JP2016506030A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換装置を提供する。【解決手段】 温度を制御すべき技術対象、特に電気自動車駆動装置用のバッテリに対して、熱交換装置が提供され、その熱交換部は、流入ダクトおよび流出ダクトを有し、かつ温度を制御すべき対象の内面と熱伝導接触している熱交換ポーチ１の形態である。熱交換ポーチ１は、上下に配置された２つの箔片の縁溶接によって単純な方法で製造される。熱交換装置の狭い間隙空間における前記熱交換ポーチの取付と、隣接する壁への優れた熱伝達とは、箔材料から同様に形成されかつ圧縮性媒体で充填される圧力ポーチ３４によって可能になる。【選択図】 図４

Description

本発明は、流入ダクトおよび流出ダクトを有しかつ熱搬送媒体の流れが横断する平坦な熱交換部を有する、温度を調整すべき技術対象の、特に電気自動車駆動装置用のバッテリの熱交換装置であって、当該熱交換部が、温度を制御すべき対象の内面と熱伝導接触している、熱交換装置に関する。

特許文献１は、圧力ダイカスト法によって形成された構造化冷却プレートが、ホース状冷却管と、かつ前記冷却管から突出している熱伝導要素と熱伝導接触しており、その熱伝導要素が電気自動車駆動装置用のバッテリの丸いセルと表面接触している、熱交換装置を開示している。

特許文献２は、流れが横断する個々の内部ダクトを有する固い冷却プレートが、ポーチ状バッテリセルを保持するための複数の固い枠にねじ込まれている、前記と同タイプのさらなる熱交換装置を開示している。

独国特許第１０２００６０５９９８９号明細書 独国特許第１０２０１００５５６１６号明細書

前記既知の熱交換装置は、熱搬送媒体を平坦形状の熱交換部に通すダクトを製造するとともに、温度を制御すべき対象の内面との熱伝導接触をもたらすための構造に関して、比較的多大な費用が必要であることを示している。さらに、前記タイプの熱交換部は、対応する装置において比較的大量のスペースを取り、その結果、前記熱交換部は、装置の構造のほとんどの部分を占める。

本発明は、比較的小さい構造体積を取り、特に単純な方法でかつ安価で大量生産製品と
して製造し組み立てることができる、上述したタイプの熱的に非常に有効な熱交換装置を
見出すという目的に基づく。

前記目的は、本発明により、熱交換部が箔材料から形成された熱交換ポーチの形態であり、それと平行に、圧縮性媒体で充填されかつ箔材料から形成される圧力ポーチが配置されている、という点で達成される。

前記タイプの熱交換ポーチを、引用した従来技術の板状金属鋳造体とは対照的に、それらの所望の形状および寸法にしたがって箔片から切り抜くかまたは打ち抜き、ついで、上下に位置するように配置し、さらにそれらの縁の領域において溶接または接着接合することにより、単純な方法で製造することができる、ということは自明である。前記熱交換ポーチを、温度を制御すべき対象の熱伝導内面と、圧力ポーチによってかけられる圧力下で柔軟に接触させる結果、前記熱交換ポーチは、前記内面に対するその内圧によって支持され、したがって、内部を流れる熱搬送媒体の高い圧力および流量に順応することができ、その結果、強制対流による高品質な熱の伝達を確保することができる。

前記タイプの熱交換ポーチは、その熱交換面に関連する材料およびスペースの要求が低いため、その時点までまだ充填されていない圧力ポーチとともに比較的狭い間隙空間に挿入されるのに適しており、それにより、温度を制御すべき技術対象を、これに対応して小さい構造寸法で製造することができる。

圧力ポーチが空気または窒素で充填され封止された後、熱交換ポーチは、圧力ポケットの充填圧力下で、温度を制御すべき対象の内面にしっかりと接触して位置し、それにより前記対象の優れた伝導が確保される。

例えばバッテリのハウジング内等、技術対象内で圧力ポーチによってかけられる圧力の
均一な分散のために、本発明の好ましい実施形態では、圧力ポーチと熱交換ポーチとの間
に圧力分散プレートが配置される。

本発明のさらなる有利な実施形態では、箔壁間の一様な流れ分布のために、熱交換ポーチの箔壁間に流れ誘導格子（ｇｒａｔｅ）が入れられる。

本発明のさらなる有利な実施形態は、従属クレームにおいて述べられており、図面に基づいた以下の説明から明らかになる。

図１は、本発明による熱交換装置の熱交換ポーチの斜視図であり、流入接続部の領域における断面図を含み、ポーチ壁が一部切欠状態で示されている。 図２は、図１による熱交換ポーチの流入領域の拡大部分断面図である。 図３は、第２箔壁がなく、流れ分布が矢印によって示されている、図１による熱交換ポーチの一部の平面図を示す。 図４は、本発明による熱交換装置を有するバッテリの部分断面図を示す。 図５は、バッテリにおける複数の相互接続された熱交換装置の斜視図である。 図６は、熱交換ポーチのさらなる実施形態における流れ誘導格子の斜視図であり、接続ノズルが前記流れ誘導格子に一体的に形成されている。 図７は、熱交換ポーチの接続ノズルのうちの１つの領域における当該熱交換ポーチの部分断面図である。 図８は、接続ノズルの領域における、図６による流れ誘導格子の拡大部分斜視図を示す。 図９は、熱交換ポーチの平面におけるかつ堰止ノズルの領域における拡大部分断面を示す。

図１に示す本発明による熱交換装置の熱交換ポーチ１は、２つの薄壁２、３から構成さ
れており、それら薄壁２、３は、互いに平行に伸び、箔材料から形成され、それらの縁４
の領域において互いに封止接続されている。

引裂抵抗、材料耐久性、熱伝導性、電気絶縁および溶接性に関する熱交換ポーチ１の特性を最適化するために、当該熱交換ポーチ１の製造に好適な箔材料は、例えばアルミニウム、ポリアミドおよびポリプロピレン等の異なる材料の積層複合物から構成され、さまざまな用途に対して０．２ｍｍ未満の箔厚さで市販されている。バッテリの冷却に使用される場合、箔材料の外層の少なくとも１つを、追加の電気絶縁箔の配置を不要にするために、電気絶縁プラスチック材料から構成するべきである。

熱交換ポーチ１は、例えば、丸みを帯びた隅部領域５と、短辺側において互いに対向して位置している２つの隅部領域の部分における接続領域６、７とを備えた矩形形態を有し、当該接続領域６、７は、およそ半円形状で突出している。この接続領域６、７は、熱交換ポーチ１を通る熱搬送媒体の供給および排出、したがって循環のための、熱交換ポーチ１の平面に対して垂直に向けられている各々１つの接続ノズル８、９の側方外側における配置および締結に役立つ。

接続ノズル８、９を受け入れかつ締結するために、熱交換ポーチ１の壁２、３のうちの１つの接続領域６、７において１つの円形開口部１０が打ち抜かれている。前記開口部１０を包囲する壁領域１１は、その内側が、接続ノズル８、９の接続フランジ１２に当接し、溶接または接着接合により前記接続フランジに固定・封止接続されている。

熱交換ポーチ１の壁２、３の間の比較的小さな間隔（この間隔により、熱交換ポーチ１を通る適切な流れが可能になり、この間隔は好ましくは２ｍｍ未満である）に関連して、接続ノズル８、９の流れが通過する内径を、比較的大きくなるように構成することができ、それにより、熱搬送媒体の対応する大きな送出流量を実現することができ、したがって、熱交換ポーチ１内で低い温度差で、特に有効な熱の交換を実現することができる。

熱交換ポーチ１を通る、流入接続ノズル８から流出接続ノズル９までの流れの熱交換を促進する流れ分布のために、熱交換ポーチ１の２つの壁２、３の間に流れ誘導格子１３が設けられており、その流れ誘導格子は、図３において方向矢印によって示すように、長手方向にかつ横方向に向けられた流路の境界を定める、相互接続された流れ誘導ウェブから構成されている。

図示する例示的な実施形態では、多数の相互に平行な横方向ウェブ１４から構成された
内部格子は、横方向ダクト１５、１６の境界を定め、横方向ダクト１５、１６は、熱交換
ポーチ１の長手方向縁に沿って誘導される少なくとも１つの流入ダクト１７、１８から分
岐し、対向する長手方向縁に沿って誘導される少なくとも１つの流出ダクト１９、２０内
に出る。

横方向ウェブ１４を互いにそれらの端部ではしご型形状に接続する長手方向ウェブ２１
は、前記横方向ウェブより断面高さが小さく、それにより、横方向ウェブ１４の間に延在
する長手方向ウェブの領域が、各々、１つの堰止ウェブ２２を形成する。したがって、堰
止ウェブ２２は、横方向ダクト１５および１６を通る流入ダクト１７、１８から流出ダク
ト１９、２０までのより均一な流れ分布をもたらす。

さらに、均一な流れ分布に対して、１つの分流長手方向ウェブ２５、２６が設けられ、それは、熱交換ポーチ１の長手方向縁２３、２４に対して少なくともおよそ平行に伸び、その流出側領域において、湾曲部２７、２８を介して分流ウェブ２９と一体化する。前記分流ウェブ２９は、一方の横方向ダクト１５と、他方の横方向ダクト１６という２つの群を互いに区切る。

好ましくは前述したように設計された流れ誘導格子１３を、安価な方法で、射出成形部
品として、例えばアルミニウム合金からまたはプラスチックから製造することができ、熱
交換ポーチ１の製造中、前記箔壁がポケット縁４に沿って互いに溶接される前に、前記ポ
ーチの箔壁２、３の間に配置することができる。流れ誘導格子１３は、したがって、断面
の高さが等しいウェブ１４、２５〜２７によって、ポーチ壁２、３の間の例えば２ｍｍの距離を画定する内部支持体を形成する。こうした支持体は、例えば車両駆動装置用のバッテリの構成要素の安定した結合に必要な面圧を吸収することができる。

図４は、車両駆動装置用のバッテリ３１の多数の棒状セル３０の温度を制御するのに役立つ例示的な実施形態を示し、棒状セル３０は、同じ平面において互いに平行に配置され、並列にかつ直列に互いに電気的に接続されている。棒状セル３０から熱交換ポーチ１までの熱伝導は、ここでは好ましくは、棒状セル３０の終端側電気接点３２を介して行われ、その目的のために、これら棒状セル３０は、共通コンタクトプレート３３によって並列に互いに電気的に接続されており、熱交換ポーチ１は、当該コンタクトプレート３３に熱伝導するように当接している。

熱交換ポーチ１がコンタクトプレート３３に均一に押圧され、したがって、優れた熱伝導接触が得られ、熱交換ポーチ１の中に封入された流れ誘導格子１３の均一な圧力負荷が実現されるために、例えば空気または窒素等の圧縮性媒体が充填された圧力ポーチ３４が設けられ、前記圧力ポーチと熱交換ポーチ１との間に設けられた圧力分散プレート３５により、棒状セル３０への均一な圧力の伝達が確実になる。このようにして、前記棒状セルは、優れた温度制御が提供され、かつ防振式に保持されることが確実になる。ここで、圧力ポーチ３４は、熱交換ポーチ１とは反対側の面により、閉鎖されたバッテリハウジング（図示せず）の壁３７の内面３６に対して支持される。

図５は、上下に配置された複数の層３８〜４１においてコンパクトにグループ化された電気棒状セル３０の温度を制御する本発明の例示的な適用を示し、そこでは、相互に隣接する層の間に、かつ外層３８、４１の外側にも各々１つの熱交換ポーチ１が設けられている。したがって、棒状セル３０の温度の制御は、当該棒状セル３０の２つの接点端部への熱伝達接続を介して実現される。

相互に平行な熱交換ポーチ１の各々に設けられた接続ノズル８、９は、バッテリ３１の正面側の側面４２の領域において同じ軸上に上下に設けられ、Ｔ字型分岐４３または９０°エルボ４４を介して、前記側面に対して平行に伸びる共通の接続ライン４５、４６に接続されている。前記接続ライン４５、４６は、当該接続ラインに設けられている接続ノズル４７、４８を介して、循環ポンプ（図示せず）および外部熱交換部（図示せず）への接続部を形成している。

例えばリチウム−イオンセルを含むバッテリ３１が電気的負荷下にあるとき、熱交換部は、それによってバッテリセル３０内で発生する熱を放散させる役割を果たす。

例えば冬期の運転中のバッテリセル３０に対してかつその性能に対して有害であり得る冷却作用を、好ましくは、バッテリの断熱材４９と組み合わせて、加熱体５０によって防止することができる。この加熱体らは、接続ライン４５、４６のうちの１つに締結され、例えばサーモスタットスイッチを用いて電気的に操作される。

熱交換ポーチの第２の例示的実施形態では、縁を含む熱交換ポーチの箔壁５１、５２は、流れ誘導格子としての役割も果たす内部支持枠５３に溶接されるかまたは接着接合され、その目的のために、前記内部支持枠は、その寸法に関して熱交換ポーチの外形に対応する外枠５４と、横方向流れダクト５５の境界を定めかつ断面高さが外枠５４の断面高さに対応する、横方向ウェブ５６とをさらに有している。対照的に、横方向ウェブ５６の延長部として外側にかつ長手方向ダクト５７、５８に対して横方向に延在するウェブは、畝状堰止ウェブ５９を形成する。

横方向流れダクト５５を通って流れる横方向の流れの場合でさえも、流れを堰き止めることによって熱交換ポーチを流れる均一な流れを得るために、図８および図９の図に対応して、ウェブ６０によって互いに接続された丸い堰止体６１の１つの列が、流入側および流出側にそれぞれ設けられており、それにより、それらの間の前記堰止体が堰止ノズル６２の列を形成する。前記堰止ノズル６２の高さは、横方向ウェブ５６および外枠５４の高さに対応する。したがって、箔壁５１、５２を、さらに、堰止体６１の前記列に溶接するかまたは接着接合することも可能である。

熱交換ポーチの接続ノズル６３、６４を、プラスチック射出成形部品として形成される支持枠５３に一体的に形成することができる。この目的のために、平面支持枠５３と円柱状接続ノズル６３、６４との間に谷状ダクト部品６５が形成され、それにより、前記ダクト部品の縁６６は外枠５４と同じ平面において当該外枠５４に一体化する。

２つの谷状ダクト部品６５と２つの接続部品６３、６４との間の遷移領域を補強するために、流れ方向に延在し、したがってまた流れも誘導するリブ６７を、前記遷移領域に形成することができる。

１ 熱交換ポーチ
２、３ 薄壁
４ 縁
５ 隅部領域
６、７ 接続領域
８、９ 接続ノズル
１０ 円形箔開口部
１１ 周囲壁領域
１２ 接続フランジ
１３ 流れ誘導格子
１４ 横方向ウェブ
１５、１６ 横方向ダクト
１７、１８ 流入ダクト
１９、２０ 流出ダクト
２１ 長手方向ウェブ
２２ 堰止ウェブ
２３、２４ 長手方向縁
２５、２６ 長手方向ウェブ
２７、２８ 湾曲部
２９ 分流ウェブ
３０ 棒状セル
３１ バッテリ
３２ 電気接点
３３ コンタクトプレート
３４ 圧力ポケット
３５ 圧力分散プレート
３６ 内面
３７ バッテリハウジングの壁
３８〜４１ 棒状セルの層
４２ 側面
４３ Ｔ分岐
４４ エルボ
４５、４６ 接続ライン
４７、４８ 接続ノズル
４９ 断熱材
５０ 加熱体

Claims (14)

1. 流入ダクト（６）および流出ダクト（７）を有しかつ熱搬送媒体の流れが横断する平坦
   な熱交換部（１）を有する、温度を調整すべき技術対象の、特に電気自動車駆動装置用の
   バッテリの熱交換装置であって、前記熱交換部が、温度を制御すべき対象の内面と熱伝導
   接触している、熱交換装置において、
   前記熱交換部が、箔材料から形成された熱交換ポーチ（１）の形態であり、
   前記熱交換ポーチ（１）と平行に、圧縮性媒体で充填されかつ箔材料から形成された圧力ポーチ（３４）が配置され、
   前記熱交換ポーチの箔壁（５１、５２）が、流れ誘導格子を形成する支持枠（５３）に溶接されるかまたは接着接合され、
   前記支持枠（５３）が、寸法が前記熱交換ポーチの外形に対応する外枠（５４）を有し、
   前記熱交換ポーチ（１）の接続ノズル（６３、６４）が、前記支持枠（５３）に一体的に形成されていることを特徴とする熱交換装置。
2. 前記熱交換ポーチ（１）と前記圧力ポーチ（３４）との間に圧力分散プレート（３５）が配置されている、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記熱交換ポーチ（１）内に流れ誘導格子（１３）が封入されている、請求項１または２に記載の熱交換装置。
4. 前記熱交換ポーチ（１）の長手方向縁（２３、２４）のそれぞれに対して少なくとも略平行に伸びる１つの分流長手方向ウェブ（２５、２６）が設けられ、それにより、前記熱交換ポーチ（１）内への流入および流出が、互いに平行に伸びる２つの熱搬送媒体流の形態で発生し、前記流入側長手方向ウェブ（２５）および前記流出側長手方向ウェブ（２６）が、分流ウェブ（２９）を介して互いに接続され、当該分流ウェブ（２９）が、前記熱交換ポーチ（１）の横方向ダクト（１５、１６）を２つの群に区切る、請求項３に記載の熱交換装置。
5. 前記横方向ウェブ（１４）をそれらの端部においてはしご型形状で互いに接続する長手方向ウェブ（２１）が、前記横方向ウェブより断面高さが小さく、それにより、前記横方向ウェブ（１４）の間に延在する前記長手方向ウェブの領域が、各々１つの堰止ウェブ（２２）を形成する、請求項３または４に記載の熱交換装置。
6. 前記流入および前記流出のそれぞれに対して、１つの円形開口部（１０）が前記熱交換ポーチ（１）の前記壁（２、３）のうちの１つに設けられ、前記開口部が互いに間隔を空けて配置され、前記開口部内に、接続ノズル（８、９）が、前記熱交換ポーチ（１）の平面に対して当該接続ノズル（８、９）が垂直に向けられるように封止挿入されている、請求項１乃至５の何れか一項に記載の熱交換装置。
7. 前記ポーチ壁（３）と接続ノズル（７、８）の周縁との間に、封止接続が、前記接続ノズルに一体的に形成されかつプレート縁のようにまたはフランジのように突出するノズル縁（１２）により、接着接合または溶接によって具現化される、請求項６に記載の熱交換装置。
8. 谷状ダクト部品（６５）が、前記支持枠（５３）と前記熱交換ポーチの前記接続ノズル（６３、６４）との間に設けられ、前記ダクト部品の縁（６６）が、前記外枠（５４）と同じ平面において伸びている、請求項１乃至７の何れか一項に記載の熱交換装置。
9. 堰止体（６１）の列が、前記熱交換ポーチの横方向ダクト（５５）におよび／またはその下流に設けられている、請求項１乃至８の何れか一項に記載の熱交換装置。
10. 前記熱交換ポーチ（１）の前記箔壁（２、３）の間の間隔が２ｍｍ未満である、請求項１乃至９の何れか一項に記載の熱交換装置。
11. 前記熱交換ポーチ（１）の前記箔壁（２、３）が０．２ｍｍ未満の厚さである、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の熱交換装置。
12. 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の熱交換装置を有する、電気自動車駆動装置用の、棒状セル（３０）を有するバッテリ（３１）において、前記バッテリ（３１）の終端側接点（３２）が、各々、共通コンタクトプレート（３４）によって互いに並列にかつ直列に電気的に接続されており、熱交換ポーチ（１）が、複数のコンタクトプレート（３３）に熱伝導するように当接し、少なくとも前記コンタクトプレート（３３）に向かって面している前記熱交換ポーチの壁（３）が、前記コンタクトプレート（３３）と当接している側において電気絶縁層を有する多層箔材料から構成されていることを特徴とするバッテリ（３１）。
13. 前記電気的に相互接続された棒状セル（３０）が、互いに平行にかつ上下に配置された複数の層（３８〜４１）でグループ化され、各々１つの熱交換ポーチ（１）が、隣接する層（３８〜４１）の各々の間に、かつ外層（３８、４１）の外側にも設けられている、請求項１２に記載のバッテリ（３１）。
14. 前記相互に平行な熱交換ポーチ（１）の各々に設けられた接続ノズル（８、９）が、前記バッテリ（３１）の正面側の側面（４２）の領域において同じ軸上に上下に配置され、前記側面に対して平行に伸びる共通の接続ライン（４５、４６）にＴ字型分岐（４３）または９０°エルボ（４４）を介して接続されている、請求項１２または１３に記載のバッテリ（３１）。

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