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Die Erfindung betrifft ein Aggregat mit elektronischen Funktionseinheiten und Wärmetauschern zum Kühlen der Funktionseinheiten, insbesondere ein Aggregat in einem oder für ein Fahrzeug wie vorzugsweise ein Automobil oder Nutzfahrzeug.
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Aus der
US 7 614 247 B2 ist eine Kühlanordnung zum Kühlen von in einem Gehäuse angeordneten Funktionseinheiten mit einem ersten von einem mit Kühlmittel durchströmbaren Wärmetauscher, der mit einer ersten Funktionseinheit Wärme leitend verbunden ist. Die Kühlanordnung weist eine Zuleitung und eine Ableitung auf, die mit dem ersten Wärmetauscher und weiteren Wärmetauschern verbunden werden können, wobei die Zuleitung und die Ableitung mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Verteiler für das Kühlmittel verbunden sind. Der Verteiler wiederum ist an ein externes Fluidsystem für das Kühlfluid angeschlossen.
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Die
DE 10 2007 013 906 A1 betrifft eine Luftfahrzeugelektronikkühleinrichtung mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass um einem Bauteileträger für zumindest ein elektronisches Bauteil Wärme zu entziehen.
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Die
US 2003/0 015 314 A1 betrifft unter anderem ein System zum Kühlen mehrerer elektronischen Leiterplatinen mittel dazwischen angeordneter Kühlplatten.
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Aus der
DE 10 2006 037 065 A1 ist ein Kühlplattensystem mit zwei an gegenüberliegenden Seiten der Kühlplatte angeordneten Querkanälen bekannt. Einer der Querkanäle bildet dabei den Zulauf für das Kühlfluid in die Kühlplatte, der andere Querkanal den Ablauf.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes Gerät wie etwa ein elektronisches Gerät für vorzugsweise einen mobilen Einsatz effizient zu kühlen, wobei das Gerät trotz Anschlusses an ein externes Kühlfluidsystem vorzugsweise einfach gewartet und auch einfach ausgetauscht werden kann.
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Die Erfindung schlägt hierfür ein Aggregat mit elektronischen Funktionseinheiten und Wärmetauschern zum Kühlen der Funktionseinheiten vor, das eine erste Funktionseinheit und wenigstens eine weitere, zweite Funktionseinheit, einen ersten Wärmetauscher und wenigstens einen weiteren, zweiten Wärmetauscher umfasst. Der erste Wärmetauscher dient zum Kühlen der ersten Funktionseinheit, vorzugsweise nur der ersten Funktionseinheit, und der zweite Wärmetauscher dient zum Kühlen der zweiten Funktionseinheit, vorzugsweise nur zum Kühlen der zweiten Funktionseinheit. Die Wärmetauscher sind jeweils von einem Kühlfluid durchströmbar, um die von der zugeordneten Funktionseinheit aufgenommene Wärme an ein externes Kühlfluidsystem abzuführen. Die elektronischen Funktionseinheiten und Wärmetauscher sind in einem Gehäuse angeordnet, aus dem Kühlfluid-Zuführungen und -abführungen der Wärmetauscher herausgeführt sind.
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Das Aggregat umfasst ferner einen außerhalb des Gehäuses angeordneten Verteiler für das Kühlfluid, der eine dem Gehäuse zugewandte interne Verteileranschlussseite aufweist, an der die Zuführungen und Abführungen der Wärmetauscher angeschlossen sind. Der Verteiler verfügt über einen Verteilereinlass und einen Verteilerauslass für einen Anschluss an das externe Fluidsystem für das Kühlfluid. Die Zuführungen und Abführungen der Wärmetauscher sind an der gleichen Seite des Gehäuses, einer Anschlussseite des Gehäuses, aus diesem herausgeführt. Die interne Verteileranschlussseite ist der Anschlussseite des Gehäuses zugewandt. Aufgrund der Aufspaltung in die innerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmetauscher, die jeweils einer der Funktionseinheiten, vorzugsweise jeweils nur genau einer der Funktionseinheiten, zugeordnet sind, und den außerhalb des Gehäuses angeordneten Verteiler für die Verteilung des Kühlfluids im Zufluss und im Abfluss können die Funktionseinheiten auf engem Raum angeordnet und dennoch effizient gekühlt werden. Der in nächster Nähe zum Gehäuse angeordnete Verteiler übernimmt die Funktion der Ankopplung an das externe Fluidsystem und der Verteilung des Kühlfluids auf die Wärmetauscher und Sammlung des von den Wärmetauschern rückströmenden, erwärmten Kühlfluids und Rückleitung ins externe Fluidsystem.
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Kompaktheit und effiziente Kühlung können optimal vereint werden, wenn die Funktionseinheiten und Wärmetauscher im Gehäuse schichtartig im Stapel übereinander geordnet sind, wobei der erste Wärmetauscher in Stapelrichtung zwischen der ersten und der zweiten Funktionseinheit und der zweite Wärmetauscher in Stapelrichtung an einer von dem ersten Wärmetauscher abgewandten Seite der zweiten Funktionseinheit angeordnet sind. Die Funktionseinheiten und Wärmetauscher weisen in solch einem schichtartig aufgebauten Stapel in Stapelrichtung gemessene Höhen auf, die kleiner sind als ihre quer zur Stapelrichtung gemessenen Längen und Breiten. Eine Anordnung in Stapelrichtung übereinander umfasst auch Anordnungen, in denen die Stapelrichtung nicht in Schwerkraftrichtung weist, sondern beispielsweise quer dazu. In einer ebenfalls bevorzugten Anordnung sind die Funktionseinheiten und Wärmetauscher alternierend in Umfangsrichtung um eine Achse angeordnet. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise bei einem Rotor oder Stator eines Elektromotors vorliegen, wobei die Funktionseinheiten in solch einer Ausführung elektrische Spulen oder Permanentmagnete sein können, zwischen denen in Umfangsrichtung jeweils einer der Wärmetauscher angeordnet ist. In solch einer Anordnung kann jeweils einer der Wärmetauscher jeweils nur einer der zu kühlenden Funktionseinheiten zugeordnet sein, alternativ können die Wärmetauscher aber auch jeweils die links und rechts in Umfangsrichtung daneben liegende Funktionseinheit kühlen, also jeder der Wärmetauscher jeweils mit den beiden nächstbenachbarten Funktionseinheiten wärmeleitend verbunden sein. Die Funktionseinheiten können insbesondere Elektronikeinheiten sein. Bei dem Aggregat kann es sich insbesondere um ein Ladegerät und den Funktionseinheiten zumindest im Wesentlichen um Ladeeinrichtungen handeln, die miteinander vorteilhafterweise verschaltet sind, um das Ladegerät gemeinsam zu bilden.
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Die Funktionseinheiten sind untereinander vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich. Die Wärmetauscher sind untereinander vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich. Von Vorteil ist, wenn die Funktionseinheiten untereinander dem Kühlbedarf nach gleich sind. Zumindest hinsichtlich der Wärmetauscher ist von Vorteil, wenn diese untereinander nach Kühlleistung und Geometrie, also in Form und Abmessungen, einander zumindest im Wesentlichen gleich sind.
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Vorteilhafterweise sind jeweils eine der Funktionseinheiten und einer der Wärmetauscher zu einem Einbaumodul zusammengefasst. Funktionseinheit und Wärmetauscher des gleichen Einbaumoduls können an einander zugewandten Seiten, vorzugsweise Flachseiten, in innigem Wärmeleitkontakt miteinander verbunden sein.
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Um Wartungs- oder Reparaturarbeiten oder einen Austausch des Aggregats zu erleichtern, ist der Verteiler vorzugsweise lösbar mit den Zuführungen und Abführungen der Wärmetauscher verbunden. Die Verbindung kann insbesondere als Steckverbindung oder Steck-Rastverbindung gebildet sein. In vorteilhaften Ausführungen sind die Zu- und Abführungen in an der internen Verteileranschlussseite vorgesehene Buchsen des Verteilers einführbar, vorzugsweise reibschlüssig einsteckbar. Die Buchsen können beispielsweise als Löcher im Verteiler geformt sein. In derartigen Ausführungen sind die Zu- und Abführungen der Wärmetauscher die Stecker und der Verteiler bildet die Buchsen. Grundsätzlich kann die Anordnung jedoch auch vertauscht werden, obgleich weniger bevorzugt, also die Stecker oder ein Teil der Stecker am Verteiler vorgesehen sein und die Zu- und Abführungen der Wärmetauscher entsprechend die Buchsen oder einen Teil der Buchsen bilden. Von Vorteil ist, wenn die Zuführungen und Abführungen der Wärmetauscher auf einer gemeinsamen Anschlussseite des Gehäuses in die gleiche Richtung münden, so dass der Verteiler in diese Richtung von den Zuführungen und Abführungen der Wärmetauscher abziehbar und mittels einer auf die Anschlussseite des Gehäuses gerichteten einheitlichen Bewegung mit den Zuführungen und Abführungen wieder verbindbar ist. Der Verteiler und die Enden der Zu- und Abführungen sind in vorteilhaften Ausführungen so gestaltet, dass die Verbindung allein durch die einheitliche Zustellbewegung, also nur durch Druck, hergestellt werden kann und in bevorzugten Ausführungen keine zusätzlichen Handgriffe erfordert. Die Zustellbewegung ist in derartigen Ausführungen eine Einsteck- oder Aufsteckbewegung, die gleichzeitig auch den dichten Anschluss des Verteilers an die Wärmetauscher gewährleistet.
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Der Verteiler weist in bevorzugten Ausführungen einen Verteilerkörper mit an die Zuführungen der Wärmetauscher angeschlossenen Hinströmkanälen und an die Abführungen angeschlossenen Rückströmkanälen und in den Hinströmkanälen, vorzugsweise auch in den Rückströmkanälen Schließeinrichtungen auf, beispielsweise Rückschlagventile, die die Hinströmkanäle und vorzugsweise auch die Rückströmkanäle automatisch dicht verschließen, wenn das Aggregat und der Verteiler voneinander getrennt werden, und die Kanäle automatisch freigeben, wenn der Verteiler mit dem gleichen oder einem neuen Aggregat erneut verbunden wird. Das Trennen des Aggregats vom externen Kühlfluidsystem beeinträchtigt in solchen Ausführungen nicht dessen Dichtigkeit. Der Verteiler verschließt das Kühlfluidsystem bei abgenommenem Aggregat.
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Der Verteiler kann die Funktion einer Entgasung des Kühlfluids übernehmen. So kann ein Entgaser beispielsweise in einem Hinströmkanal des Verteilers angeordnet oder geformt sein, wobei solch ein Entgaser die Entgasung des Kühlfluids für beide Wärmetauscher, gegebenenfalls auch noch weitere Wärmetauscher der genannten Art übernimmt. In einer Weiterbildung umfasst der Verteiler mehrere Entgaser, vorzugsweise jeweils einen eigenen Entgaser pro Wärmetauscher.
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Der Verteiler weist in bevorzugten Ausführungen einen Verteilkanal und einen Sammelkanal sowie vom Verteilkanal abzweigend Hinströmkanäle und zum Sammelkanal rückführend Rückströmkanäle auf. Der Verteilkanal schließt sich stromabwärts an den Verteilereinlass und der Sammelkanal schließt sich stromaufwärts an den Verteilerauslass an. Die Hinströmkanäle führen das Kühlfluid zu den Zuführungen der Wärmetauscher, und die Rückströmkanäle nehmen das rückströmende Kühlfluid von den Abführungen der Wärmetauscher auf und führen es zurück in den Sammelkanal, durch den es zum Verteilerauslass und zurück ins externe Fluidsystem strömen kann. Die Kanäle können zwar grundsätzlich von zusammengeschlossenen Fluidleitungen gebildet werden, bevorzugter sind sie in einem Verteilerkörper des Verteilers geformt.
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Der Verteilerkörper ist vorzugsweise platten- oder scheibenförmig und kann insbesondere im Ganzen gesehen zumindest im Wesentlichen als Platte oder Scheibe geformt sein. So kann der Verteilerkörper beispielsweise als flacher Quader oder zumindest im Wesentlichen quaderförmig geformt sein. Er kann auch von zwei flachen Quadern oder stabförmigen Körperteilen gebildet werden. Die Körperteile können an einander zugewandten Längsseiten schmaler werden, so dass der Verteilerkörper zwischen zwei solchen Teilkörpern eine schlanke Übergangszone aufweist, über die bereits bedingt durch die schlankere Form die Wärmeleitung reduziert ist. Eine im Querschnitt reduzierte Übergangszone kann aber auch für einen in einem Stück gefertigten Verteilerkörper von Vorteil sein, um einen Zuführbereich des Fluids von einem Abführbereich thermisch zu trennen, also erfindungsgemäß den Wärmeaustausch zwischen den das Fluid zum Aggregat führenden Kanälen und den das Fluid vom Aggregat zurück in das Kühlsystem führenden Kanälen zu reduzieren.
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Die Kanäle sind vorzugsweise jeweils in ihrem gesamten Verlauf gerade. Sie können insbesondere einfache Bohrungen sein. Der Verteilkanal und der Sammelkanal sind zweckmäßigerweise jeweils als Sackbohrung geformt. Im bevorzugten Fall von im Stapel übereinander angeordneten Funktionseinheiten und Wärmetauschern, die vorzugsweise alternierend übereinander gestapelt, vorzugsweise aufeinander gestapelt angeordnet sind, ist es vorteilhaft, wenn der Verteilkanal und der Sammelkanal bei angeschlossenem Verteiler sich in Stapelrichtung erstrecken oder die Hinströmkanäle und Rückströmkanäle zumindest im Wesentlichen rechtwinklig zum Verteilkanal bzw. Sammelkanal weisen. Die Hinströmkanäle und Rückströmkanäle erstrecken sich vorzugsweise gerade in Richtung auf die Anschlussseite des Gehäuses. Von Vorteil ist es, wenn die Zuführungen und Abführungen der Wärmetauscher sich aus dem Gehäuse heraus in die gleiche Richtung erstrecken. Die Zuführungen und Abführungen können vorteilhafterweise unmittelbar in die Hinström- und Rückströmkanäle des Verteilers gesteckt werden, wobei die Anordnung vorteilhafterweise ausreichend steif ist, so dass der Verteiler mit seinen Hin- und Rückströmkanälen durch die bereits genannte einheitliche Zustellbewegung in Richtung auf die Anschlussseite des Gehäuses entweder auf die Zu- oder Abführungen der Wärmetauscher gesteckt oder mit seinen anderenfalls an der internen Verteileranschlussseite herausragenden Hin- und Rückströmkanälen in die Zu- und Abführung der Wärmetauscher eingesteckt werden kann. Ein Einstecken der Zu- und Abführungen der Wärmetauscher in die in solchen Ausführungen als interne Kanäle des genannten Verteilerkörpers geformten Hin- und Rückströmkanäle wird allerdings bevorzugt.
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Der Verteilereinlass und der Verteilerauslass können an der gleichen Seite des Verteilers vorgesehen sein. In einer Weiterentwicklung sind der Verteilereinlass und der Verteilerauslass an einander gegenüberliegenden, voneinander abgewandten Seiten des Verteilers vorgesehen. Vorzugsweise sind der Verteilereinlass und der Verteilerauslass an einer Stirnseite oder an einander gegenüberliegenden Stirnseiten des bereits genannten, vorzugsweise plattenförmigen Verteilerkörpers vorgesehen. Die Anordnung an einander gegenüberliegenden Stirnseiten hat den Vorteil, dass insbesondere bei übereinander im Stapel angeordneten Funktionseinheiten und Wärmetauschern die Strömungswege vom Verteilereinlass bis zum Verteilerauslass für jeden der Wärmetauscher zumindest im Wesentlichen gleich lang sein können, was zu einer Vergleichmäßigung der Mengenverteilung des Kühlfluids beiträgt. Stattdessen oder ergänzend kann eine gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids auf die mehreren Wärmetauscher aber auch durch eine Variation der Strömungsquerschnitte innerhalb des Fluidsystems des Verteilers erreicht werden. Vorteilhafterweise sind die Strömungsverhältnisse im Verteiler so gestaltet, dass der Verteiler dafür sorgt, dass der Strömungswiderstand für jeden der Wärmetauscher jeweils insgesamt der gleiche ist oder die Gesamtströmungswiderstände im Verteiler einander zumindest angeglichen werden. Zylindrische Kanäle werden für den Verteilerkörper bevorzugt, da dies die Herstellung vereinfacht und die Kosten entsprechend senkt, zudem Drosselverluste gering hält. Strömungskanäle mit überall dem gleichen, konstanten Querschnitt können insbesondere dann verwirklicht werden, wenn der Verteilereinlass und der Verteilerauslass an einander gegenüberliegenden Seiten des Verteilerkörpers angeordnet sind.
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Der Verteiler kann als ein einziges Teil gefertigt sein, beispielsweise aus einem einheitlichen Metall, vorzugsweise als Leichtmetallblock. In Weiterbildungen ist der Verteiler aus zwei separat gefertigten Teilen zusammengebaut, also ein gefügter Verteiler. Der gefügte Verteiler umfasst vorzugsweise ein Zuführkörperteil, im Folgenden Zuführteil, für die Zuführung des Kühlfluids zu den Wärmetauschern und ein Abfürkörperteil, im Folgenden Abführteil, für die Abführung des Kühlfluids von den Wärmetauschern. Das Zuführteil umfasst den Verteilereinlass und das gesamte Zuführsystem des Verteilers, während das Abführteil den Verteilerauslass und den Teil des Fluidsystems des Verteilers umfasst, in dem das Kühlfluid zurückströmt. Im Zuführteil strömt das Kühlfluid bis zu den Zuführungen der Wärmetauscher, und im Abführteil strömt es ab den Abführungen der Wärmetauscher. Die Aufspaltung des Verteilers in ein Zuführteil und ein Abführteil ermöglicht es, das im Verteiler in Richtung auf die Wärmetauscher hinströmende Kühlfluid von dem erwärmten, rückströmenden Fluid thermisch zu isolieren. Entsprechend ist in bevorzugten Ausführungen im Fügebereich von Zuführteil und Abführteil eine thermische Isolierung vorgesehen. Das Zuführteil und das Abführteil sind in bevorzugten Ausführungen gleich, so dass durch die Aufspaltung in diese beiden Teile in der Fertigung ein Skaleneffekt erzielt werden kann, indem anstelle eines das gesamte Fluidführungssystem aufweisenden einheitlichen Verteilers der Verteiler aus zwei gleichen, jeweils nur die eine Hälfte des Fluidführungssystems aufweisende Teile aufgespalten wird und dementsprechend die doppelte Teilezahl in jeweils nur halber Komplexität gefertigt wird. Das Zuführteil und das Abführteil können insbesondere so miteinander gefügt werden, dass sie um 180° gegeneinander gedreht sind, um den Verteilereinlass an einer Seite und den Verteilerauslass an einer hiervon gegenüberliegend abgewandten Seite des Verteilers zu bilden.
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Das Zuführteil und das Abführteil können im Bereich ihrer Verbindung eine Querschnittsreduzierung aufweisen, um erfindungsgemäß die Wärmeleitung zwischen den beiden Teilen zu verringern. Die Reduzierung der Wärmeleitung durch Querschnittsverringerung kann mit der Anordnung einer Isolierung im Verbindungsbereich kombiniert oder stattdessen verwirklicht sein. Eine Querschnittsverringerung kann insbesondere auch bei einem einteiligen Verteilerkörper verwirklicht sein, wobei in derartigen Ausführungen nicht von einem Verbindungsbereich, sondern von einem Übergangsbereich zwischen Zuführteil und Abführteil gesprochen werden muss und ferner das Zuführteil und das Abführteil in einem Stück gefertigt und nicht miteinander gefügt wären.
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Obgleich es bevorzugten Ausführungen entspricht, wenn der Verteiler nur einen einzigen Verteilerkörper, einen monolithischen Verteilerkörper, umfasst oder aus nur zwei Körperteilen, dem Zuführteil und dem Abführteil, gefügt ist, und in diesen beiden alternativen Ausführungen die Hinströmkanäle und Rückströmkanäle gebohrte Kanäle sind, kann der Verteilerkörper grundsätzlich auch in anderer Weise aus zwei oder mehr Körperteilen zusammengesetzt sein. So kann ein zusammengesetzter bzw. gefügter Verteilerkörper auch aus zwei Körperteilen, vorzugsweise jeweils flachen Körperteilen zusammengesetzt sein, von denen der eine als Deckel für den anderen wirkt. Die für die Fluidleitung erforderlichen Fluidkanäle können beispielsweise nutförmig in einem dieser Körperteile geformt sein, wobei derart nutförmige Kanäle durch das andere Körperteil fluiddicht abgedeckt werden. Zweckmäßigerweise sind nutförmige, zur Oberfläche hin offene Fluidkanäle nur in dem einen dieser beiden Körperteile geformt, während das andere Körperteil nur als dichtender Deckel für solche Fluidkanäle dient. Ein derart ausgeführter Verteilerkörper kann darüber hinaus an der Anschlussseite des Verteilers mündende, gebohrte Kanäle für den Anschluss der Wärmetauscher aufweisen. Diese gebohrten Anschlusskanäle dienen der Verbindung der Wärmetauscher mit den internen Fluidkanälen solch eines Verteilers.
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Die Wärmetauscher weisen vorzugsweise jeweils einen wärmeleitenden Grundkörper auf, mit dem sie im Wärmeleitkontakt mit der zugeordneten Funktionseinheit sind, und in dem Grundkörper jeweils eine Rohrleitung, die als ein einziges geschlossenes, vorzugsweise mäanderförmig gewundenes Rohr oder Röhrchen den Einlass und den Auslass des jeweiligen Wärmetauschers und dementsprechend dessen Zuführung und Abführung bildet. Die vom Einlass bis zum Auslass des jeweiligen Wärmetauschers durchgehend erstreckte Rohrleitung erhöht die Gewähr dafür, dass die Wärmetauscher dicht sind. Sind die Rohrleitungen an ihren Enden jeweils ein kleines Stück weit über die Grundkörper der Wärmetauscher hinausgeführt, können sie im dort vorragenden Bereich unmittelbar die Zuführung und Abführung des jeweiligen Wärmetauschers bilden und beispielsweise unmittelbar in jeweils einen der genannten Hinström- oder Rückströmkanäle gesteckt oder auf aus dem Verteiler herausgeführte Kanalstutzen aufgesteckt werden. Die Grundkörper der Wärmetauscher sind vorzugsweise aus einem Leichtmetall, beispielsweise einem Alu-Werkstoff gefertigt. Das Gleiche gilt auch für die Rohrleitungen, wobei diese beispielsweise auch aus einem Kupferwerkstoff gefertigt sein können.
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Weitere vorteilhafte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen beschrieben.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden jeweils einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche vorteilhaft weiter. Es zeigen:
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1: ein Aggregat mit Funktionseinheiten und Wärmetauschern, die in gestapelter Anordnung in einem wasserdichten Gehäuse angeordnet sind, und einem an die Wärmetauscher angeschlossenen Verteiler eines ersten Ausführungsbeispiels für den Anschluss an ein externes Kühlfluidsystem,
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2: den Verteiler der 1 in einer Sicht auf eine im montierten Zustand dem Gehäuse zugewandte Verteileranschlussseite,
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3: einen Verteiler eines zweiten Ausführungsbeispiels in einer Sicht auf die Verteileranschlussseite,
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4: einen Verteiler eines dritten Ausführungsbeispiels in einer Sicht auf die Verteilteranschlussseite,
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5: die Funktionseinheiten und Wärmetauscher vor dem Einbau in das Gehäuse und
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6: das Aggregat in einer weiteren perspektivischen Sicht auf einen der Wärmetauscher.
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1 zeigt ein Aggregat aus Funktionseinheiten 1, 2 und 3 sowie Wärmetauschern 4, 5 und 6, die in einem Stapel übereinander in einem wasserdichten Gehäuse 7 dicht gepackt angeordnet sind. Die Funktionseinheiten 1, 2 und 3 sind untereinander zumindest soweit gleich, wie dies für eine Kühlung relevant ist. Die Funktionseinheiten 1, 2 und 3 können insbesondere Elektronikeinheiten sein, also jeweils eine der Funktionseinheiten 1, 2 und 3 eine Elektronikeinheit. Das Gehäuse 7 ist nur zu Darstellungszwecken durchsichtig dargestellt. Das Aggregat kann insbesondere ein Ladegerät an Bord eines Fahrzeugs sein, das dem Aufladen einer Fahrzeugbatterie dient. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektro-Automobil, und das Aggregat bzw. Ladegerät dient dem Wideraufladen der Primärbatterie, der Hochvolt-Batterie, für die Energieversorgung des Elektroantriebs des Fahrzeugs. Die Funktionseinheiten 1, 2 und 3 sind untereinander vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich aufgebaut, im Beispiel handelt es sich um untereinander zumindest im Wesentlichen gleiche Ladeeinrichtungen, die an ein Drehstromnetz elektrisch anschließbar sind. Die Wärmetauscher 4, 5 und 6 sind jeweils von einem Kühlfluid, im Beispiel einem Kühlfluid eines in Bezug auf das Aggregat externen Kühlfluidsystems des Fahrzeugs, durchströmbar, um mittels des durchströmenden Kühlfluids die Abwärme der Funktionseinheiten 1 bis 3 über den Verteiler 10 aus dem Aggregat in das externe Kühlfluidsystem abzuführen.
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Die Funktionseinheiten 1 bis 3 und die Wärmetauscher 4 bis 6 sind im Gehäuse 7 schichtartig übereinander gestapelt, so dass in alternierender Abfolge in Stapelrichtung auf jeweils eine der Funktionseinheiten 1 bis 3 einer der Wärmetauscher 4 bis 6 folgt. Dabei ist jeweils einer der Wärmetauscher 4 bis 6 genau einer der Funktionseinheiten 1 bis 3 zugeordnet, nämlich mit jeweils der zugeordneten Funktionseinheit 1, 2 oder 3 in einem Wärmeleitkontakt. Die Funktionseinheiten 1 bis 3 und auch die Wärmetauscher 4 bis 6 sind jeweils in Stapelrichtung flach, flach im Vergleich zu ihren Abmessungen quer zur Stapelrichtung. Die Wärmetauscher 4 bis 6 sind jeweils plattenförmig.
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Jeder der Wärmetauscher 4 bis 6 weist eine eigene Zuführung und eine eigene Abführung für das Kühlfluid auf. Die Zuführungen und Abführungen sind an einer Anschlussseite 8 des Gehäuses 7 aus dem Gehäuse 7 herausgeführt, wobei auch an der Anschlussseite 8 die Dichtheit des Gehäuses 7 gewährleistet wird. Der Verteiler 10 ist an der Anschlussseite 8 des Gehäuses 7 angeordnet und an einer der Anschlussseite 8 zugewandten Verteileranschlussseite 18 an die Zuführungen und Abführungen der Wärmetauscher 4 bis 6 angeschlossen. Der Verteiler 10 weist an unterschiedlichen externen Anschlussseiten, im Ausführungsbeispiel an einander gegenüberliegend abgewandten Stirnseiten, einen Verteilereinlass I und einen Verteilerauslass O auf, über die der Verteiler 10 und somit die Wärmetauscher 4 bis 6 an das Kühlfluidsystem, beispielhaft eines Fahrzeugs, angeschlossen werden können. Im angeschlossenen Zustand strömt das Kühlfluid vom externen System durch den Einlass I in den Verteiler 10 und wird dort auf die Zuführungen der Wärmetauscher 4 bis 6 verteilt, durchströmt die Wärmetauscher 4 bis 6 und wird über deren Abführungen in den Verteiler 10 zurückgeführt, dort gesammelt, um über den Auslass O in das externe Kühlfluidsystem zurückzuströmen.
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Der Verteiler 10 weist einen den Einlass I umfassenden Zuführbereich und einen den Auslass O umfassenden Abführbereich auf, die jeweils die Form eines langgestreckten, senkrecht zur Anschlussseite 8 flachen Quaders haben und über eine im Querschnitt gegenüber dem Zuführbereich und dem Abführbereich reduzierte Übergangszone 17 miteinander verbunden sind. Der Zuführbereich und der Abführbereich sind gemeinsam mit der schlanken Übergangszone 17 in einem Stück geformt. Im Querschnitt gesehen weist der Verteiler 10 die Form eines flachen U auf mit dem Zuführbereich und dem Abführbereich als die Schenkel des U und der Übergangszone 17 als Schenkelverbindung. Die Querschnittsreduzierung im Bereich der Übergangszone 17 verringert den Wärmeaustausch zwischen dem Zuführbereich, durch den das Kühlfluid zum Aggregat strömt, und dem Abführbereich, den das vom Aggregat abströmende, erwärmte Fluid durchströmt.
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Der Verteiler 10 ist aus einem Leichtmetall wie etwa Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Der Verteiler 10 verfügt über ein internes Fluidsystem, das nur aus einfachen, geraden Bohrungen im Verteilerkörper des Verteilers 10 besteht. Der Verteilerkörper ist beispielhaft ein im Werkstoff homogener, in einem Stück hergestellter Plattenkörper. Der Verteilerkörper kann mit der im Querschnitt reduzierten Übergangszone 17 geformt werden. Alternativ kann er auch als Rechteckplatte geformt werden, vorzugsweise aus einem Plattenhalbzeug, und die Übergangszone 17 durch eine materialentfernende Bearbeitung, beispielsweise eine spanende Bearbeitung, herausgearbeitet werden, entweder bereits aus dem Halbzeug oder aus jeweils dem einzelnen Verteilerkörper.
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Der Verteiler 10 ist in 2 in einer Ansicht auf seine Verteileranschlussseite 18 separat vom Gehäuse 7 dargestellt. In 2 ist das interne Fluidsystem des Verteilers 10 erkennbar. Das Fluidsystem umfasst den Verteilereinlass I und unmittelbar daran stromaufwärts anschließend einen inneren Verteilkanal 13, von dem Hinströmkanäle 14 in Richtung auf die Verteileranschlussseite 18 abzweigen und an dieser münden. Das Fluidsystem des Verteilers 10 umfasst ferner Rückströmkanäle 15 und einen Sammelkanal 16, von dem die Rückströmkanäle 15 in Richtung auf die Verteileranschlussseite 18 abzweigen und an dieser münden. Der Verteilkanal 13 und der Sammelkanal 16 sind jeweils als gerade Sackbohrung im Verteilerkörper des Verteilers 10 geformt, indem die Bohrungen von der Stirnseite des Verteilers 10 aus, der externen Anschlussseite, in Richtung auf die andere Stirnseite gebohrt sind. Die Kanäle 13 und 16 erstrecken sich bei angeschlossenem Verteiler 10 jeweils parallel zur Stapelrichtung. Die Hinströmkanäle 14 und Rückströmkanäle 15 sind kurze Stummelkanäle, die rechtwinklig vom Verteilkanal 13 bzw. Sammelkanal 16 abzweigen. Der Verteilereinlass I und der Verteilerauslass O werden jeweils von einem kurzen Rohrstutzen gebildet, der an der jeweiligen externen Anschlussseite in den Verteilkanal 13 bzw. Sammelkanal 16 mündet. Die Rohrstutzen können in die an ihren Enden entsprechend der Manteldicke der Rohrstutzen verbreiterten Bohrungen eingepasst, beispielsweise eingepresst sein.
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3 zeigt einen Verteiler 10 in einem modifizierten, zweiten Ausführungsbeispiel, der sich vom Verteiler 10 der 2 dadurch unterscheidet, dass er nur eine einzige Anschlussseite aufweist, an der sowohl der Verteilereinlass I als auch der Auslass O angeordnet sind. Der Verteiler 10 des zweiten Ausführungsbeispiels ist im Ganzen gesehen ferner einfach plattenförmig, als Rechteckplatte geformt. Das Fluidsystem des Verteilers 10 des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht der Form nach im Wesentlichen dem Fluidsystem des Verteilers 10 des ersten Ausführungsbeispiels. Soweit Unterschiede vorhanden sind, ergeben sich diese aus der Anordnung des Einlasses I und des Auslasses O an der gleichen externen Anschlussseite des Verteilers 10.
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4 zeigt einen modifizierten Verteiler 10 eines dritten Ausführungsbeispiels, der im Unterschied zu den Verteilern 10 der 2 und 3 nicht in einem einzigen Stück nur gefertigt ist, sondern aus zwei Teilen besteht, einem Zuführteil 11 und einem Abführteil 12, die über eine thermische Isolierung 19 aus einem Isoliermaterial fest miteinander gefügt sind. Das Zuführteil 11 bildet den Hinströmteil des Fluidsystems des Verteilers 10 und das Abführteil 12 bildet dessen Rückströmteil. Entsprechend umfasst das Zuführteil 11 den Verteilereinlass I, den sich hieran anschließenden Verteilkanal 13 und die Hinströmkanäle 14, während das Rückführteil 12 die Rückströmkanäle 15, den Sammelkanal 16 und den stromabwärts sich anschließenden Verteilerauslass O umfasst. Das hinströmende Kühlfluid wird durch die thermische Isolierung 19 von dem rückströmenden, erwärmten Kühlfluid thermisch getrennt. Der Verteiler 10 weist wie im ersten Ausführungsbeispiel den Verteilereinlass I und den Verteilerauslass O an einander gegenüberliegenden, voneinander abgewandten Seiten, beispielhaft wieder den Stirnseiten, auf. Dementsprechend erstreckt sich der Verteilkanal 13 als gerade Sackbohrung in Richtung auf die Seite mit dem Verteilerauslass O, und der Sammelkanal 16 als gerade Sackbohrung in Richtung auf die gegenüberliegende Seite mit dem Verteilereinlass I. Die Isolierung 19 erstreckt sich zumindest im Wesentlichen parallel zu den Kanälen 13 und 16. Das Zuführteil 11 und das Abführteil 12 sind als solche, d. h. vor dem Fügen zum modifizierten Verteiler 10, identisch, also in gleichen Abmessungen und gleicher Form aus dem gleichen Werkstoff geformt. Die Verteiler 10 des ersten und des dritten Ausführungsbeispiels entsprechen einander in Bezug auf das Fluidsystem exakt. Während im ersten Ausführungsbeispiel zumindest eine gewisse thermische Trennung durch die im Querschnitt reduzierte Übergangszone 17 erzielt wird, ist im dritten Ausführungsbeispiel die thermische Trennung durch eine zwischen dem Zuführteil 11 und dem Abführteil 12 angeordnete stoffliche Isolierung 19 gewährleistet.
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Es sei angemerkt, dass eine thermische Isolierung vergleichbar der Isolierung 19 auch bei dem Verteiler 10 der anderen Ausführungsbeispiele vorgesehen sein kann. In solch einer Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels wäre das Abführteil 12 gegenüber der Ausführung der 4 nur um 180° gedreht mit dem Zuführteil 11 gefügt, so dass hinsichtlich der Kanäle 13 bis 16 die Anordnung des Verteilers 10 der 3 erhalten wird. Ein Vorteil des Verteilers 10 der 3 ist es, dass die externen Anschlüsse, der Einlass I und der Auslass O, an der gleichen Seite vorgesehen sind. Vorteil der Anordnung der 2 und 4 ist, dass der Verteiler 10 dem Kühlfluid in Bezug auf jeden der Wärmetauscher 4 bis 6 den gleichen Strömungswiderstand bietet. Sind die Strömungswege nicht wie im ersten und dritten Beispiel des Verteilers 10 von Hause aus die gleichen, kann eine Angleichung der Strömungswiderstände durch eine entsprechende Variation in den Strömungsquerschnitten vorzugsweise der Hinströmkanäle 14 oder Rückströmkanäle 15 erzielt werden. Das dritte Ausführungsbeispiel kann auch dahingehend modifiziert werden, dass im Verbindungsbereich, in dem die Isolierung 19 vorhanden ist, das Zuführteil 11 und das Abführteil 12 im Querschnitt reduziert sind und der Verteiler 10 somit zusätzlich über die Isolierung 19 hinweg eine im Querschnitt reduzierte, die Isolierung 19 enthaltende Verbindungszone aufweist, die der Form nach der Übergangszone 17 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen kann. Solch eine Übergangszone 17 kann im Übrigen auch im zweiten Ausführungsbeispiel vorhanden sein. Schließlich kann im ersten Ausführungsbeispiel auch auf die Übergangszone 19 verzichtet werden, also auch im ersten Ausführungsbeispiel mit einstückigem Verteiler 10 und den Anschlüssen I und O an unterschiedlichen Anschlussseiten der Verteilerkörper eine einfache Platte sein. Einer Querschnittsreduzierung und somit einem reduzierten Wärmeaustausch zwischen dem hinströmenden und dem zurückströmenden Fluid wird jedoch der Vorzug gegeben. Die Verteiler 10 der Ausführungsbeispiele sind gegeneinander austauschbar, der Verteiler 10 des zweiten Ausführungsbeispiels oder der Verteiler 10 des dritten Ausführungsbeispiels kann anstelle des Verteilers 10 des ersten Ausführungsbeispiels an das Aggregat angeschlossen werden und dort die Funktion des Verteilers 10 des ersten Ausführungsbeispiels erfüllen, der Verteiler 10 des dritten Ausführungsbeispiels ohne weiteres und der Verteiler 10 des zweiten Ausführungsbeispiels mit entsprechendem Anschluss an der gleichen Verteileranschlussseite. Von den erläuterten Unterschieden abgesehen, können die Verteiler 10 einander entsprechen, beispielsweise im Werkstoff und den äußeren Abmessungen.
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In 5 sind die Funktionseinheiten 1 bis 3 und Wärmetauscher 4 neben dem Gehäuse 7 vor der Montage dargestellt. Die Funktionseinheiten 1 bis 3 sind mit den Wärmetauschern 4 bis 6 paarweise zu Montagemodulen zusammengefasst, nämlich die Funktionseinheit 1 mit dem ihr zugeordneten Wärmetauscher 4, die Funktionseinheit 2 mit dem ihr zugeordneten Wärmetauscher 5 und die Funktionseinheit 3 mit dem ihr zugeordneten Wärmetauscher 6. Die Funktionseinheiten 1 und 3 und der jeweils zugeordnete Wärmetauscher 4 bis 6 sind zu jeweils einem einheitlichen flachen Montagemodul zusammengefasst, wobei die Wärmetauscher 4 bis 5 jeweils mit der zugeordneten Funktionseinheit 1 bis 3 in einem flächenhaften innigen Wärmeleitkontakt verbunden sind. Die Montagemodule 1, 4 und 2, 5 sowie 3, 6 werden modulweise in das Gehäuse 7 eingesetzt und befestigt.
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Jeder der Wärmetauscher 4 bis 6 umfasst einen plattenförmigen Grundkörper mit einem an einer der beiden Flachseiten des jeweiligen Grundkörpers offenen, mäanderförmigen Kanal. In den Kanälen ist jeweils eine in sich geschlossenes Rohrleitung 9, beispielhaft eine Rohrschlange, eingelegt und mit dem jeweiligen Grundkörper wärmeleitend fest verbunden, beispielsweise mit wärmeleitendem Kleber. Die eingelegten Rohrleitungen 9 sind in sich geschlossen, geschlossen vom Einlass I4, I5 oder I6 bis zum Auslass O4, O5 oder O6 des jeweiligen Wärmetauschers 4, 5 oder 6. Die Rohrleitungen 9 können jeweils aus mehreren Rohrabschnitten zusammengesetzt sein, die pro Wärmetauscher 4 bis 6 stoffschlüssig dicht miteinander verbunden sind. Vorzugsweise handelt es sich bei jeder der Rohrleitungen 9 aber um eine vom jeweiligen Einlass bis zum jeweiligen Auslass in einem Stück durchgehende Rohrleitung. Die Grundkörper der Wärmetauscher 4 bis 6 bestehen vorzugsweise aus einem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und können insbesondere jeweils einstückig geformt sein. Die Rohrleitungen können ebenfalls insbesondere aus einem Alu-Werkstoff, oder auch einem Kupferwerkstoff gefertigt sein.
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6 zeigt wie 1 das zusammengebaute Aggregat in einer Sicht auf den im Stapel außenliegenden Wärmetauscher 6. Der Verteiler 10 ist wie in 1 an die Wärmetauscher 4 bis 6 angeschlossen. Das Anschließen kann sehr einfach durch Aufstecken des Verteilers 10 auf die über die Anschlussseite 8 des Gehäuses 7 hinausragenden Enden der Wärmetauscher 4 bis 6 geschehen. Die Rohrleitungen 9 können zur Erleichterung des Anschlusses an der Anschlussseite 8 ein Stück weit über die dortigen Enden der Wärmetauscher 4 bis 6 vorragen. Die Hinströmkanäle 13 und Rückströmkanäle 15 können im angeschlossenen Zustand die vorragenden Enden der Rohrleitungen 9 in der Art von Buchsen oder die Grundkörper mit den eingebetteten Rohrenden als eine nutförmige Buchse umgeben. In derartigen Ausführungen wäre der Verteiler 10 auf die von den vorragenden Enden der Rohrleitungen 9 gebildeten Zuführungen und Abführungen I4 bis O6 oder auf vorragende Abschnitte der Grundkörper der Wärmetauscher 4 bis 6 aufsteckbar.
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In einer Weiterbildung kann in jedem der Hinströmkanäle 14, vorzugsweise auch in jedem der Rückströmkanäle 15 eine Schließeinrichtung vorgesehen sein, die dafür sorgt, dass der von den Wärmetauschern 4 bis 6 lösbare Verteiler 10 im gelösten Zustand dicht verschlossen ist. Die Schließeinrichtungen können insbesondere einfache Rückschlagventile sein, die entsprechend der Funktion der Kanäle als Hinströmkanäle 14 oder Rückströmkanäle 15 mittels Federkraft in die Schließstellung belastet sind. Die Schließeinrichtungen sind vorzugsweise so gebildet, dass sie beim Anschließen des Verteilers 10 aufgrund der Anschlussbewegung in Richtung auf die Anschlussseite 8 des Gehäuses 7 automatisch geöffnet werden und sich beim Abziehen in die Gegenrichtung automatisch schließen. Der auf diese Weise weitergebildete Verteiler 10 sorgt für den fluiddichten Abschluss des externen Kühlfluidsystems, wenn die Verbindung mit den Wärmetauschern 4 bis 6 gelöst wird, um beispielsweise Wartungs- oder Reparaturarbeiten an den Funktionseinheiten 1 bis 3 oder einem der Wärmetauscher 4 bis 6 auszuführen.
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In einer anderen Weiterbildung sind in den Hinströmkanälen 14 Entgaser angeordnet, gegebenenfalls ist auch nur ein Entgaser vor den Hinströmkanälen 14 in einem Abschnitt des Verteilkanals 13 angeordnet, der dem Verteilereinlass I am nächsten ist. Eine Entgasung des vom externen Kühlfluidsystem zugeführten Kühlfluids ist vorteilhaft, um beispielsweise Luftblasen im Kühlfluid zu vermeiden oder die Gasmenge im Kühlfluid zumindest zu reduzieren und dadurch dessen Wärmekapazität möglichst hoch zu halten. Die genannten Weiterbildungen können vorteilhafterweise auch in Kombination verwirklicht sein.
