DE3934084A1 - Fluessigkeitskuehleinrichtung fuer eine hochtemperaturspeicherbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitskühlein­ richtung für eine Hochtemperaturspeicherbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochtemperaturspeicherbatterien enthalten elektrochemi­ sche Zellen zur Speicherung elektrischer Energie. Eine solche Batterie ist beispielsweise die Natrium/Schwe­ fel-Batterie, die im Temperaturbereich von etwa 300°C bis 350°C arbeitet.

Hochtemperaturspeicherbatterien sind mit einer hochwirk­ samen thermischen Isolierung versehen, um Wärmeverluste während Ruhepausen gering zu halten. Bei Belastung der Batterie kann aber soviel Wärme erzeugt werden, daß eine Kühlung der Batteriezellen erforderlich ist, um eine gewünschte Betriebstemperatur zu erreichen.

Als Kühlsystem sind sowohl direkte als auch indirekte Kühlsysteme geeignet. Bei direkten Kühlsystemen wird mittels eines Gebläses und einer Verteileinrichtung Kühlluft in die Zwischenräume zwischen Batteriezellen eingebracht, welche direkt von der Zellenoberfläche Ver­ lustwärme aufnimmt und abführt. Indirekte Kühlsysteme arbeiten mit einem internen Wärmetauscher, welcher in­ nerhalb der Batterie angeordnet ist und Teil eines ge­ schlossenen Kühlkreislaufs ist. Als Wärmeträger kann in dem Kühlkreislauf eine Flüssigkeit verwendet werden.

Die Erfindung geht von einem solchen Flüssigkeitskühlsy­ stem aus, welches, wie dargelegt, nur bei entsprechender Batteriebelastung eingeschaltet wird. Bei einem solchen Kühlsystem nimmt bei ruhendem Flüssigkeitskreislauf die im Wärmetauscher innerhalb der Batterie befindliche Flüssigkeit etwa die Batterietemperatur an. Nach dem Einschalten einer Umwälzpumpe im Flüssigkeitskreislauf strömt zunächst Kühlflüssigkeit mit der Batterietempera­ tur von z. B. 300°C zu außerhalb der Batterie befindli­ chen Teilen des Kühlsystems. Im eingefahrenen Zustand des Kühlsystems kann die Kühlflüssigkeitstemperatur we­ sentlich niedriger, beispielsweise unter 100°C, liegen. Diese Temperatur ist abhängig von der Auslegung des Kühlsystems und bedingt durch den Wärmewiderstand zwischen den Batteriezellen und dem batterieinternen Wärmetauscher.

Da die Temperatur der Kühlflüssigkeit zeitweise die Bat­ terietemperatur annehmen kann, müssen alle mit der Kühl­ flüssigkeit in Berührung kommende Teile des Kühlkreis­ laufs, das sind bei einer üblichen Anordnung auch ein externer Wärmetauscher und eine Umwälzpumpe, welche emp­ findlich und teuer sind, für diese Temperatur ausgelegt werden.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, eine verbesserte Flüssigkeitskühleinrichtung anzuge­ ben, welche eine kostengünstigere Ausführung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Flüssigkeitskühl­ einrichtung für eine Hochtemperaturspeicherbatterie mit einem Flüssigkeitskreislauf, der einen batterieinternen Wärmetauscher und einen außerhalb der Batterie befindli­ chen Teilkreislauf mit einem Ausgleichsgefäß und einer Rückkühleinrichtung aufweist, und mit Mitteln, welche eine Vorkühlung einer im batterieinternen Wärmetauscher erwärmten Kühlflüssigkeit unter Nutzung der Wärmekapazi­ tät der im äußeren Teilkreislauf, insbesondere im Aus­ gleichsgefäß befindlichen Kühlflüssigkeit bewirken, bevor die Kühlflüssigkeit in die Rückkühleinrichtung eintritt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß alle Teile der Rückkühleinrichtung für eine im Vergleich zur Batterietemperatur wesentlich niedrigere Temperatur ausgelegt werden können. Dadurch kann ein Werkstoff mit einem niedrigeren Preis verwendet werden und eine höhere Standzeit der Rückkühleinrichtung erreicht werden.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsvariante enthält das Ausgleichsgefäß einen z. B. spiralförmigen Vorkühler-Wärmetauscher zur Vorkühlung der Kühlflüssig­ keit durch Wärmeabgabe an die im Ausgleichsgefäß befind­ liche Ausgleichsflüssigkeit.

Eine zweite Ausgestaltungsvariante ermöglicht eine di­ rekte Mischung der aus der Batterie kommenden heißen Flüssigkeit mit der Ausgleichsflüssigkeit. Dies wird durch Einleitung der heißen Flüssigkeit mittels eines perforierten und beispielsweise spiralförmig im Aus­ gleichsgefäß verlegten Rohres ermöglicht.

Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 prinzipielle Anordnung eines Flüssigkeits­ kreislaufs mit Ausgleichsgefäß,

Fig. 2 erste Ausführungsvariante einer erfindungsge­ mäßen Ausführung des Ausgleichsgefäßes mit Vorkühler-Wärmetauscher,

Fig. 3 zweite Variante einer erfindungsgemäßen Aus­ führung des Ausgleichsgefäßes mit einer Mi­ scheinrichtung für heiße Kühlflüssigkeit mit Ausgleichsflüssigkeit.

In Fig. 1 ist eine Flüssigkeitskühleinrichtung darge­ stellt, welche aus einem batterieinternen Wärmetauscher 2 mit einem außerhalb einer zu kühlenden Batterie 1 be­ findlichen Teilkreislauf 11 besteht. Der äußere Teil­ kreislauf 11 enthält ein an eine Rohrleitung 12 ange­ schlossenes Ausgleichsgefäß 6 und eine Rückkühleinrich­ tung 10. Die Rückkühleinrichtung 10 enthält einen exter­ nen Wärmetauscher 4 und eine Umwälzpumpe 5. Das Aus­ gleichsgefäß 6 hat die Aufgabe, eine temperaturände­ rungsbedingte Volumenänderung der in der Flüssigkeits­ kühleinrichtung befindlichen Kühlflüssigkeit zu ermögli­ chen. Das Ausgleichsgefäß 6 weist dazu eine Membran 8 auf, die ein Ausgleichsgasvolumen 7 von einer Aus­ gleichsflüssigkeit 9, einer Teilmenge der Kühlflüssig­ keit, trennt. Es sind jedoch auch Anordnungen denkbar, die keine Membran 8 erfordern, z. B. wenn das Gas im Aus­ gleichvolumen 7 sich gegenüber der Kühlflüssigkeit inert verhält, eine zu vernachlässigende Löslichkeit in der Kühlflüssigkeit besitzt und durch entsprechende Anord­ nung des Ausgleichsgefäßes 6 sichergestellt ist, daß die Gasblase, durch den Auftrieb bedingt, hinreichend weit vom Anschluß an die Rohrleitung 12 entfernt ist. Inner­ halb der Batterie 1 sind in einer Zellmatrix 3 elektro­ chemische Zellen angeordnet, welche Verlustwärme erzeu­ gen. Die Verlustwärme wird vom batterieinternen Wärme­ tauscher 2 auf die Kühlflüssigkeit übertragen. Wenn die Umwälzpumpe 5 eingeschaltet ist, wird die erwärmte Kühl­ flüssigkeit zum externen Wärmetauscher 4 und von dort wieder im Kreislauf zurücktransportiert.

Während bei bekannten Anordnungen die im Kreislauf ge­ führte Kühlflüssigkeit zwar mit der Ausgleichsflüssig­ keit 9 in Verbindung steht, aber an diese praktisch kei­ ne Wärme abgibt, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, die Wärmekapazität der Ausgleichsflüssigkeit 9 für eine Vorkühlung der Kühlflüssigkeit zu nutzen, ehe diese in die Rückkühleinrichtung 10 eintritt.

Gemäß einer in Fig. 2 dargestellten Variante kann dies mit Hilfe eines im Ausgleichsgefäß 6 angeordneten Vor­ kühler-Wärmetauscher 13 erfolgen, welcher beispielsweise spiralförmig ausgeführt sein kann und eine ausreichend große Wärmetauscherfläche aufweist.

Eine schnell wirkende Vorkühlung kann auch durch eine zweite Variante erreicht werden, welche in Fig. 3 darge­ stellt ist. Gemäß dieser Ausführungsvariante wird die von der Batterie 1 kommende Kühlflüssigkeit in das Aus­ gleichsgefäß 6 eingeleitet und mittels einer Mischein­ richtung 14 gut mit der Ausgleichsflüssigkeit 9 ver­ mischt, bevor sie der Rückkühleinrichtung 10 zugeleitet wird. Die Mischeinrichtung 14 kann beispielsweise aus einem spiralförmig im Ausgleichsgefäß 6 verlegten und am Ende verschlossenen Rohr bestehen, dessen Rohrwand mit Öffnungen 16 versehen ist.

Eine weitere Verbesserung der Vorkühlwirkung kann da­ durch erreicht werden, daß die Förderleistung der Um­ wälzpumpe 5 mit Hilfe einer Steuereinrichtung 15 nach dem Einschalten in einer optimierten Weise, z. B. nach einer Rampencharakteristik gesteigert wird. Dadurch steht ausreichend Zeit für die Wärmeabgabe an die im Ausgleichsgefäß 6 und der Rohrleitung 12 vorhandene Kühlflüssigkeit sowie für eine Wärmeabgabe über die Rohrleitung 12 an die Umgebung zur Verfügung.

Claims (4)

1. Flüssigkeitskühleinrichtung für eine Hochtempe­ raturspeicherbatterie mit einem Flüssigkeitskreislauf, der einen batterieinternen Wärmetauscher und einen au­ ßerhalb der Batterie befindlichen Teilkreislauf mit ei­ nem Ausgleichsgefäß und einer Rückkühleinrichtung auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (13, 14, 15) vorhanden sind, welche eine Vorkühlung einer im batte­ rieinternen Wärmetauscher (2) erwärmten Kühlflüssigkeit unter Nutzung der Wärmekapazität der im äußeren Teil­ kreislauf (11), insbesondere im Ausgleichsgefäß (6), befindlichen Kühlflüssigkeit bewirken, bevor die Kühl­ flüssigkeit in die Rückkühleinrichtung (10) eintritt.

2. Flüssigkeitskühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Vorkühlung des Kühlmittels ein im Ausgleichsbehälter (6) angeordneter Vorkühler-Wärmetauscher (13) vorhanden ist, durch wel­ chen das Kühlmittel strömt, bevor es der Rückkühlein­ richtung (10) zugeleitet wird.

3. Flüssigkeitskühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Vorkühlung der Kühlflüssigkeit eine Mischeinrichtung (14), insbe­ sondere ein mit mehreren Öffnungen (16) versehenes Rohr innerhalb des Ausgleichsbehälters (6) angeordnet ist, durch welche die von der Batterie (1) kommende Kühlflüs­ sigkeit in den Ausgleichsbehälter (6) strömt, sich dort mit der vorhandenen Ausgleichsflüssigkeit (9) mischt und anschließend als Mischung zur Rückkühleinrichtung (10) geleitet wird.

4. Flüssigkeitskühleinrichtung nach einem der vor­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (15) vorhanden ist, welche die Förder­ leistung einer in der Rückkühleinrichtung (10) angeord­ neten Umwälzpumpe (5) nach dem Einschalten gemäß einer optimierten Übergangsfunktion steigert.