EP4289225A1 - Verfahren zur herstellung einer rohrförmigen heizpatrone für elektrische heizvorrichtungen, heizelementrohling für eine solche heizpatrone sowie heizpatrone - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer rohrförmigen heizpatrone für elektrische heizvorrichtungen, heizelementrohling für eine solche heizpatrone sowie heizpatrone

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Publication number
EP4289225A1
EP4289225A1 EP22707645.2A EP22707645A EP4289225A1 EP 4289225 A1 EP4289225 A1 EP 4289225A1 EP 22707645 A EP22707645 A EP 22707645A EP 4289225 A1 EP4289225 A1 EP 4289225A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating
heating element
element blank
metal housing
cartridge
Prior art date
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Pending
Application number
EP22707645.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schlipf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tuerk and Hillinger GmbH
Original Assignee
Tuerk and Hillinger GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tuerk and Hillinger GmbH filed Critical Tuerk and Hillinger GmbH
Publication of EP4289225A1 publication Critical patent/EP4289225A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/44—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
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    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • H05B3/52—Apparatus or processes for filling or compressing insulating material in tubes

Definitions

  • Electric cartridge heaters have been known for many years. As a rule, they have at least one tubular metal jacket, in the interior of which at least one heating conductor is arranged. The space between the heating conductor and the metal jacket is regularly lined with a material that conducts heat well but is electrically insulating, such as e.g. B. Magnesium oxide, filled to prevent unwanted electrical contact between the heating conductor and the metal sheath.
  • cartridge heaters are known that have at least two lead-out leads to the heating conductor on one side of the metal jacket.
  • cartridge heaters are also used in which at least one supply line to the heating conductor protrudes from the respective end faces of the cartridge heater.
  • heating cartridges are known in which the metal housing itself serves as one of the supply lines.
  • the essential element of these heating cartridges is the inside of the metal jacket or Heat conductor located in the metal housing.
  • These electrical heating elements with which electrical energy is converted into heat, are usually produced by providing a heating conductor material in the form of a wire and this wire - if it is not used stretched anyway - either towards a carrier or freely a space curve is bent, wrapped or coiled.
  • a heating conductor material in the form of a wire and this wire - if it is not used stretched anyway - either towards a carrier or freely a space curve is bent, wrapped or coiled.
  • the aim of the present invention is to specify a method that is very simple in terms of production technology and is therefore cost-effective for the production of a tubular heating cartridge for electrical heating devices that is also very small in size and is suitable for reducing the aforementioned problems.
  • the method should ensure reproducible electrical values of the heating cartridge in the simplest possible way, ie it should be particularly suitable for mass production.
  • Another object of the invention is a suitable heating element or. to provide a suitable heating element blank that can be used in a simple manner for the aforementioned method. This object is achieved by a heating element blank according to claim 13.
  • the method according to the invention for producing a tubular heating cartridge for electrical heating devices is distinguished by the following method steps:
  • a heating element blank that can be mass-produced in this way and has a specific length and height is inserted into the interior of the tubular metal housing.
  • Electrically insulating material for example insulating granules, in particular magnesium oxide granules, ceramic granules or boron nitride granules, is then filled into the tubular metal housing.
  • insulating granulate instead of this insulating granulate, however, it is also possible to fill the space between the heating element blank and the metal housing with a tubular, porous ceramic material.
  • a particularly porous ceramic rod can also be inserted into the intermediate space of the heating element blank.
  • the insulation granules or the porous ceramic material such that the ultimately desired geometric shape of the heating element blank and / or the tubular heating cartridge with the metal housing and thus the electrical values can also be set to the desired final size .
  • the geometric shape of the heating element blank usually changes to an overall length that is increased compared to the original heating element blank.
  • the height or the diameter of the heating element blank is always reduced after compression compared to the height of the heating element blank previously inserted into the metal housing.
  • the tubular metal housing of the cartridge heater After compression, the heating cartridge with its metal housing usually has an increased length, but always a reduced height or width. a reduced diameter. The ohmic resistance of the heating element blank or the heating cartridge.
  • the method according to the invention for producing the heating cartridge is designed in such a way that the desired geometric shape, in particular of the metal housing and its ohmic setpoint values, are achieved.
  • the metal housing Before closing, it must be ensured that sufficient material to be compacted is filled into the metal housing so that there are no empty spaces or poorly compacted areas within the metal housing in order to achieve optimum compaction and thus good heat transfer from the heating element blank to the metal housing develop .
  • the insulating material which is usually present as granules, is, as mentioned, e.g. B. Magnesium oxide granules, increased from an original density by about 10% to 50% seals or is baked together.
  • the insulating granulate lies with an increased degree of filling inside the metal housing after compacting with the method according to the invention and the cut edges of the heating element blank are thus optimally covered there.
  • the result is optimal heat dissipation from the cut edges of the heating element blank to the metal housing.
  • the heating element blank is separated from a plate-shaped body.
  • the heating conductor structure is first separated from the plate-shaped body and in a subsequent step the cut or etched-out heating conductor structure is bent in a suitable manner in order to provide the ultimately desired structure and shape of a heating element blank.
  • a heating conductor track structure can be separated from the plate-shaped body, which has, for example, two meandering heating conductor tracks connected via a connecting web and these two heating conductor track structures each have line ends.
  • the two heating conductor track structures are then bent in an arc, preferably around a central axis, and a bend of 180° is also provided on the connecting web. In this way, very small heating element blanks can be produced.
  • Suitable heating element blanks as they can be separated from plate-shaped or tubular bodies, are detailed in the applicant's German patent application no. 10 2019 127 753 . 1 disclosed and described. For the purpose of disclosure, reference is made here in its entirety to this German patent application and the heating element blanks described there and their manufacturing processes are incorporated into the present patent application by reference.
  • suitable contact connections are attached to the conductor track ends of the heating element blank, which are led out of the metal housing of the heating cartridge at the front.
  • the contact connections can only be carried out at one longitudinal end of the heating cartridge, but also at both ends.
  • the heating element blank can be made from the plate-shaped or tubular body by means of laser cutting, water jet cutting, micro water jet cutting, etching, punching, sawing, milling, drilling, turning, grinding or the like. Particularly fine cuts and thus little material loss are possible using laser cutting, etching and micro water cutting.
  • the compression takes place in such a way that the length of the heating element blank and/or the metal housing of the heating cartridge is increased by between z. B. about 1% to about 25% and / or a height reduction of z. B. about 3% to about 45%.
  • the heating element blank has slots with opposing cutting has surfaces which are arranged orthogonally to the tubular wall of the metal housing.
  • the cut surfaces are parallel to each other.
  • the slits can also be selected in such a way that they are placed parallel to one another at an angle a to an orthogonal plane of the tubular wall of the metal housing or else at different angles to one another.
  • the heating element blank after its processing or. is provided with an enlarged surface structure after assembly because the heating element blank after compression has unevenly distributed embossing on its surfaces and also on its cut surfaces.
  • embossings create a larger, heat-dissipating surface of the strip heating conductor or of the heating element ensured. This is achieved by a positive flow of heat between the heating element blank and the insulating material.
  • the compaction also ensures a high contact pressure and a larger heat-transferring surface between the heating element blank and the insulating material, which ensures good fixation of the entire heating cartridge and its contents. Such good fixation is necessary because the heating cartridges are regularly exposed to vibrations, impacts and alternating thermal stresses and without this good fixation it would be possible for the components inside the heating cartridge to slip.
  • the heating element blank which is formed from a plate-shaped or tubular electrically conductive body, is coated with a ceramic material before it is inserted into the metal housing.
  • a ceramic material Preferably for this Layering provided a porous ceramic material.
  • Such a ceramic coating of the heating element blank makes it possible during the manufacturing process of the heating cartridge to dispense with centering devices that were previously necessary when assembling the heating cartridge.
  • the heating insert i.e. the heating element blank, always had to be kept at a sufficient distance from the cartridge base and the wall of the jacket housing in order to center the structure of cartridge heaters. This was achieved through the use of special filling machines with centering devices or ceramic spacers were previously used.
  • heating cartridges consist of a simple metal tube as a metal housing and are closed at the end with a cover.
  • hollow cartridges are characterized by a double-walled tube, with the heating element blank and the insulating material mentioned being filled in between an inner tube and an outer tube.
  • Such heating cartridges with a double-walled, tubular metal housing are closed at the end with an annular cover.
  • Such cartridge heaters with double-walled Tube i.e. hollow cartridges, are predestined in particular for heating cylindrical bodies, but also as continuous-flow heaters for fluids or gases.
  • FIG. 1A a first exemplary embodiment of a heating cartridge according to the invention in a partially broken sectional view before compression
  • FIG. 1B the heating cartridge shown in FIG. 1A after compression
  • FIG. 1C sectional views of FIG. 1A, i.e. before compression
  • Fig. IE a detailed view of Figure 1C
  • FIG. 1F a detailed view of figure ID
  • Fig. IG a detailed view of the heating cartridge from FIG. 1A in the area of a slot with cut edges running perpendicular to the metal housing,
  • FIG. 1H a representation similar to FIG. 1G with cutting edges running obliquely and parallel to one another
  • Fig. II a similar representation to figure IG with cutting edges inclined to each other
  • Fig. 2A shows a second exemplary embodiment of a heating cartridge in FIG. 5, partially in a broken view before compaction
  • FIG. 2B the second exemplary embodiment of a heating cartridge according to the invention in a partially broken sectional view after compression
  • FIG. 2C Sectional views of FIG. 2A and associated partial view according to a section D-D, FIG. 2D different sectional views of the heating cartridge shown in Figure 2A after compression,
  • FIG. 2D sectional views for FIG. 2A and associated partial view according to a section D-D
  • FIG. 3A a third exemplary embodiment of a heating cartridge in an exploded view
  • Fig. 3B is a sectional view of FIG. 3A before the heating cartridge is compressed
  • Fig. 3C is a sectional view of the cartridge heater of FIG. 3A after compression
  • FIG. 4 a tubular body from which a heating element blank according to FIGS. 1A to 1F was cut out
  • Fig. 5 a perspective view of a heating element blank, as used in the exemplary embodiment in FIGS. 2A to 2D,
  • Fig. 6A a plate-shaped body from which a heating element structure is cut out
  • Fig. 6B shows a heating element structure separated from FIG. 6A
  • Fig. 6C a heating element blank bent from the heating element structure of FIG. 6D
  • FIG. 7A another exemplary embodiment of a heating element blank in a perspective view
  • FIG. 7B a heating cartridge of a further exemplary embodiment in a partially broken view with an inserted heating element blank according to FIG. 7A,
  • Fig. 7C shows a detailed representation of the area E from FIG. 7B
  • FIG. 8 different sectional representations of the heating conductor according to the heating element blank of FIG. 7A with indentations made
  • FIG. 9 Representations A to E in FIG. 9 show the heating element blank already known from FIG. 6 in various process steps according to the method according to the invention
  • FIG. 10 another exemplary embodiment of a heating cartridge according to the invention, which is designed as a hollow cartridge, in different views, and
  • Fig. 11 shows a representation similar to that in FIGS. 7A, 7B and 70, the heating cartridge being designed as a hollow cartridge, however.
  • FIG. 1A shows a heating cartridge 100 for electrical heating devices in a partially broken view.
  • a heating cartridge 100 can be used, for example, in medical technology, the automotive industry, laboratory and analysis technology and in packaging machines. Thanks to the possibility of being able to build such cartridge heaters 100 very small, z. B. miniaturized plastic spray nozzles can be heated using heating channel technology.
  • the cartridge heater 100 shown in FIG. 1A is shown in a state in which the cartridge heater 100 is not yet completely finished.
  • the crucial step of compaction which is still to be explained below, has not yet taken place in the representation of FIG. 1A.
  • the heating cartridge 100 already has all the components required for subsequent operation.
  • the heating cartridge 100 in FIG. 1A has a tubular metal housing 20 which is closed at its left end with a cover 21 and at its right end with a second cover 23 preferably made of insulating material.
  • the cover 21 can be connected in one piece to the tubular housing wall of the metal housing 20 den, but also as a separate part on the metal housing
  • the metal housing 20 are attached. Within the metal housing 20 is located centrally to a longitudinal axis 12 or. center axis on
  • Heating element blank 130 with a heating conductor structure or. a heating conductor 132 having a plurality of slots 133 , 134 and 137 .
  • This heating element blank 130 has two meandering courses of a heating conductor track structure, both of which are connected to one another via a connecting web 136 in the vicinity of the cover 21 of the metal housing 20 shown on the left.
  • the aforementioned heating conductor track structure is provided with widened conductor track ends 135, to which contact terminals 40, 42 are electrically conductively connected.
  • the contact terminals 40 , 42 are routed through corresponding openings in the cover 23 and project out of the cover 23 on the right in the illustration in FIG. 1A.
  • the heating element blank 130 shown in FIG. 1A is separated from a metallic, tubular body by methods suitable for this purpose.
  • FIG. 4 shows such a metallic tubular body 160 with cutting lines 150 through which the heating element blank 130 can be separated from the tubular body 160 .
  • the tubular body 160 can have any length, so that several heating element blanks 150 can be cut out of this tubular body 160 one after the other according to the cut lines 150 introduced.
  • FIG. 4 also shows slot areas 133′, 134 and 137′, in which the material of the tubular body 160 is present in the illustration in FIG. However, this material is separated out after the slots 150 have been made and forms cutting waste. After this When these slit areas 133', 134', 137' are cut out, the heating element blank 130 shown in FIG. 1A with the slits 133, 134 and 137 remains.
  • FIG. 1A and also FIG. 4 describe a specific form of a heating element blank 130 .
  • the present invention is not limited to such a design of the heating element blank 130 . Rather, there are very different variants for producing such a heating element blank 150, which can be cut out not only from a tubular body, but also as a plate-shaped body.
  • German patent application DE 10 2019 127 753. 1 of the applicant in which a wide variety of variants for producing a heating element blank from a plate-shaped or tubular body is described. All the variants mentioned there are also suitable for use in a heating cartridge, as will be explained further, within the scope of the present invention.
  • This heating element blank 130 has a heating conductor track structure which is denoted by a length L1 in FIG. 1A.
  • the diameter or the height of this heating element blank 130 is marked with the reference number Kl.
  • the length of the entire heating cartridge 100 is L2.
  • the outer diameter of the heating cartridge 100 is K2.
  • in the space between Schuelementrohling 130 and metal housing 20 is an insulating, suitable for compression and than
  • Material suitable for heat conductor filled As a material This is particularly useful for insulating granules, such as e.g. B. MgO granules, ceramic granules and also boron nitride granules.
  • the heating cartridge 100 prepared according to FIG. 1A is subjected to a special compression process after the insulation granules 50 have been filled in, so that optimal heat conduction from the heating element blank 130 to the metal housing 20 is possible.
  • the heating cartridge 100 prepared from FIG. 1A is exposed to high and high pressures from the outside. This is indicated in FIG. 1B by the arrows labeled T.
  • This pressure can, for example, via rollers or suitable rolling machines or suitable pressing methods, for example via press jaws.
  • the purpose of this compression is to ultimately produce a heating cartridge 100 that has the desired electrical parameters and also the intended geometric dimensions. The compression is therefore carried out until, on the one hand, the material 50 to be compressed is maximally compressed in an optimal manner and the heating cartridge 100 has reached its planned final dimensions.
  • both the heating element blank 130 and the entire heating cartridge 100 each extend to a length L3 or L4.
  • both the heating element blank 130 and the heating cartridge 100 experience a change in height, namely a reduction in height to the height K3 of the heating element blank 130 and to a height K4 of the metal housing 20 .
  • the cover 21 arches inwards in the direction of the heating element blank 130, as shown in FIG. 1C.
  • the opposite lid 23 undergoes a change in thickness.
  • Slots 133, 134 and 137 also vary in width.
  • the slots 133, 134 between the meandering course of the heating conductor track structure are thus widened, as shown in the two detail views detail A in FIG. 1C before compression and in FIG. ID after compression.
  • the slots 133, 134 become wider, while the slot 137, which is machined parallel to the longitudinal axis 120 in the heating element blank 130, becomes narrower.
  • the slot width of this longitudinal slot 137 is indicated in the sections BB of FIG. 1C and DD in FIG.
  • the cross section of a heating conductor of the heating element structure of the heating element blank 130 also undergoes a change in thickness, namely an increase in thickness, as a result of the compression, as shown by the reference symbols A1, A2, A3 and A5 in FIGS. 1C and FIG.
  • the wall of the metal housing 20 also undergoes a change in thickness according to the reference symbols A4 and A6 in FIG. 1C and FIG.
  • FIGS. 1F and 1F show the change in thickness of the cross sections of the heating element conductor structure of the heating element blank 130, enlarged again.
  • the metal housing 20 of the heating cartridge is enlarged in the area of a slot 133 of the heating element blank 130. ßert shown.
  • a section of the heating conductor 132 can be seen with two coils shown in section, which are separated by the slot 133 .
  • the heating conductor 132 has an upper surface 137 and a lower surface 138 which is closer to the longitudinal axis 12 . Both surfaces 137 and 138 are parallel to each other and also parallel to the inner wall of the tubular metal housing 20 .
  • the cut surface 139 connecting the two surfaces 137 and 138 lies parallel to the opposite cut surface of the heating conductor 132 . Both cut surfaces 139 are parallel to a cut surface F, which is aligned orthogonally to the tubular wall of the metal housing 20 .
  • the right angle is indicated in figure 1G with the reference sign a.
  • the cut surfaces 139 result from the cutting out of the previously mentioned tubular or plate-shaped body.
  • FIG. 1H Another exemplary embodiment is shown in FIG. 1H, in which the cut edges are not arranged parallel to the surface F, but are aligned parallel to one another.
  • the angle a of the cutting edges 139 is now approximately 130°.
  • the cut edges 139 of the opposing heating conductors 132 are aligned parallel to one another.
  • Cut surfaces 139 can be aligned with one another, FIG. II shows. Here the cut surfaces 139 are not aligned parallel to one another, but at an angle to one another.
  • the cutting edge 139 shown on the left in FIG. 11 has the cutting angle a as in FIG. 1H.
  • the opposite cutting surface has an angle of -a to the surface F.
  • cutting angles a can be chosen which are between 15° and 165° in relation to the cutting plane F are . Cutting angles of 30° to 150° are more favorable, cutting angles of 60° to 120° are particularly favorable. The oblique selection of these cutting angles in relation to the cutting plane F increases the surface area of the cutting surfaces 139 and thus also reduces the stress on the cutting edges during compaction.
  • FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D A second exemplary embodiment of a heating cartridge 200 according to the invention is shown in FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D.
  • This heating cartridge 200 essentially differs from the heating cartridge 100 described above in that a differently designed heating element blank 230 is used.
  • the heating element blank 230 is now equipped with a bifilar heating conductor structure, but, as the detailed representation of FIG. Suitable separating methods are, for example, laser cutting, water jet cutting, micro water jet cutting, etching, punching or sawing.
  • FIG. 5 again shows the separating or Cutting lines 250 and those areas 234 ′ and 240 which represent cutting waste after separation from the tubular body 260 .
  • FIG. 5 shows the broadened conductor track ends 235 and the heating conductor tracks 232 of the heating element blank 230.
  • the heating conductor track structure shown in FIG. 5 has a U-shaped connecting web 236, on which the outgoing heating conductor turn reverses again.
  • FIG. 2A shows this heating element blank 230 inserted into the metal housing 20 with a spiral slot 234, the two conductor track ends 235 electrically connected to the contact connections 40, 42, the connection binding web 236 and the heating conductor track structure 232 .
  • the heating element blank 230 is in turn surrounded by insulating granules to be compressed.
  • FIG. 2A shows the heating cartridge 200 prior to compression.
  • FIG. 2B shows the heating cartridge 200 shown in FIG. 2A after compression has taken place.
  • the height reductions from K1 to K3 of the heating element blank 130 and the metal housing 20 from K2 to K4 appear again.
  • the resulting changes in length of the heating element blank 230 and the metal housing 20 are again marked in FIG. 2B by the reference symbols L3 and L4.
  • FIGS. 2C and 2D again show details on this.
  • the changes in cross section of the heating conductor track structure of the heating element blank 230 are marked with the reference symbols A7 to A12.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C A third exemplary embodiment of a heating cartridge 300 is shown in FIGS. 3A, 3B and 3C.
  • This heating cartridge 300 differs from the two aforementioned exemplary embodiments in one essential point, namely in the realization of the material to be compressed inside the metal housing 20 .
  • the heating cartridge 300 has the already known metal housing 20 with the two covers 21 and 23 .
  • the heating element blank 230 from the second exemplary embodiment is used here by way of example as the heating element blank 230 .
  • an insulating rod 312 is now pushed into the interior of the heating element blank 230 and additionally between the metal housing 20 and the outer circumference of the heating element blank 230 insulating tube 310 used.
  • the insulating rod 312 and the insulating tube 310 can each z. B. consist of a porous ceramic material.
  • heating cartridge 300 is then filled into the remaining space I with insulating granulate 50, as described above, in order to avoid any dead space, i.e. space filled with air, as far as possible.
  • the interior of the heating cartridge 300 filled in this way is then subjected to a compression process, which is again indicated by the arrows P in FIG. 3C.
  • the heating element blank 130, 230 was cut out of a tubular body 160, 260, it is also within the scope of the present invention for the heating element blank to be cut out of a plate-shaped material.
  • FIG. 6A shows, for example, a metallic plate made of copper material or the like in a side view. Such a plate can also be separated from a metal strip that has been wound on.
  • a heating conductor track structure for example, as illustrated in FIG. 6B, is separated from the plate-shaped body 660 of FIG. 6A.
  • This heating conductor track structure has two meandering line sections 632 which are connected to one another in the center via a connecting web 636 .
  • the two sections 632 each have conductor track ends 635 on the left and right.
  • An alternative embodiment of the connecting web is shown in dashed lines in FIG. 6C and provided with the reference number 636'. This dashed variant has the advantage that the heating element blank 630 can also be separated from a tubular body.
  • the heating conductor track structure produced in this way is then bent several times to form a heating element blank 630 according to FIG. 6C.
  • a U-shaped bend is made in the area of the connecting web 636, so that the two sections 632 lie one on top of the other.
  • These two sections with the meandering heating conductor courses are then bent toward one another about the longitudinal axis 620, so that the course of the entire heating conductor track structure and thus of the heating element blank 630 results, as shown in FIG. 6C.
  • FIG. 7A shows a perspective view of a heating element blank 730 which is designed similarly to the heating element blank 230 in FIG. 2A.
  • the individual heating coil or the heating conductor 732 of a winding is selected to be significantly wider in the direction of the longitudinal axis 12 than in the example in FIG. 2A.
  • this heating element blank 730 also has a U-shaped connecting web 736, the already mentioned heating conductor 732 and the slots 734 lying between the individual coils of the heating conductor 732.
  • the heating element blank 730 has two conductor track ends 735 to which the contact connections 40 , 42 are connected.
  • the heating element blank 730 designed in this way is inserted into a tubular metal housing 20, from which the contact connections 40, 42 protrude in the manner already explained.
  • a tubular metal housing 20 from which the contact connections 40, 42 protrude in the manner already explained.
  • between the metal housing 20 and the Heating element blank 730 is filled with compressible material 50, it being assumed that in the illustration in FIG. 7B the compression of this material 50 and the associated dimensional changes in the heating cartridge 700 have already taken place.
  • the heating conductor 732 has the two surfaces 737 and 738 which lie parallel to one another, as well as cut surfaces 739 to the left and right thereof. In this exemplary embodiment, the cut surfaces 739 are parallel to one another.
  • the already compacted material 50 is marked with the reference number 50 . It can be clearly seen in FIG. 7C that both the surfaces 737 and 738 and the cut surfaces 739 have an enlarged surface due to the compression, in that irregularly distributed indentations 770 are provided on these mentioned surfaces.
  • embossments are marked with the reference number 770 .
  • the indentations 770 become less or more pronounced.
  • the type and design of the embossments 770 also depends on which compressible material 50 is filled into the metal housing 20 of the heating cartridge 700 . It has been found that particularly strong indentations 770 are achieved during compaction if MgO granules are selected. when compres- In the case of porous ceramic material, in particular ceramic tubes or ceramic rods, the indentations are significantly smaller.
  • the compression is carried out in such a way that the length of the heating element blank 130, 230, 630 and/or the metal housing 20 increases by between about 1% and about 15% and/or a reduction in the height of the heating element blank 130, 230, 630 and/or the metal housing 20 of approximately 5% to approximately 25% in each case.
  • the present invention also includes a heating element blank 130, 230, 630, which is formed from a tubular or plate-shaped and electrically conductive body 160, 260, 660 by machining, in that the tubular or plate-shaped body 160, 260 , 660 results in a deformable heating conductor track structure with a first overall length LI and a first height Kl and with at least two conductor track ends 135 , 125 , 635 and this heating element blank 130 , 230 , 630 designed in this way is used in the aforementioned method.
  • a significant advantage of the method according to the invention is that due to the use of a heating element blank 130, 230, 630, 730 which was cut out of a plate-shaped or tubular metallic body 160, 260, 660, the resulting cut edges are Compress optimally contribute to heat transfer to the metal housing 50. After the compression, highly compressed insulation material lies against these cut edges, which promotes good heat transfer from the heating element blank 130 , 230 , 630 , 730 to the metal housing 50 .
  • the heating element blank 130, 230, 630, 730 according to the invention in contrast to conventional heating wires, can have almost any cross-sectional shape can be designed very variably in order to enable optimal heat transfer.
  • the tubular metal housing and the heating element blank are mounted parallel to one another, ie have the same direction of extension.
  • the cut surfaces can be arranged entirely or partially at right angles to the outer casing of the tubular metal housing. It is also possible to arrange the surfaces of the heating element blank that are not machined by cutting completely or partially parallel to the outer casing of the metal housing.
  • the tubular metal housing it is also possible to design the tubular metal housing as an electrical return conductor for the heating element or to provide several heating circuits for the heating element.
  • FIGS. 9A to 9E Various production steps are shown in FIGS. 9A to 9E in order to produce a heating cartridge 600 as proposed by the present invention.
  • the heating element blank 630 already known from FIG. 6C is shown again in a perspective view in FIG. 9A.
  • the connecting web 636 ′ is formed in an arc shape and runs at least approximately concentrically around the center axis 12 .
  • this heating element blank 630 is suitably cut out of a plate-shaped or tubular metallic body and optionally also bent.
  • this heating element blank 630 is covered with an insulating coating, in the present case a ceramic coating 650. Only the conductor track ends 635 are not with this one Coating 650 provided. Porous ceramic material is particularly suitable as the coating 650 . Because of the coating 650 of the heating element blank 630, the heating element blank 630 can be inserted into the metal housing 20 without centering aids. The conductor tracks of the heating element blank 630 are thus insulated from the metallic housing 620 . This is shown in Figure 9C.
  • the metal housing 20 is in turn provided with the housing base 21 and the housing cover 23 on the left and right. The material 50 to be compacted is filled into the interior of the metal housing 20 .
  • the heating cartridge 600 prepared in this way is exposed to the compression process explained. This is illustrated in Figure 9D. As explained, the extension of the metal housing 20 achieved with the compression and the extension of the diameter of the metal housing 20 are shown in FIG. 9D.
  • FIG. 9E shows the heating cartridge 600 explained again in a perspective view.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of a heating cartridge according to the invention.
  • FIG. 10A shows the associated perspective view of the individual components
  • FIG. 10B shows a sectional view before compression
  • FIG. 10C shows a sectional view after compression of the heating cartridge.
  • the metal housing 20 of the heating cartridge 1000 is designed as a hollow cartridge.
  • the tubular metal housing 20 has a central inner tube 22 .
  • This inner tube 22 and the tubular metal housing 20 are aligned concentrically to the longitudinal axis 12 .
  • the heating element blank is inserted into the space between the metal housing 20 and the inner tube 22 .
  • heating element blank 230 is a heating element blank 230, as has been explained in connection with FIGS. 2A to 2D.
  • This heating element blank 230 in turn has two conductor track ends 235, to each of which a contact connection 40, 42 is connected. As can be seen from FIG.
  • heating cartridge 1000 is closed on the side shown on the left in FIG. 10B with an annular housing base 21 and on its opposite end with an annular housing cover 23 .
  • the heating cartridge 1000 is subjected to a compression step.
  • a so-called calibration mandrel is expediently used for this purpose in the cavity of the inner tube 22 .
  • This calibrating mandrel is provided with the reference number 52 and before the actual compaction process lies closely and flat against the inner wall of the inner tube 22, so that this inner tube 22 cannot narrow during the subsequent compaction process.
  • the calibrating mandrel 52 is removed so that the completed heating cartridge 1000 can be pushed onto a cylindrical body, if necessary, in order to heat it up.
  • FIGS. 11A, 11B and 11C A final exemplary embodiment is illustrated in connection with FIGS. 11A, 11B and 11C.
  • the reference symbols already known will continue to be used.
  • the heating element blank in FIG. 11A corresponds to the heating element blank 730 from FIG. 7A.
  • This heating element blank 730 is now, in a manner similar to that shown in the exemplary embodiment in FIG. walled metal housing, that is to say in a tubular metal housing 20 with an inner tube 22 lying on the inside. This is shown in Figure 11B.
  • the detail E according to FIG. 11C again shows the compacted material and the surface structure achieved as a result of the compaction with impressions 770 in the line sections 732 of the heating element blank 730 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Heizpatrone mit folgenden Verfahrensschritten: - Bereitstellen eines plattenförmigen oder rohrförmigen, elektrisch leitenden Körpers, - Bearbeiten des Körpers zur Bildung eines Heizelementrohlings derart, dass aus dem Körper eine sich verformbare Heizleiterbahnstruktur mit einer ersten Gesamtlänge und einer ersten Höhe sowie mit wenigstens einem ersten und zweiten Leiterbahnende gebildet wird, - Einsetzen des Heizelementrohlings in ein rohrförmiges Metallgehäuse, welches eine zweite Gesamtlänge und eine zweite Höhe aufweist, - Befüllen des rohrförmigen Metallgehäuses mit einem elektrisch isolierenden und verdichtbaren Material, - Verdichten des befühlten Metallgehäuses zur Erreichung der vorgegebenen geometrischen Gestalt und des vorgegebenen ohmschen Widerstandes des Heizelementrohlings mit einer zur ersten Gesamtlänge vergrößerte dritten Gesamtlänge und einen zur ersten Höhe verkleinerten dritten Höhe und/oder zur Umformung des Metallgehäuses zu einer im Vergleich zur zweiten Gesamtlänge vergrößerten vierten Gesamtlänge sowie einer zur zweiten Höhe verkleinerten vierten Höhe.

Description

Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Heizpatrone für elektrische Heizvorrichtungen, Heizelementrohling für eine solche Heizpatrone sowie Heizpatrone .
Elektrische Heizpatronen sind seit vielen Jahren bekannt . Sie weisen in der Regel mindestens einen rohrförmigen Metallmantel auf , in dessen Innenraum mindestens ein Heizleiter angeordnet ist . Dabei ist der Raum zwischen Heizleiter und Metallmantel regelmäßig mit einem gut wärmeleitenden, aber elektrisch iso- lierenden Material, wie z . B . Magnesiumoxid, gefüllt , um einen unerwünschten elektrischen Kontakt zwischen Heizleiter und Me- tallmantel zu vermeiden . Dabei sind heute Heizpatronen be- kannt , die auf einer Seite des Metallmantels mindestens zwei herausgeführte Zuleitungen zu dem Heizleiter aufweisen . Es sind jedoch aber auch Heizpatronen in Verwendung, bei denen an den jeweiligen Stirnseiten der Heizpatrone mindestens eine Zu- leitung zum Heizleiter herausragt . Darüber hinaus sind Heiz- patronen bekannt , bei denen das Metallgehäuse selbst als eine der Zuleitungen dient .
Ein Beispiel für bekannte Heizpatronen und deren Herstellver- fahren ist in DE 10 2013 2012 205 Al offenbart .
Wesentliches Element dieser Heizpatronen ist der im Inneren des Metallmantels bzw . Metallgehäuses befindliche Heizleiter . Diese elektrischen Heizelemente, mit denen elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, werden üblicherweise dadurch herge- stellt , dass ein Heizleitermaterial in Form eines Drahtes be- reitgestellt und dieser Draht dann - soweit er nicht ohnehin gestreckt verwendet wird - entweder auf einen Träger oder frei zu einer Raumkurve gebogen, gewickelt oder gewendelt wird . Abgesehen von der Problematik, dass sich nicht jede denkbare oder wünschenswerte Raumkurve auf diese Weise für solche Heiz- elemente erzeugen lässt , stellen sich besonders Probleme in Konfigurationen, bei denen auf engstem Raum kleine Heizleiter- widerstände durch hohe Heizleiterquerschnitte untergebracht werden müssen . Es ist nämlich notwendig, dass thermischen Wechselbelastungen über lange Zeiträume standgehalten wird und zudem, dass prozesssicher unbeheizte Zonen und beheizte Zonen für eine elektrische Heizvorrichtung miteinander verbunden sind, was insbesondere bei sehr hohen Strombelastungen, hohen Oberflächenbelastungen und hohen Leistungsdichten essenziell ist .
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein herstelltechnisch sehr einfaches Verfahren und damit kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer auch sehr klein bauenden rohrförmigen Heizpatrone für elektrische Heizvorrichtungen anzugeben, das geeignet ist , die vorgenannten Probleme zu reduzieren . Dabei soll das Verfahren in möglichst einfacher Weise reproduzierba- re elektrische Werte der Heizpatrone gewährleisten, also ins- besondere für eine Massenproduktion geeignet sein .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Heizpatrone gelöst , wie diese im Patentanspruch 1 angegeben ist . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der auf diesen Anspruch 1 zurückbezogenen Ansprü- che .
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein geeignetes Heizelement bzw . einen geeignetes Heizelementrohling bereitzu- stellen, der in einfacher Weise für das vorgenannte Verfahren eingesetzt werden kann . Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Heizelementrohling gemäß Anspruch 13 .
Gegenstand einer nach Anspruch 1 hergestellten Heizpatrone ist Anspruch 11 .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer rohrför- migen Heizpatrone für elektrische Heizvorrichtungen zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus :
- Bereit stellen eines insbesondere plattenförmigen, rohrförmi- gen oder profilierten elektrisch leitenden Körpers ,
- Bearbeiten des Körpers zur Bildung eines Heizelementrohlings derart , dass aus dem Körper eine sich verformbare Heizleiter- bahnstruktur mit einer ersten Gesamtlänge und einer ersten Hö- he sowie mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Leiter- bahnende gebildet wird,
- Einsetzen des Heizelementrohlings in das rohrförmige Metall- gehäuse, welches eine zweite Gesamtlänge und eine zweite Höhe aufweist ,
- Befüllen des rohrförmigen Metallgehäuses mit einem elektrisch isolierenden und verdichtbaren Material,
- Verdichten des befüllten Metallgehäuses zur Erreichung der vorgegebenen geometrischen Gestalt und des vorgegebenen ohm- schen Widerstandes des Heizelementrohlings und/oder der Heiz- patrone mit einer zur ersten Gesamtlänge vergrößerte dritten Gesamtlänge und/oder einer zur ersten Höhe verkleinerten drit- ten Höhe und/oder zur Umformung des Metallgehäuses zu einer im Vergleich zur zweiten Gesamtlänge vergrößerten vierten Gesamt- länge und/oder einer zur zweiten Höhe verkleinerten vierten Höhe . Durch diese Maßnahmen wird einerseits sichergestellt , dass der Heizleiter aus einem insbesondere rohrförmigen, profilierten oder plattenförmigen Körper herausgetrennt wird und somit der Heizleiter für eine Massenproduktion geeignet ist . Zudem kann hierdurch die bei herkömmlichen Heizleiterdrähten notwendige kreisrunde Querschnittsstruktur des Heizleiters verlassen wer- den . Je nach Dicke der plattenförmigen oder rohrförmigen Wan- dungen und je nach Schnittkontur ist es möglich, nahezu belie- bige Querschnittsformen des in die Heizpatrone einzusetzenden Heizleiters zu realisieren . Ebenfalls können unterschiedlichs- te Wendeistrukturen, z . B . mäanderförmig oder bifilar, durch diese Maßnahme realisiert werden .
Erfindungsgemäß wird ein so massenweise herstellbaren Heizele- mentrohling, der eine bestimmte Länge und Höhe aufweist , in das Innere des rohrförmigen Metallgehäuses eingesetzt . An- schließend wird elektrisch isolierendes Material, beispiels- weise I soliergranulat , insbesondere Magnesiumoxid-Granulat , Keramikgranulat oder Bornitrid-Granulat in das rohrförmige Me- tallgehäuse eingefüllt . Anstelle dieses I soliergranulats ist es jedoch auch möglich, den Zwischenraum zwischen dem Heizele- mentrohling und dem Metallgehäuse durch ein rohrförmiges , po- röses Keramikmaterial zu füllen . Ebenso kann in den Zwischen- raum des Heizelement rohlings eine insbesondere poröse Keramik- stange eingesetzt werden .
Bei einem anschließenden Verdichtungsvorgang, d . h . , dass das so gefüllte rohrförmige Metallgehäuse hohem Außendruck ausge- setzt wird, verdichtet und verbackt sich das I soliergranulat bzw . das poröse Keramikmaterial derart , dass die letztlich ge- wollte geometrische Gestalt des Heizelementrohlings und/oder der rohrförmigen Heizpatrone mit dem Metallgehäuse und damit auch die elektrischen Werte auf die gewünschte Endgröße einge- stellt werden .
Im Rahmen dieses Verdichtens mit extrem hohen Drücken verän- dert sich die geometrische Gestalt des Heizelementrohlings meist zu einer Gesamtlänge, die vergrößert zu dem ursprüngli- chen Heizelement rohling ist . Immer verringert sich allerdings die Höhe bzw. der Durchmesser des Heizelementrohlings nach dem Verdichten im Vergleich zu der Höhe des zuvor in das Metallge- häuse eingesetzten Heizelementrohlings . Ähnliches geschieht mit dem rohrförmigen Metallgehäuse der Heizpatrone . Nach dem Verdichten hat die Heizpatrone mit ihrem Metallgehäuse meist eine vergrößerte Länge, aber stets eine verringerte Höhe bzw . einen verringerten Durchmesser . Dabei erhöht sich regelmäßig der ohmsche Widerstand des Heizelementrohlings bzw . der Heiz- patrone .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Heizpatrone ist dabei so ausgelegt , dass die gewünschten geometrischen Ge- stalt insbesondere des Metallgehäuses und dessen ohmschen Sollwerte, erreicht werden .
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, vor dem Verdichten das Metallgehäuse vorzugsweise mit einem Deckel zu verschließen . Es muss vor dem Verschließen dafür Sorge getragen werden, dass genügend zu verdichtendes Material in das Metallgehäuse einge- füllt ist , damit zur Erreichung einer optimalen Verdichtung und damit einer guten Wärmeübertragung vom Heizelementrohling zum Metallgehäuse hin keine Leerräume oder schlecht verdichte- te Bereiche innerhalb des Metallgehäuses entstehen . Bei diesem Verdichten wird das üblicherweise als Granulat vorliegende I soliermaterial, wie erwähnt z . B . Magnesiumoxid-Granulat , von einer ursprünglichen Dichte um etwa 10% bis 50% stärker ver- dichtet bzw . zusammengebacken wird . Es hat sich vor oder bei dem eigentlichen Verdichten als zweckmäßig erwiesen, das Me- tallgehäuse mit dem eingesetzten Heizelementrohling und dem I soliermaterial wiederholt zu rütteln . Dieses Rütteln sorgt für eine gute gleichmäßige Verteilung des I soliergranulats und eine hohe Schüttdichte innerhalb des Metallgehäuses .
Es hat sich auch als günstig herausgestellt , dass durch das erfindungsgemäße Verfahren das I soliergranulat nach dem Ver- dichten mit einem erhöhten Füllgrad innerhalb des Metallgehäu- ses liegt und dort so die Schnittkanten des Heizelementroh- lings optimal bedeckt sind . Eine optimale Wärmeabführung von den Schnittkanten des Heizelementrohlings zum Metallgehäuse ist die Folge .
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Heizelement rohling aus einem plattenförmigen Körper herausge- trennt wird . Dabei wird die Heizleiterbahnstruktur zunächst aus dem plattenförmigen Körper herausgetrennt und in einem nachfolgenden Schritt die herausgeschnittene oder herausgeäzte Heizleiterbahnstruktur in geeigneter Weise gebogen, um die letztlich gewünschte Struktur und Form eines Heizelementroh- lings bereitzustellen . Dabei kann aus dem plattenförmigen Kör- per eine Heizleiterbahnstruktur herausgetrennt werden, die beispielsweise zwei über einen Verbindungssteg zusammenhängen- de, mäanderf örmige Heizleiterbahnen aufweist und diese beiden Heizleiterbahnstrukturen jeweils Leitungsenden aufweisen . Die beiden Heizleiterbahnstrukturen werden dann bogenförmig vor- zugsweise um eine Mittenachse gebogen und zusätzlich eine Bie- gung an dem Verbindungssteg um 180 ° vorgesehen . Auf diese Wei- se können sehr klein bauende Heizelementrohlinge hergestellt werden . Geeignete Heizelementrohlinge, wie sie aus plattenförmigen oder rohrförmigen Körpern herausgetrennt werden können, sind detailliert in der von der Anmelderin stammenden deutschen Pa- tentanmeldung No . 10 2019 127 753 . 1 offenbart und beschrieben . Zum Zwecke der Offenbarung wird hier vollinhaltlich auf diese deutsche Patentanmeldung Bezug genommen und die dort beschrie- benen Heizelement rohlinge und deren Herstellverfahren durch Bezugnahme in die vorliegende Patentanmeldung übernommen .
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass an die Leiterbahnenden des Heizelementrohlings geeignete Kontakt- anschlüsse angebracht werden, die stirnseitig aus dem Metall- gehäuse der Heizpatrone herausgeführt werden . Dabei können die Kontaktanschlüsse nur an einem Längsende der Heizpatrone her- ausgeführt sein, aber auch an beiden Enden .
Der Heizelement rohling kann nach einer Weiterbildung der Er- findung aus dem plattenförmigen oder rohrförmigen Körper mit- tels Laserschneidens , Wasserstrahlschneidens , Mikrowasser- strahlschneidens , Ätzens , Stanzen, Sägens , Fräsen, Bohren, Drehen, Schleifen oder Ähnlichem erfolgen . Besonders feine Schnitte und damit wenig Materialverlust ist mittels Laser- schneidens , Ätzens und Mikrowasserschneidens möglich .
Es liegt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens , dass das Verdichten derart erfolgt , dass eine Längenvergrößerung des Heizelement rohlings und/oder des Metallgehäuses der Heizpatro- ne um zwischen z . B . etwa 1% bis etwa 25% und/oder eine Höhen- verkleinerung von jeweils z . B . etwa 3% bis etwa 45% bewirkt wird .
Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Heiz- elementrohling Schlitze mit sich gegenüberliegenden Schnitt- flächen aufweist , welche orthogonal zur rohrförmigen Wandung des Metallgehäuses angeordnet sind . Dabei liegen die Schnitt- flächen parallel zueinander . Andererseits können die Schlitze auch so gewählt sein, dass diese zu einer orthogonalen Ebene der rohrförmigen Wandung des Metallgehäuses in einem Winkel a parallel zueinander oder auch in unterschiedlichen Winkeln zu- einander platziert sind .
Zudem ist es vorteilhafterweise nach der Erfindung so, dass der Heizelement rohling nach seiner Bearbeitung bzw . nach der Montage mit einer vergrößerten Oberflächenstruktur versehen ist , weil der Heizelementrohling nach dem Verdichten ungleich- mäßig verteilte Einprägungen auf seinen Oberflächen und auch auf seinen Schnittflächen aufweist . Durch diese Einprägungen wird eine größere, Wärme abgebende Oberfläche des Bandheizlei- ters bzw . des Heizeinsatzes sichergestellt . Dies wird erreicht durch einen formschlüssigen Wärmefluss zwischen dem Heizele- mentrohling und dem I soliermaterial . Durch das Verdichten wird zudem ein hoher Kontaktdruck und eine größere wärmeübertragen- de Oberfläche zwischen Heizelementrohling und dem I soliermate- rial sichergestellt , wodurch eine gute Fixierung der gesamten Heizpatrone und dessen Inhalt sichergestellt ist . Eine solche gute Fixierung ist notwendig, weil die Heizpatronen regelmäßig Vibrationen, Schlägen und thermischen Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind und ohne diese gute Fixierung ein Verrutschen der innerhalb der Heizpatrone befindlichen Komponenten möglich wäre .
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass in einer besonderen Ausführungsform der aus einem plattenförmigen oder rohrförmi- gen elektrisch leitenden Körper gebildete Heizelementrohling vor dem Einsetzen in das Metallgehäuse mit einem keramischen Material beschichtet wird . Vorzugsweise wird für diese Be- Schichtung ein poröses Keramikmaterial vorgesehen . Durch eine solche keramische Beschichtung des Heizelementrohlings ist es beim Fertigungsprozess der Heizpatrone möglich, auf Zentrier- einrichtungen zu verzichten, die bisher bei der Montage der Heizpatrone notwendig waren . Es musste nämlich bisher bei Heizpatronen zur Zentrierung des Aufbaus stets der Heizein- satz , also der Heizelementrohling, auf ausreichend Abstand zum Patronenboden und zur Wand des Mantelgehäuses geachtet werden . Dies wurde durch den Einsatz von speziellen Füllmaschinen mit Zentriereinrichtungen erreicht oder es wurden bisher kerami- sche Abstandshalter verwendet . Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, eine solche keramische Beschichtung auf den Heizele- mentrohling aufzubringen und anschließend mittels eines Tempe- raturschrittes , gegebenenfalls durch Brennen oder Glühen, für ein gutes Anhaften dieser Keramikbeschichtung auf dem Heizele- mentrohling zu sorgen . Grundsätzlich ist es auch möglich, eine andere I solierschicht auf den Heizelementrohling vor dem Ein- setzen in das Metallgehäuse der Heizpatrone aufzubringen . Al- lerdings hat sich eine Keramikschicht als besonders gut erwie- sen .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden bisher nur Heiz- patronen angesprochen, welche aus einem einfachen, metalli- schen Rohr als Metallgehäuse bestehen und endseitig mit einem Deckel verschlossen werden . Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung sogenannte Hohlpatronen als Metallgehäuse für die Heizpatrone zu verwenden . Solche Hohlpatronen zeichnen sich durch ein doppelwandiges Rohr aus , wobei zwischen einem innen- liegenden Rohr und einem außenliegenden Rohr der Heizele- mentrohling und das erwähnte I soliermaterial eingefüllt wer- den . Solche Heizpatronen mit einem doppelwandigen, rohrförmi- gen Metallgehäuse werden endseitig mit einen ringförmigen De- ckel verschlossen . Solche Heizpatronen mit doppelwandigem Rohr, also Hohlpatronen, sind insbesondere zur Beheizung zy- lindrischer Körper, aber auch als Durchlauferhitzer für Fluide oder Gase prädestiniert .
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine hieraus resultierende Heizpatrone wird nachfolgend im Zusammenhang mit mehreren Aus- führungsbeispielen näher erläutert . Es zeigen :
Fig . 1A ein erstes Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone nach der Erfindung in teilweise auf gebrochener Schnittan- sicht vor dem Verdichten,
Fig . 1B die in Figur 1A dargestellte Heizpatrone nach dem Verdichten,
Fig . 1C Schnittansichten zu Figur 1A , also vor dem Verdichten,
Fig . ID verschiedene Schnittansichten zu Figur 1B, also nach dem Verdichten,
Fig . IE eine Detailansicht zu Figur 1C,
Fig . 1F eine Detailansicht zu Figur ID,
Fig . IG eine Detailansicht der Heizpatrone von Figur 1A im Bereich eines Schlitzes mit senkrecht zum Metallge- häuse verlaufenden Schnittkanten,
Fig . 1H eine ähnliche Darstellung zu Figur IG mit schräg und parallel zueinander verlaufenden Schnittkanten, Fig . I I eine ähnliche Darstellung zu Figur IG mit zueinander schräg gestellten Schnittkanten,
Fig . 2A ein zweites Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone in 5 teilweise auf gebrochener Ansicht vor dem Verdichten,
Fig . 2B das zweite Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone nach der Erfindung in teilweise auf gebrochener Schnittansicht nach dem Verdichten,
Fig . 2C Schnittansichten zu Figur 2A und zugehörende Teilan- sicht gemäß einem Schnitt D-D, Fig . 2D verschiedene Schnittansichten der in Figur 2A dargestellten Heizpatrone nach dem Verdichten,
Fig . 2D Schnittansichten zu Figur 2A und zugehörende Teilan- sicht gemäß einem Schnitt D-D,
Fig . 3A ein drittes Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone in Explosionsdarstellung,
Fig . 3B eine Schnittansicht zu Figur 3A vor dem Verdichten der Heizpatrone,
Fig . 3C eine Schnittansicht der Heizpatrone von Figur 3A nach dem Verdichten,
Fig . 4 einen rohrförmigen Körper, aus dem ein Heizele- mentrohling gemäß der Figuren 1A bis 1F herausge- trennt wurde, Fig . 5 ein Heizelementrohling in perspektivischer Darstel- lung, wie er in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2A bis 2D eingesetzt ist ,
Fig . 6A einen plattenförmigen Körper, aus dem eine Heizele- mentstruktur herausgetrennt wird,
Fig . 6B eine aus Figur 6A herausgetrennte Heizelement Struktur
Fig . 6C ein aus der Heizelement Struktur von Figur 6D fertig gebogener Heizelementrohling,
Fig . 7A ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizele- mentrohlings in perspektivischer Darstellung,
Fig . 7B eine Heizpatrone eines weiteren Ausführungsbeispiels in teilweise auf gebrochener Ansicht mit einem einge- setzten Heizelement rohling gemäß Figur 7A,
Fig . 7C eine Detaildarstellung des Bereiches E aus Figur 7B,
Fig . 8 verschiedene Schnittdarstellungen des Heizleiters ge- mäß dem Heizelement rohling von Figur 7A mit einge - brachten Einprägungen,
Fig . 9 die Darstellungen A bis E in Figur 9 zeigen den aus Figur 6 bereits bekannten Heizelementrohling bei ver- schiedenen Prozessschritten nach dem erfindungsgemä- ßen Verfahren, Fig . 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Heizpatrone, die als Hohlpatrone ausgebildet ist in verschiedenen Ansichten, und
Fig . 11 eine ähnliche Darstellung wie Figur 7A, 7B und 70, wobei die Heizpatrone allerdings als Hohlpatrone aus- gebildet ist .
In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren bezeichnen glei- che Bezugszeigen jeweils gleiche Teile mit gleicher Bedeutung, sofern nichts anderes angegeben ist .
Figur 1A zeigt eine Heizpatrone 100 für elektrische Heizein- richtungen in teilweise auf gebrochener Ansicht . Eine solche Heizpatrone 100 kann beispielsweise in der Medizintechnik, der Automobilindustrie, Labor- und Analysentechnik und bei Verpa- ckungsmaschinen eingesetzt werden . Dank der Möglichkeit , sol- che Heizpatronen 100 sehr klein bauen zu können, ist z . B . die Beheizung von miniaturisierten Kunst Stoff sprit zdüsen in der Heizkanaltechnik möglich .
Die in Figur 1A gezeigte Heizpatrone 100 ist in einem Zustand abgebildet , bei dem die Heizpatrone 100 noch nicht komplett fertiggestellt ist . Der entscheidende Schritt des im nachfol- genden noch zu erläuternden Verdichtens ist in der Darstellung von Figur 1A noch nicht erfolgt . Allerdings weist die Heizpat- rone 100 bereits sämtliche für den späteren Betrieb notwendi- gen Komponenten auf . So verfügt die Heizpatrone 100 in Figur 1A über ein rohrförmiges Metallgehäuse 20 , welches an seinem linken Ende mit einem Deckel 21 und an seinem rechten Ende mit einem vorzugsweise aus I soliermaterial befindlichen zweiten Deckel 23 verschlossen ist . Der Deckel 21 kann einstückig an die rohrförmige Gehäusewandung des Metallgehäuses 20 angebun- den sei, jedoch auch als separates Teil an dem Metallgehäuse
20 befestigt werden . Innerhalb des Metallgehäuses 20 befindet sich zentrisch zu einer Längsachse 12 bzw . Mittenachse ein
Heizelement rohling 130 mit einer Heizleiterbahnstruktur bzw . einem Heizleiter 132 , der mehrere Schlitze 133 , 134 und 137 aufweist . Dieser Heizelementrohling 130 verfügt über zwei mä- anderförmige Verläufe einer Heizleiterbahnstruktur, die beide über einen Verbindungssteg 136 in der Nähe des links darge- stellten Deckels 21 des Metallgehäuses 20 miteinander verbun- den sind . In Richtung zweiten Deckel 23 ist die erwähnte Heiz- leiterbahnstruktur mit verbreiterten Leiterbahnenden 135 ver- sehen, an welche Kontaktanschlüsse 40 , 42 elektrisch leitend angeschlossen sind . Die Kontaktanschlüsse 40 , 42 sind durch entsprechende Öffnungen im Deckel 23 geführt und ragen in der Darstellung von Figur 1A rechts aus dem Deckel 23 heraus .
Der in Figur 1A dargestellte Heizelementrohling 130 ist aus einem metallischen, rohrförmigen Körper durch hierfür geeigne- te Verfahren herausgetrennt . Figur 4 zeigt einen solchen me- tallischen rohrförmigen Körper 160 mit Schnittlinien 150 , durch welche der Heizelementrohling 130 aus dem rohrförmigen Körper 160 herausgetrennt werden kann . Dabei kann der rohrför- mige Körper 160 eine beliebige Länge haben, sodass mehrere Heizelement rohlinge 150 nacheinander entsprechend den einge- brachten Schnittlinien 150 aus diesem rohrförmigen Körper 160 herausgetrennt werden können .
In Figur 4 sind neben den zur Herstellung des Heizelementroh- lings 130 erforderlichen Schnittlinien 150 Schlitzbereiche 133 ' , 134 und 137 ' markiert , in denen in der Darstellung von Figur 4 zwar das Material des rohrförmigen Körpers 160 vorhan- den ist . Dieses Material wird jedoch nach Einbringung der Schlitze 150 herausgetrennt und bildet Schnittabfall . Nach dem Heraustrennen dieser Schlitzbereiche 133 ' , 134 ' 137 ' verbleibt der in Figur 1A dargestellt Heizelementrohling 130 mit den Schlitzen 133 , 134 und 137 .
Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass Figur 1A und auch Fi- gur 4 eine bestimmte Form eines Heizelementrohlings 130 be- schreibt . Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf eine solche Gestaltung des Heizelementrohlings 130 nicht beschränkt . Viel- mehr gibt es unterschiedlichste Varianten zur Herstellung ei- nes solchen Heizelementrohlings 150 , welcher nicht nur aus ei- nem rohrförmigen Körper, sondern auch als aus einem platten- förmigen Körper herausgetrennt werden kann .
Zum Zwecke der Offenbarung wird hiermit ausdrücklich auf die deutsche Patentanmeldung DE 10 2019 127 753 . 1 der Anmelderin hingewiesen, in der unterschiedlichste Varianten zum Herstel- len eines Heizelementrohlings aus einem platten- oder rohrför- migen Körper beschrieben ist . Sämtliche dort genannten Varian- ten sind ebenfalls geeignet , um im Rahmen der vorliegenden Er- findung in einer Heizpatrone, wie sie weiter erläutert werden wird, eingesetzt zu werden .
Wieder zurückkommend auf Figur 1A ist also in das Metallgehäu- se 20 der erläuterte Heizelementrohling 130 eingesetzt . Dieser Heizelement rohling 130 weist eine Heizleiterbahnstruktur auf , die in Figur 1A mit einer Länge LI bezeichnet ist . Der Durch- messer bzw . die Höhe dieses Heizelementrohlings 130 ist mit dem Bezugszeichen Kl markiert . Die Länge der gesamten Heizpat- rone 100 beträgt L2 . Der Außendurchmesser der Heizpatrone 100 beträgt K2 . Wie darüber hinaus aus Figur 1A ersichtlich, ist in den Freiraum zwischen Heizelementrohling 130 und Metallge- häuse 20 ein isolierendes , zur Verdichtung geeignetes und als
Wärmeleiter geeignetes Material eingefüllt . Als Material eig- net sich hierfür insbesondere I soliergranulat , wie z . B . MgO- Granulat , Keramikgranulat und auch Bornitrid-Granulat .
Die gemäß Figur 1A vorbereitete Heizpatrone 100 wird nach dem Einfüllen des I soliergranulats 50 einem besonderen Verdich- tungsprozess unterworfen, damit eine optimale Wärmeleitung vom Heizelement rohling 130 zum Metallgehäuse 20 möglich ist . Hier- für wird die aus Figur 1A vorbereitete Heizpatrone 100 von au- ßen her hohen und großen Drücken ausgesetzt . Dies ist in Figur 1B durch die mit T bezeichneten Pfeile angedeutet . Dieser Druck kann beispielsweise über Rollwalzen bzw . geeignete Walz- maschinen oder geeignete Pressverfahren, beispielsweise über Pressbacken erfolgen . Sinn und Zweck dieses Verdichtens ist es , letztlich eine Heizpatrone 100 herzustellen, die die ge- wünschten elektrischen Parameter und auch die vorgesehenen ge- ometrischen Abmessungen aufweist . Das Verdichten wird also so- lange durchgeführt , bis einerseits das zu verdichtende Materi- al 50 optimaler Weise maximal verdichtet ist und die Heizpat- rone 100 ihre geplanten Endabmessungen erreicht hat .
Wie aus Figur 1B besonders deutlich hervorgeht und im Zusam- menhang mit den Figuren 1C und ID und auch IE und 1F noch be- sonders verdeutlicht wird, ändern sich die geometrischen Ab- messungen der Heizpatrone 100 durch den Vorgang des Verdich- tens maßgebend . Es ist im Zusammenhang mit den Schnittdarstel- lungen in Figur 1B und Figur ID anzumerken, dass aus Klar- heitsgründen das im Inneren des Heizelementrohlings 130 eben- falls vorhandene I soliermaterial 50 natürlich vorhanden ist . Es wurde jedoch im Bereich der einzelnen Heizwendel zeichne- risch bewusst weggelassen, um die vorliegende Erfindung und den Aufbau der Heizpatrone besser erläutern zu können . Sowohl der Heizelementrohling 130 als auch die gesamte Heiz- patrone 100 verlängern sich jeweils zu einer Länge L3 bzw. L4 . Andererseits erfährt sowohl der Heizelementrohling 130 als auch die Heizpatrone 100 eine Höhenänderung, nämlich eine Hö- henverminderung zu der Höhe K3 des Heizelementrohlings 130 und zu einer Höhe K4 des Metallgehäuses 20 . Im Rahmen des Verdich- tens und der Durchmesserverringerung des Metallgehäuses 20 wölbt sich der Deckel 21 , wie Figur 1C zeigt , in Richtung des Heizelement rohlings 130 nach innen . Der gegenüberliegende De- ckel 23 erfährt eine Dickenänderung . Auch die Schlitze 133 , 134 und 137 verändern sich in ihrer Breite . So werden die Schlitze 133 , 134 zwischen dem mäanderförmigen Verlauf der Heizleiterbahnstruktur verbreitert , wie die beiden Detaildar- stellungen Detail A in Figur 1C vor dem Verdichten und in Fi- gur ID nach dem Verdichten zeigen . Die Schlitze 133 , 134 wer- den breiter, während der Schlitz 137 , der parallel zur Längs- achse 120 im Heizelement rohling 130 eingearbeitet ist , schmä- ler wird . Die Schlitzbreite dieses Längsschlit zes 137 ist in den Schnitten B-B von Figur 1C und D-D in Figur ID mit den Breitenangaben bl , b2 angegeben . Eine Dickenänderung, nämlich eine Dickenerhöhung erfährt auf Grund des Verdichtens auch der Querschnitt eines Heizleiters der Heizelement Struktur des Heizelement rohlings 130 , wie die Bezugszeichen Al , A2 , A3 und A5 in den Figuren 1C und Figur ID zeigen . Eine Dickenänderung erfährt auch die Wandung des Metallgehäuses 20 gemäß den Be- zugszeichen A4 und A6 in Figur 1C und Figur ID .
Die Figuren IE und 1F zeigen die Dickenänderung der Quer- schnitte der Heizelement leiterstruktur des Heizelementrohlings 130 nochmals vergrößert .
In Figur IG ist das Metallgehäuse 20 der Heizpatrone im Be- reich eines Schlitzes 133 des Heizelementrohlings 130 vergrö- ßert dargestellt . Es ist ausschnittsweise der Heizleiter 132 mit zwei im Schnitt dargestellte Wendel zu erkennen, welche durch den Schlitz 133 getrennt sind . Der Heizleiter 132 weist eine obere Fläche 137 und eine zur Längsachse 12 näherliegende untere Fläche 138 auf . Beide Flächen 137 und 138 liegen zuei- nander parallel und auch parallel zur Innenwandung des rohr- förmigen Metallgehäuses 20 . Die die beiden Flächen 137 und 138 verbindende Schnittfläche 139 liegt zur gegenüberliegenden Schnittfläche des Heizleiters 132 parallel . Beide Schnittflä- chen 139 stehen parallel zu einer Schnittfläche F, welche or- thogonal zur rohrförmigen Wandung des Metallgehäuses 20 ausge- richtet ist . Der rechte Winkel ist in Figur IG mit dem Bezugs- zeichen a angegeben . Die Schnittflächen 139 ergeben sich durch das Heraustrennen aus dem zuvor erwähnten rohrförmigen oder plattenförmigen Körper .
In Figur 1H ist ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt , bei dem die Schnittkanten nicht parallel zur Fläche F angeord- net , jedoch zueinander parallel ausgerichtet sind . Der Winkel a der Schnittkanten 139 beträgt jetzt etwa 130 ° . Wie ersicht- lich sind die Schnittkanten 139 der sich gegenüberliegenden Heizleiter 132 parallel zueinander ausgerichtet .
Ein drittes Ausführungsbeispiel, wie die Schnittkanten bzw . Schnittflächen 139 zueinander ausgerichtet sein können, zeigt Figur I I . Hier sind die Schnittflächen 139 nicht parallel zu einander ausgerichtet , sondern schräg zueinander . Die in Figur I I links dargestellte Schnittkante 139 weist den Schnittwinkel a wie in Figur 1H auf . Die gegenüberliegende Schnittfläche weist zu der Fläche F einen Winkel von -a auf .
Grundsätzlich können Schnittwinkel a gewählt werden, die zwi- schen 15 ° und 165 ° bezogen auf die Schnittebene F ausgerichtet sind . Günstiger sind Schnittwinkel von 30 ° bis 150 ° , besonders günstig sind Schnittwinkel von 60 ° bis 120 ° . Durch die schräge Wahl dieser Schnittwinkel bezogen zur Schnittebene F wird die Oberfläche der Schnittflächen 139 vergrößert und damit auch die Belastung an den Schnittkanten beim Verdichten gesenkt .
In den Figuren 2A, 2B, 2C und 2D ist ein zweites Ausführungs- beispiel einer erfindungsgemäßen Heizpatrone 200 dargestellt . Diese Heizpatrone 200 unterscheidet sich im Wesentlichen von der zuvor beschriebenen Heizpatrone 100 durch den Einsatz ei- nes anders gestalteten Heizelementrohlings 230 . Der Heizele- mentrohling 230 ist jetzt mit einer bifilaren Heizleiterstruk- tur ausgestattet , jedoch, wie die Detaildarstellung von Figur 5 zeigt , wiederum aus einem rohrmetallischen, rohrförmigen Körper 260 durch geeignete Trennverfahren herausgetrennt . Ge- eignete Trennverfahren sind beispielsweise Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Mikrowasserstrahlschneiden Ätzen, Stan- zen oder Sägen .
Figur 5 zeigt wieder die zur Herstellung des Heizelementroh- lings 130 notwendigen Trenn- bzw . Schnittlinien 250 sowie die die jenigen Bereiche 234 ' sowie 240 , die nach dem Trennen aus dem rohrförmigen Körper 260 Schnittabfall darstellen . In Figur 5 sind die verbreiterten Leiterbahnenden 235 sowie die Heiz- leiterbahnen 232 des Heizelementrohlings 230 angegeben . Die in Figur 5 dargestellte Heizleiterbahnstruktur verfügt über einen U-förmigen Verbindungssteg 236, an dem die hinlaufende Heiz- leiterwindung wieder umkehrt .
Die Darstellung von Figur 2A zeigt diesen in das Metallgehäuse 20 eingesetzten Heizelementrohling 230 mit einem spiralförmig verlaufenden Schlitz 234 , den beiden an die Kontaktanschlüsse 40 , 42 elektrisch angebundenen Leiterbahnenden 235 , den Ver- bindungssteg 236 sowie die Heizleiterbahnstruktur 232 . Der Heizelement rohling 230 ist wiederum von zu verdichtendem I so- liergranulat so umgeben . Figur 2A zeigt die Heizpatrone 200 vor dem Verdichten .
Figur 2B zeigt die in Figur 2A dargestellte Heizpatrone 200 nach einem erfolgten Verdichten . Es stellen sich wieder die Höhenverminderungen von Kl auf K3 des Heizelementrohlings 130 und des Metallgehäuses 20 von K2 auf K4 ein . Die sich einstel- lende Längenänderungen des Heizelementrohlings 230 und des Me- tallgehäuses 20 sind in Figur 2B wiederum durch die Bezugszei- chen L3 und L4 markiert .
Die Figuren 2C und 2D zeigen wieder Details hierzu . Die Quer- schnitt sänderungen der Heizleiterbahnstruktur des Heizele- mentrohlings 230 sind mit den Bezugszeichen A7 bis A12 mar- kiert .
In den Figuren 3A, 3B und 3C ist ein drittes Ausführungsbei- spiel einer Heizpatrone 300 dargestellt . Diese Heizpatrone 300 unterscheidet sich in einem wesentlichen Punkt von den beiden vorgenannten Ausführungsbeispielen, nämlich in der Realisie- rung des zu verdichtenden Materials innerhalb des Metallgehäu- ses 20 .
Wie Figur 3A in einer perspektivischer Darstellung zeigt , ver- fügt die Heizpatrone 300 über das bereits bekannte Metallge- häuse 20 mit den beiden Deckeln 21 und 23 . Als Heizelementroh- ling 230 findet der Heizelementrohling 230 aus dem zweiten Ausführungsbeispiel hier exemplarisch Verwendung . Allerdings wird jetzt in das Innere des Heizelementrohlings 230 eine iso- lierende Stange 312 eingeschoben und zusätzlich zwischen Me- tallgehäuse 20 und Außenumfang des Heizelementrohlings 230 ein isolierendes Rohr 310 eingesetzt . Die isolierende Stange 312 und das isolierende Rohr 310 können jeweils z . B . aus einem po- rösen Keramikmaterial bestehen . Zusätzlich wird gemäß Figur
3B, in den dann noch verbleibenden Zwischenraum I soliergranu- lat 50 , wie es zuvor beschrieben wurde, eingefüllt , um jegli- chen Totraum, also mit Luft gefüllten Raum möglichst zu ver- meiden . Der so befüllte Innenraum der Heizpatrone 300 wird an- schließend einem Verdichtungsvorgang ausgesetzt , was in Figur 3C wiederum mit den Pfeilen P angedeutet ist . Es ergibt sich für die so fertiggestellte Heizpatrone 300 wiederum die zuvor beschriebene Längen- und Höhenänderungen . Das Gleiche gilt für den Heizelement rohling 230 .
Obwohl bei den bisherigen Ausführungsbeispielen jeweils davon ausgegangen worden ist , dass der Heizelementrohling 130 , 230 aus einem rohrförmigen Körper 160 , 260 herausgetrennt wurde, liegt es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Heizelement rohling aus einem plattenförmigen Material heraus- getrennt wird . Die illustriert Figur 6A, die beispielsweise eine metallische Platte aus Kupfermaterial oder Ähnlichem in Seitenansicht darstellt . Eine solche Platte kann auch aus ei- nem auf gewickelten Metallband herausgetrennt werden .
Aus dem plattenförmigen Körper 660 von Figur 6A wird eine Heizleiterbahnstruktur beispielsweise herausgetrennt , wie die- se in Figur 6B illustriert ist . Diese Heizleiterbahnstruktur verfügt über zwei mäanderförmig verlaufende Leitungsabschnitte 632 , die mittig über einen Verbindungssteg 636 miteinander in Verbindung sind . Jeweils links und rechts verfügen die beiden Abschnitte 632 über Leiterbahnenden 635 . Eine alternative Aus- führung des Verbindungssteges ist in Figur 6C gestrichelt ge- zeichnet und mit der Bezugsziffer 636 ' versehen . Diese gestri- chelte Variante hat den Vorteil, dass der Heizelementrohling 630 auch aus einem rohrförmigen Körper herausgetrennt werden kann .
Die so hergestellte Heizleiterbahnstruktur wird dann zur Bil- dung eines Heizelementrohlings 630 gemäß Figur 6C mehrfach ge- bogen . Hierfür wird im Bereich des Verbindungsstegs 636 eine U-förmige Umbiegung durchgeführt , so dass die beiden Abschnit- te 632 übereinander liegen . Diese beiden Abschnitte mit den mäanderf örmigen Heizleiterverläufen werden dann um die Längs- achse 620 aufeinander zu umgebogen, so dass sich der in Figur 6C dargestellte Verlauf der gesamten Heizleiterbahnstruktur und damit des Heizelementrohlings 630 ergibt .
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone nach der Erfindung wird im Zusammenhang mit den Figuren 7A, 7B und 7C erläutert . Figur 7A zeigt in perspektivischer Ansicht einen Heizelement rohling 730 , der ähnlich zu dem Heizelementrohling 230 in Figur 2A ausgebildet ist . Allerdings ist jetzt die ein- zelne Heizwendel bzw . der Heizleiter 732 einer Windung deut- lich breiter gewählt in Richtung der Längsachse 12 als in dem Beispiel von Figur 2A . Dieser Heizelementrohling 730 verfügt allerdings ebenfalls über einen U-förmigen Verbindungssteg 736, dem bereits erwähnten Heizleiter 732 und die zwischen den einzelnen Wendel des Heizleiters 732 liegende Schlitze 734 . Der Heizelement rohling 730 verfügt über zwei Leiterbahnenden 735 , an welche die Kontaktanschlüsse 40 , 42 angeschlossen sind .
Der so gestaltete Heizelementrohling 730 ist gemäß Figur 7B in ein rohrförmiges Metallgehäuse 20 eingesetzt , aus dem die Kon- taktanschlüsse 40 , 42 in bereits erläuterter Weise herausra- gen . Wie in der teilweise auf gebrochenen Aufsicht von Figur 7B gut zu erkennen ist , ist zwischen dem Metallgehäuse 20 und dem Heizelement rohling 730 verdichtbares Material 50 eingefüllt , wobei davon ausgegangen wird, dass in der Darstellung von Fi- gur 7B bereits die Verdichtung dieses Materials 50 und die da- mit verbundenen Dimensionsänderungen der Heizpatrone 700 stattgef unden haben .
Das in Figur 7B mit dem Bezugszeichen E markierte Detail ist in Figur 7C vergrößert dargestellt . Die bereits erläuterten Bezugszeichen gelten weiter . Der Heizleiter 732 verfügt über die beiden Oberflächen 737 und 738 , die parallel zueinander liegen, sowie links und rechts hiervon über Schnittflächen 739 . Die Schnittflächen 739 liegen in diesem Ausführungsbei- spiel parallel zueinander . Das bereits verdichtete Material 50 ist mit dem Bezugszeichen 50 markiert . Es ist in Figur 7C deutlich zu erkennen, dass sowohl die Oberflächen 737 und 738 als auch die Schnittflächen 739 auf Grund des Verdichtens eine vergrößerte Oberfläche aufweisen, indem unregelmäßig verteilte Einprägungen 770 an diesen genannten Flächen vorgesehen sind . Durch diese Einprägungen wird die Effizienz der Heizpatrone deutlich verbessert , also die Wärmeübertragung vom Heizele- mentrohling 730 über das verdichtete Material 50 in idealer Weise an das Metallgehäuse 20 weitergeleitet .
In Figur 8 sind vier verschiedene Varianten von Einprägungen dargestellt . Die Einprägungen sind mit dem Bezugszeichen 770 markiert . Je nachdem, wie stark der Druck P beim Verdichten der vormontierten Heizpatrone eingestellt wird, werden die Einprägungen 770 weniger oder stärker ausgeprägt . Darüber hängt die Art und Gestaltung der Ausprägungen 770 auch davon ab, welches verdichtbare Material 50 in das Metallgehäuse 20 der Heizpatrone 700 eingefüllt wird . Es hat sich herausge- stellt , dass beim Verdichten besonders starke Einprägungen 770 erreicht werden, wenn MgO-Granulat gewählt wird . Beim Verdich- ten von porösem Keramikmaterial, insbesondere Keramikrohren oder Keramikstangen, sind die Einprägungen deutlich geringer ausgebildet .
Anzumerken für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Heizpatronen 100 , 200 , 300 ist , dass das Verdichten derart erfolgt , dass sich eine Längenvergrößerung des Heizelement rohlings 130 , 230 , 630 und/oder des Metallge- häuses 20 um zwischen etwa 1% bis etwa 15% und/oder eine Hö- henverkleinerung des Heizelement rohlings 130 , 230 , 630 und/oder des Metallgehäuses 20 von jeweils etwa 5% bis etwa 25% einstellt . Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die vorliegende Erfindung auch einen Heizelementrohling 130 , 230 , 630 , welcher aus einem rohr- oder plattenförmigen und elektrisch leitenden Körper 160 , 260 , 660 durch Bearbeiten ge- bildet wird, indem aus dem rohr- oder plattenförmigen Körper 160 , 260 , 660 eine sich verformbare Heizleiterbahnstruktur mit einer ersten Gesamtlänge LI und einer ersten Höhe Kl sowie mit mindestens zwei Leiterbahnenenden 135 , 125 , 635 ergibt und dieser so gestaltete Heizelementrohling 130 , 230 , 630 bei dem vorgenannten Verfahren zur Anwendung kommt .
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be- steht darin, dass auf Grund der Verwendung eines Heizele- mentrohlings 130 , 230 , 630 , 730 der aus einem platten- oder rohrförmigen metallischen Körper 160 , 260 , 660 herausgetrennt wurde, die hierbei entstehenden Schnittkanten durch das Ver- dichten optimal zur Wärmeübertragung an das Metallgehäuse 50 beitragen . An diesen Schnittkanten liegt nach dem Verdichten hochverdichtetes I soliermaterial an, was eine gute Wärmeüber- tragung vom Heizelement rohling 130 , 230 , 630 , 730 zum Metall- gehäuse 50 fördert . Zudem kann auf Grund der Tatsache, dass der erfindungsgemäße Heizelementrohling 130 , 230 , 630 , 730 im Gegensatz zu herkömmlichen Heizdrähten nahezu jegliche Quer- schnittsform aufweisen kann, sehr variabel gestaltet werden, um eine optimale Wärmeübertragung zu ermöglichen .
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass bei den erfindungsgemäßen Heizpatronen das rohrförmige Metallgehäuse und der Heizele- mentrohling parallel zueinander montiert werden, also dieselbe Erstreckungsrichtung aufweisen . Dabei können die Schnittflä- chen ganz oder teilweise im rechten Winkel zum Außenmantel des rohrförmigen Metallgehäuses angeordnet sein . Es ist ebenfalls möglich, die nicht durch Schneiden bearbeiteten Flächen des Heizelement rohlings ganz oder teilweise parallel zum Außenman- tel des Metallgehäuses anzuordnen . Schließlich ist es auch möglich, das rohrförmige Metallgehäuse als elektrischen Rück- leiter für das Heizelement auszuführen oder mehrere Heizkreise für das Heizelement vorzusehen .
In den Figuren 9A bis 9E sind verschiedene Produktionsschritte dargestellt , um eine Heizpatrone 600 , wie sie die vorliegende Erfindung vorschlägt , herzustellen . Dabei ist in Figur 9A der aus Figur 6C bereits bekannte Heizelementrohling 630 nochmals in perspektivischer Ansicht dargestellt . Der Verbindungssteg 636 ' ist bogenförmig gebildet und läuft mindestens annähernd konzentrisch um die Mittenachse 12 . Wie erläutert , wird dieser Heizelement rohling 630 aus einem plattenförmigen oder rohrför- migen metallischen Körper in geeigneter Weise herausgetrennt und gegebenenfalls noch gebogen .
In dem in Figur 9E dargestellten Ausführungsbeispiel ist die- ser Heizelement rohling 630 mit einer isolierenden Beschich- tung, im vorliegenden Fall eine Keramikbeschichtung 650 be- deckt . Lediglich die Leiterbahnenden 635 sind nicht mit dieser Beschichtung 650 versehen . Als Beschichtung 650 eignet sich insbesondere poröses Keramikmaterial . Aufgrund der Beschich- tung 650 des Heizelement rohlings 630 kann der Heizelementroh- ling 630 ohne Zentrierhilfen in das Metallgehäuse 20 einge- setzt werden . Die Leiterbahnen des Heizelementrohlings 630 sind damit gegenüber dem metallischen Gehäuse 620 isoliert . Dies ist in Figur 9C dargestellt . Das Metallgehäuse 20 ist links und rechts wiederum mit dem Gehäuseboden 21 und dem Ge- häusedeckel 23 versehen . Dabei ist in dem Innenraum des Me- tallgehäuses 20 das zu verdichtende Material 50 eingefüllt . In einem anschließenden Verarbeitungsschritt wird die so vorbe- reitete Heizpatrone 600 dem erläuterten Verdichtungsvorgang ausgesetzt . Dies ist in Figur 9D illustriert . Wie erläutert , ist die mit dem Verdichten erreichte Verlängerung des Metall- gehäuses 20 und die Durchmesserverlängerung des Metallgehäuses 20 in Figur 9D dargestellt .
In Figur 9E ist die erläuterte Heizpatrone 600 nochmals in perspektivischer Darstellung gezeigt .
Figur 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizpat- rone nach der Erfindung . Figur 10A zeigt die zugehörende per- spektivische Darstellung der einzelnen Komponenten, Figur 10B eine Schnittansicht vor dem Verdichten und Figur 10C eine Schnittansicht nach dem Verdichten der Heizpatrone .
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Metallgehäuse 20 der Heizpatrone 1000 als Hohlpatrone ausgebildet . Dies bedeutet , dass das rohrförmige Metallgehäuse 20 ein zentrisches Innen- rohr 22 aufweist . Dieses Innenrohr 22 und das rohrförmige Me- tallgehäuse 20 sind konzentrisch zur Längsachse 12 ausgerich- tet . In den Zwischenraum zwischen dem Metallgehäuse 20 und In- nenrohr 22 wird der Heizelementrohling eingesetzt . Dieser Heizelement rohling 230 ist im Ausführungsbeispiel von Figur 10A ein Heizelementrohling 230 , wie dieser im Zusammenhang mit den Figuren 2A bis 2D erläutert worden ist . Dieser Heizele- mentrohling 230 verfügt wiederum über zwei Leiterbahnenden 235 , an welche jeweils ein Kontaktanschluss 40 , 42 angeschlos- sen ist . Wie aus Figur 10B ersichtlich, wird nach dem Einset- zen des Heizelement rohlings 230 in den Zwischenraum zwischen Metallgehäuse 20 und dem Innenrohr 22 wiederum verdichtendes Material 50 eingeführt . Dabei ist die Heizpatrone 1000 an sei- ner in Figur 10B links dargestellten Seite mit einem ringför- migen Gehäuseboden 21 verschlossen und an seinem gegenüberlie- genden Ende mit einem ringförmigen Gehäusedeckel 23 .
In einem darauf folgenden Verfahrensschritt , der in Figur 10C dargestellt ist , ist die Heizpatrone 1000 einem Verdichtungs- schritt ausgesetzt . Hierfür wird zweckmäßigerweise in den Hohlraum des Innenrohres 22 ein sogenannter Kalibrierdorn ein- gesetzt . Dieser Kalibrierdorn ist mit dem Bezugszeichen 52 versehen und liegt vor dem eigentlichen Verdichtungsvorgang eng und flächig an der Innenwandung des Innenrohrs 22 an, so dass sich beim anschließenden Verdichtungsvorgang dieses In- nenrohr 22 nicht verengen kann . Nach dem eigentlichen Verdich- tungsvorgang wird der Kalibrierdorn 52 entfernt , so dass die fertig gestellte Heizpatrone 1000 bei Bedarf auf einen zylind- rischen Körper aufgeschoben werden kann, um diesen zu erwär- men .
Ein letztes Ausführungsbeispiel ist im Zusammenhang mit den Figuren 11A, 11B und 11C dargestellt . Die bereits bekannten Bezugszeichen werden weiter verwendet . Der Heizelementrohling in Figur 11A entspricht dem Heizelementrohling 730 aus Figur 7A . Dieser Heizelementrohling 730 ist jetzt , ähnlich wie im Ausführungsbeispiel von Figur 10 dargestellt , in ein doppel- wandiges Metallgehäuse eingesetzt , also in ein rohrförmiges Metallgehäuse 20 mit innenliegendem Innenrohr 22 . Dies ist in Figur 11B gezeigt . Das Detail E gemäß Figur 11C zeigt wiederum das verdichtete Material und die aufgrund des Verdichtens er- reichte Oberflächenstruktur mit Einprägungen 770 in die Lei- tungsabschnitte 732 des Heizelementrohlings 730 .
Bezugszeichenliste
12 Längsachse
20 Metallgehäuse
21 Gehäuseboden
22 Innenrohr
23 Gehäusedeckel
40 Kontakt an Schluss
42 Kontakt an Schluss
50 Verdichtbares Material
52 Kalibrier dorn
100, 200, 300, 600,700, Heizpatrone
1000
130,230, 630,730 Heizelement rohling
132,232, 632, 632 Heizleiter
132, 232 Heiz leit erbereich
133, 134,137,234,734 Schlitz
133 ', 134 ', 137 ' Schlitzbereich
135, 235, 635, 735 Leiterbahnende des Heizleiters
136, 236, 636, 636 ', 730 U-förmiges Ende des Heizleiters 230
137,737 erste Oberfläche des Heizelementrohlings
138,738 zweite Oberfläche des Heizelementrohlings
139, 739 Schnittflächen des Heizelementrohlings 140 , 240 Schnitt ab fall
150 , 250 Schnittlinie
160 , 260 , 660 Rohrförmiger oder plattenförmiger Körper
310 I solierendes Rohr
312 I solierende Stange
312 ' Verdichtetes Material
632 , 732 Abschnitte
650 Beschichtung, insbesondere Keramikbe- schichtung
770 Einprägungen bl , b2 Schlitzbreite
Al - A12 Flächen
B-B Schnitt
C, D, E Detail
D-D Schnitt
F
Kl Höhe des Heizelementrohlings vor dem Ver- dichten
K2 Höhe der Heizpatrone vor dem Verdichten
K3 Höhe des Heizelementrohlings nach dem
Verdichten
K4 Höhe der Heizpatrone nach dem Verdichten
K5 Dicke des Heizleiters vor dem Verdichten
K6 Dicke des Heizleiters nach dem Verdichten
LI Länge des Heizelementrohlings vor dem Verdichten
L2 Länge des Metallgehäuses vor dem Verdich- ten
L3 Länge des Heizelementrohlings nach dem
Verdichten
L4 Länge der Heizpatrone nach dem Verdichten
L5 Abstand zwischen zwei Heizleiterverbin- dungen vor dem Verdichten
L6 Abstand zwischen zwei Heizleiterverbin- dungen nach dem Verdichten
P Druck a Winkel

Claims

32
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Heizpatrone (100; 200; 300; 700) mit einem innerhalb eines Metallge- häuses (20) der Heizpatrone (100; 200; 300; 700) liegenden und sich axial zu einer Längsachse der Heizpatrone (100; 200; 300; 700) erstreckenden, elektrischen Heizelement, wobei die Heizpatrone (100; 200; 300; 700) und/oder das Heizelement eine vorgegebene geometrische Gestalt mit ei- nem vorgegebenen ohmschen Widerstand aufweisen, mit fol- genden Verfahrensschritten:
- Bereit stellen eines insbesondere plattenförmigen oder rohrf örmigen, elektrisch leitenden Körpers (160; 260; 660) ,
- Bearbeiten des Körpers (160; 260; 660) zur Bildung eines Heizelement rohlings (130; 230; 630; 730) derart, dass aus dem Körper (160; 260; 660) eine sich verformbare Heizlei- terbahnstruktur mit einer ersten Gesamtlänge (LI) und ei- ner ersten Höhe (Kl) sowie mit wenigstens einem ersten und zweiten Leiterbahnende (135) gebildet wird,
- Einsetzen des Heizelementrohlings (130; 230; 630; 730) in das rohrförmige Metallgehäuse (20) , welches eine zweite Gesamtlänge (L2) und eine zweite Höhe (K2) aufweist,
- Befüllen des rohrförmigen Metallgehäuses mit einem elektrisch isolierenden und verdichtbaren Material (50; 310; 312) ,
- Verdichten des befüllten Metallgehäuses (20) zur Errei- chung der vorgegebenen geometrischen Gestalt und des vor- gegebenen ohmschen Widerstandes des Heizelementrohlings (130, 230, 630, 730) und/oder der Heizpatrone (100; 200; 300; 700) mit einer zur ersten Gesamtlänge (LI) vergrößer- ten dritten Gesamtlänge (L3) und/oder einer zur ersten Hö- he (Kl) verkleinerten dritten Höhe (K3) und/oder zur Um- 33 formung des Metallgehäuses (20) zu einer im Vergleich zur zweiten Gesamtlänge (L2) vergrößerten vierten Gesamtlänge (L4) und/oder einer zur zweiten Höhe (K2) verkleinerten vierten Höhe (K4) . Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Me- tallgehäuse (50) vor dem Verdichten vorzugsweise mit min- destens einem Deckel (23, 24) verschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kör- per (160, 260, 660) ein plattenförmiger Körper (660) ist, aus dem die Heizleiterbahnstruktur herausgetrennt und in einem nachfolgenden Schritt vorzugsweise um die Längsachse (12) gebogen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das mindestens erste und zweite Leiterbahnende (135; 235; 635) oder mit diesen versehene Kontaktanschlüsse (40, 42) stirnseitig aus dem Metallgehäuse (20) herausgeführt werden . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Be- arbeitung des Körpers (160, 260, 660) zur Bildung des Heizelement rohlings (130, 230, 630, 730) mittels Laser- schneidens, Wasserstrahlschneidens, Mikrowasserstrahl- schneidens, Ätzens, Stanzens, Bohren, Fräsens, Drehen oder Sägens erfolgt . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heizleiterbahnstruktur zumindest abschnittsweise mäander- förmig gebildet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heizleiterbahnstruktur bifilar gebildet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Ma- terial (50, 310, 312) für das Verdichten Isoliergranulat (50) , insbesondere MgO-Granulat , Keramikgranulat und Bor- nitridgranulat, oder poröses Keramikmaterial (310, 312) verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ver- dichten derart erfolgt, dass eine Längenvergrößerung des Heizelement rohlings (130; 230; 630; 730) und/oder des Me- tallgehäuses (20) um zwischen etwa 1% bis etwa 15% und/oder eine Höhenverkleinerung von jeweils etwa 5% bis etwa 25% bewirkt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Heizelement rohling (130; 630; 730) vor dem Einsetzen in das rohrförmige Metallgehäuse (20) mit einer Isolier- schicht, insbesondere einer porösen Keramikschicht, be- schichtet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Me- tallgehäuse (20) ein doppelwandiges Hohlrohr verwendet wird . Heizelement rohling (130, 230, 630; 730) , welcher aus einem rohr- oder plattenförmigen und elektrisch leitenden Körper (160, 260, 660) durch Bearbeiten gebildet wird, indem aus dem Körper eine sich verformbare Heizleiterbahnstruktur mit einer ersten Gesamtlänge (LI) und einem ersten Höhe (Kl) sowie mit mindestens einem ersten und zweiten Leiterbahnen- de (135, 235, 635) zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11. Heizpatrone (100, 200, 300, 700) hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 12. Heizpatrone (100, 200, 300, 700) nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Heiz- elementrohling (130, 230, 330, 730) Schlitze (137, 737) mit sich gegenüberliegenden Schnittflächen (139, 739) aufweist, welche orthogonal zur rohrförmigen Wandung des Metallgehäu- ses (20) angeordnet sind. Heizpatrone (100, 200, 300, 700) nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich ge- genüberliegende Schnittflächen (139, 739) parallel zueinan- der mit einem Winkel (ex) angeordnet sind. Heizpatrone (100, 200, 300, 700) nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich ge- genüberliegende Schnittkanten (139, 739) mit unterschiedli- chen Winkeln (a, -a) gegenüberstehen. 36
17. Heizpatrone (100, 200, 300, 700) nach einem der Ansprüche
14 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Heiz- elementrohling (130, 230, 330, 730) im fertig montiertem und verdichteten Zustand an seinen Oberflächen (137, 237) und an seinen Schnittfläche (139, 739) Einprägungen (770) aufweist .
18. Heizpatrone nach einem der Ansprüche 13 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dessen Metallgehäuse (20) als doppelwandiges Rohr (20) mit Innen- rohr und Außenrohr (22) ausgebildet ist.
19. Heizpatrone nach einem der Ansprühe 13 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Heiz- elementrohling (130; 230; 330; 730) mit einer Isolier- schicht insbesondere porösen Keramikschicht beschichtet ist .
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