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Die Erfindung betrifft eine spannbare Heizpatrone mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine Heizung mit einer solchen Heizpatrone. Besonders populäre Ausführungsformen derartiger Heizvorrichtungen sind solche mit zylindrischer, wie sie beispielsweise aus der
DE 201 09 413 U1 , der
EP 1 395 085 B1 oder der
DE 103 33 206 B4 bekannt sind.
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Derartige Heizvorrichtungen werden beispielsweise zum Beheizen von Werkzeugen, Maschinenteilen und Geräten, insbesondere von Kunststoffspritzdüsen verwendet. Ihre Anwendung ist aber nicht auf diesen Zweck beschränkt.
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Die bekannten elektrischen Heizvorrichtungen bestehen in der Regel aus zwei beabstandet voneinander angeordneten Grenzflächen, insbesondere aus zwei Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser, wobei das Rohr mit dem kleineren Durchmesser in dem Rohr mit dem größeren Durchmesser angeordnet ist. Im dadurch entstehenden Zwischenraum ist ein in der Regel rohrförmiges Heizelement, das den eigentlichen Heizleiter umfasst, angeordnet ist. Damit besteht die Möglichkeit, die Heizpatrone auf den zu beheizenden Körper aufzuschieben.
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Bei der Beheizung von Werkzeugen, Maschinenteilen und Geräten ist es stets wesentlich, einen gleichmäßigen und innigen thermischen Kontakt zwischen der Oberfläche des zu beheizenden Körpers und der Heizpatrone herzustellen. Andernfalls kommt es zur Ausbildung eines unerwünschten Temperaturprofils, z.B. von lokalen Überhitzungen oder von Kaltstellen, was zu vermeiden ist.
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Es gibt bereits eine Reihe unterschiedlicher Lösungsansätze für dieses Problem im Zusammenhang mit Anwendungsgeometrien, bei denen die Heizpatrone auf den zu beheizenden Körper aufgeschoben wird. Insbesondere sind Bauformen bekannt, bei denen die Rohre jeweils mit einer sie in ihrer Erstreckungsrichtung durchsetzenden Ausnehmung und einer Spannvorrichtung versehen sind. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, die Heizvorrichtung auf das zu beheizende Bauteil aufzuschieben und dann mittels der Spannvorrichtung so aufzuspannen, dass Kräfte in radialer Richtung auf das zu beheizenden Bauteil hin erzeugt werden.
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Diese Lösung ist aber grundsätzlich nicht für Geometrien geeignet, in denen der thermische Kontakt an der äußeren Mantelfläche der Heizpatrone hergestellt werden soll, etwa wenn die Heizpatrone in eine Bohrung oder Ausnehmung des zu beheizenden Körpers eingeschoben betrieben werden soll. Dies gilt insbesondere in Anbetracht der fertigungstechnischen Toleranzen und wenn man berücksichtigt, dass die Erwärmung der Heizpatrone zu einer Verformung der Heizpatrone führt, die insbesondere dann, wenn der thermische Kontakt und damit die Wärmeabnahme von der Heizpatrone über ihre Ausdehnung hin variiert, positionsabhängig sein kann. Dies beschränkt die Einsatzmöglichkeiten derartiger Heizpatronen erheblich. Ferner ist ein zusätzlicher Fertigungsschritt notwendig, um das Spannelement anzubringen.
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Ein Lösungsansatz für die Beheizung in Geometrien, in denen der thermische Kontakt an der äußeren Mantelfläche der Heizpatrone hergestellt werden soll, ist in den Watt-Flex Heizpatronen der Firma Dalton realisiert. Gemäß diesem Ansatz wird in die Bohrung des zu beheizenden Körpers eine Heizpatrone eingeschoben, deren Außenkontur geschnitten senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, der, wenn er an der geraden Seite des Halbkreises gespiegelt wird, dem Querschnitt der Bohrung im wesentlichen entspricht, allerdings einen etwas geringeren Durchmesser aufweist. Um dennoch eine zumindest annähernde Füllung der Bohrung zu gewährleisten, wird die Heizpatrone derart gefaltet in die Bohrung eingeführt, dass die geraden Segmente des halbkreisförmigen Querschnitts aufeinanderliegen und die so gefaltete Heizpatrone die Bohrung zunächst mit geringem Spiel ausfüllt. Im Betrieb kommt es zu einer thermischen Expansion der Heizpatrone, wodurch ein guter thermischer Kontakt der Heizpatrone im dem geraden Querschnittssegment jeweils gegenüberliegenden Bereich der Bohrung und ein sicherer mechanischer Halt gewährleistet werden.
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Weitere spannbare Heizpatronen sind in der
US 1,674,488 A , der
EP 1 995 994 A1 sowie der
DE 103 56 059 B4 offenbart. Insbesondere offenbaren diese Druckschriften spannbare Heizpatronen zur Beheizung von Bauteilen, auf die die spannbare Heizpatrone aufgeschoben ist oder bei denen die spannbare Heizpatrone in eine Bohrung oder Ausnehmung des Bauteils eingeschoben ist, mit
- - einem inneren Mantel und einem äußeren Mantel, die ein doppelwandiges Rohr bilden, wobei das doppelwandige Rohr ein den inneren Mantel und den äußeren Mantel in Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung vollständig durchsetzende Ausnehmung aufweist, und
- - mit wenigstens einem rohrförmigen Heizelement, das einen Metallmantel aufweist, und das im Raum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel angeordnet ist. Mit dieser Vorgehensweise wird zwar eine verbesserte Kontrolle über das erzielte Temperaturprofil sichergestellt, es kann aber kein möglichst gleichmäßiger thermischer Kontakt zur Innenfläche der gesamten Bohrung hergestellt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist daher das Bereitstellen einer günstiger herzustellenden spannbaren Heizpatrone, mit der eine gleichmäßigere Wärmeabgabe an das zu beheizende Bauteil sichergestellt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine spannbare Heizpatrone mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Heizung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße spannbare Heizpatrone ist insbesondere zur Beheizung von Bauteilen, auf die die spannbare Heizpatrone aufgeschoben ist oder bei denen die spannbare Heizpatrone in eine Bohrung oder Ausnehmung des Bauteils eingeschoben ist, gedacht. Sie weist einen inneren Mantel und einen äußeren Mantel auf, die ein doppelwandiges Rohr bilden, wobei das doppelwandige Rohr eine den inneren Mantel und den äußeren Mantel in Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung vollständig durchsetzende Ausnehmung aufweist. Ferner umfasst die spannbare Heizpatrone wenigstens ein rohrförmiges Heizelement, das einen Metallmantel aufweist, und das im Raum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel angeordnet ist. Dabei sind der innere Mantel und/oder der äußere Mantel aus einem vorgespannten Material, beispielsweise aus vorgespanntem Federstahl, besteht, gefertigt, so dass Federkräfte erzeugt werden, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung der spannbaren Heizpatrone auf das zu beheizende Bauteil wirken. Damit wird bei einer auf das zu beheizende Bauteil aufgeschobenen spannbaren Heizpatrone der vorgespannte innere Mantel über seine gesamte dem Bauteil zugewandte Fläche hinweg in innigen Kontakt mit dem Bauteil gebracht, was einerseits einen sehr guten und gleichmäßigen thermischen Kontakt sichert und gleichzeitig der mechanische Halt der spannbaren Heizpatronen am zu beheizenden Bauteil gewährleistet.
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Umgekehrt wird im Fall einer in eine Bohrung oder Ausnehmung des zu beheizenden Bauteils eingeschobenen spannbaren Heizpatrone ein vorgespannter äußerer Mantel über seine gesamte dem Bauteil zugewandte Fläche hinweg in innigen Kontakt mit dem Bauteil gebracht, was wiederum einerseits einen sehr guten und gleichmäßigen thermischen Kontakt sichert und gleichzeitig der mechanische Halt der spannbaren Heizpatronen am zu beheizenden Bauteil gewährleistet.
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Konkret kann die Vorspannung auf mehrere Arten erzeugt werden. Einerseits kann die Vorspannung dadurch entstehen, dass der Querschnitt des äußeren Mantels größer ist als die Bohrung oder Ausnehmung des Bauteils, in das die spannbare Heizpatrone eingeschoben wird. Bei der entsprechenden Alternative für Heizpatronen, die auf ein zu beheizendes Bauteil aufgeschoben werden, entsteht die Vorspannung dadurch, dass der Querschnitt des inneren Mantels kleiner ist als der Querschnitt des Bauteils, auf das die spannbare Heizpatrone aufgeschoben wird.
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Alternativ ist es auch möglich, die Vorspannung dadurch zu erzeugen, dass eine bodenseitige Endscheibe und/oder eine anschlussseitige Endscheibe vorgesehen ist, die zwischen inneren Mantel und äußeren Mantel eingesetzt ist und deren Querschnitt größer ist als die Bohrung oder Ausnehmung des Bauteils, in das die spannbare Heizpatrone eingeschoben wird. Es kommt dadurch zu einer Verformung des inneren Mantels und des äußeren Mantels, die den sicheren thermischen und mechanischen Kontakt gewährleistet. Entsprechend kann im Fall des aufgeschobenen Bauteils die Vorspannung dadurch erreicht werden, dass eine bodenseitige Endscheibe und/oder eine anschlussseitige Endscheibe vorgesehen ist, die zwischen inneren Mantel und äußeren Mantel eingesetzt ist und deren Querschnitt kleiner ist als der Querschnitt des Bauteils, auf das die spannbare Heizpatrone aufgeschoben wird.
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Die erfindungsgemäße Heizung umfasst einen zu beheizenden Körper und eine spannbare Heizpatrone, wobei die spannbare Heizpatrone einen inneren Mantel und einen äußeren Mantel, die ein doppelwandiges Rohr bilden, aufweist, wobei das doppelwandige Rohr eine den inneren Mantel und den äußeren Mantel in Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung vollständig durchsetzende Ausnehmung aufweist und wobei die spannbare Heizpatrone ferner wenigstens ein rohrförmiges Heizelement, das einen Metallmantel aufweist, und das im Raum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel angeordnet ist, umfasst.
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Dabei ist die spannbare Heizpatrone auf den zu beheizenden Körper aufgeschoben oder in eine Bohrung oder Ausnehmung des zu beheizenden Körpers eingeschoben und durch eine senkrecht zur Erstreckungsrichtung der spannbaren Heizpatrone auf den zu beheizenden Körper hin wirkende Federkraft an diesem befestigt.
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Durch diese Federkraft wird bei einer auf den zu beheizenden Körper aufgeschobenen spannbaren Heizpatrone der innere Mantel über seine gesamte dem Körper zugewandte Fläche hinweg in innigen Kontakt mit dem Körper gebracht, was einerseits einen sehr guten und gleichmäßigen thermischen Kontakt sichert und gleichzeitig der mechanische Halt der spannbaren Heizpatronen am zu beheizenden Körper gewährleistet.
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Umgekehrt wird im Fall einer in eine Bohrung oder Ausnehmung des zu beheizenden Körpers eingeschobenen spannbaren Heizpatrone der äußere Mantel über seine gesamte dem Körper zugewandte Fläche hinweg in innigen Kontakt mit dem Körper gebracht, was wiederum einerseits einen sehr guten und gleichmäßigen thermischen Kontakt sichert und gleichzeitig der mechanische Halt der spannbaren Heizpatronen am zu beheizenden Körper gewährleistet.
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Die Federkraft kann auf mehrere Arten erzeugt werden:
- Einerseits dadurch, dass der Querschnitt des äußeren Mantels der spannbaren Heizpatrone vor dem Einschieben größer ist als die Bohrung oder Ausnehmung des zu beheizenden Körpers, in den die spannbare Heizpatrone eingeschoben wird.
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Alternativ dadurch, dass der Querschnitt des inneren Mantels der spannbaren Heizpatrone vor dem Aufschieben kleiner ist als der Querschnitt des zu beheizenden Körpers, auf den die spannbare Heizpatrone aufgeschoben wird.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass an der spannbaren Heizpatrone eine bodenseitige Endscheibe und/oder eine anschlussseitige Endscheibe vorgesehen ist, die zwischen inneren Mantel und äußeren Mantel eingesetzt ist und deren Querschnitt größer ist als die Bohrung oder Ausnehmung des zu beheizenden Körpers, in den die spannbare Heizpatrone eingeschoben wird.
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Noch weiter ist es möglich, dass an der spannbaren Heizpatrone eine bodenseitige Endscheibe und/oder eine anschlussseitige Endscheibe vorgesehen ist, die zwischen inneren Mantel und äußeren Mantel eingesetzt ist und deren Querschnitt kleiner ist als der Querschnitt des zu beheizenden Körpers, auf den die spannbare Heizpatrone aufgeschoben wird.
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Zu einer günstig herzustellenden spannbaren Heizpatrone mit guten Wärmeleitungseigenschaften gelangt man, wenn der Raum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel zumindest teilweise mit einem Pulver oder Granulat befüllt ist. Besonders bevorzugt ist ein Pulver oder Granulat aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, Messing oder Kupfer, einem Metalloxid, einem Quarzsand oder einer keramischen Masse besteht.
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Besonders geeignet ist für viele Anwendungen, wenn das Pulver oder Granulat aus dem Material des Mantels ist.
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Vorteilhafterweise ist die spannbare Heizpatrone ganz oder teilweise verdichtet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a: Eine Schnittdarstellung einer spannbaren Heizpatrone, geschnitten senkrecht zur Erstreckungsrichtung der spannbaren Heizpatrone,
- 1b: Eine Explosionsdarstellung der spannbaren Heizpatrone aus 1a.
- 2: Einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizung
- 3: Einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizung
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In allen Figuren werden identische Bezugszeichen für gleiche Bauelemente gleicher Ausführungsbeispiele verwendet.
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1a zeigt eine Schnittdarstellung einer spannbaren Heizpatrone, geschnitten senkrecht zur Erstreckungsrichtung der spannbaren Heizpatrone. Die spannbare Heizpatrone 10 weist ein doppelwandiges Rohr 20 mit einem inneren Mantel 21 und einem äußeren Mantel 22 auf, die zwischen ihnen einen Raum 23 definieren. Innerer Mantel 21 und äußerer Mantel 22 sind bezüglich des gezeigten Schnitts radialsymmetrisch und konzentrisch zueinander angeordnet, andere Geometrien sind aber möglich. Der innere Mantel 21 und der äußere Mantel 22 werden durch eine Ausnehmung 24 durchsetzt. Der Raum 23 ist durch Wandflächen 25,26, die in 1a in Richtung zur Ausnehmung 24 hin gekrümmt sind, von der Ausnehmung getrennt. Der innere Mantel 21 und der Teil der Ausnehmung, der den inneren Mantel 21 durchsetzt, umgeben einen Raum 27, in den z.B. das zu beheizende Bauteil aufgenommen werden kann.
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Ferner sieht man die Enden 12,13 eines rohrförmigen Heizelements 11, das, wie in 1b deutlicher zu erkennen ist, mäanderförmig gebogen im Raum 23 angeordnet ist. Außer den Enden 12,13 des rohrförmigen Heizelements 11 sind gestrichelt die weiteren Windungen 14 des Heizelements 11 in 1a dargestellt. Das rohrförmige Heizelement kann an einem nicht gezeigten Träger angeordnet sein. Im Raum 23 kann ferner ein nicht gezeigtes Pulver oder Granulat angeordnet werden.
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1b zeigt eine Explosionsdarstellung der spannbaren Heizvorrichtung 10 aus 1a. Zusätzlich zu den bereits anhand der 1a beschriebenen Bauteilen ist sind eine anschlussseitige Endscheibe 15 und eine bodenseitige Endscheibe 16 dargestellt, mit denen der Raum 23 verschlossen werden kann.
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2 zeigt einen senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Heizpatrone verlaufenden Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizung. Die Heizung 200 weist einen zu beheizenden Körper 201 mit einer darin eingebrachten Bohrung 202 auf. In die Bohrung 202 ist eine spannbare Heizpatrone 210 mit innerem Mantel 221, äußerem Mantel 222, Raum 223, den inneren Mantel 221 und den äußeren Mantel 222 durchsetzender Ausnehmung 224 und Windungen 214 eines rohrförmigen Heizelements eingesetzt, die von ihrem Aufbau her dem anhand der 1a und 1b beschriebenen Aufbau entspricht. Dabei wird die spannbare Heizpatrone 210 durch die Wandflächen der Bohrung 202, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser der Heizpatrone 210 vor der Anordnung in der Bohrung 202, deren Außenkontur in diesem Zustand durch in 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, gespannt, so dass eine Federkraft entsteht, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung der spannbaren Heizpatrone 210 auf die Wandfläche der Bohrung 202 wirkt und dadurch innigen thermischen Kontakt und guten mechanischen Halt sicherstellt.
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3 zeigt einen senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Heizpatrone verlaufenden Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizung. Die Heizung 300 weist einen zu beheizenden Körper 301 auf. Auf den zu beheizenden Körper 301 ist eine spannbare Heizpatrone 310 mit innerem Mantel 321, äußerem Mantel 322, Raum 323, den inneren Mantel 321 und den äußeren Mantel 322 durchsetzender Ausnehmung 324 und Windungen 314 eines rohrförmigen Heizelements aufgeschoben, die von ihrem Aufbau her dem anhand der 1a und 1b beschriebenen Aufbau entspricht. Dabei wird die spannbare Heizpatrone 310 durch die Wandflächen des zu beheizenden Körpers 301, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Heizpatrone 310 vor dem Aufschieben auf den Körper 301, deren Innenkontur in diesem Zustand in 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, gespannt, so dass eine Federkraft entsteht, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung der spannbaren Heizpatrone 310 auf die Wandfläche des zu beheizenden Körpers 301 wirkt und dadurch innigen thermischen Kontakt und guten mechanischen Halt sicherstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10,210,310
- elektrische Heizvorrichtung
- 11
- rohrförmiges Heizelement
- 12,13
- Enden des rohrförmigen Heizelements
- 14,214,314
- Windung des rohrförmigen Heizelements
- 15
- bodenseitige Endscheibe
- 16
- anschlussseitige Endscheibe
- 20
- doppelwandiges Rohr
- 21,221,321
- innerer Mantel
- 22,222,322
- äußerer Mantel
- 23,223,323
- Raum
- 24,224,324
- Ausnehmung
- 25,26
- Wandfläche
- 27
- Raum
- 200,300
- Heizung
- 201,301
- zu beheizender Körper
- 202
- Bohrung
