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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung von Batteriezellen in einem Fahrzeug mithilfe eines Kühlmittels.
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Es sind verschiedene Bauarten von Wärmetauschervorrichtungen zum Kühlen einer Antriebsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bekannt.
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KR 10-2011-0133794 A zeigt einen Wärmetauscher zum Kühlen einer Antriebsbatterie eines Fahrzeugs mit einem Einlasstank, einem Auslasstank, einem Einlassrohr, einem Auslassrohr, einem Einlasssammler, einem Auslasssammler, Strömungsweg bildenden Einheiten und in den Wärmetauscher integrierten Batterieeinheiten. Die Einlass- und Auslassrohre sind in den Einlass- und Auslasstanks ausgebildet. Der Einlasssammler ist zwischen dem Einlass- und dem Auslasstank installiert. Der Auslasssammler ist vom Einlasssammler getrennt. Die Einheiten, die den Strömungsweg bilden, weisen mehrere Rohre auf. Die Enden der Rohre sind an den Einlass- bzw. Auslasssammlern befestigt, um Wärmeaustauschpfade zu bilden.
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Aus
CN 210628381 U ist ein Wärmemanagementsystem für eine Fahrzeugantriebsbatterie mit einem Batteriekastenkörper und einer Flüssigkeitskühlrohranordnung bekannt. Die Flüssigkeitskühlrohranordnung umfasst ein Flüssigkeitseinlass-Sammelrohr, ein Umlaufrohr und ein Flüssigkeitsauslass-Sammelrohr, wobei eine Trennplatte quer in der Mitte des Batteriekastens angeordnet ist.
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Das in
WO 2019/071132 A1 gezeigte Batterie-Wärmemanagement-Verteilersegment wird inmitten der Zirkulation einer Wärmemanagement-Flüssigkeit verwendet, um die Regulierung der Temperaturen in einer Batterie eines Elektrofahrzeugs zu unterstützen. Das Batterie-Wärmemanagement-Verteilersegment umfasst ein Zufuhrrohr und ein Rücklaufrohr, die jeweils einen Einlass, einen Auslass und einen sich dazwischen erstreckenden Durchgang haben und von denen sich Abzweigungen erstrecken.
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WO 2018/206895 A1 zeigt einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug zur thermischen Regulierung einer Antriebsbatterie mit mindestens einem Rohr zum Umwälzen eines Wärmeübertragungsfluids, dessen Enden in einen Sammelkasten münden. Jeder der Sammelkästen umfasst einen Sammler mit einer ersten Öffnung zum Durchführen des mindestens einen Rohrs und eine Abdeckung mit einer zweiten Öffnung zum Durchführen des mindestens einen Rohrs, wobei die Abdeckung mindestens einer Kammer zum Zirkulieren des Wärmeübertragungsfluids definiert, in die das mindestens eine Rohr mündet. Das mindestens eine Rohr und der Deckel sind mit dem Sammler mechanisch zusammengebaut. Der Sammelkasten umfasst mindestens eine Dichtung, die zwischen der Abdeckung und dem mindestens einem Rohr sowie zwischen dem Sammler und der Abdeckung angeordnet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung von Batteriezellen in einem Fahrzeug zu schaffen, die flexibel an die Wärmeverteilung der Batterie anpassbar ist, insbesondere an die vorgegebenen Positionen der Batteriezellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Wärmetauschervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung von Batteriezellen in einem Fahrzeug mithilfe eines Kühlmittels umfasst einen Verteiler mit einem Kühlmitteinlass, der in wenigstens einen Zulaufkanal mündet, und wenigstens einem Ablaufkanal, der in einen Kühlmittelauslass mündet. Der Kühlmitteinlass und der Kühlmittelauslass sind zum Anschließen der Wärmetauschervorrichtung an einen Fahrzeug-Kühlmittelkreislauf vorgesehen, Die Wärmetauschervorrichtung umfasst ferner mehrere separate Kühleinheiten, die jeweils wenigstens einen Kühlkanal aufweisen. Jeder Kühlkanal ist über eine Einlassöffnung mit dem Zulaufkanal und über eine Auslassöffnung mit dem Ablaufkanal verbunden. Die Kühleinheiten sind nebeneinander angeordnet.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die separate Ausbildung der Kühleinheiten eine flexible Anordnung der Kühleinheiten an Stellen ermöglicht, wo die Wärme der jeweiligen Batteriezelle am effektivsten aufgenommen werden kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung besteht darin, dass insgesamt eine platzsparende, insbesondere flache Bauweise der Verteiler und die Kühleinheiten möglich ist.
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Die Batteriezellen des Fahrzeugs sind typischerweise in einem Gehäuse (Batteriegehäuse) aufgenommen. Die Kühleinheiten der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung sind vorzugsweise auf einem Deckel dieses Gehäuses angeordnet, wobei die Anordnung der einzelnen Kühleinheiten sowie deren Form und Abmessungen auf die im Gehäuse aufgenommenen Batteriezellen abgestimmt sind. Die separate Ausbildung der Kühleinheiten erlaubt es, diese so zu gestalten und so auf dem Gehäusedeckel anzuordnen, dass eine optimale Wärmeübertragung von den Batteriezellen auf das durch die Kühlkanäle der Kühleinheiten strömende Kühlmittel stattfinden kann.
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Gemäß einer besonderen Gestaltung sind die Kühleinheiten in Vertiefungen des Deckels aufgenommen, die wiederum auf die Formen und Abmessungen der Kühleinheiten abgestimmt sind. Dadurch ergibt sich eine besonders platzsparende Anordnung der Kühleinheiten auf dem Deckel.
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Die Kühleinheiten haben vorzugsweise eine längliche Form und sind bezüglich ihrer Längsrichtung parallel zueinander angeordnet. Die seitlichen Abstände zwischen den einzelnen Kühleinheiten können an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
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Vorzugsweise hat auch der Verteiler eine längliche Form und erstreckt sich bezüglich seiner Längsrichtung entlang von stirnseitigen Enden der Kühleinheiten. Dadurch können die Kühleinheiten auf einfache Weise an den Zulaufkanal und den Ablaufkanal angebunden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Bauform der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung sind sowohl der Zulaufkanal als auch der Ablaufkanal des Verteilers an ersten stirnseitigen Enden der Kühleinheiten angeordnet. Das bedeutet, dass der Verteiler einteilig ausgebildet werden kann oder als zusammengesetzte Baueinheit auf nur einer Seite der Kühleinheiten angeordnet werden kann. Der Verteiler kann in diesem Fall eine sehr kompakte Bauform haben.
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Gemäß einer alternativen Bauform ist der Verteiler zweiteilig ausgeführt, wobei der Zulaufkanal des Verteilers an ersten stirnseitigen Enden der Kühleinheiten angeordnet ist und der Ablaufkanal des Verteilers an entgegengesetzten zweiten stirnseitigen Enden der Kühleinheiten angeordnet ist. Je nach Verlauf der Kühlkanäle in den Kühleinheiten und den Platzverhältnissen kann eine solche zweiteilige Ausbildung des Verteilers vorteilhaft sein.
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Der Kühlmitteleinlass als auch der Kühlmittelauslass sind bevorzugt an einem ersten stirnseitigen Ende des Verteilers angeordnet.
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Es kann aber aus Platzgründen oder aufgrund anderer Umstände vorteilhaft sein, den Kühlmitteleinlass an einem ersten stirnseitigen Ende des Verteilers anzuordnen und den Kühlmittelauslass an einem entgegengesetzten zweiten stirnseitigen Ende des Verteilers anzuordnen.
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Eine besonders flache Bauform der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung kann dadurch erreicht werden, dass die Kühleinheiten im Wesentlichen als flache, längliche Platten ausgebildet sind, in die die Kühlkanäle dann als längliche Aussparungen eingeformt sind.
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In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen sowohl senkrecht zur Längsrichtung der Kühleinheiten als auch senkrecht zur Längsrichtung des Verteilers auszureichten, sodass für den Kühlmitteleintritt in die Kühlkanäle der Kühleinheiten und den Kühlmittelaustritt in den Ablaufkanal des Verteilers kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung;
- - 2 eine vergrößerte Detailansicht der Darstellung von 1;
- - 3 eine der Darstellung von 2 entsprechende Detailansicht einer Variante der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung;
- - 4 eine der Darstellung von 2 entsprechende teiltransparente Detailansicht; und
- - 5 die teiltransparente Detailansicht von 4 mit einem Schnitt.
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In den 1, 2, 4 und 5 ist eine Ausführungsform einer Wärmetauschervorrichtung 10 dargestellt, die zur Kühlung von Batteriezellen in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug vorgesehen ist.
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Die Wärmetauschervorrichtung 10 umfasst mehrere, hier acht, separate Kühleinheiten 12 mit einer länglichen Form auf. Die Kühleinheiten 12 sind auf einem Deckel 14 eines Gehäuses angeordnet, in dem die Batteriezellen untergebracht sind. Die Kühleinheiten 12 sind bezüglich ihrer Längsrichtung parallel nebeneinander angeordnet.
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Bei der in 3 gezeigten Variante sind die Kühleinheiten in Vertiefungen 16 des ansonsten im Wesentlichen ebenen Deckels 14 aufgenommen. Die Formen der Kühleinheiten 12 und der Vertiefungen 16 sind aufeinander abgestimmt, d.h. die Kühleinheiten 12 passen genau (ohne großes Spiel) in die Vertiefungen 16.
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Die Form und die Abmessungen der Kühleinheiten 12 sowie deren Anordnung auf dem Deckel 14, einschließlich der jeweiligen Abstände zwischen benachbarten Kühleinheiten 12, sind auf die im Gehäuse aufgenommenen Batteriezellen abgestimmt. Insbesondere sind die Kühleinheiten 12 jeweils genau über einer Batteriezelle oder einem Bereich der Batteriezelle angeordnet, der eine hohe Wärmeentwicklung zeigt.
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Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform umfasst die Wärmetauschervorrichtung 10 einen einteiligen bzw. zu einer Einheit zusammengebauten Verteiler 18. Der Verteiler 18 hat eine längliche Form und ist bezüglich seiner Längsrichtung quer zur Längsrichtung der Kühleinheiten 12 an ersten stirnseitigen Enden 12a der Kühleinheiten 12 angeordnet. Alle Kühleinheiten 12 stehen an diesen ersten stirnseitigen Enden 12a mit zwei Verteilerkanälen 20, 22 des Verteilers 18 in Strömungsverbindung, wie später noch genauer erläutert wird.
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Wie insbesondere aus den 2 bis 4 hervorgeht, weist der Verteiler 18 an einem ersten stirnseitigen Ende 18a sowohl einen Kühlmitteleinlass 24 als auch einen Kühlmittelauslass 26 zum Anschluss an einen Fahrzeug-Kühlmittelkreislauf auf. Der Kühlmitteleinlass 24 mündet in einen in Längsrichtung des Verteilers 18 verlaufenden Zulaufkanal 20 (siehe 5). Der Zulaufkanal 20 ist an einem vom Kühlmitteleinlass 24 und Kühlmittelauslass 26 entgegengesetzten zweiten stirnseitigen Ende 18b des Verteilers 18 mit einem Ablaufkanal 22 verbunden, der zum Zulaufkanal 20 benachbart ist und parallel zu diesem verläuft. Der Ablaufkanal 22 mündet in den Kühlmittelauslass 26. Somit ergibt sich zwischen dem Kühlmitteleinlass 24 und dem Kühlmittelauslass 26 insgesamt ein U-förmiger Strömungsverlauf.
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Die Kühleinheiten 12 wiederum weisen jeweils mindestens einen Kühlkanal 28 auf. Jeder Kühlkanal 28 ist am ersten stirnseitigen Ende 12a der jeweiligen Kühleinheit 12 über eine Einlassöffnung 30 mit dem Zulaufkanal 20 des Verteilers 18 verbunden. Der Kühlkanal 28 verläuft von der Einlassöffnung 30 zu einem zweiten stirnseitigen Ende 12b der Kühleinheit 12 und von dort zurück zum ersten stirnseitigen Ende 12a, wo er über eine Auslassöffnung 32 mit dem Ablaufkanal 22 des Verteilers 18 verbunden ist.
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Die Kühleinheiten 12 sind im Wesentlichen als flache, längliche Platten ausgebildet, in die die Kühlkanäle 28 als längliche Aussparungen eingeformt sind. Dementsprechend sind die Einlassöffnungen 30 und Auslassöffnungen 32 sowohl senkrecht zur Längsrichtung der Kühleinheiten 12 als auch senkrecht zur Längsrichtung des Verteilers 18 ausgerichtet, um die Strömungsverbindungen zwischen den Kühlkanälen 28 und dem Zulaufkanal 20 bzw. dem Ablaufkanal 22 herzustellen.
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Bei dieser Bauform der Wärmetauschervorrichtung 10 strömt Kühlmittel aus dem Fahrzeug-Kühlmittelkreislauf über den Kühlmitteleinlass 24 in den Zulaufkanal 20 des Verteilers 18, der das Kühlmittel auf die separaten Kühleinheiten 12 verteilt. Während das Kühlmittel durch die Kühlkanäle 28 der Kühleinheiten 12 strömt, nimmt es Wärme von den darunterliegenden Batteriezellen auf. Das von den Kühleinheiten 12 in den Ablaufkanal 22 des Verteilers 18 strömende Kühlmittel wird über den Kühlmittelauslass 26 zurück in den Fahrzeug-Kühlmittelkreislauf gespeist.
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Folgende Abwandlungen der Wärmetauschervorrichtung 10 sind möglich, wobei diese Abwandlungen auch in geeigneter Weise miteinander kombinierbar sind:
- - Der Zulaufkanal 20 und der Ablaufkanal 22 des Verteilers 18 sind in getrennten Untereinheiten ausgebildet. In diesem Fall ist eine erste Untereinheit mit dem Zulaufkanal 20 an einem ersten stirnseitigen Ende 12a der Kühleinheiten 12 angeordnet und eine zweite Untereinheit mit dem Ablaufkanal 22 an einem entgegengesetzten zweiten stirnseitigen Ende 12b. Dementsprechend sind die Einlassöffnungen 30 der Kühlkanäle 28 jeweils an dem ersten stirnseitigen Ende 12a der Kühleinheiten 12 und die Auslassöffnungen 32 jeweils am entgegengesetzten zweiten stirnseitigen Ende 12b vorgesehen.
- - Die Kühlkanäle 28 können, in Abhängigkeit von der Anordnung des Zulaufkanals 20 und des Ablaufkanals 22 des Verteilers 18 entweder einen im Wesentlichen U- oder W-förmigen Strömungsverlauf (d.h. zwei bzw. vier Längsabschnitte) oder einen im Wesentlichen I-, oder N-förmigen Strömungsverlauf (ein bzw. drei Längsabschnitte) haben. Grundsätzlich sind jeweils auch noch mehr Längsabschnitte der Kühlkanäle 28 möglich.
- - Der Kühlmitteleinlass 24 und der Kühlmittelauslass 26 können, anders als oben beschrieben, auch an entgegengesetzten stirnseitigen Enden 18a, 18b des Verteilers 18 vorgesehen sein. Das gilt sowohl für die in den Figuren gezeigte Ausführungsform als auch für eine Abwandlung, bei der der Zulaufkanal 20 und der Ablaufkanal 22 des Verteilers 18 getrennt ausgebildet und an entgegengesetzten stirnseitigen Enden 12a, 12b der Kühleinheiten 12 angeordnet sind. Der Kühlmitteleinlass 24 und der Kühlmittelauslass 26 können in Abhängigkeit von den Einbaubedingungen grundsätzlich auch an anderen baulich geeigneten Stellen des Verteilers 18 angeordnet sein.
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Sofern der vollständig auf nur einer Stirnseite der Kühleinheiten 12 ausgebildete Verteiler 18 nur einen oder nur wenige Verteilerkanäle aufweist, können diese Kanäle in einem festen Körper hergestellt werden, z.B. durch Materialentfernung. Gleiches gilt für jeweils für die Untereinheiten des Verteilers 18, wenn dieser zweiteilig ausgebildet ist.
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Die Verteilerkanäle könne auch durch stoffschlüssiges Fügen, wie etwa Löten oder Schweißen aneinander befestigt werden, oder mittels anderer mechanischer kraft- und/oder formschlüssiger Verbindungstechniken, wie etwa Verschrauben. Auch Kleben ist grundsätzlich möglich.
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Auf die gleiche Weise können auch die Verbindungen zwischen den Kühleinheiten 12 und dem Verteiler 18 hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmetauschervorrichtung
- 12
- Kühleinheit
- 12a
- erstes stirnseitige Ende der Kühleinheit
- 12b
- zweite stirnseitige Ende der Kühleinheit
- 14
- Deckel
- 16
- Vertiefung
- 18
- Verteiler
- 18a
- erstes stirnseitiges Ende des Verteilers
- 18b
- zweites stirnseitiges Ende des Verteilers
- 20
- Zulaufkanal
- 22
- Ablaufkanal
- 24
- Kühlmitteleinlass
- 26
- Kühlmittelauslass
- 28
- Kühlkanal
- 30
- Einlassöffnung
- 32
- Auslassöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 1020110133794 A [0003]
- CN 210628381 U [0004]
- WO 2019071132 A1 [0005]
- WO 2018206895 A1 [0006]
