ES2961594T3 - Placa de refrigeración de batería - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una placa de enfriamiento de batería que comprende una parte del cuerpo principal que tiene extremos opuestos y una primera y una segunda superficie exterior que definen cada una una superficie primaria de transferencia de calor entre dichos extremos opuestos, comprendiendo dicha parte del cuerpo principal una primera placa exterior y una segunda placa exterior; al menos un paso de flujo de fluido formado dentro de dicha porción de cuerpo principal entre dichas placas exteriores primera y segunda; teniendo el paso de flujo de fluido un primer extremo para introducir un fluido en dicho paso de fluido y un segundo extremo para descargar dicho fluido desde dicho paso de flujo de fluido, definiendo dichos primer y segundo extremos una dirección de flujo a través de dicho paso de flujo de fluido; cada una de dichas placas exteriores primera y segunda tiene una porción central, generalmente plana, rodeada por un reborde periférico; en el que la primera y segunda placas exteriores se han unido entre sí mediante soldadura láser remota; en el que la primera placa exterior está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un rango de 0,5% a 1,5% y Mg en un rango de hasta 0,06%; en donde la segunda placa exterior está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un rango de 0,5% a 1,5% y Mg en un rango de hasta 0,15%; y en el que al menos una de la primera placa exterior y la segunda placa exterior, y preferiblemente tanto la primera como la segunda placa exterior, en su lado que mira a dicho paso de flujo de fluido está provista de una capa de pasivación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Placa de refrigeración de batería
Campo de la invención
La invención se refiere a una placa de refrigeración de batería y a un método para fabricar dicha placa de refrigeración de batería. La invención se refiere además a un módulo de batería que incorpora dicha placa de refrigeración de batería.
Antecedentes de la invención
Las baterías recargables tales como baterías compuestas de varias celdas de iones de litio se pueden usar en muchas aplicaciones, incluyendo, por ejemplo, aplicaciones de vehículo de propulsión eléctrica ("EV") y vehículo eléctrico híbrido ("HEV"). Estas aplicaciones a menudo requieren sistemas de batería avanzados que tienen alta capacidad de almacenamiento de energía y pueden generar grandes cantidades de calor que ha de ser disipado. La gestión térmica de batería de estos tipos de sistemas generalmente requiere que la temperatura máxima de las celdas individuales esté por debajo de una temperatura predeterminada especificada.
Los intercambiadores de calor de placas frías son intercambiadores de calor sobre los que se dispone una pila de celdas de batería adyacentes o contenedores de celdas de batería que alojan una o más celdas de batería para enfriar y/o regular la temperatura de una unidad de batería. Las celdas de batería individuales o los contenedores de celdas de batería están dispuestos en contacto cara a cara entre sí para formar la pila, estando dispuestos la pila de celdas de batería o los contenedores de celdas de batería en la parte superior de un intercambiador de placas frías de modo que una cara de extremo o superficie de extremo de cada celda de batería o contenedor de celda de batería está en contacto superficie a superficie con una superficie del intercambiador de calor.
Los intercambiadores de calor para enfriar y/o regular la temperatura de una unidad de batería también pueden disponerse entre las celdas de batería individuales o los contenedores de celdas de batería que forman la pila o unidad de batería, estando interconectados los intercambiadores de calor individuales por colectores de entrada y salida comunes. Los intercambiadores de calor que están dispuestos o "intercalados" entre las celdas de batería adyacentes o los contenedores de celdas de batería en la pila a veces se pueden designar como elementos entre celdas (por ejemplo, intercambiadores de calor de placa "ICE") o aletas de refrigeración.
Los intercambiadores de calor para enfriar y/o regular la temperatura de una unidad de batería también se pueden disponer en contacto térmico con la superficie inferior de una celda de batería o un paquete de baterías.
La uniformidad de temperatura a través de la superficie de una celda de batería individual así como la uniformidad de temperatura de todas las celdas en el paquete de baterías tienen importancia ya que la batería es una reacción química cuyo rendimiento se ve afectado significativamente por la temperatura a la que se produce. Un gradiente térmico en la batería hará que algunas células se carguen y descarguen más rápido que otras, causando problemas de durabilidad del paquete de baterías. Por consiguiente, la uniformidad de temperatura a través de la superficie del intercambiador de calor es una consideración importante en la gestión térmica de unidades de batería, ya que la uniformidad de temperatura a través de la superficie del intercambiador de calor ayuda a garantizar que el diferencial de temperatura entre las celdas de batería individuales en la unidad de batería general se mantenga al mínimo.
Un "intercambiador de calor para aplicación de gestión térmica de batería" o un "intercambiador de calor de celda de batería" o un "refrigerador de celda de batería" o una "placa de refrigeración de batería" son expresiones en la técnica para dispositivos equivalentes o similares.
Con el aumento de las dimensiones de las placas de refrigeración de batería, por ejemplo superando las dimensiones de aproximadamente 0,6 por aproximadamente 0,6 metros, se hace cada vez más difícil producir placas de refrigeración de batería estancas de un modo económico. Con el aumento de la longitud de la junta requerida para la brida periférica, la placa de refrigeración de batería y las juntas interiores para formar el o los canales de refrigeración, ya no es factible el uso con éxito de una operación de soldadura fuerte para grandes volúmenes de placas de refrigeración de batería.
El documento DE 102017 202 552 A1 describe una placa de refrigeración para baterías que comprende al menos dos secciones metálicas que están soldadas entre sí y forman un pasaje de flujo de fluido que permite la circulación de fluido de refrigeración. Las secciones metálicas pueden estar hechas de aluminio, aleaciones de aluminio, cobre, aleaciones de cobre, acero inoxidable o plástico metalizado.
El documento CN 107171037 se refiere a una placa refrigerada con agua de la batería que comprende un tubo plano de aleación de aluminio con un canal de refrigeración de agua, que está en contacto con la superficie de una batería, el extremo de entrada y el extremo de salida del tubo plano están conectados con una unión de aluminio después de un proceso de extrusión, doblado y estampado en caliente.
Descripción de la invención
Como se apreciará a continuación en la presente memoria, salvo que se indique lo contrario, las designaciones de aleación de aluminio y las designaciones de temple se refieren a las designaciones de la Aluminium Association en Aluminium Standards and Data and the Registration Records, según lo publicado por la Aluminium Association en 2018 y son bien conocidas para los expertos en la técnica. Las designaciones de temple también se establecen en la norma europea EN515.
Para cualquier descripción de composiciones de aleación o composiciones de aleación preferidas, todas las referencias a porcentajes son porcentajes en peso a menos que se indique lo contrario.
Las expresiones "hasta" y "hasta aproximadamente", tal como se emplean en la presente memoria, incluyen explícitamente, pero no se limitan a, la posibilidad de cero porcentaje en peso del elemento de aleación particular al que se refiere. Por ejemplo, hasta un 0,2% de Cr puede incluir una aleación que no tenga Cr.
La invención se define mediante las reivindicaciones adjuntas.
Un objeto de la invención consiste en proporcionar una placa de refrigeración de batería para un bloque de batería que pueda enfriar eficientemente baterías a través de un refrigerante, teniendo la placa de refrigeración de batería suficiente solidez y resistencia a la corrosión. Otro objeto de la invención consiste en proporcionar una placa de refrigeración de batería que tenga grandes dimensiones y se pueda producir a gran escala de una manera fiable.
Estos y otros objetos y ventajas adicionales se cumplen o superan mediante la presente invención y proporcionan una placa de refrigeración de batería que comprende una parte de cuerpo principal que tiene extremos opuestos y una primera y una segunda superficies exteriores que definen en cada caso una superficie de transferencia de calor primaria entre dichos extremos opuestos,
- comprendiendo dicha parte de cuerpo principal una primera placa exterior y una segunda placa exterior;
- al menos un pasaje de flujo de fluido formado dentro de dicha parte de cuerpo principal entre dichas primera y segunda placas exteriores;
- teniendo el pasaje de flujo de fluido un primer extremo para introducir un fluido en dicho pasaje de fluido y un segundo extremo para descargar dicho fluido desde dicho pasaje de flujo de fluido, definiendo dichos primer y segundo extremos una dirección de flujo a través de dicho pasaje de flujo de fluido;
- opcionalmente, un colector o conducto de entrada en comunicación de fluido con dicho primer extremo y un colector o conducto de salida en comunicación de fluido con dicho segundo extremo;
- cada una de dichas primera y segunda placas exteriores tiene una parte central, generalmente plana, rodeada por una brida periférica;
- en donde la primera y la segunda placas exteriores se han unido o asegurado entre sí, preferiblemente al menos en su brida periférica respectiva y preferiblemente también dentro del cuerpo principal para formar al menos un pasaje de flujo de fluido, por medio de soldadura láser remota sin alambre de aportación; y la soldadura láser remota se ha realizado sin el uso de un gas protector;
- en donde la primera placa exterior está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un intervalo de un 0,5% a un 1,5% y Mg en un intervalo de hasta un 0,15%;
- en donde la segunda placa exterior está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un intervalo de un 0,5% a un 1,5% y Mg en un intervalo de hasta un 0,15%;
- en donde al menos una de la primera placa exterior y la segunda placa exterior, y preferiblemente tanto la primera como la segunda placa exterior, en su lado orientado hacia dicho pasaje de flujo de fluido, están provistas de una capa de pasivación;
- y en donde la primera placa exterior (12), en su lado orientado hacia dicho pasaje de flujo de fluido (18), está provista además de un revestimiento chapado (22) de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene Mg hasta un 0,35%, estando situado el revestimiento chapado (22) entre la aleación de aluminio de la serie 3xxx y la capa (13) de pasivación.
De acuerdo con la invención se ha comprobado que esta disposición de una placa de refrigeración de batería proporciona un buen nivel de solidez y una placa de refrigeración de batería resistente a la corrosión. La placa aproximadamente 0,6 metros o más, y éstas pueden producirse en altos volúmenes con tasas de rechazo muy bajas. El uso de soldadura láser remota es una característica importante de la invención y asegura juntas herméticas y de alta calidad con un nivel de porosidad muy bajo en la soldadura de fusión, incluso sin el uso de un gas protector. La ausencia del requerimiento de un gas protector evita el uso de una cámara cerrada llena de un gas protector usado para limitar la formación de poros durante la operación de soldadura láser remota, cámara cerrada que de otro modo aumentaría los costos y reduciría la productividad.
El uso de soldadura láser remota en combinación con al menos una placa exterior hecha de la aleación de la serie 3xxx definida que tiene una capa de pasivación orientada hacia la otra placa exterior es una característica importante de la invención y asegura juntas estancas y de alta calidad con un nivel de porosidad muy bajo en la soldadura de fusión. La formación de poros podría reducirse significativamente usando una velocidad de soldadura baja y manteniendo el baño de soldadura fundido durante un período de tiempo más largo permitiendo que los elementos de evaporación escapen, pero esto tiene un efecto muy negativo en la productividad. Mediante el uso de una capa de pasivación en combinación con placas exteriores hechas de aleación de aluminio de la serie 3xxx que tienen un bajo contenido de Mg, el nivel de porosidad en la soldadura de fusión después de la soldadura láser remota es muy bajo, incluso a altas velocidades de línea de 10 m/min o más haciendo el proceso económicamente atractivo, y limita el agrietamiento en caliente y proporciona uniones estancas fiables de una gran longitud. Se ha comprobado que al utilizar la capa de pasivación definida, la trayectoria de solidificación y la composición del baño de soldadura se altera de tal manera que el nivel de porosidad en la soldadura de fusión después de la soldadura láser remota es muy bajo y proporciona una junta estanca fiable. La tasa de rechazo durante la producción de una placa de refrigeración de batería de grandes dimensiones es significativamente menor en comparación con una placa de refrigeración de batería de diseño similar compuesta de dos aleaciones de aluminio monolíticas de la serie 3xxx desprovistas de capa de pasivación y desprovistas del revestimiento chapado opcional de la serie 4xxx adicional, unidas entre sí mediante soldadura láser remota, mientras que la calidad de las juntas también se mejora.
Se pueden usar con éxito varios revestimientos de pasivación. En una realización, la capa de pasivación es una capa de pasivación basada en Ti-Zr. En una realización preferida, la capa de pasivación basada en Ti-Zr está libre de cromato como componente tóxico.
En una realización, la suma de Ti y Zr en la capa de pasivación aplicada es de 0,5 a 50 mg/m2 para proporcionar una capa delgada o un espesor de revestimiento delgado de varias decenas de nanómetros. En una realización, el límite inferior es de 1 mg/m2, y preferiblemente de 3 mg/m2. En una realización, el límite superior es de 25 mg/m2, preferiblemente de 20 mg/m2, y más preferiblemente de 15 mg/m2. El Ti y el Zr se aplican comúnmente usando agentes de fluoruro de Ti-Zr, con o sin adiciones de polímero. Los ejemplos de agentes de fluoruro de Ti-Zr disponibles comercialmente incluyen Gardobond (marca registrada) X4591 y X4707 de Chemetall y Alodine (marca registrada) 4830 de Henkel.
En una realización, la relación de Ti a Zr está en un intervalo de 1 a 1,3. En una realización preferida, la relación de Ti a Zr está en un intervalo de 1,05 a 1,25, y más preferiblemente de 1,05 a 1,20.
La capa de pasivación se puede aplicar mediante todas las técnicas conocidas en este campo para aplicar capas de pasivación sobre superficies de aluminio e incluye inmersión en un baño de proceso y pulverización, por ejemplo pulverización electrostática.
En una realización preferida de la superficie de aluminio sobre la que se aplica la capa de pasivación, la superficie de aluminio se limpia en primer lugar, preferiblemente mediante desengrasado, más preferiblemente mediante desengrasado alcalino, por ejemplo mediante pulverización o inmersión alcalina, para eliminar los residuos de aceites de procesamiento y lubricantes. El desengrasado es seguido por decapado, preferiblemente decapado ácido, por ejemplo por pulverización o inmersión, para eliminar en la mayor medida posible la película de óxido sobre la superficie de aleación de aluminio generada por el procesamiento termomecánico anterior tal como tratamientos de laminado y recocido.
El uso de una capa de pasivación, preferiblemente en combinación con el tratamiento previo de limpieza de desengrasado y ataque químico, elimina cualquier película de óxido, humedad e hidrocarburos que pueden estar presentes en la superficie de la aleación de aluminio y asegura que cualquier óxido de aluminio permanezca distribuido uniformemente y muy delgado y sin absorción renovada de hidrocarburos. De otro modo, a la temperatura de soldadura, el hidrógeno, vapor de agua, hidrocarburos y otros componentes que portan hidrógeno en y sobre la superficie exterior del material de aleación de aluminio se disocian fácilmente produciendo hidrógeno en forma atómica o naciente que es fácilmente soluble en aluminio fundido. A medida que el aluminio fundido se solidifica, cualquier hidrógeno disuelto que regrese al hidrógeno molecular puede formar burbujas que causan porosidad adversa en el metal de soldadura solidificado.
En una realización, la capa de pasivación se aplica en ambas caras de la primera y la segunda placas exteriores hechas de la aleación de aluminio de la serie 3xxx. De esta manera se asegura que todas las superficies que pueden entrar en contacto con el haz láser han sido tratadas previamente para suprimir la formación de poros en la soldadura solidificada. En este caso, tanto la penetración parcial como la penetración completa de la zona de soldadura por haz láser desde la primera placa exterior hasta la segunda placa exterior están protegidas. Además, puesto que la mayoría de los procesos de pasivación a escala industrial revisten ambas caras de una pasivadas. De manera importante, esto evita también errores causados por un posicionamiento erróneo de las láminas de aluminio en una operación de conformación o estampado posterior, haciendo que el lado revestido se posicione incorrectamente si solo un lado hubiera sido tratado previamente.
La primera placa exterior está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende, en % en peso: de un 0,5% a un 1,4% de Mn, preferiblemente de un 0,6% a un 1,2% de Mn, y hasta un 0,15% de Mg. En una realización, el contenido de Mg es hasta un 0,06%, más preferiblemente el contenido de Mg es hasta un 0,045%, y de forma totalmente preferible hasta un 0,02%.
En una realización, la primera placa exterior está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende, en % en peso:
de un 0,5% a un 1,5% de Mn, preferiblemente de un 0,6% a un 1,2%, y más preferiblemente de un 0,6% a un 1,0%, hasta un 0,7% de Cu, y preferiblemente hasta un 0,25% o en un intervalo de un 0,2% a un 0,7%, hasta un 0,15%, preferiblemente hasta un 0,06% de Mg, preferiblemente hasta un 0,045% de Mg, más preferiblemente hasta un 0,02%, y de forma totalmente preferible la aleación de aluminio está sustancialmente libre de Mg,
hasta un 0,9% de Si, y preferiblemente hasta un 0,5%, y más preferiblemente hasta un 0,3%, hasta un 0,7% de Fe, preferiblemente hasta un 0,5%, y más preferiblemente en un intervalo de un 0,1% a un 0,5%,
hasta un 0,2% de Cr, preferiblemente hasta un 0,09%, más preferiblemente hasta un 0,04%,
hasta un 0,25% de Zr, preferiblemente hasta un 0,09%, más preferiblemente hasta un 0,04%,
hasta un 0,2% de Ti, preferiblemente de un 0,03% a un 0,2%, más preferiblemente de un 0,03% a un 0,12%, hasta un 1,2% de Zn, preferiblemente hasta un 0,4%, y más preferiblemente hasta un 0,25%,
siendo el resto aluminio e impurezas. Por regla general, las impurezas son en cada caso hasta un 0,05% máximo y en total aproximadamente un 0,25% máximo, y preferiblemente en total no superan un 0,15%. El uso de aleaciones de aluminio de la serie 3xxx de mayor resistencia puede evitar que las placas de refrigeración necesiten soportes adicionales que creen un peso adicional para poder soportar el peso de las baterías o para evitar que se dañen cuando las baterías se insertan en el marco de batería o en la bandeja de batería creando un buen contacto térmico entre las baterías y las placas de refrigeración de batería. O permiten el uso de placas de refrigeración de batería que están hechas de láminas exteriores más delgadas, proporcionando así menos peso a los módulos de batería. Al mantener un bajo nivel de Mg en combinación con el uso de una capa de pasivación, se evita la formación de grietas de soldadura y se suprime la formación de poros.
En particular, el elemento de aleación de Mn y el Cu opcional proporcionan la resistencia requerida al material de placa exterior, tanto para el propio material de placa como para la posterior unión soldada por láser remoto. Sin embargo, si el nivel de Mn es demasiado alto, existe un riesgo creciente de formación de grandes fases intermetálicas no deseables. El Cu puede ser un elemento de refuerzo en la aleación de aluminio empleada de acuerdo con esta invención, pero se ha comprobado que un nivel demasiado alto puede afectar negativamente a la resistencia a la corrosión. En una realización, el contenido de Cu en la aleación de la serie 3xxx no supera aproximadamente un 0,25%, y más preferiblemente es menor que un 0,15%, para limitar el agrietamiento en caliente a velocidades de línea muy altas. Es importante mantener un nivel muy bajo de Mg en la aleación de aluminio de la serie 3xxx para limitar el agrietamiento en caliente y controlar la formación de porosidad durante la operación de soldadura láser remota sin el uso de alambre de aportación, en particular a altas velocidades de línea.
En una realización, la segunda placa exterior está hecha de la misma aleación de aluminio de la serie 3xxx que la primera placa exterior.
En una realización, la aleación de aluminio de la serie 3XXX tiene una composición que consiste en, en % en peso, de un 0,5% a un 1,5% de Mn, hasta un 0,7% de Cu, hasta un 0,15% de Mg, hasta un 0,9% de Si, hasta un 0,7% de Fe, hasta un 0,2% de Cr, hasta un 0,25% de Zr, hasta un 0,2% de Ti, hasta un 1,2% de Zn, siendo el resto aluminio e impurezas, y con rangos de composición más estrechos preferidos tal como se describe y reivindica en la presente memoria.
En una realización, la aleación de aluminio de la serie 3xxx de la primera y la segunda placas exteriores se proporcionan en un temple O, H1x o H2x, en donde x tiene un valor de 1 a 8, tal como, por ejemplo, el temple H14, H18, H22, H24 y H26.
En una realización, la primera o la segunda placas exteriores objeto se proporcionan en un temple H18, ya que esto proporciona la mayor resistencia y una conformabilidad solo limitada, y es idealmente adecuado para la placa exterior que no se forma sustancialmente en una operación de formación que requiere un alto grado de deformación, como sería el caso con embutición profunda, por ejemplo.
En una realización, la primera o la segunda placas exteriores objeto se proporcionan en un temple H26, ya que tienen una conformabilidad algo mejor en comparación con el temple H18.
En otra realización, la primera o la segunda placas objeto se proporcionan en un temple más suave, por ejemplo O, H22 o H24, que permite que la placa objeto se forme en el lado de la placa de refrigeración de batería que incorpora el o los canales del pasaje de flujo de fluido.
En una realización, la primera y la segunda placas exteriores tienen un espesor en un intervalo de aproximadamente 0,2 mm a 4 mm. Un límite inferior preferido para el espesor es de aproximadamente 0,3 mm. Un límite superior preferido para el espesor es de aproximadamente 2 mm, y de forma más preferible de aproximadamente 1,5 mm.
La primera placa exterior está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un intervalo de un 0,5% a un 1,5% y Mg en un intervalo de hasta un 0,15%, y en su lado orientado hacia dicho pasaje de flujo de fluido está provista además de un revestimiento chapado de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene Mg hasta un 0,35%, estando situado el revestimiento chapado entre la aleación de aluminio de la serie 3xxx y la capa de pasivación.
En una realización, tanto la primera como la segunda placas exteriores están hechas de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un intervalo de un 0,5% a un 1,5% y Mg en un intervalo de hasta un 0,15%, y en su lado orientado hacia dicho pasaje de flujo de fluido están provistas además de un revestimiento chapado de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene Mg hasta un 0,35%, estando situado el revestimiento chapado entre la aleación de aluminio de la serie 3xxx y la capa de pasivación.
En una realización, el revestimiento chapado se aplica únicamente en el lado de la primera y la segunda placas exteriores que están orientadas hacia al menos un pasaje de flujo de fluido formado dentro de dicha parte de cuerpo principal entre dichas primera y segunda placas exteriores.
De acuerdo con la invención, al menos la primera placa exterior está provista de un revestimiento chapado de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene Mg hasta un 0,35% en su lado orientado hacia el pasaje o canal de flujo de fluido dentro de la parte de cuerpo principal de la placa de refrigeración de batería.
En una realización, la segunda placa exterior también está provista de un revestimiento chapado de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene Mg hasta un 0,35% en su lado orientado hacia el pasaje o canal de flujo de fluido dentro de la parte de cuerpo principal de la placa de refrigeración de batería.
En una realización, la suma combinada del contenido de Mg en una aleación de la serie 3xxx de una placa exterior y el revestimiento chapado de aleación de aluminio de la serie 4xxx proporcionado sobre la misma no supera un 0,09%, preferiblemente no supera un 0,07%. En una realización no supera un 0,05%. En una realización preferida no supera un 0,03%. Como el espesor del revestimiento chapado es mucho más delgado que el de la aleación de la serie 3xxx, puede tolerarse un contenido de Mg algo más alto, pero la suma del contenido de Mg debe mantenerse baja para evitar la formación de poros en el metal de soldadura solidificado.
En una realización, el espesor del revestimiento chapado en el primer lugar exterior está en un intervalo de un 3% a un 20% del espesor total de la placa (espesor de la placa exterior y el revestimiento chapado combinados). Un límite inferior preferido es de un 5% del espesor total de la placa. Un límite superior preferido es de un 16% del espesor total de la placa.
En una realización, el espesor del revestimiento chapado en el segundo lugar exterior está en un intervalo de un 3% a un 20% del espesor total de la placa. Un límite inferior preferido es de un 5% del espesor total de la placa. Un límite superior preferido es de un 16% del espesor total de la placa.
En una realización se aplica un revestimiento chapado de aleación de la serie 4xxx en cada lado o cara de la primera y la segunda placas exteriores. Esto proporciona una protección galvánica adicional a la capa de aleación de la serie 3xxx de la placa de refrigeración de batería.
En otra realización, el revestimiento chapado de aleación de la serie 4xxx se aplica en el lado de la primera y la segunda placas exteriores orientado hacia el al menos un pasaje de flujo de fluido formado dentro de dicha parte de cuerpo principal de la placa de refrigeración de batería, y mediante el cual se aplica un revestimiento protector contra la corrosión de una aleación de aluminio diferente en la otra cara o lado de al menos la primera o la segunda placas exteriores, y preferiblemente en cada una de la primera o la segunda placas exteriores. Dicho revestimiento protector contra la corrosión podría estar hecho de una aleación de aluminio con hasta aproximadamente un 3,5% de Zn, y preferiblemente hasta un 2% de Zn. Un ejemplo particular de dicha aleación sería la aleación AA7072, o modificaciones de la misma. Dicha capa protectora contra la corrosión tendría preferiblemente un espesor en un intervalo de un 3% a un 20% del espesor total de la placa (espesor de la placa exterior y todos los revestimientos combinados).
De acuerdo con la invención, el revestimiento chapado está hecho de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene hasta un 0,35% de Mg para facilitar la operación de soldadura láser remota sin alambre de aportación. Cuando se suelda, dicha aleación de revestimiento chapado se mezcla en la zona de soldadura y evita el la primera y la segunda placas exteriores y la capa de pasivación dentro del baño de soldadura.
En una realización, el revestimiento chapado está hecho de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene de aproximadamente un 5% a un 14% de Si y hasta un 0,35% de Mg. Más preferiblemente, el contenido de Si es hasta aproximadamente un 12%. El nivel de Mg es preferiblemente hasta un 0,10%, y más preferiblemente hasta un 0,04%, y de forma totalmente preferible la aleación de aluminio está sustancialmente libre de Mg. El resto consiste en aluminio e impurezas inevitables, que en términos prácticos significaría hasta un 0,7% de Fe, hasta un 0,25% de Mn, preferiblemente hasta un 0,15% de Mn, hasta un 0,25% de Cu, preferiblemente hasta un 0,1% de Cu, hasta un 0,25% de Zn, preferiblemente hasta un 0,1% de Zn, hasta un 0,1% de Cr, preferiblemente hasta un 0,05% de Cr, hasta un 0,15% de Ti, otras impurezas cada una <0,05% y en total <0,2% de aluminio restante.
En otra realización, el revestimiento chapado está hecho de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene de aproximadamente un 5% a un 14% de Si, de un 0,25% a un 4% de Zn y hasta un 0,35% de Mg. Más preferiblemente, el contenido de Si es hasta aproximadamente un 12%. El nivel de Mg es preferiblemente hasta un 0,10%, y más preferiblemente hasta un 0,04%, y de forma totalmente preferible la aleación de aluminio está sustancialmente libre de Mg. La adición intencional de Zn al revestimiento chapado asegura una mayor protección galvánica a la aleación de aluminio de la serie 3XXX. El contenido de Zn es preferiblemente hasta un 3,5%, y más preferiblemente hasta un 3,0%. Un límite inferior preferido para el contenido de Zn es de un 0,5%. El resto consiste en aluminio e impurezas inevitables, que en términos prácticos significaría hasta un 0,7% de Fe, hasta un 0,25% de Mn, preferiblemente hasta un 0,15% de Mn, hasta un 0,25% de Cu, preferiblemente hasta un 0,1% de Cu, hasta un 0,1% de Cr, preferiblemente hasta un 0,05% de Cr, hasta un 0,15% de Ti, otras impurezas cada una <0,05% y en total <0,2% de aluminio restante.
En una realización, el revestimiento chapado de aleación de aluminio de la serie 4xxx contiene además uno o más elementos humectantes o elementos que modifican la tensión superficial de un material de soldadura fuerte de Al-Si fundido. Preferiblemente, los elementos se seleccionan entre el grupo que consiste en Be, Bi, Ce, La, Li, Na, Pb, Se, Sb, Sr, Th e Y, y en donde la cantidad total del elemento o los elementos humectantes está en un intervalo de aproximadamente un 0,005% a un 0,8%. En una realización preferida, el límite superior para la cantidad total de elemento(s) humectante(s) es de aproximadamente un 0,5%, y más preferiblemente de aproximadamente un 0,25%.
En una realización se añade Sr hasta 500 ppm, preferiblemente en un intervalo de 50 ppm a 500 ppm.
En una realización se añade Na hasta 250 ppm, preferiblemente en un intervalo de 15 ppm a 200 ppm.
El revestimiento chapado se puede aplicar al material de placa exterior de aluminio de la serie 3xxx mediante diversas técnicas conocidas en este campo. Por ejemplo, mediante unión por laminación, como es bien conocido y más practicado en la técnica. Alternativamente, la aleación de la serie 3xxx y el revestimiento chapado se pueden fabricar simultáneamente por medio de técnicas de colada conjunta, por ejemplo tal como se describe en el documento de patente internacional WO-2004/112992-A2. En estas realizaciones, el revestimiento chapado cubre esencialmente toda la cara o lado del material de placa exterior de la serie 3xxx.
En otra realización, el revestimiento chapado se aplica sustancialmente solo a lo largo del recorrido de una superficie que se ha de soldar. El revestimiento chapado se puede aplicar mediante técnicas de pulverización, por ejemplo mediante pulverización térmica, así como mediante técnicas de pulverización en frío (también conocidas como pulverización dinámica de gas frío). En la estrategia de pulverización en frío, los polvos sólidos se aceleran en chorros de gas supersónico a velocidades entre 200-100 metros por segundo. En la pulverización en frío, la materia prima no se suministra en una llama o arco, sino que se suministra en una corriente de gas. El tiempo de tránsito de la materia prima en la corriente de gas no es suficiente para provocar la fusión de la materia prima. Esto tiene las ventajas de que el polvo permanece en la fase sólida, temperaturas superficiales del sustrato más bajas, menos oxidación del polvo y del material del sustrato, sin transformaciones metalúrgicas y formación de tensión residual reducida. El polvo se acelera e impacta sobre la superficie del sustrato, donde se produce el calentamiento local y la unión. Repitiendo este proceso se puede construir una capa de revestimiento chapado de espesor definido casi totalmente densa.
Después de la aplicación del revestimiento chapado sobre la aleación de aluminio de la serie 3xxx, se puede aplicar la capa de pasivación sobre la superficie exterior de la aleación de aluminio de la serie 3xxx de revestimiento.
En una realización, la placa de refrigeración de batería incorpora hoyuelos en el al menos un conducto de flujo de fluido o canal de refrigeración para proporcionar más integridad estructural al conducto o canal. Además, dichos hoyuelos pueden actuar como generadores de turbulencia.
En una realización, la placa de refrigeración de batería comprende más de un pasaje de flujo de fluido, por ejemplo un primer, un segundo y un tercer pasajes de flujo de fluido o canales de refrigeración.
La invención se refiere además a un módulo de batería idealmente para un vehículo de propulsión eléctrica o un vehículo eléctrico híbrido, comprendiendo el módulo de batería un paquete de baterías que incluye múltiples contacto térmico con al menos una celda de batería adyacente, por lo que en funcionamiento un refrigerante puede fluir a través del al menos un pasaje de flujo de fluido en la placa de refrigeración de batería para enfriar dicha o dichas celdas de batería adyacentes. En la práctica, esto significa, por ejemplo, que una de las superficies exteriores de la placa de refrigeración de batería que define la superficie de transferencia de calor primaria está en contacto térmico con la superficie inferior de un bloque de baterías o paquete de baterías.
La invención también se refiere a un intercambiador de calor de placas frías que incorpora al menos una placa de refrigeración de batería de esta invención.
La invención también se refiere a un intercambiador de calor de placas ICE que incorpora al menos una placa de refrigeración de batería de esta invención.
La invención se refiere además a un método de fabricación de una placa de refrigeración de batería de acuerdo con esta invención que comprende las etapas consistentes en:
- proporcionar un material laminar para una primera placa exterior hecha de la aleación de aluminio de la serie 3xxx provista en al menos una cara con una capa de pasivación tal como se describe y reivindica en la presente memoria;
- proporcionar un material laminar para una segunda placa exterior hecha de la aleación de aluminio de la serie 3xxx y preferiblemente provista en al menos una cara de con una capa de pasivación tal como se describe y reivindica en la presente memoria;
- estampar un par de placas exteriores complementarias usando uno o más troqueles; dependiendo del diseño de la placa de refrigeración de batería, la primera y la segunda placas exteriores son simétricas y cada una de las placas complementarias es idéntica, o alternativamente las placas exteriores son asimétricas;
- alinear el par de placas exteriores complementarias de manera que la capa de pasivación esté orientada hacia el pasaje de flujo de fluido o el canal de refrigeración dentro de la parte de cuerpo principal de la placa de refrigeración de batería;
- opcionalmente, insertar colectores o conductos de entrada y salida en receptáculos formados en las placas exteriores;
- unir o asegurar por medio de soldadura láser remota sin alambre de aportación el par de placas exteriores complementarias, al menos en su respectiva brida periférica y preferiblemente también dentro del cuerpo principal para formar al menos un pasaje de flujo de fluido, para formar la placa de refrigeración de batería o el enfriador de celda de batería; la unión tiene lugar dirigiendo un haz de láser en un área de una placa exterior en donde el haz de láser produce una zona de fusión estrecha en el área en la que golpea la superficie de la placa exterior objeto, extendiéndose la zona de fusión a través de una de la primera y la segunda placas y al menos parcialmente a través de la placa exterior contigua de la primera y la segunda placas exteriores, en donde la zona de fusión contiene una mezcla de metal fundido que comprende la aleación de serie 3xxx de la primera y la segunda placas exteriores y de la capa de pasivación y del revestimiento o los revestimientos chapados de serie 4xxx opcionales; y permitir que la zona de fusión se enfríe y solidifique para formar una unión de soldadura o soldadura de fusión entre la primera y la segunda placas exteriores; y en donde preferiblemente la soldadura láser remota se realiza sin el uso de un gas protector; la operación de soldadura por haz láser remoto permite velocidades de línea superiores a 10 m/min, lo que posibilita un alto nivel de automatización; y en donde las placas exteriores juntas forman al menos un pasaje o canal de flujo de fluido, teniendo el pasaje de flujo de fluido un extremo de entrada, un extremo de salida y preferiblemente hoyuelos o nervaduras a lo largo del pasaje de flujo de fluido, y teniendo el pasaje de flujo de fluido un colector o conducto de entrada y un colector o conducto de salida, estando el colector o conducto de entrada en comunicación de fluido con la entrada del pasaje de flujo de fluido y estando el colector o conducto de salida en comunicación de fluido con el extremo de salida del pasaje de flujo de fluido.
La invención se refiere además al uso y a un método de uso de la aleación de aluminio de la serie 3xxx que tiene una composición que comprende, en % en peso, de un 0,5% a un 1,5% de Mn, hasta un 0,7% de Cu, hasta un 0,15% de Mg, hasta un 0,9% de Si, hasta un 0,7% de Fe, hasta un 0,2% de Cr, hasta un 0,25% de Zr, hasta un 0,2% de Ti, hasta un 1,2% de Zn, el resto aluminio e impurezas, y con intervalos de composición preferidos más estrechos tal como se describe y reivindica en la presente memoria, y provista en al menos una cara de una capa de pasivación, preferiblemente una capa de pasivación basada en Ti-Zr, como material de placa exterior para una placa de refrigeración de batería, preferiblemente una primera y una segunda placas exteriores unidas o aseguradas entre sí por medio de soldadura láser remota sin alambre de aportación.
Descripción de los dibujos
La invención se describirá ahora con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 es una vista en perspectiva de una placa de refrigeración de batería de acuerdo con una realización ejemplar de acuerdo con la invención.
La Fig. 2 es una vista en perspectiva de una placa de refrigeración de batería de acuerdo con otra realización ejemplar de acuerdo con la invención.
La Fig. 3A y la Fig. 3B son un esquema de la disposición de la primera y la segunda placas exteriores antes y después de la soldadura láser remota sin alambre de aportación.
Con referencia a la Fig. 1, en ella se muestra una realización ejemplar de una placa 10 de refrigeración de batería de acuerdo con una realización ejemplar de la presente invención. Como se muestra, la placa 10 de refrigeración de batería está compuesta por un par de placas exteriores 12, 14. Cada una de las placas exteriores 12, 14 define una parte central 19, generalmente plana, que está rodeada por una brida periférica 20. Se desea que la placa de refrigeración de batería sea llana o plana para mantener un buen contacto térmico con celdas de batería o paquetes de baterías adyacentes (no mostrados). La parte central 19, generalmente plana, de cada una de las placas 12, 14 sobresale del plano de la brida periférica 20 de manera que, cuando las placas exteriores 12, 14 se ensamblan entre sí, se forman espacios o huecos interiores que definen al menos un pasaje de flujo de fluido. Las bridas periféricas 20 de las placas exteriores 12, 14 respectivas se unen o aseguran entre sí por medio de soldadura láser remota sin alambre de aportación de acuerdo con la invención proporcionando un sello hermético a fluidos. Las aberturas 30, 32 de entrada y salida están dispuestas a lo largo del extremo de la anchura de las placas 12, 14. La abertura 30 de entrada puede estar provista de un colector o conducto de entrada (no mostrado) en comunicación de fluido con dicha entrada o primer extremo, y un colector o conducto de salida (no mostrado) en comunicación de fluido con dicha salida 32 o segundo extremo. El posicionamiento de las aberturas de entrada y salida no forma parte de la presente invención ni es crítico para la misma y puede variar con el diseño de la placa de refrigeración de batería como es bien conocido por el experto en la técnica.
Con referencia a la Fig. 2, en ella se muestra una realización ejemplar de una placa 10 de refrigeración de batería de acuerdo con otra realización ejemplar de la presente invención. Como se muestra, la placa 10 de refrigeración de batería está compuesta por un par de placas exteriores 12, 14. Cada una de las placas exteriores 12, 14 define una parte central, generalmente plana, que define una superficie primaria de transferencia de calor que está rodeada por una brida periférica 20. La parte central, generalmente plana, de cada una de las placas 12, 14 sobresale del plano de la brida periférica 20, de manera que cuando las placas exteriores 12, 14 se ensamblan entre sí, se forman espacios o huecos interiores que definen al menos un pasaje 18 o canal de flujo de fluido, en este caso el pasaje de flujo de fluido tiene un pasaje de flujo en forma de serpentina, pero son factibles muchas variaciones a este diseño y el mismo no limita esta invención. El pasaje 18 de flujo de fluido tiene hoyuelos 17 situados centralmente a lo largo de la longitud del pasaje 18 de flujo de fluido para proporcionar más integridad estructural al pasaje de flujo y que actúan como generadores de turbulencia que mejoran la eficiencia de transferencia de calor. Las bridas periféricas 20 de las placas exteriores 12, 14 respectivas se unen entre sí por medio de soldadura láser remota sin alambre de aportación de acuerdo con la invención proporcionando un sello hermético a los fluidos. Además, el pasaje 19 de flujo de fluido se forma uniendo entre sí las placas exteriores 12, 14 por medio de soldadura láser remota sin alambre de aportación que proporciona un sello hermético a los fluidos. Las aberturas de entrada y salida están dispuestas a lo largo del extremo de la anchura de las placas 12, 14. La abertura de entrada puede estar provista de un conducto 15 de entrada en comunicación de fluido con dicha entrada o primer extremo y un conducto 16 de salida en comunicación de fluido con dicha salida o segundo extremo.
Con referencia a la Fig. 3A, en ella se muestra esquemáticamente una primera placa exterior 12 y una segunda placa exterior 14, cada una hecha de una lámina 11 de aleación de aluminio de serie 3xxx tal como se describe y reivindica en la presente memoria y provista en ambas caras de una capa 13 de pasivación muy delgada (varias decenas de nanómetros). En esta realización, la primera placa exterior 12 es plana, mientras que la segunda placa exterior 14 se ha conformado, por ejemplo mediante embutición profunda o estampado, para crear o formar la forma requerida del canal 18 de flujo de fluido.
Con referencia a la Fig. 3B, en ella se muestra esquemáticamente una primera placa exterior 12 y una segunda placa exterior 14, cada una hecha de una lámina 11 de aleación de aluminio de serie 3xxx tal como se describe y reivindica en la presente memoria y provista en su lado respectivo orientado hacia el pasaje 18 de flujo de fluido de una capa 22 de revestimiento de serie 4xxx. Las caras exteriores de la primera placa exterior 12 y de la segunda placa exterior 14 están provistas de una capa 13 de pasivación muy delgada. También en esta realización, la primera placa exterior 12 es plana, mientras que la segunda placa exterior 14 se ha conformado, por ejemplo mediante embutición profunda o estampado, para crear o formar la forma requerida del canal 18 de flujo de fluido.
Claims (15)
1. Placa (10) de refrigeración de batería que comprende una parte de cuerpo principal que tiene extremos opuestos y una primera y una segunda superficies exteriores que definen en cada caso una superficie primaria de transferencia de calor entre dichos extremos opuestos,
- comprendiendo dicha parte de cuerpo principal una primera placa exterior (12) y una segunda placa exterior (14);
- al menos un pasaje (18) de flujo de fluido formado dentro de dicha parte de cuerpo principal entre dichas primera y segunda placas exteriores (12, 14);
- el pasaje (18) de flujo de fluido que tiene un primer extremo (30) para introducir un fluido en dicho pasaje (18) de fluido y un segundo extremo (32) para descargar dicho fluido desde dicho pasaje (18) de flujo de fluido, definiendo dichos primer y segundo extremos (30, 32) una dirección de flujo a través de dicho pasaje (18) de flujo de fluido;
- cada una de dichas primera y segunda placas exteriores (12, 14) tiene una parte central (19), generalmente plana, rodeada por una brida periférica (20);
- en donde la primera y la segunda placas exteriores (12, 14) se han unido entre sí por medio de soldadura láser remota;
caracterizada por que
- la primera placa exterior (12) está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un intervalo de un 0,5% a un 1,5% y Mg en un intervalo de hasta un 0,15%;
- en donde la segunda placa exterior (14) está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un intervalo de un 0,5% a un 1,5% y Mg en un intervalo de hasta un 0,15%;
- la primera placa exterior (12) y preferiblemente tanto la primera como la segunda placas exteriores (12, 14) están provistas de una capa (13) de pasivación en su lado orientado hacia dicho pasaje (18) de flujo de fluido; - y en donde la primera placa exterior (12), en su lado orientado hacia dicho pasaje (18) de flujo de fluido, está provista además de un revestimiento chapado (22) de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene Mg hasta un 0,35%, estando situado el revestimiento chapado (22) entre la aleación de aluminio de la serie 3xxx y la capa (13) de pasivación.
2. Placa (10) de refrigeración de batería según la reivindicación 1, en donde dicha capa (13) de pasivación es una capa de pasivación de Ti-Zr.
3. Placa (10) de refrigeración de batería según la reivindicación 2, en donde dicha capa de pasivación de Ti-Zr tiene una suma de Ti y Zr en un intervalo de 0,5 a 50 mg/m2, preferiblemente de 1 a 25 mg/m2
4. Placa (10) de refrigeración de batería según la reivindicación 2 o 3, en donde la relación Ti/Zr es de 1 a 1,3.
5. Placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la segunda placa exterior (14) está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende Mn en un intervalo de un 0,5% a un 1,5% y Mg en un intervalo de hasta un 0,15%, y en su lado orientado hacia dicho pasaje (18) de flujo de fluido está provista además de un revestimiento chapado (22) de una aleación de aluminio de la serie 4xxx que tiene Mg hasta un 0,35%, estando situado el revestimiento chapado (22) entre la aleación de aluminio de la serie 3xxx y la capa (13) de pasivación.
6. Placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la primera placa exterior (12) tiene un espesor en un intervalo de 0,2 mm a 4 mm.
7. Placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la segunda placa exterior (14) tiene un espesor en un intervalo de 0,2 mm a 4 mm.
8. Placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el espesor del revestimiento chapado (22) de la primera placa exterior (12) está en un intervalo de un 3% a un 20% del espesor total de la placa exterior.
9. Placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en donde el espesor del revestimiento chapado (22) de la segunda placa exterior (14) está en un intervalo de un 3% a un 20% del espesor total de la placa exterior.
10. Placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la primera placa exterior (12) está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende, en % en de un 0,5% a un 1,5% de Mn, preferiblemente de un 0,6% a un 1,2%,
hasta un 0,7% de Cu,
hasta un 0,15% de Mg,
hasta un 0,9% de Si,
hasta un 0,7% de Fe,
hasta un 0,2% de Cr,
hasta un 0,25% de Zr,
hasta un 0,2% de Ti,
hasta un 1,2% de Zn,
siendo el resto aluminio e impurezas.
11. Placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la segunda placa exterior (14) está hecha de una aleación de aluminio de la serie 3xxx que comprende, en % en peso,
de un 0,5% a un 1,5% de Mn, preferiblemente de un 0,6% a un 1,2%,
hasta un 0,7% de Cu,
hasta un 0,15% de Mg,
hasta un 0,9% de Si,
hasta un 0,7% de Fe,
hasta un 0,2% de Cr,
hasta un 0,25% de Zr,
hasta un 0,2% de Ti,
hasta un 1,2% de Zn,
siendo el resto aluminio e impurezas.
12. Placa (10) de refrigeración de la batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la aleación de aluminio de la serie 3xxx de la primera y la segunda placas exteriores (12, 14) está provista de un temple O, H1 o H2.
13. Módulo de batería que comprende un paquete de baterías que incluye múltiples celdas de batería separadas, y al menos una placa (10) de refrigeración de batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 dispuesta en contacto térmico con al menos una celda de batería adyacente, por lo que en funcionamiento un refrigerante puede fluir a través de un pasaje (18) de flujo de fluido en la placa (10) de refrigeración de batería para enfriar una celda de batería adyacente.
14. Método de fabricación de una placa (10) de refrigeración de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende las etapas de,
- proporcionar un material laminar (11) para una primera placa exterior (12) hecha de la aleación de aluminio de la serie 3xxx y provista al menos en una cara de una capa (13) de pasivación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4;
- proporcionar un material laminar (11) para una segunda placa exterior (14) hecha de la aleación de aluminio de la serie 3xxx y provista al menos en una cara de una capa (13) de pasivación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4;
- estampar un par de placas exteriores (12, 14) complementarias usando uno o más troqueles;
- alinear el par de placas exteriores (12, 14) complementarias de manera que la capa (13) de pasivación esté de refrigeración de batería;
- unir el par de placas exteriores (12, 14) complementarias mediante soldadura láser remota sin alambre de aportación para formar la placa (10) de refrigeración de batería.
15. Método según la reivindicación 14, que comprende además la etapa de insertar colectores de entrada y salida en receptáculos formados en las placas exteriores (12, 14), y en donde las placas exteriores (12, 14) forman conjuntamente al menos un pasaje (18) de flujo de fluido, teniendo el pasaje (18) de flujo de fluido un extremo de entrada y un extremo de salida, y teniendo el pasaje (18) de flujo de fluido un colector de entrada y un colector de salida, estando el colector de entrada en comunicación de fluido con la entrada del pasaje (18) de flujo de fluido y estando el colector de salida está en comunicación de fluido con el extremo de salida del pasaje (18) de flujo de fluido.
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