EP3503304A1 - Electrical contact element of a plug system - Google Patents
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Definitions
- the present invention has the object to provide an electrical contact element, which has a low electrical Transition resistance and has a relation to a solid contact element improved heat dissipation, and a plug-in system with at least one such contact element.
- the body of the electrical contact element is in the region of the first electrical contact area has a cross-section which is larger than in a remote from the first electrical contact area lying area.
- the cavity has a structure that directs streams of liquid or gaseous fluid and / or leads separate from each other.
- a structure may comprise a structuring of the surface inside the cavity, for example grooves, ribs or tubular elements which promote a convective material cycle. But it may also comprise other fluid-conducting measures, for example.
- the electrical contact element according to the invention has been described using the example of a filling with sodium. It is of course also possible to use substances other than sodium as second materials. In this case, it is also possible in particular to use liquids or solutions whose melting and triple points lie in suitable temperature ranges. It does not necessarily depend on their electrical conductivity, although a good electrical conductivity is not a disadvantage.
- the material flow of the second material in each case improves the heat transfer from a heat source to a heat sink beyond a heat flow which can be achieved solely by heat conduction in a solid contact part.
- the plug has at least one first area, which can be releasably positively connected to a corresponding second area of the socket. In the connected state of the plug and socket whose electrical contact elements are pressed together by the force acting in the longitudinal direction of each other.
- the electrical contact element described above can be compared to a solid contact element improved cooling of the contact surface by the improved dissipation of heat at predetermined dimensions reach, especially for small contact surfaces. This can be advantageous, for example, in rapid charging systems for electric vehicles, via whose contacts high currents flow.
- the contact element according to the invention is suitable for all electrical plug-in or contact systems, at the contact surfaces high temperatures can occur. The heat conducted from the contact surface to other areas of the system can then be removed from the system in these areas.
- the dimensions of the contacts are not specified, they can be made smaller with the same current carrying capacity and maximum operating temperature, and thus raw materials can be saved.
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Abstract
Ein elektrisches Kontaktelement eines Stecksystems zum Anschluss eines elektrischen Verbrauchers an eine Stromversorgung umfasst einen aus einem elektrisch leitfähigen ersten Material bestehenden Körper, der an einem ersten Ende eine erste elektrische Kontaktfläche zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einem zweiten elektrischen Kontaktelement aufweist. Der Körper weist einen geschlossenen Hohlraum auf, der sich von der ersten Kontaktfläche ausgehend zumindest über einen Teil der Länge des Körpers erstreckt. Der Hohlraum ist zumindest teilweise mit einem zweiten Material gefüllt, das bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des ersten Materials flüssig und/oder gasförmig vorliegt.An electrical contact element of a plug-in system for connecting an electrical consumer to a power supply comprises a body made of an electrically conductive first material, which has a first electrical contact surface at a first end for establishing electrical contact with a second electrical contact element. The body has a closed cavity which extends from the first contact surface at least over part of the length of the body. The cavity is at least partially filled with a second material which is liquid and / or gaseous at a temperature below the melting point of the first material.
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement und ein Stecksystem mit mindestens einem solchen Kontaktelement.The invention relates to an electrical contact element and a plug-in system with at least one such contact element.
Elektrische Verbraucher werden in der Regel mittels Steckern, die mit entsprechenden Buchsen lösbar verbunden werden können, an eine Spannungs- bzw. Stromversorgung angeschlossen. Die Stecker und Buchsen weisen elektrische Kontakte auf, die bei korrekt in eine Buchse gesteckten Steckern eine sichere elektrische Verbindung mit geringem elektrischem Übergangswiderstand zwischen Stecker und Buchse gewährleisten.Electrical consumers are usually connected to a voltage or power supply by means of plugs which can be detachably connected to corresponding sockets. The plugs and sockets have electrical contacts that ensure a secure electrical connection with low electrical contact resistance between the plug and socket with properly plugged into a socket plugs.
Der elektrische Übergangswiderstand hängt bspw. von den für die elektrischen Kontakte verwendeten Materialien und der gemeinsamen Kontaktfläche ab. Das für die Kontakte verwendete Material muss einerseits eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen und andererseits eine Oberflächenhärte haben, die möglichst viele Steckzyklen ohne starken Verschleiß der Oberfläche gewährleistet. Die Belastung der gemeinsamen Kontaktflächen hängt dabei sehr stark von dem Design der Kontakte von Stecker und Buchse ab, insbesondere davon, wie hoch eine Reibbelastung zwischen den Kontakten im Moment des Verbindens ist.The electrical contact resistance depends, for example, on the materials used for the electrical contacts and the common contact surface. The material used for the contacts must on the one hand have a good electrical conductivity and on the other hand have a surface hardness that ensures as many mating cycles without heavy wear of the surface. The load on the common contact surfaces depends very much on the design of the plug and socket contacts, in particular how high a friction load between the contacts at the moment of connection is.
Die Belastbarkeit der Kontaktflächen kann durch Beschichtung mit verschleißfesten Materialien vergrößert werden, jedoch häufig zu Lasten der elektrischen Leitfähigkeit.The load capacity of the contact surfaces can be increased by coating with wear-resistant materials, but often at the expense of electrical conductivity.
Bei elektrischen Verbrauchern, die eine große Anschlussleistung bei verhältnismäßig niedriger Spannung haben, fließen sehr hohe Ströme die, trotz aller Bemühungen, geringe elektrische Übergangswiderstände zwischen Stecker und Buchse sicherzustellen, zu einer starken Temperaturerhöhung an der gemeinsamen Kontaktfläche führen. Die Temperatur an der Kontaktfläche darf einen Wert nicht überschreiten, der abhängig vom Material der Kontakte, vom Material des Stecker- und/oder Buchsengehäuses, von der Temperaturbelastbarkeit in der Umgebung befindlicher anderer Komponenten und dergleichen bestimmt wird, bspw. um die Form und damit die Funktionsfähigkeit von Stecker und Buchse zu erhalten oder das Entstehen von Schwelbränden oder sogar offenem Feuer zu verhindern.In electrical consumers who have a large connected load at relatively low voltage, very high currents flow which, despite all efforts to ensure low electrical contact resistance between plug and socket, lead to a sharp increase in temperature at the common contact surface. The temperature at the contact surface is allowed Do not exceed a value that is determined depending on the material of the contacts, the material of the male and / or female housing, the temperature resistance in the environment befindlicher other components and the like, for example. To the shape and thus the functionality of the plug and socket or to prevent the onset of smoldering fires or even open fires.
Ein Beispiel für elektrische Verbraucher mit hoher Anschlussleistung sind Elektrofahrzeuge, deren Batterien möglichst schnell geladen werden müssen. Für das Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen existieren mehrere Standards, in denen die Form von Stecker und Buchse sowie die Ladespannung und die Ladeströme festgelegt sind. Die gebräuchlichsten Standards sind derzeit die Supercharger des US-Amerikanischen Herstellers Tesla ®, die bei einer Gleichspannung von 480 V eine Ladeleistung von bis zu 145 kW erreichen, der CHAdeMO-Standard, der bei Gleichspannungen zwischen 300 und 500 V eine Ladeleistung von bis zu 150 kW erreicht, und das Combined Charging System (CCS), das Ladeleistungen von bis zu 100 kW mit Gleichspannungen bis zu 850 V oder Dreiphasen-Wechselspannungen bis zu 500 V erreicht. Bei den höchsten Ladeleistungen können Ströme von bis zu 350 A fließen. Höhere Ladeleistungen mit höheren Strömen werden in Zukunft benötigt werden, um die Ladezeiten zu verringern.An example of electrical consumers with high connected load are electric vehicles whose batteries must be charged as quickly as possible. For charging the batteries of electric vehicles exist several standards in which the form of plug and socket and the charging voltage and the charging currents are fixed. The most common standards are currently the superchargers of the US manufacturer Tesla ®, which achieve a charging power of up to 145 kW at a DC voltage of 480 V, the CHAdeMO standard, which at DC voltages between 300 and 500 V, a charging power of up to 150 kW, and the Combined Charging System (CCS), which achieves charging powers of up to 100 kW with DC voltages up to 850 V or three-phase AC voltages up to 500 V. With the highest charging power, currents of up to 350 A can flow. Higher charging powers with higher currents will be needed in the future to reduce charging times.
Bereits bei der heutigen höchsten Ladeleistung fällt an einem Übergangswiderstand von nur 10 mOhm eine Verlustleistung von 1,2 kW an, die als Wärme vom Stecker abgeleitet werden muss. Bei einer Ladung mit sehr hoher Leistung erreichen die Stecker innerhalb kurzer Zeit eine Temperatur von mehr als 90°C. Die Temperatur von Stecker und/oder Buchse wird daher überwacht, und bei Überschreiten eines zulässigen Höchstwertes wird der Ladevorgang abgebrochen oder die Ladeleistung verringert, was in jedem Fall eine unerwünschte Verlängerung der Ladezeit bedeutet.Already at today's highest charging power, a power loss of only 1.2 kW occurs at a contact resistance of only 10 mOhm, which must be dissipated as heat from the connector. When charging with very high power, the connectors reach a temperature of more than 90 ° C within a short time. The temperature of the plug and / or socket is therefore monitored, and when a maximum value is exceeded, the charging process is aborted or the charging power is reduced, which means in any case an undesirable extension of the charging time.
Hiervon ausgehend hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein elektrisches Kontaktelement zu schaffen, das einen geringen elektrischen Übergangswiderstand und eine gegenüber einem massiven Kontaktelement verbesserte Wärmeableitung aufweist, sowie ein Stecksystem mit mindestens einem solchen Kontaktelement.On this basis, the present invention has the object to provide an electrical contact element, which has a low electrical Transition resistance and has a relation to a solid contact element improved heat dissipation, and a plug-in system with at least one such contact element.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung nach einem ersten Aspekt ein elektrisches Kontaktelement mit einem aus einem elektrisch leitfähigen ersten Material bestehenden Körper vor, der an einem ersten Ende eine erste elektrische Kontaktfläche zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einem zweiten elektrischen Kontaktelement aufweist. Der Körper weist einen geschlossenen Hohlraum auf, der sich von der ersten Kontaktfläche ausgehend zumindest über einen Teil der Länge des Körpers erstreckt, und der zumindest teilweise mit einem zweiten Material gefüllt ist, welches bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des ersten Materials flüssig und/oder gasförmig vorliegt.To achieve this object, the invention proposes, according to a first aspect, an electrical contact element having a body made of an electrically conductive first material, which has at a first end a first electrical contact surface for producing an electrical contact with a second electrical contact element. The body has a closed cavity extending from the first contact surface, at least over part of the length of the body, and at least partially filled with a second material which is liquid and / or liquid at a temperature below the melting point of the first material is present in gaseous form.
Die erste Kontaktfläche kann eine Oberfläche aufweisen die, wenn sie mit einem entsprechenden zweiten Kontaktelement des Stecksystems zu einer elektrischen Verbindung zusammenbracht ist, plan an einer elektrischen Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements anliegt.The first contact surface may have a surface which, when brought together with a corresponding second contact element of the plug-in system to form an electrical connection, rests flat against an electrical contact surface of the second contact element.
Bei einem oder mehreren der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele wird die erste elektrische Kontaktfläche mit dem zweiten Kontaktelement des Stecksystems reibungsfrei mittels einer im Wesentlichen normal zu der elektrischen Kontaktfläche wirkenden Kraft zusammengebracht.In one or more of the embodiments described herein, the first electrical contact surface is frictionally engaged with the second contact element of the connector system by means of a force substantially normal to the electrical contact surface.
Bei einem oder mehreren der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ist die erste elektrische Kontaktfläche kreisförmig. Das entsprechende zweite Kontaktelement das Stecksystems kann ebenfalls eine kreisförmige elektrische Kontaktfläche aufweisen, die vorzugsweise die gleichen Abmessungen hat.In one or more of the embodiments described herein, the first electrical contact surface is circular. The corresponding second contact element, the plug-in system may also have a circular electrical contact surface, which preferably has the same dimensions.
Bei einem oder mehreren der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele weist der Körper des elektrischen Kontaktelements im Bereich der ersten elektrischen Kontaktfläche einen Querschnitt auf, der größer ist als in einem von ersten elektrischen Kontaktfläche entfernter liegenden Bereich.In one or more of the embodiments described herein, the body of the electrical contact element is in the region of the first electrical contact area has a cross-section which is larger than in a remote from the first electrical contact area lying area.
Bei einem oder mehreren der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele weist der Hohlraum im Bereich der ersten elektrischen Kontaktfläche einen größeren Querschnitt auf als in einem von der ersten elektrischen Kontaktfläche entfernter liegenden Bereich.In one or more of the embodiments described herein, the cavity in the region of the first electrical contact surface has a larger cross-section than in a remote from the first electrical contact surface region.
Bei einem oder mehreren der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele weist der Hohlraum eine Struktur auf, welche Ströme flüssigen oder gasförmigen Fluids leitet und/oder voneinander getrennt führt. Eine solche Struktur kann eine Strukturierung der Oberfläche im Innern des Hohlraums umfassen, bspw. Rillen, Rippen oder rohrförmige Elemente, die einen konvektiven Stoffkreislauf begünstigen. Sie kann aber auch andere fluidleitende Maßnahmen umfassen, bspw. eine docht- oder gitterartige Struktur, welche im Innern des Hohlraums angeordnet ist und die Ströme flüssigen oder gasförmigen Fluids voneinander getrennt führt, bspw. wie bei einem Wärmerohr.In one or more of the embodiments described herein, the cavity has a structure that directs streams of liquid or gaseous fluid and / or leads separate from each other. Such a structure may comprise a structuring of the surface inside the cavity, for example grooves, ribs or tubular elements which promote a convective material cycle. But it may also comprise other fluid-conducting measures, for example. A wick-like or lattice-like structure, which is arranged in the interior of the cavity and the streams of liquid or gaseous fluid separated from each other leads, for example. As in a heat pipe.
Das zweite Material kann ebenfalls elektrisch leitfähig sein und so zum Stromtransport beitragen. Die elektrische Leitfähigkeit liegt vorzugsweise in derselben Größenordnung wie die des ersten Materials. Das zweite Material kann eine größere thermische Leitfähigkeit als das erste Material aufweisen. Dies ist jedoch nicht zwingend nötig und kann durch gezielte Maßnahmen zum verbesserten Wärmetransport, bspw. Konvektion im flüssigen Zustand oder Wärmetransport in einem Wärmerohr, mehr als ausgeglichen werden. Das zweite Material kann außerdem eine größere Wärmekapazität als das erste Material aufweisen. Zweite Materialien mit unterschiedlichen Kombinationen der vorstehend genannten Eigenschaften können für das erfindungsgemäße Kontaktelement verwendet werden.The second material can also be electrically conductive and thus contribute to the transport of electricity. The electrical conductivity is preferably of the same order of magnitude as that of the first material. The second material may have a greater thermal conductivity than the first material. However, this is not absolutely necessary and can be more than offset by targeted measures for improved heat transfer, for example. Convection in the liquid state or heat transfer in a heat pipe. The second material may also have a greater heat capacity than the first material. Second materials having different combinations of the aforementioned properties can be used for the contact element according to the invention.
Bei einem oder mehreren der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ist das zweite Material Natrium (Na), dessen Tripelpunkt bei einer Temperatur von 370,98 K liegt, und das bei einer Temperatur von 1156 K siedet. Der Schmelzpunkt von Natrium liegt bei 370,96 K (Quelle: NIST). Natrium weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit von 23.106 S/m für elektrischen Strom auf, ähnlich der des für elektrische Kontakte häufig verwendeten Messings (19·106 S/m - 33·106 S/m), die nur wenig unter der von Kupfer (64·106 S/m) liegt (Quelle: CRC Handbook of Chemistry and Physics). Da Schmelz- und Tripelpunkt des Natriums deutlich unter den Schmelzpunkten von Kupfer, Aluminium, Messing, und anderen für elektrische Kontakte verwendeten Metallen und Legierungen liegt, und vor allem in einem Temperaturbereich liegt, der die Herstellung eines Stecker- oder Buchsengehäuses mit handelsüblichen, isolierenden Materialien, insbesondere Kunststoffen, zulässt, ist Natrium als zweites Material für das erfindungsgemäße elektrische Kontaktelement gut geeignet.In one or more of the embodiments described herein, the second material is sodium (Na), the triple point of which is at a temperature of 370.98 K, and which boils at a temperature of 1156 K. The Melting point of sodium is 370.96 K (source: NIST). Sodium has a high electrical conductivity of 23.10 6 S / m for electric current, similar to that used for electrical contacts (19 x 10 6 S / m - 33 x 10 6 S / m), which is only slightly below that of Copper (64 × 10 6 S / m) is located (source: CRC Handbook of Chemistry and Physics). As the melting and triple point of sodium is well below the melting points of copper, aluminum, brass, and other metals and alloys used for electrical contacts, and especially in a temperature range that requires the manufacture of a male or female housing with commercially available insulating materials , in particular plastics, sodium is well suited as the second material for the electrical contact element according to the invention.
Bei einem vollständig mit Natrium gefüllten Hohlraum des elektrischen Kontaktelements liegt dieses bei üblichen Außentemperaturen in fester Form vor. Sobald sich das elektrische Kontaktelement aufgrund der an dem zwangsläufig vorhandenen Übergangswiderstand entstehenden, mit dem Strom quadratisch zunehmenden Verluste bis auf die Schmelztemperatur des Natriums erwärmt wird das Natrium flüssig. Aufgrund der bei dem Phasenübergang von fest nach flüssig von dem Natrium aufgenommenen latenten Wärme steigt die Temperatur solange nicht weiter an, bis das gesamte Natrium flüssig vorliegt.In a completely filled with sodium cavity of the electrical contact element, this is in solid form at normal outdoor temperatures. As soon as the electrical contact element heats up to the melting temperature of the sodium due to the losses which occur quadratically increasing as a result of the transition resistance that is inevitably present, the sodium becomes liquid. Due to the latent heat absorbed during the phase transition from solid to liquid from the sodium, the temperature does not continue to rise until all of the sodium is present in liquid form.
Die wärmste Stelle des Kontaktelements liegt an der elektrischen Kontaktfläche. Die Wärmeleitfähigkeit des ersten Materials des Kontaktelements führt dazu, dass weiter von der elektrischen Kontaktfläche entfernt liegende Bereiche sich ebenfalls erwärmen. Dennoch wird ein Temperaturunterschied zwischen der elektrischen Kontaktfläche und weiter davon entfernt liegenden Bereichen verbleiben. Sobald ein Teil des Natriums verflüssigt ist und ein für eine Zirkulation des flüssigen Natriums ausreichender Kanal vorliegt, kann nun ein Stoffstrom entstehen, der gleichzeitig einen verbesserten Wärmetransport in Richtung kälterer Bereiche des Kontaktelements ermöglicht. Hierdurch wird Wärme von der heißesten Stelle des elektrischen Kontaktelements abgeführt und kann in Bereiche geleitet werden, welche leichter durch weitere Kühlmaßnahmen gekühlt werden können, z.B. durch Kühlrippen oder -bleche, ggf. unterstützt durch Lüfter oder Gebläse, oder dergleichen. Auch ein thermischer Anschluss an eine Kühlvorrichtung kann vorgesehen sein. Als weitere Wärmesenke kann auch ein mit einem der Kontakte verbundener Leiter dienen, der ebenfalls zur besseren Wärmeabgabe strukturiert und/oder an eine Kühlvorrichtung angeschlossen sein kann. Flüssiges Natrium, das Energie an kühlere Bereiche des Kontaktelements abgegeben hat strömt zurück und kann erneut Wärme aufnehmen.The warmest point of the contact element is located on the electrical contact surface. The thermal conductivity of the first material of the contact element causes regions further away from the electrical contact surface also to heat up. Nevertheless, a temperature difference will remain between the electrical contact area and areas further away. As soon as a part of the sodium is liquefied and there is a sufficient channel for a circulation of the liquid sodium, a stream of material can now arise which at the same time enables an improved heat transport in the direction of colder regions of the contact element. As a result, heat is dissipated from the hottest point of the electrical contact element and can be conducted into areas which are easier by further cooling measures can be cooled, for example, by cooling fins or sheets, possibly supported by fan or blower, or the like. A thermal connection to a cooling device can also be provided. As a further heat sink may also serve a conductor connected to one of the contacts, which may also be structured for better heat dissipation and / or connected to a cooling device. Liquid sodium, which has given off energy to cooler areas of the contact element, flows back and can absorb heat again.
Bei entsprechender Auslegung kann ein besonders effektiver Wärmetransport von der elektrischen Kontaktstelle zu kälteren Bereichen durch ein einen Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf erreicht werden. Dieser Kreislauf wird in Wärmerohren (engl.: heat pipes) zum besonders effektiven Wärmetransport von Wärmequellen hin zu kälteren Bereichen genutzt. Dabei wird ein in dem Wärmeleiter vorhandener Hohlraum nur teilweise mit einem geeigneten Fluid gefüllt. Bei Erwärmung verdampft ein Teil des Fluids und strömt zu kühleren Bereichen, wo der Fluiddampf kondensiert. Dabei gibt das Fluid Wärme ab. Das nun wieder flüssig vorliegende Fluid strömt zurück zur Wärmequelle, und der Kreislauf beginnt von neuem. Zur Verbesserung der Führung der flüssigen und gasförmigen Stoffströme können weitere konstruktive Maßnahmen vorgesehen sein. Diese können bspw. eine docht- oder röhrenartige Struktur umfassen, die den Transport des flüssigen Fluids aufgrund des Kapillareffekts begünstigt, und zugleich eine Trennung des flüssigen Stroms vom Gasstrom bewirken kann.With appropriate design, a particularly effective heat transfer from the electrical contact point to colder areas can be achieved by an evaporation-condensation cycle. This circuit is used in heat pipes for heat transfer from heat sources to colder areas. In this case, a cavity present in the heat conductor is only partially filled with a suitable fluid. When heated, some of the fluid evaporates and flows to cooler areas where the fluid vapor condenses. The fluid gives off heat. The now fluid again fluid flows back to the heat source, and the cycle begins again. To improve the management of the liquid and gaseous streams further constructive measures can be provided. These may, for example, comprise a wick-like or tubular structure which promotes the transport of the liquid fluid due to the capillary effect and at the same time may cause the liquid stream to be separated from the gas stream.
Sowohl eine Zirkulation eines flüssigen Wärmeträgers als auch ein Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf ermöglichen einen effektiven Transport von Wärme, die an einer lokal eng begrenzten, schlecht für zusätzliche Kühlmaßnahmen zugänglichen Stelle entsteht, hin zu einer Stelle, an der weitere Kühlmaßnahmen leichter zu implementieren sind. Die elektrischen Kontakte eines Steckers sind solche lokal eng begrenzten Stellen, an denen z.B. bei großen elektrischen Strömen hohe Temperaturen vorliegen können. Eine deutliche Vergrößerung der Kontakte des Steckers nur zu dem Zweck, eine bessere Wärmeableitung zu erreichen, kann ebenfalls den gewünschten Effekt erreichen. Dies ist aber bei z.B. durch einen Standard vorgegebenen Dimensionen des Steckers und seiner Komponenten nicht möglich.Both a circulation of a liquid heat carrier and an evaporative-condensation circuit allow for the effective transport of heat, which occurs at a locally narrow, poorly accessible for additional cooling measures point, to a point at which further cooling measures are easier to implement. The electrical contacts of a plug are such locally narrow locations where, for example, high temperatures can be present at high electrical currents. A significant increase in the contacts of the connector only for the purpose of achieving a better heat dissipation, can also achieve the desired effect. However, this is not possible for example by a standard given dimensions of the plug and its components.
Vorstehend wurde das erfindungsgemäße elektrische Kontaktelement am Beispiel einer Füllung mit Natrium beschrieben. Es ist natürlich ebenfalls möglich, andere Stoffe als Natrium als zweite Materialien zu verwenden. Hierbei können insbesondere auch Flüssigkeiten oder Lösungen verwendet werden, deren Schmelz- und Tripelpunkte in geeigneten Temperaturbereichen liegen. Es kommt dabei nicht notwendigerweise auf deren elektrische Leitfähigkeit an, wenngleich eine gute elektrische Leitfähigkeit keinen Nachteil darstellt. Der Stoffstrom des zweiten Materials verbessert in jedem Fall den Wärmetransport von einer Wärmequelle an eine Wärmesenke über einen alleine durch Wärmeleitung in einem massiven Kontaktteil erzielbaren Wärmestrom hinaus.Above, the electrical contact element according to the invention has been described using the example of a filling with sodium. It is of course also possible to use substances other than sodium as second materials. In this case, it is also possible in particular to use liquids or solutions whose melting and triple points lie in suitable temperature ranges. It does not necessarily depend on their electrical conductivity, although a good electrical conductivity is not a disadvantage. The material flow of the second material in each case improves the heat transfer from a heat source to a heat sink beyond a heat flow which can be achieved solely by heat conduction in a solid contact part.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung weist ein Stecker und/oder eine Buchse eines elektrischen Stecksystems mindestens eines der vorstehend beschriebenen elektrischen Kontaktelemente auf.According to a second aspect of the invention, a plug and / or a socket of an electrical plug-in system on at least one of the electrical contact elements described above.
Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen des zweiten Aspekts ist das mindestens eine elektrische Kontaktelement in gegen eine in Längsrichtung des elektrischen Kontaktelements wirkende Kraft verschieblich gelagert. Die in Längsrichtung des elektrischen Kontaktelements wirkende Kraft kann bspw. durch eine in dem das elektrische Kontaktteil aufnehmenden Gehäuse gelagerte Feder oder ein flexibles Gehäuseteil erzeugt werden.In one or more embodiments of the second aspect, the at least one electrical contact element is displaceably mounted in against a force acting in the longitudinal direction of the electrical contact element. The force acting in the longitudinal direction of the electrical contact element can be generated, for example, by a spring or a flexible housing part mounted in the housing receiving the electrical contact part.
Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen des zweiten Aspekts weist der Stecker mindestens einen ersten Bereich auf, der mit einem entsprechenden zweiten Bereich der Buchse lösbar formschlüssig verbindbar ist. Im verbundenen Zustand von Stecker und Buchse werden deren elektrische Kontaktelemente durch die in Längsrichtung wirkende Kraft aneinandergedrückt.In one or more exemplary embodiments of the second aspect, the plug has at least one first area, which can be releasably positively connected to a corresponding second area of the socket. In the connected state of the plug and socket whose electrical contact elements are pressed together by the force acting in the longitudinal direction of each other.
Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen des zweiten Aspekts greift das Gehäuse des Steckers über dasjenige der Buchse, oder das Gehäuse der Buchse greift über dasjenige des Steckers.In one or more embodiments of the second aspect, the housing of the plug engages over that of the socket, or the housing of the socket engages over that of the plug.
Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen des zweiten Aspekts sind die Gehäuse von Stecker und Buchse so konstruiert, dass ein Eindringen von Fluiden und/oder Festkörpern verhindert wird. Dies kann bspw. durch am Stecker- und/oder Buchsengehäuse vorgesehene Dichtmittel und/oder besondere Passgenauigkeit der Gehäuse erreicht werden.In one or more embodiments of the second aspect, the male and female housings are constructed to prevent ingress of fluids and / or solids. This can be achieved, for example, by means provided on the plug and / or socket housing sealing means and / or special accuracy of fit of the housing.
Mit dem vorstehend beschriebenen elektrischen Kontaktelement lässt sich eine gegenüber einem massiven Kontaktelement verbesserte Kühlung der Kontaktfläche durch die verbesserte Ableitung der Wärme bei vorgegebenen Abmessungen erreichen, insbesondere auch bei kleinen Kontaktflächen. Dies kann beispielsweise bei Schnelladesystemen für Elektrofahrzeuge, über deren Kontakte hohe Ströme fließen, von Vorteil sein. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Kontaktelement aber für alle elektrischen Steck- oder Kontaktsysteme geeignet, an deren Kontaktflächen hohe Temperaturen auftreten können. Die von der Kontaktfläche zu andern Bereichen des Systems geleitete Wärme kann dann in diesen Bereichen aus dem System abgeführt werden.With the electrical contact element described above can be compared to a solid contact element improved cooling of the contact surface by the improved dissipation of heat at predetermined dimensions reach, especially for small contact surfaces. This can be advantageous, for example, in rapid charging systems for electric vehicles, via whose contacts high currents flow. In principle, however, the contact element according to the invention is suitable for all electrical plug-in or contact systems, at the contact surfaces high temperatures can occur. The heat conducted from the contact surface to other areas of the system can then be removed from the system in these areas.
Wenn die Abmessungen der Kontakte nicht vorgegeben sind, können sie bei gleicher Strombelastbarkeit und maximaler Betriebstemperatur kleiner ausgeführt werden, und dadurch Rohstoffe eingespart werden.If the dimensions of the contacts are not specified, they can be made smaller with the same current carrying capacity and maximum operating temperature, and thus raw materials can be saved.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung exemplarisch näher erläutert. Die Zeichnung ist rein schematisch und nicht maßstäblich.The invention will be explained in more detail by way of example with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. The drawing is purely schematic and not to scale.
Die einzige Figur zeigt ein exemplarisches Beispiel von Stecker 100 und Buchse 200 eines Stecksystems zum Anschluss eines elektrischen Verbrauchers an eine Stromversorgung. Stecker 100 und Buchse 200 weisen je ein Gehäuse 101 bzw. 201 auf, in welchen aus elektrisch leitfähigem ersten Material bestehende Kontaktelemente 102, 202 verschieblich gelagert sind. In der Figur sind Stecker 100 und Buchse 200 im verbundenen Zustand dargestellt, in dem die Kontaktelemente 102, 202 von Stecker 100 und Buchse 200 an einer Kontaktfläche 204 plan aneinander anliegen und leitfähig verbunden sind. Die Kontaktelemente 102, 202 werden jeweils von einer Feder 108 bzw. 208 in Richtung der Kontaktfläche 204 gedrückt. Die Federn 108, 208 stützen sich dabei am Gehäuse 101 bzw. 201 ab. Anstelle der Feder kann auch ein flexibles Gehäuseteil (nicht in der Figur gezeigt) die Kraft erzeugen. Kontaktelement 202 der Buchse weist einen Hohlraum 206 auf, der sich von der Kontaktfläche 204 ausgehend zumindest über einen Teil der Länge L des Kontaktelements 202 erstreckt. Hohlraum 206 ist mit einem zweiten Material gefüllt (nicht in der Figur dargestellt), das bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des ersten Materials flüssig und/oder gasförmig vorliegt. Hohlraum 206 kann auch nur teilweise mit dem zweiten Material gefüllt sein (nicht in der Figur dargestellt).The single FIGURE shows an exemplary example of
Die Kontaktelemente 102, 202 weisen im Bereich der Kontaktfläche 204 einen größeren Querschnitt auf als in einem von der Kontaktfläche 204 entfernt liegenden Bereich. Der Hohlraum 206 folgt der Kontur des Kontaktelements 202 und weist ebenfalls im Bereich der Kontaktfläche 204 einen größeren Querschnitt auf als in einem von der Kontaktfläche 204 entfernt liegenden Bereich. Die Kontaktelemente 102, 202 können im Bereich der Kontaktfläche 204, aber auch als ganzes rotationssymmetrisch sein.The
Das Gehäuse 101 von Stecker 100 weist zweit Öffnungen 110 auf, in welche entsprechende Rastnasen 210 am Gehäuse 201 von Buchse 200 eingreifen und so eine lösbare Rastverbindung herstellen.The
Kontaktelement 102 von Stecker 100 ist mit einer Anschlussleitung 112 verbunden, die zu einem nicht in der Figur gezeigten elektrischen Verbraucher führt. Kontaktelement 202 weist an einem der Kontaktfläche 204 gegenüberliegenden Ende ein Element 214 auf, welches zum Anschluss an eine Stromquelle dient. Im Bereich des der Kontaktfläche 204 gegenüberliegenden Endes können auch ein oder mehrere nicht in der Figur dargestellte Elemente und/oder Vorrichtungen zur Wärmeabgabe an eine Umgebung und/oder eine Kühlvorrichtung angeordnet sein.
Die in der Beschreibung genannte zusätzliche Struktur, welche Ströme flüssigen oder gasförmigen Fluids leitet und/oder voneinander getrennt führt, ist in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht in der Figur gezeigt.The additional structure mentioned in the description, which conducts streams of liquid or gaseous fluid and / or leads away from one another, is likewise not shown in the figure in the figure for reasons of clarity.
In der Figur weist die Buchse 200 das erfindungsgemäße Kontaktelement 202 auf, während der Stecker 100 ein massives Kontaktelement 102 aufweist. Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass eine ausreichende Abfuhr von Wärme in einem die Buchse 200 aufweisenden Gerät einfacher erfolgen kann, als über die Anschlussleitung 112.In the figure, the
Es ist natürlich auch möglich, die Buchse 200 mit einem massiven Kontaktelement auszuführen, und den Stecker 100 mit einem erfindungsgemäßen Kontaktelement auszuführen, oder erfindungsgemäße Kontaktelemente sowohl im Stecker 100 als auch in der Buchse 200 vorzusehen. Die Auswahl bleibt dem Fachmann freigestellt und wird von diesem unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Systemmerkmalen zu treffen sein.It is of course also possible to carry out the
- 100100
- Steckerplug
- 101101
- Steckergehäuseplug housing
- 102102
- massives Kontaktelementsolid contact element
- 108108
- Federfeather
- 110110
- Öffnungopening
- 112112
- Anschlussleitungconnecting cable
- 200200
- BuchseRifle
- 201201
- Buchsengehäusesocket housing
- 202202
- Kontaktelement mit HohlraumContact element with cavity
- 204204
- Kontaktflächecontact area
- 206206
- Hohlraumcavity
- 208208
- Federfeather
- 210210
- Rastnaselocking lug
- 214214
- Anschlusselementconnecting element
- LL
- Längelength
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