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Die
vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der koaxialen Hochfrequenzverbinder,
HF-Verbinder genannt.
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Koaxiale
Hochfrequenzverbinder sind bei der Übertragung von Hochfrequenzsignalen
unumgänglich
und werden häufig
für die
Verbindung von zwei Geräten,
z. B. einer Antenne mit einem Koaxialkabel eingesetzt. Gedruckte
Schaltungen sind im Bereich von HF-Front Ends von modernen Kommunikationssystemen
allgegenwärtig.
Mit der Einführung von
Halbleiterverstärkern
(sog. Solid State Power Amplifier, resp. SSPA) wurden solche Schaltungen auch
im Bereich von Hochleistungssendern an Bord von Satelliten attraktiv.
Vorher wurde diese Aufgabe durch Wanderfeldröhren-Verstärker (Travelling Wave Tube
Amplifier, resp. TWTA) erledigt, welche auch die konventionelle
sperrige Wellenleitertechnologie bedingten. Eine Möglichkeit,
um solche Schaltungen zu versorgen, besteht in der Verwendung von
Koaxialkabeln und Koaxialverbindern. Bis heute war die Verwendung
von sog. TNC-Verbindern
erforderlich, da die kleineren SMA-Verbinder (Sub Miniature A-Verbinder)
sich nicht für
die Übertragung
der hohen Leistungen eigneten. Die Verwendung der SMA-Verbinder
war bis anhin auf den Niederspannungsbereich beschränkt. Trotzdem
wäre es
von Vorteil, wenn SMA-Verbinder für höhere Leistungen konzipiert
in der Raumfahrt eingesetzt werden könnten, da sie weniger Gewicht
und geringere Abmessungen aufweisen. Ein Nachteil ist jedoch, dass
die heute konventionellen SMA-Verbinder aufgrund des inneren Aufbaus
erhebliche Einschränkungen
bei der maximal möglichen Übertragungsleistungen
aufweisen. Aus diesem Grund werden heute aus Sicherheitsgründen immer
noch TNC-Verbinder eingesetzt, sobald die Übertragungsleistung einige
Watt überschreitet.
Dabei wird das höhere
Gewicht und die grösseren
Abmessungen in Kauf genommen.
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SMA-Steckverbinder
werden vornehmlich für Anwendungen
in Frequenzbereichen von 1 GHz bis 26,5 GHz eingesetzt. Ausführungsformen
bis 40 GHZ sind bekannt. Als Stecker werden in der Regel Ausführungen
mit einer geschraubten Überwurfmutter
und als Buchse solche mit einem Aussengewinde bezeichnet und zwar
unabhängig
von der Ausgestaltung des Innenleiters als Stift oder als über den
Stift schiebbare Hülse.
Die Verbinderteile werden als SMA-Stecker und SMA-Buchse bezeichnet.
Im Vergleich zu anderen Hochfrequenz-Steckverbindern sind SMA-Verbinder
vergleichsweise klein. Heutige SMA-Verbinder sind Präzisionsverbinder
für Mikrowellen-Anwendungen,
welche sich durch eine hohe mechanische Festigkeit, lange Lebensdauer,
Betriebssicherheit und ein niedriges VSWR auszeichnen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten SMA-Verbinder
zu zeigen, welcher sich für
den Einsatz in der Raumfahrt eignet und welcher die Nachteile der
aus dem Stand der Technik bekannten Verbinder vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Schutzanspruchs gelöst.
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Beim
erfindungsgemässen
Verbinder handelt es sich in einer Ausführungsform um einen geschraubten
Verbinder mit einem ersten (Stecker-) und einem zweiten (Buchsen-)Verbinderteil.
Das erste und das zweite Verbinderteil können durch eine Überwurfmutter
miteinander wirkverbunden werden. Die Überwurfmutter ist in der Regel
steckerseitig angeordnet. Der erfindungsgemässe Verbinder, der auch PSM-Verbinder
(Power Sub-Miniature Connector) genannt wird, ist mit herkömmlichen
SMA-Verbindern nicht direkt kompatibel. Obschon die äusseren Abmessungen
und das Gewicht in etwa gleich sind, weisen die Verbinder im Innern
einen anderen Aufbau auf, welcher die Übertragung von wesentlich höheren Leistungen
zulässt.
Bei Bedarf können
herkömmliche
SMA- und erfindungsgemässe
PSM-Verbinder aber über einen
Adapter miteinander wirkverbunden werden. Die erfindungsgemässen PSM-Verbinder
sind im Innern weitgehend „spaltfrei” aber trotzdem
so aufgebaut, dass der Verbinder beim Einsatz im Weltraum entlüften kann.
Herkömmliche SMA-Verbinder weisen
eine Anordnung von radial verlaufenden Spalten auf, welche sich
bei der Verwendung im Welt raum nachteilig auswirken, aber bei den üblichen
terrestrischen Anwendungen nicht ins Gewicht fallen.
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Die
Verbinderteile der erfindungsgemässen PSM-Verbinder
weisen in der Regel je ein hülsenförmiges Gehäuse auf,
welches aussen angeordnet ist und einen Aussenleiter bildet. Im
Innern des Gehäuses
ist ein Isolator angeordnet, der z. B. in das Gehäuse eingepresst
ist oder anderweitig in diesem befestigt wird. Der Isolator weist
eine zentrische Öffnung
auf, die zur Aufnahme eines stiftförmigen Kontaktelementes (Kontakt)
dient, der als Innenleiter dient. Das stiftförmige Kontaktelement wird ebenfalls in
den Isolator eingepresst und stützt
sich an diesem über
eine Schulter ab. Andere Ausgestaltungen und Befestigungsarten sind
möglich.
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Die
Begrenzung in der Leistungsübertragung bei
SMA-Verbindern ist untern anderem auf eine ungenügende Anordnung und Ausgestaltung
von Spalten im Innern der Verbinderteile und zwischen diesen zurückzuführen. Durch
die erfindungsgemässe
Ausgestaltung des Innenlebens der Verbinder wird die Übertragungsfähigkeit
bei gleicher Baugrösse
erheblich gesteigert. Alternativ besteht die Möglichkeit, im Vergleich zu
konventionellen Verbinder die Baugrösse bei derselben Leistung
zu verringern. Bei der Verwendung im Weltraum wird das Problem der
herkömmlichen
Verbinder mit der ungünstigen
Anordnung von Spalten noch verstärkt,
da die in den Spalten enthaltene Luft aufgrund des herrschenden
Vakuums nicht mehr vorhanden ist, respektive unkontrolliert entweicht.
Probleme, die auftreten können,
sind das sog. Multipactor-Phänomen oder
die Koronaentladung, wie sie auch bei anderen Hohlleitern auftreten
können.
Die ungünstige
Anordnung der Spalten wirkt sich zudem negativ auf die Belastbarkeit
und die Wärmeaustauschfähigkeit
aus.
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Für eine ausreichende
Wärmeabgabe
ist ein Dielektrikum mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit von nutzen. PTFE hat
z. B. eine Wärmeleitfähigkeit von
0.25 W/mK. Ein weiterer Fak tor der berücksichtigt werden sollte, ist
die elektrische Spannungsfestigkeit des Dielektrikums. Im Fall von
PTFE beträgt die
Durchschlagsspannung zwischen 40 und 80 kV/mm.
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Ein
kritischer Bereich für
die Anforderungen an die elektromagnetische Kompatibilität eines
Verbinders (EMC-Anforderungen) stellen die Entlüftungslöcher dar. In einer Ausführungsform
sind insgesamt drei Entlüftungslöcher vorgesehen,
welche so angeordnet und ausgestaltet sind, dass die Hochfrequenz-Verluste
keine negativen Auswirkungen haben. Beide Verbinderteile weisen
je ein Entlüftungsloch
auf. Ein weiteres Entlüftungsloch
ist im Kontaktbereich der beiden Verbinderteil in der Überwurfmutter
angeordnet. Im Innern können
die Verbinderteile Kanäle
aufweisen, welche ein kontrolliertes Entlüften ermöglichen. In einer Ausführungsform
weist der Kontaktstift einen zumindest bereichsweise längs verlaufenden
Kanal auf, welcher der kontrollierten Entlüftung dient. Der längsverlaufende
Kanal jedes Verbinderteils ist über
einen labyrinthartig nach aussen verlaufenden Kanal mit einem zugeordneten
Lüftungsloch
wirkverbunden. Unmittelbar radial nach aussen verlaufende Kanäle werden
dabei in der Regel vermieden.
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Die
mechanisch und/oder elektrisch beanspruchten Verbinderteile werden
bevorzugt aus einem der folgenden Metalle gefertigt: Berylliumkupfer, Rostfreier
Stahl, Bronze, Titan. Die Verbinderteile werden bevorzugt mit einem
der folgenden Beschichtungsmaterialien beschichtet: Gold, Nickelphosphor-Schicht
mit einem Goldflash (SucoproTM), Kupfer-Zinn-Zink-Legierung (SucoplateTM).
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In
einer Ausführungsform
betrifft die Erfindung einen Koaxialverbinder mit einem buchsenseitigen
und einem steckerseitigen Verbinderteil, welche beide einen innen
liegenden, in Verbinderlängsrichtung
verlaufenden Entlüftungskanal
aufweisen, der in mindestens einen nach aussen verlaufenden, in
einem Längsschnitt
gesehen treppenartigen Entlüftungskanal
mündet.
Je nach Ausführungsform
weist sowohl der buchsenseitige als auch der steckerseitige Verbinderteil
einen nach aussen verlaufenden Entlüftungskanal auf. In einer Ausfüh rungsform
ist mindestens einer längsverlaufenden
Entlüftungskanäle im Innern
eines Kontaktes (Innenleiter der Verbinderteile) angeordnet. Der
treppenartige Entlüftungskanal
kann durch einen Isolator eines Verbinderteils und einen Isolator
eines Kabels gebildet werden. Im wirkverbundenem Zustand kann zwischen den
Verbinderteilen ein im Längsschnitt
gesehenen im Wesentlichen diagonal verlaufender Entlüftungskanal
ausgebildet sein. Der diagonal verlaufende Entlüftungskanal kann durch die
Isolatoren der Verbinderteile gebildet sein. In der Regel sind die
Entlüftungskanäle rotationssymmetrisch
ausgestaltet. Nach aussen hin mündet
der mindestens eine Entlüftungskanal
in der Regel in eine Entlüftungsöffnung.
In einer Ausführungsform
werden die Verbinderteile durch eine steckerseitige Überwurfmutter
miteinander verschraubt.
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Anhand
der nachfolgenden Figuren, werden Ausführungsformen des neuen Verbinders
näher erläutert. Es
zeigen
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1 Einen
Längsschnitt
durch einen konventionellen SMA-Verbinder (Stand der Technik);
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2 Eine
Draufsicht eines erfindungsgemässen
PSM-Verbinders;
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3 Einen
Längsschnitt
durch den Verbinder gemäss 2 entlang
der Schnittlinie AA;
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4 Einen
erfindungsgemässen
Verbinder in einer Schnittdarstellung von schräg vorne und oben mit wirkverbundenen
Verbinderteilen;
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5 Einen
erfindungsgemässen
Verbinder in einer Draufsicht mit nicht wirkverbundenen Verbinderteilen;
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6 Einen
Längsschnitt
durch den Verbinder gemäss 5 entlang
der Schnittlinie BB;
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7 Detail
C aus 6;
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8 Detail
D aus 6.
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Sofern
nichts anderes vermerkt ist, werden in den Figuren für sich entsprechende
Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
zu Vergleichszwecken eine Schnittdarstellung (Längsschnitt) durch einen konventionellen
SMA-Verbinder 100 (Stand der Technik). Der Verbinder 100 weist
einen Buchsenteil 101 und einen Steckerteil 102 auf,
welche über
eine Überwurfmutter 103 miteinander
verschraubt sind. Der Buchsenteil 101 weist von Aussen
nach Innen gesehen ein aussen liegendes, erstes Gehäuse 104 auf, welches
einen ersten Isolator 106 umgibt. Im ersten Isolator 106 ist
ein erster Kontakt 108 angeordnet, welcher auf der einen
Seite zur Aufnahme eines ersten Innenleiters 112 eines
ersten Kabels 110 dient. Der Steckerteil 102 weist
ein zweites Gehäuse 105 auf,
in welchem ein zweiter Isolator 107 angeordnet ist, der
einen zweiten Kontakt 109 umgibt. Der zweite Kontakt 109 dient
auf der Aussenseite zur Aufnahme eines zweiten Innenleiters 113 eines
zweiten Kabels 111. Im wirkverbundenen Zustand (wie dargestellt)
ist der zweite Kontakt 109 in den im Bereich des innenliegenden
Endes hülsenförmig ausgestalteten
ersten Kontakt 108 eingesteckt. Zu erkennen ist, dass im
Innern des Verbinders 100 etliche geschlossene, vergleichsweise
grosse und radial verlaufende Hohlräume und Spalten 114 vorhanden
sind. Diese sind so angeordnet, dass eine sinnvolle Entlüftung nicht möglich ist.
Weiterhin wirken sie sich negativ auf die Eigenschaften des Verbinders
im Weltraum aus.
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2 zeigt
einen erfindungsgemässen PSM-Verbinder 1 in
einer Draufsicht. In 3 ist der PSM-Verbinder 1 gemäss 2 in
einer Schnittdarstellung (Längsschnitt)
entlang der Schnittlinie AA dargestellt.
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Der
erfindungsgemässe
Koaxialverbinder (PSM-Verbinder) 1 weist einen Buchsenteil 2 und
einen Steckerteil 3 auf, welche über eine Überwurfmutter 4 im
wirkverbundenen Zustand (wie dargestellt) miteinander verschraubt
sind. Der Buchsenteil 2 weist ein erstes Gehäuse 5 auf,
welches als Aussenleiter dient. In das erste Gehäuse 5 ist vom vorderen Ende
her ein erster Isolator 7 eingesetzt. In diesen ist von
der Innenseite her ein erster Kontakt 9 eingesetzt, welcher
sich hier über
eine Schulter am Isolator 7 abstützt und als Innenleiter zur
Signalübertragung dient.
Im Bereich des hinteren Endes ist der erste Kontakt 9 so
ausgestaltet, dass er bei der Montage mit einem ersten Innenleiter 13 eines
ersten Kabels 15 wirkverbunden werden kann. Zur Verbesserung der
Eigenschaften wird in der gezeigten Ausführungsform eine erste Ferrule 11 verwendet,
welche am hinteren Ende den Innenleiter 13 aufnimmt und am
vorderen Ende in den ersten Kontakt 9 eingesteckt ist.
Die Ferrule 11 dient zur verbesserten Übertragung von Signalen zwischen
dem ersten Innenleiter 13 und dem steckerseitigen Verbinderteil 3.
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4 zeigt
die Verbinderteile 2, 3 in wirkverbundenem Zustand
von schräg
oben. Ein vorderer Bereich des Verbinders 1 ist über einen
Winkel von 90° weggeschnitten
dargestellt, so dass das Innenleben besser ersichtlich wird.
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Der
steckerseitige Verbinderteil 3 weist von aussen nach innen
gesehen ein zweites Gehäuse 6 auf,
das als Aussenleiter dient. In das zweite Gehäuse 6 ist von der
vorderen Seite her ein zweiter Isolator 8 eingesetzt. Der
erste und der zweite Isolator 7, 8 sind in der
Regel aus Kunststoff, z. B. PTFE gefertigt und werden vom vorderen
Ende her in die Gehäuse 5, 6 der
Verbinderteilte 2, 3 eingepresst und so verankert.
Andere Befestigungsarten sind möglich.
In den zweiten Isolator 8 ist von der Stirnseite her ein zweiter
Kontakt 10 eingepresst. Der zweite Kontakt 10 ist
in der gezeigten Ausführungsform
am vorderen Ende hülsfenförmig und
mit Federzungen 29 (vgl. 6) ausgestaltet,
so dass er in wirkverbundenem Zustand mit dem an seinem vorderen
Ende stiftförmig
und nach innen abgesetzt ausgebildeten ersten Kontakt 9 des
ersten Verbinderteils 2 kooperiert. Am hinteren Ende ist
der zweite Kontakt 10 so ausgestaltet, dass er mit einem
zweiten Innenleiter 14 eines zweiten Kabels 16 wirkverbunden
werden kann. Zur Verbesserung der Eigenschaften wird in der gezeigten
Ausführungsform
eine zweite Ferrule 12 verwendet, welche am hinteren Ende
den zweiten Innenleiter 14 aufnimmt und am vorderen Ende
in den zweiten Kontakt 10 eingesteckt ist. Das erste und
das zweite Gehäuse 5, 6 der
Verbinderteile 2, 3 weisen an ihrem hinteren Ende
je einen Flansch 21, 22 zum Anschliessen eines
Aussenleiters 17, 18 des ersten, respektive des
zweiten Kabels 15, 16 auf. Die Aussenleiter 17, 18 werden
in der Regel an den Flanschen durch Löten elektrisch leitend und
mechanisch stabil befestigt.
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Das
Gehäuse 5 des
Buchsenteils 2 weist ein Aussengewinde 30 auf,
welches, wie in den 3 und 4 dargestellt,
mit einem Innengewinde 31 der Überwurfmutter 4 wirkverbindbar
ist. Die Überwurfmutter 4 ist
gegenüber
dem Gehäuse 6 des
Steckerteils 3 drehbar und in axialer Richtung (x-Richtung)
verschiebbar angeordnet. Ein auf dem steckerseitigen Gehäuse 6 angeordneter
Sprengring 32 greift dabei in eine innen liegende Nut 33 der Überwurfmutter 4 ein
und begrenzt damit die axiale Verschiebbarkeit der Überwurfmutter 4 gegenüber dem steckerseitigen
Gehäuse 6.
Im wirkverbundenen Zustand (vgl. 3 und 4)
werden die Gehäuse 5, 6 der
Verbinderteile 2, 3 über die Überwurfmutter 4 stirnseitig
entlang von einer ersten und einer zweiten ringförmigen Kontaktfläche 34, 35 zusammengepresst.
Zumindest eine der Kontaktflächen
weist eine Rille 36 auf, welche die Entlüftung durch
den dritten Entlüftungskanal 28 gewährleisten.
Die Überwurfmutter 4 weist
einen innenliegenden, ringförmigen Entlüftungskanal 37 auf,
der hier in zwei radial nach aussen verlaufende, diametral einander
gegenüberliegende
Entlüftungsöffnungen 38 mündet. Die
Entlüftungsöffnungen 38 dienen
zur Entlüftung
des dritten Entlüftungkanals 28 und
dem inneren der Überwurfmutter 4.
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Die
signalleitenden inneren Verbinderteile sind bevorzugt goldbeschichtet.
Durch die ebenfalls goldbeschichteten Ferrulen 11, 12 kann
sichergestellt werden, dass im Innern des Verbinders 1 eine optimale
Konnektierung resultiert. Die Ferrulen 11, 12 werden
in der Regel fest auf die Innenleiter 13, 14 der
Kabel 15, 16 gelötet.
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In 6 ist
ein erfindungsgemässer PSM-Verbinder 1 gezeigt,
der aus einem buchsenseitigen ersten und einem steckerseitigen zweiten Verbinderteil 2, 3 besteht.
Der PSM-Verbinder 1 weist im Wesentlichen dieselben Dimensionen
auf, wie ein konventioneller SMA-Verbinder aus dem Stand der Technik.
Einige wichtige Dimensionen dieser Ausführungsform sind in der Zeichnung
mit Doppelpfeilen angegeben (Masseinheit: mm). Einer der wesentlichen
Unterschiede zwischen den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindern
und dem hier gezeigten PSM-Verbinder 1 besteht
darin, dass schädliche Luftspalte
gezielt vermieden werden. Sofern Spalten unumgänglich sind, werden diese gemäss dem erfindungsgemässen Konzept
so angeordnet, dass eine optimale Übertragungsfähigkeit
erzielt wird.
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Wie
in den 3, 4, 6 und den
Details C und D gemäss
den 7 und 8 zu erkennen ist, weisen der
erste und der zweite Kontakt 9, 10 je einen längsverlaufenden
Entlüftungskanal 24, 25 auf.
Diese münden
jeweils in ihrem hinteren Bereich in einen labyrinthartig ersten,
resp. zweiten nach aussen verlaufenden Entlüftungskanal 26, 27.
Die nach aussen verlaufenden spaltartigen Entlüftungskanäle 26, 27 verlaufen
in mehreren Stufen stufenförmig nach
aussen und münden
an ihrem äusseren
Ende in Entlüftungslöcher 23.
Sie werden dabei durch die zueinander entsprechend abgesetzten Isolatoren 19, 20 der
Kabel 15, 16 und der Isolatoren 7, 8 der
Verbinder 2, 3, respektive der Gehäuse 5, 6 gebildet.
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Im
wirkverbundenen Zustand wird (vgl. 3 und 4)
durch die Isolatoren 7, 8 der Verbinderteile 2, 3 ein
dritter spaltförmiger
Entlüftungskanal 28 gebildet,
der im Längsschnitt
gesehen im Wesentlichen diagonal, d. h. in einem Winkel α zur Verbinderlängsachse
(x-Achse) nach aussen verläuft und
am äusseren
Ende in Entlüftungsöffnung 23 mündet. Der
dritte Entlüftungskanal 28 ist
ebenfalls mit den längsverlaufenden
Entlüftungskanälen 24, 25 wirkverbunden.
Im Beispiel gemäss 6 beträgt der Winkel α des Entlüftungskanals
rund 21°.
Der dritte Entlüftungskanal 28 wird
durch zwei kegelförmige
Endflächen 39, 40 des
ersten und des zweite Isolators 7, 8 der Verbinderteile 2, 3 gebildet.
Die Endflächen 39, 40 sind
dabei so ausgestaltet, dass sie einen ringförmigen dritten Entlüftungskanal 28 mit konstanter
Dicke ergeben. Die angegebenen Masse können in einem gewissen Toleranzbereich
schwanken, sofern die Funktionsweise nicht negativ beeinträchtigt ist.