DE102020126010A1

DE102020126010A1 - Elektrische Heizvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102020126010A1
Application number: DE102020126010.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas SCHLIPF
Original assignee: Tuerk and Hillinger GmbH
Current assignee: Tuerk and Hillinger GmbH
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2022-04-07
Also published as: FR3114936B1; CN114390735A; FR3114936A1; US20220110191A1

Abstract

Bereitgestellt werden eine elektrische Heizvorrichtung mit einem rohrförmigen Metallmantel und einem elektrischen Heizelement, das im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet angeordnet und zumindest abschnittsweise gewendelt ist, bei der das elektrische Heizelement mindestens einen unbeheizten Endbereich aufweist, wobei der unbeheizte Endbereich seinerseits eine oder mehrere umgeformte Wendeln des elektrischen Heizelements und mindestens einen Rohrabschnitt eines Rohrs aus elektrisch leitendem Material aufweist, und wobei der unbeheizte Endbereich eine Befüllöffnung für das elektrisch isolierende Material aufweist und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung.

Description

Elektrische Heizvorrichtungen zur Beheizung vom Gegenständen oder Medien sind weit verbreitet. Insbesondere bei elektrischen Heizvorrichtungen, die mit niedrigen Spannungen, beispielsweise im Automotive-Bereich mit der Bordspannung eines PKW, betrieben werden, kommen beim Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung hohe Ströme zum Einsatz.
In einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist es gleichzeitig erwünscht, dass der beheizte Bereich der elektrischen Heizvorrichtung möglichst scharf definiert ist. Um dies zu erreichen, verwendet man in der Regel Anschlussbolzen aus einem Material mit einem deutlich geringeren spezifischen Widerstand als dem des Materials des elektrischen Heizelements, das in vielen Fällen als gewendelter Widerstandsdraht ausgeführt wird und versucht, deren Querschnittsfläche zu maximieren. Typischerweise werden diese Anschlussbolzen bislang an den Endabschnitten des elektrischen Heizelements in dessen Wendelinnenraum eingeführt und es wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Bauteilen hergestellt.
Gleichzeitig besteht in vielen Fällen das Erfordernis, die elektrische Heizvorrichtung so kompakt wie möglich aufzubauen, was insbesondere dazu führt, dass der Abstand zwischen rohrförmigem Metallmantel und den Wendeln des elektrischen Heizelements gering wird. In Verwendung mit der Verwendung von Anschlussbolzen ergeben sich dann aber Probleme beim Einfüllen des elektrisch isolierenden Materials in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels. Man erzielt daher bislang in solchen Fällen keine so hohe Prozesssicherheit bei der Herstellung, wie es eigentlich erwünscht wäre, wobei einerseits Prozessicherheit bei der Befüllung und andererseits die Prozesssicherheit bei der Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung unbefriedigend ist wobei darüber hinaus noch das Bestreben, einen gangbaren Mittelweg zwischen Querschnittsfläche des Anschlussbolzens und verfügbarem Füllspalt zu finden dazu führen kann, dass bei hohen Strömen bei dieser Ausführungsform immer noch zu hohe Heizleistung an den Anschlussbolzen anfallen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen, die mit verbesserter Prozesssicherheit herstellbar ist und ein prozesssichereres Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat einen rohrförmigen Metallmantel und ein elektrisches Heizelement, das im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet angeordnet und zumindest abschnittsweise gewendelt ist.
Besonders bevorzugt ist ein elektrisches Heizelement, das aus einem Widerstandsdraht mit einem flachbandförmigen Querschnitt gebildet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Flachbandmaterial des Widerstandsdrahts eine mindestens 3x so große Breite wie Dicke hat; bevorzugt ist ein Faktor 5x und besonders bevorzugt ein Faktor 8x. Die Dicke des Flachbandmaterials ist dabei seine kleinste Dimension, die Breite die zweitkleinste Dimension des Flachbands bzw. des flachbandförmigen Querschnitts des Widerstandsdrahts.
Erfindungswesentlich ist, das das elektrische Heizelement wenigstens einen unbeheizten Endbereich aufweist, wobei der unbeheizte Endbereich seinerseits eine oder mehrere umgeformte Wendeln des elektrischen Heizelements und mindestens einen Rohrabschnitt eines Rohrs aus elektrisch leitendem Material, bevorzugt Kupfer, Normalstahl, vernickeltem Normalstahl oder Nickel, über das der Anschluss zur Versorgung des elektrischen Heizelements mit Strom herstellbar ist, aufweist, und wobei der unbeheizte Endbereich eine Befüllöffnung für das elektrisch isolierende Material aufweist. Dabei kann bei Verwendung eines Widerstandsdrahts mit flachbandförmigem Querschnitt eine besonders großflächige elektrische Kontaktierung zum Rohr aus elektrisch leitendem Material realisiert werden.
Der unbeheizte Bereich Endbereich des elektrischen Heizelements bildet damit einen unbeheizten Übergangsbereich der elektrischen Heizvorrichtung, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der elektrische Strom gleichzeitig sowohl durch den Rohrabschnitt oder das Rohr aus elektrisch leitendem Material als auch durch den mit ihm elektrisch leitend verbundenen Endabschnitt des elektrischen Heizelements fließt. Mit anderen Worten ist im unbeheizten Übergangsbereich also ein Abschnitt des elektrischen Heizelements und zumindest ein Abschnitt des Rohrs vorhanden, wobei diese Abschnitte technisch gesehen nicht in Reihe sondern parallel geschaltet sind.
Die Befüllöffnung erlaubt dabei während der Herstellung der elektrischen Heizvorrichtung ein direktes Befüllen des durch gewendelte Abschnitte des elektrischen Heizelements definierten Wendelinneraums, mit elektrisch isolierendem Pulver oder Granulat, z.B. Magnesiumoxid, während bislang dieses Material zum Erreichen dieses Bereichs zwischen Wendeln des elektrischen Heizelements hindurchtreten musste, was besonders bei geringen Wendelabständen Probleme für eine prozesssichere Befüllung mit sich brachte. Um Fehlinterpretationen zu vermeiden sei angemerkt, dass die Befüllöffnung eine im unbeheizten Endbereich des elektrischen Heizelements vorhandene, durch die umgeformten Wendeln und/oder zumindest Rohrabschnitte des Rohrs aus elektrisch leitendem Material definierte Struktur ist, die bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung üblicherweise mit elektrisch isolierendem Material befüllt sein kann.
Durch das Umformen der Wendel, insbesondere bei einer Umformung, die zu einer Reduktion des Wendelaußendurchmessers führt, kann dabei der Abstand zum rohrförmigen Metallmantel in radialer Richtung vergrößert werden, was wichtig ist, um Probleme beim Füllen mit dem elektrisch isolierenden Material im Bereich zwischen der Außenseite des elektrischen Heizelements und rohrförmigem Metallmantel zu verringern. Dies ist von besonderer Relevanz, wenn der Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material auf die umgeformte(n) Wendel(n) aufgeschoben angeordnet ist, was den verfügbaren Leiterquerschnitt signifikant im Vergleich zu bekannten Lösungen erhöhen kann. Aber auch wenn der Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material auf die umgeformte(n) Wendel(n) eingeschoben wird lässt sich durch die Umformung das Füllverhalten beim Füllen mit elektrisch isolierendem Material deutlich verbessern.
Der Rohrabschnitt kann auch optional durch einen Abschnitt eines Anschlussbolzens gebildet werden, der eine durchgehende Bohrung zum Hindurchfüllen des elektrisch isolierenden Materials enthält. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn in einen Abschnitt des Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material zumindest ein Abschnitt eines Anschlussbolzens eingeschoben ist, der von einer Befüllöffnung zum Einfüllen des elektrisch isolierenden Materials durchsetzt wird, da dadurch der zur Verfügung stehende Leitungsquerschnitt weiter vergrö-ßert wird.
Ganz allgemein soll an dieser Stelle daran erinnert werden, dass ein Rohr nicht immer einen kreisförmigen Querschnitt haben muss, sondern dieser auch z.B. rechteckig, oval, sternförmig oder asymmetrisch sein kann.
Besonders bevorzugt ist es bei einem aufgeschobenen Rohr, wenn der Außendurchmesser des Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material dem Außendurchmesser der nicht umgeformten Wendeln des elektrischen Heizelements entspricht. Insbesondere erleichtert dies die elektrische Isolierung zum rohrförmigen Metallmantel, weil dann einfach ein oder mehrereentsprechende Einlochrohre als -vorzugsweise poröse, z.B. bevorzugt aus C820 gefertigte- Formteile aufgeschoben werden können.
Besonders bewährt hat es sich, wenn man das Rohr aus elektrisch leitendem Material und ein Flachbandmaterial, aus dem das elektrische Heizelelement gefertig ist, so aufeinander abstimmt, dass die Wandstärke des Rohres mindestens 40% der Dicke des Flachbandmaterials beträgt, bevorzugt sind mindestens 60% und ganz besonders bevorzugt mindestens 80%.
Besonders effizient in der Herstellung ist die elektrische Heizvorrichtung, wenn die umgeformten Wendeln gemeinsam mit dem Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material umgeformt sind, insbesondere beim Aufpressen des Rohrabschnitts des Rohrs aus elektrisch leitendem Material, wenn dieses aufgeschoben ist.
Bei Verwendung eines gewendelten Widerstandsdrahts mit Flachbandprofil wird der Aufbau insgesamt deutlich stabiler und es sackt in der senkrechten Lage nichts zusammen. Deshalb sind auch viel kleinere Windungsabstände möglich, da die Windungen vor und beim Befüllen nicht zusammensacken und sich berühren. Das ermöglicht, neben der Unterbringung eines größeren Heizleiterquerschnitts, eine optimalere und größerflächigere Wärmeleitung zum Außenmantel, da die wärmeabgebende Fläche des Heizleiters optimal genutzt wird und es eben nur ganz kleine Windungsabstände sind (z.B. maximal 0,25% der Banddicke, insbesondere maximal 0,15% oder gar nur 0,1% der Banddicke). was sich beides positiv auf die Lebensdauer auswirkt.
Durch das Verpressen von Rohrabschnitten mit umgeformten Wendeln von Endabschnitten des elektrischen Heizelements wird eine robuste Baugruppe geschaffen, welche sich durch ihr Eigengewicht in Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung nicht aus der Position bringen lässt.
Außerdem ist durch die hohe Steifigkeit und Festigkeit der Heizwendel mit aufgepressten Rohrabschnitten an den Enden die Automatisierung viel einfacher möglich. Handling-, Greif- und Einlege- Prozesse sind einfacher zu erfassen, zu greifen, zu positionieren und zu transportieren.
Außerdem können sich bei Verwendung von Widerstandsdraht mit Flachbandprofil die Wendeln, wenn man diese beim Zwischenlagern zusammenlegt nicht Verhaken, da die Windungsabstände zu klein sind.
Bandheizwendel mit aufgepressten Rohren lassen sich hervorragend (z.B. durch Vibrationen) vereinzeln, fördern und zuzuführen und damit einfach in einen automatisierten Prozess integrieren. Jedoch auch bei manueller Fertigung erweist sich die erfindungsgemäße Lösung mit auf- oder eingepressten Rohren als deutlich prozesssicher, schneller, einfacher und kostengünstiger.
Die mit einer solchen Gestaltung einhergehenden Fertigungsvorteile sind, neben der Unterbringung eines großen Querschnitts an den Enden und der prozesssicheren Befüllbarkeit durch einen Kanal oder in einem Kanal, sehr groß.
Wenn mehrere benachbarte umgeformte Wendeln so umgeformt sind, dass ihr Windungsabstand voneinander im Vergleich zum Windungsabstand zwischen nicht umgeformten Wendeln verringert ist, steigert dies die Kontaktfläche zum Rohr weiter und wird maximiert, wenn sie direkt (also nicht nur über das Rohr) miteinander kurzgeschlossen sind. Zudem wird in dem Fall, dass sie kurzgeschlossen sind, die in dem durch der Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material gebildeten Anschlussbereich anfallende Heizleistung weiter reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung mit einem rohrförmigen Metallmantel und einem elektrischen Heizelement, das im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet angeordnet und zumindest abschnittsweise gewendelt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass ein unbeheizter Endbereich hergestellt wird, indem einerseits eine oder mehrere Wendeln des elektrischen Heizelements umgeformt werden und andererseits mindestens ein Rohrabschnitt eines Rohrs aus elektrisch leitendem Material in elektrischen Kontakt mit umgeformten Wendeln des elektrischen Heizelements gebracht wird, so dass der so hergestellte unbeheizte Endbereich eine Befüllöffnung für das elektrisch isolierende Material aufweist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material in elektrischen Kontakt mit umgeformten Wendeln des elektrischen Heizelements gebracht wird, indem Wendeln eines gewendelten Abschnitts des elektrischen Heizelements umgeformt werden und der Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material zumindest abschnittsweise auf die Außenseite dieses gewendelten Abschnitts aufgeschoben oder auf der Innenseite dieses gewendelten Abschnitts eingeschoben wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material mit der Außenseite des umgeformten Abschnitts des elektrischen Heizelements verpresst, wenn er aufgeschoben ist bzw. mit dessen Innenseite verpresst, wenn er eingeschoben ist. Dies geschieht vorzugsweise außerhalb des rohrförmigen Metallmantels und ohne dass bereits elektrisch isolierendes Material vorhanden ist. Beides trägt erheblich zu einer verbesserten Kontrollierbarkeit und Prozesssicherheit bei.
Besonders effizient wird der Verfahrensablauf dadurch, dass beim Verpressen des Rohrabschnitts des Rohrs aus elektrisch leitendem Material mit der Außenseite und/oder Innenseite des Endabschnitts des elektrischen Heizelements das Umformen der Wendeln des gewendelten Abschnitts, auf die der Rohrabschnitt des Rohrs aus elektrisch leitendem Material aufgeschoben und/oder in die er eingeschoben ist, bewirkt wird.
Vorzugsweise wird dabei der Verpressschritt so durchgeführt, dass nach dem Verpressen der Außendurchmesser des so hergestellten unbeheizten Endbereichs gleich dem Außendurchmesser von nicht umgeformten Wendeln des elektrischen Heizelements ist.
Wenn das elektrisches Heizelement mit den darauf aufgeschobenen oder darin eingeschobenen und vorzugsweise bereits verpressten Rohrabschnitten des Rohrs aus elektrisch leitendem Material als gemeinsame Baugruppe in den rohrförmigen Metallmantel eingeführt wird, kann eine Beeinträchtigung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen Bauteilen durch Kontamination mit Partikeln des elektrisch isolierenden Materials vermieden werden.
Vorzugsweise wird das elektrisch isolierendes Material, insbesondere Magnesiumoxid, als mindestens ein Formteil, insbesondere poröses Formteil, beispielsweise aus C820 und/oder entweder als Pulver oder als Granulat in das Innere des rohrförmigen Metallmantels eingebracht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Formteil ein auf die Baugruppe aus elektrischem Heizelement und darauf aufgeschobenen oder darin eingeschobenen Rohrabschnitten des Rohrs aus elektrisch leitendem Material aufgeschobenes Rohr aus elektrisch isolierendem Material ist und/oder dass das Pulver oder Granulat durch den Wendelinnenräume des gewendelten elektrischen Heizelements in das Innere des rohrförmigen Metallmantels eingebracht wird.
Insbesondere kann bei einer Kombination beider Varianten auch mit sehr kleinen Windungsabständen gearbeitet werden, was bevorzugt mit Flachbandmaterial als elektrischem Widerstandsdraht geschieht, bei dem die Windungen vor und beim Befüllen nicht zusammensacken und sich berühren. Das ermöglicht, neben der Unterbringung eines größeren Heizleiterquerschnitts, eine optimalere und größerflächigere Wärmeleitung zum Außenmantel, da die wärmeabgebende Fläche des Heizleiters optimal genutzt wird und es eben nur ganz kleine Windungsabstände sind, z.B. maximal 0,25% der Dicke des Flachbandmatetrial, insbesondere maximal 0,15% oder gar nur 0,1% dieser Banddicke. Bei so geringen Windungsabständen ist aber bei der bisher üblichen Befüllung mit elektrisch isolierendem Material über einen Ringspalt das ordnungsgemäße Eindringen des elektrisch isolierenden Materials in den Wendelinnenraum ebensowenig gewährleistet wie bei einer reinen Befüllung von innen, durch eine Befüllöffnung für das elektrisch isolierende Material im erfindungsgemäß hergestellten unbeheizten Endbereich des elektrischen Heizelements.
Wenn ein Teil des elektrischen Heizelements und/oder ein Teil des rohrförmigen Metallmantels und/oder ein Teil des elektrisch isolierendem Materials mit einem Werkzeug abgestochen wird lässt sich die Länge der unbeheizten Abschnitte frei nach Wunsch konfigurieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:

1: Einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung,
2a: ein erstes Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
2b: ein zweites Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
2c: ein drittes Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
2d: eine Detailvergrößerung aus 2c,
2e: ein viertes Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
2f: ein fünftes Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
2g: ein sechstes Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
2h: die fertiggestellte elektrische Heizvorrichtung,
3a: einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung,
3b: eine geöffnete Darstellung der elektrischen Heizvorrichtung aus 3a,
3c: eine Detailvergrößerung aus 3b,
4a: einen Längsschnitt durch eine partielle Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung,
4b: eine geöffnete partielle Darstellung der elektrischen Heizvorrichtung aus 4a,
4c: einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der elektrischen Heizvorrichtung aus 4a,
5a: die Bestandteile einer ersten Variante eines unbeheizten Endbereichs,
5b: einen ersten Zwischenschritt bei der Herstellung der ersten Variante des unbeheizten Endbereichs,
5c: den unbeheizten Endbereich gemäß der ersten Variante,
6a: die Bestandteile einer zweiten Variante eines unbeheizten Endbereichs,
6b: einen ersten Zwischenschritt bei der Herstellung der zweiten Variante des unbeheizten Endbereichs,
6c: den unbeheizten Endbereich gemäß der zweiten Variante,
7a: eine erste Perspektive eines Zwischenschritts bei der Herstellung einer dritten Variante des unbeheizten Endbereichs,
7b: eine zweite Perspektive des Zwischenschritts bei der Herstellung der dritten Variante des unbeheizten Endbereichs,
7c: eine erste Ansicht eines Teils einer elektrischen Heizvorrichtung mit einem unbeheizten Endbereich gemäß der dritten Variante des unbeheizten Endbereichs, und
7d: eine zweite Ansicht des Teils der elektrischen Heizvorrichtung mit unbeheiztem Endbereich aus 7c.

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Heizvorrichtung 100 mit rohrförmigem Metallmantel 140. Im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 140 ist ein über seine gesamte Länge hinweg gewendeltes elektrisches Heizelement 110 mit unverformten Wendeln 111 und umgeformten Wendeln 112 angeordnet, das durch elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material 130, beispielsweise Magnesiumoxid, vom rohrförmigen Metallmantel 140 elektrisch isoliert ist. Die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 110 erfolgt über Rohre 120, aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, Normalstahl, vernickeltem Normalstahl oder Nickel, die einen auf der Außenseite mindestens einer umgeformten Wendel 112 des elektrischen Heizelements 110 aufgeschobenen Abschnitt 121 aufweisen und dort verpresst sind, so dass ein unbeheizter Endbereich des elektrischen Heizelements 110 entsteht, der eine Befüllöffnung 113 aufweist und über den in allen Ausführungsbeispielen die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 110 erfolgt.
Der Innenraum des an den auf der Außenseite mindestens einer umgeformten Wendel 112 des elektrischen Heizelements 110 aufgeschobenen Abschnitts 121 angrenzenden Abschnitts des Rohrs 120 aus elektrisch leitendem Material ist mit einem Anschlussbolzen 160 mit als diesen der Länge nach durchsetzender Bohrung ausgeführter Einfüllöffnung 161 ausgefüllt, die sich an die Befüllöffnung 113 anschließt . Die Rohre 120 sind durch Stopfen 151,152, die den rohrförmigen Metallmantel 140 jeweils stirnseitig verschließen, hindurchgeführt, so dass sie mit elektrischen Versorgungsleitungen verbunden werden können. Wegen des besseren Leitwertes der Rohre 120 erfolgt die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 110 hauptsächlich über diese, auch wenn natürlich durch die mit ihnen verpressten umgeformten Wendeln 112 auch Strom fließen kann.
Eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für eine elektrische Heizvorrichtung 200 wird nun anhand der 2a bis 2h vorgestellt.
In 2a sieht man ein über seine gesamte Länge hinweg zu Wendeln 211 gewendeltes elektrisches Heizelement 210, das als erstes Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung bereitgestellt wird. Dieses vorzugsweise aus einem Flachbandmaterial, insbesondere einem Widerstandsdraht mit flachbandförmigem Querschnitt, bestehende elektrische Heizelement 210 ist vorzugsweise selbsttragend, d.h. ohne Einwirkung äußerer Kräfte formstabil und kann beispielsweise durch Wendeln eines Widerstandsdrahts mit Rund- oder Flachprofil hergestellt sein, aber auch aus einem Rohr herausgeschnitten oder aus einem Stangenmaterial herausgearbeitet werden.
Auf dieses gewendelte elektrische Heizelement werden nun Rohre 220, die vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, Normalstahl, vernickeltem Normalstahl oder Nickel, bestehen, -im gezeigten Ausführungsbeispiel komplett- aufgeschoben, was zu der in 2b gezeigten Konfiguration führt. Grundsätzlich können die Rohre 220 auch durch Abschnitte eines Anschlussbolzens, in den eine Bohrung eingebracht wurde, gebildet werden.
In einem folgenden Verfahrensschritt werden nun die Rohre 220 aus elektrisch leitendem Material auf die Außenseite der Wendeln, auf die sie aufgeschoben sind, aufgepresst, was durch die Pfeile in 2d symbolisiert wird. Dabei wird der Pressdruck so hoch gewählt, dass umgeformte Wendeln 212 entstehen, was zu dem in 2c dargestellten Zwischenstadium führt,aber nur so hoch gewählt, dass eine Befüllöffnung 213 verbleibt. Wenn dabei durch die Verformung umgeformte Wendeln 212 miteinander kurzgeschlossen werden ist dies in der Regel beabsichtigt, da in den Anschlussbereichen üblicherweise möglichst wenig Wärme erzeugt werden soll. Allerdings ist es, wie weiter unten nochmals näher erläutert wird, wichtig, dass ein durchgehender Wendelinnenraum als Befüllöffnung 213 erhalten bleibt, wenn eine Befüllöffnung 213 nicht auf andere Weise geschaffen wird, wie z.B. beim unten anhand der 7a bis 7d diskutierten Ausführungsbeispiel.
Wie man besonders gut in der Detaildarstellung der 2d erkennt, ist bevorzugt, dass nach dem Verpressen der Außendurchmesser D2 des Rohrs 220 aus elektrisch leitendem Material dem ursprünglichen Außendurchmesser D1 der Wendeln 211, also unverformter Wendeln, entspricht, so dass die aus elektrischem Heizelement 210 und Rohren 220 durch Verpressen gebildete Baugruppe im Wesentlichen einen konstanten Durchmesser hat.
Aus diesem Grund ist es auch insbesondere in Fällen, in denen nur ein Rohrabschnitt des Rohrs 220 aus elektrisch leitendem Material auf das elektrische Heizelement aufgepresst wird bevorzugt, wenn das Rohr 220 während des Verpressens gleichmäßig gefüllt ist, entweder durch einen Abschnitt des elektrischen Heizelements 210 oder, wie im oben gezeigten Ausführungsbeispiel der elektrischen Heizvorrichtung 100, durch einen auf Anschlag zur Stirnseite des dortigen elektrischen Heizelements 110 eingeschobenen Anschlussbolzen.
Das vierte, in 2e gezeigte Zwischenstadium wird hergestellt, indem die durch das Verpressen von Rohren 220 aus elektrisch leitendem Material und elektrischem Heizelement 210 miteinander entstandene Baugruppe in das Innere eines bereitgestellten rohrförmigen Metallmantels 240 eingeführt wird, dieser einseitig mit einem der Stopfen 251,252 verschlossen und mit elektrisch isolierendem Material 230, z.B. einem Magnesiumoxidpulver oder -Granulat, befüllt wird, ehe er dann mit dem zweiten Stopfen 252,251 verschlossen wird. Das elektrisch isolierende Material 230 kann dabei auch ganz oder teilweise als ein oder mehrere vorzugsweise poröse Formteile, beispielsweise Einlochrohre oder in Stangenform aus C820 MgO bereitgestellt sein, was insbesondere das Einfüllen des zwischen der Außenseite des elektrischen Heizelements 210 und dem rohrförmigen Metallmantel 240 anzuordnenden elektrisch isolierenden Materials signifikant vereinfachen kann.
Das fünfte Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, das in 2f gezeigt ist, geht aus dem vierten Zwischenstudium durch Verdichten hervor, was durch die Pfeile in 2f symbolisiert wird.
2g zeigt ein sechstes Zwischenstadium bei der Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, das dadurch entsteht, dass mit einem Werkzeug 10 Teile des elektrischen Heizelements 210, insbesondere solche, die als Konsequenz einer Längung beim Verpressen über die anschlussseitige Stirnseite der Rohre 220 aus elektrisch leitendem Material hinausstehen und gewünschtenfalls auch Teile des rohrförmigen Metallmantels 240 und des elektrisch isolierenden Materials 230 radial von außen her abgestochen werden. Auf diese Weise kann man insbesondere die Länge der unbeheizten Endbereiche der elektrischen Heizvorrichtung 200, die durch die umgeformten Wendeln 212 mit den damit verpressten Abschnitten der Rohre 220 aus elektrisch leitendem Material gebildet werden, anpassen.
Dies führt dann zur fertigen elektrischen Heizvorrichtung 200, die in 2h dargestellt ist.
3a zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Heizvorrichtung 300 mit rohrförmigem Metallmantel 340, 3b dieselbe elektrische Heizvorrichtung 300 in einer geöffneten Darstellung und 3c eine Ausschnittsvergrößerung aus 3b, aus der der Aufbau besonders detailliert hervorgeht.
Wie bei der Ausführungsform gemäß 1 ist im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 340 ist ein über seine gesamte Länge hinweg gewendeltes elektrisches Heizelement 310 mit unverformten Wendeln 311 und umgeformten Wendeln 312 angeordnet, das durch elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material vom rohrförmigen Metallmantel 340 elektrisch isoliert ist.
Der wesentliche Unterschied zur elektrischen Heizvorrichtung 100 gemäß 1 besteht darin, dass hier das elektrisch isolierende Material einerseits als ein Formteil 331, genauer gesagt ein Einloch-Brechröhrchen, das vorzugsweise aus porösem elektrisch isolierendem Material, z.B. C820 besteht, das auf das elektrische Heizelement 310 und die Rohre 320 aus elektrisch leitendem Material aufgeschoben ist, und andererseits als ein durch die Befüllöffnung 313 in den Wendelinnenraum des gewendelten elektrischen Heizelements 310 eingestreutes Pulver oder Granulat eingebracht ist, was Füllprobleme, die sonst bei geringen Abständen zwischen dem elektrischen Heizelement 310 und dem rohrförmigen Metallmantel 340 auftreten können, weitgehend eliminiert.
Die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 310 erfolgt wieder hauptsächlich über Rohre 320 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, Normalstahl, vernickeltem Normalstahl oder Nickel, die hier komplett auf der Außenseite umgeformter Wendeln 312 aufgeschoben sind und dort verpresst sind, so dass ein unbeheizter Endbereich des elektrischen Heizelements gebildet wird. Die Rohre 320 aus elektrisch leitendem Material sind durch Stopfen 351,352, die den rohrförmigen Metallmantel 340 jeweils stirnseitig verschließen, hindurchgeführt, so dass sie mit elektrischen Versorgungsleitungen verbunden werden können.
4a zeigt einen Längsschnitt durch eine Hälfte einer elektrischen Heizvorrichtung 400 mit rohrförmigem Metallmantel 440, 4b dieselbe Hälfte der elektrischen Heizvorrichtung 400 in einer geöffneten Darstellung und 4c einen Querschnitt durch eine solche elektrische Heizvorrichtung 400 in ihrem unbeheizten Endbereich. Die vollständige elektrische Heizvorrichtung 400 ergibt sich durch Ergänzung eines an einer Ebene senkrecht zur Verlaufsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung 400 gespiegelten Abschnitts, der dem dargestellten Abschnitt entspricht.
Die elektrische Heizvorrichtung 400 entspricht in ihrem Aufbau weitgehend der Ausführungsform gemäß 3a bis 3c. Im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 440 ist ein über seine gesamte Länge hinweg gewendeltes elektrisches Heizelement 410 mit unverformten Wendeln 411 und umgeformten Wendeln 412 angeordnet, das durch elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material vom rohrförmigen Metallmantel 440 elektrisch isoliert ist, das wieder einerseits als ein Formteil 431 , das vorzugsweise aus porösem elektrisch isolierendem Material, z.B. C820 besteht, genauer gesagt ein Einloch-Brechröhrchen, das auf das elektrische Heizelement 410 und das Rohr 420 aus elektrisch gut leitendem Material aufgeschoben ist, und andererseits als ein durch die Befüllöffnung 413 in den Wendelinnenraum des gewendelten elektrischen Heizelements eingestreutes Pulver oder Granulat 432 eingebracht ist, was Füllprobleme, die sonst bei geringen Abständen zwischen dem elektrischen Heizelement 410 und dem rohrförmigen Metallmantel 440 auftreten können, weitgehend eliminiert.
Die Stromversorgung des elektrischen Heizelements 410 erfolgt ebenfalls wieder hauptsächlich über die Rohre 420, aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, Normalstahl, vernickeltem Normalstahl oder Nickel, die hier komplett auf der Außenseite umgeformter Wendeln 412 aufgeschoben sind und dort verpresst sind. Die Rohre 420 aus elektrisch leitendem Material sind aus dem rohrförmigen Metallmantel 440 stirnseitig hinausgeführt, so dass sie mit elektrischen Versorgungsleitungen verbunden werden können.
Der Unterschied zur elektrischen Heizvorrichtung 300 besteht darin, dass bei der elektrischen Heizvorrichtung 400 beim Verpressen des elektrischen Heizelements 410 und des Rohrabschnitts des Rohrs 420 aus elektrisch leitendem Material der Pressdruck von vier Stempeln, die jeweils senkrecht zu den beiden benachbarten Stempeln stehen, aufgebracht wurde, so dass ein unbeheizter Endbereich mit einem quadratischen Querschnitt und einer quadratischen Befüllöffnung 413 entstanden ist, wie man besonders gut in der Querschnittsdarstellung der 4c erkennt.
Die 5a bis 5c zeigen die Bestandteile, einen Zwischenschritt bei der Herstellung und den hergestellten unbeheizten Endbereich eines gewendelten elektrischen Heizelements 510 in einer ersten Variante. Hier wird der unbeheizte Endbereich dadurch gebildet, dass ein Rohr 520 aus elektrisch gut leitendem Materials komplett in den Wendelinnenraum von Wendeln 511 eines Endabschnitts des elektrischen Heizelements 510 eingeschoben wird und dann in einem Pressvorgang, bei dem diese Wendeln umgeformt werden, so dass umgeformte Wendeln 512 entstehen, eine Presskontaktierung erfolgt, so dass ein unbeheizter Endbereich des elektrischen Heizelements 510 mit Befüllöffnung 513 entsteht und das Rohr 520 und das elektrische Heizelement 510 zu einer miteinander verbundenen Baugruppe werden.
Die 6a bis 6c zeigen die Bestandteile, einen Zwischenschritt bei der Herstellung und den hergestellten unbeheizten Endbereich eines gewendelten elektrischen Heizelements 610 in einer zweiten Variante. Hier wird der unbeheizte Endbereich dadurch gebildet, dass ein erstes Rohr 620 aus elektrisch gut leitendem Materials und ein zweites Rohr 621 aus elektrisch gut leitendem Material jeweils komplett auf bzw. in Wendeln 611 eines Endabschnitts des elektrischen Heizelements 610 eingeschoben wird und dann in einem Pressvorgang, bei dem diese Wendeln umgeformt werden, so dass umgeformte Wendeln 612 entstehen, eine Presskontaktierung erfolgt, so dass ein unbeheizter Endbereich des elektrischen Heizelements 610 mit Befüllöffnung 613 entsteht.
In der Ausführungsform der elektrischen Heizvorrichtung 700 mit rohrförmigem Metallmantel 740, elektrischem Heizelement 710, elektrisch leitendem Rohr 720, elektrisch isolierendem Material 730 und Stopfen 750, die in den 7a bis 7d gezeigt ist, kommt eine weitere Variante eines unbeheizten Endbereichs des elektrischen Heizelements 710, der durch Verpressen mit einem Rohr 720 aus elektrisch gut leitendem Material hergestellt ist, zum Einsatz.
Wie man insbesondere an den 7a und 7b erkennt, wird hier das elektrische Heizelement 710 mit dem auf seinen Endbereich aufgeschobenen Rohr 720 aus elektrisch gut leitendem Material in ein Gesenk 1 eingelegt und mit einem Stempel 2 beim Verpressen in einer Richtung deformiert, so dass in eine U-Form umgeformte, miteinander kurzgeschlossene umgeformte Wendeln 712 entstehen und das mit ihnen verpresste Rohr 720 einen U-förmigen Querschnitt erhält.
Die Befüllöffnung 713, die das zentrale Befüllen des Innenraums der nicht umgeformten Wendeln 711 des elektrischen Heizelements 710 mit elektrisch isolierendem Pulver oder Granulat, beispielsweise Magnesiumoxid, ermöglicht, wird dann vom Innenraum des U gebildet.
Bezugszeichenliste

1: Gesenk
2: Stempel
10: Werkzeug
100,200,300,400,700: elektrische Heizvorrichtung
110,210,310,410,510,610,710: elektrisches Heizelement
111,211,311,411,511,611,711: unverformte Wendel
112,212,312,412,512,612,712: umgeformte Wendel
113,213,313,413,513,613,713: Befüllöffnung
120,220,320,420,520,620,720: Rohr
121: Abschnitt
130,230,330,730: elektrisch isolierendes Material
140,240,340,440,740: rohrförmiger Metallmantel
151,152,251,252,351,352,750: Stopfen
160: Anschlussbolzen
161: Einfüllöffnung
331,431: Formteil
432: Pulver oder Granulat
D1: Außendurchmesser
D2: Außendurchmesser des Rohrs

Claims

Elektrische Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) mit einem rohrförmigen Metallmantel (140,240,340,440,740) und einem elektrischen Heizelement (110,210,310,410,510,610, 710), das im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels (140,240,340,440,740) in ein elektrisch isolierendes Material (130,230,330,730) eingebettet angeordnet und zumindest abschnittsweise gewendelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (100,200,300,400,700) mindestens einen unbeheizten Endbereich aufweist, wobei der unbeheizte Endbereich seinerseits eine oder mehrere umgeformte Wendeln (112,212,312,412,512,612,712) des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) und mindestens einen Rohrabschnitt eines Rohrs (120,220,320,420,520,620, 720) aus elektrisch leitendem Material aufweist, und wobei der unbeheizte Endbereich eine Befüllöffnung (113,213,313, 413,513,613,713) für das elektrisch isolierende Material (130,230,330,730) aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material so auf der Außenseite mindestens einer umgeformten Wendel (112,212,312,412,512, 612,712) des elektrischen Heizelements (110,210,310,410, 510,610,710) angeordnet ist, dass die umgeformte Wendel (112,212,312,412,512,612,712) sich im Rohrinneren des Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material befindet.
Elektrische Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material so an der Innenseite mindestens einer umgeformten Wendel (112,212,312,412,512, 612, 712) des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510, 610,710) angeordnet ist, dass die umgeformte Wendel (112,212,312,412,512,612,712) den Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material umgibt.
Elektrische Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einen weiteren Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620, 720) aus elektrisch leitendem Material zumindest ein Abschnitt eines Anschlussbolzens (160) , der von einer Einfüllöffnung (161) durchsetzt wird, eingeschoben ist.
Elektrische Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D1) des Rohrabschnitts des Rohrs (120,220, 320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material, das auf der Außenseite mindestens einer umgeformten Wendel (112,212,312,412,512,612,712) des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) aufgeschoben ist, dem Außendurchmesser (D2) der unverformten Wendeln (111,211, 311,411,511,611,711) des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) entspricht.
Elektrische Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umgeformten Wendeln (112,212,312,412,512,612,712) gemeinsam mit dem Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620, 720) aus elektrisch leitendem Material umgeformt sind.
Elektrische Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere benachbarte Wendeln umgeformt sind und zwar so, dass ihr Windungsabstand voneinander im Vergleich zum Windungsabstand zwischen unverformten Wendeln (111,211,311,411,511, 611,711) verringert ist oder so, dass sie direkt miteinander kurzgeschlossen sind.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (100,200,300,400,700) mit einem rohrförmigen Metallmantel (140,240,340,440,740) und einem elektrischen Heizelement (110,210,310,410,510,610,710), das im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels (140,240,340,440,740) in ein elektrisch isolierendes Material (130,230,330,730) eingebettet angeordnet und zumindest abschnittsweise gewendelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein unbeheizter Endbereich hergestellt wird, indem einerseits eine oder mehrere Wendeln des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) umgeformt werden und andererseits mindestens ein Rohrabschnitt eines Rohrs (120, 220,320,420,720) aus elektrisch leitendem Material in elektrischen Kontakt mit umgeformten Wendeln (112,212,312, 412,512,612,712) des elektrischen Heizelements (110,210, 310,410,510,610,710) gebracht wird, so dass der so hergestellte unbeheizte Endbereich eine Befüllöffnung (113,213,313,413,513,613,713) für das elektrisch isolierende Material (130,230,330,730) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material in elektrischen Kontakt mit umgeformten Wendeln (112,212,312,412,512,612,712) des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) gebracht wird, indem Wendeln eines gewendelten Abschnitts des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610, 710) umgeformt werden und dass vor oder nach dem Umformen der Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material zumindest abschnittsweise auf die Außenseite dieses gewendelten Abschnitts aufgeschoben oder auf der Innenseite dieses gewendelten Abschnitts eingeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material mit dem Endabschnitt des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verpressen des Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420, 520,620,720) aus elektrisch leitendem Material mit dem Endabschnitt des elektrischen Heizelements (110,210,310, 410,510,610,710) das Umformen der Wendeln des gewendelten Abschnitts, auf den der Rohrabschnitt des Rohrs (120,220, 320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material aufgeschoben ist und/oder in den der Rohrabschnitt des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material eingeschoben ist, bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verpressen der Außendurchmesser (D2) des hergestellten unbeheizten Endbereichs gleich dem Außendurchmesser (D1) von unverformten Wendeln (111,211,311,411,511,611,711) des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (110,210,310,410,510,610,710) mit den darauf aufgeschobenen oder darin eingeschobenen Rohrabschnitten des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material als gemeinsame Baugruppe in den rohrförmigen Metallmantel (140,240,340,440,740) eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch isolierendes Material als mindestens ein Formteil (331,431) und/oder entweder als Pulver oder als Granulat (432) in das Innere des rohrförmigen Metallmantels (140,240,340,440,740) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (331,431) ein auf die Baugruppe aus elektrischem Heizelement (110,210,310,410,510,610,710) mit den darauf aufgeschobenen oder darin eingeschobenen Rohrabschnitten des Rohrs (120,220,320,420,520,620,720) aus elektrisch leitendem Material aufgeschobenes Rohr aus elektrisch isolierendem Material ist und/oder dass das Pulver oder Granulat durch den Wendelinnenräume des gewendelten elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) in das Innere des rohrförmigen Metallmantels eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610, 710) und/oder ein Teil des rohrförmigen Metallmantels (140,240,340,440,740) und/oder ein Teil des elektrisch isolierenden Materials (130,230,330,730) mit einem Werkzeug (10) abgestochen wird.