按压/压印，如果结构要在没有足够的基质材料的情况下产生，基质的量可通过附加材料的进入增加。为此，附加材料可以箔或颗粒的形式进入。同样，可理解的是可另外使熔化物进入。由相对应的基质材料组成的箔可在所述有机板材的制造过程中或附加的过程步骤中或以结合至所述有机板材的按压/压印的方式直接应用。
颗粒或相对应的基质材料碎片可以多种方法进入所述按压/压印工具：手工操作萃取装置借助于计量系统或借助于所述按压/压印工具的振动功能。在手工操作供给的情况下，单个的所述颗粒体以限定的数量进入同样提供的各个工具凹处，该工具凹处在随后的按压/压印过程中形成理想的结构。借助于所述计量系统，可计量并且预先分类限定量的颗粒，以让所述颗粒随后在所述过程中以手工操作或自动启动的方式进入所述工具提供的凹处。此外，可应用不限定量的颗粒体至所述按压/压印工具包括所述凹处的一半，以致单个的颗粒体借助于振动功能落入所述凹处。随后，借助于萃取装置，过多的颗粒从按压/压印工具的表面去除，借助于收集装置收集，并且再次供应至所述过程。
此外，可使用回转工作台或滑动工作台技术来实现或改善颗粒供给至所述工具的可接近性。除箔和颗粒之外，如上所述，附加的材料同样可以熔化物的形式供给至按压/压印工具。在这种情况下，所述有机板材放置至按压/压印工具并且所述理想的结构借助于注射压印过程形成。
此外，在成形过程中，连接件式的开口另外可完整形成，这样提供加固随后要模制或连接的连接件(进口或出口)的可能，或所述完整形成的连接件式开口可自身构成所述进口或出口。这种方法的一个优点是，机械高度加载的纤维取向从热交换组件转移至各个连接几何。为实现甚至更好的纤维取向并且让模制连接件几何甚至以更加有效的方式逆动地连接至所述热交换组件，例如可在制造过程中为有机板材提供凹处，该凹处不提供有载体材料。所述凹处可例如借助于冲压机保持自由。随后，所述裸露的纤维可被划破，并且通过成形构成所述连接件的突出物，塑料随后模制在所述纤维上。这样，另一组件，例如定位耳和紧固元件同样可为完整的。同样，连接件可逆动地连接至位于层状结构中的孔，例如通过过焊，粘接，注射成型或类似方法。所述孔可在层状结构的制造期间和借助于追溯机械加固在所述层状结构中产生。此外，例如为管状几何构造有盘形基座的组件可以进口或出口连接件的形式结合至层状结构，并且借助于上述方法固定至热交换组件。所述电绝缘层的结合借助于所述材料自身实现，例如借助于载体材料，其中加热器的结合例如通过单个载体材料层之间金属层的采用来进行，金属层可传导电流。但是显而易见，同样可理解的是采用箔或应用印花至载体材料或使用导电纤维。特别是借助于后来附加的材料，可改善通过所述层状结构的热传递，并且因此优化冷却表现，因为在这种结构中使用的材料一般使得实现较小的壁厚成为可能。此外，所述载体材料可用颗粒填充以改善热传递，例如金属颗粒。借助于所述可单个选择的层状结构，此外可仅有一层充满所述颗粒，例如借助于其他层来抵消由所述颗粒造成的机械强度减小。
此外，同样另一层可关于所述热交换器中的介质用于扩散密封，其中显而易见的是，所述塑料层的附加压实同样可借助于例如化学，化学-电学或物理(等离子体)方法实行。通过为载体材料和/或另一层的材料选择相对应的塑料，同样可实现有目标定向扩散的膜功能，例如从热交换组件的表面到热交换组件自身并且向外进入在其中流动的冷却介质。借助于所述可单个自由选择的层状结构，电能存储的温度控制，特别是其中的冷却，可变得多变并且十分灵活。在这种情况下，单个层可以根据要求的方式以大量的组合产生或省去。
具有根据本发明的热交换组件，特别地可省去迄今为止累赘的电绝缘，并且减少用于附加组件和加工步骤的支出，借以可降低费用和重量。
显而易见的是，上述特征和在下面将进一步解释的特征不仅能用于所述各个已指示的结合，也能在不离开本发明的所述范围时用于其他结合或是自身使用。
本发明的优选示例性实施方式在所述附图中示出并且在以下的所述说明中更详细的解释，所述相同的参考数目指的是所述相同或相似或功能相同的部件。
附图说明
附图中，在各种情况下示意：
图1为根据本发明有多层的热交换组件的示意截面图，
图2示出根据本发明的热交换组件的另一实施方式中的流体管道，和用来改善热交换的导热结构和放大的表面，
图3a示出根据本发明的热交换组件的层的另一可能实施方式，有完整的流体管道，
图3b示出图3a从另一侧的示意图，
图3c为完整的形成在层上的连接件的详细示意图，
图4a为根据本发明的热交换组件的层的机械强度增强的详细示意图，
图4b示出根据本发明的热交换组件的截面图，有多层增强层，
图5示出为随后的进口或出口形成凹处的可能，
图6示出根据本发明的热交换组件的层的可能实施方式，有电力操作加热装置，
图7a至7d示出在热交换组件的层中连接件，或进口或出口制造的可能的办法步骤，
图8示出有盘形基座的连接件与根据本发明的热交换组件的层的覆盖结构的结合，
图9为如图8的示意图，但是结合有连接件，
图10a示出用于制造热交换组件的流体导电层的压印/按压工具的压力板，
图10b示出用于制造热交换组件的流体导电层的压印/按压工具的压模，
图11示出用于制造热交换组件的流体导电层的压印/按压工具的侧视图。
具体实施方式
与图1相对应，根据本发明的热交换组件1，用于电能存储18的温度控制系统(不以另外方式示出)，例如电动或混合动力汽车中动力型蓄电池的冷却系统，有载体材料2，例如纤维增强的塑料，和至少两层3,4。在这种情况下，第一层3有电绝缘作用，而第二层4允许温度控制，也就是说电能存储18的冷却和/或加热。从纯理论上来说，第一层3可由载体材料2自身形成，或者可由所述载体材料封装。按照图1，根据本发明的热交换组件1有多层5,6，该多层在各种情况下例如由载体材料2的一层彼此隔开。总的来说，载体材料2可由塑料形成，特别是纤维增强的塑料，或形成为有机板材，纤维增强的带或有机板材，或覆盖有完整金属层的塑料，例如覆盖有金属增强。在这种情况下，热交换组件1可例如通过覆盖，遮盖，按压，拉挤，烧结，加热成型，注塑成型或吹挤制造。
如上所述，对于载体材料2，可使用塑料或纤维增强的复合材料，该材料不仅允许热交换组件1有相对较高的强度此外还允许由相对较轻的重量。借助于根据本发明的热交换组件1的多层构造，此外可给单个层分配单个的功能，例如加热/冷却，电绝缘或热绝缘和/或扩散密封。功能材料例如碳纤维，玻璃纤维或纤维的接合总的来说可在半成品的制造期间进行，借以可省去随后的成形或变形步骤，例如流体管道7(参见图3)的成形或变形步骤。在这种情况下，纤维可以定向方式布置在各层或载体材料2或者可为各向同性分别，借以各层有各向同性强度特性，也就是说非定向特性。
按照图2看层4，可以看出在图2中，延伸有流体管道7，热交换介质，例如冷却液通过该流体管道7流动。在这里，为能够改善和要控制温度的物体之间的热传递，例如和能量存储，可结合导热结构8，例如以无纺布，织物，花格结构或类似显示有良好导热性的物质的形式，所述结构包含在载体材料2或环绕流体管道7的材料中。金属无纺布或织物特别适合这种目的。借助于导热结构8，可实现流体管道7中流动的热交换介质至第二层4的表面9或热交换组件1之间特别高的热传递率，其中在所述表面9上，例如可布置肋，齿状物，尖状物或尾翼用来放大表面并且因此提高热交换率。这样，与塑料表面相关的导热性和热交换并且因此冷却作用可得到相当大的提供。如果导热结构8的形式为金属花格结构，这同样可完成增强的任务，也就是说对各层4的机械加固。
看图3，可看出所述流体管道7结合至第二层4，热交换介质可从该流体通道流过。在这种情况下，流体管道7由第二层4的两个子层4a和4d限定，其中两个子层4a和4d(参见图3a和3b)可通过粘接或焊接彼此连接。此外，连接件11(参见图3b和3c)可完整地形成，特别是模制，在第二层4或子层4b上，热交换介质通过该连接件可供应至/释放出流体管道7。如若连接件11意图为相对较长的形式，例如就可让有盘形基座13(参见图8)的插入部分12插入子层4b的连接件11，并且与其例如通过焊接或粘接密封连接。
看图4a和4b，可看见热交换组件1的单个层的增强材料14，其中增强材料14可例如为金属织物或无纺布或垫子，并且造成热交换组件1的机械加固。
如若提供增强材料14，在某些环境下，所述增强材料需要从连接件11区域去除以产生连接件11，按照图5，为此例如可使用冲压机15，该冲压机冲压出相对应的开口至增强材料14。
所述开口或相对应的连接件11,12的制造在图7a至7d的方法步骤中示出。首先，按照图7a在第一个方法步骤中，嵌有增强材料14的塑料基质16借助于冲压机15冲压出来。在这种情况下，塑料纤维或增强材料14没有损坏，如图7b所示。随后，在图7c的方法步骤中，增强材料14，也就是说单个的纤维，变形以致在随后的方法步骤中可让连接件11模制在其上，如图7d所示。显而易见，在这里塑料基质16同样可为有机板材或带的形式。
再看图6，该图示出电力操作加热装置17，该电力操作加热装置同样可布置在层4上。可供选择地，对于电能存储的加热，显而易见同样可适应相对应的热交换介质，该热交换介质在相关联的流体管道7中流动。
图10和11示出有一个压力板20和一个相关联的压模21的压印/按压工具19，在各种情况下，该一个压力板和相关联的一个压模用于制造热交换组1的特别是流体导流层4那一半。层4可凭借于两个所述一半连接在一起组装，例如通过彼此焊接或粘接。
借助于压印/按压工具19，例如可制造有机板材，附加的流体导流结构在该有机板材中形成。这样，可在一侧形成平面22，并且在另一侧形成流体指导23，不需要附加的材料。这样实现凭借于现存的基质材料从纤维增强的复合材料中逼出进入压印/按压工具19相对应的洞24中。这样消除对附加的模制过程步骤，或附加组件和/或材料的需要。
借助于所述有机板材的按压/压印，如果结构23要在没有足够的基质材料的情况下产生，基质的量可通过附加材料的进入增加。为此，附加材料可以箔或颗粒的形式进入。同样，可理解的是可另外使熔化物进入。由相对应的基质材料组成的箔可在有机板材的制造过程中或附加的过程步骤中或以结合至有机板材的按压/压印的方式直接应用。
颗粒或相对应的基质材料碎片可以多种方法进入按压/压印工具19：手工操作萃取装置借助于计量系统25或借助于按压/压印工具19的振动功能。在手工操作供给的情况下，单个的颗粒体以限定的数量进入同样提供的各个工具凹处，该工具凹处在随后的按压/压印过程中形成理想的结构23。借助于计量系统25，可计量并且预先分类限定量的颗粒，以让所述颗粒随后在过程中以手工操作或自动启动的方式进入工具提供的凹处。此外，可应用不限定量的颗粒体至压模21，以致单个的颗粒体借助于振动功能落入凹处/洞24中。随后，借助于萃取装置，过多的颗粒从压模21的表面去除，借助于收集装置收集，并且再次供应至过程。
此外，可使用回转工作台或滑动工作台技术来实现或改善颗粒供给至压印/按压工具19的可接近性。除箔和颗粒之外，如上所述，附加的材料同样可以熔化物的形式供给至按压/压印工具19。在这种情况下，所述有机板材放置至按压/压印工具19，并且理想的结构借助于注射压印过程形成。显而易见，压印/按压工具19可加热。
具有根据本发明的热交换组件1，可首次代替迄今为止热交换层和附加的电绝缘累赘的单独制造。此外，根据本发明的热交换组件1就重量而言关于传统的热交换组件有相当大的减少。

Claims (14)

1.一种热交换组件(1)，用于电能存储(18)的温度控制系统，其特征在于，
所述热交换组件(1)由载体材料(2)和至少两层(3,4)构成，其中第一层(3)有电绝缘作用并且第二层(4)允许对所述电能存储(18)的温度控制，也就是说冷却和/或加热，所述第一层(3)在所述载体材料(2)和所述第二层(4)之间；
-所述载体材料(2)有纤维增强的塑料，和/或
-所述载体材料(2)的形式为有机板材，纤维增强的带/有机板材或覆盖有完整金属层的塑料；
所述第二层(4)有电力可操作加热装置(17)；
所述第二层(4)有流体管道(7)，热交换介质能从该流体管道通过；
连接件(11)布置在所述第二层(4)上，为供应/释放热交换介质至/出所述第二层(4)，
所述第二层(4)为导热结构(8)。
2.根据权利要求1所述的热交换组件，其特征在于，所述热交换组件(1)进一步包括多层(5、6)。
3.根据权利要求1所述的热交换组件，其特征在于，所述导热结构(8)为金属无纺布或织物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换组件，其特征在于，
所述热交换组件(1)有用于机械加固的增强材料(14)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换组件，其特征在于，
所述第二层(4)有放大的表面(9)。
6.根据权利要求5所述的热交换组件，其特征在于，
所述放大的表面(9)由尖状物形成。
7.根据权利要求5所述的热交换组件，其特征在于，
所述放大的表面(9)由肋(10)或尾翼形成。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换组件，其特征在于，
所述热交换组件(1)通过覆盖，遮盖，按压，拉挤，烧结，加热成型，注塑成型或吹挤制造。
9.一种电能存储(18)，有如权利要求1至8中任一项所述的热交换组件(1)，热交换组件与所述电能存储的壳体热交换接触或形成所述电能存储的壳体部分。
10.一种制造根据权利要求1至8中任一项所述的热交换组件(1)的方法，在该方法中：
-第二层(4)的第一半和第二半在压印/按压工具(19)中压印和/或按压，
-所述第一半和所述第二半连接在一起，以形成所述第二层(4)并且，一起限定流体管道(7)，
-所述第二层(4)连接至至少一个载体材料(2)和至少一个第一层(3)以形成所述热交换组件(1)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二层(4)为有机板材。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一半和所述第二半通过焊接或粘接连接在一起。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述压印/按压工具(19)在所述第二层(4)的制造过程中加热。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
借助于计量系统(25)，颗粒在没有足够的载体材料(2)形成理想的结构(23)时进入所述压印/按压工具(19)。
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