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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizpatrone.
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Elektrische Heizpatronen sind seit vielen Jahren bekannt. Sie weisen in der Regel mindestens einen Metallmantel auf, in dessen Innenraum mindestens ein Heizleiter angeordnet ist, wobei durch eine zumindest partielle Füllung des Raums zwischen Metallmantel mit einem gut wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Material, z.B. mit Magnesiumoxid, ein unerwünschter elektrischer Kontakt zwischen Heizleiter und Metallmantel vermieden wird. Elektrische Heizpatronen umfassen insbesondere auch Varianten mit einem inneren und einem äußeren Metallmantel, oft in der Form von konzentrisch angeordneten Rohren, zwischen denen der mindestens eine Heizleiter angeordnet ist, so dass eine so ausgestaltete elektrische Heizpatrone auf einen zu beheizenden Gegenstand aufschiebbar ist.
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Anzumerken ist ferner, dass auch ein elektrischer Lastwiderstand identisch zu einer elektrischen Heizpatrone aufgebaut ist und daher auch ein elektrischer Lastwiderstand eine elektrische Heizpatrone im Sinne dieser Erfindung darstellt.
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Grundsätzlich sind dabei unterschiedliche Ausführungsformen solcher elektrischer Heizpatronen bekannt, insbesondere solche, bei denen die elektrische Kontaktierung von beiden Seiten her erfolgt und solche, bei denen die elektrische Kontaktierung von einer Seite her erfolgt.
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Elektrische Heizpatronen werden bislang hauptsächlich in zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt.
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Insbesondere bei Elektrische Heizpatronen, bei denen die elektrische Kontaktierung von beiden Seiten her erfolgt, kommt oft das Oakley-Prinzip zur Anwendung. Dabei wird der - üblicherweise dicht an dicht gewendelte, vorausgezogene, oder manchmal auch vorgespannte- Heizleiter in das Mantelrohr eingebracht und mit seinen Enden in Zugstangen eingespannt, so dass die einzelnen Wendeln des Heizleiters in Abstand voneinander gebracht werden. Dabei ist ein Füllrohr innerhalb des Mantelrohrs über den Heizleiter geschoben, was sicherstellt, dass kein elektrischer Kontakt zwischen Heizleiter und Mantelrohr bestehen kann. Beim Einfüllen des üblicherweise pulver- oder granulatförmigen elektrisch isolierenden Materials kann dann das Füllrohr langsam unter Rütteln aus dem Mantelrohr hinausgezogen werden, was dazu führt, dass das pulver- oder granulatförmige, elektrisch isolierende Material das vom Füllrohr beim Herausziehen freigegebene Volumen ebenso füllt wie den Raum zwischen den Wendeln, so dass eine ausreichende Isolations- und Hochspannungsfestigkeit zwischen Heizleiter und Metallmantel oder zwischen zwei Wendeln des Heizleiters gewährleistet ist.
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Bei elektrischen Heizpatronen, bei denen die elektrische Kontaktierung nur von einer Seite erfolgen soll, ist die direkte Anwendung dieses Prinzips nicht möglich, weil es voraussetzt, dass während des Befüllens der elektrischen Heizpatrone mit dem Isoliermaterial der Heizleiter mechanisch gespannt werden kann. Dasselbe gilt für Hochleistungsheizpatronen, bei denen hohe Leistungsdichten erzielt werden müssen, so dass es auf kleinste Abstände zur Außenwand und kleinste Wendelsteigungen ankommt.
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Um den gewünschten Verlauf des Heizleiters sicherzustellen behilft man sich daher mit einer Trägerstruktur, die die Gegenkräfte zur wirkenden mechanischen Spannung bereitstellt, beispielsweise in Form eines üblicherweise aus Keramik hergestellten Wickelkörpers oder einer Trägerstruktur, die das von der Anschlussseite am weitesten entfernte Ende des Heizleiters haltert, so dass eine mechanische Spannung, z.B. durch Zugstangen, gegenüber diesem Haltepunkt aufgebaut werden kann, die notwendig ist, um eine auf Abstand gewickelte Wendelstruktur zu erzeugen und auf Abstand gewickelt zu halten, d.h. Abstandsschwankungen oder Windungsschlüsse zwischen den einzelnen Wendeln zu vermeiden.
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In der Praxis zeigt sich aber, dass die Anordnung des Heizleiters auf einem Wickelkörper oder einer derartigen Trägerstruktur fertigungstechnisch einen hohen Aufwand und Problemanfälligkeit mit sich bringt und teuer ist.
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Diese Probleme lassen sich besonders gut für den Fall, dass niederohmige Widerstände für die Anwendung, für die die elektrische Heizpatrone gedacht ist, erreicht werden müssen, was insbesondere bei relativ langen elektrischen Heizpatronen oft der Fall ist, erläutern.
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Grundsätzlich kann bekanntermaßen ein geringerer Widerstand durch eine Querschnittserhöhung des Heizdrahtes erreicht werden. Dies führt aber nicht nur zu Problemen bei beschränkten Bauraumerfordernissen, sondern auch zu höherem Kraftaufwand bei Zuführung und Entnahme des Wickelkörpers in die Wickelmaschine und beim Einführen und Festziehen des Heizleiters in die Wickelkörperbohrung, was bei porösen Keramikwickelkörpern sogar zum Bruch des Wickelkörpers führen kann und bei automatisiertem Wickeln die Drehzahl, mit der die Wickelmaschine betrieben werden kann, reduziert und somit den Ausstoß senkt oder den parallelen Einsatz einer größeren Anzahl teurer Wickelkörperbewicklungsmaschinen erfordert.
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Alternativ kann man zu Heizleitern mit geringerem spezifischen Widerstand übergehen, beispielsweise durch Einsatz von CuNi44 statt NiCr8020. Dies reduziert aber die Lebensdauer der elektrischen Heizpatronen und die Belastbarkeit der Lastwiderstände massiv.
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In der Praxis führen diese Probleme meist dazu, dass man zur Erzielung kleiner Widerstände mehrere auf Wickelkörpern gewickelte höhere Einzelwiderstände herstellt und parallel verschaltet, um Kompromisse sowohl hinsichtlich des Querschnitts als auch hinsichtlich des spezifischen Widerstands des Heizleiters vermeiden zu können. Auch dies führt aber zu hohem Aufwand, da eine höhere Zahl elektrischer Kontaktstellen vorgesehen werden muss und oft zur Gewährleistung einer exakten Positionierung Zentrierstücke zwischen den Wickelkörpern vorgesehen werden. Zudem birgt insbesondere bei Niederspannungsanwendungen jeder zusätzliche elektrische Kontakt ein zusätzliches Risiko für eine nicht den Vorgaben entsprechende Funktion der elektrischen Heizpatrone, da bereits kleine Übergangswiderstände zu Unterbrechungen führen können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten, insbesondere zuverlässigeren, einfacheren und kostengünstigeren elektrischen Heizpatrone bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizpatrone mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte elektrische Heizpatrone hat mindestens einen rohrförmigen Metallmantel und mindestens einen im von diesem umschlossenen Rohrinnenraum angeordneten elektrischen Heizleiter mit zwei Enden zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Heizleiters. Dabei ist der mindestens eine elektrische Heizleiter durch ein im Inneren des rohrförmigen Metallmantels angeordnetes, elektrisch isolierendes Material vom rohrförmigen Metallmantel elektrisch isoliert. Die beiden Enden des mindestens einen elektrischen Heizleiters oder elektrische Anschlussmittel, die mit den beiden Enden des mindestens einen elektrischen Heizleiters in elektrischer Verbindung stehen oder ein Ende des elektrischen Heizleiters und ein mit dem anderen Ende des elektrischen Heizleiters in elektrischer Verbindung stehendes Anschlussmittel, können auf derselben Seite des rohrförmigen Metallmantels aus diesem hinausgeführt werden, eine beidseitige, radial oder tangential abgehende Kontaktierung, insbesondere auch in der Mitte der Heizpatrone ist jedoch ebenfalls möglich. Derartige Anschlussmittel können z.B. als Anschlussdraht, Anschlussrohr, Anschlusslitze oder Anschlussbolzen ausgeführt sein, die mit dem Ende des elektrischen Heizleiters verlötet, verschweißt oder verpresst sind.
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Wichtig für die Durchführung des Verfahrens ist, dass der elektrische Heizleiter selbsttragend ist. Das Wort „selbsttragend“ bedeutet dabei zumindest, dass die Mindestabstände von Wendel zu Wendel durch die Eigenspannung gewährleistet sind, wobei allerdings bevorzugt im in die Heizpatrone eingebauten Zustand keine mechanischen Spannungen des Heizleiters von weiteren Bauteilen der elektrischen Heizpatrone bereitgestellt bzw. aufrecht erhalten werden und insbesondere keine Trägerstruktur zur Aufnahme derartiger Spannungen vorhanden sein muss.
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Ob ein elektrischer Heizleiter selbsttragend im oben erwähnten bevorzugten Sinne ist oder nicht, lässt sich einfach dadurch überprüfen, ob sich Verlauf und/oder Form des Heizleiters ändern, wenn die Heizpatrone demontiert und insbesondere den Heizleiter umgebendes Isoliermaterial und eine etwaige Trägerstruktur entfernt oder zerstört wird. Daraus geht hervor, dass alternativ zum Begriff „selbsttragend“ z.B. auch der Begriff „formstabil“, präziser „formstabil bei der Entfernung des Heizleiters aus der Heizpatrone“ verwendet werden könnte. Der elektrische Heizleiter wird somit vorgeformt und ohne Trägerstruktur bereits in die gewünschte Form gebracht bereitgestellt.
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Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass diese Bedingungen auch noch erfüllt sind, wenn der Heizleiter im eingebauten Zustand nachgespannt wurde.
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Mit einer derartigen Ausgestaltung des Heizleiters wird es möglich, für gewendelte Heizleiter eine deutliche Verbesserung der erreichbaren Toleranzen hinsichtlich Zylinderform, Koaxialität, Konzentrizität zu erreichen, die insbesondere unter 1mm, vorzugsweise unter 0,5mm liegen können.
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Die Verwendung eines selbsttragenden Heizleiters ermöglicht es, den in die gewünschte Form gebrachten, vorgeformten Heizleiter bei der Herstellung einfach in das Mantelrohr einzuführen und mit Isoliermaterial zu umgeben, was den Herstellungsprozess vereinfacht und eine signifikante Kostenersparnis mit sich bringt. Ausschuss durch ein Brechen des Winkelkörpers und gegebenenfalls Zeitverlust durch eine etwaige Reduktion der Wickelgeschwindigkeit, um ein solches Brechen zu vermeiden, werden zuverlässig vermieden.
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Weitere Vorteile bestehen darin, dass der selbsttragende Heizleiter es erlaubt, auf zuverlässige Weise eine Wendelung mit sehr geringen Steigungen bzw. sehr geringen Abständen zwischen den Wendeln zu realisieren und zuverlässig einen geringen Abstand zwischen Heizleiter und rohrförmigem Metallmantel zu bieten. Beides ist wesentlich für einen möglichst guten Wärmetransport zum rohrförmigen Metallmantel und eine geringe Oberflächenbelastung des Heizleiters.
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Zur Steigerung der Prozesssicherheit bei der Herstellung der elektrischen Heizpatrone ist es zweckmäßig, dass mindestens ein Positionierelement -gegebenenfalls unter axialer Spannung oder axialem Druck auf die Heizwendel- zur definierten Festlegung der Position des Heizleiters im Inneren des rohrförmigen Metallmantels vorgesehen ist. Insbesondere kann so der gewünschte Abstand zwischen Heizelement und rohrförmigem Metallmantel genau eingestellt werden. So wird es - insbesondere bei gewendelten - Heizleitern möglich, dass der Abstand zwischen elektrischem Heizleiter und rohrförmigem Metallmantel kleiner als 1.5mm, insbesondere kleiner als 1mm ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone ist ein zweiter rohrförmiger Metallmantel konzentrisch zum ersten rohrförmigen Metallmantel in dessen Innenraum angeordnet, so dass der selbsttragende elektrische Heizleiter zwischen dem ersten und dem zweiten rohrförmigen Metallmantel angeordnet ist. Somit wird eine Hohlpatrone bereitgestellt, die ein zu beheizendes Bauteil umschließen kann.
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Insbesondere wird noch einmal darauf hingewiesen, dass auch entsprechend aufgebaute Hohlpatronen mit innerem und äußerem Metallmantel, die auch einstückig mit einem sie verbindenden Boden ausgeführt sein können, bzw. Lastwiderstände mit diesem Aufbau als elektrische Heizpatrone im Sinne der Erfindung anzusehen sind.
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In einer Weiterbildung der so erzeugten elektrischen Hohlpatrone weist der zweite rohrförmige Metallmantel einen konturierten Innenraum auf, d.h. der Durchmesser des Innenraums in radialer Richtung, also in einer Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des zweiten rohrförmigen Metallmantels, variiert. Dadurch ist kann in vielen Fällen eine passgenaue oder zumindest passgenauere Umschließung des zu beheizenden Bauteils ermöglicht werden.
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Eine für Hohlpatronen besonders vorteilhafte Weiterentwicklung einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone besteht darin, dass zwischen dem ersten rohrförmigen Metallmantel und dem selbsttragenden elektrischen Heizleiter ein elektrisch isolierendes Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist als zwischen dem selbsttragenden elektrischen Heizleiter und dem zweiten rohrförmigen Metallmantel. Bei elektrischen Hohlpatronen soll die erzeugte Wärme bevorzugt in Richtung auf ihren Innenraum abgeführt werden, um das zu beheizende Bauteil, auf das die Hohlpatrone aufgeschoben wird, zu erwärmen, was durch diese Maßnahme erreicht wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone weist die elektrische Heizpatrone mindestens einen Abstandshalter auf, der eine reproduzierbare Anordnung des Heizleiters im rohrförmigen Metallmantel ermöglicht. Insbesondere kann der Heizleiter auch um diesen herum gewickelt angeordnet sein, denn es ist möglich, den Abstandshalter nach der Formung des Heizleiters in den selbsttragenden Heizleiter kontrolliert einzuschieben. Im Gegensatz zu den Trägerstrukturen üblicher Heizleiter weist ein derartiger Abstandshalter keine Struktur auf, mit der eine mechanische Spannung des Heizleiters aufrechterhalten wird. Selbstverständlich ist alternativ oder zusätzlich auch das Vorsehen von Abstandshaltern zu einem etwaig vorgesehenen zweiten rohrförmigen Metallmantel möglich.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Abstandshalter einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone eine Bohrung aufweist, durch die der Heizleiter hindurch geführt ist, weil dadurch ein ungewollter Kontakt zwischen unterschiedlichen Abschnitten des Heizleiters vermieden wird.
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Ein weiterer Vorteil einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone liegt darin, dass je nach Anwendung eine Vielzahl unterschiedlicher Gestaltungen des Verlaufs des Heizleiters möglich sind, die andernfalls oftmals nur sehr schwer zu realisieren sind.
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Eine geometrische Anordnung des Heizleiters sieht vor, dass der Heizleiter einen von der anschlussseitigen Stirnfläche der elektrischen Heizpatrone fort führenden Abschnitt und einen mit diesem Abschnitt elektrisch leitend verbundenen, zur anschlussseitigen Stirnfläche zurück führenden Abschnitt aufweist, wobei diese Abschnitte des Heizleiters umeinander herum gewendelt ausgeführt sind.
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Eine weitere mögliche geometrische Anordnung des Heizleiters ist so gestaltet, dass der Heizleiter gewendelt verläuft und dass ein Ende des Heizleiters oder ein Abschnitt des elektrischen Anschlussmittels im von den Wendeln umschlossenen Raum zur anschlussseitigen Stirnfläche der elektrischen Heizpatrone verläuft.
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Alternativ dazu kann bei manchen Anwendungen auch der erste, äußere Metallmantel als Rückleiter verwendet werden, wenn ein Ende des selbsttragenden Heizleiters, vorzugsweise innen, mit dem ersten, äußeren Metallmantel verbunden ist.
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Schließlich ist auch eine bifilare Wendelung des selbsttragenden Heizleiters möglich, was vorteilhaft sein kann, wenn eine möglichst geringe Induktivität der Anordnung angestrebt wird.
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Bei gewendelten Heizleitern ist es möglich, dass der Heizleiter unterschiedliche Wendelsteigungen zur Bereitstellung unterschiedlicher Leistungsdichte aufweist.
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Mit den selbsttragenden Heizleitern einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone wird es dabei möglich, dass die Heizleitersteigung im auf geringste Steigung gewickelten Bereich maximal dem 3-fachen des Heizleiterdurchmessers, insbesondere dem 2,5-fachen, vorzugsweise dem 2.fachen des Heizleiterdurchmessers entspricht.
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Schließlich kann auch ein mäanderförmiger Verlauf des Heizleiters vorgesehen sein.
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Ein mögliches Unterscheidungsmerkmal zwischen einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone und bekannten elektrischen Heizpatronen mit Wickelkörper, auf die das Heizelement unter mechanischer Spannung gewickelt ist, liegt darin, dass die beiden Enden des elektrischen Heizleiters in dieselbe Richtung zeigen.
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Bei allen vorstehend diskutierten mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatronen ist es vorteilhaft, wenn der gesamte Aufbau verdichtet, insbesondere durch Querschnittsreduzierung verdichtet ist.
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Bevorzugt ist ferner bei einer mit dem erfindungsbemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Heizpatrone, dass der Querschnitt des selbsttragenden elektrischen Heizleiters in radialer Richtung der Heizpatrone betrachtet weniger ausgedehnt ist als in axialer Richtung der Heizpatrone betrachtet. Damit wird ein Heizleiter bereitgestellt, der an die Geometrie von sonst für diese Anwendung nicht einsetzbaren Flachdrähten angenähert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizpatrone mit mindestens einem ersten rohrförmigen Metallmantel, mindestens einem im Inneren des ersten rohrförmigen Metallmantels angeordneten elektrischen Heizleiter mit zwei Enden zur elektrischen Kontaktierung des elektrischen Heizleiters, wobei der mindestens eine elektrische Heizleiter durch ein im Inneren des ersten rohrförmigen Metallmantels angeordnetes, elektrisch isolierendes Material vom ersten rohrförmigen Metallmantel elektrisch isoliert ist, bei der der elektrische Heizleiter selbsttragend ist, weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen mindestens eines ersten rohrförmigen Metallmantels, Verformen eines selbsttragenden Heizleiters, so dass er formstabil eine vorgegebene Kurve im Raum beschreibt, die in einem Innenraum des ersten rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist, Anordnen des verformten selbsttragenden Heizleiters im Innenraum des ersten rohrförmigen Metallmantels, und Einbetten des verformten selbsttragenden Heizleiters in wenigstens ein elektrisch isolierendes Material, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen Abschnitten der vorgegebenen Kurve im Raum, die der vorgeformte selbsttragende Heizleiter beschreibt, sowohl zu anderen Abschnitten des verformten selbsttragenden Heizleiters als auch zu dem ersten rohrförmigen Metallmantel und weiteren Metallmänteln, soweit vorhanden, vermieden wird.
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Dabei ist insbesondere im Hinblick auf die beiden erstgenannten Schritte die Abfolge der Schritte variabel.
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Konkret ist das Verformen des selbsttragenden Heizleiters beispielsweise dadurch realisierbar, dass der selbsttragende Heizleiter auf einem Dorn gewickelt wird. Allgemein kommen aber auch alle gängigen Fertigungsverfahren zu Federherstellung in Betracht, um die gewünschte Verformung herbeizuführen.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Verformen des selbsttragenden Heizleiters zur vorgegebenen Kurve im Raum, vorzugsweise vor dem Anordnen des verformten selbsttragenden Heizleiters im Innenraum des ersten rohrförmigen Metallmantels, der Querschnitt des selbsttragenden Heizleiters durch Pressen verändert, insbesondere in Richtungen, die nach dem Einsetzen in den rohrförmigen Metallmantel einer radialen Richtung des Metallmantels entsprechen, verdünnt wird. Auf diese Weise kann die Bauform besonders kompakt gestaltet werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn ein zweiter rohrförmiger Metallmantel bereitgestellt und konzentrisch zum ersten rohrförmigen Metallmantel im Innenraum des ersten rohrförmigen Metallmantels angeordnet wird und ferner innerhalb der vom selbsttragenden Heizleiter beschriebenen Raumkurve angeordnet wird, so dass der zweite Metallmantel in jeder radialen Richtung des zweiten Metallmantels betrachtet von mindestens einem Abschnitt des selbsttragenden Heizleiters umgeben ist, so dass eine elektrische Hohlpatrone erzeugt wird. Insbesondere kann der zweite Metallmantel mit dem ersten Metallmantel verbunden sein, entweder über eine separat einzufügenden Bodenscheibe, aber auch über eine direkte Verbindung, die auch einstückig ausgebildet sein kann, wobei es insbesondere auch möglich und vorteilhaft ist, den äußeren Metallmantel, den inneren Metallmantel und das Bodenstück aus einem Metallstück zu formen.
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Weiter verbessert wird das mit dem Verfahren hergestellte Produkt dadurch, dass eine Anordnung bestehend mindestens aus dem ersten rohrförmigen Metallmantel, dem zweiten rohrförmigen Metallmantel und dem darin angeordneten selbsttragenden Heizleiter auf einem konturierten Dorn angeordnet und radial verpresst wird, so dass zumindest der Durchmesser des Innenraums des zweiten rohrförmigen Metallmantels über dessen Erstreckung variiert. Insbesondere kann so z.B. ein konischer oder gestufter Verlauf des Innenraums des zweiten rohrförmigen Metallmantels realisiert werden. Auf diese Weise kann eine Möglichkeit geschaffen werden, auch ein Bauteil mit einer komplexeren Oberflächengestaltung mit einer passgenauen Hohlpatrone zu beheizen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
- 1a: ein erstes Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone mit aufgeschnittenem Metallmantel und teilweise entferntem elektrisch isolierenden Material,
- 1b: die Heizleiter-Baugruppe des Beispiels aus 1a,
- 1c: eine Variante der Heizleiter-Baugruppe, einsetzbar im Beispiel aus 1a,
- 2a: ein zweites Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone mit aufgeschnittenem Metallmantel und teilweise entferntem elektrisch isolierenden Material,
- 2b: die Heizleiter-Baugruppe des Beispiels aus 2a,
- 3a: ein drittes Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone mit aufgeschnittenem Metallmantel und teilweise entferntem elektrisch isolierenden Material,
- 3b: die Heizleiter-Baugruppe des Beispiels aus 3a,
- 4a: ein viertes Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone mit aufgeschnittenem Metallmantel und teilweise entferntem elektrisch isolierenden Material,
- 4b: die Heizleiter-Baugruppe des Beispiels aus 4a,
- 5a: ein fünftes Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone mit aufgeschnittenem Metallmantel und teilweise entferntem elektrisch isolierenden Material,
- 5b: die Heizleiter-Baugruppe des Beispiels aus 5a,
- 5c: eine Variante der Heizleiter-Baugruppe des ABeispiels aus 5a,
- 6a: ein sechstes Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone mit aufgeschnittenem Metallmantel und teilweise entferntem elektrisch isolierenden Material,
- 6b: die Heizleiter-Baugruppe des Beispiels aus 6a,
- 7a: ein siebtes Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone, betrachtet im Querschnitt längs der Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizpatrone,
- 7b: das Beispiel aus 7a nach einen zusätzlichen Verpressschritt,
- 7c: das Beispiel aus 7a nach einem alternativen zusätzlichen Verpressschritt,
- 8: eine Explosionszeichnung eines achten Beispiels einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone,
- 9a: ein neuntes Beispiel einer mit dem erfindunsgemäßen Verfahren herstellbaren elektrischen Heizpatrone, betrachtet im Querschnitt längs der Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizpatrone,
- 9b: die Heizleiter-Baugruppe des Beispiels aus 9a,
- 10a: eine Baugruppe einer elektrischen Heizpatrone vor einem Verdichtungsschritt,
- 10b: die Baugruppe einer elektrischen Heizpatrone aus 10a nach einem Verdichtungsschritt, der zu einer konischen Konturierung des Innenraums führt, und
- 10c: eine Variante des Verdichtens gemäß 10b, die zu einer stufenartigen Konturierung des Innenraums führt.
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Gleiche Bestandteile gleicher Ausführungsbeispiele sind in allen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die anhand einzelner Ausführungsformen veranschaulichten Merkmale sind auf alle anderen Ausführungsformen übertragbar, sofern sie nicht in einem direkten Widerspruch zueinander stehen.
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1a zeigt eine elektrische Heizpatrone 100 mit einem ersten rohrförmigen Metallmantel 101 und einem im Rohrinnenraum des ersten rohrförmigen Metallmantels 101 angeordneten selbsttragenden elektrischen Heizleiter 102 mit zwei Enden 102a,102b zur elektrischen Kontaktierung des selbsttragenden elektrischen Heizleiters 102. Der selbsttragende elektrische Heizleiter 102 ist durch ein im Inneren des ersten rohrförmigen Metallmantels 101 angeordnetes, elektrisch isolierendes Material 103, z.B. Magnesiumoxid, vom ersten rohrförmigen Metallmantel 101 elektrisch isoliert. Die beiden Enden 102a,102b des mindestens einen selbsttragenden elektrischen Heizleiters 102 sind in Anschlussbolzen 112a,112b aufgenommen und mit diesen verpresst. Die Anschlussbolzen 112a, 112b sind auf derselben Seite des ersten rohrförmigen Metallmantels 101 aus diesem hinausgeführt, nämlich auf dessen Stirnfläche 105. Der anschlussseitigen Stirnfläche 105 gegenüber liegt ein Boden 106, der den Metallmantel 101 auf dieser Seite verschließt.
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Wie man am besten in der Darstellung der Heizleiter-Baugruppe 110 in 1b erkennt, verläuft der selbsttragende Heizleiter 102 gewendelt und das Ende 102a des Heizleiters 102 verläuft im von den Wendeln 104 umschlossenen Raum in Richtung der anschlussseitigen Stirnfläche 105 der elektrischen Heizpatrone 100. Der in 1b dargestellte elektrische Heizleiter 102 ist selbsttragend, muss also zum Einbau in die elektrische Heizpatrone 100 lediglich in den durch die rohrförmige Mantelfläche 101 definierten Innenraum eingeführt werden.
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Insbesondere wird auf die in 1c dargestellte Möglichkeit hingewiesen, bei der Heizleiter-Baugruppe 110 den Anschlussbolzen 112a so zu gestalten, dass der Kontakt zum Ende 102a des Heizleiters 102 im von den Wendeln 104 umschlossenen Raum hergestellt wird, so dass ein Abschnitt des Anschlussbolzens 112a in diesem Raum verläuft. Dadurch ist es möglich, den Widerstand der elektrischen Rückführung zu reduzieren.
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Die Ausführungsform der elektrischen Heizpatrone 200 gemäß 2a und 2b unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 1a und 1b, dass die in 2b dargestellte Heizleiter-Baugruppe 210 noch zwei Positionierelemente 207,208 aufweist, die die reproduzierbare Anordnung der Heizleiter-Baugruppe 210 im Metallmantel 201 gewährleisten. Ferner ist durch die Variation der Wendelsteigungen eine lokal unterschiedliche Heizleistung realisiert.
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Die Ausführungsform der elektrischen Heizpatrone 300 gemäß 3a und 3b unterscheidet sich nur dadurch von der Ausführungsform gemäß 2a und 2b, dass die in 3b dargestellte Heizleiter-Baugruppe 310 ein Positionierelement 307 aufweist, das an einem durch den selbsttragenden Heizleiter 302 hindurch verlaufenden, als starrer Träger ausgeführten Abstandshalter 309 angeordnet ist aufweist. Dies ermöglicht, nicht nur im Hinblick auf die radiale Position des selbsttragenden Heizleiters 302 sondern auch im Hinblick auf dessen longitudinale Position, also auf die Frage, wie weit der selbsttragende Heizleiter 302 in den ersten rohrförmigen Metallmantel 301 einzuschieben ist, die Reproduzierbarkeit des Zusammenbaus verbessert.
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Die Ausführungsform der elektrischen Heizpatrone 400 gemäß 4a und 4b unterscheidet sich nur dadurch von der Ausführungsform gemäß 3a und 3b dadurch, dass der Abstandshalter 409 eine Bohrung 411 aufweist, durch die das Ende 402a des selbsttragenden Heizleiters 402 im von den Wendeln 404 umschlossenen Raum zur anschlussseitigen Stirnfläche 405 der elektrischen Heizpatrone verläuft, so dass ein unerwünschter Kontakt des Endes 402a mit einem anderen Teil des selbsttragenden elektrischen Heizleiters 402 sicher vermieden wird.
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Die Ausführungsform der elektrischen Heizpatrone 500 gemäß 5a und 5b unterscheidet sich nur dadurch von der Ausführungsform gemäß 1a und 1b, dass wie am besten in 5b zu erkennen ist, die Enden 502a und 502b des selbsttragenden Heizleiters 502 mit Anschlussdrähten 512a,512b verlötet sind und dass der selbsttragende Heizleiter 502 einen von der anschlussseitigen Stirnfläche 505 der elektrischen Heizpatrone 500 fort führenden Abschnitt 502c und einen mit diesem Abschnitt elektrisch leitend verbundenen, zur anschlussseitigen Stirnfläche 505 zurück führenden Abschnitt 502d aufweist, wobei diese Abschnitte des selbsttragenden Heizleiters 502 umeinander herum gewendelt, also bifilar gewendelt ausgeführt sind.
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5c zeigt eine Variante der Heizleiter-Baugruppe des Ausführungsbeispiels aus 5a, bei der nach der Verformung des selbsttragenden Heizleiters 502 zu der in 5b dargestellten Heizleiter-Baugruppe eine weitere Querschnittsänderung des Heizleiters 502 herbeigeführt wurde. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass eine Stange bzw. ein Dorn in das Innere der Heizleiter-Wendeln eingeschoben wird, deren Durchmesser dem Wendeldurchmesser im Wesentlichen entspricht und anschließend eine radiale Verpressung durchgeführt wird. Dadurch wird der Querschnitt des Heizleiters 502 von einer kreisförmigen in eine ovale Form überführt, wodurch insbesondere eine kompaktere Bauform möglich wird.
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Die Ausführungsform der elektrischen Heizpatrone 600 gemäß 6a und 6b unterscheidet sich nur dadurch von der Ausführungsform gemäß 1a und 1b, dass die in 6b dargestellte Heizleiter-Baugruppe 610 einen mäanderförmig ausgestalteten selbsttragenden elektrischen Heizleiter 602 aufweist.
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Die elektrische Heizpatrone 700 gemäß 7a unterscheidet sich von der elektrischen Heizpatrone 500 gemäß 5a vor allem dadurch, dass ein zweiter, innerer rohrförmiger Metallmantel 713 vorgesehen ist, der konzentrisch zum ersten rohrförmigen Metallmantel 701 im Inneren des bifilar gewendelten, selbsttragenden Heizleiters 702 angeordnet ist, so dass eine Hohlpatrone entsteht. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass zwischen dem ersten, äußeren rohrförmigen Metallmantel 701 und dem bifilar gewendelten, selbsttragenden Heizleiter 702 eine Schicht 714 aus elektrisch isolierendem Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit als der des Füllmaterials 703 angeordnet ist, das dazu beiträgt, dass die Wärme bevorzugt in die Richtung auf den Innenraum 715 des zweiten, inneren rohrförmigen Metellmantels 713 hin abgeleitet wird.
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Die in den 7b und 7c dargestellten Ausführungsformen der elektrischen Heizpatrone 700 erhält man durch radiales Verpressen über die ganze Länge der Heizpatrone 700 hinweg (wie in 7b dargestellt) bzw. über einen Teil der Länge der Heizpatrone hinweg (wie in 7c dargestellt). Insbesondere beim Vergleich der jeweiligen, zu den Figuren gehörenden Detaildarstellungen A, B bzw. C miteinander wird dabei deutlich, dass auch bei diesem Schritt alternativ oder zusätzlich zu einer Verformung der selbsttragenden Heizleiter 702 vor ihrem Einführen in den ersten, äußeren rohrförmigen Metallmantel 701 eine Verformung des selbsttragenden Heizleiters 702 möglich ist.
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Das in 8 als Explosionszeichnung dargestellte Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizpatrone 800 unterscheidet sich von den in 7a bis 7c dargestellten Ausführungsformen nur dadurch, dass keine Schicht 714 vorgesehen ist. Anhand der 8 verdeutlicht man sich leicht mögliche Vorgehensweisen bei der Herstellung der elektrischen Heizpatrone 800. Beispielsweise kann der hier als bifilare Wendel vorgeformte, selbsttragende elektrische Heizleiter 802 auf den zweiten, inneren rohrförmigen Metallmantel 813 aufgeschoben werden, dann die stirnseitige Endscheibe 806 mit dem zweiten rohrförmigen Metallmantel 813 verbunden werden und die so erhaltene Baugruppe in den ersten, äußeren rohrförmigen Metallmantel 801 eingeschoben werden. Nach Befüllen mit in 8 nicht dargestelltem gut wärmeleitendem elektrischen Isoliermaterial, wie z.B. MgO-Pulver, kann dann die anschlussseitige Stirnfläche 805 aufgeschoben und befestigt werden und die ganze Anordnung dann radial verdichtet werden.
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Alternativ kann aber auch mit der Verbindung von äußerem Metallmantel 801 und stirnseitiger Endscheibe 806 begonnen werden und dann der als hier bifilare Wendel vorgeformte, selbsttragende elektrische Heizleiter 802 eingeschoben werden. Anschließend wird der innere rohrförmige Metallmantel 813 in den Innenraum des selbsttragenden elektrischen Heizleiters 802 eingeschoben, der Raum zwischen äußerem rohrförmigem Metallmantel 801 und innerem rohrförmigem Metallmantel 813 mit in 8 nicht dargestelltem gut wärmeleitendem elektrischen Isoliermaterial, wie z.B. MgO-Pulver, befüllt, die anschlussseitige Stirnfläche 805 aufgeschoben und befestigt und schließlich optional die ganze Anordnung dann radial verdichtet.
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Die in 9a und 9b dargestellte Ausführungsform einer elektrischen Heizpatrone 900 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß 1a, bei der Bereiche 902e bzw. 902f des selbsttragenden elektrischen Heizleiters vorgesehen sind, die einen unterschiedlichen Wendeldurchmesser aufweisen. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass das mittlere Positionierelement, das eine Stufe aufweist, fixiert wird.
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Die 10a bis 10c dienen der Veranschaulichung eines möglichen Vorgehens zur Erzeugung einer elektrischen Heizpatrone 1000, genauer einer Hohlpatrone, deren Innenraum 1020 eine Kontur aufweist. Dies erfolgt durch Verpressen auf einem Dorn 1030, der seinerseits das Negativ der gewünschten Form hat, z.B. auf einem konischen Dorn 1030, wie in 10b dargestellt oder einem gestuften Dorn 1030, wie in 10c dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 100,200,300,400,500,600, 700,800,900,1000
- Heizpatrone
- 101,201,301,401,501,601, 701,801,901,1001
- rohrförmiger Metallmantel
- 102,202,302,402,502,602, 702,802,902,1002
- Heizleiter
- 102a, 202a, 302a, 402a, 502a, 602a,702a,802a,902a,1002a
- Ende des Heizleiters
- 102b,202b,302b,402b,502b, 602b,702b,802b,902b,1002b
- Ende des Heizleiters
- 902e,902f
- Bereiche des Heizleiters
- 502c,502d
- Abschnitt des Heizleiters
- 103,203,303,403,503,603
- isolierendes Material
- 104,204,304,404
- Wendel
- 105,205,305,405,505,605
- anschlussseitige Stirnfläche
- 806
- Endscheibe
- 207,208,307,308,407,408
- Positionierelement
- 309,409
- Abstandshalter
- 110,210,310,410,510,610
- Heizleiter-Baugruppe
- 411
- Bohrung
- 112a,112b,212a,212b,312a,312b, 412a,412b,612a,612b
- Anschlussbolzen
- 512a,512b
- Anschlussdrähte
- 713,813
- rohrförmiger Metallmantel
- 714
- Schicht
- 715
- Innenraum
- 1020
- Innenraum
- 1030
- Dorn
