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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung.
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In modernen HEV/EV Fahrzeugen werden leistungsfähige Energiespeicher, wie zum Beispiel Li-Ionen oder NiMH-Akkumulatoren oder Super-Caps eingesetzt. Bei diesen kommt es beim schnellen Laden und Entladen aufgrund von Widerständen in und außerhalb der Zellen zur Erwärmung. Temperaturen über 50°C schädigen die Energiespeicher dauerhaft. Um die Funktion der Energiespeicher zu gewährleisten müssen diese aktiv gekühlt werden. Dazu werden die Energiespeicher über Kühlbleche mit einer Kühlplatte in thermischen Kontakt gebracht.
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Für einen optimalen Betrieb der Batterie ist es wichtig, dass alle Zellen gleichmäßig gekühlt werden, d. h. alle Zellen sollten auf demselben Temperaturniveau liegen. Das Temperaturniveau der Zellen beeinflusst Lebensdauer und die Leistung. Ebenso ist es wichtig, den Temperaturgradienten innerhalb der Zellen, hervorgerufen durch die Kühlung, möglichst gering zu halten.
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Aus
EP 2 149 771 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs bekannt, die einen Kühlkörper aufweist, der mehrere Vorströmungsfluten und mehrere Rückströmungsfluten hat. Zumindest eine Mehrzahl der Vorströmungsfluten und Rückströmungsfluten sind abwechselnd nebeneinanderliegend in dem Kühlkörper angeordnet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kühlvorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass an einem Kühlelement eine gleichmäßige Kühlflächentemperatur geschaffen werden kann, wenn mehrere Kältemittelkanäle durch eine erfindungsgemäße Anordnung unmittelbar aneinander vorbeigeführt werden, um einen größtmöglichen Wärmeaustausch zu realisieren. Dabei wird vorteilhaft ein möglichst großer Wärmeaustausch dadurch ermöglicht, dass sich zumindest ein Vorströmungskanal und ein Rückströmungskanal kreuzen, damit möglichst eine homogene Wärmeabfuhr aus dem Kühlelement sichergestellt ist. Dies ermöglicht ferner, dass die einzelnen Bereiche des Kühlelementes abwechselnd durch einen Vorströmungskanal (mit einer hohen Wärmeabfuhrrate) und einen Rückströmungskanal (mit einer geringeren Wärmeabfuhrrate) durchströmt werden. Diese Anordnung der Kältemittelkanäle ermöglicht daher eine deutlich bessere Homogenität der Temperaturverteilung auf einer Oberfläche des Kühlelementes, die wiederum eine bessere und gleichmäßigere Kühlleistung der Kühlvorrichtung ermöglicht. Besonders durch den Einsatz der Kreuzungsstellen kann ein sehr hoher Wärmeübergang erreicht werden, da an solchen Stellen der Vorströmungskanal, in dem beim Betrieb der Kühlvorrichtung das kältere Kältemittel strömt, sehr nahe am Rückströmungskanal verläuft, in dem beim Betrieb der Kühlvorrichtung das wärmere Fluid strömt, geführt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
- – mindestens einem Kühlelement mit mindestens zwei sich in unterschiedlichen Ebenen kreuzenden Kältemittelkanälen, wobei einer der beiden sich kreuzenden Kältemittelkanäle einen Vorströmungskanal und der andere der beiden sich kreuzenden Kältemittelkanäle einen Rückströmungskanal für ein Kältemittel bildet;
- – einem Kältemitteleintritt mit mindestens einer Verteilereinrichtung, wobei die Verteilereinrichtung ausgebildet ist, um das Kältemittel in den mindestens einen Vorströmungskanal zu leiten;
- – einem Kältemittelaustritt mit mindestens einer Sammeleinrichtung, wobei die Sammeleinrichtung ausgebildet ist, um das Kältemittel aus dem mindestens einen Rückströmungskanal zu sammeln; und
- – ein Verbindungselement, das ausgebildet ist, um je einen Vorströmungskanal fluiddurchlässig mit einem Rückströmungskanal zu verbinden.
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Dabei kann die Kühlvorrichtung zur thermischen Anbindung an eine Wärmequelle wie beispielsweise eine Energiespeichereinrichtung eines Fahrzeugs vorgesehen sein, wie beispielsweise einen Akkumulator oder elektrischen Kondensator. Insbesondere ist hierbei die Kühlvorrichtung als ein wärmeleitender plattenförmiger einstückiger Verbund aus einem gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet.
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Das Kühlelement kann beispielsweise mit einem Einzelelement des Energiespeichers in Verbindung stehen, wobei die Wärmequelle (d. h. das Einzelelement des Energiespeichers) durch thermischen Kontakt über Kühlbleche des Kühlelementes mit mindestens zwei sich in unterschiedlichen Ebenen des Kühlelements kreuzenden Kältemittelkanälen verbunden ist. Dabei bildet einer der beiden sich kreuzenden Kältemittelkanäle einen Vorströmungskanal zur Leitung des Kältemittels und der andere der beiden sich kreuzenden Kältemittelkanäle bildet einen Rückströmungskanal zur Leitung des Kältemittels. Ferner ist auch der Kältemitteleintritt, durch den das Kältemittel von einer Kältemittelquelle, wie beispielsweise einem Ausgang eines Verdichters mit anschließendem Kondensator oder einem Kältemittelspeicher in die Kühlvorrichtung strömen kann, mit mindestens einer Verteilereinrichtung verbunden. Dabei sollte die Verteilereinrichtung ausgebildet sein, um das Kältemittel mit möglichst geringen Strömungsverlusten in mindestens einen Vorströmungskanal zu leiten.
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Ferner ist auch der Kältemittelaustritt, durch den das Kältemittel zu einer Kältemittelsenke, wie beispielsweise einem Eingang eines Verdichters strömen kann, mit mindestens einer Sammeleinrichtung verbunden, wobei die Sammeleinrichtung günstigerweise ausgebildet sein sollte, um das Kältemittel mit ebenfalls möglichst geringen Strömungsverlusten aus dem Rückströmungskanal zu sammeln. Schließlich sollte das Verbindungselement je einen Vorströmungskanal fluiddurchlässig und mit möglichst geringen Strömungsverlusten mit einem Rückströmungskanal verbinden, um einen möglichst reibungsarmen Durchfluss von Kältemittel durch die Kältemittelkanäle zu ermöglichen.
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Ferner schafft ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mindestens ein Kühlelement in dem die Kältemittelkanäle im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein können und je ein Vorströmungskanal und je ein Rückströmungskanal abwechselnd nebeneinander in dem Kühlelement angeordnet sein können. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein gleichmäßiges Temperaturniveau an der Kontaktstelle des Kühlelementes mit der zu kühlenden Wärmequelle durch einen Ausgleich der Temperaturniveaus des Kältemittels im Vorströmungskanal und Rückströmungskanal erreicht werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können sich in dem mindestens einen Kühlelement zwei Kältemittelkanäle in unterschiedlichen Ebenen kreuzen, wobei die beiden sich kreuzenden Kältemittelkanäle entweder zwei Vorströmungskanäle oder zwei Rückströmungskanäle für ein Kältemittel repräsentieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine weiträumigere Angleichung des Temperaturniveaus in dem gesamten Kühlelement ermöglicht wird.
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Günstig ist es auch, wenn mehrere Kältemittelkanäle von mindestens zwei Kühlelementen in einer Reihenschaltung zusammengeschaltet werden, um bereits bekannte Parameter für die Temperierung der Wärmequellen oder – senken auf mehrere Einzelelemente übertragen zu können und hierdurch eine größere Wärmeübertragungsfläche durch einen kostengünstigen modularen Aufbau der Kühlvorrichtung mit mehreren einzelnen Kühlelementen zu erreichen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zwischen zumindest zwei Kühlelementen das Verbindungselement angeordnet sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass Kältemittel, das in einem Kühlelement in einem Vorströmungskanal fließt in dem anderen Kühlelement in einem Rückströmungskanal strömt. Auf diese Weise kann eine möglichst gute Wärmeabfuhr in den einzelnen Kühlelementen erreicht werden, da die einzelnen Kühlelemente durch eine solche Verschaltung der Kältemittelkanäle eine annähernd gleiche Wärmeabfuhrrate haben, egal an welcher Position sie in dem Verlauf der Vor- und Rückströmungskanäle verbaut sind.
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Besonders günstig ist es, wenn die Verteilereinrichtung ausgebildet ist, um das Kältemittel in Vorströmungskanäle von zumindest zwei unterschiedlichen Kühlelemente zu leiten, und wobei die Sammeleinrichtung ausgebildet sein kann, um das Kältemittel aus Rückströmungskanälen von den zumindest zwei unterschiedlichen Kühlelementen zu sammeln. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass in mehreren Kühlelementen annähernd gleiche Temperaturverhältnisse geschaffen werden können, so dass in der Kühlvorrichtung eine möglichst homogene Kühlleistung an Kühlflächen der einzelnen Kühlelemente erreicht wird. Dies trägt zu einer Optimierung der gesamten Kühlleistung der Kühlvorrichtung bei.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens elf Kühlelement das in der ersten Ebene parallel verlaufende Kältemittelkanäle aufweisen, die parallel verlaufende Kältemittelkanäle in der zweiten Ebene des Kühlelementes kreuzen, wobei zwischen je einem der in der ersten Ebene verlaufenden Kältemittelkanäle und einem der in der zweiten Ebene verlaufenden Kältemittelkanäle im Randbereich des Kühlelements eine fluiddurchlässige Verbindung bestehen kann. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass über einen größeren Bereich des Kühlelements von der Wärmequelle eingebrachte ungleichmäßige Temperaturverteilungen über mehrere Kältemittelkanäle ausgeglichen werden können.
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Auch kann in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens ein Kühlelement in der ersten Ebene zumindest teilweise parallele Kältemittelkanäle aufweisen, und in der zweiten Ebene zumindest teilweise parallele Kältemittelkanäle aufweisen, wobei die Kältemittelkanäle in der ersten Ebene von den Kältemittelkanälen in der zweiten Ebene fluiddicht getrennt sein können. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Erhöhung des Strömungswiderstands der Kältemittelkanäle durch Wechsel zwischen den Ebenen des Kühlelements vermieden werden kann.
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Günstig ist es auch, wenn mehrere Kältemittelkanäle die in der ersten Ebene und mehrere Kältemittelkanäle die in der zweiten Ebene bezüglich einer Symmetrieachse zwischen zwei gegenüberliegenden Begrenzungen des Kühlelements symmetrisch angeordnet sind. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass über einen größeren Bereich des Kühlelements von der Wärmequelle eingebrachte ungleichmäßige Temperaturverteilungen über mehrere Kältemittelkanäle ausgeglichen werden kann. Zugleich ermöglicht eine derartige Ausführungsform der Erfindung den Verbau von Kühlelementen, die durch ihren symmetrischen Aufbau kostengünstig herstellbar sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können mindestens zwei Kühlelemente nebeneinander und/oder quer zwischen der Sammeleinrichtung und dem Verbindungselement angeordnet sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass mehrere einzelne Kühlelemente zu der Wärmequelle nebeneinander und/oder hintereinander (in Bezug auf den Kühlmittelfluss) angeordnet werden können, so dass durch eine einfache Anordnung von Elementen in Nebeneinander- oder Querschaltung eine sehr große Kühlfläche durch die derart angeordneten Kühlelemente bereitgestellt werden kann.
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Auch kann gemäß einer anderen Ausführungsform eine einstückige Kühlplatte vorgesehen sein, die mindestens zwei Kühlelemente aufweist. Dies ermöglicht einen guten Wärmefluss samt einer guten Wärmeverteilung von der Wärmequelle über die einstückige Kühlplatte in die einzelnen Kühlelemente.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Kühlplatte vorgesehen sein, in der der Kältemitteleintritt, das Verbindungselement und der Kältemittelaustritt integriert ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen einfachen Aufbau der Kühlvorrichtung. Die Betriebssicherheit von Kältemittel-betriebenen Kühlplatten verbessert sich erheblich. Dadurch kann das Ziel einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung in der Kühlplatte leichter erreicht werden.
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Insbesondere ist die Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeuges vorgesehen. Eine derartige Kühlvorrichtung ist Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs umfassend einen Verdichter, einen Kondensator oder Gaskühler, einen ersten Verdampfer zur Luftkonditionierung eines Fahrgastraums und einen zweiten Verdampfer, wobei die Kühlvorrichtung als der zweite Verdampfer ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelflusses einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsvariante;
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2 eine schematische Darstellung eines Kältemittelflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung; und
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3 eine schematische Darstellung eines Kältemittelflusses gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Kältemittelflusses in einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsvariante. Ein Kältemitteleintritt 100 ist über eine Verteilereinrichtung 102 mit durchgezogen dargestellten Vorströmungskanälen 104 (Kältemittelkanälen) verbunden. Diese verlaufen durch einen zu temperierenden/kühlenden Bereich 106 zu einer Verbindungseinrichtung 108, von wo sie als gestrichelt dargestellte Rückströmungskanäle 110 (d. h. ebenfalls Kältemittelkanäle) bis zu einer Sammeleinrichtung 112 wieder durch den zu temperierende/kühlenden Bereich 106 zurück verlaufen und dort in einem Kältemittelaustritt 114 zusammengefasst werden. Die Kältemittelkanäle 104, 110 verlaufen geradlinig und parallel durch den zu temperierenden Bereich 106 von der Verteilereinrichtung 102 zu der Verbindungseinrichtung 108 und wieder zu der Sammeleinrichtung 112 zurück. Vorströmungskanäle 104 und Rückströmungskanäle 110 befinden sich in einer Ebene und sind abwechselnd nebeneinander angeordnet. Durch Wärmeströme von wärmerem Kältemittel in den Rückströmungskanälen 110 zu kälterem Kältemittel in den Vorströmungskanälen 104 entsteht ein weitgehend ausgeglichenes Temperaturniveau in dem zu temperierenden/kühlenden Bereich 106. Insbesondere wird durch die Kühlvorrichtung aus 1 ein Kältemittelstrom vom Kältemitteleintritt 100 in einen ersten Kältemittelstrom 1 und einen zweiten Kältemittelstrom 2 aufgeteilt. Diese beidem Kältemittelströme werden dann in der Verteilereinrichtung 102 nochmals aufgeteilt, wobei der Kältemittelstrom 1 in einen Teilstrom 1.1 und einen Teilstrom 1.2 und der Kältemittelstrom 2 in einen Teilstrom 2.1 und einen Teilstrom 2.2 aufgeteilt werden, wobei das Kältemittel in diesen vier Teilströmen nun durch die Kältemittelkanäle der Kühlelemente, das Verbindungselement 108 und die Sammeleinrichtung 112 zum Kältemittelaustritt 114 geleitet werden. Dabei wird das Kältemittel zuerst durch die Vorströmungskanäle 104 geführt, wobei der entsprechende Teilstrom in einem Vorströmungskanal 104 dann mit dem Bezugszeichenzusatz „a” versehen ist. Fließt das Kältemittel in einem Rückströmungskanal 110 wird der entsprechende Teilstrom mit dem Bezugszeichenzusatz „b” versehen.
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Treten in verschiedenen Teilbereichen des zu temperierenden/kühlenden Bereichs 106 unterschiedliche Energie- d. h. Wärmeeinträge auf, so ist die Ausgleichsfähigkeit dieser Anordnung beschränkt. Zwischen nicht direkt nebeneinander liegenden Kältemittelkanälen 104, 110 besteht eine nur eingeschränkte Möglichkeit unterschiedliche Temperaturen auszugleichen. Die Folge ist ein unausgeglichenes Temperaturniveau in dem zu kühlenden Bereich 106 und wodurch Nachteile für die zu temperierenden/kühlenden Wärmequellen oder Wärmesenken entstehen, wenn die auftretende Wärme nicht oder nur ungleichmäßig abgeführt wird.
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Wenn mehrere Kanäle nebeneinander angeordnet werden, speziell um eine flächige Kühlung zu realisieren, läßt sich der gleichmäßige Wärmeaustausch zwischen mehreren Kanälen somit nur schwer realisieren. Naturgemäß ist der Wärmeaustausch nur zwischen benachbarten Kanälen gut, d. h. bei Kanalzahlen von mehr als 2 (d. h. bei mehr als einer Stromtrennung) ergeben sich Probleme. Beispielsweise wäre bei der „Parallel”-Schaltung mit 4 Teilströmen (d. h. entsprechend der Anordnung gemäß der 1) der gleichmäßige Wärmeaustausch zwischen den Teilstromabschnitten 1.1a, 1.2b, 2.1a, 2.2b des Kältemittels sicherzustellen. Durch die parallele Anordnung ist der Wärmeaustausch zwischen dem Teilstromabschnitt 1.1a und dem Teilstromabschnitt 2.2b aus 1 jedoch deutlich schlechter als beispielsweise zwischen dem Teilstromabschnitt 1.1a und dem Teilstromabschnitt 1.2b.
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Besonderes Ziel der Erfindung ist es daher, eine Kanalschaltung zu finden bei der diese ungleichmäßige Verteilung (bzw. der ungleichmäßige Wärmeaustausch zwischen mehreren Teilstromabschnitten) minimiert bzw. eine stabile Verteilung möglich wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kältemittelflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Von einem Kältemitteleintritt 100 strömt ein Kältemittel über eine Verteilereinrichtung 102 in Kältemittelkanäle 104, 110, wobei es durch Vorströmungskanale 104 zu einer Verbindungseinrichtung 108 und durch Rückströmungskanäle 110 über eine Sammeleinrichtung 112 zu einem Kältemittelaustritt 114 strömt. Der Kältemitteleintritt 100 und der Kältemittelaustritt 114 befinden sich auf einer selben Seite (d. h. auf der rechten Seite in 2) der Kühlvorrichtung. Auf ihrem Weg durchqueren die Kältemittelkanäle 104, 110 einem ersten Strang von in Reihe geschalteten Kühlelementen 200 zur Kühlung einer Oberfläche der Wärmequelle oder zumindest einzelner Teilbereiche davon. Der erste Strang umfasst dabei die beiden oberen Vorströmungskanäle und die beiden oberen Rückströmungskanäle aus der Darstellung nach 2.
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Die Kältemittelkanäle 104, 110 überkreuzen sich gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 innerhalb der Kühlelemente 200 in mehreren d. h. zumindest zwei Ebenen in Form einer Criss-cross Kältemittelschaltung. Die Kältemittelkanäle 104, 110 befinden sich somit in zwei Ebenen, wobei in einer ersten Ebene alle Kanäle parallel angeordnet sind und die parallel angeordneten Kältemittelkanäle 104, 110 in einer zweiten Ebene in einem (gleichen) Winkel überkreuzen. Dabei ist eine Übertragung von Wärme von den Rückströmungskanälen 110 auf die Vorströmungskanäle 104 möglich. Durch die Kreuzungen 202, 204 erreichen die Kältemittelkanäle 104, 110 beide gegenüberliegenden Begrenzungen der Kühlelemente 200, wo jeweils ein Vor- oder Rückströmungskanal 104, 110 in die jeweils andere Ebene wechselt und seine Richtung entsprechend dem Kältemittelkanalverlauf in dieser Ebene ändert. Nach mehreren Richtungswechseln, auch über mehrere Kühlelemente 200 hinweg, erreichen die Kältemittelkanäle 104, 110 die Verbindungseinrichtung 108, von wo sie in ähnlicher Anordnung innerhalb eines zweiten Stranges aus den beiden unteren Vor- und Rückströmungskanälen zurück zur Sammeleinrichtung 112 führen. Dadurch können Temperaturunterschiede innerhalb des jeweiligen Strangs zwischen und Innerhalb der Kühlelemente 200 ausgeglichen werden. Die Kühlelemente jedes Stranges können dabei von den Kühlelementen des jewiels anderen Stranges thermisch isoliert sein. Vor- und Rückströmungskanäle 104, 110 verlaufen in einer Ebene weitestgehend parallel zueinander so dass das Kältemittel, das in diesen Kanälen strömt sehr effizient gegenseitig Wärme austauschen kann. Damit wird auch bei mehreren hintereinander liegenden Kühlelementen 200 ein sehr gleichmäßiges Temperaturniveau erreicht. Die Verbindungseinrichtung 108 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 genau nach der Hälfte der in Reihe geschalteten Kühlelemente 200 angeordnet Somit sind die Kühlelemente 200 sowohl nebeneinander in zwei Strängen, wie auch hintereinander in einer Reihenschaltung angeordnet. Dadurch ergeben sich gleich lange Wege für die Vor und Rückströmungskanäle 104, 110, so dass sich Druckverluste in den einzelnen Kanälen weitgehend ausgleichen.
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Vermindert sich nun beispielsweise durch einen Defekt die Kältemittelmenge in einem der Kältemittelkanäle 104, 110 können andere Kältemittelkanäle 104, 110 dieses Defizit an Wärmeabfuhrkapazität ausgleichen.
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Die nachfolgenden Punkte sollten (alle) erfüllt sein um die erfindungsgemäße Lösung bestmöglich umzusetzen, wobei auch andere erfindungsgemäße Lösungsansätze prinzipiell denkbar sind. Um die Verteilungsprobleme zu lösen wird vorliegend eine Schaltung von Kältemittelkanälen in Kühlelementen vorgeschlagen, bei der:
- a) Paarweise Stromtrennungen 102 erfolgen, d. h. ein Kältemittelstrom immer nur halbiert wird. Z. B. wird ein Kältemittelstrom an der Stromtrennung 102 in die Teilströme gleichmäßig aufgeteilt.
- b) Die Stromführung aller Teilströme erfolgt im U-Flow, d. h. jeder Teilstrom wird im Wesentlichen parallel zu sich selbst zurückgeführt. So hat jeder Teilstrom einen ersten und einen zweiten Kanalabschnitt die in etwa gleich lang sind. Z. B. hat jeder Teilstrom einen ersten Abschnitt 104 und einen zweiten Abschnitt 110.
- c) Jedes Paar, d. h. die beiden Teilströme einer Stromverzweigung 102 werden zu einem möglichst hohen Anteil unmittelbar benachbart angeordnet. Z. B. werden die Teilströme weitgehend nebeneinander liegend angeordnet, so dass über den wärmeleitenden Verbund Wärme zwischen den beiden Teilströmen ausgetauscht werden kann. Sobald mehr als 2, d. h. 4 und mehr Teilströme verwendet werden, sollte Wärme zwischen 4 und mehr Teilstromabschnitten gleichmäßig übertragen werden. Durch die Stromkreuzungen 202, 204 in der „Criss-Cross”- bzw. „Twist”-Schaltung (wie sie in 3 schematisch dargestellt und nachfolgend detaillierter beschrieben ist) wird im Gegensatz zur „Parallel”-Schaltung (gemäß der Anordnung aus 1) für diesen gleichmäßigeren Wärmeaustausch zwischen allen beteiligten Teilströmen gesorgt. Bevorzugt werden die Kreuzungen 202, 204 und Kanäle so angeordnet, dass unter jedem zu kühlendem Batteriemodul 200 dasselbe Muster entsteht Damit wird eine gleichmäßige Wärmeübertragung von den Batteriezellen zu den Kältekanälen 104, 110 ermöglicht. Zwar steigt der Druckabfall im Vergleich zu einer „Parallel”-Schaltung durch die zusätzlichen Umlenkungen an. Dieser zusätzliche Druckabfall ist aber verhältnismäßig klein im Vergleich zu dem zusätzlichen Druckabfall der durch eine ungleiche Kältemittelverteilung entsteht.
- d) Jedes Paar, d. h. die beiden Teilströme einer Stromverzweigung werden weitgehend im Gegenstrom (teilweise Kreuzstrom) zueinander angeordnet. Z. B. wird der erste Abschnitt 1.1a unmittelbar benachbart dem zweiten Abschnitt 1.2b angeordnet und der erste Abschnitt 1.2a unmittelbar benachbart dem zweiten Abschnitt 1.1b.
- e) Die Kanäle der Teilströme sollten in einen gut wärmeleitenden Verbund eingebettet sein. Z. B. können die Kanäle in eine Aluminiumplatte als Kühlelement eingearbeitet sein, so dass zwischen den Kanälen eine gute wärmeleitende Verbindung besteht. Davon ausgenommen ist eine Trennung des Verbundes in der Symmetrieachse der Gesamtkühlplatte.
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Bei dieser Vorgehensweise entstehen stets 2n Teilströme und 2 × 2n nebeneinanderliegende Teilstromabschnitte.
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Der Vorteil dieser Schaltungsweise liegt einerseits gemäß der Punkte b), d) und e) im Ausgleich der Temperaturunterschiede am Eintritt 100 und am Austritt 114 eines Kältemittelteilstroms, was eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Kühlplätte oder den Kühlelementen 200 über die gesamte Länge eines Teilstromes zur Folge hat. Diese Vorgehensweise ist auch bei Verwendung von Wasser-Glykol als Kühlmedium vorteilhaft.
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Andererseits wird gemäß der Punkte a), c) und e) eine Verbesserung der Wärmeübertragung aufgrund der gegenseitigen Absicherung bzw. Verstärkung des Flusses des Kältemittels in den Kältemittelkanälen erreicht. Kommt es z. B. im ersten Abschnitt des Teilstromes 1.1a zu einem Anstieg des Druckverlustes, was zwangsläufig zu einem verminderten Kältemittelmassenstrom durch diesen Kanal und im Teilstrom 1.1 führt, erhöht sich entsprechend der Kältemittelmassenstrom im zugeordneten Teilstrom 1.2 automatisch. Da die Teilströme unmittelbar nebeneinander liegen kann durch Wärmeleitung die Minderleistung des einen Teilstromes durch die Mehrleistung des zugeordneten Teilstromes weitgehend kompensiert werden. Durch Staffelung der paarweisen Teilströme kann auf diese Weise jede Stromtrennung abgesichert werden.
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Eine weitere Variante der selbststabilisierenden Kältemittelschaltung bei der ebenfalls Stromkreuzungen notwendig sind, ist die „Twist”-Kältemittelschaltung, die unter Zuhilfenahme der Darstellung aus 3 nachfolgend näher beschrieben wird.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Von einem Kältemitteleintritt 100 über eine Verteilereinrichtung 102 verlaufen Kältemittelkanäle 104, 110 als Vorströmungskanäle 104 zu einer Verbindungseinrichtung 108 und als Rückströmungskanäle 110 über eine Sammeleinrichtung 112 zu einem Kältemittelaustritt 114. Kältemitteleintritt 100 und Kältemittelaustritt 114 befinden sich auf einer selben Seite der Vorrichtung. Auf ihrem Weg durchqueren die in zwei Strängen parallel nebeneinander durchströmten Kältemittelkanäle 104, 110 in Reihe geschaltete Kühlelemente 200 für einzelne Teilbereiche einer Wärmequelle. Die Kältemittelkanäle 104, 110 eines Teilstranges überkreuzen sich um gegenseitig Wärme austauschen zu können in einer Twist-Kältemittelschaltung. Die Verteilereinrichtung 102 sorgt für einen gleichmäßigen Durchfluss durch alle Vorströmungskanäle 104 und somit für ein gleichmäßiges Temperaturniveau im gesamten Bereich. Die Verbindungseinrichtung 108 befindet sich in der Mitte der Kältemittelkanäle, um identische Kanallängen von Vor- und Rückströmungskanälen 104, 110 zu ermöglichen. Die Kühlelemente 200 sind entlang der Haupterstreckungsrichtung der Teilstränge in einer Reihenschaltung hintereinander angeordnet, während die Teilstränge in einer Parallelschaltung durch die Kühlelemente 200 geführt sind. Die im Wesentlichen parallel angeordneten Kältemittelkanäle verlaufen in der gleichen Ebene und überkreuzen im Wesentlichen parallel angeordnete Kältemittelkanäle, die in einer anderen Ebene angeordnet sind. Die Kanäle 104, 110 verlaufen dabei von einer äußeren Begrenzung der Kühlelemente 200 in Richtung einer Mitte der Kühlelemente 200 und wieder zur Begrenzung der Kühlelemente 200 zurück. In den verschiedenen Ebenen verlaufen die Leitungen 104, 110 spiegelbildlich zueinander um die Kreuzungen zu ermöglichen.
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Um die maximale Temperaturdifferenz an der Oberfläche einer Kühlplatte und damit zwischen einer Mehrzahl von damit gekühlten Batteriezellen möglichst klein zu halten, wird somit eine Kanal-Schaltung für Kühlplatten vorgeschlagen die mit Kältemittel betrieben werden, zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Kältemittelverteilung und damit Temperaturverteilung.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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