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Elektrische Heizvorrichtungen sind in vielen Gebieten der Technik weit verbreitet. Eine beliebte Klasse elektrischer Heizvorrichtungen sind Rohrheizkörper, bei denen ein elektrisches Heizelement, das oft als ein Widerstandsdraht ausgeführt ist, innerhalb eines rohrförmigen Metallmantels in ein elektrisch isolierendes Material, insbesondere Magnesiumoxid, eingebettet ist. Einer der Gründe dafür liegt in der Tatsache, dass es sich bei Rohrheizkörpern um eine grundsätzlich verformbare und somit an eine gegebene Anwendung geometrisch gut anpassbare Ausführungsform einer elektrischen Heizvorrichtung handelt, was insbesondere dann der Fall ist, wenn der Rohrheizkörper zumindest abschnittsweise weichgeglüht wurde.
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Allerdings wird nach dem derzeitigen Stand der Technik die Temperatur, der der Rohrheizkörper ausgesetzt werden kann, in vielen Fällen durch eine Temperaturempfindlichkeit der Anschlüsse, über die das elektrische Heizelement mit Strom versorgt wird, begrenzt. Insbesondere gilt das, wenn diese Anschlüsse als unmittelbar aus dem Rohrheizkörper herausgeführte Litzen mit Kunststoffisolation sind im Hinblick auf die Kunststoffisolation; aber auch die Verwendung von Anschlussbolzen aus Kupfer kann sich als problematisch erweisen, wenn das Kupfer bei hohen Temperaturen schmilzt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Rohrheizkörpers anzugeben, das die verbesserte Herstellung elektrischer Rohrheizkörper mit temperaturempfindlichen Anschlüssen erlaubt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Rohrheizkörpers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung wird ein elektrisches Heizelement mit einem Kontaktbereich zum mittelbaren Anschluss von elektrischen Versorgungsleitungen über ein Verbindungselement oder zum unmittelbaren Anschluss elektrischer Versorgungsleitungen versehen. Dieser Schritt kann vor, aber auch nach oder teilweise vor und teilweise nach den im Folgenden diskutierten Schritten ausgeführt werden. Er setzt eine Modifikation des Heizelements voraus, die es verändert, beispielsweise durch eine Bearbeitung eines Abschnitts des elektrischen Heizelements oder dadurch, dass es um einen Bestandteil, wie z.B. einen Anschlussbolzen oder Anschlussdraht ergänzt wird.
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Ferner wird das elektrische Heizelement innerhalb eines Metallmantels angeordnet. Der Metallmantel kann insbesondere rohrförmig sein; das elektrische Heizelement wird in diesem Fall innerhalb des Rohrinnenraums angeordnet.
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Das nun innerhalb des Metallmantels angeordnete elektrische Heizelement wird in elektrisch isolierendes Material eingebettet, so dass es elektrisch vom rohrförmigen Metallmantel isoliert ist.
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Schließlich wird die so erhaltene Anordnung aus innerhalb des Metallmantels angeordnetem und in elektrisch isolierendes Material eingebetteten elektrischen Heizelement verdichtet.
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Erfindungswesentlich ist, dass erst -aber nicht zwingend unmittelbar- nachdem das Verdichten der elektrischen Heizvorrichtung erfolgt ist der mittelbaren Anschluss von elektrischen Versorgungsleitungen über das Verbindungselement oder der unmittelbaren Anschluss elektrischer Versorgungsleitungen innerhalb des vom rohrförmigen Metallmantel umschlossenen Raumbereichs hergestellt wird.
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Ermöglicht wird diese Weiterbearbeitung insbesondere durch die zum Zeitpunkt der Weiterbearbeitung bereits vorgenommene Verdichtung, die das elektrische Heizelement hinreichend stark fixiert, um auch seine mechanische Bearbeitung zu ermöglichen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens verläuft das Verfahren so, dass die elektrische Heizvorrichtung in einem Zwischenstadium der Herstellung geglüht wird, und dass erst nachdem sowohl das Verdichten der elektrischen Heizvorrichtung als auch das Glühen der elektrischen Heizvorrichtung erfolgt ist, der mittelbaren Anschluss von elektrischen Versorgungsleitungen über das Verbindungselement oder der unmittelbaren Anschluss elektrischer Versorgungsleitungen innerhalb des vom rohrförmigen Metallmantel umschlossenen Raumbereichs hergestellt wird.
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Anders als bislang wird in dieser Weiterbildung also nicht die fertige elektrische Heizvorrichtung mit den kompletten Anschlüssen für ihre Stromversorgung verdichtet weichgeglüht, sondern ein Zwischenstadium oder Vorläufer der elektrischen Heizvorrichtung, der dann im Nachhinein weiterbearbeitet wird, um den zum Zeitpunkt des Glühens noch nicht realisierten mittelbaren oder unmittelbaren elektrischen Anschluss zu realisieren. Dementsprechend fällt keine thermische Belastung dieser Komponenten mehr an.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das elektrische Heizelement von der anschlussseitigen Stirnseite aus mit einer Bohrung versehen, um den Kontaktbereich zu erzeugen. Diese Lösung ist insbesondere dann gut geeignet, wenn das elektrische Heizelement ein gestreckt verlaufender Draht mit großen Querschnitt ist, was insbesondere bei elektrischen Heizvorrichtungen, die mit hohen Strömen und vergleichsweise geringen Spannungen betrieben werden eine zweckmäßige Bauform ist. Dabei ist zu beachten, dass ein solcher Draht nicht zwingend massiv ausgeführt sein muss, sondern auch bereits als Rohr ausgeführt sein kann, das dann gegebenenfalls durch die Bohrung erweitert wird.
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Insbesondere in Fällen, in denen das elektrische Heizelement selbst nur einen geringen Querschnitt aufweist, kann stattdessen zunächst das elektrische Heizelement mit einem Anschlussdraht oder Anschlussbolzen verbunden werden und der Anschlussdraht oder Anschlussbolzen wird dann von seiner anschlussseitigen Stirnseite aus mit einer Bohrung versehen, um den Kontaktbereich zu erzeugen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Material für den Anschlussbolzen oder Anschlussdraht geglüht werden kann.
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Diese Konfiguration ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn die elektrische Heizvorrichtung einen unbeheizten Abschnitt aufweisen soll, der dann durch den Anschlussdraht oder Anschlussbolzen gebildet werden kann.
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Als Material für den Anschlussdraht oder Anschlussbolzen sind insbesondere Nickel oder Normalstahl bevorzugt.
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Eine besonders vorteilhafte Konfiguration ist eine gestufte Einleitung, bei der die erste Stufe ein auf den das elektrische Heizelement bildenden Heizleiter folgender Normalstahldraht ist, was die Eigenerwärmung bereits deutlich reduziert und dann der nach dem Verdichten eingebrachte (insbesondere gestufte) Cu- Draht die Eigenerwärmung massiv reduziert.
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Allgemein sind die verwendeten Werkstoffe hinsichtlich Ihrer Zerspanbarkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit so auszuwählen und nacheinander anzuordnen, dass das Zerspanen einfach ist und eine Übergangszone, insbesondere im Bereich einer unbeheizten Länge der elektrischen Heizvorrichtung, optimal gebildet wird.
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Grundsätzlich ist es zwar auch möglich, eine Kontaktfläche mit einer Bohrung bereits vor dem Verdichten bereitzustellen, dies limitiert jedoch den beim Verdichten anwendbaren Druck, weshalb es bevorzugt ist, dass die Bohrung eingebracht wird, nachdem sowohl das Verdichten der elektrischen Heizvorrichtung als auch das Glühen der elektrischen Heizvorrichtung erfolgt ist.
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Wenn eine gestufte Bohrung eingebracht wird, kann z.B. im Fall einer Litze mit Kunststoffisolation sowohl die Litze als auch die Kunststoffisolation innerhalb des rohrförmigen Metallmantels fixiert werden, wodurch auf die Litze wirkende Belastungen reduziert werden können. Im Fall der Verwendung eines Verbindungselements kann ein gestufter Verlauf der Bohrung bei entsprechend angepasstem Verbindungselement zu einem graduellen Übergang führen. In beiden Fällen ist ein weiterer positiver Effekt, dass ein durch die gestufte Bohrung ein Anschlag gebildet wird, der eine reproduzierbare Positionierung erleichtern kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Bohrung ein Gewinde eingeschnitten, so dass entweder eine wieder lösbare elektrische Verbindung durch Einschrauben hergestellt werden kann oder eine definierte Positionierung und Vorfixierung vor einem zusätzlichen Verbindungsschritt erreicht wird.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, dass das Herstellen des mittelbaren Anschlusses von elektrischen Versorgungsleitungen über das Verbindungselement oder des unmittelbaren Anschlusses elektrischer Versorgungsleitungen der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktbereich des elektrischen Heizelements einerseits und dem Verbindungselement oder der Versorgungsleitung andererseits durch eine Presskontaktierung innerhalb des vom rohrförmigen Metallmantel umschlossenen Raumbereichs erfolgt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:
- 1a: ein verdichtetes und geglühtes Zwischenstadium der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
- 1b: eine Detailvergrößerung der 1a,
- 1c: die Detailvergrößerung nach 1b nach einem Bearbeitungsschritt zur Erzeugung des Kontaktbereichs,
- 1d: die die Detailvergrößerung nach 1c nach einem weiteren Bearbeitungsschritt zur Erzeugung des Kontaktbereichs,
- 1e: eine schematische Darstellung der Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen Kontaktbereich und einem Anschlussdraht oder Anschlussbolzen,
- 1f: die Darstellung gemäß 1e bei einer elektrischen Heizvorrichtung mit einer anders ausgeführten Verbindung zwischen elektrischem Heizelement und Kontaktbereich,
- 2a: den Endabschnitt einer Variante eines Zwischenstadiums einer elektrischen Heizvorrichtung mit teilweise hergestelltem Kontaktbereich,
- 2b: den Endabschnitt aus 2a mit fertiggestelltem Kontaktbereich nach dem Einschieben eines Verbindungselements,
- 2c: den Endabschnitt aus 2b nach der Presskontaktierung des Verbindungselements,
- 3a: den Endabschnitt einer Variante eines Zwischenstadiums einer elektrischen Heizvorrichtung mit teilweise hergestelltem Kontaktbereich,
- 3b: den Endabschnitt aus 3a mit fertiggestelltem Kontaktbereich nach dem Einschieben einer mit einem Isolationsmantel isolierten Litze,
- 3c: den Endabschnitt aus 3c nach der Presskontaktierung des Verbindungselements,
- 3d: eine schematischen Darstellung eines Presswerkzeugs, das zur Überführung des Endabschnitts aus 3b in den Endabschnitt aus 3c nutzbar ist,
- 4a: eine Variante eines Kontaktbereichs mit einem daran angepassten Verbindungselement,
- 4b: den Kontaktbereich und das Verbindungselement aus 4a in zusammengefügtem Zustand,
- 5a: eine weitere Variante eines Kontaktbereichs vor dem letzten Schritt seiner Herstellung,
- 5b: den fertiggestellten Kontaktbereich aus 5a im mit einem Verbindungselement verbundenen Zustand,
- 6a: eine weitere Variante eines Kontaktbereichs vor dem letzten Schritt seiner Herstellung,
- 6b: den Kontaktbereich aus 6a nach Abschluss seiner Herstellung, und
- 6c: den fertiggestellten Kontaktbereich aus 6b im mit einem Verbindungselement verbundenen Zustand.
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1a zeigt ein verdichtetes und geglühtes Zwischenstadium der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung 1 als Außenansicht; 1b einen geöffneten Endabschnitt der elektrischen Heizvorrichtung 1. Wie man in Zusammenschau beider Figuren erkennt, ist ein elektrisches Heizelement 10 innerhalb eines rohrförmigen Metallmantels 11 angeordnet und in elektrisch isolierendes Material 12 eingebettet worden, wobei ein Endabschnitt 10a des als gewendelter Heizleiterdraht ausgeführten elektrischen Heizelements 10 durch Aufwendeln auf einen Abschnitt 13a mit reduziertem Durchmesser mit einem Anschlussbolzen 13, der beispielsweise aus Nickel oder aus Normalstahl sein kann, elektrisch verbunden und durch das Verdichten der Anordnung presskonktaktiert ist. Ferner ist diese Anordnung verglüht worden. Das Verbinden des elektrischen Heizelements 10 mit dem Anschlussbolzen 13 stellt einen ersten Schritt bei der Herstellung des Kontaktbereichs 15 der elektrischen Heizvorrichtung 1 dar.
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Angemerkt sei an dieser Stelle, dass die weiteren Ausführungsbeispiele jeweils einen ähnlichen Aufbau zeigen und sich im Wesentlichen durch die konkrete Art des elektrischen Heizelements, der Realisierung des Kontaktbereichs und des Anschlusses voneinander unterscheiden. Man sieht also stets verdichtete und verglühte Endabschnitte von verdichteten Heizvorrichtungen, bei denen das jeweilige elektrische Heizelement innerhalb eines rohrförmigen Metallmantels 11 in ein elektrisch isolierendes Material 12 wie beispielsweise Magnesiumoxid eingebettet sind. Daher werden diese Bestandteile der elektrischen Heizvorrichtung auch stets mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Als nächstes wird um den Kontaktbereich 15 der elektrischen Heizvorrichtung 1 herzustellen der über den rohrförmigen Metallmantel hinausstehende Abschnitt des Anschlussbolzens 13 abgetrennt, was zur in 1c gezeigten Konstellation führt. Wie in 1d zu sehen ist, wird dann mit einem Bohrer 14 ein Kontaktbereich 15 in Form einer stirnseitig in den Anschlussbolzen 13 eingebrachten Bohrung hergestellt.
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In 1e ist schematisch dargestellt, wie über den Kontaktbereich 15 der mittelbaren Anschluss von elektrischen Versorgungsleitungen über ein Verbindungselement 16, das beispielsweise aus Kupfer bestehen kann, innerhalb des vom rohrförmigen Metallmantel 11 umschlossenen Raumbereichs durch Einschieben eines Abschnitts 16a des Verbindungselements 16 und einen lokalen Pressschritt, der durch die Pfeile in 1e angedeutet wird, hergestellt wird.
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1f zeigt ein zur 1e analoge Darstellung, die sich nur durch eine anders ausgeführte Verbindung zwischen elektrischem Heizelement 10 und den Anschlussbolzen 13 mit Kontaktbereich 15 unterscheidet. Hier ist ein Endabschnitt 10b des als gewendelter Heizleiterdraht ausgeführten elektrischen Heizelements 10 in eine Bohrung 13b im Anschlussbolzen 13 eingeführt und beim Verdichten in Presskontakt gebracht worden. Ansonsten gibt es keine Unterschiede, weshalb auch dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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In 2a ist eine Variante eines Zwischenstadiums einer elektrischen Heizvorrichtung mit teilweise hergestelltem Kontaktbereich in Gestalt des Anschlussbolzens 23, der wieder vorzugsweise aus Nickel hergestellt ist und bereits hinsichtlich seiner Länge nach dem Verdichten an den rohrförmigen Metallmantel 11 angepasst ist. Das elektrische Heizelement 20 ist hier mit einem stirnseitigen Ende an den Anschlussbolzen 23 angeschweißt. Wie in 2a zu erkennen ist, ist der Bohrer 24 hier zwei stufig ausgeführt, so dass eine gestufte Bohrung als Kontaktbereich 25 bereitgestellt, in den ein gestuftes Verbindungselement 26 wie in 2b gezeigt eingeführt und durch lokales Verpressen, wie in 2c durch die Pfeile angedeutet, kontaktiert und fixiert ist.
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Auch bei der Variante, die in den 3a bis 3c gezeigt ist, ist der vorzugsweise aus Nickel hergestellte Anschlussbolzen 33, zunächst hinsichtlich seiner Länge nach dem Verdichten an den rohrförmigen Metallmantel 11 angepasst ist und das elektrische Heizelement 30 ist mit einem stirnseitigen Ende an den Anschlussbolzen 33 angeschweißt. Wie in 3a zu erkennen ist, ist der Bohrer 34 hier dreistufig ausgeführt, so dass eine gestufte Bohrung als Kontaktbereich 35 bereitgestellt, in den eine von einer Isolationsschicht 36a umgebene Litze 36b einer Versorgungsleitung 36 wie in 3b gezeigt eingeführt wird, mit einem Dichtelement 37 abgedichtet und durch lokales Verpressen sowohl im Bereich der Litze 36b presskontaktiert und fixiert als auch im Bereich der Isolationsschicht 36a fixiert.
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3d zeigt eine schematischen Darstellung eines Presswerkzeugs 37, das zur Überführung des Endabschnitts aus 3b in den Endabschnitt aus 3c nutzbar ist und dem Endabschnitt der elektrischen Heizvorrichtung 1 lokal durch Zusammendrücken der Backen 37a,37b in eine eine Sechskantform umformt.
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Die in den 4a und 4b dargestellten Variante mit innerhalb des rohrförmigen Metallmantels 11 in elektrische isolierendes Material 12 eingebettetem elektrischem Heizelement 40 in Form eines gewendelten Widerstandsdrahts, der stirnzeitig an einen Anschlussbolzen 43 angeschweißt ist hat einen Kontaktbereich 45 mit eingeschnittenem Innegewinde 45a und ein mit dem passenden Gegengewinde 46a versehenes Verbindungselement 46.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens muss der Kontaktbereich aber nicht zwingend an einem Anschlussbolzen angeordnet sein, sondern man kann ihn insbesondere bei Anwendungen, bei denen mit gestreckt verlaufenden elektrischen Heizelementen, die massiv oder als Rohr ausgeführt sind und einen ausreichend großen Querschnitt aufweisen, wie es beispielsweise bei Niederspannungsanwendungen wie im Bordnetz eines PKW mit 12 Volt häufig der Fall ist, auch direkt im Endabschnitt des elektrischen Heizelements herstellen.
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Ein erstes Beispiel dafür zeigen die 5a und 5b. In 5a ist ein massives gestrecktes elektrisches Heizelement 50 im rohrförmigen Metallmantel 11 in elektrisch isolierendes Material 12 eingebettet. Mit dem dreistufigen Bohrer 54 wird der Kontaktbereich 55 als Bohrung direkt in das elektrische Heizelement 50 eingebracht, das Verbindungselement 56 eingeschoben und durch lokales, in 5b durch die Pfeile angedeutetes Verpressen elektrisch kontaktiert und mechanisch fixiert.
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Ein zweites Beispiel ist in den 6a bis 6c dargestellt. Der in 5a gezeigte, verdichtete und geglühte Abschnitt einer elektrischen Heizvorrichtung weist ein rohrförmiges gestrecktes elektrisches Heizelement 60 auf, das im rohrförmigen Metallmantel 11 in elektrisch isolierendes Material 12, das auch im Rohrinnenraum vorhanden ist, eingebettet ist. Mit dem Bohrer 64 wird, wie in 6b gezeigt, der Kontaktbereich 65 als Bohrung direkt in dem elektrische Heizelement 60 hergestellt, das Verbindungselement 66 eingeschoben und durch lokales, in 6b durch die Pfeile angedeutetes Verpressen elektrisch kontaktiert und mechanisch fixiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Heizvorrichtung
- 10,20,30,40,50,60
- elektrisches Heizelement
- 10a,10b
- Endabschnitt
- 11
- rohrförmiger Metallmantel
- 12
- elektrisch isolierendes Material
- 13,23,33,43
- Anschlussbolzen
- 13a
- Abschnitt
- 13b
- Bohrung
- 14,24,34,44,54,64
- Bohrer
- 15,25,35,45,55,65
- Kontaktbereich
- 16,26,46,56,66
- Verbindungselement
- 36
- Versorgungsleitung
- 36a
- Isolationsschicht
- 36b
- Litze
- 45a
- Gewinde
- 46a
- Gegengewinde
