EP0189108B1

EP0189108B1 - Heizvorrichtung, insbesondere für eine strahlungsbeheizte Kochplatte, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: EP0189108B1
Application number: EP86100466A
Authority: EP
Inventors: Hans Kummermehr
Original assignee: Ceramaspeed Ltd
Current assignee: Ceramaspeed Ltd
Priority date: 1985-01-25
Filing date: 1986-01-15
Publication date: 1991-07-10
Anticipated expiration: 2006-01-15
Also published as: EP0189108A1; DE3680120D1; ATE65150T1; DE3502497A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, insbesondere für eine strahlungsbeheizte Kochplatte, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie für ihre Herstellung besonders geeignete verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 7.
Bei derartigen Heizvorrichtungen muß die Wärmedämmung auf der der Heizwendel abgewandten Außenseite auf sehr geringem Raum mit hohem Temperaturgradienten erfolgen. Daher wird für die Dämmschicht ein hochdisperses Dämmaterial verwendet dieses Dämmaterial besteht aus einem aus der Flammenhydrolyse gewonnenen mikroporösen Oxidaerogel, insbesondere Kieselsäureaerogel und/oder Aluminiumoxidaerogel, in der Regel mit geeigneten Zuschlagstoffen wie verstärkenden Mineralfasern und/oder Trübungsmittel und/ oder Bindemittel zur Härtung. Dieses Wärmedämmaterial wird entweder zur Bildung der Dämmschicht unmittelbar in die Aufnahmeschale der Heizvorrichtung eingepreßt, oder aber als Platte vorgepreßt und in die Aufnahmeschale eingelegt.
Ein wesentliches Problem besteht in der Lagerung der Heizwendel auf der Oberseite der Dämmschicht aus dem geschilderten Dämmaterial. Zwar ist es aus der EP-A-79 076 bekannt geworden, die Heizwendel oder ein sonstiges Heizelement unmittelbar in das Wärmedämmaterial der Dämmschicht einzupressen. Hierzu wird das Heizelement im Preßwerkzeug vorgelegt und mit dem noch pulverigen Dämmaterial überschichtet, wonach das Heizelement zusammen mit dem Dämmaterial zur Erzielung des gewünschten Verdichtungsgrades des Wärmedämmateriales gepreßt wird. Die obere Einpreßschicht des Wärmedämmaterials kann dabei eine gegenüber dem Rest der Dämmschicht unterschiedliche Konsistenz und neben einem hohen Härteranteil eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Substanz enthalten. Die Heizwendel wird, dabei mindestens zu einem Drittel ihres Wendeldurchmessers, also ihrer Bauhöhe eingepreßt, wobei der eingepreßte Teil vollständig von dem gepreßten Wärmedämmaterial umgeben ist und so verankert wird.
Zweifellos ergäbe eine solche Vorgehensweise minimalen Herstellungsaufwand bei - jedenfalls anfangs - bestmöglicher Lagesicherung der Heizwendel. Jedoch ist ein solches Vorgehen nicht praktikabel, da die Heizwendel infolge der im Betrieb entwickelten hohen Temperaturen nicht unmittelbar mit dem Wärmedämmaterial in Berührung kommen darf; denn im Dämmaterial, insbesondere in den Mineralfasern, die zur Verstärkung gerade der Lager- oder Einpreßschicht erforderlich sind, enthaltenes Eisenoxid verbindet sich mit dem Chrom-Nickel-Draht der Heizwendel, so daß das Metall der Heizwendel seine Hochtemperaturbeständigkeit verliert und durchbrennt. Überdies wird durch die zumindest weitgehende Einbettung der Heizwendel die Abstrahlung nach oben, also die eigentliche Nutzstrahlung, erheblich vermindert. Abgesehen von der angestrebten herstellungstechnischen Vereinfachung durch Verpressung in einem Arbeitsgang ergeben sich auch keine dämmtechnischen Vorteile, wenn das Material der Einpreßschicht gut wärmeleitende Zusätze enthalten muß, um in jedem Falle zerstörende Wärmestaus im Einbettungsbereich durch entsprechende Wärmeableitung zu vermeiden; hierdurch wird das Wärmedämmaterial der Einpreßschicht gerade seiner wesentlichen Eigenschaft, nämlich der überragenden Wärmedämmung, wieder beraubt.
Da in der Praxis stets darauf geachtet werden muß, daß ein inniger unmittelbarer Kontakt zwischen dem Wärmedämmmaterial und der Heizwendel vermieden wird, wird regelmäßig ein besonderes Lagermaterial für die Heizwendel vorgesehen. Neben einer Minimierung des Montageaufwandes ist hierbei die Lagerung der Heizwendel nach verschiedenen, zum Teil einander widersprechenden Gesichtspunkten zu optimieren. Neben bestmöglicher Wärmedämmung bei geringstmöglicher Bauhöhe ist dabei insbesondere zu gewährleisten, daß die Heizwendel einerseits bestmöglich nach oben abstrahlen kann, andererseits aber ausreichend sicher an Ort und Stelle gehalten ist, um auch im Hinblick auf die sehr erheblichen Wärmedehnungen im Betrieb Kurzschlüsse durch gegenseitige Berührungen von Wendelabschnitten auszuschließen und ein gleichmäßiges Strahlungsbild zu erhalten.
Eine Maximierung der Abstrahlung wird ersichtlich dann erzielt, wenn die einzelnen Abschnitte der Heizwendel auf einer planen Unterlage aufliegen und somit abgesehen von den im wesentlichen punktförmigen Auflagestellen keine Berührung mit dem Lagermaterial besitzen, insbesondere nicht in merklichem Umfange in dieses eingebettet sind. Hierzu ist es beispielsweise aus der US-A-38 33 793 bekannt, die einzelnen Wendelabschnitte der Heizwendel auf eine ebene Platte aus gebundenen Keramikfasern aufzulegen und mittels Metallklammern lagezusichern, welche an im Abstand voneinander liegenden Stellen der Heizwendel einen unteren Bogenabschnitt des Heizdrahtes übergreifen und durch die Platte aus Keramikfasern hindurch in das Wärmedämmaterial hineingesteckt sind. Eine solche mechanische Verankerung an in relativ großem Abstand voneinander liegenden Stellen ermöglicht jedoch Relativbewegungen der Wendelabschnitte zwischen den Verankerungspunkten, die sich überdies im Laufe der Zeit lockern können. Durch die tief im Wärmedämmaterial steckenden metallischen Klammern ergeben sich erhebliche Wärmebrücken, so daß bei gegebener Wärmedämmfähigkeit die Bauhöhe erheblich vergrößert werden muß.
Ähnlich ist es aus der DE-A-27 29 930 bekannt, die Heizwendel auf eine ebene Keramikfaserplatte aufzulegen, die jedoch mit sternförmigen Erhebungen versehen ist. Die Wendelabschnitte werden dabei in die noch weichen Erhebungen der Keramikfaserplatte hineingedrückt, wenn die Fasermatte zur Bildung der Platte gepreßt wird, und sind nach Trocknung oder Aushärtung durch diese lokalen Einbettungen auf der ansonsten planen Oberfläche der Keramikfaserplatte verankert. Hierdurch sind zwar Wärmebrücken durch Metallklammern oder dergleichen vermieden, jedoch erfolgt ebenfalls eine Verankerung nur an in relativ grossen Abständen voneinander liegenden Stellen der Heizwendel; an diesen Stellen ist die Abstrahlung erheblich behindert, so daß die Anzahl der Verankerungspunkte relativ gering gehalten werden muß. Zwischen den Verankerungspunkten kommt es zu freien radialen Wärmedehnungsbewegungen, die entsprechende Kräfte in die Verankerungen einleiten, so daß diese im Laufe der Zeit gelockert werden können oder die Heizwendel ganz frei kommt.
Um Relativbewegungen der Wendelabschnitte zueinander trotz der ständigen Temperaturwechsel zu vermeiden, ist es andererseits bekannt, die Heizwendel in Nuten der Lagerschicht zu lagern und dort zu verankern. So ist es aus der DE-A-27 28 776 bekannt, die Heizwendel in im Querschnitt halbkreisförmigen Nuten erheblich größeren Durchmessers zu lagern und hierzu in eine feuerfeste Klebemasse einzudrücken, welche die Lagernut ausfüllt, so daß die Heizwendel mit ihrer gesamten unteren Bogenhälfte eingebettet und nach entsprechender Trocknung und Aushärtung der Feuerfestmasse gewissermaßen einzementiert ist. Hierdurch sind jegliche Relativbewegungen zwischen den einzelnen Wendelabschnitten mit Gewißheit unterbunden. Jedoch ist auch die Nutzabstrahlung durch die Einbettung der Heizwendel bis auf halbe Höhe stark vermindert. Die bei Temperaturwechseln auftretenden Wärmedehnungen führen durch die Einbettung des gesamten unteren Bogens jeder Drahtwendel zu ganz erheblichen Spannungen, die zu einem allmählichen Lockern der Einbettung der Drahtwendel in der Feuerfestmasse und/oder einem Ausarbeiten der Nut durch die Feuerfestmasse führen.
Letzteres ist bei einem Stand der Tecknik nach der EP-A-57 252 dadurch vermieden, daß die Oberfläche der Dämmschicht mit einer geschlossenflächigen Lagerschicht überzogen ist, die ein anorganisches temperaturbeständiges Bindemittel und einen anorganischen Füllstoff insbesondere in Form von gemahlenen Mineralfasern enthält. Hierdurch ist eine mechanisch stabile, durchgehende Lagerschicht gebildet, die auch die Bereiche zwischen den Nuten erfaßt und wie eine dünne stabile Platte wirkt. Die Wendelabschnitte der Heizwendel werden klebend in den Nuten befestigt.
Bei der Aufnahme der Heizwendel in Nuten ist immer ein wesentlicher Teil der Außenoberfläche der Heizwendel abgedeckt und kann daher nur vermindert Nutzstrahlung erzeugen. Andererseits ergibt aber die Lagerung in Nuten, insbesondere wenn diese mit einem geschlossenflächigen harten Überzug ausgekleidet sind, eine saubere Lagesicherung. Umgekehrt läßt sich mit der Verankerung der Heizwendel auf einer ebenen Lagerschicht die Abstrahlung optimieren, jedoch läßt sich die Heizwendel auf einer solchen ebenen Lagerschicht im Hinblick auf die erheblichen Temperaturwechsel nicht bleibend sicher verankern.
Es ist auch bereits versucht worden (EP-A-31 514 oder BE-A-464 026), die einzelnen Windungen der Heizwendel nur punktweise direkt im Material der Wärmedämmschicht zu verankern; dies führt jedoch bei Dämmaterial auf der Basis von Oxidaerogel, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, im Hinblick auf die geringe Bruchfestigkeit dieses Materials zu einer zu labilen Lagerung.
Aus der EP-A-71 048 schließlich ist es bekannt, die Heizwendel an einer auf der eigentlichen Wärmedämmschicht angeordneten Lagerschicht ebenfalls auf der Basis des Materials der Dämmschicht, jedoch mit besonderer Anpassung an die Lagerungsfunktion zu befestigen. Die Anpassung an den Lagerungszweck kann in einem Härterzusatz des Materials der Lagerschicht, oder aber auch in einer Behandlung der Oberfläche der Lagerschicht mit wässrig aufgebrachtem Kieselsol bestehen. In dieser Lagerschicht aus behandeltem Dämmaterial wird die Heizwendel dadurch verankert, daß in Abständen einzelne Windungen der Wicklung verzogen und in das Dämmaterial der Lagerschicht tief eingedrückt werden, während die dazwischenliegenden Wicklungen der Heizwendel nur an der Oberfläche der Lagerschicht anliegen. Damit wird zwar die Abstrahlung von den ungestörten Wicklungen fast ungeschmälert erhalten, jedoch führt die tiefe Verankerung der verzogenen Windungen zu Wärmebrücken und die stark verminderte Wärmeabfuhr an den von behandeltem Dämmaterial umschlossenen verzogenen Windungen zu einem Wärmestau mit der Gefahr eines frühzeitigen Ausfalls der Heizwendel an diesen Stellen. Im Bereich zwischen den verzogenen Windungen fehlt eine wirksame Lagesicherung der Heizwendel. Die infolge der Aufnahme der verzogenen Windungen erhebliche Bauhöhe der gegenüber der darunterliegenden Dämmschicht schlechter wärmedämmenden Lagerschicht führt zu einer größeren Bauhöhe des Lagerkörpers für die Heizwendel, wenn eine bestimmte Wärmedämmfähigkeit erreicht werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die Heizwendel trotz der auftretenden extremen Temperaturwechsel dauerhaft sicher gelagert ist und gleichzeitig eine verbesserte, das heißt optimale Wärmeabstrahlung gewährleistet, wobei die Herstellung der Heizvorrichtung mit einem Minimum an Aufwand erfolgen soll und weiterhin auch größtmögliche Wärmedämmung bei geringstmöglicher Bauhöhe erzielt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch, daß die Oberfläche der Lagerschicht eben ausgebildet ist, entfällt eine Einbettung in Nuten oder dergleichen, welche eine Abstrahlung behindern könnten. Die erforderliche Verankerung ist gleichwohl dadurch gegeben, daß jeder einzelne Wendeldraht nur mit seinem unteren Bogenabschnitt im Material der Lagerschicht eingebettet ist, d. h. nur höchstens bis zu etwa der vollen Drahtstärke. Dies bedeutet, daß der Draht der Heizwendel quasi punktförmig nur im unteren Scheitelbereich des Bogenabschnittes in der Lagerschicht eingespannt ist, im übrigen aber auf seiner ganzen Länge frei zur Abstrahlung zur Verfügung steht. Diese geringe Verankerungstiefe reicht für eine sichere Verankerung aus, da jeder untere Bogenabschnitt des Wendeldrahtes auf diese Weise einzeln in der im Betrieb durch keramische Bindung züstatzlich verfestigenden Kieselsolschicht gehalten ist, und Wärmedehnungen ohne wesentliche Spannungen durch Expansionen im Bereich der oberen Bogenabschnitte der Heizwendel aufgenommen werden können. Hierdurch werden in zwei benachbarte Verankerungspunkte, zwischen denen lediglich ein einziger Ring des Wendeldrahtes liegt, allenfalls ganz geringe Biegespannungen eingeführt und so jegliche Lageänderungen der Heizwendel insgesamt, etwa im Sinne einer zu starken gegenseitigen Annäherung von Wendelabschnitten, vermieden.
Da - anders als bei einer Einbettung der Heizwendel in Nuten - das gesamte Wärmedämmaterial an der zu dämmenden Seite der Heizwendel angeordnet ist, entfaltet es volle Dämmwirkung zu der zu dämmenden Seite hin. Durch den Wegfall von Nuten oder sonstigen Vertiefungen kann das Material der Dämmschicht eben oder mit unkomplizierter Form gepreßt werden, so daß hierdurch Herstellungsaufwand vermindert wird. Die Lagerschicht braucht nur sehr geringe Schichtdicke, entsprechend der Drahtstärke der Heizwendel oder sogar weniger, besitzen und trägt somit zur Bauhöhe nur geringfügig bei. Da nur der im wesentlichen punktförmige Scheitelbereich des Wendeldrahtes eingebettet ist, kann das Material der Lagerschicht, etwa durch Zusatz von Trübungsmittel oder dergleichen, im Hinblick auf die Optimierung seines Beitrags zur Wärmedämmung ausgelegt werden, ohne daß nachteilige Wärmestaus zu befürchten sind. Da weiterhin das Material der Dämmschicht nicht mechanisch durch die Lagerung der Heizwendel beansprucht ist, kann es in seiner Konsistenz, insbesondere in seinem Verdichtungsgrad, ebenfalls hinsichtlich Wärmedämmgesichtspunkten optimiert werden, so daß sich insgesamt größtmögliche Wärmedämmung bei geringstmöglicher Bauhöhe ergibt.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann entweder die Lagerschicht als dünne Platte mit darauf verankerter Heizwendel vorgefertigt und anschließend - gegebenenfalls an einem anderen Ort - mit der ebenfalls plattenförmigen oder auch eingepreßten Dämmschicht vereinigt werden, oder aber es erfolgt eine Beschichtung unmittelbar der Dämmschicht mit dem Material der Lagerschicht mit nachfolgendem Eindrücken der Heizwendel, wobei dann auch ein Auflagering besonders vorteilhaft klebend mit dem Material der Lagerschicht verbunden werden kann.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung und
Fig. 2 die Einzelheit aus Kreis II in Fig. 1 in stark vergrößerter Darstellung.

Die veranschaulichte Heizvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Aufnahmeschale 1 aus Metall, insbesondere Aluminiumblech, und Wärmedämmaterial in Form einer Wärmedämmschicht 2, welche an der Innenseite der Umfangswand 3 der Aufnahmeschale 1 zwischen deren Boden 4 und einer Heizwendel 5 angeordnet ist. Die elektrisch betriebene Heizwendel 5 weist nicht näher dargestellte elektrische Anschlüsse auf, die auf geeignete Weise aus dem Bereich der Aufnahmeschale 1 herausgeführt sind. Die dargestellte Heizvorrichtung dient zur Strahlungsbeheizung einer Glaskeramikabdeckung einer Kochplatte, wobei die nicht näher dargestellte Glaskeramikplatte auf einer Auflagefläche 10 aufliegt und damit Abstand vom oberen Rand der Umfangswand 3 der Aufnahmeschale 1 sowie von der Heizwendel 5 erhält. Die Umfangswand 3 der Aufnahmeschale 1 und damit die gesamte Heizvorrichtung hat in Draufsicht im wesentlichen Kreisform und liegt konzentrisch zu einer Mittelachse 9.
Die Dämmschicht 2 besteht aus feinporigem Kieselsäureaerogel mit Zuschlagstoffen. Dieses Material ist an sich bekannt und weist neben dem Kieselsäureaerogel in aller Regel eine Mineralfaserverstärkung und/oder ein Trübungsmittel und/oder ein Bindemittel als Härter auf; hinsichtlich Einzelheiten Wird auf die einschlägigen DE-OSen 27 47 663, 27 48 307, 27 54 956 und 31 08 816 verwiesen, auf die insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird. Bevorzugt wird ein Material für die Dämmschicht 2 verwendet, welches aus 30 bis 50 Gew.-% pyrogener Kieselsäure, 20 bis 50 Gew.-% Trübungsmittel und 5 bis 15 Gew.-% Aluminiumfasern besteht sowie in einem Raumgewicht von 200 bis 400 kg/m³ vorliegt, jedoch nicht organisch oder anorganisch gehärtet zu sein braucht. Ein solches Spezial-Wärmedämmaterial besitzt eine Wärmeleitfähigkeit, die geringer ist als diejenige ruhender Luft, und ist darüber hinaus nur wenig temperaturabhängig. Allerdings sind die aus derartigen pulverförmigen Grundstoffen gepreßten Platten oder Schichten mechanisch wenig widerstandsfähig. Anstelle von Kieselsäureaerogel kann das Material auch Aluminiumoxid-Aerogel aufweisen, oder eine geeignete Mischung beider Aerogele, um bei Bedarf höhere Temperaturbeständigkeit zu erreichen. Zur weiteren Erhöhung der Temperaturbeständigkeit kann das Dämmaterial der Dämmschicht 2 Zuschläge an hochtemperaturbeständigen Stoffen wie Manganoxid, Zirkonoxid oder Titanoxid enthalten. Für Spezialzwecke kann auch mit deren Aerogelen gearbeitet werden.
Auf der Dämmschicht 2 ist eine Lagerschicht 7 angeordnet, die eine Dicke von etwa 1 mm oder wenig mehr haben kann. Im Beispielsfalle möge die Lagerschicht 7 aus einem Stoffgemisch bestehen, welches mineralische Fasern und ein keramisches Bindemittel enthält, das bei Temperaturen zwischen etwa 500°C und 1000°C durch keramische Bindung verfestigt. Der Anteil an mineralischen Fasen sollte möglichst hoch sein, da die mineralischen Fasern einer Tendenz der Lagerschicht 7 zum Schrumpfen bei erhöhten Temperaturen entgegenwirken. Daher sollten die mineralischen Fasern in einem Anteil von über 50 Gew.-% am trockenen Gemisch enthalten sein, vorzugsweise jedoch mit einem noch höheren Anteil von 75 bis 95 Gew.-%, wobei im Beispielsfalle ein Anteil von etwa 80 Gew.-% gewählt sein möge. Die mineralischen Fasern besitzen einen Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt von über 1000°C, vorzugsweise von über 1100°C, sind also gegenüber den im Betrieb auftretenden Temperaturen beständig. Eine solche Einstellung des Erweichungs-oder Schmelzpunktes der Fasern gelingt einerseits über die Wahl einer bestimmten Partikelgröße, wobei größere Partikel später erweichen und sintern als kleinere pulverartige Partikel, sowie über die Wahl der Zuschlagstoffe oder Flußmittel zusätzlich zum Aluminiumoxid- oder Siliziumoxid-Hauptbestandteil der Mineralfasern. Die Mineralfasern werden aus der Schmelze mit einer Dicke zwischen etwa 0,5 und 3 µm, vorzugsweise zwischen 1 und 2 µm gezogen und anschließend gemahlen, so daß sie auf Längen zwischen 2 und 20 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 10 µm gebrochen werden, wobei jedoch in jedem Falle die Länge der Mineralfasern deren Dicke um wenigstens das Doppelte übersteigt, so daß tatsächlich noch ein Fasercharakter vorliegt. Unter Berücksichtigung dieser Faserabmessungen können sodann die Zusatzstoffe wie Flußmittel in der Schmelze zur Herstellung der Fasern, wie Na₂O, B₂O₃, MgO, Fe₂O₃ und andere, an sich bekannte Zuschlagstoffe so gewählt werden, daß sich die gewünschte Temperaturbeständigkeit bis in Bereiche über 1000°C oder über 1100°C ergibt, also in Bereiche, in denen die Mineralfasern auf Aluminium-Silikat-Basis bei der im Betrieb auftretenden Maximaltemperatur nicht erweichen oder erschmelzen.
Das keramische Bindemittel ist Kieselsol, wie dies beispielsweise für eine Beschichtung eines derartigen Materials aus der EP-A-81 825 an sich bekannt ist. Das Kieselsol als keramisches Bindemittel wird zusammen mit anorganischen Fasern wie Aluminiumsilikatfasern oder Quarzfasern sowie gegebenenfalls weiteren anorganischen Füllstoffen in einer Aufschlämmung aufgebracht. Als anorganische Fasern für die Beschichtungsmasse kommen grundsätzlich alle entsprechend temperaturbeständigen Fasern wie Aluminiumsilikatfasern, Quarzfasern usw. in Frage, wobei jedoch Aluminiumsilikatfasern aus Kostengründen in der Regel bevorzugt sein werden. Die Fasern müssen so eng beieinanderliegen, daß das Kieselsol dazwischen eine Verbindung zu benachbarten Fasern bildet und an diesen haftet, statt eigene, nicht an Füllstoff gebundene Partikel zu bilden. Die Fasern wirken somit primär als Dispergierungsmittel für das Kieselsol, um mit diesem eine geschlossene Oberfläche zu bilden.
Auch Aluminiumsilikatfasern sind jedoch noch teurer als die meisten anorganischen körnigen Zuschlagstoffe wie gemahlenes Aluminiumoxid, Quarzsand, Mullit, Zirkonoxid usw., so daß diese Fasern aus Kostengründen durch körnige Füllstoffe gestreckt werden können, die ähnlich wie die Fasern, wenn auch in geringerem Umfange, als Dispergierungsmittel für das Kieselsol dienen können. Als anorganische körnige Zuschlagstoffe kommen weiterhin Tone und Kaolin in Frage. Bevorzugt ist Aluminiumoxid gegebenenfalls mit einer Zumischung aus Kaolin, welches die Geschmeidigkeit der Lagerschicht 7 verbessert.
Die Menge an Kieselsol ergibt sich im wesentlichen aus dem Bedarf an Bindemittel für die geschlossene Oberflächenbeschichtung im Hinblick auf die gewünschte Verbackung der Füllstoffe miteinander. Die Menge des Kieselsol hat eine Untergrenze dort, wo sich eine zu geringe Abriebfestigkeit der Oberfläche durch zu geringen Bindemittelanteil ergibt. Aus diesem Gesichtspunkt darf der Anteil des Kieselsol als Feststoff nicht geringer sein als etwa ein Zehntel der damit zu bindenden Füllstoffe und Fasern in der Oberflächenbeschichtung, so daß das Kieselsol in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung jedenfalls in einem Feststoffanteil von 10 Gew.-% oder mehr vorliegt. Eine Erhöhung des Kieselsolanteils ergibt zunächst eine Erhöhung der Abriebfestigkeit durch bessere Einbindung der Fasern und der körnigen Füllstoffe sowie weiterhin eine glänzende und glattere Oberfläche. Eine Obergrenze für den Kieselsolanteil in der geschlossenen Oberflächenbeschichtung liegt da, wo das Kieselsol dazu neigt, sich in körniger Form zu partikulieren und auf diese Weise brüchig zu werden. Dies wird durch einen ausreichend hohen Füllstoff-, insbesondere Fasergehalt des Kieselsol vermieden. Daher darf der Anteil des Kieselsol bezogen auf die Menge der Füllstoffe in der Beschichtungsmasse nur etwa bei 1:1 liegen, so daß also mindestens ebenso viele Gewichtsanteile Füllstoffe wie Trockengewichtsanteile Kieselsol in der geschlossenen Lagerschicht 7 vorhanden sind. Hierbei sollte jedoch der Anteil der in Faserform vorliegenden Füllstoffe nicht unter einem Drittel der Füllstoffe der Lagerschicht 7 liegen, um die Fasern ausreichend als Netzwerkbildner zur Bildung eines geschlossenen Films wirksam werden zu lassen.
Die vorstehenden Angaben beziehen sich auf die Gewichtsanteile in der fertigen Lagerschicht 7, wobei also die Trockenmasse des Kieselsol berücksichtigt ist. Das wässrige Kieselsol, also die kolloidale Kieselsäure, besitzt jedoch einen Wasseranteil von zwischen 60 und 70 Gew.-%, der gegebenenfalls zusammen mit einer zusätzlichen Wasserzugabe zur Verdünnung dazu dient, durch Einstellung der Viskosität oder allgemein des Fließverhaltens das Bindemittel mit den Füllstoffen zu vermischen und einen geschlossenen Auftrag zu ermöglichen. Dies kann unterstützt werden durch eine Zugabe von Netzmitteln, wie dies an sich bekannt ist, wobei natürlich auch eine mechanische Unterstützung durch Rakeln oder Walzen in Frage kommt.
Nachfolgend werden vier Beispiele für eine solche Überzugsmasse angegeben:

Beispiel 1

58,8 Gew.-% wässriges Kieselsol (30 % Feststoffanteil)
23,5 Gew.-% Aluminiumsilikatfasern
11,8 Gew.-% Aluminiumoxid
5,9 Gew.-% Kaolin
Nach Herausrechnung des Wasseranteils der kolloidalen Kieselsäure der obigen Masse ergibt sich eine Feststoffverteilung in der Lagerschicht 7 von etwa 30 Gew.-% Kieselsol, 40 Gew-% Aluminiumsilikatfasern, 20 Gew.-% Aluminiumoxid und 10 Gew.-% Kaolin.

Beispiel 2

70,0 Gew.-% wässriges Kieselsol (30 % Feststoffanteil)
13,3 Gew.-% Aluminiumsilikatfasern
6,7 Gew.-% Aluminiumoxid
10,0 Gew.-% Kaolin
Nach Herausrechnung des Wasseranteils der kolloidalen Kieselsäure der vorstehenden Masse ergibt sich eine Feststoffverteilung von etwa 41 Gew.-% Kieselsol, 26 Gew-% Aluminiumsilikatfasern, 13 Gew.-% Aluminiumoxid und 20 Gew.-% Kaolin.

Beispiel 3

48,97 Gew.-% wässriges Kieselsol (30 % Feststoffanteil)
25,53 Gew.-% Aluminiumsilikatfasern
12,75 Gew.-% Aluminiumoxid
12,75 Gew.-% Ton
Nach Herausrechnung des Wasseranteils der kolloidalen Kieselsäure der vorstehenden Masse ergibt sich eine Feststoffverteilung von etwa 23 Gew.-% Kieselsol, 39 Gew.-% Aluminiumsilikatfasern, 19 Gew.-% Aluminiumoxid und 19 Gew.-% Ton.

Beispiel 4

48,94 Gew.-% wässriges Kieselsol (30 % Feststoffanteil)
44,66 Gew.-% Aluminiumsilikatfasern
6,40 Gew.-% Ton
Nach Herausrechnung des Wasseranteils der kolloidalen Kieselsäure der obigen Masse ergibt sich eine Feststoffverteilung von etwa 22 Gew.-% Kieselsol, 69 Gew.-% Aluminiumsilikatfasern und 9 Gew.-% Ton.
Die Massen werden feucht mit einer der Art der Aufbringung durch Spritzen, Rakeln, Streichen, Tauchen, Siebdruck oder dergleichen entsprechenden flüssigen bis pastenartigen Konsistenz aufgebracht. Die Heizwendel 5 ist in der gewünschten Form zuvor spannungsfrei geglüht worden und wird so vorbehandelt mittels eines Magneten mit einer Temperatur von beispielsweise 200°C aufgenommen und in die noch feuchte Lagerschicht 7 eingedrückt. Die Eindrückung erfolgt dabei bevorzugt nur soweit, bis etwa zwei Drittel der Drahtstärke des unteren Bogenabschnittes jedes Wendelringes in die Masse eintaucht, wobei infolge der erhöhten Temperatur der Heizwendel bereits beim Einpressen eine gewisse Verfestigung der Masse und so eine Anheftung der Heizwendel erfolgt. Bei Bedarf kann der Masse auch ein geringer Anteil an organischen Zuschlagstoffen zur Erzielung einer Klebewirkung beigefügt werden. Bei Betrieb der Heizwendel keramisiert das Material dann unter der Wärmeeinwirkung vollständig aus und zementiert den eingebetteten Bogenabschnitt der Heizwendel gewissermaßen ein. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, ergibt sich eine besonders gute Haltewirkung dann, wenn der untere Bogenabschnitt der Heizwendel über mehr als die Hälfte der Drahtstärke eintaucht, da dann beim Aushärten der Masse durch die oberen hintergreifenden Oberflächenschichten der Masse eine formschlüssige Halterung erfolgt. Andererseits sollte die Eintauchtiefe so gering wie möglich gehalten werden, um die Abstrahlung möglichst wenig zu behindern. Daher ergibt sich die in Fig. 2 dargestellte Eintauchtiefe von etwa 2/3 der Drahtstärke als optimal.
Der radial äußere Umfangsbereich 6 der Aufnahmeschale 1 bzw. der Dämmschicht 2 und damit auch der Lagerschicht 7 ist im Beispielsfalle in der dargestellten Weise nach oben hin abgekröpft, so daß die Heizvorrichtung insgesamt im Querschnitt etwa tellerförmiges Aussehen erhält. Auf den abgekröpften Umfangsbereich 6 ist ein Auflagering 8 aus gebundenen Fasern, etwa einem Material, wie es unter der Bezeichnung Fiberfrax (eintr. Warenzeichen) im Handel ist, aufgesetzt, und bildet mit der oberen Auflagefläche 10 in der bereits geschilderten Weise die Abstützung zur Unterseite der Glaskeramikplatte.
Die Herstellung der Heizvorrichtung kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann zunächst das Material der Dämmschicht 2 in an sich bekannter Weise gegen den Boden 4 der Aufnahmeschale 1 verpreßt werden und somit als verdichtete Dämmschicht 2 direkt über dem Boden 4 der Aufnahmeschale 1 ausgebildet werden. Sodann kann die Masse zur Bildung der Lagerschicht 7 durch Spritzen, Streichen oder dergleichen auf die Oberfläche der so gebildeten Dämmschicht 2 aufgebracht und die Heizwendel eingedrückt werden. Dann kann zweckmäßig auch der Auflagering 8 aufgesetzt werden, solange die Masse zur Bildung der Lagerschicht 7 noch feucht ist, und so durch Haftung gehalten werden. In einem solchen Falle wird die veranschaulichte Heizvorrichtung entweder einstufig oder - mit Unterbrechung und gegebenenfalls Ortswechsel nach dem Einpressen der Dämmschicht 2 - zweistufig vollständig vorgefertigt.
Alternativ kann die Dämmschicht 2 auch als Platte vorgefertigt und so vorgepreßt und vorgefertigt in die Aufnahmeschale 1 eingesetzt werden. Auch in diesem Falle kann, ohne Anwesenheit der Aufnahmeschale 1, die Ausbildung der Lagerschicht 7, deren Bestückung mit der Heizwendel 5 und gegebenenfalls dem Auflagering 8 in der vorstehend geschilderten Weise erfolgen.
Es kann jedoch auch die Lagerschicht 7 separat vorgefertigt und mit der Heizwendel 5, gegebenenfalls auch mit dem Auflagering 8 bestückt und so getrocknet bzw. gehärtet werden. Diese Montageeinheit kann dann anschließend zusammen mit einer separat vorgefertigten plattenförmigen Dämmschicht 2 in eine Aufnahmeschale 1 eingesetzt werden, oder in eine Aufnahmeschale 1 mit eingepreßter Dämmschicht 2 eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung läßt somit eine Vielzahl von Fertigungsmöglichkeiten mit großer Freizügigkeit bezüglich der Fertigungsorte zu. Dabei gestaltet sich die Fertigung in jedem Falle einfach und problemlos, zumal auch Aufwand zur Herstellung von Nuten im Hinblick auf die erfindungsgemäß ebene Ausbildung der Oberfläche der Lagerschicht 7 entfallen kann.
Da in jedem Falle die Heizwendel 5 auf der Lagerschicht 7 montiert und verankert wird, bevor der Auflagering 8 aufgebracht werden muß, eignet sich die Fuge zwischen der Unterseite des Auflageringes 8 und der dortigen Lagerschicht 7 besonders gut für die Durchführung der elektrischen Anschlüsse der Heizwendel 5. In jedem Falle kann bei Bedarf unmittelbar nach Einbettung der Heizwendel 5 eine Aufheizung bis auf eine gewünschte Temperatur erfolgen, so daß jedenfalls in den lokalen Lagerbereichen eine ausreichende Trocknung und Härtung der Masse für die Lagerschicht 7 erfolgt.
In der Lagerschicht 7 können weiterhin mineralische Pigmente enthalten sein, und zwar insbesondere in Form von TiO₂ oder TiO₂-haltigen Stoffen. Die mineralischen Pigmente, die nicht unbedingt erforderlich sind, dienen dazu, bereits einen Teil der IR-Strahlung zu streuen oder zu reflektieren sowie die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Als TiO₂-haltiger Stoff kann beispielsweise ein Gemisch aus Al₂O₃ und TiO₂ gewählt werden, wobei das TiO₂ neben seiner Funktion als Pigment auch als Trübungsmittel gegenüber IR-Strahlung dient. Weitere Beispiele für geeignete Pigmente sind etwa Rutil, Ilmenit, Eisenoxid, Chromoxid und dergleichen. Es genügt, wenn die mineralischen Pigmente in einem Anteil von bis zu maximal etwa 20 Gew.-% des Trockengemisches, vorzugsweise jedoch in einem geringeren Anteil als 10 Gew.-% in der Lagerschicht 7 enthalten sind. Im Beispielsfalle möge die Lagerschicht 7 5 Gew.-% mineralische Pigmente in Form von TiO₂ enthalten. Eine Verwendung von Pigmenten bzw. Trübungsmitteln in der Lagerschicht 7 ist deshalb relativ problemlos möglich, weil infolge der nur ganz geringfügigen Einbettung des Wendeldrahtes ein merklicher Wärmestau nicht zu befürchten ist.

Claims

Heizvorrichtung, insbesondere für eine strahlungsbeheizte Kochplatte,

mit einer mit elektrischem Strom betriebenen Heizwendel (5) und

mit einer Lagereinrichtung für die Heizwendel (5),
- mit einer geschlossenflächig aufgebrachten Lagerschicht (7) mit einer ebenen Oberfläche und

- mit einer auf der der Heizwendel (5) gegenüberliegenden Seite der Lagerschicht (7) angeordneten Dämmschicht (2) auf der Basis von aus der Flammenpyrolyse gewonnenem mikroporösem Oxidaerogel insbesondere von Silicium und/oder Aluminium, insbesondere mit Mineralfaserverstärkung und/oder Trübungsmittel, die zusammen mit der Lagerschicht (7) und der Heizwendel (5) in einer Aufnahmeschale (1) angeordnet ist, welche an der Unterseite der Kochplatte befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Lagerschicht (7) ein anorganisches temperaturbeständiges Bindemittel als Grundstoff sowie Zusammen mit dem Grundstoff in einer Aufschlämmung auf die Dämmschicht aufgebrachte anorganische füllstoffe aufweist,

daß das anorganische Bindemittel, das bei Temperaturen zwischen etwa 500 °C und 1000 °C durch keramische Bindung verfestigt, Kieselsol ist, welches in einem Verhältnis zu den anorganischen Füllstoffen von höchstens 1:1 und mindestens 1:9 enthalten ist, wobei die anorganischen Füllstoffe anorganische Fasern in einem Anteil von vorzugsweise wenigstens einem Drittel, Rest körnige Füllstoffe, sind, und

daß jeder der Lagerschicht (7) zugewandte Bogenabschnitt der Heizwendel (5) höchstens bis zu etwa der vollen Drahtstärke der Heizwendel (5) im Material der Lagerschicht (7) eingebettet ist, derart, daß die Heizwendel (5) auf ihrer ganzen Länge gegen Auswanderbewegungen in Richtung der Oberflächenerstreckung der Lagerschicht (7) gesichert und durch Klebewirkung an der Lagerschicht (7) gehalten ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (7) mineralische Pigmente enthält.
Heizvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch TiO₂ oder TiO₂ -haltige Stoffe als mineralische Pigmente.
Heizvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mineralischen Pigmente in einem Anteil von bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 10 Gew.-% des trockenen Gemisches enthalten sind.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (7) eine Dicke von etwa 1 mm oder wenig mehr aufweist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintauchtiefe des Wendeldrahtes der Heizwendel (5) mehr als die halbe Drahtstärke, insbesondere etwa 2/3 der Drahtstärke beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse zur Bildung der Lagerschicht auf einer Unterlage aufgetragen und die vorgeformte und spannungsfrei geglühte Heizwendel vorzugsweise noch warm in die noch feuchte Masse der Lagerschicht eingepreßt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht anschließend getrocknet bzw. gehärtet wird und nach Abnahme von ihrer Unterlage als mit daran verankerter Heizwendel vorgefertigtes Bauteil zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage die verdichtete Dämmschicht benutzt wird, und an der noch feuchten Masse der Lagerschicht weitere Anbauteile wie ein umfangsseitiger Auflagering durch Klebung angeheftet werden.