DE102013007167A1

DE102013007167A1 - Hochstromstecker

Info

Publication number: DE102013007167A1
Application number: DE102013007167.4A
Authority: DE
Inventors: Sven Filipon; Wolfgang Langhoff
Original assignee: Amphenol Tuchel Electronics GmbH
Current assignee: Amphenol Tuchel Electronics GmbH
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-30
Also published as: DE202013011743U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochstromstecker mit einer bifunktionalenen Wärmeabfuhrelementen umfassend: – einen mehrere Kontakte aufweisenden geschirmten Stecker – eine Kontakte aufweisenden Gegenstecker, wobei der Gegenstecker über ein thermisch leitfähiges Gehäuse verfügt, welches über eine flache Wärmeabfuhrfläche zur Kontaktierung und Verbindung mit einer flächigen Wärmesenke verfügt und über eine Konvektionsfläche, wobei sich die Wärmeabfuhrfläche in ihrer Abmessung über die Hüllkontur des Gehäuses hinaus erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochstromstecker gemäß Anspruch 1.
Hochstromstecker kommen auf Grund der vorhandenen Wärmeentwicklung an ihre physikalischen Grenzen, da einerseits der durch Normierung und Standardisierung der Schnittstellen vorgegebene Bauraum und auch der Leitungsquerschnitt limitiert sind.
Andererseits werden beim Einsatz nicht normierter Schnittstellen Probleme der Adaption in den unterschiedlichen Applikationen erwartet.
Ferner sollen immer größere Ströme durch immer kleinere Steckverbinder geführt werden.
Weiter besteht die Forderung nach einem sicheren Betrieb und einer sicheren Steckverbindung der Hochstromstecker mit den daran angeschlossenen Aggregaten und Bauteilen, damit eine funktionsfähige, einwandfrei funktionierende Steckverbindung gewährleistet ist.
Jedoch besteht das Problem der verminderten Stromtragfähigkeit bei Eigenerwärmung des Steckverbinders. Dies ist eine dem Ziel zuwiderlaufende Eigenschaft, dass ein Steckverbinder bei zunehmender Umgebungstemperatur, die auch durch Eigenerwärmung bedingt sein kann, geringere Stromtragfähigkeit aufweist. Dieses unter der Bezeichnung ”Deratingkurve” dargestellte Phänomen zeigt daher das Problem, dass bei zunehmender Wärme ein Verstärkungseffekt durch Eigenerwärmung verursacht werden kann.
Darüber hinaus müssen die gattungsgemäßen Hochstromstecker mechanische Stabilität aufweisen und eine dauerhafte Stromübertragung sowie eine einwandfreie elektrische Isolierung gewährleisten. Ferner besteht insbesondere bei automotiven Anwendungen zunehmend das Bedürfnis, solche Hochstromsteckverbindungen in einer geschirmten Ausführung gegen elektromagnetische Einstrahlung und Abstrahlung auszustatten.
Aufgrund der Vielzahl der Erfordernisse macht dies die Bauform und Konstruktion solcher Hochstromstecker zunehmend komplexer, während allerdings die Anforderungen an immer kleinere Bauformen erhalten bleibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kompakten geschirmten Steckverbinder bereitzustellen, welcher die beim Betrieb auftretende Wärme sicher abführt.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte und Zwischenwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein Hochstromstecker über eine bifunktionale Wärmeabfuhr verfügt. Unter ”bifunktionaler Wärmeabfuhr” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmeabfuhrfunktion zu verstehen, die sowohl gezielt über Wärmeleitung als auch über Wärmekonvektion die Wärme von dem Hochstromstecker wegführt.
Es ist daher Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, einen Hochstromstecker mit einer Wärmekonvektionsfläche, insbesondere durch eine oberflächenvergrößernde Form auf einer Seite des Steckgehäuses vorzusehen, während auf der vorzugsweise gegenüberliegenden Seite eine Wärmeabfuhrfläche zur Kontaktierung und Verbindung mit einer flächigen Wärmesenke bereitgestellt wird, um über Wärmestrom die Wärme zur Wärmesenke abzuleiten.
Auf diese Weise kann einerseits der den Hochstromstecker umgebenden Bauraum als Wärmesenke zur Wärmekonvektion genutzt werden, während eine Befestigungsfläche, insbesondere eine flächige Befestigungsfläche als Wärmeabfuhrfläche dient.
Erfindungsgemäß werden in einer besonders effizienten Ausführungsform sowohl die Wärmeabfuhrfläche als auch die Konvektionsfläche mittels wärmeableitenden Elementen mit den Kontakten verbunden.
Auf diese Weise kann die vorzugsweise an den Kontakten entstehende Wärme unmittelbar über die wärmeableitende Elemente sowohl zur Wärmesenke über die Wärmeabfuhrfläche abgeführt werden, als auch über die Konvektionsfläche zur Umgebung.
Erfindungsgemäß wird daher ein Hochstromstecker mit einer bifunktionalen Wärmeabfuhr bereitgestellt umfassend einen mehrere Kontakte aufweisenden geschirmten Stecker, einen mehrere Kontakte aufweisenden Gegenstecker, wobei der Gegenstecker über einen thermisch leitfähiges Gehäuse verfügt, welches über eine flache Wärmeabfuhrfläche zur Kontaktierung und Verbindung mit einer flächigen Wärmesenke ausgebildet ist und über eine Konvektionsfläche, vorzugsweise an der der Wärmeabfuhrfläche gegenüberliegenden Seite, wobei die Wärmeabfuhrfläche sich in ihrer Abmessung über die Hüllkontur des eigentlichen Gehäuses hinaus erstreckt.
Durch diese Ausbildung einer vergrößerten Wärmeabfuhrfläche gegenüber der Hüllkontur des Gehäuses wird eine besonders effiziente Wärmeabfuhrfläche bereitgestellt, ohne dass die im wesentlichen kompakte Bauform des Hochstromsteckers verändert werden muss.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Gehäuse als Aluminium-Druckguss-Gehäuse ausgebildet, damit einerseits eine einstückige Herstellbarkeit des Gehäuses und damit optimale Wärmeleitübergänge gegeben sind und andererseits durch die geringe Anzahl der Bauteile eine kostengünstige Fertigung gegeben ist.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die Wärmeabfuhrfläche über mindestens eine Seitenfläche des Gehäuses hinaus. In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die Wärmeabfuhrfläche über eine vorzugsweise linke und rechte Seitenfläche des Gehäuses hinaus und bilden die Befestigungsflansche aus.
Die Befestigungsflansche in Verbindung mit der Wärmeabfuhrfläche dienen einer mechanisch festen Verbindung der Wärmeabfuhrfläche mit einer korrespondierenden Gegenfläche einer Wärmesenke, insbesondere, wenn die Befestigungsflansche in einer vorteilhaften Weise mit Befestigungsschrauben ausgestattet sind, lässt sich die Wärmeabfuhrfläche mit hohem Druck an eine korrespondierende Gegenfläche einer Wärmesenke anpressen, wodurch eine besonders gute Wärmeübertragung gewährleistet ist. Auf diese Weise lässt sich der Wärmestrom gezielt in Richtung einer Wärmesenke über die gesamte Wärmeabfuhrfläche lenken.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeabfuhrfläche daher seitlich über das Gehäuse hinausragt und dort Befestigungsflansche ausbildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Befestigungsflansche Befestigungsöffnungen auf, die mit Schrauben ausgebildet sind.
Sofern die Schrauben ferner über ein Feingewinde verfügen, lässt sich die Anzugsspannung bzw. der Druck, mit der die Wärmeabfuhrfläche gegen eine Gegenfläche verschraubt wird, fein justieren.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weist das Gehäuse eine Befestigungsvorrichtung auf, vorzugsweise eine verschraubbare Befestigungsvorrichtung, um dieses mit dem Gehäuses des Steckers zu verschrauben. Auf diese Weise lässt sich das Gehäuse des Steckers und Gegensteckers mechanisch ebenfalls stabil verschrauben, so dass auch ein Wärmeaustausch bzw. ein Wärmefluss zwischen Steckers und Gegenstecker sicher gewährleistet wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die wärmeableitenden Elemente zwischen den Kontakten des Steckers und Gegensteckers und jeweils der Wärmeabfuhrfläche so angeordnet sind, dass die beim Betrieb entstehende Wärme über die wärmeableitenden Elemente zur Wärmeabfuhrfläche transportiert werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein Wärmetransport von den Kontakten sicher zur Wärmeabfuhrfläche gelangt.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weist der Hochstromstecker auf der der Wärmeabfuhrfläche gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ein hervorstehenden Gehäusesattel auf, der über die wärmeleitenden Elemente mit den Kontakten thermisch verbunden ist, wodurch Wärme von den Kontakten mittels Wärmekonvektion von der Außenfläche des Gehäusesattels weggeführt werden kann.
Durch diese Ausbildung wird eine besonders effiziente Wärmeabfuhr bereitgestellt, die auch als bidirektionale oder bifunktionale Wärmeabfuhr bezeichnet wird. Über den Gehäusesattel, der vorzugsweise die Fläche bzw. Oberfläche des Gehäuses vergrößert, fließt von den Kontakten über die wärmeableitenden Elemente die Wärme zu dem Gehäusesattel, von wo aus sie über Wärmekonvektion an die Umgebung abgeführt wird.
Gleichzeitig fließt entstehende Wärme über die wärmeableitenden Elemente zur Wärmeabfuhrfläche, wo sie in folge eines besonders guten Kontaktdruckes an eine korrespondierende Fläche einer Wärmesenke abgeführt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Befestigungsvorrichtung, vorzugsweise die verschraubbare Befestigungsvorrichtung, im Inneren des Gehäusesattels angeordnet.
Auf diese Weise wird einerseits gewährleistet, dass eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Stecker und Gegenstecker vorgesehen ist und andererseits die Wärme vom Stecker bzw. von den Kontakten des Steckers zu dem Gehäusesattel geführt werden kann, wo sie ebenfalls über Wärmekonvektion weggeführt wird bzw. weggeführt werden kann.
Die beschriebene Erfindung löst damit die Aufgabe der gezielten Wärmeabführung und ferner die Optimierung der Stromübertragungsfähigkeit.
Da Hochstromsteckverbindungen insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen an Stellen positioniert werden, wo größere Wärmeeffekte und zusätzlich ein beengter Bauraum vorhanden ist, kann auf diese Weise eine bifunktionale Wärmeabfuhr eine besonders gute Stromübertragungskapazität gewährleisten. Das bedeutet grundsätzlich allerdings, dass als Rahmenbedingungen schlechtere Bedingungen für eine Stromübertragung vorzufinden sind.
Mit der vorliegenden Erfindung kann die Hochstromsteckverbindung bzw. der Hochstromsteckverbinder an einem Ort im Fahrzeug platziert werden, wo sich besonders gute Wärmesenken befinden. Dies kann einerseits ein Ort sein, der zunächst entfernt vom Motor oder anderen Wärmequellen liegt und beispielsweise gut durch Fahrtwind gekühlt wird.
Ferner kann zur optimalen Ausnutzung der Wärmekonvektion ein Ort gewählt werden, der über Umlenkvorrichtungen so positioniert wird, dass diesem Fahrtwind zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung weist daher die folgenden gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Merkmale auf:

– gezielte Ableitungen von Wärme durch eine Steckverbindung an einen wärmesenkenden Ort;
– Befestigung bzw. Fixierung der gesamten Steckverbindung über Alu-Druckgussgehäuse, wobei keine weiteren Befestigungsmittel möglich sind und gleichzeitig eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet wird;
– Ausnutzung einer Wärmesenke über große kühlende Masse;
– Alternative Abführung der Wärme an einen Heizer, wie z. B. einen PTC-Heizer, um die Wärme dort gezielt nutzen zu können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hochstromsteckers in einer nicht gesteckten Position;
2 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Hochstromsteckers gemäß 1 in der verbundenen und verschraubten Position;
3 eine Unteransicht des Hochstromsteckers gemäß 2.
In den 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Hochstromsteckers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Der Hochstromstecker 1 setzt sich zusammen aus einem geschirmten Stecker 3, der mehrere Kontakte 2 aufweist und einem Gegenstecker 4, der die in den Figuren nicht dargestellten Kontakte 2' aufweist. Die Kontakte 2' sind vorliegend als Buchsenkontakte 2' ausgebildet. Der Stecker 3 weist ein Schirmelement 30 auf. Im vorliegenden Fall ist ein dreipoliger geschirmter Stecker 3 dargestellt. Die Schirmung 30 kontaktiert elektrisch mit dem Gehäuse 5 des Gegensteckers 4, so dass eine ununterbrochene Schirmwirkung zwischen Stecker 3 und Gegenstecker 4 gewährleistet ist.
Am Stecker 3 befindet sich ein korrespondierendes Teil der Befestigungsvorrichtung 7 mit einer Schraube 8 und zwar befestigt an einem aus dem Gehäuse hervorstehenden Sattel 9. Im Sattel 9 ist eine Bohrung für die Schraube 8. Der Gegenstecker 4 verfügt an seiner Oberseite über einen Gehäusesattel 20, der vom Gehäuse 5 ausgebildet wird.
An der Unterseite, wie deutlich in 3 erkennbar, ist die erfindungsgemäße Wärmeabfuhrfläche 6 so angeordnet, dass diese seitlich mit den beiden Befestigungsflanschen 10a, 10b über die Hüllkontur des Gehäuses 5 sich hinaus erstreckt.
Alternativ könnte die bei auseichendem Platz in der Applikation weiter vergrößert ausgebildet sein und auch in Längsrichtung, also Steckrichtung S der Steckverbindung sowie in Querrichtung Q sich weiter über die Hüllkontur des Gehäuses 5 hinaus erstrecken.
In der 2 ist der Stecker 3 mit dem Gegenstecker 4 verbunden und mittels der Schraube 8 mit der Befestigungsvorrichtung 7 fest verschraubt.
Ferner ersichtlich ist in 1 bis 3, dass an den Befestigungsflanschen 10a, 10b Schrauben 8 angeordnet sind, um den Hochstromstecker einerseits grundsätzlich an einer Applikation zu befestigen und andererseits fest mit einer korrespondierenden Gegenfläche einer Wärmesenke zu verbinden. Über die Schrauben 8 lässt sich der Anpressdruck der Wärmeabfuhrfläche 6 an die korrespondierende Gegenfläche einstellen.
Bezugszeichenliste

1: Hochstromstecker
2: Kontakte
2': Kontakte
3: Stecker
4: Gegenstecker
5: Gehäuse
6: Wärmeabfuhrfläche
6': Konvektionsfläche
7: Befestigungsvorrichtung
8: Schraube
9: Sattel
10a, 10b: Befestigungsflansche
20: Gehäusesattel
30: Schirmelement
S: Steckrichtung
Q: Querrichtung

Claims

Hochstromstecker (1) mit einer bifunktionalenen Wärmeabfuhrelementen umfassend: – einen mehrere Kontakte (2) aufweisenden geschirmten Stecker (3) – eine Kontakte (2') aufweisenden Gegenstecker (4), wobei der Gegenstecker (4) über ein thermisch leitfähiges Gehäuse (5) verfügt, welches über eine flache Wärmeabfuhrfläche (6) zur Kontaktierung und Verbindung mit einer flächigen Wärmesenke verfügt und über eine Konvektionsfläche (6'), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmeabfuhrfläche (6) in ihrer Abmessung über die Hüllkontur des Gehäuses (5) hinaus erstreckt.
Hochstromstecker (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) als Alu-Druckgussgehäuse ausgebildet ist.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die flache Wärmeabfuhrfläche (6) über mindestens eine Seitenfläche des Gehäuses (5) hinaus erstreckt.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die flache Wärmeabfuhrfläche (6) über eine linke und rechte Seitenfläche des Gehäuses (5) hinaus erstreckt und Befestigungsflansche (10a, 10b) ausbildet.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrfläche (6) seitlich über das Gehäuse hinausragende Befestigungsflansche (10a, 10b) ausbildet.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsflansche (10a, 10b) mit Öffnungen zur Befestigung vorzugweise mit Schrauben aufweisen.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) eine verschraubbare Befestigungsvorrichtung (7) aufweist, um mit dem Gehäuse des Steckers (3) verschraubt zu werden.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wärmeableitende Elemente zwischen den Kontakten (2, 2') und der Wärmeabfuhrfläche (6) so angeordnet sind, dass die entstehende Wärme im Betrieb über die wärmeableitende Elemente zu der Wärmeabfuhrfläche (6) transportiert werden kann.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Wärmeabfuhrfläche (6) gegenüberliegenden Seite des Gehäuses eine Gehäusesattel (20) angeordnet ist, der über die wärmeableitende Elementen mit den Kontakten thermisch verbunden ist, wodurch Wärme von den Kontakten (2, 2') mittels Wärmekonvektion weggeführt werden kann.
Hochstromstecker (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschraubbare Befestigungsvorrichtung (7) im Inneren des Gehäusesattels (20) angeordnet ist.