DE202017100816U1

DE202017100816U1 - Heizpatrone mit Temperatursensor

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Publication number: DE202017100816U1
Application number: DE202017100816.9U
Authority: DE
Original assignee: Tuerk and Hillinger GmbH
Current assignee: Tuerk and Hillinger GmbH
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: DE102018101196A1; US20180235029A1; US10873992B2; CN108426649A

Abstract

Heizpatrone (100, 200, 300) mit einem rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310), in dessen Innenraum ein auf einen Wickelkörper (120, 220, 320) gewickeltes elektrisches Heizelement (121, 221, 321), das durch Einbettung in einen elektrisches nicht leitendes Isoliermaterial vom rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310) elektrisch isoliert ist, und mindestens ein Temperatursensor (130, 230, 330, 335) mit Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zuleitung (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337), bevorzugt beide Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) mindestens eines Temperatursensors (130, 230, 330, 335) zwischen dem Wickelkörper (120, 220, 320) und dem rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310) verläuft und elektrisch vom Wickelkörper (120, 220, 320) und dem darauf gewickelten Heizelement (121, 221, 321) sowie vom rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310) isoliert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizpatrone mit Temperatursensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei Anwendungen, bei denen eine Gewährleistung einer bestimmten bereitgestellten Heizleistung und/oder Heiztemperatur wichtig ist, werden oftmals Heizpatronen verwendet, die mit einem Temperatursensor oder Thermoelement ausgestattet sind. Basierend auf den Messdaten dieses Temperatursensors bzw. dieses Thermoelements können dann die elektrischen Betriebsbedingungen, z.B. der Betriebsstrom und/oder die Betriebsspannung, mit der die Heizpatrone betrieben wird, nachgeregelt werden. Nachfolgend wird der Begriff „Temperatursensor“ so verwendet, dass er auch Thermoelemente mit einschließt.
In der Praxis werden die von den Anwendern tolerierten Temperaturfenster immer geringer, und die geforderten Zeiten bis eine Abweichung ausgeglichen wird immer kürzer. Dies führt einerseits dazu führt, dass die Anforderungen an die Präzision der Temperaturmessung steigen und bringt andererseits mit sich, dass die elektrischen Betriebsbedingungen immer häufigeren Änderungen unterworfen sind. Dabei wurde im Betrieb der Anmelderin in der Praxis festgestellt, dass bei bekannten Heizpatronen diese beiden Anforderungen einander negativ beeinflussen, weil die Änderung der Betriebsbedingungen zu Störungen des Temperatursignals führt und die Störungen des Temperatursignals zu vermehrten Änderungen der Betriebsbedingungen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte Heizpatrone mit Temperatursensor bereitzustellen, bei der insbesondere diese Wechselwirkung zwischen Änderungen der Betriebsbedingungen und Störungen des Temperatursignals reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizpatrone mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Heizpatrone hat einen rohrförmigen Metallmantel, in dessen Innenraum ein auf einen Wickelkörper gewickeltes elektrisches Heizelement – z.B. ein Heizdraht –, durch Einbettung in ein elektrisch nicht leitendes Isoliermaterial vom rohrförmigen Metallmantel elektrisch isoliert ist, und mindestens ein Temperatursensor mit Zuleitungen angeordnet sind. Dabei wird explizit darauf hingewiesen, dass auch die Thermoschenkel eines Thermoelements als Zuleitung im Sinne dieser Beschreibung zu verstehen sind. Ferner wird der guten Ordnung halber explizit erwähnt, dass ein rohrförmiger Metallmantel einen Boden haben kann, aber nicht muss.
Erfindungswesentlich ist, dass wenigstens eine Zuleitung mindestens eines Temperatursensors im Raum zwischen dem Wickelkörper und dem rohrförmigen Metallmantel (und nicht mehr, wie im Stand der Technik innerhalb des Wickelkörpers) verläuft und elektrisch vom Wickelkörper und dem darauf gewickelten Heizelement sowie vom rohrförmigen Metallmantel isoliert ist.
Der Erfinder hat festgestellt, dass durch diese Maßnahme der negative Einfluss von Änderungen der Betriebsbedingungen auf die Signale des Temperatursensors signifikant verringert werden kann. Besonders groß ist der Vorteil, wenn alle Zuleitungen von Temperatursensoren auf diese Weise geführt sind.
Um zu einer wohldefinierten Lage der Zuleitungen relativ zum Metallmantel, aber auch relativ zum Wickelkörper und dem darauf gewickelten Heizelement zu gelangen, ist es bevorzugt, dass der Wickelkörper mit dem darauf gewickelten elektrischen Heizelement und die Zuleitung des Temperatursensors, in Aussparungen oder Bohrungen eines Isolierkörpers aufgenommen sind.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Aussparungen oder Bohrungen parallel zur Achse des rohrförmigen Metallmantels, d.h. z.B. bei zylindrischen rohrförmigen Metallmänteln parallel zur Zylinderachse, verlaufen.
Vorzugsweise ist die Heizpatrone verdichtet.
Besonders zweckmäßig ist, wenn der Isolierkörper mit silikonhaltiger Substanz z.B. – Harz oder – Öl imprägniert ist.
Besonders gut geeignet als Isolierkörper sind keramische Formkörper.
Eine noch zuverlässigere elektrische Isolation kann gewährleistet werden, wenn zwischen dem bewickelten Wickelkörper und dem Isolierkörper und zwischen dem rohrförmigen Metallmantel und dem Isolierkörper verbleibende Volumina zumindest teilweise mit MgO-Granulat gefüllt sind, welches in einer bevorzugten Weiterbildung ebenfalls imprägniert ist, insbesondere durch Beimischung von pulverförmigem Silikonfestharz.
Zur noch weiteren Elimination etwaig verbleibender Leervolumina, die eine gute Wärmeverteilung über das Innenvolumen der Heizpatrone und auf den Metallmantel erschweren trägt es bei, wenn die Heizpatrone zumindest abschnittsweise verdichtet ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn in den Ausnehmungen oder Bohrungen, in denen die Zuleitungen angeordnet sind, eine elektrische Verbindung zu in diese Ausnehmungen oder Bohrungen eingeführte Anschlussdrähte hergestellt ist. Auf diese Weise ist die notwendige Verbindung an einer Stelle angeordnet, an der sie durch die Heizpatrone vor mechanischen Belastungen geschützt ist. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Verpressen erfolgen, aber noch vorteilhafter ist es, wenn der Formkörper Fenster aufweist, die an den Stellen, an denen die elektrischen Verbindungen hergestellt sind, die Zuleitungen und Anschlussdrähte freilegen. Die elektrischen Verbindungen können dann an diesen Stellen definiert und mit der Möglichkeit zur Sichtprüfung hergestellt werden, z.B. durch Schweißen, Löten oder gegebenenfalls auch Crimpen.
Wenn die Heizpatrone sehr kompakt ausgeführt sein soll, ist es vorteilhaft, wenn zwei Zuleitungen desselben Temperatursensors in einer Ebene liegen, in der auch der Wickelkörper liegt und auf unterschiedlichen Seiten des Wickelkörpers angeordnet sind.
Im Gegensatz dazu ist die bevorzugte Anordnung von Wickelkörper und Zuleitungen innerhalb des Metallmantels wenn zwei Temperatursensoren vorgesehen sind, dass die Zuleitungen des einen Temperatursensors oberhalb einer Ebene, in der der Wickelkörper liegt, liegen und die Zuleitungen des anderen Temperatursensors unterhalb einer Ebene, in der der Wickelkörper liegt, liegen.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn mindestens 3 Anschlussdrähte, worunter hier auch Anschlussleitungen verstanden werden, zur Kontaktierung der Zuleitungen des Temperatursensors und zur Kontaktierung des elektrischen Heizelements vorhanden sind, von denen mindestens einer zumindest abschnittsweise durch den Wickelkörper verläuft und von denen mindestens zwei außerhalb des Wickelkörpers verlaufen. Bevorzugt verlaufen dabei insbesondere die Anschlussdrähte zur Kontaktierung des elektrischen Heizelements innerhalb des Wickelkörpers und die Anschlussdrähte zur Kontaktierung der Zuleitungen des Temperatursensors verlaufen außerhalb des Wickelkörpers.
Bevorzugt ist weiterhin, wenn die Anschlussdrähte zur Kontaktierung der Zuleitungen des Temperatursensors und die Zuleitungen des Temperatursensors von unterschiedlichen Seiten her in den Isolierköper eingeführt sind. So kann vermieden werden, dass die gesamte, gegebenenfalls sehr lange, Anschlussleitung z.B. durch Öffnungen eines Isolierstoffkörpers gefädelt werden müssen.
Wenn der Isolierkörper Öffungen oder Aussparungen zum Durchfüllen von MgO-Pulver oder -Granulat aufweist, lassen sich während der Herstellung etwaige Leervolumina nach dem Einführen des Isolierkörpers noch elektrisch isolierend auffüllen.
Bevorzugt ist weiter, wenn zwischen den Anschlussdrähte zur Kontaktierung der Zuleitungen des Temperatursensors und den Zuleitungen des Temperatursensors ein Presskontakt hergestellt ist und/oder dass zwischen Anschlussdrähten zur Kontaktierung des elektrischen Heizelements und dem elektrischen Heizelement ein Presskontakt hergestellt ist. Diese Art der Kontaktierung kann auf einfache Weise beim Verdichten der Heizpatrone nach dem Zusammenbau erzeugt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
1a: eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,
1b: eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels aus 1a,
2a: eine Explosionsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
2b: eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels aus 2a,
3a: eine Explosionsdarstellung des Innenaufbaus einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels,
3b: den Innenaufbau aus 3a in zusammengesetztem Zustand,
3c: eine Ausschnittsvergrößerung aus 3b,
4a: eine partielle Explosionsdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels, und
4b: eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels aus 4a.
1a zeigt eine Ausführungsform einer Heizpatrone 100 mit rohrförmigem Metallmantel 110 mit in 1b erkennbarem Boden 111, Wickelkörper 120 mit darauf gewickeltem Heizelement 121 in Form eines Heizdraht, Temperatursensor 130 mit Zuleitungen 131, 132 und Anschlussdrähten 133, 134 sowie einem Isolierkörper 140 mit Bohrungen 141, 142, 143, der als keramischer Formkörper ausgebildet ist.
Wie man besonders gut in 1b erkennt, ist der Wickelkörper 120 mit darauf gewickeltem Heizelement in einer eigenen Bohrung 141 des Isolierkörpers 140, die hier zentral in diesem angeordnet ist, aufgenommen, während die Zuleitungen 131, 132 des Temperatursensors 130, die mit den Anschlussdrähten 133, 134 in einem Presskontakt elektrisch kontaktiert werden, in den Bohrungen 142, 143 geführt sind. Da diese Bohrungen radial weiter außen im Isolierkörper 140 liegen, sind damit auch die Zuleitungen 131, 132, zwischen dem Wickelkörper und dem rohrförmigen Metallmantel 110.
Das verbleibende Innenvolumen des rohrförmigen Metallmantels 110 ist mit MgO-Granulat 150 gefüllt.
Insbesondere liegen damit Zuleitungen 131, 132 desselben Temperatursensors, nämlich des Temperatursensors 130, in einer Ebene, in der auch der Wickelkörper 120 liegt und sind unterschiedlichen Seiten des Wickelkörpers 120, nämlich in der Darstellung der 1b einmal oberhalb des Wickelkörpers 120 und einmal unterhalb des Wickelkörpers 120 angeordnet.
Das Ausführungsbeispiel, das in den 2a und 2b gezeigt ist, ist eine Heizpatrone 200 mit rohrförmigem Metallmantel 210 mit in 2b erkennbarem Boden 211, Wickelkörper 220 mit darauf gewickeltem Heizelement 221 in Form eines Heizdraht, Temperatursensor 230 mit Zuleitungen 231, 232 und Anschlussdrähten 233, 234 sowie einem Isolierkörper 240 mit Bohrungen 241, 242, 243, der als keramischer Formkörper ausgebildet ist.
Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1a und 1b besteht in der Anordnung der Bohrungen 242, 243, die hier beide oberhalb der zentralen Bohrung 241, in die der Wickelkörper 220 mit darauf gewickeltem Heizelement 221 eingeführt ist, liegen.
Die in den 3a bis 3c dargestellte Variante der Heizpatrone 200 unterscheidet sich lediglich im Hinblick auf einen modifizierten Isolierkörper 260, der statt des Isolierkörpers 240 verwendet wird, weshalb ansonsten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Neben den Bohrungen 261, 262, 263, die genau wie im Isolierkörper 240 angeordnet sind, weist der Isolierkörper 260 zusätzlich ein Fenster 264 auf, das die Zuleitungen 231, 232 und Anschlussdrähte 233, 234 lokal freilegt und dadurch ermöglicht, die Kontaktierung zwischen Zuleitungen 231, 232 und den zugehörigen Anschlussdrähten 233, 234 wie in 3c im Detail dargestellt durch Schweißstellen 235, 236 definiert und prozesssicher herzustellen und zu verifizieren.
Das Ausführungsbeispiel, das in den 4a und 4b gezeigt ist, ist eine Heizpatrone 300 mit rohrförmigem Metallmantel 310 mit in 4b erkennbarem Boden 311, Wickelkörper 320 mit darauf gewickeltem Heizelement 321 in Form eines Heizdraht, Temperatursensor 330 mit Zuleitungen 331, 332 und Anschlussdrähten 333, 334 sowie einem Isolierkörper 340 mit Bohrungen 341, 342, 343, der als keramischer Formkörper ausgebildet ist.
Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2a und 2b besteht darin, dass ein zweiter Temperatursensor 335 mit Zuleitungen 336, 337 und Anschlussdrähten 338, 339 vorgesehen ist und darin, dass im Isolierkörper 340 zwei zusätzliche Bohrungen 344, 345 angeordnet sind, in denen die Zuleitungen 336, 337 mit den Anschlussdrähten 338, 339 in Kontakt gebracht und verpresst sind.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300: Heizpatrone
110, 210, 310: Metallmantel
111, 211, 311: Boden
120, 220, 320: Wickelkörper
121, 221, 321: Heizelement
130, 230, 330, 335: Temperatursensor
131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337: Zuleitungen
133, 134, 233, 234, 333, 334, 338, 339: Anschlussdrähte
140, 240, 260, 340: Isolierkörper
141, 142, 143, 241, 242, 243,
261, 262, 263, 341, 342, 343,
344, 345: Bohrung
150, 250, 350: MgO-Granulat
235, 236: Schweißstelle
264: Fenster

Claims

Heizpatrone (100, 200, 300) mit einem rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310), in dessen Innenraum ein auf einen Wickelkörper (120, 220, 320) gewickeltes elektrisches Heizelement (121, 221, 321), das durch Einbettung in einen elektrisches nicht leitendes Isoliermaterial vom rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310) elektrisch isoliert ist, und mindestens ein Temperatursensor (130, 230, 330, 335) mit Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zuleitung (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337), bevorzugt beide Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) mindestens eines Temperatursensors (130, 230, 330, 335) zwischen dem Wickelkörper (120, 220, 320) und dem rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310) verläuft und elektrisch vom Wickelkörper (120, 220, 320) und dem darauf gewickelten Heizelement (121, 221, 321) sowie vom rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310) isoliert ist.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (120, 220, 320) mit dem darauf gewickelten elektrischen Heizelement (121, 221, 321) und mindestens eine Zuleitung (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) des Temperatursensors (130, 230, 330, 335), in Aussparungen oder Bohrungen (141, 142, 143, 241, 242, 243, 261, 262, 263, 341, 342, 343, 344, 345) eines Isolierkörpers (140, 240, 260, 340) aufgenommen sind.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen oder Bohrungen (141, 142, 143, 241, 242, 243, 261, 262, 263, 341, 342, 343, 344, 345) parallel zur Achse des rohrförmigen Metallmantels (110, 210, 310) verlaufen.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau verdichtet ist.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (140, 240, 260, 340) ein keramischer Formkörper ist.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem bewickelten Wickelkörper (120, 220, 320) und dem Isolierkörper (140, 240, 260, 340) und zwischen dem rohrförmigen Metallmantel (110, 210, 310) und dem Isolierkörper (140, 240, 260, 340) verbleibende Volumina zumindest teilweise mit MgO-Granulat (150, 250, 350) gefüllt sind.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ausnehmungen oder Bohrungen (141, 142, 143, 241, 242, 243, 261, 262, 263, 341, 342, 343, 344, 345), in denen die Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) angeordnet sind, eine elektrische Verbindung zu in diese Ausnehmungen oder Bohrungen (141, 142, 143, 241, 242, 243, 261, 262, 263, 341, 342, 343, 344, 345) eingeführten Anschlussdrähten (133, 134, 233, 234, 333, 334, 338, 339) hergestellt ist.
Heizpatrone (200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (260) mindestens ein Fenster (264) aufweist, das an Stellen, an denen elektrische Verbindungen hergestellt sind, die Zuleitungen (231, 232) und Anschlussdrähte (233, 234) freilegt.
Heizpatrone (100) nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zuleitungen (131, 132) desselben Temperatursensors (130) in einer Ebene liegen, in der auch der Wickelkörper (120) liegt und auf unterschiedlichen Seiten des Wickelkörpers (120) angeordnet sind.
Heizpatrone (300) nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Temperatursensoren (330, 335) vorhanden sind, wobei die Zuleitungen (331, 332) des einen Temperatursensors (330) oberhalb einer Ebene, in der der Wickelkörper (320) liegt, liegen und die Zuleitungen des anderen Temperatursensors (336, 337) unterhalb einer Ebene, in der der Wickelkörper (320) liegt, liegen.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach einem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dass mindestens 3 Anschlussdrähte (133, 134, 233, 234, 333, 334, 338, 339) zur Kontaktierung der Zuleitungen des Temperatursensors (130, 230, 330, 335) und zur Kontaktierung des elektrischen Heizelements (121, 221, 321) vorhanden sind, von denen mindestens einer zumindest abschnittsweise durch den Wickelkörper (120, 220, 320) verläuft und von denen mindestens zwei außerhalb des Wickelkörpers (120, 220, 320) verlaufen.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte zur Kontaktierung des elektrischen Heizelements (121, 221, 321) durch den Wickelkörper (120, 220, 320) verlaufen und dass die Anschlussdrähte (133, 134, 233, 234, 333, 334, 338, 339) zur Kontaktierung der Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) des Temperatursensors (130, 230, 330, 335) außerhalb des Wickelkörpers (120, 220, 320) verlaufen.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte (133, 134, 233, 234, 333, 334, 338, 339) zur Kontaktierung der Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) des Temperatursensors (130, 230, 330, 335) und die Zuleitungen (131, 132, 231, 232, 331, 332, 336, 337) des Temperatursensors (130, 230, 330, 335) von unterschiedlichen Seiten her in den Isolierköper eingeführt sind.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (140, 240, 260, 340) Öffungen oder Aussparungen zum Durchfüllen von MgO-Pulver oder -Granulat (150, 250, 350) aufweist.
Heizpatrone (100, 200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anschlussdrähte zur Kontaktierung der Zuleitungen (133, 134, 233, 234, 333, 334, 338, 339) des Temperatursensors (130, 230, 330, 335) und den Zuleitungen (133, 134, 233, 234, 333, 334, 338, 339) des Temperatursensors (130, 230, 330, 335) ein Presskontakt hergestellt ist und/oder dass zwischen Anschlussdrähten zur Kontaktierung des elektrischen Heizelements (121, 221, 321) und dem elektrischen Heizelement (121, 221, 321) ein Presskontakt hergestellt ist.