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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mit Wickelkörper, auf den ein elektrisches Heizelement, typischerweise ein Widerstandsdraht, aufgewickelt ist.
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Dabei wurde bislang in der Regel das elektrische Heizelement auf den äußeren Umfang eines Wickelkörpers mit in der Regel kreisförmigem Querschnitt aufgewickelt bzw. aufgewendelt. Dies bringt mit sich, dass die Enden des elektrischen Heizelements nach dem Bewickeln zwingend an einander gegenüberliegenden Enden des Wickelkörpers angeordnet sind. Ist dies nicht erwünscht, bleibt nur die Rückführung des elektrischen Heizelements, insbesondere durch eine Bohrung. Dies zu realisieren ohne dass die Wicklung aufspringt ist stets problematisch und (im Gegensatz zum Wickelprozess selbst) kaum automatisiert realisierbar. Zudem gibt es Anwendungen, bei denen man zur Reduktion der Belastung des elektrischen Heizelements eine größere Länge als mit dieser Art der Wicklung realisiert werden kann auf dem Wickelkörper unterbringen möchte.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte elektrische Heizvorrichtung mit Wickelkörper bereitzustellen, die diese Probleme reduziert. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat mindestens einen Wickelkörper in Form eines Rohrs mit beliebigem Querschnitt, in Form eines teilweise geschlitzten Rohrs mit beliebigem Querschnitt oder in Form eines geschlitzten Rohrs mit beliebigem Querschnitt und mit mindestens einem elektrischen Heizelement, das auf den Wickelkörper aufgewickelt ist. Ein geschlitztes Rohr liegt dabei insbesondere dann vor, wenn eine Ausnehmung den Rohrmantel von seiner einen Stirnseite bis zu seiner anderen Stirnseite hin durchsetzt, ein teilweise geschlitztes Rohr, wenn nur ein Abschnitt des Rohrmantels zwischen seinen Stirnseiten von der Ausnehmung durchsetzt wird.
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Erfindungswesentlich ist, dass das elektrische Heizelement so auf den Wickelkörper aufgewickelt ist, dass es sowohl über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs oder geschlitzten Rohrs als auch über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs oder geschlitzten Rohrs verläuft.
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Durch diese Maßnahme wird es erreicht, dass sowohl die innere Oberfläche des Wickelkörpers als auch die äußere Oberfläche des Wickelkörpers genutzt werden können, um Abschnitte des typischerweise als Heiz- oder Widerstandsdraht ausgebildeten elektrischen Heizelements darauf anzuordnen, was wegen der Möglichkeit zur Nutzung von äußerer und innerer Wickelkörperoberfläche nicht nur zu einer erheblichen Erhöhung der auf dem Wickelkörper anordenbaren Länge des elektrischen Heizelements führt und dessen Belastung bei gegebener Heizleistung reduzieren kann.
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Wenn das elektrische Heizelement so auf den Wickelkörper aufgewickelt ist, dass es abwechselnd über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs oder geschlitzten Rohrs und über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, geschlitzten Rohrs oder teilweise geschlitzten Rohrs verläuft, bringt dies herstellungstechnische Vorteile mit sich. Insbesondere dann, wenn das elektrische Heizelement zwischen einem Abschnitt, der auf der Rohrinnenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs verläuft und einem Abschnitt, der auf der Rohraußenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs verläuft, über eine Stirnseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs verläuft, kann eine solche Anordnung nämlich in einem Wickelprozess, der allerdings in axialer Richtung, statt, wie bisher, im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Wickelkörpers verläuft, erreicht werden. Dies ist ein Wickelprozess, bei dem es möglich ist, unmittelbar durch das Bewickeln zur gleichen Stirnseite des Wickelkörpers zeigende Enden des elektrischen Heizelements zu erhalten.
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Der Wickelkörper muss bei dieser Art der Bewicklung auch nicht zwingend porös sein, weil eine Presskontaktierung entfallen kann und die in gleicher Richtung orientierten Enden des elektrischen Heizelements einfach direkt, z.B. durch CrimpKontakte, kontaktiert werden können.
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Insbesondere für kurze Wickelkörper ergibt sich die Möglichkeit, überaus kostengünstige Keramikpressteile zu verwenden, was bei konventioneller Wickeltechnik in der Regel nicht möglich war.
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Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird ein besonderer Vorteil der Ausführung des Wickelkörpers als geschlitztes Rohr deutlich. In einem geschlossenen Rohr muss, um die soeben beschriebene Konfiguration des elektrischen Heizelements zu erzielen, dieses für jede Windung einmal in axialer Richtung durch den Wickelkörper hindurchgeführt werden. Bei der Konfiguration als geschlitztes Rohr hingegen kann dies dadurch ersetzt werden, dass der entsprechende an der Innenseite des Wickelkörpers anzuordnende Abschnitt des elektrischen Heizelements durch den Schlitz in im Wesentlichen radialer Richtung eingeführt werden kann, was den Wickelprozess stark beschleunigt und den für seine Automatisierung nötigen Aufwand weiter reduziert.
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An dieser Stelle soll vorsorglich noch einmal explizit die in der Anmeldung verwendete Terminologie zur Beschreibung der Geometrie rohrförmiger geschlitzter, teilweise geschlitzter oder ungeschlitzter Wickelkörper und der Anordnung des elektrischen Heizelements darauf erläutert werden, auch wenn diese eigentlich dem Fachmann verständlich ist. Sie leitet sich aus einer Verallgemeinerung der für die Beschreibung eines Rohrs mit Zylindergeometrie ab, bei dem die Verlaufsrichtung durch die Zylinderachse vorgegeben ist und die zum Rohrmantel gehörenden Punkte durch einen Abstandsbereich in radialer, also senkrecht zur Zylinderachse stehender Richtung und einen Polarwinkel angegeben werden können. Bei einem geschlitzten Rohrmantel gibt es dementsprechend einen Polarwinkelbereich von einigen Grad, in dem in radialer Richtung kein Rohrmantel vorliegt.
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Die Stirnseiten des rohrförmigen Wickelkörpers in der Zylindergeometrie sind dann Kreisringe, in geschlitzter Zylindergeometrie Kreissringsektoren.
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Auch wenn eine solche Zylindergeometrie oder geschlitzte Zylindergeometrie in vielen Fällen bevorzugt für elektrische Heizvorrichtungen ist, ist sie nicht obligatorisch. So kann der Abstandsbereich, in dem der den Wickelkörper bildende Rohrmantel in radialer Richtung angeordnet ist, in Abhängigkeit vom Polarwinkel variieren, wodurch dann mit derselben Terminologie ein beliebiger konstanter Rohrquerschnitt, d.h. ein beliebiger konstanter Querschnittsumfang beschrieben werden kann. Lässt man den Abstandsbereich zusätzlich in Abhängigkeit von der Position auf der Rohrachse variieren, kann man so Rohrgeometrien mit Querschnittsänderungen beschreiben. Und den zur Beschreibung von gekrümmt verlaufenden Rohren noch fehlenden Freiheitsgrad kann man dadurch erhalten, dass die Richtung der Rohrachse (die die Lage der durch die lokalen Radiusvektoren gebildeten Polarebene im Raum definiert) in Abhängigkeit von dem Abstand zu einem der Rohrmünder mit diesem Abstand parametrisiert variiert. Man verwendet zur Beschreibung also einfach Zylinderkoordinaten bzw. die Terminologie einer Zylindergeometrie, deren Orientierung im Raum jedoch positionsabhängig ist.
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Die Erstreckungsrichtung oder Verlaufsrichtung des Rohres, die beim zylindrischen Rohr durch die Zylinderachse gegeben ist, ist dann in gleicher Weise jeweils lokal durch die Richtung, in der die Achse an der gegebenen Position des Rohres verläuft, gegeben; der Rohrverlauf ist durch eine entsprechende Raumkurve vorgegeben.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn es zu Abschnitten des elektrischen Heizelements, die auf der Rohrinnenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs verlaufen, einen Abschnitt des elektrischen Heizelements gibt, der in radialer Richtung parallelversetzt auf der Rohraußenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs verläuft und/oder dass der über eine Stirnseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs verlaufende Abschnitt in einer von der radialen Richtung abweichenden Richtung verläuft. Dies ist wickeltechnisch besonders einfach und reproduzierbar zu realisieren.
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Eine besonders kostengünstige, aber überaus leistungsfähige elektrische Heizvorrichtung erhält man, wenn das elektrische Heizelement zumindest abschnittsweise durch Einbettung in eine elektrisch isolierende Deckschicht fixiert und isoliert ist. Diese kann insbesondere eine Emaillierung, eine Lackschicht oder eine Keramikmasse sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann der so bewickelte Wickelkörper aber auch in bewährter Weise in einen rohrförmigen Metallmantel aufgenommen sein, wie es beispielsweise bei Heizpatronen üblich ist. In der alternativen Ausführungsform kann dabei bevorzugt die elektrische Isolierung zum rohrförmigen Metallmantel durch ein elektrisch isolierendes Material, z.B. MgO-Granulat, gewährleistet sein.
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Für unterschiedliche Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn der Abstand zwischen benachbarten Abschnitten des elektrischen Heizelements, die über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs geführt sind oder die über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs geführt sind, in Umfangsrichtung des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs von Abschnitt zu Abschnitt (also zwischen unterschiedlichen benachbarten Paaren von Abschnitten) variiert, oder mit anderen Worten gesagt vom Polarwinkel abhängt. Einerseits kann durch diese Maßnahme trotz der Verwendung eines geschlitzten Wickelkörpers die im Bereich des Schlitzes im Wickelkörper reduzierte Wärmeabgabe kompensiert werden, wenn man in den zum Schlitz benachbarten Abschnitten des Wickelkörpers die Wicklungsdichte erhöht.
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Andererseits ist es aber auf diese Weise auch möglich, eine elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen, deren Heizleistung nicht nur in ihrer Erstreckungsrichtung gezielt variiert werden kann, sondern auch hinsichtlich des Polarwinkeln in gezielt definierbarer Weise von einer isotropen Abstrahlcharakteristik abweicht.
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Wenn mindestens eine Bohrung in dem Mantel des den Wickelkörper bildenden Rohrs, teilweise geschlitzten Rohrs oder geschlitzten Rohrs angeordnet ist, die bevorzugt die beiden Stirnseiten dieses Mantels miteinander verbinden, können diese zur Einführung von Anschlussdrähten dienen, mit denen das elektrische Heizelement bestromt werden kann. Dadurch wird es dann auch besonders einfach, mehrere solche Wickelkörper einer derartigen elektrischen Heizvorrichtung mit Strom zu versorgen, indem einfach ein gemeinsamer Anschlussdraht verwendet wird, auf dem die Wickelkörper mit den Bohrungen aufgefädelt werden und mit dem dann die elektrischen Heizelemente aller Wickelkörper in elektrischem Kontakt stehen, so dass die Stromversorgung gewährleistet ist.
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Besonders flexibel einsetzbar wird die elektrische Heizvorrichtung dadurch, dass sie mehr als einen Wickelkörper aufweist, wobei bevorzugt zwischen benachbarten Wickelkörpern eine Platte oder Scheibe, die insbesondere auch ringförmig sein kann, aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind. Auf diese Weise können z.B. auch Wickelkörper mit unterschiedlicher Wicklungskonfiguration miteinander in derselben elektrischen Heizvorrichtung kombiniert werden oder unbeheizte Bereiche der elektrischen Heizvorrichtung geschaffen werden. Die Platten oder Scheiben können gleichzeitig auch als Positionierscheiben dienen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die elektrische Heizvorrichtung mindestens zwei unterschiedlich stark beheizte Bereiche hat. Diese können auf unterschiedlichen Wickelkörpern angeordnet sein, die sich hinsichtlich des Bewicklungsmusters, aber auch hinsichtlich des verwendeten elektrischen Heizelements unterscheiden können, also unterschiedliche Widerstandsdrähte aufweisen können.
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Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche stark beheizte Bereiche in Umfangsrichtung zueinander benachbart sein, also unterschiedliche Polarwinkelbereiche unterschiedlich stark beheizt sein. Dementsprechend lässt sich die räumliche Verteilung der Heizleistung gezielt beeinflussen.
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Wenn die Umfangslinie des Querschnitts des Wickelkörpers senkrecht zu seiner Verlaufsrichtung wenigstens einen geraden Abschnitt aufweist, kann vermieden werden, dass sich die Unterschiede zwischen Innen- und Außenumfang des als Rohr, teilweise geschlitztes Rohr oder als geschlitztes Rohr ausgebildeten Wickelkörpers in diesem Abschnitt bemerkbar machen. Insbesondere wird dies erreicht, wenn die Umfangslinie des Querschnitts des Wickelkörpers ein Polygonzug ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Heizvorrichtung ist der Wickelkörper zwischen einem äußeren rohrförmigen Metallmantel und einem inneren rohrförmigen Metallmantel angeordnet.
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Wenn der Wickelkörper durch ein teilweise geschlitztes Rohr oder ein geschlitztes Rohr gebildet ist, können in dem Schlitz ein Sensorelement und/oder Zuleitungen besonders gut und in beliebiger axialer Position angeordnet werden. Natürlich ist dies auch in einer separaten Bohrung oder Ausnehmung des Wickelkörpers möglich.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der Wickelkörper auf seiner Außen- oder Innenseite Abstandshalter aufweist. Diese können als Positionierhilfe für eine prozesssichere Anordnung des bewickelten Wickelkörpers im rohrförmigen Metallmantel einer elektrischen Heizvorrichtung dienen, unterstützen aber auch das Befüllen des verbleibenden Innenraums der elektrischen Heizvorrichtung mit einem elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Material wie MgO-Pulver oder -Granulat, da sie einen definierten Spalt, durch den das Material rieseln kann, bereitstellen.
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Wenn der Wickelkörper stirnseitige Führungen für Abschnitte des elektrischen Heizelements aufweist, kann die Lage der Wicklungen des elektrischen Heizelements leicht fixiert werden. Dasselbe gilt, wenn der Wickelkörper Ausnehmungen oder Nuten aufweist, in die Abschnitte des elektrischen Heizelements eingelegt sind. Bevorzugt ist dabei, dass die Nuten oder Ausnehmungen des Wickelkörpers einen Hinterschnitt aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die in die Nuten oder Ausnehmungen des Wickelkörpers eingelegten Abschnitte des elektrischen Heizelements plastisch verformt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
- 1a: eine Ansicht einer ersten elektrischen Heizvorrichtung,
- 1b: einen Querschnitt durch die elektrische Heizvorrichtung aus 1a entlang ihrer Längsachse,
- 1c: eine Darstellung des bewickelten Wickelkörpers der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a,
- 2a; eine Variante der elektrischen Heizvorrichtung aus 1a,
- 2b: einen Querschnitt durch die elektrische Heizvorrichtung aus 2a entlang ihrer Längsachse,
- 2c: eine Darstellung des bewickelten Wickelkörpers der elektrischen Heizvorrichtung aus 2a,
- 3: eine Ansicht einer zweiten elektrischen Heizvorrichtung als partielle Explosionsdarstellung,
- 4: eine Ansicht einer Variante der elektrischen Heizvorrichtung aus 3 als partielle Explosionsdarstellung,
- 5a: eine Ansicht eines bewickelten Wickelkörper für eine elektrische Heizvorrichtung,
- 5b: eine Ansicht auf eine Stirnseite des bewickelten Wickelkörpers auf 5a,
- 6a: eine Ansicht einer partiell geöffneten dritten elektrischen Heizvorrichtung,
- 6b: den Wickelkörper der elektrischen Heizvorrichtung aus 6a,
- 6c: einen Querschnitt durch die elektrische Heizvorrichtung aus 6a,
- 7a: eine Ansicht einer partiell geöffneten vierten elektrischen Heizvorrichtung,
- 7b: einen Querschnitt durch die elektrische Heizvorrichtung aus 7a,
- 8a: eine Ansicht einer partiell geöffneten fünften elektrischen Heizvorrichtung,
- 8b: einen Querschnitt durch die elektrische Heizvorrichtung aus 8a,
- 9a: eine Variante des bewickelten Wickelkörpers der 5a,
- 9b: eine Ansicht auf die geöffnete Stirnseite einer elektrischen Heizvorrichtung mit einem in 9a dargestellten bewickelten Wickelkörper,
- 10a: eine weitere Variante eines bewickelten Wickelkörpers, und
- 10b: einen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung durch den bewickelten Wickelkörper aus 10.
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Die 1a und 1b zeigen eine elektrische Heizvorrichtung 100, die aus einem Wickelkörper 110 in Form eines Rohrs mit kreisförmigem Querschnitt, einem darauf gewickelten elektrischen Heizelement 120 in Form eines Widerstandsdrahts und eine auf die Außenseite des bewickelten Wickelkörpers 110 aufgebrachte elektrisch isolierende Deckschicht 130, die zugleich Abschnitte des elektrischen Heizelements 120 fixiert, sowie Anschlussdrähten 140, die in Bohrungen 111 im Wickelkörper 110 eingeführt sind und zur Stromversorgung des elektrischen Heizelements 120 dienen besteht. 1c zeigt eine Ansicht der elektrischen Heizvorrichtung 100 ohne die elektrisch isolierende Deckschicht 130.
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Wie man besonders gut in den 1b und 1c erkennt, ist das elektrische Heizelement 120 so auf den Wickelkörper 110 aufgewickelt, dass es sowohl über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper 110 bildenden Rohrs als auch über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper 110 bildenden Rohrs verläuft. Dabei ist das elektrische Heizelement 120 so auf den Wickelkörper 110 aufgewickelt, dass es abwechselnd über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper 110 bildenden Rohrs und über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper 110 bildenden Rohrs verläuft. Zwischen einem Abschnitt des elektrischen Heizelements 120, der auf der Rohrinnenseite des den Wickelkörper 110 bildenden Rohrs verläuft und einem Abschnitt des elektrischen Heizelements 120, der auf der Rohraußenseite des den Wickelkörper 110 bildenden Rohrs verläuft, verläuft das elektrische Heizelement 120 jeweils über eine Stirnseite des den Wickelkörper 110 bildenden Rohrs.
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Die 2a und 2b zeigen eine Variante dieses Aufbaus in Gestalt der elektrische Heizvorrichtung 200, die aus einem Wickelkörper 210 in Form eines durch den von Stirnseite zu Stirnseite des Wickelkörpers 210 verlaufenden Spalt 212 geschlitzten Rohrs mit kreisförmigem Querschnitt, einem darauf gewickelten elektrischen Heizelement 220 in Form eines Widerstandsdrahts und eine auf die Außenseite des bewickelten Wickelkörpers 210 aufgebrachte elektrisch isolierende Deckschicht 230, die zugleich Abschnitte des elektrischen Heizelements 220 fixiert, sowie Anschlussdrähten 240, die in Bohrungen 211 im Wickelkörper 210 eingeführt sind und zur Stromversorgung des elektrischen Heizelements 220 dienen besteht. 2c zeigt eine Ansicht der elektrischen Heizvorrichtung 200 ohne die elektrisch isolierende Deckschicht 230.
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Wie man besonders gut in den 2b und 2c erkennt, ist das elektrische Heizelement 220 so auf den Wickelkörper 210 aufgewickelt, dass es sowohl über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper 210 bildenden geschlitzten Rohrs als auch über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper 210 bildenden geschlitzten Rohrs verläuft. Dabei ist das elektrische Heizelement 220 so auf den Wickelkörper 210 aufgewickelt, dass es abwechselnd über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper 210 bildenden geschlitzten Rohrs und über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper 210 bildenden geschlitzten Rohrs verläuft. Zwischen einem Abschnitt des elektrischen Heizelements 220, der auf der Rohrinnenseite des den Wickelkörper 210 bildenden geschlitzten Rohrs verläuft und einem Abschnitt des elektrischen Heizelements 220, der auf der Rohraußenseite des den Wickelkörper 210 bildenden geschlitzten Rohrs verläuft, verläuft das elektrische Heizelement 220 jeweils über eine Stirnseite des den Wickelkörper 210 bildenden geschlitzten Rohrs.
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Wie man sich anhand der 2a bis 2c leicht vergegenwärtigt, ist in der Ausführungsform die Bewicklung des Wickelkörpers 210 in Form eines geschlitzten Rohrs sehr viel einfacher und schneller realisierbar als die Bewicklung des Wickelkörpers 100.
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Die in den 3 und 4 gezeigten elektrischen Heizvorrichtungen 300 bzw. 400 haben mit elektrischen Heizelementen 320 bzw. 420 bewickelte Wickelkörper 310 bzw. 410 und Anschlussdrähte 340 bzw. 440, die genauso ausgeführt sind, wie es in den 1c bzw. 2c dargestellt ist und vorstehend beschrieben wurde. Der Unterschied zu den elektrischen Heizvorrichtungen 100,200 besteht darin, dass ein rohrförmiger Metallmantel 350 bzw. ein geschlitzter rohrförmiger Metallmantel 450 vorhanden sind, in deren Innenraum 351 bzw. 451 dann die bewickelten Wickelkörper aufgenommen sind. Für eine elektrische Isolation sorgt dann ein hier wie in den weiteren Figuren zur Wahrung von deren Übersichtlichkeit nicht dargestelltes, elektrisch isolierendes, vorzugsweise pulver- oder granulatartiges Material, das vorzugsweise verpresst sein kann. Die vorkonfigurierte Baugruppe des Wickelkörpers 310 bzw. 410 kann also einfach in den Innenraum 351 des rohrförmigen Metallmantels 350 bzw. in den Innenraum 451 des geschlitzten rohrförmigen Metallmantels eingeführt werden, wie es in den 3 bzw. 4 durch den Pfeil angedeutet ist, der verbleibende Innenraum dann mit dem elektrisch isolierenden Pulver oder Granulat, z.B. mit einem Magnesiumoxid, befüllt und optional verdichtet werden.
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Die Darstellungen eines Wickelkörpers 510, der nicht sonderlich dicht mit einem elektrischen Heizelement 520 in Form eines Widerstandsdrahts bewickelt und mit in Bohrungen 511 des Wickelkörpers 510 eingeführten Anschlussdrähten 540 versehen ist, die in den 5a und 5b gezeigt sind, erlauben eine Veranschaulichung einiger Details der Bewicklung. Insbesondere erkennt man anhand des exemplarisch eingezeichneten Radiusvektors r, der unter einem Polarwinkel ϕ verläuft, in der Darstellung der Figur 5b, dass es zu Abschnitten 521 des elektrischen Heizelements 520, die auf der Rohrinnenseite 515 des den Wickelkörper 510 bildenden Rohrs jeweils einen Abschnitt 522 des elektrischen Heizelements 520 gibt, der in radialer Richtung parallelversetzt auf der Rohraußenseite 516 verläuft und dass die über eine Stirnseite 513 des den Wickelkörper 520 bildenden Rohrs verlaufenden Abschnitte 523 des elektrischen Heizelements 520 in einer von der radialen Richtung abweichenden Richtung verlaufen.
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Die elektrische Heizvorrichtung 600, die in den 6a bis c gezeigt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass sie unterschiedlich stark beheizte Bereiche 601,602,603 aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass in den Metallmantel 650, der die Form eines geschlitzten Rohrs hat, elektrisch von diesem, z.B. durch ein optional verpresstes MgO-Pulver, isoliert eine in 6b separat dargestellte Baugruppe aus drei Wickelkörpern 610,660,670, die voneinander durch kreisringsegmentförmige Platten 665,675 getrennt und isoliert sind, aufweist.
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Die einzelnen Wickelkörper 610,660,670 sind analog zum Wickelkörper 210 aus 2c aufgebaut und mit elektrischen Heizelementen 620,621,622 in Form von Heizdrähten bewickelt, unterscheiden sich aber hinsichtlich der Bewicklungsdichte und stellen daher unterschiedliche Heizleistungen bereit. Die Baugruppe, die in der 6b gezeigt ist, lässt sich dabei einfach durch Aufstecken auf die Anschlussdrähte 640 zusammensetzen, kann dann so vorkonfiguriert in den Metallmantel 650 eingeführt werden und dann durch Befüllen des Restvolumens im Inneren des Metallmantels 650 mit dem elektrischen Isolator, pulverförmigem MgO von diesem isoliert und optional verpresst werden. Hingewiesen wird in diesem Zusammenhang auf die in den kreisringsegmentförmigen Platten 665,675 vorgesehenen Öffnungen 666,676, die das Durchrieseln des pulverförmigen MgO erleichtern.
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Eine weitere Besonderheit der in den 6a bis 6c dargestellten elektrischen Heizvorrichtung 600 lässt sich bei der genauen Betrachtung der 6c feststellen. Wie diese Querschnittsdarstellung, die eine Polarebene der elektrischen Heizvorrichtung 600 im Bereich des ersten Wickelkörpers 610 zeigt, verdeutlicht, variiert der Abstand a1,a2 zwischen benachbarten Abschnitten des elektrischen Heizelements 620, die über Abschnitte der Rohrinnenseite des den Wickelkörper 610 bildenden geschlitzten Rohrs geführt sind bzw. die über Abschnitte der Rohraußenseite des den Wickelkörper 610 bildenden geschlitzten Rohrs geführt sind, in Umfangsrichtung, also in Abhängigkeit vom jeweiligen Polarwinkel oder Polarwinkelbereich des den Wickelkörper 610 bildenden Rohrs oder geschlitzten Rohrs von Abschnitt zu Abschnitt.
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Konkret ist die Dichte der Wicklungen des elektrischen Heizelements 620 in den Bereichen des Wickelkörpers 610, die an den den Wickelkörper 610 von Stirnseite zu Stirnseite durchsetzenden Schlitz oder Spalt 612 im Wickelkörper 610 angrenzen, höher und somit der Abstand a1 zwischen jeweils benachbarten Abschnitten auf der Rohrinnenseite oder Rohraußenseite des geschlitzten Rohrs kleiner als im dem Schlitz oder Spalt 612 gegenüberliegenden Bereich. Dadurch lässt sich kompensieren, dass im Bereich des Schlitzes oder Spaltes 612 selbst keine Heizleistung bereitgestellt ist.
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Natürlich kann man durch entsprechende Abstands- bzw. Wicklungsdichtevariationen auch eine unterschiedliche Heizleistung unter unterschiedlichen Polarwinkeln bereitstellen, z.B. eine lokal überhöhte Heizleistung im dem Schlitz oder Spalt 612 gegenüberliegenden Bereich durch Vorsehen einer hohen Wicklungsdichte an dieser Stelle.
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Die in den 7a und 7b gezeigte elektrische Heizvorrichtung 700 hat einen mit einem elektrischen Heizelement 720 bewickelten Wickelkörper 710 mit Anschlussdrähten 740, der analog zum in 1c gezeigten Wickelkörper 110 mit elektrischem Heizelement 120 und Anschlussdrähten 140 aufgebaut und bewickelt ist. Ähnlich wie bei der in den 6a bis 6c diskutierten elektrischen Heizvorrichtung 600 weist die elektrische Heizvorrichtung 700 mehrere, hier jedoch nur zwei unterschiedlich beheizte Bereiche 701 und 702 auf, die hier aber separat ansteuerbar ausgeführt sind, weil ausser den Anschlussdrähten 740 zur Bestromung des elektrischen Heizelements 720 auch separate Anschlussdrähte 760 zur Bestromung von im Innenraum eines rohrförmigen Isolierstoffkörpers 770, der vom Wickelkörper 710 durch eine kreisringförmige Scheibe 775 mit Ausnehmungen 776 getrennt ist, aufgenommenen Heizdrahtwendeln 780 vorgesehen sind. Diese Gesamtanordnung ist in einem gemeinsamen rohrförmigen Metallmantel 750 in gleicher Weise wie oben beschrieben durch MgO-Pulver oder -Granulat isoliert angeordnet.
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Die in den 8a bis 8c gezeigte elektrische Heizvorrichtung 800 hat einen mit einem elektrischen Heizelement 820 bewickelten Wickelkörper 810 mit Anschlussdrähten 840, der analog zum in 1c gezeigten Wickelkörper 110 mit elektrischem Heizelement 120 und Anschlussdrähten 140 aufgebaut und bewickelt ist. Ähnlich wie bei der in den 6a bis 6c diskutierten elektrischen Heizvorrichtung 600 weist die elektrische Heizvorrichtung 800 mehrere, hier jedoch nur zwei unterschiedlich beheizte Bereiche 801 und 802 auf, die gemeinsam durch die Anschlussdrähte 840 bestromt werden. Der Bereich 802 wird dabei durch einen zweiten Wickelkörper 860, der in Umfangsrichtung und nicht axial mit einem elektrischen Heizelement 870 bewickelt ist, beheizt. Auch hier sind die Wickelkörper 810 und 860 durch eine kreisringförmige Scheibe 875 aus elektrisch isolierendem Material mit Ausnehmungen 876 getrennt und gemeinsam in einen pulverförmigen elektrisch isolierenden Stoff innerhalb eines rohrförmigen Metallmantels 850 eingebettet.
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Der in 9a gezeigte bewickelte Wickelkörper 910 ist weitgehend identisch zu dem in 5a und 5b gezeigten bewickelten Wickelkörper 510, weshalb für seine Beschreibung weitgehend auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen werden kann, wobei sich die in 9a und 9b verwendeten Bezugszeichen durch Addition von 400 aus den entsprechenden Bezugszeichen der 5a und 5b ergeben.
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Der Unterschied zwischen den Wickelkörpern 510 und 910 besteht darin, dass an dem letzteren exemplarisch als Rippen ausgestaltete Abstandshalter 980 an der Rohraußenseite des Wickelkörpers 910 und Abstandshalter 985 an der Rohrinnenseite des Wickelkörpers 910 angeordnet sind. Natürlich sind andere Abstandshaltergeometrien ebenfalls denkbar. Die Wirkung und Funktion dieser Abstandshalter 980,985 erkennt man in der Darstellung der Figur 9b, die den bewickelten Wickelkörper aus 9a in einer elektrischen Heizvorrichtung 900 darstellt: Sie gewährleisten eine exakte Positionierung des bewickelten Wickelkörpers 910 relativ zu einem äußeren rohrförmigen Metallmantel 950 und einem inneren rohrförmigen Metallmantel 990 der elektrischen Heizvorrichtung 900.
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Wie man an dem in den 10a und 10b gezeigten rohrförmigen Wickelkörper 1010 erkennt, ist es auch möglich, einzelne Abschnitte 1022 des elektrischen Heizelements in Nuten 1090 oder Vertiefungen des Wickelkörpers 1010, die wie im hier dargestellten Beispiel auch einen Hinterschnitt aufweisen können und die in diesem Beispiel an seiner Außenseite angeordnet sind, aber auch an der Innenseite oder stirnseitig angeordnet sein können und anders als hier gezeigt auch nicht für jede Windung des elektrischen Heizelements vorhanden sein müssen, einzulegen.
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Bevorzugt ist es dabei, wenn man die in die Nuten eingelegten Abschnitte 1022 des elektrischen Heizelements 1020 dann unter plastischer Verformung einpresst, so dass die Oberfläche des bewickelten Wickelkörpers eben wird. Diese Verformung erkennt man besonders gut durch Vergleich der Abschnitte 1022 des elektrischen Heizelements 1020 mit den Abschnitten 1021 in 10b.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 200, 300, 400,600, 700, 800, 900
- elektrische Heizvorrichtung
- 110, 210, 310, 410,510, 610, 660, 670,710, 810, 860, 910, 1010
- Wickelkörper
- 120, 220, 320, 420,520, 620, 621, 622, 720, 820, 870, 920, 1020
- elektrisches Heizelement
- 130, 230
- Deckschicht
- 140, 240, 340, 440, 540, 640, 740, 760,840, 940, 1040
- Anschlussdraht
- 111, 211, 511
- Bohrung
- 212, 412, 612
- Spalt
- 350, 450, 650, 950, 990
- Metallmantel
- 351, 451, 651
- Innenraum
- 513
- Stirnseite
- 515
- Rohrinnenseite
- 516
- Rohraußenseite
- 521, 522, 523, 921, 922, 923,1021, 1022, 1023
- Abschnitt
- 601, 602, 603, 701,702, 801, 802
- Bereich
- 665, 675
- Platte
- 666, 676
- Öffnung
- 770
- Isolierstoffkörper
- 775, 875
- Scheibe
- 776, 876
- Ausnehmung
- 780
- Heizdrahtwendel
- 980, 985
- Abstandshalter
- 1090
- Nut
- r
- Radiusvektor
- ϕ
- Polarwinkel
- a1,a2
- Abstand
