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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für einen Batteriekasten umfassend ein plattenförmiges Wärmetauscherelement, einen oder mehrere Kühlkanäle zum Transportieren eines Fluids, die an dem Wärmetauscherelement festgelegt sind, sowie einen Fluidsammler zum Sammeln oder Verteilen des Fluids in den Kühlkanälen, wobei der Fluidsammler zumindest einen Volumenbereich und auf seiner den Kühlkanälen zugewandten Seite eine oder mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist, in die jeweils ein Kühlkanal eingeführt ist, wodurch der Volumenbereich mit den Kühlkanälen fluidverbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Fluidsammler hergestellt aus einem Aluminiumstrangpressprofil sowie ein Herstellungsverfahren für einen Fluidsammler.
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Batterieanordnungen in einem Batteriekasten, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, benötigen für eine optimale Funktionsweise eine daran angepasste Temperierung.
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Im Betrieb muss Wärme abgeführt werden, um ein Überhitzen zu vermeiden und die Funktionssicherheit sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Temperatur einer Batterieanordnung in einem Batteriekasten über Wärmetauschersysteme zu regulieren. Dazu wird häufig ein Fluid durch eine Anordnung von Kühlkanälen am oder im Batteriekasten geleitet und die von dem Batteriekasten abgegebene Wärme über das Fluid abgeführt. Die Zuführung des Fluids erfolgt über Fluidsammler, die das Fluid über die einzelnen Kanäle verteilen oder daraus wieder zusammenführen.
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Die Verbindung der Kühlkanäle mit dem Fluidsammler ist dabei besonders herausfordernd, da einerseits eine fluid- und gasdichte Verbindung notwendig ist und gleichzeitig ein einfacher Zusammenbau der Kühlanordnung gefordert ist. Weitere Randbedingungen sind das Gewicht und eine kostengünstige Herstellbarkeit einer solchen Kühlanordnung.
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In der
DE 10 2014 106 941 ist eine Kühlanordnung offenbart, bei der Kühlelemente über einen Klemmkragen an einem Sammler festgelegt sind. Der Klemmkragen bildet mit zwei an dem Sammler angeformten Schenkeln gleichzeitig einen Kanal in dem das Fluid fließen kann. Der Klemmkragen erstreckt sich folglich über die gesamte Länge des Sammlers, was besondere Anforderungen hinsichtlich des Zusammenbaus und der Dichtigkeit des Sammlers aufwirft.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung eine Kühlanordnung für einen Batteriekasten vorzuschlagen, die bei einfacher Montage fluid- und gasdicht ist, kostengünstig zu fertigen und gewichtssparend ist. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung einen adäquaten Fluidsammler für eine Kühlanordnung und ein Herstellungsverfahren für denselben bereitzustellen
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterhin wird ein Fluidsammler gemäß Patentanspruch 15 sowie ein Herstellungsverfahren für einen Fluidsammler gemäß Patentanspruch 19 vorgestellt. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für einen Batteriekasten umfassend ein plattenförmiges Wärmetauscherelement, einen oder mehrere Kühlkanäle zum Transportieren eines Fluids, die an oder in dem Wärmetauscherelement festgelegt sind, sowie einen Fluidsammler zum Sammeln oder Verteilen des Fluids in den Kühlkanälen, wobei der Fluidsammler zumindest einen Volumenbereich und auf seiner den Kühlkanälen zugewandten Seite eine oder mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist, in die jeweils ein Kühlkanal eingeführt ist, wodurch der Volumenbereich mit den Kühlkanälen fluidverbunden ist. Sammleraußenseitig sind an jeder Aufnahmeöffnung ein Dichtelement und ein Klemmelement angeordnet, die von dem jeweiligen Kühlkanal durchgriffen werden. Weiterhin ist oberhalb und/oder unterhalb jeder Aufnahmeöffnung zumindest eine Klemmlasche angeordnet, wobei die Klemmlaschen einer Aufnahmeöffnung das Dichtelement und das Klemmelement umgreifen und so die Kühlkanäle unverschieblich an dem Fluidsammler festgelegt sind.
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Unter einem plattenförmigen Wärmetauscherelement ist ein Bauteil zu verstehen, das in zwei Raumrichtungen eine im Wesentlichen größere Ausdehnung aufweist als in der dritten Raumrichtung. Die Plattenform beschränkt sich dabei aber nicht nur auf ausschließlich flache Bauteile mit ebener Oberfläche sondern schließt auch Bauteile mit angeformten Elementen oder daran angebrachte Aufbauten, beispielsweise Wärmetauscherfinnen, Anschlüsse oder Flansche, mit ein.
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Bei dem Wärmetauscherelement kann es sich beispielsweise um ein Aluminiumblech oder ein Aluminiumprofil handeln, das in einem Strangpressverfahren hergestellt ist. Durch das Aluminiummaterial ist eine besonders gute Wärmeleitung von in dem Batteriekasten angeordneten Batterieelementen auf die Kühlkanäle möglich. Durch ein Strangpressverfahren ergibt sich ein großer Gestaltungsspielraum.
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Das Wärmetauscherelement kann auch aus mehreren aneinandergefügten Elementen oder Profilen bestehen, was eine Größenskalierbarkeit der Kühlanordnung ermöglicht.
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Insbesondere kann das Wärmetauscherelement ein Bestandteil des Batteriekastens sein, beispielsweise Boden, Deckel, Seiten- oder Zwischenwand.
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Die Kühlkanäle erstrecken sich im Wesentlichen entlang einer Längsachse des Wärmetauscherelements. Dabei können sich mehrere Kühlkanäle parallel nebeneinander von einem längsseitigen Ende des Wärmetauscherelements zu seinem anderen Ende erstrecken. Aber auch mäandrierend können die Kanäle angebracht werden.
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An zumindest einem längsseitigen Ende des Wärmetauscherelements ist ein Fluidsammler angebracht, in den die Kühlkanäle einmünden. Ist an jedem Ende des Wärmetauscherelements ein Fluidsammler vorgesehen, kann das Fluid über einen Fluidsammler auf die Kanäle verteilt werden. Beim Durchströmen der Kanäle entlang des Wärmetauscherelements nimmt das Fluid Wärme auf und fließt in den zweiten Sammler, der die Fluidvolumina der einzelnen Kanäle in einem Volumenbereich aufnimmt und gesammelt abführt.
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Eine alternative Ausgestaltungsmöglichkeit sieht vor, dass an nur einem Ende des Wärmetauscherelements ein Fluidsammler angeordnet ist. Dann ist dieser sowohl für den Zu- als auch für den Abfluss des Fluids zuständig und ist mit zwei entsprechenden Volumenbereichen ausgestattet. Die Kühlkanäle sind dann in Form einer Schleife angeordnet, führen zunächst von dem Fluidsammler weg und münden aber wieder in diesen ein. Die konkrete Ausgestaltung der Kanalführung und der Kühlanordnung im Ganzen ist aber auch abhängig vom vorhandenen Bauraum und der konstruktiven Ausgestaltung des Batteriekastens.
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Die Kühlkanäle münden in Aufnahmeöffnungen des Fluidsammlers. Dadurch wird der Volumenbereich des Sammlers mit den Kühlkanälen fluidverbunden. Das Fluid kann unmittelbar aus den Kühlkanälen in den Volumenbereich gelangen.
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Die Kühlkanäle können verschiedenartig gestaltet sein, insbesondere als dünne Rohre mit einer Wandstärke von kleiner oder gleich 0,5 Millimetern. Der Querschnitt der Kanäle ist beliebig gestaltbar. Ebenso können die Kühlkanäle als ein Bündel von Einzelkanälen zusammengefasst werden oder als ein Kanalbauteil mit mehreren Bohrungen ausgestaltet sein. Die Aufnahmeöffnung ist an die jeweilige Ausgestaltung der Kühlkanäle angepasst.
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Die Kühlkanäle durchgreifen ein Dichtelement und ein Klemmelement, die sammleraußenseitig an den Aufnahmeöffnungen angeordnet sind. Oberhalb und/oder unterhalb der Aufnahmeöffnung ist an dem Fluidsammler zumindest eine Klemmlasche angeordnet, wobei die Klemmlaschen einer Aufnahmeöffnung das Dichtelement und das Klemmelement umgreifen und so die Kühlkanäle unverschieblich an dem Fluidsammler festlegen. Die Klemmlaschen werden in Richtung der Aufnahmeöffnungen umgebogen und gegen das Klemmelement gepresst. Dadurch werden das Klemmelement und das Dichtelement zwischen den Klemmlaschen und einer Außenwand des Fluidsammlers eingeklemmt und gegen die Außenwand gepresst.
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Für die Anordnung der Klemmlaschen gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten. Beispielsweise kann jeweils oberhalb und unterhalb der Aufnahmeöffnung eine Klemmlasche ausgebildet sein und das Klemmelement und das Dichtelement von oben und unten von den Klemmlaschen teilweise umgriffen werden. Es können aber auch zwei Klemmlaschen oberhalb oder unterhalb der Aufnahmeöffnung angeordnet sein, die beidseitig neben dem Kühlkanal das Klemmelement und das Dichtelement vollständig umgreifen. Weitere derartige Ausgestaltungen aufzufinden ist für den Fachmann ohne Hindernisse.
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Bevorzugt besteht das Dichtelement aus einem verformbaren elastomeren oder polymeren oder einem anderen fluid- und gasdichtenden Material. Beispielsweise kann das Dichtelement ein O-Ring oder X-Ring oder dergleichen sein.
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Weiterhin bevorzugt besteht das Klemmelement aus einem steifen und fluid- und gasdichtenden Material. Besonders bevorzugt besteht das Klemmelement aus einem Metall, weiterhin bevorzugt handelt es sich dabei um ein geschmiedetes oder fließgepresstes Bauteil aus Aluminium oder Stahl. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei dem Klemmelement um ein Bauteil aus Kunststoff, insbesondere hergestellt durch ein Spritzgussverfahren.
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Der durch die Klemmlaschen erzeugte Pressdruck wird durch das Klemmelement auf das Dichtelement weitergegeben, das sich unter dem Druck verformt. Dadurch werden insbesondere der Fluidsammler und die Kühlkanäle gegenüber ihrer Umgebung fluid- und gasdicht abgeschlossen. Weiterhin verringert sich durch die Verformung des Dichtelements dessen Innendurchmesser, wodurch sich ein Presssitz zwischen dem jeweiligen Kühlkanal und dem Dichtelement ausbildet, durch den der Kühlkanal unverlierbar an dem Fluidsammler festgelegt wird.
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Durch diese Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Kühlkanälen und dem Fluidsammler werden mehrere vorteilhafte Effekte erzielt. Zum einen kann auf aufwändige und teure Fügeverfahren wie Schweißen verzichtet werden. Die Kühlkanäle können in der Folge auch dünner und mit sehr geringer Wandstärke (kleiner oder gleich 0,5 Millimeter) und damit leichter und gewichtsparend ausgestaltet werden. Auch die für eine schraubtechnische Verbindung zwischen Wärmetauscherelement und Fluidsammler vorzusehenden Gewinde und Schrauben entfallen, was ebenfalls dem Leichtbau zuträglich ist. Als Dichtelement können zudem handelsübliche und kostengünstige Elastomerringe verwendet werden, was eine zusätzliche Kostenreduzierung gegenüber teuren Sonderdichtungen mit sich bringt. Schließlich wird auch der Zusammenbau stark vereinfacht, indem etwa zunächst die Kühlkanäle an dem Fluidsammler wie beschrieben festgelegt werde und danach die Kühlkanäle mit dem Wärmetauscherelement verbunden werden. Dabei ist es gleichzeitig möglich beim Zusammenbau fertigungsbedingte Toleranzen zwischen den einzelnen Komponenten auszugleichen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den Presssitz im Betrieb Vibrationen zwischen den Kühlkanälen und dem Fluidsammler unterbunden werden.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor dass das Dichtelement an der Aufnahmeöffnung angeordnet ist und von dem Klemmelement umschlossen wird, indem das Klemmelement und die die Aufnahmeöffnung umgebende Wand des Fluidsammlers einen Hohlraum bilden in dem das Dichtelement angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird der Raum, in dem sich das Dichtelement verformen kann, begrenzt und in das Dichtelement eine elastische Spannung eingebracht, die die Festlegung des Kühlkanals unterstützt.
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Weiterhin ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Dichtelement und das Klemmelement gemeinsam als einstückiges Bauteil ausgeführt sind. Insbesondere ist das Dichtelement an das Klemmelement geklebt oder an das Klemmelement angespritzt oder anvulkanisiert. Eine derartige Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass bei der Montage nur ein Bauteil angeordnet werden muss, was den Montageprozess vereinfacht. Auch wird ein unerwünschtes Verschieben der beiden Elemente gegeneinander bei der Montage vermieden.
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Bevorzugt ist weiterhin an dem Fluidsammler zumindest eine Verbindungslasche einstückig und werkstoffeinheitlich zum Verbinden des Fluidsammlers mit dem Wärmetauscherelement ausgebildet. Der Fluidsammler kann somit, bevorzugt über diese Verbindungslasche, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Wärmetauscherelement verbunden werden, beispielsweise durch Kleben, Löten, Schweißen, Nieten, Schrauben und dergleichen. Je nach Ausgestaltung der Verbindungslasche kann der Fluidsammler bauraumoptimiert an dem Wärmetauscherelement festgelegt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlkanäle form- und/oder stoffschlüssig mit dem Wärmetauscherelement verbunden sind, insbesondere über einstückig und materialeinheitlich an dem Wärmetauscherelement ausgeformte Aufnahmen für die Kühlkanäle. Die Kühlkanäle können in die Aufnahmen eingesteckt oder eingeclipst werden. Dadurch wird der Zusammenbau der Kühlanordnung stark vereinfacht. Eine stoffschlüssige Verbindung in Form einer Klebung oder Schweißung kann ebenfalls, gegebenenfalls zusätzlich, erfolgen. Die Aufnahmen für die Kühlkanäle können zudem Versteifungsaufgaben für das Wärmetauscherelement oder den Batteriekasten übernehmen.
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Zusätzlich kann auch zwischen den Aufnahmen und den Kühlkanälen eine Wärmeleitschicht, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, angeordnet sein, um den Wärmeübertrag zwischen dem Wärmetauscherelement und den Kühlkanälen weiter zu verbessern.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Volumenbereich im Querschnitt rund oder mehreckig oder weist über seine Länge einen variierenden Querschnitt auf. Insbesondere weist der Volumenbereich einen variierenden Durchmesser und oder eine variierende Querschnittsform auf. Ein runder Querschnitt des Volumenbereiches ist strömungstechnisch vorteilhaft und bei der Herstellung des Fluidsammlers besser bearbeitbar. Jedoch kann etwa aus Bauraumgründen ein mehreckiger, beispielsweise rechteckiger oder trapezförmiger, oder auch beliebig gestalteter Querschnitt notwendig sein. Für eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums ist ein über die Länge des Fluidsammlers variierender Querschnitt vorteilhaft, der lokal an den Bauraum angepasst ist.
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Bevorzugt ist der Fluidsammler einstückig und werkstoffeinheitlich aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere in einem Strangpressverfahren, hergestellt. Das geringe Gewicht des Aluminiums optimiert die Leichtbaueigenschaften der Kühlanordnung. Als extrudiertes Aluminiumprofil ist der Fluidsammler von Hause aus fluiddicht. Der Sammler kann so konzipiert werden, dass er sich in beliebiger Länge ohne eine Nahtstelle entlang eines längsseitigen Endes des Wärmetauscherelements erstreckt. In der Produktion ist die Länge des Fluidsammlers demnach problemlos an verschiedene Abmessungen eines Batteriekastens oder des Wärmetauscherelements anpassbar.
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Besonders bevorzugt sind die Klemmlaschen, die Verbindungslaschen und die Aufnahmeöffnung durch mechanische Bearbeitung eines Strangpressprofils ausgebildet. Hier werden ebenfalls die leichte Bearbeitbarkeit des Aluminiummaterials und die Gestaltungsmöglichkeiten eines Strangpressverfahrens ausgenutzt. Unter mechanischer Bearbeitung ist insbesondere zu verstehen Stanzen, Schneiden, Biegen oder spanende Bearbeitung.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, in der der Fluidsammler endseitig durch einen Endstutzen abgeschlossen ist. Ein Endstutzen dient der Kopplung des Fluidsammlers mit einer Leitung zur Zuführung beziehungsweise Abführung des Fluids. Die endseitige Anordnung ist strömungstechnisch vorteilhaft. Wenn nur an einem Ende eine Zu- oder Abführungsleitung vorgesehen ist, kann das andere Ende beispielsweise durch einen einfachen Stopfen oder einen modifizierten Endstutzen ohne Anschluss für eine Leitung verschlossen werden.
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Eine besonders bevorzugte Ausführung sieht vor, dass der Endstutzen einen Verbindungsabschnitt mit Gewindehülsen umfasst, der stirnseitig auf das Ende des Fluidsammlers aufgesteckt wird und derart ausgebildet ist, um von zusätzlichen dem Verbindungsabschnitt zugeordneten Klemmlaschen unverlierbar festgelegt zu werden, sowie einen Stutzenabschnitt zur Verbindung mit einer Fluidzuführungsleitung oder Fluidabführungsleitung umfasst, der schraubtechnisch über die Gewindehülsen an dem Verbindungsabschnitt festgelegt ist. Hier ist insbesondere vorteilhaft, dass die Gewindehülsen nicht an dem Fluidsammler selbst vorgesehen sein müssen. Insbesondere bei einer Ausgestaltung des Fluidsammlers als Strangpressprofil müssten die Gewindehülsen beim Extrudieren mitgeformt und überflüssige Abschnitte entfernt werden, was den Herstellungsaufwand zusätzlich erhöht.
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Die Montage erfolgt in einfacher Weise, indem der Verbindungsabschnitt durch dafür vorgesehene weitere Klemmlaschen unverlierbar an dem Fluidsammler festgelegt wird. Dazu kann der Verbindungsabschnitt beispielsweise mit Hinterschnitten oder Ausnehmungen, in die die weiteren Klemmlaschen eingreifen oder die die weiteren Klemmlaschen durchgreifen, versehen sein. Der Stutzenabschnitt ist dafür vorgesehen, dass eine Fluidzuführungsleitung oder- abführungsleitung einfach auf den dafür vorgesehen Aufsteckbereich aufgeschoben wird und/oder mit diesem verbunden wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Fluidsammler hergestellt aus einem Aluminiumstrangpressprofil mit zumindest einem Volumenbereich und zumindest einer Aufnahmeöffnung in einer Wand des Volumenbereichs, wobei oberhalb und/oder unterhalb jeder Aufnahmeöffnung zumindest eine Klemmlasche angeordnet ist, wobei die Klemmlaschen von dem Volumenbereich wegweisend vorstehen und dazu vorgesehen sind, in Richtung der Aufnahmeöffnung zum Festlegen eines Kühlkanals in der Aufnahmeöffnung geformt zu werden.
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Der Fluidsammler ist bevorzugt zur Verwendung in einer Kühlanordnung wie vorstehend beschrieben vorgesehen. Hinsichtlich Funktion, Ausgestaltung und Vorteilen der einzelnen Merkmale wird auf die dortigen Ausführungen verwiesen.
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Das Formen der Klemmlaschen meint insbesondere ein Biegen der Klemmlaschen um das Dichtelement und das Klemmelement herum, um diese gegen den Fluidsammler zu pressen und festzuklemmen.
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Auch die nachstehend aufgeführten bevorzugten Ausgestaltungen des Fluidsammlers wurden vorstehend im Zusammenhang mit der Kühlanordnung beschrieben. Hinsichtlich Funktion, Ausgestaltung und Vorteilen der besonderen Ausgestaltungen und deren Merkmalen wir zur Vermeidung von Wiederholungen ebenfalls auf die dortigen Ausführungen verwiesen.
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Bevorzugt ist an dem Fluidsammler zumindest eine Verbindungslasche zum Verbinden des Fluidsammlers mit einem weiteren Bauteil, insbesondere einem Wärmetauscherelement, vorgesehen.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass weitere Klemmlaschen zum Verbinden des Fluidsammlers mit einem Endstutzen vorgesehen sind.
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Weiterhin ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Querschnitt des Volumenbereichs entlang einer Längsachse variiert ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidsammlers umfassend folgende Schritte
- • Bereitstellen eines Aluminiumstrangpressprofils mit zumindest einem Volumenbereich sowie mindestens einem Flansch, der von dem Volumenbereich wegweisend vorsteht,
- • Einbringen zumindest einer Aufnahmeöffnung durch mechanische Bearbeitung in einen Wandabschnitt des Volumenbereichs benachbart zu dem mindestens einen Flansch,
- • Ausformung von Klemmlaschen oberhalb und/oder unterhalb der Position der Aufnahmeöffnungen durch mechanische Bearbeitung des mindestens einen Flansches.
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Das Aluminiumstrangpressprofil wird als Endlosprofil in an sich bekannter Weise erzeugt und in Einzelprofile abgelängt, wobei die Länge der Profile beispielsweise an die Maße des Batteriekastens oder des Wärmetauscherelements angepasst ist, an dem das Profil verbaut werden soll. Beim Extrudieren wird die Grundform des Volumenbereichs bereits eingestellt. Der Querschnitt ist dabei grundsätzlich beliebig. Ein runder Querschnitt ist strömungstechnisch vorteilhaft, es können aber auch andere Formen wie Mehrecke oder eingeformte Sicken erzeugt werden, wenn es beispielsweise Bauraumanforderungen notwendig machen. Ist mehr als ein Volumenbereich erforderlich, so können diese sehr einfach durch beim Extrudieren erzeugte Zwischenwände realisiert werden.
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Die Aufnahmeöffnungen werden dort eingebracht, wo in der späteren Kühlanordnung die Kühlkanäle zu finden sind. Deren Anordnung hängt von den technischen Anforderungen und Randbedingungen ab. Die Position der Aufnahmeöffnungen kann daher passgenau zu den Anforderungen und nahezu beliebig gewählt werden. Dies macht das Herstellungsverfahren und auch den Fluidsammler an sich wirtschaftlich äußerst interessant, da eine Anpassung eines einzelnen Strangpressprofils an unterschiedliche konstruktive Anforderungen sehr einfach möglich ist. Unter mechanischer Bearbeitung ist in diesem Falle insbesondere Stanzen, Schneiden, Lochen und jede Art der spanenden Bearbeitung zu verstehen.
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Schließlich werden ebenfalls durch mechanische Bearbeitung des mindestens einen Flansches auch die Klemmlaschen ausgeformt, die zur Festlegung von Dichtelementen und Klemmelementen an dem Fluidsammler vorgesehen sind.
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Bevorzugt werden zwei beabstandet zueinander angeordnete Flansche ausgeformt und die Aufnahmeöffnung wird in einem Wandabschnitt des Volumenbereiches zwischen den Flanschen eingebracht.
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Die Flansche können dabei im Wesentlichen parallel zueinander, aber auch leicht gespreizt ausgeformt werden. Durch diese Ausgestaltungen kann das spätere Klemmen und Anpressen von Dichtelement und Klemmelement in einfacher Weise durch einen Biegevorgang an den Klemmlaschen erfolgen, die lediglich um die Elemente herumgebogen werden. Sind die Flansche gespreizt ausgeformt, so wird das Klemmelement bei der Montage besser in Bezug auf die Aufnahmeöffnung zentriert.
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Auch hier gilt, dass durch die Verwendung eines einzigen Strangpressprofils als Halbzeug eine Vielzahl von Ausgestaltungsmöglichkeiten für die unterschiedlichsten Anforderungen gegeben ist. Man ist damit in der Lage, sich den Gegebenheiten flexibel anzupassen. Beispielsweise kann jeweils oberhalb und unterhalb der Aufnahmeöffnung eine Klemmlasche ausgebildet werden und das Klemmelement und das Dichtelement von oben und unten von den Klemmlaschen teilweise umgriffen werden. Es können aber auch zwei Klemmlaschen oberhalb oder unterhalb der Aufnahmeöffnung angeordnet sein, die beidseitig neben dem Kühlkanal das Klemmelement und das Dichtelement vollständig umgreifen. Weitere Ausgestaltungen und Anordnungen der Klemmlaschen sind darüber hinaus denkbar.
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Weiterhin bevorzugt wird durch mechanische Bearbeitung zumindest eine Verbindungslasche aus einem der Flansche ausgeformt.
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Darüber hinaus werden bevorzugt durch mechanische Bearbeitung weitere Klemmlaschen zum Festlegen eines Endstutzens an dem Fluidsammler ausgeformt.
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Diese zusätzlich möglichen Verfahrensschritte verdeutlichen nochmals die Flexibilität und Effizienz des Herstellungsverfahrens. Die einzelnen Bestandteile des Fluidsammlers können bedarfsgerecht aus dem Strangpressprofil ausgeformt werden, wodurch ein breites gestalterisches Anwendungsspektrum des Fluidsammlers abgedeckt wird.
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Darüber hinaus können auch noch andere Funktionsteile, die bislang noch nicht beschrieben wurden, an dem Strangpressprofil angeformt werden, beispielsweise Anbindungslaschen zum Festlegen des Fluidsammlers an einem Fahrzeugrahmen oder Versteifungselemente. Auch diese können beim Extrudieren vorgehalten werden und bei Bedarf durch mechanische Bearbeitung ausgestaltet werden.
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Weiterhin bevorzugt wird der Volumenbereich entlang seiner Längserstreckung zumindest bereichsweise umgeformt, so dass ein über die Länge variierender Querschnitt erzeugt wird. Wie bereits beschrieben kann der Fluidsammler in seinen Abmessungen damit leicht an vorhandenen Bauraum und ähnliche Randbedingungen angepasst werden. Auch das Einbringen von Sicken, etwa zur Versteifung, lokal oder über die gesamte Länge des Fluidsammlers ist dabei möglich.
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In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, woraus sich weitere Merkmale der Erfindung ergeben. Dabei werden gleichartige Merkmale und Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung
- 2: Ausführungsvarianten der Erfindung
- 3: Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung
- 4: eine Ausführungsform für ein Wärmetauscherelement
- 5: eine Ausführungsform einer Kühlanordnung mit Endstutzen
- 6: einen erfindungsgemäßen Fluidsammler.
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In 1 ist eine Kühlanordnung 1 für einen Batteriekasten dargestellt. Die Kühlanordnung 1 umfasst ein plattenförmiges Wärmetauscherelement 2 sowie mehrere Kühlkanäle 3 zum Transportieren eines Fluids. Das Wärmetauscherelement 2 ist als mehrteiliges Aluminiumstrangpressprofil ausgeführt und wird detaillierter in 4 dargestellt.
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Die Kühlkanäle 3 sind über Aufnahmen 4 an dem Wärmetauscherelement 2 festgelegt, die einstückig und werkstoffeinheitlich mit dem Wärmetauscherelement 2 ausgebildet sind. Bei den Aufnahmen 4 handelt es sich um Nuten mit rundem Querschnitt, in die die Kühlkanäle 3 eingedrückt werden können und entsprechend einer Clip-Verbindung durch einen Hinterschnitt gehalten werden. Die Kühlkanäle 3 erstrecken sich entlang einer Längsrichtung L von einem längsseitigen Ende 5 des Wärmetauscherelements 2 zum anderen Ende.
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An dem längsseitigen Ende 5 des Wärmetauscherelements 2 ist ein Fluidsammler 6 angeordnet, ebenso wie an dem anderen hier nicht dargestellten Ende. Einer der beiden Fluidsammler 6 dient dazu, das Fluid auf die Kühlkanäle 3 zu verteilen, wohingegen der andere Fluidsammler 6 das Fluid der einzelnen Kühlkanäle wieder sammelt und einer gemeinsamen Abführleitung zuführt. Das Fluid wird beim Zuführen durch einen Volumenbereich 7 geführt, der über hier nicht sichtbar dargestellte Aufnahmeöffnungen 8 verfügt, in die jeweils ein Kühlkanal 3 eingeführt ist. Dadurch wird der Volumenbereich 7 mit den Kühlkanälen 3 fluidverbunden.
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Die Kühlkanäle 3 sind an dem Fluidsammler 6 unverschieblich und unverlierbar angeordnet. Dies erfolgt mit Hilfe jeweils eines Klemmelements 9 und eines Dichtelements 10, die sammleraußenseitig an jeder Aufnahmeöffnung 8 angeordnet sind. In der Darstellung der 1 ist das Dichtelement 10 nicht sichtbar, da es von dem Klemmelement 9 vollständig umschlossen wird. Das Klemmelement 9 bildet zusammen mit dem die Aufnahmeöffnung 8 umgebenden Wandabschnitt 15 einen Hohlraum, in dem das Dichtelement 10 angeordnet ist. Ein Kühlkanal 3 durchgreift das Klemmelement 9 und das Dichtelement 10, die dementsprechend mit einer Ausnehmung versehen sind. Das Klemmelement 9 besteht aus einem steifen und fluid- und gasdichten Material, wohingegen das Dichtelement 10 aus einem elastischen und ebenfalls fluid- und gasdichten Material besteht.
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Sammleraußenseitig sind Klemmlaschen 11 oberhalb und unterhalb einer jeden Aufnahmeöffnung 8 angeordnet. Diese Klemmlaschen 11 einer Aufnahmeöffnung 8 umgreifen das Klemmelement 9 und das Dichtelement 10. Dabei üben die Klemmlaschen 11 eine Klemmkraft auf das Klemmelement 9 und das Dichtelement 10 aus und presst diese gegen den Fluidsammler 6. Das Klemmelement 9 drückt gegen das Dichtelement 10, wobei das Dichtelement 10 elastisch verformt wird. Dadurch wird der Durchmesser der von dem Kühlkanal 3 durchgriffenen Ausnehmung des Dichtelements 10 verringert und es bildet sich ein Presssitz zwischen dem Dichtelement 10 und dem Kühlkanal 3 aus. Dadurch wird der Kühlkanal 3 unverschieblich an dem Fluidsammler 6 festgelegt. Gleichzeitig wird durch das elastomere Dichtelement 10 die von dem Kühlkanal 3 abgedichtete Aufnahmeöffnung 8 fluid- und gasdicht gegen die Umgebung abgedichtet.
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Es ist hier keine Schweißverbindung mehr zwischen Kühlkanal 3 und Fluidsammler 6 notwendig, so dass die Kühlkanäle weitaus dünner, das heißt mit geringerem Durchmesser und geringerer Wandstärke, und damit leichter ausgebildet werden können.
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Der Zusammenbau der Kühlanordnung 1 erfolgt so, dass zunächst die Kühlkanäle 3 durch Klemmelement 9 und Dichtelement 10 in die Aufnahmeöffnungen 8 eingeführt werden. Dann werden die zunächst von dem Volumenbereich 7 des Fluidsammlers 6 wegweisend vorstehenden Klemmlaschen 11 (siehe auch 6b) in Richtung der Aufnahmeöffnungen 8 geformt, hier konkret umgebogen, um Klemmelement 9 und Dichtelement 10 an dem Fluidsammler 6 festzuklemmen und den Kühlkanal 3 in der Aufnahmeöffnung 8 festzulegen. Danach werden die Kühlkanäle 3 in die zugehörigen Aufnahmen 4 des Wärmetauscherelements 2 eingerastet. Vorteilhafterweise werden hier Fertigungstoleranzen der Aluminiumprofile des Wärmetauscherelements 2 und auch des Fluidsammlers 6 durch die einzelnen relativ flexiblen Komponenten ausgeglichen.
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Die einzelnen Bestandteile der Kühlanordnung 1, nämlich das Wärmetauscherelement 2, der Kühlkanäle 3 und der Fluidsammler 6, können aus unterschiedlichen Materialien oder unterschiedlichen Legierungen, zum Beispiel Aluminiumlegierungen, hergestellt werden. Damit ist es möglich für den jeweiligen Anwendungsfall für die einzelnen Komponenten das optimale Material zu wählen. Die Komponenten können damit unabhängig voneinander auf ihren Einsatzzweck hin ausgelegt werden, was die Kühlanordnung 1 insbesondere im Hinblick auf ihr Gewicht optimiert.
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Weiterhin ist er Fluidsammler 6 mit einer Verbindungslasche 12 versehen, die einstückig und werkstoffeinheitlich mit dem Fluidsammler 6 ausgebildet ist. Sie dient dazu, den Fluidsammler 6 mit dem Wärmetauscherelement 2 zu verbinden. Dies kann etwa stoffschlüssig mittels Kleben, Schweißen oder Löten und dergleichen oder formschlüssig mittels Schrauben oder Nieten und dergleichen erfolgen.
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Außerdem weist der Fluidsammler 6 an seinem stirnseitigen Ende 14 weitere Klemmlaschen 13 zum Befestigen eines Endstutzens 21 (siehe 5) auf.
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In 2 werden drei Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Fluidsammlers 6 dargestellt. 2a zeigt einen an einem Wärmetauscherelement 2 festgelegten Fluidsammler 6 in einer Querschnittsdarstellung, dessen Volumenbereich 7 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. In dem Wandabschnitt 15 zwischen den beiden von dem Volumenbereich 7 wegweisenden Klemmlaschen 11 befindet sich eine Aufnahmeöffnung 8 in die ein Kühlkanal 3 eingeführt ist. Der Kühlkanal 3 durchgreift dabei ein elastomeres Dichtelement 10 sowie ein steifes Klemmelement 9. Der Wandabschnitt 15 und das Klemmelement 9 bilden zusammen einen Hohlraum 18 für das Dichtelement 10. Das Dichtelement 10 ist hier ein einfacher, handelsüblicher O-Ring aus einem Elastomer. Die Klemmlaschen 11 umgreifen das Dichtelement 10 und das Klemmelement 9 und pressen diese gegen den Wandabschnitt 15. In dieser Ausführungsform ist der Fluidsammler 6 unmittelbar ohne eine Verbindungslasche 12 an dem Wärmetauscherelement 2 festgelegt. Der Fluidsammler 6 ist in einem Überlappbereich B vollflächig mit dem Wärmetauscherelement 2 in Anlage und beispielsweise über eine Klebung mit diesem verbunden. Der Kühlkanal 3 verläuft S-förmig, was eine entsprechende Formgebung vor dem Zusammenbau oder aber eine entsprechend flexible Ausgestaltung der Kühlkanäle 3 notwendig macht.
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Im Gegensatz dazu ist die Formgebung der Kühlkanale 3 in 2b einfacher gestaltet. Der Kühlkanal 3 knickt lediglich von dem Wärmetauscherelement 2 weg in Richtung der Aufnahmeöffnung 8 des Fluidsammlers 6 ab. Der Volumenbereich 7 des Fluidsammlers 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel trapezförmig, wobei die in Längsrichtung L zu dem Wärmetauscherelement 2 hinweisende Wand des Volumenbereichs 7 mit der Aufnahmeöffnung 8 zu dem Wärmetauscherelement 2 hin abkippt und eine schräge Seite des Trapezes bildet. Durch diese gestalterische Maßnahme wird erreicht, dass der Kühlkanal 3 nicht so stark umgeformt werden muss, wie in 2a. Dies bietet sich an, wenn die Kühlkanäle 3 steifer ausgelegt werden müssen. Gleichzeitig wird das Fluidvolumen des Fluidsammlers 6 vergrößert und damit ein höherer Durchsatz an Fluid ermöglicht.
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In dieser Ausführungsvariante ist der Fluidsammler 6 über Schweißverbindungen 16, 17 mit dem Wärmetauscherelement 2 verbunden. Eine Schweißverbindung 17 wird am längsseitigen Ende 5 des Wärmetauscherelements 2 stirnseitig vorgenommen. Für die zweite Schweißverbindung 16 wird die obere Klemmlasche 11 genutzt, die hier gewissermaßen auch die Rolle einer Verbindungslasche 12 übernimmt.
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Insbesondere durch die Ausgestaltung des Fluidsammlers 6 als Aluminiumstrangpressprofil ist es möglich, eine Vielzahl an Ausgestaltungsvarianten zu kreieren und den vorhandenen Bauraum optimal auszunutzen oder den technischen Randbedingungen Genüge zu tun.
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Eine dritte Ausführungsvariante gemäß 2c sieht vor, den Volumenbereich 7 mit einem kreisrunden Querschnitt auszugestalten. Der Fluidsammler ist hier unabhängig von den übrigen Komponenten dargestellt. Der runde Querschnitt ist strömungstechnisch und auch für die der Herstellung nachfolgende mechanische Bearbeitung besonders vorteilhaft.
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3 zeigt drei Querschnittsdarstellungen einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung gemäß 1 an drei Stellen mit Schnittebenen senkrecht zur Längsrichtung L des Wärmetauscherelements 2. Die 3a zeigt einen Querschnitt im Bereich eines Kühlkanals 3. 3b zeigt einen Querschnitt in einem Bereich abseits von Kühlkanälen 3 und Verbindungslaschen 12 und 3c einen Querschnitt im Bereich einer Verbindungslasche 12. Hinsichtlich der Funktionen und Eigenschaften wird auf das vorstehend Erläuterte, insbesondere zu 1, verwiesen.
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Die in 4 dargestellten Profile 2a für Wärmetauscherelemente 2 sind als Aluminiumstrangpressprofile ausgestaltet. 4a zeigt ein einzelnes Profil 2a, 4b ein Profil 2a im zusammengebauten Zustand in einer nicht näher dargestellten Kühlanordnung 1. Das Profil 2a weist einen ersten Koppelungsabschnitt 19 und einen zweiten Koppelungsabschnitt 20 auf. Diese sind komplementär zu einander ausgestaltet, so dass eine Mehrzahl von Profilen 2a über die Koppelungsabschnitte 19, 20 miteinander gekoppelt werden kann, wie in 4b angedeutet. Dadurch ist es möglich, ein aus mehreren identisch ausgeführten Profilen 2a bestehendes Wärmetauscherelement 2 an die vorgesehene Größe eines Batteriekastens anzupassen. Batteriekästen werden in unterschiedlichen Kraftfahrzeugsegmenten mit unterschiedlichen Abmessungen eingesetzt. Eine Kühlanordnung 1 kann nun je nach den vorgesehenen Maßen der Batteriekästen aus einer passend dazu gewählten Anzahl von Profilen 2a gefertigt und so für unterschiedliche Fahrzeugsegmente maßgeschneidert hergestellt werden. Die einzelnen Profile 2a sind dabei identisch, so dass im Herstellungsprozess lediglich eine Profilgeometrie produziert werden muss. Die Größenskalierung des Wärmetauscherelements 2 erfolgt durch die Anzahl der einzelnen Profile 2a sowie deren Länge.
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Die zugehörigen Fluidsammler 6 sind ebenfalls weitgehend identisch in ihrer Geometrie und unterscheiden sich für verschiedene Fahrzeugsegmente idealerweise lediglich in ihrer Länge, was durch das entsprechende Ablängen beim Strangpressprozess erreicht wird.
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Die Profile 2a weisen zudem die Aufnahmen 4 für die Kühlkanäle 3 auf, die werkstoffeinheitlich und einstückig beim Herstellungsprozess ausgeformt werden. Dadurch wird die Produktion effizient, da man zusätzliche Herstellungsprozesse und Verbindungsschritte vermeidet. Die Kühlkanäle 3 werden beim Zusammenbau lediglich in die Aufnahmen 4 eingepresst und in einer Art Clip-Verbindung gehalten. Es ist dabei aber nicht ausgeschlossen, dass zusätzlich bereichsweise oder über die gesamte Länge der kanalartigen Aufnahme 4 eine Klebung, Löt- oder Schweißverbindung oder eine mechanische Vorrichtung, wie eine Schelle oder Klammer zum Einsatz kommt, um die Kühlkanäle 3 in den Aufnahmen 4 unverlierbar zu halten.
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Das Wärmetauscherelement 2 kann Bestandteil des Bodens eines Batteriekastens sein, wobei die Aufnahmen 4 zusätzlich die Steifigkeit des Batteriekastens sicherstellen können.
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Weiterhin kann zwischen den Kühlkanälen 3 und den Aufnahmen 4 eine Wärmeleitschicht, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, angeordnet sein, um eine optimale Wärmeübertragung sicherzustellen.
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5a zeigt eine erfindungsgemäße Kühlanordnung 1, bei der der Fluidsammler 6 endseitig mit einem Endstutzen 21 abgeschlossen ist. Der Endstutzen 21 umfasst dabei einen Verbindungsabschnitt 22 und einen Stutzenabschnitt 23. Der Verbindungsabschnitt 22 wird auf das Ende 14 des Fluidsammlers 6 aufgesteckt und mit zusätzlichen Klemmlaschen 13 unverlierbar an diesem festgelegt.
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Der Verbindungsabschnitt 22 weist zwei Schenkel 24, 25 auf, die durch eine Decke 26 verbunden werden. An den Schenkeln 24, 25 sind Gewindehülsen 27, 28 ausgeformt. Der dem Wärmetauscherelement 2 zugewandte Schenkel 24 weist an seinem freien Ende einen Ausnehmung 29 mit einer Konsole 30 auf. Weiterhin weist die Decke 26 eine Durchgriffsöffnung 31 auf, die sich bis in den dem Wärmetauscherelement 2 zugewandten Schenkel 24 hinein erstreckt und an diesem ebenfalls eine Konsole 32 ausbildet. Der Verbindungsabschnitt 22 wird zunächst auf das Ende 14 des Fluidsammlers 6 aufgesteckt, so dass die beiden Schenkel 24, 25 und die Decke 26 das Ende 14 des Fluidsammlers 6 umschließen. Die noch nicht geformten weiteren Klemmlaschen 13 durchgreifen dabei die Durchgriffsöffnung 31 beziehungsweise die Ausnehmung 29. Die weiteren Klemmlaschen 13 werden danach umgebogen und umgreifen dabei die jeweiligen Konsolen 30, 32 und klemmen so den Verbindungsabschnitt 22 an dem Fluidsammler 6 fest.
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Der Stutzenabschnitt 23 wird dann mittels Schrauben 33, 34 über die Gewindehülsen 27, 28 an dem Verbindungsabschnitt 22 befestigt. Auch der Verbindungsabschnitt 22 ist als Strangpressprofil ausgestaltet, dass nachträglich mechanisch bearbeitet wird, um Gewinde, Ausnehmung 29 und Durchgriffsöffnung 31 zu erhalten. Die Gewindehülsen 27, 28 können vorteilhafterweise einstückig und werkstoffeinheitlich mit dem Verbindungsabschnitt 22 geformt werden und müssen nicht an dem Fluidsammler 6 bei dessen Herstellung über dessen gesamte Länge vorgehalten werden, was eine weitere Gewichtsersparnis und/oder Reduzierung des Fertigungsaufwands mit sich bringt. Der Stutzenabschnitt 23 verfügt außerdem über einen Aufsteckbereich 35, auf dem eine Fluidzuführung oder Fluidabführung aufgesteckt und befestigt werden kann.
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Soll ein Ende 14 des Fluidsammlers 6 vollständig verschlossen werden, so kann ebenfalls ein eben beschriebener Verbindungsabschnitt 22 verwendet werden. Als Abschluss fungiert dann jedoch ein Bauteil, das einem Stutzenabschnitt 23 ähnlich jedoch ohne den Aufsteckbereich 35 und somit ohne Öffnung gestaltet ist. Auch ein solches Bauteil kann in analoger Weise schraubtechnisch an dem Verbindungsabschnitt 22 befestigt werden. In seiner Gesamtheit kann auch dieser Verschluss als Endstutzen 21 bezeichnet werden.
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6a zeigt nochmals einen erfindungsgemäßen Fluidsammler 6 mit einem Volumenbereich 7, mit Aufnahmeöffnungen 8 zur Aufnahme von Kühlkanälen 3 in einem Wandabschnitt 15 des Fluidsammlers 6 und jeweils oberhalb und unterhalb davon angeordneten Klemmlaschen 11 sowie Verbindungslaschen 12 und weiteren Klemmlaschen 13 zum Befestigen eines Endstutzens 21.
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In der Querschnittsdarstellung in 6b wird ein Fluidsammler 6 in seiner Ausgestaltung als Halbzeug nach dem Extrusionsprozess mit noch nicht geformten Klemmlaschen 11 (gestrichelte Linien) und mit Klemmlaschen 11 in ihrer Endform (durchgezogene Linien) dargestellt. Der Fluidsammler 6 wird zunächst als Aluminiumstrangpressprofil mit zumindest einem Volumenbereich 7 sowie zwei beabstandet zueinander angeordneten Flanschen, die von dem Volumenbereich 7 wegweisend vorstehen, hergestellt. Die Flansche werden danach derart beschnitten, dass Klemmlaschen 11 entstehen. Außerdem werden in einem Wandabschnitt 15 - hier konkret zwischen den oberhalb und unterhalb angeordneten Klemmlaschen 11 - Aufnahmeöffnungen 8 gebohrt oder gestanzt. Beim Anbringen der Kühlkanäle 3 an dem Fluidsammler 6 werden die Klemmlaschen 11 in einer Biegerichtung R zu der Aufnahmeöffnung 8 hin gebogen, um die hier nicht dargestellten Klemmelement 9 und Dichtelement 10 gegen den Wandabschnitt 15 um die Aufnahmeöffnung 8 zu pressen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlanordnung
- 2
- Wärmetauscherelement
- 2a
- Profil für 2
- 3
- Kühlkanal
- 4
- Aufnahme für 3
- 5
- Ende von 2
- 6
- Fluidsammler
- 7
- Volumenbereich
- 8
- Aufnahmeöffnung
- 9
- Klemmelement
- 10
- Dichtelement
- 11
- Klemmlasche
- 12
- Verbindungslasche
- 13
- weitere Klemmlasche
- 14
- Ende von 6
- 15
- Wandabschnitt von 6
- 16
- Schweißverbindung
- 17
- Schweißverbindung
- 18
- Hohlraum
- 19
- erster Koppelungsabschnitt
- 20
- zweiter Koppelungsabschnitt
- 21
- Endstutzen
- 22
- Verbindungsabschnitt
- 23
- Stutzenabschnitt
- 24
- Schenkel
- 25
- Schenkel
- 26
- Decke
- 27
- Gewindehülse
- 28
- Gewindehülse
- 29
- Ausnehmung
- 30
- Konsole
- 31
- Durchgriffsöffnung
- 32
- Konsole
- 33
- Schraube
- 34
- Schraube
- 35
- Aufsteckbereich
- L
- Längsrichtung
- R
- Biegerichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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