DE20219218U1

DE20219218U1 - Beschichteter Heizeinsatz

Info

Publication number: DE20219218U1
Application number: DE20219218U
Authority: DE
Original assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2012-12-13

Description

pOfta Patentanwälte

Dipl. Phys. Ulrich Twelmeier Dr. techn. Woldemar Leitner Dr. phil. not. Rudolf Bauer -1990 Dipl. Ing. Helmut Hubbuch -1991 European Patent Attorneys

EA01E008DEU2/ts02s31/TW-Dr.Mm/ts/09.12.2002 Eichenauer Heizelemente GmbH & Co. KG₁ Georg-Todt-Straße 1-3, D-76870 Kandel

Beschichteter Heizeinsatz Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Heizeinsatz für ein elektrisch beheizbares Gefäß mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ein solcher Heizeinsatz ist beispielsweise aus der EP 0 636 332 B1 bekannt. Solche Heizeinsätze werden in elektrisch beheizbaren Gefäßen zum Erhitzen von Trinkwasser eingesetzt. Insbesondere in Gegenden mit sehr kalkhaltigem Trinkwasser neigen derartige Heizeinsätze dazu, im Laufe der Zeit Kalkablagerungen anzusammeln. Diese Kalkablagerungen müssen immer wieder aufs Neue mühsam entfernt werden, da Kalkablagerungen nicht nur unschön sind, sondern auch die Wärmeankopplung des Heizkörpers an das zu erwärmende Trinkwasser verschlechtern.

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Telefon (07231)39840\ &idiagr;%&idiagr;'&phgr;>&khgr;(&thgr;/23^\3^&bgr;'4^ "\ \.i ' .^: "\ '."'.Sp<tka\se'fyorzheim 803812(BLZ66650085) Es gelten ausschließlich uiferelAilgemahan'Gesoliähbetiiitg^ngen»'·· ·&iacgr;· *··* VAfRegistration No. DE 144 180005

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Das Gefäß, für welches der Heizeinsatz bestimmt ist, kann aber beispielsweise auch zu einer Waschmaschine gehören. Kalkablagerungen stellen auch für Heizeinsätze für Waschmaschinen ein Problem dar, da diese Kalkablagerungen die Wärmeankopplung des Heizkörpers und das zu erwärmende Wasser verschlechtern. Speziell bei Heizeinsätzen für Waschmaschinen tritt das Problem hinzu, dass der Heizeinsatz durch die dem Wasser zugesetzten Waschmittel nicht angegriffen werden darf.

Es besteht daher seit langem das Bedürfnis, Mittel und Wege zu finden, wie das Ansammeln von Kalkablagerungen am Gefäßboden solcher elektrisch beheizbarer Gefäße verhindert oder doch zumindest vermindert werden kann. Bekannt ist es zu diesem Zweck, wie bei dem in der EP 0 636 332 B1 offenbarten Gefäß, den Gefäßboden an seiner Oberseite mit einer Beschichtung aus Polytetrafluorethlyen PTFE zu überziehen. Eine solche Beschichtung bietet zwar in der Tat einen gewissen Schutz vor Kalkablagerungen und erleichtert es einmal gebildete KaI-kablagerungen zu entfernen, hat jedoch den Nachteil, daß eine solche PTFE-Schicht zugleich auch die Wärmeankopplung des Heizkörpers an das zu erwärmende Wasser verschlechtert und beim Erhitzen des Wassers zu einem störend lauten, blubbernden Kochgeräusch führt, welches bei unbeschichteten Heizeinsätzen nicht oder nur wesentlich leiser auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Weg aufzuzeigen, wie ein Heizeinsatz beispielsweise für einen elektrisch beheizbaren Wasserkocher oder eine Waschmaschine zur Verfügung gestellt werden kann, welcher das Ablagern von Kalk erschwert, ein einfaches Entfernen von Kalkablagerungen ermöglicht und zugleich eine gute Wärmeankopplung des Heizkörpers an das zu erwärmende Wasser gewährleistet, sowie beim Erhitzen des Wassers einen geräuscharmen Betrieb gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch einen Heizeinsatz mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Unter einem Nanokomposit wird hier ein Verbundwerkstoff verstanden, welcher nanoskalige Partikel enthält, die in einem Matrix-Werkstoff eingebettet sind, welcher im vorliegenden Fall polykondensierte Silane enthält. Unter nanoskaligen Partikeln sind Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 200 nm, bevorzugt 100 nm, besonders bevorzugt 50 nm und insbesondere 30 nm zu verstehen. Die durchschnittliche Teilchengröße ist dabei gewichtet aus der Häufigkeitsverteilung der eintelnen Teilchengrößen zu bestimmen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Beschichtung aus einem polykondensierte Silane enthaltenden Nanokomposit gebildet ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß eine solche Beschichtung nicht nur zuverlässig auf dem Gefäßboden haftet und eine Anlagerung von Kalk weitgehend verhindert, sondern auch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß die Wärmeankopplung der Heizeinrichtung an das zu erwärmende Wasser allenfalls unwesentlich eingeschränkt ist. Vorteilhaft verringern sich so die Aufheizzeiten gegenüber verkalkten Gefäßböden oder mit bekannten Beschichtungen versehenen Heizeinsätzen. Überraschenderweise unterbleibt bei Verwendung eines Heizeinsatzes mit einer solchen Beschichtung auch die Bildung großer Gasblasen, welche bei PTFE-Beschichtungen ein störend lautes Kochgeräusch beim Erhitzen von Trinkwasser verursachen. Vorteilhaft gewährleistet ein erfindungsgemäßer Heizeinsatz daher einen geräuscharmen Betrieb. Vorteilhafterweise sind derartige Beschichtungen bis zu 500⁰C und darüberhinaus hitzebeständig, so daß auch im Falle eines Trockengehens eine Beschädigung des Heizeinsatzes vermieden ist. Darüberhinaus schützt eine erfindungsgemäße Beschichtung den Gefäßboden vor Korrosion, so daß vorteilhaft auch weniger edle Stähle verwendet werden können, was eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße vorgesehene Beschichtung aus einem

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polykondensierten Silan enthaltenden Nanokomposit eine hervorragende Laugenbeständigkeit aufweist, so daß ein erfindungsgemäßer Heizeinsatz insbesondere zum Einsatz in Waschmaschinen besonders gut geeignet ist. Durch die verwendeten Waschmittel ist nämlich das Wasser in Waschmaschinen stets alkalisch, so daß eine Laugenbeständigkeit für eine lange Lebensdauer des Heizeinsatzes günstig ist. Die Vermeidung von störend lauten Kochgeräuschen macht einen erfindungsgemäßen Heizeinsatz insbesondere auch für Kochgefäße zum Erhitzen von Trinkwasser besonders gut geeignet. Weitere Anwendungen, für welche sich ein erfindungsgemäßer Heizeinsatz gut eignet, sind Geschirrspülmaschinen und Dampfgaröfen.

Die Heizeinrichtung eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes läßt sich beispielsweise als Dickschicht-Widerstandsheizer oder auch als Rohrheizkörper ausführen.

Bei einem Nanokomposit ergänzen sich vorteilhaft die Materialeigenschaften der nanoskaligen Partikel, welche grundsätzlich amorph oder kristallin sein können, mit den Materialeigenschaften der diese Partikel umgebenden Matrix. Vorteilhaft weist eine solche Beschichtung eine erhöhte mechanische und chemische Beständigkeit auf. Bevorzugt enthält die Beschichtung nanoskalige Teilchen in einem Volumenanteil zwischen 10% und 80%, bevorzugt 20% bis 50%. Geringere Mengen nanoskaliger Teilchen können zu einer Versprödung der Beschichtung führen, während größere Mengen zu einer schlechteren Haftung der Schicht führen können.

Wie beispielsweise in der DE 197 14 949 A1 beschrieben ist, läßt sich ein Nanokomposit in einem Sol-Gel-Prozeß aufbringen und enthält nanoskalige Partikel, welche in eine glasartige Matrix eingebettet sind. Der Sol-Gel-Prozeß ermöglicht nicht nur ein einfaches Aufbringen der Beschichtung, beispielsweise durch Aufsprühen eines Beschichtungs-Sols, Bestreichen oder Eintauchen des

Gefäßbodens in ein solches, sondern liefert auch ohne Schwierigkeiten hermetisch abschließende Schichten mit einer Dicke von einigen Mikrometern.

Polykondensierte Silane verbinden sich ausgezeichnet mit nanoskaligen SiO₂-Teilchen und bilden dabei eine glasartige Matrix, so daß sich vorteilhaft eine ausgesprochen widerstandsfähige und kratzfeste Beschichtung ergibt.

Bevorzugt enthält die Beschichtung nanoskalige SiO₂-Teilchen, insbesondere in einer solchen Menge, daß das Verhältnis der Si-Atome in den polykondensierten Silanen zu den Si-Atomen in den SiO₂-Teilchen im Bereich von 5:1 bis 1:2, bevorzugt im Bereich von 4:1 bis 2:1 liegt. Geringere Mengen an nanoskaligen SiO₂-Teilchen führen nur zu einer geringfügigen Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Beschichtung, während zu große Mengen an SiO₂-Teilchen zu einer schlechteren Haftung der Schicht führen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung im wesentlichen fluorfrei ist. Fluorhaltige Beschichtungen polykondensierter Silane weisen eine niedrigere Oberflächenenergie auf und erschweren daher ein Anhaften von Kalkablagerungen wesentlich stärker, als fluorfreie Beschichtungen. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß Heizeinsätze mit einer fluorfreien Beschichtung beim Betrieb eines elektrisch beheizbaren Gefäßes eine wesentlich bessere Wärmeankopplung des Heizkörpers an das zu erwärmende Wasser ergeben. Dies ist um so überraschender, da fluorhaltige und fluorfreie Schichten bei gleicher Schichtdicke den selben Wärmewiderstand aufweisen.

Da auch fluorfreie Beschichtungen über sehr gute kalkabweisende Eigenschaften - wenn auch nicht ganz so hervorragende wie fluorfreie Schichten - aufweisen, wird erfindungsgemäß fluorfreien Schichten wegen der besseren Wärmeankopplung des Heizkörpers an das zu erwärmende Wasser der Vorzug gegeben.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung ein Alkali- oder Erdalkalimetalloxid enthält. Vorteilhaft wird dadurch eine dichtere und damit mechanisch widerstandsfähigere Beschichtung erreicht. Neben dem Vorteil einer höheren Dichte der Beschichtung bewirken Oxide von Alkali- und Erdalkalimetallen auch eine verbesserte Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gefäßbodens, so daß die Haftung der Beschichtung weiter verbessert wird. Besonders bevorzugt ist Natriumoxid.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung im wesentlichen amorph ist. Es hat sich gezeigt, daß Kalkablagerungen auf einer im wesentlichen amorphen Schicht, welche bereichsweise durchaus Kristallitte enthalten mag, bemerkenswert schlecht haften, so daß eine Anlagerung von Kalk weitgehend reduziert ist und sich gegebenenfalls bei sehr kalkhaltigem Wasser trotzdem bildende Kalkablagerungen mühelos entfernen lassen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung eingefärbt ist. Eine farbige Beschichtung ist nicht nur optisch ansprechend, sie hat auch den weiteren Vorteil, daß es bei einer farbigen Beschichtung möglich ist, eine optische Kontrolle, insbesondere durch Augenschein, durchzuführen, ob die Beschichtung gleichmäßig und lückenlos aufgetragen wurde.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Heizeinsatz im Querschnitt, und

Figur 2 einen erfindungsgemäßen Heizeinsatz von unten.

Der in Figur 1 im Querschnitt gezeigte Heizeinsatz 1 für ein elektrisch beheizbares Gefäß weist einen Gefäßboden 2 auf, an dessen Unterseite eine Heizeinrichtung 4 angebracht ist. Um den Wärmefluß von der als Rohrheizkörper ausgeführten Heizeinrichtung 4 auf die Oberseite des Gefäßbodens 2 zu verbessern, ist auf der Unterseite des Gefäßbodens 2 eine Wärmediffusionsplatte 5 angebracht. Die Wärmediffusionsplatte 5 besteht bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, um einen möglichst guten Wärmefluß zu gewährleisten. Die Wärmediffusionsplatte 5 weist ferner domartige Befestigungsmittel 6 zur Befestigung eines nicht gezeigten Temperaturreglers auf, wie in der EP 0 870 455 A2 beschrieben. Figur 2 zeigt den beschriebenen Heizeinsatz 1 mit Blickrichtung von unten auf die Heizeinrichtung 4.

Um eine Ablagerung von beim Erhitzen von Wasser ausfallender Kalkpartikel zu verhindern, weist der Gefäßboden 2 an seiner Oberfläche eine Beschichtung 3 aus einem Nanokomposit auf. Dieses Nanokomposit besteht aus nanoskaligen SiO₂-Teilchen, welche in eine amorphe Matrix aus polykondensierten Silanen eingebettet sind. Eine solche Beschichtung 3 läßt sich, wie beispielsweise in der DE 197 14 949 A1 beschrieben ist, durch Hydrolyse und Polykondensation von Silanen erzeugen und mittels eines Sol-Gel-Prozesses aufbringen. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Tauchen oder Aufsprühen oder Bestreichen erfolgen.

Anschließend wird das Beschichtungs-Sol an der Luft getrocknet und dann bei 350⁰C bis 500⁰C ausgehärtet. Die sich ergebende Beschichtung 3 ist mechanisch und chemisch widerstandsfähig, haftet gut auf Aluminium oder Stahl, welches bevorzugte Materialien für den Gefäßboden sind und bietet einen zuverlässigen Schutz vor Kalkablagerungen. Die nanoskaligen SiO₂-Teilchen machen die Beschichtung flexibler und wirken somit einem Abplatzen entgegen. Außerdem erhöhen die nanoskaligen SiO₂-Teilchen die mechanische und thermische Widerstandsfähigkeit der Beschichtung 3.

Die Beschichtung 3 enthält ferner Natriumoxid, welches den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Beschichtung 3 an jenen von Edelstahl, dem bevorzugten

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Material des Gefäßbodens 2, annähert, so daß einem Abplatzen der Beschichtung 3 aufgrund von thermischen Spannungen vorgebeugt ist.

Die Beschichtung wurde durch Hydrolyse und Polykondensation von fluorfreien Silanen erzeugt und ist daher im wesentlichen fluorfrei. Fluorhaltige Beschichtungen weisen zwar den Vorteil auf, eine stark erhöhte Antihaftwirkung zu besitzen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Heizeinsätze 1 mit einer fluorfreien Beschichtung auf der Basis von polykondensierten Silanen zu einer wesentlich besseren Wärmeankopplung der Heizeinrichtung 4 an das zu erwärmende Wasser führen. Da auch fluorfreie Beschichtungen auf der Basis von polykondensierten Silanen eine gute - wenn auch nicht ganz so hervorragende - Antihaftwirkung gegen Kalkablagerungen aufweisen, wird aufgrund der besseren Wärmeankopplung fluorfreien Beschichtungen 3 der Vorzug gegeben.

Eine gut geeignete Beschichtung läßt sich beispielsweise auf folgendem Wege herstellen: 25 ml Methyltriethoxysilan werden mit 7 ml Tetraethoxysilan und 0,8 g Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid mindestens zwölf Stunden bei Raumtemperatur gerührt, bis sich das gesamte Hydroxid gelöst hat und eine klare gelbe Lösung vorliegt, wobei sich nanoskalige SiO₂-Teilchen in situ bilden. Zur Erhöhung des Gehaltes an nanoskaligen SiO₂-Teilchen lassen sich den Ausgangssubstanzen auch einige Gramm eines Kiesel-Sols (z.B. Bayer-Kiesel-Sol Typ 300) zusetzen. Anschließend werden 3,2 ml Wasser bei Raumtemperatur langsam zugetropft, wobei sich die Lösung erwärmt. Nach Beendigung der Wasserzugabe wird die klare gelbe Lösung bei Raumtemperatur gerührt, bis sie wieder abgekühlt ist, und anschließend über einen Filter mit einer Porengröße von 0,8 &mgr;&eegr;&eegr; filtriert. Zum besseren Aufbringen der Lösung kann dieses Grundmaterial mit einem Lösungsmittel (z.B. Isopropanol), vorzugsweise mit einem höhersiedenden Lösungsmittel, und Benetzungshilfsmitteln ergänzt werden. Dieses Natrium bzw. Kaliumsilikatbeschichtungs-Sol wird anschließend auf die Oberseite des Gefäßbodens aufgesprüht, getrocknet und bei mindestens 350⁰C bis 500⁰C unter Stickstoff oder Luftatmosphäre ausgehärtet und verdichtet. Anstelle des Methyltriethoxysilan lassen

sich bevorzugt insbesondere auch Methytrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan oder Methyltrimethoxysilan verwenden. Anstelle von Tetraethoxysilan ist auch Tetramethoxysilan gut geeignet.

Um eine farbige Beschichtung zu erhalten, können dem Beschichtungs-Sol temperaturbeständige Farbstoffe, beispielsweise Azofarbstoffe wie Methylorange, Alizaringelb oder Kongorot oder auch Dispersionsfarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe oder färbende Metallsalze zugefügt werden.

Claims

1. Heizeinsatz für ein elektrisch beheizbares Gefäß mit einem Gefäßboden (2), an dessen Unterseite eine Heizeinrichtung (4) angebracht ist und dessen Oberseite mit einer Beschichtung (3) überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) aus einem polykondensierte Silane enthaltenden Nanokomposit gebildet ist.

2. Heizeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) im wesentlichen fluorfrei ist.

3. Heizeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) nanoskalige Teilchen in einem Volumenanteil von 10% bis 80%, bevorzugt 20% bis 50% enthält.

4. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) nanoskalige SiO₂-Teilchen enthält.

5. Heizeinsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) nanoskalige SiO₂-Teilchen in einer solchen Menge enthält, daß das Verhältnis der Si-Atome in den polykondensierten Silanen zu den Si-Atomen in den SiO₂-Teilchen im Bereich von 5 : 1 bis 1 : 2, bevorzugt im Bereich von 4 : 1 bis 2 : 1 liegt.

6. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) ein Alkali- oder Erdalkalimetalloxid enthält.

7. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) Natriumoxid enthält.

8. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) im wesentlichen amorph ist.

9. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) durch Hydrolyse und Polykondensation von Ethoxy- und/oder Methoxysilanen gebildet ist.

10. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) durch Hydrolyse und Polykondensation eines oder mehrere Silane, welche einen Methyl-, Ethyl- oder Phenylrest aufweisen, gebildet ist.

11. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) durch Hydrolyse und Polykondensation mindestens eines der folgenden Silane, Methyltrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, Methyltriethoxysilan oder Ethyltrimethoxysilan in Kombination mit mindestens einem der folgenden Silane Tetramethoxysilan oder Tetraethoxysilan gebildet ist.

12. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) eingefärbt ist.

13. Heizeinsatz nach einem der vortsehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse von nicht mehr als 200 nm, bevorzugt nicht mehr als 100 nm, besonders bevorzugt nicht mehr als 50 nm und insbesondere nicht mehr als 30 nm enthält.