DE102012222635A1

DE102012222635A1 - Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012222635A1
Application number: DE102012222635.4A
Authority: DE
Inventors: Manuel WEHOWSKI; Jürgen Grünwald; Florian Moldovan
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-12
Also published as: US9806389B2; WO2014090641A1; US20170018825A1; CN104838510A; CN108544903A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erste Komponente (11) mit einem ersten Kanal, eine zweite Komponente (17) mit einem zweiten Kanal und ein thermoelektrisches Element (18) zur Generierung eines Wärmestroms, wobei der erste Kanal von einem ersten Fluid eines ersten Fluidkreislaufes (3) zur Temperierung einer ersten externen Komponente durchströmbar ist, und wobei der hiervon fluidisch getrennte zweite Kanal von einem zweiten Fluid eines zweiten Fluidkreislaufes (4) zur Temperierung einer zweiten externen Komponente (9) durchströmbar ist, und wobei das mindestens eine thermoelektrische Element (18) zwischen der ersten und zweiten Komponente (11, 17), diese thermisch kontaktierend, angeordnet ist. Bei einem Wärmeübertrager, welcher eine bedarfsgerechte Kühlung und Heizung von Komponenten, insbesondere von Hochleistungsbatterien von Hybrid- und Elektrofahrzeugen erlaubt, bilden die erste und zweite Komponente (11, 17) und das thermoelektrische Element (18) ein Modul (11.1; 17,1) mit mindestens zwei Fluidverbindungselementen (15, 16), die zu jeweiligen Fluidverbindungselementen (15, 16) eines weiteren solchen Moduls (11.2; 17,2) kompatibel sind, wobei ein erstes Fluidverbindungselement (15) an den ersten Kanal und ein zweites Fluidverbindungselement (16) an den zweiten Kanal angeschlossen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Im Rahmen der voranschreitenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen spielt Energieeffizienz, insbesondere im Hinblick auf Heiz- und Kühlaufgaben im Kraftfahrzeug, eine wesentliche Rolle. Ein ineffizientes Heizen und Kühlen in mit Hochleistungsbatterien betriebenen Elektrofahrzeugen kann beispielsweise eine sehr starke Reichweitenreduzierung des Fahrzeuges bedeuten.
Beim Einsatz von modernen Hochleistungsbatterien, die aus einer Anzahl einzelner Zellen aufgebaut sind, wie z. B. in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, muss sich die Temperatur der Hochleistungsbatterie während des Betriebes des Kraftfahrzeuges in einem gewissen Intervall befinden, um die Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Sicherheit des Kraftfahrzeuges sicherzustellen. Einerseits sinkt der Wirkungsgrad der Batteriezellen bei Unterschreitung einer geeigneten Betriebstemperatur sehr stark und die Zellen produzieren eine hohe Verlustleistung. Andererseits laufen oberhalb eines geeigneten Betriebsbereiches Prozesse innerhalb der Zellen ab, die zu irreversibler Schädigung führen. Ferner dürfen zur Vermeidung einer ungleichmäßigen und damit einhergehenden verstärkten Alterung einzelner Batteriezellen die Temperaturunterschiede innerhalb der Einzelzellen und in dem gesamten Batteriestack bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Aus diesen Gründen ist eine Batterietemperierung in Form einer Kühlung oder einer Heizung erforderlich.
Es ist ein Wärmeübertrager bekannt, der zwei Fluidseiten aufweist, wodurch zwei unabhängige Kreisläufe zum Temperieren verschiedener Komponenten eines Kraftfahrzeuges realisiert werden können. Ein derartiger Wärmeübertrager ist in Schichtenbauweise konzipiert, wobei die beiden Fluidseiten über thermoelektrische Elemente miteinander in Kontakt stehen. Solche thermoelektrischen Elemente sind gemäß der DE 10 2009 058 673 A1 bekannt, wobei bei Bestromung der thermoelektrischen Elemente Wärme von einem Fluid zum anderen Fluid gepumpt wird, ohne dass sich die Fluide berühren oder mischen. Eine Fluidseite ist dabei Teil eines Fluidkreislaufes zur Temperierung von Komponenten, beispielsweise einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeuges. Die andere Fluidseite ist Teil eines Fluidkreislaufes zur Temperierung einer anderen Komponente und/oder zum Wärmetransfer zwischen Fluidkreislauf und Umgebung.
Bei dem Schichtaufbau dieses Wärmeübertragers ist es von Nachteil, dass bei Schaltvorgängen z. B. beim Ein- und Ausschalten eines Batteriekühlkreislaufes sich Peaks in der Luftausblastemperatur ergeben. Genauso ergeben sich Peaks in der abgeführten Batterieabwärme beim Einschalten der Batteriekühlung.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, der eine bedarfsgerechte Kühlung und Heizung von Komponenten, insbesondere von Hochleistungsbatterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen erlaubt.
Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1, wonach die erste und zweite Komponente und das thermoelektrische Element ein Modul mit mindestens zwei Fluidverbindungselementen bilden, die zu jeweiligen Fluidverbindungselementen eines weiteren solchen Moduls kompatibel sind, wobei ein erstes Fluidverbindungselement an den ersten Kanal und ein zweites Fluidverbindungselement an den zweiten Kanal angeschlossen ist Dies hat den Vorteil, dass ein solcher Wärmeübertrager zwischen zwei Kühlkreisläufen wirken kann und die bedarfsgerechte Kühlung und Heizung der Komponenten erlaubt. Durch die Verwendung von Komponenten wird die Montage des Wärmeübertragers vereinfacht, wobei zwei voneinander getrennte Fluidkreisläufe einfach realisiert werden können. Die Vereinfachung der Montage zieht gleichzeitig eine Reduzierung der Herstellungskosten des Wärmeübertragers nach sich.
Vorteilhafterweise weist das Modul vier kompatible Fluidverbindungselemente auf, wobei das erste Fluidverbindungselement als Zuflusskanal und das zweite Fluidverbindungselement als Abflusskanal für das erste Fluid an dem ersten Kanal der ersten Komponente angeschlossen ist, und wobei das dritte Fluidverbindungselement als Zuflusskanal und das vierte Fluidverbindungselement als Abflusskanal für das zweite Fluid an dem zweiten Kanal der zweiten Komponente angeschlossen ist. Dadurch entsteht ein kompakter platzsparender Wärmeübertrager.
In einer Ausgestaltung sind mehrere Module derart zueinander angeordnet sind, dass die zweite Komponente eines ersten Moduls und die erste Komponente eines zweiten Moduls sich gegenüber angeordnet sind.
Alternativ sind mehrere Module derart zueinander angeordnet, dass jeweils die ersten Komponenten und/oder jeweils die zweiten Komponenten sich gegenüber angeordnet sind.
In einer Ausgestaltung ist zwischen zwei sich gegenüber angeordneten Modulen ein thermoelektrisches Element oder ein Isolationselement angeordnet ist, das beide Module thermisch kontaktiert. Eine solches Isolationselement verhindert neben der thermischen Isolierung gleichzeitig einen Leckstrom des Wärmefluids. In dem Fall, dass jeweils zwei Warm- oder zwei Kaltseiten in der ersten vorgefertigten Komponente auftreten und sich somit direkt aufeinander stapeln, ist ein solches Isolationselement aus wärmetechnischer Sicht nicht zwangsläufig erforderlich. Ist das Isolationselement flexibel ausgestaltet, dient es gleichzeitig zur flexiblen Abstützung der modularen Einheiten, so dass unter Verwendung einer zusätzlichen Haltevorrichtung einerseits eine Fixierung der modularen Einheiten gewährleistet ist, andererseits aber keine starre Verbindung der verschiedenen modularen Einheiten vorliegt, wodurch unerwünschte Spannungen reduziert werden.
In einer Variante sind das erste, zweite, dritte und vierte Fluidverbindungselement mehrerer sich jeweils gegenüber angeordneter Module entsprechend miteinander verbunden, insbesondere zusammengesteckt. Dadurch lässt sich der modulare Wärmeübertrager besonders einfach montieren.
Vorteilhafterweise sind die Öffnungen der Anschlüsse der Fluidverbindungselemente eines Moduls für diejenigen der gegenüber angeordneten Module parallel zu einer Ebene, die durch die Fläche der ersten oder zweiten Komponente gebildet ist, angeordnet.
In einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Komponente identisch aufgebaut sind und/oder die Strömungsgeometrie ist innerhalb einer Komponente identisch. Die Verwendung identisch aufgebauter Komponenten reduziert weiterhin die Herstellungskosten für einen solchen Wärmeübertrager.
In einer Weiterbildung ist die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente zur Bildung des Moduls um eine erste Achse, welche sich vorzugsweise in eine Quererstreckung der vorgefertigten Komponente ausdehnt, um 180° gedreht. Bei dieser Anordnung werden die Module genauso wie der gesamte Wärmeübertrager von den beiden Fluiden im Gegenstrom durchströmt. Diese Ausgestaltung ist immer dann von Vorteil, wenn an den vorgefertigten Komponenten Fluidanschlußelemente vorhanden sind, die die vorgefertigten Komponenten mit dem jeweiligen ersten oder zweiten Kühlkreislauf verbinden. Durch die Drehung der ersten und der zweiten vorgefertigten Komponente gegeneinander wird dafür Rechnung getragen, dass die Fluidanschlußelemente so platziert sind, dass eine flächige Kontaktierung der ersten und der zweiten vorgefertigten Komponente jederzeit möglich ist.
Alternativ ist die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente zur Bildung des Moduls um eine zweite Achse, die annähernd senkrecht zur ersten Achse ausgebildet ist und welche sich vorzugsweise in eine Längserstreckung der vorgefertigten Komponente ausdehnt, um 180° gedreht. Auch aufgrund dieser Ausgestaltung wird eine platzsparende Anordnung der ersten und der zweiten Komponente realisiert. Dabei wird der gesamte Wärmeübertrager von den beiden Fluiden im Gleichstrom durchströmt, während die einzelnen modularen Einheiten im Gegenstrom von den zwei verschiedenen Fluids durchströmt werden.
In einer Variante ist die zweite Komponente gegenüber der ersten Komponente um eine Achse senkrecht zur Fläche gegenüber der ersten Komponente um 90° zur Bildung des Moduls parallel gedreht.
Vorteilhafterweise bestehen die erste und die zweite Komponente jeweils aus einem Rohrpaket von parallel zueinander geführten Rohren, vorzugsweise Flachrohren, an deren Enden jeweils ein Eintritts- und ein Austrittssammler für das jeweilige Fluid befestigt ist, wobei der Eintritts- und der Austrittssammler mindestens je ein Fluidanschlußelement aufweisen. Solche Komponenten sind in der Klimatisierungstechnik hinreichend bekannt und können somit für diesen Anwendungsfall genutzt werden. Damit entfällt die Herstellung von speziellen Komponenten für den Wärmeübertrager.
In einer Ausgestaltung sind die erste und die zweite Komponente als Kühlplatte ausgebildet. Da solche Kühlplatten in Massenproduktion hergestellt werden, werden durch die Verwendung dieser Kühlplatten für den vorgeschlagenen thermoelektrischen Wärmeübertrager die Kosten für den Wärmeübertrager erheblich reduziert.
In einer Variante ist das mindestens eine thermoelektrische Element als Peltierelement ausgebildet. Im Heizfall dienen die Peltierelemente als Wärmepumpe zur Erwärmung der zu temperierenden Komponente, während im Kühlfall hingegen die Peltierelemente für eine Kühlung der entsprechenden Komponente sorgen. Die bedarfsgerechte Temperierung wird durch eine unterschiedliche Bestromung der Peltierelemente im Wärmeübertrager mit möglicher Umkehr der Stromrichtung realisiert.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine thermoelektrische Element mit der ersten und der zweiten Komponente verpresst oder stoffschlüssig verbunden. Durch diese Verpressung oder stoffschlüssige Verbindung wird ein zuverlässiger thermischer Kontakt zu den beiden vorgefertigten Komponenten hergestellt.
In einer Ausgestaltung sind mehrere Module gestapelt und der Stapel durch eine Haltevorrichtung zusammengehalten. Die Nutzung von Modulen erlaubt die Ausbildung von unterschiedlichen Wärmeübertragern in verschiedenen Leistungsklassen mit unterschiedlichen Wärmeleistungsbilanzen. Wärmeübertrager in unterschiedlichen Leistungsklassen lassen sich somit einfach nur über die Anzahl der verwendeten Module herstellen, ohne dass zusätzliche Bauteile und zusätzliche Verfahrensschritte notwendig sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragersystems mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
7. ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragersystems 1 mit dem erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wärmeübertrager 2. Der Wärmeübertrager 2 ist als Kühlmittel-/Kühlmittel-Temperiereinheit mit Thermoelektrik ausgebildet und zwischen zwei Kühlkreisläufen, wie dem Primärkreislauf 3 und dem Sekundärkreislauf 4 angeordnet. Dabei wird der Primärkreislauf 3 von einem ersten, als Kühlmittel ausgebildeten Fluid durchströmt, während ein zweites, ebenfalls als Kühlmittel ausgebildetes Fluid durch den Sekundärkreislauf 4 fließt. In dem Primärkreislauf 3 ist neben dem Wärmeübertrager 2 ein Niedertemperaturkühler 5 eingebunden, der über einen Kondensator 6 auf einen Klimatisierungskreislauf 7 innerhalb eines Kraftfahrzeuges übergreift. In dem Klimatisierungskreislauf 7 ist gleichzeitig ein Klimaverdampfer 8 angeordnet, mit welchem ein Fahrzeuginnenraum gekühlt oder geheizt werden kann. Im Sekundärkreislauf 4 erfolgt die Temperierung einer im Kraftfahrzeug angeordneten Hochvoltbatterie 9, welche auf einer Kühlplatte 10 befestigt ist. Die Kühlplatte 10 ist dabei in den Sekundärkreislauf 4 eingebunden.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 2 dargestellt. Der Wärmeübertrager 2 besteht dabei aus einer ersten vorgefertigten Komponente 11, die beispielsweise als Kühlplatte ausgebildet ist. Diese erste vorgefertigte Komponente 11 weist mehrere, sich parallel zueinander erstreckende Flachrohre 12 auf, deren Enden von einem Eintrittssammler 13 und einem Austrittssammler 14 für ein erstes Fluid begrenzt sind. Außerhalb der Erstreckung der Flachrohre 12 ist an dem Eintrittssammler 13 ein Fluidanschlußelement 15 als Eintrittsrohr für den Sekundärkreislauf 4 ausgebildet, während auf der diagonal entgegengesetzt liegenden Seite ein Fluidanschlußelement 16 als Austrittsrohr am Austrittssammler 14 ausgebildet ist. Eine zweite Komponente 17 des Wärmeübertragers 2, welche in den Primärkreislauf 3 eingebracht wird, ist identisch zur ersten vorgefertigten Komponente 11 ausgebildet. Durch die Fluidanschlußelemente 15, 16 ist die zweite Komponente 17 in den Primärkreislauf 3 eingebunden. Dabei ist die zweite vorgefertigte Komponente 17 gegenüber der ersten vorgefertigten Komponente 11 um 180° um die Y-Achse gedreht.
Auf der, der ersten Komponente 11 gegenüber liegenden Seite der zweiten Komponente 17 sind mehrere flächig, vorzugsweise rechteckig, ausgebildete Peltierelemente 18 verklebt. Die erste sowie die zweite vorgefertigte Komponente 11, 17 werden miteinander über die Peltierelemente 18 verpresst, wobei die Peltierelemente 18 einen thermischen Kontakt zu beiden vorgefertigten Komponenten 11, 17 erlangen. Neben dem Verpressen kann auch ein Verkleben der Peltierelemente 18 mit den vorgefertigten Elementen 11, 17, vorzugsweise mit den Flachrohren 12 der beiden vorgefertigten Elemente 11, 17, erfolgen.
Ein so hergestellter Wärmeübertrager 2 bildet Module 11, 17, wie sie in 3 dargestellt ist. Mehrere solche gleichen Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 können beliebig übereinander gestapelt werden. In der Stapelbauweise werden die Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 in ihrer Orientierung beibehalten und in z-Richtung gestapelt. Sofern die Fluidanschlußelemente 15, 16 als Rohrstutzen senkrecht aus dem vorgefertigten Komponenten 11, 12 herausgeführt werden, erfolgt eine alternierende Anordnung der Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 in (+/–)-y-Richtung so, dass der Aufbau in z-Richtung kompakt ohne Kollision der Fluidanschlußelemente 15, 16 gestaltet ist. Sofern es sich um flache, nicht weiter dargestellte in x- oder y-Richtung nach außen geführte Fluidanschlußelemente 15, 16 handelt, können die Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 in z-Richtung deckungsgleich angeordnet werden.
Zwischen den einzelnen Modulen 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 ist ein Isolierelement 19 eingebracht. Um die Baugröße des Wärmeübertragers 2 zu verringern, könnte auf einer solchen Isolierelement 19 aus wärmetechnischer Sicht verzichtet werden, da in dem vorgesehenen Ausführungsbeispiel immer nur jeweils zwei Warm- oder zwei Kaltseiten direkt aufeinander gestapelt sind. Allerdings bilden diese Isolierelemente 19, insbesondere wenn sie flexibel ausgestaltet sind, eine Abstützung der Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4, so dass unter einer Verwendung einer zusätzlichen, nicht weiter dargestellten Haltevorrichtung einerseits eine Fixierung der Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 gewährleistet ist, andererseits aber keine starre Verbindung der verschiedenen Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 vorliegt. Bei dem in Zusammenhang mit 3 erläuterten Ausführungsbeispiel werden alle Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 sowie der gesamte Wärmeübertrager 2 im Gegenstrom durchströmt, was durch die unterschiedlichen Pfeile P1 und P2 für den Sekundär- und den Primärkreislauf 4, 3 dargestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass an sämtlichen Peltierelementen 18 eine ähnliche Temperaturdifferenz zwischen Kalt- und Warmseite anliegt, was für eine identische Arbeitsweise sämtlicher Peltierelemente 18 bei gleicher Bestromung der Peltierelemente 18 von Bedeutung ist.
Da sich das Muster der Fluidverbindungen zwischen den einzelnen Modulen 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 wiederholt, sind Fluidverbindungen der einzelnen Fluidanschlußelemente immer nur auf einer Anschlussseite vorhanden. Dies hat eine Reduzierung des Verschlauchungsaufwandes zwischen den Fluidanschlußelemente 15, 16 zur Folge. Bei allen Modulen 11.1, 17.1; 11.2, 17,2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 wird die Strömungsrichtung der Fluide an den Fluidanschlußelementen derselben Position beibehalten. Das heißt, bei Deckungsgleichheit in z-Richtung sind die Fluidanschlußelemente 15, 16 mit einer festen x-y-Koordinate immer ein Eintritts- oder ein Austrittskanal.
Die Fluidverbindungen können beispielsweise durch flexible Schläuche gewährleistet werden, so dass Spannungen zwischen den Modulen 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 aufgrund unterschiedlicher Temperaturen von Kalt- und Warmseite minimiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Wärmeübertragers 2 gemäß 4 ist die erste Komponente 11 gegenüber der zweiten Komponente 17 um 180° um die x-Achse gedreht. Auch hierbei sind die erste und die zweite Komponente 11, 17 identisch ausgebildet, wobei sich durch diese Drehung die beiden Komponenten 11, 17 platzsparend zu einer modularen Einheit 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 vereinigen, Die Peltierelemente 18, welche flächig auf der zweiten Komponente 17 angebracht sind, kontaktieren im verbauten Zustand die erste Komponente 11. In der Stapelbauweise werden in diesem Ausführungsbeispiel die Orientierungen der Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 ebenfalls beibehalten, wobei diese in z-Richtung gestapelt sind. Sofern die Fluidanschlußelemente 15, 16 auch bei diesem Ausführungsbeispiel als Rohrstützen senkrecht aus der ersten und der zweiten Komponente 11, 17 geführt sind, kann eine alternierende Anordnung der modularen Einheiten in (+/–)-y-Richtung so erfolgen, dass der Aufbau in z-Richtung auch hier kompakt ohne Kollision der Fluidanschlußelemente 15, 16 zu gestalten ist. Sind die Fluidanschlußelemente 15, 16 flach in x- oder y-Richtung nach außen geführt, können die Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 in z-Richtung deckungsgleich angeordnet sein. Auch hier ist zwischen den Modulen 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 jeweils ein thermisches Isolationselement 19 vorgesehen. Der aus mehreren Modulen 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 gebildete Wärmeübertrager 2 wird im Gleichstrom von den zwei verschiedenen Fluids durchströmt, während die einzelnen Module 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 im Gegenstrom durchströmt werden. Dies geht aus den Pfeilen P1 und P2 hervor, welche die Strömungsrichtung der Fluide kennzeichnen. Diese Variante kann insbesondere bei kurzen Strömungswegen in den Flachrohren 12 mit geringer Leistung der einzelnen Peltierelemente 18 verwendet werden. Das Muster der Fluidverbindung zwischen den verschiedenen Modulen 11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4 wiederholt sich, wobei Fluidverbindung der einzelnen Fluidanschlußelemente 15, 16 immer nur auf einer Anschlussseite erfolgen. Dies hat eine Reduzierung des Verschlauchungsaufwandes zwischen den Fluidanschlußelementen 15, 16 zur Folge. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach 3 variiert allerdings bei jeder zweiten modularen Einheit die Strömungsrichtung an den Fluidanschlußelementen 15, 16 identischer x/y-Position. Das heißt, bei Deckungsgleichheit in z-Richtung sind Fluidanschlußelemente mit einer festen x/y-Koordinate immer abwechselnd ein Eintritts- und ein Austrittskanal.
Allgemein kann eine fluidführende Komponente 11, 17 auch mehrschichtig in der z-Ebene ausgeführt sein, wie es aus 5 ersichtlich ist. Dabei sind mehrere erste Komponenten 11 in drei Lagen übereinander geordnet, während die zugehörigen zweiten Komponenten 17 ebenfalls in drei Lagen angeordnet sind, wobei zwischen den beiden Stapeln die Peltierelemente 18 befestigt sind. Bei dieser Anordnung wird die Anzahl der außen liegenden Fluidanschlußelementen 15, 16 nicht verändert. Die mehrschichtigen Komponenten 11, 17 werden dabei intern verbunden, wie z. B. durch Durchbrüche 20 in den nicht weiter dargestellten Sammlern.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dargestellt. Auf den ersten und zweiten Komponenten 11.1, 17.1, 11.2 und 17.2 liegt jeweils ein thermoelektrisches Element 18, auf. Die ersten und die zweiten Komponente 11.1, 17.1, 11.2, 17.2 werden derart zu einem Modul zusammengesteckt, dass die thermoelektrischen Elemente 18 immer direkt die erste oder die zweite darüberliegende Komponente 11.1, 17.1, 11.2, 17.2 kontaktieren. Dabei liegt das auf der oberen zweiten Komponente 17.1 befestigte thermoelektrische Element 18 frei. Die Komponenten 11.1, 17.1, 11.2, 17.2 sind dabei so parallel zueinander um eine Achse senkrecht zur Fläche der jeweiligen Komponente 11.1, 17.1, 11.2 17.2 um 90° zur Bildung des Moduls verdreht. Die jeweiligen, in dieselbe Richtung weisenden Fluidverbindungselemente 15, 16 der sich unmittelbar gegenüberliegenden ersten und zweiten Komponente 11.1, 17.1, 11.2, 17.2 bilden dabei ein Rechteck und ragen zwischen der darüber und darunterliegenden Komponente hervor. Dadurch ist eine einfache Montage der zu- bzw. Abflüsse der die Fluide führenden Kanäle möglich.
7 zeigt die in 6 dargestellte Variante des Wärmeübertragers im zusammengebauten Zustand, wobei die sich diagonal gegenüberliegenden, ineinander gesteckten Fluidverbindungselemente jeweils einen Zufluss bzw. den Abfluss für jeweils ein Fluid bilden. So realisieren die Fluidverbindungselemente, welche mit dem Pfeil P3 gekennzeichnet sind, den Zufluss des ersten Fluids, während die mit dem Pfeil P4 bezeichneten Fluidverbindungselemente den Abfluss des ersten Fluids zeigen. Quer dazu bilden sie mit dem Pfeil P5 bezeichneten Fluidverbindungselemente den Zufluss des zweiten Fluids und die mit dem Pfeil P6 gekennzeichneten Fluidverbindungselemente den Abfluss des zweiten Fluids.
Bei dem Wärmeübertrager nach 8 sind die Fluidverbindungselemente jeder Komponente 11.1, 17.1, 11.2, 17.2 übereinander angeordnet, wobei diese einfach ineinander gesteckt werden können, um den ersten Kanal für das erste Fluid und den zweiten Kanal für das zweite Fluid zu realisieren.
Die vorgeschlagene Lösung bietet eine kältemittelunabhängige Temperierung von Komponenten, so dass zum Heizen und Kühlen kein Klimakreislauf erforderlich ist. Dies bietet die Möglichkeit eines autarken Temperiersystems. Durch die Unabhängigkeit des vorgeschlagenen thermoelektrischen Wärmeübertragers 2 von einer kältemittelbetriebenen Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug können unerwünschte Rückwirkungen auf den Klimaverdampfer vermieden werden. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 2 vereinigt die Heiz- und Kühlfunktion in einer Einheit. Wesentliche Vorteile sind dabei die Verwendung von gleichen Teilen und die modulare Bauweise für unterschiedliche Leistungsklassen basierend auf dem Konzept der modularen Kühlplatte. Im Weiteren erfolgt eine platzsparende Bauweise mit effizienter Wärmeübertragung durch geeignete Gestaltung der modularen Einheiten. Mittels der Komponenten 11, 17 kann anhand der Bestromung der Peltierelemente 18 eine bedarfsgerechte Kühlung und Heizung der Hochvoltbatterie 9 vorgenommen werden. Zudem können beim Kühlen und Heizen COP-Werte (coeffizient of performance) > 1 erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009058673 A1 [0004]

Claims

Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erste Komponente (11) mit einem ersten Kanal, eine zweite Komponente (17) mit einem zweiten Kanal und ein thermoelektrisches Element (18) zur Generierung eines Wärmestroms, wobei der erste Kanal von einem ersten Fluid eines ersten Fluidkreislaufes (3) zur Temperierung einer ersten externen Komponente durchströmbar ist, und wobei der hiervon fluidisch getrennte zweite Kanal von einem zweiten Fluid eines zweiten Fluidkreislaufes (4) zur Temperierung einer zweiten externen Komponente (9) durchströmbar ist, und wobei das mindestens eine thermoelektrische Element (18) zwischen der ersten und zweiten Komponente (11, 17), diese thermisch kontaktierend, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Komponente (11, 17) und das thermoelektrische Element (18) ein Modul (11.1; 17,1) mit mindestens zwei Fluidverbindungselementen (15, 16) bilden, die zu jeweiligen Fluidverbindungselementen (15, 16) eines weiteres solchen Moduls (11.2; 17,2) kompatibel sind, wobei ein erstes Fluidverbindungselement (15) an den ersten Kanal und ein zweites Fluidverbindungselement (16) an den zweiten Kanal angeschlossen ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11.1, 17.1; 11.2; 17.2) vier kompatible Fluidverbindungselemente aufweist, wobei das erste Fluidverbindungselement als Zuflusskanal und das zweite Fluidverbindungselement als Abflusskanal für das erste Fluid an dem ersten Kanal der ersten Komponente (11) angeschlossen ist, und wobei das dritte Fluidverbindungselement als Zuflusskanal und das vierte Fluidverbindungselement als Abflusskanal für das zweite Fluid an dem zweiten Kanal der zweiten Komponente (12) angeschlossen ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module derart zueinander angeordnet sind, dass die zweite Komponente (17) eines ersten Moduls und die erste Komponente (11) eines zweiten Moduls sich gegenüber angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) derart zueinander angeordnet sind, dass jeweils die ersten Komponenten (11.1, 11.2, 11.3, 11.4) und/oder jeweils die zweiten Komponenten (17.1, 17.2, 17.3, 17.4) sich gegenüber angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei sich gegenüber angeordneten Modulen (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) ein thermoelektrisches Element (18) oder ein Isolationselement (19) angeordnet ist, das beide Module (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) thermisch kontaktiert.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite, dritte und vierte Fluidverbindungselement (15, 16) mehrerer sich jeweils gegenüber angeordneter Module (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) entsprechend miteinander verbunden, insbesondere zusammengesteckt, sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Anschlüsse der Fluidverbindungselemente (15, 16) eines Moduls (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) für diejenigen der gegenüber angeordneten Module (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) parallel zu einer Ebene, die durch die Fläche der ersten oder zweiten Komponente (11, 17) gebildet ist, angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Komponente (11, 17) identisch aufgebaut sind und/oder dass die Strömungsgeometrie innerhalb einer Komponente (11, 17) identisch ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (11) gegenüber der ersten Komponente (17) zur Bildung des Moduls (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) um eine erste Achse, welche sich vorzugsweise in eine Quererstreckung der zweiten Komponente (11) ausdehnt, um 180° gedreht ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (11) gegenüber der ersten Komponente (17) zur Bildung des Moduls (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) um eine zweite Achse, die annähernd senkrecht zur ersten Achse ausgebildet ist und welche sich vorzugsweise in eine Längserstreckung der zweiten Komponente (11) ausdehnt, um 180° gedreht ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (11) gegenüber der ersten Komponente (17) um eine Achse senkrecht zur Fläche der ersten Komponente (17) um 90° zur Bildung des Moduls (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) parallel gedreht ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Komponente (11, 12) jeweils aus einem Rohrpaket von parallel zueinander geführten Rohren (12), vorzugsweise Flachrohren, bestehen, an deren Enden jeweils ein Eintritts- und ein Austrittssammler (13, 14) für das jeweilige Fluid befestigt ist, wobei der Eintritts- und der Austrittssammler (13, 14) mindestens je ein Fluidverbindungselement (15, 16) aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Komponente (11, 17) als Kühlplatte ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine thermoelektrische Element (18) als Peltierelement ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine thermoelektrische Element (18) mit der ersten und der zweiten Komponente (11, 17) verpresst oder stoffschlüssig verbunden ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module (11.1, 17.1; 11.2, 17.2; 11.3, 17.3; 11.4, 17.4) gestapelt sind und der Stapel durch eine Haltevorrichtung zusammengehalten ist.