WO2022053280A1 - Kühlanordnung sowie batterieanordnung mit einer mehrfach gefalteten wärmeleitfolie - Google Patents

Kühlanordnung sowie batterieanordnung mit einer mehrfach gefalteten wärmeleitfolie Download PDF

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WO2022053280A1
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thermally conductive
conductive medium
heat source
heat sink
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PCT/EP2021/073035
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Dirk Schroeter
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a cooling arrangement for dissipating heat from a heat source to a heat sink, with the heat source, with the heat sink and with a heat-conducting medium which has first coupling surfaces which are thermally coupled to the heat source and second coupling surfaces which are connected to the heat sink are thermally coupled, wherein the thermally conductive medium is designed as a thermally conductive foil
  • the component to be cooled or the heat source can in particular be a traction battery of an electrically operated motor vehicle or at least one battery cell of such a traction battery.
  • a disadvantage of a thermal coupling via thermally conductive paste or thermally conductive filling material is that cavities that occur between the heat source and the heat sink must be largely or completely filled with it. This causes high costs and entails a high weight.
  • thermally conductive mats are known as a further development, which in particular have a small thickness, ie are designed as a film.
  • a thermally conductive mat can be designed, for example, as a so-called "tube mat", which is essentially formed by a large number of adjacent tubes. Deformation of the tubes ensures a certain tolerance compensation between the thermally conductive mat and a surface of the heat sink and/or a surface of the heat source. In other words, by deforming the tubes, at least a certain "snug fit" can be achieved.
  • Essentially incompressible thermally conductive foils which can be made of carbon in particular, are also known.
  • thermally conductive film is marketed, for example, under the brand name eGRAF® SPREADERSHIELDTM. Due to the extremely small thickness of such a thermally conductive foil and its largely non-existent compressibility, heat transfer from the heat source to the thermally conductive foil and/or from the thermally conductive foil to the heat sink is not optimal. This is reinforced in particular by the fact that such thermally conductive foils can only ensure optimum heat dissipation within an area spanned by the thermally conductive foil.
  • the heat dissipation or the thermal conductivity perpendicular to the surface or parallel to a normal vector is many times worse, for example by a factor of 300, compared with a thermal conductivity parallel to the surface.
  • the invention is based on a cooling arrangement for dissipating heat from a heat source to a heat sink, with the heat source, the heat sink and a heat-conducting medium.
  • the thermally conductive medium has first coupling surfaces, which are thermally coupled to the heat source, and second coupling surfaces, which are thermally coupled to the heat sink, and is designed as a thermally conductive foil.
  • the thermally conductive medium is arranged in a gap, the gap being formed by the heat source and the heat sink.
  • the thermally conductive medium has a plurality of folds within the gap, with adjacent ones of the first and second coupling surfaces being separated from one another by one of the plurality of folds.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil is thus folded within the gap. Due to the multiple folds, the thermally conductive medium or the thermally conductive foil runs back and forth in particular between the heat source and the heat sink.
  • the gap can be formed by respective walls of the heat source and the heat sink. In particular, it is the respective walls of the heat source and the heat sink around a first wall of the heat source and a second wall of the heat sink. The gap is thus formed in particular by the first and the second wall.
  • the thermally conductive medium or thermally conductive foil is preferably folded between the respective walls of the heat source and the heat sink.
  • the thermally conductive medium or thermally conductive foil can form or have alternating first and second coupling surfaces.
  • one of the multiple folds is arranged between one of the first coupling surfaces and one of the second coupling surfaces.
  • First and second coupling surfaces thus alternate with one another within the gap along a direction in which the gap extends.
  • the first and the second coupling surfaces are each separated from one another by the fold.
  • the first coupling surfaces are preferably located directly on the heat source or are in contact with the heat source.
  • the second coupling surfaces are preferably located directly on the heat sink or touch the heat sink.
  • the multiple folds are designed to exert a respective force on the first coupling surfaces or the wall of the heat source and/or the second coupling surfaces or the wall of the heat sink.
  • the thermally conductive medium can be configured by prestressing through the fold to apply the force to the first and/or second coupling surfaces or the respective walls. This pretension is generated, for example, by the fact that the folds in the heat-conducting medium are larger than a distance between the respective walls of the heat source and the heat sink. In other words, the thermally conductive medium or its folds are compressed or clamped between the respective walls. This prestressing or the resulting force can enable improved thermal coupling of the heat-conducting medium to the heat source and/or the heat sink.
  • a contact pressure resulting from the force of the fastening unit or the at least one elastic element can enable thermal coupling between the heat-conducting medium and the heat source and/or between the heat-conducting medium and the heat sink in an improved manner.
  • the thermally conductive medium is designed as a foil.
  • the thermally conductive medium can therefore also be referred to as a thermally conductive foil.
  • the thermally conductive medium is distinguished in particular by the fact that it has a small thickness, for example less than 10 millimeters, less than 5 millimeters, less than 1 millimeter or less than 0.5 millimeters.
  • the thickness is in particular that expansion of the thermally conductive medium or the thermally conductive foil parallel to a surface normal or a normal vector of a surface of the thermally conductive foil or the thermally conductive medium.
  • the thickness can be that dimension which runs perpendicularly to the surface of the thermally conductive medium or the thermally conductive foil.
  • An expansion of the surface of the thermally conductive medium or the thermally conductive foil is in particular at least by a factor of 10, at least by a factor of 100, at least by a factor of 1000 or at least by a factor of 10,000 greater than the thickness.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil can have an anisotropic thermal conductivity.
  • a thermal conductivity parallel to the surface is in particular greater than a thermal conductivity perpendicular to the surface.
  • the thermal conductivity parallel to the surface can be greater by at least a factor of 10, at least by a factor of 50 or at least by a factor of 100 than the thermal conductivity perpendicular to the surface.
  • the ratio of the stated thermal conductivities can be 1:300.
  • the first and/or the second coupling surfaces can each be flat or curved. In other words, it can be provided that the first coupling surfaces are flat or curved. It can also be provided that the second coupling surfaces are flat or curved.
  • the heat sink can in particular be a heat exchanger or a heat exchanger of a cooling system.
  • the heat sink can be air-cooled or water-cooled for this purpose.
  • the heat sink can be designed as a cooling block with cooling fins.
  • the heat sink can have one or more fluid channels for a cooling fluid to flow through.
  • the heat-conducting medium runs parallel to the heat source or the heat sink between two adjacent ones of the plurality of folds.
  • one of the first or second coupling surfaces is located in the region described, ie between the two adjacent ones of the plurality of folds.
  • the heat-conducting medium runs parallel to the heat source or its wall.
  • the heat-conducting medium runs parallel to the heat sink or its wall.
  • the thermally conductive medium contacts the heat source or heat sink in the region described to enable the transfer of heat. This contact can be intensified by the prestressing of the resulting force on the respective coupling surface.
  • the thermally conductive medium runs in a straight line between two adjacent fold edges.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil runs straight between the two adjacent fold edges or has no curvature.
  • the area between the two adjacent folding edges is the same area as the above-mentioned area between the two adjacent ones of the plurality of folds.
  • the heat-conducting medium can thus have a first or second coupling surface level between the two folded edges. In this way, a larger-area thermal coupling can be achieved by maximizing the contact area.
  • the first and second coupling surfaces are each arranged to overlap one another.
  • a respective one of the first coupling surfaces overlaps with one or two adjacent ones of the second coupling surfaces.
  • a respective one of the second coupling surfaces can overlap with one or two adjacent ones of the first coupling surfaces.
  • the multiple folds of the thermally conductive medium in the section through the fold at least essentially have a triangular shape.
  • the thermally conductive medium or its multiple folds is triangularly shaped or at least substantially triangularly shaped in relation to a section through the thermally conductive medium.
  • this overlap allows the respective size of the first and/or second coupling surfaces to be maximized. This results in an improvement in the heat transfer from the heat source to the heat-conducting medium and/or from the heat-conducting medium to the heat sink.
  • the multiple folds of the heat-conducting medium each have an S-shaped bend.
  • the heat-conducting medium has a respective S-shaped bend at a respective transition between a first and an adjacent second coupling surface.
  • the heat-conducting medium can run in the form of an S-shaped bend between the heat source and the heat sink or their respective walls or can be guided back and forth.
  • the S-shaped bend is particularly evident in the section through the fold or in a side view.
  • the S-shaped bend enables the first and second coupling surfaces to overlap as described above.
  • the S-shaped bend is particularly advantageous for the preload or the resulting force on the coupling surfaces. Due to the shaping with the S-shaped bend, the through the heat-conducting medium on the respective
  • Coupling surfaces or the heat source and the heat sink force can be increased or specified particularly well. This results in an improved heat transfer in each case.
  • the respective S-shaped bends of two adjacent folds are at least essentially mirror-inverted to one another.
  • the S-shape is alternately oriented across the multiple folds.
  • the S-shape of the S-shaped bends of the plurality of folds may alternately be oriented like an "S” and like a mirrored "S".
  • each of the first and/or second coupling surfaces is symmetrically surrounded by the two adjacent folds. In this way, the preload can be preset even better, resulting in even better heat transfer.
  • the thermally conductive medium is at least essentially incompressible parallel to a normal vector of the thermally conductive medium designed as a film.
  • the thickness of the thermally conductive medium or the thermally conductive foil is at least essentially constant, regardless of the pressurization of the thermally conductive medium or the thermally conductive foil.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil is incompressible or at least essentially incompressible perpendicular to the surface.
  • the thermally conductive medium can be completely or substantially incompressible parallel to the normal vector. Such an embodiment of the thermally conductive medium can ensure that no deformation results from the application of pressure or the force of the at least one elastic element.
  • the heat-conducting medium is formed at least by a graphite-containing foil.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil can be formed at least partially from carbon or graphite.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil can consist entirely of graphite or carbon or contain one or more other materials in addition to graphite or plastic.
  • a particularly high thermal conductivity, in particular parallel to the surface can result from such a carbon-containing or graphite-containing design of the heat-conducting medium.
  • the thermal conductivity parallel to the surface can be greater than the thermal conductivity of copper, for example by a factor of 2 or 4 greater than the thermal conductivity of copper. For this reason, such a heat-conducting medium is particularly suitable for enabling the cooling arrangement to be designed in a material-saving and therefore light-weight manner.
  • the heat-conducting medium has an electrically insulating coating.
  • the electrically insulating coating can be applied to one side or two sides of the thermally conductive medium. In other words, it can be provided that the electrically insulating coating is inseparably connected to the heat-conducting medium.
  • the electrically insulating coating can be provided by an additional electrically insulating film.
  • the electrically insulating film can be arranged, for example, on one side or on both sides of the heat-conducting medium. In this case, the electrically insulating film can be parallel to the surface of the thermally conductive medium or the thermally conductive foil can be arranged. In this way, security can be increased and the possibility of undesired short circuits reduced.
  • a second aspect of the present invention relates to a battery arrangement for providing electrical energy for a motor vehicle.
  • the battery arrangement according to the invention has the cooling arrangement according to the invention.
  • the battery assembly has at least one battery cell as the heat source.
  • the heat-conducting medium is thermally coupled to the at least one battery cell via the first coupling surfaces and to the heat sink via the second coupling surfaces.
  • the battery arrangement has the at least one battery cell as the heat source.
  • the battery arrangement is thus designed to transfer heat from the at least one battery cell to the heat sink via the heat-conducting medium.
  • a further aspect of the present invention relates to a motor vehicle, in particular a motor vehicle that can be operated electrically, which has the battery arrangement according to the invention.
  • the at least one battery cell of the battery arrangement is part of a traction battery.
  • the at least one battery cell or the traction battery is designed to provide electrical energy for driving the motor vehicle, for example an electric motor.
  • the motor vehicle can be designed, for example, as a hybrid vehicle, as a battery electric vehicle or as a hydrogen vehicle or fuel cell vehicle.
  • the at least one battery cell or the traction battery can be designed as a buffer store for temporarily storing electrical energy that is generated by a fuel cell.
  • cooling arrangement according to the invention in the battery arrangement according to the invention or in the motor vehicle according to the invention is to be understood purely as an example.
  • An application of the cooling arrangement for cooling other components in the entire field of electrics and mechanical engineering is also possible and is disclosed by the present application.
  • any any component to be cooled in the field of electrical or mechanical engineering act as a heat source in the cooling arrangement.
  • the cooling arrangement can thus be designed to cool any component to be cooled or to dissipate heat from it.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a cooling arrangement for dissipating heat from a heat source to a heat sink, with the following steps:
  • thermally conductive medium between the heat source and the heat sink, wherein the thermally conductive medium is designed as a foil
  • the thermally conductive medium is provided with a plurality of folds and the thermal coupling is produced by the folds, with adjacent ones of the first and second coupling surfaces being separated from one another by one of the plurality of folds.
  • the thermally conductive medium can be provided with folds or for the thermally conductive medium to be folded in the gap, ie only after the thermally conductive medium has been introduced into the gap.
  • the thermally conductive medium is preferably folded or provided with the folds outside the gap. In this case, the thermally conductive medium can preferably be introduced into the gap after folding.
  • FIG. 1 shows an extremely schematic sectional view of a first exemplary embodiment of a cooling arrangement for dissipating heat from a heat source with a triangularly folded heat-conducting medium
  • FIG. 2 shows the heat-conducting medium according to the first exemplary embodiment in a schematic perspective view
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment derived from the first embodiment with block-forming elements in an extremely schematic sectional view
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of the cooling arrangement with heat-conducting medium folded in an S-shape in an extremely schematic sectional view
  • FIG. 5 shows a fourth exemplary embodiment of the cooling arrangement with a thermally conductive medium folded in a wave shape in an extremely schematic sectional view
  • FIG. 6 shows the heat-conducting medium according to the fourth exemplary embodiment in a schematic perspective view
  • FIG. 7 shows a fifth exemplary embodiment of the cooling arrangement with a triangularly folded heat-conducting medium in an extremely schematic sectional view
  • FIG 8 shows the heat-conducting medium according to the fifth exemplary embodiment in a schematic perspective view.
  • the cooling arrangement 1 is part of a battery arrangement 2 for providing electrical energy for a motor vehicle.
  • the heat source is a cell block which has one or more battery cells.
  • the heat source 4 can be a component to be cooled, in particular an electrical or mechanical component.
  • the task of the cooling arrangement 1 is to dissipate heat from the heat source 4 to the heat sink 5 . In this way, the cooling arrangement 1 enables the heat source 4 to be cooled.
  • the heat sink 5 can be, for example, a heat exchanger or a heat exchanger.
  • the heat sink 5 is designed to emit or transfer the heat transferred from the heat source 4 to a cooling medium.
  • the cooling medium can be, for example, ambient air, an air flow, a cooling liquid or a coolant or the like.
  • the heat sink 5 can thus be designed, for example, as an air heat exchanger or as a fluid heat exchanger.
  • the heat sink 5 has coolant connections 9 .
  • the coolant connections 9 allow a coolant to circulate in the heat sink 5.
  • the heat sink is thus designed to transfer or release the heat transmitted from the heat source 4 to the coolant.
  • the cooling arrangement 1 has a heat-conducting medium 3 .
  • the thermally conductive medium 3 has first coupling surfaces 16 for thermally coupling to the heat source 4 and second coupling surfaces 17 for thermally coupling to the heat sink 5 .
  • the heat-conducting medium 3 preferably has a plurality of first coupling surfaces 16 and/or a plurality of second coupling surfaces 17 .
  • the heat-conducting medium 3 is thermally coupled to the heat source 4, in particular the at least one battery cell, in the region of the first coupling surfaces 16 or via the first coupling surfaces 16.
  • the heat-conducting medium 3 is thermally coupled to the heat sink 5 via the second coupling surfaces 17 or in the region of the second coupling surfaces 17 .
  • the heat-conducting medium 3 is thus designed to dissipate or receive heat from the heat source 4 via the first coupling surfaces 16 .
  • the heat-conducting medium 3 is designed to transfer or release heat to the heat sink 5 via the second coupling surfaces 17 .
  • the heat-conducting medium 3 thus enables the flow of heat or the transfer of heat from the heat source 4 to the heat sink 5.
  • the heat from the heat source 4 can be dissipated through the heat sink 5 via the heat-conducting medium 3 as intended.
  • the thermally conductive medium 3 is designed as a thermally conductive foil.
  • the thermally conductive medium 3 is thus characterized in particular by the fact that it has a small thickness, for example less than 10 millimeters, less than 5 millimeters, less than 1 millimeter or less than 0.5 millimeters.
  • a small thickness for example less than 10 millimeters, less than 5 millimeters, less than 1 millimeter or less than 0.5 millimeters.
  • An even thinner design of the thermally conductive foil 3 or the thermally conductive medium with a thickness of less than 100 micrometers, less than 50 micrometers or less than 20 micrometers is also possible.
  • the thickness is in particular that extent of the thermally conductive medium 3 or the thermally conductive foil that runs perpendicular to the surface of the thermally conductive medium 3 or the thermally conductive foil.
  • An expansion of the surface of the thermally conductive medium or the thermally conductive foil is in particular at least by a factor of 10, at least by a factor of 100, at least by a factor of 1000 or at least by a factor of 10,000 greater than the thickness. 10,000 times larger than the thickness.
  • the thermally conductive medium 3 or the thermally conductive foil is designed as a graphite-containing foil, for example.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil is formed at least partially from carbon or graphite.
  • the thermally conductive medium or the thermally conductive foil can consist entirely of graphite or carbon or contain one or more other materials in addition to graphite or plastic.
  • Such a carbon-containing or graphite-containing design of the heat-conducting medium results in a particularly high thermal conductivity, in particular parallel to the surface.
  • the thermal conductivity parallel to the surface is greater than the thermal conductivity of copper, for example greater than the thermal conductivity of copper by a factor of 2 or 4.
  • thermally conductive film is marketed, for example, under the brand name “eGRAF® SPREADERSHIELDTM”.
  • the thermally conductive medium 3 can have the “eGRAF® SPREADERSHIELDTM” film or be formed from it.
  • the thermally conductive medium 3 or the thermally conductive foil has an anisotropic thermal conductivity.
  • a thermal conductivity parallel to the surface of the thermally conductive medium 3 is in particular greater than a thermal conductivity perpendicular to the surface of the thermally conductive medium 3.
  • the thermal conductivity parallel to the surface can be at least 10 times greater, at least 50 times greater, or at least 100 times greater than the thermal conductivity perpendicular to the surface.
  • the ratio of the stated thermal conductivities can be 1:300. the end For this reason, it is particularly important to optimize heat transfer at the first coupling surfaces and/or at the second coupling surfaces. Due to the anisotropic thermal conductivity, the heat transfer at the respective coupling surfaces can represent a bottleneck in heat dissipation.
  • the thermally conductive medium 3 can also have an electrically insulating coating.
  • the thermally conductive medium 3 can be surrounded or framed by an electrically insulating film on one or both sides.
  • the coating can be applied directly to the thermally conductive medium 3 .
  • the thermally conductive medium 3 is arranged in a gap 6 in each case.
  • the gap 6 is formed by the heat source 4 and the heat sink 5 .
  • the gap 6 is formed by the respective walls of the heat source 4 and the heat sink 5 or is arranged between the respective walls.
  • the respective walls can delimit the gap 6 .
  • the thermally conductive medium 3 is folded several times in the gap 6 .
  • the thermally conductive medium 3 has a plurality of folds 7 in the gap 6 .
  • the thermally conductive medium 3 or the thermally conductive foil 3 is guided back and forth between the heat source 4 and the heat sink 5 by the folds 7 .
  • the thermally conductive medium 3 is preferably folded or guided alternately from the heat source 4 to the heat sink 5 and from the heat sink 5 to the heat source 4 . In this way, the heat source 4 and the heat sink 5 are thermally coupled by the heat-conducting medium 3 .
  • the thermally conductive medium 3 is folded between individual coupling surfaces 16, 17.
  • adjacent coupling surfaces 16, 17 are each separated from one another or objected to by folds 7 of the heat-conducting medium 3.
  • the thermally conductive medium 3 has a pretension which is predetermined by the arrangement of the folded thermally conductive medium 3 in the gap 6 .
  • the thermally conductive medium 3 provided with the folds 7 is prestressed or has the prestress.
  • This pretension can be generated in that the folds 7 are larger than the gap 6.
  • the folds 7 parallel to a main extension direction of the gap 6 and/or perpendicular to the main orientation direction of the gap 6 are larger than the gap 6 in the respective direction.
  • the thermally conductive medium 3 is subjected to the prestress.
  • the bias results in a force of the thermally conductive medium 3 on the heat source 4 and the heat sink 5 or their respective walls.
  • the pretension causes a force of the thermally conductive medium 3 perpendicular to the main orientation direction of the gap 6 .
  • the main orientation direction of the gap 6 is in particular a plane which runs perpendicularly to a surface of the respective walls of the heat source 4 and the heat sink 5 which form the gap 6 .
  • the pretension or the force resulting therefrom results in particular in a contact pressure force with which the first and second coupling surfaces 16, 17 are pressed against the respective walls.
  • the prestressing or the force resulting therefrom results in a contact pressure or pressure with which the first coupling surfaces 16 or the heat-conducting medium 3 in the area of the first coupling surfaces 16 is pressed against the heat source 4 or its respective wall.
  • the pretension or the force resulting therefrom results in a contact pressure or pressure with which the second coupling surfaces 17 or the heat-conducting medium 3 in the region of the second coupling surfaces 17 is pressed against the heat sink 5 or its respective wall.
  • the special elastic or resilient design of the thermally conductive foil 3, also called thermally conductive mat can be implemented by the special fold 7.
  • the shape of the folds 7 provides elasticity, since the folds 7 deform differently depending on the loading force.
  • FIGS. 1 to 3 are first explained in more detail below.
  • the thermally conductive medium 3 is folded essentially in the form of a triangle in the lateral sectional view.
  • the folds 7 in this embodiment each have an essentially triangular shape.
  • the first coupling surfaces 16 and the second coupling surfaces 17 each overlap.
  • each of the first coupling surfaces 16 overlaps with two adjacent second coupling surfaces 17.
  • each of the second coupling surfaces 17 overlaps with two adjacent first coupling surfaces 16.
  • the overlap is in particular a projection onto one of the walls forming the gap 6 heat source 4 or heat sink 5 to understand.
  • 2 shows the thermally conductive foil or the thermally conductive medium 3 in a schematic perspective view without the gap 6 or the surrounding heat source 4 and heat sink 5.
  • FIG. 3 also shows the use of inner block-forming elements 18 and outer block-forming elements 19.
  • the block-forming elements 18, 19 prevent the heat-conducting medium 3 from being crushed and possibly an electrical contact, for example between the heat source 4 and the heat sink 5, being produced. Because of the block-forming elements 18, 19, the heat source 4 and the heat sink 5 cannot touch. The position of these block-forming elements 18, 19 can be below or outside of the heat source 4 or the cell block.
  • the block-forming elements are fixed, for example, by means of a fixed connection to a carrier component of the battery arrangement 2 or also by inserting them into the folds 7 of the thermally conductive foil or the thermally conductive medium 3.
  • the folds 7 each have an S-shape.
  • the thermally conductive medium 3 is folded in an S-shape.
  • This type of fold 7 also results in an overlapping of the first and second coupling surfaces 16, 17 analogous to FIG. 17 or the respective walls of heat source 4 and heat sink 5 guaranteed.
  • the respective S-shape of two adjacent folds 7 is mirror-inverted to one another. This results in particularly optimal heat conduction or thermal coupling via the respective coupling surfaces 16, 17.
  • the thermally conductive medium 3 is folded in a wavy manner.
  • the folds 7 have a wave shape. This is particularly advantageous in the case of small gap dimensions of the gap 6.
  • a thermally conductive foil folded in this way or a thermally conductive medium 3 folded in this way can be arranged particularly easily in narrow gaps 6 .
  • Such a fold 7 is therefore preferable when heat source 4 and heat sink 5 are close to each other.
  • 5 again shows a sectional view.
  • FIG. 6 shows the folded heat-conducting medium 3 in one Perspective view without the surrounding heat source 4 and heat sink 5.
  • very flat thermally conductive foils 3 are also possible, which do not completely fill this space according to the fold 7, but also allow a corresponding free space ("air between the folds").
  • FIGS. 7 and 8 show a significantly different embodiment of the cooling arrangement 1 or battery arrangement 2.
  • the heat-conducting medium 3 has a nub structure 10.
  • FIG. Each nub 11 of the nub structure 10 can enable a particularly advantageous contact pressure on the heat source 4 and the heat sink 5 .
  • the nub structure 10 can be produced, for example, by introducing internal spring elements into a structure of the thermally conductive medium 3 or the thermally conductive foil.
  • the respective nubs 11 are formed by a respective internally introduced spring element.
  • Such an introduction of spring elements for example the production of the nub structure 10, can be carried out by a casting process or a forming process.
  • the solution for an optimal thermal coupling of a component to be cooled, namely the heat source 4, is made possible by a particularly good utilization of the very good heat conducting properties of the graphite material from which the heat conducting medium 3 is formed, with an internal heat conduction of approx. 300 to 1600 W /mK (compared to thermal paste approx. 1 ... 3 W/mK).
  • coupling and decoupling of the heat is also significantly better than, despite the relatively low value of approx. 15 W/mK (in comparison to thermal paste (approx. 1 ...
  • thermally conductive mat or the thermally conductive medium 3 are significantly better than with thermal paste.
  • elasticity is introduced into the thermally conductive mat or the thermally conductive medium 3 by folding 7 or shaping in order to thermally contact the respective walls of the heat source 4 and/or heat sink 5 under spring force.
  • the present solution is a folded or shaped flat design with a high elastic component for setting partially different Height differences ("tolerance compensation”) and good contacting of the heat source 4 and heat sink 5.
  • the elasticity to compensate for tolerances, especially with regard to gap dimensions of the gap 6, is achieved by the fold 7, which is more or less compressed depending on the local force applied . Due to the deformation force, the thermally conductive medium 3 is pressed against the heat source 4, in particular the cell block, and on the other side against the heat sink 5. It is important here that thermal contact is made over as large an area as possible at the heat transfer points, namely the coupling surfaces 16, 17, in order to be able to utilize the transfer thermal conductivity values of approx. 15 W/mK over the largest possible area.
  • thermal conduction within the thermally conductive medium 3 is then not an obstacle, since this thermal conductivity is many times greater, around a factor of 20 to 100. This means that little material is required for the actual contacting and thermal conduction, since not the entire gap between the heat source 4, in particular the cell block, and heat sink 5 must be filled "solidly".
  • the block-forming elements 18, 19 can optionally be used to avoid overloading/damaging the thermally conductive graphite layer.
  • the thermally conductive foil or the thermally conductive medium 3 is an easy-to-mount flat component for thermal coupling with an integrated tolerance compensation capability that also varies locally. This results in a significant weight reduction, since there is no massive filling of the gap 6 (e.g. with "gap filier") but only a thin insert with a lot of space in between.
  • the present idea can also be presented as a thin version of approx. 1 mm, e.g. B. 0.1 mm thickness of the thermally conductive medium 3, due to the special folding 7 (see Fig. 5 and 6).
  • the present heat-conducting film 3 is lighter due to the spatial folding, the actual heat-conducting film 3 can basically be very thin.
  • the fold 7 can run diagonally/transversely to the orientation of the battery cells.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung (1) zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle (4) auf eine Wärmesenke (5), mit der Wärmequelle (4), der Wärmesenke (5) und einem Wärmeleitmedium (3), welches erste Koppelflächen (16), die mit der Wärmequelle (4) thermisch gekoppelt sind, und zweite Koppelflächen (17), die mit der Wärmesenke (5) thermisch gekoppelt sind, aufweist, wobei das Wärmeleitmedium (3) als Wärmeleitfolie (3) ausgeführt ist. Um eine effizientere Wärmeabfuhr mittels einer solchen Wärmeleitfolie zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium (3) in einem Spalt (6) angeordnet ist, wobei der Spalt (6) durch die Wärmequelle (4) und die Wärmesenke (5) gebildet ist, und das Wärmeleitmedium (3) innerhalb des Spaltes (6) mehrere Faltungen aufweist, wobei jeweils benachbarte der ersten und zweiten Koppelflächen durch eine jeweilige der mehreren Faltungen voneinander getrennt sind.

Description

Kühlanordnung sowie Batterieanordnung mit einer mehrfach gefalteten Wärmeleitfolie
Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke, mit der Wärmequelle, mit der Wärmesenke und mit einem Wärmeleitmedium, welches erste Koppelflächen aufweist, die mit der Wärmequelle thermisch gekoppelt sind, und zweite Koppelflächen aufweist, die mit der Wärmesenke thermisch gekoppelt sind, wobei das Wärmeleitmedium als Wärmeleitfolie ausgeführt ist
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine zu kühlende Komponente beziehungsweise eine Wärmequelle über Wärmeleitpaste an einen Kühlkörper beziehungsweise eine Wärmesenke anzukoppeln. Bei der zu kühlenden Komponente beziehungsweise der Wärmequelle kann es sich insbesondere um eine Traktionsbatterie eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs beziehungsweise zumindest eine Batteriezelle einer solchen Traktionsbatterie handeln. Nachteilig an einer thermischen Ankopplung über Wärmeleitpaste oder thermisch leitfähiges Füllmaterial ist jedoch, dass Hohlräume, welche zwischen Wärmequelle und Wärmesenke auftreten, zu großen Teilen beziehungsweise vollständig damit aufgefüllt werden müssen. Dies verursacht hohe Kosten und zieht ein hohes Gewicht nach sich.
Als Weiterbildung sind daher Wärmeleitmatten bekannt, welche insbesondere eine geringe Dicke haben, also als Folie ausgeführt sind. Eine solche Wärmeleitmatte kann beispielsweise als sogenannte „Rohrmatte“ ausgeführt sein, welche im Wesentlichen durch eine Vielzahl benachbarter Röhrchen gebildet ist. Durch eine Verformung der Röhrchen ist dabei ein gewisser Toleranzausgleich zwischen Wärmeleitmatte und einer Oberfläche der Wärmesenke und/oder einer Oberfläche der Wärmequelle gewährleistet. Mit anderen Worten kann durch eine Verformung der Röhrchen wenigstens ein gewisses „Anschmiegverhalten“ erzielt werden. Ebenfalls bekannt sind im Wesentlichen inkompressible Wärmeleitfolien, welche insbesondere aus Kohlenstoff gebildet sein können. Eine solche Wärmeleitfolie wird beispielsweise unter dem Markennamen eGRAF® SPREADERSHIELD™ vertrieben. Aufgrund der äußerst geringen Dicke einer solchen Wärmeleitfolie und deren größtenteils nicht vorhandenen Kompressibilität, ist eine Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf die Wärmeleitfolie und/oder von der Wärmeleitfolie auf die Wärmesenke nicht optimal. Dies wird insbesondere dadurch verstärkt, dass derartige Wärmeleitfolien eine optimale Wärmeabfuhr nur innerhalb einer durch die Wärmeleitfolie aufgespannten Fläche gewährleisten können. Aufgrund einer solchen Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit ist die Wärmeabfuhr beziehungsweise die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche beziehungsweise parallel zu einem Normalvektor um ein Vielfaches, beispielsweise um den Faktor 300, schlechter verglichen mit einer Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Wärmeabfuhr mittels einer solchen Wärmeleitfolie zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht aus von einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke, mit der Wärmequelle, der Wärmesenke und einem Wärmeleitmedium. Das Wärmeleitmedium weist erste Koppelflächen, die mit der Wärmequelle thermisch gekoppelt sind, und zweite Koppelflächen, die mit der Wärmesenke thermisch gekoppelt sind, auf und ist als Wärmeleitfolie ausgeführt. Das Wärmeleitmedium in einem Spalt angeordnet ist, wobei der Spalt durch die Wärmequelle und die Wärmesenke gebildet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium innerhalb des Spaltes mehrere Faltungen aufweist, wobei jeweils benachbarte der ersten und zweiten Koppelflächen durch eine jeweilige der mehreren Faltungen voneinander getrennt sind.
Das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie ist somit innerhalb des Spaltes gefaltet. Durch die mehreren Faltungen verläuft das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie dabei insbesondere zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke hin und her. Der Spalt kann durch jeweilige Wandungen der Wärmequelle und der Wärmesenke gebildet sein. Insbesondere handelt es sich bei den jeweiligen Wandungen der Wärmequelle und der Wärmesenke um eine erste Wandung der Wärmequelle und eine zweite Wandung der Wärmesenke. Somit ist der Spalt insbesondere durch die erste und die zweite Wandung gebildet. Das Wärmeleitmedium beziehungsweise Wärmeleitfolie ist vorzugsweise zwischen jeweiligen Wandungen Wärmequelle und der Wärmesenke gefaltet.
Jeweils durch die mehreren Faltungen voneinander getrennt, kann das Wärmeleitmedium beziehungsweise Wärmeleitfolie abwechselnd erste und zweite Koppelflächen ausbilden beziehungsweise aufweisen. Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine der mehreren Faltungen zwischen einer der ersten Koppelflächen und einer der zweiten Koppelflächen angeordnet ist. Innerhalb des Spaltes wechseln sich somit entlang einer Ausdehnungsrichtung des Spaltes erste und zweite Koppelflächen miteinander ab. Die ersten und die zweiten Koppelflächen sind dabei jeweils durch die Faltung voneinander getrennt. Die ersten Koppelflächen befinden sich dabei vorzugsweise direkt an der Wärmequelle beziehungsweise berühren die Wärmequelle. Die zweiten Koppelflächen befindlich dabei vorzugsweise direkt an der Wärmesenke beziehungsweise berühren die Wärmesenke.
Insbesondere sind die mehreren Faltungen dazu ausgebildet, eine jeweilige Kraft auf die ersten Koppelflächen bzw. die Wandung der Wärmequelle und/oder die zweiten Koppelflächen bzw. die Wandung der Wärmesenke auszuüben. Beispielsweise kann durch eine Vorspannung durch die Faltung das Wärmeleitmedium dazu ausgebildet sein, die ersten und/oder zweiten Koppelflächen bzw. die jeweiligen Wandungen mit der Kraft zu beaufschlagen. Diese Vorspannung ist beispielsweise dadurch erzeugt, dass die Faltungen des Wärmeleitmediums größer sind als ein Abstand zwischen den jeweiligen Wandungen der Wärmequelle und der Wärmesenke. Mit anderen Worten ist das Wärmeleitmedium beziehungsweise dessen Faltung zwischen den jeweiligen Wandungen komprimiert beziehungsweise eingeklemmt. Durch diese Vorspannung beziehungsweise die dadurch resultierende Kraft kann eine verbesserte thermische Ankopplung des Wärmeleitmediums an die Wärmequelle und/oder die Wärmesenke ermöglicht sein. Mit anderen Worten kann durch eine aus der Kraft der Befestigungseinheit beziehungsweise des zumindest einen elastischen Elements resultierenden Anpressdruck eine thermische Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmequelle und/oder zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmesenke in verbesserter Weise ermöglicht sein. Das Wärmeleitmedium ist als Folie ausgeführt. Daher kann das Wärmeleitmedium auch als Wärmeleitfolie bezeichnet werden. Mit anderen Worten zeichnet sich das Wärmeleitmedium insbesondere dadurch aus, dass es eine geringe Dicke aufweist, beispielsweise weniger als 10 Millimeter, weniger als 5 Millimeter, weniger als 1 Millimeter oder weniger als 0,5 Millimeter. Auch eine noch dünnere Ausführung der Wärmeleitfolie beziehungsweise des Wärmeleitmediums mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer, weniger als 50 Mikrometer oder weniger als 20 Mikrometer ist möglich. Die Dicke ist dabei insbesondere diejenige Ausdehnung des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmleitfolie parallel zu einer Flächennormalen beziehungsweise eines Normalvektors einer Oberfläche der Wärmeleitfolie beziehungsweise des Wärmeleitmediums. Mit anderen Worten kann die Dicke diejenige Ausdehnung sein, welche senkrecht zur Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie verläuft. Eine Ausdehnung der Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie ist dabei insbesondere zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 100, zumindest um den Faktor 1000 oder zumindest um den Faktor 10.000 größer als die Dicke.
Das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie kann eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dabei ist eine Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche insbesondere größer als eine Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche.
Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit parallel zu der Oberfläche zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 50 oder zumindest um den Faktor 100 größer sein als die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zu der Oberfläche. Beispielsweise kann das Verhältnis der genannten Wärmeleitfähigkeiten das Verhältnis 1 :300 aufweisen. Aus diesem Grund ist es insbesondere von großer Bedeutung, eine Wärmeübertragung an den ersten Koppelflächen und/oder an den zweiten Koppelflächen zu optimieren. Aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit kann die Wärmeübertragung an den jeweiligen Koppelflächen einen Flaschenhals bei der Wärmeabfuhr darstellen. Dieser Flaschenhals kann durch die optimierte Wärmeübertragung durch die Kraft der Befestigungseinheit beziehungsweise des zumindest einen elastischen Elements gegenüber dem Stand der Technik verbessert sein.
Die ersten und/oder die zweiten Koppelflächen können jeweils eben oder gekrümmt sein. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die ersten Koppelflächen eben oder gekrümmt sind. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die zweiten Koppelflächen eben oder gekrümmt sind. Bei der Wärmesenke kann es sich insbesondere um einen Wärmetauscher beziehungsweise einen Wärmeüberträger eines Kühlsystems handeln. Beispielsweise kann die Wärmesenke hierzu luftgekühlt oder wassergekühlt sein. Beispielsweise kann die Wärmesenke als Kühlblock mit Kühlrippen ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmesenke eine oder mehrere Fluidkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlfluid aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten der mehreren Faltungen das Wärmeleitmedium parallel der Wärmequelle oder der Wärmesenke verläuft. Insbesondere befindet sich in dem beschriebenen Bereich, also zwischen den zwei benachbarten der mehreren Faltungen, eine der ersten oder zweiten Koppelflächen. Im Falle einer der ersten Koppelflächen verläuft das Wärmeleitmedium dabei parallel zu der Wärmequelle beziehungsweise deren Wandung. Im Falle einer der zweiten Koppelflächen verläuft das Wärmeleitmedium dabei parallel zu der Wärmesenke beziehungsweise deren Wandung. Insbesondere berührt das Wärmeleitmedium in dem beschriebenen Bereich die Wärmequelle oder die Wärmesenke, um die Übertragung von Wärme zu ermöglichen. Diese Berührung kann durch die Vorspannung die daraus resultierende Kraft auf die jeweilige Koppelfläche intensiviert werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium zwischen zwei benachbarten Falzkanten jeweils einen geraden Verlauf hat. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie zwischen den zwei benachbarten Falzkanten gerade verläuft beziehungsweise keine Krümmung aufweist. Insbesondere handelt es sich bei dem Bereich zwischen den zwei benachbarten Falzkanten um denselben Bereich wie dem oben genannten Bereich zwischen den zwei benachbarten der mehreren Faltungen. Somit kann zwischen den beiden Falzkanten das Wärmeleitmedium eine Ebene erste oder zweite Koppelflächen aufweisen. Auf diese Weise kann eine großflächigere thermische Kopplung durch eine Maximierung der Auflagefläche erreicht werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Koppelflächen einander jeweils überlappend angeordnet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine jeweilige der ersten Koppelflächen mit einer oder zwei benachbarten der zweiten Koppelflächen überlappt. Analog kann beispielsweise eine jeweilige der zweiten Koppelflächen mit einer oder zwei benachbarten der ersten Koppelflächen überlappen. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die mehreren Faltungen des Wärmeleitmediums in den Schnitt durch die Faltung eine zumindest im Wesentlichen dreieckige Formgebung aufweisen. Mit anderen Worten ist das Wärmeleitmedium beziehungsweise dessen mehrere Faltungen bezogen auf einen Schnitt durch das Wärmeleitmedium dreieckig geformt oder zumindest im Wesentlichen dreieckig geformt. Daraus ergibt sich die oben genannte Überlappung auf besonders vorteilhafte Weise. Insgesamt kann durch diese Überlappung die jeweilige Größe der ersten und/oder zweiten Koppelflächen jeweils maximiert werden. Hieraus erfolgt eine Verbesserung der Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Wärmeleitmedium und/oder von dem Wärmeleitmedium auf die Wärmesenke.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mehreren Faltungen des Wärmeleitmediums jeweils eine S-förmige Biegung aufweisen. Insbesondere weist das Wärmeleitmedium bei einem jeweiligen Übergang zwischen einer ersten und einer benachbarten zweiten Koppelfläche eine jeweilige der S-förmigen Biegung auf. Mit anderen Worten kann das Wärmeleitmedium jeweils mit der Formgebung einer S- förmigen Biegung zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke beziehungsweise deren jeweiliger Wandungen verlaufen beziehungsweise hin und her geführt sein. Die S- förmige Biegung zeigt sich dabei insbesondere in dem Schnitt durch die Faltung beziehungsweise einer Seitenansicht. Die S-förmige Biegung ermöglicht dabei einerseits die oben beschriebene Überlappung der ersten und zweiten Koppelflächen. Andererseits ist die S-förmige Biegung besonders vorteilhaft für die Vorspannung beziehungsweise die daraus resultierende Kraft auf die Koppelflächen. Durch die Formgebung mit der S- förmigen Biegung kann die durch das Wärmeleitmedium auf die jeweiligen
Koppelflächen beziehungsweise die Wärmequelle und die Wärmesenke ausgeübte Kraft erhöht beziehungsweise besonders gut vorgegeben werden. Hieraus resultiert eine jeweils verbesserte Wärmeübertragung.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die jeweiligen S-förmigen Biegungen zweier benachbarter Faltungen zumindest im Wesentlichen spiegelverkehrt zueinander sind. Mit anderen Worten ist die S-Form über die mehreren Faltungen hinweg jeweils abwechselnd ausgerichtet. Bildlich gesprochen kann die S-Form der S-förmigen Biegungen der mehreren Faltungen abwechselnd wie ein „S“ und wie ein gespiegeltes „S“ ausgerichtet sein. Daraus ergibt sich, dass eine jeweilige der ersten und/oder zweiten Koppelflächen durch die beiden benachbarten Faltungen symmetrisch umgeben ist. Auf diese Weise kann die Vorspannung noch besser voreingestellt sein und eine noch bessere Wärmeübertragung resultieren. Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmedium parallel zu einem Normalvektor des als Folie ausgeführten Wärmeleitmediums zumindest im Wesentlichen inkompressibel ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Dicke des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie zumindest im Wesentlichen konstant ist, unabhängig von einer Druckbeaufschlagung des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie. Mit nochmals anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie senkrecht zu der Oberfläche inkompressibel oder zumindest im Wesentlichen inkompressibel ist. Das Wärmeleitmedium kann parallel zu dem Normalvektor vollständig oder im Wesentlichen inkompressibel sein. Durch eine derartige Ausführung des Wärmeleitmediums kann sichergestellt werden, dass aus der Druckbeaufschlagung beziehungsweise der Kraft des zumindest einen elastischen Elements keine Verformung resultiert.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium zumindest durch eine graphithaltige Folie gebildet ist. Mit anderen Worten kann das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie zumindest teilweise aus Kohlenstoff beziehungsweise Graphit gebildet sein. Das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie kann vollständig aus Graphit oder Kohlenstoff bestehen oder neben Graphit beziehungsweise Kunststoff noch eines oder mehrere weitere Materialien beinhalten. Durch eine derartige kohlenstoffhaltige beziehungsweise graphithaltige Ausführung des Wärmeleitmediums kann sich eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere parallel zur Oberfläche, ergeben. Die Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche kann dabei größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer sein, beispielsweise um den Faktor 2 oder 4 größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer sein. Aus diesem Grund ist ein derartiges Wärmeleitmedium besonders geeignet, um eine materialsparende und damit leichte Ausführung der Kühlanordnung zu ermöglichen.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Die elektrisch isolierende Beschichtung kann einseitig oder zweiseitig auf das Wärmeleitmedium aufgetragen sein. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierende Beschichtung untrennbar mit dem Wärmeleitmedium verbunden ist. Alternativ kann die elektrisch isolierende Beschichtung durch eine zusätzliche elektrisch isolierende Folie bereitgestellt sein. Die elektrisch isolierende Folie kann beispielsweise einseitig oder beidseitig des Wärmeleitmediums angeordnet sein. Dabei kann die elektrisch isolierende Folie parallel zu der Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Sicherheit erhöht und eine Möglichkeit für unerwünschte Kurzschlüsse reduziert werden.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Batterieanordnung zum Bereitstellen von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug. Die erfindungsgemäße Batterieanordnung weist dabei die erfindungsgemäße Kühlanordnung auf. Zusätzlich weist die Batterieanordnung zumindest eine Batteriezelle als die Wärmequelle auf. Das Wärmeleitmedium ist über die ersten Koppelflächen mit der zumindest einen Batteriezelle und über die zweiten Koppelflächen mit der Wärmesenke thermisch gekoppelt. Mit anderen Worten weist die Batterieanordnung die zumindest eine Batteriezelle als die Wärmequelle auf. Somit ist die Batterieanordnung dazu ausgebildet, Wärme von der zumindest einen Batteriezelle über das Wärmeleitmedium auf die Wärmesenke zu übertragen. Die Merkmale und Weiterbildungen, welche in Bezug auf die Kühlanordnung offenbart sind, gelten analog auch für die Batterieanordnung, auch wenn diese aus Gründen der Knappheit hier nicht erneut genannt sind. Analog gelten Merkmale und Weiterbildungen der Batterieanordnung auch für die erfindungsgemäße Kühlanordnung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, welches die erfindungsgemäße Batterieanordnung aufweist. Insbesondere ist die zumindest eine Batteriezelle der Batterieanordnung Teil einer Traktionsbatterie. Die zumindest eine Batteriezelle beziehungsweise die Traktionsbatterie ist dazu ausgebildet, elektrische Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einen Elektromotor, bereitzustellen. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Hybrid-Fahrzeug, als batterieelektrisches Fahrzeug oder als Wasserstoff-Fahrzeug beziehungsweise Brennstoffzellen-Fahrzeug ausgeführt sein. Im Falle eines Wasserstoff- beziehungsweise Brennstoffzellen- Fahrzeugs kann die zumindest eine Batteriezelle beziehungsweise die Traktionsbatterie als Pufferspeicher zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie, welche durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird, ausgebildet sein.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung in der erfindungsgemäßen Batterieanordnung beziehungsweise im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist rein beispielhaft zu verstehen. Eine Anwendung der Kühlanordnung zur Kühlung anderer Komponenten im gesamten Bereich der Elektrik und des Maschinenbaus ist ebenso möglich und durch die vorliegende Anmeldung offenbart. Beispielsweise kann jede beliebige zu kühlende Komponente im Bereich von Elektrik oder Maschinenbau als Wärmequelle in der Kühlanordnung fungieren. Die Kühlanordnung kann somit dazu ausgebildet sein, jede beliebige zu kühlende Komponente zu kühlen beziehungsweise Wärme von dieser abzuführen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke, mit den folgenden Schritten:
- Anordnen eines Wärmeleitmediums zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, wobei das Wärmeleitmedium als Folie ausgeführt ist, und
- Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmequelle über eine erste Koppelfläche des Wärmeleitmediums an der Wärmequelle und/oder Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium und der Wärmesenke über eine zweite Koppelfläche des Wärmeleitmediums.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wärmeleitmedium mit mehreren Faltungen versehen wird und das Herstellen der thermischen Kopplung durch die Faltungen erfolgt, wobei jeweils benachbarte der ersten und zweiten Koppelflächen durch eine jeweilige der mehreren Faltungen voneinander getrennt sind.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Versehen des Wärmeleitmediums mit Faltungen bzw. das Falten des Wärmeleitmediums in dem Spalt, also erst nach einem Einbringen des Wärmeleitmediums in den Spalt, erfolgt. Bevorzugt wird das Wärmeleitmedium jedoch außerhalb des Spaltes gefaltet bzw. mit den Faltungen versehen. In diesem Fall kann das Einbringen des Wärmeleitmediums in den Spalt vorzugsweise nach dem Falten erfolgen.
Die Merkmale und Weiterbildungen, welche in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren offenbart sind, gelten analog auch für die Batterieanordnung und die Kühlanordnung, auch wenn diese aus Gründen der Knappheit hier nicht erneut genannt sind. Analog gelten Merkmale und Weiterbildungen der Batterieanordnung und der Kühlanordnung auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Kühlanordnung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle mit dreieckig gefaltetem Wärmeleitmedium;
Fig. 2 in einer schematischen Perspektivansicht das Wärmeleitmedium gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform;
Fig. 3 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine von der ersten Ausführungsform abgeleitete zweite beispielhafte Ausführungsform mit blockbildenden Elementen;
Fig. 4 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Kühlanordnung mit S-förmig gefaltetem Wärmeleitmedium;
Fig. 5 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine vierte beispielhafte Ausführungsform der Kühlanordnung mit wellenförmig gefaltetem Wärmeleitmedium;
Fig. 6 in einer schematischen Perspektivansicht das Wärmeleitmedium gemäß der vierten beispielhaften Ausführungsform;
Fig. 7 in einer äußerst schematischen Schnittansicht eine fünfte beispielhafte Ausführungsform der Kühlanordnung mit dreieckig gefaltetem Wärmeleitmedium, und
Fig. 8 in einer schematischen Perspektivansicht das Wärmeleitmedium gemäß der fünften beispielhaften Ausführungsform.
Die Fig. 1 , 3, 4, 5 und 7 zeigen jeweils eine Kühlanordnung 1 zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle 4 auf eine Wärmesenke 5. Vorliegend ist die Kühlanordnung 1 Teil einer Batterieanordnung 2 zum Bereitstellen von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug. Bei der Wärmequelle handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen Zellblock, welcher eine oder mehrere Batteriezellen aufweist. Allgemein kann es sich bei der Wärmequelle 4 um eine zu kühlende Komponente, insbesondere eine elektrische oder mechanische Komponente, handeln. Aufgabe der Kühlanordnung 1 ist es, Wärme von der Wärmequelle 4 hin zu der Wärmesenke 5 abzuführen. Auf diese Weise ermöglicht die Kühlanordnung 1 eine Kühlung der Wärmequelle 4. Bei der Wärmesenke 5 kann es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher beziehungsweise einen Wärmeüberträger handeln. Beispielsweise ist die Wärmesenke 5 dazu ausgebildet, die von der Wärmequelle 4 übertragene Wärme an ein Kühlmedium abzugeben beziehungsweise zu übertragen. Bei dem Kühlmedium kann es sich beispielsweise um Umgebungsluft, um einen Luftstrom, um eine Kühlflüssigkeit beziehungsweise ein Kühlmittel oder dergleichen handeln. Die Wärmesenke 5 kann somit beispielsweise als Luft-Wärmetauscher oder als Fluid-Wärmetauscher ausgeführt sein. In den vorliegenden Beispielen weist die Wärmesenke 5 Kühlmittelanschlüsse 9 auf. Die Kühlmittelanschlüsse 9 ermöglichen die Zirkulation eines Kühlmittels in der Wärmesenke 5. Die Wärmesenke ist somit dazu ausgebildet, die von der Wärmequelle 4 übertragene Wärme auf das Kühlmittel zu übertragen beziehungsweise abzugeben.
Um die Wärme von der Wärmequelle 4 auf die Wärmesenke 5 zu übertragen, weist die Kühlanordnung 1 ein Wärmeleitmedium 3 auf. Das Wärmeleitmedium 3 weist erste Koppelflächen 16 zum thermischen Koppeln mit der Wärmequelle 4 sowie zweite Koppelflächen 17 zum thermischen Koppeln mit der Wärmesenke 5 auf. Vorzugsweise weist das Wärmeleitmedium 3 dabei mehrere erste Koppelflächen 16 und/oder mehrere zweite Koppelflächen 17 auf. In den Ausführungsbeispielen ist das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der ersten Koppelflächen 16 beziehungsweise über die ersten Koppelflächen 16 mit der Wärmequelle 4, insbesondere der zumindest einen Batteriezelle, thermisch gekoppelt. In den Ausführungsbeispielen ist das Wärmeleitmedium 3 über die zweiten Koppelflächen 17 beziehungsweise im Bereich der zweiten Koppelflächen 17 mit der Wärmesenke 5 thermisch gekoppelt. Somit ist das Wärmeleitmedium 3 dazu ausgebildet, über die ersten Koppelflächen 16 Wärme von der Wärmequelle 4 abzuführen beziehungsweise zu empfangen. Das Wärmeleitmedium 3 ist dazu ausgebildet, Wärme über die zweiten Koppelflächen 17 an die Wärmesenke 5 zu übertragen beziehungsweise abzugeben. Somit ermöglicht das Wärmeleitmedium 3 den Fluss von Wärme beziehungsweise die Übertragung von Wärme von der Wärmequelle 4 zur Wärmesenke 5. Über das Wärmeleitmedium 3 kann die Wärme der Wärmequelle 4 bestimmungsgemäß durch die Wärmesenke 5 abgeführt werden. Das Wärmeleitmedium 3 ist als Wärmeleitfolie ausgeführt. Somit zeichnet sich das Wärmeleitmedium 3 insbesondere dadurch aus, dass es eine geringe Dicke aufweist, beispielsweise weniger als 10 Millimeter, weniger als 5 Millimeter, weniger als 1 Millimeter oder weniger als 0,5 Millimeter. Auch eine noch dünnere Ausführung der Wärmeleitfolie 3 beziehungsweise des Wärmeleitmediums mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer, weniger als 50 Mikrometer oder weniger als 20 Mikrometer ist möglich. Die Dicke ist dabei insbesondere diejenige Ausdehnung des Wärmeleitmediums 3 beziehungsweise der Wärmleitfolie senkrecht zur Oberfläche des Wärmeleitmediums 3 beziehungsweise der Wärmeleitfolie verläuft. Eine Ausdehnung der Oberfläche des Wärmeleitmediums beziehungsweise der Wärmeleitfolie ist dabei insbesondere zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 100, zumindest um den Faktor 1000 oder zumindest um den Faktor 10.000 größer als die Dicke. Faktor 10.000 größer als die Dicke.
Das Wärmeleitmedium 3 beziehungsweise die Wärmeleitfolie ist beispielhaft als graphithaltige Folie ausgeführt. Mit anderen Worten ist das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie vorliegend zumindest teilweise aus Kohlenstoff beziehungsweise Graphit gebildet. Das Wärmeleitmedium beziehungsweise die Wärmeleitfolie kann vollständig aus Graphit oder Kohlenstoff bestehen oder neben Graphit beziehungsweise Kunststoff noch eines oder mehrere weitere Materialien beinhalten. Durch eine derartige kohlenstoffhaltige beziehungsweise graphithaltige Ausführung des Wärmeleitmediums ergibt sich eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere parallel zur Oberfläche. Die Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche ist vorliegend größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer sein, beispielsweise um den Faktor 2 oder 4 größer als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Eine solche Wärmeleitfolie wird beispielsweise unter dem Markennamen „eGRAF® SPREADERSHIELD™“ vertrieben. Beispielsweise kann das Wärmeleitmedium 3 die Folie „eGRAF® SPREADERSHIELD™“ aufweisen bzw. daraus gebildet sein.
Das Wärmeleitmedium 3 beziehungsweise die Wärmeleitfolie weist vorliegend eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei ist eine Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche des Wärmeleitmediums 3 insbesondere größer als eine Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche des Wärmeleitmediums 3. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit parallel zu der Oberfläche zumindest um den Faktor 10, zumindest um den Faktor 50 oder zumindest um den Faktor 100 größer sein als die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zu der Oberfläche. Im vorliegenden Beispiel kann das Verhältnis der genannten Wärmeleitfähigkeiten das Verhältnis 1 :300 aufweisen. Aus diesem Grund ist es insbesondere von großer Bedeutung, eine Wärmeübertragung an den ersten Koppelflächen und/oder an den zweiten Koppelflächen zu optimieren. Aufgrund der anisotropen Wärmeleitfähigkeit kann die Wärmeübertragung an den jeweiligen Koppelflächen einen Flaschenhals bei der Wärmeabfuhr darstellen.
Das Wärmeleitmedium 3 kann zudem eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Beispielsweise kann das Wärmeleitmedium 3 einseitig oder beidseitig durch eine elektrisch isolierende Folie umgeben bzw. eingerahmt sein. Alternativ kann die Beschichtung direkt auf das Wärmeleitmedium 3 aufgebracht sein.
Das Wärmeleitmedium 3 ist in den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis Fig. 6 jeweils in einem Spalt 6 angeordnet. Der Spalt 6 ist durch die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 5 gebildet. Insbesondere ist der Spalt 6 durch jeweilige Wandungen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 gebildet beziehungsweise zwischen den jeweiligen Wandungen angeordnet. Beispielsweise können die jeweiligen Wandungen den Spalt 6 begrenzen.
Das Wärmeleitmedium 3 ist in den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis Fig. 6 dem Spalt 6 jeweils mehrfach gefaltet. Mit anderen Worten weist das Wärmeleitmedium 3 in dem Spalt 6 mehrere Faltungen 7 auf. Durch die Faltungen 7 ist das Wärmeleitmedium 3 beziehungsweise die Wärmeleitfolie 3 zwischen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 hin und her geführt. Vorzugsweise ist das Wärmeleitmedium 3 jeweils abwechselnd von der Wärmequelle 4 hin zur Wärmesenke 5 und von der Wärmesenke 5 hin zur Wärmequelle 4 gefaltete beziehungsweise geführt. Auf diese Weise sind die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 5 durch das Wärmeleitmedium 3 thermisch gekoppelt. Insbesondere ist das Wärmeleitmedium 3 zwischen einzelnen Koppelflächen 16, 17 gefaltet. Somit sind benachbarte Koppelflächen 16, 17 jeweils durch Faltungen 7 des Wärmeleitmediums 3 voneinander getrennt beziehungsweise beanstandet.
Insbesondere weist das Wärmeleitmedium 3 eine Vorspannung auf, welche durch die Anordnung des gefalteten Wärmeleitmediums 3 in dem Spalt 6 vorgegeben ist. Mit anderen Worten ist das mit den Faltungen 7 versehene Wärmeleitmedium 3 vorgespannt beziehungsweise weist die Vorspannung auf. Diese Vorspannung kann dadurch erzeugt sein, dass die Faltungen 7 größer sind, als der Spalt 6. Beispielsweise sind die Faltungen 7 parallel zu einer Hauptausdehnungsrichtung des Spaltes 6 und/oder senkrecht zu der Hauptorientierungsrichtung des Spaltes 6 größer als der Spalt 6 der jeweiligen Richtung. Durch die Anordnung des Wärmeleitmediums 3 mit derartigen Faltungen 7 innerhalb des Spaltes 6 ist eine Spannung, nämlich die genannte Vorspannung, auf das Wärmeleitmedium 3 eingebracht. Mit anderen Worten ist durch die Anordnung des derart gefalteten Wärmeleitmediums 3 in dem Spalt 6 das Wärmeleitmedium 3 mit der Vorspannung beaufschlagt. Aus der Vorspannung resultiert eine Kraft des Wärmeleitmediums 3 auf die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 5 beziehungsweise deren jeweilige Wandungen. Mit anderen Worten ruft die Vorspannung eine Kraft des Wärmeleitmediums 3 senkrecht zu der Hauptorientierungsrichtung des Spaltes 6 hervor. Die Hauptorientierungsrichtung des Spaltes 6 dabei insbesondere eine Ebene, welche senkrecht zu einer Oberfläche der jeweiligen Wandungen von Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 verläuft, welche den Spalt 6 bilden.
Aus der Vorspannung beziehungsweise der daraus resultierenden Kraft resultiert insbesondere eine Anpresskraft, mit welcher die ersten und zweiten Koppelflächen 16, 17 gegen die jeweilige Wandungen gedrückt werden. Insbesondere resultiert aus der Vorspannung beziehungsweise der daraus resultierenden Kraft eine Anpresskraft beziehungsweise ein Druck, mit welcher die ersten Koppelflächen 16 beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der ersten Koppelflächen 16 gegen die Wärmequelle 4 beziehungsweise deren jeweilige Wandung gedrückt wird. Insbesondere resultiert aus der Vorspannung beziehungsweise der daraus resultierenden Kraft eine Anpresskraft beziehungsweise ein Druck, mit welcher die zweiten Koppelflächen 17 beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 im Bereich der zweiten Koppelflächen 17 gegen die Wärmesenke 5 beziehungsweise deren jeweilige Wandung gedrückt wird. Die spezielle elastische bzw. federnde Ausführung der Wärmeleitfolie 3, auch Wärmeleitermatte genannt, kann durch die spezielle Faltung 7 ausgeführt werden. Hierbei ist durch die Form der Faltungen 7 eine Elastizität gegeben, da sich die Faltungen 7 abhängig von der Belastungs-Kraft unterschiedlich verformen.
Im Folgenden werden zunächst die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 genauer erläutert. Gemäß der Figuren 1 bis 3 ist das Wärmeleitmedium 3 in der seitlichen Schnittansicht im Wesentlichen gemäß eines Dreiecks gefaltet. Mit anderen Worten weisen die Faltungen 7 bei dieser Ausführungsform jeweils eine im Wesentlichen dreieckige Form auf. Daraus resultiert, dass die ersten Koppelflächen 16 und die zweiten Koppelflächen 17 einander jeweils überlappen. Insbesondere überlappt eine jeweilige der ersten Koppelflächen 16 jeweils mit zwei benachbarten zweiten Koppelflächen 17. Insbesondere überlappt eine jeweilige der zweiten Koppelflächen 17 jeweils mit zwei benachbarten ersten Koppelflächen 16. Die Überlappung ist dabei insbesondere jeweils auf eine Projektion auf eine der den Spalt 6 bildenden Wandungen von Wärmequelle 4 oder Wärmesenke 5 zu verstehen. Dabei zeigt Fig. 2 die Wärmeleitfolie beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 in einer schematischen Perspektivansicht ohne den Spalt 6 beziehungsweise die umgebende Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5.
Die Ausführungsformen von Fig. 3 zeigt zusätzlich den Einsatz von inneren blockbildenden Elementen 18 und äußeren blockbildenden Elementen 19. für die Fertigung der blockbildenden Elemente gibt es unterschiedlichste und vielfältige Möglichkeiten wie beispielsweise Leisten, Stützaugen, Rippen und dergleichen. Durch die blockbildenden Elementen 18, 19 wird vermieden, dass das Wärmeleitmedium 3 zerdrückt wird und möglicherweise ein elektrischer Kontakt, beispielsweise zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5, hergestellt wird. Aufgrund der blockbildenden Elemente 18, 19 können sich die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 5 nicht berühren. Die Position dieser blockbildenden Elemente 18, 19 kann sich unterhalb oder auch außerhalb der Wärmequelle 4 beziehungsweise des Zellblocks befinden. Eine Fixierung der blockbildenden Elemente erfolgt beispielsweise durch feste Verbindung zu einem Trägerbauteil der Batterieanordnung 2 oder auch durch Einlegen in die Faltungen 7 der Wärmeleitfolie beziehungsweise des Wärmeleitmedium 3.
Bei der Ausführungsformen gemäß Fig. 4 weisen die Faltungen 7 jeweils eine S-Form auf. Mit anderen Worten ist das Wärmeleitmedium 3 S-förmig gefaltet. Auch aus dieser Art der Faltung 7 resultiert ein Überlappen der ersten und zweiten Koppelflächen 16, 17 analog zu Fig. 1. Durch die jeweilige S-Form der Faltungen 7 ist zudem eine besonders optimale Einleitung der aus der Vorspannung resultierenden Kraft in die Koppelflächen 16, 17 beziehungsweise die jeweiligen Wandungen von Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 gewährleistet. Zusätzlich ist die jeweilige S-Form zweier benachbarter Faltungen 7 jeweils spiegelverkehrt zueinander. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders optimale Wärmeleitung beziehungsweise thermische Kopplung über die jeweiligen Koppelflächen 16, 17.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 ist das Wärmeleitmedium 3 wellenförmig gefaltet. Mit anderen Worten weisen die Faltungen 7 eine Wellenform auf. Dies ist insbesondere im Falle geringer Spaltmaße des Spaltes 6 vorteilhaft. Mit anderen Worten kann eine derart gefaltete Wärmeleitfolie beziehungsweise ein derart gefaltetes Wärmeleitmedium 3 besonders leicht in schmalen Spalten 6 angeordnet werden. Eine derartige Faltung 7 ist daher zu bevorzugen, wenn sich Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 nahe beieinander befinden. Dabei zeigt Fig. 5 wiederum eine Schnittdarstellung. Demgegenüber zeigt Fig. 6 das gefaltete Wärmeleitmedium 3 in einer Perspektivansicht ohne die umgebende Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5. Bei geringen Spaltbreiten zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 mit geringen Oberflächentoleranzen sind auch sehr flache Wärmeleitfolien 3 möglich, die entsprechend der Faltung 7 diesen Raum nicht vollständig ausfüllen, sondern auch einen entsprechenden Freiraum erlauben („Luft zwischen den Falten“).
Abschließend zeigen die Fig. 7 und 8 eine deutlich abweichende Ausführungsform der Kühlanordnung 1 beziehungsweise Batterieanordnung 2. Bei dieser Ausführungsform weist das Wärmeleitmedium 3 eine Noppenstruktur 10 auf. Jeweilige Noppen 11 der Noppenstruktur 10 können eine besonders vorteilhafte Anpresskraft auf die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 5 ermöglichen. Die Noppenstruktur 10 kann beispielsweise durch die Einbringung von internen Federelement in eine Struktur des Wärmeleitmediums 3 beziehungsweise der Wärmeleitfolie erzeugt werden. Beispielsweise sind die jeweiligen Noppen 11 durch ein jeweiliges intern eingebrachtes Federelement gebildet. Eine solche Einbringung von Federelementen beispielsweise die Herstellung der Noppenstruktur 10 kann durch einen Gießprozess oder einen Umformprozess erfolgen.
Der Lösungsansatz für eine optimale thermische Kopplung eines zu kühlenden Bauteils, nämlich der Wärmequelle 4 wird ermöglicht, durch eine besonders gute Ausnutzung der sehr guten Wärmeleiteigenschaften des Graphitmaterials , aus dem das Wärmeleitmedium 3 gebildet ist, mit einer inneren Wärmeleitung von ca. 300 bis 1600 W/mK (im Vergleich dazu Wärmeleitpasten ca. 1 ... 3 W/mK). Zusätzlich wird ein Einkoppeln und Auskoppeln der Wärme ebenfalls deutlich besser als, trotz des relativ geringen Wertes von ca. 15 W/mK (im Vergleich dazu Wärmeleitpasten (ca. 1 ... 3 W/mK), ebenfalls deutlich besser als bei Wärmeleitpasten ermöglicht. Zusätzlich wird in die Wärmeleitmatte beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 eine Elastizität durch Faltung 7 bzw. Formung eingebracht, um unter einer Federkraft die jeweiligen Wandungen von Wärmequelle 4 und oder Wärmesenke 5 thermisch zu kontaktieren.
Aus Sicht der verfügbaren Zellbauformen von Batteriezellen, die in dem Zählwerk angeordnet sein können, kann dieser Einsatz besonders effektiv an Batteriezellen mit Zellflächen mit ebener Struktur erfolgen, z. B. HC-Zellen, Rundzellen oder auf den Seitenflächen von Pouchzellen.
Bei der vorliegenden Lösung handelt es sich um eine gefaltete bzw. geformte flächige Ausbildung mit einem hohen elastischen Anteil zur Einstellung partiell unterschiedlicher Höhenunterschiede („Toleranzausgleich“) und guter Kontaktierung der Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5. Die Elastizität zum Ausgleich von Toleranzen, insbesondere im Hinblick auf Spaltmaße des Spaltes 6, wird durch die Faltung 7 erreicht, die je nach beaufschlagter lokaler Kraft mehr oder weniger zusammengedrückt wird. Durch die Verformungskraft wird die das Wärmeleitmedium 3 an die Wärmequelle 4, insbesondere den Zellblock, gedrückt und auf der anderen Seite an die Wärmesenke 5 gepresst. Hierbei ist es wichtig, dass an den Wärmeübergangsstellen, nämlich den Koppelflächen 16, 17, möglichst großflächig thermisch kontaktiert wird, um die Übergangs- Wärmeleitwerte von ca. 15 W/mK auf möglichst große Fläche ausnutzen zu können. Die innere Wärmeleitung innerhalb des Wärmeleitmediums 3 ist dann kein Hindernis, da diese Wärmeleitfähigkeit um ein vielfaches größer ist, etwa um den Faktor 20 bis 100. Damit besteht für die eigentliche Kontaktierung und Wärmeleitung wenig Materialbedarf, da nicht der gesamte Spalt zwischen Wärmequelle 4, insbesondere dem Zellblock, und Wärmesenke 5 „massiv“ ausgefüllt werden muss.
In einem Verbund aus Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 sind zur Vermeidung einer Überlastung/Beschädigung der wärmeleitenden Graphitschicht optional die blockbildenden Elemente 18, 19 einsetzbar, das können z. B. eingesetzte Leisten in den Faltungen 7 des Wärmeleitmedium 3 oder auch außerhalb liegende Bauteile sein, die mehr oder weniger direkt zwischen Wärmequelle 4 und Wärmesenke 5 liegen und sich nicht zwingend im Bereich des Bauraums für das Wärmeleitmedium 3 befinden müssen.
Die Wärmeleitfolie beziehungsweise das Wärmeleitmedium 3 ist ein einfach zu montierendes flächiges Bauteil für die thermische Kopplung mit integriertem, auch lokal unterschiedlichem Toleranzausgleichvermögen. Hieraus resultiert eine deutliche Gewichtsreduzierung, da keine massive Verfüllung des Spaltes 6 erfolgt (z.B. mit „gap filier“) sondern nur dünne Einlage mit viel Zwischenraum vorgesehen ist. Die vorliegende Idee ist auch als dünne Ausführung von ca. 1 mm darstellbar bei z. B. 0,1 mm Dicke des Wärmeleitmediums 3, bedingt durch die spezielle Faltung 7 (siehe Fig. 5 und 6). Im Unterschied zu „massiven“ Wärmeleitelementen z. B. auf Silikonbasis, ist die vorliegende Wärmeleitfolie 3 durch die räumliche Faltung leichter, die eigentliche Wärmeleitfolie 3 kann grundsätzlich sehr dünn, ausgeführt sein.
Damit ergeben sich Vorteile wie thermische Anbindung von Bauteilen an eine Kühlplatte ohne Wärmeleitpasten, dadurch deutliche Gewichtsreduzierung. Parallel dazu Ausgleich von Toleranzen und Bereitstellung eines blockbildenden Elements um z. B. elektrische Kontakte zu vermeiden. Die Wärmeleitfolie 3 als formstabiles flächiges Element kann eingelegt werden, somit ist keine Auftragung von Pasten etc. notwendig.
Wichtig ist bei Bedarf die Ausrichtung der Batteriezellen gegenüber der Faltung 7 bzw. Formung zu beachten, um eine optimale Auflage zu erzielen, insbesondere kann die Faltung 7 schräg / quer zur Ausrichtung der Batteriezellen verlaufen.
Bezugszeichenliste
1 Kühlanordnung
2 Batterieanordnung
3 Wärmeleitmedium
4 Wärmequelle
5 Wärmesenke
6 Spalt
7 Faltung
9 Kühlmittelanschluss
10 Noppenstruktur
11 Noppen
16 erste Koppelfläche
17 zweite Koppelfläche
18 blockbildendes Element
19 blockbildendes Element

Claims

Patentansprüche Kühlanordnung (1) zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle (4) auf eine Wärmesenke (5), mit
- der Wärmequelle (4),
- der Wärmesenke (5), und
- einem Wärmeleitmedium (3), welches erste Koppelflächen (16), die mit der Wärmequelle (4) thermisch gekoppelt sind, und zweite Koppelflächen (17), die mit der Wärmesenke (5) thermisch gekoppelt sind, aufweist, wobei das Wärmeleitmedium (3) als Wärmeleitfolie (3) ausgeführt ist, wobei
- das Wärmeleitmedium (3) in einem Spalt (6) angeordnet ist, wobei der Spalt (6) durch die Wärmequelle (4) und die Wärmesenke (5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Wärmeleitmedium (3) innerhalb des Spaltes (6) mehrere Faltungen aufweist, wobei jeweils benachbarte der ersten und zweiten Koppelflächen durch eine jeweilige der mehreren Faltungen voneinander getrennt sind. Kühlanordnung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten der mehreren Faltungen das Wärmeleitmedium (3) parallel zu der Wärmequelle (4) oder der Wärmesenke (5) verläuft. Kühlanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (3) zwischen zwei benachbarten Falzkanten jeweils einen geraden Verlauf hat. Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Faltungen des Wärmeleitmedium (3) in einem Schnitt durch die Faltung eine zumindest im Wesentlichen dreieckige Formgebung aufweisen. Kühlanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Faltungen des Wärmeleitmedium (3) jeweils eine S-förmige Biegung aufweisen. Kühlanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen S-förmigen Biegungen zweier benachbarter Faltungen zumindest im Wesentlichen spiegelverkehrt zueinander sind. Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (3) zumindest durch eine graphithaltige Folie gebildet ist. Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (3) parallel zu einem Normalvektor des als Folie ausgeführten Wärmeleitmediums (3) zumindest im Wesentlichen inkompressibel ist. Batterieanordnung (2) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug, mit
- der Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und
- zumindest einer Batteriezelle als der Wärmequelle (4), wobei
- das Wärmeleitmedium (3) über die ersten Koppelflächen (16) mit der zumindest einen Batteriezelle (4) und über die zweiten Koppelflächen (17) mit der Wärmesenke (5) thermisch gekoppelt ist. Verfahren zum Herstellen einer Kühlanordnung (1) zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle (4) auf eine Wärmesenke (5), mit den Schritten:
- Anordnen eines Wärmeleitmediums (3) zwischen der Wärmequelle (4) und der Wärmesenke (5), wobei das Wärmeleitmedium (3) als Folie ausgeführt ist, und
- Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium (3) und der Wärmequelle (4) über eine erste Koppelfläche (16) des Wärmeleitmediums (3) an der Wärmequelle (4) und/oder Herstellen einer thermischen Kopplung zwischen dem Wärmeleitmedium (3) und der Wärmesenke (5) über eine zweite Koppelfläche (17) des Wärmeleitmediums (3), dadurch gekennzeichnet, dass
- das Wärmeleitmedium (3) mit mehreren Faltungen versehen wird,
- das Herstellen der thermischen Kopplung durch die Faltungen erfolgt, wobei jeweils benachbarte der ersten und zweiten Koppelflächen durch eine jeweilige der mehreren Faltungen voneinander getrennt sind.
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