DE112020001433T5

DE112020001433T5 - Temperierplatte mit einem mikrostrukturierten Flüssigkeitskanal, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE112020001433T5
Application number: DE112020001433.9T
Authority: DE
Inventors: Chetan Prashant; Harald Rebien; Felix Senf; Bernd Gaugler; Stephan Wenzel
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH; Dana India Technical Centre Pvt Ltd
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH; Dana India Technical Centre Pvt Ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-12-23
Also published as: WO2020193362A1; CN113748309A; DE202019101687U1; US20220173455A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen plattenartigen Flüssigkeitsbehälter zum Führen einer Flüssigkeit, insbesondere zum Temperieren einer Speichereinrichtung für elektrische Energie oder zum Temperieren einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, mit zwei zumindest bereichsweise aneinander anliegenden Lagen, einem Einlass zum Einströmen der Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter und einem Auslass zum Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere zumindest zeitweilig kontinuierlichen Einströmen und Ausströmen der Flüssigkeit, wobei zwischen den Lagen entlang zumindest einer Vertiefung, welche zumindest in einer der Lagen vorhanden ist, zumindest ein der Vertiefung zugeordneter Flüssigkeitskanal zum Führen einer Flüssigkeit von dem Einlass zum Auslass vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen plattenartigen Flüssigkeitsbehälter zum Führen einer Flüssigkeit, insbesondere zum Temperieren einer Speichereinrichtung für elektrische Energie oder zum Temperieren einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, mit zwei zumindest bereichsweise aneinander anliegenden Lagen, einem Einlass zum Einströmen der Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter und einem Auslass zum Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere zumindest zeitweilig kontinuierlichen Einströmen und Ausströmen der Flüssigkeit, wobei zwischen den Lagen entlang zumindest einer Vertiefung, welche zumindest in einer der Lagen vorhanden ist, zumindest ein der Vertiefung zugeordneter Flüssigkeitskanal zum Führen einer Flüssigkeit von dem Einlass zum Auslass vorhanden ist.
Grundsätzlich ist es bekannt, Kühlplatten, welche zum Kühlen, aber auch zum Wärmen und somit allgemein zum Temperieren einer zur Deckplatte benachbarten Komponente aus Metallen oder auch Kunststoffen herzustellen. Hierzu können beispielsweise zwei Metallplatten, von welchen mindestens eine zum Bilden eines Flüssigkeitskanals Kanalstrukturen in Form von einer oder mehreren Vertiefungen aufweist, unter Bildung der Kühlerplatte miteinander verlötet oder verschweißt werden. Hierbei entsteht durch die Topologie der Kanalstrukturen, welche in Form von einer oder mehreren Vertiefungen in einer oder beiden der Platten ausgeführt sind, zwischen den beiden Platten beziehungsweise Lagen ein Hohlraum, durch welchen eine Flüssigkeit, beispielsweise zur Kühlung, führbar ist. Derartige Kühl- oder Temperierplatten können allgemein auch als plattenartige Flüssigkeitsbehälter zum Temperieren bezeichnet werden. Beispielsweise offenbart die DE 10 2017 202 552 A1 eine solche Kühlerplatte, welche auch als plattenartiger Flüssigkeitsbehälter für ein Temperieren bezeichnet werden kann. Der Flüssigkeitskanal kann dabei der einen oder den mehreren Vertiefungen zugeordnet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperierleistung bekannter Kühl- und/oder Wärmeplatten, das heißt, bekannter plattenartiger Flüssigkeitsbehälter zum Temperieren, zu verbessern, insbesondere gezielt eine gewünschte Temperierleistungsverteilung zu erreichen, beispielsweise eine ungewollte Temperatur-Ungleichverteilung zu vermeiden, oder einen Strömungswiderstand in dem Flüssigkeitskanal anzupassen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Ein Aspekt betrifft einen plattenartigen Flüssigkeitsbehälter zum Temperieren, das heißt zum Wärmen und/oder Kühlen, insbesondere zum Temperieren einer Speichereinrichtung für elektrische Energie oder eines elektrischen Verbrauchers wie einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung. Bevorzugt ist die Speichereinrichtung oder der elektrische Verbraucher dabei Teil eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Antriebsmotor.
Unter „plattenartig“ kann hier verstanden werden, dass der Flüssigkeitsbehälter sich in eine Haupterstreckungsebene mit einer vorgegebenen Länge und Breite erstreckt und die Dicke des Flüssigkeitsbehälters senkrecht zur Haupterstreckungsebene um ein Vielfaches, beispielsweise zumindest einen Faktor 10 oder zumindest einen Faktor 50 geringer ist als die Länge und/oder Breite. Ein solcher plattenartiger Flüssigkeitsbehälter zum Temperieren kann auch als Temperierplatte und/oder Kühlplatte und/oder Wärmeplatte bezeichnet werden.
Der Flüssigkeitsbehälter weist dabei zumindest zwei bereichsweise aneinander anliegende Lagen, beispielsweise metallische Lagen, möglicherweise aber auch Kunststofflagen oder Kombinationen aus mindestens einer metallischen und einer Kunststoff-Lage, auf, sowie einen Einlass zum Einströmen der Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter und einen Auslass zum Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter. Dabei ist zwischen den Lagen entlang zumindest einer Vertiefung, also einer oder mehrerer Vertiefungen, welche zumindest in einer der Lagen, also einer Lage oder in beiden Lagen, vorhanden ist oder sind, zumindest ein der Vertiefung zugeordneter Flüssigkeitskanal zum Führen der Flüssigkeit in einer Durchflussrichtung von dem Einlass zu dem Auslass vorhanden. Der Flüssigkeitskanal kann dabei einen oder mehrere der einen oder den mehreren Vertiefungen zugeordnete Flüssigkeitskanalabschnitte aufweisen. Gegebenenfalls kann auch die Durchführungsrichtung umgekehrt werden und der Auslass als Einlass genutzt werden.
Dabei weist der Flüssigkeitskanal zumindest bereichsweise, also bereichsweise oder ganz, insbesondere auch in mehreren voneinander getrennten Bereichen oder Flüssigkeitskanalabschnitten, an einer bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Innenwand eine Vielzahl von in den Flüssigkeitskanal ragenden Mikrostrukturen auf.
Viele Temperierplatten weisen eine dem zu temperierenden Körper zugewandte und eine diesem abgewandte Oberfläche auf.
Mikrostrukturen können sowohl auf der zum temperierenden Körper weisenden Innenwand als auch auf der von dem zu temperierenden Körper abgewandten Innenwand vorhanden sein. Diese Mikrostrukturen sind entsprechend mit einem Fußbereich an der jeweiligen zugeordneten Lage angeordnet oder angebracht und weisen einen frei im Kanal stehenden Kopfbereich auf, welcher über eine oder mehrere Seitenflanken der Mikrostruktur in den jeweiligen Fußbereich übergeht. Die Mikrostrukturen können also hochkant mit frei im Kanal stehendem Kopfbereich an der Innenwand angeordnet sein. Die Mikrostrukturen können dabei sowohl mit einem umformenden Verfahren und/oder einem auftragenden (additiven) Verfahren und/oder einem abtragenden Verfahren erzeugt sein, in allen drei Fällen ragt dann der mit umformendem Verfahren umgeformte oder mit auftragendem Verfahren aufgetragene oder mit abtragendem Verfahren freigestellte Kopfbereich in den Flüssigkeitskanal hinein.
Die Einbringung der Mikrostrukturen in den Flüssigkeitskanal hat den Effekt, gezielt den Wirkungsgrad der Temperierplatte zu verbessern. Die Mikrostrukturen werden dabei in jeweiligen Flüssigkeitskanalabschnitten einerseits eingesetzt, um dort gezielt Grenzschichten von der Flüssigkeit zur Kühlerplatte zu beeinflussen. Dabei kann die Reibung zwischen der Flüssigkeit und der Kühlerplatte gezielt reduziert werden. Die Reibung kann um bis zu 10 % verringert werden, indem weniger Interaktion zwischen einer Hauptströmung des Flüssigkeitskanals beziehungsweise Flüssigkeitskanalabschnittes und einer laminaren Grenzschicht an der Innenwand des Flüssigkeitskanals stattfindet. Die Mikrostrukturen können auch gezielt in Kanalabschnitten eingesetzt werden, in welchen aufgrund der Topologie des Flüssigkeitskanals Turbulenzen auftreten, um diese Turbulenzen zu reduzieren beziehungsweise zu kammern. Über die Mikrostrukturen kann die Strömung lokal in einem Flüssigkeitskanalabschnitt auch so beeinflusst werden, dass der Energieaustausch zwischen Flüssigkeit und der Innenwand angepasst wird, um die Temperierleistung anderswo zur Verfügung zu haben, also beispielsweise eine kühlere Hauptströmung an Hitzespitzen, sogenannten Hotspots, effizient einzusetzen.
Die Mikrostrukturen können andererseits beispielsweise genutzt werden, um als sogenannte Turbulatoren gezielt Wirbel lokal anzuregen. In diesem Fall führen die Mikrostrukturen zu einem größeren Druckverlust über den Flüssigkeitskanal und zu einem größeren Wärmeübertrag.
Die Mikrostrukturen können auch als Leitstrukturen zum Lenken der Strömung ausgeführt sein, beispielsweise an Verzweigungen des Flüssigkeitskanals. Hier kann mittels der Mikrostrukturen eine Erhöhung oder Verringerung des Druckverlustes gestaltet werden. Weiter können die Mikrostrukturen wie oben beschrieben als sogenannte Riblets oder Oberflächenrippen gezielt Wirbel beruhigen oder vermeiden, bei möglichst gleichem oder geringerem Druckverlust über den Flüssigkeitskanal hinweg.
Dabei können die Mikrostrukturen in unterschiedlichen Kanalabschnitten jeweils unterschiedliche Formen oder unterschiedliche relative Anordnungen zueinander einnehmen, so dass lokal die unterschiedlichen Strömungseigenschaften berücksichtigt werden können und so beispielsweise eine Kühlleistung der Kühlplatte an eine Verteilung einer Hitzeentstehung des zu kühlenden Elements angepasst werden kann.
Insgesamt bietet der beschriebene Flüssigkeitsbehälter also einen deutlichen Mehrwert für die Produktfamilie der Temperierplatten, da ein verbesserter thermischer Übertrag möglich ist, zum Beispiel eine verbesserte Kühlwirkung bei ansonsten gleichbleibenden Randbedingungen, beispielsweise einer gleichbleibenden Topologie. Dies wiederum eröffnet einen größeren Gestaltungsspielraum in Richtung höherer Energiedichte bei gleichem Bauraum, zum Beispiel für neue Leistungselektroniken oder bei neuen Energiespeichergenerationen, beziehungsweise erlaubt eine größere Leistungsentnahme aus den etablierten Batteriezellen. Ungewollte Temperatur-Ungleichverteilungen, beispielsweise sogenannte Hotspots, können gezielt vermieden werden. Dies liefert gerade bei dem Kühlen einer Speichereinrichtung für elektrische Energie, sogenannte Batteriekühlerplatten, eine erhöhte Sicherheit und Lebensdauer für die gekühlten Batterien. Des Weiteren ist durch die Widerstandsminimierung eine Reduktion der Pumpleistung möglich. Dies ermöglicht einen effizienteren Betrieb des Gesamtsystems und somit zum Beispiel eine größere Reichweite eines Kraftfahrzeugs mit Elektro- oder Hybridantrieb.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrostrukturen zumindest teilweise, also einige der Mikrostrukturen oder sämtliche Mikrostrukturen, als Oberflächenrippen ausgebildet sind, die sich mit ihrer Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen entlang einer Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal erstrecken. Die Oberflächenrippen oder Riblets können also in Strömungsrichtung verlaufen. Das hat den Vorteil, dass im Bereich der Mikrostrukturen ein Strömungswiderstand verringert und somit ein Wärmeübertrag beeinflusst wird.
Die Oberflächenrippen haben den Vorteil, dass Wirbelbildung und damit Druckverlust in den Flüssigkeitskanalabschnitten, in welchen die Oberflächenrippen vorliegen, reduziert werden. Außerdem wird in diesen Bereichen auch ein Wärmeübertrag von oder zu der Flüssigkeit an die Umgebung, insbesondere die zu temperierende Komponente, beeinflusst was die Flexibilität, also Anpassungsfähigkeit des Flüssigkeitsbehälters an die zu kühlende Komponente erhöht.
Dabei kann vorgesehen sein, dass sich die Oberflächenrippen zumindest abschnittsweise über den Flüssigkeitskanal erstrecken, insbesondere über einen Großteil eines verzweigungsfreien Abschnitts des Flüssigkeitskanals erstrecken. Das hat den Vorteil, dass der Strömungswiderstand gezielt in dem entsprechenden Abschnitt verringert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest abschnittsweise die Mikrostrukturen als Gruppen zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal verlaufender Oberflächenrippen ausgebildet sind. Derartige Oberflächenrippen können auch als parallele Riblets bezeichnet werden. Das hat den Vorteil, dass der Strömungswiderstand in einem größeren Bereich des Flüssigkeitskanals verringert wird.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrostrukturen zumindest abschnittsweise, also zumindest in einem Flüssigkeitskanalabschnitt des Flüssigkeitskanals, in einem zu der Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal senkrecht stehenden Querschnitt betrachtet jeweils zumindest im Wesentlichen, also im Wesentlichen oder genau, senkrecht an und zu der Innenwand angebracht sind. Unter „im Wesentlichen“ kann hier „bis auf eine vorgegebene Abweichung“ verstanden werden. Die vorgegebene Abweichung kann dabei beispielsweise ± 10°, ± 5° oder ± 1° betragen. Das hat den Vorteil, dass die Mikrostruktur auf einfache Weise mit geringem Materialaufwand im flachem Zustand der Lage, also wenn die Lage die Vertiefung für den Flüssigkeitskanal noch nicht aufweist, in die Lage und damit die Kanalwand eingebracht werden kann und erst hinterher die Kanalform über die Lage überformt werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist hier vorgesehen, dass die Mikrostrukturen zumindest abschnittsweise in einer Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den im Kanal senkrecht stehenden Querschnitt betrachtet jeweils zumindest im Wesentlichen parallele, also im Wesentlichen oder genau parallele Seitenflanken aufweisen. Auch hier kann die entsprechende Abweichung wieder ± 10°, ± 5° oder ± 1° betragen. Das hat den Vorteil, dass in diesem Fall im fertigen Flüssigkeitskanal Hinterschnitte, welche nicht entformt werden können, vermieden werden, und so zunächst die Vertiefung in den Lagen geformt werden kann und danach die Mikrostrukturen, beispielsweise durch Lasern, eingeformt werden können.
Die beiden vorgenannten Abschnitte betrachten Mikrostrukturen mit einem im Wesentlichen rechteckförmigen oder zumindest zeitweilig im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt. Neben diesen sind aber auch andere Querschnittsformen der Mikrostrukturen möglich, etwa Strukturen, die zumindest abschnittsweise auf einer Wellenlinie oder Abschnitten einer solchen verlaufen, dreieckige Profile oder trapezförmige Profile, bei denen die Wände jeweils schräg verlaufen.
Besonders vorteilhaft sind Mikrostrukturen, insbesondere Mikrostrukturen mit einem im Wesentlichen rechteckigen oder zumindest zeitweilig im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt, wobei die Breite der Mikrostrukturen, bei Bestimmung parallel zu einer umgebenden Oberfläche eines Flüssigkeitskanals, größer ist als eine Höhe der Mikrostrukturen, bei Bestimmung senkrecht zu der umgebenden Oberfläche eines Flüssigkeitskanals.
Während rechteckige, trapezförmige oder dreieckige Formen in Bezug auf die Strömungsmechanik vorteilhaft sind, da die Oberfläche, die in die Flüssigkeit ragt, besonders klein ist, sind gerundet rechteckige, gerundet trapezförmige oder gerundet dreieckige Formen vorteilhaft in Bezug auf die Herstellung.
Die Oberflächenrippen oder zumindest einige der Oberflächenrippen können eine Höhe aufweisen, die weniger als 500 µm, bevorzugt weniger als 250 um beträgt. Es kann also eine maximale Höhe der Oberflächenrippen oder Riblets vorgegeben sein. Die Oberflächenrippen oder zumindest einige der Oberflächenrippen können auch eine Höhe aufweisen, die mindestens 5µm, bevorzugt mindestens 10µm, bevorzugt mindestens 20µm aufweisen. Es kann also eine minimale Höhe der Oberflächenrippen oder Riblets vorgegeben sein. Die genannten Abmessungen haben sich dabei als besonders vorteilhaft für das Verringern des Strömungswiderstands im Flüssigkeitskanal erwiesen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass innerhalb einer Gruppe von im Wesentlichen parallel zu einer Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal verlaufenden Oberflächenrippen der Abstand zwischen zwei einander nächstliegenden Oberflächenrippen im Fußbereich und/oder im Kopfbereich der jeweiligen Oberflächenrippen mindestens so groß ist wie die Höhe der niedrigeren der beiden nächstliegenden Oberflächenrippen und höchstens das Zehnfache der Höhe der höheren der beiden einander nächstliegenden Oberflächenrippen beträgt. Auch diese Gestaltung hat sich als besonders vorteilhaft für das Verringern des Strömungswiderstands im Flüssigkeitskanal erwiesen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine Gruppe von Oberflächenrippen zumindest in Abschnitten entlang der Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal so angeordnet ist bzw. sind, dass die mindestens eine Gruppe von Oberflächenrippen über mindestens 20% des Kanalumfangs, vorzugsweise 40% des Kanalumfangs in diesen Abschnitten vorhanden ist bzw. sind. Dieser Anteil hat sich als ausreichend für ein signifikantes Verringern des Strömungswiderstands im Flüssigkeitskanal erwiesen.
Die Höhe der Mikrostrukturen kann hier als maximale Höhe verstanden werden, beispielsweise wenn zwei Seitenflanken einer Mikrostruktur aufgrund einer schrägen Anordnung der Mikrostruktur auf der Innenwand des Flüssigkeitskanals unterschiedlich lang sind. Die Höhe kann auch als maximaler Abstand der Mikrostruktur von einer Tangente an der Innenwand des Flüssigkeitskanals am Fuß der Mikrostruktur verstanden werden. Die genannten Abmessungen haben sich hier als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie besonders geeignet sind, um eine Wirbelbildung zu vermindern.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Oberflächenrippen zumindest abschnittsweise in einem Randbereich, bevorzugt zwei Randbereichen, des Flüssigkeitskanals eine geringere Höhe aufweisen, als in einem zwischen den Randbereichen angeordneten Mittelbereich des Flüssigkeitskanals. Rand- und Mittelbereich können dabei in der dem Flüssigkeitskanal zugeordneten Vertiefung angeordnet sein. Dabei sind Rand- und Mittelbereich in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene des Flüssigkeitsbehälters entlang einer lokalen Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal bestimmt.
In einer Projektion auf eine Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene des Flüssigkeitsbehälters kann also der oben beschriebene Kern der Flüssigkeit, welcher eine maximale Durchflussgeschwindigkeit aufweist, auf den Mittelbereich projiziert werden, wohingegen auf den oder die Randbereiche die Bereiche des Flüssigkeitskanals projiziert werden, in welchen geringere Durchflussgeschwindigkeiten auftreten. Alternativ können die Mikrostrukturen auch die gleiche Höhe und/oder die gleiche Dicke aufweisen, was herstellungstechnische Vorteile mit sich bringt.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrostrukturen zumindest teilweise, also einige der Mikrostrukturen oder sämtliche Mikrostrukturen, als Turbulatoren ausgebildet sind, die auf ihrem stromabwärts der Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Kanal liegenden Ende für eine Strömung der Flüssigkeit (also für den Flüssigkeitsstrom) eine (Strömungs-)Abrisskante aufweisen. Das hat den Vorteil, dass im Bereich der Mikrostrukturen eine Wirbelbildung gefördert und somit ein Wärmeübertrag vergrößert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass zumindest abschnittsweise die Mikrostrukturen zumindest teilweise als diskrete, also voneinander getrennte Strömungsstörelemente ausgebildet sind, die ausgehend vom Bereich ihrer maximalen Breite in Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Kanal eine geringere Erstreckung parallel zu dieser Durchflussrichtung aufweisen als entgegen dieser Durchflussrichtung. Durch diese Gestaltung wird im Bereich der Mikrostrukturen eine Wirbelbildung gefördert und somit ein Wärmeübertrag vergrößert.
Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Turbulatoren in Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Kanal hintereinander angeordnet sind, wobei die hintereinander angeordneten Turbulatoren in Durchflussrichtung betrachtet versetzt angeordnet sein können. Die Turbulatoren können somit im Bereich ihrer maximalen Breite relativ zu den Seitenrändern des Kanals identische oder verschiedene Abstände aufweisen.
Das hat den Vorteil, dass die Wirbelbildung nochmals verstärkt wird.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitskanal in mindestens einem Flüssigkeitskanalabschnitt in Durchflussrichtung der Flüssigkeit eine Krümmung aufweist, wobei im Bereich der Krümmung mindestens eine, vorzugsweise mehrere als Leitstrukturen ausgebildete Mikrostrukturen angeordnet sind. Das hat den Vorteil, dass die Strömung innerhalb des Flüssigkeitskanals genauer vorgegeben werden kann, insbesondere gezielt zu Bereichen mit vergrößertem Temperierbedarf gelenkt werden kann.. Das verbessert wiederum die Gestaltungsmöglichkeiten für die Wärmeübertragung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitskanal in mindestens einem Flüssigkeitskanalabschnitt in Durchflussrichtung der Flüssigkeit eine Verzweigung aufweist und/oder mehrere Flüssigkeitskanalabschnitte sich in Durchflussrichtung der Flüssigkeit zu einem Flüssigkeitskanalabschnitt vereinigen, wobei im Bereich der Verzweigung und/oder der Vereinigung der jeweiligen Flüssigkeitskanalabschnitte mindestens eine, vorzugsweise mehrere Leitstrukturen angeordnet sind. Das hat den Vorteil, dass die Strömung gezielt in oder aus einem Flüssigkeitskanalabschnitt geleitet werden kann und so gezielt Behälterbereiche größeren und kleineren Wärmeübertrags geschaffen werden können.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Leitstrukturen nicht der Richtung der Krümmung und/oder der Verzweigung und/oder der Vereinigung des betreffenden Flüssigkeitskanalabschnitt folgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass alle oder zumindest ein Teil der Turbulatoren und/oder der Leitstrukturen eine Höhe aufweisen, die mindestens 1/10 der Kanalhöhe an der jeweiligen Position des Turbulators bzw. der Leitstruktur beträgt, vorzugsweise mindestens 1/5 oder mindestens 1/3 oder mindestens ½ der Kanalhöhe an der jeweiligen Position des Turbulators bzw. der Leitstruktur.
Damit kann sichergestellt werden, dass die Turbulatoren und/oder Leitstrukturen ausreichend in die (Kern--)Strömung der Flüssigkeit hineinragen, um die genannten Effekte in besonders ausgeprägtem Maße zu erzielen.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrostrukturen teilweise als Oberflächenrippen und/oder teilweise als Turbulatoren und/oder teilweise als Leitstrukturen ausgebildet sind. Damit können die Strömungsverhältnisse und damit die Wärmeübertragung besonders flexibel und unabhängiger von dem Verlauf des Flüssigkeitskanals gestaltet werden. Das hat den Vorteil, dass das Strömungsverhalten besonders gut an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Turbulatoren nur abschnittsweise über den Flüssigkeitskanal erstrecken, sie insbesondere in einem Bereichsabschnitt des Flüssigkeitskanals in Durchflussrichtung vor und/oder hinter einem Bereichsabschnitt mit Oberflächenrippen angeordnet sind. Sind also die Mikrostrukturen teilweise als Oberflächenrippen und teilweise als Turbulatoren ausgebildet, so ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Turbulatoren nur abschnittsweise über den Flüssigkeitskanal erstrecken und insbesondere in einem Abschnitt des Flüssigkeitskanals in Durchflussrichtung vor und/oder hinter einem Abschnitt mit Oberflächenrippen angeordnet sind.
Es kann also an einer Stelle X im Strom ein Turbulator sitzen, alternativ auch an der Stelle X im Strom mehrere in einer Reihe senkrecht zur Durchflussrichtung angeordnete Turbulatoren sitzen, und mit vorgegebenem Abstand dahinter eine oder mehrere Oberflächenrippen. Durch den oder die Turbulatoren wird dann gezielt an der Stelle X eine Turbulenz erzeugt, um lokal einen besonders großen Wärmeübertrag zu ermöglichen, beispielsweise einen Hotspot gezielt zu kühlen. Kurz darauf werden durch die Oberflächenrippen die entstandenen Wirbel beruhigt und so die Reibungsverluste minimiert und so die insgesamt benötigte Energie minimiert. Dabei können Abschnitte, in welchen nur im Wesentlichen geradlinige oder leicht gewellte Oberflächenrippen vorhanden sind, bewusst über im Vergleich zu den Abschnitten mit den Turbulatoren längere Abschnitte eingesetzt werden, um dort den Wärmeübertrag auf die oder von der Flüssigkeit zu minimieren und somit geringe Energie- und Druckverluste zu realisieren. Durch die Turbulatoren kann auch gezielt ein Gegenwirbel zu einem beispielsweise durch die Topologie des Flüssigkeitskanals wie eine Verzweigung des Flüssigkeitskanals entstehenden zu kompensierenden Wirbel erzeugt werden. Die für die Beruhigung des Wirbels erforderlich Energie beträgt dabei rund 20 % der im Wirbel enthaltenen Energie.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine Lage der mindestens zwei Lagen der Temperierplatte eine metallische Lage oder eine Kunststofflage ist und die Mikrostrukturen zumindest teilweise, also teilweise oder ganz, in die zumindest eine metallische Lage oder die Kunststofflage eingeformt, insbesondere eingeprägt oder rollierend eingebracht sind. Das hat den Vorteil der besonders kostengünstigen und schnellen Fertigung.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine Lage eine metallische Lage ist und die Mikrostrukturen zumindest teilweise, also teilweise oder vollständig, in die zumindest eine metallische Lage abtragend eingebracht sind, insbesondere mittels Lasers oder mittels Ätzens abtragend eingebracht sind. Die nach dem Abtragen verbleibenden, in den Flüssigkeitskanal hineinragenden Überstände der metallischen Lage bilden dann die jeweiligen Mikrostrukturen. Das hat den Vorteil, dass die Mikrostrukturen besonders genau und klein hergestellt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine Lage eine Kunststofflage ist und die Mikrostrukturen zumindest teilweise beim Urformen der Lage, insbesondere beim Spritzgießen der Lage, eingebracht sind. Das hat den Vorteil, dass die Produktion besonders einfach, günstig und schnell erfolgt.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine Lage eine metallische Lage oder eine Kunststofflage ist und die Mikrostrukturen zumindest teilweise, also sämtliche Mikrostrukturen oder nur ein Teil der Mikrostrukturen, aufgebracht sind, insbesondere mittels Lithografie und/oder mittels 3D-Druck und/oder mittels aufgebrachtem und mithilfe von Laser aufgeschmolzenem Pulver und/oder mittels Plasma.
Eine Temperierplatte kann für sich genommen zweilagig ausgebildet sein, auch wenn sie aus einer fortlaufenden Blechlage hergestellt ist, wobei zwei Abschnitte der Blechlage aufeinander gefaltet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die Oberflächenrippen zumindest abschnittsweise über den Flüssigkeitskanal erstrecken, insbesondere über einen Großteil, beispielsweise mehr als 50 %, mehr als 70 % oder mehr als 90 % der Länge eines verzweigungsfreien Abschnitts des Flüssigkeitskanals, welcher auch als Flüssigkeitskanalabschnitt bezeichnet werden kann. Dabei können die Oberflächenrippen auch unterbrochene Oberflächenrippen sein, sodass sich der Bereich, in welchem die Oberflächenrippen vorhanden sind, über den Großteil der Länge des verzweigungsfreien Abschnitts des Flüssigkeitskanals erstreckt. Das hat den Vorteil, dass in dem jeweiligen Flüssigkeitskanalabschnitt eine verringerte Reibung erreicht wird.
Es kann auch vorgesehen sein, durch mehrere zumindest im Wesentlichen parallel zueinander, jedoch schräg zur Durchflussrichtung verlaufende Leitstrukturen eine „gewindeartige“ Anordnung zu erreichen, welche den Flüssigkeitsstrom dann in dem entsprechenden Abschnitt in Rotation versetzt und so einen Wärmeübertrag zwischen Flüssigkeit und der Innenwand des Flüssigkeitsbehälters und somit der zu temperierenden Komponente fördert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrostrukturen zumindest teilweise als Turbulatoren ausgebildet sind, die sich mit ihrer Haupterstreckungsrichtung quer zu einer Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Kanal erstrecken und/oder deren Länge in Richtung der Haupterstreckungsrichtung höchstens das Doppelte, insbesondere höchstens das 1,5-fache, ihrer Breite senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung beträgt. Weisen die Turbulatoren eine Haupterstreckungsrichtung auf, so kann diese zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Durchflussrichtung stehen, das heißt beispielsweise mit einer Abweichung von ± 10°, ± 25° oder ± 40°. Das hat den Vorteil, dass gezielt Verwirbelungen und damit ein Wärmeübertrag zwischen der Flüssigkeit und der zu temperierenden Komponente gefördert werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vertiefung in die Lage geprägt ist und zumindest ein Prägeradius, insbesondere alle Prägeradien, der Vertiefung derart an das Material der Lage angepasst sind, dass eine umformbedingte, insbesondere eine prägeradiusbedingte, lokale Ausdünnung der geprägten Lage weniger als 15 %, insbesondere weniger als 10 % oder weniger als 8 % oder weniger als 5 %, besonders bevorzugt weniger als 4 % beträgt. Die Prägeradien der Vertiefung können in einem zu der Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal senkrecht stehenden lokalen Querschnitt betrachtet vorgegeben sein. Das hat den Vorteil, dass die Mikrostrukturen abtragend aus der Lage geformt werden können, und dabei die Gesamtausdünnung der geprägten Lage unkritisch bleibt. Überdies kann mittels variierender Flankenwinkel auch die Reibung reduziert werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die dem Flüssigkeitskanal zugeordnete Vertiefung in dem zu einer Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal senkrecht stehenden Querschnitt betrachtet an der Innenwand oder -seite des Flüssigkeitskanals einen ersten konvexen Randbereich aufweist, welcher mit oder ohne Durchlaufen eines geraden Verbindungsbereiches in einen ersten konkaven Mittelbereich übergeht, wobei der konkave Mittelbereich seinerseits entweder direkt in einen zweiten konvexen Randbereich übergeht oder in einen geraden Zentralbereich, der seinerseits in einen weiteren konkaven Mittelbereich übergeht, der wiederum mit oder ohne Durchlaufen eines weiteren geraden Verbindungsbereichs in den zweiten konvexen Randbereich übergeht.
Hier bieten die beschriebenen Mikrostrukturen, insbesondere die Turbulatoren oder Leitstrukturen, den Vorteil, dass auch bei sehr großen Prägeradien in der Fuge zwischen den Lagen Verwirbelungen vermieden werden können, und so insgesamt eine vorteilhafte Fluiddynamik erreicht wird.
Die oben genannten Mikrostrukturen der Oberfläche lassen sich auch für die Kühlmittelkanäle von Separatorplatten in Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellstacks einsetzen. Insbesondere die Hintereinanderschaltung aus Turbulenzen erzeugenden Turbulatoren und Turbulenzen reduzierenden Oberflächenrippen kann auch dort zu einer lokal verbesserten Kühlung führen.
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 verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen und/oder von diesen abweichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 in Teilbildern 1A, 1B und 1C eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines beispielhaften plattenartigen Flüssigkeitsbehälters, auf welchem im Teilbild 1A Batteriezellen angeordnet sind;
2 in den Teilbildern 2A, 2B, 2C und 2D jeweilige Teil-Schnittansichten senkrecht zur Haupterstreckungsebene des plattenartigen Flüssigkeitsbehälters und senkrecht zu einer Durchflussrichtung durch den Flüssigkeitskanal mit starker Flankenverjüngung bei kleinen Prägeradien und reduzierter Flankenverjüngung bei größeren Prägeradien, sowie geradem Zwischenstück;
3 eine beispielhafte Wärmeverteilung in auf einem plattenartigen Flüssigkeitsbehälter nach Stand der Technik angeordneten Batteriezellen eines Batteriepacks;
4 ein exemplarisches Beispiel von Mikrostrukturen in einem Flüssigkeitskanal in einer Überblicksansicht (Teilbild 4A) und einer Detailansicht (4B);
5 in den Teilbildern 5A bis 5F jeweils unterschiedliche Mikrostrukturen diverser Formen und Anordnungen mit einer Detaildarstellung in Teilbild 5G; sowie
6 einen beispielhaften Verlauf eines sich verzweigenden Flüssigkeitskanals in einer Draufsicht auf eine Lage des plattenartigen Flüssigkeitsbehälters; und
7 einen Teilquerschnitt einer Schicht eines weiteren plattenartigen Flüssigkeitsbehälters und ein Diagramm, das die Abhängigkeit des relativen Flüssigkeitswiderstands von dem Abstand zwischen den Mikrostrukturen zeigt.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Maßstäbe, insbesondere der detaillierten Darstellungen von Oberflächenrippen, Turbulatoren und Leitstrukturen sind nicht identisch.
1 zeigt in Teilbild 1A eine Seitenansicht eines Flüssigkeitsbehälters 1, nämlich vorliegend einer Batterietemperierplatte 1 mit einer ersten oberen Lage 2 und einer zweiten unteren Lage 3. Im gezeigten Beispiel weist die untere Lage 3 auf ihrer der ersten Lage 2 zugewandten Seite zumindest eine Vertiefung 8 (Teilbild 1C) auf, welche den Verlauf eines Flüssigkeitskanals 4 vorgibt. Auf der oberen Lage 2 ist ein Batteriepack 103 mit Batteriezellen 104 angeordnet. Das Batteriepack 103 und die Temperierplatte 1 befinden sich dabei in einem Wärmeleitungskontakt. Die Temperierflüssigkeit wird aus einer Zuleitung über einen an einem Ende der Temperierplatte 1 angeordneten Einlassstutzen 101 in den Flüssigkeitskanal 4 der Temperierplatte 1 eingeleitet. Der Flüssigkeitskanal 4 verzweigt sich im in Teilbild 1B gezeigten Beispiel in zwei Kanalabschnitte 4a und 4b, welche hier vorliegend jeweils den Einlass 101 mit dem Auslass 102 fluidisch koppeln. Die Durchflussrichtung 5 einer in den Flüssigkeitskanal 4 über den Einlass 101 eingebrachten Flüssigkeit ist hier jeweils mit Pfeilen bezeichnet. In Teilbild 1C sind erste Lage 2 und zweite Lage 3 mit der Vertiefung 8 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
In 2A ist nun ein Teil-Schnitt durch eine der Lagen, vorliegend die zweite Lage 3, senkrecht zur Durchflussrichtung dargestellt. Die Lage 3 ist dabei eine Blechlage, in die noch keine Mikrostrukturierung eingebracht ist. Dabei geht der tatsächliche Verlauf der Lage 3 aus dem schraffiert gezeichneten Querschnitt hervor. Die Lage 3 befindet sich noch im Werkzeug, wobei bereits die gesamte Umformung stattgefunden hat. Die Linien 61, 62 stellen den Verlauf der Konturen der Werkzeuge 63, 64 dar. Die Blechkonturen liegen dabei nicht beidseitig durchgängig an den Werkzeugen an, vielmehr ergibt sich die Form durch partielles Anliegen in Kombination mit einem Ziehen des Materials.
Dabei resultiert eine Ausdünnung des Materials, die sich aus dem Unterschied zwischen der ursprünglichen Blechdicke t₁ und der Blechdicke t₂ im verformten Bereich ergibt. Diese ist im Bereich des Prägeradius r₁ besonders groß. Die Ausdünnung (t₁-t₂)/t₁ beträgt dabei vorliegend rund 10 %. An der Innenseite oder Innenwand 7 des Flüssigkeitskanals 4 weist die Vertiefung 8 einen ersten konvexen Randbereich 9 auf, welcher vorliegend ohne Durchlaufen eines geraden Verbindungsbereichs in einen ersten konkaven Mittelbereich 10 übergeht. Dieser konkave Mittelbereich 10 geht seinerseits vorliegend in einen geraden Zentralbereich 11 über. Der vollständige Flüssigkeitskanal 4 (ohne Berücksichtigen der ersten Lage 2) ergibt sich hier durch ein spiegelsymmetrisches Fortführen des gezeigten Querschnitts, wobei der gerade Zentralbereich 11 dann in einen weiteren konkaven Mittelbereich übergeht, welcher seinerseits in einen zweiten konvexen Randbereich übergeht.
In 2B ist die analoge Situation mit deutlich größeren Prägeradien r₁ , r₂ dargestellt. Dabei ist die in der Lage 3 realisierte Ausdünnung (t₁-t₂)/t₁ wesentlich geringer, vorliegend weniger als 3 %.
In 2C sind die Werkzeuge 63, 64 nach dem Umformen bereits wieder teilweise gehöffnet. Hier sind die Prägeradien r₁ , r₂ im Vergleich mit 2B wieder geringer, jedoch ist zwischen dem konvexen Randbereich 9 und dem konkaven Mittelbereich 10 vorliegend ein gerader Zwischenbereich 11' vorhanden. Die in der Lage 3 realisierte Ausdünnung (t₁-t₂)/t₁ ist vergleichbar der in 2B, also weniger als 3 %.
In den Beispielen der 2A bis 2C weist das Blech der Lage 3 nur eine geringe Ausdünnung auf, so dass auch beim anschließenden oder gleichzeitigen Einbringen von Mikrostrukturen mittels abtragender Verfahren oder umformender Verfahren keine Überlastung des Blechs eintritt und die mikrostrukturierten Flüssigkeitskanäle gegenüber Flüssigkeitskanälen ohne Mikrostrukturierung keinerlei Nachteile im Hinblick auf beispielsweise Dichtigkeit und Dauerhaltbarkeit aufweisen.
2D stellt dagegen ein konventionelles Werkzeug mit einer Blechlage 3 dar, bei dem das Einformen des Flüssigkeitskanals zu einer wesentlich deutlicheren Ausdünnung der Lage 3 führt. Die Ausdünnung (t₁-t₂)/t₁ beträgt hier ca. 40%, so dass diese Basisform nur bedingt für das Einformen von Mikrostrukturen oder gar Abtragen von Material zum Erzeugen von Mikrostrukturen geeignet ist.
In 3 ist eine beispielhafte Wärmeverteilung in auf einem plattenartigen Flüssigkeitsbehälter nach Stand der Technik angeordneten Batteriezellen 104 eines Batteriepacks 103 dargestellt. Die größte Hitze ist vorliegend in Bereich A vorhanden, die geringste Hitze in Bereich B. Die Abstufungen zwischen größter und geringster Hitze sind dabei in der Projektion in Form von Isothermen L kenntlich gemacht. Die Hitzeverteilung im Batteriepack ist sehr inhomogen und kann zwischen den Bereichen A und B bis zu 15K Differenz und entsprechend im zugeordneten Flüssigkeitsbehälter bis zu 10K erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bereits ab 5K Differenz im Batteriepack unterschiedliche Alterungseffekte auftreten, wodurch die Leistung des Batteriepacks verringert wird.
In den 4A und 5A bis 5F sind jeweilige Flüssigkeitskanalabschnitte 4a, 4b, welche sich auch über den gesamten Flüssigkeitskanal 4 erstrecken können, jeweils in einer Draufsicht mit entsprechenden Mikrostrukturen 12, 12', 12", 12''' dargestellt. Dabei kann die jeweilige Lage 3 jeweils sowohl noch gerade, also im Hinblick auf die Vertiefung 8 unverformt, das heißt mit den Mikrostrukturen aber noch ohne die Vertiefung 8 sein, oder bereits sowohl über die Vertiefung 8 als auch über die Mikrostrukturen 12 verfügen, wobei dann in den Figuren jeweils eine Projektion der Mikrostrukturen 12' auf die Haupterstreckungsebene des Flüssigkeitsbehälters 1 dargestellt ist.
In 4A sind dabei geradlinige, als Oberflächenrippen 12' ausgeführte Mikrostrukturen 12 dargestellt, welche äquidistant in einem Abstand d parallel zur Durchflussrichtung 5 angeordnet sind. Die Mikrostrukturen 12 erstrecken sich dabei vorliegend durchgängig über die gesamte Länge des gezeigten Abschnitts 4a, 4b in x-Richtung.
In 4B ist links ein Querschnitt durch eine Hälfte eines beispielhaften Flüssigkeitskanals 4, rechts ein vergrößerter Querschnitt durch die mikrostrukturierte Lage 3 dargestellt. Die Länge der durchgezogenen, die Lagen 2, 3 darstellenden Linien von 4B links entspricht hier der Hälfte des Kanalumfangs des Flüssigkeitskanals 4. In 4B rechts sind Mikrostrukturen 12, 12' mit dreieckiger Querschnittsform dargestellt. Der Abstand d der Mikrostrukturen 12, 12' kann hier und auch in den anderen Beispielen durch den Abstand der Kopfbereiche der jeweiligen Mikrostrukturen 12 gegeben sein. Im gezeigten Beispiel ist der Abstand d durch den Abstand der in den Flüssigkeitskanal 4 ragenden Spitzen der Oberflächenrippen 12' gegeben. Der Abstand d kann aber auch über den Abstand der Seitenflanken der jeweiligen Mikrostrukturen 12 auf halber Höhe oder aber, wenn im Fußbereich anders als hier vorliegend kein unmittelbarer Übergang zwischen einander benachbarten oberflächenrippen 12' stattfindet, im Fußbereich gegeben sein. Im gezeigten Beispiel steht die Höhe h senkrecht zum Abstand d und ist durch den maximalen (senkrecht zum Abstand d verlaufenden) Abstand eines Punktes im Kopfbereich der Mikrostruktur 12 von einem Punkte im Fußbereich der Mikrostruktur 12 gegeben.
In Abhängigkeit von der Krümmung der Vertiefung 8 bzw. ihrer Innenwand 7 kann es bei anderen Anordnungen zu geringen Abweichungen vom rechten Winkel kommen.
In 5A erstrecken sich die als Oberflächenrippen 12' ausgeführten Mikrostrukturen 12 ebenfalls durchgängig über die gesamte Länge des Führungskanalabschnitts 4a, 4b, sind dabei jedoch mit unterschiedlichen Abständen d₁ , d₂ voneinander beabstandet angeordnet, wobei die Abstände d₁ , d₂ zwischen den Seitenflanken 13, 13' der jeweiligen Oberflächenrippen 12' gemessen sind. Im gezeigten Beispiel haben die Oberflächenrippen 12' im Gegensatz zu dem Beispiel aus 4A einen rechteckigen Querschnitt. Zusätzlich handelt es sich im gezeigten Beispiel um gewellte Oberflächenrippen, welche sich in einer Wellenlinie parallel zur Durchflussrichtung 5 über den Flüssigkeitskanalabschnitt 4a, 4b erstrecken.
In 5B erstrecken sich die jeweiligen als Oberflächenrippen 12' ausgeführten Mikrostrukturen 12 nicht über die gesamte Länge des Führungskanalabschnitts 4a, 4b, sondern jeweils nur mit ihrer jeweiligen Haupterstreckungsrichtung über einen Teilbereich X_o , X_o ' hinweg parallel zur Durchflussrichtung 5. Der jeweilige Teilbereich X_o , X_o ' macht dabei einen Bruchteil, vorliegend ca. ein Fünftel des gezeigten Führungskanalabschnitts 4a, 4b aus. Dabei sind in jedem Teilbereich X_o , X_o ' mehrere, vorliegend fünf oder sechs der Mikrostrukturen 12 in einer Reihe parallel zur Durchflussrichtung angeordnet. Die in dem jeweiligen sich an einen Teilbereich X anschließenden Teilbereich X_o ' angeordneten Mikrostrukturen 12 sind dabei senkrecht zur Durchflussrichtung 5 versetzt zu den vorhergehenden Mikrostrukturen 12 von Teilbereich X_o angeordnet. Die Teilbereiche X_o , X_o ' können sich dabei auch wie gezeigt in Durchflussrichtung überlappen, beispielsweise mit je weniger als 10% oder weniger als 5%. In Durchflussrichtung können sich die Teilbereiche X_o , X_o ' alternierend über einen Abschnitt des Flüssigkeitskanals fortsetzen, was hier symbolisch skizziert ist. In einer Draufsicht auf die Lage 3 weisen die Mikrostrukturen 12 dabei vorliegend die gleiche Kontur oder Grundform auf, wie dies auch in den vorhergehenden gezeigten Beispielen der Fall ist. Bei den in 5B gezeigten Oberflächenrippen 12' ist dies eine elliptische Kontur. Der Abstand d senkrecht zur Durchflussrichtung 5 wird dabei vorliegend wieder zwischen den Seitenflanken 13, 13' gemessen, genauer an deren Fußbereich, und zwar für die Oberflächenrippen 12' eines Bereichs X_o , X_o ' senkrecht zur Durchflussrichtung 5.
In 5C sind ebenfalls in Durchflussrichtung 5 unterbrochene Mikrostrukturen 12 dargestellt, welche jedoch vorliegend als Turbulatoren 12" ausgeführt sind. Entsprechend sind die vorliegend ebenfalls mit elliptischer Kontur versehenen Mikrostrukturen 12 mit ihrer Haupterstreckungsrichtung quer zur Durchflussrichtung 5 angeordnet. In jeweiligen, in Durchflussrichtung aufeinander folgenden Teilbereichen X_t , X_t ' sind dabei vorliegend wie in 5B mehrere, hier dargestellt im Teilbereich X_t zwei und im Teilbereich X_t ' eine, Mikrostrukturen 12 (bevorzugt mit ihren Haupterstreckungsrichtungen parallel) angeordnet. Die Mikrostrukturen eines Teilbereichs X_t , X_t ' sind dabei vorliegend quer zur Durchflussrichtung 5 in einem vergrößertem Abstand d* angeordnet. Der vergrößerte Abstand d* entspricht im gezeigten Beispiel dem doppelten des Abstands d der Turbulatoren 12" nächstliegender Teilbereiche X_t , X_t ' quer zur Durchflussrichtung zuzüglich der Erstreckung einer Mikrostruktur 12 quer zur Durchflussrichtung 5.
In 5D sind hier zunächst in Teilbereichen X mehrere als Oberflächenrippen 12' ausgebildete Mikrostrukturen 12 mit ihrer jeweiligen Haupterstreckungsrichtung parallel zur Durchflussrichtung 5 nebeneinander angeordnet. Diese haben vorliegend wieder eine elliptische Grundform. In einem zwischen den Teilbereichen X_o liegendem Teilbereich X₂ sind im vorliegenden Beispiel keine Mikrostrukturen 12 vorhanden.
In 5E sind hier zunächst im Teilbereich X₁ mehrere als Leitstrukturen 12''' ausgebildete Mikrostrukturen 12 mit ihrer jeweiligen Haupterstreckungsrichtung parallel zur Durchflussrichtung 5 nebeneinander angeordnet. Diese haben vorliegend eine elliptische Grundform, wobei diese Leitstrukturen 12''' nicht über ihre gesamte Länge gezeigt sind.
An den Teilbereich X_l schließt sich ein weiterer Teilbereich X₁ an, in welchem im vorliegenden Beispiel keine Mikrostrukturen 12 vorgesehen sind.
In einem weiteren, sich an Teilbereich X₁ anschließenden Teilbereich X_t sind vorliegend Turbulatoren 12'' zum Verwirbeln der Flüssigkeit angeordnet. Die Turbulatoren 12" sind in einem Abstand d₁ zueinander angeordnet. Die Turbulatoren 12" sind dabei zu den Leitstrukturen 12''' in Durchflussrichtung 5 quer betrachtet versetzt angeordnet, sodass die Leitstrukturen 12''' die Flüssigkeit direkt auf die Turbulatoren 12'' leiten. Die Turbulatoren 12'' haben dabei vorliegend eine dreieckige Grundfläche, mit einer Spitze entgegen der Durchflussrichtung 5 und einer Grundfläche, an welcher mit einer Abrisskante ein Strömungsabriss provoziert wird, senkrecht zur Durchflussrichtung 5 orientiert. Dadurch wird unmittelbar an den Teilbereich X_t anschließend eine verstärkte Wirbelbildung und damit ein verstärkter Wärmeübertrag, beispielsweise eine erhöhte Kühlung, erzeugt.
An den Teilbereich X_t schließt sich wiederum ein Teilbereich X₂ an, in welchem vorliegend keine Mikrostrukturen 12 vorhanden sind. In dem sich in Durchflussrichtung stromabwärts an den Bereich X₂ anschließenden Bereich X_o sind nun wiederum als Oberflächenrippen 12' ausgeführte Mikrostrukturen 12 angeordnet, welche die an den Turbulatoren oder Dreiecks-Mikrostrukturen 12" absichtlich gebildeten Turbulenzen auffangen oder reduzieren.
Der Abstand d₂ der einander nächstliegenden Oberflächenrippen 12' ist dabei wesentlich geringer als der Abstand d₁ der einander nächstliegenden Turbulatoren 12" im Bereich X_t .
In 5F sind weitere beispielhafte Anordnungsmöglichkeiten für als Turbulatoren 12" ausgeführte Mikrostrukturen 12 dargestellt. Dabei sind die Turbulatoren 12" in Reihen quer zur Durchflussrichtung 5 angeordnet, wobei die Reihen unterschiedlich viele Turbulatoren 12" aufweisen können, beispielsweise sieben, sechs, fünf oder drei Turbulatoren 12". Entsprechend können sich die Reihen der Turbulatoren 12" nur teilweise, aber auch vollständig über die Breite des Flüssigkeitskanals 4 erstrecken.
Die Reihen können in Durchflussrichtung 5 in unterschiedlichen Abständen angeordnet sein, um gezielt an gewünschten Orten Verwirbelungen und damit Wärmeübertrag zu fördern.
Die gezeigten Turbulatoren 12" sind aufgrund ihrer Kontur besonders gut zum Erzeugen von Verwirbelungen geeignet. Die Kontur ist vorliegend durch ein gleichschenkliges Dreieck und ein Trapez als Grundkörper gebildet, wobei das Trapez mit der längeren der beiden parallelen Seiten an die Grundseite des Dreiecks anschließt. Die Spitze des Dreiecks ist entgegen der Durchflussrichtung 5 orientiert, das Trapez bildet eine Abrisskante für die Strömung. Vorliegend sind die Konturen der Turbulatoren 12" auch bezüglich der Durchflussrichtung 5 symmetrisch ausgebildet.
5G stellt einen Schnitt durch einen Turbulator 12" entlang der Linie A-A in 5F dar. Dabei wird deutlich, dass die Höhe des Turbulators 12" im stromaufwärtigen Teil (dem gleichschenkligen Dreieck in Draufsicht) in Strömungsrichtung ansteigt und dem stromabwärtigen Ende zu konstant verläuft. Das stromabwärtige Ende fällt dann mit 90° senkrecht ab.
Die in den 4A sowie 5A bis 5F gezeigten beispielhaften Ausführungsformen können auch als Ausschnitte eines wiederkehrenden Musters verstanden werden. So kann sich das gezeigte Muster der Mikrostrukturen 12 in x- und/oder y-Richtung beliebig weit erstrecken und wiederholen.
6 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften sich verzweigenden Flüssigkeitskanal 4 in einer Draufsicht auf eine Lage 3 des plattenartigen Flüssigkeitsbehälters. Dabei sind an Orten von Verzweigungen 14 und/oder Abzweigungen 15 in dem Flüssigkeitskanal 4 vorliegend jeweilige Leitstrukturen 12''' angeordnet. Die Leitstrukturen 12''' dienen dabei der quantitativen Steuerung der Strömungsvolumina in die unterschiedlichen Zweige des Flüssigkeitskanals 4 an den Orten der Verzweigungen 14 beziehungsweise der Abzweigungen 15. Im vorliegenden Beispiel wurde an den Verzweigungen 14 für die Leitstrukturen 12''' eine S-förmige Kontur gewählt, an den Abzweigungen 15 eine geradlinige Kontur nach Art von Leitblechen.
7 zeigt, analog zu 4B, im unteren Teil eine Schicht 3 mit Mikrostrukturen 12, 12' eines Flüssigkeitsbehälters gemäß der Erfindung im Teilquerschnitt. Die Mikrostrukturen 12, 12' weisen im Querschnitt eine rechteckige Form auf. Der Abstand d zwischen den Mikrostrukturen 12, 12' kann hier und in anderen Beispielen durch die Breite von einer sich wiederholenden Einheit der Mikrostrukturen 12 definiert sein. Im gezeigten Beispiel entspricht dies dem Abstand d, der durch den Abstand zwischen den Mitten angrenzender Spitzen/Vorsprünge oder Endabschnitten den Oberflächenrippen 12 definiert ist. Der Abstand d kann jedoch auch als Abstand einander entsprechender Seitenflanken von angrenzenden Mikrostrukturen 12 auf halber Höhe oder, wenn kein direkter Übergang zwischen angrenzender Oberflächenrippen 12' vorhanden ist, im Fußbereich bestimmt sein. In diesem Beispiel ergeben beide Definitionen identische Werte für den Abstand d, da sich die Seitenflanken der Mikrostrukturen 12, 12' parallel zueinander erstrecken. In diesem Beispiel ist die Höhe h senkrecht zum Abstand d und ist definiert durch den maximalen Abstand (in einer Richtung senkrecht zum Abstand d) zwischen einem beliebigen der Punkte im Kopfbereich der Mikrostruktur 12 und einem beliebigen der Punkte im Fußbereich von oder direkt neben der Mikrostruktur 12. In Abhängigkeit von der Krümmung der Vertiefung 8 bzw. ihrer Innenwand (siehe z.B. 1A - 2C) kann es bei anderen Anordnungen zu geringen Abweichungen vom rechten Winkel kommen.
In der oberen Teilfigur von 7 wird der Einfluss des Abstands d (Abszisse, in mm) auf die Reduzierung des Strömungswiderstands (Ordinate, in %) im Flüssigkeitskanal der Mikrostrukturen 12, 12' mit rechteckigem Querschnitt im Vergleich zu einem glatten Flüssigkeitskanal in Prozent relativ zu einer willkürlichen Baseline (als „0%“ angegebene Linie) dargestellt. Die Reduzierung des Strömungswiderstandes ist für Mikrostrukturen 12, 12' mit rechteckigem Querschnitt bei sonst unveränderten Abmessungen dargestellt, d.h. bei gleicher Höhe h und Breite b der Mikrostrukturen 12, 12' eine Gerade mit rautenförmigen Datenpunkten und als „Grundausführung“ bezeichnet. Diese Kurve zeigt, dass für Mikrostrukturen 12, 12' mit vorgegebener Form ein optimaler Abstand d_opt zwischen benachbarten Mikrostrukturen 12, 12' besteht, bei dem der Widerstand am stärksten reduziert wird.
Zum Vergleich werden auch 6 verschiedene Querschnittsformen von Mikrostrukturen gemessen, allerdings nur mit Einzelwerten. Es hat sich bestätigt (in 7 nicht dargestellt), dass diese mit „Option 1“ bis „Option 6“ bezeichneten Ausführungen eine ähnliche Abhängigkeit des relativen Strömungswiderstandes vom Abstand d aufweisen wie die Mikrostrukturen 12, 12' mit rechteckigem Querschnitt der Grundausführung.
So zeigt 7, dass es Parametersätze, z.B. Abstände d, gibt, die den relativen Strömungswiderstand erhöhen. Aus diesem Grund sollten die Parametersätze, d.h. Form und/oder Höhe h und/oder Breite b und/oder Abstand d, vorzugsweise in Abhängigkeit von Viskosität und Massenstrom des Fluids und damit in Abhängigkeit von Fluid und/oder Druck und/oder Temperatur und/oder Dichte und/oder Fluidkanalquerschnitt und/oder Fluidgeschwindigkeit gewählt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017202552 A1 [0002]

Claims

Plattenartiger Flüssigkeitsbehälter (1) zum Führen einer Flüssigkeit, insbesondere zum Temperieren einer Speichereinrichtung (103) für elektrische Energie oder zum Temperieren einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, mit - zwei zumindest bereichsweise aneinander anliegenden Lagen (2, 3), - einem Einlass (101) zum Einfüllen der Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter (1), und - einem Auslass (102) zum Auslassen der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter (1), wobei zwischen den Lagen (2, 3) entlang zumindest einer Vertiefung (8), welche zumindest in einer der Lagen (2, 3) vorhanden ist, zumindest ein der Vertiefung (8) zugeordneter Flüssigkeitskanal (4) zum Führen der Flüssigkeit von dem Einlass (101) zu dem Auslass (102) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskanal (4) an einer Innenwand (7) eine Vielzahl von in den Flüssigkeitskanal (4) ragenden Mikrostrukturen (12) aufweist.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (12) zumindest teilweise als Oberflächenrippen (12') ausgebildet sind, die sich mit ihrer Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen entlang einer Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal (4) erstrecken.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oberflächenrippen (12') zumindest abschnittsweise über den Flüssigkeitskanal (4) erstrecken, insbesondere über einen Großteil eines verzweigungsfreien Abschnitts (4a, 4b) des Flüssigkeitskanals (4) erstrecken.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise die Mikrostrukturen (12) als Gruppen zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal (4) verlaufender Oberflächenrippen (12') ausgebildet sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrippen oder zumindest einige der Oberflächenrippen (12') eine Höhe (h) aufweisen, die weniger als 500 µm, bevorzugt weniger als 250 um aufweisen.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrippen (12') oder zumindest einige der Oberflächenrippen eine Höhe (h) aufweisen, die mindestens 5µm, bevorzugt mindestens 10µm bevorzugt mindestens 20µm aufweisen.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Gruppe von im Wesentlichen parallel zu einer Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal (4) verlaufenden Oberflächenrippen (12') der Abstand zwischen zwei einander nächstliegenden Oberflächenrippen mindestens so groß ist wie die Höhe (h) der niedrigeren der beiden nächstliegenden Oberflächenrippen und höchstens dem Zehnfachen der Höhe (h) der höheren der beiden einander nächstliegenden Oberflächenrippen entspricht.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gruppe von Oberflächenrippen (12') zumindest in Abschnitten entlang der Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal (4) so angeordnet ist bzw. sind, dass die mindestens eine Gruppe von Oberflächenrippen über mindestens 20% des Kanalumfangs, vorzugsweise 40% des Kanalumfangs in diesen Abschnitten vorhanden ist bzw. sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (12) zumindest teilweise als Turbulatoren (12") ausgebildet sind, die auf ihrem stromabwärts der Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Kanal liegenden Ende eine Abrisskante für eine Strömung der Flüssigkeit aufweisen.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise die Mikrostrukturen (12) als diskrete Strömungsstörelemente ausgebildet sind, die ausgehend vom Bereich ihrer maximalen Breite in Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Kanal eine geringere Erstreckung parallel zu dieser Durchflussrichtung aufweisen als entgegen dieser Durchflussrichtung.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Turbulatoren (12") in Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Kanal hintereinander angeordnet sind, wobei die hintereinander angeordneten Turbulatoren (12") in Durchflussrichtung (5) betrachtet versetzt zueinander angeordnet sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskanal in mindestens einem Flüssigkeitskanalabschnitt in Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit eine Krümmung aufweist, wobei im Bereich der Krümmung mindestens eine, vorzugsweise mehrere als Leitstrukturen (12''') ausgebildete Mikrostrukturen (12) angeordnet sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskanal in mindestens einem Flüssigkeitskanalabschnitt in Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit eine Verzweigung aufweist oder mehrere Flüssigkeitskanalabschnitte sich in Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit zu einem Flüssigkeitskanalabschnitt vereinigen, wobei im Bereich der Verzweigung und/oder der Vereinigung der Flüssigkeitskanalabschnitte mindestens eine, vorzugsweise mehrere Leitstrukturen (12''') angeordnet sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Leitstrukturen (12''') nicht der Richtung der Krümmung und/oder der Verzweigung und/oder der Vereinigung des betreffenden Flüssigkeitskanalabschnitts folgen.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder zumindest ein Teil der Turbulatoren (12") und/oder der Leitstrukturen (12''') eine Höhe (h) aufweisen, die mindestens 1/10, vorzugsweise mindestens 1/5, vorzugsweise mindestens 1/3 der Kanalhöhe an der jeweiligen Position des Turbulators beträgt.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (12) teilweise als Oberflächenrippen (12') nach einem der Ansprüche 2 bis 8 und/oder teilweise als Turbulatoren (12") nach einem der Ansprüche 9 bis 11 und 15 und/oder teilweise als Leitstrukturen (12''') nach einem der Ansprüche 12 bis 15 ausgebildet sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Turbulatoren (12") nur abschnittsweise über den Flüssigkeitskanal (4) erstrecken, insbesondere in einem Bereichsabschnitt (X_t) des Flüssigkeitskanals (4) in Durchflussrichtung (5) vor und/oder hinter einem Bereichsabschnitt (X_o) mit Oberflächenrippen (12') angeordnet sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lage (2, 3) eine metallische Lage (2, 3) oder eine Kunststofflage (2, 3) ist und die Mikrostrukturen (12) zumindest teilweise in die zumindest eine metallische Lage (2, 3) oder die zumindest eine Kunststofflage (2, 3) eingeformt, insbesondere eingeprägt oder rollierend eingebracht sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lage (2, 3) eine metallische Lage (2, 3) ist und die Mikrostrukturen (12) zumindest teilweise in die zumindest eine metallische Lage (2, 3) abtragend eingebracht, insbesondere mittels Lasers oder mittels Ätzens abtragend eingebracht sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lage (2, 3) eine Kunststofflage (2, 3) ist und die Mikrostrukturen (12) zumindest teilweise beim Urformen der Lage (2, 3), insbesondere beim Spritzgießen der Lage (2, 3) eingebracht sind.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lage (2, 3) eine metallische Lage (2, 3) oder eine Kunststofflage (2, 3) ist und die Mikrostrukturen (12) zumindest teilweise aufgebracht sind, insbesondere mittels Lithographie oder mittels Laser aufgebrachtem Pulver oder mittels 3-D Druck oder mittels Plasma.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (8) in die Lage (2, 3) geprägt ist und zumindest ein Prägeradius (r1, r2), insbesondere alle Prägeradien (r1, r2), der Vertiefung (8) derart an das Material der Lage (2, 3) angepasst sind, dass eine Ausdünnung (a) der geprägten Lage (2, 3) weniger als 15%, insbesondere weniger als 10%, insbesondere weniger als 8%, vorzugsweise weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 4% beträgt.
Flüssigkeitsbehälter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Flüssigkeitskanal (4) zugeordnete Vertiefung (8) in dem zu einer Durchflussrichtung (5) der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal (4) senkrecht stehenden Querschnitt an der Innenwand (7) des Flüssigkeitskanals (4) einen ersten konvexen Randbereich (9) aufweist, welcher mit oder ohne Durchlaufen eines geraden Verbindungsbereiches (11') in einen ersten konkaven Mittelbereich (11) übergeht, wobei der konkave Mittelbereich (10) seinerseits entweder direkt in einen zweiten konvexen Randbereich übergeht oder in einen geraden Zentralbereich (11), der seinerseits direkt in einen weiteren konkaven Mittelbereich übergeht, der wiederum mit oder ohne Durchlaufen eines geraden Verbindungsbereiches (11') in den zweiten konvexen Randbereich übergeht.