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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine elektrische Komponente wie eine Batterie oder eine Leistungselektronik in einem Kraftfahrzeug sowie ein Herstellungsverfahren für einen Wärmetauscher für eine elektrische Komponente wie eine Batterie oder eine Leistungselektronik in einem Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Im heutigen Kraftfahrzeugbau nimmt die Anzahl an elektrischen Komponenten, die betrieben werden, immer weiter zu. Das gilt nicht nur im Bereich der Elektromobilität, bei der der komplette Antriebsstrang eines Fahrzeugs elektrisch betrieben wird, sondern auch bei Fahrzeugen mit herkömmlichen Antriebsaggregaten sowie auch im Nutzfahrzeugbereich. Dies erfordert die Speicherung von elektrischer Energie im Allgemeinen in Batterien oder Akkumulatoren. Bedingt durch hohe Ströme, die von diesen Komponenten ausgehen oder auch durch weitere elektrische oder elektronische Komponenten hindurchfließen, ist häufig eine Kühlung der Bauteile erforderlich. Die Kühlung erfolgt üblicherweise durch Luft oder besser Flüssigkeiten, welche durch Strukturen geleitet werden, die sich mechanisch eng an die sich durch den Stromfluss erwärmten Teile anschmiegen. Typischerweise sind diese Strukturen aus Metall gefertigt, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Um die Kosten niedrig zu halten, können als Struktur Strangpressprofile aus unterschiedlichen metallischen Materialien eingesetzt. An den jeweiligen Enden derartiger metallischer Strangpressprofile sind Verbindungselemente erforderlich. Diese Verbindungselemente werden typischerweise starr an diesen Strangpressprofilen angebunden. Die sich dadurch ergebenden Verspannungen durch Temperaturänderungen, unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, Vibrationen, Schwingungen usw. setzen sich im gesamten Kühl- bzw. Batteriesystem fort.
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Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Anbindung eines Anschlusskörpers an ein Hohlprofil vorzustellen, die die Nachteile bisheriger Anbindungen von Anschlusskörpern an Hohlprofile für Kühlanwendungen für elektrische Komponenten nicht aufweist, ein geringes Gewicht hat und sich leicht verarbeiten lässt.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur flexiblen und mechanisch hoch belastbaren Anbindung eines Anschlusskörpers an ein flaches Hohlprofil aus thermisch gut leitfähigem Material zur Verwendung in Kühlanwendungen für elektrische Komponenten vorgestellt. Der Anschlusskörper ist im Inneren hohl, besteht aus einem nicht-metallischen Spritzgussteil und weist eine erste Öffnung auf, die einem Querschnitt eines Endes des aufzunehmenden flachen metallischen Hohlprofils entspricht und wobei die Öffnung ringsherum um das flache metallische Hohlprofil um einen Abstand größer als dieses ist. Der Raum zwischen einer Außenwand des flachen metallischen Hohlprofils und einer Innenseite des Anschlusskörpers im Bereich der ersten Öffnung wird durch eine mechanisch flexible Komponente aufgefüllt, sodass zwischen dem Inneren des Anschlusskörpers und dem metallischen Hohlprofil eine Fluidverbindung besteht. Bevorzugt handelt es sich bei dem Anschlusskörper um ein Strangpressprofil, welches von einem Kühlmedium oder Kühlmittel durchströmbar ist und die Funktion eines Kühlkörpers aufweist. Die mechanisch-flexible Komponente formt eine Verbindungsschicht zwischen dem Anschlusskörper (Strangpressprofil) und dem nicht-metallischen Anschlusskörper (Spritzgussteil).
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Optional ist in der Öffnung des Anschlusskörpers eine zusätzliche Dichtung oder Abschirmung angebracht.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Folgende Begriffe und Ausdrücke werden in diesem Dokument genutzt:
Der Begriff „Anschlusskörper“ beschreibt einen Hohlkörper, der als Abschlussprofil für eine fluidführende Leitung nutzbar ist. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der Anschlusskörper und das Hohlprofil aus dem gleichen Material bestehen. Der Anschlusskörper kann auch zur Verbindung von zwei oder mehreren fluidführenden Leitungen genutzt werden. Ganz allgemein kann der Anschlusskörper dazu dienen, an eine Öffnung des Hohlprofils angeschlossen zu werden.
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Der Begriff „Hohlprofil“ kann ein Strangpressprofil beschreiben. Dabei kann das Strangpressprofil ein bestimmtes Profil aufweisen. Zum Beispiel kann es sich um eine flache Rohrleitung handeln, welche im Inneren zusätzliche Querverstrebungen oder Unterteilungen zur Fluidlenkung zwischen einer oberen und einer unteren Wand der flachen Rohrleitung aufweist. Dieses Hohlprofil besteht bevorzugt aus Aluminium oder Kupfer bzw. deren Legierungen. Das Hohlprofil, kann auch als fluidführende Leitung bezeichnet werden.
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Der Begriff "Verbindungsschicht", "Weichkomponente" oder "flexible Komponente" kann eine organische oder nicht organische Verbindung sein, welche im Wesentlichen elastisch ist und zu Dichtzwecken eingesetzt werden kann. Beispielsweise kommen Kleber, Dicht- oder Spritzgussmassen infrage. Einige von ihnen lassen sich beispielsweise in einem heißen Zustand und/oder unter hohem Druck in Hohlräume einspritzen. Alternativ kann, wie später noch detaillierter ausgeführt, die Verbindungsschicht auf einen der Körper (Strangpressprofil und Anschlusskörper) aufgetragen werden, bevor die beiden Körper verbunden werden. Die Verbindungsschicht kann kautschukhaltige und/oder silikonhaltige Materialien umfassen.
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Zur besseren Anbindung der Verbindungsschicht an den Anschlusskörper wird dieser optional oberflächenbehandelt. Hierzu wird selbiger gereinigt und/oder mit Plasma behandelt und/oder mit einem Primer beschichtet.
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Zur besseren Anbindung der Verbindungsschicht an das Hohlprofil wird dieses oberflächenbehandelt. Hierzu wird selbiger gereinigt und/oder mit Plasma behandelt und/oder mit einem Primer beschichtet und/oder geätzt.
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Diese Oberflächenbehandlung dient zur Haftvermittlung zwischen der behandelten Oberfläche und der Verbindungsschicht. Bei einer Plasmabehandlung oder Koronabehandlung wird die Oberfläche chemisch aktiviert.
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Dem Anbindeverfahren kann zur Vernetzung und / oder Aushärtung der Verbindungsschicht ein thermischer Prozess oder eine Bestrahlung, insbesondere mit UV-Licht nachgeschaltet werden.
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Das fertige Bauteil kann statt eines Kühlens auch eine Wärmefunktion besitzen, wenn die Flüssigkeit im metallischen Hohlprofil eine Temperatur aufweist, die höher ist als die Umgebungstemperatur. Dies wäre beispielsweise bei Batterien in kalter Umgebung sinnvoll.
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Der hier vorgestellte flexibel angebundene Anschlusskörper kann eine Reihe von Vorteilen aufweisen:
Der Anschlusskörper eignet sich für eine Verbindung oder auch einen Abschluss von Kühlleitungen aller Art, insbesondere auch solche, die in der Elektromobilität eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise Batterien, DC/DC-Wandler oder andere Leistungsbauteile, die eine besondere Kühlung erfordern. Profilierte Metallrohre, insbesondere flache Metallleitungen, die ggfs. im Inneren mit Querstegen versehen sind, können mit dem erfindungsgemäßen flexibel angebundenen Anschlusskörper in vielfältiger Weise kostengünstig, elegant und effizient verbunden werden. Dabei kann es sich um Eckverbinder handeln oder solche, die Verbindungen zu anderen Anschlussformen wie Schlauchanschlüsse oder Anschlüsse für Entlüftungsleitungen erfordern. Außerdem lassen sich zusätzliche Sensoren in oder an die Anschlusskörper montieren. Ein Einbau von Sensoren in den isolierenden Anschlusskörper lässt sich elegant bewältigen, ohne aufwendige Bohrungen in den Metallprofilen oder anderen metallischen Anschlusskörpern vorsehen zu müssen. Die möglichen Sensoren weisen dann auch eine Potentialtrennung zu den metallischen Hohlprofilen auf.
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Die Verbindungsschicht sorgt sowohl für eine stark belastbare mechanische Verbindung des Anschlusskörpers mit dem metallischen Hohlprofil als auch für eine Elastizität gegenüber mechanischen Spannungen, Schwingungen, unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen usw. Sie ist einfach zu verarbeiten und kostengünstig. Ebenfalls kann selbige beständig gegen das Fluidmedium sein. Die Wahl zwischen einem Dicht-, Spritzgussmaterial oder einem Kleber als Verbindungsschicht lässt unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten oder Verarbeitungsformen zu.
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Beim Material des Anschlusskörpers handelt es sich um ein nicht-metallisches Material. Infrage kommen im Wesentlichen thermoplastische Kunststoffarten, beispielsweise PA (Polyamid) und PBT (Polybutylenterephthalat), aus denen sich formstabile Hohlkörper im Spritzgussverfahren herstellen lassen. Außerdem sind Faser-Verbundwerkstoffe wie Kohlenstofffaserverstärkter (carbonfaserverstärkter) Kunststoff oder glasfaserverstärkte Verbundmaterialien (z.B. CFK oder GFK) einsetzbar, die eine im Allgemeinen höhere Grundfestigkeit aufweisen. Damit ließen sich auch Kühlanlagen mit einem höheren Betriebsdruck für die Kühlflüssigkeit herstellen. Die Faserdichte kann dabei in unterschiedlichen Bereichen des Anschlusskörpers unterschiedlich hoch sein, um nur diejenigen Bereich stabiler zu machen, die höheren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind (z.B. die Öffnungsbereiche). Eine Herstellung in Spritzgusstechnik ist gegenüber einer Herstellung des Anschlusskörpers aus Metall außerdem kostengünstiger, sowohl beim Material als auch bei der eigentlichen Herstellung.
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Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände beschrieben.
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Bei einer Ausführungsform des Anschlusskörpers kann sich im Inneren der Öffnung mindestens ein Führungsprofil, insbesondere mindestens eine sich ins Innere des Anschlusskörpers verengende Einführhilfe, bis zum Anschlag erstrecken. Dieses Führungsprofil kann sich auf einer inneren Oberseite und einer inneren Unterseite des Anschlusskörpers befinden, um so ein Einschieben des metallischen Hohlprofils in den Anschlusskörper zu erleichtern. Weiterhin können im Inneren der Öffnung des Anschlusskörpers wahlweise Versteifungsrippen und / oder Abstandshalter angebracht sein. Abstandhalter können einen Fügespalt mit einem definierten Abstand zwischen dem Strangpressprofil und dem Anschlusskörper realisieren, um eine Mindestdicke für die Verbindungsschicht einzustellen, beispielsweise wenn diese nach dem korrekten Anordnen der beiden Komponenten eingebracht wird. Auf diese Weise kann beispielsweise auch eine automatisierte Montage vorteilhaft beeinflusst werden. Denkbar sind einfache stollenartige Führungsprofile senkrecht zur Begrenzung der Öffnung oder ein Führungsprofil, welches sich über einen größeren Bereich der ersten Öffnung erstreckt. Zusätzlich können das/die Führungsprofil(e) auch dazu dienen, die mechanische Stabilität des Randes des Anschlusskörpers zu erhöhen. Dies kann von Vorteil sein, wenn die Dichtkomponente mit großem Druck in einen Spalt bzw. einen Raum zwischen dem Hohlprofil und dem Anschlusskörper eingespritzt wird.
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Wahlweise kann eine im Inneren der Öffnung des Anschlusskörpers angebrachte Dichtung oder Dichtlippe den direkten Kontakt der Verbindungsschicht mit dem Fluidmedium unterbinden. Auch eine nachträgliche Beschichtung der Verbindungsschicht ist möglich. Das als Kühlmedium eingesetzte Kühlmittel kann die Verbindungsschicht angreifen und somit deren Funktion beeinträchtigen. Durch eine Dichtung oder Beschichtung auf der Verbindungsschicht, das heißt einer zwischen Verbindungsschicht und dem Kühlmittel angeordneten Dichtung oder Verbindungsschicht, kann die Verbindungsschicht vor dem Kühlmittel geschützt werden und somit langfristig die Funktion der Verbindungsschicht erhalten werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Anschlusskörpers kann der Anschlusskörper aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil bestehen, dessen Innenräume fluidtechnisch miteinander verbunden sind. Dabei kann der erste Teil gegenüber dem zweiten Teil um einen Winkel abgeknickt sein. Grundsätzlich sind alle möglichen Winkel denkbar, beispielsweise 0°, 45°, 90°, 135° oder auch 180°. Im zweiten Teil des Anschlusskörpers kann dann eine zweite Öffnung vorhanden sein, die in Form und Ausgestaltung der ersten Öffnung entspricht.
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Im 0°-Fall würde es sich folglich um ein gerades Verbindungsstück zwischen zwei metallischen Hohlprofilen handeln. Im 180°-Fall würde es sich um eine Umlenkung handeln, sodass beide metallische Hohlprofile mit ihren flachen Seiten parallel verlaufen würden.
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Weiterhin denkbar wäre, dass sich die beiden Öffnungen für die metallischen Hohlprofile im Anschlusskörper übereinander befinden würden. Damit würden die beiden metallischen Hohlprofile mit ihren schmalen Seiten parallel zueinander verlaufen. Auf diese Weise würden sich mäander-förmige Strukturen aus den metallischen Hohlprofilen bilden lassen, die größere, komplette Seitenwände von zu kühlenden Elementen eng umschließen könnten.
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Zusätzlich können weitere metallische Hohlprofile mit einem Anschlusskörper verbunden sein. Dabei können dann mehrere identische oder der ersten Öffnung ähnliche Öffnungen im Anschlusskörper vorhanden sein, um metallische Hohlprofile aufzunehmen. Ein fluiddichter Anschluss der weiteren metallischen Hohlprofile würde – wie bereits beschrieben – mittels Kleber, Dicht- oder Spritzgussmasse – im Allgemeinen mittels einer Weichkomponente – geschehen. Auf diese Weise ließe sich der Anschlusskörper als T-Stück oder auch als Verteiler mit mehr als drei angeschlossenen metallischen Hohlprofilen herstellen, die nicht alle die gleich Größe und/oder Form aufweisen müssen. Das Material der Weichkomponente müsste auch nicht für alle Verbindungen der metallischen Hohlprofile an den Anschlusskörper identisch sein; es können unterschiedliche Dicht-, Spritzmassen und Kleber kombiniert werden.
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Eine weitere Ausführungsform des Anschlusskörpers kann vorsehen, dass eine dritte Öffnung vorzugsweise auf einer flachen Seite des Anschlusskörpers vorhanden ist, um die herum eine Dichtung auf einer Außenseite des Anschlusskörpers angeordnet sein kann und einen fluiddichten Anschluss an ein Rohr ermöglicht. Dabei kann das Rohr mindestens eine flache Seite aufweisen. Der fluiddichte Anschluss kann dadurch erreicht werden, dass das Rohr und der Anschlusskörper gegeneinander gepresst werden, wobei das Rohr eine zur dritten Öffnung des Anschlusskörpers korrespondierende Rohröffnung aufweist. Dem Fachmann ist klar, dass die dritte Öffnung des Anschlusskörpers und die korrespondierende Rohröffnung sich überlappen sollten.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Anschlusskörpers kann dieser weiterhin Verbindungselemente aufweisen, die sich auf der Seite der dritten Öffnung von der Oberfläche des Anschlusskörpers von diesem weg erstrecken und am Ende Rastnasen aufweisen, die in Rastkanten des Rohres einrasten können und so das Gegeneinanderpressen des Anschlusskörpers und des Rohres ermöglichen. Dadurch ist eine lösbare Verbindung des Anschlusskörpers mit einem weiteren Hohlprofil möglich, die sich einfach durch ein Gegeneinanderdrücken herstellen lässt.
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Vorteilhafterweise kann die gerade beschriebene Ausführungsform des Anschlusskörpers eine Dichtung auf einer Außenseite des Anschlusskörpers in einem Dichtungsprofil des Anschlusskörpers aufweisen. Das Dichtungsprofil kann dafür sorgen, dass die in dem Dichtungsprofil liegende Dichtung sich nicht verschiebt. Auf diese Weise kann eine noch bessere fluiddichte Verbindung zwischen dem Anschlusskörper und dem Rohr geschaffen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Anschlusskörpers kann einen oder mehrere Sensoren am oder im Anschlusskörper aufweisen. Dieser Sensor kann zum Messen von Eigenschaften des im Inneren des Anschlusskörpers befindlichen Fluides genutzt werden. Mögliche Sensoren umfassen Temperatursensoren, Drucksensoren, Durchflussmengensensoren, Durchflussgeschwindigkeitssensoren oder auch Sensoren, die Eigenschaften einzelner Komponenten eines Fluidgemisches – beispielsweise Konzentrationen – messen. Dadurch, dass der Anschlusskörper aus nichtmetallischem Material besteht, sind die Sensoren automatisch gegenüber den metallischen Hohlprofilen isoliert.
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Bei weiteren Ausführungsformen des Anschlusskörpers können weitere Anschlüsse an dem Anschlusskörper vorgesehen sein. Diese können beispielsweise in Form eines Schlauchanschlusses, einer Schnellkupplung oder eines Anschlussgewindes vorgesehen sein. Damit lassen sich auch Fluidverbindungen jedweder Art zum Anschlusskörper herstellen (z.B. eine Entlüftungsleitung oder Ähnliches). Mit anderen Worten wird eine flexible Anbindung eines metallischen Hohlprofils an einen Anschlusskörper zur Verwendung in Kühlanwendungen für elektrische Komponenten vorgestellt. Der Anschlusskörper oder das Hohlprofil weisen im Fügebereich Rippen auf um einen definierten Fügespalt zu realisieren. Die Oberflächen der Fügeteile sind in einer bevorzugten Ausführungsform behandelt um die fluiddichte und beständige Haftung der flexiblen Verbindungskomponente herzustellen. Durch eine zusätzliche Beschichtung oder Abschirmung der Fügestelle kann die Beständigkeit der Verbindung weiter gesteigert werden.
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Die zugrundeliegende erfinderische Idee kann auch mit einem Herstellungsverfahren für einen Wärmetauscher für eine elektrische Komponente in einem Kraftfahrzeug realisiert werden. Ein solches Verfahren umfasst zumindest Schritte des Bereitstellens, des Fügens oder Anordnens und des Erzeugens.
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Es werden ein metallisches Strangpressprofil sowie ein nicht-metallischer Anschlusskörper bereitgestellt. Dabei kann es sich um Varianten der bereits voranstehend beschriebenen Strangpressprofile und Anschlusskörper handeln. Im Schritt des Fügens wird das Strangpressprofil derart in Bezug zum Anschlusskörper angeordnet, dass ein Strangpressprofilabschnitt innerhalb eines Aufnahmebereichs des Anschlusskörpers angeordnet ist. Bei dem Strangpressprofilabschnitt handelt es sich um einen Endabschnitt des Strangpressprofils mit zumindest einer Öffnung hin zu dem im inneren des Strangpressprofils ausgeformten zumindest einen Kühlkanals. Im Schritt des Erzeugens wird eine Verbindungsschicht zwischen dem Strangpressprofilabschnitt und einer Innenumfangsfläche des Aufnahmebereichs erzeugt.
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In einer ersten Variante wird der Schritt des Erzeugens nach dem Schritt des Fügens ausgeführt und die Verbindungsschicht wird in den Zwischenraum zwischen den beiden angeordneten Komponenten eingespritzt. In einer alternativen Ausführungsform wird die Verbindungsschicht zuerst beispielsweise auf einer Außenumfangsfläche des Strangpressprofilabschnitts aufgetragen – beispielsweise gespritzt – und dann im darauf folgenden Schritt des Fügens werden die Komponenten zueinander angeordnet, um den erfinderischen Gegenstand herzustellen.
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Zur Steigerung der Haftvermittlung zwischen Strangpressprofil und Verbindungsschicht und/oder zwischen Anschlusskörper und Verbindungsschicht kann in einem Schritt des Oberflächenbehandelns vor dem Schritt des Erzeugens – optional auch vor dem Schritt des Fügens und/oder des Bereitstellens – zumindest eine der mit der Verbindungsschicht im montierten Zustand in Kontakt stehenden Oberflächen gereinigt, Plasma behandelt, geätzt oder mit einem Primer beschichtet werden. Beispielsweise hat sich in Versuchen eine Nanobeschichtung als vorteilhaft erwiesen.
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Optional kann, insbesondere zum Schutz der Verbindungsschicht, in einem Schritt des Versiegelns der Hohlraum des Wärmetauschers insbesondere im Bereich der Verbindungsschicht versiegelt werden. Dies kann beispielsweise durch ein Lackieren, Ausschwenken oder Eintauchen in ein Tauchbad erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann im Schritt des Bereitstellens eine Dichtung, beispielsweise in Form ein Dichtlippe, bereitgestellt werden und diese im Schritt des Anordnens derart angeordnet werden, dass diese im fertig montierten Zustand das Kühlmittel von der Verbindungsschicht fernhält.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere können einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und anderen Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben sein. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch, beispielhaft und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Anschlusskörpers.
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2 zeigt eine Ausschnittansicht der perspektivischen Ansicht von 1, bei dem die Weichkomponente fehlt.
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3 stellt den Anschlusskörper perspektivisch ohne das Hohlprofil dar.
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4 stellt eine Schnittansicht des Anschlusskörpers gemäß 3 dar.
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5 stellt die Schnittansicht des Anschlusskörpers gemäß 4 zusammen mit dem Hohlprofil dar.
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6 stellt ein Rohr dar, das auch an den Anschlusskörper angeschlossen werden kann.
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7 zeigt ein Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
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8 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsformen nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheiden kann. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren. Der leichteren Lesbarkeit und Zuordenbarkeit werden in der Figurenbeschreibung teilweise Bezugszeichen verwendet, die nur in einer anderen Figur verwendet werden und auf ein Merkmal verweisen, welches in der beschriebenen Figur eventuell nicht sichtbar ist.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers 100 mit einem Anschlusskörper 102 zur Aufnahme eines flachen metallischen Hohlprofils 104 zur Verwendung in Kühlanwendungen für elektrische Komponenten. Bei dem Hohlprofil 104 handelt es sich um ein Strangpressprofil 104. Der Anschlusskörper 102 ist im Inneren hohl und besteht aus einem nichtmetallischen Material. Der Anschlusskörper weist eine erste Öffnung (304, vgl. 3) auf, die einem Querschnitt eines Endes des aufzunehmenden flachen metallischen Hohlprofils 104 entspricht und wobei die Öffnung ringsherum um das flache metallische Hohlprofil um einen Abstand (202, vgl. 2) größer als das flache metallische Hohlprofil ist. Damit lässt sich das Hohlprofil in die erste Öffnung des Anschlusskörpers 102 leicht einschieben. Im Inneren weist der Anschlusskörper 102 einen Anschlag im Bereich der ersten Öffnung auf, damit das Hohlprofil und der Anschlusskörper 102 eine definierte Position zueinander haben.
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Eine als Weichkomponente 106 ausgebildete Verbindungsschicht 106 füllt einen Raum zwischen einer Außenwand des flachen metallischen Hohlprofils 104 und einer Innenseite des Anschlusskörpers 102 im Bereich der ersten Öffnung 304 bis zum Anschlag auf, sodass zwischen dem Inneren des Anschlusskörpers 102 und dem flachen metallischen Hohlprofil 104 eine Fluidverbindung bestehen kann.
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Zusätzlich erkennt man in 1 die dritte Öffnung des Anschlusskörpers sowie die Verbindungselemente 110, die sich nach oben erstrecken. Innerhalb des Hohlprofils 104 ist eine innere Struktur erkennbar, die Querstreben von der Oberseite des Hohlprofils 104 bis zur Unterseite des Hohlprofils 104 erstrecken und in dessen Längsrichtung ausgerichtet sind. Daraus ergeben sich dann Kanäle 114 in denen die Kühlflüssigkeit fließen kann. Auf diese Weise wird eine größere Kontaktoberfläche für die Flüssigkeit geschaffen, sodass ein besserer Wärmeübergang von dem metallischen Hohlprofil 104 zur Kühlflüssigkeit erfolgen kann. Die in 1 rechts dargestellte Endfläche wird hier als Rückseite des Anschlusskörpers bezeichnet. Allerdings kann sich hier eine zweite Öffnung zur Aufnahme eines zweiten Hohlprofils 104 (nicht dargestellt) befinden, die praktisch spiegelbildlich zu der am Anschlusskörper links dargestellten Öffnung wäre.
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2 zeigt eine Ausschnittansicht der perspektivischen Ansicht von 1, bei dem die Verbindungsschicht fehlt. Stattdessen ist der Raum bzw. der Abstand 202 zwischen der Außenwand des flachen metallischen Hohlprofils 104 und der Innenseite der Öffnung des Anschlusskörpers 102 gut erkennbar. Zwischen dem Strangpressprofil 104 und dem Anschlusskörper 102 ist ein Abstand 202 zwischen der Wand der Öffnung 108 des Anschlusskörpers 102 und dem Strangpressprofil 104 ausgebildet. Dieser Abstand 202 lässt einen Fügespalt 208 frei. Weiterhin ist in dieser perspektivischen Ansicht der über die Öffnung 108 zugängliche Aufnahmebereich 204 des Anschlusskörpers 102 ersichtlich, welcher in 3 in mehr Detail beschrieben wird. Die Oberfläche des Strangpressprofils 104 wird als Außenumfangsfläche 206 bezeichnet.
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3 stellt den Anschlusskörper 102 perspektivisch ohne das Strangpressprofil 104 dar. Deutlich erkennt man nun Abstandhalter 302, auch als Führungsprofile 302 oder Rippen 302 bezeichnet, die sich im Inneren der ersten Öffnung 304 bis zum Anschlag 408, 410 erstrecken. Sie können dem Anschlusskörper 102 im Bereich der ersten Öffnung 304 deutlich mehr Stabilität geben, die wichtig ist, wenn die Verbindungsschicht in den Raum zwischen der Außenwand des flachen metallischen Strangpressprofils 104 und der Innenseite des Anschlusskörpers 102 aufgefüllt wird. Dabei stellen die Abstandhalter 302 einen Mindestabstand ein zwischen dem Strangpressprofil 104 und dem Anschlusskörper 102, sodass eine Mindestdicke der Verbindungsschicht garantiert werden kann. So kann eine Elastizität der Verbindung sicher eingestellt werden.
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4 stellt eine Schnittansicht des Anschlusskörpers 102 gemäß 3 dar. Zusätzlich ist in dieser Figur der Anschlag 408 dargestellt, bis zum dem das Hohlprofil 104 in den Anschlusskörper 102 eingehoben werden kann. Neben dem unteren Anschlag 408 ist auch ein oberer Anschlag 410 dargestellt. Der Anschlag 408, 410 kann um die erste Öffnung 304 herum laufen oder nur einzelne Anschlagvorsprünge aufweisen. Ein umlaufender Anschlag kann eine höhere Dichtigkeit zwischen dem Hohlprofil 104 und dem Anschlusskörper 102 bewirken. Zusätzlich ist in der (ersten) Öffnung 304 – um die erste Öffnung 304 herumlaufend – eine Dichtung 412 als eine Dichtlippe 412 angeordnet. Diese ist dazu eingerichtet ein in dem Wärmetauscher 100 laufendes Kühlmittel (nicht dargestellt) von der in 4 nicht dargestellten Verbindungsschicht 106 fernzuhalten, da es zwischen Dichtmittel und Verbindungschicht sonst zu ungewollten chemischen Reaktionen kommen könnte, die eine ungewollte Alterung der Verbindungsschicht erheblich beschleunigen würde.
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In 4 erkennt man nun auch deutlich den Innenraum 402 oder das Innere des Anschlusskörpers 102. An dieser Stelle ist auch gut erkennbar, dass der Anschlusskörper 102 auch eine zweite Öffnung, die von der Bauform her der ersten Öffnung 304 entsprechen kann, gegenüberliegend zur ersten Öffnung aufweisen kann (nicht dargestellt). In diese Falle würde die Wand 116 entfallen. Dem Fachmann ist klar, dass eine so geschaffene zweite Öffnung gegenüber der ersten Öffnung 304 um einen Winkel abgeknickt sein kann. Damit lassen sich elegant winkelige Verbindungen mit beliebigen Winkeln und Formen von Hohlprofilen 104 herstellen.
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5 stellt die Schnittansicht des Anschlusskörpers gemäß 4 zusammen mit dem Strangpressprofil 104 dar. Hier erkennt man deutlich, dass das Strangpressprofil 104 sich bis zum unteren und oberen Anschlag 408, 410 des Anschlusskörpers 102 erstreckt. Das Strangpressprofil 104 ist mit einer Schnittansicht durch einen der Kanäle 114 dargestellt. Klar erkennt man in 5 auch den Abstand 202 zwischen einer äußeren Oberfläche des Strangpressprofil 104 und einer Innenseite des Anschlusskörpers 102 im Bereich der ersten Öffnung 304.
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Ein innerhalb des Aufnahmebereichs 204 angeordneter Abschnitt des Strangpressprofils 104 wird als Strangpressprofilabschnitt 502 bezeichnet. Eine im montierten Zustand dem Strangpressprofilabschnitt 502 zugewandte Oberfläche im Aufnahmebereich 204 des Anschlusskörpers 102 wird als Innenumfangsfläche 404 bezeichnet.
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Die Verbindungselemente 110 sind vorteilhafterweise um die dritte Öffnung herum positioniert. Wenn vier Verbindungselemente 110 vorgesehen sind, befinden sich diese am Besten im gleichen Abstand von der Mitte der dritten Öffnung 108. Dabei zeigen die Rastnasen 110a im Wesentlichen jeweils in Richtung der dritten Öffnung 108 – ohne auf das Zentrum der dritten Öffnung 108 hin ausgerichtet sein zu müssen. Vielmehr sind die Rastnasen 110a so auszurichten, um in Rastkanten (vgl. 6, 606) des Rohres (vgl. 6, 602) einzurasten.
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Alternativ können die Rastnasen auch im Wesentlichen von der dritten Öffnung 108 weg orientiert sein, falls die Rastkanten (vgl. 6, 606) geschützt eingelassene und in Richtung des Anschlusskörpers 102 hin offene U-Profile sind. In diesem Fall würden die Rastnasen (vgl. 6, 606) quasi durch ein nicht wieder lösbares Einrasten innerhalb des U-förmigen Profils, welches sich auf gegenüberliegenden Seiten außerhalb des Rohres (vgl. 6, 602) befindet, das Rohr (vgl. 6, 602) durch ein Einschieben der Verbindungselemente 110 mit den Rastnasen 110a an den Anschlusskörper 102 fixieren. Die Herstellung des Anschlusskörpers 102 aus nichtmetallischem Material – beispielsweise im Spritzgussverfahren – macht eine derartige Flexibilität in der Ausgestaltung leicht möglich.
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Zusätzlich wäre es denkbar, wenn zwei der Verbindungselemente 110 aus einem Stück gefertigt werden, sozusagen einstückig wäre. Damit würden sich insgesamt nur zwei Verbindungselemente 110 an dem Anschlusskörper 102 befinden, die aber eine Mindestlänge aufweisen und sich auf gegenüberliegenden Seiten der dritten Öffnung 108 gegenüber liegen, damit das Rohr (vgl. 6, 602) stabil an dem Anschlusskörper 102 fixiert wird. Es sind auch Alternativen von einem breiten Verbindungselement auf einer Seite der dritten Öffnung 108 und zwei Verbindungselementen 110 – wie dargestellt – auf der anderen Seite der dritten Öffnung 108 denkbar. Ihre Gestaltung inklusive der Form und der Ausrichtung der Rastnasen 110a sollte jeweils komplementär zur Gestaltung der Rastkanten (vgl. 6, 606) des Rohres vgl. (6, 606) ausgeführt sein.
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Auch eine Ausgestaltung mit offenen Rastkanten (vgl. 6, 606) auf der einen Seite des Rohres und verdeckten (in nach unten in Richtung des Anschlusskörpers 102 offenen u-förmigen Profilen am Rohr) auf der anderen Seite des Rohres sind denkbar.
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6 stellt perspektivisch ein Rohr 602 im Querschnitt dar, das zusätzlich an den Anschlusskörper 102 fluiddicht angeschlossen werden kann. Es weist mindestens eine flache Seite 604 auf. In der flachen Seite 604 – in 6 unten dargestellt – des Rohres kann eine Öffnung vorgesehen sein (nicht dargestellt), die zur dritten Öffnung 108 des Anschlusskörpers 102 korrespondieren kann. Wenn das Rohr 602 zwischen die Verbindungselemente 110 eingepasst wird, werden bei einer entsprechenden Dimensionierung die Rastnasen 110a der Verbindungselemente 110 des Anschlusskörpers 102 in die Rastkanten 606 des Rohres 602 eingreifen und das Rohr 602 fluiddicht – durch die Dichtung 404 – mit dem Anschlusskörper 102 verbinden. Dem Fachmann ist klar, dass die Rastkanten 606 beispielsweise auch in einem fest mit dem Rohr verbundenen Hohlprofil und einer entsprechend innenliegenden Rastnase einrasten können. Andere Formen von Verrastungen oder Befestigungen des Anschlusskörpers mit/an einem Rohr sind ebenfalls möglich.
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Weiterhin kann an dem Anschlusskörper mindestens eine weitere Anschlussmöglichkeit vorhanden sein. Sie ermöglicht einen weiteren Anschluss z.B. in Form eines Schlauchanschlusses, einer Schnellkupplung oder eines Anschlussgewindes oder auch von Sensoren. Damit stellt sich der Anschlusskörper als universeller Verbinder zu dem/den Hohlprofil(en) 104 dar.
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7 zeigt ein Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Das Verfahren umfasst zumindest drei Schritte:
- – Bereitstellen S1 von zumindest einem metallischen Strangpressprofil 104 als Kühlkörper zum Durchströmen mit einem Kühlmittel, und zumindest einem nicht-metallischen Anschlusskörper 102, der im Inneren hohl ist und einen Aufnahmebereich 204 für das zumindest eine Strangpressprofil 104 aufweist, wobei der Aufnahmebereich 204 eine erste Öffnung 304 aufweist, die einem Querschnitt eines Endes des aufzunehmenden flachen metallischen Hohlprofils 104 entspricht und wobei die Öffnung 304 ringsherum um das metallische Strangpressprofil 104 um einen Abstand 202 größer als dieses ist, wobei im Inneren des Aufnahmebereichs 204 im Bereich der ersten Öffnung 304 zumindest ein Anschlag 408, 410 ausgebildet ist,
- – Fügen S2 des Strangpressprofils 104 und des Anschlusskörpers 102, wobei ein Strangpressprofilabschnitt 502 in dem Aufnahmebereich 204 des Anschlusskörpers 102 angeordnet ist, und
- – Erzeugen S3 einer Verbindungsschicht 106, die zwischen einer Außenumfangsfläche 206 des Strangpressprofilabschnitt 502 und einer Innenumfangsfläche 504 des Aufnahmebereichs 204 angeordnet ist, wobei die Verbindungsschicht ausgebildet ist, eine mechanisch flexible Verbindung zwischen dem Strangpressprofil 104 und dem Anschlusskörper 102 herzustellen
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Der Schritt des Fügens S2 kann auch als Schritt des Anordnens S2 bezeichnet werden.
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Optional können die Schritte des Bereitstellens S1 und des Fügens S2 derart erweitert werden, dass im Aufnahmebereich 204 zwischen dem Strangpressprofil 104 und dem Anschlusskörper 102 eine Dichtung 404, 412 angeordnet ist, um das Kühlmittel von der Verbindungsschicht 106 abzuschirmen.
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In einem optionalen Schritt S4 des Versiegelns wird nach dem Schritt des Erzeugens S3 eine Beschichtung auf der Verbindungsschicht 106 aufgebracht, um das Kühlmittel von der Verbindungsschicht 106 abzuschirmen. So kann der Schritt des Versiegelns S4 auch als ein Schritt des Beschichtens S4 bezeichnet werden. Mit anderen Worten wird im Schritt des Versiegelns S4 der Hohlraum des Wärmetauschers 100 versiegelt, um das Strangpressprofil 104 und den Anschlusskörper 102 und die Verbindungsschicht 106 vor dem Kühlmittel zu schützen.
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In einem optionalen Schritt des Oberflächenbehandelns S5 wird zumindest ein Teilbereich des Strangpressprofilabschnitts 502 des Strangpressprofils 104 und/oder der Innenumfangsfläche 504 des Aufnahmebereichs 204 des Anschlusskörpers 102 gereinigt und/oder mit einem Primer beschichtet und/oder geätzt und/oder Plasmabehandelt wird, um eine Haftvermittlung zur Verbindungsschicht 106 zu verbessern.
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8 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeugs 800 mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 100, der auf einer elektrischen Komponente 802 angeordnet ist. Bei dem Kraftfahrzeug 100 handelt es sich insbesondere um ein ((plug-in) Hybrid-Kraftfahrzeug 800 oder ein Elektrofahrzeug 800. Je nach Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der elektrischen Komponente 802 um beispielsweise eine Batterie 802, einen Stromverteiler 802 oder eine Schaltbox 802. Die elektrischen Komponenten 802 sind insbesondere für ein Hochvolt-Bordnetz mit über 400 V oder über 900 V konzipiert, wobei hier ein besonders hoher, zu kühlender Wärmeeintrag entsteht.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wärmetauscher
- 102
- Anschlusskörper
- 104
- Strangpressprofil, Hohlprofil
- 106
- Verbindungsschicht, Weichkomponente
- 108
- dritte Öffnung
- 110
- Verbindungselement
- 110a
- Rastnase
- 112
- Querstege im Hohlprofil
- 114
- Kanal im Hohlprofil
- 116
- Rückseite des Anschlusskörpers
- 202
- Abstand zwischen der Wand der Öffnung des Anschlusskörpers und dem Hohlprofil
- 204
- Aufnahmebereich
- 206
- Außenumfangsfläche
- 208
- Fügespalt
- 302
- Abstandhalter, Führungsprofil, Rippe
- 304
- erste Öffnung
- 402
- Innenraum des Anschlusskörpers
- 404
- Dichtung
- 406
- Profil für Dichtung
- 408
- Anschlag, unten
- 410
- Anschlag, oben
- 412
- Dichtung, Dichtlippe
- 502
- Strangpressprofilabschnitt
- 504
- Innenumfangsfläche
- 602
- Rohr
- 604
- flache Seite des Rohres
- 606
- Rastkante
- S1–S5
- Verfahrensschritte
- 800
- Kraftfahrzeug
- 802
- elektrische Komponente
