AT408299B - Heizvorrichtung für elektrische heizplatten, zündeinrichtungen, temperatursensoren od. dgl. - Google Patents

Description

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   Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Heizvorrichtung für elektrische Heizplatten, Zündeinrichtungen, Temperatursensoren od. dgl., die übereinander angeordnet ein elektrisches Widerstandselement, eine elektrisch isolierende Schicht und eine Wärmeträgerplatte umfasst. 



   Im Prinzip ist eine derartige Vorrichtung bei jeder bisher üblichen Heiz- oder Kochplatte realisiert, bei welcher unterhalb einer Wärmeträgerplatte eine Heizspirale vorgesehen ist, die von der Wärmeträgerplatte durch einen isolierenden Luftspalt getrennt ist. Der Wärmeübergang von der Heizspirale an die Luft sowie von der Luft an die Wärmeträgerplatte ist verhältnismässig schlecht, weshalb beträchtliche Wärmeverluste bei diesen Konstruktionen zu beobachten sind. 



   Es wurde daher versucht, den Luftspalt durch eine Schicht aus einem festen Isolatormaterial zu ersetzen. 



   Die in der Regel als Wärmeträgerplatten verwendeten Metaligussmaterialien können jedoch in ihren Wärmeausdehnungseigenschaften nur schlecht an feste Isolatormaterialien angepasst werden, sodass eine Heizvorrichtung mit einer aus Feststoff bestehenden Isolatorschicht bisher wegen des Auftretens starker Wärmespannungen praktisch unmöglich war. 



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese Art von Konstruktionen in wärmetechnischer Hinsicht zu verbessern. 



   Zur Erreichung dieses Ziels wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Wärmeträgerplatte wenigstens zum Teil, vorzugsweise zur Gänze, aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC) besteht, dessen metallische Komponente z. B. aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Silizium, Kupfer, Molybdän oder Legierungen derselben ausgewählt ist, und welcher Metall-Matrix-Verbundwerkstoff als Verstärkung z.B.

   eine Oxid-, Karbidund/oder Nitridkeramik, vorzugsweise Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid oder Kohlenstoff oder ein zusätzliches Metall, insbesondere Molybdän, mit einem höheren Schmelzpunkt als das Matrixmetall enthält, wobei gegebenenfalls das Material der MMCPlatte und das Material der elektrisch isolierenden Schicht im wesentlichen aneinander angepasste Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. 



   Ein Metall-Matrix-Verbundwerkstoff, der in anderem Zusammenhang, u. a. zur Herstellung von Chip-Gehäusen in der Elektronik, bekannt ist, besteht aus einem mit einem Matrixmetall getrankten oder infiltrierten Verstarkermaterial. Durch die Auswahl jeweils der Verstärkerkomponente und des Metalls lassen sich die Eigenschaften dieser Verbundmaterialien willkürlich hinsichtlich mechanischer ebenso wie thermischer Eigenschaften beeinflussen. 



   Dadurch wird es auch möglich, eine Anpassung der Wärmeausdehnungseigenschaften der Wärmeträgerplatte an die eines Isolatormaterials zu erreichen
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht daher die elektrisch isolierende Schicht bei Heizvorrichtungen der eingangs genannten Art aus einem elektrisch isolierenden Feststoff. 



   Damit kann ein guter Wärmeübergang von den Heizelementen zur Wärmeträgerplatte erreicht werden. 



   In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Widerstandselement aus einer Dünnschichtstruktur, vorzugsweise auf Silizium-Basis, besteht
Dies erlaubt eine einfache Herstellung der Widerstandselemente. 



   In der Praxis wird auf die Wärmeträgerplatte oder in Vertiefungen derselben ein Isolatormaterial aufgebracht, dessen Dimensionen im wesentlichen denjenigen des Widerstandselementes entsprechen. 



   Dadurch wird der Aufwand an Isolatormaterial gering gehalten, was sich in den Kosten der hergestellten Kombinationselemente positiv auswirkt. 



   Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass die isolierende Schicht als bis auf eine Seite in der Warmeträgerplatte integrierte Isolatorplatte ausgebildet ist, auf der das Widerstandselement aufgebracht, z.B. aufgelegt oder aufgelötet ist. 



   Dadurch können Wärmeträgerplatte und Isolator gemeinsam hergestellt werden. Die Integration der Isolatorplatte erfolgt am besten über eine Metallverbindung, die im Zuge der Infiltration des Verstärkermaterials mit dem Matrixmetall gebildet wird. Die Infiltration wird bevorzugt in einer Weise vorgenommen, dass eine Umgiessung stattfindet, sodass eine Oberflächenschicht aus dem Matrixmetall entsteht
Eine Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, dass alle Widerstandselemente und die 

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 Leiterbahnen zur elektrischen Versorgung desselben auf einer gemeinsamen Isolatorschicht angeordnet sind. 



   Dadurch können die Verfahrenskosten gesenkt und Verfahrensschritte eingespart werden. 



   In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen für das Widerstandselement aus einer auf der Isolationsschicht aufgegossenen Metallschicht bestehen. 



   Andererseits können in der Isolationsschicht aber auch rillenförmige Vertiefungen vorgesehen werden, die sich während des Infiltrationsvorgangs mit dem Matnxmetall füllen und als Zu- und Ableitungen verwendbar sind. 



   Dadurch kann anschliessend die Oberfläche des Körpers aus Metall-Matrix-Verbundwerkstoff abgearbeitet werden, wobei das in den Rillen verbleibende Metall für die elektrischen Zu- und Ableitungen dient
Zu- und Ableitungen für das Widerstandselement können in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch lokales Entfernen einer oberflachlichen Metallschicht hergestellt werden, die aus der gleichzeitig mit der Metallinfiltration des Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes erfolgenden Umgiessung desselben stammt. 



   Der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff weist metallgefüllte Kanäle auf, die z. B. einander gegen- überliegende Plattenseiten miteinander verbinden. Während der Metallinfiltration füllen sich diese Bohrungen oder Kanäle mit dem Metall und stellen dann wärmeleitende Brücken dar, mit deren Hilfe eine raschere Ableitung oder Verteilung der Wärme in gewünschter Richtung erfolgt. 



   Das Material der elektrisch isolierenden Schicht ist gemäss einer anderen Variante der Erfindung vorzugsweise eine Oxid-, Karbid- und/oder Nitrid-Keramik, wie z.B. Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, oder   Berylliumoxid,   oder ein hitzebeständiger, elektrisch isolierender Kunststoff, wie Polybenzimidazol (PBI). 



   Abgesehen von den Silizium-Dünnschichtstrukturen kann gemäss einer weiteren Variante als Widerstandselement auch ein Element auf Basis einer PTC- oder NTC-Keramik eingesetzt werden. 



  Diese Keramikarten stellen Materialien mit temperaturabhängigen Leitfähigkeitswerten dar und können mit Vorteil in diesem Zusammenhang eingesetzt werden
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, dass das Widerstandselement als Heizelement ausgebildet ist. 



   Die Herstellung der Leiterstege kann dabei auf bekannte Art und Weise, z. B. durch Photolithographie, Atzung, Bearbeitung mit Laserstrahl od. dgl. erfolgen. 



   In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Wärmeträgerplatte mit einem Dichtungsring versehen sein. 



   Dadurch kann die Wärmeträgerplatte wärmeisoliert eingebaut werden. 



   Bei der Verwendung der erfindungsgemässen Heizvorrichtung als Kochplatte weist die Oberflachenschicht der Warmeträgerplatte vorteilhafterweise an der von den Heizelementen abgewandten Seite eine Schicht zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit auf. Es kann auch eine Schicht zur Verbesserung der Glätte und zur Intensivierung des Kontakts mit dem aufgesetzten zu wärmenden Gegenstand vorgesehen sein. 



   Zur Herstellung der erfindungsgemässen Heizvorrichtung können deren Bestandteile einzeln aneinandergefügt werden oder es kann die Kombination aus Wärmetragerplatte und Isolator gemeinsam vorgefertigt und das Widerstandselement anschliessend aufgebracht, z.B. aufgelegt oder aufgelötet werden. 



   Zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Heiz- bzw. Kochplatte ist in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, mit deren Hilfe die Erfindung besser veranschaulicht wird. 



   Es zeigt dabei
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Heizvorrichtung von unten;
Fig. 2 einen Schnitt entlang I-I gemäss Fig.1;
Fig.3 eine andere Ausführungsform der Heizvorrichtung gemäss Fig.1von unten und   Fig.4   einen Schnitt entlang IV-IV gemäss Fig.3. 



   Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Heizvorrichtung in Form einer scheibenförmigen Heizplatte 7 in einer Ansicht von unten mit Bezug auf ihre Gebrauchslage. Die Heizplatte 7 besteht aus einer Wärmeträgerplatte 1 und an deren Unterseite sternförmig angeordneten, rechteckigen Isolatorplatten 2, welche in Vertiefungen der Unterseite der Wärmeträgerplatte 1 bis auf eine Seite integriert eingelassen sind. 

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   Die Wärmeträgerplatte 1 besteht aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC), während die Isolierschichten aus einem elektrisch isolierenden Feststoff, wie z. B. aus einer Oxid-, Karbid-, und/oder Nitrid-Keramik, wie z.B. Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, oder Berylliumoxid, oder einem hitzebeständigen, elektrisch isolierenden Kunststoff, wie Polybenzimidazol (PBI) bestehen, an deren von der Wärmeträgerplatte 1 wegweisenden Oberflächen flächenförmige Widerstandselemente 3 aufgebracht sind. 



   Als Verstärkung kann der Metall-Matrix-Verbundwerkstoffbeispielsweise eine Oxid-, Karbidund/oder Nitrid-Keramik, wie z.B. Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid, oder Kohlenstoff enthalten und seine metallische Komponente kann beispielsweise aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Silizium, Kupfer, Molybdän oder Legierungen derselben bestehen. Dabei weisen der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff der Wärmetragerplatte 1 und die Isolatorplatten 2 im wesentlichen aneinander angepasste Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodass Wärmespannungen vermieden werden können. Als Verstärkung kann auch ein Metall, z. B. Molybdän, Verwendung finden, das einen höheren Schmelzpunkt als das Matrixmetall besitzt. 



   Der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff kann vor der Metallinfiltration mit Bohrungen bzw. Kanälen 9 versehen sein, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist, die z. B. zwei oder mehrere Seiten miteinander verbinden. Während der Metallinfiltration füllen sich diese Bohrungen oder Kanäle mit dem Matrixmetall und stellen dann   warmeieitfähige   Brücken dar, mit deren Hilfe eine raschere Verteilung oder Ableitung der Wärme in durch die Anordnung der Bohrungen bzw. Kanäle vorgebbaren Richtungen. 



   Die Widerstandselemente 3 sind dabei aus einer Dünnschicht-Struktur auf Siliziumbasis gebildet, es können aber auch andere geeignete Dünnschichtmaterialien eingesetzt werden. Wie aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, sind die Isolatorplatten 2 und die Widerstandselemente 3 in ihren Dimensionen ungefähr gleich gross Die Art des Aufbringens der Widerstandselemente 3 auf die Isolierschichten 2 kann verschieden sein, wie etwa durch Auflegen oder Auflöten. Auf der Oberfläche dieser Isolatorplatten 2 befinden sich die Widerstandselemente 3, die als Heizelemente ausgebildet sind. Die Heizelemente 3 werden über als Zu- und Ableitungen ausgeführte, auf Isolatorbahnen angeordnete Leiterbahnen 4,4', die aus dem Metall des Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes bestehen, mit Strom versorgt.

   Die Widerstandselemente 3 können aber auch auf Basis einer PTC- oder NTC-Keramik gebildet sein, wodurch deren bekannte Eigenschaften zur Temperaturstabilisierung genutzt werden können
Zum besseren Einbau der Heizplatte 7 in eine Traganordnung, wie eine Herdplatte od. dgl und zur besseren Wärmeisolierung derselben weist die Wärmeträgerplatte 1 einen eingesetzten Dichtungsring 5 auf. Dieser kann bei der Herstellung der Platte mitgefertigt oder nachtraglich eingesetzt werden. 



   Fig. 2 stellt einen Schnitt durch die Platte 7 der Fig. 1 längs der Linie II -II dar. Man erkennt deutlich, dass die Isolatorplatten 2 in einer Vertiefung der Wärmeträgerplatte 1 angeordnet sind, wodurch sie bis auf eine Seite in der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff-Platte integriert sind. Das Heizelement 3 steht mit den auf den Isolatorbahnen 8 angeordneten elektrischen Zu- und Ableitungen 4,4' in Verbindung. 



   Die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Ausführungsform, bei welcher mit Fig. 1 und 2 übereinstimmende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Abweichend von Fig. 1 und 2 trägt die Wärmeträgerplatte 1 eine durchgehende Isolationsschicht 10, auf welcher die Leiterbahnen 4 bzw Leiterstege 4' und die Heizelemente 3 angeordnet sind. 



   Die Leiterbahnen 4 bzw. Leiterstege 4' für die Heizelemente 3 werden durch lokales Entfernen, wie etwa durch Ätzen od. dgl., einer oberflachlichen Metallschicht hergestellt, die aus der gleichzeitig mit der Metallinfiltration des Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes erfolgenden Umgiessung desselben stammt Alternativ dazu können auch Vertiefungen, wie z.B. Rillen in der Isolatorschicht 1 vorgesehen sein, die sich während des Infiltrationsvorgangs mit dem Matrixmetall füllen und als Zu- und Ableitungen verwendbar sind, da nach diesem Vorgang die Oberfläche des Metall-MatixVerbundwerkstoff-Körpers abgearbeitet werden kann, wobei das in den Rillen verbleibende Metall für die elektrischen Zu- und Ableitungen dient. 



   Die Wärmeträgerplatte 1 kann entweder zur Gänze aus dem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff bestehen, dies zeigen Fig. 1 und 2, oder sie kann bloss einen Kern 1" aus einem solchen Material 

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 aufweisen, der in das Matrix-Material eingebettet ist, was Fig. 3 und 4 beispielsweise zeigen. 



   Für die Verwendung im Haushalt weist die Warmeträgerplatte 1 an der von der Seite mit den isolierenden Schichten 2 abgewandten Seite eine Oberflächenschicht 6 auf, die zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit zur Erhöhung der Glätte und Intensivierung des Kontakts, also zur Erhöhung des Wärmeübergangs zu den aufgesetzten Gegenständen, wie Kochgefässen und dergl., dient. Ebenfalls erkennbar ist der Dichtungsring 5, der zum isolierenden Einbau der Heizplatte vorgesehen ist
Die erfindungsgemässe Heizvorrichtung ist kompakter als die bisherigen Elemente, da sie keinen Luftspalt aufweist und mit verhältnismässig kleinen Heiz- und Isolierelementen ihr Auslangen findet. Sie zeigt äusserst geringe Wärmeverluste, wodurch ein schnelleres Aufheizen und eine benutzerfreundlichere Bedienung gewährleistet werden. 



   Die erfindungsgemässe Heizvorrichtung kann mit den gleichen Vorteilen als Zündeinrichtung, beispielsweise für Airbags od dergl., sowie als Temperatursensor verwendet werden. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1. Heizvorrichtung für elektrische Heizplatten, Zündeinrichtungen, Temperatursensoren od. dgl., umfassend übereinander angeordnet ein elektrisches Widerstandselement, eine elektrisch isolierende Schicht und eine Wärmeträgerplatte, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerplatte (1) wenigstens zum Teil, vorzugsweise zur Gänze, aus einem
Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC) besteht, dessen metallische Komponente z.B. aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Silizium,
Kupfer, Molybdän oder Legierungen derselben ausgewählt ist, und welcher Metall-Matrix-
Verbundwerkstoff als Verstärkung z.

   B. eine Oxid-, Karbid- und/oder Nitridkeramik, vor- zugsweise Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid oder
Kohlenstoff oder ein zusätzliches Metall, insbesondere Molybdän, mit einem höheren
Schmelzpunkt als das Matrixmetall enthält, wobei gegebenenfalls das Material der MMC-
Platte (1) und das Material der elektrisch isolierenden Schicht   (2;10)   im wesentlichen aneinander angepasste Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Claims (1)

1. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (2; 10) aus einem elektrisch isolierenden Feststoff besteht.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstands- element (3) aus einer Dünnschichtstruktur, vorzugsweise auf Silizium-Basis, besteht.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht (2) in ihren Dimensionen im wesentlichen denjenigen des Widerstandselementes (3) entspricht 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht (2) als bis auf eine Seite in der Wärmeträgerplatte (1) integrierte Isolatorplatte ausgebildet ist, auf der das Widerstandselement (3) aufgebracht, z.B. aufgelegt oder aufgelötet ist.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alte Wider- standselemente (3), und die Leiterbahnen (4) zur elektrischen Versorgung derselben auf einer gemeinsamen Isolatorschicht (10) angeordnet sind.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Isolatorschicht (2;10) rillenförmige Vertiefungen vorgesehen sind, welche sich während des Infiltrationsvorganges mit Metall füllen und als elektrische Zu- und Ableitungen verwendbar sind.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter- bahnen (4) für das Widerstandselement (3) aus einer auf der Isolatorschicht (2;10) aufge- gossenen Metallschicht bestehen.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (4) durch lokales Entfernen einer oberflächlichen Metallschicht hergestellt sind, die aus der gleich- zeitig mit der Metallinfiltration des Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes erfolgenden Umgie- #ung desselben stammt.

   10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall- <Desc/Clms Page number 5> Matrix-Verbundwerkstoff metallgefullte Kanäle (9) aufweist, die z. B. einander gegenüber- liegende Plattenseiten miteinander verbinden.

   11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der elektrisch isolierenden Schicht (2; 10) eine Oxid-, Karbid- und/oder Nitnd- Keramik, wie z.B. Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid, oder ein hitzebe- ständiger, elektrisch isolierender Kunststoff, wie Polybenzimidazol (PBI), ist.

   12 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (3) ein Element auf Basis einer PTC- oder NTC-Keramik ist 13 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (3) als Heizelement ausgebildet ist.

   14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerplatte (1) mit einem Dichtungsring (5) versehen ist.

   15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerplatte (1)an der von den Heizelementen abgewandten Seite mit einer Schicht (6) zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit bzw. zur Erhöhung der Glätte und Intensi- vierung des Kontakts mit einem aufzusetzenden Gegenstand versehen ist