DE102008052068A1

DE102008052068A1 - Kühlvorrichtung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102008052068A1
Application number: DE102008052068A
Authority: DE
Inventors: Peter Ambros; Jan BÖBEL; Daniel Borst; Rainer Käsinger; Wolfgang Knecht; Jens Nies; Klaus Mohrlok; Frank Opferkuch; Jochen Orso; Frank Vetter; Werner Zobel
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektrische Elemente (1), vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, die ein Gehäuse (2), bestehend aus Gehäuseteilen (2A, 2B), aufweist, in dem die elektrischen Elemente (1) auf Abstand angeordnet und befestigt sind und mit einem das Gehäuse (2) durchströmenden Kühlmittel (K) gekühlt werden. Die Kühlvorrichtung wird hauptsächlich hinsichtlich ihrer Herstellung erfindungsgemäß dadurch vereinfacht, dass eine in das Gehäuse (2) einsetzbare Einsatzform (3) vorgesehen ist, die an ihrer einen Seite Fächer (30) zur Aufnahme der elektrischen Elemente (1) aufweist und an ihrer anderen Seite Kanäle (4) für das Kühlmittel (K) zwischen den Fächern (30) besitzt bzw. ausbildet. Ein entsprechendes Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung wird ebenfalls vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektrische Elemente, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, die ein Gehäuse, bestehend aus Gehäuseteilen aufweist, in dem die Elemente auf Abstand angeordnet und befestigt sind und die mit einem das Gehäuse durchströmenden Kühlmittel im Wärmeaustausch stehen.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung. Eine Kühlvorrichtung ist aus der DE 10 2006 010 063 A1 bekannt. Die elektrischen Elemente (Batterien, Akkumulatoren bzw. Zellen) werden dort lediglich an ihrer Bodenseite gekühlt. Das Gehäuse ist dort lediglich ein Basisgehäuse an dessen einen Seite einzelne Fächer angeordnet sind, um die Batterien aufzunehmen und auf Abstand zu halten. Eine lediglich bodenseitige Kühlung der Batterien könnte als nicht ausreichend angesehen werden. Andere Veröffentlichungen zeigen die Kühlung der Batterien an ihrer Bodenseite und auch an ihrer Kopfseite, um die Kühlwirkung zu verstärken.
Die aus der WO 2007/031689A1 bekannte Vorrichtung besitzt die eingangs benannten Merkmale. Die Abstandshalter für die Zellen bestehen dort aus vereinigten Ringen bzw. aus Ringscheiben, die in verschiedenen Etagen entlang der Länge der Batterien angeordnet sind. Durch das Gehäuse strömt Kühlluft, um die Batterien zu kühlen. In der Gehäusewand sind Kanäle integriert worden, durch die ein flüssiges Kühlmittel strömt, um die Gehäusewand zu kühlen. In dem durch die Abstandshalter zur Verfügung gestelltem Abstand zwischen den Batterien kann sich auch ein Paraffin als Wärmespeichermittel befinden. Diese Vorrichtung kann – ebenso wie die zuerst beschriebene Vorrichtung – erkennbar ihren Zweck erfüllen. Sie scheint aber recht teuer in ihrer Herstellung zu sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine herstellungsfreundliche und wirksame Kühlvorrichtung für elektrische Elemente zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Kühlvorrichtung gelöst, die die erfindungsgemäßen Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Ein wesentlicher erfindungsgemäßer Aspekt besteht darin, dass eine in das Gehäuse einsetzbare Einsatzform zur Verfügung gestellt wird, die an ihrer einen Seite Fächer oder becherförmige Aufnahmen zur Aufnahme der elektrischen Elemente aufweist und die an ihrer anderen Seite Kanäle für das vorzugsweise flüssige Kühlmittel zwischen den Fächern oder Bechern ausbildet. Die Einsatzform kann beispielsweise aus Aluminiumblech gezogen oder auch aus Kunststoff gepresst hergestellt werden.
Es handelt sich vorzugsweise um eine einstückige Einsatzform, was bezüglich der Herstellungsfreundlichkeit besonders vorteilhaft ist. Die Elemente müssen lediglich in die Fächer der Einsatzform eingesetzt werden. Das Aufschieben von Ringscheiben oder dergleichen auf die Elemente, um diese zu haltern, wie im eingangs beschriebenen Stand der Technik, kann entfallen. Das Auswechseln defekter Elemente ist leichter möglich als im Stand der Technik.
Die Einsatzform weist eine Umrandung auf, die zwischen den Gehäuseteilen oder an einem Gehäuseteil abdichtend befestigt ist. Die Einsatzform eröffnet die Möglichkeit, wenigstens eine Lochscheibe oder dergleichen von der anderen Seite der Einsatzform aufzuschieben, um eine gewünschte vorteilhafte Durchströmungscharakteristik der Kanäle zu schaffen.
Von Vorteil ist auch das Vorsehen eines Abstandes zwischen den Elementen und dem Boden des zugeordneten Faches. Im bevorzugten Fall sind die elektrischen Elemente zylindrische Batterien bzw. Zellen. Sollte eine solche Batterie ausfallen und das Elektrolyt und Batteriegase entweichen, wird es sich in dem erwähnten Abstand sammeln und sich nicht mit dem Kühlmittel vermischen können. Der Kontakt mit benachbarten Batteriezellen wird vermieden und damit deren Schädigung verhindert. Das Herstellungsverfahren für eine Kühlvorrichtung für elektrische Elemente, die aus Gehäuseteilen zusammengesetzt wird, wobei die Elemente auf Abstand zueinander in eines der Gehäuseteile eingesetzt werden und wobei das Gehäuse mit dem anderen Gehäuseteil verschlossen wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Einsatzform bereitgestellt wird, in deren Fächer die Elemente von ihrer einen Seite eingesetzt werden, wonach die Einsatzform mit ihrem Rand zwischen den Gehäuseteilen befestigt wird.
Weitere Merkmale befinden sich in den abhängigen Patentansprüchen, auf die an dieser Stelle ausdrücklich verwiesen wird, um deren Wiederholung zu erübrigen. Ferner ergeben sich Merkmale und deren Vorteile aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen.
Die Zeichnungen zeigen Folgendes:
1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
2 Schnitt gemäß A-A durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung;
3 Schnitt gemäß B-B durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung;
4 eine Ansicht einer Lochscheibe;
Die elektrischen Elemente 1 des einzigen Ausführungsbeispiels sind Batterien 1 bzw. Akkumulatoren von zylindrischer Form, die elektrische Energie zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung stellen. Die elektrischen Elemente werden im Folgenden demnach stets als Batterien bzw. als Zellen 1 bezeichnet. Diese einleitende Bemerkung soll darauf aufmerksam machen, dass keinesfalls eine Beschränkung auf die Kühlung von zylindrischen Zellen 1 beabsichtigt ist, sondern im Gegenteil, dass die elektrischen Elemente im weitesten Sinne, auch unabhängig von ihrer Form, zu verstehen sind.
Die elektrotechnischen Anschlüsse, Schaltungen usw. der Zellen 1 wurden im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen weggelassen. Dazu kann auf den Stand der Technik verwiesen werden, beispielsweise auf die vorne genannte WO 2007/031689A1 .
Der Begriff ”Kühlvorrichtung” umfasst darüber hinaus nicht nur das Kühlen der Zellen 1 sondern auch das Erwärmen bzw. das Temperieren der Zellen 1, um diese auf ihrem optimalen Temperatur – bzw. Leistungsniveau zu halten, wie es beispielsweise in der DE 10 202 807 B4 bereits vorgeschlagen wurde.
Die Einsatzform 3 ist von ihrer Gestalt her mit einer Backform in gewisser Weise vergleichbar, die ebenfalls zahlreiche nach oben offene Fächer 30 oder Becher zur Aufnahme einzelner Kuchen aufweist. Ein auffälliges Unterscheidungsmerkmal kann jedoch darin gesehen werden, dass die Tiefe T der Fächer 30 der Einsatzform 3 deutlich größer ist als bei den angesprochenen üblichen Backformen. Die Tiefe T der Fächer 30 entspricht etwa der Länge der darin befindlichen Zellen 1. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal besteht darin, dass die Abstände zwischen den Fächern 30 vergleichsweise geringer sind als bei Backformen. Da die Abstände zwischen den Fächern 30 letztlich die Kanäle 4 darstellen, sind dieselben ziemlich eng ausgebildet. Dadurch soll eine möglichst kompakte Anordnung der Zellen 1 erreicht werden. Die Einsatzform 3 kann aus einem dünnen Aluminiumblech mittels Tiefziehens oder geeigneter anderer Umformverfahren hergestellt werden. In diesem Fall sind die in die Fächer 30 eingesetzten Zellen 1 in an sich bekannter Weise gegenüber der Einsatzform 3 elektrisch zu isolieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird jedoch eine dünne Kunststofffolie hergenommen, aus der die formstabile Einsatzform 3 in an sich bekannter Weise hergestellt wird. Das hat den Vorteil, dass auf eine elektrische Isolation der Zellen 1 verzichtet werden kann.
Bezüglich der Herstellung der im Ausführungsbeispiel lediglich zwei Gehäuseteile 2A, 2B gilt Ähnliches, wie bezüglich der Herstellung der Einsatzform 3. Im Ausführungsbeispiel wurden die Gehäuseteile 2A, 2B aus Metallblechen hergestellt. Im Ausführungsbeispiel ist das Gehäuseteil 2A als Deckel anzusehen, der das als Topf ausgebildete Gehäuseteil 2B abschließt und somit das Gehäuse 2 komplettiert.
Die Anzahl der Zellen 1 im Gehäuse 2 wird entsprechend dem konkreten Einsatzfall festgelegt. Im Querschnitt gemäß 1 sind drei Zellen 1 ersichtlich, die drei Reihen von Zellen 1 anzeigen sollen. In jeder Reihe können sich beispielsweise 3 oder deutlich mehr Zellen 1 befinden (nicht gezeigt). Wie aus der Fig. ebenfalls hervorgeht, hat man die Zellen 1 mit einem Abstand 31 zum Boden 32 der Fächer 30 angeordnet. Dadurch wird in jedem Fach 30 ein Raum ausgebildet, der im Falle eines Defekts auslaufende aggressive Batterieflüssigkeit aufnehmen kann. Durch Öffnen des Deckels 2A können im Bedarfsfall einzelne Zellen 1 aus den Fächern 30 entnommen und ausgetauscht werden. Um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Kühlmittel und den Zellen 1 zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Zellen 1 recht eng an der inneren Wandseite der Fächer 30 anliegen. Die Zellen 1 können z. B. in die Fächer 30 eingepresst werden. Um den erwähnten Abstand 31 zu realisieren, können die Zellen 1 an ihrem Boden Vorsprünge oder dergleichen aufweisen, die am Boden 32 der Fächer 30 aufliegen. (nicht gezeigt)
Die wie beschrieben hergestellte Einsatzform 3 wird in das Gehäuseteil 2B eingesetzt. Die Einsatzform 3 besitzt an ihrer einen Seite die offenen Fächer 30 zur Aufnahme der Zellen 1. An der anderen Seite der Einsatzform 3 befinden sich die Kanäle 4 für das Kühlmittel K zwischen den Fächern 30. Das flüssige Kühlmittel tritt am Kühlflüssigkeitseintritt 21 in das Gehäuse 2 ein, durchströmt die Kanäle 4, wie unten näher ausgeführt wird und verlässt das Gehäuse 2 am Kühlflüssigkeitsaustritt 22. Die eine Seite der Einsatzform 3, diejenige mit den offenen Fächern 30, ist somit von der anderen Seite der Einsatzform 3 strömungstechnisch getrennt. Die eine Seite kommt deshalb mit dem Kühlmittel nicht in Kontakt. Vor dem Einsetzen der Einsatzform 3 in das eine Gehäuseteil 2B können – gemäß einer weiterbildenden Maßnahme – allerdings noch Lochscheiben 36 als Strömungslenkelemente 35 von der anderen Seite her auf die Fächer 30 bzw. auf die Becher der Einsatzform 3 geschoben und in den vorgesehenen Positionen befestigt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verschließt die oben angeordnete Lochscheibe 36 den Kanal 4 zwischen der Gehäusewand und den angrenzenden Fächern 30. In den Stegen zwischen den Löchern 37 der Lochscheibe 36 befinden sich geeignete Durchströmungsöffnungen 38. (4) Aufgrund der Strömungslenkelemente durchströmt die Flüssigkeit das Gehäuse 2 bzw. die Kanäle 4 von unten nach oben. Es kann auch ein mäanderartiger Strömungsweg vorgesehen werden. Die Position, Form und Größe der Durchströmöffnungen 38 in den Lochscheiben 36 kann konstant, aber sie kann auch variabel sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größe und/oder Anzahl der Durchströmöffnungen 38, in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen, zunimmt. In der 4 wurden lediglich größer werdende runde Strömungsöffnungen 38 dargestellt. Die Anzahl der Lochscheiben 36 ist freigestellt, das heißt, sie ist abhängig von der jeweiligen Anwendung. Die Lochscheiben 36 erhöhen darüber hinaus die Steifigkeit der Einsatzform 3 im Gehäuse 2. Sie können auch Vibrationen und dergleichen Beeinträchtigungen in einem Kraftfahrzeug abschwächen helfen.
Ebenfalls lediglich im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Umrandung 33 der Einsatzform 3 zwischen den Umrandungen der beiden Gehäuseteile 2A; 2B, die dicht und fest miteinander verbunden werden. Da das Gewicht der Zellen 1 ziemlich groß ist, dürfte es notwendig sein, die Einsatzform 3 mit den in den Fächern 30 befindlichen Zellen 1 wenigstens zum Boden 25 des Gehäuses 2 hin abzustützen. Die Erfinder bilden die Abstützungen 20 am Boden 25 des Gehäuses 2 so aus, dass die Strömung des Kühlmittels etwa gleichmäßig auf die Kanäle 4 verteilt wird, um Überhitzungs – bzw. Unterkühlungszonen an den Zellen 1 zu vermeiden. Die Abstützungen 20 können sich alternativ auch am Boden 32 der Einsatzform 3 befinden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006010063 A1 [0002]
- WO 2007/031689 A1 [0003, 0017]
- DE 10202807 B4 [0018]

Claims

Kühlvorrichtung für elektrische Elemente (1), vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, die ein Gehäuse (2), bestehend aus Gehäuseteilen (2A, 2B), aufweist, in dem die elektrischen Elemente (1) auf Abstand angeordnet und befestigt sind und mit einem das Gehäuse (2) durchströmenden Kühlmittel (K) im Wärmeaustausch stehen, gekennzeichnet durch eine in das Gehäuse (2) einsetzbare Einsatzform (3), die an ihrer einen Seite Fächer (30) zur Aufnahme der elektrischen Elemente (1) aufweist und die an ihrer anderen Seite Kanäle (4) für das Kühlmittel (K) zwischen den Fächern (30) besitzt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzform (3) eine Umrandung (33) aufweist, die zwischen den Gehäuseteilen (2A; 2B) abdichtend befestigt ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kühlmitteleintritt (20) und ein Kühlmittelaustritt (21) vorzugsweise an demjenigen Gehäuseteil (2B) angeordnet sind, welches der anderen Seite der Einsatzform (3) zugeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Seite der Einsatzform (3) vorzugsweise nicht mit dem flüssigen Kühlmittel in Kontakt kommt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (1) in den Fächern (30) einen Abstand (31) zum Boden (32) der Fächer (30) aufweisen.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der anderen Seite der Einsatzform (3) eine strömungsleitende Anordnung (35) vorhanden ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsleitende Anordnung (35) aus wenigstens einer Lochscheibe (36) oder dergleichen besteht, die im Zuge des Zusammenbaus der Vorrichtung von der anderen Seite auf die Einsatzform (3) schiebbar und positionierbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheibe (36) mit der äußeren Form der Fächer (30) korrespondierende Löcher (37) aufweist.
Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheibe (36) oder dergleichen einen Kanal (4) zwischen der Gehäusewand und den benachbarten Fächern (30) im Wesentlichen verschließt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheiben (36) die Einsatzform (3) im Gehäuse stabilisieren bzw. abstützen.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fächer (30) zu der einen Seite der Einsatzform (3) hin offen ausgebildet sind.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden (21) des Gehäuses (2) oder am Boden der Einsatzform (3) Abstützungen (20) angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützungen (20) strömungslenkende Eigenschaften besitzen, um die Kanäle (4) möglichst gleichmäßig mit Kühlmittel zu beaufschlagen.
Herstellungsverfahren einer Kühlvorrichtung für elektrische Elemente (1), mit einem Gehäuse, das aus Gehäuseteilen (2A; 2B) zusammengesetzt wird, wobei die Elemente auf Abstand zueinander in eines der Gehäuseteile eingesetzt werden und wobei das Gehäuse mit einem anderen Gehäuseteil verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einsatzform (3) bereitgestellt wird, in deren Fächer (30) die Elemente (1) von ihrer einen Seite eingesetzt werden und dass die Einsatzform mit ihrem Rand zwischen den Gehäuseteilen (2A; 2B) oder an einem der Gehäuseteile befestigt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen der Einsatzform in eines der Gehäuseteile wenigstens eine Lochscheibe oder dergleichen als strömungsleitende Anordnung von der anderen Seite der Einsatzform her auf dieselbe geschoben und befestigt wird.