带温度监控器的筒式电加热器及带温度监控器的电加热器

本发明涉及根据专利权利要求1前序部分特征的带温度监控器的筒式电加热器。

筒式电加热器是通用的电加热器，其中通常配置为热丝或电阻丝的电加热元件设置在外护套的内部空间中，护套通常(但非必要)由管形成，尤其是具有圆形截面的管。在这一点上，这种设计形式除了包括仅具有一个金属护套的筒式加热器之外，还包括具有第二个、在内部通常同样是管状金属护套的空心套筒。

在这种筒式电加热器用来监控筒式电加热器的运作的许多应用中，在筒式电加热器的一个或多个点上使温度达到或保持在预定的温度范围内是重要的，并且通常也是一个问题。为了做到这一点，根据DE 20 2008 014 050 U1和DE 20 2007 010 865 U1已知，在筒式电加热器的内部设置温度传感器或温度探测器或集成热电偶，然而它们通常对压力敏感，这在对筒式加热器进行压接(crimping)或压缩时需要考虑。另外，通过这种方式只能实现在一个点上的温度局部监控，因此出现在另一点上的温度偏差只有在影响到局部监控点时才能检测到。

根据例如DE 203 21 257 U1已知具有温度依赖性电阻特性的电加热元件。

因此，本发明的目的在于提供一种可避免上述缺点的筒式电加热器以及具有这种筒式加热器的电加热器。该目的由具有专利权利要求1特征的筒式电加热器以及具有专利权利要求10特征的电加热器来实现。本发明的各种改良形式属于从属权利要求的主题。

与通常的筒式加热器一样，根据本发明的筒式电加热器具有外金属护套和至少一个设置在外金属护套的内部空间中的电加热元件。而且，至少一个温度监控装置设置在筒式电加热器的金属护套的内部空间中，它与电加热元件电隔离。

对于本发明至关重要的是，温度监控装置是添加至电加热元件的至少一个丝或添加至电加热元件的一个管，该丝或管由正温度系数材料(kaltleitenden Material，电阻随温度升高而增大的材料)制成，这种正温度系数材料在温度20℃至105℃之间时电阻温度系数大于800ppm/K，特别优选地大于4000ppm/K。此外，根据本发明，该丝或管直接嵌入到用于填充外金属护套的剩余内部空间的不导电填料中，特别地，该填料可配置为氧化镁粉末或氧化镁颗粒。

在本发明的替代实施例中，也可做出规定，其他方面具有相同的结构，作为温度监控装置的添加至电加热元件的丝或添加至电加热元件的管由负温度系数材料(heiβleitendem Material，电阻随温度升高而减小的材料)制成，这种负温度系数材料在温度20℃至105℃之间时电阻温度系数大于250ppm/K，特别优选地大于800ppm/K，最优选地大于4000ppm/K。在本发明的这个实施例中，根据本发明，该丝或管直接嵌入到用于填充外金属护套的剩余内部空间的不导电填料中，特别地，该填料可配置为氧化镁粉末或氧化镁颗粒。

负温度系数材料在20℃至105℃之间时电阻温度系数的必要最小值具有较低的阈值是因为，一般来说，电加热元件的电阻在20℃至105℃之间时具有正的电阻温度系数。

在本发明的这两种替代实施例中，能够测量例如丝或管的电阻，或者与电阻相关联的变量，例如预定电压时的电流，或达到预定电流所需的电压，并且能够与标准值进行比较以实现温度监控。优选地，这种比较以自动方式在筒式加热器的电子控制和/或监控单元中进行，优选地，随后可访问存储在该电子控制和/或监控单元的存储器中的电阻特性数据。

除了对压力更大的鲁棒性之外，其允许对筒式电加热器进行压缩，根据本发明的温度监控装置的构造除了极高的成本效益可行性之外，其特征还在于，筒式加热器可退火弯曲，特别地，在保护气体之下，在压缩后可在氧化或应力消除条件下退火，但在例如使用已知的PT-100温度传感器作为温度监控装置时并非如此。

特别优选地，该丝或管由温度20℃至105℃时电阻温度系数至少是当前电加热元件在20℃至105℃之间时电阻温度系数的两倍的材料制成，特别优选地至少是五倍。这导致即使是在压缩造成可能的电阻公差时也能保证温度监控的足够精度。

如果温度监控装置以这种方式实施，相比优先日前已知的进行局部温度测量的绝大多数温度监控装置而言，获得了一种温度监控装置，其中由正温度系数或负温度系数材料制成的丝或管的每个单独段的周围温度有助于温度监控的结果。这可提高温度监控装置的响应，因为由于故障造成的局部温度变化对由正温度系数或负温度系数材料制成的丝或管的最近段具有相对直接的影响，因此不必等到由传感器或热电偶来显示故障在局部监控点上。

另外，相比使用现有技术已知的温度传感器、温度探测器或热电偶而言，获得了对压力几乎不敏感的温度监控装置，并且其工作电流或工作电压的设置使得这种电阻的温度依赖性仅略微影响热输出，同时在不需要对温度监控装置的机械保护作出额外努力的情况下，即可实现对筒式电加热器压缩的优化。于是，特别优选地，筒式电加热器在至少一些段压缩或压接，其中表现为温度监控装置的丝或管的至少一段在至少压缩或压接的一段中延伸。

根据本发明的优选实施例，温度监控装置配置成由正温度系数材料或负温度系数材料制成的管，电加热元件设置在该管的内部空间中，这样该管与电加热元件一起构成螺旋管状筒式加热器，其护套为温度监控装置。就配置成热丝或电阻丝的电加热元件而言，这意味着其与构成温度监控装置的管电绝缘，例如借助于绝缘材料填料，其可由氧化镁粉末或颗粒实现。

在本发明特别优选的实施例中，作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管是螺旋式的。这实现了本发明的第一种变型，其中作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管与至少一个加热元件(但其与丝或管电隔离)一起缠绕到共同线圈体上。结果，实现了具有温度监控装置的筒式电加热器特别简单的制造。

作为本发明上述变型的替代或附加，作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管可配置成以不同的线圈节距卷绕。如上所述，在根据本发明的温度监控装置的构造中，由正温度系数或负温度系数材料制成的丝或管的每个单独段的周围温度有助于温度监控的结果。在筒式电加热器指定区域的低线圈节距中，在该区域实现了受温度变化影响的丝或管的段的延长，这导致温度监控装置对该区域温度变化的敏感性增强，相反地，高线圈节距可产生具有低敏感性的区域。这样，由于根据本发明的温度监控装置中不同的线圈节距，可在筒式电加热器的不同段中可变地配置其敏感性，从而以最佳方式适应应用的需要。

根据本发明的另一有利实施例，作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管沿径向设置在至少一个卷绕的电加热元件的线圈内。特别地，在这个位置上可容易地检测可能的局部故障。特别地，电加热元件缠绕到线圈体上，同时作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管在至少一些段在线圈体的孔或开口中延伸。

就本发明的所有实施例而言，其中作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管由正温度系数材料制成，已经证实，当电加热元件的材料是含有铬和镍的合金或含有铜和镍的合金，并且作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管的材料是纯金属，特别地是镍、精镍或高精镍时，是特别成功的。当有多个这种温度监控装置时，也可有选择地使用多种不同的纯金属。

根据本发明的电加热器包括具有外金属护套和至少一个设置在外金属护套的内部空间中的电加热元件的筒式电加热器，其中至少一个温度监控装置设置在电加热元件的金属护套的内部空间中，它与电加热元件电隔离，并且配置成添加至电加热元件的至少一个丝或添加至电加热元件的管。就这一点而言，该丝或管分别由正温度系数材料或由负温度系数材料制成，其中这种负温度系数或正温度系数材料在20℃至105℃之间的电阻温度系数，在其是正温度系数材料时大于800ppm/K，特别优选地大于4000ppm/K，在其是负温度系数材料时大于250ppm/K，特别优选地大于800ppm/K，最优选地大于4000ppm/K。此外，该丝或管直接嵌入到用于填充外金属护套的剩余内部空间的不导电填料中。

另外，根据本发明的电加热器具有为至少一个电加热元件供电的电源，以及用于确定作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管的电阻并为作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管所确定的电阻指定温度值的装置。

就这一点而言，特别优选地，用于确定作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管的电阻并为作为温度监控装置的丝或作为温度监控装置的管所确定的电阻指定温度值的装置与用于为至少一个电加热元件供电的电源进行信号通信，使得至少一个电加热元件的供电可随着用于确定电阻的装置指定给电阻值的温度值函数而变化。

以下根据示出示范实施方式的附图详细说明本发明。其中：

图1a示出第一筒式电加热器，

图1b示出图1a的筒式电加热器沿平行于其延伸方向的截面，

图2a示出第二筒式电加热器，

图2b示出图2a的筒式电加热器沿平行于其延伸方向的截面，

图3示出第三筒式电加热器沿平行于延伸方向的截面，

图4a示出第四筒式电加热器，

图4b示出图4a的筒式电加热器沿平行于其延伸方向的截面，

图5a示出第五筒式电加热器，

图5b示出图5a的筒式电加热器沿平行于其延伸方向的截面，

图6a示出第六筒式电加热器，

图6b示出图6a的筒式电加热器的分解图，

图6c示出处于未卷绕状态的图6a的筒式电加热器，

图6d示出图6a的筒式电加热器沿垂直于其延伸方向的截面，

图7a示出第三筒式电加热器沿平行于其延伸方向的截面，

图7b示出图7a的第一放大细节图，

图7c示出图7a的第二放大细节图，

图8示出电加热器。

图1a示出具有金属护套110的第一筒式电加热器100，在本例中金属护套110是管状的、具有椭圆形横截面，其在各端面用端盖111、112闭合，这些端盖各由三个连接螺栓114-119穿过。如根据图1b的剖面图所示，两个实施为螺旋热丝的电加热元件120、121设置在金属护套110的内部空间140中，在连接螺栓114和115或118和119之间，优选地在机械张力下，同时温度监控装置130设置在连接螺栓116和117之间，优选地在机械张力下，装置130以由正温度系数材料或由负温度系数材料制成的卷绕丝的形式，需要说明的是，装置130不是第三电加热元件，而是由不同材料形成的丝，其比电加热元件120、121细，但是在所有其他附图中，并没有突出显示必要尺寸上的必要区别，特别是在横截面上。

为了清楚起见，在该图及所有其他附图中没有示出实际填充在金属护套110的内部空间140中的绝缘材料(优选压接的)，其可由例如氧化镁粉末或颗粒构成。

图2a示出具有金属护套210的第二筒式电加热器200，在本例中金属护套210是管状的、具有基本矩形的横截面并具有圆角，其在一侧用底板211闭合。在另一端面，四个连接螺栓214-217引入到金属护套210的内部空间240中。如根据图2b的剖面图所示，实施为卷绕的热丝并以近似U形方式延伸穿过金属护套210的内部空间240的电加热元件220设置在连接螺栓214和215之间，同时温度监控装置230设置在连接螺栓216和217之间，装置230以由正温度系数材料或由负温度系数材料制成的卷绕丝的形式，需要说明的是，装置230不是第二电加热元件，而是由不同材料形成的丝，其比电加热元件220细，同样以近似U形方式延伸。

不同于图1a和1b中所示的在两侧连接的筒式电加热器100，根据图2a和2b的筒式电加热器200是在一侧连接的筒式电加热器200；而且，筒式电加热器100、200的区别还在于其横截面。

在图3中以剖面图示出的筒式电加热器300具有管状金属护套310，端盖311、312，设置在金属护套310的内部空间340中、在连接螺栓314和315之间的电加热元件320，其实施为卷绕、优选自支撑的热丝，以及设置在金属护套310的内部空间340中的温度监控装置330，该装置330以由正温度系数材料或由负温度系数材料制成的卷绕丝的形式，其端部直接从管状金属护套310中引出，因此没有配备连接螺栓。根据图3的实施例的具体特征在于，330同轴地设置在电加热元件320的线圈中，使得温度监控装置330对电加热元件320的局部故障具有极高的灵敏度以及特别快的响应。

在图4a和图4b所示的第四筒式电加热器400中，管状金属护套410为柱状，并用与其一体形成的底板411以及端盖412闭合。设置在管状金属护套410的内部空间440中并实施为缠绕在线圈体450上的卷绕热丝的电加热元件420用其端部420a、420b穿过端盖412。温度监控装置430的端部430a、430b也穿过端盖412，这里该装置430以由正温度系数材料或由负温度系数材料制成的U形卷绕丝的形式实施，位于线圈体450的中心面上。

在图5a和图5b所示的第五筒式电加热器500中，管状金属护套510同样是柱状并用底板511以及端盖512闭合，底板511具有作为线圈体550的定位辅助工具的凹部511a。与根据图4a、b所示的筒式电加热器400一样，设置在管状金属护套510的内部空间540中并实施为缠绕在线圈体550上的卷绕热丝的电加热元件520用其端部520a、520b穿过端盖512。温度监控装置530的端部530a、530b也穿过端盖512，这里该装置以由正温度系数材料或由负温度系数材料制成的U形卷绕丝的形式实施，位于线圈体550的中心面上，其中温度监控装置530形成U形的两个腿部的段530c、530d穿过线圈体的孔，因此径向设置在缠绕在线圈体550上的电加热元件520的匝(turns)或线圈中。

图6a至6d示出筒式电加热器100的第六示范实施例。如图6b的分解图中特别容易看出的，筒式电加热器600具有设置在外金属护套610和内金属护套660之间的电加热元件620，这两个金属护套藉由背离观察者因此在图6a中不可见的底面661相互连接。如图6a中容易看出的，电加热元件620设置在外金属护套610的内部空间640中，在外部成形陶瓷部件670(其同时确保与外金属护套610的电绝缘)与中间成形陶瓷部件671之间，并且可选择地另外嵌入在电绝缘材料中(未示出)，例如氧化镁颗粒，为清楚起见，其在图6a至6c中并未示出。

另外，温度监控装置630在中间成形陶瓷部件671与内部成形陶瓷部件672之间，该装置630以由正温度系数材料或由负温度系数材料制成的丝的形式实施，该丝同样描绘了空间曲线，其可通过将基本形状弯曲成蜿蜒模式而获得。优选地，描绘温度监控装置630的空间曲线可通过沿径向缩放转换成描绘电加热元件620的空间曲线。进一步优选地，进行对齐，其中温度监控装置630或电加热元件620的蜿蜒结构、沿弯曲弧628、629或638、639相同方向上相互对应的点各具有相同的半径r，如图6d中的示例所示。通过这种方式，温度监控装置630的段直接指定给电加热元件620的每个段，导致对温度偏差特别可靠的检测。

可由图6a中观察者看到的筒式电加热器600的端面在组装状态下由圆环状盖662闭合。外金属护套610和内金属护套660各配置为柱状，并且设置成彼此同心的。因此，外金属护套610和内金属护套660的延伸方向由圆柱轴界定。

如图6c中特别容易看出的，其中电加热元件620处于缠绕或未缠绕的状态，即未处于安装状态，电加热元件具有蜿蜒回路的蜿蜒形状。在电加热元件620的两端设置有连接螺栓614、615，其各具有孔(图6c中看不出来)，电加热元件620的端部容纳在该孔中并建立电连接。

在图7a至7c所示的筒式电加热器700中，如图7b的细节图中特别容易看出的，电加热元件720以热丝的形式居中设置在温度监控装置的内部，该装置实施为由正温度系数材料或由负温度系数材料制成的管，并通过氧化镁粉末735与电加热元件720电绝缘。这样，电加热元件720与温度监控装置一起构成螺旋管状筒式加热器，其一些段卷绕设置在杯形外金属护套710的内部空间740中。为了清楚起见，省略了用于填充该内部空间并确保对杯形金属护套710的负温度系数的填料，该填料由易导热、优选不导电的材料构成，尤其是氧化镁粉末或颗粒。为接触电加热元件720设置了接触板713、714和连接螺栓721、722。如图7c特别容易看出的，温度监控装置730的接触通过接触板715、716和连接线717、718来实现。

除了筒式电加热器200之外(其已基于图2a、b进行了描述，因此在图8中与图2a、b中具有相同的附图标记)，图8所示的电加热器1000还具有为至少一个电加热元件220供电的电源1010，以及用于确定作为温度监控装置230的丝的电阻并为温度监控装置230所确定的电阻指定温度值的装置1020，在本示例中，这两个装置整合在控制装置1030中。于是，电源1010与电加热元件220经由连接螺栓214,215通过电源线1011,1012彼此连接；用于确定电阻的装置1020与温度监控装置230经由连接螺栓216,217通过电源线1021,1022彼此连接。

另外，用于确定温度监控装置230的电阻的装置1020通过信号线1023与电源1010进行信号通信，使得至少一个电加热元件220的供电可随着用于确定电阻的装置1020指定给电阻值的温度值函数而变化。

附图标记列表

100，200，300，400，500，600，700 筒式电加热器

110，210，310，410，510，610，710 外金属护套

111，112，311，312，412，512 端盖

114，115，116，117，118，119，214，

215，216，217，314，315，721，722 连接螺栓

120，121，220，320，420，520，620，720 电加热元件

130，230，330，430，530，630，730 温度监控装置

140，240，340，440，540，640，740 内部空间

211，411，511 底板

420a，420b，520a，520b 端部

430a，430b，530a，530b 端部

450，550 线圈体

511a凹部

530c，530d 段

628，629 弧

638，639 弧

660 内金属护套

661 底面

670 外部成形陶瓷部件

671 中间成形陶瓷部件

672 内部成形陶瓷部件

713，714，715，716 接触板

717，718 连接线

735 氧化镁粉末

1000电加热器

1010电源

1011，1012，1021，1022 电源线

1020用于确定电阻的装置

1023信号线

1030控制装置

r 半径