WO2024032847A1 - Steckverbinderteil - Google Patents

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WO2024032847A1
WO2024032847A1 PCT/DE2023/100558 DE2023100558W WO2024032847A1 WO 2024032847 A1 WO2024032847 A1 WO 2024032847A1 DE 2023100558 W DE2023100558 W DE 2023100558W WO 2024032847 A1 WO2024032847 A1 WO 2024032847A1
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WO
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connector part
heat transport
housing
part according
contact element
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/100558
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Sturm
Michael Berres
Original Assignee
Kiekert Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/14—Conductive energy transfer
    • B60L53/16—Connectors, e.g. plugs or sockets, specially adapted for charging electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/302—Cooling of charging equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/46—Bases; Cases
    • H01R13/533—Bases, cases made for use in extreme conditions, e.g. high temperature, radiation, vibration, corrosive environment, pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R2201/00—Connectors or connections adapted for particular applications
    • H01R2201/26—Connectors or connections adapted for particular applications for vehicles

Definitions

  • the invention relates to a connector part for mechanical and electrical connection to a mating connector part, in particular a motor vehicle charging socket for coupling to a charging plug as part of an electrical charging infrastructure for electric or hybrid motor vehicles, or vice versa, with a housing made of plastic and at least one arranged in the housing electrical contact element, and with a cooling element which is in thermal contact with the electrical contact element.
  • the connector part is generally a charging socket in a motor vehicle, which can be coupled to an associated charging plug that is present, for example, on an electric charging station.
  • the charging plug like the charging socket, is part of an electrical charging infrastructure that can be used to charge the rechargeable energy storage devices or accumulators of electric or hybrid motor vehicles.
  • the connector part on the motor vehicle can also be a charging plug instead of a charging socket.
  • the charging station is equipped with an associated charging socket.
  • the electric or hybrid motor vehicle has a charging socket with several electrical contact elements arranged in the housing, into which the charging plug connected to the charging station is inserted for charging the motor vehicle in question.
  • a connector part including a temperature monitoring device is described in the prior art according to EP 3 616 270 B1. If the contact element overheats, the temperature monitoring device ensures that the power is switched off or at least the current is reduced.
  • the invention is based on the technical problem of further developing such a connector part in such a way that both perfect heat dissipation and cooling as well as reliable electrical insulation are observed even when high voltage is applied.
  • the invention proposes that the contact element and the cooling element be electrically insulated from one another in a generic connector part for mechanical and electrical connection to a mating connector part.
  • the procedure according to the invention is initially such that the cooling element and the contact element cannot form an electrical connection with one another, but rather are electrically insulated from one another.
  • the known and generic teaching works in such a way that at this point the cooling elements are each connected to the shaft section of the contact element in a non-positive or positive manner with an attachment piece. This means that at this point an electrical connection is deliberately being promoted - contrary to the theory of invention.
  • the electrical insulation between, on the one hand, the contact element and, on the other hand, the cooling element, while at the same time realizing a thermally conductive connection can be implemented in detail in different ways.
  • the cooling element it is in principle possible for the cooling element to be designed to be electrically insulating and at the same time thermally conductive.
  • a variant has proven to be particularly favorable here, in which the cooling element consists or has been manufactured, for example, of a thermally conductive plastic or polymer. At the same time, the cooling element can be designed to be electrically insulating.
  • the thermally conductive polymer can be one in which individual fillers are embedded for heat conduction.
  • the invention is based on the knowledge that thermoplastics typically used for the production of the plastic housing for the connector part generally have thermal conductivities of a maximum of 0.5 W/m ⁇ K. This means that the plastics typically used in this context, such as polypropylene (PP), PA (polyamide), Polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), etc. have the typical thermal conductivity values mentioned above.
  • a suitable filler can be embedded in the plastic in question.
  • electrically insulating and at the same time thermally conductive fillers have proven to be particularly advantageous. These include, for example, aluminum compounds or boron compounds, particularly preferably aluminum oxide or boron nitride. This makes it possible to increase the thermal conductivity of the plastic in question by at least a factor of 3, so that an appropriately constructed cooling element in this context has thermal conductivities of at least 1.5 W/m ⁇ K.
  • the relevant thermally conductive fillers in the plastic for producing the cooling element can be provided in a grammage of up to 50% by weight or more. Further details on the fillers and the associated plastics can be found at this point in the relevant DE 10 2007 037 316 A1, which represents the relevant state of the art. Said publication deals with thermally conductive and electrically insulating thermoplastic compounds, i.e. plastics with the aforementioned and embedded specific fillers. In addition, reference should be made to DE 10 2013 208 605 A1.
  • the invention opens up as a further option the possibility that the contact element and the cooling element are coupled to one another in a thermally conductive manner via an electrically insulating heat transport element.
  • the cooling element itself can be designed to be electrically conductive and at the same time thermally conductive, for example it can be made from a metal.
  • metals such as steel, aluminum or zinc have proven to be particularly favorable.
  • it is not the cooling element itself that provides the necessary electrical insulation, but rather the electrically insulating heat transport element, which is interposed between the electrically conductive contact element and the cooling element, which in this case is also electrically conductive.
  • the electrically insulating heat transport element in question can also be used if necessary. This ultimately depends on how high the electrical conductivity of the cooling element is or is set. That is, depending on the fillers embedded in the plastic in question to realize the cooling element, the electrically insulating heat transport element can, if necessary and additionally, be interposed between the contact element and the cooling element or not.
  • the heat transport element In connection with the electrically insulating heat transport element, it has proven to be particularly advantageous if it is made of plastic as part of the housing. This means that additional manufacturing measures and special production methods are not required. In this context, it is particularly favorable if the heat transport element encloses the contact element in a ring-shaped or overall cylindrical cross-section with a wall thickness of, in particular, a few millimeters. Here you can even work with wall thicknesses of less than 1 mm.
  • the heat transport element designed as part of the housing can again be defined by fillers introduced into the plastic. These fillers are only used in the area of the heat transport element the plastic inserted.
  • electrically insulating fillers with increased thermal conductivity can be used, as already described in the introduction.
  • Particularly suitable for this are aluminum and drilled connections and in particular aluminum oxide or boron nitride, which are introduced into the plastic of the housing provided there in the area of the heat transport element and in this way define the electrically insulating and at the same time thermally conductive heat transport element.
  • the heat transport element can also be designed as a component that is independent of the housing.
  • the heat transport element is a filling made of, for example, a ceramic or mineral material.
  • the heat transport element, which is independent of the housing can also be designed as a hose clamp that at least largely encloses the electrical contact element. It is also possible for the heat transport element to have such a hose clamp.
  • the heat transport element is typically designed in two parts and is usually composed of an actual transport element that surrounds the contact element in question in a ring and additionally a clamping sleeve.
  • the heat transport element including the electrical contact element can be placed in a hole in the housing. This involves compressing the clamping sleeve or hose clamp.
  • the adapter sleeve or hose clamp has a high level of thermal conductivity because at this point the internal heat transport element primarily provides electrical insulation and at the same time heat conduction.
  • a connector part is provided which is characterized by particularly favorable thermal management. This can be attributed to the fact that a cooling element is used which is electrically insulated from the contact element.
  • the cooling element itself is designed to be electrically insulating and at the same time thermally conductive or, if the cooling element is electrically conductive, the intermediate heat transport element ensures electrical insulation towards the contact element. This is where the main advantages can be seen.
  • FIG. 1 shows the connector part according to the invention in the form of a motor vehicle charging socket in a front view
  • Fig. 2 shows the corresponding rear view of Fig. 1,
  • Fig. 3 shows the object according to Figures 1 and 2 in one
  • Fig. 4 shows the object according to Fig. 3 in a side view.
  • 5A, B, C show a modified embodiment
  • 6A, B, C show a further embodiment variant of the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show a connector part for mechanical and electrical connection to a mating connector part.
  • the connector part according to the exemplary embodiment in FIGS. 1 and 2 is a charging socket 1 on the motor vehicle side.
  • the charging socket 1 is set up for coupling with a charging plug, which is not shown in detail and represents part of an electrical charging infrastructure for electric or hybrid motor vehicles.
  • the charging socket 1 is equipped with a housing 2 made of plastic and at least one electrical contact element 3 arranged in the housing 2.
  • a housing 2 made of plastic
  • at least one electrical contact element 3 arranged in the housing 2.
  • the additional electrical contact elements 4 provided, which are required for an AC charging process, are not subject to any further problematization.
  • the two electrical contact elements 3 inside the housing 2 are equipped with a cooling element 5.
  • the cooling element 5 is in thermal contact with the electrical contact element 3.
  • the overall design is as shown in detail in the front view according to FIG. 3 or the side view in FIG. 4.
  • the cooling element 5 is designed to be electrically insulating and at the same time thermally conductive.
  • the cooling element 5 may be one made of a plastic or polymer and thus a component of the housing, in which fillers are embedded that are electrically insulating and are also designed to be thermally conductive. Suitable fillers have already been described in the introduction and can be, for example, aluminum oxide and/or boron nitride.
  • an additional electrically insulating heat transport element 6 between the contact element 3 and the cooling element 5, indicated in FIG. 3, is unnecessary.
  • the electrically insulating heat transport element 6 is used overall. With the help of the electrically insulating heat transport element 6, the contact element 3 and the cooling element 5 are coupled to one another in a thermally conductive manner.
  • the cooling element 5 is advantageously made of a metal such as steel, aluminum or zinc.
  • the electrically insulating heat transport element 6 ensures electrical decoupling between the contact element 3 and the cooling element 5.
  • the previously described variant is distinguished characterized in that the heat transport element 6 is unnecessary because the cooling element 5 itself provides the electrical insulation.
  • the heat transport element 6 can consist and be made of a foreign material (i.e. not plastic). Ceramic or mineral materials have proven to be particularly beneficial here, as they provide electrical insulation and yet thermal conductivity. Suitable ceramic materials are, for example, zirconium and mineral materials can include: Sand or the like can be used.
  • the overall design is such that the heat transport element 6 has the contact element 3 in a ring-shaped cross section a wall thickness S of in particular a few millimeters.
  • the wall thickness S of the heat transport element 6 can be a few millimeters and even be less than 1 mm. In this way, a particularly favorable and rapid heat transport from the contact element 3 to the cooling element 5 is realized and implemented, which corresponds to particularly effective cooling.
  • the cooling element 5 is strip-shaped overall and has cooling fins 5a at the ends. These cooling fins 5a can protrude laterally over the housing 2 in a front view. This depends on the installation and space conditions for charging socket 1. It can also be seen that the cooling element 5 only encloses the contact elements 3 for the DC charging process in a strip form, whereas the other contact elements 4 for the AC charging process are not covered due to the lower currents there.
  • the heat transport element 6 there is designed as a hose clamp that at least largely encloses the electrical contact element 3.
  • the procedure can be such that after pre-assembly of the electrical contact element 3 and the housing 2 or its cooling element 5, the heat transport elements 6 shown, each designed as two-ear hose clamps, are placed in air gaps of the housing 2 or the Cooling element 5 are deformed and largely eliminate or close them.
  • the heat transport elements 6 shown each designed as two-ear hose clamps
  • the further variant according to FIG. 6 is characterized by a two-part heat transport element 61, 62, which in turn is designed as a component that is independent of the housing 2 or its cooling element 5.
  • a primary heat transport element 61 that completely encloses the electrical contact element 3 is realized, which ensures the electrical decoupling between the contact element 3 and the housing 2 or cooling element 5.
  • This primary heat transport element 61 can be a coating of the electrical contact element 3 made of plastic or a polymer with embedded fillers, which are designed to be electrically insulating and at the same time thermally conductive.
  • a secondary heat transport element 62 is also provided, which is designed as a clamping sleeve.
  • the adapter sleeve in question can be equipped with a significantly improved thermal conductivity compared to the primary heat transport element 61. This results in assembly advantages, as can be seen from the perspective view additionally shown in FIG. 6.
  • the clamping sleeve in question or the secondary heat transport element 62 and the electrical contact element 3 including the primary heat transport element 61 can be moved into a pre-assembled position in an associated bore or recess in the partially shown cooling element 5 are spent.
  • the clamping sleeve or the secondary heat transport element 61 is compressed and pressed into the hole in the cooling element 5 with a slight transition fit. This can be done without tools and therefore results in a cost-effective and lightweight, yet functionally reliable variant.

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Steckverbinderteil zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit einem Gegensteckverbinderteil, insbesondere eine kraftfahrzeugseitige Ladedose (1) zur Kopplung mit einem Ladestecker als Bestandteile einer elektrischen Ladeinfrastruktur für Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeuge, oder umgekehrt, mit einem Gehäuse (2) aus Kunststoff sowie wenigstens einem im Gehäuse (2) angeordneten elektrischen Kontaktelement (3). Außerdem ist ein Kühlelement (5) realisiert, welches in Wärmekontakt mit dem elektrischen Kontaktelement (3) steht. Erfindungsgemäß sind das Kontaktelement (3) und das Kühlelement (5) elektrisch voneinander isoliert.

Description

Beschreibung
Steckverbinderteil
Die Erfindung betrifft ein Steckverbinderteil zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit einem Gegensteckverbinderteil, insbesondere eine kraftfahrzeugseitige Ladedose zur Kopplung mit einem Ladestecker als Bestandteil einer elektrischen Ladeinfrastruktur für Elektro- oder Hybrid- Kraftfahrzeuge, oder umgekehrt, mit einem Gehäuse aus Kunststoff sowie wenigstens einem im Gehäuse angeordneten elektrischen Kontaktelement, und mit einem Kühlelement, welches in Wärmekontakt mit dem elektrischen Kontaktelement steht.
Bei dem Steckverbinderteil handelt es sich im Allgemeinen um eine Ladedose bei einem Kraftfahrzeug, die mit einem zugehörigen und beispielsweise an einer elektrischen Ladesäule vorhandenen Ladestecker gekoppelt werden kann. Der Ladestecker gehört ebenso wie die Ladedose zu einer elektrischen Ladeinfrastruktur, mit deren Hilfe die aufladbaren Energiespeicher bzw. Akkumulatoren von Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugen aufgeladen werden können. Grundsätzlich kann es sich bei dem Steckverbinderteil am Kraftfahrzeug anstelle einer Ladedose auch um einen Ladestecker handeln. In diesem Fall ist die Ladesäule mit einer zugehörigen Ladedose ausgerüstet. Im Regelfall verfügt jedoch das Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug über eine Ladedose mit mehreren im Gehäuse angeordneten elektrischen Kontaktelementen, in welche der an die Ladesäule angeschlossene Ladestecker zum Laden des betreffenden Kraftfahrzeuges eingesteckt wird.
Um an dieser Stelle einerseits hohe elektrische Leistungen der im betreffenden Kraftfahrzeug vorhandenen Elektromotoren mit der erforderlichen elektrischen Energie versorgen zu können und andererseits eine ausreichende Reichweite zur Verfügung zu stellen, wird heutzutage mit Hochvolt-Batterien bzw. - Akkumulatoren gearbeitet, die typischerweise mit Hochvolt-Gleichspannung geladen werden. Neben solchen DC-Ladevorgängen (Direct Current) erlauben die meisten Elektro- oder Hybridkraftfahrzeuge auch die Möglichkeit, den Ladevorgang über eine Wechselspannung im Sinne eines AC-Ladevorganges (Alternate Current) zu realisieren. An dieser Stelle wird meistens jedoch mit geringen Strömen und langen Ladezeiten gearbeitet, wohingegen bei dem zuvor bereits beschriebenen DC-Ladevorgang hohe Spannungen und hohe Ströme sowie daraus resultierende kurze Ladezeiten beobachtet werden.
Insbesondere bei DC-Ladevorgängen besteht aufgrund der großen Stromstärke das grundsätzliche Problem, dass die an dieser Stelle benutzten elektrischen Kontaktelemente zunehmend erwärmen. Dadurch steigt der Widerstand, was den elektrischen Ladevorgang und ein gewünschtes Schnellladen behindert. Außerdem ist aufgrund der Wärmeerzeugung an oder in einer Ladestation eine Steuerung oder Regelung des Ladestromes erforderlich, um der gegebenenfalls steigenden Temperatur des Kontaktelementes Rechnung zu tragen.
Aus diesem Grund werden im Stand der Technik nach der EP 3 616 270 B1 ein Steckverbinderteil inklusive Temperaturüberwachungseinrichtung beschrieben. Die Temperaturüberwachungseinrichtung sorgt bei einer etwaigen Überhitzung des Kontaktelementes dafür, dass es zu einer Stromabschaltung oder zumindest Stromreduzierung kommt.
Beim gattungsbildenden Stand der Technik nach der EP 3 433 904 B1 wird so vorgegangen, dass das dortige Kontaktelement mit einem Wärmekapazitätselement als Kühlelement ausgerüstet ist. Dadurch soll die Wärmeabfuhr vom Kontaktelement an die Umgebung optimiert und beschleunigt werden. Auf diese Weise lassen sich im günstigsten Fall hohe Stromstärken übertragen, und zwar ohne dass eine mögliche und zusätzlich vorgesehene Temperaturüberwachungseinrichtung anspricht. Das hat sich grundsätzlich bewährt.
Allerdings geht der Stand der Technik nach der EP 3 433 904 B1 insgesamt so vor, dass die einzelnen Wärmekapazitätselemente bzw. Kühlelemente über ein Ansetzstück kraftschlüssig oder formschlüssig mit einem Schaftabschnitt des Kontaktelementes verbunden sind. Bei den Kühlelementen handelt es sich um massive quaderförmige metallische Körper. Als Folge hiervon reduziert sich einerseits der zur Verfügung stehende Bauraum im Innern des Steckverbinderteils bzw. der Ladedose. Andererseits wird ein erhöhtes Gewicht bei zugleich gesteigerten Kosten und die Gefahr beobachtet, dass dennoch elektrische Kurzschlüsse vorhanden sein können. Zu diesem Zweck geht der Stand der Technik so vor, dass die Kühlelemente unterschiedlicher Kontaktelemente elektrisch voneinander isoliert sind.
Dadurch besteht allerdings nach wie vor das Problem, dass die Kühlelemente durch ihre elektrische Kopplung mit den Kontaktelementen unter Umständen unter Hochspannung stehen, wobei die Isolierung zwischen den einzelnen Kühlelementen hier zwar für eine elektrische Isolierung untereinander sorgen mag, aber möglicherweise nicht eine ausreichende elektrische Isolierung zu anderen Bestandteilen im Innern des Steckverbinderteils oder auch nach außen hin zur Verfügung gestellt wird. Das ist insbesondere vor dem Hintergrund ständig steigender Gleichspannungen bzw. Hochspannungen in diesem Bereich möglicherweise problematisch. Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges Steckverbinderteil so weiterzuentwickeln, dass sowohl eine einwandfreie Wärmeabfuhr und Kühlung als auch eine zuverlässige elektrische Isolierung auch bei anliegender Hochspannung beobachtet werden. Zur Lösung dieser technischen Problemstellung schlägt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Steckverbinderteil zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem Gegensteckverbinderteil vor, dass das Kontaktelement und das Kühlelement elektrisch voneinander isoliert sind.
Im Unterschied zum gattungsbildenden Stand der Technik nach der EP 3 433 904 B1 wird also zunächst einmal und erfindungsgemäß so vorgegangen, dass das Kühlelement und das Kontaktelement keine elektrische Verbindung miteinander eingehen können, sondern vielmehr elektrisch voneinander isoliert sind. Demgegenüber arbeitet die bekannte und gattungsbildende Lehre so, dass an dieser Stelle die Kühlelemente mit jeweils einem Ansetzstück kraftschlüssig oder formschlüssig mit dem Schaftabschnitt des Kontaktelementes verbunden sind. D. h., an dieser Stelle wird bewusst eine elektrische Verbindung - konträr zur Erfindungslehre - propagiert.
Die elektrische Isolierung zwischen einerseits dem Kontaktelement und andererseits dem Kühlelement bei zugleich realisierter wärmeleitfähiger Verbindung lässt sich auf unterschiedliche Art und Weise im Detail umsetzen. So ist es nach einer ersten Variante prinzipiell möglich, dass das Kühlelement elektrisch isolierend und zugleich wärmeleitfähig ausgebildet ist. Hier hat sich eine Variante als besonders günstig erwiesen, bei welcher das Kühlelement beispielsweise aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff bzw. Polymer besteht respektive hergestellt worden ist. Zugleich kann hierdurch das Kühlelement elektrisch isolierend ausgeführt werden.
Bei dem wärmeleitfähigen Polymer kann es sich um einen solchen handeln, in den einzelne Füllstoffe zur Wärmeleitung eingebettet sind. Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass typischerweise für die Herstellung des Gehäuses aus Kunststoff für das Steckverbinderteil eingesetzte thermoplastische Kunststoffe in der Regel Wärmeleitfähigkeiten von im Maximum 0,5 W/m ■ K aufweisen. D. h., die in diesem Zusammenhang typischerweise eingesetzten Kunststoffe wie beispielsweise Polypropylen (PP), PA (Polyamid), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) usw. verfügen über die vorgenannten typischen Werte für ihre Wärmeleitfähigkeit.
Um nun dennoch ein Kühlelement mit vergrößerter Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen, welches zugleich elektrisch isolierend ausgebildet ist, kann in den fraglichen Kunststoff ein geeigneter Füllstoff eingebettet werden. Hier haben sich elektrisch isolierend und zugleich thermisch leitfähige Füllstoffe als besonders günstig erwiesen. Hierzu gehören beispielhaft Aluminiumverbindungen oder Borverbindungen, und zwar besonders bevorzugt Aluminiumoxid oder Bornitrid. Dadurch lassen sich Steigerungen der Wärmeleitfähigkeit des betreffenden Kunststoffes mindestens um den Faktor 3 herbeiführen, sodass ein entsprechend aufgebautes Kühlelement in diesem Zusammenhang Wärmeleitfähigkeiten von wenigstens 1 ,5 W/m ■ K aufweist.
In diesem Zusammenhang können die betreffenden und thermisch leitfähigen Füllstoffe im Kunststoff zur Herstellung des Kühlelementes in einer Grammatur von bis zu 50 Gew.-% und mehr vorgesehen werden. Weitere Einzelheiten zu den Füllstoffen und den zugehörigen Kunststoffen können an dieser Stelle der relevanten und den einschlägigen Stand der Technik darstellenden DE 10 2007 037 316 A1 entnommen werden. Besagte Veröffentlichung beschäftigt sich mit thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden thermoplastischen Compounds, also Kunststoffen mit den vorgenannten und eingelagerten spezifischen Füllstoffen. Ergänzend sei auf die DE 10 2013 208 605 A1 hingewiesen.
Neben der bereits beschriebenen Möglichkeit, das Kühlelement elektrisch isolierend und zugleich wärmeleitfähig auszubilden, eröffnet die Erfindung als weitere Option die Möglichkeit, dass das Kontaktelement und das Kühlelement über ein elektrisch isolierendes Wärmetransportelement miteinander wärmeleitfähig gekoppelt sind. Auf diese Weise kann das Kühlelement selbst elektrisch leitfähig und zugleich wärmeleitfähig ausgelegt werden, lässt sich beispielsweise als ein solches aus einem Metall realisieren. Hier haben sich insbesondere Metalle wie beispielsweise Stahl, Aluminium oder Zink als besonders günstig erwiesen. Für die nötige elektrische Isolierung sorgt in diesem Fall nicht das Kühlelement selbst, sondern vielmehr das elektrisch isolierende Wärmetransportelement, welches zwischen dem elektrisch leitfähigen Kontaktelement und dem in diesem Fall ebenfalls elektrisch leitfähigen Kühlelement zwischengeschaltet ist.
Grundsätzlich kann natürlich auch bei einem elektrisch nicht leitfähigen und zugleich wärmeleitfähigen Kühlelement aus dem beschriebenen Kunststoff mit eingelagerten Füllstoffen zusätzlich mit dem fraglichen elektrisch isolierenden Wärmetransportelement bedarfsweise gearbeitet werden. Das hängt letztlich davon ab, wie groß die elektrische Leitfähigkeit des Kühlelementes noch beschaffen ist oder eingestellt wird. D. h., je nach eingelagerten Füllstoffen in den fraglichen Kunststoff zur Realisierung des Kühlelementes kann bedarfsweise und zusätzlich das elektrisch isolierende Wärmetransportelement zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement zwischengeschaltet werden oder eben nicht.
Im Zusammenhang mit dem elektrisch isolierenden Wärmetransportelement hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn dieses als Bestandteil des Gehäuses aus Kunststoff ausgebildet ist. Dadurch sind zusätzliche Herstellungsmaßnahmen und besondere Produktionsmethoden nicht erforderlich. In diesem Zusammenhang ist es besonders günstig, wenn das Wärmetransportelement das Kontaktelement im Querschnitt ringförmig bzw. insgesamt zylindrisch mit einer Wandstärke von insbesondere wenigen Millimetern umschließt. Hier kann vorteilhaft sogar mit Wandstärken unterhalb von 1 mm gearbeitet werden.
Das als Bestandteil des Gehäuses ausgebildete Wärmetransportelement kann erneut durch in den Kunststoff eingebrachte Füllstoffe definiert werden. Diese Füllstoffe werden dabei lediglich im Bereich des Wärmetransportelementes in den Kunststoff eingebracht. Hier kann wiederum auf elektrisch isolierende Füllstoffe mit gesteigerter Wärmeleitfähigkeit zurückgegriffen werden, wie sie einleitend bereits beschrieben worden sind. Besonders geeignet hierfür sind Aluminium- und Bohrverbindungen und insbesondere Aluminiumoxi oder Bornitrid, die im Bereich des Wärmetransportelementes in den dort vorgesehenen Kunststoff des Gehäuses eingebracht werden und auf diese Weise das elektrisch isolierende und zugleich wärmeleitfähige Wärmetransportelement definieren.
Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmetransportelement aber auch als von Gehäuse unabhängiger Bestandteil ausgebildet werden. In diesem Fall ist es in einer Alternative denkbar, dass es sich bei dem Wärmetransportelement um eine Schüttung aus beispielsweise einem keramischen oder mineralischen Werkstoff handelt. Alternativ oder zusätzlich kann das vom Gehäuse unabhängige Wärmetransportelement aber auch als das elektrische Kontaktelement zumindest größtenteils umschließende Schlauchschelle ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass das Wärmetransportelement eine solche Schlauchschelle aufweist.
In letztgenanntem Fall ist das Wärmetransportelement typischerweise zweiteilig ausgebildet und setzt sich in der Regel aus einem das fragliche Kontaktelement ringförmig umschließenden eigentlichen Transportelement und zusätzlich einer Spannhülse zusammen. Mit Hilfe der Spannhülse kann das Wärmetransportelement inklusive elektrischem Kontaktelement in eine Bohrung im Gehäuse verbracht werden. Hierbei wird die Spannhülse oder auch Schlauchschelle gestaucht. Die Spannhülse bzw. Schlauchschelle verfügt über eine große Wärmeleitfähigkeit, weil an dieser Stelle das demgegenüber innenliegende Wärmetransportelement überwiegend für die elektrische Isolierung und zugleich die Wärmeleitung sorgt. Im Ergebnis wird ein Steckverbinderteil zur Verfügung gestellt, welches durch ein besonders günstiges Wärmemanagement gekennzeichnet ist. Das lässt sich darauf zurückführen, dass mit einem Kühlelement gearbeitet wird, welches gegenüber dem Kontaktelement elektrisch isoliert ist. Dadurch wird verhindert, dass etwaige am Kontaktelement anstehende Hochspannung auf das Kühlelement übertragen wird. Um dies im Detail zu realisieren, kann entweder mit einem Kühlelement auf Kunststoff- bzw. Polymerbasis mit eingelagerten Füllstoffen gearbeitet werden oder dergestalt, dass zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement zusätzlich ein elektrisch isolierendes Wärmetransportelement zwischengeschaltet ist. Selbstverständlich lassen sich die beiden vorbeschriebenen grundsätzlichen Maßnahmen auch miteinander kombinieren.
In jedem Fall ist sichergestellt, dass entweder das Kühlelement selbst elektrisch isolierend und zugleich wärmeleitfähig ausgebildet ist oder bei einer elektrischen Leitfähigkeit des Kühlelementes durch das zwischengeschaltete Wärmetransportelement für eine elektrische Isolierung zum Kontaktelement hin gesorgt wird. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 das erfindungsgemäße Steckverbinderteil in Gestalt einer kraftfahrzeugseitigen Ladedose in einer Frontansicht,
Fig. 2 die zugehörige Rückansicht zur Fig. 1 ,
Fig. 3 den Gegenstand nach den Figuren 1 und 2 in einer
Frontansicht und
Fig. 4 den Gegenstand nach der Fig. 3 in einer Seitenansicht. Fig. 5A, B, C eine abgewandelte Ausführungsform und
Fig. 6A, B, C eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung.
In den Figuren ist ein Steckverbinderteil zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit einem Gegensteckverbinderteil dargestellt. Tatsächlich handelt es sich bei dem Steckverbinderteil nach dem Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 und 2 um eine kraftfahrzeugseitige Ladedose 1 . Die Ladedose 1 ist zur Kopplung mit einem Ladestecker eingerichtet, der im Detail nicht dargestellt ist und einen Bestandteil einer elektrischen Ladeinfrastruktur für Elektro- oder Hybrid- Kraftfahrzeuge darstellt.
Zu diesem Zweck ist die Ladedose 1 mit einem Gehäuse 2 aus Kunststoff sowie wenigstens einem im Gehäuse 2 angeordneten elektrischen Kontaktelement 3 ausgerüstet. Nachfolgend werden lediglich die beiden für einen DC-Ladevorgang benötigten Kontaktelemente 3 näher betrachtet. Die zusätzlich vorgesehenen weiteren elektrischen Kontaktelemente 4, die demgegenüber für einen AC- Ladevorgang benötigt werden, erfahren keine nähere Problematisierung. Nach dem Ausführungsbeispiel sind die beiden elektrischen Kontaktelemente 3 im Innern des Gehäuses 2 mit einem Kühlelement 5 ausgerüstet. Das Kühlelement 5 steht in Wärmekontakt mit dem elektrischen Kontaktelement 3.
Dabei ist die Auslegung insgesamt so getroffen, wie dies in Detail in der Frontansicht nach der Fig. 3 bzw. der Seitenansicht in der Fig. 4 dargestellt ist. Im Rahmen der Erfindung bestehen insgesamt zwei verschiedene Varianten zur Realisierung. Tatsächlich kann nach einer ersten Variante so gearbeitet werden, dass das Kühlelement 5 elektrisch isolierend und zugleich wärmeleitfähig ausgebildet ist. In diesem Fall mag es sich bei dem Kühlelement 5 um ein solches aus einem Kunststoff bzw. Polymer und damit einem Bestandteil des Gehäuses handeln, in welches Füllstoffe eingelagert sind, die elektrisch isolierend und zugleich wärmeleitfähig ausgelegt sind. Geeignete Füllstoffe sind einleitend bereits beschrieben worden und können beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Bornitrid sein. In diesem Fall ist ein zusätzliches und in der Fig. 3 angedeutetes elektrisch isolierendes Wärmetransportelement 6 zwischen dem Kontaktelement 3 und den Kühlelement 5 entbehrlich.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 wird insgesamt jedoch mit dem elektrisch isolierenden Wärmetransportelement 6 gearbeitet. Mithilfe des elektrisch isolierenden Wärmetransportelementes 6 werden das Kontaktelement 3 und das Kühlelement 5 miteinander wärmeleitfähig gekoppelt. In diesem Fall ist das Kühlelement 5 vorteilhaft aus einem Metall wie beispielsweise Stahl, Aluminium oder auch Zink hergestellt. Selbstverständlich sind auch Kombinationen denkbar. Damit in diesem Kontext das aus Metall hergestellte Kühlelement 5 nicht mit am Kontaktelement 3 anliegender Hochspannung beaufschlagt wird, sorgt in diesem Fall das elektrisch isolierende Wärmetransportelement 6 für eine elektrische Entkopplung zwischen dem Kontaktelement 3 und dem Kühlelement 5. Demgegenüber zeichnet sich die zuvor bereits beschriebene Variante dadurch aus, dass das Wärmetransportelemente 6 entbehrlich ist, weil das Kühlelement 5 selbst für die elektrische Isolierung sorgt.
Das Wärmetransportelement 6 kann bei der Variante nach den Figuren 3 und 4 aus einem Fremdmaterial (also nicht aus Kunststoff) bestehen und hergestellt sein. Hier haben sich keramische oder mineralische Werkstoffe als besonders günstig erwiesen, die zugleich für eine elektrische Isolierung und dennoch Wärmeleitfähigkeit sorgen. Geeignete keramische Werkstoffe sind beispielsweise Zirkon und als mineralische Werkstoffe können u. a. Sand oder dergleichen eingesetzt werden.
Daneben ist die Auslegung insgesamt so getroffen, dass das Wärmetransportelement 6 das Kontaktelement 3 ringförmig im Querschnitt mit einer Wandstärke S von insbesondere wenigen Millimetern umschließt. Tatsächlich kann die Wandstärke S des Wärmetransportelementes 6 wenige Millimeter betragen und sogar unterhalb von 1 mm angesiedelt sein. Auf diese Weise wird ein besonders günstiger und schneller Wärmetransport vom Kontaktelement 3 hin zum Kühlelement 5 realisiert und umgesetzt, welcher zu einer besonders wirksamen Kühlung korrespondiert.
Anhand des Ausführungsbeispiels erkennt man, dass das Kühlelement 5 insgesamt streifenförmig ausgebildet ist und endseitig Kühlrippen 5a aufweist. Diese Kühlrippen 5a können dabei in Frontansicht seitlich über das Gehäuse 2 überstehen. Das hängt von den Einbau- und Platzverhältnissen für die Ladedose 1 ab. Außerdem erkennt man, dass das Kühlelement 5 streifenförmig lediglich die Kontaktelemente 3 für den DC-Ladevorgang umschließt, wohingegen die weiteren Kontaktelemente 4 für den AC-Ladevorgang aufgrund der dort geringeren Ströme nicht mit abgedeckt werden.
Die zuvor bereits beschriebene Variante nach den Figuren 3 und 4 ist jeweils so ausgebildet, dass das Wärmetransportelement 6 aus einem Fremdmaterial (also nicht aus Kunststoff) hergestellt ist. In diesem Fall ist das Wärmetransportelement 6 als vom Gehäuse 2 bzw. dem Kühlelement 5 unabhängiger Bestandteil ausgebildet. Auch die Figuren 5 und 6 zeigen eine Variante, bei welcher das Wärmetransportelement 6 als vom Gehäuse 2 bzw. dem Kühlelement 5 unabhängiger Bestandteil ausgelegt ist.
Tatsächlich erkennt man anhand der Fig. 5A, dass in diesem Fall das dortige Wärmetransportelement 6 als das elektrische Kontaktelement 3 zumindest größtenteils umschließende Schlauchschelle ausgebildet ist. Dabei kann so vorgegangen werden, dass nach einer Vormontage des elektrischen Kontaktelementes 3 und des Gehäuses 2 bzw. seines Kühlelementes 5 die jeweils als Zwei-Ohr-Schlauchschellen ausgeführten jeweils dargestellten Wärmetransportelemente 6 in Luftspalten des Gehäuses 2 bzw. des Kühlelementes 5 verformt werden und diese größtenteils eliminieren bzw. verschließen. Vergleichbares gilt für die ebenfalls im Rahmen der Fig. 5B gezeigte weitere Variante, nach der an dieser Stelle eine Schraube 7 oder ein anderes Spannmittel dafür sorgt, das etwaige nach der Vormontage verbleibende Luftspalte eliminiert werden, sodass ein durchgängiger Wärmefluss vom Kontaktelement 3 über das Wärmetransportelement 6 bis hin zum Gehäuse 2 bzw. dessen Kühlelement 5 beobachtet wird und vorliegt.
Die weitere Varinante nach der Fig. 6 ist durch ein gleichsam zweiteiliges Wärmetransportelement 61, 62 gekennzeichnet, welches wiederum als vom Gehäuse 2 bzw. dessen Kühlelement 5 unabhängiger Bestandteil ausgebildet ist. Dabei ist zunächst einmal ein primäres und das elektrische Kontaktelement 3 vollständig umschließendes Wärmetransportelement 61 realisiert, welches für die elektrische Entkopplung zwischen dem Kontaktelement 3 und dem Gehäuse 2 bzw. Kühlelement 5 sorgt. Bei diesem primären Wärmetransportelement 61 kann es sich um eine Beschichtung des elektrischen Kontaktelementes 3 aus Kunststoff bzw. einem Polymer mit eingelagerten Füllstoffen handeln, die elektrisch isolierend und zugleich wärmeleitfähig ausgelegt sind.
Neben diesem primären Wärmetransportelement 61 ist dann noch ein sekundäres Wärmetransportelement 62 vorgesehen, welches als Spannhülse ausgebildet ist. Die fragliche Spannhülse kann dabei mit einer deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum primären Wärmetransportelement 61 ausgerüstet werden. Dadurch ergeben sich Montagevorteile, wie man anhand der in der Fig. 6 zusätzlich gezeigten perspektivischen Darstellung nachvollziehen kann.
Tatsächlich können in diesem Zusammenhang die fragliche Spannhülse bzw. das sekundäre Wärmetransportelement 62 und das elektrische Kontaktelement 3 inklusive primärem Wärmetransportelement 61 gleichsam ohne Montagekraft in eine vormontierte Lage in einer zugehörigen Bohrung bzw. Ausnehmung im teilweise dargestellten Kühlelement 5 verbracht werden. Bei diesem Vorgang wird die Spannhülse bzw. das sekundäre Wärmetransportelement 61 gestaucht und mit einer leichten Übergangspassung in die Bohrung im Kühlelement 5 gedrückt. Das kann insgesamt werkzeuglos erfolgen und führt demzufolge zu einer kostengünstigen und leichten, gleichwohl funktionssicheren Variante.
Bezugszeichenliste
1 Ladedose
2 Gehäuse 3 Kontaktelemente
4 weitere Kontaktelemente
5 Kühlelement
5a Kühlrippen
6 Wärmetransportelement 61,62 Wärmetransportelement
S Wandstärke

Claims

Patentansprüche
1. Steckverbinderteil zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit einem Gegensteckverbinderteil, insbesondere kraftfahrzeugseitige Ladedose (1 ) zur Kopplung mit einem Ladestecker als Bestandteile einer elektrischen Ladeinfrastruktur für Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeuge, oder umgekehrt, mit einem Gehäuse (2) aus Kunststoff sowie wenigstens einem im Gehäuse (2) angeordneten elektrischen Kontaktelement (3), und mit einem Kühlelement (5), welches in Wärmekontakt mit dem elektrischen Kontaktelement (3) steht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kontaktelement (3) und das Kühlelement (5) elektrisch voneinander isoliert sind.
2. Steckverbinderteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (5) elektrisch isolierend und zugleich wärmeleitfähig ausgebildet ist.
3. Steckverbinderteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (5) aus einem wärmeleitfähigen Polymer besteht.
4. Steckverbinderteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (3) und das Kühlelement (5) über ein elektrisch isolierendes Wärmetransportelement (6) miteinander wärmeleitfähig gekoppelt sind.
5. Steckverbinderteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportelement (6) das Kontaktelement (3) im Querschnitt ringförmig mit einer Wandstärke (S) von insbesondere wenigen Millimetern umschließt.
6. Steckverbinderteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (S) unterhalb von 1 mm angesiedelt ist.
7. Steckverbinderteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportelement (6) als Bestandteil des Gehäuses (2) ausgebildet ist.
8. Steckverbinderteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportelement (6) in den Kunststoff des Gehäuses (2) eingelagerte Füllstoffe aus beispielsweise Aluminiumoxid oder Bornitrid aufweist.
9. Steckverbinderteil nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportelement (6) als vom Gehäuse unabhängiger Bestandteil ausgebildet ist.
10. Steckverbinderteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportelement (6) als Schüttung aus einem keramischen oder mineralischen Werkstoff und/oder das Kontaktelement (3) zumindest größtenteils umschließende Schlauchschelle ausgebildet ist oder eine solche aufweist. .
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