DE102020005581A1

DE102020005581A1 - Kühlanordnung sowie Batterieanordnung mit einem elastischen Element zum Beaufschlagen eines Wärmeleitmediums mit einer Kraft

Info

Publication number: DE102020005581A1
Application number: DE102020005581.8A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schroeter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-17
Also published as: WO2022053267A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung (1) zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle (4) auf eine Wärmesenke (5), mit einem Wärmeleitmedium (3), welches eine erste Koppelfläche (16) ausgebildet zum thermischen Koppeln mit der Wärmequelle (4) und eine zweite Koppelfläche (17) ausgebildet zum thermischen Koppeln mit der Wärmesenke (5) aufweist, wobei das Wärmeleitmedium (3) als Folie ausgeführt ist. Die Kühlanordnung (1) umfasst außerdem eine Befestigungseinheit (6), welche dazu ausgebildet ist, das Wärmeleitmedium (3) über die erste Koppelfläche (16) an der Wärmequelle (4) und/oder über die zweite Koppelfläche (17) an der Wärmesenke (5) anzuordnen.
Um eine effizientere Wärmeabfuhr mittels einer solchen Wärmeleitfolie zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Befestigungseinheit (16) zumindest ein elastisches Element (7) aufweist, wobei das zumindest eine elastische Element (7) dazu ausgebildet ist, eine Kraft auf das Wärmeleitmedium (3) auszuüben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke mit einem Wärmeleitmedium, welches eine erste Koppelfläche ausgebildet zum thermischen Koppeln mit der Wärmequelle und eine zweite Koppelfläche zum thermischen Koppeln mit der Wärmesenke aufweist, wobei das Wärmeleitmedium als Folie ausgeführt ist, und einer Befestigungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, das Wärmeleitmedium über die erste Koppelfläche an der Wärmequelle und/oder über die zweite Koppelfläche an der Wärmesenke zu befestigen.
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.
Als Weiterbildung sind daher Wärmeleitmatten bekannt, welche insbesondere eine geringe Dicke haben, also als Folie ausgeführt sind. Eine solche Wärmeleitmatte kann beispielsweise als sogenannte „Rohrmatte“ ausgeführt sein, welche im Wesentlichen durch eine Vielzahl benachbarter Röhrchen gebildet ist. Durch eine Verformung der Röhrchen ist dabei ein gewisser Toleranzausgleich zwischen Wärmeleitmatte und einer Oberfläche der Wärmesenke und/oder einer Oberfläche der Wärmequelle gewährleistet.
Mit anderen Worten kann durch eine Verformung der Röhrchen wenigstens ein gewisses „Anschmiegverhalten“ erzielt werden.
Ebenfalls bekannt sind im Wesentlichen inkompressible Wärmeleitfolien, welche insbesondere aus Kohlenstoff gebildet sein können. Eine solche Wärmeleitfolie wird beispielsweise unter dem Markennamen eGRAF® SPREADERSHIELD™ vertrieben. Aufgrund der äußerst geringen Dicke einer solchen Wärmeleitfolie und deren größtenteils nicht vorhandenen Kompressibilität, ist eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf die Wärmeleitfolie und/oder von der Wärmeleitfolie auf die Wärmesenke nicht optimal. Dies wird insbesondere dadurch verstärkt, dass derartige Wärmeleitfolien eine optimale Wärmeabfuhr nur innerhalb einer durch die Wärmeleitfolie aufgespannten Fläche gewährleisten können. Aufgrund einer solchen Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit ist die Wärmeabfuhr beziehungsweise die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche beziehungsweise parallel zu einem Normalvektor um ein Vielfaches, beispielsweise um den Faktor 300, schlechter verglichen mit einer Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Wärmeabfuhr mittels einer solchen Wärmeleitfolie zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht aus von einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke mit einem Wärmeleitmedium, welches eine erste Koppelfläche ausgebildet zum thermischen Koppeln mit der Wärmequelle und eine zweite Koppelfläche ausgebildet zum thermischen Koppeln mit der Wärmesenke aufweist, wobei das Wärmeleitmedium als Folie ausgeführt ist, und einer Befestigungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, das Wärmeleitmedium über die erste Koppelfläche an der Wärmequelle und/oder über die zweite Koppelfläche an der Wärmesenke anzuordnen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Befestigungseinheit zumindest ein elastisches Element aufweist, wobei das zumindest eine elastische Element dazu ausgebildet ist, eine Kraft auf das Wärmeleitmedium auszuüben. Insbesondere ist das zumindest eine elastische Element dazu ausgebildet, die Kraft auf die erste Koppelfläche oder die zweite Koppelfläche auszuüben. Mit anderen Worten kann die Befestigungseinheit beziehungsweise das elastische Element dazu ausgebildet sein, das Wärmeleitmedium, insbesondere im Bereich der ersten und/oder zweiten Koppelfläche, mit der Kraft zu beaufschlagen. Durch diese Kraft kann eine verbesserte thermische Ankopplung des Wärmeleitmediums an die Wärmequelle und/oder die Wärmesenke ermöglicht sein. Mit anderen Worten kann durch eine aus der Kraft der Befestigungseinheit beziehungsweise des zumindest einen elastischen Elements resultierenden Anpressdruck eine thermische Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmequelle und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmesenke in verbesserter Weise ermöglicht sein.
Das Wärmeleitmedium ist als Folie ausgeführt. Daher kann das Wärmeleitmedium auch als Wärmeleitfolie bezeichnet werden. Mit anderen Worten zeichnet sich das Wärmeleitmedium insbesondere dadurch aus, dass es eine geringe Dicke aufweist, beispielsweise weniger als 10 Millimeter, weniger als 5 Millimeter, weniger als 1 Millimeter oder weniger als 0,5 Millimeter. Auch eine noch dünnere Ausführung der Wärmeleitfolie beziehungsweise des Wärmeleitmediums mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer, weniger als 50 Mikrometer oder weniger als 20 Mikrometer ist möglich. Die Dicke ist dabei insbesondere diejenige Ausdehnung des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmleitfolie parallel zu einer Flächennormalen beziehungsweise eines Normalvektors einer Oberfläche der Wärmeleitfolie beziehungsweise des Wärmeleitmediums. Mit anderen Worten kann die Dicke diejenige Ausdehnung sein, welche senkrecht zur Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie verläuft. Eine Ausdehnung der Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie ist dabei insbesondere zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 100, zumindest um den Faktor 1000 oder zumindest um den Faktor 10.000 größer als die Dicke.
Das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie kann eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dabei ist eine Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche insbesondere größer als eine Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit parallel zu der Oberfläche zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 50 oder zumindest um den Faktor 100 größer sein als die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zu der Oberfläche. Beispielsweise kann das Verhältnis der genannten Wärmeleitfähigkeiten das Verhältnis 1:300 aufweisen. Aus diesem Grund ist es insbesondere von großer Bedeutung, eine Wärmeübertragung an der ersten Koppelfläche und/oder an der zweiten Koppelfläche zu optimieren. Aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit kann die Wärmeübertragung an den jeweiligen Koppelflächen einen Flaschenhals bei der Wärmeabfuhr darstellen. Dieser Flaschenhals kann durch die optimierte Wärmeübertragung durch die Kraft der Befestigungseinheit beziehungsweise des zumindest einen elastischen Elements gegenüber dem Stand der Technik verbessert sein.
Die erste und/oder die zweite Koppelfläche können jeweils eben oder gekrümmt sein. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die erste Koppelfläche eben oder gekrümmt ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die zweite Koppelfläche eben oder gekrümmt ist.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Befestigungseinheit eine Vielzahl elastischer Elemente entsprechend dem zumindest einen elastischen Element aufweist. Damit gelten alle Merkmale, welche in der vorliegenden Anmeldung bezogen auf das zumindest eine elastische Element offenbart sind, analog auch für die Vielzahl an elastischen Elementen. Beispielsweise kann eine erste Teilmenge an elastischen Elementen der Vielzahl dazu ausgebildet sein, die Kraft auf die erste Koppelfläche beziehungsweise auf das Wärmeleitmedium im Bereich der ersten Koppelfläche auszuüben. Eine zweite Teilmenge der Vielzahl an elastischen Elementen kann dazu ausgebildet sein, die Kraft auf die zweite Koppelfläche beziehungsweise auf das Wärmeleitmedium im Bereich der zweiten Koppelfläche auszuüben. Mit anderen Worten kann die erste Teilmenge an elastischen Elementen zu einer Kraftbeaufschlagung beziehungsweise Druckbeaufschlagung der ersten Koppelfläche beziehungsweise des Wärmeleitmediums im Bereich der ersten Koppelfläche ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Teilmenge an elastischen Elementen zu einer Kraftbeaufschlagung beziehungsweise Druckbeaufschlagung der zweiten Koppelfläche beziehungsweise des Wärmeleitmediums im Bereich der zweiten Koppelfläche ausgebildet sein. Somit können die elastischen Elemente der ersten Teilmenge dazu ausgebildet sein, das Wärmeleitmedium an die Wärmequelle zu pressen. Analog können die elastischen Elemente der zweiten Teilmenge dazu ausgebildet sein, das Wärmeleitmedium gegen die Wärmesenke zu drücken. Es kann vorgesehen sein, dass sich die erste Teilmenge und die zweite Teilmenge teilweise überschneiden oder dass beide Teilmengen sich nicht überschneiden. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass ein jeweiliges elastisches Element der Vielzahl nur Teil einer der beiden Teilmengen ist. Die erste Teilmenge kann dabei eines oder mehrere elastische Elemente aufweisen. Die zweite Teilmenge kann eines oder mehrere elastische Elemente aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine elastische Element beziehungsweise mehrere elastische Elemente dazu ausgebildet sind, die Kraft sowohl auf die erste Koppelfläche als auch auf die zweite Koppelfläche auszuüben. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass ein jeweiliges elastisches Element zur Kraftbeaufschlagung beziehungsweise Druckbeaufschlagung des Wärmeleitmediums sowohl im Bereich der ersten Koppelfläche als auch im Bereich der zweiten Koppelfläche ausgebildet ist. Somit kann ein jeweiliges elastisches Element dazu ausgebildet sein, das Wärmeleitmedium sowohl gegen die Wärmequelle als auch gegen die Wärmesenke zu drücken.
Bei der Wärmesenke kann es sich insbesondere um einen Wärmetauscher beziehungsweise einen Wärmeübertrager 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.
Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmedium parallel zu einem Normalvektor des als Folie ausgeführten Wärmeleitmediums zumindest im Wesentlichen inkompressibel ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Dicke des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie zumindest im Wesentlichen konstant ist, unabhängig von einer Druckbeaufschlagung des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie. Mit nochmals anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie senkrecht zu der Oberfläche inkompressibel oder zumindest im Wesentlichen inkompressibel ist. Das Wärmeleitmedium kann parallel zu dem Normalvektor vollständig oder im Wesentlichen inkompressibel sein. Durch eine derartige Ausführung des Wärmeleitmediums kann sichergestellt werden, dass aus der Druckbeaufschlagung beziehungsweise der Kraft des zumindest einen elastischen Elements keine Verformung resultiert.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium relativ zu dem elastischen Element derart ausgelegt ist, dass die Kraft auf das Wärmeleitmedium zumindest im Wesentlichen parallel zur Richtung des Normalvektors des als Folie ausgeführten Wärmeleitmediums ausgerichtet ist. Zumindest im Wesentlichen bedeutet dabei insbesondere, dass die Kraft vollständig oder im Wesentlichen parallel zur Richtung des Normalvektors verläuft. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine elastische Element zur Einleitung der Kraft auf das Wärmeleitmedium zumindest im Wesentlichen parallel zur Richtung des Normalvektors des als Folie ausgeführten Wärmeleitmediums ausgebildet ist. Das zumindest eine elastische Element ist somit zur Krafteinleitung senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie ausgebildet. Auf diese Weise kann die Kraft besonders definiert und vorteilhaft zum Verbessern der thermischen Kopplung mit der Wärmequelle und/oder der Wärmesenke ausgerichtet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine elastische Element zur Einleitung der Kraft senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der ersten und/oder zweiten Koppelfläche ausgebildet ist. In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die elastischen Elemente der ersten Teilmenge zur Einleitung der Kraft senkrecht zur Oberfläche der ersten Koppelfläche und/oder die elastischen Elemente der zweiten Teilmenge zur Einleitung der Kraft senkrecht zur Oberfläche der zweiten Koppelfläche ausgebildet sind.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium zumindest durch eine graphithaltige Folie gebildet ist. Mit anderen Worten kann das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie zumindest teilweise aus Kohlenstoff beziehungsweise Graphit gebildet sein. Das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie kann vollständig aus Graphit oder Kohlenstoff bestehen oder neben Graphit beziehungsweise Kunststoff noch eines oder mehrere weitere Materialien beinhalten. Durch eine derartige kohlenstoffhaltige beziehungsweise graphithaltige Ausführung des Wärmeleitmediums kann sich eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere parallel zur Oberfläche, ergeben. Die Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche kann dabei größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer sein, beispielsweise um den Faktor 2 oder 4 größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer sein. Aus diesem Grund ist ein derartiges Wärmeleitmedium besonders geeignet, um eine materialsparende und damit leichte Ausführung der Kühlanordnung zu ermöglichen.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Die elektrisch isolierende Beschichtung kann einseitig oder zweiseitig auf das Wärmeleitmedium aufgetragen sein. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierende Beschichtung untrennbar mit dem Wärmeleitmedium verbunden ist. Alternativ kann die elektrisch isolierende Beschichtung durch eine zusätzliche elektrisch isolierende Folie bereitgestellt sein. Die elektrisch isolierende Folie kann beispielsweise einseitig oder beidseitig des Wärmeleitmediums angeordnet sein. Dabei kann die elektrisch isolierende Folie parallel zu der Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Sicherheit erhöht und eine Möglichkeit für unerwünschte Kurzschlüsse reduziert werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zumindest eine elastische Element zumindest aus Schaumstoff gebildet ist. Mit anderen Worten kann das zumindest eine elastische Element vollständig aus Schaumstoff oder aus Schaumstoff sowie einem oder mehreren Materialien gebildet sein. Der Schaumstoff ist dabei insbesondere besonders leicht, besonders kostengünstig und dazu in der Lage, die Kraft auf das Wärmeleitmedium zuverlässig auszuüben. Die Befestigungseinheit kann somit Schaumstoff zum Bereitstellen des zumindest einen elastischen Elements aufweisen.
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 sowie die Wärmesenke auf. Das Wärmeleitmedium ist über die erste Koppelfläche mit der zumindest einen Batteriezelle und über die zweite Koppelfläche mit der Wärmesenke thermisch gekoppelt. Die Befestigungseinheit beziehungsweise das zumindest eine elastische Element ist dazu ausgebildet, die Kraft auf das Wärmeleitmedium auszuüben und insbesondere das Wärmeleitmedium im Bereich der ersten Koppelfläche gegen die zumindest eine Batteriezelle und/oder im Bereich der zweiten Koppelfläche gegen die Wärmesenke zu pressen. Mit anderen Worten kann das zumindest eine elastische Element dazu ausgebildet sein, das Wärmeleitmedium gegen die zumindest eine Batteriezelle und/oder gegen die Wärmesenke zu drücken. Somit kann das zumindest eine elastische Element indirekt eine Kraft auf die zumindest eine Batteriezelle und/oder die Wärmesenke ausüben. 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.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zumindest eine elastische Element die erste Koppelfläche mit einer Anpresskraft auf die zumindest eine Batteriezelle beaufschlagt und/oder die zweite Koppelfläche mit einer Anpresskraft auf die Wärmesenke beaufschlagt. Mit anderen Worten ist das zumindest eine elastische Element dazu ausgebildet, die erste Koppelfläche mit der Anpresskraft gegen die zumindest eine Batteriezelle zu drücken und/oder die zweite Koppelfläche mit der Anpresskraft gegen die Wärmesenke zu drücken. Auf diese Weise kann das zumindest eine elastische Element dazu ausgebildet sein, indirekt die zumindest eine Batteriezelle und/oder die Wärmesenke mit der jeweiligen Anpresskraft zu beaufschlagen. Auf diese Weise wird die optimale Wärmeabfuhr über die jeweilige Koppelfläche ermöglicht.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Befestigungseinheit mehrere elastische Elemente aufweist, wobei die erste Teilmenge der elastischen Elemente dazu ausgebildet ist, die erste Koppelfläche mit der Anpresskraft auf die zumindest eine Batteriezelle zu beaufschlagen, und die zweite Teilmenge der elastischen Elemente dazu ausgebildet ist, die zweite Koppelfläche mit der Anpresskraft auf die Wärmesenke zu beaufschlagen. Mit anderen Worten können eines oder mehrere elastische Elemente der ersten Teilmenge dazu ausgebildet sein, die erste Koppelfläche mit der Anpresskraft gegen die zumindest eine Batteriezelle zu drücken. Analog können eines oder mehrere elastische Elemente der zweiten Teilmenge dazu ausgebildet sein, die zweite Koppelfläche mit der Anpresskraft gegen die Wärmesenke zu drücken. Auf diese Weise ist eine jeweils optimierte Anpresskraft sowohl im Bereich der ersten Koppelfläche als auch im Bereich der zweiten Koppelfläche sichergestellt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine elastische Element mit einer ersten Seite an die erste Koppelfläche des Wärmeleitmediums und mit einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite an die zweite Koppelfläche des Wärmeleitmediums grenzt. Dabei kann das zumindest eine elastische Element sowohl an der ersten Seite als auch an der zweiten Seite von dem Wärmeleitmedium umgeben sein. Das zumindest eine elastische Element kann dazu ausgebildet sein, an der ersten Seite die Kraft auf die erste Koppelfläche auszuüben und/oder an der zweiten Seite die Kraft auf die zweite Koppelfläche auszuüben. Insbesondere sind die an den beiden Seiten ausgeübten Kräfte dabei einander entgegengesetzt. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau mit einer geringen Anzahl an elastischen Elementen. Das Wärmeleitmedium kann dabei um das zumindest eine elastische Element und im Falle mehrerer elastischer Elemente um alle elastischen Elemente herumgeführt sein. Somit umschließt das Wärmeleitmedium das elastische Element von zumindest zwei Seiten. Das Wärmeleitmedium kann hierzu umgeschlagen sein beziehungsweise zwei zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Flächen ausbilden. Insbesondere können die erste und die zweite Koppelfläche in diesem Fall parallel sein und/oder einander überschneiden.
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.
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.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke, mit den folgenden Schritten:

- Anordnen eines Wärmeleitmediums zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, wobei das Wärmeleitmedium als Folie ausgeführt ist, und
- Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmequelle über eine erste Koppelfläche des Wärmeleitmediums an der Wärmequelle und/oder Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmesenke über eine zweite Koppelfläche des Wärmeleitmediums. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Herstellen der thermischen Kopplung durch zumindest ein elastisches Element erfolgt, wobei durch das zumindest eine elastische Element eine Kraft auf das Wärmeleitmedium ausgeübt wird.

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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). 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.
Dabei zeigen:

1 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle;
2 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Kühlanordnung; und
3 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Kühlanordnung.

Die 1 bis 3 zeigen 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 Wärmeübertrager 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.
Um die Wärme von der Wärmequelle 4 auf die Wärmesenke 5 zu übertragen, weist die Kühlanordnung 1 ein Wärmeleitmedium 3 auf. Das Wärmeleitmedium 3 weist 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 manchen Ausführungsformen kann das Wärmeleitmedium 3 auch mehrere erste Koppelflächen 16 und/oder mehrere zweite Koppelflächen 17 aufweisen (siehe 1). 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 beziehungsweise über die ersten Koppelflächen 16 Wärme von der Wärmequelle 4 abzuführen beziehungsweise zu empfangen. Das Wärmeleitmedium 3 ist dazu ausgebildet, Wärme über die zweite Koppelfläche 17 beziehungsweise die zweiten Koppelflächen 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.
Das Wärmeleitmedium 3 ist als Wärmeleitfolie ausgeführt. Somit zeichnet sich das Wärmeleitmedium 3 insbesondere dadurch aus, dass es eine geringe Dicke aufweist, beispielsweise weniger als 10 Millimeter, weniger als 5 Millimeter, weniger als 1 Millimeter oder weniger als 0,5 Millimeter. Auch eine noch dünnere Ausführung der Wärmeleitfolie 3 beziehungsweise des Wärmeleitmediums mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer, weniger als 50 Mikrometer oder weniger als 20 Mikrometer ist möglich. Die Dicke ist dabei insbesondere diejenige Ausdehnung des Wärmeleitmediums 3 beziehungsweise der Wärmleitfolie senkrecht zur Oberfläche des Wärmeleitmediums 3 beziehungsweise der Wärmeleitfolie verläuft. Eine Ausdehnung der Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie ist dabei insbesondere zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 100, zumindest um den Faktor 1000 oder zumindest um den Faktor 10.000 größer als die Dicke. Faktor 10.000 größer als die Dicke.
Das Wärmeleitmedium 3 beziehungsweise die Wärmeleitfolie ist beispielhaft als graphithaltige Folie ausgeführt. Mit anderen Worten ist das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie vorliegend zumindest teilweise aus Kohlenstoff beziehungsweise Graphit gebildet. Das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie kann vollständig aus Graphit oder Kohlenstoff bestehen oder neben Graphit beziehungsweise Kunststoff noch eines oder mehrere weitere Materialien beinhalten. Durch eine derartige kohlenstoffhaltige beziehungsweise graphithaltige Ausführung des Wärmeleitmediums ergibt sich eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere parallel zur Oberfläche. Die Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche ist vorliegend größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer sein, beispielsweise um den Faktor 2 oder 4 größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Eine solche Wärmeleitfolie wird beispielsweise unter dem Markennamen „eGRAF® SPREADERSHIELD™“ vertrieben. Beispielsweise kann das Wärmeleitmedium 3 die Folie „eGRAF® SPREADERSHIELD™“ aufweisen bzw. daraus gebildet sein.
Das Wärmeleitmedium 3 beziehungsweise die Wärmeleitfolie weist vorliegend eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei ist eine Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche des Wärmeleitmediums 3 insbesondere größer als eine Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche des Wärmeleitmediums 3. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit parallel zu der Oberfläche zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 50 oder zumindest um den Faktor 100 größer sein als die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zu der Oberfläche. Im vorliegenden Beispiel kann das Verhältnis der genannten Wärmeleitfähigkeiten das Verhältnis 1:300 aufweisen. Aus diesem Grund ist es insbesondere von großer Bedeutung, eine Wärmeübertragung an der ersten Koppelfläche und/oder an der zweiten Koppelfläche zu optimieren. Aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit kann die Wärmeübertragung an den jeweiligen Koppelflächen einen Flaschenhals bei der Wärmeabfuhr darstellen.
Das Wärmeleitmedium 3 kann zudem eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Beispielsweise kann das Wärmeleitmedium 3 einseitig oder beidseitig durch eine elektrisch isolierende Folie umgeben bzw. eingerahmt sein. Alternativ kann die Beschichtung direkt auf das Wärmeleitmedium 3 aufgebracht sein.
Die Kühlanordnung 1 beziehungsweise die Batterieanordnung 2 weist eine Befestigungseinheit 6 auf, die dazu ausgebildet ist, das Wärmeleitmedium 3 über die erste Koppelfläche 16 an der Wärmequelle 4 anzuordnen beziehungsweise relativ zu der Wärmequelle 4 auszurichten. Vorliegend ist die Befestigungseinheit 6 außerdem dazu ausgebildet, das Wärmeleitmedium 3 über die zweite Koppelfläche 17 an der Wärmesenke 5 anzuordnen beziehungsweise relativ zur Wärmesenke 5 auszurichten.
Hierzu weist die Befestigungseinheit zumindest ein elastisches Element 7, vorliegend jeweils eine Vielzahl elastischer Elemente 7, auf. Die elastischen Elemente 7 sind dabei dazu ausgebildet, eine jeweilige Kraft auf das Wärmeleitmedium 3 auszuüben. Insbesondere ist ein jeweiliges elastisches Element 7 dazu ausgebildet, die jeweilige Kraft auf die erste Koppelfläche 16 und/oder die zweite Koppelfläche 17 auszuüben. Somit sind die elastischen Elemente jeweils dazu ausgebildet, das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der ersten Koppelfläche 16 mit der Kraft beziehungsweise einer Anpresskraft an beziehungsweise gegen die Wärmequelle 4 zu pressen und/oder das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der zweiten Koppelfläche 17 mit der Kraft beziehungsweise Anpresskraft an die Wärmesenke 5 beziehungsweise gegen die Wärmesenke 5 zu pressen. Im Folgenden werden die einzelnen Ausführungsformen gemäß der 1 bis 3 näher erläutert. Auf diese Weise wird das Problem mit dem oben genannten Flaschenhals gelöst.
In der Ausführungsform von 1 sind die jeweiligen elastischen Elemente 7 entweder dazu ausgebildet, das Wärmeleitmedium 3 mit der Wärmequelle 4 oder mit der Wärmesenke 5 thermisch zu koppeln. Somit teilt sich die Vielzahl an elastischen Elementen 7 in eine erste Teilmenge 10 und eine zweite Teilmenge 11 auf. Die elastischen Elemente 7 der ersten Teilmenge 10 sind dazu ausgebildet, das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der ersten Koppelfläche 16 beziehungsweise die erste Koppelfläche 16 mit der Anpresskraft auf die Wärmequelle 4 zu beaufschlagen. Die elastischen Elemente 7 der zweiten Teilmenge 11 sind dazu ausgebildet, das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der zweiten Koppelfläche 17 beziehungsweise die zweite Koppelfläche 17 mit der Anpresskraft auf die Wärmesenke 5 zu beaufschlagen.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 weist die Kühlanordnung 1 mehrere zweite Koppelflächen 17 sowie mehrere erste Koppelflächen 16 auf. Dabei ist jeder der ersten und zweiten Koppelflächen 16, 17 ein jeweiliges elastisches Element 7 zugeordnet. Die mehreren ersten Koppelflächen 16 und zweiten Koppelflächen 17 wechseln sich jeweils ab. Mit anderen Worten sind entlang eines räumlichen Verlaufs des Wärmeleitmediums 3 jeweils abwechselnd eine erste Koppelfläche 16 und eine zweite Koppelfläche 17 angeordnet. Die ersten und zweiten Koppelflächen 16, 17 können dabei jeweils unterschiedlich groß sein. Beispielsweise sind die ersten Koppelflächen 16 jeweils größer als die zweiten Koppelflächen 17. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass alle ersten und zweiten Koppelflächen 16, 17 gleich groß sind. Aus der abwechselnden Anordnung der ersten und zweiten Koppelflächen 16, 17 ergibt sich ein Verlauf, bei dem das Wärmeleitmedium 3 beziehungsweise die Wärmeleitfolie zwischen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 hin- und hergeführt ist. Mit anderen Worten verläuft das Wärmeleitmedium 3 mehrfach zwischen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 hin und her.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 verläuft die Oberfläche des Wärmeleitmediums 3 beziehungsweise der Wärmeleitfolie insbesondere parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der Wärmequelle 4 und/oder einer Oberfläche der Wärmesenke 5. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 2 gibt es beispielhafterweise genau eine erste Koppelfläche 16 und eine zweite Koppelfläche 17. Das Wärmeleitmedium 3 ist in einem Bereich 14 umgeschlagen. Dabei umgibt es zumindest einige der elastischen Elemente 7 zumindest von zwei Seiten. Mit anderen Worten grenzt das Wärmeleitmedium bei einigen der elastischen Elemente 7 sowohl an eine erste Seite 12 als auch an eine zweite Seite 13. Die erste Seite 12 und die zweite Seite 13 sind einander abgewandt. In dem Bereich 14 ist das Wärmeleitmedium 3 insbesondere U-förmig angeordnet. Diese U-Form ist dabei insbesondere auf eine Schnittdarstellung wie in 2 bezogen. Durch diese U-förmige Ausführung kann das Umrahmen der elastischen Elemente 7 ermöglicht werden. Das jeweilige elastische Element 7 ist dazu ausgebildet, die jeweilige Kraft sowohl über die erste Seite 12 als auch über die zweite Seite 13 auf das Wärmeleitmedium 3 auszuüben. Insbesondere ist das jeweilige elastische Element 7 dazu ausgebildet, das Wärmeleitmedium 3 über die Kraft an der ersten Seite 12 gegen die Wärmequelle 4 zu drücken und über die zweite Seite 13 gegen die Wärmesenke 5 zu drücken.
Die Batterieanordnung 2 gemäß 2 weist zudem ein Auflageelement 8 auf. Das Auflageelement 8 ist daher notwendig, weil sich die Wärmesenke 5 nicht über den gesamten Bereich der Wärmequelle 4 beziehungsweise über den gesamten Bereich der ersten Koppelfläche 16 erstreckt. Somit bildet das Auflageelement 8 ein Widerlager für einige elastische Elemente 7.
Zuletzt zeigt 3 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Kühlanordnung 1 beziehungsweise der Batterieanordnung 2. In einem Bereich 19 ist das Wärmeleitmedium hierbei Z-förmig umgeschlagen. Mit anderen Worten bildet das Wärmeleitelement 3 in dem Bereich 19 eine Z-Form auf. In dem Bereich 19 erfolgt ein Übergang des Wärmeleitmediums 3 von der Wärmequelle 4 hin zur Wärmesenke 5 im Rahmen der Z-Form. Im Bereich der zweiten Koppelfläche 17 sind vorliegend keine elastischen Elemente 7 angeordnet. Mit anderen Worten sind alle elastischen Elemente 7 ausschließlich dazu ausgebildet, die jeweilige Kraft auf die erste Koppelfläche 16 beziehungsweise das Wärmeleitmedium im Bereich der ersten Koppelfläche 16 auszuüben. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Auflageelement 8 angeordnet. Das Auflageelement 8 dient vorliegend als Widerlager für die elastischen Elemente 7. Dabei verläuft das Auflageelement 8 vorzugsweise parallel zu einer Oberfläche der ersten Koppelfläche 16. Insbesondere erstreckt sich das Auflageelement 8 über eine gesamte Fläche der ersten Koppelfläche 16.
Ein jeweiliges elastisches Element beziehungsweise die elastischen Elemente 7 können aus Schaumstoff gebildet sein. Mit anderen Worten können die elastischen Elemente 7 ausschließlich aus Schaumstoff oder aus Schaumstoff in Verbindung mit einem oder mehreren weiteren Werkstoffen gebildet sein. Durch den Schaumstoff erhält das elastische Element 7 seine Elastizität. Zudem kann durch Auswahl eines geeigneten Schaumstoffs eine Kompressibilität, eine Federkonstante beziehungsweise ein Elastizitätsmodul und dergleichen besonders vorteilhaft auf eine jeweilige Anwendung angepasst sein. Zudem ist durch eine derartige Ausführung der elastischen Elemente 7 eine besonders kostengünstige Herstellung der Kühlanordnung ermöglicht.
Der vorliegende Lösungsansatz für eine optimale thermische Kopplung der Wärmequelle 4 bzw. des zu kühlenden Bauteils wie z. B. dem Zellblock mittels der Wärmesenke 5 bzw. Temperierplatte ist die Ausnutzung der sehr guten Wärmeleiteigenschaften des Graphitmaterials der Wärmeleitfolie bzw. des Wärmeleitmediums 3 mit einer inneren Wärmeleitung von ca. 300 ... 1600 W/mK (Wärmeleitpasten ca. 1 ... 3 W/mK) und auch beim Einkoppeln der Wärme, die trotz des rel. geringen Wertes von ca. 15 W/mK ebenfalls deutlich besser als bei Wärmeleitpasten ist(Wärmeleitpasten (ca. 1 ... 3 W/mK). Dabei wird die Wärmeleitfolie bzw. das Wärmeleitmedium 3 mit den elastischen Elementen 7 bzw. Federelementen versehen, um durch Verpressung eine thermische Kontaktierung an Wärmequelle 4 und -senke 5 zu gewährleisten. Es handelt sich somit nicht um die Ausnutzung von elastischen Eigenschaften in der Wärmeleitfolie bzw. im Wärmeleitmedium 3 z. B. durch Faltung oder Kompression, sondern durch zusätzliche (externe) elastische Elemente 7 bzw. Federelemente
Hierbei wird die flächige Ausbildung der Wärmeleitfolie bzw. des Wärmeleitmediums 3 weitgehend beibehalten. Die Verpressung gegenüber Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 erfolgt mit sinnvoll angeordneten elastischen („federnden“) Elementen 7 im Allgemeinen und in spezieller Ausführung mit Schaumstoffstreifen, vorrangig in geschlossen-porigem Material zur Vermeidung von Feuchteaufnahme in einem speziellen Fall.
Diese als Schaumstoffstreifen ausgeführten elastischen Elemente 7 befinden sich in sinnvoller Anordnung und Breite auf der Vorder- und Rückseite der Wärmeleitfolie bzw. des Wärmeleitmediums 3. Mit dieser Anordnung ist sichergestellt, dass bei Montage von Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 das Wärmeleitmedium 3 zu beiden Elementen (Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5) hin verpresst wird. Über einen geeigneten Beschnitt bzw. Einbringen von Öffnungen in der Wärmeleitfolie bzw. Wärmeleitmedium 3 kann der Wärmestrom bedarfsgerecht aufgenommen, weitergeleitet und abgegeben werden. Durch die Elastizität des Wärmeleitmediums 3 ist die Einstellung partiell unterschiedlicher Höhenunterschiede („Toleranzausgleich“) und guter Kontaktierung der Wärmequelle 4 und andererseits der Wärmesenke 5 umsetzbar.
Hierbei ist es wichtig, dass an den Wärmeübergangsstellen (erste und zweite Koppelfläche 16, 17) möglichst großflächig thermisch kontaktiert wird, um die Übergangs-Wärmeleitwerte von ca. 15 W/mK ausnutzen zu können. Die innere Wärmeleitung im Wärmeleitmedium 3 ist dann kein Hindernis, da um ein vielfaches größer, Faktor 20 ....100. Damit besteht für die eigentliche Kontaktierung und- leitung wenig Materialbedarf, da nicht der gesamte Spalt zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 „massiv“ ausgefüllt werden muss. Optional kann das Wärmeleitmedium 3 zur elektrischen Sicherheit mit einer elektrisch isolierenden Folie oder Beschichtung versehen sein bzw. durch eine separate Zwischenschicht elektrisch isoliert sein.
In dem Verbund aus Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 sind zur Vermeidung einer Überlastung/Beschädigung der wärmeleitenden Graphitschicht des Wärmeleitmediums 3 optional blockbildende Elemente einsetzbar, das können z. B. eingesetzte Leisten im Bereich des Wärmeleitmediums 3 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 Bauraums des Wärmeleitmediums 3 befinden müssen.
Eine Variante ist die einseitige Aufbringung der elastischen Elemente 7 bzw. Federelemente, z. B. durch ein Klebeverfahren, was zu einem räumlich wenig strukturierten Bauteil im Verbund führt. Hierbei wird die Wärmeabfuhr zu nicht vollflächig oder nicht direkt in der Verpresskraft liegenden Wärmesenken 5 ermöglicht. Das geschieht zum Beispiel durch thermische Kopplung eine überstehenden „Wärmeleit-Lappens“ oder durch das teilweise Unterschlagen der Wärmeleitfolie bzw. des Wärmeleitmediums 3 z. B. unter die elastischen Elemente 7 bzw. Federelemente. Bedingt durch die sehr gute Leitfähigkeit der Wärmeleitfolie bzw. des Wärmeleitmediums 3 und einer möglicherweise hinreichenden Temperaturdifferenz an der Wärmesenke 5 muss die Austragungsfläche nicht zwingend genauso groß sein wie die Einkopplungsfläche an der Wärmequelle 4.
Mit diesem Konzept erhält der Nutzer ein einfach zu montierendes flächiges Bauteil, nämlich die Kühlanordnung 1, für die thermische Kopplung mit integriertem, auch lokal unterschiedlichem Toleranzausgleichvermögen. Es liegt eine deutliche Gewichtsreduzierung vor, da keine massive Verfüllung des Bauraums (z.B. mit „gap filler“) sondern nur eine dünne Einlage mit viel Zwischenraum gegeben ist. Im Unterschied zu „massiven“ Wärmeleitmatten z. B. auf Silikonbasis, ist das eigentliche Wärmeleitmedium 3 sehr dünn, z. B. 0,017 mm. Bei geringen Spaltbreiten mit geringen Oberflächentoleranzen sind auch sehr flache Wärmeleitfolien als Wärmeleitmedium 3 möglich, siehe auch Abschätzungen in Tabelle 1.
Prinzipiell sind die Materialkosten für unterschiedliche Spaltgrößen sehr ähnlich, da die Wärmeleitfolie bzw. das Wärmeleitmedium 3 nicht wesentlich verändert wird und der Zusatzbauraum als „Luft“ verbleibt.
Zusammenfassend handelt es sich um die Thermische Anbindung von Wärmequellen 4 an eine Wärmesenke 5 ohne Wärmeleitpasten, dadurch erfolgt eine deutliche Gewichtsreduzierung. Parallel dazu werden ein Ausgleich von Toleranzen und Bereitstellung eines blockbildenden Elements, um z. B. elektrische Kontakte zu vermeiden, ermöglicht. Die Wärmeleitmatte bzw. das Wärmeleitmedium 3 ist ein flächiges Element und kann eingelegt werden, d. h. es ist keine Auftragung von Pasten etc. notwendig.

Im Falle einer Traktionsbatterie bzw. wenigstens einer Batteriezelle als Wärmequelle 4 ist es wichtig, bei Bedarf die Ausrichtung der wenigstens einen Batteriezelle gegenüber der Faltung/Formung der Wärmeleitmatte bzw. des Wärmeleitmediums 3 zu beachten, um eine optimale Auflage zu erzielen, d. h. z. B. die Faltung schräg oder quer zur Zelleausrichtung legen. Tabelle 1: notwendiger Spalt in Abhängigkeit von Toleranz und Verpressung

	geringe Spalt-Toleranz	große Spalt-Toleranz	geringe Verpressung	hohe Verpressung
Isolationsfolie auf Wärmeleitmedium / Wärmeleitfolie	0,10	0,1	0,1	0,1
Dicke Wärmeleitmedium / Wärmeleitfolie / „Graphitfolie“ (mm)	0,10	0,1	0,1	0,1
Spalt - obere Toleranz (mm)	0,20	0,7	0,2	0,2
Spalt - untere Toleranz (mm)	-0,20	-0,8	-0,2	-0,2
zul. Verformungsanteil Federelement / Schaumstoff (%)	40	40	30	60
Vorverpressung Federelement Zusatz (%)	10	10	10	20
Gesamt-Toleranz (mm)	0,40	1,50	0,40	0,40
Vorverpressungsanteil (mm)	0,04	0,15	0,04	0,08
Federelement-Länge (mm)	0,44	1,65	0,44	0,48
Länge Federelement incl. Vorverpressungsanteil (mm)	1,10	4,13	1,47	0,80
Dicke Wärmeleitmedium incl. Federelement (mm)	1,30	4,33	1,67	1,00
Spaltmaß = Dicke Wärmeleitmedium-Vorverpressung-obere Toleranz (mm)	1,06	3,48	1,43	0,72
Größtmaß	1,26	4,18	1,63	0,92
Kleinstmaß	0,86	2,68	1,23	0,52

Verformung minimal (%)	3,64	3,64	2,73	10,00
Verformung maximal (%)	40	40	30	60

Bezugszeichenliste

1: Kühlanordnung
2: Batterieanordnung
3: Wärmeleitmedium
4: Wärmequelle
5: Wärmesenke
6: Befestigungseinheit
7: elastisches Element
8: Auflageelement
9: Kühlmittelanschlüsse
10: Teilmenge
11: Teilmenge
12: Seite
13: Seite
14: Bereich
16: erste Koppelfläche
17: zweite Koppelfläche
19: Bereich

Claims

Kühlanordnung (1) zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle (4) auf eine Wärmesenke (5), mit - einem Wärmeleitmedium (3), welches eine erste Koppelfläche (16) ausgebildet zum thermischen Koppeln mit der Wärmequelle (4) und eine zweite Koppelfläche (17) ausgebildet zum thermischen Koppeln mit der Wärmesenke (5) aufweist, wobei das Wärmeleitmedium (3) als Folie ausgeführt ist, und - einer Befestigungseinheit (6), welche dazu ausgebildet ist, das Wärmeleitmedium (3) über die erste Koppelfläche (16) an der Wärmequelle (4) und/oder über die zweite Koppelfläche (17) an der Wärmesenke (5) anzuordnen, dadurch gekennzeichnet, dass - die Befestigungseinheit (16) zumindest ein elastisches Element (7) aufweist, wobei das zumindest eine elastische Element (7) dazu ausgebildet ist, eine Kraft auf das Wärmeleitmedium (3) auszuüben.
Kühlanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (3) parallel zu einem Normalvektor des als Folie ausgeführten Wärmeleitmediums (3) zumindest im Wesentlichen inkompressibel ist.
Kühlanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (7) zur Einleitung der Kraft auf das Wärmeleitmedium (3) zumindest im Wesentlichen parallel zur Richtung eines Normalvektors des als Folie ausgeführten Wärmeleitmediums (3) ausgebildet ist.
Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (3) zumindest durch eine graphithaltige Folie gebildet ist.
Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (7) zumindest aus Schaumstoff gebildet ist.
Batterieanordnung (2) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug, mit - der Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - zumindest einer Batteriezelle als der Wärmequelle (4), und - der Wärmesenke (5), wobei - das Wärmeleitmedium (3) über die erste Koppelfläche (16) mit der zumindest einen Batteriezelle (4) und über die zweite Koppelfläche (17) mit der Wärmesenke (5) thermisch gekoppelt ist.
Batterieanordnung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (7) die erste Koppelfläche (16) mit einer Anpresskraft auf die zumindest eine Batteriezelle (4) beaufschlagt und/oder die zweite Koppelfläche (17) mit einer Anpresskraft auf die Wärmesenke (5) beaufschlagt.
Batterieanordnung (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinheit (6) mehrere elastische Elemente (7) aufweist, wobei eine erste Teilmenge (10) der elastischen Elemente (7) dazu ausgebildet ist, die erste Koppelfläche (16) mit der Anpresskraft auf die zumindest eine Batteriezelle (4) zu beaufschlagen, und die zweite Teilmenge (11) der elastischen Elemente (7) dazu ausgebildet ist, die zweite Koppelfläche (17) mit der Anpresskraft auf die Wärmesenke (5) zu beaufschlagen.
Batterieanordnung (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastische Element (7) mit einer ersten Seite (12) an die erste Koppelfläche (16) des Wärmeleitmediums (3) und mit einer der ersten Seite (12) abgewandten zweiten Seite (13) an die zweite Koppelfläche (17) des Wärmeleitmediums (3) grenzt.
Verfahren zum Herstellen einer Kühlanordnung (1) zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle (4) auf eine Wärmesenke (5), mit den Schritten: - Anordnen eines Wärmeleitmediums (3) zwischen der Wärmequelle (4) und der Wärmesenke (5), wobei das Wärmeleitmedium (3) als Folie ausgeführt ist, und - Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium (3) und der Wärmequelle (4) über eine erste Koppelfläche (16) des Wärmeleitmediums (3) an der Wärmequelle (4) und/oder Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium (3) und der Wärmesenke (5) über eine zweite Koppelfläche (17) des Wärmeleitmediums (3), dadurch gekennzeichnet, dass - das Herstellen der thermischen Kopplung durch zumindest ein elastisches Element (7) erfolgt, wobei durch das zumindest eine elastische Element (7) eine Kraft auf das Wärmeleitmedium (3) ausgeübt wird.