EP0079076A1 - Heizplatte - Google Patents

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EP0079076A1
EP0079076A1 EP19820110294 EP82110294A EP0079076A1 EP 0079076 A1 EP0079076 A1 EP 0079076A1 EP 19820110294 EP19820110294 EP 19820110294 EP 82110294 A EP82110294 A EP 82110294A EP 0079076 A1 EP0079076 A1 EP 0079076A1
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EP
European Patent Office
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heating
heating element
thermal insulation
insulation material
heating plate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19820110294
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Dr. Dipl.-Chem. Katzer
Günter Dr. Dipl.-Chem. Kratel
Hans-Peter Ing. Grad. Kalmuk
Johann Peter Sommer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wacker Chemie AG
Original Assignee
Wacker Chemie AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/68—Heating arrangements specially adapted for cooking plates or analogous hot-plates
    • H05B3/74—Non-metallic plates, e.g. vitroceramic, ceramic or glassceramic hobs, also including power or control circuits

Definitions

  • the invention relates to a heating plate based on compressed inorganic, highly dispersed thermal insulation material, hardener and heating element operated by means of electric current.
  • the heating element is glued to the base plate, but mostly mechanically, for example by means of clamps or retaining pins and the like, attached to the base plate.
  • a number of further steps for assembling the heating element are therefore required in addition to the production of the base plate.
  • the object of the invention was to present a heating plate, in the production of which additional assembly operations for applying the heating element can be largely avoided. Furthermore, it was an object of the invention to present a hot plate with high thermal insulation values.
  • the invention relates to a heating plate based on pressed inorganic, highly disperse thermal insulation material, hardener and heating element operated by means of electric current, which is characterized in that the heating element is at least partially pressed into the inorganic highly disperse thermal insulation material.
  • the proportion of hardener in the mixture provided for the press-in layer is preferably at least 1.5% by weight.
  • the press-in layer has a different composition, in particular with regard to its opacifying agent and hardener content, than the actual thermal insulation layer of the heating plate.
  • electrically insulating, heat-conducting substances are added to the press-fit layer.
  • rock powders such as granite powder, quartz powder or low-alkali precipitated silica.
  • the particle sizes are preferably in the range of 0.01-1 mm.
  • finely divided metal oxide which is used both for the actual thermal insulation layer and for the press-in layer of the heating plate, are pyrogenic silicas including arc silicas, low-alkali precipitated silicas, analogously produced aluminum oxide, titanium dioxide and zirconium dioxide.
  • the finely divided metal oxides have specific surfaces of 50-700 m 2 / g, preferably 70-400 m 2 / g.
  • the primary particle sizes are preferably in the range of 2-50 nm.
  • Ilmenite, titanium dioxide, silicon carbide, iron-II-iron-III mixed oxide, chromium dioxide, zirconium oxide, manganese dioxide and iron oxide are suitable as opacifiers.
  • the opacifiers advantageously have an absorption maximum in the infrared range between 1.5 and 10 ⁇ m and particle sizes between 1 and 10 ⁇ m.
  • fiber material examples include glass wool, rock wool, Schlakken wool, ceramic fibers, such as those obtained from melts of aluminum oxide and / or silicon oxide, asbestos fibers and others.
  • the hardeners used are, for example, the borides of aluminum, titanium, zirconium, calcium, silicides, such as calcium silicide and calcium aluminum silicide, but especially boron carbide.
  • borides are used as hardeners, it is preferred to add basic oxides, in particular magnesium oxide, calcium oxide or barium oxide, in amounts of 1.5 to 10 times the hardener content.
  • the mixtures are obtained by simply mixing the components in the desired composition.
  • so-called agglomerated mixtures in particular based on pyrogenic silica, can also be used. This is done in such a way that the opacifying agent already in the production process of the silica, in which the silica is still in the form of the primary particles, is continuously added in the desired mixing ratio.
  • heating elements operated by means of electric current all heating elements can be used within the scope of the invention which have already been used for heating plates.
  • heating spirals or heating coils made of resistance wire are to be mentioned.
  • the heating elements are at least partially or completely pressed into the press-fit layer.
  • Heating coils are usually pressed in at least 1/3 of their coil diameter.
  • the pressed-in part of the heating coil is completely surrounded by the heating plate material, so that an anchoring is created which can no longer be released without being destroyed.
  • the arrangement of the heating coil on the heating plate is in itself arbitrary. For example, it can take a spiral or zigzag shape.
  • the power connections of the Schutile can be at any point, e.g. B. diametrically opposite, adjacent or on the edge or in the middle.
  • the heating plate according to the invention is produced by pressing the highly dispersed thermal insulation material together with the heating element which has already been preformed in the desired manner and then curing by heating to 500-800 ° C.
  • the press-in layer can have a different composition than the actual insulating layer. Accordingly, different mixtures are optionally pressed together.
  • the quantity ratio of these emulsions is chosen in accordance with the desired construction height. In general, the height of the press-fit layer corresponds approximately to the press-in depth of the heating element.
  • the pressures are in the range of about 1 - 1.5 N / mm 2 .
  • the press-in depth for the heating element can be set, for example, using a suitably shaped press tool.
  • This pressing tool has depressions that simultaneously represent the geometric shape of the heating element.
  • the pressing-in depth of the heating element corresponds to the height at which the heating element protrudes beyond the pressing tool. If a complete pressing of the heating element is desired, the pressing tool is advantageously flat.
  • the heating element can be held in the geometric shape, for example, by electromagnetic forces.
  • the press-in layer has a different composition than the actual insulating layer
  • the compression and compression is preferably carried out with the application of negative pressure. Degassing can also begin or start before compression or compression.
  • the heating plate according to the invention can be produced in any desired shape, for example square, rectangular, round, oval and the like. It can also be shaped with a raised edge.
  • heating plate according to the invention can also be equipped with devices which are customary for heating plates, such as protective shells made of metal or plastic, electrical connections, security elements such as overtemperature switches and the like.
  • the heating plate according to the invention has excellent thermal insulation properties in the insulating layer. It can therefore be manufactured in the relatively low construction heights. It is particularly suitable as a heater for glass ceramic hot plates and the like.
  • the die is then closed with the upper punch and evacuated.
  • a final pressure of 1, 2 N / mm 2 By compressing the mixture at a final pressure of 1, 2 N / mm 2, a molded body having a height of 17 mm and a density of 300 kg / m 3.
  • the heating coil is embedded in the heating plate halfway up.
  • the workpiece is annealed at 750 ° C for 1 hour for curing.
  • a heating plate is obtained in which the heating coil is fully pressed in. Due to the composition of the press-in layer, a heating plate with excellent IR radiation properties is obtained.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizplatte auf Basis von anorganischem, hochdispersem Wärmedämmaterial, Härter und Heizelement, wobei das Heizelement mindestens teilsweise im Wärmedämmaterial eingepreßt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Heizplatte auf Basis von verpreßtew anorganischem, hochdispersem Wärmedämmaterial, Härter und mittels elektrischem Strom betriebenen Heizelement.
  • Das Heizelement wird bei den bekannten Heizplatten auf die Grundplatte aufgeklebt, meistenteils jedoch mechanisch, beispielsweise durch Klammern oder Haltestifte und dgl. auf der Grundplatte befestigt. Zur Herstellung derartiger Heizplatten wird mithin neben der Herstellung der Grundplatte eine Reihe weiterer Arbeitsschritte zur Montage des Heizelements benötigt.
  • Aufgabe der Erfindung war es, eine Heizplatte vorzustellen, bei deren Herstellung zusätzliche Montagearbeitsvorgänge zum Aufbringen des Heizelements weitgehend eingespart werden können. Weiterhin war es Aufgabe der Erfindung, eine Heizplatte mit hohen Wärmedämmwerten vorzustellen.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Heizplatte auf Basis von verpreßtem anorganischem, hochdispersem Wärmedämmaterial, Härter und mittels elektrischen Stroms betriebenem Heizelement, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Heizelement zumindest zum Teil in das anorganische hochdisperse Warmedämmaterial eingepreßt ist.
  • Als anorganisches hochdisperses Wärmedämmaterial werden im Rahmen der Erfindung Mischungen eingesetzt, aus
    • 30 - 100 Gew.-% feinteiligem Metalloxid
    • 5 - 50 Gew.-% Trübungsmittel
    • 0 - 20 Gew.-% Fasermaterial
    • 0 - 1,5 Gew.-% Härter.
  • Für die oberste Schicht der Heizplatte, in der das Heizelement eingepreßt ist (Einpreßschicht), werden Mischungen eingesetzt aus
    • 30 - 97 Gew.-% feinteiligem Metalloxid
    • 0 - 50 Gew.-% Trübungsmittel
    • 0 - 20 Gew.-% Fasermaterial
    • 0 - 20 Gew.-% elektrisch isolierender, wärmeleitender Substanz
    • 1 - 15 Gew.-% Härter
  • Bevorzugt beträgt der Härteranteil in der für die Einpreßschicht vorgesehene Mischung mindestens 1,5 Gew.-%.
  • Der Anteil des Trübungsmittels in der Einpreßschicht wird nach Maßgabe des Verwendungszwecks der Heizplatte gewählt:
    • Wird die Heizplatte beispielsweise lediglich für Warmhaltevorrichtungen eingesetzt, wobei relativ geringe Heizleistungen, bezogen auf die Heizfläche, gefordert werden, enthält die Einpreßschicht einen relativ hohen Anteil an Trübungsmittel (35 -50 Gew.-%). Für Heizplatten mit höherer Heizleistung bezogen auf die Heizfläche, ist eine möglichst hohe Wärmeabstrahlung in Richtung des Wärmeflusses erwünscht. Für diese Fälle wird die Einpreßschicht mit geringerem Anteil (bis zu 35 Gew.-%) oder ohne Trübungsmittel ausgestattet, wobei 0-10 Gew.-% Trübungsmittel bevorzugt sind.
  • Oftmals weist daher, ohne daß dies zwingend erforderlich wäre, die Einpreßschicht eine andere Zusammensetzung, insbesondere bezüglich ihres Trübungsmittels- und Härteranteils auf, als die eigentliche Wärmedämmschicht der Heizplatte.
  • Gegebenenfalls werden der Einpreßschicht noch elektrisch isolierende,wärmeleitende Substanzen zugesetzt. Beispiele hierfür sind Gesteinspulver wie Granitpulver, Quarzmehl oder alkaliarme Fällungskieselsäuren. Die Teilchengrößen liegen vorzugsweise im Bereich von 0,01 - 1 mm.
  • Beispiele für feinteiliges Metalloxid, das sowohl für die eigentliche Wärmedämmschicht als auch für die Einpreßschicht der Heizplatte Verwendung findet, sind pyrogen erzeugte Kieselsäuren einschließlich Lichtbogenkieselsäuren, alkaliarme Fällungskieselsäuren, analog hergestelltes Aluminiumoxid, Titandioxid und Zirkondioxid. Die feinteiligen Metalloxide weisen spezifische Oberflächen von 50-700 m2/g,vorzugsweise 70-400 m2/g, auf. Die Primärteilchengrößen liegen vorzugsweise im Bereich von 2-50 nm.
  • Als Trübungsmittel kommen Ilmenit, Titandioxid, Siliciumcarbid, Eisen-II-Eisen-III-Mischoxid, Chromdioxid, Zirkonoxid, Mangandioxid sowie Eisenoxid in Betracht. Die Trübungsmittel weisen vorteilhafterweise ein Absorptionsmaximum im Infrarotbereich zwischen 1,5 und 10 µm und Teilchengrößen zwischen 1 und 10 µm auf.
  • Beispiele für Fasermaterial sind Glaswolle, Steinwolle, Schlakkenwolle, keramische Fasern, wie sie aus Schmelzen von Aluminiumoxid und/oder Siliciumoxid gewonnen werden, Asbestfasern und andere.
  • Als Härter werden beispielsweise die Boride des Aluminiums, des Titans, des Zirkons, des Kalziums, Silicide, wie Kalziumsilicid und Kalzium-Aluminiumsilicid, insbesondere jedoch Borcarbid eingesetzt.
  • Zumindest im Falle des Einsatzes von Boriden als Härter ist es bevorzugt, basische Oxide, insbesondere Magnesiumoxid, Kalziumoxid oder Bariumoxid in Mengen von 1,5 bis 10-fachen des.Härtergehalts zuzusetzen.
  • Die Hischungen werden durch einfaches Vermischen der Komponenten in der gewünschten Zusammensetzung gewonnen. Es können jedoch auch sogenannte agglomerierte Mischungen, insbesondere auf Basis pyrogen erzeugter Kieselsäure, eingesetzt .werden. Hierbei wird in der weise verfahren, daß das Trübungsmittel bereits beim Herstellungsprczeß der Kieselsäure, bei dem die Kieselsäure noch in Form der Primärteilchen vorliegt, kontinuierlich im angestrebten Mischungsverhältnis zugesetzt wird.
  • Als mittels elektrischen Stroms betriebene Heizelemente können im rahmen der Erfindung alle Heizelemente eingesetzt werden, die auch bisher bereits für Heizplatten eingesetzt wurden. Insbesondere zu nennen sind Heizspiralen bzw. Heizwendeln aus Widerstandsdraht.
  • Die Heizelemente sind mindestens teilweise oder ganz in der Einpreßschicht eingepreßt. Heizwendeln werden zumeist mindestens zu 1/3 ihres Wendeldurchmessers eingepreßt. Der eingepreßte Teil der Heizwendel ist dabei vollständig von dem Heizplattenmaterial umgeben, so daß eine Verankerung entsteht, die zerstörungsfrei nicht mehr gelöst werden kann. Die Anordnung der Heizwendel auf der Heizplatte ist an sich beliebig. Sie kann beispielsweise eine Spiral- oder Zick-Zackform annehmen. Ebenso können die Stromanschlüsse der Heizwandel an beliebigen Stellen liegen, z. B. diametral gegenüber, benachbart oder am Rande oder in der Mitte.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Heizplatte erfolgt durch Verpressen des hochdispersen Wärmedämmaterials zusammen mit dem bereits in der erwünschten Weise vorgeformten Heizelement und anschließendem Aushärten durch Erhitzen auf 500-800° C.
  • Die Einpreßschicht kann gegenüber der eigentlichen Isolierschicht eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Demnach werden gegebenenfalls unterschiedliche Mischungen miteinander verpreßt. Das Mengenverhältnis dieser Misdungen wird nach Maßgabe der erwünschten Konstruktionshöhe gewählt. Im allgemeinen entspricht die Höhe der Einpreßschicht in etwa der Einpreßtiefe des Heizelements.
  • Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Heizplatte ist durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:
    • a) Vorlegen eines geformten Heizelements in einem Preßwerkzeug
    • b) Überschichten des Heizelements mit anorganischem, hochdispersem Wärmedämmaterial
    • c) Verpressen des Produkts gemäß a) und b) zu einem Formteil mit einer Dichte von 200 - 500 kg/m3, bezogen auf Wärmedämmaterial
    • d) Erhitzen des gepreßten Formteils auf Temperaturen von 500-800° C.
  • Die Preßdrucke liegen im Bereich von etwa 1 - 1,5 N/mm2.
  • Die Einpreßtiefe für das Heizelement kann beispielsweise durch ein entsprechend geformtes Preßwerkzeug eingestellt werden. Dieses Preßwerkzeug weist Vertiefungen auf, die gleichzeitig die geometrische Form des Heizelements abbilden. Die Einpreßtiefe des Heizelements entspricht der Höhe, in der das Heizelement über das Preßwerkzeug herausragt. Wird eine vollständige Ein pressung des Heizelements erwünscht, ist das Preßwerkzeug vorteilhafterweise eben. Das Heizelement kann beispielsweise durch elektromagnetische Kräfte in der geometrischen Form gehalten werden.
  • Für den Fall, daß die Einpreßschicht eine andere Zusammensetzung aufweist, als die eigentliche Isolierschicht, ist es oftmals zweckmäßig, die Mischung für die Einpreßschicht zusammen mit dem Heizelement vorzuverdichten, beispielsweise im Verhältnis 1:2, um erst nach dem Verdichtungsschritt die Mischung für die Isolierschicht in das Preßwerkzeug einzubringen.
  • Beim Verdichten bzw. Verpressen der Mischungen sollen die darin eingeschlossenen Gase entweichen können. Daher erfolgt das Verdichten und Verpressen vorzugsweise unter Anlegen von Unterdruck. Das Entgasen kanw auch schon vor dem Verdichten bzw. Verpressen oder beginnen.
  • Die erfindungsgemäße Heizplatte kann in an sich beliebiger Form hergestellt werden, beispielsweise quadratisch, rechteckig, rund, oval und dgl. Ebenso kann sie mit einem erhöhten Rand ausgeformt sein.
  • Ferner kann die erfindungsgemäße Heizplatte mit auch für Heizplatten üblichen Vorrichtungen ausgestattet sein wie Schutzschalen aus Metall oder Kunststoff, elektrischen Anschlüssen, Sicherheitselementen wie Übertemperaturschaltern und dgl.
  • Die erfindungsgemäße Heizplatte besitzt ausgezeichnete Wärmedämmeigenschaften in der Isolierschicht. Sie kann deshalb in den relativ niedrigen Konstruktionshöhen hergestellt werden. Sie eignet sich insbesondere als Strahlerheizung für Glaskeramik-Kochplatten und dgl.
  • Die Erfindung wird nun anhand von'Beispielen näher erläutert:
    • Beispiel 1
  • Eine vorgeformte, mittels elektrischen Stroms zu betreibende Heizwendel wird in Vertiefungen des Unterstempels eines Preßwerkzeugs, die die gewünschte Form des Heizelements abbilden, eingelegt. Der Unterstempel weist einen Durchmesser von 212 mm auf, die Vertiefungen entsprechen dem halben Wendeldurchmesser-(2,25 mm)In das Preßwerkzeug wird nun eine Wärmedämmischung folgender Zusammensetzung eingebracht:
    • 62,0 g pyrogen erzeugte Kieselsäure
    • 37,1 g Ilmenit
    • 5,3 g Aluminiumsilikatfaser
    • 1, 6 g B4C
  • Danach wird die Matrize mit dem Oberstempel verschlossen und evakuiert. Durch Verpressen der Mischung bei einem Enddruck von 1,2 N/mm2 wird ein Formkörper mit einer Höhe von 17 mm und einer Dichte von 300 kg/m3 erhalten. Die Heizwendel ist in halber Höhe in der Heizplatte eingebettet. Schließlich wird das Werkstück zur Härtung noch 1 Stunde bei 750° C getempert.
    • Beispiel 2
  • Es wird das gleiche Preßwerkzeug wie in Beispiel 1 benützt. Auf die vorgeformte Heizwendel wird eine Mischung gebracht aus
    • 14,16 g pyrogen erzeugter Kieselsäure
    • 1,60 g Aluminiumsilikatfaser
    • 0,24 g B4 C
  • Nach dem Einebnen dieser Schicht wird das restliche Matrizenvolumen mit einer Mischung aus:
    • 52,65 g pyrogen erzeugter Kieselsäure
    • 31,50 g Ilmenit
    • 4,50 g Aluminiumsilikatfaser
    • 1,35 g B4C

    aufgefüllt. Im übrigen wird wie gemäß Beispiel 1 beschrieben verfahren. Beispiel 3
  • Auf einen ebenen Unterstempel (φ = 212 mm) wird eine vorgeformte Heizwendel aufgelegt und durch elektromagnetische Kräfte in der gewünschten Form (Doppelspirale) gehalten.
  • Auf die Heizwendel wird eine Mischung von
    • 28,32 g pyrogen erzeugter Kieselsäure
    • 3,20 g Aluminiumsilikatfaser
    • 0,48 g B4 C
      aufgebracht. Nach dem Einebnen dieser Schicht wird das restliche Matrizenvolumen mit einer Mischung
    • 43,29 g pyrogen erzeugter Kieselsäure
    • 25,90 g Ilmenit
    • 3,70 g Aluminiumsilikatfaser
    • 1,11 g B 4 C
      aufgefüllt. Im übrigen wird wie gemäß Beispiel 1 beschrieben verfahren.
  • Es wird eine Heizplatte erhalten, in der die Heizwendel vollständig eingepreßt ist. Aufgrund der Zusammensetzung der Einpreßschicht wird eine Heizplatte mit ausgezeichneten IR-Abstrahleigenschaften erhalten.

Claims (3)

1. Heizplatte auf Basis von verpreßtem anorganischem, hochdispersem Wärmedämmaterial, Härter und mittels elektrischem Strom betriebenem Heizelement, dadurch gekennzeichnet , daß das Heizelement zumindest zum Teil in das anorganische, hochdisperse Wärmedämmaterial eingepreßt ist.
2. Verfahren zur Herstellung der Heizplatte nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Vorlegen eines geformten Heizelements in einem Preßwerkzeug
b) Überschichten des Heizelements mit anorganischem, hochdispersem Wärmedämmaterial
c) Verpressen des Produkts gemäß a) und b) zu einem Formteil mit einer Dichte von 200 - 560 kg/m3, bezogen auf Wärmedämmaterial
d) Erhitzen des gepreßten Formteils auf Temperaturen von 500-800° C
3. Verwendung der Heizplatte nach Anspruch 1 für Glaskeramik-Kochplatten
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