WO2014114387A1 - Hochtemperaturwärmeübertrager - Google Patents

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WO2014114387A1
WO2014114387A1 PCT/EP2013/074676 EP2013074676W WO2014114387A1 WO 2014114387 A1 WO2014114387 A1 WO 2014114387A1 EP 2013074676 W EP2013074676 W EP 2013074676W WO 2014114387 A1 WO2014114387 A1 WO 2014114387A1
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heat exchanger
heat
temperature heat
temperature
solid
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PCT/EP2013/074676
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Stephan Leuthner
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a high-temperature heat exchanger and to a use of the high-temperature heat exchanger.
  • High-temperature heat exchangers are used, for example, to absorb heat from electric heating elements.
  • electric heating elements are used, for example, in hybrid or electric vehicles to absorb excess electrical energy that arises, for example, when recuperating in an electric generator.
  • Lithium deposits arise. These deposits are critical to safety when acicular lithium crystals form at the anode. These can pierce the separator, resulting in short circuits. Furthermore, the deposited
  • Lithium also react with the electrolyte, causing the battery increasingly dehydrated. This phenomenon then leads to accelerated aging of the lithium-ion battery. Therefore, it is of great interest to heat a very cold battery, that is a battery with a temperature of less than 0 ° C, as quickly as possible.
  • a liquid heat carrier is usually used. This can be heated, for example, with electric heating elements. For this purpose, the heating elements are usually washed with the liquid heat transfer medium.
  • Concomitant lead The heated liquid is then used to heat the battery.
  • a high-temperature heat exchanger comprises a solid body made of a highly thermally conductive, high-temperature resistant material, with at least one heating element introduced therein, wherein in the solid body channels are formed, which can be flowed through by a fluid and wherein the solid is thermally insulated is.
  • thermally conductive solid that heat can be dissipated by the at least one heating element in a small space, so that the high-temperature heat exchanger can be built correspondingly small.
  • Good thermal conductivity in the context of the present invention means that the thermal conductivity at least 20 W / mK, preferably at least 150 W / mK.
  • High temperature resistant in the context of the present invention means that the
  • the heating element introduced into the solid is generally an electrical heating element. Suitable heating elements are, for example, electric heating rods or heating mats. Also, the heating element may be a heating cartridge.
  • the introduced into the solid state channels are connected to an inlet and a drain for the fluid flowing through. If more than one channel is accommodated in the solid, the inlet preferably has a manifold and the drain has a collector so that the fluid can flow through all the channels. Alternatively, it is also possible to provide several feeds and several processes.
  • the fluid flowing through the solid is preferably a gas, for example air. The use of a gas prevents liquid from evaporating quickly, resulting in vaporization surges and therefore acoustic noise
  • Heat outputs can be dissipated.
  • the solid heats up the mass of the actual solid, to which the energy of the heating element is removed, can be kept small. With a high thermal conductivity of the solid also the highest possible efficiency is achieved. As the solid heats up, it can also be used as a heat storage and the heat can be used over a longer period of time. Particularly suitable as a heat storage are solid, which have a large heat capacity.
  • high temperature resistant material used This is preferably a ceramic.
  • ceramics which are based on silicon carbide.
  • the silicon carbide ceramics have a thermal conductivity of up to 350 W / mK.
  • Heat exchanger is connected, wherein the flowed through the solid and heated fluid emits heat to a heat transfer medium.
  • the heat carrier thus heated in the heat exchanger can then be used to heat a component, for example a lithium-ion battery.
  • the heat carrier, which is heated by the fluid in the further heat exchanger is preferably a liquid.
  • Thermal management battery system of a battery can also be a gaseous heat transfer medium, such as air are used.
  • a gaseous heat transfer medium such as air
  • the solid contains at least one further heat storage material.
  • a heat storage material are suitable, for example, phase change materials that at a certain
  • Temperature can absorb a lot of heat through a phase transformation from solid to liquid.
  • the high-temperature heat exchanger is particularly preferably used for temperature control of a battery, in particular a lithium-ion battery.
  • a battery in particular a lithium-ion battery.
  • High-temperature heat exchanger connected to the thermal management circuit for the battery.
  • a liquid heat carrier which is used to heat a battery.
  • the high temperature heat exchanger is coupled to a thermoelectric generator. By coupling with the thermoelectric generator, it is possible to convert part of the heat stored in the solid again into electrical energy. This electrical energy can be used to recharge the battery or, alternatively, directly to power electrically powered components.
  • the single FIGURE shows a schematic representation of the invention
  • a high-temperature heat exchanger 1 comprises a solid body 3 in which heating elements 5 are accommodated.
  • the solid 3 encloses the heating elements 5 so that heat from the heating elements 5 can be transmitted directly to the solid 3.
  • the solid 3 is made of a good thermal conductivity, high temperature resistant material. Ceramics, in particular highly thermally conductive ceramics, for example ceramics based on silicon carbide, are particularly suitable as material for the solid. In addition to ceramics are suitable as a material for the solid, for example, high-melting metals or metal alloys. Hochschmelzend means that the
  • Melting temperature is greater than 750 ° C.
  • a ceramic is in addition to silicon carbide, for example, aluminum nitride.
  • the heating elements 5, which are enclosed by the solid 3, are for example electric heating rods, heating cartridges or heating mats.
  • the energy that is gained for operating the heating elements for example, when using the Hochtemperaturtageschreibers 1 in a hybrid or electric vehicle, the
  • Recuperation can be obtained in an electric generator of the hybrid or electric vehicle.
  • the heat of the heating elements 5 is then transferred to the solid 3.
  • the solid 3 If a material is selected for the solid 3, which has a sufficiently good heat capacity, the solid 3 can also be used as a heat storage. To improve the heat storage capacity of the solid 3, it is also possible, a
  • Heat storage material in the solid state 3 introduce.
  • phase change materials are suitable, which undergo a phase transformation from solid to liquid by heat absorption at a certain temperature. Due to the phase transformation, these materials can absorb a lot of heat. The heat absorbed by the phase change materials can then by a
  • thermoelectric generators Reverse conversion from liquid to solid again.
  • the heat thus emitted can be used, for example, for heating or, alternatively, for the operation of thermoelectric generators. With the thermoelectric generators electrical energy can then be generated by the heat.
  • the solid 3 is provided with an insulation 7.
  • the material for the insulation 7 is any, heat-insulating material, which is known in the art.
  • 3 channels 9 are formed according to the invention in the solid state.
  • the channels 9 can be flowed through by a fluid for receiving the heat.
  • the channels 9 are traversed by a gas, in particular by air, which absorbs the heat from
  • Solid body 3 absorbs. By using a gas as a fluid to absorb the heat is avoided that a liquid evaporates uncontrollably, so that
  • the introduced into the solid 3 channels 9 can be designed both in the form of holes, for example with a round cross-section or as channels with a polygonal cross-section. If the channels 9 have a polygonal cross-section, this can have a significantly greater width compared to the height.
  • it is for Example also possible to make the solid 3 in the form of individual plates, preferably in each plate a heating element 5 is added and the individual plates are each separated by a channel 9.
  • a heating element 5 is added and the individual plates are each separated by a channel 9.
  • gas preferably air
  • a feed line 17 into the collector 11 with a fan 15 and from there into the channels 9.
  • Heat emitted by the heating elements 5 to the solid 3 is passed through the channels 9 flowing gas recorded.
  • the heated gas is passed through the collector 13 in a line 19, and from there into a heat exchanger 21.
  • a heat transfer medium is heated for a subsequent application.
  • the heat transfer medium is passed via lines 23 through the heat exchanger 21.
  • the following application, for which the heat carrier passed through the conduit 23 is used, is, for example, a thermal management cycle, for example for a battery, as used in hybrid or electric vehicles.
  • This is usually a lithium-ion battery.
  • a thermal management cycle for example for a battery, as used in hybrid or electric vehicles.
  • This is usually a lithium-ion battery.
  • it is necessary to heat the battery as quickly as possible in order to avoid that lithium plating is formed at low temperatures and form acicular lithium crystals at the anode, which pierce the separator and thus can lead to short circuits .
  • a bypass 25 is provided. To bring the fluid to the desired temperature, a portion of the fluid through the bypass 25 back into the supply line 17 and from there again through the high-temperature heat exchanger 1 are performed. As a result, the fluid is further heated.
  • High temperature heat exchanger 1 leaves, thus has a higher temperature than in a single pass through the high-temperature heat exchanger. 1 When using the bypass 25 while the already heated and returned by the bypass 25 fluid mixes with the freshly supplied by the fan 15 fluid.
  • the fluid After flowing through the heat exchanger 21, the fluid, if the temperature of the fluid is still sufficiently high, for downstream applications, for example, to control the temperature of the passenger compartment of a motor vehicle, or to heat other components in the hybrid or electric vehicle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturwärmeübertrager (1), umfassend einen Festkörper (3) aus einem gut wärmeleitenden, hochtemperaturbeständigen Material, mit mindestens einem darin eingebrachten Heizelement (5), wobei in dem Festkörper (3) Kanäle (9) ausgebildet sind, die von einem Fluid durchströmt werden können und wobei der Festkörper (3) thermisch isoliert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Verwendung des Hochtemperaturwärmeübertragers (1).

Description

Beschreibung Titel
Hochtemperaturwärmeübertrager
Stand der Technik Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturwärmeübertrager sowie eine Verwendung des Hochtemperaturwärmeübertragers.
Hochtemperaturwärmeübertrager werden zum Beispiel genutzt, um Wärme von elektrischen Heizstäben aufzunehmen. Solche elektrischen Heizstäbe werden zum Beispiel in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen genutzt, um überschüssige elektrische Energie, die beispielsweise beim Rekuperieren in einem elektrischen Generator entsteht, aufzunehmen. Die
überschüssige elektrische Energie entsteht dabei, wenn der elektrische Energiespeicher vollgeladen ist oder die Temperatur von zum Beispiel Batterien zu niedrig ist. Die
Verwendung derartiger elektrischer Heizstäbe ist zum Beispiel in DE-A 10 2007 032 726 beschrieben. Hierbei wird auch offenbart, dass mehrere Heizstäbe verwendet werden können, wobei zum Beispiel mit mehreren Heizstäben verschiedene Komponenten beheizt werden können.
Beim Einsatz Lithium-Ionen-Batterien bei tiefen Temperaturen wird bei elektrischer
Energiezufuhr die obere Spannungsgrenze der Batterie sehr schnell erreicht und die Batterie müsste dann schnell abgeregelt werden. Zudem kann es bei niedrigen Temperaturen in Lithium-Ionen-Batterien zu Lithium-Plattierungen kommen, wodurch an der Anode
Lithiumablagerungen entstehen. Diese Ablagerungen sind sicherheitskritisch, wenn sich nadeiförmige Lithium-Kristalle an der Anode bilden. Diese können den Separator durchstoßen, was in der Folge zu Kurzschlüssen führt. Weiterhin kann das abgelagerte
Lithium auch mit dem Elektrolyten reagieren, wodurch die Batterie zunehmend austrocknet. Dieses Phänomen führt dann zu einer beschleunigten Alterung der Lithium-Ionen-Batterie. Daher ist es von großem Interesse, eine sehr kalte Batterie, das heißt eine Batterie mit einer Temperatur von weniger als 0°C, möglichst schnell zu erwärmen. Zur Erwärmung der sehr kalten Batterie wird üblicherweise ein flüssiger Wärmeträger eingesetzt. Dieser kann beispielsweise mit elektrischen Heizstäben erwärmt werden. Hierzu werden die Heizstäbe üblicherweise mit dem flüssigen Wärmeträger umspült. Wenn beim Rekuperieren dem Heizstab hohe elektrische Leistungen zugeführt und in Wärme
umgewandelt werden, muss diese Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Bei einer hohen Wärmeleistung kann dies dazu führen, dass Flüssigkeit, die den Heizstab umspült, unkontrolliert verdampft. Dies kann zudem zu unerwünschten akustischen
Begleiterscheinungen führen. Die so aufgeheizte Flüssigkeit wird dann genutzt, um die Batterie zu erwärmen.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung Ein Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß der Erfindung umfasst einen Festkörper aus einem gut wärmeleitenden, hochtemperaturbeständigen Material, mit mindestens einem darin eingebrachten Heizelement, wobei in dem Festkörper Kanäle ausgebildet sind, die von einem Fluid durchströmt werden können und wobei der Festkörper thermisch isoliert ist. Durch die Verwendung eines gut wärmeleitenden Festkörpers wird die Wärme vom
Heizelement abgeführt und dabei die Nachteile der Verwendung einer Flüssigkeit vermieden. Durch den Einsatz des Festkörpers wird insbesondere vermieden, dass Flüssigkeit unkontrolliert verdampft. Ein weiterer Vorteil ist bei der Verwendung eines gut
wärmeleitenden Festkörpers, dass von dem mindestens einen Heizelement auf kleinem Raum Wärme abgegeben werden kann, so dass der Hochtemperaturwärmeübertrager auch entsprechend klein gebaut werden kann.„Gut wärmeleitend" im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Wärmeleitfähigkeit mindestens 20 W/mK, bevorzugt mindestens 150 W/mK ist. „Hochtemperaturbeständig" im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das
Material bei den Temperaturen, die vom Heizstab erreicht werden können, nicht geschädigt wird. Ein Heizelement kann hierbei zum Beispiel Temperaturen von bis zu 700°C, bei Spezialanwendungen sogar bis 1200°C erreichen. Das in den Festkörper eingebrachte Heizelement ist im Allgemeinen ein elektrisches Heizelement. Geeignete Heizelemente sind zum Beispiel elektrische Heizstäbe oder Heizmatten. Auch kann das Heizelement eine Heizpatrone sein. Um den Hochtemperaturwärmeübertrager nutzen zu können, werden die in den Festkörper eingebrachten Kanäle mit einem Zulauf und einem Ablauf für das durchströmende Fluid verbunden. Wenn mehr als ein Kanal im Festkörper aufgenommen ist, so weist der Zulauf vorzugsweise einen Verteiler und der Ablauf einen Sammler auf, so dass das Fluid durch alle Kanäle strömen kann. Alternativ ist es auch möglich, mehrere Zuläufe und mehrere Abläufe vorzusehen. Das durch den Festkörper strömende Fluid ist vorzugsweise ein Gas, beispielsweise Luft. Bei der Verwendung eines Gases wird vermieden, dass Flüssigkeit schnell verdampft und dies zu Verdampfungsstößen und damit akustischen
Begleiterscheinungen bzw. Druckstößen in Flüssigkeitsleitungen kommt. Solche akustische Begleiterscheinungen und Druckstöße treten auch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen auf, bei denen die Flüssigkeit direkt mit dem Heizstab beheizt wird. Diese werden durch den erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmeübertrager ebenfalls vermieden.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes des Festkörpers ist, dass an diesen große
Wärmeleistungen abgeführt werden können. Hierbei heizt sich der Festkörper im
Allgemeinen auf. Dadurch, dass sich der Festkörper aufheizt, kann die Masse des eigentlichen Festkörpers, an den die Energie des Heizelements abgeführt wird, klein gehalten werden. Bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit des Festkörpers wird zudem ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht. Da der Festkörper sich aufheizt, kann dieser gleichzeitig auch als Wärmespeicher genutzt werden und die Wärme über einen längeren Zeitraum verteilt genutzt werden. Besonders gut als Wärmespeicher eignen sich Festkörper, die eine große Wärmekapazität aufweisen.
Als Material für den Festkörper wird erfindungsgemäß ein gut wärmeleitendes,
hochtemperaturbeständiges Material eingesetzt. Dieses ist vorzugsweise eine Keramik. Besonders bevorzugt sind Keramiken, die auf Basis von Siliciumcarbid aufgebaut sind. So weisen die Siliciumcarbid-Keramiken zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 350 W/mK auf. Um die an das Fluid angegebene Wärme weiter nutzen zu können, ist es weiterhin bevorzugt, wenn der Ablauf für das durchströmende Fluid mit einem weiteren
Wärmeübertrager verbunden ist, wobei das durch den Festkörper geströmte und erwärmte Fluid Wärme an einen Wärmeträger abgibt. Der so in dem Wärmeübertrager erwärmte Wärmeträger kann dann genutzt werden, eine Komponente, beispielsweise eine Lithium- Ionen-Batterie zu erwärmen. Der Wärmeträger, der in den weiteren Wärmeübertrager durch das Fluid erwärmt wird, ist vorzugsweise eine Flüssigkeit.
Neben dem Einsatz eines flüssigen Wärmeträgers für das
Thermomanagementbatteriesystems einer Batterie kann auch ein gasförmiger Wärmeträger, beispielsweise Luft eingesetzt werden. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung eines flüssigen Wärmeträgers, zum Beispiel ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch.
Wenn ein einfaches Durchströmen des Festkörpers mit dem Fluid nicht ausreicht, das Fluid auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen, ist es weiterhin bevorzugt, einen Bypass vorzusehen, der aus dem Ablauf abzweigt und in den Zulauf mündet. Ein Teil des Fluids oder auch das gesamte Fluid kann dann durch den Bypass strömen und noch einmal durch den Festkörper, wodurch dieses weiter aufgeheizt wird. Wenn die Wärmekapazität des Festkörpers ausreichend groß ist, kann dieser auch als Wärmespeicher genutzt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Festkörper mindestens ein weiteres Wärmespeichermaterial. Als Wärmespeichermaterial eignen sich zum Beispiel auch Phasenwechselmaterialien, die bei einer bestimmten
Temperatur durch eine Phasenumwandlung von fest nach flüssig besonders viel Wärme aufnehmen können.
Der Hochtemperaturwärmeübertrager wird besonders bevorzugt zur Temperierung einer Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Hierzu wird der
Hochtemperaturwärmeübertrager mit dem Thermomanagementkreislauf für die Batterie verbunden. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, wie vorstehend bereits beschrieben, das durch die Kanäle im Festkörper strömende Fluid in einen weiteren Wärmeübertrager zu leiten, indem die Wärme vom Fluid an einen flüssigen Wärmeträger abgegeben wird, der dazu genutzt wird, eine Batterie zu erwärmen. Wenn die Batterie komplett geladen ist, ist es weiterhin möglich, die Wärme auch zur Aufheizung weiterer Komponenten oder auch zur Aufheizung des Fahrzeuginnenraums zu nutzen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Hochtemperaturwärmeübertrager mit einem thermoelektrischen Generator gekoppelt. Durch die Kopplung mit dem thermoelektrischen Generator ist es möglich, einen Teil der im Festkörper gespeicherten Wärme wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Diese elektrische Energie kann genutzt werden, um die Batterie erneut zu laden oder alternativ auch direkt zum Betreiben von elektrisch betriebenen Komponenten.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Hochtemperaturwärmeübertragers.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
In der einzigen Figur ist schematisch ein erfindungsgemäß ausgebildeter
Hochtemperaturwärmeübertrager dargestellt.
Ein Hochtemperaturwärmeübertrager 1 umfasst einen Festkörper 3, in dem Heizelemente 5 aufgenommen sind. Der Festkörper 3 umschließt die Heizelemente 5 so, dass Wärme von den Heizelementen 5 direkt an den Festkörper 3 übertragen werden kann. Der Festkörper 3 ist dabei aus einem gut wärmeleitenden, hochtemperaturbeständigen Material gefertigt. Besonders geeignet als Material für den Festkörper sind Keramiken, insbesondere gut wärmeleitende Keramiken, zum Beispiel Keramiken auf Basis von Siliciumcarbid. Neben Keramiken eignen sich als Material für den Festkörper zum Beispiel auch hochschmelzende Metalle oder Metalllegierungen. Hochschmelzend bedeutet dabei, dass die
Schmelztemperatur größer als 750°C ist. Als Keramik eignet sich neben Siliciumcarbid beispielsweise Aluminiumnitrid.
Die Heizelemente 5, die von dem Festkörper 3 umschlossen sind, sind zum Beispiel elektrische Heizstäbe, Heizpatronen oder Heizmatten. Die Energie, die zum Betrieb der Heizelemente gewonnen wird, kann zum Beispiel bei Einsatz des Hochtemperaturwärmeübertragers 1 in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, beim
Rekuperieren in einem elektrischen Generator des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs gewonnen werden. Die Wärme der Heizelemente 5 wird dann an den Festkörper 3 übertragen. Wenn ein Material für den Festkörper 3 gewählt wird, das eine hinreichend gute Wärmekapazität aufweist, kann der Festkörper 3 auch als Wärmespeicher genutzt werden. Zur Verbesserung der Wärmespeicherfähigkeit des Festkörpers 3 ist es weiterhin auch möglich, ein
Wärmespeichermaterial in den Festkörper 3 einzubringen. Als Wärmespeichermaterial eignen sich zum Beispiel Phasenwechselmaterialien, die durch Wärmeaufnahme bei einer bestimmten Temperatur eine Phasenumwandlung von fest nach flüssig durchlaufen. Durch die Phasenumwandlung können diese Materialien besonders viel Wärme aufnehmen. Die von den Phasenwechselmaterialien aufgenommene Wärme kann dann durch eine
Rückumwandlung von flüssig nach fest wieder abgegeben werden. Die so abgegebene Wärme lässt sich zum Beispiel zum Beheizen oder alternativ auch zum Betrieb von thermoelektrischen Generatoren nutzen. Mit den thermoelektrischen Generatoren kann dann durch die Wärme elektrische Energie erzeugt werden.
Um zu vermeiden, dass die Wärme vom Festkörper 3 an die Umgebung abgegeben wird, ist der Festkörper 3 mit einer Isolierung 7 versehen. Als Material für die Isolierung 7 eignet sich jedes beliebige, wärmeisolierende Material, das dem Fachmann bekannt ist.
Um die von den Heizelementen 5 an den Festkörper 3 abgegebene Wärme nutzen zu können, sind erfindungsgemäß im Festkörper 3 Kanäle 9 ausgebildet. Die Kanäle 9 können von einem Fluid zur Aufnahme der Wärme durchströmt werden. Bevorzugt werden die Kanäle 9 von einem Gas, insbesondere von Luft, durchströmt, das die Wärme vom
Festkörper 3 aufnimmt. Durch die Verwendung eines Gases als Fluid zur Aufnahme der Wärme wird vermieden, dass eine Flüssigkeit unkontrolliert verdampft, so dass
Verdampfungsstöße und damit akustische Begleiterscheinungen bzw. Druckstöße in den Flüssigkeitsleitungen vermieden werden können.
Die in den Festkörper 3 eingebrachten Kanäle 9 können sowohl in Form von Bohrungen, beispielsweise mit einem runden Querschnitt oder auch als Kanäle mit einem eckigen Querschnitt gestaltet sein. Wenn die Kanäle 9 einen eckigen Querschnitt aufweisen, kann dieser eine im Vergleich zur Höhe deutlich größere Breite aufweisen. Hierbei ist es zum Beispiel auch möglich, den Festkörper 3 in Form von einzelnen Platten zu gestalten, wobei vorzugsweise in jeder Platte ein Heizelement 5 aufgenommen ist und die einzelnen Platten werden jeweils durch einen Kanal 9 getrennt. Neben einer vollständigen Trennung der einzelnen Platten des Festkörpers 3 durch die Kanäle 9 ist es auch möglich, zum Beispiel Stege vorzusehen, durch die einzelnen Festkörperelemente miteinander verbunden sind. Die Stege können zum einen zum Trennen einzelner Kanäle 9 genutzt werden oder alternativ können auch in einem Kanal einzelne Stege vorgesehen sein, die von dem Fluid umströmt werden können. Wenn die einzelnen Festkörperelemente durch Stege miteinander verbunden werden, ist es auch nicht notwendig, in jedem Festkörperelement ein Heizelement 5 vorzusehen. In diesem Fall wird die Wärme über die Stege auf die einzelnen Festkörperelemente verteilt.
Um das Fluid gleichmäßig durch die Kanäle 9 zu leiten, sind die Kanäle 9 auf der Zulaufseite mit einem Verteiler 1 1 und auf der Ablaufseite mit einem Sammler 13 verbunden.
Zum Betrieb des Hochtemperaturwärmeübertragers 1 wird mit einem Gebläse 15 Gas, vorzugsweise Luft, durch eine Zuleitung 17 in den Sammler 1 1 geleitet und von dort weiter in die Kanäle 9. Von den Heizelementen 5 an den Festkörper 3 abgegebene Wärme wird von dem durch die Kanäle 9 strömenden Gas aufgenommen. Das erwärmte Gas wird über den Sammler 13 in eine Leitung 19 geleitet, und von dort weiter in einen Wärmeübertrager 21. Im Wärmeübertrager 21 wird zum Beispiel ein Wärmeträger für eine nachfolgende Anwendung erwärmt. Hierzu wird der Wärmeträger über Leitungen 23 durch den Wärmeübertrager 21 geleitet.
Die nachfolgende Anwendung, für die der durch die Leitung 23 geleitete Wärmeträger genutzt wird, ist zum Beispiel ein Thermomanagementkreislauf, beispielsweise für eine Batterie, wie sie in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt wird. Hierbei handelt es sich üblicherweise um eine Lithium-Ionen-Batterie. Insbesondere beim Laden der Batterie ist es notwendig, die Batterie möglichst schnell zu erwärmen, um zu vermeiden, dass bei niedrigen Temperaturen eine Lithium-Plattierung entsteht und sich nadeiförmige Lithium-Kristalle an der Anode bilden, die den Separator durchstoßen und damit zu Kurzschlüssen führen können. Wenn von den Heizelementen 5 eine geringere Wärmemenge abgegeben wird und die Wärme nicht ausreicht, das durch die Kanäle 9 strömende Fluid ausreichend aufzuwärmen, ist es vorteilhaft, wenn wie in Figur 1 dargestellt, ein Bypass 25 vorgesehen ist. Um das Fluid auf die gewünschte Temperatur zu bringen kann ein Teil des Fluids durch den Bypass 25 zurück in die Zuleitung 17 und von dort erneut durch den Hochtemperaturwärmeübertrager 1 geführt werden. Hierdurch wird das Fluid weiter erwärmt. Das Fluid, das den
Hochtemperaturwärmeübertrager 1 verlässt, weist somit eine höhere Temperatur auf als bei einem nur einmaligen Durchgang durch den Hochtemperaturwärmeübertrager 1 . Bei Nutzung des Bypasses 25 vermischt sich dabei das bereits erwärmte und durch den Bypass 25 zurückgeleitete Fluid mit dem durch das Gebläse 15 frisch zugeführten Fluid.
Nach dem Durchströmen des Wärmeübertragers 21 kann das Fluid, sofern die Temperatur des Fluids noch ausreichend hoch ist, für nachgeschaltete Anwendungen, beispielsweise zur Temperierung des Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs, oder zur Erwärmung anderer Komponenten im Hybrid- oder Elektrofahrzeug genutzt werden.

Claims

Ansprüche
Hochtemperaturwärmeübertrager, umfassend einen Festkörper (3) aus einem gut wärmeleitenden, hochtemperaturbeständigen Material, mit mindestens einem darin eingebrachten Heizelement (5), wobei in dem Festkörper (3) Kanäle (9) ausgebildet sind, die von einem Fluid durchströmt werden können und wobei der Festkörper (3) thermisch isoliert ist.
Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das gut wärmeleitende, hochtemperaturbeständige Material eine Keramik, insbesondere eine Keramik auf Basis von Siliciumcarbid, ist.
Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) ein elektrischer Heizstab oder eine Heizmatte ist.
Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (9) mit einer Zuleitung (17) und einem Ablauf für das durchströmende Fluid verbunden sind.
Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablauf mit einem weiteren Wärmeübertrager (21 ) verbunden ist, wobei das durch den Festkörper (3) geströmte und erwärmte Fluid in den
Wärmeübertrager (21 ) Wärme an einen Wärmeträger abgibt.
Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Ablauf ein Bypass (25) abzweigt, der in die Zuleitung (17) mündet.
Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Festkörper (3) ein Wärmespeichermaterial enthalten ist.
8. Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial ein Phasenwechselmaterial ist.
9. Hochtemperaturwärmeübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturwärmeübertrager (1 ) mit einem
thermoelektrischen Generator gekoppelt ist.
10. Verwendung des Hochtemperaturwärmeübertragers (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Thermomanagementkreislauf einer Batterie, insbesondere einer Lithium- Ionen-Batterie.
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