-
Die
Erfindung betrifft einen Keramikstab zum Einsatz in einem Stabthermostat
für Kochfelder,
wobei der Keramikstab ein Längen/Durchmesserverhältnis von
mehr als 10:1 aufweist, ein Stabthermostat mit einem oder dem Keramikstab
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines oder des Keramikstabs.
-
Stabthermostate – auch Stabregler
genannt – für Kochfelder
weisen in einer bekannten Bauweise einen Keramikstab sowie eine über den
Keramikstab geschobene und an einem freien Ende des Keramikstabs
mit diesem fest verbundene Metallhülse auf. Die Temperatur wird über die
Messung der Längenänderung
der Metallhülse
bei Erwärmung
ermittelt, wobei der Keramikstab aufgrund seiner sehr geringen Wärmeausdehnung
als Referenzlängenmaß dient.
Die für
diese Anwendung eingesetzten Keramikstäbe weisen üblicherweise eine Länge von
30 bis ca. 120 mm bei einem Durchmesser von 1 mm bis 5 mm auf. Die
verwendeten Keramikstäbe
haben einen kreisrunden Querschnitt, um die Reibung bei der Relativbewegung
zwischen Metallhülse
und Keramikstab zu minimieren.
-
Die
Druckschrift
DE 24 22 623 betrifft
beispielsweise eine Steuereinrichtung für die Beheizung eines Elektrokochgerätes. Diese
Steuereinrichtung weist ein Temperaturfühlorgan auf, welches aus einer Ausdehnungshülse aus
Material mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und einem darin angeordneten im Querschnitt runden Übertragungsstab
aus Material mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
insbesondere einem Keramikstab, besteht.
-
Auch
die Druckschrift
DE
199 25 367 A1 betrifft einen Temperatursensor zur Erfassung
der Temperatur in einer Kochplatte mit einem Temperaturfühler, welcher
ebenfalls einen Keramikstab zu dem gleichen Zweck umfasst.
-
Derartige
Keramikstäbe
für Temperatursensoren
zur Erfassung der Temperatur in einer Kochplatte bilden den nächstkommenden
Stand der Technik.
-
Die
Herstellung derartiger Keramikstäbe
erfolgt dabei üblicherweise über mehrere
Schritte: In einem ersten Schritt werden Keramikstabrohlinge (Grünlinge)
erzeugt, indem zunächst
Stabrohlinge einer Länge
von 30 bis 100 cm über
das üblich
angewendete Strangpressverfahren mittels eines Extruders hergestellt
werden. Diese Stabrohlinge werden dann nach einem Trocknungsprozess
auf die jeweils gewünschte
Endlänge
der Keramikrohlinge, also circa 30 bis 120 mm, geschnitten. In einem
weiteren Schritt werden die Keramikstabrohlinge dann gesintert und
anschließend
auf Endmaß bearbeitet.
Dieses bekannte Verfahren ist vorteilhaft, um Teile mit einem über die
Längserstreckung
konstanten geometrischen Querschnitt zu produzieren, da das Strangpressverfahren
eine schnelle und kostengünstige Herstellung
der Stabrohlinge erlaubt.
-
Für andere
Anwendungen, wie zum Beispiel die Herstellung von Scheiben oder
Plattenrohlingen, ist das Trockenpressen bekannt, wobei ein Rohling durch
das Zusammenwirken einer Matrize und einem beziehungsweise zwei
Druckstempeln geformt wird. Z.B. berichtet die Druckschrift
DE 43 91 896 C2 von einer
Form zum Formen von Keramikprodukten, wobei derartige Formen üblicherweise
in der keramischen Industrie zum Herstellen von Fliesen und Ziegeln
verwendet werden.
-
Es
ist auch bereits bekannt, Rohlinge für Keramikstäbe mit einer Länge bis
circa 15 mm und einem Längen/Durchmesserverhältnis von
bis zu circa 6:1 mittels des Trockenpressverfahrens herzustellen, wobei
die Keramikstäbe
bei der Herstellung stehend angeordnet sind, das heißt die Längserstreckung
der Keramikstäbe
ist parallel zur Bewegungsrichtung der Stempel ausgerichtet. Größere Längen können aus physikalischen
Gründen
nicht mit diesem bekannten Verfahren hergestellt werden.
-
Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, die Herstellung
von Keramikstäben
für Stabthermostate
zu verbessern.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Keramikstab mit den Merkmalen des Anspruchs
1, einem Stabthermostat mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie
mit einem Verfahren zur Herstellung eines Keramikstabs mit den Merkmalen
des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus
den Unteransprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung und/oder den Figuren.
-
Der
erfindungsgemäße Keramikstab
ist zum Einsatz in einem Stabthermostat für Kochfelder, insbesondere
Glas- oder Stahlfelder, geeignet und/oder ausgebildet. Verwendungsgemäß weist
der Keramikstab ein Längen/Durchmesserverhältnis von
mehr als 10:1, also z.B. bis zu 15:1 oder bis zu 20:1, auf. Als
Durchmesser wird bevorzugt der Maximaldurchmesser, also die größte Dicke
des Keramikstabs senkrecht zur Längserstreckung
des Keramikstabs verstanden. Dieser Durchmesser ist dabei kleiner
gewählt
als der lichte, kreisrunde Durchmesser einer Metallhülse, die
bei der Montage des Stabthermostats über den Keramikstab geschoben
und am freien Ende des Keramikstabs mit diesem starr verbunden wird.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Keramikstab im Querschnitt senkrecht zu seiner Längserstreckung
zwei parallele Seitenwände
aufweist sowie die weiteren Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Keramikstab liegend nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis
14 gepresst worden.
-
Der
erfinderische Gedanke besteht darin, den Keramikstab in Abgrenzung
zum bekannten Stand der Technik nicht im Strangpressverfahren und auch
nicht stehend im Trockenpressverfahren, sondern liegend im Trockenpressverfahren
herzustellen. Die beiden parallelen Seitenwände sind dabei Hinweise auf
die besondere Herstellungsweise, da diese durch die Seitenwände eines
Formspalts einer Matrize gebildet wurden.
-
Der
Erfindung liegt dabei die Überlegung
zugrunde, auftretende Abfälle,
wie Verluste an den Anfangs- und Endstücken und des Materials der Schnittflächen, auszuschließen. Zudem
sollte die Formhaltigkeit und die Herstellungsqualität der Keramikstäbe verbessert
werden. Überraschenderweise wurde
festgestellt, dass diese Ziele durch das in der Keramikbranche häufig angewendete
Trockenpressverfahren erreichbar sind, wenn dieses im Abkehr zum
bekannten Stand der Technik so angewendet wird, dass der Keramikstab
liegend und nicht stehend gepresst wird.
-
Liegend
gepresst bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Längserstreckung
des Keramikstabs beim Pressen senkrecht zur Bewegungsrichtung des
oder der Druckstempel ausgerichtet ist.
-
Nach
langen Versuchsreihen wurden Prozessfenster erarbeitet, in denen
die Keramikstäbe
erfindungsgemäß liegend
gepresst wurden, wobei die Qualität als auch die Wirtschaftlichkeit
der Herstellung im Vergleich zu dem bekannten Strangpressverfahren
verbessert sind. Als weiterer Vorteil ist darauf hinzuweisen, dass
die Verdichtung des Keramikrohmaterials innerhalb des Keramikstabs
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
besser steuerbar ist als bei dem Strangpressverfahren. Nachdem die
Verdichtung die Formhaltigkeit, insbesondere die Durchbiegung des
Keramikstabs wesentlich beeinflusst, konnte der Ausschuss aufgrund
mangelnder Maß- oder
Formhaltigkeit gegenüber
der Herstellungsvariante des Strangpressverfahrens deutlich verringert werden.
Insbesondere wurden Qualitätsprobleme hinsichtlich
einer zu großen
Durchbiegung, einer ungleichmäßigen Schwindung
und/oder Verdichtungsunterschiede reduziert. Zudem ist der Aufwand
zur Herstellung und Homogenisierung des Rohmaterials beim Trockenpressen
deutlich geringer als beim Strangpressen.
-
Für eine vereinfachte
Darstellung umfasst der Begriff des Keramikstabs sowohl den gesinterten als
auch den ungesinterten Keramikstab.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist
der Keramikstab ein über
die Länge
konstantes Querschnittsprofil auf. Optional können, insbesondere an den Endbereichen
des Keramikstab, Abschrägungen
vorgesehen sein, die durch eine Nachbearbeitung wie zum Beispiel
Schleifen, Trommeln oder Entgraten erzeugt sind.
-
Bevorzugt
ist der Keramikstab aus Cordierit ausgebildet. Bei Cordieritwerkstoffen
handelt es sich um Magnesiumaluminiumsilikate, welche direkt beim Sintern
von Speckstein oder Talkum mit Zusätzen von Ton, Kaolin, Schamotte,
Korund und Mollit entstehen. Die vereinfachte Näherung der Zusammensetzung
von reinem keramischen Cordierit ist beispielsweise circa 14% MgO,
35% Al2O3 und 51% SiO2. Bevorzugt entspricht das Cordierit der Definition
nach DIN VDE 0335/DIN EN 60672. Cordierit ist aufgrund seines geringen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
besonders geeignet für
den Einsatz in Thermostaten.
-
Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung weist der Keramikstab eine Länge zwischen 35 mm und 70 mm
oder bis zu 120 mm auf. Mit dieser Länge ist der Keramikstab für den Einsatz
als Referenzlängenmaß in dem
Stabthermostat für Kochfelder
angepasst. Wie bereits in der Einleitung erläutert hat das Stabthermostat
einen stabähnlichen Fühler, der
sich bei einem Kochfeld oder einer Kochplatte von der Außenseite
bis zum Mittelpunkt erstreckt. Der Fühler umfasst dabei den Keramikstab sowie
eine Metallhülse,
die über
den Keramikstab geschoben ist. Zur Ermittlung einer Temperatur wird
die unterschiedliche Längeausdehnung
des Keramikstabs und der Metallhülse
gemessen.
-
Bei
einer zweckmäßigen Weiterbildung
und Anpassung an das Stabthermostat weist der Keramikstab einen
Durchmesser von 2 mm bis 4 mm, vorzugsweise 3 mm insbesondere 3,1
mm auf. Diese Ausbildung berücksichtigt
die Tatsache, dass die Metallhülse des
Stabthermostats in der Regel einen freien Innendurchmesser von 3,1
mm aufweist.
-
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung weist der Keramikstab ergänzend zu
den zwei parallelen Seitenwänden
zwei im Querschnitt halbrund ausgebildete Anlageabschnitte auf,
die gegenüberliegend angeordnet
sind. Die Anlageabschnitte dienen zur gleitenden Anlage oder Abstützung des
Keramikstabs innerhalb der Metallhülse, wobei die Anlageabschnitte
eine leichtgängige
und zugleich verschleißfreie
Relativbewegung zwischen Metallhülse
und Keramikstab unterstützen.
-
Bevorzugt
sind diese Anlageabschnitte zueinander symmetrisch ausgebildet,
um beidseitig eine gleichartige Anlage an die Metallhülse zu gewährleisten.
Der Radius der halbrund ausgebildeten Anlageabschnitte ist bevorzugt
kleiner oder gleich der Hälfte
des lichten Durchmessers der Metallhülse und/oder des maximalen
Durchmessers des Keramikstabs.
-
Bei
einer fertigungstechnisch besonders vorteilhaften Ausführungsform
weist der Übergang
zwischen den Anlageabschnitten und den Seitenwänden jeweils eine Schulter
auf, die im Querschnitt senkrecht oder im wesentlichen senkrecht
zu der jeweils angrenzenden Seitenwand ausgerichtet ist. Diese Schulter
dient insbesondere dafür,
auftretende, fertigungsbedingte Grate zu vermeiden beziehungsweise
zu minimieren.
-
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein oder den Stabthermostat
mit einem oder dem Keramikstab wie er soeben so eben beschrieben wurde
bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Vorzugsweise weist das
Stabthermostat einen Fühler
auf, der aus dem Keramikstab sowie eine über den Keramikstab geschobene
Metallhülse
besteht, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass Keramikstab und
Metallhülse
an einem freien Ende des Keramikstabs miteinander fest verbunden
sind und an dem anderen Ende in eine Steuervorrichtung münden, die
den bei Temperaturerhöhung
auftretenden Längenunterschied
zwischen Keramikstab und Metallhülse
auswertet und gegebenenfalls einen Schalt- oder Regelvorgang initiiert.
-
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines Keramikstabs ausgebildet zum Einsatz in einem Stabthermostat
für Kochfeldern,
wobei Keramikrohmasse in einer Matrize mit einem oder mehreren Stempeln
mittels Pressen zu dem Keramikstab geformt wird und das dadurch
gekennzeichnet ist, dass der Keramikstab liegend gepresst wird.
Vorzugsweise wird das Verfahren durch Einsatz eines Trockenpressautomaten
durchgeführt.
-
Hier
wird der erfinderische Gedanke nochmals aufgegriffen, dass der Keramikstab
durch eine radiale Krafteinwirkung im Gegensatz der sonst üblichen
axialen Krafteinleitung gepresst wird. Anders ausgedrückt ist
die Krafteinleitung senkrecht zur Längserstreckung des Keramikstabs
gerichtet.
-
Insbesondere
ist das Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Keramikstabs
nach einem der Ansprüche
1 bis 8 ausgebildet.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführung
des Verfahrens ist die Keramikrohmasse als Keramikgranulat ausgebildet,
welches rieselfähig
ist und/oder eine Restfeuchte von 0% bis 5% aufweist.
-
Obwohl
das erfindungsgemäße Verfahren mit
einem Stempel durchführbar
ist, ist es bevorzugt, dass zwei Stempel, die als Ober- und Unterstempel realisiert
sind, verwendet werden, um das Pressen zweiseitig durchzuführen.
-
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung sind die Pressbewegungen des Ober-
und Unterstempels asymmetrisch und/oder asynchron zueinander ausgebildet.
Dadurch, dass die Pressbewegungen unterschiedlich erfolgen, ist
es möglich,
gezielt auf die Verdichtung und insbesondere die Dichteverteilung
in dem Keramikstab einzuwirken. Denkbar und im Rahmen der Erfindung
ist hierbei auch ein Qualitätsregelkreis,
wobei in Abhängigkeit
von Qualitätsmerkmalen des
Keramikstabs und/oder des gesinterten Keramikstabs, wie zum Beispiel
die Durchbiegung, Schwindung und Verdichtungsunterschiede, die Ansteuerung
des Ober- beziehungsweise Unterstempels geregelt und/oder gesteuert
wird.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
Ober- und Unterstempel im geschlossenen Zustand einen Abstand von
mindestens 0,5 mm aufweisen. Damit ist sichergestellt, dass sich
während
des Pressvorgangs Ober- und Unterstempel nicht berühren und
das Werkzeug nicht beschädigt
wird. Gleichzeitig ist dieser Abstand auch der Grund für die Entstehung
von den zwei zueinander parallelen Seitenwänden des Keramikstabs.
-
Ferner
ist es vorteilhaft, dass der oder die Stempel eine im Querschnitt
halbrund ausgebildete Pressfläche
aufweisen, die zur Erzeugung beziehungsweise Formgebung der halbkreisförmigen Anlageabschnitte
ausgebildet ist.
-
Insgesamt
wird die Form des Keramikstabs bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren derart
gebildet, dass dieser optimal in die Metallhülse mit einem kreisförmigen Querschnitt
unter Berücksichtigung
fertigungsbedingter Gratbildung einzugleiten vermag.
-
Zusammenfassend
sind die optionalen Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik darin
zu sehen, dass durch die Verwendung des Trockenpressgranulats die
Materialaufbereitung genauer und somit konstanter erfolgen kann,
woraus eine gleichmäßige und
besser kontrollierbare Herstellung erfolgt. Ferner wird der Abfall
beim Schneiden von stranggepressten Keramikstäben komplett vermieden, was
zu einer Einsparung von Material- und Abfallkosten führt. Die
Längenmaße der Keramikstäbe können besser
und konstanter eingehalten werden, was zu einer Reduzierung des
Aufwands für
nachfolgende Bearbeitungsschritte führt, zum Beispiel kann das
Schleifaufmaß verkleinert
werden, was durch eine Abtragsminimierung zur Schleifkostenreduzierung
und Steigerung der Schleifleistung pro Stunde führt. Wie bereits beschrieben
kann die in der Keramik entweder beim Trocknen oder beim Sintern
oftmals auftretende Durchbiegung beeinflusst werden. Durch die schnelle
mögliche
Variation der Pressparameter kann die Durchbiegung schon im Grünteil erkannt
und optimiert werden. Das führt
zu einen verringerten Ausschuss durch Biegungslehren im Vergleich
zu den im Strangpressverfahren hergestellten Keramikstäben. Schließlich und
endlich ist das Handling und das Aufbringen der Keramikstäbe auf der Brennplatte
zum Sintern einfacher und konstanter möglich, was zu einem Rationalisierungspotential führt, welches
größer als
beim Strangpressverfahren ist. Insgesamt führt die Anwendung des Trockenpressverfahrens
für Keramikstäbe zu schwerwiegenden
Verbesserungen bei der Herstellung und zu wirtschaftlichen Vorteilen.
-
Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und den angehängten Figuren.
Dabei zeigen:
-
1 einen
Querschnitt durch einen Keramikstab gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
-
2 einen
Längsschnitt
durch den Keramikstab in 1;
-
3 eine
schematische Darstellung des Werkzeugs zur Herstellung des Keramikstabs
in den 1 beziehungsweise 2.
-
Gleiche
Teile oder Größen sind
in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
1 zeigt
in einer schematischen Querschnittsdarstellung senkrecht zur Längserstreckung einen
Keramikstab 1, welcher ein konstantes Querschnittsprofil über die
gesamte Länge
aufweist. Der Keramikstab ist ein Teil eines nicht dargestellten
Fühlers
eines Stabthermostats für
Kochfelder und dient als Referenzlängenmaß.
-
Der
Keramikstab 1 ist als Vollstab aus Cordierit ausgeführt und
weist zwei zueinander parallele Seitenwände 2 sowie zwei in
etwa halbrund ausgebildete Anlageabschnitte 3 auf. Die
Seitenwände 2 haben
bei dem vorliegenden Beispiel eine Höhe von 1,4 mm, bevorzugt ist
eine Höhe
von mindestens 1 mm. Der Radius R1 der halbrund geformten Anlageabschnitte 3 ist
kleiner ausgebildet, als der Abstand zwischen Mittelpunkt M des
Keramikstabs 1 und Scheitelpunkt des halbrunden Anlageabschnitts 3.
Der Abstand zwischen den Scheitelpunkten der Anlageabschnitte 3 definiert
den maximalen Durchmesser des Keramikstabs 1. Dieser maximale
Durchmesser ist kleiner als 3,1 mm, damit der Keramikstab 1 in
eine Metallhülse
mit einem lichten, kreisrunden Durchmesser von 3,1 mm einführbar ist.
-
Bei
dem Übergang
von einem oder jedem der halbrunden Anlageabschnitte 3 zu
den Seitenwänden 2 ist
jeweils eine Schulter 4 vorgesehen, die senkrecht zu der
jeweils benachbarten Seitenwand 2 ausgerichtet ist. Der
Abstand der zwei Seitenwände 2 beträgt bei diesem
Ausführungsbeispiel
2,4 mm, die Breite der Schulter 0,05 mm und der Abstand der Scheitelpunkte,
also der maximale Durchmesser des Keramikstabs 1, beträgt 2,8 mm.
-
Aus
der Darstellung in 2, die einen Längsschnitt
durch den Keramikstab 1 in 1 darstellt,
ist zu erkennen, dass in den Endbereichen jeweils Fasen oder Abschrägungen 5 vorgesehen
sind, die ein Splittern der Stäbe
in der Metallhülse
des Stabthermostats verringern oder vermeiden. Die Länge des
Keramikstabs 1 ist im Bereich zwischen 40 mm und 75 mm.
Damit ergibt sich für
das Ausführungsbeispiel
ein Längen/Durchmesserverhältnis von
40:2,8 bis zu 75:2,8.
-
Ein
wichtiges Maß für die Qualität stellt
die Durchbiegung des Keramikstabs 1 dar, die mittels eines
Auflageprismas an den Messorten A und B abgenommen wird.
-
Die 3 zeigt
in stark schematisierter Darstellung einen Querschnitt durch ein
Werkzeug für das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung des Keramikstabs 1 in 1 bzw. 2.
Das Werkzeug besteht dabei aus einer Matrize 6, die einen durchgängigen Formspalt 7 aufweist,
in den ein Oberstempel 8a und ein Unterstempel 8b eingefahren
werden kann, um in dem dazwischen liegenden Hohlraum 9 den
Keramikstab 1 zu formen.
-
Der
Hohlraum 9 weist bei geschlossenen Werkzeug das gleiche
Querschnittsprofil wie der Keramikstab 1 auf. Der Formspalt 7 umfasst
zwei zueinander parallele Seitenwände 10, die zur Bildung
der Seitenwände 2 des
Keramikstabs 1 führen.
Der Oberbeziehungsweise Unterstempel 8a, b haben im Querschnitt
jeweils eine halbrunde Einformung 11, die korrespondierend
zu den halbrunden Anlageabschnitten 3 ausgebildet sind.
-
Die 3 zeigt
das Werkzeug im geschlossenen Zustand, wobei zu erkennen ist, dass
der Oberstempel 8a und der Unterstempel 8b einen
Abstand d aufweisen, der mindestens 0,5 mm beträgt. An den Einformungen 11 sind
randseitig jeweils noch Vorsprünge 12 zur
Bildung der Schulter 4 des Keramikstabs vorgesehen.
-
Neben
einer halbrunden Ausbildung der Einformung 11, kann die
Einformung auch glockenförmig,
insbesondere mit einem Wendepunkt in den Flanken der Einformung
ausgebildet sein.
-
Im
Betrieb wird in einem ersten Schritt der Formspalt 7 z.B.
mittels eines Füllschuhs
mit Keramikgranulat mit einer Restfeuchte bis zu 5% gefüllt. In
einem weiteren Schritt wird das Werkzeug geschlossen und der Keramikstab 1 geformt.
Nachdem der Keramikstab 1 aus dem Werkzeug entnommen ist,
wird dieser gesintert. Bei der Produktion auftretende Durchbiegungen
des Keramikstabs 1 sind eine Folge einer ungleichmäßigen Verdichtung
des Keramikgranulats. Durch Variation der Hub- oder Pressbewegungen
des Ober- bzw. Unterstempels 8a, b kann die Verdichtungsverteilung
in dem Keramikstab 1 eingestellt werden. Dabei ist es besonders
vorteilhaft, dass die Durchbiegung bereits im ungesinterten Keramikstab 1 erkennbar
ist und über
die Variation der Pressparameter eingestellt werden kann, so dass der
Ausschuss insbesondere nach dem Sintern minimiert wird. Nach dem
sintern wird der Keramikstab 1 in den Fühler des Stabthermostats als
Längereferenzmaß eingebaut.