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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1.
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Elektrische Heizvorrichtungen werden seit vielen Jahren zur Beheizung von Gegenständen und Medien verwendet. Bei einer Vielzahl von Anwendungen unterliegen sie dabei immer stärkeren Bauraumbeschränkungen, während gleichzeitig bei zumindest einigen dieser Anwendungen die zum Betrieb verfügbare Betriebsspannung immer weiter abgesenkt wird. Einerseits erzwingt dies Paradigmenwechsel bei der Gestaltung der Heizleitergeometrie, andererseits schafft es aber auch neue Freiheitsgrade für diese Gestaltung, die bislang für den Fachmann ausgeschlossen waren oder schienen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht dabei darin, eine insbesondere durch ihre Heizleitergeometrie für den Einsatz bei den oben genannten Rahmenbedingungen optimierte elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat einen zumindest abschnittsweise gewendelten Heizleiter, der innerhalb eines rohrförmigen Metallmantels durch elektrisch isolierendes Material von dem rohrförmigen Metallmantel elektrisch isoliert angeordnet ist. Dabei liegt bevorzugt zumindest abschnittsweise eine konstante Wendelung mit im Wesentlichen gleicher Wendelsteigung, im Wesentlichen gleichen Innen- und Außendurchmesser der Wendel und im Wesentlichen gleichem Heizleiterquerschnitt vor.
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Erfindungswesentlich ist, dass die kleinste Ausdehnung eines Querschnitts durch den Heizleiter
- • größer ist als der Abstand zwischen zwei in Richtung der Wendelachse benachbarten Wendeln des gewendelten Heizleiters und/oder
- • größer ist als der Abstand zwischen der Innenseite des rohrförmigen Metallmantels und der dem rohrförmigen Metallmantel zugewandten Außenseite von Wendeln des gewendelten Heizleiters und/oder
- • größer ist als der Wendelinnendurchmesser der Wendeln des gewendelten Heizleiters.
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Jede der drei vorstehend genannten Bedingungen führt dazu, dass innerhalb des rohrförmigen Metallmantels bei gegebenem Bauraum möglichst viel Heizleiter angeordnet werden kann; bei der ersten Bedingung durch eine Maximierung der Zahl der Wendeln, die auf einer gegebenen Länge der elektrischen Heizvorrichtung untergebracht werden können; bei der zweiten und dritten Bedingung jeweils durch eine Optimierung der Ausnutzung der Querschnittsfläche des rohrförmigen Metallmantels.
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Hinsichtlich der Bezugnahme auf die kleinste Ausdehnung eines Querschnitts durch den Heizleiter soll klarstellend erwähnt werden, dass dieser Querschnitt typischerweise aus dem Querschnitt des Heizleitermaterials, das gewendelt wird, hervorgeht und senkrecht zur Verlaufsrichtung des Heizleiters steht und dass seine Ausdehnung durch den Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Randpunkten des Querschnitts, deren direkte Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche verläuft, gegeben ist. Ist der Heizleiter aus einem Runddraht gewendelt, handelt es sich dabei um den Durchmesser des Runddrahtes; bei Verwendung eines gewendelten Flachdrahtes, handelt es sich in der Regel um seine Dicke, da diese typischerweise geringer ist als seine Breite.
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Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die kleinste Ausdehnung eines Querschnitts durch den Heizleiter um ein Mehrfaches größer ist als der Abstand zwischen zwei in Richtung der Wendelachse benachbarten Wendeln des gewendelten Heizleiters und/oder um ein Mehrfaches größer ist als der Abstand zwischen der Innenseite des rohrförmigen Metallmantels und der dem rohrförmigen Metallmantel zugewandten Außenseite von Wendeln des gewendelten Heizleiters und/oder um ein Mehrfaches größer ist als der Wendelinnendurchmesser der Wendeln des gewendelten Heizleiters.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der gesamte Heizleiter gewendelt und innerhalb des rohrförmigen Metallmantels angeordnet; anders als bislang übliche Heizleiterwendeln gibt es also keine gestreckt in Richtung der Wendelachse verlaufenden oder entgegen der Richtung der Wendelachse zurückgeführten Heizleiterabschnitte mehr und auch keine aus dem rohrförmigen Metallmantel herausgeführte Abschnitte des Heizleiters. Der elektrische Kontakt zum Heizleiter wird vielmehr über Anschlussstücke hergestellt ist, die zumindest abschnittsweise innerhalb des rohrförmigen Metallmantels angeordnet sind. Vorzugsweise überragen die Anschlusstücke den rohrförmigen Metallmantel jeweils endseitig. Besonders bevorzugt ist es, wenn es sich um Anschlussbolzen oder Anschlussdrähte handelt, deren Durchmesser an den Wendeldurchmesser angepasst ist.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Anschlussstücke mit dem Heizleiter durch Verlöten oder Verschweißen elektrisch leitend verbunden sind und wenn die dazu dienenden Lötstellen oder Schweißstellen nicht nur eine punktuelle Verbindung zum Heizleiter bilden, sondern mehr als die Hälfte einer endseitigen Wendel überdecken. Dies erlaubt eine zuverlässige und sicher herstellbare Verbindung.
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Dadurch, dass das elektrisch isolierende Material zumindest teilweise als Formkörper, beispielsweise als Brechröhrchen aus einer elektrisch isolierenden aber wärmeleitenden Keramik oder MgO-Pressling bereitgestellt ist, kann eine besonders zuverlässige elektrische Isolierung zwischen dem gewendelten Heizelement und dem rohrförmigen Metallmantel gewährleistet werden, obwohl die verbleibenden Leervolumina so gering sind, dass ein Einrieseln von elektrisch isolierendem, wäremeleitendem Pulver oder Granulat, z.B. Magnesiumoxid, erschwert ist. Anzumerken ist dabei, dass diese Formkörper wenn die elektrische Heizvorrichtung verdichtet wird, zerbrochen und zerbröselt werden können und in vielen Fällen auch werden.
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Eine weitere mögliche Bedingung, um die Bauraumnutzung in Richtung parallel zur Wendelachse zu optimieren, ist erfüllt, wenn in einer Querschnittsfläche der elektrischen Heizvorrichtung, die senkrecht zur mit der Wendelachse zusammenfallenden Verlaufsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung steht, mehr als 50% eines Wendelumlaufs des Heizleiters liegen, was im Umkehrschluss bedeutet. Der Wendelumlauf des Heizleiters ist dabei als die Fläche eines Kreisrings zu verstehen, dessen Außendurchmesser durch den Außendurchmesser einer Heizdrahtwendel und dessen Innendurchmesser durch den Innendurchmesser des gewendelten Heizelements gegeben ist.
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Als vorteilhaft für Realisierung der Erfindung hat sich erwiesen, wenn der gewendelte Heizleiter selbsttragend ist. Diese Eigenschaft hat der gewendelte Heizleiter dann, wenn die Wendelgeometrie des gewendelten Heizleiters ohne Einwirkung äußerer Einflüsse erhalten bleibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die ein Ausführungsbeispiel zeigen, näher erläutert. Es zeigt:
- 1a: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung,
- 1b: eine Detailvergrößerung aus 1a, und
- 1c: einen vergrößerten Querschnitt durch die elektrische Heizvorrichtung längs der in 1a angetragenen Schnittlinie A-A.
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1a zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Heizvorrichtung 1, mit einem gewendelten Heizleiter 10 in einer Schnittebene, in der die Wendelachse W des gewendelten Heizleiters 10 liegt, der aus einem Runddraht mit Querschnitt Q, dessen kleinste Ausdehnung D1 durch seinen Durchmesser gegeben ist, gewendelt ist. Der gewendelte Heizleiter 10 ist innerhalb eines rohrförmigen Metallmantels 20 angeordnet und durch elektrisch isolierendes Material 30 von diesem elektrisch isoliert. Das elektrisch isolierende Material 30 ist als Formkörper bereitgestellt worden, vorzugsweise als eine in den Wendelinnenraum eingeschobene Stange und als eine auf den gewendelten Heizleiter 10 aufgeschobene Hülse; in den Figuren ist dies aber nicht mehr sichtbar, weil diese Formteile beim Verdichten der elektrischen Heizvorrichtung pulverisiert wurden.
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Der gewendelte Heizleiter 10 ist über seine gesamte Länge hinweg gewendelt, wobei die Wendelparameter konstant sind; insbesondere weist er keine parallel zur Wendelachse W verlaufenden Endabschnitte zur elektrischen Kontaktierung auf. Stattdessen sind Anschlussstücke 40,50 vorhanden, welche über hier als Lötstellen 41,51 ausgebildete Verbindungsstellen mit dem gewendelten Heizleiter 10 in elektrischem Kontakt steht. Die Anschlussstücke 40,50 sind dabei als Anschlussbolzen ausgestaltet, deren Querschnitt in etwa dem einer Kreisfläche mit einem Durchmesser, der dem Wendelaußendurchmesser D3 entspricht und die abschnittsweise innerhalb des rohrförmigen Metallmantels 20 angeordnet sind, während ein anderer Abschnitt jeweils an einer Stirnseite des rohrförmigen Metallmantels 20 über diesen hinausragt. Beachtenswert ist dabei, dass die hier als Lötstellen ausgebildeten Verbindungsstellen 41,51 nicht nur eine punktuelle Verbindung zum Runddraht, aus dem der gewendelte Heizleiter 10 gefertigt ist, bilden, sondern einen elektrischen Kontakt jeweils mit einer endseitigen Wendel 13,14 des elektrischen Heizelements ausbilden, der diese mehr als zur Hälfte überdeckt.
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Dem Fachmann springt bereits bei der Betrachtung der 1a unmittelbar ins Auge, dass es sich um eine außergewöhnlich kompakte Anordnung handelt, bei der ein sehr hoher Anteil des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels 20 durch den gewendelten Heizleiter 10 ausgefüllt wird. Ermöglicht wird dies insbesondere durch eine spezielle Heizleitergeometrie, die anhand der 1b näher erläutert wird. In der 1b sind angetragen:
- • die kleinste Ausdehnung D1 eines Querschnitts Q des elektrischen Heizleiters 10,
- • der Wendelinnendurchmesser D2,
- • der Wendelaußendurchmesser D3,
- • der Abstand A zwischen zwei in Richtung der Wendelachse W benachbarten Wendeln 11,12 des gewendelten Heizleiters 10,
- • die Wendelsteigung S zwischen benachbarten Wendeln,
- • der Außendurchmesser D4 der elektrischen Heizvorrichtung, und
- • der Abstand b der Innenseite des rohrförmigen Metallmantels 20 von der dem rohrförmigen Metallmantel zugewandten Außenseite von Wendeln 11,12 des gewendelten Heizleiters 10.
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Man erkennt unmittelbar, dass der Abstand A, der Abstand b und der Wendelinnendurchmesser jeweils nur einen Bruchteil der kleinsten Ausdehnung D1 des Querschnitts Q betragen. Insbesondere liegt das Verhältnis aus Außendurchmesser D4 zur kleinsten Ausdehnung D1 des Querschnitts Q unterhalb von vier; es sind aber sogar Werte von etwa drei realisierbar, was zu einer noch bauraumsparenderen elektrischen Heizvorrichtung 1 führt.
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Die Querschnittsdarstellung gemäß 1c verdeutlicht eine weitere geometrische Bedingung, welche zur Bauraumeffizienz beiträgt: In der dargestellten Querschnittsfläche der elektrischen Heizvorrichtung 1, die senkrecht zur mit der Wendelachse W zusammenfallenden Verlaufsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung 1 steht, liegen als 50% eines Wendelumlaufs des Heizleiters. Der Wendelumlauf des Heizleiters ist dabei als die Fläche eines Kreisrings zu verstehen, dessen Außendurchmesser durch den Außendurchmesser D3 einer Heizdrahtwendel und dessen Innendurchmesser durch den Innendurchmesser D2 des gewendelten Heizelements 10 gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Heizvorrichtung
- 10
- Heizleiter
- 11,12
- Wendel
- 13,14
- endseitige Wendel
- 20
- rohrförmiger Metallmantel
- 30
- elektrisch isolierendes Material
- 40,50
- Anschlussstücke
- 41,51
- Verbindungsstelle
- W
- Wendelachse
- Q
- Querschnitt
- D1
- kleinste Ausdehnung
- D2
- Wendelinnendurchmesser
- D3
- Wendelaußendurchmesser
- D4
- Außendurchmesser
- A
- Abstand
- S
- Wendelsteigung
- b
- Abstand
