DE2347090A1

DE2347090A1 - Widerstands-heizelement

Info

Publication number: DE2347090A1
Application number: DE19732347090
Authority: DE
Inventors: Heinz Emmerichs; Otto Heuel
Original assignee: Hasco Normalien Hasenclever GmbH and Co
Current assignee: Hasco Hasenclever GmbH and Co KG
Priority date: 1973-09-19
Filing date: 1973-09-19
Publication date: 1975-03-20
Also published as: CH573697A5; FR2244323B1; FR2244323A1; AT333909B; US3927301A; SE7411413L; JPS5077944A; DE2347090B2; DE2347090C3; BE820019A; ATA696274A

Description

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Firma HASCO-Normalien Hasenclever & Co., 588 Lüdenscheid,

Westerfelder Weg 90

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Widerstands-Heizelement.

Vorliegende Erfindung betrifft ein Widerstands-Heizelement, insbesondere Heizpatrone, mit einem, einen Widerstands-Heizdraht aufnehmenden Mantel, mit Stromzuführungsmitteln und mit Mitteln zur Montage und Demontage der Heizpatrone in einer Bohrung.

Heizelemente dieser Art sind in den verschiedensten Ausführungen im Handel erhältlich- Sie finden ihre Anwendung überall dort, wo es darum geht, in Maschinen oder Werkzeugteilen eine gut dosierte und gezielte Wärmeleistung aufzubringen. Spezielle Verwendung finden die Heizelemente der genannten Gattung in der Kunststoff-Verarbeitung, bei Spritz-, Spritzpreß- und Preßformen; ebenso bei Druckgießformen.

Die bekannten Heizelemente bestehen im wesentlichen aus einem zylindrischen Mantelrohr, welches in der Eegel aus einem hochwertigen, legierten Stahl gefertigt ist.

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In diesem Mantel befindet sich eine Wendel aus einem Widerstands-Heizdraht, welche die elektrische Energie in Wärme umsetzt. An der elektrischen Anschlußseite des Heizelements, d.h. an der Seite, an welcher die Stromzuführungen in das Heizelement münden, ist vielfach ein Gewindeansatz angebracht, mit dessen Hilfe die Heizpatrone in der sie aufnehmenden Bohrung eingeschraubt und arretiert werden kann.

Wichtigste Kriterien beim Betrieb eines solchen Widerstands-Heizelements sind in erster Linie die Lebensdauer und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung. Um diese Kriterien zu optimieren, wurden die Fertigungsverfahren, die Werkstoffauswahl und schließlich auch die Sorgfalt beim Einbau eines derartigen Heizelements wesentlich verfeinert. Von entscheidender Bedeutung für Lebensdauer und Wirkungsgrad ist das Spül zwischen der Außenmantelfläche des Heizelements und der das Heizelement aufnehmenden Bohrung. Dieses Spiel muß in jedem Falle so klein wie möglich gehalten werden. Das erfordert die Einhaltung minimalster Toleranzen und be-, dingt eine Feinstbearbeitung von Heizelement und Bohrung. Dennoch ist es bislang nicht gelungen, das bestehende Bedürfnis nach höchster Lebensdauer und bestem Wirkungsgrad restlos zu befriedigen. Ursache hierfür ist die Tatsache, daß es kaum möglich ist, die Achsen der Bohrung und des

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Einschraubgewindes völlig exakt in Flucht zu bringen, so daß allein schon aus diesem Grunde ein gewisses, jedoch schädliches Spiel zwischen dem Mantel des Heizelements und der Bohrung vorhanden ist, TJm wenigstens diesen Mangel teilweise zu beheben, hat man sich beim Einbau eines sogenannten "Montage-Sprays" bedient, welches einen besseren Kontakt zwischen Werkstück und Heizelement bewirken soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Widerstands-Heizelement der beschriebenen Art dahingehend auszubilden und zu verfeinern, daß ein hohes Maß an Lebensdauer und Wirkungsgrad erzielt wird bei gleichzeitiger Gewährleistung eines leichten und zweckmäßigen Ein- und Ausbaus.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Mantel wenigstens am Außenumfang konisch ausgebildet ist, wobei sein Durchmesser von der Einschubseite der Bohrung aus stetig abnimmt.

Statt wie bisher eine zylindrische Heizpatrone in einer gleichfalls zylindrischen Bohrung des Werkstücks aufzunehmen, wird nunmehr bei der neuen Heizpatrone deren kegelige bzw. konische Mantelfläche in eine ebenfalls kegelige bzw. konisch«? Bohrung eingesetzt. Durch diese neuartige Gestaltung lassen sich eine Reihe von Vorteilen erzielen. Zunächst ist es

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möglich, durch sattes Anliegen der Heizpatronenmantelfläche an die Bohrungsmantelfläche jedes toleranzbedingte Einbauspiel auszuschalten, ohne daß dabei exaktere Fertigungssorgfalt erforderlich ist. Der kegelige Hantel der Heizpatrone kann beim Einbau so dicht an die InnenmanteIflache der konischen Bohrung anliegen, daß zwischen den Elementen lediglich die Oberflächen-Eauhtiefe vorhanden ist, wobei Jedoch bei» Einbauvorgang Materialspitten zum Teil abgerieben bzw. abgequetscht werden. Durch den engen Kontakt zwischen Heizpatrone und Bohrung ist der Wärmeübergang vom Heizelement zum Werkstück schlagartig verbessert. Hiervon wird jedoch nicht nur der Wirkungsgrad der neuen Heizpatrone nachhaltig verbessert, sondern zufolge des optimierten Wärmeübergangs zeichnet sich die neue Heizpatrone auch durch eine wesentlich höhere Lebensdaueijaus. Durch die neue Gestaltung der erfindungsgemäßen Heizpatrone wird außerdem sowohl deren Einbau als auch deren Ausbau entscheidend vereinfacht. Beim Einbau steht näm-

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lieh der Durchmesser kleineren Patronenspitze ein relativ größerer Einschubquerschnitt der konischen Bohrung zur Verfugung. Gleichzeitig wirkt die konische Bohrung automatisch als führung beim Einschieben der Patrone. Gleichermaßen günstig gestaltet sich ein etwaiger Ausbau, da eine nur geringe Axialbewegung ausreicht, um den Patronenmantel aus der Bohrung bzw. von den Wänden der Bohrung zu lösen.

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Dabei ist der Ausbau der Batrone lediglich, unter Verwendung eines Schraubenschlüssels möglich und nicht wie bisher - unter zusätzlicher Anwendung weiterer De— Hiontagewerkzeuge, die durch Demontage-Hilfsbohrungen des Merkstücks im Bereich der Patronenspitze angesetzt werden mußten. Darüber hinaus ist es jetzt möglich, die neue Heizpatrone in Sackbohrungen einzubauen und ohne weiteres wieder auszubauen.

Eraktische Versuche haben gezeigt, daß eine Konizität eit einest Sormkegel, zum Beispiel von 1:5Q ausreicht, um die beschriebenen Vorteile zu erzielen« Dieser Kormkegel 1:50 ist beispielsweise bei Faßiiften üblich» so daß zur Bearbeitung; der Heizpatrone und der Bohrung gängige Werkzeuge verwendet werden können.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es wesentlich ist_t daß der Außenumfang des Hanteis der Heizpatrone konisch verläuft. Es bleibt jedoch dee Einzelfall überlassen, ob dabei die Wandstärke des Kanteis konstanten Qaersclmitt aufweist, so daß auch der innere Hohlraum der Heizpatrone kegelig bzw. konisch ist, oder ob der innere zylindrisch ausgebildet ist, so daß der Kante1-

querschnitt geringfügig zur Spitze hin abnimmt. «Te nach Anwendung; wßa Leistungserfordernis der Heizpatrone kann

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die eine oder die andere Möglichkeit ausschlaggebend für die anzuwendende Gestaltung sein.

Die Befestigung der neuen Heizpatrone kann an der Einschubseite der Bohrung des Werkstücks erfolgen, oder auch im Bohrungsgrund. Im ersten Fall könnte die Heizpatrone an ihrer im Durchmesser stärksten Stelle ein Einschubgewinde aufweisen, während einfsolches Gewinde im zweiten möglichen Fall im Bereich der geringeren Querschnitt aufweisenden Patronenspitze anzuordnen wäre.

umfangreiche Yersuche an herkömmlichen Heizpatronen haben überdes gezeigt, daß Lebensdauer und Wirkungsgrad auch darunter leiden, daß die Temperaturverteilung über der Längsachse einer Heizpatrone ungleichmäßig ist. So hat sich beispielsweise herausgestellt, daß in den Ehdbereichen der Heizpatronen eine wesentlich geringere Temperatur herrscht als etwa iat Kittelbereich. Die ÜPemperaturdifferenzen können mehrere hundert Grad (⁰G) betragen. Es ist demzufolge ohne . weiteres verständlich, daß es äußerst schwierig ist, je nach Bedarf eine exakt dimensionierte Heizpatrone einzusetzen. Dimensioniert man nach der Temperaturspitze im Mittelbereich, so dürfte vielfach die Temperatur in den Endbereichen der Heizpatrone nicht ausreichend sein, dimensioniert man nach diesen Temperaturen, so dürfte eine Überhitzung in der Mittelzone nicht zu vermeiden sein. Die Folgen dieser

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ungleichmäßigen Wärmeverteilung schlagen sich nachteilig in einer Verkürzung der Lehensdauer und in häufigen iunktionsstörungen nieder. Dem Grundgedanke!der Erfindung folgend, diese Mängel hei der neuen Heizpatrone zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Widerstandsdraht in ungleichmäßigen Wendeln verläuft, derart, daß die Wendeldichte im Mittelbereich der Heizpatrone am geringsten ist umd zu den Enden der Heizpatrone hin zunimmt. Durch diese wesentliche Maßnahme kann eine Temperaturverteilung über die Längsachse der Heizpatrone verwirklicht werden, deren Toleranz im Bereich der Wendel sehr klein ist. Es ist diese Maßnahme ein entscheidender Beitrag, die Heizpatrone hinsichtlich Lehensdauer, Wirkungsgrad und sicherer Funktion zu vervollkommnen.

Im Sinne einer unheeinträchtigten Funktion und eines einfachen Aus- und Einbaus ist vorgesehen, daß die Mittel zur Befestigung der Heizpatrone in einer Bohrung aus einer Überwurfmutter gebildet sind, deren Schaft außenseitig ein Gewinde aufweist und mit seiner glatten Innenfläche einen ebenfalls glattflächigen Bund der Heizpatrone mit geringem Spiel umgibt. Durch diese Maßnahme wird einmal gewährleistet, daß herstellungsbedingte Achsfluchtfehler zwischen der Gewindebohrung und der konischen Bohrung keine nachteilige Holle mehr spielen können, da

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eine geringe, Jedoch ausreichende, Versetzung der Überwurfmutter gegenüber dem Heizpatronenmantel möglich ist. Es bleibt daher gewährleistet, daß die Heizpatrone sich genau zentrisch in die Bohrung einfügt. Gleichzeitig ist bei Montage bzw. Demontage der Heizpatrone in die bzw. aus der Bohrung des Werkstücks weder eine Beschädigung der Bohrung noch eine Beschädigung des Heizpatronenmantels möglich, da trotz Drehens der Mutter die Heizpatrone nur axial bewegt wird. Ein Festsetzen oder Pressen - durch eine Drehbewegung begünstigt - wird dadurch sowie durch die Konizität des Patronenmantels, gleichermaßen vermieden.

Damit nun durch die eingeleitete Schraubbewegung eine reibungsarme und zuverlässige Abstützung zwischen der Überwurfmutter und der Heizpatrone gewährleistet ist, sieht die Erfindung vor, daß die Überwurfmutter im Bereich ihres Schaftendes auf einem Sprengring abgestützt ist, welcher zwischen einer Ausdrehung im Bund der Heizpatrone und einer Ausdrehung der Überwurfmutter gelagert ist. Es stützt sich

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also die Überwurfmutter mittelbar über diesen Sprengring an der Heizpatrone ab und ermöglicht eine sichere Führung, eine zuverlässige Zentrierung bei geringer Reibung,

Zweckmäßig ist die Überwurfmutter unverlierbar mit dem Bund der Heizpatrone verbunden, was einerseits dadurch geschehen kann, daß der Mantel der Heizpatrone im äußeren Endbereich einen umgebördelten Wulstrand aufweist, der sich an einem Ringbund der Überwurfmutter abstützt oder dadurch, daß im äußeren Endbereich des Mantel ein Sprengring vorgesehen ist, der einerseits in einer . .Ausdrehung im Bund der Heizpatrone gelagert ist und sich andererseits an einem Ringbund der Überwurfmutter abstützt.

Während die erste Möglichkeit eine sehr einfache Lösung darstellt, zeichnet sich die zweite Ausführung vorteilhaft dadurch aus, daß die Überwurfmutter lösbai? mit dem Schaft der Heizpatrone verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, ein und dieselbe Heizpatrone mit verschiedenen Überwurfmuttern bestücken zu können, wodurch sich eine Normalisierung ergbt. Es ist dann ohne weiteres beispielsweise eine Überwurfmutter mit metrischem Gewinde bei Bedarf gegen eine Überwurfmutter mit Zoll-Gewinde austauschbar.

Es sei darauf hingewiesen, daß die beanspruchten Merk-

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male sichhinsichtlich ihrer Funktion vorteilhaft unterstützen. Insbesondere die Kombination der konischen Gestaltung, der'neuartigen Verteilung der Heizwendel und der Verwendung der Überwurfmutter vervollkommnen die neue Heizpatrone in vortrefflicher Weise zur Erzielung einer höchsten Lebensdauer und eines besten Wirkungsgrades. Jedoch soll die Erfindung nicht auf die Kombination dieser einzelnen, auch für sich wesentlichen Merkmale beschränkt bleiben, wenngleich die gleichzeitige Anwendung der Merkmale ein wirkliches Optimum bietet.

Am besten versteht sich die Erfindung anhand der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine im wesentlichen schematische Darstellung: der neuen Heizpatrone, in ein Werkstück eingesetzt,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt wiedergegebene Darstellung einer Heizpatrone,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Endbereichs einer Heizpatrone mit aufgesetzter Überwurfmutter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in vergrößertem Maßstab und

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Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 3 eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Das Widerstands-Heizelement 10, üblicherweise als "Heizpatrone" bezeichnet, weist einen Schaft bzw. Hantel 11 auf, der wenigstens an seinem Außenumfang 12 konisch verläuft, in-dem der Durhhmesser des Mantels 11 von der Befestigungsseite zur Spitze hin stetig abnimmt. Die Heizpatrone ist in einer Bohrung 13 eines Werkstücks ^ aufgenommen, wobei diese Bohrung 13 gleichfalls und im gleichen Maße kegelig bzw. konisch ausgebildet ist.

Tn der kegeligen Bohrung 13 wird die Heizpatrone nittel'- einer Überwurfmutter 14 gehalten. Dies ist schematisch in Fi?:. 1 dargestellt.

Jn Fif. 2 sind zusätzlich die Zuleitungen 15 zur ■Stromversorgung der Heizpatrune dargestellt. Ferner ist au;- I'i>i. dor konische Mante] 11 zu erkennen, der sich in liicitfn Ausführungsbeispiel dadurchdauszeichnet, daß

geringfügig/

reine Warhrt'irke zur Spitze der Heizpatrone 10 hin abnimmt. Dn;3 bedeutet, daß der im Inneren der Heizpatrone freibleibende Raum zylindrischen Querschnitt aufweist. Es int jedoch genauso gut möglich, den Mantel 11 eine Llerall /'loiclip .mdstärke zu geben, so daß auch die Innent ο^;,rung

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konisch wird. Diese beiden Möglichkeiten werden sich je nach den vorliegenden speziellen Anforderungen mit Vorteil anwenden lassen.

Die zur Entwicklung der Heizenergie vorgesehene Heizdraht-Wendel 16 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Auffallend ist die Anordnung der Wendel, die sich dadurch aufzeichnet, daß ihre Dichte im Mittelbereich der Heizpatrone 10 am geringsten ist und zu den Enden der Heizpatrone hin zunimmt. Hierdurch wird die beschriebene Gleichverteilung der Heizenergie über die Längsachse der Heizpatrone bewirkt.

Weiterhin ist aus Fig. 2 die Überwurfmutter 14 ersichtlich, die einen Bund 17 zur Handhabung aufweist und über einen mit Außengewinde 18 versehenen Schaft 19 verfügt. Die überwurfmutter 14 umgibt mit ihrer glattflächigen Innenseite 20 den ia diesem Bereich ebenfalls glattflächigen und zylindrischen Bund 21 der Heizpatrone 10. Zwischen der Überwurfmutter 14 und dem Bund 21 der Heizpatrone ist ein Spiel belassen, wodurch Fluchtfehler zwischen der Gewindebohrung und der konischen Bohrung des Werkstücks ausgeglichen werden können.

Fig. 3 veranschaulicht in vergrößertem Maßstab eine Möglichkeit der Verbindung zwischen der überwurfmutter

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und der Heizpatrone 10. Zunächst ist im Endbereich der Heizpatrone 10 und zugleich im Endbereich des Schaftes 19 der Überwurfmutter 14 ein Sprengring 22 vorgesehen. Dieser Sprengring liegt in einer Eindrehung 23 des Heizpatronenschaftes 19. Der Sprengring 22 bildet so eine nach außen überstehende Wulst, an welcher sich die Überwurfmutter 14 mittßls eines eingearbeiteten Ringbundes 24 abstützt. Beim Einsetzen der Heizpatrone 10 in eine Bohrung

13 wird der von der Einschraubbewegung eingeleitete Axialdruck somit über den Sprengring 22 übertragen. Es ergibt sich hierdurch eine exakte Führung und eine besondere Reibungsarmut.

Um die Überwurfmutter 14 unverlierbar am Bund 21 der Heizpatrone 10 zu halten, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ein weiterer Sprengring 25 vorgesehen. Dieser Sprengring 25 sitzt ebenfalls in einer Eindrehung 26, die sich im äußeren Bereich des Bundes 21 befindet. Während der Sprengring 25 etwa zur Hälfte in die Eindrehung 26 einschnappt, bildet seine andere Hälfte ein Widerlager für einen äußeren Ringbund 27 der Überwurfmutter 14. Da der Sprengring 25 lösbar ist, ist es möglich, die Überwurfmutter

14 gegen eine andere ohne weiteres auszutauschen.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer

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unverlierbaren Halterung der Überwurfmutter 14 dargestellt, u. z, ist hierbei der äußerste Endbereich des Heizpatronenmantels 11 zu einem Wulstrand 28 umgebördelt, der in den äußeren Ringbund 27 der Überwurfmutter 14 eingreift und so die Überwurfmutter 14 am Lösen hindert. Diese Ausführungsform zeichnet sich besonders durch ihre Einfachheit aus, es ist hierbei in der Regel jedoch nicht möglich, die Verbindung zwischeiinüberwurfmutter 14 und Heizpatrone 10 ohne weiteres zu lösen, so daß die Überwurfmutter 14 ausgetauscht werden könnte.

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Claims

Ansprüche :

/1. Widerstands-Heizelement, insbesondere Heizpatrone, mit einem, einen Widerstands-JIeizdraht aufnehmenden Hantel, mit Stromzuführungsmitteln und mit Kitteln zur Montage und Demontage der Heizpatrone in einer Bohrung, dadurch gekennzeichnet , daß der Mantel (11) wenigstens am Außenumfang (12) konisch ausgebildet ist, wobei sein Durchmesser von der Einschubseite der Bohrung (13) aus stetig abnimmt.
2. Widerstands-Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht (16) in ungleichmäßigen Wendeln verläuft, derart, daß die Wendeldichte in Mittelbereich der Heizpatrone (10) am geringsten ist und zu den Enden der Heizpatrone hin zunimmt.
3- Widerstands-Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befestigung der Heizpatrone (10) in einer Bohrung (13) aus einer Überwurf-»· mutter (14) gebildet sind, deren Schaft (19) außenseitig ein Gewinde (18) aufweist und mit seiner glatten Innenfläche (20) einen ebenfalls glattflächigen Bund (21) der Heizpatrone mit geringem Spiel umgibt.
4. Widerstands-Heizelement nach Anspruch 3» dadurch 50981 2/0660

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gekennzeichnet, daß die Überwurfmutter (14) im Bereich ihres Schaftendes auf einem Sprengring (22) abgestützt ist, welcher zwischen einer Ausdrehung (23) im Bund (21) der Heizpatrone (10) und einer Ausdrehung (24) der überwurfmutter (14) gelagert ist.
5. Widerstands-Heizelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwurfmutter (14) unverlierbar mit dem Bund (21) der Heizpatrone verbunden ist.
6. Widerstands-Heizelement insbesondere nach Anspruch 5· dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (11) der Heizpatrone (10) im äußeren Endbereich einen umgebördelten Wulstrand

(28) aufweist, der sich an einem Ringbund (27) der Überwurfmutter abstützt.
7. Widerstands-Heizelement insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Endbereich des Mantels (11) ein Sprengring (25) vorgesehen ist, der einerseits in einer Ausdrehung (26) im Bund (21) der Heizpatrone (lO)gelagert ist und sich andererseits an einem Ringbund (27) der Überwurfmutter (14) abstützt.

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