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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Gehäuse, in welchem ein Wärmeübertragermedium strömt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batteriekühleinrichtung, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem solchen Wärmeübertrager.
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In Kraftfahrzeugen, zunehmend auch Elektro- oder Hybridfahrzeugen, besteht die Notwendigkeit, eine Wärmequelle beziehungsweise -senke mittels eines Wärmeübertragermediums über einen Wärmeübertrager zu temperieren, das heißt gegebenenfalls zu beheizen oder zu kühlen. Hierzu ist neben einer guten thermischen Anbindung sowie einer optimalen Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragermedium und dem zu kühlenden Bauteil eine Minimierung des Druckverlusts innerhalb der Fluidführung wünschenswert. Zudem muss ein Wärmeübertrager nicht nur fluiddicht gestaltet sein, sondern auch hohen mechanischen Belastungen, insbesondere temperaturbedingten Belastungen, standhalten. Die mechanischen Belastungen liegen zum einen im durch das Wärmeübertragermedium hervorgehobenen Innendruck begründet, wobei auch äußere mechanische Belastungen, wie beispielsweise der Verbau des Wärmeübertragers im Kraftfahrzeug (Verschraubung, Verspannung, etc.) beziehungsweise Belastungen im Betrieb durch Vibrationen und Beschleunigungen eine wesentliche Rolle spielen. Von besonderer Bedeutung sind zudem Kosten, Bauraum und Gewicht verbunden mit der Leistungsfähigkeit, weshalb bereits zum jetzigen Zeitpunkt versucht wird, möglichst viele unterschiedliche Funktionen in wenige Einzelbestandteile zu integrieren und dadurch eine Vereinfachung und Kostenreduzierung beim Herstellprozess zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mittels welcher ein kostengünstiger und belastungsresistenter Wärmeübertrager geschaffen werden kann.
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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, einen Wärmeübertrager aus möglichst wenigen Bauteilen zusammen zu setzen und zudem eine örtliche Trennung von mechanische Belastungen übernehmenden Bauteilen und Wärmeübertragerstrukturen zu schaffen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besitzt dabei ein Gehäuse, in welchem ein Wärmeübertragermedium, beispielsweise ein Kühlfluid, strömt. Das Gehäuse selbst weist eine Wanne mit einem Wannenboden und einem umlaufend aufgestellten Rand sowie mit nach innen vom Wannenboden abstehenden Wärmeübertragerelementen auf, ebenso wie einen Deckel, der in montiertem Zustand fluiddicht mit dem Rand der Wanne verbunden ist. Die Wanne, der Rand und die Wärmeübertragerelemente sind als einstückiges Zinkdruckgussteil ausgebildet und dadurch sowohl nachbearbeitungsfrei, als auch kostengünstig herstellbar. Zudem weist eine solche als Zinkdruckgussteil ausgebildete Wanne eine hohe Steifigkeit auf und ist daher in der Lage, Belastungen zu übernehmen. Die Wärmeübertragerelemente sind beabstandet zum Deckel ausgebildet, so dass diese ausschließlich dem Wärmeübertrag dienen und keinerlei Belastungen übernehmen müssen. Am Rand der Wanne sind zudem ein Einlass und ein Auslass für das Wärmeübertragermedium vorgesehen, welche vorzugsweise einstückig mit dem Rand ausgebildet sind und dadurch weiter dazu beitragen, die Teilevielfalt zu reduzieren. Darüber hinaus vorgesehen sind den Deckel mit dem Wannenboden verbindende Aussteifungselemente, die eine Aussteifung des Gehäuses bewirken. Außen am Wannenboden ist zudem noch zumindest eine Wärmesenke und/oder Wärmequelle angeordnet. Durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager ist es möglich, die Funktionen der Festigkeit und der Wärmeübertragung örtlich zu trennen, wobei die Festigkeitsfunktion vom Deckel, von der Wanne, dem Rand der Wanne und den Deckel mit dem Wannenboden verbindenden Aussteifungselementen übernommen wird, während die Wärmeübertragerfunktion hauptsächlich von den Wärmeübertragerelementen übernommen wird. Durch eine derartige Bauweise kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager auch langfristig hohen Belastungen und zwar sowohl mechanischen als auch temperaturbedingten Belastungen widerstehen, so dass er eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Deckel mit dem Rand der Wanne dicht, insbesondere stoffschlüssig, verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt. Eine Verklebung zwischen dem Deckel und dem Rand der Wanne stellt dabei eine einerseits stoffschlüssige Dichte und andererseits zugleich feste Verbindung dar. Zudem kann eine derartige Verklebung automatisiert und damit qualitativ hochwertig und kostengünstig hergestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Deckel als Zinkdruckgussteil ausgebildet. Selbstverständlich ist alternativ auch vorstellbar, dass der Deckel aus einem anderen Material, insbesondere aus einem Metall oder einem Kunststoff, ausgebildet ist, da durch die Verklebung mit der Wanne kein direkter Kontakt besteht, der eine Kontaktkorrosion auslösen könnte. Bei einer Herstellung des Deckels als Zinkdruckgussteil kann dieser sowohl Festigkeitsfunktionen als auch Wärmeübertragerfunktionen übernehmen.
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Zweckmäßig ist die zumindest eine Wärmesenke beziehungsweise zumindest eine Wärmequelle als Peltierelement oder als PTC-Element ausgebildet. Über derartige Wärmesenken beziehungsweise Wärmequellen wird der Wärmeübertrager an ein zu temperierendes Bauteil, beispielsweise eine Batterie, angebunden. Peltierelemente sind dabei im Bereich der Temperierung bereits langjährig bekannt und erprobt und stellen elektrothermische Wandler dar, die basierend auf dem sogenannten Peltiereffekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei einer Temperaturdifferenz einen Stromfluss (Seebeck-Effekt) erzeugen. Derartige Peltierelemente können dabei kostengünstig eingesetzt und sowohl zur Kühlung als auch zum Heizen verwendet werden. PTC-Elemente sind sogenannte Kaltleiter, deren großer Vorteil insbesondere darin liegt, dass sie in einem Temperaturbereich von - 40 Grad bis 120 Grad Celsius prozesssicher eingesetzt werden können und besonders widerstandsfähig sind. PTC-Elemente sind kostengünstig und regeln ihre Temperatur selbst ein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist der Einlass und/oder der Auslass einstückig mit der Wanne beziehungsweise einem Rand der Wanne ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass neben dem Rand, dem Wannenboden und den Wärmeübertragerelementen zusätzlich auch der Einlass und/oder der Auslass zusammen mit der Wanne hergestellt werden können, wodurch insbesondere ein separater Herstellungsaufwand und ein anschließender Montageaufwand entfallen und die Wanne insgesamt kostengünstiger ausgebildet werden kann. Somit zeichnet sich eine solche Wanne durch eine Funktionsintegration mehrerer, unter Umständen bislang separater, Bauteile aus.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem Deckel und dem Wannenboden zumindest ein Strömungsleitelement, insbesondere eine Trennwand, angeordnet. Über ein derartiges Strömungsleitelement beziehungsweise über eine derartige Trennwand ist eine Strömungsführung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass nahezu beliebig gestaltbar, wodurch insbesondere Einfluss auf einen zu erwartenden Druckverlust sowie eine gleichmäßige Wärmeübertragung genommen werden kann. Mittels derartiger Strömungsleitelemente beziehungsweise Trennwände ist auch die Vermeidung von sogenannten kritischen Hotspots vermeidbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind am Wannenboden Positionierelemente vorgesehen, insbesondere als einstückig mit dem Wannenboden ausgebildete Stifte, die eine eindeutige Montagelage eines die zumindest eine Wärmesenke und/oder Wärmequelle umgebenden Rahmens und/oder der Wärmesenke beziehungsweise Wärmequelle am Wannenboden erzwingen. Derartige Positionierelemente können - wie beschrieben - beispielsweise als Stifte ausgebildet sein, welche beispielsweise Anschlagpunkte für den Rahmen bilden. Zugleich können derartige Positionierelemente auch als Vertiefungen ausgebildet sein, in welche die Wärmesenke beziehungsweise Wärmequelle vorzugsweise formschlüssig einsetzbar ist und dadurch ebenfalls eine eindeutige Einbaulage erzwungen werden kann. Zusätzlich oder alternativ können auch am Rand der Wanne Positionierelemente, insbesondere einstückig damit ausgebildete Stifte vorgesehen sein, die eine eindeutige Montagelage des Deckels am Rand und damit an der Wanne, erzwingen. Die Positionierelemente stellen ein weiteres Funktionselement dar, welches bei einer einstückigen Ausbildung mit der Wanne beziehungsweise dem Wannenboden eine Funktionsintegration darstellt und sowohl die Herstellungskosten als auch die Montagekosten reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Batteriekühleinrichtung, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Wärmeübertrager auszustatten und eine Batterie direkt oder indirekt über eine Zwischenschicht mit zumindest einer Wärmesenke und/oder einer Wärmequelle des Wärmeübertragers zu verbinden. Hierdurch kann eine effektive Temperierung, insbesondere Kühlung, der Batterie erreicht werden, wodurch diese in einem für die Leistung optimalen Temperaturfenster gehalten werden kann.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A,
- 2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene B-B durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrag,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einem Wärmeübertrager mit anders ausgeführter Wanne,
- 4 eine erfindungsgemäße Batteriekühleinrichtung mit einem Wärmeübertrag,
- 5 eine transparente Draufsicht auf die Batteriekühleinrichtung gemäß der 4.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 ein Gehäuse 2 auf, in welchem ein Wärmeübertragermedium 3 strömt. Das Gehäuse 2 besitzt eine Wanne 4 mit einem Wannenboden 5 mit einem umlaufend aufgestellten Rand 6 und mit nach innen vom Wannenboden 5 abstehenden Wärmeübertragerelementen 7 sowie einen Deckel 8. Die Wanne 4 mit dem Wannenboden 5, dem Rand 6 und den Wärmeübertragerelementen 7 sind dabei als einstückiges Zinkdruckgussteil ausgebildet und dadurch sowohl zur Übernahme von Belastungen ausgebildet, als auch zum Wärmeübertrag aufgrund des günstigen Wärmeleitkoeffizienten. Wie insbesondere den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind die Wärmeübertragerelemente 7, welche beispielsweise als im Querschnitt runde Säulen ausgebildet sind, beabstandet zum Deckel 8 angeordnet, so dass die Wärmeübertragerelemente 7 ausschließlich dem Wärmeübertrag dienen und keine Festigkeitsfunktionen übernehmen.
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Am Rand 6 der Wanne 4 sind darüber hinaus ein Einlass 9 sowie ein Auslass 10 für das Wärmeübertragermedium 3 vorgesehen. Sowohl der Einlass 9 als auch der Auslass 10 können dabei vorzugsweise einstückig mit dem Rand 6 beziehungsweise der Wanne 4 ausgebildet sein, wodurch eine Funktionsintegration möglich ist, die zu einer Reduzierung der Teilevielfalt und verbunden damit zu einer Reduzierung der Lager- und Logistikkosten sowie der Herstellungs- und Montagekosten beitragen.
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Darüber hinaus vorgesehen sind den Deckel 8 mit dem Wannenboden 5 verbindende Aussteifungselemente 11, die zur Aussteifung des Gehäuses 2 dienen und den Deckel 8 gegenüber dem Wannenboden 5 abstützen. Die Aussteifungselemente 11 können dabei ebenfalls einstückig mit dem Wannenboden 5 und dadurch einstückig mit der Wanne 4 hergestellt werden, wodurch sich die zuvor genannten Kosten- und Montagevorteile sowie die Reduzierung der Teilevielfalt und damit die Reduzierung der Lager- und Logistikkosten weiter steigern lassen. Die Aussteifungselemente 11 können alternativ selbstverständlich auch einstückig mit dem Deckel 8 ausgebildet sein und dazu beitragen, beispielsweise von einer weiteren Wärmesenke 12' beziehungsweise Wärmequelle 13' stammende thermische Energie an das Wärmeübertragermedium 3 abzugeben. Außen am Wannenboden 5 ist zumindest eine Wärmesenke 12 und/oder Wärmequelle 13 angeordnet.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ist somit eine Trennung von einerseits Festigkeitsfunktionen übernehmenden Bauteilen und andererseits wärmeübertragenden Bauteilen möglich, wodurch ein Wärmeübertrager 1 geschaffen werden kann, der nicht nur hohen mechanischen Belastungen standhält, sondern auch eine hohe Leistung aufweist. Die Wärmeübertragerstrukturen sind dabei örtlich von den Festigkeitsstrukturen getrennt, wobei unter den Wärmeübertragerstrukturen beispielsweise die Aussteifungselemente 11 sowie die Wärmeübertragerelemente 7 verstanden werden können, während unter den Festigkeitsstrukturen beispielsweise ein Strömungsleitelement 15, insbesondere eine Trennwand 16, beziehungsweise die Ränder 6 und die Aussteifungselemente 11 subsumiert werden können. Über die Strömungsleitelemente 15 beziehungsweise die Trennwand 16 kann eine Strömung des Wärmeübertragermediums 3 im Gehäuse 2 des Wärmeübertragers 1 beeinflusst werden, wodurch insbesondere auf eine gleichmäßige Durchströmung und die Vermeidung von sogenannten Hotspots, das heißt Totwassergebieten, zu achten ist.
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Der Deckel 8 kann ebenso wie die Wanne 4 als Zinkdruckgussteil ausgebildet sein, oder aber aus einem anderen Metall beziehungsweise aus Kunststoff. Der Deckel 8 ist darüber hinaus mit dem Rand 6 der Wanne 4 stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verklebt, unter Umständen bei Vorhandensein eines Strömungsleitelements 15 beziehungsweise einer Trennwand 16 auch mit dieser.
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Die zumindest eine Wärmesenke 12, 12' beziehungsweise Wärmequelle 13, 13' kann dabei beispielsweise als Peltierelement oder als PTC-Element ausgebildet sein und zur Stromerzeugung beziehungsweise zur aktiven Temperierung einer direkt oder indirekt über eine Zwischenschicht 17 (vgl. 4) mit dem Wärmeübertrager 1 wärmeübertragend verbundenen Batterie 18 genutzt werden. Derartige Peltierelemente sind dabei kostengünstig und in nahezu beliebiger Form herstellbar, wodurch eine hohe Flexibilität besteht.
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Betrachtet man den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß der 3, so kann man an diesem erkennen, dass der Wannenboden 5 vergrößert ist und beispielsweise zumindest eine Durchgangsöffnung 19 aufweist beziehungsweise Aufnahmen für Verbindungsmittel 20, beispielsweise Schrauben. Das zumindest eine Strömungsleitelement 15 beziehungsweise die zumindest eine Trennwand 16 kann dabei ebenfalls einstückig mit dem Wannenboden 5 und damit mit der Wanne 4 ausgebildet sein, wodurch eine weitere Funktionsintegration und damit eine Reduzierung der Herstellungs- und Montagekosten erreicht werden kann, da das Strömungsleitelement 15 beziehungsweise die Trennwand 16 nicht mehr separat hergestellt, gelagert und anschließend montiert werden müssen.
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Betrachtet man die 3 weiter, so kann man erkennen, dass an dem Wannenboden 5 der Wanne 4 neben den Verbindungsmitteln 20 auch eine Steckeraufnahme 14 vorgesehen sein kann, ebenso wie beispielsweise Kabel, Abdichtungselemente und weitere Bauteile, wodurch eine zusätzliche Kosteneinsparung erreicht werden kann.
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Betrachtet man die 4 und 5 weiter, so kann man erkennen, dass einen die zumindest eine Wärmesenke 12 beziehungsweise Wärmequelle 13 umgebender Rahmen 21 vorgesehen ist, der mit dem Wannenboden 5 verbunden ist. Der Rahmen 21 umgibt dabei die Wärmesenken 12 beziehungsweise Wärmequellen 13, so dass diese geschützt angeordnet sind. Am Wannenboden 5 der Wanne 4 können darüber hinaus Positionierelemente 22 vorgesehen sein, die insbesondere als einstückig mit dem Wannenboden 5 ausgebildete Stifte ausgebildet sind und die eine eindeutige Montagelage des Rahmens 21 und/oder der zumindest einen Wärmesenke 12 beziehungsweise Wärmequelle 13 am Wannenboden erzwingen. Selbstverständlich können die Positionierelemente 22 auch als Vertiefungen ausgebildet sein, in welche die Wärmesenken 12 bzw. Wärmequellen 13 formschlüssig eingreifen, wie dies beispielsweise gemäß den 2 und 3 dargestellt ist. Darüber hinaus können zusätzlich und/oder alternativ am Rand 6 der Wanne 4 Positionierelemente 22' insbesondere einstückig mit dem Rand 6 ausgebildete Stifte, vorgesehen sein, die eine eindeutige Montagelage des Deckels 8 am Rand 6 und damit an der Wanne 4 erzwingen. Durch die Funktionsintegration der Positionierelemente 22 zusätzlich in den Rand 6 der Wanne 4 kann eine weitere Reduzierung der Herstellungs- und Montagekosten erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 kann dabei Bestandteil einer Batteriekühleinrichtung 23, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug 24 sein, wobei die Batterie 18 direkt oder wie in 4 gezeigt indirekt über eine Zwischenschicht 17 mit der zumindest einen Wärmesenke 12 beziehungsweise Wärmequelle 13 des Wärmeübertragers 1 verbunden ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 kann nicht nur eine Funktionstrennung zwischen eine die Wärmeübertragung übernehmenden Bauteilen und eine die Festigkeit übernehmenden Bauteilen erreicht werden, sondern durch die Ausbildung der Wanne 4 mit all ihren Komponenten 5, 6, 7, 22, 22', 9, 10 als einstückiges Zinkdruckgussteil kann diese kostengünstig und ohne weiteren Nachbearbeitungsaufwand hergestellt werden. Dies ist insbesondere im Bereich von Dichtflächen an einem Rand 6 besonders vorteilhaft. Durch die integrierten Positionierelemente 22 können darüber hinaus enge Lagertoleranzen ohne Nachbearbeitung erzielt werden. Bezüglich der Verbindung zwischen Deckel 8 und Wanne 4 können neben einer Verklebung selbstverständlich auch andere Fügeverfahren wie beispielsweise ein Verlöten, eingesetzt werden.
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Mit der örtlichen Trennung der die Festigkeitsfunktionen übernehmenden Bauteile und der die Wärmeübertragung übernehmenden Bauteile kann nicht nur eine optimierte Bauweise hinsichtlich mechanischer Festigkeit sowie eine gute Wärmeübertragung erreicht werden, sondern auch ein geringer Druckverlust im Wärmeübertragermedium 3, da nur an den jeweils erforderlichen Stellen Wärmeübertragerelemente 7 bzw. Festigkeitselemente, insbesondere Aussteifungselemente 11, eingebracht werden.
