WO2012123141A2 - Hochstromstecker - Google Patents

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WO2012123141A2
WO2012123141A2 PCT/EP2012/050558 EP2012050558W WO2012123141A2 WO 2012123141 A2 WO2012123141 A2 WO 2012123141A2 EP 2012050558 W EP2012050558 W EP 2012050558W WO 2012123141 A2 WO2012123141 A2 WO 2012123141A2
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carrier
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Amphenol Tuchel Electronics GmbH
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    • 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
    • H01R13/53—Bases or cases for heavy duty; Bases or cases for high voltage with means for preventing corona or arcing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G15/00—Cable fittings
    • H02G15/02—Cable terminations
    • H02G15/06—Cable terminating boxes, frames or other structures
    • H02G15/076—Cable terminating boxes, frames or other structures for multi-conductor cables
    • 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 present invention relates to a high current plug according to claim 1.
  • Interfaces predetermined space and the line cross-section are limited. Accordingly, ever higher currents are to be conducted through smaller and smaller connectors.
  • Plug connections must have mechanical stability, safe electrical power transmission and proper electrical insulation
  • Object of the present invention is therefore to provide a high-current plug with a minimized risk of overheating.
  • the invention is based on the idea to dissipate targeted heat at elevated heating points (overheating sections) that tend to disproportionate heating and thereby to optimize the power transmission capacity of the high-current connector. It has according to the invention
  • High current connector provided lines to the cable set, such as
  • the selection of the carrier for example, to crimping, cold welding or contact points to the mating connector.
  • the selection of the materials is provided according to the invention on the basis of the following properties: - good electrical insulation,
  • the insulating sections thus have at least in the area of
  • Thermal conductivity of ⁇ 0 > 0, 5 W / mK in particular ⁇ 0 > 1, 0 W / mK, preferably ⁇ 0 > 2 W / mK, more preferably ⁇ 0 > 5 W / mK.
  • Thermal conductivity of the insulating sections is a> 0.3 x 1 0 "6 m 2 / s, in particular> 0.8 x 1 0 " 6 m 2 / s, vorzugswei se> 1, 5 x 10 "6 m 2 / s yet
  • Insulating portion in particular the predominant, preferably fully permanent, part of the carrier, at least partially, in particular predominantly, consists of thermally conductive ceramic or thermally conductive plastic.
  • the two abovementioned materials have the abovementioned properties, namely in particular good insulation and good thermal conductivity or thermal conductivity.
  • Resistors derived heat particularly effective.
  • the heat sink is formed as a surrounding the carrier housing, in particular made of aluminum.
  • the dissipation of the heat can be further improved by providing cooling fins on or as a heat sink.
  • Heat sink means comprises a heat coupling connection for connection to the Fahrzugkarosserie.
  • the vehicle body is automatically cooled, in particular during operation of the vehicle by the wind and provides a very good thermal conductivity and a large volume for absorbing the heat.
  • the heat-sinking means comprises fluid coolant, in particular a hose system provided on or in the carrier. It is particularly advantageous if the fluid coolant to the provided in the vehicle
  • Cooling circuit are connected.
  • An alternative according to the invention is to provide an active cooling element, in particular with a PTC thermistor, integrated on or in the carrier.
  • the active cooling element can advantageously have an integrated control and / or be connected to the conductors for the operation of the active cooling element.
  • Figure 1 a perspective sectional view of the invention
  • FIG. 2 shows a perspective sectional view of the high-current plug according to FIG.
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 1 shows a high-current plug 1 with three conductors 2, 3, 4 running parallel to each other and at right angles in the high-current plug 1.
  • the conductors 2, 3, 4 are connected on the left to a line set 14.
  • electrical contacts 5, 6, 7 are connected to the conductors 2, 3, 4.
  • the electrical conductors 2, 3, 4 are accommodated in a carrier 8 consisting of two mutually latchable halves. The carrier 8 gives the conductors 2, 3, 4 and the contacts 5, 6, 7 mechanical stability.
  • the carrier is formed of a thermally conductive plastic, which also has insulating properties.
  • Overheating section 1 0 di e conductor 2, 3, 4 have a higher resistance Wi.
  • the excessively formed in particular in the superheating sections 10 heat is dissipated by the high conductivity of the carrier 8 in the region of the insulating sections 1 1, 12 directly to the heat source.
  • the entire carrier 8 is made of a material with a high thermal conductivity or with a high thermal conductivity, namely thermally conductive, especially predominantly consisting of graphite, plastic.
  • a material is a thermally conductive, especially predominantly of aluminum oxide and / or aluminum nitride, ceramic.
  • the heat dissipated by the insulating sections 11, 12 from the overheating sections 10 is dissipated through the carrier to a housing 9 of aluminum, shown in sections in FIG.
  • the housing 9 forms a heat sink (heat sink).
  • the heat sink according to the invention have a higher
  • Overheating section 10 formed heat is ensured and overheating is avoided elsewhere or excluded.
  • the housing 9 surrounds the carrier 8 in particular completely. to

Landscapes

  • Connector Housings Or Holding Contact Members (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochstromstecker mit - mindestens zwei bestrombaren Leitern (2, 3, 4), wobei die Leiter (2, 3, 4) mindestens einen bauartbedingten Überhitzungsabschnitt (10) aufweisen, einem Träger (8) zur Aufnahme der Leiter (2, 3, 4) mit mindestens einem zwischen den Leitern (2, 3, 4) verlaufenden Isolierabschnitt (11, 12) zur Isolierung der Leiter (2, 3, 4) und einem am Träger (8) vorgesehenen Wärmesenkungsmittel (9, 13), dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierabschnitt (11, 12) zumindest im Bereich des Überhitzungsabschnitts (10) bis zum Wärmesenkungsmittel (9) eine Wärmeleitfähigkeit λ0 > 0,5 W/mK und/oder eine Temperaturleitfähigkeit a > 0,3 x 10-6 m2/s aufweist.

Description

Hochstromstecker
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochstromstecker gemäß Anspruch 1 .
Hochstromstecker kommen auf Grund der vorhandenen Wärmeentwicklung an ihre physikalischen Grenzen, da einerseits der durch Normierung der
Schnittstellen vorgegebene Bauraum und auch der Leitungsquerschnitt limitiert sind. Es sollen demnach immer höhere Ströme durch immer kleinere Steckverbinder geführt werden.
Darüber hinaus besteht die Forderung eines sicheren Betriebs und einer sicheren Verbindung der Hochstromstecker mit den daran angeschlossenen Bauteilen, damit eine sichere und einwandfrei funktionierende
Steckverbindung gewährleistet ist.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei zunehmender Wärme ein
Verstärkungseffekt durch Eigenerwärmung (Stichwort: Derating-Stromkurve) verursacht werden kann. Die Hochstromstecker beziehungsweise daraus hergestellte
Steckverbindungen müssen mechanische Stabilität, eine sichere elektrische Stromübertragung und eine einwandfrei e elektrische Isolierung
gewährleisten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Hochstromstecker mit einer minimierten Gefahr von Überhitzung vorzusehen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, an erhöhten Erwärmungsstellen (Überhitzungsabschnitte), die zur überproportionalen Aufheizung neigen, gezielt Wärme abzuführen und dadurch die Stromübertragungskapazität des Hochstromsteckers zu optimieren. Es hat sich erfindungsgemäß
herausgestellt, dass durch geschickte Materialauswahl mit einer Kombination von Eigenschaften und entsprechende Konstruktion des Hochstromsteckers sowie Identifizierung von möglichen Wärmequellen eine Überhitzung effektiv vermieden werden kann.
Überhitzungsabschnitte liegen insbesondere an Verbindungen der im
Hochstromstecker vorgesehenen Leitungen zu dem Kabelsatz, wie
beispielsweise an Crimpungen, Kaltverschweißungen oder Kontaktstellen zum Gegenstecker. Für die Materialauswahl des Trägers zur Aufnahme der Leiter im Hochstromstecker oder zumindest von bestimmten Abschnitten des Trägers in Überhitzungsbereichen ist erfindungsgemäß die Auswahl der Werkstoffe anhand folgender Eigenschaften vorgesehen : - gute elektrische Isolation,
- gute Wärmeleistung, also hohe Wärmleitfähigkeit und/oder
Temperaturl eitfähigkeit und
- kostengünstig herstellbar.
Die Isolierabschnitte weisen somit zumindest im Bereich der
Überhitzungsabschnitte bis zum Wärmesenkungsmittel eine
Wärmeleitfähigkeit von λ0 > 0 ,5 W/mK, insbesondere λ0 > 1 ,0 W/mK, vorzugsweise λ0 > 2 W/mK, noch bevorzugter λ0 > 5 W/mK. Für die
Temperaturleitfähigkeit der Isolierabschnitte ist a > 0,3 x 1 0"6 m2/s, insbesondere > 0,8 x 1 0"6 m2/s, vorzugswei se > 1 ,5 x 10"6 m2/s noch
bevorzugter > 5 x 1 0"6 m2/s.
Mit Vorteil kann dies erfindungsgemäß erreicht werden, indem der
Isolierabschnitt, insbesondere der überwiegende, vorzugsweise voll ständige, Teil des Trägers, zumindest teilweise, insbesondere überwiegend, aus wärmeleitender Keramik oder wärmeleitendem Kunststoff besteht. Die beiden vorgenannten Materialien weisen die obengenannten Eigenschaften, nämlich insbesondere gute Isolierung und gute Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise Temperaturleitfähigkeit auf.
Indem der Isolierabschnitt flächig kontaktierend, insbesondere luftdicht, an den Leitern anliegt, wird die durch den Stromfluss und lokal höhere
Widerstände entstehende Wärme besonders effektiv abgeleitet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das, insbesondere passiv ausgelegte, Wärmesenkungsmittel eine
Wärmeleitfähigkeit λ0 > 2 W/mK und/oder eine Temperaturleitfähigkeit a > 1 ,5 x 1 0"6 m2/s aufweist. Da das Wärmesenkungsmittel die durch den Träger beziehungsweise die Isolierabschnitte von den Problempunkten abgeleitete Wärme noch effektiver und insbesondere durch großes Volumen an die Umgebung ableitet, wird die Entstehung weiterer Problempunkte, beispielsweise an der Grenzfläche des Trägers oder an der Außenkontur des Trägers, vermieden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Wärmesenkungsmittel als den Träger umgebendes Gehäuse, insbesondere aus Aluminium, gebildet ist.
Die Ableitung der Wärme kann durch Vorsehen von Kühlrippen an den oder als Wärmesenkungsmittel weiter verbessert werden.
Ein riesiges Wärmeaufnahmepotential wird geschaffen, indem das
Wärmesenkungsmittel einen Wärmekopplungsanschluss zum Anschluss an die Fahrzugkarosserie umfasst. Die Fahrzeugkarosserie wird insbesondere beim Betrieb des Fahrzeugs automatisch durch den Fahrtwind gekühlt und bietet eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und ein großes Volumen zur Aufnahme der Wärme.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmesenkungsmittel Fluidkühlmittel, insbesondere ein am oder im Träger vorgesehenes Schlauchsystem, umfasst. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Fluidkühlmittel an den im Fahrzeug vorgesehenen
Kühlkreislauf angeschlossen sind.
Eine Alternative besteht erfindungsgemäß darin, ein aktives Kühlelement, insbesondere mit einem Kaltleiter, am oder im Träger integriert vorzusehen.
Das aktive Kühlel ement kann vorteilhafterweise eine integrierte Steuerung aufweisen und/oder an die Leiter zum Betrieb des aktiven Kühlelements angeschlossen sein. Durch die aktive Kühlung der Problemzonen
(Überhitzungsabschnitte) wird zwar einerseits Strom verbraucht, andererseits sinkt aber durch die Kühlung der Gesamtwiderstand des Hochstromsteckers, so dass weniger Energie durch Wärmeverlust verbraucht wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei spiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Figur 1 : eine perspektivische Schnittansicht des erfindungsgemäßen
Hochstromsteckers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Figur 2 : eine perspektivische Schnittansicht des Hochstromsteckers gemäß
Figur 1 .
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit den gleichen
Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In Figur 1 ist ein Hochstromstecker 1 mit drei parallel zueinander und rechtwinklig angewinkelt im Hochstromstecker 1 verlaufenden Leitern 2, 3 , 4 gezeigt. Die Leiter 2 , 3 , 4 sind links an einen Leitungssatz 14 angeschlossen. Am gegenüberliegenden Ende des Hochstromsteckers 1 sind an den Leitern 2, 3 , 4 elektrische Kontakte 5 , 6, 7 angeschlossen. Die elektrischen Leiter 2, 3 , 4 sind in einem aus zwei miteinander verrastbaren Hälften bestehenden Träger 8 aufgenommen. Der Träger 8 verleiht den Leitern 2, 3 , 4 und den Kontakten 5 , 6, 7 mechanische Stabilität.
Weiterhin ist der Träger aus einem wärmeleitenden Kunststoff gebildet, der gleichzeitig Isolationseigenschaften hat. Durch j eweils zwischen den Leitern 2, 3 , 4 verlaufende Isolierabschnitte 1 1 , 12 wird ein Kurzschluss zwischen den Leitern 2, 3 , 4 verhindert. S obald die Kontakte 5 , 6, 7 in korrespondierende, nicht dargestellte Buchsen eingesteckt sind und Strom an einem oder mehreren Leitern 2, 3 , 4 anliegt, besteht insbesondere bei hohen Strömen ein Überhitzungsrisiko in
Überhitzungsabschnitten 1 0 der Leiter 2, 3 , 4. Denn im
Überhitzungsabschnitt 1 0 weisen di e Leiter 2 , 3 , 4 einen höheren Wi derstand auf. Die insbesondere in den Überhitzungsabschnitten 10 im Übermaß entstehende Wärme wird durch die hohe Leitfähigkeit des Trägers 8 in dem Bereich der Isolierabschnitte 1 1 , 12 direkt an der Wärmequelle abgeführt. Hierzu ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der gesamte Träger 8 aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise mit einer hohen Temperaturleitfähigkeit, nämlich aus wärmeleitendem, insbesondere überwiegend aus Graphit bestehendem, Kunststoff ausgebildet.
Besonders vorteilhaft als Material ist eine wärmeleitende, insbesondere überwiegend aus Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid bestehende, Keramik.
Erfindungsgemäß ist es denkbar, nur die zwischen den Leitern 2, 3 , 4 verlaufenden Isolierabschnitte 1 1 , 1 2, insbesondere aus einem separaten Material und/oder einem separaten Bauteil, mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder Temperaturleitfähi gkeit auszubilden. Durch die direkte
Kontaktierung der Überhitzungsabschnitte 1 0 mit den Isolierabschnitten 1 1 , 12, insbesondere spalt- oder luftfrei, wird ein perfekter Wärmeübergang und somit eine im Vergleich zu einer Wärmekonvektion wesentlich effektiverer Wärmestrom erreicht.
Die durch die Isolierabschnitte 1 1 , 12 von den Überhitzungsabschnitten 1 0 abgeleitete Wärme wird durch den Träger hindurch zu einem in Figur 2 abschnittsweise dargestellten Gehäuse 9 aus Aluminium abgeführt. Das Gehäuse 9 bildet dabei eine Wärmesenke (Wärmesenkungsmittel). Die Wärmesenkungsmittel weisen erfindungsgemäß eine höhere
Wärmeleitfähigkeit und/oder eine höhere Temperaturleitfähigkeit als die Isolierabschnitte 1 1 , 12 auf, so dass ein effektives Ableiten der im
Überhitzungsabschnitt 10 gebildeten Wärme gewährleistet ist und eine Überhitzung an anderer Stelle vermieden beziehungsweise ausgeschlossen wird.
Das Gehäuse 9 umgibt den Träger 8 insbesondere vollständig. Zur
Vergrößerung der Oberfläche sind am Träger 8 an dessen Außenkontur Kühlrippen 1 3 vorgesehen, die ebenfalls als Wärmesenkungsmittel dienen.
Hochstromstecker
B e z u g s z e i ch e n l i s t e
Hochstromstecker
Leiter
Leiter
Leiter
Kontakt
Kontakt
Kontakt
Träger
Gehäuse
Überhitzungsabschnitte
Isolierabschnitt
Isolierabschnitt
Kühlrippen
Leitungssatz

Claims

Hochstrom Stecker
P at e n t an s p ü c h e
1. Hochstromstecker mit
- mindestens zwei bestrombaren Leitern (2, 3, 4), wobei die Leiter (2, 3, 4) mindestens einen bauartbedingten Überhitzungsabschnitt (10) aufweisen,
- einem Träger (8) zur Aufnahme der Leiter (2, 3, 4) mit mindestens einem zwischen den Leitern (2, 3, 4) verlaufenden Isolierabschnitt (11, 12) zur Isolierung der Leiter (2, 3, 4) und
- einem am Träger (8) vorgesehenen Wärmesenkungsmittel (9, 13), dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierabschnitt (11, 12) zumindest im Bereich des Überhitzungsabschnitts (10) bis zum
Wärmesenkungsmittel (9) eine Wärmeleitfähigkeit λ0 > 0,5 W/raK und/oder eine Temperaturleitfähigkeit a > 0,3 x 10"6 m2/s aufweist. Hochstromstecker gemäß Patentanspruch 1 , bei dem der
Isolierabschnitt, insbesondere der überwiegende, vorzugsweise vollständige, Teil des Trägers, zumindest teilweise, insbesondere überwiegend, aus wärmeleitender Keramik oder wärmeleitendem
Kunststoff besteht.
Hochstromstecker nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem der Isolierabschnitt ( 1 1 , 1 2) flächig kontaktierend, insbesondere luftdicht an den Leitern (2, 3 , 4) anliegt.
Hochstromstecker nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem das, insbesondere passive, Wärmesenkungsmittel (9, 13) eine Wärmeleitfähigkeit λ0 > 2 W/mK und/oder eine Temperaturleitfähigkeit a > 1 ,5 x 1 0~6 m2/s aufweist.
Hochstromstecker nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem das Wärmesenkungsmittel (9) als den Träger (8) umgebendes Gehäuse (9), insbesondere aus Aluminium, gebildet ist.
Hochstromstecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmesenkungsmittel (9, 13) Kühlrippen ( 1 3 ) umfasst.
Hochstromstecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmesenkungsmittel (9, 13) einen Wärmekopplungsanschluss zum Anschluss an die Fahrzeugkarosserie umfasst.
Hochstromstecker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmesenkungsmittel Fluidkühlmittel, insbesondere ein am oder im Träger (8) vorgesehenes Schlauchsystem, umfasst.
9. Hochstromstecker nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein aktives Kühl element insbesondere mit einem Kaltleiter, am oder im Träger integriert ist.
1 0. Hochstromstecker nach Anspruch 9 , bei dem das aktive Kühlelement eine integrierte Steuerung aufwei st und/oder an die Leiter (2, 3 , 4) zum Betrieb des aktiven Kühlelements angeschlossen i st.
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