EP3876669B1 - Verfahren zur herstellung einer elektrischen heizvorrichtung und elektrische heizvorrichtung - Google Patents

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EP3876669B1
EP3876669B1 EP20200069.1A EP20200069A EP3876669B1 EP 3876669 B1 EP3876669 B1 EP 3876669B1 EP 20200069 A EP20200069 A EP 20200069A EP 3876669 B1 EP3876669 B1 EP 3876669B1
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EP
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electric heating
tubular metal
metal casing
heating element
section
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Andreas Schlipf
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Tuerk and Hillinger GmbH
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Tuerk and Hillinger GmbH
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    • H05B3/78—Heating arrangements specially adapted for immersion heating

Definitions

  • Electric tubular heaters are a variant of electric heating devices that has been known for many years. They are characterized by the fact that the electric heating element is arranged within a tubular metal casing, whereby it is electrically insulated in the radial direction to the tubular metal casing by embedding it in an electrically insulating but highly heat-conducting material, in many cases e.g. magnesium oxide, boron nitride or Al2O3, each in the form of a powder or granulate or also a porous molded body, in particular made of one of these materials, in order to avoid an undesirable short circuit. Furthermore, the electric heating device is compressed in many cases.
  • an electrically insulating but highly heat-conducting material in many cases e.g. magnesium oxide, boron nitride or Al2O3, each in the form of a powder or granulate or also a porous molded body, in particular made of one of these materials, in order to avoid an undesirable short circuit.
  • the electric heating device is compressed in many cases
  • the electric tubular heater In many applications of electric tubular heaters, it is desirable for the electric tubular heater to have an unheated area on at least one of its ends.
  • the heat generated in the area of the connecting bolt is reduced by choosing a material with a lower specific resistance than that of the material from which the heating element is made; for example, by using of copper or nickel as material for the connecting bolt.
  • the method according to the invention serves to produce an electrical heating device with an electrical heating element which is embedded in an electrically insulating material inside a multi-part tubular metal casing, ie is arranged in an electrically insulated manner (eg by embedding in an electrically insulating powder or granulate or by electrically insulating molded parts), wherein the electrical heating device has an unheated area within the multi-part tubular metal casing at at least one end in which, during operation of the electrical heating device, the electrical current flows at least through at least one connecting wire and/or at least one connecting sleeve and/or at least one connecting bolt which is in electrical contact with the electrical heating element.
  • the unheated region can preferably have an unheated transition region in which, when the electric heating device is in operation, the electric current flows simultaneously through the at least one connecting wire and/or the at least one connecting sleeve and/or the at least one connecting bolt and through a section of the electric heating element running in the unheated transition region, which section of the electric heating element is in electrical contact with the connecting wire or connecting bolt.
  • a section of the electric heating element and at least one section of a connecting wire or a connecting sleeve or a connecting bolt are present in the unheated transition region, whereby technically speaking, these sections are not connected in series but in parallel.
  • the electric heating device to be produced by the method has a heated region within the multi-part tubular metal casing, in which, during operation of the electric heating device, the electric current flows only through a section of the electric heating element running in the heated region.
  • tubular metal casing is made up of several parts means in particular that it is composed of several parts - preferably several pipe sections - which can, however, be firmly connected to one another, for example pressed or welded.
  • unheated area is to be interpreted in such a way that heat can nevertheless be generated in this area - which is unavoidable and therefore necessarily the case in most real embodiments - but to a significantly lesser extent than in the heated area in which the electrical heating device is intended to generate heat in order to fulfil its intended function.
  • the heated region is produced and compacted in a first part of the multi-part tubular metal casing
  • a second method step which is carried out independently of the first method step and is generally completed after this step, at least one section of the unheated region is produced in a second part of the multi-part tubular metal casing and the first part and the second part of the multi-part tubular metal casing are connected to one another.
  • the fact that the second method step is generally carried out at least partially after the first method step is due in particular to the fact that in order to connect the first part and the second part, the first part naturally already has to be present.
  • the latter step may also be carried out before, during or at the same time as the compaction of the second part of the tubular metal casing, if such compaction is provided for. It does not therefore necessarily take place at the very end of the second process step or after the second process step.
  • the compaction processes for the individual parts of the electric heating device can be carried out in an optimized manner.
  • the compaction of the heated area can be carried out using a piercing process.
  • this measure makes it much easier to fill the electrically insulating material because there is no longer any hindrance caused by the unheated area.
  • the finished heated region present after the first process step can in particular correspond to an electric heating device with a tubular metal casing, in which connections of the electric heating device protruding from the front side of the tubular metal casing are formed by a section of the electric heating element, preferably with a connecting wire and/or a connecting sleeve arranged thereon, and thus form the unheated transition section in the completely finished electric heating device according to the invention.
  • the section of the electric heating element running in the heated region i.e. the section that later forms the heated region
  • the electrically insulating material e.g. as a powder or granulate or as a molded part, is introduced into this region of the first part of the multi-part tubular metal casing, so that the section of the electric heating element arranged in the first part of the multi-part tubular metal casing is insulated, i.e. embedded, by the electrically insulating material and the first part of the multi-part tubular metal casing, in particular the heated region, is compacted.
  • At least a section of the unheated region is created by introducing a part of the electrical heating element with a connecting wire arranged thereon and/or a connecting sleeve arranged thereon and/or a connecting bolt arranged thereon into a second part of the multi-part tubular metal casing, wherein further electrically insulating material is introduced into the second part of the tubular metal casing, so that the heating element formed in the second
  • the section of the electrical heating element arranged in the tubular metal casing is electrically insulated, in particular embedded, by the electrically insulating material.
  • the second part of the multi-part tubular metal casing is then also compacted.
  • a connecting wire is brought into an electrically conductive connection with an end section of the electrical heating element, in particular by inserting it into a coiled end section of the electrical heating element and/or a connecting sleeve is brought into an electrically conductive connection with an end section of the electrical heating element, in particular by pushing it onto a coiled end section of the electrical heating element.
  • a (typically small) part of the transition region is also present within the first part of the multi-part tubular metal jacket, which has proven to be advantageous for process reliability, especially with regard to the electrical contacting of the electrical heating element.
  • the electric heating element is coiled in such a way that an end section of the electric heating element has a smaller coil diameter than a section of the electric Heating element which, in the finished electrical heating device, is located in the heated area and, in particular, is preferably not an end section.
  • This measure can, in particular, help to facilitate the filling of the first part of the multi-part tubular metal casing with the electrically insulating material.
  • This winding of the electric heating element is preferably carried out before it is inserted into the first part of the multi-part tubular metal casing.
  • the filling of the first part of the multi-part tubular metal jacket with the electrically insulating material can be facilitated particularly effectively if the electrical heating element is coiled in such a way that the end section of the electrical heating element has a smaller coil diameter than the section of the electrical heating element which lies in the heated area in the finished electrical heating device, has a coil axis which is offset relative to the coil axis of the section of the electrical heating element which lies in the heated area in the finished electrical heating device.
  • a connection-side section of the first part of the multi-part tubular metal casing and the layer of electrically insulating material adjoining this radially inward are cut off.
  • a section of the transition region that is ultimately arranged in the second part of the multi-part tubular metal jacket can be pre-compacted with the compaction parameters that are applied to the first part of the multi-part tubular metal jacket and then post-compacted with the compaction parameters that are applied to the second part of the multi-part tubular metal jacket, which can have positive effects in particular on the quality of the electrical contact between the connecting wire, connecting sleeve, connecting bolt and end section of the electrical heating element.
  • the cutting off can also help to create a more homogeneous interface or a more homogeneous transition between the electrically insulating material in the first part of the multi-part tubular metal jacket and the electrically insulating material in the second part of the multi-part tubular metal jacket.
  • a cleaning step is carried out in which insulating material residues are removed, for example by brushing, polishing and/or ultrasonic treatment, in order to improve the quality of the electrical contact.
  • a further development of the method provides that the second part of the multi-part tubular metal casing with a clear cross-section that corresponds to the outer contour of the end section of the first part of the multi-part metal casing, at least after compaction in the first process step, is pushed onto this end section of the first part of the multi-part tubular metal casing and is secured there. In this way, any gap between the first and second parts of the multi-part tubular metal casing is particularly effectively avoided.
  • a larger clear cross-section makes it easier to fill with electrically insulating material, particularly in the area with this cross-section.
  • the second part of the multi-part tubular metal casing is connected to the first part of the multi-part tubular metal casing by pressing during compaction in the second process step.
  • a second compaction is provided which is carried out in such a way that the resulting axial pressing pressure creates an almost homogeneous transition region between the electrically insulating material in regions that were subjected to the first compaction and in regions that were subjected to the second compaction.
  • the cross-section of the second part of the multi-part tubular metal shell can be adapted to the cross-section of the first part of the multi-part tubular metal shell during compaction in the second process step.
  • An unheated connection area can be designed particularly effectively if, in the second process step, before the introduction of the electrically insulating material, a part of the electrical heating element with the connecting wire and/or the connecting sleeve arranged thereon is inserted from one side into the second part of the multi-part tubular metal casing and a connecting bolt with an opening for receiving this part of the electrical heating element with the connecting wire arranged thereon is inserted from the opposite side into the second part of the multi-part tubular metal casing and is pushed with the opening onto this part of the electrical heating element.
  • the process can now be used if at least one process step is carried out in which the intermediate product on which this process step is carried out is subjected to thermal stress and if at least the process step in which the highest thermal stress occurs is carried out before the start of the second process step.
  • the electrically insulating material that is introduced into the second part of the multi-part tubular metal casing can also be introduced as a molded part. It can also be useful to impregnate the electrically insulating material there in particular.
  • an inner conductor of this feedthrough but also another inner conductor of a differently designed second part can be machined on the side facing the first part of the tubular metal casing, provided with an annular groove or drilled in order to provide the electrical contact to the inner conductor of the first part of the tubular metal casing, i.e. the electrical heating element, directly or via its connecting wires, which can then be inserted into the hole and press-contacted - for example by means of a hexagonal press.
  • threads can also be introduced into such a hole and a connecting wire or connecting bolt of the first part of the tubular metal casing.
  • a section facing this connection can be cut off on the side of the second part of the tubular metal jacket facing away from the first part of the tubular metal jacket, together with the layer of electrically insulating material adjoining this section of the second part of the tubular metal jacket radially inwardly.
  • a cleaning step is also carried out here afterwards, in which insulating material residues, for example, by brushing, polishing and/or ultrasonic treatment to improve the quality of the electrical contact.
  • an inner conductor of the second part of the tubular metal sheath which is surrounded by the tubular metal sheath, can be drilled on the side facing the first part of the tubular metal sheath in order to insert an electrical contact for connecting the supply line into the hole and to be press-contacted - for example by means of a hexagonal press.
  • connection between the first part of the tubular metal sheath and the second part of the tubular metal sheath can be made by welding or soldering.
  • Another variant for producing this connection provides that the end sections of the first part of the tubular metal casing and the second part of the tubular metal casing are each machined so that they overlap each other with a precise fit and are then welded or soldered together. If the end section of the first or second part of the tubular metal casing, which is weakened from the outside, is longer than the end section of the second or first part of the tubular metal jacket which overlaps it, it can also be achieved that a weld or solder seam which projects beyond the outer diameter of the tubular metal jacket is avoided.
  • the electric heating device according to the invention can be produced in particular by a method according to one of claims 1 to 8, but does not necessarily have to be produced by such a method.
  • the compaction processes for the individual parts of the electric heating device can be carried out in an optimized manner. At the same time, this measure makes filling each part with the electrically insulating material much easier.
  • a part of the unheated region is formed by an unheated transition region in which, during operation of the electrical heating device, the electrical current flows simultaneously both through the at least one connecting wire and/or connecting bolt and through a section of the electrical heating element running in the unheated transition region, which section is in electrical contact with the connecting wire and/or connecting bolt.
  • a connecting wire is in an electrically conductive connection with an end section of the electrical heating element, which can in particular be introduced into a coiled end section of the electrical heating element.
  • a metal sleeve can serve as a connection sleeve in an electrically conductive connection with an end section of the electrical heating element and can be applied to a coiled end section of the electrical heating element (12, 12', 12") in particular by pushing, soldering or welding the connection sleeve.
  • a (typically small) part of the transition area may also be present within the first part of the multi-part tubular metal jacket, which has proven to be advantageous for process reliability, particularly with regard to the electrical contacting of the electrical heating element.
  • the transition area must necessarily extend into the second part of the multi-part tubular metal jacket.
  • Filling with the electrically insulating material can be simplified by coiling the electrical heating element in such a way that an end section of the electrical heating element has a smaller coil diameter than a section of the electrical heating element which lies in the heated area in the finished electrical heating device.
  • the tightness of the multi-part tubular metal casing is enhanced if the second part of the multi-part tubular metal casing with a clear cross-section which can accommodate the outer contour of the end section of the first part of the multi-part metal casing facing it, at least after compaction in the first process step, is placed on this end section of the first part of the multi-part tubular metal casing and is fixed there.
  • the cross-section of the second part of the multi-part tubular metal casing can be adapted to the cross-section of the first part of the multi-part tubular metal casing by compaction in the second process step.
  • a particularly effective design of the unheated area provides that a part of the electric heating element with the connecting wire and/or the connecting sleeve arranged thereon is inserted from one side into the second part of the multi-part tubular metal casing and a connecting bolt with an opening for receiving this part of the electric heating element with the connecting wire and/or the connecting sleeve arranged thereon on the part of the electric heating element is inserted from the opposite side into the second part of the multi-part tubular metal casing and is pushed with the opening onto this part of the electric heating element.
  • the second part of the multi-part tubular metal casing is formed from rod material of a feedthrough which has an inner conductor that is electrically insulated from an outer metal tube.
  • an inner conductor of this bushing but also another inner conductor of a second part can be on the
  • the side facing the first part of the tubular metal casing can be machined, provided with an annular groove or drilled in order to provide electrical contact to the inner conductor of the first part of the tubular metal casing, i.e. the electrical heating element, directly or via its connecting wires, which are then inserted into the hole and press-contacted, for example by means of a hexagonal press.
  • threads can also be introduced into such a hole and a connecting wire or connecting bolt of the first part of the tubular metal casing.
  • a section facing this connection can be cut out on the side of the second part of the tubular metal jacket facing away from the first part of the tubular metal jacket, together with the layer of electrically insulating material adjoining this section of the second part of the tubular metal jacket radially inwardly.
  • an inner conductor of the second part of the tubular metal sheath which is surrounded by the tubular metal sheath, can be drilled on the side facing the first part of the tubular metal sheath and provided with an electrical contact inserted into the hole and pressed in for connecting the supply line.
  • connection between the first part of the tubular metal sheath and the second part of the tubular metal sheath can be made by welding or soldering.
  • Another variant for producing this connection provides that the end sections of the first part of the tubular metal casing and the second part of the tubular metal casing are each machined so that they overlap each other with a precise fit and are then welded or soldered together. If the end section of the first or second part of the tubular metal casing that is weakened from the outside is longer than the end section of the second or first part of the tubular metal casing that overlaps it, it is also possible to avoid a weld or solder seam that protrudes beyond the outer diameter of the tubular metal casing.
  • Figure 1a shows one half of an embodiment of an electric heating device 10, the second half of which is symmetrical to the first half and Figure 1b a longitudinal section of this half, which is however slightly offset from the central plane.
  • the electric heating device 10 has a multi-part tubular metal casing 11 with a first part 11.1 of the multi-part tubular metal casing 11 and a second part 11.2 of the multi-part tubular metal casing 11, which has a larger clear cross-section than the first part 11.1 of the multi-part tubular metal casing, overlaps it in sections and is connected to it, as can be seen in particular from the detailed representation of the Figure 1d clarified.
  • the heated area B which is formed by the section of an electrical heating element 12, in which only this is traversed by the electrical current during operation.
  • An electrically insulating material 16, shown here as transparent, ensures the electrical insulation from the multi-part tubular metal casing 11.
  • an unheated area U is present at the end, which includes an unheated transition area Ü1.
  • the unheated transition area Ü1 is formed by a section 12.1 of the electric heating element 12, which is coiled more tightly than the electric heating element 12 in the heated area, into which a connecting wire 13 is inserted and onto which a connecting sleeve 14 is pushed, which in turn is received in an opening 15.1 of a connecting bolt 15, the solid end section of which is in the unheated area U.
  • This structure is, for example, the synopsis of the Figures 1a and 1c easy to remove.
  • connecting wire 13 can be used, as shown in Figure 8b shown, or the connection sleeve 14, as in Figure 8a shown, can be omitted.
  • the unheated region U when the electrical heating device 10 is operating, the electrical current flows at least through at least one connecting wire 13, a connecting sleeve 14 and/or a connecting bolt 15, which is in electrical contact with the electrical heating element 12, and the unheated region U also has an unheated transition region Ü1, in which, when the electrical heating device 10 is operating, the electrical current simultaneously flows both through the at least one connecting wire 13, the at least one connecting sleeve 14 and/or the at least one connecting bolt 15 and through a section 12.1 of the electrical heating element 12 running in the unheated transition region Ü1, which section is in electrical contact with the connecting wire 13 and/or connecting bolt and has a smaller coil diameter.
  • the unheated transition region extends into the first part 11.1 of the multi-part tubular metal casing 11.
  • a transparent electrically insulating material 17 is arranged inside the second part 11.2 of the multi-part tubular metal casing 11, which ensures the insulation of the multi-part tubular metal casing 11.
  • a plug 18 closes the front of the second part 11.2 of the multi-part tubular metal casing 11.
  • the metal casing 11 with the components of the electric heating device 11 arranged therein are each compacted, but in different ways, in particular to different degrees, preferably with a weaker compaction of the second part 11.2 of the multi-part tubular metal casing 11.
  • the invention also covers embodiments in which the second part 11.2 of the multi-part tubular metal casing 11 with the components arranged therein is no longer compacted.
  • a coiled electrical heating element 12 is provided, which in this embodiment has a coiled end section 12.1 with a smaller coil diameter, into which a connecting wire 13, e.g. made of Cu or Ni, is inserted and which in the Figure 7a is shown again in cross section.
  • the electrical heating element 12 prepared in this way with connecting wire 13 and connecting sleeve 14 is now inserted into the first part 11.1 of the multi-part tubular metal casing 11.
  • Electrically insulating material 16 is sprinkled in the form of a powder or granulate and the arrangement is compacted, which leads to the intermediate stage according to Figure 4 which already represents a "finished" electric tubular heater of conventional design, in which - unlike in known tubular heaters - the connections of the electric heating device protruding from the front side of the tubular metal casing are formed by a section of the electric heating element with a connecting wire and/or a connecting sleeve arranged thereon, and thus form the unheated transition section in the completely finished electric heating device according to the invention.
  • an end part of the first part 11.1 of the multi-part tubular metal casing 11 is cut off together with the electrically insulating material 16.
  • the reason for this is in particular that during the compression process of the first part 11.1 of the multi-part tubular metal casing 11, higher pressures can be used, which leads to a desirable intimate press contact of the pressed section 12.1 of the electrical heating element 12 with the connecting wire 13 and the connecting sleeve 14. Accordingly, it may be useful to initially carry out this pressing in a longer section, provided that a sufficiently good fillability with the electrically insulating material 16 is provided. This is also the reason why the entire section 12.1 of the electrical heating element 12 is not initially simply embedded and pressed; in this case, the improvement in the fillability with the electrically insulating material 16 would be largely negated.
  • the connecting bolt 15 with its opening 15.1 is pushed onto the arrangement from section 12.1 of the electrical heating element 12 with inserted connecting wire 13 and pushed-on connecting sleeve 14.
  • the finished electric heating device 1 shown is obtained from the intermediate stage according to Figure 6 in that the second part 11.2 of the multi-part tubular metal jacket 11 is pushed on until it overlaps with and is fastened to the first part 11.1 of the multi-part metal jacket 11 and this part is then filled with electrically insulating material 17, closed with the plug 18 and preferably suitably compacted.
  • FIGS. 9a to 9f show different views of a section of a second embodiment of an electric heating device 100 with a multi-part tubular metal casing 101.
  • the section not shown is constructed essentially identically.
  • the Figures 9a and 9b the electric heating device 100 in a first intermediate stage of its manufacture before assembling the first part 111 of the tubular metal jacket 101 and the second part 121 of the tubular metal jacket 101.
  • the first part 111 of the tubular metal casing 101 is here part of an electrical heating device 110 produced in a known manner, in the interior of which an electrical heating element 112 in the form of a coiled resistance wire is arranged, which is insulated from the first part 111 of the tubular metal casing 101 by electrically insulating material 116.
  • an electrical heating element 112 in the form of a coiled resistance wire is arranged, which is insulated from the first part 111 of the tubular metal casing 101 by electrically insulating material 116.
  • a connecting wire 113 which protrudes from the front of the electrical heating element 112, is inserted into the end coils of the electrical heating element 112 and, in this example, is connected to it at the welding point 114.
  • the inserted section of the connecting wire 113 thus defines an unheated transition region Ü1, and the section of the connecting wire 113 that runs within the first part 111 of the tubular metal casing 101 forms a first part U1 of the unheated region U of the electrical heating device 100.
  • the second part 121 of the tubular metal casing 101 is part of the second part U2 of the unheated area U of the electrical heating device 100.
  • the second part U2 of the unheated area U is made in this example from a section of a feedthrough 120, the outer metal casing of which serves as the second part 121 of the tubular metal casing 101 of the electrical heating device 100, wherein an inner conductor 122 is arranged in the interior of which is electrically insulated from the outer metal casing of the feedthrough 120 by an electrically insulating material 125.
  • the inner conductor can preferably be made of nickel or copper. Note It should be noted that such a feedthrough can also include mineral-insulated cables.
  • the feedthrough 120 which in this example is made from a rod or continuous material, was cut off from this rod or continuous material to a length that corresponds to the sum of the desired length of the second part U2 of the unheated area and the desired length A of a connection of the electrical heating device 100. Furthermore, a bore 123 was made in the end face of the inner conductor 122 facing the first part 111 of the tubular metal jacket 101 to accommodate the section of the connecting wire 113 that projects beyond the end face of the first part 111 of the tubular metal jacket, and on the opposite side, to form the connection of length A, the outer metal jacket of the feedthrough 120 and the electrically insulating material 125 were cut off over this length and the surface of the inner conductor 122 was preferably cleaned, e.g. by brushing, polishing or ultrasound. The order in which these steps are carried out is not important.
  • Figure 9c shows a view of the longitudinal section Figure 9b after joining the first part 111 and the second part 121 of the tubular metal casing 101.
  • the first part 111 and the second part 121 of the tubular metal casing 101 were positioned against each other at the end and welded or soldered at the connection point 131.
  • the electric heating device 100 as shown in Figure 9c shown, a further processing step is carried out, the result of which is Figure 9d and Figure 9f becomes clear: further compaction, which is also known as local grouting or re-compaction, in the region of the second part 121 of the tubular metal casing, preferably in the region in which the bore 123 with the section of the connecting wire 113 arranged therein is located, but at a distance from the connection point 131.
  • This processing step can be carried out in concrete terms, for example, as a hexagonal compaction, in particular by hammering, and has two advantages:
  • the first advantage is that the electrical contact between the connecting wire 113 and the inner conductor 122 is improved by a press contact.
  • the second advantage which is particularly noticeable when comparing the detail enlargements of the Figures 9e and 9f with each other is that the resulting axial pressing pressure creates an almost homogeneous transition region between the electrically insulating material 115 and the electrically insulating material 125 and in particular fills cavities 132 and breakouts on the joined end faces.
  • a first variant of the electric heating device 100 which is shown in the Figures 10a and 10b
  • the connecting wire 113 has a thread 113a and the bore 123 has a counter thread 123a cut into it. Accordingly, a connection is made by screwing in before the first part 111 of the tubular metal jacket 101 and the second part 121 of the tubular metal jacket 101 are welded or soldered together. The entire other structure is identical, which is why identical reference numerals are used.
  • end region 111a is longer than the end region 121a, which means that the weld or solder seam that fixes the connection is arranged in a recess and does not increase the diameter of the electric heating device.
  • the entire other structure is identical, which is why identical reference numerals are used.
  • a third variant of the electric heating device 100 which is shown in the Figure 12 is the only difference to the one shown in Figure 9d shown representation that the connection between the first part 111 of the tubular metal jacket 101 and the second part 121 of the tubular metal jacket 101 by sliding on a ring 133 and welding or soldering the ring 133 at its one edge to the second part 121 of the tubular metal jacket 101 and at its other edge to the first part 121 of the tubular metal jacket 101.
  • This also leads to improved protection against the penetration of moisture.
  • the Figures 13a to 13c each show a longitudinal section through a portion of a third embodiment of an electric heating device 200, wherein the Figure 13 a shows the state before joining the first and second parts of the tubular metal casing, the Figure 13b shows the state after joining the first and second parts of the tubular metal casing and Fig.13c after a further local compaction step, e.g. hammering into a hexagon shape.
  • a further local compaction step e.g. hammering into a hexagon shape.
  • the first part 211 of the tubular metal casing 201 is part of an electric heating device 210 produced in a known manner, with an electric heating element 212 arranged in the interior in the form of a coiled resistance wire, which is insulated from the first part 211 of the tubular metal casing 201 by electrically insulating material 216.
  • a connecting wire 213, which protrudes from the front of the electric heating element 212 is inserted into the end coils of the electric heating element 212 and, in this example, is connected to it at the welding point 214.
  • the inserted section of the connecting wire 213 thus defines an unheated transition region Ü1, and the section of the connecting wire 213 which runs within the first part 211 of the tubular metal jacket 201 forms a first part U1 of the unheated region U of the electrical heating device 200.
  • the second part 221 of the tubular metal casing 201 is part of the second part U2 of the unheated area U of the electric heating device 200.
  • the second part U2 of the unheated area U is also in this example made of a section a feedthrough 220, the outer metal casing of which serves as the second part 221 of the tubular metal casing 201 of the electric heating device 200, wherein an inner conductor 222 is arranged in the interior of which is electrically insulated from the outer metal casing of the feedthrough by an electrically insulating material 225.
  • the inner conductor can preferably be made of nickel or copper.
  • the feedthrough 220 which in this example is also made of a rod or continuous material, was here, however, unlike the electric heating device 100, cut off from this rod or continuous material over a length that corresponds to the desired length of the second part U2 of the unheated area.
  • holes 223, 224 were made in both end faces of the inner conductor 222, into which on one end face the section of the connecting wire 213 projecting beyond the end face of the first part 211 of the tubular metal jacket 201 is made and on the opposite side serves to form the connection 226, which is simply inserted into the hole and, as in Figure 13c shown, is press-contacted and fixed by a pressing or compaction step. The order in which these steps are carried out is not important.
  • Figure 13b shows a view of the longitudinal section Figure 13a after joining the first part 211 and the second part 221 of the tubular metal casing 201.
  • the first part 211 and the second part 221 of the tubular metal casing 201 were positioned against each other at the end and welded or soldered at the connection point 231.
  • a further processing step is carried out, the result of which is Figure 13c becomes clear: a further compaction, which can also be referred to as local pressing or re-compaction, in the region of the second part 221 of the tubular metal casing, preferably in the region in which the bore 223 with the section of the connecting wire 213 arranged therein is located, but at a distance from the connection point 231.
  • This processing step can be carried out specifically, for example, as a hexagonal compaction, in particular by hammering, and brings with it the advantages already discussed above.
  • the Figures 14 to 17 show different intermediate stages in carrying out another method for producing an electric heating device 300.
  • the electric heating device 300 differs fundamentally from the previously discussed electric heating devices 10, 100 and 200 in that here the first part 311 of the tubular metal casing 301 has no first unheated section U1 and in particular no unheated transition section Ü1. In its interior, it therefore only forms the heated area over its entire length with an electric heating element 312 formed here by a coiled resistance wire and electrically insulating material 315.
  • the coiled heating element with electrically insulating material and tubular metal casing as a rod material and cutting a piece of it with a length that corresponds to the length of the desired heated area. plus the length of the unheated transition sections and then the tubular metal casing and the surrounding electrically insulating material are cut off at the end on the length corresponding to the respective unheated transition sections with a tool 350, so that a part of the coiled electrical heating element used to form the unheated transition area Ü1 protrudes at the front, as shown in Figure 14 is shown.
  • a connecting wire 313 and a feedthrough 320 the metal sheath of which forms the second part of the tubular metal sheath of the electric heating device 300, with inner conductor 322, bore 323 and electrically insulating material 325 are then provided, which can be manufactured as explained above in connection with the electric heating devices 100 and 200, respectively.
  • the connecting wire 313 is inserted into the end section of the electric heating element 312; this section of the electric heating element 312 with the inserted connecting wire is inserted into the hole 323 of the inner conductor 322 and the first part 311 of the tubular metal jacket 301 is butt welded or soldered to the second part 321 of the tubular metal jacket 301, which leads to the Figure 16 shown intermediate stage.
  • a further local compaction process e.g. by hammering in a hexagonal shape, is then carried out in the unheated transition area Ü1, whereby on the one hand the homogenization of the electrically insulating material in the transition area between the first part 311 of the tubular metal jacket 301 and the second part 321 of the tubular metal jacket 301 and on the other hand an intimate press contact between electrical Heating element 312, connecting bolt 313 and inner conductor 322, as can be seen in the Figure 17a can recognize.
  • FIGs 15b and 17b will be the Figures 15a or 17a, respectively, in a second variant, which differs from the variant of the Figures 15a and 17a only differs in that a stepped connecting bolt 313' is used instead of the connecting bolt 313 and accordingly the bore 323 is replaced by a stepped bore 323'.
  • the thinner section 313a' of the stepped connecting bolt 313' is also subjected to a local compaction process after it has been introduced into the section 323a' of the stepped bore 323' and is thereby directly press-contacted, while in the other section of the stepped connecting bolt 313' a press contact to the bore 323' only takes place indirectly via the electrical heating element 312.
  • the Figures 18 to 21 show different intermediate stages in carrying out another method for producing an electric heating device 400.
  • the first part 411 of the tubular metal casing 401 has no first unheated section U1 and in particular no unheated transition section Ü1. It therefore only forms over its entire length the heated area with electrical heating element 412 formed here by a coiled resistance wire and electrically insulating material 415.
  • the coiled heating element with electrically insulating material and tubular metal jacket is provided as a bar material and then the tubular metal jacket and the surrounding electrically insulating material are cut off at the end with a tool 450 to the length corresponding to the respective unheated transition sections, so that a part of the coiled electrical heating element, which is used to form the unheated transition region Ü1, protrudes at the end, as shown in Figure 18 is shown.
  • a feedthrough 420 is then provided, the metal casing of which forms the second part 421 of the tubular metal casing 401 of the electric heating device 400, with an inner conductor 422, an annular groove 423 introduced into the front side of the inner conductor 422 and electrically insulating material 425.
  • the metal casing of which forms the second part 421 of the tubular metal casing 401 of the electric heating device 400 with an inner conductor 422, an annular groove 423 introduced into the front side of the inner conductor 422 and electrically insulating material 425.
  • no separate connecting wire is required.
  • the end portion of the electric heating element 412 is inserted into the bore 423 of the inner conductor 422 and the first part 411 of the tubular metal jacket 401 is butt welded or soldered to the second part 421 of the tubular metal jacket 401, resulting in the Figure 20 shown intermediate stage.
  • a further local compaction process e.g. by hammering in a hexagonal shape, is then carried out in the unheated transition area Ü1, which on the one hand causes the homogenization of the electrically insulating material in the transition area between the first part 411 and the second part 421 of the tubular metal jacket and on the other hand an intimate press contact between the electrical heating element 412 and the inner conductor 422, as can also be seen in the Figure 21 can recognize.

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Description

  • Elektrische Rohrheizkörper sind eine seit vielen Jahren bekannte Variante elektrischer Heizvorrichtungen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass das elektrische Heizelement innerhalb eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist, wobei es in radialer Richtung zum rohrförmigen Metallmantel hin durch Einbettung in ein elektrisch isolierendes, aber gut wärmeleitendes Material, in vielen Fällen z.B. Magnesiumoxid, Bornitrid oder Al2O3 jeweils in Form eines Pulvers oder Granulats oder auch eines porösen Formkörpers, insbesondere aus einem dieser Materialien, elektrisch isoliert ist, um einen unerwünschten Kurzschluss zu vermeiden. Ferner ist die elektrisceh Heizvorrichtung in vielen Fällen verdichtet.
  • Bei vielen Anwendungen elektrischer Rohrheizkörper ist es erwünscht, dass der elektrische Rohrheizkörper auf mindestens einer seiner Seiten endseitig einen unbeheizten Bereich aufweist. Um diesen bereitzustellen ist es bekannt, die Verbindung zum elektrischen Heizelement durch einen Anschlussdraht und/oder Anschlussbolzen herzustellen, der einen größeren Querschnitt aufweist als das elektrische Heizelement und beispielsweise im Fall eines Anschlussdrahts in den Wendelinnenraum des elektrischen Heizelements eingeführt sein kann oder im Fall eines Anschlussbolzens einen Endabschnitt des elektrischen Heizelements aufnehmen kann.
  • Neben dem größeren Querschnitt des Anschlussbolzens wird dabei in vielen Fällen die im Bereich des Anschlussbolzens anfallende Wärme durch Wahl eines Materials mit einem geringeren spezifischen Widerstand als dem des Materials, aus dem das Heizelement gefertigt ist, reduziert; beispielsweise durch Verwendung von Kupfer oder Nickel als Material für den Anschlussbolzen.
  • Insbesondere bei Anwendungen, bei denen der verfügbare Bauraum knapp ist, ergeben sich bei dieser bekannten Vorgehensweise aber eine Reihe von Problemen. Erstens behindert der Anschlussdraht und/oder Anschlussbolzen das Einfüllen des elektrisch isolierenden Materials. Zweitens ist der so aufgebaute unbeheizte Bereich der elektrischen Heizvorrichtung deutlich schwieriger verdichtbar, weil in diesem Abschnitt im Querschnitt nur noch ein geringer Anteil des elektrisch isolierenden Materials vorhanden ist, so dass zu wesentlichen Teilen eine weitgehend massive Struktur aus Anschlussdraht und/oder Anschlussbolzen und einem Abschnitt des elektrischen Heizelements verdichtet werden muss. Dies führt zu gewaltigen Belastungen der Verdichtmaschinen und kurzer Standzeit der Verdichtungsanlagen und ihrer Werkzeuge.
  • Aus der US 5,864,991 sind ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und des Oberbegriffs des Anspruchs X bekannt. Die US 5 034 595 A , die DE 20 2017 100 786 U1 , die US 2 491 688 A , die EP 3 361 573 A1 , die DE 20 2017 100 531 U1 und die DE 17 65 324 A1 offenbaren weitere elektrische Heizführungen bzw. elektrische Durchführungen sowie Verfahren zu deren Herstellung.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung und eine mit einem solchen Verfahren herstellbare elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen. Je nach Ausgestaltung können dabei insbesondere durch die Erfindung einzeln oder in (Unter-)Kombination miteinander Verbesserungen im Hinblick auf
    • die Möglichkeit zur Unterbringung eines möglichst großen Leiterquerschnitts im unbeheizten Bereich;
    • eine optimale Verdichtung in allen Bereichen, die insbesondere eine unterschiedliche Querschnittsreduktion wegen unterschiedlicher poröser Anteile unterschiedlicher Bereich berücksichtigt;
    • die Lösung von Füllproblemen;
    • eine Kostenoptimierung durch rationelle, sehr hochgradig automatisierbare Fertigung des beheizten Bereichs;
    • eine Kostenoptimierung durch automatisierbare oder weitgehend automatisierbare Fertigung unbeheizter Bereiche einer gewünschten bzw. benötigten Länge,
    • die Möglichkeit, trotz für die Herstellung des beheizten Bereichs notwendigen Glühprozessen -beispielsweise wenn die elektrische Heizvorrichtung biegefähig weichgeglüht wird- Materialien für Anschlussdrähte, Anschlusshülsen oder Anschlussbolzen zu verwenden, welche Schmelzpunkte unterhalb der Glühtemperatur haben
    • eine hohe Prozesssicherheit
    • und/oder die Belastung von Verdichtmaschinen und ihren Werkzeugen zu reduzieren
    erzielt werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung mit einem elektrischen Heizelement, das im Inneren eines mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels in ein elektrisch isolierendes Material eingebettet, d.h. elektrisch isoliert angeordnet ist (z.B. durch Einbetten in ein elektrische isolierendes Pulver oder Granulat oder durch elektrisch isolierende Formteile), wobei die elektrische Heizvorrichtung innerhalb des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels an mindestens einem Ende einen unbeheizten Bereich aufweist, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der elektrische Strom zumindest auch durch mindestens einen Anschlussdraht und/oder mindestens eine Anschlusshülse und/oder mindestens einen Anschlussbolzen, der in elektrischem Kontakt mit dem elektrischen Heizelement steht, fließt.
  • Dabei kann der unbeheizte Bereich insbesondere vorzugsweise einen unbeheizten Übergangsbereich aufweisen, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der elektrische Strom gleichzeitig sowohl durch den mindestens einen Anschlussdraht und/oder die mindestens eine Anschlusshülse und/oder den mindestens einen Anschlussbolzen als auch durch einen in dem unbeheizten Übergangsbereich verlaufenden Abschnitt des elektrischen Heizelements fließt, welcher Abschnitt des elektrischen Heizelements in elektrischem Kontakt mit dem Anschlussdraht oder Anschlussbolzen steht. Mit anderen Worten ist im unbeheizten Übergangsbereich also ein Abschnitt des elektrischen Heizelements und zumindest ein Abschnitt eines Anschlussdrahts oder einer Anschlusshülse oder eines Anschlussbolzens vorhanden, wobei diese Abschnitte technisch gesehen nicht in Reihe sondern parallel geschaltet sind.
  • Ferner weist die mit dem Verfahren herzustellende elektrische Heizvorrichtung innerhalb des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels einen beheizten Bereich auf, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der elektrische Strom lediglich durch einen in dem beheizten Bereich verlaufenden Abschnitt des elektrischen Heizelements fließt.
  • Bereits an dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass dadurch weder ausgeschlossen wird, dass der mehrteilige rohrförmige Metallmantel als Rückleiter verwendet wird (weil gemäß der oben erwähnten Bedingung für den beheizten Bereich dieser innerhalb des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels liegen muss) noch ausgeschlossen wird, dass bei der elektrischen Heizvorrichtung beide Anschlüsse auf derselben Seite liegen.
  • Dass der rohrförmige Metallmantel mehrteilig ist bedeutet insbesondere, dass er aus mehreren Teilen -vorzugsweise mehreren Rohrabschnitten- zusammengesetzt ist, die aber durchaus fest miteinander verbunden, beispielsweise verpresst oder verschweißt sein können.
  • Ferner ist der Begriff "unbeheizter Bereich" so auszulegen, dass in diesem trotzdem -was in den meisten realen Ausführungsformen unvermeidbar und somit zwingend der Fall ist- Wärme erzeugt werden kann, aber in einem deutlich geringeren Ausmaß als im beheizten Bereich, in dem die elektrische Heizvorrichtung zur Erfüllung ihrer bestimmungsgemäßen Funktion Wärme erzeugen soll.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensabschnitt in einem ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels der beheizte Bereich hergestellt und verdichtet, in einem unabhängig von dem ersten Verfahrensabschnitt durchgeführten, in der Regel nach diesem abgeschlossenen zweiten Verfahrensabschnitt zumindest ein Abschnitt des unbeheizten Bereichs in einem zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels hergestellt und der erste Teil und der zweite Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels miteinander verbunden. Dass der zweite Verfahrensabschnitt in der Regel zumindest teilweise nach dem ersten Verfahrensabschnitt durchgeführt wird ergibt sich dabei insbesondere daraus, dass zur Verbindung des ersten Teils und des zweiten Teils naturgemäß das erste Teil bereits vorhanden sein muss.
  • Der zuletzt genannte Schritt kann gegebenenfalls auch vor dem oder beim bzw. gleichzeitig mit dem Verdichten des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels durchgeführt werden, wenn ein solches Verdichten vorgesehen ist. Er erfolgt also nicht zwingend erst ganz am Ende des zweiten Verfahrensabschnitts oder nach dem zweiten Verfahrensabschnitt.
  • Durch das Aufteilen der Herstellung in zwei Verfahrensabschnitte, wobei der erste Verfahrensabschnitt als Zwischenprodukt zumindest den "fertigen" beheizten Bereich und gegebenenfalls einen Teil des unbeheizten Bereichs liefert und der zweite Verfahrensabschnitt dann den noch fehlenden unbeheizten Bereich mit einem zunächst separaten Teil des rohrförmigen Metallmantels herstellt und dann anstückt können die Verdichtungsprozesse für die einzelnen Teile der elektrischen Heizvorrichtung jeweils optimiert durchgeführt werden. Insbesondere kann die Verdichtung des beheizten Bereichs in einem Durchstechverfahren durchgeführt werden.
  • Gleichzeitig wird durch diese Maßnahme das jeweilige Befüllen mit dem elektrisch isolierenden Material deutlich vereinfacht, weil die Behinderung durch den unbeheizten Bereich entfällt.
  • Der nach dem ersten Verfahrensabschnitt vorliegende fertige beheizte Bereich kann dabei insbesondere einer elektrischen Heizvorrichtung mit rohrförmigem Metallmantel entsprechen, bei der stirnseitig aus dem rohrförmigen Metallmantel herausragende Anschlüsse der elektrischen Heizvorrichtung durch einen Abschnitt des elektrischen Heizelements, vorzugsweise mit daran angeordnetem Anschlussdraht und/oder daran angeordneter Anschlusshülse gebildet sind, und somit bei der vollständig fertiggestellten erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung den unbeheizten Übergangsabschnitt bilden.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird im ersten Verfahrensabschnitt der im beheizten Bereich verlaufende Abschnitt, d.h. der später den beheizten Bereich bildende Abschnitt, des elektrischen Heizelements in einem ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantel positioniert; das elektrisch isolierende Material, z.B. als Pulver oder Granulat oder als Formteil in diesen Bereich des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels eingebracht, so dass der im ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angeordnete Abschnitt des elektrischen Heizelements durch das elektrisch isolierende Material isoliert, also eingebettet wird, und der erste Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels, insbesondere der beheizte Bereich, verdichtet.
  • Es sei an dieser Stelle einerseits darauf hingewiesen, dass die genannten Verfahrensschritte vorteilhafterweise in dieser Reihenfolge durchgeführt werden und andererseits darauf hingewiesen, dass vorher, nachher oder zwischen ihnen noch weitere Verfahrensschritte im Rahmen des ersten Verfahrensabschnitts durchgeführt werden können.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in dem nach dem ersten Verfahrensabschnitt durchgeführten zweiten Verfahrensabschnitt zumindest ein Abschnitt des unbeheizten Bereichs einschließlich mindestens eines Teils des unbeheizten Übergangsbereichs geschaffen, indem ein Teil des elektrischen Heizelements mit daran angeordnetem Anschlussdraht und/oder daran angeordneter Anschlusshülse und/oder daran angeordnetem Anschlussbolzen in einen zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels eingeführt wird, wobei weiteres elektrisch isolierendes Material in den zweiten Teil des rohrförmigen Metallmantels eingebracht wird, so dass der im zweiten rohrförmigen Metallmantel angeordnete Abschnitt des elektrischen Heizelements durch das elektrisch isolierende Material elektrisch isoliert, insbesondere eingebettet wird. Vorzugsweise wird dann auch noch der zweite Teil der mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels verdichtet.
  • Auch in diesem zweiten Verfahrensabschnitt können die genannten Verfahrensschritte vorteilhafterweise in dieser Reihenfolge durchgeführt werden und es können vorher, nachher oder zwischen ihnen noch weitere Verfahrensschritte im Rahmen des zweiten Verfahrensabschnitts durchgeführt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird im ersten Verfahrensabschnitt ein Anschlussdraht in eine elektrisch leitende Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements gebracht, insbesondere durch Einführen in einen gewendelten Endabschnitt des elektrischen Heizelements und/oder eine Anschlusshülse in eine elektrisch leitende Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements gebracht, insbesondere durch Aufschieben auf einen gewendelten Endabschnitt des elektrischen Heizelements.
  • In beiden beschriebenen Fällen ist also ein (typischerweise kleiner) Teil des Übergangsbereichs auch innerhalb des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels vorhanden, was sich als vorteilhaft für die Prozesssicherheit, insbesondere im Hinblick auf die elektrische Kontaktierung des elektrischen Heizelements, erwiesen hat.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das elektrische Heizelement gewendelt, und zwar so, dass ein Endabschnitt des elektrischen Heizelements einen kleineren Wendeldurchmesser aufweist als ein Abschnitt des elektrischen Heizelements, der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung im beheizten Bereich liegt und insbesondere vorzugsweise kein Endabschnitt ist. Diese Maßnahme kann insbesondere dazu beitragen, das Befüllen des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels mit dem elektrisch isolierenden Material zu erleichtern.
  • Dieses Wendeln des elektrischen Heizelements wird vorzugsweise bereits vor dem Einführen in den ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels ausgeführt.
  • Besonders effektiv kann das Befüllen des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels mit dem elektrisch isolierenden Material erleichtert werden, wenn das elektrische Heizelement so gewendelt wird, dass der Endabschnitt des elektrischen Heizelements einen kleineren Wendeldurchmesser aufweist als der Abschnitt des elektrischen Heizelements, der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung im beheizten Bereich liegt, eine Wendelachse aufweist, die relativ zur Wendelachse des Abschnitt des elektrischen Heizelements, der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung im beheizten Bereich liegt, versetzt verläuft.
  • Es kann in manchen Fällen auch vorteilhaft sein, wenn im ersten Verfahrensabschnitt nach dem Verdichten ein anschlussseitiger Abschnitt des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels und die sich radial nach innen an diesen anschließende Schicht elektrisch isolierenden Materials abgestochen wird. Wie bereits erwähnt, werden als Konsequenz der erfindungsgemäßen Herstellungsweise der erste Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels und der zweite Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels unterschiedlichen Verdichtungsprozessen unterworfen.
  • Durch das nachträgliche Abstechen eines anschlussseitigen Abschnitts des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels und der sich radial nach innen an diesen anschließenden Schicht elektrisch isolierenden Materials kann insbesondere ein letztlich dann im zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angeordneter Abschnitt des Übergangsbereichs mit den Verdichtungsparametern, die auf den ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angewendet werden vorverdichtet und dann mit den Verdichtungsparametern, die auf den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angewendet werden, nachverdichtet werden, was insbesondere für die Qualität des elektrischen Kontakts zwischen Anschlussdraht, Anschlusshülse, Anschlussbolzen und Endabschnitt des elektrischen Heizelements positive Auswirkungen haben kann. Zudem kann das Abstechen auch dazu beitragen, eine homogenere Grenzfläche bzw. einen homogeneren Übergang zwischen dem elektrisch isolierenden Material im ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels und dem elektrisch isolierenden Material im zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels zu schaffen.
  • Vorteilhafterweise erfolgt insbesondere nachdem durch ein solches Abstechen ein Abschnitt des elektrischen Heizelements oder eines Anschlussdrahts oder Anschlussbolzens freigelegt wurde ein Reinigungsschritt, bei dem Isolierstoffrückstände beispielsweise durch Bürsten, Polieren und/oder Ultraschallbehandlung entfernt werden, um so die Qualität des elektrischen Kontakts zu verbessern.
  • Eine weitere Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der zweite Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels mit einem lichten Querschnitt, der die Außenkontur des ihm zugewandten Endabschnitts des ersten Teils des mehrteiligen Metallmantels zumindest nach dem Verdichten im ersten Verfahrensabschnitt aufnehmen kann, auf diesen Endabschnitt des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels aufgeschoben wird und dort befestigt wird. Auf diese Weise wird besonders effektiv eine etwaige Lücke zwischen dem ersten und dem zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels vermieden. Zudem erleichtert ein größerer lichter Querschnitt das Befüllen mit elektrisch isolierendem Material insbesondere in dem Bereich mit diesem Querschnitt.
  • Bei der zuletzt beschriebenen Weiterbildung ist besonders zweckmäßig, wenn der zweite Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels beim Verdichten im zweiten Verfahrensabschnitt durch Verpressen mit dem ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels verbunden wird.
  • Erfindungsgemäß ist eine zweite Verdichtung vorgesehen, die, so ausgeführt wird, dass durch den entstehenden axialen Pressdruck ein nahezu homogener Übergangsbereich zwischen dem elektrisch isolierenden Material in Bereichen, die der ersten Verdichtung unterworfen wurden und in Bereichen, die der zweiten Verdichtung unterworfen wurden entsteht.
  • Für Anwendungen, bei denen es wichtig ist, dass die elektrische Heizvorrichtung über ihre gesamte Länge hinweg eine konstante Außenkontur aufweist, kann der Querschnitt des zweiten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels beim Verdichten im zweiten Verfahrensabschnitt an den Querschnitt des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angepasst werden.
  • Besonders effektiv kann ein unbeheizter Anschlussbereich gestaltet werden, wenn im zweiten Verfahrensabschnitt vor dem Einbringen des elektrisch isolierenden Materials ein Teil des elektrischen Heizelements mit daran angeordnetem Anschlussdraht und/oder daran angeordneter Anschlusshülse von der einen Seite in den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels eingeführt wird und ein Anschlussbolzen mit einer Öffnung zum Aufnehmen dieses Teils des elektrischen Heizelements mit daran angeordnetem Anschlussdraht von der gegenüberliegenden Seite in den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels eingeführt und mit der Öffnung auf diese Teil des elektrischen Heizelements aufgeschoben wird.
  • Darüber hinaus kann mit dem Verfahren in vielen Fällen, in denen bislang eine Hochtemperaturbehandlung notwendig war, die insbesondere die Verwendung von Anschlussdrähten und/oder Anschlussbolzen aus Kupfer verhindert hat, dieser Werkstoff verwendbar werden, wenn mindestens ein Verfahrensschritt, bei dem das Zwischenprodukt, an dem dieser Verfahrensschritt vorgenommen wird einer thermischen Belastung ausgesetzt wird durchgeführt wird und wenn mindestens der Verfahrensschritt, bei dem die höchste thermische Belastung erfolgt, vor dem Beginn der zweiten Verfahrensabschnitt ausgeführt wird.
  • Das elektrisch isolierende Material, das in den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels eingebracht wird, kann auch also Formteil eingebracht werden. Insbesondere dort kann es auch zweckmäßig sein, das elektrisch isolierende Material zu imprägnieren.
  • Es ist aber auch möglich, den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels dadurch zu erhalten, dass Stangenmaterial einer Durchführung, die einen elektrisch von einem Außenrohr aus Metall isolierten Innenleiter aufweist, in einer gewünschten Länge bereitgestellt wird. Dies ermöglicht es, auf einfache und kostengünstige Weise die Länge der unbeheizten Abschnitte, die jeweils benötigt werden, frei an die jeweilige Anwendung anzupassen und kann zu einer besonders kostengünstigen, vollautomatisierten Herstellung dieser unbeheizten Abschnitte beitragen.
  • Insbesondere ein Innenleiter dieser Durchführung, aber auch ein anderer Innenleiter eines anders ausgeführten zweiten Teils kann auf der dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels zugewandten Seite spanend bearbeitet, mit einer Ringnut versehen oder angebohrt werden, um den elektrischen Kontakt zum Innenleiter des ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels, also dem elektrischen Heizelement, direkt oder über dessen Anschlussdrähte, bereitzustellen, die dann z.B. in die Bohrung eingeführt und -beispielsweise durch eine Sechskantpressung- presskontaktiert werden können. Es können aber auch Gewinde in eine solche Bohrung und einen Anschlussdraht oder Anschlussbolzen des ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels eingebracht werden.
  • Um den Kontakt zu einer elektrischen Versorgungsleitung herzustellen, kann auf der von dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels abgewandten Seite des zweiten Teils der rohrförmigen Metallmantels ein diesem Anschluss zugewandter Abschnitt gemeinsam mit der sich radial nach innen an diesen Abschnitt des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels anschließenden Schicht elektrisch isolierenden Materials abgestochen werden.
  • Vorteilhafterweise erfolgt auch hier anschließend ein Reinigungsschritt, bei dem Isolierstoffrückstände beispielsweise durch Bürsten, Polieren und/oder Ultraschallbehandlung entfernt werden, um so die Qualität des elektrischen Kontakts zu verbessern.
  • Alternativ dazu kann aber auch ein vom rohrförmigen Metallmantel umgebener Innenleiter des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels auf der dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels zugewandten Seite angebohrt werden, um einen elektrischen Kontakt für den Anschluss der Versorgungsleitung in die Bohrung einzuführen und -beispielsweise durch eine Sechskantpressung- presskontaktiert werden können.
  • Die Verbindung zwischen dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels und dem zweiten Teil des rohrförmigen Metallmantels kann durch Verschweißen oder Verlöten auf Stoß hergestellt werden.
  • Vorteilhafter ist es aber, einerseits weil dadurch eine Beeinflussung des Schweiß- oder Lötprozesses durch Isoliermaterial, insbesondere MgO, vermieden wird, andererseits aber auch wenn das Eindringen von Feuchtigkeit möglichst effektiv verhindert werden soll, wenn beim Herstellen dieser Verbindung ein Ring auf den Übergangsbereich zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des rohrförmigen Metallmantels aufgeschoben und dieser dann beidseitig verschweißt oder verlötet wird.
  • Eine weitere Variante zur Herstellung dieser Verbindung sieht vor, dass die Endabschnitte des ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels jeweils spanabhebend so bearbeitet sind, dass sie einander passgenau übergreifen und dann miteinander verschweißt oder verlötet sind. Wenn dabei der von außen geschwächte Endabschnitt des ersten oder zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels länger ist als der diesen übergreifende Endabschnitt des zweiten oder ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels, kann zudem erreicht werden, dass eine Schweiß- oder Lotnaht, die über den Außendurchmesser des rohrförmigen Metallmantels hinausragt, vermieden wird.
  • Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung ist insbesondere nach einem Verfahren gemäß eines der Ansprüche 1 bis 8 herstellbar, muss aber nicht zwingend nach einem solchen Verfahren hergestellt sein.
  • Sie umfasst insbesondere ein elektrisches Heizelement, das im Inneren eines mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels, der einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufweist, in einem elektrisch isolierendes Material elektrisch isoliert, insbesondere eingebettet, angeordnet ist. Dabei weist die elektrische Heizvorrichtung innerhalb mehrteiligen des rohrförmigen Metallmantels
    • an mindestens einem Ende einen unbeheizten Bereich auf, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der elektrische Strom zumindest auch durch mindestens einen Anschlussdraht und/oder mindestens eine Anschlusshülse und/oder mindestens einen Anschlussbolzen fließt, wobei der mindestens eine Anschlussdraht und/oder die mindestens eine Anschlusshülse und/oder der mindestens eine Anschlussbolzen in elektrischem Kontakt mit dem elektrischen Heizelement steht, und
    • einen beheizten Bereich auf, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der elektrische Strom lediglich durch einen in dem beheizten Bereich verlaufenden Abschnitt des elektrischen Heizelements fließt, wobei der beheizte Bereich im ersten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist und der unbeheizte Bereich im zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist.
  • Durch das Aufteilen des rohrförmigen Metallmantels in mehrere Teile können die Verdichtungsprozesse für die einzelnen Teile der elektrischen Heizvorrichtung jeweils optimiert durchgeführt werden. Gleichzeitig wird durch diese Maßnahme das jeweilige Befüllen mit dem elektrisch isolierenden Material deutlich vereinfacht.
  • Vorzugsweise wird ein Teil des unbeheizten Bereichs durch einen unbeheizten Übergangsbereich gebildet, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung der elektrische Strom gleichzeitig sowohl durch den mindestens einen Anschlussdraht und/oder Anschlussbolzen als auch durch einen in dem unbeheizten Übergangsbereich verlaufenden Abschnitt des elektrischen Heizelements fließt, der in elektrischem Kontakt mit dem Anschlussdraht und/oder Anschlussbolzen steht.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung steht ein Anschlussdraht in einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements, der insbesondere in einen gewendelten Endabschnitt des elektrischen Heizelements eingeführt sein kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine Metallhülse als Anschlusshülse in einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements stehen und insbesondere durch Aufschieben, Auflöten oder Aufschweißen der Anschlusshülse auf einen gewendelten Endabschnitt des elektrischen Heizelements (12,12', 12") aufgebracht sein.
  • In beiden beschriebenen Fällen ist möglicherweise ein (typischerweise kleiner) Teil des Übergangsbereichs auch innerhalb des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels vorhanden, was sich als vorteilhaft für die Prozesssicherheit, insbesondere im Hinblick auf die elektrische Kontaktierung des elektrischen Heizelements, erwiesen hat. Der Übergangsbereich muss sich aber zwingend in den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels hinein erstrecken.
  • Das Befüllen mit dem elektrisch isolierenden Material kann dadurch vereinfacht werden, dass das elektrische Heizelement derart gewendelt ist, dass ein Endabschnitt des elektrischen Heizelements einen kleineren Wendeldurchmesser aufweist als ein Abschnitt des elektrischen Heizelements, der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung im beheizten Bereich liegt.
  • Besonders stark ist dieser Effekt, wenn dabei das elektrische Heizelement so gewendelt wird, dass der Endabschnitt des elektrischen Heizelements, der einen kleineren Wendeldurchmesser aufweist als der Abschnitt des elektrischen Heizelements, der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung im beheizten Bereich liegt, eine Wendelachse aufweist, die relativ zur Wendelachse des Abschnitt des elektrischen Heizelements, der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung im beheizten Bereich liegt, versetzt verläuft.
  • Der Dichtigkeit des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels ist es zuträglich, wenn der zweite Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels mit einem lichten Querschnitt, der die Außenkontur des ihm zugewandten Endabschnitts des ersten Teils des mehrteiligen Metallmantels zumindest nach dem Verdichten im ersten Verfahrensabschnitt aufnehmen kann, auf diesen Endabschnitt des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels aufgeschoben und dort befestigt ist.
  • Dabei kann der Querschnitt des zweiten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels durch Verdichten im zweiten Verfahrensabschnitt an den Querschnitt des ersten Teils des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels angepasst sein.
  • Eine besonders effektive Gestaltung des unbeheizten Bereichs sieht vor, dass ein Teil des elektrischen Heizelements mit daran angeordnetem Anschlussdraht und/oder daran angeordneter Anschlusshülse von der einen Seite in den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels eingeführt ist und ein Anschlussbolzen mit einer Öffnung zum Aufnehmen dieses Teils des elektrischen Heizelements mit an dem Teil des elektrischen Heizelements angeordnetem Anschlussdraht und/oder daran angeordneter Anschlusshülse von der gegenüberliegenden Seite in den zweiten Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels eingeführt und mit der Öffnung auf diese Teil des elektrischen Heizelements aufgeschoben ist.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn der zweite Teil des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels aus Stangenmaterial einer Durchführung, die einen elektrisch von einem Außenrohr aus Metall isolierten Innenleiter aufweist, gebildet ist. Dies ermöglicht es, auf einfache und kostengünstige Weise die Länge der unbeheizten Abschnitte, die jeweils benötigt werden, frei an die jeweilige Anwendung anzupassen und kann zu einer besonders kostengünstigen, vollautomatisierten Herstellung dieser unbeheizten Abschnitte beitragen.
  • Insbesondere ein Innenleiter dieser Durchführung, aber auch ein anderer Innenleiter eines zweiten Teils kann auf der dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels zugewandten Seite spanend bearbeitet, mit einer Ringnut versehen oder angebohrt sein, um den elektrischen Kontakt zum Innenleiter des ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels, also dem elektrischen Heizelement, direkt oder über dessen Anschlussdrähte, bereitzustellen, die dann z.B. in die Bohrung eingeführt und - beispielsweise durch eine Sechskantpressung- presskontaktiert sind. Es können aber auch Gewinde in eine solche Bohrung und einen Anschlussdraht oder Anschlussbolzen des ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels eingebracht sein.
  • Um den Kontakt zu einer elektrischen Versorgungsleitung herzustellen, kann auf der von dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels abgewandten Seite des zweiten Teils der rohrförmigen Metallmantels ein diesem Anschluss zugewandter Abschnitt gemeinsam mit der sich radial nach innen an diesen Abschnitt des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels anschließenden Schicht elektrisch isolierenden Materials abgestochen sein.
  • Alternativ dazu kann aber auch ein vom rohrförmigen Metallmantel umgebener Innenleiter des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels auf der dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels zugewandten Seite angebohrt und mit einem in die Bohrung eingeführten und verpressten elektrischen Kontakt für den Anschluss der Versorgungsleitung versehen sein.
  • Die Verbindung zwischen dem ersten Teil des rohrförmigen Metallmantels und dem zweiten Teil des rohrförmigen Metallmantels kann durch Verschweißen oder Verlöten auf Stoß hergestellt werden.
  • Vorteilhafter ist es aber, einerseits weil dadurch eine Beeinflussung des Schweiß- oder Lötprozesses durch Isoliermaterial, insbesondere MgO, vermieden wird, andererseits aber auch wenn das Eindringen von Feuchtigkeit möglichst effektiv verhindert werden soll, wenn ein Ring auf den Übergangsbereich zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des rohrförmigen Metallmantels aufgeschoben und beidseitig verschweißt oder verlötet ist.
  • Eine weitere Variante zur Herstellung dieser Verbindung sieht vor, dass die Endabschnitte des ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels jeweils spanabhebend so bearbeitet sind, dass sie einander passgenau übergreifen und dann miteinander verschweißt oder verlötet sind. Wenn dabei der von außen geschwächte Endabschnitt des ersten oder zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels länger ist als der diesen übergreifende Endabschnitt des zweiten oder ersten Teils des rohrförmigen Metallmantels, kann zudem erreicht werden, dass eine Schweiß- oder Lotnaht, die über den Außendurchmesser des rohrförmigen Metallmantels hinausragt, vermieden wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, welche Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1a:
    eine Ansicht einer Hälfte eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 1b:
    einen Längsschnitt durch die Darstellung der Figur 1a,
    Fig. 1c:
    eine erste Detailvergrößerung aus Figur 1b,
    Fig. 1d:
    eine zweite Detailvergrößerung aus Figur 1b,
    Fig. 2:
    einen Abschnitt eines ersten Zwischenstadiums bei der Durchführung eines ersten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 3:
    einen Abschnitt eines zweiten Zwischenstadiums bei der Durchführung des ersten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 4:
    einen Abschnitt eines dritten Zwischenstadiums bei der Durchführung des ersten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 5:
    einen Abschnitt eines vierten Zwischenstadiums bei der Durchführung des ersten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, das das nach dem ersten Verfahrensabschnitt erhaltene Zwischenprodukt zeigt,
    Fig. 6:
    einen Abschnitt eines fünften Zwischenstadiums bei der Durchführung des ersten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 7a:
    eine erste Gestaltung eines Endabschnitts des elektrischen Heizelements,
    Fig. 7b:
    eine zweite Gestaltung eines Endabschnitts des elektrischen Heizelements,
    Fig. 7c:
    eine dritte Gestaltung eines Endabschnitts des elektrischen Heizelements,
    Fig. 8a:
    eine erste Gestaltung eines unbeheizten Übergangsbereichs,
    Fig. 8b:
    eine zweite Gestaltung eines unbeheizten Übergangsbereichs,
    Fig. 8c:
    eine dritte Gestaltung eines unbeheizten Übergangsbereichs.
    Fig. 9a:
    eine Ansicht eines Abschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung vor dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig. 9b:
    einen Längsschnitt durch die Darstellung der Figur 9a,
    Fig. 9c:
    eine Ansicht des Längsschnitts aus Figur 9b nach dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig. 9d:
    eine Ansicht des Längsschnitts aus Figur 9c nach einem lokalen Verpressen,
    Fig. 9e:
    eine Ausschnittsvergrößerung aus Figur 9c,
    Fig. 9f:
    eine Ausschnittsvergrößerung aus Figur 9d,
    Fig. 10a:
    eine erste Variante des Ausführungsbeispiels aus Figur 9a-f vor dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig. 10b:
    die erste Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 10a nach dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig. 11:
    eine zweite Variante des Ausführungsbeispiels aus Figur 9a-f nach dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig. 12:
    eine dritte Variante des Ausführungsbeispiels aus Figur 9a-f nach dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig. 13a:
    einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung vor dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig.13b:
    eine Ansicht des Längsschnitts aus Figur 13a nach dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels,
    Fig.13c:
    eine Ansicht des Längsschnitts aus Figur 13b nach einem lokalen Verpressen,
    Fig. 14:
    einen Abschnitt eines ersten Zwischenstadiums bei der Durchführung eines zweiten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 15a:
    einen Abschnitt eines zweiten Zwischenstadiums bei der Durchführung des zweiten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung in einer ersten Variante,
    Fig. 15b:
    den Abschnitt aus Fig. 15a in einer zweiten Variante,
    Fig. 16:
    einen Abschnitt eines dritten Zwischenstadiums bei der Durchführung des zweiten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung in der ersten Variante,
    Fig. 17a:
    einen Abschnitt eines vierten Zwischenstadiums bei der Durchführung des zweiten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung in der ersten Variante,
    Fig. 17b:
    den Abschnitt aus Fig. 17a in der zweiten Variante,
    Fig. 18:
    einen Abschnitt eines ersten Zwischenstadiums bei der Durchführung eines dritten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 19:
    einen Abschnitt eines zweiten Zwischenstadiums bei der Durchführung des dritten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung,
    Fig. 20:
    einen Abschnitt eines dritten Zwischenstadiums bei der Durchführung des dritten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, und
    Fig. 21:
    einen Abschnitt eines vierten Zwischenstadiums bei der Durchführung des dritten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung.
  • Figur 1a zeigt eine Hälfte eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung 10, deren zweite Hälfte symmetrisch zur ersten Hälfte sein kann und Figur 1b einen Längsschnitt dieser Hälfte, der allerdings leicht von der Mittelebene versetzt ist. Die elektrische Heizvorrichtung 10 weist einen mehrteiligen rohrförmigen Metallmantel 11 mit einem ersten Teil 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 und einem zweiten Teil 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 auf, der einen größeren lichten Querschnitt als der erste Teil 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels hat, diesen abschnittsweise übergreift und mit ihm verbunden ist, wie insbesondere die Detaildarstellung der Figur 1d verdeutlicht.
  • Im Inneren des ersten Teils 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 befindet sich der beheizte Bereich B, der durch den Abschnitt eines elektrischen Heizelements 12 gebildet wird, in dem nur dieses im Betrieb vom elektrischen Strom durchflossen wird. Ein hier transparent dargestelltes elektrisch isolierendes Material 16 stellt dabei die elektrische Isolation zum mehrteiligen rohrförmigen Metallmantel 11 sicher.
  • Im Inneren des zweiten Teils 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 ist endseitig ein unbeheizter Bereich U vorhanden, der einen unbeheizten Übergangsbereich Ü1 umfasst. Der unbeheizte Übergangsbereich Ü1 wird dabei von einem Abschnitt 12.1 des elektrischen Heizelements 12 gebildet, der enger gewendelt ist als das elektrische Heizelement 12 im beheizten Bereich, in den ein Anschlussdraht 13 eingeschoben ist und auf den eine Anschlusshülse 14 aufgeschoben ist, die ihrerseits in eine Öffnung 15.1 eines Anschlussbolzens 15 aufgenommen ist, dessen massiver Endabschnitt im unbeheizten Bereich U liegt. Dieser Aufbau ist z.B. der Zusammenschau der Figuren 1a und 1c gut zu entnehmen. Wie man den Figuren 8a bis 8c entnimmt, kann aber nicht nur die oben beschriebene, in Figur 8c dargestellte Konfiguration mit Anschlussdraht und Anschlusshülse verwendet werden, sondern es kann auch optional der Anschlussdraht 13, wie in Figur 8b gezeigt, oder die Anschlusshülse 14, wie in Figur 8a gezeigt, weggelassen werden. Dementsprechend fließt in dem unbeheizten Bereich U bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung 10 der elektrische Strom zumindest auch durch mindestens einen Anschlussdraht 13, eine Anschlusshülse 14 und/oder einen Anschlussbolzen 15, der in elektrischem Kontakt mit dem elektrischen Heizelement 12 steht, und der unbeheizte Bereich U weist auch einen unbeheizten Übergangsbereich Ü1, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung 10 der elektrische Strom gleichzeitig sowohl durch den mindestens einen Anschlussdraht 13, die mindestens eine Anschlusshülse 14 und/oder den mindestens einen Anschlussbolzen 15 als auch durch einen in dem unbeheizten Übergangsbereich Ü1 verlaufenden Abschnitt 12.1 des elektrischen Heizelements 12, der in elektrischem Kontakt mit dem Anschlussdraht 13 und/oder Anschlussbolzen steht und einen kleineren Wendeldurchmesser hat, auf. Der unbeheizte Übergangsbereich erstreckt sich bis in den ersten Teil 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 hinein.
  • Auch im Inneren des zweiten Teils 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 ist ein transparent dargestelltes elektrisch isolierendes Material 17 angeordnet, das die Isolation zum mehrteiligen rohrförmigen Metallmantel 11 sicherstellt. Ein Stopfen 18 verschließt stirnseitig den zweiten Teil 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11. Der erste Teil 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 mit den darin angeordneten Komponenten der elektrischen Heizvorrichtung 10 und der zweite Teil 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 mit den darin angeordneten Komponenten der elektrischen Heizvorrichtung 11 sind in diesem Beispiel jeweils verdichtet, aber auf unterschiedliche Weise, insbesondere unterschiedlich stark, bevorzugt mit einer schwächeren Verdichtung des zweiten Teils 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11. Der Erfindung unterfallen aber auch Ausführungsformen, bei denen der zweite Teil 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 mit den darin angeordneten Komponenten nicht mehr verdichtet wird.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung wird nun beschrieben, wobei einzelne Zwischenstadien in den Figuren 2 bis 6 dargestellt sind.
  • Zunächst wird, wie in Figur 2 gezeigt ist, ein gewendeltes elektrisches Heizelement 12 bereitgestellt, das in diesem Ausführungsbeispiel einen mit einem kleineren Wendeldurchmesser gewendelten Endabschnitt 12.1 aufweist, in den endseitig ein Anschlussdraht 13, z.B. aus Cu oder Ni, eingeschoben ist und das in der Figur 7a noch einmal im Querschnitt gezeigt ist.
  • Andere Varianten von elektrischen Heizelementen 12' bzw. 12" kann man den Figuren 7b und 7c entnehmen, die insbesondere veranschaulichen, dass das elektrische Heizelement 12' sich nicht zwingend endseitig verjüngen muss oder dass das elektrische Heizelement 12" einen endseitigen Abschnitt 12.1" aufweist, der einen geringeren Wendeldurchmesser aufweist und um eine andere Wendelachse W2 gewendelt ist als die Wendelachse W1, um die die Wendeln mit größerem Wendeldurchmesser gewendelt sind, die bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung im beheizten Bereich b liegen; genauer gesagt um eine zur Wendelachse W1 parallel versetzte Wendelachse W2.
  • Ausgehend von dem in Figur 2 gezeigten Zwischenstadium wird nun eine dünnwandige, elektrisch leitende Anschlusshülse 14 auf den endseitigen Abschnitt 12.1 des elektrischen Heizelements 12 aufgeschoben, was zum in Figur 3 gezeigten Zwischenstadium führt.
  • Das so vorbereitete elektrische Heizelement 12 mit Anschlussdraht 13 und Anschlusshülse 14 wird nun in den ersten Teil 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 eingeschoben. Elektrisch isolierendes Material 16 in wird in Form eines Pulvers oder Granulats eingestreut und die Anordnung Verdichtet, was zum Zwischenstadium gemäß Figur 4 führt, das bereits einen "fertigen" elektrischen Rohrheizkörper konventioneller Bauart darstellt, bei dem -anders als bei bekannten Rohrheizkörpern- die stirnseitig aus dem rohrförmigen Metallmantel herausragende Anschlüsse der elektrischen Heizvorrichtung durch einen Abschnitt des elektrischen Heizelements mit daran angeordnetem Anschlussdraht und/oder daran angeordneter Anschlusshülse gebildet sind, und somit bei der vollständig fertiggestellten erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung den unbeheizten Übergangsabschnitt bilden.
  • Als nächstes wird ein endseitiger Teil des ersten Teils 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 gemeinsam mit dem elektrisch isolierenden Material 16 abgestochen. Der Grund dafür liegt insbesondere darin, dass beim Verdichtungsprozess des ersten Teils 11.1 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 mit höheren Drücken gearbeitet werden kann, was zu einer wünschenswerten innigen Presskontaktierung des verpressten Abschnitts 12.1 des elektrischen Heizelements 12 mit dem Anschlussdraht 13 und der Anschlusshülse 14 führt. Dementsprechend kann es sinnvoll sein diese Verpressung zunächst in einem längeren Abschnitt vorzunehmen, sofern trotzdem noch eine hinreichend gute Befüllbarkeit mit dem elektrisch isolierenden Material 16 gegeben ist. Dies ist auch der Grund, warum nicht einfach der gesamte Abschnitt 12.1 des elektrischen Heizelements 12 zunächst mit eingebettet und verpresst wird; in diesem Fall würde die Verbesserung der Befüllbarkeit mit dem elektrisch isolierenden Material 16 weitgehend wieder zunichte gemacht.
  • Um von dem Zwischenstadium der Figur 5 zum Zwischenstadium der Figur 6 zu gelangen, wird der Anschlussbolzen 15 mit seiner Öffnung 15.1 auf die Anordnung aus Abschnitt 12.1 des elektrischen Heizelements 12 mit eingeschobenem Anschlussdraht 13 und aufgeschobener Anschlusshülse 14 aufgeschoben.
  • Die in Figuren 1a bis 1d gezeigte fertige elektrische Heizvorrichtung 1 erhält man aus dem Zwischenstadium gemäß Figur 6 dadurch, dass der zweite Teil 11.2 des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels 11 aufgeschoben wird, bis er mit dem ersten Teil 11.1 des mehrteiligen Metallmantels 11 überlappt und an diesem befestigt wird und dieser Teil dann mit elektrisch isolierendem Material 17 gefüllt, mit dem Stopfen 18 verschlossen und bevorzugt angemessen verdichtet wird.
  • Die Figuren 9a bis 9f zeigen unterschiedliche Ansichten eines Abschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung 100 mit mehrteiligem rohrförmigen Metallmantel 101. Der nicht dargestellte Abschnitt ist im Wesentlichen identisch aufgebaut.
  • Dabei zeigen die Figuren 9a und 9b die elektrische Heizvorrichtung 100 in einem ersten Zwischenstadium ihrer Herstellung vor dem Zusammenfügen des ersten Teils 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 und des zweiten Teils 121 des rohrförmigen Metallmantels 101.
  • Der erste Teil 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 ist hier Bestandteil einer in bekannter Weise hergestellten elektrischen Heizvorrichtung 110, in dessen Innenraum ein elektrisches Heizelement 112 in Gestalt eines gewendelten Widerstandsdrahts angeordnet ist, das über elektrisch isolierendes Material 116 von dem ersten Teil 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 isoliert ist. Zum Anschluss des elektrischen Heizelements 112 ist ein Anschlussdraht 113, der aus dem elektrischen Heizelement 112 stirnseitig herausragt, in die endständigen Wendeln des elektrischen Heizelements 112 eingeschoben und in diesem Beispiel an dem Schweißpunkt 114 mit ihm verbunden. Der eingeschobene Abschnitt des Anschlussdrahts 113 definiert so einen unbeheizten Übergangsbereich Ü1, und der Abschnitt des Anschlussdrahts 113, der innerhalb des ersten Teils 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 verläuft, bildet einen ersten Teil U1 des unbeheizten Bereichs U der elektrischen Heizvorrichtung 100.
  • Der zweite Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 ist Bestandteil des zweiten Teils U2 des unbeheizten Bereichs U der elektrischen Heizvorrichtung 100. Der zweite Teil U2 des unbeheizten Bereichs U ist in diesem Beispiel aus einem Abschnitt einer Durchführung 120 hergestellt, deren äußerer Metallmantel als zweite Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 der elektrischen Heizvorrichtung 100 dient, wobei in dessen Innenraum ein Innenleiter 122 angeordnet ist, der durch ein elektrisch isolierendes Material 125 vom äußeren Metallmantel der Durchführung 120 elektrisch isoliert ist. Der Innenleiter kann vorzugsweise aus Nickel oder Kupfer gefertigt sein. Angemerkt sei, dass unter einer solche Durchführung auch mineralisoliertes Kabel verstanden werden können.
  • Die Durchführung 120, die in diesem Beispiel aus einem Stangen- oder Endlosmaterial gefertigt ist, wurde dazu auf der Länge von diesem Stangen- oder Endlosmaterial abgetrennt, die der Summe aus der gewünschten Länge des zweiten Teils U2 des unbeheizten Bereichs und der gewünschten Länge A eines Anschlusses der elektrischen Heizvorrichtung 100 entspricht. Ferner wurden in die dem ersten Teil 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 zugewandte Stirnseite des Innenleiters 122 eine Bohrung 123 zur Aufnahme des die Stirnseite des ersten Teils 111 des rohrförmigen Metallmantels überragenden Abschnitts des Anschlussdrahts 113 eingebracht und auf der gegenüberliegenden Seite zur Bildung des Anschlusses der Länge A auf dieser Länge der äußere Metallmantel der Durchführung 120 und das elektrisch isolierende Material 125 abgestochen und vorzugsweise die Oberfläche des Innenleiters 122 gereinigt, z.B. durch Bürsten, Polieren oder Ultraschall. Dabei spielt die Reihenfolge, in der diese Schritte ausgeführt werden, keine Rolle.
  • Figur 9c zeigt eine Ansicht des Längsschnitts aus Figur 9b nach dem Zusammenfügen des ersten Teils 111 und des zweiten Teils 121 des rohrförmigen Metallmantels 101. Dabei wurden der erste Teil 111 und der zweite Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 stirnseitig aneinander positioniert und an der Verbindungsstelle 131 verschweißt oder verlötet.
  • Vorzugsweise wird an der elektrischen Heizvorrichtung 100, wie sie in Figur 9c gezeigt ist, ein weiterer Bearbeitungsschritt vorgenommen, dessen Ergebnis in Figur 9d und Figur 9f deutlich wird: eine weitere Verdichtung, die auch als lokales Verpressen oder Nachverdichten bezeichnet werden kann, im Bereich der zweiten Teils 121 des rohrförmigen Metallmantels, vorzugsweise in dem Bereich, in dem sich die Bohrung 123 mit darin angeordnetem Abschnitt des Anschlussdrahts 113 befindet, aber beabstandet von der Verbindungsstelle 131. Dieser Bearbeitungsschritt kann konkret beispielsweise als eine Sechskantverdichtung, insbesondere durch Hämmern, ausgeführt werden und bringt zwei Vorteile mit sich:
    Der erste Vorteil besteht darin, dass der elektrische Kontakt zwischen dem Anschlussdraht 113 und dem Innenleiter 122 durch eine Presskontaktierung verbessert wird.
  • Der zweite Vorteil, der insbesondere beim Vergleich der Ausschnittsvergrößerungen der Figuren 9e und 9f miteinander deutlich wird, besteht darin, dass durch den entstehenden axialen Pressdruck ein nahezu homogener Übergangsbereich zwischen dem elektrisch isolierenden Material 115 und dem elektrisch isolierenden Material 125 entsteht und insbesondere Hohlräume 132 und Ausbrechungen an den aneinandergefügten Stirnseiten gefüllt werden.
  • In einer ersten Variante der elektrischen Heizvorrichtung 100, die in den Figuren 10a und 10b gezeigt ist, ist der einzige Unterschied, dass der Anschlussdraht 113 ein Gewinde 113a und die Bohrung 123 ein eingeschnittenes Gegengewinde 123a aufweisen. Dementsprechend erfolgt eine Verbindung durch Einschrauben, ehe der erste Teil 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 und der zweite Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 miteinander verschweißt oder verlötet werden. Der gesamte sonstige Aufbau ist identisch, weshalb auch identische Bezugszeichen verwendet werden.
  • In einer zweiten Variante der elektrischen Heizvorrichtung 100, die in der Figur 11 dargestellt ist, ist der einzige Unterschied zu der in Figur 9c gezeigten Darstellung, dass der Endbereich 111a des ersten Teils 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 an dessen dem zweiten Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 zugewandter Seite durch materialabhebende Bearbeitung an seiner Außenseite geschwächt ist, während der Endbereich 121a des zweiten Teils 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 an dessen dem ersten Teil 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 zugewandter Seite durch materialabhebende Bearbeitung an seiner Innenseite geschwächt ist, so dass ein Abschnitt der Endbereiche 111a und 121a einander überlappen. Dies führt zu einem verbesserten Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit.
  • Ferner ist der Endbereich 111a länger als der Endbereich 121a ausgeführt, was dazu führt, dass die die Verbindung fixierende Schweiß- oder Lötnaht in einer Vertiefung angeordnet ist und den Durchmesser der elektrischen Heizvorrichtung nicht erhöht. Der gesamte sonstige Aufbau ist identisch, weshalb auch identische Bezugszeichen verwendet werden.
  • In einer dritten Variante der elektrischen Heizvorrichtung 100, die in der Figur 12 dargestellt ist, ist der einzige Unterschied zu der in Figur 9d gezeigten Darstellung, dass die Verbindung zwischen dem ersten Teil 111 des rohrförmigen Metallmantels 101 und dem zweiten Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 durch das Aufschieben eines Rings 133 und Verschweißen oder Verlöten des Rings 133 an seinem einen Rand mit dem zweiten Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101 und an seinem anderen Rand an dem ersten Teil 121 des rohrförmigen Metallmantels 101. Auch dies führt zu einem verbesserten Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit.
  • Die Figuren 13a bis 13c zeigen jeweils einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung 200, wobei die Figur 13 a den Zustand vor dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels zeigt, die Figur 13b den Zustand nach dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Teils des rohrförmigen Metallmantels zeigt und Fig.13c nach einem weiteren lokalen Verdichtungsschritt, z.B. Hämmern in Sechskantform, ist.
  • Der erste Teil 211 des rohrförmigen Metallmantels 201 ist wie bei der elektrischen Heizvorrichtung 100 Bestandteil einer in bekannter Weise hergestellten elektrischen Heizvorrichtung 210, mit im Innenraum angeordnetem elektrischen Heizelement 212 in Gestalt eines gewendelten Widerstandsdrahts, das über elektrisch isolierendes Material 216 von dem ersten Teil 211 des rohrförmigen Metallmantels 201 isoliert ist. Zum Anschluss des elektrischen Heizelements 212 ist ein Anschlussdraht 213, der aus dem elektrischen Heizelement 212 stirnseitig herausragt, in die endständigen Wendeln des elektrischen Heizelements 212 eingeschoben und in diesem Beispiel an dem Schweißpunkt 214 mit ihm verbunden. Der eingeschobene Abschnitt des Anschlussdrahts 213 definiert so einen unbeheizten Übergangsbereich Ü1, und der Abschnitt des Anschlussdrahts 213, der innerhalb des ersten Teils 211 des rohrförmigen Metallmantels 201 verläuft, bildet einen ersten Teil U1 des unbeheizten Bereichs U der elektrischen Heizvorrichtung 200.
  • Der zweite Teil 221 des rohrförmigen Metallmantels 201 ist Bestandteil des zweiten Teils U2 des unbeheizten Bereichs U der elektrischen Heizvorrichtung 200. Der zweite Teil U2 des unbeheizten Bereichs U ist auch in diesem Beispiel aus einem Abschnitt einer Durchführung 220 hergestellt, deren äußerer Metallmantel als zweite Teil 221 des rohrförmigen Metallmantels 201 der elektrischen Heizvorrichtung 200 dient, wobei in dessen Innenraum ein Innenleiter 222 angeordnet ist, der durch ein elektrisch isolierendes Material 225 vom äußeren Metallmantel der Durchführung elektrisch isoliert ist. Der Innenleiter kann vorzugsweise aus Nickel oder Kupfer gefertigt sein.
  • Die Durchführung 220, die in diesem Beispiel ebenfalls aus einem Stangen- oder Endlosmaterial gefertigt ist, wurde hier aber ander als bei der elektrischen Heizvorrichtung 100 auf der Länge von diesem Stangen- oder Endlosmaterial abgetrennt, die der gewünschten Länge des zweiten Teils U2 des unbeheizten Bereichs entspricht. Ferner wurden bei der elektrischen Heizvorrichtung 200 in beide Stirnseiten des Innenleiters 222 Bohrungen 223,224 eingebracht, in die auf der einen Stirnseite der die Stirnseite des ersten Teils 211 des rohrförmigen Metallmantels 201 überragenden Abschnitts des Anschlussdrahts 213 eingebracht und auf der gegenüberliegenden Seite zur Bildung des Anschlusses 226 dient, der einfach in die Bohrung eingeführt und, wie in Figur 13c gezeigt ist, durch einen Press- oder Verdichtungsschritt presskontaktiert und fixiert wird. Dabei spielt die Reihenfolge, in der diese Schritte ausgeführt werden, keine Rolle.
  • Figur 13b zeigt eine Ansicht des Längsschnitts aus Figur 13a nach dem Zusammenfügen des ersten Teils 211 und des zweiten Teils 221 des rohrförmigen Metallmantels 201. Dabei wurden der erste Teil 211 und der zweite Teil 221 des rohrförmigen Metallmantels 201 stirnseitig aneinander positioniert und an der Verbindungsstelle 231 verschweißt oder verlötet.
  • Vorzugsweise wird an der elektrischen Heizvorrichtung 200, wie sie in Figur 13b gezeigt ist, ein weiterer Bearbeitungsschritt vorgenommen, dessen Ergebnis in Figur 13c deutlich wird: eine weitere Verdichtung, die auch als lokales Verpressen oder Nachverdichten bezeichnet werden kann, im Bereich der zweiten Teils 221 des rohrförmigen Metallmantels, vorzugsweise in dem Bereich, in dem sich die Bohrung 223 mit darin angeordnetem Abschnitt des Anschlussdrahts 213 befindet, aber beabstandet von der Verbindungsstelle 231. Dieser Bearbeitungsschritt kann konkret beispielsweise als eine Sechskantverdichtung, insbesondere durch Hämmern, ausgeführt werden und bringt die bereits oben diskutierten Vorteile mit sich.
  • Die Figuren 14 bis 17 zeigen unterschiedliche Zwischenstadien bei der Durchführung eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung 300.
  • Die elektrische Heizvorrichtung 300 unterscheidet sich grundsätzlich dadurch von den bislang diskutierten elektrischen Heizvorrichtungen 10,100 und 200, dass hier der erste Teil 311 des rohrförmigen Metallmantels 301 keinen ersten unbeheizten Abschnitt U1 und insbesondere auch keinen unbeheizten Übergangsabschnitt Ü1 aufweist. Es bildet also in seinem Innenraum lediglich über seine gesamte Länge hinweg den beheizten Bereich mit hier durch einen gewendelten Widerstandsdraht gebildetem elektrischem Heizelement 312 und elektrisch isolierendem Material 315.
  • Bei diesem Aufbau wird es möglich, die Länge des beheizten Bereichs frei zu wählen, indem das gewendelte Heizelement mit elektrisch isolierendem Material und rohrförmigem Metallmantel als Stangenmaterial bereitgestellt und davon ein Stück mit einer Länge, die der Länge des gewünschten beheizten Bereichs zuzüglich der Länge der unbeheizten Übergangsabschnitte entspricht und dann endseitig auf der den jeweiligen unbeheizten Übergangsabschnitten entsprechenden Länge der rohrförmige Metallmantel und das umgebende elektrisch isolierende Material mit einem Werkzeug 350 abgestochen werden, so dass ein Teil des gewendelten elektrischen Heizelements, das zur Bildung des unbeheizten Übergangsbereichs Ü1 verwendet wird, stirnseitig übersteht, wie dies in Figur 14 gezeigt ist.
  • Wie in Figur 15a zu erkennen ist, werden anschließend ein Anschlussdraht 313 und eine Durchführung 320, deren Metallmantel den zweiten Teil des rohrförmigen Metallmantels der elektrischen Heizvorrichtung 300 bildet, mit Innenleiter 322, Bohrung 323 und elektrisch isolierendem Material 325 bereitgestellt, die wie oben im Zusammenhang mit den elektrischen Heizvorrichtungen 100 bzw. 200 erläutert hergestellt werden kann.
  • Danach werden der Anschlussdraht 313 in den endseitigen Abschnitt des elektrischen Heizelements 312 eingeführt; dieser Abschnitt des elektrischen Heizelements 312 mit eingeführtem Anschlussdraht in die Bohrung 323 des Innenleiters 322 eingeführt und der erste Teil 311 des rohrförmigen Metallmantels 301 mit dem zweiten Teil 321 des rohrförmigen Metallmantels 301 auf Stoß verschweißt oder verlötet, was zu dem in Figur 16 gezeigten Zwischenstadium führt.
  • Ein weiterer lokaler Verdichtungsprozess, z.B. durch Hämmern in Sechskantform, wird dann im unbeheizten Übergangsbereich Ü1 vorgenommen, wodurch hier einerseits die Homogenisierung des elektrisch isolierenden Materials im Übergangsbereich zwischen dem ersten Teil 311 des rohrförmigen Metallmantels 301 und dem zweiten Teil 321 des rohrförmigen Metallmantels 301 und andererseits eine innige Presskontaktierung zwischen elektrischem Heizelement 312, Anschlussbolzen 313 und Innenleiter 322 bewirkt werden, wie man es auch in der Figur 17a erkennen kann.
  • In den Figuren 15b und 17b wird jeweils das den Figuren 15a bzw. 17a entsprechenden Zwischenstadium in einer zweiten Variante dargestellt, die sich von der Variante der Figuren 15a und 17a lediglich dadurch unterscheidet, dass ein gestufter Anschlussbolzen 313' statt des Anschlussbolzens 313 verwendet wird und dementsprechend die Bohrung 323 durch eine gestufte Bohrung 323' ersetzt wird. Der dünnere Abschnitt 313a' des gestuften Anschlussbolzens 313'wird dabei nachdem er in den Abschnitt 323a'der gestuften Bohrung 323'eingeführt wurde ebenfalls einem lokalen Verdichtungsprozess unterzogen und dadurch unmittelbar presskontaktiert, während bei dem anderen Abschnitt des gestuften Anschlussbolzens 313'eine Presskontaktierung zur Bohrung 323' lediglich mittelbar über das elektrische Heizelement 312 erfolgt.
  • Da sonst keine Unterschiede vorhanden sind, wurden ansonsten die Bezugszeichen aus den Figuren 15a und 17a verwendet, und für die Beschreibung der sonstigen aus den Figuren 15b und 17b enthaltenen Aspekte wird auf die entsprechende Beschreibung zu den Figuren 15a und 17a verwiesen.
  • Die Figuren 18 bis 21 zeigen unterschiedliche Zwischenstadien bei der Durchführung eines weiteren Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung 400.
  • Genau wie bei der elektrischen Heizvorrichtung 300 weist bei der elektrischen Heizvorrichtungen 400 der erste Teil 411 des rohrförmigen Metallmantels 401 keinen ersten unbeheizten Abschnitt U1 und insbesondere auch keinen unbeheizten Übergangsabschnitt Ü1 auf. Es bildet also in seinem Innenraum lediglich über seine gesamte Länge hinweg den beheizten Bereich mit hier durch einen gewendelten Widerstandsdraht gebildetem elektrischem Heizelement 412 und elektrisch isolierendem Material 415.
  • Wie bei der elektrischen Heizvorrichtung 300 bzw. deren Herstellung wird das gewendelte Heizelement mit elektrisch isolierendem Material und rohrförmigem Metallmantel als Stangenmaterial bereitgestellt und dann endseitig auf der den jeweiligen unbeheizten Übergangsabschnitten entsprechenden Länge der rohrförmige Metallmantel und das umgebende elektrisch isolierende Material mit einem Werkzeug 450 abgestochen, so dass ein Teil des gewendelten elektrischen Heizelements, das zur Bildung des unbeheizten Übergangsbereichs Ü1 verwendet wird, stirnseitig übersteht, wie dies in Figur 18 gezeigt ist.
  • Wie in Figur 19 zu erkennen ist, wird anschließend eine Durchführung 420, deren Metallmantel den zweiten Teil 421 des rohrförmigen Metallmantels 401 der elektrischen Heizvorrichtung 400 bildet, mit Innenleiter 422, stirnseitig in den Innenleiter 422 eingebrachter Ringnut 423 und elektrisch isolierendem Material 425 bereitgestellt. Anders als im entsprechenden Schritt, der in Figur 15 abgebildet ist, wird also kein separater Anschlussdraht benötigt.
  • Danach werden der endseitigen Abschnitt des elektrischen Heizelements 412 in die Bohrung 423 des Innenleiters 422 eingeführt und der erste Teil 411 des rohrförmigen Metallmantels 401 mit dem zweiten Teil 421 des rohrförmigen Metallmantels 401 auf Stoß verschweißt oder verlötet, was zu dem in Figur 20 gezeigten Zwischenstadium führt.
  • Ein weiterer lokaler Verdichtungsprozess, z.B. durch Hämmern in Sechskantform, wird dann im unbeheizten Übergangsbereich Ü1 vorgenommen, wodurch hier einerseits die Homogenisierung des elektrisch isolierenden Materials im Übergangsbereich zwischen dem ersten Teil 411 und dem zweiten Teil 421 des rohrförmigen Metallmantels und andererseits eine innige Presskontaktierung zwischen elektrischem Heizelement 412 und Innenleiter 422 bewirkt werden, wie man es auch in der Figur 21 erkennen kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 10,100,110,200,210, 300,400
    elektrische Heizvorrichtung
    11,101,201,301,401
    mehrteiliger rohrförmiger Metallmantel
    11.1,111,211,311,411
    erster Teil (des Metallmantels)
    11.2,121,221,321,421
    zweiter Teil (des Metallmantels)
    12,12',12",112,212, 312,412
    elektrisches Heizelement
    12.1,12.1"
    Abschnitt
    13,113,213,313
    Anschlussdraht
    313'
    gestufter Anschlussdraht
    313a'
    Abschnitt
    14
    Anschlusshülse
    15
    Anschlussbolzen
    15.1
    Öffnung
    16,115,215,315,415
    elektrisch isolierendes Material
    17,125,225,325,425
    elektrisch isolierendes Material
    18
    Stopfen
    111a
    Endbereich
    113a
    Gewinde
    121a
    Endbereich
    123a
    Gegengewinde
    114,214
    Schweißpunkt
    120,220,320,420
    Durchführung
    122,222,322,422
    Innenleiter
    123,223,224,323
    Bohrung
    323'
    gestufte Bohrung
    323a'
    Abschnitt
    131,231,331,431
    Verbindungsstelle
    132
    Hohlraum
    133
    Ring
    226
    Anschluss
    350,450
    Werkzeug
    423
    Ringnut
    A
    Länge (eines Anschlusses)
    B
    beheizter Bereich
    U
    unbeheizter Bereich
    U1
    erster Teil (des unbeheizten Bereichs)
    U2
    zweiter Teil (des unbeheizten Bereichs)
    Ü1
    unbeheizter Übergangsbereich
    W1,W2
    Wendelachse

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) mit einem elektrischen Heizelement (12,12', 12",112,212,312,412), das im Inneren eines mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301, 401) in ein elektrisch isolierendes Material (16,17,115, 125,215,225,315,325,415,425) eingebettet angeordnet ist, wobei die elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) innerhalb des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401))
    - an mindestens einem Ende einen unbeheizten Bereich (U) aufweist, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) der elektrische Strom zumindest auch durch mindestens einen Anschlussdraht (13,113,213, 313), und/oder mindestens eine Anschlusshülse (14) und/oder mindestens einen Anschlussbolzen (15), der in elektrischem Kontakt mit dem elektrischen Heizelement (12,12',12",112,212,312,412) steht, fließt und ferner
    - einen beheizten Bereich (B) aufweist, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) der elektrische Strom lediglich durch einen in dem beheizten Bereich (B) verlaufenden Abschnitt des elektrischen Heizelements (12,112,212,312,412) fließt,
    wobei bei dem Verfahren
    - in einem ersten Verfahrensabschnitt in einem ersten Teil (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) der beheizte Bereich (B) hergestellt und verdichtet wird,
    - in einem unabhängig von dem ersten Verfahrensabschnitt durchgeführten zweiten Verfahrensabschnitt zumindest ein Abschnitt des unbeheizten Bereichs (U) in einem zweiten Teil (11.2,121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) hergestellt wird, und der erste Teil (11.1,111,211,311,411) und der zweite Teil (11.2,121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) miteinander verbunden werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensabschnitt der zweite Teil (11.2,121,221,321, 421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101, 201,301,401) mit den darin angeordneten Komponenten verdichtet wird, wobei die zweite Verdichtung so ausgeführt wird, dass durch den entstehenden axialen Pressdruck ein nahezu homogener Übergangsbereich zwischen dem elektrisch isolierenden Material (16,115,215,315,415) in Bereichen, die der Verdichtung im ersten Verfahrensabschnitt unterworfen wurden und dem elektrisch isolierenden Material (17,125,225,325,425) in Bereichen, die der zweiten Verdichtung im zweiten Verfahrensabschnitt unterworfen wurden, entsteht.
  2. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach Anspruch 1,
    dadurchgekennzeichnet, dass in dem ersten Verfahrensabschnitt
    - der im beheizten Bereich (B) verlaufende Abschnitt des elektrischen Heizelements (12, 12',12",112,212,312,412) in einem ersten Teil (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) positioniert wird,
    - das elektrisch isolierende Material (16,115,215,315,415) in diesen Bereich des ersten Teils (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201, 301,401) eingebracht wird, so dass der im ersten Teil (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) angeordnete Abschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12",122,222,322,422) durch das elektrisch isolierende Material (16,115,215,315,415) isoliert wird, und
    - der erste Teil (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) verdichtet wird.
  3. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) hergestellt wird, bei der der unbeheizte Bereich (U) einen unbeheizten Übergangsbereich (Ü1) umfasst, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300, 400) der elektrische Strom gleichzeitig sowohl durch den mindestens einen Anschlussdraht (13,113,213,313) und/oder Anschlussbolzen (15) als auch durch einen in dem unbeheizten Übergangsbereich (Ü1) verlaufenden Abschnitt (12.1,12.1") des elektrischen Heizelements (12,12',12") fließt, der in elektrischem Kontakt mit dem Anschlussdraht (13,113,213,313) und/oder der Anschlusshülse (14) und/oder dem Anschlussbolzen (15) steht, und dass bei dem Verfahren in dem unabhängig von dem ersten Verfahrensabschnitt durchgeführten zweiten Verfahrensabschnitt zumindest ein Abschnitt des unbeheizten Bereichs (U) einschließlich mindestens eines Teils des unbeheizten Übergangsbereichs (Ü1) geschaffen wird, indem ein Abschnitt (12.1,12.1") des elektrischen Heizelements (12,12,',12") mit daran angeordnetem Anschlussdraht (13,113,213,313) und/oder daran angeordneter Anschlusshülse (14) und/oder daran angeordnetem Anschlussbolzen (15) in einen zweiten Teil (11.2,121, 221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11) eingeführt wird, indem das elektrisch isolierende Material (17,125,225,325,425) in den zweiten Teil (11.2,121, 221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) eingebracht wird, so dass der im zweiten Teil (11.2,121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) angeordnete Abschnitt (12.1,12.1") des elektrischen Heizelements (12,12',12") in das elektrisch isolierende Material (17, 125,225,325,425) eingebettet wird.
  4. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400)nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensabschnitt ein Anschlussdraht (13,113,213,313) in eine elektrisch leitende Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) gebracht wird, und/oder dass im ersten Verfahrensabschnitt eine Anschlusshülse (14) aus Metall in eine elektrisch leitende Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12" ,112,212,312,412) gebracht wird.
  5. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (12,12',12",112,212,312,412) gewendelt wird, und zwar so, dass ein Endabschnitt (12.1,12.1',12,1") des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) einen kleineren Wendeldurchmesser aufweist als ein Abschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412), der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300, 400) im beheizten Bereich (B) liegt.
  6. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des zweiten Teils (11.2,121,221,321,421)des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) eine Durchführung (120,220,320,420), die einen elektrisch von einem Außenrohr aus Metall isolierten Innenleiter (122,222,322,422) aufweist, verwendet wird.
  7. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenleiter (122,222,322,422) des zweiten Teils (11.2,121, 221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) auf der dem ersten Teil (11.1,111, 211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) zugewandten Seite spanend bearbeitet, mit einer Ringnut versehen oder angebohrt ist und dass der elektrischen Kontakt zum elektrischen Heizelement (12,12',12",112,212,312,412) direkt oder über dessen Anschlussdrähte (13,113,213,313), hergestellt wird, indem ein Abschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12", 112,212,312,412) oder von dessen Anschlussdraht (13,113,213,313) in den so bearbeiteten Abschnitt des Innenleiters (122,222,322,422) des zweiten Teils (11.2, 121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) eingeführt und presskontaktiert ist.
  8. Elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400), die nach einem Verfahren gemäß eines der Ansprüche 1 bis 7 herstellbar ist, mit einem elektrischen Heizelement (12,12',12",112,212,312,412), das im Inneren eines mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401), der einen ersten Teil (11.1,111,211,311,411) und einen zweiten Teil (11.2,121,221,321,421) aufweist, in ein elektrisch isolierendes Material (16,17,115,125,215,225, 315,325,415,425) eingebettet angeordnet ist, wobei die elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) innerhalb des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201, 301,401)
    - an mindestens einem Ende einen unbeheizten Bereich (U) aufweist, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) der elektrische Strom zumindest auch durch mindestens einen Anschlussdraht (13,113,213, 313) und/oder mindestens eine Anschlusshülse (14) und/oder mindestens einen Anschlussbolzen (15), der/die in elektrischem Kontakt mit dem elektrischen Heizelement (12,12', 12",112,212,312,412) steht, fließt, und ferner
    - einen beheizten Bereich (B) aufweist, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) der elektrische Strom lediglich durch einen in dem beheizten Bereich (B) verlaufenden Abschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) fließt, wobei der beheizte Bereich (B) im ersten Teil (11.1) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) angeordnet ist und der unbeheizte Bereich (U) in einem zweiten Teil (11.2,121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (11.2,121, 221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) mit den darin angeordneten Komponenten so verdichtet ist, dass ein nahezu homogener Übergangsbereich zwischen dem elektrisch isolierenden Material (16,115,215,315,415) im ersten Teil (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201, 301,401) und dem elektrisch isolierenden Material im zweiten Teil (11.2,121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301, 401) vorhanden ist.
  9. Elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der unbeheizte Bereich (U) einen unbeheizten Übergangsbereich (Ü1) umfasst, in dem bei Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) der elektrische Strom gleichzeitig sowohl durch den mindestens einen Anschlussdraht (13,113,213,313,413) und/oder die mindestens einen Anschlusshülse (14) und/oder den mindestens einen Anschlussbolzen (15) als auch durch einen in dem unbeheizten Übergangsbereich (Ü1) verlaufenden Abschnitt (12.1) des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) fließt, der in elektrischem Kontakt mit dem Anschlussdraht (13,113,213,313,413) und/oder der Anschlusshülse (14) und/oder dem Anschlussbolzen (15) steht.
  10. Elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussdraht (13) in einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) steht.
  11. Elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlusshülse (14) aus Metall in einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem Endabschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) steht.
  12. Elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (12,12',12",112,212,312,412) derart gewendelt ist, dass ein Endabschnitt (12.1,12.1") des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) einen kleineren Wendeldurchmesser aufweist als ein Abschnitt des elektrischen Heizelements (12,12',12",112, 212,312,412), der bei der fertigen elektrischen Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) im beheizten Bereich (B) liegt.
  13. Elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (11.2,121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) mit einem lichten Querschnitt, der die Außenkontur des ihm zugewandten Endabschnitts des ersten Teils (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen Metallmantels (11,101,201,301,401) zumindest nach dem Verdichten im ersten Verfahrensabschnitt aufnehmen kann, auf diesen Endabschnitt des ersten Teils (11.1,111,211,311,411) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401) aufgeschoben und dort befestigt ist.
  14. Elektrische Heizvorrichtung (10,100,200,300,400) nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312, 412) mit daran angeordnetem Anschlussdraht (13,113,213, 313) und/oder mit daran angeordneter Anschlusshülse (14) von der einen Seite in den zweiten Teil (11.2,121,221,321, 421)) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101, 201,301,401) eingeführt ist und ein Anschlussbolzen (15) mit einer Öffnung (15.1) zum Aufnehmen dieses Teils des elektrischen Heizelements (12,12',12",112,212,312,412) mit daran angeordnetem Anschlussdraht (13,113,213,313) und/oder mit daran angeordneter Anschlusshülse (14) von der gegenüberliegenden Seite in den zweiten Teil (11.2,121,221,321,421) des mehrteiligen rohrförmigen Metallmantels (11,101,201,301,401)) eingeführt und mit der Öffnung (15.1) auf diese Teil des elektrischen Heizelements mit daran angeordnetem Anschlussdraht (13,113,213, 313,413) und/oder mit daran angeordneter Anschlusshülse (14) aufgeschoben ist.
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