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WO2024250051A1 - Wärmeübertragungselement - Google Patents

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WO2024250051A1
WO2024250051A1 PCT/AT2024/060223 AT2024060223W WO2024250051A1 WO 2024250051 A1 WO2024250051 A1 WO 2024250051A1 AT 2024060223 W AT2024060223 W AT 2024060223W WO 2024250051 A1 WO2024250051 A1 WO 2024250051A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal layer
heat transfer
transfer element
layer
fluid channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/AT2024/060223
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz PÖHN
Stefan Astecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Miba Emobility GmbH
Original Assignee
Miba Emobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from ATA50958/2023A external-priority patent/AT526682B1/de
Application filed by Miba Emobility GmbH filed Critical Miba Emobility GmbH
Publication of WO2024250051A1 publication Critical patent/WO2024250051A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/03—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0308—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits the conduits being formed by paired plates touching each other
    • F28D1/0316—Assemblies of conduits in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
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    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/06—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes composite, e.g. polymers with fillers or fibres
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
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    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a heat transfer element comprising a film heat exchanger with at least one fluid channel which is formed by the connection of a first material designed as a film material with a second material designed as a second film material or as a dimensionally stable material between the first and the second material, wherein the first material is formed by a first composite material, the second material by a second composite material and the dimensionally stable material by an element comprising a polymer, and at least one of the first and the second material has a first metal layer which is arranged electrically insulated from the fluid channel and which is connected to a first electrical current-conducting element.
  • the invention further relates to an accumulator comprising at least one rechargeable storage element for electrical energy and at least one heat transfer element, wherein the heat transfer element is arranged adjacent to the rechargeable storage element.
  • the invention also relates to a method for determining a leak in a heat transfer element, in particular in an accumulator, comprising the steps of: arranging a first film material made of a first composite material and a second material made of a second composite material or of a dimensionally stable material in abutting relationship, wherein at least one of the two materials has a first metal layer which is arranged to be electrically insulated from a fluid channel; partially connecting the first and the second material to one another to form the fluid channel between the first and the second material; electrically contacting the metal layer with a first electrically current-conducting element.
  • AT 520 018 A1 describes an accumulator with at least one storage module for electrical energy and at least one cooling device for cooling or temperature control for the at least one storage module, wherein the cooling device has at least one coolant channel, at least one coolant inlet and at least one coolant outlet.
  • the cooling device has a single-layer or multi-layer film and rests with this film on the at least one storage module.
  • AT 520 411 A1 describes an accumulator with at least one cell for storing electrical energy and at least one cooling device for cooling or controlling the temperature of the cell, which has at least one coolant channel and at least one single- or multi-layer film with at least one sensor element.
  • the at least one sensor element can be, among other things, a corner sensor.
  • the present invention is based on the object of improving the safety of a heat transfer element, in particular when used on an accumulator.
  • the object of the invention is achieved in the heat transfer element mentioned at the outset in that a second electrically current-conducting element is arranged in the fluid channel, and that the first and the second electrically conductive element are connected to a measuring device for measuring the electrical resistance, and/or that at least one of the first and second composite materials has a second metal layer which is arranged in the first or second composite material in an electrically insulated manner from the first metal layer and which is connected to a third electrically current-conducting element.
  • the object of the invention is achieved with the accumulator mentioned at the beginning, which has the heat transfer element according to the invention.
  • a second electrically conductive element is arranged in the fluid channel, and the first and the second electrically conductive element are connected to a measuring device for measuring the electrical resistance and with this the electrical resistance between the first and the second electrical current conducting element is measured, and/or that in at least one of the first and second composite materials a second metal layer is arranged electrically insulated from the first metal layer in the first or second composite material and is contacted with a third electrical current conducting element, and the first and the third electrically conducting element are connected to a measuring device for measuring the electrical resistance and the electrical resistance between the first and the third electrical current conducting element is measured with this.
  • the advantage here is not only that leaks in the heat transfer element are detected during operation, but that, compared to the solution with the leak sensor mentioned at the beginning, a larger area of monitoring or detection of leaks can be achieved by using at least one layer of the composite material itself to detect leaks.
  • the system is relatively simple in structure, since a component that is already present in the composite material, namely the metal layer and/or an additional metal layer, is used for detection.
  • the first and second materials have a first metal layer and that the two metal layers are connected to one another in an electrically conductive manner. This makes it possible to detect leaks on both sides of the heat transfer element.
  • the structural design of the measuring arrangement can be simplified by the electrically conductive connection of the two metal layers to one another.
  • the first metal layer of the first composite material is electrically conductively connected to the second metal layer of the first composite material and/or that the first metal layer of the second composite material is electrically conductively connected to the second
  • the first composite material has a first polymer layer and the second composite material has a second polymer layer, and the first and second polymer layers delimit the fluid channel, wherein the first metal layer is arranged on the first or second polymer layer, or that the first composite material has a first polymer layer which, together with the polymer of the dimensionally stable material, delimits the fluid channel, wherein the first metal layer is arranged on the first polymer layer or the first metal layer is arranged on a surface of the dimensionally stable material facing away from the fluid channel.
  • the first or second polymer layer or the dimensionally stable material it is possible to form the electrical insulation between the fluid channel and the metal layer in a cost-effective manner without losing or reducing the advantages of the film heat exchanger, such as its adaptability to uneven surfaces.
  • a film heat exchanger in the sense of the invention is a heat exchanger which has at least one film which also forms the fluid channel.
  • the fluid channel is directly delimited by the first and second polymer layers or the dimensionally stable material.
  • the second electrically conductive element can be arranged on the first polymer layer or on the second polymer layer or on the dimensionally stable material, whereby the degree of prefabrication of the semi-finished products for the manufacture of the heat transfer element can be increased.
  • the location-specific nature of the second electrically conductive element can be improved, whereby on the one hand changes in the flow rate or changes in the flow of a heat transfer fluid have less or no effect on the measuring system, and on the other hand the fluid channel itself is influenced relatively little by the arrangement of the second electrically conductive element.
  • the first metal layer can be arranged between two polymer layers.
  • the first metal layer and/or the second metal layer extend into the end faces of the foil heat exchanger. This makes it possible to further increase the safety of the heat transfer element by also being able to detect leaks at the connection points.
  • the film heat exchanger has at least one connection element for the supply or discharge of a working fluid, and that the first metal layer and/or the second metal layer is/are arranged in direct contact with the at least one connection element. With this arrangement of the metal layer(s), leaks in the area of the connection element can thus also be detected.
  • the additional plastic layer is liquid-tight and/or has a water vapor permeability according to DIN 53122-1 / DIN 53122-A of less than 200 g/m 2 d. Due to this additional plastic layer, cracks occurring inside the heat transfer element can also be detected before a leak occurs, since the inner layers Fluid passing through the fluid channel of the heat transfer element can be prevented from escaping by the additional plastic layer.
  • Fig. 1 A motor vehicle with an electric motor and a battery
  • Fig. 2 An accumulator in oblique view with a heat transfer element
  • Fig. 3 shows the accumulator according to Fig. 1 in an oblique view without heat transfer element
  • Fig. 4 shows a section of the heat transfer element
  • Fig. 5 shows a section of the heat transfer element
  • FIG. 6 Another embodiment of a heat transfer element
  • FIG. 7 A further embodiment of a heat transfer element
  • Fig. 8 A variant of a heat transfer element
  • FIG. 9 A detail of another embodiment of a heat transfer element
  • FIG. 10 A section of another embodiment of a heat transfer element with a first case of damage
  • Fig. 11 The detail of the design variant of the heat transfer element according to Fig. 10 with a second case of damage;
  • Fig. 12 shows a section of another embodiment of a heat transfer element.
  • a motor vehicle for example a car
  • the motor vehicle 1 has an electric motor 2 and a battery 3.
  • the electric motor 2 is the only drive of the motor vehicle 1.
  • the invention can also be used in other motor vehicles, such as a truck, or in a boat or in other areas of application.
  • accumulator 3 i.e. a rechargeable battery (secondary battery)
  • Fig. 2 shows the accumulator 3 with a heat transfer element 4
  • Fig. 3 shows the accumulator 3 without this heat transfer element 4.
  • the accumulator 3 comprises several storage elements 5 or cells for storing electrical energy (hereinafter referred to as storage element 5).
  • the storage elements 5 can be cuboid-shaped, cube-shaped, cylindrical, etc.
  • the heat transfer element 4 is arranged on one side of the accumulator 3, in particular above the storage elements 5. However, it can also be provided that the heat transfer element 4 extends over at least two surfaces of the accumulator 1, for example at the top and side and possibly at the bottom. Alternatively or additionally, the Heat transfer element 4 can also be arranged between the storage elements 5 or only below the storage elements 5 or only in the region of the side walls of the storage elements 5.
  • the heat transfer element 4 can extend over all the storage elements 5 (as can be seen from Fig. 1) so that all the storage elements 5 can be cooled with just one heat transfer element 4. However, it is also possible to provide several heat transfer elements 4 in the accumulator 3 for the storage elements 5, for example two or three or four.
  • the storage element(s) 5 are located directly (immediately) on the heat transfer element(s) 4.
  • top side refers to the installation position of the battery 3.
  • the storage elements 5 can also be designed in a modular manner, so that they can also be referred to as storage modules.
  • the accumulator 3 is described with several storage elements 5. However, the accumulator 3 can also have just one storage element 5. The statements in the description can therefore also be applied accordingly to this embodiment variant.
  • the heat transfer element 4 comprises a first material 6 and a second material 7 or consists of these, as can be seen from Figs. 4 and 5.
  • the first material 6 is designed as a first film material with multiple layers.
  • the second material 7 is also designed as a second film material and with multiple layers.
  • the second film material can also only be single-layered.
  • the multilayer film material of the first material 6 of the heat transfer element 4 lies against the storage elements 5, in particular directly. Since the multilayer film material is flexible, i.e. not rigid, it can adapt to unevenness of the storage elements 5 or between the storage elements 5. A leveling compound between the heat transfer element 4 and the storage elements 5 is not required.
  • the heat transfer element 4 further comprises at least one fluid channel 8, which extends from at least one connection element 9 for the supply of a working fluid to at least one connection element 10 for the discharge of the working fluid.
  • the at least one fluid channel 8 is formed between the first and the second film material by only partially connecting the first and second film material or generally the first and second material 6, 7.
  • the at least one fluid channel 8 can be produced by gluing or welding the film materials or materials 6, 7 to form connecting regions 11, such as webs (see Fig. 5).
  • the at least one fluid channel 8 is created in the unconnected regions of the materials 6, 7 next to the connecting regions 11.
  • the connecting techniques are preferably selected such that no additional measures have to be taken to obtain a liquid-tight design of the connection.
  • the fluid channel 8 can be arranged in a meandering shape in the heat transfer element 4, as can be seen from Fig. 4.
  • the concrete representation of the course of the at least one fluid channel 8 in Fig. 4 is to be understood only as an example.
  • the optimized course of the at least one fluid channel 8 depends, among other things, on the amount of heat that is to be dissipated, the geometry of the accumulator 3, etc. It can also be provided that more than one fluid channel 8 is formed or arranged in the heat transfer element 4. In this case, it is advantageous if the multiple fluid channels 8 have common connection elements 9, 10, each of which opens into a collecting channel from which the fluid channels 8 branch off or into which they open. However, it is also possible for each fluid channel 8 to have its own connection elements 9, 10.
  • the working fluid flowing through the heat transfer element 4 is in particular a liquid, for example a water-glycol mixture.
  • the second film material is constructed/composed in the same way as the first film material.
  • the second film material can also be formed by folding or folding a first film material.
  • the second film material can also be different from the first film material. constructed/composed, wherein preferably the materials mentioned in this description for the first film material are also used for the second film material.
  • the film material is a composite material. In the simplest case, it has a first polymer layer 12 and a metal layer 13.
  • the metal layer 13 can be made from a metal foil that is connected to the first polymer layer 12, or as a coating/vapor deposition of the first polymer layer 12.
  • the at least one fluid channel 8 is not formed by separate components, but is formed by only partially connecting the first to the second material 6, 7.
  • the fluid channel 8 is preferably directly delimited by the first polymer layer 12 of the first film material and a second polymer layer 14 of the second film material, so that the working fluid that flows through the fluid channel 8 during operation of the heat transfer element 4 is in direct contact with the first polymer layer 12 and the second polymer layer 14.
  • the second polymer layer 14 of the second film material may consist of the same material as the first polymer layer 12 of the first film material, even if the second film material consists only of the second polymer layer 14.
  • the first polymer layer 12 preferably consists of at least 80% to 100% by weight of a thermoplastic or an elastomer.
  • the thermoplastic can be selected from a group comprising or consisting of polyethylene (PE), polyoxymethylene (POM), polyamide (PA), in particular PA 6, PA 66, PA 11, PA 12, PA 610, PA 612, polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene terephthalate (PET), cross-linked polyolefins, preferably polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the elastomer can be selected from a group comprising or consisting of thermoplastic elastomers such as thermoplastic vulcanizates, olefin-, amine-, ester-based thermoplastic polyurethanes, in particular thermoplastic elastomers based on ether/ester, styrene block copolymers, silicone elastomers.
  • thermoplastic elastomers such as thermoplastic vulcanizates, olefin-, amine-, ester-based thermoplastic polyurethanes, in particular thermoplastic elastomers based on ether/ester, styrene block copolymers, silicone elastomers.
  • the first polymer layer 12 consists of a so-called sealing film. This has the advantage that the first and second film material or the first and second material 6, 7 can be directly connected to one another.
  • thermosetting plastics or thermosetting materials which are then bonded together with an adhesive, for example.
  • Two-component adhesive systems based on polyurethane or silicone or hot-melt adhesive systems are particularly suitable for this.
  • an adhesive layer can be arranged between two layers of the first film material, in particular over the entire surface.
  • the first polymer layer 12 can be connected to the first metal layer 13 via an adhesive layer (not shown).
  • the first metal layer 13 is in particular an aluminum foil. However, other metals can also be used, such as copper or silver.
  • the first metal layer 13 can, for example, have a layer thickness between 5 pm and 100 pm.
  • the first polymer layer 12 can have a layer thickness between 10 pm and 200 pm.
  • coextrusion and extrusion coating can also be used as a connection option.
  • a combination is also possible, whereby several polymers are coextruded and adhesively laminated to one another with an extrusion-coated metal layer.
  • all known processes for producing composite films or film laminates can be used.
  • the first film material can consist of the first polymer layer 12 and the first metal layer 13.
  • the first film material can also have further layers.
  • the first metal layer 13 can be arranged between the polymer layer 12 and an additional polymer layer 15.
  • the two polymer layers 12 and 15 can lie directly on the first metal layer 13 or be connected to it via adhesive layers.
  • the additional polymer layer 15 can consist of or comprise the same polymer as the first polymer layer 12.
  • the additional polymer layer 15 can also consist of or comprise a different polymer.
  • the first polymer layer 12 can consist of PP and the additional polymer layer can consist of PTFE or comprise these polymers.
  • the additional polymer layer 15 is formed from a polymer that is selected from the polymers mentioned above.
  • the first film material can have further layers.
  • the first film material can have the following structure: first polymer layer 12 (inside) - adhesive layer if necessary - first metal layer -3 - adhesive layer if necessary - additional polymer layer 15 - adhesive layer if necessary - further polymer layer (outside).
  • all polymer layers are preferably formed from a polymer selected from the polymers mentioned above. Several or all polymer layers can be formed from the same polymer, or several or all polymer layers can be formed from different polymers.
  • Fig. 5 also shows a three-layer structure for the second film material with the second polymer layer 14, which is made of the same polymer as the first polymer layer 12, the first metal layer 13 and the additional polymer layer 15 (in each case from the inside to the outside, with the inside being the side that is arranged closest to the fluid channel 8, in particular directly bordering it).
  • the first metal layer 13 is arranged in the heat transfer element 4 so as to be electrically insulated from the fluid channel 8. This can be achieved most easily with the first polymer layer 12. However, other/additional layers can also be provided for this purpose in the first film material, so that the first metal layer 13 is not in contact with the fluid channel 8 during normal operation of the heat transfer element 4.
  • the heat transfer element 4 can be used to detect a leak in the first and preferably also in the second (foil) material 6, 7.
  • the first metal layer 13 is electrically connected to at least one first element 16 that conducts the electrical current (hereinafter referred to as the first element 16).
  • the first element 16 can, for example, consist of the metal of the first metal layer 13 or of a different metal, for example copper.
  • the first element 16 can, for example, be designed as a round or flat wire.
  • At least one second element 17 (hereinafter referred to as second element 17) which conducts the electrical current is arranged in the fluid channel 8.
  • the second element 17 can be designed in the same way as the first element 16, i.e. can also consist of the metal of the first metal layer 13 or a different metal. It can also be designed as a round or flat wire, for example.
  • the second element 17 can be arranged on the first polymer layer 12 and/or on the second polymer layer 14.
  • the second element 17 can be glued to the first polymer layer 12 or the second polymer layer 14 or can be vapor-deposited thereon, as is indicated by dashed lines in Fig. 5.
  • the second element 17 can also be arranged loosely in the fluid channel 8.
  • the first and second elements 16, 17 are connected to a measuring device 18 for measuring the electrical/ohmic resistance.
  • the measuring device 18 can be designed in accordance with the state of the art for resistance measuring devices, so that reference is made to this state of the art for further details.
  • the electrical resistance (in particular by measuring the potential) between the working fluid in the fluid channel 8 and the metal layer 13 can be measured using the measuring device 18.
  • the electrical resistance can, for example, have a value between 100 kOhm and 1 MOhm. However, these values should only be understood as clarification of the invention and not as limiting it.
  • the working fluid escapes from the fluid channel 8. As a result, the working fluid comes into contact with the first metal layer 13, whereby the measured resistance becomes smaller.
  • the change in the resistance measured with the measuring device 18 measured electrical resistance a leak can be concluded and the heat transfer element 4 can be taken out of operation before further/greater damage occurs to the heat transfer element 4 or its surroundings, such as in particular the storage elements 5.
  • a first metal layer 13 of a heat transfer element 4 which is otherwise formed with the same first and second film materials, is electrically conductively connected to the measuring device 18.
  • both the first metal layer 13 of the first film material and the first metal layer 13 of the second film material are electrically conductively connected to the measuring device 18.
  • the two first metal layers 13 are electrically conductively connected to one another, as is indicated by dashed lines in Fig. 5.
  • the two first metal layers 13 can each be electrically conductively connected to its own measuring device 18.
  • two second elements 17 can also be arranged in the fluid channel 8. Two separate measuring circuits for measuring the electrical resistance can therefore be arranged or formed in the heat transfer element 4.
  • Figs. 6 and 7 show further embodiments of the invention with which leak detection can be further improved.
  • the first metal layer 13 extends into an end face 20 of the heat transfer element 4 in order to be able to detect a break in the connecting region 11 between the first and the second film material.
  • connection element 9 or 10 With the embodiment of the invention according to Fig. 7, a leak in the area of the connection element 9 or 10 can also be detected.
  • the first metal layer 13 is arranged in direct contact (or slightly spaced therefrom) with the at least one connection element 9 or 10.
  • the first metal layer 13 is exposed in this area in order to be able to come into contact with any working fluid that may emerge from the connection element 9 or 10.
  • first metal layer 13 is applied directly to the first polymer layer 12 and/or the second element 17 is applied directly to the side of the first polymer layer 12 facing the fluid channel 8
  • this can be done, for example, using a printing process (e.g. Screen printing, roll printing, inkjet printing, gravure printing, gravure printing, planographic printing, stamp printing), by spraying, vapor deposition, plasma coating, sputtering, powder coating, etc.
  • a printing process e.g. Screen printing, roll printing, inkjet printing, gravure printing, gravure printing, planographic printing, stamp printing
  • spraying vapor deposition, plasma coating, sputtering, powder coating, etc.
  • the heat transfer element 4 can be used for cooling and/or heating in an accumulator 3.
  • other uses of the heat transfer element 4 are also possible, such as power electronics cooling, stationary accumulators, industrial system cooling of surfaces (for example housings), so-called busbars, etc.
  • the heat transfer element 4 can therefore represent an independent invention on its own, i.e. without the storage elements 5 and the accumulator 3. The corresponding above statements on the heat transfer element 4 therefore also apply to this independent invention.
  • Fig. 8 shows a section of a further embodiment of the heat transfer element 4. This again has the first and the second material 6, 7, which are joined together to form at least one fluid channel 8.
  • the first material 6 is formed as a composite material and comprises at least the first polymer layer 12 and the first metal layer 13, preferably also the further polymer layer 15 or further layers. Reference is therefore made to the above statements with regard to the first material 6.
  • the first material 6 is thus again formed as a first film material and is flexible.
  • the second material 7 is not flexible, but rather dimensionally stable, i.e. rigid.
  • the second material 7 consists of a plate element 21 made of a polymer.
  • the polymer can be selected from the group mentioned above.
  • the second material 7 can form a housing or a part of a housing.
  • the second material 7 can also be multilayered and made up of several polymer layers. Furthermore, the second material 7 can have the metal layer 13 on an outer surface 22 facing away from the fluid channel 8, which is electrically contacted with the element 16 and which is optionally electrically connected to the first metal layer 13 of the first material 6.
  • the heat transfer element 4 can also have only a first metal layer 13 on the second material 7, ie the first material 6 can also be formed without a first metal layer 13.
  • a further layer for example a further polymer layer, which in itself can be flexible, or with a lacquer layer, etc.
  • an inner surface 23 facing the fluid channel 8 can be provided with a first metal layer, which forms the second element 17 (see e.g. Fig. 4).
  • the second material 7 can therefore be provided on both sides with a first metal layer or a metallic element, wherein the two metallic layers/elements are electrically insulated from one another via the polymer of the plate element 21.
  • the first film material of the heat transfer element 4 is also a composite material.
  • it has the first polymer layer 12, the first metal layer 13, the additional polymer layer 15 and a second metal layer 23, one above the other, in the order given from the inside to the outside.
  • the first polymer layer 12 is arranged directly adjacent to the at least one fluid channel 8 and delimits it, so that the working fluid that flows through the fluid channel 8 during operation of the heat transfer device 4 is in direct contact with the first polymer layer 12.
  • the second metal layer 23 forms the outermost layer, the layer of the composite material furthest away from the fluid channel 8.
  • the first metal layer 13 is arranged directly on the first polymer layer 12
  • the additional polymer layer 15 is arranged directly on the first metal layer 13
  • the second metal layer 23 is arranged directly on the additional polymer layer 15.
  • the second metal layer 23 can consist of one of the metals mentioned above for the first metal layer.
  • the second metal layer 23 consists of the same metal as the first metal layer.
  • the first metal layer 13 and/or the second metal layer 23 can, for example, have a layer thickness of between 5 pm and 100 pm. According to one embodiment, it can be provided that the second metal layer 23 has a second layer thickness that is equal to or greater than a first layer thickness of the first metal layer 13. Conversely, however, the first metal layer 13 can also have a greater layer thickness than the second metal layer 23.
  • the further metal layer 23 is arranged electrically insulated from the first metal layer 13.
  • the electrical insulation is preferably formed by means of the additional polymer layer 15.
  • the first metal layer 13 is again electrically conductively connected to the element 16. Reference is made to the above explanations.
  • the second metal layer 23 is connected to a third electrically current-conducting element 24 (hereinafter referred to only as element 24).
  • the third element 24 can be designed in the same way as the first element 16, to which reference is made in this context.
  • the two elements 16, 23 are connected to the measuring device 18.
  • this measuring device 18 reference is also made to the above explanations. If a leak now occurs, e.g. as a hole 19 in the first foil material, there is again a change in the electrical resistance, since the two metal layers 13, 23 are "contacted” with each other via the working fluid emerging through the hole 19. The working fluid again has an electrical conductivity, as was explained above.
  • the second element 17 is not present in the fluid channel 8. In other embodiments, however, this element 17 can additionally be present in the fluid channel 8 and can be electrically connected to the measuring device 18.
  • a further polymer layer 25 can be arranged on the second metal layer 23 of the first composite material, as shown in Figs. 10 and 11.
  • the further polymer layer 25 can be liquid-tight and/or have a water vapor permeability (at 23 °C) according to DIN 53122-1 / DIN 53122-A of less than 200 g/m 2 d, in particular between 0.2 g/m 2 d and 150 g/m 2 d.
  • the further polymer layer 25 can consist of or comprise one of the polymers mentioned above for the first polymer layer 12.
  • the further polymer layer 25 preferably consists of a polymer selected from the group PET, PA, PP, PE.
  • a metal splinter penetrates the first foil material of the heat transfer element 4 from the outside, as shown in Fig. 10, but without penetrating the first foil material into the fluid channel 8, this can again be determined via a change in the electrical resistance in the first foil material using the measuring device 18. It is therefore possible to shut down the heat transfer element 4 before the working fluid escapes. This is also possible if a hole 19 occurs on the inner side of the first foil material facing the fluid channel 8, through which the working fluid comes into contact with the first metal layer 13 and the second metal layer 23, as shown in Fig. 11.
  • the second material 7 can also be dimensionally stable, e.g. as a plate element 21, as shown in detail in Fig. 12.
  • the second material 7 can consist of the polymer materials mentioned above.
  • the second material 7 consists of or has a material that has an E-modulus 1t. ISO 527 of at least 100 MPa, in particular between 3000 MPa and 15000 MPa.
  • the material can be, for example, a fiber-reinforced, e.g. glass fiber-reinforced plastic, e.g. e-PP or PA6.
  • the first film material can be connected to the dimensionally stable material, for example, directly with the first plastic layer 12 or via an adhesive (for example one of those mentioned above).
  • the dimensionally stable material can have a layer thickness between 1 mm and 10 mm.
  • the dimensionally stable material forms part of the at least one fluid channel 8.
  • the dimensionally stable material can also be arranged to at least partially cover the first or second film material.
  • the first metal layer 13 of the first composite material is electrically conductively connected to the second metal layer 23 of the first composite material and/or that the first metal layer 13 of the second composite material is electrically conductively connected to the second metal layer 23 of the second composite material. This can be done, for example, via at least one element 16.
  • embodiments of the heat transfer element 4 for detecting leaks in a connection region 11 or on a connection element 9, 10 can also be formed with the first film material shown in Fig. 9 or 10, as shown in Figs. 6 and 7.
  • the first film material can have the layer structure first polymer layer 12 (e.g. made of PP) / first adhesive layer / first metal layer 13 (e.g. made of Al) / second adhesive layer / additional polymer layer 15 (e.g. made of PET) / third adhesive layer / second metal layer 23 (e.g. made of Al), fourth adhesive layer / further polymer layer 25 (e.g. made of PET).
  • the first film material can also have a layer structure of first polymer layer 12 (e.g. made of PP) / first metal layer 13 (e.g. made of Al) / additional polymer layer 15 (e.g. made of PET) / second metal layer 23 (e.g. made of Al) / third polymer layer 25 (e.g. made of PET), so that the layers are arranged directly on top of one another.
  • first polymer layer 12 e.g. made of PP
  • first adhesive layer / first metal layer 13 e.g. made of Al
  • the second electrically conductive layer can also consist of or be formed from a conductive print, such as a carbon paste, a varnish or a printable material that is mixed with conductive particles, such as metallic particles or graphite, soot.
  • a plastic layer (film) can also be used, which becomes electrically conductive through electrically conductive fibers or particles.
  • the further polymer layer 25 can have a layer thickness between 10 pm and 200 pm.
  • All polymer layers 12, 15, 25 can have the same or different layer thicknesses.
  • the embodiments show or describe possible design variants of the heat transfer element 4 and the accumulator 3, whereby combinations of the individual design variants are also possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement (4) mit zumindest einem Fluidkanal (8), der durch die Verbindung eines ersten Materials (6) mit einem zweiten Material (7) zwischen dem ersten und dem zweiten Material (6, 7) ausgebildet ist, wobei zumindest eines von dem ersten und dem zweiten Material (6, 7) eine Metallschicht (13) aufweist, die gegenüber dem Fluidkanal (8) elektrisch isoliert angeordnet ist, und die mit einem ersten elektrischen Strom leitenden Element (16) verbunden ist, und wobei im Fluidkanal (8) ein zweites elektrischen Strom leitendes Element (17) angeordnet ist, und das erste und das zweite elektrisch leitende Element (16, 17) mit einer Messvorrichtung (18) zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden sind, und/oder wobei zumindest eines von dem ersten und zweiten Verbundmaterial eine zweite Metallschicht aufweist, die elektrisch isoliert von der ersten Metallschicht im ersten oder zweiten Verbundmaterial angeordnet ist und die mit einem dritten elektrischen Strom leitenden Element verbunden ist.

Description

WÄRMEÜBERTRAGUNGSELEMENT
Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement umfassend einen Folienwärmetauscher mit zumindest einem Fluidkanal, der durch die Verbindung eines ersten, als Folienmaterial ausgebildeten Materials mit einem zweiten als zweites Folienmaterial oder als formsteifes Material ausgebildeten Material zwischen dem ersten und dem zweiten Material ausgebildet ist, wobei das erste Material durch ein erstes Verbundmaterial, das zweite Material durch ein zweites Verbundmaterial und das formstabile Material durch ein, ein Polymer umfassendes Element gebildet sind, und zumindest eines von dem ersten und dem zweiten Material eine erste Metallschicht aufweist, die gegenüber dem Fluidkanal elektrisch isoliert angeordnet ist, und die mit einem ersten elektrischen Strom leitenden Element verbunden ist.
Weiter betrifft die Erfindung einen Akkumulator umfassend zumindest ein wiederaufladbares Speicherelement für elektrische Energie und zumindest ein Wärmeübertragungselement, wobei das Wärmeübertragungselement an dem wiederaufladbaren Speicherelement anliegend angeordnet ist.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Leckage in einem Wärmeübertragungselement, insbesondere in einem Akkumulator, umfassend die Schritte: aneinander anliegende Anordnung eines ersten aus einem ersten Folienmaterial aus einem ersten Verbundmaterial und eines zweiten Materials aus einem zweiten Verbundmaterial gebildeten zweiten Folienmaterial oder aus einem formstabilen Material, wobei zumindest eines der beiden Materialien eine erste Metallschicht aufweist, die gegenüber einem Fluidkanal elektrisch isoliert angeordnet wird; partielles Verbinden des ersten und des zweiten Materials miteinander zur Ausbildung des Fluidkanals zwischen dem ersten und dem zweiten Material; elektrisches Kontaktieren der Metallschicht mit einem ersten elektrischen Strom leitenden Element.
Die Lebensdauer und die Effektivität sowie auch die Sicherheit einer wiederaufladbaren Batterie für die sogenannte E-Mobility hängen unter anderem auch von der Temperatur im Betrieb ab. Aus diesem Grund wurden schon verschiedenste Konzepte für die Kühlung bzw. Temperierung der Akkumulatoren vorgeschlagen. Im Wesentlichen lassen sich die Konzepte in zwei Typen unterteilen, nämlich die Luftkühlung sowie die Wasserkühlung bzw. generell die Kühlung mit Flüssigkeiten. Für die Wasserkühlung werden Kühlkörper verwendet, in denen zumindest ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist. Diese Kühlköper werden zwischen den einzelnen Modulen des Akkumulators oder auf den Modulen angeordnet. Ein Modul ist dabei eine selbstständige Einheit des Akkumulators, also nicht zwingend nur eine Zelle. Beispielsweise beschreibt die AT 520 018 Al einen Akkumulator mit zumindest einem Speichermodul für elektrische Energie und zumindest einer Kühlvorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für das zumindest eine Speichermodul, wobei die Kühlvorrichtung zumindest einen Kühlmittelkanal, zumindest einen Kühlmitteleinlass und zumindest einen Kühlmittelauslass aufweist. Die Kühlvorrichtung weist eine ein- oder mehrschichtige Folie auf und liegt mit dieser Folie an dem zumindest einen Speichermodul an.
Bei der Kühlung von elektrischen Speichern mit Flüssigkeiten ist es wünschenswert, möglichst frühzeitig eine Undichtheit des Kühlkörpers zu entdecken, um damit Kurzschlüsse bzw. schwerwiegendere Folgen zu vermeiden. Für diesen Zweck beschreibt z.B. die AT 520 411 Al einen Akkumulator mit zumindest einer Zelle zur Speicherung für elektrische Energie und zumindest einer Kühlvorrichtung zur Kühlung oder Temperierung der Zelle, die zumindest einen Kühlmittelkanal und zumindest eine ein- oder mehrschichtige Folie mit zumindest einem Sensorelement aufweist. Das zumindest eine Sensorelement kann u.a. ein Eecksensor sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Sicherheit eines Wärmeübertragungselements, insbesondere in der Verwendung an einem Akkumulator, zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei dem eingangs genannten Wärmeübertragungselement dadurch gelöst, dass im Fluidkanal ein zweites elektrischen Strom leitendes Element angeordnet ist, und dass das erste und das zweite elektrisch leitende Element mit einer Messvorrichtung zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden sind, und/oder dass zumindest eines von dem ersten und zweiten Verbundmaterial eine zweite Metallschicht aufweist, die elektrisch isoliert von der ersten Metallschicht im ersten oder zweiten Verbundmaterial angeordnet ist und die mit einem dritten elektrischen Strom leitenden Element verbunden ist.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Akkumulator gelöst, der das Wärmeübertragungselement nach der Erfindung aufweist.
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, nach dem vorgesehen ist, dass im Fluidkanal ein zweites elektrischen Strom leitendes Element angeordnet wird, und das erste und das zweite elektrisch leitende Element mit einer Messvorrichtung zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden und mit diesem der elektrische Widerstand zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Strom leitenden Element gemessen wird, und/oder dass in zumindest einem von dem ersten und zweiten Verbundmaterial eine zweite Metallschicht elektrisch isoliert von der ersten Metallschicht im ersten oder zweiten Verbundmaterial angeordnet wird und mit einem dritten elektrischen Strom leitenden Element kontaktiert wird, und das erste und das dritte elektrisch leitende Element mit einer Messvorrichtung zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden und mit diesem der elektrische Widerstand zwischen dem ersten und dem dritten elektrischen Strom leitenden Element gemessen wird.
Von Vorteil ist dabei nicht nur, dass Leckagen in dem Wärmeübertragungselement im Betrieb erkannt werden, sondern dass im Vergleich zu der eingangs genannten Lösung mit dem Leckagesensor eine großflächigere Überwachung bzw. Detektion von Undichtigkeiten erreicht werden kann, indem zumindest eine Schicht des Verbundmaterials selbst zur Detektion von Leckagen herangezogen wird. Damit kann eine Leckage bereits früher erkannt werden, da nicht zuerst der Weg bis zu einem auf dem Verbundmaterial in einem diskreten Bereich angeordneten Sensor zurückgelegt werden muss. Eine Leckage kann also im Bereich des Verbundmaterials „ortsunabhängig“ detektiert werden. Durch diese frühere Feststellbarkeit einer Leckage kann somit ein entsprechender Sicherheitsgewinn des Gesamtsystems erreicht werden. Darüber hinaus ist das System relativ einfach aufgebaut, da man sich eines ohnehin im Verbundmaterial vorhandenen Bestandteils, nämlich der Metallschicht und/oder einer zusätzlichen Metallschicht, zur Detektion bedient.
Zur weiteren Verbesserung dieser Effekte kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das erste und das zweite Material eine erste Metallschicht aufweisen, und dass die beiden Metallschichten elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Es ist damit möglich, Leckagen beidseitig des Wärmeübertragungselements zu erfassen. Durch die elektrischen Strom leitende Verbindung der beiden Metallschichten miteinander kann dabei der konstruktive Aufbau der Messanordnung vereinfacht werden.
Für die Erfassung durch von außen oder von innen in das erste oder zweite Verbundmaterial eindringenden Fremdkörpern verursachten Leckagen kann nach einer Ausführungsvariante auch vorgesehen werden, dass die erste Metallschicht des ersten Verbundmaterials elektrisch leitend mit der zweiten Metallschicht des ersten Verbundmaterials verbunden ist und/oder dass die erste Metallschicht des zweiten Verbundmaterials elektrisch leitend mit der zweiten
Metallschicht des zweiten Verbundmaterials verbunden ist.
Nach anderen Ausführungsvarianten der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Verbundmaterial eine erste Polymerschicht und das zweite Verbundmaterial eine zweite Polymerschicht aufweisen, und die erste und die zweite Polymerschicht den Fluidkanal begrenzen, wobei die erste Metallschicht auf der ersten oder der zweiten Polymerschicht angeordnet ist, oder dass das erste Verbundmaterial eine erste Polymerschicht aufweist, die mit dem Polymer des formstabilen Materials den Fluidkanal begrenzt, wobei die erste Metallschicht auf der ersten Polymerschicht oder die erste Metallschicht auf einer dem Fluidkanal abgewandten Oberfläche des formstabilen Materials angeordnet ist. Mit der ersten bzw. der zweiten Polymerschicht bzw. dem formstabilen Material ist es kostengünstig möglich, die elektrische Isolierung zwischen dem Fluidkanal und der Metallschicht auszubilden, ohne dass auf Vorteile des Folienwärmetauschers, wie dessen Anpassbarkeit an unebene Untergründe, verloren gehen bzw. reduziert werden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass ein Folienwärmetauscher im Sinne der Erfindung ein Wärmetauscher ist, der zumindest einen Folie aufweist, die den Fluidkanal mitausbildet.
Zur Verbesserung der „Unmittelbarkeit“ des Messergebnisses im Falle einer Eeckage und zur weiteren konstruktiven Vereinfachung des Gesamtsystems kann dabei nach Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein, dass der Fluidkanal von der ersten und der zweiten Polymerschicht oder dem formstabilen Material unmittelbar begrenzt ist.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann das zweite elektrisch leitende Element auf der ersten Polymerschicht oder auf der zweiten Polymerschicht oder auf dem formstabilen Material angeordnet sein, womit der Vorfertigungsgrad der Halbfertigprodukte für die Herstellung des Wärmeübertragungselementes erhöht werden kann. Zudem kann die Ortsgebundenheit des zweiten elektrisch leitenden Elementes verbessert werden, womit einerseits Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Änderungen der Strömung eines Wärmeübertragungsfluids geringere bzw. keine Auswirkungen auf das Messsystem haben, und andererseits der Fluidkanal selbst durch die Anordnung des zweiten elektrisch leitenden Elementes relativ gering beeinflusst wird. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Metallschicht zwischen zwei Polymerschichten angeordnet ist. Es ist damit möglich ein Wärmeübertragungselement bereitzustellen, bei dem eine Leckage bereits detektiert werden kann, bevor sie äußerlich in Erscheinung tritt, wenn die äußere der beiden Polymerschichten noch dicht ist und nur die innere, dem Fluidkanal nähere Polymerschicht undicht geworden ist. Mit dieser Ausführungsvariante ist ein weiterer Sicherheitsgewinn des Wärmeübertragungselements bzw. des Systems Akkumulator mit Wärmeübertragungselement erreichbar.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich die erste Metallschicht und/oder dass sich die zweite Metallschicht bis in die Stirnflächen des Folienwärmetauschers erstreckt/erstrecken. Es ist damit eine weitere Erhöhung der Sicherheit des Wärmeübertragungselementes erreichbar, indem auch Undichtigkeiten des Verbindungsstellen detektiert werden können.
Ebenfalls zur Erhöhung der Sicherheit des Wärmeübertragungselementes kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass der Folienwärmetauscher zumindest ein Anschlusselement für die Zufuhr oder die Abfuhr eines Arbeitsfluids aufweist, und dass die erste Metallschicht und/oder die zweite Metallschicht in direkter Anlage an dem zumindest einen Anschlusselement angeordnet ist bzw. sind. Mit dieser Anordnung der Metall- schicht(en) können somit auch Leckagen im Bereich des Anschlusselementes erkannt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgehen sein, dass auf der zweiten Metallschicht des ersten Verbundmaterials und/oder auf der zweiten Metallschicht des zweiten Verbundmaterials eine weitere Polymerschicht angeordnet ist bzw. sind. Es ist damit ein Schutz der zweiten Metallschicht erreichbar, sodass diese dünner ausgeführt werden kann. Es ist damit nicht nur möglich, den elektrischen Widerstand der Schicht zu verändern, sondern ist damit auch die Steifigkeit bzw. die Biegeschlaffheit des Wärmeübertragungselementes zu verändern, sodass sich die Wärmeübertragungsvorrichtung besser an Konturen von einem Akkumulator anpassen kann.
Von Vorteil ist dabei auch, wenn nach einer Ausführungsvariante dazu die weitere Kunststoffschicht flüssigkeitsdicht ist und/oder eine Wasserdampfdurchlässigkeit gemäß DIN 53122-1 / DIN 53122-A von maximal kleiner 200 g/m2d aufweist. Aufgrund dieser weiteren Kunststoffschicht können im Inneren des Wärmeübertragungselements auftretende Brüche ebenfalls bereits vor dem Auftreten einer Leckage erkannt werden, da durch innere Schichten durchtretendes Fluid aus dem Fluidkanal des Wärmeübertragungselements mit der weiteren Kunststoffschicht am Austreten gehindert werden kann.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 Ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einem Akkumulator;
Fig. 2 Einen Akkumulator in Schrägansicht mit einem Wärmeübertragungselement;
Fig. 3 den Akkumulator nach Fig. 1 in Schrägansicht ohne Wärmeübertragungselement;
Fig. 4 einen Ausschnitt aus dem Wärmeübertragungselement;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus dem Wärmeübertragungselement;
Fig. 6 Eine andere Ausführungsvariante eines Wärmeübertragungselementes;
Fig. 7 Eine weitere Ausführungsvariante eines Wärmeübertragungselementes;
Fig. 8 Eine Ausführungsvariante eines Wärmeübertragungselementes
Fig. 9 Einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante eines Wärmeübertragungselementes;
Fig. 10 Einen Ausschnitt aus einer anderen Ausführungsvariante eines Wärmeübertragungselementes mit einem ersten Schadensfall;
Fig. 11 Den Ausschnitt aus der Ausführungsvariante der Wärmeübertragungselementes nach Fig. 10 mit einem zweiten Schadensfall;
Fig. 12 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante eines Wärmeübertragungselementes.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Angaben zu Normen beziehen sich immer auf die zum Anmeldetag der die Priorität begründenden Erstanmeldung jeweils letztgültige Fassung dieser Normen, sofern nicht etwas anderes explizit angegeben ist.
In Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug 1, beispielsweise ein PKW, gezeigt. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Elektromotor 2 und einen Akkumulator 3 auf. Vorzugsweise ist der Elektromotor 2 der einzige Antrieb des Kraftfahrzeuges 1.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch in anderen Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise in einem LKW, oder auch in einem Boot bzw. in weiteren Einsatzgebieten Anwendung finden kann.
In den Fig. 2 und 3 ist der Akkumulator 3, d.h. eine wiederaufladbare Batterie (Sekundärbatterie), in Schrägansicht dargestellt, wobei die Fig. 2 den Akkumulator 3 mit einem Wärmeübertragungselement 4 und die Fig. 3 den Akkumulator 3 ohne dieses Wärmeübertragungselement 4 zeigt.
Der Akkumulator 3 umfasst mehrere Speicherelemente 5 bzw. Zellen für die Speicherung von elektrischer Energie (im Folgenden nur mehr als Speicherelement 5 bezeichnet). Die Speicherelemente 5 können quaderförmig, würfelförmig, zylinderförmig, etc., ausgebildet sein.
Da der prinzipielle Aufbau derartiger Akkumulatoren 3 (insbesondere für die E-Mobility) aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt ist, sei zur Vermeidung von Wiederholungen darauf verwiesen.
Wie aus dem Vergleich der beiden Fig. 2 und 3 zu ersehen ist, ist das Wärmeübertragungselement 4 an einer Seite des Akkumulators 3 angeordnet, insbesondere oberhalb der Speicherelemente 5. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass sich das Wärmeübertragungselement 4 über zumindest zwei Oberflächen des Akkumulators 1 erstreckt, beispielsweise oben und seitlich und gegebenenfalls unten. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Wärmeübertragungselement 4 auch zwischen den Speicherelementen 5 oder nur unterhalb der Speicherelemente 5 oder nur im Bereich der Seitenwände der Speicherelemente 5 angeordnet sein.
Das Wärmeübertragungselement 4 kann sich über sämtliche Speicherelemente 5 erstrecken (wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist), damit mit nur einem Wärmeübertragungselement 4 sämtliche Speicherelemente 5 gekühlt werden können. Es aber auch möglich, in dem Akkumulator 3 für die Speicherelemente 5 mehrere Wärmeübertragungselemente 4 vorzusehen, beispielsweise zwei oder drei oder vier.
Bevorzugt liegt das oder liegen die Speicherelement(e) 5 direkt (unmittelbar) an dem oder den Wärmeübertragungselement(en) 4 an.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Begriffe Oberseite, etc., auf die Einbaulage des Akkumulators 3 beziehen.
Weiter sei darauf hingewiesen, dass die Speicherelemente 5 auch modulartig ausgebildet sein können, sodass diese also auch als Speichermodule bezeichnet werden können.
Zudem sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Beschreibung der Akkumulator 3 mit mehreren Speicherelementen 5 beschrieben wird. Der Akkumulator 3 kann aber auch nur ein Speicherelement 5 aufweisen. Die Ausführungen in der Beschreibung können daher entsprechend auch auf diese Ausführungsvariante angewandt werden.
Bei sämtlichen Ausführungsvarianten umfasst das Wärmeübertragungselement 4 eine erstes Material 6 und ein zweites Material 7 oder besteht aus diesen, wie dies aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist. Das erste Material 6 ist als erstes Folienmaterial mehrschichtig ausgebildet. Vorzugsweise ist auch das zweite Material 7 als zweites Folienmaterial und mehrschichtig ausgebildet. Das zweite Folienmaterial kann aber auch nur einschichtig sein.
Das mehrschichtige Folienmaterial des ersten Materials 6 des Wärmeübertragungselements 4 liegt an den Speicherelementen 5 an, insbesondere unmittelbar. Nachdem das mehrschichtige Folienmaterial flexibel ist, also nicht steif ist, kann sich dieses an Unebenheiten der Speicherelemente 5 oder zwischen den Speicherelementen 5 anpassen. Eine Ausgleichsmasse zwischen der Wärmeübertragungselement 4 und den Speicherelementen 5 ist nicht erforderlich. Weiter umfasst das Wärmeübertragungselement 4 zumindest einen Fluidkanal 8, der sich von zumindest einem Anschlusselement 9 für die Zufuhr eines Arbeitsfluids bis zu zumindest einem Anschlusselement 10 für die Abfuhr des Arbeitsfluids erstreckt. Der zumindest eine Fluidkanal 8 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Folienmaterial durch nur partielles Verbinden des ersten und zweiten Folienmaterials bzw. generell des ersten und des zweiten Materials 6, 7 ausgebildet. Beispielsweise kann der zumindest eine Fluidkanal 8 durch Verkleben oder Verschweißen der Folienmaterialien bzw. Materialien 6, 7 unter Ausbildung von Verbindung sbereichen 11, wie z.B. von Stegen (siehe Fig. 5) hergestellt werden. Der zumindest eine Fluidkanal 8 entsteht dabei in den nicht verbundenen Bereichen der Materialien 6, 7 neben den Verbindungsbereichen 11. Generell werden die Verbindungstechniken vorzugsweise derart gewählt, dass keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine flüssigkeitsdichte Ausführung der Verbindung zu erhalten.
Der Fluidkanal 8 kann mäanderförmig verlaufend in dem Wärmeübertragungselement 4 angeordnet sein, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die konkrete Darstellung des Verlaufs des zumindest einen Fluidkanals 8 in Fig. 4 ist nur beispielhaft zu verstehen. Der jeweils optimierte Verlauf des zumindest einen Fluidkanals 8 richtet sich u.a. nach der Wärmemenge, die abzuführen ist, der Geometire des Akkumulators 3, etc. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehr als ein Fluidkanal 8 in dem Wärmeübertragungselement 4 ausgebildet bzw. angeordnet ist. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die mehreren Fluidkanäle 8 gemeinsame Anschlusselemente 9, 10 haben, die jeweils in einen Sammelkanal münden, von denen aus sich die Fluidkanäle 8 verzweigen bzw. in den sie münden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass jeder Fluidkanal 8 eigene Anschlusselemente 9, 10 aufweist.
Das Arbeitsfluid, das das Wärmeübertragungselement 4 durchströmt, ist insbesondere eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch.
Im Folgenden wird nur das erste Folienmaterial näher beschrieben. Die Ausführungen dazu können auf das zweite Folienmaterial übertragen werden, sofern dieses mehrschichtig ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das zweite Folienmaterial gleich/ident aufgebaut/zusammenge- setzt wie das erste Folienmaterial. Beispielsweise kann das zweite Folienmaterial auch durch Zusammenklappen bzw. Falten eines ersten Folienmaterials aus diesem gebildet sein. Das zweite Folienmaterial kann aber auch anderes als das erste Folienmaterial aufgebaut/zusammengesetzt sein, wobei vorzugsweise die im Rahmen dieser Beschreibung genannten Werkstoffe für das erste Folienmaterial auch für das zweite Folienmaterial verwendet werden.
Das Folienmaterial ist ein Verbundmaterial. Im einfachsten Fall weist es eine erste Polymerschicht 12 und eine Metallschicht 13 auf. Die Metallschicht 13 kann aus einer Metallfolie hergestellt sein, die mit der ersten Polymerschicht 12 verbunden wird, oder als Beschichtung/Be- dampfung der ersten Polymerschicht 12.
Der zumindest eine Fluidkanal 8 ist nicht durch gesonderte Bauteile, sondern wird durch die nur partielle Verbindung des ersten mit dem zweiten Material 6, 7 gebildet. Der Fluidkanal 8 wird dabei vorzugsweise unmittelbar durch die erste Polymerschicht 12 des ersten Folienmaterials und eine zweite Polymerschicht 14 des zweiten Folienmaterials begrenzt, sodass das Arbeitsfluid, dass im Betrieb des Wärmeübertragungselementes 4 durch den Fluidkanal 8 fließt in direktem Kontakt mit der ersten Polymerschicht 12 und der zweiten Polymerschicht 14 steht.
Die zweite Polymerschicht 14 des zweiten Folienmaterials kann aus dem gleichen Werkstoff bestehen wie die erste Polymerschicht 12 der ersten Folienmaterials, selbst wenn das zweite Folienmaterial nur aus der zweiten Polymerschicht 14 besteht.
Die erste Polymerschicht 12 besteht bevorzugt zu zumindest 80 Gew.-% bis 100 Gew.-% aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Elastomer. Der thermoplastische Kunststoff kann ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Polyethylen (PE), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), insbesondere PA 6, PA 66, PA 11, PA 12, PA 610, PA 612, Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), vernetzte Polyolefine, bevorzugt Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE). Das Elastomer kann ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus thermoplastische Elastomere wie z.B. thermoplastische Vulkanisate, olefin-, amin-, ester-basierende, thermoplastische Polyurethane, insbesondere thermoplastische Elastomere auf Ether-/Ester Basis, Styrol-Block- Copolymere, Silikonelastomere.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter einem Polymer im Sinne der Erfindung ein synthetisches oder natürliches Polymer verstanden wird, das aus entsprechenden Monomeren hergestellt ist. Vorzugsweise besteht die erste Polymerschicht 12 aus einer sogenannten Siegelfolie. Dies hat den Vorteil, dass das erste und zweite Folienmaterial bzw. das erste und das zweite Material 6, 7 direkt miteinander verbunden werden können.
Es ist aber auch möglich, andere Kunststoffe, wie z.B. duroplastische Kunststoffe bzw. duroplastische Werkstoffe einzusetzen, die dann beispielsweise mit einem Klebstoff miteinander verklebt werden. Hierzu eignen sich insbesondere Zweikomponenten Klebstoffsysteme auf Polyurethanbasis oder Silikonbasis oder auch Heißklebesysteme.
Generell kann zwischen zwei Schichten des ersten Folienmaterials eine Kleberschicht angeordnet sein, insbesondere vollflächig. Beispielsweise kann die erste Polymerschicht 12 mit der ersten Metallschicht 13 über eine Kleberschicht (nicht dargestellt) verbunden sein.
Die erste Metallschicht 13 ist insbesondere eine Aluminiumfolie. Es sind aber auch andere Metalle verwendbar, wie beispielsweise Kupfer oder Silber.
Die erste Metallschicht 13 kann beispielsweise eine Schichtstärke zwischen 5 pm und 100 pm aufweisen.
Die erste Polymerschicht 12 kann eine Schichtdicke zwischen 10 pm und 200 pm aufweisen.
Neben der der Verbindung der Einzelschichten des ersten Folienmaterials über Klebstoffe kann auch die Coextrusion und die Extrusionsbeschichtung als Verbindungsmöglichkeit eingesetzt werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination möglich, dass mehrere Polymere coextrudiert und mit einer extrusionsbeschichteten Metallschicht miteinander klebeka- schiert werden. Generell können sämtliche bekannte Verfahren zur Herstellung von Verbundfolien bzw. Folienlaminaten verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, kann das erste Folienmaterial aus der ersten Polymerschicht 12 und der ersten Metallschicht 13 bestehen. Das erste Folienmaterial kann aber auch noch weitere Schichten aufweisen. Beispielsweise kann nach einer Au sführungs Variante vorgesehen sein, dass die erste Metallschicht 13 zwischen der Polymerschicht 12 und einer zusätzlichen Polymerschicht 15 angeordnet ist. Die beiden Polymerschichten 12 und 15 können dabei direkt an der ersten Metallschicht 13 anliegen oder über Kleberschichten damit verbunden sein. Die zusätzliche Polymerschicht 15 kann aus dem gleichen Polymer bestehen bzw. dieses umfassen wie die erste Polymerschicht 12. Die zusätzliche Polymerschicht 15 kann aber auch aus einem anderem Polymer bestehen bzw. dieses umfassen. Beispielsweise kann die erste Polymerschicht 12 aus PP und die zusätzliche Polymerschicht aus PTFE bestehen bzw. diese Polymere umfassen. Insbesondere ist die zusätzliche Polymerschicht 15 aus einem Polymer gebildet, das aus den voranstehend genannten Polymeren ausgewählt ist.
Neben der genannten dreischichtigen (bzw. fünfschichtigen) Ausführungsvariante des ersten Folienmaterials kann dieses noch weitere Schichten aufweisen. Beispielweise kann das erste Folienmaterial folgenden Aufbau aufweisen: erste Polymerschicht 12 (Innenseite) - gegebenenfalls Klebstoffschicht - erste Metallschicht -3 - gegebenenfalls Klebstoffschicht - zusätzliche Polymerschicht 15 - gegebenenfalls Klebstoffschicht - weitere Polymerschicht (Außenseite).
Unabhängig von der Anzahl an Polymerschichten im Schichtaufbau des ersten Folienmaterials sind vorzugsweise sämtliche Polymerschichten aus einem Polymer gebildet, das aus den voranstehend genannten Polymeren ausgewählt ist. Dabei können mehrere oder alle Polymerschichten aus dem gleichen Polymer gebildet sein, oder mehrere oder alle Polymerschichten aus unterschiedlichen Polymeren gebildet sein.
Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass das erste und das zweite Folienmaterial gleich ausgebildet sein können. So zeigt die Fig. 5 auch für das zweite Folienmaterial einen dreischichtigen Schichtaufbau mit der zweiten Polymerschicht 14, die aus dem gleichen Polymer gebildet ist, wie die erste Polymerschicht 12, der ersten Metallschicht 13 und der zusätzlichen Polymerschicht 15 (jeweils von innen nach außen, wobei innen jene Seite ist, die am nächsten zu dem Fluidkanal 8 angeordnet ist, insbesondere diesen unmittelbar begrenzt).
Die erste Metallschicht 13 ist gegenüber dem Fluidkanal 8 elektrisch isoliert im Wärmeübertragungselement 4 angeordnet. Am einfachsten kann dies mit der ersten Polymerschicht 12 erreicht werden. Es können hierfür in dem ersten Folienmaterial aber auch andere/zusätzliche Schichten vorgesehen sein, sodass die erste Metallschicht 13 im Normalbetrieb des Wärmeübertragungselementes 4 also nicht in Kontakt mit dem Fluidkanal 8 steht.
Wie voranstehend ausgeführt, kann mit dem Wärmeübertragungselement 4 eine Leckage im ersten und vorzugsweise auch im zweiten (Folien-)Material 6, 7 erkannt werden. Dazu wird die erste Metallschicht 13 mit zumindest einem ersten, den elektrischen Strom leitenden Element 16 (im Folgenden erstes Element 16 genannt) elektrisch leitend verbunden. Das erste Element 16 kann beispielsweise aus dem Metall der ersten Metallschicht 13 oder aus einem dazu verschiedenen Metall bestehen, beispielsweise aus Kupfer. Weiter kann das erste Element 16 beispielsweise als Rund- oder Flachdraht ausgeführt sein.
Im Fluidkanal 8 ist zumindest ein zweites, den elektrischen Strom leitendes Element 17 (im Folgenden zweites Element 17 genannt) angeordnet. Das zweite Elemente 17 kann gleich zum ersten Element 16 ausgebildet sein, also beispielsweise auch aus dem Metall der ersten Metallschicht 13 oder einem dazu verschiedenen Metall bestehen. Ebenso kann es beispielsweise als Rund- oder Flachdraht ausgeführt sein. Nach einer Ausführungsvariante des Wärmeübertragungselementes 4 kann vorgesehen sein, das zweite Element 17 auf der ersten Polymerschicht 12 und/oder auf der zweiten Polymerschicht 14 angeordnet ist. Beispielsweise kann das zweite Element 17 auf die erste Polymerschicht 12 oder auf die zweiten Polymerschicht 14 aufgeklebt oder darauf aufgedampft sein, wie dies in Fig. 5 strichliert angedeutet ist. Das zweite Element 17 kann aber auch lose im Fluidkanal 8 angeordnet sein.
Das erste und das zweite Element 16, 17 werden/sind mit einer Messvorrichtung 18 zur Messung des elektrischen/ohmschen Widerstandes verbunden. Die Messvorrichtung 18 kann dem Stand der Technik für Widerstandsmessgeräte entsprechend ausgebildet sein, sodass bezüglich weiterer Einzelheiten dazu auf diesen Stand der Technik verwiesen sei.
Nachdem auch das Arbeitsfluid im Fluidkanal 8 elektrisch leitfähig ist (gegebenenfalls kann dem Arbeitsfluid hierfür ein entsprechender Zusatz beigefügt werden, der das Arbeitsfluid elektrisch leitfähig ausbildet) kann mit der Messvorrichtung 18 der elektrische Widerstand (insbesondere durch Potenzialmessung) zwischen dem Arbeitsfluid im Fluidkanal 8 und der Metallschicht 13 gemessen werden. Der elektrische Widerstand kann beispielsweise einen Wert zwischen 100 kOhm bis 1 MOhm aufweisen. Diese Werteangaben sollen jedoch nur als Verdeutlichung der Erfindung und nicht diese einschränkend verstanden werden.
Wenn nun im ersten Folienmaterial eine Leckage auftritt, z.B. in Form eine Loches 19, das bis in den Fluidkanal 8 reicht, beispielsweise in Folge eines Durchstoßens dieses Folienmaterials mit einem spitzen Gegenstand, tritt das Arbeitsfluid aus dem Fluidkanal 8 aus. In der Folge kommt das Arbeitsfluid mit der ersten Metallschicht 13 in Kontakt, wodurch der gemessene Widerstand kleiner wird. Somit kann über die Veränderung des mit der Messvorrichtung 18 gemessenen elektrischen Widerstandes auf eine Leckage geschlossen werden und das Wärmeübertragungselement 4 außer Betrieb genommen werden, bevor ein weiterer/größerer Schaden am Wärmeübertragungselement 4 bzw. in dessen Umgebung, wie insbesondere den Speicherelementen 5, entsteht.
In einer einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist nur eine erste Metallschicht 13 eines ansonsten mit gleichen ersten und zweiten Folienmaterialien ausgebildeten Wärmeübertragungselementes 4 mit der Messvorrichtung 18 elektrisch leitend verbunden. Nach einer anderen Ausführungsvariante kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sowohl die erste Metallschicht 13 des ersten Folienmaterials als auch die erste Metallschicht 13 des zweiten Folienmaterials mit der Messvorrichtung 18 elektrisch leitend verbunden sind. Dazu kann vorgesehen sein, dass die beiden ersten Metallschichten 13 elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wie dies in Fig. 5 strichliert angedeutet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die beiden ersten Metallschichten 13 jeweils mit einer eigenen Messvorrichtung 18 elektrisch leitend verbunden sind. In diesem Fall können auch zwei zweite Elemente 17 im Fluidkanal 8 angeordnet sein. Es können also zwei voneinander getrennte Messkreise zur Messung des elektrischen Widerstandes im Wärmeübertragungselement 4 angeordnet bzw. ausgebildet werden.
Die Fig. 6 und 7 zeigen weitere Ausführungsvarianten der Erfindung, mit denen die Leckagedetektion weiter verbessert werden kann. So kann entsprechend der Ausführungsvariante nach Fig. 6 vorgesehen sein, dass die erste Metallschicht 13 sich bis in eine Stirnfläche 20 des Wärmeübertragungselements 4 erstreckt, um damit auch einen Bruch des Verbindungsbereichs 11 zwischen dem ersten und dem zweiten Folienmaterial feststellen zu können.
Mit der Ausführungsvariante der Erfindung nach Fig. 7 kann auch eine Leckage im Bereich des Anschlusselementes 9 bzw. 10 festgestellt werden. Dazu wird/ist die erste Metallschicht 13 in direkter Anlage (oder geringfügig beabstandet dazu) an dem zumindest einen Anschlusselement 9 bzw. 10 angeordnet. Die erste Metallschicht 13 ist in diesem Bereich freiliegend, um in Kontakt mit einem gegebenenfalls aus dem Anschlusselemente 9 bzw. 10 austretendem Arbeitsfluid kommen zu können.
Für den Fall, dass die erste Metallschicht 13 direkt auf die erste Polymerschicht 12 und/oder das zweite Element 17 direkt auf der dem Fluidkanal 8 zugewandten Seite der ersten Polymerschicht 12 aufgebracht werden, kann dies beispielsweise mit einem Druckverfahren (z.B. Siebdruck, Rollendruck, Tintenstrahldruck, Gravurdruck, Tiefdruck, Flachdruck, Stempeldruck), durch Aufsprühen, Aufdampfen, Plasmabeschichten, Sputtern, Pulverbeschichten, etc., erfolgen.
Das Wärmeübertragungselement 4 kann zur Kühlung und/oder zur Erwärmung in einem Akkumulators 3 eingesetzt werden. Es sind aber auch andere Verwendungen der Wärmeübertragungselementes 4 möglich, wie z.B. die Leistungselektronikkühlung, stationäre Akkumulatoren, industrielle Anlagenkühlung von Oberflächen (beispielsweise Gehäusen), sogenannte Busbars, etc.. Das Wärmeübertragungselement 4 kann daher für sich, also ohne die Speicherelemente 5 und den Akkumulator 3, eine eigenständige Erfindung darstellen. Die entsprechenden voranstehenden Ausführungen zum Wärmeübertragungselement 4 gelten daher auch für diese eigenständige Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante des Wärmeübertragungselements 4. Dieses weist wieder das erste und das zweite Material 6, 7 auf, die miteinander unter Ausbildung des zumindest einen Fluidkanals 8 auf.
Das erste Material 6 ist als Verbundmaterial gebildet und umfasst zumindest die erste Polymerschicht 12 und die erste Metallschicht 13, vorzugsweise auch die weitere Polymerschicht 15 bzw. weitere Schichten. Es wird daher bezüglich des ersten Materials 6 auf voranstehende Ausführungen verwiesen. Das erste Material 6 ist also wieder als erstes Folienmaterial und biegeschlaff ausgebildet.
Ebenso sei bezüglich der Verbindung des ersten Materials 6 mit dem zweiten Material 7 auf voranstehende Ausführungen verwiesen. Generell sei mit Ausnahme der Ausführungen zum zweiten Material 7 auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen.
Anders als das erste Material 6 ist das zweite Material 7 nicht biegeschlaff, sondern formstabil, also biegesteif, ausgebildet. Im einfachsten Fall besteht das zweite Material 7 aus einem Plattenelement 21 aus einem Polymer. Das Polymer kann aus der voranstehend genannten Gruppe ausgewählt sein. Beispielsweise kann das zweite Material 7 ein Gehäuse bzw. einen Teil einen Gehäuses bilden.
Das zweite Material 7 kann auch mehrschichtig aus mit mehreren Polymerschichten ausgebildet sein. Weiter kann das zweite Material 7 an einer äußeren, vom Fluidkanal 8 abgewandten Oberfläche 22 die Metallschicht 13 aufweisen, die mit dem Element 16 elektrisch kontaktiert ist und die gegebenenfalls mit der erste Metallschicht 13 des ersten Materials 6 elektrisch leitend verbunden ist. Das Wärmeübertragungselement 4 kann auch nur eine erste Metallschicht 13 auf dem zweiten Material 7 aufweisen, d.h. das erste Material 6 kann auch ohne erste Metallschicht 13 ausgebildet sein.
Im Falle der Anordnung einer ersten Metallschicht 13 auf der Oberfläche 22 des zweiten Materials 7, insbesondere des Plattenelements 21, ist diese vorzugsweise mit einer weiteren Schicht abgedeckt, beispielsweise einer weiteren Polymerschicht, die für sich wieder biegeschlaff sein kann, oder mit einer Lackschicht, etc.
Es ist weiter möglich, dass auch eine dem Fluidkanal 8 zugewandte innere Oberfläche 23 mit einer ersten Metallschicht versehen ist, die das zweite Elemente 17 (siehe z.B. Fig. 4) bildet. Damit kann also das zweite Material 7 beidseitig mit einer ersten Metallschicht bzw. einem metallischen Element versehen sein, wobei die beiden metallischen Schichten/Elemente über das Polymer des Plattenelementes 21 gegeneinander elektrisch isoliert sind.
In den Fig. 9 bis 12 sind Ausschnitte weiterer Ausführungsvariante des Wärmeübertragungselements 4 dargestellt. Dabei ist jeweils nur ein Ausschnitt des ersten Folienmaterials gezeigt. Die Ausführungen dazu können auch auf das zweite, nicht dargestellte Folienmaterial übertragen werden, sofern das Wärmeübertragungselement 4 das zweite Folienmaterial aufweist. Das zweite Folienmaterial kann aber auch anders ausgeführt sein, beispielsweise als voranstehende erstes der zweites Material 6, 7. Es sind als auch Wärmeübertragungselemente 4 möglich, die aus einer Kombination von voranstehenden Ausführungen mit den nachfolgenden Ausführungen gebildet werden. Weiter gilt auch für die nachstehenden Ausführungsvarianten, dass das zweite Folienmaterial gleich ausgeführt sein kann, wie das erste Folienmaterial, insbesondere ident zu diesem ausgebildet sein kann, sodass die nachstehenden Ausführungen zum ersten Folienmaterial auch auf das zweite Folienmaterial übertragen werden können.
Bei der Ausführungsvariante des Wärmeübertragungselements 4 nach Fig. 9 ist das erste Folienmaterial des Wärmeübertragungselements 4 ebenfalls ein Verbundmaterial. In dieser Ausführungsvariante weist es in der angegebenen Reihenfolge von innen nach außen übereinander die erste Polymerschicht 12, die erste Metallschicht 13, die zusätzliche Polymerschicht 15 und eine zweite Metallschicht 23 auf. Die erste Polymerschicht 12 ist unmittelbar anliegend an den zumindest einen Fluidkanal 8 und diesen begrenzend angeordnet, sodass das Arbeitsfluid, das im Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 durch den Fluidkanal 8 fließt in direktem Kontakt mit der ersten Polymerschicht 12 steht. Die zweite Metallschicht 23 bildet bei dieser Ausführungsvariante die äußerste Schicht, die am weitesten vom Fluidkanal 8 entfernte Schicht des Verbundmaterials.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die erste Metallschicht 13 unmittelbar auf der erste Polymerschicht 12, die zusätzliche Polymerschicht 15 unmittelbar auf der ersten Metallschicht 13 und die zweite Metallschicht 23 unmittelbar auf der zusätzlichen Polymerschicht 15 angeordnet sind.
Die zweite Metallschicht 23 kann aus einem der voranstehend zur ersten Metallschicht genannten Metalle bestehen. Vorzugsweise besteht die zweite Metallschicht 23 aus dem gleichen Metall wie die erste Metallschicht.
Die erste Metallschicht 13 und/oder die zweite Metallschicht 23 kann/können beispielsweise eine Schichtstärke zwischen 5 pm und 100 pm aufweisen. Nach einer Ausführungsvariante kann dabei vorgesehen sein, dass die zweite Metallschicht 23 eine zweite Schichtdicke aufweist, die gleich oder größer ist zu einer ersten Schichtdicke der ersten Metallschicht 13. Es kann aber umgekehrt auch die erste Metallschicht 13 eine größere Schichtdicke aufweist als die zweite Metallschicht 23.
Die weitere Metallschicht 23 ist elektrisch isoliert von der ersten Metallschicht 13 angeordnet. Vorzugsweise wird die elektrische Isolierung mittels der zusätzlichen Polymerschicht 15 ausgebildet.
Wie weiter aus Fig. 9 ersichtlich ist, ist die erste Metallschicht 13 wieder mit dem Element 16 elektrisch leitend verbunden. Es sei dazu auf die voranstehend Ausführungen verwiesen, Die zweite Metallschicht 23 ist mit einem dritten elektrischen Strom leitenden Element 24 (im Folgenden nur mehr als Element 24 bezeichnet) verbunden. Das dritte Element 24 kann gleich zum ersten Element 16 ausgebildet sein, auf das in diesem Zusammenhang verwiesen wird.
Die beiden Elemente 16, 23 sind mit der Messvorrichtung 18 verbunden. Bezüglich dieser Messvorrichtung 18 sei ebenfalls auf die voranstehenden Ausführungen dazu verwiesen. Tritt nun eine Leckage auf, z.B. als Loch 19 in dem ersten Folienmaterial, kommt es wieder zu einer Veränderung des elektrischen Widerstandes, da die beiden Metallschichten 13, 23 über das durch das Loch 19 austretende Arbeitsfluid miteinander „kontaktiert“ werden. Das Arbeitsfluid weist wieder eine elektrische Leitfähigkeit auf, wie dies voranstehend ausgeführt wurde.
Bei dieser und bei den nachstehenden Ausführungsvarianten ist im Fluidkanal 8 das zweite Element 17 nicht vorhanden. Bei weiteren Ausführungsvarianten kann dieses Element 17 im Fluidkanal 8 aber zusätzlich vorhanden und mit der Messvorrichtung 18 elektrisch leitend verbunden sein.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsvariante findet also die Detektion einer Leckage durch Feststellung der Veränderung des elektrischen Widerstands zwischen den beiden Metallschichten 13, 23 statt. Um dabei das Vorliegen einer Loches oder des Eindringens eines (metallischen bzw. elektrisch leitenden) Fremdpartikels in das erste Folienmaterial bereits vor dem Austreten des Arbeitsfluids feststellen zu können, kann nach einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, auf der zweiten Metallschicht 23 des ersten Verbundmaterials eine weitere Polymerschicht 25 angeordnet ist, wie dies in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist.
Die weitere Polymerschicht 25 kann gemäß einer Ausführungsvariante flüssigkeitsdicht sein und/oder eine Wasserdampfdurchlässigkeit (bei 23 °C) gemäß DIN 53122-1 / DIN 53122-A von kleiner 200 g/m2d, insbesondere zwischen 0,2 g/m2d und 150 g/m2d, aufweisen.
Die weitere Polymerschicht 25 kann aus einem der voranstehend zur ersten Polymerschicht 12 genannten Polymere bestehend bzw. dieses umfassen. Bevorzugt bestehet die weitere Polymerschicht 25 aus einem Polymer ausgewählt aus der Gruppe PET, PA, PP, PE.
Dringt nun beispielsweis ein Metallsplitter von außen in das erste Folienmaterial des Wärmeübertragungselements 4 ein, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist, ohne dabei jedoch das erste Folienmaterial bis in den Fluidkanal 8 zu durchstoßen, kann dies wieder über eine Veränderung des elektrischen Widerstands im ersten Folienmaterial mit der Messvorrichtung 18 festgestellt werden. Es ist damit möglich, das Wärmeübertragungselement 4 bereits vor dem Austritt des Arbeitsfluids stillzulegen. Dies ist auch dann möglich, wenn an der dem Fluidkanal 8 zugewandten Innenseite des ersten Folienmaterials ein Loch 19 auftritt, durch das das Arbeitsfluid mit der ersten Metallschicht 13 und der zweiten Metallschicht 23 in Kontakt tritt, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist.
Wie bereits voranstehend zu Fig. 8 ausgeführt, kann auch bei der Ausführungsvariante des ersten Folienmaterials gemäß Fig. 9 oder Fig. 10 das zweite Material 7 formstabil, z.B. als Plattenelement 21, ausgebildet sein, wie dies ausschnittsweise in Fig. 12 dargestellt ist. Insbesondere kann das zweite Material 7 aus dem voranstehend dazu genannten polymeren Werkstoffen bestehen. Vorzugsweise besteht das zweite Material 7 aus einem Werkstoff bzw. weist diesen auf, der ein E-Modul 1t. ISO 527 von mindestens 100 MPa, insbesondere zwischen 3000 MPa und 15000 MPa aufweist. Der Werkstoff kann beispielsweise ein faserverstärkter, z.B. glasfaserverstärkter Kunststoff, z.B. e-PP oder PA6, sein.
Die Anbindung des ersten Folienmaterials an das formstabile Material kann beispielsweise direkt mit der ersten Kunststoffschicht 12oder über einen Klebstoff (beispielsweise einen der voranstehend genannten) erfolgen.
Das formstabile Material kann eine Schichtdicke zwischen 1 mm und 10 mm aufweisen.
Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsvariante bildet das formstabile Material einen Teil des zumindest einen Fluidkanals 8. Das formstabile Material kann aber auch das erste oder zweite Folienmaterial zumindest teilweise abdeckend angeordnet sein.
Nach einer anderen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die erste Metallschicht 13 des ersten Verbundmaterials elektrisch leitend mit der zweiten Metallschicht 23 des ersten Verbundmaterials verbunden ist und/oder dass die erste Metallschicht 13 des zweiten Verbundmaterials elektrisch leitend mit der zweiten Metallschicht 23 des zweiten Verbundmaterials verbunden ist. Dies kann beispielsweise über zumindest ein Element 16 erfolgen.
Weiter können auch mit dem in Fig. 9 oder 10 gezeigtem ersten Folienmaterial Ausführungsvarianten des Wärmeübertragungselements 4 zur Detektion von Leckagen in einem Verbindungsbereich 11 oder an einem Anschlusselement 9, 10 gebildet werden, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt sind.
Nach einer Ausführungsvariante kann das erste Folienmaterial den Schichtaufbau erste Polymerschicht 12 (z.B. aus PP) / erste Kleberschicht / erste Metallschicht 13 (z.B. aus Al) / zweite Kleber schicht / zusätzliche Polymerschicht 15 (z.B. aus PET) / dritte Kleber schicht / zweite Metallschicht 23 (z.B. aus Al), vierte Kleberschicht / weitere Polymerschicht 25 (z.B. aus PET) aufweisen. Das erste Folienmaterial kann aber auch einen Schichtaufbau erste Polymerschicht 12 (z.B. aus PP) / erste Metallschicht 13 (z.B. aus Al) / zusätzliche Polymerschicht 15 (z.B. aus PET) / zweite Metallschicht 23 (z.B. aus Al) / dritte Polymerschicht 25 (z.B. aus PET) aufweisen, sodass also die Schichten unmittelbar aufeinander angeordnet sind. Mischvarianten aus diesen Ausführungsvarianten sind auch hier möglich.
Die zweite elektrisch leitfähige Schicht kann auch aus einem leitfähigem Aufdruck bestehen bzw. gebildet sein, wie z.B. aus einer Carbon Paste, einem Lack oder einem druckfähigen Material, das mit leitfähigen Partikeln versetzt ist, wie z.B. metallischen Partikeln oder Graphit, Ruß. Es ist auch eine Kunststoffschicht (Folie) einsetzbar, die durch elektrisch leitfähige Fasern oder Partikel elektrisch leitfähig wird.
Die weitere Polymerschicht 25 kann eine Schichtdicke zwischen 10 pm und 200 pm aufweisen.
Sämtliche Polymerschichten 12, 15, 25 können eine gleich große oder eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen.
Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten des Wärmeübertragungselementes 4 und des Akkumulators 3, wobei auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Akkumulators 1 bzw. des Wärmeübertragungselementes 4 diese nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt wurden. Bezugszeichenaufstellung
Kraftfahrzeug
Elektromotor
Akkumulator
W ärmeübertragung selement
Speicherelement
Material
Material
Fluidkanal
Anschlusselement
Anschlusselement
V erbindung sbereich
Polymerschicht
Metallschicht
Polymerschicht
Polymerschicht
Element
Element
Messvorrichtung
Loch
Stirnfläche
Plattenelement
Oberfläche
Metallschicht
Element
Polymerschicht

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Wärmeübertragungselement (4) umfassend einen Folienwärmetauscher mit zumindest einem Fluidkanal (8), der durch die Verbindung eines ersten, als Folienmaterial ausgebildeten Materials (6) mit einem zweiten, als zweites Folienmaterial oder als formsteifes Material ausgebildeten Material (7) zwischen dem ersten und dem zweiten Material (6, 7) ausgebildet ist, wobei das erste Material (6) durch ein erstes Verbundmaterial, das zweite Material (7) durch ein zweites Verbundmaterial und das formstabile Material durch ein, ein Polymer umfassendes Element gebildet sind, und zumindest eines von dem ersten und dem zweiten Material (6, 7) eine erste Metallschicht (13) aufweist, die gegenüber dem Fluidkanal (8) elektrisch isoliert angeordnet ist, und die mit einem ersten elektrischen Strom leitenden Element (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- im Fluidkanal (8) ein zweites elektrischen Strom leitendes Element (17) angeordnet ist, und dass das erste und das zweite elektrisch leitende Element (16, 17) mit einer Messvorrichtung (18) zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden sind, und/oder
- dass zumindest eines von dem ersten und zweiten Verbundmaterial eine zweite Metallschicht (23) aufweist, die elektrisch isoliert von der ersten Metallschicht (13) im ersten oder zweiten Verbundmaterial angeordnet ist und die mit einem dritten elektrischen Strom leitenden Element (24) verbunden ist.
2. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Material (6, 7) die erste Metallschicht (13) aufweisen, und dass die beiden Metallschichten (13) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
3. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (13) des ersten Verbundmaterials elektrisch leitend mit der zweiten Metallschicht (23) des ersten Verbundmaterials verbunden ist und/oder dass die erste Metallschicht (13) des zweiten Verbundmaterials elektrisch leitend mit der zweiten Metallschicht (23) des zweiten Verbundmaterials verbunden ist.
4. Wärmeübertragungselement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundmaterial eine erste Polymerschicht (12) und das zweite Verbundmaterial eine zweite Polymerschicht (14) aufweisen, und die erste und die zweite Polymerschicht (12, 14) den Fluidkanal (8) begrenzen, wobei die erste Metallschicht (13) auf der ersten oder der zweiten Polymerschicht (12, 14) angeordnet ist.
5. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (8) von der ersten und der zweiten Polymerschicht (12, 14) unmittelbar begrenzt ist.
6. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundmaterial eine erste Polymerschicht (12) aufweist, die mit dem Polymer des formstabilen Materials den Fluidkanal (8) begrenzt.
7. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (13) auf der ersten Polymerschicht (12) oder dass die erste Metallschicht (13) auf einer dem Fluidkanal (8) abgewandten Oberfläche des formstabilen Materials angeordnet ist.
8. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (8) von der ersten Polymerschicht (12) und dem formstabilen Material unmittelbar begrenzt ist.
9. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitende Element (17) auf der ersten Polymerschicht (12) oder auf der zweiten Polymerschicht (14) angeordnet ist.
10. Wärmeübertragungselement (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitende Element (17) auf der ersten Polymerschicht (12) oder auf dem formstabilen Material angeordnet ist.
11. Wärmeübertragungselement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (13) zwischen zwei Polymerschichten (12, 15) angeordnet ist.
12. Wärmeübertragungselement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (13) und/oder dass die zweite Metallschicht (23) sich bis in die Stirnflächen (20) des Folienwärmetauschers er streckt/er strecken.
13. Wärmeübertragungselement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienwärmetauscher zumindest ein Anschlusselement (9, 10) für die Zufuhr oder die Abfuhr eines Arbeitsfluids aufweist, und dass die Metallschicht (13) und/oder die zweite Metallschicht (23) in direkter Anlage an dem zumindest einen Anschlusselement (9, 10) angeordnet ist/sind.
14. Wärmeübertragungselement (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Metallschicht (23) des ersten Verbundmaterials und/oder auf der zweiten Metallschicht (23) des zweiten Verbundmaterials eine weitere Polymerschicht (25) angeordnet ist/sind.
15. Wärmeübertragungselement (4) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Polymerschicht (25) flüssigkeitsdicht ist und/oder eine Wasserdampfdurchlässigkeit gemäß DIN 53122-1 / DIN 53122-A von maximal kleiner 200 g/m2d aufweist.
16. Akkumulator (3) umfassend zumindest ein wiederaufladbares Speicherelement (5) für elektrische Energie und zumindest ein Wärmeübertragungselement (4), wobei das Wärmeübertragungselement (4) an dem wiederaufladbaren Speicherelement (5) anliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (4) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 15 gebildet ist.
17. Verfahren zur Bestimmung einer Leckage in einem Wärmeübertragungselement (4), insbesondere in einem Akkumulator (3), umfassend die Schritte: aneinander anliegende Anordnung eines ersten Materials (6) aus einem ersten Verbundmaterial gebildeten ersten Folienmaterial und eines zweiten Materials (7) aus einem zweiten Verbundmaterial gebildeten zweiten Folienmaterial oder aus einem formstabilen Material, wobei zumindest eines der beiden Materialien (6, 7) eine erste Metallschicht (13) aufweist, die gegenüber einem Fluidkanal (8) elektrisch isoliert angeordnet wird, partielles Verbinden des ersten und des zweiten Materials (6, 7) miteinander zur Ausbildung des Fluidkanals (8) zwischen dem ersten und dem zweiten Material (6, 7), elektrisches Kontaktieren der Metallschicht (13) mit einem ersten elektrischen Strom leitenden Element (16), dadurch gekennzeichnet, dass im Fluidkanal (8) ein zweites elektrischen Strom leitendes Element (17) angeordnet wird, und dass das erste und das zweite elektrisch leitende Element (16, 17) mit einer Messvorrichtung (18) zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden und mit diesem der elektrische Widerstand zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Strom leitenden Element (16, 17) gemessen wird und/oder dass in zumindest einem von dem ersten und zweiten Verbundmaterial eine zweite Metallschicht (23) elektrisch isoliert von der ersten Metallschicht (13) im ersten oder zweiten Verbundmaterial angeordnet wird und mit einem dritten elektrischen Strom leitenden Element (24) kontaktiert wird, und das erste und das dritte elektrisch leitende Element (16, 24) mit einer Messvorrichtung (18) zur Messung des elektrischen Widerstandes verbunden und mit diesem der elektrische Widerstand zwischen dem ersten und dem dritten elektrischen Strom leitenden Element (16, 24) gemessen wird.
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