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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Heizpatrone mit einem temperaturabhängig schaltenden Leistungsbegrenzer,
insbesondere einem Bimetallschalter, der innerhalb eines einen Heizkörper konzentrisch
umschließenden
metallenen Gehäuserohres
angeordnet ist und über
welchen wenigstens eines von zwei elektrischen Anschlußteilen
mit einem Heizelement des Heizkörpers
in Verbindung stehen.
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Derartige
Heizpatronen sind an sich bekannt. Sie werden u.a. auch dafür eingesetzt,
ein Medium rasch auf eine bestimmte vorgegebene Temperatur aufzuheizen,
die aber nicht überschritten
werden sollte.
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In
vielen Fällen
ist dieses Aufheizen eines Mediums nur im Anlaufbetrieb erforderlich,
weil das Medium dann von der Maschine in der es sich befindet, während des
Betriebes von der Maschine selbst auf der gewünschten Betriebstemperatur
gehalten wird. Ein weiteres Heizen mit der Heizpatrone ist dann
nicht mehr erforderlich. Zum Abschalten der Heizpatrone ist der
sog. Leistungsbegrenzer vorgesehen, der sowohl aus einem temperaturabhängigen Aus-Einschalter
z.B. einem Bimetallschalter bestehen kann, der aber auch eine Regeleinrichtung
umfassen kann bzw. aus einer solchen bestehen kann.
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Wichtig
ist bei solchen Anwendungsfällen, daß der Leistungsbegrenzer
nicht vom Heizkörper bzw.
dem Heizelement der Heizpatrone selbst erwärmt wird, sondern vom Medium,
das von der Heizpatrone auf eine bestimmte Betriebstemperatur gebracht
werden soll. Es ist somit eine thermische Entkoppelung des Leistungsbegrenzers
vom Heizkörper erforderlich.
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Es
sind bereits eine ganze Reihe von Heizpatronen bekannt, die integrierte
Thermoelemente verschiedener Ausführungen aufweisen, bei denen aber
zur Steuerung der Heizelemente besondere Regelorgane erforderlich
sind, weil die thermische Entkopplung der Thermofühler vom
eigentlichen Heizkörper
nicht in ausreichendem Maße
gewährleistet ist.
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Aus
DE 19 26 096 A ist
eine elektrische Heizpatrone bekannt, bei der ein oder mehrere Heizleiter in
Bohrungen eines Keramikkörpers
liegen und bei der in einem besonderen Hohlraum des Keramikkörpers ein
mit einem Wärmefühler und
einem Ein- und Ausschaltkontakt für den Heizstrom ausgerüsteter Temperaturregler
angeordnet ist.
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Derartige
Heizpatronen werden in der Regel bei Ondulierzangen, Lötkolben,
medizinischen und Gräten
des Haushalts sowie bei Schweißgeräten für Kunststoff
eingesetzt, wo es auf eine thermische Entkopplung des Leistungsbegrenzers
vom eigentlichen Heizkörper
nicht nur nicht ankommt, sondern wo eine solche gar nicht erwünscht ist.
Vielmehr soll dabei das Ein- und Ausschalten des Heizkörpers direkt nach
dessen Temperatur geregelt werden und nicht nach der Temperatur
des zu erhitzenden Mediums.
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Es
ist auch ein Patronenheizkörper
bekannt, (
DE 32 14
154 A1 ), bei dem an einem stirnseitigen Hülsenboden
eines Hülsenmantels
ein Thermoelement kontaktierend angeordnet ist. Bei diesem Patronenheizkörper, bei
dem der Hülsenboden
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und der Hülsenmantel
aus Edelstahl, ist aber eine thermische Entkopplung des Thermoelements
vom Heizkörper
weder beabsichtigt noch realisiert.
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Zudem
ist es aus
DE 32 23
977 A1 bekannt, die Stirnwand des den Heizkörper umschließenden metallenen
Rohrkörpers
mit diesem zu verschweißen.
Dabei handelt es sich um eine verdichtete Heizpatrone, bei der eine
thermische Trennung des Thermoelements vom Heizkörper ebenfalls nicht vorgesehen
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizpatrone
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher der Leistungsbegrenzer
sowohl zeitlich als auch wertmäßig möglichst
genau auf die Temperatur anspricht, die jeweils in dem erwärmten bzw.
zu erwärmenden
Medium herrscht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
daß der
Leistungsbegrenzer in einem durch eine Trennwand vom Heizkörper getrennten
Hohlraum des Gehäuserohres
untergebracht ist und eine metallene Wärmekontaktfläche aufweist,
die durch Federdruck spaltfrei an einer räumlich von der Trennwand entfernten,
metallenen Gegenfläche
des Gehäuserohres
anliegt.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung des
Leistungsbegrenzers ist seine thermische Entkopplung von dem Heizelement
der Heizpatrone in einem solchen Maße verwirklicht, daß der Thermofühler des
Leistungsbegrenzers unmittelbar von der Temperatur des Mediums beaufschlagt
wird und somit direkt auf diese Temperatur reagieren kann. Es wird
dadurch nicht nur eine wesentlich genauere Einhaltung der gewünschten
bzw. eingestellten Grenztemperatur erzielt, bei welcher die Energiezufuhr
der Heizpatrone abgeschaltet wird, sondern es ist auch möglich, einen
einfachen Leistungsbegrenzer mit einer einfachen Ausschaltfunktion
zu verwenden, was sich selbstverständlich auch günstig auf
die Herstellkosten einer solchen Heizpatrone auswirkt.
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Eine
räumlich
und konstruktiv besonders günstige
Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch die Merkmale des Anspruches
2, wobei durch die Ausgestaltung nach Anspruch 3 nicht nur eine stabile
Verbindung zwischen der Stirnwand des Gehäuserohres geschaffen wird,
sondern auch eine optimale Abdichtung und Wärmeübertragung.
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Der
Wärmeübergang
von der Gegenfläche zur
Wärmekontaktfläche kann
durch die Ausgestaltung nach Anspruch 4 noch verbessert werden.
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Um
einen Wärmeübergang
vom Heizkörper bzw.
dem Heizelement in den Hohlraum und von diesem zum Leistungsbegrenzer
möglichst
gering zu halten, ist es vorteilhaft, die Ausgestaltung nach Anspruch
5 vorzusehen.
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Die
Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist insofern von besonderem Vorteil,
als sie sich technisch gut realisieren läßt und im übrigen auch in erheblichem
Maße zur
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe beiträgt.
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Die
gemäß Anspruch
7 vorgesehene Schraubendruckfeder ist nicht nur in der Lage, den für eine möglichst
spaltfreie Berührung
zwischen der Wärmekontaktfläche und
deren Gegenfläche
erforderlichen Anpreßdruck
aufzubringen, sondern sie ist auch in der Lage sowohl axiale Fertigungstoleranzen als
auch thermisch bedingte Längenänderungen
zu kompensieren.
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Mit
Hilfe der gemäß Anspruch
8 vorgesehenen zusätzlichen
Wärmeisolierscheibe
kann der Wärmeübergang
vom Heizkörper
in den Hohlraum weiter minimiert werden.
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Anhand
der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Heizpatrone im Schnitt;
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2 den
Leistungsbegrenzer der Heizpatrone in perspektivischer Unteransicht.
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Die
in 1 dargestellte Heizpatrone weist einen aus einem
thermisch hoch belastbaren elektrischen Isoliermaterial, wie z.B.
Keramik, bestehenden Heizkörper 5 auf,
der von einem gewindeartig aufgewickelten, drahtförmigen Heizelement 4 umschlossen
ist. Dieser Heizkörper 5 ist
mit außermittig
angeordneten, sich diametral gegenüberliegenden durchgehenden
Axialbohrungen 6 und 7 versehen, in denen elektrische
Anschlußdrähte 8 und 9 bzw. 9' untergebracht
sind.
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Die
in der Zeichnung oben liegenden Enden der Anschlußdrähte 8 und 9 durchragen
Axialbohrungen 15 und 16 eines zylindrischen Verschlußstückes 17 und
enden in Anschlußteilen 23 und 24.
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Der
Anschlußdraht 8 führt direkt
zu einem Anschlußstück 26 eines
temperaturabhängig
schaltenden, d.h. auf eine bestimmte Temperatur seiner Umgebung
ansprechenden Leistungsbegrenzers 20, mit dem er stoffschlüssig verbunden
ist. Der Anschlußdraht 9 ist
durch ein Verbindungsstück 18 mit dem
einen Ende des Heizelementes 4 verbunden, während der
Anschlußdraht 9' über ein
Verbindungsstück 18' mit dem andern
Ende des Heizelementes 4 verbunden ist. Der Anschlußdraht 9' ist mit dem
zweiten Anschlußstück 27 des
Leistungsbegrenzers 20 stoffschlüssig verbunden, z.B. verschweißt.
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Im
vorliegenden Anwendungsfall hat der Leistungsbegrenzer 20 nur
die Funktion, die Stromzufuhr zum Heizelement 4 zu unterbrechen,
wenn bzw. sobald das aufzuheizende Medium eine vorbestimmte Temperatur
erreicht hat. Statt eines solchen Leistungsbegrenzers 20,
der nach Absinken der Temperatur im Medium die Stromzufuhr nicht
wieder einschaltet, sind auch andere Thermoschaltgeräte oder – Regler
einsetzbar, welche ein Wiedereinschalten der Stromzufuhr bewirken
können,
wenn bestimmte vorgegebene Parameter erfüllt sind, z.B. eine bestimmte
Absenktemperatur erreicht ist.
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Zwischen
den beiden Anschlußdrähten 9 und 9' befindet sich
in der Bohrung 7 des Heizkörpers 5 ein Isolierstift 19,
der eine elektrische Trennung zwischen den beiden Anschlußdrähten 9 und 9' gewährleistet.
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Untergebracht
ist der Heizkörper 5 mit
seinem Heizelement 4 und den Anschlußdrähten 8, 9 und 9' in einem zylindrischen
Gehäuserohr 10,
das vorzugsweise aus Edelstahl besteht, aber auch aus einem anderen,
nicht oxidierenden gut wärmeleitenden
Metall bestehen kann. Dieses Metallrohr 10 hat eine innere
Weite, die größer ist
als der Wickeldurchmesser des Heizelementes 4. Der deshalb
vorhandene Ringspalt 22, zwischen dem Gehäuserohr 10 und dem
Heizkörper 5 bzw.
dessen Heizelement 4 ist ausgefüllt mit einem elektrisch nicht
leitenden, jedoch gut wärmeleitenden
pulverförmigem
Medium, vorzugsweise Magnesiumoxid, welches auch die verbliebenen
Hohlräume
der Axialbohrungen 6 und 7 ausfüllt.
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Dieses
Füllmaterial
ist im Gehäuserohr 10 durch
radiale Verpressung verdichtet. Am oberen Ende des Heizkörpers befindet
sich als dichtender Abschluß das
Verschlußstück 17,
das mit einem verjüngten,
zylindrischen Ansatz 17' in
das obere Ende des den Heizkörper
axial überragenden
Gehäuserohres 10 eingepreßt ist.
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Am
unteren Ende, des Heizkörpers 5 befindet
sich im Gehäuserohr 10 eine
Trennwand 12 aus Keramik, die zur Hindurchführung der
beiden Anschlußdrähte 8 und 9' zwei axiale
Bohrungen 37 und 38 aufweist und die Hohlräume des
Heizkörpers
sowie den Ringspalt 22 dichtend abschließt.
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Nach
unten, bezogen auf die Darstellung gemäß 1, ist das
Gehäuserohr 10 über die
Trennwand 12 hinaus verlängert. Dieser Endabschnitt 10' bildet einen
Hohlraum 11, der durch eine metallene Stirnwand 35 abgeschlossen
ist, die aus einer planparallelen, der Innenkontur des Gehäuserohres 10 angepaßten Scheibe,
besteht. Diese Stirnwand 35 ist in das untere Ende des
Gehäuserohres 10 eingepreßt und zusätzlich dicht
verschweißt.
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Der über seine
beiden Anschlußstücke 26 und 27 mit
den Anschlußdrähten 8 bzw. 9' elektrisch verbundene
Leistungsbegrenzer 20 ist mit einem metallenen Gehäuse 21 versehen,
das seinerseits unterseitig eine Kontaktplatte 32 aufweist.
Die Unterseite der Kontaktplatte 32 bildet eine Wärmekontaktfläche 30,
die spaltfrei auf der von der Innenseite der Stirnwand 35 gebildeten
Gegenfläche 31 aufliegt. Um
den Wärmeübergang
zwischen diesen beiden Metallteilen noch zu verbessern, ist es zweckmäßig, zwischen
der Wärmekontaktfläche 30 und
deren Gegenfläche 31 eine
Wärmekontaktpaste
anzubringen.
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Um
den nötigen
Anpreßdruck
für die
spaltfreie Berührung
zwischen der Kontaktplatte 32 und der Stirnwand 35 zu
erzeugen, ist eine Schraubendruckfeder 13 vorgesehen, die
sich einerseits an der Trennwand 12 bzw. an einer an die ser
anliegenden zusätzlichen
Wärmeisolierscheibe 14 und
andererseits an der Kontaktplatte 32 abstützt.
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Damit
die Kontaktplatte 32 mit dem Gehäuse 21 des Leistungsbegrenzers 20 den
temperaturbedingten Längenänderungen
des Gehäuserohrabschnittes 10 ungehindert
folgen kann, sind die beiden Anschlußdrähte 8 und 9' innerhalb des
Hohlraumes 11 jeweils mit Dehnbogen 28 und 29 versehen.
Diese sind erforderlich, weil die beiden Anschlußdrähte 8 und 9' festsitzend
in der Trennwand 12 bzw. im Heizkörper 5 verankert sind
und sich in axialer Richtung in diesem Bereich nicht bewegen können.
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Durch
die bei Hochtemperaturbetrieb nicht erforderliche zusätzliche
Isolierstoffscheibe 14 wird der direkte Wärmeübergang
von der Trennwand 12 zum Hohlraum 11 zusätzlich vermindert,
was für
eine geringere temperaturabhängige
Ansprechtoleranz des Leistungsbegrenzers 20 förderlich
ist.
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Wenn
statt des einfachen Leistungsbegrenzers 20 ein Thermoregler
verwendet wird und es darauf ankommt eine geringe Schalthysteres
mit möglichst
geringer Streuung zu erzielen, ist es wichtig daß einerseits ein gut wärmeleitender
Kontakt zwischen dem Leistungsbegrenzer 20 und der metallenen
Stirnwand 35 am unteren Ende des den Hohlraum bildenden
Gehäuserohrabschnitts 10' besteht und
daß ande rerseits
die thermische Entkopplung des Leistungsbegrenzers 20 vom
Heizkörper 5 bzw. Heizelement 4 wirksam
ist, was nicht nur durch die Trennwand 12 und die Isolierstoffscheibe 14 sondern auch
und insbesondere durch den axialen Abstand zwischen der Trennwand 12 und
dem Leistungsbegrenzer 20 im Hohlraum 11 erreicht
wird.