Verfahren und Vorrichtung, um elektrische Heizkörper mit Klemmenkontakten zu versehen Das vorliegende Patent bezieht sich auf elektrische Heizgeräte, und zwar auf derartige Heizgeräte, die ein Hochresistenz-Widerstandselement aus Metall und daran befestigte Klemmenkontakte aufweisen, wobei das Patent insbesondere ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden des Widerstands elementes mit den Klemmenkontakten betrifft.
Bei gewissen Arten von elektrischen Heizkörpern, die unter der Bezeichnung bemantelter Heizkörper bekanntgeworden sind, besteht der elektrische Heiz körper aus einem schraubenartig gewickelten Draht aus metallischem Widerstandsmaterial, an dessen En den Klemmenkontakte befestigt sind. Der schrauben gewickelte Heizdraht wird durch eine dichte Masse eines wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Stoffes umschlossen, und das Ganze wird in einem Rohr mantel eingeschlossen. Ein solches bemanteltes Heiz- element kann nach Wunsch verschiedenartig ver formt werden.
Es sind verschiedene Verfahren bereits bekannt, um die erforderlichen Klemmenkontakte an den En den des schraubengewickelten Widerstandsdrahtes eines bemantelten Heizelementes anzubringen; keines von diesen Verfahren hat sich aber völlig bewährt; sie lassen vielmehr bezüglich der Qualität und der Wirtschaftlichkeit der Herstellung viel zu wünschen übrig.
Einige der vorbekannten Verfahren beziehen sich auf verschiedenartige konstruktive Ausgestaltun gen zur Herstellung einer schraubenartigen Verbin dung zwischen dem schraubengewickelten Widerstand und einem gewundenen Teil des Klemmenkontaktes; diese Verfahren ergeben zwar eine mechanisch halt bare Verbindung mit niedriger Übergangsresistenz, eignen sich aber nicht zur schnellen Herstellung. Diese Verfahren sind ferner offenbar dann unbefriedigend, wenn das Widerstandselement aus Feindraht besteht.
Nach andern Verfahren wird der schraubenartig ge- wickelte Draht an den Klemmenkontakt angeschweisst; diese Verfahren sind aber mit dem Nachteil verknüpft, dass die Klemmenkontakte an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstandsdraht und den Klemmen kontakten ernstlich geschwächt werden und dort ab brechen können, so dass häufig die Gefahr besteht, dass die Verbindung zwischen dem Widerstandsdraht und einem oder mehreren seiner Klemmenkontakte sich nach dem Einschliessen des Widerstandselemen tes in den Rohrmantel als gebrochen erweist. In die sem Falle ist das ganze Heizelement unbrauchbar.
Es besteht also ein Bedarf an einem verbesserten elek trischen Heizkörper des bemantelten Typs sowie an einem verbesserten Verfahren, um einen Klemmen kontakt mit einem schraubenartig gewickelten Wider standselement schnell und ohne besondere fachmänni sche Ausbildung verbinden zu können.
Zweck der Erfindung ist es also, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, um einen schraubenartig ge wickelten Widerstandsdraht mit einem Klemmenkon- takt zu verbinden, wobei dieses Verfahren in kürzester Zeit durchführbar ist und zu einer Verbindung führt, bei welcher der Klemmenkontakt im wesentlichen seinen Ursprungszustand beibehält.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Widerstandsdraht und dem Klemmenkontakt ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Widerstandsdrahtes in die Form einer schraubenartigen Wicklung gebracht wird, dass mindestens ein Teil des Klemmenkontaktes in die Drahtwicklung derart eingeführt wird, dass dieser Klemmenkontaktteil und die Drahtwicklung koaxial und in gegenseitiger Berührung liegen, und dass ein elektrischer Strom während einer bestimmten Zeit durch den mit dem Klemmenkontakt in Berührung stehenden Teil der Drahtwicklung geleitet wird, wobei die Grösse und die Wirkungsdauer dieses Stromes der- art bemessen sind,
dass der Strom eine Oberflächen schicht des Klemmenkontaktes schmilzt, ohne das darunterliegende Material des Klemmenkontaktes nennenswert zu schmelzen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, worin Fig. 1 eine Seitenansicht eines nach der Erfindung hergestellten, elektrischen Heizkörpers darstellt, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch einen zur Herstellung des in der Fig. 1 gezeigten Heizkörpers dienenden Apparat darstellt, wobei die Figur insbe sondere eine bestimmte Phase des Herstellungsvor ganges veranschaulicht, Fig. 3 den Apparat im Schnitt gemäss der Linie 3-3 der Fig. 2 darstellt,
wobei auch die in der Fig. 2 weggelassene Hälfte hier mitgezeichnet ist, Fig. 4 schliesslich ein Zeitschema zur Erläuterung der Beschreibung darstellt.
Das in Fig. 1 dargestellte Heizelement 10 eignet sich zum Einschliessen in einen gewöhnlichen Rohr mantel, um einen bemantelten elektrischen Heiz körper herzustellen. Das Element 10 besteht aus einem Metalldraht 12 mit einer verhältnismässig hohen Resistenz, damit, wenn ein Strom hindurchgeleitet wird, der Draht erhitzt wird und zur Wärmeabgabe verwendet werden kann. Ein dazu geeigneter Wider standsdraht ist im Handel unter dem Namen Nichrome (eingetragene Marke) erhältlich. In der dargestellten Ausführung des erfindungsgemässen Heizkörpers hat der Widerstandsdraht die Form einer Schraubenwicklung.
Um einen Kurzschluss zwi schen benachbarten Windungen des Widerstandsdrah tes 12 zu vermeiden, kann dieser mit einer Isolier- hülle versehen werden, oder die Drahtwicklung kann, was auch gebräuchlicher ist, derart gewickelt wer den, dass benachbarte Windungen derselben im Ab stand voneinander liegen. Der Widerstandsdraht 12 kann mit Strom aus einer beliebigen -Stromquelle durch ein Paar metallische Klemmenkontakte 14 ge speist werden, wobei letztere nach der vorliegenden Erfindung mit den jeweiligen Enden des Widerstands drahtes 12 elektrisch und mechanisch verbunden sind.
Zu diesem Zweck wird das eine Ende des Klem- menkontaktes 14 derart abgestuft, dass ein im Durchmesser kleinerer zylindrischer Vorsprung 14a entsteht, welcher in das entsprechende Ende der Widerstandsdrahtwicklung 12 eingeführt ist. Wie hier gezeigt, stützt sich das eine Ende des Drahtes 12 gegen den Absatz 14b des Klemmenkontaktes 14 ab, wel cher den Übergang zwischen dem Vorsprung 14a und dem Hauptteil des Klemmenkontaktes 14 vermit telt. Elektrische Heizelemente dieser Gattung gehören zum Stand der Technik, und die bisher beschriebene Anordnung bildet daher an sich keinen Teil des vorliegenden Erfindungsgegenstandes.
Wie schon erwähnt, liegt ein Bedarf an einem zuverlässigen Verfahren vor, um die Endteile des Drahtes 12 mit den entsprechenden Klemmenkon- takten 14 zu verbinden. Da Schweissen ein bequemes Verfahren zum schnellen Verbinden des Drahtes 12 mit dem Klemmenkontakt 14 unter Gewährleistung einer niedrigen elektrischen Übergangsresistenz zwi schen den vereinigten Teilen darstellt, ist es ferner zweckmässig, die Verbindung auf ein Schweissverfah ren zu gründen, wodurch die erforderlichen elektri schen Verbindungen unter gleichzeitiger Gewähr leistung einer mechanisch haltbaren Klemmenkontakt- verbindung sichergestellt werden können.
Zu diesem Zweck wird der Widerstandsdraht 12 in die Form einer Anzahl voneinander durch Ab stände getrennt liegender Windungen gebracht, so dass eine schraubenartig gewickelte Drahtwicklung entsteht. Der Innendurchmesser der Drahtwicklung ist dabei zweckmässigerweise gleich dem des Vor sprunges 14a des Klemmenkontaktes 14, oder etwas grösser als dieser. Der Klemmenkontakt 14 wird danach mit seinem Vorsprung 14a so weit in das eine Ende der Widerstandsdrahtwicklung 12 eingeführt, dass dieses Ende gegen den Absatz 14.b zum An liegen kommt.
Nun wird durch einige von den auf dem Vorsprung 14c des Klemmenkontaktes 14 lie gende Windungen der Drahtwicklung 12 Schweiss strom hindurchgeleitet, bis die Windungen oberfläch lich geschmolzen sind. Da die Masse des schrauben artig gewickelten Widerstandsdrahtes 12 beträchtlich kleiner ist als die Masse des hineinreichenden Vor sprunges 14a des Klemmenkontaktes 14, wird der Draht 12 bereits dann genügend erhitzt sein, um die Bildung einer guten Schweissverbindung sicherzustel len, wenn nur eine dünne Oberflächenschicht der an liegenden Stellen des Klemmenkontaktes 14 geschmol zen ist, eine derartige teilweise Oberflächenschmel zung eines erhitzten Teils kann als Schmelznetzen.> bezeichnet werden.
Sobald ein solches Schmelz netzen am Klemmenkontakt 14 eintritt, wird die Stromzufuhr zum Draht 12 sogleich ausgeschaltet und die Wärme schnellstmöglich von der Schweissnaht ab geleitet, um ein Fortsetzen des Schmelzens des Vor sprunges 14c <I>zu</I> vermeiden.
Die Erfindung bezieht sich auch, wie schon er wähnt, auf eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, die sich zur Mengen herstellung von verschweissten Kontaktverbindungen eignet. Der in Fig. 2 und 3 dargestellte Apparat weist zwei Sätze von gegeneinander längsbeweglich angeord neten Elektrodenhaltern 16 und 17 auf. Im Ausfüh rungsbeispiel ist der Halter 16 senkrecht oberhalb des Halters 17 angebracht; diese Halter können aber selbstverständlich auch in andern gegenseitigen Stel lungen angeordnet werden. Der Halter 16 trägt zwei Schweisselektroden 18; der Halter 17 zwei weitere Schweisselektroden 19. Diese Schweisselektroden 18 und 19 werden von den Haltern 16 und 17 in die und aus der Arbeitslage gebracht.
Beim Gebrauch liegen die Elektroden gegen ein Werkstück an, welches im Ausführungsbeispiel aus der Widerstandsdraht wicklung 12 und dem hineinragenden Vorsprung 14a eines Klemmenkontaktes 14 besteht. Da die zwei Schweisselektrodensätze 18 und 19 und die entspre- chenden Elektrodenhalter 16 und 17 im wesentlichen gleich sind, sollen hier nur die Halter 16 und die Elektroden 18 beschrieben werden.
Die Halter 16 sind in der Hauptsache rechteckig und zu einem sich verjüngenden Endteil 16a aus geformt (der verjüngte Endteil der Halter 17 wird mit 17a bezeichnet), wobei rechteckige Ausnehmun- gen 21 und 22 in den einander zugekehrten Seiten der Endteile 16a vorgesehen sind. Die Einzelelek troden des Elektrodensatzes 18 sind mit 18a und 18b bezeichnet und liegen jeweils in den Ausnehmun- gen 21 und 22, wobei die Elektrodendicke jeweils gleich der Tiefe der Ausnehmungen 21, 22 ist.
Jede der Elektroden 18a und 18b hat eine flache Seite, die mit der Innenseite des zugehörigen Elektroden halters 16 bündig ist. Da die Elektroden 18a und 18b beträchtlich länger als die Ausnehmungen 21 und 22 sind, ragen sie ein Stück über das freie Ende des Elektrodenhalters 16 hinaus. Der Elektrodensatz 19 weist die Elektroden 19a und 19b auf, welche in entsprechenden Ausnehmungen 21 und 22 der Hal ter 17 eingesetzt sind.
Um einen gleichmässigen Kontaktdruck zwischen den Schweisselektroden 18, 19 und dem dazwischen angebrachten zylindrischen Werkstück sicherzustel len, sind halbrunde Ausnehmungen in den entspre chenden Enden der Elektroden 18 und 19 vorgesehen. Dies ist aus Fig. 3 ersichtlich, wonach die Elektrode 18a eine halbrunde Ausnehmung 24 und die Elektrode 19a eine halbrunde Ausnehmung 25 hat.
Diese Aus- nehmungen sichern einen innigen Kontakt zwischen den Elektroden und dem Werkstück, wenn die Elek troden 18 und 19 an den Endteil der Widerstands drahtwicklung 12, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, angelegt werden.
Es ist möglich, nur ein Paar Schweisselektroden zu benutzen, um eine Schweissspannung an einige der Windungen des Widerstandsdrahtes 12 derart anzu legen, dass ein Schweissstrom durch die Windungen hindurchgeht, eine kräftigere und gleichmässigere Schweissnaht kann aber dadurch erreicht werden, dass mehrere Schweisselektroden von entgegengesetzter Spannung im Abstand voneinander in jedem der Elek- trodenhalter vorgesehen sind. Die Elektroden selbst sind dabei natürlich nicht polarisiert, sondern sie sind an die Schweissstromquelle derart angeschlossen, dass eine Elektrode positiv, die benachbarte Elektrode negativ ist (Fig. 2).
Somit kann der Schweissstrom polwechselnd oder polarisiert sein, je nach Bedarf und Zweckmässigkeit.
Vorzugsweise bestehen die Elektrodenhalter 16 und 17 aus einem metallischen Leiter niedriger Re sistenz; dies erleichtert die Verbindung der Elektro den mit der Schweissstromquelle. Um einen Kurz schluss der Stromquelle zu verhindern, ist eine Scheibe 26 aus Isoliermaterial zwischen den einzelnen Elek- trodenhaltern 16 und den zugehörigen Elektroden 18a, 18b, sowie auch zwischen einzelnen der Elek- trodenhalter 17 und den entsprechenden Elektroden 19a, 19b angeordnet.
Um den Austausch der Elek- trodenpaare 18 und 19 zu erleichtern, sind diese Elektroden vorzugsweise beiderseits der Isolierscheibe 26 angebracht und mit dieser zusammen zwischen die Halter 16 bzw. 17 einfuhrbar, worauf die Halter zu sammengepresst werden, um dadurch die Elektroden paare 18 und 19 in ihrer Arbeitslage festzuhalten. Die gegenseitigen Bewegungen der Elektrodenhalter 16 und 17 können mit beliebigen Mitteln, z. B. So lenoiden, bewirkt werden.
Während des Schweissvorganges wird vorzugsweise ein Strom von inertem Schutzgas, z. B. Argon, Helium oder dergleichen, an der Schweissstelle aufrechterhal ten, um eine Oxydierung zu verhindern. Da, wie schon erwähnt, das Schmelzen in der Oberflächen- schicht des Klemmenkontaktes stattfindet, die sich zwischen benachbarten Schweisselektroden befindet, muss das Schutzgas in diesem Gebiet wirken.
Zu die sem Zwecke ist ein querverlaufender Kanal 27, an den eine Inertgasquelle angeschlossen ist, im Elektroden halter 17a vorgesehen, wobei dieser Kanal mit einem Schlitz 28 in Verbindung steht, welcher in der dem Halter 17a zugehörigen Isolierscheibe 26 vorgesehen ist und in den Ringraum um das Werkstück mündet.
Wie aus der Fig. 3 am klarsten hervorgeht, ist der Schlitz in bezug auf die Längsachse der Isolierscheibe 26 derart seitlich versetzt angeordnet, dass das Schutz gas, wenn es durch den Schlitz nach dem Werkstück zuströmt, eine Kreisbewegung in dem zylindrischen Zwischenraum ausführt, welcher nach aussen von den Wandungen der halbrunden Ausnehmungen 29 und 30 begrenzt wird, welche jeweils in den einander gegenüberstehenden Isolierscheiben 26 vorgesehen sind. Da die Ausnehmungen 29 und 30 etwas weiter als die Ausnehmungen 24 und 25 der Schweisselek troden 18 und 19 sind, entsteht im Schweissgebiet rings um den schraubenartig gewickelten Widerstands draht 12 ein ringförmiger Hohlraum.
Da die mit den Elektroden 18 und 19 zusammen wirkenden Windungen des schraubenartig gewickelten Widerstandsdrahtes 12 gegen den Vorsprung 14a des Klemmenkontaktes 14 gepresstwerden, wird das Schutz gas daran gehindert, aus dem Schweissgebiet in axialer Richtung zu entweichen. Ein Teil des Gases kann freilich durch den Zwischenraum zwischen den bei den einander gegenüberstehenden Enden der Isolier- scheiben 26 entweichen, aber dieser Verlust ist auf Grund der Wirbelung des Schutzgases infolge der versetzten Anordnung des Schlitzes 28 ganz unbeacht- lich.
Bei der Anwendung der in Fig. 2 und 3 dargestell ten Vorrichtung zum Durchführen des erfindungs gemässen Verfahrens wird zuerst der Widerstandsdraht 12 zu einer Schraubenwicklung verformt und dann der Vorsprung 14a des Klemmenkontaktes 14 in den Endteil dieser Wicklung eingeschoben. Bei geöffneten Elektrod'enhaltern 16 und 17 wird dann der Endteil des Widerstandsdrahtes mit dem darin sitzenden Vor sprung 14a in die Ausnehmungen 24 bzw. 25 eines Schweisselektrodenpaares 18, 19 eingelegt.
Dann werden die Halter 16 und 17 geschlossen, so dass sie den Widerstandsdraht 12 gegen den Vorsprung 14a kräftig anpressen. Die Klemmung bewirkt einen niedrigen elektrischen und thermischen übergangs- widerstand zwischen den Schweisselektroden und dem schraubenartig gewickelten Draht 12 und ebenso eine gute Berührung zwischen den Windungen des Drahtes 12 und dem von der Drahtwicklung umschlossenen Vorsprung 14a des Klemmenkontaktes 14.
Da die halbrunden Ausnehmungen der Elektroden 18 und 19 der Form des Werkstückes entsprechen, kann das Werkstück durch die zusammengepressten Halter 16 und 17 nicht deformiert werden.
Nachdem die Halter 16 und 17 geschlossen sind, wobei sie die Drahtwicklung 12 gegen den Vorsprung 14a anpressen, wird eine Spannung an die Schweiss elektroden angelegt, so dass ein Schweissstrom durch die Windungen des Widerstandsdrahtes 12 hindurch fliesst. Gleichzeitig wird Schutzgas dem Kanal 27 zu- geführt. Der Abstand zwischen den Elektroden in jedem Halter ist, wie aus der Fig. 2 hervorgeht, ver hältnismässig klein, so dass nur wenige Windungen des Drahtes 12 in der geschlossenen Lage der Halter 16 und 17 zwischen den Elektroden liegen, wodurch die Masse der zwischen den Schweisselektroden 18a und 19a befindlichen Windungen beträchtlich geringer ist als die Gesamtmasse sämtlicher auf dem Vorsprung 14a liegenden Drahtwindungen.
Infolgedessen kön nen nur die dazwischenliegenden Drahtwindungen bis zum Schmelzen erhitzt werden, um dadurch zwischen dem Klemmenkontakt 14 und dem schraubenartig gewickelten Widerstandsdraht 12 eine Schweissnaht herzustellen. Dann wird die Stromzufuhr zum Wider standsdraht 12 abgeschaltet, und die Halter 16 und 17 bleiben noch eine kurze Zeit in ihrer Klemmlage, um die geschmolzene Oberfläche des Vorsprunges 14a daran zu hindern, sich weiter zu verbreiten.
Nach dem Erstarren der Schweissnaht werden die Halter 16, 17 geöffnet und das Werkstück entfernt. Bei einer praktischen Ausführung konnte die ganze Operation, vom Schliessen der Elektrodenhalter bis zum erneuten Öffnen in weniger als drei Sekunden durchgeführt werden. Dabei ist der Abstand zwischen den Elek troden 18a-18b bzw. 19a-19b für die Anzahl Windungen der Drahtwicklung, die mit dem Klem- menkontakt 14 verschweisst werden sollen, ausschlag gebend.
Fig. 4 ist ein Zeitschema, das die aufeinander folgenden Massnahmen der Schweissoperation veran schaulicht. Absolute Werte sind jedoch in dieses Schema nicht eingetragen,- weil die jeweils erforder lichen Zeiten von dem benutzten Strom sowie dem besonderen Material des Widerstandsdrahtes 12 ab hängen.
Bei der Beschreibung der Wirkungsweise des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Schweissapparates bleibt es dahingestellt, ob die Betätigung eine manuelle, automatische oder halbautomatische ist. Das Ver fahren und die Vorrichtung der Erfindung ermög lichen jedenfalls eine Massenproduktion von Heizkör- pern mit Klemmenkontakten in wirtschaftlicher Weise. Dabei kann das Verfahren manuell mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung oder z. B. mittels automatisch arbeitender Herstellungsmaschinen durch geführt werden.
Zur Bestimmung der Reihenfolge und Dauer der Zeiten, während deren die Elektrodenhalter 16 und 17 geschlossen gehalten werden sollen und während welcher der Schweissstrom eingeschaltet sein soll, wer den vorteilhaft Zeitkontrollschalter vorgesehen, weil eine allzulange Wirkungszeit des Schweissstromes ein zu weitgehendes Herabschmelzen des Vorsprunges 14a herbeiführen kann.
Dadurch wird die Haltbar keit des Klemmenkontaktes und die Betriebssicher heit des fertigen Erzeugnisses nachteilig beeinflusst. Die Betätigungs- oder Steuervorrichtung für eine solche automatische Arbeitsweise wird nicht bean sprucht; sie kann zwei Zeitkontrollschalter umfassen, welche sowohl die Zeitpunkte bestimmen, wenn die Solenoide erregt werden sollen, um die Elektroden halter 16 und 17 zu betätigen, als auch den Augen blick, in dem der Schweissstrom zwischen den Elek troden 18 und 19 ein- bzw. ausgeschaltet werden soll. So kann z.
B. ein erstes Zeitkontrollorgan das Be- tätigungssolenoid der Elektrodenhalter steuern, wobei vorzugsweise eine Feder zwischen dem Solenoid und dem entsprechenden Elektrodenhalter derart ein geschaltet ist, dass, nachdem die Halter in die Arbeits lage gebracht worden sind, das Solenoid seine Ein wirkung fortsetzen und dabei diese Feder spannen kann.
Während dieser Nachwirkung des Solenoids nach dem Schliessen der Halter kann ein vom zweiten Zeitkontrollorgan gesteuerter Schalter geschlossen werden, um dabei den Schweissstrom einzuschalten. Der Schweissstrom wird vom zweiten Zeitkontroll- organ ausgeschaltet, und nach Verlauf einer kurzen Verzögerungszeit erlaubt das erste Zeitkontrollorgan erneut die Öffnung der Elektrodenhalter.