EP1719386A1 - Elektrischer heizkörper in form eines verdichteten heizelementes mit dauerhaften federeigenschaften - Google Patents

Elektrischer heizkörper in form eines verdichteten heizelementes mit dauerhaften federeigenschaften

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EP1719386A1
EP1719386A1 EP05707400A EP05707400A EP1719386A1 EP 1719386 A1 EP1719386 A1 EP 1719386A1 EP 05707400 A EP05707400 A EP 05707400A EP 05707400 A EP05707400 A EP 05707400A EP 1719386 A1 EP1719386 A1 EP 1719386A1
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EP
European Patent Office
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approximately
metallic
jacket
mgo
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EP05707400A
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EP1719386B1 (de
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Giacinto Castiglia
Hubert Schwan
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Gc-Heat Gebhard & Castiglia & Co KG GmbH
Original Assignee
Gc-Heat Gebhard & Castiglia & Co KG GmbH
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    • H01C3/14—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element being formed in two or more coils or loops continuously wound as a spiral, helical or toroidal winding
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    • H05B3/52—Apparatus or processes for filling or compressing insulating material in tubes

Definitions

  • the invention relates to an electric heater in the form of a compressed heating element which heats cylindrical components from the outside, preferably in the form of a spiral tube cartridge on the spray nozzle of injection molding or die casting tools or the like, heated cylindrical components, consisting of a metallic jacket in which an MgO ceramic is arranged , is embedded in the one heating conductor spiral.
  • the heating of nozzles in the hot runner technology in plastic injection molding machines as well as in the zinc die casting industry is carried out by compressed electrical heating elements which are close to the nozzles. These heating elements are wound, the inside diameter of the wound heating element, a spiral tube cartridge, being smaller than the outside diameter of the nozzle.
  • the inner diameter of the spiral tube cartridge is, for example, about 0.15 mm smaller than the nozzle with a nozzle diameter of 20 mm.
  • the wound heating element can then be pushed tightly onto the nozzle by a rotary movement.
  • the aim is for the heating element to be firmly attached to the outer surface of the nozzle in order to transmit maximum heating power and to create an exact constant temperature control.
  • the known heating elements are preferably made of ductile stainless steel or of nickel as a tubular jacket.
  • the material must have a high elongation at break during the production of the heating elements, since it deforms very mechanically becomes.
  • nickel-based alloys are used.
  • the materials mentioned have low heat resistance, especially if these higher temperatures up to 500 ° C are permanently exposed.
  • the tube jacket loses its spring force due to heating and cooling over a long period of time.
  • the heating element lifts off the nozzle, which means that good heat transfer is no longer guaranteed.
  • a large number of additional clamping devices were developed with the aim of holding the heating element firmly on the nozzle.
  • Such a tensioning element necessary for proper functioning is known for example from DE 37 36 612 C2.
  • the problem with this device is that it protrudes beyond the circumference of the helical tube cartridge, which is circular in cross section, so that there is an additional space requirement for this projecting fastening device.
  • the installation space is so narrow that projecting parts cannot be accommodated or can only be accommodated with difficulty. There is therefore a need to create a heating element that requires less space and can be permanently attached to the nozzle without additional clamping elements.
  • the invention has for its object to provide an electric radiator in the form of a compressed heating element that heats cylindrical components from the outside, preferably in the form of a spiral tube cartridge on the spray nozzle of injection molding or die casting tools or similar heatable cylindrical components , which can be fixed on a cylindrical heatable object, without additional clamping elements and especially at temperatures around 500 ° C its strength and clamping effect permanently, ie at least 10,000 hours.
  • an electric radiator in the form of a compressed heating element, the cylindrical components heated from the outside, preferably in the form of a helical tube cartridge on the spray nozzle of injection molding or die casting tools or the like heated cylindrical components, consisting of a metallic shell in which an MgO ceramic is arranged, in the one
  • Heating conductor spiral is embedded, the material of the metallic sheath having a tensile strength Rm at 500 ° C of> 650 N / mm 2 and an elastic limit R p02 at 500 ° C, which is approximately the same size, in order to achieve a permanent radial pressure of the Spiral tube cartridge on the component to be heated due to its spring properties.
  • the material of the metallic shell has a tensile strength Rm at 500 ° C, which is between 10% to 20% greater than the yield strength R p0> 2 at 500 ° C.
  • the material of the metallic jacket has a tensile strength Rm at 500 ° C, which is at most 30% greater than the yield strength R p02 at 500 ° C.
  • the metallic jacket has a tensile strength Rm at 20 ° C. of> 900 N / mm 2 .
  • the material of the metallic shell has an elastic limit R p0 ⁇ 2 at 20 ° C of> 850 N / mm 2 .
  • the material of the metallic shell has an elongation at break of ⁇ 20% after hardening and an elongation at break of> 30% before hardening.
  • the material which is in the form of a tubular jacket, must have a high elongation at break during manufacture of the heating element and before hardening, since it must be deformed very mechanically.
  • the material of the metallic shell has a tensile strength Rm at 500 ° C. after 10,000 hours of> 400 N / mm 2 .
  • the material of the metallic jacket has a thermal expansion at 400 ° C of ⁇ 17 x 10 ⁇ 6 K _1 .
  • the material of the metallic jacket is resistant to scaling.
  • the material of the metallic shell is a precipitation hardenable nickel-chromium-iron alloy.
  • the material of the metallic shell is a precipitation-hardenable nickel-chromium-iron alloy, comprising proportions of Ni in a range from approximately 50.0% to 55.0%, and Cr in a range of approximately 17.0% to 21.0%, of C in a range of approximately 0.02% to 0.08%, Mn in a range of approximately 0% to 0.35%, Si in a range of approximately 0% to 0.35%, Cu in a range of approximately 0% to 0.20%, Mo in a range of approximately 2.80% to 3.30%, Co in a range of approximately 0% to 1.0%, Nb in a range from approximately 4.80% to 5.50%, Al in a range from approximately 0.30% to 0.70%, Ti in a range from approximately 0.70% to 1.15%, B in one Range from about 0.002% to 0.006%, P in a range from about 0% to
  • the electrical heating element is wound into a spiral tube cartridge, the inner diameter of the spiral tube rone is approximately between 0.5% to 5% smaller than the outer diameter of the cylindrical component to be heated.
  • the MgO ceramic has at least one bore for a heating conductor spiral, MgO powder being introduced into the intermediate space between the metallic jacket and the MgO ceramic and into cavities in the MgO ceramic.
  • the MgO ceramic has at least one bore for a thermocouple.
  • Another advantageous embodiment of the invention is a method for producing an electric radiator whereby a heating conductor spiral is contacted with a connecting wire and drawn into the MgO ceramic, the MgO ceramic is inserted with wire into the jacket tube, the cavities with MgO insulating powder under vibration be filled, the cross-section of the heating element is reduced by about 10 - 20%, the jacket tube is tapped to expose the connections, solution annealing is then carried out under a protective gas atmosphere, the heated zone is wound to an inner diameter that is smaller than the outer diameter of the heating cylindrical component, after winding, the spiral tube cartridge is calibrated to the exact final dimension by means of a press mandrel, with the MgO powder being recompacted, the curing then taking place at about 720 ° C. for 8 hours, the electric heating element being set at 620 ° C within Cooled for 2 hours and opened over 8 hours
  • heating elements with two-sided connection there are also heating elements with one-sided connection.
  • the casing tube is then closed on one side with a base plate after the MgO ceramic has been inserted into it. Who turns The closing process is identical to the production of a heating element with a two-sided connection.
  • the hardened, unheated zone is annealed again, preferably solution annealing by means of a gas burner, and is thus made flexible again.
  • the unheated zone of the helical tube cartridge is provided with insulation before hardening, so that the unheated zone in the hardening furnace is not subject to the hardening temperature, so that the unheated zone is still bendable after hardening.
  • the electric heating element according to the invention enables permanent radial pressing of the electric heating element in the form of the helical tube cartridge onto the spray nozzle of the injection molding tool for temperatures up to over 500 ° C.
  • This permanent pressing which does not require the known complex constructive clamping mechanisms among other things due to the insignificant decrease in the spring stiffness of the metallic jacket at high temperatures around 500 ° C and a long period of 10,000 to 100,000 hours.
  • Clamping elements are avoided due to the lack of a complex, large clamping mechanism.
  • the electric heating element according to the invention has a vibration and shock-proof contact, since there are no screws which could loosen due to vibrations existing in the machine.
  • Another advantage of the material used is that it has a high resistance to corrosion and is resistant to scaling.
  • the electric radiators in the form of spiral tube cartridges are preferably made of ductile stainless steel or of nickel, these materials having only low heat resistance, especially if they are permanently exposed to higher temperatures of about 400 ° C.
  • the tube jacket loses its spring force due to heating and cooling over a long period of time. The result is an increase in the inside diameter of the spiral tube cartridge.
  • the helical tube cartridge no longer lies completely against the spray nozzle, so that good heat transfer from the helical tube cartridge to the injection molding nozzle is no longer guaranteed. Accordingly, the efficiency of the heating also drops, so that a constant, reproducible temperature control is not guaranteed.
  • the thermal coupling of the spiral tube cartridge with the spray nozzle is disturbed.
  • the power consumed by the nozzle drops and the radiation losses of the spiral tube cartridge increase.
  • the electric heater according to the invention does not have these disadvantages because of its spring properties, even at high temperatures of around 500.degree.
  • Sheath are provided, this has a low mass, so that there are very fast thermal reactions for accurate temperature control.
  • the tube wall thickness of the metallic jacket can be chosen to be thinner, so that the heating element can be smaller.
  • Another advantage is that the electric heater is firmly seated on the cylindrical component to be heated in the cold and warm state. due to the approximately 0.5% to 5% smaller inner diameter of the spiral tube cartridge in the unassembled state compared to the outer diameter of the cylindrical component to be heated, the permanent spring pressure being ensured due to the spring properties.
  • FIG. 1 shows an electric radiator in the form of a compressed heating element, in the form of a coiled tube,
  • Fig. 3 shows a section through the structure of the heating element
  • FIG. 4 shows a section through the heating element according to line A-A in FIG. 3,
  • the inside diameter d WI of the spiral tube cartridge 1 in the unmounted state is approximately between 0.5 to 5% smaller than the outside diameter d BA of the electrical component to be heated.
  • the jacket tube 2 of the helical tube cartridge 1 is formed from a material that also springs at temperatures of around 500 C, due to the smaller inner diameter of the helical tube cartridge 2, the latter is firmly clamped to the cylindrical component to be heated without further clamping means due to the resilient properties.
  • the spring action of the spiral tube cartridge 1 wound from the jacket tube 2 is sufficient to automatically release the to prevent the same from vibrations.
  • the spiral tube cartridge 1 has a heated zone 3 and an unheated zone 4 which merges into the connection head 5. Usual inner diameters of the spiral tube cartridge 1 are between 6 and 60 mm.
  • Fig. 3 shows a section through the structure of the heating element with a one-sided connection in the state not yet wound to the spiral tube cartridge 1.
  • the heating conductor spiral 6 is contacted with thicker connecting wires 7.
  • the heating conductor spiral 6 with connection wire 7 is drawn into the ceramic molded parts 8.
  • the ceramic molded part 8 with connecting wire 7 is inserted into the matching jacket tube 9.
  • the casing tube 9 is closed on one side with a closure element 10.
  • the cavities may be filled with MgO insulating powder under vibration.
  • the cross section of heating element 1 is then reduced by approximately 10-20%.
  • the goal is to produce good heat transfer from the heating conductor spiral 6 to the jacket tube 9 by pressing the MgO and at the same time to increase the high voltage strength. This results in strain hardening of the jacket tube 9.
  • the jacket tube 9 extends in the longitudinal direction by about 10%. Only materials with a high elongation at break can be used here. This is followed by parting the jacket tube 9, the connecting wires 7, which are passed through the unheated zone 4, having to be exposed for the connection of the stranded wire. This is done, for example, by parting off on a lathe. Solution annealing then takes place in a protective gas atmosphere, so that the casing tube 9 can be deformed and wound again.
  • the helical tube cartridge 1 is usually wound in the heated zone 3 to a smaller inner diameter with a smaller mandrel than the cylinder to be heated later. After winding, the spiral tube cartridge 1 is brought to the exact final dimension by means of a press mandrel. At the same time, the MgO mass is subsequently compressed carried out. Curing to achieve the permanent spring effect takes place at approx. 720 ° C for 8 hours. The electric radiator is then cooled to 620 ° C within 2 hours and kept at 620 ° C over 8 hours. Finally, the electrical connection is made.
  • an MgO ceramic 8 is arranged, which has two bores 10 for receiving the heating conductor spiral 6 and two smaller bores 11 for Recording a thermo wire / thermocouple 12.
  • a space 13 possibly existing between the jacket tube 9 and the MgO ceramic 8 and the cavities in the MgO ceramic are filled with MgO powder 14.
  • a particularly suitable material for the metallic jacket tube of the hardened heating element is characterized in that the tensile strength Rm at 20 ° C. is> 900 N / mm 2 .
  • the proof stress R p0 / 2 should be> 850 N / mm 2 at 20 ° C.
  • the elongation at break of the heating element should be ⁇ 20%.
  • the tensile strength Rm at 500 ° C should be> 650 N / mm 2 .
  • the tensile strength Rm at 500 ° C after 10,000 hours should still be> 400 N / mm 2 .
  • the thermal expansion at 400 ° C should be ⁇ 17 x 10 ⁇ 6 K _1 .
  • the material should also be scale-resistant and corrosion-resistant.
  • the material of the metallic jacket tube should have a tensile strength Rm at 500 ° C of> 650 N / mm 2 and an elastic limit R p02 at 500 ° C, which are approximately the same size.
  • the material of the metallic jacket tube should preferably have a tensile strength Rm which is at most 30% greater than the yield strength R p0.2 ' at 500 ° C.
  • a particularly suitable material is, for example, a precipitation-hardenable nickel-chromium-iron alloy.
  • a precipitation hardenable nickel-chromium-iron alloy comprises proportions of Ni in a range from about 50.0% to 55.0% of Cr in a range from about 17.0% to 21.0% and the rest is formed by Fe, based on the total alloy.
  • the nickel-chromium-iron alloy can additionally comprise proportions of C in a range from approximately 0.02% to 0.08%, Mn in a range from approximately 0% to 0.35%, Si in a range from approximately 0% to 0.35%, Cu in a range of approximately 0% to 0.20%, Mo in a range of approximately 2.80% to 3.30%, Co in a range of approximately 0% to 1.0%, Nb in a range from approximately 4.80% to 5.50%, Al in a range from approximately 0.30% to 0.70%, Ti in a range from approximately 0.70% to 1.15%, B in one Range from about 0.002% to 0.006%, P in a range from about 0% to 0.0015%, S in a range from about 0% to 0.010% based on the total alloy.
  • a particularly suitable material is, for example, INCONELL alloy 718 (German material standard number: 2.4668). Also suitable are INCONELL alloy X-750 (German material standard number: 2.4669),, INCONELL alloy 751 (German material standard number: 2.2494), INCONELL alloy A-286 (German material standard number: 1.4980), INCONELL alloy 80A (German material standard number: 2.4631 and 2.4952), INCONELL alloy 90 (German material standard number: 2.4632 and 2.4969), INCONELL alloy 101, INCONELL alloy 105 (German material standard number: 2.4634), INCONELL alloy 115 (German material standard number: 2.4636), INCONELL alloy 263 (German material standard number:
  • INCONELL alloy PE 16 InCONELL alloy D 979.
  • highly heat-resistant nickel-based alloys such as INCONELL alloy 601H (German material standard number: 2.4851) and INCONELL alloy 800H (German material standard number: 1.4876).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Haizelementes, der zylindrische Bauteile von Aussen beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgiess- oder Druckgusswerkzeugen oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bestehend aus einem metallischen Mantel in dem eine MgO-Keramik angeordnet ist, in die eine Heizleiterspirale eingebettet ist, wobei das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500 °C von > 650 N/mm<2> und eine Dehngrenze Rp0,2 bei 500 °C aufweist, die annähernd gleich gross ist, zur Erzielung einer dauerhafter radialen Anpressung der Wendelrohrpatrone auf dem zu beheizenden Bauteil aufgrund deren Federeigenschaften.

Description

Bezeichnung: Elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Heizelementes mit dauerhaften Federeigenschaften
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile von Außen beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder Druckgußwerkzeugen oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bestehend aus einem metallischen Mantel in dem eine MgO-Keramik angeordnet, ist in der die eine Heizleiterspirale eingebettet ist.
Die Beheizung von Düsen in der Heißkanaltechnik bei Kunststoffspritzmaschinen wie auch in der Zinkdruckgußindustrie erfolgt durch an den Düsen eng anliegenden verdichteten e- lektrischen Heizelementen. Diese Heizelemente werden gewickelt, wobei der Innendurchmesser des gewickelten Heizelementes, einer Wendelrohrpatrone, geringer ist, als der Außendurchmesser der Düse. Der Inndurchmesser der Wendelrohrpatrone ist beispielsweise bei einem Düsendurchmesser von 20 mm etwa 0,15 mm kleiner als die Düse . Das gewickelte Heizelement kann dann durch eine Drehbewegung stramm auf die Düse aufgeschoben werden.
Ziel ist es, daß das Heizelement fest an die äußere Oberflä- ehe der Düse angebracht ist, um dadurch eine maximale Heizleistung zu übertragen und eine genaue gleichbleibende Temperaturführung zu schaffen.
Die bekannten Heizelemente werden vorzugsweise aus duktilem Edelstahl oder aus Nickel als Rohrmantel gefertigt. Das Material muss während der Fertigung der Heizelemente eine hohe Bruchdehnung aufweisen, da es sehr stark mechanisch verformt wird. In Einzelfällen werden Nickelbasislegierungen verwendet. Die genannten Werkstoffe weisen geringe Warmfestigkeiten auf, insbesondere wenn diese höheren Temperaturen bis 500° C dauerhaft ausgesetzt werden.
Durch das Auf- und Abheizen über einen langen Zeitraum verliert der Rohrmantel seine Federkraft. Das Heizelement hebt von der Düse ab, wodurch kein guter Wärmeübergang mehr gewährleistet ist. Als Abhilfe wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von zusätzlichen Klemmvorrichtungen mit dem Ziel entwickelt das Heizelement fest auf der Düse zu halten. Eine derartiges für ordnungsgemäße Funktion notwendiges Spannelement ist beispielsweise aus der DE 37 36 612 C2 bekannt. Das Problem dieser Vorrichtung ist, daß diese über den Umfang der im Querschnitt kreisförmigen Wendelrohrpatrone vorragt, so daß ein zusätzlicher Platzbedarf für diese vorspringende Befestigungsvorrichtung besteht. In bestimmten Einsatzzwecken ist der Einbauraum so eng, daß vorspringende Teile nicht oder nur schwer unterbringbar sind. Es besteht daher die Notwen- digkeit, ein Heizelement zu schaffen, das einen geringeren Platzbedarf benötigt und ohne zusätzliche Spannelemente dauerhaft fest auf der Düse angebracht werden kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile von Außen beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder Druckgußwerkzeugen oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, zu schaffen, welcher auf einen zylindrischen beheizbaren Gegenstand fixiert werden kann, ohne zusätzliche Spannelemente und insbesondere bei Temperaturen um 500° C seine Festigkeit und Spannwirkung dauerhaft, d.h. mindestens 10.000 Stunden, behält.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile von Außen beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder Druckgußwerkzeugen oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bestehend aus einem metallischen Mantel in dem eine MgO-Keramik angeordnet ist, in die eine
Heizleiterspirale eingebettet ist, wobei das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C von > 650 N/mm2 und eine Dehngrenze Rp02 bei 500° C aufweist, die annähernd gleich groß ist, zur Erzielung einer dauerhafter radia- len Anpressung der Wendelrohrpatrone auf dem zu beheizenden Bauteil aufgrund deren Federeigenschaften. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C aufweist, die zwischen 10% bis 20% größer ist als die Dehngrenze Rp0>2 bei 500° C.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C aufweist, die maximal 30% größer ist als die Dehngrenze Rp02 bei 500° C.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der metallische Mantel eine Zugfestigkeit Rm bei 20° C von > 900 N/mm2 aufweist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine Dehngrenze Rp0ι2 bei 20° C von > 850 N/mm2 aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine Bruchdehnung von < 20% nach dem Härten aufweist und eine Bruchdehnung von > 30% vor dem Härten aufweist. Das Material, das in Form eines Rohrmantels vorliegt, muß während der Fer- tigung des Heizelementes und vor dem Härten die hohe Bruchdehnung aufweisen, da es sehr stark mechanisch verformt werden muß. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C nach 10.000 Stunden von > 400 N/mm2 aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine Wärmeausdehnung bei 400° C von < 17 x 10~6 K_1 aufweist.
In ebenfalls vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels zunderbeständig ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung ist.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des metallischen Mantels eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung ist, umfassend Anteile an Ni in einem Bereich von etwa 50,0% bis 55,0%, an Cr in einem Bereich von etwa 17,0% bis 21,0%, an C in einem Bereich von etwa 0,02% bis 0,08%, Mn in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35%, Si in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35%, Cu in einem Bereich von etwa 0% bis 0,20%, Mo in einem Bereich von etwa 2,80% bis 3,30%, Co in einem Bereich von etwa 0% bis 1,0%, Nb in einem Bereich von etwa 4,80% bis 5,50%, AI in einem Bereich von etwa 0,30% bis 0,70%, Ti in einem Bereich von etwa 0,70% bis 1,15%, B in einem Bereich von etwa 0,002% bis 0,006%, P in einem Bereich von etwa 0% bis
0,0015%, S in einem Bereich von etwa 0% bis 0,010% und der Rest durch Fe gebildet ist, bezogen auf die gesamte Legierung.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das elektrische Heizelement zu einer Wendelrohrpatrone gewickelt ist, wobei der Innendurchmesser der Wendelrohrpat- rone in etwa zwischen 0,5% bis 5% kleiner ist als der Außendurchmesser des zu beheizenden zylindrischen Bauteils.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die MgO-Keramik wenigstens eine Bohrung für eine Heizleiterspirale aufweist, wobei in dem Zwischenraum zwischen dem metallischen Mantel und der MgO-Keramik sowie in Hohlräume in der MgO-Keramik MgO-Pulver eingebracht ist.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die MgO-Keramik wenigstens eine Bohrung für ein Thermoelement aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizkörpers wobei eine Heizleiterspirale mit Anschlußdraht kontaktiert und in die MgO-Keramik eingezogen wird, das die MgO-Keramik mit Draht in das Mantelrohr eingeschoben wird, die Hohlräume mit MgO-Isolierpulver unter Vibration verfüllt werden, der Quer- schnitt des Heizelements um etwa 10 - 20 % reduziert wird, das Mantelrohr zum Freilegen der Anschlüsse abgestochen wird, anschließend Lösungsglühen unter Schutzgasatmosphäre erfolgt, die beheizte Zone gewickelt wird auf einen Innendurchmesser, der geringer ist als der Außendurchmesser des zu beheizenden zylindrischen Bauteils, nach dem Wickeln wird die Wendelrohrpatrone mittels eines Preßdorns auf das exakte Endmaß kalibriert, wobei eine Nachverdichtung des MgO-Pulvers erfolgt, wobei abschließend die Aushärtung bei in etwa 720° C über 8 Stunden erfolgt, wobei der elektrische Heizkörper auf 620° C innerhalb von 2 Stunden abgekühlt und über 8 Stunden auf
620° C gehalten wird. Hierbei handelt es sich um ein Heizelement mit zweiseitigen Anschluß.
Außer den Heizelementen mit zweiseitigem Anschluß gibt es auch Heizelemente mit einseitigem Anschluß. Das Mantelrohr wird dann nach dem Einschieben der MgO-Keramik in dieses einseitig mit einer Bodenscheibe verschlossen. Der sich an- schließende Verfahrensablauf ist identisch zu der Herstellung eines Heizelementes mit zweiseitigen Anschluß.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die ausgehärtete unbeheizte Zone wieder gelüht wird, vorzugsweise Lösungsglühen mittels eines Gasbrenners, und somit wieder biegbar gemacht wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die unbeheizte Zone der Wendelrohrpatrone vor dem Härten mit einer Isolierung versehen wird, so daß die unbeheizte Zone im Härteofen nicht der Aushärtetemperatur unterliegt, wodurch die unbeheizte Zone nach dem Härten noch biegbar ist.
Der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper ermöglicht durch seine Spiral-Federwirkung eine dauerhafte radiale Anpressung des elektrischen Heizkörpers in Form der Wendelrohrpatrone auf die Spritzdüse des Spritzgießwerkzeuges für Temperaturen bis über 500° C. Diese dauerhafte Anpressung, die ohne die be- kannten aufwendigen konstruktiven Spannmechanismen auskommt, wird unter anderem aufgrund der nur unwesentlich absinkenden Federsteifigkeit des metallischen Mantels bei hohen Temperaturen um 500° C und einer langen Zeitdauer von 10.000 bis 100.000 Stunden ermöglicht. Die bekannten Probleme hinsicht- lieh des geringen vorhandenen Bauraums zur Anbringung eines
Spannelementes werden durch das Fehlen eines aufwendigen großen Spannmechanismusses vermieden.
Im Gegensatz zu den mittels Spannelementen befestigten Heiz- elementen, die durch Schrauben gespannt werden, weist der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper eine rüttel- und schocksichere Anpressung auf, da keine Schrauben vorhanden sind, die sich aufgrund von in der Maschine bestehenden Vibrationen lösen könnten. Ein weiter Vorteil des eingesetzten Materials ist, daß dieses eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und zunderfest ist.
Die elektrischen Heizkörper in Form von Wendelrohrpatronen werden vorzugsweise aus duktilem Edelstahl oder aus Nickel gefertigt, wobei diese Werkstoffe nur geringe Warmfestigkeiten aufweisen, insbesondere wenn diese höheren Temperaturen von etwa 400° C dauerhaft ausgesetzt werden. Durch das Auf- und Abheizen über einen langen Zeitraum verliert der Rohrmantel seine Federkraft. Eine Vergrößerung des Innendurchmessers der Wendelrohrpatrone ist die Folge. Hierdurch liegt die Wendelrohrpatrone nicht mehr vollständig an der Spritzdüse an, so daß ein guter Wärmeübergang von der Wendelrohrpatrone auf die Spritzgußdüse nicht mehr gewährleistet ist. Dementsprechend sinkt auch der Wirkungsgrad der Beheizung, so daß keine gleichbleibende reproduzierbare Temperaturführung gewährleistet ist. Die thermische Kopplung der Wendelrohrpatrone mit der Spritzdüse ist gestört. Die aufgenommene Leistung der Dü- se sinkt und die Abstrahlverluste der Wendelrohrpatrone steigen. Diese Nachteile weist der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper aufgrund seinen auch bei hohen Temperaturen um 500° C bestehenden Federeigenschaften nicht auf.
Dadurch, daß keine Kupfereinbettungen in dem metallischen
Mantel vorgesehen sind, weist dieser eine geringe Masse auf, so daß sehr schnelle thermische Reaktionen für die genaue Temperaturführung gegeben sind.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch die besseren Federeigenschaften des Materials des metallischen Mantels die Rohrwandstärke des metallischen Mantels dünner gewählt werden kann, so dass das Heizelement kleiner ausfallen kann.
Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß ein fester Sitz des elektrischen Heizkörpers auf dem zu beheizenden zylindrischen Bauteil im kalten und warmen Zustand gegeben ist, auf- grund des um ungefähr 0,5% bis 5% geringeren Innendurchmessers der Wendelrohrpatrone im nicht montierten Zustand im Vergleich zu dem Außendurchmesser des zu beheizenden zylindrischen Bauteils, wobei aufgrund der Federeigenschaften eine dauerhafte radiale Anpressung gewährleistet ist.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 Einen elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Heizelementes, in Form einer Wendelrohpatrone,
Fig. 2 eine weitere Ansicht der Wendelrohrpatrone,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Aufbauschema des Heizelementes und
Fig. 4 einen Schnitt durch das Heizelement gemäß Linie A-A in Fig. 3,
Fig. 1. und Fig. 2 einen elektrischen Heizkörpers in Form ei- ner Wendelrohrpatrone 1 auf der nicht dargestellten Spritzdüse eines Spritzgießwerkzeugs oder eines ähnlichen beheizbaren zylindrischen Bauteils. Der Innendurchmesser dWI der Wendelrohrpatrone 1 im nichtmontiertem Zustand ist etwa zwischen 0,5 bis 5% kleiner als der Außendurchmesser dBA des zu behei- zenden elektrischen Bauteils. Dadurch, daß das Mantelrohr 2 der Wendelrohrpatrone 1 aus einem Werkstoff gebildet ist, der auch bei Temperaturen um etwa 500 C federt, ist aufgrund des geringeren Innendurchmesser der Wendelrohrpatrone 2 diese aufgrund der federnden Eigenschaften ohne weitere Spannmittel fest auf dem zu beheizenden zylindrischen Bauteil gespannt.
Die Federwirkung der aus dem Mantelrohr 2 gewickelten Wendelrohrpatrone 1 reicht aus, um einen selbsttätiges Lösen der- selben auch bei Vibrationen zu verhindern. Die Wendelrohrpatrone 1 weist eine beheizte Zone 3 und eine unbeheizte Zone 4 auf, die in den Anschlußkopf 5 übergeht. Übliche Innendurchmesser der Wendelrohrpatrone 1 liegen zwischen 6 und 60 mm.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Aufbauschema des Heizelementes mit einem einseitigen Anschluss im noch nicht zur Wendelrohrpatrone 1 gewickelten Zustand. Die Heizleiterspirale 6 wird mit dickeren Anschlußdrähten 7 kontaktiert. Der di- ckere Draht 7, welcher aus Nickel oder aus Heizleitermaterial besteht, bildet gleichzeitig die unbeheizte Zone 4 zwischen beheizter Zone 3 und Anschlußkopf 5. Die Heizleiterspirale 6 mit Anschlußdraht 7 wird in die Keramikformteile 8 eingezogen. Das Keramikformteil 8 mit Anschlußdraht 7 wird in das passende Mantelrohr 9 eingeschoben. Das Mantelrohr 9 wird einseitig verschlossen mit einem Verschlußelement 10. Die Hohlräume werden eventuell mit MgO-Isolierpulver unter Vibration verfüllt. Anschließend erfolgt das Reduzieren des Querschnittes vom Heizelement 1 um ca. 10 - 20 %. Das Ziel ist es durch die Verpressung des MgO einen guten Wärmetransport von der Heizleiterspirale 6 an das Mantelrohr 9 zu erzeugen und gleichzeitig die Hochspannungsfestigkeit zu erhöhen. Hierdurch entsteht eine Kaltverfestigung des Mantelrohres 9. Das Mantelrohr 9 streckt sich dabei um ca. 10 % in Längsrichtung. Es können hier nur Materialien mit einer hohen Bruchdehnung verwendet werden. Es folgt das Abstechen des Mantelrohres 9, wobei die Anschlußdrähte 7, die durch die unbeheizte Zone 4 geführt werden, für den Anschluß der Litze freigelegt werden müssen. Dieses erfolgt beispielsweise durch Abstechdrehen auf einer Drehbank. Anschließend erfolgt das Lösungsglühen unter Schutzgasatmosphäre, damit man das Mantelrohr 9 wieder ver- formen und wickeln kann. Die Wendelrohrpatrone 1 wird üblicherweise in der beheizten Zone 3 auf einen kleineren Innendurchmesser mit einem kleineren Dorn gewickelt als der später zu beheizende Zylinder. Nach dem Wickeln wird die Wendelrohrpatrone 1 mittels Preßdorn auf das exakte Endmaß gebracht. Hierbei wird gleichzeitig eine Nachverdichtung der MgO-Masse durchgeführt. Die Aushärtung, um die dauerhafte Federwirkung zu erzielen, erfolgt bei ca. 720° C über 8 Stunden. Anschließend wird der elektrische Heizkörper auf 620° C innerhalb 2 Stunden abgekühlt und über 8 Stunden auf 620° C gehalten. Ab- schließend erfolgt das Anbringen des elektrischen Anschlusses.
Fig. 4 einen Schnitt durch das Heizelement gemäß Linie A-A in Fig. 3. In dem aus dem erfindungsgemäßen Material hergestell- ten Mantelrohr 9 ist eine MgO-Keramik 8 angeordnet, welches zwei Bohrungen 10 zur Aufnahme der Heizleiterspirale 6 und zwei kleinere Bohrungen 11 zur Aufnahme eines Thermo- drahts/Thermoelementes 12. Ein eventuell zwischen dem Mantelrohr 9 und der MgO-Keramik 8 bestehender Zwischenraum 13 so- wie die Hohlräume in der MgO-Keramik sind mit MgO-Pulver 14 gefüllt.
Ein besonders geeigneter Werkstoff für das metallische Mantelrohr des gehärteten Heizelements zeichnet sich dadurch aus, daß die Zugfestigkeit Rm bei 20°C > 900 N/mm2 ist. Die Dehngrenze Rp0/2 sollte bei 20° C > 850 N/mm2 sein. Die Bruchdehnung des Heizelementes sollte < 20% sein. Die Zugfestigkeit Rm bei 500° C sollte > 650 N/mm2 sein. Die Zugfestigkeit Rm bei 500° C nach 10.000 Stunden sollte noch > 400 N/mm2 sein. Die Wärmeausdehnung bei 400° C sollte < 17 x 10~6 K_1 sein. Ferner sollte der Werkstoff zunderbeständig und korrosionsbeständig sein. Das Material des metallischen Mantelrohrs sollte eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C von > 650 N/mm2und eine Dehngrenze Rp02 bei 500°C aufweisen, die annä- hernd gleich groß sind. Vorzugsweise sollte das Material des metallischen Mantelrohrs eine Zugfestigkeit Rm aufweisen, die maximal 30% größer ist als die Dehngrenze Rp0,2' bei 500° C.
Ein besonders geeigneter Werkstoff ist beispielsweise durch eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung gegeben. Eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung umfassent Anteile an Ni in einem Bereich von etwa 50,0% bis 55,0%, an Cr in einem Bereich von etwa 17,0% bis 21,0% und der Rest wird durch Fe gebildet, bezogen auf die gesamte Legierung. Die Nickel-Chrom-Eisenlegierung kann zusätzlich umfassen Anteile an C in einem Bereich von etwa 0,02% bis 0,08%, Mn in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35%, Si in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35%, Cu in einem Bereich von etwa 0% bis 0,20%, Mo in einem Bereich von etwa 2,80% bis 3,30%, Co in einem Bereich von etwa 0% bis 1,0%, Nb in einem Bereich von etwa 4,80% bis 5,50%, AI in einem Bereich von etwa 0,30% bis 0,70%, Ti in einem Bereich von etwa 0,70% bis 1,15%, B in einem Bereich von etwa 0,002% bis 0,006%, P in einem Bereich von etwa 0% bis 0,0015%, S in einem Bereich von etwa 0% bis 0,010% bezogen auf die gesamte Legierung.
Ein besonders geeigneter Werkstoff ist beispielsweise INCO- NELL alloy 718 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4668). Außerdem sind geeignet INCONELL alloy X-750 (deutsche Werkstoff- normnu mer: 2.4669), , INCONELL alloy 751 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.2494), INCONELL alloy A-286 (deutsche Werkstoffnormnummer: 1.4980), INCONELL alloy 80A (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4631 und 2.4952), INCONELL alloy 90 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4632 und 2.4969), INCONELL alloy 101, INCONELL alloy 105 (deutsche Werkstoffnormnummer : 2.4634), INCONELL alloy 115 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4636), INCONELL alloy 263 (deutsche Werkstoffnormnummer:
2.4650), INCONELL alloy PE 16, und INCONELL alloy D 979. Ferner sind geeignet hochwarmfeste Nickel-Basis Legierungen wie INCONELL alloy 601H (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4851) und INCONELL alloy 800H (deutsche Werkstoffnormnummer: 1.4876).

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile von Außen beheizt, vor- zugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder Druckgußwerkzeugen oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bestehend aus einem metallischen Mantel in dem eine MgO-Keramik angeordnet ist, in die eine Heizleiterspirale eingebettet ist, wobei das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C von > 650 N/mm2 und eine Dehngrenze Rp02 bei 500° C aufweist, die annähernd gleich groß ist, zur Erzielung einer dauerhafter radialen Anpressung der Wendelrohrpatrone auf dem zu beheizenden Bauteil aufgrund deren Federeigenschaften.
2. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500°C aufweist, die maximal 30% größer ist als die Dehngrenze Rp0(2. bei 500° C.
3. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Mantel eine Zugfestigkeit Rm bei 20° C von > 900 N/mm2 aufweist.
4. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels eine Dehngrenze Rp02 bei 20° C von > 850 N/mm 2 aufweist.
5. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels eine Bruchdehnung von < 20% nach dem Härten aufweist und eine Bruchdehnung von > 30% vor dem Härten aufweist.
6. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels eine Zugfestigkeit Rm bei 500° C nach 10.000 Stunden von > 400 N/mm2 aufweist.
7. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen
Mantels eine Wärmeausdehnung bei 400° C von < 17 x 10-6 K-1 aufweist.
8. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen
Mantels zunderbeständig bis 700° C ist.
9. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom- Eisenlegierung ist.
10. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom- Eisenlegierung ist, umfassend Anteile an Ni in einem Bereich von etwa 50,0% bis 55,0%, an Cr in einem Bereich von etwa 17,0% bis 21,0%, an C in einem Bereich von etwa 0,02% bis 0,08%, Mn in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35%, Si in einem Bereich von etwa 0% bis 0,35%, Cu in einem Bereich von etwa 0% bis 0,20%, Mo in einem Bereich von etwa 2,80% bis 3,30%, Co in einem Bereich von etwa 0% bis 1,0%, Nb in einem Bereich von etwa 4,80% bis 5,50%, AI in einem Bereich von etwa 0,30% bis 0,70%, Ti in einem Bereich von etwa 0,70% bis 1,15%, B in einem Bereich von etwa 0,002% bis 0,006%, P in einem Bereich von etwa 0% bis 0,0015%, S in einem Bereich von etwa 0% bis 0,010% und der Rest durch Fe gebildet ist, bezogen auf die gesamte Legierung.
11. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement zu einer Wendelrohrpatrone gewickelt ist, wobei der Innen- durchmesser der Wendelrohrpatrone in etwa zwischen 0,5% bis 5% kleiner ist als der Außendurchmesser des zu beheizenden zylindrischen Bauteils.
12. Elektrischer Heizkörper, nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die MgO-Keramik wenigstens eine Bohrung für eine Heizleiterspirale aufweist, wobei in dem Zwischenraum zwischen dem metallischen Mantel und der MgO-Keramik sowie in Hohlräume in der MgO-Keramik MgO-Pulver eingebracht ist.
13. Elektrischer Heizkörper, nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die MgO-Keramik wenigstens eine Bohrung für ein Thermoelement aufweist.
14. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiterspirale mit Anschlußdraht kontaktiert und in die MgO-Keramik eingezogen wird, das die MgO-Keramik mit Draht in das Mantelrohr eingeschoben wird, die Hohlräume mit MgO-Isolierpulver unter Vibration verfüllt werden, der Querschnitt des Heizelements um etwa 10 - 20 % reduziert wird, das Mantelrohr zum Freilegen der Anschlüsse abgestochen wird, anschließend Lösungsglühen unter Schutzgasatmosphäre erfolgt, die beheizte Zone gewickelt wird auf einen Innendurchmesser, der geringer ist als der Außendurchmesser des zu beheizenden zylindrischen Bauteils, nach dem Wickeln wird die Wendelrohrpatrone mittels eines Preßdorns auf das exakte Endmaß kalibriert, wobei eine Nachverdichtung des MgO-Pulvers erfolgt, wobei abschließend die Aushärtung bei in etwa 720° C über 8 Stunden erfolgt, wobei der elektrische Heizkörper auf 620° C innerhalb von 2 Stunden abgekühlt und über 8 Stunden auf 620° C gehalten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschieben der MgO-Keramik in das Mantelrohr dieses einseitig verschlossen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die unbeheizte Zone der Wendelrohrpatrone nach dem Härten geglüht, vorzugsweise lösungsgeglüht, wird, wodurch die unbeheizte Zone nach dem Härten wieder biegbar wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die unbeheizte Zone der Wendelrohrpatrone vor dem Härten mit einer Isolierung versehen wird, so daß die unbeheizte Zone im Härteofen nicht der Aushärtetemperatur unterliegt, wodurch die unbeheizte Zone nach dem Härten noch biegbar ist.
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