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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragerplatte für eine Energiespeichereinrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Vorbehandlung einer Fügefläche einer Aluminiumplatte für eine Klebeverbindung, insbesondere einer solchen Wärmeübertragerplatte.
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Batteriezellen werden insbesondere in Elektrofahrzeugen üblicherweise mit großflächigen Aluminiumplatten gekühlt bzw. temperiert. Die Aluminiumplatten bestehen dabei üblicherweise aus einem sogenannten Kanalblech, durch welches ein Kühlmedium fließt, und einem Deckblech. Das sogenannte Kanalblech wird dabei mit großen Pressen umgeformt und dann mit energie- und kostenintensiven Hochtemperaturlöt- oder Schweißverfahren mit dem Deckblech dicht verbunden.
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Durch einen in diesem Fall bevorzugten Lötprozess wird Aluminium weich und verliert an Festigkeit. Kann demzufolge auf einen derartigen Lötprozess als Fügetechnik verzichtet werden, ist die Verwendung einer dünneren Aluminiumplatte möglich, was bei der gegebenen Fläche zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung im Elektrofahrzeug beiträgt.
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Aus der
DE 10 2016 125 442 A1 sind ein Wärmeübertrager sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bekannt, wobei der Wärmeübertrager eine zentrale Polymer-Kernplatte aufweist, die auf jeder Seite mit einer Haut laminiert ist. Diese Haut umfasst eine elektrisch isolierende Außenschicht, eine Mittelschicht zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit und Reduzieren eines Diffusionsvermögens sowie eine Innenschicht, die sich thermisch mit der Polymer-Kernplatte verbindet. Die elektrische Isolierung bedeutet in diesem Fall jedoch auch einen deutlich schlechteren Wärmeleitkoeffizienten und damit eine deutlich schlechtere Wärmeübertragung in ein Kühlmedium. In Energiespeichereinrichtungen von Elektrofahrzeugen werden aktuell Lithium-Ionen-Zellen mit vergleichsweise hohem Druck auf sehr ebene Aluminiumplatten aufgepresst, um einen optimierten Wärmeübergang zu gewährleisten. Ein mit Folie laminierter Polymer-Kühlkörper bzw. eine mit Folie laminierte Polymer-Kernplatte kann eine hierfür erforderliche Druckdauerbelastung bei gleichzeitigem Temperaturwechsel jedoch nicht gewährleisten.
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Aus der
DE 10 2017 210 343 A1 ist eine flexible Kühlplatte für eine Batterie mit einer Folie bekannt, in welche ein Kühlmedium einbringbar ist. Die flexible Kühlplatte weist dabei ein System fluidisch miteinander verbundener Folienkammern auf, wobei ein Kühlmitteleintritt und ein Kühlmittelaustritt in fluidischer Verbindung mit den Folienkammern stehen. Eine derartige flexible Kühlplatte kann jedoch keinerlei Tragfunktion übernehmen.
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Aus der
EP 2 584 644 B1 ist ebenfalls eine Kühlplatte für eine Energiespeichereinrichtung bekannt, mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Kühlkanal, die unterschiedliche Formen aufweisen und wobei der zweite Kühlkanal in einer Serpentinenform um eine erste Richtung und der dritte Kühlkanal in einer Serpentinenform um eine zweite Richtung ausgerichtet sind, wobei die erste und zweite Richtung orthogonal zueinander sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Wärmeübertragerplatte für eine Energiespeichereinrichtung anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Hybrid-Wärmeübertragerplatte für eine Energiespeichereinrichtung anzugeben, bei der die beiden Komponenten miteinander verklebt sind, wodurch eine bezüglich eines Herstellungsaufwandes, eines Gewichts und eines Energieaufwandes optimierte Wärmeübertragerplatte geschaffen werden kann. Die Wärmeübertragerplatte besitzt dabei eine ebene Aluminiumplatte, ähnlich einer Deckplatte, sowie eine zumindest einen Kühlkanal aufweisende Kunststoffstruktur, wobei die Aluminiumplatte und die Kunststoffstruktur über Fügeflächen miteinander verklebt sind, so dass die Aluminiumplatte den zumindest einen in der Kunststoffstruktur angeordneten Kühlkanal abdeckt und zugleich begrenzt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Kunststoffstruktur mittels Thermoumformen hergestellt. Unter Thermoumformen versteht man ein Verfahren, das der Umformung von thermoplastischen Kunststoffen dient. Dabei sind zahlreiche Verfahrenstechniken für die Durchführung des Umformens im Bereich des Thermoumformens bekannt, wobei der hierfür verwendete Kunststoff, beispielsweise ein Halbzeug, zunächst von einer Lager- bzw. Raumtemperatur auf eine erforderliche Umformtemperatur erwärmt wird. Zum anschließenden Umformen wird ein Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, oder ein Überdruck erzeugt, der den erwärmten Kunststoff in seine endgültige Form verstellt. Zusätzlich ist auch denkbar, mechanische Verstreckhilfen einzusetzen. Eine Umformung erfolgt dabei vorzugsweise im sogenannten kautschukelastischen Bereich. Mit einer mittels Thermoumformen hergestellten Kunststoffstruktur lassen sich hohe Stückzahlen bei gleichzeitig geringen Stückkosten herstellen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte weist die Kunststoffstruktur zumindest einen der nachfolgend aufgezählten Kunststoffe auf: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonate (PC), Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Mischungen hieraus. Darüber hinaus eignen sich auch Verbundfoliensysteme (Laminate), wodurch individuelle Eigenschaften mehrerer Kunststoffe in einem Halbzeug vereint werden können. Unter anderem können hierbei die Kunststoffe Barriereeigenschaften bezüglich der Diffusion von Gasen und Flüssigkeiten verbessern. PMMA beispielsweise ist gut einfärbbar, witterungs- und alterungsbeständig sowie beständig gegen Säuren, gegen Laugen mittlerer Konzentration sowie gegen Benzin und Öl. PVC beispielsweise ist ein thermoplastisches Polymer, welches durch Kettenpolymerisation aus dem Monomervinylclorid hergestellt wird. Polyvinylchlorid ist dabei neben Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) ein wichtiges Polymer für Kunststoffe. Auch PVC ist beständig gegen einige Säuren und Laugen, jedoch nur bedingt beständig gegenüber Ethanol, Öl und Benzin. Es ist schweißbar und kann beispielsweise mittels Lösungsmittelklebstoffen oder 2-Komponentenklebstoffen verklebt werden. PVC ist darüber hinaus ein guter Isolator, wodurch ein gerichteter Wärmeübertrag über die Aluminiumplatte ermöglicht und ein unkontrolliertes Abstrahlen von Wärme über die Kunststoffstruktur zumindest minimiert werden kann. Styrol-Acrylnitril-Copolymere haben ähnliche Eigenschaften wie Polystyrol (PS) und sind darüber hinaus transparente und steife Polymere. SAN weist darüber hinaus eine in Bezug auf Polystyrol höhere Festigkeit sowie thermische Kratzbeständigkeit auf. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff ist ebenfalls ein Thermoplast mit einer hohen Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen und Alterung sowie gegenüber Ölen und Fetten. Wichtig ist hier die Thermoumformbarkeit in Verbindung mit einer hohen Festigkeit besonders in Bezug auf eine Druckwechselbelastung, sowie die Beständigkeit gegenüber Glykol-Lösungen. Aus diesem Grund können hier alle thermoumformbaren Kunststoffe eingesetzt werden, zum Beispiel auch Polyamide (PA), Polyphenylenether (PPE).
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte ist eine Fügefläche der Kunststoffstruktur zumindest bereichsweise plasmaoxidiert, beflammt oder ozoniert. Um eine möglichst optimierte Klebeverbindung herstellen zu können, kann die Fügefläche der Kunststoffstruktur plasmaoxidiert werden, wobei je nach Wahl der Prozessgase sowohl zur Reinigung, Entfettung als auch Abscheidung funktionaler dünner Schichten eingesetzt werden kann. Zum Einsatz kommen hierbei insbesondere sogenannte Niederdruckplasmaverfahren. Auch kann über eine Plasmaoxidation eine Modifizierung der Kunststoffoberfläche erreicht werden.
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Thermoumformbare Polyolefine-Kunststoffe wie Polypropylen sind üblicherweise nicht benetzbar und somit nicht mit polaren Klebstoffen wie Epoxi-Klebstoffen klebefähig. Durch eine oberflächige Oxidation, d.h. durch die Erzeugung von O-H-Gruppen, werden polare Gruppen in den Kunststoffoberflächen eingebaut, die dann eine Haftung ermöglichen. Ähnliches wird durch Fluorierung erreicht, auch hier entstehen polare benetzbare Oberflächen.
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Auch ein Beflammen kann als Aktivierungsverfahren eingesetzt werden und ist insbesondere für thermoplastische Polymere, wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen geeignet, um eine Erhöhung der Oberflächenspannung und damit eine bessere Klebbarkeit zu erreichen. Vor dem eigentlichen Beflammen müssen die Oberflächen gereinigt und entfettet werden. Auch ein Ozonieren einer Oberfläche der Kunststoffstruktur schafft eine Grundlage für eine verbesserte Verklebung mit einer Fügefläche der Aluminiumplatte dar. Ein Ozonieren kann beispielsweise durch eine UV-Bestrahlung mit einer Wellenlänge von unter 200 Nm bewirkt werden, wobei der Sauerstoff der Luft in Ozon umgewandelt wird. Die Aktivierung der Fügefläche der Kunststoffstruktur wird dabei durch dieses in Situ gebildete Ozon gefördert. In Kombination ist die UV-Ozon-Vorbehandlung in der Lage, Kunststoffe je nach Art und Zusammensetzung in kurzer Zeit auf höhere Oberflächenenergien zu aktivieren und so eine verbesserte Benetzbarkeit und Haftung und damit insbesondere auch eine verbesserte Verklebung zu erreichen. Die Ozionierung ist dabei äußerst materialschonend und einfach durchzuführen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte sind die Aluminiumplatte und die Kunststoffstruktur mit einem Klebstoff mit Epoxidharz, Polyolefin Schmelzkleber oder mit Polyurethanharz miteinander verklebt. Epoxidharze sind härtbare Reaktionsharze, die mit einem Härter bzw. gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen zu einem duroplastischen Kunststoff umgesetzt werden können. Derartige Epoxidharze sind bereits als Klebestoffe weit verbreitet und insbesondere auch für die Verbindung zwischen Metallen und Kunststoff geeignet. Um dabei eine Verklebung mit Epoxidharz bzw. Polyurethanharz zuverlässig und auch gegenüber einem Glykol-Wassergemisch, welches üblicherweise als Kühlmedium dient, beständig auszugestalten, können sowohl eine Fügefläche der Aluminiumplatte als auch eine Fügefläche der Kunststoffstruktur entsprechend vorbehandelt werden, was in den nachfolgenden Absätzen noch näher beschrieben wird.
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Bei der Verwendung von Polyolefin-Schmelzklebern findet eine sog. Diffusionsklebung statt, das heißt, das flüssige Polyolefin diffundiert in die Kunststoffstruktur ein und erzeugt nach der Abkühlung und Aushärtung eine physikalische Verzahnung mit dem Kunststoff-Bauteil.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte sind die Aluminiumplatte und die Kunststoffstruktur über eine Formschlussverbindung, beispielsweise eine Durchsetzfügeverbindung, insbesondere eine Clinchverbindung, miteinander verbunden. Eine derartige Clinchverbindung ist lediglich als Unterstützung zur Klebeverbindung zu sehen, wobei die Aluminiumplatte in die Kunststoffoberfläche eingedrückt wird. Derartige Durchsetzfügeverbindungen sichern somit die eigentliche Klebeverbindung. Clinchverbindungen lassen sich fertigungstechnisch einfach, schnell und zudem äußerst effektiv herstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte weist eine Verklebung eine mittlere Klebstoffraupe aus Epoxidharz, Polyolefin Schmelzkleber oder aus Polyurethanharz sowie zwei benachbart dazu angeordnete Dichtstoffraupen auf, die einen direkten Kontakt der Klebstoffraupe, das heißt, dass Epoxidharze mit beispielsweise einem Glykol-Wasser-Gemisch vermeiden. Ein Zutritt eines Glykol-Wasser-Gemisches an die Klebstoffraupe aus Epoxidharz bzw. Polyurethanharz bei der Verklebung der Aluminiumplatte mit der Kunststoffstruktur kann das Risiko bergen, dass das Glykol mit dem Aluminium unter Bildung voluminöser Aluminium-Hydroxid-Reaktionsprodukte reagiert, was zu einem mechanischen Abscheren der Klebeverbindung führen kann. Darüber hinaus können die OH-Gruppen des Klebstoffs durch das Glykol aufgespaltet werden. Zudem kann das Glykol sowohl in die Kunststoffstruktur als auch in das Polymer des Klebstoffs eindringen, was wiederum zu einem Festigkeitsverlust führt. Zumindest eine der Dichtstoffraupen kann dabei zumindest eines der nachfolgenden Materialien aufweisen, Polyolefine, Butyl-Kautschuk, Silikon oder Polyurethan. Besonders Silikone sind dabei äußerst beständig gegenüber einem Glykol-Wasser-Gemisch, wodurch ein zuverlässiges Abdichten der Klebstoffraupe gegenüber dem in der Kunststoffstruktur strömenden Glykol-Wasser-Gemisch ermöglicht wird. Diese Elastomere (besonders Butylkautschuk) gelten als sehr beständig gegenüber wässrigen Glykol-lösungen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zur Vorbehandlung einer Fügefläche einer Aluminiumplatte für eine Klebeverbindung, beispielsweise einer in den vorherigen Absätzen beschriebenen Wärmeübertragerplatte, anzugeben, bei dem an der Fügefläche eine passivierende Oxidhydratschicht verdichtet wird und bei dem in die Fügefläche Fluoride, Chromate oder Zirkonate eingebaut werden.
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Hierdurch lässt sich insbesondere eine Reaktion eines Glykol-Wasser-Gemisches mit freien Aluminiumionen verhindern bzw. zumindest reduzieren.
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Aluminium bildet eine mehr oder weniger geschlossene passivierende Oxidschicht. Je nach Temperatur und Verfügbarkeit von Feuchtigkeit bilden sich unterschiedlich Aluminiumoxyhydrate in der Oberfläche. Diese Oxyhydrate sind für die Haftung eines Polymers bzw. Klebstoffes aufgrund der Polarität auschlaggebend können aber bei zu starker Bildung zu einer Delaminierung eines Polymers bzw. Klebstoffes führen. Eine solche Delaminierung tritt somit auf, wenn die Oberfläche zu viele OH-Gruppen enthält. Um dies zu vermeiden, wird nach dem Stand der Technik die Oberfläche mit einer Säure neutralisiert.
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Dabei wurde gefunden, dass durch Zugabe von 1 - 3% Fluorid in die Säure, komplex gebunden als Kaliumaluminiumfluorid, eine moderate kontrollierte Fluorierung in der Oberfläche erzeugt wird. Dies führt zu einer guten Haftung des Polymers bzw. Klebstoffes. Bei einer zu starken Fluorierung kann das Polymer wiederum nicht mehr benetzen (Teflon Effekt). Die Stärke der Oberflächenfluorierung wird über die Konzentration des Säurebades und der Verweilzeit von 1-3 Minuten bei 50-70°C gesteuert.
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Aufgrund der starken Elektronegativität können fluorierte Metalloberflächen unterhalb eines Polymers nur schwer von Wasser als Korrosionsmedium angegriffen werden. Des Weiteren wird die Bildung voluminöser Korrosionsprodukte zum Beispiel auf Basis von Aluminiumhydroxiden wirkungsvoll verhindert.
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Zweckmäßig wird die Fügefläche wie folgt vorbehandelt:
- - Behandeln mit einer mildalkalischen Entfettung mit einem pH-Wert von 8 bis 9 bei 40°C,
- - Saure Dekapierungen bei einem pH-Wert von 3 bis 5 mit 5 bis 8% Amidosulfonsäure-Lösung mit 1-3% Kaliumaluminiumfluorid bei 55°C,
- - Handelsübliche Chrom(III) haltige Aluminium Passivierung mit Hexafluorkieselsäure, mit einem Bad mit einer Temperatur 50 bis 60°C und einem Schichtgewicht von 30 bis 50 mg/m2, sowie anschließende Trocknung bei 95°C.
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Im ersten Verfahrensschritt werden mit der alkalischen Entfettung Ziehöle und sonstige organische Verunreinigungen abgelöst.
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Im zweiten sauren Prozess-Schritt wird die alkalische Oberfläche neutralisiert und noch freie Aluminiumatome moderat fluoriert.
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Dabei wird durch diese moderate Fluorierung mit den o.a. Prozessparametern eine wässrige Unterwanderung einer Kleb- bzw. Polymerschicht wirkungsvoll verhindert. Bei korrekter Oberflächenfluorierung können sich bei Feuchtigkeitseinwirkung keine voluminösen Aluminiumhydroxide mehr bilden, die zu einer Ablösung (Delaminierung) eines Klebstoffes bzw. Polymeres führen würde. In Verbindung mit der nachfolgenden Passivierung und dem definierten Trocknungsschritt kann dann eine inerte besonders Feuchtigkeitsbeständige Aluminiumpassivierung erreicht werden.
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Sind die sauren Oberflächenfluorierungen zu stark und das Schichtgewicht der Passivierung zu hoch, kann keine zufriedenstellend Klebehaftung mehr erreicht werden. Es wird deshalb ein Fluorierungsgrad der Aluminiumoberfläche beansprucht, der mit einer EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) Analyse ermittelt wird. Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (englisch energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX, EDRS oder EDS, auch energiedispersive Röntgenanalyse, EDA, genannt, ist eine zur Röntgenspektroskopie gehörende Messmethode der Materialanalytik. Man regt die Atome in der Probe durch einen Elektronenstrahl einer bestimmten Energie an, sie senden dann Röntgenstrahlung einer für das jeweilige Element spezifischen Energie aus, die charakteristische Röntgenstrahlung. Diese Strahlung gibt Aufschluss über die Elementzusammensetzung der Probe.
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Die örtliche Genauigkeit einer Messung im Rasterelektronenmikroskop wird durch die Eindringtiefe des Elektronenstrahls in das Material begrenzt. Beim Auftreffen des Strahls auf das Material wird dieser in der Probe gestreut, so dass die emittierten Röntgenstrahlen in einem birnenförmigen Raumvolumen mit einem Durchmesser von 0,1-2 µm entstehen. Die Größe der Anregungsbirne ist in Materialien mit höherer Dichte und bei geringerer Beschleunigungsspannung kleiner. Wird die Beschleunigungsspannung aber zu klein gewählt, können Peaks höherer Energie nicht angeregt und die entsprechenden Elemente nicht nachgewiesen werden.
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Für die vorliegende Erfindung sind folgende Konzentrationen der Oberflächenfluorierung von Interesse:
- Anregungsspannung 5 KV:
- Fluorgehalt in der zu messenden Oberfläche 10-20 Atom % Anregungsspannung 20 KV:
- Fluorgehalt in der zu messenden Oberfläche 3-12 Atom %
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen jedem Aktivbad eine Kaskadenspüle mit vollentsalztem Wasser durchgeführt. Mittels vollentsalztem Wasser können Sediment bzw.-Kalkablagerungen vermieden werden, die sonst eine Klebehaftung negativ beeinflussen.
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Zweckmäßig weist das vollentsalzte Wasser eine Temperatur T von T ≥ 80°C, vorzugweise T = 95°C auf. Es ist bekannt, dass Aluminium - Passivschichten mit Hilfe von heißem Wasser verdichtet werden können. Dadurch wird eine für die Klebehaftung und Stabilität zuverlässige Adhäsionsschicht erzeugt. Diese Adhäsionsschicht wird bevorzugt durch die Bildung einer polaren Oberfläche erreicht, speziell durch OH-Gruppen (Aluminiumoxyhydrat AIOOH) erreicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das vollentsalzte Wasser eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner 120µS/cm auf. Um einen stabile Klebe- bzw. Polymerhaftung zu erzeugen ist diese Reinheit des Spülwassers erforderlich. Das Eintrocknen von fremden Verbindungen, wie zum Beispiel Kalkresten, muss vermieden werden, um ein stabiles und robustes Haftungsergebnis zu erzielen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte, mit flach anliegender Kunststoffkanalplatte,
- 2 eine Schnittdarstellung durch eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte,
- 3 eine Detaildarstellung aus 1 mit einer zusätzlichen Nietverbindung,
- 4 eine Detaildarstellung aus 1 mit einer zusätzlichen Durchsetzfügeverbindung.
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Entsprechend den 1 bis 4 weist eine erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1 für eine Energiespeichereinrichtung 2 oder eine Brennstoffzelle eine ebene Aluminiumplatte 3 sowie eine zumindest einen Kühlkanal 4 aufweisende Kunststoffstruktur 5 auf. In dem Kühlkanal 4 strömt im Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 ein Kühlmedium, beispielsweise ein Glykol-Wasser-Gemisch. Erfindungsgemäß sind nun die Aluminiumplatte 3 und die Kunststoffstruktur 5 über Fügeflächen 6, 7 miteinander verklebt, so dass die Aluminiumplatte 3 den zumindest einen in der Kunststoffstruktur 5 angeordneten Kühlkanal 4 abdeckt und begrenzt. Die Fügefläche 6 ist dabei der Aluminiumplatte 3 zugeordnet, während die Fügefläche 7 der Kunststoffstruktur 5 zugeordnet ist.
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Über die Aluminiumplatte 3 erfolgt ein Wärmeübertrag und damit eine Kühlung des Energiespeichers 2, wobei zwischen dem Energiespeicher 2 und der Aluminiumplatte 3 zur verbesserten Wärmeübertragung noch eine Wärmeleitpaste 8 angeordnet sein kann.
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Mit der erfindungsgemäßen hybriden Wärmeübertragerplatte 1 lässt sich diese deutlich kostengünstiger herstellen, da beispielsweise aufwendige Umformprozesse sowie Löt- und/oder Schweißprozesse, bei einer Ausbildung der Kanalstruktur aus Metall, entfallen. Auch die für ein Umformen derartiger Metallbleche erforderlichen Großpressen sind nicht mehr erforderlich. Darüber hinaus kann ein Energieaufwand zur Herstellung der dichten Verbindung zwischen der Aluminiumplatte 3 und der Kunststoffstruktur 5 deutlich reduziert werden, da eine Härtung einer Verklebung 9 lediglich 120 bis 150 °C erfordert, was deutlich geringere Temperaturen erforderlich macht, wie dies bei beispielsweise einem Verlöten zweier Aluminiumbauteile erforderlich wäre, da hier beispielsweise 600 °C aufgewandt werden müssen. Auch können übliche Prozessschritte, wie sie bislang für rein aus Aluminium ausgebildete Wärmetauscherplatten erforderlich waren, wie beispielsweise ein Entfetten, Löten sowie ein nachträglicher Korrosionsschutz entfallen, was die Herstellungskosten ebenfalls senkt.
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Die Kunststoffstruktur 5 kann dabei beispielsweise mittels Thermoumformen hergestellt werden, wozu zunächst beispielsweise ein Thermoplasthalbzeug erwärmt und anschließend unter Druck bzw. Unterdruck in seine endgültige Form überführt wird. Nach einem Abkühlen verbleibt das so umgeformte Thermoplasthalbzeug in seiner Form. Durch entsprechende Formen können unterschiedlichste Kühlkanalgeometrien vergleichsweise einfach hergestellt werden. Durch die nun aus Kunststoff ausgebildete Kunststoffstruktur 5 sowie eine generell dünnere Aluminiumplatte 3 können darüber hinaus eine deutliche Gewichtsreduzierung erreicht werden, was insbesondere für eine Reichweite eines Elektrofahrzeugs von großem Vorteil ist.
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Die Kunststoffstruktur 5 kann dabei zumindest einen der nachfolgend aufgezählten Kunststoffe aufweisen, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonate (PC), Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Mischungen hieraus. Generell können hier alle thermoumformbaren Kunststoffe eingesetzt werden, zum Beispiel auch Polyamide (PA), Polyphenylenether (PPE).
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Diese nicht abschließende Aufzählung lässt bereits erahnen, welch mannigfaltige Einsatzmöglichkeiten unterschiedlicher Kunststoffe bei der erfindungsgemäßen Kunststoffstruktur 5 einsetzbar sind.
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Da das in dem Kühlkanal 4 strömende Kühlmedium, beispielsweise ein Glykol-Wasser-Gemisch, einen Klebstoff 10 der Verklebung 9 angreifen kann, aber auch das Aluminium der Aluminiumplatte 3 sowie den Kunststoff der Kunststoffstruktur 5, können nachfolgend aufgezählte Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
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Generell kann das Glykol-Wasser-Gemisch mit dem Aluminium der Aluminiumplatte 3 unter Bildung voluminöser Aluminium-Hydroxid-Reaktionsprodukte reagieren, was zu einer mechanischen Abscherung der Verklebung 9 führen kann. Darüber hinaus können OH-Gruppen des Klebstoffs 10, welche mittels Chemiesorption an die Aluminium-Oxydhydrate gebunden sind, durch Glykol aufgespaltet werden. Auch ein Eindringen von Glykol in den Kunststoff der Kunststoffstruktur 5 sowie den Kunststoff, beispielsweise das Polymer, des Klebstoffes 10 kann erfolgen, was zu einem Erweichen und zu einem Festigkeitsverlust führt.
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Um den entgegen zu wirken, kann beispielsweise die Fügefläche 6 der Aluminiumplatte 3 vorbehandelt werden, beispielsweise kann an der Fügefläche 6 eine passivierende Oxidhydratschicht verdichtet werden. In die Fügefläche 6 können darüber hinaus Fluoride, Chromate, Titanate, Vanadate und Zirkonate eingebaut werden, um eine Reaktion des Glykol-Wasser-Gemisches mit freien Aluminiumionen zumindest zu reduzieren.
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Für die verbesserte Anbindung des Klebstoffes 10 der Verklebung 9 an die Fügefläche 7 der Kunststoffstruktur 5 kann diese einer Plasmaoxidation unterzogen werden, wobei alternativ auch eine Beflammung und/oder eine Ozonierung sowie eine Gasfluorierung eingesetzt werden können.
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Als Klebstoff 10 kann beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Polyurethanharz eingesetzt werden, welches eine zuverlässige Verklebung ermöglichen. Um dabei einen direkten Zutritt des Kühlmediums, beispielsweise des Glykol-Wasser-Gemisches, an die Verklebung 9 zu verhindern, kann zumindest eine Dichtstoffraupe 11 vorgesehen sein, welche zwischen der Verklebung 9 und dem Kühlkanal 4 angeordnet wird und dadurch den direkten Kontakt des Glykol-Wasser-Gemisches mit dem Klebstoff 10 der Verklebung 9 verhindert. Gemäß der 1 ist beispielsweise gezeigt, dass benachbart zu einer Klebstoffraupe 13 aus Klebstoff 10 zwei derartige Dichtstoffraupen 11 angeordnet sind. Die Dichtstoffraupe 11 kann beispielsweise eines der folgenden Materialien aufweisen, Polyolefine, Butyl-Kautschuk, Silikon oder Polyurethan.
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Um darüber hinaus die Verklebung 9 zwischen der Aluminiumplatte 3 und der Kunststoffstruktur 5 zusätzlich zu fixieren, kann auch eine Formschlussverbindung, insbesondere eine Durchsetzfügeverbindung 12 (vgl. 4) vorgesehen sein, die beispielsweise als Clinchverbindung ausgebildet ist. Eine derartige Durchsetzfügeverbindung 12 bietet darüber hinaus den großen Vorteil, dass die Verklebung 9 bzw. die Dichtstoffraupen 11 während deren Aushärtung zwischen der Aluminiumplatte 3 und der Kunststoffstruktur 5 zu fixieren. Alternativ kann zur Durchsetzfügeverbindung 12 kann zur mechanischen Fixierung der Verklebung 9 auch eine Nietverbindung 14 (vgl. 3) eingesetzt werden.
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Die Durchsetzungsfügeverbindung 12 sitzt vorzugsweise im abgedichteten Bereich und besonders bevorzugt innerhalb der Festigkeitsklebeverbindung.
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Alles in allem kann mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 ein damit ausgestatteter Wärmeübertrager deutlich kostengünstiger hergestellt werden, da teure und aufwendige Maschinen erfordernde Umformprozesse sowie ein bei Löt- und Schweißprozesses erforderlicher hoher Energieaufwand nunmehr entfallen. Darüber hinaus können auf einfache Weise flexible geformte Wärmeübertragerplatten 1 geschaffen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016125442 A1 [0004]
- DE 102017210343 A1 [0005]
- EP 2584644 B1 [0006]
