DE2000987B2

DE2000987B2 - Elektrische heizeinrichtung

Info

Publication number: DE2000987B2
Application number: DE19702000987
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing 8220 Traunstein Gerds
Original assignee: Siemens Electrogerate GmbH, 1000 Berlin u 8000 München
Priority date: 1970-01-10
Filing date: 1970-01-10
Publication date: 1973-05-03
Also published as: DE2000987A1; DE2000987C3

Description

Du- Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizeinrichtung mit einem zu beheizenden, flächigen Körper aus anorganischem Werkstoff, wie Glaskeramik, Glas oder Keramik, und mit einem darauf angebrachten Heizleiter in Form einer elektrisch leitenden. Kohlenstoff enthaltenden Schicht.
Bei einer derartigen, in der deutschen Auslegeschrift 1 127 511 beschriebenen Heizeinrichtung liegt der Heizleiter in Form von mehreren, im Abstand voneinander angeordneten flächigen Elementen aus kolloidalem Graphit zwischen zwei Grundschichten aus

ίο Glasfasergewebe, die mit Silikonharz getränkt sind; die beiden Grundschichten sind dann miteinander verpre''t, wobei ein wärmehärtbares Silikonharz als Bindemittel dient. Durch die Eigenschaften solcher Harze ist jedoch die Anwendung einer derartigen Heizeinrichtung auf Temperaturen bis höchstens 350'C beschränkt.

Auch bei anderen Heizeinriciitungen, bei denen ein beispielsweise aus Metall gefertigter Heizleiter auf den zu beheizenden Körper aufgeklebt ist, sind die Ver-Wendungsmöglichkeiten durch die obere Grenze der Temperaturfestigkeit gebräuchlicher Klebstoffe, die unier 200'C liegt, begrenzt. Die Anwendung dieser Tccnnik ist daher auf HHzeinrichtungen ruit niedriger Arbeitstemperatur und entsprechend geringer Oberflächenbelastung des Heizleiters beschränkt. Auch ist in der Regel der Wärmeübergang vom Heizleiter auf den zu beheizenden Körper durch den Klebstoff behindert.

Man ist deshalb schon dazu übei gegangen, den Heizleiter gegen einen aus Glaskeramik bestehenden flächigen Körper mittels einer Druckvorrichtung anzupressen. Die Druckvorrichtung erfaßt den Heizleiter mit einem elastisch zusammenpreßbaren I-- ~liermaterial aus Glaswolle od. dgl. Diese Aufbauform ist aufwendig und von beträchtlichem läumlichen Volumen. Außerdem hat es sich gezeigt, daß die Glaswolle nach längerer Betriebszeit in sich zusammensackt, so daß ein einwandfreier Sitz des Heizleiters auf der Glaskeramik nicht mehr gewährleistet ist. Dadurch kann es infolge des unterbrochenen Wärmeüberganges zur örtlichen Überhitzung c';s Heizleiiers 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 besondere 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 bel"izenden, flächigen Körper überführt. Anschließend wird nach Art eines Abziehbildes die Unterlage abgezogen und der Heizleiter mit dem zu beheizenden Körper bei 730' C durch Brennen odor Aufschmelzen verbunden. Dieses Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Heizleiter und zu beheizendem Körper ist umständlich und erfordert verhältnismäßig hohe Verarbeitungstemperaturen, bis eine Verbindung

des Körpers mii 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 bekanntgeworden, bei denen als Heizleiter dünne metallische Schichten aufgedampft oder -gesprüht sind. £s hat sich gezeigt, daß es auf Grund der unterschiedlichen Aus-

tlehnungskoeffizienten des metallischen Heizleiters und tjcni anorganischen Körper zu Wärmespannungen zwischen dem Heizleiter und dem Korper kommt. Piese Spannungen können schon nach kurzer Betriebszeil der Heizeinrichtung zu Rissen führen, die örtliche l" berhitzungen und Unterbrechungen des Heizleiters /ur Folge habe·-».

Ahnliche nacliteilige Frscheinungen sind auch bei lei/einrichtungcn aufgetreten, bei denen pulverförnischer Werkstoffe, wie z. B. GIa. oder an°rgam*.h gebundenem Glimmer, unverhältnismäßig n.cdri_fc u»ü daher für eine wirtschaftliche Verwendung im Rahmen der Erfindung weniger geeignet.

An₁ ,eeienetsten für den VerwendungszweckhM sich phosphorsaure Salze erwiesen. d,e p£ Verbindungen mit pH-Werten von 1 bis , und ei ur entsprechenden Azidität zur Verfugung ste! u, Dabei weist die als Phosphorsäure H₃ PC), bekannte Ys asser

| ^.,/einrichtungen aufgetreten, bei denen pulverför weist d p

_mi_Be Metalle als Heizleiter zusammen mit Oxyden ,o stoffver b.ncung desPhos^

V d b Ve ^

Von den übrigen Ve
die folgend in der Re.hc
genannten besonders gut geeitna.

'5

\e,schiedener 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 ürennterr.peraturen verbessert werden.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und billige Heizeinrichtung /u schaffen, bei v.elcher der Heizleiter auf dem zu beheizenden, flächigen Körper in einer der maschinelle'' Fertigung

zugänglichen, dauerhaften und betriebssicheren Weise 20 wobei die zuletzt genannte Ve
ohne Zuhilfenahme von mechanischen Verbindungs- ist und vor allem für eher
!-JlT Übertragungsmittel!! unlösbar befestigt ist. Besonderen Wert ist auf niedrige Bearbeitungstemperaluren gelegt.

i.rfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Heizleiter aus einem Gemisch vcn Kohlenstoff, vorzugsweise in Graphitpulverform und von saurem keramischen Binder gebildet ist. Für den

chemischen Mechanismus der Verbindung des Heiz-

leilers mit dem zu beheizenden, flächigen Körper ist 30 des zu beheizenden Körpers

die Azidität des keramischen Binden, von Bedeutung. elektrisch leitenden

Je nachdem die Azidität kennzeichnenden pH-Wert

tier sauren Bestandteile des keramischen Binders ist der Heizleiter imstande, den zu beheizenden Körper

im Bereich der Schicht oberflächlich derart anzugreifen, 35 des

daß der zu beheizende, flächige Körper mit dem Fleiz- pH

leiter 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 40 renden Keramik als zu beheizenden, flächigen Körper zu eigentliche verwenden und diese mit dem Heizleiter zu einem keramischen Verbundkörper zu verbinden, der bei einer Verwendung der Flcizeinrichturg, z. B. als

üb - _i

_Ma„_ncsiumdihydrogcnphosphat Mg Monoalumin.umphosphat Al (H₂ Arnmoniumdihydrogenphospnai . Diammoniumhydrogenphc. phat (NH₁)., ( ι·

nüefahr neutral

Besondersphal verbilliii

₅ ^^^ auf dem Markt und in der Handhabung sehr vorteil-

haft ibt. Vorteil der Erfindung ist darin

Em wesen jha Vo u^ ^,^ _kerabegründe daß saΛΠ.η B., Werkstoffe

mischen Bintos ^r '™£. nicht aber die

_Graphitpuivc,-

^ ^D"_{f Grl},_nj _{ihrer kr}i-

teile des I-le.z eitci D esc sind ai ^^^^^

sUuMomorph , E.gcnjl aft^^ ^. ^ ^^^,

de ^f^he» Bi nt^ hinsichtlich semes

B.ndc^ ^.^^^ _Teüe

t Rücksicht eenommcn zu werden. J f te Ruck, ^ ^^^ _Binder

^v^- ■ _verkitlet und dadurch vor dem o.xydie-

umhüllt und verkittet uno _Während die

^es Sauc^o s ^ ^ ^

eigenth^ ^ π esun ^ _q ^ ^ ^

b ^{s 7}"^u !_d ^e^^rJ_{cstän(liekcit des} Graphits bei Verwendie Oxydatlonsbcst „^ ^^ _{als saure}

dung von P _kischcn Binders

_{als saure} wesentlich

g Hc.zeinr.chturg ... B als dug P _keramischcn
elektrische Kochplatte., allen betriebsmäßig auftre- 45 Bestandteile cies

tendon Belastungen gewachsen ist. Besonders vorteil- ^h 7^.^l Hersteilung der elektrischen Heizeinrichtung

haft macht sich dabei bemerkbar, daß die Ausden- ^\_Q^™g_heizenden Körper als anorganischer

nungskoeffizienten dieser anorganischen Werksto te Unn iur den zu Dt ne ,_hmcn Glaskeramik

und des Hcizleitcrs sehr klein und wenig voneinander ^Vl;^rkst°''

h ß Ttr _heizenden Körper als anorganisch t ne _erw,_lhmcn Glaskeramik

nungskoeffizienten dieser anorganischen Werksto te _erw,_lhmcn Glaskeramik

und des Hcizleitcrs sehr klein und wenig voneinander ^Vl;^rkst°'' ^³" _Werkstoff ähnlicher Natur verwendet verschieden sind. Selbst bei sehr großen Temperatur- 50 ^au.^chJ^edL;^aJ^de™„V Keramik Quarzeut. anorganisch unterschieden zwischen dem zu beheizenden Körper sem ^{s0 z} _c ^B" ^|;^_{βΓ odc}T keramisch körnige und dem Heizleiter ist es bei erfmdungsgemaßen gebundkn Femg 1,1 _mcchanisch und/oder

hit

en zwischen dem zu be p

und dem Heizleiter ist es bei erfmdungsgemaßen

Heizeinrichtungen zu keinen bedeutenden Warme- ^ i _hcn

spannungen gekommen. Im übrigen zeichnet sich die hem ,1 "» _{elekldsch leilcndcn} ßestand-

crfindungsgcmäße Heizeinrichtung durch eine gering 55 c fest, t^nd _dcm ^^ _cnvahn.

i di hnelles Aulhe.zen

_c ^|;^_{βΓ odc}T kera

gebundkn Femg 1,1 _mcchanisch und/oder

ve. schienst - _{hcn EinbeirmaS}sen

"» _id ßtand

crfindungsgcmäße Heizeinrichtug g

Wärmekapazität aus. die ein schnelles Aulhe.zen ermöglicht und im Falle einer unterschiedlichen Erwärmung für einen raschen Temperaturausgleich zwischen der Glaskeramik und dem Heizleiter sorgt und somit etwa entstandene Temperaturspannungen ^Erforderliche Azidität des Binders richtet sich nach der chemischen Resistenz des als zu beheizenden Körper verwendeter anorganischen Werkstoff,. Als saure Binder für Keramik sind zunächst Magneaumsalze MgCl₂ und MgSO₄ sowie Borsaure bekannt. Die Schmelzpunkte dieser Salze sind jedoch im \erhältnis zur Temperaturfestigkeit verschiedener anorga- ^ _dcm ^^ _cnvahn. eile_^dcs "^

ten Grapl!. P^ul^ ^a _wic _z _B. _{RuB o}d. dgl.,

stoff btstcnenücn ,

^vcr^^cndet f l"' _i Kohlenstoff einen negativen _auf. _{Um Z}u vermeiden, daß

'„■}" _oositivem Temperaturwiderstandskoeffi-

zie,itcn η Iu er _{u Auf diese Wcise ist es}

Chrommcke eiser,D J^_peraturkoeffizicntcn des

mogl.cn den w.aersiai _v

Heizleiters zu bestimmen, insbesondere auf Null zu halten, was für eine einwandfreie Temperaturregelung der Heizeinrichtung wichtig sein kann.

Es ergibt sich ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung der elektrischen Heizeinrichtung. Das den Heizleiter darstellende Gemisch von Kohlenstoff und von saurem keramischen Binder wird gegebenenfalls unter Zusatz eines Lösungsmittels als viskose Masse angesetzt. Als Lösungsmittel ist z. B. Wasser geeignet. Anschließend wird die so entstandene Masse auf den zu beheizenden, flächigen 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 Thixotropic 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 8ö' C 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 od. dgl. zu bilden. Anschließend wird nach der die innige Verbindung herstellenden chemischen Reaktion der sauren 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 zweckmäßig sein, die chemische Umwandlung des Bindermaterials durch Erhöhung der Härtetemperaturen bis auf etwa 600^? C zu vollenden, zumal bekanntlich bei dieser Härtetemperatur die mechanische Festigkeit ihr Maximum erreicht. Günstige Betriebsverhältnisse ergeben sich, wenn die größte betriebsmäßige Temperatur etwa 50 bis 100" C unter der Härtetemperatur des Werkstoffes im Herstellungsvorgang liegt.

Hinsichtlich der Temperaturfestigkeit der anorganischen Werkstoffe und des Binders bestehen keine Bedenken, die Betriebstemperatur der Heizeinrichtung auf über 800 C und mehr auszulegen. 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

ίο Metallschicht z. B. aus Nickel als Abschluß aufzutragen. Außer der bereits erwähnten Beimengung von Nickclstoffen ist auch dadurch eine Beeinflussung des Temperaturwiderstandskoeffizienten des Heizleitcrs möglich.

Ein besonderer Vorteil der Heizeinrichtung ist es, daß während des Herstellungsverfahrens zur Kontaktierung des Heizleiters Litzen oder Drähte in gezwirbelter oder gewendclter 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 HHzIeiterschichten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Der zu beheizende, flächige Körper 1 aus Glaskeramik trägt einen Heizleiter 2 aus Kohlenstoff und saurem keramischen Binder, der in nicht näher dargestellter Weise elektrisch kontaktiert ist. An der Grenzschicht 3 erfolgt auf Grund der sauren Eigenschaften des Heizleiters 2 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 K Jzeinrichtung auf Grund 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 700"C gegeben sein kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Heizeinrichtung mit einem zu beheizenden, flächigen '.Körper aus anorganischem Werkstoff, wie Glaskeramik, Glas oder Keramik, und mit einem darauf angebrachten Heizleiter in Form einer elektrisch leitenden, Kohlenstoff enthaltenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus 'lern Gemisch von Kohlenstoff, vorzugsweise in Graphitpulverform und von saurem 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 phosphorigen Bestandteile des Benders aus Monoaluminiumphosphat Al (H₂ PO,)_? bestehen.

4. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Magnesiumdihydrogenphosphat Mg (H₂ PO₁I₂ bestehen.

5. Elektrische Heizeinrichtung nacn Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Ammoniumdihydrogenphosphat (NH₁) H₂ PO₁ bestehen.

6. Elektrische Hei einrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Diammoniumhydrogenphosphat (NHV)₂ HPO₁ gebildet snd.

7. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorigen Bestandteile des Binders aus Phosphorsäure H_:! PO₁ bestehen.

8. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch Zusätze von pulverisiertem Nickel, Chromnickel. Eisen od. dgl. enthält.

9. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschicht auf den Heizleiter aufgebracht ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizeinrichtung 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 od. dgl., aufgetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zur jeweiligen Auftragsart erforderliche Viskositätsgrad des Gemisches durch eine entsprechende Zugabe von Wasser als Lösungsmittel eingestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder II, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper bei Aufbringung des Gemisches auf einer Temperatur unter 100 C, vorzugsweise von etwa 40 bis SO C, gehalten ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgetragene Gemisch getrocknet und anschließend bei einer Temperatur von 250 bis 600³C ausgehärtet wird.