DE102006015568B3 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Moduls für Wärmetauscher für elektrochemische Energiespeicher, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Moduls für Wärmetauscher für elektrochemische Energiespeicher, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Moduls für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern beschrieben, bei dem sowohl Wärmetauscher-Kanäle, als auch von Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen in jeweils zwei Materialstreifen durch Tiefziehen eingearbeitet werden, durch Umklappen der die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden der Materialstreifen um 180 DEG Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre geformt werden, und anschließend durch Ausrichten und Zusammenfügen der so mit den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren versehenen Materialstreifen ein Wärmetauscher-Modul erhalten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Moduls für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, ein Wärmetauscher Modul erhältlich nach dem Verfahren, einen Wärmetauscher mit mindestens einem solchen Wärmetauscher-Modul, einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem derartigen Wärmetauscher, sowie eine Verwendung für einen derartigen elektrochemischen Energiespeicher.
  • Moderne elektrochemische Hochleistungsenergiespeicher (kurz: Hochleistungsbatterien), wie beispielsweise Nickelmetallhydrid-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien und dergleichen, erfordern nicht nur ein ausgefeiltes Batteriemanagement, sondern auch eine effiziente Temperierung der einzelnen elektrochemischen Speicherzellen (kurz: Einzelzellen), um eine möglichst gute Leistung des elektrochemischen Energiespeichers zu gewährleisten und Schäden an ihm zu verhindern.
  • Ein derartiger elektrochemischer Energiespeicher ist aus DE 10 2004 005 394 A1 bekannt. Der elektrochemische Energiespeicher weist Wärmetauscher-Module (dort Wärmetauschereinheiten genannt) auf, zwischen deren Wärmetauscher-Rohrbündeln (dort Wärmeaustauscherkanäle genannt) mehrere Einzelzellen jeweils in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet werden können. Die Wärmetauscher-Module, Wärmetauscher-Rohrbündel sowie Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre (dort Umströmungs-Verteilerkanäle genannt) usw. sind von einem Temperiermedium durchströmbar.
  • Die Wärmetauscher-Rohrbündel werden dabei üblicherweise aus spritzgegossenen Kunststoffplatten mit wellenförmigem Profil hergestellt, in die Wärmetauscher-Kanäle eingefräst werden, wobei benachbarte Wärmetauscher-Kanäle jeweils durch Stege aus beim Fräsen nicht entferntem Material voneinander bzw. von der Umgebung getrennt sind. Zwei gefräste Platten werden dann so übereinander angeordnet, dass Fräsung über Fräsung und Steg an Steg zu liegen kommen. Anschließend werden die Kunststoffplatten im Bereich der aneinander anliegenden Stege durch Laserschweißen zusammengefügt.
  • Dieses Verfahren ist mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. So lassen sich beispielsweise spritzgegossene Kunststoffplatten nur schwer in eine Serienproduktion integrieren. Außerdem ist das Fräsen der gewellten Kunststoffplatten aufwändig und führt zu einer hohen Ausschussquote, die unter ungünstigen Umständen bis zu 40% betragen kann. Ferner ist das Laserschweißen wegen des wellenförmigen Profils der spritzgegossenen Kunststoffplatten ebenfalls aufwändig und fehleranfällig. So reicht beispielsweise eine nur geringfügige Abweichung der Kunststoffplatten von dem idealen Wellenprofil aus, um Schweißfehler zu verursachen, durch die die Wärmetauscher-Rohre gegeneinander oder die Wärmetauscher-Rohrbündel gegenüber ihrer Umgebung undicht werden. Darüber hinaus sind die zusammengefügten Wärmetauscher-Rohrbündel durch die beim Fräsen stehen gebliebenen Stege zwar einerseits gegenüber nach innen gerichteten Druckkräften sehr stabil, andererseits aber auch sehr inflexibel. Dadurch müssen Wärmetauscher-Rohrbündel und Einzelzellen mit verhältnismäßig hoher Kraft aneinander gedrückt werden, um einen möglichst guten wärmeleitenden, d.h. insbesondere spaltfreien bzw. formschlüssigen, Kontakt zwischen Wärmetauscher-Rohrbündel und Einzelzellen herzustellen.
  • In DE 10 2006 000 885 B3 wird vorgeschlagenen, diesen Nachteil dadurch zu beheben, indem anstelle der spritzgegossenen Kunststoffplatten mit nachträglich eingefrästen Wärmetauscher-Kanälen tiefziehbare Materialstreifen verwendet werden, in die die Wärmetauscher-Kanäle durch Tiefziehen eingearbeitet werden.
  • Sowohl bei dem aus DE 10 2004 005 394 A1 bekannten elektrochemischen Energiespeicher, als auch bei dem in DE 10 2006 000 885 B3 vorgeschlagenen, verbesserten Wärmetauscher mit tiefgezogenen Wärmetauscher-Platten werden in einem weiteren Herstellungsschritt aus mehreren Wärmetauscher-Rohrbündeln Wärmetauscher-Module hergestellt, indem ein oder mehrere parallel zueinander liegende Wärmetauscher-Rohrbündel stirnseitig mit den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren verbunden werden. Die Wärmetauscher-Rohrbündel weisen hierzu im Bereich ihrer stirnseitigen Enden Vorlaufverteilerdurchbrechungen und Rücklaufsammeldurchbrechungen auf, welche fluidisch mit den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren verbunden werden. Die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre bestehen hierzu üblicherweise aus jeweils zwei miteinander verbindbaren Halbschalen, welche in geschlossenem Zustand an ihren Längsseiten Ausnehmungen zur Aufnahme mindestens der Stirnseiten der Wärmetauscher-Rohrbündel aufweisen. Die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre selbst werden dabei mechanisch oder durch Spritzgießen hergestellt.
  • Hierbei ergibt sich eine weitere Vielzahl von Nachteilen. Zum einen ist es sehr aufwändig, die Wärmetauscher-Rohrbündel gegenüber der Umgebung dicht mit den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren zu verbinden, wobei sämtliche Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammeldurchbrechungen der Wärmetauscher-Rohrbündel einzeln fluidisch mit den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren verbunden werden müssen. Zusätzlich ist der Herstellungsaufwand zur Herstellung der Wärmetauscher-Module unter Verwendung von Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren aus jeweils zwei Halbschalen sehr hoch, einerseits wegen der Vielzahl von Einzelteilen, die hergestellt, transportiert, vorgehalten und der Herstellung der Wärmetauscher-Module zugeführt werden müssen, und andererseits wegen der Vielzahl von auszuführenden Verbindungen, Abdichtungsmaßnahmen und dergleichen zwischen Wärmetauscher-Rohrbündel und Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren.
    •
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es hier Abhilfe zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
  • Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Moduls umfassend mindestens ein Wärmetauscher-Rohrbündel sowie mindestens jeweils zwei mit dem Wärmetauscher-Rohrbündel fluidisch verbundene Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre, wobei das Wärmetauscher-Modul für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern vorgesehen ist, bei denen mehrere Einzelzellen in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet sind, und zwischen den benachbarten Reihen sich formschlüssig an die Einzelzellen anschmiegende Wärmetauscher-Rohrbündel angeordnet sind. Das Wärmetauscher-Rohrbündel weist hierzu ein an die Einzelzellen angepasstes Profil auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
    • a) Bereitstellung von zwei tiefziehbaren Materialstreifen.
    • b) Tiefziehen zumindest von vorgesehenen im Wesentlichen in Längsrichtung der Materialstreifen verlaufenden Wärmetauscher-Kanälen sowie eines vorgesehenen Profils, beispielsweise eines Wellenprofils, in die Materialstreifen, wobei von den Wärmetauscher-Kanälen beabstandet an beiden Enden der Materialstreifen jeweils eine quer zum Materialstreifen verlaufende Vorlaufverteilerrinne bzw. Rücklaufsammelrinne ebenfalls durch Tiefziehen ausgeformt wird.
    • c) Einarbeitung der für die fluidische Verbindung der Wärmetauscher-Kanäle mit den Vorlaufverteilerrohren erforderlichen Vorlaufverteilerdurchbrechungen in einen ersten Materialstreifen aus Schritt b), sowie Einarbeitung der für die fluidische Verbindung der Wärmetauscher-Kanäle mit den Rücklaufsammelrohren erforderlichen Rücklaufsammeldurchbrechungen in einen zweiten Materialstreifen aus Schritt b).
    • d) Formung der Vorlaufverteilerrohre durch Umklappen der die Vorlaufverteilerrinnen umfassenden Enden des ersten Materialstreifens um 180° auf die die Vorlaufverteilerdurchbrechungen aufweisenden Bereiche des ersten Materialstreifens, sowie fluiddichtes Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen beispielsweise durch Schweißen, Kleben, Pressschweißen oder ein anderes geeignetes Verfahren, um eine erste Wärmetauscher-Modul-Platte zu erhalten, sowie Formung der Rücklaufsammelrohre durch Umklappen der die Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden des zweiten Materialstreifens um 180° auf die die Rücklaufsammeldurchbrechungen aufweisenden Bereiche des zweiten Materialstreifens, sowie fluiddichtes Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen beispielsweise durch Schweißen, Kleben, Pressschweißen oder ein anderes geeignetes Verfahren, um eine zweite Wärmetauscher-Modul-Platte zu erhalten.
    • e) Fluchtende Anordnung der ersten und zweiten Wärmetauscher-Modul-Platte aus Schritt d), so dass die Stege der beiden Wärmetauscher-Modul-Platten aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die Vorlaufverteilerdurchbrechungen und die Rücklaufsammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen.
    • f) Zusammenfügen der angeordneten Wärmetauscher-Modul-Platten aus Schritt e), um ein Wärmetauscher-Modul zu erhalten.
  • Die Wärmetauscher-Modul-Platten selbst können dabei in Schritt f) beispielsweise mittels eines Pressschweißverfahrens zusammengefügt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Pressschweißverfahren um ein Heizelementschweißverfahren, bevorzugt um ein direktes Heizelementschweißverfahren. Dabei werden die Wärmetauscher-Modul-Platten in Schritt e) so zusammengefügt, dass die Wärmetauscher-Rohre gegeneinander und das alle Wärmetauscher-Rohre eines Wärmetauscher-Moduls umfassende Wärmetauscher-Rohrbündel gegenüber der Umgebung fluiddicht abgedichtet werden. Ebenso ist denkbar, die Wärmetauscher-Modul-Platten in Schritt f) durch ein beliebiges, geeignetes vollmechanisches oder automatisches Schweißverfahren zusammenzufügen.
  • Grundsätzlich können die selben Schweiß- oder Fügeverfahren, mit denen die Wärmetauscher-Modul-Platten zusammengefügt werden auch für das fluiddichte Verbinden der aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen der um 180° umgeklappten, die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden der Materialstreifen und der jeweils die Vorlauf- und Rücklaufsammeldurchbrechungen aufweisenden Bereiche der Materialstreifen verwendet werden.
  • Indem an beiden Enden des ersten Materialstreifen Vorlaufverteilerrinnen angeordnet werden, welche später durch Umklappen um 180° zu Vorlaufverteilerohren geformt werden, und an beiden Enden des zweiten Materialstreifen Rücklaufsammelrinnen angeordnet werden, welche später durch Umklappen um 180° zu Rücklaufsammelrohren geformt werden, wird innerhalb jedes Wärmetauscher-Moduls eine Temperierung, insbesondere Kühlung nach dem Gegenstromprinzip erreicht. Die Vorlaufverteilerrohre werden dabei mit Vorlaufverteilerleitungen, durch die ein z.B. kühles Temperiermedium den Wärmetauscher-Modulen zugeführt wird, verbunden, wobei die Rücklaufsammelrohre mit Rücklaufsammelleitungen verbunden werden, durch die das nach dem Durchströmen der Wärmetauscher-Rohre bei diesem Beispiel erwärmte Temperiermedium abgeführt wird.
  • Werden zwei oder mehr erfindungsgemäße Wärmetauscher-Module zu einem Wärmetauscher gestapelt, so sind die Abstände zwischen benachbarten, seitlich offenen Vorlaufsammelverteilerrohren untereinander gleich den Abständen zwischen benachbarten, seitlich offenen Rücklaufsammelrohren untereinander. Dies erlaubt die Verwendung standardisierter Bauteile, um jeweils die Vorlaufverteilerrohre und Rücklaufsammelrohre zu einem Wärmetauscher gestapelter Wärmetauscher-Module auf einfache Art und Weise unter Verwendung einer begrenzten Anzahl verschiedener Bauteile miteinander zu verbinden.
  • Anstelle der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnnen können auch Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelsenken in die Enden der Materialstreifen durch Tiefziehen eingearbeitet werden. Dies hat den Vorteil, dass eine wechselseitige fluidische Verbindung zwischen den in einem aus mehreren übereinander gestapelten Wärmetauscher-Modulen bestehenden Wärmetauscher abwechselnd übereinander zu liegen kommenden Vorlaufverteilerrohren und Rücklaufsammelrohren mit entsprechend in Stapelrichtung der Wärmetauscher-Module verlaufenden Vorlaufverteilerleitungen und Rücklaufsammelleitungen möglich ist. Vorlaufverteilerleitungen und Rücklaufsammelleitungen verlaufen dabei in Stapelrichtung parallel zueinander an gegenüberliegenden Seiten der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre. Werden die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre zunächst durch Umklappen von Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelsenken umfassenden Enden der Materialstreifen geschlossen ausgeführt, so kann durch einfaches Anordnen einer Bohrung oder durch Ausstanzen einer entsprechenden Öffnung auf der gewünschten Stirnseite der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre auf einfache Art und Weise eine fluidische Verbindung zwischen diesen und den Vorlaufverteilerleitungen und Rücklaufsammelleitungen hergestellt werden.
  • Um mehrere Wärmetauscher-Module in einer Ebene nebeneinander anzuordnen ist es denkbar, die integral angeformten Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre benachbart angeordneter Wärmetauscher-Module mittels Hülsen derart zu verbinden, dass jeweils eine Hülse fluiddicht stirnseitig über die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre zweier benachbarter Wärmetauscher-Module gestülpt wird, und die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre beispielsweise durch stirnseitige Bohrungen fluidisch mit den Hülsen verbunden werden. Die Hülsen können zusätzlich mit den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen verbunden werden, wodurch eine zuverlässige, fluiddichte Abdichtung erreicht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass zur Herstellung eines Wärmetauscher-Moduls nur noch zwei Materialstreifen zur Verfügung gestellt werden müssen, in die alle notwendigen Vertiefungen etc. durch Tiefziehen eingebracht werden, wobei die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre einteilig mit dem Wärmetauscher-Rohrbündel durch Tiefziehen von quer zu den Materialstreifen verlaufenden Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen im Bereich der Enden der Materialstreifen, sowie Umklappen dieser Enden um 180° sowie fluiddichtes Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen hergestellt werden.
  • Hierdurch lassen sich in erheblichem Umfang Herstellungs-Lager- und Materialkosten einsparen, da nur noch tiefziehbare Materialstreifen vorgehalten werden müssen. Darüber hinaus entfallen aufwändige und teure Montagekosten, da erfindungsgemäß die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre integral zusammen mit dem Wärmetauscher-Rohrbündel hergestellt werden können. Ebenso wird durch die einteilige Ausführung die Passgenauigkeit erhöht, wodurch eine gegenüber dem Stand der Technik zuverlässigere fluidische Verbindung zwischen den Wärmetauscher-Rohren und den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren erreicht wird, verbunden mit einer zuverlässigeren Abdichtung dieser Verbindung gegenüber der Umgebung.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Einarbeitung der für die fluidische Verbindung der Wärmetauscher-Kanäle mit den Vorlaufverteilerrohren und den Rücklaufsammelrohren erforderlichen Vorlaufverteilerdurchbrechungen und Rücklaufsammeldurchbrechungen in die Materialstreifen noch vor dem Tiefziehen der Wärmetauscher-Kanäle und der Vorlaufverteilerrinnen und Rücklaufsammelrinnen erfolgt.
  • Vorzugsweise wird zwischen den quer zu den Materialstreifen verlaufenden, tiefgezogenen Vorlaufverteilerrinnen bzw. Rücklaufsammelrinnen und den tiefgezogenen Wärmetauscher-Kanälen jeweils eine Biegenut eingearbeitet, um das Umklappen der jeweiligen Enden um 180° zu erleichtern und um die Lage des Falzes genau festzulegen.
  • Darüber hinaus ist denkbar, dass die aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen der um 180° umgeklappten Enden der Materialstreifen in Schritt d) durch Pressschweißen, Heizelementschweißen, besonders bevorzugt durch direktes Heizelementschweißen, fluiddicht verbunden werden.
  • Vorzugsweise werden die tiefziehbaren Materialstreifen für Schritt a) des Verfahrens durch Zuschneiden von Rollenware gewonnen.
  • Ebenso werden vorzugsweise alle für das Wärmetauscher-Modul vorgesehenen Kanäle, Nuten und Stege beim Tiefziehschritt eingearbeitet.
  • Grundsätzlich ist denkbar, die Vorlaufverteilerdurchbrechungen sowie die Rücklaufsammeldurchbrechungen durch Stanzen einzuarbeiten, wobei vorzugsweise zusätzlich sonstiges, unnötiges oder überstehendes Material der Materialstreifen entfernt wird. Das Stanzen und das Tiefziehen kann dabei in einem Schritt erfolgen.
  • Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Verfahrens. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
    • – Mittel zur paarweisen Bereitstellung von Materialstreifen,
    • – Mittel zum Tiefziehen mindestens eines gewünschten Profils sowie von Wärmetauscher-Kanälen, Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen in die Materialstreifen,
    • – Mittel zur Einarbeitung von Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammeldurchbrechungen in die Materialstreifen,
    • – Mittel zum Umklappen der die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden der Materialstreifen um 180° sowie fluiddichtes Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen,
    • – Mittel zur fluchtende Anordnung des Paares von mit Wärmetauscher-Kanälen sowie Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren versehenen Materialstreifen, so dass die zwischen den Wärmetauscher-Kanälen verbleibenden Stege aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die Vorlaufverteilerdurchbrechungen und die Rücklaufsammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen, sowie
    • – Mittel zum Zusammenfügen der angeordneten Materialstreifen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich Mittel zur Einarbeitung jeweils einer Biegenut an den Enden der Materialstreifen zwischen den quer zu den Materialstreifen verlaufenden, tiefgezogenen Vorlaufverteilerrinnen bzw. Rücklaufsammelrinnen und den längs zu den Materialstreifen verlaufenden, tiefgezogenen Wärmetauscher-Kanälen umfassen.
  • Die Mittel zum fluiddichten Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen sowie vorzugsweise ebenso die Mittel zum Zusammenfügen der angeordneten Materialstreifen umfassen vorzugsweise eine Pressschweißvorrichtung. Die Pressschweißvorrichtung weist vorzugsweise für einen Schweißvorgang aufeinander zu bewegbare Schweißpatrizen und eine Schweißmatrizen auf, welche das Profil der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche eines zusammengefügten Wärmetauscher-Moduls nachformen. Vorzugsweise sind zur Beheizung der Schweißpatrizen und der Schweißmatrizen Heizdrähte in den Bereichen vorgesehen, in denen die Schweißpatrizen und Schweißmatrizen sich im geschlossenen Zustand an das Wärmetauscher-Modul anschmiegen.
  • Anstelle von Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen können auch Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelsenken durch Tiefziehen an den Enden der Materialstreifen eingearbeitet werden. Diese werden dann in einem weiteren Arbeitsschritt auf einer gewünschten Schmalseite beispielsweise durch Anordnung einer Bohrung oder einer Ausstanzung geöffnet, um sie fluidisch beispielsweise mit einer Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelleitung zu verbinden. Auch hier ist denkbar, eine Biegenut zur Vereinfachung des Umklappens der Enden der Materialstreifen einzuarbeiten.
  • Ein dritter Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmetauscher-Modul erhältlich nach einem oben beschriebenen Verfahren. Das erfindungsgemäße Wärmetauscher Modul umfasst mindestens zwei übereinander angeordnete, zusammen mindestens zwei parallel verlaufende Wärmetauscher-Kanäle bildende, tiefgezogene Materialstreifen, sowie mit diesen einteilig verbundene, durch Tiefziehen von quer zu den Wärmetauscher-Kanälen verlaufenden Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelrinnen sowie Umklappen der die Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden der Materialstreifen um 180° integral angeformte, fluidisch mit mindestens jeweils einem Wärmetauscher-Kanal verbundene Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelrohre.
  • Der Teil des Wärmetauscher-Moduls, der die Wärmetauscher-Kanäle ohne die integral angeformten Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre umfasst, wird als Wärmetauscher-Rohrbündel bezeichnet. Der das Wärmetauscher-Rohrbündel umfassende Teil des Wärmetauscher-Moduls ist vorzugsweise wie in DE 10 2006 000 885 B3 vorgeschlagen ausgeführt, wobei zusätzlich zu den dort vorgeschlagenen Maßnahmen zur Ausgestaltung des Wärmetauscher-Rohrbündels die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre integral durch Tiefziehen von Vorlaufverteilerrinnen und Rücklaufsammelrinnen an die Enden der Materialstreifen und Umklappen der die Vorlaufverteilerrinnen und Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden um 180° ausgebildet sind.
  • Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Wärmetauscher-Modul stapelbar ausgebildet, so dass zwischen jeweils zwei gestapelten Wärmetauscher-Modulen Zwischenräume gegeben sind in denen Einzelzellen formschlüssig mit den Wärmetauscher-Rohrbündeln anordbar sind. Bei einer Anordnung im Stapel können die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre beispielsweise mittels seitlich in Stapelrichtung anordbaren Vorlauf- und Rücklaufkanälen zur Zu- und Abfuhr eines Temperiermediums miteinander fluidisch verbunden werden. Die einseitig offenen Vorlauf- und Rücklaufkanäle werden dabei durch die Stirnseiten der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre geschlossen, wodurch Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelleitungen entstehen. Ebenso ist denkbar, nicht jedes Vorlaufverteilerrohr eines aus einem Stapel von Wärmetauscher-Modulen bestehenden Wärmetauschers mit einer Vorlaufverteilerleitung und nicht jedes Rücklaufsammelrohr mit einer Rücklaufsammelleitung zu verbinden, sondern Vorlaufverteilerrohre und Rücklaufsammelrohre unmittelbar benachbarter Wärmetauscher-Module miteinander zu verbinden, so dass eine Anordnung mehrerer fluidisch nacheinander angeordneter Wärmetauscher-Module in Reihe erreicht wird.
  • Die erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Module lassen sich auf einfache Weise zu Wärmetauschern kombinieren. Aufgrund des beim Tiefziehen eingearbeiteten, an den Querschnitt der Einzelzellen angepassten Profils und aufgrund ihrer Flexibilität können sie gut an die Einzelzellen angeschmiegt werden und gewährleisten aufgrund des in ihnen verwirklichen Gegenstromprinzips eine effiziente, zuverlässige und gleichmäßige Temperierung der Einzelzellen. Je nach Anwendungsfall und je nach Umgebungstemperatur und Betriebszustand kann diese Temperierung eine Kühlung oder eine Aufheizung sein.
  • Ein vierter Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmetauscher mit einem modularen Aufbau umfassend mindestens zwei vorher beschriebene Wärmetauscher-Module, wobei die Vorlaufverteilerrohre, die Wärmetauscher-Kanäle sowie die Rücklaufsammelrohre der Wärmetauscher-Module von einem Temperiermedium durchströmbar sind, und wobei zwischen Wärmetauscher-Rohrbündeln benachbarter Wärmetauscher-Module Zwischenräume zur Aufnahme von Einzelzellen gegeben sind.
  • Auch hier ist wichtig hervorzuheben, dass unterschiedliche Verbindungen der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre mehrerer modular zu einem Wärmetauscher gestapelter Wärmetauscher-Module denkbar sind. So ist beispielsweise denkbar, sämtliche Vorlaufverteilerrohre eines Wärmetauscher-Modul-Stapels direkt mit einer Vorlaufverteilerleitung zu verbinden, sowie sämtliche Rücklaufsammelrohre eines Wärmetauscher-Modul-Stapels direkt mit einer Rücklaufsammelleitung zu verbinden, entsprechend einer parallelen Anordnung. Ebenso ist denkbar, alle oder einen Teil der Wärmetauscher-Module bzw. deren Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre in Reihe anzuordnen.
  • Ein fünfter Gegenstand der Erfindung ist ein elektrochemischer Energiespeicher, umfassend einen vorher beschriebenen, modular aus mindestens zwei Wärmetauscher-Modulen aufgebauten Wärmetauscher, bei dem in den zwischen den Wärmetauscher-Rohrbündeln benachbarter Wärmetauscher-Module verbleibenden Zwischenräumen Einzelzellen formschlüssig korrespondierend mit dem vorgesehenen Profil der Wärmetauscher-Rohrbündel angeordnet sind.
  • Die Einzelzellen sind dabei vorzugsweise mittels Polverbinder in Reihe geschaltet. Die Polverbinder sind vorzugsweise mit Polverbindungsschrauben an den Einzelzellen befestigt. Die Polverbindungsschrauben sind vorzugsweise mit mindestens einer, vorzugsweise mit drei Tellerfedern unterlegt.
  • Ein sechster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung eines zuvor beschriebenen elektrochemischen Energiespeichers zur Bordstromversorgung eines Fahrzeugs und/oder zur Stromversorgung einer Antriebseinrichtung eines Fahrzeugs. Dabei ist denkbar, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Straßenfahrzeug handelt, das eine oder mehrere Antriebsarten (Hybridantrieb) aufweist, von denen eine einen Elektroantrieb umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil der elektrochemische Energiespeicher sich beispielsweise durch Hinzufügen oder Wegnehmen von Wärmetauscher-Modulen und Einzelzellen problemlos an ein breites Spektrum von Leistungsanforderungen anpassen lässt. Ferner weist er durch die integrale Herstellbarkeit von Wärmetauscher-Rohrbündel und Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren ein geringeres Gewicht, als ein elektrochemischer Energiespeicher mit einem nach dem Stand der Technik hergestellten Wärmetauscher auf. Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher gegenüber Stößen und Erschütterungen, wie sie bei Fahrzeuge üblicherweise vorkommen, unempfindlich.
    •
  • Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
  • Dabei zeigen:
  • 1 Eine perspektivische Ansicht von zwei zu einem Wärmetauscher-Modul miteinander zu verbindenden, bereits einem tiefgezogenen, vorgesehenen Profil sowie mit tiefgezogenen Wärmetauscherkanälen und Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen versehenen Materialstreifen,
  • 2 eine Detailansicht der Einzelheit K aus 1,
  • 3 eine perspektivische Ansicht von zwei Wärmetauscher-Modul-Platten, bei denen durch Umklappen der mit den Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen versehenen Enden um 180° bereits Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre integral angeformt sind,
  • 4 eine Detailansicht der Einzelheit L aus 3,
  • 5 eine perspektivische Ansicht eines durch Ausrichten und Zusammenfügen der Wärmetauscher-Modul-Platten aus 3 hergestellten Wärmetauscher-Moduls mit integral angeformten Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren,
  • 6 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauscher-Moduls aus 5 mit beidseitig der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre anzuordnenden, Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelleitungen bildenden Verbindungshülsen,
  • 7 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauscher-Moduls aus 6 mit beidseitig der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre angeordneten Verbindungshülsen, sowie
  • 8 eine perspektivische Ansicht eines modular aufgebauten, aus fünf in 7 dargestellten Wärmetauscher-Modulen mit seitlich der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohren angeordneten, die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre benachbarter Wärmetauscher-Module miteinander fluidisch verbindenden, aus mehreren Verbindungshülsen bestehenden Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelleitungen.
  • Ein in den 1 bis 5 dargestelltes, erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Modul 40 besteht im Wesentlichen aus zwei Materialstreifen 41, 42, in die durch Tiefziehen ein vorgegebenes, hier wellenförmiges Profil zum Anschmiegen an Einzelzellen eines elektrochemischen Energiespeichers eingearbeitet ist. Ebenso sind in die Materialstreifen 41, 42 im Wesentlichen in deren Längsrichtung verlaufende Wärmetauscher-Kanäle 43, 43', 44, 44' durch Tiefziehen eingearbeitet. An den Enden 45, 46, 47, 48 der Materialstreifen 41, 42 sind von den Wärmetauscher-Kanälen 43, 43', 44, 44' beabstandet quer zu den Materialstreifen 41, 42 verlaufende Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60' durch Tiefziehen eingearbeitet. Die Wärmetauscher-Kanäle 43, 43', 44, 44' verlaufen in Wechselrichtung, um innerhalb eines Wärmetauscher-Moduls 40 ein Gegenstromprinzip verwirklichen zu können.
  • Nach dem Tiefziehen der Wärmetauscher-Kanäle 43, 43', 44, 44', der Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60' sowie des vorgesehenen Profils werden Vorlaufverteilerdurchbrechungen 51 in den ersten Materialstreifen 41 und Rücklaufsammeldurchbrechungen 62 in den zweiten Materialstreifen 42 eingearbeitet (2).
  • Zwischen den die Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60' umfassenden Enden 45, 46, 47, 48 der Materialstreifen 41, 42 und den in die Materialstreifen 41, 42 eingearbeiteten Wärmetauscher-Kanäle 43, 43', 44, 44' sind Biegenuten 70 angeordnet (1 und 2). Die Biegenuten 70 dienen zum Klappen der die Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60' umfassenden Enden 45, 46, 47, 48 der Materialstreifen 41, 42 um 180° (3 und 4). Die nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen zwischen den Enden 45, 46, 47, 48 der Materialstreifen 41, 42 und den die Vorlaufverteiler- 51 und Rücklaufsammeldurchbrechungen 62 aufweisenden Bereichen der Materialstreifen 41, 42 werden anschließend mittels einer Heißschweißvorrichtung fluiddicht miteinander verbunden. Hierdurch entstehen aus den Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60' Vorlaufverteilerrohre 55, 55' und Rücklaufsammelrohre 66, 66'.
  • Durch das Einarbeiten der Wärmetauscher-Kanäle 43, 43', 44, 44', des Profils und der Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60', sowie durch das Formen der Vorlaufverteilerrohre 55, 55' und Rücklaufsammelrohre 66, 66' durch Umklappen der die Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60' umfassenden Enden 45, 46, 47, 48 der Materialstreifen 41, 42 um 180° werden aus den Materialstreifen 41, 42 Wärmetauscher-Modul-Platten 71, 72 erhalten (3 und 4).
  • Anschließend (5) werden die Wärmetauscher-Modul-Platten 71, 72 fluchtend angeordnet, so dass die die Wärmetauscher-Kanäle 43, 43', 44, 44' begrenzenden Stege 49, 49' der beiden Wärmetauscher-Modul-Platten 71, 72 aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle 43, 43', 44, 44' Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die Vorlaufverteilerdurchbrechungen 51 und die Rücklaufsammeldurchbrechungen 62 nicht zur Deckung kommen. Die derart fluchtend angeordneten Wärmetauscher-Modul-Platten 71, 72 werden anschließend mittels einer Heißschweißvorrichtung zusammengefügt um ein Wärmetauscher-Modul 40 zu erhalten (5).
  • Ein in 8 dargestellter Wärmetauscher 80 besteht aus fünf in den 1 bis 5 dargestellten Wärmetauscher-Modulen 40, welche mittels Vorlaufverteiler- 81, 81' und Rücklaufsammelleitungen 82, 82' fluidisch miteinander verbunden sind.
  • Die Vorlaufverteiler- 81, 81' und Rücklaufsammelleitungen 82, 82' sind, um einen höchstgradig modularen Aufbau sicherzustellen, aus mehreren Verbindungshülsen 83 zusammengesetzt, die wie in den 6 und 7 dargestellt, seitlich an den Vorlaufverteiler- 55, 55' und Rücklaufsammelrohre 66, 66' der Wärmetauscher-Module 40 angeordnet, und mit diesen bestimmungsgemäß fluidisch verbunden sind. Das Verbinden der Verbindungshülsen 83 mit den Vorlaufverteiler- 55, 55' und Rücklaufsammelrohren 66, 66' der Wärmetauscher-Module 40 erfolgt vorzugsweise durch Kleben.
  • Wichtig ist hervorzuheben, dass die Vorlaufverteiler- 50, 50' und Rücklaufsammelrinnen 60, 60' der Wärmetauscher-Modul-Platten 71, 72 jeweils in einem Arbeitsgang in einer Formtiefziehvorrichtung gemeinsam mit den Wärmetauscher-Kanälen 43, 43', 44, 44' hergestellt werden.
  • Die Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet der Herstellung und der Verwendung von elektrochemischen Energiespeichern gewerblich anwendbar.
    • 40
    Wärmetauscher-Modul
    41, 42
    Materialstreifen
    43, 43', 44, 44'
    Wärmetauscher-Kanal
    45, 46, 47, 48
    Ende des Materialstreifens
    49, 49'
    Steg zwischen benachbarten Wärmetauscher-Kanälen
    50, 50'
    Vorlaufverteilerrinne
    51
    Vorlaufverteilerdurchbrechung
    55, 55'
    Vorlaufverteilerrohr
    60, 60'
    Rücklaufsammelrinne
    62
    Rücklaufsammeldurchbrechung
    66, 66'
    Rücklaufsammelrohr
    71, 72
    Wärmetauscher-Modul-Platte
    80
    Wärmetauscher
    81, 81'
    Vorlaufverteilerleitung
    82, 82'
    Rücklaufsammelleitung
    83
    Verbindungshülse

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Moduls für Wärmetauscher für elektrochemische Energiespeicher umfassend mindestens ein Wärmetauscher-Rohrbündel sowie mindestens jeweils zwei mit dem Wärmetauscher-Rohrbündel fluidisch verbundene Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre, gekennzeichnet durch folgende, zeitlich aufeinanderfolgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellung von zwei tiefziehbaren Materialstreifen; b) Tiefziehen zumindest von vorgesehenen Wärmetauscher-Kanälen sowie eines vorgesehenen Profils in die Materialstreifen, wobei von den Wärmetauscher-Kanälen beabstandet an beiden Enden der Materialstreifen jeweils eine quer zum Materialstreifen verlaufende Vorlaufverteilerrinne bzw. Rücklaufsammelrinne ebenfalls durch Tiefziehen ausgeformt wird; c) Einarbeitung der für die fluidische Verbindung der Wärmetauscher-Kanäle mit den Vorlaufverteilerrohren erforderlichen Vorlaufverteilerdurchbrechungen in einen ersten Materialstreifen aus Schritt b), sowie Einarbeitung der für die fluidische Verbindung der Wärmetauscher-Kanäle mit den Rücklaufsammelrohren erforderlichen Rücklaufsammeldurchbrechungen in einen zweiten Materialstreifen aus Schritt b); d) Formung der Vorlaufverteilerrohre durch Umklappen der die Vorlaufverteilerrinnen umfassenden Enden des ersten Materialstreifens um 180° auf die die Vorlaufverteilerdurchbrechungen aufweisenden Bereiche des ersten Materialstreifens, sowie fluiddichtes Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen, um eine erste Wärmetauscher-Modul-Platte zu erhalten, sowie Formung der Rücklaufsammelrohre durch Umklappen der die Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden des zweiten Materialstreifens um 180° auf die die Rücklaufsammeldurchbrechungen aufweisenden Bereiche des zweiten Materialstreifens, sowie fluiddichtes Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen, um eine zweite Wärmetauscher-Modul-Platte zu erhalten; e) fluchtende Anordnung der ersten und zweiten Wärmetauscher-Modul-Platte aus Schritt d), so dass die Stege der beiden Wärmetauscher-Modul-Platten aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die Vorlaufverteilerdurchbrechungen und die Rücklaufsammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen; f) Zusammenfügen der angeordneten Wärmetauscher-Modul-Platten aus Schritt e), um ein Wärmetauscher-Modul zu erhalten.
  2. Verfahren nach nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einarbeitung der für die fluidische Verbindung der Wärmetauscher-Kanäle mit den Vorlaufverteilerrohren und den Rücklaufsammelrohren erforderlichen Vorlaufverteilerdurchbrechungen und Rücklaufsammeldurchbrechungen in die Materialstreifen noch vor dem Tiefziehen der Wärmetauscher-Kanäle und der Vorlaufverteilerrinnen und Rücklaufsammelrinnen erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den quer zu den Materialstreifen verlaufenden, tiefgezogenen Vorlaufverteilerrinnen bzw. Rücklaufsammelrinnen und den tiefgezogenen Wärmetauscher-Kanälen jeweils eine Biegenut eingearbeitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen der um 180° umgeklappten Enden der Materialstreifen in Schritt d) durch Pressschweißen, Heizelementschweißen, besonders bevorzugt durch direktes Heizelementschweißen, fluiddicht verbunden werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefziehbaren Materialstreifen für Schritt a) des Verfahrens durch Zuschneiden von Rollenware gewonnen werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle für das Wärmetauscher-Modul vorgesehenen Kanäle, Nuten und Stege beim Tiefziehschritt eingearbeitet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufverteilerdurchbrechungen sowie die Rücklaufsammeldurchbrechungen durch Stanzen eingearbeitet werden, wobei vorzugsweise zusätzlich sonstiges, unnötiges oder überstehendes Material der Materialstreifen entfernt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanzen und das Tiefziehen in einem Schritt erfolgt.
  9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch – Mittel zur paarweisen Bereitstellung von Materialstreifen, – Mittel zum Tiefziehen mindestens eines gewünschten Profils sowie von Wärmetauscher-Kanälen, Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen in die Materialstreifen, – Mittel zur Einarbeitung von Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammeldurchbrechungen in die Materialstreifen, – Mittel zum Umklappen der die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden der Materialstreifen um 180° sowie fluiddichtes Verbinden der nach dem Umklappen aufeinander zu liegen kommenden Kontaktflächen, – Mittel zur fluchtende Anordnung des Paares von mit Wärmetauscher-Kanälen sowie Vorlaufverteiler- und Rücklaufsamelrohren versehenen Materialstreifen, so dass die zwischen den Wärmetauscher-Kanälen verbleibenden Stege aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die Vorlaufverteilerdurchbrechungen und die Rücklaufsammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen, sowie – Mittel zum Zusammenfügen der angeordneten Materialstreifen.
  10. Wärmetauscher-Modul erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens zwei übereinander angeordnete, zusammen mindestens zwei parallel verlaufende Wärmetauscher-Kanäle bildende, tiefgezogene Materialstreifen, sowie mit diesen einteilig verbundene, integral angeformte, fluidisch mit mindestens jeweils einem Wärmetauscher-Kanal verbundene Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelrohre.
  11. Wärmetauscher gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau umfassend mindestens zwei Wärmetauscher-Module nach Anspruch 10, wobei zwischen Wärmetauscher-Rohrbündeln benachbarter Wärmetauscher-Module Zwischenräume zur Aufnahme von Einzelzellen gegeben sind.
  12. Elektrochemischer Energiespeicher umfassend einen Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den zwischen den Wärmetauscher-Rohrbündeln benachbarter Wärmetauscher-Module verbleibenden Zwischenräumen Einzelzellen formschlüssig korrespondierend mit dem vorgesehenen Profil der Wärmetauscher-Rohrbündel angeordnet sind.
  13. Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichers nach Anspruch 12 zur Bordstromversorgung eines Fahrzeugs und/oder zur Stromversorgung einer Antriebseinrichtung eines Fahrzeugs.
  14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Straßenfahrzeug handelt, das eine oder mehrere Antriebsarten (Hybridantrieb) aufweist, von denen eine einen Elektroantrieb umfasst.
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