DE3328674A1

DE3328674A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrischen verbindung zwischen einem mit mantel versehenem heizleiter und einem ummantelten kaltleiter

Info

Publication number: DE3328674A1
Application number: DE19833328674
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl.-Phys. 8755 Alzenau Haberstroh; Horst 6454 Bruchköbel Thiede; Günter 6450 Hanau Wagner
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1983-08-09
Filing date: 1983-08-09
Publication date: 1985-02-21

Description

Hanau, 5. August 1983 ZPL-Ga/ha

W.C. Heraeus GmbH Patentanmeldung

"Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung

zwischen einem mit Mantel versehenem Heizleiter und einem ummantelten Kaltleiter"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zv/ischen einem Leitungsdraht eines gebrauchsfertigen/ mit einem Mantel versehenen, Heizleiters und einem Leitungsdraht eines, mit einem Mantel versehenen Kaltleiters.

Aus der DE-OS 25 20 967 ist ein mineralisolierter Mantelheizleiter mit kalten Zonen bekannt, bei dem der Heizleiterwerkstoff in den Bereichen der kalten Anschlußenden mit einem Werkstoff erhöhter Leitfähigkeit umhüllt ist. Als Werkstoffe erhöhter Leitfähigkeit werden insbesondere Kupfer, Nickel, Eisen und deren Legierungen verwendet.

Weiterhin ist aus der DE-AS 21 55 564 ein elektrischer Heizleiter bekannt, der durch eine verdichtende Stumpfschweißung mit den Anschlußenden verbunden ist, wobei anschließend eine aus Teflon bestehende Kunststoffumhüllung aufgebracht wird.

Ferner ist es bekannt, Verbindungsstellen aus Heiz- und Kaltleitern dadurch aufzubauen, daß die Leiter bereits vor Einbringung in einen Mantel miteinander verbunden und nach Einfüllen des pulverförmigen Isoliermaterials in den später aufgesetzten Mantel durch mechanische Verformung auf ihren

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j endgültigen Durchmesser reduziert werden. Durch diesen Reduktionsvorgang läßt sich die Verbindungsstelle zwischen den Leitern örtlich nicht exakt definieren, denn der Ubergang zwischen Heiz- und Kaltleiter erfolgt gleitend.

j Es ist somit bekannt, verschiedenartige Heizleiter/Kaltleiteranschlüsse aufzubauen, wobei eine exakte Definition der Übergangsstellen keine besondere Rolle spielt; denn in der Praxis werden verhältnismäßig lange Heiz leiterstrecken eingesetzt, die häufig durch regelungstechnische Einrichtungen auf möglichst konstantem Niveau betrieben werden. Auch kann bei Heizleitern i

j mit einer steuerbaren Temperaturänderung eine exakte Definition des Heizleiter/Kaltleiterüberganges unberücksichtigt bleiben, da bei in der Praxis üblichen verhältnismäßig langsamen Temperaturänderung die exakte Bestimmung der Übergangsstellen ohne Bedeutung ist.

Sollen dagegen in verhältnismäßig kurzen Zeitabständen abrupte Temperaturänderungen durchgeführt werden, ist eine möglichst geringe Wärmekapazität erforderlich. Eine solche Wärmekapazität kann beispielsweise durch verhältnismäßig kurze Heizleiter· strecken erzielt v/erden, wobei das den Temperaturschwankungen unterworfene Heizclement ein möglichst geringes Volumen aufweisen soll. Ein solches Heizelement läßt sich- nach den bekannten Verfahren nicht herstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, in einem örtlich eng umgrenzten Bereich den Leitungsdraht eines Heizleiters mit dom Leitungsdraht eines Kaltleitars zu verbinden, wobei auch eine Serienfertigung in einem verhältnismüßig engen Toleranzbereich möglich sein soll.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der freigelegte Leitungsdraht des Heiz loiters von einer Seite her in eine du rein;« Ii ende Bohrung eines Isolierkörper:; und der £ re Lqe 1.i.tj te I,c· i t:unq:jM r.ih L

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des Kaltleitors von der entgegengesetzt an Seite in die Bohrung soweit eingeführt werden, bis eine elektrische Verbindung zwischen beiden Leiterdrahtenden hergestellt ist, daß anschließend beide Drähte durch einen Sch.Tielzvorgang miteinander verbunden, und daß die Enden beider Mantel im Bereich des Isolierkörpers zusammengeführt und durch einen Schmelzvorgang gasdicht verbunden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zur Verbindung benötigte Schmelzenergie seitlich in die Bohrung eingebracht. Dabei kann die Schmelzenergie entweder durch eine fensterartige Öffnung im Isolierkörper oder durch eine transparente Wand des Isolierkörpers in die Bohrung eingebracht werden.

Die Schmelzenergie wird durch Induktion, kapazitive Entladung oder durch Laserstrahlung erzeugt. Dabei kann ein an die Leiterdrahtende ι gebrachter Lotkörper zum Schmelzen gebracht werden; es ist aber auch möglich, beide Leiterenden miteinander zu verschweißen.

Als Materialien für den loslierkörper sind isolierende Materialien wie Keramik, Glas, Quarz, Porzellan oder auch auch Kunststoff geeignet. Der Außendurchmesser des Isolierkörpers ist höchstens so groß wie der Außendurchmesser des Heizleitermantels. In der Praxis erweisen sich Isolierkörper, deren Außendurchmesser kleiner ist als der Innendruchmesser des Heizleitermantels, als besonders geeignet.

Durch Einsatz eines Isolierkörpers aus vorgepreßtem oder vorgesintertem Material ist auch nach dem Herstellen der Verbindung weiterhin eine Möglichkeit ;:ur Verformung der Leiter im Bereich des Isolierkörpers gegeben. So können beide Leiter durch einen Ziehvorgang im Durclmesser verkleinert werden. Auf diese Weise kann der Wider:tand des Heizleiters noch erhöht und dem jeweiligen Anwendui.gsfalls angepaßt werden.

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Weiterhin ist es nöglich, im Bereich des Isolierkörpers die Leiterenden zur Anpassung an die örtlichen Gegebenheiten der zum Einbau vorgesehenen Stelle zu biegen.

Wesentliche Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Verbindung an fertigen Leitungen erfolgen kann/ wobei ein nachträgliches Auffüllen von isolierendem Mineralpulver nach Herstellen der Verbindung entfällt. Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß auch Leiter mit verschiedenen Mänteldurchmessern ohne Nachfüllen von Isoliermaterial miteinander verbunden werden können.

Im Folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

Figur 1 a zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Isolierkörper mit einem kugelförmigen Lotkörper zwischen den eingeführten Drahtenden des Kaltleiters und Heizleiters.

Figur Ib zeigt im Querschnitt eine entsprechende Anordnung mit einem zylinderförmigen Lötdraht.

In Figur 1 c ist ein Isolierkörper im Querschnitt dargestellt, in dem über einen seitlich zugeführten Laserstrahl beide Drahtenden verbunden werden.

Figur 2 zeigt schematisch einen zwischen den Mänteln von Heizleiter und Kaltleiter angeordneten Isolierkörper mit einer über die Verbindungsstelle aufgeschobenen Hülse.

Figur 3 zeigt die Verbindung zwischen Mänteln verschiedener Durchmesser, wobei der Mantel mit dem größeren Durchmesser sowohl den Isolierkörper als auch einen Teil des Mantelleiters mit dem kleineren Durchmesser umhüllt.

In Figur 4 ist da e Verbindung zwischen zwei Mantelleitern mit gleichem Manteldurchmesser dargestellt, deren Mantel

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im Bereich des Isolierkörpers aufeinander stoßen.

Gemäß Figur 1 a besteht ein mineralisoj ierte^r Heizleiter aus einem Widerstandsdraht l_f einem dazu konzentrischen Mantel 2 sowie einem zwischen Mantel und Deckel befindlichen isolierenden Mineralpulver 3. Das hochtemperturfeste Mineralpulver kann beispielsweise aus Magnesiumoxyd bestehen. Zur besseren Übersicht sind in Figur 1 a die i'äntel 1, 10 nur teilweise dargestellt.

Zum Anschluß an einen Kaltleiter ist äcs äußere Ende des' Heizleiters aus der mineralisolierten umhüllung freigelegt und über einen Isolierkörper 4 mit dem Anschlußdraht 5 des S Kaltleiters verbunden. Der Isolierkörper 4 hat eine zylin- ! drische Form, er ist in seiner Mitte mit einer durchgehenden Bohrung 6 versehen, in welche von der ^ndertn Seite der Anschlußleiter 5 eingeführt wird. Isolieikörper 4 ist zur besseren Übersicht als aufgeschnittenes H^lbmodell dargestellt.

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J Zwischen dem heißen Draht 1 und dem kalten Draht 5 befindet jj sich in der Bohrung ein Lot 7 in Kugel!orm. Der kalte Leiter

5 kann vom Prinzip hsr ähnlich aufgebaut sein wie der Heizleiter; es ist jedoch auch der Einsatz ganz anderer Konstruktionen beispielsweise mit äußerst flexjbelem Mantel möglich. Bohrung δ dos Isolierkörpers ist weiterhin mit einer in radialer Richtung verlaufenden Öffnung 8 verbunden, durch welche beispielsweise das Lot 7 zugeführt werden kann. Öffnung 8 kann über dies zur optischen Kontrolle der :.u verbindenden Materialier dienen; übordieo ist durch die Öffnung eine Übertragung der Schme Izencrcjie in den Isolierkörper möclich. In einer bevorzugter Ausführungsform ist der Durchmesser dei Bohrung 6 so gewählt, daß beirr. Aufschmelzen dos Lotes durch Kapillarwirkung eine sichere und zuverlässige Vorbindung he!zustellen ist.

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Zu Beginn der Herstellung der Verbindung werden die Leitungsdrähte 1 und 5 freigelegt und von beiden Seiten in die durchgehende Öffnung 6 des Isolierkörpers eingebracht bis sie das Lot 7 berühren und miteinander eine elektrisch leitfähige Verbindung darstellen. Anschließend wird das Lot zum Schmelzen gebracht, worauf sich nach der Abkühlung eine dauerhafte unlösbare Verbindung zwischen Heiz- und Kaltleiter ergibt.

Figur 1 b zeigt einen Isolierkörper 6 im Querschnitt; dessen Bohrung einen zyIinderförmigen Drahtabschnitt als Lot 7 enthält. Ein solcher Drahtabschnitt kann beispielsweise axial durch die Bohrung 6 in den Isolierkörper eingeschoben werden, wobei zur genauen Positionierung ein Anschlag innerhalb der Bohrung 6 vorgesehen sein kann. Es ist jedoch auch möglich, - ähnlich wie in öem zu Figur 1 a dargestellten Ausführungsbeispiel - eine in radialer Richtung verlaufende Bohrung zur Posititionierung und gegebenenfalls Energiezufuhr vorzusehen. Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, zunächst das Lot 7 einzuführen und zu positionieren und erst anschließend die Drahtenden einzeln oder zusammen in die Bohrung 6 einzuführen, bis beide Drahtenden und das Lot eine elektrische Verbindung darstellen. Anschließend wird dann das Lot 7 zum Schmelzen gebracht und die Drahtenden 1 und

5 werden miteinander unlösbar verbunden.

Figur 1 c zeigt einen Isolierkörper 4, in dessen Bohrung

6 die Drahtenden 1 und 5 durch Schweißen miteinander verbunden werden. Der Isolierkörper besteht aus einem transparentem Material beispielsweise aus Glas oder Quarz, um die Drahtenden durch Einsatz von Laserstrahlen verbinden zu können. Da der Isolierkörper 4 von der Randzone des Mantels 2 völlig umgeben ist, ist zur optischen Kontrolle der Zussammonführung beider Drahtenden 1 und 13 sowie ::ur !energiezufuhr des Laserstrahles an die Schweißstelle in Mantel 2 eine

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fensterartige Öffnung 9 vorgesehen. Das zur besseren Übersicht nicht dargestellte Isoliermaterial weist in diesem Bereich eine Lücke bzw. einen Preiraum auf. Die Verbindungsstelle der beiden Mantel 2 und 10 liegt außerhalb des Isolierkörperbereiches; die ringförmige Verbindungsstelle umschließt Kaltleiter 5 sowie das ihn umgebende mineralisolierte Material. Die Verbindung der Drahtenden und Mantel an zum Teil verschiedenen Stellen, läßt eine fertigungsfreundliche Verbindung beider Kabelenden in zwei aufeinder folgenden Schritten zu.

Zur Vorbereitung der Verbindung wird ein Teil des mineralisolierten Materials aus dem Randbereich des Mantels 2 entfernt, das Ende des Heizleiters wird bis auf die Höhe des Mantelfensters 9 gekürzt und anschließend wird Isolierkörper

4 in den Randbereich des Mantels 2. eingeschoben, wobei sich das Kabelende 1 in die Bohrung 6 einfädelt. Der Leitungsdraht

5 im anderen Mantelleiter wird auf einer vorgegebenen Länge freigelegt und von der anderen Seite in die Bohrung 6 des Isolierkörpers eingeführt. Die vorgegebene Länge entspricht dem Abstand zwischen dem Mantelfenster 9 und dem Rand des Mantels 2. 'Da es sich hier um fest vorgegebene Abstände handelt, ist diese Äusführungsform für einen weitgehend automatisierbaren Fertigungsablauf besonders gut geeignet.

In Figur 2 iut eine Verbindung zwischen zwei Leitungsdrähten 1 und 5 dargestellt, die aus ihren Mantelzonen herausgeführt sind und in dem zwischen beiden Mantclrändern befindlichen Isolierkörper 4 miteinander verbunden ::ind. Zur Erhöhung der Stabilität der Verbindungsstelle sowie zur Abdichtung der beiden Kabelendon ist ein hülsenföimiger Zylinder 11 auf die beiden Kabelenden sowie den Isolierkörper 4 aufgeschoben

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Die Verbindung der Hülse mit den Mantelenden kann ebenso wie die Verbindung der Kabelenden selber durch Verschweißen ' oder Löten erfolgen.

Figur 3 zeigt eine Verbindungsstelle zwischen zwei Kabeln, deren Mäntel unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Der Isolierkörper 4 ist ähnlich wie in Figur 1 c in dem Randbereich des Mantels 2 eingeschoben, wobei wiederum Leitungsdraht 1 in die Bohrung einjefädelt ist. Auch hier wird zweckmäßiger

S Weise der Mantel mit einem Sichtfenster 9 versehen, um eine

"; exakte Kontrolle d:s Zusammenführens beider Drähte zu ermögi liehen. Im Gegensatz zu dem oben genannten Beispiel stoßen t die Mantelenden jedoch nicht aufeinander, sondern der mit i kleinerem Durchmesjer versehene Mantel 10 wird um eine gering- i fügige Länge in den größeren Mantel 2 eingeschoben. Als besonders I vorteilhaft erweist sich bei dieser Anordnung die verhältnismäßig leinfache Positionierung des Leitungsdrahtes 5, da er im Bereich ] der Schweißstelle durch Verschieben des Mantels 10 in die L richtige Lage in H3he des Mantelfensters 9 gebracht werden 'kann. Auch hier ist eine Verbindung durch Laserschweißung S möglich. Es kann jodoch auch ein Lotkörper 7 eingesetzt werden, (der durch einen Laserstrahl zum Schmelzen gebracht wird und S damit eine dauerhafte Verbindung zwischen den Leitern 1 und 15 herstellt.

3 Figur 4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Verbindung zweier {Leiter. Hier liegen die Verbindungsstellen beider Leiter ■ I, 5 und beider Mäntel 2, 10 in einer Ebene. Der Isolierkörper

4 ist jeweils zur Hälfte in die beiden gleich großen Körpermäntel [eingeführt und wir J von dar ringförmigen Verbindungsstelle ]beider Mäntel 2, 10 umschlossen. Da Mantelrändcr und die \ Enden der Leitungsdrähte in einer Ebene liegen, kann auch !diese Anordnung al; fertigungsfreundlich angesehen werden, l

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Zur Herstellung der Verbindung werden die Leitungsdrähte 1 und 5 jeweils um die Hälfte der Länge des Isolierkörpers 4 freigelegt, anschließend wird der Isolierkörper 4 in eines der beiden Kabelenden bis zur Hälfte eingeführt; daraufhin wird das zweite Kabel auf die Hülse draufgeschoben, bis die Leitungsdrähte 1 und 5 eine elektrische Verbindung darstellen. Anschließend erfolgt die eigentliche Verbindung beider Leitungsdrähte durch Verschweißen oder Verlöten. Die zwischen beiden Kabelmänteln befindliche Lücke kann zur seitlichen Zuführung der Schweißenerige ausgenutzt werden. Zum Herstellen der Verbindung v/erden vorzugsweise induktive Erwärmung oder kapazitive Entladung eingesetzt.

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"Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung

zwischen einem mit Mantel versehenem Heizleiter und einem ummantelten Kaltleiter"

Patentansprüche

ImJ Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem Leitungsdraht eines gebrauchsfertigen, mit einem Mantel versehenen/ Heizleiters und einem Leitungsdraht eines, mit einem Mantel versehenen, Kaltleiters, dadurch gekennzeichnet, daß der freigelegte Leitungsdraht (1) des Heizleiters von einer Seite her in eine durchgehende Bohrung (6) eines Isolierkörpers (4) und der freigelegte Leitungsdraht (5) des Kaltleiters von der entgegengesetzten Seite in die Bohrung (6) soweit eingeführt werden, bis eine elektrische Verbindung zwischen beiden Leiterdrahtenden (I, 5) hergestellt ist, daß anschließend beide Drähte durch einen Schmelzvorgang miteinander verbunden , und daß die Enden beider Mantel (l_f 10) im Bereich des Isolierkörpers (4) zusammengeführt und durch einen Schmelzvorgang gasdicht verbunden worden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzenergie seitlich in die Bohrung (6) eingebracht wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens in einem Teilbereich transparenter Isolierkörper (4) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine fensterartige Öffnung (8) aufweisender Isolierkörper (4) verwendet wird, und daß durch dessen Öffnung die Schmelzenergie eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lotkörper (7) vor dem Schmelzen zwischen die Enden der Leitungsdrähte eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung der Schmelzenergie verwendet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierkörper (4) aus wenigstens einem der Werkstoffe Keramik, Glas, Quarz, Porzellan oder Kunststoff verwendet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren "der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylinderförmiger Isolierkörper (4) verwendet wird, dessen Außendurchmesser höchstens gleich ist dem Außendurchmessers des Mantels (2) des Heizleiters .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Isolierkörper (4) verwendet wird, dessen Außendurchmesser kleiner ist als dor Innendurchmesser des Mantels (2) dos Heizleiters.

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10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierkörper

(4) aus vorgepreßtem oder vorgesintertem Material eingesetzt wird, und daß beide Leiter (1, 5) nach dem Verbinden der Mäntel (2, 10) im Bereich des Isolierkörpers- verformt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Leiter (1, 5) im Durchmesser verkleinert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß beide Leiter (1, 5) gebogen werden.

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