DE102021122254A1

DE102021122254A1 - Elektrisches Heizelement, damit hergestellte elektrische Heizvorrichtung, sowie jeweiliges Herstellverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102021122254A1
Application number: DE102021122254.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Mangold; Matthias Mangold; Christian Knab
Original assignee: Oberland Mangold GmbH
Current assignee: Oberland Mangold GmbH
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Um durch eine Matrix (20), vorzugsweise eine gewickelte Matrix (20), aus nebeneinander verlaufenden Strömungskanälen (3) hindurchgeführtes Fluid wie etwa eine Flüssigkeit oder ein Abgas eines Verbrennungsmotors schnell und gleichmäßig über den Querschnitt der Matrix (20) aufheizen zu können, wird erfindungsgemäß die in Stirnansicht z.B. runde Matrix (20) durch spiralige eingebrachte Trennfugen (T) in eine 2-armige Spirale mit 2 Spiralarmen (8, 9) zerteilt, die einen Stromleiter (2) mit großer Länge verglichen mit dem Durchmesser der Matrix (20) darstellt und eine gute Stromverteilung und gleichmäßige Aufheizung beim Hindurchführen von Strom nach dem Widerstands-Heizprinzip bewirkt.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung, insbesondere um Abgase von Verbrennungsmotoren aufzuheizen auf die Betriebstemperatur eines Katalysators, insbesondere eines SCR-Katalysators, der die Abgase von Schadstoffen reinigen soll, sowie ein Herstellerverfahren für eine solche Heizvorrichtung und deren Heizelement.
II. Technischer Hintergrund
Es ist bekannt, Rußpartikel aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mittels eines Oxidations-Katalysators zu entfernen durch Umwandlung in gasförmiges CO2, wofür neben einer ausreichenden Menge von NO2 eine ausreichend hohe Reaktionstemperatur von etwa mindestens 200 °C über einen ausreichend langen Einwirkungszeitraum vorliegen muss.
Es ist auch bekannt, NOX, also Stickstoffoxid-Verbindungen, aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, zu reduzieren durch Umwandlung in Stickstoff und Wasser, indem gasförmiges Ammoniak als Reduktionsmittel, in das Abgas zugegeben wird. Dies beeinträchtigt die Effizienz des Verbrennungsmotors nicht, sondern ermöglicht im Gegenteil einen noch verbrauchsoptimierteren Betrieb des Verbrennungsmotors, vor allem bei einem Dieselmotor.
Unter der Voraussetzung einer ausreichenden Reaktionstemperatur wird in einer Thermolyse zunächst eine flüssige Ammoniak-Vorläufer-Lösung, meist flüssiger Harnstoff in gasförmiges Ammoniak und Isocyansäure umgewandelt (NH₂)₂CO ---> NH₃ + HNCO und in einer anschließenden Hydrolyse NH₃ + H₂O ---> NH₃ + CO₂ weiteres Ammoniak sowie Kohlendioxid erzeugt. Anschließend findet die selektive katalytische Reduktion (= SCR) statt, nämlich

- entweder die Standard-Reduktion der Stick-Oxide bei einer Reaktionstemperatur von über 250 °C

4 NO +4 NH₃ + O₂ ---> 4 N₂+ 6 H₂O,

- oder/und die schnelle Reduktion der Stick-Oxide bei einer Reaktionstemperatur zwischen 170 °C und 300 °C

NO + NO₂ + 2 NH₃ ---> 2 N₂+ 3 H₂O.

Solche Reaktionstemperaturen liegen jedoch unmittelbar nach Starten des Verbrennungsmotors in einem solchen Katalysator noch nicht vor, sodass ohne Zusatzmaßnahmen eine gewünschte Abgasreinigung zu Beginn der Betriebszeit noch nicht erfolgt.
Während dies bei längeren durchgängigen Betriebszeiten des Verbrennungsmotors noch hinnehmbar ist, nimmt der Anteil dieser Anfangs-Betriebszeiten bei Hybridfahrzeugen, die häufig zwischen elektrischem Antrieb und Antrieb durch den Verbrennungsmotor wechseln, in Relation zur GesamtBetriebszeit des Verbrennungsmotors stark zu und ist nicht mehr hinnehmbar.
Deshalb ist es bereits bekannt, die Abgase vor Eintritt in den Katalysator oder den entsprechenden Katalysator selbst in solchen Anfangs-Betriebszeiten elektrisch aufzuheizen mittels einer elektrischen Widerstands-Heizung, beispielsweise indem ein ähnlicher, wabenförmiger Trägerkörper aus einer Metallfolien-Matrix, wie er als Trägerkörper für die katalytische Beschichtung eines Katalysators verwendet wird, in abgewandeltem Aufbau als elektrisches, Scheiben förmiges Heizelement verwendet wird, das querstehend in einem Abgasstrang eingebaut werden kann und von den Abgasen durchströmt wird und/oder gleichzeitig mittels Beschichtung auch als Katalysator wirkt.
Da der elektrische Widerstand und damit die Erwärmung mit zunehmender Länge des elektrischen Heizleiters steigt, ist eine relativ große Baulänge des elektrischen Heizleiters von Vorteil. Da auf der anderen Seite mit steigendem Leiterquerschnitt der elektrische Widerstand abnimmt, ist die Verwendung der sehr dünnen Metallfolien-Matrix als Heizleiter vorteilhaft.
Die bekannten Bauformen eines sogenannten Heizkatalysators, beispielsweise gemäß EP 2836687 B1 , sind jedoch aufwendig in der Herstellung sowie der Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung und insbesondere dessen Heizelement zur Verfügung zu stellen welches für die Verwendung in einem Abgas-Reinigungssystem geeignet ist, einfach und kostengünstig herzustellen sowie einfach an unterschiedliche Anwendungsfälle anpassbar ist, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren hierfür.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3, 26 und 29 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein bekanntes, insbesondere scheibenförmiges, elektrisches Heizelement umfasst eine Vielzahl von quer zu einer Hauptebene des Heizelementes verlaufende, beidseits stirnseitig offene Strömungskanäle, die für ein Fluid, insbesondere ein Gas, frei durchströmbar sind, also insbesondere in dessen Strömungsrichtung keine Sackgassen bilden. Dabei sind im Querschnitt des elektrischen Heizleiters quer zu seiner Verlaufsrichtung mehrere der Strömungskanäle nebeneinander vorhanden.
Die Strömungskanäle können die Kanäle eines Wabenkörpers sein, der aus einer Vielzahl von Schichten einer dreidimensional strukturierten Folie aus elektrisch leitendem Material, insbesondere einer Metallfolie, gebildet sein kann.
Das Heizelement besteht dabei aus entlang der Hauptebene mehreren nebeneinanderliegenden, gegeneinander elektrisch isolierten, Lagen eines Heizleiters aus elektrisch leitendem Material. Bei einer bekannten Bauform ist der Heizleiter in der Hauptebene S-förmig verschlungen und bildet dadurch eine Art zweiarmige Spirale.
Ein solch bekanntes Heizelement kann gemäß einem 1. Erfindungsaspekt so gestaltet sein, dass der Querschnitt des Heizleiters in Querrichtung zur Hauptebene des Heizelementes, insbesondere in Richtung der Lotrechten zur Hauptebene, ändert, indem der Querschnitt am einen Ende, beispielsweise an der einen Stirnfläche der Heizscheibe, eine größere Querschnitt-Breite besitzt als am anderen Ende, also der anderen Stirnfläche der Heizscheibe.
Da diese Querrichtung, insbesondere die Lotrechte, meist die Kanalrichtung der Strömungskanäle ist, nimmt in dieser Richtung der Querschnitt des Heizleiters ab und damit seine Temperatur zu.
Durch das Maß der Querschnittsveränderung in dieser Richtung kann somit der Temperaturgradient des Heizleiters und damit des gesamten Heizelementes in dieser Richtung eingestellt werden und damit die Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle erleichtert werden.
Damit steigt bei entsprechendem Einbau in Durchströmungsrichtung der Verbrennungsgase die Temperatur des Heizelementes, was eine effiziente Aufheizung erleichtert.
Vorzugsweise bleibt diese Querschnittsveränderung - zumindest qualitativ, vorzugsweise auch quantitativ - über den wesentlichen Teil der Länge des Heizleiters, also über mehr als 50 %, besser mehr als 70 % besser mehr als 80 %, besser mehr als 90 %, in seiner Erstreckungsrichtung die gleiche.
Ein wie oben beschriebenes, bekanntes Heizelement kann gemäß einem 2. Erfindungsaspekt so gestaltet sein, dass die Lagen des Heizleiters zueinander nicht nur elektrisch isoliert, sondern auch zueinander beanstandet sind.
Falls die Strömungskanäle in der Aufsicht auf die Hauptebene des Heizelementes im Heizelement und damit auch im Heizleiter in einem regelmäßigen Muster - z. B. wie in einem Matrix-Körper - angeordnet sind, lässt sich dieses regelmäßige Muster virtuell, also gedanklich, über die Abstände zwischen den Lagen des Heizleiters hinweg vervollständigen zu einem durchgehenden regelmäßigen Muster, wie dies beispielsweise beim Heraustrennen des Heizelementes aus einem regelmäßigen Muster wie etwa einem Matrix-Körper der Fall wäre.
Durch das Beibehalten des regelmäßigen Musters in den einzelnen Lagen des Heizleiters herrschen dort reproduzierbare und damit definierte elektrische Bedingungen - und zwar auch dann, wenn die Größe der Abstände zur Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle verändert wird -, was die Steuerung des Heizelementes hinsichtlich Temperatur sowie Temperaturgradienten in den einzelnen Raumrichtungen stark vereinfacht und auch die Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle.
Die beiden Erfindungsaspekte können auch kombiniert werden.
Die nachfolgenden Ausführungen betreffen optionale Ausgestaltungen, die auf beide Erfindungsaspekte anwendbar sind:

Durch die Anordnung des Heizleiters in mehreren Lagen - die Abschnitte des gesamten, durchgehenden Heizleiters bilden und insbesondere einseitig deshalb jeweils miteinander verbunden sind - entlang der Hauptebene des Heizelementes wird eine Länge des Heizleiters erreicht, die mindestens dem vierfachen, besser mindestens dem sechsfachen besser mindestens dem zehnfachen des größten Durchmessers des Heizelementes, insbesondere der Heizscheibe, entlang seiner Hauptebene beträgt oder dem Äquivalent-Durchmesser bei einem in der Aufsicht auf die Hauptebene unrunden Heizelement, wie es für ein effizientes schnelles Aufheizen von Vorteil ist.

Falls das regelmäßige Muster im vollständigen Zustand ein Zentrum umfasst, wie beispielsweise bei einer Spirale um ein Zentrum gewickelten Matrix, sollte das Heizelement, und insbesondere auch der Heizleiter, dieses Zentrum mit umfassen oder vorzugsweise sogar konzentrisch zu diesem Zentrum angeordnet sein, da hierdurch erreicht werden kann, dass in den einzelnen Lagen des Heizleiters, insbesondere, wenn diese spiralförmig verlaufen, in etwa jeweils gleiche innerer Aufbau vorliegt.
Der Heizleiter kann jedoch auch mäander-förmig oder S-förmig oder anders entlang der Hauptebene verlaufen.
Die einzelnen Lagen des Heizleiters können dabei in der Aufsicht auf die Hauptebene im Wesentlichen geradlinig oder auch gewellt oder zickzack-förmig verlaufen.
Vorzugsweise ist es deshalb ausreichend, wenn entlang der Hauptebene des Heizelementes, also an einer Axialposition entlang der Lotrechten zur Hauptebene, nur ein einziger Heizleiter vorhanden ist, was den Aufbau einer Heizvorrichtung hieraus stark vereinfacht, da bei einem einzigen Heizelement nur zwei elektrische Anschlusselemente, jeweils an einem der beiden Enden des einzigen Heizleiters, notwendig sind.
Der Heizleiter kann - betrachtet auf die Hauptebene des Heizelementes - entlang seiner Erstreckungsrichtung durchaus eine Variable Breite, also Querschnittsbreite, besitzen, wodurch die Temperaturentwicklung in Erstreckungsrichtung entlang des Heizleiters gesteuert werden kann.
Die Matrix, die die Strömungskanäle bildet, kann unterschiedlich gestaltet sein: Sie kann aus unterschiedlichen Strukturen hergestellt sein, beispielsweise aus Streckmaterial, insbesondere Streckmetall, aus einem Gewebe, einem Vlies, einem Schaum oder auch aus mehreren miteinander verbundenen Schichten aus Folien, insbesondere Metallfolien, zwischen denen die Kanäle ausgebildet sind, beispielsweise indem mindestens eine der Schichten eine dreidimensionale Strukturierung aufweist oder die Schichten auf andere Art und Weise auf Abstand zueinander gehalten und in Strömungskanäle dazwischen hergestellt werden.
Das verwendete Material muss jeweils elektrisch leitfähig sein, und die Bestandteile, beispielsweise bei einem Gewebe die einzelnen Fäden, müssen elektrisch leitend miteinander verbunden sein, ebenso die Folien bei einem geschichteten Matrixkörper.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist ein Matrix-Körper, bei dem abwechselnd eine dreidimensional strukturierte Folie und eine glatte Folie oder zumindest schwächer 3-dimensional strukturierte Folie abwechselnd aufeinanderfolgen. Vor allem wenn die stark strukturierte Folie eine Struktur aufweist, die nur in einer Verlaufsrichtung erstreckt, beispielsweise die stark strukturierte Folie eine gewählte Folie ist mit parallel zueinander verlaufenden Wellentälern und Wellenerhebungen, werden durch die an den Wellenerhebungen anliegenden glatten Folie oder schwächer strukturierte Folie nebeneinander vorzugsweise parallel liegende Strömungskanäle und damit ein regelmäßiges Muster an Strömungskanälen entlang der Hauptebene, etwa der Stirnfläche, des Heizelementes oder eines Rohlings, aus dem das Heizelement heraus getrennt wird, erzeugt.
Um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu erzeugen, sind nur einige seiner möglichst viele, insbesondere alle Kontaktstellen und Kontaktbereiche zwischen den Schichten, insbesondere Folien, einer solch geschichteten Matrix elektrisch leitend ausgebildet, insbesondere verlötet.
Bei 2 unterschiedlich verwendeten Folien, etwa eine stärker strukturierte und eine schwächer strukturierte, können die Dicken der beiden Folien relativ zueinander unterschiedlich sein und so gewählt werden, dass unter Berücksichtigung der jeweiligen elektrischen Leitfähigkeit des Materials der Folie und der unterschiedlichen Längen der wiege entlang der beiden Folien auf einer bestimmten Erstreckungslänge des Heizleiters quer zur Kanalrichtung dennoch der elektrische Widerstand der beiden Folien der gleiche ist. Dadurch erfolgt eine optimale Stromverteilung entlang des Heizleiters und damit auch des Heizelementes.
Unter einem gleichen elektrischen Widerstand wird vorzugsweise verstanden, dass der größere elektrische Widerstand einer der beiden Folien um nicht mehr als 20 %, besser nicht mehr als 10 %, besser nicht mehr als 5 % über dem kleineren elektrischen Widerstand der anderen Folie liegt.
Hinsichtlich der Verlaufsrichtung der Schichten aus beispielsweise Folien oder Gewebe oder Streckmetall zur Verlaufsrichtung des Heizleiters sollen diese Schichten entweder in Verlaufsrichtung des Heizleiters liegen oder in einem spitzen Winkel hierzu, und zwar mehrheitlich, d. h. mindestens 50 %, besser mindestens 70 % der Fläche dieser Schichten. Vorzugsweise ist der vorhandene spitze Winkel - der wie dargelegt auch Null sein kann - entlang der gesamten Erstreckungslänge des Heizleiters der gleiche mit +/-10 % Toleranz.
Die Matrix, die die Strömungskanäle bildet, insbesondere die Folien der Matrix, kann auch katalytisch beschichtet sein, wodurch das Heizelement gleichzeitig als Katalysator benutzt werden kann. Vorzugsweise sollte hierfür die katalytische Beschichtung ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.
Zur mechanischen Stabilisierung des Heizelementes können die Lagen des Heizleiters durch Abstandhalter zueinander auf Abstand gehalten werden, die dann natürlich elektrisch isolierend zwischen den Lagen wirken müssen.
Zum gleichen Zweck können im Heizleiters kraftschlüssig oder formschlüssig Positionierstifte befestigt sein, die dann ihrerseits in Position sowohl in axialer Richtung, also lotrecht zur Hauptebene des Heizelementes, als auch entlang der Hauptebene des Heizelementes gehalten werden können im Rahmen einer Heizvorrichtung. Allerdings wird hierdurch die elektrisch leitende Struktur des Heizleiters durch eine Unregelmäßigkeit verändert, was nachteilig sein kann.
Um den Temperaturübergang von der beheizten Matrix auf die hindurchstürmenden Gase zu verbessern, können die einzelnen Schichten der Matrix quer zur Hauptebene des Heizelementes, insbesondere in Kanalrichtung, verschieden lang sein. So können bei zwei unterschiedlich stark strukturierten Folien, die die Matrix bilden, eine davon länger sein als die andere, insbesondere die stärker strukturierte Schicht länger sein. Der Überstand einer längeren Schicht gegenüber einer kürzeren Schicht soll dabei vorzugsweise immer auf der gleichen Seite bezüglich der Hauptebene des Heizelementes liegen.
Um für Anwendungen im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors geeignet zu sein, sollte das Material des Heizelementes, insbesondere des Heizleiters, ein Hochtemperatur-festes Material einem Schmelzpunkt von mindestens 400 C, besser mindestens 600 C, besser mindestens 800 C, besser mindestens 1000 C, besser mindestens 1100 C, besser mindestens 1200 C sein.
Hinsichtlich einer elektrischen Heizvorrichtung, die ein elektrisches Heizelement umfasst, und zusätzlich an jedem Ende des elektrischen Heizelementes ein elektrisches Anschlusselement, wird die bestehende Aufgabe dadurch gelöst, dass dabei das elektrische Heizelement wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist.
Vorzugsweise wird das elektrische Anschlusselement mit dem jeweiligen Ende des Heizelementes, insbesondere des Heizleiters, verquer oder verlötet, um die innere Struktur des Heizleiters möglichst wenig zu zerstören.
Falls das Heizelement aus einem Rohling in Form einer Matrix mit umgebenden Mantelrohr herausgetrennt wurde, wobei die Matrix mit dem Mantelrohr elektrisch leitend verbunden war, wird vorzugsweise der an den Enden des Heizleiters, die ja in radialer Richtung außen liegen, befestigten Abschnitte des Mantelrohrs des belassen und als elektrische Anschlusselemente verwendet.
Dabei kann dieser Abschnitt des Mantelrohrs des in der Aufsicht auf die Außenseite in Umfangsrichtung eine sich ändernde Breite aufweisen, entsprechend dem gewünschten elektrischen Widerstand und der gewünschten Stromverteilung in dieser Richtung.
Ebenso könnte dieser Abschnitt in Umfangsrichtung aus dem gleichen Grund eine sich ändernde Dicke aufweisen, um auch hiermit die elektrischen Parameter des elektrischen Anschlusselementes einstellen zu können.
Vorzugsweise werden die elektrischen Anschlusselemente nur auf der radialen Außenseite des Heizelementes, insbesondere der Heizscheibe, am jeweiligen Ende des Heizleiters angeordnet, jedoch könnte ein elektrisches Anschlusselement bei einer regelmäßigen Struktur mit einem Zentrum auch in dessen Zentrum angeordnet werden, was die Stromzuführung jedoch wegen der herrschenden Umgebungstemperatur erschwert.
Sofern Abstandhalter oder Positionierstifte im Heizelement vorhanden sind, werden diese zueinander und/oder zu einem umgebenden Gehäuse der Heizvorrichtung mittels eines Tragwerk in Position gehalten, an dem sie befestigt sind. Vorzugsweise besteht das Tragwerk aus in der Aufsicht auf die Hauptebene des Heizelements möglichst schmalen Streben, insbesondere sternförmig angeordneten Streben, um den Strömungswiderstand, den die Heizvorrichtung bewirkt, möglichst gering zu halten.
Hinsichtlich eines Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizelements, soll dieses zunächst eine Vielzahl von quer zu seiner Hauptebene verlaufenden, beidseits stirnseitig offenen Strömungskanäle aufweisen, von denen im Querschnitt des elektrischen Heizleiters mehrere nebeneinander vorhanden sind und das Heizelement aus entlang der Hauptebene mehreren nebeneinanderliegenden, gegeneinander elektrisch isolierten Lagen eines Heizleiters aus elektrisch leitende Material bestehen oder insgesamt das Heizelement wie zuvor beschrieben ausgebildet sein.
Dann wird die bestehende Aufgabe dadurch gelöst, dass das Heizelement aus einer Matrix, die eine Vielzahl von nebeneinander verlaufenden, insbesondere regelmäßigen nebeneinander angeordneten, Strömungskanälen umfasst, herausgetrennt wird, insbesondere herausgeschnitten oder mittels eines anderen Trennverfahrens herausgetrennt wird.
Durch das Heraustrennen erfolgt auch das erzeugen der einzelnen zueinander beanstandeten Lagen des Heizleiters durch entsprechendes Positionieren der Trennfugen. Die Trennfugen erstrecken sich natürlich von der vorderen bis zur hinteren Stirnfläche der, meist scheibenförmigen, Matrix.
Dabei werden die Trennfugen so gelegt, dass der Heizleiter entlang der Hauptebene des Heizelementes mindestens viermal so lang, besser mindestens sechsmal so lang ist wie der größte Durchmesser des Heizelementes, insbesondere der Heizscheibe.
Die so erzeugten Lagen des Heizleiters werden anschließend möglichst nicht mehr entlang der Hauptebene des Heizelementes oder auch quer dazu verlagert oder gar verbogen, sondern ihn in ihrer ursprünglichen Lage belassen und möglichst fixiert, beispielsweise durch die erwähnten Positionierstifte und/oder Abstandshalter und deren Fixierung gegenüber einem beispielsweise Gehäuse der Heizvorrichtung.
Vorzugsweise kann beim Heraustrennen des Heizelementes aus der insbesondere regelmäßigen Matrix, dem Rohling, so vorgegangen werden, dass der Querschnitt des erzeugten Heizleiters sich in der lotrechten zur Hauptebene des Heizelementes, also beispielsweise in Kanalrichtung, ändert, also am einen Ende, der einen Stirnfläche der Heizscheibe, eine größere Querschnittsbreite besitzt als am anderen Ende, der anderen Stirnfläche der Heizscheibe.
Das Heraustrennen kann mittels Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Plasmaschneiden oder einem anderen geeigneten Schneidverfahren erfolgen, jedoch kommen auch andere Trennverfahren als die Schneidverfahren in Frage.
Hinsichtlich eines Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Heizvorrichtung, die ein, etwa wie zuvor beschriebenes, elektrisches Heizelement umfasst, wird die bestehende Aufgabe dadurch gelöst, dass die elektrischen Anschlusselemente an den Enden des Heizleiters mit diesem verklemmt, verschweißt oder verlötet werden jedoch vorzugsweise der Heizleiter nicht durchstochen oder durchbohrt wird sondern die Befestigung nur an den Außenflächen des Heizleiters durchgeführt wird.
Wenn die elektrische Heizvorrichtung aus einer Matrix mit einem umfänglich umgebenden Mantelrohr, gegen über dem sie fixiert ist insbesondere elektrisch leitend fixiert ist, herausgetrennt wird, so wird dabei auch das Mantelrohr ein oder mehrfach durchtrennt jedoch diejenigen Abschnitte des Mantelrohrs des im Anfangs- und Endbereich des aus der Matrix herausgetrennten Heizleiters an der Matrix und damit dem Heizleiter belassen und als elektrisches Anschlusselemente verwendet.
Ferner wird hierbei vorzugsweise das Mantelrohr stirnseitig betrachtet in einem spitzen Winkel zur Tangentialeinrichtung durchtrennt, sodass sich eine in Umfangsrichtung ändernde Dicke dieses Abschnittes des Mantelrohrs ergibt.
Die beiden Anschlusselemente, insbesondere Mantelrohr-Abschnitte und/oder positioniert Stifte und/oder Abstandshalter werden relativ zu einem Gehäuse der Heizvorrichtung fixiert, insbesondere mittels eines sich parallel zur Hauptebene verlaufenden Tragwerks aus möglichst dünnen Tragstreben.
Dabei muss dafür Sorge getragen werden, dass durch das Tragwerk kein elektrischer Kurzschluss zwischen verschiedenen Lagen des Heizelementes herbeigeführt wird. Vorzugsweise besteht das Tragwerk deshalb aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Hochtemperatur-festen Keramik-Material, wobei die Abstandhalter und/oder die Positionierstifte auch einschlägiger Bestandteil des Tragwerks sein können.
Ein wesentlicher Vorteil gemäß der Erfindung besteht darin, dass

- das Material des Heizelementes, insbesondere des Heizleiters und/oder
- die in der Aufsicht auf die Hauptebene betrachtete Form des Heizleiters und/oder
- die Umfangskontur des Heizelementes und/oder
- die Breite des Heizleiters entlang dessen Erstreckungsrichtung und/oder
- die quantitative und qualitative Veränderung der Querschnittsbreite des Heizleiters lotrecht zur Hauptebene des Heizelementes, insbesondere in Kanalrichtung und/oder
- bei Verwendung von Folien oder Streck Metall die Dicke der Folien und/oder
- bei Verwendung von Gewebe die Dicke der Fasern und/oder
- das Herstell-Verfahren so gewählt werden können, dass bei einer hinsichtlich Stromstärke und/oder Spannung vorgegebenen Bestromung des Heizelementes in seinem Betrieb
- in der Lotrechten zur Hauptebene ein vorgegebener Temperatur-Gradient und/oder absolute Temperaturen an definierten Stellen entlang der Hauptebene erreicht wird/werden und/oder
- in den Richtungen der Hauptebene, insbesondere in der radialen Richtung des Heizelementes, ein vorgegebener Temperatur-Gradient und/oder absolute Temperaturen an definierten Stellen entlang der Hauptebene erreicht wird/werden.

c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:

1a: einen gewickelten Wabenkörper,
1b: ein Heizelement, auf einer Seite ergänzt zu einer Heizvorrichtung,
2: eine Ausschnittvergrößerung eines Randbereiches der 1b, ergänzt um ein Gehäuse der Heizvorrichtung,
3a: einen Schnitt durch die Heizvorrichtung 50 entlang der Linie IIIa-IIIa in 1b,
3b: eine Seitenansicht der zu einer Heizvorrichtung ergänzten Heizscheibe 1,
4: ein Heizelement 1 erstellt aus einem geschichteten, in Kanalrichtung betrachtet rechteckigen, Wabenkörper.

1a zeigt in stirnseitiger Ansicht einen Rohling 22, aus dem das Heizelement 1 gemäß 1b kostengünstig hergestellt werden kann:

Die Stirn-Ansicht auf den scheibenförmigen Rohling 22 in 1a lässt erkennen, dass dieser aus einer spiralig gewickelten Matrix 20, dem sogenannten Wabenkörper, und einem umgebenden Mantelrohr 21 mit rundem Innen- und Außen-Querschnitt besteht.

Eine solche bekannte Matrix 20 kann hergestellt werden, indem eine gewellte streifenförmige Metallfolie 5.1 und eine darauf gelegte glatte streifenförmige Metallfolie 5.2 gemeinsam um ein Zentrum Z, dreidimensional eine Gerade in axialer Richtung 10, als Spirale mit einer Wickelrichtung 20', in diesem Fall in Uhrzeigerrichtung, gewickelt werden bis zu einer solchen Größe, dass die gewickelte Matrix 20 gerade in das Mantelrohr 21 passt, die das anschließende Auseinandergehen der spiraligen Wicklung verhindert.
Indem im gewellten Folienstreifen 5.1 die Wellentäler und Wellenberge in Richtung der Wickelachse 10 über die Breite des Folienstreifens hinweg vom einen Seitenrand zum anderen Seitenrand verlaufen, meist in Richtung der Wickelachse 1' der gewickelten Matrix 20, werden durch die aneinander liegenden beiden Folien 5.1, 5.2 in der gewickelten Matrix 20 von der einen Stirnseite zur anderen Stirnseite durchgehende, stirnseitig beidseits offene und damit frei durchströmbare Kanäle 3 erzeugt, deren Kanalrichtung 3' meist mit der Richtung der Wickelachse 10 und damit der Lotrechten zur Hauptebene 1" der scheibenförmigen Matrix oder zylindrischen Matrix 20 übereinstimmt.
Wie vor allem in 2 ersichtlich, wird hierdurch ein regelmäßiges Muster M aus Kanälen 3 über die Stirnseite der Matrix 20 hinweg erzeugt.
Solche Kanäle 3 könnten auch erzeugt werden, wenn die glatte Folie 5.2 weggelassen würde und nur die regelmäßig gewellte Folie 5.2 als einzige Schicht spiralig aufgewickelt werden würde, jedoch dann in einem wesentlich weniger regelmäßigen Muster und unterschiedlich großen Kanal-Querschnitten.
In der Regel sind die beiden Folien 5.1, 5.2 an den gegenseitigen Kontaktstellen auch gegeneinander fixiert, beispielsweise durch Verlöten, vorzugsweise auf in radialer Richtung allen durch diese nur zwei Folienstreifen 5.1, 5.2 gebildeten Schichten S1, S2 der gewickelten Matrix 20, und ebenso die äußerste Schicht S1 gegenüber dem Mantelrohr 21.
Das Ziel besteht darin, aus einem solchen Rohling 22 ein Heizelement 1 für eine elektrische Widerstandsheizung herzustellen, wobei die einander elektrisch kontraktierenden, elektrisch leitfähigen Folien 5.1, 5.2 den Heizleiter 2 des Heizelementes 1 bilden sollen, der jedoch zur Erzielung einer hohen Heizleistung wesentlich länger sein soll als beispielsweise der Durchmesser des Rohlings 22.
Zu diesem Zweck werden - bei stirnseitiger Betrachtung gemäß 1b - zwei Trennfugen T - hier schwarz gefärbt eingezeichnet - in den Rohling 22 eingebracht, beginnend beispielsweise am Außenumfang in einem geringen Winkel zur tangentialen Richtung, zunächst durch das Mantelrohr 21 hindurch und dann spiralig sich fortsetzend nach innen durch den Wickel 20, und zwar von zwei einander gegenüberliegenden Seiten des in diesem Fall kreisförmigen Querschnittes aus und mit gleicher Gestalt der beiden Trennfugen, die beispielsweise durch Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden hergestellt werden können.
Nahe des Zentrums Z enden diese beiden Trennfugen T wiederum auf vorzugsweise bzgl. des Zentrums Z einander gegenüberliegenden Seiten. Das so hergestellte Heizelement 1 besteht dann aus einem Heizleiter 2 in Form einer zweiarmigen Spirale, deren beiden Spiralarme 8, 9 im Zentrum Z miteinander verbunden sind und ineinander übergehen, also eine doppelte Spirale bilden, deren äußere Enden bzgl. des Zentrums Z etwa einander gegenüberliegen, wobei letzteres jedoch nicht Bedingung für die Verwirklichung der Erfindung ist, sondern sich nur dann ergibt, wenn die beiden eingebrachten Trennfugen T etwa identisch und um einen Drehwinkel von 180° bzgl. des Zentrums Z versetzt sind.
Der das Heizelement 1 bildende Heizleiter 2 erstreckt sich also von seinem einen Ende 2.1 auf der einen Seite des Umfanges spiralig nach innen entlang des einen Spiralarmes, z.B. 8 bis zum Zentrum Z und von dort entlang des zweiten Spiralarmes 9 wieder spiralig nach außen bis zu seinem anderen Ende 2.2 auf der gegenüberliegenden Seite des Umfanges und besitzt damit eine Länge die dem mehrfachen, etwa dem fünf- bis zehnfachen, des Durchmessers der Matrix 10 entspricht.
Da aus Stabilitätsgründen beim Einbringen der Trennfugen T die Matrix 20 meist nach wie vor vom Hüllrohr 21 umgeben ist, erfolgt - vor allem beim Einbringen von Trennschnitten in radialer Richtung - auch das Durchtrennen des Hüllrohres 21.
Vorzugsweise wird die - übereinstimmende - Wickelrichtung 8', 9' der beiden Spiralarme 8, 9 dabei so gewählt - was durch Lage und Form der Trennfugen T festgelegt wird - dass diese Wickelrichtung 8', 9' mit der Wickelrichtung 20' der Schichten S1 und S2 in der ursprünglichen Matrix 20 übereinstimmt in Umfangsrichtung, allerdings nicht hinsichtlich der Ausrichtung zur tangentialen Richtung:

Stattdessen ist - wie in 2 eingezeichnet - die Trennfuge T - die vorzugsweise entlang ihrer Länge immer gleich breit ist - und damit deren seitliche Ränder stärker zur tangentialen Richtung geneigt als die Verlaufsrichtung der beiden Folien 5.1, 5.2, sodass diese in einem spitzen Winkel α zueinander liegen.

2 zeigt auch, dass der Heizleiter 2, der durch die Trennfugen T in mehreren elektrisch durch den Abstand A voneinander getrennten Lagen 2a, 2b vorliegt, die jedoch einen gemeinsamen durchgehenden Heizleiter 2 ergeben, in Querrichtung entlang der Hauptebene 1" - die lotrecht zur Wickelachse 1' liegt und die meist größte Erstreckungsebene der Heizscheibe darstellt - mehrere Strömungskanäle 3 nebeneinander in radialer Richtung umfasst.
Durch den Winkel α kann der durch den Heizleiter 2 hindurchgeleitete Strom nicht entlang z.B. nur der glatten Folien 5.2 strömen, denn jede der Folien 5.1, 5.2 endet an einer der Trennfugen T und muss spätestens dort von diesem endenden Folienstreifen auf einen elektrisch damit verbundenen benachbarten Folienstreifen wechseln, was eine gute Stromverteilung in Querrichtung des Heizleiters 2 und damit dessen gleichmäßige Aufheizung bewirkt.
2 zeigt ferner, dass das innerhalb der einzelnen Lagen 2a, 2b des Heizleiters 2 vorhandene regelmäßige Muster M in Form von Kanälen 3 und diese begrenzenden Folienstreifen 5.1, 5.2 sich über die Trennfuge T hinweg virtuell fortsetzen und vervollständigen ließe, was der Tatsache geschuldet ist, dass das Heizelement 1 aus einer ursprünglich über die Stirnfläche durchgehenden regelmäßigen Muster in Form der gewickelten Matrix 20 erzeugt wurde.
Da 2 eine fertige Heizvorrichtung 50 zeigt, ist diese vorzugsweise umfänglich auch von einem Gehäuse 53 umgeben, an dem einerseits das Tragwerk 52 befestigt ist, und welches andererseits elektrisch isoliert gegenüber den elektrischen Anschlusselementen 51.1, 51.2 ist, obwohl diese Anschlusselemente das Gehäuse 53 durchaus durchlaufen können.
3a zeigt in einem radialen Schnitt entlang der Linie IIIa - IIIa der 1b, dass die Trennfugen T von der einen Stirnfläche zur anderen hin breiter werden können, wobei die Zunahme der Breite bei vielen Trennverfahren gesteuert werden kann.
Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 3a nur bei den äußersten beiden Lagen 2a, 2b des Heizleiters 2 die glatte Folie 5.2 und die gewellte Folie 5.1 eingezeichnet.
Durch die in axialer Richtung 10 breiter werdenden Trennfugen T nimmt - umgekehrt analog dazu - die Querschnittsbreite QB von einem Ende Q1 an der einen Stirnfläche zum anderen Ende Q2 an der anderen Stirnfläche des Querschnittes Q zu, was bei in Haupterstreckungsrichtung durch den Heizleiter 2 fließendem Strom bedeutet, dass dessen Querschnitt an dem Ende Q2 mit der geringeren Querschnittsbreite stärker erwärmt wird als am anderen Ende Q1.
Dies kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn durch die Kanäle 3 hindurchgeführtes Fluid wie etwa das Abgas eines Verbrennungsmotors aufgeheizt werden soll, indem man als Einströmseite die Seite mit dem weniger stark erwärmten Heizleiter 2, also die Seite mit der größeren Querschnittsbreite QB wählt.
Im rechten Bereich der 3a ist ferner die Möglichkeit eingezeichnet, die beiden Folienstreifen 5.1, 5.2, aus denen die ursprüngliche Matrix 20 gewickelt wurde, axial unterschiedlich breit zu wählen, aber an einer Stirnfläche, vorzugsweise der späteren Einströmseite des aufzuheizenden Fluids, an der gleichen Axialposition beginnen zu lassen.
Dadurch wird durch die auf der anderen Seite überstehende z.B. glatte Folie 5.2 die Fläche, an der ein Wärmeübergang von der Folie 5.2, also dem Heizleiter 2, auf das darüberströmende Fluid erfolgen kann, nochmals vergrößert, ohne den Strömungswiderstand wesentlich zu erhöhen.
Da der Heizleiter 2 an seinen bzgl. der Stirnfläche meist einander gegenüberliegenden Enden 2.1, 2.2 jeweils mit einem Anschlusselement 51.1, 51.2 zum Zuführen von Strom, insbesondere in alle Folienlagen seines Querschnittes Q hinein, ausgestattet werden muss, wird vorzugsweise die Trennfuge T auch durch das umgebende Mantelrohr 21 hindurch geführt und der an dem jeweiligen äußeren Ende 2.1, 2.2 des Heizleiters 2 anliegende und in der Regel mit diesem bereits elektrisch leitend verbundenene, insbesondere verlötete, Teil des Mantelrohres 21 belassen, da dieser nur noch mit einem z.B. von außen aufgeschweißten Gewindebolzen wie in 1b unten dargestellt oder einer anderen Befestigungsmöglichkeit zum Befestigen einer Stromzuführung versehen werden muss, um ein Anschlusselement 51.1, 51.2 zu schaffen.
Zusätzlich bietet dies die Möglichkeit, durch schräges - also bei stirnseitiger Ansicht nicht tangential und nicht radial, sondern in einem Winkel dazwischen - geführten Trennschnitt durch das Mantelrohr 21 hindurch dessen Dickenzunahme in Umfangsrichtung bei dem am Stromleiter 2 belassenen Stück zu steuern, und auch die in der Seitenansicht auf die Heizscheibe betrachtete Breite des Abschnitts 21.1 oder 21.2 des Mantelrohres 21 kann gesteuert werden beim Herstellen der Trennfuge.
Dadurch lässt sich die Stromdichte, in den einzelnen Bereichen des verbliebenen Mantelrohr-Abschnitt z.B. 21.1 in die Folienlagen des Heizleiters 2 hinein Festlegen und Steuern.
4 zeigt betrachtet in Kanal Richtung 3', also von der Stirnseite her, eine Lösung, wie aus einer geschichteten Matrix 20 - in der also gewellte Folie 5.1 und glatte Folie 5.2 in einzelnen Folienstücken jeweils ebener Form aufeinandergestapelt und in einem dann rechteckigen Hüllrohr 21 aufgenommen sind - ein Heizelement 1 hergestellt werden kann:

Dann können die Trennfugen T von den beiden Seitenflächen her, die sich jeweils an die Stirnfläche anschließen und in denen die Folienstücke enden, in die Matrix eingebracht werden, um einen dann entlang der Stirnfläche zickzack-förmig in Lagen 2a bis 2z hin- und her verlaufenden Stromleiter 2 zu erzeugen.

Dabei ist wieder der entsprechende Abschnitt 21.1, 21.2 des - in diesem Fall einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden - Mantelrohres 21 des ursprünglichen Rohlings am jeweiligen einen der beiden Enden des Stromleiters 2 aufgrund der dort bereits vorhandenen elektrisch leitenden Verbindung zu den Folien 5.1, 5.2 an diesem belassen und kann für die Herstellung eines Anschlusselementes 51.1, 51.2 benutzt werden.
Während im oberen Bereich der 4 als 1. Variante die Trennfugen T parallel zur Richtung der Ebenen, in denen die Metallfolien 5.1, 5.2 liegen, angeordnet dargestellt sind, sind sie im unteren Bereich als 2. Variante in einem spitzen Winkel α schräg hierzu angeordnet dargestellt, um wie zuvor beschrieben einen häufigen Wechsel des Stromflusses von einer Folie in eine benachbarte Schicht S1, S2 und Folie 5.1, 5.2 zu bewirken und damit eine gute Stromverteilung.
Bezugszeichenliste

1: Heizelement, Heizscheibe
1.1, 1.2: Ende
1': axiale Richtung, lotrechte Richtung
1": Hauptebene
2: Heizleiter, Stromleiter
2.1,2.2: Ende
2a, 2b: Lagen
2': Verlaufsrichtung
3: Strömungskanal
3': Kanalrichtung
4: Abstand
5, 5.1, 5.2: Folie
6: Abstandshalter
7: Positionierstift
8: Spiralarm
8': Spiral-Richtung
9: Spiralarm
9': Spiral-Richtung
10: Lotrechte
11, 12: Richtung
20: Matrix
20': Wickelrichtung
21: Mantelrohr
22: Rohling
50: Heizvorrichtung
51.1,51.2: Anschlusselement
52: Tragwerk
52a, b: Tragstrebe
53: Gehäuse
α: Winkel
A: Abstand
d: Dicke
S1,S2: Schicht
Q: Querschnitt
Q.1, Q.2: Ende Querschnitt
QB: Querschnittsbreite, Breite
M: Muster
T: Trennfuge
Z: Zentrum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2836687 B1 [0009]

Claims

Elektrisches Heizelement (1) mit - einer Vielzahl von quer zu einer Hauptebene (1") des Heizelementes (1) verlaufenden, beidseits stirnseitig offenen Strömungskanälen (3), die für ein Fluid, insbesondere ein Gas, frei durchströmbar sind, - wobei das Heizelement (1) aus in der Hauptebene (1") mehreren nebeneinanderliegenden, gegeneinander elektrisch isolierten, Lagen (2a, b) als Abschnitte eines durchgehenden Heizleiters (2), der somit einen Strompfad bilden kann, aus elektrisch leitendem Material besteht, - im Querschnitt (Q) des elektrischen Heizleiters (2) quer zu seiner Verlaufsrichtung (2') mehrere der Strömungskanäle (3) nebeneinander vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass - der Querschnitt (Q) des Heizleiters (2) sich in der Lotrechten (10) zur Hauptebene (1") des Heizelementes (1), insbesondere zu einer Kanalrichtung (3'), ändert, insbesondere in der Lotrechten (10) am einen Ende (Q.1) des Querschnitts (Q) eine größere Querschnittsbreite (QB) besitzt als am anderen Ende (Q.2).
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die qualitative Veränderung des Querschnitts (Q) des Heizleiters (2) in Kanalrichtung (3') über die Erstreckungsrichtung des Heizleiters (2), insbesondere über die gesamte Erstreckungsrichtung des Heizleiters (2), die gleiche ist.
Elektrisches Heizelement (1) mit - einer Vielzahl von quer zu einer Hauptebene (1") des Heizelementes (1) verlaufenden beidseits stirnseitig offenen Strömungskanälen (3), die für ein Fluid, insbesondere ein Gas, frei durchströmbar sind, - wobei das Heizelement (1) aus in der Hauptebene (1") mehreren nebeneinanderliegenden, gegeneinander elektrisch isolierten, Lagen (2a, 2b) als Abschnitte eines durchgehenden Heizleiters (2), der somit einen Strompfad bilden kann, aus elektrisch leitendem Material besteht, - im Querschnitt (Q) des elektrischen Heizleiters (2) quer zu seiner Verlaufsrichtung (2') mehrere der Strömungskanäle (3) nebeneinander vorhanden sind, - insbesondere einem Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lagen (2a, 2b) des Heizleiters (2) zueinander beabstandet sind, - die Strömungskanäle (3) im Heizelement (1) und damit im Heizleiter (2) in einem regelmäßigen Muster (M) angeordnet sind, welches sich über die Abstände (4) zwischen den Lagen (2a, 2b) des Heizleiters (2) hinweg virtuell vervollständigen lässt, - da insbesondere das Heizelement (1) ein Teil einer Matrix (20) mit einem solchen durchgehenden regelmäßigen Muster der, insbesondere parallel zueinander verlaufenden, Strömungskanäle (3) ist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lagen (2a, 2b) des Heizleiters (2) zueinander um mindestens 0.5 mm, besser mindestens 1 mm, besser mindestens 2 mm, besser mindestens 3 mm, besser mindestens 4 mm, besser mindestens 5 mm, beabstandet sind, - die Länge des Heizleiters (2) mindestens dem 4-fachen, besser mindestens dem 6-fachen, besser mindestens dem 10-fachen, des größten Durchmessers des Heizelementes (1) entlang seiner Hauptebene (1") oder des Äquivalent-Durchmessers bei unrunder Umfangskontur des Heizelementes (1) in seiner Hauptebene (1") beträgt, wobei der Äquivalent-Durchmesser die Wurzel aus der Querschnittsfläche dividiert durch 3,14 ist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem regelmäßigen Muster mit einem Zentrum (Z) - das Heizelement (1), insbesondere der Heizleiter (2), das Zentrum (Z) mit umfasst, - insbesondere konzentrisch um das Zentrum (Z) herum angeordnet ist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Hauptebene (1") des Heizelementes (1) nur ein Heizleiter (2) vorhanden ist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (2) in seiner Erstreckungsrichtung betrachtet auf die Hauptebene (1") des Heizelementes (1) eine variable Breite (QB) besitzt. (Aufbau der Matrix:)
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (20) besteht aus - einem, insbesondere offenporigen, Gewebe oder Vlies oder Schaum aus elektrisch leitfähigem Material und/oder - elektrisch leitfähigen Streckmetall (definieren) und/oder - mehreren in einer der Richtungen (11, 12) der Hauptebene (1") aufeinanderfolgenden Schichten (S1, S2) aus untereinander elektrisch kontaktierenden, insbesondere gegeneinander verlöteten, elektrisch leitfähigen Folien (5), die auch teilweise Durchbrüche aufweisen können, - insbesondere wenigstens eine der Schichten (S1, S2) aus einer dreidimensional, insbesondere stark, strukturierten Folie (5.1) besteht, deren dreidimensionale Strukturierung sich insbesondere quer zur Hauptebene (1") erstreckt und zusammen mit einer benachbarten Folie (5.2) die Strömungskanäle (3) bildet.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kontaktbereiche zwischen den Schichten (S1, S2), insbesondere Folien (5) elektrisch leitend ausgebildet sind, insbesondere verlötet sind.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die benachbarte Folie (5.2) eine glatte Folie (5.2) oder zumindest eine weniger stark strukturierte Folie (5.2) ist, - die beiden Folien (5.1, 5.2) relativ zueinander eine solche Dicke aufweisen, das unter Berücksichtigung der jeweiligen elektrischen Leitfähigkeit der Folie (5.1, 5.2) und des längeren Weges der stärker strukturierten Folie (5.1) als der schwächer strukturierten Folie (5.2) quer zur Kanalrichtung (3') der elektrische Widerstand der beiden Folien (5.1, 5.2) der gleiche ist, - zumindest der größere elektrische Widerstand um nicht mehr als 20 %, besser nicht mehr als 10%, besser nicht mehr als 5 % über dem kleineren elektrischen Widerstand liegt.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schichten (S1, S2) aus Folien (5) oder Gewebe oder Streckmetall mehrheitlich, in Verlaufsrichtung (2') des Heizleiters (2) liegen oder in einem spitzen Winkel hierzu, - mehrheitlich entlang des gesamten Heizleiters (2) im gleichen spitzen Winkel oder ohne Winkel hierzu, - insbesondere über mehr als 50 %, besser mehr als 70 %, besser mehr als 80 % der Querschnittsfläche des Heizelementes (1).
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (20), insbesondere die Folien (5) der Matrix (20), katalytisch beschichtet sind, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Material.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (2a, 2b) des Heizleiters (2) - durch elektrische isolierende Abstandshalter (6) zueinander auf Abstand (4) gehalten werden und/oder - durch in dem Heizleiter (2) kraftschlüssig oder formschlüssig befestigte Positionierstifte (7) in Position gehalten werden.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (2a, 2b) des Heizleiters (2) in der Aufsicht auf die Hauptebene (1") des Heizelementes (1) - mäanderförmig oder - spiralförmig oder - S-förmig angeordnet sind.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (2a, 2b) des Heizleiters (2) in der Aufsicht auf die Hauptebene (1") des Heizelementes (1) - im Wesentlichen geradlinig oder - gewellt oder - zickzackförmig verlaufen.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schichten (S1, S2) der Matrix (20) in Kanalrichtung (3') verschieden lang sind, - insbesondere die stärker strukturierte Schicht länger ist, - insbesondere die längere Schicht gegenüber der kürzeren Schicht den Überstand immer auf der gleichen Seite bezüglich der Hauptebene (1") des Heizelementes (1) besitzt.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelementes (1), insbesondere des Heizleiters (2), ein Hochtemperatur-festes Material mit einem Schmelzpunkt von mindestens 400 C, besser mindestens 600 C, besser mindestens 800 C, besser mindestens 1000 C, besser mindestens 1100 C, besser mindestens 1200°C ist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelementes (1), insbesondere des Heizleiters (2), ein Material ist, dessen spezifischer Widerstand sich mit steigender Temperatur nur geringfügig ändert, insbesondere über 100° C um weniger als 5%, besser um weniger als 1%, ändert.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass - der Querschnitt (Q) des Heizleiters (2) sich in einer Kanalrichtung (3') ändert, insbesondere in Kanalrichtung (3') am einen Ende eine größere Querschnittsbreite (QB) besitzt als am anderen Ende, - insbesondere die qualitative Veränderung in Kanalrichtung (3') des Querschnitts (Q) des Heizleiters (2) über die Erstreckungsrichtung des Heizleiters (2) immer die gleiche ist, - insbesondere über die gesamte Erstreckung in Erstreckungsrichtung des Heizleiters (2) die gleiche ist.
Elektrische Heizvorrichtung (50) mit - einem elektrischen Heizelement (1), - je einem elektrischen Anschlusselement (51, 52) an je einem der beiden Enden (1.1, 1.2) des Heizelementes (1), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Anschlusselement (51.1,51.2) mit dem jeweiligen Ende (1.1, 1.2) des Heizelementes (1) verquetscht oder verlötet ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Anschlusselement (51.1, 51.2) Teil eines die Matrix (20) ursprünglich umfänglich umgebenden Mantelrohres (21) ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass - das elektrische Anschlusselement (51.1,51.2)auf der radialen Außenseite des jeweiligen Endes (2.1, 2.2) des Heizleiters (2) angeordnet ist und - in der Aufsicht auf die Außenseite in Umfangsrichtung eine sich ändernde Breite aufweist und/oder - in Kanalrichtung (3') eine sich ändernde Dicke aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass - die Abstandshalter (6) in den Abständen (4) und/oder die Positionierstifte (7) im Heizleiter (2) auf mindestens einer der Stirnseiten des Heizelementes (1) an einem insbesondere parallel zur Hauptebene (1") des Heizelementes (1) verlaufenden Tragwerk (52), das insbesondere aus Tragstreben (52a, b) besteht, befestigt sind, - das Tragwerk (52) gegenüber dem Heizelement (1) elektrisch isoliert ist, falls es aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragwerk (52) im Kanalrichtung (3') betrachtet eine Sternform besitzt.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizelements (1), - einer Vielzahl von quer zu einer Hauptebene (1") des Heizelementes (1) verlaufenden, beidseits stirnseitig offenen Strömungskanälen (3), - wobei das Heizelement (1) aus in der Hauptebene (1") mehreren nebeneinanderliegenden, gegeneinander elektrisch isolierten, Lagen (2a, b) eines Heizleiters (2) aus elektrisch leitendem Material besteht, - im Querschnitt (Q) des elektrischen Heizleiters (2) quer zu seiner Verlaufsrichtung (2') mehrere der Strömungskanäle nebeneinander vorhanden sind, - insbesondere eines Heizelementes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19. dadurch gekennzeichnet, dass - das Heizelement (1) aus einer Matrix (20) mit einer Vielzahl von nebeneinander verlaufenden Strömungskanälen (3) herausgetrennt, insbesondere herausgeschnitten, wird durch Erzeugung einer Trennfuge (T), die von der einen zur anderen Stirnseite der Matrix (20) durchgeht und den Heizleiter (2) ergibt, - wobei in der Aufsicht auf die Hauptebene (1") die Trennfuge (T) so gelegt wird, dass der Heizleiter (2) entlang der Hauptebene (1") mindestens viermal so lang, besser mindestens sechsmal, besser mindestens zehnmal so lang wie der größte Durchmesser oder der Äquivalent-Durchmesser des Heizelementes (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (1) aus der Matrix (20) so herausgetrennt wird, dass der Querschnitt (Q) des Heizleiters (2) sich in der Lotrechten (10) zur Hauptebene (1"), insbesondere in Kanalrichtung (3') ändert, insbesondere in Kanalrichtung (3') am einen Ende (Q.1) eine größere Querschnittsbreite (QB) besitzt als am anderen Ende (Q.2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (1) mittels Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Plasmaschneiden oder Stanzen oder Nippeln herausgetrennt wird.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Heizvorrichtung (50), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlusselemente (51.1, 51.2) an den Enden des Heizelementes (1), insbesondere des Heizleiters (2), verklemmt, verschweißt oder verlötet werden.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizvorrichtung (50) aus einer Matrix (20) mit einem umfänglich umgebenden Mantelrohr (21), gegenüber dem sie fixiert, insbesondere verlötet ist, herausgetrennt, insbesondere herausgeschnitten wird unter Durchtrennung des Mantelrohres (21) und Beibehaltung nur derjenigen Teilstücke des Mantelrohrs (21) des im Anfangs- und Endbereich des aus der Matrix (20) heraus getrennten Heizleiters (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche 29 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (21) in einem spitzen Winkel zur tangentialen Richtung durchtrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass - die beiden Anschlusselemente (51.1,51.2), insbesondere belassenen Mantelrohr-Stücke, quer zur Kanalrichtung (3'), also über den Querschnitt (Q) des Heizelementes (1) hinweg, mittels eines Tragwerkes (52) gegeneinander fixiert werden, und/oder - Positionierstifte (7) im Heizleiter (2) und/oder Abstandshalter (6) in den Abständen (4) zwischen den Lagen (2a, 2b) des Heizleiters (2) jeweils oder gemeinsam über ein Tragwerk (52) gegeneinander fixiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass - das Material des Heizelementes (1), insbesondere des Heizleiters (2) und/oder - die in der Aufsicht auf die Hauptebene (1") betrachtete Form des Heizleiters (2) und/oder - die Umfangskontur des Heizelementes (1) und/oder - die Breite des Heizleiters (2) entlang dessen Erstreckungsrichtung und/oder - die quantitative und qualitative Veränderung der Querschnittsbreite (QB) des Heizleiters (2) lotrecht (10) zur Hauptebene (1") des Heizelementes (1), insbesondere in Kanalrichtung (3') und/oder - bei Verwendung von Folien (5) oder Streckmetall die Dicke der Folien (5) und/oder - bei Verwendung von Gewebe die Dicke der Fasern und/oder - das Herstell-Verfahren so gewählt werden, dass bei einer hinsichtlich Stromstärke und/oder Spannung vorgegebenen Bestromung des Heizelementes (1) - in der Lotrechten (10) zur Hauptebene (1") ein vorgegebener Temperatur-Gradient und/oder absolute Temperaturen an vorgegebenen Positionen in der lotrechten Richtung (1') erreicht wird/werden und/oder - in den Richtungen der Hauptebene (1"), insbesondere in der radialen Richtung des Heizelementes (1), ein vorgegebener Temperatur-Gradient und/oder absolute Temperaturen an vorgegebenen radialen Positionen erreicht wird/werden.