DE202015104723U1 - Elektrische Heizpatrone mit Temperaturüberwachung und elektrische Heizung mit Temperaturüberwachung - Google Patents
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Abstract
Elektrische Heizpatrone (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) mit einem äußeren Metallmantel (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) und mit mindestens einem in einem Innenraum (140, 240, 340, 440, 540, 640, 740) des äußeren Metallmantels (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) angeordneten elektrischen Heizelement (120, 121, 220, 320, 420, 520, 620, 720), wobei im Innenraum (140, 240, 340, 440, 540, 640, 740) des äußeren Metallmantels (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) der elektrische Heizpatrone (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700) mindestens ein Mittel zur Temperaturüberwachung (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730) angeordnet ist, das galvanisch von dem elektrischen Heizelement (120, 121, 220, 320, 420, 520, 620, 720) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Temperaturüberwachung (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730) mindestens ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement (120, 121, 220, 320, 420, 520, 620, 720) vorhandener Draht oder ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement (120, 121, 220, 320, 420, 520, 620, 720) vorhandenes Rohr ist, wobei der Draht oder das Rohr aus einem kaltleitenden Material angefertigt ist, wobei der Betrag des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C für dieses kaltleitende Material größer als 800 ppm/K, insbesondere bevorzugt größer als 4000 ppm/K ist und wobei der Draht oder das Rohr unmittelbar in ein den verbleibenden Innenraum (140, 240, 340, 440, 540, 640, 740) des äußeren Metallmantels (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) füllendes, elektrisch nicht leitendes Füllmaterial eingebettet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizpatrone mit Temperaturüberwachung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1.
- Elektrische Heizpatronen sind eine vielseitig einsetzbare Gattung elektrischer Heizvorrichtungen, bei denen ein elektrisches Heizelement, das typischerweise als Heizdraht oder Widerstandsdraht ausgebildet ist, im Innenraum eines äußeren Mantels, wobei der Mantel oftmals, aber nicht zwingend, durch ein Rohr, insbesondere durch ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt, gebildet wird, angeordnet ist. Diese Gattung umfasst dabei neben Heizpatronen mit nur einem Metallmantel auch Hohlpatronen, die einen zweiten, inneren, oftmals ebenfalls rohrförmigen Metallmantel aufweisen.
- Bei vielen Anwendungen, bei denen derartige elektrische Heizpatronen zum Einsatz kommen, ist es wichtig, die Funktion der elektrischen Heizpatrone zu überwachen, wobei es oft auch auf ein Erreichen bzw. Halten einer Temperatur an einer oder mehreren Stellen der elektrischen Heizpatrone innerhalb eines vorgegebenen Temperaturfensters ankommt. Um dies zu ermöglichen ist es z.B. aus der
DE 20 2008 014 050 U1 bzw. derDE 20 2007 010 865 U1 bekannt, einen Temperatursensor oder Temperaturfühler bzw. ein integriertes Thermoelement im Inneren der elektrischen Heizpatrone anzuordnen, der bzw. das aber üblicherweise druckempfindlich ist, was bei einem Verpressen oder Verdichten der Heizpatrone zu berücksichtigen ist. Zudem wird auf diese Weise lediglich eine lokale Temperaturüberwachung an einer Stelle erreicht, so dass eine an einer anderen Stelle auftretende Temperaturabweichung erst dann nachgewiesen werden kann, wenn sie sich an der lokal überwachten Stelle auswirkt. - Elektrische Heizelemente mit einem temperaturabhängigen Widerstandsverhalten sind beispielsweise aus der
DE 203 21 257 U1 bekannt. - Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine elektrische Heizpatrone und eine elektrische Heizung mit einer solchen Heizpatrone bereitzustellen, bei der die oben genannten Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Heizpatronen mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 und eine elektrische Heizung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Eine erfindungsgemäße elektrische Heizpatrone hat, wie für Heizpatronen üblich, einen äußeren Metallmantel und mindestens einem in einem Innenraum des äußeren Metallmantels angeordneten elektrischen Heizelement. Ferner ist im Innenraum des Metallmantels der elektrischen Heizpatrone mindestens ein Mittel zur Temperaturüberwachung angeordnet, das galvanisch vom elektrischen Heizelement getrennt ist.
- Erfindungswesentlich ist, das Mittel zur Temperaturüberwachung mindestens ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement vorhandener Draht oder ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement vorhandenes Rohr ist, wobei der Draht oder das Rohr aus einem kaltleitenden Material angefertigt ist, wobei der Betrag des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C für dieses kaltleitende Material größer als 800 ppm/K, insbesondere bevorzugt größer als 4000 ppm/K, ist. Ferner ist erfindungsgemäß der Draht oder das Rohr unmittelbar in ein den verbleibenden Innenraum des äußeren Metallmantels füllendes, elektrisch nicht leitendes Füllmaterial eingebettet, das insbesondere als MgO-Pulver oder MgO-Granulat ausgeführt sein kann.
- In einer dazu alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass bei ansonstem gleichem Aufbau der als Mittel zur Temperaturüberwachung zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement vorhandener Draht oder das zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement vorhandenes Rohr aus einem heissleitenden Material angefertigt ist, wobei der Betrag des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C für dieses heissleitende Material größer als 250 ppm/K, insbesondere bevorzugt größer als 800 ppm/K und höchst bevorzugt größer als 4000 ppm/K, ist. Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist erfindungsgemäß der Draht oder das Rohr unmittelbar in ein den verbleibenden Innenraum des äußeren Metallmantels füllendes, elektrisch nicht leitendes Füllmaterial eingebettet, das insbesondere als MgO-Pulver oder MgO-Granulat ausgeführt sein kann.
- Die geringere Schwelle des notwendigen minimalen Betrags des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C für heissleitende Materialien ist darauf zurückzuführen, dass der Widerstand des elektrischen Heizelements in der Regel einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C aufweist.
- Man kann in beiden alternativen Formen der Erfindung beispielsweise den Widerstand des Drahts oder Rohrs oder Größen, die mit dem Widerstand korrelierbar sind, z.B. bei einer vorgegebenen Spannung fließende Ströme oder die Spannung, die zum Erreichen eines vorgegebenen Stroms notwendig ist, messen und einen Vergleich mit Richtwerten durchführen, um die Temperaturüberwachung zu realisieren. Dieser Vergleich erfolgt bevorzugt automatisiert in einer Steuer- und/oder Überwachungselektronik für die Heizpatrone, wobei dann bevorzugt auf Daten einer in einem Speicher dieser Steuer- und/oder Überwachungselektronik hinterlegte Widerstandskennlinie zurückgegriffen wird.
- Zusätzlich zu der größeren Robustheit gegenüber Druck, die eine Verdichtung der elektrischen Heizpatrone erlaubt, zeichnet sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mittels zur Temperaturüberwachung neben ihrer äußerst kostengünstigen Realisierbarkeit auch noch dadurch aus, dass die Heizpatrone nach dem Verdichten biegefähig weichgeglüht, und insbesondere auch unter Schutzgas, oxidierend oder spannungsarm geglüht werden kann, was beispielsweise bei der Verwendung bekannter PT-100 Temperatursensoren als Mittel zur Temperaturüberwachung nicht der Fall ist.
- Besonders bevorzugt ist, wenn der Draht oder das Rohr aus einem Material gefertigt sind, dessen Widerstand einen Temperaturkoeffizienten aufweist, dessen Betrag im Bereich zwischen 20°C und 105°C mindestens doppelt so hoch, insbesondere bevorzugt mindestens fünfmal so hoch ist wie der Betrag des Temperaturkoeffizienten des Widerstands der vorhandenen elektrischen Heizelemente im Bereich zwischen 20°C und 105°C. Dies führt dazu, dass auch bei etwaigen Widerstandstoleranzen in Folge der Verdichtung eine hinreichende Genauigkeit der Temperaturüberwachung gewährleistet werden kann.
- Realisiert man das Mittel zur Temperaturüberwachung auf diese Weise, erhält man ein im Gegensatz zu den meisten vorbekannten Mitteln zur Temperaturüberwachung, die eine lokale Temperaturmessung vornehmen, ein Mittel zur Temperaturüberwachung, bei dem die Umgebungstemperatur jedes einzelnen Abschnitts des Drahtes oder Rohrs aus kaltleitendem oder heißleitendem Material zum Ergebnis der Temperaturüberwachung beiträgt. Dies kann ein schnelleres Ansprechverhalten des Mittels zur Temperaturüberwachung mit sich bringen, da eine lokal auftretende Temperaturänderung aufgrund einer Fehlfunktion den nächstliegenden Abschnitt des Drahts oder Rohrs aus kaltleitendem oder heißleitendem Material relativ unmittelbar beeinflusst und somit nicht erst abgewartet werden muss, bis sich die Fehlfunktion an der mit einem Sensor oder Thermoelement lokal überwachten Stelle manifestiert.
- Zudem erhält man ein im Gegensatz zu der Verwendung der aus dem Stand der Technik bekannten Temperatursensoren, Temperaturfühler oder Thermoelemente gegen Druck weitestgehend unempfindliches Mittel zur Temperaturüberwachung, dessen Betriebsstrom bzw. Betriebsspannung so eingestellt sind, dass die Temperaturabhängigkeit dieses Widerstands die Heizleistung nur unwesentlich beeinflusst, während eine Optimierung der Verdichtung der elektrischen Heizpatrone ohne zusätzlichen Aufwand zum mechanischen Schutz des Mittels zur Temperaturüberwachung ermöglicht wird. Dementsprechend ist besonders bevorzugt, wenn die elektrische Heizpatrone zumindest abschnittsweise verdichtet oder verpresst ist, wobei in mindestens einem verdichteten oder verpressten Abschnitt zumindest ein Abschnitt des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Drahts oder Rohrs verläuft.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Temperaturüberwachung als Rohr aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material ausgestaltet ist und dass im Innenraum dieses Rohrs das elektrische Heizelement angeordnet ist, so dass Rohr und elektrisches Heizelement zusammen eine Rohrwendelpatrone bilden, deren Mantel das Mittel zur Temperaturüberwachung darstellt. Dies impliziert für als Heizdraht oder Widerstandsdraht ausgeführte elektrische Heizelemente, dass sie von dem das Mittel zur Temperaturüberwachung bildenden Rohr elektrisch isoliert sind, beispielsweise durch einen Isolierstofffüllung, die z.B. mit einem Pulver oder Granulat aus Magnesiumoxid realisiert werden kann.
- In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr gewendelt. Dies ermöglicht eine erste Weiterbildung der Erfindung, bei der der als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr gemeinsam mit mindestens einem Heizelement, aber galvanisch von diesem getrennt, auf einen gemeinsamen Wickelkörper gewickelt ist. Dadurch wird eine besonders einfache Herstellung einer elektrischen Heizpatrone mit Mittel zur Temperaturüberwachung ermöglicht.
- Alternativ oder zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Weiterbildung der Erfindung kann der als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr mit unterschiedlichen Wendelsteigungen gewendelt ausgeführt werden. Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, trägt bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Mittels zur Temperaturüberwachung die Umgebungstemperatur jedes einzelnen Abschnitts des Drahtes oder Rohrs aus kaltleitendem oder heißleitendem Material zum Ergebnis der Temperaturüberwachung bei. Bei einer geringen Wendelsteigung in einem gegebenen Bereich der elektrischen Heizpatrone wird in diesem Bereich eine Verlängerung des durch eine Veränderung der Temperatur in diesem Bereich beeinflussten Abschnitts des Drahtes oder Rohrs erreicht, was zu einer erhöhten Sensitivität des Mittels zur Temperaturüberwachung auf Temperaturveränderungen in diesem Bereich führt, während umgekehrt durch hohe Wendelsteigungen Bereiche mit geringer Sensitivität geschaffen werden können. Somit kann durch unterschiedliche Wendelsteigungen bei einem erfindungsgemäßen Mittel zur Temperaturüberwachung dessen Sensitivität in unterschiedlichen Abschnitten der elektrischen Heizpatrone variabel gestaltet und optimal an die Erfordernisse der Anwendung angepasst werden.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr in radialer Richtung innerhalb der Wendeln mindestens eines gewendelten elektrischen Heizelements angeordnet. An dieser Position können etwaige lokale Fehlfunktionen besonders gut nachgewiesen werden. In besonderem Maße ist dies der Fall, wenn das elektrische Heizelement auf einen Wickelkörper gewickelt ist und wenn der als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr zumindest abschnittsweise in einer Bohrung oder Öffnung des Wickelkörpers verläuft.
- Besonders bewährt hat es sich für alle Ausgestaltungen der Erfindung, in denen der als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr aus einem kaltleitenden Material gefertigt ist, wenn das Material des elektrischen Heizelements eine Chrom und Nickel enthaltende Legierung oder eine Kupfer und Nickel enthaltende Legierung ist und wenn das Material des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Rohrs ein reines Metall, insbesondere Nickel, Feinnickel oder Feinstnickel, ist. Wenn es mehrere solche Mittel zur Temperaturüberwachung gibt, können optional auch mehrere unterschiedliche reine Metalle verwendet werden.
- Die erfindungsgemäße elektrische Heizung umfasst eine elektrische Heizpatrone mit einem äußeren Metallmantel und mindestens einem in einem Innenraum des äußeren Metallmantels angeordneten elektrischen Heizelement, bei der im Innenraum des Metallmantels der elektrische Heizpatrone mindestens ein Mittel zur Temperaturüberwachung angeordnet ist, das galvanisch von dem elektrischen Heizelement getrennt ist, das als mindestens ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement vorhandener Draht oder ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement vorhandenes Rohr ausgeführt ist. Dabei sind der Draht oder das Rohr jeweils entweder aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material angefertigt, wobei der Betrag des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C für dieses heißleitende oder kaltleitende Material größer als 800 ppm/K, insbesondere bevorzugt größer als 4000 ppm/K ist, wenn es sich um ein kaltleitendes Material handelt und größer als 250 ppm/K, insbesondere bevorzugt größer als 800 ppm/K, insbesondere höchst bevorzugt größer als 4000 ppm/K ist, wenn es sich um ein heißleitendes Material handelt. Ferner ist der Draht oder das Rohr unmittelbar in ein den verbleibenden Innenraum des äußeren Metallmantelsfüllendes, elektrisch nicht leitendes Füllmaterial eingebettet.
- Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße elektrische Heizung eine Stromversorgung zur Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Rohrs und zur Zuordnung eines Temperaturwerts zu dem bestimmten Widerstand des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Rohrs auf.
- Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Rohrs und zur Zuordnung eines Temperaturwerts zu dem bestimmten Widerstand des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandenen Rohrs mit der Stromversorgung zur Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements in Signalkommunikation steht, so dass die Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements in Abhängigkeit von dem durch die Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands dem Widerstandswert zugeordneten Temperaturwerts veränderbar ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die exemplarische Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert. Es zeigt:
-
1a : eine erste elektrische Heizpatrone, -
1b : einen Schnitt durch die elektrische Heizpatrone aus1a in Richtung parallel zu ihrer Erstreckungsrichtung, -
2a : eine zweite elektrische Heizpatrone, -
2b : einen Schnitt durch die elektrische Heizpatrone aus2a in Richtung parallel zu ihrer Erstreckungsrichtung, -
3 : einen Schnitt durch eine dritte elektrische Heizpatrone in Richtung parallel zu ihrer Erstreckungsrichtung, -
4a : eine vierte elektrische Heizpatrone, -
4b : einen Schnitt durch die elektrische Heizpatrone aus4a in Richtung parallel zu ihrer Erstreckungsrichtung, -
5a : eine fünfte elektrische Heizpatrone, -
5b : einen Schnitt durch die elektrische Heizpatrone aus5a in Richtung parallel zu ihrer Erstreckungsrichtung, -
6a : eine sechste elektrische Heizpatrone, -
6b : eine Explosionsdarstellung der elektrischen Heizpatrone aus6a , -
6c : das elektrische Heizelement aus6a in abgerolltem Zustand, -
6d : einen Querschnitt durch die elektrische Heizpatrone aus6a in Richtung senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung, -
7a : einen Schnitt durch eine dritte elektrische Heizpatrone in Richtung parallel zu ihrer Erstreckungsrichtung, -
7b : eine erste Detailvergrößerung aus7a , -
7c : eine zweite Detailvergrößerung aus7a , und -
8 : eine elektrische Heizung. -
1a zeigt eine erste elektrische Heizpatrone100 mit einem in diesem Beispiel rohrförmigen Metallmantel110 mit ovalem Querschnitt, der jeweils stirnseitig durch Abschlussstücke111 ,112 verschlossen ist, die von jeweils drei Anschlussbolzen114 –119 durchsetzt werden. Wie die Schnittdarstellung gemäß1b zeigt, sind im Innenraum140 des Metallmantels110 zwei als gewendelte Heizdrähte realisierte elektrische Heizelemente120 ,121 , bevorzugt unter mechanischer Spannung, zwischen den Anschlussbolzen114 und115 bzw.118 und119 angeordnet, während zwischen den Anschlussbolzen116 und117 , bevorzugt unter mechanischer Spannung, ein Mittel zur Temperaturüberwachung130 in Form eines gewendelten Drahts aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material angeordnet ist, das zur Verdeutlichung, dass es sich nicht um ein drittes elektrisches Heizelement handelt und ein anderes Material den Draht bildet, dünner dargestellt ist als die elektrischen Heizelemente120 ,121 , was aber hier wie in allen anderen Figuren nicht als Hinweis auf einen notwendigen Unterschied im Hinblick auf die notwendige Dimensionierung, insbesondere im Hinblick auf den Querschnitt, verstanden werden soll. - Aus Gründen der Übersichtlichkeit in dieser wie auch in allen anderen Figuren nicht eingezeichnet ist das eigentlich jeweils den Innenraum
140 des jeweiligen Metallmantels110 ausfüllende, vorzugsweise verpresste Isoliermaterial, das z.B. aus MgO-Pulver oder -Granulat bestehen kann. -
2a zeigt eine zweite elektrische Heizpatrone200 mit einem in diesem Beispiel rohrförmigen Metallmantel210 mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken, der einseitig stirnseitig durch einen Boden211 verschlossen ist. Auf der anderen Stirnseite führen vier Anschlussbolzen214 –217 in den Innenraum240 des Metallmantels210 hinein. Wie die Schnittdarstellung gemäß2b zeigt, ist im Innenraum240 des Metallmantels210 ein als gewendelter Heizdraht realisiertes elektrisches Heizelement220 , das in etwa U-förmig durch den Innenraum240 des Metallmantels210 verläuft, zwischen den Anschlussbolzen214 und215 angeordnet, während zwischen den Anschlussbolzen216 und217 ein Mittel zur Temperaturüberwachung230 in Form eines gewendelten Drahts, aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material angeordnet ist, das zur Verdeutlichung, dass es sich nicht um ein zweites elektrisches Heizelement handelt und ein anderes Material den Draht bildet, dünner dargestellt ist als das elektrische Heizelement220 und ebenfalls in etwa U-förmig verläuft. - Im Gegensatz zur in den
1a und1b dargestellten beidseitig anzuschließenden elektrischen Heizpatrone100 handelt es sich bei der elektrischen Heizpatrone200 gemäß2a und2b also um eine einseitig anzuschließende Heizpatrone200 ; ferner unterscheiden sich die elektrischen Heizpatronen100 ,200 um Hinblick auf ihren Querschnitt. - Die in
3 in einer Schnittdarstellung gezeigte elektrische Heizpatrone300 mit rohrförmigem Metallmantel310 , Abschlussstücken311 ,312 , als gewendelter, bevorzugt selbsttragender Heizdraht realisiertem, im Innenraum340 des Metallmantels310 angeordnetem, elektrischen Heizelement320 , das zwischen Anschlussbolzen314 und315 angeordnet ist und im Innenraum340 des Metallmantels310 angeordnetem Mittel zur Temperaturüberwachung330 in Form eines gewendelten Drahts aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material, dessen Enden direkt aus dem rohrförmigen Metallmantel310 herausgeführt und somit nicht mit Anschlussbolzen versehen sind. Die Besonderheit der Ausführungsform gemäß3 liegt darin, dass das Mittel zur Temperaturüberwachung330 koaxial innerhalb der Wendeln des elektrischen Heizelements320 angeordnet ist, was eine sehr hohe Sensitivität und besonders schnelle Reaktion des Mittels zur Temperaturüberwachung330 auf ein lokales Versagen des elektrischen Heizelements320 ermöglicht. - Bei der in
4a und4b dargestellten vierten elektrischen Heizpatrone400 ist der rohrförmige Metallmantel410 zylinderförmig und mit einem einstückig angeformten Boden411 sowie einem Abschlussstück412 verschlossen. Das im Innenraum440 des rohrförmigen Metallmantels410 angeordnete, als gewendelter, auf einen Wickelkörper450 aufgewickelter Heizdraht realisierte elektrische Heizelement420 , ist mit seinen Enden420a ,420b durch das Abschlussstück412 hindurchgeführt. Ebenfalls durch das Abschlussstück412 hindurchgeführt ist sind die Enden430a ,430b des Mittels zur Temperaturüberwachung430 , das hier in Form eines U-förmigen, in einer Mittelebene des Wickelkörpers450 liegenden gewendelten Drahts aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material realisiert ist. - Bei der in
5a und5b dargestellten fünften elektrischen Heizpatrone500 ist der rohrförmige Metallmantel510 ebenfalls zylinderförmig und mit einem Boden511 sowie einem Abschlussstück512 verschlossen, wobei der Boden511 eine Vertiefung511a als Positionierhilfe für einen Wickelkörper550 aufweist. Wie bei der elektrischen Heizpatrone400 gemäß4a , b ist das im Innenraum540 des rohrförmigen Metallmantels510 angeordnete, als gewendelter, auf einen Wickelkörper550 aufgewickelter Heizdraht realisierte elektrische Heizelement520 mit seinen Enden520a ,520b durch das Abschlussstück512 hindurchgeführt. Ebenfalls durch das Abschlussstück512 hindurchgeführt ist sind die Enden530a ,530b des Mittels zur Temperaturüberwachung530 , das hier in Form eines U-förmigen, in einer Mittelebene des Wickelkörpers550 liegenden gewendelten Drahts aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material realisiert ist, wobei die die beiden Schenkel des U bildenden Abschnitte530c ,530d des Mittels zur Temperaturüberwachung530 durch Bohrungen im Wickelkörper geführt und somit radial innerhalb der Windungen oder Wendeln des auf den Wickelkörper550 aufgewickelten elektrischen Heizelements520 angeordnet. - Die
6a bis6d zeigen ein sechstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizpatrone100 . Wie man besonders gut in der Explosionsdarstellung der6b erkennt, weist die elektrische Heizpatrone600 ein elektrisches Heizelement620 auf, das zwischen einem äußeren Metallmantel610 und einem inneren Metallmantel660 angeordnet ist, die mittels einer in6a vom Betrachter abgewandten und daher nicht sichtbaren Bodenfläche661 miteinander verbunden sind. Wie in6a gut zu sehen ist, ist das elektrische Heizelement620 im Innenraum640 des äußeren Metallmantels610 zwischen einem äußeren Keramikformteil670 , das zugleich eine elektrische Isolierung zum äußeren Metallmantel610 gewährleistet, und einem mittleren Keramikformteil671 angeordnet und optional zusätzlich in einem nicht dargestellten elektrisch isolierendem Material, z.B. MgO-Granulat, eingebettet, das aber in den6a bis6c aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. - Zusätzlich ist zwischen dem mittleren Keramikformteil
671 und einem inneren Keramikformteil672 ein Mittel zur Temperaturüberwachung630 , das in Form eines Drahts aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material realisiert ist, wobei der Draht ebenfalls eine Raumkurve beschreibt, die durch Rollen einer mäanderförmigen Grundform erhalten werden kann. Bevorzugt ist dabei, wenn die Raumkurve, die das Mittel zur Temperaturüberwachung630 beschreibt, durch Skalieren in radialer Richtung in die Raumkurve, die das elektrische Heizelement620 beschreibt überführbar ist. Ferner ist bevorzugt, wenn eine Ausrichtung vorliegt, bei der einander entsprechende Punkte in gleicher Richtung gekrümmter Bögen628 ,629 bzw.638 ,639 der Mäanderstrukturen des Mittels zur Temperaturüberwachung630 bzw. des elektrischen Heizelements620 jeweils auf einem gemeinsamen Radius r liegen, wie es beispielhaft in6d gezeigt ist. Auf diese Weise ist jedem Abschnitt des elektrischen Heizelements620 unmittelbar ein Abschnitt des Mittels zur Temperaturüberwachung630 zugeordnet, was zu besonders sicherer Erkennung von Temperaturabweichungen führt. - Die in
6a für den Betrachter erkennbare Stirnfläche der elektrischen Heizpatrone600 ist in zusammengesetztem Zustand mit einem kreisringförmigen Deckel662 verschlossen. Der äußere Metallmantel610 und der innere Metallmantel660 sind jeweils als Zylinderrohr ausgeführt und konzentrisch zueinander angeordnet. Die Erstreckungsrichtung des äußeren Metallmantels610 bzw. des inneren Metallmantels660 ist somit durch die Zylinderachse vorgegeben. - Wie man in
6c , die das elektrische Heizelement620 in abgerolltem oder nicht gerolltem Zustand, also nicht in dem Zustand, in dem es eingebaut wird, zeigt, besonders gut erkennt, hat das elektrische Heizelement eine mäanderförmige Form mit Mäanderschlingen. An beiden Enden des elektrischen Heizelements620 ist jeweils ein Anschlussbolzen614 ,615 mit einer in6c nicht erkennbaren Bohrung, in die ein Endabschnitt des elektrischen Heizelements620 aufgenommen und elektrisch kontaktiert ist. - Bei der in den
7a bis7c dargestellten elektrischen Heizpatrone700 ist, wie besonders gut in der Detaildarstellung der7b zu erkennen ist, das elektrische Heizelement720 in Gestalt eines Heizdrahts zentral im Inneren eines als Rohr aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material realisierten Mittels zur Temperaturüberwachung730 angeordnet und mit Magnesiumoxidpulver735 von diesem elektrisch isoliert. Somit bilden elektrisches Heizelement720 und Mittel zur Temperaturüberwachung zusammen eine Rohrwendelpatrone, die abschnittsweise gewendelt im Innenraum740 eines becherförmigen äußeren Metallmantels710 angeordnet ist. Das diesen Innenraum füllende, die Wärmeleitung zum becherförmigen Metallmantel710 sicher stellende Füllung aus einem gut wärmeleitenden, bevorzugt elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere MgO-Pulver oder -Granulat ist aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden. Zur Kontaktierung des elektrischen Heizelements720 sind Kontaktplatten713 ,714 und Anschlussbolzen721 ,722 vorgesehen. Die Kontaktierung des Mittels zur Temperaturüberwachung730 erfolgt über Kontaktplatten715 ,716 und Anschlussdrähte717 ,718 , wie besonders gut in7c zu erkennen ist. - Die in
8 gezeigte elektrische Heizung1000 weist neben einer elektrischen Heizpatrone200 , wie sie bereits oben anhand der2a , b beschrieben wurde und die daher in8 mit denselben Bezugszeichen wie in2a , b gekennzeichnet wurde, eine Stromversorgung1010 zur Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements220 und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands1020 des als Mittel zur Temperaturüberwachung230 vorhandenen Drahts und zur Zuordnung eines Temperaturwerts zu dem bestimmten Widerstand des Mittels zur Temperaturüberwachung230 auf, die in diesem Beispiel beide in einer Steuerung1030 zusammengefasst sind. Dementsprechend sind durch elektrische Leitungen1011 ,1012 die Stromversorgung1010 und das elektrische Heizelement220 über die Anschlussbolzen214 ,215 miteinander verbunden, sowie durch elektrische Leitungen1021 ,1022 die Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands1020 und das Mittel zur Temperaturüberwachung230 über die Anschlussbolzen216 ,217 miteinander verbunden. - Zudem steht die Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands
1020 des Mittels zur Temperaturüberwachung230 über eine Signalleitung1023 in Signalkommunikation mit der Stromversorgung1010 , so dass die Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements220 in Abhängigkeit von dem durch die Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands1020 dem Widerstandswert zugeordneten Temperaturwerts veränderbar ist. - Bezugszeichenliste
-
- 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700
- elektrische Heizpatrone
- 110, 210, 310, 410, 510, 610,710
- äußerer Metallmantel
- 111, 112, 311, 312, 412, 512
- Abschlussstücke
- 114, 115, 116, 117, 118, 119, 214, 215, 216, 217, 314, 315, 721, 722
- Anschlussbolzen
- 120, 121, 220, 320, 420, 520, 620, 720
- elektrisches Heizelement
- 130, 230, 330, 430, 530, 630, 730
- Mittel zur Temperaturüberwachung
- 140, 240, 340, 440, 540, 640, 740
- Innenraum
- 211, 411, 511
- Boden
- 420a, 420b, 520a, 520b
- Ende
- 430a, 430b, 530a, 530b
- Ende
- 450, 550
- Wickelkörper
- 511a
- Vertiefung
- 530c, 530d
- Abschnitt
- 628, 629
- Bogen
- 638, 639
- Bogen
- 660
- innerer Metallmantel
- 661
- Bodenfläche
- 670
- äußeres Keramikformteil
- 671
- mittleres Keramikformteil
- 672
- inneres Keramikformteil
- 713, 714, 715, 716
- Kontaktplatte
- 717, 718
- Anschlussdraht
- 735
- Magnesiumoxidpulver
- 1000
- elektrische Heizung
- 1010
- Stromversorgung
- 1011, 1012, 1021, 1022
- elektrische Leitung
- 1020
- Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands
- 1023
- Signalleitung
- 1030
- Steuerung
- r
- Radius
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
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- DE 202007010865 U1 [0003]
- DE 20321257 U1 [0004]
Claims (13)
- Elektrische Heizpatrone (
100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) mit einem äußeren Metallmantel (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) und mit mindestens einem in einem Innenraum (140 ,240 ,340 ,440 ,540 ,640 ,740 ) des äußeren Metallmantels (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) angeordneten elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ), wobei im Innenraum (140 ,240 ,340 ,440 ,540 ,640 ,740 ) des äußeren Metallmantels (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) der elektrische Heizpatrone (100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) mindestens ein Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ,730 ) angeordnet ist, das galvanisch von dem elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ,730 ) mindestens ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) vorhandener Draht oder ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) vorhandenes Rohr ist, wobei der Draht oder das Rohr aus einem kaltleitenden Material angefertigt ist, wobei der Betrag des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C für dieses kaltleitende Material größer als 800 ppm/K, insbesondere bevorzugt größer als 4000 ppm/K ist und wobei der Draht oder das Rohr unmittelbar in ein den verbleibenden Innenraum (140 ,240 ,340 ,440 ,540 ,640 ,740 ) des äußeren Metallmantels (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) füllendes, elektrisch nicht leitendes Füllmaterial eingebettet ist. - Elektrische Heizpatrone (
100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) mit einem äußeren Metallmantel (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) und mit mindestens einem in einem Innenraum (140 ,240 ,340 ,440 ,540 ,640 ,740 ) des äußeren Metallmantels (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) angeordneten elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ), wobei im Innenraum (140 ,240 ,340 ,440 ,540 ,640 ,740 ) des äußeren Metallmantels (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) der elektrische Heizpatrone (100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) mindestens ein Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ,730 ) angeordnet ist, das galvanisch von dem elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ,730 ) mindestens ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) vorhandener Draht oder ein zusätzlich zu dem elektrischen Heizelement (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) vorhandenes Rohr ist, wobei der Draht oder das Rohr aus einem heißleitenden Material angefertigt ist, wobei der Betrag des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zwischen 20 und 105°C für dieses heißleitende Material größer als 250 ppm/K, insbesondere bevorzugt größer als 800 ppm/K, insbesondere höchst bevorzugt größer als 4000 ppm/K ist und wobei der Draht oder das Rohr unmittelbar in ein den verbleibenden Innenraum (140 ,240 ,340 ,440 ,540 ,640 ,740 ) des äußeren Metallmantels (110 ,210 ,310 ,410 ,510 ,610 ,710 ) füllendes, elektrisch nicht leitendes Füllmaterial eingebettet ist. - Elektrische Heizpatrone (
100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht oder das Rohr aus einem Material gefertigt sind, dessen Widerstand einen Temperaturkoeffizienten aufweist, dessen Betrag im Bereich zwischen 20°C und 105°C mindestens doppelt so hoch, insbesondere bevorzugt mindestens fünfmal so hoch ist, wie der Betrag des Temperaturkoeffizienten des Widerstands der vorhandenen elektrischen Heizelemente (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) im Bereich zwischen 20°C und 105°C. - Elektrische Heizpatrone (
100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizpatrone (100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) zumindest abschnittsweise verdichtet oder verpresst ist, wobei in mindestens einem verdichteten oder verpressten Abschnitt zumindest ein Abschnitt des als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ) vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandenen Rohrs verläuft. - Elektrische Heizpatrone (
700 ) nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) als Rohr aus einem kaltleitenden Material oder aus einem heißleitenden Material ausgestaltet ist und dass im Innenraum (740 ) dieses Rohrs das elektrische Heizelement (720 ) angeordnet ist, so dass das das Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) bildende Rohr und das elektrische Heizelement (720 ) zusammen eine Rohrwendelpatrone bilden. - Elektrische Heizpatrone (
100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,700 ) nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ) vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandene Rohr gewendelt ist. - Elektrische Heizpatrone (
400 ,500 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als Mittel zur Temperaturüberwachung (430 ,530 ) vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr gemeinsam mit dem mindestens einen elektrischen Heizelement (420 ,520 ) auf einen gemeinsamen Wickelkörper (450 ,550 ) gewickelt ist. - Elektrische Heizpatrone (
100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,700 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ) vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandene Rohr mit unterschiedlichen Wendelsteigungen gewendelt ist. - Elektrische Heizpatrone (
300 ,500 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der als Mittel zur Temperaturüberwachung (330 ,530 ) vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr in radialer Richtung innerhalb der Wendeln mindestens eines gewendelten elektrischen Heizelements (320 ,520 ) angeordnet ist. - Elektrische Heizpatrone (
500 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (520 ) auf einen Wickelkörper (550 ) gewickelt ist und dass der als Mittel zur Temperaturüberwachung (530 ) vorhandene Draht oder das als Mittel zur Temperaturüberwachung vorhandene Rohr zumindest abschnittsweise in einer Bohrung oder Öffnung des Wickelkörpers (550 ) verläuft. - Elektrische Heizpatrone (
100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des elektrischen Heizelements (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) eine Chrom und Nickel enthaltende Legierung oder eine Kupfer und Nickel enthaltende Legierung ist und dass das Material des als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ) vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandenen Rohrs ein reines Metall, insbesondere Nickel, Feinnickel oder Feinstnickel, ist. - Elektrische Heizung (
1000 ) mit einer elektrischen Heizpatrone (100 ,200 ,300 ,400 ,500 ,600 ,700 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Stromversorgung (1010 ) zur Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) und mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands (1020 ) des als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ) vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandenen Rohrs und zur Zuordnung eines Temperaturwerts zu dem bestimmten Widerstand des als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ) vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandenen Rohrs. - Elektrische Heizung (
1000 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands (1020 ) des als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ) vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandenen Rohrs und zur Zuordnung eines Temperaturwerts zu dem bestimmten Widerstand des als Mittel zur Temperaturüberwachung (130 ,230 ,330 ,430 ,530 ,630 ) vorhandenen Drahts oder des als Mittel zur Temperaturüberwachung (730 ) vorhandenen Rohrs mit der Stromversorgung (1010 ) zur Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) in Signalkommunikation steht, so dass die Bestromung des mindestens einen elektrischen Heizelements (120 ,121 ,220 ,320 ,420 ,520 ,620 ,720 ) in Abhängigkeit von dem durch die Vorrichtung zur Bestimmung des Widerstands (1020 ) dem Widerstandswert zugeordneten Temperaturwerts veränderbar ist.
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R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |