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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lösbaren Verbindung zweier mit einem flüssigen Kühlmedium gekühlter, elektrischer Leitungen, insbesondere zur Verbindung eines für die induktive Erwärmung eingesetzten Induktors mit einem Generator, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Leitung mit zwei Abschnitten sowie eine Induktor-Generatoranordnung.
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Zum Härten, Glühen, Schmelzen, Löten oder Schweißen wird bereits seit längerer Zeit die induktive Erwärmung eingesetzt, da dieses Verfahren gegenüber denjenigen Verfahren, bei denen zum Beispiel eine offene Flamme oder ein Lichtbogen eingesetzt wird, erhebliche Vorteile aufweist.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Induktionserwärmung wurde durch die Integration induktiver Heizsysteme in Spritzgießwerkzeugen zur sogenannten variothermen Werkzeugtemperierung erschlossen. Aufgrund der hohen erreichbaren Leistungsdichte des induktiven Erwärmungsprinzips können hohe Erwärmungsraten wirtschaftlich eingesetzt werden.
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Insbesondere bei solchen Spritzgießverfahren sind im Gegensatz zu anderen Anwendungen der Induktionserwärmung im Hochstromkreis lange Anschlusskabel erforderlich, da der zum Induktionsgenerator gehörige Hochstrom-Ausgangstransformator aufgrund seiner Baugröße nicht in das Spritzgießwerkzeug integriert werden kann. Des Weiteren muss zur Gewährleistung der Betriebssicherheit die in diesen elektrischen Leitungen sowie im eigentlichen Induktor abfallende ohmsche Verlustleistung abgeführt werden. Zu diesem Zweck werden mit einem flüssigen Kühlmedium gekühlte elektrische Leitungen eingesetzt, die meist einen Leitungskern mit einem großen Querschnitt aufweisen.
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Hinsichtlich solcher flüssigkeitsgekühlter elektrischer Leitungen wird rein beispielhaft auf die
DE 195 04 742 A1 oder die
US 4,442,312 verwiesen.
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Verbindungsvorrichtungen für solche flüssigkeitsgekühlte Stromleitungen ergeben sich beispielsweise aus der
DE 87 15 620 U1 oder der
DE 34 23 174 C2 .
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Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung zweier solcher Leitungen besteht in der Verwendung von Kegelverschraubungen, die meist sowohl die Funktion der Dichtung als auch diejenige der elektrischen Kontaktierung gewährleisten.
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Die Handhabung dieser Leitungen bzw. Kabel, insbesondere die Montage und die Demontage derselben beim Rüsten der Spritzgießmaschine, ist aufgrund des erforderlichen Werkzeug- und Kraftaufwands sowie der beengten Verhältnisse in solchen Spritzgießmaschinen schwierig. Dies führt teilweise sogar zu Beschädigungen der sehr empfindlichen Induktoren.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, im Verbindungsbereich der elektrischen Leitungen auf eine Kühlung derselben zu verzichten und die Kühlmittelversorgung über separate Schlauchanschlüsse herzustellen. Dies führt jedoch zu einer sehr komplizierten und auch störungsanfälligen Konstruktion.
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Aus der
US 2006/0289493 A1 ist ein Induktionsheizsystem bekannt, bei welchem flüssigkeitsgekühlte Verlängerungskabel mittels entsprechender Steckverbindungen mit einer Stromquelle verbunden sind.
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Die
DE 198 07 099 A1 beschreibt einen flüssigkeits- oder gasgekühlten Stromleiter für die induktive Erwärmung von Werkstücken, die einen flexiblen Leiter aufweisen, der von einem Schlauch umgeben ist. Der Schlauch ist mittels eines Anschlussnippels an eine Kühlmittelquelle anschließbar.
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Die
US 4,695,702 beschreibt ein Elektrodenschweißgerät, das eine Verbindungseinrichtung mit einer gebogenen Nut und einem in die gebogene Nut eingreifenden Stift aufweist.
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In der
US 3,629,786 ist eine Verbindungsvorrichtung für den Einsatz im Gas- und elektrischen Bereich beschrieben.
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Eine elektrische Verbindungsvorrichtung mit einer mit einem Außengewindeabschnitt verbindbaren Überwurfmutter ist in der
FR 2 503 941 A1 beschrieben.
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Die
DE 11 60 053 A beschreibt ein Anschlussorgan für Hohlleiter-Kabel, bei dem ebenfalls eine Überwurfmutter mit einem Gegenstück verschraubt wird, wobei das Gegenstück mittels eine konischen Dichtungskörpers abgedichtet ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur lösbaren Verbindung zweier mit einem flüssigen Kühlmedium gekühlter elektrischer Leitungen zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln gelöst und verriegelt werden kann und welche gleichzeitig eine sichere Verbindung zwischen den beiden elektrischen Leitungen herstellt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die erfindungsgemäß mit Klauen ausgeführten Verbindungselemente kann auf sehr einfache Weise mittels einer Drehbewegung der beiden Verbindungselemente relativ zueinander eine formschlüssige Verbindung zwischen den elektrischen Leitungen hergestellt und wieder gelöst werden. Dadurch wird eine sehr einfach und schnell herstellbare Verbindung zwischen den beiden elektrischen Leitungen ermöglicht, für die vorteilhafterweise kein Werkzeug erforderlich ist. Die formschlüssig im äußeren Bereich des jeweiligen Verbindungselements angeordneten, das andere Verbindungselement umgreifenden Klauen stellen zudem eine sehr sichere Verbindung her.
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Ein weiterer Vorteil sind die geringen zur Herstellung und zum Lösen der Verbindung erforderlichen Betätigungskräfte, die das Risiko einer Beschädigung der weiteren Bauteile verringern. Des Weiteren ist es durch die erfindungsgemäße Lösung möglich, die Dichtfläche zum Abdichten des flüssigen Kühlmediums von der elektrischen Kontaktfläche zu trennen und damit die bislang aufgrund der Tatsache, dass die Kontaktfläche gleichzeitig auch die Dichtfläche bildete, erforderlichen Fertigungsgenauigkeiten zu reduzieren.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung kann außerdem darin bestehen, dass die Verbindungselemente identisch ausgeführt sein können, was die Fertigung und die Handhabung derselben erheblich vereinfacht.
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Um einen sehr einfachen elektrischen Kontakt zwischen den beiden elektrischen Leitungen herzustellen, kann in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehen. Dadurch wird der Strom im Verbindungsbereich zwischen den beiden Verbindungselementen insbesondere über die Außenflächen geführt, was gerade bei dem bei hochfrequenten Wechselströmen auftretenden Effekt der Stromverdrängung nach außen eine geringe Impedanz und damit eine hohe Stromtragfähigkeit der Verbindung gewährleistet.
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Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass die Verbindungselemente aus einem nicht magnetischen Werkstoff bestehen, so kann die bei einem magnetischen Material vorhandene Stromverdrängung verringert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass die Verbindungselemente an ihren einander zugewandten Planflächen in einem Bereich zwischen den Klauen und einer Mittelachse der Verbindungselemente jeweilige Dichtungselemente aufweisen, die im verbundenen Zustand der Verbindungselemente aneinander anliegen. Diese sich in einem mittleren Bereich der Verbindungselemente befindenden Dichtungselemente tragen zu der oben beschriebenen Möglichkeit der Trennung der Dicht- und Kontaktfläche bei, die außerdem eine strömungsgünstige Führung des flüssigen Kühlmediums erlaubt. Durch die Verwendung der vorzugsweise aus einem Elastomer bestehenden Dichtungselemente werden die Betätigungskräfte der Vorrichtung weiter verringert, wodurch dieselbe sehr einfach gelöst und geschlossen werden kann.
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Um eine sehr einfache Verbindung zwischen der jeweiligen elektrischen Leitung und dem jeweiligen Verbindungselement herzustellen, kann in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Leitungskern mittels einer jeweiligen Verbindungshülse mit dem jeweiligen Verbindungselement verbunden ist.
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Dabei ist es im Hinblick auf einen einfachen Aufbau der Vorrichtung besonders vorteilhaft, wenn die Verbindungshülse mittels einer Gewindeverbindung mit dem Verbindungselement verschraubt ist.
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Um eine sehr einfache Montage der beiden Verbindungselemente aneinander zu gewährleisten, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente jeweilige schräge Anlaufflächen aufweisen, welche sich an die Klauen anschließen und zum in Eingriff bringen der Klauen des jeweils anderen Verbindungselements dienen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass die Klauen im montierten Zustand der Verbindungselemente einen jeweiligen Randbereich des jeweils anderen Verbindungselements umgreifen. Dadurch ist eine besonders gute Fixierung der Verbindungselemente in ihrem montierten Zustand gewährleistet.
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Um die auf die Dichtungselemente wirkende Kraft zu erhöhen und damit die Abdichtung im Bereich der Verbindungselemente zu verbessern, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Verbindungselemente zweiteilig ausgebildet ist, wobei die beiden Teile des Verbindungselements gegeneinander verstellbar sind, um eine erhöhte Vorspannung auf die Verbindung der beiden Verbindungselemente aufbringen zu können.
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Eine elektrische Leitung mit zwei Abschnitten, die mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden sind, ist in Anspruch 8 angegeben.
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Aus Anspruch 9 geht eine Induktor-Generatoranordnung verbunden mit einer solchen elektrischen Leitung hervor.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine sehr schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Temperierung eines Werkzeugs mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen;
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2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrem montierten Zustand; und
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3 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 2 in ihrem nicht montierten Zustand.
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1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Temperierung eines Werkzeugs 2, welches im vorliegenden Fall zur Herstellung oder Bearbeitung von nicht dargestellten Werkstücken, insbesondere von aus Kunststoff bestehenden Werkstücken, dient. Insbesondere kann das Werkzeug 2 als Kunststoffspritzgießwerkzeug ausgebildet sein. Außer für die Spritzgießtechnik kann die Vorrichtung 1 beispielsweise auch zum Härten, Glühen, Schmelzen, Löten oder Schweißen eingesetzt werden.
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Die Vorrichtung 1 weist einen Generator 3 auf, der über elektrische Leitungen 4 mit einem Induktor 5 verbunden ist, der zur Beheizung des Werkzeugs 2 dient. Der Induktor 5 kann Teil eines nicht dargestellten Heizelements sein oder kann dieses Heizelement bilden. Vorzugsweise ist der Generator 3 mittels zweier elektrischer Leitungen 4 mit dem Induktor 5 verbunden, wobei eine Leitung 4 die Zuleitung und die andere Leitung 4 die Ableitung ist. In den Figuren ist jeweils nur eine dieser elektrischen Leitungen 4 dargestellt, wobei die andere elektrische Leitung identisch dazu ausgeführt sein kann.
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Um den Induktor 5 mit einem Kühlmittel zu versorgen und denselben so zu kühlen, sind die elektrischen Leitungen 4 als mit einem flüssigen Kühlmedium gekühlte, elektrische Leitungen 4 ausgebildet. Die Kühlung der elektrischen Leitungen 4 bewirkt dabei unter anderem ein Abführen der in dem Induktor 5 abfallenden ohmschen Verlustleistung und trägt somit zur Gewährleistung der Betriebssicherheit der gesamten Vorrichtung 1 bei. Zwar dient der Induktor 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Beheizung eines Kunststoffspritzgießwerkzeugs, die vorliegende Erfindung könnte jedoch auch für andere Einsatzzwecke genutzt werden, insbesondere wenn mittels des Induktors 5 ein hochfrequenter Strom induziert werden soll.
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Da der Generator 3 und der Induktor 5 üblicherweise nicht in ein gemeinsames Gehäuse integriert werden können, ist es von Zeit zu Zeit erforderlich, den Generator 3 und den Induktor 5 voneinander zu trennen. Aus diesem Grund besteht die elektrische Leitung 4 aus mehreren Leitungsabschnitten, wobei im vorliegenden Fall drei Leitungsabschnitte 4a, 4b und 4c vorgesehen sind, von der Leitungsabschnitt 4a mit dem Generator 3 und der Leitungsabschnitt 4c mit dem Induktor 5 verbunden ist.
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Um eine sichere Verbindung zwischen den einzelnen Leitungsabschnitten 4a und 4b sowie 4b und 4c herzustellen, werden jeweilige Vorrichtungen 6 eingesetzt, die in den 2 und 3 dargestellt sind und die nachfolgend detailliert beschrieben werden. In der Schnittdarstellung von 2 ist zu erkennen, dass die elektrische Leitung 4 bzw. die beiden Leitungsabschnitte 4a und 4b jeweils einen Leitungskern 7 und eine den Leitungskern 7 umgebende Hülle 8 aufweisen. Der Leitungskern 7 besteht vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise aus einzelnen Kupferlitzen, die mittels einer Verbindungshülse 9 zusammengehalten werden. Zwischen dem Leitungskern 7 und der Hülle 8 jedes Leitungsabschnitts 4a, 4b oder 4c ist ein ringförmiger Raum 10 gebildet, in dem das flüssige Kühlmittel geführt wird. Die Kühlung der elektrischen Leitungen 4 hat somit eine doppelte Funktion, nämlich zum einen die Kühlung des Leitungskerns 7 und zum Anderen die Zuführung von Kühlmittel zu dem Induktor 5. Als Kühlmittel kommt zum Beispiel mit bestimmten Korrosionsschutzzusätzen versehenes Wasser in Frage.
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Zur Verbindung der beiden Leitungsabschnitte 4a und 4b bzw. 4b und 4c dienen jeweilige Verbindungselemente 11 und 12, mit denen, wie nachfolgend näher beschrieben, eine lösbare Verbindung zwischen den Leitungsabschnitten 4a und 4b bzw. 4b und 4c der elektrischen Leitung 4 hergestellt werden kann. Der Leitungskern 7 ist jeweils mittels der Verbindungshülse 9 mit dem jeweiligen Verbindungselement 11 bzw. 12 verbunden. Vorzugsweise ist die Verbindungshülse 9 mittels einer Gewindeverbindung 13 mit dem Verbindungselement 11 bzw. 12 verschraubt. Durch die Verbindung des Leitungskerns 7 mit den Verbindungselementen 11 und 12 kann über die Verbindungselemente 11 und 12 der durch die elektrische Leitung 4 zu leitende Strom geführt werden. Hierzu bestehen die Verbindungselemente 11 und 12 im vorliegenden Fall aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff. Vorzugsweise handelt es sich dabei zusätzlich um einen nicht magnetischen Werkstoff, wie zum Beispiel Messing, Kupfer, Aluminium oder Edelstahl. Zur Anbringung der Hülle 8 weisen die Verbindungselemente 11 und 12 jeweilige Stutzen 14 auf, über welche die jeweilige Hülle 8 geschoben ist.
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Um die lösbare Verbindung zwischen den Verbindungselementen 11 und 12 so einfach wie möglich herstellen bzw. lösen zu können, weisen die Verbindungselemente 11 und 12 jeweilige Klauen 15 auf, die so ausgebildet sind, dass die Verbindungselemente 11 und 12 zur lösbaren Verbindung derselben mittels einer Drehbewegung miteinander in Eingriff gebracht werden können. Mittels der Klauen 15 wird eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Verbindungselementen 11 und 12 hergestellt.
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Wie aus dem Schnitt gemäß 2 hervorgeht, umgreifen die Klauen 15 im montierten Zustand der Verbindungselemente 11 und 12 einen jeweiligen Randbereich 16 des jeweils anderen Verbindungselements 12 bzw. 11. Dadurch ergibt sich eine feste Verklammerung der beiden Verbindungselemente 11 und 12 miteinander. Des Weiteren weisen die Verbindungselemente 11 und 12 im vorliegenden Fall jeweilige schräge Anlaufflächen 17 auf, welche sich an die Klauen 15 anschließen und über welche die Klauen 15 jeweils auf den Randbereich 16 des anderen Verbindungselements 12 bzw. 11 aufgeführt werden.
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In 3 ist die Vorrichtung 6 in ihrem nicht montierten Zustand dargestellt und es wird deutlich, dass zum Montieren der beiden Verbindungselemente 11 und 12 aneinander die Verbindungselemente 11 und 12 zunächst aufeinander zugeschoben und anschließend gegeneinander verdreht werden. Des Weiteren ist dort zu erkennen, dass Verbindungselemente 11 und 12 identisch ausgeführt sein können.
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Um in dem mittleren Bereich, in dem das flüssige Kühlmedium durch die Verbindungselemente 11 und 12 geführt wird, eine geeignete Abdichtung zu erreichen, sind im vorliegenden Fall Dichtungselemente 18 vorgesehen, die sich in entsprechenden Ausnehmungen in den Planflächen der Verbindungselemente 11 und 12 befinden und die im verbundenen Zustand der Verbindungselemente 11 und 12, wie in 2 dargestellt, aneinander anliegen. Im montierten Zustand der Vorrichtung 6 werden die beiden Dichtungselemente 18 gegeneinander verpresst. Die vorzugsweise aus einem geeigneten Elastomer bestehenden Dichtungselemente 18 befinden sich dabei in einem Bereich zwischen den Klauen 15 und einer Mittelachse 19 der jeweiligen Verbindungselemente 11 bzw. 12. Vorzugsweise sind die Dichtungselemente 18 so in die Verbindungselemente 11 und 12 integriert, dass sie geringfügig über die Planflächen derselben überstehen, so dass beim Verbinden der Verbindungselemente 11 und 12 miteinander eine gewisse Verpressung der Dichtungselemente 18 stattfindet. Die Dichtwirkung wird durch den an den Dichtungselementen 18 anliegenden Wasserdruck noch weiter erhöht.
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Die Dichtfläche und die Stromübertragungsfläche sind durch die beschriebene Konstruktion also voneinander getrennt, wodurch eine einfachere Dichtung, aber auch eine sichere Stromübertragung möglich ist. Ein Vorteil der Verwendung von Elastomerdichtungen als die Dichtungselemente 18 besteht darin, dass dieser erheblich weniger anfällig für Verschmutzungen sind, d. h. dass sie bei eventuellen Verschmutzungen im Gegensatz zu metallischen Dichtungen sicher abdichten.
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Um die dabei auf die Dichtungselemente 18 einwirkende Kraft zu erhöhen, kann wenigstens eines der Verbindungselemente 11 oder 12 zweiteilig ausgebildet sein, wobei die beiden Teile des Verbindungselements 11 bzw. 12 dann gegeneinander verstellbar sein können, was beispielsweise durch eine Gewindeverbindung zwischen den beiden Teilen des Verbindungselements 11 bzw. 12 realisiert werden kann. Dadurch ist es möglich, eine erhöhte Vorspannung auf die Verbindung der beiden Verbindungselemente 11 und 12 und somit eine erhöhte Kraft auf die beiden Dichtungselemente 18 aufzubringen. Dies führt zu einer noch besseren Abdichtung der Verbindung zwischen den beiden Verbindungselementen 11 und 12.
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Dadurch, dass die Stromführung bei hohen Frequenzen aufgrund der Stromverdrängung nach außen im äußeren Bereich der Verbindungselemente 11 und 12 erfolgt, ist die erfindungsgemäße Lösung für solche hohen Frequenzen besonders gut geeignet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 ist darin zu sehen, dass im äußeren Bereich der Verbindungselemente 11 und 12 die zur Stromübertragung zur Verfügung stehende Fläche erheblich größer ist als beispielsweise bei einer Übertragung des Stroms im mittleren Bereich der Verbindungselemente 11 und 12. Dadurch ergibt sich ein besonders geringer Verlust bei der Stromübertragung.
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In einer nicht dargestellten Weiterbildung können die Verbindungselemente 11 und 12 so ausgestaltet sein, dass durch ein selbsttätiges Verschließen der Verbindungselemente 11 und 12 ein Austreten des Kühlmediums beim Trennen der Verbindung verhindert wird. Hierzu können die Verbindungselemente 11 und 12 zum Beispiel jeweils ein Sitzventil aufweisen, welches durch eine Feder belastet ist, die vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen und/oder elektrisch nicht leitfähigen Material besteht, wie beispielsweise eine Bronzelegierung oder ein Elastomer. Dabei werden die Sitzventile beim Herstellen der Verbindung vom jeweils anderen Verbindungspartner zwangsweise geöffnet. Statt Sitzventilen können auch andere hierfür geeignete Einrichtungen verwendet werden.
