热交换器.pdf

本发明涉及一种热交换器(10)，尤其是用于机动车的热交换器，其具有至少一个用来生成热流的热电元件(28，28a，28b)，其中，热电元件(28，28a，28b)设置在承载元件(30，52，65)上，多个沿着堆垛轴线(50)相叠设置的承载元件(30，52，65)构成承载元件堆垛(12，80)，在该承载元件堆垛中设置有用于第一流体的第一流体通道(16)以及用于第二流体的第二流体通道(18)，该第二流体通道在流体方面设置得与第一流体通道(16)分隔开来。

权利要求书1.  一种热交换器，尤其是用于机动车的热交换器，其具有至少一个用来 生成热流的热电元件(28，28a，28b)，其特征在于，热电元件(28，28a，28b) 设置在承载元件(30，52，65)上，多个沿着堆垛轴线(50)相叠设置的承 载元件(30，52，65)构成承载元件堆垛(12，80)，在该承载元件堆垛中设 置有用于第一流体的第一流体通道(16)以及用于第二流体的第二流体通道 (18)，该第二流体通道(18)在流体方面设置得与第一流体通道(16)分隔 开来。 2.  根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，设置有底部元件和盖 板元件，它们从端侧封闭承载元件堆垛(12)。 3.  根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，承载元件(30， 52，65)具有合成材料的框架，第一流体通道(16)和第二流体通道(18) 设置在该合成材料的框架中。 4.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，承载元 件(30，52，65)具有基本上呈多边形的，尤其是长方形或八边形的外边界 线。 5.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，承载元 件构成为平坦的构件，其中，承载元件的平行于堆垛轴线的高度小于在承载 元件平面中平面伸展的尺寸。 6.  根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，承载元 件具有多个通过支柱和接块的布局构成的窗口。 7.  根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，在承载 元件(30，52，65)中设置隔离装置(40a，40b，40c，40d，78)，第一流体通 道(16)和第二流体通道(18)借助该隔离装置分别在热量和机械方面相互 隔开。 8.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，第一流 体通道(16)和第二流体通道(18)分别具有第一和第二局部流体通道，第 一和第二局部流体通道分别能够通过承载元件(30，52，65)中的至少一个 溢流孔(76)彼此相连。 9.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，在底部 元件和/或盖板元件上设置连接元件，用来将第一和/或第二流体通道(16，18) 与第一和/或第二流体循环连接起来。 10.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，热电元 件(28，28a，28b)构成为帕尔贴元件。 11.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，热电元 件(28，28a，28b)与承载元件(30，52，65)力锁合地或材料锁合地相连， 尤其是压合或粘贴。 12.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，在承载 元件堆垛(12)的承载元件(30，52，65)和/或承载元件(30，52，65)和 热电元件(28，28a，28b)之间设置液密的连接。 13.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，相叠堆 积的承载元件(30，52，65)相同地定向，或者设置为朝堆垛轴线(50)分 别扭转90°。 14.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，设置扁 管(48)，它们与热电元件(28，28a，28b)接触并且与承载元件(30，52， 65)液密地相连。 15.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，承载元 件(30，52，65)由一种材料构成，该材料包括合成材料和/或多个材料元件。 16.  根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，承载元 件堆垛(12)由异型管包围。

说明书热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，尤其是用于机动车的热交换器，其尤其用来 调节至少一个储能元件的温度。
背景技术
在应用现代纯电力驱动的机动车时，由于电池的贮能密度小，所以只能 提供有限的能量。因此尤其在继续推进机动车的电气化时，尤其与机动车的 加热和冷却任务有关的能源效率起重要作用。例如，如果在冬天需要能量来 加热机动车车厢，则这一点例如可能相应地降低机动车的巡航距离。因此以 下理念非常有意义，即由电池提供的电能不仅能100％地转化成热能，而且还 通过在热泵工艺中应用热泵达到比“1”更高的能效比(COP)，或者通过利用来 自车辆或周围环境的余热来达到更高的COP。
在机动车的有效热管理中，例如为了发动机或其它机组的冷却目的或加 热目的，应用了冷却剂，该冷却剂作为流体在机动车的冷却系统中循环。已 知热电元件(例如帕尔贴元件)来实现电冷却功能，其中在借助热电元件来 加热的情况下也能够泵出能效比大于“1”的热量。
热泵具有热交换器，该热交换器借助热电元件(TE-元件)使来自第一流 体流的废热和/或余热提高到第二流体中的更高温度水平，并且作为有用热量 提供。该有用热量则可例如用作加热体，并因此可用来加热车辆车厢。
此外还有意义的是，例如在电动车或混合动力车中应用现代高性能电池 (其由一些单个电池单元构成)，这些高性能电池的温度在机动车运行时处于 一定的温度范围内，以确保电池和/或机动车的效率、功能和安全性。一方面 当低于适当的运行温度时，电池单元的效率会非常明显地下降，并且这些电 池单元会产生很高的损耗功率。另一方面，如果在适当的温度范围之上运行， 电池内部发生反应，则会导致不可逆转的损坏。此外，为了避免单个电池单 元的不均匀的且随之增强的老化，单个电池单元内部以及整个电池结构中的 温差不应该超过特定的预先设定的极限值。由于此原因，必须以冷却或加热 的形式来调节电池温度。
还已知具有两个流体侧的热交换器，从而能够实现两个独立的循环，来 调节机动车的不同部件的温度。这种热交换器以分层构造方式来设计，其中 两个流体侧通过热电元件彼此接触。这种热电元件例如通过DE 10 2009 058 673 A1已知，其中，在给热电元件通电流时，热量从一个流体泵向另一流体， 但这些流体不会接触或混乱。一流体侧在此是用来调节机动车的部件(例如 电池或高压电池)的温度的流体循环的一部分。另一流体侧是用来调节至少 另一部件的温度和/或用来在流体循环和周围环境之间进行热量转换的流体循 环的一部分。
此外，还已知以对流构造方式应用的热交换器，其中冷却剂流主要在封 闭的金属部件(例如平板，金属片)中引导。然后，该热量能够通过导热触 点(例如借助胶粘剂)从该板传递到热电元件上。这些金属部件事先由单个 零件组接而成，并且通过钎焊工艺形成液密的连接。有利的是，这一点能够 在热电元件与这些部件接触之前完成。用来连接单个部件的钎焊工艺是成本 密集的，并且在不适当地实施时可能导致部件系统的泄露。
发明内容
本发明的目的是发明一种改善的热交换器，它能够根据需要对部件进行 冷却和加热，和/或它能够当作热泵来用。
这一点通过具有以下特征的热交换器得以实现：具有至少一个用来生成 热流的热电元件，其中该至少一个热电元件设置在承载元件上，其中多个沿 着堆垛轴线相叠设置的承载元件构成承载元件堆垛，在该承载元件堆垛中设 置有用于第一流体的第一流体通道以及用于第二流体的第二流体通道，该第 二流体通道在流体方面设置得与第一流体通道分隔开来。
第一流体通道优选是第一流体循环的一部分，并且可用来调节外部部件 或热电元件的温度。第二流体通道优选是第二流体循环的一部分，其与第一 流体循环在流体方面分隔开来。第一和第二流体循环典型地与热交换器的承 载元件堆垛的堆垛轴线平行地延伸。借助第一流体能够将热量从热电元件中 排出来，其方式是：第一流体至少局部地绕流该热电元件，从而能够生成热 流。第一流体优选绕流或流入热电元件的表面。
这些承载元件优选构成为相同的并因此是重复件，它们能够成本低廉地 制成。承载元件优选构成为相对平坦的构件，其中承载元件的平行于堆垛轴 线的高度小于承载元件平面中的平面伸展的尺寸，该承载元件平面基本上与 堆垛轴线垂直地延伸并且设置在外边界线的内部。具有最大尺寸的承载元件 平面能够具有带窗口的结构，例如能够设置支柱，接块等。承载元件能够作 为注塑件制成。这一点是有利的，因为承载元件堆垛的构造能够简单地调节 且模块化地制造，并因此能够成本低廉地制造热交换器。因此，能够以简单 的安装制造出模块化构成的紧凑的热交换器，其中在很大程度上无需钎焊工 艺来连接单个部件。
热交换器优选具有封闭承载元件堆垛的底部元件和盖板元件。承载元件 堆垛在此可从两侧在纵向延伸方向上沿着堆垛轴线封闭。盖板元件和/或底部 元件在此能够是上方的承载元件或下方的承载元件，并且构成承载热电元件 的承载元件。在此，优选为第一流体循环和/或第二流体循环设置接口(尤其 是连接法兰或连接支管)。该盖板元件和/或底部元件基本上构成为相同的或与 其它承载元件类似，但也可具有不同的构造和/或与承载元件不同的结构。
承载元件尤其优选是合成材料的承载元件并且具有合成材料的框架，第 一流体通道和第二流体通道设置在该合成材料的框架中。该至少一个热电元 件设置(优选于中间)在合成材料的承载元件上。但也可在承载元件(尤其 是合成材料的承载元件)上优选成串地设置多个热电元件。合成材料的承载 元件是重复件，并且能够简单地通过相叠堆积组成承载元件堆垛。
该承载元件在构造方式中具有基本上呈多边形的外边界线。在最简单的 构造方案中，承载元件构成为正方形，并且具有基本上呈正方形的底面，该 底面具有四个侧面，这些侧面构成四个外边界线。在此，侧边线之间的角度 构成为尖角或倒圆的。在特别的构造方案中，承载元件具有八边形的底面， 并且外边界线具有八个侧表面。这些侧表面在此具有不同的长度。
优选在承载元件中设置隔离装置，第一流体通道和第二流体通道能够分 别借助该隔离装置分隔开来。隔离装置优选实现第一和第二流体通道之间的 热隔离。隔离装置例如能够是由非导热材料构成的接块。隔离装置优选与承 载元件构成为一体，并且具有接块或者由承载元件的合成材料构成的接块的 组合。
第一和第二流体通道优选分别具有第一和第二局部流体通道，第一和第 二局部流体通道能够通过承载元件中的至少一个溢流孔相连。第一局部流体 通道和第二局部流体通道在此优选至少逐段地与堆垛轴线平行地延伸。第一 流体通道的第一局部流体通道和第二局部流体通道优选在承载元件上相对而 置，因此通过热电元件能够产生与堆垛轴线垂直定向的局部流。在此优选设 置至少一个溢流孔，第一流体能够借助该溢流孔从第一流体通道的第一局部 流体通道中排出并且能够垂直于堆垛轴线通过热电元件流动，并且设置至少 一个第二溢流孔，它能够使流体进入第一流体通道的第二局部流体通道中。 第二流体通道的第一局部通道和第二局部通道能够借助连接通道相连，该连 接通道在流体方面与第一流体通道的流动路径隔开来。
在底部元件和/或盖板元件上优选设置连接元件，用来将第一和/或第二流 体通道与第一和/或第二流体循环连接起来。流体循环在此能够是机动车的冷 却系统的一部分，但也可构成为单独的与之隔开的冷却循环。
在热交换器的优选的构造方案中，承载元件这样设置，即它们能够在中 心堆积在堆垛轴线的周围。该至少一个热电元件优选关于堆垛轴线居中地设 置。
优选在承载元件和热电元件之间设置液密的连接。它尤其能够通过机械 的连接技术来实现，例如夹子、卡槽、焊接、粘贴或浇铸。
在构造方案中，相叠堆积的承载元件相同地定向，或者设置地朝堆垛轴 线分别扭转90°。承载元件(尤其是相邻的承载元件)能够在垂直于堆垛轴线 的平面中相互相对地以90°、180°或270°的角度扭转地设置。在此，承载元件 优选相互液密地相连，并且承载元件与热电元件液密地相连。
优选能够设置扁管，它们与热电元件处于热接触状态，优选直接与它处 于热接触状态。这些扁管能够液密地与承载元件相连。该热接触优选借助可 导电的胶粘剂建立，其设置在扁管的外壁和热电元件之间。在此有利的是， 第一流体不是直接与热电元件接触。
承载元件优选由一种材料制成，例如由唯一的合成材料制成。除了这种 载体元件以外，该承载元件备选地也可具有多个材料元件。在此，承载元件 可由合成材料的借助注塑制成。在承载元件的合成材料的中也可埋入金属元 件。在此，通过金属元件能够实现热电元件的电连接。该承载元件可机械地 通过嵌入玻璃纤维和/或碳纤维来增强。
该热电元件优选构成为帕尔贴元件。该热电元件优选与承载元件材料锁 合地相连，例如粘贴在一起。热电元件也可力锁合地与承载元件相连，例如 压合。
在加热情况下帕尔贴元件作为热泵用来加热待调温的部件，在冷却情况 下帕尔贴元件可用来冷却相应的部件。通过折回流动方向以给热交换器中的 帕尔贴元件进行不同的通电，能够实现调温。
承载元件堆垛在其外侧上优选由异型管包围，其中该异型管描绘了承载 堆垛的外部特征，该承载堆垛构成管子的内轮廓。在此有利的是，能够在液 密方面提高安全性。该异型管可例如通过激光焊接与承载元件堆垛液密地相 连。
通过下面的附图描述描述其它有利的构造方案。
附图说明
下面以至少一个典型实施例为基础并且借助附图详细地阐述本发明。其 中：
图1在侧视图中示出了具有承载元件的热交换器的示意视图；
图2在俯视图中示出了具有热电元件的承载元件的示意视图；
图3在俯视图中示出了热交换器的承载元件的透视图；
图4在从上方看的透视图中示出了按本发明的由按图3的堆叠的承载元 件构成的热交换器的实施例；
图5在透视的俯视图中示出了承载元件的另一实施例；
图6示出了按图5的无热电元件的承载元件；
图7在透视的俯视图中示出了由热交换器的按图5和图6的承载元件构 成的承载元件堆垛；
图8在透视的俯视图中示出了具有承载元件的堆垛层的另一实施例；
图9在透视的俯视图中示出了图8的承载元件的承载元件单元；
图10在透视的俯视图中示出了按本发明的具有合成材料的框架和热电 元件的热交换器的承载元件堆垛。
具体实施方式
图1在示意性的侧视图中示出了热交换器10，它具有由堆垛片14构成的 堆垛12，并且具有用于第一流体的流体通道16和用于第二流体的流体通道 18。
流体的流动路径分别用箭头17(流体1)和19(流体2)来表示。流体 通道16和流体通道18在流动方面是分开的并且分别引导流体(流体1和流 体2)，其中流动路径17和19是隔开的。此外，还设置有用于流体通道16的 接口20和22以及用于流体通道18的接口24和26。该堆垛12具有热电元件 28(在图2中示出)。
图2在俯视图中示出了热交换器10。相同的物体用相同的附图标记表示。 该热电元件28遮盖了堆垛层14的大部分表面，该堆垛层还具有流体通道16 和18。
在一实施例中，热交换器10也可称为水调温器(Wasserkonditionierer)。 它是按交叉流动-热交换器的原理构成的。在此，第一流体通道16和第二流体 通道18至少局部地交叉。在另一实施例中，热交换器10也可称为余热利用 器(Rekuperator)。
热电元件28设置在承载元件30上，并且优选与之至少机械地相连。热 电元件28优选设置在承载元件30的中心。但也可在承载元件30上设置超过 一个的热电元件28，它们并排设置并且串联起来。流体通道16和18分别设 置在承载元件30的边缘区域32上。
图3在透视的俯视图中示出了具有热电元件28的承载元件30的第一实 施例。承载元件30具有框架34，该框架是外部边界并因此是承载元件30的 外边界线36。外边界线36在此实施例的承载元件30中是四边形的，并且具 有四个侧边线36a，36b，36c，36d。这些侧边线36a，36b，36c，36d中分别 邻接的侧边线是相连的，并且构成连接元件38a，38b，38c，38d，因此外边 界线或外轮廓36是构成为一体的。该连接元件38a，38b，38c，38d能够具有 倒圆的轮廓(在此实施例中)或有角度的轮廓。从该角部元件38a，38b，38c， 38d出发设置有隔离装置40a，40b，40c，40d，分别相邻设置的流体通道16， 18借助这些隔离装置能够在热量和流体方面分隔开来。从这些侧边线36a， 36b，36c和/或36d出发设置有至少一个接块44a，44b，44c，44d，它用来提 高刚性。从而提高了承载元件的牢固性。
第二轮廓线(内轮廓线46)设置得与外边界线36平行并且与它间隔开来。 在此，这些接块44a，44b，44c和44d和/或隔离装置40a，40b，40c和40d 设置在外边界轮廓36和内轮廓46之间。这些轮廓36和46根据将它们连接 起来的接块44的位置相互间隔开来。热电元件28基本上设置在内部轮廓46 的中心。在图2的实施例中，热电元件28是第一热电元件28a，并且第二热 电元件28b可设置在第一热电元件28a下方，其中在两个热电元件28a和28b 之间设置有扁管48。该扁管48优选与第一和第二热电元件28a和28b在热量 方面相连。该扁管48在每个堆垛平面中将用于第二流体的流体通道18的两 侧连接起来。第一流体可通过内部轮廓46中的孔口流过扁管48，并且抵达流 体通道16。
图4示出了热交换器10的承载元件堆垛12，其由按图3的承载元件30 组成。承载元件堆垛12具有承载元件30，它沿着堆垛轴线50设置有单个的 堆垛层14，该堆垛层由按图3的第一实施例的承载元件30构成。在图3中为 了使视图清晰，从热交换器10中只示出了承载元件堆垛12，没有示出底部元 件和盖板元件。堆垛12具有图3所示的承载元件30作为堆垛层，该堆垛层 这样沿着堆垛轴线相叠地设置或者相互堆积，即流体通道16和18能够在纵 向延伸方向上并且基本上与中间轴线50平行地延伸。流体通道16和流体通 道18基本上相互平行地延伸。设计成帕尔贴元件的热电元件28设置在承载 元件30上，且优选设置在中间，因此流体通道16和18设置在热电元件28 的周围。每个相邻的承载元件30分别围绕堆垛轴线50相互扭转90°设置。承 载元件30相互液密地连接，例如通过压合或粘贴或其它适当的连接技术，因 此流体通道16和18在堆垛轴线50的方向上是液密的。流体通道16和18相 互在承载元件堆垛14的整个纵向延伸上在热量方面借助隔离装置40a，40b， 40c，40d隔离开来。
图5示出了另一实施例中的承载元件52。相同的物体用相同的附图标记 表示。承载元件52具有设置在外轮廓线36内部的承载元件节段54a，54b， 54c，54d，流体通道16和18中的一个分别在这些承载元件节段中延伸，该 外轮廓线基本上具有与承载元件30相同的形状。热电元件28从中间且与堆 垛轴线50同中心地设置，并且承载元件节段54a，54b，54c，54d设置在热电 元件28的周围并且设置在外轮廓线36的内部。
热电元件28设置在承载元件52的图6所示的格栅元件60上，它具有构 成搅流格栅64的肋条，接块62。通过这些肋条和接块62，在承载元件60中 形成一种中空结构，流体能够通过该中空结构流动并且能够沿着热电元件28 的表面流动，从而能够排出产生的热量。在承载元件节段54a，54b，54c，54d 之间设置有隔离装置40a，40b，40c，40d。
图7示出了由承载元件52构成的承载元件堆垛12，无底部元件且无盖板 元件。这些与热电元件28相邻的承载元件52相叠地设置。在承载元件节段 54a，54b，54c和54d之间分别设置有隔离装置40a，40b，40c，40d。
图8在示意性的透视图中示出了另一实施例中的承载元件65。承载元件 65构成为双体的，并且第一上方的承载元件单元64a和第二下方的承载元件 单元64b，其在图9中再次示出。承载元件单元64a具有双体的承载元件节段 66，它包含着第一流体通道16，其从两侧设置在承载元件节段68的周围。中 间的承载元件节段68具有肋条和接块70，它们构成搅流格栅64。热电元件 28这样设置在肋条和接块70上，即它们定位在第一和第二承载元件单元64a 和64b之间。接口72(尤其是朝向热电元件28的电接口72)在第一和第二 承载元件单元64a和64b之间朝外引导，并且该热电元件能够借助该接口72 电接触。
除了双体的承载元件节段66以外，图9所示的第二承载元件单元64b还 具有两个承载元件节段74，第二流体通道18通过这两个承载元件节段进行引 导。承载元件节段74没有接块。在图8和图9的视图中可看到承载元件单元 64a和64b，其在中间的承载元件68和承载元件节段66之间具有溢流通道76， 它们分别设置在中间的承载元件节段68的两侧上。在承载元件节段66和承 载元件节段74之间分别设计有隔离装置78，特别是当承载元件52由非导热 的合成材料制成时，则该隔离装置能够在热量和机械方面将流体通道16和18 隔开来。隔离装置78构成为承载元件64中的凹槽。
图10在示意性的透视图中示出了承载元件堆垛80，它由承载元件单元 64a和64b构成，其方式是：承载元件单元64a和64b交替地相互堆积，其中 堆垛层82分别双体地由承载元件单元64a和64b构成。
承载元件30，52，65的所有实施例都是一起的，即构成框架结构，优选 合成材料的框架设置在热电元件28，28a，28b上。合成材料的框架优选通过 注塑技术制成，并且是一体化的。由承载元件30，53或64构成的承载元件 堆垛12的结构沿堆垛轴线50对齐，即它垂直于承载元件30，52，65的层平 面延伸，并且实现了模块化构成的，具有收集通道的交叉流动-热交换器10， 这些收集通道分别通过流体通道16和18构成。承载元件堆垛12通过底部元 件和盖板元件(未示出)封闭，该盖板元件是用来连接各流体循环的接口20， 22，24，26。在各承载元件30，52，64a，64b或65之间，液密的连接可通 过已知的具有密封元件的连接方法，通过卡锁或夹子连接，通过粘贴，压合 或浇铸以及焊接建立。
此外与图3所示的实施例类似的是，扁管能够直接接触地设置在热电元 件28，28a，28b的热交换的表面上，并且液密地与承载元件30，52，64a， 64b或65相连。扁管8优选由铝或铝合金通过挤压制成。在扁管48之间优选 设置导热的接触物质(例如胶粘剂)。
承载元件30，52，64a，64b除了由简单的合成材料形成以外，还可以由 复合材料形成，其中在承载物质中埋入碳纤维或玻璃纤维。电接口所需的金 属部件同样能够埋入承载元件30，52或64中，因此承载元件30，52或64 包含带金属元件的合成材料的框架，其中承载元件30，52或64构成为一体 的。
此外，承载元件堆垛12的承载元件30，52，64a，64b在外轮廓线36的 周围由异型管包围，从而使堆垛12具有更大的安全性和稳定性。在此，该异 型管优选通过焊接固定在合成材料的框架上。