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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Steckverbinder- bzw. Verbinderbaugruppen, insbesondere auf Verbinderbaugruppen für das Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen oder ähnliche Anwendungen mit der Notwendigkeit, große elektrische Ströme zu handhaben.
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Hintergrund
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In vielen Anwendungen benötigen elektrische Steckverbinderbaugruppen Kühlung, insbesondere in Fällen, in denen die über den Steckverbinder übertragene elektrische Leistung hoch ist. Für die Kühlung elektrischer Steckverbinderbaugruppen gibt es verschiedene Lösungen. Eine Lösung basiert auf externen Kühlflüssigkeiten, wie z.B. Luft oder Wasser. Für viele Anwendungen sind diese Lösungen jedoch zu teuer und/oder erfordern einen großen Raum, der nicht immer zur Verfügung steht. Eine andere häufige Lösung ist die Verwendung einer Kühlkörperkomponente aus Metall, wie z.B. Kühlrippen, die auf den Steckverbindergehäusen angeordnet sind. Die Kühlleistung ist jedoch relativ gering und auch diese Lösung benötigt Platz und funktioniert nur, wenn die Kühlrippen die aufgenommene Wärme schnell an die Umgebung abgeben können.
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Aus dem Dokument
DE 10 2018 108 181 A1 ist eine Kühllösung für eine Ladekupplung bekannt, bei der ein Phasenwechselmaterial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, das die darin angeordneten elektrischen Kontaktklemmen umgibt.
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Die Kühlung wird durch den Einsatz eines Latentwärmespeichers erreicht, d.h. eines Gerätes, das wiederholt Wärmeenergie aufnehmen, speichern und wieder abgeben kann. Ein geeignetes Material für diesen Zweck ist ein sogenanntes Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM). Ein Phasenwechselmaterial zeichnet sich dadurch aus, dass die latente Schmelzwärme, insbesondere die Absorptionswärme, wesentlich grösser ist als die Wärme, die es durch seine spezifische Wärmekapazität speichern kann. Durch die Absorption von Wärme wird das Phasenwechselmaterial geschmolzen. Eine Abgabe der gespeicherten Wärmeenergie erfolgt durch erneutes Erstarren des Phasenwechselmaterials, wobei das Phasenwechselmaterial die zuvor aufgenommene Wärmemenge als Erstarrungswärme an die Umgebung abgibt. Als Phasenwechselmaterialien können spezielle Salze (z.B. Glaubersalz, Natriumacetat) oder organische Verbindungen (z.B. Fettsäuren) verwendet werden.
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Durch die Integration der Anschlüsse im Inneren des PCM kann eine gute Kühlleistung erwartet werden. Ein solcher Steckverbinder ist jedoch schwierig zu montieren, und es besteht die Gefahr, dass geschmolzenes PCM aus dem Gehäuse des Steckverbindergehäuses austreten könnte.
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Das Dokument
DE 20 2018 006 166 U1 schlägt ein ähnliches Konzept vor, bei dem das PCM im Inneren des Steckergehäuses angeordnet ist. Auch in diesem Fall ergeben sich Probleme, das PCM im geschmolzenen Zustand dicht zu halten.
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Daher besteht im Stand der Technik die Notwendigkeit, eine elektrische Verbinderbaugruppe mit einem verbesserten Kühlkörper zu versehen, der es effizient ermöglicht, Wärme schnell zu absorbieren und gleichzeitig kostengünstig in der Herstellung und sicher in der Anwendung ist. Diese und andere Probleme werden zumindest teilweise durch eine Verbinderbaugruppe nach Anspruch 1 überwunden.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Insbesondere werden diese Probleme durch eine elektrische Verbinderbaugruppe gelöst, die aus einem Verbindergehäuse und mindestens einem im Inneren des Gehäuses angeordneten elektrischen Kontaktanschluss besteht. Weiterhin ist an einer Außenwand des Verbindergehäuses ein Kühlkörperelement angebracht, das eine vollständig geschlossene Kapsel aufweist, die ein Phasenwechselmaterial zur Absorption von Wärme enthält.
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Durch die Bereitstellung eines Kühlkörperelements mit einer vollständig geschlossenen Kapsel, die das PCM enthält, werden mehrere Vorteile realisiert. Erstens ist es durch die Verwendung einer geschlossenen Kapsel möglich, das PCM auch in seinem geschmolzenen/flüssigen Zustand sicher einzuschließen. Da das Kühlkörperelement im Grunde eine in sich geschlossene Einheit ist, kann es an jedem Teil des Verbindergehäuses montiert werden, wo eine Wärmeaufnahme erforderlich ist. Das Phasenwechselmaterial (PCM) ist eine Substanz, die beim Phasenübergang genügend Energie freisetzt/absorbiert, um eine sinnvolle Erwärmung oder Kühlung zu ermöglichen. Im Allgemeinen erfolgt der Übergang von einem der ersten beiden Grundzustände der Materie, fest und flüssig, in den anderen. Der Phasenübergang kann auch zwischen nicht klassischen Materiezuständen stattfinden, wie z.B. der Konformität von Kristallen, bei der das Material von einer kristallinen Struktur in eine andere übergeht, die einen höheren oder niedrigeren Energiezustand haben kann.
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In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung ist die vollständig geschlossene Kapsel aus Metall. Dies kann z.B. durch einen vollständig geschlossenen Metallkasten realisiert werden, der das PCM am besten vollständig von der Umwelt abschließt. Selbst wenn das PCM seinen Zustand ändert, bleibt es also sicher im Inneren der Kapsel eingeschlossen. Die Verwendung von Metall, insbesondere von Metall mit hoher Wärmeübertragungskapazität, ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Übertragung von Wärme auf das PCM bzw. vom PCM auf das Metallgehäuse und die Umgebung, wenn das PCM z.B. bei der Erstarrung wieder Wärme abgibt.
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In einigen Ausführungsformen ist die Verbinderbaugruppe eine Fahrzeugladegerät- Verbinderbaugruppe. Solche Steckverbinder- bzw.-Verbinderbaugruppen werden zum Beispiel im Zusammenhang mit dem Laden von Elektro- oder Hybridfahrzeugen verwendet. Die vorliegende Offenlegung ist bei solchen Lösungen besonders vorteilhaft, da sie eine kompakte, sichere und unabhängige Lösung darstellt, um schnell große Wärmemengen aufzunehmen, die typischerweise beim Laden eines Fahrzeugs auftreten.
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In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung umfassen die Montagemittel zur Befestigung des Kühlkörperelements am Verbindergehäuse Schraubbefestigungsmittel. Schraubbefestigungsmittel sind sehr zuverlässig und ermöglichen wiederholte Befestigungs- und Lösevorgänge. Dadurch ist es möglich, das Kühlkörperelement schnell an einer Außenwand des Verbindergehäuses zu montieren und auch wieder zu entfernen, ohne dass Spezialwerkzeug benötigt wird.
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In einigen Ausführungen ist die Steckverbinderbaugruppe so ausgelegt, dass sie elektrische Ströme von mindestens 200 A übertragen kann, bevorzugter mindestens 250 A, noch bevorzugter mindestens 300 A und am meisten bevorzugt mindestens 450 A. Verbinderbaugruppen, die in der Lage sind, solch hohe Ströme zu handhaben, sind z.B. bei Ladevorgängen von Fahrzeugen sehr nützlich. Außerdem benötigen diese Art von Hochleistungssteckverbindern oft zusätzliche Kühllösungen, so dass die vorliegende Offenlegung in solchen Fällen besonders hilfreich ist.
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Bei einigen Ausführungen ist das Kühlkörperelement an einer Außenwand neben den im Inneren des Verbindergehäuses angeordneten elektrischen Kontaktanschlüssen montiert. Der höchste Widerstand in einer Verbinderbaugruppe liegt typischerweise an der Übergangsstelle zwischen den Anschlüssen des Steckverbinders und des Gegensteckverbinders. Daher treten die höchsten Temperaturen typischerweise an den Kontaktanschlüssen selbst auf. Durch die Anordnung des Kühlkörperelements an einer Wand so nahe wie möglich an den elektrischen Anschlüssen kann eine besonders effiziente Kühlung erreicht werden.
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In einigen Ausführungsformen liegt der Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials zwischen 130 und 200 °C, bevorzugter zwischen 140 und 190 °C und am meisten bevorzugt zwischen 150 und 180 °C. Ein Schmelzpunkt in diesem Bereich ist besonders nützlich für die Verwendung in elektrischen Verbinderbaugruppen. Bei einem niedrigeren Schmelzpunkt würde das PCM bereits beginnen, große Wärmemengen zu absorbieren, wenn dies noch nicht unbedingt erforderlich ist. Bei einem höheren Schmelzpunkt könnte die Verbinderbaugruppe durch die bereits erzeugte Wärme beschädigt werden, bevor die effektive Kühlung durch den Phasenübergang stattfindet.
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Bei einigen Ausführungsformen besteht die Kapsel des Kühlkörperelements aus Kühlrippen. Die Kühlrippen sind vorzugsweise direkt auf der Metallkapsel angeordnet, um die Wärme effektiv von der Kapsel weg an die Umgebung zu übertragen. Der Einsatz von Kühlrippen ermöglicht z.B. eine schnelle Rückverfestigung des PCM und somit ist das Kühlkörperelement schnell wieder einsatzbereit.
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Bei einigen Ausführungen ist das Verbindergehäuse abgedichtet und das PCM kommt mit keiner Oberfläche des Verbindergehäuses in Kontakt. Mit anderen Worten, die vollständig geschlossene Kapsel verhindert vollständig, dass das PCM mit dem Verbindergehäuse in Kontakt kommt, selbst wenn es sich in flüssigem Zustand befindet.
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Bei einigen Ausführungen ist das Kühlkörperelement abnehmbar am Verbindergehäuse montiert, um einen Austausch des Kühlkörperelements zu ermöglichen, ohne dass das Verbindergehäuse geöffnet werden muss. Durch die abnehmbare Montage des Kühlkörperelements am Verbindergehäuse ist es möglich, das Kühlkörperelement schnell auszutauschen, wenn dieses z.B. defekt ist. Es ermöglicht auch einen schnellen Austausch eines Kühlkörperelements gegen ein anderes Kühlkörperelement mit z.B. höherer Wärmeaufnahmekapazität, z.B. aufgrund einer größeren Menge an PCM. Dadurch kann die Verbinderbaugruppe schnell angepasst werden, wenn z.B. eine größere Kühlleistung benötigt wird.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Verbinderbaugruppe außerdem zwei Kontaktanschlüsse und das Kühlkörperelement einen Wärmeübertragungsvorsprung, der sich zwischen den beiden Anschlüssen erstreckt, wenn das Kühlkörperelement am Gehäuse montiert ist. Das Gehäuse kann z.B. so geformt werden, dass der Wärmeübertragungsvorsprung des Kühlkörperelements in einer im Gehäuse vorgesehenen Aussparung angeordnet ist, wodurch die effektive Oberfläche für die Wärmeübertragung erheblich vergrößert werden kann.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden die Figuren, die bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung zeigen, kurz beschrieben.
- 1 ist ein Temperaturdiagramm, das Temperaturanstiegskurven mit und ohne PCM zeigt;
- 2 zeigt eine Verbinderbaugruppe in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
- 3 ist eine schematische Darstellung eines gekapselten PCM.
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1 zeigt zwei Temperaturanstiegskurven einer beispielhaften Verbinderbaugruppe, wenn der Strom ein- und wieder ausgeschaltet wird, wie es z.B. typischerweise an öffentlichen Stromtankstellen für Elektrofahrzeuge der Fall ist.
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Die Kurven zeigen die zeitliche Entwicklung der Temperatur. Die oberste Kurve zeigt die Temperatur einer Verbinderbaugruppe ohne PCM. Beim Einschalten des Stroms steigt die Temperatur steil an, bis sie eine Spitzentemperatur T2 erreicht. Beim Ausschalten des Stroms kühlt der Verbinder langsam wieder ab. Die Temperaturkurve mit PCM bzw. einem Kühlkörperelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung steigt zunächst wie die Temperatur ohne PCM an, bis die Temperatur T1 erreicht ist. T1 ist die Schmelztemperatur des PCM. Wenn das PCM schmilzt, wird Wärme in großen Mengen absorbiert und die Temperatur bleibt bei T1 im Wesentlichen stabil. Wie aus der Grafik ersichtlich ist, befindet sich das PCM noch in seinem flüssigen Zustand, solange der Strom eingeschaltet ist. Beim Ausschalten des Stroms sinkt die Temperatur und das PCM erstarrt wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich, wenn der Strom wieder eingeschaltet wird, usw.
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Durch die Erstarrung verlängert sich die Zeit für den Temperaturabbau, aber bei diesen niedrigeren Temperaturen besteht nicht mehr die Gefahr, dass die Verbinderbaugruppe beschädigt wird.
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2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung einer Verbinderbaugruppe 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung und einem entsprechenden Gegenstecker 20. Die Verbinderbaugruppe 10 besteht aus einem Gehäuse 110, das aus einem ersten Gehäuseteil 111 und einem zweiten Gehäuseteil 112 zusammengesetzt ist. Zwischen den beiden Gehäuseteilen ist ein Einsatz 113 vorgesehen, der als Steckerschnittstelle und zur Abdichtung des Innenraums der Verbinderbaugruppe 10 dient. Im Inneren des Gehäuses 110 sind zwei elektrische Kontaktanschlüsse in Form von Kontaktanschlüssen 114 angeordnet, die mit Hauptanschlüssen 115 elektrisch verbunden sind. Der Fachmann versteht, dass das Gehäuse 110 im montierten Zustand vollständig geschlossen und gegen Feuchtigkeit abgedichtet ist.
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Die Verbinderbaugruppe 10 umfasst ferner ein Kühlkörperelement 120, das im zusammengebauten Zustand an der untersten Außenwand des ersten Gehäuseteils 111 montiert ist und eine vollständig geschlossene Kapsel 122 umfasst, die ein Phasenwechselmaterial enthält (siehe 3), um die bei der Verwendung der Verbinderbaugruppe 10 erzeugte Wärme zu absorbieren. In einer Ausführungsform umfasst das Kühlkörperelement 120 vier Befestigungsmittel 121 in Form von Schraubbefestigungsmitteln. Mit Hilfe der Schrauben kann das Kühlkörperelement 120 sicher am ersten Gehäuseteil 111 befestigt werden.
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Ferner kann das Kühlkörperelement 120 einen Wärmeübertragungsvorsprung 124 aufweisen, der sich im montierten Zustand zwischen den beiden Hauptanschlüssen 115 erstreckt.
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Der in 2 dargestellte entsprechende Gegenstecker 20 hat die Form eines Steckverbinders. Der Steckverbinder 20 besteht aus einem Hauptgehäuse 21 und einem entsprechenden Deckel 22 und enthält darin Buchsenkontaktanschlüsse 23, die mit den Kontaktanschlüssen 114 zusammenpassen.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Kapsel 122. Die Kapsel 122 ist aus Metall, wie zum Beispiel aus Aluminium, gefertigt. Darin befindet sich ein PCM 123, das vorzugsweise vollständig von der Kapsel 122 gekapselt ist, so dass das PCM 123 auch im flüssigen Zustand sicher eingeschlossen ist. Die Kapsel 122 kann eine gewisse Flexibilität oder zusätzlichen Raum haben, um jede Volumenänderung des PCM bei Phasenverschiebung zu berücksichtigen.
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Bezugszeichenliste
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- 10 -
- Verbinderbaugruppe
- 110 -
- Gehäuse
- 111 -
- erster Gehäuseteil
- 112 -
- zweiter Gehäuseteil
- 113 -
- Einsatz
- 114 -
- Kontaktanschluss
- 115 -
- Hauptanschluss
- 120 -
- Kühlkörperelement
- 121 -
- Befestigungsmittel
- 122 -
- Kapsel
- 123 -
- Phasenwechselmaterial (PCM)
- 124 -
- Wärmeübertragungsvorsprung
- 20 -
- Gegenstecker bzw. Steckverbinder
- 21 -
- Hauptgehäuse
- 22 -
- Deckel
- 23 -
- Buchsenkontaktanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018108181 A1 [0003]
- DE 202018006166 U1 [0006]
