DE102009028398A1

DE102009028398A1 - Heizkörper und Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers

Info

Publication number: DE102009028398A1
Application number: DE200910028398
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Jördens; Jürgen Salomon; Philipp Schaller; Gerhard Schmidmayer
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Der Heizkörper (8), welcher insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts vorgesehen sein kann und welcher ein offenzelliges Keramikmaterial aufweist, weist ferner Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf. Ein Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers weist mindestens die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzten Keramikschlickers; Eintauchen eines offenzelligen Schaumkörpers in den Keramikschlicker und Brennen des eingetauchten Schaumkörpers. Ein anderes Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers weist mindestens die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines offenzelligen Keramikkörpers und Eintauchen des Keramikkörpers in ein mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetztes Bindemittel. Das Bindemittel kann folgend wärmebehandelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkörper, insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts, wobei der Heizkörper ein offenzelliges Keramikmaterial aufweist. Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zum Herstellen eines solchen Heizkörpers.
DE 103 20 659 A1 betrifft eine Heizvorrichtung, insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts, mit einem im Luftstrom eines Gebläses zur Erwärmung der von diesem geförderten Luft angeordneten elektrischen Heizelement, das ein elektrisch beheizbares, wärmeleitendes und gasdurchlässiges Keramikmaterial aufweist. Es ist vorgesehen, dass das Heizelement zumindest in Teilsegmenten ringförmig um einen radialen Auslass des Gebläses angeordnet ist. Eine Variante sieht vor, dass das Heizelement in einem geschlossenen Ring um das Gebläse angeordnet ist. Auf diese Weise muss der gesamte radial aus dem Gebläse austretende Luftstrom durch das Heizelement passieren, was zu einer schnellen und effektiven Erwärmung der vom Gebläse geförderten Luft führt. Das resultierende Bauvolumen des Heizelements kann mit der ringförmigen Anordnung minimiert werden. Hierbei ist jedoch die sehr teuere Herstellung nachteilig.
EP 1 165 152 B1 offenbart eine Beschichtung für Haushaltsgeräte mit einer katalytischen Zusammensetzung für Desodorisierungs- oder Oxidationszwecke. Die katalytische Zusammensetzung kann dabei so eingesetzt werden, dass sie sich direkt auf irgendeiner Oberfläche des jeweiligen Haushaltsgerätes befindet, wobei dann diese Oberfläche als Substrat dient, oder die katalytische Zusammensetzung ist Bestandteil einer gegebenenfalls über eine Anschlussleitung verbundenen Zusatzeinrichtung innerhalb oder in der Nähe des Haushaltsgerätes. Als Oberfläche des Haushaltsgerätes kommt z. B. ein Gehäuseteil oder eine Innenwand, insbesondere aus Metall, in Frage. Bei der Zusatzeinrichtung kann es sich z. B. um eine Anordnung handeln, durch die die Abluft des Haushaltsgeräts geführt wird. Diese Zusatzeinrichtung kann neben der katalytischen Zusammensetzung z. B. eine Heiz- oder Belüftungseinrichtung aufweisen. Bei den eingesetzten Haushaltsgeräten handelt es sich um die üblichen im Haushalt verwendeten Gegenstände. Beispiele sind Herde, Kochmulden, Dunstabzugshauben und Friteusen. Bevorzugte Einsatzgebiete sind Elektro- und Gasherde, Dunstabzugshauben und/oder Friteusen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine besonders einfach herstellbare und preiswerte Möglichkeit zur Aufheizung von Luft in einem Gargerät bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Heizkörper, wobei der Heizkörper ein offenzelliges oder offenporiges Keramikmaterial aufweist und ferner Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist.
Aufgrund des offenzelligen Keramikmaterials kann Luft durch den Heizkörper hindurch strömen und sich an der typischerweise großen Oberfläche einer solchen Struktur und der entstehenden turbulenten Strömung sehr effektiv und damit schnell aufheizen. Durch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann ein elektrischer Widerstand des Heizkörpers auf einfache Weise durch die Menge oder den Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingestellt werden, was die Herstellung besonders vereinfacht. Im Gegensatz dazu muss der elektrische Widerstand von offenzelligen Heizkörpern, die nur das Keramikmaterial aufweisen, durch eine Formänderung oder Strukturänderung eingestellt werden.
Die offenzellige Struktur kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Keramikmaterial aus einem Schaum hergestellt und/oder entsprechend gesintert worden ist.
Das Keramikmaterial kann elektrisch leitend sein, z. B. Siliziumkarbid (SiC) aufweisen. Das Keramikmaterial kann alternativ elektrisch nichtleitend sein, z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AIN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) aufweisen. Diese Keramikmaterialien weisen den Vorteil auf, dass sie auch unter einer Luftatmosphäre hochgradig temperaturstabil sind und zudem preiswerter sind als z. B. SiC.
Der Heizkörper ist insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts geeignet, bei der zu erwärmende Luft aus einem Garraum angesaugt wird, durch den Heizkörper unter Erhitzung gesaugt oder gedrückt wird und dann als aufgeheizte Luft wieder dem Garraum zugeführt wird. Zur Verwendung für eine Umluftheizung ist es vorteilhaft, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen verfügbar sind, welche bis mindestens 350°C temperaturbeständig sind.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Keramikmaterial mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzt ist. Dies weist den Vorteil auf, dass die elektrische Leitfähigkeit nicht von einer möglicherweise auftretenden Degradation der Oberfläche abhängig ist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Keramikmaterial mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überzogen ist. So ergibt sich der Vorteil einer einfacheren Herstellung.
Es ist eine spezielle Ausgestaltung, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in eine Matrix, insbesondere Sol-Gel-Matrix, eingebettet sind. Dadurch kann eine Haftung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen an dem Keramikmaterial verbessert werden. Die Matrix kann ferner dem Schutz der Kohlenstoff-Nanoröhrchen z. B. vor Oxidation dienen.
Es ist eine weitere spezielle Ausgestaltung, dass die Matrix zusätzlich mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff aufweist. Dadurch kann die elektrische Leitfähigkeit weiter gesteigert werden, da der Füllstoff, z. B. ein Pigment, die Leitfähigkeit zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhrchen erhöht.
Es ist noch eine spezielle Ausgestaltung, dass der mindestens eine elektrisch leitfähige Füllstoff Ruß oder Graphit aufweist. Diese Wahl weist den Vorteil auf, dass der Füllstoff zu den Kohlenstoff-Nanoröhrchen chemisch neutral ist und sich zumeist ähnlich verhält.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das Keramikmaterial ein elektrisch nichtleitendes Keramikmaterial ist. Dies weist insbesondere für das mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überzogene Keramikmaterial den Vorteil auf, dass eine Verlustleistung gering gehalten wird, da die Wärme nur noch an der Oberfläche des Heizkörpers erzeugt wird, wo sie auch das durch sie hindurchströmende Fluid (Gas, Flüssigkeit oder Gas/Flüssigkeits-Gemisch) erwärmt. Jedoch kann allgemein auch ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial verwendet werden.
Es ist dann eine spezielle Ausgestaltung, dass das Keramikmaterial Aluminiumdioxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Cordierit aufweist. Diese Keramikmaterialien sind weit verbreitet, in Ihren Eigenschaften gut bekannt, preiswert und hochtemperaturbeständig.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass eine durchschnittliche Zellengröße in einem Bereich zwischen 2 mm und 5 mm liegt. Dies hat insbesondere für einen Heizkörper für eine Umluftheizung eines Gargeräts eine besonders effektive Aufwärmung ergeben.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der Heizkörper mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist. Dadurch kann das den Heizkörper durchströmende Fluid auch behandelt bzw. aufbereitet werden. Dies kann insbesondere bei einer Umluftheizung vorteilhaft sein, da so Fett und/oder Gerüche bereits beim Betrieb des Ofens abgebaut werden können.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Heizkörper einen elektrischen Widerstand von weniger als 1 kOhm aufweist. Dieser Wert hat sich zum Betrieb in einer Umluftheizung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Der Heizkörper kann beispielsweise durch einen Aufsatz einer entsprechenden Elektrode elektrisch kontaktiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Heizkörper an seiner Außenseite mit einem Elektrodenmaterial versehen, z. B. beschichtet oder anderweitig überzogen werden und dann direkt mit einem Anschlusskabel verbunden werden, z. B. daran angeklemmt oder angelötet werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers, bei dem das Keramikmaterial mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzt ist, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzten bzw. angereicherten Keramikschlickers; (b) Eintauchen einer organischen Vorform, beispielsweise eines offenzelligen, z. B. organischen, Schaumkörpers, in den Keramikschlicker; und (c) Brennen der zuvor eingetauchten Vorform, wobei die organische Vorform als verlorene Form ausgebrannt wird. Dabei bleibt der Keramikschlicker als gebranntes Material übrig.
Der bereitgestellte Keramikschlicker ist durch seinen Anteil an Kohlenstoff-Nanoröhrchen so eingestellt, dass er nach einem abschließenden Temperaturschritt einen festen keramischen Körper (bzw. Beschichtung) mit einem definierten elektrischen Widerstand ergibt. Der Widerstand liegt vorzugsweise in einem Bereich, der ein elektrisches Beheizen des Materials ermöglicht (z. B. bei Betriebsspannung von 230 Volt einen Gesamtwiderstand von weniger als 1 kOhm).
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers, bei dem das Keramikmaterial mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überzogen ist, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist. (a) Bereitstellen eines offenzelligen Keramikkörpers; und (b) Eintauchen des Keramikkörpers in ein mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetztes Bindemittel. Dieses Verfahren ist besonders einfach und damit preiswert durchführbar.
Bei dem Eintauchen des offenzelligen Schaumkörpers in den Keramikschlicker wird der Schaumkörper mit dem Keramikschlicker überzogen.
Bei dem Brennen des zuvor eingetauchten Schaumkörpers wird der ursprüngliche Schaumkörper, z. B. die Organik, verbrannt, und zurück bleibt der Überzug als ein offenzelliger, keramischen Schaum in der Form des ursprünglichen organischen Schaums. Dieser keramische Schaumkörper kann nun dank seines durch die Kohlenstoff-Nanoröhrchen verminderten Widerstandes als Heizer genutzt werden.
Der offenzellige Keramikkörper kann beispielsweise ein bestehender Keramikschaum aus kommerzieller Oxid- oder Silikatkeramik (also nicht leitfähig) sein.
Das Bindemittel kann z. B. ein Bindemittel auf Sol/Gel-Basis sein.
Nach dem Eintauchen braucht der Heizkörper nicht mehr gebrannt bzw. gesintert zu werden. Jedoch kann sich eine Wärmebehandlung, z. B. zum Ausheizen oder Aushärten, des Bindemittels anschließen. Durch das Eintauchen wird der offenzellige Keramikkörper folglich mit einer zusätzlichen leitfähigen Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschichtet.
Alternativ kann der offenzellige Keramikkörper auch aus einem mit einem organischen und/oder anorganischen Treibmittel und den Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzen Keramikschlicker hergestellt werden.
Um den mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen versehenen Keramikkörper, insbesondere Schaumkörper als Umluftheizer zu nutzen, erfolgt im Anschluss an beide Verfahren zumeist noch eine geeignete elektrische Kontaktierung, beispielsweise durch ein partielles Metallisieren.
Wird der Heizkörper nun in den Umluftstrom eines Gargeräts eingebracht, kann er durch das Anlegen elektrischer Spannung erwärmt werden, z. B. bis zum Glühen, und erhitzt so die ihn durchströmende Luft. Durch die große zur Verfügung stehende Kontaktoberfläche zwischen dem Heizkörper und der Luft und die dort herrschende turbulente Strömung ergibt sich ein sehr guter Wärmeübergang.
Es besteht außerdem die Möglichkeit, die Kontaktoberfläche des Heizkörpers mit katalytisch aktiven Materialien zu beschichten. So kann direkt am Heizkörper eine katalytische Reinigung der Umluft stattfinden, die dank der dort herrschenden hohen Temperaturen und der großen Kontaktflächen sehr effektiv abläuft.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen rückwärtigen Teil einer Ofenmuffel eines Gargeräts mit einem dort angebrachten Umwälzgebläse; und
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen axialen Einlass des Umwälzgebläses.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen rückwärtigen Teil einer Ofenmuffel 1 eines Gargeräts. Hinter einem Luftleitblech 2 an einer Rückwand 3 der Ofenmuffel 1 ist ein Gebläse 4 zur Umwälzung von Luft in einem Umluftbetrieb des Gargeräts angeordnet. Das Gebläse 4 ist als ein Radialgebläse ausgebildet und fördert Ansaugluft 6 durch Öffnungen 7 im Luftleitblech 2 in axialer Richtung zu dem Gebläse 4 und drückt diese in radialer Richtung durch einen radialen Auslassbereich 5 in Kanäle K zwischen dem Luftleitblech 2 und der Rückwand 3, die in das Innere der Ofenmuffel 1 münden.
Um den radialen Gebläseauslass 5 ist ein elektrisches Heizelement 8 angeordnet, das für eine Erwärmung der geförderten Luft sorgen kann. Bei mit einer elektrischen Spannung beaufschlagtem Heizelement 8 sorgt dieses für die gewünschte Temperierung der in die Ofenmuffel 1 geförderten Heißluft 9.
Das Heizelement 8 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als geschlossener Ring um den radialen Auslassbereich 5 des Gebläses 4 herum angeordnet. Das Heizelement 8 besteht im Wesentlichen aus einem elektrisch beheizbaren, gasdurchlässigen Keramikmaterial, welches Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und das als elektrischer Leiter wirkt. Dazu kann das Keramikmaterial insbesondere eine schaumartige Form aufweisen, welche eine große Kontaktoberfläche für die sie durchströmende Umluft aufweist, speziell mit einer durchschnittlichen Zellengröße in einem Bereich zwischen 2 mm und 5 mm.
Das Keramikmaterial ist mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzt und/oder mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überzogen. Für den Fall, dass das Keramikmaterial mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überzogen ist, sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in eine Sol-Gel-Matrix als Bindemittel eingebettet. Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit weist die Matrix zusätzlich Ruß oder Graphit als elektrisch leitfähigen Füllstoff auf. Zur effektiven Aufheizung ist das Keramikmaterial ein elektrisch nichtleitendes Keramikmaterial, z. B. Aluminiumdioxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Cordierit.
Zur Verringerung von Fett und/oder Gerüchen in der Umluft bereits während des Betriebs des Gargeräts kann der Heizkörper mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sein.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen axialen Einlass 10 des Gebläses 4. Die gezeigte Variante verdeutlicht das ringförmige Heizelement 8, das als geschlossener Ring um den radialen Auslassbereich 5 des Gebläses 4 angeordnet ist. Die von dem Gebläse 4 geförderte Luft durchströmt das Heizelement 8 allseitig und tritt radial als Heißluft 9 nach außen. Je nach gewünschter Ausführungsform können die Seitenwände des Heizelements 8 offen oder geschlossen sein. Eine offene Ausführung kann entsprechend 1 gestaltet sein. Es sollte hierbei lediglich sichergestellt werden, dass die austretende Heißluft 9 vollständig kanalisiert und in die Ofenmuffel 1 gefördert wird.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Bezugszeichenliste

1: Ofenmuffel
2: Luftleitblech
3: Rückwand
4: Gebläse
5: Auslassbereich
6: Ansaugluft
7: Öffnung im Luftleitblech
8: Heizelement
9: Heißluft
10: Einlass des Gebläses
K: Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10320659 A1 [0002]
- EP 1165152 B1 [0003]

Claims

Heizkörper (8), insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts, wobei der Heizkörper (8) ein offenzelliges Keramikmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (8) ferner Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist.
Heizkörper (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzt ist.
Heizkörper (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überzogen ist.
Heizkörper (8) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in eine Matrix, insbesondere Sol-Gel-Matrix, eingebettet sind.
Heizkörper (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix zusätzlich mindestens einen elektrisch leitfähigen Füllstoff aufweist.
Heizkörper (8) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrisch leitfähige Füllstoff Ruß oder Graphit aufweist.
Heizkörper (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial ein elektrisch nichtleitendes Keramikmaterial ist.
Heizkörper (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial Aluminiumdioxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Cordierit aufweist.
Heizkörper (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchschnittliche Zellengröße in einem Bereich zwischen 2 mm und 5 mm liegt.
Heizkörper (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (8) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist.
Heizkörper (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (8) einen elektrischen Widerstand von weniger als 1 kOhm aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in Kombination mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen eines mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetzten Keramikschlickers; – Eintauchen einer organischen Vorform, insbesondere eines offenzelligen Schaumkörpers, in den Keramikschlicker; und – Brennen der zuvor eingetauchten Vorform, wobei die organische Vorform als verlorene Form ausgebrannt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Heizkörpers nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen eines offenzelligen Keramikkörpers; und – Eintauchen des Keramikkörpers in ein mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen versetztes Bindemittel.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt aufweist: – Wärmebehandeln des Bindemittels.