DE102009006216B4

DE102009006216B4 - Kühlvorrichtung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102009006216B4
Application number: DE102009006216.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Ambros; Jochen Orso
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: DE102009006216A1

Abstract

Kühlvorrichtung für elektrische Elemente (1), die ein Gehäuse (2) aufweist, in dem die elektrischen Elemente (1) angeordnet sind und mit einer inerten Flüssigkeit im Wärmeaustausch stehen, die im Gehäuse (2) verdampft und an einem im Gehäuse (2) angeordneten Kühler (4) kondensiert, gekennzeichnet durch Zwischenräume (3) zwischen den elektrischen Elementen (1), die die inerte Flüssigkeit und ein körniges Schüttgut (5) enthalten, um die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit zu minimieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektrische Elemente, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, die ein Gehäuse aufweist, in dem die elektrischen Elemente angeordnet sind und mit einer inerten Flüssigkeit im Wärmeaustausch stehen, die im Gehäuse verdampft und wieder kondensiert. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung.
Es sind zahlreiche Kühlvorrichtungen für elektrische Elemente bekannt. Meistens wird Kühlluft oder eine zirkulierende Kühlflüssigkeit verwendet, um die elektrischen Elemente, wie Batterien, Akkumulatoren bzw. Zellen zu kühlen. Die Elemente sind möglichst kompakt jedoch mit unvermeidbaren Zwischenräumen zueinander angeordnet. Die aus der WO 2007/031689A1 bekannte Vorrichtung stellt ein solches Beispiel dar.
Die DE 102 01 557A1 zeigt eine Kühlvorrichtung, die dem Oberbegriff entspricht. Diese Kühlvorrichtung ist zur Kühlung von Leistungselektronik mittels einer inerten, d. h. mittels einer elektrisch nicht leitenden, Kühlflüssigkeit vorgesehen, die in Folge ihrer Erwärmung verdampft, an einem Kühler kondensiert und als Flüssigkeit wieder zurück fließt. Die Leistungselektronik wurde dort als ein kompakter Block dargestellt, der von der Flüssigkeit umspült wird. Inerte Flüssigkeiten sind recht teuer, weshalb die Kühlung von zahlreichen, ziemlich großen Batteriezellen, die recht große Zwischenräume mit sich bringen, aus Kostengründen scheitern könnte. Andererseits ist die Kühlwirkung mittels inerter Flüssigkeit recht effizient, da die Batteriezellen allseitig gekühlt werden können.
Aus der DE 26 59 339 A1 ist eine Kühlvorrichtung für elektrische Bauteile bekannt, bei der zwischen den Bauteilen Geflechte angeordnet sind, die als Kapillarstrukturen eingesetzt werden. Die DE 102 01 557 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung, die mittels Verdampfungskühlung Elektronik kühlt, wobei ein in der Kühlvorrichtung angeordneter Wärmetauscher die verdampfte Kühlflüssigkeit zumindest teilweise kondensiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige und wirksame Kühlvorrichtung für elektrische Elemente, die mittels einer inerten, elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gekühlt werden, zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird bei einer dem Oberbegriff entsprechenden Kühlvorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weil sich gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung ein körniges Schüttgut in den Zwischenräumen zwischen den elektrischen Elementen befindet, um die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit zu minimieren, wird eine kostensparende und trotzdem sehr wirksame Kühlvorrichtung zur Verfügung gestellt. Das Schüttgut wirkt darüber hinaus auch als Abstandshalter zwischen den Zellen, und sie kann helfen Vibrationen zu dämpfen.
Das Schüttgut weist eine bevorzugte Korngröße von beispielsweise 0,5 - 2,0 mm auf, um mit möglichst kleinen Zwischenräumen arbeiten zu können. Bis etwa 5,0 mm sind denkbar. Die Spaltbreite des Zwischenraumes kann beispielsweise doppelt so groß wie die Korngröße sein. Es kann sich bei dem Schüttgut beispielsweise um Glas - oder Kunststoffkügelchen bzw. um Granulat handeln. Die Verwendung anderer Schüttgüter mit entsprechend elektrisch isolierender Eigenschaft ist möglich.
Der Zwischenraum erstreckt sich in Form eines Spaltes im Wesentlichen um den Umfang eines jeden elektrischen Elements. Der Zwischenraum bzw. der Spalt ist hinsichtlich seiner maßlichen Gestaltung minimiert, um einerseits die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit gering zu halten, aber andererseits auch, um die Verdampfungskühlung aufrecht zu erhalten. Die Austrocknung mit der Folge von überhitzten Stellen an den Elementen soll vermieden werden.
Es wurde gefunden, dass das Maß des Zwischenraums lediglich wenige Millimeter beispielsweise 0,5 - 5,0 mm betragen kann. Vorzugsweise liegt dieses Maß zwischen 1,5 und 3,5 mm. Werden kleinere elektrische Elemente verwendet können Zwischenraummaße eher an der unteren Grenze liegend vorgesehen werden.
Es wurde weiterhin gefunden, dass als inerte und elektrisch nicht leitende Flüssigkeiten beispielsweise Perfluoroalkan-methylether oder Perfluoroalkan-n-alkanether oder auch Perfluoralkan-isoalkanether in Frage kommen. Ein Beispiel für eine solche Flüssigkeit von der als 3M bekannten Firma lautet:

3M HFE-7000: 1-methoxyheptafluoropropane

Das Herstellungsverfahren für eine Kühlvorrichtung für elektrische Elemente, die aus Gehäuseteilen zusammengesetzt wird, wobei die Elemente auf Abstand zueinander in eines der Gehäuseteile eingesetzt werden und wobei das Gehäuse mit dem anderen Gehäuseteil verschlossen wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in den durch die Abstände gebildeten Zwischenräume eine inerte Flüssigkeit und ein körniges Schüttgut eingebracht werden. Weitere Merkmale befinden sich in den abhängigen Patentansprüchen, auf die an dieser Stelle ausdrücklich verwiesen wird, um deren Wiederholung zu erübrigen. Ferner ergeben sich Merkmale und deren Vorteile aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
Die Zeichnungen zeigen Folgendes:

1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kühlvorrichtung im Gehäuse;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kühlvorrichtung ohne Gehäuse;
3 und 4 zeigen elektrische Elemente, auf Zwischenraum angeordnet, die mit einer nicht von der Erfindung umfassten gitterartigen Struktur ausgefüllt sind;
5 zeigt ein Schüttgut in den Zwischenräumen;
6 und 7 Querschnitte eines Ausführungsbeispiels mit einem anderen Kühler;
8 Querschnitt, der die Position der Zellen im Gehäuse zeigt;
9 Einzelheit „J“ aus 8;

Die elektrischen Elemente 1 der gezeigten Ausführungsbeispiele sind Batterien 1 bzw. Akkumulatoren von prismatischer Form, die elektrische Energie zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung stellen. Die elektrischen Elemente 1 werden im Folgenden demnach stets als Batterien bzw. als Zellen 1 bezeichnet. Diese einleitende Bemerkung soll darauf aufmerksam machen, dass keinesfalls eine Beschränkung auf die Kühlung von prismatischen Zellen 1 beabsichtigt ist, sondern, im Gegenteil, dass die elektrischen Elemente 1 im weitesten Sinne, auch unabhängig von ihrer Form, zu verstehen sind. Wegen der elektrischen Anschlüsse 10 der Zellen 1 wird auf den bekannten Stand der Technik verwiesen.
Das Gehäuse 2 der Kühlvorrichtung ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen zweiteilig ausgebildet. Es besitzt einen oben liegenden Deckel 2A, der das topfartige Gehäuseteil 2B abschließt. Beide Gehäuseteile 2A, 2B sind an einem Flansch 2C verbunden.
Im Gehäuse 2 ist die eigentliche Kühlvorrichtung angeordnet. Sie besteht aus einem Kühler 4, der sich im oder am Deckel 2A befindet. Der Kühler 4 weist eine durch Nuten, Furchen oder dergleichen vergrößerte Oberfläche auf, an der die verdampfende inerte Flüssigkeit zur Kondensation gebracht wird. Der in 2 gezeigte Kühler 4 besitzt in seinem Inneren eine Kühlschlange 40, die von einem Kühlmittel durchströmt wird. Mit dem Bezugszeichen 20 wird der Eintritt des Kühlmittels bezeichnet und mit 21 der entsprechende Kühlmittelaustritt. Das Kühlmittel kann ein Kältemittel sein oder auch eine Kühlflüssigkeit anderer Art, beispielsweise die Kühlflüssigkeit eines Kraftfahrzeugmotors, die in einem separaten nicht gezeigten Kreislauf auf ein entsprechend niedriges Temperaturniveau gebracht wird, das bei etwa 40°C liegen kann. Das Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung gemäß den 6 und 7 hat keine Kühlschlangen oder dergleichen. Dort strömt das Kühlmittel lediglich an der strukturierten Oberseite des Kühlers 4 entlang. Anders als in der 6 dargestellt wird, kann auch zwischen den Böden der Zellen 1 und der inneren Bodenseite des Gehäuses 2B ein Zwischenraum 3 ausgebildet sein.
Der Kühler 4 kann ferner auch integral mit dem Deckel 2A aus zwei verbundenen Schalen ausgebildet sein, die von dem Kühlmittel durchströmt werden, wobei die oben liegende Schale einen überstehenden, umlaufenden Rand aufweist, der als Verschlussrand 2C dient. (nicht gezeigt)
Die 3 und 4 zeigen eine nicht erfindungsgemäße gitterartige Struktur 6 aus Kunststoff, die sich in den Zwischenräumen 3 befindet. Wie die Vergrößerung gemäß 4 erkennen lässt, liegen sich kreuzende Stränge der Struktur aufeinander und sind vorzugsweise auch miteinander verbunden. Es kann sich auch um ein Geflecht handeln. Jedenfalls muss gewährleistet sein, dass die sich bildenden Freiräume zwischen den Strängen in den Zwischenräumen 3 fluidisch verbunden sind, damit das inerte Fluid einerseits als Dampf nach oben steigen kann und das Kondensat andererseits auch möglichst bis in den unteren Bereich der Zwischenräume 3 absacken kann. Die 5 soll ein Schüttgut 5 zeigen, welches sich in den Zwischenräumen 3 befindet und beispielsweise aus kleinen Glas - oder Kunststoffkügelchen bestehen kann. Die angesprochenen Freiräume befinden sich bei dieser Ausführung in den zwischen den einzelnen Kügelchen verbleibenden Räumen. (nicht deutlich gezeigt)
Das Maß b, die Spaltbreite der Zwischenräume 3, ist minimiert worden. Es liegt im bevorzugten Bereich von 1,5 - 3,0 mm. Damit wird die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit minimiert, die sich in den Freiräumen der Zwischenräume 3 befindet. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass selbst bei relativ großen Zellen 1, fertigungstechnisch machbare minimierte Zwischenräume 3 bereitgestellt werden können, ohne die für eine um den gesamten Umfang der Zellen 1 vorzunehmende Kühlung benötigte Menge der inerten Flüssigkeit bis in unwirtschaftliche Bereiche hinein erhöhen zu müssen.
Insbesondere bezüglich des Herstellungsverfahrens wird noch auf die 8 und 9 hingewiesen. Eine leichtere Anordnung der Zellen 1 mit sehr geringen Zwischenräumen 3 wird dadurch ermöglicht, dass an der Innenseite des Gehäuses 2 parallel laufende Leisten 22 ausgebildet sind, die etwa dem Maß b der Zwischenräume 3 entsprechen. Zunächst können die Zellen 1 in die ihnen zugeordneten „Fächer“ eingesetzt werden und dann kann das Schüttgut 5 in die Zwischenräume 3 gebracht werden. Werden die Zwischenräume 3 hingegen mit der gitterartigen Struktur 6 belegt, können auch zunächst die Zellen 1 mit den Strukturen 6 gestapelt und dann gemeinsam in das Gehäuse 2B eingesetzt werden.

Claims

Kühlvorrichtung für elektrische Elemente (1), die ein Gehäuse (2) aufweist, in dem die elektrischen Elemente (1) angeordnet sind und mit einer inerten Flüssigkeit im Wärmeaustausch stehen, die im Gehäuse (2) verdampft und an einem im Gehäuse (2) angeordneten Kühler (4) kondensiert, gekennzeichnet durch Zwischenräume (3) zwischen den elektrischen Elementen (1), die die inerte Flüssigkeit und ein körniges Schüttgut (5) enthalten, um die benötigte Menge der inerten Flüssigkeit zu minimieren.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (5) eine Korngröße von beispielsweise 0,5 - 5,0 mm aufweist.
Kühlvorrichtung nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (5) beispielsweise aus Glas - oder Kunststoffkügelchen besteht.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus einem Deckel (2A) und einem Topf (2B) besteht, wobei der Deckel (2A) entweder als Kühler (4) ausgebildet ist oder mit dem Kühler (4) zusammenwirkt, der von einem Kühlmittel beaufschlagt wird und an dem die inerte Flüssigkeit kondensiert.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (b) der Zwischenräume (3) wenigstens 0,5 mm - 5,0 mm vorzugsweise zwischen 1, 5 mm und 3,0 mm beträgt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite des Zwischenraums etwa doppelt so groß ist wie die gewählte Korngröße des Schüttguts.
Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Gehäuses (2) Leisten (22) angeordnet sind, die vom Maß her etwa den Zwischenräumen (3) entsprechen.
Herstellungsverfahren für eine Kühlvorrichtung in einem Gehäuse, zur Kühlung von elektrischen Elementen (1), die mit Zwischenräumen (3) zueinander angeordnet sind, in die eine inerte Flüssigkeit eingefüllt wird, wobei in die Zwischenräume (3) zusätzlich ein körniges Schüttgut (5) eingebracht wird, um die Menge der inerten Flüssigkeit zu minimieren.