DE202011050446U1

DE202011050446U1 - Elektrisches Steckvorrichtungselement

Info

Publication number: DE202011050446U1
Application number: DE202011050446U
Authority: DE
Original assignee: Amad Mennekes Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Amad Mennekes Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2021-06-16

Abstract

Elektrisches Steckvorrichtungselement (100, 200, 300), enthaltend: – ein Gehäuse (103) mit mindestens einem darin angeordneten elektrischen Kontaktelement (101); – einen Hohlraum (104) mit einer Zugangsöffnung (105) und einer Ausgangsöffnung (106), über welche der Hohlraum mit einem Kühlmedium durchströmt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steckvorrichtungselement mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten elektrischen Kontaktelement. Ferner betrifft sie ein elektrisches Stecksystem enthaltend ein derartiges Steckvorrichtungselement.
Aus der DE 20 2008 014 815 U1 ist ein Hochstromkabel bekannt, bei dem eine elektrisch leitende Kabelader von einem Schlauch umgeben ist, wobei durch den Ringraum zwischen Schlauch und Kabelader Kühlwasser geführt werden kann. Am Ende der Kabelader ist ein Kabelkopf angebracht, welcher fest mit weiteren Installationseinrichtungen verbunden werden kann und durch den Kühlwasser zugeführt werden kann.
Des Weiteren sind aus der DE 696 27 246 T2 , der DE 33 36 842 A1 sowie der DE 22 52 925 verschiedene Ausführungsformen von Kühlsystemen für fest installierte Kabel bekannt.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zum sicheren Betrieb von elektrischen Einrichtungen bereitzustellen, insbesondere für den Kraftstrombereich.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Steckvorrichtungselement nach Anspruch 1 und ein elektrisches Stecksystem nach Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Elektrische Steckvorrichtungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung dienen in an sich bekannter Weise dazu, elektrische Leitungen reversibel miteinander zu koppeln. Ein Steckvorrichtungselement kann dabei insbesondere als eine Kupplung bzw. Dose oder als ein dazu kompatibler Stecker ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Steckvorrichtungselement um eine Kraftsteckvorrichtung nach DIN VDE 0623, EN 60309-2 (”CEE-Steckvorrichtungen”) oder nach IEC 62196 (”E-Auto-Ladesteckvorrichtungen”) handeln. Des Weiteren kann das Steckvorrichtungselement sowohl der Übertragung elektrischer Leistung als auch der Übertragung elektrischer Signale dienen.
Das erfindungsgemäße elektrische Steckvorrichtungselement enthält die folgenden Komponenten:

– Ein Gehäuse, welches die sichtbare und anfassbare Außenseite des Steckvorrichtungselementes bildet und das typischerweise aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. Kunststoff hergestellt ist.
– Mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes elektrisches Kontaktelement, welches trennbar mit dem (komplementären) Kontaktelement eines kompatiblen Steckvorrichtungselementes zusammengefügt werden kann. Bei dem elektrischen Kontaktelement kann es sich in bekannter Weise um eine metallische Buchse oder einen metallischen Steckerstift handeln. In der Regel sind zwei oder mehr derartige Kontaktelemente (gleichen Typs) im Steckvorrichtungselement vorgesehen, um verschiedene Phasen einer elektrischen Spannung, Signale, und/oder eine Erdung parallel übertragen zu können.
– Einen Hohlraum, welcher eine Zugangsöffnung und eine Ausgangsöffnung aufweist, über die er mit einem Kühlmedium durchströmt werden kann. Der Ausdruck ”Kühlmedium” soll dabei jedes gasförmige oder vorzugsweise flüssige Medium umfassen, welches Wärme aufnehmen bzw. abgeben sowie transportieren kann. Da innerhalb des Steckvorrichtungselementes typischerweise Wärme von diesem Medium aufgenommen wird, wird es vorliegend vereinfachend als ”Kühlmedium” bezeichnet. Dies soll jedoch nicht ausschließen, dass das Medium innerhalb des Steckvorrichtungselementes oder an anderen Orten nicht auch zur Wärmeabgabe eingesetzt werden kann (also als ”Heizmedium” wirkt).

Das beschriebene Steckvorrichtungselement hat den Vorteil, dass es durch die Kombination eines elektrischen Kontaktelementes und eines Hohlraumes, welcher von einem Kühlmedium durchströmt werden kann, den Abtransport von im Betrieb entstehender Abwärme ermöglicht. Solche Abwärme entsteht zwangsläufig beim Fluss von elektrischem Strom durch das Steckvorrichtungselement, insbesondere beim Durchfluss hoher Leistungen. In der Regel wird versucht, die Temperaturerhöhung durch solche Abwärme zu begrenzen, indem die elektrischen Leiter entsprechend groß dimensioniert werden, was jedoch zu erhöhtem Gewicht und hohen Kosten führt. Weiterhin kann dadurch nicht ausgeschlossen werden, dass in Ausnahmefällen doch überhöhte Temperaturen auftreten. Dies ist insbesondere bei Steckvorrichtungen problematisch, da diese von Nutzern angefasst werden können/müssen. Oberhalb einer Temperatur von ca. 60° führt eine Berührung eines erwärmten Steckvorrichtungselementes zu Schmerzen oder gar zu Verletzungen. Bei dem erfindungsgemäßen Steckvorrichtungselement wird dieses Problem gelöst, indem durch das Kühlmedium ein aktiver (konvektiver) Abtransport von Abwärme erfolgt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Stecksystem, welches (mindestens) ein Steckvorrichtungselement der vorstehend beschriebenen Art sowie ein zugehöriges elektrisches Kabel mit mindestens einem elektrischen Leiter aufweist, wobei der Leiter mit dem Kontaktelement des Steckvorrichtungselementes verbunden ist. In der Regel enthält das Kabel genau einen Leiter für jedes Kontaktelement des Steckvorrichtungselementes. Weiterhin sind die Leiter in bekannter Weise in elektrischen Isolierungen geführt und vorzugsweise innerhalb des Kabels insgesamt von einem isolierenden Außenmantel umgeben.
Im Folgenden werden verschiedene Weiterbildungen der Erfindung beschrieben, welche sowohl für das Steckvorrichtungselement als auch das elektrische Stecksystem gelten.
So kann gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Hohlraum im Steckvorrichtungselement zumindest teilweise zwischen dem Gehäuse und dem Kontaktelement angeordnet sein. Die typischerweise im Kontaktelement entstehende Abwärme muss dann zunächst durch den Hohlraum fließen, bevor sie das Gehäuse erreicht und an dessen Außenseite wirksam werden kann. Daher kann die Abwärme effizient vom Kühlmedium entfernt werden, bevor sie zu einer problematischen Erhitzung des Gehäuses führt.
Das elektrische Stecksystem kann optional ein konventionelles Kabel enthalten, welches nur die elektrischen Leiter und deren elektrische Isolierung umfasst. Vorzugsweise weist das Kabel des Stecksystems jedoch mindestens einen Hohlraum auf, durch welchen Kühlmedium zum Steckvorrichtungselement hin oder von diesem weg transportiert werden kann. Der Hohlraum des Kabels ist somit mit der Zugangsöffnung oder der Ausgangsöffnung des Hohlraumes im Steckvorrichtungselement verbunden. Auf diese Weise kann das Kühlmedium gleichzeitig sowohl eine Temperierung des Kabels als auch des Steckvorrichtungselementes bewirken.
Gemäß einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist das Kabel zwei voneinander getrennte, axial (d. h. entlang des Kabels) verlaufende Hohlräume auf, durch die das Kühlmedium in gegenläufige Richtungen geführt werden kann. Einer dieser Hohlräume ist dann vorzugsweise mit der Zugangsöffnung und der andere mit der Ausgangsöffnung des Hohlraumes im Steckvorrichtungselement gekoppelt, so dass das Kühlmedium im Vor/Rücklaufsystem entlang des Kabels zum Steckvorrichtungselement und zurückgeführt werden kann. Vorzugsweise ist einer der Hohlräume komplett vom anderen Hohlraum umgeben, so dass Letzterer ihn wärmetechnisch nach außen hin abschirmt.
Das elektrische Stecksystem enthält weiterhin vorzugsweise eine Klimatisierungsanlage, durch welche das Kühlmedium im Kreislauf geführt wird und in welcher ein Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium stattfindet. Die Klimatisierungsanlage kann insbesondere als Kühlanlage ausgebildet sein, welche dem Kühlmedium Wärme entziehen kann. Sie kann jedoch auch als Heizanlage ausgestaltet sein, um dem Kühlmedium Wärme zuzuführen. Des Weiteren kann sie dazu eingerichtet sein, dem Kühlmedium wahlweise entweder Wärme zu entziehen oder zuzuführen, wobei die Richtung des Wärmeflusses beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmediums und/oder von anderen externen Vorgaben gesteuert werden kann. Beim Einsatz des Stecksystems in kalten Umgebungen kann es z. B. wünschenswert sein, durch aktive Wärmezufuhr die Temperatur des Kabels und/oder des Steckvorrichtungselementes zu erhöhen. Die Klimatisierungsanlage kann weiterhin optional so ausgestaltet sein, dass sie dem Kühlmedium entnommene Wärme einer weiteren Nutzung zuführt, beispielsweise zur Warmwasseraufbereitung oder Raumheizung in einem Haus.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Stecksystem zwei kompatible erfindungsgemäße Steckvorrichtungselemente umfassen, deren Hohlräume im gekoppelten Zustand der Steckvorrichtungselemente miteinander verbunden sind, um den Übertritt von Kühlmedium zu ermöglichen. Dazu kann beispielsweise die Ausgangsöffnung des ersten Steckvorrichtungselementes mit der Zugangsöffnung des zweiten Steckvorrichtungselementes verbunden werden und/oder die Ausgangsöffnung des zweiten Steckvorrichtungselementes mit der Zugangsöffnung des ersten Steckvorrichtungselementes. Optional können die Steckvorrichtungselemente jedoch auch zusätzliche Öffnungen haben, welche im gekoppelten Zustand der Steckvorrichtungselemente miteinander in Verbindung stehen und im getrennten Zustand der Steckvorrichtungselemente typischerweise verschlossen sind. Durch die Kopplung der Hohlräume in zwei Steckvorrichtungselementen wird es möglich, mit demselben Kühlmedium beide Steckvorrichtungselemente und gegebenenfalls noch die daran angeschlossenen Kabel zu temperieren. Anlagen zur Förderung und Temperierung des Kühlmediums müssen dementsprechend nur einmal vorgesehen werden. Dies kommt insbesondere mobilen Stromverbrauchern wie beispielsweise Elektrofahrzeugen zugute, welche so von einer stationären Einheit temperiert werden können.
Gemäß einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthält das elektrische Stecksystem einen Strömungsweg für Kühlmedium, in dem nacheinander die folgenden Komponenten durchströmt werden:

– das Kabel des ersten Steckvorrichtungselementes;
– das erste Steckvorrichtungselement;
– das zweite Steckvorrichtungselement;
– optional das Kabel des zweiten Steckvorrichtungselementes;
– optional ein wärmetauschendes Element.

Der beschriebene Strömungsweg ist vorzugsweise zu einem Kreislauf fortgebildet, so dass das Kühlmedium nach einmaligem Durchlaufen des Strömungsweges diesen wieder in Rückwärtsrichtung durchläuft. Am Beginn des Strömungsweges steht dabei vorzugsweise eine Klimatisierungsanlage der oben beschriebenen Art. Das wärmetauschende Element des beschriebenen Stecksystems kann allgemein jede interne oder externe Komponente sein, mit der das Kühlmedium einen (signifikanten) Wärmeaustausch durchführt. So kann beispielsweise am Ende des Kabels des zweiten Steckvorrichtungselementes eine Einrichtung wie etwa die Batterie eines Elektrofahrzeuges liegen, welche vom Kühlmedium ebenfalls durchströmt und dadurch gekühlt wird. Der Wärmetauscher könnte jedoch auch eine Wärmesenke sein, welche Energie aus dem Kühlmedium aufnimmt und diese beispielsweise der Raumheizung eines Fahrzeuges oder eines Wohnhauses zuführt.
Das Stecksystem kann weiterhin eine Temperaturüberwachung enthalten, welche die Leistungsübertragung über das Steckvorrichtungselement in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmediums kontrolliert. Übersteigt die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert, so kann beispielsweise die übertragene elektrische Leistung reduziert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:
1 schematisch ein Stecksystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 schematisch ein Stecksystem gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Steckvorrichtungselementen, in denen der Übertritt eines Kühlmediums erfolgt.
1 zeigt in einer grob schematischen Schnittansicht ein elektrisches Stecksystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Stecksystem umfasst als eine wesentliche Komponente ein Steckvorrichtungselement 100 mit einem Außengehäuse 103 aus einem isolierenden Kunststoff, innerhalb dessen ein Kontaktbaustein 102 mit mehreren metallischen Kontaktelementen 101 (Buchsen) angeordnet ist. Das Steckvorrichtungselement 100 ist gekennzeichnet durch einen Hohlraum 104, welcher zwischen dem Kontaktbaustein 102 und dem Außengehäuse 103 angeordnet ist und welcher von einem Kühlmedium durchströmt werden kann.
Der Hohlraum ist im dargestellten Beispiel in Form von zwei miteinander verbundenen Kammern gestaltet, wobei die erste, äußere Kammer eine Zugangsöffnung 105 und die zweite, innere Kammer eine Ausgangsöffnung 106 aufweist. Über die Zugangsöffnung 105 kann ein Kühlmedium wie beispielsweise Wasser oder ein elektrisch isolierendes Fluid zugeführt werden, welches nach Durchströmen der ersten Kammer und der zweiten Kammer den Hohlraum 104 über die Ausgangsöffnung 106 wieder verlässt. Bei Stromfluss an den Kontaktelementen 101 entstehende Abwärme kann auf diese Weise wirksam vom Kühlmedium abtransportiert werden, bevor sie am Gehäuse 103 zu einer problematischen Außenerwärmung führt.
Das Stecksystem umfasst weiterhin ein Kabel 110, welches die elektrischen Leitungen 111 enthält, die mit den Kontaktelementen 101 im Steckvorrichtungselement 100 verbunden sind. Des Weiteren umfasst das Kabel 110 einen inneren (ringspaltförmigen) Hohlraum 112 und einen diesen umgebenden äußeren (ringspaltförmigen) Hohlraum 113, welche die elektrischen Leitungen 111 umgeben. Der äußere Hohlraum 113 ist mit der Zugangsöffnung 105 und der innere Hohlraum 112 mit der Ausgangsöffnung 106 des Steckvorrichtungselementes 100 gekoppelt. Das Kühlmedium kann daher über den äußeren Hohlraum 113 dem Steckvorrichtungselement zugeführt werden und durch den inneren Hohlraum 112 wieder abtransportiert werden. In den Leitern 111 entstehende Abwärme kann dabei vom Kühlmedium aufgenommen werden.
An dem dem Steckvorrichtungselement 100 gegenüberliegenden Ende ist das Kabel 110 mit der Infrastruktur verbunden, d. h. die Leiter 111 mit einer Quelle 130 für elektrische Energie (Lichtnetz, Gleichstromnetz etc.) und/oder für elektrische Signale. Der innere Hohlraum 112 und der äußere Hohlraum 113 des Kabels 110 sind dagegen mit einer Klimatisierungsanlage 120 verbunden, in welcher ein kontrollierter Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium stattfindet. Insbesondere kann dem Kühlmedium Wärme entzogen werden, wobei diese Wärme optional einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann. Bei einer Heim-Ladestation für Elektrofahrzeuge kann die in der Klimatisierungsanlage 120 gewonnene Wärme beispielsweise dem Heizsystem des Hauses zugeführt werden.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform bzw. Weiterentwicklung des beschriebenen elektrischen Stecksystems. Hierbei sind zwei zueinander kompatible Steckvorrichtungselemente 200 (Kupplung) und 300 (Stecker) vorhanden, welche mit einem Kabel 210 bzw. 310 verbunden sind. Diese Einheiten sollen jeweils für sich in der oben beschriebenen Weise ausgestaltet sein, d. h. die Kabel enthalten zwei getrennte Hohlräume für den gegenläufigen Transport eines Kühlmediums, welches ebenfalls Hohlräume im Steckvorrichtungselement durchströmen kann.
Die Besonderheit der Anordnung liegt darin, dass im gekoppelten Zustand Kühlmedium vom ersten Steckvorrichtungselement 200 in das zweite Steckvorrichtungselement 300 übertreten kann. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Kühlmedium dann im zweiten Steckvorrichtungselement 300 entlang von dessen Kabel 310 geführt, bis es am Ende dieses Kabels in die Rückleitung 313 umgelenkt wird. Von dort gelangt es wieder in das zweite Steckvorrichtungselement 300, von wo es weiter in das erste Steckvorrichtungselement 200 und dann über dessen Rückleitung 213 zum Ursprungsort zurückgeführt wird. Dort kann wie in 1 gezeigt eine Klimatisierungsanlage angeordnet sein.
Das zweite Kabel 310 führt zu einem Verbraucher C, in welchem die elektrische Energie bzw. das übertragene Signal genutzt wird. Der Verbraucher C kann beispielsweise ein Elektrofahrzeug sein, dessen Batterien über das Stecksystem aufgeladen werden.
Des Weiteren ist in 2 ein wärmetauschendes Element W im Verbraucher C angedeutet, welches einen Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium durchführt. Dabei kann dem Kühlmedium z. B. Wärme zugeführt werden, beispielsweise von einer aufladenden Autobatterie und/oder dem erhitzten Motor eines Autos. Es kann jedoch auch Wärme aus dem Kühlmedium entnommen werden, beispielsweise in der Klimaanlage eines Elektrofahrzeuges C.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202008014815 U1 [0002]
DE 69627246 T2 [0003]
DE 3336842 A1 [0003]
DE 2252925 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN VDE 0623 [0006]
EN 60309-2 [0006]
IEC 62196 [0006]

Claims

Elektrisches Steckvorrichtungselement (100, 200, 300), enthaltend: – ein Gehäuse (103) mit mindestens einem darin angeordneten elektrischen Kontaktelement (101); – einen Hohlraum (104) mit einer Zugangsöffnung (105) und einer Ausgangsöffnung (106), über welche der Hohlraum mit einem Kühlmedium durchströmt werden kann.
Elektrisches Stecksystem, enthaltend: – mindestens ein Steckvorrichtungselement (100, 200, 300) nach Anspruch 1; – ein elektrisches Kabel (110, 210, 310) mit mindestens einem Leiter (111), der mit dem Kontaktelement (101) des Steckvorrichtungselementes verbunden ist.
Steckvorrichtungselement (100, 200, 300) oder elektrisches Stecksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (104) zumindest teilweise zwischen dem Gehäuse (103) und dem Kontaktelement (101) angeordnet ist.
Elektrisches Stecksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (110, 210, 310) mindestens einen Hohlraum (112, 113, 212, 213, 312, 313) aufweist, durch welchen Kühlmedium zum Steckvorrichtungselement (100, 200, 300) hin oder von diesem weg transportiert werden kann.
Elektrisches Stecksystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (110, 210, 310) zwei getrennte, axial verlaufende Hohlräume (112, 113, 212, 213, 312, 313) aufweist, durch die das Kühlmedium in gegenläufige Richtungen geführt werden kann.
Steckvorrichtungselement (100, 200, 300) oder elektrisches Stecksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Klimatisierungsanlage (120) enthält, durch welche das Kühlmedium im Kreislauf geführt wird und in welcher ein Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium stattfindet.
Elektrisches Stecksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei kompatible Steckvorrichtungselemente (200, 300) nach Anspruch 1 umfasst, deren Hohlräume im gekoppelten Zustand verbunden sind, um den Übertritt von Kühlmedium zu ermöglichen.
Elektrisches Stecksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Strömungsweg von Kühlmittel enthält, in dem nacheinander die folgenden Komponenten durchströmt werden: – das Kabel (210) des ersten Steckvorrichtungselementes (200); – das erste Steckvorrichtungselement (200); – das zweite Steckvorrichtungselement (300); – optional das Kabel (310) des zweiten Steckvorrichtungselementes (300); – optional ein wärmetauschendes Element (W).
Steckvorrichtungselement (100, 200, 300) oder elektrisches Stecksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Temperaturüberwachung enthält, welche die Leistungsübertragung über das Steckvorrichtungselement (100, 200, 300) in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmediums kontrolliert.