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Heizpatrone, insbesondere zum Beheizen von
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Kunststoffspritzgußformen Die Erfindung betrifft eine Heizpatrone,
insbesondere zum Beheizen von Kunststoff spritzgußformen, mit einem Heizdraht und
einem Thermoelement, die in einem Außenmantel in einem pulverförmigen keramischen
Isolationsmaterial eingebettet sind, wobei der Außenmantel zusammen mit dem Isolationsmaterial
unter Querschnittsverringerung -hoch verdichtet ist.
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Heizpatronen dieser Art werden in zu beheizende Gegenstände eingesetzt.
Insbesondere werden solche Heizpatronen in die Düsen von Runststoffspritzgußformen
eingesetzt, um diese Düsen und damit den Kunststoff während des Spritzvorgangs auf
der vorgeschriebenen Temperatur zu halten. Hoch verdichtete Heizpatronen werden
dabei als Hochleistungspatronen verwendet, da durch die Verdichtung eine ausreichende
Isolation bei geringen Außenabemessungen erreicht werden kann.
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Es ist bekannt, solche Heizpatronen mit einem Thermoelement auszustatten,
das einerseits zur Kontrolle der Heiztemperatur dient und andererseits häufig auch
als Oberstrom-bzw. Überhitzungssicherung verwendet wird. Bei den bekannten Heizpatronen
ist das Thermoelement ebenfalls in das Isolationsmaterial eingebettet und in den
Verdichtungsvorganz einbezogen. Das Thermoelement ist daher unlösbar mit der Heizpatrone
verbunden. Bei einer Beschädigung des Thermoelementes, z.B. während des Verdichtungsvorgangs
oder während des Betriebs wird die gesamte Heizpatrone unbrauchbar. Ebenso machteine
Beschädigung des Heizdrahtes, z.B.
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ein Durchbrennen die gesamte Heizpatrone unbrauchbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizpatrone der eingangs
genannten Gattung so zu verbessern, daß das Thermoelement mit der verdichteten Heizpatrone
lösbar verbunden ist, so daß bei einer Beschädigung des Thermoelements bzw. des
Heizdrahtes jeweils nur der beschädigt Teil unbrauchbar.wird, während der andere
Teil weiter verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Außenmantel
in dem Isolationsmaterial ein Innenrohr eingebettet und in die Verdichtung einbezogen
ist und daß das Thermoelement in diesem Innenrohr axial verschiebbar und austauschbar
angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist das Innenrohr koaxial im Außenmantel angeordnet,
wobei der Heizdraht als das Innenrohr koaxial umschließende Wendel ausgebildet sein
kann.
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Erfindungsgemäß wird das Thermoelement nicht direkt in das Isolationsmaterial
eingebettet und in die Verdichtung einbezogen. Es wird vielmehr ein Innenrohr in
die Heizpatrone eingesetzt und bei der Verdichtung in dem Isolationsmaterial fixiert.
In dieses Innenrohr kann nun das Thermoelement eingeschoben werden.
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Da das Thermoelement nicht in den Verdichtungsprozeß einbezogen wird,
sondern erst nach der Verdichtung in das Innenrohr eingeführt wird, ist eine Beschädigung
des Thermoelements während des Verdichtens ausgeschlossen.
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Bei einer Beschädigung des Thermoelements während des Betriebs kann
das Thermoelement aus dem Innenrohr herausgezogen und durch ein neues ersetzt werden.
Die noch funktionsfähige Heizpatrone wird also durch die Beschädigung des Thermoelements
nicht unbrauchbar.
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Umgekehrt kann auch bei einer Beschädigung des Heizdrahtes das Thermoelement
herausgenommen und bei einer neuen Heizpatrone weiter verwendet werden.
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Aufgrund der axialen Verschiebbarkeit des Thermoelements in dem Innenrohr
kann die temperaturempfindliche Spitze des Thermoelements an verschiedenen axialen
Stellen der Heizpatrone angeordnet werden, so daß eine Feinbestimmung der axialen
Temperaturverteilung der Heizpatrone möglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der metallische
Außenmantel und das Innenrohr mit Stromanschlüssen versehen und ein Ende des Heizdrahtes
ist mit dem Außenmantel und das andere Ende mit dem Innenrohr elektrisch leitend
verbunden.
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In dieser Ausführungsform dienen der Außenmantel und das Innenrohr
selbst als Stromzuführungsleiter für den Heizdraht. Der Heizdraht kann daher mit
seinem einen Ende an der Spitze und mit seinem anderen Ende am rückwärtigen Ende
der Heizpatrone angeschlossen sein. Der Heizdraht kann somit als eine einfache Wendel
ausgebildet sein, ohne daß Rückführungsleitungen im Inneren der Patrone vorgesehen
werden müssen. Dadurch wird eine Verringerung des Querschnitts der Heizpatrone möglich.
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In dieser Ausführungsform wird die Heizpatrone vorzugsweise als Niederspannungs-Patrone
mit Heizspannungen bis maximal 42 V betrieben, wobei der Außenmantel den Masse-
bzw. Erdanschluß bildet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Innenrohr an seinem vorderen
Ende geschlossen und vollständig mit Isolationsmaterial umgeben.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß das in die Heizpatrone
eingeführte Thermoelement vollständig von der Patrone umschlossen und durch diese
geschützt ist.
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Aufgrund des geschlossenen Außenmantels ist die Heizpatrone in dieser
Ausgestaltung vielseitig verwendbar.
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Ein gewisser Nachteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß das
Innenrohr nicht vollständig bis an das vordere Ende des Außenmantels geführt werden
kann. Bei der bevorzugten Verwendung der Heizpatrone zum Beheizen von Kunststoffspritzgußformen
wird die Heizpatrone koaxial in die Verschlußnadel der Düse eingesetzt. Für das'Einspritzen
des Kunststoffs ist die Temperatur unmittelbar an der Düsenöffnung, d. h. in der
Spitze der beheizten Düsennadel entscheidend. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung
befindet sich jedoch zwischen der Spitze der Düsennadel und der temperaturempfindlichen
Meßspitze des Thermoelements noch eine Schicht des hochverdichteten Isolationsmaterials.
Dieses Isolationsmaterial mit seiner geringen Wärmeleitfähigkeit behindert den Wärmeübergang
von der Düsennadel zur Meßspitze des Thermoelements.
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Die vom Thermoelement angezeigt Temperatur entspricht daher der Temperatur
im Inneren der Heizpatrone an deren vorderen Ende und kann erheblich von der tatsächlichen
Temperatur an der Düsenöffnung abweichen.
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Dieser Nachteil wird in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung
dadurch vermieden, daß das Innenrohr an seinem vorderen Ende offen ist und eine
mit dem Innenrohr fluchtende Bohrung am vorderen Ende durch den Außenmantel und
das Isolationsmaterial führt.
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In dieser Ausgestaltung weist die Heizpatrone einen koaxial vollständig
durchgehenden Kanal auf, der aus dem Innenrohr und der sich an dessen vorderem Ende
anschließenden Bohrung besteht. Das Thermoelement kann in diesem Kanal vollständig
durch die Heizpatrone hindurchgeführt werden. Die temperaturempfindliche Meßspitze
des Thermoelements kann somit aus dem vorderen Ende der Heizpatrone austreten und
vollständig bis in die Spitze der Düsennadel geführt werden. Die Meßspitze des Thermoelements
steht somit in unmittelbarem Wärmekontakt mit der Spritzdüse an der Düsenöffnung,
so daß keine Verfälschung der gemessenen Temperaturwerte auftreten kann.
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Zur Herstellung der Heizpatrone gemäß dieser zweiten Ausgestaltung
wird vorzugsweise das Innenrohr an seinem vorderen Ende verstöpselt, das Innenrohr
in den an seinem vorderen Ende geschlossenen Außenmantel eingesetzt und vollständig
in das pulverförmige Isolationsmaterial eingebettet, der Außenmantel radial verdichtet
und der Außenmantel, das verdichtete Isolationsmaterial und das verstöpselte Innenrohr
am vorderen Ende koaxial aufgebohrt.
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Das Einsetzen der Heizwendel und des Innenrohres in den Außenmantel,
das Einfüllen des pulverförmigen Isolationsmaterials und das Verdichten der Patrone
erfolgen in der gleichen einfachen Weise, wie bei der ersten Ausgestaltung der Heizpatrone.
Anschließend wird das vordere Ende der Heizpatrone koaxial aufgebohrt, um den durchgehenden
Kanal zu vervollständigen. Infolge der Verdichtung besitzt das pulverförmige Isolationsmaterial
eine ausreichende Festigkeit, so daß die Wand der Bohrung im Bereich zwischen den
vorderen Enden des Außenmantels und des Innenrohres keiner zusätzlichen Abstützung
oder Sicherung bedarf.
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Im folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der
beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt einer
Heizpatrone gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, Fig. 2 einen Axialschnitt
einer Heizpatrone gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung und Fig 3 die
Heizpatrone gemäß Fig. 2 in eine Spritzdüse eingesetzt.
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Die in Fig. 1 dargestellt Heizpatrone weist einen zylindrischen, metallischen
Außenmantel auf. In diesem Außenmantel 1o ist koaxial eine Wendel eines Heizdrahtes
12 angeordnet.
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Koaxial in der Heizdrahtwendel 12 ist wiederum ein am vorderen Ende
geschlossenes Innenrohr 14 angeordnet. Der Hohlraum zwischen dem Außenmantel 1o
und dem Innenrohr 14 ist mit einem pulverigenkeramischen Isolationsmaterial 16 ausgefüllt,
in welches der Heizdraht 12 eingebettet ist.
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Der Heizdraht 12 bildet eine einlagige Wendel, und ist an seinem vorderen
Ende 18 innen an der Spitze des Außenmantels 1o durch Löten oder Schweißen elektrisch
leitend angebracht. Das rückwärtige Ende 20 der Wendel 12 ist ebenfalls durch Löten
oder Schweißen elektrisch leitend am rückwärtigen Ende des metallischen Innenrohres
14 angebracht. Der Außenmantel 1o weist an seinem rückwärtigen Ende einen isolierten
Stromzuführungsanschluß 22 und das Innenrohr 14 einen isolierten Stromzuführungsanschluß
24 auf.
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Nachdem die Wendel 12 in dem Außenmantel 1o angebracht, das Innenrohr
14 in der Wendel 12 angeordnet und das Isolationsmaterial 16 eingefüllt ist, wird
die gesamte Patrone unter Druck radial verdichtet, so daß sich der Außendurchmesser
der Patrone verringert und die Wendel und das Innenrohr in dem hochverdichteten
Isolationsmaterial 16 fixiert sind. Der Innendurchmesser des Innenrohres 14 bleibt
bei dieser Verdichtung fast unverändert.
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In das Innenrohr 14 kann nun koaxial ein Thermoelement eingeschoben
werden, das in handelsüblicher Weise aus zwei verschiedenen miteinander verlöteten
Metallen besteht, die die temperaturempfindliche Meßspitze 26 bilden und zusammen
mit ihren Anschlußdrähten 30 in einem Mantel 28 eingeschlossen sind, der aus Metall
oder einem keramischen Material besteht.
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Das-Thermoelement ist mit seinem Mantel 28 axial in dem Innenrohr
14 verschiebbar. Das Thermoelement kann somit bei Bedarf herausgenommen und ausgetauscht
werden. Ebenso ist es möglich, während des Betriebs der Heizpatrone das Thermoelement
axial in dem Innenrohr 14 zu verschieben, so daß die Meßspitze an verschiedene axiale
Meßpunkte innerhalb der Heizpatrone gebracht werden kann.
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In den Figuren 2 und 3 ist eine weitere Ausführungsform der Heizpatrone
dargestellt. Soweit diese Heizpatrone mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
übereinstimmt, sind ihre Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und auf die
vorstehende Beschreibung wird verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der Heizpatrone der Fig. 2 und der vorstehend
beschriebenen Heizpatrone der Fig. 1 besteht darin, daß das metallische Innenrohr
14 an seinem vorderen, von dem Stromzuführungsanschluß 24 abgewandten Ende offen
ist. An das offene Ende des Innenrohres 14 schließt sich mit diesem innenrohr fluchtend
eine Bohrung 32 an, die die geschlossene Stirnfläche des Außenmantels lo und das
verdichtete Isolationsmaterial 16 durchsetzt.
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Die Herstellung der Heizpatrone erfolgt zunächst in der gleichen Weise,
wie dies vorstehend für die Heizpatrone derlFig. 1 beschrieben ist. Anstelle eines
am vorderen Ende geschlossenen Innenrohres 14 kann jedoch aus Kostengründen ein
offenes Innenrohr 14 verwendet werden, das lediglich mit einem Stöpsel am vorderen
Ende verschlossen ist. Im Anschluß an die Verdichtung wird im Gegensatz zur oben
beschriebenen Ausführungsform die Heizpatrone am vorderen Ende koaxial mit einem
dem Innenrohr 14 entsprechenden Durchmesser aufgebohrt. Bei diesem Aufbohren wird
auch der das Innenrohr 14 am vorderen Ende verschließende Stöpsel entfernt. Durch
die Verdichtung des Isolationsmaterials 16 erhält dies eine solche Festigkeit, daß
die Innenwand der so erzeugten Bohrung 32 im axialen Bereich zwischen dem vorderen
Ende des Innenrohres 14 und dem vorderen Ende des Außenmantels 1o ausreichend stabil
ist und das Isolationsmaterial 16 nicht herausrieselt oder herausbröckel t.
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Die Heizpatrone gemäß Fig. 2 weist somit einen durchgehenden koaxialen
Kanal auf,der von dem Innenrohr 14 und der Bohrung 32 gebildet wird. Durch diesen
durchgehenden Kanal kann das Thermoelement hindurchgeschoben werden, so daß seine
temperaturempfindliche Meßspitze 26 nach vorne über die Heizpatrone hinausragt.
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Die Anwendung der Heizpatrone gemäß Fig. 2 zum Beheizen der Düse einer
Kunststoffspritzgußform ist in Fig. 3 im Schnitt dargestellt. Die Spritzdüse weist
eine Düsenöffungen 34 auf, deren Durchtrittsquerschnitt durch die konische Spitze
einer Düsennadel 36 bestimmt wird. In eine koaxiale Bohrung der aus Stahl bestehenden
Düsennadel 36 wird die in Fig. 2 dargestellt Heizpatrone eingesetzt. An die die
Heizpatrone aufnehmende Bohrung schließt sich eine Bohrung
kleineren
Querschnitts an, die bis in die Spitze der Düsennadel führt. Das Thermoelement wird
durch die Heizpatrone hindurchgeschoben und in diese Bohrung kleineren Querschnitts
eingeführt. Wie Fig. 3 zeigt, gelangt dabei die temperaturempfindliche Meßspitze
26 des Thermoelements in die Spitze der Düsennadel 36 in unmittelbarer Nähe der
Düsenöffnung 34.
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Da die Meßspitze 26 sich in direktem Wärmekontakt mit der Spitze der
Düsennadel 36 befindet, mißt das Thermoelement exakt die an der Düsenöffnung 34
herrschende Temperatur.
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