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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Dickschichtheizelemente, wie sie
für Spritzgießdüsen verwendet
werden, und insbesondere einen Metallüberzug zum Anschluss des Heizelements.
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Hintergrund der Erfindung
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Insbesondere
die Spritzgießindustrie
benötigt
seit Langem verbesserte Heizmöglichkeiten
für Einspritzdüsen. Ein
typisches Spritzgießsystem
enthält
eine Mehrzahl von geheizten Zuführungswegen, die
geschmolzene Thermoplaste („Schmelze") führen. Die
Schmelze wird über
eine Reihe von Einspritzdüsen
in Schmelzformen eingebracht. Es ist absolut notwendig, dass diese
Einspritzdüsen
erhitzt gehalten werden, um die Schmelze vor zu früher Erstarrung
zu bewahren, bevor sie die Schmelzform erreicht. Wenn ein Teil der
Schmelze in der Düse
erstarrt, kann die Düse
die Durchflussrate der Schmelze nicht angemessen steuern, und kann
in manchen Fällen
vollständig
blockiert werden.
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Es
ist wohlbekannt, elektrische Widerstandsheizelemente um die Einspritzdüsen herum
anzuordnen, um die Schmelze vor der Erstarrung zu bewahren. Im Laufe
der Jahre ist eine Vielzahl von Verbesserungen bei diesen Heizelementen
gemacht worden, um sie zuverlässiger
zu machen, für
eine gleichmäßigere Wärmeverteilung
zu sorgen und um die Größe der Heizelemente
zu verringern. Die Größe der Heizelemente
ist ein wichtiger Faktor, insbesondere bei kleinen Schmelzformen.
Es ist offensichtlich, dass umso mehr Düsen (mit Heizelementen) am
selben Verteiler angeordnet werden können, je kleiner das Heizelement
um die Düse
herum ist. Jeder im Ausmaß der
Heizelementdicke eingesparte Millimeter kann sich möglicherweise
in einigen zusätzlichen Düse/Schmelzform-Kombinationen am
selben Verteiler auswirken.
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Schließlich wurden
Versuche begonnen, die die Verwendung von Dickschichtheizelementen
zur Heizung der Einspritzdüsen
einschlossen. Erst in den letzten Jahren wurde das Konzept von Dickschichtheizelementen
für Einspritzdüsen durch
die Watlow Electric Manufacturing Company in St. Louis, Missouri
(USA) realisierbar und anwendbar gemacht. Watlows Verbesserung ist
in dem Juliano et. al. gewährten
US-Patent 5,973,296 („das '296er Patent") offenbart. Im Wesentlichen
lehrte das '296er
Patent die Anordnung des Dickschichtheizelements auf einem röhrenförmigen Trägerelement
aus Metall mit einem dielektrischen Film auf beiden Seiten des Heizelements.
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Obwohl
das '296er Patent
einen riesigen Fortschritt in der Technik der Einspritzdüsenheizung darstellt,
hat es gemäß seiner
Offenbarung immer noch Einschränkungen.
Die hervortretendste Einschränkung
des '296er Patents
ist die Befestigung der Energieanschlusskabel. Das Dickschichtdüsenheizelement
des '296er Patents
ist wesentlich dünner als
jedes andere Heizelement, das Wärme
ebenso zuverlässig
und gleichmäßig liefern
kann. Er ist wesentlich dünner
als Heizelemente mit gewickeltem Widerstandsdraht, aber die Größenordnung
der Raumersparnis beruht auf auf der Ausdehnung am dicksten Teil
des Heizelementaufbaus, was üblicherweise
der Anschluss des Heizelements ist. Das Heizelement benötigt zum
Betrieb einen elektrischen Strom, und dieser Strom muss über irgendeine
Art von Energieanschlusskabel zugeführt werden. Die Energieanschlusskabel
stellen im '296er
Patent die dickste Stelle des Heizelements dar.
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Zusätzlich ist
die größte Einschränkung des '296er-Heizelements
im Vergleich mit seinen Vorläufern
mit gewickeltem Widerstandsdraht die mechanische Belastbarkeit.
Heizelemente mit gewickeltem Widerstandsdraht haben eine äußere Hülle, typischerweise
aus rostfreiem Stahl oder einer ähnlichen Alternative.
Das Dickschichtheizelement ist, obwohl an sich robust, durch physische
Beschädigung
leichter verletzbar als ein Heizelement mit einer äußeren Metallhülle.
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Die
EP 0963829 ist auf ein Schmelzsystem, das
Schichtheizelemente und/oder -sensoren verwendet, gerichtet. Es
wird darin ein Aufbau einer Schichtglühkerze beschrieben, die ein
Dünnschichtheizelement
mit einer abriebfesten Schicht enthält.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dickschichtheizelement mit
einer minimierten größten Heizelementdicke
zur Verfügung
zu stellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine verbesserte
mechanische Widerstandsfähigkeit
des Heizelements zu sorgen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges
Heizelement mit verbessertem thermischen Wirkungsgrad zur Verfügung zu
stellen.
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Im
Hinblick auf die oben genannten Aufgaben ist die vorliegende Erfindung
ein röhrenförmiges Dickschichtheizelement
mit einem metallischen Überzug,
der zumindest über
dem Anschlussbereich des Heizelements angebracht ist, wie es in
Anspruch 1 beansprucht ist. Der Überzug
löst, direkt
und indirekt, alle der oben genannten Aufgaben. Der Überzug sorgt
offensichtlich für
mechanische Sicherheit des Heizelements, aber in der weiter unten
vorgestellten Ausbildungsform ermöglicht er auch die Befestigung
der Energieanschlusskabel am Heizelement auf eine Art, die die Wanddicke
der Heizvorrichtung nicht erhöht.
Das verringert tatsächlich
die Gesamtdicke der Heizvorrichtung (sogar mit Überzug) im Vergleich mit einem
Dickschichtheizelement mit konventionell befestigten Energieanschlusskabeln. Schließlich richtet
der Überzug
eine größere Wärmeübertragung
durch das Trägerelement
(innere Schicht) und so auf die Einspritzdüse. Die zusätzliche Wärmeübertragung (oder der reduzierte
Wärmeverlust
an die Umgebung) bedeutet eine effizientere Heizvorrichtung und
weniger Energieverbrauch.
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Der Überzug ist
um das Dickschichtheizelement herum mit darin vorgebohrten Löchern zur
Anpassung auf die Anschlusspunkte des Heizelements angebracht. Dies
ermöglicht
es, die Anschlusspunkte durch die Löcher im Überzug hindurch zu sehen. Es werden
dann im zusammengefügten
Aufbau kleine Löcher
parallel zur Achse der Röhre
gebohrt. Danach werden Energieanschlusskabel durch die kleinen Löcher eingeführt. Die
größeren Löcher in
der Wand des Überzugs
ermöglichen
es, die Energieanschlusskabel ordentlich an den Anschlusspunkten auf
dem Heizelement unter Anwendung einer der verschiedenen bekannten
Methoden festzulegen. Wenn das Heizelement ordentlich angeschlossen
ist, wird das Loch im Überzug
mit einem dielektrischen Vergussmaterial gefüllt. Auch wenn der Überzug sich über die
gesamte Länge
des Heizelements erstrecken kann, kann auch vorgesehen werden, dass
der Überzug
nur den Anschlussbereich des Heizelements überdeckt.
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Die
entstehende Heizvorrichtung hat eine Wanddicke in der Größenordnung
von 2 Millimetern. Dennoch ist noch wichtiger, dass der Anschluss
des Heizelements und die Energieanschlusskabel die Gesamtdicke der
Heizvorrichtung überhaupt
nicht vergrößern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Damit
die Art und Weise, in der die oben aufgezeigten Merkmale, Vorteile
und Aufgabe der vorliegenden Erfindung erzielt werden, im Detail
nachvollzogen werden können,
wird eine ausführliche
Beschreibung der Erfindung, die oben kurz zusammengefasst ist, anhand
der in den beigefügten
Zeichnungen dargestellten Ausbildungsform gegeben.
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Es
ist dennoch zu bemerken, dass die beigefügten Zeichnungen lediglich
eine typische Ausbildungsform dieser Erfindung darstellen und daher nicht
zur Einschränkung
des Schutzbereichs in Betracht zu ziehen sind, da die Erfindung
andere gleichermaßen
wirksame Ausbildungsformen zulassen kann. Es wird Bezug genommen
auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
isometrische Ansicht einer nach der vorliegenden Erfindung konstruierten
Heizvorrichtung ist;
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2 eine
frontale Nahansicht des Anschlussbereichs der Heizvorrichtung aus 1 ist;
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3 eine
seitliche Nahansicht des Anschlussbereichs der Heizvorrichtung aus 1 ist;
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4 eine
Ansicht von oben der Heizvorrichtung aus den 2 und 3,
gesehen entlang der Linie 4-4, ist;
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5 eine
Schnittansicht des Trägerelements,
Heizelements und Überzug
der Heizvorrichtung aus 1 ist;
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6 eine
frontale Nahansicht des Anschlussbereichs einer alternativen Ausbildungsform der
Erfindung mit abgewinkelten Kabeln ist;
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7 eine
seitliche Nahansicht des Anschlussbereichs der alternativen Ausbildungsform aus 6 ist;
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8 ein
Detail des Anschlusses der vorliegenden Heizvorrichtung entsprechend
beider Ausbildungsformen ist.
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Eingehende
Beschreibung der Zeichnungen
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist im Überblick eine elektrische Heizvorrichtung 10 entsprechend
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Heizvorrichtung 10 besteht
aus einem röhrenförmigen Trägerelement 12 und
einem metallischen Überzug 14.
Der Überzug 14 kann
aus jedem geeigneten Material hergestellt werden. In Anbetracht
dessen, dass eine Aufgabe des Überzugs
ist, mechanischen Schutz für
das Heizelement bereit zu stellen, wird 304 rostfreier Stahl (nach
AISI; entspricht EN-WNr. 1.4301 oder V2A) empfohlen. Zwischen dem
Trägerelement 12 und
dem Überzug 14 befindet
sich ein Dickschichtheizelement 16, das in 1 nicht
sichtbar ist, aber am besten im Schnitt in 5 zu sehen ist.
Da das Trägerelement 12 typischerweise
ebenfalls metallisch ist (beispielsweise aus 430 rostfreiem Stahl
(nach AISI; entspricht EN-WNr. 1.4016)), enthält die bevorzugte Ausbildungsform
einen dielektrischen Film 22, der das Heizelement (mit
Ausnahme des Anschlussbereichs) umgibt. Ebenso erstreckt sich von
der Kombination aus Trägerelement 12 und Überzug 14 eine
Mehrzahl von Energieanschlusskabeln 18. Die Energieanschlusskabel 18 können von der
Heizvorrichtung 10 an sich diametral gegenüberliegenden
Stellen am Trägerelement
12/Überzug 14 ausgehen,
wie in den Figuren gezeigt ist. In der Mehrzahl der Anwendungen
wird es jedoch zu bevorzugen sein, dass die Energieanschlusskabel 18 von nahe
beieinander liegenden Stellen auf dem Trägerelement 12 ausgehen.
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Unter
Bezugnahme auf 2-4 wird nun
ein Bereich der Heizvorrichtung 10 näher gezeigt. Der Überzug 14 hat
eine Mehrzahl von Zugangslöchern 20,
die vor seinem Anbringen über dem
Trägerelement 12 und
dem Heizelement 16 dort hinein gebohrt werden. Die Anzahl
der Zugangslöcher 20 sollte
der Anzahl der Anschlusspunkte für das
Heizelement 16 entsprechen. In den meisten Fällen wird
die Heizvorrichtung 10 ein einzelnes Heizelement 16 mit
zwei Anschlusspunkten enthalten. Dennoch ist es vorstellbar, dass
die Heizvorrichtung mehrere Heizelemente, ein dreiphasiges Heizelement
oder einen separaten Sensorkreis enthält, was alles in mehr als zwei
Anschlusspunkten resultiert und demzufolge auch in mehr als zwei
Zugangslöchern 20.
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Bei
einer typischen Heizvorrichtung 10 werden die Zugangslöcher 20 etwa
6 mm Durchmesser haben, aber diese Größe verändert sich in Abhängigkeit
von der Gesamtgröße der Heizvorrichtung
und der Art der anzuschließenden
Energieanschlusskabel 18. Die Zugangslöcher 20 werden, wie
weiter unten zu sehen ist, zur Vollendung des Anschlusses des Heizelements 16 mit
den Energieanschlusskabeln 18 verwendet. Wenn der Überzug 14 auf
die richtige Länge
zur Anpassung auf das Trägerelement 12 abgeschnitten
ist und die Zugangslöcher 20 gebohrt
sind, wird er über
das Trägerelement 12 montiert.
In diesem Zeitpunkt sind auf dem Trägerelement 12 bereits
das Heizelement 16 und der dielektrische Film 22 platziert.
Im Wesentlichen ist das Trägerelement 12 ein
fertiggestelltes Heizelement nach dem Stand der Technik gemäß dem '296er Patent, wenngleich
vor dem Anschluss des Heizelements.
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In
der bevorzugten Ausbildungsform sollte der Überzug 14 einen kleinen
Freiraum zwischen sich und dem das Heizelement 1b bedeckenden
dielektrischen Film 22 haben. Dieser Luftspalt 30 verhindert
nicht nur eine Beschädigung
des Heizelements 16 durch den Überzug 14 bei der
Montage, sondern stellt auch einen natürlichen Isolator dar. Da das
Heizelement 16 keinen Wärmeleitungspfad
zum Überzug 14 hat,
wird ein größerer Anteil
der Wärme
nach Innen zum Zielobjekt gerichtet. Um den Luftspalt 30 zwischen
dem Überzug 14 und
dem Heizelement 16 aufrechtzuerhalten, können ringförmige Abstandshalter 28 an
beiden Enden des Überzugs 14 verwendet
werden. Der Spalt 30 sollte klein relativ zu Träger 12 und Überzug 14 sein.
Eine typische Heizvorrichtung 10 kann eine Gesamtwanddicke
von 2,0 Millimetern haben, wozu Trägerelement 12 und Überzug 14 1,6
Millimeter beitragen. Die Gesamtwanddicke sollte unter normalen
Umständen 2,0 Millimeter
nicht übersteigen,
wogegen eine dünnere
Wand annehmbar und bei manchen Heizergrößen sogar erwünscht ist.
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Anstelle
der Abstandshalter 28 ist es ebenso möglich, irgendwelche Spalte
an den Enden der entstehenden Trägerelement-Überzug-Kombination
mit einem Vergussmaterial (wie etwa dem gleichen Material, das zum
Verguss der Zugangslöcher 20 wie unten
erläutert
verwendet wird) auszufüllen.
Eine andere Möglichkeit
ist es, eine Präzisionspresspassung zwischen
dem Heizelement 16 und dem Inneren des Überzugs 14 zu formen,
wenn dies auch nicht bevorzugt ist. Zusätzlich zu jeder der oben angeführten Methoden
der Positionierung des Überzugs 14 um das
Heizelement 16 herum kann wahlweise eine Mehrzahl (nicht
gezeigter) kleiner Stifte an einem oder beiden Enden eingebracht
werden, um zu helfen, die relativen Positionen der verschiedenen
Teile des Trägerelements 12, Überzugs 14 und – wenn verwendet – der Abstandshalter 28 zu
erhalten.
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Nachdem
der Überzug 14 ordentlich
positioniert ist, werden Löcher
für die
Energieanschlusskabel 18 in das Ende der Heizvorrichtung 10 gebohrt, wobei
die Löcher
parallel zur Achse der Heizvorrichtung 10 verlaufen. Die
Energieanschlusskabel 18 können von jeder herkömmlichen
Art sein, jedoch haben die Erfinder herausgefunden, dass mineralisolierte
Kabel besonders geeignet für
die Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind. Es ist an dieser Stelle
festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung zwar vor dem Hintergrund
der Spritzgussindustrie entwickelt wurde, aber in keiner Weise auf
eine derartige Anwendung beschränkt
ist. Die vorliegende Erfindung kann in jeder Anwendung verwendet
werden, die eine ringförmige
oder ringartige Heizvorrichtung erfordert, insbesondere wenn Gesamtwanddicke oder
physischer Schutz des Heizelements Haupterwägungen darstellen.
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Wenn
die Energieanschlusskabel 18 eingeführt sind, werden die Zugangslöcher 20 zum
ordentlichen Anschluss des Heizelements 16 an die Energieanschlusskabel 18 benutzt.
Diese Verbindung kann unter Anwendung von Hartlöten, Epoxid, Schweißen, einer
ausgehärteten
leitfähigen
Paste, oder jeder anderen in der Technik bekannten Verbindungstechnik
erfolgen. Die Verbindung kann im Detail in 8 gesehen
werden. Zum Beispiel zeigt 8 mineralisolierte
Kabel 18 (sowohl in der typischen gestreckten Ausbildungsform,
als auch in einer im rechten Winkel abgeknickten Ausbildungsform,
wie unten beschrieben). Das mineralisolierte Energieanschlusskabel 18 besteht
aus einem Leitungselement 24, welches von einem aus einem
mit Magnesiumoxid gefüllten
Metallkabel hergestellten Isolatorelement umgeben wird.
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Wenn
das Heizelement 16 angeschlossen ist, werden die Zugangslöcher 20 nicht
mehr benötigt.
Daher ist es erwünscht,
die Zugangslöcher 20 mit
einem Vergussmaterial wieder zu verschließen. Die Erfinder haben herausgefunden,
dass von Cuyahoga Plastics in Cleveland, Ohio (USA) hergestelltes AB1000F
besonders geeignet und bevorzugt ist. Auch von Sauereisen, Inc.
aus Pittsburgh, Pennsylvania (USA) hergestellter Sauereisen®-Zement wurde für geeignet
befunden.
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6 und 7 zeigen
eine alternative Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung. Wie
leicht zu sehen ist, verlassen die Energieanschlusskabel 118 die
Heizvorrichtung 10 im rechten Winkel zu ihrer Achse. Selbstverständlich können auch
kleinere Winkel verwendet werden. Die Ausbildungsform mit rechten
Winkeln erfordert die Hinzufügung
eines Schlitzes 32, der vor dessen Montage im Überzug 14 vorzusehen
ist. Dies ermöglicht
es, dass die Energieanschlusskabel 118 in der gleichen
Weise angebracht werden, wie in 8 zu sehen
ist, aber die Kabel 118 bündig mit dem Ende der Heizvorrichtung 10 gehalten werden
können.
Gleichzeitig wird die Gesamtdicke der Heizvorrichtung 10 auf
der ganzen Länge
minimal gehalten, bis hinauf zum Ende der Heizvorrichtung 10,
wo die Kabel 118 austreten.
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Wie
oben in der Zusammenfassung der Erfindung erwähnt, kann es vorgesehen werden,
dass der Überzug 14 sich
nur über
den Anschlussbereich des Heizelements 16 erstreckt. Diese
vorgesehene Ausbildungsform bietet immer noch den Vorteil einer sehr
kleinen Gesamtwanddicke der Heizvorrichtung nach dem Anschluss.
Jedoch gehen die Vorteile eines isolierenden Luftspalts 30 und
des mechanischen Schutzes für
das Heizelement 16 verloren.
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Während das
obenstehende auf die bevorzugten Ausbildungsformen der vorliegenden
Erfindung gerichtet ist, können
andere und zukünftige Ausbildungsformen
der Erfindung entwickelt werden, ohne den grundlegenden Schutzbereich
zu verlassen, wobei der Schutzbereich durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt
wird.