DE202014004212U1

DE202014004212U1 - Wärmequellen-Schutzschild mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte mit einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material und Grill- oder Gargerät mit einem solchen Wärmequellen-Schutzschild

Info

Publication number: DE202014004212U1
Application number: DE202014004212.8U
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP3195485U; JP3195484U; DE202014004182U1; DE202014004209U1; DE202014004210U1; JP2017501106A; DE102013018465A1; JP3195487U; WO2015067477A1; JP3195486U; EP3066058A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmequellen-Schutzschild mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte mit wenigstens einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material. Die Erfindung betrifft auch ein Grill- oder Gargerät mit einem solchen Wärmequellen-Schutzschild.
Aus dem Stand der Technik sind Glas- und Glaskeramikplatten bekannt, die zur Abdeckung von Wärmequellen, beispielsweise Strahl- oder Keramikheizer, beim Grillen, Braten oder Garen im allgemeinen verwendet werden. Die Nahrungsmittel werden dabei häufig auf einem oberhalb einer Abdeckplatte angeordneten Rost gegart. Die Abdeckung dient dabei zum einen dem Schutz der Wärmequelle vor Verunreinigungen, die auch beim bestimmungsgemäßen Gebrauch auftreten und die Wärmequelle beschädigen können. Durch das Verbrennen von Nahrungsmittelbestandteilen fallen diese durch einen Rost auf die Wärmequelle. Zum anderen werden auch die zu garenden Lebensmittel vor Verbrennungsrückständen geschützt, die durch die Verwendung fossiler Brennstoffe entstehen.
Darüber hinaus sind Bratplatten aus glas- oder glaskeramischem Material bekannt, die zum Garen von Nahrungsmitteln direkt auf den Bratplatten verwendet werden. Im Folgenden werden die beschriebenen Abdeckplatten der Einfachheit halber und unabhängig von ihrer primären Funktion als Wärmequellen-Schutzschilde bezeichnet. Andere Anwendungen, beispielsweise als Bratplatte, sind ausdrücklich auch als unter diesen Begriff fallend zu verstehen.
Den vorgenannten Beispielen ist gemeinsam, dass das Garen mit Hilfe dieser Grillvorrichtungen vorwiegend indirekt erfolgt. Die von der Wärmequelle erzeugte Energie wird zum Teil von der Brat- oder Abdeckplatte absorbiert und als Infrarotenergie oder Kontaktwärme wieder abgegeben. Insbesondere glaskeramische Materialien haben sich für diese Anwendungen als geeignet erwiesen, da sie hinreichend temperaturunterschiedsfest sind, eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und sich darüber hinaus gut reinigen lassen.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können die geschilderten Wärmeschilde in Gar- und Grillgeräten jeglicher Art und Beheizung eingesetzt werden, beispielsweise in Gasgrills, Elektrogrills oder Dönergrillgeräten oder in den beispielsweise in den USA üblichen Barbecue-Grillgeräten mit geschlossenem Garraum. Die Gar- und Grillgeräte können industriell, gewerblich oder im Privatbereich betriebene Geräte sein. Sie können im Freien oder in geschlossenen Räumen betrieben werden, beispielsweise als Küchengrill oder als Gartengrill.
Die Wärmequellen-Schutzschilde können je nach Typ des Gar- oder Grillgerätes horizontal, z. B. beim Küchengrill, bei dem das Gargut von unten beheizt wird, aber auch überkopf, z. B. beim Salamander-Grill, bei dem das Gargut von oben beheizt wird, oder vertikal, z. B. beim Dönergrill, angeordnet sein.
Damit der Wärmequellen-Schutzschild im Gar- oder Grillgerät richtig angeordnet und/oder mit anderen Bauteilen verbunden sein kann, sind Befestigungen des Wärmequellen-Schutzschildes nötig. Ggf. sind diese Befestigungen reversibel, um ein Abnehmen des Wärmequellen-Schutzschildes, 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.
Glas- oder Glaskeramikplatten für Wärmequellen-Schutzschilde besitzen üblicherweise geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere Ausdehnungskoeffizienten α(20°C–300°C) zwischen –0,5 × 10^–6/K und +4,0 × 10^–6/K.
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.
Besondere Anforderungen ergeben sich aus der Verwendung im Hochtemperaturbereich, in dem die Gar- und Grillgeräte mit den Wärmequellen-Schutzschilde betrieben werden. Je nach verwendetem System der Gar- oder Grillgeräte treten Betriebstemperaturen von 600°C bis 700°C auf.
Eine weitere Herausforderung beim Einsatz von Wärmequellen-Schutzschilden in Gar- und Grillgeräten besteht darin, dass der Wärmequellen-Schutzschild und damit auch seine 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, einen Wärmequellen-Schutzschild mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte mit einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmequellen-Schutzschild gemäß dem Schutzanspruch 1 und ein Grill- oder Gargerät gemäß dem Schutzanspruch 11 gelöst.
Wesentlich ist die stoffschlüssige Verbindung.
Sie kann auf verschiedenen Wegen realisiert werden. Die Anwendung Wärmequellen-Schutzschild bedeutet auch für die stoffschlüssige Verbindung gewisse Anforderungen an ihre Temperaturstabilität. Die konkreten Anforderungen hängen aber von der konkreten Position der stoffschlüssigen Verbindung am Wärmequellen-Schutzschild und ihrem Abstand zum Heizmittel 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 Glaskeramikplatte 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 Glaskeramikplatte 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 Wärmequellen-Schutzschildes 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 Glaskeramikplatte und Bauteil aus metallischem Material eine Zwischenschicht zwischen der Glas- oder Glaskeramikplatte und dem metallischen Material umfasst, insbesondere eine Zwischenschicht aus einem duktilen Metall. Die Zwischenschicht sorgt dafür, dass die Verbindung zwischen der Glas- oder Glaskeramikplatte und dem metallischen Material hergestellt wird. Des Weiteren können zwischen der Glas- oder Glaskeramikplatte 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 ≤ 2·10^–6/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 a 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 ≤ 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.
Der erfindungsgemäße Wärmequellen-Schutzschild mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte 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 Glaskeramikplatte behandelt wird. Hier ist möglich ein Vorspannen, Glätten, Noppen, Strukturieren, teil- oder vollflächiges Ätzen, Polieren und/oder Ionentauschen.
Der Wärmequellen-Schutzschild mit Glas- oder Glaskeramikplatte kann eine oder mehrere stoffschlüssige Verbindungen der Platte mit einem Bauteil aus einem metallischen Material aufweisen. Bevorzugt sind mehrere Verbindungen.
Die Glas- oder Glaskeramikplatte kann die eine oder mehreren stoffschlüssigen Verbindungen auf der Oberseite oder auf der Unterseite oder auch auf den schmalen Randflächen, den Seitenflächen der Platte aufweisen.
Die Platte kann plan oder partiell verformt oder in ihrer Dicke, Materialstruktur oder Oberflächenstruktur partiell verändert ausgebildet sein. Die Platte 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.
Die Langzeitbeständigkeit des Wärmequellen-Schutzschildes kann verbessert werden durch eine gar- oder grillgutseitige Beschichtung, wie sie in DE 10 2009 056 757 A1 beschrieben ist. Die Beschichtung vermindert oder verhindert sogar die Diffusion von Stoffen aus Belägen, die durch die Verbrennung von Nahrungsmittelrückständen auf dem Wärmequellen-Schutzschild entstehen, in das Glas- oder Glaskeramiksubstrat hinein. Unter dem Begriff Nahrungsmittelrückstand ist insbesondere alles zu verstehen, was beim Grillen auf die Heizelemente fallen, tropfen oder spritzen könnte und mit den zu garenden Lebensmitteln oder mit der Zubereitung der Lebensmittel in Zusammenhang steht, also zum Beispiel insbesondere heißes Bratfett, Öle, Gewürze, Salz, auch Pökelsalz, Zucker, Stärke, Grillgutrückstände.
Bei durch Ultraschallschweißen gebildeten stoffschlüssigen Verbindungen ist vorzugsweise wenigstens die Oberfläche der Glas- oder Glaskeramikplatte nicht oder nur teilweise beschichtet.
Auch in anderen Ausführungsformen können durch die Erfindung Glas- oder Glaskeramikplatten, die aus mehreren Segmenten bzw. Modulen bestehen, mittels metallischen Verbindungselementen, die mit den Plattensegmenten 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, z. B. bei Gaskochflächen.
Durch die Erfindung können auch Verbindungen von Rahmen, Rahmensegmenten und Rahmeneinfassungen mit der Glas- oder Glaskeramikplatte 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.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beschrieben werden.
Es zeigen
1 in Schnittdarstellung einen erfindungsgemäßen Wärmequellen-Schutzschild an einem Grillgerät in horizontaler Anordnung,
2 in Schnittdarstellung einen erfindungsgemäßen Wärmequellen-Schutzschild an einem Grillgerät in vertikaler Anordnung,
3a und 3b im Querschnitt Ausführungen, bei denen Glas- oder Glaskeramikplatten mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements in einer Ebene miteinander verbunden sind,
4a bis 4d im Querschnitt Ausführungen, bei denen Glas- oder Glaskeramikplatten mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements winklig miteinander verbunden sind,
5a bis 5e im Querschnitt Ausführungen, bei denen eine Glas- oder Glaskeramikplatte mit einem metallischen Rahmenelement stoffschlüssig verbunden ist
6a bis 6e im Querschnitt Ausführungen, bei denen eine Grillplatte aus Glas oder Glaskeramik mit einer metallischen Ablaufrinne stoffschlüssig verbunden ist
In 1 ist eine Schnitt-Teilansicht eines Wärmequellen-Schutzschildes aus einer Glaskeramikplatte 1.1 mit stoffschlüssig verbundenen metallischen Montageelementen 1.2, hier ausgebildet als Klipse, sowie eines Heizmoduls, eines Grillheizelements, 1.3 mit zu den Klipsen passenden Klipsaufnahmen 1.4 dargestellt. Die stoffschlüssige Verbindung ist vorzugsweise durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, hergestellt. Die Verklipsung erlaubt ein Abnehmen des Wärmequellen-Schutzschildes beispielsweise zu seiner Reinigung.
Die Glaskeramikplatte 1.1 kann beispielsweise ohne Beschränkung hierauf aus einer Li-Al-Si-Glaskeramik, insbesondere CERAN^® oder 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 der Klipse 1.2 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 bestehen die Klipse 1.2 oder zumindest die Teile der Klipse, die in stoffschlüssiger Verbindung mit der Glaskeramikplatte sind, aus Kovar oder Edelstahl.
Vorzugsweise besteht die Klipsaufnahme 1.4 aus Edelstahl. Die Klipsaufnahmen sind mit dem Heizelement über dem Fachmann bekannte konventionelle Verbindungstechniken verbunden.
Heizmodul und Wärmequellen-Schutzschild sind horizontal angeordnet, wie es beispielsweise bei Garten- oder Küchengrillgeräten der Fall ist. Auf der dem Heizelement abgewandten Fläche des Schutzschildes kann sich das Gar- oder Grillgut befinden. In dieser Anordnung wird das Gar- oder Grillgut von unten beheizt. Die Anordnung kann jedoch auch um 180° gedreht überkopf in einem Gargerät eingebaut sein. In einem solchen Fall wird das Gar- oder Grillgut von oben beheizt.
Auch in 2 ist eine Schnitt-Teilansicht eines Wärmequellen-Schutzschildes aus einer Glaskeramikplatte 1.1 mit stoffschlüssig verbundenen metallischen Montageelementen 1.2, hier ausgebildet als Klipse, sowie eines Heizmoduls, eines Grillheizelements, 1.3 mit zu den Klipsen passenden Klipsaufnahmen 1.4 dargestellt. Die Einzelkomponenten können aus denselben Materialien wie für 1 beschrieben ausgebildet sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann wie die aus 1 durch Schweißen, vorzugsweise Ultraschallschweißen, erzeugt worden sein. Anders als in 1 sind in 2 Heizmodul und Wärmequellen-Schutzschild vertikal angeordnet, wie es beispielsweise bei Dönergrillgeräten der Fall ist.
Andere mögliche Montageelemente sind Scharniere, Bolzen, Klemmen, Schrauben, Muttern, Ösen oder Haken. Aber auch Griffe in den verschiedensten Ausführungsformen, beispielsweise in Knebel- oder Henkelform sind über die stoffschlüssige Verbindung an der Glas- oder Glaskeramikplatte befestigbar.
In 3a und 3b sind schematisch Ausführungen dargestellt, bei denen Glas- oder Glaskeramikplatten 3.1 mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements 3.2 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 Platten verbunden. Die Platten können aus ein und demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. In 3a ist das metallische Verbindungselement auf der Unterseite der Platten angebracht, in 3b auf ihrer Oberseite. Es ist auch möglich, das metallische Verbindungselement in Form eines beweglichen Gelenkes auszuführen.
In den 4a bis 4d sind schematisch Ausführungen dargestellt, bei denen zwei plane Glas- oder Glaskeramikplatten 4.1 mit Hilfe eines metallischen Verbindungselements 4.2 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 Platten verbunden Die Platten können aus ein und demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. In 4a und 4b sind die Platten im rechten Winkel zueinander angeordnet.
In 4c und 4d sind die Platten in einem Winkel ungleich 90°, hier von mehr als 90° zueinander angeordnet. Es ist auch möglich, das metallische Verbindungselement in Form eines beweglichen Gelenkes auszuführen, um beispielsweise das Öffnen einer Barbecue-Abdeckhaube oder Fensterbereichen einer solchen aus Glas oder Glaskeramik zu ermöglichen.
In 4a und 4c ist das metallische Verbindungselement auf der Oberseite der Platten angebracht, in 4b und 4d auf ihrer Unterseite. Bei Betrachtung des aus den beiden winklig angeordneten Platten gebildeten Gesamtkörpers ist die Oberseite als Innenseite und die Unterseite als Außenseite zu bezeichnen.
Auf diesem Wege können aus Segmenten die verschiedensten Formen realisiert werden. Beispielsweise können zwei oder mehrere nicht plane, sondern gebogene Platten zu einem konkaven Wärmequellen-Schutzschild, beispielsweise einer Grillabdeckplatte, beispielsweise einer Dönergrillabdeckplatte 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 5a bis 5e sind schematisch verschiedene Ausführungen dargestellt, bei denen eine Glas- oder Glaskeramikplatte 5.1 mit einem metallischen Rahmenelement 5.2 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 5c und 5d 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 5a und 5b gezeigt. 5e zeigt eine weitere Ausführung, bei der die Platte von der Rahmeneinfassung, die sich über die Seitenfläche der Platte auf ihre Unter- und Oberseite erstreckt, eingefasst wird.
Solche stoffschlüssig verbundenen Rahmeneinfassungen sind für Grillabdeckplatten sinnvoll, da die Platten im Einsatz Temperaturen oberhalb der Einsatztemperatur üblicher Silikonkleber ausgesetzt sind.
In 6a bis 6e sind im Querschnitt verschiedene Ausführungen dargestellt, bei denen an der Unterseite (6a, 6b, 6e) oder an der Oberseite (6c, 6d) einer Grillplatte aus Glas oder Glaskeramik 6.1 eine metallische Ablaufrinne 6.2 mittels stoffschlüssiger Verbindung, vorzugsweise mittels Verschweißung, bevorzugt mittels Ultraschallverschweißung, angebracht ist. Die metallische Ablaufrinne besteht vorzugsweise aus Kovar oder Edelstahl. Es sind verschiedene gewinkelte oder gebogene Ausführungsformen der Ablaufrinne dargestellt.
Solche stoffschlüssig verbundenen Ablaufrinnen sind für Grillabdeckplatten sinnvoll, da die Platten im Einsatz Temperaturen oberhalb der Einsatztemperatur üblicher Silikonkleber ausgesetzt sind. Die Ablaufrinnen dienen zur Aufnahme von Nahrungsmittelrückständen wie z. B. Bratfett.
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.
Der so hergestellte Verbundkörper stellt eine rahmenlos montierbare Glaskeramikplatte dar und ist beispielsweise geeignet als Abdeckplatte für Grillgeräte.
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.
Der so hergestellte Verbundkörper stellt eine rahmenlos montierbare Glasplatte dar und ist beispielsweise geeignet als Abdeckplatte in Hochleistungsleuchten.
Der erfindungsgemäße Wärmequellen-Schutzschild ist also nicht nur für die Verwendung in Gar- und Grillgeräten, sondern auch in Beleuchtungsgeräten hervorragend geeignet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012204235 A1 [0020]
DE 19917133 A1 [0022, 0022]
DE 102009056757 A1 [0048]

Claims

Wärmequellen-Schutzschild mit einer Glas- oder Glaskeramikplatte mit wenigstens einer Verbindung mit einem Bauteil aus einem metallischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung ist.
Wärmequellen-Schutzschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung gelötet oder geschweißt, insbesondere ultraschallgeschweißt ist.
Wärmequellen-Schutzschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Glas- oder Glaskeramikplatte und Bauteil aus metallischem Material eine Zwischenschicht zwischen der Glas- oder Glaskeramikplatte und dem metallischen Material umfasst, insbesondere eine Zwischenschicht aus einem duktilen Metall.
Wärmequellen-Schutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Glas- oder Glaskeramikplatte 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.
Wärmequellen-Schutzschild 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.
Wärmequellen-Schutzschild 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.
Wärmequellen-Schutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er mehr als eine stoffschlüssige, insbesondere geschweißte, insbesondere ultraschallgeschweißte Verbindung von Glas- oder Glaskeramikplatte und Bauteilen aus metallischem Material aufweist.
Wärmequellen-Schutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Bauteile Rahmen oder Rahmenelemente darstellen.
Wärmequellen-Schutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Bauteile Ablaufrinnen darstellen.
Wärmequellen-Schutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder die Bauteile Montageelemente an der Glas- oder Glaskeramikplatte sind.
Grill- oder Gargerät mit einem Wärmequellen-Schutzschild nach einem der Ansprüche 1 bis 10.