-
Gegenstand der Erfindung
-
Glaskeramische
Materialen sind Produkte, die in den letzten Jahrzehnten viele Entwicklungen durchlaufen
haben, insbesondere im Haushalts- und Industriebereich als Heiz-
oder Kochplatten.
-
Diese
Erfindung betrifft eine solche Platte aus glaskeramischem Material,
die elektrische Heizwiderstände
umfasst, die mit dem glaskeramischen Material eine Einheit bilden.
-
Diese
Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für eine solche
Heizplatte aus glaskeramischem Material.
-
Technologischer Hintergrund,
der der Erfindung zugrunde liegt
-
Die
Verwendung von Heizplatten und/oder -vorrichtungen aus glaskeramischem
Material wurde bereits vielfach vorgeschlagen.
-
Ein
glaskeramisches Material ist ein keramisches Produkt, das mit Techniken
zur Glasherstellung hergestellt wird und aus Mikrokristallen, die
in einer Glasphase verteilt sind, besteht. Dieses Material eignet
sich gut für
Anwendungen wie Heiz- und Kochplatten zum Kochen.
-
Die
Schwierigkeit besteht jedoch darin, dass diese Platten mit Heizelementen
in Form von elektrischen Widerständen
ausgestattet sein müssen,
die schwer auf oder in die besagten Platten integriert oder eingebaut
werden können.
-
In
der Druckschrift US-A-4 960 978 wird eine elektrische Kochvorrichtung
beschrieben, die aus einer Tragplatte besteht, die eine Stahl-,
Glas-, Keramikfolie oder ein glaskeramisches Produkt sein kann, auf
deren Unterseite eine dicke Schicht, die als elektrischer Widerstand
dient, aufgebracht wird.
-
Die
Schwierigkeit bei dieser Gestaltungsform liegt darin, dass es angesichts
der geringen thermischen Dehnfähigkeit
des glaskeramischen Materials einerseits und der elektrischen Widerstände andererseits
sehr schwierig ist, einen guten Kontakt zwischen diesen beiden Elementen
herzustellen, was zu zahlreichen Nachteilen führt, die insbesondere die unterschiedliche
Wärmeleitfähigkeit
der einzelnen Elemente betrifft.
-
Eine
bis etwa 200°C
verwendbare Heizvorrichtung wird in der Druckschrift EP-A-0 725
557 beschrieben; sie weist eine Keramikschicht auf, die ein Substrat
bedeckt, in das leitende Bänder,
thermische Bänder
und Widerstandsbänder
durch ein Siebdruckverfahren integriert werden. Diese Bänder werden durch
eine Schutzschicht bedeckt.
-
Die
Keramikschicht wird laut der Beschreibung entweder durch ein Spritzverfahren
oder durch ein Tauchverfahren auf das Stahlsubstrat aufgebracht.
-
Ein
solches Material weist nicht die wohlbekannten Vorteile von glaskeramischen
Materialien auf, nämlich
ihren schwachen Dehnungskoeffizienten, ihre ausgezeichnete mechanische
Festigkeit und die einfache Wartung, die ihre Verwendung zum Kochen,
insbesondere als Heizplatten, ermöglichen.
-
Es
ist festzustellen, dass bei der Betriebsweise dieser verschiedenen
Geräte
meistens das Erhitzen durch Strahlung verwendet wird.
-
Die
Druckschrift EP-A-501 010 beschreibt eine Heizplatte, die ein glaskeramisches
Trägerelement
und eine elektrisch leitfähige,
durchgehende Heizschicht aus Email auf der Basis von Molybdänborid umfasst.
-
Bei
dieser Herstellungsform ist es erforderlich, eine elektrisch isolierende
Schicht zwischen der Glaskeramikplatte und der Heizschicht aufzubringen, um
zu verhindern, dass der elektrische Strom durch die Glaskeramikplatte
geleitet wird.
-
Dies
ist aufgrund der hohen Betriebstemperaturen, die 800°C bei einer
Verlustleistung von 13 W/cm2 für diesen
Plattentyp erreichen können,
unbedingt erforderlich.
-
Außerdem liegt
die Heizschicht als Film vor, der durchgehend über die ganze Fläche der
Heizplatte verteilt wird und daher nicht die Rolle eines elektrischen
Stromkreises spielen kann.
-
Das
Aufbringen dieser Schichten erfolgt durch ein Siebdruckverfahren
und die Schichten werden durch eine Schutzschicht bedeckt.
-
Ziele der Erfindung
-
Diese
Erfindung hat im Wesentlichen die Aufgabe, eine Lösung für die Nachteile
der Lösungen nach
dem Stand der Technik anzubieten.
-
Insbesondere
sollen eine Reihe von elektrischen Komponenten, die bisher als unerlässlich für die traditionelle
Herstellung dieses Plattentyps erachtet werden, eingespart werden.
-
Die
Vorteile, die diese Erfindung bieten will, sind Betriebssicherheit
sowie wirtschaftliche und ästhetische
Vorteile.
-
Insbesondere
hat die Erfindung die Aufgabe, eine gute Stoßfestigkeit der Platten und
eine hohe Lebensdauer der Platten zu gewährleisten und genügend schnell
ausreichend hohe Temperaturen zu erreichen, um die Anforderungen
der Anwender zu befriedigen.
-
Natürlich müssen auch
weitere Kriterien ästhetischer
Natur erfüllt
werden, damit dieser Produkttyp wenigstens dem Aussehen nach und
im Hinblick auf die Bedienerfreundlichkeit den bereits auf dem Markt
befindlichen Produkten wie glaskeramischen Kochplatten mit Erwärmung durch
Halogen, Quarz etc. entsprechen.
-
Charakteristische Elemente
der Erfindung
-
Es
hat sich gezeigt, dass die größte Schwierigkeit
bei der Herstellung einer Heizplatte, und insbesondere einer Kochplatte
auf der Grundlage eines glaskeramischen Materials einerseits in
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung dieses Materials und
der der üblicherweise
verwendeten elektrischen Widerstände
beruht, und andererseits in der technisch komplexen Herstellung
der elektrischen Bauteile.
-
Es
muss in der Tat angemerkt werden, dass es nützlich wäre, wenn mit dem Einbau der
elektrischen Widerstände
gleichzeitig andere elektrische Komponenten, wie zum Beispiel elektromagnetische Sensoren,
die die Anwesenheit von Kochzubehör wie Töpfen oder Pfannen auf einer
bestimmten Stelle der Platte feststellen, oder Temperatursonden,
sowie natürlich
die notwendigen Anschlussvorrichtungen montiert werden könnten.
-
Die
Erfindung betrifft im Wesentlichen eine Heizplatte, insbesondere
eine Kochplatte aus Glaskeramikmaterial, dessen eine Seite, die
der Seite, die das Kochzubehör
wie Töpfe
oder Pfannen aufnimmt, gegenüberliegt,
mit einem Stromkreis versehen ist, der aus einem anhaftenden Email
besteht, das mindestens eine elektrisch leitfähige Substanz enthält.
-
Durch
die Verwendung eines Stromkreises kann ein spezifischer Heizbereich
erzeugt werden. Dies ermöglicht
es auch, die Leistung auf Werte in Höhe von 4–5 W/cm2 mit
Betriebstemperaturen von rund 400°C
zu begrenzen.
-
Das
Email, das den Stromkreis bildet, wird aus einer Mischung hergestellt,
die ein Frittenmaterial umfasst, das auf der Basis eines Borosilikat-Systems
hergestellt ist, eventuell mit der gleichzeitigen Verwendung eines
Palladiumpulvers, das eine Oxidation durchläuft und dadurch zu einem aktiven
Element wird, und die elektrisch leitfähige Substanz, die vorzugsweise
fein verteiltes metallisches Silber ist.
-
Die
Verwendung einer Frittenmasse für
die Emailherstellung ist an sich wohlbekannt und wird perfekt beherrscht.
-
Diese
Masse kann auch Pigmentstoffe enthalten.
-
Man
hat beobachtet, dass bei vorhandenen Pigmenten in der Fritte, bei
Werten von unter anderem rund 10%, das glaskeramische Material deutlich brüchiger wird.
Man hat die überraschende
Beobachtung gemacht, dass die Brüchigkeit
des Glases bei derselben Fritte verschwindet, wenn eine elektrisch leitfähige Substanz
wie Silber in einem Mischungsverhältnis von über 50% und vorzugsweise über 70% zugefügt wird.
-
Die
Vermischung von metallischem Silber mit der Fritte führt zu keinen
besonderen Schwierigkeiten, vor allem wenn man zur Anwendung auf
eine Beschichtungstechnik durch Siebdruck zurückgreift.
-
Es
hat sich gezeigt, dass für
die Beschichtung mit den Bestandteilen des Frittenmaterials vorzugsweise
eine Zusammensetzung in Form einer Paste von geeigneter Viskosität zu verwenden
ist.
-
Die
Viskosität
wird im Allgemeinen durch einen Lösemittel-„Carrier" erreicht, wobei die Trocken- und Brennzeiten
natürlich
mit einer Herstellungsanlage kompatibel sein müssen und die Erhaltung guter Eigenschaften,
insbesondere elektrischer Eigenschaften, aber auch Hafteigenschaften
auf dem glaskeramischen Träger
gewährleistet
sein muss.
-
Die
glaskeramischen (auch pyrokeramisch genannten) Materialien sind
vorzugsweise solche, die aus Quaternär-Glas SiO2/Al2O3/Li2O/MgO
mit eingeimpftem TiO2 hergestellt werden.
Sie bestehen im Wesentlichen aus β-Spodumen-Li2OAl2O34SiO2-Kristallen als Hauptphase und etwas β-Eukryptit-Li2Al2O32SiO2-Cordierit und Rutil. Der niedrige Dehnungskoeffizient
des β-Spodumens
in der Größenordnung
von –10
bis +20 × 10–7 verleiht
ihnen eine ausgezeichnete Wärmeschockfestigkeit.
-
Das
Glaskeramikmaterial ist vorzugsweise durchsichtig, kann aber in
bestimmten Fällen
mehr oder weniger stark in der Masse gefärbt sein.
-
Gemäß einer
ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der leitende Stromkreis,
der durch das anhaftende Email gebildet wird, direkt auf das glaskeramische
Material aufgebracht, das einem Brennvorgang unterzogen wird. Die
gesamte Einheit wird dann auf der Seite, die der Seite gegenüberliegt, die
das Kochzubehör
aufnimmt, mit einer hitzefesten Lackschicht überzogen, die vorzugsweise
Temperaturen über
650°C standhält.
-
Gemäß einer
anderen besonders bevorzugten Ausgestaltung, die von den Anwendern
bevorzugt zu werden scheint, wird ein Dekor in Form einer normalerweise
schwarz gefärbten
Glasur verwendet, der als nicht leitendes Email bezeichnet wird.
Es ist möglich,
eine solche Dekorationsglasur herzustellen, die zwischen das Glaskeramikmaterial
und das Email, das als elektrischer Widerstand dient, eingebracht
wird, wenn eine Glasur mit einem geeigneten Dehnungskoeffizienten,
vorzugsweise ohne Blei, verwendet wird.
-
Vorzugsweise
wird man es vermeiden, zur Herstellung der schwarzen Färbung der
Glasur- oder Emailschicht Zusätze
wie Chrom zu verwenden. Chrom führt
in der Glasur oder in der leitenden Schicht bei hohen Temperaturen
nämlich
stellenweise zu einer Erhöhung
des Widerstandes.
-
Diese
Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für Heizplatten
und insbesondere Kochplatten aus Glaskeramikmaterial wie vorstehend
beschrieben.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Emailbeschichtung
durch ein Siebdruckverfahren, das die Herstellung eines Musters
auf der Platte ermöglicht.
Diese Technik kann auf besonders vorteilhafte Weise eingesetzt werden,
um zum Beispiel „Muster" herzustellen, deren
Zweck nicht rein ästhetischer
Natur ist, sondern auch funktionaler Natur, wie im Weiteren erklärt wird.
-
Im
Prinzip ermöglicht
das Siebdruckverfahren das Aufdrucken von Kreisen oder Bahnen, die hauptsächlich als
elektrischer Widerstand zum Erhitzen dienen. Es ermöglicht es
auch, das Vorhandensein von insbesondere metallischen Elementen, vor
allem Kochzubehör,
auf der Platte durch kapazitive oder induktive Techniken festzustellen.
-
In
Kombination mit den beiden vorhergehenden Möglichkeiten ist es auch möglich, einen
Stromkreis vorzusehen, der als Temperaturfühler auf der Platte dient.
-
Die
Platte kann in Sektoren aufgeteilt sein, die einzeln gesteuert werden,
wobei all diese Möglichkeiten
vorzugsweise durch Anwendung der Siebdrucktechnik verwirklicht werden
können;
deren Flexibilität
und Präzision
beim Druck von dekorativen oder funktionalen Elementen ist gut bekannt.
-
Die
Beschichtungstechnik in Form einer Emailbeschichtung, insbesondere
mit Hilfe von Siebdruckvorrichtungen, ermöglicht es, eine gute Haftung zu
erreichen; außerdem
können
durch diese Technik die größten Probleme
nach dem Stand der Technik in Zusammenhang mit den unterschiedlichen
Dehnungskoeffizienten des glaskeramischen Materials und des Widerstands
vermieden werden.
-
Auf
vorteilhafte Weise können
im Siebdruckverfahren einfach dünne
Schichten oder fortlaufende Bänder
hergestellt werden, deren derzeitige optimale Dicke in der Größenordnung
von 100 μ liegt.
-
Es
muss angemerkt werden, dass bereits viele Verfahren für den Pulversiebdruck
vorgeschlagen wurden und dass diese auch im Rahmen der Erfindung
angewandt werden können.
-
Selbstverständlichen
können
auch andere Einbautechniken als Siebdrucktechniken im Rahmen der
Erfindung zum Einsatz kommen, falls diese sich als vorteilhaft erweisen.
-
Um
die Emaillierung oder Verglasung des Pulvers, das aus der Mischung
des Frittenmaterials mit der elektrisch leitfähigen Substanz hergestellt wurde,
zu erreichen, wird anschließend
ein Brennvorgang bei Temperaturen über 800°C durchgeführt; bei bleifreien Materialien
können
die Temperaturen sogar mehr als 900°C betragen.
-
Wie
zuvor angegeben wurde, können
durch das Siebdruckverfahren zahlreiche dekorative, aber auch nützliche
Effekte erzielt werden.
-
So
ist es möglich,
zusätzlich
zur Emailbeschichtung, die als Heizwiderstand dient, eine Beschichtung
mit induktiver oder kapazitiver Wirkung vorzusehen, die die Messung
der Anwesenheit eines Objektes, vor allem eines metallischen Objektes
auf der Platte; zum Beispiel die Anwesenheit eines Kochzubehörs, ermöglicht.
-
Es
ist ebenfalls möglich,
im Siebdruckverfahren zum Beispiel eine höhere Konzentration von Widerstandselementen
pro Zone auf die Platte aufzubringen. Diese Konzentrationsänderung
kann auf der Platte sichtbar gemacht werden und zeigt dem Benutzer,
dass eine Zone der Platte besser für einen Kochvorgang geeignet
ist und dass eine andere Zone zum Warmhalten verwendet werden kann.
-
Zahlreiche
andere Varianten können
einfach in Betracht gezogen werden.
-
Ebenfalls
durch ein Siebdruckverfahren ist es möglich, stellenweise thermische
Sonden in die Kochplatte zu integrieren, die mit einer zusätzlichen Elektronikschaltung
die effiziente Steuerung der lokalen Heizleistungen ermöglichen,
zum Beispiel durch die Messung der Widerstandsänderung in Abhängigkeit
von der Temperatur im Heizkreis oder vorzugsweise in einem getrennten
zusätzlichen
Stromkreis.
-
Die
Platte wird in vorteilhafter Weise in eine bestimmte Anzahl von
Sektoren aufgeteilt, von denen jeder mit elektromagnetischen Sensoren,
wie zuvor beschrieben, und mit individuellen Sonden versehen ist.
Dies ermöglicht
es dem Benutzer zum Beispiel, einen Topf auf eine beliebige Stelle
der Kochplatte zu stellen, wobei dann nur der von der Anwesenheit
dieses Objekts betroffene Sektor entdeckt und individuell beheizt
wird.
-
Sämtliche
elektronische oder andere Steuervorrichtungen sowie Sensorregelvorrichtungen
können
verwendet werden.
-
Es
ist ein besonderer Vorteil, dass die Verdrahtung und der Anschluss,
entweder an eine Stromquelle oder an Regel-, Mess- und Detektoreinrichtungen
dahingehend vereinfacht wird, dass Bahnen von großer Breite
verwendet werden können,
die einfach als elektrischer Leiter dienen, insbesondere zu dem
als elektrischer Heizwiderstand verwendeten Bereich hin.
-
Es
ist zu beobachten, dass die Betriebsweise der Heizplatte nach dieser
Erfindung ein Kochen durch Leitung und nicht mehr durch Strahlung
ermöglicht.
-
Fachleute
werden bei der Lektüre
der Beschreibung zahlreiche andere Ausführungsvarianten finden.
-
Diese
Ausführungsvarianten
hängen
natürlich
mit der allgemeinen Tragweite dieser Erfindung zusammen, die in
den untenstehenden Patentansprüchen
definiert ist.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
1 zeigt
eine besonders bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltung dieser
Erfindung.
-
2 zeigt
eine andere Ausgestaltung, die aus ästhetischen Gründen besser
für die
Anwender geeignet ist.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
1 zeigt
die vorteilhafteste Form dieser Erfindung. Es muss angemerkt werden,
dass es sich um schematische Darstellungen handelt und dass der
Maßstab
nichts wirklichkeitsgetreu ist.
-
Position 1 zeigt
das glaskeramische Material der Platte, auf das ein Pulver aufgebracht
wird, das aus einem Frittenmaterial besteht, um ein Email, das mit
einer leitfähigen
Substanz vermischt ist, herzustellen, und zwar durch ein Siebdruckverfahren,
um einen Stromkreis 2 zu erhalten. Die Stärke des
glaskeramischen Materials beträgt
einige Millimeter, während
die Stärke
des anhaftenden Emails, der die Beschichtung bildet, etwa 100 μ beträgt. Diese
Einheit wird anschließend
einem Brennvorgang bei einer sehr hohen Temperatur unterzogen, um
die Emaillierung oder Verglasung der Einheit zu erreichen.
-
In
einer dritten Phase wird eine hochtemperaturfeste Lackierung 3 aufgebracht,
um ein dunkles glaskeramisches Material zu erhalten, auf dem der Stromkreis
aufgrund der Transparenz zu sehen ist.
-
Aus ästhetischen
Gründen
bevorzugen manche Anwender die zweite Ausgestaltung des Produkts,
bei der eine Dekorationsschicht 3' durch einen Email aufgebracht
wird, mit dem eine Schwarzfärbung
der glaskeramischen Platte 1' erreicht
wird.
-
Dann
wird, wie zuvor beschrieben, vorzugsweise durch Siebdruck eine Beschichtung
mit einer Mischung durchgeführt,
die aus einem Frittenmaterial, aber auch einer elektrisch leitenden
Substanz besteht, um den Stromkreis 2' herzustellen.