DE19510989A1 - Bauteilkombination für elektrische Heizplatten, Zündeinrichtungen, Temperatursensoren o. dgl. - Google Patents
Bauteilkombination für elektrische Heizplatten, Zündeinrichtungen, Temperatursensoren o. dgl.Info
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Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Bauteilkombination für elektrische Heizplat
ten, Zündeinrichtungen, Temperatursensoren od. dgl., die übereinander angeordnet ein elek
trisches Widerstandselement, eine elektrisch isolierende Schicht und eine Wärmeträgerplatte
umfaßt.
Im Prinzip ist eine derartige Bauteilkombination in jeder bisher üblichen Heiz- oder Koch
platte realisiert, bei welcher unterhalb einer Wärmeträgerplatte eine Heizspirale vorgesehen
ist, die von der Wärmeträgerplatte durch einen isolierenden Luftspalt getrennt ist. Der Wär
meübergang von der Heizspirale an die Luft sowie von der Luft an die Wärmeträgerplatte ist
verhältnismäßig schlecht, weshalb beträchtliche Wärmeverluste bei diesen Konstruktionen zu
beobachten sind.
Es wurde daher versucht, den Luftspalt durch eine Schicht aus einem festen Isolatormaterial
zu ersetzen.
Die in der Regel als Wärmeträgerplatten verwendeten Metallgußmaterialien können jedoch in
ihren Wärmeausdehnungseigenschaften nur schlecht an feste Isolatormaterialien angepaßt
werden, so daß eine Bauteilkombination mit einer aus Feststoff bestehenden Isolatorschicht
bisher wegen des Auftretens starker Wärmespannungen praktisch unmöglich war.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, diese Art von Konstruktionen in wärmetechnischer
Hinsicht zu verbessern.
Zur Erreichung dieses Ziels wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Wärmeträgerplatte
wenigstens zum Teil, vorzugsweise zur Gänze, aus einem
Metall-Matrix-Compound-(MMC)-Material besteht.
Dieses Material, das in anderem Zusammenhang, u. a. zur Herstellung von Chip-Gehäusen in
der Elektronik, bekannt ist, besteht aus einem mit einem Matrixmetall getränkten oder infil
trierten Verstärkermaterial. Durch die Auswahl jeweils der Verstärkerkomponente und des
Metalls lassen sich die Eigenschaften dieser Verbundmaterialien willkürlich hinsichtlich
mechanischer ebenso wie thermischer Eigenschaften beeinflussen.
Dadurch wird es auch möglich, eine Anpassung der Wärmeausdehnungseigenschaften der
Wärmeträgerplatte an die eines Isolatormaterials zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht daher die elektrisch isolie
rende Schicht bei Bauteilkombinationen der eingangs genannten Art aus einem elektrisch
isolierenden Feststoff und nicht mehr aus Luft, wobei insbesondere das Material der
MMC-Platte und das Material der elektrisch isolierenden Schicht im wesentlichen aneinander ange
paßte Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Durch diese Bauteilkombination wird es möglich, als Widerstandselement eine Dünnschicht
struktur, vorzugsweise auf Silizium-Basis, zu verwenden.
In der Praxis wird auf die Wärmeträgerplatte oder in Vertiefungen derselben ein Isolatorma
terial aufgebracht, dessen Dimensionen im wesentlichen denjenigen des Wider
standselementes entsprechen. Dadurch wird der Aufwand an Isolatormaterial gering gehalten,
was sich in den Kosten der hergestellten Kombinationselemente positiv auswirkt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die isolierende
Schicht als bis auf eine Seite in der Wärmeträgerplatte integrierte Isolatorplatte ausgebildet
ist, auf der das Widerstandselement aufgebracht, z. B. aufgelegt oder aufgelötet ist.
Dadurch können Wärmeträgerplatte und Isolator gemeinsam hergestellt werden. Die Integra
tion der Isolatorplatte erfolgt am besten über eine Metallverbindung, die im Zuge der Infiltra
tion des Verstärkermaterials mit dem Matrixmetall gebildet wird. Die Infiltration wird bevor
zugt in einer Weise vorgenommen, daß eine Umgießung stattfindet, so daß eine Oberflächen
schicht aus dem Matrixmetall entsteht.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß alle Widerstandselemente und die
Leiterbahnen (4) zur elektrischen Versorgung desselben auf einer gemeinsamen Isolator
schicht angeordnet sind.
Dadurch können die Verfahrenskosten gesenkt und Verfahrensschritte eingespart werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Leiterbahnen für das
Widerstandselement aus einer auf der Isolationsschicht aufgegossenen Metallschicht beste
hen.
Andererseits können in der Isolationsschicht aber auch rillenförmige Vertiefungen vorgese
hen werden, die sich während des Infiltrationsvorgangs mit dem Matrixmetall füllen und als
Zu- und Ableitungen verwendbar sind.
Dadurch kann anschließend die Oberfläche des MMC-Körpers abgearbeitet werden, wobei
das in den Rillen verbleibende Metall für die elektrischen Zu- und Ableitungen dient.
Zu- und Ableitungen für das Widerstandselement können in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung durch lokales Entfernen einer oberflächlichen Metallschicht hergestellt werden,
die aus der gleichzeitig mit der Metallinfiltration des MMC-Materials erfolgenden
Umgießung desselben stammt.
In Weiterbildung der Erfindung enthält das MMC-Material als Verstärkung eine Oxid-, Kar
bid- und/oder Nitridkeramik, z. B. Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid. Alumini
umoxid, Bornitrid oder Kohlenstoff und/oder ein Metall, z. B. Molybdän, mit einem höheren
Schmelzpunkt als das Matrixmetall.
Die metallische Komponente des MMC-Materials kann in einer erfindungsgemäßen Ausfüh
rung aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt,
Silizium, Kupfer, Molybdän oder Legierungen derselben bestehen.
Das MMC-Material weist metallgefüllte Kanäle auf, die z. B. einander gegenüberliegende
Plattenseiten miteinander verbinden. Während der Metallinfiltration füllen sich diese Boh
rungen oder Kanäle mit dem Metall und stellen dann wärmeleitende Brücken dar, mit deren
Hilfe eine raschere Ableitung oder Verteilung der Wärme in gewünschter Richtung erfolgt.
Das Material der elektrisch isolierenden Schicht ist gemäß einer anderen Variante der Erfin
dung vorzugsweise eine Oxid-, Karbid- und/oder Nitrid-Keramik, wie z. B. Aluminiumnitrid,
Aluminiumoxid, oder Berylliumoxid, oder ein hitzebeständiger, elektrisch isolierender Kunst
stoff, wie Polybenzimidazol (PBI).
Abgesehen von den Silizium-Dünnschichtstrukturen kann gemäß einer weiteren Variante als
Widerstandselement auch ein Element auf Basis einer PTC- oder NTC-Keramik eingesetzt
werden. Diese Keramikarten stellen Materialien mit temperaturabhängigen Leitfähigkeits
werten dar und können mit Vorteil in diesem Zusammenhang eingesetzt werden.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, daß das Widerstandselement als
Heizelement ausgebildet ist.
Die Herstellung der Leiterstege kann dabei auf bekannte Art und Weise, z. B. durch Photoli
thographie, Ätzung, Bearbeitung mit Laserstrahl od. dgl. erfolgen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Wärmeträgerplatte mit einem Dichtungsring
versehen sein.
Dadurch kann die Wärmeträgerplatte wärmeisoliert eingebaut werden.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteilkombination als Kochplatte weist die
Oberflächenschicht der Wärmeträgerplatte vorteilhafterweise an der von den Heizelementen
abgewandten Seite eine Schicht zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit auf. Es kann auch
eine Schicht zur Verbesserung der Glätte und zur Intensivierung des Kontakts mit dem aufge
setzten zu wärmenden Gegenstand vorgesehen sein.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteilkombination können deren Bestandteile ein
zeln aneinandergefügt werden oder es kann die Kombination aus Wärmeträgerplatte und Iso
lator gemeinsam vorgefertigt und das Widerstandselement anschließend aufgebracht, z. B.
aufgelegt oder aufgelötet werden.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Heiz- bzw. Kochplatte ist in den beiliegen
den Zeichnungen dargestellt, mit deren Hilfe die Erfindung besser veranschaulicht wird.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Bauteilkombination von unten;
Fig. 2 einen Schnitt entlang I-I gemäß Fig. 1.
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauteilkombination von unten
und
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in der Fig. 3.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Bauteilkombination in Form einer scheibenförmigen
Heizplatte 7 in einer Ansicht von unten mit Bezug auf ihre Gebrauchslage. Die Heizplatte 7
besteht aus einer Wärmeträgerplatte 1 und an deren Unterseite sternförmig angeordneten,
rechteckigen Isolatorplatten 2, welche in Vertiefungen der Unterseite der Wärmeträgerplatte
1 bis auf eine Seite integriert eingelassen sind.
Die Wärmeträgerplatte 1 besteht aus einem Metall-Matrix-Compound-Material (MMC), wäh
rend die Isolierschichten aus einem elektrisch isolierenden Feststoff, wie z. B. aus einer Oxid-,
Karbid-, und/oder Nitrid-Keramik wie z. B. Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, oder Berylli
umoxid, oder einem hitzebeständigen, elektrisch isolierenden Kunststoff, wie Polybenzimida
zol (PBI) bestehen, an deren von der Wärmeträgerplatte 1 wegweisenden Oberflächen
flächenförmige Widerstandselemente 3 aufgebracht sind.
Als Verstärkung kann das MMC-Material beispielsweise eine Oxid-, Karbid- und/oder
Nitrid-Keramik, wie z. B. Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Borni
trid, oder Kohlenstoff enthalten und seine metallische Komponente kann beispielsweise aus
einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Silizium,
Kupfer, Molybdän oder Legierungen derselben bestehen. Dabei weisen das Metall-Matrix-Compound
der Wärmeträgerplatte 1 und die Isolatorplatten 2 im wesentlichen aneinander an
gepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so daß Wärmespannungen vermieden werden
können. Als Verstärkung kann auch ein Metall, z. B. Molybdän, Verwendung finden, das
einen höheren Schmelzpunkt als das Matrixmetall besitzt.
Das MMC-Material kann vor der Metallinfiltration mit Bohrungen bzw. Kanälen 9 versehen
sein, wie dies in Fig. 2 und 4 angedeutet ist, die z. B. zwei oder mehrere Seiten miteinander
verbinden. Während der Metallinfiltration füllen sich diese Bohrungen oder Kanäle mit dem
Matrixmetall und stellen dann wärmeleitfähige Brücken dar, mit deren Hilfe eine raschere
Verteilung oder Ableitung der Wärme in durch die Anordnung der Bohrungen bzw. Kanäle
vorgebbaren Richtungen erfolgt.
Die Widerstandselemente 3 sind dabei aus einer Dünnschicht-Struktur auf Siliziumbasis ge
bildet, es können aber auch andere geeignete Dünnschichtmaterialien eingesetzt werden. Wie
aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, sind die Isolatorplatten 2 und die Widerstandselemente 3 in
ihren Dimensionen ungefähr gleich groß, wobei sich die Isolatorplatten 2 in sich radial gegen
die Leiterbahn 4 zu erstreckenden Isolatorbahnen 8 fortsetzen, auf denen mit der ringförmi
gen und der zentralen Leiterbahn 4 verbundene Leiterstege 4′ verlaufen. Die Art des Aufbrin
gens der Widerstandselemente 3 auf die Isolierschichten 2 kann verschieden sein, wie etwa
durch Auflegen oder Auflöten. Auf der Oberfläche dieser Isolatorplatten 2 befinden sich die
Widerstandselemente 3, die als Heizelemente ausgebildet sind. Die Heizelemente 3 werden
über als Zu- und Ableitungen ausgeführte, auf Isolatorbahnen angeordnete Leiterbahnen 4,
die aus dem Metall des MMC-Materials bestehen, mit Strom versorgt, wobei die Heizele
mente 3 parallel geschaltet sind. Die Widerstandselemente können aber auch auf Basis einer
PTC- oder NTC-Keramik gebildet sein, wodurch deren bekannte Eigenschaften zur Tempe
raturstabilisierung genutzt werden können.
Zum besseren Einbau der Heizplatte 7 in eine Traganordnung, wie eine Herdplatte od. dgl.
und zur besseren Wärmeisolierung derselben weist die Wärmeträgerplatte 1 einen
eingesetzten Dichtungsring 5 auf. Dieser kann bei der Herstellung der Platte mitgefertigt oder
nachträglich eingesetzt werden.
Fig. 2 stellt einen Schnitt durch die Platte 7 der Fig. 1 längs der Linie II-II dar. Man erkennt
deutlich, daß die Isolatorplatten 2 in einer Vertiefung der Wärmeträgerplatte 1 angeordnet ist,
wodurch sie bis auf eine Seite in der MMC-Platte integriert ist. Das Heizelement 3 steht mit
den auf den Isolatorbahnen 8 angeordneten elektrischen Zu- und Ableitungen 4 in Verbin
dung.
Fig. 3, und Fig. 4 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei welcher mit Fig. 1 und 2
übereinstimmende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Abweichend von
Fig. 1 und 2 trägt die Wärmeträgerplatte 1 eine durchgehende Isolationsschicht 10, auf wel
cher die Leiterbahnen 4 bzw. Leiterstege 4′ und die Heizelemente 3 angeordnet sind.
Die Leiterbahnen bzw. Leiterstege 4 für die Heizelemente 3 werden durch lokales Entfernen,
wie etwa durch Ätzen od. dgl., einer oberflächlichen Metallschicht hergestellt, die aus der
gleichzeitig mit der Metallinfiltration des MMC-Materials erfolgenden Umgießung desselben
stammt. Alternativ dazu können auch Vertiefungen, wie z. B. Rillen in der Isolatorschicht 10
vorgesehen sein, die sich während des Infiltrationsvorgangs mit dem Matrixmetall füllen und
als Zu- und Ableitungen verwendbar sind, da nach diesem Vorgang die Oberfläche des
MMC-Körpers abgearbeitet werden kann, wobei das in den Rillen verbleibende Metall für die
elektrischen Zu- und Ableitungen dient.
Die Wärmeträgerplatte 2 kann entweder zur Gänze aus dem Metall-Matrix-Compound-Ma
terial bestehen, dies zeigen
Fig. 1 und 2, oder sie kann bloß einen Kern 1′′ aus einem sol
chen Material aufweisen, der in das Matrix-Material eingebettet ist, was Fig. 3 und 4 bei
spielsweise zeigen.
Für die Verwendung im Haushalt weist die Wärmeträgerplatte 1 an der von der Seite mit den
isolierenden Schichten 2 abgewandten Seite eine Oberflächenschicht 6 auf, die zur Erhöhung
der mechanischen Festigkeit, zur Erhöhung der Glätte und Intensivierung des Kontakts, also
zur Erhöhung des Wärmeübergangs zu den aufgesetzten Gegenständen, wie Kochgefäßen und
dergl., dient.
Ebenfalls erkennbar ist der Dichtungsring 5, der zum isolierenden Einbau der Heizplatte vor
gesehen ist.
Die erfindungsgemäße Bauteilkombination ist kompakter als die bisherigen Elemente, da sie
keinen Luftspalt aufweist und mit verhältnismäßig kleinen Heiz- und Isolierelementen ihr
Auslangen findet. Sie zeigt äußerst geringe Wärmeverluste, wodurch ein schnelleres Aufhei
zen und eine benutzerfreundlichere Bedienung gewährleistet werden.
Die erfindungsgemäße Kombination kann mit den gleichen Vorteilen als Zündeinrichtung,
beispielsweise für Airbags od. dergl., sowie als Temperatursensor verwendet werden.
Claims (18)
1. Bauteilkombination für elektrische Heizplatten, Zündeinrichtungen, Temperatursenso
ren od. dgl., umfassend übereinander angeordnet ein elektrisches Widerstandselement,
eine elektrisch isolierende Schicht und eine Wärmeträgerplatte, dadurch gekennzeich
net, daß die Wärmeträgerplatte (1) wenigstens zum Teil, vorzugsweise zur Gänze, aus
einem Metall-Matrix-Compound-(MMC)-Material besteht.
2. Bauteilkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch
isolierende Schicht (2; 10) aus einem elektrisch isolierenden Feststoff besteht.
3. Bauteilkombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der
MMC-Platte (1) und das Material der elektrisch isolierenden Schicht (2; 10) im wesent
lichen aneinander angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
4. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Widerstandselement (3) aus einer Dünnschichtstruktur, vorzugsweise auf
Silizium-Basis, besteht.
5. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die isolierende Schicht (2) in ihren Dimensionen im wesentlichen denjenigen des
Widerstandselementes (3) entspricht.
6. Bauteilkombination nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende
Schicht (2) als bis auf eine Seite in der Wärmeträgerplatte (1) integrierte Isolatorplatte
ausgebildet ist, auf der das Widerstandselement (3) aufgebracht, z. B. aufgelegt oder
aufgelötet ist.
7. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
alle Widerstandselemente (3), und die Leiterbahnen (4) zur elektrischen Versorgung
derselben auf einer gemeinsamen Isolatorschicht (10) angeordnet sind.
8. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Isolatorschicht (2; 10) rillenförmige Vertiefungen vorgesehen sind, welche sich
während des Infiltrationsvorganges mit Metall füllen und als elektrische Zu- und Ab
leitungen verwendbar sind.
9. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leiterbahnen (4) für das Widerstandselement (3) aus einer auf der Isolatorschicht
(2; 10) aufgegossenen Metallschicht bestehen.
10. Bauteilkombination nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen
(4) durch lokales Entfernen einer oberflächlichen Metallschicht hergestellt sind, die aus
der gleichzeitig mit der Metallinfiltration des MMC-Materials erfolgenden Umgießung
desselben stammt.
11. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
das MMC-Material als Verstärkung eine Oxid-, Karbid- und/oder Nitridkeramik, z. B.
Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid. Aluminiumoxid, Bornitrid oder
Kohlenstoff und/oder ein Metall, z. B. Molybdän, mit einem höheren Schmelzpunkt als
das Matrixmetall.
12. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die metallische Komponente des MMC-Materials aus einem oder mehreren Metallen
aus der Gruppe Aluminium, Eisen, Nickel, Cobalt, Silizium, Kupfer, Molybdän oder
Legierungen derselben besteht.
13. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das MMC-Material metallgefüllte Kanäle (9) aufweist, die z. B. einander gegenüberlie
gende Plattenseiten miteinander verbinden.
14. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der elektrisch isolierenden Schicht (2; 10) eine Oxid-, Karbid- und/oder
Nitrid-Keramik, wie z. B. Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid, oder
ein hitzebeständiger, elektrisch isolierender Kunststoff, wie Polybenzimidazol (PBI),
ist.
15. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Widerstandselement (3) ein Element auf Basis einer PTC- oder NTC-Keramik ist.
16. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Widerstandselement (3) als Heizelement ausgebildet ist.
17. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmeträgerplatte (1) mit einem Dichtungsring (5) versehen ist.
18. Bauteilkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmeträgerplatte (1) an der von den Heizelementen abgewandten Seite mit einer
Schicht (6) zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit bzw. zur Erhöhung der Glätte
und Intensivierung des Kontakts mit einem aufzusetzenden Gegenstand versehen ist.
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