DE3914897A1 - Kompensation der laengenausdehnung von waermeabgebenden teilen - Google Patents

Description

Übersicht

Geheizte Körper ändern grundsätzlich ihre mechanischen Abmessungen als Funktion der Temperatur. Dies ist auch der Fall bei einem elektrisch geheizter Körper zur Abgabe thermischer Energie an einen anderen Körper nach Fig. 1. Ein solcher geheizter Körper hat üblicherweise wenigstens 2 elektrisch getrennte Anschlüsse, die in den meisten Fällen mechanisch als eine Einheit miteinander verbunden sind. Durch seine unterschiedlichen Längen als Funktion der Temperatur wird die Wärme abgebende Fläche nicht plan als Funktion der Temperatur sein können.

Es sind Anwendungen bekannt, bei denen eine die Wärme abgebende Fläche absolut plan sein muß, auch wenn verschiedene Temperaturen an dieser Fläche eingestellt werden. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn eine solche Fläche durch unmittelbaren thermischen Kontakt thermische Energie auf einen anderen und planen Körper abgeben soll.

Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, den geheizten Körper nur an einer Seite mechanisch einzuspannen und eine andere eingespannte Seite so mechanisch flexibel zu gestalten, daß seine thermisch bedingte mechanische Längenausdehnung keine mechanische Kraft auf diesen Körper auswirkt und damit nicht seine Formgebung beeinträchtigt.

Bekannt

In der Literatur sind wenig Verfahren angegeben, die mechanische Verformung der Längenausdehnung zu kompensieren. Vielfach wird dies dadurch gelöst, daß dieser geheizte Körper entsprechend mechanisch massiv aufgebaut ist oder ein Material mit einen nach Null gehenden Temperaturkoeffizienten verwendet wird.

Andererseits sind auch kaum Anwendungen bekannt, wo die Ebenheit der die Wärme abgebenden Fläche von großer Bedeutung ist. Hier wird jedoch von Anwendungen gesprochen, wo dieses Problem eine wesentliche Grundlage für die Anwendung dieser Körper zur Abgabe thermischer Energie ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zu erwärmende Körper nur an einer Seite mechanisch fest eingespannt ist und eine andere Seite des Körpers eine flexible und reibungsfreie mechanische Einspannung hat, die die thermisch bedingte Längenausdehnung ohne Krafteinwirkung reibungsfrei auf den geheizten Körper aufnehmen kann. Hierbei wird die flexible Einspannung so gestaltet, daß der Körper mit seiner die Wärme abgebenden Fläche trotzdem Kraft etwa in Richtung zur Fläche aufnehmen kann, so um einen definierten thermischen Kontakt zu einem anderen Körper herstellen zu können.

In den aufgeführten Figuren wird die Temperatur des Körpers durch den dadurch fließenden elektrischen Strom erzeugt. Diese flexible Einspannstelle wird erfindungsgemäß so gestaltet, daß ihre Eigenschaften nicht ungünstig dadurch beeinflußt werden. So kann z. B. der elektrische Strom getrennt von der Einspannstelle zu dem zu heizenden Körper geführt werden oder es läßt sich die Flexibilität durch Einschnitte usw. in den Schenkel so gestalten, daß, daß sie durch den Stromfluß und eine mögliche dadurch bedingte Erwärmung nicht ungünstig beeinflußt wird.

Die Abbildungen veranschaulichen eine derartige Anordnung.

Fig. 1 zeigt einen möglichen Grundaufbau einer nicht kompensierten Anordnung in seiner kalten Form, wie sie hier diskutiert wird. Hierbei sind 101 und 101 a die beiden Zuführungen für den elektrischen Strom zum Heizen des Körpers 103, die starr über ein isolierendes Teil 102 miteinander verbunden sind. Die Stromzuführung 101 ist z. B. über eine Schweißverbindung 104 mit den zu heizenden Körper 103 verbunden.

Fig. 2 zeigt diese Anordnung, wenn sie erwärmt wird sich und zwangsweise in ihrer Länge mechanisch ausdehnt. Der durch den Anschluß 201 über den Körper 203 an den andern Anschluß 201 a fließende elektrische Strom erwärmt den Körper 203 und vergrößert damit seine Länge 205. Da beide Seiten des Körpers 203 mechanisch fest eingespannt sind, äußert sich diese Längenausdehnung in der dargestellten Durchbiegung, daß heißt, daß die die Wärme abgebende Fläche des Körpers 203 nicht mehr plan ist.

Fig. 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Hierbei sind 301 und 301 a die beiden elektrischen Anschlüsse für den durch Stromfluß zu heizenden Körper 303, die über die elektrische Isolation 302 mechanisch starr miteinander verbunden sind. Die eine Seite mit dem Anschluß 301 ist in der bekannten Form ausgeführt. Erfindungsgemäß ist in die andere Seite mit dem elektrischen Anschluß 301 a und einem flexiblen Teil 304 eingefügt. Dies kann z. B. in seiner grundsätzlichen Form eine Blattfeder sein, die bei 305 in den Anschluß 301 a eingespannt und in den zu heizenden Körper 303 an der Stelle 306.

Fig. 4 zeigt die bei Erwärmung entstehende Änderung der Länge des Körpers 403. Durch die starre Einspannung am Anschluß 401 wird diese Seite in ihrer Position bleiben. Auf der anderen Seite mit dem Anschluß 401 a kann durch die Flexibilität des Teiles 404 die Änderung der Länge des Körpers 403 ohne wesentliche mechanische Spannung reibungsfrei aufgenommen werden. Pfeil 405 veranschaulicht die grundsätzliche Bewegung des geheizten Körpers 403 mit seiner thermischen Längenausdehnung.

Die dargestellte Flexibilität der Seite mit dem Anschluß 401 a kann auch auf der anderen Seite mit dem Anschluß 401 angeordnet sein. Die Ausführung hängt von der jeweiligen Anwendung ab, die manchmal eine weitestgehende Bewegung des zu heizenden Körper etwa zu seiner mechanischen Mitte erfordern kann.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung mit besonders langen mechanischen Abmessungen des zu heizenden Körpers 503. Hier sind 501 und 501 a die beiden Zuführungen für den elektrischen Strom zum Heizen des Körpers 503.

Dieser Körper 503 ist in der Mitte mechanisch mit 506 unterstützt, so daß sich eine hohe Festigkeit gegenüber mechanischer Belastung gegenüber 503 ergibt. Mit dieser mechanischen Unterstützung ist es gleichzeitig möglich, den zum Heizen des Körpers 503 erforderlichen elektrischen Strom auch über den Anschluß 501 b auf den Körper 503 zuzuführen, so daß er gleichzeitig von hier nach 501 und nach 501 b fließt.

Die mechanische Unterstützung 506 ist mechanisch starr ausgeführt, kann sich also nicht aus ihrer Position bewegen. Zur Aufnahme der thermisch bedingten Längenänderungen sind die beiden außenliegenden Seiten 504 a und 504 b in der dargestellten Form flexibel ausgeführt, können also aus der Position 506 heraus die Längenausdehnungen aufnehmen. Die beiden Pfeile 505 a und 505 b zeigen schematisch diese Bewegung aus dem festen Punkt 505 heraus. Hierbei ist es keineswegs erforderlich, daß ein starrer Punkt 505 wie dargestellt in der Mitte einer solcher Anordnung liegt. Vielmehr kann ein möglicher starrer Punkt eine beliebige Position haben und z. B. an einer außenliegenden Seite angeordnet sein, so daß 2 oder mehrere flexible Bewegungen hintereinander mechanisch verbunden sind.

Fig. 6 zeigt eine praktische Darstellung einer solchen flexiblen Anordnung. Hier ist 601 der elektrische Anschluß für die Zuführung des elektrischen Stromes zum Heizen des Körpers 603. 604 z. B. sind Blattfedern, die sich in den beiden Richtungen 608 leicht bewegen können, jedoch in Richtung 609 etwa senkrecht zu der die Wärme abgebenden Fläche des Körpers eine hohe mechanische Festigkeit haben, hier also eine Kraft für einen kraftschlüssigen thermischen Kontakt dieser Fläche zu einem Verbraucher aufnehmen können.

Derartige Blattfedern 604 werden normalerweise nicht gleichzeitig zum Zuführen des elektrischen Stromes ausgeführt, um den Körper 603 zu erwärmen. Hier wird deshalb vorgeschlagen, diesen elektrischen Strom mechanisch getrennt von der mechanischen Aufhängung 604 über das elektrische Kabel 605 zu führen, das mit der Zuführung 601 an der Stelle 606 und dem Körper 603 an der Stelle 607 elektrisch verbunden ist.

Fig. 7 hat einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 6. Hier ist die Flexibilität unmittelbar durch mechanische Formgebung in den stromzuführenden Teil 702 des Körpers 703 eingearbeitet.

Mit den beiden Schlitzen 704 a und 704 b wird die mechanische Festigkeit des Körpers 702 an den beiden gezeigten Stellen erheblich geschwächt, so daß eine mechanische Bewegung in den beiden Richtungen 708 möglich ist, vorzugsweise jedoch durch die gewählte Formgebung in Richtung 708 b.

Fig. 8 zeigt eine identische Formgebung wie Fig. 7, jedoch wird hier die durch die Querschnittsänderung des Körpers 802 entstandene elektrische Widerstandserhöhung berücksichtigt.

Der durch den Körper 802 von dem Anschluß 801 fließende elektrische Strom läßt an der Querschnittsänderung 804 a und 804 b eine Temperaturerhöhung entstehen. Um diesen Effekt zu reduzieren, sind zusätzliche Kühlrippen 806 angeordnet, so daß dieser Effekt verringert bzw. beeinflußt wird.

Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung der Temperaturerhöhung an 804 ist, hier von der geringeren mechanischen Festigkeit des Materiales im Körper 802 während der Längenausdehnung Gebrauch zu machen. Wird der Körper 803 durch höheren Strom weiter erwärmt, so wird sich auch die Temperatur an 804 erhöhen und damit die mechanische Festigkeit dort verringern, seine Flexibilität also erhöhen.

Fig. 9 zeigt noch eine vereinfachte praktische Anwendung des Körpers 902, der einen anderen mechanischen Querschnitt hat und somit die mögliche Temperaturerhöhung an den Einschnitten 904 kontrolliert. Durch entsprechende Formgebung läßt sich der Temperaturverlauf einstellen.

Claims (6)

1. Anordnung zum Heizen eines Körpers vorzugsweise durch einen elektrischen Strom, bestehend aus mechanisch und isolierend 302 miteinander verbundenen elektrischen/mechanischen Anschlüssen 301, 301 a und einem heizbaren Teil 303, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Seite bzw. Aufhängung des heizbaren Teiles 303 flexibel über reibungsfreie Lager 306, 504 a, 504 b, 702, 804 a/b, 904 a/b mit dem mechanischen Halter 201 a verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des elektrischen Stromes 605 von der mechanischen Aufhängung getrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexibilität des Teiles 703 zu seinem Halter 708 über einen Steg 702 erfolgt, der durch Verringerung durch 2 oder mehr Querschnitte 708 a, 708 b eine vergrößerte Flexibilität hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Teile bezüglich ihrer Masse und/oder Oberfläche in diesem Bereich vergrößert werden 806, 902, um die Temperatur zu beeinflussen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 . . 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Einschnürungen 804 a/b und 904 a/b so dimensioniert werden, daß sie durch den zum Heizen des Teiles 803 erforderlichen Strom wärmer werden und damit eine durch die Materialeigenschaften bedingte größere Elastizität haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 . . 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine flexible Lagerung vorhanden ist 504 a, 504 b, die auch in unterschiedlichen Abständen und Positionen angeordnet sein können.