DE112019001127T5 - Wärmetauscher mit integriertem elektrischem heizelement - Google Patents

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Brian E. Cheadle
Michael J.R. Bardeleben
Jeffrey O. Sheppard
Benjamin A. Kenney
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Abstract

Ein Wärmetauscher weist eine Fluidströmungspassage auf mit einem Einlass und einem Auslass und mit einer ersten Platte und einer zweiten Platte, die in gegenseitig zugewandter Beziehung angeordnet sind. Die Fluidströmungspassage wird von einem Raum zwischen den inneren Oberflächen der ersten und der zweiten Platte definiert. Ein elektrisches Heizelement liegt außerhalb der Fluidströmungspassage und grenzt an die äußere Oberfläche der ersten Platte an, so dass Wärme, die von dem elektrischen Heizelement produziert wird, während der Verwendung des Wärmetauschers durch die erste Platte auf das Fluid in der Fluidströmungspassage übertragen wird. In einer Ausführungsform weist die erste Platte eine Öffnung auf, um eine Heizplattenkomponente aufzunehmen, die einen ersten Plattenabschnitt mit einer inneren Oberfläche, die an einen turbulenzverstärkenden Einsatz gebunden ist, und eine äußere Oberfläche, die an das elektrische Heizelement gebunden ist, aufweist.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und die Rechte an der am 7. März 2018 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/639,560 , deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
  • GEBIET DER TECHNIK
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Wärmetauscher für ein Fahrzeug, wie etwa ein batteriebetriebenes elektrisches Fahrzeug (BEV) oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), bei dem ein elektrisches Heizelement in den Wärmetauscher integriert ist, und Systeme zum Erwärmen und Kühlen einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten, wie etwa Wärmetauscher. Der Wärmetauscher weist eine Fluidströmungspassage zum Umwälzen eines Fluids auf, und das elektrische Heizelement ist auf einer äußeren Oberfläche der Fluidströmungspassage montiert, um das Fluid im Inneren der Fluidströmungspassage unter bestimmten Betriebsbedingungen zu erwärmen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Eine Hauptbeschränkung von Lithiumionen-Batteriesystemen, wie denen, die in BEVs und HEVs verwendet werden, besteht darin, dass die Batterie bei Temperaturen von deutlich unter 0 °C und insbesondere unter -5 °C nicht zuverlässig betrieben oder geladen werden kann. Idealerweise sollte die Batterie ausgehend von einem Kaltstart so schnell wie möglich auf eine Temperatur von etwa 5-20 °C gebracht werden. Bis sie diese Temperatur erreicht, hat die Batterie eine beschränkte Leistungsfähigkeit, und die Batterie kann geschädigt werden, wenn versucht wird, sie bei Temperaturen unterhalb dieses Bereichs zu laden oder zu entladen.
  • Da Abwärme aus einem Verbrennungsmotor in BEVs nicht verfügbar ist und in HEVs nur begrenzt verfügbar ist, sind für eine effiziente Batterieaufladung und einen effizienten Betrieb in diesen Fahrzeugen alternative Wärmequellen nötig oder zumindest wünschenswert.
  • Abwärme von einem Verbrennungsmotor ist auch eine typische Wärmequelle zum Heizen von Insassenräumen und für Systeme zum aktiven Aufwärmen (AWU), die Kraftfahrzeugbetriebsfluide beim Starten, insbesondere unter Kaltstartbedingungen, schnell auf optimale Betriebstemperaturen bringt. Alternative Wärmequellen für diese Funktionen sind auch in BEVs und HEVs notwendig.
  • Um Raum zu sparen und Kosten zu minimieren, ist es allgemein anzustreben, Komponenten des Heiz-/Kühlsystems des Fahrzeugs wo immer möglich zu integrieren. Obwohl die Integration eines Heizelements in eine Fluidheizvorrichtung bekannt ist, gibt es eine Reihe technischer Probleme, welche die wirksame Integration einer Oberflächenfilm-Heiztechnologie in Fluidheizvorrichtungen für Fahrzeuganwendungen beschränken.
  • Es ist anzustreben, Wärmetauscher mit Heiz- und Kühlfähigkeit, um eines oder mehrere von den oben genannten Problemen abzumildern, und Systeme zum Erwärmen und Kühlen einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten unter Verwendung solcher Wärmetauscher bereitzustellen.
  • KURZFASSUNG
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, der eine Fluidströmungspassage umfasst, der für einen Strom eines Fluids ausgelegt ist, wobei die Fluidströmungspassage einen Einlass und einen Auslass aufweist.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner eine erste Platte und eine zweite Platte in einander gegenüberliegend zugewandter Beziehung; wobei sowohl die erste als auch die zweite Platte wärmeleitend sind, eine nach innen zur Fluidströmungspassage gewandte innere Oberfläche und eine von der Fluidströmungspassage aus nach außen gewandte äußere Oberfläche aufweisen, wobei die Fluidströmungspassage von einem Raum zwischen den inneren Oberflächen der ersten und der zweiten Platte definiert wird.
  • Gemäß einem Aspekt sind die erste und die zweite Platte aus Aluminium gebildet.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner ein erstes elektrisches Heizelement, das sich außerhalb der Fluidströmungspassage befindet und an die äußere Oberfläche der ersten Platte angrenzt, so dass Wärme, die vom ersten elektrischen Heizelement produziert wird, während einer Verwendung des Wärmetauschers durch die erste Platte zu dem Fluid in der Fluidströmungspassage übertragen wird.
  • Gemäß einem Aspekt weist das erste elektrische Heizelement eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 1000 µm auf.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst das erste elektrische Heizelement eine elektrisch isolierende dielektrische Basisschicht, die am nächsten an der äußeren Oberfläche der ersten Platte liegt, und eine elektrische Widerstandsheizungsschicht auf der dielektrischen Schicht.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die dielektrische Basisschicht eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Verbundschicht, die ein Polymer umfasst, das mit einem teilchenförmigen Füllstoffmaterial gemischt ist.
  • Gemäß einem Aspekt steht die dielektrische Basisschicht in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der ersten Platte und ist direkt an diese thermisch gebunden.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst mindestens eine von der ersten Platte und der zweiten Platte eine geformte Platte, die eine allgemein flache, plane Basis aufweist, die auf allen Seiten von einer erhöhten peripheren Seitenwand umgeben ist, die sich von der Basis zu einem planen Flansch erstreckt, der eine Dichtungsfläche definiert, entlang welcher der plane Flansch abdichtend an die gegenüberliegende von der ersten und der zweiten Platte befestigt ist.
  • Gemäß einem Aspekt ist die erste Platte im Wesentlichen vollständig flach und umfasst die zweite Platte eine geformte Platte.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst das erste elektrische Heizelement ferner eine elektrisch leitende Schicht in direktem Kontakt mit der Widersta ndsheizu ngssch icht.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die leitende Schicht eine oder mehrere Leiterbahnen oder Stromschienen, die dafür ausgelegt sind, mit einer Leistungsversorgungseinrichtung verbunden zu werden.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst das erste elektrische Heizelement ferner eine elektrisch isolierende dielektrische oberste Schicht, die auf der Widerstandsheizungsschicht bereitgestellt ist.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner einen turbulenzverstärkenden Einsatz, der eine gewellte Lamelle oder einen Turbulizer mit Graten umfasst, die durch Seitenwände verbunden sind, wobei eine erste Vielzahl von Graten mit der inneren Oberfläche der ersten Platte in Kontakt steht und wobei die erste Vielzahl von Graten mit der inneren Oberfläche der ersten Platte in engem Wärmekontakt steht.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der turbulenzverstärkende Einsatz ferner eine zweite Vielzahl von Graten, die mit der inneren Oberfläche der zweiten Platte in Kontakt stehen, die aber nicht metallurgisch an diese gebunden sind, so dass sie dazwischen eine Wärmeleitungslücke bereitstellen.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner ein zweites elektrisches Heizelement, das außerhalb der Fluidströmungspassage bereitgestellt ist und an die äußere Oberfläche der zweiten Platte angrenzt, so dass Wärme, die vom zweiten elektrischen Heizelement produziert wird, während einer Verwendung des Wärmetauschers durch die zweite Platte zu dem Fluid in der Fluidströmungspassage übertragen wird.
  • Gemäß einem Aspekt weist das zweite elektrische Heizelement eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 1000 µm auf.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst das zweite elektrische Heizelement eine elektrisch isolierende dielektrische Basisschicht, die am nächsten an der äußeren Oberfläche der zweiten Platte liegt, und eine elektrische Widerstandsheizungsschicht auf der dielektrischen Schicht.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die dielektrische Basisschicht eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Verbundschicht, die ein Polymer umfasst, das mit einem teilchenförmigen Füllstoffmaterial gemischt ist.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner eine Kühlkörperplatte mit einer durch eine metallurgische Bindung an der äußeren Oberfläche der ersten Platte fixierten inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche, auf die das erste elektrische Heizelement direkt so aufgebracht ist, dass die elektrische Basisschicht des ersten elektrischen Heizelements in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Kühlkörperplatte steht und direkt thermisch an diese gebunden ist.
  • Gemäß einem Aspekt ist die Kühlkörperplatte dicker als sowohl die erste Platte als auch die zweite Platte.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die zweite Platte eine geformte Platte, die eine allgemein flache, plane Basis aufweist, die auf allen Seiten von einer erhöhten peripheren Seitenwand umgeben ist, die sich von der Basis zu einem planen Flansch erstreckt, der eine Dichtungsfläche definiert, entlang welcher der erhöhte periphere Flansch abdichtend an die gegenüberliegende von der ersten und der zweiten Platte befestigt ist.
  • Gemäß einem Aspekt weist die zweite Platte eine Vielzahl von Vorsprüngen auf, die in ihrer flachen, planen Basis ausgebildet sind, wobei die Vorsprünge eine Höhe aufweisen, die einer Höhe des planen Flansches gleich ist, wobei jeder Vorsprung eine Dichtungsfläche aufweist, die mit der planen Dichtungsfläche des planen Flansches komplanar ist.
  • Gemäß einem Aspekt stehen die Dichtungsflächen der Vorsprünge in engem thermischem Kontakt mit der inneren Oberfläche der ersten Platte.
  • Gemäß einem Aspekt umfassen die Vorsprünge Rippen und/oder Höcker.
  • Gemäß einem Aspekt ist die äußere Oberfläche der ersten Platte im Wesentlichen flach.
  • Gemäß einem Aspekt steht das erste elektrische Heizelement mit einem im Wesentlichen flachen Abschnitt der äußeren Oberfläche der ersten Platte in direktem Kontakt; ist das elektrische Heizelement für einen Kontakt mit einer Fahrzeugkomponente ausgelegt und stützt diese; und umfasst die Fahrzeugkomponente mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie.
  • Gemäß einem Aspekt ist die äußere Oberfläche der zweiten Platte im Wesentlichen flach; ist die äußere Oberfläche der zweiten Platte für einen Kontakt mit einer Fahrzeugkomponente ausgelegt und stützt diese; und umfasst die Fahrzeugkomponente mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie.
  • Gemäß einem Aspekt weist die erste Platte eine Öffnung auf, die eine Heizplattenkomponente aufweist, die abdichtend aufgenommen ist.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die Heizplattenkomponente: einen ersten Plattenabschnitt, der eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist; einen turbulenzverstärkenden Einsatz, der eine gewellte Lamelle oder einen Turbulizer mit Graten, die von Seitenwänden verbunden sind, einschließt, wobei eine erste Vielzahl von Graten mit der inneren Oberfläche des ersten Plattenabschnitts in engem Wärmekontakt steht; und das erste elektrische Heizelement, das in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des ersten Plattenabschnitts seht und an diesem haftet und dem turbulenzverstärkenden Einsatz direkt gegenüberliegt.
  • Gemäß einem Aspekt weist der erste Plattenabschnitt einen peripheren Randflansch auf, der sich über Ränder des turbulenzverstärkenden Einsatzes hinaus entlang seiner inneren Oberfläche nach außen erstreckt und über Ränder des elektrischen Heizelements hinaus entlang seiner äußeren Oberfläche nach außen erstreckt.
  • Gemäß einem Aspekt ist der periphere Randflansch des ersten Plattenabschnitts mit einer fluiddichten, abgedichteten Verbindung mit der ersten Platte verbunden, und so, dass die Öffnung in der ersten Platte von dem peripheren Randflansch des ersten Plattenabschnitts abgedichtet wird.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die Heizplattenkomponente ferner eine flache Trägerplatte, die an der zweiten Vielzahl von Graten des turbulenzverstärkenden Einsatzes gesichert ist.
  • Gemäß einem Aspekt steht die Dichtungsfläche mit der inneren Oberfläche der zweiten Platte in Kontakt.
  • Gemäß einem Aspekt weist die zweite Platte eine Öffnung auf, die an der Öffnung in der ersten Platte ausgerichtet ist.
  • Gemäß einem Aspekt weist die Heizplattenkomponente ferner einen zweiten Plattenabschnitt auf, der eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei der turbulenzverstärkende Einsatz zwischen dem ersten Plattenabschnitt und dem zweiten Plattenabschnitt angeordnet ist, wobei die zweite Vielzahl von Graten mit der inneren Oberfläche des zweiten Plattenabschnitts in engem Wärmekontakt steht.
  • Gemäß einem Aspekt weist der zweite Plattenabschnitt einen peripheren Randflansch auf, der sich über Ränder des turbulenzverstärkenden Einsatzes hinaus entlang seiner inneren Oberfläche erstreckt.
  • Gemäß einem Aspekt ist der periphere Randflansch des zweiten Plattenabschnitts mit einer fluiddichten, abgedichteten Verbindung mit der zweiten Platte verbunden, und so, dass die Öffnung in der zweiten Platte von dem peripheren Randflansch des zweiten Plattenabschnitts abgedichtet wird.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner ein zweites elektrisches Heizelement, das außerhalb der Fluidströmungspassage bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des zweiten Plattenabschnitts steht und an dieser haftet und dem turbulenzverstärkenden Einsatz direkt gegenüberliegt.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner einen Kern, der eine Vielzahl von Wärmetauscherkernplatten umfasst und der eine Vielzahl von ersten Fluidströmungspassagen und eine Vielzahl von zweiten Fluidströmungspassagen umfasst, die in abwechselnder Reihenfolge durch den Kern angeordnet sind.
  • Gemäß einem Aspekt weist der Kern auf: ein erstes Fluideinlasszweigrohr und ein erstes Fluidauslasszweigrohr, die mit der Vielzahl von ersten Fluidströmungspassagen in Fließverbindung stehen, und ein zweites Fluideinlasszweigrohr und ein zweites Fluidauslasszweigrohr, die mit der Vielzahl von zweiten Fluidströmungspassagen in Fließverbindung stehen; wobei die erste Platte des Wärmetauschers den Einlass und den Auslass der Fluidströmungspassage enthält, und wobei die zweite Platte des Wärmetauschers mit einer ersten Fluideinlasszweigrohröffnung, die mit dem ersten Fluideinlasszweigrohr in Fließverbindung steht, und einer ersten Fluidauslasszweigrohröffnung, die mit dem ersten Fluidauslasszweigrohr in Fließverbindung steht, versehen ist.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher ferner ein Thermo-Umgehungsventil, das so angeordnet ist, dass es selektiv: einen Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zur Fluidströmungspassage zulässt, während es einen Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zum ersten Fluideinlasszweigrohr blockiert; und einen Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zur Fluidströmungspassage zumindest zum Teil blockiert, während es den Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zum ersten Fluideinlasszweigrohr zulässt.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher eine Fluidheizung für eine indirekte Erwärmung von einer oder mehreren Fahrzeugkomponenten, die vom Wärmetauscher entfernt sind.
  • Gemäß einem Aspekt weist mindestens eines von dem ersten elektrischen Heizelement und dem zweiten elektrischen Heizelement eine flache äußere Oberfläche auf, die für einen Wärmekontakt mit einer oder mehreren Fahrzeugkomponenten ausgelegt ist, zum direkten Erwärmen der einen oder der mehreren Fahrzeugkomponenten.
  • Gemäß einem Aspekt ist die flache äußere Oberfläche von mindestens einem von dem ersten elektrischen Heizelement und dem zweiten elektrischen Heizelement dafür ausgelegt, die eine oder die mehreren Fahrzeugkomponenten zu stützen.
  • Gemäß einem Aspekt umfassen die eine oder die mehreren Fahrzeugkomponenten eine oder mehrere Batteriezellen oder Batteriemodule einer wiederaufladbaren Lithiumionenbatterie für ein Fahrzeug.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst jedes von dem ersten und dem zweiten elektrischen Heizelement ferner eine elektrisch isolierende dielektrische oberste Schicht, welche die flache äußere Oberfläche des elektrischen Heizelements definiert.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Heiz-/Kühlsystem für ein BEV oder HEV bereitgestellt. Das System kann eine oder mehrere Heiz-/Kühlkreisläufe umfassen, wobei jeder Kühlkreislauf eine Fahrzeugkomponente, einen Wärmetauscher wie hierin definiert zumindest zum Heizen und optional auch zum Kühlen der Fahrzeugkomponente, eine Fluidstromleitung und eine Umwälzpumpe umfasst.
  • Gemäß einem Aspekt kann das Heiz-/Kühlsystem einen ersten und einen zweiten Heiz-/Kühlkreislauf umfassen. Zum Beispiel kann der erste Heiz-/Kühlkreislauf eine erste Fahrzeugkomponente, die eine wiederaufladbare Batterie umfasst, um einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs mit Leistung zu versorgen, und einen ersten Wärmetauscher wie hierin definiert umfassen. Was dies betrifft, so kann der erste Wärmetauscher mindestens ein elektrisches Heizelement wie hierin definiert, eine oder mehrere erste Fluidströmungspassagen für ein erstes Wärmeübertragungsfluid, das durch den ersten Heiz-/Kühlkreislauf zirkuliert, und einen ersten Einlass und einen ersten Auslass für die eine oder die mehreren ersten Fluidströmungspassagen aufweisen. Der erste Kreislauf kann außerdem aufweisen: einen zweiten Wärmetauscher zum Kühlen des ersten Wärmeübertragungsfluids; eine erste Umwälzpumpe zum Umwälzen des ersten Wärmeübertragungsfluids durch die erste Heiz-/Kühlkreislauf; und eine erste Leitung zum Umwälzen des ersten Wärmeübertragungsfluids durch den ersten Heiz-/Kühlkreislauf.
  • Der zweite Heiz-/Kühlkreislauf des hierin definierten Heiz-/Kühlsystems kann eine zweite Fahrzeugkomponente umfassen, bei der es sich um eine oder mehrere wärmeerzeugende elektronische Komponenten des HEV/BEV handeln kann. Der zweite Kreislauf kann auch den ersten Wärmetauscher des ersten Kreislaufs aufweisen. Gemäß dieser Anordnung kann der erste Wärmetauscher ferner eine oder mehrere zweite Fluidströmungspassagen für ein zweites Wärmeübertragungsfluid, das durch den zweiten Heiz-/Kühlkreislauf zirkuliert, und einen zweiten Einlass und einen zweiten Auslass für die eine oder die mehreren zweiten Fluidströmungspassagen aufweisen. Gemäß dieser Anordnung können die erste und die zweite Fluidströmungspassage so angeordnet sein, dass sie eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeübertragungsfluid zulassen und eine Erwärmung des ersten und des zweiten Wärmeübertragungsfluids durch das mindestens eine elektrische Heizelement ermöglichen.
  • Der zweite Heiz-/Kühlkreislauf des hierin definierten Heiz-/Kühlsystems kann außerdem umfassen: einen dritten Wärmetauscher, um das zweite Wärmeübertragungsfluid, das durch den zweiten Kreislauf zirkuliert, zu kühlen; eine zweite Umwälzpumpe zum Umwälzen des zweiten Wärmeübertragungsfluids durch den zweiten Kreislauf; und eine zweite Leitung zum Umwälzen des zweiten Wärmeübertragungsfluids durch den zweiten Kreislauf.
  • Gemäß einem Aspekt kann der zweite Wärmetauscher des hierin definierten Heiz-/Kühlsystems einen Wärmetauscher in einem Klimaanlagensystem des Fahrzeugs umfassen und/oder der dritte Wärmetauscher kann ein Gebläse umfassen.
  • Figurenliste
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
    • 1 eine perspektivische Ansicht von oben auf einen Wärmetauscher gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
    • 2 ein Längsschnitt entlang einer Linie 2-2' von 1 ist;
    • 3 ein Querschnitt entlang einer Linie 3-3' von 1 ist;
    • 4 ein vergrößerter Querschnitt entlang der Linie 3-3' von 1 ist, der Abschnitte des elektrischen Heizelements und der ersten Platte zeigt;
    • 5 ein vergrößerter Querschnitt entlang der Linie 3-3' von 1 ist, der Abschnitte des turbulenzverstärkenden Einsatzes, der ersten und der zweiten Platte und des elektrischen Heizelements zeigt;
    • 6 ein Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer zweiten Ausführungsform ist;
    • 7 ein Querschnitt durch den Wärmetauscher gemäß der zweiten Ausführungsform ist;
    • 8 ein Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer dritten Ausführungsform ist;
    • 9 ein Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer vierten Ausführungsform ist;
    • 10 eine perspektivische Ansicht ist, welche die zweite Platte des Wärmetauschers gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
    • 11 ein Querschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer fünften Ausführungsform ist;
    • 12 ein partieller Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer sechsten Ausführungsform ist;
    • 13 ein partieller Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer siebten Ausführungsform ist;
    • 14 ein partieller Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer achten Ausführungsform ist;
    • 15 ein partieller Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer neunten Ausführungsform ist;
    • 16 eine perspektivische Ansicht von oben auf einen Wärmetauscher gemäß einer zehnten Ausführungsform ist;
    • 17 ein Schnitt entlang einer Linie 17-17' von 16 ist, wobei das interne Umgehungsventil eine offene Stellung einnimmt;
    • 18 ein Schnitt entlang der Linie 17–17' von 16 ist, wobei das interne Umgehungsventil eine geschlossene Stellung einnimmt;
    • 19 ein Ablaufschema eines Heiz-/Kühlsystems eines Fahrzeugs gemäß einer elften Ausführungsform ist;
    • 20 ein Ablaufschema eines Heiz-/Kühlsystems eines Fahrzeugs gemäß einer zwölften Ausführungsform ist;
    • 21 ein Blockschema eines Heiz-/Kühlsystems eines Fahrzeugs gemäß einer dreizehnten Ausführungsform ist;
    • 22 ein Ablaufschema eines Heiz-/Kühlsystems eines Fahrzeugs gemäß einer vierzehnten Ausführungsform ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es folgt eine Beschreibung eines Wärmetauschers 10 mit einem integrierten elektrischen Heizelement gemäß einer Ausführungsform. In manchen Ausführungsformen ist der Wärmetauscher 10 zum Heizen und optional auch zum Kühlen einer Fahrzeugkomponente 11 (nur in 2 schematisch dargestellt), die mit einer äußeren Oberfläche des Wärmetauschers 10 in Kontakt steht und/oder auf dieser aufliegt, ausgelegt. Die Fahrzeugkomponente 11 kann mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie für ein BEV oder HEV umfassen. Was dies betrifft, so umfasst eine typische wiederaufladbare Batterie für ein BEV oder HEV eine Anzahl von Batteriemodulen, die in Reihe und/oder parallel elektrisch miteinander verbunden sind, um die gewünschte Systemspannung und -kapazität an der Batterie bereitzustellen. Jedes Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen, die elektrisch in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sind, wobei die Batteriezellen in Form von Pouch-Zellen, prismatischen Zellen oder zylindrischen Zellen vorliegenden können. Der Betrieb der Batterie kann, abhängig von Temperaturbedingungen, endotherm oder exotherm sein.
  • In manchen Ausführungsformen ist der Wärmetauscher 10 dafür ausgelegt, ein Kraftfahrzeugbetriebsfluid wie etwa ein Kühlmittel, Motoröl, Getriebefluid oder Achsfluid für eine AWU oder eine Insassenraumheizungsanwendung oder ein Kühlmittel für die Fahrzeugbatterie zu erwärmen und optional zu kühlen. Somit wird das Fluid, das durch den Wärmetauscher 10 strömt, hierin allgemein als „Kraftfahrzeugbetriebsfluid“ bezeichnet, wobei klargestellt sei, dass das Fluid jedes Wärmeübertragungsfluid oder Schmierfluid in einem Fahrzeug, insbesondere einem BEV oder HEV umfassen kann.
  • Man beachte, dass die Elemente der verschiedenen Wärmetauscher, die in den Zeichnungen dargestellt sind, nicht maßstabsgetreu sind. Zum Beispiel sind die Dicken und andere Abmessungen der verschiedenen Elemente der hierin beschriebenen Wärmetauscher, einschließlich der darin integrierten Heizelemente, in den Zeichnungen nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Ebenso sind die elektrischen Verbindungen für die Heizelemente hierin nur schematisch gezeigt.
  • Wie in den 1 bis 5 gezeigt ist, wird der Wärmetauscher 10 von einer Fluidströmungspassage 12 gebildet, der für einen Strom des Kraftfahrzeugbetriebsfluids ausgelegt ist, wobei die Fluidströmungspassage 12 einen Einlass 14 und einen Auslass 16 aufweist.
  • Der Wärmetauscher 10 umfasst ferner eine erste Platte 18 und eine zweite Platte 24, die in einander gegenüberliegender zugewandter Beziehung stehen. Die Platten 18, 24 sind wärmeleitend und weisen jeweils eine innere Oberfläche, die nach innen zur Fluidströmungspassage 12 gewandt ist, und eine von der Fluidströmungspassage 12 weg nach außen gewandte äußere Oberfläche auf. In den Zeichnungen weist die erste Platte 18 eine innere Oberfläche 20 und eine äußere Oberfläche 22 auf, und die zweite Platte 24 weist eine innere Oberfläche 26 und eine äußere Oberfläche 28 auf.
  • Man sieht, dass die Fluidströmungspassage 12 von einem Raum zwischen den inneren Oberflächen 20, 26 der ersten und der zweiten Platte 18, 24 definiert wird. Die erste und die zweite Platte 18, 24 sind an ihren peripheren Rändern abdichtend aneinander gefügt, wodurch die Ränder der Fluidströmungspassage 12 abgedichtet werden, und Bereiche der ersten und der zweiten Platte 18, 24, die einwärts von den peripheren Rändern liegen, sind voneinander beabstandet, um die Fluidströmungspassage 12 zu definieren.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Platte 18 im Wesentlichen flach und plan, wobei die innere und die äußere Oberfläche 20, 22 beide flach und plan sind. Die zweite Platte 24 wird so geformt, beispielsweise durch Prägen oder Ziehen, dass sie eine allgemein flache, plane Basis 30 aufweist, die auf allen Seiten von einer erhöhten peripheren Seitenwand 32 umgeben ist, die sich von der Basis 30 zu einem planen Flansch 34 erstreckt, der eine Dichtungsfläche an der inneren Oberfläche 26 definiert, entlang welcher der plane Flansch 34 abdichtend an eine plane, periphere Dichtungsfläche 36 auf der inneren Oberfläche 20 der ersten Platte 18 befestigt ist, beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen. Man sieht, dass die Gestaltung der zweiten Platte 24 in der vorliegenden Ausführungsform den Raum zwischen der ersten und der zweiten Platte 18, 24 bereitstellt, in dem die Fluidströmungspassage 12 bereitgestellt wird, wobei die Höhe der Fluidströmungspassage 12 von einem Höhenunterschied zwischen der Basis 30 und dem planen Flansches 34 definiert wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sind die Einlassmündung 14 und die Auslassmündung 16 an einander entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 10 bereitgestellt und umfassen Löcher in der ersten Platte 18. Die Einlassmündung 14 ist mit einem röhrenförmigen Einlassstutzen 38 versehen, und die Auslassmündung 16 ist mit einem röhrenförmigen Auslassstutzen 40 versehen, wobei die Stutzen 38, 40 eine Fließverbindung zwischen der Fluidströmungspassage 12 und einem Fluidumwälzsystem (nicht gezeigt) des Fahrzeugs ermöglichen. Daher läuft das Kraftfahrzeugbetriebsfluid einmal entlang der Oberflächen der Platten 18, 24, wenn es vom Einlass 14 zum Auslass 16 strömt. Man beachte jedoch, dass die Fluidströmungspassage 12 eine oder mehrere Kehrtwendungen einschließen kann, so dass das Kraftfahrzeugbetriebsfluid zweimal oder öfter entlang der Oberflächenplatten 18, 24 läuft, wenn es vom Einlass 14 zum Auslass 16 strömt. Abhängig von der Konfiguration der Fluidströmungspassage 12 können der Einlass und der Auslass 14, 16 und ihre jeweiligen Stutzen 38, 40 am selben Ende oder an einander entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 10 liegen.
  • Die erste und die zweite Platte 18, 24 können aus Aluminium oder Legierungen davon gebildet werden und können durch Hartlöten in einem Lötofen aneinandergefügt werden. In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen ist jede Bezugnahme auf Aluminium so zu verstehen, dass dadurch Aluminiumlegierungen, wie etwa Legierungen der Reihe 3000, mitgemeint sind. Um das Hartlöten zu vereinfachen, wird ein Hartlot zwischen den Oberflächen, die aneinandergefügt werden sollen, bereitgestellt. Das Hartlot kann als Plattierungsschicht auf der Dichtungsfläche des planen Flansches 34 der ersten Platte 18 und/oder auf der Dichtungsfläche 36 der zweiten Platte 24, als Scheibe, die zwischen der Dichtungsfläche 34 und der Dichtungsfläche 36 angeordnet ist, und/oder als Lotblech-Plattierungsschicht, die zwischen dem Flansch 34 und der Dichtungsfläche 36 angeordnet ist, bereitgestellt werden. Somit müssen die Dichtungsfläche des planen Flansches 34 und die Dichtungsfläche 36 nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, sondern können stattdessen über eine Schicht aus Hartlot und/oder ein Lotblech, die in den Zeichnungen nicht gezeigt sind, abdichtend zusammengefügt werden.
  • Auch wenn die gezeigte erste und zweite Platte 18, 24 eine gleiche oder ähnliche Dicke aufweisen, kann die erste Platte 18 einen Kühlkörper mit einer Dicke aufweisen, die größer ist als die der zweiten Platte 24 und ausreicht, um eine wärmeableitende, temperaturverteilende Funktion bereitzustellen.
  • In den Wärmetauscher 10 ist ein erstes elektrisches Heizelement 42 integriert, das außerhalb der Fluidströmungspassage 12 bereitgestellt ist und das an die äußere Oberfläche 20 der ersten Platte 18 angrenzt, so dass Wärme, die von dem elektrischen Heizelement 42 produziert wird, während einer Verwendung des Wärmetauschers 10 über die erste Platte 18 zu dem Fluid in der Fluidströmungspassage 12 übertragen wird.
  • Das erste elektrische Heizelement 42 kann eine Oberflächenfilmheizung umfassen, die eine oder mehrere Schichten umfasst. Das Heizelement 42 schließt typischerweise mindestens eine Schicht aus leitendem Material, um einen elektrischen Strom zum Heizelement 42 zu liefern, und mindestens eine Schicht aus einem resistiven Material, um den elektrischen Strom in Wärmeenergie umzuwandeln, ein.
  • Es können verschiedene Arten von Oberflächenfilmheizungen als erstes elektrisches Heizelement 42 verwendet werden. In Ausführungsformen, wo der Wärmetauscher 10 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist, ist es anzustreben, dass das erste elektrische Heizelement 42 eine Oberflächenfilmheizung umfasst, die in der Lage ist sich direkt an ein Aluminiumsubstrat zu binden. Wie in 4 gezeigt ist, kann das elektrische Heizelement 42 beispielsweise aufweisen: eine elektrisch isolierende dielektrische Basisschicht 44, die am nächsten an der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 liegt; eine elektrische Widerstandsheizungsschicht 46 auf der dielektrischen Schicht 44; eine elektrisch isolierende dielektrische oberste Schicht 48 (oder Deckschicht) auf der Widerstandsheizungsschicht 46; und eine elektrisch leitende Schicht 50, die eine oder mehrere Leiterbahnen/Stromschienen umfasst. Die leitende Schicht 50 steht in direktem Kontakt mit der Widerstandsheizungsschicht 46, und die Leiterbahnen, welche die leitende Schicht 50 umfassen, sind in 4 unter den Längsrändern der Widerstandsheizungsschicht 46, zwischen der Widerstandsheizungsschicht 46 und der dielektrischen Basisschicht 44 liegend gezeigt. Man beachte jedoch, dass die leitende Schicht 50 stattdessen auf der Widerstandsheizungsschicht 46, zwischen der Widerstandsheizungsschicht 46 und der dielektrischen obersten Schicht 48 liegen kann. Die dielektrische Basisschicht 44 und die dielektrische oberste Schicht 48 sind hierin als wärmeleitend offenbart. Jedoch müssen die dielektrischen Basis- und obersten Schichten 44, 48 nicht unbedingt aus stark wärmeleitenden Materialien gebildet sein, in welchem Fall die Schichten 44 und/oder 48 dünner gestaltet werden können, um ihre Wärmeleitfähigkeit zu verstärken. Daher sei klargestellt, dass der Ausdruck „wärmeleitend“, wie hierin verwendet, strukturelle Eigenschaften der Schichten 44, 48 (z.B. die Dicke) und/oder ihre Materialeigenschaften bezeichnen kann.
  • Oberflächenfilmheizungen mit dem oben beschriebenen Aufbau des ersten elektrischen Heizelements 42 können durch Abscheiden mehrerer aufeinanderfolgender Schichten unter Verwendung von Techniken wie Siebdrucken auf ein Aluminiumsubstrat aufgebracht werden. Das erste elektrische Heizelement kann typischerweise eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 1000 µm aufweisen. Zum Beispiel kann das elektrische Heizelement 42 eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 700 µm oder von etwa 150 µm bis etwa 600 µm oder von etwa 250 µm bis etwa 500 µm, beispielsweise von etwa 250 µm bis etwa 300 µm, aufweisen. Oberflächenfilmheizungen mit dieser geschichteten Struktur und diesem Dickenbereich werden manchmal als „Dickfilm“-Heizungen bezeichnet.
  • Der Begriff „Dickfilm“, wie hierin verwendet, bezeichnet Beschichtungen, die im Allgemeinen > 1 µm dick sind. Obwohl die Begriffe „Dickfilm“ und „Dünnfilm“ relativ sind, bezeichnet in der Beschichtungsindustrie „Dünnfilm“ bzw. „Dünnschicht“ im Allgemeinen Technologien unter Verwendung von Nano- oder Submikrometer-Beschichtungen, die anhand von Techniken aufgebracht werden, die Schichten der Beschichtung von Atomdicke ablegen können. Dickfilmbeschichtungen werden andererseits in einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Schichten unter Verwendung von Techniken wie etwa Siebdrucken abgeschieden.
  • Oberflächenfilm-Heizelemente, wie etwa Dickfilm-Heizelemente, sind für Fahrzeuganwendungen von Vorteil, da sie vielseitige Designs, hohe Leistungsdichten, gleichmäßige Wärme und schnelles Heizen und Kühlen bereitstellen. Außerdem sind solche Heizelemente flach und leichtgewichtig. Insbesondere haben die Erfinder gefunden, dass Oberflächenfilm-Heizelemente für eine direkte Erwärmung von zu erwärmenden Fahrzeugkomponenten, wie etwa wiederaufladbaren Lithiumionenbatterien, wie sie in BEVs und HEVs verwendet werden, und/oder zum indirekten Erwärmen von Fahrzeugkomponenten (einschließlich einer Insassenkabine) durch Erwärmen eines Fluids, das Wärme auf diese Fahrzeugkomponenten überträgt, wirksam sind. Die Erfinder haben ferner gefunden, dass dann, wenn ein Oberflächenfilm-Heizelement in einen Wärmetauscher integriert ist, wie hierin beschrieben, derselbe Wärmetauscher, der mit dem aktivierten Heizelement für eine direkte oder indirekte Erwärmung von Fahrzeugkomponenten verwendet wird, mit dem deaktivierten Heizelement für eine direkte oder indirekte Kühlung von Fahrzeugkomponenten verwendet werden kann.
  • Wenn die Platten 18, 24, die den Wärmetauscher 10 umfassen, aus Aluminium oder Legierungen davon gebildet sind, weisen die Verarbeitungstemperaturen für die Aufbringung und/oder Härtung der Beschichtungen, die Bestandteile des elektrischen Heizelements 42 sind, eine Obergrenze von etwa 600 °C auf, da Aluminium eine relativ niedrige Schmelztemperatur von etwa 660 °C aufweist, wobei Legierungen, wie etwa Legierungen der Reihe 3000, etwas niedrigere Schmelztemperaturen haben. Das elektrische Heizelement 42 kann Temperaturen von immerhin etwa 500 °C standhalten.
  • Die dielektrische Basisschicht 44 wird direkt auf eine äußere Oberfläche des Wärmetauschers 10 aufgebracht und bei Temperaturen von unter 600 °C, zum Beispiel im Bereich von etwa 400 bis etwa 450 °C, wärmebehandelt. Eine Wärmebehandlung kann in Luft unter Verwendung eines herkömmlichen Ofens oder einer IR-Heizung durchgeführt werden und führt zu einer Bindung der dielektrischen Basisschicht 44 an das Aluminiumsubstrat, hierin als „thermische Bindung“ bezeichnet.
  • Zusätzlich dazu, dass Aluminium eine niedrige Schmelztemperatur aufweist, weist es einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Wenn die dielektrische Basisschicht 44 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der deutlich verschieden ist von dem des Wärmetauschers 10, der Aluminium umfasst, kann die dielektrische Basisschicht 44 während der Temperaturzyklen des Wärmetauschers 10 und/oder des elektrischen Heizelements 42 reißen und/oder sich vom Wärmetauscher 10 lösen. Aufgrund dieser Beschränkungen eignen sich herkömmliche Isolierschichten, die aus Glasemaille bestehen, nicht für solche Anwendungen, da sie typischerweise bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium aufgebracht und/oder gehärtet werden und niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen als Aluminium.
  • Die dielektrische Basisschicht 44 des elektrischen Heizelements 42 umfasst Material mit Verarbeitungs- und Schmelztemperaturen unter 600 °C; mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Aluminium entspricht; und mit geeigneten elektrischen Isoliereigenschaften bei Temperaturzyklen von bis zu 250 °C. Zum Beispiel kann die dielektrische Basisschicht 44 eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Verbundstoffschicht sein, die ein bei hohen Temperaturen schmelzfließfähiges thermoplastisches Polymer, das mit einem teilchenförmigen Füllstoffmaterial gemischt ist, umfasst.
  • Der in die Matrix des thermoplastischen Polymers eingebaute teilchenförmige Füllstoff stellt einen verbesserten Wärmeausdehnungskoeffizienten bereit, der sowohl zur dielektrischen Basisschicht 44 als auch zum Aluminium-Wärmetauschersubstrat 10 und anderen Schichten des elektrischen Heizelements 42 passt. Der teilchenförmige Füllstoff erhöht auch die Wärmeleitfähigkeit der dielektrischen Basisschicht 44, um eine bessere Wärmeübertragung auf das Aluminiumsubstrat hervorzubringen und die Erzeugung von „Hot Spots“ im elektrischen Heizelement 42 zu verhindern. Der teilchenförmige Füllstoff dient auch dazu, die dielektrische Basisschicht 44 zu verstärken, und verhindert, dass die anschließend aufgebrachten Schichten des elektrischen Heizelements 42 während der Aufbringung und/oder Härtung dieser folgenden Schichten in die dielektrische Basisschicht 44 einsinken.
  • Das schmelzfließfähige thermoplastische Hochtemperaturpolymer der dielektrischen Schicht 44 wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA), Polyarylamid (PARA), Flüssigkristallpolymer, Polysulfon (PS), Polyethersulfon (PES), Polyphenylsulfon (PPSU), Polyamid-Imid (PAI), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketon (PEK), Polyetherketonetherketon (PEKEK), eigenverstärktem Polyphenylen (SRP) und Kombinationen von irgendwelchen zwei oder mehreren davon.
  • Der teilchenförmige Füllstoff der dielektrischen Schicht 44 wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Keramik, Glas oder Hochtemperatur-Polymerteilchen. Beispiele für geeignete keramische Materialien schließen Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumoxid (optional mit Ceroxid stabilisiertes Zirconiumoxid oder mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid), Titanoxid, Calciumzirconat, Siliciumcarbid, Titannitrid, Nickelzinkferrit, Calciumhydroxyapatit und beliebige Kombinationen davon ein. Aluminiumoxid hat die höchste Wärmeleitfähigkeit und dielektrische Stärke.
  • Das Füllstoffmaterial kann eine Teilchengröße im Bereich von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, zum Beispiel von etwa 0,1 bis etwa 20 Mikrometer, aufweisen. Der Füllstoffgehalt der dielektrischen Basisschicht 44 liegt bei etwa 5-80 Gewichtsprozent, zum Beispiel von etwa 20-60 Gewichtsprozent oder zum Beispiel von 35-45 Gewichtsprozent.
  • Wärme, die von der Widerstandsheizungsschicht 46 erzeugt wird, dringt durch die dielektrische Basisschicht 44 zur ersten Platte 18, und die dielektrische Basisschicht 44 hält kontinuierlichen hohen Betriebstemperaturen stand und behält bei Temperaturen von etwa 180 °C oder höher und/oder unter Temperaturzyklen von bis zu etwa 250 °C eine feste Struktur bei. Außerdem widersteht die dielektrische Basisschicht 44 einem elektrischen Durchschlag und einer Stromableitung zwischen der ersten Platte 18 und der Widerstandsheizungsschicht 46 und/oder der leitfähigen Schicht 50. Die dielektrische Basisschicht 44 kann eine monolithische Beschichtung sein, oder sie kann zwei oder mehrere Beschichtungen umfassen, die übereinander gehärtet werden. Jede von den Beschichtungen, welche die dielektrische Basisschicht 44 umfasst, kann im Hinblick auf den Typ und/oder die Menge des schmelzfließfähigen thermoplastischen Hochtemperaturpolymers und/oder des teilchenförmigen Füllstoffs die gleiche oder eine andere Zusammensetzung aufweisen.
  • Die Widerstandsheizungsschicht 46 kann eine elektrisch resistive, bleifreie, auf Sol-Gel basierende Verbundstoffschicht umfassen. Die Sol-Gel-Formulierung enthält reaktive metallorganische oder Metallsalz-Sol-Gel-Vorläufer, die nach der Aufbringung der dielektrischen Basisschicht 44 thermisch behandelt werden, um ein elektrisch resistives keramisches Material zu bilden, das sich erwärmt, wenn eine Spannung daran angelegt wird. Die Sol-Gel-Formulierung ist eine Lösung, die reaktive metallorganische oder Metallsalz-Sol-Gel-Vorläufer enthält, die thermisch behandelt werden, um ein keramisches Material zu bilden, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Zirconiumoxid (optional mit Ceroxid stabilisiertes Zirconiumoxid oder mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid), Titanoxid, Calciumzirconat, Siliciumcarbid, Titannitrid, Nickelzinkferrit, Calciumhydroxyapatit und beliebigen Kombinationen davon.
  • Die leitende Schicht 50 wird entweder vor oder nach der Widerstandsheizungsschicht 46 abgelegt und stellt eine elektrische Verbindung zwischen einer Leistungsversorgungseinrichtung 52 und der Widerstandsheizungsschicht 46 bereit. Die leitende Schicht 50 ist bleifrei und kann aus einer Sol-Gel-Verbundformulierung hergestellt sein, die Nickel, Silber oder irgendein anderes geeignetes Pulver- oder Plättchenmaterial enthält. Die Sol-Gel-Formulierung kann unter anderem aus metallorganischen Aluminiumoxid-, Siliciumoxid-, Zirconiumoxid- oder Titanoxid-Vorläufern, die in Lösung stabilisiert sind, hergestellt werden. Die leitende Schicht 50 ist auf irgendeine geeignete Weise, wie etwa durch elektrischer Leitungen 54, 56, wie in 4 gezeigt, elektrisch mit einer Leistungsversorgungseinrichtung 52 verbunden.
  • Die elektrisch isolierende, dielektrische oberste Schicht 48 ist elektrisch isolierend und kann Keramik, Glas oder bei niedrigen Temperaturen schmelzende Hochtemperatur-Polymerfüllstoffteilchen enthalten und wird auf der Widerstandsheizungsschicht 46 und/oder der leitenden Schicht 50 abgeschieden, um die Schichten 46 und 50 vor einer Beschädigung zu schützen, die durch Oxidation, Wasser usw. verursacht wird. Man beachte, dass die oberste Schicht 48 optional ist und nicht in allen Ausführungsformen notwendig sein muss.
  • Im Gebrauch liefert die Leistungsversorgungseinrichtung 52 durch Leitungen 54, 56 eine geeignete Spannung und einen elektrischen Strom an die leitende Schicht 50, um sie zu erwärmen. Die Leistungsversorgungseinrichtung 52 kann eine Wechsel- oder eine Gleichspannung liefern. Zur Verwendung in BEVs und HEVs liegt die Spannung bei mindestens 48 V, beispielsweise bei 280 V, und wenn möglich über 300 V. Die leitende Schicht 50 ist so aufgebaut, dass die Widerstandsheizungsschicht 46 über ihrem Oberflächenbereich so gleichmäßig wie möglich erwärmt wird. In manchen Ausführungsformen beträgt der spezifische Widerstand der Widerstandsheizungsschicht 46 etwa 48-100 Ohm/Quadrat, wobei der Widerstandswärmefluss (die Leistungsdichte) bis zu etwa 25 W/cm2 (160 W/in2) oder mehr beträgt.
  • Zusätzliche Details in Bezug auf die Zusammensetzung und die Struktur des elektrischen Heizelements 42 finden sich im US-Patent Nr. 8,653,423 , das in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. In der ersten Ausführungsform, die in den 1-5 gezeigt ist, wird das erste elektrische Heizelement 42 direkt auf die äußere Oberfläche 22 der ersten Platte 18 aufgebracht, wobei die dielektrische Basisschicht 44 in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 steht und direkt thermisch daran gebunden ist. Um eine verbesserte Gleichmäßigkeit und Haftung bereitzustellen, ist die äußere Oberfläche 22 der ersten Platte 18 flach und kann optional durch Abrasion, Abreiben oder Sandstrahlen oberflächenbehandelt werden.
  • Wenn der Wärmetauscher 10 aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gebildet ist, wird er durch Hartlöten und/oder Schweißen montiert. Diese Montageschritte werden vor der Aufbringung des ersten elektrischen Heizelements 42 auf die erste Platte 18, beispielsweise durch einen Siebdruckprozess, durchgeführt. Daher wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform das elektrische Heizelement 42 aufgebracht, nachdem die anderen Komponenten des Wärmetauschers 10 vollständig montiert worden sind.
  • Der Wärmetauscher 10 kann ferner einen turbulenzverstärkenden Einsatz 58, wie etwa eine gewellte Lamelle oder einen Turbulizer, umfassen, um eine vergrößerte Turbulenz und einen vergrößerten Oberflächenbereich für eine Wärmeübertragung bereitzustellen, wodurch die Wärmeübertragung vom elektrischen Heizelement 42 zu dem Fluid in der Fluidströmungspassage 12 verbessert wird. Der turbulenzverstärkende Einsatz 58 stellt außerdem eine strukturelle Stütze für die erste und die zweite Platte 18, 24 bereit, wodurch die Steifigkeit des Wärmetauschers 10 verbessert wird.
  • Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „Lamelle“ und „Turbulizer“ wellenförmige turbulenzverstärkende Einsätze 58 bezeichnen, die mehrere Grate oder Kämme 60 aufweisen, die durch Seitenwände 62 verbunden sind, wobei die Grate abgerundet oder flach sind. Wie hierin definiert, weist eine „Lamelle“ kontinuierliche Grate auf, während ein „Turbulizer“ Grate aufweist, die ihrer Länge nach unterbrochen sind, so dass ein gewundener Strömungsweg bereitgestellt wird. Turbulizer werden manchmal als versetzte oder durchbrochene streifenförmige Lamellen bezeichnet, und Beispiele für solche Turbulizer sind im US-Patent Nr. Re. 35,890 (So) und im US-Patent Nr. 6,273,183 (So et al.) beschrieben. Die Patente von So und So et al. werden in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
  • Bei den meisten Anwendungen, wie etwa beim Wärmetauscher 10, ist der turbulenzverstärkende Einsatz 58 innerhalb der Fluidströmungspassage 12 so ausgerichtet, dass seine Grate 60 parallel zur Richtung des Fluidstroms durch die Fluidströmungspassage 12 angeordnet sind, so dass das Fluid durch die Öffnungen 64 strömt, die von den Graten 60 und Seitenwänden 62 definiert werden. Diese Ausrichtung des Einsatzes 58 wird hierin als Ausrichtung „mit geringem Druckabfall“ oder „LPD“-Ausrichtung bezeichnet. Alternativ dazu wird in manchen Anwendungen der turbulenzverstärkende Einsatz 58 innerhalb der Fluidströmungspassage 12 so ausgerichtet, dass seine Grate 60 abgewinkelt in Bezug auf die Richtung des Fluidstroms durch die Fluidströmungspassage 12 angeordnet werden, wobei der Winkel typischerweise 90 Grad beträgt. Diese Ausrichtung des Einsatzes wird hierin als Ausrichtung „mit hohem Druckabfall“- oder „HPD“-Ausrichtung bezeichnet. In der HPD-Ausrichtung strömt das Fluid durch Öffnungen in den Seitenwänden 62 und/oder andere Unterbrechungen in den Seitenwänden 62 oder den Graten 60 des Einsatzes 58.
  • Im Wärmetauscher 10 weist der turbulenzverstärkende Einsatz 58 mehrere erste Grate 60A (hierin als „oberste Grate“ bezeichnet), die mit der inneren Oberfläche 20 der ersten Platte 18 in Kontakt stehen, und mehrere zweite Grate 60B (hierin als „unterste Grate“ bezeichnet), die mit der inneren Oberfläche 26 der zweiten Platte 24 in Kontakt stehen, auf.
  • Gemäß einem anderen Merkmal des Wärmetauschers 10 stehen die oberen Grate 60A des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 beispielsweise aufgrund von Hartlöten in engem Kontakt mit der inneren Oberfläche 20 der ersten Platte 18. Zum Beispiel können die oberen Grate 60A des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58, beispielsweise durch Hartlöten, metallurgisch an die innere Oberfläche 20 der ersten Platte 18 gebunden werden. Dies wird in der Vergrößerung von 5 dargestellt, wo Hartlotfugen 66 gezeigt sind, die aus verfestigtem Hartlotmaterial gebildet sind. Als Alternative zu einer metallurgischen Bindung kann ein inniger Wärmekontakt durch Druck oder eine Klebstoffbindung erreicht werden.
  • Auch wenn zu erwarten ist, dass eine metallurgische Bindung eines turbulenzverstärkenden Einsatzes an eine Platte in einem herkömmlichen Wärmetauscher eine Wärmeübertragung von dem Fluid, das durch den Wärmetauscher strömt, auf die Platte verstärkt, haben die Erfinder erkannt, dass eine metallurgische Bindung des Einsatzes 58 an die erste Platte 18 in dem Wärmetauscher 10, wo sich ein elektrisches Heizelement 42 auf der entgegengesetzten Seite der ersten Wand 18 befindet, eine Reihe zusätzlicher Vorteile bringt. Zum Beispiel haben die Erfinder erkannt, dass eine metallurgische Bindung des Einsatzes 58 an die innere Oberfläche 20 der ersten Platte 18 zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über dem Oberflächenbereich der ersten Platte 18 führt. Dadurch wird das Vorkommen von Hot Spots auf der ersten Platte 18 verringert, was das Risiko für ein Sieden des Fluids innerhalb der Fluidströmungspassage 12 verringert.
  • Ferner haben die Erfinder erkannt, dass eine metallurgische Bindung des Einsatzes 58 an die innere Oberfläche 20 der ersten Platte 18 bewirkt, dass das elektrische Heizelement 42 und die Platte 18, an der es befestigt ist, bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. Zum Beispiel wies ein Wärmetauscher ohne metallurgisch an ihn gebundenem Einsatz 58 bei einem Wärmefluss von 24 W/cm2 auf: eine Temperatur von 170 °C in der Widerstandsheizungsschicht 46; von 123 °C in der dielektrischen Basisschicht 44; und von 120 °C in der ersten Platte 18 und der Fluidströmungspassage 12. Im Gegensatz dazu wies ein Wärmetauscher mit metallurgisch an ihn gebundenem Einsatz 58 auf: eine Temperatur von 110 °C in der Widerstandsheizungsschicht 46; von 63 °C in der dielektrischen Basisschicht 44; und von 60 °C in der ersten Platte 18 und der Fluidströmungspassage 12. Man beachte, dass die niedrigeren Temperaturen in dem Wärmetauscher mit dem metallurgisch gebundenen Einsatz 58 ermöglichen, dass die Heizung mit höheren Wärmefluss arbeitet.
  • Der Wärmetauscher 10 weist nur ein erstes elektrisches Heizelement 42 auf, das an die äußere Oberfläche 22 der ersten Platte 18 angrenzt, während kein entsprechendes Heizelement entlang der äußeren Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 bereitgestellt ist. In dieser Ausführungsform können die unteren Grate 60B des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 in engem Wärmekontakt mit der inneren Oberfläche 26 der zweiten Platte 24 stehen oder auch nicht, zum Beispiel dadurch, dass keine metallurgische Bindung zwischen den unteren Graten 60B und der zweiten Platte 24 bereitgestellt wird.
  • Im Gebrauch kann der Wärmetauscher 10 verwendet werden, um eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten 11 indirekt zu erwärmen und optional zu kühlen. Zum Beispiel kann ein indirektes Erwärmen einer Fahrzeugkomponente 11 durch Aktivieren eines oder beider von den elektrischen Heizelementen 42, um ein durch den Wärmetauscher 10 strömendes Fluid zu erwärmen, gefolgt von einer Wärmeübertragung von dem erwärmten Fluid auf eine oder mehrere zu erwärmende Fahrzeugkomponenten 11, einschließlich des Insassenraums, bewerkstelligt werden. Ein direktes Erwärmen einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten 11 kann dadurch bewerkstelligt werden, dass man eine oder mehrere zu erwärmende Fahrzeugkomponenten 11 mit einer oder mehreren flachen äußeren Oberflächen des Wärmetauschers 10 in Kontakt bringt. Zum Beispiel kann eine Fahrzeugkomponente 11, wie in 2 dargestellt, auf der flachen oberen Oberfläche des Wärmetauschers 10, d.h. über dem elektrischen Heizelement 42, montiert oder platziert werden. Alternativ dazu kann eine Fahrzeugkomponente 11 in Kontakt mit der unteren Oberfläche des Wärmetauschers 10, d.h. auf der äußeren Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 montiert oder platziert werden. In anderen Ausführungsformen ist die Fahrzeugkomponente 11 von der Fahrzeugkomponente 11 entfernt, und der Wärmetauscher 10 wird verwendet, um ein Fluid zu erwärmen und/oder zu kühlen, um die Fahrzeugkomponente 11 indirekt zu erwärmen und/oder zu kühlen.
  • Wenn die Fahrzeugkomponente 11 mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie umfasst, kann der Wärmetauscher 10 beispielsweise einen „Kälteplatten“-Batteriewärmetauscher umfassen; wobei die Fahrzeugkomponente 11 mit dem elektrischen Heizelement 42, das auf der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 bereitgestellt ist, in Kontakt stehen und auf dieser aufliegen kann, aber nicht muss; oder wobei die Fahrzeugkomponente 11 mit der äußeren Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 in Kontakt stehen und auf dieser aufliegen kann, aber nicht muss.
  • Daher ist in manchen Ausführungsformen der Wärmetauscher 10 eine Kälteplatte, bei der die äußere Oberfläche 22 der ersten Platte 18 im Wesentlichen flach ist und das elektrische Heizelement 42 mit einem im Wesentlichen flachen Abschnitt der äußeren Oberfläche 22 in direktem Kontakt steht. In einer Ausführungsform ist das elektrische Heizelement 42 für einen Kontakt mit der Fahrzeugkomponente 11, die mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie umfasst, ausgelegt und liegt auf dieser auf. Solch eine Ausführungsform ist in 2 dargestellt.
  • In anderen Ausführungsformen umfasst der Wärmetauscher 10 eine Kälteplatte, bei der die äußere Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 im Wesentlichen flach ist, und die für einen Kontakt mit und zum Stützen der Fahrzeugkomponente 11, die mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie umfasst, ausgelegt ist und auf dieser aufliegt. In solchen Ausführungsformen kann das elektrische Heizelement 42 in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche 22 der gegenüberliegenden ersten Platte 18 stehen.
  • Wenn der Wärmetauscher 10 verwendet werden soll, um eine Fahrzeugkomponente 11 zu erwärmen, liefert die Leistungsversorgungseinrichtung 52 elektrische Energie zur leitenden Schicht 50 durch Leitungen 54, 56. Der elektrische Strom, der durch die leitende Schicht 50 strömt, wird von der Widerstandsheizungsschicht 46 in Wärmeenergie umgewandelt, die durch die erste und die zweite Platte 18, 24 auf das Fluid im Strömungsweg 12 übertragen wird. Die Fahrzeugkomponente 11 wird durch das Fluid, das innerhalb der Fluidströmungspassage 12 erwärmt wird, von den Platten 18, 24 des Wärmetauschers direkt oder indirekt erwärmt (d.h. wenn die Fahrzeugkomponente 11 auf die obere oder die untere Oberfläche des Wärmetauschers 10 montiert ist oder mit dieser in Kontakt steht), und/oder die Fahrzeugkomponente wird durch das elektrische Heizelement 42 direkt erwärmt (wenn die Komponente 11 über dem Heizelement 42 liegt, wie in 2). Wie oben angegeben, kann das Fluid, das in dem Strömungsweg 11 erwärmt wird, in andere Bereiche des Fahrzeugs umgewälzt werden, um eine direkte oder indirekte Erwärmung (mindestens) einer anderen Fahrzeugkomponente 11 zu ermöglichen, und/oder kann erneut durch den Wärmetauscher 10 hindurch umgewälzt werden, um das Fluid und/oder die Fahrzeugkomponente 11 weiter zu erwärmen.
  • Wenn der Wärmetauscher 10 zum Kühlen einer Fahrzeugkomponente 11 verwendet werden soll, wird die Leistungsversorgungseinrichtung 52 deaktiviert, so dass vom Heizelement 42 keine Wärme mehr produziert wird. Demgemäß fungiert der Wärmetauscher 10 im Kühlmodus als herkömmlicher Kühler 10, beispielsweise, um eine Kühlung einer Fahrzeugkomponente 11 zu ermöglichen, die auf der oberen oder unteren Oberfläche des Wärmetauschers 10 montiert ist oder mit dieser in Kontakt steht. Im Kühlmodus wird ein Kühlfluid, wie etwa ein flüssiges Kühlmittel, mit einer niedrigeren Temperatur als die Fahrzeugkomponente 11 aus dem Kühlmittelumwälzsystem des Fahrzeugs erhalten und durch die Fluidströmungspassage 12 umgewälzt, um Wärme zu absorbieren, die von der Fahrzeugkomponente 11 erzeugt wird, bei der es sich um eine wiederaufladbare Batterie oder eine andere wärmeerzeugende Komponente handeln kann.
  • Nachstehend werden manche zusätzlichen Ausführungsformen von Wärmetauschern beschrieben.
  • 6 und 7 zeigen einen Wärmetauscher 68, der dem Wärmetauscher 10 in mancher Hinsicht ähnlich ist, und in ihnen werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Elemente zu benennen. Solange nichts anderes angegeben ist, gilt die obige Beschreibung gleicher Elemente des Wärmetauschers 10 ebenso für den Wärmetauscher 68, und die folgende Erörterung konzentriert sich hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den Wärmetauschern 10 und 68.
  • Anstelle einer flachen ersten Platte 18 ist die erste Platte 18 des Wärmetauschers 68 eine geformte Platte, die der zweiten Platte 24 ähnlich oder gleich ist, und an der eine flache, plane Basis 30' ausgebildet ist, die von einer erhöhten peripheren Seitenwand 32' umgeben ist, die sich von der Basis 30' zu einem planen Flansch 34' erstreckt, der eine Dichtungsfläche definiert, die dicht an die entsprechende plane Dichtungsfläche 36 der zweiten Platte 24 angefügt ist.
  • Der Wärmetauscher 68 unterscheiden sich auch darin vom Wärmetauscher 10, dass der Wärmetauscher 68 ein an die äußere Oberfläche 22 der ersten Platte 18 angrenzendes erstes elektrisches Heizelement 42 und ein an die äußere Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 angrenzendes zweites elektrisches Heizelement 70 aufweist. Das zweite elektrische Heizelement 70 kann dem oben beschriebenen ersten elektrischen Heizelement 42 gleich sein, wobei es eine dielektrische Basisschicht 44, eine Widerstandsheizungsschicht 46, eine dielektrische oberste Schicht 48 und eine leitende Schicht 50 umfasst, und ein Heizelement 70 kann durch elektrische Leitungen 72, 74 mit derselben Leistungsversorgungseinrichtung 52 verbunden sein.
  • Das zweite elektrische Heizelement 70 kann direkt auf die äußere Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 aufgebracht sein, wobei die dielektrische Basisschicht 44 in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 steht und daran haftet. Um eine verbesserte Gleichmäßigkeit und Haftung bereitzustellen, ist die äußere Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 flach und kann optional durch Abrasion, Abreiben oder Sandstrahlen oberflächenbehandelt werden.
  • Wenn der Wärmetauscher 68 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist, werden die Aluminiumkomponenten des Wärmetauschers 68 vollständig durch Hartlöten und/oder Schweißen zusammengesetzt, bevor die zweiten elektrischen Heizelemente 42, 70 auf die ersten und zweiten Platten 18, 24 aufgebracht werden, beispielsweise durch einen Siebdruckprozess.
  • Außerdem kann man sehen, dass die Stellen der Einlass- und Auslassmündungen 14, 16 beim Wärmetauscher 68 anders sind. Genauer sind die Einlassmündung 14 und der Einlassstutzen 38 in der ersten Platte 18 bereitgestellt, und sind die Auslassmündung 16 und der Auslassstutzen 40 in der zweiten Platte 24 bereitgestellt. Mit dieser Konfiguration können die erste und die zweite Platte 18, 24 einander gleich sein.
  • Der Wärmetauscher 68 weist einen turbulenzverstärkenden Einsatz 58 auf, wie oben beschrieben, der mit einer inneren Oberfläche 20 der ersten Platte 18 in Kontakt steht, beispielsweise durch metallurgische Bindung. Da der Wärmetauscher 68 auch ein zweites elektrisches Heizelement 70 angrenzend an die äußere Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 aufweist, stehen auch die unteren Grate 60B des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 in engem Wärmekontakt mit der inneren Oberfläche 26 der zweiten Platte 24, zum Beispiel durch metallurgische Bindung durch Hartlotfugen 66, wie oben besch rieben.
  • Auch wenn der Wärmetauscher 68 eine Anzahl von Merkmalen aufweist, die sich von denen des Wärmetauschers 10 unterscheiden, sei klargestellt, dass der Wärmetauscher 10 so modifiziert werden kann, dass er beliebige der oben konkret beschriebenen andersartigen Merkmale des Wärmetauschers 68 aufweist, d.h. der Wärmetauscher 10 kann so modifiziert werden, dass er eines oder mehrere aufweist von: einer geformten ersten Platte 18 mit einer Basis 30', einer erhöhten peripheren Seitenwand 32' und einem planen Flansch 34'; einem zweiten elektrischen Heizelement 70, das an die äußere Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 angrenzt; der Stelle der Einlassmündung 14 und des Einlassstutzens 38 oder der Auslassmündung 16 und des Auslassstutzens 40 in der zweiten Platte 24; und den unteren Graten 60B des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58, die in engem Wärmekontakt mit der inneren Oberfläche 26 der zweiten Platte 24 stehen und optional metallurgisch an diese gebunden sind.
  • Im Gebrauch kann der Wärmetauscher 68 verwendet werden, um eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten 11 zu erwärmen und/oder zu kühlen, wie oben unter Bezugnahme auf den Wärmetauscher 10 beschrieben wurde. Zum Beispiel zeigt 6 Fahrzeugkomponenten 11, die an den elektrischen Heizelementen 42, 70 sowohl an der oberen als auch der unteren Oberfläche des Wärmetauschers 68 montiert sind oder mit diesen in Kontakt stehen. Im Heizmodus werden die elektrischen Heizelemente 42, 70 aktiviert, um das Fluid im Weg 12 und die Platten 18, 24 zu erwärmen und auch, um die Fahrzeugkomponenten 11 direkt zu erwärmen. Im Kühlmodus wird ein Kühlmittel mit einer niedrigeren Temperatur als die Fahrzeugkomponenten 11 durch die Fluidströmungspassage 12 gelassen, um Wärme zu absorbieren, die von Fahrzeugkomponenten 11 erzeugt wird, um dadurch die Fahrzeugkomponenten 11 zu kühlen. Man beachte, dass es nicht notwendig ist, dass die Fahrzeugkomponenten 11 an der oberen und der unteren Oberfläche des Wärmetauschers 68 montiert sind oder mit diesen in Kontakt stehen. Zum Beispiel ist in manchen Ausführungsformen eine Fahrzeugkomponente 11, die erwärmt und/oder gekühlt werden soll, am elektrischen Heizelement 42 oder 70 montiert oder steht mit diesen in Kontakt, und/oder eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten 11 liegen fern von dem Wärmetauscher 68, um direkt oder indirekt durch Fluid erwärmt zu werden, das innerhalb der Fluidströmungspassage 12 strömt.
  • 8 zeigt einen Längsschnitt eines Wärmetauschers 76, der den Wärmetauschern 10 und 68 in mancher Hinsicht ähnlich ist, und in denen gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu benennen. Solange nichts anderes angegeben ist, gilt die obige Beschreibung gleicher Elemente der Wärmetauscher 10, und 68 ebenso für den Wärmetauscher 76, und die folgende Erörterung konzentriert sich hauptsächlich auf die Art und Weise, wie sich der Wärmetauscher 76 von den Wärmetauschern 10 und 68 unterscheidet.
  • Statt eines ersten elektrischen Heizelements 42, das direkt auf die äußere Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 aufgebracht ist, wobei die dielektrische Basisschicht 44 in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 steht und an dieser haftet, weist der Wärmetauscher 76 eine mittlere Kühlkörperplatte 78 auf, auf die das erste elektrische Heizelement 42 aufgebracht ist.
  • Die Kühlkörperplatte 78 umfasst eine flache Platte, die dicker sein kann als die erste und die zweite Platte 18, 24 und die eine innere Oberfläche 80 aufweist, die an der äußeren Oberfläche 22 der äußeren Platten 18 fixiert ist, sowie eine äußere Oberfläche 82, auf die das erste elektrische Heizelement 42 aufgebracht ist, beispielsweise durch Siebdrucken, und thermisch gebunden ist. Die Kühlkörperplatte 78 kann durch eine metallurgische Bindung, wie etwa eine hartgelötete Verbindung oder eine Schweißnaht, an der ersten Platte 18 fixiert werden, um die Wärmeübertragung vom Heizelement 42 über die Kühlkörperplatte 78 auf die erste Platte 18 und azu dem Fluid in der Fluidströmungspassage 12 zu maximieren.
  • Man beachte, dass der Wärmetauscher 10 so modifiziert werden kann, dass er eine Kühlkörperplatte 78 wie oben beschrieben aufweist, mit einer inneren Oberfläche 80, die an der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 fixiert ist, und einer äußeren Oberfläche 82, auf die das erste elektrische Heizelement 42 aufgebracht wird. Alternativ dazu kann die flache erste Platte 18 des Wärmetauschers 10 selbst eine Kühlkörperplatte mit einer Dicke umfassen, die größer ist als die der zweiten Platte 24. Wie in 8 gezeigt ist, kann der Wärmetauscher 76 außerdem eine zweite Kühlkörperplatte 78 mit einer inneren Oberfläche 80, die an der äußeren Oberfläche 28 der zweiten Platte 24 fixiert ist, und mit einer äußeren Oberfläche 82, auf die das zweite elektrische Heizelement 70 aufgebracht wird, einschließen. Wie in 8 gezeigt ist, kann das zweite elektrische Heizelement 70 außerdem durch Leitungen 72, 74 mit einer zweiten elektrischen Leistungsversorgungseinrichtung 52 verbunden werden.
  • Der Wärmetauscher 76 kann dadurch hergestellt werden, dass zuerst alle Komponenten des Wärmetauschers 76 außer den elektrischen Heizelementen 42 und/oder 70 zusammengesetzt werden (einschließlich der ersten und der zweiten Platte 18, 24, des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 und der Kühlkörper 78), gefolgt von direktem Aufbringen der elektrischen Heizelemente 42 und/oder 70 auf die äußere Oberfläche(n) 82 der Kühlkörperplatte(n) 78 auf die oben unter Bezugnahme auf Wärmetauscher 10 und 68 beschriebene Weise.
  • Alternativ dazu kann der Wärmetauscher 76 hergestellt werden durch: (1) Vorab-Zusammensetzen, einschließlich der ersten und der zweiten Platte 18, 24 (und eines turbulenzverstärkenden Einsatzes 58, wo einer vorgesehen ist); (2) direktes Aufbringen der elektrischen Heizelemente 42 und/oder 70 auf die äußere Oberfläche(n) 82 der Kühlkörperplatte(n) 78 auf die oben unter Bezugnahme auf die Wärmetauscher 10 und 68 beschriebene Weise; und (3) Anbringen der Kühlkörperplatte(n) 78 mit den angebrachten elektrischen Heizelementen 42 und/oder 70 an der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 und/oder der äußeren Oberfläche 28 der zweiten Platte 24, wobei die innere Oberfläche 80 jede Kühlkörperplatte 78 in innigem Wärmekontakt mit der äußeren Oberfläche 22 oder 28 der ersten oder der zweiten Platte 18 oder 24 steht und optional metallurgisch daran gebunden ist.
  • Man beachte, dass abgesehen vom Vorhandensein der Wärmeplatten 78 der Querschnitt des Wärmetauschers 76, der nicht gezeigt ist, dem des oben beschriebenen Wärmetauschers 68 gleich ist.
  • Im Gebrauch kann der Wärmetauscher 76 verwendet werden, um eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten 11 zu erwärmen und/oder zu kühlen, wie oben unter Bezugnahme auf die Wärmetauscher 10 und 68 beschrieben wurde. Zum Beispiel zeigt 8 Fahrzeugkomponenten 11, die an den elektrischen Heizelementen 42, 70 sowohl an der oberen als auch der unteren Oberfläche des Wärmetauschers 76 montiert sind oder mit diesen in Kontakt stehen. Im Heizmodus werden die elektrischen Heizelemente 42, 70 aktiviert, um das Fluid im Weg 12 und die Platten 18, 24 zu erwärmen und auch, um die Fahrzeugkomponenten 11 direkt zu erwärmen. Im Kühlmodus wird ein Kühlmittel mit einer niedrigeren Temperatur als die Fahrzeugkomponenten 11 durch die Fluidströmungspassage 12 umgewälzt, um Wärme zu absorbieren, die von Fahrzeugkomponenten 11 erzeugt wird, um dadurch die Fahrzeugkomponenten 11 zu kühlen. Man beachte, dass es nicht notwendig ist, dass die Fahrzeugkomponenten 11 an der Ober- und Unterseite des Wärmetauschers 76 montiert sind oder mit diesen in Kontakt stehen. Zum Beispiel ist in manchen Ausführungsformen eine Fahrzeugkomponente 11, die erwärmt und/oder gekühlt werden soll, am elektrischen Heizelement 42 oder 70 montiert oder steht mit diesen in Kontakt, und/oder eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten 11 liegen fern von dem Wärmetauscher 76, um direkt oder indirekt durch Fluid erwärmt zu werden, das innerhalb der Fluidströmungspassage 12 strömt.
  • Die Wärmetauscher 10, 68 und 76, die oben beschrieben wurden, weisen turbulenzverstärkende Einsätze 58 in Form von gewellten Lamellen oder Turbulizern auf. 9 zeigt einen Wärmetauscher 84, der den Wärmetauschern 10, 68 und 76 in mancher Hinsicht ähnlich ist, und in ihr werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Elemente zu benennen. Solange nichts anderes angegeben ist, gelten die obigen Beschreibungen gleicher Elemente der Wärmetauscher 10, 68 und 76 ebenso für den Wärmetauscher 84, und die folgende Erörterung konzentriert sich hauptsächlich auf die Art und Weise, wie sich der Wärmetauscher 84 von den Wärmetauschern 10, 68 und 76 unterscheidet.
  • Im Wärmetauscher 84 ist die gewellte Lamelle oder der Turbulizer durch eine Vielzahl von turbulenzverstärkenden Merkmalen ersetzt, die direkt in einer oder beiden von der ersten Platte 18 und der zweiten Platte 24 ausgebildet sind. Was dies betrifft, so kann/können eine oder beide von der ersten und der zweiten Platte 18, 24 mit mehreren Vorsprüngen 86 versehen sein, wobei die Vorsprünge durch Prägen oder Ziehen in der Platte ausgebildet werden.
  • Zum Beispiel weist der Wärmetauscher 84 insgesamt eine ähnliche Konfiguration auf wie der Wärmetauscher 10, mit einer flachen ersten Platte 18 und einer geformten zweiten Platte 24. Statt eines turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 weist der Wärmetauscher 84 eine Vielzahl von Vorsprüngen 86 auf, die in der flachen, planen Basis 30 der zweiten Platte 24 ausgebildet sind, wie in 10 gezeigt ist. Die Vorsprünge 86 weisen die gleiche Höhe auf wie die erhöhte periphere Seitenwand 32, und jeder Vorsprung 86 weist eine gerundete oder flache Dichtungsfläche 88 auf, die mit dem planen Flansch 34 der peripheren Seitenwand 32 komplanar ist. Die flachen Dichtungsflächen 88 der Vorsprünge stehen in innigem thermischem Kontakt mit der inneren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 und sind optional metallurgisch an diese gebunden, um ähnliche Wärmeübertragungsvorteile bereitzustellen wie das Binden der turbulenzverstärkenden Einsätze 58 an die erste Platte 18 im Wärmetauscher 10 wie oben erörtert. Zusätzlich dazu, dass eine vergrößerte Turbulenz und ein vergrößerter Oberflächenbereich für die Wärmeübertragung bereitgestellt werden, stellen die Vorsprünge 86 eine strukturelle Stütze für die erste und die zweite Platte 18, 24 bereit, wodurch die Steifigkeit des Wärmetauschers 10 verbessert wird.
  • Die Vorsprünge 86 können verschiedene Formen aufweisen, wenn man sie in der Draufsicht betrachtet. Zum Beispiel können die Vorsprünge 86 in der Richtung des Fluidstroms im Weg 12 verlängert sein oder in Bezug auf die Richtung des Fluidstroms im Weg 12 abgewinkelt sein. Solche langgestreckten Vorsprünge 86 können gerade oder gekrümmt sein und werden hierin als „Rippen“ bezeichnet und in 10 mit 86A benannt. Wenn die Vorsprünge in keiner Richtung deutlich verlängert sind, werden sie hierin als „Höcker“ bezeichnet und werden in 10 mit 86B benannt. Die Vorsprünge 86, ob als Höcker oder Rippen ausgebildet, unterstützen die Lenkung des Fluidstroms zwischen der Einlass- und der Auslassmündung 14, 16 und liegen so, dass sie die Verteilung des Fluidstroms im Wesentlichen über dem gesamten Oberflächenbereich der ersten und der zweiten Platte 18, 24 unterstützen. Man beachte, dass das Muster der Vorsprünge 86, die in 10 gezeigt sind, nur dem Zwecke der Veranschaulichung dient und nicht als ein bevorzugtes Muster der Vorsprünge 86 aufzufassen ist.
  • Eine alternative Form von Wärmetauscher 90, der Vorsprünge 86 aufweist, wird nun unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Der Wärmetauscher 90 weist eine geformte erste und ein geformte zweite Platte 18, 24 auf, die einander ähnlich oder gleich sind, wie bei dem oben beschriebenen Wärmetauscher 68. Am Wärmetauscher 90 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 86 in der flachen, planen Basis 30' der ersten Platte 18 ausgebildet, und eine Vielzahl von Vorsprüngen 86 ist in der flachen, planen Basis 30 der zweiten Platte 24 ausgebildet. Die Vorsprünge 86 weisen die gleiche Höhe auf wie die erhöhten peripheren Seitenwände 32', 32 der Platten 18, 24. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Vorsprünge 86 an der ersten Platte 18 an den Vorsprüngen 86 an der zweiten Platte 24 ausgerichtet, so dass die Dichtungsflächen 88' der Vorsprünge 86 an der ersten Platte 18 mit den Dichtungsflächen 88 der entsprechenden Vorsprünge 86 an der zweiten Platte 24 in innigem Wärmekontakt stehen und optional metallurgisch an diese gebunden sind, beispielsweise durch Hartlöten.
  • Der Wärmetauscher 90 weist außerdem ein erstes elektrisches Heizelement 42 auf, das in den flachen, planen Regionen, die zwischen den Vorsprüngen 86 liegen, auf die äußere Oberfläche 22 der ersten Platte 18 aufgebracht ist. Alternativ dazu kann der Wärmetauscher 90, wie beim Wärmetauscher 76, eine Kühlkörperplatte 78 mit einer inneren Oberfläche 80, die in den flachen, planen Regionen zwischen den Vorsprüngen 86 mit der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 in engem Wärmekontakt steht, und eine äußere Oberfläche 82, auf die das erste elektrische Heizelement 42 aufgebracht ist, einschließen.
  • Die 9 und 11 zeigen, dass die Wärmetauscher 84 und 90 jeweils eine Fahrzeugkomponente 11 aufweisen können, die an dem elektrischen Heizelement 42 an dessen oberer Oberfläche montiert ist oder mit dieser in Kontakt steht. Im Heizmodus wird das elektrische Heizelement 42 aktiviert, um das Fluid im Weg 12 und die Platten 18, 24 zu erwärmen und auch, um die Fahrzeugkomponente 11 direkt zu erwärmen. Im Kühlmodus wird ein Kühlmittel mit einer niedrigeren Temperatur als die Fahrzeugkomponente 11 durch die Fluidströmungspassage 12 umgewälzt, um die Fahrzeugkomponente 11 zu kühlen.
  • Lediglich mit Ausnahme des Wärmetauschers 76 werden alle oben beschriebenen Wärmetauscher durch direktes Aufbringen der elektrischen Heizelemente 42 und/oder 70 an einen ansonsten vollständig zusammengesetzten Wärmetauscher gefertigt. Jedoch könnte ein solcher Montageprozess nicht ideal sein, da er erfordert, dass der gesamte Wärmetauscher mehreren Verarbeitungsschritten unterzogen wird, nachdem er ansonsten vollständig zusammengesetzt wurde, wobei zumindest manche von den zusätzlichen Verarbeitungsschritten das Erwärmen des zusammengesetzten Wärmetauschers, beispielsweise während der Aufbringung und/oder Härtung der Schichten, die das (mindestens eine) elektrische Heizelement 42 und/oder 70 bilden, beinhalten.
  • Dieses Problem wird durch die Ausführungsformen der 12 bis 15 gelöst, die nun nachstehend beschrieben werden. Jede dieser Ausführungsformen betrifft einen Wärmetauscher, der eine Unterstruktur aufweist, die hierin als „Heizplattenkomponente“ 92 bezeichnet wird und umfasst: einen Plattenabschnitt 94 mit einer inneren Oberfläche 96 und einer äußeren Oberfläche 98; einen turbulenzverstärkenden Einsatz 58 mit einer Vielzahl von Graten 60, die an der inneren Oberfläche 96 des Plattenabschnitts 94 fixiert sind; und ein elektrisches Heizelement 42, das an die äußere Oberfläche 98 des Plattenabschnitts 94 angrenzt und dem turbulenzverstärkenden Einsatz 58 direkt gegenüberliegt.
  • Die 12 bis 15 zeigen nur Abschnitte von Wärmetauschern, die eine Heizplattenkomponente 92 beinhalten. Man beachte jedoch, dass die in den 12 bis 15 gezeigten Wärmetauscher jede von den Konfigurationen der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweisen können, und in den 12 bis 15 werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Elemente zu benennen.
  • 12 zeigt einen Abschnitt eines Wärmetauschers 100, der eine erste Platte 18 und eine zweite Platte 24 umfasst und der jede der oben beschriebenen Konfigurationen aufweisen kann. In der vorliegenden Ausführungsform weist die erste Platte 18 eine Öffnung 102 auf, in der eine Heizplattenkomponente 92 abdichtend aufgenommen wird. Was dies betrifft, so weist die Heizplattenkomponente 92 einen flachen, planen Abschnitt 94 auf, und der Plattenabschnitt weist einen peripheren Randflansch 104 auf, der sich über die Ränder des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 hinaus entlang seiner inneren Oberfläche 96 erstreckt und sich über die Ränder des elektrischen Heizelements 42 hinaus entlang der äußeren Oberfläche 98 erstreckt. Die Öffnung 102 in der ersten Platte 18 ist so bemessen und geformt, dass sie eine Einführung des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 in die Fluidströmungspassage 12 durch die Öffnung 102 hindurch zulässt, ist aber kleiner als der plane Plattenabschnitt 94. Ferner ist an der ersten Platte 18 ein flacher, planer Dichtungsflansch 106 ausgebildet, der sich von der Öffnung 102 aus nach außen erstreckt und der unterhalb der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 zurückgesetzt ist. Der Dichtungsflansch 106 ist so bemessen und geformt, dass er den peripheren Randflansch 104 des Plattenabschnitts 94 abdichtend anliegend aufnimmt. Eine fluiddichte, abgedichtete Verbindung zwischen der ersten Platte 18 und dem Plattenabschnitt 94 kann auf jede geeignete Weise bereitgestellt werden, einschließlich einer mechanischen Abdichtung mit oder ohne eine Dichtscheibe zwischen den Flanschen 104 und 106, oder durch eine metallurgische Bindung, wodurch die Flansche 104, 106 durch Hartlöten oder Schweißen aneinandergefügt werden.
  • Im Wärmetauscher 100 stehen die oberen Grate 60A des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 mit der inneren Oberfläche 96 des Plattenabschnitts 94 in engem Wärmekontakt und sind optional metallurgisch an diese gebunden, aber die unteren Grate 60B sind nicht metallurgisch an die innere Oberfläche 26 der zweiten Platte 24 gebunden und können, müssen aber nicht, mit der inneren Oberfläche 26 in Kontakt stehen, um eine Wärmeleitungslücke zwischen ihnen bereitzustellen.
  • Da der turbulenzverstärkende Einsatz 58 nur entlang seiner oberen Grate 60A in engem Wärmekontakt mit einer angrenzenden Platte 94 steht, kann er für Beschädigungen anfällig sein, die dadurch bewirkt werden, dass das Fluid durch die Fluidströmungspassage 12 fließt. Um eine zusätzliche Unterstützung für den turbulenzverstärkenden Einsatz 58 bereitzustellen, umfasst die Heizplattenkomponente 92 ferner eine flache Trägerplatte 108, die an den unteren Graten 60B des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 entlang von einer ihrer Oberflächen gesichert ist, beispielsweise durch eine metallurgische Bindung, die durch Hartlöten oder Schweißen hervorgebracht wird. Die entgegengesetzte Oberfläche der flachen Trägerplatte 108 liegt in großer Nähe zur inneren Oberfläche 26 der zweiten Platte 24, ohne metallurgisch an diese gebunden zu sein, und kann, muss aber nicht, in direktem Kontakt mit der inneren Oberfläche 26 stehen, um dazwischen eine Wärmeleitungslücke bereitzustellen. Zum Beispiel kann im Wärmetauscher 100, wo der flache, plane Dichtungsflansch 106 in einem Maß zurückgesetzt ist, das der Dicke des Plattenabschnitts 94 entspricht, die kombinierte Höhe des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 und der Trägerplatte 108 der Höhe (H) der Fluidströmungspassage 12 außerhalb des Bereichs des zurückgesetzten Dichtungsflansches 106 gleich sein.
  • Man sieht, dass die Höhe der Fluidströmungspassage 12 im Wärmetauscher 100 aufgrund der Bereitstellung des zurückgesetzten Dichtungsflansches 106, der eine Öffnung 102 in der ersten Platte 18 umgibt, leicht verringert ist. 13 zeigt einen alternativen Wärmetauscher 110, bei dem diese Höhenreduzierung bei der Fluidströmungspassage 12 vermieden ist. Was dies betrifft, so ist der Wärmetauscher 110 identisch mit dem Wärmetauscher 100, außer dass der flache, plane Dichtungsflansch 106 um die Öffnung 102 in der ersten Platte 18 komplanar mit der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte (d.h. nicht zurückgesetzt) ist. Somit gibt es keine Verringerung der Höhe der Fluidströmungspassage 12. Man beachte, dass die Höhe des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 und/oder die Dicke der flachen Trägerplatte 108 beim Wärmetauscher 110 aufgrund des vergrößerten Abstands zwischen der inneren Oberfläche 96 des Plattenabschnitts 94 und der inneren Oberfläche 26 der zweiten Platte 24 im Vergleich zum Wärmetauscher 100 vergrößert sein kann/können. Wenn beispielsweise die flache Trägerplatte 108 die gleiche Dicke aufweist wie die erste Platte 18, dann kann die Höhe des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 gleich der Höhe (H) der Fluidströmungspassage 12 sein. Eine abgedichtete Verbindung zwischen der inneren Oberfläche 96 des Plattenabschnitts 94 (in dem Bereich eines Randflansches 104) und der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 wird durch eine mechanische oder metallurgische Bindung bewerkstelligt, wie oben unter Bezugnahme auf den Wärmetauscher 100 beschrieben.
  • 14 stellt einen Wärmetauscher 112 gemäß einer anderen Ausführungsform dar, der dem Wärmetauscher 110 darin ähnelt, dass der flache, plane Dichtungsflansch 106 um die Öffnung 102 in der ersten Platte 18 komplanar mit der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte ist. Jedoch ist der periphere Randflansch 104 nicht komplanar mit dem übrigen Teil des Plattenabschnitts 94, sondern in Bezug auf die Abschnitte des Plattenabschnitts 94, auf denen das elektrische Heizelement 42 und der turbulenzverstärkende Einsatz bereitgestellt werden, erhöht. Wo der periphere Randflansch 104 in einem Maß erhöht ist, das der Dicke der ersten Platte 18 entspricht, können die kombinierte Höhe des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 und der Trägerplatte 108 gleich der Höhe (H) der Fluidströmungspassage 12 sein. Der Randflansch 104 ist entlang der inneren Oberfläche 96 mit der flachen äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 abdichtend verbunden, wobei die abgedichtete Verbindung durch eine mechanische oder metallurgische Bindung bewerkstelligt wird, wie oben unter Bezugnahme auf den Wärmetauscher 100 beschrieben.
  • 15 stellt einen Wärmetauscher 114 dar, bei dem ausgerichtete Öffnungen durch sowohl die erste als auch die zweite Platte 18, 24 hindurch bereitgestellt sind. Genauer weist die erste Platte 18 eine Öffnung 102 auf, die an einer Öffnung 116 in der zweiten Platte 24 ausgerichtet ist. In dieser Ausführungsform umfasst die Heizplattenkomponente 92 einen turbulenzverstärkenden Einsatz 58, der zwischen einem ersten Plattenabschnitt 94 mit einer inneren Oberfläche 96 und einer äußeren Oberfläche 98 und einem zweiten Plattenabschnitt 94' mit einer inneren Oberfläche 96' und einer äußeren Oberfläche 98' liegt. Der erste und der zweite Plattenabschnitt 94, 94' haben die gleiche Größe und Form und sind dafür ausgelegt, eng in die Innenumfangsränder der jeweiligen Öffnungen 102, 116 in der ersten und der zweiten Platte 18, 24 zu passen. Die oberen Grate 60A des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 stehen mit der inneren Oberfläche 96 des ersten Plattenabschnitts 94 in engem Wärmekontakt und sind optional metallurgisch an diese gebunden, und die unteren Grate 60B des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 stehen mit der inneren Oberfläche 96' des zweiten Plattenabschnitts 94' in engem Wärmekontakt und sind optional metallurgisch an diese gebunden.
  • Die peripheren Randflansche 104, 104' der Plattenabschnitte 94, 94' sind durch mechanische oder metallurgische Bindung abdichtend mit der ersten bzw. der zweiten Platte 18, 24 verbunden, wie oben unter Bezugnahme auf den Wärmetauscher 100 beschrieben wurde. In der vorliegenden Ausführungsform weist der turbulenzverstärkende Einsatz eine Höhe auf, die der Höhe des Fluidstromkanals 12 entspricht, und man sieht, dass die Bereitstellung des zweiten Plattenabschnitts 94 die flache Trägerplatte 108, die in den Wärmetauschern 100, 110 und 112 vorhanden ist, überflüssig macht. Wie gezeigt, kann ein erstes elektrisches Heizelement 42 an der äußeren Oberfläche 98 des ersten Plattenabschnitts 94, entgegengesetzt zum turbulenzverstärkenden Einsatz 58 bereitgestellt sein, und kann ein zweites elektrisches Heizelement 70 auf der äußeren Oberfläche 98' des zweiten Plattenabschnitts 94', entgegengesetzt zum turbulenzverstärkenden Einsatz 58 bereitgestellt sein.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen betreffen jeweils Wärmetauscher mit integrierten elektrischen Heizelementen, die aus einem einzigen Paar von Platten 18, 24 aufgebaut sind. Die 16-18 stellen einen Wärmetauscher 118 gemäß einer noch anderen Ausführungsform dar, der aus einem Stapel von Kernplatten aufgebaut ist und der einander abwechselnde Fluidströmungspassagen für zwei Kraftfahrzeugbetriebsfluide sowie einen beheizten Umgehungsweg aufweist, in dem eines von den Kraftfahrzeugbetriebsfluiden durch ein integriertes elektrisches Heizelement erwärmt werden kann.
  • Der Wärmetauscher 118 kann einen ÖI-zu-Wasser(OTW)-Wärmetauscher umfassen, wo eines von den Kraftfahrzeugbetriebsfluiden Öl, beispielsweise Maschinenöl, Getriebeöl oder ein Achsschmiermittel ist und das andere Kraftfahrzeugbetriebsfluid Wasser und/oder ein Wärmetauscherfluid auf Glycolbasis, beispielsweise ein Kühlmittel, ist.
  • Der Wärmetauscher 118 weist eine Anzahl von Elementen auf, die den Elementen der oben beschriebenen Wärmetauscher ähnlich oder gleich sind, und in den 16 bis 18 werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Elemente zu benennen. Was dies betrifft, so weist der Wärmetauscher 118 eine erste Fluideinlassmündung 14 und eine erste Fluidauslassmündung 16 auf, die in einer ersten Platte 18 bereitgestellt sind, die eine innere Oberfläche 20 und eine äußere Oberfläche 22 aufweist, wobei entsprechende erste Fluideinlass- und Fluidauslassstutzen 38, 40 an der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18 bereitgestellt sind. Da der Wärmetauscher 118 Strömungswege für zwei unterschiedliche Kraftfahrzeugbetriebsfluide aufweist, weist der Wärmetauscher 118 auch ein zweites Paar aus Einlass- und Auslassstutzen 38', 40' auf, wobei diese oben auf dem Wärmetauscher 118, d.h. auf der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18, bereitgestellt sind. Man beachte jedoch, dass in manchen Ausführungsformen manche oder alle von der Einlass- und der Auslassmündung und/oder den Stutzen stattdessen unten am Wärmetauscher 118 bereitgestellt sein können, wie durch anwendungsspezifische Packungsanforderungen bestimmt.
  • Der Wärmetauscher 118 umfasst ferner einen Kern 120, der von einer Vielzahl von eingetieften Wärmetauscherkernplatten 122 gebildet wird, um eine Vielzahl von ersten Fluidströmungspassagen 124 für ein erstes Fluid und eine Vielzahl von zweiten Fluidströmungspassagen 126 für ein zweites Fluid bereitzustellen, die in abwechselnder Reihenfolge über die Höhe des Kerns 120 angeordnet sind. Sämtliche Kernplatten 122 sind gleich, außer der obersten und der untersten Kernplatte, die hierin mit Bezugszahlen 122A bzw. 122B benannt sind.
  • Die Kernplatten 122 weisen jeweils eine allgemein flache Basis 128 auf, mit einer sich nach oben erstreckenden, nach außen schräg verlaufenden peripheren Seitenwand 130, die mit Seitenwänden 130 angrenzender Kernplatten 122 verschachtelt und durch Hartlöten verbunden ist, um die Ränder der ersten und der zweiten Fluidströmungspassage 124, 126 abzudichten. Die Basen 128 aller Kernplatten 122 außer der untersten Kernplatte 122B schließen Einlass- und Auslassöffnungen für jedes der zwei Fluide ein, auch wenn in den Querschnittsansichten der 17 und 18 nur ein Paar Öffnungen 132, 134 gezeigt ist. Die Einlassöffnungen 132 sind über die Höhe des Kerns 120 ausgerichtet, um ein erstes Fluideinlasszweigrohr 136 zu bilden, und die Auslassöffnungen 134 sind über die Höhe des Kerns 120 ausgerichtet, um ein erstes Fluidauslasszweigrohr 138 zu bilden, wobei das Einlass- und das Auslasszweigrohr 136, 138 mit der ersten Fluideinlass- und der ersten Fluidauslassmündung 14, 16 und entsprechenden Stutzen 38, 40 in Fließverbindung stehen.
  • Die Einlass- und Auslassöffnungen für das zweite Fluid (nicht gezeigt) bilden auf ähnliche Weise Einlass- und Auslasszweigrohre (nicht gezeigt), die mit dem zweiten Fluideinlass- und dem zweiten Fluidauslassstutzen 38' und 40' in Fließverbindung stehen.
  • Die unterste Kernplatte 122B ist frei von Öffnungen, so dass die Unterseiten der Zweigrohre geschlossen sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist die oberste Kernplatte 122A im Kern 118 analog zur zweiten Platte 24 der oben beschriebenen Wärmetauscher und wird daher in den Zeichnungen durch die Bezugszahl 24 benannt und in der folgenden Beschreibung manchmal als „zweite Platte 24“ bezeichnet, die eine innere Oberfläche 26 und eine äußere Oberfläche 28 aufweist. Sowohl die erste Platte 18 als auch die zweite Platte 24 sind in der vorliegenden Ausführungsform „geformte Platten“, wobei die erste Platte 18 eine Basis 30' aufweist, die von einer erhöhten peripheren Seitenwand 32' umgeben ist, die sich von der Basis 30' zu einem planen Flansch 34' erstreckt, der eine Dichtungsfläche definiert, die einwärts von der peripheren Seitenwand 130 abdichtend mit dem Außenumfang der flachen Basis 128 der zweiten Platte 24 (entlang der inneren Oberfläche 26) verbunden wird.
  • Innerhalb des Kerns 120 des Wärmetauschers 118 wird Wärme zwischen dem ersten Fluid, das durch erste Fluidströmungspassagen 124 strömt, und dem zweiten Fluid, das durch zweite Fluidströmungspassagen 126 strömt, übertragen. Eines von den Fluiden wird erwärmt und das andere wird abgekühlt. Das erste und das zweite Fluid können ihrer Zusammensetzung nach verschieden oder gleich sein, und man beachte, dass die Fluidströmungspassagen 124, 126 gegeneinander abgedichtet sind, so dass sich die beiden Fluide nicht vermischen.
  • Zwischen der ersten Platte 18 und der zweiten Platte 24 ist eine Fluidströmungspassage 12 eingeschlossen, die hierin auch als „Umgehungskanal 12“ bezeichnet wird, durch die das erste Fluid unter bestimmten Temperaturbedingungen, die nachstehend näher erörtert werden, strömen kann und dabei von der ersten Fluideinlassmündung 14 direkt zur ersten Fluidauslassmündung 16 läuft und die ersten Fluidströmungspassage 124 des Kerns 120 umgeht. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich der Umgehungskanal 12 auf der Oberseite des Kerns 120, aber er könnte stattdessen auch unterhalb des Kerns 120 positioniert sein.
  • Ein Thermo-Umgehungsventil (TBV) 140 mit einer stationären äußeren Hülse 142, die allgemein die Form eines Zylinders aufweist, ist zumindest zum Teil innerhalb des ersten Fluideinlassstutzens 38 und/oder des ersten Fluideinlasszweigrohrs 136 aufgenommen. Die äußere Hülse 142 weist ein unteres Ende 144 und ein oberes Ende mit einer Lippe 146 auf, die in der ersten Fluideinlassmündung 14 gehalten wird, zwischen dem ersten Fluideinlassstutzen 38 und der äußeren Oberfläche 22 der ersten Platte 18, um die äußere Hülse 142 und das TBV 140 zu fixieren.
  • Die äußere Hülse 142 ist mit einer oder mehreren oberen Aussparungen 148, die mit dem Umgehungskanal 12 in Fließverbindung stehen, und einer oder mehreren unteren Aussparungen 150, die mit dem ersten Fluideinlasszweigrohr 136 in Fließverbindung stehen, versehen. Die oberen Aussparungen 148 der äußeren Hülse 142 lassen einen Fluidstrom von der ersten Fluideinlassmündung 14 zum Umgehungskanal 12 zu, während die unteren Aussparungen 26 einen Strom des ersten Fluids von der ersten Fluideinlassmündung 14 zum ersten Fluideinlasszweigrohr 136 und von dort zu den ersten Fluidströmungspassagen 124 des Kerns 120, für einen Wärmetausch mit dem zweiten Fluid, das durch die zweiten Fluidströmungspassagen 126 strömt, zulassen.
  • Innerhalb der äußeren Hülse 142 des TBV 140 befindet sich eine gleitend bewegbare innere Hülse 152, die sich innerhalb der äußeren Hülse 142 von einer ersten (Wärmetausch-) Position, die in 17 gezeigt ist, zu einer zweiten (Umgehungs-) Position, die in 18 gezeigt ist, gleitend bewegen kann. Die innere Hülse 152 weist eine oder mehrere Aussparungen 154 auf, die in der Umgehungsposition, die in 18 gezeigt ist, an den oberen Aussparungen 148 der äußeren Hülse 142 ausgerichtet sind.
  • Das TBV weist außerdem einen thermischen Stellantrieb 156 auf, der als Wachsmotor ausgebildet sein kann und der an seinem oberen Ende starr am ersten Fluideinlassstutzen 38 montiert sein kann, so dass der Stellantrieb 156 mit dem ersten Fluid, das in die Einlassmündung 14 eintritt, in Kontakt steht. Das Innere des Stellantriebs 156 enthält ein Wachs, das sich ausdehnt, wenn es erwärmt wird, und weist einen Kolben 158 auf, der ausfährt, wenn das Wachs von dem ersten Fluid erwärmt wird, und der zurückfährt, wenn das Wachs vom ersten Fluid abgekühlt wird, wobei das Zurückfahren durch eine Rückstellfeder 160 innerhalb des unteren Endes 144 der äußeren Hülse 142 unterstützt wird.
  • In der Kälte- oder Kühle-Umgehungsposition, die in 18 gezeigt ist, ist der Kolben 158 zurückgefahren und ist die innere Hülse 152 von der Rückstellfeder 160 in die oberste Position vorgespannt, so dass die Aussparungen 154 der inneren Hülse 152 an den oberen Aussparungen 148 der äußeren Hülse 142 ausgerichtet sind, was bewirkt, dass das erste Fluid durch die Einlassmündung 14 in den Umgehungskanal 12 eintritt und zur Auslassmündung 16 strömt. In dieser Position blockiert das TBV 140 einen Eintritt des ersten Fluids in die erste Fluideinlassmündung 136.
  • Im heißen oder warmen Zustand des Wärmetauschers, der in 17 gezeigt ist, wird der thermische Stellantrieb 156 betätigt und bewirkt, dass der Kolben 158 ausgefahren wird und die innere Hülse 152 entgegen der Vorspannkraft der Rückstellfeder 160 nach unten drückt. In dieser Position blockiert die Wand der inneren Hülse 152 die oberen Aussparungen 148 der äußeren Hülse 142, um zu verhindern, dass das erste Fluid in den Umgehungskanal 12 eintritt. Jedoch sind in dieser Position die Aussparungen 154 der inneren Hülse 152 an den unteren Aussparungen 150 der äußeren Hülse 142 ausgerichtet, wodurch bewirkt wird, dass das erste Fluid, das durch die Einlassmündung 14 eintritt, in das erste Fluideinlasszweigrohr und die ersten Fluidströmungspassagen 124 eintritt.
  • Der Wärmetauscher 118 umfasst auch ein elektrisches Heizelement 42, das in die erste Platte 18 integriert ist, um eine rasche Erwärmung des kühlen oder kalten ersten Fluids, das aus der Einlassmündung 14 in den Umgehungskanal 12 eintritt, zu ermöglichen. Das Heizelement 42 des Wärmetauschers 118 ist den oben beschriebenen Heizelementen 42 gleich und wird hier nicht näher beschrieben.
  • Das gezeigte elektrische Heizelement 42 des Wärmetauschers 118 weist eine Vielzahl von elektrischen Kontakten 162 auf, die für eine Verbindung mit einer elektrischen Leistungsversorgungseinrichtung (nicht gezeigt) durch Leitungen (nicht gezeigt) ausgelegt sind, wie oben beschrieben. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, sei klargestellt, dass die elektrischen Kontakte 162 mit einer leitenden Schicht (nicht gezeigt) des elektrischen Heizelements 42 verbunden sein können, wie oben unter Bezugnahme auf die leitende Schicht 50 beschrieben wurde.
  • Außerdem kann der Wärmetauscher 118 eine Heizplattenkomponente 92 wie oben beschrieben umfassen, die auf die Weise, die oben beschrieben wurde und in jeder der 12-14 dargestellt ist, in die erste Platte 18 integriert ist. In der konkreten Ausführungsform, die in den 16-18 dargestellt ist, ist die Heizplattenkomponente 92 auf die in 13 gezeigte Weise in die erste Platte 18 integriert.
  • Man beachte, dass die Wärmeübertragung zwischen dem Umgehungskanal 12 und der unmittelbar angrenzenden Fluidströmungspassage des Kerns 120 (der in der vorliegenden Ausführungsform eine zweite Fluidströmungspassage 126 ist) vorteilhafterweise minimiert ist und dass daher die unteren Grate 60B des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 im Wärmetauscher 118 nicht metallurgisch an die zweite Platte 24 gebunden sind und nicht in direktem Kontakt mit der zweiten Platte 24 stehen könnten, um dazwischen eine Wärmeübertragungslücke bereitzustellen. Daher können im Wärmetauscher 118 die unteren Grate 60B des turbulenzverstärkenden Einsatzes 58 metallurgisch an eine flache Trägerplatte 108 gebunden sein, wie oben in Verbindung mit den 12-14 beschrieben wurde.
  • Wenn das erste Fluid ein ÖI ist, wie etwa ein Maschinenöl, ein Getriebefluid oder ein Achsschmiermittel, ermöglicht der Wärmetauscher 118 bei einem Kaltstart eine rasche Erwärmung des Öls auf seinen bevorzugten Betriebstemperaturbereich, um den Wirkungsgrad der Maschine (in einem HEV), des Getriebes oder der Achse dadurch zu erhöhen, dass diese Komponenten rasch auf ihre normalen Betriebstemperaturen gebracht werden. Sobald das ÖI ausreichend erwärmt wurde, schließt das TBV 140 den Umgehungskanal und bewirkt, dass das ÖI im Kern 120 des Wärmetauschers 118 durch Übertragung von Wärme auf ein Kühlmittel, das durch den Kern 120 strömt, gekühlt wird. Daher kann der Wärmetauscher 118 abhängig davon, ob der Wärmetauscher 118 im Umgehungsmodus (18) oder im Wärmetauschmodus (17) ist, sowohl als Ölheizer als auch als Ölkühler fungieren.
  • Wenn das erste Fluid ein Kühlmittel ist, ermöglicht der Wärmetauscher 118 bei einem Kaltstart eine rasche Erwärmung des Kühlmittels auf seinen bevorzugten Betriebstemperaturbereich. Das erwärmte Kühlmittel kann dann zu anderen Fahrzeugkomponenten, wie Batterien, der Maschine (n einem HEV), dem Insassenraumheizungssystem und dem AWU-System, umgewälzt werden. Sobald das Kühlmittel ausreichend erwärmt wurde, schließt das TBV 140 den Umgehungskanal und bewirkt, dass das Kühlmittel durch den Kern 120 des Wärmetauschers 118 strömt, zum Beispiel um Wärme aus dem ÖI durch den Kern 120 zu absorbieren. Daher kann der Wärmetauscher 118 abhängig davon, ob der Wärmetauscher 118 im Umgehungsmodus (18) oder im Wärmetauschmodus (17) ist, sowohl als Kühlmittelheizer als auch als Kühlmittelkühler fungieren.
  • Auch wenn die 16-18 eine kompakte Anordnung zeigen, in der das TBV hauptsächlich im Inneren des Einlasszweigrohrs 136 montiert ist, sei klargestellt, dass das TBV auch außerhalb des Kerns 120 des Wärmetauschers 118 montiert werden kann.
  • 16 zeigt, dass der Wärmetauscher 118 optional eine Fahrzeugkomponente 11 (mit gepunkteten Linien dargestellt) aufweisen kann, an dem elektrischen Heizelement 42 an seiner oberen Oberfläche montiert sein oder mit diesem in Kontakt stehen kann. Im Heiz(Umgehungs)-modus, in dem das erste Fluid zum Umgehungskanal 12 gelenkt wird, ist das elektrische Heizelement 42 aktiviert, um das erste Fluid, das durch den Umgehungskanal 12 strömt, zu erwärmen, um Platten 18, 24 zu erwärmen und auch, um die Fahrzeugkomponente 11 direkt zu erwärmen. Im Kühl(Wärmetausch)-modus ist das elektrische Heizelement 42 deaktiviert, wird das erste Fluid zu den ersten Fluidströmungspassagen 124 gelenkt und wird ein zweites Fluid (Kühlmittel) mit einer niedrigeren Temperatur als die Fahrzeugkomponente 11 (und mit einer niedrigeren Temperatur als das erste Fluid) durch die zweiten Fluidströmungspassagen 126 umgewälzt. Um die Fahrzeugkomponente 11 effektiv zu kühlen, wird ein Teil des ersten Fluids auch so gelenkt, dass es durch den Umgehungskanal 12 strömt. Zu diesem Zweck kann die innere Hülse 152 mit einer oder mehreren sekundären Aussparungen 164 (in 17 nur durch gepunktete Linien gezeigt) versehen sein, um zu ermöglichen, dass ein Teil des ersten Fluids im Kühlmodus in den Umgehungskanal eintritt, wie von dem gepunkteten Pfeil in 17 angezeigt wird. Man beachte, dass in Ausführungsformen, wo keine Fahrzeugkomponente 11 am elektrischen Heizelement 42 montiert ist oder mit diesem in Kontakt steht, sekundäre Aussparungen 164 nicht notwendig sind.
  • Die hierin beschriebenen Wärmetauscher können verwendet werden, um eine Anzahl von Komponenten in einem Fahrzeug zu erwärmen und optional auch zu kühlen. Ein typisches Fahrzeug weist eine Vielzahl von Heiz-/Kühlkreisläufen auf, die bei verschiedenen Temperaturen arbeiten und durch die verschiedene Fluide umgewälzt werden können. Manche Beispielskonfigurationen von Heiz-/Kühlkreisläufen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 19-22 beschrieben.
  • 19 zeigt ein Heizungs-/Kühlungsuntersystem 166 gemäß einer Ausführungsform, in dem eine Fahrzeugkomponente 11 an einem elektrischen Heizelement 42 eines Wärmetauschers 10', der eine Fluidströmungspassage 12 aufweist und der irgendeiner von den hierin beschriebenen Wärmetauschern sein kann, montiert ist oder mit diesem in Kontakt steht. Das elektrische Heizelement 42 wird durch eine elektrische Leistungsversorgungseinrichtung 52 aktiviert, die durch Leitungen 54, 56 angeschlossen ist. Der Wärmetauscher 10' weist eine Einlass- und eine Auslassmündung 14, 16 auf, die mit einem Fluidumwälzkreislauf 168 verbunden sind, der eine Umwälzpumpe 170, einen Wärmetauscher 172 und einen optionalen Umgehungsweg 174, der den Wärmetauscher 172 umgeht, einschließt.
  • In manchen Ausführungsformen kann die Fahrzeugkomponente 11 eine Batterie umfassen. Wenn die Fahrzeugkomponente 11 erwärmt werden soll, wird das elektrische Heizelement 42 aktiviert und empfängt elektrische Energie von der Leistungsversorgungseinrichtung 52, um die Fahrzeugkomponente 11 direkt zu erwärmen und um den Wärmetauscher 10' und das Fluid, das durch dessen Fluidströmungspassage 12 strömt, zu erwärmen, wie bereits beschrieben wurde. Wenn das Untersystem 166 in diesem Heizmodus ist, kann bewirkt werden, dass das Fluid durch den Umgehungsweg 174 strömt, beispielsweise durch ein thermisch oder elektronisch betätigtes Umgehungsventil (nicht gezeigt) im Untersystem 166.
  • Wenn die Fahrzeugkomponente 11 gekühlt werden soll, wird das elektrische Heizelement 42 deaktiviert, und Wärme wird zu dem Fluid übertragen, das durch die Fluidströmungspassage 12 des Wärmetauschers 10' strömt. In diesem Betriebsmodus ist ein Fluidstrom durch den Umgehungsweg 174 verringert oder unterbrochen, so dass das Fluid zum Teil oder vollständig durch den Wärmetauscher 172 läuft. In Ausführungsformen, wo die Fahrzeugkomponente 11 eine Batterie ist, ist die Temperatur des Fluids, das während des Kühlmodus durch den Fluidumwälzkreislauf 168 strömt, typischerweise eine Temperatur von etwa 40 °C, und der Wärmetauscher 172 kann einen Wärmetauscher des Klimaanlagensystems des Fahrzeugs, wie etwa eine Kältemaschine, umfassen, oder der Wärmetauscher 172 kann einen Wärmetauscher in einem Mini-Kühlungs- oder Mini-Wärmepumpensystem, das die Luft im Fahrzeug nicht klimatisiert, umfassen.
  • 20 zeigt ein Heizungs-/Kühlungsuntersystem 176 gemäß einer anderen Ausführungsform, in der eine Fahrzeugkomponente 11 an einem Wärmetauscher 178 montiert ist oder mit diesem in Kontakt steht. Zum Beispiel kann die Fahrzeugkomponente 11 eine Batterie sein, und der Wärmetauscher 178 kann einen Batteriewärmetauscher umfassen, der irgendeinem der oben beschriebenen Wärmetauscher 10, 68, 76, 84, 90, 100, 112, 114 und 118 ähnlich oder gleich sein kann, außer dass der Wärmetauscher 178 kein Heizelement 42, 70 aufweist. Das Untersystem 176 weist einen ersten Fluidumwälzkreislauf 180 (Batteriekreislauf) auf, der einen Wärmetauscher 182, wie etwa eine Kältemaschine eines Klimaanlagensystems, eine Umwälzpumpe 184 und einen Umgehungsströmungsweg 186 einschließt.
  • Das Untersystem 176 weist außerdem einen zweiten Umwälzkreislauf 188 auf, durch den das gleiche oder ein anderes Wärmeübertragungsfluid bei unterschiedlichen Temperaturen umgewälzt wird, ohne dass es sich mit dem Fluid im ersten Kreislauf 180 mischt. Zum Beispiel kann der zweite Kreislauf 188 eine oder mehrere Fahrzeugkomponenten 190, die erwärmt oder gekühlt werden sollen, andere Fahrzeugkomponenten, wie etwa Batterien, die Maschine (in einem HEV), das Insassenraumheizungssystem und das AWU-System aufweisen. Der zweite Kreislauf 188 umfasst ferner eine Fluidumwälzpumpe 192 und einen Wärmetauscher 194, wie etwa ein Gebläse zum Abführen von Wärme an die umgebende Atmosphäre.
  • Das Untersystem 176 umfasst ferner einen Wärmetauscher 10', der mit einem elektrischen Heizelement 42 versehen ist, das über elektrische Leitungen 54, 56 mit einer elektrischen Leistungsversorgungseinrichtung 52 verbunden ist. Der Wärmetauscher 10' ist dafür ausgelegt, einen Wärmetausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid in den Kreisläufen 180, 188 zu ermöglichen, und weist daher eine erste und eine zweite Fluidströmungspassage auf, wie beim Wärmetauscher 118 in den 16-18. Jedoch sei klargestellt, dass der Wärmetauscher 10' nicht notwendigerweise ein Thermo-Umgehungsventil oder einen Umgehungskanal aufweist wie oben beschrieben.
  • Das erste und das zweite Fluid, die im ersten und im zweiten Kreislauf 180, 188 zirkulieren, können zu Anfang eine niedrige Temperatur aufweisen, beispielsweise unter Kaltstartbedingungen. Unter diesen Bedingungen wird die Heizung 42 aktiviert, um die Fluide in beiden Kreisläufen 180, 188 aufgrund eines Wärmetausches zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid, wenn diese durch den Wärmetauscher 10' laufen, zu erwärmen. Während dieser Anfangsaufwärmperiode kann das erste Fluid den Wärmetauscher 182 umgehen und durch den Umgehungsströmungsweg 186 strömen.
  • Sobald das erste und das zweite Fluid in den Kreisläufen 180, 188 ausreichend erwärmt worden sind, wird das elektrische Heizelement 42 deaktiviert. Wenn das erste und das zweite Fluid ihre normalen Betriebstemperaturen erreichen, die unterschiedlich sein können, kann es ferner erstrebenswert sein, dass das erste Fluid und/oder das zweite Fluid den Wärmetauscher 10' ganz umgeht/umgehen, und für diesen Zweck kann/können der erste und/oder der zweite Kreislauf 180, 188 mit zusätzlichen Umgehungswegen (nicht gezeigt) versehen sein.
  • Ein Fahrzeug kann auch eine Reihe anderer Heizungs-/Kühlungsuntersysteme zum Erwärmen/Kühlen einer Reihe anderer Fahrzeugkomponenten aufweisen, wie nun unter Bezugnahme auf die 21 und 22 beschrieben wird.
  • 21 zeigt ein Heizungs-/Kühlungsuntersystem 196, das einen Wärmetauscher 10' einschließt, der ein elektrisches Heizelement 42, eine Fahrzeugkomponente 11 und einen Fluidumwälzkreislauf 198 mit einer Umwälzpumpe 200 aufweist, wobei der Kreislauf 198 ein Wärmeübertragungsfluid durch sowohl den Wärmetauscher 10' als auch die Fahrzeugkomponente 11 umwälzt. Im Heizmodus ist das Heizelement 42 aktiviert, um das Wärmeübertragungsfluid im Wärmetauscher 10' zu erwärmen, das dann zur Fahrzeugkomponente 11 umgewälzt wird und die Komponente 11 erwärmt. Sobald die Komponente 11 ausreichend erwärmt wurde, wird das Heizelement 42 deaktiviert und die Erwärmung wird nicht fortgesetzt. Eine solche Erwärmung kann auf Fahrzeugkomponenten wie etwa Achsen angewendet werden, wobei das Fluid, das durch den Kreislauf 198 umgewälzt wird, ein Achsfluid ist.
  • Ein Heizungs-/Kühlungsuntersystem 201 gemäß einer anderen Ausführungsform ist 22 gezeigt. Im Untersystem 201 befindet sich die Fahrzeugkomponente 11 nicht im Fluidumwälzkreislauf 198, sondern vielmehr ist ein Zwischen-Wärmetauscher 202 im Kreislauf 198 bereitgestellt, um Wärme auf ein zweites/von einem zweiten Fluid zu übertragen, das in einem zweiten Fluidumwälzkreislauf 204 zirkuliert, der eine Umwälzpumpe 204 aufweist, wobei die Fahrzeugkomponente 11 im zweiten Kreislauf 204 bereitgestellt ist. Bei dieser Anordnung kann das Fluid, das durch den ersten Kreislauf 198 zirkuliert, ein Kühlmittel sein und kann das zweite Fluid im zweiten Kreislauf 204 ein Öl, wie etwa ein Getriebefuid, sein. Eine ähnliche Anordnung kann für eine Kabinenheizung verwendet werden, wobei der Zwischen-Wärmetauscher 202 ein Heizerkern ist, durch den Luft umgewälzt und in den Insassenraum geblasen wird.
  • Die 21 und 22 schließen gestrichelte Linien ein, die anzeigen, dass weitere Fahrzeugkomponenten und/oder Wärmetauscher (mit oder ohne integrierte elektrische Heizelemente) in den Untersystemen 196, 201 vorhanden sein können.
  • Auch wenn verschiedene Ausführungsformen in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, sei klargestellt, dass bestimmte Anpassungen und Modifikationen der beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden können, die als im Bereich der vorliegenden Offenbarung liegend betrachtet werden. Daher sind die oben erörterten Ausführungsformen als erläuternd, aber nicht als beschränkend aufzufassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62/639560 [0001]
    • US 8653423 B [0090]
    • US 35890 A [0093]
    • US 6273183 B [0093]

Claims (28)

  1. Wärmetauscher, umfassend: (a) eine Fluidströmungspassage, die für einen Fluidstrom ausgelegt ist, wobei die Fluidströmungspassage einen Einlass und einen Auslass aufweist; (b) eine erste Platte und eine zweite Platte in gegenüberliegender, einander zugewandter Beziehung; wobei sowohl die erste als auch die zweite Platte wärmeleitend sind, eine nach innen zur Fluidströmungspassage gewandte innere Oberfläche und eine von der Fluidströmungspassage aus nach außen gewandte äußere Oberfläche aufweisen, wobei die Fluidströmungspassage durch einen Raum zwischen den inneren Oberflächen der ersten und der zweiten Platte definiert wird; und (c) ein erstes elektrisches Heizelement, das außerhalb der Fluidströmungspassage liegt und an die äußere Oberfläche der ersten Platte angrenzt, so dass Wärme, die vom ersten elektrischen Heizelement produziert wird, während einer Verwendung des Wärmetauschers durch die erste Platte zu dem Fluid in der Fluidströmungspassage übertragen wird; wobei das erste elektrische Heizelement eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 1000 µm aufweist; wobei das erste elektrische Heizelement eine elektrisch isolierende dielektrische Basisschicht, die am nächsten an der äußeren Oberfläche der ersten Platte liegt, und eine elektrische Widerstandsheizungsschicht auf der dielektrischen Schicht umfasst; wobei die dielektrische Basisschicht eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Verbundschicht umfasst, die ein Polymer umfasst, das mit einem teilchenförmigen Füllstoffmaterial gemischt ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Platte aus Aluminium gebildet sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Basisschicht in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der ersten Platte steht und direkt an diese thermisch gebunden ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine von der ersten Platte und der zweiten Platte eine geformte Platte umfasst, die eine allgemein flache, plane Basis aufweist, die auf allen Seiten von einer erhöhten peripheren Seitenwand umgeben ist, die sich von der Basis zu einem planen Flansch erstreckt, der eine Dichtungsfläche definiert, entlang welcher der plane Flansch abdichtend an die entgegengesetzte eine von der ersten und der zweiten Platte befestigt ist.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die erste Platte im Wesentlichen vollständig flach ist, und die zweite Platte die geformte Platte umfasst.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste elektrische Heizelement ferner eine elektrisch leitende Schicht in direktem Kontakt mit der Widerstandsheizungsschicht umfasst; wobei die leitende Schicht eine oder mehrere Leiterbahnen oder Stromschienen umfasst, die dafür ausgelegt sind, mit einer Leistungsversorgungseinrichtung verbunden zu werden.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei das erste elektrische Heizelement ferner eine elektrisch isolierende dielektrische oberste Schicht umfasst, die auf der Widerstandsheizungsschicht bereitgestellt ist.
  8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner einen turbulenzverstärkenden Einsatz umfassend, der eine gewellte Lamelle oder einen Turbulizer mit Graten umfasst, die durch Seitenwände verbunden sind, wobei eine erste Vielzahl von den Graten mit der inneren Oberfläche der ersten Platte in Kontakt steht und wobei die erste Vielzahl von den Graten mit der inneren Oberfläche der ersten Platte in engem Wärmekontakt steht.
  9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der turbulenzverstärkende Einsatz ferner eine zweite Vielzahl von den Graten umfasst, die mit der inneren Oberfläche der zweiten Platte in Kontakt stehen, die aber nicht metallurgisch an diese gebunden sind, so dass sie dazwischen eine Wärmeleitungslücke bereitstellen.
  10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein zweites elektrisches Heizelement, das außerhalb der Fluidströmungspassage liegt und das an die äußere Oberfläche der zweiten Platte angrenzt, so dass Wärme, die vom zweiten elektrischen Heizelement produziert wird, während der Verwendung des Wärmetauschers durch die zweite Platte zu dem Fluid in dem Fluidströmungspassage übertragen wird; wobei das zweite elektrische Heizelement eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 1000 µm aufweist; wobei das zweite elektrische Heizelement eine elektrisch isolierende dielektrische Basisschicht, die am nächsten an der äußeren Oberfläche der zweiten Platte liegt, und eine elektrische Widerstandsheizungsschicht auf der dielektrischen Schicht umfasst; und wobei die dielektrische Basisschicht eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Verbundschicht umfasst, die ein Polymer umfasst, das mit einem teilchenförmigen Füllstoffmaterial gemischt ist.
  11. Wärmetauscher nach Anspruch 1, ferner eine Kühlkörperplatte umfassend mit einer inneren Oberfläche, die durch eine metallurgische Bindung an der äußeren Oberfläche der ersten Platte fixiert ist, und einer äußeren Oberfläche, auf die das erste elektrische Heizelement direkt so aufgebracht ist, dass die elektrische Basisschicht des ersten elektrischen Heizelements in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Kühlkörperplatte steht und direkt an diese thermisch gebunden ist.
  12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, wobei die Kühlkörperplatte dicker ist als sowohl die erste Platte als auch die zweite Platte.
  13. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die zweite Platte eine geformte Platte umfasst, die eine allgemein flache, plane Basis aufweist, die auf allen Seiten von einer erhöhten peripheren Seitenwand umgeben ist, die sich von der Basis zu einem planen Flansch erstreckt, der eine Dichtungsfläche definiert, entlang welcher der erhöhte periphere Flansch abdichtend an die gegenüberliegende von der ersten und der zweiten Platte befestigt ist; wobei die zweite Platte eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die in ihrer flachen, planen Basis ausgebildet sind, wobei die Vorsprünge eine Höhe aufweisen, die einer Höhe des planen Flansches gleich ist, wobei jeder Vorsprung eine Dichtungsfläche aufweist, die mit der planen Dichtungsfläche des planen Flansches komplanar ist; wobei die Dichtungsflächen der Vorsprünge in engem thermischem Kontakt mit der inneren Oberfläche der ersten Platte stehen; und wobei die Vorsprünge Rippen und/oder Höcker umfassen.
  14. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche der ersten Platte im Wesentlichen flach ist; wobei das erste elektrische Heizelement mit einem im Wesentlichen flachen Abschnitt der äußeren Oberfläche der ersten Platte in direktem Kontakt steht; wobei das elektrische Heizelement für einen Kontakt mit und eine Stützung von einer Fahrzeugkomponente ausgelegt ist; und wobei die Fahrzeugkomponente mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie umfasst.
  15. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die äußere Oberfläche der zweiten Platte im Wesentlichen flach ist; wobei die äußere Oberfläche der zweiten Platte für einen Kontakt mit und eine Stützung von einer Fahrzeugkomponente ausgelegt ist; und wobei die Fahrzeugkomponente mindestens eine Batteriezelle und/oder mindestens ein Batteriemodul einer wiederaufladbaren Fahrzeugbatterie umfasst.
  16. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die erste Platte eine Öffnung aufweist, in der eine Heizplattenkomponente abdichtend aufgenommen wird, wobei die Heizplattenkomponente umfasst: einen ersten Plattenabschnitt mit einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche; einen turbulenzverstärkenden Einsatz, der eine gewellte Lamelle oder einen Turbulizer mit Graten, die durch Seitenwände verbunden sind, umfasst, wobei eine erste Vielzahl von den Graten mit der inneren Oberfläche des ersten Plattenabschnitts in engem Wärmekontakt seht; und das erste elektrische Heizelement, das mit der äußeren Oberfläche des ersten Plattenabschnitts in direktem Kontakt steht und an dieser haftet und das dem turbulenzverstärkenden Einsatz direkt gegenüberliegt; wobei der erste Plattenabschnitt einen peripheren Randflansch aufweist, der sich über Ränder des turbulenzverstärkenden Einsatzes hinaus entlang seiner inneren Oberfläche nach außen erstreckt und über Ränder des elektrischen Heizelements hinaus entlang seiner äußeren Oberfläche nach außen erstreckt; und wobei der periphere Randflansch des ersten Plattenabschnitts mit einer fluiddichten, abgedichteten Verbindung mit der ersten Platte verbunden ist, und so, dass die Öffnung in der ersten Platte von dem peripheren Randflansch des ersten Plattenabschnitts abgedichtet wird.
  17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, wobei die Heizplattenkomponente ferner eine flache Trägerplatte umfasst, die an der zweiten Vielzahl von den Graten des turbulenzverstärkenden Einsatzes befestigt ist.
  18. Wärmetauscher nach Anspruch 17, wobei die flache Trägerplatte mit der inneren Oberfläche der zweiten Platte in Kontakt steht.
  19. Wärmetauscher nach Anspruch 16, wobei die zweite Platte eine Öffnung aufweist, die an der Öffnung in der ersten Platte ausgerichtet ist, wobei die Heizplattenkomponente ferner einen zweiten Plattenabschnitt aufweist, der eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei der turbulenzverstärkende Einsatz zwischen dem ersten Plattenabschnitt und dem zweiten Plattenabschnitt angeordnet ist, wobei die zweite Vielzahl von den Graten mit der inneren Oberfläche des zweiten Plattenabschnitts in engem Wärmekontakt steht; wobei der zweite Plattenabschnitt einen peripheren Randflansch aufweist, der sich über Ränder des turbulenzverstärkenden Einsatzes hinaus entlang seiner inneren Oberfläche erstreckt; und wobei der periphere Randflansch des zweiten Plattenabschnitts mit einer fluiddichten, abgedichteten Verbindung mit der zweiten Platte verbunden, und so, dass die Öffnung in der zweiten Platte von dem peripheren Randflansch des zweiten Plattenabschnitts abgedichtet wird.
  20. Wärmetauscher nach Anspruch 1, ferner ein zweites elektrisches Heizelement umfassend, das außerhalb der Fluidströmungspassage bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des zweiten Plattenabschnitts steht und an dieser haftet und dem turbulenzverstärkenden Einsatz direkt gegenüberliegt.
  21. Wärmetauscher nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Kern, der eine Vielzahl von Wärmetauscherkernplatten umfasst und der eine Vielzahl von ersten Fluidströmungspassagen und eine Vielzahl von zweiten Fluidströmungspassagen umfasst, die in abwechselnder Reihenfolge durch den Kern angeordnet sind, wobei der Kern ein erstes Fluideinlasszweigrohr und ein erstes Fluidauslasszweigrohr, die mit der Vielzahl von ersten Fluidströmungspassagen in Fließverbindung stehen, und ein zweites Fluideinlasszweigrohr und ein zweites Fluidauslasszweigrohr, die mit der Vielzahl von zweiten Fluidströmungspassagen in Fließverbindung stehen, umfasst; wobei die erste Platte des Wärmetauschers den Einlass und den Auslass der Fluidströmungspassage aufweist, und wobei die zweite Platte des Wärmetauschers mit einer ersten Fluideinlasszweigrohröffnung, die mit dem ersten Fluideinlasszweigrohr in Fließverbindung steht, und einer ersten Fluidauslasszweigrohröffnung, die mit dem ersten Fluidauslasszweigrohr in Fließverbindung steht, versehen ist; und ein Thermo-Umgehungsventil, das dafür ausgelegt ist, selektiv: einen Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zur Fluidströmungspassage zuzulassen, während es den Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zum ersten Fluideinlasszweigrohr blockiert; und einen Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zur Fluidströmungspassage zumindest zum Teil zu blockieren, während es den Strom des ersten Fluids aus dem Einlass zum ersten Fluideinlasszweigrohr zulässt.
  22. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Wärmetauscher eine Fluidheizung für eine indirekte Erwärmung einer oder mehrerer Fahrzeugkomponenten, die vom Wärmetauscher entfernt sind, umfasst.
  23. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei mindestens eines von dem ersten elektrischen Heizelement und dem zweiten elektrischen Heizelement eine flache äußere Oberfläche aufweist, die für einen Wärmekontakt mit einer oder mehreren Fahrzeugkomponenten ausgelegt ist, zum direkten Erwärmen der einen oder der mehreren Fahrzeugkomponenten.
  24. Wärmetauscher nach Anspruch 23, wobei die flache äußere Oberfläche von mindestens einen von dem ersten elektrischen Heizelement und dem zweiten elektrischen Heizelement dafür ausgelegt ist, die eine oder die mehreren Fahrzeugkomponenten zu stützen; und wobei die eine oder die mehreren Fahrzeugkomponenten eine oder mehrere Batteriezellen oder Batteriemodule einer wiederaufladbaren Lithiumionenbatterie für ein Fahrzeug umfassen.
  25. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei jedes von dem ersten und dem zweiten elektrischen Heizelement ferner eine elektrisch isolierende dielektrische oberste Schicht umfasst, welche die flache äußere Oberfläche des elektrischen Heizelements definiert.
  26. Heiz-/Kühlsystem für ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (BEV) oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), wobei das System einen oder mehrere Heiz-/Kühlkreisläufe umfasst, wobei jeder von den Kühlkreisläufen eine Fahrzeugkomponente, einen Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 25, um die Fahrzeugkomponente zu erwärmen und optional auch zu kühlen, eine Fluidstromleitung und eine Umwälzpumpe umfasst.
  27. Heiz-/Kühlsystem nach Anspruch 26, einen ersten und einen zweiten Heiz-/Kühlkreislauf umfassend; wobei der erste Heiz-/Kühlkreislauf umfasst: (a) eine erste Fahrzeugkomponente, die eine wiederaufladbare Batterie zum Antreiben eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs umfasst; (b) einen ersten Wärmetauscher, der den Wärmetauscher nach Anspruch 1 umfasst, der mindestens eines von den elektrischen Heizelementen, einen oder mehrere erste Fluidströmungspassagen für ein erstes Wärmeübertragungsfluid, das durch den ersten Heiz-/Kühlkreislauf zirkuliert, und einen ersten Einlass und einen ersten Auslass für den einen oder die mehreren ersten Fluidströmungspassagen einschließt; (c) einen zweiten Wärmetauscher zum Kühlen des ersten Wärmeübertragungsfluids; (d) eine erste Umwälzpumpe zum Umwälzen des ersten Wärmeübertragungsfluids durch den ersten Heiz-/Kühlkreislauf; und (e) eine erste Leitung zum Umwälzen des ersten Wärmeübertragungsfluids durch den ersten Heiz-/Kühlkreislauf; wobei der zweite Heiz-/Kühlkreislauf umfasst: (a) eine zweite Fahrzeugkomponente, die eine oder mehrere wärmeerzeugende elektronische Komponenten des HEV/BEV umfasst; (b) den ersten Wärmetauscher, wobei der erste Wärmetauscher ferner eine oder mehrere zweite Fluidströmungspassagen für ein zweites Wärmeübertragungsfluid, das durch den zweiten Heiz-/Kühlkreislauf zirkuliert, und einen zweiten Einlass und einen zweiten Auslass für die eine oder die mehreren zweiten Fluidströmungspassagen aufweist, wobei die ersten und die zweiten Fluidströmungspassagen so angeordnet sind, dass sie eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeübertragungsfluid zulassen und eine Erwärmung des ersten und des zweiten Wärmeübertragungsfluids durch das mindestens eine elektrische Heizelement ermöglichen; (c) einen dritten Wärmetauscher zum Kühlen des zweiten Wärmeübertragungsfluids; (d) eine zweite Umwälzpumpe zum Umwälzen des zweiten Wärmeübertragungsfluids durch den zweiten Heiz-/Kühlkreislauf; und (e) eine zweite Leitung zum Umwälzen des zweiten Wärmeübertragungsfluids durch den zweiten Heiz-/Kühlkreislauf.
  28. Heiz-/Kühlsystem nach Anspruch 27, wobei der zweite Wärmetauscher einen Wärmetauscher in einem Klimaanlagensystem des Fahrzeugs umfasst, und wobei der dritte Wärmetauscher ein Gebläse umfasst.
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