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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein aus Polytetrafluorethylen bestehendes
ungesintertes Wickelband mit einer plankonvexen Querschnittsform,
die bestimmt ist durch eine gekrümmte obere und eine weitgehend
gerade untere Begrenzungslinie, zur Herstellung von kompakten oder
mindestens nach einer Teilsinterung des Bandmaterials der Wickellagen
selbsttragenden Hüllen für elektrische Kabel und
Leitungen.
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Zur
Isolierung elektrischer Leiter sind bereits Wickelbänder
der genannten Art aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bekannt (
DE 32 14 447 C2 ).
Der Vorteil dieser Wickelbänder gegenüber bekannten
Bändern mit einer rechteckigen Querschnittsform ist u.
a. der, dass sich für den Wickelkörper glatte
und dichte Oberflächen erreichen lassen. Zudem ist ein
Aufreißen der Isolierung im Überlappungsbereich
der Bandkanten vermieden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
den als Isolierwerkstoffe bekannten Wickelbändern im Bereich
elektrischer Kabel und Leitungen neue Anwendungsbereiche zu erschließen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch, dass das ungesinterte Wickelband neben dem in Pulverform
vorliegenden Polytetrafluorethylen und den Schmier- oder Gleitmitteln
leitfähige Füllstoffe, wie Ruß, Graphit,
Metalloxide oder dergl. enthält. Die auf diese Weise halbleitenden
ungesinterten PTFE-Wickelbänder mit der genannten plankonvexen
Querschnittsform sind geeignet, Umhüllungen oder Schichten
im Aufbau elektrischer Kabel und Leitungen herzustellen, bei denen
es auf eine besonders gleichmäßige Stromverteilung
ohne Unstetigkeitsstellen an der Oberfläche oder im Inneren
der leitfähigen Schichten ankommt. Die Bezeichnung Polytetrafluorethylen schließt
dabei auch Tetrafluorethylen-Polymere ein, die mit modifizierenden
Zusätzen versehen sind, jedoch in einer solchen Menge,
dass das Polymere, wie das Polytetrafluorethylen selbst, aus der
Schmelze nicht verarbeitbar ist.
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Bekannt
ist es bereits (
WO
2006/117679 A2 ), dem in Pulverform vorliegenden Polytetrafluorethylen leitfähige
Füllstoffe zuzumischen und durch eine sogenannte Pastenextrusion
mit anschließendem Auswalzen der Preform leitfähige
Bänder herzustellen, die mit einer rechteckigen Querschnittsform
im gesinterten Zustand des Bandmaterials z. B. als Abschirmung in
elektrischen Kabeln verwendet werden.
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Die
Rechteckform der bekannten, bereits gesinterten Bänder
führt jedoch im Überlappungsbereich der Bandkanten
zu unvermeidbaren Lufteinschlüssen im Wickelkörper,
eine gleichmäßige Stromverteilung über
den Querschnitt in Achsrichtung des Kabel oder quer dazu, lässt
sich so nicht erreichen. Zudem ergeben sich an der Oberfläche
des Wickelkörpers Unstetigkeitsstellen im Bereich der überlappenden
Bandkanten, die im Zusammenhang mit den Lufteinschlüssen
im Inneren eine optimale Schirmwirkung der leitfähigen
Bandwickel nicht zulassen.
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In
Durchführung der Erfindung beträgt der Anteil
der leitfähigen Füllstoffe im Polytetrafluorethylenpulver
1,5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 20 Gew.-%. Damit ergeben sich
vorteilhafte Oberflächenwiderstände der erfindungsgemäßen
ungesinterten Wickelbänder von 10 Ohm/mm2 bis
10 MOhm/mm2.
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Wesentlich
für eine gute Schirmwirkung von Wickellagen aus dem erfindungsgemäßen
Wickelband ist neben der Querschnittsform auch eine Banddicke von
20 bis 200 μm, vorzugsweise 40 bis 160 μm, wobei
die Banddicke zu den Bandkanten bzw. zum Rand des Bandes hin auf
5 μm und weniger abnimmt. Zur Schaffung optimaler Verhältnisse
sollte die Breite des Bandes nach der Erfindung 5 bis 50 mm, vorzugsweise
10 bis 30 mm betragen.
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Durch
die Einbettung leitfähiger Füllstoffe in eine
hochwärmebeständige Polymermatrix ist die durch
die Erfindung erzielte Schirmung eines elektrischen Feldes in einem
weiten Temperaturbereich von –100°C bis +200°C
und sogar darüber wirksam. Das ist ein weiterer Grund dafür,
dass eine aus dem Wickelband nach der Erfindung bestehende Bewicklung
eine vorteilhafte Anwendung im Bereich koaxialer Hochfrequenzkabel
findet. Je nach den im Schichtenaufbau solcher Kabel zur Übertragung
hochfrequenter Signale verwendeten Isolierwerkstoffen, niedrig oder
hochschmelzende Polymere, wird man das Wickelband nach der Erfindung
als kompakten Wickelkörper ausbilden oder nach einer Teil-
oder vollständigen Sinterung des Bandmaterials zwischen 300
und 400°C zu einer selbsttragenden Hülle formen.
Die einzelnen Bandlagen sowie die durch die gewählte Bandquerschnittsform
extrem dünnen Kanten oder Ränder des Wickelbandes
verschweißen bei den Sintertemperaturen und unter dem Einfluss des
dabei wirksam werdenden Schrumpfdruckes zu einer hohlraumfreien,
dichten Hülle.
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Diese
Kompaktierung der einzelnen Wickellagen bei Sintertemperaturen und
der dabei durch das erfindungsgemäße Wickelband
und den Schrumpfprozess erfolgenden gleichmäßigen
Verteilung der leitfähigen Füllstoffe über
die Kabellänge und den Kabelquerschnitt führt
zu einer weiteren besonders vorteilhaften Anwendung des Wickelbandes, nämlich
für Wärme erzeugende Heizkabel, und insbesondere
bei solchen, die in einem Temperaturbereich von –190°C
bis +2600°C einsetzbar sind und bei denen mindestens zwei
elektrische Leiter durch ein Wärme erzeugendes Heizelement
aus halbleitenden Kunststoffen elektrisch leitend miteinander verbunden
sind.
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Heizkabel
der genannten Art, die auch unter der Bezeichnung Heizleitungen
oder Heizbänder Eingang in die Technik gefunden haben,
werden seit vielen Jahren beispielsweise als sog. Rohrbegleitheizungen
eingesetzt, um ein Einfrieren der in den Rohren geförderten
Medien zu verhindern oder dafür zu sorgen, dass die Medien
die für ihren Transport benötigten Eigentemperaturen
behalten. Auch für dampfgespülte Rohre oder Rohrsysteme
sorgen sog. Begleitheizungen für den Temperaturerhalt oder
für eine Temperaturerhöhung.
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Die
Beheizung von Rohrleitungssystemen ist auch ein Problem im Flugzeugbau,
wo es darauf ankommt, einen ausreichenden Frostschutz für
die im Flugzeug befindlichen Wasserleitungen zu gewährleisten,
wenn das Flugzeug auf langen Flügen extremen Außentemperaturen
ausgesetzt ist. In allen diesen Fällen bietet die Errfindung
die Möglichkeit, die thermische Belastbarkeit bekannter
Heizelemente zu verbessern und vor allem dafür zu sorgen,
dass das Heizkabel, die Heizleitung oder das Heizband, durch kurzfristige
Temperaturüberlastung nicht geschädigt oder zerstört
wird Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Betriebssicherheit
von Heizkabeln mit Heizleitern aus halbleitenden Kunststoffen.
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Die
elektrischen Leiter können im Heizkabel nach der Erfindung
parallel zueinander geführt sein. Das ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn für bestimmte Anwendungszwecke,
etwa für die Rohrbegleitheizung, ein flaches Heizkabel
gefordert wird, das Heizkabel also eher die Form eines Bandes aufweist.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
ist die, wenn die elektrischen Leiter im Heizkabel miteinander verseilt
sind. Damit entspricht diese Ausführungsform eher den heute üblichen Heizkabeln
mit einem zentralen elektrischen Widerstands-Heizleiter in koaxialer
Ausführung.
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In
Durchführung der Erfindung ist das die Wärme erzeugende
halbleitende, noch ungesinterte PTFE Band in einer oder mehren Lagen
um jeden der zur Stromversorgung vorgesehenen unisolierten elektrischen
Leiter, der sog. Kaltleiter, derart herumgewickelt, dass die obersten
Lagen der PTFE Bewicklung der jeweils benachbarten parallel geführten oder
miteinander verseilten Leiter einander kontaktieren.
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Um
sicherzustellen, dass die elektrischen Leiter über ihre
halbleitende Umwicklung nicht nur eine punkt- oder linienförmige
Berührung untereinander aufweisen, sie vielmehr in einer
halbleitenden PTFE Matrix eingebettet sind, ist nach der Erfindung ferner
vorgesehen, dass die mit dem halbleitenden Band aus Polytetrafluorethylen
umwickelten Einzelleiter zusätzlich von einer allen Leitern
gemeinsamen Bewicklung aus dem halbleitenden Band nach der Erfindung
umgeben sind. Wird dann entsprechend der Erfindung zur Herstellung
einer selbsttragenden Hülle der PTFE Werkstoff der Bewicklungen
der Einzelleiter sowie der bewickelten Leiter insgesamt durch eine
Temperaturbehandlung gesintert, ergibt sich durch den Schrumpfvorgang
des PTFE Werkstoffes beim Sinterprozess eine kompakte Polymermatrix,
in der die Strom führenden elektrischen Leiter eingebettet
sind.
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Zudem
ergibt sich beim Sintern des Bandmaterials durch das Auslaufen der
Bandkanten in den Überlappungsbereich hinein eine besonders
glatte, in sich geschlossene Oberfläche der halbleitenden Bewicklung.
Von den elektrischen Eigenschaften her entspricht die erfindungsgemäße
Polymermatrix mindestens denen bekannter Heizkabel, diesen gegenüber
weist sie jedoch eine wesentlich höhere Wärmestandfestigkeit
auf, d. h., sie ist höher strombelastbar und widersteht
darüber hinaus problemlos kurzfristigen Temperaturüberlastungen.
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Wie
bei bekannten Heizkabeln auch ist der Heizleiter mechanisch zu schützen.
In Weiterführung der Erfindung kann deshalb auf der gemeinsamen Bewicklung
aus dem halbleitenden PTFE Band eine oder mehrere Lagen eines isolierenden
PTFE Bandes angeordnet sein. Auch dieses PTFE Band wird in gewickeltem
Zustand einem Sinterprozess unterworfen, der zu einer starken Schrumpfung
der PTFE Bewicklung und damit zu deren Kompaktierung sowie zu einem
dichten und festen Aufliegen auf der darunter befindlichen halbleitenden
PTFE Bandbewicklung führt.
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Zur
Vermeidung von Unfallgefahren, beispielsweise auch durch Kurzschluss
im elektrisch leitende Teil innerhalb des Heizkabels, ist die Bewicklung
aus dem halbleitenden PTFE Band von einem Schutzleiter in Form aufgeseilter
oder – geflochtener metallischer Drähte umgeben. Überdeckt
wird dieser Schutzleiter nach der Erfindung von einem äußeren Mantel
in Form einer Bewicklung aus einem isolierenden PTFE Band, das ebenfalls
im Anschluß an den Wickelvorgang einem Sinterprozess unterworfen worden
wird.
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Nach
der Erfindung weist das Wickelband zur Erzielung der gewünschten
Qualitätsmerkmale eine besondere, nämlich eine
plankonvexe Querschnittsform auf. Bei einer solchen Querschnittsform kommt
es darauf an, dass sie einen verstärkten mittleren Bereich
aufweist, der nach beiden Seiten, d. h., zu den Bandkanten hin,
flach abfällt und zwar auf eine minimale Banddicke. Durch
die beim Sinterprozess sichere Verklebung oder Verschweissung der einzelnen
Bandlagen, einschließlich der extrem dünnen Bandkanten,
untereinander, ergibt sich auch eine wesentliche Erhöhung
der Biegewechselfestigkeit. Das gilt sowohl für die erfindungsgemäßen
halbleitenden als auch für die bekannten isolierenden PTFE
Bänder, die bei dem Heizkabel nach der Erfindung eingesetzt
werden.
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Die
halbleitenden Eigenschaften des nach der Erfindung verwendeten Wickelbandes
aus Polytetrafluorethylen zur Herstellung einer halbleitenden Polymermatrix
oder zur Herstellung halbleitender kompakter Bandwickel werden erreicht
durch die erwähnten leitfähigen Füllstoffe,
wie Ruß, Graphit, Metalloxide und dergl., die nach einem
weiteren Erfindungsgedanken zusammen mit dem PTFE Pulver und den üblichen
Gleit- oder Schmiermitteln vermischt und zu einem zylinderförmigen
Rohling verpresst werden. Anschließend wird dieser Rohling zweckmäßig
zu einem Strang geringerer äußerer Abmessungen
ausgepresst, etwa zu einer Rundschnur, und schließlich
im Formspalt eines Walzenpaares zu einem Band ausgewalzt, wobei
die Oberfläche mindestens einer Walze während
des Auswalzens der Rundschnur zum leitfähigen Band druckbelastet
verformt wird. Die Druckbelastung der leitfähigen Rundschnur
erfolgt hierbei in radialer Richtung derart, dass die im druckbelasteten
mittleren Bereich der Rundschnur verbleibende Materialmenge aus
Polytetrafluorethylenpulver, Schmier- oder Gleitmittel und leitfähigen
Füllstoffen größer ist, als die zu den
Bandkanten hin verbleibende Materialmenge. Diese Art der Umformung
einer Rundschnur zum erfindungsgemäßen Wickelband
vermeidet die nachteilige Orientierung der Materialteilchen in nur
eine Richtung. Die ungleichmäßige Materialverteilung über
den Querschnitt mit einer Materialanhäufung im mittleren und
einer Materialverringerung in den beidseitigen Randbereichen des
Wickelbandes führt schon bei einem Bandwickel ohne anschließende
Sinterung des Bandmaterials zu einer weitestgehend stoßfreien und
mithin nach außen hin glatten leitfähigen Bewicklung,
die sich mit bekannten leitfähigen Wickelbändern
rechteckförmigen Querschnitts nicht erreichen lässt.
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Die
Erfindung sei anhand der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigt die 1 ein flaches Heizkabels, bei
dem zwei stromführende unisolierte elektrische Leiter in
einer halbleitenden Polymermatrix eingebettet sind, während
in der 2 ein besonders rauscharmes elektrisches koaxiales
Hochfrequenzkabel als Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist.
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Zur
Erhöhung der Flexibilität des elektrischen Heizkabels
nach der Erfindung bestehen, wie aus der 1 ersichtlich,
die beiden hier parallel zueinander angeordneten, den Speisestrom
führenden Leiter 1 (Kaltleiter) aus einer Vielzahl
aus miteinander verseilten oder verwürgten Kupferdrähten,
die vernickelt, verzinnt oder auch versilbert sein können.
Die Leiter 1 sind jeweils umschlossen von einer Bewicklung 2 aus
den ungesinterten, durch einen Rußanteil von beispielsweise
5% halbleitenden PTFE Bändern mit der plankonvexen Querschnittsform,
die im ungesinterten Zustand des Bandmaterials auf die Leiter 1 aufgebracht,
vorzugsweise mit Überlappung, beispielsweise bis zu 50%,
und im aufgewickelten Zustand durch eine entsprechende Temperaturbehandlung
bei etwa 350°C–400°C gesintert werden.
Das aus den beiden nebeneinander liegenden Leitern 1 bestehende
Aderpaar ist mit 3 bezeichnet, die stromführenden
Leiter 1 sind über ihre jeweiligen Bewicklungen 2 elektrisch
leitend miteinander verbunden.
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Ist,
wie in Durchführung der Erfindung vorgesehen, das Aderpaar 3 mit
einer weiteren Bewicklung 4, ebenfalls aus den halbleitenden
PTFE Bändern besonderer Querschnittsform, versehen, so
ergibt sich nach einem Sinterprozess und dem dabei erfolgenden Schrumpfen
des Bandmaterials eine kompakte Matrix aus den Bewicklungen 2 und 4 aus
halbleitendem Polytetrafluorethylen, in der die beiden stromführenden
Leiter 1 eingebettet sind.
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Überdeckt
wird diese Matrix durch die Bandbewicklung 5 aus einem
isolierenden PTFE Band, das wiederum in ungesintertem Zustand aufgebracht und
als gewickelte Schicht einem Sinterprozess mit entsprechender Temperaturbehandlung
unterworfen wird, sodass die einzelnen Bandlagen zu einer kompakten
Isolierung verschweissen.
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Der
bei solchen Heizkabeln aus Sicherheitsgründen vorgeschriebene
Schutzleiter ist mit 6 bezeichnet, er besteht zur Erzielung
einer weitgehenden, über den Umfang reichenden Bedeckung
aus einer Vielzahl von einzelnen Kupferdrähten, die z.
B. zur Vermeidung von Korrosionen zusätzlich mit einem
geeigneten metallischen Werkstoff beschichtet sind. Der äußere
Mantel 7 des erfindungsgemäßen Heizkabels
besteht aus einer Bewicklung aus isolierenden PTFE Bändern,
die zur Kompaktierung der einzelnen Bandwindungen oder -lagen sowie
zur Erzielung einer geschlossenen und glatten Oberfläche zunächst
in ungesintertem Zustand auf den Schutzleiter 6 aufgebracht
werden, bevor das PTFE Material der Bänder einem Sinterprozess
unterworfen wird.
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Zur
Herstellung eines Heizkabels nach der Erfindung kann man so vorgehen,
dass die Temperaturbehandlung zum Zwecke der Sinterung des Bandmaterials
für die einzelnen Schichten im Kabelaufbau jeweils im Anschluss
an einen Wickelvorgang erfolgt. Man kann in Weiterführung
der Erfindung aber auch so vorgehen, dass zunächst alle
Wickelvorgänge für die einzelnen Schichten abgeschlossen
werden, bevor die Temperaturbehandlung für alle im Kabel
befindlichen, gewickelten PTFE Bänder gleichzeitig erfolgt.
Hierdurch können einzelne Arbeitsgänge eingespart
werden.
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Das
Heizkabel nach der Erfindung ist für einen Temperaturbereich
von –190°C bis +260°C problemlos einsetzbar.
Im Gegensatz zu bekannten Heizkabeln mit PTC Effekt lässt
das erfindungsgemäße Heizkabel kurzfristige Temperaturüberlastungen zu,
ohne dass Kurzschlüsse im Kabel aufgrund schmelzenden Polymermaterials
zu befürchten sind. Dieses Heizkabel weist eine hohe mechanische
Festigkeit und eine hohe Kältefestigkeit auf, zudem ist
es stabil auch bei hohen Betriebstemperaturen. Die Betriebsspannung
dieses Heizkabels liegt bei 600 V.
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Eine
andere vorteilhafte Anwendung des leitfähigen Wickelbandes
nach der Erfindung zeigt die 2. Hier
ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein koaxiales
Hochfrequenzkabel mit einem maximalen Außendurchmesser
von nur 3,2 mm beschrieben. Der z. B. aus Kupfer bestehende Innenleiter 8 kann massiv
ausgebildet sein, er kann aber auch aus einer Vielzahl verseilter
Einzelleiter, etwa aus versilberten oder verzinkten Kupferdrähte,
bestehen. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine hohe
Flexibilität des Kabels verlangt wird. Wegen des möglichen Einsatzes
des nach der Erfindung aufgebauten Kabels in einem Temperaturbereich
zwischen –100°C und +200°C besteht die
Isolierung 9 aus einem Fluorpolymer. Das kann ein aus der
Schmelze verarbeitbares Fluorpolymer sein, z. B. ein Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymerisat (TFA/PFA),
ein Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP) oder auch
ein Polytetrafluorethylen-Perfluormethylvinylether (MFA) oder ein
anderes geeignetes bekanntes schmelzbares Fluorpolymer. Man kann
die Isolierung 9 aber auch aus einem Wickelband aus Polytetrafluorethylen
herstellen, also aus einem Fluorpolymer, das aus der Schmelze nicht verarbeitbar
ist. Die Isolierung 9 wird überdeckt von einer
Bewicklung 10 aus dem erfindungsgemäßen halbleitenden
Wickelband aus Polytetrafluorethylen, das im Ausführungsbeispiel
15% leitende Füllstoffe enthält. Diese Bewicklung 10 ist
entscheidend für die Reduktion der Rauschspannung dieses
Hochfrequenzkabels, die Bewicklung 10 wird überdeckt
von einem ersten Geflecht 11 aus metallischen Drähten, beispielsweise
aus versilberten Kupferdrähten. Eine Isolierschicht 12,
vorteilhaft aus einer oder mehreren Lagen eines Wickelbandes aus
Polytetrafluorethylen, das nach Fertigstellung des Wickels auch
gesintert werden kann, überdeckt das Geflecht 11.
Mit 13 ist ein sog. Zwischenmantel bezeichnet, er besteht
hier aus einer Schicht aus einem aus der Schmelze verarbeitbaren
Fluorpolymer, zum Beispiel aus einem FEP. Umschlossen wird dieser
Zwischenmantel 13 von einem zweiten Geflecht 14,
das im Ausführungsbeispiel wie das Geflecht 11 aufgebaut
ist. Das dargestellte Kabel ist nach Außen geschützt
durch den Mantel 15, beispielsweise wiederum aus einem
Tetrafluorethylen/Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP).
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Mitunter
kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Bewicklung 10 den
Innenleiter 8 unmittelbar umschließt oder so angeordnet
ist, dass sie das Geflecht 11 und oder 14 kontaktiert.
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Das
mit dem halbleitenden Wickelband nach der Erfindung ausgestattete
koaxiale Hochfrequenzkabel zeichnet sich durch einen über
die Kabellänge extrem gleichmäßigen Wellenwiderstand
von 50 Ohm bei 20°C und ausgezeichneten Rauscheigenschaften
aus. Die Reduzierung der Rauschspannung ist darauf zurückzuführen,
dass die Verwendung des halbleitenden Wickelbandes mit seiner plankonvexen Querschnittsform
eine kompakte Hülle (10) gewährleistet,
die über die Kabellänge keine Durchmesserschwankungen
bei einer glatten und geschlossenen, im Bereich der überlappenden
Bandkanten praktisch stoßfreien Oberfläche erfährt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3214447
C2 [0002]
- - WO 2006/117679 A2 [0004]