WO2017102056A1

WO2017102056A1 - Vorrichtung zum kühlen eines elektrisch leitfähigen kontaktelements

Info

Publication number: WO2017102056A1
Application number: PCT/EP2016/001960
Authority: WO
Inventors: Frank Hübner; Christian Häfner
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-06-22
Also published as: DE102015016267A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (17) zum Kühlen eines von einer Stiftwanne (14) umgebenen elektrisch leitfähigen Kontaktelements (12) einer Steckverbindung (10). Die Vorrichtung (17) umfasst eine Wärmeleitvorrichtung (18), welche mit dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement (12) gekoppelt ist, wobei eine Verlustwärme von dem Kontaktelement (12) über die Wärmeleitvorrichtung (18) aus der Stiftwanne (14) heraus ableitbar ist.

Description

Vorrichtung zum Kühlen eines elektrisch leitfähigen Kontaktelements

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines elektrisch leitfähigen

Kontaktelements einer Steckverbindung.

In stromführenden Kontaktelementen einer Steckverbindung, vor allem an der

Kontaktstelle selbst, entsteht aufgrund des elektrischen Widerstands Wärme. Um den elektrischen Widerstand und damit die entstehende Wärme im Betrieb der

Steckverbindung zu reduzieren, ist es bekannt, die stromführenden Kontaktelemente der Steckverbindung größer zu dimensionieren.

Handelt es sich bei der Steckverbindung um eine Hochvolt-Steckverbindung, so fließen in dieser Steckverbindung besonders hohe elektrische Ströme. Entsprechend sind derartige Steckverbindungen besonders groß dimensioniert. Dadurch wird nicht nur der Platzbedarf derartiger Steckverbindungen erhöht, sondern sie sind aufgrund der großen Auslegung auch besonders teuer.

Anstatt die Dimensionierung derartiger Steckverbindungen zu erhöhen, schlägt die DE 10 2011 013 711 B3 einen Hochstromstecker mit bestrombaren Leitern vor, welche auf einem Träger angeordnet sind. Der Träger ist aus einer wärmeleitenden Keramik gebildet, damit in Überhitzungsabschnitten der Leiter des Hochstromsteckers Wärme an den Träger abgegeben werden kann. Ferner weist der Hochstromstecker ein an dem Träger vorgesehenes Wärmesenkungsmittel auf. Das Wärmesenkungsmittel umfasst dabei Kühlrippen oder ein in einem Schlauchsystem zirkulierendes Fluidkühlmittel oder ein den Träger umgebendes Gehäuse aus Aluminium. Nachteil eines derartigen

Hochstromsteckers ist es, dass um die Wärme effektiv von den Leitern abführen zu können, alle Komponenten wärmeleitend ausgebildet sein müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Aufbau einer Vorrichtung zum Kühlen eines Kontaktelements einer Steckverbindung zu vereinfache und die Vorrichtung so weiterzuentwickeln, dass die Wärme besonders effektiv von dem Kontaktelement abgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Kühlen eines elektrisch leitfähigen Kontaktelements mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte

Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Kühlen eines von einer Stiftwanne umgebenen elektrisch leitfähigen Kontaktelements einer

Steckverbindung. Die Steckverbindung kann bevorzugt Bestandteil einer elektrischen Komponente sein. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um einen Inverter und/oder um ein Ladegerät handeln. Die Vorrichtung umfasst eine

Wärmeleitvorrichtung, welche mit dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement gekoppelt ist, wobei eine Verlustwärme von dem Kontaktelement über die Wärmeleitvorrichtung aus der Stiftwanne heraus ableitbar ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftwagens weitere Kraftwagenkomponenten um die Kontaktelemente

beziehungsweise Steckverbindungen herum angeordnet sind. Der Motorraum ist besonders beengt ausgelegt, wodurch eine Steckverbindung nicht einfach größer dimensioniert werden kann.

Durch die Wärmeleitvorrichtung kann die Verlustwärme besonders effektiv von dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement abgeführt werden. Ferner muss das Kontaktelement durch die Wärmeleitvorrichtung zur Wärmeabfuhr nicht größer dimensioniert werden. Die Kühlvorrichtung trägt ferner dazu bei, dass sich die Komponenten in einer näheren Umgebung des Kontaktelements nicht erwärmen.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeleitvorrichtung ein erstes wärmeleitendes Element und ein zweites wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Element umfasst. Bevorzugt kann das erste wärmeleitende Element eine größere

Wärmeleitfähigkeit als das wärmeleitende zweite Element aufweisen. Das zweite wärmeleitende Element kann insbesondere aus einem Kunststoff oder einem

keramischen Werkstoff gebildet sein. Beispielsweise kann das zweite wärmeleitende Element ein Silikonkissen mit Keramikpartikeln und/oder ein Wärmeleitpad und/oder eine Wärmeleitpaste umfassen. Da die Wärmeleitfähigkeit des ersten wärmeleitenden Elements größer ausgebildet sein kann, als die des zweiten, kann das erste

wärmeleitende Element bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, insbesondere einem Metall. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise eine Kühlvorrichtung bereitgestellt werden kann, welche die Verlustwärme besonders effektiv von dem Kontaktelement abführen kann.

In vorteilhafter Weise ist das erste wärmeleitende Element als Heatpipe ausgebildet. Bei einer Heatpipe handelt es sich bevorzugt um ein Wärmerohr, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Zur Abfuhr der Verlustwärme von dem Kontaktelement wird die Verlustwärme an das Arbeitsmedium der Heatpipe übertragen. Durch den Wärmeeintrag verdampft das Arbeitsmedium in der Heatpipe. Dadurch wird der Druck in der Heatpipe lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb der Heatpipe führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen zu einer Stelle mit niedrigerer Temperatur, wo er kondensiert. An dieser Stelle erhöht sich die Temperatur durch die frei werdende Kondensationswärme. Die zuvor aufgenommene Verlustwärme wird an eine Umgebung der Heatpipe abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium kehrt durch Kapillarkräfte wieder zurück zu der Stelle, an der die Verlustwärme eingeleitet wird. Bevorzugt ist die Heatpipe als flexibles oder biegbares Wärmerohr ausgebildet. Die Heatpipe hat den Vorteil, dass sie einen geringen thermischen Widerstand besitzt und somit besonders gut die Verlustwärme von dem Kontaktelement abführen kann.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung ferner eine Wärmeabfuhrvorrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel zu fördern, wobei die Wärmeleitvorrichtung mit der Wärmeabfuhrvorrichtung gekoppelt ist und die Verlustwärme an die Wärmeabfuhrvorrichtung überträgt. Mit„gekoppelt" ist insbesondere gemeint, dass die Wärmeleitvorrichtung die Wärmeabfuhrvorrichtung kontaktiert. Bei der Wärmeabfuhrvorrichtung kann es sich bevorzugt um einen Kühlkreislauf eines

Kraftwagens handeln. Bei dem Kühlmittel handelt es sich bevorzugt um Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch. Durch die Wärmeabfuhrvorrichtung, welche bevorzugt als Kühlkreislauf des Kraftwagens ausgebildet ist, ist keine zusätzliche Einrichtung notwendig, um die von dem Kontaktelement aufgenommene Verlustwärme abführen zu können. Dadurch können Kosten eingespart werden.

In vorteilhafter Weise ist das elektrische Kontaktelement mit einem elektrischen

Verbindungselement gekoppelt, welches insbesondere als Stromschiene ausgebildet ist, zum elektrischen Verbinden des elektrisch leitenden Kontaktelements mit einem weiteren elektrischen Element. Um die Wärmeabfuhr der Verlustwärme zu begünstigen, kann die Wärmeleitvorrichtung bevorzugt mit dem elektrischen Verbindungselement gekoppelt sein.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Kontaktelement als Teil einer Heatpipe mit einer elektrisch leitfähigen Mantelfläche ausgebildet ist und der übrige Teil der Heatpipe die Wärmeleitvorrichtung bildet. Die Heatpipe erfüllt also bevorzugt eine Doppelfunktion, nämlich die des elektrisch leitenden Kontaktelements und die der Wärmeleitvorrichtung. Durch eine derartige Ausführungsform können Komponenten und damit Kosten eingespart werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und

Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen

Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Kühlen eines elektrisch leitfähigen Kontaktelements, welches von einer Stiftwanne umgeben ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der

Vorrichtung zum Kühlen des elektrisch leitfähigen Kontaktelements,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der

Vorrichtung zum Kühlen des elektrisch leitfähigen Kontaktelements, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der

Vorrichtung zum Kühlen des elektrisch leitfähigen Kontaktelements.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den Figuren 1 bis 4 ist jeweils eine Steckverbindung 10 mit einem elektrisch leitenden Kontaktelement 12 gezeigt. Die Steckverbindung 10 kann Teil einer elektrischen

Komponente sein. Bei der elektrischen Komponente kann es sich beispielsweise um einen Inverter und/oder um ein Ladegerät handeln. Die Steckverbindung 10 ist zumindest teilweise von einem Gehäuse 13 umgeben. Das Gehäuse 13 ist bevorzugt aus einem wärmeleitenden Material gebildet. Das Kontaktelement 12 der Steckverbindung 10 ist von einer Stiftwanne 14 umgeben. Mit anderen Worten ist das Kontaktelement 12 in der Stiftwanne 14 angeordnet. Das Kontaktelement 12 ist insbesondere bolzenförmig ausgebildet. Die Stiftwanne 14 ist bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet. An einem Ende des Kontaktelements 12, welches insbesondere einem

Gegenkontaktelement (in Figuren nicht gezeigt) zugeordnet ist, ist ein Schirmkontakt 16 angeordnet. Der Schirmkontakt 16 weist eine hohlzylindrische Form auf, welcher das Kontaktelement 12 an dem einen Ende bereichweise umgibt. Der Schirmkontakt 16 ist dazu eingerichtet, elektrische und/oder magnetische Felder abzuschirmen.

Ist das Kontaktelement 12 mit dem Gegenkontaktelement gekoppelt, so erwärmt sich das Kontaktelement 12 gerade an dem einen Ende im Bereich des Schirmkontaktes. Um diese Wärme, eine sogenannte Verlustwärme, von dem Kontaktelement 12 und aus der Stiftwanne 14 abführen zu können, ist das Kontaktelement 12 mit einer Vorrichtung 17 zum Kühlen des Kontaktelements 12 gekoppelt.

In Fig. 1 umfasst die Vorrichtung 17 eine Wärmeleitvorrichtung 18. Die

Wärmeleitvorrichtung 18 umfasst ein wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Element 20, welches außerhalb der Stiftwanne 14 positioniert ist. Das Kontaktelement 12 ist über ein erstes wärmeleitendes elektrisches Verbindungselement 22 und ein zweites wärmeleitendes elektrisches Verbindungselement 24 mit dem elektrisch isolierenden Element 20 gekoppelt. Das erste 22 und das zweite Verbindungselement 24 können als Einheit als ein wärmeleitendes Element angesehen werden. Das erste

Verbindungselement 22 ist von dem Kontaktelement 12 ausgehend, aus der Stiftwanne 14 geführt. Das zweite Verbindungselement 24 ist als Stromschiene zum elektrischen Verbinden des Kontaktelements 12 mit weiteren elektrischen Komponenten (in Figuren nicht gezeigt) ausgebildet. Das zweite Verbindungselement 24 ist mit dem ersten

Verbindungselement 22 über ein Koppelelement 26, welches beispielsweise als Bolzen ausgebildet ist, elektrisch leitend verbunden. In Fig. 1 sind aufeinander folgend das Kontaktelement 12, das erste Verbindungselement 22, das zweite Verbindungselement 24 und das elektrisch isolierende Element 20 aneinander angeordnet. Die Vorrichtung 17 umfasst ferner eine Wärmeabfuhrvorrichtung 28. Die Wärmeabfuhrvorrichtung 28 ist an dem elektrisch isolierenden Element 20 angeordnet. Bei der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 handelt es sich beispielsweise um einen Kühlkreislauf, insbesondere um einen Kühlkreislauf eines Kraftwagens, in dem die Steckverbindung 10, beispielsweise in einem Motorraum, angeordnet ist. Durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 17 wird die Verlustwärme von dem Kontaktelement 12 über das erste Verbindungselement 22, das zweite Verbindungselement 24 und das wärmeleitende und elektrisch isolierende Element 20 an die Wärmeabfuhrvorrichtung 28 abgegeben. In der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 wird bevorzugt ein Kühlmittel gefördert. Bei dem

Kühlmittel kann es sich um Wasser oder um ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln. Bei der Übertragung der Verlustwärme an die Wärmeabfuhrvorrichtung 28 wird die

Verlustwärme bevorzugt von dem Kühlmittel aufgenommen.

In Fig. 2 weist die Steckverbindung 10 den gleichen Aufbau, d.h. die aufeinanderfolgende Anordnung des Kontaktelements 12 und dem ersten 22 und zweiten Verbindungselement 24 auf. Nur sind die jeweiligen Elemente der Steckverbindung 10 nicht in einem rechten Winkel zueinander angeordnet, sondern linear aneinander in einer

Haupterstreckungsrichtung des Kontaktelements 12.

Die Wärmeleitvorrichtung 18 ist in Fig. 2 im Gegensatz zu Fig. 1 direkt mit dem

Kontaktelement 12 gekoppelt. Ferner umfasst die Wärmeleitvorrichtung 18 neben dem elektrisch isolierenden Element 20 noch ein wärmeleitendes Element 30. Das

wärmeleitende Element 30 ist bevorzugt aus Metall gebildet. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, ist das wärmeleitende Element 30 als rechteckiger Metallblock ausgebildet. In Fig. 2 ist das elektrisch isolierende Element 20 der Wärmeleitvorrichtung 18 an dem

Kontaktelement 12 angeordnet. Zwischen dem elektrisch isolierenden Element 20 und der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 ist das wärmeleitende Element 30 angeordnet. Die Wärmeleitvorrichtung 18, welche das wärmeleitende Element 30 und das wärmeleitende und elektrisch isolierende Element 20 umfasst, ist bereichsweise an dem Kontaktelement 12 angeordnet, d.h. die Wärmeleitvorrichtung 18 und das Kontaktelement 12 bilden eine gemeinsame Kontaktfläche aus. Je größer die Kontaktfläche, desto geringer ist der thermische Widerstand und desto besser kann die Verlustwärme von dem

Kontaktelement 12 abgeführt werden. Das elektrisch isolierende Element 20 dient dazu, dass das Kontaktelement 12 elektrisch nicht mit der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 gekoppelt wird. Anstelle einer Anordnung der Wärmeleitvorrichtung 18, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, kann auch das wärmeleitende Element 30 an dem Kontaktelement 12 und das elektrisch isolierende Element 20 an der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 angeordnet sein.

In Fig. 3 ist das wärmeleitende Element 30 anstelle als Metallblock, wie in Fig. 2, als Heatpipe ausgebildet. Der Vorteil der Heatpipe besteht darin, dass dadurch die

Vorrichtung 17 zur Kühlung flexibler ausgestaltet werden kann. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Heatpipe besonders flexibel ausgebildet und kann je nach Entfernung des

Kontaktelements 12 von der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 in ihrer Länge variiert werden. Ferner hat die Heatpipe im Gegensatz zu einem Metallblock den Vorteil, dass die

Kontaktfläche zu dem Element, von dem die Verlustwärme abgeführt werden soll, also dem Kontaktelement 12, kleiner ausgelegt werden kann. Wie bereits zu Fig. 2 erläutert, kann auch in Fig. 3 bei der Anordnung der Wärmeleitvorrichtung 18, entweder das elektrisch isolierende Element 20 oder die Heatpipe das Kontaktelement 12 kontaktieren, solange das elektrisch isolierende Element 20 zwischen der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 und dem Kontaktelement 12 angeordnet ist, damit die Wärmeabfuhrvorrichtung 28 und das Kontaktelement nicht elektrisch leitend verbunden sind.

Um die Wärmeabfuhr der Verlustwärme zu verbessern beziehungsweise um das

Kontaktelement 12 noch besser kühlen zu können, kann die Wärmeleitvorrichtung 18 auch zweimal vorgesehen sein. So kann die Wärmeleitvorrichtung 18 in den Figuren 2 und 3 an dem Kontaktelement 12 und an dem zweiten Verbindungselement 24 angeordnet sein. Wobei beide Wärmeleitvorrichtungen 18 die Verlustwärme an die Wärmeabfuhrvorrichtung 28 übertragen.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 17 zum Kühlen des

Kontaktelements 12 gezeigt. Dabei bildet eine Heatpipe das Kontaktelement 12 und einen Teil der Wärmeleitvorrichtung 18 aus. Die Heatpipe ist mit einer elektrisch leitfähigen Mantelfläche ausgebildet. Über das elektrisch isolierende Element 20 der

Wärmeleitvorrichtung 18 ist die Heatpipe mit der Wärmeabfuhrvorrichtung 28 gekoppelt. An der Heatpipe ist ferner das zweite Verbindungselement 24 angeordnet.

Insgesamt ist somit eine gekühlte Kontaktierung beschrieben.

In den stromführenden Elementen eines Steckverbinders, vor allem an der Kontaktstelle selbst, entsteht aufgrund des elektrischen Widerstands Wärme. Ein großer Querschnitt der stromführenden Teile verbessert die Wärmeabfuhr und reduziert den elektrischen Widerstand der stromführenden Teile. Aufgrund der hohen zu übertragenden Ströme fallen deshalb vor allen Hochvolt-Steckverbinder besonders groß und damit teuer aus.

Eine indirekte Kühlung durch thermische Anbindung der Stromschiene an ein Kühlsystem (z.B. durch eine Wärmeleitmatte) kann durch eine direkte Kühlung durch Anbindung der Kontaktierung an ein Kühlsystem erfolgen. Die direkte Kontaktierung kann dabei durch die Nutzung einer Heatpipe erfolgen, indem die Heatpipe die Verlustwärme von dem Kontaktelement des Steckverbinders abführt. Das Kontaktelement kann zur direkten Kühlung aber auch selbst als Heatpipe ausgebildet sein.

Der Einsatz einer Heatpipe erscheint besonders vorteilhaft, da sie bei geringem thermischem Widerstand den Weg zur Kühlung, beispielsweise einem Kühlsystem eines Kraftwagens, innerhalb der Komponente überbrücken kann.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (17) zum Kühlen eines von einer Stiftwanne (14) umgebenen elektrisch leitfähigen Kontaktelements (12) einer Steckverbindung (10), wobei die Vorrichtung (17) eine Wärmeleitvorrichtung (18) umfasst, welche mit dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement (12) gekoppelt ist, wobei eine Verlustwärme von dem

Kontaktelement (12) über die Wärmeleitvorrichtung (18) aus der Stiftwanne (14) heraus ableitbar ist.

2. Vorrichtung (17) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Wärmeleitvorrichtung (18) ein erstes wärmeleitendes Element (30) und ein zweites wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Element (20) umfasst.

3. Vorrichtung (17) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

das erste wärmeleitende Element (30) aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Metall, gebildet ist.

4. Vorrichtung (17) nach Anspruch 2 oder 3,

durch gekennzeichnet, dass

das erste wärmeleitende Element (30) als Heatpipe ausgebildet ist.

5. Vorrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung (17) ferner eine Wärmeabfuhrvorrichtung (28) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, ein Kühlmittel zu fördern, wobei die Wärmeleitvorrichtung (18) mit der Wärmeabfuhrvorrichtung (28) gekoppelt ist und die Verlustwärme an die Wärmeabfuhrvorrichtung (28) überträgt.

6. Vorrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das elektrische Kontaktelement (12) mit einem elektrischen Verbindungselement (24) gekoppelt ist, welches insbesondere als Stromschiene ausgebildet ist, zum elektrischen Verbinden des elektrisch leitenden Kontaktelements (12) mit einem weiteren elektrischen Element.

7. Vorrichtung (17) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Kontaktelement (12) als Teil einer Heatpipe mit einer elektrisch leitfähigen Mantelfläche ausgebildet ist und der übrige Teil der Heatpipe die

Wärmeleitvorrichtung (18) bildet.