EP0866640A2

EP0866640A2 - Hochleistungs-Heizelement

Info

Publication number: EP0866640A2
Application number: EP97115173A
Authority: EP
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Rommeiss; Michael Dipl.-Ing. Neuhäuser
Original assignee: Ihne & Tesch GmbH
Current assignee: Ihne & Tesch GmbH
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1998-09-23
Also published as: EP0866640A3

Abstract

Um ein Hochleistungs-Heizelement für industrielle Zwecke mit einem Mantel aus Metall und in diesem Mantel gegen den Mantel elektrisch isoliert angeordnetem elektrischen Heizleiter mit nach außen geführtem Anschluß, insbesondere Heizband, vorzugsweise zum Einsatz bei Kunststoffspritzmaschinen, zu schaffen, welches in einfacher Weise auch in großen Längen und Durchmessern hergestellt werden kann, wird vorgeschlagen, daß die Isolierung aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Keramikfaservlies (4,6) oder Keramikfaserpapier besteht und daß das Kermaikfaservlies (4,6) oder Keramikfaserpapier zwischen den Mantelflächen (2,3) des Mantels verdichtet im Heizelement (1) angeordnet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochleistungs-Heizelement für industrielle Zwecke mit einem Mantel aus Metall und in diesem Mantel gegen den Mantel elektrisch isoliert angeordnetem elektrischen Heizleiter mit nach außen geführtem Anschluß, insbesondere Heizband, vorzugsweise zum Einsatz bei Kunststoffspritzmaschinen.

Derartige Heizelemente werden bisher in der Weise hergestellt, daß in einen plattenartigen, an den Enden offenen Mantel ein auf einen Träger aufgewickelter Heizleiter eingebracht wird, dessen Anschlußenden nach außen geführt sind. In den Freiraum zwischen Heizleiter und Mantel wird dann MgO-Pulver eingebracht Anschließend wird dieses Element verdichtet. Nachfolgend kann das Heizelement durch Biegen zu den entsprechenden Formen von Rohrheizkörpern oder dergleichen geformt werden und mit elektrischen Anschlüssen ausgestattet werden.

Die Isolierschichten, die durch das MgO-Pulver gebildet sind, müssen eine gute elektrische Isolation zum Metallaußenmantel gewährleisten, der üblicherweise aus Edelstahl besteht. Desweiteren muß die Isolierschicht eine gute Wärmeleitfähigkeit auf-weisen, um den Wärmeübergang zu dem zu beheizenden Gegenstand zu begünstigen.

Die in herkömmlicher Weise hergestellten Heizelemente sind nur in begrenzter Dimensionierung herstellbar. Beim konventionellen Aufbau können nur Längen von 75 mm und Durchmesser von 100 mm hergestellt werden. In Halbschalenbauweise kann der Durchmesserbereich bis auf 200 mm erweitert werden.

Die bisher übliche Herstellungstechnologie läßt die wünschenswerte Fertigung größerer Heizbänder nicht zu.

Dies ist im wesentlichen darin begründet, daß das Magnesiumoxidpulver bei größeren Heizelementen nicht mehr gleichmäßig in den Hohlraum zwischen Mantel und Heizleiter eingebracht werden kann, wobei zudem das gleichmäßige Einbringen einen großen Zeitaufwand mit sich bringt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement gattungsgemäßer Art zu schaffen, welches in einfacher Weise auch in großen Längen und Durchmessern hergestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Isolierung aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Keramikfaservlies oder Keramikfaserpapier besteht und daß das Kermaikfaservlies oder Keramikfaserpapier zwischen den Mantelflächen des Mantels verdichtet im Heizelement angeordnet ist

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß das Keramikfaservlies oder -papier aus Al₂0₃-Fasern, MgO-Fasern, Mullit-Fasern (2 Si 0₂ x 3 Al₂ 0₃) oder einer Mischung daraus besteht.

Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß das Faservlies oder -papier frei von Bindemittel ist.

Zudem ist bevorzugt, daß die Fasern des Faservlieses oder -papiers kurzfaserig sind.

Dabei ist bevorzugt, daß die Faserlänge etwa 2 bis 3 µm beträgt.

Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß in das Keramikfaservlies oder -papier pulverförmiges Material hoher Wärmeleitfähigkeit und mit hoher elektrischer Isolationsfähigkeit eingebracht ist.

Dadurch, daß das pulverförmige Material in das Vlies oder Papier eingebracht wird, wird eine größere Füllung von Leerstellen erreicht, was im Ergebnis dazu führt, daß eine verbesserte Wärmeleitung erfolgt.

Dabei ist bevorzugt vorgesehen, daß das pulverförmige Material aus keramischer Masse besteht.

Desweiteren kann bevorzugt sein, daß das pulverförmige Material aus Mg0 und/oder Al₂ 0₃ besteht.

Besonders bevorzugt ist, daß das pulverförmige Material auf der Seite des Heizelementes in das Faservlies oder -papier eingebracht ist oder in größerem Anteil eingebracht ist, die dem zu beheizenden Gegenstand zugewandt ist oder an diesem in Gebrauchslage anliegt.

Hierdurch ist gewährleistet, daß der Temperaturfluß zu der Seite hin, die in Gebrauchslage an dem zu beheizenden Gegenstand anliegt, groß ist, während die Wärmeleitung in der den zu beheizenden Element abgewandten Seite geringer ist, so daß die Wärmeverluste gering gehalten werden können.

Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß das Faservlies oder -papier in nicht verdichtetem Zustand eine Dicke von bis zu 5 mm aufweist.

Auch kann bevorzugt sein, daß das Faservlies oder -papier in nicht verdichtetem Zustand eine Porösität von bis zu 50 Volumen % aufweist.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes nach den Ansprüchen 1 bis 11 wird darin gesehen, daß auf eine Metallblechlage (Mantelblech) ein oder mehrere Schichten von Keramikfaservlies oder -papier aufgelegt werden, auf diese ein Träger aufgelegt wird, auf den der Heizdraht aufgewickelt ist, daß der Träger samt Heizdraht von einer oder mehreren weiteren Schichten aus Keramikfaservlies oder -papier überdeckt wird, daß eine weitere Blechlage (Mantelblech) aufgelegt wird, daß das so gebildete Paket mechanisch verdichtet wird, indem die Blechlagen aufeinander gepreßt werden und daß die Randkanten der Blechlagen in der Preßlage bleibend miteinander verbunden werden.

Dabei kann vorgesehen sein, daß in eine oder beide Faserschichten vor dem Verpressen pulverförmiges, wärmeleitfähiges, elektrisch isolierendes Material in feiner und gleichmäßiger Verteilung eingebracht wird.

In an sich bekannter Weise kann vorgesehen sein, daß das Heizelement anschießend zu einer Ringform, Halbringform oder Rinnenform gebogen wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung von Keramikfaservlies oder -papier zur Herstellung von Heizelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14.

Die Erfindung ermöglicht es in einfacher Weise großflächige Heizelemente herzustellen, die also große Länge aufweisen und mit denen auch große Durchmesser von Rohrheizkörpern oder Halbschalen zu realisieren sind. Zur Herstellung dieser Heizelemente kann zunächst auf ein erstes Mantelblech eine Schicht von Faservlies oder dergleichen oder auch mehrere Schichten aufgelegt werden. Auf diese Faserschicht kann dann ein Träger, beispielsweise ein Mikanitträger aufgelegt werden, der mit Heizdraht umwickelt ist. Auf diesen Träger wiederum können weitere Schichten von Faservlies oder dergleichen aufgebracht werden, die dann durch ein weiteres Mantelblech abgedeckt werden. Das Faservlies oder Faserpapier, welches im eigentlichen Sinne ein Wärmeisolator ist, wird dann verdichtet, indem die Mantelbleche aufeinander zu verpreßt werden. Das gesamte Bauteil wird damit in seiner Dicke verringert und durch das Zusammenpressen der Mantelfläche ergibt sich, daß das Keramikfaservlies oder Papier derart verdichtet ist, daß es nicht mehr wärmeisolierend, sondern wärmeleitend wirkt, wobei aber die elektrische Isolationsfähigkeit erhalten bleibt.

Vorzugsweise wird Faservlies aus Al₂ 0₃ -Fasern ohne Bindemittel verarbeitet, damit beim erstmaligen Aufheizen des Heizelementes keine Schadstoffe ausdampfen können. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn kurzfaseriges Fasermaterial von beispielsweise 2 bis 3 µm Faserlänge eingesetzt wird. Um die Wärmeleitung gezielt zu der Mantelfläche hin zu führen, die an dem zu erhitzenden Element angeordnet ist, kann in die zwischen dem Heizdraht und der entsprechenden Mantelfläche liegende Faserschicht pulverförmiges Material, beispielweise Al₂ 0₃ Pulver eingebracht werden, so daß bei dem nachfolgenden Verdichtungsvorgang eine höhere Porenfüllung und damit eine bessere Wärmeleitung erreicht wird. Zur Außenseite des Elementes ist diese verbesserte Wärmeleitung nicht sinnvoll, sondern im Gegenteil ist dort eine schlechte Wärmeleitung erwünscht, um Wärmeverluste zu vermeiden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist streng schematisch in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Figur 1: ein elektrisches Hochleistungs-Heizelement im Querschnitt in einer ersten Herstellungsstufe;
Figur 2: das gleiche Element nach nach Fertigstellung.

In der Zeichnung ist ein Hochleistungs-Heizelement 1 für industrielle Zwecke gezeigt. Es weist einen Mantel aus Edelstahl und in diesem Mantel gegen den Mantel elektrisch isoliert angeordnete elektrische Heizleiter auf. Im Ausführungsbeispiel ist gemäß Figur 1 der Mantel aus zwei Bestandteilen gebildet. Ein Bestandteil bildet ein U-förmiges Mantelteil 2 aus Edelstahl. Ein zweiter Bestandteil des Mantels ist ein flaches Blechteil 3, ebenfalls aus Edelstahl. Zur Herstellung wird in das U-förmige Mantelteil 2 zunächst eine Schicht 4 auf Faservlies (einlagig oder mehrlagig) eingebracht. Auf diese Schicht 4 wird ein Träger 5, beispielsweise ein Mikanitträger aufgelegt, auf den Heizdraht aufgewickelt ist. Die Anschlußenden des Heizdrahtes sind nach außen geführt und können mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen versehen werden.

Auf den Träger 5, der den Heizdraht trägt, ist wiederum eine Keramikfaservliesschicht 6 aufgelegt, die durch das Blechteil 3 als Bestandteil des Mantels abgedeckt ist. Nach dem Einlegen der Teile erfolgt eine Verdichtung der Keramikfaservliesschichten 4,6 durch Kraftaufbringung in Richtungs des Pfeiles 7 in Figur 1, wobei das Mantelblech 3 den Boden des Mantelbleches 2 angenähert wird. Die Sollposition ist in Figur 2 gezeigt. Zur Arretierung dieser Sollposition können die Randkanten des U-förmigen Teiles 2 umgeformt werden, so daß hierdurch die enge Packlage gemäß Figur 2 beibehalten wird. Das so flächig ausgebildete Heizelement kann in einem entsprechenden Walzvorgang zu einem rohrförmigen Heizkörper oder auch zu einer Heizkörperhalbschale geformt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims

Hochleistungs-Heizelement für industrielle Zwecke mit einem Mantel aus Metall und in diesem Mantel gegen den Mantel elektrisch isoliert angeordnetem elektrischen Heizleiter mit nach außen geführtem Anschluß, insbesondere Heizband, vorzugsweise zum Einsatz bei Kunststoffspritzmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus einem einschichtigen oder mehrschichtigen Keramikfaservlies (4,6) oder Keramikfaserpapier besteht und daß das Kermaikfaservlies (4,6) oder Keramikfaserpapier zwischen den Mantelflächen (2,3) des Mantels verdichtet im Heizelement (1) angeordnet ist.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikfaservlies (4,6) oder - papier aus Al₂ 0₃-Fasern, Mg0-Fasern, Mullit-Fasern (2 Si 0₂ x 3 Al₂ 0₃) oder einer Mischung daraus besteht.
Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies (4,6) oder - papier frei von Bindemittel ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Faservlieses (4,6) oder -papiers kurzfaserig sind.
Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlänge etwa 2 bis 3 µm beträgt.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in das Keramikfaservlies (4,6) oder -papier pulverförmiges Material hoher Wärmeleitfähigkeit und mit hoher elektrischer Isolationsfähigkeit eingebracht ist.
Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Material aus keramischer Masse besteht.
Heizelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Material aus Mg0 und/oder Al₂ 0₃ besteht.
Heizelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Material auf der Seite des Heizelementes in das Faservlies (4) oder -papier eingebracht ist oder in größerem Anteil eingebracht ist, die dem zu beheizenden Gegenstand zugewandt ist oder an diesem in Gebrauchslage anliegt.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies (4,6) oder -papier in nicht verdichtetem Zustand eine Dicke von bis zu 5 mm aufweist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies (4,6) oder -papier in nicht verdichtetem Zustand eine Porösität von bis zu 50 Volumen % aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Metallblechlage (2) (Mantelblech) ein oder mehrere Schichten von Keramikfaservlies (4) oder -papier aufgelegt werden, auf diese ein Träger (5) aufgelegt wird, auf den der Heizdraht aufgewickelt ist, daß der Träger (5) samt Heizdraht von einer oder mehreren weiteren Schichten aus Keramikfaservlies (6) oder - papier überdeckt wird, daß eine weitere Blechlage (3) (Mantelblech) aufgelegt wird, daß das so gebildete Paket mechanisch verdichtet wird, indem die Blechlagen (2,3) aufeinander gepreßt werden und daß die Randkanten der Blechlagen in der Preßlage bleibend miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in eine oder beide Faserschichten (4,6) vor dem Verpressen pulverförmiges, wärmeleitfähiges, elektrisch isolierendes Material in feiner und gleichmäßiger Verteilung eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1) anschießend zu einer Ringform, Halbringform oder Rinnenform gebogen wird.
Verwendung von Keramikfaservlies oder -papier zur Herstellung von Heizelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14.