EP1719386B1 - Elektrischer heizkörper in form eines verdichteten heizelementes mit dauerhaften federeigenschaften - Google Patents

Elektrischer heizkörper in form eines verdichteten heizelementes mit dauerhaften federeigenschaften Download PDF

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EP1719386B1
EP1719386B1 EP05707400.7A EP05707400A EP1719386B1 EP 1719386 B1 EP1719386 B1 EP 1719386B1 EP 05707400 A EP05707400 A EP 05707400A EP 1719386 B1 EP1719386 B1 EP 1719386B1
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EP
European Patent Office
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electric heating
heating unit
unit according
metallic casing
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EP05707400.7A
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EP1719386A1 (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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    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
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    • C22C—ALLOYS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • H01C3/00—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids
    • 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 heating element in the form of a compacted heating element, the cylindrical components heated from the outside, preferably in the form of a helical tube on the nozzle of injection molding or die casting or the like heatable cylindrical components consisting of a metallic shell, in which a MgO ceramic is arranged, in which the one Schuleiterspirale is embedded.
  • the heating of nozzles in the hot runner technology in plastic injection molding machines as well as in the zinc die casting industry is done by tightly fitting to the nozzles compacted electrical heating elements. These heating elements are wound, wherein the inner diameter of the wound heating element, a helical tube cartridge, is less than the outer diameter of the nozzle.
  • the inner diameter of the helical tube cartridge for example, with a nozzle diameter of 20 mm about 0.15 mm smaller than the nozzle.
  • the wound heating element can then be slid tightly onto the nozzle by a rotary motion.
  • the aim is that the heating element is firmly attached to the outer surface of the nozzle, thereby to transmit a maximum heat output and to provide a precise consistent temperature control.
  • the known heating elements are preferably made of ductile stainless steel or nickel as a pipe jacket.
  • the material must have a high elongation at break during the manufacture of the heating elements, since it is very much mechanically deformed becomes. In some cases nickel-base alloys are used.
  • the materials mentioned have low hot strengths, especially when these higher temperatures up to 500 ° C are permanently exposed.
  • a hot runner nozzle for an injection molding machine with an electric heater which heats the hot runner nozzle from the outside.
  • the radiator consists of helically around the hot runner nozzle circulating heating conductors, which are surrounded on the outside by an enveloping cylindrical metallic shell and the cavity located therebetween is filled with a Isolierkeramik. By pressing the metallic shell, a non-detachable unit is produced between the heating conductors and the hot runner nozzle to be heated.
  • High temperature metal alloys with high tensile strength and yield strength are made of FR-A-2078602 known.
  • the present invention seeks to provide an electric heater in the form of a compacted heating element, the cylindrical components heated from the outside, preferably in the form of a coiled tubing on the nozzle of injection molding or die casting or the like heated cylindrical components , which can be fixed to 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, reserves.
  • an electric heater in the form of a compacted heating element, the cylindrical components heated from the outside, preferably in the form of a helical tube on the nozzle of injection molding or die casting or the like heatable cylindrical components consisting of a metallic shell in which a MgO Ceramic, in which a Schuleiterspirale is embedded, wherein the material of the metallic shell has a tensile strength Rm at 500 ° C of> 650 N / mm 2 and a yield strength R p0,2 at 500 ° C, which is approximately equal , and the material of the metallic shell after a solution annealing and subsequent curing has an elongation at break of ⁇ 20% after curing and an elongation at break of> 30% before curing to achieve a permanent radial contact pressure of the coiled tubing on the component to be heated due to their spring properties ,
  • the material which is in the form of a tubular jacket, during the manufacture of the heating element and before curing must have the high elongation at
  • the material of the metallic shell has a tensile strength Rm at 500 ° C, which is at most 30% greater than the yield strength R p0.2 at 500 ° C.
  • the metallic shell has a tensile strength Rm at 20 ° C of> 900 N / mm 2 .
  • the material of the metallic shell has a yield strength R p0.2 at 20 ° C of> 850 N / mm 2 .
  • 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 shell has a thermal expansion at 400 ° C of ⁇ 17 x 10 -6 K -1 .
  • the material of the metallic shell is resistant to scale.
  • 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 of about 50.0% to 55.0%, of Cr in a range of about 17% to 21.0%, C in a range of about 0.02% to 0.08%, Mn in a range of about 0% to 0.35%, Si in a range of about 0% to 0.35%, Cu in a range of about 0% to 0.20%, Mo in a range of about 2.80% to 3.30%, Co in a range of about 0% to 1.0%, Nb in a range of about 4.80% to 5.50%, Al in a range of about 0.30% to 0.70%, Ti in a range of about 0.70% to 1.15%, B in one Range of about 0.002% to 0.006%, P in a range of about 0% to 0.0015%, S in a range of about 0% to 0.010% and the remainder being Fe, based on the total alloy
  • the electric heating element is wound into a helical tube cartridge, wherein the inner diameter of the helical tube cartridge 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 hole for a Schuleiterspirale, wherein in the space between the metallic shell and the MgO ceramic and in cavities in the MgO ceramic MgO powder is introduced.
  • the MgO ceramic has at least one bore for a thermocouple.
  • a further advantageous embodiment of the invention is a method for producing an electric heater wherein a Schuleiterspirale contacted with lead wire and is drawn into the MgO ceramic, and the MgO ceramic is inserted with the Schuleiterspirale in the jacket tube.
  • the cavities are filled with MgO insulating powder under vibration, the cross section of the heating element is reduced by about 10 - 20%, the jacket tube is tapped to expose the connections, then solution annealing is carried out under a protective gas atmosphere, the heated zone is wound on an inner diameter which is smaller than the outer diameter of the cylindrical member to be heated, after winding the helical tube cartridge is calibrated by means of a pressing mandrel to the exact final dimension, wherein a Nachverdichtung the MgO powder takes place, wherein finally the curing at about 720 ° C on 8 hours, wherein the electric heater is cooled to 620 ° C within 2 hours and maintained at 620 ° C for 8 hours.
  • This is a heating element with two-sided connection
  • heating elements with two-sided connection there are also heating elements with one-sided connection.
  • the jacket tube is then closed after insertion of the MgO ceramic in this one-sided with a bottom plate.
  • the ensuing Procedure is identical to the production of a heating element with two-sided connection.
  • the cured unheated zone is annealed again, preferably solution annealing by means of a gas burner, and thus made bendable again.
  • the unheated zone of the coiled tubing is provided before curing with insulation, so that the unheated zone in the curing oven is not subject to the curing temperature, whereby the unheated zone after curing is still bendable.
  • the electric radiator according to the invention allows by its spiral-spring action a permanent radial contact pressure of the electric heater in the form of the spiral tube cartridge on the spray nozzle of the injection mold for temperatures up to 500 ° C.
  • This permanent contact pressure which does not require the well-known complex design clamping mechanisms, is made possible, inter alia, by the insignificantly decreasing spring stiffness of the metallic shell at high temperatures around 500 ° C. and a long time duration of 10,000 to 100,000 hours.
  • the known problems with regard to the small space available for mounting a clamping element are avoided by the lack of a complex large Spannmechanismusses.
  • the electric heating element according to the invention has a vibration-proof and shock-resistant contact pressure, since there are no screws which could be released due to vibrations existing in the machine.
  • a further advantage of the material used is that it has a high corrosion resistance and is scale-resistant.
  • the electric heaters in the form of Wendelrohrpatronen are preferably made of ductile stainless steel or nickel, these materials have low thermal strengths, especially when these higher temperatures of about 400 ° C are permanently exposed.
  • the tube jacket loses its spring force.
  • An increase in the inner diameter of the helical tube cartridge is the result.
  • the helical tube cartridge is no longer completely against the spray nozzle, so that a good heat transfer from the helical tube cartridge to the injection nozzle is no longer guaranteed. Accordingly, the efficiency of the heating decreases, so that no consistent reproducible temperature control is ensured.
  • the thermal coupling of the spiral tube cartridge with the spray nozzle is disturbed.
  • the absorbed power of the nozzle decreases and the radiation losses of the spiral tube cartridge rise.
  • a further advantage is that the pipe wall thickness of the metallic shell can be made thinner by the better spring properties of the material of the metallic shell, so that the heating element can turn out smaller.
  • Another advantage is given by the fact that a tight fit of the electric heater is given on the heated cylindrical member in the cold and warm state, due of about 0.5% to 5% smaller inner diameter of the helical tube cartridge in the unassembled state compared to the outer diameter of the cylindrical component to be heated, wherein due to the spring properties, a permanent radial contact pressure is ensured.
  • Fig. 1. and Fig. 2 an electric heater in the form of a helical tube cartridge 1 on the spray nozzle, not shown, of an injection molding tool or a similar heatable cylindrical member.
  • the inner diameter d WI of the helical tube cartridge 1 in the non-assembled state is approximately between 0.5 to 5% smaller than the outer diameter d BA of the electrical component to be heated. Due to the fact that the jacket tube 2 of the helical tube cartridge 1 is formed of a material which springs at temperatures of about 500 C, due to the smaller inner diameter of the helical tube cartridge 2, these are tight due to the resilient properties without further clamping means firmly on the cylindrical component to be heated. The spring effect of the wound from the jacket tube 2 coil tube 1 is sufficient to an automatic release of the same to prevent vibrations.
  • the helical 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 helical tube cartridge 1 are between 6 and 60 mm.
  • Fig. 3 shows a section through the construction diagram of the heating element with a one-sided connection in not yet wound coil filament cartridge 1 state.
  • the heating conductor spiral 6 is contacted with thicker connecting wires 7.
  • the heating conductor spiral 6 with lead wire 7 is drawn into the ceramic moldings 8.
  • the ceramic molding 8 with connecting wire 7 is inserted into the appropriate jacket tube 9.
  • the jacket tube 9 is closed on one side with a closure element 10.
  • the cavities are possibly filled with MgO insulating powder under vibration. Subsequently, reducing the cross-section of the heating element 1 by about 10 - 20%.
  • the goal is to produce a good heat transfer from the Schuleiterspirale 6 to the jacket tube 9 by the compression of the MgO and at the same time to increase the high-voltage strength. This results in a work hardening of the jacket tube 9.
  • the jacket tube 9 extends thereby by about 10% in the longitudinal direction. Only materials with a high elongation at break can be used here. It follows the tapping off of the jacket tube 9, wherein the connecting wires 7, which are passed through the unheated zone 4, must be exposed for the connection of the strand. This is done for example by parting off on a lathe. Subsequently, the solution annealing is carried out under a protective gas atmosphere, so that you can deform the jacket tube 9 again and wrap.
  • 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 helical tube cartridge 1 is brought by pressing mandrel to the exact final dimensions. At the same time, a re-compaction of the MgO mass takes place carried out. The curing to achieve the permanent spring effect, takes place at about 720 ° C for 8 hours. Subsequently, the electric heater is cooled to 620 ° C within 2 hours and maintained at 620 ° C for 8 hours. Finally, the attachment of the electrical connection.
  • Fig. 4 shows a section through the heating element along line AA in Fig. 3
  • a MgO ceramic 8 is arranged, which has two holes 10 for receiving the Schuleiterspirale 6 and two smaller holes 11 for receiving a thermo wire / thermocouple 12.
  • An existing between the jacket tube 9 and the MgO ceramic 8 gap 13 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> 900 N / mm 2 .
  • the yield strength R p0.2 should be> 850 N / mm 2 at 20 ° C.
  • the breaking elongation 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 be scale resistant and corrosion resistant.
  • the material of the metallic cladding tube should have a tensile strength Rm at 500 ° C of> 650 N / mm 2 and a yield strength R p0.2 at 500 ° C, which are approximately equal.
  • the material of the metallic jacket tube should 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 given for example by a precipitation-hardenable nickel-chromium-iron alloy.
  • a precipitation-hardenable nickel-chromium-iron alloy comprises proportions of Ni in a range of about 50.0% to 55.0%, Cr in a range of about 17.0% to 21.0% and the remainder being Fe, based on the total alloy.
  • the nickel-chromium-iron alloy may additionally comprise amounts of C in a range of about 0.02% to 0.08%, Mn in a range of about 0% to 0.35%, Si in a range of about 0% to 0.35%, Cu in a range of about 0% to 0.20%, Mo in a range of about 2.80% to 3.30%, Co in a range of about 0% to 1.0%, Nb in a range of about 4.80% to 5.50%, Al in a range of about 0.30% to 0.70%, Ti in a range of about 0.70% to 1.15%, B in one Range from about 0.002% to 0.006%; P ranges from about 0% to 0.0015%; S ranges from about 0% to 0.010% of 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: 2.4650), INCONELL alloy PE 16 and INCONELL alloy D 979. Also suitable are high-temperature nickel-base 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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Description

  • 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 anliegende verdichtete elektrische Heizelemente. 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 Oberfläche 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 Notwendigkeit, ein Heizelement zu schaffen, das einen geringeren Platzbedarf benötigt und ohne zusätzliche Spannelemente dauerhaft fest auf der Düse angebracht werden kann.
  • Aus der DE 30 01 017 A1 ist eine Heißkanaldüse für eine Spritzgußmaschine mit einem elektrischen Heizkörper bekannt, der die Heißkanaldüse von außen beheizt. Der Heizkörper besteht aus wendelförmig um die Heißkanaldüse umlaufenden Heizleitern, die außenseitig von einem einhüllenden zylindrischen metallischen Mantel umgeben sind und der dazwischen befindliche Hohlraum ist mit einer Isolierkeramik verfüllt. Durch Verpressen des metallischen Mantels wird eine unlösbare Einheit zwischen den Heizleitern und der zu beheizenden Heißkanaldüse hergestellt.
  • Hochtemperaturfeste Metalllegierungen mit hoher Zugfestigkeit und Dehngrenze sind aus der FR-A-2078602 bekannt.
  • 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 Rp0,2 bei 500°C aufweist, die annähernd gleich groß ist, und das Material des metallischen Mantels nach einem Lösungsglühen und anschließenden Aushärten eine Bruchdehnung von < 20% nach dem Härten aufweist und eine Bruchdehnung von > 30% vor dem Härten aufweist zur Erzielung einer dauerhafter radialen Anpressung der Wendelrohrpatrone auf dem zu beheizenden Bauteil aufgrund deren Federeigenschaften. Das Material, das in Form eines Rohrmantels vorliegt, muß während der Fertigung 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 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 Rp0,2 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 Rp0,2 bei 20°C von > 850 N/mm2 aufweist.
  • 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%, Al 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 Wendelrohrpatrone 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, und die MgO-Keramik mit der Heizleiterspirale in das Mantelrohr eingeschoben wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß 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 die Wendelrohrpatrone mittels eines Preßdorns auf das exakte Endmaß kalibriert wird, 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 anschließende Verfahrensablauf ist identisch zu der Herstellung eines Heizelementes mit zweiseitigen Anschluß.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die ausgehärtete unbeheizte Zone wieder geglüht 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 bekannten 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 hinsichtlich des geringen vorhandenen Bauraums zur Anbringung eines Spannelementes werden durch das Fehlen eines aufwendigen großen Spannmechanismusses vermieden.
  • Im Gegensatz zu den mittels Spannelementen befestigten Heizelementen, 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 Düse sinkt und die Abstrahlverluste der Wendelrohrpatrone steigen. Diese Nachteile weist der erfindungsgemäße elektrische Heizkörper aufgrund seiner 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, aufgrund 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 einer 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 beheizenden 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 derselben 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 dickere 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 verformen 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. Abschließend erfolgt das Anbringen des elektrischen Anschlusses.
  • Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Heizelement gemäß Linie A-A in Fig. 3. In dem aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellten 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 Thermodrahts/Thermoelementes 12 aufweist. Ein eventuell zwischen dem Mantelrohr 9 und der MgO-Keramik 8 bestehender Zwischenraum 13 sowie 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/mm2 und eine Dehngrenze Rp0,2 bei 500°C aufweisen, die annähernd 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%, Al 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 INCONELL alloy 718 (deutsche Werkstoffnormnummer: 2.4668). Außerdem sind geeignet INCONELL alloy X-750 (deutsche Werkstoffnormnummer: 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 (16)

  1. Elektrischer Heizkörper in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile von Außen beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone (1) auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder Druckgußwerkzeugen oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bestehend aus einem metallischen Mantel (2, 9), in dem eine MgO-Keramik angeordnet ist, in die eine Heizleiterspirale (6) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels (2, 9) eine Zugfestigkeit Rm bei 500°C von > 650 N/mm2 und eine Dehngrenze Rp0,2 bei 500°C aufweist, die annähernd gleich groß ist, und das Material des metallischen Mantels (2, 9) nach einem Lösungsglühen eine Bruchdehnung von > 30% und nach anschließendem Aushärten eine Bruchdehnung von < 20% aufweist, zur Erzielung einer dauerhaften radialen Anpressung der Wendelrohrpatrone (1) auf dem zu beheizenden Bauteil aufgrund deren Federeigenschaften.
  2. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels (2, 9) 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 (2, 9) eine Dehngrenze Rp0,2 bei 20°C von > 850 N/mm2 aufweist.
  5. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels (2, 9) eine Zugfestigkeit Rm bei 500°C nach 10.000 Stunden von > 400 N/mm2 aufweist.
  6. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels (2, 9) eine Wärmeausdehnung bei 400°C von < 17 x 10-6 K-1 aufweist.
  7. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels (2, 9) zunderbeständig bis 700°C ist.
  8. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels (2, 9) eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Eisenlegierung ist.
  9. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des metallischen Mantels (2, 9) 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%, Al 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.
  10. Elektrischer Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement zu einer Wendelrohrpatrone (1) gewickelt ist, wobei der Innendurchmesser der Wendelrohrpatrone (1) in etwa zwischen 0,5% bis 5% kleiner ist als der Außendurchmesser des zu beheizenden zylindrischen Bauteils.
  11. Elektrischer Heizkörper, nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die MgO-Keramik wenigstens eine Bohrung (10) für eine Heizleiterspirale aufweist, wobei in dem Zwischenraum (13) zwischen dem metallischen Mantel (2, 9) und der MgO-Keramik sowie in Hohlräume in der MgO-Keramik MgO-Pulver eingebracht ist.
  12. Elektrischer Heizkörper, nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die MgO-Keramik wenigstens eine Bohrung (11) für ein Thermoelement (12) aufweist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizkörpers in Form eines verdichteten Heizelementes, der zylindrische Bauteile von Außen beheizt, vorzugsweise in Form einer Wendelrohrpatrone (1) auf der Spritzdüse von Spritzgieß- oder Druckgußwerkzeugen oder dergleichen beheizbaren zylindrischen Bauteilen, bei dem eine Heizleiterspirale (6) mit Anschlußdraht (7) kontaktiert und in eine MgO-Keramik eingezogen wird und die MgO-Keramik mit der Heizleiterspirale (6) in ein Mantelrohr (2, 9) eingeschoben wird, die Hohlräume (13) im Mantelrohr (2, 9) mit MgO-Isolierpulver unter Vibration verfüllt werden, der Querschnitt des Heizelements um etwa 10 - 20 % reduziert wird, das Mantelrohr (2, 9) zum Freilegen der Anschlüsse abgestochen wird, anschließend Lösungsglühen unter Schutzgasatmosphäre erfolgt, die beheizte Zone (3) gewickelt wird auf einen Innendurchmesser, der geringer ist als der Außendurchmesser des zu beheizenden zylindrischen Bauteils, und nach dem Wickeln die Wendelrohrpatrone (1) mittels eines Preßdorns auf das exakte Endmaß kalibriert wird, wobei eine Nachverdichtung des MgO-Pulvers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß abschließend eine 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.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschieben der MgO-Keramik in das Mantelrohr (2, 9) dieses einseitig verschlossen wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die unbeheizte Zone (4) der Wendelrohrpatrone (1) nach dem Härten geglüht, vorzugsweise lösungsgeglüht, wird, wodurch die unbeheizte Zone (4) nach dem Härten wieder biegbar wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die unbeheizte Zone (4) der Wendelrohrpatrone (1) vor dem Härten mit einer Isolierung versehen wird, so daß die unbeheizte Zone (4) im Härteofen nicht der Aushärtetemperatur unterliegt, wodurch die unbeheizte Zone (4) nach dem Härten noch biegbar ist.
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