DE202016008631U1

DE202016008631U1 - Flüssigkeitsgekühltes Kontaktelement

Info

Publication number: DE202016008631U1
Application number: DE202016008631.7U
Authority: DE
Original assignee: Harting Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Harting Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2026-07-06

Abstract

Elektrisches Kontaktelement, welches ein Kontaktteil (4) und ein Anschlussteil (3) aufweist, wobei das Anschlussteil (3) mit einem elektrischen Leiter (9) eines Kabels (2) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kontaktelement (1) Kühlflüssigkeit zuführbar ist.

Description

Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einem flüssigkeitsgekühlten Kontaktelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Steckverbinder, der ein solches Kontaktelement verwendet.
Derartige Kontaktelemente werden insbesondere zur Übertragung hoher Ströme eingesetzt und beispielsweise in Ladesteckverbindern verwendet.
Bei Elektrofahrzeugen ist ein schnelles Laden notwendig, wenn sich diese Technik gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durchsetzen soll. Die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor können innerhalb von wenigen Minuten vollgetankt werden. Elektrofahrzeuge müssen hier mithalten können. Bei Schnellladevorgängen müssen besonders hohe Ströme eingesetzt werden, was zu einer starken Hitzeentwicklung bei Ladesteckverbindern führt.
Stand der Technik
Die DE 10 2010 050 562 B3 zeigt einen Ladesteckverbinder für Elektroautos. Die beim Ladevorgang erzeugte Erwärmung des Steckverbinders wird durch eine spiralförmige Flüssigkeitsleitung verringert, die im Wesentlichen im Griffbereich des Steckverbinders verläuft. Durch die Flüssigkeitsleitung fließt eine Kühlflüssigkeit in einem geschlossenen Kühlkreislauf.
Bei dem beschriebenen Steckverbinder wird lediglich der Steckverbinder gekühlt. Bei den Kontaktelementen und den daran angeschlossenen elektrischen Leitern kann sich im Betrieb nach wie vor Wärme stauen, was zu einem Leistungsverlust des Steckverbinders und damit verbundenen längeren Ladevorgängen führen kann.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein leistungsfähiges Kontaktelement, insbesondere für den Einsatz in Ladesteckverbindern, zu generieren.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße elektrische Kontaktelement ist optimal für den Einsatz in Ladesteckverbindern geeignet. Derartige Ladesteckverbinder werden beispielsweise zum Laden von Elektroautos eingesetzt.
Das Kontaktelement weist ein Kontaktteil und ein Anschlussteil auf. Das Anschlussteil ist so ausgestaltet, dass es mit einem elektrischen Leiter eines Kabels verbindbar ist. Dem Kontaktelement ist Kühlflüssigkeit zuführbar. Im Anschlussteil des Kontaktelements sind Hohlräume vorhanden in denen Kühlflüssigkeit strömen und dabei Wärme aufnehmen und abführen kann. Das Anschlussteil ist dazu mit einer Zuflussleitung für Kühlflüssigkeit verbindbar. Der elektrische Leiter und die Zuflussleitung können am Kontaktelement angeschlossen werden.
Vorteilhafterweise ist das elektrische Kontaktelement zumindest zweiteilig ausgeführt. Das Anschlussteil und das Kontaktteil werden jeweils von separaten Bauteilen gebildet. Die separaten Bauteile sind reversibel miteinander verbindbar.
Die Zweiteiligkeit hat den Vorteil, dass das Kontaktteil nach einer bestimmten Anzahl von Steckzyklen ausgewechselt werden kann, während das Anschlussteil weiter benutzt werden kann. Ein Steckverbinder ist durch den Austausch der Kontaktteile wieder sehr schnell einsetzbar. Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise besteht darin, dass das Anschlussteil und das Kontaktteil aus verschiedenen Werkstoffen gebildet sein können. Die Werkstoffe können je nach Bedürfnis gewählt werden. Beispielsweise kann das Kontaktteil mit einer besonders gut leitenden Beschichtung, beispielsweise mit einer Silber- oder Goldlegierung, versehen sein. Für das Anschlussteil ist eine derartige Beschichtung nicht notwendig. Hier kann diese entsprechend entfallen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können das Anschlussteil und das Kontaktteil miteinander verschraubbar ausgeführt sein. Dadurch ist es möglich ein durch diverse Steckzyklen verschlissenes Kontaktteil steckseitig aus dem Steckverbinder zu entfernen und durch ein neues Kontaktteil zu ersetzen.
Vorzugsweise ist das Kontaktteil des Kontaktelements als so genannte Buchse mit bevorzugt vier oder sechs Lamellen ausgebildet. Das Anschlussteil ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist einen davon axial abstehenden Hohlzylinder auf. In das Anschlussteil ist zumindest eine Öffnung, bevorzugt sind jedoch zwei, drei oder vier Öffnungen, eingebracht.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind der Hohlraum der Öffnung oder die Hohlräume der Öffnungen mit dem Hohlraum des Hohlzylinders verbunden. In die Öffnung oder in die Öffnungen des Anschlussteils ist Kühlflüssigkeit einströmbar und durch den Hohlzylinder kann die Kühlflüssigkeit wieder ausströmen. Die Kühlflüssigkeit kann hier direkt auf das Kontaktelement einwirken. Die Kühlwirkung tritt genau dort ein wo auch die Wärme im Betrieb entsteht. Daher ist die hier gezeigte Kühlung des Kontaktelements auch besonders effektiv, insbesondere dann, wenn das Kontaktelement in einem Ladesteckverbinder für Elektrofahrzeuge eingesetzt wird. Derartige Ladesteckverbinder benötigen keine zusätzliche Kühlung.
Das am erfindungsgemäßen Kontaktelement angeschlossene Kabel besteht im Querschnitt aus einer zentralen Kühlflüssigkeitsleitung. Um die Kühlflüssigkeitsleitung herum sind einzelne Leiter, hier Kupferadern, positioniert. Die Kupferadern werden von einer flüssigkeitsdichten Folie umschlossen. Auf dieser Folie liegen so genannte Pufferelemente auf, die letztendlich von einem festen Kabelmantel umschlossen sind. Die Pufferelemente sind ebenfalls hohl, so dass im Bereich zwischen flüssigkeitsdichter Folie und Kabelmantel eine Kühlflüssigkeit strömen kann.
Vorzugsweise verjüngt sich der Hohlzylinder endseitig und weist eine Austrittsöffnung auf. Aufwärts von der Austrittsöffnung gesehen ist auf dem Hohlzylinder eine kontinuierliche Lamellenstruktur aufgebracht. Die Lamellenstruktur dient einer gut leitenden Kontaktierung zwischen einem Leiter und dem Kontaktelement.
Die Austrittsöffnung des Hohlzylinders wird in die zentrale Kühlflüssigkeitsleitung eingeschoben. Der Außendurchmesser der Austrittsöffnung und der Innendurchmesser der zentralen Kühlflüssigkeitsleitung sind dazu aufeinander abgestimmt.
Auf die Lamellenstruktur des Hohlzylinders sind die einzelnen Leiter des oben beschriebenen Kabels gelegt. Mithilfe einer Crimphülse werden die Leiter auf die Lamellenstruktur festgepresst. Die Lamellenstruktur sorgt für eine besonders gut leitende Verbindung von den Leitern mit dem Anschlussteil.
Das Kontaktelement weist eine Hülse auf, die einseitig zumindest teilweise das Anschlussteil überdeckt. Im Anschlussteil sind zwei umlaufende Nuten eingebracht, in denen jeweils ein Dichtungsring eingelegt ist. Durch die Dichtungen wird der Überlappungsbereich von Hülse und Anschlussteil mediendicht abgedichtet. Das andere Ende der Hülse verläuft auf dem Kabelmantel des Kabels. Der Innendurchmesser der Hülse und der Außendurchmesser des Kabels sind aufeinander abgestimmt. Über eine Quetschung der Hülse kann der Überlappungsbereich von Hülse und Kabel mediendicht abgedichtet werden.
Die Kühlung des erfindungsgemäßen Kontaktelements verläuft wie folgt: Die im Bereich der Pufferelemente strömende Kühlflüssigkeit gelangt zum Anschlussteil des Kontaktelements und tritt in die Öffnung oder in die Öffnungen in diesem Bereich in das Kontaktelement ein. Die Flüssigkeit ist in der Lage Wärmeenergie aufzunehmen. Über den Hohlzylinder tritt die Kühlflüssigkeit wieder aus dem Anschlussteil heraus und wird über die zentrale Kühlflüssigkeitsleitung des Kabels wieder abgeführt. Bei dem hier beschriebenen Kühlvorgang handelt es sich um einen Kreisprozess. Das Kontaktelement wird permanent mit frischer Kühlflüssigkeit umspült.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Kontaktelements mit einem angeschlossenen Kabel,
2 eine perspektivische Explosionszeichnung des Kontaktelements mit einer Hülse auf dem Anschlussteil,
3 eine perspektivische Darstellung eines Kontaktteils des Kontaktelements,
4 eine perspektivische Darstellung eines Anschlussteils des Kontaktelements,
5 eine perspektivische Darstellung einer Crimphülse,
6 eine perspektivische Darstellung eines Kabels mit einer integrierten Kühlflüssigkeitsleitung,
7 eine perspektivische Explosionszeichnung des Kontaktelements,
8 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Steckverbinders mit integriertem Kontaktelement,
9 eine perspektivische Darstellung des Kontaktelements mit angeschlossenem Kabel und einer zweiteiligen Crimphülse und
10 eine Schnittdarstellung des Anschlussteils.

Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.
Die 1 zeigt ein Kontaktelement 1, welches an ein Kabel 2 mit einer integrierten Kühlflüssigkeitsleitung elektrisch angeschlossen ist. Das Kontaktelement 1 besteht aus einem Anschlussteil 3 und einem Kontaktteil 4. Das Anschlussteil 3 enthält eine axiale Bohrung 25 und das Kontaktteil 4 enthält eine axiale Durchgangsbohrung 26. Sowohl die Bohrung 25 wie auch die Durchgangsbohrung 26 enthalten jeweils ein Innengewinde 5 und können über eine Schraube (nicht gezeigt) miteinander reversibel verbunden werden. Am Kontaktteil 4 ist eine Rändelung 27 angeformt, die eine Verdrehung zwischen Anschlussteil 3 und Kontaktteil 4 verhindert. Ist das Kontaktteil 4 nach vielen Steckzyklen verschlissen, kann ein frisches Kontaktteil 4 aufgesetzt werden, ohne das Kabel 2 erneut an das Kontaktelement 1 anschließen zu müssen. Das Kabel 2 kann permanent am Anschlussteil 3 verbleiben.
Das Kontaktteil 4 ist als so genannte Buchse mit insgesamt 6 Lamellen 7 ausgebildet. Das Anschlussteil 3 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet. Vom Hauptkörper axial abstehend ist ein Hohlzylinder 6 angeformt. Der Hohlzylinder 6 kann auch als Hohlnadel angesehen werden. Der Hohlzylinder 6 verjüngt sich zum Ende hin und mündet in einer Austrittsöffnung 13. Zwischen Austrittsöffnung 13 und Hauptkörper ist auf dem Hohlzylinder 6 eine Lamellenstruktur 14 aufgebracht. Im Anschlussteil 3 sind Öffnungen 15 eingebracht, die einen Zugang zu einem Hohlraum 16 innerhalb des Anschlussteils 3 bilden. Der Hohlraum 16 steht ebenfalls in Verbindung mit dem Hohlraum, den der Hohlzylinder 6 bildet.
Das am Kontaktelement 1 angeschlossene Kabel 2 besteht im Querschnitt aus einer zentralen Kühlflüssigkeitsleitung 8. Um die Kühlflüssigkeitsleitung 8 herum sind einzelne Leiter 9, hier Kupferadern, positioniert. Die Kupferadern werden von einer flüssigkeitsdichten Folie 10 (aus darstellerischen Gründen nur angedeutet) umschlossen. Auf dieser Folie 10 liegen so genannte Pufferelemente 11 auf, die letztendlich von einem festen Kabelmantel 12 umschlossen sind. Die Pufferelemente 11 sind ebenfalls hohl ausgestaltet, so dass im Bereich zwischen flüssigkeitsdichter Folie 10 und Kabelmantel 12 eine Kühlflüssigkeit strömen kann. Das Kabel 2 wird über eine Hülse 17 am Kontaktelement 1 befestigt. Das Anschlussteil 3 weist zwei umlaufende Nuten 19 auf, in denen jeweils ein Dichtring (aus darstellerischen Gründen nicht gezeigt) angeordnet ist. Über die Dichtringe ist die Hülse 17 mediendicht abgedichtet.
Die Austrittsöffnung 13 des Hohlzylinders 6 wird in die zentrale Kühlflüssigkeitsleitung 8 des Kabels 2 eingeschoben. Der Innendurchmesser der Kühlflüssigkeitsleitung 8 ist auf den Außendurchmesser des Hohlzylinders 6 bzw. der Austrittsöffnung 13 abgestimmt. Die Geometrie der Austrittsöffnung 13 verhindert ein Hinausrutschen des Hohlzylinders 6 aus der Kühlflüssigkeitsleitung 8. Auf der Lamellenstruktur 14 des Hohlzylinders 6 liegen die elektrischen Leiter 9 des Kabels 2 elektrisch leitend an. Über eine Crimphülse 18 (5) werden die Leiter 9 auf dem Hohlzylinder 6 befestigt. Zum Kabel 2 hin überdeckt die Crimphülse 18 einen Teil der flüssigkeitsdichten Folie 10. Zum anderen Ende dichtet die Crimphülse 18 flüssigkeitsdicht zum Hauptkörper des Anschlussteils 3 ab. Die Leiter 9 sind demnach flüssigkeitsdicht abgedichtet.
Die Kühlflüssigkeit fließt kabelmantelseitig entlang des Pfeils 20 durch die Hülse 17 und von dort aus entlang des Pfeils 21 in die Öffnungen 15 des Anschlussteils 3 ein. Der Hohlraum 16 des Anschlussteils 3 wird von der Kühlflüssigkeit durchströmt. Die im Betrieb hier entstandene Wärme wird von der Kühlflüssigkeit aufgenommen und über den Hohlraum des Hohlzylinders 6 in Richtung des Pfeils 22 über die zentrale Flüssigkeitsleitung 8 wieder abtransportiert. In einem entfernten System kann die Kühlflüssigkeit wieder runtergekühlt und in einem Kreislauf wieder den Öffnungen 15 zugeführt werden.
In 8 ist ein geöffnetes Gehäuse eines Steckverbinders 23 gezeigt, in dem das Kontaktelement 1 eingebaut und an ein Kabel 2 angeschlossen ist. In der Regel umfasst der Steckverbinder 23 zumindest zwei Kontaktelemente 1 und auch zwei daran angeschlossene Kabel 2, die eine Kühlleitung enthalten. Der Steckverbinder 23 kann weitere nicht gekühlte Kontaktelemente (nicht gezeigt), beispielsweise für Steuersignale, enthalten, die jeweils an Kabel ohne Kühlfunktion angeschlossen sind. Die beiden Kabel 2 und weitere Kabel werden in einem flexiblen Rohr (aus darstellerischen Gründen nicht gezeigt) vereint, welches vom Kabelabgang 24 des Steckverbinders 23 abgeht.
Die 9 zeigt eine alternative Ausführungsform des Kontaktelements 1 mit einem angeschlossenen, kühlflüssigkeitsführenden Kabel 2. Hier ist die Crimphülse 18' zweiteilig ausgeführt. In 9 ist aus darstellerischen Gründen nur ein Teil der zweiteiligen Crimphülse 18' gezeigt.
In 10 ist eine besondere Art der Vercrimpung der Crimphülse 18 dargestellt. Die Crimphülse 18 wird in eine so genannte Hex-Stern-Crimpform gebracht. Dadurch wird eine gleichmäßige und besonders gasdichte Vercrimpung erreicht. Diese Art der Vercrimpung weist außerdem sehr niedrige Widerstandswerte auf. Die einzelnen Leiter 9 werden unter der Crimphülse 18 zusammengequetscht und stehen in einem Berührkontakt untereinander. Dadurch bildet sich eine geschlossene, leitende Kupferschicht um das Anschlussteil 3 herum. Im Bereich der Pufferelemente 11 kann die Kühlflüssigkeit über die Crimphülse 18 zum Kontaktelement 1 bzw. zu dessen Anschlussteil 3 strömen.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktelement
2: Kabel
3: Anschlussteil
4: Kontaktteil
5: Innengewinde
6: Hohlzylinder
7: Lamelle
8: Zentrale Kühlflüssigkeitsleitung
9: Leiter
10: Flüssigkeitsdichte Folie
11: Pufferelement
12: Kabelmantel
13: Austrittsöffnung
14: Lamellenstruktur
15: Öffnungen
16: Hohlraum
17: Hülse
18: Crimphülse
19: Nut
20: Pfeil
21: Pfeil
22: Pfeil
23: Steckverbinder
24: Kabelabgang
25: Bohrung
26: Durchgangsbohrung
27: Rändelung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010050562 B3 [0004]

Claims

Elektrisches Kontaktelement, welches ein Kontaktteil (4) und ein Anschlussteil (3) aufweist, wobei das Anschlussteil (3) mit einem elektrischen Leiter (9) eines Kabels (2) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kontaktelement (1) Kühlflüssigkeit zuführbar ist.
Elektrisches Kontaktelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Kontaktelement (1) zumindest zweiteilig ausgeführt ist, wobei das Anschlussteil (3) und das Kontaktteil (4) jeweils als separate Bauteile ausgeführt sind, die reversibel miteinander verbindbar sind.
Elektrisches Kontaktelement nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (3) und das Kontaktteil (4) miteinander verschraubbar sind.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktteil (4) als Buchse mit bevorzugt vier oder sechs Lamellen (7) ausgebildet ist.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (3) im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und einen Hohlzylinder (6) aufweist.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (3) zumindest eine Öffnung (15), bevorzugt jedoch zwei, drei oder vier Öffnungen (15), aufweist.
Elektrisches Kontaktelement nach vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlraum (16) den die Öffnung (15) erschließt oder den die Öffnungen (15) erschließen mit dem Hohlraum des Hohlzylinders (6) verbunden ist.
Elektrisches Kontaktelement nach den drei vorstehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass in die Öffnung (15) oder in die Öffnungen (15) des Anschlussteils (3) Kühlflüssigkeit einströmbar und durch den Hohlzylinder (6) die Kühlflüssigkeit wieder ausströmbar ist.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (1) eine Hülse (17) aufweist, die zumindest teilweise das Anschlussteil (3) überdeckt.
Elektrisches Kontaktelement nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (6) endseitig eine Austrittsöffnung (13) aufweist und dass auf dem Hohlzylinder eine Lamellenstruktur (14) aufgebracht ist.
Steckverbinder mit zumindest einem elektrischen Kontaktelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Steckverbinder nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass am Kontaktelement (1) zumindest ein kühlflüssigkeitsführendes Kabel (2) angeschlossen ist.