DE202017103796U1

DE202017103796U1 - Flächiges Temperierelement

Info

Publication number: DE202017103796U1
Application number: DE202017103796.7U
Authority: DE
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2018-10-01
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: DE102018113661A1

Abstract

Flächiges Temperierelement (1) zur Zuleitung oder zur Ableitung von Wärme zu oder von einer Batterie (2, 2a, 2b), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit
- einem flachen Trägerkern (3), und
- einem auf dem Trägerkern (3) angeordneten Kontaktelement (4) für das Anlegen des Temperierelements (1) an wenigstens einer Seite der Batterie (2, 2a, 2b), wobei das Kontaktelement (4) so ausgebildet ist, dass es Unebeneinheiten in der Kontaktfläche (5) der Batterie (2, 2a, 2b) ausgleicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4) eine Vielzahl von Fasern (6) oder Faserbündeln (6') aus einem wärmeleitfähigen Material aufweist, wobei die Fasern (6) oder die Faserbündel (6') von dem Trägerkern (3) winklig abstehend angeordnet sind und, wobei das wärmeleitfähige Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/(m·K) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flächiges Temperierelement zur Zuleitung oder zur Ableitung von Wärme zu oder von einer Batterie, mit einem flachen Trägerkern und mit einem auf dem Trägerkern angeordneten Kontaktelement für das Anlegen des Temperierelements an wenigstens einer Seite der Batterie, wobei das Kontaktelement so ausgebildet ist, dass es Unebenheiten in der Kontaktfläche der Batterie ausgleicht.
Derartige Temperierelemente sind im Stand der Technik beispielsweise aus den Dokumenten DE 10 2013 203 468 A1 , DE 10 2014 210 570 A1 oder US 9,431,686 B2 vorbekannt.
Sämtliche der vorgenannten Dokumente beschäftigen sich mit dem Problem, dass in der Kontaktfläche der Batterie Unebenheiten auftreten können, welche bei flächig ausgebildeten und angelegten Temperierelementen zu Lufteinschlüssen und Hohlräumen führen und die Wärmeübertragung bzw. die Wärmeableitung negativ beeinträchtigen. Die Lösungen aus dem Stand der Technik sehen dabei vor das flächiges Temperierelement mittels Druckbeaufschlagung aufzublähen, oder als Kontaktelement elastisch verformbare Vergussmassen vorzusehen, um die vorgenannten Unebenheiten ausgleichen.
Ein mit Druck beaufschlagter Hohlraum birgt jedoch immer die Gefahr von Leckagen, wohingegen die aus dem Stand der Technik bekannten Vergussmassen in der Produktion schwer händelbar sind und zudem über die Einsatzdauer im Volumen schwinden können und hierdurch unerwünschte Luftspalte entstehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein gattungsgemäßes flächiges Temperierelement anzugeben, das einfacher in der Herstellung ist und über die Einsatzdauer zuverlässig seine Funktion erfüllt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein flächiges Temperierelement zur Zuleitung oder zur Ableitung von Wärme zu oder von einer Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit

- einem flachen Trägerkern, und
- einem auf dem Trägerkern angeordneten Kontaktelement für das Anlegen des Temperierelements an wenigstens einer Seite der Batterie, wobei das Kontaktelement so ausgebildet ist, dass es Unebenheiten in der Kontaktfläche der Batterie ausgleicht,

Zusätzlich kann auf der im bestimmungsgemäßen Einsatz von der Batterie abgewandten Seite der Trägerstruktur ein weiteres Kontaktelement vorgesehen sein, welches eine Vielzahl von Fasern oder Faserbündeln aufweist.
Nachfolgend beschriebene Ausbildungen von Fasern oder Faserbündeln beziehen sich sowohl auf die Fasern oder Faserbündeln des Kontaktelements als auch die des weiteren Kontaktelements.
Das Material der Fasern oder Faserbündel kann ein Metall und/oder Kohlenstoff und/oder ein wärmeleitfähiges Polymer und/oder eine wärmeleitfähige Keramik umfassen. Im Fall des Kohlenstoffs kann es sich insbesondere um Kohlenstoffnanoröhren, Diamant, Graphen, Fullerene und/oder Graphit handeln. Bei Metall kann es sich insbesondere um Kupfer, Gold, Aluminium, Molybdän, Messing, Zink, Magnesium, Wolfram, Nickel, Eisen, Platin, Zinn, Tantal, Blei, Titan oder Legierungen aus einer der vorgenannten Metalle handeln. Bei der Keramik kann es sich insbesondere um Siliciumcarbid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Silicium oder Aluminiumoxid handeln.
Die Fasern oder Faserbündel können in einem Winkel α zwischen 25° bis 90°, bevorzugt zwischen 35° bis 90°, zur Oberfläche des Trägerkerns winklig abstehend angeordnet sein.
Hierbei müssen nicht alle Fasern oder Faserbündel den exakt gleichen Winkel aus diesem Winkelbereich aufweisen. Dieser Winkel α wird so bestimmt, dass es sich um den jeweils kleineren der beiden an die Fasern oder Faserbündel anlegbaren Winkel handelt. Diese bevorzugten Winkelbereiche haben sich als besonders geeignet gezeigt im Hinblick auf ein Optimum zwischen Anpresskraft und maximalem Kompressionsweg des Kontaktelements.
Der Trägerkern kann wenigstens einen Hohlraum aufweisen der von einem Kühl- und/oder Heizfluid durchströmbar ist. Vorteilhaft kann so der Trägerkern, und damit das Temperierelement selbst, unmittelbar beheizt oder gekühlt werden. Alternativ erfolgt eine Zufuhr oder Abfuhr von Wärme über ein separates Kühl- und/oder Heizelement, das in wärmeleitendem Kontakt zu dem Temperierelement steht.
Die Fasern oder Faserbündel weisen bevorzugt eine Länge in ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise von mindestens 0,75 mm auf. Besonders bevorzugt weisen die Fasern oder Faserbündel eine Länge in ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung von mindestens 1 mm auf.
Die Fasern oder Faserbündel können im Verbindungsbereich zu dem Trägerkern mittels einer Klebstoffschicht stoffschlüssig mit dem Trägerkern verbunden sein.
Der Klebstoff der Klebstoffschicht enthält bevorzugt Zusätze die dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Vorgenannte Zusätze können insbesondere keramische oder metallische Füllstoffe sein. Vorgenannte Füllstoffe können als Partikel oder Fasern ausgebildet sein.
Der Trägerkern kann insbesondere aus einem Metall-Kunststoffverbund bestehen. Der Trägerkern lässt sich insbesondere im Extrusionsverfahren herstellen in dem ein metallisches Band oder Blech in einem Extruderkopf mit einem Kunststoff überhautet oder vollständig umschlossen wird. Das Metall des Bands oder Blechs kann Kupfer, Gold, Aluminium, Molybdän, Messing, Zink, Magnesium, Wolfram, Nickel, Eisen, Platin, Zinn, Tantal, Blei, Titan oder Legierungen aus einer der vorgenannten Metalle umfassen.
Ferner Teil der Erfindung ist ein Batteriemodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Batterie, und wenigstens einem Temperierelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, oder einem Temperierelement wie vorstehend beschrieben. Hierbei liegt die Batterie an wenigstens einer ihrer Seiten über eine Kontaktfläche an dem Kontaktelement des Temperierelements an.
Bevorzugt besteht die Batterie aus wenigstens zwei benachbart angeordneten Batteriezellen, wobei die Batteriezellen zueinander einen Höhenversatz in Bezug auf die (gemeinsam ausgebildete) Kontaktfläche aufweisen.
Bevorzugt ist das Batteriemodul in einem separaten Gehäuse angeordnet, wobei das Temperierelement an einer Innenwandung des Gehäuses anliegt. Insbesondere kann das Temperierelement hierbei über das vorstehend beschriebene weitere Kontaktelement an der Innenwandung des Gehäuses anliegen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Temperierelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, oder einem Temperierelement wie vorstehend beschrieben, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen eines Trägerkerns,
- Aufbringen einer klebefähigen Klebstoffschicht auf zumindest eine Seite des Trägerkerns,
- Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen dem Trägerkern und einem mit Fasern oder Faserbündeln befüllten Faserapplikator,
- Beschleunigen der Fasern oder Faserbündel in Richtung der zumindest einen Seite des Trägerkerns mittels des elektrischen Feldes,
- Einschießen der Fasern oder Faserbündel in die Klebstoffschicht,
- Vernetzen und/oder Aushärten der Klebstoffschicht.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 und 2: Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Temperierelements,
3: Detail der Querschnittsdarstellung gemäß 1.

Die 1 und 2 zeigen eine Querschnittsdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Temperierelement 1, sowie ein erfindungsgemäß ist Batteriemodul in unterschiedlichen Stadien der Kontaktierung des Temperierelements 1 mit der Batterie 2.
Das flächiges Temperierelement 1 zur Zuleitung oder zur Ableitung von Wärme zu oder von einer Batterie 2, 2a, 2b umfasst einen flachen Trägerkern 3 und ein auf dem Trägerkern 3 angeordnetes Kontaktelement 4 für das Anlegen des Temperierelements 1 an wenigstens einer Seite der Batterie 2, 2a, 2b. Das Kontaktelement 4 ist so ausgebildet, dass es Unebenheiten in der Kontaktfläche 5 der Batterie 2, 2a, 2b ausgleicht. Das Kontaktelement 4 weist hierfür eine Vielzahl von Fasern 6 oder Faserbündeln 6' auf, wobei die Fasern 6 oder die Faserbündel 6' von dem Trägerkern 3 winklig abstehend angeordnet sind. Das wärmeleitfähige Material der Fasern 6 oder Faserbündel 6' weist eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/(m·K) auf.
Zusätzlich ist auf der im bestimmungsgemäßen Einsatz von der Batterie 2, 2a, 2b abgewandten Seite der Trägerstruktur 3 ein weiteres Kontaktelement 7 vorgesehen, welches ebenfalls eine Vielzahl von Fasern 6 oder Faserbündeln 6' aufweist.
Im Vergleich von 1 zu 2 ist die vorteilhafte Funktionsweise des erfindungsgemäßen Temperierelements 1 erkennbar. Die winklig abstehend angeordneten Fasern 6 oder Faserbündel 6' des Temperierelements 1 wirken (vergleichbar mit einem sich an eine Schuhsohle anpassenden Teppichboden) ausgleichend auf die Unebenheiten in der Kontaktfläche 5 der Batterie 2, 2a, 2b und sorgen zudem für eine Anpresskraft des Temperierelements 1 an die Batterie 2, 2a, 2b, sowie eine Komprimierbarkeit des Kontaktelements 4, indem die Fasern 6 oder Faserbündel 6' unter der Kraft (z.B. durch das Eigengewicht oder Einspannung) der Batterie 2, 2a, 2b ausweichen und sich flacher legen.
Das Material der Fasern 6 oder Faserbündel 6' umfasst ein Metall und/oder Kohlenstoff und/oder ein wärmeleitfähiges Polymer und/oder eine wärmeleitfähige Keramik. Im Falle von Kohlenstoff können insbesondere Graphit oder Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt werden.
In 3 ist ersichtlich wie der Winkel α zwischen der Oberfläche 8 des Trägerkerns 3 und den Fasern 6 oder Faserbündeln 6' zu bestimmen ist. Hierbei ist der jeweils kleinere der beiden an die Fasern 6 oder Faserbündel 6' anlegbaren Winkel als Winkel α definiert. Die Fasern 6 oder Faserbündel 6' sind bevorzugt in einem Winkel α zwischen 25° bis 90°, weiter bevorzugt zwischen 35° bis 90°, zur Oberfläche 8 des Trägerkerns 3 winklig abstehend angeordnet.
Der Trägerkern 3 weist wenigstens einen Hohlraum 9 auf der von einem Kühl- und/oder Heizfluid durchströmbar ist. Alternativ oder ergänzend kann eine Kühlung oder Beheizung des Temperierelements 1 (und letztendlich der Batterie 2) über Fluidleitungen (F) außerhalb eines das Batteriemodul aufnehmenden Gehäuses 14 erfolgen.
Die Fasern 6 oder die Faserbündel 6' weisen bevorzugt eine Länge in ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise von mindestens 0,75 mm besonders bevorzugt von mindestens 1 mm auf.
Die Fasern 6 oder Faserbündel 6' sind im Verbindungsbereich 10 zu dem Trägerkern 3 mittels einer Klebstoffschicht 11 stoffschlüssig mit dem Trägerkern 3 verbunden (vergleiche insbesondere Detaildarstellung in 3). Der Klebstoff der Klebstoffschicht 11 kann hierbei Zusätze, insbesondere keramische oder metallische Füllstoffe, enthalten die dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhen.
Der Trägerkern besteht aus einem Metall-Kunststoffverbund 12, 13. Der Kunststoff 12 befindet sich hierbei bevorzugt zwischen dem Kontaktelement 4 und dem Metall 13.
In den Figuren ist neben dem flächigen Temperierelement 1 auch ein Batteriemodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Batteriemodul umfasst wenigstens eine Batterie 2, 2a, 2b, und wenigstens ein Temperierelement 1 wie vorstehend beschrieben (oder insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9). Die Batterie 2, 2a, 2b liegt an wenigstens einer ihrer Seiten über eine Kontaktfläche 5 an dem Kontaktelement 4 des Temperierelements 1 an. Die Batterie besteht hierbei aus wenigstens zwei benachbart angeordneten Batteriezellen 2a, 2b, wobei die Batteriezellen 2a, 2b zueinander einen Höhenversatz in Bezug auf die Kontaktfläche 5 aufweisen (vgl. Strich-Punktlinie in 1).
Das Batteriemodul ist in einem Gehäuse 14 angeordnet, wobei das Temperierelement 1 an einer Innenwandung 15 des Gehäuses 14 anliegt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines vorstehend beschriebene Temperierelements 1 umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines Trägerkerns 3,
- Aufbringen einer klebefähigen Klebstoffschicht auf zumindest eine Seite des Trägerkerns 3,
- Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen dem Trägerkern 3 und einem mit Fasern 6 oder Faserbündeln 6' befüllten Faserapplikator,
- Beschleunigen der Fasern 6 oder Faserbündel 6' in Richtung der zumindest einen Seite des Trägerkerns 3 mittels des elektrischen Feldes,
- Einschießen der Fasern 6 oder Faserbündeln 6' in die Klebstoffschicht,
- Vernetzen und/oder Aushärten der Klebstoffschicht 11.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013203468 A1 [0002]
DE 102014210570 A1 [0002]
US 9431686 B2 [0002]

Claims

Flächiges Temperierelement (1) zur Zuleitung oder zur Ableitung von Wärme zu oder von einer Batterie (2, 2a, 2b), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit - einem flachen Trägerkern (3), und - einem auf dem Trägerkern (3) angeordneten Kontaktelement (4) für das Anlegen des Temperierelements (1) an wenigstens einer Seite der Batterie (2, 2a, 2b), wobei das Kontaktelement (4) so ausgebildet ist, dass es Unebeneinheiten in der Kontaktfläche (5) der Batterie (2, 2a, 2b) ausgleicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4) eine Vielzahl von Fasern (6) oder Faserbündeln (6') aus einem wärmeleitfähigen Material aufweist, wobei die Fasern (6) oder die Faserbündel (6') von dem Trägerkern (3) winklig abstehend angeordnet sind und, wobei das wärmeleitfähige Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/(m·K) aufweist.
Flächiges Temperierelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auf der im bestimmungsgemäßen Einsatz von der Batterie (2, 2a, 2b) abgewandten Seite der Trägerstruktur (3) ein weiteres Kontaktelement (7) vorgesehen ist, welches eine Vielzahl von Fasern (6) oder Faserbündeln (6') aufweist.
Flächiges Temperierelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Fasern (6) oder Faserbündel (6') ein Metall und/oder Kohlenstoff und/oder ein wärmeleitfähiges Polymer und/oder eine wärmeleitfähige Keramik umfasst.
Flächiges Temperierelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) oder Faserbündel (6') in einem Winkel α zwischen 25° bis 90°, bevorzugt zwischen 35° bis 90°, zur Oberfläche (8) des Trägerkerns (3) winklig abstehend angeordnet sind.
Flächiges Temperierelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkern (3) wenigstens einen Hohlraum (9) aufweist der von einem Kühl- und/oder Heizfluid durchströmbar ist.
Flächiges Temperierelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) oder Faserbündel (6') eine Länge in ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise von mindestens 0,75 mm aufweisen.
Flächiges Temperierelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) oder Faserbündel (6') im Verbindungsbereich (10) zu dem Trägerkern (3) mittels einer Klebstoffschicht (11) stoffschlüssig mit dem Trägerkern (3) verbunden sind.
Flächiges Temperierelement (1) nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff der Klebstoffschicht (11) Zusätze, insbesondere keramische oder metallische Füllstoffe, enthält die dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhen.
Flächiges Temperierelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkern (3) aus einem Metall-Kunststoffverbund (12, 13) besteht.
Batteriemodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit - wenigstens einer Batterie (2, 2a, 2b), und - wenigstens einem Temperierelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Batterie (2, 2a, 2b) an wenigstens einer ihrer Seiten über eine Kontaktfläche (5) an dem Kontaktelement (4) des Temperierelements (1) anliegt.
Batteriemodul nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (2) aus wenigstens zwei benachbart angeordneten Batteriezellen (2a, 2b) besteht, wobei die Batteriezellen (2a, 2b) zueinander einen Höhenversatz in Bezug auf die Kontaktfläche (5) aufweisen.
Batteriemodul nach einem der vorstehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul in einem Gehäuse (14) angeordnet ist, wobei das Temperierelement (1) an einer Innenwandung (15) des Gehäuses (14) anliegt.