CN108633115B - 电加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电加热装置(100，200)，具有：管状金属护套；布置在管状金属护套内部的绝缘体(130，230，310，320，330，340，350)，其由至少一个隧道状开口贯穿；电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)，所述电加热元件至少以一个部段在所述隧道状开口中伸展；以及用于所述电加热元件的直接或间接电接触和供电的连接线，所述连接线同样至少以一个部段在所述隧道状开口中伸展，其中所述电加热元件和连接线的在所述隧道状开口中伸展的部段至少在一些部段在接触区域(K)中彼此重叠，其中该接触区域位于电加热装置的不加热部段(u)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电加热装置。这类电加热装置包括，尤其是线圈式管状筒。
背景技术
存在许多这样的电加热装置，其中不加热区域可供使用。在这里，术语“不加热区域”不能在理想的意义上来理解，因为众所周知电流流经具有电阻的导线总是导致发热，而是在现实意义上来理解，即理解为其中电加热装置的输出加热功率明显低于加热装置所设计的每单位长度的已加热区域的额定加热功率的区域。在具有从外部缠绕有电加热元件的绕组体的电加热装置中，在不加热区域中不存在加热元件的绕组。
在这些情况下，通常的做法是允许原本的电加热元件，例如电阻线，不是横穿整个管状金属护套，而是通过同样至少以部段方式布置在管状金属护套中的连接线将电流供给电阻丝。此时，在低电压应用中特别常见的第一个显而易见的问题是，确保连接线与电加热元件之间的简单和工艺可靠的电接触。第二个显而易见的问题是，即使在高电流必须流动的情况下也能在小的结构空间内实现不加热区域的最低的可能发热。这一点尤其适用，因为当避免该不加热区域的发热时，适合用作连接线的良好导电材料与通常的加热导体材料的可接触性相对较差。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种具有不加热区域的电加热装置，其即使在高电流下也改善电接触并减少不加热区域的加热。该任务是通过下面记载的电加热装置来完成的。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的电加热装置具有：管状金属护套；布置在所述管状金属护套内部的绝缘体，所述绝缘体由至少一个隧道状开口贯穿；电加热元件，所述电加热元件至少以一个部段在所述隧道状开口中伸展；以及用于所述电加热元件的直接或间接电接触和供电的连接线，所述连接线同样至少以一个部段在所述隧道状开口中伸展。
出于良好顺序起见，指出的是，管状金属护套不一定必须具有圆形横截面，而是该横截面是自由选择的。
在这里，术语“隧道状开口”是指从一个端面到另一个端面，即大致在所述管状金属护套的伸展方向上贯穿所述绝缘体的开口。一个实例例如是以所描述的方式贯穿所述绝缘体的孔；但是，与孔的通常为圆形的横截面形成对比，隧道状开口的横截面是可自由选择。
此外还指出的是，在本说明书的意义上的隧道状开口当然也可以具有隧道壁的穿孔，尤其是在径向方向上向外，使得所述隧道状开口可以具有从所述绝缘体的表面的方向可接近的位置。
对本发明来说重要的是，所述电加热元件和所述连接线的在所述隧道状开口中伸展的所述部段在接触区域中至少在一些部段上彼此重叠，其中，所述接触区域位于所述电加热装置的不加热部段中。
在这里，术语“重叠”应理解为相应部段大致彼此平行伸展并彼此接触。与其中电加热元件和不加热部段彼此相邻地布置且以它们的端面连接的已知的接触可能性形成对比，以这种方式扩大了接触表面，从而可以有效地降低接触电阻，并且尤其是也对于难以彼此连接的材料配合来说，尤其是耐高温材料在没有例如MgO的绝缘材料的污染的情况下(例如在焊接过程中、比如在钎焊期间使用助熔剂时发生的)，实现了更加可靠的、更加可再现的和更加故障安全的接触。
在接触区域中与所述电加热元件的部段重叠的连接线不一定必须完全从所述管状护套导出，而是可以与这样做的另一条连接线连接。当谈到间接电接触时，指的是这种布局。
在本发明的特别优选的实施方式中，所述电加热元件和所述连接线的所述重叠部段通过电阻焊接或超声波焊接彼此连接。换句话说，存在通过电阻焊接或超声波焊接将所述电加热元件和所述连接线的所述重叠部段彼此连接的电阻焊接位置或超声波焊接位置。这些焊接方法适合于也在电阻合金和优良导电体如铜或镍之间建立焊接连接。另外，可以在电阻焊接时，例如通过焊接电流测量，在焊接电加热元件和连接线的重叠布置时来实现焊接监控。
根据本发明的特别优选的实施方式规定的是，至少在所述接触区域中，所述电加热元件或所述连接线的所述部段中的至少一个部段在其面向所述连接线或所述电加热元件的所述部段中的另一个部段的一侧上是平坦化的。此时，当存在比具有相应半径的圆的曲率更小的曲率时，可以实现平坦化，例如，在椭圆的较小弯曲的侧面上；不过优选的是，该相应的侧面在该部段上大致平坦伸展并且没有曲率。
现已证明，已经通过参与连接的部段之一的平坦化实现电接触的特性的可再现性的显著改进，并因此决定性地改进了工艺可靠性。
特别优选的是，所述电加热元件和/或所述连接线由扁平条材料制成；也就是说，它们具有扁平条的由矩形横截面表征的几何形状。以这种方式，不再需要材料的后加工，而同时在建立电连接(不管是通过按压或通过焊接、钎焊或压接)之前以简单的方式将一个简单地置于另一个上来实现待连接的导体部段的准确定位，这又进一步实现了工艺可靠性。
同时，可用的接触面积显著增加。虽然具有圆形横截面的两个重叠导体大致形成线性接触(这与在端面以彼此连接的方式连接时的点状接触相比已经是一种改进)时，可以建立一种相对于小的位置偏差也相对不敏感的平面接触。
尤其地，对于至少在一些部段为扁平条材料的构造，上下叠加地布置由扁平条材料制成的所述电加热元件和/或一根或多根所述连接线，以便在所述隧道状开口的横截面的最佳使用下优化不加热区域的特性。例如，可以例如将由扁平条材料制成的两根、三根或四根连接线上下叠加地布置并使它们彼此电接触。
此时，由扁平条材料制成的上下叠加地布置的所述连接线由相同或不同材料构成。
在本发明的优选变型中，所述电加热元件是U形并且所述U形的两个腿各自被插入到所述绝缘体的隧道状开口中并且在那里在接触区域中与连接线接触，其中在每个所述接触区域中，所述电加热元件或所述连接线的部段中的至少一个部段在其面向所述连接线或所述电加热元件的部段中的另一部段的一侧上被平坦化。长导体部段通过绝缘体中的隧道状开口涉及花费较长的时间，该较长的时间花费可以以所描述的方式显著减少。另外，也可以以这种方式提供电加热装置，其中将连接线直接从管状护套中导出，而无须建立其他的电连接。
如果在所述隧道状开口的接触区域中在绝缘体中设置窗口，该窗口允许尤其是在该处从径向方向进入所述隧道状开口，则还可以在该处通过焊接、钎焊或压接来实现连接。
在本发明的优选实施方式中，至少一个所述隧道状开口的横截面不同于圆形。例如，它可以为椭圆形或半圆形。由此能够优化导体即所述电加热元件和所述连接线的横截面，这对于可以在尽可能低的加热下实现尽可能高的电流输送是重要的。这种复杂成型的绝缘体可以例如作为挤压型材或借助陶瓷注塑方法来实现。
在本发明的优选实施方式中，两条连接线与所述加热元件的相同部段连接，其中一条连接线在一端面与所述加热元件相接触，另一条连接线至少部分地与所述加热元件重叠。这是特别有利的，因为在一端面与所述加热元件接触的连接线尤其优选地具有与所述电加热元件相同厚度，然后使在所述接触区域中与所述电加热元件重叠的第二连接线定位和稳定，从而进一步促进了平坦化的平面在所述接触区域中的平坦接触。
特别优选的是，当希望确保在电加热装置的给定部分中尽可能少地输出加热功率，则在所述管状金属护套的内部存在一部段，在所述部段中，所述加热元件和一条连接线或两条连接线彼此平行且彼此电接触地伸展，以形成不加热区域。
尤其有利的是，所述接触区域被嵌入在陶瓷绝缘物质或氧化镁中并且优选被压实。
当所述接触区域具有大于宽度的长度时，可以使接触面积最大化，并因此使任何局部接触问题的影响最小化。
本发明针对这样的电加热装置的相关性特别高，其中加热元件和连接线或多根连接线不是缠绕地而是笔直地伸展。
附图说明
以下将根据示出实施例的附图更详细地说明本发明。在附图中：
图1a示出了电加热装置的第一实施例；
图1b示出了图1a的实施例的图像平面中的截面的第一细节放大；
图1c示出了图1a的实施例的图像平面中的截面的第二细节放大；
图1d示出了图1a的电加热装置的一种可能使用配置；
图1e示出了图1a的电加热装置在垂直于其伸展方向的方向上的接触区域的横截面；
图2a示出了电加热装置的第二实施例；
图2b示出了图2a的实施例的图像平面中的截面的第一细节放大；
图2c示出了图2a的实施例的图像平面中的截面的第二细节放大；
图2d示出了图2a的电加热装置的电加热元件和连接线的布置；
图2e示出了图2d的布置的变型；
图3a示出了电加热装置的绝缘体的第一示例的横截面；
图3b示出了电加热装置的绝缘体的第二示例的横截面；
图3c示出了电加热装置的绝缘体的第三示例的横截面；
图3d示出了根据本发明的电加热装置的绝缘体的第四示例的横截面；
图3e示出了根据本发明的电加热装置的绝缘体的第五示例的横截面；
图4a示出了电加热元件与连接线之间的接触区域的第一示例；
图4b示出了电加热元件与连接线之间的接触区域的第二示例；
图4c示出了电加热元件与连接线之间的接触区域的第三示例；
图4d示出了电加热元件与连接线之间的接触区域的第四示例；以及
图4e示出了电加热元件与连接线之间的接触区域的第五示例。
具体实施方式
图1a示出了管式线圈筒形式的电加热装置100的实施例，该电加热装置100如图1d所示，可以针对某一应用例如以期望的形式弯曲和/或盘绕，并且具有不加热区域，该不加热区域在可见的所有附图中标记为u，并且具有双侧连接件110，111。尤其是从图1b的截面图可以得知，电加热装置100具有管状金属护套120，在所述金属护套120的内部布置有绝缘体130，该绝缘体130由隧道状开口140贯穿。
电加热元件141在隧道状开口140内伸展，电加热元件141在图1b所示的端部与连接线145的一部段在接触区域K中重叠并与该连接线连接例如焊接，在其另一端部处，电加热元件141可以布置成，例如与连接件111的间隔和在图1b所示的端部与连接件110的间隔相同，。此时，在接触区域K中，如在图1e的横截面图中可以特别清楚地看到的那样，所连接的导体中的至少一个，即电加热元件141和/或连接线145是扁平的。
例如从图3a至图3e中可以得知电加热元件141和连接线145的横截面的其他可能实施，其中示出了连接线315，316，325，326，335，336，345，346，355，356和加热元件311，321，331，341，351，布置在绝缘体310，320，330，340，350中，示出的这些绝缘体310，320，330，340，350各自具有两个隧道状开口317，318，327，328，337，338，347，348，357，358。
保留在隧道状开口140中的空容腔可以用绝缘材料例如MgO粉末填充。
作为例子，绝缘体130在接触区域K中示出了两个对置的窗口131，132。当存在这样的窗口时，电加热元件141与连接线145之间的电触点中的至少一个只有在将这些部件从不同侧插入到隧道状开口140中之后才可以形成，即使该电触点不是按压接触，代替的应是焊接、钎焊或压接。
如图1c所示，具有电导体191的供电线路190通向连接件110的填充有氧化镁192的内腔。然后用压接元件193将电导体191与连接线145连接。
图1a至图1e所示的电加热装置100的右侧上的接触区域和端子111构造类似。
图2a至图2e示出了电加热装置200的第二实施例，该电加热装置200具有：管状金属护套220，其具有底部221；布置在管状金属护套220的内腔中的绝缘体230，其具有从一端侧到另一端侧贯穿其的隧道状开口240，260；U形的电加热元件241；和连接线245a，245b，246a，246b，其中仅在一侧存在至供电线路290的连接件210。
如仅在电加热元件的弧形端部部段241a，241b的形状方面不同的图2d和图2e的变型中所见，特别清楚的是，在该实施方式中，不仅电加热元件241而且连接线245a，245b，246a，246b均由横截面恒定的扁平条材料制成。此时，对于电加热元件241优选应用热导体材料，例如镍铜合金，镍铬合金或合适的三元合金，而连接线245a，245b，246a，246b优选由良好的导电材料例如Cu或Ni制成，以减少连接线245a，245b，246a，246b的区域中的功率输出。
如在图2d和图2e中可以特别清楚地看出，两根连接线245a，245b和246a，246b分别与加热元件241的端部部段连接，其中的连接线245a和246a分别在端侧与加热元件241相接触，并且另一连接线245b和246b在接触区域K与加热元件241重叠。这种结构使得制造特定的导电良好的电触点变得特别容易。
此外，特别是结合图2c可以看出，在管状金属护套220内部的一个部段中，两根连接线245a，245b以及246a，246b彼此平行并且彼此电接触地伸展，以形成其中横截面增加并因此加热功率输入较低的不加热区域。
在图3a和图3b中分别示出了加热元件311，321和与加热元件311，321在一些部段重叠的连接线315，316，325，326在绝缘体310，320的隧道状开口317，318，327，328中的布置。尽管这可以确保良好的线性接触，但仍然存在一定的工艺可靠性问题，该问题是由此产生的，即，加热元件311，321和连接线315，316，325，326的两个圆形导体部段分别必须定位在圆形孔中并且必须在它们之间建立电接触，因为导体部段的相对位置的滑动是容易实现的。另外，隧道状开口317，318，327，328的内腔未得到最佳使用。
在图3c至图3e的实施方式中避免了这些问题，在图3c至图3e中还示出了相似的连接线335，336，345，346，355，356和加热元件331，341，351布置在分别具有两个隧道状开口337，338，347，348，357，358的绝缘体330，340，350中的接触区域K的横截面。
因此，因为在接触区域中，导体中的一个导体，即连接线335，336，345，346，355，356和/或加热元件331，341，351在其面向与之建立接触的导体即加热元件331，341，351或连接线335，336，345，346，355，356的一侧被平坦化，则定位以及相应地还有后续的接触更加精确得多而且重现性更好得多。此外，通过改变隧道状开口337，338，347，348，357，358的横截面，一方面可以更好地使用该横截面，并且另一方面可以准确地限定插入位置。
如图4a至图4e所示，在由热导体材料制成的电加热元件411，421，431，，441，451与具有良好导电性能的连接线415，425，426，435，445，446，455，456，457之间的接触区域可以被设计得不同。在图4a中示出了最简单的且与最少的材料损耗有关的可能性，其中简单地形成了电加热元件411和连接线415的平坦部段的重叠。但是此时，与图4b至图4d的其他实施方式不同，仍会发生的是，由于插入时的倾斜而不存在平面接触。
这可以通过这样来避免，即，应用第二、优选在其横截面方面与电加热元件421，441的横截面适配的第二连接线426，446，该第二连接线426，446与电加热元件421，441形成端侧接触。图4b所示的变型产生电加热装置的不加热部段，这些不加热部段特别接近理想，但带来比图4d的变型更高的材料损耗。另一种可能性在于，使加热元件431也在不加热区域u中延伸，但是在那里与良好导电的连接线435电接触。
如果需要在不加热区域u中有更大的横截面，则如图4e所示，还存在的可能性是，除了设置在其横截面方面与电加热元件451的横截面适配、与电加热元件451端侧接触并选择性地由电加热元件451的材料或者良好导电材料例如铜制成的连接线456以外，还在上部和下部布置附加连接线455，457，连接线455，457与电加热元件451和连接线456重叠并由具有良好导电性能的材料制成。
附图标记说明：
100，200 电加热装置
110，111，210 连接件
120，220 管状金属护套
130，230，310，320，330，
340，350 绝缘体
131，132 窗口
140，240，260，317，318，327，328
337，338，347，348，357，358 隧道状开口
141，241，311，321，331，341，
351，411，421，431，441，451 电加热元件
145，245a，245b，246a，246b，315，
316，325，326，335，336，345，346，
355，356，415，425，426，435，445，
446，455，456，457 连接线
190，290 供电线路
191 电导体
192 氧化镁
193 压接元件
221 底部
K 接触区域
u 不加热区域
A，B 细节。
Claims (15)
1.一种电加热装置(100，200)，其具有：管状金属护套(120，220)；布置在所述管状金属护套(120，220)内部的绝缘体(130，230，310，320，330，340，350)，所述绝缘体由至少一个隧道状开口(140，240，260，317，318，327，328，337，338，347，348，357，358)贯穿；电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)，所述电加热元件至少以一个部段在所述隧道状开口中伸展；以及用于所述电加热元件的直接或间接电接触和供电的连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)，所述连接线也至少以一个部段在所述隧道状开口中伸展，其中所述电加热元件的和所述连接线的在所述隧道状开口中伸展的所述部段至少在一些部段在接触区域(K)中彼此重叠，其中所述接触区域(K)处在所述电加热装置的不加热区域(u)，其中在所述接触区域(K)中，在所述绝缘体中设置有所述隧道状开口的窗口，所述窗口允许在该位置处从径向方向进入所述隧道状开口。
2.根据权利要求1所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)和所述连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)的重叠部段通过电阻焊接或超声波焊接彼此连接。
3.根据权利要求1所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)和所述连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)的所述部段中的至少一个部段在其面向所述连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)或所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)的所述部段中的至少一个部段的另一个部段的一侧上是平坦化的。
4.根据权利要求3所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)和/或所述连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)由扁平条材料制成。
5.根据权利要求4所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，由扁平条材料制成的所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)和/或一条或多条所述连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)至少在一些部段上下叠加地布置。
6.根据权利要求5所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，由扁平条材料制成的两条、三条或四条所述连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)至少在一些部段上下叠加地布置并电接触。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，由扁平条材料制成的上下叠加地布置的所述连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)由相同或不同材料构成。
8.根据权利要求1所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)是U形并且所述U的两个腿各自被插入到所述绝缘体(130，230，310，320，330，340，350)的所述隧道状开口(140，240，260，317，318，327，328，337，338，347，348，357，358)中。
9.根据权利要求1所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，至少一个所述隧道状开口(140，240，260，317，318，327，328，337，338，347，348，357，358)的横截面与圆形不同。
10.根据权利要求1所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，所述连接线包括第一连接线和第二连接线，所述第一连接线和第二连接线与所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)的相同部段连接，其中所述第一连接线在端面与所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)相接触，所述第二连接线至少在一些部段与所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441)重叠。
11.根据权利要求1所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，所述接触区域(K)被嵌入陶瓷绝缘复合物或氧化镁中并且被压实。
12.根据权利要求1所述的电加热装置(100，200)，其特征在于，所述电加热元件(141，241，311，321，331，341，351，411，421，431，441，451)和连接线(145，245a，245b，246a，246b，315，316，325，326，335，336，345，346，355，356，415，425，426，435，445，446，455，456，457)彼此平行且电接触地伸展。
13.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于，所述电加热元件包括第一腿部，所述第一腿部具有第一端面和第一顶面，所述连接线包括第一连接线和第二连接线，第一连接线定位成面向所述第一端面与其接合，所述第二连接线与所述第一腿部重叠并且所述第一连接线邻近所述第一顶面。
14.根据权利要求1所述的电加热装置，其特征在于，所述电加热元件为U形，其具有第一腿部和第二腿部，所述连接线包括第一连接线和第二连接线，第一连接线和第二连接线与所述电加热元件的第一腿部连接。
15.根据权利要求14所述的电加热装置，其特征在于，所述连接线还包括第三连接线和第四连接线，所述第三连接线和第四连接线与所述电加热元件的第二腿部连接。
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