DE102009006216A1 - Cooling device for e.g. battery, in motor vehicle, has housing for accommodating electrical elements, where intermediate space between elements contains inert fluid, granular bulk material and lattice like structure - Google Patents

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Abstract

The device has a housing for accommodating electrical elements (1) and exchanging heat with inert liquid that is vaporized in the housing and condensed at a cooler (4). Intermediate space (3) between the electrical elements contains inert fluid, a granular bulk material and a lattice like structure e.g. synthetic weave, to minimize required amount of inert liquid. The bulk material has a particle size of 0.5 to 5 mm, and comprises glass or plastic beads. The housing comprises a cover and a pot, where the cover cooperates with the cooler. An independent claim is also included for a method for manufacturing a cooling device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektrische Elemente, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, die ein Gehäuse aufweist, in dem die elektrischen Elemente angeordnet sind und mit einer inerten Flüssigkeit im Wärmeaustausch stehen, die im Gehäuse verdampft und wieder kondensiert. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung.The The invention relates to a cooling device for electrical Elements, preferably in a motor vehicle, comprising a housing in which the electrical elements are arranged and with an inert liquid in heat exchange, which evaporates in the housing and condenses again. The invention also relates to a corresponding production method for the cooling device.

Es sind zahlreiche Kühlvorrichtungen für elektrische Elemente bekannt. Meistens wird Kühlluft oder eine zirkulierende Kühlflüssigkeit verwendet, um die elektrischen Elemente, wie Batterien, Akkumulatoren bzw. Zellen zu kühlen. Die Elemente sind möglichst kompakt jedoch mit unvermeidbaren Zwischenräumen zueinander angeordnet. Die aus der WO 2007/031689 A1 bekannte Vorrichtung stellt ein solches Beispiel dar.Numerous cooling devices for electrical elements are known. Mostly, cooling air or a circulating cooling fluid is used to cool the electrical elements, such as batteries, accumulators or cells. The elements are as compact as possible, but with unavoidable gaps between them. The from the WO 2007/031689 A1 known device represents such an example.

Die DE 102 01 557 A1 zeigt eine Kühlvorrichtung, die dem Oberbegriff entspricht. Diese Kühlvorrichtung ist zur Kühlung von Leistungselektronik mittels einer inerten, d. h. mittels einer elektrisch nicht leitenden, Kühlflüssigkeit vorgesehen, die in Folge ihrer Erwärmung verdampft, an einem Kühler kondensiert und als Flüssigkeit wieder zurück fließt. Die Leistungselektronik wurde dort als ein kompakter Block dargestellt, der von der Flüssigkeit umspült wird. Inerte Flüssigkeiten sind recht teuer, weshalb die Kühlung von zahlreichen, ziemlich großen Batteriezellen, die recht große Zwischenräume mit sich bringen, aus Kostengründen scheitern könnte. Andererseits ist die Kühlwirkung mittels inerter Flüssigkeit recht effizient, da die Batteriezellen allseitig gekühlt werden können.The DE 102 01 557 A1 shows a cooling device that corresponds to the preamble. This cooling device is provided for cooling power electronics by means of an inert, ie by means of an electrically non-conductive, cooling liquid which evaporates as a result of their heating, condenses on a cooler and flows back as liquid. The power electronics were presented there as a compact block, which is lapped by the liquid. Inert liquids are quite expensive, which is why the cooling of numerous, rather large battery cells, which are quite large gaps, could fail due to cost reasons. On the other hand, the cooling effect by means of inert liquid is quite efficient, since the battery cells can be cooled on all sides.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige und wirksame Kühlvorrichtung für elektrische Elemente, die mittels einer inerten, elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gekühlt werden, zur Verfügung zu stellen.The The object of the invention is a cost-effective and effective cooling device for electrical elements, by means of an inert, electrically non-conductive liquid be cooled to provide.

Diese Aufgabe wird bei einer dem Oberbegriff entsprechenden Kühlvorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.These Task is in a the generic term corresponding cooling device according to the invention by the characterizing features of claim 1.

Weil sich gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung ein körniges Schüttgut oder eine gitterartige Struktur in den Zwischenräumen zwischen den elektrischen Elementen befindet, um die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit zu minimieren, wird eine kostensparende und trotzdem sehr wirksame Kühlvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die gitterartige Struktur bzw. das Schüttgut wirkt darüber hinaus auch als Abstandshalter zwischen den Zellen, und sie kann helfen Vibrationen zu dämpfen.Because according to an important aspect of the invention a granular bulk material or a lattice-like one Structure in the spaces between the electrical Elements located to the required amount of inert Minimizing fluid will be a cost effective and cost effective solution nevertheless very effective cooling device available posed. The grid-like structure or the bulk material also acts as a spacer between the Cells, and it can help to dampen vibrations.

Das Schüttgut weist eine bevorzugte Korngröße von beispielsweise 0,5–2,0 mm auf, um mit möglichst kleinen Zwischenräumen arbeiten zu können. Bis etwa 5,0 mm sind denkbar. Die Spaltbreite des Zwischenraumes kann beispielsweise doppelt so groß wie die Korngröße sein. Es kann sich bei dem Schüttgut beispielsweise um Glas- oder Kunststoffkügelchen bzw. um Granulat handeln. Die Verwendung anderer Schüttgüter mit entsprechend elektrisch isolierender Eigenschaft ist möglich.The Bulk material has a preferred grain size from, for example, 0.5-2.0 mm to as much as possible to be able to work in small spaces. To about 5.0 mm are conceivable. The gap width of the gap can for example, twice the size of the grain be. It may, for example, to the bulk material Glass or plastic beads or act around granules. The use of other bulk materials with appropriate electrically insulating property is possible.

Der Zwischenraum erstreckt sich in Form eines Spaltes im Wesentlichen um den Umfang eines jeden elektrischen Elements. Der Zwischenraum bzw. der Spalt ist hinsichtlich seiner maßlichen Gestaltung minimiert, um einerseits die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit gering zu halten, aber andererseits auch, um die Verdampfungskühlung aufrecht zu erhalten. Die Austrocknung mit der Folge von überhitzten Stellen an den Elementen soll vermieden werden.Of the Interspace extends substantially in the form of a gap around the perimeter of each electrical element. The gap or the gap is in terms of its dimensional design minimized, on the one hand, the required amount of inert To keep fluid low, but then again, um to maintain the evaporative cooling. The dehydration with the result of overheated spots on the elements should be avoided.

Es wurde gefunden, dass das Maß des Zwischenraums lediglich wenige Millimeter beispielsweise 0,5–5,0 mm betragen kann. Vorzugsweise liegt dieses Maß zwischen 1,5 und 3,5 mm. Werden kleinere elektrische Elemente verwendet können Zwischenraummaße eher an der unteren Grenze liegend vorgesehen werden.It it was found that the measure of the gap only For example, a few millimeters can be 0.5-5.0 mm. This dimension is preferably between 1.5 and 3.5 mm. If smaller electrical elements are used, spacing can be used rather be provided at the lower limit.

Es wurde weiterhin gefunden, dass als inerte und elektrisch nicht leitende Flüssigkeiten beispielsweise Perfluoroalkan-methylether oder Perfluoroalkan-n-alkanether oder auch Perfluoralkan-isoalkanether in Frage kommen. Ein Beispiel für eine solche Flüssigkeit von der als 3M bekannten Firma lautet:
3M HFE-7000: 1-methoxyheptafluoropropaneIt has furthermore been found that, for example, perfluoroalkane methyl ethers or perfluoroalkane n-alkane ethers or perfluoroalkane isoalkane ethers are suitable as inert and electrically nonconductive liquids. An example of such a liquid from the company known as 3M is:
3M HFE-7000: 1-methoxyheptafluoropropane

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 in den durch die Abstände gebildeten Zwischenräume eine inerte Flüssigkeit und entweder ein körniges Schüttgut oder eine gitterartige Struktur eingebracht werden. 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 von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.The Manufacturing method for a cooling device for electrical elements consisting of housing parts is composed, with the elements at a distance from each other be used in one of the housing parts and wherein the Housing closed with the other housing part is, is characterized according to the invention, that in the gaps formed by the distances an inert liquid and either a granular one Bulk or a grid-like structure are introduced. Further features are in the dependent claims, which is expressly referred to here to spare their repetition. Furthermore, there are features and their advantages from the following description of exemplary embodiments with reference to the attached drawings.

Die Zeichnungen zeigen Folgendes:The Drawings show the following:

1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kühlvorrichtung im Gehäuse; 1 shows a perspective view of the cooling device in the housing;

2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kühlvorrichtung ohne Gehäuse; 2 shows a perspective view of the cooling device without housing;

3 und 4 zeigen elektrische Elemente, auf Zwischenraum angeordnet, die mit einer gitterartigen Struktur ausgefüllt sind; 3 and 4 show electrical elements, arranged on space, which are filled with a grid-like structure;

5 zeigt ein Schüttgut in den Zwischenräumen; 5 shows a bulk in the spaces;

6 und 7 Querschnitte eines Ausführungsbeispiels mit einem anderen Kühler; 6 and 7 Cross sections of an embodiment with another cooler;

8 Querschnitt, der die Position der Zellen im Gehäuse zeigt; 8th Cross-section showing the position of the cells in the housing;

9 Einzelheit „J” aus 8; 9 Detail "J" off 8th ;

Die elektrischen Elemente 1 der gezeigten Ausführungsbeispiele sind Batterien 1 bzw. Akkumulatoren von prismatischer Form, die elektrische Energie zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung stellen. Die elektrischen Elemente 1 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 prismatischen Zellen 1 beabsichtigt ist, sondern, im Gegenteil, dass die elektrischen Elemente 1 im weitesten Sinne, auch unabhängig von ihrer Form, zu verstehen sind. Wegen der elektrischen Anschlüsse 10 der Zellen 1 wird auf den bekannten Stand der Technik verwiesen.The electrical elements 1 The embodiments shown are batteries 1 or accumulators of prismatic form, the electrical energy to drive a motor vehicle available. The electrical elements 1 are therefore hereinafter always as batteries or as cells 1 designated. This introductory note is intended to draw attention to the fact that by no means a limitation to the cooling of prismatic cells 1 is intended, but, on the contrary, that the electrical elements 1 in the broadest sense, regardless of their form. Because of the electrical connections 10 the cells 1 is referred to the prior art.

Das Gehäuse 2 der Kühlvorrichtung ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen zweiteilig ausgebildet. Es besitzt einen oben liegenden Deckel 2A, der das topfartige Gehäuseteil 2B abschließt. Beide Gehäuseteile 2A, 2B sind an einem Flansch 2C verbunden.The housing 2 the cooling device is formed in two parts in the embodiments shown. It has an overhead lid 2A , the cup-shaped housing part 2 B concludes. Both housing parts 2A . 2 B are on a flange 2C connected.

Im Gehäuse 2 ist die eigentliche Kühlvorrichtung angeordnet. Sie besteht aus einem Kühler 4, der sich im oder am Deckel 2A befindet. Der Kühler 4 weist eine durch Nuten, Furchen oder dergleichen vergrößerte Oberfläche auf, an der die verdampfende inerte Flüssigkeit zur Kondensation gebracht wird. Der in 2 gezeigte Kühler 4 besitzt in seinem Inneren eine Kühlschlange 40, die von einem Kühlmittel durchströmt wird. Mit dem Bezugszeichen 20 wird der Eintritt des Kühlmittels bezeichnet und mit 21 der entsprechende Kühlmittelaustritt. Das Kühlmittel kann ein Kältemittel sein oder auch eine Kühlflüssigkeit anderer Art, beispielsweise die Kühlflüssigkeit eines Kraftfahrzeugmotors, die in einem separaten nicht gezeigten Kreislauf auf ein entsprechend niedriges Temperaturniveau gebracht wird, das bei etwa 40°C liegen kann. Das Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung gemäß den 6 und 7 hat keine Kühlschlangen oder dergleichen. Dort strömt das Kühlmittel lediglich an der strukturierten Oberseite des Kühlers 4 entlang. Anders als in der 6 dargestellt wird, kann auch zwischen den Böden der Zellen 1 und der inneren Bodenseite des Gehäuses 2B ein Zwischenraum 3 ausgebildet sein.In the case 2 is the actual cooling device arranged. It consists of a cooler 4 that is in or on the lid 2A located. The cooler 4 has a surface enlarged by grooves, grooves or the like, at which the vaporizing inert liquid is condensed. The in 2 shown cooler 4 has a cooling coil in its interior 40 , which is flowed through by a coolant. With the reference number 20 the entry of the coolant is called and with 21 the corresponding coolant outlet. The coolant may be a refrigerant or else a coolant of another type, for example, the coolant of an automotive engine, which is brought in a separate circuit, not shown, to a correspondingly low temperature level, which may be about 40 ° C. The embodiment of the cooling device according to the 6 and 7 has no cooling coils or the like. There, the coolant flows only on the structured top of the radiator 4 along. Unlike in the 6 can also be shown between the bottoms of the cells 1 and the inner bottom side of the housing 2 B a gap 3 be educated.

Der Kühler 4 kann ferner auch integral mit dem Deckel 2A aus zwei verbundenen Schalen ausgebildet sein, die von dem Kühlmittel durchströmt werden, wobei die oben liegende Schale einen überstehenden, umlaufenden Rand aufweist, der als Verschlussrand 2C dient. (nicht gezeigt)The cooler 4 may also be integral with the lid 2A be formed of two connected shells, which are flowed through by the coolant, wherein the upper shell has a protruding, peripheral edge, which serves as a closure edge 2C serves. (Not shown)

Die 3 und 4 zeigen eine gitterartige Struktur 6 aus Kunststoff, die sich in den Zwischenräumen 3 befindet. Wie die Vergrößerung gemäß 4 erkennen lässt, liegen sich kreuzende Stränge der Struktur aufeinander und sind vorzugsweise auch miteinander verbunden. Es kann sich auch um ein Geflecht handeln. Jedenfalls muss gewährleistet sein, dass die sich bildenden Freiräume zwischen den Strängen in den Zwischenräumen 3 fluidisch verbunden sind, damit das inerte Fluid einerseits als Dampf nach oben steigen kann und das Kondensat andererseits auch möglichst bis in den unteren Bereich der Zwischenräume 3 absacken kann. Die 5 soll ein Schüttgut 5 zeigen, welches sich in den Zwischenräumen 3 befindet und beispielsweise aus kleinen Glas – oder Kunststoffkügelchen bestehen kann. Die angesprochenen Freiräume befinden sich bei dieser Ausführung in den zwischen den einzelnen Kügelchen verbleibenden Räumen. (nicht deutlich gezeigt)The 3 and 4 show a grid-like structure 6 made of plastic, located in the spaces between 3 located. As the enlargement according to 4 can be seen, are intersecting strands of the structure to each other and are preferably also interconnected. It can also be a braid. In any case, it must be ensured that the forming free spaces between the strands in the interstices 3 are fluidly connected, so that the inert fluid on the one hand can rise upwards as a vapor and the condensate on the other hand also possible as far as in the lower region of the interstices 3 can sag. The 5 should be a bulk material 5 show which is in the interstices 3 located, for example, and may consist of small glass or plastic beads. The addressed free spaces are in this embodiment in the remaining spaces between the beads. (not clearly shown)

Das Maß b, die Spaltbreite der Zwischenräume 3, ist minimiert worden. Es liegt im bevorzugten Bereich von 1,5–3,0 mm. Damit wird die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit minimiert, die sich in den Freiräumen der Zwischenräume 3 befindet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass selbst bei relativ großen Zellen 1, fertigungstechnisch machbare minimierte Zwischenräume 3 bereitgestellt werden können, ohne die für eine um den gesamten Umfang der Zellen 1 vorzunehmende Kühlung benötigte Menge der inerten Flüssigkeit bis in unwirtschaftliche Bereiche hinein erhöhen zu müssen.The dimension b, the gap width of the spaces 3 , has been minimized. It is in the preferred range of 1.5-3.0 mm. Thus, the required amount of inert liquid is minimized, located in the spaces between the spaces 3 located. Another advantage of the invention is that even with relatively large cells 1 , technically feasible minimized gaps 3 can be provided without affecting one for the entire circumference of the cells 1 to be made cooling required amount of inert liquid to increase in uneconomic areas inside.

Insbesondere bezüglich des Herstellungsverfahrens wird noch auf die 8 und 9 hingewiesen. Eine leichtere Anordnung der Zellen 1 mit sehr geringen Zwischenräumen 3 wird dadurch ermöglicht, dass an der Innenseite des Gehäuses 2 parallel laufende Leisten 22 ausgebildet sind, die etwa dem Maß b der Zwischenräume 3 entsprechen. Zunächst können die Zellen 1 in die ihnen zugeordneten „Fächer” eingesetzt werden und dann kann das Schüttgut 5 in die Zwischenräume 3 gebracht werden. Werden die Zwischenräume 3 hingegen mit der gitterartigen Struktur 6 belegt, können auch zunächst die Zellen 1 mit den Strukturen 6 gestapelt und dann gemeinsam in das Gehäuse 2B eingesetzt werden.In particular, with respect to the manufacturing process is still on the 8th and 9 pointed. A lighter arrangement of the cells 1 with very little gaps 3 This is made possible by the fact that on the inside of the housing 2 parallel bars 22 are formed, which is about the dimension b of the spaces 3 correspond. First, the cells can 1 can be used in their assigned "subjects" and then the bulk material 5 in the interstices 3 to be brought. Be the spaces 3 however, with the grid-like structure 6 occupied, can also first the cells 1 with the structures 6 stacked and then together in the housing 2 B be used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - WO 2007/031689 A1 [0002] - WO 2007/031689 A1 [0002]
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Kühlvorrichtung für elektrische Elemente (1), die ein Gehäuse (2) aufweist, in dem die elektrischen Elemente (1) angeordnet sind und mit einer inerten Flüssigkeit im Wärmeaustausch stehen, die im Gehäuse (2) verdampft und an einem Kühler (4) kondensiert, gekennzeichnet durch Zwischenräume (3) zwischen den elektrischen Elementen (1), die die inerte Flüssigkeit und entweder ein körniges Schüttgut (5) oder eine gitterartige Struktur (6) oder dergleichen enthalten, um die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit zu minimieren.Cooling device for electrical elements ( 1 ), which is a housing ( 2 ), in which the electrical elements ( 1 ) are in heat exchange with an inert liquid in the housing ( 2 ) evaporates and on a cooler ( 4 ) condensed, characterized by spaces ( 3 ) between the electrical elements ( 1 ) containing the inert liquid and either a granular bulk material ( 5 ) or a grid-like structure ( 6 ) or the like to minimize the required amount of the inert liquid. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (5) eine Korngröße von beispielsweise 0,5–5,0 mm aufweist.Cooling device according to claim 1, characterized in that the bulk material ( 5 ) has a grain size of, for example, 0.5-5.0 mm. Kühlvorrichtung nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (5) beispielsweise aus Glas- oder Kunststoffkügelchen besteht.Cooling device according to claims 1 and 2, characterized in that the bulk material ( 5 ) consists for example of glass or plastic beads. Kühlvorrichtung nach den Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterartige Struktur (6) ein Kunststoffgeflecht ist.Cooling device according to claims 1-3, characterized in that the grid-like structure ( 6 ) is a plastic braid. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus einem Deckel (2A) und einem Topf (2B) besteht, wobei der Deckel (2A) entweder als Kühler (4) ausgebildet ist oder mit dem Kühler (4) zusammenwirkt, der von einem Kühlmittel beaufschlagt wird und an dem die inerte Flüssigkeit kondensiert.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 2 ) from a lid ( 2A ) and a pot ( 2 B ), the lid ( 2A ) either as a cooler ( 4 ) or with the radiator ( 4 ) cooperates, which is acted upon by a coolant and on which the inert liquid condenses. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (b) der Zwischenräume (3) wenigstens 0,5 mm–5,0 mm vorzugsweise zwischen 1,5 mm und 3,0 mm beträgt.Cooling device according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the gap width (b) of the intermediate spaces ( 3 ) is at least 0.5 mm-5.0 mm, preferably between 1.5 mm and 3.0 mm. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite des Zwischenraums etwa doppelt so groß ist wie die gewählte Korngröße des Schüttguts.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the gap width of the gap about twice as large as the selected grain size of the bulk material. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Gehäuses (2) Leisten (22) angeordnet sind, die vom Maß her etwa den Zwischenräumen (3) entsprechen.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that on the inside of the housing ( 2 ) Afford ( 22 ) are arranged, the dimensionally about the spaces ( 3 ) correspond. Herstellungsverfahren für eine Kühlvorrichtung in einem Gehäuse, zur Kühlung von elektrischen Elementen (1), die mit Zwischenräumen (3) zueinander angeordnet sind, in die eine inerte Flüssigkeit eingefüllt wird, wobei in die Zwischenräume (3) zusätzlich entweder ein körniges Schüttgut (5) oder eine gitterartige Struktur (6) eingebracht wird, um die Menge der inerten Flüssigkeit zu minimieren.Manufacturing method for a cooling device in a housing, for cooling electrical elements ( 1 ), with spaces ( 3 ) are arranged to each other, in which an inert liquid is filled, wherein in the intermediate spaces ( 3 ) additionally either a granular bulk material ( 5 ) or a grid-like structure ( 6 ) to minimize the amount of inert liquid.
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