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EP3993562A1 - Heating cartridge with ceramic casting compound - Google Patents

Heating cartridge with ceramic casting compound Download PDF

Info

Publication number
EP3993562A1
EP3993562A1 EP21205225.2A EP21205225A EP3993562A1 EP 3993562 A1 EP3993562 A1 EP 3993562A1 EP 21205225 A EP21205225 A EP 21205225A EP 3993562 A1 EP3993562 A1 EP 3993562A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating
ceramic
metal sleeve
cartridge according
heating coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP21205225.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3993562B1 (en
Inventor
Patrick Le Coent
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Original Assignee
Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG filed Critical Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Publication of EP3993562A1 publication Critical patent/EP3993562A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3993562B1 publication Critical patent/EP3993562B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/014Heaters using resistive wires or cables not provided for in H05B3/54

Definitions

  • the invention relates to a heating cartridge, in particular for heating a spray nozzle.
  • Such heating cartridges contain a heating wire which is arranged as a heating coil in a metal sleeve.
  • a heating cartridge which has a continuous central fitting bore for receiving a plastic injection nozzle.
  • This cartridge heater has an annular interior that is enclosed by a metal jacket.
  • a heating coil which is wound onto a ceramic winding body, is embedded in ceramic powder in this interior space.
  • the metal jacket is assembled from two parts, between which there is a gap enclosed by an annular wall. All parts are compressed together by radial pressing.
  • the annular wall forms a bead on the outer metal jacket, from which the connections of the heating coil are led out and which is filled with casting compound or insulating granules.
  • Cartridge heaters for spray nozzles and other applications must be compact and enable high heat outputs, which requires good thermal coupling of the heating coil to the surrounding metal sleeve.
  • the interior of the metal sleeve is therefore usually filled with ceramic powder such as magnesium oxide and the metal sleeve is then plastically deformed, with the ceramic powder being compacted.
  • the outside of the metal sleeve often has to be reworked, in particular ground down.
  • not all metal sleeves are suitable for this procedure.
  • the metal sleeve may have a shape, material, thickness, or coating unsuitable for compaction.
  • the process is very complex.
  • the metal sleeve in which the heating coil is arranged is filled with ceramic casting compound.
  • a space between a ceramic core, which surrounds the heating coil, and the inside of the metal sleeve is therefore filled with ceramic casting compound. Since a ceramic casting compound is filled into the metal sleeve as a liquid, post-compacting by plastic deformation of the metal sleeve can be dispensed with. Post-processing of the outside of the metal sleeve is therefore not necessary.
  • the heating coil can therefore easily be wound around a ceramic core containing one or more channels contains, in which, for example, a lead of the heating coil is arranged. It is also possible to initially insert the heating coil into the metal sleeve without a core and then to fill the interior of the metal sleeve with ceramic casting compound. In this way, the ceramic casting compound then forms a ceramic core, which the heating coil surrounds and also fills the space between the core and the inside of the metal sleeve.
  • the ceramic core is preferably designed in one piece, for example through the casting compound or as a separate component. However, individual segments such as discs that are joined together are also conceivable.
  • a temperature sensor can be arranged directly in the potting compound, which conducts heat very well, since no mechanical pressure is exerted on it.
  • a protective housing can therefore be dispensed with.
  • a very precise temperature measurement can advantageously take place in this way.
  • the temperature sensor is preferably arranged between a bottom of the metal sleeve and the ceramic core in order to measure the temperature directly at the spray opening. Its connections can be routed together in one or separately in two channels of the ceramic core. However, it is also possible to arrange at least one temperature sensor itself in a channel, in particular in the center of a channel, of the ceramic core.
  • the heating cartridge also has several temperature sensors, e.g. to record both the temperature at the spray nozzle and inside the ceramic core.
  • the metal sleeve can have a helical flow channel on its outside.
  • Flow channels can extend around the metal sleeve like a thread and—if the heating cartridge is inserted into a spray nozzle—specify the flow path of a liquid to be heated, so that heat generated by the heating cartridge is absorbed well.
  • a metal helix can also be arranged on the outside of the metal sleeve. Together with the outside of the metal sleeve and the inside of a housing of the spray nozzle, this can also specify a helical flow path for a liquid to be heated. If a flow channel is present, this can be located, for example, in a cylindrical portion of the metal sleeve.
  • Such a flow channel can be formed by one or more grooves on the outside of the metal sleeve. Grooves can also be provided on the outside of the metal sleeve in order to increase the surface area and thus improve heat dissipation. For this purpose, grooves can be provided which run in the longitudinal direction of the metal sleeve and whose side walls are designed as ribs.
  • the ceramic casting compound preferably contains aluminum oxide, magnesium oxide or aluminum nitride as a component, in particular as a main component.
  • the casting compound can contain a binder, for example silicone resin, as a further component. Water-soluble silicone resins are preferred as binders. Using a binder increases moisture resistance.
  • the casting compound can advantageously be mixed with water before use. After casting the metal sleeve, the casting compound can be dried and hardened by the action of temperature.
  • Potting compounds are preferably used which have a thermal conductivity of at least 15 W/mK, preferably at least 30 W/mK. Casting compounds with a viscosity of at least 11000 mPas, in particular at least 15000 mPas, are also preferred.
  • the potting compound advantageously has a volume resistance of at least 10 9 ohms/cm at room temperature, preferably at least 10 13 ohms/cm at room temperature, in order to ensure electrical safety.
  • a value of at least 5 ⁇ 10 -6 /K is advantageous as the coefficient of thermal expansion in order to prevent the formation of a gap on the inner wall of the metal sleeve.
  • a spacer preferably made of ceramic, is arranged between the heating coil and the inside of the metal sleeve.
  • the spacer can, for example, be ring-shaped or sleeve-shaped.
  • partial ring-shaped spacers are preferred, that is to say spacers which only bear against part of the circumference of the heating coil.
  • Several partially ring-shaped spacers, which are in contact with different circumferential sections of the heating coil, can together center the heating coil in a coil area.
  • the spacers can have a projection pointing radially inward, which sits between adjacent turns of the heating coil, for example is clamped there.
  • the number of spacers can be varied, for example two, three or more spacer areas can be provided in which two or more spacers each lie against a peripheral section of the heating coil.
  • Spacers are particularly advantageous if the heating coil is initially inserted into the metal sleeve without a core and the interior of the metal sleeve is then filled with ceramic casting compound in order to form the core.
  • a spacer or a plurality of spacers can stabilize the heating coil when the casting compound is poured in.
  • the axial extent of the spacers is preferably one to two times the coil pitch, ie the distance from one turn of the heating coil to the adjacent turn, measured from wire center to wire center.
  • the spray nozzle shown can be used, for example, to heat or vaporize reducing agent before it is introduced into the exhaust system of a motor vehicle.
  • the spray nozzle has a housing 1 with a spray opening 2, a connection 3 for the electrical lines and a connection 4 for liquid.
  • a heating cartridge 10 is arranged in the Figures 2 to 4 is shown and explained in more detail below.
  • the heating cartridge 10 has a ceramic core 11, a heating coil 12 consisting of one or more heating wires which is wound around the ceramic core 11, and a metal sleeve 13 in which the ceramic core 11 and the heating coil 12 are arranged.
  • the interior of the metal sleeve 13 is cast with a ceramic casting compound.
  • the space between the heating coil 12 and the inside of the metal sleeve 13 is therefore filled with ceramic casting compound, preferably over the entire length of the heating coil 12, so that good thermal coupling of the heating coil 12 to the metal sleeve 13 results.
  • the ceramic casting compound is filled into the metal sleeve 13 as a pasty liquid and consists predominantly of aluminum oxide, magnesium oxide or aluminum nitride.
  • the ceramic casting compound can also contain silicon oxide and, in particular when it is filled in, also water and/or a binder, for example a silicone resin. Both water-insoluble and water-soluble silicone resins are suitable.
  • the ceramic casting compound is dried and hardened by heat treatment. Any binder initially present can burn in the process.
  • the ceramic core 11 contains a plurality of channels 6.
  • a connection section 14 of the heating wire, which also forms the heating coil 12, runs in one of these channels 6.
  • Connecting lines 9 of a temperature sensor 15, which is arranged between a base 16 of the metal sleeve 13 and the ceramic core 11, run in two other channels 6.
  • the temperature sensor 15 can, for example, be an electrical resistor, such as an NTC resistor.
  • the connecting lines 9 can also be combined in a common channel 6 run.
  • the ceramic core 11 can contain one or more additional channels 6 in which no lines run. These additional channels 6 are filled with ceramic casting compound, but they can also be empty.
  • the ceramic core 11 can consist of ceramic disks stacked on top of one another.
  • the metal sleeve 13 has a cylindrical section with an external thread. In this way, a helical flow channel 17 is formed on the outside of the metal sleeve 13 .
  • a helical flow channel ensures that the liquid to be heated in the spray nozzle is guided along a helical path along the heating cartridge 10 and can therefore easily absorb heat from the heating cartridge 10 .
  • the end of the heating coil 12 facing the bottom 16 of the metal sleeve 13 is surrounded by a ceramic ring or a ceramic sleeve 18 .
  • the heating coil 12 can be fitted with a ceramic ring or a ceramic sleeve 18 their bottom end are advantageously supported.
  • the ceramic ring or the ceramic sleeve 18 therefore preferably has at its bottom end a radially inwardly projecting annular shoulder for supporting the heating coil 12, while a cylindrical side wall of the ceramic ring or the ceramic sleeve 18 centers the heating coil 12.
  • a further function arises in relation to the temperature element 15. As the ceramic sleeve 18 increases the distance between the ceramic core 11 and the base 16 of the metal sleeve with its annular shoulder, it creates space for the arrangement of a temperature sensor 9.
  • the ceramic ring or the ceramic sleeve 18 thus surrounds an end section of the ceramic core 11 or the heating coil 12 and can be supported on the bottom 16 of the metal sleeve 13 .
  • the ceramic ring or the ceramic sleeve 18 can be provided with slits or openings so that the ceramic potting compound can more easily fill all cavities in the heating cartridge 10 .
  • a ceramic bushing 19 centers the ceramic core 11 at the upper end.
  • the potting compound is preferably dimensioned such that the entire heating wire with heating coil 12 and heating wire connections 14 is embedded in the potting compound. In the present example, at least part of the interior of the head sleeve 21 is therefore also filled with the casting compound, in particular at least to the extent that the heating wire connections 14 are completely embedded therein.
  • FIG 5 shows another exemplary embodiment of a heating cartridge 10 for a spray nozzle according to FIG 1 .
  • the ceramic core around which the heating coil 12 is arranged, is made of casting compound.
  • the ceramic core is therefore not a separate component here that is inserted into the metal sleeve 13 together with the heating coil 12 .
  • the heating coil 12 is initially inserted into the metal sleeve 13 without a core and then the interior of the metal sleeve 13 is filled with ceramic casting compound.
  • the ceramic casting compound then forms a ceramic core, which the heating coil 12 surrounds and also fills the space between the core and the inside of the metal sleeve 13 .
  • spacers 24 are provided along the heating coil 12 between the end regions, in addition to centering aids or spacers in the end region, as represented by the ceramic sleeve 18 and the ceramic bushing 19, which surround the heating coil 12.
  • the heating coil 12 is shown together with spacers 24 .
  • 7 shows spacer 24 in a detailed view.
  • the spacers 24 are made of ceramic and are partially ring-shaped, for example. In the exemplary embodiment shown, two almost semicircular spacers 24 support the heating coil 12 in all directions along one turn. However, other spacers are also conceivable, which extend completely around the heating coil 12 or around more or less than half the circumference of the heating coil 12. In the exemplary embodiment, the spacers 24 each have a contact surface 26 which is in contact with the inside of the metal sleeve 13 stands. However, just a linear or multi-point contact is also conceivable.
  • the spacers 24 can have one or more radially inwardly directed projections 25, for example in the form of an annular bead, which protrude between adjacent windings of the heating coil 12 and thus prevent or at least make it more difficult for the spacers 24 to move axially when pouring in sealing compound.
  • the projections 25 can also be thickened at their ends, so that they form a latching function and are fixed between the windings during assembly, which greatly facilitates assembly. If the spacers 24 have projections 25, they usually follow the course of the winding.
  • the spacers 24 are therefore not aligned exactly on a radial plane, but are slightly inclined thereto, so that individual sections of the spacers 24 are not directly radially opposite one another.
  • the Figures 6 and 7 show enlarged partial views figure 5 , in which only the heating coil 12 with spacer 24 or only the spacer 24 are shown. This trend is clearly visible in it.
  • the contact surface 26 in the example thus has an axial displacement along the circumference corresponding to the helix height. This would also be the case with only linear or even multi-point support between the spacer 24 and the inside of the metal sleeve 13 .
  • the version shown also has a guide 27 for guiding the temperature sensor (in figure 5 not shown) on.
  • this has a base part adapted to the ceramic sleeve 18 with a central opening for the temperature sensor and a tubular section for guidance the electrical supply line to the temperature sensor.
  • the guide aid 27 can also be made in one piece with the ceramic sleeve 18 .
  • FIG. 8 and 9 another exemplary embodiment of a heating cartridge 10 is shown. Like the sectional view of the 9 shows, the internal structure of the heating cartridge 10 essentially corresponds to the embodiment of FIG figure 5 .
  • a heating coil 12 is arranged in the metal sleeve 13 and the interior of the metal sleeve is filled with ceramic casting compound.
  • the potting compound thus forms a ceramic core around which the heating coil 12 is arranged and fills the space between the core and the inside of the metal sleeve 13 .
  • the heating coil 12 is when filling the potting compound by spacers 24, as in the Figures 6 and 7 are shown, and stabilized by a ceramic sleeve 18 into which one end of the heating coil 12 protrudes.
  • the difference from the exemplary embodiments described above consists essentially only in the design of the outside of the metal sleeve 13. How 8 shows, the metal sleeve 13 of this heating cartridge 10 on its outside in the longitudinal direction running grooves, the side walls are formed as ribs 28 and thus improve the heat dissipation.
  • the side walls are formed as ribs 28 and thus improve the heat dissipation.
  • other configurations of grooves and ribs for example running transversely, are also conceivable.
  • a separate head sleeve has also been dispensed with in this exemplary embodiment, i.e. the head sleeve is an integral part of the metal sleeve 13.
  • the in the figures 8 and 9 The heating cartridge 10 shown can be used, for example, for a hydrogen tank in fuel cell technology or hydrogen combustion. A pressure of up to 600 bar can occur in such tanks. Since the heating cartridge 10 was filled with ceramic casting compound and thus contains no cavities, compression or deformation of the metal sleeve 13 due to static pressure of a few hundred bar is practically impossible, so that the heating cartridge 10 can easily withstand such pressure loads.

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  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Beschrieben wird eine Heizpatrone mit einem keramischen Kern (11), einem Heizdraht, der als Heizwendel (12) den keramischen Kern (11) umgibt, und einer Metallhülse (13), in welcher der keramische Kern (11) und die Heizwendel (12) angeordnet sind, wobei die Heizwendel (12) in eine keramische Vergussmasse eingebettet ist, die einen Zwischenraum zwischen dem keramischen Kern (11) und der Innenseite der Metallhülse (13) füllt.A heating cartridge is described with a ceramic core (11), a heating wire which surrounds the ceramic core (11) as a heating coil (12), and a metal sleeve (13) in which the ceramic core (11) and the heating coil (12) are arranged, wherein the heating coil (12) is embedded in a ceramic casting compound which fills a gap between the ceramic core (11) and the inside of the metal sleeve (13).

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizpatrone, insbesondere zur Beheizung einer Sprühdüse. Derartige Heizpatronen enthalten einen Heizdraht, der als Heizwendel in einer Metallhülse angeordnet ist.The invention relates to a heating cartridge, in particular for heating a spray nozzle. Such heating cartridges contain a heating wire which is arranged as a heating coil in a metal sleeve.

Aus DE 20 2007 010 865 A1 ist eine Heizpatrone bekannt, die eine durchgängige zentrale Passbohrung zur Aufnahme einer Kunststoffspritzdüse aufweist. Diese Heizpatrone hat einen ringförmigen Innenraum, der von einen Metallmantel umschlossen ist. In diesem Innenraum ist eine Heizwendel, die auf einen keramischen Wickelkörperaufgewickelt ist, in Keramikpulver eingebettet. Der Metallmantel ist dabei aus zwei Teilen zusammengefügt, zwischen denen ein von einer Ringwand umschlossener Spalt besteht. Alle Teile sind zusammen durch radiales Verpressen verdichtet. Die Ringwand bildet an dem äußeren Metallmantel einen Wulst aus, aus dem die Anschlüsse der Heizwendel herausgeführt sind und der mit Vergussmasse oder Isolierstoffgranulat aufgefüllt ist.Out of DE 20 2007 010 865 A1 a heating cartridge is known which has a continuous central fitting bore for receiving a plastic injection nozzle. This cartridge heater has an annular interior that is enclosed by a metal jacket. A heating coil, which is wound onto a ceramic winding body, is embedded in ceramic powder in this interior space. The metal jacket is assembled from two parts, between which there is a gap enclosed by an annular wall. All parts are compressed together by radial pressing. The annular wall forms a bead on the outer metal jacket, from which the connections of the heating coil are led out and which is filled with casting compound or insulating granules.

Heizpatronen für Sprühdüsen und andere Anwendungen müssen kompakt ausgebildet sein und hohe Heizleistungen ermöglichen, was eine gute Wärmeankopplung der Heizwendel an die umgebende Metallhülse erforderlich macht. Üblicher Weise wird deshalb der Innenraum der Metallhülse mit Keramikpulver wie Magnesiumoxid aufgefüllt und die Metallhülse danach plastisch verformt, wobei das Keramikpulver verdichtet wird. Nach dem plastischen Verformen der Metallhülse und dem Nachverdichten muss die Außenseite der Metallhülse oft nachbearbeitet werden, insbesondere abgeschliffen werden. Zudem eignen sich nicht alle Metallhülsen für dieses Verfahren. So kann die Metallhülse eine Form, ein Material, eine Dicke oder eine Beschichtung aufweisen, die für eine Verdichtung ungeeignete sind. Darüber hinaus ist das Verfahren sehr aufwändig.Cartridge heaters for spray nozzles and other applications must be compact and enable high heat outputs, which requires good thermal coupling of the heating coil to the surrounding metal sleeve. The interior of the metal sleeve is therefore usually filled with ceramic powder such as magnesium oxide and the metal sleeve is then plastically deformed, with the ceramic powder being compacted. After the metal sleeve has been plastically deformed and recompacted, the outside of the metal sleeve often has to be reworked, in particular ground down. In addition, not all metal sleeves are suitable for this procedure. Thus, the metal sleeve may have a shape, material, thickness, or coating unsuitable for compaction. In addition, the process is very complex.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen wie mit geringerem Aufwand eine Heizpatrone geschaffen werden kann, die eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.It is the object of the present invention to show a way in which a heating cartridge that enables a high power density can be created with less effort.

Diese Aufgabe wird durch eine Heizpatrone mit den im Anspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by a heating cartridge with the features specified in the claim. Advantageous developments of the invention are the subject of subclaims.

Bei einer erfindungsgemäßen Heizpatrone ist die Metallhülse, in der die Heizwendel angeordnet ist, mit keramischer Vergussmasse aufgefüllt. Ein Zwischenraum zwischen einem keramischen Kern, den die Heizwendel umgibt, und der Innenseite der Metallhülse ist also mit keramischer Vergussmasse gefüllt. Da eine keramische Vergussmasse als Flüssigkeit in die Metallhülse eingefüllt wird, kann auf ein Nachverdichten durch plastische Verformung der Metallhülse verzichtet werden. Eine Nachbearbeitung der Außenseite der Metallhülse ist somit nicht erforderlich.In a heating cartridge according to the invention, the metal sleeve in which the heating coil is arranged is filled with ceramic casting compound. A space between a ceramic core, which surrounds the heating coil, and the inside of the metal sleeve is therefore filled with ceramic casting compound. Since a ceramic casting compound is filled into the metal sleeve as a liquid, post-compacting by plastic deformation of the metal sleeve can be dispensed with. Post-processing of the outside of the metal sleeve is therefore not necessary.

Da bei einer keramischen Vergussmasse keine plastische Verformung der Metallhülse mehr erforderlich ist, entfällt die Gefahr einer Beschädigung von Bauteilen im Inneren der Heizpatrone. Die Heizwendel kann deshalb problemlos um einen keramischen Kern gewickelt werden, der einen oder mehrere Kanäle enthält, in denen beispielsweise eine Zuleitung der Heizwendel angeordnet ist. Möglich ist es auch, die Heizwendel zunächst ohne Kern in die Metallhülse einzusetzen und danach den Innenraum der Metallhülse mit keramischer Vergussmasse aufzufüllen. Auf diese Weise bildet die keramische Vergussmasse dann einen keramischen Kern, den die Heizwendel umgibt, und füllt auch den Zwischenraum zwischen dem Kern und der Innenseite der Metallhülse aus. Der keramische Kern ist bevorzugt einstückig ausgeführt, beispielsweise durch die Vergussmasse oder als separates Bauteil. Denkbar sind aber auch einzelne Segmente wie Scheiben, die aneinandergefügt sind.Since plastic deformation of the metal sleeve is no longer necessary with a ceramic casting compound, there is no risk of damage to components inside the heating cartridge. The heating coil can therefore easily be wound around a ceramic core containing one or more channels contains, in which, for example, a lead of the heating coil is arranged. It is also possible to initially insert the heating coil into the metal sleeve without a core and then to fill the interior of the metal sleeve with ceramic casting compound. In this way, the ceramic casting compound then forms a ceramic core, which the heating coil surrounds and also fills the space between the core and the inside of the metal sleeve. The ceramic core is preferably designed in one piece, for example through the casting compound or as a separate component. However, individual segments such as discs that are joined together are also conceivable.

Weiterhin kann ein Temperatursensor direkt in der sehr gut wärmeleitenden Vergussmasse angeordnet sein, da kein mechanischer Druck auf ihn ausgeübt wird. Auf ein Schutzgehäuse kann daher verzichtet werden. Vorteilhaft kann so eine sehr genaue Temperaturmessung erfolgen. Der Temperatursensor ist bevorzugt zwischen einem Boden der Metallhülse und dem keramischen Kern angeordnet, um die Temperatur direkt an der Sprühöffnung zu messen. Seine Anschlüsse können gemeinsam in einem oder getrennt in zwei Kanälen des keramischen Kerns geführt sein. Möglich ist jedoch auch die Anordnung mindestens eines Temperatursensors selbst in einem Kanal, insbesondere mittig in einem Kanal, des keramischen Kerns. In einer vorteilhaften Ausführung weist die Heizpatrone darüber hinaus mehrere Temperatursensoren auf, um z.B. sowohl die Temperatur an der Sprühdüse als auch im Inneren des Keramikkerns zu erfassen.Furthermore, a temperature sensor can be arranged directly in the potting compound, which conducts heat very well, since no mechanical pressure is exerted on it. A protective housing can therefore be dispensed with. A very precise temperature measurement can advantageously take place in this way. The temperature sensor is preferably arranged between a bottom of the metal sleeve and the ceramic core in order to measure the temperature directly at the spray opening. Its connections can be routed together in one or separately in two channels of the ceramic core. However, it is also possible to arrange at least one temperature sensor itself in a channel, in particular in the center of a channel, of the ceramic core. In an advantageous embodiment, the heating cartridge also has several temperature sensors, e.g. to record both the temperature at the spray nozzle and inside the ceramic core.

Zudem kann die Metallhülse an ihrer Außenseite einen wendelförmigen Strömungskanal aufweisen. Strömungskanäle können sich wie ein Gewinde um die Metallhülse herum erstrecken und -wenn die Heizpatrone in eine Sprühdüse eingesetzt ist- den Strömungsweg einer zu erwärmenden Flüssigkeit vorgeben, so dass von der Heizpatrone erzeugte Wärme gut aufgenommen wird. Alternativ kann auch an der Außenseite der Metallhülse eine Metallwendel angeordnet sein. Diese kann zusammen mit der Außenseite der Metallhülse und der Innenseite eines Gehäuses der Sprühdüse ebenfalls einen wendelförmigen Strömungsweg für eine zu erwärmende Flüssigkeit vorgeben. Wenn ein Strömungskanal vorhanden ist, kann sich dieser beispielsweise in einem zylindrischen Abschnitt der Metallhülse befinden.In addition, the metal sleeve can have a helical flow channel on its outside. Flow channels can extend around the metal sleeve like a thread and—if the heating cartridge is inserted into a spray nozzle—specify the flow path of a liquid to be heated, so that heat generated by the heating cartridge is absorbed well. Alternatively, a metal helix can also be arranged on the outside of the metal sleeve. Together with the outside of the metal sleeve and the inside of a housing of the spray nozzle, this can also specify a helical flow path for a liquid to be heated. If a flow channel is present, this can be located, for example, in a cylindrical portion of the metal sleeve.

Ein solcher Strömungskanal kann durch eine oder mehrere Nuten an der Außenseite der Metallhülse ausgebildet sein. Nuten können an der Außenseite der Metallhülse auch vorgesehen sein, um die Oberfläche zu vergrößern und so die Wärmeabgabe zu verbessern. Zu diesem Zweck können Nuten vorgesehen sein, die in Längsrichtung der Metallhülse verlaufen und deren Seitenwände als Rippen ausgebildet sind.Such a flow channel can be formed by one or more grooves on the outside of the metal sleeve. Grooves can also be provided on the outside of the metal sleeve in order to increase the surface area and thus improve heat dissipation. For this purpose, grooves can be provided which run in the longitudinal direction of the metal sleeve and whose side walls are designed as ribs.

Bevorzugt enthält die keramische Vergussmasse als Bestandteil, insbesondere als Hauptbestandteil, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Aluminiumnitrid. Als weitere Komponenten kann die Vergussmasse einen Binder, beispielsweise Silikonharz, enthalten. Bevorzugt sind als Binder wasserlösliche Silikonharze. Die Verwendung eines Binders erhöht die Feuchtigkeitsbeständigkeit. Die Vergussmasse kann vorteilhaft vor Gebrauch mit Wasser angerührt werden. Nach Verguss der Metallhülse kann die Vergussmasse durch Temperatureinwirkung getrocknet und gehärtet werden.The ceramic casting compound preferably contains aluminum oxide, magnesium oxide or aluminum nitride as a component, in particular as a main component. The casting compound can contain a binder, for example silicone resin, as a further component. Water-soluble silicone resins are preferred as binders. Using a binder increases moisture resistance. The casting compound can advantageously be mixed with water before use. After casting the metal sleeve, the casting compound can be dried and hardened by the action of temperature.

Bevorzugt werden Vergussmassen eingesetzt, die eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15W/mK, bevorzugt mindestens 30W/mK, haben. Weiterhin sind Vergussmassen mit einer Viskosität von mindestens 11000 mPas, insbesondere mindestens 15000mPas, bevorzugt. Darüber hinaus weist die Vergussmasse vorteilhaft einen Durchgangswiderstand von mindestens 109 Ohm/cm bei RT, bevorzugt mindestens 1013 Ohm/cm bei RT auf, um die elektrische Sicherheit zu gewährleisten. Als thermischer Ausdehnungskoeffizient ist ein Wert von mindestens 5 ·10-6/K vorteilhaft, um eine Spaltbildung an der Inneren Metallhülsenwand zu verhindern.Potting compounds are preferably used which have a thermal conductivity of at least 15 W/mK, preferably at least 30 W/mK. Casting compounds with a viscosity of at least 11000 mPas, in particular at least 15000 mPas, are also preferred. In addition, the potting compound advantageously has a volume resistance of at least 10 9 ohms/cm at room temperature, preferably at least 10 13 ohms/cm at room temperature, in order to ensure electrical safety. A value of at least 5 · 10 -6 /K is advantageous as the coefficient of thermal expansion in order to prevent the formation of a gap on the inner wall of the metal sleeve.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Heizwendel und der Innenseite der Metallhülse ein Abstandhalter, vorzugsweise aus Keramik, angeordnet ist. Der Abstandhalter kann beispielsweise ring- oder hülsenförmig ausgebildet sein. Bevorzugt sind aber teilringförmige Abstandshalter, also Abstandhalter, die nur an einem Teil des Umfangs der Heizwendel anliegen. Mehrere teilringförmige Abstandhalter, die an unterschiedlichen Umfangsabschnitten der Heizwendel anliegen, können zusammen in einem Wendelbereich die Heizwendel zentrieren.An advantageous development of the invention provides that a spacer, preferably made of ceramic, is arranged between the heating coil and the inside of the metal sleeve. The spacer can, for example, be ring-shaped or sleeve-shaped. However, partial ring-shaped spacers are preferred, that is to say spacers which only bear against part of the circumference of the heating coil. Several partially ring-shaped spacers, which are in contact with different circumferential sections of the heating coil, can together center the heating coil in a coil area.

Vorteilhaft können die Abstandhalter einen radial einwärts gerichteten Vorsprung haben, der zwischen benachbarten Windungen der Heizwendel sitzt, beispielsweise dort eingeklemmt ist. Je nach Länge der Heizwendel kann die Anzahl der Abstandhalter variiert werden, beispielsweise können auch zwei, drei oder mehr Abstandhalterbereiche vorgesehen sein, in denen jeweils zwei oder mehr Abstandhalter jeweils an einem Umfangsabschnitt der Heizwendel anliegen. Abstandhalter sind insbesondere vorteilhaft, wenn die Heizwendel zunächst ohne Kern in die Metallhülse eingesetzt und danach der Innenraum der Metallhülse mit keramischer Vergussmasse aufgefüllt wird, um den Kern auszubilden. Ein Abstandhalter oder mehrere Abstandhalter können beim Einfüllen der Vergussmasse die Heizwendel stabilisieren. Die axiale Ausdehnung der Abstandhalter beträgt bevorzugt das ein- bis zweifache der Wendelsteigung, also des Abstands von einer Windung der Heizwendel zur benachbarten Windung, gemessen jeweils von Drahtmitte zu Drahtmitte.Advantageously, the spacers can have a projection pointing radially inward, which sits between adjacent turns of the heating coil, for example is clamped there. Depending on the length of the heating coil, the number of spacers can be varied, for example two, three or more spacer areas can be provided in which two or more spacers each lie against a peripheral section of the heating coil. Spacers are particularly advantageous if the heating coil is initially inserted into the metal sleeve without a core and the interior of the metal sleeve is then filled with ceramic casting compound in order to form the core. A spacer or a plurality of spacers can stabilize the heating coil when the casting compound is poured in. The axial extent of the spacers is preferably one to two times the coil pitch, ie the distance from one turn of the heating coil to the adjacent turn, measured from wire center to wire center.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:

  • Fig. 1 eine Sprühdüse mit einer Heizpatrone in einer Schnittansicht;
  • Fig. 2 die Heizpatrone von Fig. 1;
  • Fig. 3 eine Schrägansicht auf das untere Ende der verbauten Heizwendel; und
  • Fig. 4 eine Schrägansicht auf das obere Ende der Heizpatrone;
  • Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone in einer Schnittansicht;
  • Fig. 6 vergrößerte Teilansicht zu Fig. 5;
  • Fig. 7 vergrößerte Abstandshalter aus Fig. 5;
  • Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone; und
  • Fig. 9 eine Schnittansicht zu Fig. 8.
Further details and advantages of the invention are explained using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Components that are the same and that correspond to one another are denoted by the same reference numbers. Show it:
  • 1 a spray nozzle with a heating cartridge in a sectional view;
  • 2 the cartridge heater from 1 ;
  • 3 an oblique view of the lower end of the installed heating coil; and
  • 4 an oblique view of the upper end of the heating cartridge;
  • figure 5 another embodiment of a heating cartridge in a sectional view;
  • 6 enlarged partial view figure 5 ;
  • 7 enlarged spacers figure 5 ;
  • 8 another embodiment of a heating cartridge; and
  • 9 a sectional view 8 .

Die in Fig. 1 gezeigte Sprühdüse kann beispielsweise zum Erhitzen oder Verdampfen von Reduktionsmittel vor dem Einbringen in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Die Sprühdüse hat ein Gehäuse 1 mit einer Sprühöffnung 2, einem Anschluss 3 für die elektrischen Leitungen und einem Anschluss 4 für Flüssigkeit. In dem Gehäuse 1 ist eine Heizpatrone 10 angeordnet, die in den Figuren 2 bis 4 dargestellt ist und im Folgenden näher erläutert wird.In the 1 The spray nozzle shown can be used, for example, to heat or vaporize reducing agent before it is introduced into the exhaust system of a motor vehicle. The spray nozzle has a housing 1 with a spray opening 2, a connection 3 for the electrical lines and a connection 4 for liquid. In the housing 1, a heating cartridge 10 is arranged in the Figures 2 to 4 is shown and explained in more detail below.

Die Heizpatrone 10 hat einen keramischen Kern 11, eine Heizwendel 12 aus einem oder mehreren Heizdrähten, die um den keramischen Kern 11 herumgewickelt ist, und eine Metallhülse 13, in welcher der keramische Kern 11 und die Heizwendel 12 angeordnet sind. Der Innenraum der Metallhülse 13 ist mit keramischer Vergussmasse vergossen. Der Zwischenraum zwischen der Heizwendel 12 und der Innenseite der Metallhülse 13 ist also mit keramischer Vergussmasse gefüllt, bevorzugt über die gesamte Länge der Heizwendel 12, so dass sich eine gute Wärmeankopplung der Heizwendel 12 an die Metallhülse 13 ergibt.The heating cartridge 10 has a ceramic core 11, a heating coil 12 consisting of one or more heating wires which is wound around the ceramic core 11, and a metal sleeve 13 in which the ceramic core 11 and the heating coil 12 are arranged. The interior of the metal sleeve 13 is cast with a ceramic casting compound. The space between the heating coil 12 and the inside of the metal sleeve 13 is therefore filled with ceramic casting compound, preferably over the entire length of the heating coil 12, so that good thermal coupling of the heating coil 12 to the metal sleeve 13 results.

Die keramische Vergussmasse wird als pastöse Flüssigkeit in die Metallhülse 13 eingefüllt und besteht überwiegend aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Aluminiumnitrid. Daneben kann die keramische Vergussmasse auch Siliziumoxid enthalten und, insbesondere beim Einfüllen auch Wasser und/oder einen Binder, beispielsweise ein Silikonharz. Sowohl wasserunlösliche als auch wasserlösliche Silikonharze sind geeignet. Nach dem Einfüllen wird die keramische Vergussmasse durch Wärmebehandlung getrocknet und ausgehärtet. Ein eventuell zunächst vorhandener Binder kann dabei verbrennen.The ceramic casting compound is filled into the metal sleeve 13 as a pasty liquid and consists predominantly of aluminum oxide, magnesium oxide or aluminum nitride. In addition, the ceramic casting compound can also contain silicon oxide and, in particular when it is filled in, also water and/or a binder, for example a silicone resin. Both water-insoluble and water-soluble silicone resins are suitable. After filling, the ceramic casting compound is dried and hardened by heat treatment. Any binder initially present can burn in the process.

Der keramische Kern 11 enthält mehrere Kanäle 6. In einem dieser Kanäle 6 verläuft ein Anschlussabschnitt 14 des Heizdrahtes, der auch die Heizwendel 12 bildet. In zwei anderen Kanälen 6 verlaufen Anschlussleitungen 9 eines Temperatursensors 15, der zwischen einem Boden 16 der Metallhülse 13 und dem keramischen Kern 11 angeordnet ist. Der Temperatursensor 15 kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand, etwa ein NTC-Widerstand sein. Die Anschlussleitungen 9 können aber auch zusammen in einem gemeinsamen Kanal 6 laufen. Der keramische Kern 11 kann einen oder mehrere weitere Kanäle 6 enthalten, in denen keine Leitungen verlaufen. Diese weiteren Kanäle 6 sind mit keramischer Vergussmasse gefüllt, können aber auch leer sein. Der keramische Kern 11 kann aus aufeinander geschichteten Keramikscheiben bestehen.The ceramic core 11 contains a plurality of channels 6. A connection section 14 of the heating wire, which also forms the heating coil 12, runs in one of these channels 6. Connecting lines 9 of a temperature sensor 15, which is arranged between a base 16 of the metal sleeve 13 and the ceramic core 11, run in two other channels 6. The temperature sensor 15 can, for example, be an electrical resistor, such as an NTC resistor. However, the connecting lines 9 can also be combined in a common channel 6 run. The ceramic core 11 can contain one or more additional channels 6 in which no lines run. These additional channels 6 are filled with ceramic casting compound, but they can also be empty. The ceramic core 11 can consist of ceramic disks stacked on top of one another.

Die Metallhülse 13 hat einen zylindrischen Abschnitt mit einem Außengewinde. Auf diese Weise ist an der Außenseite der Metallhülse 13 ein wendelförmiger Strömungskanal 17 ausgebildet. Durch einen wendelförmigen Strömungskanal wird erreicht, dass zu erwärmende Flüssigkeit in der Sprühdüse auf einem wendelförmigen Weg an der Heizpatrone 10 entlanggeführt wird und dadurch Wärme gut von der Heizpatrone 10 aufnehmen kann.The metal sleeve 13 has a cylindrical section with an external thread. In this way, a helical flow channel 17 is formed on the outside of the metal sleeve 13 . A helical flow channel ensures that the liquid to be heated in the spray nozzle is guided along a helical path along the heating cartridge 10 and can therefore easily absorb heat from the heating cartridge 10 .

Das dem Boden 16 der Metallhülse 13 zugewandte Ende der Heizwendel 12 ist von einem Keramikring oder einer Keramikhülse 18 umgeben. Insbesondere wenn der Boden 16 der Metallhülse 13, wie bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, eine konische Form hat oder eine Kuppel bildet und somit zwischen dem Boden 16 und dem keramischen Kern 11 ein Raum ist, kann mit einem Keramikring oder einer Keramikhülse 18 die Heizwendel 12 an ihrem bodenseitigen Ende vorteilhaft abgestützt werden. Der Keramikring oder die Keramikhülse 18 hat deshalb bevorzugt an ihrem bodenseitigen Ende eine radial nach innen ragende Ringschulter zum Abstützen der Heizwendel 12, während eine zylindrische Seitenwand des Keramikringes oder der Keramikhülse 18 die Heizwendel 12 zentriert. Eine weitere Funktion ergibt sich in Bezug auf das Temperaturelement 15. Indem die Keramikhülse 18 durch ihre Ringschulter den Abstand zwischen Keramikkern 11 und dem Boden 16 der Metallhülse vergrößert, schafft sie Raum für die Anordnung eines Temperatursensors 9.The end of the heating coil 12 facing the bottom 16 of the metal sleeve 13 is surrounded by a ceramic ring or a ceramic sleeve 18 . In particular, if the bottom 16 of the metal sleeve 13, as in the embodiment shown, has a conical shape or forms a dome and thus there is a space between the bottom 16 and the ceramic core 11, the heating coil 12 can be fitted with a ceramic ring or a ceramic sleeve 18 their bottom end are advantageously supported. The ceramic ring or the ceramic sleeve 18 therefore preferably has at its bottom end a radially inwardly projecting annular shoulder for supporting the heating coil 12, while a cylindrical side wall of the ceramic ring or the ceramic sleeve 18 centers the heating coil 12. A further function arises in relation to the temperature element 15. As the ceramic sleeve 18 increases the distance between the ceramic core 11 and the base 16 of the metal sleeve with its annular shoulder, it creates space for the arrangement of a temperature sensor 9.

Der Keramikring oder die Keramikhülse 18 umgibt also einen Endabschnitt des keramischen Kerns 11 bzw. der Heizwendel 12 und kann sich an dem Boden 16 der Metallhülse 13 abstützen. Der Keramikring oder die Keramikhülse 18 kann mit Schlitzen oder Durchbrüchen versehen sein, damit die keramische Vergussmasse leichter alle Hohlräume in der Heizpatrone 10 füllen kann.The ceramic ring or the ceramic sleeve 18 thus surrounds an end section of the ceramic core 11 or the heating coil 12 and can be supported on the bottom 16 of the metal sleeve 13 . The ceramic ring or the ceramic sleeve 18 can be provided with slits or openings so that the ceramic potting compound can more easily fill all cavities in the heating cartridge 10 .

Am oberen Ende zentriert eine Keramikbuchse 19 den keramischen Kern 11. Oberhalb der Keramikbuchse 19 sind die Temperatursensoranschlüsse 9 und die Heizdrahtanschlüsse 14 jeweils mit einem Kontaktstift 20 verbunden, insbesondere durch Schweißpunkte 23 verbunden. Eine metallische Kopfhülse 21, die wie im Ausführungsbeispiel breiter als die Metallhülse (13) ist und eine stufig zylindrischer Seitenwand aufweisen kann, ist mit dem oberen Ende der Metallhülse 13 stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch eine umlaufende Schweißnaht 22 oder indem die Kopfhülse 21 und die Metallhülse 13 einstückig ausgebildet sind. Die Vergussmasse ist bevorzugt so bemessen, dass der gesamte Heizdraht mit Heizwendel 12 und Heizdrahtanschlüssen 14 in der Vergussmasse eingebettet ist. Im vorliegenden Beispiel ist somit zumindest auch ein Teil des Inneren der Kopfhülse 21 mit der Vergussmasse gefüllt, insbesondere zumindest soweit gefüllt, dass die Heizdrahtanschlüsse 14 vollständig darin eingebettet sind.A ceramic bushing 19 centers the ceramic core 11 at the upper end. A metal head sleeve 21, which as in the exemplary embodiment is wider than the metal sleeve (13) and can have a stepped, cylindrical side wall, is materially connected to the upper end of the metal sleeve 13, for example by a circumferential weld seam 22 or by connecting the head sleeve 21 and the metal sleeve 13 are formed in one piece. The potting compound is preferably dimensioned such that the entire heating wire with heating coil 12 and heating wire connections 14 is embedded in the potting compound. In the present example, at least part of the interior of the head sleeve 21 is therefore also filled with the casting compound, in particular at least to the extent that the heating wire connections 14 are completely embedded therein.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone 10 für eine Sprühdüse gemäß Fig. 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der keramische Kern, um den die Heizwendel 12 herum angeordnet ist, aus Vergussmasse. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist der keramische Kern hier also kein separates Bauteil, das zusammen mit der Heizwendel 12 in die Metallhülse 13 eingesetzt wird. Stattdessen wird die Heizwendel 12 zunächst ohne Kern in die Metallhülse 13 eingesetzt und danach der Innenraum der Metallhülse 13 mit keramischer Vergussmasse aufgefüllt. Auf diese Weise bildet die keramische Vergussmasse dann einen keramischen Kern, den die Heizwendel 12 umgibt, und füllt auch den Zwischenraum zwischen Kern und der Innenseite der Metallhülse 13 aus. figure 5 shows another exemplary embodiment of a heating cartridge 10 for a spray nozzle according to FIG 1 . In this exemplary embodiment, the ceramic core, around which the heating coil 12 is arranged, is made of casting compound. In contrast to the embodiment of 2 the ceramic core is therefore not a separate component here that is inserted into the metal sleeve 13 together with the heating coil 12 . Instead, the heating coil 12 is initially inserted into the metal sleeve 13 without a core and then the interior of the metal sleeve 13 is filled with ceramic casting compound. In this way, the ceramic casting compound then forms a ceramic core, which the heating coil 12 surrounds and also fills the space between the core and the inside of the metal sleeve 13 .

Um die Heizwendel 12 beim Einfüllen der Vergussmasse zu stabilisieren, sind zusätzlich zu Zentrierhilfen bzw. Abstandshaltern im Endbereich, wie sie die Keramikhülse 18 und die Keramikbuchse 19 darstellen, entlang der Heizwendel 12 zwischen den Endbereichen weitere Abstandhalter 24 vorgesehen, welche die Heizwendel 12 umgeben. In Fig. 6 ist die Heizwendel 12 zusammen mit Abstandshaltern 24 dargestellt. Fig. 7 zeigt Abstandhalter 24 in einer Detailansicht.In order to stabilize the heating coil 12 when the casting compound is poured in, further spacers 24 are provided along the heating coil 12 between the end regions, in addition to centering aids or spacers in the end region, as represented by the ceramic sleeve 18 and the ceramic bushing 19, which surround the heating coil 12. In 6 the heating coil 12 is shown together with spacers 24 . 7 shows spacer 24 in a detailed view.

Die Abstandhalter 24 sind aus Keramik und beispielsweise teilringförmig. Im gezeigten Ausführungsbeispiel stützen zwei fast halbkreisförmige Abstandshalter 24 entlang einer Windung die Heizwendel 12 in alle Richtungen. Denkbar sind aber auch andere Abstandshalter, die sich vollständig um die Heizwendel 12 herum erstrecken oder um mehr oder weniger als den halben Umfang der Heizwendel 12. Im Ausführungsbeispiel weisen die Abstandshalter 24 jeweils eine Anlagefläche 26 auf, die in Kontakt mit der Innenseite der Metallhülse 13 steht. Denkbar ist aber auch nur ein linienförmiger oder mehrpunktförmiger Kontakt.The spacers 24 are made of ceramic and are partially ring-shaped, for example. In the exemplary embodiment shown, two almost semicircular spacers 24 support the heating coil 12 in all directions along one turn. However, other spacers are also conceivable, which extend completely around the heating coil 12 or around more or less than half the circumference of the heating coil 12. In the exemplary embodiment, the spacers 24 each have a contact surface 26 which is in contact with the inside of the metal sleeve 13 stands. However, just a linear or multi-point contact is also conceivable.

Die Abstandhalter 24 können einen oder mehrere radial einwärts gerichtete Vorsprünge 25, beispielsweise in Form eines Ringwulstes, aufweisen, die zwischen benachbarte Windungen der Heizwendel 12 hineinragen und so eine axiale Verschiebung der Abstandhalter 24 beim Einfüllen von Vergussmasse verhindern oder zumindest erschweren. In einer nicht gezeigten Ausführung können die Vorsprünge 25 an ihren Enden auch verdickt sein, sodass sie eine Rastfunktion ausbilden und zwischen den Windungen bei der Montage fixiert sind, was die Montage sehr erleichtert. Weisen die Abstandshalter 24 Vorsprünge 25 auf, folgen sie meist dem Windungsverlauf. In diesem Fall sind die Abstandshalter 24 daher nicht exakt an einer radialen Ebene ausgerichtet, sondern leicht geneigt hierzu, sodass sich einzelne Abschnitte der Abstandshalter 24 nicht direkt radial gegenüberliegen. Die Fig. 6 und 7 zeigen vergrößerte Teilansichten zu Fig. 5, in denen nur die Heizwendel 12 mit Abstandshalter 24 bzw. nur die Abstandshalter 24 gezeigt sind. Darin ist diese Neigung deutlich erkennbar. Die Anlagefläche 26 im Beispiel weist also entlang des Umfangs eine axiale Verschiebung entsprechend der Wendelhöhe auf. Dies würde ebenso bei nur linienförmiger oder sogar nur mehrpunktförmiger Abstützung zwischen Abstandshalter 24 und Innenseite der Metallhülse 13 der Fall sein.The spacers 24 can have one or more radially inwardly directed projections 25, for example in the form of an annular bead, which protrude between adjacent windings of the heating coil 12 and thus prevent or at least make it more difficult for the spacers 24 to move axially when pouring in sealing compound. In an embodiment that is not shown, the projections 25 can also be thickened at their ends, so that they form a latching function and are fixed between the windings during assembly, which greatly facilitates assembly. If the spacers 24 have projections 25, they usually follow the course of the winding. In this case, the spacers 24 are therefore not aligned exactly on a radial plane, but are slightly inclined thereto, so that individual sections of the spacers 24 are not directly radially opposite one another. the Figures 6 and 7 show enlarged partial views figure 5 , in which only the heating coil 12 with spacer 24 or only the spacer 24 are shown. This trend is clearly visible in it. The contact surface 26 in the example thus has an axial displacement along the circumference corresponding to the helix height. This would also be the case with only linear or even multi-point support between the spacer 24 and the inside of the metal sleeve 13 .

Zusätzlich zur in den in Fig. 1 bis 4 dargestellten Version weist die in Fig. 5 dargestellte Version noch eine Führungshilfe 27 zur Führung des Temperatursensors (in Fig. 5 nicht dargestellt) auf. Im Ausführungsbeispiel weist diese einen an die Keramikhülse 18 angepassten Basisteil mit einer zentralen Öffnung für den Temperatursensor und einen rohrförmigen Abschnitt zur Führung der elektrischen Zuleitung zum Temperatursensor auf. Die Führungshilfe 27 kann auch einteilig mit der Keramikhülse 18 ausgeführt sein.In addition to the in Figures 1 to 4 shown version has the in figure 5 The version shown also has a guide 27 for guiding the temperature sensor (in figure 5 not shown) on. In the exemplary embodiment, this has a base part adapted to the ceramic sleeve 18 with a central opening for the temperature sensor and a tubular section for guidance the electrical supply line to the temperature sensor. The guide aid 27 can also be made in one piece with the ceramic sleeve 18 .

In den Figuren 8 und 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizpatrone 10 dargestellt. Wie die Schnittansicht der Fig. 9 zeigt, entspricht der innere Aufbau der Heizpatrone 10 im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5. In der Metallhülse 13 ist eine Heizwendel 12 angeordnet und der Innenraum der Metallhülse mit keramischer Vergussmasse ausgefüllt. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 bildet die Vergussmasse somit einen keramischen Kern, um den die Heizwendel 12 herum angeordnet ist und füllt den Zwischenraum zwischen dem Kern und der Innenseite der Metallhülse 13 aus. Die Heizwendel 12 ist beim Einfüllen der Vergussmasse durch Abstandhalter 24, wie sie in den Figuren 6 und 7 dargestellt sind, sowie durch eine Keramikhülse 18, in die ein Ende der Heizwendel 12 hineinragt, stabilisiert.In the figures 8 and 9 another exemplary embodiment of a heating cartridge 10 is shown. Like the sectional view of the 9 shows, the internal structure of the heating cartridge 10 essentially corresponds to the embodiment of FIG figure 5 . A heating coil 12 is arranged in the metal sleeve 13 and the interior of the metal sleeve is filled with ceramic casting compound. Just like in the embodiment of figure 5 the potting compound thus forms a ceramic core around which the heating coil 12 is arranged and fills the space between the core and the inside of the metal sleeve 13 . The heating coil 12 is when filling the potting compound by spacers 24, as in the Figures 6 and 7 are shown, and stabilized by a ceramic sleeve 18 into which one end of the heating coil 12 protrudes.

Der Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht im Wesentlichen nur in der Ausgestaltung der Außenseite der Metallhülse 13. Wie Fig. 8 zeigt, weist die Metallhülse 13 dieser Heizpatrone 10 an ihrer Außenseite in Längsrichtung verlaufende Nuten auf, deren Seitenwände als Rippen 28 ausgebildet sind und so die Wärmeabgabe verbessern. Andere Ausgestaltungen von Nuten und Rippen, z.B. querverlaufend, sind aber ebenso denkbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch auf eine separate Kopfhülse verzichtet worden, d.h. die Kopfhülse ist integraler Bestandteil der Metallhülse 13.The difference from the exemplary embodiments described above consists essentially only in the design of the outside of the metal sleeve 13. How 8 shows, the metal sleeve 13 of this heating cartridge 10 on its outside in the longitudinal direction running grooves, the side walls are formed as ribs 28 and thus improve the heat dissipation. However, other configurations of grooves and ribs, for example running transversely, are also conceivable. A separate head sleeve has also been dispensed with in this exemplary embodiment, i.e. the head sleeve is an integral part of the metal sleeve 13.

Die in den Figuren 8 und 9 gezeigte Heizpatrone 10 kann beispielsweise für einen Wasserstofftank in der Brennstoffzellentechnik oder Wasserstoffverbrennung verwendet werden. In derartigen Tanks kann ein Druck von bis zu 600 bar auftreten. Da die Heizpatrone 10 mit keramischer Vergussmasse aufgefüllt wurde und somit keine Hohlräume enthält, ist eine Verdichtung bzw. Verformung der Metallhülse 13 durch statischen Druck von einigen hundert bar praktisch ausgeschlossen, so dass die Heizpatrone 10 derartigen Druckbelastungen problemlos standhalten kann.The in the figures 8 and 9 The heating cartridge 10 shown can be used, for example, for a hydrogen tank in fuel cell technology or hydrogen combustion. A pressure of up to 600 bar can occur in such tanks. Since the heating cartridge 10 was filled with ceramic casting compound and thus contains no cavities, compression or deformation of the metal sleeve 13 due to static pressure of a few hundred bar is practically impossible, so that the heating cartridge 10 can easily withstand such pressure loads.

BezugszeichenlisteReference List

11
GehäuseHousing
22
Sprühöffnungspray opening
33
Anschlussconnection
44
Anschlussconnection
66
Kanalchannel
99
Anschlussleitung des TemperatursensorsConnection cable of the temperature sensor
1010
Heizpatronecartridge heater
1111
keramischer Kernceramic core
1212
Heizwendelheating coil
1313
Metallhülsemetal sleeve
1414
Anschlussabschnitt von HeizdrahtConnection section of heating wire
1515
Temperatursensortemperature sensor
1616
Boden der Metallhülsebottom of the metal sleeve
1717
Strömungskanalflow channel
1818
Keramikhülseceramic sleeve
1919
Keramikbuchseceramic bushing
2020
Kontaktstiftecontact pins
2121
Kopfhülsehead sleeve
2222
SchweißnahtWeld
2323
Schweißpunktspot weld
2424
Abstandhalterspacers
2525
Vorsprunghead Start
2626
Anlageflächecontact surface
2727
Führungshilfe für TemperatursensorGuide for temperature sensor
2828
Rippenribs

Claims (15)

Heizpatrone, insbesondere zur Beheizung einer Sprühdüse, mit einem keramischen Kern (11), einem Heizdraht, der als eine Heizwendel (12) um den keramischen Kern (11) herum angeordnet ist, und einer Metallhülse (13), in welcher der keramische Kern (11) und die Heizwendel (12) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwendel (12) in eine keramische Vergussmasse eingebettet ist, die einen Zwischenraum zwischen dem keramischen Kern (11) und der Innenseite der Metallhülse (13) füllt. Heating cartridge, in particular for heating a spray nozzle, with a ceramic core (11), a heating wire arranged as a heating coil (12) around the ceramic core (11), and a metal sleeve (13) in which the ceramic core (11) and the heating coil (12) are arranged, characterized in that the heating coil (12) is embedded in a ceramic casting compound which fills a space between the ceramic core (11) and the inside of the metal sleeve (13). Heizpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Kern (11) einen Kanal (6) enthält, in dem ein Anschlussabschnitt (14) des Heizdrahts verläuft.Heating cartridge according to Claim 1, characterized in that the ceramic core (11) contains a channel (6) in which a connecting section (14) of the heating wire runs. Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Boden (16) der Metallhülse (13) und dem keramischen Kern (11) ein Temperatursensor (15) angeordnet ist.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature sensor (15) is arranged between a bottom (16) of the metal sleeve (13) and the ceramic core (11). Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Kern (12) mehrere Kanäle (6) enthält, wobei in wenigstens einem dieser Kanäle (6) eine elektrische Leitung (9) eines Temperatursensors (15) oder ein Temperatursensor (15) selbst angeordnet ist.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic core (12) contains a plurality of channels (6), in at least one of these channels (6) an electrical line (9) of a temperature sensor (15) or a temperature sensor (15) itself is arranged. Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Kern (11) mindestens einen durchgehenden Kanal (6) aufweist, der nur mit keramischer Vergussmasse gefüllt ist.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic core (11) has at least one continuous channel (6) which is only filled with ceramic casting compound. Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenseite der Metallhülse (13) Nuten ausgebildet sind.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that grooves are formed in the outside of the metal sleeve (13). Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenseite der Metallhülse (13) mindestens ein wendelförmiger Strömungskanal (17) ausgebildet ist.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that at least one helical flow channel (17) is formed in the outside of the metal sleeve (13). Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Vergussmasse als Hauptbestandteil Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Aluminiumnitrid enthält.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic casting compound contains aluminum oxide, magnesium oxide or aluminum nitride as the main component. Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein bodenseitiges Ende der Heizwendel (12) von einem Keramikring oder einer Keramikhülse (18) umgeben ist.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that a bottom end of the heating coil (12) is surrounded by a ceramic ring or a ceramic sleeve (18). Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikring oder die Keramikhülse (18) Schlitze oder Durchbrüche aufweisen.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic ring or the ceramic sleeve (18) has slots or openings. Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (13) stoffschlüssig mit einer Kopfhülse (21) verbunden ist, die breiter als die Metallhülse (13) ist und innerhalb derer Anschlussabschnitte (14) des Heizdrahtes mit Kontaktstiften (20) verbunden sind.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that the metal sleeve (13) is materially connected to a head sleeve (21) which is wider than the metal sleeve (13) and within which connecting sections (14) of the heating wire are connected to contact pins (20). are. Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht mit Heizwendel (12) und Anschlussabschnitten (14) vollständig in Vergussmasse eingebettet istHeating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that the heating wire with heating coil (12) and connection sections (14) is completely embedded in casting compound Heizpatrone nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Heizwendel (12) und der Innenseite der Metallhülse (13) ein Abstandhalter (24) angeordnet ist, vorzugsweise mehrere Abstandhalter (24) angeordnet sind.Heating cartridge according to one of the preceding claims, characterized in that a spacer (24) is arranged between the heating coil (12) and the inside of the metal sleeve (13), preferably several spacers (24) are arranged. Heizpatrone nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (24) einen radial einwärtsgerichteten Vorsprung (25), aufweist, der zwischen benachbarten Windungen der Heizwendel (12) angeordnet ist, vorzugweise zwischen benachbarten Windungen eingeklemmt ist.Heating cartridge according to Claim 13, characterized in that the spacer (24) has a radially inwardly directed projection (25), which is arranged between adjacent turns of the heating coil (12), is preferably clamped between adjacent turns. Heizpatrone nach Anspruch 13oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (24) nur an einem Teil des Umfangs der Heizwendel (12) anliegt.Heating cartridge according to Claim 13 or 14, characterized in that the spacer (24) rests against only part of the circumference of the heating coil (12).
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