DE10059990A1 - Keramisches Heizmodul und damit hergestelltes keramisches Kochfeld - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein keramisches Heizmodul, das eine elektrisch isolierende keramische Trägerplatte (4) und einen elektrisch leitenden Heizleiter (2; 21-24) aufweist, der als Leitschicht auf die Trägerplatte (4) aufgebracht ist. Das Material der Trägerplatte (4) und das des Heizleiters (2; 21-24) bestehen aus denselben Bestandteilen einer Kompositkeramik, die eine elektrisch isolierende Grundkomponente und eine elektrisch leitfähige Komponente aufweisen, wobei die elektrisch isolierende Eigenschaft der Trägerplatte (4) und die elektrisch leitende Eigenschaft des Heizleiters jeweils durch eine entsprechende Abmischung und eine entsprechende Gefügegestaltung dieser Komponenten erzielt sind. Das Heizmodul (1) ist durch Co-Sintern der ungesinterten Trägerplatte (4) zusammen mit der aufgebrachten Leitschicht, die jeweils eine ähnliche Sintercharakteristik und ein ähnliches Wärmeausdehnungsverhalten haben, hergestellt. Ferner betrifft die Erfindung ein aus mehreren derartigen keramischen Heizmodulen (1) zusammengefügtes großflächiges keramisches Kochfeld (10) (Figur 2).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein keramisches Heizmodul, das eine elektrisch isolierende keramische Trägerplatte und einen elektrisch leitenden Heizleiter aufweist, der als Leitschicht auf die Trägerplatte aufgebracht ist.

Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von keramischen planaren Heizelementen in Folientechnik (Mehrlagentechnik) bekannt, die allerdings bislang nur als monolithische Bauelemente verwendet werden, z. B. als Stift- oder Plättchenheizer für Lambda-Fingersonden oder für eine keramische Glühstiftkerze.

Außerdem gibt es eine große Anzahl keramischer Kochplatten mit aufgedampften, gesputterten oder durch Siebdruck aufgebrachten Heizleitern. Ferner sind Glaskeramikkochfelder mit metallischen Heizleitern bekannt. Letztere haben relativ lange Aufheiz- und Abheizzeiten, da die metallischen Heizleiter in ein elektrisch isolierendes Glaskeramikmedium eingebettet sind, das in der Regel ein schlechtes Wärmeleitvermögen aufweist. Dies bedingt, dass ein hoher Energieeintrag zum Aufheizen erforderlich ist und dass beim Abheizen Energie verloren geht.

Keramische Kochplatten mit in Schichttechnik in Post-Firing- Technik (Einbrennen auf gesintertem Substrat) aufgebrachten Heizleitern haben zwar ein schnelles Aufheizverhalten, aber die auf die gesinterte Keramik, d. h. das Substrat, aufgebrachten Schichtheizer haften schlecht und sind von ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten schlecht an das Substrat anpassbar. Daraus ergeben sich thermische Spannungen, die zu einem Ablösen der Heizleiter führen können.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein keramisches Heizmodul zu ermöglichen, welches dem Stand der Technik eigenen Nachteile vermeidet und dessen keramisches Trägermaterial eine hohe Festigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und damit ein schnelles Aufheizen mit geringer Heizleistung und schnelles Abkühlen nach dem Abschalten, eine hohe Haftfestigkeit des Heizleiters auf der Keramiktafel und ein gleichzeitiges Sintern des keramischen Trägermaterials zusammen mit dem Material des aufgebrachten Heizleiters ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein aus derartigen keramischen Heizmodulen bestehendes keramisches Kochfeld zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt besteht bei einem erfindungsgemäßen keramischen Heizmodul das Material der Trägerplatte und das des Heizleiters aus denselben Bestandteilen einer Kompositkeramik. Diese setzt sich aus einer elektrisch isolierenden Grundkomponente, wie z. B. Si₃Ni₄, AlN oder SiC, sowie einer elektrisch leitfähigen Komponente, z. B. aus der Gattung Metallsilicide, vorzugsweise MoSi₂ oder auch TiN zusammen. Die insgesamt elektrisch isolierende Eigenschaft der Trägerplatte und die insgesamt elektrisch leitfähigen Eigenschaften des Heizleiters werden durch geeignete Abmischungen und durch eine entsprechende Gefügegestaltung aus den obigen Komponenten erzielt. Hierdurch sind chemisch nahezu identische Materialien mit stark unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, jedoch ähnlicher Sintercharakteristik und Wärmedehnverhalten im Co- Sinterverfahren miteinander verbindbar.

Der spezifische elektrische Widerstand eines Heizleiters, der bevorzugt aus ca. 40 Masse % Si₃N₄ einschließlich Sinteradditiven und ca. 60 Masse % MoSi₂ besteht beträgt ca. 8 × 10^-4 Ωcm. Der spezifische elektrische Widerstand des Isolators, d. h. der Trägerplatte, die bevorzugt aus ca. 60 Masse% Si₃N₄ einschließlich Sinteradditiven und 40 Masse % MoSi₂ besteht, beträgt ca. 10¹⁰ Ωcm.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Heizleiter in Form wenigstens eines Mäanders oder einer Spirale im Dickschichtverfahren auf die ungesinterte Trägerplatte aufgebracht, wobei die Trägerplatte in Folientechnik oder Extrusionstechnik hergestellt sein kann.

Ein Heizmodul, das sich besonders für die Gestaltung eines keramischen Kochfeldes eignet, ist bevorzugt quadratisch. Es hat bevorzugt vier separate symmetrisch um den Mittelpunkt des Heizmoduls angeordnete Heizzonen.

Mit einem derartigen keramischen Heizmodul lässt sich ein großflächiges Kochfeld realisieren, das aus einzelnen zuschaltbaren bzw. ansteuer- und regelbaren Heizmodulen besteht.

Die einzelnen Heizmodule eines derartigen großflächigen Kochfeldes können an den aneinanderstoßenden Kanten stoff­ schlüssig oder auch kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann z. B. durch ein geeignetes Glaslot hergestellt werden und die kraftschlüssige Verbindung durch Halteklammern. Zusätzlich können die einzelnen Heizmodule dort, wo sie aneinanderstoßen auch zusätzlich formschlüssig ineinandergefügt sein.

Die Vorteile eines aus solchen erfindungsgemäßen keramischen Heizmodulen, die mit im Co-Sinterverfahren eingebrannten Heizleitern versehen sind modular aufgebauten Kochfeldes, sind:

• - hohe mechanische Festigkeit des keramischen Tafelmaterials nach dem Sintervorgang, daher geringste Bauhöhe der Kochplatte möglich;
• - hohe Wärmeleitfähigkeit des Tafelmaterials nach dem Sintervorgang; daher schnelles Aufheizen mit geringer Heizleistung und ebenso schnelles Abkühlen nach dem Abschalten;
• - hohe Haftfestigkeit des Heizleiters bzw. der Heizleiter auf dem Trägermaterial durch Verbindung chemisch ähnlicher Werkstoffkomponenten des Materials für den Heizleiter und des Materials der Trägerplatte und durch die gemeinsame Sinterung;
• - flexible Anordnungen durch die Modulbauweise möglich;
• - hohe Kratzfestigkeit durch hohe Härte des keramischen Trägermaterials (Mohr-Härte 9,5);
• - ansprechende anthrazitfarbene leicht matte Oberfläche der Keramiktafel.

Die nachfolgende Beschreibung beschreibt mehrere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen keramischen Heizmoduls und eines damit hergestellten keramischen Kochfelds bezogen auf die beiliegende Zeichnung.

Zeichnung

Die Fig. 1A und 1B zeigen im Querschnitt zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen keramischen Heizmoduls.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht ein erfindungsgemäßes quadratisches keramisches Heizmodul mit vier separaten symmetrisch um den Mittelpunkt der Tafel angeordneten Heizzonen.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht schematisch ein aus mehreren zusammengefügten keramischen Heizmodulen gemäß der Erfindung bestehendes keramisches Kochfeld, und

die Fig. 4A-4D zeigen verschiedene Verbindungstechniken, mit denen die Stoßfugen der keramischen Heizmodule des in Fig. 3 gezeigten Kochfeldes miteinander verbindbar sind.

Ausführungsbeispiele

Die Querschnittsdarstellung in den Fig. 1A und 1B zeigen den Schichtaufbau zweier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen keramischen Heizmoduls. Das keramische Heizmodul 1a der Fig. 1A besteht aus einer auf einer Metallgrundplatte 5 liegenden Trägerplatte 4, auf der ein Heizleiter 2 als Leitschicht aufgebracht ist. Der Heizleiter 2 ist mit einer dünnen Isolatorschicht, z. B. aus Si₃N₄ 0,5 bis 2 mm dick bedeckt.

Bei dem in Fig. 1B im Querschnitt gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel des keramischen Heizmoduls 1b liegt die Leitschicht des Heizleiters 2 nicht direkt in der Oberfläche der Trägerplatte 4, sondern in einer mittleren Isolierschicht von insgesamt drei Isolierschichten 3, z. B. aus Si₃N₄, die dieselbe Dicke von 0,5 bis 2 mm wie bei dem keramischen Heizmodul 1a gemäß Fig. 1A haben können.

Das Material der Trägerplatte 4 und das des Heizleiters bestehen bei den beiden in den Fig. 4A und 4B gezeigten Ausführungsbeispielen aus denselben Bestandteilen einer Kompositkeramik, die eine elektrisch isolierende Grundkomponente und eine elektrisch leitfähige Komponente aufweisen, und die elektrisch isolierende Eigenschaft der Trägerplatte und die elektrisch leitende Eigenschaft des Heizleiters sind jeweils durch eine entsprechende Abmischung und eine entsprechende Gefügegestaltung dieser Komponenten erzielt. Bevorzugt besteht das Material der Trägerplatte 4 aus ca. 60 Masse % Si₃N₄ einschließlich Sinteradditiven und ca. 40 Masse % MoSi₂. Das Material des Heizleiters 2 besteht bevorzugt aus ca. 40 Masse% Si₃N₄ einschließlich Sinteradditiven und ca. 60 Masse% MoSi₂. Auf diese Weise kann das gesamte Heizmodul 1a oder 1b durch gemeinsames Sintern der Trägerplatte 4 und des bevorzugt im Dickschichtverfahren aufgebrachten Heizleiters herstellt werden, da das Material der Trägerplatte 4 und das des Heizleiters 2 jeweils eine ähnliche Sintercharakteristik und ein ähnliches Wärmeausdehnungsverhalten haben. Die ungesinterte Trägerplatte 4 kann in Folien- oder Extrusionstechnik hergestellt und der Heizleiter 2 in Dickschichtverfahren auf die ungesinterte Trägerplatte 4 aufgebracht sein.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen keramischen Heizmoduls 1 in Form einer quadratischen Kachel, bei der vier voneinander räumlich und elektrisch getrennte Heizleiter (21, 22, 23, 24) in Spiralform in durch die Diagonalen des Quadrats definierten Sektoren symmetrisch um den Mittelpunkt des keramischen Heizmoduls 1 angeordnet sind und jeweils Endanschlüsse A1 und A2 aufweisen. Die in Fig. 2 gezeigte, quadratische Heizmodul­ kachel, eignet sich mit ihren vier separaten Heizzonen besonders zum Aufbau eines in seiner Wärmeabgabe flexiblen großflächigen Keramikkochfelds, das aus einzelnen zuschalt- bzw. steuer- und regelbaren planaren Heizmodulen, etwa gemäß Fig. 2, besteht. Der spezifische elektrische Widerstand eines Heizleiters, der aus ca. 40 Masse% Si₃N₄ einschließ­ lich Sinteradditiven und ca. 60 Masse% MoSi₂ besteht, beträgt ca. 8 × 10^-4 Ωcm, während der spezifische elektrische Widerstand des Isolators, d. h. der Trägerplatte 4, deren Material aus ca. 60 Masse% Si₂N₄ einschließlich Sinter­ additiven und ca. 40 Masse% MoSi₂ besteht, etwa 10¹⁰ Ωcm beträgt. Jedes einzelne Heizmodul kann z. B. für eine Heizleistung von etwa 500 Watt ausgelegt sein. Dann ergibt sich bei einer Betriebsspannung von 220 Volt und dem zugrunde gelegten spezifischen Widerstand eine Heizleiterbahn mit folgenden Dimensionen: Länge = 100 cm; Querschnitt = 800 µm².

Fig. 3 zeigt ein großflächiges keramisches Kochfeld 10, das aus zwölf separaten und an ihren Stoßfugen verbundenen Heizmodulen 1 gemäß Fig. 2 zusammengesetzt ist.

Die Stoßfugen 6 bilden einfache, geradlinige Kanten, die z. B. metallisch oder keramisch sein können. Dadurch, dass in jedem einzelnen Heizmodul 1 vier separate Heizzonen, etwa gemäß Fig. 2 vorgesehen sind, lässt sich der Kochvorgang mit dem in Fig. 3 gezeigten keramischen Kochfeld besonders flexibel gestalten. Dabei sind nicht nur die Heizspiralen 21-24 jedes einzelnen Heizmoduls 1 wahlweise einzeln zuschalt- bzw. ansteuer- und regelbar, sondern es können auch die Heizzonen einander benachbarter keramischer Heizmodule 1 wahlweise zu einer Heiz- oder Kocheinheit zusammengeschaltet werden. Auf diese Weise ist das großflächige keramische Kochfeld, das aus den einzelnen keramischen Heizmodulen besteht, nicht nur in seiner Leistungsabgabe an verschiedene Topfgrößen anpassbar, sondern auch in der räumlichen Ausdehnung der jeweils zusammengefassten Heizzonen.

Die Querschnitte der Fig. 4A, 4B, 4C und 4D zeigen vier mögliche Verbindungsverfahren für die Stoßfugen der einzelnen Heizmodule 1 eines in Fig. 3 dargestellten keramischen Kochfelds 10.

Die Fig. 4A und 4B zeigen eine stoffschlüssige Verbindung der Stoßfugen 6a und 6b zweier keramischer Heizmodule 1, wobei die Ausführungsform gemäß Fig. 4B zusätzlich eine formschlüssige Verbindung der Stoßfuge 6b der beiden keramischen Heizmodule 1 vorsieht. Die in den Fig. 4C und 4D gezeigten Verbindungstechniken verwenden eine Halteklammer 7 zur kraftschlüssigen Verbindung aneinanderstoßender keramischer Heizmodule 1. Bei der in Fig. 4C gezeigten Ausführungsform liegt ein beispielsweise rundes Dichtungsprofil 8 in der Stoßfuge 6c, wobei die Kanten der benachbarten Kacheln eine das Dichtungsprofil aufnehmende Aussparung aufweisen. Die Ausführung der Fig. 4D weist zusätzlich zur Halteklammer 7 eine formschlüssige Verbindung zweier aneinanderstoßender keramischer Heizmodule 1 an ihrer Stoßfuge 6d auf.

Obwohl in der obigen Beschreibung ein keramisches Heizmodul 1 gemäß der Erfindung insbesondere bezogen auf seine Verwendung zur Herstellung eines großflächigen keramischen Kochfeldes beschrieben wurde, ist es einschlägigen Fachleuten deutlich geworden, dass ein erfindungsgemäßes keramisches Heizmodul 1 mit den selben vorteilhaften Eigenschaften auch für andere Zwecke, z. B. für Warmhalteplatten oder elektrisch geheizte Wärmeteller verwendet werden kann. Dies ist unter anderem aufgrund der durch die modulare Bauweise erzielten flexiblen Anordnung erreicht.

In jedem Fall zeichnet sich ein erfindungsgemäßes keramisches Heizmoduls 1 dadurch aus, dass das Material der Trägerplatte und das des Heizleiters aus denselben Bestandteilen einer Kompositkeramik bestehen, die eine elektrisch isolierende Grundkomponente und eine elektrisch leitfähige Komponente aufweist, wobei die elektrisch isolierende Eigenschaft der Trägerplatte und die elektrisch leitende Eigenschaft des Heizleiters jeweils durch eine entsprechende Abmischung und eine entsprechende Gefügegestaltung aus diesen Komponenten erzielt sind und das Heizmodul 1 durch gemeinsames Sintern der ungesinterten Trägerplatte mit dem aufgebrachten Heizleiter, die jeweils eine ähnliche Sintercharakteristik und ähnliches Wärmeausdehnungsverhalten haben, hergestellt ist.

Claims (18)

1. Keramisches Heizmodul, das eine elektrisch isolierende keramische Trägerplatte (4) und einen elektrisch leitenden Heizleiter (2; 21-24) aufweist, der als Leitschicht auf die Trägerplatte (4) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trägerplatte (4) und das des Heizleiters (2; 21-24) aus denselben Bestandteilen einer Kompositkeramik bestehen, die eine elektrisch isolierende Grundkomponente und eine elektrisch leitfähige Komponente aufweisen, wobei die elektrisch isolierende Eigenschaft der Trägerplatte (4) und die elektrisch leitende Eigenschaft des Heizleiters jeweils durch eine entsprechende Abmischung und eine entsprechende Gefügegestaltung dieser Komponenten erzielt sind.

2. Keramisches Heizmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmodul (1) durch Co-Sintern der ungesinterten Trägerplatte zusammen mit der aufgebrachten Leitschicht, die jeweils eine ähnliche Sintercharakteristik und ein ähnliches Wärmeausdehnungsverhalten haben, hergestellt ist.

3. Keramisches Heizmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der elektrisch isolierenden Grundkomponente Si₃N₄, AlN oder SiC ist.

4. Keramisches Heizmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der elektrisch leitfähigen Komponente MoSi₂ oder TiN ist.

5. Keramisches Heizmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizleiters bzw. der Leitschicht aus ca. 30-50 Masse %, vorzugsweise 40 Masse % Si₃N₄ einschließlich Sinteradditiven und ca. 50-70 Masse %, vorzugsweise 60 Masse % MoSi₂ besteht.

6. Keramisches Heizmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der isolierenden Trägerplatte aus ca. 50-70 Masse %, vorzugsweise 60 Masse % Si₃N₄ einschließlich Sinteradditiven und ca. 30-50 Masse %, vorzugsweise 40 Masse % MoSi₂ besteht.

7. Keramisches Heizmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Heizleiter (2; 21-24) in Form wenigstens eines Mäanders oder einer Spirale im Dickschichtverfahren auf die ungesinterte Trägerplatte (4) aufgebracht ist.

8. Keramisches Heizmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (4) in Folientechnik oder Extrusionstechnik hergestellt ist.

9. Keramisches Heizmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (4) des Heizmoduls (1) nach dem Sintervorgang eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

10. Keramisches Heizmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (4) eben und quadratisch ist.

11. Keramisches Heizmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (21- 24) vier separate, symmetrisch um den Mittelpunkt des Heizmoduls (1) angeordnete Heizzonen bildet.

12. Keramisches Kochfeld, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Kochfeld (10) aus mehreren Heizmodulen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 besteht.

13. Keramisches Kochfeld nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einzelnen aneinandergefügten Heizmodulen (1) besteht.

14. Keramisches Kochfeld nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Heizmodule (1) an ihren Stoßfugen (6a, 6b, 6c, 6d) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

15. Keramisches Kochfeld nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßfugen (6a) der einzelnen Heizmodule (1) durch Glaslot miteinander verbunden sind.

16. Keramisches Kochfeld nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Heizmodule (1) an ihren Stoßfugen (6c, 6d) kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

17. Keramisches Kochfeld nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Halteklammern (7) vorgesehen sind, die die kraftschlüssige Verbindung an den Stoßfugen (6c, 6d) der Heizmodule (1) herstellen.

18. Keramisches Kochfeld nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Heizmodule (1) an ihren Stoßfugen (6b, 6d) zusätzlich formschlüssig ineinander gefügt sind.