CN114585870A - 热交换器和包括多个热交换器的热交换器装置 - Google Patents

热交换器和包括多个热交换器的热交换器装置 Download PDF

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Abstract

一种热交换器(10)，该热交换器(10)包括至少一个板(12)，该热交换器或板可以安装在电动车辆的电池模块上，并且在平行于板(12)的平面上形成有用于制冷剂的蒸发的多个至少部分平行的通道(14)，并且通道(14)从至少一个共同入口(16)和/或出口(22)分支。

Description

热交换器和包括多个热交换器的热交换器装置
技术领域
本发明涉及包括至少一个板的热交换器，该热交换器或板可以安装在电动车辆的作为待冷却的对象的电池模块上，并且涉及包括多个热交换器的热交换器装置。
背景技术
近年来，电动汽车和混合动力汽车越来越受欢迎，以减少化石燃料的消耗。然而，在某些操作情况下，这些类型车辆的蓄电池必须进行冷却。在这样做的同时，蓄电池的各个单元之间的温差必须保持在尽可能低。意在用于此目的的冷却器或热交换器内的压力损失也应保持尽可能低。同时需要密切关注热交换器的整体稳定性。
在用于制冷剂和冷却剂的热交换器中，凹口或“凹陷”被用作导流和分配元件，以便优化导流。同时，这增加了湍流，从而导致从流体到固体的热传递系数增加，例如热交换器的板或蓄电池的壳体。关于用于制冷剂的热交换器，还必须另外注意的是，当制冷剂蒸发时，吸热特别有效，但不需要产生湍流。然而，利用这种方法，热交换器仍需在热传递和堆积密度方面进行优化。
US 9,134,072 B涉及一种针对两种流体设置的热交换器并且其中流动通道被多次分支和混合。
发明内容
技术问题
在此背景下，本发明是基于创建用于流体与固体之间的热传递的优化热交换器的目的。
问题的解决方案
该目的的解决方案是通过根据专利权利要求1的热交换器实现的。
根据本发明，热交换器包括至少一个板，至少一个板通常可以安装在诸如蓄电池或电池之类的待冷却对象上。尽管下面有时以待冷却的对象、通常为蓄电池或电池为参照，但根据本发明的热交换器特别构造成用于作为电池冷却器和用于制冷剂的接触蒸发器的预期用途，并且在这方面可以整体地并且优选地借助于其板安装在电动车辆的电池模块上。
用于制冷剂蒸发的多个至少部分平行的通道在这里形成在与板平行的平面中，并且从至少一个共同入口和/或出口分支。平行于板的形成实质上意味着在通道的横截面图中明显的至少一个边界与板的表面平行地形成并且通常与板的表面重合。对于所有的通道，相反的边界并且因此通道在板平面上的“高度”也可以位于相同的平面内。然而，这并不一定是必需的。
通道通常在任何分支部的下游(在与板平面平行的方向上)变得更窄，使得可以保持恒定的流速。相反的情况适用于通道的任何接合部的下游(即，通道变宽)。包括多个分支的结构可以被描述为曲折、树状或脉状。因此，本发明基于仿生学的基本原理。变窄或加宽适用于在流动方向上于分支部或接合部前后的通道。这样的通道在其整个路线中优选地具有恒定的横截表面。
此外，通道可以借助于简单的措施来构造，使得通道能够承受必要的压力，并且总体上存在较低的压力损失。根据本发明的热交换器特别构造成用于制冷剂的蒸发，该制冷剂可以对应于车辆空调系统中使用的制冷剂。通过形成具有板的热交换器，所述热交换器可以以不同的尺寸和/或模块构建，并且可以容易地适于各种蓄电池的布置和关于冷却能力、可接受的压力损失等的要求。此外，利用根据本发明的热交换器实现了低重量下的高填充密度。最终，根据本发明的通道结构的另一优点是在用于制造板的焊接过程期间的更高的安全度。
在进一步的权利要求中描述了根据本发明的热交换器的优选另外发展。
尽管在特定的使用情况下，可能每个通道仅分支一次，但是如果至少一个其自身开始于分支部的通道再次分支，则对于根据本发明的热交换器的可能用途是有利的。
在最初的模拟中，进一步证明提供具有多于两个通道，特别是三个或四个通道的至少一个分支部是有利的。
进一步证明，尤其是在这种情况下，在至少一个分支部中提供至少一个导流元件是有利的，以便改善从分支部开始的沿通道方向的流体流。
优选地，这种导流元件在待分支的流动通道的整个内部高度上延伸。换句话说，流动通道在板表面上在其整个高度上被阻塞，使得遭遇这种导流元件的制冷剂以特别可靠的方式沿位于分支部下游的流动通道的方向引导。这是由通过导流元件产生的湍流支持的。此外，流动通道的这种中断，或者换句话说，在板平面和与板平面间隔开的平面中的流动通道的边界之间的连接，支持整个热交换器的稳定性，使得即使在高达20bar的制冷剂的压力下，它也能够承受所发生的应力。这种效果是基于以下的事实，即分支部区域中的表面，特别是分支成多于两个通道的分支部区域中的表面可以减少和稳定。
在最初的模拟中，当在垂直于板平面的方向上观察时，进一步证明了形成为是基本上圆形的导流元件是有利的。
如前所述，如果所有通道在板平面上具有相同的内部高度，换句话说，如果与板平面间隔开的边界在横截面图中位于共同平面中，则在设计和可制造性方面是有利的。与此相结合，已经提到的措施是，优选地，通道横向于板平面的其宽度不同。
在两个或更多个入口和/或出口的情况下，当前还优选的是连接至共同入口或出口的通道与连接至另一个入口或出口的其他通道至少部分对称。这确保了通道的特别整齐和高效的布置。
关于根据本发明的热交换器的耐用性，如果板承受至少20bar的压力、优选是至少60bar的压力是有利的。这是板的破裂压力并且其限定了从正常操作到破裂(失效)的安全裕度。
更有利的是，如果至少两个通道，优选是多个通道，在入口与出口之间于其路线中彼此局部连接，以便形成旁路并使得各个通道之间能够混合。至少两个平行通道的连接可以借助于适当的横向冲压或卷边来实现。至少两个通道的流体流的混合是有利的，因为各个通道中的制冷剂可以具有不同的温度和/或聚集状态。在这方面，混合确保了均质化和改进的冷却，例如电池。
同样的效果，即改善电池或蓄电池的热管理，可以通过将入口和出口布置成使得彼此相邻的通道以反向流动的方式被流过来实现。换句话说，包括已经过热的制冷剂的至少一个通道位于具有蒸发制冷剂的通道的旁边，使得以这种方式布置的两个通道之间也发生热传递。
本申请的主题还是一种包括在上述实施方式中的一个实施方式的多个热交换器的热交换器装置，多个热交换器彼此并联和/或串联和/或位于共同平面或平行平面中。
附图说明
下面参照附图更详细地解释本发明的各优选实施方式示例，在附图中：
图1为根据本发明的热交换器的俯视图；
图2是类似于图1所示的热交换器的部分的俯视图；
图3是根据本发明的热交换器的第二实施方式的俯视图；以及
图4是根据本发明的热交换器装置。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的热交换器10在其板12上的俯视图，在板上许多通道14基本上彼此平行地延伸。通道14从共同入口16开始，入口通道18连接至该共同入口16。在所示实施方式中，所述通道分支成四个中间通道20，并且这些中间通道20中的每一个中间通道分支成两个通道14，这两个通道14不进一步分支，而是在通道14以基本上对应于入口16处的情况的方式在出口22的上游合并之前，在例如包括在90°或甚至180°的弯曲区域中的整个板上基本上彼此平行地延伸。在所示实施方式中，两个通道14分别合并以形成中间通道20，并且四个中间通道20合并以形成通向出口22的出口通道24。
如通过图1中的图示显而易见的，板的整个表面基本上可以被许多通道14覆盖，使得对于彼此相邻地布置而使得板12可以安装在多个这样的单元上的多个电池单元或蓄电池单元而言预期没有显著的温差。
在所示实施方式中，入口16和出口22彼此相对靠近地定位，并且特别地大约定位在板的一侧的中间。还示出了优选措施，根据该措施，各个通道14相对于在板上横向延伸的对称轴、即在图1中从左到右，基本上彼此对称。此外，在图1中以连接部28的形式示出了优选措施，根据该措施，多个(在所示情况下为全部)平行通道彼此连接，以便能够使流体流混合。最终，通过图1特别显而易见的是，彼此相邻铺设的通道以反向流动的方式被流过。利用图示的板12上可用的空间，在图示的情况下，制冷剂在板的外侧的平行通道中从右下角向右上角流动，并且，根据图1，在右上角区域弯曲180°后，制冷剂回流到板的内侧区域中，从而产生上述反向流动和特定的优点。应当注意，这类似地适用于图3的实施方式，尽管程度较小。还应该提到的是，图1的热交换器也可以沿相反的方向流过、即首先在靠内的区域中，并且然后在靠外的区域中流过。这将具有以下优点：在靠内的区域中并且因此在待冷却的电池的相对较热的区域中将存在相对较冷的制冷剂。
图2示出了具有在入口通道18与各个通道14之间的具有分支部的区域，在这种情况下，该区域对应于出口22处的情况，但也可以在入口16的区域中设置这种构型。特别是在入口区域中，导流元件26是重要的，其位于入口通道18到三个中间通道20的分支部处，并确保在所述中间通道20之间的有利的分布。在所示的情况下，导流元件26形成为在俯视图中基本上是圆形的，并且其整体中断流动通道。换句话说，流动通道的上边界(面向观察者)连接至板12(背离观察者；参见图1)，使得形成阻塞流动的“凹陷”。在所示的情况下，所述导流元件设置在第二中间通道与第三中间通道20之间，使得如上所述，在所有三个中间通道20之间产生有利的分布。
图3示出了根据本发明的热交换器10的替代性实施方式，其中设置了两个入口16和两个出口22。在该实施方式中，从入口16开始的流动通道朝向板12的边缘(即，根据图3的右边缘)合并，在那里流动通道重新结合。从那里，可以连接至图3底部明显的回流通道，其入口16相应地位于图3中最右侧的底部。替代性地，所示的热交换器可以借助于其出口22连接至下面将更详细描述的装置的其它热交换器。图3中所示的热交换器中的两个热交换器基本上可以相对于横向对称轴对称地设置。此外，回流通道的数量(例如，8个)可以大于流入通道的数量(例如，6个)，特别是在直接位于整个热交换器装置的入口和出口处的热交换器中。
例如，通过图4可以明显看出的是，其中图3的热交换器被设置为左侧的第一热交换器10.1。如通过图4可以明显看出，热交换器10.1连接至可以根据图1构造的另一个热交换器10.2，使得制冷剂首先流过热交换器10.1，然后流过热交换器10.2，并且然后从热交换器10.2回流，通过热交换器10.1流回至出口22。可以通过图4中所示的布置来冷却以分散方式布置的多个蓄电池。最终，可以提供根据或类似于图4的多个布置，例如具有根据10.1的镜面倒置的热交换器、平行地位于10.2下方或上方的另一个热交换器，或者具有再次镜面倒置的图4的布置。

Claims (12)

1.一种热交换器(10)，所述热交换器(10)包括至少一个板(12)，所述热交换器或所述板能够安装在电动车辆的电池模块上，其中，在平行于所述板(12)的平面中形成有用于制冷剂的蒸发的多个至少部分平行的通道(14)，并且所述通道(14)从至少一个共同入口(16)和/或出口(22)分支。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，从分支部开始的至少一个中间通道(20)再次分支。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，多于两个通道(20)从至少一个分支部开始。
4.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，其特征在于，在至少一个分支部处设置有至少一个导流元件(26)。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，至少一个导流元件(26)形成在通道(18)的整个内部高度上。
6.根据权利要求4或5所述的热交换器，其特征在于，至少一个导流元件(26)形成为在所述板的平面的俯视图中是基本上圆形的。
7.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，其特征在于，所有通道(14、18、20)具有相同的内部高度。
8.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，其特征在于，在两个或更多个入口(16)和/或出口(22)的情况下，连接至相同入口或出口(22)的通道(14)与连接至另一入口(16)或出口(22)的其他通道(14)至少部分地对称。
9.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，其特征在于，所述板能够承受至少20bar的压力，优选地能够承受至少60bar的压力。
10.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，其特征在于，至少两个平行通道(14)彼此局部连接。
11.根据前述权利要求中的一项所述的热交换器，其特征在于，所述入口(16)和所述出口(22)布置成使得彼此相邻布置的通道(14)以反向流动的方式被流过。
12.一种热交换器装置，所述热交换器装置包括多个根据前述权利要求中的一项所述的热交换器。
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