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Die
Erfindung betrifft einen Heizwiderstand bestehend aus einem Wickelkörper, welcher
mit einem mit von außen
zugänglichen
Anschlussdrähten versehenen
Heizleiter umwickelt ist, wobei der Heizleiter zusammen mit dem
Wickelkörper
in einem Mantelrohr angeordnet und in einer Isolierstoffmasse eingebettet
ist und wobei der derart ausgebildete Heizwiderstand in einem Kühlkörper angeordnet
ist und mit diesem flächig
in thermischem Kontakt steht.
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Heizwiderstände der
gattungsgemäßen Art sind
schon seit langem bekannt und werden in der Regel zum Aufheizen
in verschiedenen Vorrichtungen eingesetzt. Andererseits kann man
solche Heizwiderstände
auch als Bremswiderstand für
Elektromotoren einsetzen. Dies bedingt allerdings, dass eine äußerst hohe
Wärmeabfuhr
gewährleistet
werden muss. Eine solche Wärmeabfuhr
kann auch in äußerst kurzen
Zeit räumen
notwendig sein. Die Drehzahl solcher Elektromotoren wird insbesondere bei
Spezialantrieben mit Frequenzumformern geregelt. Häufig besteht
dabei die Notwendigkeit, derart eingesetzte Elektromotoren von einer
hohen Arbeitsdrehzahl in kürzester
Zeit bis zum Stillstand abzubremsen. Dazu werden solche Elektromotoren
vom normalen Motorbetrieb auf Generatorbetrieb umgeschaltet und
damit abgebremst. Die dabei entstehende elektrische Energie muss
so schnell wie möglich abgeführt werden,
was durch die Umwandlung dieser elektrischen Energie in Wärme mittels
eines Heizwiderstandes erfolgen könnte.
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Dabei
hat sich nun gezeigt, dass zur möglichst
schnellen Wärmeabfuhr
solcher Heizwiderstände,
welche auch als Bremswiderstände
bezeichnet werden, Kühlkörper mit
großer
Oberfläche
vorzusehen sind, um die Wärme
möglichst
rasch abführen
zu können.
Dabei wird in der Regel ein metallisches Material verwendet und
der Heizwiderstand im Sinne eines Bremswiderstandes in eine Bohrung
o. dgl. des Kühlkörpers eingesetzt.
Da in der Regel solche Bremswiderstände ein Stahlgehäuse aufweisen
und bei schneller Abbremsung eines Elektromotors eine äußerst hohe
Aufheizung erfolgt, besteht die Gefahr, dass sich solche Bremswiderstände wieder
aus der entsprechenden Aufnahmebohrung des Kühlkörpers heraus "arbeiten", so dass sie von
Zeit zu Zeit wieder, sofern dies überhaupt möglich ist, neu einzusetzen sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizwiderstand mit einem
Kühlkörper derart auszugestalten,
dass dieser als Bremswiderstand einsetzbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das Mantelrohr und der Kühlkörper aus Werkstoffen
mit demselben thermischen Ausdehnungskoeffizient bestehen.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird
ein "Wandern" oder "Herausarbeiten" des Heizwiderstandes
aus seiner Aufnahme im Kühlkörper sicher
verhindert. Hierzu ist vorgesehen, dass das Mantelrohr, also das
Gehäuse,
des Heizwiderstandes aus einem Material besteht, welches denselben thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material, aus welchem
der Kühlkörper besteht. Insbesondere
bei raschem Aufheizen und raschem Abkühlen wird somit sicher verhindert,
dass sich das Mantelrohr zeitlich unterschiedlich zur Aufnahmebohrung
bzw. zum Kühlkörper dehnt.
Insoweit entsteht dabei keinerlei Relativbewegung zwischen dem Mantelrohr
des Heizwiderstandes und der Bohrung des Kühlkörpers, so dass das Mantelrohr
und somit der gesamte Heizwiderstand stets sicher in seiner Sollposition
im Kühlkörper verbleibt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen entnehmbar.
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So
kann gemäß Anspruch
2 vorgesehen sein, dass es sich bei dem Werkstoff um eine Aluminiumlegierung
handelt und, dass das Mantelrohr und der Kühlkörper aus denselben oder verschiedenen Aluminiumlegierungen
bestehen. Diese Ausgestaltung hat eine äußerst hohen Wärmefluss
zum Abführen
der erzeugten Wärme
zur folge, so dass die bei starkem Abbremsen eines Elektromotors
erzeugte elektrische Energie äußerst schnell
durch den Heizwiderstand in Wärmenergie
umgewandelt werden und auch entsprechend schnell abgeführt werden kann.
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Weiter
kann gemäß Anspruch
3 vorgesehen sein, dass der Abstand des Mantelrohres zum Heizleiter
derart groß gewählt ist,
dass der Heizwiderstand eine Hochspannungsfestigkeit von wenigstens 2.500
V AC bzw. 3.500 V DC aufweist. Auch diese Ausgestaltung trägt maßgeblich
dazu bei, dass hohe elektrische Energiemengen in kurzen Zeiträumen in Wärmenergie
umgewandelt werden können.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß Anspruch
4 lassen sich kleine Bauformen von Heizwiderständen erreichen. Dazu ist vorgesehen,
dass zu Erhöhung der
Hochspannungsfestigkeit der Heizleiter zusätzlich mit einem rohrförmigen Isolierkörper umgeben ist,
welcher insbesondere aus Mikanit oder einem Keramikwerkstoff besteht.
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Weiter
kann gemäß Anspruch
5 auch der Wickelkörper
aus Mikanat bestehen.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß Anspruch
6 wird die benötigte
Wärmeabfuhr
verbessert. Dazu ist vorgesehen, dass der Kühlkörper aus eloxiertem Aluminium
besteht.
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Weiter
kann gemäß Anspruch
7 die Isolierstoffmasse verdichtet sein, so dass der Heizleiter
fest eingebettet ist.
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Gemäß Anspruch
8 können
die Anschlussdrähte
aus dem Mantelrohr stirnseitig herausgeführt sein, wobei hier das Herausführen nur
auf einer Stirnseite erfolgen soll. Damit wird die Verdrahtung erheblich
vereinfacht.
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Weiter
kann die Isolierstoffmasse aus einem Metalloxid, insbesondere MgO
oder SiO2 oder Quarzsand bestehen, wie dies
in Anspruch 9 beansprucht ist.
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Die
Ausgestaltung nach Anspruch 10 ermöglich eine äußerst einfache Herstellung
der Gesamtanordnung aus Heizwiderstand und Kühlkörper. Danach kann vorgesehen
sein, dass der Kühlkörper eine
Durchgangsbohrung aufweist, in welcher der Heizwiderstand mit seinem
Mantelrohr feststehend eingepresst ist.
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Auch
kann gemäß Anspruch
11 der Kühlkörper mehrteilig
ausgebildet sein und wenigstens zwei Gehäuseteile bilden, wobei die
Gehäuseteile
zur feststehenden Aufnahme des Heizwiderstandes mit seinem Mantelrohr
miteinander verpresst oder verschraubt sind.
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Durch
die beliebige Querschnittsform des Mantelrohr gemäß Anspruch
12, ist eine Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen möglich. Vorzugsweise
kann dabei die Querschnittsform kreisringförmig oder rechteckförmig ausgebildet
sein.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß Anspruch 13
wird die Betriebssicherheit erhöht.
Danach kann vorgesehen sein, dass auf dem Heizwiderstand eine Temperatursicherung
montiert ist.
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Um
einen einfachen "Pressverband" zwischen dem Heizwiderstand
und dem Kühlkörper zu erreichen
kann gemäß Anspruch 14
vorgesehen sein, dass der Heizwiderstand in den Kühlkörper eingeschrumpft
ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei
sind die dargestellten Ausführungsformen
nur als Beispiel zu sehen und stellen keine Beschränkung des
Erfindungsgegenstandes dar. Es zeigt:
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1 eine
Draufsicht I aus 2 auf einen mit einem Heizwiderstand
bestückten
Kühlkörper;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung II-II des Heizwiderstandes und des
Kühlkörpers aus 1;
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3 den
Heizwiderstand und den Kühlkörper aus
den
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1 und 2 in
perspektivischer Explosionsdarstellung;
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4 den
Heizwiderstand und den Kühlkörper aus 3 in
montiertem Zustand in perspektivischer Darstellung;
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5 eine
zweite Ausführungsvariante
eines mit rechteckigem Querschnitt ausgebildeten Heizwiderstandes
mit dem zugehörigen
Kühlkörper in
perspektivischer Explosionsdarstellung;
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6 die
Ausführungsvariante
gemäß 5 in
montiertem Zustand;
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7 eine
weitere Ausführungsvariante
eines Heizwiderstandes mit kreisrundem Querschnitt und dem zugehörigen Kühlkörper in
perspektivischer Explosionsdarstellung;
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8 die
Ausführungsvariante
gemäß 7 in
montiertem Zustand;
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9 eine
Ausführungsvariante
eines Heizwiderstandes mit kreisrundem Querschnitt und einem zugehörigen Kühlkörper mit
einer Aufnahmebohrung, in welche das Heizelement einpressbar ist in
perspektivischer Explosionsdarstellung;
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10 die
Ausführungsvariante
gemäß 9 in
montiertem Zustand;
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11 eine
weitere Ausführungsvariante
mit einem Heizwiderstand mit kreisrundem Querschnitt sowie einen
zweiteiligen, verschraubbaren Kühlkörper in
perspektivischer Explosionsdarstellung;
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12 die
Ausführungsvariante
gemäß 11 in
zusammengebautem Zustand.
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In
den 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsvariante
eines Heizwiderstandes 1 dargestellt, welcher in einem
Kühlkörper 2 einsetzbar
ist bzw. eingesetzt ist. Dieser Kühlkörper 2 besteht beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einem oberen Gehäuseteil 3 und
einem unteren Gehäuseteil 4,
welche jeweils zur Aufnahme des Heizwiderstandes 1 eine
mittig angeordnete, sich über
die komplette Länge
des Kühlkörpers 2 erstreckende,
etwa halbzylindrisch ausgebildete Aufnahmenut 5 bzw. 6 aufweisen. Diesen
Aufnahmenuten 5 und 6 seitlich benachbart weist
jedes der Gehäuseteile 3 und 4 weitere
Kühlnuten 7, 8 bzw. 9, 10 auf,
welche im montierten Zustand einen sich über die gesamte Länge des
Kühlkörpers 2 erstreckenden
Kühlkanal
bilden.
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Diese
Kühlnuten 7, 8 bzw. 9 und 10 werden seitlich
jeweils durch eine Begrenzungswand 11, 12 bzw. 13, 14 begrenzt.
Die Begrenzungswände 11 und 12 des
oberen Gehäuseteils 3 weisen
jeweils eine zum unteren Gehäuseteil 4 hin
vorstehende Einpressfeder 15 bzw. 16 auf, welche
zur feststehenden Montage des oberen Gehäuseteils 3 am unteren
Gehäuseteil 4 in
entsprechende Einpressnuten 17 bzw. 18 der jeweils
zugeordneten Begrenzungswand 13 bzw. 14 eingreifen.
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Des
Weiteren ist insbesondere aus 2 erkennbar,
dass das Heizelement 1 ein äußeres Mantelrohr 19 aufweist,
welches stirnseitig mit einem Verschlussstopfen 20 sowie
einem Bodenelement 21 verschlossen ist. Der Verschlussstopfen 20 ist
beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
mit zwei Durchgangsbohrungen 22 und 23 versehen,
durch welche hindurch zwei Anschlussdrähte 24 und 25 stirnseitig aus
dem Heizwiderstand 1 herausgeführt sind.
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Diese
Anschlussdrähte 24 und 25 stehen
mit einem inneren Heizleiter 26 in elektrischem Kontakt. Dieser
Heizleiter 26 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
auf einen Wickelkörper 27 aufgewickelt,
wobei dieser für
den Anschluss der Anschlussdrähte 24 und 25 zwei
Durchgangsbohrungen 28 und 29 aufweist.
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Beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Wickelkörper 27 zusammen
mit dem Heizleiter 26 in einem Isolierstoff 30 eingebettet,
welcher nach dem Einbringen verdichtet ist. Als Isolierstoff kommen
hier Metalloxide, wie beispielsweise Siliziumoxid oder auch Magnesiumoxid
sowie auch Quarzsand in Frage. Dieser Isolierstoff 30 hat
die Aufgabe, dem Heizwiderstand 1 eine Hochspannungsfestigkeit
von wenigstens 3.500 Volt bei Gleichspannung und wenigstens 2.500
Volt bei Wechselspannung zu verleihen.
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Um
eine solche Hochspannungsfestigkeit sicherzustellen, ist zusätzlich der
Abstand des Heizleiters 26 insbesondere vom Mantelrohr 19 entsprechend
groß zu
wählen.
Dementsprechend sind jedoch aber auch die Abstände zwischen dem Verschlussstopfen 20 und
dem Bodenelement 21 und dem Heizleiter 26 in entsprechender
Größe zu wählen, so
dass bei den genannten Spannungen ein Spannungsüberschlag sicher ausgeschlossen
ist.
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Zusätzlich zu
dem zu wählenden
Abstand kann für
eine zusätzliche
elektrische Isolierung und Erhöhung
der Hochspannungsfestigkeit der Heizleiter noch in einem in 2 gestrichelt
dargestellten Rohrkörper 31 aus
Keramik vorgesehen sein. dieser Rohrkörper 31 kann aber
auch aus jedem anderen geeigneten Werkstoff, insbesondere auch aus
Mikanit bestehen.
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Weiter
ist aus 2 ersichtlich, dass der Heizwiderstand 1 mit
seinem Mantelrohr 19 in den Kühlkörper 2 bzw. dessen
oberen Gehäuseteil 3 feststehend
eingesetzt ist. Wesentlich bei der Ausbildung des Heizwiderstandes 1 und
dem Kühlkörper 2 bzw. dessen
beiden Gehäuseteilen 3 und 4 ist,
dass das Mantelrohr 19 des Heizwiderstandes 1 aus
einem Werkstoff besteht, welcher den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist wie das Material des Kühlkörpers 2.
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Durch
diese Ausgestaltung ist der Heizwiderstand 1 zusammen mit
dem Kühlkörper 2 insbesondere
als Bremswiderstand einsetzbar und kann äußerst schnell auftretende hohe
Temperaturschwankungen, wie diese beim starken Abbremsen eines Elektromotors
auftreten können,
aufnehmen und in Wärme
umwandeln.
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Dabei
ist die Erfindung nicht auf die in den 1 bis 4 dargestellte
Ausführungsform
beschränkt.
Die 5 bis 12 zeigen weitere mögliche Ausführungsvarianten
von Heizwiderständen
mit ihren Kühlkörpern. Allen
Ausführungsvarianten
gemeinsam ist, dass die Mantelrohre der Heizwiderstände und
die Kühlkörper aus
einem Werkstoff mit demselben thermischen Ausdehnungskoeffizient
bestehen. Dabei können
vorzugsweise Aluminiumlegierungen vorgesehen werden, da diese eine äußerst gute
Wärmeleitfähigkeit
besitzen. Auf Grund der gleichen Ausdehnungskoeffizienten der gewählten Werkstoffe
für das
Mantelrohr und den Kühlkörper ergeben
sich somit auch bei raschen und/oder hohen Temperaturänderungen
keinerlei Relativbewegungen des Mantelrohres zur Aufnahmebohrung
im Kühlkörper, so
dass der Heizwiderstand stet in seiner Sollposition im Kühlkörper verbleibt.
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So
zeigt 5 eine Ausführungsvariante
eines Heizwiderstandes 1/1, dessen Mantelrohr 19/1 einen
rechteckigen Grundquerschnitt mit abgerundeten Längskanten aufweist. Dementsprechend
bilden auch das obere Gehäuseteil 3/1 und
das untere Gehäuseteil 4/1 entsprechende
Rechtecknuten 35 bzw. 36, in welche der Heizwiderstand 1/1 mit
seinem rechteckigen Mantelrohr 19/1 einpressbar ist. Zur
Fixierung der beiden Gehäuseteile 3 und 4 ist
hier ebenfalls wiederum eine Nut-Federverbindung mit entsprechenden
Einpressfedern 15/1 und 16/1 in den Kantenbereichen
des oberen Gehäuseteiles 3/1 sowie
entsprechenden Einpressnuten 17/1 und 18/1 am
unteren Gehäuseteil 4/1 vorgesehen.
Aus 6 ist dabei eine perspektivische Darstellung der
montierten Bauteile dargestellt.
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Es
wird deutlich, dass auch beim Heizwiderstand 1/1 ein festsitzender
Halt in den beiden Gehäuseteilen 3/1 und 4/1 des
Kühlkörpers 2/1 durch
einfaches Einpressen bzw. Verpressen erreichbar ist. Auch bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
des Heizwiderstandes 1/1 sind die Anschlussdrähte 24 und 25 stirnseitig
nach außen
geführt.
Der innere Aufbau des Heizwiderstandes 1/1 entspricht da bei der
Ausführungsform
des Heizwiderstandes 1. Auch die Materialien sind hier
bezüglich
ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten identisch gewählt, was insbesondere
das Mantelrohr 19/1 sowie das Material des Kühlkörpers 2/1 betrifft.
An dieser Stelle sei nochmals erwähnt, dass auch hier vorzugsweise
Aluminium-Werkstoffe zum Einsatz kommen können, da diese für die Wärmeabfuhr
eine entsprechend hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen.
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In
den 7 und 8 ist wiederum ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei welchem der Heizwiderstand 1/2 wiederum
zylindrisch ausgebildet ist bzw. eine kreisrunde Querschnittsform
aufweist. In entsprechender Anpassung daran bildet der Kühlkörper 2/2 in
seinem oberen Gehäuseteil 3/2 eine
entsprechende Aufnahmenut 5/2, in welche der Heizwiderstand 1/2 mit
seinem äußeren Mantelrohr 19/2 in Richtung
des Pfeils 37 einpressbar ist. Dabei umschließt die Aufnahmenut 5/2 im
montierten Zustand das Mantelgehäuse 19/2 des
Heizwiderstandes 1/2 um mehr als 180°. Im Bereich der Unterseite
des Gehäuseteiles 3/2 ist
eine Pressleiste 38 als unteres Gehäuseteil vorgesehen, welche
eine zentrale, sich über
die gesamte Länge
erstreckende zylinderabschnittsförmige
Pressfläche 39 aufweist,
welche im montierten Zustand flächig
gegen das Mantelrohr 19/2 drückt und dementsprechend auch
für eine möglichst
optimale Wärmeabfuhr
dient. Diese Pressleiste 38 weist seitlich zwei zum oberen
Gehäuseteil 3/2 vorstehende
Montageleisten 40 und 41 auf, welche beim Zusammenpressen
der Pressleiste 38 und des oberen Gehäuseteils 3/2 unter
Deformierung in entsprechende Aufnahmenuten 42 im Randbereich der
Aufnahmenut 5/2 formschlüssig eingreifen.
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Wie
aus 8 ersichtlich ist, wird auch der Heizwiderstand 1/2 zwischen
dem oberen Gehäuseteil 3/2 und
dieser als unteres Gehäuseteil
dienenden Pressleiste 38 festsitzend aufgenommen. Auch
bei dieser Ausführungsform
sind die beiden Anschlussdrähte 24 und 25 stirnseitig
aus dem Heizwiderstand 1 herausgeführt. Auch hier ist der innere
Aufbau des Heizwiderstandes 1/2 im Wesentlichen identisch
mit der Ausführungsform
gemäß der Zeichnungsfiguren 1 bis 4.
Auch bei dieser Ausführungsform
besteht das Mantelgehäuse 19/2 sowie
der Kühlkörper 2/2 aus Materialien
mit identischem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so dass sowohl
das Mantelrohr 19/2 als auch der Kühlkörper 2/2 insbesondere
bei schnellem Aufheizen und schnellem Abkühlen stets die gleiche Wärmedehnung
aufweisen, so dass der Heizwiderstand 1/2 in seiner in 8 dargestellten, als Bremswiderstand
dienenden Funktionslage im Kühlkörper 2/2 (7)
bleibt.
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In
einer weiteren Variante gemäß der 9 und 10 kann
der Heizwiderstand 1/2 mit seinem Mantelrohr 19/2 auch
in eine allseits umlaufende Durchgangsbohrung 45 eines
Kühlkörpers 2/3 eingepresst
werden. Hier wird allerdings die Montage durch Erwärmen und
dabei gleichzeitiges Ausdehnen des Kühlkörpers 2/3 bzw. gleichzeitiges
Abkühlen
des Heizwiderstandes 1/2 durchgeführt, so dass hier ein "Querpressverband" erreicht wird. Den
montierten Zustand bei dieser Ausführungsvariante des Heizwiderstandes 1/2 und
des Kühlkörpers 2/3 zeigt 10.
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In
einer weiteren Variante kann der Kühlkörper 2/4, wie dies
aus 11 ersichtlich ist, auch mit einer verschraubbaren
Pressleiste 46 versehen sein. Auch bei dieser Ausführungsform
nach der 11 wird der Heizwiderstand 1/2, ähnlich wie
bei der Ausführungsvariante
gemäß der 7 und 8,
in Richtung des Pfeils 37 in eine entsprechende, im montierten
Zustand den Heizwiderstand 1/2 über 180° umlaufend aufnehmende Aufnahmenut 47 eingepresst.
Zur anschließenden
Fixierung des Heizwiderstandes 1/2 in dieser Aufnahmenut 47 wird
die Pressleiste 46 in eine entsprechende Aufnahmevertiefung 48 des
unteren Ge häuseteiles 4/4 eingesetzt und
festsitzend mittels mehrerer Montageschrauben 49 in dieser
gehalten.
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Im
montierten Zustand, wie dieser in 12 dargestellt
ist, des Heizwiderstandes 1/2 im Kühlkörper 2/4 wird der
Heizwiderstand 1/2 mit seinem äußeren Mantelrohr 19/2 ebenfalls
klemmend im Kühlkörper 2/4 gehalten.
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Aufgrund
der Materialwahl des Mantelrohres 19/2 und des Kühlkörpers 2/4,
deren Werkstoffe dieselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, wird auch hier ein "Herauswandern" des Heizwiderstandes 1/2 aus
dem Kühlkörper 2/4 auch bei
sich rasch ändernden
Temperaturen sicher vermieden.