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EP3365616A1 - Wärmeübertrager, insbesondere thermoelektrische wärmepumpe, zum temperieren einer batterie - Google Patents

Wärmeübertrager, insbesondere thermoelektrische wärmepumpe, zum temperieren einer batterie

Info

Publication number
EP3365616A1
EP3365616A1 EP16784523.9A EP16784523A EP3365616A1 EP 3365616 A1 EP3365616 A1 EP 3365616A1 EP 16784523 A EP16784523 A EP 16784523A EP 3365616 A1 EP3365616 A1 EP 3365616A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
support frame
battery
cover
exchanger according
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.)
Withdrawn
Application number
EP16784523.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dipl.-ing. HENKE (ba) Timo
Stefan Hirsch
Manuel Wehowski
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.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International 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
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP3365616A1 publication Critical patent/EP3365616A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F25B21/04—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect reversible
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00271—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit
    • B60H1/00278—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit for the battery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • 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
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/6572—Peltier elements or thermoelectric devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
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    • F25B2321/0252—Removal of heat by liquids or two-phase fluids
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular a thermoelectric heat pump, for controlling the temperature of a battery, as well as a battery arrangement with such a heat exchanger.
  • thermoelectric heat pumps found in automotive engineering in the cooling of various components such. Modern lithium-ion batteries application, which develop considerable heat during operation.
  • thermoelectric heat exchangers in the form of heat pumps can also be used in electric motor vehicles as a combined heating and cooling device, for example for tempering the passenger compartment, especially as they have a significantly higher efficiency than conventional electrical resistance heaters.
  • the fields of application of thermoelectric heat exchangers in motor vehicles are therefore manifold in nature.
  • thermoelectric heat exchangers installed in vehicles are therefore often produced in plate or layered construction, wherein the thermoelectrically active Elements are disposed within a thermally conductive housing and supplied to carry heat with an external electrical supply voltage.
  • thermoelectric elements It is an object of the present invention to discover new ways of developing heat exchangers with thermoelectric elements.
  • thermoelectrically active element an external electrical supply voltage, so that this - depending on the polarization of said electrical voltage - due to the thermoelectric Effects heat transported from the second cover to the first cover or vice versa.
  • thermoelectric element sandwiched in a support frame between two covers allows a realization of the heat exchanger with a small space requirement, in particular along a stacking direction, along which the two covers and the support frame are stacked with the at least one thermoelectric element.
  • a plurality of clip-type fasteners are attached to an outer peripheral edge of the heat exchanger formed by the two covers and the support frame along the circumferential direction. By means of these fasteners, the two covers are pressed against each other and each against the support frame. This improves the thermal coupling of the two covers to the support frame and to the at least one thermoelectric element arranged therein.
  • the first cover is formed in two layers with a first layer facing the support frame and a second layer facing away from the support frame.
  • the at least one fluid channel of the channel structure is formed between the two layers.
  • this side is substantially completely flat - ie completely flat except for unevenness with negligible lateral extent - formed. This property of the first cover facilitates the realization of the heat exchanger in flat construction.
  • the at least one thermoelectric element is a Peltier element.
  • Such Peltier elements are commercially available in large quantities and inexpensively. Thus, in particular when using several Peltier elements considerable cost advantages in the production of the heat exchanger.
  • a particularly high heat transfer performance can be achieved in the heat exchanger if at least two thermoelectric elements, preferably a plurality of thermoelectric elements, are arranged adjacent to one another in the passage opening. Said thermoelectric elements are preferably held by means of respective holding elements, in particular in the manner of struts, in the passage opening of the support frame.
  • Particularly preferred, because space-saving, is a grid-like arrangement of the thermoelectric elements with at least two raster lines and at least two grid columns.
  • a sealing device is arranged between the two covers, which seals the cavity formed by the passage opening of the support frame against the external environment.
  • the at least one thermoelectric element can be prevented from damage or destruction by contaminants present in the ambient air.
  • the sealing device comprises two sealing rings, which are arranged on opposite sides of the support frame and both enclose the passage opening completely circumferentially. In this way, the desired sealing can be realized on both sides of the support frame cost.
  • the heat exchanger when the support frame is formed as a plastic injection molded part, in which at least one electrical conductor for supplying the at least one thermoelectric element with electrical energy from an external electrical energy source is arranged.
  • the at least one electrical conductors encapsulated by the plastic of the support frame.
  • a separate, electrically insulating sheath of the electrical conductor can be omitted in this way.
  • a plurality of such electrical conductors can each be electrically insulated from each other by molding with the plastic of the support frame. This variant allows a simple electrical wiring of existing in the support frame thermoelectric elements with an external electrical power source.
  • FIGURE 1 shows in an exploded view an example of a heat exchanger 1 according to the invention, which can be used as a thermoelectric heat pump for a battery arrangement.
  • the heat exchanger 1 has a first cover 2 a and a second cover 2 b, which lie opposite one another along a stacking direction S. Sandwiched between the two covers 2a, 2b in the stacking direction S is a support frame 3.
  • the support frame 3 includes a through-opening 4, in which a plurality of thermoelectric elements 22 are arranged.
  • thermoelectric elements 22 are adjacent to one another with the formation of a grid 16 and are arranged at a distance from one another in the passage opening 4.
  • the number of thermoelectric elements 22 can be varied in variants of the example.
  • the grid 16 with the six thermoelectric elements comprises two grid lines 25 and three grid columns 26.
  • the thermoelectric elements 22 can be held in the passage opening 4 by means of suitable holding elements 24.
  • the thermoelectric elements 22 are preferably realized as Peltier elements.
  • first cover 2a is a channel structure 5 with a plurality of fluid channels 6 - in Figure 1, the possible course in the first cover 2a is schematically indicated - formed, which is designed to flow through with a fluid.
  • a fluid may be a coolant or refrigerant, which serves as a cooling medium for a thermally coupled to the heat exchanger 1 battery.
  • Said fluid can enter the channel structure 5 via a fluid inlet 7 arranged laterally on the first cover 2a and again out of the channel structure via a fluid outlet 8 which is likewise arranged laterally on the first cover 2a 5 exit.
  • thermoelectric elements 22 for the fluid flowing through the channel structure 5 can be arranged in FIG. This causes improved heat exchange of the fluid with the thermoelectric elements 22.
  • the second cover 2b is realized as a cover plate 9, which is formed at least on a side facing away from the support frame 3 side 10 substantially planar. This makes it possible to attach the second cover 2b to the battery housing of a battery unit to be tempered by means of the heat exchanger 1 for the purpose of highly effective thermal coupling.
  • a housing wall 1 1 of such a battery housing of the battery to be tempered is indicated in Figure 1 in dashed lines.
  • the first cover 2 a may be formed as a cover plate 27.
  • One or both covers 2a, 2b may be formed as a stamped or formed sheet metal part.
  • a plurality of bracket-like fastening elements 13 may be arranged.
  • fastening elements 13 which are shown in the exploded view of Figure 1 on the second cover 2b, the two covers 2a, 2b are pressed against each other and each against the support frame 3.
  • the support frame 3 on a frame material, which consists of at least 75% of a plastic.
  • a side 17 of the first cover 2 a facing the support frame 3, in particular the first layer, is flat in a surface area of at least 75%.
  • the support frame 3 is preferably formed as a plastic injection molded part, in which electrical conductor 23 is arranged for supplying the thermoelectric elements 22 with electrical energy from an external electrical energy source.
  • the electrical conductors indicated in the example scenario only roughly schematic, are encapsulated by the plastic of the support frame 3 and therefore do not require a separate, electrically insulating sheathing.
  • the first cover 2a is formed in two layers and has one with the support frame 3 facing first layer and a second frame facing away from the support frame 3 (the two layers are not shown in Figure 1 for clarity).
  • the channel structure 5 with the fluid channels 6 is preferably formed between the two layers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), insbesondere thermoelektrische Wärmepumpe, zum Temperieren einer Batterie, -mit einer ersten und einer zweiten Abdeckung (2a, 2b), zwischen welchen sandwichartig ein Tragrahmen (3) angeordnet ist, der eine Durchgangsöffnung (4) einfasst, in welcher wenigstens ein thermoelektrisches Element (22) angeordnet ist, -wobei in der ersten Abdeckung (2a) wenigstens ein Fluidkanal (6) zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet ist.

Description

Wärmeübertrager, insbesondere thermoelektrische Wärmepumpe,
zum Temperieren einer Batterie
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere eine thermoelektrische Wärmepumpe, zum Temperieren einer Batterie, sowie eine Batterie- Anordnung mit einem solchen Wärmeübertrager.
Unter dem Begriff "Thermoelektrizität" versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander. Thermoelektrische Materialien machen sich diese Beeinflussung zunutze, um als thermoelektrische Generatoren aus Abwärme elektrische Energie zu erzeugen, kommen aber auch in Form sog. Wärmepumpen zum Einsatz, wenn unter Aufwendung von elektrischer Energie Wärme von einem Temperatur-Reservoir mit niedrigerer Temperatur in eines mit höherer Temperatur transportiert werden soll.
Gerade thermoelektrische Wärmepumpen finden in der Fahrzeugtechnik bei der Kühlung unterschiedlichster Bauteile wie z.B. moderner Lithium-Ionen-Batterien Anwendung, die im Betrieb in erheblichem Maße Abwärme entwickeln. Solche thermoelektrischen Wärmeübertrager in Form von Wärmepumpen können aber auch in Elektrokraftfahrzeugen als kombinierte Heiz- und Kühleinrichtung, etwa zum Temperieren des Fahrgastinnenraums, verwendet werden, zumal sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als etwa herkömmliche elektrische Widerstandsheizer. Die Anwendungsgebiete thermoelektrischer Wärmeübertrager in Kraftfahrzeugen sind also vielfältiger Natur.
Der Einsatz in einem Kraftfahrzeug führt stets zu dem Erfordernis, thermoelektrische Wärmeübertrager mit hohem Wirkungsgrad und in kompakter Bauweise herzustellen. In Fahrzeugen verbaute Wärmeübertrager sind daher oftmals in Platten- oder Schichtbauweise hergestellt, wobei die thermoelektrisch aktiven Elemente innerhalb eines thermisch leitenden Gehäuses angeordnet und zum Transport von Wärme mit einer äußeren elektrischen Versorgungsspannung versorgt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmeübertragern mit thermoelektrischen Elementen neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager zum Temperieren einer Batterie, insbesondere eine thermoelektrische Wärmepumpe, umfasst eine erste und eine zweite Abdeckung, die einander gegenüberliegen. Zwischen den beiden Abdeckungen ist ein Tragrahmen angeordnet, der eine Durchgangsöffnung einfasst. In der Durchgangsöffnung ist wenigstens ein thermoelektrisches Element angeordnet, und in der ersten Abdeckung ist wenigstens ein Fluidkanal zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet. Die zweite Abdeckung des Wärmeübertragers dient dabei zum Anbringen des Wärmeübertragers an die zu temperierende Batterie. Durch thermische Ankopplung der ersten Abdeckung über den Tragrahmen und die zweite Abdeckung an die zu temperierende Batterie kann das durch den wenigstens einen Fluidkanal strömende Fluid Wärme an die Batterie abgeben oder von dieser aufnehmen. Ein solcher Wärmeaustausch zwischen dem Fluid - im Falle, dass die Batterie gekühlt werden soll, kann als Fluid ein Kühl- oder Kältemittel verwendet werden - wird durch das wenigstens eine thermoelektrische Element unterstützt, wenn dieses in der Art einer Wärmepumpe betrieben wird. Hierzu ist es lediglich erforderlich, an das thermoelektrisch aktive Element eine äußere elektrische Versorgungsspannung anzulegen, so dass dieses - je nach Polarisierung besagter elektrischer Spannung - aufgrund des thermoelektrischen Effekts Wärme von der zweiten Abdeckung zur ersten Abdeckung transportiert oder umgekehrt.
Die Anordnung des wenigstens einen thermoelektrischen Elements sandwichartig in einem Tragrahmen zwischen zwei Abdeckungen erlaubt eine Realisierung des Wärmeübertragers mit einem geringen Bedarf an Bauraum, insbesondere entlang einer Stapelrichtung, entlang welcher die beiden Abdeckungen und der Tragrahmen mit dem wenigstens einen thermoelektrischen Element aufeinander gestapelt sind.
Im Ergebnis erlaubt der hier vorgestellte, erfindungsgemäße Wärmeübertrager eine verbesserte Temperierung einer thermisch angekoppelten Batterie bei sehr geringem Bauraumbedarf. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der einzelnen Komponenten des Wärmeübertragers dessen Realisierung in Flachbauweise, was einerseits eine flächige und somit effektive Temperierung der angekoppelten Batterie erlaubt und andererseits die Anordnung des Wärmeübertragers im Motorblock eines Kraftfahrzeugs mit hoher Komponentendichte erheblich erleichtert.
Zur Verbesserung des Wärmaustausches zwischen dem Fluid und dem wenigstens einen thermoelektrischen Element wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, in dem wenigstens einen Fluidkanal Strömungsleitelemente, insbesondere Turbulenzerzeugungselemente, für das durch den Fluidkanal strömende Fluid anzuordnen. Mittels der auf diese Weise im Fluid erzeugten Wirbelströmen bzw. Turbulenzen geht ein verbesserter Wärmeaustausch des Fluids mit dem thermoelektrischen Element und somit mit der zu temperierenden Batterie einher. Besonders zweckmäßig kann die zweite Abdeckung als Abdeckplatte realisiert sein, die wenigstens auf einer vom Tragrahmen abgewandten Seite im Wesentlichen eben ausgebildet ist, so dass sie flächig am Batteriegehäuse einer mittels des Wärmeübertragers zu temperierenden Batterieeinheit anbringbar ist. Diese Eigenschaft der zweiten Abdeckung führt ebenfalls zu einem verbesserten Wärmeaustausch.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an einem äußeren Umfangsrand des Wärmeübertragers, der durch die beiden Abdeckungen und den Tragrahmen gebildet ist, entlang der Umfangsrichtung eine Mehrzahl von klammerartigen Befestigungselementen angebracht. Mittels dieser Befestigungselemente werden die beiden Abdeckungen sowohl aneinander als auch jeweils gegen den Tragrahmen gedrückt. Dies verbessert die thermische Ankopplung der beiden Abdeckungen an den Tragrahmen und an das darin angeordnete, wenigstens eine thermoelekt- rische Element.
Besonders bevorzugt kann in dem Tragrahmen zusätzlich zur Durchgangsöffnung wenigstens ein weiterer Durchbruch vorgesehen sein, in welchem kein thermo- elektrisches Element angeordnet ist. Besagter weiterer Durchbruch bildet zwischen den beiden Abdeckungen einen Hohlraum aus, der als thermische Isolation zwischen den beiden Abdeckungen wirkt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Wärmeaustausch zwischen den beiden Abdeckungen weitgehend oder sogar ausschließlich über das wenigstens eine thermoelektrische Element erfolgt. Dies ermöglicht eine genaue Steuerung des vom Wärmeübertrager bereitzustellenden Wärmeaustausche durch Bereitstellen einer am wenigstens einen thermoelektrischen Element angelegten, äußeren elektrischen Versorgungsspannung. Besonders zweckmäßig kann der Tragrahmen ein Rahmenmaterial aufweisen, welches zu mindestens 75% einen Kunststoff umfasst oder zu mindestens 75% aus einem solchen Kunststoff besteht. Bevorzugt besteht der Tragrahmen vollständig aus Kunststoff. Somit kann die erste Abdeckung elektrisch von der zweiten Abdeckung isoliert werden. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des typischerweise metallischen Batteriegehäuses über die beiden Abdeckungen des Wärmeübertragers mit einem weiteren, nicht zum Wärmeübertrager gehörigen Bauteil aus einem elektrisch leitenden Material kann auf diese Weise vermieden werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die mit besonders geringen Herstellungskosten verbunden ist, ist die erste Abdeckung zweilagig mit einer dem Tragrahmen zugewandten ersten Schicht und einer vom Tragrahmen abgewandten zweiten Schicht ausgebildet. Bei dieser Variante ist der wenigstens eine Fluidkanal der Kanalstruktur zwischen den beiden Schichten ausgebildet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine dem Tragrahmen zugewandte Seite der ersten Abdeckung, insbesondere der ersten Schicht, in einem Oberflächenbereich von wenigstens 75% eben ausgebildet. Besonders bevorzugt ist diese Seite im Wesentlichen vollständig eben - also vollständig eben abgesehen von Unebenheiten mit vernachlässigbarer lateraler Ausdehnung - ausgebildet. Diese Eigenschaft der ersten Abdeckung erleichtert die Realisierung des Wärmeübertragers in Flachbauweise.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist das wenigstens eine thermo- elektrische Element ein Peltier-Element. Solche Peltier-Elemente sind kommerziell in großen Mengen und kostengünstig verfügbar. Somit ergeben sich insbesondere bei Verwendung mehrerer Peltier-Elemente erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung des Wärmeübertragers. Eine besonders hohe Wärmeübertragungsleistung kann in dem Wärmeübertrager erreicht werden, wenn wenigstens zwei thermoelektrische Elemente, vorzugsweise eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, benachbart zueinander in der Durchgangsöffnung angeordnet sind. Besagte thermoelektrische Elemente sind dabei bevorzugt mittels jeweiliger Halteelemente, insbesondere in der Art von Streben, in der Durchgangsöffnung des Tragrahmens gehalten. Besonders bevorzugt, weil platzsparend, ist eine rasterartige Anordnung der thermoelektrischen Elemente mit wenigstens zwei Rasterzeilen und wenigstens zwei Rasterspalten.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den beiden Abdeckungen eine Dichtungseinrichtung angeordnet, welche den durch die Durch- gangsöffnung des Tragrahmens gebildeten Hohlraum gegen die äußere Umgebung abdichtet. Auf diese Weise kann das wenigstens eine thermoelektrische Element gegen Beschädigung oder Zerstörung durch in der Umgebungsluft vorhandene Verschmutzungen verhindert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Dichtungseinrichtung zwei Dichtungsringe, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Tragrahmens angeordnet sind und beide jeweils die Durchgangsöffnung vollständig umlaufend einfassen. Auf diese Weise kann kostengünstig die gewünschte Abdichtung auf beiden Seiten des Tragrahmens realisiert werden.
Besonders einfach und somit kostengünstig herzustellen ist der Wärmeübertrager, wenn der Tragrahmen als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet wird, in welchem wenigstens ein elektrischer Leiter zum Versorgen des wenigstens einen thermoelektrischen Elements mit elektrischer Energie aus einer externen elektrischen Energiequelle angeordnet ist. Bei dieser Variante ist der wenigstens eine elektrische Leiter von dem Kunststoff des Tragrahmens umspritzt. Eine separate, elektrisch isolierende Umhüllung des elektrischen Leiters kann auf diese Weise entfallen. Bei einer Weiterbildung können mehrere solche elektrischen Leiter jeweils elektrisch isoliert voneinander mit dem Kunststoff des Tragrahmens umspritzt sein. Dies Variante erlaubt eine einfache elektrische Verdrahtung der im Tragrahmen vorhandenen thermoelektrischen Elemente mit einer externen elektrischen Spannungsquelle.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie-Anordnung mit einer ein Batteriegehäuse aufweisenden Batterie sowie mit einem vorangehend vorgestellten Wärmeübertrager zum Temperieren der Batterie, wobei die zweite Abdeckung zum Temperieren der Batterie am Batteriegehäuse anliegt oder einen Teil des Batteriegehäuses der Batterie ausbildet, wobei oder einen Teil des Batteriegehäuses ausbildet. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Wärmeübertragers übertragen sich somit auf die Batterie-Anordnung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Die einzige Figur 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung ein Beispiel eines erfin- dungsgemäßen Wärmeübertragers 1 , der als thermoelektrische Wärmepumpe für eine Batterie-Anordnung verwendet werden kann. Der Wärmeübertrager 1 weist eine erste Abdeckung 2a und eine zweite Abdeckung 2b auf, die einander entlang einer Stapelrichtung S gegenüberliegen. Zwischen den beiden Abdeckungen 2a, 2b ist in der Stapelrichtung S sandwichartig ein Tragrahmen 3 angeordnet. Der Tragrahmen 3 fasst eine Durchgangsöffnung 4 ein, in welcher mehrere thermoelektrische Elemente 22 angeordnet sind.
Wie Figur 1 anschaulich belegt, sind die thermoelektrischen Elemente 22 unter Ausbildung eines Rasters 16 benachbart und im Abstand zueinander in der Durchgangsöffnung 4 angeordnet. In Figur 1 sind exemplarisch sechs thermoelektrische Elemente 22 gezeigt, die Anzahl an thermoelektrischen Elemente 22 kann aber in Varianten des Beispiels variiert werden. Das Raster 16 mit den sechs thermoelektrischen Elementen umfasst im Beispiel der Figur 1 zwei Rasterzeilen 25 und drei Rasterspalten 26. Wie Figur 1 weiter erkennen lässt, können die thermoelektrische Elemente 22 mittels geeigneter Halteelemente 24 in der Durchgangsöffnung 4 gehalten sein. Die thermoelektrischen Elemente 22 sind vorzugsweise als Peltier-Elemente realisiert.
In der ersten Abdeckung 2a ist eine Kanalstruktur 5 mit mehreren Fluidkanälen 6 - in Figur 1 ist deren möglicher Verlauf in der ersten Abdeckung 2a schematisch angedeutet - ausgebildet, die zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet ist. Ein solches Fluid kann ein Kühl- oder Kältemittel sein, welches als Kühlmedium für eine thermisch an den Wärmeübertrager 1 gekoppelte Batterie dient. Besagtes Fluid kann über einen an der ersten Abdeckung 2a seitlich angeordneten Fluidei- nlass 7 in die Kanalstruktur 5 eintreten und über einen ebenfalls seitlich an der ersten Abdeckung 2a angeordneten Fluidauslass 8 wieder aus der Kanalstruktur 5 austreten. In den Fluidkanälen 6 der Kanalstruktur 5 können in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellte Strömungsleitelemente, insbesondere Turbulenzerzeugungselemente, für das durch die Kanalstruktur 5 strömende Fluid angeordnet sein. Dies bewirkt einen verbesserten Wärmeaustausch des Fluids mit den thermoelektrischen Elementen 22.
Die zweite Abdeckung 2b ist als Abdeckplatte 9 realisiert, die wenigstens auf einer vom Tragrahmen 3 abgewandten Seite 10 im Wesentlichen eben ausgebildet ist. Dies erlaubt es, die zweite Abdeckung 2b zur hochwirksamen thermischen Ankopplung flächig am Batteriegehäuse einer mittels des Wärmeübertragers 1 zu temperierenden Batterieeinheit anzubringen. Eine Gehäusewand 1 1 eines solchen Batteriegehäuses der zu temperierenden Batterie ist in Figur 1 in gestrichelter Darstellung angedeutet. Auch die erste Abdeckung 2a kann als Abdeckplatte 27 ausgebildet sein. Eine oder beide Abdeckungen 2a, 2b können als Stanz- oder Blechformteil ausgebildet sein.
An einem gemeinsamen äußeren Umfangsrand 12 des Wärmeübertrages, der durch die beiden Abdeckungen 2a, 2b und den Tragrahmen 3 gebildet ist, können entlang deren Umfangsrichtung U eine Mehrzahl von klammerartigen Befestigungselementen 13 angeordnet sein. Mittels solcher Befestigungselemente 13, die in der Explosionsdarstellung der Figur 1 an der zweiten Abdeckung 2b gezeigt sind, werden die beiden Abdeckungen 2a, 2b sowohl aneinander als auch jeweils gegen den Tragrahmen 3 gedrückt.
Im Tragrahmen 3 sind zusätzlich zur Durchgangsöffnung 4 weitere Durchbrüche 14 vorgesehen, in welchen keine thermoelektrisches Elemente 22 angeordnet sind. Diese Durchbrüche 14 bilden zwischen den beiden Abdeckungen 2a, 2b jeweilige Hohlräume 15 aus, die als thermische Isolation zwischen den beiden Ab- deckungen 2a, 2b wirkt. In Figur 1 ist exemplarisch nur ein einziger Durchbruch 14 dargestellt.
Bevorzugt weist der Tragrahmen 3 ein Rahmenmaterial auf, welches zu mindestens 75% aus einem Kunststoff besteht. Eine dem Tragrahmen 3 zugewandte Seite 17 der ersten Abdeckung 2a, insbesondere der ersten Schicht ist in einem Oberflächenbereich von wenigstens 75% eben ausgebildet. Auf diese Weise wird ein guter thermischer Kontakt der ersten Abdeckung 2a mit den thermoelektri- schen Elementen 22 sichergestellt. Der Tragrahmen 3 ist bevorzugt als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet, in welchem elektrische Leiter 23 zum Versorgen der thermoelektrischen Elemente 22 mit elektrischer Energie aus einer externen elektrischen Energiequelle angeordnet ist. Die elektrischen Leiter, im Beispielszenario nur grobschematisch angedeutet, sind vom Kunststoff des Tragrahmen 3 umspritzt und benötigen daher keine separate, elektrisch isolierende Umhüllung.
Bevorzugt ist die erste Abdeckung 2a zweilagig ausgebildet und besitzt eine mit einer dem Tragrahmen 3 zugewandte erste Schicht und eine vom Tragrahmen 3 abgewandten zweiten Schicht (die beiden Schichten sind in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt). Die Kanalstruktur 5 mit den Fluidkanälen 6 ist vorzugsweise zwischen beiden Schichten ausgebildet.
Zwischen den beiden Abdeckungen 2a, 2b kann eine Dichtungseinrichtung 18 angeordnet sein, welche den durch die Durchgangsöffnung 4 gebildeten Hohlraum gegen die äußere Umgebung 19 des Wärmeübertragers 1 abdichtet. Hierzu kann die Dichtungseinrichtung zwei Dichtungsringe 20 umfassen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten 21 a, 21 b des Tragrahmens 3 angeordnet sind und beide jeweils die Durchgangsöffnung 4 vollständig umlaufend einfassen. Aus dem in Figur 1 dargestellten Blickwinkel ist nur derjenige der beiden Dichtungs- ringe 20 erkennbar, welcher auf der der ersten Abdeckung 2a zugewandten Seite 21 a angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Dichtungsringe 20 aus einem Elastomer hergestellt.

Claims

Ansprüche
1 . Wärmeübertrager (1 ), insbesondere thermoelektrische Wärmepumpe, zum Temperieren einer Batterie,
mit einer ersten und einer zweiten Abdeckung (2a, 2b), zwischen welchen sandwichartig ein Tragrahmen (3) angeordnet ist, der eine Durchgangsöffnung (4) einfasst, in welcher wenigstens ein thermoelektrisches Element (22) angeordnet ist,
wobei in der ersten Abdeckung (2a) wenigstens ein Fluidkanal (6) zum
Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem wenigstens einen Fluidkanal (6) Strömungsleitelemente, insbesondere Turbulenzerzeugungselemente, für das durch den Fluidkanal (6) strömende Fluid angeordnet sind.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Abdeckung (2b) als Abdeckplatte (9) realisiert ist, die wenigstens auf einer vom Tragrahmen (3) abgewandten Seite (10) im Wesentlichen eben ausgebildet ist, so dass sie flächig am Gehäuse einer mittels des Wärmeübertragers (1 ) zu temperierenden Batterieeinheit anbringbar ist.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
an einem äußeren Umfangsrand (12), der durch die beiden Abdeckungen (2a, 2b) und den Tragrahmen (3) gebildet ist, entlang einer Umfangsrichtung (U) des Wärmeübertragers (1 ) eine Mehrzahl von klammerartigen Befestigungselementen (13) angebracht ist, mittels welcher die beiden Abdeckungen (2a, 2b) aneinander und jeweils gegen den Tragrahmen (3) gedrückt sind.
5. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Tragrahmen (3) zusätzlich zur Durchgangsöffnung (4) wenigstens ein weiterer Durchbruch (14) vorgesehen ist, in welchem kein thermoelektrisches Element (22) angeordnet ist, so dass der wenigstens eine weitere Durchbruch (14) zwischen den beiden Abdeckungen (2a, 2b) einen Hohlraum (15) ausbildet, der als thermische Isolation zwischen den beiden Abdeckungen (2a, 2b) wirkt.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Tragrahmen (3) ein Rahmenmaterial aufweist, welches zu mindestens 75% aus Kunststoff besteht.
7. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Abdeckung (2a) zweilagig mit einer dem Tragrahmen (3) zugewandten ersten Schicht und einer vom Tragrahmen (3) abgewandten zweiten Schicht ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Fluidkanal (6) zwischen den beiden Schichten ausgebildet ist.
8. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine dem Tragrahmen (3) zugewandte Seite (17) der ersten Abdeckung (2a), insbesondere der ersten Schicht, in einem Oberflächenbereich von wenigstens 75%, vorzugsweise vollständig, eben ausgebildet ist.
9. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine thermoelektrische Element (22) ein Peltier-Element ist.
10. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zwei thermoelektrische Elemente (22), vorzugsweise eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen (22), benachbart zueinander in der Durchgangsöffnung (4) angeordnet sind und mittels jeweiliger Halteelemente (24) in der Durchgangsöffnung (4) gehalten sind.
1 1 . Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen den beiden Abdeckungen (2a, 2b) eine Dichtungseinrichtung (18) angeordnet ist, welche den durch die Durchgangsöffnung (4) gebildeten Hohlraum gegen die äußere Umgebung (19) des Wärmeübertragers (1 ) abdichtet.
12. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (18) zwei Dichtungsringe (20) umfasst, die auf einander gegenüberliegenden Seiten (21 a, 21 b) des Tragrahmens (3) angeordnet sind und beide jeweils die Durchgangsöffnung (4) vollständig umlaufend einfassen.
13. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Tragrahmen (3) als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet ist, in welchem wenigstens ein elektrischer Leiter (23) zum Versorgen des wenigstens einen thermoelektrischen Elements (22) mit elektrischer Energie aus einer externen elektrischen Energiequelle angeordnet ist,
wobei der wenigstens eine elektrische Leiter (23) von dem Kunststoff des Tragrahmens (3) umspritzt ist.
14. Batterie-Anordnung,
mit einer ein Batteriegehäuse aufweisenden Batterie,
mit einem Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Abdeckung (2b) des Wärmeübertragers (1 ) zum Temperieren der Batterie am Batteriegehäuse anliegt oder einen Teil des Batteriegehäuses ausbildet.
*****
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