DE102021102893A1

DE102021102893A1 - Elektrische Heizvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer elektrische Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102021102893A1
Application number: DE102021102893.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas SCHLIPF
Original assignee: Tuerk and Hillinger GmbH
Current assignee: Tuerk and Hillinger GmbH
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2022-08-11
Also published as: US20240121863A1; CN116918452A; WO2022167316A1; EP4289224A1

Abstract

Bereitgestellt werden eine elektrische Heizvorrichtung (1,2) mit einem elektrischen Heizelement (10,20), das trägerfrei innerhalb des Rohrinnenraums mindestens eines rohrförmigen Metallmantels (13,23) angeordnet und von diesem mit einem verdichteten, elektrisch isolierenden Material (14,24) elektrisch isoliert ist, bei der das elektrische Heizelement (10,20) zumindest abschnittsweise Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) mit einer Flachbandgeometrie aufweist, wobei die Wendeln (W1,W2,W3, W4,W10,W20) mit Flachbandgeometrie einen Innendurchmesser (D2), einen Außendurchmesser (D1) und einem Abstand (S) zwischen benachbarten Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) aufweisen und derart geformt sind, dass die flache Seite der Wendeln (W1,W2, W3,W4,W10,W20) mit Flachbandgeometrie parallel zur Wendelachse (AW) verläuft, bei der zumindest in Teilbereichen des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels (13,23), die an mindestens eine Wendel (W1,W2,W3,W4,W10,W20) angrenzen, das verdichtete elektrisch isolierende Material (14,24) entweder ein verdichtetes Granulat aus Granulatkörnern (14.1,14.2) unterschiedlicher Größe mit Kanten und Vorsprüngen (14.3) ist oder bei der Verdichtung eines Formteils entstehende Bestandteile des Formteils sind, und bei der mindestens eine Oberfläche (W1.1,W1.2,W1.3,W1.4, W2.1,W2.2,W2.3,W2.4,W3.1,W3.2,W3.3,W3.4, W4.1,W4.2,W4.3, W4.4) mindestens einer Wendel (W1,W2,W3,W4, W10,W20) Abschnitte aufweist, in denen Granulatörner (14.1,14.2) oder bei der Verdichtung des Formteils entstehende Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements (10,20) zumindest teilweise in das elektrische Heizelement (10,20) hineingepresst sind und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Es gibt eine Vielzahl von elektrischen Heizvorrichtungen mit einem elektrischen Heizelement, das innerhalb des Rohrinnenraums eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet und von diesem mit einem elektrisch isolierenden Material elektrisch isoliert ist.
In der praktischen Anwendung ist dabei in manchen Anwendungsfällen eine Herausforderung, die durch das elektrische Heizelement erzeugte Wärme möglichst effektiv insbesondere zum rohrförmigen Metallmantel abzuführen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine elektrische Heizvorrichtung mit einem elektrischen Heizelement das innerhalb des Rohrinnenraums eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet und von diesem mit einem elektrisch isolierenden Material elektrisch isoliert ist, bereitzustellen, bei der die Wärmeabfuhr vom elektrischen Heizelement verbessert ist und ein Herstellverfahren für eine solche elektrische Heizvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat ein elektrisches Heizelement, das trägerfrei innerhalb des Rohrinnenraums mindestens eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet und von diesem mit einem verdichteten, elektrisch isolierenden Material elektrisch isoliert ist. Trägerfrei bedeutet dabei insbesondere, dass das elektrische Heizelement nicht auf einen Wickelkörper aufgewendelt ist. Im Regelfall wird es sich um eine selbsttragende Struktur handeln, welche in eine vorgegebene Form gebracht ist und diese ohne Einwirkung äußerer Stabilisierungsmaßnahmen wahrt.
Erfindungswesentlich ist erstens, dass das elektrische Heizelement zumindest abschnittsweise Wendeln mit einer Flachbandgeometrie aufweist, wobei die Wendeln mit Flachbandgeometrie einen Innendurchmesser, einen Außendurchmesser und einem Abstand zwischen benachbarten Wendeln aufweisen und derart geformt sind, dass die flache Seite der Wendeln mit Flachbandgeometrie parallel zur Wendelachse verläuft. Im einfachsten Fall kann es sich also einfach um einen freitragend aufgewendelten Widerstandsdraht mit Flachbandgeometrie handeln; elektrische Heizelemente mit entsprechender Geometrie können jedoch auch aus Rohlingen herausgearbeitet werden, z.B. durch Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Dabei kann es sich auch anbieten, die Schnitte zunächst an einem plattenförmigen Rohling vorzunehmen und diesen dann zu verformen, insbesondere aufzurollen oder zu wendeln.
Auch wenn der Begriff eigentlich nicht erläuterungsbedürftig ist soll hier trotzdem erwähnt werden, dass Flachbandgeometrie dabei im Sinne einer Eigenschaft des Querschnitts der Wendel zu verstehen ist, der senkrecht auf der Verlaufsrichtung des Widerstandsmaterials, aus dem sie gebildet ist, steht. Dieser Querschnitt ist im Wesentlichen rechteckförmig mit einer langen Ausdehnungsrichtung, die die Breite definiert und einer kurzen Ausdehnungsrichtung, welche die Höhe definiert. Allerdings können die Ecken abgerundet sein und der Verlauf der Seiten insbesondere in Richtung der Höhe, aber auch in Richtung der Breite muss nicht exakt linear sein.
Tatsächlich kann es beim Aufwendeln eines Widerstandsdrahts mit Flachbandgeometrie zur Bildung eines entsprechenden elektrischen Heizelements zu einer leichten Beeinflussung der ideal im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnittsgeometrie kommen, die aber immer noch die Anwendung des Begriffs Flachbandgeometrie rechtfertig.
Unter der flachen Seite des Widerstandsdrahts ist die Seite zu verstehen, die im Wesentlichen parallel zur langen Ausdehnungsrichtung seines Querschnitts verläuft.
Die Verwendung der Wendel mit Flachbandgeometrie in der Orientierung, in der die flache Seite parallel zur Wendelachse verläuft führt einerseits dazu, dass auch wenn die elektrische Heizvorrichtung, in der das elektrische Heizelement verwendet wird nur einen geringen Durchmesser haben darf, das elektrische Heizelement einen erheblichen Querschnitt haben kann, was bei hohen Strombelastungen wichtig ist. Im Gegensatz zu gestreckten Widerstandsdrähten mit relativ hohem Querschnitt, die bislang oft Verwendung fanden, ermöglicht aber die gewendelte Struktur eine elastischere Reaktion des elektrischen Heizelements auf die thermische Wechselbelastung, was wesentliche langsamere Versprödung und Materialermüdung und geringere Bruchgefahr mit sich bringt.
Hinzu kommt aber noch ein zweiter sehr wichtiger Aspekt, nämlich die Tatsache, dass ein gewendelter Widerstandsdraht mit Flachbandgeometrie in der beanspruchten Konfiguration automatisch größere Oberflächen als Kontaktflächen aufweist, die eine Wärmeabfuhr insbesondere in Richtung auf den rohrförmigen Metallmantel ermöglichen.
Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Breite der Wendel mit Flachbandgeometrie mindestens 30% des Wendelinnendurchmessers entspricht. Als besonders bevorzugt hat es sich herausgestellt, wenn die Breite der Wendel mit Flachbandgeometrie dem Wendelaußendurchmesser entspricht.
Versuche haben weiter gezeigt, dass die Breite der Wendel mit Flachbandgeometrie vorzugsweise mindestens doppelt so breit ist wie ihre Höhe, für manche Anwendungen kann sie auch das zehnfache der Höhe erreichen. Bevorzugt sollte die Höhe ausreichend groß gewählt werden, damit die Wendel des elektrischen Heizelements ihr eigenes Gewicht tragen kann, so dass das elektrische Heizelement auch wenn er lediglich an einem Ende unterstützt wird seine Form wahrt und nicht unter dem Einfluss der Schwerkraft an Stellen, an denen es nicht unterstützt wird, ändert.
Ebenfalls experimentell ermittelt wurde, dass der Abstand zwischen benachbarten Wendeln vorzugsweise kleiner ist als die Breite der Wendeln mit Flachbandgeometrie. Als realistisch wird ein Abstandswert von etwa 15% der Breite angesehen, man strebt nach geringen Abstandswerten.
Erfindungswesentlich ist zweitens, dass zumindest in Teilbereichen des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels, die an mindestens eine Wendel angrenzen, das verdichtete elektrisch isolierende Material ein verdichtetes Granulat aus Körnern unterschiedlicher Größe mit Kanten und Vorsprüngen ist. Dadurch wird dann ermöglicht, dass mindestens eine Oberfläche mindestens einer Wendel Abschnitte aufweist, in denen Körner dieses Granulats unter lokaler Verformung insbesondere des elektrischen Heizelements zumindest teilweise in das elektrische Heizelement hineingepresst sind. Dies führt dazu, dass die Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement und elektrisch isolierendem Material vergrößert ist, was eine bessere Wärmeabfuhr ermöglicht.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass derselbe Effekt auch dann erzielt werden kann, wenn das verdichtete isolierende Material ein verdichtetes Formteil aus einem elektrisch isolierenden Material ist, weil dann Bestandteile, insbesondere Fragmente, dieses Formteils unter lokaler Verformung insbesondere des elektrischen Heizelements zumindest teilweise in das elektrische Heizelement hineingepresst sind.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung von Magnesiumoxidgranulat, weshalb dieses Material im Zentrum der weiteren Beschreibung steht.
Dieser Ansatz stellt in gewisser Weise einen Paradigmenwechsel dar. Bislang war die Wahl des verwendeten elektrisch isolierenden Materials und des beim Verdichten angewendeten Drucks stets maßgeblich von der Überlegung geprägt, Kriechstromfestigkeit und Resistenz gegen Feuchtigkeit zu maximieren, weshalb man mit Pulvern mit sehr feinen und regelmäßig geformten Pulverpartikeln gearbeitet hat, um so beim Verdichten eine möglichst homogene Isolierstoffschicht zu erhalten.
Hiervon unterscheidet sich die erfindungsgemäße Verwendung eines Granulats grundsätzlich. Anders als ein Pulver weist ein Granulat im Sinne dieser Offenbarung grobe, unregelmäßige Körner mit Kanten und Vorsprüngen, somit also geringer Rundheit auf, wobei diese Körner insbesondere auch eine relativ breite Partikelgrößenverteilung mit einem Full Width Half Maximum (FWHM-) Wert für die Breite der Verteilung, der insbesondere im Fall von Magnesiumoxidgranulat zwischen einigen zig µm und über hundert µm liegt, aufweisen können. Das Maximum der Magnesiumoxidkorngrößenverteilung der eingesetzten Magnesiumoxid-granulate kann vorzugsweise im Bereich zwischen ca. 30µm und ca. 300µm liegen, woran man erkennt, dass die Partikelgröße allein nicht der entscheidende Parameter ist.
Ein indirektes, makroskopisch ermittelbares Maß für diese Eigenschaften des Granulats ist die Stampfdichte oder Rütteldichte (im Englischen tap density oder tapped density genannt). Beispielsweise haben Magnesiumoxid-Granulate im Sinne dieser Erfindung haben vor dem Verdichten eine Rütteldichte von weniger als 2,45 g/cm³, während die Dichte von Magnesiumoxid mit 3,58g/cm³ angegeben wird. Es entsteht also zunächst beim Befüllen des rohrförmigen Metallmantels eine elektrische Isolationsschicht, die einen erheblichen Anteil von Leervolumina aufweist.
Während man intuitiv annehmen würde, dass sich damit wegen verbleibender Leervolumina innerhalb des mit elektrisch isolierendem Material gefüllten Bereich keine hinreichende Kriechstromfestigkeit und Feuchtigkeitsresistenz erzielen lässt, weil die Leervolumina diesen Eigenschaften entgegenwirken, hat der Erfinder festgestellt, dass überraschenderweise bei der Anwendung von so hohem Druck, dass Abschnitte von Partikeln, die benachbart zu Wendeln des elektrischen Heizelementes und/oder zum rohrförmigen Metallmantel angeordnet sind, insbesondere Kanten und Vorsprünge von Körnern, unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements und/oder des rohrförmigen Metallmantels in das elektrische Heizelement und/oder in den rohrförmigen Metallmantel hineingepresst sind, dennoch eine elektrische Isolationsschicht mit hoher Kriechstromfestigkeit und Feuchtigkeitsresistenz erzielbar ist, die sich zudem mechanisch als deutlich stabiler als bekannte elektrische Isolationsschichten in solchen Vorrichtungen erweist.
Ein weiterer Vorteil, der sich bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Granulats ergibt, ist, dass dadurch ein verbesserter Toleranzausgleich erreicht wird.
Der für die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wesentlichste Aspekt ist aber, dass man darüber hinaus stellt man aber auch eine deutliche Verbesserung der Wärmeleitung der elektrischen Isolationsschicht feststellt. Einerseits kann dazu ein durch einen höheren Anteil größerer Granulatkörner geringerer Anteil von Korngrenzen beitragen. Andererseits fördert das Einpressen der Granulatkörner in die Wendel des elektrischen Heizelements aber auch die Wärmeabfuhr, da die Übertragungsfläche effektiv größer wird. Diese Effekte werden durch die Flachbandgeometrie der Wendel des zumindest abschnittsweise gewendelten Heizelements maximiert.
Die Effekte, die vorstehend für Granulatkörner beschrieben werden, treten in ähnlicher Weise auf, wenn das elektrisch isolierende Material ein verdichtetes Formteil aus einem elektrisch isolierenden Material ist. An die Stelle der Granulatkörner treten dann die unregelmäßigen Bestandteile bzw. Fragmente dieses Formteils, die beim Verdichten des Formteils entstehen.
Auf diese Weise wird also beim Verdichten durch das Granulat bzw. die beim Verdichtenden entstehenden Bestandteile des verdichteten Formteils dem elektrischen Heizelement bzw. dessen Wendel, grundsätzlich aber auch dem rohrförmigen Metallmantel eine (zusätzliche) Rauigkeit aufgeprägt. Experimente zeigen, dass beispielsweise für typische Innenleitermaterialien arithmetische Mittenrauwerte R_a von einigen µm und mittlere Glättungstiefen R_p von um die 10 µm erreicht werden können.
Der zum Verdichten benötigte Druck kann beispielsweise durch Pressverdichten, Walzverdichten oder Hammerverdichten bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt sind dabei Drücke, die so hoch sind, dass der Innenleiter plastisch verformt wird, insbesondere dass der Durchmesser des Innenleiters um einige Prozent, bevorzugt etwa 5%, reduziert wird.
Im Bedarfsfall kann insbesondere die Feuchtigkeitsresistenz dadurch noch weiter gesteigert werden, dass das verdichtete Granulat, insbesondere Magnesiumoxidgranulat, zumindest abschnittsweite imprägniert ist.
Zudem kann durch Zusatz von Imprägniermittel zumindest in Abschnitten der Vorrichtung, insbesondere z.B. Zugabe von 0,5 Vol% Silikonfestharz, und anschließendes Tempern ein Verkleben von Granulatkörnern miteinander bewirkt werden, das die entstehende Struktur widerstandsfähiger macht und einem Ausbrechen an den Rändern der Struktur dadurch entgegenwirkt, dass Körner des Granulats miteinander und/oder mit dem Innenleiter und/oder mit dem rohrförmigen Metallmantel verklebt sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wendelachse parallel zur Rohrmittelachse des rohrförmigen Metallmantels verläuft. Dies bringt mit sich, dass die Kontaktflächen zwischen elektrischem Heizelement und elektrisch isolierendem Material, in die Granulatkörner oder Bestandteile des Formteils eingepresst sind, im Wesentlichen parallel oder rechtwinklig zur Mantelinnenrohrseite verlaufen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn mindestens eine Wendel mehrere Oberflächen aufweist, in denen Granulatkörner oder Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung zumindest teilweise in das elektrische Heizelement hineingepresst sind, so dass die Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement und elektrisch isolierendem Material vergrößert ist. Auf diese Weise kann die Wärmeabfuhr in alle Richtungen, also auch nach innen hin und in die Wendelzwischenräume verbessert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die relative Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement und elektrisch isolierendem Material für mindestens zwei unterschiedliche Oberflächen, in die Granulatkörner oder Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung zumindest teilweise in das elektrische Heizelement hineingepresst sind, unterschiedlich ist. Erreicht werden kann dies insbesondere dadurch, dass unterschiedliches elektrisch isolierende Material gezielt eingebracht wird.
Beispielsweise kann man die Oberflächenvergrößerung durch die Teilchengrößenverteilung des Granulats beeinflussen.
Eine Möglichkeit, die Oberflächenvergrößerung unterschiedlich zu gestalten besteht darin, dass man einen porösen Formkörper als zusätzliches elektrisch isolierendes Material verwendet. Beispielsweise kann man einen stangenförmigen Formkörper aus Magnesiumoxid in das Wendelinnere einschieben und ein relativ grobes Magnesiumoxidgranulat in den verbleibenden Ringspalt zwischen Außenrohr und elektrischem Heizelement einrieseln lassen und erhält dann nach dem Verdichten eine Oberflächenmodifikation an allen Oberflächen der Wendeln die anders, insbesondere stärker ausfällt als an der nach innen weisenden Oberfläche.
Im Interesse der Wärmeabfuhr ist es dabei vorteilhaft, wenn die relative Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement und elektrisch isolierendem Material für die dem rohrförmigen Metallmantel zugewandte Oberfläche, in die Granulatkörner oder Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung zumindest teilweise in das elektrische Heizelement hineingepresst sind, am größten ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung mit einem elektrischen Heizelement, das zumindest abschnittsweise Wendeln mit einer Flachbandgeometrie aufweist, wobei die Wendeln mit Flachbandgeometrie einen Innendurchmesser, einen Außendurchmesser und einem Abstand zwischen benachbarten Wendeln aufweisen und derart geformt sind, dass die flache Seite oder Oberfläche der Wendeln mit Flachbandgeometrie parallel zur Wendelachse verläuft, wobei das elektrische Heizelement innerhalb des Rohrinnenraums eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet und von diesem mit einem elektrisch isolierenden Material elektrisch isoliert ist, weist die folgenden Schritte auf:

- Erzeugen des elektrischen Heizelements,
- Anordnen des elektrischen Heizelements im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels,
- Einbringen des elektrisch isolierenden Materials in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels, und
- Verdichten des elektrisch isolierenden Materials. Erfindungswesentlich ist, dass das elektrisch isolierende Material ein Granulat aus Körnern unterschiedlicher Größe mit Kanten und Vorsprüngen oder ein Formkörper ist, das bzw. der in radialer Richtung mindestens so stark verdichtet wird, dass Abschnitte, insbesondere Kanten und Vorsprünge, von Granulatkörnern oder von beim Verdichten entstehenden Fragmenten des Formkörpers unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements in mindestens eine Wendeloberfläche mindestens einer Wendel mit Flachbandgeometrie hineingepresst werden.

Insbesondere Magnesiumoxid eignet sich gut als Basismaterial für das elektrisch isolierende Material.
Besonders bevorzugt ist es dabei, dass das Einbringen des elektrisch isolierenden Materials in Leervolumina des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels zumindest teilweise dadurch erfolgt, dass man das Granulat unter Rütteln von einer Stirnseite her in den rohrförmigen Metallmantel einrieseln lässt. Dies fördert nicht nur den Materialtransport innerhalb des freien Innenvolumens des rohrförmigen Metallmantels, sondern die dadurch erreichte Vorkonfiguration der Körner des Granulats erweist sich auch als hilfreich für die Reduktion und/oder Vermeidung etwaiger Leervolumina.
Bevorzugt wird als elektrisch isolierendes Material ein Magnesiumoxidgranulat verwendet, das derart beschaffen ist, dass das elektrisch isolierende Material vor dem Verdichten eine Rütteldichte von weniger als 2,45g/cm3 hat.
Insbesondere dann, wenn eine unterschiedlich starke Oberflächenmodifikation durch Einpressen von Granulatkörnern in unterschiedliche Oberflächen von Wendeln erzielt werden soll, ist es hilfreich, wenn auch ein Teil des elektrisch isolierenden Materials als Formkörper in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels eingebracht wird. Beispielsweise kann ein stangenförmiger Formkörper in das Wendelinnere der Wendeln des elektrischen Heizelements eingesteckt werden oder ein rohrförmiger Rohrkörper in den Ringspalt zwischen dem elektrischen Heizelement und dem rohrförmigen Metallmantel eingeführt werden.
Unterschiede in der Stärke der jeweiligen Oberflächenmodifikationen können auch dadurch herbeigeführt werden, dass unterschiedliche Granulate mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen zum Befüllen unterschiedlicher Bereiche des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels verwendet werden.
Um das elektrisch isolierende Material noch stabiler zu machen und insbesondere auch seinem Ausbrechen in Randbereichen entgegen zu wirken ist es vorteilhaft, wenn zumindest abschnittsweise ein mit einem Imprägniermittel, insbesondere einem Silikonharz versetztes Magnesiumoxidgranulat als elektrisch isolierendes Material in den Innenraums des rohrförmigen Metallmantels eingebracht wird und danach, aber nicht zwingend unmittelbar danach, ein Temperschritt durchgeführt wird, so dass dadurch Granulatkörner oder durch Verdichten entstandene Bestandteile bzw. Fragmente des Formkörpers miteinander und/oder mit dem Innenleiter und/oder mit dem rohrförmigen Metallmantel verklebt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn beim radialen Verdichten ein so hoher Druck angewendet wird, dass es zu einer plastischen Verformung des elektrischen Heizelements, insbesondere zu einer Querschnittsreduktion des elektrischen Heizelements von einigen Prozent, d.h. insbesondere zwischen 2 und 10 Prozent, kommt. Allerdings ist der ideale Druck abhängig von dem Material und der Geometrie des jeweiligen elektrischen Heizelements und des rohrförmigen Metallmantels, die variieren kann. Das Verdichten kann insbesondere durch Pressverdichten, Walzverdichten oder Hämmerverdichten bewirkt werden.
Vorzugsweise wird ein Magnesiumoxidgranulat mit einer Korngrößenverteilung, deren Maximum im Bereich zwischen 30µm und 300µm liegt, verwendet. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Breite der Korngrößenverteilung einen Bereich zwischen etwa 30µm und über 100pm überdeckt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:

1a: ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung in einer teilweise geöffneten Darstellung,
1b: das elektrische Heizelement der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a in einer ersten Schnittdarstellung,
1c: das elektrische Heizelement aus 1b mit daran angeordneten Anschlussbolzen,
1d: eine Ausschnittsvergrößerung eines Bereichs im Inneren der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a,
1e: eine Prinzipskizze der Struktur von Magnesiumoxidkörnern und Abschnitten der Wendel des elektrischen Heizelements und des rohrförmigen Metallmantels der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a,
2a: ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung in einer teilweise geöffneten Darstellung,
2b: das elektrische Heizelement der elektrischen Heizvorrichtung aus 2a mit daran angeordneten Anschlussbolzen,
2c: eine Ausschnittsvergrößerung eines Bereichs im Inneren der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a,
3a: eine erste Variante einer Wendel eines elektrischen Heizelements mit durch Eindrücken von Körnern des elektrisch isolierenden Materials hervorgerufenen Oberflächenstrukturen im Querschnitt,
3b: eine zweite Variante einer Wendel eines elektrischen Heizelements mit durch Eindrücken von Körnern des elektrisch isolierenden Materials hervorgerufenen Oberflächenstrukturen im Querschnitt,
3c: eine dritte Variante einer Wendel eines elektrischen Heizelements mit durch Eindrücken von Körnern des elektrisch isolierenden Materials hervorgerufenen Oberflächenstrukturen im Querschnitt, und
3d: eine vierte Variante einer Wendel eines elektrischen Heizelements mit durch Eindrücken von Körnern des elektrisch isolierenden Materials hervorgerufenen Oberflächenstrukturen im Querschnitt.

Die 1a bis 1e beschreiben ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung 1 in einer teilweise geöffneten Darstellung, bei der jedoch insbesondere in 1a das elektrisch isolierende Material 14 fortgelassen ist, um die Übersichtlichkeit zu steigern. Man erkennt den rohrförmigen Metallmantel 13 mit Mittelachse A_R, in dessen Rohrinnenraum das über Anschlussbolzen 11,12 mit Strom versorgbare elektrische Heizelement 10 angeordnet ist.
1b zeigt einen Schnitt durch das elektrische Heizelement 10 aus 1a, das hier durch einen gewendelten Widerstandsdraht mit Flachbandgeometrie gebildet wird, wobei zusätzlich eine Reihe von Größen, mit denen die Flachbandgeometrie und die gewendelte Anordnung charakterisierbar sind, eingezeichnet sind. Man erkennt die im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnittsflächen Q mit einer langen Ausdehnungsrichtung, die die Breite B definiert und einer kurzen Ausdehnungsrichtung, welche die Höhe H definiert. Die einzelnen Wendeln W10, die jeweils um die strichliert eingezeichnete Wendelachse A_W herum verlaufen, weisen jeweils einen Außendurchmesser D1 und einen Innendurchmesser D2 auf und benachbarte Wendeln W10 sind jeweils um einen Abstand S voneinander beabstandet.
Insbesondere sieht man in dem dargestellten gewendelten Widerstandsdraht 10 in Flachbandgeometrie

• dass die Breite B des Widerstandsdrahts mit Flachbandgeometrie in etwa dem Wendelaußendurchmesser D1 entspricht,
• dass die Breite B des Widerstandsdrahts mit Flachbandgeometrie etwa fünfmal so groß ist wie seine Höhe H, und
• dass der Abstand S zwischen benachbarten Wendeln W10 kleiner ist als die Breite B des Widerstandsdrahts mit Flachbandgeometrie, genauer gesagt etwa 25 Prozent der Breite B beträgt.

Ferner verdeutlicht man sich in Zusammenschau mit 1a, dass die Wendelachse A_W des elektrischen Heizelements 10 und die Mittelachse AM des rohrförmigen Metallmantels 13 zusammenfallen, so dass diese beiden Bauteile konzentrisch zueinander angeordnet sind.
1c zeigt das elektrische Heizelement 10 aus 1b in einer anderen Schnittdarstellung mit daran angeordneten Anschlussbolzen 11,12. Man erkennt, dass diese jeweils mit Anschlussabschnitten 11a,12a in das Wendelinnere von Wendeln des elektrischen Heizelements 10 eingreifen und dort z.B. presskontaktiert sein können.
Die Ausschnittsvergrößerung eines Bereichs im Inneren der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a gemäß 1d und die Prinzipskizze der Struktur von Granulatkörnern 14.1,14.2, hier Magnesiumoxidgranulat, und Abschnitten der Wendel W10 des elektrischen Heizelements 10 und des rohrförmigen Metallmantels 13 der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a, gemäß 1e veranschaulichen den wichtigen Aspekt der Erfindung, dass das elektrisch isolierende Material 14 ein Granulat aus (Magnesiumoxid-)Körnern 14.1,14.2 unterschiedlicher Größe mit Kanten und Vorsprüngen 14.3 ist, und dass mindestens eine Oberfläche mindestens einer Wendel W10 Abschnitte aufweist, in denen (Magnesiumoxid-)Körner unter lokaler Verformung zumindest teilweise in das elektrische Heizelement hineingepresst sind, was durch die unregelmäßig gezackten Oberflächen der Wendel W10 veranschaulicht wird. Wie man in 1e erkennt, erfolgt auch eine entsprechende Modifikation der Innenseite des rohrförmigen Metallmantels 13, die insbesondere auch hier den Wärmeübertrag verbessert und zudem auch zu einer erhöhten mechanischen Stabilität beiträgt.
Die 2a bis 2c beschreiben ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung 2 in einer teilweise geöffneten Darstellung, bei der jedoch insbesondere in 2a das elektrisch isolierende Material 24 fortgelassen ist, um die Übersichtlichkeit zu steigern. Man erkennt den rohrförmigen Metallmantel 23 mit Mittelachse A_R, in dessen Rohrinnenraum das über Anschlussbolzen 21,22 mit Strom versorgbare elektrische Heizelement 20 angeordnet ist.
2b zeigt eine Außenansicht des elektrischen Heizelements 20 aus 2a, das hier durch Aufwendeln einer geschlitzten Platte aus einem Widerstandsdrahtmaterial entsteht, wodurch den enstehenden Wendeln W20 eine Flachbandgeometrie aufgeprägt wird. Ferner verdeutlicht man sich in Zusammenschau mit 2a, dass die Wendelachse A_W des elektrischen Heizelements 20 und die Mittelachse AM des rohrförmigen Metallmantels 23 zusammenfallen, so dass diese beiden Bauteile konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Die Ausschnittsvergrößerung eines Bereichs im Inneren der elektrischen Heizvorrichtung aus 2a gemäß 2d veranschaulichen im Wesentlichen in gleicher Weise wie die 1d und 1e, dass das elektrisch isolierende Material 24 ein Granulat aus (Magnesiumoxid-)Körnern unterschiedlicher Größe mit Kanten und Vorsprüngen, und dass mindestens eine Oberfläche mindestens einer Wendel W10 Abschnitte aufweist, in denen (Magnesiumoxid-)Körner unter lokaler Verformung zumindest teilweise in das elektrische Heizelement hineingepresst sind, was durch die unregelmäßig gezackten Oberflächen der Wendel W10 veranschaulicht wird.
Die 3a bis 3d zeigen vier unterschiedliche Varianten von Wendeln W1,W2,W3,W4 im Querschnitt, wodurch der flachbandförmige Querschnitt deutlich zu Tage tritt. Die Wendeln W1,W2,W3,W4 jeweils vier Seiten oder Oberflächen W1.1,W1.2, W1.3,W1.4; W2.1, W2.2,W2.3,W2.4; W3.1,W3.2,W3.3,W3.4; W4.1, W4.2.,W4.3,W4.4 auf, die sich hinsichtlich ihrer durch das Eindrücken von Partikeln des elektrisch isolierenden Materials, insbesondere von Magnesiumoxidgranulatkörnern, hervorgerufenen Oberflächenrauigkeit und somit der für den Wärmeübertrag verfügbaren effektiven Grenzfläche zum elektrisch isolierenden Material unterscheiden. Dabei sind die Seiten oder Oberflächen W1.1,W2.1,W3.1 und W4.1 der Innenseite des rohrförmigen Metallmantels zugewandt, die Seiten oder Oberflächen W1.2,W2.2,W3.2 und W4.2 dessen Mittelachse A_R und die verbleibenden Seiten oder Oberflächen W1.3,W2.3,W3.3,W4.1,W4.1,W4.2, W4.3,W4.4 jeweils benachbarten Wendeln.
In der Darstellung gemäß 3a ist dabei die erzielte Oberflächenrauigkeit der Wendel W1 auf allen vier Seiten oder Oberflächen W1.1, W1.2,W1.3,W1.4 ungefähr gleich. Dieses Ergebnis ist bei einer homogenen Befüllung mit (Magnesiumoxid-) granulat erzielbar; das Maß der Rauigkeit ist dabei durch Wahl der Korngrößenverteilung beeinflussbar.
In der Darstellung gemäß 3b ist hingegen die erzielte Oberflächenrauigkeit der Wendel W2 auf der der Mittelachse A_R des rohrförmigen Metallmantels zugewandten Seite oder Oberfläche W2.2 geringer als auf den anderen Seiten oder Oberflächen W2.1,W2.3,W2.4.
Insbesondere durch schichtweises Einfüllen von (Magnesiumoxid) Granulaten mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen ist es möglich, die Rauigkeit von Seiten oder Oberflächen W3.1,W3.2,W4.1, W4.2, die in bzw. entgegen der radialen Richtung orientiert sind im Vergleich zu Seiten oder Oberflächen W3.3,W3.4,W4.3,W4.4, die in bzw. entgegen der Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung orientiert sind zu variieren, wie dies in den 3c und 3d zu sehen ist.
Bezugszeichenliste

1, 2: elektrische Heizvorrichtung
10, 20: elektrisches Heizelement
11, 12, 21, 22: Anschlussbolzen
11a, 12a: Anschlussabschnitt
13, 23: rohrförmiger Metallmantel
14, 24: elektrisch isolierendes Material
14.1, 14.2: Granulatkörner
14.3: Vorsprung
AR: Mittelachse
AW: Wendelachse
B: Breite
D1: Außendurchmesser
D2: Innendurchmesser
H: Höhe
Q: Querschnittsfläche
S: Abstand
W1, W2, W3, W4, W10, W20: Wendel
W1.1, W1.2, W1.3, W1.4, W2.1, W2.2, W2.3, W2.4, W3.1, W3.2, W3.3, W3.4, W4.1, W4.2 ,W4.3, W4.4,: Oberfläche

Claims

Elektrische Heizvorrichtung (1,2) mit einem elektrischen Heizelement (10,20), das trägerfrei innerhalb des Rohrinnenraums mindestens eines rohrförmigen Metallmantels (13,23) angeordnet und von diesem mit einem verdichteten, elektrisch isolierenden Material (14,24) elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (10,20) zumindest abschnittsweise Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) mit einer Flachbandgeometrie aufweist, wobei die Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) mit Flachbandgeometrie einen Innendurchmesser (D2), einen Außendurchmesser (D1) und einem Abstand (S) zwischen benachbarten Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) aufweisen und derart geformt sind, dass die flache Seite der Wendeln (W1,W2,W3, W4,W10,W20) mit Flachbandgeometrie parallel zur Wendelachse (A_W) verläuft, dass zumindest in Teilbereichen des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels (13,23), die an mindestens eine Wendel (W1,W2,W3,W4,W10,W20) angrenzen, das verdichtete elektrisch isolierende Material (14,24) entweder ein verdichtetes Granulat aus Granulatkörnern (14.1,14.2) unterschiedlicher Größe mit Kanten und Vorsprüngen (14.3) ist, oder das verdichtete isolierende Material ein verdichtetes Formteil aus einem elektrisch isolierenden Material ist, und dass mindestens eine Oberfläche (W1.1,W1.2,W1.3,W1.4, W2.1,W2.2,W2.3,W2.4,W3.1,W3.2,W3.3,W3.4,W4.1,W4.2,W4.3, W4.4) mindestens einer Wendel (W1,W2,W3,W4,W10,W20) Abschnitte aufweist, in denen entweder Granulatkörner (14.1,14.2) oder bei der Verdichtung des Formteils entstehende Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements (10,20) zumindest teilweise in das elektrische Heizelement (10,20) hineingepresst sind.
Elektrische Heizvorrichtung (1,2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Granulat zumindest abschnittsweite imprägniert ist.
Elektrische Heizvorrichtung (1,2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Körner (14.1,14.2) des verdichteten Granulats miteinander durch den Zusatz des Imprägniermittels und anschließendes Tempern miteinander und/oder mit dem elektrischen Heizelement (10,20) und/oder mit dem rohrförmigen Metallmantel (13,23) verklebt sind.
Elektrische Heizvorrichtung (1,2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelachse (A_W) parallel zur Rohrmittelachse (A_R) des rohrförmigen Metallmantels (13,23) verläuft.
Elektrische Heizvorrichtung (1,2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wendel (W1,W2,W3,W4,W10,W20) mehrere Oberflächen (W1.1,W1.2,W1.3,W1.4,W2.1,W2.2,W2.3,W2.4,W3.1,W3.2,W3.3, W3.4,W4.1,W4.2,W4.3,W4.4)aufweist, in denen Granulatkörner (14.1,14.2) oder bei der Verdichtung des Formteils entstehende Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements (10,20) zumindest teilweise in das elektrische Heizelement (10,20) hineingepresst sind.
Elektrische Heizvorrichtung (1,2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement (10,20) und elektrisch isolierendem Material (14,24) für mindestens zwei unterschiedliche Oberflächen (W1.1,W1.2,W1.3,W1.4, W2.1,W2.2,W2.3,W2.4,W3.1,W3.2,W3.3, W3.4,W4.1,W4.2,W4.3,W4.4), in die Granulatkörner (14.1, 14.2) unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements (10,20) zumindest teilweise in das elektrische Heizelement (10,20) hineingepresst sind, unterschiedlich ist.
Elektrische Heizvorrichtung (1,2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen elektrischem Heizelement (10,20) und elektrisch isolierendem Material (14,24) für die dem rohrförmigen Metallmantel (13,23) zugewandte Oberfläche, in die Granulatkörner (14.1,14.2) oder bei der Verdichtung des Formteils entstehende Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements (10,20) zumindest teilweise in das elektrische Heizelement (10,20) hineingepresst sind, am größten ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (1,2) mit einem elektrischen Heizelement (10,20), das zumindest abschnittsweise Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) mit einer Flachbandgeometrie aufweist, wobei die Wendeln (W1, W2,W3,W4,W10,W20) mit Flachbandgeometrie einen Innendurchmesser (D2), einen Außendurchmesser (D1) und einem Abstand (S) zwischen benachbarten Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) aufweisen und derart geformt sind, dass die flache Seite der Wendeln (W1,W2,W3,W4,W10,W20) mit Flachbandgeometrie parallel zur Wendelachse (Aw) verläuft, wobei das elektrische Heizelement (10,20) innerhalb des Rohrinnenraums eines rohrförmigen Metallmantels (13,23) angeordnet und von diesem mit einem elektrisch isolierenden Material (14,24) elektrisch isoliert ist mit den Schritten - Erzeugen des elektrischen Heizelements (10,20), - Anordnen des elektrischen Heizelements (10,20) im Innenraum des rohrförmigen Metallmantels (13,23), - Einbringen des elektrisch isolierenden Materials (14,24) in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels (13,23), und - Verdichten des elektrisch isolierenden Materials (14,24), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (14,24) ein Granulat aus Granulatkörnern (14.1,14.2) unterschiedlicher Größe mit Kanten und Vorsprüngen (14.3) oder ein Formteils ist, wobei das Granulat oder das Formteil in radialer Richtung mindestens so stark verdichtet wird, dass Abschnitte, insbesondere Kanten und Vorsprünge (14.3), von Granulatkörnern (14.1,14.2) oder bei der Verdichtung des Formteils entstehende Bestandteile des Formteils unter lokaler Verformung des elektrischen Heizelements (10,20) in mindestens eine Oberfläche ((W1.1,W1.2,W1.3,W1.4,W2.1,W2.2, W2.3,W2.4,W3.1,W3.2,W3.3,W3.4,W4.1,W4.2,W4.3,W4.4) mindestens einer Wendel (W1,W2,W3,W4,W10,W20) mit Flachbandgeometrie hineingepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des elektrisch isolierenden Materials (14,24) in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels (13,23) zumindest teilweise dadurch erfolgt, dass man die Granulatkörner (14.1,14.2) des Granulats unter Rütteln von einer Stirnseite her in den rohrförmigen Metallmantel (13,23) einrieseln lässt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (14,24) vor dem Verdichten eine Rütteldichte von weniger als 2,45 g/cm³ hat.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des elektrisch isolierenden Materials (14,24) als Formkörper in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels (13,23) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise ein mit einem Imprägniermittel, insbesondere einem Silikonharz versetztes Granulat als elektrisch isolierendes Material (14,24) in den Innenraums des rohrförmigen Metallmantels (13,23) eingebracht wird und dass ein Temperschritt durchgeführt wird, so dass dadurch Granulatkörner miteinander und/oder mit dem Innenleiter (10,20) und/oder mit dem rohrförmigen Metallmantel (13,23) verklebt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verdichten ein so hoher Druck angewendet wird, dass es zu einer plastischen Verformung des elektrischen Heizelements (10,20), insbesondere zu einer Querschnittsreduktion des elektrischen Heizelements (10,20) von einigen Prozent kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnesiumoxidgranulat mit einer Korngrößenverteilung, deren Maximum im Bereich zwischen 30pm und 300 µm liegt, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die FWHM-Breite der Korngrößenverteilung des Magnesiumoxidgranulats einen Bereich zwischen etwa 30µm und über 100pm überdeckt.