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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen geschirmten elektrischen Verbinder zur Verbindung oder Verteilung von geschirmten elektrischen Leitungen oder Steckverbindern untereinander sowie auf Verfahren zur Herstellung des geschirmten elektrischen Verbinders.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der
DE 196 13 282 B4 ist ein elektrischer Steckverbinder mit Anschlusskabel bekannt mit einer metallischen Kupplungseinrichtung mit Überwurfmutter oder mit Schraube und mit einem einwärts gerichteten Kragen, der mit einer gecrimpten Hülse in Kontakt steht und die Verbindung zwischen der Kupplungseinrichtung und der Abschirmung des Abschlusskabels herstellt. Die Herstellung eines geschirmten Steckverbinders mit gecrimpter Schirmhülse ist aufwändig, es werden viele Einzelteile benötigt und die Vorbereitung des anzuschließenden Kabels wird von Hand durchgeführt, ebenso wie die Montage der vielen Einzelteile. Im Falle von Steckverbindern in Winkelform ist die Herstellung noch schwieriger zu bewältigen. Die elektrische Verbindung durch Crimpen von Teilen ist ferner nicht immer sicher, insbesondere kann sich der Übergangswiderstand an der Crimpverbindung bei Temperaturwechsel und bei Alterung ändern, was die Abschirmqualität des Steckverbinders herabsetzt.
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Aus dem
US-Patent 5,106,513 ist ein geschirmter gespritzter elektrischer Verbinder bekannt, bei dem ein hülsenförmiges metallisches Gehäuse kabelseitig mit Schlitzen zur Bildung von Laschen vorgesehen ist, die auf die Metallgeflecht-Abschirmung des Kabels gepresst werden, wonach das hülsenförmige Metallgehäuse hinter der metallischen Verbinderkupplung, die freigelegte Metallgeflecht-Abschirmung und das Kabelende mit thermoplastischem Material umspritzt werden. Das thermoplastische Material enthält Litzen aus dünnem Metalldraht, die während des Spritzvorganges gegen das hülsenförmige Metallgehäuse gepresst werden, um gute elektrische Kontinuität zwischen Kabel und Verbinder oder zu den hülsenartigen Gehäusen von Steckverbindern herzustellen. Auch hier kann der Übergangswiderstand zwischen den Abschirmteilen sich bei Temperaturwechsel und bei Alterung verschlechtern.
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Aus der
DE 10 2008 018 403 A1 und der
WO 2011/151373 A1 ist ein Steckverbinder mit einem daran angeschlossenen geschirmten Kabel bekannt, bei dem eine gespritzte Schirmhülse aus elektrisch leitendem Material, insbesondere einem elektrisch leitendem Kunststoff, die Kabelabschirmung mit der Kupplungsmutter des Steckverbinders elektrisch verbindet. Unter elektrisch leitendem Kunststoff wird allgemein ein mit Metallfasern gefüllter Kunststoff verstanden. Solches elektrisch leitfähiges Material macht jedoch nur schwache Kontakte zu anderen metallischen Oberflächen des Steckverbinders oder des Kabels, so dass der Übergangswiderstand an den Übergangsflächen zwischen dem elektrisch leitenden Kunststoffmaterial und den metallischen Flächen am Steckverbinder bzw. an der Kabelabschirmung erhöhte Werte aufweist, die sich zudem noch verschlechtern können, wenn sich in Folge des Schrumpfens oder Schmelzens des Kunststoffs Spalte oder Risse an den Übergangsflächen auftun.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen geschirmten elektrischen Verbinder mit guter Schirmverbindung zwischen geschirmten elektrischen Leitungen und/oder geschirmten Steckverbindern zu schaffen.
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Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, einen langlebigen geschirmten elektrischen Verbinder zu schaffen, bei welchem die Übergangswiderstände zwischen den beteiligten Komponenten der Schirmung während der Lebensdauer des Verbinders gering bleiben.
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Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, einen geschirmten elektrischen Verbinder zu schaffen, welcher einfach und weitestgehend maschinell herstellbar ist und möglichst wenige Einzelteile aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Im Einzelnen enthält der geschirmte elektrische Verbinder ein oder mehrere Leitungselemente, die wenigstens einer Leitung oder wenigstens einem Steckverbinder angehören. Die Leitungselemente können beispielsweise als Leitungsadern eines elektrischen Kabels oder als Fortsetzungen von Steckerkontaktelementen eines Steckverbinders ausgebildet sein. Der Verbinder umfasst ferner eine oder mehrere Abschirmhüllen und/oder ein oder mehrere Abschirmgehäuse, die wenigstens einer Leitung bzw. wenigstens einem Steckverbinder angehören. Die Erfindung umfasst ferner ein Schirmgehäuse, das entweder mehrere Abschirmhüllen untereinander, oder wenigstens eine Abschirmhülle mit wenigstens einem Abschirmgehäuse, oder mehrere Abschirmgehäuse untereinander verbindet, oder einen Teil des Abschirmgehäuses bildet, wobei das Schirmgehäuse aus einem gegossenen Metallkörper besteht, der in situ auf Ringbereiche der einen Abschirmhülle oder der mehreren Abschirmhüllen, oder des einen Abschirmgehäuses oder der mehreren Abschirmgehäuse gegossen worden ist und dort eine Verankerung mit geringem elektrischem Übergangswiderstand ergibt und eine vollständige, insbesondere lückenlose Schirmung des Verbinders bewirket.
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Mit anderen Worten besteht die das Schirmgehäuse vorzugsweise nicht aus vorgefertigten Schalen- oder Hülsenteilen, sondern es wird beim Zusammenbau bzw. im Konfektionsprozess des Verbinders unmittelbar an den Verbinder, insbesondere an aus Kunststoff bestehende Bestandteile des Verbinders und darum herum angegossen. Es wird demnach flüssiges Metall bzw. eine flüssige Metalllegierung direkt an aus Kunststoff bestehende Bestandteile des Verbinders und darum herum gegossen.
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Damit kann Lückenbildung vermieden werden, welche z. B. auftreten kann, wenn eine Hülse auf die Abschirmhülle eines Kabels gecrimpt wird, oder die Abschirmung zwei gecrimpte Hülsen umfasst. Ferner ist der Übergangswiderstand zwischen den Abschirmhüllen von Kabeln und/oder den Abschirmgehäusen von Steckverbindern zu dem in situ aus flüssigem Metall angegossenen und die Abschirmhüllen und/oder die Abschirmgehäuse miteinander verbindenden Schirmgehäuse gering. Die von dem in situ angegossenen Schirmgehäuse hergestellten elektrischen Verbindungen sind ferner langlebig und unterliegen nur in geringem Maße Alterungsprozessen. Da bei der Erfindung nicht mit vorgefertigten aufzumontierenden Schirmhülsen gearbeitet wird, ist die Herstellung des Verbinders vereinfacht. Eine besonders große Vereinfachung und Qualitätsverbesserung ergibt sich ersichtlich bei Winkelverbindern.
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Bei der Herstellung des Schirmgehäuses durch Metallguss direkt an die Abschirmhüllen und/oder Abschirmgehäuse ergibt sich eine gute Verankerung und innige Verbindung zwischen den angrenzenden Teilen der Schirmung, was zu einem geringen Übergangswiderstand zwischen den Teilen der Abschirmung führt. Bei entsprechender Wahl der Materialien der miteinander zu verbindenden Teile kann es sogar zu einer metallurgischen Verbindung kommen. Eine solche Verbindung ist besonders dauerhaft und von gleichbleibender Qualität.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Schirmgehäuse wenigstens teilweise auf und um einen Zwischenisolierkörper aus temperaturfestem elektrisch isolierendem Material gegossen, der die Leitungselemente beim Gießvorgang des Schirmgehäuses schützt. Zur Handhabung der Leitungselemente beim Zusammenbau des Verbinders werden die Enden der Leitungselemente, beispielsweise die Leitungsadern eines Kabels, von der Abschirmhülle frei gemacht, die typischerweise aus einem Metallgeflecht besteht. Auch wenn die Leitungselemente von einer Leitungsisolierung umgeben sein sollten, kann es vorteilhaft sein, die Leitungselemente mit einem zusätzlichen Zwischenisolierkörper besser gegen den heißen Metallschmelzfluss beim Gießen des Schirmgehäuses zu schützen. Der Zwischenisolierkörper kann aus wärmeresistentem elektrisch isolierendem Material bestehen und genügend dick gemacht werden, um den Anforderungen beim Gießen des Schirmgehäuses zu genügen.
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Im Falle eines Steckverbinders zum paarenden Verbinden mit einem Gegensteckverbinder werden die rückwärtigen Fortsetzungen der Kontaktelemente des Steckverbinders als die Leitungselemente genutzt. Die Kontaktelemente werden zweckmäßig von einem elektrisch isolierenden Verbindergehäuse beherbergt. Um dieses Verbindergehäuse, welches die Kontaktelemente oder Leitungselemente hält, ist eine Kupplungshälfte des Steckverbinders herum gebaut, die als eine elektrische Abschirmverbindung zu dem Gegensteckverbinder wirksam ist. Dies stellt einen einfachen und sicheren Aufbau eines geschirmten Steckverbinders dar.
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Das Abschirmgehäuse des Steckverbinders kann ein metallisches Verbindungsteil und metallische Halbschalen umfassen, die auf dem isolierenden Verbindergehäuse mithilfe eines Überwurfrings befestigt sind und Teil der Kupplungshälfte des Steckverbinders bilden. Ein rückwärtiges Randteil des metallischen Verbindungsteil ist von dem Schirmgehäuse umgossen, so dass eine gute elektrische Verbindung zu dem Abschirmgehäuse des Steckverbinders gegeben ist, was die Abschirmgüte des Steckverbinders ausmacht.
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Wenn der Steckverbinder für eine Datenleitung ausgebildet und vorzugsweise mehrere Leitungselemente aufweist, werden diese von einem Zwischenisolierkörper aus elektrisch isolierendem und thermisch schlecht leitendem Material geschützt. Die thermische Leitfähigkeit des Materials des Zwischenisolierkörpers liegt in diesem Fall vorzugsweise zwischen 0,01 und 10 W/m·K. In Betracht kommen z. B. Polyethylenterephtalat (PET), Polyurethan kompakt (PUR), Polyimid (z. B. Kapton®), Polytherimid (PEI), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (z. B. Nylon® oder Perlon®), Polypropylen (PP), Polycarbonat (z. B. Makrolon®), Epoxydharz, Polymethylmetacrylat (PMMA), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polysiloxan (Silikon) und Polybutylenterephthalat (PBT). Ggf. besteht der Zwischenisolierkörper aus einem geschäumten Kunststoff, mit welchem eine thermische Leitfähigkeit zwischen 0,01 und 0,1 W/m·K, vorzugsweise um 0,02 W/m·K, erreicht werden kann. Hierdurch wird ein guter Schutz empfindlicher Drahtisolierungen beim Gießen des Schirmgehäuses erzielt.
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Wenn eines der Leitungselemente des Steckverbinders die Schutzerde führt (PE-Leiter), wird das Abschirmgehäuse vorzugsweise mit einer gegossenen Abzweigung unmittelbar an die Schutzerde angegossen. Dies stellt eine einfache und sichere Verbindung zwischen der äußeren Abschirmung und der innen verlaufenden Schutzerde (PE-Leiter) dar, welche insgesamt die Konstruktion des Steckverbinders vereinfacht.
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Im Falle eines Leistungssteckverbinders wird der Zwischenisolierkörper aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Material hergestellt. Vorzugsweise ist das Schirmgehäuse mit Kühlrippen versehen und wird insbesondere einschließlich der Kühlrippen auf den thermisch gut leitenden Zwischenisolierkörper in situ aus Metall gegossen. Die thermische Leitfähigkeit des Materials des Zwischenisolierkörpers liegt in diesem Fall vorzugsweise zwischen 0,2 und 10 W/m·K. In Betracht kommen z. B. LATICONTHER® oder ein vorgefertigter Zwischenisolierkörpers aus Keramik. Bei starker Belastung und großer Wärmeentwicklung beim Leistungssteckverbinder kann somit bei einem einfachen Aufbau des Leistungssteckverbinders trotzdem eine gute Wärmeabfuhr erfolgen.
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Der Zwischenisolierkörper kann sowohl beim Datenverbinder als auch beim Leistungsverbinder entweder als vorgefertigter Zwischenisolierkörper eingesetzt werden oder, wenn ein thermoplastischer Kunststoff verwendet wird, in situ spritzgegossen werden, bevor das Schirmgehäuse gegossen wird, was einen effizienten Herstellungsprozess erlaubt.
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Der erfindungsgemäße Verbinder kann auch als Mehrfachverteiler für eine oder mehrere geschirmte Leitungen und/oder einen oder mehrere geschirmte Steckverbinder ausgestaltet sein. Es wird ein Verteilkörper mit mehreren Anschlussstellen für Leitungselemente vorgesehen, die entweder einer oder mehreren Leitungen, oder einem oder mehreren Steckverbindern angehören. Dieser Verteilkörper und angrenzende Leitungselemente werden bei der Herstellung des Schirmgehäuses und auch später während des Betriebs des Mehrfachverteilers geschützt. Das Schirmgehäuse umgibt den Zwischenisolierkörper unmittelbar und ist je nach Verbindungs- und Verteilpartner entweder an Ringbereiche von Abschirmhüllen der geschirmten Leitungen und/oder an Endbereiche von Abschirmgehäusen der Steckverbinder in situ gegossen und somit innig angeschlossen. Die Konstruktion des Verteilers ermöglicht somit eine Vielzahl von unterschiedlichen Mehrfachverteilern bei denen ein oder mehrere Steckverbinderanschlüsse oder ein oder mehrere unmittelbare Leitungsanschlüssen auch gemischt angewendet werden können.
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Um der erfindungsgemäßen Erfindung ein gefälliges Aussehen zu geben und das Schirmgehäuse elektrisch zu isolieren, wie es handelsüblich ist, wird das Schirmgehäuse vorzugsweise von einem isolierenden Schutzmantel aus Kunststoff umgeben.
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Das aus Metallguss bestehende Schirmgehäuse kann z. B. aus einer niedrig schmelzenden Metalllegierung bestehen. Die Solidustemperatur liegt dabei z. B. zwischen 120° und 420°C. Insbesondere kann die Metalllegierung ein Metalllot, z. B. ein Zinn-Lot sein. Z. B. haben sich bei Verwendung von Zinn-Lot (Schmelztemperatur etwa 230°C) keine Schädigungen der umgossenen Kunststoffteile, wie Leitungsisolierungen und Zwischenisolierkörper gezeigt. Insbesondere bei der Verwendung von Metalllot kann das Schirmgehäuse beim in situ Gießen Bestandteile, z. B. eine Verzinnung der Abschirmhüllen oder Abschirmgehäuse anschmelzen und mit dieser verschmelzen, was eine besonders niederohmige Schirm-Verbindung ermöglicht.
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Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung des geschirmten elektrischen Verbinders in seinen verschiedenen Ausführungsformen.
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Das Verfahren zur Herstellung des geschirmten elektrischen Verbinders wird demnach in seiner allgemeinen Form wie folgt durchgeführt:
- a) Verbinden der freien Enden der Leitungselemente miteinander;
- b) Optional Aufbringen des Zwischenisolierkörpers auf den freien Enden der miteinander verbundenen Leitungselemente;
- c) Umgießen der einen oder mehreren freigemachten Abschirmhüllen und/oder der einen oder mehreren Abschirmgehäuse und gegebenenfalls des Zwischenisolierkörpers mit flüssigem Metall zur Bildung des Schirmgehäuses.
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Das Aufbringen des optionalen Zwischenisolierkörper kann dabei materialabhängig durch Spritzgießen des Zwischenisolierkörpers in situ erfolgen oder der Zwischenisolierkörper kann als vorgefertigtes Teil eingesetzt werden.
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Wenn der geschirmte elektrische Verbinder zwei geschirmte Leitungen miteinander verbinden soll, werden die Abschirmhüllen und die Leitungselemente am Ende der beiden Leitungen frei gemacht, die freien Enden der Leitungselemente werden miteinander verbunden und der Zwischenisolierkörper wird auf den freien Enden der miteinander verbundenen Leitungselemente aufgebracht. Anschließend wird der Zwischenisolierkörper und die freigemachten Abschirmhüllen mit flüssigem Metall zur Bildung des Schirmgehäuses umgossen. Auf diese Weise entsteht ein Verbinder mit niedrigem elektrischem Übergangswiderstand zwischen den Abschirmhüllen der miteinander zu verbindenden Leitungen und dem Schirmgehäuse des Verbinders. Dieser niedrige elektrische Übergangswiderstand verspricht dauerhaft niedrig zu bleiben, auch bei robustem Umgang mit dem Verbinder.
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Bei der Herstellung eines elektrisch geschirmten Steckverbinders, bei dem Leitungselemente einer geschirmten Leitung an Kontaktelemente des Verbinders angeschlossen werden, werden die Abschirmhülle und die Leitungselemente am Ende der geschirmten Leitung frei gemacht, die Kontaktelemente werden am Ende der Leitungselemente angebracht und durch Einfügen in das isolierende Verbindergehäuse werden die Kontaktelemente voneinander isoliert. Zwischen dem isolierenden Verbindergehäuse und der Stelle, an der die Leitungselemente von dem Isoliermantel befreit worden sind, also auf frei verbleibenden Leitungselementen, wird der Zwischenisolierkörper, z. B. durch Umspritzen mit temperaturfestem Kunststoff, aufgebracht. Vorzugsweise wird ein Kunststoff verwendet, welcher eine Temperaturfestigkeit bis in den Bereich von etwa 180°C bis 230°C aufweist. Anschließend werden der Zwischenisolierkörper und die frei gemachte Abschirmhülle der Leitung mit flüssigem Metall zur Bildung des Schirmgehäuses umgossen. Auf diese Weise kann ein Steckverbinder mit einfachem, robustem Aufbau hergestellt werden, bei dem der elektrische Übergangswiderstand zwischen Abschirmhülle der Zuführungsleitung und dem Abschirmgehäuse des Steckverbinders niedrig ist und während der Lebensdauer des Steckverbinders niedrig zu bleiben verspricht.
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Bei einer Ausgestaltung des Verbinders als Mehrfachverteiler werden je nachdem, ob der Mehrfachverteiler mit einer oder mehreren Leitungen unmittelbar zu verbinden ist, oder ob der Mehrfachverteiler mit einem oder mehreren einzelnen Steckverbindern zu versehen ist, die Abschirmhülle und die Leitungselemente am Ende der anzuschließenden Leitung oder Leitungen frei gemacht und/oder es werden Steckverbinder mit jeweiligem Abschirmgehäuse und jeweiligen Leitungselementen bereit gestellt. Anschließend werden die Leitungselemente mit einem Verteilkörper verbunden. Daraufhin wird der Zwischenisolierkörper auf den frei gemachten Leitungselementen und um den Verteilkörper herum aufgebracht, z. B. durch Umspritzen mit Kunststoff hergestellt. Anschließend wird der Zwischenisolierkörper und jede frei gemachte Abschirmhülle umgossen und/oder die Randzone des Abschirmgehäuses im Falle eines Steckverbinders wird mit flüssigem Metall zur Bildung des Schirmgehäuses umgossen. Die Erfindung ermöglicht somit eine große Variabilität im Aufbau von elektrisch geschirmten Mehrfachverteilern.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Lötverbindungen zwischen Schirmgehäuse und Abschirmhülle durch teilweises Aufschmelzen an der betroffenen Abschirmhülle geschaffen werden. Solche Lötverbindungen entstehen bei dem Metallgießen des Schirmgehäuses, wenn entsprechende Vorbereitungen an der jeweiligen Abschirmhülle getroffen werden, beispielsweise wenn verzinnte Drahtgeflechte als Abschirmhülle eingesetzt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
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Kurzbeschreibung der Figuren:
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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1 zwei Koaxialkabel mit sich gegenüberstehenden abisolierten Innenleitern und mit freigemachten Enden der Abschirmhüllen,
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2 die Innenleiter mit einer Kupplungshülse verbunden,
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3 die Kupplungshülse mit einem Zwischenisolierkörper versehen,
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4 die Abschirmhüllen der beiden Koaxialkabel über ein Schirmgehäuse verbunden,
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5 den Koaxialkabel-Verbinder nach 4 mit einem Schutzmantel versehen,
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6 einen Längsschnitt durch den Koaxialkabel-Verbinder der 5,
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7 ein abgeschirmtes Kabel mit an den abisolierten Ader-Enden angecrimpten Kontaktelementen,
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8 die Kontaktelemente in ein Verbindergehäuse gesteckt,
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9 die Adern außerhalb des Verbindergehäuses mit einer Zwischenisolierung umspritzt,
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10 das Kabelende mit einem metallischen Schirmgehäuse umgossen, das einen Ringflansch aufweist,
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11 den geschirmten Steckverbinder,
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12 den Steckverbinder nach 11 von einem Schutzmantel umgeben,
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13 einen Längsschnitt durch den Steckverbinder nach 12,
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14 ein vorbereitetes Kabelende an einen Steckverbinderkopf angeschlossen
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15 das Kabelende mit Steckverbinderkopf in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt,
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16 das Kabelende nahe des Steckverbinderkopfes mit einem Zwischenisolierkörper umspritzt,
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17 den Steckverbinderkopf mit umspritztem Kabelende in ein Metallgusswerkzeug eingelegt,
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18 den Steckverbinder mit einem metallischen Schirmgehäuse umgossen,
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19 den Steckverbinder nach 18 mit einem Schutzmantel versehen,
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20 einen Längsschnitt durch einen Leistungssteckverbinder mit Schutzerde-Anbindung,
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21 einen vergrößerten Längsschnitt durch den Kopf des Leistungssteckverbinders in gedrehter Schnittebene,
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22 eine perspektivische Darstellung eines Leistungssteckverbinders,
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23 einen Leistungssteckverbinder in Winkelform,
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24 einen Verteilkörper eines Mehrfachverteilers,
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25 den Verteilkörper mit umspritztem Zwischenisolierkörper,
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26 den Mehrfachverteiler mit Schirmgehäuse,
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27 den Mehrfachverteiler nach 26 mit Schutzmantel und
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28 einen Längsschnitt durch den Mehrfachverteiler nach 27.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die
1–
6 zeigen die Entstehung eines Koaxialkabel-Verbinders. Die Koaxialkabel bilden eine erste geschirmte Leitung
1 und eine zweite geschirmte Leitung
2. Jede Leitung umfasst ein Leitungselement
11 bzw.
21, eine Leitungsisolierung
12 bzw.
22, eine Abschirmhülle
10 bzw.
20 und einen Isoliermantel
13 bzw.
23. Um die Leitungselemente
11,
21 miteinander zu verbinden, wird eine metallische Kupplungshülse
31 benutzt, welche die beiden blanken Enden der Leitungselemente
11 und
21 elektrisch miteinander verbindet. In den Raum zwischen den Leitungsisolierungen
12 und
22 wird ein Zwischenisolierkörper
32 aus temperaturfestem isolierendem Kunststoff spritzgegossen, so dass sich die Leitungsisolierungen der beiden Koaxialkabel etwa auf gleichem Durchmesser begegnen. Die Lücke zwischen den beiden freigelegten Isoliermänteln
13 und
23 wird durch ein Schirmgehäuse
30 geschlossen, das die Abschirmhüllen
10 und
20 elektrisch miteinander verbindet. Die Abschirmhüllen
10,
20 bestehen beispielsweise aus einem Metalldrahtgeflecht, so dass sich beim Umgießen eine gute Verankerung und ein guter elektrischer Kontakt mit dem Schirmgehäuse
30 ergibt. Dies führt zu einem geringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Abschirmhüllen
10,
20 einerseits und dem Schirmgehäuse
30 andererseits. Das Schirmgehäuse
30 besteht somit aus einem in situ gegossenen Metallkörper, der mittels eines Metallgusswerkzeugs erzeugt wird. Ein entsprechendes Metallgusswerkzeug ist in
17 dargestellt. Ggf. wird das in situ gegossene Schirmgehäuse
30 mit Heißkanaltechnik angusslos erzeugt, wie z. B. in der
DE 10 2012 009 790 beschrieben ist, die hiermit durch Referenz inkorporiert wird.
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In der Form nach 4 ist der Koaxialkabel-Verbinder an sich gebrauchsfähig. Üblicherweise wird jedoch noch ein Schutzmantel 33 um das Schirmgehäuse 30 und die benachbarten Enden der Leitungen 1 und 2 gelegt. Damit wird die handelsübliche Form eines Verbinders 3 erhalten. Die geschirmte Verbindung zwischen den beiden Leitungen 1 und 2 ist damit vollständig.
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Die 7–13 zeigen die Entstehung eines Steckverbinders, der eine geschirmte Leitung 1 an Kontaktelemente 34 des Steckverbinders anschließt. Die geschirmte Leitung 1 als Kabel umfasst eine oder mehrere Leitungselemente 11, eine Leitungsisolierung 12, eine Abschirmhülle 10 und einen Isoliermantel 13 rundherum. Wie aus 7 ersichtlich, ist das vordere Ende der Leitung 1 abisoliert, so dass die blanken Enden der Leitungselemente 11, auf welche die Kontaktelemente 34 aufgecrimpt werden, aus der Leitungsisolierung 12 vorstehen und auch die Abschirmhülle 10 und der Isoliermantel 13 sind am vorderen Ende der Leitung 1 durch einen Schnitt bei 14 gekürzt worden. Ferner wurde der Isoliermantel 13 durch einen Schnitt bei 15 bis zum Erreichen der Abschirmhülle 10 eingeschnitten und ein Isoliermantel-Randteil 16 wurde nach vorne in Richtung des Leitungsendes geschoben, um einen axial beidseits begrenzten Abschirmringbereich 101 frei zu legen. Ferner ist eine Überwurfmutter 351 als Teil einer Kupplungshälfte 35 auf das Ende der Leitung 1 bis zum Erreichen des unversehrten Isoliermantels 13 geschoben.
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Die Enden der Leitungselemente 11 werden nunmehr mit den angecrimpten Kontaktelementen 34 in Bohrungen eines isolierenden Verbindergehäuses 36 geschoben, wonach der in 8 dargestellte Zustand entsteht. Wie ersichtlich, gibt es einen freibleibenden Bereich 17 zwischen dem Verbindergehäuse 36 und dem Isoliermantel-Randteil 16, in welchem sich die einzelnen mit Leitungsisolierung 12 versehenen Leitungselemente 11 befinden, wie in 8 dargestellt. Dieser frei verbleibende Bereich 17 wird durch Spritzgießen mit isolierendem Kunststoff, z. B. Macromelt zur Bildung eines Zwischenisolierkörpers 32 geschlossen, wie in 9 dargestellt.
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Ausgehend von dem in 9 dargestellten Zustand, wird ein Schirmgehäuse 30 durch Umgießen des Zwischenisolierkörpers 32 und der Abschirmhülle 10 im Ringbereich 101 aus flüssigem Metall hergestellt. Das so in situ gegossene Schirmgehäuse 30 reicht auch teilweise um das isolierende Verbindergehäuse 36 herum und bildet dort einen Ringflansch 301. Die gefangene Überwurfmutter 351 kann nunmehr über das Schirmgehäuse 30 hinweg bis zur Anlage an den Ringflansch 301 vorgeschoben werden, wie in 11 dargestellt. Dies stellt den gebrauchfähigen Zustand des Steckverbinders dar. Um zur handelsüblichen Ausführungsform zu gelangen, wird noch ein Schutzmantel 33 über das Schirmgehäuse 30 spritzgegossen, wobei der Verbinder das Aussehen gemäß 12 und 13 annimmt.
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Die Herstellung eines weiteren Steckverbinders 4 wird gemäß 14–19 erläutert. Zunächst wird ein Kopf des Steckverbinders 4 an das Ende der Leitungselemente 11 der Leitung 1 angeschlossen. Zu diesem Zweck sind die Leitungselemente 11 und die Abschirmhülle 10 im Abschirmringbereich 101 frei gemacht worden, wie dies anhand der 7 beschrieben worden ist.
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Der Kopf des Steckverbinders 4 weist eine Überwurfmutter 451 auf, die Teil der Kupplungshälfte ist, welche mit einem (nicht dargestellten) Gegensteckverbinder zusammen arbeitet, um den Steckverbinder 4 mit dem Gegensteckverbinder paarend zu verbinden. Von der Überwurfmutter 451 verdeckt ist das vordere Ende eines elektrisch isolierenden Verbindergehäuses 46 zu sehen, in welchem die Kontaktelemente angeordnet sind, die mit den blanken Enden der Leitungselemente 11 verbunden sind. Der Kopf des Steckverbinders 4 umfasst noch ein metallisches Verbindungsteil 41, das am hinteren Endes des Steckverbinderkopfes vorsteht und nach vorne und um das elektrisch isolierende Verbindergehäuse 46 herum reicht, um bei Kupplung mit einem Gegensteckverbinder die Schirmung zu diesem zu gewährleisten.
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Mit 15 ist ein offenes Spritzgusswerkzeug 5 dargestellt, das einen Hohlraum zur Aufnahme des Verbundes aus dem Kopf des Steckverbinders 4 und der Leitung 1 aufweist. Das metallische Verbindungsteil 41 weist einen ersten Abdichtringbereich 411 auf, der zusammen mit dem Isoliermantel-Randteil 16 einen Gießhohlraum 50 begrenzt. Zu diesem Gießhohlraum 50 führt ein Spritzgießkanal 51, über welchen ein elektrisch isolierender Kunststoff gespritzt wird, der die Leitungselemente 11 einhüllt. Nach Erkalten bildet sich ein Zwischenisolierkörper 32, wie in 16 dargestellt.
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Der Roh-Steckverbinder nach 16 wird in den Hohlraum eines Metall-Gusswerkzeuges 6 eingelegt (17), wobei ein Gießhohlraum 60 zwischen dem Isoliermantel 13 der Leitung 1 und einem zweiten Abdicht-Ringbereich 412 abgegrenzt wird. In diesen Gießhohlraum 60 führen Gießkanäle 61 und 62 hinein, durch welche flüssiges Metall einer Metalllegierung, z. B. Zinnlot, eingegossen wird. Nach Erkalten bildet sich aus der erstarrten Metalllegierung das Schirmgehäuse 30, das den Zwischenisolierkörper 32, den Isoliermantel-Randteil 16 und die Abschirmhülle 10 im Abschirmringbereich 101 umschließt. Wenn nicht ansatzlos gegossen worden ist, werden eventuell noch entstandene Angussstutzen entfernt, wonach ein an sich gebrauchsfähiger Steckverbinder erhalten wird, wie er in 18 dargestellt ist. Handelsübliche, geschirmte Steckverbinder weisen jedoch noch einen Schutzmantel 33 um das Schirmgehäuse 30 herum auf, wie dies in 19 und 20 dargestellt ist.
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Um einen solchen handelsüblichen Steckverbinder herzustellen, wird der an sich gebrauchsfähige Steckverbinder in einen Gießhohlraum eines weiteren, nicht dargestellten Spritzgießwerkzeuges so eingelegt, dass das Spritzwerkzeug an dem Abdichtringbereich 412 einerseits und an einem unbetroffenen Bereich des Isoliermantels 13 jenseits des Schirmgehäuses 30 andererseits abdichtet. Danach wird der Steckverbinder der 18 zwischen dem Abdichtringbereich 412 und dem unbetroffenen Bereich des Isoliermantels 13 mit isolierendem Kunststoff umspritzt, wodurch der das Schirmgehäuse 30 umgebende Schutzmantel 33 entsteht und ein handelsüblicher Steckverbinder gemäß 19 erhalten wird.
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Die beschriebenen Arbeiten können vollautomatisiert durchgeführt werden. Durch die Aufteilung in einzelne Schritte und Durchführung dieser Schritte entlang einer Fertigungsstraße, die auch als Rundteller ausgeführt sein kann, ist eine rasche Fertigung möglich. Die gesamte Zykluszeit kann dabei geringer sein, als wenn der Steckverbinder mit einer einzelnen, aber dann dickwandigeren Umspritzung hergestellt werden würde. Wenn die Umspritzungen mit isolierendem Kunststoff und das Umgießen mit flüssigem Metall für drei aufeinander folgende Steckverbinder gleichzeitig ausgeführt werden, wird die Durchlaufzeit pro Stück Steckverbinder von der längsten Zykluszeit in dem Herstellungsprozess bestimmt. Es sei bemerkt, dass das Umgießen mit Metall eine sehr kurze Zykluszeit aufweist.
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Die 20, 21 zeigen einen Längsschnitt durch einen Leistungssteckverbinder mit Schutzerde-Anbindung (PE-Anbindung) des Schirmgehäuses 30. Wie daraus hervorgeht, werden die blanken Enden 110 der Leitungselemente 11 mit Kontaktelementen 44 mechanisch und damit auch elektrisch verbunden, beispielsweise durch Verlöten, Verquetschen oder Crimpen. Der Kopf des Steckverbinders 4 weist ein elektrisch isoliertes Verbindergehäuse 46 auf, durch dessen axiale Bohrungen die vorderen Enden der Kontaktelemente 44 gesteckt sind. Um das Verbindergehäuse 46 erstreckt sich ein rohrförmiges metallisches Verbindungsteil 41, das mit Eingriffsvorsprüngen 413 versehen ist, um metallische Halbschalen 42 zu halten, die mit Verschraubungen 420 Teil der Kupplungshälfte 45 des Steckverbinders 4 bilden. Die Halbschalen 42, von denen es beispielsweise zwei gibt, werden durch einen Überwurfring 43 auf dem metallischen Verbindungsteil 41 und dem isolierenden Verbindergehäuse 46 durch Presskraft gehalten. Das metallische Verbindungsteil 41 und die Halbschalen 42 bilden um den betreffenden Verbinder 4 ein Abschirmgehäuse 40, das einen hinteren Ringbereich 401 aufweist, an dem es mit dem Schirmgehäuse 30 aufgrund des in situ Metallgießens des Schirmgehäuses 30 innig verbunden ist.
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Der Leistungssteckverbinder gemäß 20 und 21 wird ähnlich hergestellt, wie mit 14–19 beschrieben worden ist. Das Ende der Leitung 1 wird mit einem Abschirmringbereich 101 zur Freilegung der Abschirmhülle 10 versehen und am Kopf des Steckverbinders 4 findet sich das metallische Verbindungsteil 41, welches zusammen mit den Halbschalen 42 die Schirmung am gesamten Steckverbinderkopf darstellt. Die Schirmung am Steckverbinder 4 wird durch das Schirmgehäuse 30 bewerkstelligt, das durch in situ Metallgießen in der mit 14–19 beschriebenen Weise erzeugt wird.
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Ein Kontaktelement 440 führt Schutzerde (PE) und ist über eine direkt mitgegossene Abzweigung 303 mit dem in situ gegossenen Schirmgehäuse 30 verbunden. Der Zwischenisolierkörper 32 besteht in diesem Beispiel aus elektrisch isolierendem und thermisch schlecht leitendem Material, um die Leitungselemente 11 bei der Herstellung des Schirmgehäuses 30 durch das Metallgießen gegen die von der Metallschmelze einwirkende Hitze zu schützen.
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Die 22 und 23 stellen einen Leistungssteckverbinder dar, der im Inneren ähnlich aufgebaut sein kann wie der Steckverbinder nach 20 und 21, jedoch besteht der Zwischenisolierkörper 32 aus elektrischen isolierendem, aber gut thermisch leitendem Material, um im Betrieb die Abwärme des Leistungssteckverbinders besser abführen zu können. Mit gefüllten Kunststoffen kann eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/mK bis nahezu 10 W/mK bei guter elektrischer Isolierung erreicht werden. Der Zwischenisolierkörper 32 kann aber auch aus einem vorgefertigten Keramikbauteil bestehen, welches eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann. Die Schirmhülse 30 ist hier ferner mit Kühlrippen 302 versehen, um Wärme vom Inneren des Leistungssteckverbinders noch besser nach außen abzuführen.
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Am Beispiel des Leistungssteckverbinders der 23 wird gezeigt, dass ein solcher auch als Winkelsteckverbinder gebaut werden kann. Dies trifft allerdings auch auf die anderen beschriebenen Bauformen zu. Man benötigt im Wesentlichen lediglich angepasste Spritzgießwerkzeuge bzw. Metallgusswerkzeuge in Winkelform für den Gießhohlraum.
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Ein Datensteckverbinder wird entsprechend hergestellt, wobei für den Zwischenisolierkörper 32 ein Kunststoff verwendet werden kann, welcher eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, da im Betrieb weniger Wärme abgeführt zu werden braucht. Dies hat im Gegenzug den Vorteil, dass beim in situ Gießen des Schirmgehäuses 30 die Leitungselemente 11 noch besser vor der Hitzeeinwirkung geschützt sind.
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Die 24 bis 28 zeigen einen geschirmten Mehrfachverteiler, der einen Verbinder zur Verbindung mehrerer geschirmter Steckverbinder 7 miteinander darstellt. Die Verbindung der einzelnen Steckverbinder 7 erfolgt über einen Verteilkörper 8. Dieser Verteilkörper 8 enthält zwei Leiterplatten 81 und 82 mit Verteilleitungen zwischen Anschlussstellen 83, 84 und 85. Die Anschlussstellen 85 sind über Querverbindungsleitungen 86 miteinander verbunden.
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Die Steckverbinder 7 umfassen ein metallisches Verbindungsteil, das ein äußeres Abschirmgehäuse 70 bildet und der Kupplung zu einem komplementären Gegensteckverbinder dient. Im Inneren des Abschirmgehäuses 70 ist ein elektrisch isolierendes Verbindergehäuse 76 untergebracht, um die Kontaktelemente 74 zu halten. Die Kontaktelemente 74 sind an zugehörigen Anschlussstellen 83 oder 84 an den Verteilkörper 8 angeschlossen und weisen Verlängerungen auf, die Leitungselemente 71 bilden. Ausgehend vom Zustand der 24 wird ein Zwischenisolierkörper 32 um die Leitungselemente 71 und den Verteilkörper 8 spritzgegossen, so dass der Zustand gemäß 25 erzielt wird. Um den Zwischenisolierkörper 32 wird anschließend ein Schirmgehäuse 30 gegossen, also als in situ gegossener Metallkörper hergestellt, der mit den Abschirmgehäusen 70 der Steckverbinder 7 verzahnt ist und dadurch einen äußerst geringen Übergangswiderstand zwischen den Teilen 70 und 30 bewirkt. Das Schirmgehäuse 30 umgibt den Zwischenisolierkörper 32 lückenlos und bietet so eine gute Schirmung des Gesamtverbinders auch im Bereich des Verteilkörpers 8.
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Um dem Verbinder ein handelsübliches Aussehen zu verleihen, wird noch ein Schutzmantel 33 um das Schirmgehäuse 30 durch Spritzgießen gelegt. Der so komplettierte Steckverbinder ist in 27 dargestellt.
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Der als Mehrfachverteiler ausgebildete Verbinder der 27 kann auch dahingehend abgewandelt werden, dass er eine oder mehrere geschirmte Leitungen ohne sämtliche Steckverbinder 7 umfasst. Mit anderen Worten, einer, einige oder sämtliche Steckverbinder 7 können durch direkt angeschlossene geschirmte Leitungen 1 oder 2 ersetzt werden. In diesem Fall werden die Leitungselemente 11, 21 der betreffenden Leitungen im Sinne der Leitungselemente 71 an den Verteilkörper 8 angeschlossen. Danach wird der Zwischenisolierkörper 32 durch Spritzgießen erzeugt und der Zwischenisolierkörper 32 wird mit dem Schirmgehäuse 30 umgossen und gleichzeitig wird die elektrische Verbindung zu der Abschirmhülle 10, 20 der jeweils angeschlossenen Leitung 1, 2 hergestellt. Danach wird – falls gewünscht – der Schutzmantel 33 angebracht.
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Zum Zwecke der Erfindung sind verschiedene niedrigschmelzende Metalle und Metalllegierungen, insbesondere Metalllote brauchbar. Es kommen alle bleihaltigen Zinnlote, alle bleifreien Zinnlote, auch Sn-Bi-Lote mit Schmelzpunkt um 130°C sowie Silberlote in Betracht. Die Abschirmhülle 10 der betreffenden Leitungen oder das Verbindungsteil 41 eines entsprechend ausgebildeten Verbinders können verzinnt sein, was der Verbindung mit dem Schirmgehäuse 30 förderlich ist, insbesondere wenn diese aus einem Zinnlot besteht, so dass dieses mit dem Schirmgehäuse 30 verschmilzt. Auch die Vernickelung der angesprochenen Teile ist möglich. Die angesprochenen Teile können aber auch aus blankem Edelstahl bestehen. Abschirmhüllen können auch als Schirmgeflecht mit blanken Kupferdrähten ausgeführt sein.
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Für die Stabilität der Verbindung zwischen dem Verbindungsteil 41 einerseits und dem Schirmgehäuse 30 andererseits, bzw. zwischen der Abschirmhülle 10 und dem Schirmgehäuse 30, ist es günstig, wenn es dünne Rippen und dünne Schirmdrähte gibt, die sich bei der Metallumgießung stark erwärmen können, so dass, wenn diese dünnen Teile verzinnt sind, die Oberfläche dieser dünnen Teile lokal gut anschmilzt und dort eine gute Verlötung stattfindet. Dadurch ergibt sich ein besonders niedriger elektrischer Übergangswiderstand.
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Bei durchgeführten Tests hat der erfindungsgemäße Steckverbinder einen Übergangswiderstand im Milliohmbereich ergeben. Dieser sehr geringe Übergangswiderstand war auch nach durchgeführten großen Temperaturwechseln unverändert geblieben.
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Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verbinders ist die Ausbildung der Schirmgehäuses 30 als vollständig geschlossene Einheit, abgesehen von den axialen Öffnungen für die Zuleitungen oder für die Einzelsteckverbinder. An diesen Öffnungen ist die Schirmung der jeweils angeschlossenen Leitung bzw. des Steckverbinderkopfes angeschlossen und komplettiert die Rundum-Abschirmung um 360°. Mit anderen Worten ist das Schirmgehäuse 30 demnach vorzugsweise im Bereich der Leitungsverbindungen radial vollständig und lückenlos geschlossen. Das Schirmgehäuse 30 bildet demnach insbesondere eine um den gesamten Umfang der Schirmverbindung geschlossene Metallhülle.
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Weitere mögliche Abwandlungen
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Der Zwischenisolierkörper 32 dient dem Schutz und/oder zur Isolation der Leitungselemente (Leitungsader im Falle eines Kabels oder rückwärtige Enden der Kontaktelemente im Falle eines Steckverbinders) und kann in anderer Weise als durch Umspritzen der Leitungselemente mit isolierendem Kunststoff hergestellt werden. Man kann Dichtungen, Schrumpfschläuche, Kunststoffgehäuse und Klebemassen oder vorgefertigte Einsatzteile vorsehen, um die Leitungselemente gegen das flüssige Metall zu schützen, wenn das Schirmgehäuse 30 hergestellt wird.
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Bei mancher Ausführungsform des Zwischenisolierkörpers 32 kann man die Abschirmhülle 10 über die Schnittfläche 14 hinaus vorstehen lassen, um das Schirmgehäuse 30 an diesem vorstehenden Ende der Abschirmhülle 10 elektrisch durch Umgießen mit flüssigem Metall anzuschließen.
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Die Herstellung des Zwischenisolierkörpers 32 kann auch im Niederdruck-Verfahren erfolgen, was ein Abdichten direkt auf den Leitungselementen 11 oder an der Abschirmhülle 10 ermöglicht.
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Der Schutzmantel 33 muss nicht unbedingt durch Umspritzen mit Kunststoff hergestellt werden. Es kann auch ein vorgefertigtes Bauteil, etwa eine Tülle, als Schutzmantel 33 verwendet werden.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19613282 B4 [0002]
- US 5106513 [0003]
- DE 102008018403 A1 [0004]
- WO 2011/151373 A1 [0004]
- DE 102012009790 [0060]
