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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein elektrisches Heizelement vom Typ eines eingekapselten Elements
und insbesondere die Integration einer thermischen Sicherheitseinrichtung
in dieses Element.
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Auf dem Gebiet der Heizelemente vom
eingekapselten Typ, d. h. solchen, die eine rohrförmige Ummantelung
aufweisen, in derem Inneren ein in ein Isoliermaterial eingetauchtes
Heizelement angeordnet ist, ist beispielsweise aus dem Dokument
34 33 688 ein rohrförmiger
Heizkörper
bekannt, der eine Heizspirale aus resistivem Draht enthält, die
von einem Pulver aus Isoliermaterial wie Magnesiumoxid umgeben ist.
Ein thermisches Schutzelement ist mit der Heizspirale im Inneren
des Rohrs in Reihe geschaltet. Dieses Schutzelement ist eine Schmelzperle,
die bei Überhitzung
eine Kompressionsfeder freigibt, mit der der Speisestromkreis für die Heizspirale definitiv
unterbrochen werden kann.
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Dieses Heizelement entspricht also
einer Sicherung, die mit dem Heizelement in der rohrförmigen Ummantelung
in Reihe geschaltet ist, womit ein Zwischenanschluß erforderlich
wird. Im übrigen
ist die Einschließung
der Sicherung innerhalb des Heizelements eine Quelle einer möglichen
Reionisation des Gases um die Sicherung, wenn diese durch eine Überhitzung
der Vorrichtung verdampft, was innerhalb des Isoliermaterials dazu
führen
kann, daß der eben
geöffnete
elektrische Speisestromkreis wieder geschlossen wird. Diese Möglichkeit
einer Fehlfunktion der Sicherheitseinrichtung muß soweit wie möglich vermieden
werden, denn ihre Konsequenzen können
schwerwiegend sein.
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Das Dokument
JP 6267641 liefert teilweise eine
Antwort auf die oben erwähnten
Probleme. Das in diesem Dokument präsentierte Heizelement ist in
1 veranschaulicht. So weist
ein Heizelement
70 einen spiralförmigen Widerstand
72 auf,
der in einem ersten Rohr
71 innerhalb eines Isolierpulvers
73 enthalten
ist. Der spiralfömige
Widerstand wird von zwei Anschlußstiften
78a und
78b quer
durch zwei Dichtungsperlen
74a und
74b gehalten,
die in den Enden dieses ersten Rohrs
71 angeordnet sind.
Eine thermische Schutzsicherung
77 ist zwischen der Perle
74b und
einer dritten Endperle
76b aufgenommen, die an einem zweiten
Rohr
75 angeordnet ist, das das erste Rohr enthält. Diese
Sicherung ist an den Stift
78b sowie einen Stift
78c angeschlossen,
der mit dem elektrischen Speisestromkreis verbunden ist. An seinem entgegengesetzten
Ende gewährleistet
eine vierte Perle
76a, die von dem Stift
78a durchquert
ist, die Abdichtung des zweiten Rohrs.
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Bei dieser Vorrichtung ist die Sicherung
zwar nicht innerhalb des Heizelements aufgenommen, aber sie bleibt
nichtsdestoweniger zwischen zwei Dichtungsperlen eingeschlossen,
womit die Gefahren einer Reionisation des Umgebungsgases nach dem
Auslösen
nicht völlig
gebannt sind, da die Perle 76b insbesondere eine thermische
Bremse bildet. Darüberhinaus
erfordert das Einführen
der Sicherung einen speziellen Anschluß. Insgesamt sind also vier Perlen
und zwei Rohre erforderlich, um ein Heizelement zu erhalten, das
an einem seiner Enden eine thermische Sicherung aufweist, wodurch
der Gestehungspreis der Einheit merklich erhöht wird.
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Das Dokument
DE 4243894 A1 beschreibt eine
elektrische Heizvorrichtung, die aus einer rohrförmigen Ummantelung besteht,
in deren Innerem ein Heizelement aufgenommen ist, das von einem Isoliermaterial
umgeben ist, wobei das Heizelement durch Bolzen und Stifte zum Anschließen mit
einem elektrischen Speisestromkreis verbunden ist, wobei die rohrförmige Ummantelung
an einem Ende eine thermische Sicherung aufweist, die in einem Volumen
aufgenommen ist, das von demjenigen getrennt ist, wo das Heizelement
angeordnet ist. Allerdings ist die Sicherung in einem Volumen eingeschlossen, das
von zwei Dichtungsperlen abgeschlossen ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
liegt darin, den Nachteilen des Stands der Technik abzuhelfen, indem
sie eine elektrische Heizvorrichtung präsentiert, die aus einer rohrförmigen Ummantelung besteht,
in derem Inneren ein Heizelement aufgenommen ist, das von Isoliermaterial
umgeben ist, wobei das Heizelement durch Bolzen und Stifte zum Anschließen mit
einem elektrischen Speisestromkreis verbunden ist, wobei die rohrförmige Ummantelung mit
zwei zylindrischen Dichtungsperlen versehen ist, die an ihren Enden
angeordnet sind, wobei sich wenigstens eine dieser Perlen, die sogenannte
spezifische Perle, mit dem das Heizelement umgebenden Isoliermaterial
in direktem Kontakt befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische
Perle eine sie axial durchquerende Ausnehmung aufweist, in die eine
thermische Sicherung eingeführt
ist, die mit dem Heizelement elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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Durch diese Anordnung ist die Anzahl
der Bestandteile reduziert, da eine Perle gleichzeitig die hermetische
Abdichtung des das Heizelement umgebenden Isoliermaterials, aber
auch den Halt und den Schutz des Gehäuses der Sicherung gewährleistet. So
kann ohne ein zusätzliches
Element außer
der rohrförmigen
Ummantelung und den beiden Dichtungsperlen nicht nur die Heizeinheit
gebildet werden, sondern auch eine thermische Sicherung hinzugefügt werden.
Im übrigen
ist bei dieser Vorrichtung die Verkabelung zwischen dem Heizelement
und der Sicherung innerhalb der Vorrichtung vermieden, genauso wie
die speziellen Mittel zum Halten und zum Schutz der Sicherung in
dem Produkt.
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Das Heizelement ist vorteilhaft spiralförmig und
unter Spannung in der rohrförmigen
Ummantelung angebracht.
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Durch diese Ausgestaltung ist es
insbesondere möglich,
daß die
Dichtungsperlen, die mit den Enden des Heizelements verbunden sind,
gehalten werden, indem sie ohne spezielles Teil an den Enden der
rohrförmigen
Ummantelung anliegen.
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Die Ausnehmung weist vorteilhaft
auf Höhe des
mit dem Inneren des Rohrs in Verbindung stehenden Endes eine Verengung
auf, gegen die die Sicherung positioniert ist.
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Zusammen mit der Zugwirkung, die
von dem spiralförmigen
Element ausgeübt
wird, ermöglicht
die in der Ausnehmung vorgesehene Verengung, daß die Sicherung korrekt und
systematisch, ohne spezielles mechanisches Teil, in der Ausnehmung
positioniert werden kann. Damit kann auch die Abdichtung des Rohrs
gegenüber
dem Isoliermaterial gewährleistet
werden, das das Heizelement umgibt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist die thermische Sicherung ein Gehäuse auf, in dessen Innerem
eine Kompressionsfeder aufgenommen ist, die einerseits zwischen
einer thermischen Pille, die am äußeren Ende
des Gehäuses
liegt und mit einem äußeren Anschlußstift in
Kontakt steht, und andererseits einer ersten Scheibe einen Druck
ausübt,
die zentral gleitend in Anlage gegen einen internen Verbindungsstift
gedrückt
wird, und dies gegen die Rückstellkraft,
die von einer Öffnungsfeder
koaxial zu dem Verbindungsstift ausgeübt wird.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, wenn die
thermisches Pastille verdampft ist, den elektrischen Speisestromkreis
des Heizelements mit Hilfe von zwei Federn, einer Kompressions-
und einer Öffnungsfeder,
zu öffnen,
die sich entspannen und dabei die erste Kontaktscheibe in den von
der Pille freigelassenen Raum mitnehmen, also außer Kontakt mit dem Verbindungsstift.
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Der Verbindungsstift ist vorteilhaft
innerhalb der thermischen Sicherung von einem Isolator umgeben,
womit es auch möglich
ist, den Verbindungsstift zu zentrieren und/oder im Abstand von
dem Gehäuse der
Sicherung zu halten.
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Vorteilhaft liegt die thermische
Pille am Ende des Gehäuses
der Sicherung, das außerhalb
der rohrförmigen
Ummantelung liegt.
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Dies ermöglicht eine besser kontrollierte
Reaktivität
des durch die thermische Sicherung gegebenen Schutzes, indem sie
etwas von dem Heizelement entfernt ist.
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Im übrigen wird durch den direkten
Kontakt zwischen der Pille und einem der Stifte zum äußeren Anschluß die Reionisation
des Gases vermieden, das beim Schmelzen der Pille erzeugt wird,
insbesondere indem ein rasches Ausströmen der erzeugten Kalorien
ermöglicht
wird.
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Darüberhinaus garantiert dieses
thermische Entweichen, das im übrigen
relativ ist, auch ein besseres Altern der Sicherung, womit vermieden
wird, daß sie
unbeabsichtigt bei einer niedrigeren Temperatur als derjenigen ausgelöst wird,
für die
sie geeicht ist.
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Die vorliegende Erfindung ist besser
mit Hilfe der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
zu verstehen; darin zeigen:
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1 den
oben beschriebenen Stand der Technik;
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2 eine
Schnittansicht der Heizvorrichtung auf Höhe des Endes der rohrförmigen Ummantelung,
das die thermische Sicherung enthält;
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3a eine
detaillierte Ansicht der thermischen Sicherung in einem nicht ausgelösten Betriebszustand;
und
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3b eine
mit der Ansicht 3a identische detaillierte Ansicht, aber
nach der Unterbrechungsauslösung
der Sicherung.
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Erfindungsgemäß ist in 2 eine Heizvorrichtung 1 in
Form dessen dargestellt, was üblicherweise
eingekapselter Widerstand heißt.
Diese Vorrichtung weist eine rohrförmige Ummantelung 2 auf, in
deren Innerem ein spiralförmiges
Heizelement 4 aufgenommen ist, das von einem Isoliermaterial 3 wie
Magnesiumoxid umgeben ist. Dichtungsperlen aus diesem Isoliermaterial
sind in jedem Ende jedem Ende der rohrförmigen Ummantelung 2 angeordnet. Wenigstens
eine dieser Perlen, die sogenannte spezifische Perle, die weiter
unten im einzelnen beschrieben wird, befindet sich mit dem das spiralförmige Heizelement 4 umgebenden
Isoliermaterial 3 in direktem Kontakt, was in 2 perfekt zu sehen ist. Bevorzugt
stehen die beiden Dichtungsperlen in direktem Kontakt mit dem Isoliermaterial.
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Die Enden 6 des Heizelements 4 sind
beispielsweise durch Lötung
jeweils um einen zylindrischen Anschluß oder einen Kabelschuh 8 angeordnet,
der zur Verbindung des Heizelements mit dem äußeren elektrischen Speisestromkreis
dient. Dieser zylindrische Anschluß ist also durch einen elektrischen
Verbindungsstift 10 verlängert. An einem der Enden (nicht
dargestellt) der rohrförmigen
Ummantelung 2 durchquert der elektrische Verbindungsstift 10 eine
der Dichtungsperlen, um den elektrischen Kontakt mit dem äußeren Speisestromkreis
herzustellen.
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An anderen Ende der rohrförmigen Ummantelung
ist die zweite Dichtungsperle, die sogenannte spezifische Perle 16,
zylindrisch und weist eine Ausnehmung 18 auf, die sie axial
durchquert. Diese Ausnehmung ist zur Aufnahme einer thermischen
Sicherung 20 bestimmt. Die Sicherung ist bevorzugt mit
minimalem Spiel in der Ausnehmung angebracht.
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Im übrigen weist die Ausnehmung
in ihrem inneren Teil, d. h. auf der Seite des Heizelements gelegen,
eine verengte Zone auf, beispielsweise in Form eines Kegels 21.
Dieser Kegel wirkt mit der thermischen Sicherung 20 zusammen,
die ebenfalls einen kegelförmigen
Teil 22 aufweist, um zu verhindern, daß sie zu dem Heizelement gleitet.
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Im übrigen ist das spiralförmige Heizelement unter
Spannung in der rohrförmigen
Ummantelung angebracht, so daß die
Sicherung eine Zugkraft erfährt,
die sie tendenziell gegen den konischen Teil 22 der Ausnehmung
hält, womit
gleichzeitig eine Abdichtung des Heizelements, aber auch der Halt
der Sicherung und damit einhergehend der Halt der Perle 16 an
der rohrförmigen
Ummantelung gewährleistet ist.
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Die thermische Sicherung 20 ist über den Verbindungsstift 10 mit
dem Heizelement 4 in Reihe geschaltet. Sie ist mit dem äußeren elektrischen Speisestromkreis über einen
Stift 12 verbunden, der einen Verbinder 14 trägt. Diese
Sicherung stellt also die Verbindung zwischen dem äußeren elektrischen Stromkreis
und dem Inneren der rohrförmigen
Ummantelung her.
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Bezüglich der rohrförmigen Ummantelung 2 kann
die Sicherung 20 entweder teilweise im Inneren der Ummantelung
oder völlig
innerhalb oder völlig
außerhalb
der Ummantelung aufgenommen sein, je nach den thermischen Reaktionscharakteristika,
die für
die Schutzvorrichtung erwünscht
sind.
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Diese Sicherung ermöglicht es
nämlich,
die elektrische Versorgung des Heizelements bei Nichtfunktionieren
des Reglerelements der Vorrichtung zu unterbrechen, wodurch eine Überhitzung
des Widerstands hervorgerufen würde.
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Die Kalibrierung der Sicherung sowie
ihre Position in der rohrförmigen
Ummantelung 2 sind an die Temperatur angepaßt, die
bei einer Überhitzung auf
Höhe der
Perle erhalten wird und die niedriger als innerhalb des Heizelements
ist.
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Die thermische Sicherung 20 ist
in 3a und 3b im einzelnen dargestellt,
die ihren Zustand vor bzw. nach dem Auslösen veranschaulichen, d. h.
im Betriebsdurchlaßzustand
bzw. im Unterbrechungszustand.
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In 3a weist
also die thermische Sicherung 20 ein Gehäuse 23 auf,
in dessen Innerem eine thermische Pille 24 aufgenommen
is, die die Besonderheit besitzt, daß sie verdampft, wenn sie einer
gegebenen Temperatur unterworfen ist, die in unserem Fall einer Überhitzung
des Heizelements entspricht.
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Diese Pille ist am äußeren Ende,
d. h. am von dem Heizelement am weitesten entfernten Ende angeordnet,
so daß sie
nicht eine zu hohe Reaktivität besitzt,
die dazu führen
könnte,
daß sie
verdampft, während
das Heizelement nicht in einem Überhitzungszustand
ist.
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Zum Unterbrechen des elektrischen
Speisestromkreises des Heizelements weist die Sicherung eine erste
Kompressionsfeder 28 auf, die zwischen zwei Scheiben 26 angebracht
ist. Eine dieser Scheiben steht in Kontakt mit der Pille 24,
während
die andere die Verbindung zwischen dieser ersten Feder 28 und
einer dritten Scheibe 30 gewährleistet, die gegen die Rückstellkraft
einer zweiten Feder 32 angeordnet ist. Die Scheibe 30 steht
mit dem Verbindungsstift 10 in Kontakt, der insbesondere
mit Hilfe von Absätzen 38 an
dem Verbindungsstift in dem Gehäuse 23 von einem
Isolator 34 festgelegt ist.
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Im nicht ausgelösten Zustand zwingt die Feder 28 die
innere Scheibe 26 und die Kontaktscheibe 30 gegen
das Ende des Verbindungsstifts 10, womit durch die thermische
Pille die Kontinuität
des elektrischen Speisestromkreises gewährleistet ist.
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Deshalb stellt sich die Scheibe 30 in
Form eines sternförmigen
Kontakts dar, um einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten.
Andere Formen sind ebenfalls möglich,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Im übrigen weist das Gehäuse 23 eine Öffnung 40 an
dem Ende auf, wo die thermische Pille aufgenommen ist, also auf
Höhe des
Anschlusses an den Stift 12, womit ein direkter Kontakt
zwischen der Pille 24 und dem Stift 12 möglich ist.
Darüberhinaus ist
das Gehäuse
auf Höhe
dieses Anschlusses durch den Hohlraum 18 mit der freien
Luft verbunden.
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Wenn sich also die thermische Pille
verflüchtigt,
dann können
die erzeugten Kalorien hauptsächlich
und rasch abgeleitet werden, sowohl, dank des Hohlraums 18,
durch den Austausch mit der Umgebungsluft als auch durch Leitung
in dem Stift 12. Dann ist die Gefahr einer Ionisation sehr
gering, woraus sich eine hohe Zuverlässigkeit für die Vorrichtung ergibt.
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Aus der Verflüchtigung der Pille ergibt sich die
Entspannung der beiden Federn 28 und 32, was zu
einem mechanischen Gleichgewicht führt, wo sich die Scheibe 30 insbesondere
nicht mehr mit dem Verbindungsstift 10 in Kontakt befindet.
Der elektrische Speisestomkreis für das Heizelement ist dann
unterbrochen.
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Die Verwendung einer herkömmlichen
thermischen Sicherung als Ersatz der üblichen Anschlußklemme
des Heizelements, durch Integration des thermischen Schutzes in
den Widerstand, ermöglicht
außerdem
ein direktes Abnehmen der Temperatur, wobei ein Diffusor weggelassen
ist und gleichzeitig die Temperaturverzögerung schneller und zuverlässiger wird.
Das Heizelement ist also selbstgeregelt.
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Darüberhinaus wird die Sicherung
bei der Befestigung der Dichtungsperle in einer einzigen Operation
positioniert. Es handelt sich also nicht mehr um ein angebautes
Teil, das zusätzliche
Schritte für
seine Integration innerhalb der Heizvorrichtung erfordert. Die Montagezeit
und die Kosten sind demnach reduziert.