ES3062089T3 - Liquid filled heat exchanger for cylindrical battery cells - Google Patents

Liquid filled heat exchanger for cylindrical battery cells

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ES3062089T3
ES3062089T3 ES21195062T ES21195062T ES3062089T3 ES 3062089 T3 ES3062089 T3 ES 3062089T3 ES 21195062 T ES21195062 T ES 21195062T ES 21195062 T ES21195062 T ES 21195062T ES 3062089 T3 ES3062089 T3 ES 3062089T3
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Qoolers S R O
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Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas
[0003] Campo técnico
[0004] La invención se refiere al campo de los intercambiadores de calor, en particular para refrigerar o calentar celdas de batería cilindricas (acumuladores), que están dispuestas una al lado de otra o una encima de otra para formar un módulo de batería, que se usa, por ejemplo, en vehículos eléctricos como fuente de energía. Más específicamente, se refiere a un intercambiador de calor que contiene tubos de polímero con canales integrados a través de los cuales fluye el medio regulado térmicamente.
[0005] Antecedentes de la invención
[0006] Actualmente, se usan intercambiadores de calor de aluminio para la regulación térmica de celdas de batería cilindricas y conjuntos de las mismas en módulos de batería. Estos intercambiadores de calor están compuestos por tubos de aluminio extrudido provistos de aislamiento eléctrico y unidos mutuamente por cámaras de conexión de entrada y salida, que completan y cierran el circuito interno del intercambiador de calor en el que fluye el medio líquido de transferencia de calor, normalmente una mezcla de agua y glicol. Los tubos extrudidos de refrigeración con aislamiento eléctrico están preformados y colocados entre las celdas de batería individuales.
[0007] La funcionalidad requerida del intercambiador de calor y la eficacia de la transferencia de calor entre los tubos de refrigeración y las celdas de batería refrigeradas dependen de su contacto permanente y del tamaño del área de transferencia de calor, el grosor y la transmitancia térmica del aislamiento eléctrico. El tamaño del área de transferencia de calor también depende de la flexibilidad y el radio de flexión mínimo resultante del tubo de transferencia de calor, lo que permite una mejor conformación del tubo alrededor de las celdas de batería. Como resultado de la vibración, las tensiones térmicas y de compresión durante el funcionamiento, se forman grietas en los puntos de unión entre las cámaras de aluminio y los tubos soldados a las mismas, que posteriormente filtran el medio de refrigeración, lo que provoca un fallo crítico de todo el sistema.
[0008] Para garantizar un área de transferencia de calor suficiente y un contacto permanente, se imponen altas exigencias sobre la precisión de la producción de los tubos de refrigeración y todos los componentes refrigerados, lo que da como resultado un aumento de los costes de producción. La diferente expansión térmica de los componentes individuales colocados cerca del intercambiador de calor puede causar temporalmente una pérdida de contacto de las áreas de transferencia de calor o, en el caso opuesto, una deformación no deseada del intercambiador de calor y la posterior formación de una grieta y fugas del medio. El uso de intercambiadores de calor de aluminio provoca un aumento significativo indeseable en el peso y las dimensiones de superficie ocupada de los módulos de batería.
[0009] Todos los componentes hechos de materiales eléctricamente conductores y en áreas donde existe el riesgo de cortocircuitar el módulo de batería deben estar provistos de aislamiento eléctrico, lo que aumenta los costes de producción, el peso y las dimensiones de superficie ocupada y reduce la eficacia de la transferencia de calor. El objetivo de la presente invención es crear un intercambiador de calor compacto para celdas de batería cilindricas que tendrá una mayor eficacia de transferencia de calor y, por tanto, un mayor rendimiento térmico con la capacidad de absorber eficazmente la vibración y la expansión térmica de los componentes individuales sin la necesidad de aislamiento eléctrico adicional de los componentes individuales. Al mismo tiempo, se reducen los requisitos de peso, dimensiones de superficie ocupada y precisión de producción.
[0010] El documento WO 2020/192807 A1 es la técnica anterior bajo el Art. 54(3) EPC y no divulga ninguna abertura unida a la cavidad de colector para la aplicación de ningún cierre.
[0011] Sumario de la invención
[0012] El objetivo mencionado anteriormente se logra mediante un intercambiador de calor para celdas de batería cilindricas como se define en la reivindicación 1, cuya esencia son tubos de polímero con canales integrados, a veces también llamados tubos "multipuerto", cuyos dos extremos se abren en un único colector con dos canales integrados. El suministro y drenaje del líquido de transferencia de calor se proporciona mediante puertos de entrada y salida que conectan el intercambiador de calor al circuito de refrigeración del vehículo. Las cámaras de entrada y salida conectan los puertos al colector y dirigen el flujo del líquido de transferencia de calor. Los tubos de polímero están conectados al colector por medio de un cierre que es capaz de absorber la vibración y la expansión térmica de los componentes individuales. Un extremo del tubo de polímero se une a la cámara de entrada por medio de un canal integrado del colector, y el otro extremo del tubo de polímero se une a la cámara de salida por medio de un canal integrado del colector, y en el que el tubo de polímero está en contacto con un conjunto de al menos dos celdas de batería cilindricas. El colector comprende una cavidad del colector conectada al canal integrado del colector, en el que el tubo de polímero pasa a través de toda la cavidad del colector y está conectado por su extremo al canal integrado del colector, y que la cavidad del colector define un espacio alrededor del tubo de polímero y comprende un cierre, en el que el cierre llena el espacio de la cavidad alrededor de toda la circunferencia del tubo de polímero. Todo el intercambiador de calor puede estar hecho de materiales eléctricamente no conductores y, por lo tanto, no necesita aislamiento eléctrico adicional.
[0013] De acuerdo con la reivindicación 2, uno de los dos canales integrados en el colector está provisto de una válvula de purga, que está ubicada en el punto más alto del intercambiador de calor después de que el intercambiador de calor se instala en el módulo de batería, permitiendo, por tanto, que el intercambiador de calor se llene correcta y completamente con líquido.
[0014] El perfil específico y el pequeño grosor de pared del tubo de polímero con los canales integrados permiten una fácil conformación alrededor de las celdas de batería y una transferencia de calor más eficaz entre el líquido de transferencia de calor que fluye en el tubo de polímero y las celdas de batería, que están en contacto estrecho y, gracias a la flexibilidad de los polímeros, permanente. En ningún punto del tubo de polímero se colapsa el perfil y posteriormente se ciega, se agrieta o se daña de otra manera.
[0015] Esto crea un intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas con un rendimiento significativamente mayor, menor peso y costes de producción, dimensiones más compactas y sin la necesidad de aislamiento eléctrico adicional. El espacio, el peso y el dinero ahorrado se pueden usar para aumentar el número de celdas de batería y el uso de una válvula de purga simplifica el llenado del intercambiador de calor sin la necesidad de manipulación adicional.
[0016] Descripción de los dibujos
[0017] La invención se aclarará adicionalmente usando ejemplos de posibles modos de realización del intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas.
[0018] Variante n.° 1 que no forma parte de la invención:
[0019] Fig. 1. - una vista axonométrica del despiece del conjunto de un posible modo de realización del intercambiador de calor.
[0020] Fig. 2. - una sección longitudinal a través del centro del 1<o>de los 2 canales integrados de un colector.
[0021] Fig. 3. - una sección transversal a través de una brida y tubos de polímero.
[0022] Variante n.° 2 que no forma parte de la invención:
[0023] Fig. 4. - una vista axonométrica del despiece del conjunto de un posible modo de realización del intercambiador de calor.
[0024] Fig. 5. - una sección longitudinal a través del centro del 1<o>de los 2 canales integrados de un colector.
[0025] Fig. 6. - una sección transversal a través de bridas y tubos de polímero.
[0026] Variante n.° 3 que forma parte de la invención:
[0027] Fig. 7. - una vista axonométrica del despiece del conjunto de un posible modo de realización del intercambiador de calor.
[0028] Fig. 8. - una sección longitudinal a través del centro del 1<o>de los 2 canales integrados de un colector.
[0029] Fig. 9. - una sección transversal a través del colector, el cierre y los tubos de polímero.
[0030] Fig. 10. - secciones transversales de dos tubos de polímero diferentes con canales integrados.
[0031] Modo de realización ejemplar de la invención
[0032] Los modos de realización 1 y 2 mostradas en la fig. 1 a la fig. 6 no están dentro del alcance de la presente invención como se describe en la reivindicación 1 y solo sirven para una mejor comprensión de la invención. El intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas, con el despiece del conjunto que se muestra en la fig. 1 , consiste en cuatro tubos de polímero 2 con canales integrados, cuyos dos extremos se hacen pasar primero a través de aberturas designadas en una brida 9 y a continuación a través de ocho cierres 8, que a continuación se colocan en ranuras en la brida 9. La brida 9, al unir un colector 1_, crea presión sobre el cierre 8 y sella mutuamente la brida 9 al colector 1_ y los extremos de los cuatro tubos de polímero 2 a los canales integrados. Una cámara de entrada 6 y una cámara de salida 7 están conectadas al colector 1_, por ejemplo, mediante soldadura por vibración, encolado o una unión mecánica. El colector 1_ está provisto de una válvula de purga 4 con un cierre de la válvula 5. La brida 9 está conectada al colector 1_ mediante cuatro uniones roscadas 10. Este tipo de unión puede reemplazarse por soldadura, encolado u otras uniones mecánicas. Las celdas de batería cilindricas 3 se asientan entre los tubos de polímero 2 con los canales integrados de modo que se logra un contacto estrecho entre las áreas de transferencia de calor y se ahorra espacio.
[0033] En la fig. 2, se muestra una sección longitudinal a través del centro de uno de los dos canales integrados del colector 1_, junto con el detalle B del asiento del cierre 8 en la ranura en la brida 9 y el cierre del colector 1 y el tubo de polímero 2 con los canales integrados. La sección longitudinal muestra la más eficaz: una de las dos variantes de asiento de los tubos de polímero 2 con los canales integrados entre las celdas de batería 3. En la fig. 3, se muestra una sección transversal a través de la brida 9 y los tubos de polímero 2 con los canales integrados, que muestra las cuatro uniones roscadas 10 de la brida 9 y el colector 1, que pueden reemplazarse, por ejemplo, por una unión de conformación adecuada, soldadura o encolado.
[0034] Una variante similar del intercambiador de calor para celdas de batería cilindricas llenas de líquido, con el despiece del conjunto que se muestra en la fig. 4, consiste en cuatro tubos de polímero 2 con los canales integrados, cuyos extremos se hacen pasar primero a través de las aberturas designadas en las bridas 12 y a continuación a través de los cierres 8, que a continuación se colocan en ranuras en las bridas 12. La brida 12, al unir el colector 1_1_, crea presión sobre el cierre 8 y sella mutuamente las bridas 12 al colector 1_1 y los extremos de los cuatro tubos de polímero 2 a los canales integrados. La cámara de entrada 6 y la cámara de salida 7 están conectadas al colector 1_1_, por ejemplo, mediante soldadura por vibración, encolado o una unión mecánica. El colector 1_1 está provisto de la válvula de purga 4 con el cierre de la válvula 5. Las bridas 12 están conectadas individualmente al colector 1_1 por medio de una unión de conformación. Este tipo de unión puede reemplazarse por soldadura, encolado u otras uniones mecánicas. Las celdas de batería cilindricas 3 se asientan entre los tubos de polímero 2 con los canales integrados de modo que se logra un contacto estrecho entre las áreas de transferencia de calor y se ahorra espacio.
[0035] En la fig. 5, se muestra una sección longitudinal a través del centro de uno de los dos canales integrados del colector 1_1_, junto con el detalle D del asiento del cierre 8 en la ranura en la brida 12 y el cierre del colector 1_1 y el tubo de polímero 2 con los canales integrados y la unión de conformación de la brida 12 con el colector 1_1_. En la fig. 6, se muestra una sección transversal a través de la brida 12 y los tubos de polímero 2 con los canales integrados, que muestra los dos canales integrados del colector 1_1 y su conexión a la cámara de entrada 6, los dos extremos de los tubos de polímero 2 con los canales integrados y la cámara de salida 7, que es idéntica a la primera variante del intercambiador de calor para celdas de batería cilindricas llenas de líquido, con el despiece del conjunto que se muestra en la fig. 1.
[0036] Una variante similar del intercambiador de calor para celdas de batería cilindricas llenas de líquido, con despiece del conjunto que forma parte de la invención, que se muestra en la fig. 7, consiste en cuatro tubos de polímero 2 con canales integrados, cuyos extremos se insertan primero en las aberturas respectivas en el colector 13 y a continuación el cierre 14 se aplica a través de las aberturas de entrada 14a en el colector 13 en cavidades del colector 13 alrededor de los tubos de polímero 2 con los canales integrados. El cierre se puede aplicar mediante fundición o moldeo por inyección. El cierre aplicado se adhiere a la superficie del colector 13 y los tubos de polímero 2 con los canales integrados y sella los componentes entre sí. La cámara de entrada 6 y la cámara de salida 7 están conectadas al colector 13, por ejemplo, mediante soldadura por vibración, encolado o una unión mecánica. El colector 13 está provisto de la válvula de purga 4 con el cierre de la válvula 5. Las celdas de batería cilindricas 3 se asientan entre los tubos de polímero 2 con los canales integrados de modo que se logra un contacto estrecho entre las áreas de transferencia de calor y se ahorra espacio.
[0037] En la fig. 8, se muestra una sección longitudinal a través del centro de uno de los dos canales integrados del colector 13, junto con el detalle E del asiento del cierre 14 en las cavidades en el colector 13 y el cierre del colector 13 y el tubo de polímero 2 con los canales integrados.
[0038] En la fig. 9, se muestra una sección transversal a través del colector 13, el cierre 14 y los tubos de polímero 2 con los canales integrados, que muestra los dos canales integrados del colector 13 y su conexión a la cámara de entrada 6, ambos extremos de los tubos de polímero 2 con los canales integrados, y la cámara de salida 7. También se muestran ocho aberturas de entrada 14a y ocho aberturas de purga 14b en el colector 13, a través de las cuales se aplica el cierre 14. El número, la conformación, el tamaño, la ubicación y otros parámetros de las aberturas de entrada 14a y las aberturas de purga 14b se pueden ajustar libremente para adaptarse a las necesidades de la aplicación del cierre.
[0039] Una variante similar del intercambiador de calor para celdas de batería cilindricas llenas de líquido puede formarse a partir de cualquier número de tubos de polímero 2 con los canales integrados, cuyos extremos están conectados a dos colectores diferentes o a dos colectores idénticos con cualquier número de canales integrados en los colectores individuales. Esta se puede usar preferentemente para la aplicación de flujo de líquido bidireccional alrededor de las celdas de batería 3, en la que el asiento y la conexión de los tubos de polímero 2 con los canales integrados a los colectores por medio de los cierres 8 o 14 y las bridas 9 o 12 es idéntico a las variantes anteriores.
[0041] El tubo de polímero 2 con los canales integrados es el componente por medio del cual se intercambia calor entre las celdas de batería 3 y el medio de transferencia de calor, el líquido que fluye a través de los canales integrados y luego a través del intercambiador de calor hasta el circuito de refrigeración del vehículo. El tubo de polímero 2 con los canales integrados se caracteriza por su perfil, dos variantes del cual se muestran en la fig. 10. La anchura del perfil a en el punto del canal integrado es siempre mayor que la anchura del perfil c en el punto de estrechamiento entre los dos canales integrados. Al mismo tiempo, la distancia entre los canales individuales d es mayor o igual que el grosor de la pared b. Esto da como resultado dos o más áreas de transferencia de calor y/o tangentes del tubo de polímero 2 con los canales integrados con un grosor reducido de la pared b de menos de 0.5 mm mientras se mantiene una alta resistencia a la presión interna y flexibilidad espacial con un radio de flexión muy pequeño. El tubo de polímero 2 con los canales integrados puede estar hecho de polímeros y materiales compuestos de polímero mediante un procedimiento de extrusión o puede modificarse a la conformación final mediante un alargamiento posterior.
[0043] Los colectores 1, H y 13 son componentes que proporcionan una distribución y dirección uniformes del líquido en los canales integrados individuales en los tubos de polímero 2 y en el otro extremo de los mismos, también recogen y drenan el líquido a través de los puertos y cámaras conectados. Los colectores 1, H y 13 pueden estar hechos de polímeros y materiales compuestos de polímero mediante moldeo por inyección o pueden estar hechos de materiales metálicos, compuestos por varias partes moldeadas que están conectadas por soldadura blanda, o hechas por fundición y a continuación provistas de aislamiento eléctrico.
[0045] La cámara de entrada 6 y la cámara de salida 7 son componentes que proporcionan una reducción de conformación compleja entre el puerto y el colector, mientras distribuyen y dirigen el líquido hacia el colector 1_. Los sensores, soportes y/o válvulas de purga 4 pueden colocarse preferentemente en la cámara de entrada 6 y la cámara de salida 7. La cámara de entrada 6 y la cámara de salida 7 pueden estar hechas de polímeros y materiales compuestos de polímero mediante moldeo por inyección o pueden estar hechas de materiales metálicos, compuestos por varias partes moldeadas que están conectadas por soldadura blanda, o hechas por fundición o hidroformado y a continuación provistas de aislamiento eléctrico.
[0047] Las bridas 9 y 12 son componentes que garantizan una compresión y posición constantes del cierre 8. Para lograr el propósito de la brida, son necesarias su rigidez y resistencia espaciales, que pueden optimizarse mediante nervaduras, depresiones o, por ejemplo, mediante la inserción adecuada de insertos metálicos en el material básico. La brida 9 se puede dividir en varias bridas más pequeñas, y asimismo varias bridas 12 se pueden unir en una única brida. Las bridas 9 y 12 pueden estar hechas de polímeros y materiales compuestos de polímero mediante moldeo por inyección o pueden estar hechas de materiales metálicos, compuestos por una o más partes moldeadas que pueden conectarse mediante soldadura blanda, remachado o soldadura o pueden fabricarse mediante fundición y a continuación provistas de aislamiento eléctrico.
[0049] El cierre 8 es un componente que proporciona el cierre entre la unión del tubo de polímero 2 con los canales integrados y los colectores 1. y 1_1- Él cierre 8 puede estar hecho de elastómeros o materiales compuestos, por ejemplo, mediante moldeo o moldeo por inyección. El cierre 8 se puede aplicar directamente al tubo de polímero 2 con los canales integrados, o el tubo de polímero 2 con los canales integrados se puede extraer a través de la abertura en el cierre 8 con una conformación adaptada al perfil del tubo de polímero 2 con los canales integrados.

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES
1. Un intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas que comprende al menos un tubo de polímero (2) que comprende canales integrados para el flujo de un medio de transferencia de calor, al menos un colector (13) que comprende canales integrados para entrada y salida, una cámara de entrada (6) unida al colector (13), y una cámara de salida (7) unida al colector (1), en el que un extremo del tubo de polímero (2) está unido a la cámara de entrada (6) por medio de un canal integrado del colector (13) y el otro el extremo del tubo de polímero (2) está unido a la cámara de salida (7) por medio de un canal integrado del colector (13), y en el que el tubo de polímero (2) está en contacto con un conjunto de al menos dos celdas de batería cilindricas (3),caracterizado por queel colector (13) comprende una cavidad del colector (13) a través de la cual el tubo de polímero (2) pasa al canal integrado del colector (13), en el que la cavidad del colector define un espacio alrededor del tubo de polímero (2) y comprende un cierre (14), en el que el cierre (14) llena el espacio de la cavidad alrededor del tubo de polímero (2), y en el que el colector (13) comprende al menos una abertura de entrada (14a) unida a la cavidad del colector (13).
2. El intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas de la reivindicación 1,caracterizado por queel colector (13) comprende al menos una abertura de purga (14b) unida a la cavidad del colector (13).
3. El intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas de las reivindicaciones 1 a 2,caracterizado por queel perfil del tubo de polímero (2) con los canales integrados es más ancho en los niveles de los centros de los canales integrados del tubo de polímero (2) que en los niveles de los centros de la distancia entre dos canales integrados contiguos del tubo de polímero (2), en el que el grosor de la pared del tubo de polímero (2) es inferior a 0,5 mm y la distancia entre los canales integrados individuales del tubo de polímero (2) es mayor o igual que el grosor de la pared del tubo de polímero (2).
4. Un procedimiento de fabricación del intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas de las reivindicaciones 1 a 3,caracterizado por queel extremo del tubo de polímero (2) se inserta en primer lugar en el canal integrado del colector (13) a través de la cavidad del colector (13) y, a continuación, la cavidad del colector (13) se llena con el cierre (14).
5. El procedimiento de fabricación del intercambiador de calor lleno de líquido para celdas de batería cilindricas de la reivindicación 4,caracterizado por queel cierre (14) se aplica en la cavidad del colector (13) a través de una abertura de entrada (14a) unida a la cavidad del colector (13), en el que la válvula de purga elimina el aire de la cavidad del colector (13) durante la aplicación del cierre (14).
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