DEP0012621DA - Hochhitzebeständiges, druckdichtes Abschlußstück für elektrische Heizkörper mit Metallmantel. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hochhitzebeständiges, druckdichtes Abschlußstück für elektrische Heizkörper mit Metallmantel, bei welchem der Abschluß durch einen Keramikkörper erfolgt, mit dem der Metallmantel des Heizkörpers einerseits und das Anschlußstück für den Heizleiter und die Zuleitung zum Heizkörper andererseits durch Lötschrumpfung dicht verbunden sind.

Es ist bekannt, Heizkörper mit Metallmantel an ihren Enden mit Abschlußstücken zu versehen, bei denen auf VerKeramikkörper durch Einbrennen vorher aufgestrichener Metallpasten dünne Metallschichten aufgebracht werden, mit denen durch Löten entsprechende Metallkörper dicht verbunden werden. Diese Methode hat sich als weichgelötete Ausführung bewährt, läßt sich jedoch für den Abschluß hoch belasteter Heizkörper nicht anwenden, weil dort die auftretenden Temperaturen eine Hartlötung der Verbindungsstellen erforderlich machen.

Eine einfache Übertragung der bei Weichlötungen bewährten Konstruktionen versagt bei Hartlöten. Die bei hohen Temperaturen und bei Temperaturwechsel über großen Temperaturbereich auftretenden mechanischen Beanspruchungen an der Dichtungsstelle führen zum Undichtwerden der Verbindung. Außerdem ist der Lötvorgang selbst nur unter Beobachtung besonderer Vorschriften und Verwendung von Schutzgasöfen, Vacuumeinrichtungen usw. gegebenenfalls möglich.

Abgesehen vom Lötvorgang selbst ist das Einbrennen von Metallschichten, die für die Hartlötung geeignet sind, in der Fertigung teuer und umständlich. Entweder sind hochwertige Edelmetalle erforderlich, z.B. Platin, oder bei Verwendung von unedlen Metallen (Eisen) sind besondere Vorrichtungen und Schutzmaßnahmen erforderlich, um eine Oxydation beim Einbrennprozess und der Weiterverarbeitung zu verhindern. Selbst bei Beachtung aller dieser Maßnahmen sind die bisher bekannt gewordenen konstruktiven Anordnungen an der Dichtungsstelle für hochhitzebeständige Hartlötungen ungeeignet. Bei einfachen technischen Heizkörpern besteht der Metallmantel zumeist aus handelsüblichem Stahlrohr oder Kupferrohr. Es kann nicht damit gerechnet werden, eine Keramikmasse für den Isolator zu verwenden, die den gleichen oder ähnlichen Ausdehungskoeffizienten hat, wie der Metallmantel. Die Folge davon ist, dass sich bei theoretisch hoch beanspruchten Heizkörpern große mechanische Beanspruchungen an den Dichtungsstellen ergeben. Bei allen bisher bekannt gewordenen gelöteten Abschlußstücken für Heizkörper sind Konstruktionen angegeben, die diesen hohen mechanischen Beanspruchungen nicht gewachsen sind. Es sind Lötstellen angegeben, die auf ebenen Stirnflächen des Keramikkörpers angeordnet sind oder schmale Lötnähte im übergreifenden Rohrende besitzen, die bei mechanischen Beanspruchungen infolge verschiedener Ausdehnungen bei Erwärmung der beiden Körper reißen. Es sind auch Ausführungen bekannt geworden, bei denen diese Fehler vermieden sind, die Formgebung des Keramikkörpers jedoch unzweckmäßig ist, so daß infolge zu großer auftretender Druckspannungen die Keramik zerstört oder so weit vorbelastet wird, dass sie keine genügende Sicherheit gegen die mechanischen Beanspruchungen des Betriebes gibt.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, hat man versucht, die Abdichtung zwischen Keramikkörpern und Metall durch Kitten, Verschrauben und ähnlichen mechanischen Verbindungen zu umgehen. All diese Verbindungen sind jedoch bei größerem Temperaturwechsel, wie er bei elektrischen Heizkörpern auftritt, nicht druckdicht. Alle diese Nachteile werden durch die Erfindung ausgeschaltet.

Die Erfindung geht von einem hochhitzebeständigen, druckdichten Abschlußstück für elektrische Heizkörper mit Metallmantel aus, wobei der Metallmantel und das Anschlußstück für den Heizleiter durch einen Keramikkörper miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß greift sowohl der Metallmantel als auch das Anschlußstück hülsenartig über eine Metallschicht, die nach dem "Schopp'schen Verfahren" auf die Keramik aufgespritzt ist, unter Bildung eines Spaltes, in den ein Zusatzmetall bei Erhitzung fließt und bei Erkalten durch Schrumpfdruck die aufgespritzte Metallschicht druckdicht an die Keramikoberfläche preßt.

Eine genauere Erklärung des so hergestellten Abschlußstückes erfolgt anhand der beiliegenden Abb. 1, die das Abschlußstück mit seinen Einzelheiten vor Durchführung der Lötschrumpfung zeigt. 1 bedeutet hierin den Keramikkörper, der an den Flächen 2 und 3 Metallbeläge z.B. aus Kupfer besitzt, die nach dem Schopp'schen Verfahren aufgespritzt wurden. Von unten her ist über den Keramikkörper das Mantelrohr 4 aufgeschoben, von oben das Anschlußstück für den Heizleiter 5. Auf die Anpassung der Teile in den Durchmessern an den Verbindungsstellen braucht keine besondere Sorgfalt verwendet zu werden, so dass zwischen den Metallbelägen 2 und 3 auf dem Keramikkörper und den umfassenden Metallteilen 4 und 5 Luftspalte freibleiben. In der Nähe der Dichtungsstellen werden Metallringe 6 und 7 z.B. aus Hartlot angeordnet. Die Keramik besitzt an den Enden Ansätze mit verringertem Querschnitt, so dass im oberen Teil zwischen Keramik 1 und umfassenden Anschlußstück 5 eine Kammer zur Aufnahme des Zusatzmetallringes 7 entsteht und unten liegt der Zusatzmetallring 6 auf einer Sicke oder einem Ansatz 8 im Mantelrohr auf. Der Keramikkörper besitzt eine zentrale Bohrung 9, durch welche das Anschlußende 10 des Heizleiters 11 nach oben geführt und an der Spitze 12 des Anschlußstückes 5 im Tauchlötverfahren hart verlötet werden kann.

Zur Herstellung der Lötschrumpfung an beiden Dichtungsstellen wird das Abschlußstück auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher das Zusatzmetall 6 und 7 zum Fließen kommt. Bei der Erhitzung haben sich die umfassenden Metallteile 4 und 5 stärker ausgedehnt als die Keramik. Das zum Fließen kommende Zusatzmetall füllt die Spalten zwischen den Metallschichten 2 und 3 auf der Keramik und den umfassenden Metallteilen 4 und 5 aus. Hierbei wird eine Lötverbindung zwischen umfassenden Metallteilen und dem lose auf der Keramik haftenden Metallbelägen hergestellt.

Beim langsamen Abkühlen geht das die Spalte ausfüllende Zusatzmetall vorerst in einen breiigen Zustand über und wird durch die sich beim Erkalten zusammenziehenden umfassenden Metallteile in die evtl. noch vorhandenen Poren und Hohlräume der Metallbeläge eingedrückt. Gleichzeitig werden die lose auf der Keramik aufsitzenden Metallbeläge an die Keramik angepreßt. Diese Wirkung wird beim weiteren Abkühlen und Hartwerden des Zusatzmetalles noch verstärkt, so dass der dichte Abschluß zwischen den lose aufgebrachten Metallbelägen 2 und 3 und der Keramik 1 mechanisch durch den Schrumpfdruck der umfassenden Metallteile erzeugt wird. Die Praxis hat gezeigt, dass bei dieser Methode das Abschlußstück an den beiden Dichtungsstellen bei allen Temperaturen und Temperatursprüngen dicht bleibt, soweit sie unterhalb der Löttemperatur liegen.

Aus der Art der Herstellung geht hervor, dass die in der Erfindung beschriebene Methode sich von der bisher bekannten wesentlich dadurch unterscheidet, dass die Dichtung zwischen aufgebrachter Metallschicht und Keramik nicht durch chemische Verbindung der beiden Substanzen, z.B. beim Einbrennen hergestellt wird, sondern durch mechanische Anpressung durch den Schrumpfdruck der umfassenden Metallteile. Die aufgespritzte Metallschicht hat hier die Aufgabe, das Fließen des Zusatzmetalles an die gewünschten Stellen zu begünstigen und eine elastische unter dem Schrumpfdruck verformbare Metallfolie zu bilden, die sich den in der Keramik evtl. noch vorhandenen Poren oder Oberflächenunregelmäßigkeiten anpasst.

Die konstruktive Ausbildung der einzelnen Teile für das oben beschriebene Anschlußstück muß sich in erster Linie danach richten, dass der für die Abdichtung erforderliche Schrumpfdruck die richtige Größe hat und die Druckverteilung im Keramikkörper schädliche Beanspruchungen der Keramik ausschließt. Es muß an den eigentlichen Dichtungsstellen 13 und 14 ein verhältnismäßig großer Schrumpfdruck erzeugt werden, d.h. an diesen Stellen muß der umfassende Metallteil eine verhältnismäßig große Wandstärke besitzen. Der Druckverlauf von diesen Dichtungsstellen bis zu den Rändern 15 und 16 der umfassenden Metallteile muß ein allmähliches Abnehmen des Druckes aufweisen mit dem Ziel, die Keramikquerschnitte an den Rändern der umfassenden Metallteile, die mit bei der praktischen Verwendung der Heizkörper am stärksten durch Biegung oder Schlag gefährdet sind, weitgehend von gefährlichen Vorspannungen zu entlasten.

Erfindungsgemäß wird diese Druckverteilung dadurch erreicht, dass die umfassenden Metallteile 4 und 5 eine allmählich sich verjüngende Wandstärke besitzen, wie dies in Abb. 1 beispielsweise dargestellt ist. Hierbei ist zu beachten, dass die Keramik besonders vorteilhaft so hergestellt wird, dass der Keramikkörper auf seiner ganzen Länge über die Dichtungsstellen und den dazwischenliegenden Teil einen konstant durchgehenden Querschnitt besitzt. Jede Eindrehung oder Verdickung bedingt eine nicht kontrollierbare Störung im Druckverlauf und kann erfahrungsgemäß leicht zum Bruch führen. Vielfach sind derartige Eindrehungen oder Verdickungen bei bekannt gewordenen Lötverbindungen vorgesehen, um Ansatzstellen für das Halten des Lötringes zu bilden.

Erfindungsgemäß wird der besonders günstig ausgebildete Keramikkörper nur an seinen beiden Enden mit Verringerungen der äußeren Abmessungen zur Aufnahme des Zusatzmetalles versehen. Hierbei wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, dass das Zusatzmetall beim Fließprozess durch die Kapillarwirkung unabhängig von der Lage in den Spalt eingezogen wird.

Das beschriebene Abschlußstück gemäß der Erfindung kann direkt am Heizkörper selbst hergestellt werden. Das Mantelrohr des Heizkörpers muß dann die in der Abb. 1 dargestellte oder ähnliche Form bekommen. Für die Fertigung größerer Stückzahlen und die universelle Anwendung ein und desselben Abschlußstückes für verschiedene Heizkörperformen ist es besonders vorteilhaft, die druckdichten Verbindungen zwischen dem Keramikkörper und den Metallteilen getrennt vom Heizkörper herzustellen und erst nachher an das Mantelrohr des Heizkörpers anzusetzen. In diesem Falle bildet man zweckmäßig den- jenigen Teil des Metallmantels, der mit dem Keramikkörper dicht verbunden ist, als besonderes Zwischenstück aus, dessen Formgebung dem verlangten Heizkörpereinbau angepaßt werden kann. Dieses Zwischenstück wird nach Herstellung der Verbindungen zwischen umfassenden Metallteilen und Keramikkörper an das Mantelrohr des Heizkörpers angesetzt, z.B. angelötet oder verschweißt. Der besondere Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass die Herstellung der druckdichten Verbindungen mit der Keramik, die in der Herstellung besondere Sorgfalt erfordern, vollständig getrennt von der Fabrikation der oft sperrigen Heizkörper ausgeführt werden kann. Ausführungsbeispiel des erwähnten besonderen Zwischenstückes zeigen die Abb. 2 und 3. In beiden Abbildungen sind im Gegensatz zu Abb. 1 die Dichtungsstellen so dargestellt, wie sie nach Ausführung der oben beschriebenen Lötschrumpfung aussehen. In beiden Abbildungen bezeichnet 1 den Keramikkörper, 2 und 3 die aufgespritzten Metallbeläge, 4 das Mantelrohr des Heizkörpers, 5 das Anschlußstück für den Heizleiter, 6 und 7 das bei der Lötschrumpfung in die vorhandenen Spalten geflossene Zusatzmetall. Der Teil des Metallmantels, der an der unteren Verbindungsstelle mit dem Keramikkörper verbunden ist, ist als besonderes Zwischenstück ausgebildet, das in den Abb. 3 und 2 mit 18 bezeichnet ist. An der Stelle 19 ist dieses Zwischenstück mit dem Mantelrohr 4 des Heizkörpers z.B. durch Löten druckdicht verbunden. Die Formgebung des Zwischenstückes 18 kann erfindungsgemäß dem verlangten Einbau des Heizkörpers weitgehend angepaßt werden. Vielfach werden mehrere Heizkörper mit normalisierter Ausführung in einen gemeinsamen Einbauflansch eingesetzt, wobei die Verbindung zwischen Heizkörper und Einbauflansch durch Lötung hergestellt wird. Für diese Art des Einbaues besteht das Zwischenstück vorteilhaft aus einem einfachen Rohrstutzen wie in Abb. 1 dargestellt, in welchen das Mantelrohr des Heizkörper eingeschoben und an der Stelle 19 verlötet wird.

Wird aus irgend einem konstruktiven Grunde verlangt, dass der Heizkörper durch eine Schraubverbindung mit seinem Einbauflansch verbunden wird, bietet die Ausführung des Zwischenstückes 18, wie sie in Abb. 3 als Ausführungsbeispiel gezeigt wird, Vorteile.

Mit Hilfe einer Mutter 21, die auf das Gewinde 22 des Zwischenstückes aufgeschraubt ist, wird der Ansatz 23 unter Zwischenlegung einer Dichtungsscheibe 24 gegen Einbauflansch 20 gedrückt und abgedichtet. Die gleiche Ausbildung des Zwischenstückes ermöglicht eine einfache Verbindung zwischen Heizkörper und Einbauflansch. Für die Herstellung eines hochhitzebeständigen, druckdichten Abschlußstückes für elektrische Heizkörper, wie es der Gegenstand vorliegender Erfindung ist, ist es von wesentlicher Bedeutung, wie der Heizleiter mit dem Anschlußstück für die elektrische Zuleitung zum Heizkörper verbunden ist. Die bisher bekannt gewordenen Verbindungsarten, z.B. Weichlöten, Hartlöten mit der Flamme oder Schweißen geben keine befriedigende Resultate. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass bei Durchführung der Hartlötung mit der Flamme das Lot nicht vollständig von denjenigen Flächen des Anschlußstückes ferngehalten werden kann, an welche die Stromzuleitung angeschraubt oder angeklemmt werden soll. Es ist also nach der Lötung ein Nacharbeiten der Kontaktflächen erforderlich, was sich im Fertigungsgang sehr nachteilig und zeitraubend auswirkt.

Eine besonders vorteilhafte Verbindung ergibt die Hartlötung im Tauchverfahren, wobei das Anschlußstück an der Lötstelle eine Verringerung seiner äußeren Abmessungen erhält.

Es hat sich ergeben, dass diese Art der Verbindung zwischen den meist chromnickelhaltigen und dem Anschlußstück aus Eisen oder Messing die einzige wirkliche einwandfreie hochhitzebeständige oder druckdichte Verbindung ergibt. Die Verringerung der äußeren Abmessungen des Abschlußstücks an der Tauchlötstelle hat den großen technischen Vorteil, dass der Anschlußbolzen nach dem Löten nicht nachgearbeitet zu werden braucht, weil nur der verjüngte Teil des Bolzens in das Lötband eingetaucht wird.

Die Abb. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der beschriebenen Verbindung zwischen Heizleiter 10 und Anschlußstück 5, Abb. 2 zeigt eine Ausführung, bei welcher der obere Teil des Anschlußstückes 25 als Gewindebolzen ausgebildet ist. Die Spitze 12 des Anschlußstückes ist für die Durchführung der Tauchlötung soweit im äußeren Durchmesser verringert, dass die fertige Lötstelle im Durchmesser unterhalb des Kerndurchmessers bleibt. Eine ähnliche Formgebung erscheint bei Ausbildung des Teiles 25 als glatten Steckerstift.

Abb. 3 zeigt die entsprechende Ausbildung als Klemme. Das in dieser Erfindung beschriebene Abschlußstück erfüllt neben allen anderen technischen Bedingungen auch die für druckdicht abgeschlossene Heizkörper wesentliche Forderung, den letzten Abschluß unmittelbar nach dem Austrocknen vornehmen zu können, wenn man den Tauchlötvorgang im Fertigungsprozess zuletzt durchführt. Besonders bei der Fertigung großer Serien besteht die Gefahr, dass die ausgetrockneten Heizkörper wieder Feuchtigkeit aufnehmen, so dass sich schlechte Isolationswerte des fertigen Heizkörpers ergeben. Der Tauchlötabschluß, bei welchem nur sehr geringe Materialmengen erhitzt zu werden brauchen, läßt sich sauberer und in bedeutend kürzerer Zeit wie jeder andere Löt- oder Schweißvorgang durchführen und ermöglicht infolgedessen den Abschluß auch bei Serienfertigung unmittelbar nach der Austrocknung.

Claims (5)

1.) Hochhitzebeständiges, druckdichtes Abschlußstück für elektrische Heizkörper mit Metallmantel, wobei der Metallmantel und das Anschlußstück für den Heizleiter durch einen Keramikkörper miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Metallmantel als auch das Anschlußstück hülsenartig über eine Metallschicht, die nach dem Schopp'schen Verfahren auf die Keramik aufgespritzt ist, unter Bildung eines Spaltes greifen, in den ein Zusatzmetall bei Erhitzung fließt und bei Erkalten durch Schrumpfdruck die aufgespritzte Metallschicht druckdicht an die Keramikoberfläche preßt.

2.) Abschlußstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung der gewünschten Schrumpfdruckverteilung die umfassenden Metallteile eine allmählich sich verjüngende Wandstärke besitzen, so dass der Schrumpfdruck über den Verbindungsstellen allmählich abnimmt und die bei Biegung besonders beanspruchten Keramikquerschnitte von schädlichen Verspannungen entlastet werden.

3.) Abschlußstück nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper an den Verbindungsstellen und zwischen denselben keine Querschnittsveränderungen aufweist und nur an den beiden Enden eine Verringerung der äußeren Abmessungen zur Aufnahme des Zusatzmetalles vor dem Schrumpfprozess besitzt.

4.) Abschlußstück nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Metallmantels, der mit dem Keramikkörper verbunden ist (Zwischenstück) in seiner Formgebung dem verlangten Heizkörpereinbau angepreßt ist und erst nach Herstellung der druckdichten Verbindungen an das Mantelrohr des Heizkörpers angesetzt wird.

5.) Abschlußstück nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von der Formgebung des Anschlußstückes, die sich nach der verlangten Anschlußart der elektrischen Zuleitung richtet, der Heizleiter mit dem Anschlußstück im Tauchlötverfahren hart verlötet ist, wobei das Anschlußstück an der Lötstelle eine Verringerung seiner äußeren Abmessungen aufweist.