DE10119107A1 - Elektrische Heizpatrone mit einem temperaturabhängigen Leistungsbegrenzer - Google Patents

Abstract

Die elektrische Heizpatrone ist mit einem temperaturabhängig schaltenden Leistungsbegrenzer (20), insbesondere einem Bimetallschalter, versehen, der innerhalb eines einen Heizkörper (5) konzentrisch umschließenden metallenen Gehäuserohres (10) angeordnet ist und über welchen wenigstens eines von zwei elektrischen Anschlußteilen (23, 24) mit einem Heizelement (4) des Heizkörpers (5) in Verbindung stehen. Damit der Leistungsbegrenzer sowohl zeitlich als auch wertmäßig möglichst genau auf die im zu erwärmenden Medium herrschende Temperatur anspricht, ist der Leistungsbegrenzer (20) in einem durch eine Trennwand (12) vom Heizkörper (5) getrennten Hohlraum (11) des Gehäuserohres (10) untergebracht. Außerdem weist er eine metallene Wärmekontaktfläche (30) auf, die durch Federdruck spaltfrei an einer räumlich von der Trennwand (12) entfernten metallenen Gegenfläche (31) des Gehäuserohres (10) anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizpatrone mit einem temperaturabhängig schaltenden Leistungsbegrenzer, insbesondere einem Bimetallschalter, der innerhalb eines einen Heizkörper konzentrisch umschließenden metallenen Gehäuserohres angeordnet ist und über welchen wenigstens eines von zwei elektrischen Anschlußteilen mit einem Heizelement des Heizkörpers in Verbindung stehen.

Derartige Heizpatronen sind an sich bekannt. Sie werden u. a. auch dafür eingesetzt, ein Medium rasch auf eine be­ stimmte vorgegebene Temperatur aufzuheizen, die aber nicht überschritten werden sollte.

In vielen Fällen ist dieses Aufheizen eines Mediums nur im Anlaufbetrieb erforderlich, weil das Medium dann von der Maschine in der es sich befindet, während des Betrie­ bes von der Maschine selbst auf der gewünschten Betriebs­ temperatur gehalten wird. Ein weiteres Heizen mit der Heizpatrone ist dann nicht mehr erforderlich. Zum Ab­ schalten der Heizpatrone ist der sog. Leistungsbegrenzer vorgesehen, der sowohl aus einem temperaturabhängigen Aus-Einschalter z. B. einem Bimetallschalter bestehen kann, der aber auch eine Regeleinrichtung umfassen kann bzw. aus einer solchen bestehen kann.

Wichtig ist bei solchen Anwendungsfällen, daß der Lei­ stungsbegrenzer nicht vom Heizkörper bzw. dem Heizelement der Heizpatrone selbst erwärmt wird, sondern vom Medium, das von der Heizpatrone auf eine bestimmte Betriebstempe­ ratur gebracht werden soll. Es ist somit eine thermische Entkoppelung des Leistungsbegrenzers vom Heizkörper er­ forderlich.

Es sind bereits eine ganze Reihe von Heizpatronen be­ kannt, die integrierte Thermoelemente verschiedener Aus­ führungen aufweisen, bei denen aber zur Steuerung der Heizelemente besondere Regelorgane erforderlich sind, weil die thermische Entkopplung der Thermofühler vom ei­ gentlichen Heizkörper nicht in ausreichendem Maße gewähr­ leistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektri­ sche Heizpatrone der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher der Leistungsbegrenzer sowohl zeitlich als auch wertmäßig möglichst genau auf die Temperatur an­ spricht, die jeweils in dem erwärmten bzw. zu erwärmenden Medium herrscht.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Leistungsbegrenzer in einem durch eine Trennwand vom Heizkörper getrennten Hohlraum des Gehäuserohres unterge­ bracht ist und eine metallene Wärmekontaktfläche auf­ weist, die durch Federdruck spaltfrei an einer räumlich von der Trennwand entfernten, metallenen Gegenfläche des Gehäuserohres anliegt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Leistungsbegren­ zers ist seine thermische Entkopplung von dem Heizelement der Heizpatrone in einem solchen Maße verwirklicht, daß der Thermofühler des Leistungsbegrenzers unmittelbar von der Temperatur des Mediums beaufschlagt wird und somit direkt auf diese Temperatur reagieren kann. Es wird da­ durch nicht nur eine wesentlich genauere Einhaltung der gewünschten bzw. eingestellten Grenztemperatur erzielt, bei welcher die Energiezufuhr der Heizpatrone abgeschal­ tet wird, sondern es ist auch möglich, einen einfachen Leistungsbegrenzer mit einer einfachen Ausschaltfunktion zu verwenden, was sich selbstverständlich auch günstig auf die Herstellkosten einer solchen Heizpatrone aus­ wirkt.

Eine räumlich und konstruktiv besonders günstige Ausge­ staltung der Erfindung ergibt sich durch die Merkmale des Anspruches 2, wobei durch die Ausgestaltung nach Anspruch 3 nicht nur eine stabile Verbindung zwischen der Stirn­ wand des Gehäuserohres geschaffen wird, sondern auch eine optimale Abdichtung und Wärmeübertragung.

Der Wärmeübergang von der Gegenfläche zur Wärmekontakt­ fläche kann durch die Ausgestaltung nach Anspruch 4 noch verbessert werden.

Um einen Wärmeübergang vom Heizkörper bzw. dem Heizele­ ment in den Hohlraum und von diesem zum Leistungsbegren­ zer möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, die Ausgestaltung nach Anspruch 5 vorzusehen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist insofern von beson­ derem Vorteil, als sie sich technisch gut realisieren läßt und im übrigen auch in erheblichem Maße zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe beiträgt.

Die gemäß Anspruch 7 vorgesehene Schraubendruckfeder ist nicht nur in der Lage, den für eine möglichst spaltfreie Berührung zwischen der Wärmekontaktfläche und deren Ge­ genfläche erforderlichen Anpreßdruck aufzubringen, son­ dern sie ist auch in der Lage sowohl axiale Fertigungsto­ leranzen als auch thermisch bedingte Längenänderungen zu kompensieren.

Mit Hilfe der gemäß Anspruch 8 vorgesehenen zusätzlichen Wärmeisolierscheibe kann der Wärmeübergang vom Heizkörper in den Hohlraum weiter minimiert werden.

Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Heizpatrone im Schnitt

Fig. 2 den Leistungsbegrenzer der Heizpatrone in per­ spektivischer Unteransicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Heizpatrone weist einen aus einem thermisch hoch belastbaren elektrischen Isolierma­ terial, wie z. B. Keramik, bestehenden Heizkörper 5 auf, der von einem gewindeartig aufgewickelten, drahtförmigen Heizelement 4 umschlossen ist. Dieser Heizkörper 5 ist mit außermittig angeordneten, sich diametral gegenüber­ liegenden durchgehenden Axialbohrungen 6 und 7 versehen, in denen elektrische Anschlußdrähte 8 und 9 bzw. 9' un­ tergebracht sind.

Die in der Zeichnung oben liegenden Enden der Anschluß­ drähte 8 und 9 durchragen Axialbohrungen 15 und 16 eines zylindrischen Verschlußstückes 17 und enden in Anschluß­ teilen 23 und 24.

Der Anschlußdraht 8 führt direkt zu einem Anschlußstück 26 eines temperaturabhängig schaltenden, d. h. auf eine bestimmte Temperatur seiner Umgebung ansprechenden Lei­ stungsbegrenzers 20, mit dem er stoffschlüssig verbunden ist. Der Anschlußdraht 9 ist durch ein Verbindungsstück 18 mit dem einen Ende des Heizelementes 4 verbunden, wäh­ rend der Anschlußdraht 9' über ein Verbindungsstück 18' mit dem andern Ende des Heizelementes 4 verbunden ist. Der Anschlußdraht 9' ist mit dem zweiten Anschlußstück 27 des Leistungsbegrenzers 20 stoffschlüssig verbunden, z. B. verschweißt.

Im vorliegenden Anwendungsfall hat der Leistungsbegrenzer 20 nur die Funktion, die Stromzufuhr zum Heizelement 4 zu unterbrechen, wenn bzw. sobald das aufzuheizende Medium eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat. Statt eines solchen Leistungsbegrenzers 20, der nach Absinken der Temperatur im Medium die Stromzufuhr nicht wieder ein­ schaltet, sind auch andere Thermoschaltgeräte oder - Regler einsetzbar, welche ein Wiedereinschalten der Stromzufuhr bewirken können, wenn bestimmte vorgegebene Parameter erfüllt sind, z. B. eine bestimmte Absenktempe­ ratur erreicht ist.

Zwischen den beiden Anschlußdrähten 9 und 9' befindet sich in der Bohrung 7 des Heizkörpers 5 ein Isolierstift 19, der eine elektrische Trennung zwischen den beiden An­ schlußdrähten 9 und 9' gewährleistet.

Untergebracht ist der Heizkörper 5 mit seinem Heizelement 4 und den Anschlußdrähten 8, 9 und 9' in einem zylindri­ schen Gehäuserohr 10, das vorzugsweise aus Edelstahl be­ steht, aber auch aus einem anderen, nicht oxidierenden gut wärmeleitenden Metall bestehen kann. Dieses Metall­ rohr 10 hat eine innere Weite, die größer ist als der Wickeldurchmesser des Heizelementes 4. Der deshalb vor­ handene Ringspalt 22, zwischen dem Gehäuserohr 10 und dem Heizkörper 5 bzw. dessen Heizelement 4 ist ausgefüllt mit einem elektrisch nicht leitenden, jedoch gut wärmeleiten­ den pulverförmigem Medium, vorzugsweise Magnesiumoxid, welches auch die verbliebenen Hohlräume der Axialbohrun­ gen 6 und 7 ausfüllt.

Dieses Füllmaterial ist im Gehäuserohr 10 durch radiale Verpressung verdichtet. Am oberen Ende des Heizkörpers befindet sich als dichtender Abschluß das Verschlußstück 17, das mit einem verjüngten, zylindrischen Ansatz 17' in das obere Ende des den Heizkörper axial überragenden Ge­ häuserohres 10 eingepreßt ist.

Am unteren Ende des Heizkörpers 5 befindet sich im Gehäu­ serohr 10 eine Trennwand 12 aus Keramik, die zur Hin­ durchführung der beiden Anschlußdrähte 8 und 9' zwei axiale Bohrungen 37 und 38 aufweist und die Hohlräume des Heizkörpers sowie den Ringspalt 22 dichtend abschließt.

Nach unten, bezogen auf die Darstellung gemäß Fig. 1, ist das Gehäuserohr 10 über die Trennwand 12 hinaus verlän­ gert. Dieser Endabschnitt 10' bildet einen Hohlraum 11, der durch eine metallene Stirnwand 35 abgeschlossen ist, die aus einer planparallelen, der Innenkontur des Gehäu­ serohres 10 angepaßten Scheibe, besteht. Diese Stirnwand 35 ist in das untere Ende des Gehäuserohres 10 eingepreßt und zusätzlich dicht verschweißt.

Der über seine beiden Anschlußstücke 26 und 27 mit den Anschlußdrähten 8 bzw. 9' elektrisch verbundene Lei­ stungsbegrenzer 20 ist mit einem metallenen Gehäuse 21 versehen, das seinerseits unterseitig eine Kontaktplatte 32 aufweist. Die Unterseite der Kontaktplatte 32 bildet eine Wärmekontaktfläche 30, die spaltfrei auf der von der Innenseite der Stirnwand 35 gebildeten Gegenfläche 31 aufliegt. Um den Wärmeübergang zwischen diesen beiden Me­ tallteilen noch zu verbessern, ist es zweckmäßig, zwi­ schen der Wärmekontaktfläche 30 und deren Gegenfläche 31 eine Wärmekontaktpaste anzubringen.

Um den nötigen Anpreßdruck für die spaltfreie Berührung zwischen der Kontaktplatte 32 und der Stirnwand 35 zu er­ zeugen, ist eine Schraubendruckfeder 13 vorgesehen, die sich einerseits an der Trennwand 12 bzw. an einer an die­ ser anliegenden zusätzlichen Wärmeisolierscheibe 14 und andererseits an der Kontaktplatte 32 abstützt.

Damit die Kontaktplatte 32 mit dem Gehäuse 21 des Lei­ stungsbegrenzers 20 den temperaturbedingten Längenände­ rungen des Gehäuserohrabschnittes 10 ungehindert folgen kann, sind die beiden Anschlußdrähte 8 und 9' innerhalb des Hohlraumes 11 jeweils mit Dehnbogen 28 und 29 verse­ hen. Diese sind erforderlich, weil die beiden Anschluß­ drähte 8 und 9' festsitzend in der Trennwand 12 bzw. im Heizkörper 5 verankert sind und sich in axialer Richtung in diesem Bereich nicht bewegen können.

Durch die bei Hochtemperaturbetrieb nicht erforderliche zusätzliche Isolierstoffscheibe 14 wird der direkte Wär­ meübergang von der Trennwand 12 zum Hohlraum 11 zusätz­ lich vermindert, was für eine geringere temperaturabhän­ gige Ansprechtoleranz des Leistungsbegrenzers 20 förder­ lich ist.

Wenn statt des einfachen Leistungsbegrenzers 20 ein Ther­ moregler verwendet wird und es darauf ankommt eine gerin­ ge Schalthysteres mit möglichst geringer Streuung zu er­ zielen, ist es wichtig daß einerseits ein gut wärmelei­ tender Kontakt zwischen dem Leistungsbegrenzer 20 und der metallenen Stirnwand 35 am unteren Ende des den Hohlraum bildenden Gehäuserohrabschnitts 10' besteht und daß ande­ rerseits die thermische Entkopplung des Leistungsbegren­ zers 20 vom Heizkörper 5 bzw. Heizelement 4 wirksam ist, was nicht nur durch die Trennwand 12 und die Isolier­ stoffscheibe 14 sondern auch und insbesondere durch den axialen Abstand zwischen der Trennwand 12 und dem Lei­ stungsbegrenzer 20 im Hohlraum 11 erreicht wird.

Claims (8)

1. Elektrische Heizpatrone mit einem temperaturabhängig schaltenden Leistungsbegrenzer (20), insbesondere ei­ nem Bimetallschalter, der innerhalb eines einen Heiz­ körper (5) konzentrisch umschließenden metallenen Ge­ häuserohres (10) angeordnet ist und über welchen we­ nigstens eines von zwei elektrischen Anschlußteilen (23, 24) mit einem Heizelement (4) des Heizkörpers (5) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsbegrenzer (20) in einem durch eine Trennwand (12) vom Heizkörper (5) getrennten Hohlraum (11) des Gehäuserohres (10) untergebracht ist und ei­ ne metallene Wärmekontaktfläche (30) aufweist, die durch Federdruck spaltfrei an einer räumlich von der Trennwand (12) entfernten metallenen Gegenfläche (31) des Gehäuserohres (10) anliegt.

2. Elektrische Heizpatrone nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gegenfläche (31) von der Innen­ fläche einer den Hohlraum (11) nach außen abschlie­ ßenden Stirnwand (35) gebildet ist, welche voll um­ fänglich mit dem Gehäuserohr (10) kontaktierend in dessen Ende eingepreßt ist.

3. Elektrische Heizpatrone nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (35) mit dem Gehäuserohr ringsum verschweißt ist.

4. Elektrische Heizpatrone nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmekontakt­ fläche (30) und der Gegenfläche (31) eine Wärmekon­ taktpaste angeordnet ist.

5. Elektrische Heizpatrone nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennwand (12) aus einem elek­ trisch isolierenden Material mit geringer Wärmeleit­ fähigkeit, z. B. aus Keramik, besteht.

6. Elektrische Heizpatrone nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmekontaktfläche (31) von der nach außen gerichteten Stirnfläche einer der Innen­ kontur des Gehäuserohres (10) angepaßten Kontaktplat­ te (32) gebildet ist, die Teil eines den Leistungsbe­ grenzer (20) umschließenden Gehäuses (21) oder gut wärmeleitend mit einem solchen Gehäuse verbunden ist.

7. Elektrische Heizpatrone nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Hohlraum (11) eine Schrauben­ druckfeder angeordnet ist, welche sich einerseits an der Trennwand (12) und andererseits am Gehäuse (21) des Leistungsbegrenzers (20) oder an der Kontaktplat­ te (32) abstützt.

8. Elektrische Heizpatrone nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennwand auf der Hohlraumseite mit einer zusätzlichen Wärmeisolierscheibe (14) ver­ sehen ist.