DE102021104347A1

DE102021104347A1 - Electrical connector element

Info

Publication number: DE102021104347A1
Application number: DE102021104347.6A
Authority: DE
Inventors: Denny Hellige
Original assignee: Harting Electric Stiftung and Co KG
Current assignee: Harting Electric Stiftung and Co KG
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2022-08-25

Abstract

Elektrisches Verbinderelement für Starkstromnetze in Anlagen, die in gewissen Zeitabständen gewartet werden, welches Verbinderelement mindestens ein elektrisch leitendes Kontaktelement (12) und eine mechanische Haltestruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Kontaktelement lösbar in einer Kontaktposition an einem Gegenkontaktelement zu halten, wobei das Verbinderelement wenigstens ein wärmeleitendes Bauteil (14) aufweist, das einen Oberflächenbereich (18) hat, der in der Kontaktposition von außerhalb des Verbinderelements sichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der sichtbare Oberflächenbereich (18) durch ein irreversibel thermochromes Material gebildet wird.Electrical connector element for power networks in systems that are serviced at certain time intervals, which connector element has at least one electrically conductive contact element (12) and a mechanical retaining structure which is designed to releasably hold the contact element in a contact position on a mating contact element, the connector element at least one thermally conductive member (14) having a surface area (18) which is visible from outside the connector element in the contact position, characterized in that the visible surface area (18) is formed by an irreversibly thermochromic material.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Verbinderelement für Starkstromnetze in Anlagen, die in gewissen Zeitabständen gewartet werden, welches Verbinderelement mindestens ein elektrisch leitendes Kontaktelement und eine mechanische Haltestruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Kontaktelement lösbar in einer Kontaktposition an einem Gegenkontaktelement zu halten, wobei das Verbinderelement mindestens ein wärmeleitendes Bauteil aufweist, das einen Oberflächenbereich hat, der in der Kontaktposition von außerhalb des Verbinderelements sichtbar ist.The invention relates to an electrical connector element for high-voltage networks in systems that are serviced at certain intervals, which connector element has at least one electrically conductive contact element and a mechanical holding structure which is designed to hold the contact element releasably in a contact position on a counter-contact element, the A connector element comprises at least one thermally conductive component having a surface area that is visible from the outside of the connector element in the contact position.

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Starkstromnetzen in technischen Anlagen, die im Betrieb nur schwer zugänglich sind und deshalb nur in gewissen Zeitabständen inspiziert und gewartet werden können, wie beispielsweise Starkstromnetze von Schienenfahrzeugen oder in der Gondel von Windkraftanlagen.In particular, the invention deals with high-voltage networks in technical systems that are difficult to access during operation and can therefore only be inspected and maintained at certain intervals, such as high-voltage networks of rail vehicles or in the nacelles of wind turbines.

Ein Beispiel eines Verbinderelements dieser Art wird in DE 10 2014 112 701 A1 beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verbinderelement handelt es sich um einen Crimpkontakt-Steckverbinder, bei dem die mechanische Haltestruktur durch einen hohlzylindrischen Crimpbereich des Kontaktelements gebildet wird.An example of a connector element of this type is given in DE 10 2014 112 701 A1 described. The connector element described there is a crimp contact plug connector in which the mechanical holding structure is formed by a hollow-cylindrical crimping area of the contact element.

Bei Stromstärken von beispielsweise 10 A oder mehr, und erst recht bei Stromstärken oberhalb von 100 A oder mehr ist es wesentlich, dass die miteinander in Berührung stehenden Kontaktflächen des Kontaktelements und des Gegenkontaktelements einen geringen Übergangswiderstand aufweisen, so dass die Verlustwärmeleistung in Grenzen gehalten werden kann. Beispielsweise können bei der Energieversorgung schienengebundener Fahrzeuge und/ oder in Windkraftanlagen Stromstärken von über 500 A auftreten. Der geringe Übergangswiderstand muss auch in einer eventuell korrosiven Umgebung dauerhaft erhalten bleiben. Die mechanische Haltestruktur ist deshalb generell so ausgelegt, dass die miteinander in Berührung stehenden Kontaktflächen mit einer gewissen Anpresskraft aneinander in Anlage gehalten werden. Die Anpresskraft kann beispielsweise mittels Schrauben, Knebeln oder elastischen Elementen erzeugt werden. Außerdem sind solche Verbinderelemente so ausgelegt, dass die aufgrund des elektrischen Widerstands unvermeidlich entstehende Verlustwärme unter normalen Einsatzbedingungen schnell genug abgeführt werden kann.With currents of, for example, 10 A or more, and especially with currents above 100 A or more, it is essential that the contact surfaces of the contact element and the mating contact element that are in contact with one another have a low contact resistance, so that the heat loss can be kept within limits . For example, currents of over 500 A can occur in the energy supply of rail-bound vehicles and/or in wind turbines. The low contact resistance must also be permanently maintained in a potentially corrosive environment. The mechanical holding structure is therefore generally designed in such a way that the contact surfaces that are in contact with one another are held in contact with one another with a certain contact pressure. The contact pressure can be generated, for example, by means of screws, toggles or elastic elements. In addition, such connector elements are designed in such a way that the heat loss that inevitably occurs due to the electrical resistance can be dissipated quickly enough under normal conditions of use.

Wenn jedoch die Stromstärke über dem Wert liegt, für den das Verbinderelement ausgelegt ist, oder wenn aufgrund eines Fehlers der Übergangswiderstand bereits erhöht ist, so führt dies häufig zu einer übermäßigen Erwärmung des Verbinderelements, und diese Erwärmung kann zu einer Versprödung oder zu einer plastischen Verformung der Federelemente und sonstiger Spannelemente führen. Außerdem kann durch die Erwärmung die Korrosion an den Kontaktflächen beschleunigt werden. All dies hat zur Folge, dass die Wärmeproduktion weiter zunimmt und es schließlich zu einem vollständigen Versagen des Verbinderelements kommt. Es wäre deshalb wünschenswert, dass eine anomale Erwärmung des Verbinderelements frühzeitig erkannt werden kann.However, if the current is higher than the value for which the connector element is designed, or if the contact resistance is already increased due to a fault, this often leads to excessive heating of the connector element, and this heating can lead to embrittlement or plastic deformation of the spring elements and other tensioning elements. In addition, the corrosion on the contact surfaces can be accelerated by the heating. All of this has the consequence that the heat production continues to increase and eventually there is a complete failure of the connector element. It would therefore be desirable to be able to detect abnormal heating of the connector element at an early stage.

Aus US 2005/221674 A1 ist ein elektrisches Verbinderelement bekannt, bei dem ein Teil der äußeren Oberfläche durch ein thermochromes Material gebildet wird, also einem Material, dessen Farbe sich temperaturabhängig ändert, so dass eine drohende Überhitzung anhand des Farbumschlags visuell erkannt werden kann.Out of U.S. 2005/221674 A1 an electrical connector element is known in which part of the outer surface is formed by a thermochromic material, ie a material whose color changes as a function of temperature, so that an impending overheating can be visually recognized based on the color change.

Bei Hochleistungs-Verbinderelementen in Anlagen, die nicht permanent überwacht werden können, werden zur Detektion von Überhitzung jedoch generell elektronische Messeinrichtungen eingesetzt. WO 2017/132222 A1 beschreibt ein Beispiel für eine Kombination aus elektronischem Messsystem und visueller Anzeige. Ein Nachteil solcher elektronischer Messeinrichtungen besteht jedoch darin, dass sie angesichts der Vielzahl der üblicherweise in einer Anlage vorhandenen Verbinderelemente relativ hohe Kosten verursachen und außerdem störanfällig sind, insbesondere in einer Umgebung, in der Vibrationen oder sonstige mechanische Belastungen auftreten.In the case of high-performance connector elements in systems that cannot be permanently monitored, however, electronic measuring devices are generally used to detect overheating. WO 2017/132222 A1 describes an example of a combination of electronic measuring system and visual display. A disadvantage of such electronic measuring devices, however, is that they cause relatively high costs in view of the large number of connector elements usually present in a system and are also susceptible to faults, especially in an environment in which vibrations or other mechanical loads occur.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein kostengünstiges Verbinderelement zu schaffen, bei dem eine Überhitzung auch dann zuverlässig erkannt werden kann, wenn nur eine sporadische Überwachung der Anlage möglich ist.It is therefore the object of the invention to create a cost-effective connector element in which overheating can be reliably detected even if only sporadic monitoring of the system is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der sichtbare Oberflächenbereich durch ein irreversibel thermochromes Material gebildet wird.According to the invention, this object is achieved in that the visible surface area is formed by an irreversibly thermochromic material.

Während bei üblichen Thermochromen ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Farbe besteht und somit der bei einer bestimmten Temperatur eintretende Farbumschlag reversibel ist, wenn die Temperatur wieder abnimmt, zeichnet sich ein irreversibler Thermochrom dadurch aus, dass der bei der Schwellentemperatur auftretende Farbumschlag auch dann erhalten bleibt, wenn die Temperatur anschließend wieder unter den Schwellenwert sinkt.While there is a clear connection between the temperature and the color in conventional thermochromes and the color change that occurs at a certain temperature is therefore reversible when the temperature decreases again, an irreversible thermochrome is characterized in that the color change that occurs at the threshold temperature is also retained remains if the temperature subsequently drops below the threshold again.

Auch wenn das Stromnetz bei Wartungsarbeiten abgeschaltet ist und sich alle Komponenten auf Normaltemperatur befinden, lässt sich mithilfe des erfindungsgemäßen Verbinderelements anhand der Farbe des thermochromen Oberflächenbereichs unmittelbar erkennen, ob in der Vergangenheit, während des Betriebs der Anlage, eine zeitweise Überhitzung stattgefunden hat, so dass das Verbinderelement ausgetauscht oder zumindest näher inspiziert werden kann.Even if the power supply is switched off for maintenance work and all components are are at normal temperature, the color of the thermochromic surface area can be used with the aid of the connector element according to the invention to immediately identify whether temporary overheating has occurred in the past during operation of the system, so that the connector element can be replaced or at least inspected more closely.

Thermochrome Pigmente mit einer großen Bandbreite von Farbvarianten und Sprungtemperaturen sind im Handel erhältlich, so dass durch Mischen solcher Pigmente praktisch jede gewünschte Farbe und jedes gewünschte Temperaturprofil realisiert werden kann. Die Herstellung des thermochromen Oberflächenbereichs verursacht nur geringe Kosten, und der auf diese Weise geschaffene Überhitzungsindikator ist robust gegenüber mechanischen und chemischen Beanspruchungen und damit sehr störungsunanfällig.Thermochromic pigments with a wide range of color variants and transition temperatures are commercially available, so that practically any desired color and any desired temperature profile can be realized by mixing such pigments. The production of the thermochromic surface area causes only low costs, and the overheating indicator created in this way is robust against mechanical and chemical stresses and is therefore very unsusceptible to failure.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent claims.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des oben beschriebenen Verbinderelements in Stromnetzen von Schienenfahrzeugen und Windkraftanlagen.The subject matter of the invention is also the use of the connector element described above in power supply systems of rail vehicles and wind turbines.

In einer Ausführungsform weist das thermochrome Material zwei oder mehr Farbumschläge bei unterschiedlichen Sprungtemperaturen auf. Die niedrigste Sprungtemperatur lässt sich dann so wählen, dass der Farbumschlag bereits bei einer Temperatur stattfindet, die einerseits auf eine Anomalie und damit auf eine Störung im Stromnetz hinweist, die aber andererseits so niedrig ist, dass noch keine Schädigung des Verbinderelements zu erwarten ist, während der zweite Farbumschlag bei einer höheren Temperatur erfolgt, bei der die einwandfreie Funktion des Verbinderelements nicht mehr sichergestellt ist, wenn es einmal einer solchen Temperatur ausgesetzt war.In one embodiment, the thermochromic material has two or more color changes at different critical temperatures. The lowest transition temperature can then be selected in such a way that the color change already takes place at a temperature which, on the one hand, indicates an anomaly and thus a fault in the power grid, but which, on the other hand, is so low that no damage to the connector element is to be expected while the second color change takes place at a higher temperature at which the proper functioning of the connector element is no longer ensured once it has been exposed to such a temperature.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbinderelemente in redundanten Stromnetzen in denen der Strom auf zwei oder mehr verschiedenen Strompfaden von der Stromquelle zum Verbraucher fließen kann. In einem solchen Netz sind die Verbinderelemente so ausgelegt, dass sie auch dann noch einwandfrei arbeiten, wenn ein Strompfad aufgrund einer Störung unterbrochen wird und deshalb in den noch intakten Strompfaden ein erhöhter Strom auftritt. Die Sprungtemperatur oder die unterste Sprungtemperatur des Thermochroms lässt sich dann so wählen, dass der Farbumschlag eintritt, sobald eine Temperatur erreicht wird, die darauf hindeutet, dass mindestens einer der parallelen Strompfade unterbrochen ist.The use of the connector elements according to the invention is particularly advantageous in redundant power networks in which the power can flow on two or more different current paths from the power source to the consumer. In such a network, the connector elements are designed in such a way that they continue to work properly even if a current path is interrupted due to a fault and an increased current therefore occurs in the current paths that are still intact. The transition temperature or the lowest transition temperature of the thermochrome can then be selected in such a way that the color change occurs as soon as a temperature is reached which indicates that at least one of the parallel current paths is interrupted.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigen:

1 und 2 Beispiele für erfindungsgemäße Verbinderelemente;
3 ein Schaltbild eines Stromnetzes unter dem Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs;
4 eine vergrößerte Darstellung eines Verbinderelements in dem Stromnetz nach 3; und
5 ein Temperatur/Zeit-Diagramm zur Illustration eines Temperaturprofils eines thermochromen Materials an der Oberfläche des Verbinderelements.

Show it:

1 and 2 Examples of connector elements according to the invention;
3 a circuit diagram of a power network under the car body of a rail vehicle;
4 an enlarged view of a connector element in the power grid 3 ; and
5 a temperature/time diagram to illustrate a temperature profile of a thermochromic material on the surface of the connector element.

Als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verbinderelement ist in 1 ein Brückenstecker 10 mit zwei stift- oder buchsenförmigen förmigen Kontaktelementen 12 gezeigt, die parallel zueinander in einem als Griff ausgebildeten Gehäuse 14 aus Kunststoff angeordnet sind. Das Gehäuse 14 wird beispielsweise durch zwei aneinander geflanschte Halbschalen gebildet, die sich voneinander lösen lassen, so dass die Kontaktelemente 12 eingelegt werden können. Die beiden Kontaktelemente 12 können im Inneren des Gehäuses 14 einstückig miteinander verbunden sein oder getrennt voneinander ausgebildet sein und durch Stützkonturen des Gehäuses eng gegeneinander angedrückt werden, so dass eine elektrisch leitende Verbindung mit geringem Übergangswiderstand erzeugt wird. Im gezeigten Beispiel sind die kontaktelemente 12 jeweils mit einem Leiter 16 verbunden, der aus dem Gehäuse 14 herausgeführt ist.Wenn die Kontaktelemente 12 mit mit komplementären Steckverbindern einer nicht gezeigten Stromverteileranordnung in Eingriff gebracht werden, so wird eine leitende Verbindung zwischen den beiden Steckverbindern und den Leitern 16 hergestellt. Auf diese Weise lässt sich die Stromverteileranordnung durch Einstecken oder Herausziehen von Brückensteckern nach Bedarf konfigurieren. Wenn in der durch den Brückenstecker 10 gebildeten leitenden Verbindung ein starker Strom fließt, so führt der elektrische Widerstand der Kontaktelemente 12 sowie der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktelementen 12 und den zugehörigen Gegenkontaktelementen und der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktelementen 12 und den Leitern 16 zu einer Erwärmung des Steckverbinders. Die Materialien der Kontaktelemente 12 und des Gehäuses 14 sind für eine Stromstärke und eine Temperatur ausgelegt, die deutlich über der Stromstärke bzw. Temperatur liegt, die bei störungsfreiem Betrieb der elektrischen Anlage zu erwarten ist. Das Kunststoffmaterial des Gehäuses 14 weist außerdem eine gewisse Wärmeleitfähigkeit auf, so dass auch die im Inneren des Gehäuses entstehende Wärme abgeführt werden kann.As an example of a connector element according to the invention, 1 a jumper plug 10 is shown with two pin or socket-shaped contact elements 12 which are arranged parallel to one another in a housing 14 designed as a handle made of plastic. The housing 14 is formed, for example, by two half-shells flanged to one another, which can be detached from one another, so that the contact elements 12 can be inserted. The two contact elements 12 can be connected to one another in one piece inside the housing 14 or formed separately from one another and pressed tightly against one another by supporting contours of the housing, so that an electrically conductive connection with low contact resistance is produced. In the example shown, the contact elements 12 are each connected to a conductor 16, which is led out of the housing 14. If the contact elements 12 are brought into engagement with complementary connectors with a power distribution arrangement, not shown, a conductive connection between the two connectors and the Ladders 16 made. In this way, the power distribution arrangement can be configured by inserting or removing jumper plugs as required. If a strong current flows in the conductive connection formed by the bridging plug 10, the electrical resistance of the contact elements 12 and the contact resistance between the contact elements 12 and the associated mating contact elements and the contact resistance between the contact elements 12 and the conductors 16 lead to the plug connector heating up . The materials of the contact elements 12 and the housing 14 are designed for a current intensity and a temperature that is significantly higher than the current intensity or temperature that occurs during trouble-free operation of the electrical system expect is. The plastic material of the housing 14 also has a certain thermal conductivity, so that the heat generated inside the housing can also be dissipated.

Auf der Außenfläche des Gehäuses 10 sind zwei rechteckige Oberflächenbereiche 18 gebildet, in denen das Oberflächenmaterial ein irreversibler Thermochrom ist, also ein Material, das einen Farbumschlag aufweist, wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, der hier als Sprungtemperatur bezeichnet werden soll. Der Farbumschlag muss jedoch nicht sprunghaft erfolgen, sondern kann auch die Form eines stetigen Farbverlaufs innerhalb eines größeren Temperaturbereiches haben. Das thermochrome Material kann auf irgendeine geeignete Weise auf das Gehäuse 14 aufgebracht werden, beispielsweise als Klebefolie, als Aufdruck oder Lack oder auch durch Spritzgießen der Gehäusehalbschalen in einem Zweikomponentenverfahren, wobei für die Oberflächenbereiche 18 ein mit dem Thermochrom pigmentierter Kunststoff verwendet wird.Formed on the outer surface of the housing 10 are two rectangular surface areas 18 in which the surface material is an irreversible thermochromic material that exhibits a color change when the temperature exceeds a certain threshold value, referred to herein as the transition temperature. However, the color change does not have to be abrupt, but can also take the form of a continuous color gradient within a larger temperature range. The thermochromic material can be applied to the housing 14 in any suitable manner, for example as an adhesive film, as an imprint or paint or by injection molding the housing half-shells in a two-component process, with a plastic pigmented with the thermochromic being used for the surface areas 18.

Die Oberflächenbereiche 18 liegen jeweils einer Zone im Inneren des Gehäuses gegenüber, in der die Kontaktelemente 12 mit den Leitern 16 verbunden, beispielsweise vercrimpt sind, so dass die Temperatur des Thermochroms eng mit der Temperatur des zugehörigen Kontaktelements bzw. Leiters korreliert. Wenn es beispielsweise infolge überhöhter Stromstärke aufgrund einer elektrischen Störung zu einer Überhitzung kommt, die die sichere Funktion des Brückensteckers 10 beeinträchtigen kann aber noch nicht anhand von Verschmorungen am Gehäuse 14 zu erkennen ist, so zeigen die Oberflächenbereiche 18 einen Farbumschlag, beispielsweise von Grün über Gelb nach Rot, durch den die Überhitzung angezeigt wird. Zur Erhöhung des Kontrasts sind die Oberflächenbereiche 18 im gezeigten Beispiel auf einem farbigen Hintergrund 20 gebildet, der nicht thermochrom ist, sondern beispielsweise temperaturunabhängig eine gelbe Farbe hat. Die Sprungtemperatur des Thermochroms in den Oberflächenbereichen 18 ist so gewählt, dass die Farbe von Gelb nach Orange und schließlich nach Rot umschlägt, wenn die zulässige Temperatur überschritten wird.The surface areas 18 are each opposite a zone inside the housing in which the contact elements 12 are connected to the conductors 16, for example crimped, so that the temperature of the thermochromic correlates closely with the temperature of the associated contact element or conductor. If, for example, overheating occurs as a result of an excessive current due to an electrical fault, which can impair the safe functioning of the jumper plug 10 but cannot yet be identified by charring on the housing 14, the surface areas 18 show a color change, for example from green to yellow to red, indicating overheating. In order to increase the contrast, the surface areas 18 in the example shown are formed on a colored background 20 which is not thermochromic but has a yellow color, for example, independent of the temperature. The transition temperature of the thermochrome in the surface areas 18 is selected in such a way that the color changes from yellow to orange and finally to red when the permissible temperature is exceeded.

Da der Thermochrom in den Oberflächenbereichen 18 irreversibel ist, bleibt der orangene oder rote Farbton auch dann bestehen, wenn sich der Brückenstecker wieder unter die Sprungtemperatur abkühlt. Auf diese Weise lässt sich auch bei einer erst nach Tagen oder Wochen stattfindenden Inspektion sicher feststellen, dass eine temporäre Temperaturüberschreitung stattgefunden hat.Since the thermochromic in the surface areas 18 is irreversible, the orange or red hue also remains when the jumper plug cools below the transition temperature again. In this way, even if an inspection takes place days or weeks later, it can be determined with certainty that the temperature has been temporarily exceeded.

Da im gezeigten Beispiel jedem der beiden Kontaktelemente 12 ein eigener Oberflächenbereich 18 zugeordnet ist, lässt sich anhand der Stärke des Farbumschlages auch erkennen, welches der beiden Kontaktelemente 12 sich näher an der Wärmequelle befunden hat.Since in the example shown each of the two contact elements 12 is assigned its own surface area 18, it can also be seen from the strength of the color change which of the two contact elements 12 was closer to the heat source.

In einer modifizierten Ausführungsform können ergänzend zu den Oberflächenbereichen 18 auch Oberflächenbereiche mit einem reversiblen Thermochrom vorgesehen sein, der die aktuelle Temperatur des Brückensteckers anzeigt. Dadurch kann beispielsweise die Gefahr von Verbrennungen reduziert werden, falls der Brückenstecker zum Zeitpunkt der Inspektion noch heiß ist.In a modified embodiment, in addition to the surface areas 18, surface areas with a reversible thermochrome can also be provided, which indicates the current temperature of the jumper plug. This can reduce the risk of burns, for example, if the jumper plug is still hot at the time of inspection.

2 zeigt als weiteres Beispiel einen Einpolstecker 22 mit einem Gehäuse 24, das sicher auf einem Ende eines Kabels 26 befestigt ist und am dem Kabel entgegengesetzten Ende ein Kontaktelement 12' in der Form einer Steckbuchse bildet. Auch hier ist auf der äußeren Umfangsfläche eines zylindrischen Teils des Gehäuses 24 ein Oberflächenbereich 18 aus irreversibel thermochromem Material gebildet. Dieser Oberflächenbereich 18 befindet sich in einer axialen Position, in der er einem Abschnitt des Kontaktelements 12 im Inneren des isolierenden Gehäuses 24 gegenüberliegt, so dass durch den Farbumschlag des Thermochroms eine Überhitzung des Kontaktelements 12' angezeigt werden kann. 2 As another example, Figure 1 shows a unipolar plug 22 having a housing 24 securely mounted on one end of a cable 26 and forming a contact member 12' in the form of a receptacle at the end opposite the cable. Here too, a surface area 18 of irreversibly thermochromic material is formed on the outer peripheral surface of a cylindrical part of the housing 24 . This surface area 18 is in an axial position in which it faces a portion of the contact element 12 inside the insulating housing 24, so that the color change of the thermochrome can indicate overheating of the contact element 12'.

In 3 sind schematisch vier Verbinderelemente 28 gezeigt, die Teil eines redundanten Stromnetzes 30 eines Schienenfahrzeugs sind, beispielsweise eines Eisenbahnwagons. Das Stromnetz 30 befindet sich an der Unterseite eines Wagenkastens 32 des Schienenfahrzeugs, der in 3 schematisch als Rechteck dargestellt ist.In 3 four connector elements 28 are shown schematically, which are part of a redundant power network 30 of a rail vehicle, for example a railroad car. The power supply system 30 is located on the underside of a car body 32 of the rail vehicle, which is 3 is shown schematically as a rectangle.

Eines der Verbinderelemente 28 ist in 4 vergrößert dargestellt. Die Verbinderelemente 28 sind als Abzweigkästen mit je drei Anschlüssen 34, 36 für elektrische Leitungen ausgebildet. Der einzelne Anschluss 34 auf einer Seite des Gehäuses dient zur elektrischen Verbindung mit dem Stromnetz eines anschließenden Wagons eines Zuges. Die paarigen Anschlüsse 36 auf der entgegengesetzte Seite des Gehäuses sind durch Leitungen 38, 40, 42, 44 und 46 ringförmig miteinander und mit einem weiteren Abzweigkasten 48 verbunden, an den ein Verbraucher 50, beispielsweise ein Klimaaggregat angeschlossen ist.One of the connector elements 28 is in 4 shown enlarged. The connector elements 28 are designed as junction boxes, each with three connections 34, 36 for electrical lines. The single connector 34 on one side of the housing is used for electrical connection to the power supply of a subsequent carriage of a train. The paired connections 36 on the opposite side of the housing are connected by lines 38, 40, 42, 44 and 46 in a ring to one another and to a further junction box 48 to which a consumer 50, for example an air conditioning unit, is connected.

Die Stromnetze 30 zweier aufeinanderfolgender Wagons des Zuges sind jeweils über zwei flexible Leitungen (nicht gezeigt) miteinander verbunden, die an die Anschlüsse 34 angeschlossen sind. Wenn sich der Triebwagen und damit die Energiequelle beispielsweise auf der linken Seite in Fig.,3 befindet, so hat das Stromnetz 30 zwei Einkopplungsstellen a und b auf der linken Seite und auf der rechten Seite zwei Auskopplungsstellen c und d. Von der Einkopplungsstelle a kann der Strom auf zwei parallelen Pfaden zum Verbraucher 50 gelangen, nämlich einmal über die Leitung 38 und zum anderen über die Leitungen 40, 42, 44 und 46. Entsprechendes gilt auch für die Einkopplungsstelle b. Ebenso ist jede Einkopplungsstelle über zwei parallele Pfade mit jeder der Auskopplungsstellen c und d verbunden. Das Stromnetz ist somit redundant. Wenn aufgrund einer Störung beispielsweise die Leitung 42 unterbrochen werden sollte, so kann der Strom von der Einkopplungsstelle a immer noch über die Leitung 38 zum Verbraucher 50 und über die Leitungen 38, 46 und 44 zu den Auskopplungsstellen c und d gelangen, und ebenso kann der Strom von der Einkopplungsstelle b über die Leitungen 40 und 38 zum Verbraucher 50 und über die Leitungen 40, 38, 46 und 44 zu den Auskopplungsstellen d und c gelangen.The power supply systems 30 of two consecutive carriages of the train are each connected to one another via two flexible lines (not shown) which are connected to the connections 34 . If the railcar and thus the energy source is, for example, on the left-hand side in FIG the right side two outcoupling points c and d. From the coupling point a, the current can reach the load 50 on two parallel paths, namely once via the line 38 and on the other hand via the lines 40, 42, 44 and 46. The same applies to the coupling point b. Likewise, each in-coupling point is connected to each of the out-coupling points c and d via two parallel paths. The power grid is therefore redundant. If, for example, line 42 should be interrupted due to a fault, the current can still reach the coupling point a via line 38 to the load 50 and via lines 38, 46 and 44 to the coupling points c and d, and the Current from the coupling point b via the lines 40 and 38 to the consumer 50 and via the lines 40, 38, 46 and 44 to the coupling points d and c.

Allerdings hat, wenn einer der Strompfade ausfällt, der verbleibende intakte Strompfad die doppelte Last zu bewältigen, so dass sich die in diesem Strompfad liegenden Verbinderelemente 28 auf eine höhere Temperatur erhitzen. Die Verbinderelemente sind jedoch so ausgelegt, dass sie auch dieser erhöhten Temperatur standhalten, ohne dass ihre Funktion beeinträchtigt wird.However, if one of the current paths fails, the remaining intact current path has to cope with twice the load, so that the connector elements 28 lying in this current path heat up to a higher temperature. However, the connector elements are designed in such a way that they can also withstand this increased temperature without their function being impaired.

Wie in 4 gezeigt ist, weist jedes Verbinderelement 28 drei Oberflächenbereiche 18 aus irreversibel thermochromem Material auf, die jeweils einem der drei Anschlüsse 34, 36 zugeordnet sind. Das thermochrome Material ist in diesem Beispiel so pigmentiert, dass jeder Oberflächenbereich 18 je nach Temperatur vier verschiedene Farben annehmen kann, beispielsweise Weiß, Grün, Gelb und Rot. Das Temperaturprofil ist in 5 anhand eines beispielhaften Temperaturverlaufs dargestellt. Die in 5 gezeigte Kurve gibt die Temperatur T als Funktion der Zeit t an. Zum Zeitpunkt t0 ist das Stromnetz abgeschaltet und das Verbinderelement 28 befindet sich auf Umgebungstemperatur. Die Oberflächenbereiche 18 haben die Farbe Weiß (w). Zum Zeitpunkt t1 wird der Verbraucher 50 eingeschaltet und das Verbinderelement erwärmt sich auf seine normale Betriebstemperatur. Dabei wird eine reversible Temperaturschwelle T1 des Thermochroms überschritten, und die Oberflächenbereiche 18 zeigen einen Farbumschlag von Weiß nach Gelb (g). Dieser Farbumschlag ist reversibel. Das heißt, wenn der Verbraucher 50 abgeschaltet würde und die Temperatur wieder abnähme, so gäbe es wieder einen Farbumschlag von Grün nach Weiß. Bei störungsfreiem Betrieb des Stromnetzes treten lediglich solche Farbumschläge zwischen Weiß und Grün auf. Daran lässt sich erkennen, dass das Netz einwandfrei arbeitet.As in 4 As shown, each connector element 28 has three surface areas 18 of irreversibly thermochromic material, each associated with one of the three terminals 34,36. In this example, the thermochromic material is pigmented in such a way that each surface area 18 can assume four different colors depending on the temperature, for example white, green, yellow and red. The temperature profile is in 5 shown using an example temperature curve. In the 5 The curve shown indicates the temperature T as a function of time t. At time t0, the power supply is switched off and the connector element 28 is at ambient temperature. The surface areas 18 are white (w) in color. At time t1 the load 50 is switched on and the connector element heats up to its normal operating temperature. In this case, a reversible temperature threshold T1 of the thermochrome is exceeded, and the surface areas 18 show a color change from white to yellow (g). This color change is reversible. This means that if the consumer 50 were switched off and the temperature decreased again, there would be a color change from green to white again. With trouble-free operation of the power grid, only such color changes between white and green occur. This shows that the network is working correctly.

Im gezeigten Beispiel führt jedoch zum Zeitpunkt t2 ein Ausfall eines der Strompfade dazu, dass sich der Strom durch das hier betrachtete Verbinderelement 28 (an der Einkopplungsstelle a) verdoppelt. Dabei wird eine erste irreversible Sprungtemperatur T2 überschritten, und der Thermochrom zeigt einen irreversiblen Farbumschlag von Grün nach Gelb (y). Zum Zeitpunkt t3 wird der Verbraucher 50 wieder abgeschaltet und die Temperatur sinkt allmählich auf Umgebungstemperatur. Die Oberflächenbereiche 18 behalten dennoch die gelbe Farbe. Wenn nach dem Zeitpunkt t3 irgendwann eine Wartung oder Inspektion vorgenommen würde, so wäre an der gelben Farbe der Oberflächenbereiche 18 zu erkennen, dass eine Störung im Stromnetz aufgetreten ist, die jedoch dank der Redundanz des Netzes nicht zu einem Betriebsausfall geführt hat. Bei welchem der drei Oberflächenbereiche 18 in 4 der Farbumschlag nach Gelb stattfindet, hängt davon ab, in welchem Strompfad die Unterbrechung aufgetreten ist, so dass das Verteilungsmuster der Farbumschläge auch Hinweise auf die Quelle der Störung liefert. Auf diese Weise lässt sich allein durch visuelle Inspektion der Abzweigkästen die Störung erkennen und lokalisieren.In the example shown, however, a failure of one of the current paths at time t2 results in the current through the connector element 28 considered here (at the coupling point a) doubling. A first irreversible transition temperature T2 is exceeded, and the thermochrome shows an irreversible color change from green to yellow (y). At time t3, consumer 50 is switched off again and the temperature gradually drops to ambient temperature. The surface areas 18 nevertheless retain the yellow color. If maintenance or inspection were to be carried out at some point after time t3, the yellow color of the surface areas 18 would indicate that a fault had occurred in the electricity network, which, however, thanks to the redundancy of the network, did not lead to an operational failure. At which of the three surface areas 18 in 4 the color change to yellow takes place depends on which current path the interruption occurred in, so that the distribution pattern of the color changes also provides information about the source of the fault. In this way, the fault can be detected and localized simply by visually inspecting the junction boxes.

Im gezeigten Beispiel findet jedoch nach dem Zeitpunkt t3 keine Inspektion statt, sondern zum Zeitpunkt t4 wird der Verbraucher 50 wieder eingeschaltet, und die Temperatur steigt wieder über die Sprungtemperatur T2, wodurch sich jedoch die Farbe der Oberflächenbereiche nicht ändert. Zum Zeitpunkt t5 tritt eine weitere Funktionsstörung auf, beispielsweise ein Kurzschluss im Verbraucher 50, mit der Folge, dass die Temperatur des hier betrachteten Verbinderelements weiter ansteigt. Dabei wird eine zweite Sprungtemperatur T3 überschritten, die zu einem Farbumschlag von Gelb nach Rot (r) führt. Auch dieser Farbumschlag ist irreversibel. Bei einer späteren Inspektion ist deshalb sofort zu erkennen, dass das Verbinderelement möglicherweise Schaden genommen hat und ausgetauscht werden sollte.In the example shown, however, no inspection takes place after point in time t3, but instead consumer 50 is switched on again at point in time t4, and the temperature rises above critical temperature T2 again, although the color of the surface areas does not change as a result. At time t5 another malfunction occurs, for example a short circuit in load 50, with the result that the temperature of the connector element considered here continues to rise. A second transition temperature T3 is exceeded, which leads to a color change from yellow to red (r). This color change is also irreversible. During a subsequent inspection, it can therefore be seen immediately that the connector element may have been damaged and should be replaced.

Da sich die Verbinderelemente 28 an der Unterseite des Wagenkastens 32 befinden, wird eine problemlose visuelle Inspektion der Oberflächenbereiche 18 in der Regel in einem Wartungsbetrieb erfolgen müssen, in dem eine Grube für das Personal vorhanden ist. Es ist jedoch auch denkbar, eine bequeme Inspektion auch auf dem Gleis zu ermöglichen, indem ein an die Form des Verbinderelements 28 angepasstes Lesegerät mit Lichtquellen und Fotosensoren zum Ablesen der Farben der Oberflächenbereiche 18 bereitgestellt wird.Because the connector elements 28 are located on the underside of the car body 32, easy visual inspection of the surface areas 18 will typically need to be made in a maintenance facility where a pit is provided for personnel. However, it is also conceivable to also enable a convenient inspection on the track by providing a reading device adapted to the shape of the connector element 28 with light sources and photo sensors for reading the colors of the surface areas 18 .

Wenn die zu überwachenden Verbinderelemente Teil eines Stromnetzes einer stationären Anlage sind, beispielsweise einer Windkraftanlage, so lässt sich ein solches Lesegerät auch für eine temporäre oder dauernde Fernüberwachung der Verbinderelemente einsetzen.If the connector elements to be monitored are part of a power supply system of a stationary installation, for example a wind turbine, such a reading device can also be used for temporary or permanent remote monitoring of the connector elements.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102014112701 A1 [0003]
US2005221674A1 [0006]
WO 2017/132222 A1 [0007]

Claims

Electrical connector element for power networks (30) in systems that are serviced at certain time intervals, which connector element has at least one electrically conductive contact element (12; 12') and a mechanical holding structure which is designed to detachably hold the contact element in a contact position on a counter-contact element to hold, the connector element comprising at least one thermally conductive component (14; 24) having a surface area (18) which is visible in the contact position from outside the connector element, characterized in that the visible surface area is formed by an irreversibly thermochromic material .

connector element claim 1 , in which the irreversibly thermochromic material undergoes a first color change from a first color (g) to a second color (y) at a first transition temperature (T2) and a second color change from the second color (y) at a higher second transition temperature (T3) to a third color (r).

connector element claim 1 or 2 , in which the thermochromic material, in addition to at least one irreversible color change, also has a reversible color change at a temperature which differs from the transition temperatures of the irreversible color changes.

Connector element according to one of the preceding claims, in which, in addition to the surface area (18) with irreversibly thermochromic material, a surface area with reversibly thermochromic material is also provided.

Connector element according to one of the preceding claims, having a plurality of contact elements (12) to which a separate irreversibly thermochromic surface area (18) is assigned in each case.

Connector element according to one of the preceding claims, in which at least one irreversibly thermochromic surface region (18) is located on a thermally conductive but electrically insulating material.

Redundant power network (30) with a plurality of connector elements (28), each designed as a junction box claim 2 .

Use of a connector element according to one of Claims 1 until 6 in a power supply system (30) of a rail vehicle.

Use of a connector element according to one of Claims 1 until 6 in a power grid in a nacelle of a wind turbine.