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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement mit einem metallischen Außenmantel mit mindestens einem innenliegenden elektrischen Heizleiter, der von elektrisch isolierender Keramikmasse umgeben ist, wobei die Enden des Heizleiters aus einem Ende oder aus beiden Enden des Außenmantels herausragen, unmittelbar oder unter Zwischenanordnung von Anschlussdrähten, und jeweils an eine flexible Anschlussleitung angeschlossen sind, die innenliegend mindestens einen elektrischen Leiter zur Verbindung mit den Enden des Heizleiters und außenliegend eine elektrische Isolierung aufweist.
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Das erfindungsgemäße Heizelement dient insbesondere zur Beheizung von Spritzgießwerkzeugen oder Druckgusswerkzeugen oder auch zur Beheizung von Düsen in der Heißkanaltechnik. Eine elektrische Isolierung kann beispielsweise in Form eines Isolierschlauches vorgesehen sein.
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Zum Stand der Technik wird beispielsweise auf die
DE 10 2004 007 542 B4 verwiesen. Aus dieser Druckschrift ist ein elektrischer Heizkörper bekannt, der einen ähnlichen Aufbau aufweist, wobei dieser Heizkörper, ebenso wie der Erfindungsgegenstand auch zu einer Wendelrohrpatrone gewickelt werden kann.
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Der Anschlussbereich zwischen dem Heizkörper und der anschließenden flexiblen Litze ist beispielsweise in der
DE 203 01 966 Ul gezeigt und erörtert.
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Gemäß diesem Stand der Technik und weiterem bekannten Stand der Technik sind unterschiedlichste Verbindungsarten bekannt, durch die eine flexible Anschlussleitung an die starren Anschlussenden eines elektrischen Heizelementes angebracht werden können. Beispielsweise können dies Stecker sein oder mittels Schläuchen isolierte Quetschverbindungen. Es können auch in einem Rohrstück mit Vergussmasse eingebettete Verbindungsmittel sein.
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Die bekannten Ausführungsformen sind sehr kostenintensiv in der Herstellung und im Ergebnis im Regelfall nicht raumsparend, da sie erheblichen Einbauraum sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung benötigen. Auch sind die bekannten Versionen nur mit großem Aufwand feuchtigkeitsgeschützt auszubilden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Heizelement gattungsgemäßer Art zu schaffen, bei dem eine feuchtigkeitsgeschützte und raumsparende Verbindung zwischen Heizelement und Anschlusslitze erreicht werden kann, wobei gleichzeitig die Fertigungszeiten und Fertigungskosten reduziert werden können. Auch eine Reduzierung der Einzelteile soll erreicht werden. Es soll auch eine gute Temperaturbeständigkeit und mechanische Festigkeit sichergestellt sein. Zudem soll die Verbindungsstelle eine gute mechanische Zugentlastung bilden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Anschlussbereich vom Außenmantel des Heizelementes über die Verbindungsstelle zwischen den Heizleiterenden und den elektrischen Leitern der Anschlussleitung bis zur Isolierung der Anschlussleitung von einer Umspritzung aus anorganisch-organischem Kompositmaterial umgeben ist, wobei die Umspritzung bis über den Außenmantel und über die Isolierung in der Nachbarschaft der einander zugewandten Enden von Außenmantel und Isolierung ausgebildet ist.
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Das Ergebnis dieser Ausgestaltung ist, dass eine feuchtigkeitsgeschützte und raumsparende Verbindung zwischen dem elektrischen Heizelement und der Anschlussleitung erzeugt und zur Verfügung gestellt wird, wobei nicht nur eine feuchtigkeitsgeschützte Ausbildung erreicht wird, sondern insbesondere auch eine raumsparende Verbindung. Dabei werden die Fertigungszeiten minimiert, da nur wenige Fertigungsschritte erforderlich sind, um die richtig positionierten Teile mit einer entsprechenden Umspritzung aus anorganisch-organischem Kompositmaterial zu versehen. Es werden hiermit nicht nur die Fertigungszeiten und somit die Fertigungskosten reduziert, sondern es werden auch deutlich weniger Einzelteile benötigt, als im Stand der Technik. Auch wird eine gute Temperaturbeständigkeit erreicht und eine gute mechanische Festigkeit. Zudem wird die Verbindungsstelle durch das Umspritzen mechanisch entlastet, sodass quasi eine Zugentlastung gebildet ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Außenmantel durch ein Rohr gebildet ist.
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Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Außenmantel aus Stahl, vorzugsweise Edelstahl, oder Nickel besteht.
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Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Keramikmasse aus hochverdichtetem Magnesium-Oxid Pulver besteht.
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Auch ist vorgesehen, dass der Außenmantel samt Heizleiter und Keramikmasse weichgeglüht ist, sodass er biegbar ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Isolierung aus PTFE, Kapton, Silicon oder Glasseide besteht.
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Auch ist vorgesehen, dass der elektrische Heizleiter über nahezu die gesamte Länge des Außenmantels als Heizwendel ausgebildet ist und nur die Endbereiche innerhalb des Außenmantels und außerhalb des Außenmantels als gerade Drahtabschnitte ausgebildet sind.
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Bei den erfindungsgemäßen Heizelementen wird eine maximale Arbeitstemperatur von bis zu 750 °C erreicht.
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Im Anschlussbereich, also in dem Bereich, in dem sich keine Heizwendel befindet, sondern die geraden Drahtabschnitte vorgesehen sind, die vorzugsweise auch noch dicker im Durchmesser ausgebildet sein können, als das Material der Heizwendel, erfolgt bei der Benutzung eine Erwärmung auf maximal ca. 260 °C. Bis zu solchen Temperaturen ist insbesondere auch das Material der Leitungsisolierung schadlos beständig. Auch das als Umspritzung dienende anorganisch-organische Kompositmaterial kann bis zu diesen Temperaturen und sogar darüber hinaus belastet werden, ohne dass es Schaden nimmt.
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Insbesondere ist auch vorgesehen, dass der elektrische Leiter der Anschlussleitung aus Nickel, einer Kupfer-Nickel-Legierung oder aus Kupfer besteht.
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Zudem ist hierbei bevorzugt, dass der elektrische Leiter der Anschlussleitung aus einer seilartigen verdrillten Drahtlitze besteht.
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Je nach der aufzubringenden Stromstärke wird ein entsprechendes Material ausgewählt. Dadurch, dass die Anschlussleitung aus einer seilartig verdrillten Drahtlitze besteht, ist deren Biegsamkeit und Elastizität gewährleistet.
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Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das anorganisch-organische Kompositmaterial der Umspritzung zugfest, feuchtedicht, elektrisch isolierend, spannungsfest, temperaturbeständig, raumsparend und/oder alterungsbeständig ist.
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Durch entsprechende Materialauswahl des Kompositmaterials kann der Fachmann entsprechende Materialen einsetzen und verwenden, die bis zu den tatsächlich auftretenden Temperaturen stabil sind.
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Zudem ist vorgesehen, dass das Ende des Heizleiters mit dem entsprechenden elektrischen Leiter verschweißt, verlötet und/oder quetschverbunden ist.
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Beispielsweise können die Enden stoßverschweißt oder stoßverlötet werden. Alternativ ist auch vorgesehen, dass das Ende des Heizleiters in das Ende des als Litze ausgebildeten elektrischen Leiters eingesteckt ist.
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Hierbei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass eine Verschweißung der ineinander gesteckten Bestandteile des Heizleiters und der Litze erfolgt.
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Zudem ist vorzugsweise vorgesehen, dass das zur Verbindung mit dem Ende des Heizleiters bestimmte Ende des elektrischen Leiters abisoliert ist.
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Hierdurch ist die Zugänglichkeit zu dem abisolierten Ende des elektrischen Leiters verbessert, sodass das Zusammenführen und gegebenenfalls Verbinden oder Verschweißen in einfacher Weise realisierbar ist.
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Schematisierte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
- 1 einen Abschnitt eines elektrischen Heizelementes mit einer Anschlussleitung und umspritzter Verbindungsstelle;
- 2 ein Heizelement mit Außenmantel 1 und an jedem Ende einen Anschlussbereich 6 mit einer Umspritzung 7;
- 3 ein Heizelement 1, nach der halben Länge haarnadelförmig umgebogen, sodass beide Enden gemeinsam in einen Anschlussbereich 6 mit einer gemeinsamen Umspritzung 7 platziert sind;
- 4 ein Heizelement mit Außenmantel 1, das an einem Ende zwei elektrische Anschlussleiter 3 aufweist, wobei die innenliegende Heizleiterspirale über einen Hin- und Rückweg verläuft, wobei beide Leiter 3,4 im Anschlussbereich 6 gemeinsam umspritzt sind;
- 5 beispielhaft für alle Figuren ein Heizelement wie unter 4, jedoch mit einem zusätzlichen innenliegenden im Außenmantel angeordneten Thermoelement, dessen flexible Anschlussleitungen 8 zusammen mit den flexiblen elektrischen Anschlussleitungen 3 umspritzt sind.
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In den Figuren ist ein elektrisches Heizelement gezeigt. Es weist einen metallischen Außenmantel 1 auf, in dem innenliegend mindestens ein gewendelter oder als gestreckter Draht ausgebildeter elektrischer Heizleiter angeordnet ist, der von elektrisch isolierender Keramikmasse umgeben ist. Das oder die Enden 2 des Heizleiters ragen aus dem stirnseitigen Ende des Außenmantels 1 vor. Vorzugsweise sind die Heizleiter innerhalb des Außenmantels 1 mit Abstand von der Stirnseite gewendelt und im Anschluss durch einen dickeren Anschlussdorn oder gestreckten Anschlussdraht nach außen geführt, sodass das herausragende Ende 2 des Heizleiters gebildet ist. Diese Maßnahme dient dazu, den Endbereich des Außenmantels 1 nicht auf hohe Temperatur aufzuheizen, sondern nur den übrigen Teil des Heizelementes und somit des Außenmantels, der in der 1 nicht mehr dargestellt ist und weiteren Abstand von der noch näher zu bezeichnenden Verbindungsstelle hat.
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An das herausragende Ende 2 ist eine flexible Anschlussleitung 3 angeschlossen, die innenliegend mindestens einen elektrischen Leiter 4 zur Verbindung mit dem Ende 2 des Heizleiters aufweist und außenliegend eine elektrische Isolierung 5 aufweist.
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Der Anschlussbereich 6, der vom Außenmantel 1 des Heizelementes über die Verbindungsstelle zwischen Heizleiter Ende 2 und elektrischem Leiter 4 bis zum Isolierschlauch 5 der Anschlussleitung 3 reicht, ist von einer Umspritzung 7 aus anorganisch-organischem Kompositmaterial umgeben. Diese Umspritzung 7 überdeckt den Endbereich des Außenmantels 1 und den Endbereich der Isolierung 5 und natürlich die Verbindungsstelle des Endes 2 mit dem elektrischen Leiter 4, sodass eine abgedichtete und sichere Verbindung zur Verfügung gestellt ist. Diese Verbindung ist feuchtigkeitsgeschützt und sehr raumsparend. Dabei sind nur wenige Einzelteile für die Verbindung erforderlich, wobei zudem durch die Umspritzung mit dem anorganischorganischen Kompositmaterial eine gute mechanische Entlastung der Verbindungsstelle erreicht wird, also eine Zugentlastung der Verbindung.
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Der Außenmantel 1 ist vorzugsweise durch ein Rohr mit kreisrundem Querschnitt gebildet, es kann aber auch ein profiliertes Rohr zum Einsatz kommen. Dieser Außenmantel besteht vorzugsweise aus Stahl oder noch besser aus Edelstahl oder Nickel. Der Außenmantel 1 samt Heizleiter 2 und Keramikmasse ist weichgeglüht, sodass er biegbar ist.
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Die Isolierung 3 besteht vorzugsweise aus PTFE oder auch aus anderen Materialien, beispielsweise Kapton, Silicon oder Glasseide. Die Materialauswahl ist so zu treffen, dass die auftretenden Temperaturen schadlos aufgenommen werden können.
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Wie schon oben ausgeführt, ist der elektrische Heizleiter 2 über nahezu die gesamte Länge des Außenmantels 1 als Heizwendel ausgebildet. Nur die Endbereiche innerhalb des Außenmantels 1 nehmen einen geraden Drahtabschnitt als Bestandteil der Heizwendel 2 auf, sodass dieser Bereich nicht in dem Maße erhitzt wird, wie der übrige Bereich des elektrischen Heizelementes. Heizwendel und gerader Drahtabschnitt können hierbei aus demselben oder aus verschiedenen Materialien bestehen.
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Vorzugsweise besteht der elektrische Leiter 4 der Anschlussleitung 3 aus Nickel, oder einer Kupfer-Nickel-Legierung oder aus Kupfer. Vorzugsweise besteht der elektrische Leiter 4 aus einer seilartig verdrillten Drahtlitze, sodass zum Zwecke der Verbindung die Enden des Heizleiters 2 in den elektrischen Leiter 4 eingeschoben werden können und dort in der Position, wie sie in der Zeichnung gezeigt ist, verschweißt werden können. Gegebenenfalls ist auch eine Klemmung oder Vercrimpung der entsprechenden Komponenten möglich. Das anorganisch-organische Kompositmaterial der Umspritzung 7 ist zugfest, feuchtedicht, elektrisch isolierend, spannungsfest, temperaturbeständig und auch alterungsbeständig. Zur Erleichterung der Verbindungsbildung ist das zur Verbindung mit dem Ende des Heizleiters 2 bestimmte Ende des elektrischen Leiters 4 abisoliert, wie auch in der 1 gezeigt, sodass diese Enden zur Verbindungsbildung frei zugänglich sind und auch in einfacher Weise verschweißt oder verlötet oder quetschverbunden werden können.
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2 bis 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele.
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In 5 ist die zusätzliche Verwendung eines oder mehrerer im Heizelement integrierten Thermoelemente dargestellt. Die in diesem Fall ebenfalls aus dem stirnseitigen Ende des Außenmantels 1 herausragenden Thermodrähte werden, ebenso wie die elektrischen Leiter 2, in der Umspritzung 7 des Anschlussbereiches 6 mit flexiblen Thermoleitungen 8 verbunden, in derselben Weise wie die flexiblen Anschlussleitungen 3.
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Die Erfindung stellt ein elektrisches Heizelement zur Verfügung, welches hohen Qualitätsanforderungen genügt, wobei die Eigenschaften vorzüglich sind und die Fertigungsmöglichkeiten und Fertigungszeiten sehr einfach beziehungsweise mit minimalen Kosten verbunden sind.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
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Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004007542 B4 [0003]
- DE 20301966 [0004]
