JP7402987B2 - 熱交換機及び多数の熱交換機を備える熱交換機装置 - Google Patents

Description

本発明は冷却対象として電気自動車のバッテリーモジュールに付着されることのできる少なくとも１つのプレートを有する熱交換機、及び多数の熱交換機を有する熱交換機装置に関する。

最近、化石燃料の消費を減らすために電気及びハイブリッド車両がますます大衆化している。しかしながら、このような車両の蓄電池は特定の作動状況で冷却されるべきである。ここで蓄電池の個別セル間の温度差はできるかぎり低く維持されるべきである。また、冷却器またはそのために提供された熱交換機内の圧力損失はできるかぎり低く維持されるべきである。同時に、熱交換機の全般的な安定性を念頭に置かなければならない。

冷媒及び冷却剤用熱交換機で、流動案内を最適化するために、デント（ｄｅｎｔ）または「ディンプル（ｄｉｍｐｌｅ）」は流動案内及び分配要素として用いられる。同時に、これは乱流を増加させて流体から固体、例えば熱交換機プレートまたは蓄電池ハウジングへの熱伝逹係数を増加させる。冷媒用熱交換機で、また熱吸収が冷媒を蒸発させるのに特に効果的であるが、乱流を生成する必要は無いということに注目しなければならない。しかしながら、このような接近法において、熱交換機は相変らず熱伝達及びパッキング密度の側面で最適化しなければならない。
ＵＳ ９，１３４，０７２Ｂは２つ流体のために提供されて、流動チャンネルが多重分岐されて互いに絡まっている熱交換機に関する。

このような背景から、本発明の課題は流体と固体間の熱伝達のために最適化した熱交換機を提供することである。

前記課題は請求項第１項に記載の熱交換機により解決される。
結果的に、前記熱交換機は一般的に冷却される対象、例えば蓄電池またはバッテリーに付着できる少なくとも１つのプレートを含む。以下で部分的に冷却される対象、蓄電池またはバッテリーが一般的に言及されるが、本発明による熱交換機は特にバッテリー冷却器及び冷媒用接触蒸発器として用いられるように設計されて、これと関連して全般的に、そして好ましくはそのプレートにより電気自動車のバッテリーモジュールに付着されることができる。

ここで、冷媒の蒸発のための多数の、少なくとも部分的に平行するチャンネルがプレートに対して平行する平面内に形成されて、少なくとも１つの共通の入口及び／または出口から分岐される。プレートに対して平行するように形成するということは実質的に、チャンネルの断面図で見ることのできる少なくとも１つの境界がプレート表面に対して平行するように、そして一般的に前記プレート表面と一致するように形成されることを意味する。また、反対側境界、それにより「プレート平面上のチャンネルの高さ」は全てのチャンネルに対して同じ平面に置かれることができる。しかしながら、これは必ずしも必要なものではない。

チャンネルは任意の分岐下流で一般的に（プレート平面に対して平行する方向に）徐々に狭くなって均一な流動速度が維持されることができる。これはチャンネルの任意の統合下流で反対に（広くなるように）適用される。多数の分岐を有する構造はくねくねする形態、木形態または静脈形態といえる。これと関連して、本発明は生体工学の基本アイデアに基づく。狭くなること、または広くなることはチャンネルと関連して流動方向に分岐または統合前及び後に適用される。このようなチャンネルは好ましくは一定の断面積に延長される。

また、チャンネルは簡単な措置で、必要な圧力を耐えて全般的に低い圧力損失が発生するように設計されることができる。特に、本発明による熱交換機は車両エアコンに用いられる冷媒に相応する冷媒の蒸発のために設計される。プレートを有する熱交換機の設計によって、熱交換機は多様な大きさに及び／またはモジュール方式で構成されることができ、簡単な手段で蓄電池の多様な構成に、そして冷却容量、許容可能な圧力損失などの要求事項に合わせることができる。また、本発明による熱交換機は低い重量及び高いパッキング密度を実現する。最後に、本発明によるチャンネル構造の他の長所はプレートの製造のために適用されるハンダ付け工程の間にさらに高い工程安定性にある。

本発明による熱交換機の好ましい改善は追加の請求項に記載されている。
特定適用例において、それぞれのチャンネルが一回だけ分岐されることが考慮できるが、分岐で始まる少なくとも１つのチャンネルが再度分岐されることが本発明による熱交換機の使用可能性のために好ましい。
第１シミュレーションにおいて、少なくとも１つの分岐に２つより多い、特に３つまたは４つのチャンネルが提供されることが好ましいことが分かった。

特に、このような場合、分岐から出るチャンネルの方向に流体流動を改善するために、少なくとも１つの分岐に少なくとも１つの流動案内要素を提供することが好ましいことが分かった。

このような流動案内要素は分岐される流動チャンネルの全体高さにわたって延びることが好ましい。言い換えれば、ここで流動チャンネルはプレート表面上のその全体高さにわたって遮断されて、前記流動案内要素にぶつかる冷媒は分岐下流から流動チャンネルの方向に特に確実に案内される。ここで、流動案内要素により生成された乱流が支援される。また、流動チャンネルのこのような遮断、または言い換えれば、プレート平面と前記プレート平面から離隔された平面で流動チャンネルの境界間の連結が全体熱交換機の強度を支援するので、前記熱交換機は最大２０ｂａｒの冷媒圧力でも発生する部下を耐えることができる。この効果は特に３つ以上のチャンネルに分岐の領域で面積が減り、安定化できるという事実を基盤とする。

第１シミュレーションにおいて、プレート平面に対して垂直である方向からみる時、実質的に円形に形成された流動案内要素が好ましいことが分かった。

既に言及したように、デザイン及び製造可能性のために、全てのチャンネルがプレート平面上の同じ高さを有することが、即ち、断面からみる時、プレート平面から離れた境界が共通の平面に置かれることが好ましい。これと組み合わせて既に言及した措置はチャンネルがプレート平面に対して横方向へのその幅において相違することが好ましい。

２つ以上の入口及び／または出口の場合、共通の入口または出口に連結されたチャンネルが他の入口または出口に連結された他のチャンネルと少なくとも部分的に対称であることが好ましい。これは特に明確で且つ効率的なチャンネル配置を保障する。

本発明による熱交換機の耐久性のために、プレートが少なくとも２０ｂａｒ、好ましくは少なくとも６０ｂａｒの圧力を耐えることが好ましい。前記圧力はプレートの破裂圧力であり、正常作動で破裂（故障）までの安全マージンを規定する。

また、バイパスを形成して個別チャンネル間の混合を許容するために、少なくとも２つの、好ましくは多数のチャンネルが入口と出口間のそのプロファイルから局部的に互いに連結されることが好ましい。少なくとも２つの平行するチャンネルの連結は適切な横方向パンチングまたは横方向ビードにより達成できる。少なくとも２つのチャンネルの流体流動間の混合は個別チャンネル内の冷媒が相違する温度及び／または凝集状態を有することができるという長所を提供する。これと関連して混合は均一化及び例えばバッテリーの改善された冷却を提供する。

同じ効果、即ち、バッテリーまたは充電式バッテリーの熱管理の改善は互いに並べて置かれたチャンネルが逆流に流れるように入口及び出口を配置することによって達成できる。言い換えれば、蒸発冷媒を有するチャンネルのそばに既に過熱した冷媒を有する少なくとも１つのチャンネルがあり、このような方式で配置された２チャンネル間で熱伝達が行われる。

本出願の対象はまた前述した実施例の中の１つの実施例の多数の熱交換機を有する熱交換機装置であり、前記熱交換機は互いに並列に及び／または直列に連結されて及び／または共通平面にまたは平行する平面に置かれる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照してさらに詳細に説明する。
本発明による熱交換機の平面図である。 図１に図示した熱交換機と類似する熱交換器の一部の平面図である。 本発明による熱交換器の第２実施例の平面図である。 本発明による熱交換器装置の図示である。

図１には本発明による熱交換機（１０）がプレート（１２）の平面図を図示しており、ここで多数のチャンネル（１４）は広い部分にわたって互いに平行するように延びる。チャンネル（１４）は共通の入口（１６）から始まり、入口（１６）には流入チャンネル（１８）が連結される。図示する実施例において、流入チャンネル（１８）は４つの中間チャンネル（２０）に分岐されて、中間チャンネル（２０）のそれぞれは２つのチャンネル（１４）に分岐されて、チャンネル（１４）はさらに分岐されず、例えば、９０または１８０度の変向範囲を含んで全体プレートにわたって互いに実質的に平行するように延びた後、入口（１６）の状況に実質的に相応するように、出口（２２）上流で統合される。図示する実施例において、それぞれ２つのチャンネル（１４）が統合されて１つの中間チャンネル（２０）を形成し、４つの中間チャンネル（２０）が統合されて、出口（２２）につながる出口チャンネル（２４）を形成する。

図１から分かるように、実質的にプレート（１２）の全体表面が多数のチャンネル（１４）によりカバーでき、プレート（１２）が多数のこのようなセルに付着できるように互いに隣接するように配置された、多数のバッテリーセルまたは蓄電池セルに対して、相当な温度差が予想されない。

図示する実施例において、入口（１６）及び出口（２２）は互いに比較的近接するように、特にプレート一側面の略中間に配置される。また、個別チャンネル（１４）が広い領域にわたって、プレート上に横方向に延びる対称軸に対して、図１で、互いに対称になるようにする好ましい措置を図示する。また、図１で連結部（２８）の形態に、流体流れの混合を許容するために多数の、図示する場合の全ての平行するチャンネルが互いに連結されている好ましい措置が図示される。最後に、図１には、互いに並んで置かれたチャンネル（１４）が折り返して流れることが特に明確に示される。図示されるプレート（１２）上の空間を用いて、冷媒が、プレートの外部面上の平行するチャンネル内で右側下部から右側上部に流れて、図１の右側上部部分で１８０度回転後、またプレートの内部領域に流れて、前述した折り返した流れ及び前記長所が示される。これは図３の実施例においても同様で、しかし図３の実施例は、若干より小さな範囲に適用される。また、図１の熱交換機は反対方向でも、即ち、まず内部領域に流れ、そして後続して外部領域に流れることができるということが言及されなければならない。これは比較的冷たい冷媒が冷却されるバッテリーの内部領域の比較的熱い領域に流れるという長所を有する。

図２には流入チャンネル（１８）と個別のチャンネル（１４）間に分岐を有する領域が図示されており、この領域はこの場合、出口（２２）の状況に相応するが、入口（１６）の領域にもこのような形状が提供されることができる。特に、入口の領域で、３つの中間チャンネル（２０）への流入チャンネル（１８）の分岐に配置されて中間チャンネル（２０）への好ましい分配を保障する流動案内要素（２６）が重要である。図示の場合、流動案内要素（２６）は平面視で、実質的に円形に形成されて流動チャンネルを完全に遮断する。即ち、流動チャンネルの（観察者を向かう）上部境界は（観察者から離れて向かう、図１参照）プレート（１２）に連結されるので、流動を遮断する「ディンプル」が発生する。図示の場合、流動案内要素（２６）が第２及び第３の中間チャンネル（２０）間に提供されるので、前述のように、計３つの中間チャンネル（２０）への好ましい分配が行われる。

図３には２つの入口（１６）及び２つの出口（２２）が提供される本発明による熱交換機（１０）の代案的な実施例を図示する。ここで、入口（１６）から出た流動チャンネルはプレート（１２）の端（図３において左側の端）で合わせられて、そこで連結される。そこから、図３の折り返しのチャンネルに対する連結部が存在することができ、その入口（１６）は図３で右側の下にある。代案として、図示される熱交換機の出口（２２）は下記でさらに詳細に説明するように装置の他の熱交換機に連結されることができる。図３に図示する２つの熱交換機は横方向に延びる対称軸に対して実質的に対称に提供されることができる。また、特に熱交換機装置の入口及び出口に直接配置される熱交換機の場合、逆流チャンネルの数（例えば８）は流入チャンネルの数（例えば６）より多くあることができる。

これは例えば図３の熱交換機が第１の、左側の熱交換機（１０．１）として提供される図４に示される。図４に示したように、熱交換機（１０．１）が図１によって設計できる他の熱交換機（１０．２）に連結されるので、冷媒はまず熱交換機（１０．１）を通じて、その次に熱交換機（１０．２）を通じて、そしてこれからまた熱交換機（１０．１）を通じて出口（２２）に流れるようになる。図４に図示する構成により、多数の分布配置された蓄電池が冷却されることができる。最後に、多数の装置が図４によってまたは図４と類似するように、例えば熱交換機（１０．１）によって鏡反転された熱交換機（１０．２）の下または上に平行するように他の熱交換機を有して提供されるか、図４の装置はまた鏡反転される。

１０、１０．１、１０．２ 熱交換器
１２ プレート
１４ チャネル
１６ 入口
１８ 流入チャネル
２０ 中間チャネル
２２ 出口
２４ 出口チャネル
２６ 流動案内要素
２８ 連結部

Claims (10)

1. 電気自動車のバッテリーモジュールに付着されることのできる少なくとも１つのプレート（１２）を有する熱交換機（１０）として、冷媒の蒸発のための多数の、少なくとも部分的に平行するチャンネル（１４）が前記プレート（１２）に対して平行する平面内に形成されて、少なくとも１つの共通の入口（１６）及び／または出口（２２）から分岐され、
   少なくとも１つの分岐に少なくとも１つの流動案内要素（２６）が提供され、
   前記少なくとも１つの流動案内要素（２６）は流入チャンネル（１８）の全体高さにわたって形成されることを特徴とする熱交換機。
2. 分岐から始まる少なくとも１つの中間チャンネル（２０）が再度分岐されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換機。
3. 少なくとも１つの分岐により３つ以上の前記中間チャンネル（２０）が始まることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換機。
4. 電気自動車のバッテリーモジュールに付着されることのできる少なくとも１つのプレート（１２）を有する熱交換機（１０）として、冷媒の蒸発のための多数の、少なくとも部分的に平行するチャンネル（１４）が前記プレート（１２）に対して平行する平面内に形成されて、少なくとも１つの共通の入口（１６）及び／または出口（２２）から分岐され、
   少なくとも１つの分岐に少なくとも１つの流動案内要素（２６）が提供され、
   前記少なくとも１つの流動案内要素（２６）はプレート平面を平面視する時に実質的に丸く形成されることを特徴とする熱交換機。
5. 前記チャンネル（１４）、流入チャンネル（１８）、中間チャンネル（２０）は同じ高さを有することを特徴とする請求項１～請求項４のうちの何れか一項に記載の熱交換機。
6. ２つの以上の前記入口（１６）及び／または前記出口（２２）の場合、同じ入口または出口（２２）に連結されたチャンネル（１４）が他の入口（１６）または出口（２２）に連結された他のチャンネル（１４）に対して少なくとも部分的に対称であることを特徴とする請求項１～請求項５のうちの何れか一項に記載の熱交換機。
7. 前記プレートは少なくとも２０ｂａｒ、好ましくは少なくとも６０ｂａｒの圧力を耐えることを特徴とする請求項１～請求項６のうちの何れか一項に記載の熱交換機。
8. 電気自動車のバッテリーモジュールに付着されることのできる少なくとも１つのプレート（１２）を有する熱交換機（１０）として、冷媒の蒸発のための多数の、少なくとも部分的に平行するチャンネル（１４）が前記プレート（１２）に対して平行する平面内に形成されて、少なくとも１つの共通の入口（１６）及び／または出口（２２）から分岐され、
   少なくとも２つの平行するチャンネル（１４）は局部的に互いに連結されることを特徴とする記載の熱交換機。
9. 前記入口（１６）及び前記出口（２２）は互いに並んで配置されたチャンネル（１４）が折り返して流れるように配置されることを特徴とする請求項１～請求項８のうちの何れか一項に記載の熱交換機。
10. 請求項１～請求項９のうちの何れか一項による多数の熱交換機を備えることを特徴とする熱交換機装置。
    

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