DE10112235C2 - Keramik-Kochfeld - Google Patents

Abstract

Es wird ein Keramik-Kochfeld mit einer Kochplatte (12) aus Glaskeramik oder Glas angegeben, mit einer elektrischen Heizleiterschicht (18), mit einer Isolierschicht (16) zwischen der Kochplatte (12) und der Heizleiterschicht (18), und mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht (14) zwischen der Kochplatte (12) und der Isolierschicht (16). Die Zwischenschicht (14) ist eine thermisch gespritzte Schicht aus einer elektrisch leitfähigen Keramik, vorzugsweise einer Oxidschicht. die durch Sauerstoffverlust beim thermischen Spritzen elektrisch leitfähig ist, oder aus einem Cermet (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramik-Kochfeld mit einer Koch­ platte aus Glaskeramik oder Glas, mit einer elektrischen Heiz­ leiterschicht, mit einer Isolierschicht zwischen der Kochplatte und der Heizleiterschicht, und mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht zwischen der Kochplatte und der Isolierschicht.

Ein derartiges Keramik-Kochfeld ist aus der DE 31 05 065 C2 und aus der US 6 037 572 bekannt.

Die Kochplatte gemäß der DE 31 05 065 C2 besteht aus Glas­ keramik, auf deren Unterseite eine metallische Schicht zum Bei­ spiel durch ein Spritzverfahren aufgebracht ist, auf der wiederum eine keramische Isolierschicht gleichfalls durch ein Spritzverfahren aufgebracht ist, auf der schließlich ein Heiz­ leiterelement aufgedampft oder in einem Spritzverfahren aufge­ bracht ist.

Bekanntlich besitzen Glaskeramiken, die für Kochfelder verwen­ det werden, eine NTC-Charakteristik, d. h. bei ansteigenden Temperaturen nimmt die elektrische Leitfähigkeit merklich zu. Um einen Stromfluß zwischen einem metallischen Topf bzw. der Oberfläche der Kochplatte und dem Heizleiter zu unterbinden, ist deshalb eine elektrische Isolationsschicht zum Betrieb eines solchen Kochsystems Voraussetzung. Um die notwendigen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, muß das System bei Betriebstemperaturen eine Durchschlagsfestigkeit von 3 750 Volt aufweisen.

Da solche keramischen Kochfelder für Betriebstemperaturen von bis zu etwa 600°C ausgelegt sein müssen, können sich erheb­ liche Probleme aufgrund der Unterschiede der thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien ergeben. Während der thermische Ausdehnungskoeffizient für eine Glas­ keramik, etwa für eine Glaskeramik der Marke Ceran® von Schott in der Größenordnung von ±0,15 × 10^-6 K^-1 liegt, sind die ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten von keramischen Materialien deutlich höher. So beträgt der thermische Ausdehnungs­ koeffizient α für Al₂O₃ beispielsweise etwa 8 × 10^-6 K^-1. Dagegen liegen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen noch deutlich höher.

Als Auftragsverfahren für die einzelnen Schichten ist u. a. das thermische Spritzen bekannt geworden, da hiermit auf relativ kostengünstige Weise die unterschiedlichste Materialien aufge­ tragen werden können. Durch die hohe Geschwindigkeit und die hohe Temperatur wird dabei auch meist eine ausreichend gute Haftung erreicht.

Sollen jedoch Schichten einer Dicke von mehr als etwa 100 µm aufgetragen werden, so ergeben sich gerade aufgrund der Unter­ schiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Glaskeramik und den anderen Schichten meist erhebliche Haftungsprobleme. So lassen sich beispielsweise Aluminiumoxid- Schichten, die die notwendige Durchschlagsfestigkeit aufweisen und somit eine Dicke in der Größenordnung von einigen hundert µm besitzen, zwar ohne weiteres durch thermisches Spritzen er­ zeugen, jedoch ergeben sich hierbei in der Regel Rißbildungen oder die Schichten neigen zum Abplatzen während des Gebrauchs, da infolge der schnellen Temperaturveränderungen während des Betriebs erhebliche thermische Spannungen entstehen.

Die Anforderungen an die Durchschlagsfestigkeit können redu­ ziert werden, wenn gemäß der DE 31 05 065 C2 oder gemäß der US 6 037 572 zwischen der Isolierschicht und der Kochplatte eine elektrische leitfähige Schicht aufgebracht wird, die ge­ erdet wird. In einem solchen Fall reicht für die keramische Isolierschicht eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 1500 Volt aus, um die notwendige Betriebssicherheit nach VDE zu gewährleisten.

Auf diese Weise kann die Schichtdicke der keramischen Isolier­ schicht deutlich reduziert werden, wodurch die Probleme auf­ grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen vermindert werden.

Andererseits hat die Verwendung einer metallischen Zwischen­ schicht gemäß der DE 31 05 065 C2 oder gemäß der US 6 037 572 den Nachteil, daß eine weitere Schicht in den Verbund einge­ führt wird, die nochmals einen erheblich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Kochplatte besitzt, wodurch die Stabilität des Gesamtsystems nachteilig beeinflußt wird.

Gemäß der DE 298 24 031 U1 wurde vorgeschlagen, die aus einem Keramikmaterial bestehende elektrisch leitfähige Kochplatte selbst zu erden. Als Material für die Keramikplatte ist hierbei ein Metall-Matrix-Verbund-Material offenbart, die etwa aus ei­ nem porösen Grundkörper aus Siliziumoxidkeramik bestehen kann, der mit einem Metall, beispielsweise Aluminium, getränkt ist.

Mit einer derartigen Kochplatte läßt sich zwar die Berührungs­ sicherheit ohne weiteres erreichen, jedoch weist diese den Nachteil auf, daß nicht mehr eine Glaskeramik als Kochplatte verwendet wird. Das sich so ergebende Keramiksystem hat damit nicht mehr die vorteilhafte Thermoschockbeständigkeit, die durch den geringen Ausdehnungskoeffizienten von Glaskeramik be­ dingt ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Keramik- Kochfeld gemäß der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Betriebssicherheit des Keramik-Kochfeldes verbessert wird und eine gute Langzeitbeständigkeit im rauhen Alltagsbe­ trieb gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Keramik-Kochfeld gemäß der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenschicht eine thermisch gespritzte Oxidschicht ist, die durch Sauerstoffverlust beim thermischen Spritzen elektrisch leitfähig ist.

Hierdurch wird eine erheblich bessere Anpassung des Ausdeh­ nungskoeffizienten der Zwischenschicht an den Ausdehnungskoef­ fizienten der Kochplatte erreicht, der nahezu Null beträgt, da der Ausdehnungskoeffizient von geeigneten oxidischen Materiali­ en deutlich niedriger als der Ausdehnungskoeffizient von Metal­ len ist.

Somit ergibt sich eine deutlich verbesserte Gesamtstabilität des Schichtenverbundes, wobei gleichzeitig die vorteilhaften Eigenschaften einer Glaskeramik als Werkstoff für die Kochplat­ te beibehalten werden.

Hierbei kann die Zwischenschicht insbesondere aus TiO₂, aus ei­ ner Mischung von Al₂O₃ mit einem Anteil an TiO₂ von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-% aus ZrO₂, aus einer Mischung von Al₂O₃ mit ZrO₂ mit einem Anteil an ZrO₂ von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-%, aus einer Mischung von TiO₂ und ZrO₂, oder aus einer Mischung von Al₂O₃ mit TiO₂ und ZrO₂ mit einem Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-% an TiO₂ und ZrO₂, hergestellt sein.

Diese Zwischenschichten aus TiO_2-x, ZrO_2-x oder aus Mischungen von Al₂O₃ mit TiO_2-x und/oder ZrO_2-x weisen eine besonders gute Haftung an einer Glaskeramik-Oberfläche auf. Durch das thermische Spritzen wird der Sauerstoffanteil soweit verringert, daß dieses Material elektrisch leitfähig wird.

So ergibt sich beispielsweise für TiO_2-x mit × 0,1 eine Volumenleitfähigkeit von etwa 10³ Ohm × cm bis etwa 5 × 10² Ohm × cm (bei Raumtemperatur). Infolge der relativ geringen thermischen Ausdehnung von TiO_2-x und der besonders guten Affinität von TiO_2-x zur Glaskeramik erscheint besonders TiO_2-x zur Verwendung als leitfähige Zwischenschicht geeignet.

Darüber hinaus sind jedoch auch die anderen genannten Materia­ lien ohne weiteres verwendbar, wobei auch andere, chemisch ähn­ liche Oxide geeignet erscheinen, die während des thermischen Spritzens einen ausreichend hohen Sauerstoffverlust erleiden, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu erhalten.

In alternativer Weise wird die Aufgabe der Erfindung bei einem Keramik-Kochfeld gemäß der eingangs genannten Art dadurch ge­ löst, daß die Zwischenschicht eine thermisch gespritzte Schicht aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix ist, die wenigstens einen der Bestandteile Nickel, Cobalt und Chrom enthält.

Auch auf diese Weise läßt sich eine deutlich verbesserte Stabi­ lität des Schichtenverbundes gewährleisten. Die Cermet-Schicht, die zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Zwischenschicht verwendet wird, besitzt zwar einen etwas höheren Ausdehnungs­ koeffizienten als eine aus Oxiden hergestellte elektrisch leit­ fähige Zwischenschicht, andererseits ergibt sich der Vorteil einer noch besseren elektrischen Leitfähigkeit und einer ver­ besserten Duktilität.

In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung ist die Zwi­ schenschicht aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix herge­ stellt, die eine Legierung aus den Hauptbestandteilen Nickel, Cobalt und Chrom ist.

Hierbei können ferner in die Metall-Matrix Partikel aus Carbid, wie etwa aus Wolfram-Carbid, Chrom-Carbid oder dergleichen, eingelagert sein.

Mit einem derartigen Cermet ergibt sich eine gute elektrische Leitfähigkeit der Zwischenschicht, wobei gleichzeitig durch die keramischen Einlagerungen der thermische Ausdehnungskoeffizient gegenüber einer reinen Metall-Matrix erheblich erniedrigt ist. Die betreffende Metall-Matrix weist ferner eine gute Haftung auf einer Glaskeramik-Oberfläche auf und ist infolge der erhöh­ ten Duktilität geeignet, gewisse thermische Spannungen, die im Betrieb auftreten, aufzufangen bzw. abzubauen.

In zusätzlicher Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der elektrisch leitfähigen Zwischenschicht und der Kochplatte eine keramische Haftvermittlerschicht vorgesehen.

Diese Haftvermittlerschicht besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid, aus Titanoxid oder aus Mischungen hiervon und ist vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen.

Insbesondere bei Verwendung eines Cermet-Materials als Zwischenschicht führt eine Haftvermittlerschicht zu einer noch­ mals verbesserten Haftung auf der Glaskeramikoberfläche, wo­ durch sich insgesamt ein äußerst stabiler Schichtenverbund er­ gibt, der eine sehr gute Temperaturbeständigkeit und Temperaturwechselfestigkeit aufweist.

Die Isolierschicht, die auf die Zwischenschicht aufgetragen ist, besteht vorzugsweise aus Cordierit oder aus Mullit und ist vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen.

Die Verwendung dieser Keramiken zur Erzeugung der Isolier­ schicht hat den Vorteil eines relativ geringen thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten der zwischen etwa 4,3 und 5,0 × 10^-6 K^-1 für Mullit liegt und zwischen etwa 2,2 und 2,4 × 10^-6 K^-1 für Cordierit. Infolge des geringen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten ergeben sich geringere Spannungen in Verbund mit der Kochplatte aus Glaskeramik.

Grundsätzlich lassen sich natürlich auch andere keramische Materialien zur Erzeugung der keramischen Isolierschicht ver­ wenden, etwa Al₂O₃, jedoch ergeben sich bei den vorgenannten Materialien besondere Vorteile wegen des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der gleichzeitig ausreichend hohen Durchschlagfeldstärke.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Keramik-Kochfeld in einer ersten Ausführung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Keramik-Kochfeld in einer gegenüber Fig. 1 abge­ wandelten Ausführung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Keramik-Kochfeld im Quer­ schnitt dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.

Es versteht sich, daß die Darstellung lediglich beispielhafter Natur ist und daß insbesondere die Größenverhältnisse nicht maßstabsgerecht sind.

Das Keramik-Kochfeld weist eine Kochplatte 12 aus Glaskeramik, etwa aus Ceran® auf. Diese Kochplatte 12 dient zur Aufnahme von Kochgefäßen. Auf der Unterseite der Kochplatte 12 ist an verschiedenen Stellen jeweils eine Kochstelle erzeugt. Für Haushaltszwecke sind dabei typischerweise vier oder gegebenen­ falls fünf Kochstellen auf einem Keramik-Kochfeld vorgesehen. In den Fig. 1 und 2 ist nur jeweils eine Kochstelle gezeigt. Auf die Unterseite der Kochplatte 12 wurde durch thermisches Spritzen eine Zwischenschicht aus TiO₂ aufgetragen. Dies kann beispielsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) mit einer Schichtdicke von etwa 50-250 µm erfolgen. Der Auftrag der jeweiligen Schichten erfolgt vorzugsweise nur im Bereich der jeweiligen Kochstellen, um die Gesamtspannungen möglichst gering zu halten.

Vor dem thermischen Spritzen wird die Glaskeramik gesäubert, z. B. mit Aceton entfettet. Auf die beim thermischen Spritzen sonst übliche Vorbehandlung durch Sandstrahlen wird verzichtet, da dies zu einer Schädigung der Glaskeramik führen würde.

Nach der Erzeugung der Zwischenschicht 14 wird auf diese wiederum durch atmosphärisches Plasmaspritzen eine Isolier­ schicht 16 aufgespritzt, die vorzugsweise aus Cordierit (2MgO.2Al₂O₃.5SiO₂) oder aus Mullit (3Al₂O₃.2SiO₂) besteht.

Die Schichtdicke der Isolierschicht 16 hängt von der gewünsch­ ten Durchschlagsfestigkeit und dem verwendeten Material ab und liegt zwischen etwa 100 und 500 µm, vorzugsweise zwischen etwa 150 und 300 µm.

Auf der Isolierschicht wird anschließend eine Heizleiterschicht 18, etwa in Form eines mäanderförmig gewundenen Heizleiters 20 erzeugt. Der Heizleiter 20 kann etwa in bekannter Weise durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht werden, wobei durch einen glasigen Anteil von meist mehr als 5% die Fließtemperaturen beim Schichteneinbrand derart gesenkt werden können, daß sich Einbrenntemperaturen zwischen etwa 500 und 850°C ergeben, wo­ bei eine dichte, geschlossene Leiterschicht entsteht.

Alternativ hierzu kann auch die Heizleiterschicht 18 durch thermisches Spritzen erzeugt werden. Hierzu wird zunächst mit einem üblichen Maskierverfahren der nicht zu beschichtende Teil maskiert und sodann die freiliegenden Teile durch thermisches Spritzen mit dem Heizleitermaterial beschichtet.

Der zuvor abgedeckte Teil kann anschließend entfernt werden, so daß ein gewundener Heizleiter 20 entsteht, dessen einzelne Heizleiterbahnen voneinander isoliert sind.

Die Zwischenschicht 14, die aus TiO₂ durch thermisches Spritzen aufgetragen wird, wird infolge des hohen Sauerstoffverlustes des Titanoxids während des Spritzvorgangs elektrisch leitfähig. Dabei stellt sich eine Volumenleitfähigkeit von etwa 10³ Ohm × cm bis etwa 5 × 10² Ohm × cm (bei RT) ein. Dies reicht aus, um die Zwischenschicht 14 wirksam erden zu können, wie durch die Verbindung mit Masse 22 in Fig. 1 angedeutet ist. Dadurch wird die für die Isolierschicht 16 erforderliche Durchschlags­ festigkeit auf etwa 1500 Volt reduziert. Im Fehlerfall wird bei einem Durchschlag vom Heizleiter 20 auf die Kochplatte 12 ein an sich bekannter, hier nicht dargestellter Sicherheitsschalter ausgelöst.

Eine Abwandlung des Keramik-Kochfeldes ist in Fig. 2 darge­ stellt und insgesamt mit der Ziffer 10' bezeichnet.

Wiederum ist auf die aus Glaskeramik, etwa Ceran®, bestehende Kochplatte 12 an der Unterseite eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht 14' aufgebracht. Diese Zwischenschicht 14', bei der es sich um eine Cermet-Schicht handelt, ist jedoch durch eine auf die Kochplatte 12 aufgespritzte Haftvermittlerschicht 24 getrennt.

Die Haftvermittlerschicht 24 besteht vorzugsweise aus Al₂O₃ oder aus einer Mischung von Al₂O₃ und TiO₂, z. B. 97 Gew.-% Al₂O₃ und 3 Gew.-% TiO₂. Die Haftvermittlerschicht 24 wird mit einer Schichtdicke von etwa 10 bis 150 µm thermisch gespritzt, vor­ zugsweise durch APS. Die bevorzugte Schichtdicke liegt in der Größenordnung von etwa 30 bis 100 µm. Auf die Haftvermittler­ schicht 24 wird anschließend eine Cermet-Schicht bestehend aus einer Nickel/Kobalt/Chrom-Legierung mit eingelagerten Carbid- Partikeln (Wolframcarbid, Chromcarbid etc.) aufgespritzt. Die Zwischenschicht 14' wird mit einer Schichtdicke von ca. 50 bis 250 µm, vorzugsweise etwa 50 bis 100 µm erzeugt. Hierauf werden dann anschließend die Isolierschicht 16 und die Heizleiter­ schicht 18 in der zuvor anhand von Fig. 1 bereits beschriebenen Weise aufgebracht.

Wie aus den Figuren gemäß Fig. 1 und Fig. 2 erkennbar, laufen die einzelnen übereinander liegenden Schichten jeweils am Randbereich allmählich aus und gehen so stetig zur jeweils darunter liegenden Schicht über. Außerdem nimmt die Gesamtfläche der einzelnen Schichten zur Heizleiterschicht hin jeweils ab. Auf diese Weise ergeben sich günstige Spannungsverhältnisse in den Randbereichen der jeweiligen Schichten, um so einer Delamination der Schichten entgegenzuwirken.

In Fig. 1 ist zusätzlich noch eine ringförmige Vertiefung 26 dargestellt, die die Zwischenschicht 14 an deren Randbereich ringförmig umschließt.

Durch diese geringe Vertiefung können Spannungen, die zwischen der Kochplatte 12 und der Zwischenschicht 14 entstehen, aufgenommen und teilweise abgebaut werden.

Claims (8)

1. Keramik-Kochfeld mit einer Kochplatte (12) aus Glaskeramik oder Glas, mit einer elektrischen Heizleiterschicht (18), mit einer Isolierschicht (16) zwischen der Kochplatte (12) und der Heizleiterschicht (18), und mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht (14) zwischen der Kochplatte (12) und der Isolierschicht (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) eine thermisch gespritzte Oxidschicht ist, die durch Sauerstoffverlust beim thermi­ schen Spritzen elektrisch leitfähig ist.

2. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) aus TiO₂, aus einer Mischung von Al₂O₃ mit einem Anteil an TiO₂ von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-%, aus ZrO₂, aus einer Mischung von Al₂O₃ mit ZrO₂ mit einem Anteil an ZrO₂ von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-%, aus einer Mischung von TiO₂ und ZrO₂, oder aus einer Mischung von Al₂O₃ mit TiO₂ und ZrO₂ mit einem Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-% an TiO₂ und ZrO₂ hergestellt ist.

3. Keramik-Kochfeld mit einer Kochplatte (12) aus Glaskeramik oder Glas, mit einer elektrischen Heizleiterschicht (18), mit einer Isolierschicht (16) zwischen der Kochplatte (12) und der Heizleiterschicht (18), und mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht (14) zwischen der Kochplatte (12) und der Isolierschicht (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) eine thermisch gespritzte Schicht aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix ist, die wenigstens einen der Bestandteile Nickel, Cobalt und Chrom enthält.

4. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix hergestellt ist, die eine Legierung aus den Hauptbestandteilen Nickel, Cobalt und Chrom ist.

5. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Metallmatrix Partikel aus Carbid, wie etwa aus Wolframcarbid, Chromcarbid oder dergleichen, ein­ gelagert sind.

6. Keramik-Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektrisch leit­ fähigen Zwischenschicht (14) und der Kochplatte eine kera­ mische Haftvermittlerschicht (24) vorgesehen ist.

7. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht (24) aus Aluminiumoxid, aus Titanoxid oder aus Mischungen hiervon thermisch gespritzt ist.

8. Keramik-Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (16) aus Cordierit oder aus Mullit besteht und vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen ist.