DE102008011508A1 - Energiespeicher sowie Verfahren zur Herstellung des Energiespeichers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher 1 mit mindestens einem aktiven Substrat 2 als Speichermedium 3, in dem mindestens ein Wärmeabführkanal 4 ausgebildet ist, wobei der Wärmeabführkanal 4 mit oberflächenvergrößernden Wärmeableitstrukturen 5 erstellt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Energiespeichers 1.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit mindestens einem aktiven Substrat als Speichermedium, in dem mindestens ein Wärmeabführkanal ausgebildet ist.
  • Energiespeicher der eingangs genannten Art können zum Beispiel Akkumulatoren oder Kondensatoren sein. Die bekannten Energiespeicher in zylindrischer und/oder prismatischer Bauform werden passiv gekühlt, das heißt, sie geben im Betrieb anfallende Wärme durch Konvektion, Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung ab. Auch ist es denkbar, dass sie aktiv gekühlt werden, sodass eine Wärmeleitung vorliegt. Aufgrund der bisherigen Ausführungsform der Energiespeicher ist eine hinreichend effektive Wärmeabfuhr nicht gegeben, sodass relativ hohe Temperaturen im Betrieb auftreten. Aus diesem Grunde ist auch ein Zusammenschalten mehrerer Energiespeicher in serieller und/oder paralleler Schaltung erschwert. Obwohl die bekannten Energiespeicher in ihrem aktiven Substrat, das ein Speichermedium bildet, mit mindestens einem Wärmeabführkanal ausgebildet sind, reicht die hierdurch abgeführte Wärme oftmals nicht aus, um einen gewünschten Temperaturwert im Betrieb nicht zu überschreiten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Energiespeicher der eingangs genannten Art anzugeben, der sich im Betrieb weniger stark erwärmt. Insbesondere soll auch eine Zusammenschaltung mehrerer derartiger Energiespeicher ohne ein Erwärmungsproblem möglich sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmeabführkanal mit oberflächenvergrößerenden Wärmeableitstrukturen erstellt ist. Aufgrund des erfindungsgemäßen Vorgehens wird bei der Erstellung des Wärmeabführkanals erfindungsgemäß bereits dafür gesorgt, dass er oberflächenvergrößernde Wärmeableitstrukturen aufweist, mit der Folge, dass aufgrund dieser Wärmeableitstrukturen niedrigere Temperaturen im Betrieb auftreten als bei herkömmlichen Energiespeichern. Die oberflächenvergrößernden Wärmeableitstrukturen sind bei der Erstellung des Wärmeabführkanals gleichzeitig miterzeugt, das heißt, es ist kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich, um den Wärmeabführkanal mit den Wärmeableitstrukturen auszustatten, sondern diese werden bei der Erzeugung des Wärmeabführkanals direkt mit ausgebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeableitstrukturen von einem Anteil des aktiven Substrats gebildet sind. Mithin wird das aktive Substrat, das der Energiespeicherung dient, zumindest bereichsweise, also anteilsmäßig, dazu verwendet, die Wärmeableitstrukturen auszubilden. Das heißt, diese werden durch Formgebung des aktiven Substrats gebildet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeableitstrukturen an dem aktiven Substrat wärmeleitend befestigt sind. Mithin sind die wärmeableitenden Strukturen direkt mit dem aktiven Substrat wärmeleitend verbunden, das heißt, bei der Erstellung des Wärmeabführkanals werden an dem aktiven Substrat die Wärmeableitstrukturen unmittelbar befestigt. Zwischenträger, wie Gehäuseelemente und dergleichen, sind demzufolge nicht vorgesehen.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeableitstrukturen von Rippen-, Schuppen-, Noppen- und/oder Wellenstrukturen gebildet sind. Die Rippen können horizontal oder auch vertikal oder auch schräg verlaufend ausgebildet sein. Bei einer Schuppenstruktur handelt es sich um zumindest teilweise überlappende Elemente. Eine Wellenstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass ihre Oberfläche nicht glatt ist, sondern wellenförmig verläuft.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Rippenstrukturen zumindest teilweise winklige oder gerundete Rippen aufweisen. Der Rippenkamm ist demzufolge winklig ausgebildet oder weist eine oder mehrere Rundungen auf.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Energiespeicher eine Längsachse besitzt, zu der der Wärmeabführkanal koaxial oder parallel verläuft. Sind mehrere Wärmeabführkanäle im Energiespeicher vorgesehen, so verlaufen diese koaxial und/oder parallel zu der Längsachse des Energiespeichers.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmeabführkanal mit einer die Wärmeabfuhr unterstützenden Oberflächenverkleidung und/oder Oberflächenbeschichtung versehen. Als Oberflächenverkleidung kann beispielsweise ein Gehäuse dienen. Die Oberflächenbeschichtung wird mittels eines Beschichtungsverfahrens auf das aktive Substrat aufgebracht.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Oberflächenverkleidung und/oder Oberflächenbeschichtung hochwärmeleitend ausgebildet ist. Hierfür ist insbesondere eine Beschichtung mit CVD-Diamant vorgesehen. Die Oberflächenverkleidung wird mit einem Material hoher Wärme leitfähigkeit – vorzugsweise einem Metall – ausgeführt. Hierdurch wird die im aktiven Substrat auftretende Wärme optimal abgeleitet.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Speichermedium eine prismatische oder zylindrische Grundform aufweist, die insbesondere als kreisförmiger Zylinder ausgebildet ist. Bei einem kreisförmigen Zylinder ist das Längen/Durchmesser-Verhältnis vorzugsweise 4:1 bis 1:1, insbesondere 2:1. Prismatische Zellen, die auch als „Coffebags" oder „Pouchebags" ausgeführt sein können, zeichnen sich durch ein besonders günstiges Oberflächen/Volumen-Verhältnis aus.
  • Das Substrat weist bevorzugt eine Außenstruktur auf, die ebenfalls mit einer oberflächenvergrößernden Wärmeableitstruktur – so wie sie vorstehend bereits beschrieben wurde – erstellt ist. Die Außenstruktur kann alternativ mit einer Oberflächenverkleidung, insbesondere mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise ein Metall, und/oder Oberflächenbeschichtung, insbesondere mit CVD-Diamant, versehen sein, wie dies bereits ebenfalls vorstehend ausgeführt wurde.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Grundform einen Boden und/oder eine Deckfläche aufweist, die mit Wärmeableitstrukturen versehen ist/sind. Ferner kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass dem Energiespeicher ein Temperatursensor zugeordnet ist. Mit dem Temperatursensor lässt sich die im Energiespeicher entstehende Temperatur sensieren und Kühlmaßnahmen einleiten oder steuern, um durch den Wärmeabführkanal und/oder über die Grundform einen Kühlstrom eines Mediums aktiv zu leiten.
  • Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers, insbesondere gemäß einer Variante der vorstehend erwähnten Ausführungen, mit mindestens einem aktiven Substrat als Speichermedium, in dem mindestens ein Wärmeabführkanal ausgebildet wird, wobei der Wärmeabführkanal mit oberflächenvergrößerenden Wärmeableitstrukturen hergestellt wird.
  • Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, und zwar zeigt:
  • 1 eine Seitenansicht auf einen teilweise aufgeschnittenen Energiespeicher,
  • 2 eine Draufsicht auf den Energiespeicher entlang der Linie A-A in 1,
  • 3 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichers, teilweise geschnitten,
  • 4 bis 7 unterschiedliche Wärmeableitstrukturen des Energiespeichers der 3,
  • 8 eine Schnittansicht des Energiespeichers der 3 entlang der Linie A-A,
  • 9 eine Zusammenschaltung zweier Energiespeicher in Reihe,
  • 10 eine Parallelschaltung mehrerer Energiespeicher,
  • 11 eine Parallelschaltung zweier aufrecht stehender Energiespeicher,
  • 12 eine Parallelschaltung zweier liegend angeordneter Energiespeicher und
  • 13 eine Parallelschaltung von vier Energiespeichern.
  • Die 1 zeigt einen Energiespeicher 1, der ein aktives Substrat 2 als Speichermedium 3 aufweist. Bei dem aktiven Substrat 2 beziehungsweise Speichermedium 3 kann es sich beispielsweise um den aktiven Teil eines Akkumulators handeln oder um den aktiven Teil eines Kondensators, also beispielsweise einen Kondensatorwickel. Wie ersichtlich, wird das aktive Substrat 2 von einem Wärmeabführkanal 4 durchsetzt, der mit oberflächenvergrößernden Wärmeableitstrukturen 5 erstellt ist. Die Wärmeableitstrukturen 5 sind demzufolge von einem Anteil des aktiven Substrats 2 gebildet. Der Energiespeicher 1 weist eine Längsachse 6 auf, zu der der Wärmeabführkanal 4 koaxial verläuft. Aus der 2 ist ersichtlich, dass der Wärmespeicher der 1 eine Grundform 7 besitzt, die als kreisförmiger Zylinder 8 ausgebildet ist. Bei dem Wärmeabführkanal 4 handelt es sich ebenfalls um eine im Querschnitt kreisförmige Struktur.
  • Gemäß 1 weist der Energiespeicher, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als elektrischer Energiespeicher ausgebildet ist, Anschlusskontakte 9 und 10 auf, an denen die elektrische Energie bereitgestellt wird.
  • Es ist optional möglich, dass eine Außenstruktur 11 des Substrats 2 ebenfalls mit oberflächenvergrößernden Wärmeableitstrukturen 5 versehen ist. Ferner ist es denkbar, dass der Wärmeabführkanal 4 und/oder die Außenstruktur 11 mit einer Oberflächenverkleidung und/oder einer Oberflächenbeschichtung versehen ist.
  • Die 3 bis 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers, der im Wesentlichen so aufgebaut ist, wie der Energiespeicher der 1 und 2. Unterschiedlich ist lediglich, dass er keine kreiszylindrische Grundform 7, sondern eine Grundform 7 aufweist, die als Prisma ausgebildet ist. Demzufolge ist ferner vorzugsweise ein Wärmeabführkanal 4 vorgesehen, der im Querschnitt rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet ist.
  • Die 4 bis 7 verdeutlichen oberflächenvergrößerende Wärmeableitstrukturen 5, die sowohl im Innern, also am Wärmeabführkanal 4 und/oder an der Außenstruktur 11 ausgebildet sein können. Die 4 zeigt eine die Wärmeableitstrukturen 5 bildende Rippenstrukturen 12, die von winkligen Rippen 13 gebildet sind. Beim Ausführungsbeispiel der 5 liegen Rippen 13 vor, die gerundet verlaufen. Die 6 zeigt Wärmeableitstrukturen 5, die als Wellenstrukturen 14 ausgebildet sind. Die 7 verdeutlicht Wärmeableitstrukturen 5 in Form von Noppenstrukturen 15.
  • Die 9 zeigt zwei in Reihe geschaltete Energiespeicher 1, bei denen die jeweiligen Wärmeabführkanäle 4 miteinander verbunden sind, das heißt, auch sie liegen in Reihe. Demzufolge wird die Wärme, die im Betrieb der Energiespeicher 1 auftritt, gemäß Doppelpfeil 16 beidseitig mittels Luft oder einer anderen gasförmigen oder flüssigen Substanz nach außen geführt, sodass sie an den Enden der Wärmeabführkanäle 4 austreten kann.
  • Die 10 verdeutlicht mehrere, kreiszylindrische Energiespeicher 1, die versetzt zueinander aufeinandergestapelt sind, das heißt, der von zwei Energiespeichern 1 gebildete Zwickel nimmt einen anderen Energiespeicher 1 auf. Demzufolge sind sämtliche Energiespeicher 1 der 10 seriell zueinander angeordnet.
  • Die 11 und 12 zeigen jeweils zwei Energiespeicher 1, die einmal aufrecht stehen (11) und einmal liegend (12) angeordnet sind. Die beiden Energiespeicher 1 der 11 und 12 sind jeweils seriell zueinander angeordnet. Das Ausführungsbeispiel der 13 zeigt vier Energiespeicher 1, die jeweils einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Insofern weist das Gesamtgebilde, das von den vier Energiespeichern 1 gebildet wird, ebenfalls einen quadratischen Querschnitt auf.
  • Grundsätzlich erfolgt eine Wärmeabfuhr durch den Wärmeabführkanal 4 bei einem der Energiespeicher 1 der dargestellten Ausführungsbeispiele dadurch, dass ein Wärmeabführmedium, beispielsweise Luft oder eine andere gasförmige oder flüssige Substanz aufgrund von Konvektion den jeweiligen Wärmeabführkanal 4 durchströmt. Zusätzlich oder alternativ kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass dieses Wärmeabführmedium durch spezielle Vorrichtungen gefördert wird, sodass sich dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeabführmediums erhöht. Hierzu sind beispielsweise in Bezug auf Gase Ventilatoren oder dergleichen zu verstehen. Im Falle von Kühlflüssigkeiten handelt es sich um Pumpen oder dergleichen.
    • 1
    Energiespeicher
    2
    Substrat
    3
    Speichermedium
    4
    Wärmeabführkanal
    5
    Wärmeableitstrukturen
    6
    Längsachse
    7
    Grundform
    8
    Kreisförmiger Zylinder
    9
    Anschlusskontakte
    10
    Anschlusskontakte
    11
    Außenstruktur
    12
    Rippenstrukturen
    13
    Rippen
    14
    Wellenstrukturen
    15
    Noppenstrukturen
    16
    Doppelpfeil

Claims (14)

  1. Energiespeicher mit mindestens einem aktiven Substrat als Speichermedium, in dem mindestens ein Wärmeabführkanal ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabführkanal (4) mit oberflächenvergrößernden Wärmeableitstrukturen (5) erstellt ist.
  2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitstrukturen (5) von einem Anteil des aktiven Substrats (2) gebildet sind.
  3. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitstrukturen (5) an dem aktiven Substrat (2) wärmeleitend befestigt sind.
  4. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitstrukturen (5) von Rippen- (12), Schuppen-, Noppen- (15) und/oder Wellenstrukturen (14) gebildet sind.
  5. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenstrukturen (12) zumindest teilweise winklige oder gerundete Rippen (13) aufweisen.
  6. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Längsachse (6), zu der der Wärmeabführkanal (4) koaxial und/oder parallel verläuft.
  7. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmeabführkanäle (4) erstellt sind, die koaxial und/oder parallel zur Längsachse (6) verlaufen.
  8. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabführkanal (4) mit einer die Wärmeabfuhr unterstützenden Oberflächenverkleidung und/oder Oberflächenbeschichtung versehen ist.
  9. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenverkleidung und/oder Oberflächenbeschichtung hochwärmeleitend ausgebildet ist.
  10. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium eine Grundform (7) aufweist, die als Prisma oder Zylinder, insbesondere kreisförmiger Zylinder (8), ausgebildet ist.
  11. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kreisförmige Zylinder (8) ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von etwa 4:1 bis 1:1, insbesondere etwa 2:1 aufweist.
  12. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform (7) einen Boden und/oder eine Deckfläche aufweist, die mit Wärmeableitstrukturen (5) versehen ist/sind.
  13. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Temperatursensor.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem aktiven Substrat als Speichermedium, in dem mindestens ein Wärmeabführkanal ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabführkanal (4) mit oberflächenvergrößernden Wärmeableitstrukturen (5) hergestellt wird.
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