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Die Erfindung betrifft eine Heizpatrone mit Thermoelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1.
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Heizpatronen werden häufig mit einem Temperatursensor, versehen, um die abgegebene Heizleistung zu verifizieren und gegebenenfalls nachzuregeln. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, als Temperatursensor Thermoelemente einzusetzen. Solche Thermoelemente weisen üblicherweise zwei metallische Leiter aus unterschiedlichem Material auf, die sogenannten Thermoschenkel, die an einem Ende verbunden sind, so dass der an diesem Ende auftretende thermoelektrische Effekt zur Temperaturmessung verwendet werden kann.
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Insbesondere bei einer Heizpatrone mit aus dem Rohrmund herausgeführten isolierten Anschlüssen wird in der Praxis Ein solches Thermoelement wird in der in einer Heizpatrone mit Wickelkörper, auf dem das elektrische Heizelement, z.B. ein Heizdraht oder Widerstandsdraht, aufgewickelt ist, angeordnet, indem seine Thermoschenkel von der Anschlussseite der Heizpatrone her durch Bohrungen im Wickelkörper hindurchgeschoben werden und dann die Spitzen miteinander elektrisch leitend verbunden, insbesondere verschweißt oder vercrimpt werden, um die Messstelle des Thermoelements zu bilden. Dies bedeutet aber, dass die Lage der Messstelle des Thermoelements in einer Heizpatrone nicht frei wählbar ist, sondern dass sie in der Regel an der der Anschlussseite gegenüberliegenden Seite eines Wickelkörpers angeordnet sein muss.
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Solange man nur einen Wickelkörper verwendet, ist das Thermoelement also zwingend an der Spitze dieses Wickelkörpers und damit an einem Ende der Heizpatrone angeordnet. Will man beispielsweise für eine gegebene Anwendung einer elektrischen Heizpatrone eine Temperaturüberwachung in deren mittlerem Abschnitt gewährleisten, bleibt nur die Möglichkeit, zwei oder mehr bewickelte Wickelkörper hintereinander anzuordnen und miteinander zu verbinden.
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Dies erhöht zwar die Flexibilität hinsichtlich der Position, an der die Messstelle des Thermoelements angebracht werden kann ein Stück weit (auch wenn noch immer keine freie Positionierbarkeit geschaffen wird), bringt mehrere signifikante Probleme mit sich:
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Erstens wird die Fehleranfälligkeit spürbar erhöht, da die einzelnen mit dem elektrischen Heizelement bewickelten Wickelkörper jeweils miteinander kontaktiert werden müssen. Zweitens wird der Zusammenbau der Heizpatrone komplexer, was die Prozesssicherheit senkt. Und drittens verliert man Freiheitsgrade bei der Gestaltung eines Temperaturprofils, da die Übergangsbereiche zwischen den einzelnen Wickelkörpern quasi zwangsweise unbeheizte Zonen darstellen, was zudem auch noch die Bauraumerfordernisse für das Erreichen einer gegebenen Heizleistung erhöht. Die Oberflächenbelastung auf dem Mantel und auf dem Widerstandsdraht steigt. Darüber hinaus werden die Kosten wegen der signifikant größeren Zahl von Arbeitsschritten deutlich erhöht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, mit erhöhter Prozesssicherheit einen kostengünstigen Aufbau für eine Heizpatrone mit Thermoelement bereitzustellen, bei dem eine freiere Positionierbarkeit der Messstelle des Thermoelements gegeben ist, ohne dass die oben genannten Nachteile eintreten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Heizpatrone mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Heizpatrone hat einen rohrförmigen Metallmantel, einen mit einem elektrischen Heizelement bewickelten Wickelkörper, der im Inneren des rohrförmigen Metallmantels angeordnet und vom rohrförmigen Metallmantel isoliert ist, und ein Thermoelement. Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass ein Rohr unterschiedliche Querschnittsgeometrien, insbesondere auch von der Kreisform abweichende Querschnittsgeometrien haben kann.
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Erfindungswesentlich ist, dass das Thermoelement mindestens drei Thermoschenkel und mindestens einen ersten Kontaktpunkt und einen zweiten Kontaktpunkt oder weiteren Kontaktpunkten zwischen jeweils zwei Thermoschenkeln aufweist, wobei nur der erste Kontaktpunkt so ausgestaltet ist, dass eine Änderung der Temperatur des Kontaktpunkts das Messergebnis des Thermoelements beeinflusst.
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Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die hier verwendeten Begriffe „erster“ bzw. „zweiter“ nicht eine bestimmte Reihenfolge oder Abfolge dieser Kontaktpunkte festlegen, sondern einer Kategorisierung bzw. Referenzierung der unterschiedlichen Arten von Kontaktpunkten dient. Wenn beispielsweise drei Kontaktpunkte vorhanden sind, kann also durchaus der mittlere Kontaktpunkt der erste Kontaktpunkt sein.
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Dadurch, dass man ein Thermoelement mit mindestens einem zusätzlichen Kontaktpunkt, bei dem aber sichergestellt ist, dass zusätzliche Kontaktpunkte das Messergebnis nicht beeinflussen, verwendet, erhält man mindestens eine zusätzliche Stelle, an der man nach dem Einführen von einzelnen oder durch Verbindung miteinander vorkonfigurierten Thermoschenkeln in zwei separate Bohrungen des bewickelten Wickelkörpers durch Kontaktierung, insbesondere Verschweißen zu dem zusätzlichen Kontaktpunkt das Thermoelement funktionsfähig machen kann. Es wird also gemäß der Erfindung ein für die Funktion des Thermoelements nicht benötigter, aber sie auch nicht beeinträchtigender zusätzlicher Kontaktpunkt verwendet, um einen zusätzlichen Montagefreiheitsgrad zu erlangen.
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Der erste Kontaktpunkt kann zwischen Thermoschenkeln einer der typischen Materialpaarungen für Thermoelemente, z.B. Nickel-Chrom/Nickel, Eisen/Kupfer-Nickel, Platin-Rhodium/Platin hergestellt sein und stellt die eigentliche Funktionalität des Thermoelements bereit.
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Eine Möglichkeit, den zweiten Kontaktpunkt funktionslos zu gestalten, so dass er das Messergebnis nicht beeinflusst, besteht darin, dass am zweiten Kontaktpunkt zwei Thermoschenkel aus demselben Material oder aus einer Paarung von Materialien mit im Wesentlichen gleichen thermoelektrischen Koeffizienten miteinander in Kontakt stehen, so dass eine Änderung der Temperatur des zweiten Kontaktpunkts das Messergebnis des Thermoelements nicht beeinflusst.
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Denkbar wäre also beispielsweise, einen ersten Nickel-Thermoschenkel und zweite und dritte Nickel-Chrom-Thermoschenkel zu verwenden und diese an zwei Kontaktpunkten miteinander zu verbinden. Am ersten Kontaktpunkt liegt dann praktisch ein übliches Typ K-Thermoelement vor. Am zweiten Kontaktpunkt ist die Metallpaarung Nickel-Chrom/ Nickel-Chrom, was natürlich das Messergebnis des ersten Kontaktpunkts nicht verfälscht.
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Natürlich können nach diesem Prinzip noch weitere Kontaktpunkte bereitgestellt werden, wenn man weitere Thermoschenkel aus jeweils identischem Material hinzufügt und mit Kontaktpunkten, die dann immer Thermoschenkel gleichen Materials verbinden und deshalb auf Temperaturänderungen unempfindlich sind, verbindet.
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Eine dazu alternative Möglichkeit, die aber stets eine Zerlegung des Thermoelements in mehr Thermoschenkel und mehr Kontaktpunkte erfordert, besteht darin, dass auch am ersten weiteren, d.h. einem zweiten, Kontaktpunkt zwei Thermoschenkel aus unterschiedlichen Materialien, die verschiedene thermoelektrische Koeffizienten aufweisen, miteinander in Kontakt stehen und dass es einen zweiten weiteren, d.h. einen dritten Kontaktpunkt gibt, der den Effekt einer Änderung der Temperatur des zweiten Kontaktpunkts kompensiert. Die einfachste Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht in einer Sequenz von Materialübergängen mit relativ zueinander umgekehrter Richtung, wobei dann sichergestellt sein sollte, dass die so korrespondierenden Kontaktpunkte an Stellen angeordnet sind, an denen die Temperatur als gleich angesehen werden kann.
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Ein denkbares Beispiel wäre ein System mit einem ersten Thermoschenkel aus Fe, einem zweiten und vierten Thermoschenkel aus CuNi und einem dritten Thermoschenkel aus NiCr. Am ersten Kontaktpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Thermoschenkel erhält man ein Typ J-Thermoelement. Am zweiten Kontaktpunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Thermoschenkel und am dritten Kontaktpunkt zwischen dem dritten und vierten Thermoschenkel entsprechen die Materialpaarungen jeweils Typ E-Thermoelementen, die einander aber wegen der jeweils vertauschten Materialabfolge kompensieren, wenn gewährleistet ist, dass die Temperatur an diesen Kontaktpunkten gleich ist.
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Bei einer Heizpatrone ist diese Bedingung in der Regel leicht zu erfüllen, wenn man die Kontaktpunkte an derselben axialen Position der Heizpatrone anordnet.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste Kontaktpunkt in axialer Richtung des rohrförmigen Metallmantels betrachtet zwischen den beiden Enden des mit dem elektrischen Heizelement bewickelten Wickelkörpers liegt.
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Wenn mindestens ein Thermoschenkel, bevorzugt alle Thermoschenkel aus gebildet sind, ergeben sich fertigungstechnische Vorteile. Insbesondere können dann Kontaktpunkte einfach gebildet werden, indem man das Flachband mit Überlapp bereitstellt und dann einen Punktschweißprozess durchführt.
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Bevorzugt ist, dass der mit dem elektrischen Heizelement bewickelte Wickelkörper mindestens eine Bohrung aufweist. In diesem Fall können durch die Bohrung ein Thermoschenkel oder durch die Bohrung mindestens zwei Thermoschenkel, die durch einen Kontaktpunkt miteinander verbunden sind, geführt werden. Besonders bevorzugt sind zwei Bohrungen, die zueinander parallel und symmetrische angeordnet sind. Dann kann in jede dieser Bohrungen eine vorkonfigurierte „Hälfte“ des Thermoelements, die jeweils einen oder mehrere Thermoschenkel und die entsprechende Anzahl von Kontaktpunkten aufweist, von der Anschlussseite des Wickelkörpers her eingeführt werden und das Thermoelement dann durch Schaffung des noch fehlenden Kontaktpunkts im Spitzenbereich gebrauchsfertig gemacht werden, während zugleich der „aktive“ erste Kontaktpunkt insbesondere an einer beliebigen Stelle der Bohrung angeordnet sein kann, so dass in dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Kontaktpunkt, der so ausgestaltet ist, dass eine Änderung der Temperatur des Kontaktpunkts das Messergebnis des Thermoelements beeinflusst, im Inneren des Wickelkörpers liegt.
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Wenn man sicherstellt, dass ein Kontaktpunkt durch ein Fenster oder eine Ausnehmung im Wickelkörper zugänglich ist, können weitere fertigungstechnische Vorteile erreicht werden, weil diese es erlauben, den Kontaktpunkt an der einer gegebenen Stelle erst nach dem Einfädeln herzustellen. Das Einfädeln langer Abschnitte von Thermoschenkeln oder von mehreren bereits durch Kontaktpunkte miteinander verbundenen Thermoschenkeln kann so vereinfacht oder vermieden werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Wicklung des elektrischen Heizelements im Bereich des ersten Kontaktpunkts und insbesondere im Bereich eines solchen Fensters im Vergleich zur Wicklung in anderen Bereichen des Wickelkörpers variiert.
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Natürlich kann, wenn dies gewünscht ist, auch eine erfindungsgemäß ausgestaltete elektrische Heizpatrone mehrere Wickelkörper, die miteinander elektrisch verbunden, insbesondere in parallel oder in Reihe verschaltet sind, aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine geöffnete Ansicht einer ersten elektrischen Heizpatrone mit Thermoelement,
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2: einen Querschnitt durch den Wickelkörper der Heizpatrone aus 1,
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3: eine Ansicht eines alternativ ausgestalteten Thermoelements,
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4: einen Querschnitt durch eine zweite elektrischen Heizpatrone mit Thermoelement,
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5: den Wickelkörper der Heizpatrone aus 4, und
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6: eine Ansicht des Thermoelements aus 4.
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1 zeigt eine geöffnete Ansicht einer elektrischen Heizpatrone 1 mit rohrförmigem Metallmantel 10, der in diesem Fall mit einem Boden 11 ausgestattet ist. Im Inneren des rohrförmigen Metallmantels 10 ist ein Wickelkörper 20, auf den das als Widerstandsdraht ausgeführte elektrische Heizelement 30 gewickelt ist, angeordnet, der über eine elektrische Versorgungsleitung 31 mit Strom versorgt werden kann und durch optional verdichtetes MgO-Pulver 50 gegenüber dem rohrförmigen Metallmantel 10 elektrisch isoliert ist. Im Inneren des Wickelkörpers 20 ist ein Thermoelement 40 angeordnet. Nähere Details zum Aufbau des Thermoelements 40 und dessen Anordnung im Wickelkörper 20 lassen sich der 2 entnehmen.
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Wie man in 2 erkennt, weist das Thermoelement 40 abweichend von bisher üblichen Thermoelementen drei Thermoschenkel 41, 43, 45 auf, die an zwei Kontaktpunkten, einem ersten Kontaktpunkt 44 und einem zweiten Kontaktpunkt 42 z.B. durch Verschweißen elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dabei sind die Materalien der Thermoschenkel 43 und 45 so gewählt, dass sie mit dem ersten Kontaktpunkt 44 ein Thermoelement eines gewünschten Typs bilden, mit dem auf gewohnte Weise die Temperatur an diesem Kontaktpunkt bestimmt werden kann. Das Material des Thermoschenkels 41 ist identisch zu dem Material des Thermoschenkels 43, was dazu führt, dass der Kontaktpunkt 42 zwischen den Thermoschenkeln 41, 43 das Ergebnis der Temperaturmessung mit dem ersten Kontaktpunkt 44 nicht beeinflusst.
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Der Sinn des zusätzlichen zweiten Kontaktpunkts 42 wird deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, dass die Thermoschenkel 43, 45 mit dem zwischen ihnen vorhandenen Kontaktpunkt 44 in einer ersten, den Wickelkörper 20 in seinem Inneren in axialer Richtung durchsetzenden Bohrung 21 angeordnet sind und am anschlussseitigen Ende des Wickelkörpers 20 in ein isolierte, vorzugsweise flexibles Verbindungselement 47 übergehen und der Thermoschenkel 41 in einer zweiten, den Wickelkörper 20 in seinem Inneren in axialer Richtung durchsetzenden Bohrung 22 angeordnet sind und am anschlussseitigen Ende des Wickelkörpers 20 in ein isoliertes, vorzugsweise flexibles Verbindungselement 46 übergeht. Das bedeutet, dass die Bestandteile des Thermoelements 40 von der Anschlussseite des Wickelkörpers 20 her in die Bohrungen 20, 21 eingefädelt werden müssen, was nur bei aufgetrenntem Thermoelement 40 geht. Mit anderen Worten ist es daher zwingend erforderlich, einen Kontaktpunkt des Thermoelements 40 an der den Anschlüssen gegenüberliegenden Seite des Wickelkörpers bereitzustellen, auch wenn der eigentliche Messpunkt, an einer anderen Stelle liegen soll.
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3 zeigt eine Ansicht eines alternativ ausgestalteten Thermoelements 60. Wie das oben diskutierte Thermoelement 40, weist das Thermoelement 60 abweichend von bisher üblichen Thermoelementen drei Thermoschenkel 61, 63, 65 auf, die an zwei Kontaktpunkten, einem ersten Kontaktpunkt 64 und einem zweiten Kontaktpunkt 62 z.B. durch Verschweißen elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dabei sind die Materalien der Thermoschenkel 63 und 65 so gewählt, dass sie mit dem ersten Kontaktpunkt 64 ein Thermoelement eines gewünschten Typs bilden, mit dem auf gewohnte Weise die Temperatur an diesem Kontaktpunkt bestimmt werden kann. Das Material des Thermoschenkels 61 ist identisch zu dem Material des Thermoschenkels 63, was dazu führt, dass der Kontaktpunkt 62 zwischen den Thermoschenkeln 61, 63 das Ergebnis der Temperaturmessung mit dem ersten Kontaktpunkt 64 nicht beeinflusst.
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Ein erster wesentlicher Unterschied zwischen dem Thermoelement 40 und dem Thermoelement 60 besteht darin, dass die Thermoschenkel 61, 63, 65 aus einem Flachbandmaterial gefertigt sind, was zu flächig ausgeführten Kontaktpunkten 62, 64 führt. Wie insbesondere der Kontaktpunkt 62 zeigt, kann hier ein ganz erheblicher Überlapp von Thermoschenkeln zur Bildung eines Kontaktpunkts 62 verwendet werden.
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Ein zweiter wesentlicher Unterschied besteht darin, dass der Thermoschenkel 63 u-förmig gebogen ist. Dies ermöglicht besonders einfach ein Einführen der bereits mit den Verbindungselementen 67 bzw. 68 verbundenen Thermoschenkel 61, 65 von der einen Seite und des u-förmig gebogenen Thermoschenkels 63 von der andere Seite des Wickelkörpers her.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite elektrische Heizpatrone 101 mit rohrförmigem Metallmantel 110, der in diesem Fall mit einem Boden 111 ausgestattet ist. Im Inneren des rohrförmigen Metallmantels 110 ist ein Wickelkörper 120, auf den das als Widerstandsdraht ausgeführte elektrische Heizelement 130 gewickelt ist, angeordnet, der über eine elektrische Versorgungsleitung 131 mit Strom versorgt werden kann und durch optional verdichtetes MgO-Pulver 150 gegenüber dem rohrförmigen Metallmantel 110 elektrisch isoliert ist. Im Inneren des Wickelkörpers 120 ist ein Thermoelement 140 angeordnet. Nähere Details zum Aufbau des Thermoelements 140 lassen sich besonders gut der 6 entnehmen.
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6 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung für ein Thermoelement 140, mit dem die Erfindung realisiert werden kann. Das Thermoelement 140 hat einen ersten Thermoschenkel 141, einen u-förmig gestalteten zweiten Thermoschenkel 143, einen dritten Thermoschenkel 145 und einen vierten Thermoschenkel 147 mit einem ersten Kontaktpunkt 146 und zwei weiteren Kontaktpunkten 142, 144 und weist isolierte, vorzugsweise flexible Verbindungselemente 148, 149 auf. Dabei sind der erste Thermoschenkel 141 und der dritte Thermoschenkel 145, die gemeinsam mit dem zweiten Thermoschenkel 143 die weiteren Kontaktpunkte 142, 144 bilden, aus demselben Material hergestellt, während die Materialien, aus denen der zweite Thermoschenkel 143 und der vierte Thermoschenkel 147 bestehen, sich voneinander und von dem Material des ersten Thermoschenkels 141 und des dritten Thermoschenkels 145 unterscheiden und so gewählt sind, dass sich insbesondere am ersten Kontaktpunkt 146 eine Materialpaarung für ein Thermoelement gewünschten Typs ergibt.
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Zwei in 4 dargestellte Aspekte sollten dabei besonders hervor gehoben werden: Erstens erkennt man, dass alle Thermoschenkel 141, 143, 145, 147 in Form eines Flachbands ausgebildet sind, was eine besonders einfache Herstellung der Kontaktpunkte 146, 144, 142 durch Punktschweißen von einander überlappenden Flachbandabschnitten ermöglicht, was im Ergebnis zu einem sehr guten, reproduzieren Kontakt führt.
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Zweitens ist durch den Aufbau des Thermoelements 140 sichergestellt, dass sich der Effekt der weiteren Kontaktpunkte 142, 144 kompensiert, weil sie so symmetrisch zueinander positioniert sind, dass sicher zu erwarten ist, dass sie in der Einbausituation derselben Temperatur ausgesetzt sind und ein Materialübergang AB von einem Materialübergang BA gefolgt wird. Auch bei diesem Aufbau ist also gewährleistet, dass die Weiteren Kontaktpunkte 142, 144 die Ergebnisse der Temperaturmessung am Kontaktpunkt 146 nicht verfälschen.
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Zudem kann durch das Vorsehen des U-förmigen zweiten Thermoschenkels 143 der Fädelweg durch Bohrungen des Wickelkörpers 120 weiter verkürzt werden, was die Produktionszeit positiv beeinflusst. Dazu werden dann vorteilhafterweise im Wickelkörper 120 Fenster angeordnet, die es erlauben, nach dem Einführen der Thermoschenkel in die Bohrungen die Kontaktpunkte 142, 144 zu erzeugen, z.B. durch Punktschweißen. Es können aber auch ohne Fenster insbesondere bei Thermoschenkeln aus Flachmaterial durch Verpressen Kontaktpunkte hergestellt werden.
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Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen der Heizpatrone 1 und der Heizpatrone 101 lässt sich besonders gut der 4 in Zusammenschau mit der 5 entnehmen: Betrachtet man die Wicklung des elektrischen Heizelements 130 im Bereich des Kontaktpunkts 146, der für die eigentliche Messung verantwortlich ist, fällt auf, dass dieser Messpunkt mit einer größeren Wendelsteigung überwickelt ist.
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Damit wird verdeutlicht, dass bei einer erfindungsgemäß ausgestalteten Heizpatrone 1, 101 eine Anpassung der Leistung in diesem Bereich möglich ist und damit das Ansprechen/Verhalten des Thermoelements der jeweiligen Einbausituation der jeweiligen Anwendung und/oder der jeweiligen Oberflächenbelastung angepasst werden kann, was nach dem Stand der Technik so nicht möglich war.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 101
- Heizpatrone
- 10, 110
- rohrförmiger Metallmantel
- 11, 111
- Boden
- 20, 121
- Wickelkörper
- 21, 22, 121, 122
- Bohrung
- 30, 130
- elektrisches Heizelement
- 31, 131
- Versorgungsleitung
- 40, 60, 140
- Thermoelement
- 41, 43, 45, 61, 63, 65, 141, 143, 145, 147
- Thermoschenkel
- 42, 62
- zweiter Kontaktpunkt
- 44, 64, 146
- erster Kontaktpunkt
- 47, 48, 67, 68, 148, 149
- Verbindungselement
- 50, 150
- MgO-Pulver
- 142, 144
- weitere Kontaktpunkte
