DE102008007891A1

DE102008007891A1 - Heizelement, insbesondere für die Lagermontage

Info

Publication number: DE102008007891A1
Application number: DE102008007891A
Authority: DE
Inventors: Michael Pausch
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: DE102008007891B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizelement, insbesondere für die Montage eines Lagerrings (8) an eine Welle eines Lagers (9), umfassend ein heizbares Korpus, das mindestens abschnittsweise in thermisch leitenden Kontakt mit der Welle bringbar ist. Die Aufgabe, ein einfaches und an beliebigen Montageorten einsetzbares Heizelement anzugeben, wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Arbeitsmedium (5), das einen mit latenter Wärme verbundenen Phasenübergang aufweist, wobei das Arbeitsmedium in einem metastabilen Zustand vorliegt, und durch ein Auslöseelement (6), das den Phasenübergang auslöst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Heizelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein Heizelement für die Montage eines Lagerrings an eine Welle eines Lagers.
Aus der Praxis ist bekannt, einen Lagerring, speziell einen Innenring eines Lagers, an eine Welle mittels Preßsitz dadurch zu fügen, dass der Lagerring mittels eines Heizelementes erwärmt wird, auf die Welle aufgebracht und dann abkühlen gelassen wird. Ist der Lagerring erkaltet, bleibt er auf der Welle fest gefügt, wobei die thermische Ausdehnung des Lagerrings im erhitzten Zustand ausgenutzt wird, aufgrund derer der Innendurchmesser des Lagerrings bei der Erwärmung zunimmt. Für viele Anwendungen ist es ausreichend, wenn der Lagerring auf Temperaturen von ca. 80 bis 100°C erhitzt wird, wenn die Lagermontage bei Raumtemperatur durchgeführt werden soll. Ein Erwärmen auf Temperaturen von mehr als ca. 120°C ist oft nicht erforderlich, da hierbei die mechanischen Eigenschaften des Lagerrings einer Änderung unterliegen können.
Als Heizelemente sind einfache, elektrisch betriebene Heizplatten bekannt, auf deren Korpus der Lagerring aufgelegt wird, so dass eine Stirnseite des Lagerrings in thermisch leitender Verbindung mit der Heizplatte steht. Derartige Heizplatten sind unhandlich, schwer und weisen große Abmaße auf, auch wenn nur ein kleiner Lagerring montiert werden soll. Heizplatten erfordern eine elektrische Versorgung am Montageort, wobei eine hohe Leistungsaufnahme durch die Heizplatte erfolgt, allerdings nur eine geringe Leistung an den Lagerring weitergegeben wird, so dass die Heizplatte wenig energieeffizient ist. Weiter besteht bei der Heizplatte die Gefahr, den Lagerring lokal zu überhitzen und damit zu beschädigen. Vergleichbare Nachteile weisen neben Heizplatten auch Induktionsheizgeräte auf.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und an beliebigen Montageorten einsetzbares Heizelement anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird für das Heizelement erfindungsgemäss mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch den metastabilen Zustand des Arbeitsmediums, bezogen auf die Temperatur, bei der die Lagermontage erfolgen soll, kann durch Auslösen des Phasenübergangs mittels des Auslöseelementes der Phasenübergang vollzogen werden, so dass die latente Wärme freigesetzt wird.
Beispielsweise kann das Arbeitsmedium bei der Lagermontage als Flüssigkeit vorliegen, deren Schmelzpunkt der Flüssigkeit oberhalb der Temperatur liegt, bei der die Lagermontage durchgeführt wird. Das Arbeitsmedium liegt in diesem Fall als unterkühlte Schmelze und damit in einem metastabilen Zustand vor. Bei dem durch das Betätigen des Auslöseelementes ausgelösten Phasenübergang, speziell bei dem Erstarren der Flüssigkeit, tritt ein Phasenübergang auf, der mit der Freisetzung von latenter Wärme verbunden ist. Diese latente Wärme erhitzt den Lagerring, der zu montieren ist.
Es erweist sich als Vorteil, dass der Zeitpunkt, zu dem die latente Wärme freigesetzt wird, durch den Bediener des Heizelementes genau bestimmt werden kann, nämlich durch Betätigen des Auslöseelementes.
Das Heizelement ist energetisch autark, wobei die freigesetzte Wärme in dem metastabilen Zustand bei Bedarf abrufbar zwischengespeichert ist.
Ist einmal die Wärme freigesetzt worden und beispielsweise das Arbeitsmedium erstarrt, kann das Arbeitsmedium später wieder erhitzt und dabei geschmolzen werden, so dass das Heizelement für einen weiteren Heizvorgang erneut zur Verfügung steht.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einem linken Teilbild eine Draufsicht und in einem rechten Teilbild eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizelementes,
2 zeigt in einer geschnittenen Ansicht das Heizelement aus 1 in einer Montagestellung,
3 zeigt eine geschnittene Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform zu dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, und
4 zeigt eine tabellarische Übersicht über Materialien, die als Arbeitsmedium für die Ausführungsbeispiele aus 1 bis 3 in Frage kommen
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Heizelement 1, das einen ersten Abschnitt 2 und einen zweiten Abschnitt 3 umfasst. Der zweite Abschnitt 3 ist im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und weist einen Hohlraum 4 auf, in dem ein Arbeitsmedium 5 aufgenommen ist. Der erste Abschnitt 2 und der zweite Abschnitt 3 sind jeweils aus einem flexiblen Kunststoff-Folienmaterial hergestellt und entlang einer gemeinsamen Kontaktfläche durch Schweißen aneinander gefügt.
Das Arbeitsmedium 5 ist Salz mit Kristallwasser, also ein Salzhydrat, speziell Kristallwasser enthaltendes Bariumhydroxid, das bei 78°C schmilzt, so dass bei Raumtemperatur der feste Zustand thermodynamisch stabil und energetisch begünstigt ist. Das Arbeitsmedium 5 liegt in dem Hohlraum 4 allerdings in flüssiger Form, nämlich als unterkühlte Schmelze, und damit in einem metastabilen Zustand vor.
Die tabellarische Übersicht in 4 zeigt weitere Beispiele für Salze mit Kristallwasser, die als Arbeitsmedium 5 für das Heizelement 1 in Frage kommen können. Jedes der Salze weist einen Schmelzpunkt auf, der oberhalb von Raumtemperatur und damit oberhalb der Temperatur liegt, bei der die Lagermontage erfolgt. Jedes der angegeben Salze hat weiter die Eigenschaft, bei Raumtemperatur als Flüssigkeit, speziell als unterkühlte Schmelze und damit in einem thermodynamisch metastabilen Zustand vorliegen zu können.
In dem ersten Abschnitt 2 des Heizelementes ist ein Auslöseelement 6 angeordnet, das einen Abschnitt eines Spreizbandes 7 umfasst. Das Spreizband 7 liegt in seinem entspannten Zustand (rechtes Teilbild in 1) mit einer von dem Arbeitsmedium 5 weg weisenden Bombierung vor, wodurch sichergestellt ist, dass der Phasenübergang des Arbeitsmediums 5 nicht zufällig, sondern erst durch Betätigen des Spreizbandes 7 entgegen dessen Bombierung, ausgelöst wird.
2 zeigt das Heizelement 1, das mit seinem zweiten Abschnitt 3 mit dem in dem Hohlraum 4 aufgenommenen Arbeitsmedium 5 in einem Lagerring, speziell einem Innenring 8 eines Wälzlagers 9, angeordnet ist. Der erste Abschnitt 2 des Heizelementes 1 liegt an einer Stirnfläche des Innenrings 8 auf und stützt das Wälzlager 9 insgesamt ab.
Ein Bediener führt den Innenring 8 des Wälzlagers 9 in den zweiten Abschnitt 3 des Heizelementes 1 ein und hält das Wälzlager 9 an dem ersten Abschnitt 2 bzw. an einem an dem ersten Abschnitt 2 angebrachten, nicht dargestellten Griff. Dann löst der Bediener durch Betätigen des Auslöseelementes 6, also durch Spannen des Spreizbandes 7 entgegen dessen Bombierung, den Phasenübergang in dem Arbeitsmedium 5 auf mechanische Weise aus. Dabei erstarrt das flüssige Arbeitsmedium 5 unter Freisetzen von latenter Wärme, die über den thermisch engen Kontakt zwischen der zylindrischen Mantelfläche 10 und der zylindrischen Innenfläche des Lagerrings 8 das Korpus des Lagerrings 8 erwärmt.
3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Heizelementes 1, bei dem an der Außenfläche 12 des ersten Abschnitts 2 eine nach außen weisende Verprägung 11 vorgesehen ist, die der Bediener eindrücken kann, so dass der Phasenübergang des Arbeitsmediums 5 in dem Hohlraum 4 des zweiten Abschnitts 3 ausgelöst wird.
Das Spreizband 7 bzw. die Verprägung 11 sind jeweils mechanisch spannbare Teile, die Bestandteile des Auslöseelementes 6 sind.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen waren die Arbeitsmedien 5 jeweils Salze mit Kristallwasser, wie sie in 4 nur beispielhaft und ohne Anspruch auf Vollständigkeit aufgelistet sind. Es versteht sich, dass auch andere Materialklassen als Arbeitsmedium 5 in Betracht kommen, beispielsweise Harze oder Wachse, speziell Paraffine, die kein oder nur wenig Kristallwasser enthalten können, und die Phasenübergangstemperaturen von 100°C und mehr aufweisen können. Es versteht sich weiter, dass auch andere Phasenübergänge als Schmelzen oder Erstarren in Frage kommen, sofern latente Wärme freigesetzt wird, beispielsweise Phasenübergänge, bei denen eine strukturelle Umordnung in dem Material des Arbeitsmediums auftritt und die insbesondere mit einer nur vernachlässigbaren Volumenänderung einhergehen. Es versteht sich ferner, dass als Phasenübergang ein Sublimieren oder ein Resublimieren innerhalb des Hohlraums 4, der ein abgeschlossenes Volumen darstellt, in Betracht kommt.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der Phasenübergang mechanisch ausgelöst, durch Betätigen des Auslöseelementes 6. Es versteht sich, dass ein Betätigen des Auslöseelementes 6 den Phasenübergang auch elektrisch auslösen kann, beispielsweise indem eine Spannung hervorgerufen wird, die den Phasenübergang bewirkt. Alternativ hierzu kann auch ein Schall- oder Ultraschallimpuls ausgelöst werden, der den Phasenübergang einleitet. Wiederum alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass auf mechanische Weise ein Kristallisationskeim in das Arbeitsmedium 5 hineinbewegt wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war der zweite Abschnitt 3 durch eine zylindrische Mantelfläche 10 umgrenzt. Es versteht sich, dass das Heizelement ebenfalls einen konischen, speziell auch einen stumpf-kegeligen, Abschnitt aufweisen kann, der in Lagerringe, speziell Innenringe 8 mit verschiedenen Innendurchmessern eingeführt werden kann. Speziell können mehrere Lagerringe zugleich mittels eines einzigen Heizelementes 1 erwärmt werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war der zweite Abschnitt 3 des Heizelementes 1 als Hohlzylinder ausgebildet. Es versteht sich, dass ein Abschnitt des Heizelementes auch als Ring, ggf. als Hohlring, ausgebildet sein kann, der außen um eine äußere Mantelfläche eines Lagerrings gelegt werden kann. Es versteht sich weiter, dass das Heizelement auch als Manschette ausgebildet sein kann, speziell als Manschette mit mehreren, aneinander schwenkbar oder gelenkig befestigten Gliedern, die nach Art einer Kette um das zu erwärmende Teil gelegt werden können. Dabei können aneinander angrenzende Glieder der Manschette einander teilweise überlappen, um einen Wärmeübergang zwischen den Gliedern der Manschette, deren jedes ein Arbeitsmedium aufweist, und dem zu erwärmenden Teil sicherzustellen.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem das Heizelement 1 einen Innenring 8 eines Wälzlagers 9 erwärmte; hierzu war ein Abschnitt des Heizelementes 1 im Bereich des zweiten Abschnitts 3 so ausgebildet, dass eine thermisch leitende Kontaktfläche zwischen dem Heizelement 1 und der inneren Mantelfläche des Innenrings ausgebildet wurde.
Es versteht sich, dass mit einem Heizelement ebenfalls andere Körper erwärmt werden können, wie Labyrinthringe, Walzenkupplungen, Bandagen oder dergleichen, wobei das Heizelement abschnittsweise eine äußere Form aufweist, die einen thermischen Kontakt zu dem zu erwärmenden Teil auszubilden ermöglicht.

1: Heizelement
2: erster Abschnitt
3: zweiter Abschnitt
4: Hohlraum
5: Arbeitsmedium
6: Auslöseelement
7: Spreizband
8: Innenring
9: Wälzlager
10: zylindrische Mantelfläche
11: Verprägung
12: Außenfläche

Claims

Heizelement, insbesondere für die Montage eines Lagerrings (8) an eine Welle eines Lagers (9), umfassend ein heizbares Korpus, das mindestens abschnittsweise in thermisch leitenden Kontakt mit der Welle bringbar ist, gekennzeichnet durch ein Arbeitsmedium (5), das einen mit latenter Wärme verbundenen Phasenübergang aufweist, wobei das Arbeitsmedium in einem metastabilen Zustand vorliegt, und durch ein Auslöseelement (6), das den Phasenübergang auslöst.
Heizelement nach Anspruch 1, insbesondere zur Montage eines Innenrings (8) an das Lager (9), wobei das Korpus einen im wesentlichen zylindrisch oder konisch Abschnitt (3) aufweist.
Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Arbeitsmedium (5) ein Salz mit Kristallwasser ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Auslöseelement (6) ein mechanisch spannbares Teil umfasst.
Heizelement nach Anspruch 4, wobei das mechanisch spannbare Teil einen Abschnitt eines Spreizbandes (7) umfasst.