DE10356211A1

DE10356211A1 - Heizvorrichtung, insbesondere keramisches Kochfeld, und Verfahren zur Herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE10356211A1
Application number: DE2003156211
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Wermbter; Harry Engelmann
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-30
Also published as: WO2005055663A1

Abstract

Es wird eine Heizvorrichtung, insbesondere ein keramisches Kochfeld, angegeben, mit einer Trägerschicht (12) und einer Heizleiterschicht (16) zur elektrischen Widerstandsheizung, zwischen denen zumindest eine weitere Schicht angeordnet ist, die als Isolationsschicht (14) ausgebildet ist, wobei zwischen der Trägerschicht (12) und der Heizleiterschicht (16) erste haftende Bereiche und zumindest zweite Bereiche (18, 20) vorgesehen sind, die eine gegenüber der Haftung der ersten Bereiche zur darunter liegenden Schicht verminderter Haftung oder gar keiner Haftung zur darunter liegenden Schicht aufweisen. Geeignete Herstellverfahren zur Applikation derartiger Schichten sind neben dem thermischen Spritzen das Sol-Gel-Verfahren, das Schlicker-Verfahren und das Siebdruckverfahren (Fig. 4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, insbesondere ein keramisches Kochfeld, mit einer Trägerschicht und einer Heizleiterschicht zur elektrischen Widerstandsheizung, zwischen denen zumindest eine weitere Schicht angeordnet ist, die als Isolationsschicht ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Heizvorrichtung.

Eine derartige Heizvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 12 236 C1 , aus der DE 101 12 234 C1 , aus der DE 101 12 235 C2 , aus der DE 101 60 451 A1 oder aus der WO 98/51127 bekannt.

In der Regel bestehen derartige keramische Kochfelder aus einer Kochplatte aus Glaskeramik mit einer niedrigen thermischen Ausdehnung, auf die ein Heizleiter auf der Unterseite aufgebracht ist. Da eine für ein Kochfeld geeignete Glaskeramik, wie etwa Ceran^® von Schott, eine NTC-Charakteristik besitzt, d.h. dass bei ansteigenden Temperaturen die elektrische Leitfähigkeit merklich zunimmt, befindet sich zwischen der Heizleiterschicht und der Kochplatte oder Trägerschicht aus Glaskeramik eine keramische Isolationsschicht.

Ein besonderes Problem bei einem derartigen keramischen Kochfeld besteht in den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Einzelschichten. Bekanntlich besitzt eine Glaskeramik wie etwa Ceran^® einen Ausdehnungskoeffizienten α, der nahe bei 0 liegt (± 0,15 × 10^-6 K^-1). Dagegen besitzen Metalle deutlich höhere Ausdehnungskoeffizienten, die deutlich oberhalb von 10^-5 K^-1 liegen. Keramiken besitzen zwar einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z.B. etwa 8 × 10^-6 K^-1 für Al₂O₃), jedoch führt diese bei größeren Schichtdicken zu erheblichen Problemen wegen der im Betrieb auftretenden thermischen Spannungen.

Aus diesem Grunde wurde gemäß der DE 101 12 236 C1 versucht, einen besseren Schichtenverbund zu erzielen, indem auf der Unterseite der Kochplatte eine thermisch gespritzte Haftvermittlerschicht aus einem keramischen Material vorgesehen wurde, auf der eine thermisch gespritzte Isolationsschicht oder eine thermisch gespritzte elektrisch leitfähige Zwischenschicht aufgebracht wurde.

Gemäß der DE 101 12 234 C1 wurde dagegen die Isolationsschicht aus einer Mehrzahl von Schichten gebildet, die eine zur Heizleiterschicht hin abnehmende Porosität aufwiesen.

Allen bisher bekannten Systemen ist jedoch gemeinsam, dass bislang die einzelnen Schichten unmittelbar haftend übereinander aufgetragen wurden, also beginnend mit einer Trägerschicht, gefolgt von einer Isolationsschicht, diese wiederum gefolgt von einer Heizleiterschicht, wobei ggf. zwischen den einzelnen Schichten noch weitere Schichten, wie etwa Haftvermittlerschichten, vorgesehen sein können.

Es hat sich nun gezeigt, dass die bekannten Schichtsysteme im Betrieb eine nicht ausreichende Langzeitbeständigkeit aufweisen. Unabhängig von den getroffenen Maßnahmen weisen die verwendeten Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, Elastizitätsmodule und Wärmeleitfähigkeiten auf. Bei Wärmeeinwirkung durch die Heizschicht entstehen hohe mechanische Spannungen im gesamten Schichtsystem. Durch die im Heizbetrieb auftretenden Temperaturzyklen, sowie durch Temperaturinhomogenitäten über die beheizte Fläche wird das Schichtsystem wechselnden mechanischen Spannungen ausgesetzt. Dies kann zu einer Rissbildung senkrecht zur Schichtebene und zur Delamination zwischen der Heiz- und der Isolationsschicht und zwischen der Isolationsschicht und der Trägerschicht führen. Weiterhin können Ausmuschelungen im Bereich der Kontaktfläche zur Trägerschicht Ursachen für Ausfälle sein. Bei einer Delamination des Schichtsystems können sich auf Grund der unterschiedlichen Wärmedehnung der Materialien die einzelnen Schichten vom zu beheizenden Trägersystem deutlich abheben bzw. abplatzen. Bei Ausmuschelungen platzen komplette Schichtbereiche mit anhaftendem Trägermaterial ab. Dabei können sich bei fortschreitender Rissbildung und somit Querschnittsverengung der leitenden Schicht Bereiche hohen Widerstandes bilden und somit eine hohe lokale Verlustleistung ergeben, was zu einer zusätzlichen lokalen Überhitzung bis hin zur Aufschmelzung des Materials führen kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Heizvorrichtung zu schaffen, die eine deutlich verlängerte Lebensdauer aufweist. Ferner soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizvorrichtung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Heizvorrichtung, insbesondere ein keramisches Kochfeld, mit einer Trägerschicht und einer Heizleiterschicht zur elektrischen Widerstandsheizung gelöst, wobei zwischen den Schichten zumindest eine weitere Schicht angeordnet ist, die als Isolationsschicht ausgebildet ist, wobei zwischen der Trägerschicht und der Heizleiterschicht erste haftende Bereiche und zumindest zweite Bereiche vorgesehen sind, die eine gegenüber der Haftung der ersten Bereiche zur darunter liegenden Schicht verminderter Haftung oder gar keine Haftung zur darunter liegenden Schicht aufweisen.

Erfindungsgemäß wird also in Abkehr von den vorbekannten Schichtsystemen nunmehr ein Schichtenverbund vorgeschlagen, bei dem zwischen benachbarten Schichten nur lokal ein fester Verbund erreicht ist (erste haftende Bereiche) und bei dem die Bereiche dazwischen (zweite Bereiche) keine oder nur eine verringerte Haftung zur benachbarten Schicht aufweisen. Erfindungsgemäß werden so im Heizbetrieb im Schichtenverbund entstehende mechanische Spannungen durch die in den zweiten Bereichen verminderte Haftung oder völlig fehlende Haftung zur darunter liegenden Schicht leichter abgebaut, da in den weniger stark oder gar nicht haftenden Bereichen eine verbesserte Dehnung oder gar eine freie Dehnung ermöglicht ist. Insgesamt werden somit die unweigerlich im Heizbetrieb auftretenden mechanischen Spannungen teilweise abgebaut bzw. deutlich vermindert.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung sind die ersten und die zweiten Bereiche zwischen der Trägerschicht und der Isolationsschicht ausgebildet.

Alternativ oder zusätzlich dazu sind gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung die ersten und zweiten Bereiche zwischen der Isolationsschicht und der Heizleiterschicht ausgebildet.

Die Bereiche verminderter Haftung können somit entweder lediglich zwischen der Heizleiterschicht und der Isolationsschicht oder aber zwischen der Trägerschicht und der Isolationsschicht oder zwischen beiden Schichten vorgesehen sein.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung weisen die zweiten Bereiche Hohlräume auf.

In Abwandlung hiervon ist es möglich, dass die zweiten Bereiche lokale Materialvariationen aufweisen.

Ferner ist es gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die zweiten Bereiche Bereiche mit verminderter Haftung aufweisen, die vorzugsweise eine chemisch oder physikalisch geringere Bindung zur darunter liegenden Schicht als das übrige Material aufweisen.

Die Bereiche verminderter Haftung zwischen benachbarten Schichten können entweder mikroskopisch in zumindest jeweils einer Schicht ausgebildet sein oder aber makroskopisch, indem bestimmte Verbindungspunkte zwischen den benachbarten Schichten mit guter Haftung vorgesehen werden und andere Punkte, an denen keine Haftung oder eine verminderte Haftung besteht.

Im ersten Fall des mikroskopischen Aufbaus weist zumindest eine der Schichten ein Matrixmaterial auf, in das Materialien mit verminderter Haftung eingelagert sind.

Bei den eingelagerten Materialien kann es sich hierbei etwa um einen Kunststoff, einen thermoplastischen Kunststoff, ein Graphit, ein Karbid oder ein Nitrid handeln.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die zweiten Bereiche in die Isolationsschicht eingelagerte isolierende und/oder niedrigschmelzende Materialien, insbesondere Polyester oder NiBN-Mischungen auf.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die zweiten Bereiche in die Heizleiterschicht eingelagerte Materia lien auf, die chemisch oder physikalisch eine geringe Bindung zur Isolationsschicht ausbilden, wie etwa thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Al/12Si+Polyester, Nitride, insbesondere NiBN-Mischungen oder AlN, Graphit, insbesondere Ni20-Graphit, Karbide, insbesondere WCCoCr oder CrCNiCr.

Sofern die Bereiche verminderter oder fehlender Haftung zwischen benachbarten Schichten makroskopisch ausgebildet sind, können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die zweiten Bereiche derart ausgebildet sein, dass sich die Heizleiterschicht in den zweiten Bereichen zwischen benachbarten ersten Bereichen frei ausdehnen kann.

Daneben ist es grundsätzlich möglich, zwischen benachbarten Schichten, zwischen denen Bereiche mit verminderter Haftung erzeugt werden sollen, Trennschichten mit verminderter Haftung einzubringen. Die zweiten Bereiche können somit Trennschichten mit verminderter Haftung umfassen, die vorzugsweise aus PTFE, Graphit, BN, Trennwachs oder Verbindungen auf Basis von Silikon, insbesondere Silikonölen oder -fetten bestehen.

Es können somit zunächst auf einer ersten Schicht, etwa auf der Trägerschicht, vorbestimmte Bereiche mit einem Material verminderter Haftung beschichtet werden, wozu beispielsweise ein Maskierungsverfahren genutzt werden kann, um eine strukturierte Auftragung zu ermöglichen. Darüber kann nun die Deckschicht, also die Isolierschicht oder die Heizleiterschicht, aufgetragen werden. Auf diese Weise werden zwischen der aufgetragenen Schicht und den nicht zuvor mit einer Trennschicht versehenen Bereichen eine gute Haftung zur darunter liegenden Schicht erreicht, während bei den mit der Trennschicht versehenen Bereichen die gewünschte verminderte Haftung erzielt wird.

Wie vorstehend bereits erwähnt, besteht die Trägerschicht vorzugsweise aus Glas oder einer Glaskeramik, insbesondere aus einer Lithium-Aluminium-Silikat-Glaskeramik (LAS), die eine besonders geringe thermische Ausdehnung und hohe Temperaturwechselbeständigkeit besitzt.

Je nach dem gewünschten Schichtsystem lässt sich eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung auf unterschiedliche Weise herstellen.

Gemäß einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren folgende Schritte:

– Bereitstellen einer Trägerschicht,
– Applizieren einer Heizleiterschicht auf die Isolationsschicht,
– wobei mindestens einer der applizierten Schichten mindestens eine Komponente beigemischt wird, die eine verminderte Haftung zur darunter liegenden Schicht bewirkt.

Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:

– Bereitstellen einer Trägerschicht,
– Applizieren einer Isolationsschicht auf die Trägerschicht und
– Applizieren einer Heizleiterschicht auf die Isolationsschicht,
– wobei mindestens einer der applizierten Schichten mindestens eine Komponente beigemischt wird, die an eine benachbarte Schicht angrenzende Hohlräume ausbildet.

Zur Auftragung der Schichten mit oder ohne beigemischten Komponenten können zur Erzeugung von Bereichen mit verminderter oder fehlender Haftung grundsätzlich verschiedene Verfahren verwendet werden. Zum einen bietet sich das thermische Spritzen an. Daneben kann ein Sol-Gel-Verfahren zur Schichtenapplikation verwendet werden, ein Schlicker-Verfahren oder ein Siebdruck-Verfahren.

Erfolgt der Auftrag durch thermisches Spritzen, so werden zumindest einer der Schichten Komponenten vor dem thermischen Spritzen beigemischt, was durch mechanisches Mischen oder mechanisches Legieren erfolgen kann, insbesondere durch Hochenergiemahlen.

Erfolgt die Applikation mittels eines Sol-Gel-Verfahrens, so wird einem geeigneten Sol ein Pigment als Beimischung zugesetzt, das bei einem nachfolgenden Kalzinierungsschritt einen Bereich mit verminderter Haftung oder einen Hohlraum ausbildet.

Erfolgt die Applikation mindestens einer Schicht durch ein Schlicker-Verfahren, so wird einem geeigneten Schlicker ein Pigment als Beimischung zugesetzt, das bei einem nachfolgenden Kalzinierungsschritt einen Bereich mit verminderter Haftung oder einen Hohlraum ausbildet.

In entsprechender Weise kann eine Beimischung bei einem Siebdruck-Verfahren erfolgen.

Bei den beigemischten Komponenten kann es sich entweder um Materialien handeln, die einen Bereich verminderter Haftung zur benachbarten Schicht ausbilden oder aber um Komponenten handeln, die zur Ausbildung von Hohlräumen führen. Hierzu können beispielsweise Materialien verwendet werden, die vorzugsweise während der Herstellung zu einer gewissen Gasbildung führen, so dass sich Hohlräume bilden. Auch können zur Bildung von Hohlräumen solche Komponenten zugemischt werden, die während des Herstellverfahrens oder bei späterer thermischer Belastung zu einer Zersetzung führen, so dass Hohlräume verbleiben. Vorzugsweise geschieht dies bereits während der Herstellung, so dass keine eingeschlossenen Gase verbleiben, was sich nachteilig auf die Stabilität auswirken könnte.

Als Komponenten können beispielsweise Kunststoffe, insbesondere PTFE, thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Al/12Si+Polyester, Nitride, insbesondere NiBN-Mischungen oder AlN, Graphite, insbesondere Ni20-Graphit, oder Karbide, insbesondere WCCoCr, verwendet werden.

Sofern die Beimischung dieses Materials zur Isolationsschicht erfolgt, so werden hier bevorzugt thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polyester, oder Nitride beigemischt. Erfolgt die Beimischung des Materials zur Heizleiterschicht, so wird bevor zugt ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere Polyester, ein Al/Si+Polyester, ein Graphit, insbesondere Ni20-Graphit, ein Karbid, insbesondere WC/Co oder ein Nitrid, insbesondere eine NiBN-Mischung, als Beimischung zugesetzt.

Gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:

– Bereitstellen einer Trägerschicht,
– Applizieren einer Isolationsschicht auf die Trägerschicht und
– Applizieren einer Heizleiterschicht auf die Isolationsschicht,
– wobei ausgewählte Bereiche mindestens der Trägerschicht oder der Isolationsschicht mit einer Zwischenschicht abgedeckt werden, die eine geringere Haftung zur darunter liegenden Schicht aufweist als die anschließend darauf applizierte Schicht.

Alternativ hierzu umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:

– Bereitstellen einer Trägerschicht,
– Applizieren einer Isolationsschicht auf die Trägerschicht und
– Applizieren einer Heizleiterschicht auf die Isolationsschicht,
– wobei ausgewählte Bereiche mindestens der Trägerschicht oder der Isolationsschicht mit einer Zwischenschicht abgedeckt werden, die im Verlauf der Herstellung oder im Betrieb unter Wärmeeinwirkung einen an eine benachbarte Schicht angrenzenden Hohlraum ausbildet.

Dies kann beispielsweise, wie vorstehend bereits ausgeführt, dadurch geschehen, dass sich im Verlauf der Herstellung oder im Betrieb das beigemischte Material zersetzt, um so einen Hohlraum auszubilden.

Hierzu kann wiederum zur Erzeugung der ausgewählten Bereiche, die eine verminderte Haftung oder fehlende Haftung aufweisen, zuvor ein Maskierverfahren verwendet werden.

Als Materialien, die eine verminderte Haftung bewirken, können wiederum Kunststoffe, wie etwa PTFE, oder ein Silikon, wie Silikonöl oder Silikonfett, oder aber ein Trennwachs als Zwischenschicht appliziert werden.

Daneben ist es denkbar, thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polyester, Al/Si-+Polyester, ein Graphit, insbesondere Ni20-Graphit, ein Karbid, insbesondere WCCoCr, oder ein Nitrid, insbesondere eine NiBN-Mischung als Zwischenschicht zu applizieren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung 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:
1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung in Form eines keramischen Kochfeldes, in vereinfachter Darstellung;
2 einen Teil-Querschnitt durch das keramische Kochfeld gemäß 1, wobei zwischen der Heizleiterschicht und der Isolationsschicht Hohlräume ausgebildet sind, in vergrößerter Darstellung;
3 einen Teil-Schnitt durch das keramische Kochfeld gemäß 1, wobei in Abwandlung zu der Ausführung gemäß 2 Hohlräume zwischen der Isolationsschicht und der Trägerschicht ausgebildet sind;
4 einen Schnitt durch das keramische Kochfeld gemäß 1, wobei in Abwandlung zu den Ausführungen gemäß der 2 und 3 sowohl an der Grenzfläche zwischen Trägerschicht und Isolationsschicht als auch an der Grenzfläche zwischen Isolationsschicht und Heizleiterschicht jeweils Hohlräume ausgebildet sind;
5 einen Ausschnitt aus einem Heizleiter in vergrößerter Darstellung mit schematisch angedeuteten, eingelagerten Bereichen, in denen eine verbesserte Haftung gewährleistet ist;
6 einen Ausschnitt aus einem Heizleiter in vergrößerter Darstellung, der makroskopische Trennbereiche, zwischen denen haftende Bereiche ausgebildet sind, zur darunter liegenden Schicht aufweist;
7 ein erfindungsgemäßes Kochfeld in schematischer Darstellung, bei dem zunächst eine Zwischenschicht oder Trennschicht auf eine darunter liegende Isolationsschicht aufgetragen ist, worüber eine Heizleiterschicht mäanderförmig aufgetragen ist;
8 eine abgewandelte Ausführung eines erfindungsgemäßen keramischen Kochfeldes, bei dem sich ein mäanderförmig gewundener Heizleiter auf einer darunter liegenden Isolationsschicht erstreckt, wobei ausgewählte Bereiche zwischen Heizleiter und darunter liegender Isolationsschicht durch eine Zwischenschicht oder Trennschicht mit verminderter Haftung oder unter Ausbildung eines Hohlraums von der Isolationsschicht getrennt sind;
9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Kochfeldes, bei dem sich ein mäanderförmig gewundener Heizleiter auf einer darunter liegenden Isolationsschicht erstreckt, der durch eingebettete Bereiche mit verminderter Haftung oder fehlender Haftung mit der Isolationsschicht verbunden ist und
10 eine Abwandlung der Ausführung gemäß 9, wobei bereits in der Isolationsschicht eingebettete Bereiche zur Ausbildung von Bereichen verminderter oder fehlender Haftung angedeutet sind.
In 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung dargestellt, die insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet ist. Die dargestellte Heizvorrichtung ist als keramisches Kochfeld ausgebildet mit einer Trägerschicht 12 in Form einer Glaskeramikplatte, auf der eine Isolationsschicht 12 vorgesehen ist, auf der sich eine Heizleiterschicht 16 in Form eines gewundenen Heizleiters erstreckt. Die Trägerschicht 12 in Form der Glaskeramikplatte ist vorzugsweise als Lithiumsilikat-Glaskeramik ausgebildet und besteht etwa aus Ceran^®, das von Schott erhältlich ist. Auf der Trägerschicht 12 ist eine Isolationsschicht 14 vorgesehen, die etwa aus Al₂O₃ aus Cordierit, aus Mullit, aus Zirkonsilikat oder aus SiO₂ bestehen kann. Diese Isolationsschicht 14 erstreckt sich nur über einen Teilbereich der Gesamtfläche der Trägerschicht 12 und ist vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen.
Es versteht sich, dass die Darstellungen in den Figuren lediglich rein beispielhafter Natur sind und insbesondere nicht maßstabsgetreu sind.
Auf der Isolationsschicht 14 erstreckt sich die Heizleiterschicht 16, die gleichfalls durch thermisches Spritzen aufgetragen sein kann. Die Heizleiterschicht 16 kann beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-Basislegierung oder einer Eisen-Chrom-Basislegierung mit Zusätzen aus Aluminium, Nickel, Yttrium und Silizium bestehen. Auch Eisen-Cobalt-Nickel-Legierungen sind denkbar.
Die Heizleiterschicht 16 weist, wie nachfolgend noch erläutert wird, eingebettete Bereiche auf, die an der Grenzschicht zur Verbindung mit der darunter liegenden Isolationsschicht 14 eine verminderte oder fehlende Haftung bewirken.
Auf diese Weise können thermische Spannungen, die im Betrieb zwischen den benachbarten Schichten auftreten, teilweise oder vollständig abgebaut werden, da das Material im Bereich der verminderten oder fehlenden Haftung zur darunter liegenden Schicht eine Relativbewegung zur darunter liegenden Schicht ausführen kann.
Auf diese Weise werden die grundsätzlich zwischen benachbarten Schichten mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung bestehenden Haftungsprobleme herabgesetzt oder gänzlich vermieden.
Gemäß einer ersten Ausführung, die aus 2 im Querschnitt zu ersehen ist, sind an der Grenzfläche zwischen Isolationsschicht 14 und Heizleiterschicht 16 lokale Hohlräume 18 ausgebildet, so dass sich Bereiche ergeben, an denen keine Haftung zwischen Heizleiterschicht 16 und 14 besteht, sowie Bereiche, an denen eine gute Haftung zwischen Heizleiterschicht 16 und Isolationsschicht 14 besteht.
In Abwandlung von dieser Ausführung sind bei einer in 3 insgesamt mit Ziffer 10a bezeichneten Heizvorrichtung an der Grenzfläche zwischen der Isolationsschicht 14 und der Trägerschicht 12 Hohlräume 20 ausgebildet, während die Heizleiter schicht 16 flächig auf die Isolationsschicht 14 aufgetragen ist.
Gemäß einer weiteren Variante, die in 4 dargestellt ist und insgesamt mit Ziffer 10b bezeichnet ist, sind sowohl zwischen der Heizleiterschicht 16 und der Isolationsschicht 14 als auch zwischen der Trägerschicht 12 und der Isolationsschicht 14 Hohlräume 18 bzw. 20 ausgebildet.
In 5 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Heizleiter 16a schematisch dargestellt.
Hierbei weist der Heizleiter 16a eingelagerte Bereiche 24 auf, die sich in den verbleibenden Bereichen 22 erstrecken.
In den eingelagerten Bereichen 24 ist ein Material aufgenommen, das im Vergleich zu den übrigen Bereichen 22 eine verminderte Haftung zur darunter liegenden Schicht aufweist. Auf diese Weise haftet der Heizleiter 16a in den Bereichen 22 unmittelbar auf der darunter liegenden Schicht, etwa der Isolationsschicht, während in den Bereichen 24 eine verminderte Haftung erzielt wird.
Auch diese Darstellung ist wiederum völlig beispielhafter Natur, wobei insbesondere die Flächenverhältnisse zwischen eingelagerten Bereichen 24 und dem übrigen Bereich 22 stark variieren können. Vorzugsweise handelt es sich jedoch bei den eingelagerten Bereichen 24 um die Bereiche mit verminderter Haftung.
6 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Heizleiters, der insgesamt mit Ziffer 16b bezeichnet ist. Hier bei sind im Unterschied zu den zuvor an Hand von 5 angedeuteten mikroskopischen eingelagerten Bereichen nunmehr makroskopische Trennbereiche 24 zwischen makroskopisch haftenden Bereichen 22 ausgebildet. Dabei können die Trennbereiche 24 bzw. die haftenden Bereiche 22 beispielsweise streifenförmig ausgebildet sein. Wiederum können die Größenverhältnisse zwischen den Trennbereichen 24 und den haftenden Bereichen 22 den jeweiligen Erfordernissen entsprechend angepasst werden.
7 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, die insgesamt mit Ziffer 10c bezeichnet ist. Hierbei ist zunächst wiederum ein Teilbereich einer Trägerschicht 12 oder Trägerplatte mit einer keramischen Isolationsschicht 14 versehen. Auf der Isolationsschicht 14 ist eine Trennschicht 26 in Form eines Streifens aufgetragen. Über dieser Trägerschicht 26 ist nun eine mäanderförmig gewundene Heizleiterschicht 16 beispielsweise wiederum durch thermisches Spritzen aufgetragen. Die Heizleiterschicht 16 weist somit erste Bereiche 22 auf, die unmittelbar auf der darunter liegenden Isolationsschicht 14 haften. In den Bereichen, in denen die Heizleiterschicht 16 die Trägerschicht 26 schneidet, sind zweite Bereiche 24 gebildet, an denen die Heizleiterschicht 16 lediglich über die Trägerschicht 26 oder Zwischenschicht mit der darunter liegenden Isolationsschicht 14 verbunden ist. Da die Trägerschicht 26 eine schlechte Haftung zur Isolationsschicht 14 aufweist, da sie beispielsweise aus Silikonöl oder Trennwachs besteht, kann sich die Heizleiterschicht 16 zwischen den festhaftenden Bereichen 22 in den Bereichen 24 relativ zur darunter liegenden Schicht ausdehnen, so dass ein Spannungsausgleich erfolgen kann.
Nach Auftragung der Heizleiterschicht 16, was etwa durch thermisches Spritzen erfolgen kann, können die verbleibenden Bereiche der Trägerschicht 26 entfernt werden, was mittels eines geeigneten Lösungsmittels oder ggf. mittels eines Ätzmittels erfolgen kann.
In 8 ist eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung insgesamt mit der Ziffer 10d bezeichnet. Wiederum erstreckt sich eine mäanderförmig gewundene Heizleiterschicht 16 auf einer darunter liegenden Isolationsschicht 14.
Hierbei ist an ausgewählten Bereichen 24 vor der Auftragung der Heizleiterschicht 16 jeweils eine Trägerschicht etwa aus PTFE aufgetragen, wozu zweckmäßigerweise ein Maskierungsverfahren genutzt wird. Alternativ kann auch ein Auftrag im Siebdruckverfahren erfolgen. Anschließend wird die Heizleiterschicht 16 aufgetragen, wobei sich wiederum zwischen Bereichen 22 mit guter Haftung zur Isolationsschicht 14 Bereiche 24 mit verminderter Haftung zur Isolationsschicht 14 ergeben.
Verschiedene mögliche Verfahren zur Herstellung von Schichten, die zu benachbarten Schichtbereiche mit verminderter oder fehlender Haftung aufweisen, werden im Folgenden erläutert.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, bei der Herstellung einer Schicht dem betreffenden Ausgangsmaterial Komponenten beizumischen, die sich bei der Schichtapplizierung räumlich neben den Hauptkomponenten der betreffenden Schicht abscheiden. Diese Komponenten weisen keine oder eine verringerte Haftung zu den benachbarten Schichten auf oder erzeugen eine solche Eigenschaft während des Betriebs der Heizvorrichtung.
Geeignete Verfahren zur Applikation derartiger Schichten sind das thermische Spritzen, ein Sol-Gel-Verfahren ein Schlicker-Verfahren und ein Siebdruck-Verfahren.
Bei der Applikation durch thermisches Spritzen werden den Spritzzusatzstoffen durch mechanisches Mischen oder mechanisches Legieren (Hochenergiemahlen) ein oder mehrere Komponenten beigemischt, die Bereiche keiner oder verringerter Haftung. bewirken.
Sofern die Bereiche keiner oder verminderter Haftung zwischen der Trägerschicht und der Isolationsschicht erzeugt werden sollen, so werden dem Werkstoff der Isolationsschicht elektrisch isolierende und/oder niedrigschmelzende Materialien beigemischt, wie etwa Polyester oder andere thermoplastische Kunststoffe, Nitride, z.B. NiBN-Mischungen.
Sofern die Bereiche verminderter oder gar keiner Haftung im Heizleitermaterial eingebaut werden sollen, so werden diesem Komponenten beigemischt, die chemisch oder physikalisch eine geringere Bindung zur darunter liegenden Schicht ausbilden, wie z.B.

– Polyester, z.B. Al/12Si+Polyester
– andere thermoplastische Kunststoffe,
– Graphit wie z.B. Ni20-Graphit,
– Karbide, wie z.B. WCCoCr
– Nitride, wie z.B. NiBN-Mischungen, AlN.

Erfolgt eine Applikation durch ein Sol-Gel-Verfahren, so werden zur Herstellung bzw. Abscheidung der betreffenden Schicht geeignete Sole mit Pigmenten versehen, die nach einem Kalzinie rungsschritt in der abgeschiedenen Schicht Bereiche mit keiner oder einer verminderten Haftung erzeugen.
Als Materialien zur Beimischung geeignet sind die zuvor im Zusammenhang mit dem thermischen Spritzen erläuterten Materialien.
Erfolgt eine Applikation durch ein Schlicker-Verfahren, werden geeignete Schlicker mit Pigmenten versehen, die nach einem Kalzinierungsprozess in der aufgebrachten Schicht Bereiche mit keiner oder einer verminderten Haftung erzeugen.
In entsprechender Weise wird bei Verwendung eines Siebdruck-Verfahrens ein geeignetes Siebdruckmaterial mit dem Zusatz vermischt und im Siebdruck aufgetragen.
Als Materialien sind wiederum die zuvor im Zusammenhang mit dem thermischen Spritzen erläuterten Materialien geeignet.
Grundsätzlich können bei allen vier genannten Verfahren auch solche Materialien beigemischt werden, die sich bei einem Wärmebehandlungsschritt während der Herstellung der Heizvorrichtung oder im späteren Betrieb der Heizvorrichtung zersetzen und so zur Ausbildung von Hohlräumen führen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere an bestimmte Kunststoffe zu denken.
Werden dagegen die Bereiche verminderter Haftung zwischen einer aufgetragenen Schicht und der darunter liegenden Schicht durch Auftragen einer Zwischenschicht oder Trägerschicht erzeugt, so kann dies durch verschiedene Verfahren erfolgen, wie etwa durch Siebdruck, durch thermisches Spritzen, durch Sprühen, durch sonstige Druckverfahren, durch CVD, durch PVD, durch Tauchen, durch Auftragen einer Suspension (Schlicker) usw. Die Trägerschicht wird hierbei strukturiert aufgebracht, so dass die gewünschten Größenverhältnisse der haftenden und nicht haftenden Bereiche eingestellt werden können. Die Strukturierung erfolgt hierbei je nach den gewünschten Ergebnissen durch ein Maskierungsverfahren, durch den Einsatz von strukturierten Sieben und dgl. Beim thermischen Spritzen und beim Sprühen kann. ein loses oder zusammenhängendes Netzwerk statistisch verteilter Partikel als Zwischenschicht aufgebracht werden, oder es können durch entsprechende Maskierung makroskopisch zusammenhängende Bereiche erzeugt werden. Beim Siebdruck und bei sonstigen Druckverfahren sowie bei auf Maskierung beruhenden Verfahren können an die Geometrie der Heizleiterschicht angepasste makroskopische Strukturen der Zwischenschicht aufgebracht werden.
Dabei kann die Zwischenschicht als beständige Schicht, d.h. als Trägerschicht, ausgeführt sein, die im Betrieb der Heizvorrichtung erhalten bleibt. Alternativ kann die Zwischenschicht als unbeständige Schicht ausgebildet sein, die beim Betrieb oder während des Herstellverfahrens (etwa bei Temperung, durch chemische Prozesse, wie Ätzen) nach dem Applizieren der betreffenden Schicht entfernt wird. Auf diese Weise entstehen Hohlräume.
Hierbei kommen als Materialien für eine beständige Zwischenschicht insbesondere Graphit-Mischungen oder BN in Frage.
Als Materialien für eine Zwischenschicht zur Erzeugung von Hohlräumen können beispielsweise thermoplastische Kunststoffe, Graphit oder Silikone (z.B. Silikonöl, Silikonfett) oder wachsartige Substanzen eingesetzt werden.
In 9 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung dargestellt, die insgesamt mit der Ziffer 10e bezeichnet ist. Hierbei sind in die Heizleiterschicht 16 Bereiche mit verminderter oder fehlender Haftung eingebracht, wozu eines der vorgenannten Verfahren verwendet werden kann.
10 verdeutlicht eine weitere Abwandlung einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, die insgesamt mit 10f bezeichnet ist.
Hierbei sind nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren in der Isolationsschicht 14 durch Einlagerung von Partikeln homogen verteilte Bereiche mit verminderter oder fehlender Haftung eingebracht. Gegebenenfalls können zusätzlich auch in der Heizleiterschicht 16 derartige Beimischungen vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass auch makroskopisch strukturierte Schichten einerseits mit mikroskopisch strukturierten Schichten andererseits kombiniert werden können, sofern dies in dem einzelnen Anwendungsfall zweckmäßig ist.

Claims

Heizvorrichtung, insbesondere keramisches Kochfeld, mit einer Trägerschicht (12) und einer Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) zur elektrischen Widerstandsheizung, zwischen denen zumindest eine weitere Schicht angeordnet ist, die als Isolationsschicht (14) ausgebildet ist, wobei zwischen der Trägerschicht (12) und der Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) erste haftende Bereiche (22) und zumindest zweite Bereiche (18, 20, 24) vorgesehen sind, die eine gegenüber der Haftung der ersten Bereiche (22) zur darunter liegenden Schicht (12, 14) verminderte Haftung oder gar keine Haftung zur darunter liegenden Schicht (12, 14) aufweisen.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die ersten (22) und zweiten Bereiche (20, 24) zwischen der Trägerschicht (12) und der Isolationsschicht (14) ausgebildet sind.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ersten (22) und zweiten (18, 24) Bereiche zwischen der Isolationsschicht (14) und der Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) ausgebildet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Bereiche (18, 20, 24) Hohlräume aufweisen.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Bereiche (18, 20, 24) Bereiche mit lokalen Materialvariationen aufweisen.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Bereiche (18, 20, 24) Bereiche mit verminderter Haftung aufweisen, die vorzugsweise eine chemisch oder physikalisch geringere Bindung zur darunter liegenden Schicht (12, 14) als das übrige Material aufweisen.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine Schicht (18, 20, 24) ein Matrixmaterial aufweist, in das Materialien mit verminderter Haftung eingelagert sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die eingelagerten Materialien einen thermoplastischen Kunststoff, ein Graphit, ein Karbid oder ein Nitrid enthalten.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Bereiche (18, 20, 24) in die Isolationsschicht (14) eingelagerte isolierende und/oder niedrig schmelzende Materialien, insbesondere Polyester oder NiBN-Mischungen, aufweisen.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Bereiche (18, 20, 24) in die Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) eingelagerte Materialien aufweisen, die chemisch oder physikalisch eine geringe Bindung zur Isolationsschicht ausbilden, wie etwa thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Al/12Si+Polyester, Nitride, insbesondere NiBN-Mischungen oder AlN, Graphit, insbesondere Ni20-Graphit, Karbide, insbesondere WCCoCr.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Bereiche derart ausgebildet sind, dass sich die Heizleiterschicht (16) in den zweiten Bereichen (18, 20, 24) zwischen benachbarten ersten Bereichen (22) frei ausdehnen kann.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweiten Bereiche (24) Trennschichten (26) mit verminderter Haftung umfassen, die vorzugsweise aus PTFE, Graphit, BN, wachsartige Substanzen oder Verbindungen auf Basis von Silikon, insbesondere Silikonölen oder -Fetten bestehen.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trägerschicht (12) aus Glas oder einer Glaskeramik, insbesondere aus einer LAS-Glaskeramik, besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung, insbesondere eines keramischen Kochfeldes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Trägerschicht (12), – Applizieren einer Isolationsschicht (14) auf die Trägerschicht (12), und – Applizieren einer Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) auf die Isolationsschicht (14), – wobei mindestens einer der applizierten Schichten (14, 16, 16a, 16b) mindestens eine Komponente beigemischt wird, die eine verminderte Haftung zur darunter liegenden Schicht (12, 14) bewirkt.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung, insbesondere eines keramischen Kochfeldes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), insbesondere nach Anspruch 13, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Trägerschicht (12), – Applizieren einer Isolationsschicht (14) auf die Trägerschicht (12), und – Applizieren einer Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) auf die Isolationsschicht (14), – wobei mindestens einer der applizierten Schichten (14, 16, 16a, 16b) mindestens eine Komponente beigemischt wird, die sich im Verlauf der Herstellung oder im Betrieb unter Wärmeeinwirkung zersetzt, um an eine benachbarte Schicht angrenzende Hohlräume (18, 20) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Applikation mindestens einer Schicht (14, 16, 16a, 16b) durch thermisches Spritzen erfolgt, wobei die Beimischung von Komponenten in die Schicht vor dem thermischen Spritzen durch mechanisches Mischen oder mechanisches Legieren, insbesondere Hochenergiemahlen, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die Applikation mindestens einer Schicht (14, 16, 16a, 16b) durch ein Sol-Gel-Verfahren erfolgt, wobei einem Sol ein Pigment als Beimischung zugesetzt wird, das bei einem nachfolgenden Kalzinierungsschritt einen Bereich mit verminderter Haftung oder einen Hohlraum (18, 20) ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die Applikation mindestens einer Schicht (14, 16, 16a, 16b) durch ein Schlicker-Verfahren erfolgt, bei dem einem Schlicker ein Pigment als Beimischung zugesetzt wird, das bei einem nachfolgenden Kalzinierungsschritt einen Bereich mit verminderter Haftung oder einen Hohlraum (18, 20) ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die Applikation mindestens einer Schicht (14, 16, 16a, 16b) durch ein Siebdruck-Verfahren erfolgt, bei dem einem Siebdruckmaterial ein Pigment als Beimischung zugesetzt wird, das bei einem nachfolgenden Kalzinierungsschritt einen Bereich mit verminderter Haftung oder einen Hohlraum (18, 20) ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei dem die beigemischte Komponente einen Kunststoff, insbesondere PTFE, einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Al/12Si+Polyester, ein Nitrid, insbesondere NiBN-Mischungen oder AlN, ein Graphit, insbesondere Ni20-Graphit, oder ein Karbid, insbesondere WCCoCr, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Isolationsschicht (14) thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polyester, oder Nitride beigemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, bei dem der Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere Polyester, Al/Si+Polyester, ein Graphit, insbesondere Ni20-Graphit, ein Karbid, insbesondere WCCoCr oder ein Nitrid, insbesondere eine NiBN-Mischung als Beimischung zugesetzt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung, insbesondere eines keramischen Kochfeldes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), insbesondere nach einem der Ansprüche 13 bis 20, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Trägerschicht (12), – Applizieren einer Isolationsschicht (14) auf die Trägerschicht (12) und – Applizieren einer Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) auf die Isolationsschicht (14), – wobei ausgewählte Bereiche mindestens der Trägerschicht oder der Isolationsschicht mit einer Zwischenschicht (26) abgedeckt werden, die eine geringere Haftung zur darunter liegenden Schicht aufweist als die anschließend darauf applizierte Schicht.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 14 bis 23, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Trägerschicht (12), – Applizieren einer Isolationsschicht (14) auf die Trägerschicht (12), und – Applizieren einer Heizleiterschicht (16, 16a, 16b) auf die Isolationsschicht, – wobei ausgewählte Bereiche mindestens der Trägerschicht (12) oder der Isolationsschicht (14) mit einer Zwischenschicht abgedeckt werden, die im Verlauf der Herstellung oder im Betrieb unter Wärmeeinwirkung einen an eine benachbarte Schicht angrenzenden Hohlraum ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem zur Erzeugung der ausgewählten Bereiche ein Maskierverfahren oder ein Siebdruckverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 23, 24 oder 25, bei dem ein Kunststoff, insbesondere PTFE, Trennwachs oder ein Silikon, wie Silikonöl oder Silikonfett, als Zwischenschicht (26) appliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 23, 24, 25 oder 26, bei dem ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere Polyester, Al/Si+Polyester, ein Graphit, insbesondere Ni20-Graphit, ein Karbid, insbesondere WCCoCr oder ein Nitrid, insbesondere eine NiBN-Mischung als Zwischenschicht appliziert wird.