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Die
Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für ein Gargerät gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Gargerät gemäß dem Patentanspruch
19. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung
gemäß dem Patentanspruch
20.
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Zahlreiche
Haushaltsherde umfassen ein Kochfeld oder eine Heizplatte mit einer
Heizvorrichtung, die Wärmestrahlung
erzeugt. Die Heizvorrichtung wird beispielsweise mit einer Keramikplatte,
insbesondere Glaskeramikplatte abgedeckt, die einen sehr niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist.
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Die
Wärmeübertragung
von der Heizvorrichtung, die unterhalb der Glaskeramikplatte angeordnet
ist, zu einem Kochgefäß, beispielsweise
einer Pfanne oder einem Kochtopf, das auf der Glaskeramikplatte
steht, erfolgt über
zwei unterschiedliche Wärmetransportvorgänge. Etwa
ein Viertel der Energie wird durch direkte Wärmestrahlung von der Heizvorrichtung
durch die Glaskeramikplatte auf das Kochgefäß übertragen. Die übrige Energie
wird durch Wärmestrahlung
von der Heizvorrichtung auf die Unterseite der Glaskeramikplatte übertragen,
anschließend
erfolgt eine Wärmeleitung
von der Unterseite der Glaskeramikplatte zu dessen Oberseite und schließlich wird
die Wärme
von der Oberseite der Glaskeramikplatte zum Kochgefäß übertragen.
Bei voller Leistung kann ein Heizelement der Heizvorrichtung eine
Temperatur von etwa 1100°C
erreichen, was eine aufwändige
Isolierung unterhalb und seitlich der Heizvorrichtung erfordert,
um unnötige
Energieverluste zu vermeiden. Die hohe Temperatur des Heizelements
ist erforderlich, um den Durchgang von Wärmestrahlung durch die Glaskeramikplatte
zu gewährleisten,
was nur für
einen verhältnismäßig engen
Frequenzbereich möglich
ist. Außerdem
muss die Arbeitstemperatur der Glaskeramikplatte weniger als 550°C betragen,
was eine Temperaturbegrenzungseinrichtung erfordert, die die Heizvorrichtung bei
zu hohen Temperaturen abschaltet. Bei der Arbeitstemperatur ist
die Glaskeramik-platte nicht elektrisch isolierend, so dass zwischen
der Heizvorrichtung und der Glaskeramikplatte ein elektrisch isolierendes
Material und/oder ein Luftspalt angeordnet sein muss. Dies führt dazu,
dass die Heizvorrichtung eine Dicke von etwa 3 bis 4 cm aufweist.
Im Gegensatz dazu ist die Glaskeramikplatte üblicherweise etwa 4 mm dick.
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Derartige
Heizvorrichtungen für
Glaskeramikkochfelder haben den Nachteil, dass die von der Heizvorrichtung
erzeugte Wärme
nicht optimal genutzt werden kann. Ein weiterer Nachteil ist, dass
für die
Heizvorrichtung verhältnismäßig viel
Platz erforderlich ist.
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In
der
US 6 225 608 B1 ist
eine Heizvorrichtung für
ein Gargerät
beschrieben, das eine Mehrzahl Flächenstücke zum Erzeugen von Wärme aus
elektrischem Strom aufweist. Die Heizvorrichtung umfasst weiterhin
elektrische Leiterbahnen zur Stromversorgung der Flächenstücke, die
nach einem vorbestimmten Schema mit den Flächenstücken gekoppelt sind. Außerdem weist
die Heizvorrichtung eine dielektrische Schicht auf, an deren einer
Seite die Leiterbahnen und die Flächenstücke angebracht sind und deren
andere Seite für
den direkten Kontakt mit einer Heizplatte vorgesehen ist.
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Diese
Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung über der
Heizvorrichtung nicht gewährleistet
ist. Eine Kreisringfläche
wird durch langgestreckte gekrümmte
Flächenstücke abgedeckt,
deren Längsseiten
mit den elektrischen Leiterbahnen gekoppelt sind. Dies hat eine
inhomogene Temperaturverteilung innerhalb der gekrümmten Flächenstücke und
auch auf der Heizvorrichtung zur Folge.
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Aus
der
DE 101 10 792
A1 ist ein keramisches Kochsystem mit Glaskeramikplatte,
Isolationsschicht und Heizelementen bekannt. Die Heizelemente sind
als Leiterbahnen und als Heizfolien ausgebildet. Die Leiterbahnen
sind innerhalb von Isolationssegmenten angeordnet, die die Form
eines Kreissektors oder Kreisringsektors aufweisen. Die Heizfolie
sind an die Form der Isolationssegmente angepasst.
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In
der
DE 102 09 080
A1 ist ein Widerstandsheizelement beschrieben, das eine
mäanderförmige Leiterbahn
aufweist. Die Umwandlung von elektrischem Strom in Wärme erfolgt
in der Leiterbahn.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung anzugeben,
die eine gleichmäßige Temperaturverteilung
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Flächenstücke rechteckig
ausgebildet sind und die elektrischen Leiterbahnen mit den ganzen
Stirnseiten der Flächenstücke gekoppelt
sind.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrischen Leiterbahnen
mit den vollständigen
Stirnseiten der rechteckigen Flächenstücke gekoppelt
sind. Dies bewirkt pa rallele elektrische Feldlinien und somit eine
gleichmäßige Temperaturverteilung
innerhalb der Flächenstücke. Bei
rechteckigen Flächenstücken, deren
ganze Stirnseiten mit den elektrischen Leiterbahnen gekoppelt sind,
lässt sich der
elektrische Widerstand und somit die Heizleistung exakt vorausberechnen,
so dass eine gewünschte
Temperaturverteilung einstellbar ist.
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Unter
dem Flächenstück ist ein
dreidimensionaler Körper
zu verstehen, dessen räumliche
Ausdehnung entlang einer ersten Richtung klein ist gegenüber den
räumlichen
Ausdehnungen entlang den anderen beiden Richtungen, die zur ersten
Richtung orthogonal sind. Durch den direkten Kontakt zwischen der
Wärmequelle
und der Heizplatte wird der Wärmestrahlungsverlust
verhindert. Bei der Heizplatte handelt es sich beispielsweise um
eine Kochplatte, die insbesondere aus Glaskeramik oder Gusseisen hergestellt
sein kann. Ebenso kann die Heizplatte als Wand eines Garraums, beispielsweise
eines Backofens ausgebildet sein. Dadurch kann die maximale Temperatur
der Heizvorrichtung gegenüber
dem Stand der Technik auf etwa 450°C herabgesetzt werden. Dies
führt zu
einer Erhöhung
des Wirkungsgrads. Versuche haben gezeigt, dass Wirkungsgrade von
bis zu 80% gemäß der Norm
IEC 350 (1970) erreicht werden können.
Auf jeden Fall lässt
sich ein Wirkungsgrad von 70% erreichen. Die Heizvorrichtung gemäß der Erfindung
hat weiterhin den Vorteil, dass die Heizplatte samt Heizvorrichtung
besonders flach ausgebildet sein kann, da der Luftspalt zwischen
Heizplatte und Heizvorrichtung und eine dicke Isolierung nicht erforderlich
sind. Aufgrund dieser Bauweise lässt
sich das Kochfeld oder der Backofen besonders schnell erwärmen und
die gewünschten Temperaturen
sind schnell einstellbar.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Flächenstücke im Wesentlichen
aus Graphit hergestellt sind. Dabei handelt es sich um ein kostengünstiges und
leicht verarbeitbares Material, das geeignete spezifische elektrische
Widerstandswerte aufweist.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass die Flächenstücke einen Flächenwiderstand
zwischen 5 und 200 Ohm aufweisen. Mit solchen Widerstandswerten
lassen sich bei üblichen
elektrischen Spannungen die gewünschten
Temperaturwerte und Heizleistungen erzielen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Leiterbahnen aus Metall hergestellt sind.
Metalle haben einen verhältnismäßig niedrigen
elektrischen Widerstandswert, so dass die Wärmeverluste gering gehalten
werden und keine Erwärmung
an solchen Stellen erfolgt, an denen dies nicht erwünscht ist.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen aus Aluminium, Gold,
Silber und/oder dergleichen Metallen hergestellt sind. Diese Metalle
sind besonders unempfindlich gegenüber Korrosion.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Leiterbahnen einen Flächenwiderstand von weniger
als 200 Milliohm aufweisen. Mit diesen Widerstandswerten lassen
sich unnötige
Energieverluste und unerwünschte
Aufheizungen verhindern.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die dielektrische Schicht aus Keramikpulver
und einer Sol-Gel-Lösung hergestellt
ist. Damit lässt
sich eine geeignete Mischung zusammenstellen, um die gewünschten
elektrischen und mechanischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht
zu erhalten.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass das Keramikpulver ein oder mehrere Metalloxide, Metallnitride,
Metallkarbide und/oder dergleichen umfasst. Dazu sind beispielsweise
Aluminiumoxid oder Siliziumoxid sowie Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid
geeignet.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Sol-Gel-Lösung eine oder mehrere Siliziumverbindungen
umfasst. Damit ist die dielektrische Schicht kostengünstig und
auf einfache Weise herstellbar. Entsprechende Verfahren zum Aufbringen
der dielektrischen Schicht sind in den internationalen Anmeldungen
WO 96/29447 A1 und
WO 02/72495 A2 beschrieben.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die dielektrische Schicht auf einem Substrat
aufgebracht ist. Damit lassen sich besonders dünne dielektrische Schichten
mit den gewünschten
Eigenschaften herstellen. Versuche, insbesondere der Hochspannungstest
gemäß dem Standard
IEC 335-2-6, haben gezeigt, dass bei Kochfeldern eine Schichtdicke
von beispielsweise 500 μm
ausreichend ist, um die Anforderungen zu erfüllen.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die dielektrische Schicht auf der Heizplatte
aufgebracht ist. Damit lässt
sich mit geringem material-technischen Aufwand ein Kochfeld mit
Heizvorrichtung bereitstellen. Dabei kann die dielektrische Schicht
unmittelbar auf der Unterseite der Kochplatte aufgebracht sein und
auf der dielektrischen Schicht befinden sich die wärmeerzeugenden
Flächenstücke und
die elektrischen Leiterbahnen. Auf diese Weise lässt sich ein besonders kompaktes
Glaskeramikkochfeld mit integrierter Heizvorrichtung bereitstellen.
Ebenso lässt sich
mit dieser Technologie eine Heiz vorrichtung für einen Backofen bereitstellen.
In diesem Fall sind eine oder mehrere Wände des Backofens als Heizplatte ausgebildet
oder mit einer Heizplatte bestückt.
Damit lässt
sich ein Backofen bereitstellen, der einen im Verhältnis zu
seinen äußeren Abmessungen
großen Innenraum
aufweist.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung ein zentrales rechteckiges
Flächenstück und wenigstens
zwei laterale rechteckige Flächenstücke aufweist,
die parallel zueinander und symmetrisch angeordnet sind. Damit lässt sich
durch die Abmessungen der Flächenstücke deren
ohmscher Widerstand und somit deren Heizleistung beeinflussen, so
dass die Temperaturverteilung auf einfache Weise einstellbar.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass das zentrale rechteckige Flächenstück und die wenigstens zwei
lateralen rechteckigen Flächenstücke derart
dimensioniert und angeordnet sind, dass sie eine Kreisfläche möglichst
vollständig
abdecken. Da die Kreisfläche
meist die bevorzugte Form einer Kochplatte ist, lässt sich
auf diese Weise ein möglichst
hoher Wirkungsgrad einstellen.
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Schaltungstechnisch
kann vorgesehen sein, dass die lateralen Flächenstücke miteinander parallel und
mit dem zentralen Flächenstück in Reihe
geschaltet sind. Dadurch wird eine symmetrische Temperaturverteilung
gewährleistet
und es besteht weiterhin die Möglichkeit,
durch die Wahl der Breiten der Flächenstücke die radiale Temperaturverteilung
auf der Kreisfläche
zu beeinflussen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung eine
Mehrzahl gleichartiger Flächenstücke aufweist,
die derart angeordnet sind, um eine Kreisringfläche möglichst vollständig abzudecken.
Damit besteht die Möglich keit,
innerhalb der Kreisringfläche
eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung
zu erhalten. Auch die Kreisringfläche ist ein bevorzugter geometrischer
Abschnitt für
ein Kochfeld.
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Dazu
kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die gleichartigen Flächenstücke elektrisch
in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sind, wobei die
Reihe stets die gleiche Anzahl Flächenstücke aufweist. Auch dies trägt zu einer
gleichmäßigen Temperaturverteilung
bei.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Kreisringfläche konzentrisch mit der Kreisfläche angeordnet
ist. Damit lässt
ein aus Kreisfläche
und Kreisringfläche
bestehendes Kochfeld bereitstellen, bei dem die Temperaturverteilung
beliebig einstellbar ist.
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Darüber hinaus
besteht die Möglichkeit,
dass die Heizvorrichtung eine Vielzahl konzentrischer Kreisringflächen mit
jeweils gleichartigen Flächenstücken aufweist.
Damit lässt
sich ein Kochfeld bereitstellen, das flächen-abschnittsweise ansteuerbar
und bei dem eine beliebige gewünschte
Temperaturverteilung einstellbar ist.
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Gemäß der Erfindung
ist weiterhin ein Gargerät
vorgesehen, das wenigstens eine Heizplatte und wenigstens eine oben
beschriebene Heizvorrichtung aufweist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Heizvorrichtung lässt
sich das Gargerät
besonders kompakt ausbilden. Dadurch wird der Platzbedarf gegenüber dem
Stand der Technik wesentlich reduziert. Handelt es sich bei dem Gargerät um eine
Kochplatte, so lässt
sich diese mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung
besonders flach ausbilden. Handelt es sich bei dem Gargerät um einen
Backofen, bei dem eine oder mehrere Seitenwände die er findungsgemäße Heizvorrichtung
aufweisen, so lässt
sich der Backofen dünnwandig
ausbilden. Dies hat den Vorteil, dass der Innenraum des Backofens
im Verhältnis
zu seinen äußeren Abmessungen
verhältnismäßig groß ist. Darüber hinaus
hat der Backofen aufgrund der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung einen relativ
hohen Wirkungsgrad.
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Für das Verfahren
zum Herstellen der Heizvorrichtung für ein Gargerät oder dergleichen
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das Substrat durch eine Heizplatte gebildet wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird die elektrisch leitfähige Schicht
unmittelbar auf die Heizplatte aufgebracht. Insbesondere kann dabei
das Substrat durch ein Kochfeld gebildet werden. Da das Kochfeld
unmittelbar beheizt wird, sind verhältnismäßig niedrige Temperaturen ausreichend,
um die erforderliche Kochleistung bereitzustellen. Bei niedrigen
Temperaturen wirkt das Glaskeramik-Kochfeld als elektrischer Isolator.
Dies hat den Vorteil, dass eine zusätzliche elektrisch isolierende
Schicht dünn
ausgebildet sein kann oder überhaupt
nicht erforderlich ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nachstehend in der Figurenbeschreibung unter
Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
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In 1 ist
eine schematische Ansicht einer Heizvorrichtung gemäß der Erfindung
dargestellt. Die Heizvorrichtung umfasst eine Vielzahl rechteckiger Flächenstücke 10, 12, 14 und
elek trische Leiterbahnen 16, die im Wesentlichen in einer
Ebene angeordnet sind. Sowohl die Flächenstücke 10, 12, 14 als auch
die elektrischen Leiterbahnen 16 sind auf einer nicht dargestellten
dielektrischen Schicht aufgebracht, die wiederum auf der Unterseite
einer Heizplatte eines Glaskeramikkochfeldes aufgebracht ist. Die
Flächenstücke 10, 12, 14 sind
aus Graphit hergestellt und weisen einen relativ hohen elektrischen
Widerstand auf. Vorzugsweise beträgt der elektrische Flächenwiderstand
zwischen 5 und 200 Ω pro
Flächeneinheit. Über die
elektrischen Leiterbahnen 16 sind die Flächenstücke 10, 12, 14 an
eine elektrische Stromquelle P, N angeschlossen, wobei P die Phasenanschlüsse und
N die Nullleiteranschlüsse
darstellen. Die elektrischen Leiterbahnen 16 bestehen aus
Metall, vorzugsweise aus Aluminium, Gold, Silber oder dergleichen.
Der elektrische Flächenwiderstand
der Leiterbahnen 16 beträgt vorzugsweise weniger als
200 mΩ pro
Flächeneinheit.
Da der elektrische Widerstand der Flächenstücke 10, 12, 14 im Vergleich
zu dem der Leiterbahnen 16 verhältnismäßig groß ist, wird nahezu die gesamte
elektrische Energie von den Flächenstücken 10, 12, 14 in
Wärmeenergie
umgewandelt. Da die Flächenstücke 10, 12, 14 besonders
flach sind und unmittelbar an der dielektrischen Schicht einer Heizplatte
anliegen, ist der Wirkungsgrad besonders hoch. Versuche haben gezeigt,
dass bis zu etwa 80% der elektrischen Energie in Wärmeenergie
umgewandelt wird, die auf dem Glaskeramikkochfeld genutzt werden
kann. Die maximale Temperatur der Flächenstücke 10, 12, 14 beträgt dabei
etwa 450°C.
Diese Temperatur reicht aus, da die Flächenstücke 10, 12, 14 sich
sehr nahe bei der Glaskeramikkochplatte befinden. Bei herkömmlichen
Heizvorrichtungen ist eine Temperatur von etwa 1100°C erforderlich.
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Die
in 1 dargestellte Heizvorrichtung ist für ein Kochfeld
vorgesehen, das eine innere Zone 18 und eine äußere Zone 20 umfasst.
Die innere Zone 18 hat die Form einer Kreisflä che, während die äußere Zone 20 die
Form einer Kreisringfläche
hat, so dass die beiden Zonen 18 und 20 zusammen
eine vergrößerte kreisförmige Kochfläche bilden.
Die innere Zone 18 umfasst drei Flächenstücke, nämlich ein zentrales Flächenstück 10 und
zwei laterale Flächenstücke 12.
Das zentrale Flächenstück 10 ist etwa
doppelt so breit wie die lateralen Flächenstücke 12 ausgebildet.
Das zentrale Flächenstück 10 und die
beiden lateralen Flächenstücke 12 sind
parallel zueinander angeordnet. Hinsichtlich ihrer Abmessungen sind
die Flächenstücke 10 und 12 so
ausgebildet, dass sie die kreisförmige
innere Zone 18 möglichst
vollständig
abdecken. Die beiden lateralen Flächenstücke 12 sind parallel
miteinander verschaltet. Weiterhin sind die beiden lateralen Flächenstücke 12 in
Reihe mit dem zentralen Flächenstück 10 verschaltet.
Die elektrischen Leiterbahnen 16 sind stets mit den Stirnseiten
der Flächenstücke 10 und 12 gekoppelt.
Die Verschaltung und die Abmessungen der Flächenstücke 10 und 12 bewirken,
dass die Heizleistung und die Temperatur innerhalb der inneren Zone 18 im
Wesentlichen gleichmäßig verteilt
ist.
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In
der äußeren Zone 20,
die als Kreisringfläche
ausgebildet ist, befinden sich neun rechteckige äußere Flächenstücke 14, die etwa gleichmäßig angeordnet
sind. Benachbarte Flächenstücke 14 sind über ihre
Stirnseiten elektrisch gekoppelt. Mittels der elektrischen Leiterbahnen 16 sind
die neun äußeren Flächenstücke 14 so
miteinander verschaltet, dass jeweils drei Flächenstücke 14 miteinander
in Reihe und diese Dreiergruppen wiederum parallel miteinander verschaltet
sind. Durch die Wahl der Abmessungen der Flächenstücke 14 und deren Verschaltung sind
die gewünschte
Heizleistung und die Temperaturverteilung festlegbar. Auch die Flächenstücke 14 sind
innerhalb der äußeren Zone 20 so
angeordnet, dass sie eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
der Heizleistung und der Temperatur innerhalb der Zone 20 ermöglichen.
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Die
dielektrische Schicht ist zwischen den Flächenstücken
10,
12,
14 und
den elektrischen Leiterbahnen einerseits und der Unterseite der
Glaskeramikkochplatte andererseits angeordnet. Die dielektrische
Schicht ist aus einem Keramikpulver und einer Sol-Gel-Lösung hergestellt.
Das Keramikpulver umfasst beispielsweise Aluminiumoxid und/oder
Siliziumoxid. Alternativ dazu kann das Keramikpulver auch andere
Oxide oder Nitride wie z. B. Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid
aufweisen. Die Technologie und die Verfahren zur Herstellung der
dielektrischen Schicht sind beispielsweise in den internationalen Anmeldungen
WO 02/72495 A2 und
WO 96/29447 A1 beschrieben.
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- 10
- zentrales
Flächenstück
- 12
- laterales
Flächenstück
- 14
- äußeres Flächenstück
- 16
- elektrische
Leiterbahn
- 18
- innere
Zone
- 20
- äußere Zone
- P
- Phasenanschluss
- N
- Nullleiteranschluss