DE202014004209U1

DE202014004209U1 - Kaminsichtscheibe mit einer Glas- oder Glaskeramikscheibe mit einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material und Kaminofen mit einer solchen Kaminsichtscheibe

Info

Publication number: DE202014004209U1
Application number: DE202014004209.8U
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-07-21
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: EP3066058A1; JP3195486U; WO2015067477A1; JP3195484U; JP3195485U; DE202014004182U1; JP3195487U; DE202014004210U1; JP2017501106A; DE102013018465A1; DE202014004212U1

Abstract

Kaminsichtscheibe mit einer Glas- oder Glaskeramikscheibe mit wenigstens einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kaminsichtscheibe mit einer Glas- oder Glaskeramikscheibe mit wenigstens einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material. Die Erfindung betrifft auch einen Kaminofen mit einer solchen Kaminsichtscheibe.
Holz- oder Pellet- oder Gaskaminöfen haben als Haupt- oder Zusatzbeheizung eine große Verbreitung. Zur Verringerung der Brandgefahr und zur Sicherstellung einer besseren Verbrennung sind solche Kamine mit einer Tür verschlossen. Ein ganz wesentlicher Faktor für die Beliebtheit solcher Kamine ist aber auch, dass man bei geschlossener Tür das Kaminfeuer beobachten kann. Aus diesem Grund werden bevorzugt transparente und temperaturbeständige Glaskeramikscheiben als Sichtscheiben in dem Kaminofen verwendet. Eine solche Sichtscheibe wird beispielsweise von der Firma Schott unter der Marke ROBAX^® angeboten. Die Türscheiben sind üblicherweise rechteckige, auch quadratische, oder mehreckige flache Scheiben oder aber auch komplexer verformte einseitig oder zweiseitig abgekantete oder ggf. zusätzlich noch rund verformte Scheiben. Teilweise werden Kaminsichtscheiben mit Umrahmungen bedruckt, vergleichbar etwa mit einem Passepartout bei einem Bilderrahmen. Im Allgemeinen werden Kaminsichtscheiben in Kaminöfen für Wohnräume und andere Aufenthaltsräume oder auch für Eingangs- oder Empfangshallen, beispielsweise von Hotels oder zu Repräsentationszwecken verwendeten Gebäuden, eingesetzt.
Glas- oder Glaskeramikscheiben für Kaminsichtscheiben für Kaminöfen besitzen üblicherweise geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere Ausdehnungskoeffizienten α(20°C–300°C) zwischen –0,5 × 10^–6/K und +4,0 × 10^–6/K.
Glas- oder Glaskeramikscheiben für Kaminsichtscheiben für Kaminöfen besitzen üblicherweise eine hohe Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich, wobei unter hoher Transmission eine Lichtdurchlässigkeit von wenigstens 85% verstanden wird.
Für viele Ausgestaltungen einer Kaminsichtscheibe, z. B. Ausstattung der Kaminsichtscheibe mit zusätzlichen Funktionalitäten wie Griffen oder Zierblenden, oder für Befestigungen der Kaminsichtscheibe im Kaminofen sind Verbindungen zwischen dem Glas oder der Glaskeramik und einem Bauteil aus anderem Material, bevorzugt einem metallischen Material, gewünscht. Diese können sich je nach Anwendung oder Funktion auf der Außenseite der Kaminsichtscheibe, also der Seite, die im Kaminbetrieb der Heizquelle abgewandt ist, oder auf der anderen, der Innenseite, oder auch auf den schmalen Randflächen angebracht sein.
Damit die Kaminsichtscheibe im Kaminofen richtig angeordnet und/oder mit anderen Bauteilen verbunden sein kann, sind Befestigungen der Kaminsichtscheibe nötig. Ggf. sind diese Befestigungen reversibel, um ein Abnehmen der Kaminsichtscheibe, beispielsweise zu Reinigungszwecken, und Wiederbefestigen zu ermöglichen. Mögliche Befestigungsmittel sind metallische Halterungen oder metallische Montageelemente. Auch die eine reversible Befestigung ermöglichenden Befestigungselemente sind möglichst an einem der miteinander zu verbindenden Bestandteile fest und dauerhaft verbunden.
Um sprödbrüchige Materialien wie beispielsweise Glas oder Glaskeramik mit metallischen Materialien zu verbinden, sind im Stand der Technik unterschiedliche Möglichkeiten beschrieben.
Eine Möglichkeit besteht darin, die gewünschte Verbindung zwischen einem sprödbrüchigen Material und einem metallischen Material konstruktiv herzustellen, beispielsweise durch eine Klemmung oder Verschraubung. Hier besteht jedoch ein Nachteil darin, dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen in den beteiligten Komponenten, insbesondere auch den Verschraubungskomponenten, nicht so ausreichend kompensiert werden können, dass bruchrelevante Spannungen in dem sprödbrüchigen Material sicher vermieden werden. Ein weiterer Nachteil einer konstruktiven Bindung von sprödbrüchigem Material und metallischem Material sind weitreichende Einschränkungen bezüglich der möglichen geometrischen Ausgestaltung der Verbindung.
Die Anforderungen an Kaminsichtscheiben sind vielfältig.
Besondere Anforderungen ergeben sich aus der Verwendung im Hochtemperaturbereich, in dem die Kaminöfen mit den Kaminsichtscheiben betrieben werden. Je nach verwendetem Heizmaterial treten Betriebstemperaturen bis zu 1200°C auf, die je nach Kaminofenkonstruktion zu Temperaturen bis zu 500°C auf der Innenseite der Kaminsichtscheibe führen.
Eine weitere Herausforderung beim Einsatz von Kaminsichtscheiben in Kaminen besteht darin, dass die Kaminsichtscheibe und damit auch ihre Befestigungselemente Temperaturwechseln mit einer Temperaturdifferenz von mehr als 250 K, ausgesetzt sind. In solchen Fällen besteht die Gefahr, dass die Körper an der Verbindungsstelle brechen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Kaminsichtscheibe mit einer Glas- oder Glaskeramikscheibe mit einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kaminsichtscheibe gemäß dem Schutzanspruch 1 und einen Kaminofen gemäß dem Schutzanspruch 11 gelöst.
Wesentlich ist die stoffschlüssige Verbindung. Sie kann auf verschiedenen Wegen realisiert werden. Die Anwendung Kaminsichtscheibe bedeutet auch für die stoffschlüssige Verbindung gewisse Anforderungen an ihre Temperaturstabilität. Die konkreten Anforderungen hängen aber von der konkreten Position der stoffschlüssigen Verbindung an der Kaminsichtscheibe und ihrem Abstand zur Heizquelle ab. Der Fachmann weiß das geeignete Herstellungsverfahren den Anforderungen entsprechend auszuwählen.
Um das Problem der Temperaturwechselbeständigkeit zu lösen, ist die Verwendung von Bauteilen aus metallischen Materialien, die im gewünschten Anwendungsbereich in ihrem Ausdehnungsverhalten dem Glas oder der Glaskeramik weitgehend angepasst sind, im Stand der Technik beschrieben. Hier ergeben sich jedoch Probleme im Temperaturbereich über 250°C.
Eine andere, im Stand der Technik diskutierte Möglichkeit besteht in der stoffschlüssigen Verbindung mittels einer Verklebung von metallischem Werkstoff und sprödbrüchigem Material, wobei der Klebstoff aufgrund seiner elastischen Eigenschaft die unterschiedlichen Wärmedehnungen der zu verbindenden Materialien ausgleicht. Beispiele für derartige Klebstoffe im Stand der Technik sind beispielsweise Silikonklebstoffe. Ein Nachteil einer derartigen stoffschlüssigen Verbindung ist jedoch, dass die Temperaturbeständigkeit in der Regel auf Temperaturen geringer 250°C begrenzt ist. Es sind auch Klebstoffe bekannt, die mehr als 300°C aushalten können, allerdings nur für begrenzte Zeit. Es sind auch Klebstoffe bekannt, die bei den genannten Temperaturen langzeitstabil sind, die aber für die hier vorliegenden Materialpaarungen nicht geeignet sind.
Eine weitere Möglichkeit einer stoffschlüssigen Verbindung besteht darin, mittels Zwischengläsern oder Glasloten die in der Verbindung entstehenden Spannungen zwischen dem sprödbrüchigen Material und dem metallischen Material abzusenken. Allerdings ist bei einer derartigen Lösung zu berücksichtigen, dass der Unterschied in den Wärmedehnungen des sprödbrüchigen Materials und metallischen Materials bei Temperaturwechseln von über 250 K nicht mehr kompensiert werden können.
Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Glas- oder Glaskeramikscheibe und einem Bauteil aus einem metallischen Material ist das Löten, insbesondere das Ultraschalllöten, wie es beispielsweise in der DE 10 2012 204 235 A1 beschrieben ist.
Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Glas- oder Glaskeramikscheibe und einem Bauteil aus einem metallischen Material ist das Schweißen, insbesondere das Ultraschallschweißen. Das Ultraschallschweißen erfolgt im üblichen Frequenzbereich von 15 bis 50 kHz, bevorzugt bei 20 bis 40 kHz, besonders bevorzugt bei 20 kHz oder bei 40 kHz. Es führt zu hochtemperaturstabilen Verbindungen, die auch im Heißbereich des Kaminofens vorhanden sein können.
Betreffend das Ultraschallschweißverfahren wird auf die DE 199 17 133 A1 verwiesen, in der detailliert die Verschweißung eines Werkstückes aus Glas, Glaskeramik und/oder Keramik, also einem spröden, anorganischen, schlecht wärmeleitenden Material mit geringer Fernordnung und einem Werkstück aus hiervon verschiedenem Material, beispielsweise einem Metall, beschrieben wird. Der Offenbarungsgehalt der DE 199 17 133 A1 wird in vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit eingeschlossen.
Die Verschweißung, insbesondere mit Ultraschallschweißapparaturen, zwischen dem Werkstück aus Glas oder Glaskeramik und dem Bauteil aus metallischem Material erfolgt zwischen einer ersten Verbindungsfläche am Werkstück aus Glas oder Glaskeramik und einer zweiten Verbindungsfläche am Bauteil aus metallischem Material. Zwischen erster und zweiter Verbindungsfläche ist eine Zwischenschicht eingebracht. Das Verschweißen kann flächig oder auch nur teilflächig erfolgen, wobei ein teilflächiges Verschweißen je nach Geometrie eine Punktschweißung, eine Rollnahtschweißung oder Torsionsschweißung sein kann. In dieser Ausführungsform ist also vorgesehen, dass die Verbindung von Glas- oder Glaskeramikscheibe und Bauteil aus metallischem Material eine Zwischenschicht zwischen der Glas- oder Glaskeramikscheibe und dem metallischen Material umfasst, insbesondere eine Zwischenschicht aus einem duktilen Metall. Die Zwischenschicht sorgt dafür, dass die Verbindung zwischen der Glas- oder Glaskeramikscheibe und dem metallischen Material hergestellt wird. Des Weiteren können zwischen der Glas- oder Glaskeramikscheibe und dem metallischen Material entstehende Spannungen durch die Zwischenschicht wenigstens teilweise abgebaut werden. Als duktile Metalle werden in vorliegender Anmeldung solche mit einer Reißdehnung ≥ 1%, bevorzugt ≥ 10%, insbesondere im Bereich 1% bis 20%, bevorzugt 2% bis 15% verstanden.
Besonders bevorzugte Materialien mit einer solchen Reißdehnung sind beispielsweise die Reinaluminiumfolie Al 99,5 – glatt, weich, walzblank – ALUJET der Fa. ALUJET GmbH, Ahornstraße 16, D-82291 Mammendorf, die bei einer Dicke im Bereich 0,05 mm bis 0,30 mm eine Reißdehnung quer ≥ 4% und eine Reißdehnung längs ≥ 4% aufweist, oder eine Aluminiumfolie 7800 der 3M Deutschland GmbH, Carl-Schurz-Str. 1, D-41453 Neuss, die ebenfalls eine Reißdehnung ≥ 4% bei einer Schichtdicke der Folie von 0,05 mm aufweist.
Bei dieser Ausführungsform wird durch die Zwischenschicht ein Teil der Spannungen elastisch abgebaut, oberhalb von 100°C auch durch Fließen, es können aber Restspannungen verbleiben.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass es sich bei der Glaskeramik oder dem Glas um ein Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α(20°C–300°C) ≤ 4·10^–6/K, insbesondere im Bereich –1.0·10^–6/K ≤ α ≤ 4·10^–6/K, insbesondere bevorzugt –0,6·10^–6/K ≤ α ≤ 2·10⁶/K handelt.
Beispielhafte Materialien, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in diesem Bereich aufweisen, sind Li-Al-Si-Glaskeramiken wie beispielsweise die Glaskeramiken ROBAX^®, CERAN^® und NEXTREMA^® der Firma Schott AG, Mainz, die einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 20°C bis 300°C im Bereich von –0,3 bis 1,0·10^–6/K aufweisen.
Als Glasmaterial kann beispielsweise ein Borosilicatglas verwendet werden, z. B. Borofloat 33^®. Das Glasmaterial Borofloat33^® hat einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (20°C–300°C) von 3,3 10^–6/K.
Als Glasmaterial kann beispielsweise das Grünglas, also das nicht keramisierte Material, gemäß den Zusammensetzungen der genannten Glaskeramiken verwendet werden. Es hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 3,8 × 10^–6/K und 4,2 × 10^–6/K.
Glasmaterialien statt Glaskeramiken werden vorzugsweise dann verwendet, wenn die in der konkreten Anwendung auftretenden Temperaturwechselbeanspruchungen einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie er von Nullausdehnungsglaskeramiken bereitgestellt wird, nicht zwingend erfordern.
Als metallisches Material für das Bauteil aus metallischem Material wird bevorzugt ein metallisches Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α im Temperaturbereich 20°C bis 300°C, für den gilt: α ≤ 20·10^–6/K, insbesondere im Bereich 4.0·10^–6/K ≤ α ≤ 6·10^–6/K, eingesetzt. Ein besonders bevorzugtes metallisches Material ist KOVAR. Alternativ sind auch Molybdän, Stahl, Wolfram oder Edelstahl möglich. Bei KOVAR handelt es sich um eine Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das metallische Material abhängig vom Glas- oder Glaskeramikmaterial ausgewählt wird und zwar derart, dass das metallische Material einen thermischen Längenausdehnungskoeffizient α (20°C–300°C) im Bereich α_{(Glas oder Glaskeramik)} – 10·10^–6/K ≤ α ≤ (Glas oder Glaskeramik) + 10·10^–6/K, bevorzugt α_{(Glas oder Glaskeramik)} – 8·10^–6/K ≤ α ≤ α_{(Glas oder Glaskeramik)} + 8·10^–6/K, insbesondere α_{(Glas oder Glaskeramik)} – 5·10^–6/K ≤ α ≤ α_{(Glas oder Glaskeramik)} + 5·10^–6/K aufweist.
Ein Körper bzw. Verbund umfassend das Glas- oder Glaskeramikmaterial und das metallische Material zeigt trotz der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der beiden Fügepartner überraschend eine dauerhaft temperaturbeständige Verbindung oberhalb von 250°C, insbesondere oberhalb von 300°C. Besonders bevorzugt wird die dauerhafte Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen von 400°C, besonders bevorzugt bis zu 500°C, erreicht. Auch Temperaturwechsel von über 250 K hält die so hergestellte Verbindung auf Dauer stand, selbst wenn der spröde Werkstoff eine geringe oder eine Nullausdehnung besitzt.
Erfindungsgemäß wird zwischen dem Glas- oder Glaskeramikmaterial und dem metallischen Material eine Zwischenschicht eingebracht. Die Zwischenschicht besteht bevorzugt aus einem duktilen Metall, bevorzugt aus Aluminium, insbesondere Reinstaluminium oder aber auch Gold oder einer Goldlegierung. Die Dicke einer derartigen Zwischenschicht liegt bevorzugt im Bereich von 50 μm und 200 μm.
Zusätzlich zur Zwischenschicht kann vorgesehen sein, die erste und/oder zweite Verbindungsoberfläche, insbesondere wenn sie mit Hilfe von Ultraschallschweißen als Fügeverfahren verbunden wird, vorzubehandeln. Dies ist insbesondere für das Glas- oder Glaskeramikmaterial von Vorteil. In Frage hierfür kommen beispielsweise thermisches oder chemisches Vorspannen oder eine festigkeitssteigernde Beschichtung. Überraschend hat sich auch gezeigt, dass durch lokales und/oder vollflächiges Ätzen oder Polieren der Verbindungsoberfläche des Glas- oder Glaskeramikmaterials eine Verbesserung der Temperatur- und/oder der Temperaturwechselbeständigkeit erreicht werden kann. Die Verbindung von Glas- oder Glaskeramikmaterial und metallischem Material mittels Ultraschallschweißen kann sehr schnell erfolgen. So kann eine derartige Verbindung durch Punkt- und/oder Torsionsschweißung in kurzen Zeiten erfolgen. Möglich sind Zeiten von weniger als 10 sec., bevorzugt weniger als 5 sec., insbesondere sogar weniger als 1 sec.
Die erfindungsgemäße Kaminsichtscheibe mit einer Glas- oder Glaskeramikscheibe mit wenigstens einer stoffschlüssigen Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material wird vorzugsweise folgendermaßen hergestellt werden:
Zunächst wird ein Glas oder eine Glaskeramik vorzugsweise mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (20°C – 300°C) ≤ 4·10^–6/K, insbesondere α (20°C – 300°C) ≤ 2·10^–6/K, bevorzugt im Bereich – 1·10^–6/K, ≤ α ≤ 4·10^–6/K, insbesondere im Bereich –0,6·10^–6/K ≤ α_spröd ≤ 2·10^–6/K, beispielsweise eine Li-Al-Si-Glaskeramik, mit einer ersten Verbindungsfläche zur Verfügung gestellt.
Demgegenüber wird ein metallisches Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α im Temperaturbereich 20°C bis 300°C, für den gilt α (20°C – 300°C) ≤ 20·10^–6/K, insbesondere im Bereich 4·10^–6/K ≤ α ≤ 6·10^–6/K, beispielsweise KOVAR, mit einer zweiten Verbindungsfläche zur Verfügung gestellt.
Sodann wird das Glas- oder Glaskeramikmaterial mit dem metallischen Material stoffschlüssig im Bereich der ersten und der zweiten Verbindungsfläche über eine Zwischenschicht, die zwischen erste und zweite Verbindungsfläche eingebracht wird, wobei die Zwischenschicht bevorzugt aus einem duktilen Metall, insbesondere Aluminium, bevorzugt Reinstaluminium, einer Aluminiumlegierung, Gold oder einer Goldlegierung besteht, bevorzugt mit einer Dicke zwischen 50 μm und 200 μm, miteinander verbunden. Hierdurch wird eine hochtemperaturfeste Verbindung für Temperaturen von mehr als 250°C, bevorzugt mehr als 300°C und/oder einer Temperaturwechselbeständigkeit von mehr als 250 K, zur Verfügung gestellt.
Das sprödbrüchige Glas- oder Glaskeramikmaterial wird mit dem metallischen Material durch ein Fügeverfahren, insbesondere Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, bevorzugt in Form von Punktschweißen, Rollnahtschweißen oder Torsionsschweißen verbunden.
Besonders hochtemperaturfeste Verbindungen, insbesondere mit Blick auf Temperaturwechselbeständigkeit, werden erreicht, wenn insbesondere die erste Verbindungsoberfläche der Glas- oder Glaskeramikscheibe behandelt wird. Hier ist möglich ein Vorspannen, Glätten, Noppen, Strukturieren, teil- oder vollflächiges Ätzen, Polieren und/oder Ionentauschen.
Die Kaminsichtscheibe mit Glas- oder Glaskeramikscheibe kann eine oder mehrere stoffschlüssige Verbindungen der Scheibe mit einem Bauteil aus einem metallischen Material aufweisen. Bevorzugt sind mehrere Verbindungen.
Die Glas- oder Glaskeramikscheibe kann die eine oder mehreren stoffschlüssigen Verbindungen auf ihrer Außenseite oder auf ihrer Innenseite oder auch auf den schmalen Randflächen, den Seitenflächen der Scheibe, aufweisen. Unter Außenseite der Glaskeramikscheibe wird die Seite der Kaminsichtscheibe verstanden, die im Kaminbetrieb der Heizquelle abgewandt ist, unter Innenseite diejenige, die der Heizquelle zugewandt ist.
Die Scheibe kann plan oder partiell verformt oder in ihrer Dicke, Materialstruktur oder Oberflächenstruktur partiell verändert ausgebildet sein. Die Scheibe kann gebogen sein, insbesondere in Form eines Zylinderoberflächen- oder eines Kugeloberflächensegmentes.
Die stoffschlüssige Verbindung kann flächig oder teilflächig ausgebildet sein, wobei bei einer ultraschallverschweißten Verbindung die teilflächige Verbindung bevorzugt ist. Vorzugsweise ist bei einer teilflächigen Verschweißung das Verhältnis zwischen verschweißter Kontaktfläche (vK) und nicht verschweißter Kontaktfläche (nvK) kleiner als 1. Selbst Relationen von vk/nvK von nur 0,25 bis 0,35 führen zu ausreichend stabilen Verbindungen.
Die stoffschlüssige Verbindung kann auch zwischen Oberflächen, von denen eine oder beide beschichtet sind, gebildet werden. Sind beide Oberflächen beschichtet, können die Beschichtungen dieselbe oder unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.
Bei durch Ultraschallschweißen gebildeten stoffschlüssigen Verbindungen ist vorzugsweise wenigstens die Oberfläche der Glas- oder Glaskeramikplatte nicht oder nur teilweise beschichtet.
Durch die Erfindung können Glas- oder Glaskeramikscheiben, die aus mehreren Segmenten bzw. Modulen bestehen, mittels metallischen Verbindungselementen, die mit den Scheibensegmenten oder -modulen stoffschlüssig verbunden sind, miteinander verbunden werden. Dies ist insbesondere dort von Vorteil, wo der Kontaktbereich erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist und daher keine Silikonkleber verwendet werden können. Durch diesen einfach zu realisierenden segmentiellen Aufbau existieren vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten und Formvariationen der erfindungsgemäßen Kaminsichtscheibe. Beispielsweise können Kaminsichtscheiben, die aus zwei oder mehreren ebenen, winklig zueinander angeordneten Scheiben bestehen, realisiert werden. Sie stellen Alternativen zu gebogenen Kaminsichtscheiben dar. Bevorzugt sind Kaminsichtscheiben, die aus zwei Scheibensegmenten, die über Verbindungsleisten miteinander verbunden sind, bestehen. Vorzugsweise sind die beiden Scheibensegmente im rechten Winkel zueinander angeordnet.
Durch die Erfindung können die verschiedensten Zubehörteile, beispielsweise Antennen, z. B. W-LAN-Antennen, oder Messfühler oder Sensoren an der Kaminsichtscheibe angebracht werden. Je nach konkreter Ausführungsform sind direkte stoffschlüssige Verbindungen zwischen der Scheibe und dem Zubehörteil oder stoffschlüssige Verbindungen zwischen der Scheibe und einer metallischen Halterung, beispielsweise einem Rahmen, des Zubehörteils möglich.
Durch die Erfindung können auch Verbindungen von Rahmen, Rahmensegmenten und Rahmeneinfassungen mit der Kaminsichtscheibe realisiert werden. Vorzugsweise sind die stoffschlüssigen Verbindungen, mit denen diese Verbindungen realisiert werden, nur teilflächig ausgebildet. Auch diese Rahmen und Rahmungen kommen besonders dort zum Zuge, wo der Kontaktbereich erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist und daher keine Silikonkleber verwendet werden können.
Insbesondere wenn der Rahmen oder das Rahmensegment sich über eine Seitenfläche der Platte auf ihre Unter- und Oberseite erstreckt, dient er als Kantenschutz. Durch diese einfach zu realisierenden Rahmengestaltungen existieren vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Kaminsichtscheibe.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Kaminsichtscheibe mit Griff,
2 eine erfindungsgemäße Kaminsichtscheibe mit Scharnieren,
3 eine erfindungsgemäße gewölbte Kaminsichtscheibe mit zwei sog. Pins,
4 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kaminsichtscheibe mit W-LAN-Antenne,
5a und 5b im Querschnitt Ausführungen, bei denen Glas- oder Glaskeramikscheiben mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements in einer Ebene miteinander verbunden sind,
6a bis 6d im Querschnitt Ausführungen, bei denen Glas- oder Glaskeramikscheiben mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements winklig miteinander verbunden sind,
7a bis 7e im Querschnitt Ausführungen, bei denen eine Glas- oder Glaskeramikscheibe mit einem metallischen Rahmenelement stoffschlüssig verbunden ist.
In 1 ist in schräger Aufsicht eine Kaminsichtscheibe aus einer Glaskeramikscheibe 1.1 mit einem stoffschlüssig verbundenen metallischen Griff 1.2 in Knebelform dargestellt. Die stoffschlüssige Verbindung ist vorzugsweise durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, hergestellt. Der Griff erleichtert ein Greifen und Bewegen der Kaminsichtscheibe, beispielsweise zum Öffnen des Kaminofenraums. Die Glaskeramikscheibe 1.1 kann beispielsweise ohne Beschränkung hierauf aus einer Li-Al-Si-Glaskeramik, insbesondere ROBAX^® der Firma Schott AG, Mainz bestehen. Ein derartiges, im Wesentlichen nullausdehnendes Material weist einen mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α_spröd (20°C – 300°C) < 0,15·10^–6/K auf. Bei dem metallischen Material des Griffes handelt es sich im Wesentlichen um ein metallisches Material mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α(20°C – 300°C) ≤ 6·10^–6/K im Temperaturbereich von 20°C bis 300°C. Vorzugsweise besteht der Griff 1.2 oder zumindest der Teil des Griffes, der in stoffschlüssiger Verbindung mit der Glaskeramikscheibe ist, aus Kovar oder Edelstahl.
Auch Griffe aus anderen metallischen Materialien und/oder in anderen Ausführungsformen, beispielsweise in Henkelform, sind über die stoffschlüssige Verbindung an der Glas- oder Glaskeramikscheibe befestigbar. Auch Zierleisten oder -blenden sind über die stoffschlüssige Verbindung an der Glas- oder Glaskeramikscheibe befestigbar.
Auch in 2 ist in schräger Aufsicht eine Kaminsichtscheibe aus einer Glaskeramikscheibe 2.1 dargestellt. Die Scheibe weist zwei Scharnierelemente 2.2.1 und 2.2.2 auf. Die Scharnierelemente sind über stoffschlüssige Verbindungen mit der Glaskeramikscheibe verbunden. So ist eine Anbindung an einen zusätzlichen Metallrahmen nicht mehr nötig, und es können rahmenlose Kaminsichtscheiben realisiert werden. Die Scharnierelemente bestehen vorzugsweise aus Aluminium, Edelstahl oder KOVAR. Es ist auch möglich, Scharnierelemente auf fest mit der Scheibe verbundenen Adapterelementen aus Aluminium, Edelstahl oder KOVAR aufzustecken oder zu verschrauben. Die stoffschlüssigen Verbindungen können wie die aus 1 durch Schweißen, vorzugsweise Ultraschallschweißen, erzeugt worden sein.
Andere mögliche Montageelemente sind Bolzen, Klemmen, Schrauben, Muttern, Ösen oder Haken.
3 zeigt eine gewölbte Kaminsichtscheibe aus einer Glaskeramikscheibe 3.1, die mit einem Rotationsschutz versehen ist. Auf der oberen und der unteren Seitenfläche ist jeweils ein sog. Pin 3.2.1 und 3.2.2 angebracht. Die Begriffe oben, unten und auf bzw. an der Seite beziehen sich auf die Anordnung der Scheibe im Kaminofen. Wenn die Scheibe im Kaminofen nur oben und unten gehalten wird und an den Seiten unbefestigt ist, verhindern die Pins ein Verrutschen der Scheibe im Rahmen des Ofens. Der Pin, der beispielsweise aus Edelstahl besteht und der mittels einer stoffschlüssigen, vorzugsweise durch Ultraschallschweißen erzeugten, Verbindung auf der schmalen Randfläche der Scheibe aufgebracht ist, greift im eingebauten Zustand der Scheibe in ein gegenüberliegendes Loch im Rahmen.
4 zeigt einen Ausschnitt einer Kaminsichtscheibe aus einer Glaskeramikscheibe 4.1. Auf einer ihrer Seitenfläche, vorzugsweise auf ihrer oberen Seitenfläche, betrachtet im in den Kamin eingebauten Zustand, befindet sich eine W-LAN-Antenne 4.2 aus Metall. Sie ist mittels einer oder mehreren stoffschlüssigen Verbindungen an der Scheibe fixiert. Die stoffschlüssige Verbindung ist vorzugsweise mittels Ultraschallschweißen erzeugt. Die stoffschlüssige Verbindung kann direkt zwischen Scheibe und Antenne bestehen, sie kann aber auch zwischen Scheibe und einer Halterung aus Metall, an der die Antenne mittels einer entsprechenden Vorrichtung befestigt ist, bestehen. Eine an der Scheibe angebrachte W-LAN-Antenne ist besonders bei Kaminsichtscheiben für Pellet-Öfen bevorzugt, um diese vom Computer oder Smartphone aus über W-LAN anzusteuern.
In 5a und 5b sind schematisch Ausführungen dargestellt, bei denen Glas- oder Glaskeramikscheiben 5.1 mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements 5.2 in einer Ebene miteinander verbunden sind. Das metallische Verbindungselement besteht vorzugsweise aus Kovar oder Edelstahl. Es ist über wenigstens je eine stoffschlüssige, vorzugsweise geschweißte, vorzugsweise ultraschallgeschweißte, Verbindung mit beiden Scheiben verbunden. Die Scheiben können aus ein und demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. In 5a ist das metallische Verbindungselement auf der einen Seite der Platten angebracht, in 5b auf der anderen.
Es ist auch möglich, das metallische Verbindungselement in Form eines beweglichen Gelenkes auszuführen.
In den 6a bis 6d sind schematisch Ausführungen dargestellt, bei denen zwei plane Glas- oder Glaskeramikscheiben 6.1 mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements 6.2 winklig miteinander verbunden sind. Das metallische Verbindungselement besteht vorzugsweise aus Kovar oder Edelstahl. Es ist über wenigstens je eine stoffschlüssige, vorzugsweise geschweißte, vorzugsweise ultraschallgeschweißte, Verbindung mit beiden Scheiben verbunden Die Platten können aus ein und demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. In 6a und 6b sind die Platten im rechten Winkel zueinander angeordnet. In 6c und 6d sind die Platten in einem Winkel ungleich 90°, hier von mehr als 90° zueinander angeordnet. Kaminsichtscheiben, die aus zwei Ebenen, winklig zueinander, vorzugsweise im rechten Winkel, angeordneten, Scheiben bestehen, sind beliebte Alternativen zu gebogenen Kaminsichtscheiben.
Es ist auch möglich, das metallische Verbindungselement in Form eines beweglichen Gelenkes auszuführen, um beispielsweise das Öffnen einer Kaminsichtscheibe oder Fensterbereichen einer solchen aus Glas oder Glaskeramik am Kaminofen zu ermöglichen. In 6a und 6c ist das metallische Verbindungselement auf der Innenseite der Platten angebracht, in 6b und 6d auf ihrer Außenseite. Die Begriffe Außen- und Innenseite sind bei Betrachtung des aus den beiden winklig angeordneten Platten gebildeten Gesamtkörpers in Bezug auf den von ihm aufgespannten Raum gewählt.
Auf diesem Wege können aus Segmenten die verschiedensten Formen realisiert werden. Beispielsweise können zwei oder mehrere nicht plane, sondern gebogene Platten zu einer den Kaminofenraum aufspannenden, also aus Ofeninnenraumrichtung gesehen konkaven, Kaminsichtscheibe verbunden werden. Sie kann insbesondere die Form eines Zylinderflächensegmentes aufweisen. Es können auch plane und gebogene Platten kombiniert werden, beispielsweise um Wannenformen zu realisieren.
In 7a bis 7e sind schematisch verschiedene Ausführungen dargestellt, bei denen eine Glas- oder Glaskeramikscheibe 7.1 mit einem metallischen Rahmenelement 7.2 stoffschlüssig verbunden ist. Das metallische Rahmenelement besteht beispielsweise aus Kovar oder Edelstahl, vorzugsweise aus Edelstahl. Es kann als umlaufender Rahmen ausgebildet sein, aber auch einzelne Rahmensegmente sind denkbar. Das Rahmenelement kann über eine Fläche der Platte mit der Platte verbunden sein, z. B. gemäß 7c und 7d auf ihrer Unterseite, oder auch über eine erste Fläche auf der Ober- oder Unterseite und eine zweite Fläche, nämlich die Seitenfläche der Platte, wie in 7a und 7b gezeigt. 7e zeigt eine weitere bevorzugte Ausführung, bei der die Platte von der Rahmeneinfassung, die sich über die Seitenfläche der Platte auf ihre Unter- und Oberseite erstreckt, eingefasst wird. Die Rahmeneinfassung dient als Kantenschutz.
Solche stoffschlüssig verbundenen Rahmeneinfassungen sind für den Einsatz in Kaminöfen sinnvoll, da dort die Scheiben Temperaturen oberhalb der Einsatztemperatur üblicher Silikonkleber ausgesetzt sind.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele weiter erläutert werden.
1. Ausführungsbeispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäßen stoffschlüssigen Verbindung mittels Ultraschallschweißen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht das sprödbrüchige Material aus der Glaskeramik Ceran^® mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20-300 von –0,2·10^-6/K. Die für die Verbindung mit einem metallischen Formkörper vorgesehene Oberfläche ist eine in einem Walzprozess geformte Oberfläche mit der aus der Anwendung als Kochfläche bekannten Noppenstruktur. Als Zwischenschicht aus duktilem Material kommt eine Folie aus Aluminium EN-AW-1050A mit einer Dicke von 0,1 mm zur Anwendung. Der metallische Formkörper besteht aus einer 0,5 mm dicken und im Durchmesser 22 mm messenden ebenen Grundplatte aus dem Material Kovar mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α_20-300 von 5,5·10^–6/K. Auf der Grundplatte zentrisch und senkrecht zu ihr aufgesetzt befindet sich ein mit der Grundplatte fest verbundener Gewindebolzen mit einer Höhe von 12 mm und einem Durchmesser von 8 mm für weiterführende Montageoptionen gemäß dem weiteren Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Bauteils.
In einem Torsions-Ultraschall-Schweißverfahren werden mit Hilfe einer Sonotrode in Form eines Hohlzylinders mit stirnseitiger Rautierung die Glaskeramik Ceran, die Zwischenschicht aus Aluminium und die Kovar-Grundplatte miteinander verschweißt, wobei die Stirnseite der Sonotrode auf die Kovar-Grundplatte aufsetzt und eine torsionale Schwingung vollführt. Die Sonotrodenamplitude beträgt 25 μm, die Sonotrodenfrequenz 20 kHz, der Schweißdruck 1,5 bar und die Schweißenergie 500 Ws.
Der so hergestellte Verbundkörper weist eine Verbindung zwischen den im Kontaktbereich gelegenen Noppenkuppen der Ceran-Glaskeramik und der Zwischenschicht aus Aluminium auf, andererseits und zugleich eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht aus Aluminium und der Kovar-Grundplatte. Eine nachfolgende thermische Beanspruchung durch 100 Temperaturwechsel zwischen Raumtemperatur 25°C und Maximaltemperatur 350°C übersteht der Verbundkörper ohne erkennbaren Schaden. Eine Überprüfung der Beständigkeit der Verbindung durch einen mechanischen Belastungstest ergab eine Scherfestigkeit von mindestens 700 N.
2. Ausführungsbeispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäßen stoffschlüssigen Verbindung mittels Ultraschallschweißen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht das sprödbrüchige Material aus dem Glas Borofloat 33^® mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20-300 von 3,3·10^–6/K. Die für die Verbindung mit einem metallischen Formköper vorgesehene Oberfläche ist eine in einem Floatprozess geformte feuerpolierte Oberfläche. Als Zwischenschicht aus duktilem Material kommt eine Folie aus Aluminium EN-AW-1050A mit einer Dicke von 0,1 mm zur Anwendung. Der metallische Formkörper besteht aus einer 0,5 mm dicken und im Durchmesser 22 mm messenden ebenen Grundplatte aus dem Material Kovar mit einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizient α_20-300 von 5,5·10^–6/K. Auf der Grundplatte zentrisch und senkrecht zu ihr aufgesetzt befindet sich ein mit der Grundplatte fest verbundener Gewindebolzen mit einer Höhe von 12 mm und einem Durchmesser von 8 mm für weiterführende Montageoptionen gemäß dem weiteren Anwendungszweck des erfindungsgemäßen Bauteils.
In einem Torsions-Ultraschall-Schweißverfahren werden mit Hilfe einer Sonotrode in Form eines Hohlzylinders mit stirnseitiger Rautierung das Glas Borofloat 33, die Zwischenschicht aus Aluminium und die Kovar-Grundplatte miteinander verschweißt, wobei die Stirnseite der Sonotrode auf die Kovar-Grundplatte aufsetzt und eine torsionale Schwingung vollführt. Die Sonotrodenamplitude beträgt 25 μm, die Sonotrodenfrequenz 20 kHz, der Schweißdruck 2,0 bar und die Schweißenergie 700 Ws.
Der so hergestellte Verbundkörper weist eine flächige Verbindung zwischen dem Borofloat 33-Glas und der Zwischenschicht aus Aluminium auf, andererseits und zugleich eine Verbindung zwischen der Zwischenschicht aus Aluminium und der Kovar-Grundplatte. Die im Schweißprozess hergestellte Kontaktfläche beträgt ca. 1,5 cm². Eine nachfolgende thermische Beanspruchung durch 100 Temperaturwechsel zwischen Raumtemperatur 25°C und Maximaltemperatur 300°C übersteht der Verbundkörper ohne erkennbaren Schaden. Eine Überprüfung der Beständigkeit der Verbindung durch einen mechanischen Belastungstest ergab eine Scherfestigkeit von mindestens 500 N.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012204235 A1 [0018]
DE 19917133 A1 [0020, 0020]

Claims

Kaminsichtscheibe mit einer Glas- oder Glaskeramikscheibe mit wenigstens einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung ist.
Kaminsichtscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung gelötet oder geschweißt, insbesondere ultraschallgeschweißt ist
Kaminsichtscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Glas- oder Glaskeramikscheibe und Bauteil aus metallischem Material eine Zwischenschicht zwischen der Glas- oder Glaskeramikscheibe und dem metallischen Material umfasst, insbesondere eine Zwischenschicht aus einem duktilen Metall.
Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Glas- oder Glaskeramikscheibe ein niedrigdehnendes Material im Temperaturbereich 20°C bis 300°C, bevorzugt mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α(20°C – 300°C) ≤ 4·10^–6/K, insbesondere ≤ 2·10^–6/K, bevorzugt im Bereich –1,0·10^–6/K ≤ α ≤ 4·10^–6/K, insbesondere bevorzugt –0,6·10^–6/K ≤ α ≤ 2·10^–6/K ist.
Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material des Bauteils einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α(20°C – 300°C) ≤ 20·10^–6/K, insbesondere im Bereich 4·10^–6/K ≤ α (20°C – 300°C) ≤ 6·10^–6/K aufweist.
Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material des Bauteils Wolfram oder Molybdän oder KOVAR oder Stahl oder Edelstahl ist.
Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehr als eine stoffschlüssige, insbesondere geschweißte, insbesondere ultraschallgeschweißte Verbindung von Glas- oder Glaskeramikscheibe und Bauteilen aus metallischem Material aufweist.
Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Bauteile Rahmen oder Rahmenelemente darstellen.
Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Bauteile Griffe an der Glas- oder Glaskeramikscheibe sind.
Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Bauteile Montageelemente an der Glas- oder Glaskeramikscheibe sind.
Kaminofen mit einer Kaminsichtscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10.