JP2010157502A - 車両バッテリの温度調節のための熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車等の車両のバッテリの温度制御をするための、コンパクトな熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明は、車両のバッテリのバッテリユニットの温度制御と保持とをするための熱交換器（１）に関する。熱交換器（１）は、熱媒体が通過できる複数のフラット管（２）と、熱媒体を導くための収集管（３）および分配管（４）とを備えている。複数のフラット管（２）は多チャンネルフラット管（２）として構成されている。収集管（３）と前記分配管（４）はフラット管（２）を介して相互に接続されており、それにより保持フレームが形成されるようになっており、保持フレームは中間スペースを形成する構造を設けている。中間スペースはバッテリユニットを収容するためのチャンバ（５）として設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にハイブリッド自動車または電気自動車である車両のバッテリユニットの温度制御と保持とをするための熱交換器に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車に搭載された大容量バッテリは、電気エネルギーを蓄積するのに利用される。電気自動車の場合、バッテリは、それを電力供給源へ接続することによってエネルギーを供給される。これに加えてハイブリッド自動車では、車両の制動中にエネルギーを回収することができる。

作動時、すなわち充電時または放電時、もしくは充電されたエネルギーがバッテリから取り出されるときにおいて、熱が放出される。バッテリには最適動作温度があるので、発生する熱を除去しなくてはならない。なぜなら、上昇した動作温度は、バッテリセルや電子構成要素への、非常に大きな熱負荷となるからである。さらに、個々のバッテリセルの間での小さい温度差に関しても、非常に高い要求が課せられる。

発熱源であるバッテリの冷却は耐用寿命の延長につながる。バッテリの冷却は、冷却されるバッテリの温度が、限られた範囲においてのみ変動するように、また、個々のバッテリセルの間の温度差ができるだけ小さくなるように行われるのがよい。
バッテリ用の冷却装置は、エンジン冷却システム内部の温度が最高１００℃と高すぎるために、ハイブリッド自動車のエンジン冷却システム、と一体にできない。それに対してバッテリ内部の最高温度は、バッテリの型式に応じて最大４０℃から６０℃であるのが望ましい。この理由により、追加の冷却装置を使用することが必要となる。

電気自動車やハイブリッド自動車で用いられるバッテリを周囲空気で冷却することが知られている。しかし、暑い夏の日には外気温が４０℃の値に達したり、これを上回ったりすることがあるため、未処理の周囲空気または外気で冷却をすることは不可能である。一方では、発生する熱を制限するために、このような外的条件のときにはバッテリの出力を下げることが考えられる。しかしながら、これには、バッテリがその最大出力を提供できなくなる欠点が生ずる。

他方では、周囲環境または空調された車室から冷却空気を取り出して、その空気を車両の空調設備によって冷却したうえでバッテリにこの冷却空気を流すという選択肢がある。

車室の内部から取り出された冷却空気を使用することは、周囲空気を使用するよりも幅の狭い温度範囲を可能にするものの、車内の空気を取り出すことは車両内での騒音の増大につながり、そのために乗員の快適性を低下させる。

さらに、空気によるバッテリの冷却においては、個々のバッテリセルの間で大きな温度差が生じることがある。この温度差を小さくするためには、非常に大きな空気質量流量によって冷却を行わなくてはならない。空気による冷却システムを採用した場合、すでに述べた大きな流動音や、周囲条件に左右される冷却出力に加えて、空気導管や必要なファンのための大きな空間要求がさらに大きな問題となる。

車両空調で冷却される空気を用いてバッテリを冷却することに加え、車両の空調システムにバッテリ冷却システムをつなげる別の方法も知られている。第一の方法では、冷媒でバッテリを直接冷却することが可能であり、第二の方法では、空調システムの二次回路によってバッテリを冷却することが可能である。直接的に冷却する場合、熱交換器は、バッテリ内部で発生する熱を吸収するために冷媒が供給される。二次回路によって冷却する場合、バッテリの熱交換器で吸収された熱を、第２の熱交換器で車両の空調システムへ放散することができる。循環する熱媒体として、例えば水やグリコールが利用可能である。

ドイツ特許出願公開第１０２００６００４４１９Ａ１号明細書では、熱を生成する構成要素を冷却するための冷却水回路を有する冷却構造が提案されている。冷却水回路は、例えばハイブリッド自動車のエンジン冷却水回路と接続されている。閉冷却水回路と車両空調設備の冷媒回路とが水／冷媒・熱交換器上で、熱的に結合される。二次回路としての水回路に吸収された熱は、水／冷媒・熱交換器で冷媒回路へと伝達される。

さらにドイツ特許出願公開第１０２００６００４４１９Ａ１号明細書より、バッテリ内部で発生する熱を吸収するための熱交換器が知られており、プレート厚み方向でプレート状熱生成部材が、これらの部材の間に予め定められた間隔が流体チャンネルとして形成されるように配置されている。熱生成部材は、熱交換器と堅固に一体とされ、ここで、熱交換器は熱媒体側に広い流れ部断面積を備えるため、その外寸法が非常に大きい取付スペースを有してしまうという欠点がある。除去されるべき熱出力により、顕熱の伝達のため、熱媒体の大きな質量流量が必要である。

バッテリ内部で発生する熱を吸収するための熱交換器として、従来技術では、さらに別の様々な装置およびシステムが提案されている。
ドイツ特許第１９８４９４９１Ｃ１号明細書には、蓄電池の温度調節をするための熱交換器構造を含む、電気化学式のエネルギー蓄積器が開示されている。熱交換器構造は、蓄電池構造の向かい合う側に延びる２つの供給通路と、それぞれ向かい合う側で対応する２つの帰還通路とを有している。平行に配置された対応する各通路は、それぞれ反対方向で貫流が行われる。長方形の断面をもつ管部材として構成された熱交換器通路は、蓄電池を支持するために用いられる。このような形状により、各通路と直方体の蓄電池との間の良好な平面状の接触が保証される。温度調節媒体として、特に空気、水、またはこれに類する液体の冷却剤が用いられる。

ドイツ特許出願公開第１０２００７０４４４６１Ａ１号明細書より、温度調節媒体により貫流可能な流動チャンネルを有する、導波管冷却器として構成された電気化学式エネルギー蓄積器の熱交換器ユニットが知られている。チャンネルは、これらの端部で、それぞれ供給するか収集し、進行分配チャンネル又は回帰収集チャンネルは、互いに向かい合って配置され、長方形に設けられた流れ部断面積を備えている。流動通路は、円形の蓄電池に合わせた適合性を向上させるために、流動方向で見て波形に構成されている。温度調節媒体としては空気のような気体状の媒体、または水のような液体状の媒体が用いられる。

従来の熱交換器は、特に車両バッテリであるバッテリの蓄電池を冷却するためのものであり、空気または水を用いる動作形態に基づき、熱キャリア側に大きな流れ部断面積を有している。そのため、熱交換器およびこれに伴う蓄積装置の大きな取付スペースが必要になるという欠点がある。顕熱の伝達のために、除去されるべき熱出力によっては非常に大きな熱媒体の質量流量が必要である。熱交換器内部で熱媒体の流動方向における温度が高くなることによって、蓄電池内部における均等な温度分布が確保できなくなる場合がある。他方では、個々のバッテリセルまたは蓄電池の間の大きな温度差は、各セルの耐用寿命に悪影響を及ぼす。

本発明の課題は、原動機付き車両、特にハイブリッド自動車や電気自動車等の蓄電池で構成されるバッテリの温度制御をするための、コンパクトな熱交換器ユニットを実現することであり、その熱交換器ユニットは、高い冷却出力を提供しながら最小限の取付スペースを要求し、騒音の発生を最小限に抑えながらバッテリ内部における非常に均一な温度分布を確保するものである。その熱交換器ユニットを車両に取り付ける際の組み立て労力も、同じく最小限に抑えられるべきである。

本発明は、電気化学式のエネルギー蓄積器の温度制御と保持とをするように設けられた、熱交換器によって上記課題を解決する。電気化学式のエネルギー蓄積器のことを、以下、バッテリユニットと呼ぶ。電気化学式のエネルギー蓄積器は、特にＮｉ／ＭｅＨセルまたはＬｉイオンセルであってもよい。このとき複数のセルが結合されて１つのバッテリユニットをなしており、さらに、共通のバッテリユニットがバッテリをなしている。

本発明による熱交換器は、熱媒体により通過可能なフラット管と、熱媒体を導くための収集管および分配管とを有している。フラット管は多チャンネルフラット管として構成されているのが好ましい。複合体としての収集管、分配管、およびフラット管は垂直方向を向く保持フレームを形成しており、構造体中の保持フレームは中間スペースを形成している。直方体の中間スペースは、バッテリユニットを直接収容するためのチャンバとして設けられている。熱を吸収または放散する熱媒体は、各バッテリユニットの間に配置されたフラット管を通過するように案内される。水平方向の平面では、チャンバは下面で閉じられるとともに上方に向かって開くように構成されている。別案として、チャンバは下面でも開くように構成されていてよい。垂直方向の開口部は、中間スペースを形成する熱交換器内部へのバッテリユニットの挿入または取り付けを可能にする。

多チャンネルフラット管を、収集管および分配管と関連して利用することで、最小限の取付スペースを要求する非常にコンパクトな熱交換器ユニットが実現されるという利点がある。

本発明の思想によれば、各管によって一体的な構造として構成される保持フレームは、長辺と短辺とによって特徴づけられる、長方形のチャンバを有している。本発明による熱交換器は、車両でバッテリユニットを位置決めして支持するための保持フレームと、バッテリユニットの最適の作業温度を達成するために損失熱を排出するための熱交換器とで構成される機能ユニットとを形成する。この組み合わせは、熱伝達の最善の条件のもとで、スペースと設置空間が削減されることにつながる。各チャンバは保持フレームの中間スペースとして、互いに一列に並べられており、すなわち、各チャンバは水平方向平面の空間方向で相並んで配置されている。本発明の１つの好ましい実施形態では、複数列のチャンバが水平方向平面の第２の空間方向で相並んで配置される。

本発明の思想による中間スペースの壁部は、多チャンネルフラット管で確立されており、フラット管は水平方向で平行に配置され、フラット管の短手方向側部は互いに指向する。フラット管の長手方向側部各々はチャンバの垂直方向の壁部を形成し、すなわち、長手方向側部各々は垂直方向平面に配置されている。
本発明の１つの好ましい実施形態では、収集管ならびに分配管は垂直方向を向いている。収集管から熱媒体を排出するための接続部、および分配管へ熱媒体をチャージするための接続部は、それぞれ下側の管端部に設けられている。

保持フレームとして構成された熱交換器のチャンバは、外辺部を囲んで閉じられるように構成されている。それにより、熱交換器は、チャンバ内に配置されたバッテリユニットをチャンバの全外辺部で取り囲む。熱媒体はバッテリユニットの４つの全ての垂直方向側面部に沿って流れ、ユニットで生成される熱を送出（放散）することができる。

本発明の特に好ましい実施形態では、異なる多チャンネルフラット管は異なる流れ部断面積を有しており、フラット管の外側寸法と外側ジオメトリは等しい。それにより、多チャンネルフラット管の内部で熱媒体毎に合わせて適合化された流れ部断面積をもつ、外側の形状または形態および外側の寸法に関して等しい熱交換器を用いることができる。このようにして、形状、寸法、および配置に関して同一であるバッテリユニットを、異なる熱媒体によって作動する熱交換器を備えるシステムによって温度制御することが可能とされる。

上記に代わる実施形態では、熱交換器は、等しい外側のジオメトリおよび寸法を有しながら、異なる流れ部断面積をもつ多チャンネルフラット管を備えている。それにより、熱交換器を任意選択で異なる熱媒体によって作動させることができ、バッテリユニット内部の他の構成要素にこれ以外の適合化を行うことなく、別の熱媒体への切り替えが可能である。収集管および分配管の内側のパーティションや接続部分は、熱媒体の特性に合わせて調整された内部の流れ部断面積に合わせて適合化される。多チャンネルフラット管はそれぞれの垂直方向の配置に関して、異なる熱媒体により互い違いに流通可能であるのが好ましい。例えば熱交換器が２つの異なる熱媒体ＩおよびＩＩのために設計されているとすると、熱媒体Ｉを供給する多チャンネルフラット管は、熱媒体ＩＩを供給する多チャンネルフラット管に直接隣接して配置される。熱交換器に熱媒体ＩかＩＩのいずれかが通過して流されるとき、それぞれの他方のフラット管は供給されず、したがって、このフラット管は、バッテリユニットと熱交換器の壁部のための支持・熱伝導部材としてのみ機能する。

さらに、壁部は熱伝導板によって構成されるのが好ましい。多チャンネルフラット管はチャンバの長手方向側部で垂直方向に熱伝導板によって機械的かつ熱伝導的に互いに結合される。多チャンネルフラット管の間での熱伝導は、熱交換器の表面における温度が均等化されるように作用する。

さらに、バッテリユニットを収容するためのチャンバは熱伝導板によって分割される。チャンバの内面は、熱伝導板によって形成された平坦で平滑な表面を有しており、それにより、熱交換器のスペースすなわちチャンバへ、バッテリユニットを容易に取り付けることが可能である。このように熱伝導板は、各フラット管を相互に熱伝導的に結合する役目を果たすだけでなく、熱伝導のためにバッテリユニットとの接触面を提供する役目も同様に果たす。
熱伝導板は多チャンネルフラット管に溶接され、はんだ付けされ、接着され、またはクランプ留めされるのが好ましい。

本発明の１つの好ましい実施形態では、多チャンネルフラット管は各チャンバの短手方向側部のところで変形可能であり、すなわち、各チャンバの短手方向側部はその長さが変更可能である。それにより、各チャンバを水平な空間方向でフレキシブルに成形可能であるという利点がある。この変形可能性は、撓曲によってチャンバの内部へバッテリユニットを簡単に取り付けることを可能にする。さらに、結果として起こる押圧によって熱交換器とバッテリユニットとの間の良好な熱伝達が保証される。さらにはこの変形可能性によって、作動中の熱負荷の結果として生じるバッテリユニットの空間的な膨張を調和可能であるという特別な利点も生じる。
上記に代えて多チャンネルフラット管は、チャンバの長手方向側部の向かい合う長方形の配置に基づいて、チャンバの長手方向で外方に向かって湾曲するように変形されている。チャンバの長手方向での多チャンネルフラット管の湾曲または変形は、チャンバの短手方向側部の短縮ならびに長手方向側部の互いの接近を引き起こす。水平の空間方向におけるフラット管の変形可能性は、バッテリユニットの簡単な取り付けや、作動中の熱負荷によるバッテリユニットの空間的な膨張をバランスするといった既述の利点を有している。

本発明による熱交換器は、１つの好ましい実施形態では冷媒気化器として構成されている。直接的な冷媒冷却により、バッテリすなわちバッテリユニットと、バッテリユニットの温度制御をするための熱交換器とからなる、非常にコンパクトなユニットが実現可能となる。しかも直接的な冷媒冷却には、熱交換器を車両空調設備の冷媒回路と直接接続できるという利点がある。
冷媒が気化するとき、気化時のほぼ一定の温度に基づいて、非常に均一な温度分布がバッテリ内部で得られる。

相変化をする熱媒体としての好ましい冷媒は、二酸化炭素（Ｒ７４４）、Ｒ１３４ａ、またはＨＦＯ１２３４ｙｆである。しかしながら熱交換器は、グリコールのような単相の液体状の冷媒で作動させることも同様に可能である。使用されるべき熱媒体に応じて、多チャンネルフラット管の流れ部断面積を寸法決めしなければならない。
フラット管がバッテリユニットと直接接触しているので、送出されるべき熱がバッテリユニットから冷媒すなわち熱媒体へと伝えられる。

本発明の概念によると、多チャンネルフラット管を介して互いに接続される収集管と分配管は、熱媒体の質量流量を部分流として各多チャンネルフラット管へ分割可能であるように構成されている。すべての部分流は１つの方向で多チャンネルフラット管を通過する。

上記に代えて、熱媒体の質量流量を部分流として各多通路フラット管へ分割可能であり、部分流は多通路フラット管を１つの方向で平行に貫流するとともに、収集管および／または分配管で方向転換した後に、隣接して配置された多通路フラット管を逆流して貫流するのが好ましい。

対向流で冷媒質量流量の選択可能な分割および方向は、高温に加熱された多チャンネルフラット管が、流入状態ではるかに低い温度である熱媒体が通るフラット管と隣接して配置されており、それによってバッテリユニット内部における温度のいっそう優れた均等化が可能であるという利点がある。

本発明のさらに別の好ましい実施形態では、熱交換器のチャンバの内部に、バッテリユニットを支持するための支持支柱を備える支持フレームが設けられている。それにより、バッテリユニットと、熱交換器のチャンバの壁部、特に熱伝導板との間で、十分な熱伝達が確実にされる。各バッテリユニットの間に通される支持支柱は、支持中に定義されたとおりに伸長され、それによって一定の支持緊張（プレストレス）を保証して、支持フレームの側壁およびこれに伴って熱交換器のチャンバの壁部を支持するように設計されているのが好ましい。プレストレスにより、バッテリユニットの寸法が変化したときでも、必要な熱伝導のために必要となる圧着力が維持される。

支持支柱は、引張強さと断面積とに応じて、いかなる動作状態のもとでも最低限の支持引張り力が保証されるとともに、最大の支持引張り力を超えないように設計される。上記に代えて、支持支柱は上記よりも大きく寸法決めすることもでき、それにより、どの動作状態のときでも支持支柱の重大な伸長が起こることがなくなる。支持支柱が大きめに寸法決めされている場合、支持フレームにプレストレスをかけるための弾性部材が設けられる。

上記に変わる実施形態では、引張り力は支持フレームによって印加される。支持支柱を備える支持フレームを取り付けるとき、伸長可能でない支持支柱が固定されて、引張り力が支持フレームへ伝達される。このときプレストレスは、伸長可能に構成された支持フレームを通じて保証される。支持支柱を短くすることで、取り付けのときに支持フレームが定義されたとおりに変形し、その結果、支持フレームの側壁、すなわち熱交換器のチャンバの壁部が支持される。
支持フレームと支持支柱は金属またはプラスチックで構成されていてよい。

本件明細書は、チャンバが上方に向かってすなわち垂直方向に開いた、熱伝導装置の縦置き型の施工形態も対象としている。しかしながら別案として、熱交換器は横置き型として施工されていてもよい。横置き型の施工形態の場合、チャンバは側方に、すなわち水平方向に開いている。水平方向、垂直方向という指定は、基本的に、図面に関する以下の説明を基準としている。すなわち、水平方向、垂直方向という用語は相対的な方向を指しているにすぎず、限定をする意味で用いられているのではない。

以上を要約して言えば、熱交換器の主要な利点はコンパクトさにあり、すなわち、最低限の取付スペースで高い冷却能力を併せ持つことにある。
従来技術と比べたときの熱交換器のこれ以外の利点は、次のようにまとめることができる：−最小限に抑えられた騒音の発生
−取付余裕を設けることによる最小限に抑えられた取付労力
−良好な熱伝達による非常に均一な温度分布
−熱伝導板による熱交換器表面における温度の均一化
−フラット管の外側寸法とジオメトリを同じに備え、それぞれの熱媒体に合わせて適合化される多チャンネルフラット管の流れ部断面積
−熱負荷の結果としての空間的な膨張を補償可能とする、水平な空間方向でのフレキシブルな変形性
−車両空調設備の冷媒回路と直接接続された冷媒気化器としての構成
本発明のその他の具体的事項、構成要件、および利点は、添付の図面を参照しながら行う以下の実施例の説明から明らかである。

バッテリユニットを収容するためのチャンバを備える熱交換器である。 多チャンネルフラット管の間での熱伝導による温度補償である。 外側ジオメトリは同じであるが、異なる流体のチャンネルの流れ部断面積が異なっている多チャンネルフラット管を示す断面図である。 外側ジオメトリは同じであるが、異なる流体のためにチャンネルの流量断面積が異なっている多チャンネルフラット管を示す断面図である。 熱交換器の変形である。 支持フレームと支持支柱を備える熱交換器である。

図１には、バッテリユニットを収容するためのチャンバ（５）を備える本発明の熱交換器（１）が示されており、バッテリユニットは熱交換器（１）によって冷却される。熱媒体が通る熱交換器（１）は、バッテリユニットの作動時に、すなわち充電時または放電時に発生する熱を送出（放散）し、そのようにして、バッテリの耐用寿命を延ばすために、バッテリが一定の最高温度を超えないように作用する。

バッテリから熱を放散する熱媒体は、バッテリユニットの周囲に配置されたフラット管（２）を通って流れており、それにより、熱吸収媒体が隣接して配置された各バッテリユニットの間を熱吸収性の媒体が直接通過するようになっている。チャンネルフラット管（multi-channel flat tubes）（２）は互いに接続されている。分配管（４）が、熱媒体を多チャンネルフラット管（２）の個々の断面へ分配するために設けられており、また、収集管（３）が個々のチャンネルをまとめるために設けられている。熱交換器（１）、すなわち多チャンネルフラット管（２）内部での熱媒体の所望の配分や方向転換に応じて、分配管（４）および／または収集管（３）の内部容積は、それぞれ、分割されたセクションで与えられるか、つながった領域として定められる。このとき多チャンネルフラット管（２）は水平方向を向いており、収集管（３）と分配管（４）は垂直方向を向いている。熱媒体を収集管（３）から排出するため、および熱媒体を分配管（４）へチャージするための接続部の各々は、下側の管端部に設けられる。また、収集管（３）の接続部は、熱力学の観点から、上側の管端部に配置されていても好ましい。

熱交換器（１）は、例えば車両空調ユニットの冷媒回路の冷媒のような相変化をする媒体、または、例えばグリコールのような単相の流体によって作動させることができる。車室内の空調をするための車両の空調ユニットのスイッチが入らない可能性がある０℃以下の外気温のときでも、バッテリ冷却器は作動するように設けられているので、熱交換器（１）からのオイルフィードバックを保証することができ、いわゆるオイルトラップの設置が回避される。底部に位置決めされた接続部を有する垂直向きの収集管（３）と分配管（４）は、特にどのような作動条件のもとでも必要なオイルを確実に輸送するために用いられ、オイルが蓄積する「リザーバ」が生じないことを保証する。

バッテリユニットを収容するために長方形に設けられたチャンバ（５）の壁部は、その複合体において格子状の構造体として配置されており、それにより、バッテリユニットは水平の空間方向（Ｘ，Ｙ）で互いに隣接している。多チャンネルフラット管（２）は、それぞれ長手方向側部（１２）と短手方向側部（１３）を有し、チャンバ（５）を全外辺部で取り囲んでおり、それにより、各々のバッテリユニットの垂直方向の側から熱が放散されるようになっている。

熱伝導を改善し、それによって放散される熱の配分を改善するために、チャンバ（５）の長手方向側部（１２）で隣接する多チャンネルフラット管（２）は互いに熱伝導板（６）と結合されている。熱伝導板（６）は、多チャンネルフラット管（２）と物質クロージャまたは形状クロージャにより結合されている。熱伝導板（６）は多チャンネルフラット管（２）に接着され、またはクランプ留めされる。この場合、収集管（３）および分配管（４）を備えた多チャンネルフラット管（２）は、通常はタンクとも呼ばれ、誘導方式で溶接され、これにより、所要のはんだ付け時間を大幅に短縮するという利点がある。しかしながら、熱伝導板（６）も同様に多チャンネルフラット管（２）と溶接されていてもよい。その場合、収集管（３）、分配管（４）、多チャンネルフラット管（２）と、熱伝導板（６）とを備える熱交換器（１）全体が、予備組立てされたユニットとして応じた短いサイクル期間で、溶接炉で溶接される。

熱伝導板（６）は例えば銅やアルミニウムのような非常に優れた熱伝導体で構成されているので、バッテリユニットの外側における温度は非常に良好に均一化される。バッテリユニット内部でのプロセスによって場合により生じる温度差が、良好にバランスを保たれる。多チャンネルフラット管（２）に取付けられた熱伝導板（６）は、個々の多チャンネルフラット管（２）の間での熱流動を可能にする。温度の低い熱媒体が通る多チャンネルフラット管（２）は、より温度の高い熱媒体が通るフラット管（２）よりも多く熱流を吸収する。このように各フラット管（２）の間の熱伝導は、バッテリユニットまたは熱交換器（１）の表面における温度の均一化をもたらす。例えば１つのフラット管（２）の温度が、局所的な過熱によって、または著しく加熱された熱媒体によって上昇すると、これに隣接するバッテリユニットは、このバッテリユニットの隣の多チャンネルフラット管（２）によって熱伝導板（６）を介して冷却される。

冷媒質量流量の流動方向は、この熱交換器（１）の設計においては自由に選択可能なので、隣接する２つの多チャンネルフラット管（２）を逆流で貫流しており、低温の流入状態の冷媒、すなわちコールドキャリアを、それぞれ通すフラット管（２）が、著しく加熱されたフラット管（２）の隣に配置される。

さらに図１から見て取れるように、垂直方向に向けられた熱伝導板（６）は、各多チャンネルフラット管（２）の間の好ましい熱的な結合を成立させるばかりでなく、さらに、バッテリユニットを収容するために格子状に配置された直方体のチャンバ（５）を分割している。多チャンネルフラット管（２）と、熱伝導板（６）の平坦な表面との間の中間スペースを閉じるので、バッテリユニットをチャンバ（５）へ容易に取り付けることができる。さらに熱伝導板（６）の平坦な表面は、バッテリユニットの表面と熱交換器面との閉じられた領域接触を可能にし、このことは良好な熱伝導及び、それに伴ってバッテリユニットの効率的な温度調節を確実にする。

図２は、熱伝導板（６）の内部での熱伝導による各多チャンネルフラット管（２）の間の温度補償を示している。多チャンネルフラット管（２）は均等な相互間隔をおいて熱伝導板（６）の上に配置されており、溶接、はんだ付け、接着、クランプ留め、またはその他の適切な方法によって熱伝導板（６）と熱的に結合されている。多チャンネルフラット管（２）は、別案として変更した相互間隔、すなわち利用可能なスペースもしくはその他の所与の条件に合わせて適合化された相互間隔をおいて、配置されていてもよい。したがって各多チャンネルフラット管（２）の間での熱バランスは、熱伝導のプロセスに基づくものである。バランスする熱流は、基本的に、各多チャンネルフラット管（２）の間を垂直方向（１０）に流れる。

多チャンネルフラット管（２）を介してつながっている収集管（３）と分配管（４）は、熱媒体の質量流量を部分流へと分割可能であるように構成されており、１部の流れが複数の多チャンネルフラット管（２）を平行に１つの方向（１１）で貫流し、隣接して配置された多チャンネルフラット管（２）を逆流して貫流する。

あるいはその一方で、熱媒体の質量流量が、そのような方法で、収集管（３）と分配管（４）によって方向転換されて、交互にすべての多チャンネルフラット管（２）を貫流することもでき、この本発明のケースでは、隣接するすべての多チャンネルフラット管（２）を逆流して貫流するようになっている。
さらに、熱媒体の質量流量を各多チャンネルフラット管（２）に均等に分割するという選択肢もあり、それにより熱媒体は分配管（４）と収集管（３）の間で何度も往復して流れるのではなく、熱媒体の共通の流れが実現される。

図３ａと図３ｂには、チャンネルの同じ外側ジオメトリと異なる流れ部断面積（flow cross-sections）（９）とを備える多チャンネルフラット管（２）の断面図が示されている。同じ外側のジオメトリを有する流れ部断面積（９）の異なる多チャンネルフラット管（２）を使用したうえで、この熱交換器（１）はさまざまに異なる熱媒体とともに用いることが想定されている。

相変化をする冷媒すなわち気化をする冷媒が熱媒体として使用される場合、多チャンネルフラット管（２）の流れ部断面積（９）は、各場合で許容される圧力損失に合わせて調節される。フラット管（２）内部での圧力損失は、バッテリの許容される温度格差を上回らないように設定される。流動長さ１メートルと熱出力１キロワットあたりのフラット管（２）の流れ部断面積（９）は３５ｍｍ²／（ｍ・ｋＷ）から５５ｍｍ²／（ｍ・ｋＷ）である。

グリコールのように単相の熱媒体の場合、流れ部断面積（９）は十分に大きな質量流量を通過可能であるように設定され、質量流量は、放散されるべき熱量と、最大限許容されるバッテリの温度格差とから求められる。十分に多い質量流量により非常にわずかな温度格差を実現することができるように、グリコールが用いられる。
特に、バッテリ内部で冷媒が気化する場合に、非常に均一な温度分布が得られる。冷媒の温度が圧力レベルだけに依存して決まるからである。流動経路の過程では、圧力損失の結果として気化温度が低下する。気化プロセスに続いて気化器の出口で冷媒が過熱されると、温度が再び上昇する。圧力損失と過熱は、バッテリの許容される温度格差に合わせて調整される。

熱交換器（１）は、同じ外側のジオメトリを有する一方で内部の流れ部断面積（９）を調整することによって、さまざまな熱媒体により作動可能であり、バッテリ内部の他の構成要素を調整することなく、別の冷媒または別の熱媒体に切換可能である。特に、多チャンネルフラット管（２）、収集管（３）、分配管（４）といった流れが通過する構成要素の外部寸法を変えることなく、Ｒ１３４ａ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、Ｒ７４４、ならびにグリコールのような冷媒用に、実現可能である。ただし、流れ部断面積（９）は、それぞれの流体に合わせて調整されなければならない。

図４は、短手方向側部（１３）に配置された変形可能な多チャンネルフラット管（２）が複合体として変形される場合の、熱交換器（１）のチャンバ（５）の部分断面図を示している。フラット管（２）にあるウェブはフラット管（２）を非常に大きく撓曲させることが可能であり、その際に流れ部断面積（９）を閉じてしまうことがない。多チャンネルフラット管（２）は、溶接工程の前および／または後で変形可能である。

長方形の構造に比べて、膨出され、またはチャンバ（５）の長手方向で外方に向かって湾曲するように変形された、フラット管（２）は、熱交換器（１）を定義された空間方向（Ｘ，Ｙ）でフレキシブルに設計できることを示している。短手方向側部すなわちチャンバ（５）が空間方向Ｘでより短縮されるほど、フラット管（２）はいっそう大きく膨出することになる。このように、水平の空間方向Ｘにおける熱伝導板（６）の圧縮は、熱伝導板（６）を互いに近づけさせ、多チャンネルフラット管（２）の変形Ｖとともに各熱伝導板（６）の間隔の縮小をもたらす。このとき多チャンネルフラット管（２）は、水平の空間方向Ｙでチャンバ（５）に対して外方に向かって動き、特定の半径で湾曲する。多チャンネルフラット管（２）の変形は弾性的な範囲内で、あるいは可塑的な範囲内で行われ、チャンバ（５）の外側寸法のフレキシブルな成形可能性を可能にする。チャンバ（５）の可変な幅、およびこれに伴うチャンバ（５）の外側寸法の可変な選択範囲は、バッテリユニットの外壁と熱伝導板（６）との十分な接触を確実にしながら、外側寸法の若干相違しているバッテリユニットを収容することを、限定された範囲内で可能にする。このことは、バッテリユニットと熱交換器（１）との間の非常に優れた熱伝達並びに、熱交換器（１）のチャンバ（５）内部におけるバッテリユニットの取り付けのための好ましい隙間を保証する。バッテリユニットの取り付けのために湾曲された熱交換器（１）のチャンバ（５）は（フラット管（２）の変形Ｖ）、引き続き、良好な熱伝達を確実にするためにバッテリユニットとともに押圧される。チャンバ（５）の撓曲は、チャンバ（５）の幅の最大１０％までであってよい。フラット管（２）にある内側ウェブに一定の適合化をすることで、この１０％の値をさらに引き上げることも可能である。

さらに、バッテリユニットの作動時に考えられる膨張を、バッテリユニットと熱伝導板（６）との間の十分な領域接触を確実にしながら補償可能である。
図５には、支持フレーム（７）と支持支持部（８）とを備える熱交換器（１）が示されている。バッテリユニットと熱交換器（１）との間の十分な熱伝達を確実にするために、バッテリユニットを備えた熱交換器（１）は支持フレーム（７）と支持支持部（８）によって固定され、支持支柱（８）は各バッテリユニットの間に挿通される。このようにバッテリユニットと熱交換器（１）は複合体を形成し、この複合体においてはさらに支持フレームが下方に向かってのチャンバ（５）を閉鎖する底面を備えるように設けられている。

支持フレーム（７）と支持支持部（８）は、例えば金属やプラスチックで構成されていてよい。支持支柱（８）は、支持する際に定義されたとおりに伸長されており、熱交換器（１）が予め圧力を加えられる（プレストレス）ことを確実にするように寸法決めされている。このプレストレスにより、バッテリユニットのセルにサイズ変更が生じたときでも、バッテリユニットの表面と熱交換器（１）との間の圧着力が維持される。支持支持部（８）の断面積と形状は、どのような作動状態のときでも最小限の固定力が保証されるとともに最大の固定力を上回らないように、引張強さを通じて設計されている。
支持支柱（８）は、任意選択で、これよりも大きく寸法決めされていてもよく、それによって支持支柱（８）の重大な伸長が起こらず、この場合、プレストレスはバネ座金のような弾性部材によって実現される。

１ 熱交換器
２ フラット管／多チャンネルフラット管
３ 収集管
４ 分配管
５ チャンバ
６ 熱伝導板
７ 支持フレーム
８ 支持支柱
９ 流れ部断面積
１０ 熱流の方向
１１ 質量流量の方向
１２ 長手方向側部
１３ 短手方向側部
Ｖ 変形
Ｘ，Ｙ 水平の空間方向

Claims (17)

1. 車両のバッテリのバッテリユニットの温度制御及び保持のための熱交換器（１）にであって、
   熱媒体が通過できる複数のフラット管（２）と、
   前記熱媒体を導くための収集管（３）および分配管（４）と、を有し、
   前記復数のフラット管（２）は多チャンネルフラット管（２）として設けられ、
   前記収集管（３）と前記分配管（４）は前記複数のフラット管（２）を介して相互に接続されており、それにより保持フレームが形成され、前記保持フレームは、前記バッテリユニットを収容するためのチャンバ（５）として設けられた複数のスペースを形成する熱交換器。
2. 前記保持フレームは一体的な構造であり、この保持フレームにより、前記複数のチャンバ（５）が長手方向側部（１２）および短手方向側部（１３）を持つ直方体配置を有し且つ互いに一列に向けられ並べられるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１）。
3. 前記多チャンネルフラット管（２）は、水平方向に向けられ、互いに平行であり、短手方向側部を備え、前記多チャンネルフラット管（２）の前記長手方向側部は、垂直平面に配置されており、
   前記収集管（３）と前記分配管（４）は垂直方向に向いており、前記収集管（３）に熱媒体を排出するための接続部が設けられ、分配管（４）に熱媒体をチャージするための接続部が設けられ、それぞれの接続部は下側の管端部に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器（１）。
4. 前記チャンバ（５）はその周囲で閉じられるように設けられており、前記チャンバ（５）内に配置されたバッテリユニットは、その全外辺部で前記熱交換器（１）に包囲されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
5. 流れ部断面積（９）の異なる前記多チャンネルフラット管（２）が、同じ外側ジオメトリを有しており、それにより、前記多チャンネルフラット管（２）が、熱媒体に合わせて適合化された流れ部断面積（９）を有するが外側構造が不変である他の熱交換器に使用できることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
6. 異なる流れ部断面積（９）を備える前記多チャンネルフラット管（２）が、同じ外側ジオメトリを有しており、且つ、異なる熱媒体の他の熱交換器（１）に任意選択的に使用可能であり、それにより、前記熱交換器（１）は異なる流れ部断面積（９）の多チャンネルフラット管（２）を備えることになる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
7. 前記多チャンネルフラット管（２）は、前記チャンバ（５）の長手方向側部（１２）で垂直方向に熱伝導板（６）によって機械的かつ熱伝導的に互いに結合されており、前記複数のチャンバ（５）は、バッテリユニットを収容するために前記熱伝導板（６）によって分割されており、前記チャンバ（５）の内面は前記熱伝導板（６）によって形成された平坦で平滑な表面を有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
8. 前記多チャンネルフラット管（２）は前記チャンバ（５）の短手方向側部（１３）で変形可能であり、そのため、前記チャンバ（５）の短手方向側部（１３）はその長さに関して変更可能であり、前記チャンバ（５）は水平の空間方向（Ｘ，Ｙ）でフレキシブルに形成可能であり、熱負荷による前記バッテリユニットの膨張を補償可能であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
9. 前記多チャンネルフラット管（２）は、前記チャンバ（５）の長手方向側部（１２）に向かい合う長方形の配置に基づいて、前記チャンバ（５）の長手方向で外方に向かって湾曲するように変形しており、それにより前記チャンバ（５）の短手方向側部（１３）が短縮されるとともに長手方向側部（１２）が互いに接近していることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器（１）。
10. 前記熱交換器（１）は冷媒気化器として構成されていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
11. 前記多チャンネルフラット管（２）を介して互いに接続された前記収集管（３）と前記分配管（４）は、熱媒体質量流量を前記多チャンネルフラット管（２）における複数の部分流として分割可能であるように構成され、前記複数の部分流の全ては前記多チャンネルフラット管（２）を１方向で平行に通ることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
12. 前記多チャンネルフラット管（２）を介して互いに接続された前記収集管（３）と前記分配管（４）は、熱媒体質量流量を前記多チャンネルフラット管（２）における複数の部分流として分割可能であるように構成され、前記複数の部分流は前記多チャンネルフラット管（２）を１方向で平行に通り、前記収集管（３）および／または前記分配管（４）で方向転換した後に、隣接した前記多チャンネルフラット管（２）を対向流で通されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
13. 前記熱交換器（１）の前記チャンバ（５）の内部でバッテリユニットを支持するために、支持支柱（８）を備える支持フレーム（７）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。
14. 前記支持支柱（８）は各バッテリユニットの間に通されており、前記支持フレーム（７）の側壁を支持していることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器（１）。
15. 前記支持支柱（８）は支持中に伸長され、それによって前記支持フレーム（７）の側壁およびこれに伴って前記熱交換器（１）の前記チャンバ（５）の壁部を支持するためにプレストレスを保証するように構成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の熱交換器（１）。
16. 前記支持フレーム（７）は支持中に変形し、それによって前記熱交換器（１）の前記チャンバ（５）の壁部を支持するためのプレストレスを保証するように構成されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の熱交換器（１）。
17. 前記支持フレーム（７）にプレストレスをかけるために弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の熱交換器（１）。