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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung.
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Derartige elektrische Heizvorrichtungen finden insbesondere Verwendung zur Beheizung von Werkzeugen, Maschinenteilen und Geräten, insbesondere zur Beheizung von Kunststoffspritzdüsen.
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Es gibt dabei eine Reihe von Anwendungen, z.B. im Bereich des Kunststoffspritzens, bei denen von herausragender Bedeutung ist, dass eine vorgegebene, insbesondere gleichmäßige Temperaturverteilung auf dem zu beheizenden Bauteil erreicht wird, die aber nur dann gewährleistet werden kann, wenn an unterschiedlichen Abschnitten des beheizten Bauteils unterschiedliche Heizleistung bereitgestellt wird.
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Eine derartige Leistungsverteilung kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass man als elektrisches Heizelement einen elektrischen Rohrheizkörper wählt, der zu einer an die lokal gewünschten Heizleistung angepassten Raumkurve geformt ist, so dass in Abschnitten, in denen eine höhere Heizleistung benötigt wird, ein größerer Anteil der Länge des elektrischen Rohrheizkörpers und damit ein größerer Anteil seiner Heizleistung angeordnet ist als in Abschnitten, in denen eine niedrigere Heizleistung benötigt wird.
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Konkret ist eine für viele Anwendungsfälle beliebte Gestaltung der Raumkurve, den elektrischen Rohrheizkörper zu Wendeln oder Mäandern zu formen, wobei die Dichte der Wendeln oder Mäander in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedlich gewählt ist, und den so geformten elektrischen Rohrheizkörper in Kontakt mit einem Wärmeleitkörper bringt, um die gewünschte lokale Homogenität der Temperaturverteilung zu gewährleisten.
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In der Praxis hat sich dabei gezeigt, dass es bei der Herstellung einer gattungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung zu einer Verformung der Raumkurve des geformten elektrischen Rohrheizkörpers kommen kann, die mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Veränderung des erzielten Temperaturprofils über das zu beheizende Bauteil hinweg mit sich bringt. Aus diesem Grund ist z.B. in der
EP 1 051 059 B1 vorgeschlagen worden, dass die elektrische Heizvorrichtung aus einem elektrischen Rohrheizkörper und einem Wärmeleitkörper mit einer Nut in seiner äußeren Mantelfläche besteht, welche die gewünschte Form des elektrischen Rohrheizkörpers vorgibt und mit welcher der elektrische Rohrheizkörper verpresst ist. Eine ähnliche Vorrichtung, bei der die Nut jedoch in der inneren Mantelfläche des Wärmeleitkörpers vorgesehen ist, ist aus der
EP 1 590 154 B1 bekannt.
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Alternativ dazu wird in der
DE 10 2010 006 356 A1 vorgeschlagen, einen elektrischen Rohrheizkörper statt in einer Nut in einer ein Blech durchsetzenden Ausnehmung aufzunehmen und zu fixieren.
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Die
DE 20 2010 001 576 U1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung, bei der ein sie mäanderförmig durchsetzendes rohrförmiges Heizelement, das zwischen einem inneren Metalltohr und einem äußeren Metallrohr in einem Pulver oder Granulat angeordnet ist, vorhanden ist, wobei das äußere Metallrohr eine sich über die gesamte Länge des Metallrohrs hinziehende Ausnehmung aufweist und Abschlussflächen vorgesehen sind, die das innere Metallrohr und das äußere Metallrohr an den in axialer Richtung orientierten Rändern der Ausnehmung miteinander verbinden. Aus der
US 2009/0127244 A1 ist eine weitere rohrförmige Heizvorrichtung nebst einem Verfahren zu deren Herstellung bekannt, bei der insbesondere das Anbringen einer thermisch isolierenden Schicht zwischen Wärmeleitkörper und Außenrohr vorgesehen ist.
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Alle vorstehend erwähnten Lösungen vermeiden zwar eine Verformung der angestrebten Raumkurve, also des Verlaufs des elektrischen Rohrheizkörpers im Raum, auf relativ zuverlässige Art und Weise, sie leiden aber daran, dass der notwendige innige thermische Kontakt zwischen elektrischem Rohrheizkörper und Wärmeleitkörper nicht hinreichend sicher und hinreichend gleichmäßig gewährleistet ist und dass nur geringe Andruckkräfte realisiert werden können. Dies erhöht einerseits das Ausfallrisiko, denn eine lokal zu geringe Wärmeabfuhr vom elektrischen Rohrheizkörper führt zu seiner Überhitzung und Zerstörung. Selbst wenn es nicht soweit kommt, kann es zu Abweichungen der von der elektrischen Heizvorrichtung bereitgestellten Temperaturverteilung im Raum von der angestrebten Sollverteilung kommen, die für die gewünschte Anwendung nicht akzeptabel sind.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht somit darin, eine insbesondere hinsichtlich der exakten Reproduzierbarkeit der Temperaturverteilung, die sie auf einem zu beheizenden Bauteil erzielt, verbesserte rohrförmige elektrische Heizvorrichtung mit verringertem Ausfallrisiko bereitzustellen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung mit verbesserter Prozesssicherheit anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine rohrförmige elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Heizvorrichtung bzw. des Verfahrens zu ihrer Herstellung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße rohrförmige elektrische Heizvorrichtung weist ein Außenrohr, einen Wärmeleitkörper und einen angeordneten elektrischen Rohrheizkörper auf (wobei “einen” als “mindestens einen” zu verstehen ist) und weist ferner in Erstreckungsrichtung des Außenrohres eine durchgehende Nut oder Öffnung auf, also eine Nut oder Öffnung, die sich in Erstreckungsrichtung des Außenrohres über das gesamte Außenrohr hinweg erstreckt.
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Erfindungsgemäß weist der Wärmeleitkörper eine ihn in Erstreckungsrichtung der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung durchsetzende Öffnung oder Nut auf und das Außenrohr ist derart verformt, dass ein Teil seiner Mantelfläche in die Öffnung oder Nut eingreift und zumindest abschnittsweise mittelbar oder unmittelbar an den die Öffnung oder Nut definierenden Begrenzungsflächen, insbesondere seitlichen Begrenzungs-flächen, oder an einem Innenrohr abgestützt ist.
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Durch dieses Abstützen kann auf besonders einfache und wirkungsvolle Weise die zu erzielende Andruckwirkung auf den elektrischen Rohrheizkörper erreicht werden und ein sehr hoher Anpressdruck realisiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Abstützen keinen Kontakt mit der gesamten Begrenzungsfläche voraussetzt.
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Ein zweiter wünschenswerter Effekt besteht darin, dass bei dieser Ausgestaltung im Betrieb der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung die Ausdehnung des Wärmeleitkörpers als Folge seiner Erwärmung eine Kraft auf die abgestützten Teile der Mantelfläche des Außenrohres ausübt, die eine Spannwirkung mit sich bringt, die den Presssitz auf einem zu beheizenden Bauteil verbessert. Dieser Effekt kann insbesondere durch die Materialwahl für Außenrohr und Wärmeleitkörper unterstützt werden; er wird umso größer je mehr der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wärmeleitrohres den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenrohres übersteigt.
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Unmittelbar abgestützt bedeutet dabei, dass ein direkter Kontakt zwischen den entspechenden, die Öffnung definierenden Begrenzungsflächen des Wärmeleitkörpers und dem Außenrohr besteht. Derselbe Effekt kann aber auch erzielt werden, wenn eine mittelbare Abstützung erfolgt, bei der mindestens eine weitere Lage eines Materials, insbesondere eines im Wesentlichen inkompressiblen Materials, zwischen diesen Begrenzungsflächen und dem Außenrohr angeordnet ist, z.B. ein Abschnitt eines etwaig vorgesehenen Innenrohres.
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Insbesondere kann auf diese Weise auch erreicht werden, dass das Außenrohr durch mechanische Vorspannung den elektrischen Rohrheizkörper an den Wärmeleitkörper anpresst.
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Somit wird durch die Erfindung auf reproduzierbare Weise ein guter thermischer Kontakt zwischen elektrischem Rohrheizkörper und Wärmeleitkörper gewährleistet, ohne dass eine Verformung des elektrischen Rohrheizkörpers nötig ist. Zudem kann eine Fixierung des Außenrohrs, insbesondere gegen Verdrehung auf dem Wärmeleitkörper erreicht werden und es ist möglich, die Passgenauigkeit der einzelnen Bestandteile der elektrischen Heizvorrichtung zueinander ein spaltfreies Anliegen des Außenrohres zu erhöhen und einen spielfreien Sitz zu erreichen. Insbesondere kann das Außenrohr spielfrei und passgenau an gewünschte Stellen des Wärmeleitkörpers und/oder Rohrheizkörpers angelegt werden.
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Darüber hinaus hat das Vorsehen des Außenrohres per se weitere positive Effekte, beispielsweise eine Schutzfunktion für Wärmeleitkörper und elektrischen Rohrheizkörper und bei geeigneter Materialwahl eine Reflexion bzw. Konzentration der vom elektrischen Rohrheizkörper zunächst in Richtung auf das Außenrohr abgestrahlten Wärme auf das zu beheizende Bauteil.
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Das Wort “rohrförmig” im Sinne dieser Patentschrift ist dabei so zu verstehen, dass die elektrische Heizvorrichtung einen Innenraum, in den ein zu beheizendes Bauteil eingeführt werden kann, zumindest nahezu vollständig umschließt. So wie bei einem Wasserrohr die Rohrwandungen einen Innenraum definieren, tun dies bei der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung Abschnitte bzw. Komponenten derselbst, und so wie bei einem Wasserrohr die Richtung, in der das Wasser transportiert werden kann, dessen Erstreckungsrichtung definiert, tut dies bei der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung die Richtung, in die das zu beheizende Bauteil eingeführt werden kann. Die an einer gegebenen Stelle senkrecht zur Erstreckungsrichtung stehende Fläche ist eine Querschnittsfläche, die von der durch Abschnitte bzw. Komponenten der elektrischen Heizvorrichtung weitgehend umschlossen wird. Explizit eingeschlossen und sogar bevorzugt ist dabei allerdings die Möglichkeit, dass das eine rohrförmige elektrische Heizvorrichtung in ihrer Erstreckungsrichtung eine sie durchsetzende Öffnung aufweist, also wie ein längs seiner Erstreckungsrichtung geschlitztes Rohr ausgebildet ist. Ergänzend wird noch darauf hingewiesen, dass der Querschnitt nicht notwendig kreisförmig zu sein braucht, sondern eine beliebige Form haben kann.
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Dementsprechend sind auch unterschiedliche Grenzflächen einer rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung definiert. “Innen” ist die dem Innenraum, in den das zu beheizende Bauteil eingeschoben werden kann, zugewandte Richtung. “Außen” ist die “Innen” entgegengesetzte Richtung. Dementsprechend ist das Außenrohr in einer gegebenen Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung gesehen jeweils weiter vom Innenraum entfernt als der Wärmeleitkörper, während ein etwaigvorgesehenes Innenrohr einer gegebenen Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung gesehen jeweils näher am Innenraum angeordnet ist als der Wärmeleitkörper. Stirnflächen sind die Querschnittsflächen, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung an den Enden der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung stehen.
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Der Wärmeleitkörper ist ein Körper aus wärmeleitendem Material, z.B. Messing oder Kupfer, der dafür sorgt, dass die vom elektrischen Rohrheizkörper erzeugte Wärme lokal verteilt wird, so dass das ein Wärmeeintrag in das zu beheizende Bauteil nicht nur lokal an Stellen, an denen der elektrische Rohrheizkörper angeordnet ist, sondern auch in der Umgebung dieser Stellen erfolgt.
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Trotz dieser lokalen Homogenisierung des Wärmeeintrags auf ein zu beheizendes Bauteil an durch den Wärmeleitkörper an einer gegebenen Stelle der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung kann über die gesamte rohrförmige elektrische Heizvorrichtung hinweg eine variierender Wärmeeintrag auf ein zu beheizendes Bauteil realisiert werden, indem die Raumkurve, die der elektrische Rohrheizkörper beschreibt, entsprechend angepasst wird. Beispielsweise kann der elektrische Rohrheizkörper gewendelt sein, wobei an Stellen, an denen wenig Heizleistung bereitgestellt werden soll eine große Wendelsteigung und an anderen Stellen eine kleine Wendelsteigung vorgesehen wird.
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Für eine Reihe von Anwendungen, insbesondere bei kleinen Bauformen, ist dabei die exakte Lage der Raumkurve von entscheidender Bedeutung, weshalb sie in einer vorteilhaften Ausführungsform durch mindestes eine Positioniereinrichtung fixiert wird. Als Positioniereinrichtung kann beispielsweise eine Nut im Wärmeleitkörper dienen, in die der elektrische Rohrheizkörper eingelegt ist, aber auch am Wärmeleitkörper oder einem Metallmantel angeordnete Stäbe, Stege oder Kammstrukturen, um die der elektrische Rohrheizkörper herumgewunden ist.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der elektrische Rohrheizkörper durch am Wärmeleitkörper vorgesehene Positioniereinrichtungen, z.B. eine Nut oder Führungsabschnitte, fixiert ist, da dieser – im Gegensatz beispielsweise zum Außenrohr – keiner Verformung zum Bereitstellen einer Vorspannung ausgesetzt werden muss. Die Anschlüsse des Rohrheizkörpers können je nach den Anforderungen der gegebenen Anwendung z.B. stirnseitig oder mittig von der elektrischen Heizvorrichtung abgehen, und zwar radial, axial oder auch tangential.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmeleitkörper ein aus einem Vollmaterial oder Rohr herausgearbeiteter, insbesondere herausgefräster Körper ist. Ein solches Arbeiten aus dem Vollen ist nicht nur mit modernen spanabhebenden Bearbeitungstechniken selbst dann, wenn kompliziert geformte Positioniervorrichtungen an ihm angeordnet sind kostengünstig möglich, sondern stellt auch einen massiven und schwer verformbaren Wärmeleitkörper bereit. Dies ist insbesondere dann sehr wertvoll, wenn die Vorspannung des Außenrohres durch das Abstützen an den die den Wärmeleitkörper in Erstrechungsrichtung durchsetzende Öffnung definierenden Begrenzungsflächen erzielt werden soll, weil dann eine stärkere Spannung möglich ist. Wärmeleitkörper, die durch Aufrollen eines ebenen Blechs mit in Nuten eingelegtem elektrischen Rohrheizkörper hergestellt werden, sind hierfür deutlich schlechter geeignet.
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Der Wärmeleitkörper kann aber auch ein aus mehreren Stücken zusammengesetzter Körper sein, wobei die mehreren Stücke aus gleichem oder unterschiedlichem Material bestehen können.
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Vorteilhaft im Hinblick auf die Reduktion von Wärmeverlusten ist es, wenn zwischen Wärmeleitkörper und Außenrohr zumindest abschnittsweise ein thermischer Isolierstoff angeordnet ist. Bei geeignetem Aufbau der elektrischen Heizvorrichtung kann dies auch ein eingestreutes Pulver oder Granulat sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die rohrförmige elektrische Heizvorrichtung auch ein Innenrohr auf. Dies ist nicht nur wichtig für die Schaffung eines geschlossenen Raumes, wenn ein Pulver oder Granulat als thermischer Isolierstoff oder zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen elektrischem Rohrkeizkörper und Wärmeleitkörper eingestreut werden soll, sondern kann auch ein weiteres Problem lösen. Gängige Materialien für Wärmeleitkörper, insbesondere Messing oder Kupfer, neigen nämlich dazu, nach längerem Betrieb an dem zu beheizenden Bauteil anzuhaften. Durch ein Innenrohr aus einem geeigneten Material, insbesondere Edelstahl, lässt sich dies verhindern.
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Für Anwendungen, bei denen ein Pulver oder Granulat zum Einsatz kommt ist es darüber hinaus hilfreich, wenn Außenrohr und Innenrohr mindestens eine gemeinsame Kontaktlinie oder Kontaktfläche aufweisen, an der sie miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann z.B. durch Schweißen, Löten oder mechanisch, insbesondere z.B. durch Umformen, erfolgen.
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In demselben Anwendungsfall ist ferner zweckmäßig, wenn Außenrohr und Innenrohr an mindestens einer Stirnseite der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung durch eine Endscheibe miteinander verbunden sind. Auch hier kann die Verbindung z.B. durch Schweißen, Löten oder mechanisch, insbesondere z.B. durch Verpressen oder Einbördeln, erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung mit den oben genannten Vorteilen weist die folgenden Schritte auf, welche, wenn nichts anderes erwähnt ist, zweckmäßigerweise in dieser Reihenfolge, aber nicht zwingend unmittelbar nacheinander, erfolgen sollten.
- a) Bereitstellen eines Außenrohrs, eines elektrischen Rohrheizkörpers und eines Wärmeleitkörpers mit einer den Wärmeleitkörper in seiner Erstreckungsrichtung vollständig durchsetzenden Öffnung. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Wärmeleitkörper eine Positioniervorrichtung aufweist und/oder aus einem massiven Materialstück herausgearbeitet ist.
- b) Formen des elektrischen Rohrheizkörpers so dass dieser einer gewünschten Raumkurve folgt. Falls eine Positioniereinrichtung vorgesehen ist, erfolgt dies bevorzugt auf dem Wärmeleitkörper durch Einlegen in die Positioniereinrichtung.
- c) Aufschieben des Außenrohres auf den Wärmeleitkörper mit zwischen Wärmeleitkörper und Außenrohr eingelegtem elektrischen Rohrheizkörper
- d) Umformen des Außenrohrs, so dass es mit einem Teil seines Rohrmantels in die den Wärmeleitkörper in seiner Erstreckungsrichtung vollständig durchsetzende Öffnung eingreift und dadurch eine Nut im Außenrohr entsteht. Zu diesem Schritt ist anzumerken, dass grundsätzlich auch schon ein derart umgeformtes Außenrohr bereitgestellt werden kann. Da dieser Umformschritt jedoch auch zu einer mechanischen Spannung des Außenrohrs beitragen kann, ist eine Umformung an dieser Stelle des Verfahrens zu bevorzugen.
- e) Einlegen mindestens eines Formteils in die Nut und radiales Verpressen der Anordnung auf einem Kalibrierdorn.
- f) Entfernen des mindestens einen Formteils.
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Als essentiell für die Erfindung wird insbesondere der Schritt e) angesehen. Das eingelegte Formteil sorgt beim radialen Verpressen dafür, dass das Außenrohr spaltfrei und passgenau auf den Wärmeleitkörper gespannt wird und dadurch den gewünschten Anpressdruck zur Sicherung des innigen thermischen Kontakts zwischen elektrischem Rohrheizkörper und Wärmeleitkörper bereitstellt. Insbesondere können auch so hohe Kräfte beim Verpressen eingebracht werden, dass nicht nur das Außenrohr, sondern auch die Geometrie des Wärmeleitkörpers verformt werden.
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Optional können weitere Prozessschritte ausgeführt werden, z.B. kann ein vor Schritt d) noch ein Innenrohr in den Wärmeleitkörper eingeführt werden, und Außen- und Innenrohr geschlitzt und/oder miteinander verbunden werden. Es kann auch eine Endscheibe am Außenrohr oder zwischen Außenrohr und einem etwaig vorhandenen Innenrohr angeordnet werden, die dann mit umgeformt wird und die erreichte mechanische Vorspannung noch verstärken kann.
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Es ist auch möglich, abschnittsweise unterschiedliche Formteile vorzusehen, was dann zu einer Nut mit variierendem Querschnitt führt, in welche z.B. ein Thermoelement eingelegt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Variation des Herstellungsverfahrens wird ein so hoher Druck beim Verpressen verwendet, dass es zu einer Verformung des Wärmeleitkörpers kommt. Dadurch können besonders hohe mechanische Vorspannungen des Außenrohrs realisiert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,
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2a: eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels während der Herstellung, ehe Außenmantel
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2b: eine Darstellung der fertigen rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei ein Teil des Außenmantels nicht dargestellt ist.
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3a: eine Detaildarstellung einer ersten Variante der relativen Anordnung von Außenmantel, Wärmeleitkörper und elektrischem Rohrheizkörper zueinander;
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3b: eine Detaildarstellung einer zweiten Variante der relativen Anordnung von Außenmantel, Wärmeleitkörper und elektrischem Rohrheizkörper zueinander;
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3c: eine Detaildarstellung einer dritten Variante der relativen Anordnung von Außenmantel, Wärmeleitkörper und elektrischem Rohrheizkörper zueinander;
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3d: eine Detaildarstellung einer vierten Variante der relativen Anordnung von Außenmantel, Wärmeleitkörper und elektrischem Rohrheizkörper zueinander;
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4a: eine Detaildarstellung einer ersten Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres;
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4b: eine Detaildarstellung einer zweiten Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres;
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4c: eine Detaildarstellung einer dritten Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres;
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4d: eine Detaildarstellung einer vierten Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres;
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4e: eine Detaildarstellung einer fünften Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres;
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4f: eine Detaildarstellung einer sechsten Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres,
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4g: eine Detaildarstellung einer siebten Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres,
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4h: eine Detaildarstellung einer achten Möglichkeit für das Abstützen des Außenrohres,
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5a: eine Detaildarstellung des Bereichs, in dem das Außenrohr abgestützt wird vor dem Verpressen während der Herstellung einer rorhförmigen elektrischen Heizvorrichtung, und
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5b: eine Detaildarstellung des Bereichs, in dem das Außenrohr abgestützt wird nach dem Verpressen während der Herstellung einer rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung.
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6a: eine Anordnung aus Außenrohr und Wärmeleitrohr vor dem Verdichten,
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6b die Anordnung aus 6a nach dem Verdichten mit einem Formteil mit einer ersten Geometrie, und 6c die Anordnung aus 6a nach dem Verdichten mit einem Formteil mit einer zweiten Geometrie.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine rohrförmige elektrische Heizvorrichtung 100. Dabei sind in der Explosionsdarstellung die Baugruppen Außenrohr 110, Wärmeleitkörper 120, elektrischer Rohrheizkörper 130 und Innenrohr 140, die in der Realität ineinander angeordnet und miteinander verpresst sind, in Erstreckungsrichtung der zylindrisch ausgeführten rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung 100 teleskopartig relativ zueinander verschoben dargestellt.
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Wie man 1 entnimmt, ist um das Innenrohr 140 herum der Wärmeleitkörper 120 angeordnet. Der Wärmeleitkörper 120 weist eine ihn in Erstreckungsrichtung der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung 100 durchsetzende Öffnung 122 auf, die durch die Begrenzungsflächen 123, 124 definiert ist. Außerdem ist am Wärmeleitkörper eine Positioniervorrichtung 121 in Gestalt einer mäandrierenden Nut vorgesehen.
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Der Verlauf der Positioniervorrichtung 121 im Raum gibt die Raumkurve vor, welche der in die Positioniervorrichtung 121 eingelegte elektrische Rohrheizkörper 130, der über die Anschlüsse 131, 132 mit Strom versorgt werden kann, einnimmt und sichert den elektrischen Rohrheizkörper 130 gegen Verformung.
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Der feste und innige Kontakt des Rohrheizkörpers 130 mit der Positioniervorrichtung 121, genauer mit Boden und ggf. Wandflächen der Nut, als die die Positioniervorrichtung 121 ausgeführt ist, wird durch das Außenrohr 110 gewährleistet. Das Außenrohr 110 ist so verformt, dass der durch die Abschnitte 111a, 111b und 111c gebildete Teil seiner Mantelfläche in die den Wärmeleitkörper 120 in Erstreckungsrichtung durchsetzende Öffnung 122 eingreift, wobei der Abschnitt 111b an der die Öffnung 122 im Wärmeleitkörper 120 definierenden Begrenzungsfläche 124 und der Abschnitt 111c an der die Öffnung 122 im Wärmeleitkörper 120 definierenden Begrenzungsfläche 123 abgestützt ist. Durch dieses Abstützen entsteht eine mechanische Vorspannung des Außenrohrs 110, welche den innigen thermischen Kontakt zwischen dem elektrischen Rohrheizkörper 130 und dem Wärmeleitkörper 120 sicherstellt und einen passgenauen, Spielfreien Sitz des Außenrohrs 110 garantiert. Details der Abstützung werden weiter unten anhand der 4a bis 4g beschrieben.
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Die 2a und 2b betreffen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Außenrohr 210, Wärmeleitkörper 220 und elektrischem Rohrheizkörper 230, wobei 2b die fertiggestellte rohrförmige elektrische Heizvorrichtung 200 und 2a ein Zwischenstadium bei deren Herstellung zeigt.
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Wie man besonders gut in 2a erkennt, weist der Wärmeleitkörper 230 eine ihn in Erstreckungsrichtung der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung 200 durchsetzende Öffnung 222 auf, die durch die Begrenzungsflächen 223, 224 definiert ist. Außerdem ist am Wärmeleitkörper eine Positioniervorrichtung 221 in Gestalt einer Vielzahl von Positionierabschnitten vorgesehen, welche die Raumkurve vor, welche der in die Positioniervorrichtung 221 eingelegte elektrische Rohrheizkörper 230, der über die Anschlüsse 231, 232 mit Strom versorgt werden kann, einnimmt und sichert den elektrischen Rohrheizkörper 230 gegen Verformung. Im vorliegenden Fall ist dies, wie aus 2a hervorgeht, eine Raumkurve, welche am einen Ende der rohrförmigen elektrischen Heizvorrichtung 200 Mäander aufweist, nicht jedoch am anderen Ende.
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Dementsprechend werden beim Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung unterschiedliche Wärmemengen bereitgestellt und demzufolge auch ein zu beheizendes Bauteil, z.B. eine Spritzdüse für Kunststoffe, unterschiedlich stark beheizt. Je enger die einzelnen Mäander zueinander liegen, desto höher ist die erreichbare Temperatur. Selbstverständlich können statt Mäandern auch Wendeln mit unterschiedlicher Weldesteigung verwendet werden.
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Der feste und innige Kontakt des Rohrheizkörpers 230 mit der Positioniervorrichtung 221, wird, wie man am besten in 2b erkennt, durch das Außenrohr 210 gewährleistet. Das Außenrohr 210 bzw. dessen Rohrmantel weist ausweislich der 2a in Richtung auf die Mittelachse des Außenrohrs 210 abgeknickte Abschnitte 211b, 211c auf. Sie greifen, wie aus 2b ersichtlich, in die den Wärmeleitkörper 220 in Erstreckungsrichtung durchsetzende Öffnung 222 ein, wobei der Abschnitt 211b an der die Öffnung 222 im Wärmeleitkörper 220 definierenden Begrenzungsfläche 224 und der Abschnitt 211c an der die Öffnung 122 im Wärmeleitkörper 220 definierenden Begrenzungsfläche 223 abgestützt ist. Durch dieses Abstützen entsteht eine mechanische Vorspannung des Außenrohrs 210, welche den innigen thermischen Kontakt zwischen dem elektrischen Rohrheizkörper 230 und dem Wärmeleitkörper 220 sicherstellt und einen passgenauen, spielfreien Sitz des Außenrohrs 210 garantiert.
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Details der Abstützung werden weiter unten anhand der 4a bis 4g beschrieben.
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Die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen gemäß 1 einerseits und 2a, b andererseits bestehen darin, dass die rohrförmige elektrische Heizvorrichtung 200 kein Innenrohr aufweist, dass die Positioniervorrichtungen 122, 222 einmal als in den Wärmeleitkörper 120 eingearbeitete Nut und einmal als aus dem Wärmeleitkörper 220 herausgearbeitete Positionierabschnitte ausgeführt sind und dass beim Außenrohr 210 nur die Abschnitte 211b, 211c des Rohrmantels in die den Wärmeleitkörper 220 in Erstreckungsrichtung durchsetzende Öffnung 222 eingreifen, die durch Umformung eines geschlitzten Rohres oder durch Entfernen des Bodens einer in das Rohr eingeformten Vertiefung erzeugt werden können. Somit weist die rohrförmige elektrische Heizvorrichtung 200 eine in Erstreckungsrichtung des Rohres durchgehende Öffnung, die rohrförmige elektrische Heizvorrichtung 100 aber eine in Erstreckungsrichtung des Rohres durchgehende Nut auf.
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Anhand der 3a bis 3d sollen nun unterschiedliche relative Anordnungen von Außenrohr 310, 340, 370, 810, Wärmeleitkörper 320, 350, 380, 820 und elektrischem Rohrheizkörper 330, 360, 390, 830 zueinander erläutert werden. Gezeigt ist in dieen Figuren jeweils ein Teilbereich eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße rohrförmige elektrische Heizvorrichtung im Grenzbereich zu der den Wärmeleitkörper 320, 350, 380, 820 in seiner Erstreckungsrichtung durchsetzenden Öffnung 322, 352, 382, 822, in die jeweils die Teilabschnitte 311a, 311c; 341a, 341c, 371a, 371c und 811a, 811c des Mantels des Außenrohrs 310, 340, 370, 810 eingreifen, wobei die Teilabschnitte 311c, 341c, 371c, 811c an der jeweiligen, die Öffnung 322, 352, 382, 822 auf der dargestellten Seite begrenzenden Fläche 323, 353, 383, 823 des Wärmeleitkörpers 320, 350, 380, 820 abgestützt sind.
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In der Ausführungsform gemäß 3a ist die Positioniervorrichtung 321 eine Nut und der elektrische Rohrheizkörper zwischen Außenrohr 310 und Wärmeleitkörper 320 angeordnet.
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Alternativ dazu ist es auch möglich, wie in 3b dargestellt, die Positioniervorrichtung 351, wieder als Nut dargestellt, an der dem zu beheizenden Bauteil zugewandten Fläche des Wärmeleitkörpers anzuordnen.
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Eine weitere alternative Ausgestaltung zeigt 3c, in der nicht nur die Positioniervorrichtung 381 durch auf dem Wärmeleitkörper 380 angeordnete Positionierabschnitte realisiert ist, sondern auch ein Hohlraum verbleibt, der nicht erkennbar ist, weil er mit einen thermischen Isolator 385, insbesondere in Form eines verdichteten Pulvers der Granulats, gefüllt ist, der den Druck des mechanisch durch das Abstützen vorgespannten Außenrohrs 370 überträgt und so den erwünschten innigen thermischen Kontakt zwischen elektrischem Rohrheizkörper 390 und Wärmeleitkörper 380 herstellt.
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Die Ausführungsform gemäß 3d entspricht weitgehend der Ausführungsform gemäß 3c, enthält aber keinen Isolator. Stattdessen verbleibt ein Hohlraum 885.
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Angemerkt sei, dass bei den Schnittdarstellungen, wie sie z.B. in den 3a bis 3d dargestellt sind, jeweils auch der wohlbekannte innere Aufbau des elektrischen Rohrheizkörpers mit dem in seinem Zentrum verlaufenden Widerstandsdraht, dem seinen Umfang definierenden Metallmantel und dem zwischen Widerstandsdraht und Metallmantel des elektrischen Rohrheizkörpers angeordnetem elektrischem Isolator zu erkennen ist.
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Selbstverständlich sind all diese Ausgestaltungen auch möglich, wenn ein Innenrohr vorgesehen ist.
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In 4a bis 4f sind detailliert unterschiedliche Möglichkeiten, wie das Abstützen des Außenrohres realisierbar ist, dargestellt. In all diesen Figuren erkennt man, jeweils nur teilweise dargestellt, ein Außenrohr 410, einen Wärmeleitkörper 420 und einen elektrischen Rohrheizkörper 430. In 4a, 4b und 4d ist darüber hinaus noch jeweils ein Teil eines Innenrohres 440 zu erkennen.
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In den Varianten gemäß 4a bis 4e greift jeweils ein Abschnitt 411b des Mantels des Außenrohrs 410 in die den Wärmeleitkörper 420 in seiner Erstreckungsrichtung durchsetzende Öffnung ein. In den 4a,4c und 4e ist er direkt am Wärmeleitkörper 420 abgestützt, in den 4b und 4d hingegen indirekt über einen Abschnitt 441b des Mantels des Innenrohrs.
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Wenn, wie in den Varianten gemäß 4a und 4e dargestellt, der Abschnitt 411b des Mantels des Außenrohrs 410 in eine Ausnehmung oder Nut 429 des Wärmeleitkörpers 420 eingreift, kann eine besonders hohe mechanische Vorspannung realisiert werden.
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In der Variante gemäß 4f ist das Außenrohr 410 weder mittelbar noch unmittelbar am Wärmeleitkörper 420 abgestützt, sondern über den in die den Wärmeleitkörper 420 in seiner Erstreckungsrichtung durchsetzende Öffnung eingreifenden Abschnitt 411b am Innenrohr 440 abgestützt. Dementsprechend verbleibt, ähnlich wie in 4b, zwischen Wärmeleitkörper 420 und dem Außenrohr 410 in diesem Bereich ein Zwischenraum, der z.B. mit einem thermischen Isolator 450 aufgefüllt sein kann.
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In der Variante gemäß 4g ist das Außenrohr 410 mit einem Abschnitt 441b des Mantels des Innenrohrs 440, der in die den Wärmeleitkörper 420 in seine Erstreckungsrichtung durchsetzende Öffnung eingreift und am Wärmeleitkörper 420 abgestützt ist, verbunden, z.B. wie durch die als schwarzes Dreieck dargestellte Schweißnaht angedeutet, verschweißt. Die mechanische Vorspannung des Außenrohrs 410 wird hier auf diese Weise bewirkt.
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Die Variante gemäß 4h illustriert, dass ein Abstützen des Außenrohrs 410 auch möglich ist, wenn den Wärmeleitkörper 420 lediglich eine Nut 499 in seine Erstreckungrichtung durchsetzt.
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Mittels der 5a und 5b soll noch erläutert werden, wie beim erfindungsgemäßen Verfahren die erwünschte mechanische Vorspannung des Außenrohrs hervorgerufen wird. In der Teildarstellung eines Querschnitts durch eine rohrförmige elektrische Heizvorrichtung gemäß 5a erkennt man Außenrohr 510, Wärmeleitkörper 520 und elektrische Rohrheizkörper 530. In die den Wärmeleitkörper 520 in Erstreckungsrichtung durchsetzende Öffnung 522 greifen Abschnitte 511a, 511b, 511c des Mantels des Außenrohrs 510 ein, die eine Vertiefung 519 bilden. Die einzelnen Bestandteile sind aber bislang lediglich auf einem Kalibrierdorn 550 aufeinandergesteckt und noch nicht verpresst. Zur Vorbereitung des Verpressens ist jedoch bereits ein Formteil 560 in die Vertiefung 519 eingelegt.
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Wie man auf 5b, die dieselbe Ansicht nach dem Verpressen und dem Entfernen des Formteils 560 darstellt, erkennt, ist durch das Verpressen der Wärmeleitkörper 520 verformt worden, was aber nicht zwingend notwendig ist. Es reicht in vielen Fällen bereits aus, dass durch die Verpressung in Gegenwart des Formteils eine Verformung der Abschnitte 511a, 511b und 511c erfolgt ist, die den den Wärmeleitkörper 520 umgebenden Teil des Außenrohrs 510 mechanisch spannt.
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Anhand der 6a bis 6c soll noch einmal verdeutlicht werden, welch hohe Variabilität der realisierten Ausführungsform durch die Verwendung unterschiedlicher Formteile erreicht werden kann. 6a zeigt eine Anordnung aus Außenrohr 610 und Wärmeleitkörper 620 vor dem Verdichten. Verwendet man ein keilförmiges Formteil beim Verpressen, erhält man nach dem Verdichten die in 6b gezeigte Anordnung. Durch Verwendung eines anderen Formteils beim Verpressen kann z.B., wie in 6c gezeigt, eine Ausnehmung 621 für ein Thermoelement auf einfache und praktische Weise geschaffen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 200
- rohrförmige elektrische Heizvorrichtung
- 110, 210, 310, 340, 370, 410, 510, 610, 810
- Außenrohr
- 111a, 111b, 111c, 211b, 211c, 311a, 311c, 341a, 341c, 371a, 371c, 411b, 511a, 511b, 511c, 811a, 811b, 811c
- Abschnitte des Mantels des Außenrohrs
- 120, 220, 320, 350, 380, 420, 520, 620, 820
- Wärmeleitkörper
- 121, 221, 321, 351, 381
- Positioniervorrichtung
- 122, 222, 322, 352, 382, 522
- Öffnung
- 123, 124, 223, 224, 323, 353, 383, 423, 523, 524, 823
- Begrenzungsfläche
- 130, 230, 330, 360, 390, 430, 530
- elektrischer Rohrheizkörper
- 131, 132, 231, 232
- Anschlüsse
- 140, 440
- Innenrohr
- 885
- Hohlraum
- 429
- Nut
- 450, 885
- thermischer Isolierstoff
- 499
- Nut
- 519
- Vertiefung
- 550
- Kalibrierdorn
- 560
- Formteil
