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Die Anmeldung betrifft eine elektrische Leitung speziell zur Anwendung in hoch beanspruchten Bereichen, beispielsweise zur Anwendung in einem Motorraum.
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Kabel und Leitungen, die in einem Motorraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere einer großtechnischen Verbrennungsmotoranlage angeordnet sind, sind hohen Belastungen ausgesetzt. Unter großtechnischer Verbrennungsmotorlage wird hierbei insbesondere eine Diesel-Motoranlage verstanden, welche eine Leistung von üblicherweise mehreren Hundert kW oder auch mehrere tausend kW aufweist. Derartige Motoranlagen werden beispielsweise als Schiffsmotoren oder auch im Bahnverkehr eingesetzt.
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Kabel, die in derartigen Motoranlagen verlegt sind, sind sowohl hohen Temperaturen als auch starken Vibrationen ausgesetzt. Häufig sind dabei die Leitungen, beispielsweise zu Bündeln zusammengefasst, innerhalb von temperaturbeständigen Wellschläuchen oder Wellrohre verlegt. Durch die Vibrationen führt dies auch zu einer hohen mechanischen Belastung durch Reibung an den gewellten und damit teilweise kantigen Innenmantelflächen des Wellrohrs. Je nach Motorentyp wird dabei eine unterschiedliche Anzahl von Leitungen innerhalb des Wellschlauchs geführt, was zu unterschiedlichen Packungsdichten und damit zu unterschiedlichen mechanischen Belastungen im Wellschlauch führt. Bei den Leitungen handelt es sich dabei typischerweise um Adern, also um lediglich mit einer Aderisolation versehene elektrische Leiter. Die Leiter sind dabei insbesondere als Litzenleiter ausgebildet.
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Neben den mechanischen und thermischen Anforderungen müssen die Leitungen auch eine hohe Resistenz gegen Betriebsstoffe oder sonstige Stoffe, wie beispielsweise Öle und Imprägnierharze, aufweisen. Darüber hinaus müssen sie eine ausreichende Flexibilität aufweisen. Zudem ist grundsätzlich eine möglichst kompakte Bauweise mit geringem Durchmesser sowie mit geringem Gewicht angestrebt.
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Durch neuere Entwicklungen im Motorenbau verschärfen sich die thermischen sowie die mechanischen Anforderungen.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leitung anzugeben, welche insbesondere für den Einsatz in derartigen hochbelasteten Umgebungen, speziell innerhalb eines Motorraums eines großtechnischen Verbrennungsmotors geeignet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Leitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Leitung umfasst dabei eine Leitungsseele sowie einen diesen umgebenden, isolierenden Leitungsmantel aus einem halogenfreien und hochtemperaturbeständigen Kunststoff, wobei die Dauergebrauchstemperatur der elektrischen Leitung bei oberhalb von 180 °C und insbesondere oberhalb von 200°C liegt. Durch die gezielte Verwendung eines derartigen Kunststoff-Isolationsmantels wird zum einen den höheren Temperaturen in modernen Motoranlagen Rechnung getragen. Bisherige typische Leitungen zeigten lediglich eine geringere Dauergebrauchstemperaturbeständigkeit. Gleichzeitig wird durch die halogenfreie Ausgestaltung Umweltanforderungen wie z.B. dem Brandschutz Rechnung getragen.
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Unter Dauergebrauchstemperatur wird dabei verstanden, dass die Leitung dauerhaft oberhalb dieser Temperatur eingesetzt werden kann, ohne dass eine unmittelbare Beschädigung des Isolationsmantels und/oder der Leitung erfolgt, d.h. insbesondere. ohne dass sich bei dieser Temperatur die physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Zugfestigkeit und Dehnung und / oder die elektrischen Eigenschaften, wie z.B. Spannungsfestigkeit sich über eine vorgegebene Zeit verschlechtern, z.B. um mehr als 5% oder mehr als 10% verschlechtern. Unter dauerhaft wird hierbei eine ununterbrochene Belastung von typischerweise mehreren 10 Stunden oder auch von mehreren Tagen verstanden, speziell wird hierunter die Eignung für den Dauerbetrieb oder bis zu einer Gebrauchsdauer von 3 Jahren verstanden. Insbesondere wird hierunter eine Dauer-Temperaturbeständigkeit gemäß DIN VDE 0881 (1986) verstanden.
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Unter halogenfrei wird allgemein verstanden, dass das für den Leitungsmantel verwendete Material frei von Halogenen speziell gemäß IEC 60092-350 (2008) oder gemäß VG 95218-2 (2013) ist.
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Als bevorzugte Ausgestaltung wird dabei als Material für den Leitungsmantel ein Polyimid (PI) und/oder ein Polyetheretherketon (PEEK) verwendet. Der Vorteil dieser beiden Werkstoffklassen ist darin zu sehen, dass sie jeweils eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit und Dauergebrauchstemperatur zeigen und gleichzeitig halogenfrei sind, also insbesondere keine Fluoride aufweisen. Der gesamte Leitungsmantel besteht daher aus einem dieser beiden Materialien oder auch aus einer Kombination dieser Materialen. Weitere Kunststoff-Materialien sind für den Leitungsmantel vorzugsweise nicht vorgesehen. Bei den verwendeten Materialien handelt es sich insbesondere um nicht gefüllte, nicht verstärkte Kunststoffe, d.h. es sind vorzugsweise keine insbesondere anorganischen Füllstoffe, wie Partikel oder Fasern (beispielsweise Glasfasern etc.) integriert. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit derartige Füllstoffe oder sonstige anorganische Bestandteile beizumischen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Leitung insgesamt als eine Ader ausgebildet, bei der also die Leitungsseele ein elektrischer Leiter ist, welcher von dem Leitungsmantel umgeben ist. Weitere konzentrisch um den elektrischen Leiter angeordnete Mäntel sind daher nicht vorgesehen. Weiterhin ist der Leitungsmantel selbst mehrlagig ausgebildet, wobei dieser eine innere Lage aus einem gewickelten Polyimidband und eine äußere Lage aus PEEK aufweist, wobei die äußere Lage auf die innere Lage aufextrudiert ist.
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Mit einem derartigen bevorzugten Aufbau werden die unterschiedlichen Anforderungen für das vorgesehene Anwendungsgebiet in besonders bevorzugter Weise erfüllt. Durch die Bandierung der inneren Lage ist quasi eine „schwimmende“ Lagerung des innenliegenden Leiters erreicht, so dass also der Leiter relativ zu der inneren Lage zumindest eine gewisse Beweglichkeit aufweist. Auch ist hierdurch vorzugsweise eine mechanische Entkopplung der beiden Lagen erreicht bzw. gewährleistet. Dies ist vor dem Hintergrund der hohen Vibrationsbeanspruchung von besonderer Bedeutung, um die gesamte Leitung möglichst beständig gegen Vibrationen auszugestalten. Bei einer unmittelbaren festen Verbindung zwischen der Oberfläche des Leiters, speziell wenn er als Litzenleiter ausgebildet ist, und dem Leitungsmantel können Vibrationen zur dauerhaften Stressbeanspruchung insbesondere der Einzeldrähte des Litzendrahtes führen, was zu einem Bruch derselben führen kann, so dass die Gefahr eines vorzeitigen Leitungsausfalls besteht oder zumindest die elektrischen Eigenschaften in unerwünschter Weise beeinflusst werden. Weiterhin wird durch die bandierte innere Lage eine hohe Flexibilität der Leitung, speziell im Hinblick auf Biegewechselbeanspruchungen gewährleistet.
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Durch die aufextrudierter äußere Lage aus PEEK wird eine elektrisch sichere, dichte Isolierung geschaffen und zugleich auch eine Resistenz gegenüber äußeren Umgebungseinflüssen.
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Darüber hinaus weist PEEK als äußere Lage auch eine hohe Abriebfestigkeit auf und eine gute Resistenz gegen Medien. Eine derartige Ader mit einem zweilagigen Mantelaufbau weist dabei insbesondere folgende Eigenschaften auf
- – Temperaturbeständigkeit bis über 200°C,
- – Halogenfrei,
- – Resistenz gegen Öle, Imprägnierharze und sonstige Medien,
- – Hohe Abriebfestigkeit,
- – Hohe mechanische Festigkeit gegen Vibrationen,
- – Gute(Biege-)Flexibilität.
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Darüber hinaus ist eine derartige Ader auch insbesondere flammhemmend und selbstverlöschend.
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Dieser doppelwandige Mantelaufbau mit der Innenlage aus speziell Polyimid und der äußeren Lage speziell aus PEEK ist grundsätzlich nicht auf die Anwendung als Adermantel beschränkt. Vielmehr besteht auch die Möglichkeit, den Kabelmantel einer sogenannten Mantelleitung mit einem derartigen Aufbau von zumindest zwei Lagen auszugestalten. Bei einer derartigen Mantelleitung sind mehrere Einzelleitungen, beispielsweise Einzeladern, von einem gemeinsamen Kabelmantel umgeben.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist jedoch die Leitungsseele als ein elektrischer Leiter ausgebildet, so dass die Leitung als eine Ader mit innenliegendem Leiter und einer Aderisolation als Leitungsmantel ausgebildet ist.
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Im Hinblick auf die angestrebte gute Flexibilität handelt es sich bei dem Leiter dabei zweckdienlicherweise um einen Litzenleiter bestehend aus mehreren einzelnen Litzendrähten.
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Bei diesen handelt es sich dabei vorzugsweise um Kupfer-Drähte, die insbesondere mit einer Oberflächenschicht versehen sind, beispielsweise verzinnt, versilbert oder auch vernickelt sind. Vorzugsweise werden versilberte Einzeldrähte verwendet, da sich diese in der Praxis besonders bewährt haben. Der Litzenleiter entspricht dabei zum Beispiel der Norm IEC 60228 Klasse 5.
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Die Querschnittsfläche des Leiters liegt dabei typischerweise im Bereich zwischen 0,5 mm2 bis 2,5 mm2. Im Falle eines Litzenleiters besteht dieser üblicherweise aus 7 oder 19 Einzeldrähten.
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In bevorzugter Ausbildung ist der Leitungsmantel allgemein relativ zum Leiter beweglich, so dass eine Art „schwimmende Lagerung“ erreicht ist. Wie bereits erwähnt, ist dies für die angestrebte Vibrationsfestigkeit von besonderer Bedeutung. Unter schwimmende Lagerung wird dabei allgemein verstanden, dass aufgrund von Vibrationen verursachte Schwingungen nicht oder nur allenfalls gedämpft vom Leitungsmantel auf den innenliegenden Leiter übertragen werden. Es ist daher eine Relativverschieblichkeit zwischen Leitungsmantel und Leiter, vorzugsweise im Bereich (lediglich) von Mikrobewegungen gegeben.
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In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung ist der Leitungsmantel allgemein mehrlagig, speziell zweilagig. Er weist hierbei eine auf den Leiter aufgebrachte innere Lage auf. Mit der mehrlagigen Ausgestaltung wird der besondere Vorteil erzielt, dass für die unterschiedlichen teilweise gegenläufigen Anforderungen die jeweiligen Lagen speziell optimiert werden können.
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So ist vorzugsweise die innere Lage als eine Bandierung ausgeführt. Hierdurch wird insbesondere die angestrebte schwimmende Lagerung erreicht. Auch wird durch die Bandierung die hohe Flexibilität erreicht.
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Bei der Bandierung wird quasi eine Art Folie oder dünnes Band um den Leiter gewickelt. Der Überlapp liegt dabei beispielsweise zwischen 20 % und 70 % der Breite des Bands und speziell bei etwa 50 % der Breite des Bands. Durch einen derartigen Überlapp wird zum einen eine gute Biegefähigkeit und ein geringerer Biegeradius gewährleistet. Der Biegeradius liegt beispielsweise im Bereich des 5 bis 10-fachen des Durchmessers der Leitung. Gleichzeitig ist auch bei Biegungen noch ein ausreichender Überlapp sichergestellt, so dass beim Biegen keine unbedeckten Leiterbereiche frei liegen, so dass also die elektrischen Eigenschaften wie Spannungsfestigkeit nicht oder nur gering beeinflusst werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung besteht dabei die innere Lage aus Polyimid. Polyimid zeichnet sich durch eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit aus. Bei Polyimid handelt es sich um einen nicht thermoplastischen Werkstoff, welcher sich also nicht aufschmelzen lässt. Polyimid zersetzt sich bei Temperaturen größer 600°C. Dadurch eignet sich Polyimid insbesondere als erste, innere Lage, auf die eine zweite, äußere Lage aufextrudiert wird. Die höhere Temperaturbelastung bei der Extrusion der äußeren Lage führt daher nicht zu einer Schädigung der inneren Lage. Zudem verfügt Polyimid über eine hohe Spannungsfestigkeit, womit auch mit einer dünnen Wandstärke eine hohe Spannungsfestigkeit der Leitung gewährleistet werden kann.
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Polyimid-Bänder sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise unter dem Markennamen KAPTON in unterschiedlichen Varianten von Dupont vertrieben. Ein derartiges Band für die Polyimid-Bandierung wird vorzugsweise eingesetzt.
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Polyimid Bänder sind in bevorzugter Ausgestaltung ein- oder zweiseitig laminiert. Als Laminierungsmaterial wird dabei üblicherweise ein Kunststoff verwendet, wobei übliche Laminierungsmaterialien beispielsweise FEP, PFA, PTFE oder Silikon sind.
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Zweckdienlicherweise ist dabei jedoch die innere Lage, also speziell das Polyimid-Band frei von einer Haft- oder Klebschicht. Hierdurch wird zum einen vermieden, dass die innere Lage mit dem Leiter fest verklebt, um die gewünschte schwimmende Lagerung zu gewährleisten. Auch wird hierdurch vermieden, dass halogenhaltige Komponenten eines Klebers in den Leitungsaufbau eingebracht werden.
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Wie bereits erwähnt, ist zweckdienlicherweise auf diese innere Lage, eine zweite Lage ausgebildet und insbesondere aufextrudiert. Diese bildet insbesondere eine äußere Lage, um bzw. auf die also keine weitere konzentrisch angeordnete Lage mehr angeordnet ist. Durch die Extrusion wird ein dichter Mantelüberzug gewährleistet, so dass sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die Medienbeständigkeit gewährleistet ist. Zudem ist eine sehr hohe Abriebfestigkeit gewährleistet. Bei dieser äußeren Mantellage handelt es sich dabei insbesondere um einen PEEK-Mantel.
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Alternativ zu der bandierten Innenlage besteht auch die Möglichkeit, bereits die Innenlage als eine extrudierte Lage beispielsweise aus Polyimid auszubilden.
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Bei einer extrudierten Polyimid-Mantellage wird vorzugsweise auf eine weitere Lage verzichtet, so dass also der Leitungsmantel ausschließlich durch die aufextrudierter Polyimidmantellage gebildet ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind weiterhin die beiden Lagen miteinander fest verbunden. Hierdurch wird ein möglichst monolithischer Leitungsmantel erzielt, was speziell für die Zwecke der Abisolation von besonderem Vorteil ist. Diese Verbindung zwischen beiden Lagen erfolgt dabei aufgrund der hohen Temperaturen bei der Extrusion der äußeren Lage. Es wird daher eine zumindest teilweise stoffflüssige Verbindung zwischen den beiden Lagen ausgebildet.
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Im Hinblick auf eine möglichst kompakte und gewichtssparende Ausgestaltung weisen die beiden Lagen dabei jeweils eine Wandstärke im Bereich von etwa 0,1 mm bis 0,3 mm und insbesondere im Bereich von 0,15 mm bis 0,25 mm auf. Weiterhin liegt die Gesamtwandstärke des Leitungsmantels im Bereich von 0,25 mm bis 0,4 mm und insbesondere im Bereich von 0,3 mm bis 0,35 mm. Mit diesen Gesamtwandstärken ist im Vergleich zu herkömmlichen Leitungen die Gesamtwandstärke um etwa 10 % bis 20 % reduziert. Gleichzeitig werden die geforderten elektrischen sowie mechanischen Eigenschaften und eine hohe Medienbeständigkeit erzielt.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung ist eine derartige Leitung, insbesondere Ader oder ein Verbund mehrerer derartiger Adern, in einem Wellschlauch oder Wellrohr angeordnet. Die Leitungen bzw. der Leitungsverbund ist dabei üblicherweise lose, also relativverschieblich innerhalb des Wellschlauchs angeordnet, weisen / weist also einen Abstand zur Innenwandfläche des Wellschlauchs auf. Speziell wird eine derartige Leitung eingesetzt im Motorraum einer insbesondere großtechnischen Verbrennungsmotoranlage, speziell im Motorraum eines Schiffsmotors oder im Motorraum eines Schienenfahrzeugs, wie eingangs definiert.
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Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:
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1 Eine Querschnittsdarstellung einer als Ader ausgebildeten Leitung, sowie
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2 in einer schematisierten seitlichen Schnittansicht mehrere derartige in einem Wellschlauch angeordnete Adern.
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In den Figuren sind dabei gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die als Ader ausgeführte Leitung 2 weist als Leitungsseele einen insbesondere als Litzenleiter ausgebildeten Leiter 4 auf, welcher unmittelbar von einem im Ausführungsbeispiel zweilagigen Leitungsmantel 6 als Adermantel umgeben ist. Der Leiter 4 besteht wiederum aus einer Vielzahl von einzelnen Litzendrähten 8, welche typischerweise miteinander verseilt sind. Im Ausführungsbeispiel sind um Zentraldraht zwei Lagen von Litzendrähten 8 angeordnet, so dass insgesamt neunzehn Litzendrähte 8 verwendet sind.
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Der Leitungsmantel 6 besteht aus einer inneren Lage 10 sowie einer äußeren Lage 12. Bei der inneren Lage handelt es sich insbesondere um eine Bandierung. Als Material für die innere Lage 10 wird dabei speziell ein Polyimid-Band verwendet. Dieses weist eine Wandstärke W1 auf, die im Bereich von 0,15 mm bis 0,25 mm und insbesondere bei 0,20 mm liegt. Diese innere Lage 10 bildet dabei eine Primärisolierung und weist bereits eine hohe Spannungsfestigkeit auf. Bei dieser Wandstärke ist eine Spannungsfestigkeit bis zu einer effektiven Spannung von zum Beispiel 900 V in Anlehnung an DIN VDE 0881 erzielt.
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In der Querschnittsdarstellung der 1 ist ein Bereich dargestellt, in dem sich Wickelabstände der aufgebrachten Bandierung überlagern. In diesem überlagerten Bereich weist daher die innere Lage 10 eine entsprechend doppelte Wandstärke W1 auf.
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Die innere Lage ist konzentrisch von der äußeren Lage 12 umgeben, welche insbesondere als eine aufextrudierte Lage ausgebildet ist. Sie besteht vorzugsweise aus PEEK.
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Sie weist eine Wandstärke W2, die beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,25 mm und insbesondere im Bereich von 0,15 mm liegt. Unter der Wandstärke W2 wird hierbei insbesondere eine mittlere Wandstärke verstanden. Aufgrund der Bandierung der inneren Lage variiert die Wandstärke W2.
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Die Gesamtwandstärke des Leitungsmantels 6 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,3 mm und 0,35 mm. Der Außendurchmesser der Leitung 2 und damit auch die Gesamtwandstärke W ist insgesamt – in Längsrichtung betrachtet – konstant. Durch die Variation der Wandstärke W2 wird daher der Überlapp der bandierten inneren Lage 10 in den Überlappbereichen ausgeglichen bzw. kompensiert.
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Insgesamt besteht die Leitung 2 abschließend aus den Komponenten Litzenleiter 4 – innere Lage 10 – äußere Lage 12. Derartige Leitungen 2 werden vorzugsweise in einem Wellschlauch 14 verlegt, wie er schematisiert in der 2 dargestellt ist. Wie zu erkennen ist, weist dieser Wellschlauch 14 im Ausführungsbeispiel eine in etwa T-förmige Ausgestaltung mit einem Abzweig auf. Bei dem Wellschlauch 14 handelt es sich um einen hitzebeständigen Wellschlauch aus einem geeigneten Kunststoffmaterial oder ggf. auch aus anderen Materialien. Der Wellschlauch 14 führt beispielsweise linksseitig zu Motorkomponenten und rechtsseitig zu einer Steuer- oder Versorgungselektronik. Auch über den T-Abzweig kann der Wellschlauch zu weiteren Steuer- und Versorgungskomponenten führen. Innerhalb dieses Wellschlauchs sind typischerweise mehrere derartiger Leitungen 2 geführt. Der Wellschlauch ist insbesondere innerhalb eines Motorraums eines speziell großtechnischen Verbrennungsmotors verlegt. Der Wellschlauch 14 sowie die darin verlegten Leitungen 2 müssen daher hohen Temperaturen von zumindest 180°C dauerhaft dauerhaft standhalten. Durch die Wellrohrausgestaltung und den hohen Motorvibrationen sind die Leitungen 2 zudem einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN VDE 0881 (1986) [0008]
- IEC 60092-350 (2008) [0009]
- Norm IEC 60228 Klasse 5 [0019]
- DIN VDE 0881 [0040]
