DE10004177A1

DE10004177A1 - Elektrisches Heizelement

Info

Publication number: DE10004177A1
Application number: DE2000104177
Authority: DE
Inventors: Lutz Ose; Eugen Wilde
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-02

Abstract

Durch die Erfindung wird unter anderem ein elektrisches Heizelement (15, 31) sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung geschaffen, das aus halbleitender Keramik (28, 32) besteht. Das halbleitende Keramikmaterial ist porös bzw. aufgeschäumt und enthält so auch nach außen hin offene Poren (29, 34). Die Poren können durch Beimischung von sich beim Sintern auflösenden Füllkörpern in das Ausgangsmaterial oder Tränken eines textilen Trägermaterials (36) erzielt werden. Durch die Porosität des Heizelementes (15, 31) wird eine erhöhte Abstrahlfläche für die bei Stromdurchfluß entstehende Wärme erreicht. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials (28, 32) des Heizelementes (15, 31) kann durch Stickstoffaufnahme während eines dem Sinterprozeß nachgeschalteten Nachglühens unter Stickstoffatmosphäre eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement, insbe sondere für einen Strahlheizkörper eines Elektroherdes, das aus halbleitender Keramik besteht, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Die DE 296 19 759 U1 offenbart einen elektrischen Strahlungs heizer aus halbleitendem Keramikmaterial. Er weist die Form wenigstens eines langgestreckten Stabes oder Streifens auf, wobei sein Querschnitt vorzugsweise rechteckig ist und er mit der schmalen Kante auf einem Träger abgestützt ist. Das Widerstandsheizelement ist dabei massiv ausgeführt.

AUFGABE UND LÖSUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs erwähntes Heizelement zu schaffen, das ein schnelles Anheizen ermöglicht, gut regelbar ist und vorteilhafte Werte für die thermische Oberflächenbelastung bzw. Heizleistungsabstahlung aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelementes zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Heizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden auch im folgen den näher dargestellt.

Erfindungsgemäß besteht das Heizelement aus einem halbleiten den Keramikmaterial, das zumindest teilweise bzw. größten teils offen und/oder porös ist. Insbesondere kann es gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform schaumartig oder schwammartig sein. Unter schaumartig soll hier vor allem eine Materialform verstanden werden, bei der das Material eine große Anzahl von Einschlüssen bzw. Kammern oder Poren auf weist, die vorzugsweise leer sind. Insbesondere gleicht ein solches schaumartiges Keramikmaterial vom Erscheinungsbild her einem Schwamm oder einem Schaumstoff. Als vorteilhaft wird ein auch nach außen hin offenporiges Material angesehen, um so Ausgasungsprobleme und dgl. zu vermeiden.

Zwar kann die Porosität in einem weiteren Bereich gewählt werden, als vorteilhaft wird ein Bereich zwischen 10 und 50 ppi (Poren pro Inch) angesehen. Das bedeutet, daß auf einer Linie durch das Material, die einen Inch lang ist, 10 bis 50 Poren geschnitten bzw. gestreift werden. Das ist in etwa 1 Pore pro mm. Als besonders vorteilhaft werden Werte um ca. 30 ppi angesehen. Somit ist das Material als relativ feinporig anzusehen.

Als zweite vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit ist es mög lich, das Keramikmaterial strukturiert und verästelt in Form von Verzweigungen vorzusehen, die miteinander verbunden sind bzw. aneinanderhängen. Es kann sich dadurch beispielsweise eine Skelettform ergeben, wobei die Verzweigungen dünn sein können im Vergleich zu den Ausnehmungen dazwischen. Vorteilhaft kann das Heizleitermaterial nach Art von dreidimen sionalen Maschen aufgebaut sein, insbesondere einem drei dimensionalen textilen Material ähnelnd.

Um im folgenden beide Ausführungsformen unter einem Begriff benennen zu können, wird der Ausdruck Strukturkeramik (schaumartig oder skelettartig) verwendet.

Es ist von Vorteil, wenn im Verlauf der Längsausdehnung des Heizelements dessen elektrisch wirksamer Querschnitt im wesentlichen gleich bleibt. So werden bei gebogenen Heizlei tern sogenannte heiße Pfade mit erhöhtem Stromfluß, insbeson dere an der Innenseite einer Krümmung, vermieden. Das ist besonders vorteilhaft durch eine zuvor beschriebene skelett artige Ausbildung zu erreichen, wobei die Verästelungen des Skeletts an solchen Innenseiten näher zusammenrücken, sich jedoch ihre jeweilige Länge bzw. der elektrisch wirksame Leiterquerschnitt nicht verändert.

Das spezifische Gewicht des Heizelementes bzw. der Struktur keramik kann bei beiden Grundausführungen zwischen 0,1 und 3 g/cm³ liegen, vorzugsweise bei ca. 0,6 g/cm³ für 30 ppi für eine Schaumkeramik. Daraus ist zu erkennen, daß der Anteil der Poren bzw. offenen Abschnitte den Anteil des Keramik materials weit übersteigen kann, also mehr Poren bzw. Hohl- oder Zwischenräume als Keramikmaterial vorhanden sind. Ein massives Keramikmaterial weist ein spezifisches Gewicht zwischen 3 und 4 g/cm³ auf. Zum Teil kann also das Volumen der Poren bzw. Hohlräume oder offenen Abschnitte ca. zehnmal bis zwanzigmal höher sein als das des eigentlichen Keramik materials an sich. Es ist insbesondere zu beachten, daß durch Verwendung einer Keramik mit skelettartigem Charakter bzw. Verzweigungen die sogenannte Porosität noch höher liegt.

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Strukturkeramik besteht darin, daß sie ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Leiterquerschnitt und Abstrahlungsoberfläche aufweist. Somit kann die entstehende Wärme sehr gut abgegeben werden. Weiters wird ein sehr schnelles Aufglühen bzw. Aufleuchten des Heizelements ermöglicht. Vorteilhaft wird eine Struktur keramik in länglicher bzw. Stabform ausgebildet.

Die thermische Oberflächenbelastung liegt vorteilhaft bei ca. 12 W/cm² bei 1.200°C und bei ca. 16 W/cm² bei 1.300°C. Mit Oberfläche ist hier jedoch die Einhüllende der Oberfläche des Heizelements gemeint, nicht die Oberfläche des reinen Kera mikmaterials.

Der spezifische Widerstand kann bei ca. 30 ppi etwa 0,25 Ohm .cm (kalt) und etwa 0,4 Ohm.cm (bei ca. 800°C) betragen. Als Wert für die Wärmekapazität kann bei einem Ausführungs beispiel mit ca. 40 Masseprozent Silizium ca. 0,68 J/gK (kalt) und ca. 1,15 J/gK (bei ca. 1.000°C) eingestellt werden. Analog zu den ppi-Angaben für die schaumartige Strukturkeramik bestimmt bei der skelettartigen Strukturkera mik die Maschenanzahl pro Volumen die Hohlraumgröße oder - dichte.

Das Material des Heizelements ist vorteilhaft siliziumhaltig, insbesondere kann es Siliziumcarbid enthalten. Weitere Möglichkeiten sind SiSiC, RbSiC sowie SiN. Alternativ zu Silizium kann Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder AlN verwendet werden. Ein siliziumhaltiges Material kann auch MoSi₂ sein, das unter dem Handelsnamen "Kanthal-Super" erhältlich ist, vorteilhaft vermischt mit einer der vorgenannten Keramiken. Bevorzugt ist das Material des Heizelements bzw. dieses selber gesintert. Das Material kann zum Oberflächenschutz an seiner Oberfläche mit Siliziumoxid überzogen sein. Besonders bevorzugt wird dotiertes Siliziumcarbid, das vorteilhaft mit Stickstoff dotiert ist, oder alternativ reaktionsgebundenes Siliziumcarbid. Diese Vorgänge können vorteilhaft unter einer Atmosphäre mit reaktivem Gas stattfinden.

Eine Möglichkeit sieht ein schaumartiges oder skelettartig verzweigt strukturiertes Material vor, das eine silizium haltige Beschichtung aufweist. Eine solche Strukturkeramik, insbesondere aus SiC, weist ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Leiterquerschnitt und Oberfläche auf.

Das Heizelement kann eine längliche Form aufweisen, insbeson dere wenigstens einen stabförmigen Abschnitt. Beispielsweise kann es sich über eine Heizzone eines Strahlheizkörpers eines Elektroherdes quer erstrecken. Eine weitere Möglichkeit ist eine zickzack- oder mäanderförmige Ausbildung eines länglichen Heizelementes, wobei eine größere Fläche überdeckt werden bzw. benachbart sein soll. Alternative Formen für ein Heizelement sehen eine flächige Ausbildung vor, beispiels weise in dünner Form und nach Art einer Folie oder der gleichen.

Zur mechanischen Verstärkung des Heizelementes kann es faser verstärkt sein. Hierfür bieten sich beispielsweise Keramik fasern an, die in das Ausgangsmaterial vor einem Sinterpro zeß zur Keramik eingelegt werden können.

Der Wert für das spezifische Leistungsgewicht einer Struktur keramik kann niedriger als ca. 5 g/kW gewählt werden, vor teilhaft zu ca. 1,7 g/kW.

Über die Porosität der Schaumkeramik und deren Porengröße und -Anzahl bzw. die Maschenweite einer Strukturkeramik mit skelettartigem Aufbau kann der wirksame Querschnitt und/oder der elektrische Widerstand des Heizelements eingestellt werden. Je mehr bzw. je größere Poren oder Maschen vorhanden sind, um so größer ist die Oberfläche pro Masseeinheit und damit die Abstrahlung. Allerdings wirken hier mechanische Stabilität sowie Volumenausdehnung des Heizelements als limi tierende Faktoren.

Des weiteren kann das Heizelement derart behandelt werden, insbesondere durch Dotierung bzw. Siliziuminfiltration, daß sein Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes, insbesondere über den Betriebstemperaturbereich gesehen, sein Vorzeichen nicht wechselt. Der Betriebs-Temperaturbereich kann weit über 1.000°C, beispielsweise bis 1.300°C oder sogar maximal 1.600°C reichen. Innerhalb dieses Betriebs- Temperaturbereiches soll der Temperaturkoeffizient sein Vorzeichen nicht wechseln um eine eindeutige und gut be herrschbare Aufheizcharakteristik zu bekommen. Beispielsweise kann es sich um eine PTC-Charakteristik handeln, d. h. der elektrische Widerstand nimmt mit ansteigender Temperatur zu. Das Heizelement bedämpft sich dann beim Anheizen selber. Dabei kann der Verlauf des Temperaturkoeffizienten in Ab hängigkeit von der jeweiligen Temperatur unterschiedlich sein, insbesondere erst bei hohen Temperaturen signifikant ansteigen zur Vermeidung einer Überhitzung.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizele mentes, das aus einer halbleitenden Keramik besteht, wird erfindungsgemäß das Ausgangsmaterial der Keramik mit nicht keramischem Füllmaterial vermengt, wobei das Füllmaterial entweder isolierend ist oder beim Sintervorgang verbrennt und so beim anschließenden Sintern der Keramik isolierende Zwischenräume, vorzugsweise Freiräume, in der Keramik entste hen.

Zur Herstellung beispielsweise einer zuvor beschriebenen Schaumkeramik werden dem Ausgangsmaterial isolierende bzw. sich durch Temperatureinwirkung oder sonstige Einwirkung auflösende Füllkörper zugemischt. Die Füllkörper werden mit dem Ausgangsmaterial homogen vermischt, beim anschließenden Sintern können sie sich durch die thermische Einwirkung auflösen und die Poren hinterlassen. Auf diese Weise ent stehen beim Sintern des Ausgangsmaterials zur Keramik iso lierende Zwischenräume in der Keramik, die oben bezeichneten Poren.

Ein sich durch Temperatur auflösendes Material ist vorteil haft ein Kunststoff, beispielsweise können kleine Styropor kügelchen o. dgl. verwendet werden. Die Größe der Kügelchen entspricht im wesentlichen der gewünschten Porengröße, ihr Anteil der gewünschten Porosität.

Im wesentlichen können die Füllkörper homogen mit dem Aus gangsmaterial vermischt werden. Es ist jedoch auch möglich, zur Ausbildung von mechanisch verstärkten und/oder thermisch weniger belasteten Abschnitten in diesen Bereichen weniger oder kleinere Füllkörper zuzugeben, wobei hierzu ein gewisser Aufwand beim Befüllen der Form für den Heizkörper zu betrei ben ist. Ebenso ist es denkbar, in solchen Abschnitten geringerer Porosität das Keramik-Füllkörper-Gemisch zu verdichten unter Hinzugabe weiteren Keramikmaterials, was durch elastische Füllkörper (ergibt kleinere Poren) ohne weiteres möglich ist.

Eine weitere Möglichkeit ist das Aufschäumen des Keramik- Ausgangsmaterials ähnlich einem Verfahren zur Herstellung von Schaumstoff o. dgl.. Dazu kann ein geeigneter Binder beige mischt werden.

Zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Strukturkeramik mit skelettartigen Verzweigungen kann ein textiles Material, das dreidimensional ausgebildet und miteinander verzweigt verbun den ist, mit dem flüssigen Ausgangsmaterial für die Keramik getränkt werden. Dabei umhüllt das Ausgangsmaterial die einzelnen Fäden bzw. Verästelungen des Textilmaterials und bildet so dessen Struktur nach. Das Textilmaterial kann so eine Art Träger für die Keramik bilden. Nach dem Tränken wird der Grünkörper, bei dem das Ausgangsmaterial vorzugsweise etwas getrocknet ist, ausgebrannt. Dabei verschwindet bzw. verbrennt das Textilmaterial, zurück bleibt das Keramik material, und zwar im wesentlichen in der Form des Textil materials, also mit den Verzweigungen als Strukturkeramik. Die isolierenden Zwischenräume entsprechen im wesentlichen der Maschenweite des Textilmaterials. Als Textilmaterial wird vorteilhaft ein aus verknoteten Fäden gebildetes Gewebe mit erheblicher Dicke bzw. dreidimensionaler oder räumlicher Ausdehnung verwendet, alternativ können mehrere miteinander verbundene Lagen eines Gewebes verwendet werden. Ebenso ist es möglich, andere Formen offener und Poren oder Maschen bildender Träger zu verwenden. Als weiteres Beispiel kann ein offenporiger Schaumstoff verwendet werden, wobei hier die keramischen Verzweigungen weniger als skelettartige Veräste lungen, sondern eher als dünne Kammerwände o. dgl. vorliegen werden.

Des weiteren kann noch ein Umformvorgang des Textilmaterials umfaßt sein. Einerseits kann das Textilmaterial vor dem Tränken mit Keramikmaterial in Form gebracht werden. Anderer seits kann bevorzugt das Textilmaterial nach dem Tränken geformt werden, um dann dem später gewünschten Heizelement zu entsprechen.

Zur Abschwächung eines Temperaturkoeffizienten des Keramikma terials kann die halbleitende Keramik mit einem Dotiermateri al dotiert werden. Beispielsweise kann hierzu die Porosität bzw. Offenheit vorteilhaft zur Diffusion von gasförmigem Dotiermaterial und demzufolge zur Dotierung verwendet werden.

In dem keramischen Ausgangsmaterial, das bevorzugt in flüssi ger Form vorliegt, kann ein Binder enthalten sein, insbe sondere um das anschließende Vermischen mit Füllkörpern oder das Benetzen bzw. Durchtränken von Textilmaterial zu ermög lichen.

Als weitere Möglichkeit kann nach dem Sinterprozeß die Keramik in einer Atmosphäre nachgeglüht werden, die das Dotiermaterial enthält. Dotiert werden kann vorzugsweise mit Stickstoff, wobei dieser aus der Atmosphäre, unter der nachgeglüht wird, über die Poren in die Keramik eindiffundie ren kann. Über die Dauer des Nachglühens oder über den Stickstoffanteil in der Atmosphäre kann die Stickstoffaufnah me der Keramik eingestellt werden. Wird von einer Keramik ausgegangen, bei der durch Stickstoffaufnahme die elektrische Leitfähigkeit bzw. der Temperaturkoeffizient beeinflußt werden kann, können vorteilhafte und gewünschte Eigenschaften der Keramik eingestellt werden. Insbesondere kann somit ein oben erwähnter Temperaturkoeffizient ohne Wechsel des Vorzei chens über den Betriebs-Temperaturbereich erreicht werden. Das Nachglühen kann beispielsweise bei Temperaturen um 2.200°C stattfinden.

Des weiteren kann erfindungsgemäß eine elektrische Heizein richtung mit einem vorstehend beschriebenen Heizelement geschaffen werden, wobei die Heizeinrichtung eine dem Heiz element zugeordnete Temperatur-Überwachungseinrichtung mit Steuermitteln für die Beeinflussung des Heizelements aufweist. Die Heizeinrichtung weist vorzugsweise sogenannte Strahlheizkörper unter einem Kochfeld, beispielsweise aus Glaskeramik, auf. Als Temperatur-Überwachungseinrichtungen sind beispielsweise herkömmliche Stabregler, wie sie allge mein für Strahlheizkörper in Elektroherden verwendet werden, einsetzbar. Ebenso können elektrische oder elektronische Temperatursensoren verwendet werden. Die Steuermittel können einerseits als übliche taktende Leistungsquantler ausgeführt sein, bevorzugt werden aber elektronische Steuerungen mit Leistungsschaltern.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus den Beschreibungen und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausfüh rungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführun gen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Heizelements, das als Heizstab in einem Isolierkörper angeordnet ist,

Fig. 2 ein stabförmiges Heizelement aus einer Schaum keramik in vergrößerter Nahansicht,

Fig. 3 ein vergrößerte Nahansicht einer skelett artigen Strukturkeramik und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer streng ausgerichteten Struktur eines textilen Trägermaterials.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Fig. 1 zeigt schematisch in Schrägansicht einen Strahl heizkörper 11, der aus einem tellerförmigen Isolierträger 12 mit einem rohrstutzenförmigen Isolierrand 13 besteht. Iso lierträger 12 und Isolierrand 13 können evtl. in einer Trägerschale o. dgl., beispielsweise aus dünnem Blech, angeordnet sein.

Über dem Isolierträger 12 ist ein erfindungsgemäßes Heizele ment 15 angebracht, das als Durchmesser über den runden Strahlheizkörper 11 läuft. Das Heizelement 15 ist stabförmig dargestellt, wobei selbstverständlich auch Abweichungen von dieser Form vorgesehen sein können. Des weiteren ist hier lediglich der Anschaulichkeit halber das Heizelement 15 in Alleinstellung dargestellt, es ist vorteilhaft möglich, weitere Heizungseinrichtungen vorzusehen. Weitere Heizungs einrichtungen könnten beispielsweise weitere Heizstäbe wie das Heizelement 15 sein, alternativ auch andere Strahlheiz körper wie Bandstrahlheizkörper oder Hellstrahler, z. B. Halogenlampen. Bei solchen kombinierten Heizungen dient das Heizelement 15 vor allem infolge seiner sehr guten da kurzen Aufglühzeit unter anderem als Signalisierung, daß die Koch stelle den Betrieb aufgenommen hat und ein sehr schnelles Ankochen möglich ist. Weitere Heizeinrichtungen können eine auf die runde Fläche des Strahlheizkörpers 11 verteilte Heizleistung erbringen sowie für eine niedrigere Fortkoch leistung ausgelegt sein. Anstelle eines geraden Stabes sind auch gebogene Formen möglich, beispielsweise S-förmig. Der Querschnitt ist nicht notwendigerweise rund gemäß Fig. 1, auch flache und/oder rechteckige Querschnitte sind möglich.

Der elektrische Anschluß an das Heizelement 15 erfolgt an den Enden mittels metallischer Anschlußkappen 17, die über Anschlußabschnitte 16 des Heizelements geführt sind und mit diesem mechanisch und elektrisch verbunden sind. Wie deutlich zu erkennen ist, weisen die Anschlußabschnitte 16 in dem dargestellten Beispiel keine Porosität auf. Dies wird ermög licht durch Herstellen des Heizelements 15 sowohl aus mit Füllkörpern versehenem Ausgangsmaterial als auch einem ohne Füllkörper. Das Ausgangsmaterial ohne Füllkörper wird zur Ausbildung der Enden des Heizelements 15 bzw. der Anschlußab schnitte 16 verwendet. Eine solche Ausbildung der Enden bzw. Anschlußabschnitte des Heizelements 15 hat den Zweck, daß hier der elektrische Widerstand erheblich verringert werden soll um eine übermäßige Erwärmung dieser Abschnitte zu vermeiden, da sie schließlich die Isolierung des Strahlheiz körpers 11 nach außen durchstoßen. Weiterhin wäre ein elek trischer Anschluß daran bei hohen Temperaturen erschwert wäre.

Die Anschlußkappen 17 weisen abstehende Anschlußsteckfahnen 19 auf, an die Anschlußsteckschuhe 20 aufgesteckt werden können. Die Anschlußsteckschuhe 20 wiederum weisen Anschluß kabel 21 auf, die zu einer elektrischen Versorgung des Heizelements 15 geführt sind. Als Alternative zu solchen Anschlußkappen 17 können Anschlußkabel oder Anschlußsteckfah nen direkt an das Heizelement 15 bzw. den Anschlußabschnitt 16 angebracht werden, beispielsweise durch Keramiklötung.

Anstelle einer erhöhten Leitfähigkeit durch Weglassen der Füllkörper bzw. mehr Materialstärke in den Anschlußabschnit ten 16 kann dieser Effekt durch eine unterschiedliche Dotie rung des Keramikmaterials des Heizelements 15 erreicht werden. Dadurch kann auch eine bessere Stromeinleitung in den porösen und als Heizung arbeitenden Teil des Heizelements 15 erzielt werden.

Oberhalb der von den Heizstäben 15 bedeckten Fläche, also im Bereich einer auf diese Weise gebildeten Heizzone 23, ver läuft ein stabförmiger Fühler 25 eines Temperaturwächters 26 nach bekannter Art. Der Wächter 26 ist an der Außenseite des Isolierrandes 13 angeordnet. Bei Überschreiten einer gewissen einstellbaren Temperatur in der Heizzone 23 über dem Heizele ment 15 schaltet der Temperaturwächter 26 die elektrische Versorgung von dem Heizelement 15 ab bzw. die Leistung zumindest teilweise zurück. So kann die Temperatur des Strahlheizkörpers 11 geregelt bzw. eine Überhitzung vermieden werden. Weitere Möglichkeiten sind Temperaturfühler, die mit einer beeinflußbaren, vorzugsweise elektronischen, Steuerung für die Energiezufuhr zu dem Strahlheizkörper 11 verbunden sind. Auf diese Weise können Automatik-Kochprogramme o. dgl. durchgeführt werden. Da das Heizelement 15 erfindungsgemäß vorteilhaft sehr schnell hohe Temperaturen erreicht, besteht die Anforderung an den Temperaturwächter 26, Übertemperaturen schnell erkennen und das Heizelement 15 abschalten zu können. Durch die Anordnung mehrerer Heizeinrichtungen bzw. Heizele mente 15, eventuell in Kombination mit anderen Heizeinrich tungen, ist es bei einem solchen Strahlheizkörper 11 möglich, nach Erreichen einer gewissen Temperatur, insbesondere einer Maximaltemperatur, einen Teil der Heizeinrichtungen abzu schalten. Anschließend kann beispielsweise nur mit einzelnen oder mit einer Gruppe von Heizeinrichtungen weitergeheizt werden.

Sind Isolierträger 12 und Isolierrand 13 in einem metalli schen Träger o. dgl. angeordnet, so ist auf Einhaltung elektrischer Isolationsvorschriften zwischen den elektrischen Anschlüssen für die Heizstäbe 15 und dem metallischen Träger zu achten. Wichtig ist bei einem solchen Strahlheizkörper 11, daß die thermische Isolierung, insbesondere zu dem Isolier träger 12 hin, sehr gut ist. Hier sind zum einen mehrlagige Isoliermaterialien vorteilhaft, beispielsweise mit einerseits mechanisch stabilen und zusätzlich mechanisch schwachen, dafür thermisch besser isolierenden Materialien möglich. Eine weitere Möglichkeit ist, ein Strahlungsschirm unterhalb des Heizelements 15, der einen Teil der nach unten abgestrahlten Wärme sowohl von dem Isolierträger 12 abhalten als auch nach oben in die Heizzone 23 hieinreflektieren soll. Ein solcher Strahlungsschirm kann auf bekannte Weise ausgebildet sein, bevorzugt aus Metall. Vorteilhaft kann er direkt auf den Isolierträger 12 gelegt sein. Als Isolationen für den Strahl heizkörper 11 kommen übliche Materialien sowie eine Vaku umisolation aus Metallfolien mit Füllung in Frage.

Aufgrund der sehr hohen Betriebstemperaturen der keramischen Heizelemente können neuartige thermische Isoliersysteme verwendet werden. Möglich sind einerseits Mehrschichtsysteme mit einer Unterisolierung derzeitiger Mischung plus zusätz licher Hochtemperaturschicht zum Heizelement hin. Weiters sind in einem Arbeitsgang verpreßte Mischungen mit unter schiedlichen Anteilen und Materialien möglich, ebenso eine Beschichtung aus keramischem Material mit entsprechendem Sinterpunkt oder eine Flamm- oder Plasmabeschichtung mit Keramik. Eine weitere Möglichkeit ist ein Strahlungsschirm, z. B. eine Gießfolie aus Al₂O₃.

Die Fig. 2 zeigt ein Heizelement 15, das eine Vergrößerung des Heizelements aus Fig. 1 ist und aus einer schaumartigen Keramik besteht. Dabei ist zu erkennen, wie der eigentliche Keramikkörper 28 von Poren 29 durchsetzt ist. Hierbei vari iert die Porengröße, ist jedoch im statistischen Mittel in einem relativ engen Bereich angesiedelt. Wichtig ist hierbei vor allem, daß Porengröße und Durchschnittswandstärke der Keramik im Mittel einen gewünschten Wert aufweisen. Die Porosität kann zwischen 80% und 95% liegen, also sehr hoch sein. Zur Beschränkung des für den Betrieb als Heizelement wichtigen elektrischen Widerstands auf einen bestimmten räumlichen Bereich, nämlich ausgenommen von den seitlichen Anschlußabschnitten 16 am Ende, kann eine Dotierung in eben diesem Bereich erfolgen. Die Anschlußabschnitte 16, die am Rand des Heizelements 15 angedeutet sind, dienen vor allem der Halterung und der Stromeinleitung. Der Bereich dazwischen ist der als Heizung wirksame Bereich.

Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Heizelements 31 bestehend aus einem Keramikkörper mit einer skelettartigen Struktur, die im vorliegenden Fall durch ein textiles Träger material erreicht worden ist. Die Struktur besteht aus Verästelungen 32, welche Maschen 33 bilden. Diese Maschen 33 wiederum enthalten Zwischenräume 34, die die nichtleitenden Bereiche bilden bzw. den Poren 29 der Fig. 2 entsprechen. Es ist zu beachten, daß keine Verästelung 32 im Nichts endet, sondern alle Verästelungen (außer bei Beschädigungen des Keramikörpers) mit den anderen Verbunden sind und Maschen 33 bilden.

Dabei fällt auf, daß die Größe der Maschen 33 schwankt. Das ist darauf zurückzuführen, daß hier bei der Herstellung ein textiles Trägermaterial verwendet worden ist, das eben keine absolut gleichmäßige Maschenweite aufweist. Eine solche Variation der Maschenweite sollte sich in einem gewissen Bereich bewegen.

Die Fig. 4 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau eines textilen Trägermaterials 36 für einen Keramikkörper. Im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 3 wurde hier ein streng geometrischer und gleichmäßiger Aufbau gewählt, bei dem durch einzelne Maschenstücke 37 im wesentlichen rechteckige Maschen 38 für das Grundgerüst gebildet werden. Die Größe der Maschen kann im mm-Bereich liegen und bis zu 10 oder 15 mm erreichen. Diese rechteckigen Maschen 38 wiederum bilden quaderförmige Zellen 39, aus deren Aneinanderreihung das dreidimensional erstreckte Trägermaterial gebildet ist. Innerhalb der Zellen 39 verläuft wenigstens eine schräge Verstrebung 40, die die Festigkeit des fertigen Keramikkörpers erhöht. Diese Verstre bung 40 kann beispielsweise in einer Richtung verlaufe, die zwecks der mechanischen Festigkeit vorgegeben ist. Ebenso kann sie sich an der späteren Stromflußrichtung orientieren oder eine optimale Wärmeabstrahlung bewirken. An den Knoten punkten sind die einzelnen Maschenstücke 37 des Textilmate rials 36 durch eine Verschlingung bzw. einen Knoten 41 miteinander verbunden. Im wesentlichen ähnelt der Aufbau in Fig. 4 mehreren Lagen von Netzen, die miteinander verbunden worden sind. So ist die Bildung richtiger Matten möglich, die als Trägermaterial dienen.

Der fertige Textilkörper wird mit dem flüssigen Ausgangs material für die Keramik getränkt, und nach dem Ausbrennen weist der entstehende Keramikkörper die Struktur des Textil materials auf.

Der gewählte Aufbau ist beispielhaft und theoretisch und soll veranschaulichen, wie ein streng geometrischer und gleich mäßiger Aufbau möglich ist. Die Verästelungen können weitaus zahlreicher sein, auch mehrere Zelle überbrücken. Des weite ren ist es möglich, sechseckige Maschen auszubilden nach Art von Bienenwaben, ebenso sehr komplexe Maschen- bzw. Zellen formen. Es ist von Vorteil, wenn alle Maschenstücke und Verästelungen im Betrieb als Heizelement die gleiche Wärme entwicklung aufweisen, wozu Stärke und Länge in etwa gleich bleiben sollte. Bei Variation beispielsweise der Länge kann dies wiederum durch entsprechenden Ausgleich in der Stärke kompensiert werden, so daß der elektrische Widerstand jedes Maschenstücks gleich ist.

Hierin liegt einer der großen Vorteile der Verwendung eines textilen Trägermaterials. Durch den Einsatz moderner Webauto maten ist es möglich, die Trägerstruktur von vorneherein festzulegen, je nach Verwendungszweck bzw. gewünschten Eigenschaften, beispielsweise extrem gerichtet. Auch gebogene Formen sind denkbar. Als textile Materialien sind beispiels weise Polymer- oder Naturmaterialien.

Zur Herstellung eines beschriebenen Keramikmaterials aus Siliziumcarbid soll von submikronen Siliziumcarbid-Pulvern ausgegangen werden. Nanoskaliger Kohlenstoff und submikrones Borcarbid werden als Sinteradditive verwendet. Siliziumcar bid-Pulver wird über kolloidale Verarbeitung mit nanoskaligem Kohlenstoff und Borcarbid homogen vermischt und zu flüssigen Suspensionen verarbeitet. Die weitere Konditionierung dieser Suspensionen hängt von der Art der nachgeschalteten Formge bungsmethode ab (Verarbeitung zu Foliengießmassen, direkter Einsatz zum Schlickergießen, Sprühtrocknung zum Presspulver, Tränken textiler Trägermaterialien). Für die Herstellung der elektrisch leitenden Siliziumcarbid-Qualitäten werden die Grünkörper gezielt bis zu einer relativen Dichte von 89-91 % in fließender Argon-Atmosphäre drucklos verdichtet. Danach werden sie gesintert.

Eine Verdichtung des Grünkörpers für ein schaumartiges Material kann auch abschnittsweise unterschiedlich für ein Heizelement 15 durchgeführt werden, beispielsweise in den Endbereichen stärker zur Erzeugung der Anschlußabschnitte 16. Einer bei der Verdichtung erfolgende Verkleinerung der Füllkörper, insbesondere bei Styroporkügelchen, mit daraus resultierenden geringeren Porengrößen kann durch Verwendung festerer Füllkörpermaterialien oder größerer Füllkörper entgegengewirkt werden.

Obwohl Heizelemente aus Strukturkeramik bevorzugt in Stabform oder gebogener Form Verwendung finden, sind auch flächige Heizkörper durchaus möglich. So kann ein Heizelement auch als flache Heizplatte ausgeführt sein. Insbesondere ist dies bei Anwendungen möglich, wo eine Wärmeabstrahlung nicht nur in hauptsächlich eine Richtung gefordert wird, sondern in mehrere Richtungen bzw. einfach nach außen weg in den um gebenden Raum. Eine weitere Verwendung für derartige offen porige Strukturkeramiken ist innerhalb flüssiger oder gas förmiger Medien, die die Strukturkeramik am besten auch noch durchströmen.

Claims

1. Elektrisches Heizelement (15, 31), insbesondere für einen Strahlheizkörper (11) eines Elektroherdes, das aus halbleitender Keramik besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Keramikmaterial zumindest teilweise Hohlräume (29, 34) aufweist und/oder porös ist.

2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Offenheit bzw. Porosität des Keramikmaterials zwischen 10 ppi und 50 ppi liegt, insbesondere bei ca. 30 ppi (Poren oder pro Inch).

3. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Heizelements (15, 31) siliziumhaltig ist, wobei es vorzugsweise Silizium carbid enthält und insbesondere stickstoffdotiert ist.

4. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (15, 31) eine SiC-Strukturkeramik ist, insbesondere zumindest teilweise länglich und/oder in Form eines Stabes.

5. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturkeramik siliziuminfil triert ist.

6. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß über die Anzahl der Hohlräume (29, 34) bzw. die Porosität der Strukturkeramik, insbesondere die Porengröße, der wirksame Heizquerschnitt und/oder der elektrische Widerstand des Heizelementes (15, 31) einstellbar ist.

7. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (15, 31) als offene Struktur der Strukturkeramik eine Skelettform aufweist mit jeweils aneinanderhängenden, vorzugsweise in drei Richtungen laufenden Verzweigungen (28, 32) wobei insbesondere die Hohlräume (29, 34) zwischen den einzelnen Verzweigungen größer sind als die Verzweigungen selber und vorzugsweise im Verlauf einer Längenausdehnung des Heizelements der wirksame Quer schnitt des Heizelements im wesentlichen gleich bleibt.

8. Elektrisches Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur koeffizient des Keramikmaterials, insbesondere über den Betriebs-Temperaturbereich gesehen, sein Vorzeichen nicht wechselt, wobei er vorzugsweise eine PTC-Charakte ristik aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizele ments, insbesondere eines Heizelements (15, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einer halbleitenden Keramik, wobei das Ausgangsmaterial der Keramik mit nichtkeramischem Füllmaterial vermengt wird, wobei das Füllmaterial entweder isolierend ist oder beim Sintervorgang verbrennt und so beim anschließenden Sintern der Keramik isolierende Zwischenräume (29, 34), vorzugsweise Freiräume, in der Keramik entstehen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial Füllkörper sind und die Füllkörper aus einem Material bestehen, welches beim Sintern aufgelöst wird, insbesondere aus einem Kunststoff, wobei vorzugs weise Styroporkügelchen verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, daß die Füllkörper im wesentlichen homogen mit dem keramischen Ausgangsmaterial vermischt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllkörper bzw. Trägermaterial ein textiles Material (36) aus Fäden (37) o. dgl. verwendet wird, das im wesentlichen räumlich aufgebaut ist und mit dem Aus gangsmaterial der Keramik getränkt wird, wobei beim Sintern der Keramik das Textilmaterial verbrennt und nach dem Sintern entlang der ausgebrannten Textilfäden dünne, miteinander verbundene Keramik-Verzweigungen (32) bzw. Stränge ausgebildet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des weiteren den Schritt des Formens des noch nicht gesinterten Heizelements umfaßt, wobei dieser Schritt vorzugsweise nach dem Tränken des Textilmate rials (36) mit dem keramischen Ausgangsmaterial, insbe sondere vor dem Ausbrennen des Ausgangsmaterials, vorgenommen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Sintern die Keramik nachge glüht wird und dotiert wird, wobei in dem keramischen Ausgangsmaterial Nanoteilchen enthalten sind, durch die die Dotierung mit einem Dotiermaterial möglich ist, wobei während des Dotierungsvorgangs Teilchen, insbeson dere Stickstoff, aus der Atmosphäre, unter der der Nachglühprozeß abläuft, in die Keramik eindiffundieren.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß über die Nachglühdauer die Aufnahme des Dotiermaterials und damit die elektrische Leitfähigkeit der Keramik einstellbar ist.

16. Elektrische Heizeinrichtung mit einem elektrischen Heizelement (15, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement aus einer Struktur keramik besteht und wobei die Heizeinrichtung eine dem Heizelement zugeordnete Temperatur-Überwachungsein richtung (25, 26) mit Steuermitteln für die Beeinflus sung des Heizelementes aufweist.