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Die Anmeldung betrifft eine Heizpatrone, die in einem äußeren Schutzrohr angeordnet ist.
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Bekannt sind elektrische Heizpatronen, die als Heizelement einen Heizdraht oder ein PTC-Element beinhalten. Dabei sind die elektrischen Heizelemente in ein metallisches Hüllrohr eingebracht, wobei das Hüllrohr an einem Ende dicht, vorzugweise durch einen metallischen Boden, verschlossen ist, und am anderen Ende die Anschlüsse aus dem Rohr herausgeführt sind. Das Anschlussende kann dabei ebenfalls, beispielsweise durch eine Kunststoffmasse, abgedichtet sein. Das Hüllrohr kann beispielsweise ein Strangpressprofil sein, in dem keramische PTC Elemente angeordnet sind, oder ein Metallrohr, in dem beispielsweise eine in Isoliermaterial eingebettete Heizwendel angeordnet ist. Möglich ist auch, dass ein dünnwandiges Metallrohr als zusätzliches Hüllrohr ein oder mehrere Strangpressprofile umgibt.
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Um eine derartige Patrone austauschbar in einen Behälter mit einem zu beheizenden Inhalt einbringen zu können, ist es weiterhin Stand der Technik, die Heizpatrone in ein sie umgebendes Schutzrohr einzubringen, das gegen den Behälterinhalt abgedichtet ist, wobei zwischen Hüllrohr und Schutzrohr ein Luftspalt verbleibt. Bei Heizpatronen, bei denen ein im Inneren angeordneter Heizdraht zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird, erfolgt die Wärmeübertragung vom Hüllrohr zum Schutzrohr üblicherweise über Strahlungswärme, was in den meisten Fällen ausreichend ist. Wird dagegen ein Heizelement auf PTC-Basis zur Wärmeerzeugung eingesetzt, so ist diese Art der Wärmeübertragung vom Hüllrohr auf das Schutzrohr wegen der bei höheren Temperaturen abregelnden Eigenschaft des PTC-Elementes erschwert. Die Wärmeübertragung könnte wohl verbessert werden, wenn ein gut wärmeleitendes Material wie Magnesiumoxid in den Luftspalt eingefüllt würde. Dann lässt sich aber die Heizpatrone und das Schutzrohr nicht mehr problemlos wieder auseinander nehmen, was oft zu Austauschzwecken gewünscht wird. So soll insbesondere bei Abgasrückführungs-Systemen, die kartuschenartige, beheizte Feststoffspeicher für das Reduktionsmittel beinhalten, die Kartusche ausgetauscht werden können, die diese beheizende Heizpatrone jedoch dabei im Fahrzeug verbleiben.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die verbesserte Wärmeübertragung von der Heizpatrone auf die Innenseite des Schutzrohrs, das mit seiner Außenseite mit dem zu erhitzenden Medium in wärmeleitenden Kontakt steht.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Heizpatrone mit einem Schutzrohr mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Danach erfolgt die Wärmeübertragung von der Heizpatrone, beispielsweise direkt von einem Strangpressprofil oder von einem mind. ein Strangpressprofil umgebenden Hüllrohr, zum Schutzrohr über das mindestens eine Federelement. Dadurch, dass Andruckflächen des Federelementes mit einer Vorspannkraft an die Innenseite des Schutzrohres gedrückt werden, ist eine besonders effektive Wärmeübertragung gegeben.
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Um den Ein- und Ausbau der Heizpatrone zu erleichtern, kann das mind. eine Federelement in vorteilhafter Weiterbildung stoff- und/oder formschlüssig an der Heizpatrone, beispielsweise am Hüllrohr, oder Schutzrohr befestigt sein.
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Bei einer erfindungsgemäßen Heizpatrone können ein oder mehrere Heizelemente in einem Strangpressprofil angeordnet sein, das dann als Hüllrohr angesehen werden kann. Möglich ist aber auch, dass mind. ein Strangpressprofil, das beispielsweise aus Aluminium sein kann, von einem vergleichsweise dünnwandigen Hüllrohr, beispielsweise aus Edelstahl, umgeben und so zusätzlich geschützt sein kann. Des Weiteren ist möglich, dass ein oder mehrere Heizwiderstände, beispielsweise eine Heizwendel, in einen Isolator, beispielsweise Keramikpulver, eingebettet in einem dünnwandigen Hüllrohr angeordnet sind.
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Bevorzugt weist das Federelement zusätzlich auch Andruckflächen auf, die mit einer Vorspannkraft gegen die Außenseite des Hüllrohres gedrückt werden. Damit ist auch eine gute Wärmeübertragung vom Hüllrohr auf das Federelement gewährleistet. Beispielsweise kann das Federelement mindestens eine Andruckfläche am Hüllrohr aufweisen, die im eingebauten Zustand durch die Vorspannkraft des Federelementes federnd gegen die Außenseite des Hüllrohres gedrückt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Federelement mäanderförmig ausgestaltet, wobei Verbindungsabschnitte jeweils beidseitig die Andruckflächen am Schutzrohr und am Hüllrohr verbinden. Bevorzugt ist das Federelement im Querschnitt mäanderförmig ausgestaltet.
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In einer äußerst bevorzugten Ausgestaltung nimmt der Abstand der Verbindungsabschnitte beiderseits einer Andruckfläche von der Mitte der Verbindungsabschnitte zu der diese verbindenden Andruckfläche hin zu. Dadurch ergeben sich Gesamtandruckflächen am Hüllrohr und/oder Schutzrohr, die größer sind als die jeweils hälftige Außen- bzw. Innenfläche von Hüll- bzw. Schutzrohr, was eine besonders gute Wärmeankopplung von den Rohren auf das Federelement bewirkt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das mindestens eine Federelement am Hüllrohr befestigt ist. Bevorzugt ist das Federelement nur an einem Ende an dem Hüllrohr befestigt, so dass es mit seinem anderen Ende relativ zu der Heizpatrone in Längsrichtung beweglich ist. Alternativ kann es entlang mind. einer axialen Linie befestigt sein. Es ist aber auch möglich, dass das Federelement nur klemmend gehalten ist, sich also relativ zu dem Schutzrohr und der Heizpatrone bzw. einem Hüllrohr frei bewegen kann, beispielsweise um thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen.
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Das Federelement ist bevorzugt aus Metall, beispielsweise aus Blech. Geeignet sind insbesondere Aluminiumbasislegierungen und Kupferbasislegierungen, beispielsweise CuSn6 oder Berylliumkupfer. Das Federelement ist bevorzugt einstückig.
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Bei einer anderen vorteilhafthaften Ausbildung des mindestens einen Federelementes ragen ausgehend von den am Hüllrohr befestigten Andruckflächen rippen- oder laschenartige Verbindungsbereiche ab, die in Andruckflächen am Schutzrohr übergehen, die unter Vorspannung am Schutzrohr angedrückt sind. Die Befestigung des mindestens einen Federelementes am Hüllrohr kann dabei beispielsweise durch Punktschweißen oder durch Aufklemmen erfolgen. So kann ein Federblech klemmend auf das Hüllrohr aufgeschoben sein, das herausgebogene Laschen aufweist, deren Endabschnitte als Andruckflächen unter Vorspannung am Schutzrohr anliegen.
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Denkbar wäre alternativ auch eine Befestigung des mind. einen Federelementes an der Innenseite des Schutzrohres, wobei dann die rippen- oder laschenartigen Verbindungsbereiche in Andruckflächen am Hüllrohr übergehen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist das mindestens eine Federelement an mindestens einem Ende in seiner Höhe verringert, bevorzugt abgeschrägt. Das Abschrägen erleichtert den Zusammenbau von Heizpatrone, Federelement und Schutzrohr. Die dadurch entstehenden scharfen Kanten können gebördelt bzw. umgeschlagen sein. Alternativ kann z. B. im Falle eines mäanderförmigen Federelementes im Endbereich die Höhe des Federelementes lediglich so verringert sein, dass es nicht mehr unter Vorspannung am Hüllrohr und/oder Schutzrohr anliegt. Scharfe Kanten sind so vorteilhaft nicht gegeben.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizpatrone einen Heizeinsatz enthält. Beispielsweise kann im Inneren des Hüllrohres ein Heizeinsatz mit mindestens einem PTC-Element angeordnet sein. Der Heizeinsatz kann ein oder mehrere keramische PTC-Elemente enthalten, die von einem Kontaktblech elektrisch kontaktiert werden. Ein Massekontakt kann über ein zweites Kontaktblech hergestellt werden, indem das oder die PTC-Elemente zwischen den beiden Kontaktblechen angeordnet sind, oder über einen Wärmeleitkörper. Der Heizeinsatz kann zusätzlich einen Positionierrahmen enthalten, der das oder die Heizelemente positioniert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dabei mindestens ein keramisches PTC-Element mit zwei Kontaktblechen isoliert in einer Öffnung eines Wärmeleitkörpers, oder zwischen Wärmeleitkörper aus einem gut wärmeleitenden Material wie Aluminium aufgenommen. Die Wärmeleitkörper sind dabei bevorzugt als Strangpressteile hergestellt. Als Korrosionsschutz kann der Heizeinsatz in ein Hüllrohr aus Edelstahl oder Aluminium eingebracht sein. Um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Heizeinsatz und dem Hüllrohr zu erhalten, kann der Heizeinsatz oder das Strangpressprofil an einer Außenseite mindestens eine Einbuchtung aufweisen. Durch eine eingeformte korrespondierende Einbuchtung am Hüllrohr ist das Hüllrohr um den Heizeinsatz bzw. das Strangpressprofil herum zusammengezogen, wodurch dann ein inniger, gut wärmeübertragender Kontakt von Heizeinsatz und Hüllrohr gegeben ist. Alternativ kann der Heizeinsatz auch unter Vorspannung in das Hüllrohr eingebracht sein.
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Denkbar ist aber auch der Verzicht auf ein separates Hüllrohr, wodurch das Wärmeleitprofil dann gleichzeitig das Hüllrohr darstellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement (6) als eine gewellte Hülse ausgebildet ist. Die Wellen können dabei in Umfangsrichtung oder in Längsrichtung der Hülse aufeinander folgen. Mit anderen Worten, können die Wellen also Längsrippen oder Ringe bilden. Die Wellenberge bilden dabei jeweils Andruckflächen an das Schutzrohr, während die Täler zwischen den Wellen Andruckflächen an das Strangpressprofil bzw. das Hüllrohr bilden. Die Wellen können jeweils mit Schlitzen versehen sein. Auf diese Weise kann das Federelement seinen Umfang besser an ein gegebenes Schutzrohr oder thermisch bedingte Ausdehnungen und Kontraktionen anpassen. Bevorzugt sind die Wellen mit Schlitzen versehen, die vor den der Welle benachbarten Tälern enden. Auf diese Weise wird durch die Schlitze die Wärmeankopplung an das Strangpressprofil bzw. das Hüllrohr nicht beeinträchtigt. Zumindest bei der Wellenausgestaltung in Längsrichtung sind bevorzugt die Wellentäler als Andruckflächen abschnittsweise gerade ausgeführt, und liegen somit auf einer definierten Länge in gut wärmeleitendem Kontakt an der Heizpatrone an.
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Äußerst bevorzugt weist der Wellentalabschnitt einen längsseitigen Schlitz auf. Dadurch ist es möglich, die Feder unter Vorspannung zu montieren und so einen noch besseren Wärmeübergang von der Heizpatrone zur Feder zu erreichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung und den Zeichnungen. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt eines Behälter mit einem Schutzrohr,
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2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizpatrone mit einem Schutzrohr und einem Behälter; und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizpatrone mit Federelement, aber ohne Schutzrohr.
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1 zeigt schematisch den Längsschnitt durch einen Behälter 1 mit einem zu beheizenden Medium, beispielsweise die Feststoffkartusche eines Reduktionsmittelsystems. In dem Behälter 1 ist fluiddicht ein Schutzrohr 2 angebracht. In dieses Schutzrohr 2 ist eine Heizpatrone 3 eingebracht. Zwischen dem Schutzrohr 2 und der Heizpatrone 3 ist ein Luftspalt 4. Im Luftspalt 4 ist ein Federelement 6 (schematisch dargestellt) angeordnet. Das Federelement 6 ist eine gewellte Hülse, wobei die Wellen als Erhebungen 6.1 ausgebildet sind, die in Umfangsrichtung aufeinander folgen. Die Täler 6.2 zwischen den Wellen verlaufen also in Längsrichtung der Heizpatrone.
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An seinem inneren Ende 6.5 ist das Federelement 6 derart abgeschrägt, dass der Außendurchmesser des Federelementes kleiner ist als der Durchmesser der Schutzrohrinnenseite an dieser Stelle. Während in dieser Darstellung die Heizpatrone 3 fest mit einem Bodenteil 5 verbunden ist, ist der Behälter 1 abziehbar. Im Falle einer Feststoffkartusche ist dieser so aus dem Fahrzeug entnehmbar und dadurch wiederauflad- bzw. austauschbar.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Behälter 1 mit Schutzrohr 2 und Heizpatrone 3, die an ihrer Außenseite ein Hüllrohr 7 aufweist. Im Luftspalt 4 zwischen Schutzrohr 2 und Hüllrohr 7 ist ein Federelement 6 angeordnet. Dieses Federelement ist aus Metall, beispielsweise eine Alumiumbasislegierung oder einer Kupferbasislegierung, und ist hier einstückig geschlossen ausgeführt. Denkbar sind aber auch mehrere Einzelsegmente oder Versionen mit einem Längsschlitz. Das Federelement 6 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Mäanderform mit Andruckflächen 6.1 an der Innenseite des Schutzrohrs 2 und Andruckflächen 6.2 an der Außenseite des Hüllrohres 7. Die Andruckflächen 6.1, 6.2 sind durch Verbindungsabschnitte 6.3 miteinander verbunden. Die Mitte der Verbindungsabschnitte 6.4 ist auf der linken Zeichnungshälfte angedeutet. Ausgehend von dieser Mitte 6.4 vergrößert sich der Abstand benachbarter Verbindungsabschnitte 6.3 zu der diese verbindenden Andruckfläche 6.1, 6.2 hin. Dadurch kann sich das Federelement 6 vorteilhaft gut an die Luftspaltbreite anpassen und es ergeben sich Gesamtandruckflächen am Hüllrohr 7 und Schutzrohr 2, die größer sind als die jeweils hälftige Außen- bzw. Innenfläche von Hüll- bzw. Schutzrohr, was eine besonders gute Wärmeankopplung von den Rohren auf das Federelement 6 bewirkt.
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Im Inneren des Hüllrohres 7 ist ein Wärmeleitprofil 8 angeordnet, beispielsweise ein Strangpressprofil aus Aluminium oder einem anderen Metall. Ein keramisches PTC-Element 9 mit zwei Kontaktblechen 10 ist durch eine Isolierfolie 11 isoliert in einer Öffnung 12 des Wärmeleitprofiles 8 aufgenommen. Das PTC-Element 9 oder die PTC-Elemente können von einem Positionierrahmen gehalten werden, der zusätzlich auch eines der oder beide Kontaktbleche 10 halten kann. An seiner Außenseite weist das Wärmeleitprofil 8 zwei Einbuchtungen 8.1 auf. Durch eingeformte korrespondierende Einbuchtungen 7.1 am Hüllrohr ist das Hüllrohr 7 um das Wärmeleitprofil 8 herum zusammengezogen, wodurch ein inniger, gut wärmeübertragender Kontakt von Wärmeleitprofil 8 und Hüllrohr 7 gegeben ist.
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In der beispielhaften Ausführung nach 2 sind das Schutzrohr 2 und die Heizpatrone 3 annähernd rund ausgeführt. Andere Querschnitte, z. B. oval oder flach sind aber ebenso denkbar. Ebenso kann der Luftspalt 4 an unterschiedlichen Stellen auch unterschiedlich breit sein.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone mit einem Federelement 6. Ähnlich wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Heizpatrone 3 einen Heizeinsatz mit einem Wärmeleitprofil 8, beispielsweise ein Strangpressprofil aus Aluminium oder einem anderen Metall, auf, in das ein oder zwei Kontaktblechen 10 und ein oder mehrere keramische PTC Elemente 9 ein- oder zweiseitig isoliert eingesetzt sind. Das oder die PTC Elemente 9 können von einem Positionierrahmen 22 gehalten sein. Das Wärmeleitprofil 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel aber nicht von einem separaten Hüllrohr umgeben. Das Wärmeleitprofil 8 bildet somit ein Hüllrohr der Heizpatrone. Allerdings kann auch diesem Ausführungsbeispiel ein separates Hüllrohr wie bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel hinzugefügt werden. Das Ende des Wärmeleitprofils 8 kann beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Kunststoffkappe abgedichtet sein.
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Das Federelement 6 ist bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel als eine gewellte Hülse ausgebildet, beispielsweise als Wellrohr. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 2 sind die Wellen aber nicht als Erhebungen ausgebildet, die in Umfangsrichtung aufeinander folgen. Stattdessen sind die Wellen als Erhebungen ausgebildet sind, die in Längsrichtung aufeinander folgen. Jede der Wellen bildet eine Andruckfläche 6.1 für das Schutzrohr und umgibt bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel das Wärmeleitprofil 8 ringförmig.
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Das Federelement 6 kann einen durchgehenden Längsschlitz 20 aufweisen. Ein solcher Längsschlitz 20 erleichtert es, das Federelement 6 um das Wärmeleitprofil 8 herum anzuordnen. Zudem erleichtert der Längsschlitz 20 eine Anpassung an thermisch bedingte Längenänderungen oder das Einschieben in ein Schutzrohr, so dass die Abschnitte zwischen den Wellen, also die Andruckflächen 6.2 stets guten thermischen Kontakt zu dem Wärmeleitungsprofil 8 bzw. einem Hüllrohr halten. Dazu ist das Federelement äußerst bevorzugt unter Vorspannung auf das Hüllrohr aufgebracht. Zu diesem Zweck kann der Radius der Andruckflächen im entspannten Zustand kleiner sein als der Hüllrohrradius.
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Die Erhebungen, welche die Andruckflächen 6.1 für das in 3 nicht gezeigte Schutzrohr bilden, weisen jeweils mehrere Schlitze 21 auf. Diese Schlitze 21 enden vor dem der Erhebung jeweils benachbarten Wellental, also vor den Andruckflächen 6.2. Die Schlitze 21 unterteilen die Erhebungen und damit auch die Andruckflächen 6.1 in mehrere Streifen, die in Längsrichtung der Heizpatrone orientiert sind. Die Schlitze 21 erleichtern so die Komprimierbarkeit des Federelements 6, ohne den Wärmekontakt zu dem Wärmeleitprofil 8 bzw. dem Hüllrohr zu beeinträchtigen.
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Das Federelement 6 ist bevorzugt an einem einzigen Ende an dem Wärmeleitprofil 8 bzw. dem Hüllrohr befestigt. Auf diese Weise können sich die Andruckflächen 6.2 in Längsrichtung verschieben, so dass sich das Federelement an thermisch bedingte Längenänderungen anpassen oder seine Länge beim Einbringen in ein Schutzrohr ändern kann.
