WO2007076985A2 - Wärmetauscher mit tiefgezogenen wärmetauscher-platten - Google Patents

Wärmetauscher mit tiefgezogenen wärmetauscher-platten Download PDF

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WO2007076985A2
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Robert Ritter
Thomas Soczka-Guth
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a heat exchanger tube bundle for heat exchangers of electrochemical energy storage, an alternative method, a pressure welding device for carrying out a variant of the method, a heat exchanger tube bundle obtainable by the method, a heat exchanger module with such a heat exchanger tube bundle , A heat exchanger with two or more such heat exchanger modules, an electrochemical energy storage device with such a heat exchanger and a use for such an electrochemical energy storage.
  • These articles are industrially applicable in the field of production and use of electrochemical energy storage.
  • the electrochemical energy store has heat exchanger modules (referred to therein as heat exchanger units), between the heat exchanger tube bundles (called heat exchanger channels there) a plurality of individual cells can each be arranged side by side in at least two adjacent rows.
  • the heat exchanger modules, heat exchanger tube bundles as well as flow distribution and return collection pipes (there called circulation flow distribution channels) etc. can be flowed through by a temperature control medium.
  • the heat exchanger tube bundles are usually made of injection-molded plastic plates with wave-shaped profile are milled into the heat exchanger channels, wherein adjacent heat exchanger channels are each separated by webs from the milling material not removed from each other or from the environment. Two milled plates are then arranged on top of each other so that milling over the milling and the web come to rest on the web. Subsequently, the plates are joined together in the region of the abutting webs by laser welding.
  • a first subject of the present invention is accordingly a method for producing a heat exchanger tube bundle for heat exchangers of electrochemical energy stores, in which a plurality of electrochemical storage cells (in short: individual cells) are arranged side by side in at least two adjacent rows, wherein between the adjacent rows form fit to the Single cells snug heat exchanger tube bundles are arranged.
  • the method comprises the following steps, in which a) two deep-drawable strips of material, eg plates or blanks, are provided; b) incorporating by deep drawing at least one or the intended heat exchanger channel or channels and the intended profile in the strip of material; c) in a first strip of material from step b) provided for the heat exchanger tube bundle
  • Vorlaufverteiler malbrechungen incorporates to obtain a first heat exchanger plate and in a second strip of material from step b) provided for the heat exchanger tube bundle
  • the inventive method is very fast and works with a reject rate of approximately 0%. Furthermore, it can be well integrated into a series production, for example by being designed as a continuous process in which the required strips of material are obtained by cutting rolls. Furthermore, it is very flexible with regard to the profile to be incorporated into the strip of material by thermoforming. This profile must be complementary to the geometric shape of the individual cells, their use is planned to ensure that the heat exchanger tube bundle produced as good as possible thermally conductive, ie in particular form-fitting or gap-free, can be conformed to the individual cells. Eligible single cells may have a variety of geometric shapes. However, conventional electrochemical single cells, for example of the type nickel metal hydride, have a cylindrical shape, so that as a complementary profile above all a wave-shaped profile in step b) must be incorporated into the strips of material.
  • a second object of the present invention is an alternative method to the first subject, wherein steps b) and c) are reversed.
  • the alternative method thus comprises the steps of a) providing two thermoformable strips of material; b) in a first strip of material provided for the heat exchanger tube bundle
  • inventive method according to the first article has the advantage that during deep drawing (step b)) only one type of strip of material must be handled
  • inventive method according to the second article has the advantage that when incorporating the openings (step b)) only one type of strip of material must be handled.
  • the method according to the invention according to the first article or the method according to the invention according to the second article may be advantageous.
  • thermoformable strips of material for step a) of the method can preferably be obtained by cutting rolls.
  • the method can be integrated particularly advantageously in mass production.
  • the provided for the heat exchanger tube bundle channels, grooves and lands can all be incorporated in the deep drawing step of the method according to the invention. As a result, further, the process complicating and delaying process steps can be saved, in which otherwise about required channels, grooves and lands would have to be incorporated.
  • the flow distribution apertures and the return collection apertures may be incorporated by punching, preferably additionally removing other unnecessary or supernatant material from the strips of material. This allows a particularly simple and rapid incorporation of openings and preferably removal of protruding material.
  • the process can be further simplified and accelerated by performing deep-drawing and punching in one step.
  • step e it is preferable if they together so that the heat exchanger tubes against each other and the heat exchanger tube bundle along its circumference with respect to the environment at least tempering medium sealed (ie sealed against the tempering medium), and It is further preferred if they are sealed in a fluid-tight manner (ie, sealed against liquids and gases) in order to prevent a loss of tempering medium during operation and a consequent deterioration of the temperature control.
  • the heat exchanger plates are joined together in step e) preferably by pressure welding, more preferably by heating element welding and in particular by direct heating element welding.
  • these welding variants have the advantage that they are less complicated and error-prone in the case of the workpieces (heat exchanger plates) with wave-shaped profile to be welded here. For example, they tolerate slight deviation of the wave-shaped heat exchanger plates by compensating for these deviations when closing or closing the pressure welding tool. As a result, hardly occur any welding errors, so that the heat exchanger tube bundles produced have no or at least almost no leaks.
  • these welding variants allow a particularly rapid joining of the two heat exchanger plates within a few seconds (preferably less than 20 s, in particular less than 5 s), which favors a cost-effective mass production of the heat exchanger tube bundle according to the invention.
  • the process according to the invention can be further improved by heating the heat exchanger plates in step e). assembled by fully mechanical or automatic welding. This can further simplify and speed up the process.
  • a third object of the present invention is a pressure welding device for carrying out the method described above, wherein the device is designed according to the invention, that all welds for joining two heat exchanger plates to a heat exchanger tube bundle and for sealing the heat exchanger tubes against each other and the heat exchanger - Tube bundle along its circumference relative to the environment in a single welding process (short stroke) can be generated.
  • the pressure welding device according to the invention thereby enables a particularly fast and efficient implementation of the method according to the invention and thus favors its design as cost-effective series production.
  • a preferred embodiment of the pressure welding device has a Sch detailpatrize or a welding punch and a welding die, which are movable towards each other for closing the device for a welding operation.
  • the surface of the Sch thoroughpatrize and the surface of the welding die shape the profile of their respective facing surface of an assembled heat exchanger tube bundle or follow the profile according to, so that the Sch popularitypatrize and the Sch whomatrize nestle in the closed state of the pressure welding device to the heat exchanger tube bundle.
  • the welding die and / or the welding die also has or at least one heating element in the region which, in the closed state of the pressure welding device, adjoins the weld seams of the heat exchanger tube bundle on. With such a pressure welding device, welds on profiled workpieces can be generated quickly and precisely in a thermal manner. As a result, the method according to the invention can be carried out even faster and more efficiently.
  • the welding die has welding webs opposite the welding webs of the welding die, the welding webs following the profile of the heat exchanger tube bundle, so that they conform to the weld seams of the heat exchanger tube unit on both sides in the closed state of the pressure welding device.
  • the envisaged weld seams can be produced very quickly, efficiently and precisely in a single stroke.
  • the at least one heating element is arranged on the welding webs of the welding die and / or the welding die, i. attached or incorporated, preferably on the end faces of the welding webs.
  • the at least one heating element along the end faces of the welding webs is incorporated in the welding webs. This further improves the fast, efficient and precise production of the intended welding webs.
  • the at least one heating element is preferably a heating resistor, in particular a heating tape or a heating wire, which follows the end faces of the heating bars.
  • the heating element is preferably coated with an inert plastic, in particular with polytetrafluoroethylene (in short: PTFE, eg Teflon from DuPont), so that the welding webs can be easily separated from the assembled heat exchanger tube bundle when the pressure welding device is opened.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • a further development of the pressure welding device according to the invention comprises means for aligning two heat exchanger plates to be joined together, the means being arranged between the welding template and the welding template.
  • the two heat exchanger plates to be joined together can be automatically brought into the intended position before and / or during a pressure welding operation and arranged or oriented as intended against each other. This allows a further acceleration and simplification of the method according to the invention and thus promotes its design as cost-effective mass production.
  • the means for aligning preferably comprise a base body facing the welding die and a pressure plate facing the welding die, which are movable towards each other for closing the device for a welding operation (short stroke), wherein the surface of the base body and the surface of the pressure plate, the profile of Shaping them each facing surface of a heat exchanger tube bundle, so that the base body and the pressure plate in the closed state of the pressure welding device conform to the heat exchanger tube bundle.
  • the main body also has slots which are opposite to the slots of the pressure plate, wherein the webs of the Sch spapatrize grip in the closed state of the pressure welding device through the slots of the pressure plate, as well as the webs of the welding die through the slots of the body.
  • the pressure plate centers the two heat exchanger plates to be joined together on the base body by means of a defined, predetermined pressure force and thus effects an automatic arrangement of the two heat exchanger plates in the intended position relative to one another. This can do that inventive method even further simplified and accelerated.
  • the means for aligning may further comprise at least one attached to the body stop bar.
  • the stop bar serves as a stop for the two heat exchanger plates to be joined in order to allow an even faster and more precise arrangement of the two heat exchanger plates.
  • a further development of the pressure welding device according to the invention has means for centering the pressure plate and the base body when closing the device. In this way, a more reliable, more precise closing of the pressure welding device can be ensured, as a result of which the pressure welding device with its interlocking components can be closed faster and the method according to the invention can thus be accelerated.
  • the means for centering preferably comprise at least one centering pin and a centering hole, which cooperate when closing the device so that pressure plate and body are guided in the intended position.
  • This may preferably be four mounted on the base or formed centering pins, which are arranged in corners of the base body and which engage when closing the device in four incorporated into the pressure plate centering.
  • the centering bolts may also be formed in the manner of a spacer, so that in the closed device a predetermined distance between the pressure plate and basic body is given, in which a heat exchanger tube bundle according to the invention fits.
  • a fourth subject of the present invention is a heat exchanger tube bundle obtainable by the method described above.
  • the heat exchanger tube bundle is formed from a first deep-drawn heat exchanger plate and a second deep-drawn heat exchanger plate, each of which has at least two spaced apart by webs heat exchanger channels, wherein the two heat exchanger plates are arranged in alignment so that the heat exchanger -Channels face each other and the webs abut each other, so that the heat exchanger channels of the first heat exchanger plate with the opposite heat exchanger channels of the second heat exchanger plate heat exchanger tubes formed by grooves of the webs and adjacent thereto Channel walls are formed, are spaced from each other.
  • the heat exchanger tube bundle also has a profile that is shaped so that it can be conformed to the individual cells between adjacent rows of a plurality of electrochemical storage cells (in short: individual cells), which are arranged side by side in at least two adjacent rows.
  • the heat exchanger tube bundle according to the invention has no or at least almost no leaks. Furthermore, it is more flexible compared to heat exchanger tube bundles of heat exchanger plates with milled heat exchanger channels, since it has a smaller material thickness in the region of the webs between the heat exchanger tubes. As a result, a lower compressive force is required in order to press the heat exchanger tube bundle according to the invention gap-free, that is, as good as possible heat-conducting to the individual cells to be tempered. Since when pressing or clinging the heat exchanger tube bundle according to the invention less pressure force must be used to produce a good heat conducting contact, there is also a lower risk of cross-sectional changes of the heat exchanger tubes, which could lead to an impairment of the temperature.
  • a heat exchanger tube of the heat exchanger tube bundle according to the invention is formed from the bottoms and the walls of the mutually opposite heat exchanger channels, wherein the walls extend between the bottoms and the webs and are aligned at an angle thereto.
  • the heat exchanger tube bundle is even more flexible and can even better heat-conducting pressed with even less pressure on the individual cells or be nestled at this.
  • the angle between a wall and the bottom of a heat exchanger channel and between the wall and the adjacent web is 90 °. This gives the individual heat exchanger tubes in the region of their walls more stability, so that the heat exchanger tube bundle can absorb significant overall compressive forces, without causing cross-sectional changes in the heat exchanger tubes.
  • the angle between a wall and the bottom of a heat exchanger channel and between the wall and the adjacent web is less than 90 °, preferably 45 to 89 °, particularly preferably 60 to 75 °.
  • the angle is 90 ° for some heat exchanger channels and less than 90 ° for others, although the deviation of 90 ° may be variable.
  • the heat exchanger plates are in the region of the webs and in the region of its circumference preferably joined together so that the heat exchanger tubes tempering medium tight, preferably fluid-tight, against each other and against the environment of the heat exchanger tube bundle are sealed to a loss of tempering medium and thus a Prevent deterioration of the temperature control.
  • the heat exchanger tube bundles are preferably formed from a thermoformable, tempering medium-resistant plastic.
  • Such materials have the advantage of being readily available, also easy to process, generally electrically insulating, light in weight (which is particularly important for mobile applications, e.g., in a vehicle), and have a long life.
  • Aromatic polyesters, aromatic polysulfides or aromatic polyether ketones or mixtures thereof have proven to be suitable materials, preferably PET-G, PPS or PEEK or mixtures thereof, particularly preferably PET-G.
  • a fifth object of the present invention is a heat exchanger module comprising a heat exchanger tube bundle as described above.
  • the heat exchanger module adjacent one or more pairs arranged first and second heat exchanger tubes, wherein each heat exchanger tube in the input region has a flow distribution aperture formed in the first heat exchanger plate, and in the exit region a remindlaufsammi tellbrechung which is formed in the second heat exchanger plate.
  • the supply manifold fürbrechung a first heat exchanger tube adjacent to the return collection opening of a second heat exchanger tube is arranged in adjacent heat exchanger tubes and the flow distributor or remindmei tellbrechung the first heat exchanger tube diametrically to the flow distributor
  • Flow distribution openings of the first heat exchanger tubes fluidly connected to a first flow distribution manifold and the flow distribution openings of the second heat exchanger tubes with a second flow distribution manifold and the stangerammeideturchbrechungen the first heat exchanger tubes with a first return manifold and the return collection openings of the second heat exchanger tubes with a second return manifold.
  • the flow distribution and return collection pipes on connecting means for supplying and discharging a tempering.
  • the heat exchanger modules according to the invention can be combined in a simple manner to heat exchangers. Furthermore, due to their profile and flexibility, they can easily be fitted to single cells with good heat conduction and, because of the counterflow principle implemented in them, ensure efficient, reliable and uniform cooling of the individual cells.
  • the heat exchanger module is preferably designed to be stackable so that there are spaces between each two stacked heat exchanger modules, in which individual cells can be arranged in a form-fitting manner. Thus, a particularly efficient and space-saving cooling of a larger number of individual cells can be achieved.
  • connection means for supplying and removing a tempering medium comprise means with which the flow manifolds of a first heat exchanger module of a heat exchanger module stack can be fluidically connected to the return collection tubes of an adjacent second heat exchanger module and the return collection tubes of the first heat exchanger module Module with the flow distribution pipes of an adjacent, third heat exchanger module.
  • the terminal heat exchanger modules of a heat exchanger module stack may further comprise connecting pieces for the supply and discharge of tempering medium, which are preferably each attached to a flow distribution or return collection pipe. This allows a particularly efficient distribution of the tempering and a particularly uniform temperature of the individual cells can be achieved.
  • the flow distribution manifolds of a first heat exchanger module in a heat exchanger module stack preferably lie against the return manifolds of an adjacent, second heat exchanger module, the flow manifolds of the first heat exchanger module and the return manifolds of the adjacent second heat exchanger module having cooperating alignment aids ,
  • the adjustment aids facilitate the stacking of the heat exchanger modules.
  • the cooperating alignment aids are preferably a tongue and groove combination, with a flow manifold of the heat exchanger module having a groove or pin and a return manifold of the adjacent second heat exchanger module having a pin or pin cooperating with the groove or pin groove.
  • the pin can be designed as a spring element. Groove and pin can also be assembled in a heat exchanger module with the aid of an adhesive to improve the stability of the stack.
  • a sixth object of the present invention is a heat exchanger comprising two or more heat exchanger modules as described above.
  • the supply manifolds of a first heat exchanger module are fluidly connected to the return manifolds of an adjacent, second heat exchanger module and, if three or more heat exchanger modules are present, the
  • Return collection tubes of the first heat exchanger module fluidly with the flow distribution tubes of an adjacent, third heat exchanger module.
  • Two of the heat exchanger modules are terminal and terminate the stack, respectively, so that they have only one adjacent heat exchanger module.
  • the terminal heat exchanger modules have connecting means or flanges formed connecting means for supplying and discharging a tempering, each at a terminal flow distributor or
  • the heat exchangers of the invention allow due to their flexibility and realized in them Gegenstromkins an efficient, reliable and uniform cooling of the individual cells. They also have a low weight, which is particularly advantageous in mobile applications.
  • a seventh object of the present invention is an electrochemical energy storage device comprising a heat exchanger as described above, having two or more heat exchange tube bundles as described above, and two or more electrochemical storage cells (short: single cells), which form-fitting in spaces between the two or more Heat exchanger tube bundles are arranged.
  • the individual cells are electrically connected in series by means of pole connectors, the pole connectors passing through
  • Polanbverbinder screws are attached to the individual cells.
  • the pole connector screws are underlaid with at least one disc spring, preferably with three disc springs.
  • the inventive electrochemical energy storage supplies under normal operation reliable electrical energy, especially despite multiple shocks and jolts, as the underlying with disc springs Polverbinderschrauben not loosen even with shocks and shocks, but remain firmly in place and reliably maintain the electrical contact.
  • An eighth object of the present invention is a use of the electrochemical energy storage as described above for the on-board power supply of a vehicle and / or for the power supply of a drive device of a vehicle.
  • the use according to the invention is advantageous above all because the electrochemical energy store can be easily adapted to a wide range of performance requirements, for example by adding or removing heat exchanger modules. Furthermore, it has a low weight and is insensitive to shocks and shocks that are common in vehicles.
  • the vehicle may be a road vehicle (cars, trucks, commercial vehicles, tractors, buses, or the like) having one or more types of propulsion
  • Hybrid drive one of which includes an electric drive.
  • Such electric drives require a high degree of performance and dynamics and thus efficient temperature control of the individual cells of their electrochemical energy storage, which can be ensured with the present invention.
  • FIG. 1 a heat exchanger plate according to the invention
  • Fig. 2 two superposed invention
  • FIG. 3 is a detail of Fig. 2;
  • Fig. 4 is a section through an inventive
  • Fig. 5 is a section through an inventive
  • FIG. 6 shows a heat exchanger module according to the invention
  • 7 shows a frontal plan view of a heat exchanger module according to the invention
  • 8 shows a heat exchanger according to the invention
  • 9 is an exploded view of an electrochemical energy storage device according to the invention. 10 shows an inventive electrochemical
  • Polverbinderschrauben shows a pole connector screw for an electrochemical according to the invention
  • Fig. 12 shows a detail of an inventive
  • FIG. 13 shows a pressure welding apparatus according to FIG. 12 with inserted heat exchanger plates
  • FIG. FIG. 14 shows a pressure welding apparatus according to FIG. 12 in a first phase of closing
  • FIG. Fig. 15 is a pressure welding apparatus according to FIG. 12 in a second phase of closing, wherein only the features required for understanding the invention are indicated.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a first heat exchanger plate (1) made of PET-G.
  • This material is particularly suitable for the present invention because it is shatter-proof, readily bendable and deep-drawable, tackable, weldable, glycol-resistant and, moreover, since it does not absorb water, ie does not swell.
  • the heat exchanger plate (1) has a wave-shaped profile which is adapted to form-fitting to a series of cylindrical single cells (not shown). Further, the heat exchanger plate has fourteen incorporated during deep drawing parallel heat exchanger channels (2, 3), of which for the sake of clarity, only two are provided with a reference numerals.
  • the heat exchanger channels (2, 3) each have a longitudinal end punched through opening (4, 4 '), wherein in a pair of adjacent heat exchanger channels (2, 3), the openings (4, 4') are located at diametrical ends.
  • the openings (4, 4 ') of a heat exchanger plate (1) serve either as flow distributor openings or as
  • FIG. 2 shows a perspective view of two superimposed heat exchanger plates (1, Ia), wherein for reasons of representability, only the left and the right end is shown and a middle part was respectively omitted, which is due to the interruption of the heat exchanger Plates (1, Ia) in the region of the center is illustrated.
  • the upper heat exchanger plate (1) is not congruent with the lower (Ia), ie, the two heat exchanger plates (1, Ia) can not be converted into each other by any symmetry operation.
  • the profiles of the two heat exchanger plates (1, Ia) are identical, the arrangement of the openings (4, 4 ', 4a, 4a') is offset.
  • the upper heat exchanger plate (1) and the lower heat exchanger plate (Ia) VorlaufVerteiler micbrechungen (4a, 4a') (for clarity, are representative of all only two diametrical openings (4, 4 ', 4a, 4a') of a heat exchanger-channel pair (2, 3) of a heat exchanger plate (1, Ia) provided with reference numerals). This is illustrated by the arrows in the heat exchanger channels (2a, 3a), which illustrate the intended direction of flow of a tempering medium during normal operation.
  • the temperature control enters through the flow distributor openings (4a, 4a ') in the heat exchanger tubes and through the Return collecting apertures (4, 4 ') from the heat exchanger tubes, so that in adjacent heat exchanger tubes, the temperature control flows in the opposite direction (countercurrent principle) (this is shown in the section (Y) again enlarged, see FIG. 3).
  • the heat exchanger tubes result in the joining of the two heat exchanger plates (1, Ia) to a heat exchanger tube bundle from the opposite heat exchanger channels (2) and (2a) and (3) and (3a).
  • the joining takes place by first interposing the heat exchanger plates (1, 1a) in such a way that the heat exchanger channels (2) and (2a) coincide, as well as the heat exchanger channels (3) and (3a) and the webs (5, 5 ') and (5a, 5a') delimiting the heat exchanger channels adjoin one another. Thereafter, the two heat exchanger plates (1, Ia) along the webs (5, 5a, 5 ', 5a') and along its circumference by pressure welding temperature-moderately joined together.
  • the longitudinal direction of a heat exchanger tube bundle extends in or opposite to the intended flow directions in the heat exchanger tubes, as illustrated by the arrows.
  • the temperature control medium used is a solution of glycol in water which, depending on the requirement (for example with regard to the freezing point), can have a different concentration of glycol.
  • Fig. 3 shows the detail (Y) of Fig. 2 in an enlarged and clear form. To recognize are cutouts of the upper heat exchanger plate (1) with six return collection apertures (4) and the lower heat exchanger plate (Ia) with three
  • the arrows in the heat exchanger channels (2a, 3a) of the lower heat exchanger Plate (Ia) illustrate the intended for normal operation flow in the heat exchanger tube, which after joining the two heat exchanger plates (1, Ia) to a heat exchanger tube bundle from the heat exchanger channels (2) and (2a) and ( 3) and (3a) are formed: in the entrance area away from the flow distributor openings
  • Fig. 4 shows a section through the lower heat exchanger plate (Ia) according to FIG. 2, perpendicular to the longitudinal direction thereof. It can be seen fourteen heat exchanger channels (2a, 3a), of which for the sake of clarity, only two are provided with reference numerals.
  • the heat exchanger channels (2a, 3a) were incorporated by deep drawing in the heat exchanger plate (Ia) and are by webs (5a, 5a '), of which for clarity sake representative of all only two are provided with reference numerals, limited and from each other spaced.
  • Fig. 5 shows a similar to Fig. 4 section, but here by a heat exchanger tube bundle (6) according to the invention, which was prepared by joining an upper heat exchanger plate (1) with a lower heat exchanger plate (Ia).
  • the heat exchanger tubes (7, 8) are spaced apart by grooves formed by the webs (5 ') and (5a').
  • a heat exchanger tube is thereby formed by the channel bottoms (9, 9a) and the channel walls (10, 10 ', 10a, 10a').
  • the angle between the Channel bottom (9) and the channel walls (10, 10 ') and between the channel bottom (9a) and the channel walls (10a, 10a') 90 °, whereby pressure forces (represented by the two bold anti-parallel arrows) from the channel walls (10, 10a) and (10 ', 10a') can be easily absorbed and the heat exchanger tube bundle (6) receives a higher stability than if the angle were ⁇ 90 °. Nevertheless, it is preferred that this angle is ⁇ 90 °, since the heat exchanger tube bundle (6) is then more flexible and easier, ie with lower pressure forces, can be snuggled to individual cells.
  • Fig. 6 shows a heat exchanger module (11) according to the invention. It consists of a heat exchange tube bundle (6) with fourteen heat exchanger tubes (7, 8), i. seven pairs of adjacently arranged first (7) and second (8) heat exchanger tubes, of which, for reasons of clarity, are provided with a reference numeral for all but two, and two return collection tubes (12, 12 ') and two flow distributor tubes (13, 13'). ).
  • the return collection pipes (12, 12 ') are connected to the
  • Return collection openings (covered by the return collection pipes) fluidly and collect the temperature of the heat exchanger tubes (7, 8) exiting temperature control medium;
  • the flow distribution pipes (13, 13 ') with the Supply manifold openings (covered by the flow distribution pipes) fluidly connected and distribute the temperature control medium on the heat exchanger tubes (7, 8).
  • the postsanksammeirohre (12, 12 ') have connection means for discharging a tempering, which here as openings (14, 14', 14 '', 14 ''') respectively at the two longitudinal ends of the return collection tubes (12, 12') are.
  • the flow distribution pipes (13, 13 ') in an analogous manner openings, which act as connection means for supplying a tempering (not shown).
  • the heat exchanger module (6) is stackable, wherein adjacent heat exchanger modules (6) of a stack via the connection means for supply and discharge are fluidly interconnected so that the from a heat exchanger module (6) discharged temperature control an adjacent heat exchanger Module (6) can be fed.
  • the heat exchanger modules (6) may have adjusting aids, which help in the intended stacking of the heat exchanger modules (6) (not shown).
  • FIG. 7 shows a plan view of the end faces of two heat exchanger modules (6) according to the invention, which are prepared for stacking, arranged one above the other.
  • each a return collection pipe (12) and a flow distribution pipe (13) can be seen in both heat exchanger modules (6).
  • the flow distribution pipes (13) have grooves (15), of which, for the sake of clarity, only one is provided with a reference numeral for all.
  • the return collection tubes (12) have pins (16), of which, for the sake of clarity, only one is provided with a reference numeral for all. Grooves (15) and pins (16) are designed to co-operate in stacking and help to maintain adjacent heat exchanger surfaces. To steer modules (6) in the intended position and to hold it in, for example by snapping.
  • the pins (16) can also be designed as spring elements.
  • the pins (16) and the grooves (15) can also be joined together with the aid of an adhesive.
  • Fig. 8 shows a perspective view of a heat exchanger (17) according to the invention.
  • the heat exchanger modules (11) are, as described in FIG. 6, fluidly connected to each other.
  • the terminal heat exchanger modules (11) have connection means for supplying and discharging a tempering medium, which are designed as connecting pieces (18, 18 ', 18'',18''') and at the terminal flow distributor (13, 13 '). and return manifolds (12, 12 ') are mounted.
  • the heat exchanger tube bundles (6) of the five heat exchanger modules (11) form four rows of cylindrical interstices into which cylindrical individual cells for temperature control (ie cooling or heating) can be fitted in a form-fitting manner (not shown). It is envisaged that the countercurrent principle is met not only in adjacent heat exchanger tubes of a heat exchanger tube bundle (6), but also in adjacent heat exchanger tube bundles (6).
  • the temperature control medium alternately flows in opposite directions in all planes, so that all of them abut against an individual cell inserted into an interspace of the heat exchanger (17)
  • Heat exchanger channels alternately different tempering medium flows exist in all directions.
  • FIG. 9 shows in an exploded view an electrochemical energy store (19) according to the invention with a heat exchanger (17) according to the invention according to FIG. 8, four adjacent rows of a total of thirty-four individual cells (20), of which, for the sake of clarity, represent only one with a reference numeral is provided, and other components for a housing, which will not be discussed further for lack of essential importance for the present invention.
  • FIG. 10 shows the electrochemical energy store (19) according to FIG. 9 in the assembled state. Furthermore, the series electrical connection of the thirty-four single cells (20) can be seen. For this purpose, thirty-three electrically conductive pole connectors (21) are used, of which only one is provided with a reference numerals for all of them. The pole connectors (21) are fastened to the individual cells (more precisely to the poles of the individual cells) by means of pole connector screws (22), one of which is provided with a reference number for all but one.
  • Fig. 11 shows a pole connector screw (22) in detail. It is a cross section shown.
  • the pole connector screw (22) is underlaid with three disc springs (23). This causes a vibration-resistant screw, ie a tight fit of the terminal connector screw (22) even after a variety of shocks and shocks, so that the electrical contact between the individual cells even in rough operating conditions of the electrochemical energy storage, eg on board a vehicle, is maintained and ensures its performance.
  • Fig. 12 shows a part of a pressure welding device (24) according to the invention in the open state, with the two heat exchanger plates can be assembled to form a heat exchanger tube bundle according to the invention.
  • the pressure welding device (24) has a Sch accessibilitypatrize (25) and a Sch geometrymatrize (26) and a pressure plate (27) and a base body (28) which are arranged between the Sch reliepatrize (25) and the Sch geometrymatrize (26).
  • Sch spallitrize (25) and Sch caskin (26) each have fifteen welding webs (29, 30), of which for the sake of clarity representative of all but two are provided with a reference numeral, wherein the welding webs (29) of the Sch resolutionpatrize (25) the welding webs ( 30) of the welding die (26) are arranged opposite one another and which are provided to encompass an intended weld seam on both sides in the closed state of the pressure welding device (24).
  • the welding webs (29, 30) heating strips are incorporated and coated with Teflon, so they are well after a welding process of the machined workpiece, the heat exchanger tube bundle produced solve (not shown).
  • the pressure plate (27) and the main body (28) each have to the welding webs (29, 30) complementary slots (31, 32) through which the welding webs (29, 30) engage in the closed state of the pressure welding device (24).
  • the main body (28) also has a stop bar (33), with the aid of which the heat exchanger plates to be welded can be aligned when inserted into the device, ie can be brought into the intended position.
  • the base body (28) has four centering bolts (34) attached to its corners, from which, for the sake of clarity, is representative of all but one provided with a reference numeral.
  • the centering pins (34) engage in closing the device in complementary centering holes (35), of which the sake of clarity is provided for all but one with a reference numeral, the pressure plate (27) and thus help in precise centering of body (28) and pressure plate (27).
  • the centering bolts (34) furthermore have two sections with different diameters: a first section with a diameter complementary to the diameter of the complementary centering bore (35) so that the first section can engage in the complementary centering bore (35); and a second section with a larger diameter.
  • the centering pins (34) thereby act in addition like spacers, which ensure that in the closed state of the device between the base body (28) and pressure plate (27) remains a distance into which a heat exchanger tube bundle fits, so that the base body (28) and Cling pressure plate (27) on both sides to an inserted heat exchanger tube bundle and do not crush the heat exchanger tube bundle, in particular its heat exchanger tubes.
  • Pressure welding device (24) is further designed so that all required welds can be generated in a single stroke.
  • the pressure welding device according to the invention has other components which contribute nothing essential to the invention and which are known in principle to those skilled in the art. They are therefore not shown or explained in greater detail for the sake of clarity.
  • FIG. 13 shows the pressure welding device (24) from FIG. 12 with inserted heat exchanger plates to be welded (FIG. 1, FIG. Ia). It can be seen that the surfaces of the four components (25, 26, 27, 28) reproduce the profile of the respectively facing surface of the inserted heat exchanger plates (1, Ia).
  • Fig. 14 shows the pressure welding device (24) of Fig. 13, wherein in a first phase of closing the device, the base body (28) and the pressure plate (27) were moved towards each other and closed. It can be seen how the centering pins (34) pass through the centering holes (35).
  • Fig. 15 shows the pressure welding apparatus (24) of Fig. 14, wherein in a second phase of closing the apparatus, the welding die (25) and the welding die (26) have been moved towards each other (closed) and closed.
  • the portions of the heat exchanger plates (1, la) to be welded are treated with pressure and heat to produce the intended welds.
  • Both pressure and heat are transferred via the welding webs of the welding die 25 and the welding die 26, in that opposite welding webs of the welding die 25 and the welding die 26 (see Fig. 12) compress the regions to be welded on both sides and heat them with the help of heating tapes.
  • a welding operation with insertion and alignment of the workpieces (1, Ia), closing the pressure welding device (24), generating All required welds, opening the pressure welding device (24) and ejecting the semi-finished product (6) produced (short: stroke) takes between 1 and 20 seconds, preferably 1 to 5 seconds and is thus well suited for integration into a series production.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher- Rohrbündels für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern vorgeschlagen, bei dem man a) zwei tiefziehbare Materialstreifen bereitstellt; b) durch Tiefziehen die vorgesehenen Wärmetauscher-Kanäle und das vorgesehene Profil in die Materialstreifen einarbeitet; c) in einen ersten Materialstreifen aus Schritt b) die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen Vorlauf verteilerdurchbrechungen einarbeitet (erste Wärmetauscher-Platte) und in einen zweiten Materialstreifen aus Schritt b) die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen Rücklauf sammeldurchbrechungen (zweite Wärmetauscher-Platte); d) die erste und die zweite Wärmetauscher-Platte aus Schritt c) so fluchtend anordnet, dass die Stege der beiden Wärmetauscher-Platten aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden; e) die angeordneten Wärmetauscher-Platten aus Schritt d) zusammenfügt, um ein Wärmetauscher-Rohrbündel zu bilden. Ferner wird ein dazu alternatives Verfahren vorgeschlagen, eine Pressschweißvorrichtung für die Verfahren, ein Wärmetauscher-Rohrbündel erhältlich nach den Verfahren, ein Wärmetauscher-Modul mit solchen Wärmetauscher-Rohrbündel, ein Wärmetauscher mit zwei oder mehr derartigen Wärmetauscher- Modulen, ein elektrochemischer Energiespeicher mit einem derartigen Wärmetauscher sowie eine Verwendung für derartige elektrochemischen Energiespeicher.

Description

DaimlerChrysler AG
Wärmetauscher mit tiefgezogenen Wärmetauscher-Platten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Rohrbündels für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern, ein dazu alternatives Verfahren, eine Pressschweißvorrichtung zur Durchführung einer Variante der Verfahren, ein Wärmetauscher-Rohrbündel erhältlich nach den Verfahren, ein Wärmetauscher-Modul mit einem derartigen Wärmetauscher-Rohrbündel, einen Wärmetauscher mit zwei oder mehr derartigen Wärmetauscher- Modulen, einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem derartigen Wärmetauscher sowie eine Verwendung für einen derartigen elektrochemischen Energiespeicher. Diese Gegenstände sind auf dem Gebiet der Herstellung und der Verwendung elektrochemischer Energiespeicher gewerblich einsetzbar .
Moderne elektrochemische Hochleistungsenergiespeicher (kurz: Hochleistungsbatterien), wie z.B. Nickelmetallhydrid- Batterien und Lithiumionen-Batterien, erfordern nicht nur ein ausgefeiltes Batteriemanagement, sondern auch eine effiziente Temperierung der einzelnen elektrochemischen Speicherzellen (kurz: Einzelzellen), um eine möglichst gute Leistung des elektrochemischen Energiespeichers zu gewährleisten und Schäden an ihm zu verhindern. Ein derartiger elektrochemischer Energiespeicher geht aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 005 394 Al hervor. Der elektrochemische Energiespeicher weist Wärmetauscher- Module (dort Wärmeaustauschereinheiten genannt) auf, zwischen dessen Wärmetauscher-Rohrbündeln (dort Wärmeaustauscherkanäle genannt) mehrere Einzelzellen jeweils in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet werden können. Die Wärmetauscher-Module, Wärmetauscher-Rohrbündel sowie VorlaufVerteiler- und Rücklaufsammelrohre (dort Umströmungs- Verteilerkanäle genannt) usw. sind von einem Temperiermedium durchströmbar .
Die Wärmetauscher-Rohrbündel werden dabei üblicherweise aus spritzgegossenen Kunststoffplatten mit wellenförmigem Profil hergestellt, in die Wärmetauscher-Kanäle eingefräst werden, wobei benachbarte Wärmetauscher-Kanäle jeweils durch Stege aus beim Fräsen nicht entferntem Material voneinander bzw. von der Umgebung getrennt sind. Zwei gefräste Platten werden dann so übereinander angeordnet, dass Fräsung über Fräsung und Steg an Steg zu liegen kommen. Anschließend werden die Platten im Bereich der aneinander anliegenden Stege durch Laserschweißen zusammengefügt.
Dieses Verfahren ist mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. So lassen sich z.B. spritzgegossene Kunststoffplatten nur schwer in eine Serienproduktion integrieren. Außerdem ist das Fräsen der gewellten Kunststoffplatten aufwändig und führt zu einer hohen Ausschussquote, die unter ungünstigen Umständen bis zu 40 % betragen kann. Ferner ist das Laserschweißen wegen des wellenförmigen Profils der spritzgegossenen Kunststoffplatten ebenfalls aufwändig und fehleranfällig. So reicht beispielsweise eine nur geringfügige Abweichung der Kunststoffplatten von dem idealen Wellenprofil aus, um Schweißfehler zu verursachen, durch die die Wärmetauscher- Rohre gegeneinander oder die Wärmetauscher-Rohrbündel gegenüber ihrer Umgebung undicht werden. Darüber hinaus sind die zusammengefügten Wärmetauscher-Rohrbündel durch die beim Fräsen stehen gebliebenen Stege zwar einerseits gegenüber nach innen gerichteten Druckkräften sehr stabil, andererseits aber auch sehr inflexibel. Dadurch müssen Wärmetauscher- Rohrbündel und Einzelzellen mit verhältnismäßig hoher Kraft aneinander gedrückt werden, um einen möglichst guten wärmeleitenden, d.h. insbesondere spaltfreien bzw. formschlüssigen, Kontakt zwischen Wärmetauscher-Rohrbündel und Einzelzellen herzustellen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Rohrbündels für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern, bei denen mehrere elektrochemische Speicherzellen (kurz: Einzelzellen) in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen den benachbarten Reihen sich formschlüssig an die Einzelzellen anschmiegende Wärmetauscher-Rohrbündel angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf, bei denen man a) zwei tiefziehbare Materialstreifen, z.B. Platten oder Zuschnitte, bereitstellt; b) durch Tiefziehen zumindest den oder die vorgesehenen Wärmetauscher-Kanal oder -Kanäle und das vorgesehene Profil in die Materialstreifen einarbeitet; c) in einen ersten Materialstreifen aus Schritt b) die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen
Vorlaufverteilerdurchbrechungen einarbeitet, um eine erste Wärmetauscher-Platte zu erhalten und in einen zweiten Materialstreifen aus Schritt b) die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen
Rücklaufsammeidurchbrechungen, um eine zweite Wärmetauscher- Platte zu erhalten; d) die erste und die zweite Wärmetauscher-Platte aus Schritt c) so fluchtend anordnet, dass die Stege der beiden Wärmetauscher-Platten aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die Vorlaufverteilerdurchbrechungen und die RücklaufSammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen; e) die angeordneten Wärmetauscher-Platten aus Schritt d) zusammenfügt, um ein Wärmetauscher-Rohrbündel zu bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr schnell und arbeitet mit einer Ausschussquote von annähernd 0 %. Ferner lässt es sich gut in eine Serienproduktion integrieren, indem es beispielsweise als kontinuierliches Verfahren ausgelegt wird, bei dem die erforderlichen Materialstreifen durch Zuschneiden von Rollenware gewonnen werden. Ferner ist es hinsichtlich des in die Materialstreifen durch Tiefziehen einzuarbeitenden Profils sehr flexibel. Dieses Profil muss komplementär zu der geometrischen Form der Einzelzellen sein, deren Einsatz geplant ist, um zu gewährleisten, dass das hergestellte Wärmetauscher-Rohrbündel möglichst gut wärmeleitend, d.h. insbesondere formschlüssig bzw. spaltfrei, an die Einzelzellen anschmiegbar ist. In Frage kommende Einzelzellen können eine Vielzahl an geometrischen Formen aufweisen. Übliche elektrochemische Einzelzellen, beispielsweise vom Typ Nickelmetallhydrid, weisen jedoch eine zylindrische Form auf, sodass als dazu komplementäres Profil v.a. ein wellenförmiges Profil in Schritt b) in die Materialstreifen eingearbeitet werden muss.
Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein zum ersten Gegenstand alternatives Verfahren, bei dem Schritt b) und c) vertauscht sind. Das alternative Verfahren weist demnach die Schritte auf, dass man a) zwei tiefziehbare Materialstreifen bereitstellt; b) in einen ersten Materialstreifen die für das Wärmetauseher-Rohrbündel vorgesehenen
VorlaufVerteilerdurchbrechungen einarbeitet und in einen zweiten Materialstreifen die für das
Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen
RücklaufSammeldurchbrechungen; c) durch Tiefziehen zumindest den oder die vorgesehenen Wärmetauscher-Kanal oder -Kanäle und das vorgesehene Profil in den ersten Materialstreifen und den zweiten Materialstreifen aus Schritt b) einarbeitet, um eine erste und eine zweite Wärmetauscher-Platte zu erhalten; d) die erste und die zweite Wärmetauscher-Platte aus Schritt c) so fluchtend anordnet, dass die Stege der beiden Wärmetauscher-Platten aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die VorlaufVerteilerdurchbrechungen und die RücklaufSammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen; e) die angeordneten Wärmetauscher-Platten aus Schritt d) zusammenfügt, um ein Wärmetauscher-Rohrbündel zu bilden.
Während das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem ersten Gegenstand den Vorteil hat, dass beim Tiefziehen (Schritt b) ) nur eine Art von Materialstreifen gehandhabt werden muss, hat das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem zweiten Gegenstand den Vorteil, dass beim Einarbeiten der Durchbrechungen (Schritt b) ) nur eine Art von Materialstreifen gehandhabt werden muss . Je nach dem wie die Materialstreifen bearbeitet werden müssen, kann daher einmal das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem ersten Gegenstand oder das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem zweiten Gegenstand vorteilhaft sein.
Die tiefziehbaren Materialstreifen für Schritt a) des Verfahrens können vorzugsweise durch Zuschneiden von Rollenware gewonnen werden. Dadurch kann das Verfahren besonders vorteilhaft in eine Serienproduktion integriert werden .
Die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen Kanäle, Nuten und Stege können allesamt beim Tiefziehschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens eingearbeitet werden. Dadurch können weitere, das Verfahren komplizierende und verzögernde Verfahrensschritte eingespart werden, bei denen ansonsten etwa erforderliche Kanäle, Nuten und Stege eingearbeitet werden müssten.
Ferner können die VorlaufVerteilerdurchbrechungen und die RücklaufSammeldurchbrechungen durch Stanzen eingearbeitet werden, wobei vorzugsweise zusätzlich sonstiges, unnötiges oder überstehendes Material von den Materialstreifen entfernt wird. Dies ermöglich eine besonders einfache und schnelle Einarbeitung von Durchbrechungen und vorzugsweise Entfernung von überstehendem Material .
Das Verfahren kann darüber hinaus noch weiter vereinfacht und beschleunigt werden, wenn man das Tiefziehen und das Stanzen in einem Schritt durchführt. Beim Zusammenfügen der Wärmetauscher-Platten in Schritt e) ist es bevorzugt, wenn man sie so zusammenfügt, dass die Wärmetauscher-Rohre gegeneinander und das Wärmetauscher- Rohrbündel entlang seines Umfangs gegenüber der Umgebung zumindest temperiermediumdicht (d.h. dicht gegenüber dem Temperiermedium) abgedichtet werden, und es ist weiter bevorzugt, wenn sie fluiddicht (d.h. dicht gegenüber Flüssigkeiten und Gasen) , abgedichtet werden, um im Betrieb ein Verlust an Temperiermedium und eine damit verbundene Verschlechterung der Temperierung zu verhindern.
Dabei fügt man die Wärmetauscher-Platten in Schritt e) vorzugsweise durch Pressschweißen zusammen, weiter bevorzugt durch Heizelementschweißen und insbesondere durch direktes Heizelementschweißen. Diese Schweißvarianten haben im Vergleich zum Laserschweißen den Vorteil, dass sie bei den hier zu verschweißenden Werkstücken (Wärmetauscher-Platten) mit wellenförmigem Profil weniger aufwändig und fehleranfällig sind. So tolerieren sie beispielsweise geringfügige Abweichung der wellenförmigen Wärmetauscher- Platten, indem diese Abweichungen beim Schließen bzw. Zufahren des Pressschweiß-Werkzeugs ausgeglichen werden. Dadurch treten kaum Schweißfehler auf, sodass die erzeugten Wärmetauscher-Rohrbündel keine oder zumindest annähernd keine Undichtigkeiten aufweisen. Ferner ermöglichen diese Schweißvarianten ein besonders schnelles Zusammenfügen der beiden Wärmetauscher-Platten innerhalb von wenigen Sekunden (vorzugsweise weniger als 20 s, insbesondere weniger als 5 s), was eine kostengünstige Serienproduktion des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Rohrbündels begünstigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch weiter verbessert werden, dass man die Wärmetauscher-Platten in Schritt e) durch vollmechanisches oder automatisches Schweißen zusammenfügt. Dadurch kann das Verfahren noch weiter vereinfacht und beschleunigt werden.
Ein dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Pressschweißvorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wobei die Vorrichtung erfindungsgemäß so ausgebildet ist, dass sämtliche Schweißnähte zum Zusammenfügen von zwei Wärmetauscher-Platten zu einem Wärmetauscher-Rohrbündel und zum Abdichten der Wärmetauscher-Rohre gegeneinander und des Wärmetauscher- Rohrbündels entlang seines Umfangs gegenüber der Umgebung in einem einzigen Schweißvorgang (kurz: Hub) erzeugbar sind.
Die erfindungsgemäße Pressschweißvorrichtung ermöglicht dadurch eine besonders schnelle und effiziente Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und begünstigt damit dessen Auslegung als kostengünstige Serienproduktion.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pressschweißvorrichtung weist eine Schweißpatrize bzw. einen Schweißstempel und eine Schweißmatrize auf, die zum Schließen der Vorrichtung für einen Schweißvorgang aufeinander zu bewegbar sind. Die Oberfläche der Schweißpatrize und die Oberfläche der Schweißmatrize formen das Profil der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche eines zusammengefügten Wärmetauscher-Rohrbündels nach bzw. folgen dem Profil nach, sodass die Schweißpatrize und die Schweißmatrize sich im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung an das Wärmetauscher-Rohrbündel anschmiegen. Die Schweißpatrize und/oder die Schweißmatrize weist oder weisen ferner in dem Bereich, der im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung an die Schweißnähte des Wärmetauscher-Rohrbündels angrenzt, zumindest ein Heizelement auf. Mit einer derartigen Pressschweißvorrichtung können Schweißnähte auf profilierten Werkstücken auf thermische Art und Weise schnell und präzise erzeugt werden. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren noch schneller und noch effizienter durchgeführt werden.
Bei einer Weiterbildung dieser Pressschweißvorrichtung weist die Schweißpatrize Schweißstege auf, die Schweißstegen der Schweißmatrize gegenüberliegen, wobei die Schweißstege dem Profil des Wärmetauscher-Rohrbündels folgen, sodass sie sich im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung beidseitig an die Schweißnähte der Wärmetauscherohr-Einheit anschmiegen. Mit Hilfe der Schweißstege können die vorgesehenen Schweißnähte bei einem einzigen Hub besonders schnell, effizient und präzise hergestellt werden.
Dabei ist das zumindest eine Heizelement an den Schweißstegen der Schweißpatrize und/oder der Schweißmatrize angeordnet, d.h. angebracht oder eingearbeitet, vorzugsweise an den Stirnseiten der Schweißstege. Insbesondere ist das zumindest eine Heizelement entlang der Stirnseiten der Schweißstege in die Schweißstege eingearbeitet. Dies verbessert die schnelle, effiziente und präzise Herstellung der vorgesehenen Schweißstege weiter.
Bei dem zumindest einen Heizelement handelt es sich vorzugsweise um einen Heizwiderstand, insbesondere um ein Heizband oder ein Heizdraht, der oder das den Stirnseiten der Heizstege folgt. Das Heizelement ist dabei vorzugsweise mit einem inerten Kunststoff beschichtet, insbesondere mit Polytetrafluorethylen (kurz: PTFE, z.B. Teflon der Fa. DuPont) , damit die Schweißstege beim Öffnen der Pressschweißvorrichtung leicht von dem zusammengefügten Wärmetauscher-Rohrbündel trennbar sind. Eine weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pressschweißvorrichtung weist Mittel zum Ausrichten von zwei zusammenzufügenden Wärmetauscher-Platten auf, wobei die Mittel zwischen der Schweißpatrize und der Schweißmatrize angeordnet sind. Damit können die beiden zusammenzufügenden Wärmetauscher-Platten vor und/oder während eines Pressschweißvorgangs automatisch in die bestimmungsgemäße Position gebracht und wie vorgesehen gegeneinander angeordnet bzw. orientiert werden. Dies ermöglicht eine weitere Beschleunigung und Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens und fördert somit dessen Auslegung als kostengünstige Serienproduktion.
Die Mittel zum Ausrichten umfassen dabei vorzugsweise einen der Schweißmatrize zugewandten Grundkörper und eine der Schweißpatrize zugewandte Druckplatte, die zum Schließen der Vorrichtung für einen Schweißvorgang (kurz: Hub) aufeinander zu bewegbar sind, wobei die Oberfläche des Grundkörpers und die Oberfläche der Druckplatte das Profil der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche eines Wärmetauscher-Rohrbündels nachformen, sodass der Grundkörper und die Druckplatte sich im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung an das Wärmetauscher-Rohrbündel anschmiegen. Der Grundkörper weist ferner Schlitze auf, die Schlitzen der Druckplatte gegenüber liegen, wobei die Stege der Schweißpatrize im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung durch die Schlitze des Druckplatte hindurch greifen, ebenso wie die Stege der Schweißmatrize durch die Schlitze des Grundkörpers. Die Druckplatte zentriert die beiden zusammenzufügenden Wärmetauscher-Platten auf dem Grundkörper mithilfe einer definierten, vorbestimmten Druckkraft und bewirkt somit eine automatische Anordnung der beiden Wärmetauscher-Platten in der vorgesehenen Lage zueinander. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren noch weiter vereinfacht und beschleunigt werden.
Die Mittel zum Ausrichten können ferner zumindest eine an dem Grundkörper angebrachte Anschlagleiste umfassen. Die Anschlagleiste dient als Anschlag für die beiden zusammenzufügenden Wärmetauscherplatten, um eine noch schnellere und präzisere Anordnung der beiden Wärmetauscherplatten zu ermöglichen.
Eine weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Pressschweißvorrichtung weist Mittel zum Zentrieren der Druckplatte und des Grundkörpers beim Schließen der Vorrichtung auf. Damit kann ein zuverlässigeres präziseres Schließen der Pressschweißvorrichtung gewährleistet werden, wodurch die Pressschweißvorrichtung mit ihren ineinander greifenden Bauteilen schneller schließbar ist und das erfindungsgemäße Verfahren somit beschleunigt werden kann.
Die Mittel zum Zentrieren umfassen dabei vorzugsweise zumindest einen Zentrierbolzen und eine Zentrierbohrung, die beim Schließen der Vorrichtung so zusammenwirken, dass Druckplatte und Grundkörper in die vorgesehene Position geführt werden.
Dabei kann es sich vorzugsweise um vier auf dem Grundkörper angebrachte oder ausgeformte Zentrierbolzen handeln, die in Ecken des Grundkörpers angeordnet sind und die beim Schließen der Vorrichtung in vier in die Druckplatte eingearbeitete Zentrierbohrungen eingreifen.
Die Zentrierbolzen können außerdem in der Art eines Abstandshalters ausgebildet sein, sodass in der geschlossenen Vorrichtung ein vorbestimmter Abstand zwischen Druckplatte und Grundkörper gegeben ist, in den ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Rohrbündel hineinpasst .
Ein vierter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher-Rohrbündel, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist. Erfindungsgemäß ist das Wärmetauscher-Rohrbündel aus einer ersten tiefgezogenen Wärmetauscher-Platte und einer zweiten tiefgezogenen Wärmetauscher-Platte gebildet, von denen jede zumindest zwei durch Stege voneinander beabstandete Wärmetauscher-Kanäle aufweist, wobei die zwei Wärmetauscher-Platten so fluchtend angeordnet sind, dass die Wärmetauscher-Kanäle einander gegenüber liegen und die Stege aneinander grenzen, sodass die Wärmetauscher-Kanäle der ersten Wärmetauscher-Platte mit den gegenüber liegenden Wärmetauscher-Kanälen der zweiten Wärmetauscher-Platte Wärmetauscher-Rohre bilden, die durch Nuten, die von den Stegen und den daran angrenzenden Kanalwänden gebildet sind, voneinander beabstandet sind. Das Wärmetauscher-Rohrbündel weist ferner ein Profil auf, das so geformt ist, dass es zwischen benachbarten Reihen mehrerer elektrochemischer Speicherzellen (kurz: Einzelzellen), die in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet sind, formschlüssig an die Einzelzellen anschmiegbar ist.
Das erfindungsgemäße Wärmetauscher-Rohrbündel weist keine oder zumindest annähernd keine Undichtigkeiten auf. Ferner ist es im Vergleich zu Wärmetauscher-Rohrbündeln aus Wärmetauscher-Platten mit gefrästen Wärmetauscher-Kanälen flexibler, da es im Bereich der Stege zwischen den Wärmetauscher-Rohren eine geringere Materialdicke aufweist. Dadurch ist eine geringere Druckkraft erforderlich, um das erfindungsgemäße Wärmetauscher-Rohrbündel spaltfrei, d.h. möglichst gut wärmeleitend an die zu temperierenden Einzelzellen zu drücken. Da beim Andrücken bzw. Anschmiegen des erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Rohrbündels weniger Druckkraft eingesetzt werden muss, um einen gut wärmeleitenden Kontakt herzustellen, besteht auch eine geringere Gefahr der Querschnittsveränderungen der Wärmetauscher-Rohre, die zu einer Beeinträchtigung der Temperierung führen könnte.
Ein Wärmetauscher-Rohr des erfindungsgemäßen Wärmetauscher- Rohrbündels ist dabei aus den Böden und den Wänden der einander gegenüber liegenden Wärmetauscher-Kanäle gebildet, wobei sich die Wände zwischen den Böden und den Stegen erstrecken und winkelig zu diesen ausgerichtet sind. Dadurch ist das Wärmetauscher-Rohrbündel noch flexibler und kann mit noch weniger Druckkraft noch besser wärmeleitend an die Einzelzellen gedrückt bzw. an diese angeschmiegt werden.
Bei einer ersten Weiterbildung beträgt der Winkel zwischen einer Wand und dem Boden eines Wärmetauscher-Kanals sowie zwischen der Wand und dem angrenzenden Steg 90°. Dies verleiht den einzelnen Wärmetauscher-Rohren im Bereich ihrer Wände mehr Stabilität, sodass das Wärmetauscher-Rohrbündel insgesamt erhebliche Druckkräfte aufnehmen kann, ohne dass es zu Querschnittsveränderungen in den Wärmetauscher-Rohren kommt .
Bei einer alternativen, zweiten Weiterbildung beträgt der Winkel zwischen einer Wand und dem Boden eines Wärmetauscher- Kanals sowie zwischen der Wand und dem angrenzenden Steg weniger als 90°, bevorzugt 45 bis 89°, besonders bevorzugt 60 bis 75°. Dadurch weisen die Wärmetauscher-Rohre zwar eine geringere Stabilität auf, dafür weist aber das Wärmetauscher- Rohrbündel insgesamt eine höhere Flexibilität auf, sodass weniger Druckkräfte angewendet werden müssen, um Einzelzellen und Wärmetauscher-Rohrbündel gut wärmeleitend aneinander zu drücken bzw. zu schmiegen.
Es ist auch möglich, dass der Winkel bei einigen Wärmetauscher-Kanälen 90° beträgt und bei anderen weniger als 90°, wobei auch die Abweichung von 90° variabel sein kann.
Die Wärmetauscher-Platten sind im Bereich der Stege und im Bereich ihres Umfangs vorzugsweise so zusammengefügt, dass die Wärmetauscher-Rohre temperiermediumdicht, bevorzugt fluiddicht, gegeneinander und gegenüber der Umgebung des Wärmetauscher-Rohrbündels abgedichtet sind, um im Betrieb ein Verlust an Temperiermedium und eine damit Verschlechterung der Temperierung zu verhindern.
Die Wärmetauscher-Rohrbündel sind vorzugsweise aus einem tiefziehbaren, temperiermediumbeständigen Kunststoff gebildet. Derartige Materialien haben den Vorteil, dass sie leicht verfügbar sind, ferner leicht bearbeitbar, im Allgemeinen elektrisch isolierend, ein geringes Gewicht aufweisen (was insbesondere für mobile Anwendungen z.B. in einem Fahrzeug von großer Bedeutung ist) sowie eine lange Haltbarkeit haben.
Als geeignete Materialien haben sich dabei insbesondere aromatische Polyester, aromatische Polysulfide oder aromatische Polyetherketone oder Mischungen daraus erwiesen, bevorzugt PET-G, PPS oder PEEK oder Mischungen daraus, besonders bevorzugt PET-G.
Ein fünfter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher-Modul umfassend ein Wärmetauscher-Rohrbündel wie vorstehend beschrieben. Erfindungsgemäß weist das Wärmetauscher-Modul ein oder mehr Paare benachbart angeordneter erster und zweiter Wärmetauscher-Rohre auf, wobei jedes Wärmetauscher-Rohr im Eingangsbereich eine VorlaufVerteilerdurchbrechung aufweist, die in der ersten Wärmetauscher-Platte ausgebildet ist, und im Ausgangsbereich eine Rücklaufsammeidurchbrechung, die in der zweiten Wärmetauscher-Platte ausgebildet ist. Dabei ist in benachbarten Wärmetauscher-Rohren jeweils die VorlaufVerteilerdurchbrechung eines ersten Wärmetauscher- Rohrs neben der RücklaufSammeldurchbrechung eines zweiten Wärmetauscher-Rohrs angeordnet und die Vorlaufverteiler- oder Rücklaufsammeidurchbrechung des ersten Wärmetauscher-Rohrs diametral zu der Vorlaufverteiler- oder
RücklaufSammeldurchbrechung des zweiten Wärmetauscher-Rohrs, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb die Fluidströmung in benachbarten Wärmetauscher-Rohren gegenläufig ist (kurz: Gegenstromprinzip) . Ferner sind die
VorlaufVerteilerdurchbrechungen der ersten Wärmetauscher- Rohre mit einem ersten Vorlaufverteilerrohr fluidisch verbunden und die Vorlaufverteilerdurchbrechungen der zweiten Wärmetauscher-Rohre mit einem zweiten Vorlaufverteilerrohr sowie die Rücklaufsammeidurchbrechungen der ersten Wärmetauscher-Rohre mit einem ersten Rücklaufsammelrohr und die RücklaufSammeldurchbrechungen der zweiten Wärmetauscher- Rohre mit einem zweiten Rücklaufsammelrohr . Außerdem weisen die Vorlaufverteiler- und Rücklaufsammelrohre Anschlussmittel zum Zu- und Abführen eines Temperiermediums auf.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Module lassen sich auf einfache Weise zu Wärmetauschern kombinieren. Sie können ferner aufgrund ihres Profils und ihrer Flexibilität auf einfache Weise gut wärmeleitend an Einzelzellen angeschmiegt werden und gewährleisten aufgrund des in ihnen verwirklichten Gegenstromprinzips eine effiziente, zuverlässige und gleichmäßige Kühlung der Einzelzellen. Das Wärmetauscher-Modul ist vorzugsweise so stapelbar ausgebildet, dass zwischen jeweils zwei gestapelten Wärmetauscher-Modulen Zwischenräume gegeben sind, in denen Einzelzellen formschlüssig anordenbar sind. Damit kann eine besonders effiziente und Platz sparende Kühlung einer größeren Anzahl an Einzelzellen erreicht werden.
Bei einer Weiterbildung umfassen die Anschlussmittel zum Zu- und Abführen eines Temperiermediums Mittel, mit denen die Vorlaufverteilerrohre eines erste Wärmetauscher-Moduls eines Wärmetauscher-Modul-Stapels mit den Rücklaufsammelrohren eines benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls fluidisch verbindbar sind sowie die Rücklaufsammelrohre des ersten Wärmetauscher-Moduls mit den Vorlaufverteilerrohren eines benachbarten, dritten Wärmetauscher-Moduls. Die endständigen Wärmetauscher-Module eines Wärmetauscher-Modul-Stapels können ferner Anschlussstutzen für die Zu- bzw. Abführung von Temperiermedium aufweisen, die vorzugsweise jeweils an einem Vorlaufverteiler- bzw. Rücklaufsammelrohr angebracht sind. Damit kann eine besonders effiziente Verteilung des Temperiermediums und eine besonders gleichmäßige Temperierung der Einzelzellen erreicht werden.
Die Vorlaufverteilerrohre eines ersten Wärmetauscher-Moduls in einem Wärmetauscher-Modul-Stapel liegen dabei vorzugsweise an den Rücklaufsammeirohren eines benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls an, wobei die Vorlaufverteilerrohre des ersten Wärmetauscher-Moduls und die Rücklaufsammelrohre des benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls zusammenwirkende Justierhilfen aufweisen. Die Justierhilfen erleichtern die Stapelung der Wärmetauscher-Module. Bei den zusammenwirkenden Justierhilfen handelt es sich vorzugsweise um eine Nut-Stift-Kombination, wobei ein Vorlaufverteilerrohr des Wärmetauscher-Moduls eine Nut oder einen Stift aufweist und ein Rücklaufsammelrohr des benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls ein mit der Nut oder dem Stift zusammenwirkenden Stift oder zusammenwirkende Nut. Der Stift kann dabei als Federelement ausgebildet sein. Nut und Stift können ferner in einem Wärmetauscher-Modul mit Hilfe eines Klebstoffs zusammengefügt sein, um die Stabilität des Stapels zu verbessern.
Ein sechster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher umfassend zwei oder mehr Wärmetauscher-Module wie vorstehend beschrieben. Erfindungsgemäß sind die Vorlaufverteilerrohre eines ersten Wärmetauscher-Moduls fluidisch mit den Rücklaufsammeirohren eines benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls verbunden und, sofern drei oder mehr Wärmetauscher-Module vorhanden sind, die
Rücklaufsammelrohre des ersten Wärmetauscher-Moduls fluidisch mit den Vorlaufverteilerrohren eines benachbarten, dritten Wärmetauscher-Moduls. Zwei der Wärmetauscher-Module sind endständig angeordnet und schließen den Stapel jeweils ab, sodass sie nur ein benachbartes Wärmetauscher-Modul haben. Die endständigen Wärmetauscher-Module weisen als Anschlussstutzen oder -Flansche ausgebildete Anschlussmittel zum Zu- und Abführen eines Temperiermediums auf, die jeweils an einem endständigen Vorlaufverteiler- oder
Rücklaufsammelrohr angebracht sind. Ferner sind zwischen den Wärmetauscher-Rohrbündeln benachbarter Wärmetauscher-Module Zwischenräume zur Aufnahme von elektrochemischen Speicherzellen (kurz: Einzelzellen) gegeben.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscher ermöglichen aufgrund ihrer Flexibilität und des in ihnen verwirklichten Gegenstromprinzips eine effiziente, zuverlässige und gleichmäßige Kühlung der Einzelzellen. Sie weisen ferner ein geringes Gewicht auf, was insbesondere bei mobilen Anwendungen von großem Vorteil ist.
Ein siebter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrochemischer Energiespeicher umfassend einen Wärmetauscher wie vorstehend beschrieben, der zwei oder mehr Wärmetauscher-Rohrbündel wie vorstehend beschrieben aufweist, sowie zwei oder mehr elektrochemische Speicherzellen (kurz: Einzelzellen) , die formschlüssig in Zwischenräumen zwischen den zwei oder mehr Wärmetauscher-Rohrbündel angeordnet sind. Die Einzelzellen sind durch Polverbinder elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Polverbinder durch
Polverbinderschrauben an den Einzelzellen befestigt sind. Erfindungsgemäß sind die Polverbinderschrauben mit zumindest einer Tellerfeder unterlegt, vorzugsweise mit drei Tellerfedern.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher liefert bei bestimmungsgemäßem Betrieb zuverlässig elektrische Energie, insbesondere auch trotz vielfacher Erschütterungen und Stöße, da die mit Tellerfedern unterlegten Polverbinderschrauben sich auch bei Erschütterungen und Stößen nicht lockern, sondern fest sitzen bleiben und den elektrischen Kontakt zuverlässig aufrecht erhalten.
Ein achter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung des elektrochemischen Energiespeichers wie vorstehend beschrieben zur Bordstromversorgung eines Fahrzeugs und/oder zur Stromversorgung einer Antriebseinrichtung eines Fahrzeugs . Die erfindungsgemäße Verwendung ist v.a. deshalb vorteilhaft, weil der elektrochemische Energiespeicher sich z.B. durch Hinzufügen oder Wegnehmen von Wärmetauscher-Modulen problemlos an ein breites Spektrum von Leistungsanforderungen anpassen lässt. Ferner weist er ein geringes Gewicht auf und ist gegenüber Stößen und Erschütterungen, wie sie bei Fahrzeugen üblicherweise vorkommen, unempfindlich.
Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Straßenfahrzeug (PKW, LKW, NKW, Zugmaschinen, Omnibusse oder dergleichen) handeln, das eine oder mehr Antriebsarten
(Hybridantrieb) aufweist, von denen eine einen Elektroantrieb umfasst. Derartige Elektroantriebe erfordern ein hohes Maß an Leistung und Dynamik und damit eine effiziente Temperierung der Einzelzellen ihres elektrochemischen Energiespeichers, was mit der vorliegenden Erfindung gewährleistet werden kann.
Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, funktionell gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen. Dabei zeigen, jeweils schematisch :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wärmetauscher-Platte; Fig. 2 zwei übereinander angeordnete erfindungsgemäße
Wärmetauscher-Platten; Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2 ; Fig. 4 ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Wärmetauscher-Platte; Fig. 5 ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes
Wärmetauseher-Rohrbündel;
Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Modul; Fig. 7 eine stirnseitige Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Modul; Fig. 8 ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher;
Fig. 9 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen EnergieSpeichers; Fig. 10 ein erfindungsgemäßer elektrochemischer
Energiespeicher mit Polverbindern und
Polverbinderschrauben; Fig. 11 eine Polverbinderschraube für einen erfindungsgemäßen elektrochemischen
Energiespeieher; Fig. 12 ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen
Pressschweißvorrichtung im geöffneten Zustand; Fig. 13 eine Pressschweißvorrichtung gemäß Fig. 12 mit eingelegten Wärmetauscher-Platten; Fig. 14 eine Pressschweißvorrichtung gemäß Fig. 12 in einer ersten Phase des Schließens; Fig. 15 eine Pressschweißvorrichtung gemäß Fig. 12 in einer zweiten Phase des Schließens, wobei nur die für das Verständnis der Erfindung erforderliche Merkmale bezeichnet sind.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Wärmetauscher-Platte (1) aus PET-G. Dieses Material ist für die vorliegende Erfindung besonders geeignet, da es bruchsicher ist, gut bieg- und tiefziehbar, klebbar, schweißbar, glycolbeständig und weil es außerdem kein Wasser aufnimmt, d.h. nicht aufquillt. Die Wärmetauscher-Platte (1) weist ein wellenförmiges Profil auf, das geeignet ist, sich formschlüssig an eine Reihe zylindrischer Einzelzellen (nicht dargestellt) anzuschmiegen. Ferner weist die Wärmetauscher- Platte vierzehn beim Tiefziehen eingearbeitete zueinander parallele Wärmetauscher-Kanäle (2, 3) auf, von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Wärmetauscher- Kanäle (2, 3) weisen jeweils an einem längsseitigen Ende eine eingestanzte Durchbrechung (4, 4') auf, wobei bei einem Paar benachbarter Wärmetauscher-Kanäle (2, 3) sich die Durchbrechungen (4, 4') an diametralen Enden befinden. Durch diese Anordnung der Durchbrechungen (4, 4') wird das später noch zu beschreibende Gegenstromprinzip ermöglicht. Dabei dienen die Durchbrechungen (4, 4') einer Wärmetauscher-Platte (1) entweder als Vorlaufverteilerdurchbrechungen oder als Rücklaufsammeidurchbrechungen .
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung von zwei übereinander angeordneten Wärmetauscher-Platten (1, Ia), wobei aus Gründen der Darstellbarkeit nur jeweils das linke und das rechte Ende dargestellt ist und ein mittlerer Teil jeweils weggelassen wurde, was durch die Unterbrechung der Wärmetauscher-Platten (1, Ia) im Bereich der Mitte verdeutlicht ist. Die obere Wärmetauscher-Platte (1) ist nicht deckungsgleich mit der unteren (Ia), d.h. die beiden Wärmetauscher-Platten (1, Ia) können durch keine Symmetrieoperation ineinander überführt werden. So sind zwar die Profile der beiden Wärmetauscher-Platten (1, Ia) identisch, die Anordnung der Durchbrechungen (4, 4'; 4a, 4a') ist jedoch versetzt. So weist die obere Wärmetauscher-Platte (1) Rücklaufsammeidurchbrechungen (4, 4') auf und die untere Wärmetauscher-Platte (Ia) VorlaufVerteilerdurchbrechungen (4a, 4a') (der Übersichtlichkeit halber sind stellvertretend für alle nur jeweils zwei diametrale Durchbrechungen (4, 4'; 4a, 4a') eines Wärmetauscher-Kanal-Paares (2, 3) einer Wärmetauscher-Platte (1, Ia) mit Bezugszeichen versehen) . Dies ist anhand der in den Wärmetauscher-Kanälen (2a, 3a) eingezeichneten Pfeile verdeutlicht, die die vorgesehene Strömungsrichtung eines Temperiermediums beim bestimmungsgemäßen Betrieb verdeutlichen. Demnach tritt das Temperiermedium durch die Vorlaufverteilerdurchbrechungen (4a, 4a') in die Wärmetauscher-Rohre ein und durch die RücklaufSammeldurchbrechungen (4, 4') aus den Wärmetauscher- Rohren aus, sodass in benachbarten Wärmetauscher-Rohren das Temperiermedium in entgegen gesetzter Richtung strömt (Gegenstromprinzip) (dies ist in dem mit (Y) bezeichneten Ausschnitt noch einmal vergrößert dargestellt, vgl. Fig. 3). Die Wärmetauscher-Rohre ergeben sich beim Zusammenfügen der beiden Wärmetauscher-Platten (1, Ia) zu einem Wärmetauscher- Rohrbündel aus den einander gegenüber liegenden Wärmetauscher-Kanälen (2) und (2a) sowie (3) und (3a). Das Zusammenfügen erfolgt, indem die Wärmetauscher-Platten (1, Ia) zuerst so ineinander gelegt werden, dass jeweils die Wärmetauscher-Kanäle (2) und (2a) zur Deckung kommen sowie die Wärmetauscher-Kanäle (3) und (3a) und dass die die Wärmetauscher-Kanäle begrenzenden Stege (5, 5') und (5a, 5a') aneinander grenzen. Danach werden die beiden Wärmetauscher- Platten (1, Ia) entlang der Stege (5, 5a; 5', 5a') und entlang ihres Umfangs durch Pressschweißen temperiermediumdicht zusammengefügt. Die Längsrichtung eines Wärmetauscher-Rohrbündels verläuft in bzw. entgegengesetzt zu den vorgesehenen Strömungsrichtungen in den Wärmetauscher- Rohren, wie durch die Pfeile verdeutlicht.
Als Temperiermedium wird eine Lösung von Glycol in Wasser eingesetzt, die je nach Anforderung (z.B. hinsichtlich des Gefrierpunkts) eine unterschiedlich hohe Konzentration an Glycol aufweisen kann.
Fig. 3 zeigt den Ausschnitt (Y) aus Fig. 2 in vergrößerter und übersichtlicher Form. Zu erkennen sind Ausschnitte der oberen Wärmetauscher-Platte (1) mit sechs RücklaufSammeldurchbrechungen (4) und der unteren Wärmetauscher-Platte (Ia) mit drei
Vorlaufverteilerdurchbrechungen (4a) . Die Pfeile in den Wärmetauscher-Kanälen (2a, 3a) der unteren Wärmetauscher- Platte (Ia) verdeutlichen die für den bestimmungsgemäßen Betrieb vorgesehene Strömung in dem Wärmetauscher-Rohr, das nach Zusammenfügen der beiden Wärmetauscher-Platten (1, Ia) zu einem Wärmetauscher-Rohrbündel aus den Wärmetauscher- Kanälen (2) und (2a) sowie (3) und (3a) gebildet werden: im Eingangsbereich weg von den Vorlaufverteilerdurchbrechungen
(4a) und hin zu den RücklaufSammeldurchbrechungen (4) im Ausgangsbereich, sodass sich in benachbarten Wärmetauscher- Rohren eine antiparallele Strömung ergibt
(Gegenstromprinzip) .
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die untere Wärmetauscher- Platte (Ia) gemäß Fig. 2, senkrecht zu deren Längsrichtung. Man erkennt vierzehn Wärmetauscher-Kanäle (2a, 3a) , von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur zwei mit Bezugszeichen versehen sind. Die Wärmetauscher- Kanäle (2a, 3a) wurden durch Tiefziehen in die Wärmetauscher- Platte (Ia) eingearbeitet und sind durch Stege (5a, 5a'), von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur zwei mit Bezugszeichen versehen sind, begrenzt und voneinander beabstandet.
Fig. 5 zeigt einen zu Fig. 4 analogen Schnitt, hier jedoch durch ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Rohrbündel (6), das durch Zusammenfügen einer oberen Wärmetauscher-Platte (1) mit einer unteren Wärmetauscher-Platte (Ia) hergestellt wurde. Die Wärmetauscher-Kanäle (2a) und (3a) bilden dabei zusammen mit den ihnen gegenüber liegenden Wärmetauscher-Kanälen (2) und (3) die Wärmetauscher-Rohre (7, 8). Die Wärmetauscher- Rohre (7, 8) sind durch Nuten voneinander beabstandet, die von den Stegen (5') und (5a') gebildet werden. Ein Wärmetauscher-Rohr wird dabei von den Kanalböden (9, 9a) und den Kanalwänden (10, 10'; 10a, 10a') gebildet. In der dargestellten Ausgestaltung beträgt der Winkel zwischen dem Kanalboden (9) und den Kanalwänden (10, 10') bzw. zwischen dem Kanalboden (9a) und den Kanalwänden (10a, 10a') 90°, wodurch Druckkräfte (dargestellt durch die beiden fettgedruckten antiparallelen Pfeile) von den Kanalwänden (10, 10a) und (10', 10a') leicht aufgenommen werden können und das Wärmetauscher-Rohrbündel (6) eine höhere Stabilität erhält, als wenn der Winkel < 90° wäre. Dennoch ist es bevorzugt, wenn dieser Winkel < 90° ist, da das Wärmetauscher-Rohrbündel (6) dann flexibler ist und sich leichter, d.h. mit geringeren Druckkräften, an Einzelzellen anschmiegen lässt. Dabei ist es auch denkbar, dass diese Winkel in einem Wärmetauscher-Rohrbündel teilweise 90° betragen und teilweise von 90° abweichen (sie betragen dann vorzugsweise zwischen 45 und 89° und insbesondere zwischen 60 und 75°), wobei auch die Größen der Abweichungen von 90° variabel sein können, je nachdem in welchem Bereich des Wärmetauscher-Rohrbündels (6) welches Ausmaß an Stabilität bzw., Flexibilität gefordert ist. Dies erlaubt es, ein hinsichtlich Flexibilität und Stabilität maßgeschneidertes Wärmetauscher-Rohrbündel (6) herzustellen.
Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Wärmetauscher-Modul (11). Es besteht aus einem Wärmetauscher-Rohrbündel (6) mit vierzehn Wärmetauscher-Rohren (7, 8), d.h. sieben Paare benachbart angeordneter erster (7) und zweiter (8) Wärmetauscher-Rohre, von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind, sowie zwei Rücklaufsammelrohren (12, 12') und zwei Vorlaufverteilerrohren (13, 13'). Die Rücklaufsammelrohre (12, 12') sind mit den
Rücklaufsammeldurchbrechungen (durch die Rücklaufsammelrohre verdeckt) fluidisch verbunden und sammeln das aus den Wärmetauscher-Rohren (7, 8) austretende Temperiermedium; analog dazu sind die Vorlaufverteilerrohre (13, 13') mit den Vorlaufverteilerdurchbrechungen (durch die Vorlaufverteilerrohre verdeckt) fluidisch verbunden und verteilen das Temperiermedium auf die Wärmetauscher-Rohre (7, 8). Die Rücklaufsammeirohre (12, 12') weisen Anschlussmittel zum Abführen eines Temperiermediums auf, die hier als Durchbrechungen (14, 14', 14'', 14''') jeweils an den beiden längsseitigen Enden der Rücklaufsammelrohre (12, 12') ausgebildet sind. Ebenso weisen die Vorlaufverteilerrohre (13, 13') in analoger Weise Durchbrechungen auf, die als Anschlussmittel zum Zuführen eines Temperiermediums fungieren (nicht dargestellt). Das Wärmetauscher-Modul (6) ist stapelbar ausgebildet, wobei benachbarte Wärmetauscher-Module (6) eines Stapels über die Anschlussmittel zum Zu- und Abführen fluidisch so miteinander verbinbar sind, dass das aus einem Wärmetauscher-Modul (6) abgeführte Temperiermedium einem benachbarten Wärmetauscher-Modul (6) zuführbar ist.
Die Wärmetauscher-Module (6) können Justierhilfen aufweisen, die beim bestimmungsgemäßen Stapeln der Wärmetauscher-Module (6) helfen (nicht dargestellt) .
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseiten zweier erfindungsgemäßer Wärmetauscher-Module (6), die zum Stapeln hergerichtet, übereinander angeordnet sind. Bei beiden Wärmetauscher-Modulen (6) ist jeweils ein Rücklaufsammelrohr (12) und ein Vorlaufverteilerrohr (13) erkennbar. Die Vorlaufverteilerrohre (13) weisen Nuten (15) auf, von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Rücklaufsammelrohre (12) weisen Stifte (16) auf, von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Nuten (15) und Stifte (16) sind so ausgelegt, dass sie beim Stapeln zusammenwirken und dabei helfen, benachbarte Wärmetauscher- Module (6) in die vorgesehene Position zu lenken und darin zu halten, z.B. durch Einrasten. Die Stifte (16) können auch als Federelemente ausgebildet sein. Ferner können die Stifte (16) und die Nuten (15) auch mit Hilfe eines Klebstoffs zusammengefügt werden.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers (17). Bei dem Wärmetauscher (17) sind insgesamt fünf Wärmetauscher-Module (11), von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur eines mit einem Bezugszeichen versehen ist, fluchtend übereinander gestapelt. Die Wärmetauscher-Module (11) sind, wie bei Fig. 6 beschrieben, fluidisch miteinander verbunden. Die endständigen Wärmetauscher-Module (11) weisen Anschlussmittel zum Zu- und Abführen eines Temperiermediums auf, die als Anschlussstutzen (18, 18', 18'', 18''') ausgeführt und an den endständigen Vorlaufverteiler- (13, 13') und Rücklaufsammeirohren (12, 12') angebracht sind. An die Anschlussstutzen (18, 18', 18'', 18''') können je nach Erfordernis VorlaufZuleitungen oder Rücklaufableitungen angeschlossen werden (nicht dargestellt) . Die Wärmetauscher- Rohrbündel (6) der fünf Wärmetauscher-Module (11) bilden vier Reihen zylindrischer Zwischenräume, in die zylindrische Einzelzellen zur Temperierung (d.h. Kühlung oder Heizung) formschlüssig eingepasst werden können (nicht dargestellt) . Dabei ist es vorgesehen, dass das Gegenstromprinzip nicht nur bei benachbarten Wärmetauscher-Rohren eines Wärmetauscher- Rohrbündels (6) erfüllt ist, sondern auch bei benachbarten Wärmetauscher-Rohrbündeln (6) . So fließt das Temperiermedium beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers (17) in allen Ebenen abwechselnd in entgegen gesetzten Richtungen, sodass in allen an eine in einen Zwischenraum des Wärmetauschers (17) eingeschobene Einzelzelle anliegenden Wärmetauscher-Kanäle in allen Richtungen abwechselnd unterschiedliche Temperiermedium-Strömungen vorliegen.
Fig. 9 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher (19) mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher (17) gemäß Fig. 8, vier benachbarte Reihen aus insgesamt vierunddreißig Einzelzellen (20) , von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist, und weitere Bauteile für ein Gehäuse, auf die mangels wesentlicher Bedeutung für die vorliegende Erfindung nicht weiter eingegangen wird.
Fig. 10 zeigt den elektrochemischen Energiespeicher (19) gemäß Fig. 9 in zusammengebautem Zustand. Ferner ist die elektrische Reihenschaltung der vierunddreißig Einzelzellen (20) zu erkennen. Dazu sind dreiunddreißig elektrisch leitende Polverbinder (21) eingesetzt, von denen stellvertretend für alle nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Polverbinder (21) sind mit Polverbinderschrauben (22), von denen stellvertretend für alle nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist, an den Einzelzellen (genauer: an den Polen der Einzelzellen) befestigt .
Fig. 11 zeigt eine Polverbinderschraube (22) im Detail. Es ist ein Querschnitt dargestellt. Die Polverbinderschraube (22) ist mit drei Tellerfedern (23) unterlegt. Dies bewirkt eine rüttelfeste Schraubverbindung, d.h. einen festen Sitz der Polverbinderschraube (22) selbst nach einer Vielzahl von Stößen und Erschütterungen, sodass der elektrische Kontakt zwischen den Einzelzellen selbst bei ruppigen Einsatzbedingungen des elektrochemischen Energiespeichers, z.B. an Bord eines Fahrzeugs, erhalten bleibt und dessen Leistungsfähigkeit gewährleistet .
Fig. 12 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Pressschweißvorrichtung (24) im geöffneten Zustand, mit der zwei Wärmetauscher-Platten zu einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Rohrbündel zusammengefügt werden können. Dazu weist die Pressschweißvorrichtung (24) eine Schweißpatrize (25) und eine Schweißmatrize (26) auf sowie eine Druckplatte (27) und einen Grundkörper (28), die zwischen der Schweißpatrize (25) und der Schweißmatrize (26) angeordnet sind. Schweißpatrize (25) und Schweißmatrize (26) weisen je fünfzehn Schweißstege (29, 30) auf, von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind, wobei die Schweißstege (29) der Schweißpatrize (25) den Schweißstegen (30) der Schweißmatrize (26) gegenüberliegend angeordnet sind und die dafür vorgesehen sind, im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung (24) eine vorgesehene Schweißnaht beidseitig zu umfassen. Entlang der einander zugewandten Stirnseiten der Schweißstege (29, 30) sind Heizbänder eingearbeitet und mit Teflon beschichtet, damit sie sich nach einem Schweißvorgang gut von dem bearbeiteten Werkstück, dem hergestellten Wärmetauscher-Rohrbündel, lösen (nicht dargestellt) . Die Druckplatte (27) und der Grundkörper (28) weisen jeweils zu den Schweißstegen (29, 30) komplementäre Schlitze (31, 32) auf, durch die die Schweißstege (29, 30) im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung (24) hindurch greifen. Der Grundkörper (28) weist ferner eine Anschlagleiste (33) auf, mit deren Hilfe die zu verschweißenden Wärmetauscher-Platten beim Einlegen in die Vorrichtung ausgerichtet, d.h. in die vorgesehene Lage gebracht werden können. Ferner weist der Grundkörper (28) vier an seinen Ecken angebrachte Zentrierbolzen (34) auf, von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Zentrierbolzen (34) greifen beim Schließen der Vorrichtung in komplementäre Zentrierbohrungen (35), von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist, der Druckplatte (27) ein und helfen so beim präzisen Zentrieren von Grundkörper (28) und Druckplatte (27) . Die Zentrierbolzen (34) weisen dazu ferner zwei Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser auf: Einen ersten Abschnitt mit einem zu dem Durchmesser der komplementären Zentrierbohrung (35) komplementären Durchmesser, sodass der erste Abschnitt in die komplementäre Zentrierbohrung (35) eingreifen kann; und einen zweiten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser. Die Zentrierbolzen (34) wirken dadurch zusätzlich wie Abstandshalter, die dafür sorgen, dass im geschlossenen Zustand der Vorrichtung zwischen Grundkörper (28) und Druckplatte (27) ein Abstand verbleibt, in den ein Wärmetauscher-Rohrbündel hineinpasst, sodass sich Grundkörper (28) und Druckplatte (27) beidseitig an ein eingelegtes Wärmetauscher-Rohrbündel anschmiegen und das Wärmetauscher-Rohrbündel, insbesondere dessen Wärmetauscher-Rohre, nicht zerdrücken. Die
Pressschweißvorrichtung (24) ist ferner so ausgebildet, dass alle erforderlichen Schweißnähte in einem einzigen Hub erzeugt werden können.
Die erfindungsgemäße Pressschweißvorrichtung weist weitere Bauteile auf, die nichts Wesentliches zur Erfindung beitragen und die dem Fachmann prinzipiell bekannt sind. Sie sind daher der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt oder näher erläutert .
Fig. 13 zeigt die Pressschweißvorrichtung (24) aus Fig. 12 mit eingelegten, zu verschweißenden Wärmetauscher-Platten (1, Ia) . Es ist erkennbar, dass die Oberflächen der vier Bauteile (25, 26, 27, 28) das Profil der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche der eingelegten Wärmetauscher-Platten (1, Ia) nachformen .
Fig. 14 zeigt die Pressschweißvorrichtung (24) aus Fig. 13, wobei in einer ersten Phase des Schließens der Vorrichtung der Grundkörper (28) und die Druckplatte (27) aufeinander zu bewegt und geschlossen wurden. Es ist erkennbar, wie die Zentrierbolzen (34) durch die Zentrierbohrungen (35) hindurchreichen. Durch das Schließen des Grundkörpers (28) und der Druckplatte (27) werden die eingelegten, zu verschweißenden Wärmetauscher-Druckplatten in die vorgesehenen Position, Lage und Orientierung für den eigentlichen Pressschweißschritt, d.h. die Erzeugung der Schweißnähte, geführt und darin fixiert.
Fig. 15 zeigt die Pressschweißvorrichtung (24) aus Fig. 14, wobei in einer zweiten Phase des Schließens der Vorrichtung die Schweißpatrize (25) und die Schweißmatrize (26) (verdeckt) aufeinander zu bewegt und geschlossen wurden. In diesem geschlossenen Zustand werden die zu verschweißenden Bereiche der Wärmetauscher-Platten (1, Ia) mit Druck und Wärme behandelt, um die vorgesehenen Schweißnähte zu erzeugen. Sowohl Druck als auch Wärme werden über die Schweißstege der Schweißmatrize (25) und der Schweißpatrize (26) übertragen, indem einander gegenüberliegende Schweißstege der Schweißmatrize (25) und der Schweißpatrize (26) (vgl. Fig. 12) beidseitig die zu verschweißenden Bereiche zusammendrücken und mit Hilfe der in sie eingearbeiteten Heizbänder erhitzen.
Ein Schweißvorgang mit Einlegen und Ausrichten der Werkstücke (1, Ia), Schließen der Pressschweißvorrichtung (24), Erzeugen aller erforderlichen Schweißnähte, Öffnen der Pressschweißvorrichtung (24) und Auswerfen des erzeugten Halbzeugs (6) (kurz: Hub) dauert zwischen 1 und 20 Sekunden, vorzugsweise 1 bis 5 Sekunden und ist somit gut für die Integration in eine Serienproduktion geeignet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
I Wärmetauscher-Platte Ia Wärmetauscher-Platte 2, 3 Wärmetauscher-Kanal 2a, 3a Wärmetauscher-Kanal
4, 4' Durchbrechung, RücklaufSammeldurchbrechung 4a, 4a' Vorlaufverteilerdurchbrechung
5, 5' Steg, der einen Wärmetauscher-Kanal begrenzt 5a, 5a' Steg, der einen Wärmetauscher-Kanal begrenzt
6 Wärmetauscher-Rohrbündel
7 Wärmetauscher-Rohr
8 Wärmetauscher-Rohr
9, 9a Kanalboden
10, 10a Kanalwand 10', 10a' Kanalwand
II Wärmetauscher-Modul
12, 12' Rücklaufsammeirohr
13, 13' Vorlaufverteilerrohr
14, 14', Durchbrechungen zum Abführen eines 14'', 14''' Temperiermediums
15 Nut
16 Stift
17 Wärmetauscher
18, 18', Anschlussstutzen zum Zu- bzw. Abführen eines
18'', 18''' Temperiermediums
19 elektrochemischer Energiespeicher einzelne elektrochemische Speicherzelle (kurz Einzelzelle) Polverbinder Polverbinderschraube Tellerfeder Pressschweißvorrichtung Schweißpatrize Schweißmatrize Druckplatte Grundkörper , 30 Schweißsteg , 32 Schlitz Anschlagleiste Zentrierbolzen Zentrierbohrung

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Rohrbündels für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern, bei denen mehrere elektrochemische Speicherzellen (Einzelzellen) in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen den benachbarten Reihen sich formschlüssig an die Einzelzellen anschmiegende Wärmetauscher-Rohrbündel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass man a) zwei tiefziehbare Materialstreifen bereitstellt; b) durch Tiefziehen zumindest den oder die vorgesehenen Wärmetauscher-Kanal oder -Kanäle und das vorgesehene Profil in die Materialstreifen einarbeitet; c) in einen ersten Materialstreifen aus Schritt b) die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen VorlaufVerteilerdurchbrechungen einarbeitet, um eine erste Wärmetauscher-Platte zu erhalten und in einen zweiten Materialstreifen aus Schritt b) die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen RücklaufSammeldurchbrechungen, um eine zweite Wärmetauscher-Platte zu erhalten; d) die erste und die zweite Wärmetauscher-Platte aus Schritt c) so fluchtend anordnet, dass die Stege der beiden Wärmetauscher-Platten aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die VorlaufVerteilerdurchbrechungen und die RücklaufSammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen; e) die angeordneten Wärmetauscher-Platten aus Schritt d) zusammenfügt, um ein Wärmetauscher-Rohrbündel zu bilden.
2. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Rohrbündels für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern, bei denen mehrere elektrochemische Speicherzellen (Einzelzellen) in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen den benachbarten Reihen sich formschlüssig an die Einzelzellen anschmiegende Wärmetauscher-Rohrbündel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass man a) zwei tiefziehbare Materialstreifen bereitstellt; b) in einen ersten Materialstreifen die für das Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen
VorlaufVerteilerdurchbrechungen einarbeitet und in einen zweiten Materialstreifen die für das
Wärmetauscher-Rohrbündel vorgesehenen
RücklaufSammeldurchbrechungen; c) durch Tiefziehen zumindest die vorgesehenen Wärmetauscher-Kanäle und das vorgesehene Profil in den ersten Materialstreifen und den zweiten Materialstreifen aus Schritt b) einarbeitet, um eine erste und eine zweite Wärmetauscher-Platte zu erhalten; d) die erste und die zweite Wärmetauscher-Platte aus Schritt c) so fluchtend anordnet, dass die Stege der beiden Wärmetauscher-Platten aneinander grenzen und die Wärmetauscher-Kanäle Wärmetauscher-Rohre bilden, sowie die VorlaufVerteilerdurchbrechungen und die RücklaufSammeldurchbrechungen nicht zur Deckung kommen; e) die angeordneten Wärmetauscher-Platten aus Schritt d) zusammenfügt, um ein Wärmetauscher-Rohrbündel zu bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die tiefziehbaren Materialstreifen für Schritt a) des Verfahrens durch Zuschneiden von Rollenware gewinnt .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man beim Tiefziehschritt alle für das Wärmetauscher- Rohrbündel vorgesehenen Kanäle, Nuten und Stege einarbeitet .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Vorlaufverteilerdurchbrechungen und die Rücklaufsammeidurchbrechungen durch Stanzen einarbeitet, wobei man bevorzugt zusätzlich sonstiges, unnötiges oder überstehendes Material entfernt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man das Tiefziehen und das Stanzen in einem Schritt durchführt .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wärmetauscher-Platten in Schritt e) so zusammenfügt, dass die Wärmetauscher-Rohre gegeneinander und das Wärmetauscher-Rohrbündel entlang seines Umfangs gegenüber der Umgebung zumindest temperiermediumdicht, bevorzugt fluiddicht, abgedichtet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wärmetauscher-Platten in Schritt e) durch Pressschweißen zusammenfügt, bevorzugt durch Heizelementschweißen, besonders bevorzugt durch direktes Heizelementschweißen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wärmetauscher-Platten in Schritt e) durch vollmechanisches oder automatisches Schweißen zusammenfügt .
10. Pressschweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass sämtliche Schweißnähte zum Zusammenfügen von zwei Wärmetauscher- Platten zu einem Wärmetauscher-Rohrbündel und zum Abdichten der Wärmetauscher-Rohre gegeneinander und des Wärmetauscher-Rohrbündels entlang seines Umfangs gegenüber der Umgebung in einem einzigen Schweißvorgang erzeugbar sind.
11. Pressschweißvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Schweißpatrize und eine Schweißmatrize aufweist, die zum Schließen der Vorrichtung für einen Schweißvorgang aufeinander zu bewegbar sind, dass die Oberfläche der Schweißpatrize und die Oberfläche der Schweißmatrize das Profil der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche eines zusammengefügten Wärmetauscher-Rohrbündels nachformen, sodass die Schweißpatrize und die Schweißmatrize sich im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung an das Wärmetauseher-Rohrbündel anschmiegen, und dass die Schweißpatrize und/oder die Schweißmatrize in dem Bereich, der im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung an die Schweißnähte des Wärmetauscher-Rohrbündels angrenzt, zumindest ein Heizelement aufweist oder aufweisen.
12. Pressschweißvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißpatrize Schweißstege aufweist, die Schweißstegen der Schweißmatrize gegenüberliegen, wobei die Schweißstege dem Profil des Wärmetauscher-Rohrbündels folgen, sodass sie sich im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung beidseitig an die Schweißnähte der Wärmetauscherohr-Einheit anschmiegen.
13. Pressschweißvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement an den Schweißstegen der Schweißpatrize und/oder der Schweißmatrize angeordnet ist, bevorzugt an den Stirnseiten der Schweißstege angeordnet ist, besonders bevorzugt entlang der Stirnseiten der Schweißstege in die Schweißstege eingearbeitet ist.
14. Pressschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement ein Heizwiderstand ist, bevorzugt ein Heizband oder ein Heizdraht, der oder das den Stirnseiten der Heizstege folgt.
15. Pressschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Ausrichten von zwei zusammenzufügenden Wärmetauscher-Platten aufweist, wobei die Mittel zwischen der Schweißpatrize und der Schweißmatrize angeordnet sind.
16. Pressschweißvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass, die Mittel zum Ausrichten einen der Schweißmatrize zugewandten Grundkörper umfassen und eine der Schweißpatrize zugewandte Druckplatte, die zum Schließen der Vorrichtung für einen Schweißvorgang aufeinander zu bewegbar sind, wobei die Oberfläche des Grundkörpers und die Oberfläche der Druckplatte das Profil der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche eines Wärmetauscher-Rohrbündels nachformen, sodass der Grundkörper und die Druckplatte sich im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung an das Wärmetauscher-Rohrbündel anschmiegen, wobei ferner der Grundkörper Schlitze aufweist, die Schlitzen der Druckplatte gegenüber liegen, wobei die Stege der Schweißpatrize im geschlossenen Zustand der Pressschweißvorrichtung durch die Schlitze des Druckplatte hindurch greifen, ebenso wie die Stege der Schweißmatrize durch die Schlitze des Grundkörpers.
17. Pressschweißvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Ausrichten zumindest eine an dem Grundkörper angebrachte Anschlagleiste umfassen.
18. Pressschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Zentrieren der Druckplatte und des Grundkörpers beim Schließen der Vorrichtung aufweist.
19. Pressschweißvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zentrieren zumindest einen Zentrierbolzen und eine Zentrierbohrung umfassen, die beim Schließen der Vorrichtung so zusammenwirken, dass Druckplatte und Grundkörper in die vorgesehene Position geführt werden.
20. Wärmetauscher-Rohrbündel erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer ersten tiefgezogenen Wärmetauscher- Platte und einer zweiten tiefgezogenen Wärmetauscher- Platte gebildet ist, von denen jede zumindest zwei durch Stege voneinander beabstandete Wärmetauscher-Kanäle aufweist, wobei die zwei Wärmetauscher-Platten so fluchtend angeordnet sind, dass die Wärmetauscher-Kanäle einander gegenüber liegen und die Stege aneinander grenzen, sodass die Wärmetauscher-Kanäle der ersten Wärmetauscher-Platte mit den gegenüber liegenden Wärmetauscher-Kanälen der zweiten Wärmetauscher-Platte Wärmetauscher-Rohre bilden, die durch Nuten, die von den Stegen und den daran angrenzenden Kanalwänden gebildet sind, voneinander beabstandet sind, und dass das Wärmetauscher-Rohrbündel ferner ein Profil aufweist, das so geformt ist, dass es zwischen benachbarten Reihen mehrerer elektrochemischer Speicherzellen (Einzelzellen) , die in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordnet sind, formschlüssig an die Einzelzellen anschmiegbar ist.
21. Wärmetauscher-Rohrbündel nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher-Rohr aus den Böden und den Wänden der einander gegenüber liegenden Wärmetauscher-Kanäle gebildet ist, wobei sich die Wände zwischen den Böden und den Stegen erstrecken und winkelig zu diesen ausgerichtet sind .
22. Wärmetauscher-Rohrbündel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen einer Wand und dem Boden eines Wärmetauscher-Kanals sowie zwischen der Wand und dem angrenzenden Steg 90° beträgt.
23. Wärmetauscher-Rohrbündel nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen einer Wand und dem Boden eines Wärmetauscher-Kanals sowie zwischen der Wand und dem angrenzenden Steg weniger als 90° beträgt, bevorzugt 45 bis 89°, besonders bevorzugt 60 bis 75°.
24. Wärmetauscher-Rohrbündel nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher-Platten im Bereich der Stege und im Bereich ihres Umfangs so zusammengefügt sind, dass die Wärmetauscher-Rohre temperiermediumdicht, bevorzugt fluiddicht, gegeneinander und gegenüber der Umgebung des Wärmetauscher-Rohrbündels abgedichtet sind.
25. Wärmetauscher-Rohrbündel nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem tiefziehbaren, temperiermediumbeständigen Kunststoff gebildet ist.
26. Wärmetauscher-Rohrbündel nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem aromatischen Polyester, einem aromatischen Polysulfid oder einem aromatischen Polyetherketon oder einer Mischung daraus gebildet ist, bevorzugt aus PET-G, PPS oder PEEK oder einer Mischung daraus, besonders bevorzugt aus PET-G.
27. Wärmetauscher-Modul umfassend ein Wärmetauscher- Rohrbündel nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei das Wärmetauscher-Rohrbündel ein oder mehr Paare benachbart angeordneter erster und zweiter Wärmetauscher- Rohre aufweist, wobei jedes Wärmetauscher-Rohr im Eingangsbereich eine Vorlaufverteilerdurchbrechung aufweist, die in der ersten Wärmetauscher-Platte ausgebildet ist, und im Ausgangsbereich eine Rücklaufsammeidurchbrechung, die in der zweiten Wärmetauscher-Platte ausgebildet ist, wobei in benachbarten Wärmetauscher-Rohren jeweils die VorlaufVerteilerdurchbrechung eines ersten Wärmetauscher- Rohrs neben der Rücklaufsammeidurchbrechung eines zweiten Wärmetauscher-Rohrs angeordnet ist und die Vorlaufverteiler- oder Rücklaufsammeidurchbrechung des ersten Wärmetauscher-Rohrs diametral zu der Vorlaufverteiler- oder Rücklaufsammeidurchbrechung des zweiten Wärmetauscher-Rohrs, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb die Fluidströmung in benachbarten Wärmetauscher- Rohren gegenläufig ist, wobei die Vorlaufverteilerdurchbrechungen der ersten Wärmetauscher-Rohre mit einem ersten Vorlaufverteilerrohr fluidisch verbunden sind und die VorlaufVerteilerdurchbrechungen der zweiten Wärmetauscher-Rohre mit einem zweiten Vorlaufverteilerrohr sowie die
Rücklaufsammeidurchbrechungen der ersten Wärmetauscher- Rohre mit einem ersten Rücklaufsammelrohr und die Rücklaufsammeidurchbrechungen der zweiten Wärmetauscher- Rohre mit einem zweiten Rücklaufsammelrohr, und wobei die VorlaufVerteiler- und Rücklaufsammelrohre außerdem Anschlussmittel zum Zu- und Abführen eines Temperiermediums aufweisen.
28. Wärmetauscher-Modul nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscher-Modul so stapelbar ausgebildet ist, dass zwischen jeweils zwei gestapelten Wärmetauscher-Modulen Zwischenräume gegeben sind, in denen Einzelzellen formschlüssig anordenbar sind.
29. Wärmetauscher-Modul nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussmittel zum Zu- und Abführen eines Temperiermediums Mittel umfassen, mit denen die Vorlaufverteilerrohre eines erste Wärmetauscher-Moduls eines Wärmetauscher-Modul-Stapels mit den Rücklaufsammeirohren eines benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls fluidisch verbindbar sind sowie die Rücklaufsammeirohre des ersten Wärmetauscher- Moduls mit den Vorlaufverteilerrohren eines benachbarten, dritten Wärmetauscher-Moduls.
30. Wärmetauscher-Modul nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufverteilerrohre eines ersten Wärmetauscher-Moduls in einem Wärmetauscher-Modul-Stapel an den Rücklaufsammelrohren eines benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls anliegen, wobei die
Vorlaufverteilerrohre des ersten Wärmetauscher-Moduls und die Rücklaufsammelrohre des benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls zusammenwirkende Justierhilfen aufweisen .
31. Wärmetauscher-Modul nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den zusammenwirkenden Justierhilfen um eine Nut-Stift-Kombination handelt, wobei ein Vorlaufverteilerrohr des Wärmetauscher-Moduls eine Nut oder einen Stift aufweist und ein Rücklaufsammelrohr des benachbarten, zweiten Wärmetauscher-Moduls ein mit der Nut oder dem Stift zusammenwirkenden Stift oder zusammenwirkende Nut.
32. Wärmetauscher umfassend zwei oder mehr Wärmetauscher- Module nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei die Wärmetauscher-Module fluchtend übereinander gestapelt sind, wobei die Vorlaufverteilerrohre eines ersten
Wärmetauscher-Moduls fluidisch mit den
Rücklaufsammelrohren eines benachbarten, zweiten
Wärmetauscher-Moduls verbunden sind und, sofern drei oder mehr Wärmetauscher-Module vorhanden sind, die
Rücklaufsammelrohre des ersten Wärmetauscher-Moduls fluidisch mit den Vorlaufverteilerrohren eines benachbarten, dritten Wärmetauscher-Moduls, wobei zwei der Wärmetauscher-Module endständig angeordnet sind und den Stapel jeweils abschließen, sodass sie nur ein benachbartes Wärmetauscher-Modul haben, wobei ferner die endständigen Wärmetauscher-Module als Anschlussstutzen oder -Flansche ausgebildete Anschlussmittel zum Zu- und Abführen eines Temperiermediums aufweisen, die jeweils an einem endständigen Vorlaufverteiler- oder Rücklaufsammelrohr angebracht sind, und wobei zwischen den Wärmetauscher-Rohrbündeln benachbarter Wärmetauscher-Module Zwischenräume zur Aufnahme von elektrochemischen Speicherzellen (Einzelzellen) gegeben sind.
33. Elektrochemischer Energiespeicher umfassend einen Wärmetauscher nach Anspruch 32, der zwei oder mehr Wärmetauscher-Rohrbündel nach einem der Ansprüche 20 bis 26 aufweist, sowie zwei oder mehr elektrochemische Speicherzellen (Einzelzellen) , die formschlüssig in Zwischenräumen zwischen den zwei oder mehr Wärmetauscher- Rohrbündel angeordnet sind, wobei die Einzelzellen durch Polverbinder elektrisch in
Reihe geschaltet sind, wobei ferner die Polverbinder durch Polverbinderschrauben an den Einzelzellen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Polverbinderschrauben mit zumindest einer Tellerfeder unterlegt sind, bevorzugt mit drei Tellerfedern.
34. Verwendung des elektrochemischen Energiespeichers nach Anspruch 33 zur Bordstromversorgung eines Fahrzeugs und/oder zur Stromversorgung einer Antriebseinrichtung eines Fahrzeugs .
35. Verwendung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Straßenfahrzeug handelt, das eine oder mehr Antriebsarten (Hybridantrieb) aufweist, von denen eine einen Elektroantrieb umfasst.
PCT/EP2006/012500 2006-01-04 2006-12-22 Wärmetauscher mit tiefgezogenen wärmetauscher-platten WO2007076985A2 (de)

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