CN101772986B - 用于加热基本圆柱形物体的电加热器 - Google Patents

用于加热基本圆柱形物体的电加热器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电加热器(22)，其用于加热基本圆柱形的物体(12)，特别是用于加热热流道系统的热流道喷嘴(10)，所述电加热器具有至少一个基本圆柱形的载体并且具有至少一个施加在所述载体(12)上的加热导体带(28)。为了减少造成加热器提前失灵的原因而设置为，每个加热导体带(28)基本沿所述载体(12)的轴向(A)延伸，其中，这些加热导体带(28)通过电阻较小的导电带(30)彼此电连接，并且其中，每个导电带(30)基本沿所述载体(12)的切向(T)延伸。

Description

用于加热基本圆柱形物体的电加热器
技术领域
本发明根据权利要求1前序部分涉及一种电加热器，其用于加热基本圆柱形的物体，特别是用于加热热流道系统的热流道喷嘴。
背景技术
前述类型的电加热器在现有技术中是已知的。DE 199 41 038 A1例如公开了一种用于热流道系统的被构造为表面层加热元件的电加热器，其具有以材料配合方式施加在材料管壁上的绝缘层和以材料配合方式且以加热导体带形式施加在绝缘层上的加热层。加热导体带不仅沿材料管轴向也沿材料管切向蜿蜒曲折或者波浪形地延伸，其中，加热导体带的曲线与材料管或者在其内引导的材料的局部供热需求配合，也就是说，在待进行较强加热区域中设置的加热导体带比在应供给较少热量的区域中设置的加热导体带更密。
在这些层中材料配合地施加的加热元件也负责与材料管壁的固定连接，进而负责与待加热的热流道元件表面的持续最优化的热量接触。然而存在绝缘层和/或加热层从材料管脱落的危险。
由于材料管中的内部压力，在注塑成型过程中材料管壁膨胀。这种膨胀传递至绝缘层和加热层，由此在这些层内部不仅沿切线而且沿轴向引发压力。在此沿切向或者沿周向分布的加热导体带比沿径向延伸的加热导体带承受强得多的机械负荷，这会导致更快的老化并因而导致切向的加热导体带进而整个电加热器过早失灵。如果附加地考虑膨胀对有效的加热导体带的热作用，那么沿切向分布的加热导体带与沿材料管轴向分布的加热导体带相比被延长了，这导致沿切向分布的加热导体带的电阻更高并且相应导致更高的电压降以及更高的功率。因此切向的加热导体带被更强烈地加热；其达到较高温度。
此外在沿切向分布的加热导体带中的膨胀过程会导致形成横向微裂纹，这会再次提高电阻进而导致局部加热。电加热器的老化被加速；温度曲线产生负面影响。最后关于径向高度(也就是说关于厚度分布分配)、关于材料管的大小不同的力作用于沿切向或者周向延伸的加热导体带，与此同时，在轴向上延伸的加热导体带中的力关于径向高度是保持恒定的。
加热导体带的局部升高的温度，并因而加热器过快老化的另一个因素是加热带分布的设置方式。在均匀加热带分布的中心中的加热带由于环绕的功率输入与环绕的加热导体带相比处于更高的温度水平，并且相应承受更强的热负荷。
发明内容
本发明的目的在于克服前述问题并且实现一种电加热器、热流道喷嘴和注塑装置，其中，明显减少造成加热器预先失灵的原因，并且其中，在期望的位置上获得均匀的热量分布。该加热器还以简单方法廉价地构造，并且保证热流道喷嘴或者注塑装置持续可靠地运行。
本发明的主要特征在权利要求1、22和23的特征部分中得出。构造方式是权利要求2至21的主题。
在一种电加热器中，其用于加热基本圆柱形的物体，特别是用于加热热流道系统的热流道喷嘴，所述电加热器具有至少一个基本圆柱形的载体并且具有至少一个施加在所述载体上的加热导体带，本发明设置为，每个加热导体带(即每个导体带，其设置用于向所述物体供热)基本沿所述载体的轴向延伸，这些加热导体带通过导电带彼此电连接，其中，每个导电带基本沿所述载体的切向延伸，并且其中，这些导电带的电阻小于所述加热导体带的电阻。
通过加热导体带的这种构造和设置方式明显减少造成在这些层中构造的电加热装置失灵的原因。这些加热导体带用于向待加热物体供应确定的热量，与此同时导电带不对供热作出贡献。与此相反，这些导电带用于连接沿轴向施加在材料管上的加热导体带。
因为用于加热所述物体的加热导体带基本沿所述载体的轴向构造，所以这些加热导体带几乎不受在注塑过程中发生变化的负荷条件的影响。反之，沿切向和周向延伸的导电带(其彼此电连接所述加热导体带)虽然在注塑成型过程中承受较强负荷，然而由于其电阻较小，这些导线带的温度负荷被减轻，从而它们可以毫无问题地承受住强机械负荷。因而显著减少本发明电加热器的失灵可能性。
为了赋予导电带比加热导体带更小的电阻，优选由下述材料制成这些导电带，所述材料的电阻率小于所述加热导体带的电阻率。另选地或者此外这些导电带的横截面也可以大于所述加热导体带的横截面。以这种方式保证了在电加热器工作期间导电带的热负荷小于加热导体带的热负荷，由此补偿在注塑成型过程中沿载体切向作用的较高的机械负荷。
优选如此设置加热导体带与导电带之间的过渡部，即，在加热导体带中实现电流密度的均匀的分布。为此加热导体带与导电带之间的过渡部优选以一角度相对于所述轴向倾斜，其中，所述角度按照有利方式在0°到90°之间，最好在0°到40°之间。
此外优选如此选择相邻设置的所述加热导体带之间的相应间距，即，为了在待加热的所述物体中获得均匀的热量分布而应用不均匀的功率分布。这例如意味着，与仅具有一个或者完全没有相邻加热导体带的加热导体带相比，设置在两个其它加热导体带之间的加热导体带以与相邻加热导体带的更大间距定位。
按照有利方式设置用于所述加热导体带的连接盘(Anschlusspad)。在此，所述加热导体带与所述连接盘之间的过渡部优选垂直于所述轴向构成，以便在这里均匀地保持电流密度分布。
所述载体优选管形地构成。然而其也可以具有椭圆形或者其它非圆形横截面。
根据本发明的一个构造方式，所述载体是材料管或者构成材料管。在这种情况下，在所述载体上施加至少一个绝缘层，在其上构造所述加热导体带和导电带。在此所述绝缘层可以在整个载体上延伸。另选的是，所述绝缘层也可以仅设置在所述加热导体带和所述导电带的下方，其中，在这种情况下，所述绝缘层的宽度优选大于所述加热导体带的宽度和所述导电带的宽度。
根据本发明的另一另选构造方式，所述载体构成套筒，所述套筒推装在材料管上。所述套筒可以由金属材料制成，其中，在这种情况下，近似前述构造方式，绝缘层施加到该金属套筒上，以便将这些带与该金属套筒绝缘。另选地可以用陶瓷的且因而绝缘的材料制成所述套筒，其中，这些带可以直接涂覆到所述套筒上。
这些绝缘带和/或加热导体带和/或导电带优选以材料配合方式施加。这例如可以借助于厚膜技术或者借助于激光烧结实现。
所述绝缘层优选是电介质层。例如在DE 199 41 038 A1中描述了其构造和制造方式，其公开内容参引与此。
此外为了检测实际温度，优选设置温度传感器，所述温度传感器按照有利方式不与所述加热导体带和/或所述导电带相交。
此外本发明还涉及具有本发明加热器的热流道喷嘴以及具有至少一个这种热流道喷嘴的注塑装置。
附图说明
本发明的其它的特点、细节和优点由权利要求的文字和以下依据附图的实施例的说明得出。附图中：
图1示出具有本发明电加热器的热流道喷嘴的示意性横截面图；
图2至图4示出用于描述在工作中图1所示热流道喷嘴产生负荷情况的示意图；
图5示出本发明电加热器的第一结构变形方式的示意图；
图6和图7示出加热导体带与导电带之间的过渡部的各种变形方式的示意图；
图8示出本发明电加热器的第二结构变形方式的示意图；以及
图9示出本发明加热器的第三结构变形方式。
具体实施方式
以下，相同附图标记涉及相同或者类似的构件。
图1示出本发明热流道喷嘴10的一个实施方式的示意性剖面图。热流道喷嘴10作为热塑性塑料加工用注塑成型设备的组成部分，为了固定在(未示出的)分配器上，而包括(同样未示出的)壳体，整体圆柱形的材料管12可以安装到该壳体中。与该材料管12构成为一体的管座14与该壳体齐平并且密封地紧贴在该分配器上。喷嘴尖端16在一端插入沿轴向纵向延伸的材料管12，优选拧入材料管12，喷嘴尖端16使得在材料管12中构造的流动通道18延续直至(未示出的)型腔的(同样未示出的)平面。喷嘴尖端16也可以在相同功能性情况下与材料管12构成为一体。
加热器22安装在由钢制成的材料管12的壁20的外围。加热器22被构造为表面层加热元件，其具有作为绝缘层的直接施加在金属上的陶瓷电介质层24、施加在陶瓷电介质层24上的加热层26以及外覆盖层32，如图1示意示出的，加热层26具有加热导体带28和导电带30，外覆盖层32向外侧对加热导体带28、导电带30和位于其下方的电介质层24进行覆盖且电绝缘。在此加热导体带28基本沿材料管12的轴向延伸，与此同时导电带30基本沿切向延伸，也就是沿周向延伸，这在图5、图8和图9中更清楚地示出，并且在下面进一步描述。为了配合于局部的供热需求可以任意设计加热导体带28在轴向上的精确布置方式。由此能够在材料管12内部获得预定的温度分布。
下面结合附图2至图4进一步描述加热导体带28在轴向上设置以及导电带30在切向上设置的原因。
在注塑成型过程中，图1所示的热流道喷嘴10的材料管12由于内部压力而膨胀。这种膨胀也传递至电介质层24、加热层26(加热层26具有在其中设置的加热导体带28和导电带30)以及覆盖层32。
通过膨胀引发的压力在切向和轴向上作用于设置在材料管12上方的这些层；在“传递”的意义上，这种通过膨胀引发的压力类似于作用于处于压力下的蒸汽锅炉的焊缝上的压力。图2示出了这样一种蒸汽锅炉，并且总体上以附图标记40表示，其中，示意性示出沿切向T分布的纵向焊缝42和沿轴向A分布的环形焊缝44。锅炉公式告诉我们：在焊接的纵向焊缝42中的压力(压力在切向T上，垂直于纵向焊缝42)双倍于在焊接的环形焊缝44中的压力(该压力在轴向A上，垂直于环形焊缝44)。这意味着，在切向T上形成的环形焊缝44或者加热导体带相应承受最强的机械负荷，这会导致更为快速的老化进而也会导致其过早出现断裂。
如果现在附加地考虑膨胀对加热层26产生的热效应，那么由于材料管12的膨胀，沿周向或者切向T分布的加热导体带与沿轴向延伸的加热导体带相比被延长了，这导致沿切向分布的加热导体带的电阻更高并且相应地导致更高的压降以及更高的功率。因而切向的加热导体带被更强烈地加热并且相应达到更高温度。此外，该膨胀过程也可以导致在加热导体带中形成横向微裂纹(Mikroquerausbildung)，这可能再次导致电阻上升因而导致局部加热，这种局部加热加速了加热层26的老化。
沿切向和轴向延伸的加热导体带之间的另一不同之处在于，在切向T上作用于电介质层24的力关于厚度分布是不同的，与此同时在轴向上，这些力关于厚度是保持近似相等的，这在图3和图4中示意性示出。
为了在注塑成型过程中考虑到加热层26的前述负荷状态，加热导体带28(即有效承担加热材料管12作用的这些带)在轴向A上构成并且相应仅承担微小负荷。沿轴向A延伸的加热导体带28彼此借助于导电带30的帮助连接，这些导电带30基本沿切向T延伸并且必须相应耐受较大负荷。然而导电带30与加热导体带28相比具有更小的电阻，因而在注塑成型工作中，在这些导电带30中仅出现轻微加热。这些导电带30相应仅次要地负责加热材料管12。该较小电阻可以通过电阻率更小的材料实现，和/或通过这种方式实现，即，将导电带30的横截面选定为大于加热导体带28的横截面。
由于导电带30的电阻较小，热效应对其的影响明显降低，从而避免了较高温度和也许形成横向微裂纹的前述问题，这阻止了加热层26过早出现断裂。
本发明热流道喷嘴10的加热层26的一个实施方式在图5中以展开形式示意性示出。在该实施方式中，电介质层24在整个材料管12(图5未示出)延伸。在电介质层24上，在轴向A上设置多个加热导体带28，这些加热导体带28通过连接盘50供应电能。在该俯视图中连接盘50呈正方形，其中，尽可能平直且垂直地形成加热导体带28与连接盘50之间的过渡，这样实现了尽可能均匀的电路分布。另选地连接盘50也可以具有其它形状，例如具有倒圆的形状，然而在此优选的是连接盘50与加热导体带28之间的过渡区域中不存在倒圆。
根据由特定应用决定的局部供热需要，沿着电介质层24分配用于加热材料管12的加热导体带28。为了获得均匀的热量分布，这些加热导体带28之间的间距(图5的左边和右边)朝向中间变得越来越大，这是因为，否则的话，被其他加热导体带28环绕的这些加热导体带28将会因其他那些加热导体带28在周边输入功率而处于较高的温度水平。
单个加热导体带28通过导电带30彼此连接，图中这些导电带30沿切向延伸。导电带30的电阻小于加热导体带28的电阻，从而导电带30的温度负荷小于加热导体带28的温度负荷。以这种方式补偿在切向T上的前述较高的负荷(其作用于导电带30)，由此提高导电带30的使用寿命。与此相反，沿轴向A延伸的加热导体带28如前所述承受明显较小的负荷，因而在热流道喷嘴10工作期间不用担心加热导体带28出现故障。导电带30的较小电阻可以通过如下方式获得，即，为这些导电带30选择电阻率较小的材料，和/或将导电带30的横截面选定为大于加热导体带28的横截面。
此外加热层26包括温度传感器52，温度传感器52检测热流道喷嘴10的喷嘴尖端16上的温度。
图6和图7示意示出平行设置的加热导体带28和连接这些加热导体带28的导电带30之间的过渡方式的可行方案。图6示意性示出电流密度的分布，此时过渡部54与通过附图标记S表示的沿切向T延伸的线对齐。在此示出，电流密度朝向过渡部内角的方向增加，这是因为电流选取具有最小电阻的路径。导电带30的传导性越差，在该区域中的相对电流密度就越高。这种不均匀的电流分布可能又在图6的虚圆线标识的区域中形成所谓“热点”，由此会出现加热层26的过早老化。
为了平衡这种不均匀的功率分布，在导电带30与加热导体带28之间的过渡部54根据本发明优选以角度α相对切向T倾斜地构成，如图7所示。在此按照有利方式，角度α取决于导电带的传导性地处于0°至40°之间。以这种方式可靠地避免形成热点。该处需要注意的是，过渡部56不一定非要设计为直线。另选地，过渡部54也可以具有曲线形状。重要的仅在于，如此设计过渡部56，即，其从过渡部的内角向外始终朝向加热带方向延伸。
图8示出本发明热流道喷嘴10的加热层26的另一实施方式的示意性视图。该实施方式与图5所示实施方式的区别在于，不是将电介质层24涂覆在热流道喷嘴的整个材料管12上，而是仅涂覆在加热导体带28和导电带30下方的相应区域上。以这种方式可以节约构造电介质层24所需的材料。此外，根据所应用的电介质层24的制造方法可以缩短处理时间。
图9示意性示出本发明热流道喷嘴的加热层26的另一实施方式。该实施方式与图8所示实施方式的区别在于，电介质层24完全随着加热导体带28和导电带30的走向，如图所示，电介质层24的宽度双倍于加热导体带28和导电带30的宽度。通过电介质层24的这种构造方式可以在制造电介质层24时进一步降低材料需求并且也许进一步缩短处理时间。
应当明确的是，本发明的前述实施方式并不是限制性的。与此相反，只要不背离由所附权利要求限定的本发明保护范围可以进行改变和变形。
特别地，在图1中的加热器22也可以与材料管12分离地设置。电介质层24例如可以被构造为套筒，特别是被构造为陶瓷管，其中，加热导体带28、导电带30和覆盖层32被涂覆到该套筒上。
为了涂覆加热导体带28、导电带30和覆盖层32例如仍然可以应用直接覆层方法。
本发明的另一实施方式设置为，绝缘层24的绝缘带被嵌入载体或者材料管12，从而加热装置基本与材料管12齐平。为此材料管12设有(未示出的)槽。
根据另一实施方式，导电带30可以被构造为线材，该线材沿周向放置到载体12或者绝缘层24上并且被焊接在加热导体带28之间。
由权利要求、说明书和附图给出的所有特征、优点，包括结构细节、空间布置方式和方法步骤，不仅独自可以作为发明要点，而且它们的各种组合也都构成发明要点。
附图标记列表
10热流道喷嘴
12材料管
14管座
16喷嘴尖端
18流动通道
20壁
22加热器
24电介质层
26加热层
28加热导体带
30导电带
32覆盖层
40蒸汽锅炉
42纵向焊缝
44环形焊缝
50连接盘
52温度传感器
54过渡部
A轴向
α角度
T切向
S对齐线

Claims (20)

1.电加热器(22)，用于加热基本圆柱形的物体(12)，所述电加热器具有至少一个基本圆柱形的载体并且具有至少一个施加在所述载体(12)上的加热导体带(28)，
其特征在于，
每个加热导体带(28)基本沿所述载体(12)的轴向(A)延伸，所述加热导体带(28)通过导电带(30)彼此电连接，其中，每个导电带(30)基本沿所述载体(12)的切向(T)延伸，所述导电带(30)的电阻小于所述加热导体带(28)的电阻，以及所述导电带(30)由下述材料制成，所述材料的电阻率小于所述加热导体带(28)的电阻率和/或所述导电带(30)的横截面大于所述加热导体带(28)的横截面。
2.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，所述加热导体带(28)与所述导电带(30)之间的过渡部(56)以角度(α)相对于所述轴向(A)倾斜地构成。
3.根据权利要求2所述的加热器(22)，其特征在于，所述角度(α)在0°与90°之间。
4.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，以如下方式选择在相邻设置的加热导体带(28)之间的相应的间距，即，为了在待加热的所述物体(12)中获得均匀的热量分布而应用不均匀的功率分布。
5.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，设置用于所述加热导体带(28)的连接盘(50)。
6.根据权利要求5所述的加热器(22)，其特征在于，所述加热导体带(28)与所述连接盘(50)之间的过渡部以垂直于所述轴向(A)的方式构成。
7.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，所述载体管形地构成。
8.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，所述载体是材料管(12)或者构成材料管(12)。
9.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，所述载体由金属或者陶瓷材料制成。
10.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，在所述载体上施加至少一个绝缘层(24)。
11.根据权利要求10所述的加热器(22)，其特征在于，所述绝缘层(24)在所述加热导体带(28)和所述导电带(30)下方的绝缘带中延伸。
12.根据权利要求11所述的加热器(22)，其特征在于，所述绝缘带的宽度大于所述加热导体带(28)的宽度和所述导电带(30)的宽度。
13.根据权利要求11所述的加热器(22)，其特征在于，所述绝缘带以材料配合方式施加在所述载体上。
14.根据权利要求11所述的加热器(22)，其特征在于，所述加热导体带(28)和所述导电带(30)以材料配合方式施加在所述绝缘带上。
15.根据权利要求10所述的加热器(22)，其特征在于，所述加热导体带(28)、所述导电带(30)和/或所述绝缘层(24)借助于厚膜技术或者借助于激光烧结施加在所述载体上。
16.根据权利要求10所述的加热器(22)，其特征在于，所述绝缘层(24)是电介质层。
17.根据权利要求1所述的加热器(22)，其特征在于，设置有温度传感器(52)。
18.根据权利要求17所述的加热器(22)，其特征在于，所述温度传感器(52)不与所述加热导体带(28)和/或所述导电带(30)相交。
19.热流道喷嘴(10)，具有根据权利要求1至18之一所述的加热器。
20.注塑装置，具有至少一个根据权利要求19所述的热流道喷嘴(10)。
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