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Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1, insbesondere elektrische Heizpatronen und ummantelte Temperatursensoren, wie z.B. Mantel-Thermoelemente und PTC-/NTC-Temperatursensoren, die in einem rohrförmigen Metallmantel mit oder ohne Boden angeordnet sind.
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Derartige elektrische Vorrichtungen müssen üblicherweise um sie betreiben zu können mit einer Versorgungs- und/oder Datenleitung verbunden sein, d.h. es muss eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dieser Versorgungs- und/oder Datenleitung und einem Leiter der elektrischen Vorrichtung – konkret bei einer Heizpatronen dem elektrischen Heizelement, das z.B. als Widerstandsdraht ausgeführt sein kann, bei einem Mantel-Temperatursensor dessen Zuleitung oder bei z.B. einem Mantel-Thermoelement einem Thermoschenkel des Thermoelements – hergestellt sein. Dabei ist es wünschenswert, diese elektrisch leitende Verbindung innerhalb des Metallmantels anzuordnen, weil auf diese Weise eine hervorragende mechanische Entlastung der Verbindung und ihr Schutz vor störenden Umgebungseinflüssen sicher gewährleistet ist.
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Eine seit vielen Jahren bekannte und wohletablierte Methode dazu besteht darin, einen Presskontakt in einem Isolierstoffkörper, der insbesondere aus Keramik gefertigt sein kann, herzustellen. Dazu werden in eine Bohrung eines Isolierstoffkörpers jeweils ein Abschnitt des Leiters der elektrischen Vorrichtung und eines Leiters der Versorgungs- und/oder Datenleitung ohne Isolierung so eingeführt, dass sie einander zumindest abschnittsweise überlappen, der Isolierstoffkörper in den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels verbracht, optional verbleibende Leervolumina mit einem elektrisch isolierenden, aber in der Regel gut wärmeleitenden Material, z.B. MgO-Pulver verfüllt und dann durch radiales Verpressen (d.h. Verpressen in Richtung vom Rohrmantel zur Rohrmitte des rohrförmigen Metallmantels) ein Presskontakt zwischen in die Bohrung eingeführten Leiterabschnitten hergestellt.
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Diese Vorgehensweise hat sich zwar über lange Jahre hinweg bewährt, sie weist aber noch Verbesserungspotential auf. So kann es vorkommen, das Isolierstoffpulver in die Bohrung eindringt, dort zwischen die Leiterabschnitte, die miteinander verbunden werden sollen gelangt und in der Folge den elektrischen Kontakt zwischen ihnen verschlechtert oder verhindert. Selbst wenn noch ein Kontakt hergestellt wird, kann dies zu einem erhöhten Übergangswiderstand der einander kontaktierenden Leiter führen, was insbesondere bei Anwendungen bei geringer Spannung, kleinen ohmschen Widerständen, hoher Oberflächenbelastung, hoher Stromdichte, hohen Betriebstemperaturen und hoher Strombelastung zu merklichen Schwankungen von Eigenschaften der elektrischen Vorrichtung führen kann, die angesichts immer engerer Toleranzbereiche, die von den Anwendern z.B. im Medizintechnik- oder Automotive-Bereich verlangt werden, als zunehmend problematisch empfunden werden. Hierzu trägt ferner bei, dass der beim Verpressen erzielte Kontakt und insbesondere die Lage von Kontaktstellen nicht exakt vorhersagbar bzw. nicht exakt vorgebbar sind und lediglich ein linienförmiger Kontakt geschaffen wird, der einen größeren Übergangswiderstand besitzt und somit zu ungenaueren Messungen/Regelungen beiträgt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine elektrische Vorrichtung mit einem rohrförmigen Metallmantel bereitzustellen, bei der ein besser definierter, innerhalb des rohrförmigen Metallmantels angeordneter elektrischer Kontakt zwischen einem Leiter der Vorrichtung und einem Leiter von deren Versorgungs- und/oder Datenleitung gewährleistet ist. Insbesondere ist es dabei wünschenswert, dass der Übergangswiderstand minimiert und die Prozesssicherheit gesteigert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Vorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung weist einen rohrförmigen Metallmantel, der mit oder ohne Boden ausgeführt sein kann, und mindestens einen innerhalb des rohrförmigen Metallmantels angeordneten Isolierstoffkörper mit wenigstens einer Bohrung, d.h. einer den Isolierstoffkörper in seiner Erstreckungsrichtung durchsetzenden Öffnung, auf. Dabei ist innerhalb der Bohrung ein elektrischer Kontakt eines Leiters einer Versorgungs- und/oder Datenleitung mit einem Leiter der elektrischen Vorrichtung hergestellt.
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Erfindungswesentlich ist, dass der Isolierstoffkörper mindestens ein Fenster aufweist, das einen Abschnitt der Bohrung freilegt oder mindestens eine Ausnehmung aufweist, die einen Abschnitt der Bohrung freilegt und dass im Bereich des Fensters oder der Ausnehmung ein Schweißkontakt, ein Lötkontakt oder ein Crimpkontakt liegt, die den elektrischen Kontakt zwischen dem Leiter der Versorgungs- und/oder Datenleitung und dem Leiter der elektrischen Vorrichtung herstellt.
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Dabei liegt ein Fenster vor, wenn im Isolierstoffkörper eine Öffnung vorhanden ist, die den Zugang durch den Isolierstoffkörper zur Bohrung ermöglicht und umrandet ist, während eine Ausnehmung dann vorliegt, wenn eine solche Öffnung nicht vollständig umrandet ist, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn die Öffnung randständig ist, d.h. wenn sie sich an einer Stirnseite des Isolierstoffkörpers befindet.
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Angemerkt sei, dass das Fenster bzw. die Ausnehmung im Isolierstoffkörper natürlich nur so lange offen sein muss, bis die elektrische Verbindung durch Schweißen, Löten oder Crimpen hergestellt ist. Danach kann sie und wird sie im Regelfall verschlossen sein, z.B. durch MgO-Pulver.
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Durch das Vorsehen eines Fensters oder einer Ausnehmung im Isolierstoffkörper wird es möglich, einen definierten und überprüfbaren elektrischen Kontakt an einer wohldefinierten Stelle der elektrischen Vorrichtung herzustellen, bei dem in der Regel ein geringerer Übergangswiderstand erreicht wird. Dementsprechend wird eine spürbare Verringerung der Streuung der Eigenschaften der elektrischen Vorrichtung erreicht und die Prozesssicherheit wird signifikant erhöht. Letzteres gilt insbesondere dann, wenn nach wie vor zusätzlich noch ein Presskontakt durch Verdichten der elektrischen Vorrichtung herbeigeführt wird.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei der erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung ein kürzerer Überlapp der Leiter in den Bohrungen benötigt wird als dies bisher der Fall war.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Vorrichtung eine Heizpatrone mit einem auf einen Wickelkörper gewickelten elektrischen Widerstandselement ist, wobei der Wickelkörper durch den Isolierstoffkörper gebildet wird.
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In einer dazu alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Vorrichtung ummantelter Temperatursensor, z.B. ein Mantelthermoelement oder ein in einem Metallmantel angeordneter PTC- oder NTC-Temperatursensor.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn ein Leiter der Versorgungsleitung und/oder Datenleitung und ein Leiter der elektrischen Vorrichtung wenigstens abschnittsweise in einer gemeinsamen Bohrung parallel, antiparallel oder verdrillt geführt sind.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich weiter erwiesen, wenn ein Leiter der Versorgungsleitung und/oder Datenleitung und ein Leiter der elektrischen Vorrichtung im nicht geöffneten Bereich des Isolierstoffkörpers elektrisch kontaktiert sind, insbesondere mittels eines durch Verdichten hergestellten Presskontakts elektrisch kontaktiert sind. Eine derart doppelt ausgeführte Kontaktierung erhöht deren Zuverlässigkeit noch weiter. Dementsprechend wird es auch als vorteilhaft angesehen, wenn mindestens ein Leiter der Versorgungsleitung und/oder Datenleitung und ein Leiter der elektrischen Vorrichtung miteinander sowohl durch einen Presskontakt als auch durch einen gelöteten, gecrimpten oder geschweißten Kontakt kontaktiert sind.
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Ein ganz besonders zuverlässiger Kontakt kann erreicht werden, wenn mindestens ein Leiter der Versorgungsleitung und/oder Datenleitung und/oder wenn mindestens ein Leiter der elektrischen Vorrichtung in axialer Richtung auf beiden Seiten eines Fensters innerhalb der Bohrung verlaufen.
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Noch weiter verbessert werden kann der erzielbare Kontakt, wenn mindestens ein Leiter der Versorgungsleitung und/oder Datenleitung und ein Leiter der elektrischen Vorrichtung miteinander in einer Verbindung über einen metallischen Verbinder verbunden sind, insbesondere mit einem Zusatzwerkstoff verschweißt sind.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das elektrische Heizelement im Bereich des Fensters mit einer größeren Wendelsteigung gewickelt ist, um das Herstellen eines elektrischen Kontakts durch das Fenster hindurch zu erleichtern.
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Ein ebenfalls als Erfindung angesehenes Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Vorrichtung weist die Schritte
- – Bereitstellen eines rohrförmigen Metallmantels,
- – Bereitstellen eines Isolierstoffkörpers, der mindestens ein Fenster aufweist, das einen Abschnitt der Bohrung freilegt oder mindestens eine Ausnehmung aufweist, die einen Abschnitt der Bohrung freilegt
- – Einführen eines blanken, d.h. unisolierten oder abisolierten Abschnitts eines Leiters einer Versorgungs- und/oder Datenleitung und eines blanken, d.h. unisolierten oder abisolierten Leiters der elektrischen Vorrichtung in die Bohrung, so dass beide in den Bereich eines Fensters oder einer Ausnehmung hineinragen,
- – Anbringen eines Schweißkontakts, eines Lötkontakts oder eines Crimpkontakts, die den elektrischen Kontakt zwischen dem Leiter der Versorgungs- und/oder Datenleitung und dem Leiter der elektrischen Vorrichtung herstellt, durch das Fenster oder die Ausnehmung hindurch,
- – Einführen des Isolierstoffkörper mit den miteinander kontaktierten Leiter und etwaig daran angeschlossenen Komponenten in den rohrförmigen Metallmantel, und
- – Befüllen des rohrförmigen Metallmantels mit einem elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Pulver, z.B. mit MgO-Pulver
auf. Der erste Schritt kann dabei zu einem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden, solange er vor dem Einführen des Isolierstoffkörpers erfolgt. Die anderen Schritte sollten bevorzugt in der angegebenen Abfolge durchgeführt werden; es können aber gegebenenfalls noch weitere Prozessschritte dazwischen durchgeführt werden, beispielsweise das Bewickeln des Isolierstoffkörpers mit dem Widerstandsdraht wenn die elektrische Vorrichtung eine elektrische Heizpatrone ist.
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Insbesondere sollte betont werden, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, dass die Abschnitte der Leiter der elektrischen Vorrichtung und die Abschnitte der Leiter der Versorgungs- und/oder Datenleitung von unterschiedlichen Seiten her in Bohrungen des Isolierstoffkörpers eingeführt werden können.
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Optional ist nun insbesondere das Verdichten der elektrischen Vorrichtung, die bei den bisher üblichen Verfahren zwingend erforderlich war, um den Kontakt zwischen dem Leiter der Versorgungs- und/oder Datenleitung und dem Leiter der elektrischen Vorrichtung herzustellen. Dies ermöglicht es, auch druckempfindliche Komponenten im rohrförmigen Metallmantel anzuordnen, was eine erhebliche Erweiterung der integrierbaren Funktionen mit sich bringt.
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Andererseits ist darauf hinzuweisen, dass dann, wenn trotzdem noch verdichtet wird, ein dabei erzeugter Presskontakt die Kontaktierung noch weiter verbessert, was insbesondere das Risiko von Totalausfällen erheblich reduziert.
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Optional kann nun auch als zusätzlicher Verfahrensschritt vor dem Einführen des Innenaufbaus in den rohrförmigen Metallmantel eine Qualitätskontrolle und/oder Überprüfung des hergestellten elektrischen Kontakts erfolgen.
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Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen dem erfindungsgemäße Verfahren und den bisherigen Verfahren besteht darin, dass erfindungsgemäß der Kontakt zwischen dem Leiter der Versorgungs- und/oder Datenleitung und dem Leiter der elektrischen Vorrichtung hergestellt wird, während die entsprechende Baugruppe aus Isolierstoffkörper, dem daran angeordneten Leiter der elektrischen Vorrichtung und daran hängenden oder angeschlossenen Komponenten der elektrischen Vorrichtung sowie der Versorgungs- und/oder Datenleitung, insbesondere deren Leiter, die nachfolgend auch als Innenaufbau der elektrischen Vorrichtung bezeichnet wird, noch außerhalb des rohrförmigen Metallmantels ist, also noch überprüfbar und charakterisierbar ist.
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Im Gegensatz dazu wurde dieser Kontakt bislang erst hergestellt, wenn der Innenaufbau bereits im rohrförmigen Metallmantel aufgenommen und somit nicht mehr für eine Qualitätskontrolle der Verbindung zugänglich ist. Wie oben bereits erwähnt, kann es aber auch sinnvoll sein, einen solchen Presskontakt zusätzlich noch herzustellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1a: Ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Vorrichtung,
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1b: den Innenaufbau der elektrischen Vorrichtung aus 1a,
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1c: eine Detailvergrößerung aus 1a,
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2a: den Innenaufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Vorrichtung,
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2b: eine erste Detailvergrößerung aus 2a,
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2c: eine zweite Detailvergrößerung aus 2a,
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2d: eine Variante des Innenaufbaus aus 2a,
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2e: eine erste Detailvergrößerung aus 2d,
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2f: eine zweite Detailvergrößerung aus 2d,
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2g: eine zweite Variante des Innenaufbaus aus 2a,
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3a: den Innenaufbau eines dritten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Vorrichtung, und
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3b: eine Detailvergrößerung aus 3a.
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Die 1a zeigt eine elektrische Vorrichtung 100, mit einem rohrförmigen Metallmantel 110 und einem Innenaufbau 120, der die elektrische Vorrichtung 100 zu einer Heizpatrone macht.
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Der Innenaufbau 120, der in 1b separat dargestellt ist, weist einen im Wesentlichen zylindrischen Isolierstoffkörper 121 mit zwei jeweils in Erstreckungsrichtung, also parallel zur Zylinderachse des zylindrischen Isolierstoffkörpers 121 verlaufenden, den Isolierstoffkörper jeweils durchsetzenden Bohrungen 122, 123 auf. In die Bohrungen 122, 123 ist von der Anschlussseite der elektrischen Vorrichtung 100, her jeweils ein Abschnitt von Leitern 131, 132 einer Versorgungsleitung 130, die die Stromversorgung der Heizpatronen gewährleistet, eingeführt. Ebenfalls in die Bohrungen 122, 123 eingeführt sind die beiden Abschnitte 141, 142 eines Leiters der elektrischen Vorrichtung 140, der von dem auf den Isolierstoffkörper 121 gewickelten Widerstandsdraht der Heizpatrone gebildet wird.
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Der Isolierstoffkörper 121 weist ferner zwei Fenster 124, 125 auf, die jeweils einen Abschnitt beider Bohrungen 122, 123 freilegen. In diesem Abschnitt ist, wie in der Detailvergrößerung der 1c besonders deutlich dargestellt wird, jeweils ein Schweißkontakt 151 zwischen dem Abschnitt des Leiters 131 und dem Abschnitt 141 bzw. analog ein Schweißkontakt 152 zwischen dem Abschnitt des Leiters 132 und dem Abschnitt 142 hergestellt worden, was durch die Fenster 124, 125 möglich ist.
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Ein solcher Innenaufbau 120 wird dann um die elektrische Vorrichtung zu bilden in den rohrförmigen Metallmantel 110 eingeführt und in ein elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material, hier MgO-Pulver 150, eingebettet und optional verdichtet. Dies ist offenkundig in gleicher Weise mit den in den 2a bis 2f bzw. 3a, b gezeigten Innenaufbauten 220, 320 möglich, weshalb nur diese Bestandteile der weiteren hier vorgestellten Ausführungsbeispiele dargestellt sind und beschrieben werden.
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Der in den 2a bis 2c dargestellte Innenaufbau 220 ist ebenfalls ein Innenaufbau für eine elektrische Heizpatrone. Der Innenaufbau 220, weist ebenfalls einen im Wesentlichen zylindrischen Isolierstoffkörper 221 mit zwei jeweils in Erstreckungsrichtung, also parallel zur Zylinderachse des zylindrischen Isolierstoffkörpers 221 verlaufenden, den Isolierstoffkörper jeweils durchsetzenden Bohrungen 222, 223 auf. In die Bohrungen 222, 223 ist von der Anschlussseite der elektrischen Vorrichtung her jeweils ein Abschnitt von Leitern 231, 232 einer Versorgungsleitung 230, die die Stromversorgung der Heizpatronen gewährleistet, eingeführt. Ebenfalls in die Bohrungen 222, 223 eingeführt sind die beiden Abschnitte 241, 242 eines Leiters der elektrischen Vorrichtung 240, der von dem auf den Isolierstoffkörper 221 gewickelten Widerstandsdraht der Heizpatrone gebildet wird.
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Der Isolierstoffkörper 221 unterscheidet sich vom Isolierstoffkörper 121 dadurch, dass er keine Fenster 124, 125 aufweist, sondern zwei jeweils stirnseitig am Isolierstoffkörper angeordnete Ausnehmungen 224, 225, die jeweils einen Abschnitt beider Bohrungen 222, 223 freilegen. In diesem Abschnitt ist, wie in der Detailvergrößerung der 2b und 2c besonders deutlich dargestellt wird, jeweils ein Schweißkontakt 251 zwischen dem Abschnitt des Leiters 231 und dem Abschnitt 241 bzw. analog ein Schweißkontakt 252 zwischen dem Abschnitt des Leiters 232 und dem Abschnitt 242 hergestellt worden, was durch die Ausnehmungen 224, 225 möglich ist.
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Die in den 2d bis 2f dargestellte Variante des Innenaufbaus 220‘ unterscheidet sich lediglich in der gewählten Position der Schweißkontakte 251 bzw. 252, weshalb dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Während beim Innenaufbau 220 die Schweißkontakte 251, 252 jeweils an dem Ende der Bohrungen vorgesehen sind, an dem das Ende des jeweiligen Abschnitts 241, 242 des Leiters 240 der elektrischen Vorrichtung liegt, so dass diese Abschnitt durch die gesamte Bohrung 222 bzw. 223 verlaufen, ist in der Variante 220` jeweils nur ein kurzer Abschnitt 241, 242 des Leiters in die Bohrung 222 bzw. 223 eingeführt.
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Die in den 2g dargestellte Variante des Innenaufbaus 220‘‘ unterscheidet sich erneut in der gewählten Position der Schweißkontakte 251 bzw. 252, die hier in einem Fenster 260 liegen, und darin, dass die Leiter der Versorgungsleitung 231, 232 jeweils eine Schmelzsicherung 271, 272 aufweisen. Ansonsten werden wieder dieselben Bezugszeichen verwendet wie in 1. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, dass durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise der Abstand zwischen einer Schmelzsicherung 271, 272 und einem Schweißkontakt 251, 252 so weit erhöht werden kann, dass sicher gestellt ist, dass die beim Schweißen in das Material eingebrachte Wärme dennoch nicht zu einer Vorschädigung oder einem Schmelzen der Schmelzsicherung 271, 272 führt.
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Bei dem in 3a und 3b gezeigten Innenaufbau 320 handelt es sich um den Innenaufbau für einen Temperatursensor 340. Abschnitte von Leitern 341, 342 des Temperatursensors sind in Bohrungen 322, 323 eines im Wesentlichen zylinderförmigen Isolierstoffkörpers 321 eingeführt, während von der gegenüberliegenden Seite des Isolierstoffkörpers 321 her Leiter 331, 332 einer Versorgungsleitung 330 mit blanken Abschnitten in die Bohrungen 322, 323, eingeführt sind. Wie man in 3b besonders gut erkennt, ist ein Fenster 324 im Isolierstoffkörper 320 vorhanden, durch das hindurch jeweils Schweißkontakte 351, 352 zwischen den Abschnitten 341 bzw. 342 der Leiter des Temperatursensors und den Leitern 331 bzw. 332 der Versorgungsleitung hergestellt wurden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- elektrische Vorrichtung
- 110
- rohrförmiger Metallmantel
- 120, 220, 220`, 320
- Innenaufbau
- 121, 221, 321
- Isolierstoffkörper
- 122, 123, 222, 223, 322, 323
- Bohrung
- 124, 125, 324
- Fenster
- 130, 230, 330
- Versorgungsleitung
- 131, 132, 231, 232, 331, 332
- Leiter (einer Versorgungsleitung)
- 140, 240
- Leiter (der elektrischen Vorrichtung)
- 141, 142, 241, 242, 341, 342
- Abschnitt
- 150
- MgO-Pulver
- 151, 152, 251, 252, 351, 352
- Schweißkontakt
- 224, 225
- Ausnehmung
- 260
- Fenster
- 271, 272
- Schmelzsicherung