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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für ein Elektromodul, insbesondere für ein Batteriemodul oder für einen Elektromotor, gemäß Anspruch 1.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Elektromodul, insbesondere Batteriemodul oder Elektromotor, mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 15.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Temperieren eines Elektromoduls, insbesondere eines Batteriemoduls oder eines Elektromotors, gemäß Anspruch 16, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung.
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Aus der
EP 3 056 847 A1 ist es bekannt, einen Körper mittels einer Einrichtung zum Umströmen des Körpers mit einem Temperiermedium zu temperieren. Die vorbekannte Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Temperiereinrichtung wenigstens einen aus einem metallischen Band gewickelten Wickelschlauch umfasst, welcher Wickelschlauch an einer Mantelfläche des Körpers angeordnet ist und diese zumindest bereichsweise umgibt. Der Wickelschlauch bildet im Inneren seines Profils einen lichten, schraubenförmigen Strömungsraum für das Temperiermedium aus. Da ein Wickelschlauch bauartbedingt nicht vollständig fluiddicht ist, ist ein zusätzliches Außenrohr zur Abdichtung vorgesehen.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik hat sich als nachteilig erwiesen, dass - im Falle einer Kühlanwendung - abzuführende Wärme teilweise durch Wandungen des Wickelschlauchs treten muss, welche Wandung abschnittsweise sogar doppellagig ausgebildet ist. Aufgrund der erforderlichen mehrteiligen Lösung mit Außenrohr ergibt sich ein relativ hoher Material- und Kostenaufwand. Außerdem kommt es aufgrund der Tatsache, dass die Strömungsführung über einen einzigen, langen Strömungskanal erfolgt, zu relativ hohen Druckverlusten.
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Um die vorstehend aufgeführten Probleme zu vermeiden, besteht also Bedarf an einer Temperiervorrichtung allgemein für zu temperierende (d.h. zu wärmende oder zu kühlende) Körper, mit denen eine gleichmäßige und effiziente Temperierung bei möglichst geringem oder definiert einstellbarem Druckverlust und möglichst ohne Massenstromschlupf erfolgen kann, während der Material- und Kostenaufwand reduziert sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Elektromodul mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Idee sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung für ein Elektromodul, insbesondere für ein Batteriemodul oder für einen Elektromotor, weist auf: eine zum im Wesentlichen vollständigen Aufnehmen des Elektromoduls, mit Ausnahme von elektrischen Anschlusskontakten und/oder einer Abtriebswelle desselben, ausgebildete Ummantelung mit einem Innenraum, welche Ummantelung einen rohrförmigen Wandabschnitt umfasst; in dem rohrförmigen Wandabschnitt wenigstens einen strukturierten Bereich, in dem die Ummantelung eine Mehrzahl von diskreten profilierten Bereichen aufweist, welche diskreten profilierten Bereiche sich zumindest zum Teil und/oder zumindest abschnittsweise quer zu einer Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts erstrecken; wenigstens eine Zuleitung für ein Temperierfluid zu dem Innenraum, welche Zuleitung in dem Innenraum in einen ersten Verteiler- und Sammelabschnitt mündet; und wenigstens eine Ableitung für das Temperierfluid, welche Ableitung aus einem zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt in dem Innenraum der Ummantelung ausgeleitet oder abgezweigt ist; bei der eine Teilanzahl der diskreten profilierten Bereiche an ihren jeweiligen ersten und zweiten Endabschnitten unter stetiger Änderung ihres jeweiligen Verlaufs in den ersten Verteiler- und Sammelabschnitt oder in den zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt der Ummantelung übergehen.
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Vorliegend bezeichnet der Begriff „Elektromodul“ allgemein einen zu temperierenden Körper, der mit elektrischer Energie versorgt wird oder solche zur Verfügung stellt und der entsprechend über elektrische Anschlusskontakte (Klemmen) verfügt. Im Falle eines Elektromotors kann zudem noch eine Abtriebswelle vorhanden sein.
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Die Verteiler- und Sammelabschnitte können bevorzugt als Glattrohrbereiche ausgebildet sein, in denen die Ummantelung folglich gar keine besondere Strukturierung aufweist. Dies ist aus Gründen der Strömungsführung vorteilhaft; allerdings ist die Erfindung nicht auf eine solche Ausgestaltung beschränkt.
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Eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung dient zum im Wesentlichen vollständigen Aufnehmen eines solchen Elektromoduls. In diesem Zusammenhang bedeutet „im Wesentlichen vollständig“, dass zumindest die genannten elektrischen Anschlusskontakte und/oder die Abtriebswelle des Elektromoduls aus der Ummantelung herausragen können, um insbesondere elektrische Anschlussleitungen anzubringen bzw. die erzeugte Antriebskraft des Elektromotors nutzbar zu machen. Die genannte Ummantelung umfasst einen rohrförmigen Wandabschnitt, was bedeutet, dass dieser Wandabschnitt umfänglich geschlossen ausgebildet ist. In dem rohrförmigen Wandabschnitt befindet sich wenigstens ein strukturierter Bereich, in dem die Ummantelung eine Mehrzahl von diskreten, d.h. separaten profilierten Bereichen aufweist. Die genannten profilierten Bereiche erstrecken sich zumindest zum Teil und/oder zumindest abschnittsweise quer zu einer Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts. Wenigstens eine Teilanzahl der diskreten profilierten Bereiche geht an ihren jeweiligen ersten und zweiten Endabschnitten unter stetiger Änderung ihres jeweiligen Verlaufs in den ersten Verteiler- und Sammelabschnitt oder in den zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt der Ummantelung über. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „unter stetiger Änderung“, dass nur eine allmähliche Änderung des Verlaufs von der genannten Erstreckung quer zur Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts in den Verteiler- und Sammelabschnitt hinein erfolgt. Hierdurch soll eine unkontrollierte Wirbelbildung vermieden werden, was Druckverluste begrenzt und die Temperierwirkung verbessert. Weiter umfasst die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung noch eine Zuleitung für ein Temperierfluid, welche Zuleitung in den ersten Verteiler- und Sammelabschnitt mündet. Schließlich ist noch eine Ableitung für das Temperierfluid vorhanden, welche Abzweigung aus dem zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt ausgeleitet oder abgezweigt ist. Das Temperierfluid gelangt somit über die Zuleitung in den ersten Verteiler- und Sammelabschnitt und wird von dort zu dem strukturierten Bereich bzw. den diskreten profilierten Bereichen geleitet. Nach Durchströmung dieser Bereiche gelangt das Temperierfluid in den zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt und von dort in die genannte Ableitung. Auf diese Weise ergibt sich eine Massenstromaufteilung für das Temperierfluid, welches um die diskreten profilierten Bereiche herum und/oder zwischen diesen hindurch geleitet wird. Das Ergebnis sind ein kontrollierter Druckverlust und eine verbesserte Temperierwirkung.
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Aufgrund der Ähnlichkeit der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung mit einem als solchem bekannten (Metall-)Balg lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auch als „Kühlbalg“ oder allgemein „Temperierbalg“ bezeichnen. Da die zu seiner Herstellung erforderlichen Maschinen und Prozesse bekannt sind, ergibt sich zudem eine einfache und folglich kostengünstige Herstellbarkeit. Eine zusätzliche äußere Abdichtung ist nicht erforderlich.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Temperieren eines Elektromoduls, insbesondere eines Batteriemoduls oder eines Elektromotors, mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, beinhaltet, dass ein Temperierfluid, vorzugsweise Wasser, optional mit Zusatzstoffen, ein Öl oder ein Dielektrikum, beispielsweise 3M™ Novec™ High-Tech Flüssigkeiten, über eine Zuleitung durch den Innenraum der Ummantelung in dem strukturierten Bereich des rohrförmigen Wandabschnitts zu der Ableitung geleitet wird. Dabei erfolgt im Bereich der diskreten profilierten Bereiche eine gezielte Strömungsführung des Temperierfluids, wie bereits erwähnt.
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Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist vorgesehen, dass eine Hauptströmungsrichtung des Temperierfluids in dem ersten Verteiler- und Sammelabschnitt im Bereich der Zuleitung und/oder in dem zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt im Bereich der Ableitung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts ist. Auf diese Weise kann das Temperierfluid achsparallel unter entsprechender Bauraumreduzierung in den ersten Verteiler- und Sammelabschnitt eingeleitet bzw. aus dem zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt ausgeleitet werden.
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Entsprechend kann bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung vorgesehen sein, dass die Zuleitung und/oder die Ableitung im Wesentlichen quer zu der Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts orientiert ist bzw. sind.
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Gemäß einer noch anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung kann vorgesehen sein, dass der rohrförmige Wandabschnitt zwei vorzugsweise einander diametral gegenüberliegende strukturierte Bereiche und zwei vorzugsweise einander diametral gegenüberliegende Verteiler- und Sammelabschnitte aufweist. Hierdurch lässt sich eine gegenüber dem Umfang des Elektromoduls möglichst gleichmäßige Kühlwirkung erreichen. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf derartige Ausgestaltungen beschränkt: beispielsweise kann es vorteilhaft sein, die Verteiler- und Sammelabschnitte nicht einander diametral gegenüberliegend, sondern gemeinsam auf einer Seite des Elektromoduls anzuordnen. Die diskreten profilierten Bereiche auf der einen Seite des Elektromoduls erstrecken sich dann über einen deutlich längeren Abschnitt als die diskreten profilierten Bereiche auf der anderen Seite des Elektromoduls. Somit kann die Temperierwirkung gezielt beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Leistungselektronik eines Elektromotors im Bereich des kürzeren Abschnitts angeordnet sein, um gezielt die dortige Temperierwirkung zu optimieren.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass die diskreten profilierten Bereiche (auch als „Profile“ bezeichnet) als erhabene Bereiche oder als eingezogene Bereiche der Ummantelung ausgebildet sind. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Profile (alternativ auch als „Fin Pins“ bezeichnet) immer bis zur Mantelfläche (Außenoberfläche) des Elektromoduls ausgeführt sein müssen; sie können auch lediglich eine Verengung des lichten Freiraums, d.h. eine (lokale) Reduktion der Kanalhöhe zwischen dem äußeren rohrförmigen Wandabschnitt und dem innenliegenden Elektromodul darstellen. Dadurch kann die Funktion einer Drossel für die Strömung des Temperierfluids um das Elektromodul abgebildet werden. Zusätzlich ergibt sich dadurch die Möglichkeit einer Versickung, um das (Blech-)Material der Ummantelung zu versteifen. Die Reduktion der Kanalhöhe bewirkt weiterhin eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Temperierfluids, was wiederum die Ausbildung einer Randschicht und damit das Wärmeübertragungsverhalten beeinflusst. Alternativ oder zusätzlich zu nach innen gerichteten Profilen in Form von beispielsweise Dellen oder Grübchen können auch Profile nach außen (Vergrößerung der Kanalhöhe) vorgesehen sein.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass wenigstens einige der diskreten profilierten Bereiche im Verhältnis zu ihrer Breite relativ lang ausgebildet sind und vorzugsweise einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen. Es handelt sich also im Wesentlichen um langgestreckte Wellen oder Wellungen, wie sie von Wellschläuchen oder Bälgen bekannt sind.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass die einigen diskreten profilierten Bereiche geradlinig oder gekrümmt, und dies vorzugsweise zumindest im Bereich ihrer ersten und zweiten Endabschnitte, ausgebildet sind. Die Formgebung der genannten Bereiche kann so für eine gezielte Strömungsbeeinflussung genutzt werden.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass wenigstens einige der diskreten profilierten Bereiche als tropfenförmige oder stromlinienförmige Bereiche oder als sog. NACA-Profile ausgebildet sind, z.B. NACA-0015. NACA-Profile sind zweidimensionale Querschnitte von Tragflächenprofilen für Flugzeugtragflächen, die vom National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) für den Entwurf von Tragflächen (englisch „airfoil design“) entwickelt wurden, vgl. de.wikipedia.org/wiki/NACA-Profile. Die Umströmungsparameter sind somit gut bekannt und können gezielt ausgewählt werden, um ein gewünschtes Strömungsverhalten zu bewirken.
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Die NACA-Profile sind Variationen eines Ursprungsprofils. Die NACA hat zur vereinheitlichten Beschreibung von Profilen zahlreiche Profiltabellen zu den verschiedenen NACA-Profilen erstellt (NACA-Katalog). Diese Tabellen enthalten geometrische Daten und die Profilbeiwerte (Auftriebskoeffizient cA, Widerstandskoeffizient cW und Momentenkoeffizient cM) für die verschiedenen Anstellwinkel. Diese Erkenntnisse lassen sich im Rahmen der Erfindung nutzen. Die NACA-Profile werden von dem Temperierfluid vorzugsweise so angeströmt, dass ihr dickeres Ende stromaufwärts angeordnet ist.
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Durch die Einbringung von strömungsführenden Profilen (Beispiel NACA-0015) kann bei nur mäßiger Druckverlusterhöhung, im Vergleich zu parallel durchströmten Kanälen, eine deutliche Steigerung der Wärmeübertragungsleistung erzielt werden.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass in Strömungsrichtung des Temperierfluids zumindest einige der relativ langen Bereiche und zumindest einige der tropfenförmigen, stromlinienförmigen oder NACA-Profilbereiche im Wesentlichen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Hierdurch lässt sich die Strömung des Temperierfluids und somit die Temperierwirkung gezielt beeinflussen. Auch eine versetzte Anordnung der Profile („auf Lücke“) ist möglich.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass in Strömungsrichtung des Temperierfluids zumindest einige der relativ langen Bereiche und zumindest einige der tropfenförmigen, stromlinienförmigen oder NACA-Profilbereiche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Auch diese ermögliche eine gezielte Beeinflussung des Strömungsverhaltens und der Temperierwirkung.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass die relativ langen Bereiche einen mäanderförmigen Strömungskanal definieren, in dem die tropfenförmigen, stromlinienförmigen oder NACA-Profilbereiche im Wesentlichen hintereinander angeordnet sind. So können die relativ langen Bereiche für eine effektive Verlängerung des Strömungskanals sorgen, während die tropfenförmigen, stromlinienförmigen oder NACA-Profilbereiche für eine gezielte Ausbildung der Strömung innerhalb dieses Strömungskanals sorgen.
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Eine wieder andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass der rohrförmige Wandabschnitt einen runden, speziell kreisrunden, oder einen ovalen Querschnitt aufweist und vorzugsweise entweder einstückig ausgebildet oder aus wenigstens zwei Halbschalen zusammengesetzt ist. Dabei können die beiden Halbschalen durch stoffschlüssiges Verbinden in den Verteiler- und Sammelabschnitten zusammengesetzt sein. Der angesprochene runde, speziell kreisrunde oder ovale Querschnitt der Temperiervorrichtung eignet sich gut zur Aufnahme von rotationssymmetrischen Körpern oder von sogenannten Prismazellen (prismatischen Zellen), was eine gängige Geometrie derzeit verwendeter Batteriezellen oder Batteriemodule im Bereich der Elektromobilität beschreibt. Wenn der rohrförmige Wandabschnitt aus Halbschalen zusammengesetzt ist, können diese als einfache Tiefziehteile besonders kostengünstig hergestellt werden.
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Eine bestimmte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass die Zuleitung und die Ableitung an einem gemeinsamen Ende des rohrförmigen Wandabschnitts angeordnet sind. Dies kann insbesondere eine besonders einfache Anschließbarkeit der Temperiervorrichtung bewirken.
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Bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist jedoch vorgesehen, dass die Zuleitung und die Ableitung an verschiedenen Enden des rohrförmigen Wandabschnitts angeordnet sind. Hierdurch lässt sich eine homogenere Temperierwirkung erreichen.
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Bei einer wieder anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung kann dagegen vorgesehen sein, dass die Zuleitung und/oder die Ableitung in einem mittleren Bereich des rohrförmigen Wandabschnitts bezogen auf eine Längserstreckung desselben angeordnet ist bzw. sind. Auch hierdurch lässt sich die Temperierwirkung gezielt beeinflussen.
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Um die Temperierwirkung noch weiter zu verbessern, kann bei einer wieder anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung vorgesehen sein, dass die Ummantelung einen den rohrförmigen Wandabschnitt zumindest auf einer Stirnseite, vorzugsweise mit Ausnahme einer Durchführung von elektrischen Anschlusskontakten oder einer Abtriebswelle, verschließenden Stirnwandabschnitt aufweist. Dieser Stirnwandabschnitt kann wenigstens einen weiteren strukturierten Bereich umfassen, in dem die Ummantelung eine Mehrzahl von diskreten Profilbereichen der genannten Art aufweist. Diese stirnseitigen strukturierten Bereiche können in den jeweils zugeordneten ersten Verteiler- und Sammelabschnitt oder zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt übergehen. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung um stirnseitige Temperiereinrichtungen ergänzt, die im Wesentlichen analog zu der Temperiereinrichtung in dem rohrförmigen Wandabschnitt ausgebildet sind, um die Temperierwirkung weiter zu verbessern.
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Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Elektromodul, insbesondere ein Batteriemodul oder einen Elektromotor, mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung. Das Elektromodul ist in dem rohrförmigen Wandabschnitt aufgenommen und kann dabei zumindest in dem strukturierten Bereich an dem betreffenden rohrförmigen Wandabschnitt anliegen, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkte wäre, wie weiter oben beschrieben. Um insbesondere einen Massenstromschlupf des Temperiermediums zu verhindern und um außerdem eine Versteifung des aufgenommenen Elektromoduls zu bewirken, kann zusätzlich noch vorgesehen sein, dass das Elektromodul und die Temperiervorrichtung in wenigstens einem Bereich fest miteinander verbunden sind, insbesondere durch stoffschlüssiges Verbindung im Bereich von Vertiefungen oder Einziehungen in dem strukturierten Bereich. Hierdurch kann speziell bei Batteriezellen einer Verformung durch chemische und thermische Einflüsse entgegengewirkt werden.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist das Innenhochdruckumformen. Mögliche Verfahrensschritte hierbei sind:
- 1. Herstellung eines relativ dickwandigen Elektromodulgehäuses;
- 2. Überstülpen (eventuell thermisch unterstützt) einer dünnwandigen Hülse aus Metall (Stahl) mit hydraulischem Anschluss;
- 3. (Endständiges) Dichtschweißen der beiden zwischen Modulgehäuse und Hülse verbleibenden Ringspalte und Abbildung von Strömungsleitlinien und/oder Wärmeübertragungsfinnen (den erfindungsgemäß diskreten profilierten Bereichen) auf bzw. an der Hülse durch beispielsweise eine Rollnaht oder eine Laserschweißnaht;
- 4. Ausbildung der Kühlkanäle (Strömungsraum bzw. Strömungskanäle) durch freies hydraulisches Umformen der dünnwandigen Außenhaut über den hydraulischen Anschluss (eventuell unter Abstützung des tragenden Innengehäuses);
- 5. der hydraulische Anschluss bildet vorzugsweise auch im Betrieb die Schnittstelle zur Ein- und Auskopplung des Temperierfluidstroms (Zuleitung/Ableitung).
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Zur Abstützung des Innengehäuses kann ein schon montierter Stator eines Elektromotors (als ein mögliches Elektromodul) dienen. Ebenfalls können in beschriebener Weise Temperiervorrichtungen mit verschiedensten Kanalformen (Strömungsräumen) hergestellt werden. Daher ist eine kostengünstige Einzelstück- oder Kleinstserienfertigung inklusive Variantenentwicklung möglich.
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Zusätzlich kann bei einer (z.B. stoffschlüssigen) Verbindung zwischen der (Kühl-)Hülse und zu temperierendem Körper (Elektromodul) die Gesamtstruktur versteift werden, was die Eigenfrequenz anhebt.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung mit einem darin aufgenommenen Elektromodul;
- 2 zeigt im Längsschnitt verschiedene Möglichkeiten der Ausgestaltung der diskreten profilierten Bereiche beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
- 3 zeigt eine Ausgestaltung des rohrförmigen Wandabschnitts bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung im abgewickelten Zustand;
- 4 zeigt eine andere Ausgestaltung des rohrförmigen Wandabschnitts bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung im abgewickelten Zustand;
- 5 zeigt eine wieder andere Ausgestaltung des rohrförmigen Wandabschnitts bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung im abgewickelten Zustand;
- 6 zeigt noch eine andere Ausgestaltung des rohrförmigen Wandabschnitts bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung im abgewickelten Zustand;
- 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des rohrförmigen Wandabschnitts bei einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung im abgewickelten Zustand; und
- 8 zeigt schematisch eine Möglichkeit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung.
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung, die gemäß den Ausführungen im einleitenden Teil der Beschreibung auch als „Kühlbalg“ bzw. allgemein als „Temperierbalg“ bezeichnet werden kann. Die gesamte Temperiervorrichtung ist mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Sie weist einen strukturierten Bereich 10a mit einer Mehrzahl von diskreten profilierten Bereichen auf, die in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind (vgl. 2ff). Die Temperiervorrichtung 10 umgibt einen zu temperierenden Körper 20 (vorliegend ein sogenanntes Elektromodul mit Anschlusskontakten 20a, 20b, die zum Teil aus der Temperiervorrichtung 10 herausgeführt sind) im Bereich von dessen Oberfläche (Mantelfläche) 20'. Dabei liegt die Temperiervorrichtung 10 bei einer Ausgestaltung mit den profilierten Bereichen an der genannten Oberfläche 20' an und kann dort insbesondere stoffschlüssig fixiert sein. Hierdurch lässt sich der erwähnte Massenstromschlupf unterbinden; außerdem kann die stoffschlüssige Anbindung der Temperiervorrichtung 10 an den zu temperierenden Körper 20 zu einer Versteifung des letzteren führen, was insbesondere im Falle einer Ausgestaltung des Körpers 20 in Form eines Batteriemoduls oder einer Batteriezelle (speziell in Form von prismatischen, tiefgezogenen oder fließgepressten Batteriebechern) vorteilhaft und erwünscht sein kann. Umgekehrt kann der Körper 20 auch zur Versteifung der Temperiervorrichtung 10 dienen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Temperiermedium oder Temperierfluid TF über eine Zuleitung 13 und eine Ableitung 14 durch den zwischen Körper-Oberfläche 20' und einer Innenseite der Temperiervorrichtung 10 definierten Innenraum oder Strömungsraum 4 geleitet. Anders als beim Stand der Technik handelt es sich bei dem Strömungsraum 4 jedoch nicht um einen einzelnen, durchgängigen, schraubenförmigen Strömungsraum, sondern um eine Vielzahl insbesondere parallel geschalteter Strömungsräume, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird. Hierdurch lässt sich die Temperierwirkung gezielt verbessern, und Druckverluste werden reduziert. Des Weiteren ist die Ummantelung 11 in ihren stirnseitigen Randbereichen und zusätzlich auch zwischen Zuleitung 13 und Ableitung 14 derart (vorzugsweise stoffschlüssig) mit der Oberfläche 20' verbunden, dass die Strömung des Temperierfluids TF durch den Strömungsraum 4 nur gemäß einem vorbestimmten Muster erfolgen kann (in 1 durch strichpunktierte Pfeile symbolisiert) - und nicht unmittelbar von der Zuleitung 13 zu der Ableitung 14 ohne effiziente Umströmung des Elektromoduls 20.
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Bezugszeichen L bezeichnet die Längsachse der Anordnung aus Temperiervorrichtung 10 und Elektromodul 20.
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2 zeigt, in Form eines Längsschnitts, eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung (Temperierbalg) 10 mit aufgenommenem Elektromodul 20. Die elektrischen Anschlusskontakte des Elektromoduls 20 sind hier nicht dargestellt. Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Ummantelung der Temperiervorrichtung 10, welche Ummantelung dazu ausgebildet ist, das Elektromodul 20 - mit Ausnahme der Anschlusskontakte - vollständig aufzunehmen. Die Temperiervorrichtung 10 bzw. die Ummantelung 11 umfasst den bereits anhand von 1 dargestellten rohrförmigen Wandabschnitt 10a bzw. den strukturierten Bereich, in dem die Ummantelung 11 bzw. die Temperiervorrichtung 10 eine Mehrzahl von diskreten profilierten Bereichen aufweist, von denen in 2 nur einige wenige bei den Bezugszeichen ①, ② und ③ bzw. 10b symbolisch dargestellt sind. Diese profilierten Bereiche sind unterschiedlich ausgebildet: Bereich ① stellt eine Vertiefung (Grübchen, Dimpel, Einzug) dar, während Bereich ② als Erhöhung ausgebildet ist. Bereich ③ ist wiederum als Vertiefung ausgebildet und ist so tief ausgeführt, dass die Ummantelung 11 die Oberfläche 20' berührt und dort befestigt sein kann. Bezugszeichen ⓪ bezeichnet eine Zuleitung 13 oder Ableitung 14. In 2 bezeichnet Bezugszeichen 12.1, 12.2 einen ersten bzw. einen zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt, der mit der Zuleitung 13 bzw. Ableitung 14 in direktem Kontakt steht. Von den Verteiler- und Sammelabschnitten12.1, 12.2 gelangt das Temperierfluid von der Zuleitung 13 in den Strömungsraum 4 bzw. aus dem Strömungsraum 4 zu der Ableitung 14.
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3 zeigt eine Ausgestaltung der Ummantelung 11 bzw. des strukturierten Bereichs 10a im abgewickelten Zustand. Die Pfeile bezeichnen Längsrichtung (Länge) und Umfangsrichtung (Umfang). Der strukturierte Bereich 10a umfasst eine Vielzahl an diskreten profilierten Bereichen („Profile“) 10b, die als NACA-Profile bzw. tropfen- oder stromlinienförmig ausgebildet sind. Nur wenige dieser Profile sind explizit bezeichnet. Die Profile 10b erstrecken sich (mit Ausnahme der oben und unten in 3 dargestellten End-/Anfangsabschnitte, die in 3 mit Bezugszeichen 10d bzw. 10e bezeichnet sind) im Wesentlichen quer zu der Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts 10a. An den genannten End-/Anfangsabschnitten 10d, 10e ändert sich der jeweilige Verlauf der Profile10b beim Übergang in einen zugehörigen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2. Die angesprochene stetige Änderung des jeweiligen Verlaufs erfolgt derart, dass die Profile 10b in den jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2 hineingekrümmt sind, sodass sich ihr Verlauf an einen Verlauf bzw. eine Längserstreckung des jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitts 12.1, 12.2 annähert. Außerdem kann die Profilhöhe graduell bis auf Null abnehmen. Dazwischen sind die Profile 10b im Wesentlichen gerade (in Umfangsrichtung) ausgebildet. Sie sind in regelmäßigen Reihen angeordnet, wobei sie von Reihe zu Reihe gegeneinander versetzt (auf Lücke) angeordnet sind.
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Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Zuleitung für ein Temperierfluid TF, wobei ein zugeordneter Pfeil einen Massenstrom des Temperierfluids bezeichnet. Bezugszeichen 14 steht entsprechend für eine Ableitung für das Temperierfluid TF. Die Zuleitung 13 mündet in den ersten Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, während die Ableitung 14 aus dem zweiten Verteiler- und Sammelabschnitt 12.2 ausgeleitet bzw. abgezweigt ist. Somit ließe sich der erste Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1 auch als reiner Verteilerkanal bezeichnen, und der zweite Verteiler- und Sammelabschnitt 12.2 als reiner Sammelabschnitt, welche Unterscheidung hier und im Folgenden jedoch nicht gemacht wird. In 3 sind Zuleitung 13 und Ableitung 14 jeweils etwa mittig bezüglich der Längserstreckung der Ummantelung 11 angeordnet.
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In 4 ist eine alternative Ausgestaltung der Ummantelung 11 bzw. des strukturierten Bereichs 10a im abgewickelten Zustand gezeigt. Die Pfeile bezeichnen wiederum Längsrichtung (Länge) und Umfangsrichtung (Umfang). Der strukturierte Bereich 10a umfasst eine kleine Anzahl an diskreten profilierten Bereichen („Profile“) 10b, die als NACA-Profile bzw. tropfen- oder stromlinienförmig ausgebildet sind, sowie eine Anzahl langgestreckter, wellenartiger Profile 10c (deutlich länger als breit, mit vorzugsweise konstantem Querschnitt). Nur wenige dieser Profile 10b, 10c sind explizit bezeichnet. Die Profile 10b, 10c erstrecken sich (mit Ausnahme der oben und unten in 4 dargestellten End-/Anfangsabschnitte, die in 4 mit Bezugszeichen 10d bzw. 10e bezeichnet sind) im Wesentlichen quer zu der Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts 10a. An den genannten End-/Anfangsabschnitten 10d, 10e ändert sich der jeweilige Verlauf der Profile10b, 10c beim Übergang in einen zugehörigen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2. Die angesprochene stetige Änderung des jeweiligen Verlaufs erfolgt derart, dass die Profile 10b, 10c in den jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2 hineingekrümmt sind, sodass sich ihr Verlauf an einen Verlauf bzw. eine Längserstreckung des jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitts 12.1, 12.2 annähert. Außerdem kann die Profilhöhe graduell bis auf Null abnehmen. Dazwischen sind die langgestreckten Profile 10c im Wesentlichen gerade (in Umfangsrichtung) ausgebildet. Sie sind in regelmäßigen Abständen angeordnet; diskrete Profile 10b finden sich nur im Bereich der Zuleitung 13 und Ableitung 14. In 4 sind Zuleitung 13 und Ableitung 14 in diagonal gegenüberliegenden Ecken der Ummantelung 11 angeordnet.
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In 5 ist eine andere alternative Ausgestaltung der Ummantelung 11 bzw. des strukturierten Bereichs 10a im abgewickelten Zustand gezeigt. Diese Ausgestaltung stellt eine Kombination der Ausgestaltungen aus 3 und 4 dar. Die Pfeile bezeichnen wiederum Längsrichtung (Länge) und Umfangsrichtung (Umfang). Der strukturierte Bereich 10a umfasst eine Anzahl an diskreten profilierten Bereichen („Profile“) 10b, die als NACA-Profile bzw. tropfen- oder stromlinienförmig ausgebildet sind, sowie - dazwischen - eine Anzahl langgestreckter, wellenartiger Profile 10c (deutlich länger als breit, mit vorzugsweise konstantem Querschnitt). Nur wenige dieser Profile 10b, 10c sind explizit bezeichnet. Die Profile 10b, 10c erstrecken sich (mit Ausnahme der oben und unten in 5 dargestellten End-/Anfangsabschnitte, die in 5 mit Bezugszeichen 10d bzw. 10e bezeichnet sind) im Wesentlichen quer zu der Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts 10a. An den genannten End-/Anfangsabschnitten 10d, 10e ändert sich der jeweilige Verlauf der Profile 10b, 10c beim Übergang in einen zugehörigen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2. Die angesprochene stetige Änderung des jeweiligen Verlaufs erfolgt derart, dass die Profile 10b, 10c in den jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2 hineingekrümmt sind, sodass sich ihr Verlauf an einen Verlauf bzw. eine Längserstreckung des jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitts 12.1, 12.2 annähert. Außerdem kann die Profilhöhe graduell bis auf Null abnehmen. Dazwischen sind die langgestreckten Profile 10c im Wesentlichen gerade (in Umfangsrichtung) ausgebildet. Sie sind in regelmäßigen Abständen angeordnet; diskrete NACA-Profile 10b finden sich in den Bereichen zwischen den langgestreckten Profilen 10c. In 4 sind Zuleitung 13 und Ableitung 14 in diagonal gegenüberliegenden Ecken der Ummantelung 11 angeordnet.
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In 6 ist eine wieder andere alternative Ausgestaltung der Ummantelung 11 bzw. des strukturierten Bereichs 10a im abgewickelten Zustand gezeigt. Die Pfeile bezeichnen wiederum Längsrichtung (Länge) und Umfangsrichtung (Umfang). Der strukturierte Bereich 10a umfasst eine Anzahl an diskreten profilierten Bereichen („Profile“) 10b, die als NACA-Profile bzw. tropfen- oder stromlinienförmig ausgebildet sind, sowie - dazwischen - eine Anzahl langgestreckter, wellenartiger Profile 10c (deutlich länger als breit, mit vorzugsweise konstantem Querschnitt), die einen mäanderförmigen Strömungskanal 4 definieren. Nur wenige dieser Profile 10b, 10c sind explizit bezeichnet. Die Profile 10b, 10c erstrecken sich im Wesentlichen in Richtung der Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts 10a. An genannten End-/Anfangsabschnitten 10d, 10e ändert sich der jeweilige Verlauf der Profile 10b beim Übergang in einen zugehörigen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2. Die angesprochene stetige Änderung des jeweiligen Verlaufs erfolgt derart, dass die Profile 10b in den jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, 12.2 hineingekrümmt sind, sodass sich ihr Verlauf an einen Verlauf bzw. eine Längserstreckung des jeweiligen Verteiler- und Sammelabschnitts 12.1, 12.2 annähert. Außerdem kann die Profilhöhe graduell bis auf Null abnehmen. Dazwischen sind die langgestreckten Profile 10c im Wesentlichen gerade (in Längsrichtung) ausgebildet. Sie sind in regelmäßigen Abständen angeordnet; diskrete Profile 10b finden sich in den Bereichen zwischen den langgestreckten Profilen 10c. In 6 sind Zuleitung 13 und Ableitung 14 in einander gegenüberliegenden Ecken der Ummantelung 11 angeordnet.
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In 7 ist eine der 5 ähnliche Ausgestaltung gezeigt, jedoch fehlen hier die langgestreckten Profile 10c (vgl. 5). Längs- und Umfangsrichtung sind gegenüber 5 vertauscht. Die Trennlinie (nach dem Aufwickeln der Ummantelung 11 zu einem Rohr) zwischen Zuleitung 13 und Ableitung 14 verläuft gekrümmt, nicht gerade wie in den 2ff. Dies ist grundsätzlich bei allen Ausgestaltungen so realisierbar.
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Allen gezeigten Ausgestaltungen ist überdies gemein, dass ein bei Bezugszeichen 13 zuströmendes Temperiermedium entsprechend aus dem ersten Verteiler- und Sammelabschnitt 12.1, der als eine Art Verteiler fungiert, durch die Strömungsräume um das Elektromodul 20 herum geleitet und anschließend in dem Verteiler- und Sammelabschnitt 12.2 wieder gesammelt wird. Anschließend erfolgt die Ableitung bei Bezugszeichen 14. Die Umströmung des Elektromoduls 20 erfolgt also in einer Mehrzahl paralleler Strömungskanäle 4. Die Krümmung der Profile 10b, 10c in den ersten und zweiten Endabschnitten 10d, 10e und die Geometrie der Profile 10b, 10c selbst sorgt dafür, dass Wirbel- und Turbulenzbildungen vermieden oder kontrolliert werden, was dazu beiträgt, Druckverluste zu minimieren und die Temperierwirkung zu verbessern.
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8 zeigt schematisch eine Möglichkeit der Herstellung einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung durch Innenhochdruckumformen. Mögliche Verfahrensschritte hierbei sind:
- 1. Herstellung bzw. Bereitstellung eines relativ dickwandigen Elektromodulgehäuses 21;
- 2. Überstülpen (eventuell thermisch unterstützt) einer dünnwandigen Hülse 11 (der Ummantelung) aus Metall (Stahl) mit hydraulischem Anschluss (nicht gezeigt);
- 3. (Endständiges) Dichtschweißen der beiden zwischen Modulgehäuse 21 und Hülse 11 verbleibenden Ringspalte (dies zeigt der kleine Bildeinschub in 8) und Abbildung von Strömungsleitlinien und/oder Wärmeübertragungsfinnen (die erfindungsgemäß diskreten profilierten Bereiche) auf bzw. an der Hülse durch beispielsweise eine Rollnaht oder eine Laserschweißnaht (bei Bezugszeichen 30 symbolisch dargestellt);
- 4. Ausbildung der Kühlkanäle (Strömungsraum bzw. Strömungskanäle) durch freies hydraulisches Umformen (Aufblähen) der dünnwandigen Außenhaut (Hülse 11) über den hydraulischen Anschluss (eventuell unter Abstützung des tragenden Innengehäuses), was in der Figur mittels Pfeilen symbolisiert ist; Bezugszeichen 40 bezeichnet ein zwischen Hülse 11 und Modulgehäuse 21 eingebrachtes (Hydraulik-)Medium;
- 5. der hydraulische Anschluss bildet vorzugsweise auch im Betrieb die Schnittstelle zur Ein- und Auskopplung des Temperierfluidstroms (Zuleitung/Ableitung 13, 14 - siehe oben).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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