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Elektrische Heizvorrichtungen sind weit verbreitete Mittel zur Beheizung von unterschiedlichsten Gegenständen und Materialien.
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Bisher wird in der Regel die elektrische Kontaktierung des Heizelements einer derartigen elektrischen Heizvorrichtung, das in der Regel als Widerstandsdraht ausgeführt ist und manchmal auch als Heizdraht oder Heizleiter bezeichnet wird, auf folgende Arten realisiert:
Erstens kann versucht werden, mit Crimpverbindern zu arbeiten. Problematisch ist dies -insbesondere, wenn eine Verbindung im Inneren des Mantels einer elektrischen Heizvorrichtung erfolgen soll- einerseits bei manueller Fertigung im Hinblick auf die gewünschte Prozesssicherheit, da gleichzeitig drei Teile exakt zueinander positioniert werden müssen und andererseits im Hinblick auf das Erreichen einer kompakten Bauform, da eine nach den Crimpvorschriften hergerstellte Verbindung in der Regel zu einem Auftragen der Crimphülse in der Richtung, in der sie nicht zusammengedrückt wird, führt.
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Einerseits ist es bekannt, ein keramisches, insbesondere poröses, Bauteil mit wenigstens einer Bohrung vorzusehen, in der ein Endabschnitt des elektrischen Heizelements mit einem Anschlussdraht überlappend verpresst ist. Diese Lösung bringt aber fast immer mit sich, dass der benötigte Bauraum sich vergrößert, denn neben der Bohrung, die elektrisches Heizelement und und Anschlussdraht aufnehmen muss, muss eine Wandstärke vorgesehen werden, die den auftretenden mechanischen Belastungen stand hält und die notwendige elektrische Isolation gewährleistet.
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Andererseits ist es bekannt, dass ein Anschlussdraht am Heizelement stumpf gestoßen oder überlappend festgeschweißt wird. Dies ist aber insbesondere dann, wenn zum Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung mit hohen Strömen und/oder kleinen Widerständen und/oder relativ niedrigen Spannungen gearbeitet werden muss, so dass sich Übergangs- bzw. Kontaktwiderstände gravierend bemerkbar machen können im Hinblick auf die erzielte Prozesssicherheit keine befriedigende Lösung. Einerseits wirken sich Unterschiede in den Masseverhältnissen von Anschlussdrähten und elektrischem Heizelement negativ auf die Qualität der resultierenden Schweißverbindung aus.
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Ferner erfordert diese Vorgehensweise eine exakte Positionierung des Schweißpunktes, da sich insbesondere beim Plasma- oder Mikroplasma-Schweißen kleinste Abweichungen, insbesondere eine Querschnittsverminderung der Schweißung, negativ auf die elektrische Kontaktierung auswirken können und schon ein leichtes Verrutschen oder Verwackeln der zu verbindenden Teile relativ zueinander während des Aushärtens der Schmelze zu einer inhomogenen Schmelze führen kann, was ebenfalls Kontaktprobleme mit sich bringt. Ein derartiges Verwackeln kann ferner zum Erreichen der Randbedingungen hinsichtlich des Platzes eine nachträgliche mechanische Ausrichtung und/oder Kalibrierung der Schweißverbindung erzwingen, die weitere Kontaktprobleme mit sich bringen kann.
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Schließlich kann auch beim Vorsehen geschweißter Verbindungen nicht immer ein Materialauftrag an der Schweißstelle vermieden werden, der den Bauraumbedarf erhöht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Möglichkeit zur kostengünstigen, sicheren und kompakten Kontaktierung des Heizdrahtes einer elektrische Heizvorrichtung mit geringem Kontaktwiderstand bereitzustellen, die bei Bedarf auch auf kleinstem Bauraum und auch in speziellen Anwendungen mit kleinen Widerständen, z.B. bis unter 0,5 Ohm und/oder hohen Strömen, z.B. bis über 8 Ampere einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat einen äußeren Mantel, z.B. in Form eines Metallrohres, und ein zumindest abschnittsweise innerhalb des äußeren Mantels angeordnetes elektrisches Heizelement, z.B. in Form eines Widerstandsdrahtes, das über mindestens einen Anschlussdraht mit Strom versorgbar ist.
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Erfindungswesentlich ist nun, dass der Anschlussdraht einen Hohlraum aufweist, in den ein Abschnitt des elektrischen Heizelements oder eine elektrische Zuleitung zum elektrischen Heizelement aufgenommen ist.
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Durch die Anordnung eines Abschnitts des elektrischen Heizelements in diesem Hohlraum (d. h. das zumindest teilweise Füllen des Hohlraums mit dem elektrischen Heizelement oder der elektrischen Zuleitung zum elektrischen Heizelement) wird eine definierte und gut reproduzierbare Positionierung mit einer großen Kontaktfläche ermöglicht, die zu definierten, gut reproduzierbaren und geringen Kontaktwiderstandswerten führt. Damit wird es dann auch möglich, eine zuverlässigere Funktionsüberwachung durch Anlegen einer geringen Spannung, wie sie z.B. im Automotive-Bereich teilweise durch die Steuerelektronik des KFZ durchgeführt wird, zu ermöglichen, die bei Vorliegen von zu hohen Kontaktwiderstandswerten einen Ausfall einer elektrischen Heizvorrichtung vortäuschen kann, die bei Anlegen der tatsächlichen Betriebsspannung noch tadellos funktionieren würde.
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Zudem stellt die erfindungsgemäße Anordnung in vielen Fällen sicher, dass der Raumbedarf der Anordnung äußerst gering bleibt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass somit bei Wahl eines elektrisch gut leitenden Materials für den Anschlussdrahts in dem mit dem elektrischen Heizelement oder der Zuleitung zum elektrischen Heizelement gefüllten Abschnitt des Anschlussdrahtes der größte Teil, insbesondere über 50%, vorzugsweise über 75%, höchst vorzugsweise über 90% des fließenden Stroms durch den Anschlussdraht fließt.
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Gleichzeitig wird auch im Hinblick auf die Verbindung der elektrischen Heizvorrichtung mit den externen Anschlussleitungen, über die der Strom zugeführt wird, eine Verbesserung erzielt. In beheizten Bereichen der elektrischen Heizvorrichtung sollte das elektrische Heizelement einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen, was häufig einen geringen Querschnitt mit sich bringt. In den Anschlussleitungen ist aber das Bestreben, den Widerstand in Anbetracht der hohen fließenden Ströme gering zu halten, so dass sie einen großen Querschnitt aufweisen sollten.
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Die sichere und reproduzierbare Verbindung von einem Leiter mit einem großen Querschnitt und einem Leiter mit einem kleinen Querschnitt durch Schweißen, insbesondere im Plasma- oder Mikroplasmaschweißverfahren, aber auch bei anderen Schweißverfahren, wie Laser- oder Widerstandsschweißen, und insbesondere bei einer Verbindung auf Stoß ist aber problematisch, solange sie auf einer kleinen Fläche erfolgt, weil zum Schmelzen der jeweiligen Enden der zu verbindenden Teile unterschiedliche Energiemengen benötigt werden. Durch die Verwendung eines Anschlussdrahtes mit einem Hohlraum, in den ein Abschnitt des elektrischen Heizelements aufgenommen ist, wird die Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement und Anschlußdraht vergrößert und eine Verbindung zwischen einem Anschlussdraht und einer in der Regel externen Anschlussleitung, die geringere Querschnittsunterschiede aufweisen, ermöglicht.
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Zudem soll betont werden, dass durch die erfindungsgemäße Kontaktierung eine einfache und prozesssichere Verbindung geschaffen wird, die kostengünstig hergestellt werden kann und die es ermöglicht, die Anzahl der bereitzustellenden Kontakte innerhalb des Mantels gering zu halten (und sogar auf eine einzige, vozugsweise großflächige Kontaktstelle zu reduzieren).
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Dieser Vorteil wird insbesondere dadurch maximiert, dass der Anschlussdraht aus dem Mantel herausgeführt ist und damit die Zahl der Kontaktstellen innerhalb des Mantels, die wegen ihrer schlechten Zugänglichkeit praktisch kaum nachgebessert werden können, auf den Übergang zwischen Widerstandsdraht und Anschlussdraht reduziert werden kann.
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Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der so bereitgestellte großflächige elektrische Kontaktbereich zu einer sehr hohen Vibrationsbeständigkeit führt, was insbesondere im Automotive-Anwendungsbereich oder bei Weichenheizungen wichtig ist.
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Es wird vorsorglich darauf hingewiesen, dass in dieser Beschreibung die Begriffe „Anschlussdraht“ und „Anschlussleitung“ für unterschiedliche Bauteile stehen. Der Anschlussdraht ist Bestandteil der elektrischen Heizvorrichtung und mit dieser verbunden. Die Anschlussleitung ist eine externe Versorgungsleitung, an die die elektrische Heizvorrichtung angeschlossen wird.
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Mit besonders geringem Aufwand lässt sich dieses Grundprinzip der Erfindung realisieren, wenn der Anschlussdraht die Form eines Rohres oder die Form eines Rohres mit einem das Rohr in seiner Erstreckungsrichtung durchsetzenden Schlitz hat, wie es beispielsweise beim Zusammenbiegen einer dünnen Metallplatte entsteht, weil dann kein weiterer Bearbeitungsschritt notwendig ist, um einen Hohlraum in einem Anschlussdraht zu schaffen. In diesem Fall muss man einfach das elektrische Heizelement oder die Zuleitung zu diesem in das Rohr einführen. Eine definierte Einführtiefe kann durch das Vorsehen eines Anschlags gewährleistet werden. Das Rohr kann insbesondere ein nahtlos gezogenes oder ein geschweißtes Rohr sein.
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Dabei kann eine besonders geringe Temperaturentwicklung in einem unbeheizten Bereich der elektrischen Heizvorrichtung insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass die Querschnittsfläche der Rohrwandung (also der Teil des Querschnitts des Rohres, der nicht auf den Rohrinnenraum entfällt) größer ist als der Querschnitt des elektrischen Heizelements.
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Für das Erzielen einer besonders schlanken Bauform ist es zweckmäßig, wenn die Wandstärke des Rohres geringer ist als der Durchmesser des elektrischen Heizelements.
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Der Rohrquerschnitt kann auch so gewählt werden, dass er im Wesentlichen dem Durchmesser von Wendeln des elektrischen Heizelements entspricht, was ebenfalls kompakte Bauformen ermöglicht.
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Vorteilhaft ist insbesondere, wenn der als Rohr ausgestaltete Anschlussdraht einen Abschnitt aufweist, der nicht von dem Abschnitt des elektrischen Heizelements oder der elektrischen Zuleitung zum elektrischen Heizelement gefüllt ist und wenn dieser Abschnitt insbesondere zumindest teilweise so verpresst ist, dass der Außendurchmesser des rohrförmigen Anschlussdrahts reduziert ist. Dadurch erreicht man eine verbesserte Isolierung dieses Abschnitts des Anschlussdrahtes zum Außenmantel der elektrischen Heizvorrichtung, was insbesondere wichtig sein kann, wenn in diesem Bereich die elektrische Heizvorrichtung verformt, z.B. umgebogen werden soll.
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Der nicht vom elektrischen Heizelement gefüllte Rohrabschnitt kann insbesondere teilweise innerhalb des Mantels und teilweise außerhalb des Mantels angeordnet sein. Wird dann die elektrische Heizvorrichtung auf der Länge ihres Mantels verpresst, weist der ungefüllte Rohrabschnitt, der außerhalb des Mantels angeordnet ist, weiterhin einen Hohlraum auf, der dann vorteilhaft zur einfachen und sicheren Verbindung mit dem Leiters einer Anschlussleitung verwendet werden kann.
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Der nicht vom Abschnitt des elektrischen Heizelements oder der elektrischen Zuleitung zum elektrischen Heizelement gefüllte Rohrabschnitt kann aber auch mit Isolierstoff ausgefüllt sein.
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Besonders günstig zur Vermeidung einer vergrößerten Außenkontur in eine Richtung und für das Erzielen homogenen elektrischen Kontakts ist es, wenn durch das Verpressen der Anschlussdraht in Richtungen senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung isotrop verformt ist.
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Eine isotrope Verformung bedeutet dabei, dass in keiner Richtung eine besonders starke Verformung bewirkt wurde (wie es z.B. beim Crimpen gemäß den meisten Crimpvorschriften der Fall ist) und dass die Verformung nicht in unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichem Vorzeichen aufgetreten ist, was der Fall wäre, wenn eine Querschnittsreduktion in einer Richtung mit einer Querschnittsvergrößerung in einer anderen Richtung einher ginge. Sie liegt insbesondere dann vor, wenn eine in all diese Richtungen gleichmäßige Verformung aufgetreten ist. Nötigenfalls könnte auch eine zusätzliche, nicht vorschriftsgemäße Vercrimpung eingesetzt werden, um den Kontakt weiter zu verbessern.
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Besonders guter elektrischer Kontakt und somit besonders geringe Kontaktwiderstände lassen sich bei einer erfindungsgemäßen Elektrischen Heizvorrichtung herstellen, wenn der Anschlussdraht mit dem elektrischen Heizelement oder der elektrischen Zuleitung zum elektrischen Heizelement verpresst ist. Besonders ökonomisch kann dieser Schritt durchgeführt werden, wenn der Hohlraum in einem verdichteten Abschnitt der elektrischen Heizvorrichtung angeordnet ist, weil dann das Verpressen gemeinsam mit einem bei der Herstellung der elektrischen Heizvorrichtung in den meisten Fällen ohnehin notwendigen Verpressschritt durchgeführt werden kann.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Anschlussdraht weiter in den vom Mantel umgebenen Innenraum hinein erstreckt als zur Schaffung einer elektrischen Verbindung notwendig ist (worauf sich z.B: Crimphülsen beschränken). Dies führt dazu, dass in diesem Bereich der elektrischen Heizvorrichtung das elektrische Heizelement den eigentlichen Heizdraht und die den Hohlraum begrenzenden Wandung des Anschlussdrahtes, insbesondere der Rohrwandung eines rohrförmigen Anschlussdrahtes, umfasst, was zu einem größeren Querschnitt des elektrischen Heizelements führt, der seinerseits den Widerstand in diesem Abschnitt reduziert und damit dort die Wärmeentwicklung mindert.
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Dies ist insbesondere wünschenswert, weil in der Regel an mindestens einem Ende des vom Mantel umschlossenen Bereichs der elektrischen Heizvorrichtung ein unbeheizter Bereich (worunter ein Bereich der elektrischen Heizvorrichtung zu verstehen ist, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung die Heizleistung minimal sein soll) vorgesehen ist. Dann sollte sich der Anschlussdraht und/oder dessen Hohlraum vorteilhafterweise über den gesamten unbeheizten Bereich erstrecken. Maximiert werden kann der Effekt dieser Anordnung, wenn der Anschlussdraht aus einem Material besteht, das eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die elektrische Leitfähigkeit des Heizdrahtes aufweist.
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Insbesondere kann der Anschlussdraht aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden aber schlecht schweißbaren Material sein, was bei den aus dem Stand der Technik bekannten geschweißten Verbindungen nur mit hohem technischen Aufwand zu ermöglichen ist.
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Es sei angemerkt, dass das Vorsehen einer elektrischen Heizvorrichtung, die einen äußeren Mantel und einen innerhalb des äußeren Mantels angeordneten elektrischen Heizelement, sowie einen unbeheizten Bereich aufweist, bei der zumindest in einem Abschnitt des unbeheizten Bereichs der Querschnitt des elektrischen Heizelements, insbesondere durch Aufschieben einer Hülse oder geschlitzten Hülse, die insbesondere aus einem Material besteht, das eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die elektrische Leitfähigkeit des Heizdrahtes aufweist, auf einen Heizdraht, erhöht ist, als eine zweite, unabhängige Erfindung anzusehen ist, mit der das Problem gelöst wird, die ungewollte Heizwirkung auf „unbeheizten“ Abschnitten einer elektrischen Heizvorrichtung, also insbesondere auf Abschnitten, auf denen die Länge des darin angeordneten elektrischen Heizelements nur der Länge des Abschnitts entspricht, zu reduzieren und somit dem Ideal einer elektrischen Heizvorrichtung mit unbeheiztem Bereich näher zu kommen. Dieser unabhängige Erfindungsgedanke kann mit den Merkmalen, die im Zusammenhang mit der ersten Erfindung beansprucht und/oder offenbart sind und deren technischen Wirkungen kombiniert werden, insbesondere unterfallen ihm auch alle unten diskutierten Ausführungsbeispiele.
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Wieder im Zusammenhang mit der ersten Erfindung wird auf eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung hingewiesen, bei der der Anschlussdraht zumindest abschnittsweise von einer Hülse oder einer geschlitzten Hülse umgeben ist. Diese Maßnahme ermöglicht es, die äußeren Eigenschaften des Anschlussdrahtes auf eine gewünschte Art zu modifizieren.
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Insbesondere kann so zum Beispiel das Herstellen einer geschweißten Verbindung zu einer außerhalb der elektrischen Heizvorrichtung vorgesehenen Anschlussleitung erleichtert werden oder eine solche Anschlussleitung durch Verklemmen mit der Hülse in sicheren elektrischen Kontakt mit dem Anschlussdraht gebracht werden und/oder eine höhere Temperaturbeständigkeit gewährleistet werden und/oder die notwendige Festigkeit erreicht werden.
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Besonders der letztgenannte Aspekt kann wichtig sein, denn die Anschlussdrähte, die bevorzugt Verwendung finden, sind im Gegensatz zu den im Stand der Technik meist für elektrische Heizvorrichtungen verwendeten Anschlussdrähten aus Stahl hier aus relativ weichen und empfindlichen Materialien wie z.B. Kupfer oder reinem Nickel hergestellt, so dass es notwendig werden kann, die Festigkeit zu verstärken und/oder die Temperaturbeständigkeit, insbesondere bei Erhitzung im Kontakt mit einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, zu erhöhen.
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Vorteilhaft ist es weiter, wenn der Anschlussdraht einen von radialer Symmetrie abweichenden Querschnitt hat. Durch diese Ausgestaltung kann bei räumlich begrenzten Bauformen eine Erhöhung der Querschnittsfläche und damit eine Absenkung von Wärmeerzeugung in einem unbeheizten Bereich der elektrischen Heizvorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann es, je nach konkreter Bauform bzw. Art der räumlichen Beschränkung, vorteilhaft sein, dass der Anschlussdraht einen Querschnitt hat, dessen Breite größer ist als seine Höhe oder umgekehrt.
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Eine besonders wünschenswerte Größe der Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht kann erreicht werden, wenn die Länge des Anschlussdrahtes, insbesondere die Länge seines Hohlraums, mindestens acht Mal, bevorzugt 12 Mal, höchst bevorzugt 20 Mal so groß ist wie der Umfang des in den Hohlraum des Anschlussdrahtes aufgenommenen elektrischen Heizelements oder der in den Hohlraum des Anschlussdrahtes aufgenommenen Zuleitung zum elektrischen Heizelement.
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Eine weitere hinsichtlich der erzielten Kontaktfläche vorteilhafte Ausgestaltung wird erreicht, wenn die Länge der Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht mindestens vier Mal größer ist als Umfang des in den Hohlraum des Anschlussdrahtes aufgenommenen elektrischen Heizelements oder der in den Hohlraum des Anschlussdrahtes aufgenommenen Zuleitung zum elektrischen Heizelement. Insbesondere hat sich eine mindestens dem zehnfachenfachen Umfang, noch bevorzugter eine dem zwanzigfachen Umfang des elektrischen Heizelements entsprechende Länge bewährt.
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Zumindest dann, wenn es in erster Linie auf das Bereitstellen eines unbeheizten Bereiches ankommt, ist auch eine alternative Ausgestaltung möglich, bei der mindestens ein Anschlussdraht innerhalb des äußeren Mantels mit einer in das Innere des äußeren Mantels eingeführten externen Anschlussleitung verbunden, insbesondere vercrimpt ist. Damit wird erreicht, dass die Crimpkontaktstelle vor Biegung und Vibrationen effektiv geschützt ist.
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Durch das Vorsehen des erfindungsgemäßen Anschlussdrahtes mit einem Hohlraum zur Aufnahme eines Abschnitts der elektrischen Heizvorrichtung wird ein solches Einführen auch in solchen Fällen ermöglicht, in denen bislang wegen hoher Hitzeentwicklung im beheizten und/oder unbeheizten Bereich ein solches Einführen zu einer zu hohen thermischen Belastung der Isolationsschicht der Anschlussleitung geführt hätte. Daher ist es insbesondere vorteilhaft, wenn ein unbeheizter Bereich vorhanden ist, der anschlussseitig durch einen Abschnitt einer externen Anschlussleitung durchquert wird und wenn sich der Anschlussdraht von einer Verbindungsstelle zur externen Anschlussleitung ausgehend über den gesamten Rest des unbeheizten Bereiches (II) erstreckt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung,
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2: eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung,
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3: eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung,
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4a: eine erste Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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4b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 4a,
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5a: eine zweite Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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5b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 5a,
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6a: eine dritte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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6b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 6a,
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7a: eine vierte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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7b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 7a,
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8a: eine fünfte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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8b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 8a,
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9a: eine sechste Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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9b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 9a,
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10a: eine siebte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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10b: einen ersten Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 10a entlang der Linie C-C,
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10c: einen zweiten Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 10a entlang der Linie B-B,
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11a: eine achte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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11b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 11a,
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12a: eine neunte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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12b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 12a,
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13a: eine zehnte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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13b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 13a,
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14a: eine elfte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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14b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 14a,
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15a: eine zwölfte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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15b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 15a,
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16a: eine dreizehnte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht,
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16b: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 16a für eine erste, zylindrische elektrische Heizvorrichtung mit beidseitig angeordneten Anschlüssen,
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16c: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 16a für eine zweite, zylindrische elektrische Heizvorrichtung mit einseitig angeordneten Anschlüssen,
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16d: einen Querschnitt durch die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht gemäß 16a für eine dritte, quaderförmige elektrische Heizvorrichtung mit einseitig angeordneten Anschlüssen,
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17: eine partielle Schnittdarstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung,
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18a: eine vierzehnte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht vor einem Verpressschritt
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18b: die Ausgestaltung der Verbinudng aus 18a nach dem Verpressen,
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19: eine fünfzehnte Ausgestaltung der Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Anschlussdraht, und
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20: eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 100. Die elektrische Heizvorrichtung 100 weist einen äußeren Mantel 101 in Form eines Metallrohres auf, innerhalb dessen ein elektrisches Heizelement 102 in Form eines Widerstandsdrahtes angeordnet ist. Die elektrische Heizvorrichtung 100 weist in ihrem Mittelabschnitt einen beheizten Bereich I auf, da dort das elektrische Heizelement 102 in einer Reihe von Wendeln 103 angeordnet ist, so dass die Gesamtlänge des Abschnitts des elektrischen Heizelements 102, der im beheizten Bereich I liegt, größer ist als die Länge des Bereichs I in der Erstreckungsrichtung des Metallrohres.
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Zu beiden Seiten des in Wendeln 103 angeordneten Abschnitts des elektrischen Heizelements 102 weist dieses Abschnitte 104, 105 auf, die möglichst direkt aus dem vom äußeren Mantel 101 umgebenen Innenraum der elektrischen Heizvorrichtung 100 herausgeführt sind. Die korrespondierenden Bereiche II, III der elektrischen Heizvorrichtung 100 sind daher unbeheizt. Die Abschnitte 104, 105 des elektrischen Heizelements 102 sind in (naturgemäß elektrisch leitende) Anschlussdrähte 106, 107 aufgenommen, die rohrförmig ausgeführt sind und damit jeweils einen sie längs ihrer Erstreckungsrichtung durchsetzenden Hohlraum aufweisen, der durch die entsprechenden eingeführten Abschnitte 104, 105 des elektrischen Heizelements 102 ausgefüllt ist.
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Durch diese Maßnahme werden zwei wesentliche Effekte erzielt: Einerseits wird in den unbeheizten Bereichen II, III der Gesamtquerschnitt des verfügbaren Leiters erhöht und damit der Widerstand verringert, so dass in diesen Bereichen weniger Heizleistung abfällt, was dazu führt, dass die so ausgestaltete elektrische Heizvorrichtung 100 unbeheizte Bereiche aufweist, die dem Ideal eines unbeheizten Bereichs näher kommen.
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Andererseits wird eine ausgedehnte Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement 102 und dem Anschlussdraht 106, 107 bereitgestellt, der seinerseits wegen seiner größeren Dimensionen leichter und sicherer zu kontaktieren ist als das elektrische Heizelement 102 selbst. Dies gilt insbesondere für allseitig verpresste elektrische Heizvorrichtungen, weil durch das allseitige Verpressen die Ausbildung homogener Kontaktflächen befördert sind, die eine um ein Vielfaches reproduzierbarere Kontaktierung ermöglichen als es beispielsweise beim Vercrimpen der Fall ist.
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Beide Effekte können besonders stark zur Geltung gebracht werden, wenn der Anschlussdraht 106, 107 aus einem besonders gut leitenden Material, z.B. Kupfer oder reinem Nickel, besteht.
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An den Enden des äußeren Mantels 101 ist jeweils eine Abschlußplatte 108 angeordnet und der durch den äußeren Mantel 101 und die Abschlußplatten 108, 109 definierte Innenraum der elektrischen Heizvorrichtung ist, mit einem – wie oben erwähnt in der Regel verdichteten – Isolierstoff 110, beispielsweise Magnesiumoxid, ausgefüllt, soweit er nicht schon durch das elektrische Heizelement 102 und die Anschlussdrähte 106, 107 belegt ist.
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Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 200 mit äußerem Mantel 201, Anschlussdrähten 206, 207, jeweils mit einem Hohlraum in Form eines die Anschlussdrähte ihrer Erstreckung nach durchsetzenden Loches, elektrischem Heizelement 202 mit Wendeln 203 und in den Hohlräumen der Anschlussdrähte 206, 207 aufgenommenen Abschnitten des elektrischen Heizelements 204, 205 sowie Abschlussplatten 208, 209, die mit einem Isolierstoff 210 befüllt ist, unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass hier beide Anschlüsse der elektrischen Heizvorrichtung 202 auf derselben Seite angeordnet sind. Dementsprechend weist die elektrische Heizvorrichtung ein elektrisches Heizelement 202 mit einem hinlaufenden Zweig 202a und einem rücklaufenden Zweig 202b auf, die am den Anschlüssen gegenüberliegenden Ende der elektrischen Heizvorrichtung 200 ineinander übergehen. Bedingt durch diesen Aufbau weist die elektrischen Heizvorrichtung 200 einen beheizten Bereich I, in dem das elektrische Heizelement 202 Wendeln 203 hat, und einen unbeheizten Bereich II auf.
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Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass in 2 zusätzlich die Verbindung der zur elektrischen Heizvorrichtung 200 gehörenden Anschlussdrähte 206, 207 zu den Anschlussleitungen 251, 252, über die die elektrische Heizvorrichtung 200 mit Strom versorgt wird, dargestellt ist, die in der Darstellung gemäß 2 durch Vercrimpen unter Verwendung von Crimphülsen 253, 254 erfolgt. Aus dieser Darstellung ist insbesondere einerseits zu entnehmen, dass die in den Hohlraum der Anschlussdrähte 206, 207 eingeführten Abschnitte 204, 205 deutlich länger sind als es zum Herstellen eines elektrischen Kontakts notwendig ist und dass ferner die Anschlussdrähte 206, 207 deutlich länger sind als eine Crimphülse zum Vercrimpen von elektrischen Leitungen mit einem dem elektrischen Heizelement 202 entsprechenden Durchmesser.
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Noch weiter veranschaulicht die Darstellung nach 2 bei Betrachtung der Dimensionierung des Querschnitts des elektrischen Heizelements 202 einerseits und der Anschlussleitungen 251, 252 andererseits klar die Kontaktprobleme, die durch die Querschnittsvariation auftreten. Durch Verwendung von Anschlussdrähten, die keinen Hohlraum aufweisen, wird dieses Problem lediglich in das Innere der elektrischen Heizvorrichtung verlagert, während die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Anschlussdrähte 206, 207 das Problem durch das Bereitstellen einer großen Kontaktfläche und Herstellen eines innigen Kontakts durch Verpressen effektiv eliminiert.
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Die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 300 mit äußerem Mantel 301, Anschlussdrähten 306, 307, jeweils mit einem Hohlraum in Form eines die Anschlussdrähte ihrer Erstreckung nach durchsetzenden Loches (so dass die Anschlussdrähte rohrförmig sind), elektrischem Heizelement 302 mit Wendeln 303 sowie Abschlussplatten 308, 310 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass hier das elektrische Heizelement 302 in Wendeln 303 auf einen Wickelkörper 320 gewickelt ist, der beispielsweise aus Keramik gefertigt sein kann. Dieser Wickelkörper definiert die Erstreckung des beheizten Bereichs I, während sich die Anschlussdrähte 306, 307 im Wesentlichen über den gesamten unbeheizten Bereich II erstrecken.
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Ein weiterer Unterschied zwischen den Darstellungen gemäß 2 und gemäß 3 liegt darin, dass nicht direkt das elektrische Heizelement 302, sondern elektrische Zuleitungen 330, 331 in den Hohlraum der wiederum rohrförmig ausgeführten Anschlussdrähte 306, 307 eingeführt sind. Damit wird besonders stark auf den grundsätzlich auch in den anderen erläuterten Ausführungsformen jeweils erzielten Effekt abgestellt, dass durch die entsprechende Querschnittsvergrößerung die im unbeheizten Bereich dennoch anfallende Wärmeleistung reduziert wird. Die Reduktion der Wärmeleistung ist dann besonders effizient, wenn der Anschlußdraht aus einem sehr gut elektrisch leitenden Material, wie z.B. Kupfer, besteht.
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Die 4a bis 19 zeigen unterschiedliche Möglichkeiten, einen Anschlussdraht mit einem Hohlraum und das in diesen Hohlraum aufgenommene elektrische Heizelement auszugestalten und beschränken sich um die Klarheit der Darstellung zu erhöhen auf die für diesen Teilaspekt einer elektrischen Heizvorrichtung jeweils wesentlichen Merkmale. Diese unterschiedlichen Möglichkeiten sind insbesondere direkt auf eine beliebige der vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der elektrischen Heizvorrichtung anwendbar.
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In der Ausführungsform gemäß 4a und 4b ist der elektrische Kontakt zwischen elektrischem Heizelement 402 und Anschlussdraht 405 über eine elektrische Zuleitung 430 realisiert. Die elektrische Zuleitung 430, ist mit ihrem einen Ende in den Hohlraum des Anschlussdrahts 405 aufgenommen und mit ihrem anderen Ende in einen gewendelten Abschnitt des elektrischen Heizelements 402 eingeführt. Beim radialen Verdichten einer elektrischen Heizvorrichtung, die eine derartige Anordnung aufweist, wird damit auf beiden Seiten ein guter, allseitiger Kontakt herbeigeführt.
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In der Ausführungsform gemäß 5a und b ist der Abschnitt 504 des elektrischen Heizelements 502 in den elektrisch leitenden Anschlussdraht 506 aufgenommen, der rohrförmig ausgeführt sind und damit jeweils einen ihn längs seiner Erstreckungsrichtung, also in der jeweiligen Verlaufsrichtung des Anschlussdrahtes 506, durchsetzenden Hohlraum aufweisen, der durch den entsprechenden eingeführten Abschnitt 504 des elektrischen Heizelements 502 ausgefüllt ist. Dieser Aufbau der Verbindung zeichnet sich durch besondere Einfacheit aus.
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Die Ausführungsform nach 6a und 6b unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 5a und 5b dadurch, dass der Anschlussdraht 606 von einer leitenden Hülse 650 umgeben ist. Durch diese Massnahme kann bei einer entsprechenden Materialwahl für das Material der Hülse 650 beispielsweise die Möglichkeit, einen Schweisskontakt zu erzielen, verbessert werden. Besonders geeignet ist die Verwendung einer Nickel-Hülse.
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Die Ausführungsform nach 7a und 7b unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 5a und 5b dadurch, dass der Anschlussdraht 706 im Bereich außerhalb des nicht dargestellten Mantels der elektrischen Heizvorrichtung von einer Quetschhülse 750 umgeben ist. Die Quetschhülse stellt sicher, dass auch in einem Bereich des Anschlussdrahts 706, in dem dieser nicht verdichtet ist, ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Anschlussdraht 706 und dem darin aufgenommenen Abschnitt 704 des elektrischen Heizelements 702 gewährleistet werden kann, wie man besonders gut der Darstellung gemäß der 7b entnimmt.
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Die Ausführungsform nach 8a und 8b unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 5a und 5b durch die Art des Anschlussdrahtes 806. Wie insbesondere der 8b zu entnehmen ist, kann ein Anschlussdraht 806 mit Hohlraum auch einfach dadurch gebildet werden, dass eine Metallplatte so weit um das elektrische Heizelement 802 herumgebogen wird, dass sie einen Hohlraum ausbildet, der zur Aufnahme des elektrischen Heizelements 802 geeignet ist. Es entsteht somit also ein Rohr mit einem das Rohr in Erstreckungsrichtung durchsetzenden Schlitz.
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Vorteilhafterweise überdeckt der durch das Biegen erzeugte Anschlussdraht 806 das elektrische Heizelement 802 über einen Winkelbereich > 180° hinweg. Diese Anschlussgestaltung bietet sich insbesondere für sehr kleine Bauformen an, bei denen das Bohren eines Hohlraums im Anschlussdraht nicht praktikabel oder zumindest sehr aufwändig ist.
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Die Ausführungsform gemäß 9a und 9b unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 5a und 5b dadurch, dass der Abschnitt des elektrischen Heizelements 902 nur einen Teil des Hohlraums des Anschlussdrahts 906 ausfüllt, während der zweite Teil von einem anderen Draht 950 ausgefüllt ist, mit dem auf diese Weise eine sicher kontaktierte Verbindung hergestellt ist.
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Die Ausführungsform nach 10a und 10b ist eine Abwandlung der Ausführungsform nach 6a und 6b, von der sie sich dadurch unterscheidet, dass die leitende Hülse 1050, die den Anschlussdraht 1006 und den darin aufgenommenen Abschnitt des elektrischen Heizelements 1002 umgibt, länger als der Anschlussdraht 1006 ausgeführt ist. Dies ermöglicht, dass die Hülse 1050 als Aufnahme für einen Leiter 1060 der (nicht dargestellten) Anschlussleitung dient und so eine reproduzierbare und robuste elektrische Verbindung zu diesem ermöglicht.
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Die Ausführungsform nach 11a und 11b ist eine Abwandlung der Ausführungsform nach 8a und 8b, von der sie sich dadurch unterscheidet, dass, wie bei der Ausführungsform nach 6, der Anschlussdraht 1106 von einer leitenden Hülse 1150 umgeben ist.
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Die Ausführungsform nach 12a und 12b unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 5a und 5b dadurch, dass das elektrische Heizelement 1202 mit einer Schweißverbindung 1250 an einer elektrische Zuleitung 1230 befestigt ist, die dann im Hohlraum des Anschlussdrahtes 1206 aufgenommen und verpresst ist.
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Wie man den 13a, 13b, 14a und 14b entnimmt, ist es auch möglich, den Abschnitt des elektrischen Heizelements 1302, 1402 als Wicklung oder übereinander gefaltet in den Hohlraum des Anschlussdrahtes 1306, 1406 aufzunehmen. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Hohlräume nichtgrößenangepasst ausgeführt werden können.
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Die Ausführungsform, die in den 15a und 15b dargestellt wird, zeichnet sich durch eine alternative elektrische Kontaktierung aus, die durch einen Hilfsdraht 1550 erfolgt, der gemeinsam mit dem Endabschnitt des elektrischen Heizelements 1502 in den Hohlraum des Anschlussdrahtes 1506 eingesetzt und verpresst ist.
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Wie man besonders gut an den 16a bis 16d erkennt, kann durch das Vorsehen von Anschlussdrähten 1606, 1607, 1608 mit einem im Hinblick auf die jeweilige Geometrie der elektrischen Heizvorrichtung 1600 optimierten Querschnitt die verfügbare Leiterquerschnittsfläche maximiert und daher, insbesondere, wenn die Anschlussdrähte 1606, 1607, 1608 sich über einen kompletten unbeheizten Bereich erstrecken, der Widerstand in diesem Bereich und damit die dort abgegebene Wärmeleistung minimiert werden. Insbesondere kann es zweckmässig sein, wenn die Anschlussdrähte eine größere Höhe als Breite aufweisen (vgl. 16c) oder umgekehrt (vgl. 16d).
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Dies ist auch noch einmal in 17 zu erkennen, die eine teilweise aufgeschnittene elektrische Heizvorrichtung 1700 zeigt, in der Anschlussanordnungen 1760, 1770, die im wesentlichen analog zu der in 16d gezeigten Ausgestaltung aufgebaut sind, innerhalb des Mantels 1701 in Isolierstoff 1710 angeordnet sind.
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In 17, 18a, 18b und 19 erkennt man insbesondere besonders gut, wie klein die durch die erfindungsgemäße Anschlussweise ermöglichte Bauform ist. In 17 entspricht die Höhe der nicht zylindersymmetrischen Anschlussanordnungen 1760 und 1770 im Wesentlichen dem Durchmesser der Wendeln des elektrischen Heizelements 1702, in den 18a, 18b und 19 ist dies nicht nur im Hinblick auf die Höhe der Fall, sondern gilt für alle senkrecht zur Erstreckungsrichtung liegenden Richtungen.
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Wie man in den 18a und 18b erkennt, die eine Variation der Ausgestaltung gemäß 4a und 4b vor und nach einem Verpressschritt zeigen, ist die durch die erfindungsgemäße Anordnung erreichbare Bauform sehr klein. Der Unterschied zur Darstellung gemäß 4a und 4b besteht darin, dass die elektrische Zuleitung 1803 nicht den gesamten Hohlraum des als Rohr ausgestalteten Anschlussdrahtes 1806 ausfüllt. Dieser Bereich wird dann im nachfolgenden Verpressschritt zusammengedrückt, so dass die inneren Wandflächen des Rohres zumindest abschnittsweise aneinanderliegen und demzufolge der Außendurchmesser des Rohres in diesem Bereich verringert wird.
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Wenn ein nicht dargestellter anschlussseitiger Abschnitt des Rohres außerhalb des verpressten Bereichs liegt, wird dieser die Form aus 18a im Wesentlichen beibehalten, so dass ein nicht dargestellter anschlussseitiger Hohlraum entsteht, der vorteilhaft zur Verbindung mit dem Leiter einer nicht dargestellten Anschlussleitung genutzt werden kann.
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Alternativ kann, wie in 19 dargestellt, die Anordnung gemäß 18a und 18b dadurch variiert werden, dass der Innenraum mit Isolierstoff 1910 gefüllt wird.
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20 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 2200. Der Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 liegt darin, dass hier die Verbindung zwischen den als Rohr ausgeführten Anschlussdrähten 2206, 2207 und den externen Anschlussleitungen 2251, 2252 innerhalb des Mantels 2201 über Crimpverbinder 2253, 2254 erfolgt, was die Crimpverbindung vor mechanischer Belastung, insbesondere durch Abknicken oder Vibrationen, schützt. Um die externe Anschlussleitung in den durch den äußeren Mantel definierten Innenraum der elektrischen Heizvorrichtung verlegen zu können, muss gewährleistet sein, dass die Isolation der Anschlussleitung der thermischen Belastung an dieser Stelle der elektrischen Heizvorrichtung standhalten kann. Dazu trägt das Vorsehen des erfindungsgemäßen Anschlussdrahtes mit Hohlraum entscheidend bei, weil dadurch, wie oben bereits erläutert wurde, die Wärmeabgabe im unbeheizten Bereich deutlich reduziert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 200, 300, 1600, 1700, 2200
- elektrische Heizvorrichtung
- 101, 201, 301, 1601, 1701, 2201
- Mantel
- 102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 802, 902, 1002, 1102, 1202, 1302, 1402, 1502, 1602, 1702, 1802, 1902, 2202
- elektrisches Heizelement
- 202a, 2202a
- hinlaufender Zweig
- 202b, 2202b
- rücklaufender Zweig
- 103, 203, 303, 403, 503, 603, 703, 803, 903, 1003, 1103, 1203, 1303, 1403, 1503, 1603, 1703, 1803, 1903, 2203
- Wendel
- 104, 105, 204, 205, 304, 305, 2204, 2205
- Abschnitte
- 106, 107, 206, 207, 306, 307, 406, 506, 606, 706, 806, 906, 1006, 1106, 1206, 1306, 1406, 1506, 1606, 1607, 1608, 1706, 1806, 1906, 2206, 2207
- Anschlussdraht
- 108, 109, 208, 209, 308, 309, 1708, 2208, 2209
- Abschlussplatte
- 110, 210, 310, 1610, 1710, 1911, 2011
- Isolierstoff
- 251, 252, 2251, 2252
- Anschlussleitungen
- 253, 254, 2253, 2254
- Crimphülsen
- 320
- Wickelkörper
- 330, 331, 430, 1230, 1830
- elektrische Zuleitung
- 650, 1050, 1150
- leitende Hülse
- 750
- Quetschhülse
- 950
- Draht
- 1060
- Leiter
- 1250
- Schweißverbindung
- 1550
- Hilfsdraht
- 1760, 1770
- Anschlussanordnung
- I
- beheizter Bereich
- II,III
- unbeheizter Bereich
