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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere Heiz- und/oder Kühlplatte, die mindestens einen, im Wesentlichen flachen, zwischen zwei Platten eingeschlossenen und ringsum geschlossenen Hohlraum und im Hohlraum Kanäle für ein durch den Hohlraum hindurchleitbares Medium enthält.
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Aus der
DE 41 31 739 A1 ist eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente dieser Art bekannt, die als flache Platte mit einem Hohlraum und einer in diesem Hohlraum enthaltenen Einlage ausgebildet ist und an einer Schmalseite eine Kühlmittelzuführung und an der gegenüberliegenden Schmalseite eine Kühlmittelabführung aufweist. Das durch den Hohlraum geleitete, flächig verteilt durchströmende Medium in Form eines Kühlmittels soll für einen konstanten Wärmeübergang über die gesamte Plattenoberfläche sorgen. Infolge der Aufheizung des Kühlmittels zwischen dem Eintritt bei der Kühlmittelzuführung und dem Austritt bei der Kühlmittelabführung aufgrund eines vom zu kühlenden Bauelement eingebrachten Wärmestromes bildet sich im Kühlmittel und korrespondierend auf der Oberfläche der Platte ein ansteigendes Temperaturprofil gemäß der Temperaturänderung aus. Auf der wärmeübertragenden Kontaktfläche der Platte ergibt sich keine konstante Oberflächentemperatur, sondern die Oberflächentemperatur ist im Bereich der Kühlmittelzuführung niedriger als im Bereich der Kühlmittelabführung. Wollte man eine nur geringe Temperaturänderung erreichen, müssten große Kühlmitteldurchsätze bereitgestellt werden, was zu hohen erforderlichen Pumpenleistungen führen würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere Heiz- und/oder Kühlplatte, der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits die geforderte Wärmeübertragungsleistung gewährleistet und andererseits sicherstellt, dass auf ihrer gesamten wärmeübertragenden Oberfläche eine konstante mittlere Oberflächentemperatur erreicht wird.
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Die Aufgabe ist bei einer Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere Heiz- und/oder Kühlplatte, der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Kanäle im Hohlraum als längs und etwa parallel zueinander verlaufende, durch Längswände getrennte, etwa rinnenförmige Vorlaufkanäle und an diese unmittelbar benachbart angrenzende ebensolche Rücklaufkanäle ausgebildet sind, die quer zur Strömungsrichtung des Mediums betrachtet im Wechsel aufeinander folgen, an einem Ende des Hohlraums miteinander in Verbindung stehen und am gegenüberliegenden anderen Ende des Hohlraums über voneinander getrennte Zulauf- und Ablauföffnungen mit einer Zufuhr des Mediums zu den Vorlaufkanälen bzw. Abfuhr des Mediums aus den Rücklaufkanälen verbunden sind, und dass die Vorlaufkanäle und die Rücklaufkanäle sich, im Wesentlichen, über die gesamte Hohlraumlänge erstrecken.
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Aufgrund dieser besonderen konstruktiven Gestaltung ist erreicht, dass durch die Leitung des Mediums durch die Vorlaufkanäle und Rücklaufkanäle lokal Kühlmittel auf hohem Temperaturniveau und in unmittelbarer Nachbarschaft Kühlmittel auf niedrigem Temperaturniveau strömt, wodurch sich in den trennenden Längswänden ein Temperaturausgleich und an der gesamten wärmeübertragenden Oberfläche eine konstante mittlere Oberflächentemperatur einstellt.
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Eine derartige Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung kann mit besonderem Vorteil z. B. zur Temperierung von Batteriezellen eingesetzt werden, die an der oberen und/oder an der unteren Platte angebracht sind. Bei der Umsetzung eines besonders bevorzugten, vollkommen symmetrischen Aufbaus werden die Batteriezellen auf beiden Flächen identisch temperiert. Die Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung eignet sich also mit besonderem Vorteil für den Einsatz als Kühlplatte bzw. Heizplatte von Batterien.
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Nach aktuellem Stand der technischen Entwicklung werden zukünftige elektrifizierte Fahrzeuge, z. B. Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien als elektrische Energiespeicher ausgestattet. Gebrauchsfertige Lithium-Ionen-Batterien sind aus einer Vielzahl einzelner Batteriezellen aufgebaut, die im Batterieverbund sowohl mechanisch als auch elektrisch verbunden sind. Die Batteriezellen selbst gibt es in verschiedenen Bauformen, z. B. als zylinderförmige, quaderförmige, flache, rechteckige oder scheibenförmige Zellen. Allen Batteriezellen ist gemeinsam, dass im Inneren infolge der zellinternen chemischen Prozesse Wärme erzeugt wird, die über die Außenwände abgeführt werden muss. Hierbei ist wesentlich, dass die Temperatur im Zellinneren in einem sehr engen Temperaturbereich konstant gehalten wird.
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Unterhalb einer Zellkerntemperatur von ca. 15°C nimmt der Batteriezellenwirkungsgrad signifikant ab, bei einer gleichzeitigen Beeinträchtigung der Lebensdauer infolge von irreversiblen chemischen Alterungsprozessen. In diesem Temperaturbereich muss die Batterie erwärmt werden, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung dann als Heizplatte eingesetzt wird.
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Bei Zellkerntemperaturen über ca. 35°C führt die thermische Alterung zu einer starken Abnahme der Batterielebensdauer und kann bei Temperaturen oberhalb von ca. 60°C sogar zu einer Zerstörung der Zellen durch Brand führen. In diesem Betriebsbereich muss die Batterie gekühlt werden, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung dann als Kühlplatte eingesetzt wird.
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Der zwischen diesen Zellkerntemperaturen liegende mittlere Betriebsbereich der Batteriezellen liegt in einem Temperaturbereich von ca. 20°C bis 35°C, was durch eine geregelte Heizung und Kühlung mittels eines angeschlossenen Temperiersystems gewährleistet sein muss.
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Idealerweise sollten alle Einzelzellen im Batterieverbund die gleiche Temperatur aufweisen, da bei einer ungleichmäßigen Alterung die Zelle mit dem schlechtesten Wirkungsgrad oder der am weitesten fortgeschrittenen Alterung die Leistung und die Lebensdauer der Gesamtbatterie bestimmt. Daher ist es wichtig, dass alle Einzelzellen im Batterieverbund einerseits innerhalb des genannten mittleren Temperaturbereichs zwischen 20°C bis 35°C betrieben werden und andererseits alle Zellen identischen Temperatur-Lastprofilen ausgesetzt sind, um eine gleiche Alterung aller Zellen und damit eine summarisch maximale Gesamt-Lebensdauer und Leistung der Batterie zu erreichen. Nach Literaturangaben darf die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Zelle auf höchstem und der Zelle auf niedrigstem Temperaturniveau 5 K betragen.
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Diesen Anforderungen wird die Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung beim Einsatz als Batteriekühlplatte bzw. Batterieheizplatte in hohem Maße gerecht bei einfachem und platzsparendem Aufbau, wobei die jeweils geforderte Wärmeübertragungsleistung gewährleistet wird. Infolge einer besonderen Führung des Kühlmittelstromes strömt lokal Kühlmittel auf hohem und in unmittelbarer Nachbarschaft Kühlmittel auf niedrigem Temperaturniveau, wodurch sich in den Trennwänden zwischen den jeweiligen Vorlaufkanälen und den Rücklaufkanälen ein Temperaturausgleich einstellt und sich auf der wärmeübertragenden Kontaktfläche zu Batteriezellen, die an den Platten angebracht sind, eine konstante mittlere Oberflächentemperatur ergibt. Die Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung vermag mehrere Zellen einer Batterie bedarfsweise zu erwärmen oder zu kühlen.
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Ein weiteres besonderes vorteilhaftes Einsatzgebiet für eine Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz in Thermoelektrischen Generatoren, abgekürzt „TEG” genannt, sowie thermomagnetischen oder thermoakustischen Generatoren. Allen diesen Anwendungen ist gemeinsam, dass eine große Oberfläche mit einer homogenen, möglichst konstanten und hohen Oberflächentemperatur mittels einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung bereitgestellt werden kann.
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Bei einem Thermoelektrischen Generator wird z. B. das heiße Abgas einer Brennkraftmaschine durch eine wärmeaufnehmende Struktur geleitet. Infolge des abgeführten Wärmestromes und der geringen Wärmekapazität des Abgases kann hierbei die Abgastemperatur zwischen Eintritt und Austritt am TEG um weit über 200 K absinken, was zu starken Änderungen der Oberflächentemperaturen führt. Nachdem heutzutage die verfügbaren thermisch-elektrischen Halbleiterelemente nur jeweils in relativ engen Temperaturfenstern hohe ZT-Werte und damit elektrische Nutzleistungen bereitstellen, außerhalb dieser Temperaturfenster aber entweder weitgehend wirkungslos sind oder thermisch zerstört werden, werden hier starke Kompromisse gemacht. Zum einen werden Halbleiterelemente eingesetzt, welche in einem großen Temperaturbereich betriebsstabil sind, im Mittel aber sehr geringe ZT-Werte und damit niedrige elektrische Nutzleistungen liefern. Zum anderen werden lokal verschiedene Halbleiterelemente eingebaut, was hinsichtlich des Fertigungsaufwandes sehr nachteilig ist.
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Ein vorteilhafter Einsatz einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung für einen TEG führt zu einer technischen Ausführung, bei der ein Teilstrom des Abgases in der beschriebenen Weise im benachbarten Gegenstrom mit Umlenkung durch den TEG geleitet wird. Dies bietet zwei Vorteile: Zum einen wird, wie bereits ausgeführt, eine homogene Oberflächentemperatur für die TEG-Halbleiterelemente bereitgestellt, wodurch die für diesen Temperaturbereich passenden Halbleiterelemente mit einem hohen ZT-Wert eingesetzt werden können. Zum anderen wird die extrem hohe Abgastemperatur von über 850°C am TEG-Eintritt durch den Wärmekontakt mit dem bereits abgekühlten Abgas im Austrittsbereich deutlich abgesenkt, was zu deutlich geringeren mittleren Bauteil- und Oberflächentemperaturen im TEG-Eintrittsbereich und damit zu einer signifikanten Absenkung der thermischen Spannungen führt. Eine thermische Zerstörung der Halbleiterelemente wird somit bei Einsatz einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung bei diesem Einsatz für einen TEG vermieden.
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Auch weitere vorteilhafte Einsatzgebiete für eine Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung liegen im Rahmen dieser, und zwar immer dann, wenn an einer Platte oder an beiden Platten zu kühlende und/oder zu erwärmende Bauelemente angebracht werden, wobei bei großer Oberfläche eine möglichst homogene und konstante Oberflächentemperatur bei entsprechend guter Wärmeübertragungsleistung gewährleistet werden soll.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorlaufkanäle und die Rücklaufkanäle über eine Umlenk- und Mischkammer am einen Ende des Hohlraumes miteinander in Verbindung stehen, in die die Enden dieser Kanäle münden. Dadurch ist gewährleistet, dass das an einem Hohlraumende aus den Vorlaufkanälen austretende Medium zu den Enden der Rücklaufkanäle, die in die Umlenk- und Mischkammer münden, so umgelenkt wird, dass das Medium im Gegenstrom zu den Vorlaufkanälen zurückströmen kann.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vorlaufkanäle und/oder die Rücklaufkanäle zu mindestens einer der Platten hin offen sind und von dieser Platte überdeckt und flächig dicht abgeschlossen sind. Die Vorlaufkanäle und/oder Rücklaufkanäle können im Querschnitt ein Rechteck- oder U-Profil, V-Profil od. dgl. Rinnenprofil aufweisen. Dabei sind in vorteilhafter Weise die Rinnenöffnungen der Vorlaufkanäle und die Rinnenöffnungen der Rücklaufkanäle zueinander gegensinnig gerichtet.
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Die Vorlaufkanäle und/oder die Rücklaufkanäle können, in Strömungsrichtung des Mediums betrachtet, als lineare Kanäle gestaltet sein oder stattdessen etwa wellenförmig oder zick-zack-förmig od. dgl. schlangenförmig verlaufen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Längswände an zumindest einer der beiden Platten vorgesehen sind, z. B. damit einstückig sind. So kann beispielsweise eine Platte mit damit einstückigen Längswänden im Querschnitt etwa kammartig strukturiert sein. Stattdessen können die Längswände auch an beiden Platten, quer zur Strömungsrichtung des Mediums gesehen im Wechsel aufeinanderfolgend, vorgesehen sein, z. B. damit einstückig sein. Hierbei können beide Platten gleichartig gestaltet sein, die gegeneinander gesetzt montiert sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die die Vorlaufkanäle und die Rücklaufkanäle voneinander trennenden Längswände z. B. aus einzelnen Längsstegen zwischen beiden Platten gebildet sind, die z. B. etwa rechtwinklig zur Ebene der Platten gerichtet sind.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorlaufkanäle, die Rücklaufkanäle und die beide trennenden Längswände dazwischen von einer im Hohlraum enthaltenen Einlage gebildet sind. Diese ist zur Bildung der genannten Kanäle entsprechend geformt. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Einlage aus einem Blechbauteil gebildet ist, das sich über die Breite und Höhe des Hohlraums erstreckt, mit einem Ende mit der Schmalseite des Hohlraumes und mit dem gegenüberliegenden Ende in Abstand von der dortigen, die Umlenk- und Mischkammer begrenzenden Schmalseite des Hohlraumes abschließt, wobei die Höhe des Hohlraumes mittels beider Platten, die Breite des Hohlraumes mittels beidseitiger Längswände und die Schmalseiten des Hohlraumes mittels jeweiliger Querwände eines insbesondere metallischen Gehäuses dicht abgeschlossen sind.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass das Gehäuse und/oder die Längswände, insbesondere Einlage, aus Metall gebildet sind, insbesondere aus Aluminium, Titan, Edelstahl oder Stahl oder Kupfer oder einer entsprechenden Legierung oder aus Buntmetall, wobei die einzelnen Bestandteile vorzugsweise durch Schweißen oder Löten miteinander fest und dicht verbunden sind.
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Von Vorteil kann es sein, wenn das Blechbauteil unter Bildung der Vorlaufkanäle und einstückig daran anschließenden Rücklaufkanäle über seine gesamte Länge und Breite quer Zur Strömungsrichtung des Mediums betrachtet rechteck- oder U-förmig oder V-förmig oder mit einem anderen Rinnenprofil gewellt ist, derart, dass auf einer Breitseite die Öffnungen der Vorlaufkanäle und auf der anderen Breitseite die Öffnungen der Rücklaufkanäle vorgesehen sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass auf einer Breitseite oder endseitig des Gehäuses mindestens eine, mit den Vorlaufkanälen in Verbindung stehende Zulauföffnung und auf der anderen Breitseite oder endseitig des Gehäuses mindestens eine mit den Rücklaufkanälen in Verbindung stehende Ablauföffnung vorgesehen ist und dass die Zulauföffnung in einen Zufuhrkanal und die Ablauföffnung in einen Abfuhrkanal mündet. Diese Zulauföffnung und Ablauföffnung können beide im Bereich des gleichen Endes des Gehäuses angeordnet sein, wobei der Zufuhrkanal z. B. auf der Oberseite und der Abfuhrkanal z. B. auf der Unterseite des Gehäuses platziert sind. Der Zufuhrkanal sowie der Abfuhrkanal können aus einem quer über die Breite des Gehäuses verlaufenden Rohr bestehen, wobei das den Zufuhrkanal bildende Rohr im Inneren mit der mindestens einen Zulauföffnung in Verbindung steht und gleichermaßen das Innere des rohrförmigen Abfuhrkanals mit der mindestens einen Ablauföffnung in Verbindung steht.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zwei gleichartige Gehäuse an dem Ende, das der Umlenk- und Mischkammer gegenüberliegt, zusammengeführt sind und dort einen beiden gemeinsamen Zufuhrkanal sowie einen beiden gemeinsamen Abfuhrkanal aufweisen, von denen der eine mit den Zulauföffnungen beider Gehäuse und der andere mit den Ablauföffnungen beider Gehäuse verbunden ist. Hierdurch ist in besonders einfacher Weise eine symmetrische Heiz- und/oder Kühlplatte verwirklicht, die einen für beide Platten gemeinsamen zentralen, etwa mittigen Zulauf und Ablauf bereitstellt.
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Von Vorteil kann es ferner sein, wenn eine der Platten einen größeren Querschnitt als die andere Platte aufweist, so dass über die Dicke der jeweiligen Platte eine weitere Homogenisierung der lokalen Oberflächentemperaturen erzielbar ist. Zusätzlich dazu oder stattdessen kann zumindest eine der Platten mit einer Deckplatte bedeckt und verbunden sein, die aus einem Material mit größerer Wärmeleitfähigkeit als die Platte besteht. Wenn das Gehäuse z. B. aus Aluminium besteht, zumindest dessen Platten, kann es vorteilhaft sein, als zusätzliche, durch Löten oder Schweißen befestigte Deckplatte eine solche aus Kupfer vorzusehen, um die bessere Wärmeleitfähigkeit des Kupfers zu nutzen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die obere Platte entfernt ist,
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2 eine Draufsicht der Wärmeübertragungseinrichtung in 1,
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3 einen schematischen Schnitt entlang der Linie III-III in 2,
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4 einen schematischen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 2,
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5 einen schematischen Schnitt etwa entsprechend demjenigen in 4 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung,
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6 einen schematischen Schnitt etwa entsprechend demjenigen in 4 eines dritten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung,
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7 einen schematischen Schnitt etwa entsprechend demjenigen in 4 eines vierten Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung,
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8 einen schematischen Schnitt etwa entsprechend demjenigen in 4 eines fünften Ausführungsbeispiels einer Wärmeübertragungseinrichtung,
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9 eine schematische perspektivische Ansicht einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
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Nachfolgend ist zunächst anhand von 1 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wärmeübertragungseinrichtung 10 erläutert, insbesondere einer Heiz- und/oder Kühlplatte. Diese besteht aus einem etwa plattenförmigen Gehäuse 11, das einen Hohlraum 12 enthält, der mittels beidseitiger Platten 13 und 14 sowie ringsum mittels beidseitiger Längswände 15, 16 und im Bereich der Schmalseiten mittels jeweiliger Querwände 17 und 18 dicht geschlossen ist. im Hohlraum 12 befinden sich Kanäle für ein durch den Hohlraum 12 hindurchleitbares Medium, das beim Einsatz als Kühlplatte aus einem Kühlmedium und beim Einsatz als Heizplatte aus einem Heizmedium besteht, das z. B. flüssig oder gasförmig ist.
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Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, sind die Kanäle als längs und etwa parallel zueinander verlaufende, etwa rinnenförmige Vorlaufkanäle 19 und als an diese unmittelbar benachbart angrenzende ebensolche Rücklaufkanäle 20 ausgebildet. Die Vorlaufkanäle 19 und die Rücklaufkanäle 20 folgen im Wechsel aufeinander, quer zur Strömungsrichtung des Mediums betrachtet. Dabei strömt das Medium in 1 und 2 von links nach rechts in den Vorlaufkanälen 19 und gegensinnig dazu von rechts nach links in den Rücklaufkanälen 20 zurück. An einem Ende des Hohlraums 12, der sich in 1 bis 3 rechts befindet und dort von der Querwand 18 abgeschlossen ist, stehen die Vorlaufkanäle 19 und die Rücklaufkanäle 20 über eine Umlenk- und Mischkammer 21 miteinander in Verbindung, in die die Enden dieser Kanäle 19, 20 münden. Am gegenüberliegenden, in 1 bis 3 linken Ende des Hohlraums 12 sind die Enden der Vorlaufkanäle 19 und Rücklaufkanäle 20 von der dortigen Querwand 17 abgedeckt und geschlossen, wobei diese Kanäle dort über voneinander getrennte Zulauf- und Ablauföffnungen 22 bzw. 23 mit einer Zufuhr des Mediums zu den Vorlaufkanälen 19 bzw. Abfuhr des Mediums aus den Rücklaufkanälen 20 verbunden sind. Die mindestens eine Zulauföffnung 22 ist in der oberseitigen Platte 13 enthalten. Die mindestens eine Ablauföffnung 23 befindet sich in der unteren Platte 14. Die Zulauf- und Ablauföffnungen 22, 23 sind dabei am gleichen Ende des Gehäuses 11 vorgesehen, insbesondere an dem Ende, das der Umlenk- und Mischkammer 21 gegenüberliegt und wo sich die Querwand 17 befindet. Die mindestens eine Zulauföffnung 22 kann in einfacher Weise aus einem durchgehenden Schlitz in der Platte 13 bestehen. In gleicher Weise kann auch die mindestens eine Ablauföffnung 23 ausgebildet sein. Die mindestens eine Zulauföffnung 22 kann in einen schematisch angedeuteten, quer verlaufenden Zufuhrkanal 24 münden. Die mindestens eine Ablauföffnung 23 kann in einem ebenfalls quer gerichteten Abfuhrkanal 25 münden. Jeder dieser Kanäle 24, 25 kann z. B. aus einem Rohr bestehen, das über den als Zulauföffnung 22 bzw. Ablauföffnung 23 dienenden Schlitz in der Platte 13 bzw. 14 hinwegreicht. Das den Zufuhrkanal 24 bildende Rohr lässt dabei den Bereich des Schlitzes offen, der als Zulauföffnung 22 mit den in 4 nach oben offenen Vorlaufkanälen 19 in Verbindung steht. In gleicher Weise steht der Abfuhrkanal 25 mit den Bereichen des Schlitzes in der unteren Platte 14 in Verbindung, in die die nach unten offenen entsprechenden Bereiche der Rücklaufkanäle 20 münden. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der Zufuhrkanal 24 und der Abfuhrkanal 25 auf der oberen bzw. unteren Breitseite des Gehäuses 11. Bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können der Zufuhrkanal 24 und/oder der Abfuhrkanal 25 auch endseitig im Bereich der Schmalseite des Gehäuses angeordnet sein.
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Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Zufuhrkanal 24 und der Abfuhrkanal 25 am in den Zeichnungen linken Ende des Gehäuses 11 angeordnet.
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Anhand von 1 ist durch die dort entfernte obere Platte 13 verdeutlicht, dass die Vorlaufkanäle 19 und/oder die Rücklaufkanäle 20 in Strömungsrichtung des Mediums gesehen etwa wellenförmig verlaufen. Stattdessen ist auch ein zick-zack-förmiger od. dgl. schlangenförmiger Verlauf möglich. Die Vorlaufkanäle 19 und die Rücklaufkanäle 20 erstrecken sich, im Wesentlichen, über die gesamte Länge des Hohlraums 11. Dabei sind die Vorlaufkanäle 19 und/oder die Rücklaufkanäle 20 zu mindestens einer der Platten 13, 14 hin offen und von dieser Platte überdeckt und flächig dicht abgeschlossen. Wie man insbesondere aus 4 erkennt, sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel die Vorlaufkanäle 19 zur oberen Platte 13 hin offen und von dieser Platte 13 abgedeckt und flächig dicht abgeschlossen. Ferner sind auch die Rücklaufkanäle 20 nach unten zu der Platte 14 hin offen und von dieser Platte überdeckt und flächig dicht abgeschlossen. Im Querschnitt betrachtet weisen die Vorlaufkanäle 19 und/oder Rücklaufkanäle 20 etwa U-Profil oder V-Profil auf. Auch ein anderes Querschnittsprofil liegt im Rahmen der Erfindung. Man erkennt, dass die Rinnenöffnungen der Vorlaufkanäle 19 den Rinnenöffnungen der Rücklaufkanäle 20 entgegengerichtet sind. Wesentlich ist, dass die etwa rinnenförmigen Vorlaufkanäle 19 und ebensolchen Rücklaufkanäle 20 durch diese quer voneinander trennende Längswände 26 getrennt sind.
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Die Wärmeübertragungseinrichtung 10 in Form insbesondere einer Heiz- und/oder Kühlplatte basiert hinsichtlich ihrer Funktion darauf, dass infolge besonderer Führung des Mediumstromes, z. B. Kühlmittelstromes, lokal Kühlmittel auf hohem und in unmittelbarer Nachbarschaft Kühlmittel auf niedrigem Temperaturniveau strömen, wodurch sich in den Trennwänden ein Temperaturausgleich und an der gesamten wärmeübertragenden Oberfläche der Platten 13, 14 eine konstante mittlere Temperatur einstellt. Die Wärmeübertragungseinrichtung 10 eignet sich daher insbesondere zur Temperierung von Batteriezellen, die an der oberen und/oder unteren Platte 13, 14 angebracht werden können. Dadurch ist erreicht, dass auf der wärmeübertragenden Kontaktfläche zur Kühlung oder Erwärmung mehrerer Zellen von Batterien eine konstante Oberflächentemperatur und natürlich auch die geforderte Wärmeübertragungsleistung erzielt wird. Dadurch wird die Wärmeübertragungseinrichtung 10 den eingangs geschilderten Anforderungen beim Einsatz z. B. als Batteriekühlplatte bzw. Batterieheizplatte gerecht.
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Die Vorlaufkanäle 19, die Rücklaufkanäle 20 und die beide trennenden Längswände 26 dazwischen sind beim ersten Ausführungsbeispiel von einer Einlage 27 gebildet, die im Hohlraum 11 enthalten ist. Diese Einlage 27 ist so gestaltet, dass sich die Vorlaufkanäle 19 und Rücklaufkanäle 20 in beschriebener Weise ergeben. Eine solche Einlage 27 kann den Bedürfnissen entsprechend hinsichtlich Länge und Breite von einem entsprechenden Blechbauteil durch Abtrennen gewonnen werden. Dies ist einfach und kostengünstig. Ein solches Blechbauteil erstreckt sich über die Höhe und Breite des Hohlraums 12, schließt mit einem Ende mit der Schmalseite und Querwand 17 des Hohlraums 12 ab und mit dem gegenüberliegenden Ende in Abstand von der dortigen, die Umlenk- und Mischkammer 21 begrenzenden Schmalseite mit dortiger Querwand 18. In Längsrichtung schließen beidseitig der Einlage 27 die Längswände 15 und 16 an. Das so gestaltete Gehäuse 11 besteht hinsichtlich aller Bestandteile mit Vorzug aus Metall einschließlich der Einlage 27, z. B. aus Aluminium, Titan, Edelstahl oder Stahl oder Kupfer oder einer entsprechenden Legierung oder aus Buntmetall. Alle Bestandteile sind beispielsweise durch Schweißen oder Löten fest und dicht verbunden. Das die Einlage 27 bildende Blechbauteil ist derartig gewellt, dass auf einer Breitseite die Öffnungen der Vorlaufkanäle 19 und auf der anderen Breitseite die Öffnungen der Rücklaufkanäle 20 vorgesehen sind, wobei diese Kanäle im Querschnitt etwa rechteck- oder U- oder V-förmig sind.
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Nicht gezeigt ist, dass hinsichtlich der Platten eine Platte, z. B. die obere Platte 13, einen größeren Querschnitt als die andere Platte, z. B. die Platte 14, aufweisen kann, wodurch eine weitere Homogenisierung der lokalen Oberflächentemperaturen erreichbar ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der Platten 13, 14 mit einer nicht gezeigten Deckplatte bedeckt und verbunden ist, z. B. durch Löten, die aus einem Material mit größerer Wärmeleitfähigkeit als die Platte besteht. So kann eine derartige Deckplatte z. B. aus Kupfer bestehen, während die andere Platte 13 aus Aluminium gebildet ist. Auf diese Weise kann über die bessere Leitfähigkeit der aus Kupfer bestehenden Deckplatte eine weitere Homogenisierung der lokalen Oberflächentemperaturen mit einer geringeren Querschnittsdicke der Platten 13, 14 erreicht werden. Durch eine Platte mit im Vergleich zur anderen Platte größerer Querschnittsdicke und/oder durch eine aufgebrachte Deckplatte, z. B. aus Kupfer, werden eventuell noch vorhandene lokale Oberflächentemperaturdifferenzen verringert. Etwaige Temperaturunterschiede gleichen sich aufgrund Wärmeleitung innerhalb der Platten aus.
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Bei dem in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind für die Teile, die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen, gleiche Bezugszeichen verwendet, so dass dadurch zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels Bezug genommen ist.
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Bei dem in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist die Einlage 27 in Gestalt des Blechbauteiles derart gewellt, dass sich als Rinnenprofil für die Vorlaufkanäle 19 und Rücklaufkanäle 20 ein Rechteck- oder U-Profil ergibt, wobei die Längswände 26 etwa rechtwinklig zu den Platten 13, 14 verlaufen. Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind die Vorlaufkanäle 19 und Rücklaufkanäle 20 durch die Platten 13, 14 in der Weise gebildet, dass die Längswände 26 z. B. an der einen Platte 13 oder, wie nicht gezeigt ist, an der anderen Platte 14 vorgesehen sind, z. B. damit einstückig sind. Diese Platte 13 hat dadurch im Querschnitt betrachtet z. B. etwa eine Kammform. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 7. sind die Längswände 26 abwechselnd an der einen Platte 13 und an der anderen Platte 14 angeordnet, wobei die Längswände 26 dieser Art, quer zur Strömungsrichtung des Mediums gesehen, im Wechsel aufeinander folgen. Die Längswände 26 können mit der jeweiligen Platte 13, 14 einstückig sein. Bei dieser Gestaltung ist die Querschnittsform der Platten 13 und 14, versehen jeweils mit Längswänden 26, jeweils die gleiche, wobei die Platten 13, 14 gegeneinander gesetzt zum Gehäuse 11 verbunden werden.
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Beim fünften Ausführungsbeispiel gemäß 8 sind die Längswände 26 als separate Elemente zwischen den Platten 13 und 14 angeordnet und begrenzen mit diesen jeweilige Vorlaufkanäle 19 und Rücklaufkanäle 20.
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Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel zeigt 9. Diese Wärmeübertragungseinrichtung weist zumindest zwei Gehäuse 11 und 111 auf, die an dem Ende, das der Umlenk- und Mischkammer 21 bzw. 121 gegenüberliegt, zusammengeführt sind. Die Gehäuse 11, 111 sind gleichartig gestaltet. Für diese gilt die vorstehende Beschreibung, auf die zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird. Die beiden Gehäuse 11, 111 weisen einen beiden gemeinsamen Zufuhrkanal 24 sowie einen beiden gemeinsamen Abfuhrkanal 25 auf, wie durch Pfeile zusätzlich verdeutlicht ist. Der Zufuhrkanal 24 steht mit den, nicht sichtbaren, Zulauföffnungen beider Gehäuse 11, 111 in Verbindung. Der Abfuhrkanal 25 steht mit den, nicht sichtbaren, Ablauföffnungen beider Gehäuse 11, 111 in Verbindung. Diese Wärmeübertragungseinrichtung mit zentraler oberseitiger Mediumzufuhr und unterseitiger Mediumabfuhr ist als symmetrische Heizplatte oder Kühlplatte für Batterien besonders vorteilhaft. Die Wärmeübertragungseinrichtung bietet eine große wärmeübertragende Kontaktfläche und somit große Wärmeübertragungsleistung. Sie ist besonders kompakt, kostengünstig und einfach durch den, beiden Gehäusen 11, 111 gemeinsamen, Zufuhrkanal 24 und Abfuhrkanal 25. Hierdurch ist somit eine Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere Heiz- und/oder Kühlplatte, geschaffen, die je Gehäuse mindestens einen im Wesentlichen flachen zwischen zwei jeweiligen Platten eingeschlossenen und ringsum geschlossenen Hohlraum und im Hohlraum Kanäle für ein durch den Hohlraum hindurchleitbares Medium enthält. Die Kanäle sind als längs und etwa parallel zueinander verlaufende, durch Längswände getrennte, etwa rinnenförmige Vorlaufkanäle und an diese unmittelbar benachbart angrenzende, ebensolche Rücklaufkanäle ausgebildet, wie anhand von 1 bis 4 zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Die Vorlaufkanäle und Rücklaufkanäle folgen, quer zur Strömungsrichtung des Mediums betrachtet im Wechsel aufeinander. Sie stehen an einem Ende des jeweiligen Hohlraums über voneinander getrennte Zulauf- und Ablauföffnungen mit der Zufuhr des Mediums zu den Vorlaufkanälen bzw. Abfuhr des Mediums aus den Rücklaufkanälen in Verbindung, wobei dies der Bereich ist, wo der gemeinsame Zufuhrkanal 24 und Abfuhrkanal 25 verläuft. Am gegenüberliegenden anderen Ende des Hohlraums, in 9 links und rechts, sind diese Kanäle jeweils über eine Umlenk- und Mischkammer 21, 121 miteinander verbunden, wie dies beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Die Vorlaufkanäle und die Rücklaufkanäle erstrecken sich, im Wesentlichen, über die gesamte Hohlraumlänge des jeweiligen Gehäuses 11, 111. Die Gestaltung gemäß 9 kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass zwei Gehäuse 11, die in 1 bis 3 gezeigt sind, mit der dort linken Schmalseite aneinander gesetzt sind, wobei die Querwand 17 entfernt und dort ein Durchgang für das Medium geschaffen sein kann. Auf diese Weise können auch mehr als zwei Gehäuse aneinandergesetzt werden, wodurch die Wärmeübertragungsfläche noch weiter vergrößert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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