DE102024102859B3

DE102024102859B3 - Gehäuse und Ladevorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102024102859B3
Application number: DE102024102859.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Thurmeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2024-02-01
Filing date: 2024-02-01
Publication date: 2025-03-27
Anticipated expiration: 2044-02-02
Also published as: CN120396727A; US20250254847A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (1) zur Aufnahme einer Wärmequelle (13), umfassend eine Außenhülle (11), welche einen Innenraum (12) umschließt, eine Wärmequelle (13), welche im Innenraum (12) angeordnet ist, eine Wärmespeichereinheit (14) und zumindest eine Wärmeabgabeeinheit (16), welche in der Außenhülle (11) angeordnet ist oder einen Teilbereich der Außenhülle (11) bildet. Die Wärmequelle (13) ist mit der Wärmespeichereinheit (14) über eine Wärmetransportverbindung (15) verbunden und ein Kühlmittel transportiert von der Wärmequelle (13) abgegebene Wärme von der Wärmequelle (13) über die Wärmetransportverbindung (15) zur Wärmespeichereinheit (14). Weiterhin ist eine Wärmeabfuhrverbindung (17) vorgesehen, welche die Wärmespeichereinheit (14) mit der Wärmeabgabeeinheit (16) thermisch verbindet, wobei die Wärmeabfuhrverbindung (17) in der Wärmespeichereinheit (14) zwischengespeicherte Wärme zeitversetzt zur Wärmeabgabeeinheit (16) überträgt und die Wärmeabgabeeinheit (16) diese übertragene Wärme aus dem Gehäuse (1) abführt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Ladegerät mit einem Gehäuse (1) sowie ein Verfahren zur Abführung von Wärme von einer Wärmequelle (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse zur Aufnahme einer Wärmequelle, umfassend eine Außenhülle, welche einen Innenraum umschließt, eine Wärmequelle, welche im Innenraum angeordnet ist, eine Wärmespeichereinheit und zumindest eine Wärmeabgabeeinheit, welche in der Außenhülle angeordnet ist oder einen Teilbereich der Außenhülle bildet. Die Wärmequelle ist mit der Wärmespeichereinheit über eine Wärmetransportverbindung verbunden und ein Kühlmittel transportiert von der Wärmequelle abgegebene Wärme von der Wärmequelle über die Wärmetransportverbindung zur Wärmespeichereinheit. Weiterhin ist eine Wärmeabfuhrverbindung vorgesehen, welche die Wärmespeichereinheit mit der Wärmeabgabeeinheit thermisch verbindet, wobei die Wärmeabfuhrverbindung in der Wärmespeichereinheit zwischengespeicherte Wärme zeitversetzt zur Wärmeabgabeeinheit überträgt und die Wärmeabgabeeinheit diese übertragene Wärme aus dem Gehäuse abführt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Ladegerät mit einem Gehäuse sowie ein Verfahren zur Abführung von Wärme von einer Wärmequelle.
In Ladesystemen oder Ladevorrichtungen für elektrisch betriebene Fahrzeuge entstehen oft große Mengen an Abwärme, welche aus den Ladevorrichtungen abgeführt werden müssen, um einen stabilen Betrieb dieser Vorrichtungen sicherzustellen. Meist weist eine solche Ladevorrichtung daher ein aktives Kühlsystem auf, welches die entstehende Abwärme unter Aufwendung von elektrischer Energie aus dem Gehäuse der Ladevorrichtung abführt. Für den Betrieb eines solchen aktiven Kühlsystems wird in manchen Fällen eine große Menge elektrischer Energie benötigt, insbesondere wenn die Ladevorrichtung kompakt aufgebaut ist. Darüber hinaus erzeugen aktive Kühlsysteme meist laute Geräusche, beispielsweise durch Lüfter, die in der Umgebung einer Ladevorrichtung als störend wahrgenommen werden. Aus diesem Grund ist in Zukunft mit gesetzlichen Regelungen zu rechnen, welche Lärmbegrenzungen für Ladevorrichtungen im öffentlichen Raum definieren und den Betrieb von Ladevorrichtungen, die diese Lärmbegrenzungen überschreiten, verbieten.
DE 10 2016 101 115 A1 beschreibt einen konduktiven Fahrzeugladeport mit einer Kühlinfrastruktur. Die Kühlinfrastruktur verwendet ein Kühlmittel, um Wärme vom Ladeport abzuführen und an die Umgebung abzugeben. Die Kühlinfrastruktur kann weiterhin eine Wärmesenke aufweisen, welche einen Wärmestrom vom Ladeport direkt in die Umgebung ableitet.
In US 11 745 612 B1 wird ein Verfahren und ein System für das Temperaturmanagement eines elektrischen Ladesystems für ein Fahrzeug beschrieben. Das System kann eine Kühlplatte umfassen, welche Wärme von einer Ladeeinrichtung aufnimmt und durch die aufgenommene Wärme ein Kühlmittel im Inneren der Kühlplatte verdampft. Das dampfförmige Kühlmittel wird wiederum einem Kondensator zugeführt, wo das Kühlmittel unter Abgabe von Wärme an die Umgebung wieder zurück in einen flüssigen Zustand kondensiert wird.
CN 2 13 472 824 U beschreibt eine Hochleistungsladeeinheit mit einer stabilen Wärmeabführung. Die Ladeeinheit umfasst mehrere Kühlgebläse sowie außen an der Ladeeinheit angeordnete wärmeleitfähige Platten. Im Inneren der Ladeeinheit entstehende Abwärme wird durch Konvektion und Wärmeleitung in Kombination aus dem die Ladeeinheit umgebenden Gehäuse abgeführt.
In DE 10 2017 110 703 A1 wird eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Ladestation beschrieben. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Kühlmittelkreislauf, der durch die Ladestation geführt ist und in dem ein Wärmespeicher angeordnet ist. Der Wärmespeicher ist dazu vorgesehen, bei plötzlichen, starken thermischen Belastungen des Kühlmittelkreislaufs Wärme zwischenzuspeichern.
DE 20 2008 000 949 U1 beschreibt eine Vorrichtung, die aus einer elektronischen Schaltung und einer Kühleinheit besteht. Die Kühleinheit ist dazu vorgesehen, Verlustwärme von der elektronischen Schaltung abzuführen. Dazu umfasst die Kühleinheit einen Wärmespeicher, der bei schwankender Verlustwärme der elektronischen Schaltung thermische Energie zwischenspeichert und später wieder abgibt.
In DE 10 2017 113 842 A1 wird ein Ladesystem mit hoher Ladeleistung für Elektrofahrzeuge beschrieben. Das Ladesystem umfasst einen thermischen Speicher und eine Kühlvorrichtung. Die Kühlvorrichtung ist so konfiguriert, dass der thermische Speicher in Abhängigkeit von der thermischen Verlustleistung der Ladestation verwendet wird.
DE 10 2010 007 902 A1 beschreibt eine Temperieranordnung für ein elektrisches Bauelement. Die Temperieranordnung umfasst einen Latentwärmespeicher, welcher bedarfsweise Abwärme des elektrischen Bauelementes aufnimmt. Dabei erfolgt im Latentwärmespeicher ein Phasenübergang eines Speichermediums, so dass kein Temperaturanstieg trotz Wärmeaufnahme erfolgt.
DE 20 2010 006 426 U1 beschreibt einen Wärmespeicher und ein passives Kühlsystem. Das Kühlsystem führt Abwärme von einer Wärmequelle über eine Heatpipe einem Latentwärmespeicher zu, der die Abwärme aufnimmt. Der Latentwärmespeicher wird dazu genutzt, temporäre Spitzen bei der Abwärmeentwicklung aufzunehmen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Lösungen vorzuschlagen, mit denen ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zuverlässig, mit reduzierter Lärmentwicklung sowie reduziertem Energiebedarf für eine Kühlung der verwendeten Ladevorrichtung aufgeladen werden kann.
Diese Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Gehäuse zur Aufnahme einer Wärmequelle, umfassend

- eine Außenhülle, welche einen Innenraum umschließt,
- eine Wärmequelle, welche zeitweise Wärme abgibt und welche im Innenraum angeordnet ist,
- eine Wärmespeichereinheit, welche im Innenraum angeordnet ist und welche dazu vorgesehen ist, von der Wärmequelle abgegebene Wärme zwischenzuspeichern,
- zumindest eine Wärmeabgabeeinheit, welche in der Außenhülle angeordnet ist oder einen Teilbereich der Außenhülle bildet, wobei die Wärmequelle mit der Wärmespeichereinheit über eine Wärmetransportverbindung fluidisch verbunden ist und ein Kühlmittel von der Wärmequelle abgegebene Wärme von der Wärmequelle über die

Wärmetransportverbindung zur Wärmespeichereinheit transportiert, wobei die Wärmespeichereinheit zumindest eine Wärmespeicherplatte umfasst, welche von dem Kühlmittel angeströmt oder umströmt ist und dazu eingerichtet ist, Wärme von dem Kühlmittel aufzunehmen, und eine Wärmeabfuhrverbindung vorgesehen ist, welche die Wärmespeichereinheit mit der Wärmeabgabeeinheit thermisch verbindet, wobei die Wärmeabfuhrverbindung dazu eingerichtet ist, in der Wärmespeichereinheit zwischengespeicherte Wärme zur Wärmeabgabeeinheit zumindest teilweise zeitversetzt zur Abgabe der Wärme durch die Wärmequelle zu übertragen und die Wärmeabgabeeinheit ist dazu eingerichtet, diese übertragene Wärme aus dem Gehäuse abzuführen, wobei ein über die Wärmetransportverbindung von der Wärmequelle zur Wärmespeichereinheit übertragbarer erster Wärmestrom größer ist als ein zweiter Wärmestrom, der durch die Wärmeabgabeeinheit aus dem Gehäuse abführbar ist, insbesondere wobei der erste Wärmestrom zumindest doppelt so groß ist wie der zweite Wärmestrom.
Das erfindungsgemäße Gehäuse ist zur Aufnahme einer Wärmequelle vorgesehen und umfasst darüber hinaus Komponenten, welche dazu vorgesehen sind, Wärme zunächst im Gehäuse zwischenzuspeichern und anschließend oder gleichzeitig diese zwischengespeicherte Wärme nach außerhalb des Gehäuses abzuführen. Das erfindungsgemäße Gehäuse kann beispielsweise als Gehäuse einer Ladevorrichtung zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verwendet werden. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Gehäuse jedoch auch zur schützenden Aufnahme anderer Wärmequellen verwendet werden, beispielsweise eines Datenverarbeitungsmoduls, eines Funkmoduls oder ähnlichem. Im Folgenden wird das Gehäuse im Zusammenhang mit einer Ladevorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug beschrieben, wobei die Wärmequelle durch ein Leistungsmodul eines solchen Ladegerätes gebildet wird. Die Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf eine solche Anwendung des Gehäuses beschränkt.
Das erfindungsgemäße Gehäuse umfasst eine Außenhülle, welche einen Innenraum umschließt. Die Außenhülle ist dabei im Wesentlichen geschlossen, kann jedoch Öffnungen zur Durchführung von Kabeln und zur Ermöglichung eines Gasaustausches zwischen dem Innenraum und der Umgebung des Gehäuses aufweisen. Die Außenhülle ist dazu vorgesehen, die im Innenraum angeordneten Komponenten, darunter auch die Wärmequelle, zu schützen und von der Umgebung abzugrenzen. Im Innenraum des Gehäuses ist zumindest eine Wärmequelle angeordnet, welche zumindest zeitweise Wärme abgibt, welche sich dann im Innenraum sammelt. Bevorzugt gibt die Wärmequelle Wärme diskontinuierlich, also zeitweise ab. Zu manchen Zeitpunkten gibt die Wärmequelle eine hohe Wärmemenge ab, zu anderen Zeitpunkten eine geringere Wärmemenge oder gar keine Wärme. Die Wärmequelle kann beispielsweise durch eine Leistungselektronik zum Aufladen eines elektrischen Fahrzeugs gebildet sein. Im Inneren des Gehäuses ist zumindest eine Wärmespeichereinheit angeordnet, welche dazu vorgesehen ist, von der Wärmequelle abgegebene Wärme zu speichern. Dazu weist die Wärmespeichereinheit eine hohe Wärmespeicherkapazität auf, das heißt sie kann größere Mengen an Wärme aufnehmen und zwischenspeichern. Das Gehäuse umfasst weiterhin eine Wärmeabgabeeinheit, welche in oder an der Außenhülle angeordnet ist. Diese Wärmeabgabeeinheit dient dazu, Wärme aus dem Innenraum des Gehäuses und insbesondere von der Wärmespeichereinheit nach außerhalb des Gehäuses abzugeben. Es ist auch möglich, dass die Wärmeabgabeeinheit einen Teil der Außenhülle bildet.
Die Wärmequelle ist mit der Wärmespeichereinheit über eine Wärmetransportverbindung verbunden, welche ein Kühlmittel von der Wärmequelle zur Wärmespeichereinheit fluidisch transportiert. Die Wärmetransportverbindung kann beispielsweise durch ein Rohr gebildet sein, welches Kühlmittel von der Wärmequelle zur Wärmespeichereinheit führt und transportiert. Die Wärmespeichereinheit umfasst zumindest eine Wärmespeicherplatte, die von Kühlmittel angeströmt oder umströmt wird, welches mit Wärme beladen von der Wärmequelle in die Wärmespeichereinheit strömt. Die Wärmespeicherplatte ist der Energiespeicher in der Wärmespeichereinheit und nimmt Wärme vom Kühlmittel zunächst in sich auf und speichert sie dort. Die Wärmespeicherplatte weist bevorzugt eine große Oberfläche auf, um eine schnelle Wärmeübertragung von Kühlmittel zur Wärmespeicherplatte zu ermöglichen. Bevorzugt sind mehrere Wärmespeicherplatten vorgesehen, welche labyrinthartig in der Wärmespeichereinheit angeordnet sind, so dass vorbeiströmendes Kühlmittel in Kontakt mit mehreren Wärmespeicherplatten kommt und auf diese Weise in kurzer Zeit eine große Menge an Wärmeenergie in die Wärmespeichereinheit übertragen kann. Bevorzugt ist die zumindest eine Wärmespeicherplatte in einem Gehäuse der Wärmespeichereinheit angeordnet. Bevorzugt weist dieses Gehäuse der Wärmespeichereinheit einen Kühlmitteleinlass auf, über den warmes Kühlmittel von der Wärmequelle in die Wärmespeichereinheit eingebracht wird. Darüber hinaus weist die Wärmespeichereinheit bevorzugt einen Kühlmittelauslass auf, welcher abgekühltes Kühlmittel, welches zumindest einen Großteil seiner Wärmeenergie an die Wärmespeicherplatte abgegeben hat, aus dem Gehäuse der Wärmespeichereinheit herausführt. Das erfindungsgemäße Gehäuse umfasst weiterhin eine Wärmeabfuhrverbindung, welche Wärme, die in der Wärmespeichereinheit zwischengespeichert ist, zur Wärmeabgabeeinheit transportiert. Diese Wärmeabfuhrverbindung kann unterschiedlich ausgeführt sein und beispielsweise durch eine Rohrverbindung gebildet sein, welche die Wärmespeichereinheit mit der Wärmeabgabeeinheit verbindet. Die Wärmeabgabeeinheit führt schließlich die in der Wärmespeichereinheit zwischengespeicherte Wärme nach außerhalb des Gehäuses ab. Auch die Wärmeabgabeeinheit kann unterschiedlich ausgeführt sein und beispielsweise durch eine Öffnung im Gehäuse gebildet sein, durch welche Kühlmittel aus dem Gehäuse nach außen strömt. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeabgabeeinheit auch durch einen geschlossenen Teilbereich der Außenhülle gebildet sein.
Erfindungsgemäß ist ein erster Wärmestrom, welcher von der Wärmequelle zur Wärmespeichereinheit übertragbar ist, größer als ein zweiter Wärmestrom, der von der Wärmespeichereinheit über die Wärmeabgabeeinheit aus dem Gehäuse hinaus abführbar ist. Unter Wärmestrom ist dabei eine übertragene Wärmemenge pro Zeit zu verstehen. Wird durch die Wärmequelle zeitweise eine verhältnismäßig große Wärmemenge erzeugt, wird diese zunächst in Form eines ersten Wärmestroms vom Kühlmittel zur Wärmespeichereinheit übertragen und dort gespeichert. Das Kühlmittel und die Wärmetransportverbindung sind so gestaltet, dass ein großer erster Wärmestrom von der Wärmequelle zur Wärmespeichereinheit übertragbar ist. Eine große Wärmemenge kann durch die Wärmequelle beispielsweise dann erzeugt werden, wenn ein elektrisches Fahrzeug mit niedrigem Ladungsstand an ein Ladegerät angesteckt wird. Nach dem Anstecken wird ein verhältnismäßig hoher Ladestrom zum Fahrzeug übertragen, was in einer entsprechenden Leistungselektronik eine große Menge an Abwärme erzeugt. Im Laufe des Ladevorgangs des elektrischen Fahrzeugs sinkt der Ladestrom, wodurch auch die abgegebene Menge an Abwärme geringer wird. Ist ein Ladevorgang eines elektrischen Fahrzeugs abgeschlossen, so erzeugt die Leistungselektronik keine signifikante Menge an Wärme mehr. Erfindungsgemäß wird die zeitabhängige Wärmemenge, die von der Wärmequelle erzeugt wird, zunächst über eine leistungsfähige, thermische Verbindung zur Wärmespeichereinheit übertragen und dort zwischengespeichert. Anschließend oder gleichzeitig wird Wärme in Form eines zweiten Wärmestroms von der Wärmespeichereinheit nach außerhalb des Gehäuses transportiert. Dabei ist erfindungsgemäß der zweite Wärmestrom kleiner als der erste Wärmestrom, in der Regel ist der zweite Wärmestrom deutlich kleiner als der erste Wärmestrom. Dadurch, dass der zweite Wärmestrom deutlich kleiner ist als der erste Wärmestrom, welcher zur Abführung von Spitzenleistungen der Wärmequelle erforderlich ist, wird gegenüber bekannten Gehäusen deutlich weniger Leistung zur Abführung der Wärme aus dem Gehäuse benötigt. Das erfindungsgemäße Konzept liegt darin, Wärme aus dem Gehäuse mit einem geringeren Wärmestrom abzuführen, als sie im Gehäuse zu Spitzenzeiten durch die Wärmequelle erzeugt wird. Dies wird dadurch ermöglicht, dass im Inneren des Gehäuses die Wärmespeichereinheit vorgesehen ist, welche zeitweise große Mengen an Wärme zwischenspeichern kann, ohne diese direkt nach außerhalb des Gehäuses abführen zu müssen. Die Wärmeabfuhrverbindung und die Wärmeabgabeeinheit, welche als Kühlung des Gehäuses fungieren, können somit deutlich kleiner dimensioniert werden, wodurch sie weniger Energie für den Betrieb benötigen. Darüber hinaus entsteht bei einem erfindungsgemäßen Gehäuse deutlich weniger Lärm bei der Abführung der Abwärme als bei bekannten Lösungen. So ist es beispielsweise möglich, das Gehäuse komplett geschlossen auszuführen und den zweiten Wärmestrom durch einen Teilbereich der Außenhülle des Gehäuses abzuführen. Das erfindungsgemäße Gehäuse ermöglicht es somit, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit reduziertem Energiebedarf für Kühlung und reduziertem Lärmpegel aufzuladen. Dabei kann ein Ladegerät bzw. eine Leistungselektronik zum Aufladen eines elektrischen Fahrzeugs zuverlässig betrieben werden, da zeitweise anfallende hohe Abwärme sicher und auf kurzem Weg in die Wärmespeichereinheit übertragen werden kann, wodurch eine Überhitzung der Leistungselektronik vermieden wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmespeichereinheit mehrere Wärmespeicherplatten umfasst, welche teilweise beabstandet zueinander nach Art eines Labyrinths angeordnet sind, wobei das Kühlmittel die Wärmespeicherplatten nacheinander an- oder umströmt, wobei die Wärmespeicherplatten das Kühlmittel von einer Schnittstelle zwischen der Wärmetransportverbindung und der Wärmespeichereinheit durch die Wärmespeichereinheit zu einer Schnittstelle zwischen der Wärmespeichereinheit und der Wärmeabfuhrverbindung führen. In dieser Ausführungsform sind mehrere Wärmespeicherplatten vorgesehen, welche in der Wärmespeichereinheit so angeordnet sind, dass sie nacheinander oder gleichzeitig vom Kühlmittel angeströmt oder umströmt werden. Dadurch wird eine effiziente Wärmeübertragung vom Kühlmittel auf eine große Oberfläche der Wärmespeicherplatten erreicht. Das Kühlmittel wird auf einem möglichst langen Weg nach Art eines Labyrinthes zwischen den Wärmespeicherplatten geführt. Dabei bilden die Wärmespeicherplatten eine Art Leitpfad für das Kühlmittel. Bevorzugt umfasst die Wärmespeichereinheit ein Gehäuse, welches eine Schnittstelle zwischen der Wärmetransportverbindung und der Wärmespeichereinheit aufweist, welche auch als Kühlmitteleinlass bezeichnet werden kann. Weiterhin umfasst die Wärmespeichereinheit eine Schnittstelle zwischen der Wärmespeichereinheit und der Wärmeabfuhrverbindung, welche auch als Kühlmittelauslass bezeichnet werden kann. Zwischen Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass sind die Wärmespeicherplatten so angeordnet, dass diese bevorzugt vom Kühlmittel auf beiden Seiten angeströmt werden, um die zur Verfügung stehende Oberfläche zur Wärmeübertragung möglichst optimal nutzen zu können. Alternativ zu mehreren teilweise voneinander beabstandeten Wärmespeicherplatten kann auch eine einzige, große und komplex geformte Wärmespeicherplatte vorgesehen sein, welche beispielsweise die Form einer Spirale aufweisen kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine Wärmespeicherplatte mehrlagig aufgebaut ist und in einer Außenlage ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfasst und in einer Innenlage ein Material mit hoher Wärmespeicherkapazität umfasst, wobei die Außenlage Wärme vom Kühlmittel zur Innenlage überträgt und die Innenlage die Wärme zwischenspeichert. Ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann dabei bspw. ausgewählt werden aus einer Gruppe umfassend Aluminium bzw. Aluminiumblech, Kupfer bzw. Kupferblech, Stahl und Kunststoff. Als ein Material mit hoher Wärmespeicherkapazität kann dabei bspw. gewählt sein ein niedrigschmelzender Kunststoff, bspw. mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 30°C - 90°C, oder eine Kombination aus mehreren solcher Kunststoffe, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der n-Alkane. Als ein Material mit hoher Wärmespeicherkapazität kann dabei bspw. auch gewählt sein ein Material aus der Gruppe der PCM (Phase Change Material). Dabei kann es sich um ein Material handeln, das seine Phase bei einer Umwandlungstemperatur im Bereich von 30°C - 90°C (+/- 10°C) ändert.
In dieser Ausführungsform ist die Wärmespeicherplatte mehrlagig aufgebaut, wobei die unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Funktionen übernehmen. Eine im Inneren angeordnete Innenlage ist zur Speicherung oder Zwischenspeicherung von Wärme vorgesehen. Eine solche Innenlage weist ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf, um eine möglichst große Wärmemenge zwischenspeichern zu können. Eine die Innenlage umgebende Außenlage ist bevorzugt aus einem Material ausgeführt, welches eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Außenlage nimmt die Wärme vom vorbeiströmenden Kühlmittel auf und leitet diese ins Innere der Wärmespeicherplatte zur Innenlage, wo sie gespeichert wird. In dem Fall, in dem das Kühlmittel mit einer Temperatur anströmt, die geringer ist als die der Wärmespeicherplatte, wird die in der Wärmespeicherplatte gespeicherte Wärme zurück ans Kühlmittel übergeben und von diesem abgeführt. Die in der Innenlage gespeicherte Wärme wird dann durch die Außenlagen zum Kühlmittel übertragen und von diesem abgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest eine Wärmespeicherplatte bereichsweise ein Phasenwechselmaterial umfasst, welches bei der Zwischenspeicherung von Wärme einen Phasenwechsel von der festen in die flüssige Phase und umgekehrt durchläuft und dabei latente Wärme aufnimmt oder abgibt, insbesondere wobei das Phasenwechselmaterial in einer Innenlage nach der zuvor beschriebenen Ausführungsform angeordnet ist. Bei einem Phasenwechselmaterial handelt es sich um einen Werkstoff oder ein Bauelement, welches im Temperaturbereich, in dem die Wärmespeicherplatte eingesetzt wird, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen -20° und 150° C, einen Phasenübergang oder Phasenwechsel zwischen der festen und der flüssigen Phase aufweist. Wird beispielsweise ein Phasenwechselmaterial in einer Wärmespeicherplatte eingesetzt, welches bei 70° C vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, so nimmt dieses Phasenwechselmaterial bei 70° C zusätzlich zur normalen Wärmespeicherung latente Wärme auf. Latente Wärme wird benötigt, um den Phasenübergang zu ermöglichen. Die insgesamt erzielbare Wärmeaufnahmekapazität ist durch die zusätzliche Aufnahme latenter Wärme bei einem Phasenwechselmaterial größer als bei einem Material, welches im Temperaturbereich der Wärmespeichereinheit keinen Phasenwechsel durchläuft. Durch ein Phasenwechselmaterial kann somit bei gleichem Bauraum eine höhere Wärmeaufnahmekapazität erreicht werden. Bei einem Abkühlen bzw. Abgeben von Wärme zurück an das Kühlmittel, in einem Fall in dem die Wärmequelle keine oder nur geringe Wärme abgibt, erfolgt ein Phasenwechsel in der umgekehrten Richtung von der flüssigen Phase zur festen Phase. Hierbei wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder an das Kühlmittel abgegeben. Als ein derartiges Phasenwechselmaterial kann dabei bspw. gewählt sein ein niedrigschmelzender Kunststoff, bspw. mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 30°C - 90°C, oder eine Kombination aus mehreren solcher Kunststoffe, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der n-Alkane.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kühlmittel durch Luft gebildet wird, wobei sich das Kühlmittel passiv durch freie Konvektion von der Wärmequelle durch die Wärmetransportverbindung zur Wärmespeichereinheit bewegt oder eine Kühlmittelpumpe in oder am Gehäuse vorgesehen ist, welche das Kühlmittel aktiv von der Wärmequelle durch die Wärmetransportverbindung zur Wärmespeichereinheit transportiert. Luft ist ein geeignetes Kühlmittel, da diese stets vorhanden ist und auch von außerhalb des Gehäuses angesaugt werden kann. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, den Wärmetransport im Gehäuse mit einem anderen Kühlmittel, beispielsweise mit Wasser oder Öl, vorzunehmen. Der Transport des Kühlmittels im Gehäuse kann passiv erfolgen. Dabei wird der Effekt genutzt, dass mit Wärme beladenes oder erwärmtes Kühlmittel seine Dichte verringert und somit von selbst in vertikaler Richtung nach oben aufsteigt. Wird Luft als Kühlmittel verwendet, kann beispielsweise die erwärmte Luft von der Wärmequelle in Richtung der Wärmespeichereinheit aufsteigen. Umgekehrt kann, wenn in der Wärmespeichereinheit Wärme zwischengespeichert wurde, erwärmtes Kühlmittel aus der Wärmespeichereinheit durch diese freie Konvektion ebenfalls nach oben aufsteigen. Dadurch entsteht in der Wärmespeichereinheit eine Sogwirkung, welche kühle Luft von unten anzieht und auf diese Weise den zweiten Wärmestrom aus der Wärmespeichereinheit und dem Gehäuse ohne den Bedarf an aktiven Komponenten abführt. Ein Gehäuse, bei dem der Wärmetransport im Inneren und nach außen durch freie Konvektion erfolgt, weist einen besonders geringen Energiebedarf zur Kühlung der Wärmequelle auf, da keine aktiven Komponenten, wie eine Kühlmittelpumpe, benötigt werden und betrieben werden müssen. Um die Leistung beim Wärmetransport im Gehäuse zu erhöhen, kann alternativ oder zusätzlich zur freien Konvektion eine Kühlmittelpumpe eingesetzt werden, welche das Kühlmittel innerhalb des Gehäuses transportiert. Aufgrund der Möglichkeit, Wärme im erfindungsgemäßen Gehäuse in der Wärmespeichereinheit zwischenzuspeichern, kann diese Kühlmittelpumpe jedoch geringer dimensioniert werden, als bei bekannten Gehäusen. Es ist auch möglich, dass eine Kühlmittelpumpe nur zeitweise, insbesondere bei Spitzen der von der Wärmequelle abgegebenen Wärme, aktiviert wird und ansonsten der Wärmetransport lediglich durch freie Konvektion erfolgt. Zur Steuerung und Regelung der Kühlmittelpumpe kann ein Temperaturfühler in Kombination mit einer Regelungseinheit vorgesehen sein, welche die Kühlmittelpumpe lediglich bei Bedarf aktiviert.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmeabgabeeinheit als Öffnung in der Außenhülle des Gehäuses ausgeführt ist und die Wärmeabfuhrverbindung als Leitung ausgeführt ist, welche die Wärmespeichereinheit mit der Wärmeabgabeeinheit fluidisch verbindet, wobei durch die Wärmeabgabeeinheit nach außerhalb des Gehäuses strömendes Kühlmittel den zweiten Wärmestrom aus dem Gehäuse abführt. In dieser Ausführungsform weist die Außenhülle des Gehäuses zumindest eine Öffnung auf, welche eine Wärmeabgabeeinheit bildet. Der zweite Wärmestrom von der Wärmespeichereinheit nach außerhalb des Gehäuses wird durch Konvektion abgeführt. Das Kühlmittel nimmt in der Wärmespeichereinheit Wärme auf und transportiert diese nach außerhalb des Gehäuses. Vorteilhaft ist, dass aufgrund der Wärmespeicherkapazität der Wärmespeichereinheit ein kleiner zweiter Wärmestrom ausreicht, um kontinuierlich Wärme aus dem Gehäuse abzuführen. Dadurch kann die Menge an Kühlmittel pro Zeit, welche aus dem Gehäuse abgeführt wird, gegenüber bekannten Lösungen reduziert werden. Dadurch sinkt auch die Geräuschbelastung für die Umgebung, welche durch das aus der Wärmeabgabeeinheit ausströmende Kühlmittel erzeugt wird.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmeabgabeeinheit einen Teilbereich der Außenhülle bildet und die Wärmeabfuhrverbindung zumindest teilweise durch im Innenraum befindliches Kühlmittel gebildet wird, welches Wärme von der Wärmespeichereinheit durch Konvektion und/oder Wärmeleitung zur Wärmeabgabeeinheit transportiert, wobei die Wärmeabgabeeinheit zumindest eine Wärmeübertragungsplatte umfasst, welche den zweiten Wärmestrom durch Wärmeleitung aus dem Gehäuse abführt. In dieser Ausführungsform ist es möglich, die Außenhülle komplett geschlossen zu gestalten. Die Abführung des zweiten Wärmestroms erfolgt durch Wärmeleitung, welche durch zumindest eine Wärmeübertragungsplatte vorgenommen wird, die einen Teil der Außenhülle bildet. So kann beispielsweise als ein Teil der Außenhülle eine großflächige Wärmeübertragungsplatte aus Kupfer oder Aluminium vorgesehen sein, welche eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Wärme wird innerhalb des Gehäuses durch Konvektion oder Wärmeleitung durch das Kühlmittel oder andere im Gehäuse verbaute Komponenten von der Wärmespeichereinheit zur als Wärmeübertragungsplatte ausgeführten Wärmeabgabeeinheit transportiert. Die Wärmeübertragungsplatte wiederum führt die Wärme durch Wärmeleitung zu ihrer Außenseite ab, wo sie an die Umgebung des Gehäuses abgegeben wird. Diese Ausführungsform erzeugt keinerlei Geräusche bei der Abführung der Wärme nach außerhalb des Gehäuses und ist somit sehr leise. Es ist auch möglich, die Wärmeübertragungsplatte als weiteren Zwischenspeicher für Wärme auszuführen, beispielsweise unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials, wie es zuvor bei einer Ausführungsform der Wärmespeicherplatte der Wärmespeichereinheit beschrieben wurde. Eine solche Wärmeübertragungsplatte, welche gleichzeitig die Funktion einer Wärmespeicherplatte aufweist, dient gleichzeitig als thermische Isolation des Gehäuses und schützt dessen Innenraum vor extremen Temperaturen, welche außerhalb des Gehäuses vorherrschen. Weiterhin ist es möglich, eine als Wärmeübertragungsplatte ausgeführte Wärmeabgabeeinheit mit einer als Öffnung in der Außenhülle ausgeführten Wärmeabgabeeinheit zu kombinieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Ladevorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, umfassend

- ein Gehäuse nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen,
- zumindest einen Steckverbinder, welcher über elektrische Leitungen mit dem Gehäuse verbunden und zur Verbindung mit einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug vorgesehen ist,

Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung ist in einem Gehäuse nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen angeordnet. Die Ladevorrichtung kann sowohl in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug als auch außerhalb eines solchen Fahrzeugs angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, dass die Ladevorrichtung ortsfest, als sogenannte Ladesäule, ausgeführt ist. Bei der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung wird die Wärmequelle im Gehäuse durch eine Leistungselektronik gebildet, welche den Ladestrom zum Aufladen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitstellt. Eine solche Leistungselektronik erzeugt zeitweise eine hohe Abwärme, welche im erfindungsgemäßen Gehäuse durch die Zwischenspeichereinheit zunächst zwischengespeichert wird. Somit ist der erste Wärmestrom der Ladevorrichtung von der Leistungselektronik zur Wärmespeichereinheit gerichtet. Der zweite, kleinere Wärmestrom ist, wie zuvor in Zusammenhang mit dem Gehäuse beschrieben, von der Wärmespeichereinheit nach außerhalb des Gehäuses gerichtet. Beim Aufladen eines elektrischen Fahrzeugs entsteht zeitweise in oder an der Leistungselektronik eine hohe Abwärme, insbesondere dann, wenn gerade ein hoher Ladestrom bereitgestellt werden muss. Ein solcher hoher Ladestrom muss jedoch nur zeitweise zur Verfügung gestellt werden, zu anderen Zeiten, beispielsweise wenn das elektrisch angetriebene Fahrzeug bereits zu einem großen Teil aufgeladen ist, wird nur ein geringer Ladestrom benötigt, wodurch auch eine geringere Menge an Abwärme erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung speichert kurzzeitig anfallende hohe Mengen an Abwärme zunächst in der Wärmespeichereinheit, ohne diese nach außerhalb des Gehäuses abführen zu müssen. Anschließend oder zeitgleich wird in einem geringeren Wärmestrom kontinuierlich die zwischengespeicherte Wärme aus der Wärmespeichereinheit nach außerhalb des Gehäuses abgeführt. Diese Abführung von Wärme nach außerhalb des Gehäuses kann auch dann noch fortgesetzt werden, wenn durch die Leistungselektronik als Wärmequelle keine Abwärme mehr erzeugt wird. Da bei einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung aufgrund der Möglichkeit der Zwischenspeicherung von Wärme nur ein kleiner nach außerhalb des Gehäuses gerichteter zweiter Wärmestrom erforderlich ist, wird deutlich weniger Energie zur Kühlung der Ladevorrichtung benötigt, als bei bekannten Lösungen. Darüber hinaus ist die Lärmbelästigung bzw. der beim Laden entstehende Geräuschpegel deutlich niedriger. Aufgrund der Möglichkeit, einen hohen ersten Wärmestrom von der Wärmequelle zur Wärmespeichereinheit zu führen ist jedoch gleichzeitig sichergestellt, dass die Wärme von der Leistungselektronik zuverlässig abgeführt werden kann und diese somit nicht überhitzt.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Abführung von Wärme von einer Wärmequelle, wobei zur Durchführung des Verfahrens ein Gehäuse einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, in dem die Wärmequelle angeordnet ist, umfassend die Schritte

A) Übertragen eines ersten Wärmestroms von der Wärmequelle über die Wärmetransportverbindung zu der Wärmespeichereinheit,
B) Zwischenspeichern der Wärme aus Verfahrensschritt A) in der Wärmespeichereinheit,
C1) Abführen eines zweiten Wärmestroms nach außerhalb des Gehäuses, wobei durch den zweiten Wärmestrom die in Verfahrensschritt B) zwischengespeicherte Wärme von der Wärmespeichereinheit über die Wärmeabfuhrverbindung zur Wärmeabgabeeinheit und von dieser nach außerhalb des Gehäuses abgeführt wird, wobei Verfahrensschritt C1) zumindest teilweise zeitversetzt zu Verfahrensschritt A) durchgeführt wird und der erste Wärmestrom größer als der zweite Wärmestrom ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Abführung von Wärme von einer Wärmequelle, insbesondere bei einer Ladevorrichtung zum Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Konzept, dynamisch, das heißt nur zeitweise, anfallende hohe von der Wärmequelle abgegebene Wärmemengen zunächst in einer Wärmespeichereinheit zwischenzuspeichern und von dort aus kontinuierlich an die Umgebung abzugeben.
In einem ersten Verfahrensschritt A) wird Wärme von der Wärmequelle in einem ersten Wärmestrom zu oder in eine Wärmespeichereinheit übertragen. Dieser erste Wärmestrom wird über eine Wärmetransportverbindung geführt.
In einem zweiten Verfahrensschritt B) wird die durch den ersten Wärmestrom übertragene Wärmemenge in der Wärmespeichereinheit gespeichert. Dazu umfasst die Wärmespeichereinheit zumindest eine Wärmespeicherplatte, welche die übertragene Wärme aufnimmt.
In einem dritten Verfahrensschritt C1) wird die in der Wärmespeichereinheit zwischengespeicherte Wärme kontinuierlich in einem zweiten Wärmestrom nach außerhalb des Gehäuses abgeführt. Der zweite Wärmestrom wird dabei über eine Wärmeabfuhrverbindung und eine Wärmeabgabeeinheit nach außerhalb des Gehäuses geführt. Erfindungsgemäß wird dabei der Verfahrensschritt C1) zumindest teilweise zeitversetzt zum Verfahrensschritt A) durchgeführt. Insbesondere wird der Verfahrensschritt C1) nach Beendigung des Verfahrensschrittes A) fortgesetzt. Auf diese Weise kann ein zeitweise hoher erster Wärmestrom im Gehäuse durch einen kontinuierlich und über einen längeren Zeitraum abgeführten, kleineren zweiten Wärmestrom kompensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine energieeffiziente Kühlung der Wärmequelle und erzeugt eine geringe Lärmbelästigung in der Umgebung des Gehäuses.
Alternativ dazu ist es auch möglich, dass anstelle Verfahrensschritt C1) ein Verfahrensschritt C2) durchgeführt wird, der ein temporäres Abschalten der Wärmeabgabeeinheit, der Wärmeabführverbindung und/oder der Kühlmittelpumpe vorsieht, damit die zwischengespeicherte Wärme der Wärmespeicherplatten in dem Gehäuse verbleibt, um dieses bei tiefen Temperaturen zu temperieren.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wärmequelle durch eine Leistungselektronik einer Ladevorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gebildet ist und die Übertragung des ersten Wärmestroms in Verfahrensschritt A) zur Kühlung dieser Leistungselektronik verwendet wird. In dieser Ausführungsform wird die Wärmequelle durch eine Leistungselektronik zum Aufladen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs gebildet. Das Verfahren dient in dieser Ausführungsform dazu, Abwärme von der Leistungselektronik abzuführen und deren stabilen Betrieb sicherzustellen. Das Verfahren wird somit dazu verwendet, eine Leistungselektronik beim Aufladen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zu kühlen.
Merkmale, Wirkungen und Vorteile, welche in Zusammenhang mit dem Gehäuse offenbart sind, gelten auch in Zusammenhang mit der Ladevorrichtung und dem Verfahren als offenbart. Gleiches gilt in umgekehrter Richtung, Merkmale, Wirkungen und Vorteile, welche in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Ladevorrichtung offenbart sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem Gehäuse als offenbart.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:

1 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine Ausführungsform einer Ladevorrichtung gemäß der Erfindung,
2 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine zweite Ausführungsform einer Wärmespeichereinheit eines Gehäuses nach einer Ausführungsform der Erfindung,
3 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine dritte Ausführungsform einer Wärmespeichereinheit eines Gehäuses nach einer Ausführungsform der Erfindung,
4 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine vierte Ausführungsform einer Wärmespeichereinheit eines Gehäuses nach einer Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine Ausführungsform einer Ladevorrichtung gemäß der Erfindung. Die dargestellte Ladevorrichtung ist zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs vorgesehen. Die Ladevorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, welches die in seinem Innenraum 12 angeordneten Bauteile und Komponenten schützt. Eine Wärmequelle 13 im Innenraum 12 wird durch eine Leistungselektronik zur Bereitstellung eines Ladestroms für das elektrisch angetriebene Fahrzeug gebildet. Die Ladevorrichtung umfasst einen schematisch dargestellten Steckverbindung 19, welcher über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit der Wärmequelle 13 verbunden ist. Zum Aufladen des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs wird diese Steckverbindung 19 mit dem Fahrzeug verbunden. Die Ladevorrichtung kann stationär oder ortsfest als Ladestation oder Ladesäule ausgeführt sein. Alternativ kann die Ladevorrichtung auch durch ein mobiles Gerät gebildet sein, welches in oder am Fahrzeug angeordnet ist oder zumindest im Fahrzeug transportiert werden kann. Das Gehäuse 1 wird von einer Außenhülle 11 umgeben, welche hier die Form eines Quaders aufweist. Die Außenhülle 11 umschließt den Innenraum 12, welcher in der dargestellten Ausführungsform mit Luft gefüllt ist. Im Innenraum 12 ist rechts die Wärmequelle 13 angeordnet, welche durch eine Leistungselektronik gebildet wird. Die Wärmequelle 13 gibt Wärme ab, wobei die abgegebene Wärmemenge mit der Zeit variiert. Oben links neben der Wärmequelle 13 ist eine Wärmespeichereinheit 14 angeordnet, welche zur Zwischenspeicherung von Wärme vorgesehen ist. Die Wärmequelle 13 ist mit der Wärmespeichereinheit 14 durch eine Wärmetransportverbindung 15 fluidisch verbunden. In der dargestellten Ausführungsform wird Luft als Kühlmittel zum Abführen von Wärme von der Wärmequelle 13 verwendet. Das durch Luft gebildete Kühlmittel strömt von der Wärmequelle 13, wo es Wärme aufnimmt, durch die Wärmetransportverbindung 15 in die Wärmespeichereinheit 14. Die Wärmetransportverbindung 15 ist in der dargestellten Ausführungsform durch ein Rohr gebildet, welches die Wärmequelle 13 mit der Wärmespeichereinheit 14 verbindet. In der dargestellten Ausführungsform wird Wärme aus dem Gehäuse 1 über zwei parallel wirkende Wärmeabgabeeinheiten 16 abgeführt. Eine erste Wärmeabgabeeinheit 16 ist links neben der Wärmespeichereinheit 14 angeordnet und wird durch eine Öffnung in der Außenhülle 11 gebildet. Eine Wärmeabfuhrverbindung 17, welche als Leitung ausgeführt ist, verbindet die Wärmespeichereinheit 14 mit der Wärmeabgabeeinheit 16 fluidisch. Auf diese Weise kann durch Luft gebildetes Kühlmittel von der Wärmespeichereinheit 14 durch die Wärmeabfuhrverbindung 17 und die Wärmeabgabeeinheit 16 aus dem Gehäuse 1 herausgeführt werden. Dabei wird von dem aus dem Gehäuse 1 herausgeführten Kühlmittel ein zweiter Wärmestrom nach außen transportiert. Parallel wirkend zu der als Öffnung ausgeführten Wärmeabgabeeinheit 16 ist oben am Gehäuse 1 eine zweite Wärmeabgabeeinheit 16 angeordnet, welche als Teilbereich der Außenhülle 11 ausgeführt ist. Diese in die Außenhülle 11 integrierte Wärmeabgabeeinheit 16 wird durch eine Wärmeübertragungsplatte gebildet, welche eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und einen zweiten Wärmestrom durch Wärmeleitung aus dem Gehäuse 1 abführt. Der Transport der in der Wärmespeichereinheit 14 zwischengespeicherten Wärme zu der als Wärmeübertragungsplatte ausgeführten Wärmeabgabeeinheit 16 erfolgt durch das im Innenraum 12 befindliche Kühlmittel, welches Wärme durch Konvektion und/oder Wärmeleitung von der Wärmespeichereinheit 14 zu der Wärmeabgabeeinheit 16 transportiert. In der dargestellten Ausführungsform ist im Gehäuse 1 weiterhin eine Kühlmittelpumpe 18 angeordnet, welche das hier durch Luft gebildete Kühlmittel aktiv im Innenraum 12 des Gehäuses 1 bewegt oder transportiert. Die Kühlmittelpumpe 18 kann beispielsweise als Ventilator ausgeführt sein. Die Kühlmittelpumpe 18 bewegt zunächst Kühlmittel zur Wärmequelle 13, wo dieses Wärme aufnimmt. Anschließend wird das aufgewärmte Kühlmittel durch die Wärmetransportverbindung 15 in die Wärmespeichereinheit 14 bewegt, wo es Wärme abgibt. Anschließend wird zumindest ein Teil des Kühlmittels von der Wärmespeichereinheit 14 durch die als Öffnung ausgeführte Wärmeabgabeeinheit 16 nach außerhalb des Gehäuses geführt. Dabei kann ein Teil des Kühlmittels auch von der Wärmespeichereinheit 14 zurück in den Innenraum 12 des Gehäuses 1 geführt werden, beispielsweise um dort Wärme zu der als Wärmeübertragungsplatte ausgeführten Wärmeabgabeeinheit 16 zu transportieren. Die Kühlmittelpumpe 18 ist jedoch optional und kann auch weggelassen werden. Ohne Kühlmittelpumpe 18 bewegt sich das Kühlmittel von selbst durch freie Konvektion von der Wärmequelle 13 durch die Wärmetransportverbindung 15 in die Wärmespeichereinheit 14. Dazu ist die Wärmetransportverbindung 15 an der oberen Seite der Wärmequelle 13 mit der Wärmequelle 13 verbunden. Auf diese Weise steigt durch die Wärmequelle 13 erwärmtes Kühlmittel aufgrund seiner geringeren Dichte von selbst nach oben und bewegt sich in Richtung der Wärmespeichereinheit 14.
Die Wärmespeichereinheit 14 in der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst mehrere Wärmespeicherplatten 141, welche beabstandet und parallel zueinander in einem Gehäuse der Wärmespeichereinheit 14 angeordnet sind. Dabei sind die Wärmespeicherplatten 141 nach Art eines Labyrinths angeordnet. Auf diese Weise wird das in die Wärmespeichereinheit 141 strömende Kühlmittel auf einem langen Weg zwischen und durch die Wärmespeicherplatten 141 geführt. Somit erreicht das erwärmte Kühlmittel eine sehr große Oberfläche der Wärmespeicherplatten 141 und kann auf diese Weise schnell und effizient Wärme auf die Wärmespeicherplatten 141 übertragen bzw. Wärme von den Wärmespeicherplatten 141 aufnehmen. Alternative Ausführungsformen für die Anordnung einer oder mehrerer Wärmespeicherplatten 141 in der Wärmespeichereinheit 14 sind in den 2 bis 4 dargestellt und dazu beschrieben. Die Wärmespeicherplatten 141 führen in der Wärmespeichereinheit 14 das Kühlmittel von einer Schnittstelle zwischen der Wärmetransportverbindung 15 und der Wärmespeichereinheit 14, welche auch als Kühlmitteleinlass KE bezeichnet werden kann, durch die Wärmespeichereinheit 14 zu einer Schnittstelle zwischen der Wärmespeichereinheit 14 und der Wärmeabfuhrverbindung 17, welche auch als Kühlmittelauslass KA bezeichnet werden kann. Die Wärmespeicherplatten 141 definieren somit einen Kühlmittelleitpfad, welcher das Kühlmittel durch die Wärmespeichereinheit 14 führt. Die Wärmespeicherplatten 141 sind so ausgeführt, dass diese eine hohe Wärmeaufnahmekapazität aufweisen und so eine große Menge an Wärme zwischenspeichern können. Dazu können die Wärmespeicherplatten 141 einlagig oder mehrlagig aufgebaut sein. Optional ist es auch möglich, dass die Wärmespeicherplatten 141 zumindest bereichsweise ein Phasenwechselmaterial aufweisen, welches bei der Aufnahme von Wärme von einer festen in die flüssige Phase übergeht. Durch diesen Phasenübergang ist es möglich, eine größere Wärmemenge zu speichern als in Materialien, welche bei Wärmeaufnahme keinen Phasenübergang durchlaufen.
Für eine Abwärmenutzung der in den Wärmespeicherplatten 141 zwischengespeicherten Wärme kann vorgesehen werden, dass die Wärmeabgabeeinheit 16, die Wärmeabführverbindung 17 und/oder die Kühlmittelpumpe 18 abgeschaltet werden, damit die gespeicherte Wärme der Wärmespeicherplatten 141 im Gehäuse 1 und im Innenraum 12 verbleibt, um diese bei tiefen Temperaturen zu temperieren.
2 zeigt in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine zweite Ausführungsform einer Wärmespeichereinheit 14 eines Gehäuses 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung. In der zuvor beschriebenen 1 ist eine Wärmespeichereinheit 14 nach einer ersten Ausführungsform dargestellt, welche mehrere, parallel zueinander angeordnete Wärmespeicherplatten 141 aufweist. In der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform sind die Wärmespeicherplatten 141 in unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet. Vier große Wärmespeicherplatten 141 sind dabei jeweils zur benachbarten Wärmespeicherplatte 141 in einem spitzen Winkel angeordnet. Diese vier großen Wärmespeicherplatte 141 bilden auch hier ein Labyrinth, durch welches das Kühlmittel, symbolisiert durch Pfeile, geführt wird. Dabei wird das Kühlmittel, insbesondere in Form von Luft, durch den Kühlmitteleinlass KE in das Gehäuse der Wärmespeichereinheit 14 eingebracht, durchläuft das Labyrinth aus großen Wärmespeicherplatten 141 und tritt schließlich durch den Kühlmittelauslass KA wieder aus dem Gehäuse der Wärmespeichereinheit 14 aus. Zwischen den vier großen Wärmespeicherplatten 141 sind jeweils zwei kleinere Wärmespeicherplatte 141a angeordnet, welche beabstandet zueinander und im Abstand zu den großen Wärmespeicherplatten 141 angeordnet sind. Das Kühlmittel strömt jeweils in diesen Abständen auch zwischen den kleinen Wärmespeicherplatten 141a durch. Auf diese Weise umströmt das Kühlmittel bei seinem Weg durch die Wärmespeichereinheit 14 eine sehr große Oberfläche von Wärmespeicherplatten 141 und 141a und kann auf diese Weise schnell eine große Menge Wärme in die Wärmespeichereinheit 14 übertragen. Bevorzugt wird die dargestellte zweite Ausführungsform einer Wärmespeichereinheit 14 so in ein Gehäuse 1 eingebaut, dass das Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass KE zum Kühlmittelauslass KA im Wesentlichen in horizontaler Richtung strömt.
3 zeigt in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine dritte Ausführungsform einer Wärmespeichereinheit 14 eines Gehäuses 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Auch bei dieser dritten Ausführungsform durchströmt ein Kühlmittel, bevorzugt Luft, die Wärmespeichereinheit 14 vom Kühlmitteleinlass KE in Richtung des Kühlmittelauslasses KA. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform, ist die in 3 dargestellte Ausführungsform bevorzugt so ins Gehäuse 1 eingebaut, dass das Kühlmittel vom unten angeordneten Kühlmitteleinlass KE vertikal nach oben zum Kühlmittelauslass KA strömt. Diese in 3 dargestellte Ausführungsform ist besonders geeignet für Gehäuse 1, welche keine Kühlmittelpumpe 18 aufweisen, sondern bei denen der Transport des Kühlmittels allein durch freie Konvektion erfolgt. Das am Kühlmitteleinlass KE eingebrachte, mit Wärme beladene Kühlmittel steigt von selbst durch das Gehäuse der Wärmespeichereinheit 14 auf und verlässt diese wieder durch den Kühlmittelauslass KA. In der dargestellten Ausführungsform sind mehrere zickzackförmige Wärmespeicherplatten 141 parallel zueinander angeordnet, wobei sich zwischen den Wärmespeicherplatten 141 Abstände befinden, durch die das Kühlmittel nach oben strömt. Durch die Zickzackform wird der Strömungsweg des Kühlmittels verlängert, so dass dieses länger in Kontakt mit einer größeren Oberfläche der Wärmespeicherplatten 141 bleibt. Auf diese Weise ist ein schneller und effizienter Wärmeübergang zwischen Kühlmittel und Wärmespeicherplatten 141 gewährleistet. Auf beiden Seiten in horizontaler Richtung außerhalb der großen Wärmespeicherplatten 141 sind auch bei dieser Ausführungsform kleinere Wärmespeicherplatten 141a angeordnet, welche ebenfalls einen Abstand zueinander aufweisen, welcher jeweils von Kühlmittel durchströmt wird. Dadurch wird die angeströmte Oberfläche der Wärmespeicherplatten 141 und 141a weiter vergrößert. Darüber hinaus vergrößern die kleinen Wärmespeicherplatten 141a auch die gesamte Wärmespeicherkapazität der Wärmespeichereinheit 14.
4 zeigt in einer schematischen, geschnittenen Ansicht eine vierte Ausführungsform einer Wärmespeichereinheit 14 eines Gehäuses 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung. In der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform weist die Wärmespeichereinheit 14 lediglich eine einzige Wärmespeicherplatte 141 auf, welche die Form einer Spirale hat. Das Kühlmittel wird mit Wärme beladen durch den Kühlmitteleinlass KE des Gehäuses der Wärmespeichereinheit 14 eingebracht. Die Wärmespeicherplatte 141 erstreckt sich in die Zeichnungsebene hinein und die einzelnen Windungen der als Spirale geformten Wärmespeicherplatte 141 sind mit Abstand zueinander angeordnet. Das Kühlmittel durchströmt diesen Abstand zwischen den Windungen, wodurch es eine sehr große Oberfläche in allen Windungen der Wärmespeicherplatte 141 überstreicht. Auf diese Weise ist eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Wärmespeicherplatte 141 sichergestellt. Im Inneren der Spirale wird das Kühlmittel anschließend in die Zeichnungsebene hinein durch den Kühlmittelauslass KA wieder aus dem Gehäuse der Wärmespeichereinheit 14 herausgeführt. Es ist auch möglich, unterschiedliche Formen von Wärmespeicherplatten 141, 141a in einer Wärmespeichereinheit 14 miteinander zu kombinieren.
BEZUGSZEICHENLISTE:

1: Gehäuse
11: Außenhülle
12: Innenraum
13: Wärmequelle
14: Wärmespeichereinheit
141: Wärmespeicherplatte
141a: kleine Wärmespeicherplatte
15: Wärmetransportverbindung
16: Wärmeabgabeeinheit
17: Wärmeabfuhrverbindung
18: Kühlmittelpumpe
19: Steckverbinder
KE: Kühlmitteleinlass
KA: Kühlmittelauslass

Claims

Gehäuse (1) zur Aufnahme einer Wärmequelle (13), umfassend - eine Außenhülle (11), welche einen Innenraum (12) umschließt, - eine Wärmequelle (13), welche zeitweise Wärme abgibt und welche im Innenraum (12) angeordnet ist, - eine Wärmespeichereinheit (14), welche im Innenraum (12) angeordnet ist und welche dazu vorgesehen ist, von der Wärmequelle (13) abgegebene Wärme zwischenzuspeichern, - zumindest eine Wärmeabgabeeinheit (16), welche in der Außenhülle (11) angeordnet ist oder einen Teilbereich der Außenhülle (11) bildet, wobei die Wärmequelle (13) mit der Wärmespeichereinheit (14) über eine Wärmetransportverbindung (15) fluidisch verbunden ist und ein Kühlmittel vorgesehen ist, um von der Wärmequelle (13) abgegebene Wärme von der Wärmequelle (13) über die Wärmetransportverbindung (15) zur Wärmespeichereinheit (14) zu transportieren, wobei die Wärmespeichereinheit (14) zumindest eine Wärmespeicherplatte (141) umfasst, welche von dem Kühlmittel angeströmt oder umströmt ist und dazu eingerichtet ist, Wärme von dem Kühlmittel aufzunehmen, und eine Wärmeabfuhrverbindung (17) vorgesehen ist, welche die Wärmespeichereinheit (14) mit der Wärmeabgabeeinheit (16) thermisch verbindet, wobei die Wärmeabfuhrverbindung (17) dazu eingerichtet ist, in der Wärmespeichereinheit (14) zwischengespeicherte Wärme zumindest teilweise zeitversetzt zur Abgabe der Wärme durch die Wärmequelle (13) zur Wärmeabgabeeinheit (16) zu übertragen, und die Wärmeabgabeeinheit (16) dazu eingerichtet ist, diese übertragene Wärme aus dem Gehäuse (1) abzuführen, wobei ein über die Wärmetransportverbindung (15) von der Wärmequelle (13) zur Wärmespeichereinheit (14) übertragbarer erster Wärmestrom größer ist als ein zweiter Wärmestrom, der durch die Wärmeabgabeeinheit (16) aus dem Gehäuse (1) abführbar ist, insbesondere wobei der erste Wärmestrom zumindest doppelt so groß ist wie der zweite Wärmestrom.
Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die Wärmespeichereinheit (14) mehrere Wärmespeicherplatten (141) umfasst, welche teilweise beabstandet zueinander nach Art eines Labyrinths angeordnet sind, wobei das Kühlmittel die Wärmespeicherplatten (141) nacheinander an- oder umströmt, wobei die Wärmespeicherplatten (141) das Kühlmittel von einer Schnittstelle zwischen der Wärmetransportverbindung (15) und der Wärmespeichereinheit (14) durch die Wärmespeichereinheit (14) zu einer Schnittstelle zwischen der Wärmespeichereinheit (14) und der Wärmeabfuhrverbindung (17) führen.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, bei dem die zumindest eine Wärmespeicherplatte (141) mehrlagig aufgebaut ist und in einer Außenlage ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfasst und in einer Innenlage ein Material mit hoher Wärmespeicherkapazität umfasst, wobei die Außenlage Wärme vom Kühlmittel zur Innenlage überträgt und die Innenlage die Wärme zwischenspeichert.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zumindest eine Wärmespeicherplatte (141) bereichsweise ein Phasenwechselmaterial umfasst, welches bei der Zwischenspeicherung von Wärme einen Phasenwechsel von der festen in die flüssige Phase und umgekehrt durchläuft und dabei latente Wärme aufnimmt oder abgibt, insbesondere wobei das Phasenwechselmaterial in einer Innenlage nach Anspruch 3 angeordnet ist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Kühlmittel durch Luft gebildet wird, wobei sich das Kühlmittel passiv durch freie Konvektion von der Wärmequelle (13) durch die Wärmetransportverbindung (15) zur Wärmespeichereinheit (14) bewegt oder eine Kühlmittelpumpe (18) in oder am Gehäuse (1) vorgesehen ist, welche das Kühlmittel aktiv von der Wärmequelle (13) durch die Wärmetransportverbindung (15) zur Wärmespeichereinheit (14) transportiert.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Wärmeabgabeeinheit (16) als Öffnung in der Außenhülle (11) des Gehäuses (1) ausgeführt ist und die Wärmeabfuhrverbindung (17) als Leitung ausgeführt ist, welche die Wärmespeichereinheit (14) mit der Wärmeabgabeeinheit (16) fluidisch verbindet, wobei durch die Wärmeabgabeeinheit (16) nach außerhalb des Gehäuses (1) strömendes Kühlmittel den zweiten Wärmestrom aus dem Gehäuse (1) abführt.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Wärmeabgabeeinheit (16) einen Teilbereich der Außenhülle (11) bildet und die Wärmeabfuhrverbindung (17) zumindest teilweise durch im Innenraum (12) befindliches Kühlmittel gebildet wird, welches Wärme von der Wärmespeichereinheit (14) durch Konvektion und/oder Wärmeleitung zur Wärmeabgabeeinheit (16) transportiert, wobei die Wärmeabgabeeinheit (16) zumindest eine Wärmeübertragungsplatte umfasst, welche den zweiten Wärmestrom durch Wärmeleitung aus dem Gehäuse (1) abführt.
Ladevorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, umfassend - ein Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, - zumindest einen Steckverbinder (19), welcher über elektrische Leitungen mit dem Gehäuse (1) verbunden und zur Verbindung mit einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug vorgesehen ist, wobei die Wärmequelle (13) durch eine Leistungselektronik zur Bereitstellung eines Ladestroms für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gebildet ist und der erste Wärmestrom Wärme, die durch die Leistungselektronik beim Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs durch die Leistungselektronik abgegeben wird, zur Wärmespeichereinheit (14) führt und der zweite Wärmestrom die in der Wärmespeichereinheit (14) zwischengespeicherte Wärme zumindest teilweise zeitversetzt zum Laden des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs nach außerhalb des Gehäuses (1) abführt.
Verfahren zur Abführung von Wärme von einer Wärmequelle (13), wobei zur Durchführung des Verfahrens ein Gehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird, in dem die Wärmequelle (11) angeordnet ist, umfassend die Schritte A) Übertragen eines ersten Wärmestroms von der Wärmequelle (13) über die Wärmetransportverbindung (15) zu der Wärmespeichereinheit (14), B) Zwischenspeichern der Wärme aus Verfahrensschritt A) in der Wärmespeichereinheit (14), wobei zumindest eine Wärmespeicherplatte (141) als Wärmespeicher genutzt wird, C1) Abführen eines zweiten Wärmestroms nach außerhalb des Gehäuses (1), wobei durch den zweiten Wärmestrom die in Verfahrensschritt B) zwischengespeicherte Wärme von der Wärmespeichereinheit (14) über die Wärmeabfuhrverbindung (17) zur Wärmeabgabeeinheit (16) und von dieser nach außerhalb des Gehäuses (1) abgeführt wird, wobei das Abführen des zweiten Wärmestroms nach außerhalb des Gehäuses (1) zumindest teilweise zeitversetzt zu Verfahrensschritt A) durchgeführt wird und der erste Wärmestrom größer als der zweite Wärmestrom ist, oder C2) temporäres Abschalten der Wärmeabgabeeinheit (16), der Wärmeabführverbindung (17) und/oder der Kühlmittelpumpe (18), damit die zwischengespeicherte Wärme der Wärmespeicherplatten (141) in dem Gehäuse (1) verbleibt, um dieses bei tiefen Temperaturen zu temperieren.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Wärmequelle (13) durch eine Leistungselektronik einer Ladevorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug gebildet ist und die Übertragung des ersten Wärmestroms in Verfahrensschritt A) zur Kühlung dieser Leistungselektronik verwendet wird.