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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlstruktur zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers mit einer Grundplatte und einer fluiddicht mit der Grundplatte verbundenen ersten Abdeckplatte, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager mit einer solchen Kühlstruktur.
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Elektrische Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien für Elektro- oder Hybridfahrzeuge, werden üblicherweise bauraumgünstig in einem Flurboden oder in anderen flachen Bereichen eines Kraftfahrzeugs untergebracht. Hierfür sind dann flache und große Batteriekühlplatten zur Kühlung erforderlich. Diese bestehen üblicherweise aus zwei verschiedenen, stoffschlüssig und damit fluiddicht miteinander verbundenen Blechen, wobei eines der beiden Bleche, beispielsweise eine Grundplatte oder eine Abdeckplatte, als Kanalblech ausgeformt und das andere vorzugsweise eben ausgebildet ist. Werkzeugbedingt und kostengetrieben ist jedoch insbesondere das den Kanal beinhaltende Blech nicht in der Größe des ebenen Blechs darstellbar und wird deshalb beispielsweise geteilt, in entweder zwei unterschiedlich große oder zwei gleich große Bleche. Hierdurch ergibt sich jedoch bei der fertigen Kühlstruktur der große Nachteil, dass die Biegesteifigkeit in Bereichen, die von den Kanalblechen, das heißt beispielsweise dem Abdeckblech, nicht überdeckt sind, ausschließlich durch die Biegesteifigkeit durch das andere Blech, beispielsweise eine ebene Grundplatte, bereitgestellt werden muss.
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Je größer jedoch die Abdeckplatten bzw. Grundplatte ausgestaltet werden, welche die einzelnen Kanäle durch eine entsprechende Vertiefung enthalten, umso teurer ist deren Herstellung, da zum Herstellen Umformpressen mit hoher Tonnage erforderlich sind. Je größer die einzelnen Platten werden, umso schlechter wird auch deren Handling.
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Aus der
US 2012/0312614 A1 ist eine gattungsgemäße Kühlstruktur zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers mit einer Grundplatte und einer fluiddicht mit dieser verbundenen Abdeckplatte bekannt. In der Grundplatte ist dabei zumindest ein vertiefter Kanal für Kühlfluid angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Kühlstruktur der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Kühlstruktur zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers kostengünstig aber dennoch biegesteif auszubilden, indem zumindest zwei segmentierte und zumindest einen vertieften Kühlkanal für Kühlfluid aufweisende Abdeckplatten auf einer im Wesentlichen ebene Grundplatte der Kühlstruktur fluiddicht aufgebracht und darüber hinaus über ein Zahnprofil miteinander oder mit der Grundplatte verzahnt werden, so dass auch an einem Stoßbereich der beiden Abdeckplatten die Biegesteifigkeit nicht wie bislang üblich ausschließlich durch die Biegesteifigkeit der Grundplatte bereitgestellt werden muss. Dies bietet den großen Vorteil, dass durch die Segmentierung der Abdeckplatten diese insgesamt kleiner und damit kostengünstiger hergestellt werden können, da beispielsweise kleinere Pressen mit geringer Tonnage verwendete werden können. Zugleich wird jedoch die Biegesteifigkeit der Kühlstruktur durch das Zahnprofil auf einem Niveau gehalten, wie bei einer einzigen, komplett durchgehenden Abdeckplatte. Die erfindungsgemäße Kühlstruktur zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers weist dabei die zuvor erwähnte Grundplatte sowie eine fluiddicht mit dieser Grundplatte verbundene erste Abdeckplatte auf, wobei in der Grundplatte und/oder in der Abdeckplatte vorzugsweise in der ersten Abdeckplatte, zumindest ein vertiefter Kanal für Kühlfluid angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine zweite, ebenfalls fluiddicht mit der Grundplatte verbundene Abdeckplatte vorgesehen, in welcher ebenfalls üblicherweise zumindest ein vertiefter Kanal Kühlfluid angeordnet ist. Die erste und die zweite Abdeckplatte sind dabei entweder direkt oder indirekt über ein Zahnprofil miteinander oder mit der Grundplatte verbunden, so dass es in einem Stoßbereich der beiden Abdeckplatten keine Stelle gibt, an welcher die Biegesteifigkeit der Kühlstruktur ausschließlich durch die Biegesteifigkeit der Grundplatte bestimmt ist. Wie gesagt, kann durch die Segmentierung der Abdeckplatten eine Reduzierung deren Größe erreicht werden, wodurch diese sich nur leichter Handhaben lassen, sondern auch kostengünstiger in der Herstellung sind. Die Verbindung der beiden Abdeckplatten über ein Zahnprofil kann dabei entweder direkt erfolgen, indem beispielsweise die beiden Abdeckplatten erste und zweite Zähne aufweisen, die in montiertem Zustand direkt ineinander greifen, oder aber auch indirekt, wozu beispielsweise in der Grundplatte Sicken angeordnet sind, die in montiertem Zustand in Zahnzwischenräume der beiden Abdeckplatten eingreifen. Unabhängig von der gewählten Ausführungsform ist es jedoch mit der erfindungsgemäßen Kühlstruktur erstmals möglich, diese durch die segmentierten Abdeckplatten äußerst flexibel, kostengünstig zu zugleich biegesteif auszubilden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die erste Abdeckplatte erste Zähne auf, während die zweite Abdeckplatte zweite Zähne besitzt. In montiertem Zustand greifen nun die ersten Zähne und die zweiten Zähne ineinander, wodurch das Zahnprofil gebildet wird. Im Stoßbereich zwischen der ersten und zweiten Abdeckplatte gibt es somit keine Stelle, an welcher lediglich die Grundplatte und damit eine reduzierte Biegesteifigkeit der Kühlstruktur vorhanden wäre. Die ersten und zweiten Zähne der ersten bzw. zweiten Abdeckplatte können dabei in einem vergleichsweise kostengünstigen und fertigungstechnisch einfachen Stanzvorgang hergestellt werden.
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Zweckmäßig liegen die ersten Zähne und die zweite Zähne in einer Ebene. Dies bietet den großen Vorteil, dass die Zahnstruktur bzw. das Zahnprofil insgesamt eine vergleichsweise geringe Höhe aufweist, da die ersten Zähne und die zweiten Zähne direkt mit der Grundplatte verbunden, beispielsweise verlötet oder verklebt, sind.
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Bei einer hierzu alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung überlappen sich die ersten Zähne und die zweiten Zähne in montiertem Zustand in zwei übereinanderliegenden Ebenen. Hierdurch ist eine leicht höhere Bauweise gegeben, jedoch kann durch das Überlappen der ersten und zweiten Zähne eine besonders hohe Biegesteifigkeit in diesem Bereich geschaffen werden, da eine erste Ebene von der Grundplatte, eine zweite Ebene von den ersten Zähnen und eine dritte Ebene von den zweiten Zähnen gebildet wird. Da sich die Biegesteifigkeit üblicherweise über die Dicke definiert, kann in diesem Fall somit eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit erreicht werden. Selbstverständlich können auch die ersten und zweiten Zähne jeweils in zwei Ebenen liegen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die ersten Zähne als geprägte Vertiefungen ausgebildet, in welche die zweiten Zähne zumindest teilweise eingreifen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die beiden Abdeckplatten an einer Kante direkt auf Stoß miteinander zu verbinden und somit die erste und die zweite Abdeckplatte nicht nur über die jeweiligen Zähne, sondern auch entlang einer Längsfuge miteinander zu verbinden. Auch in diesem Fall bildet der Stoßbereich insgesamt drei Ebenen, nämlich die der Grundplatte, der ersten Zähne und der zweiten Zähne, wodurch ebenfalls eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit erreicht werden kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlstruktur besitzt die Grundplatte Sicken, die in montiertem Zustand in Zahnzwischenräume der ersten und zweiten Zähne eingreifen. Hierdurch kann somit eine indirekte Verbindung der beiden Abdeckplatten erreicht werden, wobei das Zahnprofil durch die ersten und zweiten Zähne und die Sicken in der Grundplatte gebildet wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Versteifungselement vorgesehen, welches im montierten Zustand das Zahnprofil überdeckt und mit der ersten und zweiten Abdeckplatte verbunden ist. Insbesondere bei einer Verzahnung der beiden Abdeckplatten in einer gemeinsamen Ebene, kann es erforderlich sein, ein zusätzliches Versteifungselement vorzusehen, welches die Biegesteifigkeit im Stoßbereich zwischen den beiden Abdeckplatten zusätzlich erhöht. Ein derartiges Versteifungselement kann beispielsweise als Blechstreifen ausgebildet sein, der mit der ersten und zweiten Abdeckplatte verlötet ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmeübertrager, beispielsweise einen Batteriekühler, mit einer solchen Kühlstruktur auszustatten. Hierdurch ist es möglich, die zuvor beschriebenen Vorteile der Kühlstruktur, nämlich deren hohe Flexibilität, kostengünstige Herstellung und vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit, auf den Wärmeübertrager zu übertragen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Kühlstruktur entsprechend dem Stand der Technik,
- 2 eine erfindungsgemäße Kühlstruktur mit einem Zahnprofil,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit unterschiedlichen Abdeckplatten,
- 4 eine erfindungsgemäße Kühlstruktur mit einem Zahnprofil und einem Versteifungsprofil,
- 5 eine alternative Ausführungsform zu 2, bei welcher in der Grundplatte Sicken angeordnet sind, die in Zahnzwischenräume von ersten und zweiten Zähnen an den beiden Abdeckplatten eingreifen,
- 6 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Abdeckplatte mit Zähnen in zwei unterschiedlichen Ebenen,
- 7 eine Draufsicht auf die Abdeckplatte gemäß der 6,
- 8 eine Schrägansicht auf die Abdeckplatte gemäß den 6 und 7,
- 9 eine Draufsicht auf ein Zahnprofil, gebildet aus zwei Abdeckplatten gemäß den 6 bis 8,
- 10 eine Schnittdarstellung durch das Zahnprofil,
- 11 eine Ansicht auf das Zahnprofil,
- 12 eine Ansicht auf eine Abdeckplatte, bei der die ersten Zähne als geprägte Vertiefungen ausgebildet sind,
- 13 ein Zahnprofil zwischen zwei Abdeckplatten mit einer Abdeckplatte gemäß der 12,
- 14 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Abdeckplatte mit Zähnen,
- 15 ein Zahnprofil, gebildet mit einer Abdeckplatte aus 14.
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Entsprechend den 2 bis 15, weist eine erfindungsgemäße Kühlstruktur 1 zur Kühlung eines nicht näher beschriebenen elektrischen Energiespeichers, eine Grundplatte 2 sowie eine fluiddicht mit dieser Grundplatte 2 verbundene erste Abdeckplatte 3 auf. Des Weiteren vorgesehen ist erfindungsgemäß zumindest eine zweite, ebenfalls fluiddicht mit der Grundplatte 2 verbundene Abdeckplatte 4, wobei in der Grundplatte 2 und/oder in einer der Abdeckplatten 3, 4 zumindest ein vertiefter Kanal 5 (vgl. insbesondere die 6, 8, 10 sowie 12 und 14) für Kühlfluid angeordnet ist. Üblicherweise ist dabei die Grundplatte 2 als Ebene, durchgehende Platte ausgebildet, während der Kanal 5 ausschließlich in den fluiddicht darauf angeordneten Abdeckplatten 3, 4 vorgesehen ist. Selbstverständlich können auch noch weitere, nicht gezeigte Abdeckplatten vorgesehen werden. Erfindungsgemäß sind nun zumindest die erste und zweite Abdeckplatte 3, 4 über ein Zahnprofil 6 miteinander oder mit der Grundplatte 2 verzahnt bzw. verbunden.
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Betrachtet man die 1, welche eine Kühlstruktur 1 gemäß dem Stand der Technik darstellt, so ist dort erkennbar, dass zwischen den beiden Abdeckplatten 3, 4 kein erfindungsgemäßes Zahnprofil 6 vorgesehen ist, sodass in diesem Bereich 7 die Biegesteifigkeit der Kühlstruktur 1 ausschließlich durch die Biegesteifigkeit der Grundplatte 2 bedingt ist und deshalb die Biegesteifigkeit in diesem Bereich bei der aus dem Stand der Technik bekannten Kühlkanalstruktur 1 reduziert ist. Bei der erfindungsgemäßen Kühlstruktur 1, wie sie gemäß den 2 bis 15 gezeigt ist, ist jedoch in dem Bereich 7 das erfindungsgemäße Zahnprofil 6 vorgesehen, wodurch auch in diesem Bereich 7 die Biegesteifigkeit zumindest durch die Grundplatte 2 und zumindest einer der beiden Abdeckplatten 3, 4 bzw. der Sicken 14 gegeben ist.
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Betrachtet man die 2 bis 15 weiter, so kann man erkennen, dass die erste Abdeckplatte 3 erste Zähne 8 und die zweite Abdeckplatte 4 zweite Zähne 9 besitzt. In montiertem Zustand greifen die beiden Zähne 8, 9 ineinander ein, wie dies bspw. gemäß den 2, 3, sowie 9 bis 13 und 15 gezeigt ist. Es erfolgt somit eine direkte Verzahnung der beiden Abdeckplatten 3, 4 miteinander. Betrachtet man die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnprofils 6 gemäß den 2 bis 5, so kann man erkennen, dass die ersten Zähne 8 und die zweiten Zähne 9 in einer Ebene liegen, wodurch eine vergleichsweise geringe Bauhöhe erzielt werden kann.
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Demgegenüber liegen die beiden Zähne 8, 9 bei den Ausführungsformen gemäß den 6 bis 15 in montiertem Zustand in zwei übereinander liegenden Ebenen, wodurch im Bereich 7, der als Schnittdarstellung bspw. in 10 gezeigt ist, insgesamt drei Ebenen 10, 11, 12 erreicht werden können, wobei die erste Ebene 10 durch die Grundplatte 2, die zweite Ebene 11 durch die ersten oder zweiten Zähne 8, 9 und die dritte Ebene 12 durch die zweiten oder ersten Zähne 9, 8 gebildet ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Zahnprofils 6 mit übereinanderliegenden ersten und zweiten Zähnen 8, 9 können somit insgesamt drei Ebenen 10, 11, 12 im Stoßbereich 7 geschaffen werden, wodurch hier eine besonders hohe Biegesteifigkeit erreicht werden kann.
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Gesteigert werden kann die Biegesteifigkeit im Stoßbereich 7 zusätzlich dadurch, dass bspw. ein Versteifungselement 13 (vgl. 4) vorgesehen ist, welches in montiertem Zustand das Zahnprofil 6 überdeckt.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnprofils 6 kann bspw. dadurch gebildet werden, dass die Grundplatte 2 Sicken 14 aufweist, die in montiertem Zustand in Zahnzwischenräume 15 der ersten und zweiten Zähne 8, 9 eingreifen, sodass hier das Zahnprofil 6 durch die ersten und zweiten Zähne 8, 9 und zusätzlich die Sicken 14 gebildet ist. Hierdurch ist es bspw. auch möglich, Fertigungsabweichungen und Maßtoleranzen einfach auszugleichen.
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Betrachtet man die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zahnprofils 6 gemäß den 12 und 13, so kann man erkennen, dass dort die ersten Zähne 8 als geprägte Vertiefungen 16 ausgebildet sind, in welchen die zweiten Zähne 9 zumindest teilweise eingreifen. Auch in diesem Fall wird im Stoßbereich 7 eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit erreicht, da dort die ersten und zweiten Zähne 8, 9 in Ebenen übereinander angeordnet sind.
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Generell können die zumindest zwei Abdeckelemente 3, 4 und/oder die Grundplatte 2 aus Metall, bspw. aus Blech, ausgebildet und eine Verbindung der einzelnen Komponenten 2, 3, 4 mittels Verlötung oder Verklebung erfolgen. Die zumindest zwei Abdeckplatten 3, 4 können dabei bspw. als Gleichteile ausgebildet sein, wie dies gemäß der 2 dargestellt ist, oder eine unterschiedliche Größe besitzen.
Es kann mit der erfindungsgemäßen Kühlstruktur 1 eine hohe Flexibilität erreicht werden, sowie eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Fertigung, da durch eine Segmentierung der Abdeckplatten 3, 4 diese nicht mehr als einstückige Abdeckplatten ausgebildet werden müssen. Hierdurch können kostengünstigere und kleinere Pressen mit geringerer Tonnage verwendet werden. Durch die Segmentierung der Abdeckplatten 3, 4 erleichtert sich auch deren Handling. Durch das Vorsehen des Zahnprofils 6 kann die bislang auftretende reduzierte Biegesteifigkeit im Bereich 7 bzw. Stoßbereich 7 ebenfalls vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0312614 A1 [0004]
