DE102021210826A1

DE102021210826A1 - Kühler mit zwei weitgehend parallelen Strömungsräumen und drei weitgehend parallelen Platten

Info

Publication number: DE102021210826A1
Application number: DE102021210826.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Bieregger; David Rochholz; Igor Kindt
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2022-09-15
Also published as: WO2022191469A1; CN116583985A; US20240003639A1; KR20230121839A

Abstract

Ein Kühler (10) weist zwei weitgehend parallele Strömungsräume und drei weitgehend parallele Platten (12,14) auf, wobei zwei der Platten (14) eine weitgehend ebene Struktur an den Außenseiten des Kühlers bilden, und die Zwischenplatte (12), welche zwischen die beiden ebenen Platten (14) gefügt ist, derart geformt ist, dass eine Fluidströmung (C) nach dem Einlass in den Kühler in mehrere Strömungen (A, B) aufgeteilt wird, die bevorzugt eine der beiden Seiten des Kühlers (10) aktiv beströmt aber immer beide Seiten gleichzeitig.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kühler mit zwei weitgehend parallelen Strömungsräumen und drei weitgehend parallelen Platten.
Übliche Batteriekühler weisen zwei weitgehend parallele Platten auf, von denen eine im Wesentlichen eben ist und dafür vorgesehen ist, mit einem Batteriemodul in Berührungskontakt zu stehen, um dieses zu kühlen. Die andere Platte definiert üblicherweise die Strömungskanäle für Kühlmittel oder Kältemittel und ist mechanisch mit der erstgenannten Platte gefügt, üblicherweise verlötet. Ferner kann mehr als ein Einlass vorgesehen sein, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kühler für Batteriemodule zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Demzufolge weist dieser zwei weitgehend parallele Strömungsräume und drei weitgehend parallele Platten auf, von denen die beiden äußeren Platten zumindest an der Außenseite eine weitgehend ebene Struktur bilden, um in gutem Berührungskontakt mit den zu kühlenden Batteriemodulen zu sein.
Ferner weist der Kühler zwischen den beiden oben genannten Platten eine Zwischenplatte auf, die derart geformt ist, dass eine Fluidströmung nach dem Einlass in den Kühler, bevorzugt unmittelbar oder direkt nach dem Einlass, mit anderen Worten nahe zu dem Einlass, in mehrere Strömungen aufgeteilt wird. Hierbei werden stets beide Seiten des Kühlers, mit anderen Worten beide der parallelen Strömungsräume beströmt, jedoch kann eine der beiden Seiten des Kühlers bevorzugt aktiv beströmt werden.
Durch die beiden parallelen Strömungsräume können gewissermaßen zu beiden Seiten des Kühlers ein oder mehrere Batteriemodule angeordnet werden, sodass die Packungsdichte innerhalb eines Batteriegehäuses erhöht werden kann. Im Wesentlichen kann somit die Zwischenplatte, die erfindungsgemäß üblicherweise die Strömungskanäle definiert, für beide Strömungsräume genutzt werden, sodass ein effizienter Aufbau gewährleistet wird. Gleichzeitig kann die Wärmeabfuhr sichergestellt werden, und der erfindungsgemäße Kühler weist eine gute Anpassbarkeit an unterschiedliche Arten und Anzahlen von Batteriemodulen auf. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die drei Platten in geeigneter Weise mechanisch miteinander verbunden, insbesondere verlötet sind, sodass insgesamt ein Kühler mit hoher Festigkeit entsteht. Dies betrifft sowohl die Festigkeit gegen Innendruck als auch gegen externe mechanische Belastung, die beispielsweise bei der Verbindung mit Batteriemodulen im Rahmen der Montage auftreten kann. Durch die gewissermaßen zweischichtige Gestaltung des Kühlers können beide Seiten des Kühlers mit geeigneten Strömungskanälen versehen werden, und die Temperaturverteilung sowie die Wärmeabfuhr kann auf beiden Seiten des Kühlers optimiert werden. Gleichzeitig können, wie nachfolgend genauer ausgeführt, die Maßnahmen zur Aufteilung der Strömung auf die beiden parallelen Strömungsräume in einfacher Weise durch einfache Strukturen vorgesehen werden.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass zwischen dem Kühler und zumindest einem Batteriemodul ein Füllmaterial für mögliche unvermeidbare Zwischenräume, die infolge von Toleranzen entstehen können, vorgesehen sein kann. Ferner kann der Kühler an das Kühlsystem eines Fahrzeugs angeschlossen sein. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Kühler einen niedrigen Druckverlust, wie erwähnt, eine hohe Festigkeit und geringe Temperaturunterschiede im Bereich der Außenflächen des Kühlers auf.
In vorteilhafter Weise wird der Kühler damit den Anforderungen bezüglich der Beständigkeit gegen Belastung wie Vibration oder Modulmontage vorteilhafter Weise gerecht. Diese können entsprechend der System- und Kundenanforderungen angepasst werden.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Im Hinblick auf diejenigen Strukturen und Geometrieen, die in der Zwischenplatte ausgebildet sind, um die beschriebene Strömungsaufteilung zu bewirken, werden derzeit Rundlöcher, Langlöcher, Schlitze und/oder geeignete Stanzgeometrien bevorzugt. Diese können in effizienter Art und Weise während des Formgebungsprozesses in die Platte eingebracht und jeweils an Parameter wie Leistung, Massenstrom, Fluidtyp und dergleichen angepasst werden.
Zumindest eine Außenplatte weist bevorzugt zumindest einen Ein- und/oder Auslass auf. Dies stellt im Wesentlichen eine Anschlussmöglichkeit an das Fluidsystem eines Fahrzeugs bereit und kann unabhängig von dem jeweils eingesetzten Dicht- und Konnektorkonzept gestaltet werden. Grundsätzlich kann hierbei an beiden Seiten des Kühlers und an jeder der drei Platten ein Anschluss ausgebildet sein.
Gleichzeitig kann in vorteilhafter Weise die Dicke zumindest einer Platte auf 0,5 mm oder weniger reduziert werden, ohne die Festigkeit zu stark zu verringern. In Abhängigkeit von der Vorgehensweise bei der Fertigung sowie den jeweiligen Anforderungen können sich die Plattendicken zueinander unterscheiden.
Im Hinblick auf die Strömungsgeometrie hat sich bei ersten Simulationen eine Mäander- und/oder U-Form als vorteilhaft erwiesen. Die Mäander können vergleichsweise komplex und hierdurch in besonderer Weise den Anforderungen angepasst sein.
Im Hinblick auf die mechanische Innendruckbeständigkeit des Kühlers wird derzeit bevorzugt, dass dieser gegen einen Innendruck entsprechend maximalem Betriebsdruck von konventionellen Kältemittel (R134a & R1234yf) beständig ist, um einen besonders stabilen Kühler auszubilden. Dieser Wert kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass freie überspannte Flächen zwischen dem Platten durch die Verbindung der Platten zueinander an zahlreichen Punkten und/oder parallel zu zahlreichen Strömungskanälen minimiert werden. Die Innendruckbeständigkeit an dann trotz Plattendicken von 0,5 mm oder weniger sichergestellt werden.
Die Zwischenplatte kann je nach Anforderung vollständig mit den ebenen Platten abschließen oder an zumindest einer Seite nach innen versetzt sein.
Derzeit bevorzugte Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Kühlers sind ein Kühlmittelkühler und ein Direktkältemittelverdampfer.
Im Hinblick auf die oben bereits erwähnten Plattendicken wird derzeit ein minimales Verhältnis zwischen einer Plattendicke der Zwischenplatte zu derjenigen zumindest einer äußeren Platte von weniger als 55 % bevorzugt. Es können jedoch auch drei gleich dicke Platten oder Platten verwendet werden, deren Dickenverhältnis größer als 55% ist.
Durch das erfindungsgemäße Kanaldesign wird ferner in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass ein Verhältnis zwischen einer Kanalbreite und einer Plattendicke größer als neun ist.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von beispielhaft dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

1 den grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Kühlers,
2 eine Kombination des erfindungsgemäßen Kühlers mit zwei Batteriemodulen,
3 ein Detail des erfindungsgemäßen Kühlers,
4 ein weiteres Detail des erfindungsgemäßen Kühlers, und
5 alternative Gestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlers.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 hervorgeht, besteht der erfindungsgemäße Kühler 10 im Wesentlichen aus einer Zwischenplatte 12 und zwei Außenplatten 14. Sämtliche Platten sind typischerweise im Wesentlichen rechteckig, und die Außenplatten 14 sind zumindest an ihren Außenseiten im Wesentlichen eben. Die Zwischenplatte 12 weist nachfolgend genauer beschriebene Strukturen zur Ausbildung von Strömungskanälen auf beiden Seiten der Zwischenplatte 12, mit anderen Worten zu beiden Außenplatten 14 hin, auf. In dem gezeigten Fall weisen die Zwischen- und die in der Figur hintere Außenplatte ferner einen mit X bezeichneten Ein- und Auslass auf, die ebenfalls nachfolgend genauer beschrieben sind und an kundenseitige Vorgaben angepasst sein können.
Wie in 2 gezeigt ist, kann der erfindungsgemäße Kühler 10 sandwichartig zwischen zwei Batteriemodulen 16 angeordnet sein und diese in vorteilhafter Weise effizient kühlen.
3 zeigt in der Detailansicht, wie an der Zwischenplatte 12 zum einen Rippen 18 ausgebildet sind, um einzelne Strömungskanäle voneinander abzugrenzen, und wie in dem gezeigten Beispiel an einem stromaufwärtigen Ende der jeweiligen Rippe 18 ein Schlitz 20 ausgebildet ist, um das mit dem Pfeil C angedeutete, einströmende Kühlmittel in einen Kühlmittelstrom A auf der dem Betrachter zugewandten Seite und eine Kühlmittel Strom B auf der vom Betrachter abgewandten Seite aufzuteilen. Wie nachfolgend genauer erläutert, können die Schlitze 20, die in dem gezeigten Fall im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung ausgebildet sind, auch unter einem anderen Winkel, bis zu im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein oder als Öffnungen ohne nennenswerte Längserstreckung gestaltet sein. Ferner können anstelle der oder zusätzlich zu den Schlitzen am Beginn der Rippen 18 eine oder mehrere Öffnungen in der Zwischenplatte 12 vorgesehen sein, die eine Kühlmittelströmung zur anderen Seite der Platte ermöglichen.
4 entspricht im Wesentlichen der 1, wobei die Strömungskanäle mit zusätzlichen Mäandern versehen sind, und der Ein- 22 und Auslass 24 des Kühlers in Form weitgehend kreisrunder Öffnungen in 4B genauer gezeigt sind. Wie in 4A links oben zu erkennen ist, kann der Auslass beispielsweise zu der in der Figur oberen Außenplatte, und der Einlass in der anderen Außenplatte vorgesehen sein. Aus 4C ergibt sich, wie die mit den Rippen 18 versehene Zwischenplatte 12 zusammen mit den daran angebrachten Außenplatten 14 zueinander parallele Strömungskanäle definiert.
In 5A ist gezeigt, wie ein Schlitz 20 am Beginn einer Rippe 18 im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein kann, und wie die Rippe 18 im weiteren Verlauf mit quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Schlitzen 20 versehen sein kann. Hierbei können sowohl der Schlitz 20 parallel zur Strömungsrichtung als auch ein oder mehrere querverlaufende Schlitze 20 weggelassen werden, sodass lediglich ein oder mehrere querverlaufende Schlitze 20 oder der Schlitz 20 parallel zur Strömungsrichtung verbleibt.
Wie sich insbesondere aus dem linken Bereich von 5B ergibt, können ein oder mehrere derartige Schlitze 20 auch als Öffnungen ohne nennenswerte Längserstreckung, insbesondere als kreisrunde Öffnungen und paarweise an entsprechenden Stellen entlang der Längserstreckung der Rippe 18 und/oder seitlich an dieser ausgebildet sein. Ebenso kann eine größere, weitgehend kreisrunde Öffnung am Beginn der Rippe ähnlich wie der in 3 gezeigte Schlitz 20 und/oder der in 4B gezeigte Ein- 22 und Auslass 24 vorgesehen sein.
Dies ist in 5E gezeigt, in der darüber hinaus Ein- 22 und Auslass 24 gezeigt sind. Wie sich aus 5E ergibt, befindet sich eine vergleichsweise große Öffnung 20 am Beginn der Rippe 18 und weist im wesentlichen die gleiche Breite wie die Rippe 18 auf. Insgesamt ist die gezeigte Öffnung 20 im wesentlichen kreisrund. Mit A ist der Kühlmittelstrom neben der Rippe 18 angedeutet.
Wie sich aus 5C ergibt, können ein oder mehrere Schlitze im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung auch breiter als in 5A gezeigt und somit im Wesentlichen als Langloch ausgebildet sein. Schließlich zeigt 5D eine Ausführungsform, bei der eine Rippe 18 durch einzelne Stufen oder Stege 24 mit dem umgebenden Plattenmaterial verbunden ist, sodass gewissermaßen um die Rippe 18 herum ein lediglich durch die Stege 24 unterbrochener Schlitz 20 entsteht, von dem in 5D im Wesentlichen das eine, U-förmige Ende zu erkennen ist.
Wie beispielsweise deutlich aus den 1 und 4 hervorgeht, können die Rippen im Wesentlichen gerade sein, sodass sie zahlreiche im Wesentlichen abschnittsweise zueinander parallele Strömungskanäle voneinander abgrenzen.

Claims

Kühler (10) mit zwei weitgehend parallelen Strömungsräumen, der drei weitgehend parallele Platten (12,14) aufweist, wobei zwei der Platten (14) eine weitgehend ebene Struktur an den Außenseiten des Kühlers bilden, und die Zwischenplatte (12), welche zwischen die beiden ebenen Platten (14) gefügt ist, derart geformt ist, dass eine Fluidströmung (C) nach dem Einlass in den Kühler in mehrere Strömungen (A, B) aufgeteilt wird, die bevorzugt eine der beiden Seiten des Kühlers (10) aktiv beströmt aber immer beide Seiten gleichzeitig.
Kühler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (12) Rundlöcher, Langlöcher, Schlitze (20) und/oder Stanzgeometrien aufweist.
Kühler (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenplatte (14) zumindest einen Ein- (22) und/oder Auslass (24) aufweist.
Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Platte (12,14) eine Dicke bis 0,5 mm aufweist.
Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in Mäander- und/oder in U-Form durch den Kühler (10) geleitet wird.
Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine mechanische Innendruckbeständigkeit entsprechend einemmaximalen Betriebsdruck konventioneller Kältemittel aufweist.
Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (12) entweder vollständig mit den ebenen Platten (14) abschließt, oder an zumindest einer Seite nach innen versetzt ist.
Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Kühlmittelkühler oder als Direktkältemittelverdampfer für Kältemittel vorgesehen ist.
Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimales Verhältnis zwischen einer Plattendicke der Zwischenplatte (12) zu derjenigen zumindest einer äußeren Platten (14) weniger als 55% beträgt.
Kühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einer Kanalbreite und einer Plattendicke größer als neun ist.