DE102008048002A1 - Energy converting assembly for use in vehicle, has heat transfer medium moving from one aggregation condition into another aggregation condition to independently interact with heat transfer surface of heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Elektrotechnik, insbesondere betreffend den Bau von komplexen, Energie umsetzenden Apparaten.The Invention is in the field of mechanical engineering and electrical engineering, in particular concerning the construction of complex, energy implementing Apparatuses.
Die Erfindung bezieht sich genauer auf die Herstellung optimierter thermischer Bedingungen für eine komplexe Einrichtung mit Funktionszellen.The The invention more specifically relates to the production of optimized thermal Conditions for a complex facility with function cells.
Es sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Einrichtungen zur Regelung der Temperatur eines Aggregats bekannt, insbesondere Kühleinrichtungen, die Aggregate, die selbst Wärme produzieren oder bei deren Betrieb als Abfallprodukt überschüssige Wärme entsteht, in einem bestimmten Betriebstemperaturbereich halten.It are from the prior art, a variety of facilities for Controlling the temperature of an aggregate known, in particular cooling devices, the aggregates, which themselves heat produce or produce surplus heat as waste product, in a certain operating temperature range.
Dazu sind sogenannte aktive Systeme bekannt, in denen ein bewegliches Kühlmedium mittels Pumpen, soweit es sich um ein flüssiges Medium handelt, bzw. mittels Lüftern, wenn es sich um ein gasförmiges Kühlmedium handelt, bewegt werden, um durch den Materialtransport gleichzeitig Wärme von einem zu kühlenden Element weg zu transportieren. Alternativ dazu sind auch passive Elemente bekannt, in denen ein Transport der Abwärme durch Wärmeleitung, Abstrahlung von Wärme oder Konvektion vor sich geht.To are known as active systems in which a mobile cooling medium by means of pumps, as far as it is a liquid medium, or by means of fans, if it is a gaseous cooling medium trades, to be moved by the material transport simultaneously Heat from one to be cooled Transporting element away. Alternatively, they are also passive Elements are known in which a transport of waste heat through heat conduction, radiation of Heat or Convection is going on.
Zudem werden geschlossene und offene Systeme unterschieden, wobei geschlossene Systeme ein geschlossenes Gehäuse vorsehen, das keinen Materialaustausch mit dem Gehäuseäußeren zulässt, während offene Systeme insbesondere einen Gas- oder Flüssigkeitstransport zwischen dem Gehäuseäußeren und dem Gehäuseinneren bzw. von und zu dem zu kühlenden Element zulassen.moreover closed and open systems are distinguished, with closed ones Systems a closed housing provide that does not allow material exchange with the housing exterior, while open Systems in particular a gas or liquid transport between the exterior of the housing and the inside of the housing or from and to the to be cooled Allow element.
Es ist außerdem bekannt, dass bei Verwenden einer Flüssigkeit als Wärmeaustauschmedium diese wenigstens teilweise verdampfen und sich bei Verwenden eines geschlossenen Systems an anderer Stelle wieder durch Kondensation niederschlagen kann.It is also it is known that when using a liquid as a heat exchange medium these at least partially vaporize and when using a closed Systems can precipitate elsewhere by condensation again.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Aggregat mit einer möglichst einfachen und effizienten Einrichtung zur Regelung der Temperatur von Funktionszellen zu schaffen.Of the The present invention is based on the prior art Technique the task is based, an aggregate with a possible simple and efficient device for controlling the temperature to create functional cells.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The Task is according to the invention solved with the features of claim 1.
Dabei weist ein erfindungsgemäßes Aggregat Funktionszellen auf, deren Temperatur innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs geregelt werden soll. Die Funktionszellen können beispielsweise als Energiespeicherzellen ausgebildet sein, die für eine effiziente Funktion in einem bestimmten Tem peraturbereich betrieben werden müssen und die selbst Abwärme produzieren, die im Normalfall zu einer Temperaturerhöhung führt. Die Energiespeicherzellen können beispielsweise als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sein. Jedoch sind als Funktionszellen noch andere exotherm arbeitende Element denkbar. Ein Wärmeaustauschmedium, das die Funktionszellen wenigstens teilweise umgibt, sorgt für einen Wärmeaustausch und dafür, dass die einzelnen Funktionszellen bei einer im Wesentlichen gemeinsamen Temperatur gehalten werden. Das Wärmeaustauschmedium ist derart gewählt und/oder eingestellt, dass durch Wärmezufuhr ständig ein Teil des Mediums in einen anderen Aggregatzustand überführt wird. Ist der erste Aggregatzustand der flüssige Zustand, so wird ständig ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Die dabei verbrauchte latente Wärmeenergie für den Phasenübergang wird den Funktionszellen entnommen und bewirkt dadurch eine zusätzliche Kühlung.there has an inventive aggregate Function cells, the temperature within an operating temperature range should be regulated. The functional cells can be used, for example, as energy storage cells be trained for an efficient function in a specific temperature range operated Need to become and the self-waste heat produce, which usually leads to a temperature increase. The Energy storage cells can be formed for example as lithium-ion batteries. however are as function cells still other exothermic working element conceivable. A heat exchange medium, which at least partially surrounds the functional cells, provides for a heat exchange and therefor, that the individual functional cells at a substantially common temperature being held. The heat exchange medium is chosen like this and / or set that by supplying heat constantly Part of the medium is transferred to another state of aggregation. If the first state of aggregation is the liquid state, it is constantly on Part of the liquid evaporated. The latent heat energy used for the phase transition is taken from the functional cells and thereby causes additional cooling.
Der verdampfte oder vergaste Teil des Wärmeaustauschmediums ist innerhalb des Gehäuses des Aggregats sehr mobil und wechselwirkt mit einer Kühlfläche, die ihrerseits beispielsweise mit einem Kühlkörper an der Außenseite des Gehäuses verbunden sein kann. Dort gibt das Medium Wärme ab und fällt in den ersten Aggregatzustand zurück. Damit hat das Wärmeaustauschmedium im Rahmen seiner Bewegung die latente Wärme des Phasenübergangs zu der Kühlfläche transportiert und dort abgegeben. Hierdurch ist eine besonders effiziente Kühlung gegeben. Die Vorteile der Erfindung liegen somit einerseits in einer Vergleichmäßigung der Temperatur zwischen den Funktionszellen im Rahmen des ersten Aggregatzustandes des Wärmeaustauschmediums und in einer effizienten Wärmeabfuhr infolge des Phasenübergangs und der höheren Beweglichkeit des Wärmeaustauschmediums.Of the vaporized or gasified part of the heat exchange medium is inside of the housing of the Aggregates very mobile and interacts with a cooling surface, the in turn, for example, with a heat sink on the outside of the housing can be connected. There, the medium gives off heat and falls into the first state of aggregation back. So has the heat exchange medium as part of its movement the latent heat of the phase transition transported to the cooling surface and delivered there. As a result, a particularly efficient cooling is given. The advantages of the invention are therefore on the one hand in a homogenization of Temperature between the functional cells in the context of the first state of aggregation of the heat exchange medium and in an efficient heat dissipation due to the phase transition and the higher mobility of the heat exchange medium.
Grundsätzlich ist alternativ zu einem flüssigen und verdampfbaren Wärmeaustauschmedium auch ein festes Medium denkbar, das durch Wärmeein wirkung der Funktionselemente teilweise verflüssigt wird und in flüssiger Form zu einer Wärmeaustauschfläche/Kühlfläche fließt.Basically alternatively to a liquid and evaporable heat exchange medium as well a solid medium conceivable by the effect of Wärmeein the functional elements partially liquefied becomes and in liquid Form flows to a heat exchange surface / cooling surface.
Diese ist entweder mit einem Kühlkörper verbunden oder mit einem Kühlaggregat, das beispielsweise durch elektrische Kühlung als Peltierelement oder durch andere an sich bekannte Kühleffekte gekühlt wird.These is either connected to a heat sink or with a refrigeration unit, for example, by electrical cooling as a Peltier element or by other known cooling effects chilled becomes.
Damit der beschriebene Wärmetransport, der mit einer Massebewegung in gasförmiger oder flüssiger Form verbunden ist, nicht zu einem Verlust von Teilen des Wärmeaustauschmediums führt, ist das Gehäuse des Aggregats vorteilhaft dicht bzw. gasdicht ausgeführt. Zu beachten ist dabei die Stabilität gegenüber Druckveränderungen, wenn ein Teil des Wärmeaustauschmediums verdampft wird und hierdurch der Druck ansteigt.Thus, the described heat transfer, which is associated with a mass movement in gaseous or liquid form, not to a loss leads of parts of the heat exchange medium, the housing of the unit is advantageously carried out dense or gas-tight. It is important to note the stability to pressure changes when a part of the heat exchange medium is evaporated and thus the pressure rises.
Im Übrigen kann vorteilhaft eine Druckregelung vorgesehen sein, die beispielsweise durch Gaspumpen realisiert ist und durch die ein Druckbereich einstellbar ist, der dazu führt, dass bei der herrschenden Temperatur ein Teil des Wärmeaustauschmediums verdampft.Incidentally, can advantageous to be provided a pressure control, for example is realized by gas pumps and adjustable by a pressure range is that which leads that at the prevailing temperature, a part of the heat exchange medium evaporated.
Zudem kann vorteilhaft auch eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, um das Wärmeaustauschmedium auf eine gewünschte Temperatur zu bringen, bei der einerseits der Kühlprozess funktioniert, und bei dem andererseits die Funktionselemente einsatzfähig sind. Handelt es sich beispielsweise um Speicherelemente in Form von Lithium-Ionen-Batterien, so ist ein Temperaturfenster zwischen 20 und 60°C einzuhalten, um eine optimale Funktion der Energiespeicherzellen zu gewährleisten. Hierfür kann der Betrieb einer Heizung hilfreich sein.moreover can also be provided advantageously a heating device to the Heat exchange medium to a desired Temperature to bring, on the one hand, the cooling process works, and on the other hand, the functional elements are operational. For example, are lithium ion battery storage elements, so a temperature window between 20 and 60 ° C is to be maintained in order to achieve an optimum To ensure the function of the energy storage cells. For this purpose, the Operation of a heater will be helpful.
Auch der Betrieb einer zusätzlichen Kühlung des Wärmeaustauschmediums im ersten Aggregatzustand ist denkbar, beispielsweise durch den Einsatz von Peltierelementen. Diese Kühlung kann die Kühlung durch teilweisen Übergang in den zweiten Aggregatzustand unterstützen.Also the operation of an additional Cooling the Heat exchange medium in the first state of aggregation is conceivable, for example by the Use of Peltier elements. This cooling can be done by cooling partial transition support the second state of aggregation.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Aggregat der oben angegebenen Art auch auf eine Temperaturregeleinrichtung für wenigstens eine Funktionszelle mit einem Gehäuse, in dem die Funktionszelle angeordnet ist, einem Wärmeaustauschmedium, das wenigstens zu einem ersten Teil in einem ersten Aggregatzustand vorliegt und in dem ersten Aggregatzustand die Funktionszelle wenigstens teilweise umgibt, mit einer von dem ersten Teil des Wärmeaustauschmediums mit Abstand angeordneten Wärmeaustauschfläche sowie mit einer steuerbaren Heizeinrichtung.The Invention relates except on an aggregate of the type indicated above also on a temperature control device for at least a functional cell with a housing in which the functional cell is arranged, a heat exchange medium, that at least to a first part in a first state of aggregation is present and in the first state of aggregation, the functional cell at least partially surrounds, with one of the first part of the heat exchange medium with spaced heat exchange surface as well with a controllable heater.
Eine derartige Temperaturregeleinrichtung ist dazu geeignet, Funktionszellen nicht nur effizient zu kühlen, sondern unter Einsatz der Zusatzheizung ihre Temperatur innerhalb eines Temperaturregelfensters einzustellen, in dem ein optimierter Betrieb der Zellen möglich ist.A Such temperature control device is suitable for functional cells not just efficient to cool, but using the auxiliary heater their temperature within a temperature control window in which an optimized Operation of the cells possible is.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.in the The following is the invention with reference to an embodiment in a drawing shown and then described.
Dabei zeigtthere shows
Das
Gehäuse
Wenigstens
ein Teil des Gehäuses
Die
Die
Funktion des erfindungsgemäßen Aggregats
ist anhand der
Durch
einen Stromsensor
Ein
Teil der Kühlleistung
findet über
die sogenannte Siedewasserkühlung
statt, bei der Teile des flüssigen
Mediums
Auf diese Weise wird mit dem erfindungsgemäßen Aggregat und einer entsprechenden Temperaturregeleinrichtung auf einfache Weise eine effiziente passive Kühlung, beispielsweise eines elektrischen Batteriemoduls, erreicht.On this way is with the unit according to the invention and a corresponding Temperature control device in a simple way an efficient passive Cooling, for example, an electric battery module reached.
Dies kann besonders dann vorteilhaft sein, wenn mit der gespeicherten Energie besonders sparsam umgegangen werden muss, z. B. bei der Verwendung als Antriebsbatterie für ein Fahrzeug.This can be particularly advantageous when using the stored Energy must be handled very sparingly, z. B. in the Use as drive battery for a vehicle.
- 11
- Kühlkörperheatsink
- 1a1a
- WärmeaustauschflächeHeat exchange surface
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- EnergiespeicherzellenEnergy storage cells
- 44
- Leitungencables
- 55
- Kühlmediumcooling medium
- 6a, 6b6a, 6b
- Anschlüsseconnections
- 77
- WärmeaustauschmediumHeat exchange medium
- 88th
- Heiz-/KühleinrichtungHeating / cooling device
- 1010
- Temperatursensortemperature sensor
- 1111
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1212
- Stromsensorcurrent sensor
- 13, 14, 1513 14, 15
- Pfeilearrows
Claims (11)
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Publications (1)
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