JP2021184464A - コネクタ要素用の冷却デバイスおよび高電圧用途用のコネクタ要素 - Google Patents

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Abstract

【課題】コネクタ要素用の冷却デバイスおよび関連する高電圧(HV)用途用のコネクタ要素及び高電圧コネクタ要素を設置する方法を提供する。【解決手段】コネクタシステム100において、冷却デバイス114は、動作中に冷却流体が中を流れることのできる冷却チャネルと、冷却チャネルを保持する支承要素122と、を備える。冷却チャネルは、支承要素とは別体の構成要素であり、支承要素122の周囲に支承要素122の外周の少なくとも一部で係合する、少なくとも1つの中空ダクト120の形状を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、コネクタ要素用の冷却デバイスおよび関連する高電圧(HV)用途用のコネクタ要素に関する。本発明は更に、高電圧コネクタ要素を設置するための方法に関する。
エレクトロモビリティにおいては、駆動およびHVバッテリの充電のために、大きいケーブル断面を有するHVコネクタが必要とされる。充電時間を短くするためにまたは必要な動力をバッテリから得るために、HVシステムにおいては高い電流密度が部分的に必要とされる。この結果、好ましくない条件下でコネクタの温度が許容できないほど上昇する可能性がある。しかしながら、最大許容可能温度限界に達すると、伝達可能なエネルギーが制限される。このことは受動的冷却および十分に大きいケーブル断面の提供によって是正可能であるが、そのことにより通常、コネクタの寸法が望ましくない大きさになり、材料コストが高くなる。
冷却流体、例えば冷却液を利用するアクティブ冷却がこの場合有利である。しかしながら、冷却チャネルが組み込まれた、知られているコネクタ要素は、第1に、それらが既存のコネクタシステムに追加で組み込まれるのに適していない、および第2に、それらが製造が困難な複雑な構成要素である、という欠点を有する。
したがって、知られている解決法の欠点を、製作されるコネクタ要素が、安全で信頼性が高いが、それでもなお安価に製造でき占有する設置スペースが僅かとなり得るようなかたちで克服する、コネクタ要素用の冷却デバイスならびに関連するコネクタ要素が、必要とされている。
この課題は、独立請求項の対象によって達成される。本発明の有利な実施形態が、従属請求項の対象である。
本発明は、コネクタ要素に取り付けられる、動作中に冷却流体が中を流れることのできる別体の中空ダクトを提供することによって、最小限の空間要件の追加でアクティブ冷却を達成する、という発想に基づくものである。中空ダクトは冷却チャネルを形成するもので、以下では冷却ラインとも呼ばれ、接点(以下では「ホットスポット」とも呼ばれる)の付近に有利に配設される。冷却流体、例えば冷却液は、自動車において従来から利用可能であるが、コネクタにおいて発生した熱を吸収し、それを対応するヒートシンクに移動させるものである。その結果、設置スペースおよびコストを増大させることなく、特に効率的な熱管理、ひいては効率的なエネルギー伝達を達成できる。
コネクタ要素用の冷却デバイスは特に、動作中に冷却流体が中を流れることのできる冷却チャネルと、冷却チャネルを保持する支承要素(bearing element)と、を備える。冷却チャネルは、支承要素とは別体の構成要素であり、支承要素の周囲に支承要素の外周の少なくとも一部で係合する少なくとも1つの中空ダクトの形状を有する。そのような中空ダクトは例えばホースまたはパイプとして設計され、コネクタ要素の周囲のホットスポットの可能な限り近くに配設される。
中空ダクトは冷却デバイスコネクタ要素の外周の一部だけの周囲に巻き付くことができるか、または、これを支承要素の周囲に何回か巻いて、このことによりコネクタ要素の外周の周囲に引き回すことができる。中空ダクトが支承要素の周囲に複数回の巻きで係合する場合、コネクタ要素のより大きい面積を冷却流体と熱伝導接続させることができるため、熱放散が改善される。また更に、いくつかの別体の中空ダクトが平行に引き回されてもよい。
有利な実施形態によれば、中空ダクトは導電性材料を含む。例えば、中空ダクトは銅などの金属材料を含むことができ、任意選択で更なるコーティングを有し得る。金属材料は、コネクタ要素と冷却流体の間の熱伝達が特に効率的であるという利点を有する。
コネクタ要素と中空ダクトの間の電気絶縁を確実にするために、支承要素が少なくとも部分的に電気絶縁性材料から製作されるようにすることができる。このことは、中空ダクトが銅などの金属材料を含みかつ冷却流体が導電性であるときに、特に有利である。例えば、支承要素は、コネクタ要素上へと摺動されるプラスチック製のスリーブによって形成され得る。
本発明の有利な発展形態によれば、支承要素がコネクタ要素の本体の一体部分として構成されるようにすることができる。例えば媒体冷却能力の観点から、冷却ラインはコンタクト体の周囲に直接巻回される。特に本体がコネクタ要素の導電性の部分、例えばコンタクトソケットである場合、この構成によって、特に単純かつ省スペースで、特に効率的な熱放散を確実にできる、という利点を有する。その場合、中空ダクトは、通電性とするべきでない。
特に支承要素が少なくとも部分的に導電性である場合、中空ダクトを電気絶縁性でありながら十分な熱伝導性である材料から製作することが有利である。
本発明の有利な発展形態によれば、支承要素は筒型形状(tubular shape)を有し、冷却チャネルを形成する中空ダクトは、半径方向かつ円周方向の溝の中に保持されるようにすることができる。このことにより、振動および強度の温度変動などの過酷な環境条件下であっても、中空ダクトの確実な保持が確実にされる。
電気絶縁特性が必要かどうかに応じて、中空ダクトを例えば、少なくとも部分的に銅またはシリコーンから作製することができる。別体の冷却ラインの製作に適したあらゆる他の材料、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン(PE)またはポリプロピレン(PP)も、当然ながら使用できる。例えば金属、グラスファイバ、または繊維品の編組(textile braids)で作製したライニング(linings)によって補強されている、複合ホース(composite hoses)も、当然ながら考えられる。
本発明に係る冷却デバイスの利点は、それが導電性の本体を有するコネクタ要素において使用され、冷却チャネルが本体と熱伝導接続されるように支承要素が本体を少なくとも部分的に包囲している場合に、特に発揮される。本体は例えば、コネクタ要素のコンタクト要素、例えばソケット要素であり得る。
本発明はまた、第1のコネクタ要素と、適合する第2のコネクタ要素とを有し、第1のコネクタ要素および第2のコネクタ要素は導電するように互いに接続可能であり、コネクタ要素のうちの少なくとも一方は本発明に係る冷却デバイスを備える、コネクタシステムも提供する。
また更に、本発明は、高電圧コネクタ要素を設置するための方法であって、
支承要素を有する本体を準備するステップと、
支承要素によって保持される冷却チャネルを取り付けるステップと、を含む方法に関する。ここで、冷却チャネルは、支承要素とは別体の構成要素であり、支承要素の周囲に支承要素の外周の少なくとも一部で係合する中空ダクトの形状を有する。
支承要素がスリーブ形状のカラーを有する場合、既存の高電圧コネクタ要素への追加の組み込みを、特に単純に行うことできる。このカラーはアダプタと呼んでもよく、本体上へと摺動される。このカラーはまた、本体が高電圧コネクタ要素の導電性コンタクト要素であり、かつ中空ダクトも銅などの導電性材料で作製されている場合、電気絶縁機能を満足し得る。
別法として、支承要素が、コネクタ要素の本体の一体部分として構成されているレセプタクルによって形成されることも、実現され得る。この実施形態は、特に小さい設置サイズおよび最適な熱放散という利点を有する。
冷却チャネルを取り付けるステップが、中空ダクトを支承要素の周囲に少なくとも1回の巻きで巻回することを含む場合、既存のコネクタ要素への追加の組み込みを、特に容易に行うことができる。
本発明に係るアクティブ冷却は、コネクタ要素が中に位置している高レベルのユニット内中に設けられた冷却回路を、有利に使用する。その場合、方法は、例えば自動車のまたは充電スタンドにおける冷却回路に、中空ダクトを接続するステップを更に含む。この冷却解決法はまた、熱パイプの原理に従って単純に機能し得るとともに、冷媒、冷却剤(coolant)を充填した閉じた中空ダクトを冷却要素で終端させ、これにより冷媒、冷却剤(coolant)をコネクタ要素上で気化させヒートシンクとして機能する冷却要素上で再び凝結させることを、実現し得る。
本発明をよりよく理解するために、以下の図に示す実施形態によって本発明を詳細に説明する。これらの図では、同じ要素は同じ参照符号および同じ構成要素名で指定されている。また更に、示され説明される様々な実施形態からのいくつかの特徴または特徴の組合せは、それら自体が独立した進歩性のある解決法または本発明による解決法であり得る。
第1の例に係る高電圧コネクタシステムの概略断面図である。 前述の第1の例に係る高電圧コネクタシステムの概略斜視図である。 前述の第1の例に係る高電圧コネクタシステムの概略分解図である。 第2の例に係る高電圧コネクタシステムの概略断面図である。 前述の第2の例に係る高電圧コネクタシステムの概略斜視図である。 第3の例に係る高電圧コネクタシステムの概略断面図である。 前述の第3の例に係る高電圧コネクタシステムの概略斜視図である。
本発明について、図を参照して、特にまず図1の概略断面図および図2の斜視図を参照して、以下でより詳細に説明する。全ての図において、サイズ比、特に層厚さの比は、必ずしも縮尺通りに再現されていないことに留意されたい。また更に、理解に必要ではないまたはその障害となる部品、特に電気絶縁性ハウジング要素および保護カバーは、示されていない。
これらの図は、高電圧(HV)丸型コネクタ(例えば直径12mm)で使用される、アクティブ冷却解決法の例を説明している。本発明の原理に従って冷却デバイスに関して、コネクタの他の幾何形状も当然ながら構成され得る。また更に、冷却デバイスを両コネクタ要素上に、または第2のコネクタ要素上にのみ、設けることもできるが、このことは図には示されていない。言い換えれば、冷却デバイスは、必ずしもソケット要素と(のみ)関連付けられる必要はない。
図1は、本発明の第1の有利な実施形態に係るコネクタシステム100を、断面図の形態で示す。図2は、第1の実施形態に係るコネクタシステム100の対応する斜視図を示す。
コネクタシステム100は、ソケット要素として構成されている第1のコネクタ要素102を備える。図1に示すように、第1のコネクタ要素102は、ハウジング要素132内に装着されている。また更に、コネクタシステム100は、篏合コネクタ要素と呼ぶこともできる、第2のコネクタ要素104を備える。第2のコネクタ要素104は、第1のコネクタ要素のソケット形状の本体118内に沈められる、ピン形状の導電性コンタクトユニット128を備える。ここで示されている組立状態では、矢印106で記号化されているように、接触領域108を介して電流が流れることができる。本体118は典型的には、電流を引き出すために、図1において本体の下側領域内に配置されているバスバー(図示せず)に接続される。
組立状態では、第2のコネクタ要素104は、接触領域108において本体118に押し付けられている。この結果、導電性の第2のコネクタ要素104から第1のコネクタ要素102の本体118への間で、電流の流れ(電流矢印106)が生じ得る。
第1のコネクタ要素102の通電中の部品への接触を防止するために、未嵌合状態では、コンタクト保護要素116は第1のコネクタ要素102上に配置されている。コンタクト保護要素116は、非導電性材料で作製される。プラスチック製ハウジング(図では見えていない)と相互作用する際、コンタクト保護要素116は、定められた試験指よりも大きい寸法を有する物体が、通電中の部品に接触可能となるのを防止する。
本発明によれば、コネクタシステム100は、電流が流れるときに生じる熱を放散するための、冷却デバイス114を備える。
冷却デバイス114は、中空ダクト120によって形成されている冷却チャネルを特に備える。中空ダクト120は支承要素122内に保持される。図1から図3に示す実施形態に係る支承要素122は、中空ダクト120を保持するための溝124を備える、プラスチック製のスリーブである。
図2から明らかなように、中空ダクト120の中を冷媒、冷却剤(coolant)126が流れることができる。これは例えば冷却流体(cooling fluid)、特に冷却液(cooling liquid)であり得る。中空ダクト120が接触領域108から比較的小さい距離で本体118と熱伝導接触する結果、中空ダクト120を通過する冷媒、冷却剤(coolant)126は、生じる熱を効率的に運び去ることができる。冷却流体126は例えば、自動車の冷却液回路に接続され得る。
示されている実施形態では、絶縁性材料で作製された支承要素122によって、中空ダクト120と第1のコネクタ要素102の本体118の間の電気絶縁を確実にすることが可能になる。したがって、中空ダクト120の材料が電気絶縁性である必要はない。例えば、中空ダクト120は金属、例えば銅から作製され得る。このことは、特に良好な熱伝導性という利点を有する。更に、銅管は、厳しい環境条件下であっても比較的安定しており丈夫である。
図3は、第1の実施形態に係るコネクタシステム100の分解図を示す。この図から明らかなように、支承要素122は、アセンブリを組み立てるために軸方向に本体118上へと摺動可能である。中空ダクト120は、本体上に装着される前にまたは後から、溝124に挿入され得る。冷却デバイス114は断面の小さくなった領域130内に配置される。このことにより、必要な半径方向の設置スペースを可能な限り小さく維持できることが確実にされる。
図1から図3に示されている実施形態では、中空ダクト120は、支承要素122の周囲にただ1回の巻きで引き回されている。この変形例は、中空ダクト120を単純に設置でき、軸方向の追加スペースをほとんど必要としないという利点を有する。
他方で、中空ダクトと第1のコネクタ要素の間により大きい熱伝導性接触表面が提供されるべき場合には、中空ダクトが支承要素を何回かの巻きで包囲することも実現され得る。そのような解決法の例が、図4および図5に示されている。
図4は、本発明の第2の有利な実施形態に係るコネクタシステム200を、断面図の形態で示す。図5は、第2の実施形態に係るコネクタシステム200の対応する斜視図を示す。
コネクタシステム200は、ソケット要素として構成されている第1のコネクタ要素202を備える。第1のコネクタ要素202は、バスバー(図では見えていない)内に装着されている。また更に、コネクタシステム200は、篏合コネクタ要素と呼ぶこともできる、第2のコネクタ要素204を備える。ここで示されている組立状態では、接触領域208を介して電流が流れることができる。
第1のコネクタ要素202は、導電性の本体218を備える。組立状態では、第2のコネクタ要素204は、接触領域208において本体218の内壁に押し付けられている。この結果、導電性の第2のコネクタ要素204から第1のコネクタ要素202の本体218への間で、電流の流れが生じ得る。
第1のコネクタ要素202の通電中の部品への接触を防止するために、未嵌合状態では、コンタクト保護要素216は第1のコネクタ要素202上に配置されている。コンタクト保護要素216は、非導電性材料で作製される。プラスチック製ハウジング(図では見えていない)と相互作用する際、コンタクト保護要素216は、定められた試験指よりも大きい寸法を有する物体が、通電中の部品に接触可能となるのを防止する。
本発明によれば、コネクタシステム200は、電流が流れるときに生じる熱を放散するための、冷却デバイス214を備える。
冷却デバイス214は、中空ダクト220によって形成されている冷却チャネルを特に備える。中空ダクト220は支承要素222内に保持される。図4および図5に示す実施形態に係る支承要素222は、中空ダクト220を保持するための溝224を備える、プラスチック製のスリーブである。溝224は、支承要素222の周囲に中空ダクト220を複数回巻回できる程度に、軸方向へと十分開いて延びている。この結果、本体218と冷却ダクトの間の熱伝導性の移行部が第1の実施形態と比べて大きくなり、この結果熱放散の効率が向上する。
図1から図3を参照して説明するように、動作中には中空ダクト220の中を冷媒、冷却剤(coolant)が流れる。これは例えば冷却流体(cooling fluid)、特に冷却液(cooling liquid)であり得る。中空ダクト220が接触領域208から比較的小さい距離で本体218と熱伝導接触する結果、中空ダクト220を通過する冷媒、冷却剤(coolant)は、生じる熱を効率的に運び去ることができる。冷却流体(cooling fluid)は例えば、自動車の冷却液回路に接続され得る。
示されている第2の実施形態ではまた、絶縁性材料で作製された支承要素222によって、中空ダクト220と第1のコネクタ要素202の本体218の間の電気絶縁を確実にすることが可能になる。したがって、中空ダクト220の材料が電気絶縁性である必要はない。例えば、中空ダクト220は金属、例えば銅から作製され得る。このことは、特に良好な熱伝導性という利点を有する。更に、銅管は、厳しい環境条件下であっても比較的安定しており丈夫である。
他方で、電気絶縁性(でありながら十分な熱伝導性である)材料が中空ダクトに使用される場合には、支承要素を、第1のコネクタ要素の導電性の本体の一体部分として構成することもできる。そのような第3の実施形態の例が、図6および図7に示されている。
図6は、本発明の第3の有利な実施形態に係るコネクタシステム300を、断面図の形態で示す。図7は、第3の実施形態に係るコネクタシステム300の対応する斜視図を示す。
コネクタシステム300は、ソケット要素として構成されている第1のコネクタ要素302を備える。第1のコネクタ要素302は、バスバー(図では見えていない)内に装着されている。また更に、コネクタシステム300は、篏合コネクタ要素と呼ぶこともできる、第2のコネクタ要素304を備える。ここで示されている組立状態では、接触領域308を介して電流が流れることができる。
第1のコネクタ要素302は、導電性の本体318を備える。組立状態では、第2のコネクタ要素304は、接触領域308において本体318の内壁に押し付けられている。この結果、導電性の第2のコネクタ要素304から第1のコネクタ要素302の本体318への間で、電流の流れが生じ得る。
第1のコネクタ要素302の通電中の部品への接触を防止するために、未嵌合状態では、コンタクト保護要素316は第1のコネクタ要素302上に配置されている。コンタクト保護要素316は、非導電性材料で作製される。プラスチック製ハウジング(図では見えていない)と相互作用する際、コンタクト保護要素316は、定められた試験指よりも大きい寸法を有する物体が、通電中の部品に接触可能となるのを防止する。
本発明によれば、コネクタシステム300は、電流が流れるときに生じる熱を放散するための、冷却デバイス314を備える。
冷却デバイス314は、中空ダクト320によって形成されている冷却チャネルを特に備える。中空ダクト320は支承要素322内に保持される。図6および図7に示す実施形態に係る支承要素322は、中空ダクト320を保持するための溝324を形成する、断面の小さくなった領域330である。断面の小さくなった領域330は、支承要素322の周囲に中空ダクト320を複数回巻回できる程度に、軸方向へと十分開いて延びている。この結果、本体318と冷却ダクトの間の熱伝導性の移行部が第1の実施形態と比べて大きくなり、この結果熱放散の効率が向上する。中空ダクト320の装着部が本体318と一体に形成されるという理由により、冷却流体に顕著に近付いた熱伝導性接触を確立でき、このことにより熱管理を更に改善できる。更に、例えばスリーブとして構成される、別体の支承要素の装着が省略される。
図1から図5を参照して説明したのと同様に、動作中には中空ダクト320の中を冷媒、冷却剤(coolant)が流れる。これは例えば冷却流体(cooling fluid)、特に冷却液(cooling liquid)であり得る。中空ダクト320が接触領域308から比較的小さい距離で本体318と熱伝導接触する結果、中空ダクト320を通過する冷媒、冷却剤(coolant)は、生じる熱を効率的に運び去ることができる。冷却流体(cooling fluid)は例えば、自動車の冷却液回路に接続され得る。
示されている第3の実施形態では、冷却流体と第1のコネクタ要素302の本体318の間の電気絶縁を確実にするために、中空ダクト320の材料は少なくとも部分的に電気絶縁性でなければならない、例えば、中空ダクト320は、シリコーンなどのプラスチック材料から作製され得る。更なる可能な材料として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン(PE)、またはポリプロピレン(PP)を使用できる。例えば金属、グラスファイバ、または繊維品の編組(braids)で作製したライニングによって補強されている、複合ホースも、当然ながら考えられる。
図6および図7は、中空ダクト320が本体318の周囲を何回か引き回されて複数回の巻きを形成することを示す。1巻きだけとすること(図1から図3に示すものと同様)も当然ながら可能である。
100、200、300 コネクタシステム
102、202、302 第1のコネクタ要素
104、204、304 第2のコネクタ要素、篏合コネクタ要素
106 電流の流れを表す矢印
108、208、308 接触領域
114、214、314 冷却デバイス
116、216、316 コンタクト保護要素
118、218、318 第1のコネクタ要素の本体
120、220、320 中空ダクト
122、222、322 支承要素
124、224 溝
126 冷却流体
128、228、328 ピン形状のコンタクトユニット
130、330 断面が小さくなった領域
132 ハウジング要素

Claims (15)

  1. コネクタ要素(102)用の冷却デバイス(114)であって、
    前記冷却デバイス(114)は、
    - 動作中に冷却流体(126)が中を流れることのできる冷却チャネルと、
    - 前記冷却チャネルを保持する支承要素(122)と、を備え、
    前記冷却チャネルは、前記支承要素とは別体の構成要素であり、前記支承要素(122)の周囲に前記支承要素(122)の外周の少なくとも一部で係合する中空ダクト(120)の形状を有する、
    冷却デバイス。
  2. 前記中空ダクト(120)は、前記支承要素(122)の周囲に複数回の巻きで係合している、
    請求項1に記載の冷却デバイス。
  3. 前記中空ダクト(120)は、導電性材料を含む、
    請求項1または2に記載の冷却デバイス。
  4. 前記支承要素(122)は、少なくとも部分的に電気絶縁性材料から製作されている、
    請求項1から3のいずれか一項に記載の冷却デバイス。
  5. 前記支承要素(322)は、前記コネクタ要素(302)の本体(318)の一体部分として構成されている、
    請求項1から3のいずれか一項に記載の冷却デバイス。
  6. 前記中空ダクト(120)は、少なくとも部分的に非導電性である、
    請求項5に記載の冷却デバイス。
  7. 前記支承要素(122)は筒型形状を有し、前記冷却チャネルを形成している前記中空ダクト(120)は半径方向かつ円周方向の溝(124)の中に保持されている、
    請求項1から4のいずれか一項に記載の冷却デバイス。
  8. 前記中空ダクト(120)は、少なくとも部分的に銅またはシリコーンから製作されている、
    請求項1から7のいずれか一項に記載の冷却デバイス。
  9. 導電性の本体(118)と、請求項1から8のいずれか一項に記載の冷却デバイス(114)を有するコネクタ要素であって、
    前記支承要素(122)は、前記冷却チャネルが前記導電性の本体(118)と熱伝導接続されるように、前記導電性の本体(118)を少なくとも部分的に包囲している、コネクタ要素。
  10. 第1のコネクタ要素(102)と、適合する第2のコネクタ要素(104)とを有し、
    前記第1のコネクタ要素(102)および前記第2のコネクタ要素(104)は導電するように互いに接続可能であり、
    前記第1のコネクタ要素(102)および前記第2のコネクタ要素(104)のうちの少なくとも一方は請求項1から8のいずれか一項に記載の冷却デバイス(114)を備える、
    コネクタシステム。
  11. 高電圧コネクタ要素(100)を設置するための方法であって、
    前記方法は、
    - 支承要素(122)を有する本体(118)を準備するステップと、
    - 前記支承要素(122)によって保持される冷却チャネルを取り付けるステップと、を含み、
    前記冷却チャネルは、前記支承要素とは別体の構成要素であり、前記支承要素(122)の周囲に前記支承要素(122)の外周の少なくとも一部で係合する中空ダクト(120)の形状を有する、
    方法。
  12. 前記支承要素(122)は、前記本体(118)上へと摺動されるスリーブ形状のカラーを備える、
    請求項11に記載の方法。
  13. 前記支承要素(322)は、前記コネクタ要素(302)の前記本体(318)の一体部分として構成されているレセプタクル(330)によって形成されている、
    請求項11に記載の方法。
  14. 前記冷却チャネルを取り付ける前記ステップは、前記支承要素(122)の周囲に前記中空ダクト(120)を少なくとも1回の巻きで巻回することを含む、
    請求項11から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記中空ダクト(120)を冷却回路に接続するステップを更に含む、
    請求項11から14のいずれか一項に記載の方法。
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