EP1366641A1 - Keramik-kochfeld - Google Patents

Keramik-kochfeld

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Publication number
EP1366641A1
EP1366641A1 EP02702359A EP02702359A EP1366641A1 EP 1366641 A1 EP1366641 A1 EP 1366641A1 EP 02702359 A EP02702359 A EP 02702359A EP 02702359 A EP02702359 A EP 02702359A EP 1366641 A1 EP1366641 A1 EP 1366641A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
ceramic
intermediate layer
electrically conductive
hotplate
Prior art date
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Granted
Application number
EP02702359A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1366641B1 (de
Inventor
Karsten Wermbter
Andreas Killinger
Christian Friedrich
Chuanfei Li
Rainer Gadow
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.)
Schott AG
Original Assignee
Carl Zeiss AG
Schott Glaswerke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss AG, Schott Glaswerke AG filed Critical Carl Zeiss AG
Priority to DK02702359T priority Critical patent/DK1366641T3/da
Publication of EP1366641A1 publication Critical patent/EP1366641A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1366641B1 publication Critical patent/EP1366641B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds
    • 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
    • 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
    • H05B3/748—Resistive heating elements, i.e. heating elements exposed to the air, e.g. coil wire heater

Definitions

  • the invention relates to a ceramic hob with a hotplate made of glass ceramic or glass, with an electrical heating conductor layer, with an insulating layer between the hotplate and the heating conductor layer, and with an electrically conductive intermediate layer between the hotplate and the insulating layer.
  • Such a ceramic hob is known from DE 31 05 065 C2 and from US 6 037 572.
  • the hotplate according to DE 31 05 065 C2 consists of glass ceramic, on the underside of which a metallic layer is applied, for example by a spraying process, on which in turn a ceramic insulating layer is also applied by a spraying process, on which a heating conductor element is finally vapor-deposited or in a spraying process is applied.
  • glass ceramics used for hobs have an NTC characteristic, i.e. the electrical conductivity increases noticeably as the temperature rises.
  • NTC characteristic i.e. the electrical conductivity increases noticeably as the temperature rises.
  • an electrical insulation layer is therefore a prerequisite for operating such a cooking system.
  • the system must have a dielectric strength of 3,750 volts at operating temperatures.
  • dielectric strength can be reduced if, according to DE 31 05 065 C2 or according to US 6 037 572, an electrically conductive layer is applied between the insulating layer and the hotplate, which is earthed. In such a case, a dielectric strength of around 1500 volts is sufficient for the ceramic insulation layer to ensure the necessary operational safety in accordance with VDE.
  • the layer thickness of the ceramic insulating layer can be significantly reduced, which causes problems. be reduced due to the different thermal expansions.
  • the invention is therefore based on the object of improving a ceramic cooktop in accordance with the type mentioned at the outset in such a way that the operational safety of the ceramic cooktop is improved and good long-term stability in rough everyday operation is ensured.
  • the intermediate layer is a thermally sprayed layer made of an electrically conductive ceramic or of a cermet.
  • the intermediate layer By forming the intermediate layer in the form of an electrically conductive ceramic, a considerably better adaptation of the coefficient of expansion of the intermediate layer to the coefficient of expansion of the hotplate is achieved, which is almost zero, since the coefficient of expansion of suitable ceramic materials is significantly lower than the coefficient of expansion of metals. Even when using a As a result of the ceramic particles embedded in a metallic matrix, the cermet layer has a reduced thermal expansion, as a result of which the thermal stresses are reduced.
  • an electrically conductive ceramic as an intermediate layer has the further advantage that the ceramic can be better matched to the glass ceramic of the hotplate in terms of the choice of material, with particularly good adhesion and low thermal stresses in use being able to be achieved through a targeted choice of material.
  • the intermediate layer is an oxide layer which is electrically conductive due to the loss of oxygen during thermal spraying.
  • the intermediate layer can in particular be made of Ti0 2 , from a mixture of Al 2 0 3 with a Ti0 2 content of at least 50% by weight, preferably at least 90% by weight, of Zr0 2 , from a mixture of Al 2 0 3 with Zr0 2 with a proportion of Zr0 2 of at least 50% by weight, preferably of at least 90% by weight, from a mixture of Ti0 2 and Zr0 2 , or from a mixture of Al 2 0 3 with Ti0 2 and Zr0 2 with a proportion of at least 50% by weight, preferably at least 90% by weight, of Ti0 2 and Zr0 2 (be prepared.
  • These intermediate layers made of Ti0 2 from a mixture of Al 2 0 3 with a Ti0 2 content of at least 50% by weight, preferably at least 90% by weight, of Zr0 2 , from a mixture of Al 2 0 3 with Zr0 2 with a proportion of Zr0 2 of at least 50% by weight, preferably of at least 90% by weight, of Ti0 2 and
  • Ti0 2 _ x For example, for Ti0 2 _ x with x - 0.1, a volume conductivity of about 10 3 ohm x cm to about 5 x 10 2 ohm x cm (at room temperature) results. As a result of the relatively low thermal expansion of Ti0 2 _ x and the particularly good affinity of Ti0 2 _ x for glass ceramics, Ti0 2 _ x appears to be particularly suitable for use as a conductive intermediate layer.
  • the intermediate layer can also be produced from a cermet with a metal matrix.
  • the metal matrix preferably has at least one of the constituents nickel, cobalt and chromium.
  • the intermediate layer is made of a cermet with a metal matrix, which is an alloy of the main components nickel, cobalt and chromium.
  • a metal matrix which is an alloy of the main components nickel, cobalt and chromium.
  • particles of carbide such as tungsten carbide, chromium carbide or the like, can also be embedded in the metal matrix.
  • the intermediate layer there is good electrical conductivity of the intermediate layer, and at the same time the thermal expansion coefficient is considerably reduced compared to a pure metal matrix due to the ceramic inclusions.
  • the metal matrix in question also has good adhesion to a glass ceramic surface and, owing to the increased ductility, is suitable for absorbing or reducing certain thermal stresses which occur during operation.
  • a ceramic adhesion promoter layer is provided between the electrically conductive intermediate layer and the hotplate.
  • This adhesion promoter layer preferably consists of aluminum oxide, titanium oxide or mixtures thereof and is preferably applied by thermal spraying.
  • an adhesion promoter layer leads to a further improvement in adhesion to the glass ceramic surface, resulting overall in an extremely stable layer composite which has very good temperature resistance and resistance to temperature changes.
  • the insulating layer which is applied to the intermediate layer preferably consists of cordierite or mullite and is preferably applied by thermal spraying.
  • the use of these ceramics to produce the insulating layer has the advantage of a relatively low coefficient of thermal expansion which is between approximately 4.3 and 5.0 ⁇ 10 " 6 K -1 for mullite and between approximately 2.2 and 2.4 x 10 " 6 K _1 for cordierite. As a result of the low coefficient of thermal expansion, there are lower stresses in connection with the hotplate made of glass ceramic.
  • Fig. 1 shows a cross section through an inventive ceramic hob in a first embodiment
  • Fig. 2 shows a cross section through an inventive ceramic hob in a modified version compared to FIG. 1.
  • a ceramic hob according to the invention is shown in cross section and generally designated by the number 10.
  • the ceramic cooktop comprises a cooking plate 12 of glass ceramics, for example, from ceramic ®.
  • This hotplate 12 is used to hold cooking vessels.
  • a hotplate is generated at different locations. For household purposes, typically four or possibly five hotplates are provided on a ceramic hob. Only one hotplate is shown in FIGS. 1 and 2.
  • An intermediate layer of TiO 2 was applied to the underside of the hotplate 12 by thermal spraying. This can be done, for example, by atmospheric plasma spraying (APS) with a layer thickness of approximately 50-250 ⁇ m.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • the respective layers are preferably applied only in the area of the respective hotplates in order to keep the total voltages as low as possible.
  • the glass ceramic is cleaned, e.g. degreased with acetone.
  • the pretreatment by sandblasting, which is otherwise customary in thermal spraying, is dispensed with, since this would damage the glass ceramic.
  • an insulating layer 16 which preferably consists of cordierite (2MgO »2Al 2 0 3 « 5Si0 2 ) or mullite (3Al 2 0 3 «2Si0 2 ), is sprayed onto it again by atmospheric plasma spraying.
  • the layer thickness of the insulating layer 16 depends on the desired dielectric strength and the material used and is between approximately 100 and 500 ⁇ m, preferably between approximately 150 and 300 ⁇ m.
  • the heating conductor 20 can be applied, for example, in a known manner by a screen printing process, the flow temperatures during the baking of the layers being able to be reduced by a glassy fraction of usually more than 5% in such a way that baking temperatures between about 500 and 850 ° C. result, a dense, closed conductor layer is created.
  • the heating conductor layer 18 can also be produced by thermal spraying.
  • the part not to be coated is first masked using a customary masking method and then the exposed parts are coated with the heating conductor material by thermal spraying.
  • the part previously covered can then be removed, so that a winding heating conductor 20 is formed, the individual heating conductor tracks of which are insulated from one another.
  • FIG. 2 A modification of the ceramic cooktop is shown in FIG. 2 and generally designated by the number 10 '.
  • this intermediate layer 14 ′ which is a cermet layer, is separated by an adhesion promoter layer 24 sprayed onto the hotplate 12.
  • the adhesion promoter layer 24 preferably consists of Al 2 0 3 or a mixture of Al 2 0 3 and Ti0 2 , for example 97% by weight Al 2 0 3 and 3% by weight Ti0 2 .
  • the adhesion promoter layer 24 is thermally sprayed with a layer thickness of approximately 10 to 150 ⁇ m, preferably by APS. The preferred layer thickness is on the order of approximately 30 to 100 ⁇ m.
  • a cermet layer consisting of a nickel / cobalt / chromium alloy with embedded carbide particles (tungsten carbide, chromium carbide etc.) is then sprayed onto the adhesion promoter layer 24.
  • the intermediate layer 14 ' is produced with a layer thickness of approximately 50 to 250 ⁇ m, preferably approximately 50 to 100 ⁇ m.
  • the insulating layer 16 and the heat conductor layer 18 are then applied in the manner already described with reference to FIG. 1.
  • the individual layers lying one above the other gradually run out at the edge region and thus continuously pass to the layer below them.
  • the total area of the individual layers decreases toward the heating conductor layer. This results in favorable stress conditions in the edge regions of the respective layers in order to counteract delamination of the layers.
  • annular depression 26 which surrounds the intermediate layer 14 in an annular manner at the edge region thereof.
  • This slight depression allows stresses that arise between the hotplate 12 and the intermediate layer 14 to be absorbed and partially reduced.

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Description

Keramik-Kochfeld
Die Erfindung betrifft ein Keramik-Kochfeld mit einer Kochplatte aus Glaskeramik oder Glas, mit einer elektrischen Heizleiterschicht, mit einer Isolierschicht zwischen der Kochplatte und der Heizleiterschicht, und mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht zwischen der Kochplatte und der Isolierschicht.
Ein derartiges Keramik-Kochfeld ist aus der DE 31 05 065 C2 und aus der US 6 037 572 bekannt. Die Kochplatte gemäß der DE 31 05 065 C2 besteht aus Glaskeramik, auf deren Unterseite eine metallische Schicht zum Beispiel durch ein Spritzverfahren aufgebracht ist, auf der wiederum eine keramische Isolierschicht gleichfalls durch ein Spritzverfahren aufgebracht ist, auf der schließlich ein Heizleiterelement aufgedampft oder in einem Spritzverfahren aufgebracht ist.
Bekanntlich besitzen Glaskeramiken, die für Kochfelder verwendet werden, eine NTC-Charakteristik, d.h. bei ansteigenden Temperaturen nimmt die elektrische Leitfähigkeit merklich zu. Um einen Stromfluß zwischen einem metallischen Topf bzw. der Oberfläche der Kochplatte und dem Heizleiter zu unterbinden, ist deshalb eine elektrische Isolationsschicht zum Betrieb eines solchen Kochsystems Voraussetzung. Um die notwendigen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, muß das System bei Betriebstemperaturen eine Durchschlagsfestigkeit von 3 750 Volt aufweisen.
Da solche keramischen Kochfelder für Betriebstemperaturen von bis zu etwa 600° C ausgelegt sein müssen, können sich erhebliche Probleme aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien ergeben. Während der thermische Ausdehnungskoeffizient für eine Glaskeramik, etwa für eine Glaskeramik der Marke Ceran® von Schott in der Größenordnung von ± 0,15 x 10"6K-1 liegt, sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von keramischen Materialien deutlich höher. So beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient " für Al203 beispielsweise etwa 8 x 10"6K_1. Dagegen liegen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen noch deutlich höher. Als Auftragsverfahren für die einzelnen Schichten ist u.a. das thermische Spritzen bekannt geworden, da hiermit auf relativ kostengünstige Weise die unterschiedlichste Materialien aufgetragen werden können. Durch die hohe Geschwindigkeit und die hohe Temperatur wird dabei auch meist eine ausreichend gute Haftung erreicht.
Sollen jedoch Schichten einer Dicke von mehr als etwa 100 μm aufgetragen werden, so ergeben sich gerade aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Glaskeramik und den anderen Schichten meist erhebliche Haftungsprobleme. So lassen sich beispielsweise Aluminiumoxid- Schichten, die die notwendige Durchschlagsfestigkeit aufweisen und somit eine Dicke in der Größenordnung von einigen hundert μm besitzen, zwar ohne weiteres durch thermisches Spritzen erzeugen, jedoch ergeben sich hierbei in der Regel Rißbildungen oder die Schichten neigen zum Abplatzen während des Gebrauchs, da infolge der schnellen Temperaturveränderungen während des Betriebs erhebliche thermische Spannungen entstehen.
Die Anforderungen an die Durchschlagsfestigkeit können reduziert werden, wenn gemäß der DE 31 05 065 C2 oder gemäß der US 6 037 572 zwischen der Isolierschicht und der Kochplatte eine elektrische leitfähige Schicht aufgebracht wird, die geerdet wird. In einem solchen Fall reicht für die keramische Isolierschicht eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 1500 Volt aus, um die notwendige Betriebssicherheit nach VDE zu gewährleisten .
Auf diese Weise kann die Schichtdicke der keramischen Isolierschicht deutlich reduziert werden, wodurch die Probleme auf- grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen vermindert werden.
Andererseits hat die Verwendung einer metallischen Zwischenschicht gemäß der DE 31 05 065 C2 oder gemäß der US 6 037 572 den Nachteil, daß eine weitere Schicht in den Verbund eingeführt wird, die nochmals einen erheblich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Kochplatte besitzt, wodurch die Stabilität des Gesamtsystems nachteilig beeinflußt wird.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Keramik- Kochfeld gemäß der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Betriebssicherheit des Keramik-Kochfeldes verbessert wird und eine gute Langzeitbeständigkeit im rauhen Alltagsbetrieb gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Keramik-Kochfeld gemäß der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenschicht eine thermisch gespritzte Schicht aus einer elektrisch leitfähigen Keramik oder aus einem Cermet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Durch die Ausbildung der Zwischenschicht in Form einer elektrisch leitfähigen Keramik wird eine erheblich bessere Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten der Zwischenschicht an den Ausdehnungskoeffizienten der Kochplatte erreicht, der nahezu null beträgt, da der Ausdehnungskoeffizient von geeigneten keramischen Materialien deutlich niedriger ist als der Ausdehnungskoeffizient von Metallen. Auch bei der Verwendung einer Cermet-Schicht ergibt sich hierbei infolge der in eine metallische Matrix eingelagerten Keramik-Teilchen eine verringerte thermische Ausdehnung, wodurch die thermischen Spannungen reduziert werden.
Während bei der Verwendung einer Cermet-Schicht eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit erreicht werden kann, muß gegebenenfalls bei der Verwendung einer elektrisch leitfähigen Keramik eine etwas reduzierte Leitfähigkeit in Kauf genommen werden. Jedoch hat die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Keramik als Zwischenschicht den weiteren Vorteil, daß die Keramik von der Materialauswahl her besser an die Glaskeramik der Kochplatte angepaßt werden kann, wobei durch eine gezielte Materialauswahl eine besonders gute Haftung und geringe thermische Spannungen im Gebrauch erzielt werden können.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Zwischenschicht eine Oxidschicht, die durch Sauerstoffverlust beim thermischen Spritzen elektrisch leitfähig ist.
Hierbei kann die Zwischenschicht insbesondere aus Ti02, aus einer Mischung von Al203 mit einem Anteil an Ti02 von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-%, aus Zr02, aus einer Mischung von Al203 mit Zr02 mit einem Anteil an Zr02 von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-%, aus einer Mischung von Ti02 und Zr02, oder aus einer Mischung von Al203 mit Ti02 und Zr02 mit einem Anteil von mindestens 50 Gew.-, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-% an Ti02 und Zr02( hergestellt sein. Diese Zwischenschichten aus Ti02.x, Zr02_x oder aus Mischungen von A1203 mit Ti02_x und/oder Zr02_x weisen eine besonders gute Haftung an einer Glaskeramik-Oberfläche auf. Durch das thermische Spritzen wird der Sauerstoffanteil soweit verringert, daß dieses Material elektrisch leitfähig wird.
So ergibt sich beispielsweise für Ti02_x mit x - 0,1 eine Volumenleitfähigkeit von etwa 103 Ohm x cm bis etwa 5 x 102 Ohm x cm (bei Raumtemperatur). Infolge der relativ geringen thermischen Ausdehnung von Ti02_x und der besonders guten Affinität von Ti02_x zur Glaskeramik erscheint besonders Ti02_x zur Verwendung als leitfähige Zwischenschicht geeignet.
Darüber hinaus sind jedoch auch die anderen genannten Materialien ohne weiteres verwendbar, wobei auch andere, chemisch ähnliche Oxide geeignet erscheinen, die während des thermischen Spritzens einen ausreichend hohen Sauerstoffverlust erleiden, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu erhalten.
Wie bereits erwähnt, kann die Zwischenschicht auch aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix hergestellt sein. Dabei weist die Metall-Matrix vorzugsweise wenigstens einen der Bestandteile Nickel, Kobalt und Chrom auf.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung ist die Zwischenschicht aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix hergestellt, die eine Legierung aus den Hauptbestandteilen Nickel, Kobalt und Chrom ist. Hierbei können ferner in die Metall-Matrix Partikel aus Carbid, wie etwa aus Wolfram-Carbid, Chrom-Carbid oder dergleichen, eingelagert sein.
Mit einem derartigen Cermet ergibt sich eine gute elektrische Leitfähigkeit der Zwischenschicht, wobei gleichzeitig durch die keramischen Einlagerungen der thermische Ausdehnungskoeffizient gegenüber einer reinen Metall-Matrix erheblich erniedrigt ist. Die betreffende Metall-Matrix weist ferner eine gute Haftung auf einer Glaskeramik-Oberfläche auf und ist infolge der erhöhten Duktilität geeignet, gewisse thermische Spannungen, die im Betrieb auftreten, aufzufangen bzw. abzubauen.
In zusätzlicher Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der elektrisch leitfähigen Zwischenschicht und der Kochplatte eine keramische Haftvermittlerschicht vorgesehen.
Diese Haftvermittlerschicht besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid, aus Titanoxid oder aus Mischungen hiervon und ist vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen.
Insbesondere bei Verwendung eines Cermet-Materials als Zwischenschicht führt eine Haftvermittlerschicht zu einer nochmals verbesserten Haftung auf der Glaskeramikoberfläche, wodurch sich insgesamt ein äußerst stabiler Schichtenverbund ergibt, der eine sehr gute Temperaturbeständigkeit und Temperaturwechselfestigkeit aufweist .
Die Isolierschicht, die auf die Zwischenschicht aufgetragen ist, besteht vorzugsweise aus Cordierit oder aus Mullit und ist vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen. Die Verwendung dieser Keramiken zur Erzeugung der Isolierschicht hat den Vorteil eines relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zwischen etwa 4,3 und 5,0 x 10"6K-1 für Mullit liegt und zwischen etwa 2,2 und 2,4 x 10"6K_1 für Cordierit. Infolge des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben sich geringere Spannungen in Verbund mit der Kochplatte aus Glaskeramik.
Grundsätzlich lassen sich natürlich auch andere keramische Materialien zur Erzeugung der keramischen Isolierschicht verwenden, etwa Al203, jedoch ergeben sich bei den vorgenannten Materialien besondere Vorteile wegen des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der gleichzeitig ausreichend hohen Durchschlagfeldstärke .
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Keramik-Kochfeld in einer ersten Ausführung und
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Keramik-Kochfeld in einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausführung. In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Keramik-Kochfeld im Querschnitt dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
Es versteht sich, daß die Darstellung lediglich beispielhafter Natur ist und daß insbesondere die Größenverhältnisse nicht maßstabsgerecht sind.
Das Keramik-Kochfeld weist eine Kochplatte 12 aus Glaskeramik, etwa aus Ceran® auf. Diese Kochplatte 12 dient zur Aufnahme von Kochgefäßen. Auf der Unterseite der Kochplatte 12 ist an verschiedenen Stellen jeweils eine Kochstelle erzeugt. Für Haushaltszwecke sind dabei typischerweise vier oder gegebenenfalls fünf Kochstellen auf einem Keramik-Kochfeld vorgesehen. In den Figuren 1 und 2 ist nur jeweils eine Kochstelle gezeigt. Auf die Unterseite der Kochplatte 12 wurde durch thermisches Spritzen eine Zwischenschicht aus Ti02 aufgetragen. Dies kann beispielsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) mit einer Schichtdicke von etwa 50 - 250 μm erfolgen. Der Auftrag der jeweiligen Schichten erfolgt vorzugsweise nur im Bereich der jeweiligen Kochstellen, um die Gesamtspannungen möglichst gering zu halten.
Vor dem thermischen Spritzen wird die Glaskeramik gesäubert, z.B. mit Aceton entfettet. Auf die beim thermischen Spritzen sonst übliche Vorbehandlung durch Sandstrahlen wird verzichtet, da dies zu einer Schädigung der Glaskeramik führen würde.
Nach der Erzeugung der Zwischenschicht 14 wird auf diese wiederum durch atmosphärisches Plasmaspritzen eine Isolierschicht 16 aufgespritzt, die vorzugsweise aus Cordierit (2MgO»2Al203«5Si02) oder aus Mullit ( 3Al203«2Si02) besteht. Die Schichtdicke der Isolierschicht 16 hängt von der gewünschten Durchschlagsfestigkeit und dem verwendeten Material ab und liegt zwischen etwa 100 und 500 μm, vorzugsweise zwischen etwa 150 und 300 μm.
Auf der Isolierschicht wird anschließend eine Heizleiterschicht 18, etwa in Form eines mäanderförmig gewundenen Heizleiters 20 erzeugt. Der Heizleiter 20 kann etwa in bekannter Weise durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht werden, wobei durch einen glasigen Anteil von meist mehr als 5 % die Fließtemperaturen beim Schichteneinbrand derart gesenkt werden können, daß sich Einbrenntemperaturen zwischen etwa 500 und 850° C ergeben, wobei eine dichte, geschlossene Leiterschicht entsteht.
Alternativ hierzu kann auch die Heizleiterschicht 18 durch thermisches Spritzen erzeugt werden. Hierzu wird zunächst mit einem üblichen Maskierverfahren der nicht zu beschichtende Teil maskiert und sodann die freiliegenden Teile durch thermisches Spritzen mit dem Heizleitermaterial beschichtet.
Der zuvor abgedeckte Teil kann anschließend entfernt werden, so daß ein gewundener Heizleiter 20 entsteht, dessen einzelne Heizleiterbahnen voneinander isoliert sind.
Die Zwischenschicht 14, die aus Ti02 durch thermisches Spritzen aufgetragen wird, wird infolge des hohen SauerstoffVerlustes des Titanoxids während des Spritzvorgangs elektrisch leitfähig. Dabei stellt sich eine Volumenleitfähigkeit von etwa 103 Ohm x cm bis etwa 5 x 102 Ohm x cm (bei RT) ein. Dies reicht aus, um die Zwischenschicht 14 wirksam erden zu können, wie durch die Verbindung mit Masse 22 in Fig. 1 angedeutet ist. Dadurch wird die für die Isolierschicht 16 erforderliche Durchschlagsfestigkeit auf etwa 1500 Volt reduziert. Im Fehlerfall wird bei einem Durchschlag vom Heizleiter 20 auf die Kochplatte 12 ein an sich bekannter, hier nicht dargestellter Sicherheitsschalter ausgelöst.
Eine Abwandlung des Keramik-Kochfeldes ist in Fig. 2 dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10' bezeichnet.
Wiederum ist auf die aus Glaskeramik, etwa Ceran®, bestehende Kochplatte 12 an der Unterseite eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht 14' aufgebracht. Diese Zwischenschicht 14', bei der es sich um eine Cermet-Schicht handelt, ist jedoch durch eine auf die Kochplatte 12 aufgespritzte Haftvermittlerschicht 24 getrennt.
Die HaftvermittlerSchicht 24 besteht vorzugsweise aus Al203 oder aus einer Mischung von Al203 und Ti02, z.B. 97 Gew.-% Al203 und 3 Gew.-% Ti02. Die Haftvermittlerschicht 24 wird mit einer Schichtdicke von etwa 10 bis 150 μm thermisch gespritzt, vorzugsweise durch APS. Die bevorzugte Schichtdicke liegt in der Größenordnung von etwa 30 bis 100 μm. Auf die Haftvermittlerschicht 24 wird anschließend eine Cermet-Schicht bestehend aus einer Nickel/Kobalt/Chrom-Legierung mit eingelagerten Carbid- Partikeln (Wolframcarbid, Chromcarbid etc.) aufgespritzt. Die Zwischenschicht 14' wird mit einer Schichtdicke von ca. 50 bis 250 μm, vorzugsweise etwa 50 bis 100 μm erzeugt. Hierauf werden dann anschließend die Isolierschicht 16 und die Heizleiterschicht 18 in der zuvor anhand von Fig. 1 bereits beschriebenen Weise aufgebracht. Wie aus den Figuren gemäß Fig. 1 und Fig. 2 erkennbar, laufen die einzelnen übereinander liegenden Schichten jeweils am Randbereich allmählich aus und gehen so stetig zur jeweils darunter liegenden Schicht über. Außerdem nimmt die Gesamtfläche der einzelnen Schichten zur Heizleiterschicht hin jeweils ab. Auf diese Weise ergeben sich günstige Spannungsverhältnisse in den Randbereichen der jeweiligen Schichten, um so einer Delamination der Schichten entgegenzuwirken.
In Fig. 1 ist zusätzlich noch eine ringförmige Vertiefung 26 dargestellt, die die Zwischenschicht 14 an deren Randbereich ringförmig umschließt.
Durch diese geringe Vertiefung können Spannungen, die zwischen der Kochplatte 12 und der Zwischenschicht 14 entstehen, aufgenommen und teilweise abgebaut werden.

Claims

Patentansprüche
1. Keramik-Kochfeld mit einer Kochplatte (12) aus Glaskeramik oder Glas, mit einer elektrischen Heizleiterschicht (18), mit einer Isolierschicht (16) zwischen der Kochplatte (12) und der Heizleiterschicht (18), und mit einer elektrisch leitfähigen Zwischenschicht (14) zwischen der Kochplatte (12) und der Isolierschicht (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) eine thermisch gespritzte Schicht aus einer elektrisch leitfähigen Keramik oder aus einem Cermet ist.
2. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) eine Oxidschicht ist, die durch Sauerstoffverlust beim thermischen Spritzen elektrisch leitfähig ist.
3. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) aus Ti02, aus einer Mischung von Al203 mit einem Anteil an Ti02 von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-%, aus Zr02, aus einer Mischung von Al203 mit Zr02 mit einem Anteil an Zr02 von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.- %, aus einer Mischung von Ti02 und Zr02, oder aus einer Mischung von Al203 mit Ti02 und Zr02 mit einem Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.- % an Ti02 und Zr02 hergestellt ist.
4. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix hergestellt ist, die wenigstens einen der Bestandteile Nickel, Cobalt und Chrom enthält.
5. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (14) aus einem Cermet mit einer Metall-Matrix hergestellt ist, die eine Legierung aus den Hauptbestandteilen Nickel, Cobalt und Chrom ist.
6. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Metallmatrix Partikel aus Carbid, wie etwa aus Wolframcarbid, Chromcarbid oder dergleichen, eingelagert sind.
7. Keramik-Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektrisch leitfähigen Zwischenschicht (14) und der Kochplatte eine keramische Haftvermittlerschicht (24) vorgesehen ist.
8. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht (24) aus Aluminiumoxid, aus Titanoxid oder aus Mischungen hiervon thermisch gespritzt ist.
9. Keramik-Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (16) aus Cordierit oder aus Mullit besteht und vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen ist.
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