DE102011084000A1

DE102011084000A1 - Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids und Kühlsystem zum Kühlen einer elektrischen Komponente

Info

Publication number: DE102011084000A1
Application number: DE201110084000
Authority: DE
Inventors: Lars Ludwig; Michael Moser; Matthias STRIPF; Hans-Georg Herrmann
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2012-05-31
Also published as: CN203503759U; EP2647082A1; WO2012072348A1; US20130250512A1; US9546827B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Führen eines Kühlfluids zum Kühlen einer elektrischen Komponente. Die Vorrichtung (100) umfasst eine Fiuidführungskammer (110) zum Führen des Kühlfluids und einen zumindest teilweise flexiblen Deckel (120), der die Fluidführungskammer (110) fluiddicht abschließt und einen Wärmeübergangsbereich zur Wärmeleitung zwischen dem Kühlfluid und der elektrischen Komponente bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids zum Kühlen einer elektrischen Komponente und auf ein Kühlsystem zum Kühlen einer elektrischen Komponente.
In der Automobilindustrie werden derzeit zur Kühlung von elektrischen Komponenten komplexe Kühler eingesetzt, die aufwendige Herstellungsverfahren erforderlich machen. Ferner werden kostenintensive Wärmeleitmaterialien zur Kompensation von Oberflächenunebenheiten an den zu kühlenden Komponenten benötigt. Die elektrische Isolierung des Kühlers muss über zusätzliche Maßnahmen gewährleistet werden.
Die DE 10 2008 059 952 A1 zeigt eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer Kühlvorrichtung zum Temperieren der Batteriezellen. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Wärmetauscher, der die Batteriezellen an Kontaktstellen zum Wärmeaustausch berührt und wenigstens an den Kontaktstellen zu den Batteriezellen elektrisch isolierend ausgeführt ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids und ein verbessertes Kühlsystem zum Kühlen einer elektrischen Komponente zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung sowie ein Kühlsystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer Realisierung einer flexiblen thermischen Anbindung eines Kühlers an eine zu kühlende Komponente ohne Verwendung von zusätzlichem Wärmeleitmaterial ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Kühlers bei gleichzeitiger elektrischer Isolation geschaffen werden kann.
Durch eine flexible Anpassung der Kontaktfläche des Kühlers an eine vorhandene Komponentenoberfläche kann ein Wirkungsgrad des Kühlers erhöht werden. Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung von Wärmeleitmaterialien als flexible thermische Anbindung auf eine zusätzliche kostenintensive thermische Anbindung zwischen zu kühlender Komponente und Kühleroberfläche verzichtet werden. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Herstellung der Kühlereinzelteile, des Kühlers und der elektrischen Isolation. Neben dem Einsatz günstigerer Herstellverfahren bringen ein Gewichtsvorteil durch geringeren Materialeinsatz und eine Reduzierung passiver, thermischer Masse eine weitere Kastenreduzierung mit sich.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids zum Kühlen einer elektrischen Komponente, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Fluidführungskammer zum Führen des Kühlfluids; und
einen zumindest teilweise flexiblen Deckel, der die Fluidführungskammer fluiddicht abschließt und einen Wärmeübergangsbereich zur Wärmeleitung zwischen dem Kühlfluid und der elektrischen Komponente bildet.
Die Vorrichtung kann einen Wärmetauscher oder Kühler darstellen. Bei der elektrischen Komponente kann es sich um eine Batterie handeln. Somit kann die Vorrichtung beispielsweise zum Kühlen eines Akkumulators in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden. Bei dem Fluid kann es sich um ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel handeln. Die Fluidführungskammer kann z. B. eine Form einer rechteckigen flachen Wanne mit zwei Öffnungen aufweisen, so dass das Kühlfluid durch eine der Öffnungen in die Fluidführungskammer eintreten, einen Innenraum der Fluidführungskammer durchströmen und anschließend durch die weitere der Öffnungen wieder aus der Fluidführungskammer austreten kann. Die Fluidführungskammer kann auch andere geometrische Farmen als eine Rechteckform aufweisen. Der Deckel kann flach ausgeführt sein und eine Kontur aufweisen, die einer Kontur der Fluidführungskammer entspricht, so dass der Deckel z. B. passgenau auf Seitenwände der Fluidführungskammer aufgelegt und fluiddicht mit diesen verbunden werden kann. Führt die Fluidführungskammer das Kühlfluid, so kann eine Innenseite des Deckels in direktem Kontakt mit dem Kühlfluid stehen. Eine Außenseite des Deckels kann als Auflagefläche für die zu kühlende elektrische Komponente dienen. Die elektrische Komponente kann dabei auf dem Wärmeübergangsbereich angeordnet sein. Der Wärmeübergangsbereich kann sich über eine gesamte Fläche oder einen Teilbereich einer Fläche des Deckels erstrecken. Der Deckel kann aus Kunststoff oder Metall gebildet sein. Der Deckel kann zumindest in einem Teilbereich, der dem Wärmeübergangsbereich entsprechen kann, biegsam oder elastisch sein. Durch Druckbeaufschlagung auf die Innenseite kann der Deckel eine Wölbung ausbilden. Ist das den Deckel bildende Material elastisch, kann sich der Deckelseite wölben und ausdehnen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Deckel durch einen Druck des Fluids in der Fluidführungskammer in Richtung der elektrischen Komponente verformbar sein. Beispielsweise kann der Deckel in einem nicht mit der Fluidführungskammer verbundenen Bereich eine oder mehrere Wölbungen ausbilden, wodurch sich die Oberfläche des Deckels an eine Grundfläche der elektrischen Komponente anpassen und sich eine Wärmeübergangsfläche zwischen dem Deckel und der Komponente vorteilhaft vergrößern kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Kühlung verbessert werden. Zudem kann die Verformung einfach durch den Betrieb der Vorrichtung bereitgestellt werden, indem das Kühlfluid in die Fluidführungskammer eingeführt wird.
Der Deckel kann eine Folie sein. Eine Folie weist ein sehr geringes Gewicht auf. Zudem kann sich die Folie aufgrund der geringen Materialstärke bei Beaufschlagung durch das Kühlmittel sehr gut an eine Kontur der zu kühlenden Komponente anpassen. Dadurch kann die Kühlleistung verbessert werden.
Ferner kann der Deckel aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein. Folglich wird keine separate Komponente zur Isolierung benötigt. Die Vorrichtung kann somit schneller, einfacher und mit geringerem Gewicht gefertigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Deckel in einem einer Geometrie der elektrischen Komponente entsprechenden Bereich flexibel sein und in einem Restbereich starr sein. Beispielsweise kann der Deckel in einem Mittelbereich in einer Größe einer Bodenfläche der zu kühlenden Komponente flexibel sein und in einem den Mittelbereich umlaufenden Randbereich, der nicht von der Komponente abgedeckt ist, unflexibel sein. So kann vorteilhafterweise eine Robustheit der Vorrichtung verbessert werden, wodurch sie widerstandfähiger gegen Beschädigungen ist. Flexibel bedeutet dabei, dass eine Verformung durch das Fluid erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine der elektrischen Komponente zugewandte Seite des Deckels strukturiert sein. So kann eine Fläche des Wärmeübergangsbereichs des Deckels vorteilhaft vergrößert und die Kühlleistung entsprechend gesteigert werden. Zudem kann aufgrund des durch die Strukturierung gegebenen höheren Reibungskoeffizienten eine sicherere Positionierung der elektronischen Komponente auf dem Deckel der Vorrichtung ermöglicht werden.
Auch kann eine der elektrischen Komponente zugewandte Seite des Deckels eine Klebebeschichtung aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass die zu kühlende elektrische Komponente auf einfache Weise und ohne zusätzliche Elemente mit der Vorrichtung verbunden werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Fluidführungskammer mit dem Deckel formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder materialschlüssig verbunden sein. Beispielsweise kann der Deckel in einem Randbereich eine Mehrzahl von beabstandeten Durchgangsöffnungen aufweisen, und Seitenwände der Fluidführungskammer können an entsprechenden Positionen Bohrungen mit Innengewinde aufweisen, so dass der Deckel und die Fluidführungskammer mittels geeigneter Schrauben formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden werden können. Alternativ oder zusätzlich können der Deckel und die Fluidführungskammer über ein chemisches oder thermischen Fügeverfahren der sich berührenden Materialbereiche materialschlüssig verbunden werden. Insbesondere eine Kombination von form-/kraftschlüssiger und materialschlüssiger Verbindung kann gleichzeitige Robustheit und Fluiddichtheit der Vorrichtung gewährleisten.
Ferner kann die Fluidführungskammer einen Innenraum mit mindestens einer Trennwand zum Führen des Kühlfluids aufweisen. Durch die Trennwand kann der Innenraum in einzelne Bereiche unterteilt werden, die jeweils von dem Kühlfluid durchströmt werden können. Die Trennwand kann sich beispielsweise in einer Mehrzahl von Windungen in dem Innenraum der Fluidführungskammer erstrecken, um eine optimale Fließstrecke für das Kühlfluid zu bilden. Beispielsweise kann die Trennwand so in dem Innenraum angeordnet sein, dass sie das Kühlfluid von einer Einlassöffnung in die Fluidführungskammer weg und mäandernd durch den Innenraum und schließlich zu einer Auslassöffnung aus der Fluidführungskammer leitet, ohne dass Kühlfluid zu der Einlassöffnung zurückströmen kann. Es kann auch eine Mehrzahl von Einzelwänden in der Fluidführungskammer angeordnet sein, und ein geeignetes System zur Fluidführung bilden. Die Trennwand kann aus dem gleichen Material wie die Fluidführungskammer oder aus einem anderen geeigneten Material gebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch die Fluidführungskammer zumindest teilweise flexibel ausgebildet sein. Bevorzugt ist in dieser Ausführungsform der Deckel als auch die Fluidführungskammer aus Kunststoff ausgebildet. Der Deckel kann mit der Fluidführungskammer partiell gefügt, bevorzugt verschweißt, sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Folie beheizbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Folie mit Partikel versehen oder weist ein Drahtgeflecht auf zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Unterseite der Fluidführungskammer ebenfalls als erfindungsgemäße Folie ausgebildet. Somit bildet die Fluidführungskammer ein Einlegeteil, das an der Ober- und Unterseite durch eine Folie fluiddicht verschlossen ist. Durch diese Ausführungsform ist somit beidseitiges Kühlen möglich.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Kühlsystem zum Kühlen einer elektrischen Komponente, das folgende Merkmale aufweist:
die elektrische Komponente; und
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids, wobei die elektrische Komponente auf dem Wärmeübergangsbereich des Deckels der Vorrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise kann die elektrische Komponente über den durch den Deckel gebildeten Wärmeübergangsbereich gekühlt werden, wenn die Fluidführungskammer ein Kühlfluid führt.
Das Kühlsystem kann z. B. in einem Elektrofahrzeug zum Einsatz kommen. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um einen Akkumulator zum Betrieb des Elektrofahrzeugs handeln. Die elektrische Komponente kann z. B. mit einer Bodenfläche auf dem Deckel der Vorrichtung angeordnet sein. Wird die Vorrichtung von einem Kühlfluid durchströmt, kann sich der Deckel aufgrund seiner materialbedingten Flexibilität bzw. Elastizität in Richtung der elektrischen Komponente wölben. So kann sich der Deckel optimal an Konturen eines Bodenbereichs der elektrischen Komponente anpassen und einen größtmöglichen Wärmeübergangsbereich bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung schaffen.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2 eine Schnittdarstellung eines Kühlsystems zum Kühlen einer elektrischen Komponente, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Führen eines Kühlfluids, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
Vorgestellt wird ein kostengünstiger Kühler, der über ein geeignetes Fluid elektrische Komponenten kühlt. Der Kühler bietet hierbei eine flexible Kontaktoberfläche, die sich an eine Geometrie der zu kühlenden Komponente anpasst.
1 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Führen eines Kühlfluids. Gezeigt sind eine Fluidführungskammer 110 und ein Deckel 120.
Die Fluidführungskammer 110 ist als eine rechteckige flache Wanne ausgebildet. In einer Seitenwand der Fluidführungskammer 110 sind voneinander beabstandet eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für das Kühlfluid angeordnet, an die z. B. eine Kühlfluidzuführleitung bzw. eine Kühlfluidabführleitung zur Bildung eines Kühlmittelkreislaufs angeschlossen werden können. Eine Bodeninnenfläche der Fluidführungskammer 110 weist eine Mehrzahl von Wänden 130 auf, deren Höhe einer Höhe der Seitenwände der Fluidführungskammer 110 entspricht. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich eine der Wände 130 mit einem Bezugszeichen versehen. Bis auf eine weisen die Wände 130 eine U-Form auf. So kann Kühlmittel in parallelen Strömen von der Einlassöffnung durch den gesamten Innenraum der Fluidführungskammer zu der Auslassöffnung geleitet werden und dabei über den Deckel 120 den Wärmeaustausch mit einer auf dem Deckel angeordneten elektrischen Komponente ausführen. Eine zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung mit der Seitenwand verbundene gerade Wand verhindert, dass Kühlfluid von der Einlassöffnung direkt zu der Auslassöffnung strömen kann. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen lange Seitenwände der Fluidführungskammer 110 beabstandete gegenüberliegende Bohrungen zum Verbinden der Fluidführungskammer 110 mit dem Deckel 120 auf. Gemäß der Darstellung in 1 weist die Fluidführungskammer 110 eine Mehrzahl von Versteifungsrippen auf, die sich über einen Bodenaußenbereich bis zu einer Oberkante der Seitenwände der Fluidführungskammer 110 erstrecken.
Gemäß der Darstellung in 1 ist der Deckel 120 flach und weist eine der Fluidführungskammer 110 entsprechende Rechteckform auf. Lange Seitenwände des Deckels 120 weisen beabstandete gegenüberliegende Durchgangsöffnungen auf, die mit den Bohrungen der Fluidführungskammer 110 korrespondieren, so dass der Deckel 120 z. B. mittels Schrauben mit der Fluidführungskammer 110 verbunden werden kann.
2 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt eines Kühlsystems 200 zum Kühlen einer elektrischen Komponente, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist die Vorrichtung 100 aus 1 im montierten Zustand und ein Bodenbereich einer elektrischen Komponente 210. In der Darstellung in 2 ist deutlich zu sehen, dass sich der Deckel 120 der Vorrichtung 100 zwischen Bereichen, in denen der Deckel 120 mit der Fluidführungskammer 110 verbunden ist, aufgrund eines innerhalb der Vorrichtung 100 herrschenden Kühlfluiddrucks in Richtung einer Bodenfläche der zu kühlenden elektrischen Komponente 210 wölbt.
Im Folgenden wird anhand der 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel eines Folien-Kühlers 100 für elektrische Komponenten beschrieben. Der Kühler 100 besteht aus mindestens einem Formteil 110, welches die Fluidführung des Kühlmediums darstellt, und mindestens einer Folie 120 aus Kunststoff oder Metall. Die Folie 120 stellt die Kontaktfläche zu der zu kühlenden Komponente dar und ist form-, kraft- oder materialschlüssig oder über ein chemisches oder thermisches Fügeverfahren mit dem Formteil 110 verbunden. Die Oberfläche der Folie 120 kann sowohl strukturiert als auch glatt ausgeführt sein. Eine zusätzliche Klebebeschichtung ist optional. Bei einer Beaufschlagung mit Kühlfluid legt sich die Folie 120 flexibel an die Oberfläche der zu kühlenden Komponente an 210. Optional kann der flexible Bereich der Folie 120 an eine Geometrie der zu kühlenden Komponente 210 angepasst sein. Zusätzlich kann ein Grad der Anbindung über die Fügekraft zwischen der zur kühlenden Komponente und der Folie 120 beeinflusst werden. Generell sind verschiedene Durchströmungsarten möglich, z. B. ein I-, U-, S- oder W-Fluss oder mit mehreren Umlenkungen. Verschiedene Anschlusstypen an den Kühler 100 sind möglich, wie z. B. Schlauchstutzen, Einschraubstutzen oder Schnellkupplungsanschlüsse. Eine Verbundplatte ermöglicht mehrere Fluidanschlüsse (1 bis X).
Alternativ oder zusätzlich können Wärmeleitmaterialien wie Folien, Beschichtungen oder Verguss- bzw. Klebmassen verwendet werden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Anstelle einer elektrischen Komponente können auch andere Komponenten gekühlt werden. Auch kann anstelle einer Kühlung eine Erwärmung erfolgen. In diesem Fall kann von dem sich in der Fluidführungskammer befindlichen Fluid Wärme über den Wärmeübergangsbereich des Deckels abgeben werden.
3 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Führen eines Kühlfluids. Gezeigt sind eine Fluidführungskammer 110 und ein Deckel 120. Der wesentliche Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 besteht nun darin, dass sowohl die Fluidführungskammer 110 als auch der Deckel 120 aus einem flexiblen Material ausgebildet sind. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zumindest eine als Deckel ausgebildete Folie 120 und eine als Fluidführungskammer ausgebildete Folie 110, die partiell miteinander verschweißt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059952 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (100) zum Führen eines Kühlfluids zum Kühlen einer elektrischen Komponente (210), wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: eine Fluidführungskammer (110) zum Führen des Kühlfluids; und einen zumindest teilweise flexiblen Deckel (120), der die Fluidführungskammer fluiddicht abschließt und einen Wärmeübergangsbereich zur Wärmeleitung zwischen dem Kühlfluid und der elektrischen Komponente bildet.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der der Deckel (120) durch einen Druck des Fluids in der Fluidführungskammer (110) in Richtung der elektrischen Komponente (210) verformbar ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Deckel (120) eine Folie ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Deckel (120) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Deckel (120) in einem einer Geometrie der elektrischen Komponente (210) entsprechenden Bereich flexibel ist und in einem Restbereich starr ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der eine der elektrischen Komponente (210) zugewandte Seite des Deckels (120) strukturiert ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der eine der elektrischen Komponente (210) zugewandte Seite des Deckels (120) eine Klebebeschichtung aufweist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Fluidführungskammer (110) mit dem Deckel (120) formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder materialschlüssig verbunden ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Fluidführungskammer (110) einen Innenraum mit mindestens einer Trennwand (130) zum Führen des Kühlfluids aufweist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der auch die Fluidführungskammer (110) zumindest teilweise flexibel ausgebildet ist.
Kühlsystem (200) zum Kühlen einer elektrischen Komponente (210), das folgende Merkmale aufweist: die elektrische Komponente; und eine Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die elektrische Komponente auf dem Wärmeübergangsbereich des Deckels (120) der Vorrichtung angeordnet ist.