DE2000987A1

DE2000987A1 - Elektrische Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE2000987A1
Application number: DE19702000987
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl-Ing Gerds
Original assignee: Siemens Elektrogaerate GmbH
Current assignee: SEG Hausgeraete GmbH
Priority date: 1970-01-10
Filing date: 1970-01-10
Publication date: 1971-07-15
Also published as: DE2000987C3; DE2000987B2

Description

Elektrische Heizeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizeinrichtung mit einem zu beheizenden, flächigen Körper aus anorganischem Werkstoff, wie Glaskeramik, Glas oder Keramik, und mit einem als elektrisch leitende Schicht auf den Körper aufgebrachten Heizleiter.
Die Befestigung eines derartigen Heizleiters an dem zu beheizenden, flächigen Körper ist mit Schwierigkeiten verbunden.
Es ist bekannt, den beispielsweise aus Metall gefertigten Heizleiter mit dem zu beheizenden Körper zu verkleben. Die obere Grenze der Temperaturfestigkeit gebräuchlicher Klebstoffe liegt jedoch unter 2000C. Deshalb ist die Anwendung dieser Verbindungsart auf Heizeinrichtungen mit geringer Temperatur und entsprechend geringer Oberflächenbelastung des Heizleiters beschränkt. Der Wärmeübergang vom Heizleiter auf den zu beheizenden Körper ist in nachteiliger Weise durch den Klebstoff erschwert.
Man ist deshalb schon dazu übergegangen, den Heizleiter gegen einen aus Glaskeramik bestehenden flächigen Körper mittels einer Druckvorrichtung anzupressen. Die Druckvorrichtung erfaßt den Heizleiter mit einem elastisch zusammenpreßbaren Isoliermaterial aus Glaswolle o.dgl. Diese Aufbauform ist aufwendig und von beträchtlichem räumlichen Volumen. Außerdem hat es sich gezeigt, daß die Glaswolle nach längerer Betriebsseit in sich zusammensackt, so daß ein einwandfreier Sitz des Heizleiters auf der Glaskeramik nicht mehr gewährleistet ist.
Dadurch kann es infolge des unterbrochenen Wärmettberganges zur örtlichen oberhitzung des Heizleiters kommen, welche eine kurzfristige Zerstörung der Heizeinrichtung zur Folge hat.
Schließlich ist die Glaswolle im Stande, größere Feuchtigkeitsmengen aufzunehmen, wodurch die elektrische Spannungsfestigkeit der Heizeinrichtung herabgesetzt ist, wenn nicht besonderte Maßnahmen zur Abdichtung der Druckvorrichtung getroffen sind.
Bei einer weiteren bekannten Heizeinrichtung wird der Heizleiter auf eine im Wasser abgleitende oder in der Wärme ablösbare Anlage aufgebracht und auf den zu beheizenden, flächigen Körper iiberfiihrt. Anschließend wird nach Art eines Abziehbildes die Unterlage abgezogen und der Heizleiter mit dem zu beheizenden Körper bei 730°C durch Brennen oder Aufschmelzen verbunden. Dieses Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Heizleiter und zu beheizendem Körper ist umständlich und erfordert verhaltnismäßig hohe Verarbeitungstemperaturen, bis eine Verbindung des Körpers mit dem Heizleiter eintritt. Die Überführung der ablösbaren Unterlage auf den zu beheizenden Körper bedarf besonderer Sorgfalt, damit der Heizleiter nicht verletzt wird und ist offensichtlich nur in Handarbeit möglich.
Es sind außerdem Heizeinrichtungen bekannt geworden, bei denen als Heizleiter dünne metallische Schichten aufgedampft oder -gesprilht sind. Es hat sich gezeigt, daß es aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Heizleiters und dem anorganischen Körper zu Wärmespannungen zwischen dem Heizleiter und dem Körper kommt. Diese Spannungen können schon nach kurzer Betriebszeit der Heizeinrichtung zu Rissen fUhren, die örtliche Überhitzungen und Unterbrechungen des Heizleiters zur Folge haben.
Ähnliche nachteilige Erscheinungen sind auch bei Heizeinrichtungen aufgetreten, bei denen pulverförmige Metalle als Heizleiter zusammen mit Oxyden verschiedener Stoffe auf den zu beheizenden Körper aufgebrannt sind. Die Verbindung des Heizleiters mit dem Körper kann mit Rücksicht auf die Schmelztemperatur der Metalle auch nicht durch höhere Brenntemperaturen verbessert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und billige Heizeinrichtung zu schaffen, bei welcher der Heizleiter auf dem zu beheizenden, flächigen Körper in einer der maschinellen Fertigung zugänglichen, dauerhaften und betriebssicheren Weise ohne Zuhilfenahme von mechanischen Verbindungs- oder tbem tragungsmitteln unlösbar befestigt ist. Besonderen Wert ist auf niedrige Bearbeitungstemperaturen gelegt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Heizleiter aus einem Gemisch von Kohlenstoff, vorzugsweise in Graphitpulverform und von sauerem keramischen Binder gebildet ist. Für den chemischen Mechanismus der Verbindung des Heizleiters mit dem zu beheizenden, flächigen Körper ist die Azidität des keramischen Binders von Bedeutung. Je nach dem die Azidität kennzeichnenden pH-Wert der saueren Bestandteile des keramischen Binders ist der Heizleiter imstande, den zu beheizenden Körper im Bereich der Schicht oberflächlich derart anzugreifen, daß der zu beheizende, flächige Körper mit dem Heizleiter an der Grenzschicht der beiden Medien in eine innige und unlösbare Verbindung tritt.
Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, anorganische Werkstoffe, wie Glaskeramik, Glas oder Keramik als zu beheizenden, flächigen Körper zu verwenden und diese mit dem Heizleiter zu einem keramischen Verbundkörper zu verbinden, der bei einer Verwendung der Heizeinrichtung, z.B. als elektrische Kochplatte, allen betriebsmäßig auftretenden Belastungen gewachsen ist. Besonders vorteilhaft macht sich dabei bemerkbar, daß die Ausdehnungskoeffizienten dieser anorganischen Werkstoffe und des Heizleiters sehr klein und wenig voneinander verschieden sind. Selbst bei sehr großen Temperaturuntersehieden zwischen dem zu beheizenden Körper und dem Heizleiter ist es bei erfindungsgemäßen Heizeinrichtungen zu keinen bedeutenden Wärme spannungen gekommen. Im übrigen zeichnet sich die erfindungsgemäße Heizeinrichtung durch eine geringe Wärmekapazität aus, die ein schnelles Aufheizen ermöglicht und im Falle einer unterschiedlichen Erwärmung für einen raschen Temperaturausgleich zwischen der Glaskeramik und dem Heizleiter sorgt und somit etwa entstandene Temperaturspannungen abbaut.
Die erforderliche Azidität des Binders richtet sich nach der chemischen Resistenz des als zu beheizenden Körper verwendeten anorganischen Werkstoffs. Als sauere Binder für Keramik sind zunächst Magnesiumsalze MgCl2 und MgSO4 sowie Borsäure bekannt.
Die Schmelzpunkte dieser Salze sind jedoch im Verhältnis zur Temperaturfestigkeit verschiedener anorganischer Werkstoffe, wie z.B. Glas oder anorganisch gebundenem Glimmer unverhältnismäßig niedrig und daher fiir eine wirtschaftliche Verwendung im Rahmen der Erfindung weniger geeignet.
Am geeignetsten für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck haben sich phosphorsaure Salze erwiesen, die in verschiedenen Verbindungen mit pH-Werten von 1 bis 7 und einer entsprechenden Azidität zur Verfügung stehen. Dabei weist die als Phosphorsäure H3 P04 bekannte Wasserstoffverbindung des Phosphors die größte Azidität auf. Von den übrigen Verbindungen des Phosphates sind die folgend in der Reihenfolge abnehmender Azidität genannten besonders gut geeignet: Magnesiumdihydrogenphosphat Mg (H2 po4)2 Monoaluminiumphosphat Al (H2 PO Ammoniumdihydrogenphosphat NH4 H2 P04 Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2 (HPO4), wobei die zuletzt genannte Verbindung ungefähr neutral ist und vor allem für chemisch wenig widerstandsfähige anorganische Werkstoffe geeignet ist. Besonders vorteilhaft laßt sich Monoaluminiumphosphat verwenden, das als urspriinglich wässrige Lösung billig auf dem Markt und in der Handhabung sehr vortei]-haft ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin begründet, daß die saueren Bestandteile des keramischen Binders zwar die anorganischen Werkstoffe des zu beheizenden Körpers angreifen, nicht aber die elektrisch leitenden Kohlenstoff- bzw. Graphitpulverteile des Heizleiters. Diese sind aufgrund ihrer kristallomorphen Eigenschaften gegenüber der Azidität des keramischen Binders geschützt. Bei der Auswahl des keramischen Binders braucht hinsichtlich seines pH-Wertes somit auf die elektrisch leitenden Teile des Heizleiters keine Rücksicht genommen werden. Vielmehr sind diese durch den keramischen Binder umhüllt und verkittet und dadurch vor dem oxydierenden Angriff des Sauerstoffs geschützt. Während die eigentliche Oxydationsbeständigkeit von Graphit nur bis zu Temperaturen von ca.
4500 reicht, läßt sich die Oxydationsbeständigkeit des Graphits bei Verwendung von Phosphaten oder Phosphorsäure als sauere Bestandteile des keramischen Binders wesentlich höher treiben.
Zur Herstellung der elektrischen Heizeinrichtung kann für den zu beheizenden Körper als anorganischer Werkstoff außer der bereits erwähnten Glaskeramik auch jeder andere Werkstoff ähnlicher Natur verwendet sein, so z.B. Glas, Keramik, Quarzgut, anorganisch gebundener Feinglimmer oder keramisch körnige Massen verschiedenster Art, die mechanisch und/oder chemisch zu sogen. keramischen Einbettmassen verfestigt sind. Für die elektrisch leitenden Bestandteile des Heizleiters können außer dem bereits erwähnten Graphitpulver auch samtliche anderen aus Kohlenstoff bestehenden Pulver, wie z.B. Ruß oder dgl., verwendet sein.
Bekanntlich weist Kohlenstoff einen negativen Temperaturkoeffizielen lauf. Um zu vermeiden, daß mit steigender Temperatur des Heizleiters die Beistungsaufnahme der elektrischen Heizeinrichtung zunimmt, kann es vorteilhaft sein, dem Heizleiter Zusatzstaffe mit positivem Temperaturwiderstandskoeffizienten in Pulverform, wie z.B. Nickel, Eisen oder Chromnickeleisen beizumengen. Auf diese Weise ist es möglich, den Widerstandstemperaturkoeffizienten des Heizleiters zu bestimmen, insbesondere auf Null zu halten, was für eine einwandfreie Temperaturregelung der Heizeinrichtung wichtig sein kann.
Nach der Erfindung ergibt sich ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung der elektrischen Heizeinrichtung. Das den Heizleiter darstellende Gemisch von Kohlenstoff und von sauerem keramischen Binder wird gegebenenfalls unter Zusatz eines Lösungsmittels als viskose Masse angesetzt. Als Lösungsmittel ist z.B. Wasser geeignet. Anschließend wird die so entstandenr Masse auf den zu beheizenden, flachigen Körper mittels eines geeigneten Auftragsverfahrens aufgebracht. Der Auftrag ist auf maschinelle Weise, wie z.B. durch Spachteln, Streichen, Spritzen oder durch Gießen möglich. Dabei wird der zur jeweiligen Auftragsart erforderliche Viskositätsgrad der Masse durch eine entsprechende Zugabe des Lösungsmittels bzw. des Graphitpulvers eingestellt. Bei der Auswahl des Viskositätsgrades ist auch zu berücksichtigen, daß der Heizleiter im aufgetragenen Zustand eine gleichmäßige Dicke im Bereich von 0,15 bis 1,5 mm aufweisen soll. Hierbei hat sich bei Anwendung des Gießverfahrens als Auftragsart auch die Thixotropie der Masse als vorteilhaft herausgestellt.
Beim Auftragen der Masse kann es vorteilhaft sein, den zu beheizenden, flächigen Körper auf einer erhöhten Temperatur zu halten; als zweckmäßig hat sich eine Temperatur von etwa 40 bis 80 0C erwiesen. Durch die erhöhte Wärme trocknet bzw. geliert die Masse sofort von dem zu beheizenden Körper her durch, während die Masse in den äußeren Zonen noch viskos ist. Dadurch können die beim Trocknen innerhalb der Masse entstehenden Dampfblasen durch die Masse nach außen entweichen, ohne innerhalb der Masse Poren oder dgl. zu bilden. Anschließend wird nach der die innige Verbindung herstellenden chemischen Renktion der saueren Bestandteile des keramischen Binders mit dem zu beheizenden Körper die Heizeinrichtung weiter getrocknet. Nach einer Erhitzung auf 2500C im Ofen hat sich der Binder unter Abgabe allen Wassers in eine verkittende Glas- bzw.
Mineralphase umgewandelt. Zur vollständigen Stabilisierung des elektrischen Widerstandes des Heizleiters kann es zweckmEirsig-sein, die chemische Umwandlung des Bindermaterials durch Erhöhung der Härte temperaturen bis auf ca. 6000C zu vollenden, zumal bekanntlich bei dieser Härte temperatur die mechanische Festigkeit ihr Maximum erreicht. Günstige Betriebsverhältnisse ergeben sich, wenn die größte betriebsmäßige Temperatur etwa 50 bis. 100 grd unter der Härtetemperatur des Werkstoffes im Herstellungsvorgang liegt.
Hinsichtlich der Temperaturfestigkeit der anorganischen Werkstoffe und des Binders bestehen keine Redenken, die Betriebs-0 temperatur der Heizeinrichtung auf über 800 0 und mehr aus zulegen. Dabei ist jedoch für den Oxydationsschutz der Graphitteile des Heizleiters Sorge zu tragen. Es kann zu diesem Zweck vorteilhaft sein, auf den erhärteten Binder eine Metallschicht z.B. aus Nickel als Abschluß aufzutragen.
Außer der bereits erwähnten Beimengung von Nickelstoffen ist auch dadurch eine Beeinflussung des Temperaturwiderstandskoeffizielen des Heizleiters möglich.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist es, daß während des Herstellungsverfahrens zur Kontaktierung des Heizleiters Litzen oder Drähte in gezwirbelter oder gewendelter Ausführung in wulstartige Verdickungen des noch viskosen Heizleiters eingebettet werden können. Damit ergibt sich eine Lösung des bei bekannten Heizeinrichtungen schwierigen Problems des elektrischen Anschlußes dünner Heizleiterschichten.
Die Figur zeigt im Schnitt an einem Ausfiihrungsbeispiel in schematischer Weise den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung. Der zu beheizende, flächige Körper 1 aus Glaskeramik trägt einen Heizleiter 2 aus Kohlenstoff und sauerem keramischen Binder, der in nicht näher dargestellter Weise elektrisch kontaktiert ist. An der Grenzschicht 3 erfolgt uf Grund der saueren Eigenschaften des Hejzieiters ? die unlösbare Verbindung von Körper 1 und Heizleiter 2 zu einem keramischen Verbundkörper.
Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung eignet sich besonders gut zur Verwendung in temperaturgesteuerten oder -geregelten Wärmegeräten, deren Heizeinrichtung als flächiger Körper ausgebildet sein kann. Bei elektrischen Herden können die Herdplatten, die Kochplatten, aber auch die Back- und Bratrohre mit der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung versehen sein. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich bei elektrischen Toastern, Grillgeräten, Bügeleisen und ähnlichen Geräten. Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Heizeinrichtung aufgrund der billigen unproblematischen Herstellungs- und Betriebsmöglichkeit für alle elektrischen Heizgeräte, wobei die Temperaturfestigkeit des zu beheizenden, flächigen Körpers und des Heizleiters bis zu Temperaturen von 7000C gegeben sein kann.
13 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentansprüche 1. Elektrische Heizeinrichtung mit einem zu beheizenden, flächigen Körper aus anorganischem Werkstoff wie Glaskeramik, Glas. oder Keramik, und mit einem als elektrisch leitende Schicht auf den Körper aufgebrachten Heizleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus einem Gemilch von Kohleastaff, vorzugsweise in Graphitpulverform und von sauerem keramischen Binder gebildet ist.
2. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder phosphorige Bestandteile aufweist.
3. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die phasphorigen Bestandteile des Binder aus Monoaluminiumphosphat Al (H2 PO4)3 bestehen.
4. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Magnesiumdihydrogenphosphat Mg (H2 PO4)2 bestehen.
5. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch As dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Ammoniumdihydrogenphosphat (NH4) H2 PO4 bestehen.
6. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennseichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2 HPO4 gebildet sind.
7. Elektrische Heiseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennseichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Phosphorsäure H3 PO4 bestehen.
8. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch Zusätze von pulversisiertem Nickel, Chromnickel, Eisen o.dgl. enthält.
9. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metalischicht auf den Heizleiter aufgebracht ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Beizeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch des Heizleiters durch Zugabe von Lösungsmitteln als viskose Masse angesetzt und auf den zu beheizenden, flächigen Körper durch Giessen, Spritzen o.dgl., aufgetragen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennseichnet, daß der zur jeweiligen Auftragsart erforderliche Viskositätsgrad des Gemisches durch eine entsprechende Zugabe von Wasser als Lösungsmittel eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1Q oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper bei Aufbringung des Gemisches auf einer Temperatur unter 1000C, vorzugsweise von etwa 40...80°C, gehalten ist.
13. Verfahren nach einem der Anspruche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgetragene Gemisch getrocknet und anschließend bei einer Temperatur von 250° bis 6000C ausgehärtet wird.