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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen elektrochemischen Energiespeicher, umfassend mehrere zumindest übereinander angeordnete, von einem Temperiermedium durchströmbare Strömungskanäle und zumindest einen diesen vorgeschalteten Vorlaufverteiler und zumindest einen diesen nachgeschalteten Rücklaufsammler.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem Wärmetauscher.
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Moderne elektrochemische Hochleistungsenergiespeicher, auch als Hochleistungsbatterien bekannt, welche insbesondere in mobilen Anwendungsfällen wie beispielweise in elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, wie zum Beispiel Elektro- oder Hybridfahrzeugen, Verwendung finden, müssen hohe Anforderungen erfüllen. Derartige Hochleistungsenergiespeicher weisen ihren optimalen Wirkungsgrad in einem engen Betriebstemperaturbereich auf, so dass zum Betrieb eine effektive Temperierung erforderlich ist. Die Temperierung umfasst eine Kühlung oder Erwärmung. Zu dieser Kühlung oder Erwärmung ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Wärmetauschern bekannt.
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Aus der
DE 10 2006 015 568 B3 ist ein Wärmetauscher-Modul bekannt, welches mindestens zwei übereinander angeordnete, zusammen mindestens zwei parallel verlaufende Wärmetauscher-Kanäle, im Folgenden als Strömungskanäle bezeichnet, bildende, tiefgezogene Materialstreifen umfasst. Weiterhin umfasst das Wärmetauscher-Modul mit den Materialstreifen einteilig verbundene, durch Tiefziehen von quer zu den Strömungskanälen verlaufenden Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelrinnen. Ferner umfasst das Wärmetauscher-Modul durch Umklappen der die Vorlaufverteiler- bzw.
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Rücklaufsammelrinnen umfassenden Enden der Materialstreifen um 180° integral angeformte, fluidisch mit mindestens jeweils einem Strömungskanal verbundene Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelrohre. Das Wärmetauscher-Modul ist zur Bildung eines Wärmetauschers stapelbar ausgebildet, so dass sich zwischen jeweils zwei gestapelten Wärmetauscher-Modulen Zwischenräume ausbilden, in welchen Einzelzellen formschlüssig mit den Wärmetauscher-Rohrbündeln anordbar sind. Bei einer Anordnung im Stapel sind die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre mittels seitlich in Stapelrichtung anordbaren Vorlauf- und Rücklaufkanälen zur Zu- und Abfuhr eines Temperiermediums miteinander fluidisch verbunden. Die einseitig offenen Vorlauf- und Rücklaufkanäle werden dabei durch die Stirnseiten der Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre geschlossen, wodurch Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelleitungen entstehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wärmetauscher für einen elektrochemischen Energiespeicher und eine Batterie für ein Fahrzeug mit einem elektrochemischen Energiespeicher und einem Wärmetauscher anzugeben.
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Hinsichtlich des Wärmetauschers wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Batterie durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Wärmetauscher für einen elektrochemischen Energiespeicher umfasst mehrere zumindest übereinander angeordnete, von einem Temperiermedium durchströmbare Strömungskanäle und zumindest einen diesen vorgeschalteten Vorlaufverteiler und zumindest einen diesen nachgeschalteten Rücklaufsammler.
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Erfindungsgemäß ist der Vorlaufverteiler mit einer Anzahl von Zuführkanälen und der Rücklaufsammler ist mit einer Anzahl von Abführkanälen gekoppelt, wobei zwischen dem Vorlaufverteiler und dem Rücklaufsammler ein Wärmetauscherraum zum Wärmeaustausch mit dem Energiespeicher angeordnet ist, in welchem die Strömungskanäle angeordnet sind und von dem Energiespeicher in vertikaler Richtung durchdrungen sind, wobei die jeweils einem Strömungskanal zugeordneten Zuführkanäle und die Abführkanäle derart versetzt zueinander und derart zu den Strömungskanälen angeordnet sind, dass Temperiermedienflüsse in vertikal übereinander angeordneten und horizontal verlaufenden Strömungskanälen jeweils direkt benachbarter Wärmetauscherebenen gegenstromförmig zueinander verlaufen.
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Aus der erfindungsgemäßen Ausbildung des Wärmetauschers und dem daraus resultierenden gegenstromförmigen Verlauf der Temperiermedienflüsse in den vertikal übereinander angeordneten Strömungskanälen ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise eine verbesserte, insbesondere homogene Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers mit verringertem Temperaturgradienten zwischen einströmendem und ausströmendem Temperiermedium und somit eine erhöhte Leistungsfähigkeit und Lebensdauer desselben. Mittels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist dabei gleichzeitig eine Fixierung des elektrochemischen Energiespeichers bei gleichzeitiger Bildung von definierten Luftspalten möglich. Aufgrund der Anordnung des Energiespeichers mit den definierten Luftspalten und dem gegenstromförmigen Verlauf der Temperiermedienflüsse sind turbulente Strömungen des Temperiermediums in den Strömungskanälen erzeugbar, aufgrund welcher die Wärmeübertragung zwischen dem Energiespeicher und Temperiermediums stark erhöht wird. Die Wärmeübertragung kann dabei sowohl zur Kühlung als auch zur Erwärmung des Energiespeichers verwendet werden.
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In einer Ausgestaltung ist zwischen zumindest einem Zuführkanal und zumindest einem Abführkanal jeweils ein Strömungskanal ausgebildet. Insbesondere bei der Ausbildung, bei der zwischen jeweils einem Zuführkanal und jeweils einem Abführkanal genau ein Strömungskanal angeordnet ist, sind die Temperiermedienflüsse einfach und sehr genau steuerbar. Auch ist der gewünschte gegenstromförmige Verlauf der Temperiermedienflüsse in vertikal übereinander angeordneten Strömungskanälen einfach realisierbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind mehrere Strömungskanäle in einer Wärmetauscherebene horizontal nebeneinander angeordnet. Somit sind eine optimierte Temperiermittelzuführung und daraus resultierend eine optimierte Temperierung des Energiespeicher auch in horizontaler Ausdehnung desselben möglich.
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Hierbei verlaufen die Temperiermedienflüsse in den horizontal nebeneinander angeordneten Strömungskanälen einer Wärmetauscherebene vorzugsweise im gleichen Richtungssinn parallel zueinander, so dass in den jeweiligen Wärmetauscherebenen eine gleichmäßige Temperierung des Energiespeichers realisierbar ist.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind die vertikal übereinander angeordneten Strömungskanäle mehrerer Wärmetauscherebenen mittels eines Boden-/Deckenelements voneinander getrennt. Vorzugsweise weisen die Boden-/Deckenelemente Aussparungen zur Aufnahme des Energiespeichers und/oder dessen Komponenten auf. Die Boden-/Deckenelemente bilden dabei neben einer Abdichtung der einzelnen Wärmetauscherebenen zueinander auch Haltelemente für den Energiespeicher. Die Abdichtung erfolgt dabei vorzugsweise fluiddicht, so dass gegenseitige Beeinflussungen der einzelnen Temperiermedienflüsse, beispielsweise durch ungewünschte Verwirbelungen, vermeidbar sind.
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Zur Abdichtung der Strömungskanäle in horizontaler Richtung sind diese gemäß einer Ausgestaltung jeweils mittels eines in Verlaufsrichtung des Strömungskanals linken Seitenwandelements und eines rechten Seitenwandelements seitlich begrenzt.
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Dabei bilden die Seitenwandelemente vorzugsweise jeweils ein Luftleitelement aus, wobei die Seitenwandelemente zur Erzeugung der gewünschten gegenstromförmigen Temperiermedienflüsse in den Strömungskanälen einer Wärmetauscherebene und zur einfachen Anordbarkeit der Zuführkanäle und Abführkanälen parallel zueinander und in einem definierten Winkel zu den Seitenwandelementen der Strömungskanäle einer jeweils direkt benachbart angeordneten Wärmetauscherebene angeordnet sind.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der zumindest eine Zuführkanal eines Strömungskanals einer Wärmetauscherebene in Verlaufsrichtung des Strömungskanals an dem linken Seitenwandelement und der zumindest eine Abführkanal an dem rechten Seitenwandelement angeordnet. Bei einem Strömungskanal einer direkt benachbarten Wärmetauscherebene ist der zumindest eine Zuführkanal eines Strömungskanals in Verlaufsrichtung des Strömungskanals an dem rechten Seitenwandelement angeordnet und der zumindest eine Abführkanal an dem linken Seitenwandelement angeordnet. Mittels einer derartigen Anordnung der Zuführkanäle und der Abführkanäle ist in besonders einfacher Weise die Gegenläufigkeit der Temperiermedienflüsse, d. h. der gegenstromförmige Verlauf der Temperiermedienflüsse direkt benachbarter Wärmetauscherebenen realisierbar.
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Gemäß einer Weiterbildung umfasst der Wärmetauscher ein Gehäuse mit einer integrierten Verteileinheit und zumindest einer Gehäuseabdeckung, wobei das Gehäuse zur Aufnahme des elektrochemischen Energiespeichers und die Verteileinheit zur Verteilung des Temperiermediums in dem Gehäuse vorgesehen ist, wobei die Verteileinheit den Vorlaufverteiler, den Rücklaufsammler, die Zuführkanäle, die Abführkanäle und die Strömungskanäle bildenden Seitenwandelemente und Boden-/Deckenelemente umfasst. Aufgrund dieser Ausbildung ist eine selbstragende Konstruktion des Wärmetauschers als Gegenstromkühleinheit realisierbar, wodurch eine Handhabung des Wärmetauschers vereinfacht ist und ein Montageaufwand, insbesondere zur Montage des elektrochemischen Energiespeichers mit dem Wärmetauscher, verringert ist. Aus der selbsttragenden Konstruktion des Wärmetauschers und der Möglichkeit der Anordnung des elektrochemischen Energiespeichers im Wärmetauscherraum ist ein Bauvolumen einer Batterie mit dem Wärmetauscher verringert.
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Die erfindungsgemäße Batterie für ein Fahrzeug umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher und einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, wobei der elektrochemische Energiespeicher mehrere elektrochemische Einzelzellen umfasst, welche in dem Wärmetauscherraum angeordnet sind und von dem Temperiermedium umströmbar sind. Aus der Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers oder dessen Weiterbildungen zum Temperieren der Einzelzellen resultieren eine homogene Temperierung der Batterie sowie daraus folgend ein Betrieb der Batterie mit hohem Wirkungsgrad sowie eine lange Lebensdauer derselben. Auch ist eine kleinbauende Ausbildung der Batterie möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einem in einem Wärmetauscherraum angeordneten elektrochemischen Energiespeicher,
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2 schematisch eine Explosionsdarstellung des Wärmetauschers gemäß 1,
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3 schematisch eine Explosionsdarstellung des Wärmetauschers mit dem elektrochemischen Energiespeicher gemäß 1 und einer Fixierplatte,
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4 schematisch eine Verteileinheit des Wärmetauschers gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht und einen detaillierten Ausschnitt der Verteileinheit,
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5 schematisch eine Explosionsdarstellung der Verteileinheit gemäß 4,
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6 schematisch eine Frontalansicht auf den Wärmetauscher gemäß 1 im Bereich eines Zuführelements mit mehreren Zuführkanälen,
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7 schematisch eine Frontalansicht auf den Wärmetauscher gemäß 1 im Bereich eines Abführelements mit mehreren Abführkanälen,
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8 schematisch eine Schnittdarstellung der Verteileinheit gemäß 5 mit in der Verteileinheit angeordnetem Energiespeicher im Bereich einer ersten Wärmetauscherebene,
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9 schematisch einen detaillierten Ausschnitt eines Strömungskanals der Verteileinheit gemäß 8 im Bereich eines Zuführkanals,
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10 schematisch einen detaillierten Ausschnitt eines Strömungskanals der Verteileinheit gemäß 8 im Bereich eines Abführkanals,
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11 schematisch eine Schnittdarstellung der Verteileinheit gemäß 5 gemäß Figur mit in der Verteileinheit angeordnetem Energiespeicher im Bereich einer zweiten Wärmetauscherebene,
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12 schematisch einen detaillierten Ausschnitt eines Strömungskanals der Verteileinheit gemäß 11 im Bereich eines Zuführkanals,
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13 schematisch einen detaillierten Ausschnitt eines Strömungskanals der Verteileinheit gemäß 11 im Bereich eines Abführkanals,
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14 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Explosionsdarstellung,
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15 schematisch die Batterie gemäß 14 in einer perspektivischen Darstellung,
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16 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Explosionsdarstellung und den elektrochemischen Energiespeicher,
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17 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Verteileinheit des Wärmetauschers gemäß 16,
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18 schematisch die Verteileinheit gemäß 17 im montierten Zustand,
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19 schematisch die Verteileinheit gemäß 18 mit darin angeordnetem elektrochemischen Energiespeicher und
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20 schematisch den Wärmetauscher gemäß 16 im montierten Zustand mit darin angeordnetem elektrochemischen Energiespeicher.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 in verschiedenen Ansichten und Darstellungen. Der Wärmetauscher 1 ist zur Temperierung eines elektrochemischen Energiespeichers 2 vorgesehen.
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Der elektrochemische Energiespeicher 2 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere als Rundzellen ausgebildete elektrochemische Einzelzellen 2.1 bis 2.n. Die Einzelzellen 2.1 bis 2.n sind beispielweise aus Lithium-Ionen-Einzelzellen, aus Lithium-Polymer-Einzelzellen, aus Nickel-Metallhydrid-Einzelzellen oder aus anderen elektrochemischen Energiespeichern gebildet, wobei der elektrochemische Energiespeicher 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen wiederaufladbaren Akkumulator bildet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einzelzellen 2.1 bis 2.n in sechs Zellblöcke unterteilt, wobei jeder Zellblock aus jeweils 16 Einzelzellen 2.1 bis 2.n gebildet ist. Alternativ sind andere Aufteilungen und eine andere Anzahl der Einzelzellen 2.1 bis 2.n in Abhängigkeit zu erzeugender elektrischer Parameter des zu bildenden elektrochemischen Energiespeichers 2 möglich. Beispielsweise sind die Einzelzellen 2.1 bis 2.n in sechs Zellblöcke mit jeweils 12 Einzelzellen 2.1 bis 2.n oder in zwei Zellblöcke mit jeweils 48 Einzelzellen 2.1 bis 2.n unterteilbar.
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In nicht dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Einzelzellen 2.1 bis 2.n alternativ zum runden Querschnitt einen abweichenden, beispielsweise ovalen, eckigen, prismatischen oder einen anderen beliebigen Querschnitt auf.
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Die Einzelzellen 2.1 bis 2.n sind in einem Wärmetauscherraum 3 angeordnet, welcher an einer Unterseite von einer ersten Gehäuseabdeckung 4 und an einer Oberseite von einer in 13 näher dargestellten zweiten Gehäuseabdeckung 5 begrenzt ist.
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Weiterhin ist der Wärmetauscherraum 3 seitlich von jeweils einer Gehäuseseitenwand 6, 7 und an Längsseiten von einem Zuführelement 8 und einem Abführelement 9 begrenzt.
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Die Gehäuseabdeckungen 4, 5, die Gehäuseseitenwände 6, 7, das Zuführelement 8 und das Abführelement 9 bilden gemeinsam ein Gehäuse G des Wärmetauschers 3, wobei alle Komponenten des Gehäuses G vorzugsweise aus nicht brennbarem Kunststoff gebildet sind.
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Zur Fixierung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n innerhalb des Wärmetauscherraums 3 ist oberhalb der ersten Gehäuseabdeckung 4 eine erste Fixierplatte 10 und unterhalb der zweiten Gehäuseabdeckung 5 eine zweite Fixierplatte 11 vorgesehen, wobei die Fixierplatten 10, 11 zum Querschnitt der Einzelzellen 2.1 bis 2.n korrespondierende Aussparungen aufweisen, in welchen die Einzellzellen 2.1 bis 2.n gehaltert sind. Die Aussparungen sind in einem definierten Abstand zueinander angeordnet, so dass sich definierte Luftspalte zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n ausbilden. Auch die Fixierplatten 10, 11 sind vorzugsweise aus nicht brennbarem Kunststoff gebildet.
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Weiterhin umfasst der Wärmetauscher 1 eine Verteileinheit 12, wobei die Verteileinheit 12 aus parallel zueinander und übereinander angeordneten Boden-/Deckenelementen 13 sowie vertikal zwischen den Boden-/Deckenelementen 13 angeordneten Seitenwandelementen 14 gebildet ist, wobei zwischen den Seitenwandelementen 14 und den Boden-/Deckenelementen 13 Strömungskanäle K1 bis Kn ausgebildet sind. Die Verteileinheit 12 ist ebenfalls vorzugsweise aus nicht brennbarem Kunststoff gebildet. Mittels der Seitenwandelemente 14 erfolgt die Unterteilung des elektrochemischen Energiespeichers in die Zellblöcke.
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Aufgrund der Anordnung der Boden-/Deckenelemente 13 weist die Verteileinheit 12 mehrere Ebenen auf, welche Wärmetauschebenen E1 bis En bilden. Eine Anzahl der Wärmetauscherebenen E1 bis En ist dabei von einer Anzahl der Boden-/Deckenelemente 13 abhängig. Eine erste Wärmetauscherebene E1 wird dabei oberseitig von der zweiten Fixierplatte 11 und eine letzte Wärmetauscherebene En unterseitig von der ersten Fixierplatte 10 begrenzt.
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Aufgrund der Anordnung der Seitenwandelemente 14 sind mehrere Strömungskanäle K1 bis Kn, im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils sechs Strömungskanäle K1 bis Kn in einer Wärmetauscherebene E1 Bis En horizontal nebeneinander angeordnet.
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Die Verteileinheit 12 und somit die Strömungskanäle K1 bis Kn sind mit einem nicht näher dargestellten Temperiermedium beaufschlagbar, wobei das Temperiermedium insbesondere Luft ist. Die Verteileinheit 12 ist dabei zur Leitung und Verteilung der Luft innerhalb des Wärmetauscherraums 3 und zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n vorgesehen. Die Temperierung des elektrochemischen Energiespeichers 2 mit Luft als Temperiermedium ist einfach realisierbar, wobei eine kleinbauende Ausbildung des Wärmetauschers 1 möglich ist. Alternativ sind als Temperiermedien andere Gase oder Flüssigkeiten verwendbar.
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Eine Zuführung des Temperiermediums in den Wärmetauscherraum 3 erfolgt über das Zuführelement 8, wobei das Zuführelement 8 zu diesem Zweck für jeden Strömungskanal K1 bis Kn jeweils einen Zuführkanal Z1 bis Zn aufweist. Zur Zuführung des Temperiermediums sind weiterhin an einer Außenseite des Wärmetauschers 3 an dem Zuführelement 8 drei Vorlaufverteiler 15 bis 17 angeordnet, welche jeweils mit einer Anzahl der Zuführkanäle Z1 bis Zn fluidisch gekoppelt sind. Die Vorlaufverteiler 15 bis 17 weisen jeweils einen sich von einer Einlassöffnung aus verjüngenden Querschnitt auf, wobei über die Einlassöffnung das Temperiermedium zu den Zuführkanälen Z1 bis Zn transportierbar ist.
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Eine Abführung des Temperiermediums aus dem Wärmetauscherraum 3 erfolgt über das Abführelement 9, wobei das Abführelement 9 zu diesem Zweck für jeden Strömungskanal K1 bis Kn jeweils einen Abführkanal A1 bis An aufweist. Zur Abführung des Temperiermediums sind weiterhin an einer Außenseite des Wärmetauschers 3 an dem Abführelement 9 drei Rücklaufsammler 18 bis 20 angeordnet, welche jeweils mit einer Anzahl der Abführkanäle A1 bis An fluidisch gekoppelt sind. Die Vorlaufverteiler 15 bis 17 weisen jeweils einen sich zu einer Auslassöffnung hin vergrößernden Querschnitt auf.
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Somit ist zwischen einem Zuführkanal Z1 bis Zn und einem Abführkanal A1 bis An jeweils ein Strömungskanal K1 bis Kn ausgebildet.
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Um einen in 7 näher dargestellten Temperiermedienfluss T von den Vorlaufverteilern 15 bis 17 durch den Wärmetauscherraum 3 zu den Rücklaufsammlern 18 bis 20 zu erzeugen, sind in nicht dargestellter Weise an den Auslassöffnungen der Rücklaufsammlern 18 bis 20 jeweils ein oder mehrere Ventilatoren oder Lüfter angeordnet, mittels welchen eine Sogwirkung in den Rücklaufsammlern 18 bis 20, innerhalb des Wärmetauscherraums 3 und in den Vorlaufverteilern 15 bis 17 erzeugbar ist. Die Ventilatoren oder Lüfter sind vorzugsweise als Axialventilatoren oder -lüfter ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist jeweils ein Saug-Ventilator im Rücklaufsammler 18 und im Rücklaufsammler 20 angeordnet. Im mittleren Rücklaufsammler 19 sind vorzugsweise zwei oder drei Saug-Ventilatoren angeordnet. Alternativ sind auch andere Anordnungen sowie eine andere Anzahl von Saug-Ventilatoren möglich.
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In ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind alternativ oder zusätzlich Gebläse-Ventilatoren in den Vorlaufverteilern 15 bis 17 angeordnet, mittels welchen das Temperiermedium in den Wärmetauscherraum 3 führbar ist.
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Die jeweils einem Strömungskanal K1 bis Kn zugeordneten Zuführkanäle Z1 bis Zn und Abführkanäle A1 bis An sind derart versetzt zueinander und derart zu den Strömungskanälen K1 bis Kn angeordnet, dass die Temperiermedienflüsse T in vertikal übereinander angeordneten Strömungskanälen K1 bis Kn jeweils direkt benachbarter Wärmetauscherebenen E1 bis En gegenstromförmig zueinander verlaufen.
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In den 4 und 5 ist die Verteileinheit 12 in verschiedenen Ansichten dargestellt.
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Zur Erzeugung des gegenstromförmigen Verlaufs der Temperiermedienflüsse T in den vertikal übereinander angeordneten Strömungskanälen K1 bis Kn jeweils direkt benachbarter Wärmetauscherebenen E1 bis En bilden die Seitenwandelemente 14 jeweils ein Luftleitelement aus, mittels welchen eine jeweilige Hauptströmungsrichtung der Temperiermedienflüsse T vorgegeben ist.
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Zur Befestigung der Seitenwandelemente 14 an den jeweiligen Boden-/Deckenelementen 13 sind in die Boden-/Deckenelemente 13 mit den Seitenwandelementen 14 korrespondierende Nuten 13.1 eingebracht. In die dargestellten neun Boden-/Deckenelemente 13 sind pro Boden-/Deckenelement 13 oberseitig und unterseitig jeweils sieben Nuten 13.1 eingebracht, so dass oberseitig und unterseitig jedes Boden-/Deckenelements 13 jeweils sechs Strömungskanäle K1 bis Kn ausbilden. Zur Fixierung der Seitenwandelemente 14 in der ersten Wärmetauscherebene E1 und der letzten Wärmetauscherebene En sind auch in die zweite Fixierplatte 11 und die erste Fixierplatte 10 Nuten eingebracht. Die Strömungskanäle K1 bis Kn umfassen dabei jeweils einen Vorlaufleit- und einen Rücklaufleitkanal.
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Die Seitenwandelemente 14 der Strömungskanäle K1 bis Kn einer jeweiligen Wärmetauscherebene E1 bis En verlaufen parallel zueinander.
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Die Seitenwandelemente 14 einer Wärmetauscherebene E1 bis En verlaufen weiterhin in einem in 7 vorgegebenen Winkel α zu den im gefügten Zustand des Wärmetauschers 1 den Gehäuseseitenwänden 6, 7 zugewandten Außenkanten des jeweiligen Boden-/Deckenelements 13.
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Die Seitenwandelemente 14 einer weiteren direkt angrenzenden Wärmetauscherebene E1 bis En verlaufen in einem in 10 vorgegebenen Winkel β zu den Außenkanten des jeweiligen Boden-/Deckenelements 13.
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Mit anderen Worten: Die Seitenwandelemente 14 verlaufen in vertikaler Richtung gesehen abwechselnd im Winkel α und im Winkel β zu den Außenkanten, so dass sich zwischen den Seitenwandelemente 14 direkt angrenzender Wärmetauscherebenen E1 bis En ein Winkel ergibt, welcher aus einer Summe der Beträge des Winkels α und des Winkel β resultiert.
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Aufgrund dieser Anordnung der Seitenwandelemente 14 und einer in den 6 und 7 gezeigten Ausbildung des Zuführelements 8 und Abführelements 9 ist der gegenstromförmige Verlauf der Temperiermedienflüsse T in den Wärmetauscherebenen E1 bis En erzielbar, so dass eine optimierte Temperierung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n, welche die Strömungskanäle K1 bis Kn in Längsausdehnung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n durchdringend angeordnet sind, realisierbar ist.
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In 6 ist eine Frontalansicht auf den Wärmetauscher 1 im Bereich des Zuführelements 8 dargestellt. In das Zuführelement 8 sind in der dargestellten Weise die Zuführkanäle Z1 bis Zn integriert. Aufgrund der beschriebenen winkligen Anordnung der Seitenwandelemente 14 ergibt sich auf einer dem Zuführelement 8 zugewandten Seite der Verteileinheit 12 eine versetzte Anordnung der vertikal übereinander befindlichen Strömungskanäle K1 bis Kn direkt aneinander angrenzender Wärmetauscherebenen E1 bis En.
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Aus dieser versetzten Anordnung resultiert, dass den Strömungskanälen K1 bis Kn einer Wärmetauscherebene E1 bis En das Temperiermedium linkseitig im jeweiligen Strömungskanal K1 bis Kn und den Strömungskanälen K1 bis Kn der direkt angrenzenden Wärmetauscherebene E1 bis En rechtseitig im jeweiligen Strömungskanal K1 bis Kn zuführbar ist. Die Einströmposition in die Strömungskanäle K1 bis Kn ist für die übereinander angeordneten Wärmetauscherebene E1 bis En abwechselnd links und rechts ausgebildet.
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7 zeigt eine Frontalansicht auf den Wärmetauscher 1 im Bereich des Abführelements 9. In das Abführelement 9 sind in der dargestellten Weise die Abführkanäle A1 bis An integriert. Aufgrund der beschriebenen winkligen Anordnung der Seitenwandelemente 14 ergibt sich auf einer dem Abführelement 9 zugewandten Seite der Verteileinheit 12 eine versetzte Anordnung der vertikal übereinander befindlichen Strömungskanäle K1 bis Kn direkt aneinander angrenzender Wärmetauscherebenen E1 bis En.
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Aus dieser versetzten Anordnung resultiert, dass aus den Strömungskanälen K1 bis Kn einer Wärmetauscherebene E1 bis En das Temperiermedium rechtsseitig im jeweiligen Strömungskanal K1 bis Kn und den Strömungskanälen K1 bis Kn der direkt angrenzenden Wärmetauscherebene E1 bis En linksseitig im jeweiligen Strömungskanal K1 bis Kn abführbar ist. Die Ausströmposition aus den Strömungskanälen K1 bis Kn ist für die übereinander angeordneten Wärmetauscherebene E1 bis En abwechselnd rechts und links ausgebildet.
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Weiterhin ist die Ausströmposition in den Strömungskanälen K1 bis Kn rechts ausgebildet, in welchen die Einströmposition links ausgebildet ist; und umgekehrt.
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Aufgrund des versetzten Verlaufs der Seitenwandelemente 14 und somit der Strömungskanäle K1 bis Kn der direkt aneinander grenzenden Wärmetauscherebenen E1 ist es weiterhin in besonders vorteilhafter Weise möglich, das Zuführelement 8 und das Abführelement 9 als Gleichteile auszubilden. Das Zuführelement 8 ist im montierten Zustand des Wärmetauschers 1 um 180° zum Abführelement 9 gedreht angeordnet.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung des Wärmetauschers 1 gemäß 7 in der Wärmetauscherebene En.
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Die Zuführkanäle Z1 bis Z6 der Strömungskanäle K1 bis K6 der Wärmetauscherebene En sind in Verlaufsrichtung V des jeweiligen Strömungskanals K1 bis K6 jeweils rechts, d. h. an dem rechten Seitenwandelement 14 des jeweiligen Strömungskanals K1 bis K6 angeordnet.
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Gleichzeitig sind die Abführkanäle A1 bis A6 der Strömungskanäle K1 bis K6 in Verlaufsrichtung V des jeweiligen Strömungskanals K1 bis K6 jeweils links, d. h. an dem linken Seitenwandelement 14 des jeweiligen Strömungskanals K1 bis K6 angeordnet.
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Aus dieser Anordnung resultieren Strömungen der Temperiermedienflüsse T in den horizontal nebeneinander angeordneten Strömungskanälen K1 bis K6 der Wärmetauscherebene En, wobei die Strömungen und somit die einzelnen Temperiermedienflüsse T im gleichen Richtungssinn und parallel zueinander verlaufen.
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Dabei treten die Temperiermedienflüsse T jeweils rechtsseitig in die Strömungskanäle K1 bis K6 ein und linksseitig aus diesen aus, wobei aufgrund des zur Außenkante des Boden-/Deckenelements 13 abgewinkelten Verlaufs der Seitenwandelemente 14 eine Durchströmung der Luftspalte zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n sowohl längs auch quer zur Verlaufsrichtung V der Strömungskanäle K1 bis K6 erzielt wird, woraus eine optimierte Wärmeübertragung zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und dem Temperiermedium resultiert.
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In 9 ist ein detaillierter Ausschnitt des Strömungskanals K1 im Bereich des Zuführkanals Z1 dargestellt.
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10 zeigt einen detaillierten Ausschnitt des Strömungskanals K6 im Bereich des Abführkanals A6.
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In 11 ist eine Schnittdarstellung des Wärmetauschers 1 gemäß 7 in der Wärmetauscherebene En – 1 dargestellt.
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Die Zuführkanäle Z7 bis Z12 der Strömungskanäle K7 bis K12 der Wärmetauscherebene En – 1 sind in Verlaufsrichtung V des jeweiligen Strömungskanals K7 bis K12 jeweils links, d. h. an dem linken Seitenwandelement 14 des jeweiligen Strömungskanals K7 bis K12 angeordnet.
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Gleichzeitig sind die Abführkanäle A7 bis A12 der Strömungskanäle K7 bis K12 in Verlaufsrichtung V des jeweiligen Strömungskanals K7 bis K12 jeweils rechts, d. h. an dem rechten Seitenwandelement 14 des jeweiligen Strömungskanals K7 bis K12 angeordnet.
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Aus dieser Anordnung resultieren Strömungen der Temperiermedienflüsse T in den horizontal nebeneinander angeordneten Strömungskanälen K7 bis K12 der Wärmetauscherebene En – 1, wobei die Strömungen und somit die einzelnen Temperiermedienflüsse T im gleichen Richtungssinn und parallel zueinander verlaufen.
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Dabei treten die Temperiermedienflüsse T jeweils linksseitig in die Strömungskanäle K7 bis K12 ein und rechtsseitig aus diesen aus, wobei aufgrund des zur Außenkante des Boden-/Deckenelements 13 abgewinkelten Verlaufs der Seitenwandelemente 14 eine Durchströmung der Luftspalte zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n sowohl längs auch quer zur Verlaufsrichtung V der Strömungskanäle K7 bis K12 erzielt wird, woraus eine optimierte Wärmeübertragung zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und dem Temperiermedium resultiert.
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Somit verlaufen die Temperiermedienflüsse T der Wärmetauscherebene En – 1 gegenstromförmig zu den Temperiermedienflüssen T der direkt angrenzenden Wärmetauscherebene En. Au diesem gegenläufigen Verlauf resultieren zusätzlich turbulente Strömungen, welche die Wärmeübertragung zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n und dem Temperiermedium erhöhen. Gleichzeitig wird eine homogene Wärmeübertragung mit verringertem Temperaturgradienten zwischen einströmendem und ausströmendem Temperiermedium erzielt.
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12 zeigt einen detaillierten Ausschnitt des Strömungskanals K12 im Bereich des Zuführkanals Z12.
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In 13 ist ein detaillierter Ausschnitt des Strömungskanals K7 im Bereich des Abführkanals A7 dargestellt.
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Die 14 und 15 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Batterie 21 in verschiedenen Darstellungen. Die Batterie 21 ist für Fahrzeuganwendungen, insbesondere zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie für eine elektrische Antriebseinheit eines Fahrzeugs vorgesehen.
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Die Batterie 21 umfasst ein zweites Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 1, wobei die Verteileinheit 12 derart ausgebildet ist, dass die in der Verteileinheit 12 angeordneten Einzelzellen 2.1 bis 2.n in zwei Zellblöcke zu jeweils 48 Einzelzellen 2.1 bis 2.n unterteilt sind.
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Zur optimierten Verteilung des Temperiermediums im Wärmetauscherraum 3 und zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n sind zusätzlich zu den Seitenwandelementen 14 vertikale Verteilerplatten 22 angeordnet, in welche Verteilungsschlitze 22.1 eingebracht sind. Die Verteilungsschlitze 22.1 verlaufen senkrecht zu den Wärmetauscherebenen E1 bis En und sind derart angeordnet, dass das Temperiermedium zwischen die Einzelzellen 2.1 bis 2.n, d. h. in die Luftspalte zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n leitbar ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Verteileinheit 12 vier Verteilerplatten 22, welche jeweils zwischen den Zellblöcken und den Seitenwandelementen 14 angeordnet sind.
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Zu Zuführung und Abführung des Temperiermediums sind die Zuführkanäle Z1 bis Zn und die Abführkanäle A1 bis An gemäß der Anordnung der Seitenwandelemente 14 und der Verteilerplatten 22 in das Zuführelement 8 bzw. das Abführelement 9 eingebracht.
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Die Batterie umfasst weiterhin ein Batteriegehäuse 23, in welches die Vorlaufverteiler 15 bis 17 und Rücklaufsammler 18 bis 20 integriert sind. Das Batteriegehäuse 23 ist EMV-geschützt und brandgeschützt ausgebildet und insbesondere aus Stahl, beispielsweise Edelstahl, gebildet. Eine Temperaturbeständigkeit des Batteriegehäuses 23 beträgt insbesondere mindestens 1000°C.
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Weiterhin ist unterhalb der Verteileinheit 12 mit den darin angeordneten Einzelzellen 2.1 bis 2.n ein Batteriegehäuserahmen 24 angeordnet, welche vorzugsweise nicht gezeigte Fixierbolzen zur Fixierung der Verteileinheit 12 mit den Einzelzellen 2.1 bis 2.n in dem Batteriegehäuse 23 umfasst.
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Oberhalb der zweiten Fixierplatte 11 ist eine Platinen-/Sicherungsabdeckung 25 angeordnet, welche einerseits als Berührungsschutz und andererseits zum mechanischen und elektrischen Schutz des Energiespeichers 2 dient.
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Zur Befestigung der Platinen-/Sicherungsabdeckung 25 sind Befestigungselemente 26 vorgesehen, mittels welcher die Platinen-/Sicherungsabdeckung 25 an dem Batteriegehäuse 23 befestigbar ist.
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Zum Verschluss des Batteriegehäuses 23 ist eine Batteriegehäuseabdeckung 27 vorgesehen, wobei die Batteriegehäuseabdeckung 27 mittels mehrerer Befestigungselemente 28 an dem Batteriegehäuse 23 befestigbar ist. Die Befestigungselemente 28 sind beispielsweise Schraub- oder Nietelemente. Der Verschluss des Batteriegehäuses 23 ist vorzugsweise dicht gegen eindringende und austretende Stoffe ausgebildet.
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Die Batterie 21 ist in dem Fahrzeug derart angeordnet, dass bei einer Verwendung von Luft als Temperiermedium die Zuluft den Zuführkanälen Z1 bis Zn des fahrzeugseitig zugeführt wird. Je nach Anforderung ist ein nicht gezeigter fahrzeugseitiger Zuluftkanal derart ausgelegt, dass die Zuluft mit einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 20°C in die Vorlaufverteiler 15 bis 17 direkt in den Wärmetauscher 1 führbar ist.
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Die für die Kühlung des Energiespeichers 2 erforderliche temperierte Zuluft mit der Temperatur von ungefähr 20°C wird von dem fahrzeugseitig ausgelegten Zuluftkanal so ausgelegt, dass ein Teil für die Temperierung der Zuluft in dem fahrzeugseitigen Zuluftkanal aus einer temperierten Innenraumentlüftung dem fahrzeugseitigen Zuluftkanal zuführbar ist.
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Von einer Klimaanlage des Fahrzeugs führt vorzugsweise ein Luftkanal zu dem fahrzeugseitigen Zuluftkanal. Je nach Bedarf wird die temperierte Zuluft von der Klimaanlage über den Luftkanal in den fahrzeugseitigen Zuluftkanal geführt, wobei ein Mischungsverhältnis je nach Anforderung fahrzeugseitig regelbar ist.
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Die fahrzeugseitige Auslegung des Zuluftkanals ist je nach Fahrzeugtyp gestaltbar. Die Zuluft wird vorzugsweise von der Seite des Fahrzeugs zugeführt und nicht direkt am Unterboden in Fahrtrichtung, so dass vermieden wird, dass Abwärme einer Motors des Fahrzeugs dem Zuluftkanal zugeführt wird.
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Die Zuführkanäle Z1 bis Zn sind weiterhin in nicht dargestellter Weise mit einem mehrschichtigen und vorzugsweise wasserabweisenden Metallfilter versehen, so dass eine Verschmutzung des Energiespeichers 2 innerhalb des Wärmetauschers 1 bzw. der Batterie 21 vermeidbar ist.
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In den Abführkanälen A1 bis An sind am unteren Teil, welche sich unterhalb am Fahrzeugboden im Freien befinden, die Saug-Ventilatoren angeordnet, welche die Zuluft des fahrzeugseitigen Zuluftkanals durch den Wärmetauscherraum 3 und die Abführkanäle A1 bis An ins Freie führen.
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Die 16 bis 20 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 1 sowie der Verteileinheit 12 in verschiedenen Ansichten und Darstellungen.
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Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 1 umfasst dieser zusätzlich Verteilerplatten 22 mit den Verteilungsschlitzen 22.1 zur optimierten Verteilung des Temperiermediums zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind 12 Verteilerplatten 22 vorgesehen, welche jeweils zwischen den Zellblöcken und den Seitenwandelementen 14 angeordnet sind.
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Eine derartige Anordnung der Verteilerplatten 22 ermöglicht eine effektive Temperierung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n auch bei sehr kleinen oder nicht vorhandenen Luftspalten zwischen den Einzelzellen 2.1 bis 2.n, welche beispielsweise aufgrund einer Fixierung der Einzelzellen 2.1 bis 2.n oder aufgrund einer Zellenform der Einzelzellen 2.1 bis 2.n vorgegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Energiespeicher
- 2.1 bis 2.n
- Einzelzelle
- 3
- Wärmetauscherraum
- 4
- erste Gehäuseabdeckung
- 5
- zweite Gehäuseabdeckung
- 6
- Gehäuseseitenwand
- 7
- Gehäuseseitenwand
- 8
- Zuführelement
- 9
- Abführelement
- 10
- erste Fixierplatte
- 11
- zweite Fixierplatte
- 12
- Verteileinheit
- 13
- Boden-/Deckenelement
- 13.1
- Nut
- 14
- Seitenwandelement
- 15 bis 17
- Vorlaufverteiler
- 18 bis 20
- Rücklaufsammler
- 21
- Batterie
- 22
- Verteilerplatte
- 23
- Batteriegehäuse
- 24
- Batteriegehäuseabdeckung
- 25
- Platinen-/Sicherungsabdeckung
- 26
- Befestigungselemente
- 27
- Batteriegehäuseabdeckung
- 28
- Befestigungselemente
- A1 bis An
- Abführkanal
- E1 bis En
- Wärmetauscherebene
- G
- Gehäuse
- K1 bis Kn
- Strömungskanal
- T
- Temperiermedienfluss
- V
- Verlaufsrichtung
- Z1 bis Zn
- Zuführkanal
- α, β
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006015568 B3 [0004]
