-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizung mit wenigstens
einem Träger und mit wenigstens einer auf dem Träger
aufgebrachten Heizleiterbahn, die im Wesentlichen gerade Heizleiterbahnabschnitte
und im Wesentlichen bogenförmige Wendepunkte definierende
Heizleiterabschnitte aufweist, wobei die geraden Heizleiterabschnitte
und die bogenförmigen Heizleiterabschnitte gemeinsam zumindest
eine mäanderartige Heizleiterbahnanordnung bilden.
-
Elektrische
Heizungen der zuvor genannten Art sind im Stand der Technik bekannt.
So offenbart beispielsweise die
DE 199 41 038 A1 eine als Flachschichtheizung
ausgebildete elektrische Heizung für Heißkanalsysteme
mit einer stoffschlüssig auf der Wandung eines Materialrohrs
aufgebrachten Isolierschicht und einer darauf stoffschlüssig
und in Form von Heizleiterbahnen aufgebrachten Heizschicht. Die Heizleiterbahnen
erstrecken sich mäander- oder wellenartig sowohl in axialer
als auch in tangentialer Richtung des Materialrohrs, wobei der Verlauf
der Heizleiterbahnen an den lokalen Wärmezufuhrbedarf des
Materialrohrs bzw. des darin geführten Materials angepasst
ist. In stärker zu erwärmenden Bereichen sind
die Heizleiterbahnen entsprechend dichter angeordnet als in solchen
Bereichen, in denen weniger Wärme zugeführt werden
soll.
-
4 ist
eine schematische Ansicht und zeigt beispielhaft eine bekannte elektrische
Heizung 100 in abgewickelter Form. Die elektrische Heizung 100 umfasst
einen zylindrischen Träger 102, bei dem es sich
beispielsweise um die Wandung eines Materialrohrs einer Heißkanaldüse
handeln kann, eine stoffschlüssig auf den Träger 102 aufgebrachte
elektrisch isolierende Isolierschicht 104 sowie eine Heizleiterbahn 106,
die stoffschlüssig auf die Isolierschicht 104 aufgetragen
ist. Die Heizleiterbahn 106 umfasst parallel nebeneinander
liegende gerade Heizleiterbahnabschnitte 108 und bogenförmige Heizleiterbahnabschnitte 110,
die jeweils abwechselnd angeordnet sind, wodurch sich eine mäander- oder
wellenartige Heizleiteranordnung ergibt.
-
Im
eingeschalteten Zustand der in 4 dargestellten
elektrischen Heizung 100 wird Strom durch die Heizleiterbahn 106 geleitet,
wodurch in der Heizleiterbahn 106 aufgrund ihres elektrischen
Widerstandes Wärme erzeugt wird, die über die
Isolierschicht 104 an den zu erwärmenden Träger 102 übertragen
wird. Da der Strom beim Durchströmen der Heizleiterbahn 106 stets
den Weg des geringsten Widerstandes nimmt, ist die Stromdichte an
den kürzeren Innenseiten der gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 110 wesentlich
höher als an den längeren Außenseiten.
Dies führt dazu, dass sich die kürzeren Innenseiten
der gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 110 wesentlich stärker
aufheizen als die längeren Außenseiten, wodurch
unerwünschte Temperaturspitzen entstehen, die einer angestrebten
homogenen Temperaturverteilung innerhalb der Heizleiterbahn 106 und
damit innerhalb des Trägers 102 entgegenstehen.
Steigen die Temperaturen an den kürzeren Innenseiten der
gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 110 zu stark an, so
kann dies sogar zum Versagen der elektrischen Heizung führen.
-
Um
die durch die gebogenen Heizleiterabschnitte
110 definierten
Wendepunkte der Heizleiterbahn
106 robuster zu gestalten,
wird in
WO 2008/011 507
A1 vorgeschlagen, die gebogenen Heizleiterabschnitte
110,
wie es in
5 dargestellt ist, mit einem Überzug
112 aus
einem elektrisch gut leitfähigen Material zu bedecken.
Dies soll die Erhöhung der Stromdichte an den Innenseiten
der gebogenen Heizleiterbahnabschnitte
110 verhindern,
welche zu der zuvor beschriebenen Überhitzung und schließlich
zur Zerstörung der Heizleiterbahn
106 führt.
Das Anordnen des Überzugs
112 erfordert jedoch
einen zusätzlichen Arbeitsschritt, wodurch die Herstellung
der elektrischen Heizung
100 aufwendiger und somit teurer
wird. Zusätzlich tragen die mit dem Überzug
112 überdeckten
Bereiche der gebogenen Heizleiterbahnabschnitte
110 nicht
mehr zur Wärmeproduktion bei, da aufgrund des geringen
elektrischen Widerstands des Überzugs
112 kaum
noch Leistung in diesem Bereich abfällt.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die Inhomogenität der Stromdichte an durch die
bogenförmigen Heizleiterbahnabschnitte definierten Wendepunkten
einer mäanderartigen Heizleiterbahnanordnung bei gleichbleibender
oder zumindest nahezu gleichbleibender Leistung zu reduzieren.
-
Hauptmerkmale
der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 sowie
in Anspruch 15 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche
2 bis 14 und 16 bis 17.
-
Bei
einer elektrischen Heizung mit wenigstens einem Träger
und mit wenigstens einer auf dem Träger aufgebrachten Heizleiterbahn,
die im Wesentlichen gerade Heizleiterbahnabschnitte und im Wesentlichen
bogenförmige, Wendepunkte definierende Heizleiterbahnabschnitte
aufweist, wobei die geraden Heizleiterbahnabschnitte und die bogenförmigen Heizleiterbahnabschnitte
gemeinsam zumindest eine mäanderartige Heizleiterbahnanordnung
bilden, sieht die Erfindung vor, dass einander benachbarte gerade
Heizleiterbahnabschnitte in einem vorbestimmten Winkel zueinander
angeordnet sind, wobei dieser Winkel bevorzugt in einem Bereich
zwischen 5° und 30° liegt.
-
Durch
diese Maßnahme ist es möglich, die Radien der
Wendepunkte zwischen den geraden Heizleiterbahnabschnitten stark
zu vergrößern, ohne dabei die Heizleiterbahnbreite,
deren Länge oder Leistungsdichte zu verändern.
Die Stromdichte in den Wendepunkten wird damit wesentlich homogener,
weshalb Überhitzungen der Heizleiterbahn im Bereich dieser
Wendepunkte zuverlässig vermieden werden. Der Winkel zwischen
den einzelnen geraden Heizleiterabschnitten ist dabei bevorzugt
konstant, so dass sich eine regelmäßige Anordnung
ergibt.
-
Die
bogenförmigen Heizleiterbahnabschnitte können
zumindest bereichsweise einen größeren Querschnitt
als die geraden Heizleiterbahnabschnitte aufweisen. Dies kann beispielsweise
dadurch erzielt werden, dass die Heizleiterbahn im Bereich ihrer
bogenförmigen Heizleiterbahnabschnitte dicker und/oder
nach außen breiter ausgebildet wird. Dies führt
zu einer leichten Reduzierung der Leistung und somit auch zu einer
Verringerung der Temperaturen in den Wendepunkten. Wichtig hierbei
ist allerdings, dass der Innenradius der bogenförmigen
Heizleiterbahnabschnitte nicht verkleinert wird, um Stromdichteerhöhungen
im Innenradius zu vermeiden.
-
Der
Träger ist bevorzugt rohrförmig ausgebildet. Er
kann aber auch einen ovalen oder einen anderen unrunden, beispielsweise
flachen oder eckigen Querschnitt aufweisen. In einer anderen Ausführungsform
kann man den Träger auch als Platte oder als Block ausbilden,
der als Verteilerplatte oder als Heizplatte in ein Spritzgießwerkzeug
eingebaut wird.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Träger
ein bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff hergestelltes Materialrohr
einer Heißkanaldüse oder er bildet ein solches.
In diesem Fall ist auf dem Träger wenigstens eine Isolationsschicht
aufgebracht, auf der dann die wenigstens eine Heizleiterbahn ausgebildet
ist. Die Isolationsschicht kann sich dabei über den gesamten Träger
erstrecken. Alternativ kann sie in Form einer Isolationsbahn auch
nur unterhalb der wenigstens einen Heizleiterbahn vorgesehen sein,
wobei in diesem Falle die Breite der Isolationsbahn bevorzugt größer
als die Breite der wenigstens einen Heizleiterbahn ist. Auf diese
Weise kann sichergestellt werden, dass zwischen dem Träger
und der Heizleiterbahn keine elektrische Verbindung erzeugt wird.
-
Gemäß einer
noch anderen alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
bildet der Träger eine Hülse, die auf ein Materialrohr
einer Heißkanaldüse aufschiebbar ist. Diese Hülse
kann aus einem metallischen Material hergestellt sein, wobei in
diesem Fall auf die metallische Hülse ähnlich wie
bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung eine Isolationsschicht
aufgebracht wird, um die wenigstens eine Heizleiterbahn elektrisch
von dem metallischen Träger zu isolieren. Alternativ kann
die Hülse aus einem keramischen und somit isolierenden Werkstoff
hergestellt sein, wobei dann die wenigstens eine Heizleiterbahn
direkt auf die Hülse aufgetragen werden kann. Entsprechend
kann auf eine separate Isolationsschicht verzichtet werden.
-
Die
wenigstens eine Isolationsschicht und/oder die wenigstens eine Heizleiterbahn
ist/sind bevorzugt stoffschlüssig aufgebracht. Dies kann
beispielsweise mittels Dickschichttechnik oder mittels Lasersintern
erfolgen.
-
Bevorzugt
ist die wenigstens eine Isolationsschicht eine Dielektrikumsschicht.
Ein beispielhaftes Herstellungsverfahren einer solchen Dielektrikumsschicht
ist beispielsweise in der
DE
199 41 038 A1 beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt
hiermit Bezug genommen wird.
-
Vorteilhaft
ist die Heizleiterbahn durch eine stoffschlüssig aufgebrachte
elektrisch isolierende Schicht abgedeckt, wobei allerdings der Bereich
der elektrischen Kontaktierung für die Heizleiterbahn frei bleibt,
um elektrische Anschlüsse anbringen zu können.
-
Die
oben geschilderten Vorteile ergeben sich auch, wenn man ein Bauteil
für eine Spritzgießvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen
elektrischen Heizung versieht. Dieses Bauteil kann eine Heißkanaldüse
sein, die unmittelbar (stoffschlüssig) auf dem Materialrohr
eine solche Heizung trägt. Man kann die Heizung aber auch
auf einem separaten Träger ausbilden und auf das Materialrohr
der Heißkanaldüse aufsetzen.
-
Eine
alternative Ausführungsform sieht vor, dass das Bauteil
eine Verteilerplatte, ein Unterverteiler o. dgl. ist. Auch der Verteiler
kann zumindest abschnittsweise stoffschlüssig mit der erfindungsgemäßen
Heizung versehen sein.
-
Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Querschnittansicht einer Heizkanaldüse mit
einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizung,
-
2 eine
vergrößerte schematische Ansicht einer ersten
Ausführungsform einer mäander- oder wellenförmigen
Heizleiterbahnanordnung einer erfindungsgemäßen
elektrischen Heizung,
-
3 eine
vergrößerte schematische Ansicht einer zweiten
Ausführungsform einer mäander- oder wellenförmigen
Heizleiteranordnung einer erfindungsgemäßen elektrischen
Heizung,
-
4 eine
vergrößerte schematische Ansicht einer ersten
bekannten mäander- oder wellenförmigen Heizleiterbahnanordnung
einer bekannten elektrischen Heizung und
-
5 eine
vergrößerte schematische Ansicht einer zweiten
bekannten mäander- oder wellenförmigen Heizleiterbahnanordnung
einer elektrischen Heizung.
-
Gleiche
Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleiche oder gleichartige
Bauteile.
-
1 zeigt
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Heißkanaldüse 10. Die Heißkanaldüse 10 umfasst
als Bestandteil einer Spritzgießvorrichtung für
die thermoplastische Kunststoffverarbeitung zur Festlegung an einem
(nicht dargestellten) Verteiler ein (ebenfalls nicht gezeigtes)
Gehäuse, in das ein insgesamt zylindrisches Materialrohr 12 einsetzbar
ist. Ein einteilig mit diesem Materialrohr 12 ausgebildeter
Sockel 14 schließt bündig mit dem Gehäuse
ab und liegt dicht an dem Verteiler an. In dem sich in Axialrichtung
längs erstreckenden Materialrohr 12 ist endseitig
eine Düsenspitze 16 eingesetzt, die den in dem
Materialrohr 12 ausgebildeten Strömungskanal 13 bis
an die (nicht dargestellte) Ebene eines (ebenfalls nicht sichtbaren)
Formnests fortsetzt. Die Düsenspitze 16 kann auch
bei gleicher Funktionsweise mit dem Materialrohr 12 einstückig ausgebildet
sein.
-
Auf
dem Umfang der Wandung 20 des aus Stahl hergestellten Materialrohrs 12 ist
eine elektrische Heizung 22 aufgebracht. Diese ist als
Flachschichtheizung ausgebildet mit einer unmittelbar auf dem Metall
aufgebrachten glas-keramischen Dielektrikumsschicht 24 als
Isolationsschicht und einer darüber aufgebrachten Heizleiterbahn 26,
die gerade Heizleiterbahnabschnitte 28 und gebogene Heizleiterbahnabschnitte 30 aufweist,
was noch näher unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben wird.
-
Auf
die Heizleiterbahn 26 ist eine äußere
Abdeckschicht 32 aufgetragen, welche die Heizleiterbahn 26 und
die darunter liegende Dielektrikumsschicht 24 nach außen
hin abdeckt und elektrisch isoliert. Frei bleiben lediglich einzelne
(nicht näher bezeichnete) Abschnitte der Heizleiterbahn 26,
die für die Kontaktierung mit einer elektrischen Zuleitung vorgesehen
sind. Der Verlauf der Heizleiterbahn 26 ist grundsätzlich
beliebig gestaltbar und hängt insbesondere von der innerhalb
des Materialrohrs 12 zu erzielenden Temperaturverteilung
ab.
-
2 zeigt
eine erste Ausführungsform einer mäander- oder
wellenförmigen Heizleiterbahnanordnung 40, die
einen Bereich der Heizleiterbahn 26 bildet. Bei dieser
Ausführungsform ist die Heizleiterbahn 26 stoffschlüssig
auf eine sich bahnförmige erstreckende Dielektrikumsschicht 24 aufgebracht,
die wiederum stoffschlüssig mit dem Materialrohr 12 verbunden
ist. Die Breite der Heizleiterbahn 26 ist dabei geringfügig
kleiner als diejenige der Dielektrikumsschicht 24 gewählt,
um sicherzustellen, dass zwischen dem Materialrohr 12 und
der Heizleiterbahn 26 keine elektrische Verbindung erzeugt
wird.
-
Die
mäander- oder wellenförmige Anordnung 40 wird
durch die sich abwechselnden geraden Heizleiterbahnabschnitte 28 und
gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 30 gebildet. Einander
benachbarte gerade Heizleiterabschnitte 28 sind jeweils
in einem Winkel α schräg zueinander angeordnet.
Der Winkel α kann – je nach Abstand der einzelnen
Heizleiterbahnabschnitte 28 – zwischen 5° und
30° liegen. Er ist zwischen zwei geraden Heizleiterbahnabschnitten 28 bevorzugt
konstant, wodurch sich eine regelmäßige mäander-
bzw. wellenartige Heizleiterbahnanordnung 40 ergibt.
-
Die
schräge Anordnung der geraden Heizleiterbahnen 28 hat
im Vergleich zu den in den 4 und 5 dargestellten
Heizleiterbahnanordnungen, bei denen die geraden Heizleiterbahnabschnitte 108 parallel
zueinander angeordnet sind, den Vorteil, dass die Radien der durch
die gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 30 definierten Wendepunkte
im Vergleich zu den Radien der durch die gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 110 gebildeten
Wendepunkte deutlich vergrößert sind, ohne dabei
jedoch die Breite der Heizleiterbahn 26, deren Länge
oder Leistungsdichte wesentlich zu verändern. Entsprechend
ist die Stromdichte in den Wendepunkten homogener, wodurch Überhitzungen
zuverlässig vermieden werden.
-
Die
in 3 dargestellte mäander- oder wellenförmige
Heizleiterbahnanordnung 50 unterscheidet sich dahingehend
von der in 2 dargestellten Heizleiterbahnanordnung 40,
dass die Dielektrikumsschicht 24 nicht bahnförmig
sondern vollflächig auf das Materialrohr 12 aufgetragen
ist. Ferner ist die Heizleiterbahn 26 im Bereich ihrer
gebogenen Heizleiterabschnitte 30 nach außen hin
etwas breiter als im Bereich ihrer geraden Heizleiterbahnabschnitte 28 ausgebildet,
so dass die gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 30 zumindest
nach außen hin eine größere Querschnittsfläche
als die geraden Heizleiterbahnabschnitte 28 aufweisen.
-
Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Man erkennt jedoch, dass eine elektrische Heizung 22 einen
Träger 12 und eine auf dem Träger 12 aufgebrachte Heizleiterbahn 26 aufweist.
Diese wird von geraden Heizleiterbahnabschnitten 28 und
bogenförmigen Heizleiterbahnabschnitten 30 gebildet,
wobei sich die Heizleiterbahnabschnitte 28, 30 abwechseln,
so dass eine insgesamt mäanderförmige Heizleiterbahnanordnung 40, 50 entsteht.
-
Kennzeichnend
für die erfindungsgemäße Heizung 22 ist,
dass die geraden Heizleiterbahnabschnitte 28 nicht wie
herkömmlich parallel zueinander verlaufen, sondern in einem
Winkel α und damit schräg zueinander liegen. Auf
diese Weise werden die zwischen den geraden Heizleiterbahnabschnitten 28 liegenden
bogenförmigen Heizleiterbahnabschnitte 30 vergrößert,
insbesondere deren Innenradien. Dadurch wird eine Erhöhung
der Stromdichte an den Innenseiten der gebogenen Heizleiterbahnabschnitte wirksam
vermieden. Die Stromdichteverteilung ist deutlich gleichmäßiger.
Die Innenseiten der gebogenen Heizleiterbahnabschnitte 28 können
sich nicht mehr stärker aufheizen als die längeren
Außenseiten, wodurch unerwünschte Temperaturspitzen
vermieden werden. Mit der erfindungsgemäßen Heizung 22 lässt
sich eine homogene Temperaturverteilung innerhalb der Heizleiterbahn 26 und
damit innerhalb des Trägers 12 erreichen.
-
Die
Heizung 22 kann unmittelbar auf dem Materialrohr 12 einer
Heißkanaldüse 10 aufgebracht werden.
Man kann die Heizung 22 aber auch auf einer rohrförmigen
Hülse aufbringen, die anschließend mit Wärmekontakt
auf das Materialrohr 12 der Heißkanaldüse 10 aufgeschoben
wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Heizung 22 auf
einer Verteilerplatte aufzubringen oder in anderen Bereichen eines Spritzgießwerkzeugs.
-
Sämtliche
aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung
hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten,
räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können
sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen
erfindungswesentlich sein.
-
- α
- Winkel
- 10
- Heißkanaldüse
- 12
- Träger/Materialrohr
- 13
- Strömungskanal
- 14
- Sockel
- 22
- Elektrische
Heizung
- 24
- Isolationsschicht
- 26
- Heizleiterbahn
- 28
- gerader
Heizleiterbahnabschnitte
- 30
- bogenförmiger
Heizleiterbahnabschnitt
- 32
- elektrisch
isolierende Abdeckschicht
- 40
- Heizleiterbahnanordnung
- 50
- Heizleiterbahnanordnung
- 100
- elektrische
Heizung
- 102
- zylindrischer
Träger
- 104
- Isolierschicht
- 106
- Heizleiterbahn
- 108
- gerader
Heizleiterbahnabschnitt
- 110
- bogenförmiger
Heizleiterbahnabschnitt
- 112
- Überzug
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19941038
A1 [0002, 0015]
- - WO 2008/011507 A1 [0005]