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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke, wobei die Kühlanordnung die Wärmequelle, die Wärmesenke und ein Wärmeleitmedium in einem Zwischenraum zwischen Wärmequelle und Wärmesenke aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterieanordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen der Kühlanordnung.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine zu kühlende Komponente beziehungsweise eine Wärmequelle über Wärmeleitpaste an einen Kühlkörper beziehungsweise eine Wärmesenke anzukoppeln. Bei der zu kühlenden Komponente beziehungsweise der Wärmequelle kann es sich insbesondere um eine Traktionsbatterie eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs beziehungsweise zumindest eine Batteriezelle einer solchen Traktionsbatterie handeln. Nachteilig an einer thermischen Ankopplung über Wärmeleitpaste oder thermisch leitfähiges Füllmaterial ist jedoch, dass Hohlräume, welche zwischen Wärmequelle und Wärmesenke auftreten, zu großen Teilen beziehungsweise vollständig damit aufgefüllt werden müssen. Dies verursacht hohe Kosten und zieht ein hohes Gewicht nach sich. Zudem ist die Wärmeleitfähigkeit von derartigen Füllmaterial oder Wärmeleitpaste nicht optimal.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit bei gleichem Gewicht und/oder ein verringertes Gewicht bei gleicher Wärmeleitfähigkeit bei einem Wärmeleitmedium zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung geht aus von einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke mit der Wärmequelle, der Wärmesenke und einem Wärmeleitmedium. Das Wärmeleitmedium ist in einem Zwischenraum zwischen Wärmequelle und Wärmesenke angeordnet. Zudem ist das Wärmeleitmedium dazu ausgebildet, die Wärmequelle mit der Wärmesenke thermisch zu koppeln. Erfindungsgemäß kennzeichnet sich die Kühlanordnung dadurch, dass das Wärmeleitmedium aus einer Vielzahl an Fasern gebildet ist.
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Bei der Wärmequelle kann es sich um eine beliebige zu kühlende Komponente handeln. Dabei kommen alle Komponenten aus Maschinenbau und Elektronik in Frage, von denen Wärme abgeführt werden soll. Im Rahmen dieser Anmeldung ist ein konkretes Beispiel beschrieben, in welchem sich bei der Wärmequelle um zumindest eine Batteriezelle einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs handelt. Allgemein ist es Zweck der Kühlanordnung, Wärme von der Wärmequelle auf die Wärmesenke zu übertragen, um die Wärmequelle zu kühlen. Über das Wärmeleitmedium sind die Wärmequelle und die Wärmesenke miteinander thermisch gekoppelt bzw. thermisch leitend verbunden. Mit anderen Worten ist das Wärmeleitmedium dazu ausgebildet, Wärme von der Wärmequelle auf die Wärmesenke zu übertragen.
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Bei der Wärmesenke kann es sich insbesondere um einen Wärmetauscher beziehungsweise einen Wärmeüberträger eines Kühlsystems handeln. Beispielsweise kann die Wärmesenke hierzu luftgekühlt oder wassergekühlt sein. Beispielsweise kann die Wärmesenke als Kühlblock mit Kühlrippen ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmesenke eine oder mehrere Fluidkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlfluid aufweisen.
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Der Zwischenraum befindet sich zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke. Der Zwischenraum kann durch jeweilige Wandungen der Wärmequelle und der Wärmesenke gebildet sein. Insbesondere handelt es sich bei den jeweiligen Wandungen der Wärmequelle und der Wärmesenke um eine erste Wandung der Wärmequelle und eine zweite Wandung der Wärmesenke. Somit ist der Zwischenraum insbesondere durch die erste und die zweite Wandung gebildet. Das Wärmeleitmedium ist vorzugsweise zwischen jeweiligen Wandungen Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet.
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Das Wärmeleitmedium ist aus der Vielzahl an Fasern gebildet, wobei insbesondere die Fasern der Vielzahl jeweils thermisch leitfähig sind. Die thermische Kopplung zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke erfolgt insbesondere durch die Fasern. Mit anderen Worten ist in dem Zwischenraum die Vielzahl an Fasern angeordnet, wobei die Fasern gemeinsam das Wärmeleitmedium ausbilden. Selbstverständlich kann das Wärmeleitmedium optional zusätzlich noch weitere Komponenten neben den Fasern beinhalten. Die Fasern können dabei insbesondere jeweils längenbegrenzt sein. Die Fasern sind jeweils ein im Verhältnis zu ihrer Länge dünnes und/oder flexibles Gebilde. Insbesondere weisen die Fasern ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zumindest 3:1 oder zumindest 10:1 auf. Vorzugsweise sind die Fasern jeweils flexibel bzw. biegsam. Die Biegsamkeit kann sich dabei insbesondere aus dem geringen Durchmesser der Fasern ergeben. Durch die Vielzahl an Fasern ergibt sich eine Vielzahl an Verbindungen zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, wobei die Verbindungen die thermische Kopplung bereitstellen bzw. ermöglichen.
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Durch die Vielzahl an Fasern bzw. die entsprechende Ausführung des Wärmeleitmediums wird ein großer Teil des Zwischenraums zwischen Wärmequelle und Wärmesenke nicht durch das Wärmeleitmedium ausgefüllt. Insbesondere kann der Zwischenraum somit teilweise luft- oder gasgefüllt sein. Zwischen den Fasern kann sich ein Luft- bzw. Gaspolster bilden. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders geringes Gewicht der Kühlanordnung. Durch eine entsprechend hohe Leitfähigkeit der einzelnen Fasern kann jedoch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit erzielt werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium eine Filzstruktur aufweist. Mit anderen Worten können die Fasern der Vielzahl in der Filzstruktur vorliegen. Die Fasern können insbesondere ungeordnet vorliegen. Ein Filz bzw. eine Filzstruktur zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die einzelnen Fasern nur schwer voneinander zu trennen sind. Die einzelnen Fasern können innerhalb des Filzes bzw. innerhalb der Filzstruktur ungeordnet miteinander verschlungen sein. Eine Verfestigung der Fasern bzw. des Wärmeleitmediums kann durch eine Druckbeaufschlagung mit hohem Druck, beispielsweise resultierend aus der oben beschriebenen Vorspannung, hergestellt sein. Eine Filzstruktur hat sich besonders vorteilhaft zum thermischen Koppeln von Wärmesenke und Wärmequelle erwiesen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium zumindest aus Metallfasern und/oder aus graphithaltigen Fasern gebildet ist. Mit anderen Worten können die Fasern der Vielzahl zumindest aus metallischen Werkstoffen und/oder aus Graphit gebildet sein. Auch eine Kombination unterschiedlicher Fasern ist möglich. Im Falle von Metallfasern bzw. metallischen Fasern können diese auch als Späne bezeichnet werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Fasern ausschließlich aus Metall bzw. dem metallischen Werkstoff oder mit zumindest einem weiteren Werkstoff gebildet sind. Analog kann vorgesehen sein, dass die Fasern ausschließlich aus Graphit bzw. Kohlenstoff oder aus Graphit bzw. Kohlenstoff kombiniert mit zumindest einem weiteren Werkstoff gebildet sind. Bei dem metallischen Werkstoff handelt es sich insbesondere um Kupfer oder Aluminium. Durch die beschriebenen Werkstoffe ist hier das Erreichen bezogen auf das Gewicht besonders hohen spezifischen Wärmeleitfähigkeit möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass höchstens 70% oder höchstens 50% oder höchstens 30% des Zwischenraums durch die Fasern ausgefüllt ist. Mit anderen Worten nehmen die Fasern höchstens 70% oder höchstens 50% oder höchstens 30% des Zwischenraumes zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ein. Durch eine derartige Beschränkung kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei reduziertem Gewicht ermöglicht werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass mindestens 30% oder mindestens 50% oder mindestens 70% des Zwischenraums mit einem Gas, vorzugsweise Luft, ausgefüllt ist. Mit anderen Worten nimmt das Gas, vorzugsweise Luft, mindestens 30% oder mindestens 50% oder mindestens 70% des Zwischenraums zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass zusätzlich zum Wärmeleitmedium bzw. zusätzlich zur Vielzahl an Fasern eine ausreichende Menge an Gas bzw. Luft zur Reduzierung des Gewichts zwischen Wärmequelle und Wärmesenke angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium in dem Zwischenraum mit einem Druck beaufschlagt und/oder in dem Zwischenraum komprimiert ist. Insbesondere ist das Wärmeleitmedium in dem Zwischenraum durch die Wärmequelle und die Wärmesenke mit dem Druck beaufschlagt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmedium bzw. die Vielzahl an Fasern zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke gegenüber einem Ursprungszustand komprimiert sind. Mit anderen Worten kann eine Dicke des Wärmeleitmediums, insbesondere des Wärmeleitmediums mit der Filzstruktur, durch die Maße des Zwischenraums gegenüber einem Grundzustand komprimiert sein. Durch diesen Druck bzw. diese Kompression kann die Kraft der Aufschlagung bzw. die Vorspannung bereitgestellt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmequelle und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmesenke eine jeweilige Kontaktierungsschicht, welche insbesondere aus Wärmeleitpaste gebildet ist, angeordnet ist. Mit anderen Worten ist zusätzlich zu dem Wärmeleitmedium bzw. zusätzlich zu der Vielzahl an Fasern der Zwischenraum zumindest bereichsweise durch die Kontaktierungsschicht, insbesondere die Wärmeleitpaste, ausgefüllt. Dabei ist es aus Gewichtsgründen jedoch vorteilhaft, wenn die Kontaktierungsschicht bzw. die Wärmeleitpaste nur einen geringen Anteil, beispielsweise maximal 5% oder maximal 10% oder maximal 20%, einer Dicke bzw. Höhe des Zwischenraums zwischen Wärmequelle und Wärmesenke einnimmt. Beispielsweise können die Wärmequelle und/oder die Wärmesenke jeweils mit einer dünnen Schicht der Kontaktierungsschicht bzw. der Wärmeleitpaste beschichtet sein. Auf diese Weise kann die thermische Kopplung zwischen Wärmequelle und Wärmeleitmedium und/oder zwischen Wärmeleitmedium und Wärmesenke weiter verbessert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmequelle und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmesenke eine jeweilige elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann durch eine Folie oder eine Beschichtung oder dergleichen bereitgestellt sein. Beispielsweise ist die Wärmequelle bzw. deren Wandung und/oder die Wärmesenke bzw. deren Wandung mit der isolierenden Schicht beschichtet. Dabei ist eine Schichtdicke der isolierenden Schicht insbesondere so dünn, dass diese die Wärmeleitfähigkeit bzw. thermische Kopplung zwischen Wärmequelle, Wärmeleitmedium und Wärmesenke möglichst wenig beeinflusst. Auf diese Weise können Kurzschlüsse und/oder unerwünschte Stromflüsse vermieden werden, insbesondere wenn das Wärmeleitmedium aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet ist.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Batterieanordnung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug. Die erfindungsgemäße Batterieanordnung weist dabei die erfindungsgemäße Kühlanordnung auf. Zusätzlich weist die Batterieanordnung zumindest eine Batteriezelle als die Wärmequelle auf. Das Wärmeleitmedium ist mit der zumindest einen Batteriezelle und mit der Wärmesenke thermisch gekoppelt. Mit anderen Worten weist die Batterieanordnung die zumindest eine Batteriezelle als die Wärmequelle auf. Somit ist die Batterieanordnung dazu ausgebildet, Wärme von der zumindest einen Batteriezelle über das Wärmeleitmedium auf die Wärmesenke zu übertragen. Die Merkmale und Weiterbildungen, welche in Bezug auf die Kühlanordnung offenbart sind, gelten analog auch für die Batterieanordnung, auch wenn diese aus Gründen der Knappheit hier nicht erneut genannt sind. Analog gelten Merkmale und Weiterbildungen der Batterieanordnung auch für die erfindungsgemäße Kühlanordnung.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, welches die erfindungsgemäße Batterieanordnung aufweist. Insbesondere ist die zumindest eine Batteriezelle der Batterieanordnung Teil einer Traktionsbatterie. Die zumindest eine Batteriezelle beziehungsweise die Traktionsbatterie ist dazu ausgebildet, elektrische Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einen Elektromotor, bereitzustellen. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Hybrid-Fahrzeug, als batterieelektrisches Fahrzeug oder als Wasserstoff-Fahrzeug beziehungsweise Brennstoffzellen-Fahrzeug ausgeführt sein. Im Falle eines Wasserstoff- beziehungsweise Brennstoffzellen-Fahrzeugs kann die zumindest eine Batteriezelle beziehungsweise die Traktionsbatterie als Pufferspeicher zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie, welche durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird, ausgebildet sein.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung in der erfindungsgemäßen Batterieanordnung beziehungsweise im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist rein beispielhaft zu verstehen. Eine Anwendung der Kühlanordnung zur Kühlung anderer Komponenten im gesamten Bereich der Elektrik und des Maschinenbaus ist ebenso möglich und durch die vorliegende Anmeldung offenbart. Beispielsweise kann jede beliebige zu kühlende Komponente im Bereich von Elektrik oder Maschinenbau als Wärmequelle in der Kühlanordnung fungieren. Die Kühlanordnung kann somit dazu ausgebildet sein, jede beliebige zu kühlende Komponente zu kühlen beziehungsweise Wärme von dieser abzuführen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke Ein Schritt des Verfahren besteht in einem Anordnen eines Wärmeleitmediums, welches dazu ausgebildet ist, die Wärmequelle mit der Wärmesenke thermisch zu koppeln, in einem Zwischenraum zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet wird Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium aus einer Vielzahl an Fasern gebildet wird.
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Insbesondere kann in einem weiteren Schritt das Wärmeleitmedium bzw. die Vielzahl an Fasern in dem Zwischenraum bzw. zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke komprimiert werden. Dies kann nur Verringern eines Abstandes zwischen Wärmequelle und der Wärmesenke erfolgen. Auf diese Weise wird die Höhe bzw. Dicke des Zwischenraums verkleinert und die Fasern näher zueinander gebracht bzw. komprimiert. Dadurch kann die Filzstruktur erzeugt werden. Außerdem kann eine Kraftbeaufschlagung bzw. Vorspannung zur besseren thermischen Kopplung erreicht werden.
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Die Merkmale und Weiterbildungen, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren offenbart sind, gelten analog auch für die Batterieanordnung und die Kühlanordnung, auch wenn diese aus Gründen der Knappheit hier nicht erneut genannt sind. Analog gelten Merkmale und Weiterbildungen der Batterieanordnung und der Kühlanordnung auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle mit einem Wärmeleitmedium und einem Füllmedium;
- 2 in einer schematischen Schnittansicht das Wärmeleitmedium sowie ein Füllmedium gemäß der beispielhaften Ausführungsform von 1;
- 3 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine Kühlanordnung mit einer ersten beispielhaften Ausführung einer Koppelfläche; und
- 4 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine Kühlanordnung mit einer zweiten beispielhaften Ausführung einer Koppelfläche.
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Die 1 zeigt eine Kühlanordnung 1 zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle 4 auf eine Wärmesenke 5. Vorliegend ist die Kühlanordnung 1 Teil einer Batterieanordnung 2 zum Bereitstellen von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug. Bei der Wärmequelle handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen Zellblock, welcher eine oder mehrere Batteriezellen aufweist. Allgemein kann es sich bei der Wärmequelle 4 um eine zu kühlende Komponente, insbesondere eine elektrische oder mechanische Komponente, handeln. Aufgabe der Kühlanordnung 1 ist es, Wärme von der Wärmequelle 4 hin zu der Wärmesenke 5 abzuführen. Auf diese Weise ermöglicht die Kühlanordnung 1 eine Kühlung der Wärmequelle 4. Bei der Wärmesenke 5 kann es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher beziehungsweise einen Wärmeüberträger handeln. Beispielsweise ist die Wärmesenke 5 dazu ausgebildet, die von der Wärmequelle 4 übertragene Wärme an ein Kühlmedium abzugeben beziehungsweise zu übertragen. Bei dem Kühlmedium kann es sich beispielsweise um Umgebungsluft, um einen Luftstrom, um eine Kühlflüssigkeit beziehungsweise ein Kühlmittel oder dergleichen handeln. Die Wärmesenke 5 kann somit beispielsweise als Luft-Wärmetauscher oder als Fluid-Wärmetauscher ausgeführt sein. In den vorliegenden Beispielen weist die Wärmesenke 5 Kühlmittelanschlüsse 9 auf. Die Kühlmittelanschlüsse 9 ermöglichen die Zirkulation eines Kühlmittels in der Wärmesenke 5. Die Wärmesenke ist somit dazu ausgebildet, die von der Wärmequelle 4 übertragene Wärme auf das Kühlmittel zu übertragen beziehungsweise abzugeben.
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Um die Wärme von der Wärmequelle 4 auf die Wärmesenke 5 zu übertragen, weist die Kühlanordnung 1 ein Wärmeleitmedium 3 auf. Das Wärmeleitmedium 3 ist in einem Zwischenraum 6 zwischen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 angeordnet. Das s Wärmeleitmedium 3 ist zur Übertragung von Wärme zwischen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 ausgebildet. Mit anderen Worten koppelt das Wärmeleitmedium 3 die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 5 thermisch miteinander.
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1 zeigt eine optionale elektrisch isolierende Schicht 13. Vorliegend ist zwischen dem Wärmeleitmedium 3 und dem Füllmedium 7 sowie der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 eine jeweilige elektrisch isolierende Schicht 13 angeordnet. Mit anderen Worten sind das verbleibenden 3 und das Füllmedium 7 vorliegend durch zwei elektrisch isolierende Schicht 13 umgeben. Beispielsweise handelt es sich bei der Schicht 13 um eine Beschichtung Wärmequelle 4 und/oder der Wärmesenke 5. Alternativ oder zusätzlich kann die Schicht 13 durch eine jeweilige (zwischengelegte) Folie bereitgestellt sein. Die Schicht 13 ist dabei insbesondere so dünn, dass der Wärmefluss von der Wärmequelle 4 zur Wärmesenke 5 nur minimal beeinflusst wird.
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Die 2 zeigt die Struktur des Wärmeleitmediums 3 genauer. Das Wärmeleitmedium 3 weist eine Vielzahl an Fasern 7 auf. Das Wärmeleitmedium 3 kann zusätzlich weitere Komponenten umfassen. Im vorliegenden Beispiel besteht das Wärmeleitmedium 3 ausschließlich aus der Vielzahl an Fasern 7. Die Fasern 7 sind miteinander zu einer Filzstruktur verwoben beziehungsweise zusammengefasst. Mit anderen Worten liegt das Wärmeleitmedium 3 in einer Filzstruktur vor. Ein Filz bzw. eine Filzstruktur zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die einzelnen Fasern 7 nur schwer voneinander zu trennen sind. Die einzelnen Fasern 7 können innerhalb des Filzes bzw. innerhalb der Filzstruktur ungeordnet miteinander verschlungen sein. Eine Verfestigung der Fasern 7 bzw. des Wärmeleitmediums 3 kann durch eine Druckbeaufschlagung mit hohem Druck hergestellt sein.
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Es ist in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen, dass höchstens 70% oder höchstens 50% oder höchstens 30% des Zwischenraums 6 durch die Fasern 7 ausgefüllt ist. Mit anderen Worten nehmen die Fasern 7 höchstens 70% oder höchstens 50% oder höchstens 30% des Zwischenraumes 6 zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 ein.
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Umgekehrt ist bei der vorliegenden Ausführungsform auch vorgesehen, dass mindestens 30% oder mindestens 50% oder mindestens 70% des Zwischenraums 6 mit einem Gas 10, vorzugsweise Luft, ausgefüllt ist. Mit anderen Worten nimmt das Gas 10, vorzugsweise Luft, mindestens 30% oder mindestens 50% oder mindestens 70% des Zwischenraums 6 zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 ein. Durch einen derartigen Luftanteil ergibt sich ein besonders geringes Gewicht der Kühlanordnung 1.
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Das Wärmeleitmedium 3 kann aus Metallfasern und/oder aus graphithaltigen Fasern gebildet ist. Mit anderen Worten können die Fasern 7 der Vielzahl aus metallischen Werkstoffen und/oder aus Graphit gebildet sein. Auch eine Kombination unterschiedlicher Fasern ist möglich. Im Falle von Metallfasern bzw. metallischen Fasern können diese auch als Späne bezeichnet werden. Bei dem metallischen Werkstoff handelt es sich insbesondere um Kupfer oder Aluminium. Die beschriebenen Werkstoffe zeichnen sich durch eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit aus.
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Insbesondere weist das Wärmeleitmedium 3 eine Vorspannung auf, welche durch die Anordnung des gefalteten Wärmeleitmediums 3 in dem Zwischenraum 6 vorgegeben ist. Mit anderen Worten ist das aus den Fasern 7 bestehende Wärmeleitmedium 3 vorgespannt beziehungsweise weist die Vorspannung auf. Diese Vorspannung kann dadurch erzeugt sein, dass die Fasern 7 in einem Grundzustand größer sind, als der Zwischenraum 6. Beispielsweise sind die Fasern 7 parallel zu einer Hauptausdehnungsrichtung des Zwischenraumes 6 und/oder senkrecht zu der Hauptorientierungsrichtung des Zwischenraumes 6 weiter ausgedehnt als der Zwischenraum 6 in der jeweiligen Richtung. Durch die Anordnung des Wärmeleitmediums 3 mit derartigen Fasern 7 innerhalb des Zwischenraumes 6 ist eine Spannung, nämlich die genannte Vorspannung, auf das Wärmeleitmedium 3 eingebracht. Mit anderen Worten ist durch die Anordnung des derart aus Fasern 7 zusammengesetzten Wärmeleitmediums 3 in dem Zwischenraum 6 das Wärmeleitmedium 3 mit der Vorspannung beaufschlagt. Aus der Vorspannung resultiert eine Kraft des Wärmeleitmediums 3 beziehungsweise der Vielzahl an Fasern 7 auf die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 5 beziehungsweise deren jeweilige Wandungen. Mit anderen Worten ruft die Vorspannung eine Kraft des Wärmeleitmediums 3 senkrecht zu der Hauptorientierungsrichtung des Zwischenraumes 6 hervor. Die Hauptorientierungsrichtung des Zwischenraumes 6 dabei insbesondere eine Ebene, welche senkrecht zu einer Oberfläche der jeweiligen Wandungen von Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 verläuft, welche den Zwischenraum 6 bilden.
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Das Wärmeleitmedium 3 bildet gemäß der 3 und 4 eine erste Koppelfläche 16 zum thermischen Koppeln mit der Wärmequelle 4 sowie eine zweite Koppelfläche 17 zum thermischen Koppeln mit der Wärmesenke 5 auf. In den Ausführungsbeispielen ist das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der ersten Koppelfläche 16 beziehungsweise über die erste Koppelfläche 16 mit der Wärmequelle 4, insbesondere der zumindest einen Batteriezelle, thermisch gekoppelt. In den Ausführungsbeispielen ist das Wärmeleitmedium 3 über die zweite Koppelfläche 17 beziehungsweise im Bereich der zweiten Koppelfläche 17 mit der Wärmesenke 5 thermisch gekoppelt. Somit ist das Wärmeleitmedium 3 dazu ausgebildet, über die erste Koppelfläche 16 Wärme von der Wärmequelle 4 abzuführen beziehungsweise zu empfangen. Das Wärmeleitmedium 3 ist dazu ausgebildet, Wärme über die zweite Koppelfläche 17 an die Wärmesenke 5 zu übertragen beziehungsweise abzugeben. Somit ermöglicht das Wärmeleitmedium 3 den Fluss von Wärme beziehungsweise die Übertragung von Wärme von der Wärmequelle 4 zur Wärmesenke 5. Über das Wärmeleitmedium 3 kann die Wärme der Wärmequelle 4 bestimmungsgemäß durch die Wärmesenke 5 abgeführt werden.
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Aus der Vorspannung beziehungsweise der daraus resultierenden Kraft resultiert insbesondere eine Anpresskraft, mit welcher die ersten und zweiten Koppelflächen 16, 17 gegen die jeweilige Wandungen gedrückt werden. Insbesondere resultiert aus der Vorspannung beziehungsweise der daraus resultierenden Kraft eine Anpresskraft beziehungsweise ein Druck, mit welcher die ersten Koppelflächen 16 beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der ersten Koppelflächen 16 gegen die Wärmequelle 4 beziehungsweise deren jeweilige Wandung gedrückt wird. Insbesondere resultiert aus der Vorspannung beziehungsweise der daraus resultierenden Kraft eine Anpresskraft beziehungsweise ein Druck, mit welcher die zweiten Koppelflächen 17 beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der zweiten Koppelflächen 17 gegen die Wärmesenke 5 beziehungsweise deren jeweilige Wandung gedrückt wird. Die spezielle elastische bzw. federnde Ausführung des Wärmeleitelements 3 kann durch die Anzahl und Form der Fasern 7 ausgeführt werden. Hierbei ist durch die Fasern 7 eine Elastizität gegeben, da sich die Fasern 7 abhängig von der Belastung unterschiedlich verformen.
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Insbesondere ist es möglich, dass Wärmeleitmedium 3 durch Anpassen einer Dichte an Fasern 7 an unterschiedliche Zwischenräume 6 anzupassen. Mit anderen Worten können Ausgleichsverhalten hinsichtlich Unebenheiten, thermische Leitfähigkeit, Gewicht und dergleichen besonders einfach durch Anpassen der Gesamtmasse beziehungsweise Gesamtmenge an Fasern 7 an einen jeweiligen Einzelfall angepasst werden. Aus diesem Grund ist das Wärmeleitmedium 3 besonders flexibel an unterschiedliche Anforderungen anpassbar.
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Die Ausführungsformen von 3 und 4 unterscheiden sich nun darin, dass gemäß 4 eine zusätzliche Kontaktierungsschicht 11 zwischen dem Wärmeleitmedium 3 und der Wärmequelle 4 angeordnet ist. Die Kontaktierungsschicht 11 kann beispielsweise durch Wärmeleitpaste gebildet sein. Eine Kontaktierungsschicht 11 kann alternativ oder zusätzlich zwischen dem Wärmeleitmedium 3 und der Wärmesenke 5 angeordnet sein. Dies ist vorliegend in den Figuren nicht dargestellt. Im Einzelfall kann durch eine solche Kontaktierungsschicht 11 eine noch bessere Anpassung an die Oberfläche beziehungsweise die jeweilige Wandung der Wärmequelle 4 und/oder der Wärmesenke 5 erfolgen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Oberfläche beziehungsweise die jeweilige Wandung besonders uneben ist. Im Einzelfall kann dadurch die Wärmeleitung zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 noch weiter verbessert werden.
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Der Lösungsansatz für eine verbesserte thermische Kopplung eines zu kühlenden Bauteils, nämlich der Wärmequelle 4, wie z. B. Zellblock mit einer Wärmesenke 5 beziehungsweise Temperierplatte ist die Ausnutzung der sehr guten Wärmeleiteigenschaften eines geeigneten Materials wie z. B. Metallen (200... 400 W/mK), die deutlich besser sind als bei Kunststoffen bzw. Silikon mit entsprechender Füllung (< 4 W/mK).
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Um einen geeigneten Toleranzausgleich zu erzielen wird das wärmeleitende Material in ungeordneter Ausrichtung von ineinander verhakten Faser 7 bzw. Fäden ähnlich einem Filzmaterial ausgeführt. Dabei kann durch die Faserdichte die Verformbarkeit der Struktur der Vielzahl an Fasern 7 beziehungsweise des daraus gebildeten Wärmeleitmediums 3 eingestellt werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass eine hohe Dichte zwar eine gute Wärmeleitung, im Gegenzug jedoch eine geringere Deformation ermöglicht. Insofern ist durch Vorbetrachtungen ein Optimum für den Einzelfall zu bestimmen. Grundsätzlich sind derartige „Filze“ beziehen häufig Filzstrukturen jedoch gewichtsmäßig im Vorteil, da die zwischen den Fasern 7 liegende Luft 10 zu einer Gewichtsreduzierung führt. Im Falle von metallischen Fasern 7 beziehungsweise Metallfasern, beispielsweise Aluminium, ist bei ähnlicher Wärmeleitfähigkeit verglichen zu Wärmeleitpaste eine deutliche Gewichtsreduzierung zu erwarten.
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Durch Verpressung mit entsprechender Verformung an der Grenzkontur wird eine thermische Kontaktierung an Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 umgesetzt. Der „Filz“ beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 ist somit ein Einlageteil im Zwischenraum 6 zwischen z. B. Zellblock und Kühlplatte.
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In Hinblick auf elektrische Sicherheit bzw. Isolation gegenüber dem Zellblock sind entweder Isolationsmaßnahmen am Zellblock vorzusehen. Dies kann beispielsweise durch eine Schutzfolie als elektrisch isolierende Schicht 13 zwischen Zellblock und „Filz“ erfolgen. Zur Verbesserung der Formkontur an dem Zellblock kann auch die Kontaktierungsschicht 11 beziehungsweise eine Auflageschicht (beispielsweise aus Wärmeleitpaste) aufgetragen sein, damit erfolgt dann die thermische Kopplung direkt in die jeweilige Faser 7 oder über eine Dünnschicht aus Wärmeleitpaste in die jeweilige Faser 7.
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In dem Verbund aus Wärmesenke 4 und Wärmequelle 5 sind optional zur Vermeidung einer Überlastung/Beschädigung der thermischen Kontaktstellen blockbildende Elemente (in den Fig. nicht dargestellt) einsetzbar, das können z. B. eingesetzte Leisten oder auch außerhalb liegende Bauteile sein, die mehr oder weniger direkt zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 liegen und sich nicht zwingend im Bereich des Zwischenraums 6 für das Wärmeleitmedium 3 befinden müssen.
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Mit diesem Konzept erhält der Nutzer ein einfach zu montierendes flächiges Bauteil, nämlich das Wärmeleitmedium 3, für die thermische Kopplung mit integriertem, auch lokal unterschiedlichem Toleranzausgleichvermögen. Es liegt eine deutliche Gewichtsreduzierung vor, da keine massive Verfüllung des Zwischenraums 6 (z.B. mit sogenanntem Zwischenraumfüller oder „gap filler“) sondern nur eine dünne Einlage mit viel luftgefülltem Raum 10 gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlanordnung
- 2
- Batterieanordnung
- 3
- Wärmeleitmedium
- 4
- Wärmequelle
- 5
- Wärmesenke
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Fasern
- 9
- Kühlmittelanschluss
- 10
- Gas
- 11
- Kontaktierungsschicht
- 13
- Schicht
- 16
- erste Koppelfläche
- 17
- zweite Koppelfläche
