DE19940618A1 - Kabelheizelement - Google Patents

Abstract

Ein Kabelheizelement besitzt ein insbesondere gewendeltes Mantelrohr, in dem zumindest ein Widerstanddraht angeordnet ist, der über endseitige Anschlüsse an eine Stromquelle angeschlossen werden kann. Um in den Endbereichen des Kabelheizelementes eine gegenüber dem Mittelbereich erhöhte Wärmeabgabe zu erzielen, ist der Widerstandsdraht aus mehreren Abschnitten unterschiedlichen Materials zusammengesetzt, wobei in den Endbereichen des Kabelheizelementes Abschnitte aus einem Material hohen Widerstandes und im Mittelbereich des Kabelheizelementes zumindest ein Abschnitt aus einem Material geringen Widerstandes angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kabelheizelement mit einem ins­ besondere gewendelten Mantelrohr, in dem zumindest ein Wi­ derstandsdraht angeordnet ist, der über endseitige An­ schlüsse an eine Stromquelle anschließbar ist.

In vielen Fällen der industriellen Fertigung ist es notwen­ dig, eine Rohrleitung oder eine Düse auf einer vorbestimm­ ten erhöhten Temperatur zu halten, wobei im folgenden bei­ spielhaft von einer Spritzdüse in der Kunststoffverarbei­ tung ausgegangen werden soll. Um die Spritzdüse zu erwärmen und dadurch den die Düse durchlaufenden Kunststoff fließfä­ hig zu halten, sind gewendelte Kabelheizelemente bekannt, die außenseitig auf die Düse aufgeschoben werden und an de­ ren Oberfläche dicht anliegen, um eine gute Wärmeübertra­ gung zu erzielen.

Das Kabelheizelement besteht aus einem gewendelten Mantel­ rohr, das in der Regel aus Edelstahl besteht und in dem ein bis vier Widerstandsdrähte über die gesamte Länge angeord­ net sind. Die Widerstandsdrähte können dabei entweder in sich gewendelt oder auch gerade ausgebildet sein. An beiden Enden des Widerstandsdrahtes sind Anschlußlitzen angeord­ net, die üblicherweise aus Reinnickel bestehen. Wenn ein Kabelheizelement mit beidseitigem Anschlußabgang vorgesehen ist, bei dem die Anschlüsse des Widerstandsheizdrahtes an entgegensetzten Enden des Kabelheizelementes liegen, werden der oder die Widerstandsdrähte jeweils einlagig durch das Mantelrohr geführt. Bei einem Kabelheizelement mit einsei­ tigem Anschlußabgang, bei dem die beiden Anschlüsse an dem­ selben Ende des Kabelheizelementes liegen, werden der oder die Widerstandsdrähte jeweils doppellagig bzw. bifilar durch das Mantelrohr geführt, wobei sie an dem den An­ schlüssen abgewandten Ende des Kabelheizelementes eine Um­ biegung um 180° erfahren. In allen Fällen sind die Wider­ standsdrähte innerhalb des Mantelrohrs in einen Füllstoff, beispielsweise verdichtetem Magnesiumoxid, eingebettet, um eine genaue Positionierung zu erreichen und einen gegensei­ tigen Kontakt zu vermeiden.

Wenn das gewendelte Mantelrohr über die gesamte Länge des Kabelheizelementes eine konstante Steigung besitzt, d. h. alle aufeinander folgenden Windungen immer den gleichen ge­ genseitigen Abstand haben, ergibt sich über die Länge des Kabelheizelementes eine stark nicht-lineare Wärmevertei­ lung, da in dem mittleren Abschnitt des Kabelheizelementes einerseits wesentlich geringere Wärmeverluste als in den Endabschnitten auftreten und da andererseits von den Endab­ schnitten ein zusätzlicher Wärmetransport zum mittleren Ab­ schnitt erfolgt. Eine derartige erhöhte Wärmeentwicklung im mittleren Abschnitt des Kabelheizelementes steht jedoch in direktem Gegensatz zu den Anforderungen, wie sie beispiels­ weise bei Heißkanaldüsen in Kunststoff-Spritzgußmaschinen gegeben sind, bei denen am Übergang von Extruder und im Ab­ stand dazu an der Düsenspitze eine ausreichende Wärmezufuhr gegeben sein sollte, wohingegen in dem dazwischenliegenden mittleren Abschnitt möglichst wenig oder sogar keine Wärme zugeführt werden sollte.

Um die Wärmeabgabe im mittleren Abschnitt des Kabelheizele­ mentes zu verringern, ist es bekannt, die Wendel im mittle­ ren Abschnitt mit einer größeren Steigung auszubilden, d. h. den mittleren Abschnitt mit einer deutlich verringerten An­ zahl von Windungen des Mantelrohres zu überbrücken. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich auf diese Weise zwar eine Re­ duzierung der Wärmeabgabe im mittleren Abschnitt erzielen läßt, jedoch ist diese aufgrund des verbleibenden Wärme­ transports von den Endabschnitten in den mittleren Ab­ schnitt immer noch höher als in den Endabschnitten. Hinzu kommt, daß das Mantelrohr des Kabelheizelementes häufig ei­ nen flachen Rechteckquerschnitt besitzt, der im eng gewen­ delten Bereich entsprechend flach anliegt. Durch Aufziehen der Wendel im mittleren Abschnitt stellen sich die Quer­ schnitte auf und kippen etwas aus der Ringfläche heraus, wodurch keine definierten Kontakt- und somit Wärmeüber­ gangsflächen gebildet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabelheizele­ ment der genannten Art zu schaffen, mit dem sich die ge­ wünschte Wärmeabgabeverteilung über die Länge des Kabel­ heizelementes erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kabelheizele­ ment dadurch gelöst, daß der Widerstandsdraht aus mehreren Abschnitten unterschiedlichen Materials zusammengesetzt ist, wobei in den Endbereichen des Kabelheizelementes Ab­ schnitte aus einem Material hohen Widerstandes und im Mit­ telbereich des Kabelheizelementes zumindest ein Abschnitt aus einem Material geringen Widerstandes angeordnet sind. Erfindungsgemäß wird somit der Widerstandsdraht nicht aus einem kontinuierlichen, hinsichtlich des Materials einheit­ lichen Bauteil gebildet, sondern aus verschiedenen Ab­ schnitten zusammengesetzt und insbesondere zusammenge­ schweißt. In den Endbereichen des Kabelheizelementes, in denen eine vorbestimmte Wärmeabgabe erfolgen muß, werden Abschnitte aus einem Material hohen Widerstandes verwendet, bei dem es sich beispielsweise um eine Nickel-Chrom-Legie­ rung wie NiCr 80/20 handeln kann, während im Mittelbereich des Kabelheizelementes, in dem eine möglichst geringe Wär­ meabgabe erfolgen soll, ein Abschnitt aus einem Material geringen Widerstandes, beispielsweise aus Nickel, angeord­ net wird. Auf diese Weise ist erreicht, daß die Wärmeent­ wicklung und Abgabe im wesentlichen in den Endbereichen des Kabelheizelementes auftritt, während im Mittelbereich nur eine geringe Wärmeentwicklung in dem Abschnitt aus dem Ma­ terial geringen Widerstandes und zusätzlich der Wärmetrans­ port von den beiden Endbereichen gegeben ist. Insgesamt läßt sich auf diese Weise der Verlauf der Wärmeabgabe über die Länge des Kabelheizelementes durch die Länge der ein­ zelnen Abschnitte, die den Widerstandsdraht bilden, in ge­ wünschter Weise einstellen.

Um eine möglichst große Wärmeentwicklung in den Endberei­ chen des Kabelheizelementes zu erreichen, kann der Wider­ standsdraht in den dort angeordneten Abschnitten aus dem Material hohen Widerstandes in sich gewendelt sein. Dement­ sprechend kann der Widerstandsdraht in dem zumindest einen Abschnitt aus dem Material geringen Widerstandes im Mittel­ bereich des Kabelheizelementes möglichst geradlinig verlau­ fen, um diesen Bereich auf dem kürzesten Wege zu überbrüc­ ken, so daß dort auch nur eine geringe Wärmeentwicklung auftritt.

In vielen Fällen ist es gewünscht, das Kabelheizelement mit einem einseitigen Abgang der Anschlüsse auszubilden, was in bekannter Weise dadurch erreicht wird, daß der Wider­ standsdraht vom einen Ende des Kabelheizelementes bis zu dem entgegengesetzten Ende verläuft, dort eine 180°-Umbie­ gung erfährt und zum Ausgangspunkt zurückverläuft. Diese Anordnung wird als bifilar bezeichnet. Bei bifilarer Anord­ nung des Widerstandsdrahtes wird dieser erfindungsgemäß aus fünf Abschnitten zusammengesetzt, wobei zwischen den An­ schlüssen nacheinander aus dem Material hohen Widerstandes zunächst ein kürzerer Abschnitt, dann ein längerer Ab­ schnitt und wiederum ein kürzerer Abschnitt liegen und wo­ bei zwischen diesen Abschnitten aus dem Material hohen Wi­ derstandes jeweils Drähte aus Material geringen Widerstan­ des eingeschweißt sind. Bei Anordnung dieses Wider­ standsdrahtes innerhalb des Mantelrohres liegt der erste kürzere Abschnitt aus dem Material hohen Widerstandes im eingangsseitigen Endbereich des Kabelheizelementes, während der sich daran anschließende Draht aus dem Material gerin­ gen Widerstandes im Mittelbereich des Kabelheizelementes liegt. Der längere Abschnitt aus dem Material hohen Wider­ standes beinhaltet die 180°-Umbiegung und liegt in Doppel­ lage im anderen Endbereich des Kabelheizelementes, während sich der daran anschließende Draht aus Material geringen Widerstandes wiederum im Mittelbereich des Kabelheizelemen­ tes befindet und parallel im Abstand zu dem anderen ent­ sprechenden Draht verläuft. Der zweite kürzere Abschnitt aus dem Material hohen Widerstandes liegt parallel zu dem entsprechenden ersten Abschnitt im eingangsseitigen Endbe­ reich des Kabelheizelementes und geht in den zweiten An­ schluß über. Auch in diesem Fall können die Abschnitte aus dem Material hohen Widerstandes in sich gewendelt sein, während die dazwischen liegenden Drähte aus Material gerin­ gen Widerstandes vorzugsweise geradlinig ausgebildet sind.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Kabelheizelement gemäß einem 1. Ausfüh­ rungsbeispiel mit beidseitigem Anschlußab­ gang vor Wendelung des Mantelrohres,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Kabelheizelement gemäß einem 2. Ausfüh­ rungsbeispiel mit einseitigem Anschlußab­ gang vor Wendelung des Mantelrohres und

Fig. 3 einen aus verschiedenen Abschnitten zusam­ mengesetzten Widerstandsdraht zur Verwen­ dung bei dem Kabelheizelement gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt ein Kabelheizelement 10, das ein aus Edelstahl bestehendes Mantelrohr 11 besitzt, in dem ein in seiner Ge­ samtheit mit 13 bezeichneter Widerstandsdraht angeordnet ist. Obwohl in Fig. 1 nur ein einzelner Widerstandsdraht 13 gezeigt ist, kann das Kabelheizelement 10 auch mehrere gleichartige Widerstandsdrähte umfassen. Der Widerstands­ draht 13 durchläuft das Mantelrohr 11 in axialer Richtung und steht mit endseitigen Anschlußlitzen 14, die aus Rein­ nickel bestehen, an den entgegengesetzten Enden des Mantel­ rohres 11 hervor, so daß ein beidseitiger Anschlußabgang verwirklicht ist. Der eigentliche Widerstandsdraht 13 be­ steht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei Abschnitten, die zu dem Widerstandsdraht 13 zusammengelötet sind. An die Anschlußlitzen 14 schließt sich jeweils ein Drahtabschnitt 13a aus einem Material hohen Widerstandes, beispielsweise NiCr 80/20 an, wobei zwischen diesen beiden Drahtabschnitten 13a ein Drahtabschnitt 13b aus einem Mate­ rial geringen Widerstandes, beispielsweise Nickel angeord­ net ist. In den Abschnitten 13a ist der Draht in sich ge­ wendelt, während der im Mittelbereich des Kabelheizelemen­ tes 10 liegende Drahtabschnitt 13b geradlinig ausgebildet ist. Der Innenraum 12 des Mantelrohres 11 ist in nicht dar­ gestellter, bekannter Weise mit einem Bettungsmaterial, beispielsweise verdichtetem Magnesiumoxid, gefüllt.

Wenn das Kabelheizelement 10 über die an entgegengesetzten Enden vorstehenden Anschlüsse 14 an eine Stromquelle ange­ schlossen wird, fließt der Strom durch den zusammengesetz­ ten Widerstandsdraht 13, wodurch in den in den Endbereichen des Kabelheizelementes 10 liegenden Drahtabschnitten 13a aufgrund des Materials hohen Widerstandes und der gewendel­ ten Konfiguration eine relativ große Wärmeentwicklung auf­ tritt, während in dem im Mittelbereich des Kabelheizelemen­ tes 10 liegenden Drahtabschnitt 13b nur eine geringe Wärme­ entwicklung auftritt.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Kabelheiz­ elementes 10, wobei auch hier ein aus Edelstahl bestehendes Mantelrohr 11 vorgesehen ist, in dessen Innenraum ein Wi­ derstandsdraht 13 angeordnet ist. Hierbei ist der Wider­ standsdraht 13 jedoch von dem einen, gemäß Fig. 2 linken Ende des Mantelrohres 11 axial bis zum gegenüberliegenden Ende geführt, erfährt dort eine 180°-Abbiegung und wird zu dem eingangsseitigen Ende zurückgeführt, so daß die beiden Anschlußlitzen 14 am gleichen Ende aus dem Mantelrohr 11 hervorstehen und ein einseitiger Anschlußabgang verwirk­ licht ist. Auch hierbei können mehrere Widerstandsdrähte 13 vorgesehen sein und der Innenraum 12 des Mantelrohres 11 ist in herkömmlicher Weise mit einem Bettungsmaterial ge­ füllt.

Der in Fig. 2 verwendete Widerstandsdraht 13 ist in seiner Abwicklung schematisch in Fig. 3 dargestellt. An die gemäß Fig. 3 linke, erste Anschlußlitze 14 aus Reinnickel schließt sich ein kürzerer, in sich gewendelter Drahtab­ schnitt 13a1 aus einem Material hohen Widerstandes, insbe­ sondere NiCr 80/20 an, dem ein geradliniger Drahtab­ schnitt 13b aus einem Material geringen Widerstandes, ins­ besondere Nickel, folgt. An den geradlinigen Abschnitt 13b schließt sich ein längerer Abschnitt 13a2 aus dem Material hohen Widerstandes an, wobei der Draht in diesem Ab­ schnitt 13a2 ebenfalls in sich gewendelt ist. Der Ab­ schnitt 13a2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa doppelt so lang wie der Abschnitt 13a1 des gleichen Materials. Dem Abschnitt 13a2 folgt wiederum ein Ab­ schnitt 13b aus Material geringen Widerstandes, wobei der Draht hier geradlinig ausgebildet ist. Diesem Abschnitt 13b folgt wiederum ein kürzerer Abschnitt 13a1 aus dem Material hohen Widerstandes, in dem der Draht in sich gewendelt ist und der die gleiche Länge wie der am anderen Ende des Wi­ derstandsdrahtes angeordnete gleichartige Abschnitt 13a1 besitzt. Abschließend ist wiederum eine Anschlußlitze 14 aus Reinnickel vorgesehen. Die einzelnen Abschnitte des Wi­ derstandsdrahts 13 sind miteinander verlötet und der Wider­ standsdraht weist in sich eine symmetrische Anordnung der Abschnitte auf, wobei die Symmetrieachse in der Mitte des längeren Abschnittes 13a2 aus dem Material hohen Widerstan­ des liegt.

Der Einbauzustand dieses Widerstandsdrahtes 13 in dem Man­ telrohr 11 ist Fig. 2 zu entnehmen. Der Widerstandsdraht 13 wird in der Mitte des mittleren längeren Abschnittes 13a2 um 180° umgebogen, so daß zwei gleichartige Abschnitte des Widerstandsdrahts 13 im Abstand parallel zueinander verlau­ fen. In dieser Konfiguration wird der nunmehr bifilare Wi­ derstandsdraht 13 in das Mantelrohr 11 eingeführt. Dabei stehen die beiden Anschlußlitzen 14 auf der gleichen Seite des Mantelrohres 11 hervor. In dem einen Endbereich des Mantelrohres 11 liegen im Abstand parallel zueinander die beiden kürzeren Abschnitte 13a1 aus dem Material hohen Wi­ derstandes, während im entgegengesetzten Endbereich des Mantelrohres der zu zwei parallelen, gleichlangen Abschnit­ ten zusammengelegte längere mittlere Drahtabschnitt 13a2 aus dem Material hohen Widerstandes liegt. Die zwischen den einzelnen Abschnitten 13a1 bzw. 13a2 liegenden geradlinigen Drahtabschnitte 13b aus dem Material geringen Widerstandes liegen im Abstand und im wesentlichen parallel zueinander im Mittelbereich des Mantelrohres 11. Auf diese Weise ist ebenfalls ein Kabelheizelement 10 geschaffen, das eine re­ lativ hohe Wärmeabgabe in seinen Endbereichen und eine deutlich verminderte Wärmeabgabe in seinem Mittelbereich besitzt.

Claims (6)

1. Kabelheizelement mit einem Mantelrohr (11), in dem zu­ mindest ein Widerstandsdraht (13) angeordnet ist, der über endseitige Anschlüsse (14) an eine Stromquelle an­ schließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wider­ standsdraht (13) aus mehreren Abschnitten (13a, 13b; 13a1, 13a2, 13b) unterschiedlichen Materials zusammen­ gesetzt ist, wobei Abschnitte (13a; 13a1, 13a2) aus ei­ nem Material hohen Widerstandes in den Endbereichen des Kabelheizelementes (10) und der zumindest einen Ab­ schnitt (13b) aus einem Material geringen Widerstandes im Mittelbereich des Kabelheizelementes (10) angeordnet sind.

2. Kabelheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Widerstandsdraht (13) in den Abschnit­ ten (13a, 13a1, 13a2) aus einem Material hohen Wider­ standes gewendelt ist.

3. Kabelheizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Widerstandsdraht (13) in dem zu­ mindest einen Abschnitt (13b) aus einem Material gerin­ gen Widerstandes geradlinig ausgebildet ist.

4. Kabelheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht (13) zur Bildung eines einseitigen Abgangs der Anschlüs­ se (14) bifilar gelegt ist und daß zwischen den An­ schlüssen (14) nacheinander aus einem Material hohen Widerstandes ein kürzerer Abschnitt (13a1), ein länge­ rer Abschnitt (13a2) und wiederum ein kürzerer Ab­ schnitt (13a1) liegen, wobei zwischen den Abschnit­ ten (13a1, 13a2) jeweils Drähte (13b) aus Material ge­ ringen Widerstandes eingelötet sind.

5. Kabelheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Material hohen Widerstan­ des eine Nickel-Chrom-Legierung, insbesondere NiCr 80/20 ist.

6. Kabelheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Material geringen Wider­ standes Nickel (Ni) ist.