DE102010038781A1 - Combi heat exchanger and method for producing a combi heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kombi-Wärmetauscher zum Heizen oder Kühlen einer Komponente eines Fahrzeugs, ein Verfahren zur Herstellung eines Kombi-Wärmetauschers, sowie eine Energieversorgungseinheit. Der Kombi-Wärmetauscher weist folgende Merkmale auf: einen Kühlblock (100) der ausgebildet ist, um von einem Fluid durchströmt zu werden, und eine Kontaktseite zum Heizen oder Kühlen der Komponente und eine der Kontaktseite gegenüberliegende Heizungsseite aufweist. Ferner weist der Kombi-Wärmetauscher einen Heizdraht (130) zum Wandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie auf. Und schließlich eine Mehrzahl von Laschen (140) zum Befestigen des Heizdrahts an der Heizungsseite des Kühlblocks.The present invention relates to a combined heat exchanger for heating or cooling a component of a vehicle, a method for producing a combi heat exchanger, and a power supply unit. The combi-heat exchanger has the following features: a cooling block (100), which is designed to be flowed through by a fluid, and has a contact side for heating or cooling the component and a heating side opposite the contact side. Furthermore, the combined heat exchanger on a heating wire (130) for converting electrical energy into heat energy. And finally, a plurality of tabs (140) for fixing the heating wire to the heater side of the cooling block.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kombi-Wärmetauscher zum Heizen oder Kühlen einer Komponente eines Fahrzeugs, auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kombi-Wärmetauschers und auf eine Energiespeichervorrichtung.The present invention relates to a combined heat exchanger for heating or cooling a component of a vehicle, to a method for producing a combined heat exchanger and to an energy storage device.
Bei der Kühlung von Komponenten, insbesondere einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, besteht die Vorgabe eines geringen Bauraumbedarfs und einer homogener Temperaturverteilung an der Kühlfläche. Elektrische, elektronische und elektrochemische Komponenten unterliegen wie nahezu alle technischen Objekte einer Einsatztemperaturbeschränkung. Je nach Bauform und Ausprägung der Komponenten können mitunter beachtliche Temperaturbereiche abgedeckt werden, jedoch zumeist unter Einsatz großer Kosten. Elektrochemische Speichermedien erweisen sich gegenüber thermischer Beanspruchung als besonders empfindlich. Es werden eng begrenzte Bauteiltemperaturen angestrebt, um ausreichende Standzeit und Funktionalität auch bei widrigen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Insbesondere Li-Ion Batteriezellen können bei zu hohen Betriebstemperaturen in ihrer Lebensdauer deutlich beeinträchtigt werden, so dass vorzugsweise Kerntemperaturen angestrebt werden, die eine Kühlung mit einem Kühlmedium erfordern, dessen Temperatur deutlich unterhalb gängiger Umgebungstemperaturen liegt. Anderseits soll die Batterie zwecks optimaler Funktionalität im Winter ggf. beheizt werden können, um den Betrieb in einem optimalen Temperaturbereich zu gewährleisten.When cooling components, in particular a battery in a motor vehicle, there is the specification of a low space requirement and a homogeneous temperature distribution at the cooling surface. Electric, electronic and electrochemical components, like almost all technical objects, are subject to an operating temperature limitation. Depending on the design and characteristics of the components, it is sometimes possible to cover considerable temperature ranges, but mostly using large costs. Electrochemical storage media prove to be particularly sensitive to thermal stress. It is desirable to have tight component temperatures to ensure sufficient service life and functionality even in adverse environmental conditions. In particular Li-ion battery cells can be significantly affected at too high operating temperatures in their lifetime, so that preferably core temperatures are sought, which require cooling with a cooling medium whose temperature is well below common ambient temperatures. On the other hand, the battery should be able to be heated for optimum functionality in winter if necessary, to ensure operation in an optimal temperature range.
Die
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Kombi-Wärmetauscher zum Heizen oder Kühlen einer Komponente eines Fahrzeugs, eine Energiespeichervorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Kombi-Wärmetauschers zu schaffen.It is the object of the present invention to provide an improved combination heat exchanger for heating or cooling a component of a vehicle, an energy storage device and an improved method for producing a combined heat exchanger.
Diese Aufgabe wird durch einen Kombi-Wärmetauscher, eine Kombi-Wärmetauscher und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.This object is achieved by a combined heat exchanger, a combined heat exchanger and a method according to the independent claims.
Kern der Erfindung ist die Herstellung eines kompakten, einfachen und preiswerten Wärmetauschers, z. B. für die Batterieanwendungen, mit doppelter Funktion. Der Wärmetauscher weist eine Kühlerseite auf, mit der beispielsweise die Zellen direkt gekühlt werden können. Ferner weist der Wärmetauscher eine, von einem Wärmetauscherblock aus gesehen, gegenüberliegende Heizungsseite auf, womit mittels eines Heizdrahtes die Zellen indirekt über das Wärmetauscher-Netz aufgeheizt werden können.The core of the invention is the production of a compact, simple and inexpensive heat exchanger, z. For battery applications, with dual function. The heat exchanger has a cooler side with which, for example, the cells can be cooled directly. Furthermore, the heat exchanger has, viewed from a heat exchanger block, opposite heating side, which means by means of a heating wire, the cells can be heated indirectly via the heat exchanger network.
Vorteilhafterweise kann der Heizdraht in einer beliebigen Anordnung, beispielsweise mäanderförmig, in einer Ebene angeordnet werden. Eine Hauptrichtung für den Heizdraht ist nicht vorgegeben sonder kann beliebig in die Heizungsseite gelegt sein. Es ist daher nicht erforderlich den Heizdraht zwischen den Wärmetauscher-Rohren zu montieren und relativ aufwendig zu befestigen. Ein Verteiler und ein Sammelkasten müssen nicht mittels Durchzügen mit den Rohren gelötet werden. Dadurch lässt sich der Wärmetauscher kostengünstiger und kompakert konstruieren. Insbesondere ist eine Anzahl der Wendungen des Heizdrahts nicht von der Querteilung im Block abhängig sondern in einer Ebene biegbar, da in Querrichtung zum Block keine zusätzliche Biegungen senkrecht zum Kühlernetz für eine Rohrumgehung nötig sind.Advantageously, the heating wire can be arranged in an arbitrary arrangement, for example meandering, in a plane. A main direction for the heating wire is not specified but can be placed anywhere in the heating side. It is therefore not necessary to mount the heating wire between the heat exchanger tubes and fasten relatively expensive. A distributor and a collection box need not be soldered by means of pulling through the pipes. As a result, the heat exchanger can be designed more cost-effectively and kompakert. In particular, a number of turns of the heating wire is not dependent on the transverse division in the block but bendable in one plane, since in the transverse direction to the block no additional bends perpendicular to the radiator network for a pipe bypass are needed.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Kombi-Wärmetauscher zum Heizen oder Kühlen einer Komponente eines Fahrzeugs, mir folgenden Merkmalen:
einem Kühlblock der ausgebildet ist, um von einem Fluid durchströmt zu werden, und eine Kontaktseite zum Heizen oder Kühlen der Komponente und eine der Kontaktseite gegenüberliegende Heizungsseite aufweist;
einem Heizdraht zum Wandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie; und
einer Mehrzahl von Laschen zum Befestigen des Heizdrahts an der Heizungsseite des Kühlblocks.The present invention provides a combined heat exchanger for heating or cooling a component of a vehicle, comprising the following features:
a cooling block configured to be flowed through by a fluid and having a contact side for heating or cooling the component and a heating side opposite to the contact side;
a heating wire for converting electrical energy into heat energy; and
a plurality of tabs for fixing the heating wire to the heater side of the cooling block.
Der Kombi-Wärmetauscher kann eine Kombination aus einem Kühlkörper und einer Heizung sein. Der Kühlblock kann aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt oder einstückig ausgeführt sein. Der Kühlblock kann Rohre oder Leitungen zum Führen des Fluids aufweisen. Das Fluid kann innerhalb des Kühlblocks gasförmig oder flüssig sein oder von der flüssigen Form in die gasförmige Form übergehen. Das Fluid kann Wärmeenergie aufnehmen, die über die Kontaktseite auf den Wärmetauscher übertragen wird. Der Kühlblock kann mit der Kontaktseite in direktem Kontakt zu der Komponente stehen, um der Komponente Wärmeenergie zu entziehen, also sie zu kühlen, oder Wärmeenergie zuzuführen, also sie zu heizen. Der Gegenstand kann eine Fahrzeugkomponente, beispielsweise ein elektrochemischer Energiespeicher, wie eine Batterie oder ein Akkumulator sein. Der Kühlblock kann auf der Heizungsseite Laschen zur Befestigung des Heizdrahts aufweisen. Der Heizdraht kann ein Widerstandsdraht sein, der einem fließenden elektrischen Strom einen vorbestimmten Widerstand pro Längeneinheit entgegenbringt, und die abfallende elektrische Energie über die Länge des Heizdrahts in Wärmeenergie umwandelt. Der Heizdraht kann einen gerundeten Querschnitt aufweisen. Ebenso kann der Heizdraht eine abgeflachte Seite aufweisen, um die Kontaktfläche zum Kühlblock zu vergrößern. Der Heizdraht kann in Schlingen über die Aufnahmefläche des Kühlblocks oder Wärmetauschers mäandern, dabei können die Schlingen des Heizdrahts im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein. Die Laschen können Streifen eines duktilen Materials sein, das sich plastisch verformen lässt. Die Laschen können rechteckig, mit abgerundeten Ecken, trapezförmig, dreieckig oder frei geformt sein. Für eine Befestigung des Heizdrahts ist es besonders vorteilhaft, wenn die Laschen den Heizdraht bis über seinen am weitesten von der Heizungsseite entfernten Ort hinaus umschlingen können.The combination heat exchanger can be a combination of a heat sink and a heater. The cooling block can be composed of several individual parts or made in one piece. The cooling block may include pipes or conduits for guiding the fluid. The fluid may be gaseous or liquid within the cooling block or may transition from the liquid form to the gaseous form. The fluid can absorb heat energy that is transferred to the heat exchanger via the contact side. The cooling block may be in direct contact with the component with the contact side to remove heat energy from the component, ie to cool it, or to supply heat energy, ie to heat it. The article may be a vehicle component, such as an electrochemical energy storage, such as a battery or an accumulator. The cooling block may have tabs on the heating side for fixing the heating wire. The heating wire may be a resistance wire that provides a flowing electrical current with a predetermined resistance per unit length and converts the falling electrical energy into heat energy over the length of the heating wire. The heating wire may have a rounded cross-section. Likewise, the heating wire may have a flattened side to increase the contact area to the cooling block. The heating wire can in Meander loops over the receiving surface of the cooling block or heat exchanger, while the loops of the heating wire can be aligned substantially parallel to each other. The tabs can be strips of ductile material that can be plastically deformed. The tabs can be rectangular, with rounded corners, trapezoidal, triangular or free shaped. For a fastening of the heating wire, it is particularly advantageous if the tabs can wrap around the heating wire beyond its furthest away from the heater side place out.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Wärmetauscher ein Aufnahmeblech aufweisen, das flächig mit der Heizungsseite des Kühlblocks verbunden ist. Dabei kann ein Umriss der Mehrzahl von Laschen aus dem Aufnahmeblech ausgestanzt sein und die Mehrzahl von Laschen kann aus dem Aufnahmeblech herausstehen. Durch das Aufnahmeblech können die Laschen in einem frei vorherbestimmten Muster unverrückbar angeordnet werden. Dadurch ist es möglich Abstände zwischen den Laschen und damit zwischen den Windungen des Heizdrahts präzise festzulegen.According to one embodiment of the present invention, the heat exchanger may have a receiving plate, which is connected in area with the heating side of the cooling block. In this case, an outline of the plurality of tabs may be punched out of the receiving plate and the plurality of tabs may protrude from the receiving plate. By the receiving plate, the tabs can be arranged immovably in a freely predetermined pattern. This makes it possible to precisely define distances between the tabs and thus between the turns of the heating wire.
Die Laschen können den Heizdraht jeweils mindestens teilumfänglich umschließen. Dadurch kann der Heizdraht sicher und fest am Kühlblock oder Aufnahmeblech befestigt werden. Eine stoffschlüssige Verbindung wird so überflüssig und thermische Spannungen können vermieden werden.The tabs can surround the heating wire at least partially. As a result, the heating wire can be fixed securely and firmly to the cooling block or mounting plate. A cohesive connection is thus superfluous and thermal stresses can be avoided.
Beispielsweise können die Laschen entlang eines Verlaufs des Heizdrahts jeweils abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten des Heizdrahts angeordnet sein. Das lässt eine Verringerung der Laschengröße zu, wodurch die Gefahr eines Ermüdungsbruchs in den Laschen zurückgeht. Zusätzlich kann durch eine leichte Federvorspannung des Heizdrahts gegen die Laschen eine sichere Befestigung gewährleistet werden.For example, the tabs along a course of the heating wire may each be arranged alternately on opposite sides of the heating wire. This allows for a reduction in tab size, reducing the risk of fatigue failure in the tabs. In addition, a secure attachment can be ensured by a slight spring bias of the heating wire against the tabs.
Der Heizdraht kann sich mäanderförmig über eine Fläche der Heizungsseite erstrecken. Eine mäanderförmige Ausgestaltung des Heizdrahts erlaubt eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung über die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des Kühlblocks.The heating wire may extend meandering over an area of the heating side. A meandering configuration of the heating wire allows a particularly uniform heat distribution over the entire available surface of the cooling block.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Heizdraht eine Mehrzahl von geradlinigen Abschnitten aufweisen, die durch bogenförmige Abschnitte verbunden sind. Die Mehrzahl von Laschen kann entlang jedes zweiten der geradlinigen Abschnitte angeordnet sein, so dass auf einen geradlinigen Abschnitt mit Laschen je ein geradliniger Abschnitt ohne Laschen folgt. Durch eine freie Beweglichkeit jedes zweiten geraden Abschnitts des Heizdrahts kann der Heizdraht aus Temperaturgradienten entstehende Größenveränderungen mittels einer resultierenden Federwirkung des Heizdrahts innerhalb der unfixierten Abschnitte ausgleichen. Die geradlinigen Abschnitte können senkrecht zu einer Flussrichtung des Fluids im Kühlblock ausgerichtet sein.According to an embodiment of the present invention, the heating wire may have a plurality of rectilinear portions connected by arcuate portions. The plurality of tabs may be disposed along every other one of the rectilinear portions so that a straight line portion with tabs is followed by a straight portion without tabs. By a free mobility of every other straight section of the heating wire, the heating wire can compensate for changes in size resulting from temperature gradients by means of a resulting spring effect of the heating wire within the unfixed sections. The rectilinear portions may be aligned perpendicular to a flow direction of the fluid in the cooling block.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Kühlblock einen Verteilerkasten, einen gegenüberliegend angeordneten Umlenkkasten, mindestens ein erstes Rohr und mindestens ein zweites Rohr aufweisen, wobei der Verteilerkasten eine Zulauföffnung zum Zuführen des Fluids in das mindestens eine erste Rohr und eine Ablauföffnung zum Abführen des Fluids aus dem mindestens einen zweiten Rohr aufweisen kann und der Umlenkkasten ausgebildet sein kann, um das mindestens eine erste Rohr mit dem mindestens einem zweiten Rohr fluidisch miteinander zu verbinden. Der resultierende modulare Aufbau erlaubt eine einfache Anpassung der Wärmetauschergeometrie an geänderte Anforderungen. Die erforderlichen Einzelteile weisen eine einfache Geometrie auf und sind günstig in Herstellung und Beschaffung.In one embodiment of the present invention, the cooling block may include a distribution box, an oppositely disposed deflection box, at least one first pipe, and at least one second pipe, the distribution box having an inlet opening for supplying the fluid into the at least one first pipe and a drain opening for discharging the fluid may have from the at least one second tube and the deflection box may be formed to fluidly connect the at least one first tube with the at least one second tube. The resulting modular design allows a simple adaptation of the heat exchanger geometry to changing requirements. The required items have a simple geometry and are inexpensive to manufacture and procurement.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Energiespeichervorrichtung, mit folgenden Merkmalen:
einem Kombi-Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; und
mindestens einem Energiespeicher, der mit der Kontaktseite des Kühlblocks des Kombi-Wärmetauschers verbunden ist.The present invention further provides an energy storage device having the following features:
a combined heat exchanger according to one of the preceding claims; and
at least one energy storage, which is connected to the contact side of the cooling block of the combi heat exchanger.
Energiespeicher, wie Akkumulatoren profitieren besonders von kontrollierbaren Temperaturniveaus. Dadurch lassen sich besonders wirtschaftliche Betriebsbedingungen erreichen.Energy storage, such as accumulators profit particularly from controllable temperature levels. As a result, particularly economical operating conditions can be achieved.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kombi-Wärmetauschers zum Heizen oder Kühlen einer Komponente eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Kühlblocks, wobei der Kühlblock ausgebildet ist, um von einem Fluid durchströmt zu werden, und eine Kontaktseite zum Heizen oder Kühlen der Komponente und eine der Kontaktseite gegenüberliegende Heizungsseite mit einer Mehrzahl von Laschen aufweist;
Bereitstellen eines Heizdrahts, wobei der Heizdraht ausgebildet ist, elektrische Energie in Wärmeenergie zu wandeln; und
Befestigens des Heizdrahts an der Heizungsseite des Kühlblocks mittels der Mehrzahl von Laschen.The present invention further provides a method for manufacturing a combined heat exchanger for heating or cooling a component of a vehicle, the method comprising the following steps:
Providing a cooling block, wherein the cooling block is configured to be flowed through by a fluid, and has a contact side for heating or cooling the component and a heater side opposite the contact side with a plurality of tabs;
Providing a heating wire, wherein the heating wire is adapted to convert electrical energy into heat energy; and
Attaching the heating wire to the heating side of the cooling block by means of the plurality of tabs.
Dadurch lässt sich in einfacher und kostengünstiger Weise ein Wärmetauscher Herstellen, der besonders einfach im Aufbau und robust im Gebrauch ist.As a result, a heat exchanger can be produced in a simple and cost-effective manner, which is particularly simple in construction and robust in use.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Advantageous embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
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.In the following description of the preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various drawings and similar, and a repeated description of these elements will be omitted.
Im Folgenden wird das in
Der Wärmetauscher besteht aus einfachen und fertigungsflexiblen Teilen, die an verschiedene Einbausituationen schnell angepasst werden können Der Block
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.The described embodiments are chosen only by way of example and can be combined with each other.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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