DE3914897C2 - - Google Patents

Description

Geheizte Körper ändern grundsätzlich ihre mechanischen Abmessungen als Funktion der Temperatur. Dies ist auch der Fall bei einem elektrisch geheizten Körper zur Abgabe thermischer Energie an einen anderen Körper nach Fig. 1, der z. B. eine vorwiegend U-förmige Bauform haben kann. Ein solcher geheizter Körper hat üblicherweise wenigstens 2 elektrisch getrennte Anschlüsse, die in den meisten Fällen mechanisch als eine Einheit mit dem eigentlichen geheizten Teil ausgebildet sind. Durch die als Funktion der Temperatur sich ändernde Länge der Wärme abgebenden Fläche krümmt sich diese Fläche und liegt nicht mehr plan auf.

Es gibt Anwendungen, bei denen eine die Wärme abgebende Fläche absolut plan sein bzw. ihre vorgegebenen Form behalten muß, auch wenn verschiedene Temperaturen eingestellt werden. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn eine solche Fläche durch thermischen Kontakt thermische Energie auf einen anderen Körper mit vorgegebenen Formen abgeben soll. Auch kann die thermische Energie durch Strahlung in einem dichten Abstand von Bruchteilen eines Millimeters auf einen anderen Körper erforderlich sein. Änderungen der Ebenheit dieses geheizten Körpers bewirken in beiden Beispielen eine unterschiedliche thermische Wärmeabgabe auf den anderen Körper.

Auch sollen derartige geheizte Körper mit relativ einfacher Bauform und geringer thermischer Masse hergestellt werden und sich relativ schnell mechanisch ausdehnen können. Mögliche zusätzliche mechanische Unterstützungen oder Formen zur Verhinderung einer mechanischen Durchbiegung als Funktion der Temperatur sind grundsätzlich nicht gewünscht. Auch kann die mechanische Ausdehnung entlang eines solchen geheizten Körpers unterschiedlich sein und sich zu einer Gesamtausdehnung addieren, die dann ausgeglichen werden soll. Hohe Temperatur-Änderungs-Geschwindig­ keiten sind in manchen Anwendungen erforderlich, z. B. wenn durch die thermische Behandlung anderer Körper Lötverbindungen herzustellen sind.

Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, den geheizten Körper nur an einer Seite mechanisch einzuspannen und die andere eingespannte Seite so mechanisch flexibel und besonders auch reibungsfrei zu gestalten, daß seine thermisch bedingte mechanische Längenausdehnung keine mechanische Kraft auf diesen Körper ausübt und damit seine Form nicht beeinträchtigt. Durch die vorgeschlagenen Formen dieser Einspannstellen kann trotzdem eine mechanische Kraft auf den geheizten Körper zur Abgabe thermischer Energie durch Kraftschluß auf einen anderen Körper einwirken.

In der Literatur sind wenig Verfahren bekannt, die angeben, wie die mechanische Verformung der Längenausdehnung bei den aufgeführten Anwendungen und Anforderungen zu kompensieren sind. Vielfach wird dies dadurch gelöst, daß der geheizte Körper entsprechend mechanisch massiv aufgebaut ist oder ein Material mit einen nach Null gehenden Temperaturkoeffizienten verwendet wird, um mögliche Verformungen zu vermeiden. Dies schränkt aber die möglichen Formgebungen bzw. Verwendung der optimalen Materialien für die unterschiedlichen Anwendungen besonders für den Heizwiderstand erheblich ein.

Andererseits sind auch kaum Anwendungen bekannt, wo die Ebenheit der die Wärme abgebenden Fläche von so großer Bedeutung ist, wie dies z. B. bei Flächen für einen kraftschlüssigen thermischen Kontakt zu einem anderen Körper erforderlich ist. Hier wird jedoch von Anwendungen gesprochen, wo dieses Problem eine wesentliche Grundlage für die Anwendung dieser Körper zur Abgabe thermischer Energie ist.

Aus der DAS 10 60 066 ist bekannt, die mechanischen Anschlüsse eines geheizten Körpers so zu gestalten, daß sie sich durch die entstehenden Wärmeausdehnungen im wesentlichen frei bewegen können. Hier wird jedoch diese Bewegung lediglich mechanisch aufgefangen und von den elektrischen Anschlüssen getrennt. Die Abgabe thermischer Energie erfolgt hier durch Strahlung und erfordert keine besonderen Anforderungen an die mechanischen Änderungen als Funktion der Temperatur. Eine hohe mechanische Belastung in Richtung der Schenkel ist nicht erforderlich.

In der Patentschrift 6 76 728 wird die durch Temperaturänderungen entstehende mechanische Längenausdehnung durch eine wendelförmige Gestaltung des Heizwiderstandes mit einer mechanischen Ausdehnung in einer Richtung aufgefangen. Dieser geheizte Körper hat eine Grundform eines geraden Teiles in einer Ausdehnungsrichtung. Auch hier wird thermische Energie durch Strahlung abgegeben. Eine Krafteinwirkung auf diesen Körper und eine besondere Ebenheit sind nicht erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Heizkörper der eingangs­ genannten Art einen guten thermischen Kontakt zum aufzuheizenden Gegenstand auch bei der zwangsläufig auftretenden Längenänderung der Heizfläche aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der zu erwärmende Körper wird demnach grundsätzlich nur an einer Seite mechanisch fest eingespannt, während die andere Seite des Körpers eine Einspannung aufweist, die die thermisch bedingte Längenausdehnung ohne besondere Krafteinwirkung reibungsfrei aus den geheizten Körper aufnehmen kann. Hierbei wird eine flexible Einspannung in verschiedenen erfindungsgemäßen Formen so gestaltet, daß der Körper mit seiner die Wärme abgebenden Fläche trotzdem Kraft etwa in Richtung zu seiner Fläche aufnehmen kann, so um einen definierten thermischen Kontakt zu einen 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 durch diese Einspannung 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 sie durch den Stromfluß und eine mögliche dadurch bedingte Erwärmung nicht ungünstig beeinflußt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach dem Patentanspruch 1 sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 zeigt einen möglichen Grundaufbau einer nicht kompensierten Anordnung in seiner kalten Form, wie sie hier diskutiert wird. Hierbei sind 101 und 101a die beiden Zuführungen für den elektrischen Strom zum Heizen des Körpers 103, die starr über ein isolierendes Teil 102 miteinander verbunden sind.

Fig. 2 zeigt diese Anordnung, wenn sie erwärmt wird und sich zwangsweise in ihrer Länge mechanisch ausdehnt. Der durch den Anschluß 201 über den Körper 203 an den andern Anschluß 201a 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 bzw. seine ursprüngliche Form hat.

Fig. 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Hierbei sind 301 und 301a 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 mechanisch starren Form ausgeführt. Erfindungsgemäß ist in die andere Seite mit dem elektrische Anschluß 301a und einem flexible Teil 304 eingefügt. Dies kann z. B. in seiner grundsätzlichen Form eine Blattfeder sein, die bei 305 in den Anschluß 301a eingespannt und in den zu heizenden Körper 303 an der Stelle 306. Durch die Verwendung einer Blattfeder kann der geheizte Körper 303 eine angemessene Kraft gegenüber einen anderen zu heizenden Körper ausüben.

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 401a 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 bzw. eines Teiles davon mit seiner thermischen Längenausdehnung.

Die dargestellte Flexibilität der Seite mit dem Anschluß 401a 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 Körpers 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 501a die beiden Zuführungen für den elektrischen Strom zum Heizen des Körpers 503.

Dieser Körper 503 ist in der Mitte mechanisch mit 506 unterstützt, sodaß 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 501b auf den Körper 503 zuzuführen, so daß er gleichzeitig von hier nach 501 und nach 501b 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 504a und 504b in der dargestellten Form flexibel ausgeführt, können also aus der Position 506 heraus die Längenausdehnungen aufnehmen. Die beiden Pfeile 505a und 505b zeigen schematische diese Bewegung aus dem festen Punkt 505 heraus. Hierbei ist es keineswegs erforderlich, daß ein starrer Punkt 505 wie dargestellt in der Mitte einer solchen Anordnung liegt. Vielmehr kann ein möglicher starrer Punkt eine beliebige Position haben und z. B. an einer außenliegenden Seite angeordnet sein, sodaß 2 oder mehrerer 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 anderen Körper als 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 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 704a und 704b wird die mechanische Festigkeit des Körpers 702 an den beiden gezeigten Stellen erheblich geschwächt, sodaß eine mechanische Bewegung in den beiden Richtungen 708 möglich ist, vorzugsweise jedoch durch die gewählte Formgebung in Richtung 708b.

Fig. 8 zeigt eine identische Formgebung wie Fig. 7, jedoch wird hier die durch die Querschnittsänderung des Körpers 802 entstandene elektrische Wiederstandserhöhung und Erhöhung der Temperatur berücksichtigt.

Der durch den Körper 802 von dem Anschluß 801 fließende elektrische Strom läßt an der Querschnittsänderung 804a und 804b eine Temperaturerhöhung entstehen. Um diesen Effekt zu reduzieren, sind zusätzliche Kühlrippen 806 angeordnet, sodaß 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, wie an den anderen Figuren beschrieben.

Die Flexibilität der einzelnen Einspannungen kann natürlich so gestaltet werden, daß sich beide oder mehrere Seiten bewegen können, also keine eigentliche feste Einspannung vorhanden ist. Dies ist besonders in den Ausführungen nach Fig. 7 bis 9 möglich. Die mechanische Belastung zur Abgabe thermischer Energie ist dann in Richtung der Längenausdehnung begrenzt anwendbar, was ohnehin für die beschriebenen Anwendungen der Fall ist.

Claims (4)

1. Elektrischer Heizkörper, bestehend aus einem U-förmigen Heizelement und mechanisch belastbaren elektrischen Anschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Heizelement aus einer wärmeabgebenden Heizfläche (103-903) und senkrecht dazu abstehenden Schenkeln besteht und
• b) die Schenkel die Flexibilität vergrößernde Einschnürungen (704a, 704b-904a, 904b) aufweisen, die die Längenausdehnungen der Heizfläche aufnehmen.

2. Elektrischer Heizkörper, bestehend aus einem U-förmigen Heizelement und mechanisch belastbaren elektrischen Anschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Heizelement aus einer wärmeabgebenden Heizfläche (103-903) und senkrecht dazu abstehenden Schenkeln besteht und
• b) zwischen einem Schenkel und einem Anschluß eine in Richtung der Schenkelachse eine Kraft aufnehmende Blattfeder (304-604) angeordnet ist, die die Längenausdehnung der Heizfläche aufnimmt und die durch einen niederohmigen elektrischen Nebenschluß (605) überbrückt ist.

3. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungen (704a, 704b-904a, 904b) so dimensioniert sind, daß ihre Flexibilität zusätzlich auch durch die Stromerwärmung der Einschnürungen erhöht wird.

4. Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Einschnürungen (804a, 804b-904a, 904b) Schenkelteile größeren Querschnitts oder größerer Oberfläche vorhanden sind, um durch die damit verbundene stärkere Wärmeabfuhr die Temperatur der Einschnürungen zu steuern.