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Die Erfindung betrifft eine Kühllanze zum Kühlen eines elektrisch leitfähigen Kontaktkörpers, mit einem Lanzenkörper, der wenigstens eine Fluidleitung zum Anschluss an eine Pumpe aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Kontaktanordnung zum Verbinden von elektrischen Leitern, mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktkörper, der eine Aussparung aufweist, und mit einer Kühllanze zum Kühlen des elektrisch leitfähigen Kontaktkörpers. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anwendung einer Kühllanze zum Kühlen eines elektrisch leitfähigen Kontaktkörpers.
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Kontaktanordnungen der oben genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Häufig werden elektrisch leitfähige Kontaktkörper zum Verbinden von Batteriemodulen, die aus mehreren miteinander verschalteten Batteriezellen aufgebaut sind, oder auch zum Verbinden einer Batterietrenneinheit mit einem Batteriemodul verwendet. Dabei fließen hohe Ströme durch den Kontaktkörper, erzeugen Widerstandswärme erzeugen. Thermische Belastungen können femer durch Wärmequellen, wie in etwa einem Motor und/oder einer Batterie auftreten und unter anderem zu einer Versprödung in einem Kontaktbereich der Kontaktanordnung führen, wodurch es wiederum zu einem Ausfall der Kontaktanordnung kommen kann. Des Weiteren kann ein aufgeheizter Kontaktkörper zu einem übermäßigen Aufheizen des damit verbundenen elektrischen Leiters führen.
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Im Falle einer Verbindung mit einem Batteriemodul kann sich insbesondere die direkt mit dem Kontaktkörper verschaltete Batteriezelle über eine kritische Betriebstemperatur aufheizen, wodurch die Lebensdauer und die Leistung der Kontaktanordnung drastisch abnehmen können. Daher ist eine Kühlung des Kontaktkörpers notwendig. Insbesondere in Fahrzeugen werden hohe Ansprüche an die Kühlvorrichtung gesetzt. So sollte sie beispielsweise ein möglichst geringes Gewicht aufweisen, eine optimale Übertragung der thermischen Energie gewährleisten und die zu kühlende Fläche gut und konstant über die Betriebsdauer kontaktieren.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung eine Kühllanze, sowie eine elektrische Kontaktanordnung mit einer Kühllanze zu schaffen, die eine verbesserte und konstante Kühlleistung gewährleistet.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Kühllanze dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Fluidleitung in einer mit einem Fluid befüllbaren, in eine Aussparung eines elektrisch leitfähigen Kontaktkörpers einführbaren, flexiblen Kühlblase mündet.
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Weiterhin wird die obengenannte Aufgabe durch eine elektrische Kontaktanordnung der eingangs genannten Art gelöst, indem in der Aussparung zumindest abschnittsweise eine mit einem Fluid befüllbare, flexible Kühlblase angeordnet ist.
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Ebenfalls wird zur Lösung der Aufgabe eine Kühllanze zum Kühlen einer elektrischen Verbindung verwendet, wobei die Kühllanze eine mit einem Fluid befüllbare, flexible Kühlblase aufweist, die zumindest abschnittsweise in einer Aussparung eines elektrisch leitfähigen Kontaktkörpers angeordnet ist.
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Die flexible Kühlblase kann sich der Kontur der Aussparung anpassen, wodurch sich eine große Kontaktfläche und eine gute Kontaktierung ergibt. Da sich die Kühlblase in einer Aussparung befindet, ist sie vor mechanischen Belastungen durch den Kontaktkörper geschützt und kann daher für die Wärmeübertragung optimiert werden. Der Kontaktkörper kann somit effizienter von innen gekühlt werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird nur ein geringer Platz von der Kühllanze beansprucht, was vor allem beim Einsatz in Fahrzeugen von großem Vorteil ist. Die Lanzenform ermöglicht ein Einbringen der Kühlblase durch enge Öffnungen und/oder Öffnungen, die nur schwer zugänglich sind.
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Im Folgenden sind Weiterbildungen angeführt, die unabhängig voneinander beliebig miteinander kombinierbar sind und jeweils für sich betrachtet vorteilhaft sind.
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So kann beispielsweise die Kühlblase aufblähbar sein, d.h. die Kühlblase wird durch den Druck des sich in der Kühlblase sammelnden Fluides gespannt. Dadurch kann die Kühlblase eine konstante Materialstärke im gespannten und entspannten Zustand aufweisen und bietet somit eine gewisse Reißfestigkeit.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung hat sich jedoch als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kühlblase elastisch dehnbar ist. So kann die Kühlblase im Prinzip wie ein Ballon agieren, bei dem beim Ausdehnen die Materialstärke einer ein Volumenraum der Kühlblase umschließenden Membran abnimmt. Die abnehmende Materialstärke der Membran ermöglicht einen besonders intensiven Temperaturaustausch zwischen dem sich im Volumenraum befindlichen Fluid und dem Kontaktkörper, aufgrund des sinkenden Wärmedurchlasswiderstandes der Kühlblase.
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Der Lanzenkörper kann insbesondere zumindest einen länglichen Rohrkörper aufweisen, der kühlmittelfest sein kann und die wenigstens eine Fluidleitung bildet, welches von einem Fluid durchströmt werden kann. Vorzugsweise kann die Fluidleitung thermisch isoliert sein, damit ein durch die Fluidleitung fließendes Kühlmittel nicht durch den warmen Umgebungsraum übermäßig erhitzt wird, bevor das Kühlmittel in die Kühlblase eingeführt wird. Dadurch ist eine höhere Kühleffizienz möglich. Des Weiteren kann das Auftreten von Kondenswasser vermieden werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Lanzenkörper zumindest teilweise ein Spritzgussteil sein. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Produktion des Lanzenkörpers möglich, wobei die Form des Lanzenkörpers einfach während der Produktion an den geplanten Einsatzort angepasst werden kann. Der Lanzenkörper kann aus einem elektrisch isolierenden Polymer gefertigt sein, welches ein geringes Gewicht aufweist. Somit kann der Lanzenkörper elektrisch isolierend sein, um einen Durchschlag zu vermeiden. Weiterhin kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zumindest die wenigstens eine Fluidleitung des Lanzenkörpers mechanisch robust sein, sodass die Kühllanze mechanischer Beanspruchung wie z.B. Vibrationen und Schlägen standhalten kann. Alternativ dazu kann der Lanzenkörper auch aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gefertigt sein, wobei der Lanzenkörper dabei mit einer elektrisch isolierenden Folie umwickelt sein kann oder in sonstiger dem Fachmann bekannter Weise nach außen elektrisch isoliert ist.
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Der Lanzenkörper kann insbesondere eine Fluidzuleitung und eine Fluidableitung aufweisen, die jeweils in der flexiblen Kühlblase münden. Die Fluidzuleitung und die Fluidableitung können in einem Kühlmittelkreislauf geschaltet sein, wodurch sich ein stetiger, gar stationärer Fluss des Fluids ergibt, nachdem die flexible Kühlblase gefüllt wurde. Dadurch wird gewährleistet, dass stetig kaltes Fluid in die Kühlblase durch die Fluidzuleitung geführt wird und das bereits durch den Wärmeaustausch mit dem Kontaktkörper aufgewärmte Fluid verdrängt.
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Die Fluidzuleitung und Fluidableitung können zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnet sein, wodurch sich eine besonders platzsparende Ausgestaltung ergibt. Insbesondere kann der Lanzenkörper sich zumindest abschnittsweise in einer Längsrichtung erstrecken und die Fluidzuleitung und Fluidableitung im Wesentlichen quer zur Längsrichtung nebeneinander angeordnet sein. So können die Fluidzuleitung und die Fluidableitung in einer gemeinsamen Öffnung der Kühlblase in den von der Kühlblase umschlossenen Volumenraum eintreten. Dabei kann die Kühlblase an einer Spitze des Lanzenkörpers angebracht sein, die in die Aussparung des Kontaktkörpers eingeführt werden kann. Alternativ dazu können die Fluidzuleitung und Fluidableitung jeweils durch eine separate Öffnung in den Volumenraum der Kühlblase münden. So kann z.B. die Kühlblase in einem Streckenabschnitt des Lanzenkörpers zwischen Fluidzuleitung und Fluidableitung angeordnet sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung können die Fluidzuleitung und die Fluidableitung zumindest abschnittsweise starr oder gar stoffschlüssig, insbesondere monolithisch miteinander verbunden sein. So können die Fluidzuleitung und die Fluidableitung in einem Spritzgussprozess hergestellt werden, wobei die Fluidzuleitung und die Fluidableitung jeweils von einem Rohrkörper gebildet sein können, die zumindest abschnittsweise bewegungsübertragend miteinander verbunden sind. So können durch mechanische Belastungen, wie Schlag- oder Vibrationsbelastungen, verursachte Schwingungen abgedämpft werden und eine Relativbewegung zwischen der Fluidzuleitung und Fluidableitung verhindert werden. Dadurch kann verhindert werden, dass die zwischen der Fluidzuleitung und Fluidableitung geschaltete Kühlblase und/oder dessen Verbindung zur Fluidzuleitung und/oder Fluidableitung abreißt oder in sonstiger Weise beschädigt wird.
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Um einen stationären Fluidstrom zu erzeugen, können die Fluidzuleitung und die Fluidableitung parallel geschaltet sein. Insbesondere kann die Menge des Fluides, die in die Kühlblase eingeführt wird, der Menge des Fluides, die von der Kühlblase ausgeführt wird, entsprechen, wodurch der von der Kühlblase eingenommene Volumenraum und Innendruck konstant bleibt. Daher kann eine konstante Kontaktierung des Kontaktkörpers durch die Kühlblase und eine konstante Kühlung über den Betriebszeitraum gewährleistet werden.
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Vorzugsweise kann die Fluidableitung von der Fluidzuleitung unabhängig geschaltet sein. Die Fluidableitung kann beispielsweise mit einem Ventil versehen sein, sodass die Kühlblase erst mit einem Fluid befüllt werden und sich aufblähen und/oder ausdehnen kann, bevor sich das Ventil für die Fluidableitung öffnet. Das Ventil kann derart ausgebildet sein, dass es ein Abführen des Fluides von der Kühlblase erst ab einem vorbestimmten Innendruck im Volumenraum der Kühlblase ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann ein Ventil bezüglich des Druckes, bei dem es sich öffnet, einstellbar sein, sodass sich der Innendruck im Volumenraum und somit die Ausdehnung der Kühlblase regulieren lässt.
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Die Kühlblase kann insbesondere aus einem von der Fluidzuleitung und/oder Fluidableitung unterschiedlichen Material aufgebaut sein, wobei die Kühlblase für eine möglichst gute Wärmeübertragung zwischen dem zu kühlenden Kontaktkörper und dem Kühlmittel gewährleistet. Da die Kühlblase zumindest teilweise, vorzugsweise die gesamte Kühlblase, in einer Aussparung des Kontaktkörpers angeordnet sein kann, wirkt der Kontaktkörper wie ein schützendes Gehäuse, welches die Kühlblase vor mechanischer Belastung schützt. Daher kann das Material der Kühlblase, unter Umständen auf Kosten der mechanischen Belastbarkeit, eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kühlblase insbesondere Kühlmittelfest sein, wodurch ein ungewollter Austritt des Kühlmittels aus der Kühlblase verhindert werden kann. Dabei kann die Membran der Kühlblase chemisch beständig, bevorzugt inert, sein, wodurch sichergestellt werden kann, dass sich die Kühlblase während ihrer Betriebszeit nicht zersetzt und undicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Membran aus einem zumindest in dem Temperaturbereich des Einsatzgebietes beständigen Material bestehen. So kann insbesondere das elastische Verhalten der Membran beständig sein und nicht verspröden. Ein Verspröden der Membran kann zu Rissen führen und einen Austritt des Kühlmittels zur Folge haben. So kann die Elastizität der Membran bei etwa 60°C im Vergleich zur Elastizität der Kühlblase bei etwa -40°C unverändert sein. Die flexible Kühlblase kann beispielsweise aus einem vulkanisierten Kautschuk oder Kunststoff, wie z.B. Polyethylen, bestehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kühlblase starr, bevorzugt stoffschlüssig, mit der zumindest einen Fluidleitung verbunden sein. So kann die Kühlblase eine Öffnung aufweisen, dessen die Öffnung begrenzenden Rand an einer Mantelfläche der zumindest einen Fluidleitung befestigt sein kann, beispielsweise durch eine Klebeverbindung. Durch diese Verbindung wird verhindert, dass das Fluid aus der Kühlblase in die Umgebung austreten kann. Das Adhäsionsmittel kann dabei chemisch beständig, insbesondere gegenüber dem Kühlmittel, und zumindest in dem Temperaturbereich von etwa -40°C bis etwa 60°C temperaturbeständig sein, sodass es nicht zu einem ungewollten Lösen der Klebeverbindung kommt.
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Um einen Durchschlag zwischen dem Kontaktkörper und dem Fluid zu verhindern, kann die Kühlblase bevorzugt aus einem Material bestehen, das dielektrische Eigenschaften aufweist. Dadurch wirkt die Kühlblase wie ein Isolator, welches das Fluid elektrisch isoliert und somit verhindert, dass es zu einem elektrischen Stromfluss zwischen Kontaktkörper außerhalb der Kühlblase und dem Fluid im inneren der Kühlblase kommt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Kontaktanordnung kann die Aussparung zumindest eine, bevorzugt von außerhalb der Kontaktanordnung zugängliche Öffnung aufweisen und die Kühllanze durch die Öffnung eingesetzt sein. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn zumindest die Kühlblase in der Aussparung angeordnet ist und die zumindest eine Fluidleitung durch die zumindest eine Öffnung ragt. Die Anzahl und Anordnung der Öffnung kann komplementär zur Anzahl und Anordnung der Fluidleitung sein. Falls die Fluidleitungen nebeneinander angeordnet sind, können sie jedoch auch in einer gemeinsamen Öffnung eingesetzt sein, wodurch eine kompakte Bauweise der elektrischen Kontaktanordnung möglich ist.
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Die Kühllanze kann starr mit dem Kontaktkörper verbunden sein. So kann die Kühllanze insbesondere starr, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, mit dem Kontaktkörper verbunden sein. Dadurch kann eine Relativbewegung zwischen der Kühllanze und dem Kontaktkörper vermindert werden, und eine gute Kontaktierung über die Betriebsdauer gewährleistet werden.
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Die Kühllanze kann die zumindest eine Öffnung der Aussparung verschließen, damit keine Verschmutzungen in die Aussparung eintreten können, die die sich in der Aussparung angeordnete Kühlblase beschädigen können. Daher ist es möglich, die elastischen, thermisch leitfähigen und dielektrischen Eigenschaften der Kühlblase auf Kosten der mechanischen Widerstandsfähigkeit weiter zu optimieren. Vorzugsweise kann die Kühllanze in der zumindest einen Öffnung mit einem thermisch leitfähigen Klebstoff festgeklebt sein, wodurch verhindert wird, dass die Kühlblase unbeabsichtigt aus der Aussparung herausgezogen wird. Gleichzeitig kann auch im Bereich der zumindest einen Öffnung ein Wärmeaustausch zwischen Fluid und Kontaktkörper gewährleistet werden.
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Die Aussparung des Kontaktkörpers kann z.B. als eine Hinterschneidung, jedoch bevorzugt als Kammer und/oder Hohlraum geformt sein. Dadurch kann die Kühlblase in der Kammer und/oder im Hohlraum umschlossen sein und ist somit von allen Seiten von mechanischen Belastungen, beispielsweise Schlagbelastungen, durch die Wandung der Kammer und/oder des Hohlraumes geschützt. Des Weiteren kann die Kühlblase eine möglichst große Oberfläche der Aussparung kontaktieren und somit die Kühlleistung steigern.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kühlblase an der Wandung, insbesondere der Innenwandung, der Aussparung bei einem mit dem Kühlmittel gefüllten Zustand anliegen. Bevorzugt kann sich die Kühlblase an der Wandung anschmiegen, wodurch eine optimale Kontaktierung des Kontaktkörpers erreicht wird. Die Kühlblase kann dabei insbesondere den Hohlraum und/oder die Kammer ausfüllen und mit einem gewissen Innendruck gegen die Wandung drücken, um die gute Kontaktierung zu fördern. Des Weiteren kann die Kühlblase sich weiter ausdehnen, falls es zu einer thermischen Verformung des Kontaktkörpers kommt und sich dieser Verformung anpassen, sodass die Kontaktierung über die Lebenszeit der Kühlblase und/oder des Kontaktkörpers nicht verschlechtert wird.
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Die Kühlblase kann insbesondere spannungsfrei in der Aussparung des Kontaktkörpers angeordnet sein, wobei die Kontaktfläche der Kühlblase sich ausdehnt und/oder aufbläht, wenn ihr Volumenraum mit einem Fluid befüllt wird, sodass die Kühlblase im befüllten Zustand den Kontaktkörper kontaktiert. So kann im entleerten Zustand verhindert werden, dass es aufgrund von Vibrationen oder Ähnlichem zu Rissen in der Oberfläche der Kühlblase kommt.
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Die elektrische Kontaktanordnung kann zumindest eine Batteriezelle sein und der elektrisch leitfähige Kontaktkörper kann zumindest mit einer Batteriezelle verbunden sein, dadurch kann die Batteriezelle durch die Kühlung des Kontaktkörpers ebenfalls passiv gekühlt werden. Der elektrische Kontaktkörper kann zum Beispiel zwei Batteriemodule miteinander verbinden oder auch zur Verbindung einer Batterietrenneinheit (auch bekannt als Battery Disconnect Unit, BDU) mit einem Batteriemodul verwendet werden. Hierbei werden besonders hohe Stromflüsse geleitet, wodurch sich insbesondere die erste Zelle des Batteriemoduls über eine kritische Betriebstemperatur aufheizen kann, bei der die Lebensdauer und Leistung der Batterie abnimmt. Daher kann durch die zusätzliche Kühlung des Kontaktkörpers dem übermäßigen Aufheizen entgegengewirkt werden und ein sicherer Betrieb der Batterie gewährleistet werden.
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Die elektrische Kontaktanordnung kann ein Gehäuse aufweisen, welches die Kontaktanordnung wenigstens teilweise, zumindest den Kontaktkörper umschließt und von äußeren Einflüssen schützt. So kann das Gehäuse insbesondere elektrisch isolierend sein, damit es nicht zu einer ungewollten Stromübertragung zwischen dem Kontaktkörper und der Umgebung kommt.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren exemplarisch näher beschrieben. In den Figuren sind Elemente, die einander hinsichtlich Aufbau und/oder Funktion entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die bei den einzelnen Ausführungsbeispielen gezeigte und beschriebene Merkmalskombination dient lediglich zur Erläuterung. Nach Maßgabe der obigen Ausführungen kann auf ein Merkmal eines Ausführungsbeispiels verzichtet werden, wenn es auf dessen technischen Effekt bei einer bestimmten Anwendung nicht ankommt. Umgekehrt kann nach Maßgabe der obigen Ausführungen bei einem Ausführungsbeispiel ein weiteres Merkmal hinzugefügt werden, wenn dessen technischer Effekt für eine bestimmte Anwendung vorteilhaft oder notwendig sein sollte.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktanordnung;
- 2 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen, in 1 dargestellten Kühllanze mit entleerter Kühlblase;
- 3 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen, in 1 dargestellten Kühllanze mit gefüllter Kühlblase; und
- 4 eine schematische Schnittansicht der in 1 dargestellten, erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktanordnung.
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Zunächst ist der Aufbau und die Funktion einer vorteilhaften Ausführungsform einer elektrischen Kontaktanordnung 1 mit einer Kühllanze 2 und einem elektrisch leitfähigem Kontaktkörper 4 mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben. In 2 und 3 ist die in 1 dargestellte Kühllanze 2 in einem entleerten und einem gefüllten Zustand gezeigt. Zu guter Letzt ist in 4 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung 1 mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktkörper 4 und der in 2 und 3 dargestellten Kühllanze 2 gezeigt, bei der die Kühllanze 2 in dem Kontaktkörper 4 eingesetzt ist.
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Die elektrische Kontaktanordnung 1 umfasst eine Kühllanze 2 und einen elektrisch leitfähigen Kontaktkörper 4. Zumindest der elektrisch leitfähige Kontaktkörper 4 ist von einem elektrisch isolierenden Gehäuse 6 (schematisch dargestellt) umgeben. Das Gehäuse 6 kann weiterhin mehrere in einer Längsrichtung L beabstandete Stützen aufweisen, auf denen die Kühllanze 2 aufliegen kann (nicht gezeigt). Die Stützen können beispielsweise durch quer zur Längsrichtung L angeordnete Wandabschnitte mit einer Absenkung gebildet sein. Die Absenkungen aufeinanderfolgender Wandabschnitte können miteinander fluchten, sodass sie einen Kanal bilden, in die die Kühllanze 2 eingesetzt werden kann. Die Stützen können verhindern, dass große Relativbewegungen zwischen Kontaktkörper 4 und Kühllanze 2, die aufgrund von mechanischen Belastungen, wie beispielsweise durch Vibrationen in einem Fahrzeug, verursacht werden, wodurch ein Auseinanderbrechen der Kontaktanordnung 1 vermieden werden kann.
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Die Kühllanze 2 aus 1 ist im Folgenden mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben, die jeweils eine schematische Perspektivansicht der Kühllanze zeigen.
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Die Kühllanze 2 weist einen Lanzenkörper 20 auf, der aus zwei entlang der Längsrichtung L zumindest abschnittsweise symmetrisch zueinander angeordneten Rohrkörper 22, 24 geformt ist, wobei die Rohrkörper 22, 24 jeweils eine Fluidleitung 26 bilden. Der Rohrkörper 22 fungiert als eine Fluidzuleitung 28 und der Rohrkörper 24 als eine Fluidableitung 30. Die Fluidzuleitung 28 und die Fluidableitung 30 können in einem Kühlkreislauf (nicht dargestellt) geschaltet sein. Die Fluidleitungen 26 können in Fluidkommunikation mit einer Pumpe (nicht gezeigt) sein, wodurch der Fluidfluss kontrolliert werden kann und durch die Fluidleitung 20 gepumpt werden kann. Die Fluidleitungen 26 können direkt an der Pumpe 31 angeschlossen sein, oder in einem von der Pumpe 31 betriebenen Kühlmittelkreislauf geschaltet sein.
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Die Fluidzuleitung 28 und die Fluidableitung 30 verlaufen in einem Endabschnitt 32 des Lanzenkörpers 20 parallel und quer zur Längsrichtung L nebeneinander und sind vorzugsweise starr, gar stoffschlüssig insbesondere als monolithisches Bauteil miteinander verbunden, sodass zumindest im Endabschnitt Relativbewegungen zwischen den Fluidleitungen 26 vermindert werden. Dadurch wird eine hohe mechanische Stabilität des Lanzenkörpers 20 erreicht.
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Vorzugsweise wird eine Kühlflüssigkeit wie Wasser durch die Kühllanze 2 gefördert, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und chemisch inert gegenüber dem Material der Kühllanze 2 ist, sodass eine chemische Zersetzung der Kühllanze 2 verhindert werden kann. Die Zersetzung kann beispielsweise zu einem Verlust der Isolation des Fluides von dem Kontaktkörper 4 führen und/oder einen ungewollten Austritt des Kühlmediums zur Folge haben.
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Der Lanzenkörper 20 ist vorzugsweise durch einen Spritzgussprozess hergestellt, wobei der Lanzenkörper 20 aus einem mechanisch robusten und elektrisch isolierenden Material besteht, um eine Stromübertragung zwischen dem Kontaktkörper 4 und dem sich im Inneren des Lanzenkörpers 20 befindlichen Fluid verhindert wird. Dadurch kann ein sicherer Betrieb ohne eine zusätzliche Isolierung des Lanzenkörpers 20 gewährleistet werden. Eine zusätzliche Isolierung würde zu einem höheren Gewicht und einem größeren Platzbedarf führen.
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Im Endabschnitt 32 sind die Fluidleitungen 26 parallel zueinander angeordnet und deren Durchmesser nimmt in Längsrichtung L von einem Durchmesser D1 bis zu einem Durchmesser D2 zu. Vorzugsweise nimmt dabei lediglich der Außendurchmesser zu bei einem gleichbleibenden Innendurchmesser. Dadurch kann die Materialstärke des Lanzenkörpers 20 im Endabschnitt 32 erhöht werden, wodurch eine höhere mechanische Festigkeit erzielt wird.
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Die Fluidleitungen 26 münden mit ihren freien Enden 34 in einer flexiblen Kühlblase 36, die einen Volumenraum V einschließt. Die flexible Kühlblase 36 ist mit einer Öffnung 38 versehen, die einen Längsabschnitt des Lanzenkörpers 20 umgreift und mit diesem durch vorzugsweise eine Klebeverbindung 40 stoffschlüssig verbunden ist. Dadurch kann ein Fluid in die Kühlblase 36 geleitet werden, wobei sichergestellt ist, dass das Fluid nicht ungewollt von der Kühlblase 36 in die Umgebung austritt. Die Klebeverbindung 40 ist vorzugsweise aus einem, zumindest in dem eingesetzten Temperaturbereich von etwa -40°C bis etwa 60°C, thermisch und wenigstens einem verwendeten Kühlfluid gegenüber chemisch beständigen Klebstoff. Die freien Enden 34 der Fluidleitungen 34 ragen dabei in den Volumenraum V hinein, wodurch das Kühlfluid zentral in die Kühlblase 36 gepumpt wird, anstatt von einer Seite. Dadurch kann eine homogenere Temperaturverteilung im Volumenraum V erzielt werden und folglich auch eine homogene Kühlung des Kontaktkörpers erreicht werden.
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Alternativ dazu können gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform die Kühlblase 36 und die Fluidleitungen 26 einstückig als monolithisches Bauteil gefertigt sein, wobei die Kühlblase 36 flexibel ausdehnbar und/oder aufblähbar gestaltet ist und die Fluidleitungen 26 im Wesentlichen mechanisch robust sind. So kann das monolithische Bauteil in einem Mehrkomponenten-Spritzgussprozess kostengünstig in nur einem Arbeitsgang hergestellt werden.
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Die flexible Kühlblase 36 kann bevorzugt aus einer elastischen Membran 37 gefertigt sein, die dielektrische Eigenschaften besitzt, und somit einen Durchschlag zwischen Kontaktkörper 4 und Kühlfluid verhindert. Durch die elastischen Eigenschaften der Membran 37 kann die Kühlblase reversibel elastisch verformt werden. Eine Aussparung im Kontaktkörper 4 zu isolieren ist mit großem Aufwand und Kosten verbunden. Da die Kühlblase 36 jedoch selber aus einer Membran 37 mit dielektrischen Eigenschaften bestehen kann, kann ein ungewollter Stromfluss verhindert werden und man erhält eine einfache und kostengünstige Lösung zur elektrischen Isolierung der Kontaktanordnung 1, insbesondere des Kontaktkörpers 4.
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Die flexible Kühlblase 36 ist in 2 in einem entleerten Zustand 42 dargestellt, bei dem die Kühlblase 36 im Wesentlichen spannungsfrei ist und einen Volumenraum V1 umschließt. Im entleerten Zustand 42 kann die Kühlblase 36 von einer Kontaktfläche des Kontaktkörpers 4 beabstandet sein. Der entleerte Zustand 42 beschränkt sich hierbei nicht auf eine komplett entleerte Kühlblase, sondern heißt lediglich, dass die Kühlblase 36 nicht mit einem Kühlfluid soweit gefüllt ist, dass die Kühlblase 36 eine Kontaktfläche des Kontaktkörpers 4 kontaktiert und ein Wärmeaustausch zwischen Kühlfluid und Kontaktkörper 4 stattfinden kann.
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Die elastische Membran 37 der flexiblen Kühlblase 36 weist bevorzugt eine geringe Materialstärke auf und ist zumindest aufblähbar, bevorzugt jedoch auch dehnbar. Durch die Pumpe kann das Kühlfluid über die Fluidzuleitung 28 in die Kühlblase 36 gepumpt werden. Dadurch steigt der sich im Volumenraum V befindliche Innendruck, welches zu einer Aufweitung zu einem Volumenraum V2 führt, wie es in 3 dargestellt ist. Falls kein Fluid mehr durch die Fluidzuleitung 28 in die Kühlblase 36 gefördert wird, kann die Membran sich wieder zusammenziehen, das Fluid durch die Fluidableitung 30 pumpen und den entleerten Zustand 42 einnehmen.
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Gemäß einer nicht gezeigten Darstellung kann die Fluidableitung 30 mit einem Ventil (nicht gezeigt) versehen sein, welches sich erst bei einem vorbestimmten Innendruck der Kühlblase 36 öffnet, sodass die Kühlblase 36 erst einen vorbestimmten Volumenraum V einnimmt, bevor das Fluid aus der Kühlblase 36 durch die Fluidableitung 30 strömt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Kühlblase 36 den Kontaktkörper 4 ausreichend gut mit einer gewissen Anpresskraft, die durch den Innendruck der Kühlblase 36 entsteht, kontaktiert wird. Die in 3 dargestellte Kühllanze 2 zeigt die Kühlblase 36 in einem gefüllten Zustand 44. Der Begriff „gefüllter Zustand“ heißt hierbei lediglich, dass die Kühlblase 36 ausreichend gefüllt ist, um mit einer gewünschten Kraft eine Kontaktfläche des Kontaktkörpers 4 zu kontaktieren. Die Kühlblase 36 kann vorzugsweise weit über den gefüllten Zustand gefüllt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass ausreichend Volumenkapazität in der Kühlblase 36 vorhanden ist, bevor die Kühlblase 36 platzt. Der gefüllte Zustand 44 kann über die Betriebszeit variieren, beispielsweise wenn durch thermische Verformung des Kontaktkörpers 4 die Kontaktfläche verändert wird. So kann die Kühlblase 36 sich der thermischen Verformung anpassen und gegebenenfalls weiter expandieren.
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Die Fluidableitung 30 und die Fluidzuleitung 28 können parallel geschaltet sein, bevorzugt nachdem der vorbestimmte Innendruck der Kühlblase 36 erreicht ist. Der Fluidstrom kann daher stationär durch die Kühlblase 36 strömen, wodurch der Innendruck im Wesentlichen konstant bleibt, die Kontaktfläche anhaltend mit derselben Kraft kontaktiert wird und eine gleichbleibende und einfach rechnerisch auslegbare Kühlleistung erzielt wird.
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Alternativ dazu können der Fluidzulauf 28 und der Fluidablauf 30 bereits von Beginn an parallel geschaltet sein, wobei der Stromfluss zu Beginn instationär ist, während sich die Kühlblase auffüllt, sodass der Einlassstrom des Fluides höher ist als der Auslassstrom, bis die Kühlblase 36 den gefüllten Zustand 44 erreicht. Insbesondere nachdem die Kühlblase den gefüllten Zustand 44 erreicht hat, kann der Stromfluss stationär sein, sodass der im Volumenraum V vorherrschende Innendruck konstant bleibt.
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Als besonders vorteilhaft hat sich ergeben, wenn sich die Kühlblase 36 beim Füllen ausdehnt, sodass die Materialstärke der Membran 37 im gefüllten Zustand 44 geringer ist als im entleerten Zustand 42. Durch diese Ausgestaltung sinkt der thermische Durchlasswiderstand der Membran und steigt die thermische Leitfähigkeit der Kühllanze 2, wodurch eine besonders wirkungsvolle Kühlung des Kontaktkörpers 4 erreicht wird. Der Volumenraum V2 im gefüllten Zustand 44 kann je nach Anwendung ein Vielfaches des Volumenraumes V1 im entleerten Zustand 42 sein. So kann das Dehnungsverhältnis zwischen der Kühlblase im gefüllten Zustand 44 und im entleerten Zustand 42 8:1 betragen.
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In 4 ist eine erfindungsgemäße Kontaktanordnung 1 mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktkörper 4 und der in 2 und 3 dargestellten Kühllanze 2 gezeigt.
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Der Kontaktkörper 4 hat einen im Wesentlichen stufenförmigen Körper, wobei jeweils ein im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung L verlaufender horizontaler Abschnitt einen Kontaktbereich 46, 48 zum Kontaktieren jeweils eines elektrischen Leiters formt. Der Kontaktkörper 4 kann beispielsweise aus zwei Komponenten bestehen, die miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Diffusionslöten oder Schweißen, wobei jeweils eine Komponente einen Kontaktbereich 46, 48 bildet. So kann beispielsweise der Kontaktbereich 46 im Wesentlichen aus Kupfer gebildet sein und der Kontaktbereich 48 im Wesentlichen aus Aluminium. „Im Wesentlichen“ bezeichnet dabei Legierungen, welche überwiegend das genannte Material beinhalten. Dies schließt also nicht aus, dass diese Elemente zusätzlich weitere Materialien beinhalten.
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Die Kontaktbereiche 46, 48 können vorzugsweise als Stanzbiegeteile gebildet sein, wodurch eine einfache Produktion des Kontaktkörpers 4 ermöglicht wird.
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Der Kontaktbereich 46 ist mit einer Fixierungsöffnung 50 versehen, die zur Verbindung mit einem ersten elektrischen Leiter 51, welcher in 1 schematisch dargestellt ist, sowie zur mechanischen Fixierung des Kontaktkörpers 4 dienen kann. Die Fixierungsöffnung 50 kann beispielsweise mit einem Innengewinde für eine Schraubverbindung versehen sein. Insgesamt kann der Kontaktbereich 46 im Wesentlichen die Form eines Kabelschuhs aufweisen.
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Der Kontaktbereich 48 kann ebenfalls die Form eines Kabelschuhs aufweisen, jedoch kann wie in der in 4 dargestellten Ausführungsform der Kontaktbereich 48 auch keine Fixierungsöffnung aufweisen. Für den Fall einer im Wesentlichen gleichen Materialzusammensetzung des Kontaktbereiches 48 und eines zweiten elektrischen Leiters 53 kann der Kontaktbereich 48 mit dem zweiten elektrischen Leiter 53, beispielsweise ein Zellverbinder 52 (siehe 1) eines Batteriemoduls, durch Schweißen oder andere stoffschlüssige Verbindungen leicht hergestellt werden.
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Der Kontaktkörper 4 weist beim Übergang zwischen den Kontaktbereichen 46, 48, der im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung L verläuft, eine Aussparung 54 in Form einer Kammer 56, die von einer Wandung 58 umschlossen ist, auf. Die Kammer 56 beschreibt einen Volumenraum V3 und weist eine in Längsrichtung L zugängliche Öffnung 60 auf, in die die Kühllanze 2 eingesetzt ist, sodass die Kühlblase 36 in der Kammer 56 angeordnet ist. Dadurch ist die Kühlblase 36 durch die Wandung 58 vor äußeren Belastungen, insbesondere mechanischen Belastungen, wie Vibrationen oder Schläge, geschützt. Daher kann die Membran 37 der Kühlblase 36 auf Kosten der mechanischen Robustheit für den thermischen Durchlass optimiert werden.
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Der Lanzenkörper 20 ist in der Öffnung 60 starr, vorzugsweise stoffschlüssig, mit dem Kontaktkörper 4 verbunden. Bevorzugt wird hierfür eine Klebeverbindung mit einem thermisch leitfähigen Klebstoff hergestellt. Durch die starre Verbindung kann verhindert werden, dass die Kühlblase 36 aus der Kammer 56 herausgezogen wird und/oder beschädigt wird. Es können sowohl Relativbewegungen zwischen der Kühllanze 2 und dem Kontaktkörper 4 in Längsrichtung L sowie quer zur Längsrichtung L minimiert werden. Dabei verschließt der Lanzenkörper 20 vorzugsweise die Öffnung 60 und verhindert somit das Eintreten von Partikeln, die zu einem Herabsinken der thermischen Leitfähigkeit und zu einer Beschädigung der Membran 37 führen können.
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Das freie Ende 34 ragt in die Kammer 56 hinein, wodurch eine höhere Stabilität der Verbindung zwischen Lanzenkörper 20 und Öffnung 60 erreicht wird. Die Verbindung wird dadurch nicht so leicht durch Vibrationen oder anderen mechanischen Einflüssen gelöst.
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Zum Kühlen des Kontaktkörpers 4 wird das Kühlfluid über den Kühlmittelkreislauf in die Kühlblase 36 gepumpt, wobei die Kühlblase 36 sich dabei auf den Volumenraum V2 aufbläht und/oder ausdehnt. Dabei nimmt die Kühlblase 36 im Wesentlichen den Volumenraum V3 und die Kontur der Kammer 56 an. Dies führt dazu, dass sich die Membran 37 an der Wandung 58 anschmiegt und somit eine große Kontaktfläche zwischen Kühlblase 36 und Kontaktkörper 4 entsteht. Da die Kühlblase 36 sozusagen im Inneren des Kontaktkörpers 4 angeordnet ist, wird eine viel größere Kontaktfläche kontaktiert im Gegensatz zu einer Kühlung an einer einzelnen Außenseite des Kontaktkörpers 4. Dadurch wird eine besonders homogene Verteilung der Kühlung erreicht und die Kontaktfläche bei einem geringen Platzbedarf maximiert. Durch den im Volumenraum V2 vorherrschenden Innendruck wird die Membran 37 gegen die Wandung 58 gedrückt, wodurch eine stete Kontaktierung der Kontaktfläche gewährleistet wird.
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Daher ist durch die erfindungsgemäße Kühllanze 2, elektrischen Kontaktanordnung 1 und Verwendung einer Kühllanze zum Kühlen eines elektrisch leitfähigen Kontaktkörpers 4 eine einfache und effiziente Kühlung möglich ohne die Verwendung weiterer Komponenten, die zu einer Gewichtszunahme führen könnten.
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In 1 ist weiterhin dargestellt, dass der Kontaktkörper 4 mit einem Zellverbinder 52 eines Batteriemoduls 61 verbunden ist. Das Batteriemodul 61 ist der übersichtshalber nur schematisch gezeigt, wobei lediglich zwei einzelne Batteriezellen 64 eines Batteriemoduls 61 gezeigt sind,. Der Zellverbinder 52 kann beispielsweise auf eine Stirnfläche 62 der Batteriezelle 64 geschweißt sein. Die Batteriemodule 61 werden bekannterweise z.B. durch eine Plattenkühlung gekühlt. Durch die immer höheren Anforderungen an die Ladekapazitäten und Geschwindigkeiten der Batterien kommt es durch die hohe Leistungsaufnahme oder hohe Leistungsabgabe zu einem übermäßigen Aufheizen der Batteriezellen über eine kritische Temperatur hinaus, wodurch die Lebensdauer der Batterie verkürzt wird. Insbesondere der mit dem Kontaktkörper 4 verbundene Zellverbinder 52 wird durch die Hitze des Kontaktkörpers 4 übermäßig aufgeheizt. In dem der Kontaktkörper 4 mittels der Kühllanze 2 effizient gekühlt wird, kann verhindert werden, dass sich eine übermäßige Hitze bildet, die auf den Zellverbinder 52 übertragen wird und somit die Batteriezelle über eine kritische Betriebstemperatur hinaus erhitzt. Somit kann die Temperatur des Batteriemoduls 61, insbesondere die direkt mit dem Kontaktkörper verbundene Batteriezelle 64, zusätzlich zur Plattenkühlung indirekt durch die Kühlung des Kontaktkörpers reguliert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktanordnung
- 2
- Kühllanze
- 4
- Kontaktkörper
- 6
- Gehäuse
- 20
- Lanzenkörper
- 22
- Rohrkörper
- 24
- Rohrkörper
- 26
- Fluidleitung
- 28
- Fluidzuleitung
- 30
- Fluidableitung
- 31
- Pumpe
- 32
- Endabschnitt
- 34
- freies Ende
- 36
- Kühlblase
- 37
- Membran
- 38
- Öffnung der Kühlblase
- 40
- Klebeverbindung
- 42
- entleerter Zustand
- 44
- gefüllter Zustand
- 46
- Kontaktbereich
- 48
- Kontaktbereich
- 50
- Fixierungsöffnung
- 51
- elektrischer Leiter
- 52
- Zellverbinder
- 53
- elektrischer Leiter
- 54
- Aussparung
- 56
- Kammer
- 58
- Wandung
- 60
- Öffnung
- 61
- Batteriemodul
- 62
- Stirnfläche
- 64
- Batteriezelle
- L
- Längsrichtung
- D
- Durchmesser
- V
- Volumenraum
