[0001] Pumplampen für Hochleistungslaser müssen mit großer elektrischer Leistung betrieben
werden und werden daher im Betrieb sehr heiß. Da die Wärme die Laseranordnung negativ
beeinflußt, ist es üblich, die Pumplampen mit Wasser zu kühlen. Oft wird in den Kühlkreislauf
auch der Laserstab mit einbezogen.
[0002] Die Lebensdauer der Pumplampen ist begrenzt; sie müssen oft ausgewechselt werden.
Daher werden für die elektrischen Zuleitungen wegen ihrer einfachen Handhabung Steckverbindunen
bevorzugt. Bei der üblichen Kühlung der Pumplampen werden diese Steckverbindungen
sehr heiß, was zu schlechten Kontakten und damit zu Störungen in der elektrischen
Stromversorgung der Pumplampen führen kann.
[0003] Aus der EP-A1-O 093 079 ist eine einpolige, wassergekühlte, elektrische Steckverbindung
für Lichtbogenöfen bekannt, bei welcher die Zu- und Ableitung des Kühlwassers über
den beweglichen Teil der Steckverbindung zusammen mit der elektrischen Zuleitung
erfolgt. Das Kühlwasser durchströmt auch den ortsfesten Teil der Steckverbindung
und kühlt daher auch die Verbindungsstellen der elektrischen Zuleitung mit dem Lichtbogenofen.
[0004] Nachteilig bei dieser bekannten gekühlten, elektrischen Verbindung ist der aufwendige
Aufbau. Außerdem sind die spannungsführenden Teile nur zum Teil isoliert. Da bei Lasern
ferner die Pumplampen verhältnismäßig oft ausgewechselt werden müssen, ist die bekannte
Steckverbindung außerdem wegen ihrer komplizierten Handhabung ungeeignet.
[0005] Infolgedessen ist man dabei geblieben, nur denjenigen Teil der Steckverbindung zu
kühlen, an dem, z.B. in der Lasertechnik, die Pumplampe bzw., bei anderen Geräten,
der elektrische Verbraucher sitzt.
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine gekuhlte, elektrische Steckverbindung
zu schaffen, welche leicht lösbar, vollständig isoliert und möglichst einfach im Aufbau
und in der Handhabung ist, wobei die Kühlung so ausreichend ist, daß keine Störungen
in der elektrischen Stromversorgung entstehen können.
[0007] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Verbindungsteile
mit Wärmekontaktflächen ausgebildet sind, welche im zusammengesteckten Zustand der
Steckverbindung in einem mechanischen Kontakt miteinander sind, der einen geringen
Wärmewiderstand bildet, daß im gekühlten Verbindungsteil die Wärmekontaktfläche einen
geringen Wärmewiderstand zum Kühlmittel hat, daß im beweglichen Verbindungsteil mindestens
ein elektrisches Leitungsteil mit geringem Wärmewiderstand mit einem Teil aus elektrisch
isolierenden und gut wärmeleitenden Material verbunden ist, welches entweder selbst
mit der Wärmekontaktfläche ausgebildet ist oder mit geringem Wärmewiderstand mit einem
Teil verbunden ist, das mit der Wärmekontaktfläche ausgebildet ist.
[0008] Das gekühlte Verbindungsteil kann, muß aber nicht, ebenfalls mit einem Teil aus elektrisch
isolierenden und gut wäremeleitenden Material ausgerüstet sein, das entweder selbst
mit der Wärmekontaktfläche ausgebildet ist oder das mit geringen Wärmewiderstand mit
einem Teil verbunden ist, welches die Wärmekontaktfläche hat.
[0009] Die Wärmekontaktflächen können als ebene Flächen senkrecht zur Achse der Steckverbindung
ausgebildet sein. Sie können jedoch auch als konische Flächen geformt sein, deren
Kegelachsen mit der Achse der Steckverbindung zusammenfallen.
[0010] Derartige Steckverbindungen sind nicht auf einpolige Ausführungen beschränkt. Es
ist ohne weiteres möglich, daß in den beiden Verbindungsteilen mehrere voneinander
isolierte Kontaktpaare angeordnet sind, die beim Zusammenstecken der Verbindungsteile
ineinandergeschoben werden und eine mehrpolige Verbindung ergeben.
[0011] Für die elektrisch isolierenden und zugleich gut wärmeleitenden Teile kann ein handelsübliches
Material verwendet werden, wie es z.B. unter der Bezeichnung AIN von der Fa. ANCeram
vertrieben wird.
[0012] Entscheidend für einen guten Wärmeübergang zwischen den Wärmekontaktflächen ist die
Bearbeitung ihrer Oberflächen, welche im optimalen Fall so gut erfolgen sollte, daß
die Wärmekontaktflächen beim Zusammenbringen durch Adhäsion aneinander haften. In
der Optik spricht man in diesem Fall insbesondere beim Bearbeiten von Glasflächen
von optischer Politur. Eine entsprechende Oberflächenbehandlung ist jedoch auch von
Endmaßen aus Metall bekannt, die aneinander "angesprengt" werden.
[0013] Die Wärmekontaktflächen halten daher, wenn sie genügend gut bearbeitet sind und genügend
nahe aneinander gebracht werden, von alleine zusammen. Trotzdem sind eine oder mehrere
Federn bzw. Schrauben oder andere bekannte Mittel für ein genügend nahes Zusammenbringen
der Wärmekontaktflächen und zur Sicherung vorteilhaft.
[0014] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Erläuterungen zu
den Figuren hervor.
[0015] Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist außerdem, daß sie durch geeignete Dimensionierung
der entsprechenden Teile auch hochspannungsfest ausgebildet werden kann.
[0016] Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
[0017] Dabei zeigen:
Figur 1 eine Ausführung, bei dem beide Verbindungsteile eine Wärmekontaktfläche aus
isolierendem und gut wärmeleitendem Material haben und
Figur 2 eine Ausführung, bei dem nur das Steckerteil ein Teil aus isolierendem und
gut wärmeleitendem Material hat.
[0018] In Figur 1 ist mit (11) ein gekühltes Verbindungsteil bezeichnet, das aus einem Metallteil
(11m) besteht, welches eine Bohrung (11b) für eine Gasentladungslampe (12) und eine
weitere Bohrung (11k) für das Kühlwasser enthält, welches durch das Rohr (12r) an
der Gasentladungslampe (12) entlang zu ihrem nicht gezeichneten anderen Ende fließt.
Das mit etwas Spiel in der Bohrung (11b) sitzende Rohr (12r) wird im gekühlten Verbindungsteil
(11) durch den Dichtungsring (13d) gehalten, der durch die mit Schrauben (13s) befestigte
Platte (13) so zusammengedrückt wird, daß er auch für eine wasserdichte Verbindung
zwischen Rohr (12r) und Metallteil (11m) sorgt.
[0019] Auf der anderen Seite des Metallteiles (11m) wird die Gasentladungslampe (12) durch
den Dichtungsring (11d) gehalten, der durch die Platte (14) mit den Schrauben (14s)
für eine wasserdichte Verbindung sorgt. Die Platte (14) ist aus einem elektrisch isolierenden
und gut wärmeleitenden Material hergestellt z.B. aus AIN der Fa. ANCeram, 8589 Bindlach.
Für einen möglichst gut wärmeleitenden Kontakt kann zwischen der Platte (14) und dem
Metallteil (11m) eine Wärmeleitpaste (14p), z.B. P 12 der Fa. Wacker-Chemie, München
gebracht werden, so daß höchstens eine geringe Temperaturdifferenz zwischen den Teilen
entstehen kann.
[0020] Für den elektrischen Anschluß (12a) der Gasentladungslampe (12) kann eine handelsübliche
Kontaktbuchse (15k) verwendet werden. Diese ist - wie Figur 1b zeigt - in ein Metallteil
(15m) eingeschraubt, in welches die elektrische Zuleitung (15z) eingelötet ist. Ihre
Isolierung (15i) hat den gleichen Außendurchmesser wie das Metallteil (15m). Das Metallteil
(15m) ist zusammen mit der Kontaktbuchse (15k) mit dem Formteil (16) verbunden, welches
wiederum aus einem elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Material besteht.
Vorzugsweise wird hierfür das gleiche Material verwendet wie für die Platte (14)
des gekühlten Verbindungsteiles. Die Teile (16) und (15m) sind mit einem wärmeleitenden
Kleber (16k), z.B. Stycast 2850 MT der Fa. Emerson und Cuming, Heidelberg miteinander
verbunden.
[0021] Im Formteil (16) des beweglichen Verbindungsteiles (15) sitzt eine Hülse (16h) aus
isolierendem Material, die als Berührungsschutz für die Kontaktbuchse (15k) dient.
Auf der der Kontaktbuchse gegenüberliegenden Seite ist das Verbindungsteil (15) durch
eine Kunststoffkappe (17) gegen Berührung der spannungsführenden Teile gesichert.
[0022] Für eine sichere Kontaktgabe zwischen dem Anschlußstift (12a) und der Kontaktbuchse
(15k) ist eine ausreichende Kühlung dieser Teile trotz der Erwärmung der Elektrode
der Gasentladungslampe (12) und damit auch ihres Anschlußstiftes (12a) entscheidend.
Für diese Kühlung ist der Wärmeübergang vom gekühlten Verbindundgsteil (11) zum beweglichen
Verbindungsteil über die Wärmekontaktflächen (14f) und (16f) maßgebend. Diese Flächen
müssen daher so bearbeitet sein, daß sie auf ihrer gesamten Berührungsfläche einen
guten Kontakt miteinander haben.
[0023] In der Optik bezeichnet man derartige Flächen als optisch polierte Flächen. Sie haften,
wenn sie genügend nahe aneinander gebracht werden, durch Adhäsion aneinander. Auch
bei anderen Materialien sind derartige Flächen herstellbar, die durch Adhäsion aneinander
haften. Zum Aneinanderbringen der Wärmekontaktflächen und zur Sicherung ihres Kontaktes
ist das gekühlte Verbindungsteil (11) mit einer um die Achse (10a) drehbaren Federspange
(18) versehen, welche bei aufgesetztem beweglichen Verbindungsteil (15) mit ihrer
Einbuchtung (18e) in die Aussparung (17a) des Kunststoffteils (17) einrastet. (Damit
das Kabel (15k) nicht mit dem Federbügel (18) kollidiert, wird das bewegliche Verbindungsteil
(15) beim Aufstecken auf das gekühlte Verbindungsteil (11) um die Achse (10) mindestens
etwas aus der Zeichenebene gedreht, vorzugsweise um ca. 90°.
[0024] In den Figuren 2a und b ist ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem
nur ein Teil aus einem isolierenden und gut wärmeleiteden Material ist, nämlich das
Formteil (26). Seine Wärmekontaktfläche (26f) sitzt - wenn die Steckverbindung zusammengesetzt
ist - auf der Wärmekontaktfläche (21f) vom Metallteil (21m) des durch das Kühlwasser
(21k) gekühlten Verbindungsteiles.
[0025] In das Formteil (26) ist mit wärmeleitendem Kleber das Metallteil (25m) eingeklebt,
in welches einerseits eine handelsübliche Kontaktbuchse (25k) eingeschraubt und andererseits
die elektrische Zuleitung (25z) eingelötet ist, deren Isoliermantel mit (25i) bezeichnet
ist. Die Kunststoffkappe (27) dient wieder dem Berührungsschutz.
[0026] Beim Aufstecken des Verbindungsteiles (25) umschließt die Kontaktbuchse (25k) den
Anschlußstift (22a) der Gasentladungslampe (22) und zugleich drückt die Fläche (26f)
des Formteiles (26) den Dichtungsring (21d) im Metallteil (21m) derart, daß eine wasserdichte
Dichtung zwischen der Gasentladungslampe (22) und dem vom Kühlwasser (21k) durchströmten
Metallteil (21m) erfolgt. Der notwendige Anpreßdruck für die Dichtung wird über zwei
Schrauben (24s) erzeugt, von denen eine im Schnitt der Figur 2b dargestellt ist. Die
Abmessungen des Dichtungsringes (21d) und die für ihn vorgesehene Aussparung im Metallteil
(21m) sind derart gewählt, daß eine einwandfreie Dichtung für das Kühlwasser (21k)
erfolgt, wenn die Wärmekontaktflächen (21f) und (26f) gerade dicht aufeinander sitzen.
Da diese Flächen optisch poliert sind, findet dann auch ein guter Wärmeübergang vom
gekühlten Metallteil (21m) über das isolierende und gute wärmeleitende Formteil (26)
auf das Metallteil (25m) mit der Kontaktbuchse (25k) statt, so daß die Steckverbindung
zwischen dem gekühlten Verbindungsteil (21) und dem beweglichen Verbindungsteil (25)
trotz der starken Erwärmung der Gasentladungslampe (22) und ihres Anschlußstiftes
(22a) auch bei längerem Betrieb eine einwandfreie elektrische Verbindung darstellt.
[0027] Es ist selbstverständlich, daß an Stelle der in den Beispielen erwähnten Gasentladungslampen
(12,22) auch andere Stromverbraucher verwendet werden können, bei denen eine Kühlung
vorteilhaft oder notwendig ist. Ebenso ist die Erfindung keineswegs auf Laser beschränkt.
1. Elektrische Steckverbindung mit einem gekühlten Verbindungsteil (11,21) und einem
beweglichen Verbindungsteil (15,25), dadurch gekennzeichnet, daß beide Verbindungsteile
(11,21,15,25) mit Wärmekontaktflächen (14f,16f,21f,26f) ausgebildet sind, welche im
zusammengesteckten Zustand der Steckverbindung in einem mechanischen Kontakt miteinander
sind, der einen geringen Wärmewiderstand bildet, daß im gekühlten Verbindungsteil
(11,21) die Wärmekontaktfläche (14f,21f) einen geringen Wärmewiderstand zum Kühlmittel
hat, daß im beweglichen Verbindungsteil (15,25) mindestens ein elektrisches Leitungsteil
(15m,25m) mit geringem Wärmewiderstand mit einem Teil (16,26) aus elektrisch isolierenden
und gut wärmeleitenden Material verbunden ist, welches entweder selbst mit der Wärmekontaktfläche
(16f,26f) ausgebildet ist oder mit geringem Wärmewiderstand mit einem Teil verbunden
ist, das mit der Wärmekontaktfläche ausgebildet ist.
2. Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das gekühlte
Verbindungsteil (11) mit einem Teil (14) aus elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden
Material mit geringem Wärmewiderstand verbunden ist, welches entweder selbst mit der
Wärmekontaktfläche (14f) ausgebildet ist oder mit geringem Wärmewiderstand mit einem
Teil verbunden ist, das mit der Wärmekontaktfläche ausgebildet ist.
3. Steckverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekontaktflächen
(14f,16f,21f,26f) als ebene Flächen senkrecht zur Achse (10) der Steckverbindung ausgebildet
sind.
4. Steckverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekontaktflächen
als konische Flächen ausgebildet sind, deren Kegelachsen mit der Achse (10) der Steckverbindung
zusammenfallen.
5. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in
beiden Verbindungsteilen (11,15,21,25) mehrere voneinander isolierte elektrische Steckverbindungen
mit gemeinsamen oder getrennten Wärmekontaktflächen vorgesehen sind.
6. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als
elektrisch isolierendes und gut wärmeleitendes Material AIN vorgesehen ist.
7. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmekontaktfllächen (14f,16f,21f,26f) optisch poliert sind.
8. Steckverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische
Mittel, wie z.B. Feder (18), Schrauben (24s) oder Schraubgewinde mit Überwurfmutter,
vorgesehen sind, welche den Kontakt der Wärmekontaktflächen (14f,16f,21f,26f) verstärken
und/oder sichern.