EP0015234B1

EP0015234B1 - Elektrisch beheizte Wärmeplatte

Info

Publication number: EP0015234B1
Application number: EP80810030A
Authority: EP
Inventors: Herbert Zulauf
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1979-02-22
Filing date: 1980-01-29
Publication date: 1983-05-11
Also published as: ATE3353T1; DK59280A; DE3063005D1; EP0015234A1; ES488463A1; DE2913820A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch beheizte Wärmeplatte, insbesondere Kochplatte, mit oberer Aufstandfläche sowie einem Massekörper aus einer Aluminiumlegierung.
Bei bekannten, elektrisch beheizten Vorrichtungen zur Wärmeübertragung wie Kochplatten und dergleichen wird die durch elektrische Energie erzeugte Wärme zunächst auf einen im wesentlichen plattenförmigen Wärmeträger aus einem wärmeleitenden Werkstoff übertragen. Die Wärmeübertragung auf einen zu erwärmenden Gegenstand erfolgt über die sogenannte Heizfläche des Wärmeträgers, mit welcher der Gegenstand in direkte Berührung gebracht wird. Ueblicherweise bestehen derartige Wärmeträger aus Grauguss. Diese weisen jedoch einige Nachteile auf, die besonders bei Kochplatten augenfällig werden. Wegen der verhältnismässig hohen Wärmekapazität eines Wärmeträgers aus Grauguss und der damit verbundenen Trägheit der Kochplatte in bezug auf die Wärmeübertragung ist eine Schnell- bzw. Feinregulierung der auf den zu erwärmenden Gegenstand zu übertragenden Wärmemenge nicht möglich. Zudem führt die hohe Wärmekapazität eines Wärmeträgers aus Grauguss zu einem beträchtlichen Energieverlust, da die in den Wärmeträger eingebrachte Wärmemenge im allgemeinen nicht vollständig genutzt werden kann. Wärmeträger aus Grauguss haben überdies die unangenehme Eigenschaft, dass sie beim Kontakt mit gewissen Flüssigkeiten oberflächlich ankorrodieren.
Aus der US-PS 3 132 229 ist eine Kochplatte mit einem Massekörper aus Aluminium bekannt. Zur Erhöhung der Verschleissfestigkeit sind abriebfeste Partikel in die Oberfläche des Massekörpers eingebettet.
Die DE-AS 26 51 883 offenbart eine elektrische Kochplatte mit einem Massekörper aus Aluminium. Die Aufstandfläche dieser Kochplatte ist von einer thermisch aufgespritzten ersten Schicht aus Aluminium und einer auf dieser angeordneten, ein Metall enthaltende zweiten Schicht gebildet. Diese zweite Schicht kann aus einem hitzebeständigen Lack - gegebenenfalls unter Beimischung von Metalloxid - oder aber aus Nickel bestehen. Mit der vorbekannten Kochplatte soll verhindert werden, dass korrosive Medien bis zur Oberfläche des Massekörpers durchdringen, sodass auch nach langer Gebrauchszeit die ursprüngliche Oberflächenbeschaffenheit erhalten bleibt.
Aus der DE-AS 2604924 ist es bekannt, bei einer elektrischen Kochplatte mit einem Plattenkörper aus Eisenwerkstoff die Plattenoberfläche mit einer dünnen Schicht aus Aluminium oder Nickelaluminid vor Verzunderung und Korrosion zu schützen. Zum Schutz dieser Schicht gegen Abrasion kann auf dieser eine weitere Schicht aus beispielsweise Aluminiumoxid aufgebracht sein. Diese braucht jedoch wegen des Eisenkerns keine besondere Kerbschlagfestigkeit auf zu weisen.
Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich nun der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine elektrisch beheizte Wärmeplatte mit einem Massekörper aus einer Aluminiumlegierung zu schaffen, deren Aufstandfläche grosse Härte, hohe Verschleissfestigkeit (Abrasion und Kerbschlagfestigkeit) aufweist sowie korrosionsresistent ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass dem Massekörper eine thermisch aufgespritzte Zwischenschicht aus Aluminium oder einer Nickel-Aluminium-Legierung mit einem Aluminiumgehalt von 20 bis 40 % anhaftet, auf welche als Aufstandfläche eine 100 bis 400 _ILm dicke Oberschicht aus wenigstens einer Oxidverbindung des Aluminiums thermisch aufgespritzt ist, oder dass als Aufstandfläche eine 100 bis 400 _ILm dicke Oberschicht als Cermet-Schicht mit wenigstens einer Oxidverbindung des Aluminiums und 5 bis 40 % metallischem Aluminium auf dem Massekörper thermisch aufgespritzt ist.
Aluminiumlegierungen sind verhältnismässig weiche Werkstoffe und zeigen überdies bei Erwärmung auf Temperaturen über etwa 400 °C einen drastischen Abfall der Brinellhärte in der Grössenordnung von 300 MN/m². Als Werkstoffe für Wärmeträger von Kochplatten erscheinen daher Aluminiumlegierungen an sich ungeeignet, da sie den an die Heizfläche einer Kochplatte gestellten Anforderungen bezüglich Härte und Verschleissfestigkeit nicht genügen. Die thermisch, d. h. im Plasma- oder Flammspritzverfahren aufgespritzte Oberschicht beseitigt diesen Mangel an Festigkeit und führt zu einer gegen mechanische Beschädigung widerstandsfähigen Heizfläche.
Die thermisch aufgespritzte Oberschicht kann als Oxidverbindungen ausschliesslich Aluminiumoxid (A1₂0₃) enthalten. Durch farbige Oxidverbindungen des Aluminiums vom Spinelltyp (MeA1₂0₄), wie beispielsweise Kobaltaluminiumoxid (CoA1₂0₄), kann zusätzlich ein dekorativer Effekt erzielt werden, wobei die Oberschicht als Oxidverbindung je nach gewünschter Farbintensität eine Mischung aus Aluminiumoxid und farbigen Oxidverbindungen des Aluminiums oder aber ausschliesslich farbige Oxidverbindungen des Aluminiums enthalten kann.
Die Dicke der thermisch aufgespritzten Oberschicht liegt bevorzugt zwischen 150 und 250 _ILm.
Die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Aluminium und Oxidverbindungen führt ohne Zwischenschicht bzw. ohne metallischen Aluminiumanteil in der Oberschicht beim Aufheizen zu Spannungen an der Phasengrenze Metall/Oxid, was bei extremer Beanspruchung zu einem Reissen der Oberschicht oder sogar zu einem Abplatzen derselben führen kann. Um dieser Gefahr zu begegnen, bieten sich die folgenden zwei Möglichkeiten an :

1. Die thermisch aufgespritzte Schicht wird als Cermet-Schicht ausgebildet, d. h. sie enthält neben Oxidverbindungen des Aluminiums zusätzlich metallisches Aluminium. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Anteil des metallischen Aluminiums in der Schicht bevorzugt zwischen 10 und 20 % liegt.
2. Zwischen dem Massekörper und der thermisch aufgespritzten Schicht aus Oxidverbindungen des Aluminiums befindet sich eine thermisch aufgespritzte metallische Zwischenschicht aus Aluminium oder einer Nickel-Aluminium-Legierung mit einem Aluminiumgehalt von 20 bis 40 %. Die geeignete Schichtdicke liegt dabei zwischen 50 und 150 µm, vorzugsweise zwischen 80 und 120 _ILm.

Für eine rationelle Serienfertigung des Massekörpers bieten sich die Druckgiessverfahren an. Eine zum Druckgiessen besonders geeignete Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf :

Aluminium Rest

Es hat sich gezeigt, dass mit dieser im Druckgiessverfahren, insbesondere im Vakuumdruckgiessverfahren verarbeiteten Legierung die bei konventionellen Druckgusslegierungen bei Temperaturen über etwa 400 °C auftretende Blasenbildung vollständig verhindert werden kann.
Die thermisch aufgespritzte Oxidschicht kann im Bedarfsfall zur Verminderung ihrer Rauhigkeit überschliffen bzw. poliert werden. Um ein unerwünschtes Eindringen von Fremdstoffen in die leicht poröse Schicht zu verhindern, kann diese zudem auf bekannte Weise - beispielsweise mittels Borsäure- oder Phosphorsäurelösungen - versiegelt werden.
Zur Vermeidung eines Anschmelzens des Massekörpers bei erhöhter Temperatur kann der Kern zusätzlich mit einem Temperaturfühler ausgestattet sein, der die Höchsttemperatur auf etwa 450 °C begrenzt.
Die durch die erfindungsgemässe Wärmeplatte erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass im Vergleich zu entsprechenden Vorrichtungen mit Wärmeträgern aus Grauguss eine Schnell- bzw. Feinregulierung der auf den zu erwärmenden Gegenstand zu übertragenden Wärmemenge möglich wird und Energieverluste als Folge der Wärmekapazität des Wärmeträgers beträchtlich vermindert werden.
. Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der schematischen Zeichnung wiedergegebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
Die Zeichnung zeigt in

Figur 1 den Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Wärmeplatte ;
Figur 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus dem Querschnitt der Fig. 1 in Oberflächennähe der Wärmeplatte.

Auf den Massekörper 1 einer Wärmeplatte nach Fig. 1 ist an der mit dem aufzuheizenden Gegenstand in Berührung zu bringenden Aufstandfläche eine Oberschicht 2 aus Oxidverbindungen des Aluminiums - gegebenenfalls mit einem Anteil an metallischem Aluminium - thermisch aufgespritzt. Dabei ist auf den aus einer Aluminiumlegierung geformten Massekörper 1 unmittelbar eine metallische Zwischenschicht 3 als Träger für die ihr thermisch aufgespritzte Oberschicht 2 thermisch aufgespritzt.
Aussderdem befinden sich im Massekörper 1 Rinnen 4 zur Aufnahme von Heizleitern 5. Bei einer kreisrunden Gestalt des Massekörpers 1 können die Rinnen 4 konzentrisch oder spiralförmig angeordnet sein. Die Heizleiter 5 werden mit einem hitzebeständigen Zement in die Rinnen 4 eingebettet.
Beispielsweise wurde zur Herstellung einer erfindungsgemässen Wärmeplatte aus einer Aluminiumlegierung mit 1,25 % Mangan und 0,63 % Eisen und einem Gehalt an üblichen Verunreinigungen von insgesamt weniger als 0,2 % im Vakuumdruckgiessverfahren der Massekörper 1 hergestellt.
Der Durchmesser des mit der ebenen Aufstand-oder Heizfläche ausgestatteten Massekörpers 1 betrug hier 15 cm.
Nach dem Sandstrahlen mit Korund wurde auf die Heizfläche im Plasmaspritzverfahren eine 200 µ dicke, aus 85 % Kobaltaluminiumoxid (CoA1₂0₄) und 15 % Aluminium bestehende Cermet-Schicht aufgetragen. Die Oberfläche wurde anschliessend kurz bandgeschliffen.
Die Temperaturwechselbeständigkeit der aufgespritzten Schicht wurde durch zyklisches Aufheizen auf 450 °C und Abkühlenlassen auf 50 °C überprüft. Nach 300 Zyklen konnten keine Anzeichen einer Verminderung der Haftfestigkeit bzw. eines Abplatzens der Schicht beobachtet werden.

Claims

1. Elektrisch beheizte Wärmeplatte, insbesondere Kochplatte, mit oberer Aufstandfläche sowie einem Massekörper aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass dem Massekörper (1) eine thermisch aufgespritze Zwischenschicht (3) aus Aluminium oder einer Nickel-Aluminium-Legierung mit einem Aluminiumgehalt von 20 bis 40 % anhaftet, auf welche als Aufstandfläche eine 100 bis 400 µ dicke Oberschicht (2) aus wenigstens einer Oxidverbindung des Aluminiums thermisch aufgespritzt ist.

2. Elektrisch beheizte Wärmeplatte, insbesondere Kochplatte, mit oberer Aufstandfläche sowie einem Massekörper aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass als Aufstandfläche eine 100 bis 400 µ dicke Oberschicht (2) als Cermet-Schicht mit wenigstens einer Oxidverbindung des Aluminiums und 5 bis 40 % metallischem Aluminium auf dem Massekörper (1) thermisch aufgespritzt ist.

3. Wärmeplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufgespritze Oberschicht (2) Aluminiumoxid enthält.

4. Wärmeplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufgespritzte Oberschicht (2) farbige Oxidverbindungen des Aluminiums vom Spinelltyp, vorzugsweise Kobaltaluminiumoxid, enthält.

5. Wärmeplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufgespritzte Oberschicht (2) eine Mischung von Aluminiumoxid und farbigen Oxidverbindungen des Aluminiums enthält.

6. Wärmeplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (1) aus 1,0 bis 2,0 %, vorzugsweise 1,2 bis 1,4 % Mangan und 0,5 bis 1,0 %, vorzugsweise 0,6 bis 0,8 % Eisen sowie einem Rest im wesentlichen aus Aluminium besteht.