EP1366642A1 - Keramik-kochfeld - Google Patents

Keramik-kochfeld

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Publication number
EP1366642A1
EP1366642A1 EP02722099A EP02722099A EP1366642A1 EP 1366642 A1 EP1366642 A1 EP 1366642A1 EP 02722099 A EP02722099 A EP 02722099A EP 02722099 A EP02722099 A EP 02722099A EP 1366642 A1 EP1366642 A1 EP 1366642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
ceramic
hotplate
layers
ceramic hob
Prior art date
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Granted
Application number
EP02722099A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1366642B1 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss AG, Schott Glaswerke AG filed Critical Carl Zeiss AG
Publication of EP1366642A1 publication Critical patent/EP1366642A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1366642B1 publication Critical patent/EP1366642B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2982—Particulate matter [e.g., sphere, flake, etc.]
    • Y10T428/2991—Coated
    • Y10T428/2993—Silicic or refractory material containing [e.g., tungsten oxide, glass, cement, etc.]

Definitions

  • the invention relates to a ceramic hob with a hotplate made of glass ceramic or glass with an electrical heating conductor layer, and with an insulating layer between the hotplate and the heating conductor layer.
  • Such a ceramic hob is known, for example, from DE 31 05 065 C2 or from US 6 037 572.
  • the known ceramic cooktop has a hotplate made of glass ceramic, on the underside of which an earthed metal layer is sprayed, onto which an insulating layer made of aluminum oxide is sprayed.
  • a heating conductor is applied to the underside of the ceramic insulating layer by means of a printing technique.
  • the insulating layer between the heating conductor layer and the hotplate is necessary because a glass ceramic, such as Ceran ® , has an NTC characteristic, which means that the electrical conductivity increases noticeably as the temperature rises.
  • the electrical insulating layer must therefore have a dielectric strength of around 3,750 volts at operating temperatures in order to ensure the necessary operational safety in accordance with VDE.
  • the ceramic insulating layer with a considerable layer thickness, for example approximately 200-500 micrometers when using Al 2 0 3 as an insulating layer.
  • the invention is therefore based on the object of providing an improved ceramic hob in which the layer composite has high stability in long-term operation and at the same time the necessary dielectric strength of the insulating layer is ensured.
  • the insulating layer consists of a plurality of layers which have a porosity which decreases towards the heating conductor layer.
  • the object of the invention is completely achieved in this way. It has been shown that by the special use of such graded layers, a gradual adaptation of the thermal expansion coefficient to the thermal expansion coefficient of glass ceramic can be achieved. A higher porosity leads to a reduction in the modulus of elasticity and thus to an improved stress tolerance to thermal stresses. A better tolerance to voltages can thus be achieved by dividing the insulating layer into at least two individual layers, the first of which is in contact with the hotplate with a higher porosity and the second with a lower porosity facing the heating conductor layer. In particular, the risk of crack formation is avoided even with a greater overall thickness of the insulating layer. At the same time, there is good stability of the entire layer composite guarantees the strongly fluctuating temperature conditions during the operation of such a ceramic hob.
  • the individual layers of the insulating layer are preferably produced by thermal spraying.
  • the different porosities of the individual layers can be generated by different powder qualities or by using different burners, preferably by atmospheric plasma spraying (APS), or by varying the process parameters during the coating process.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • an electrically conductive intermediate layer which is preferably earthed, can be provided between the insulating layer and the hotplate.
  • this electrically conductive intermediate layer consists of a cermet or an electrically conductive ceramic. While good electrical conductivity is ensured by a cermet with a relatively low coefficient of thermal expansion at the same time, the use of an electrically conductive ceramic, such as that produced from Ti0 2 by oxygen depletion during thermal spraying, offers the particular advantage of good chemical compatibility and adhesion the surface of the hotplate with an even lower coefficient of expansion than a cermet.
  • the electrically conductive intermediate layer is also preferably produced by thermal spraying.
  • the ceramic insulating layer can have a lower dielectric strength, about 1,500 volts being sufficient in the cooking mode.
  • a fuse known per se is triggered during the electrical breakdown from the heating conductor to the hotplate as a result of its grounding.
  • the layers take up a decreasing area towards the heating conductor layer.
  • the layers are preferably centered with respect to one another, in particular arranged concentrically with one another. A gradual, steady transition in the edge area to the adjacent layer avoids tensions in the edge area.
  • Such a layout prevents the peripheral layers from detaching from the adjacent layers under the influence of thermal stresses.
  • the formation of the layers as circular layers has proven to be particularly advantageous since the thermally induced voltages during operation are the least. In addition, however, it is also possible, depending on the application, to use differently shaped layers, for example square or oval layers. If the hob has several hotplates, for example 4 hotplates, the insulating layer and the associated other layers are preferably only in the area of the respective hotplate in order to keep the total voltages as low as possible.
  • the individual layers of the insulating layer preferably consist of aluminum oxide, which has particularly good adhesion and particularly good dielectric strength.
  • layers of mullite, cordierite, aluminum oxide with additions of titanium oxide, zirconium oxide or mixtures of zirconium oxide and magnesium oxide are conceivable.
  • Mullite and cordierite have the advantage of a lower coefficient of thermal expansion, but do not have as good adhesion to a glass ceramic surface as aluminum oxide.
  • an adhesion promoter layer which consists, for example, of aluminum oxide, titanium oxide or mixtures thereof, would preferably have to be sprayed onto the surface of the glass ceramic before the insulating layer of mullite or cordierite can be sprayed on.
  • the hotplate has on its side facing the heating conductor layer an annularly closed recess which runs in the vicinity of the edge region of the layer sprayed onto the hotplate. This measure also contributes to reducing tensions in the edge area.
  • Fig. 1 shows a cross section of a first embodiment of a ceramic hob according to the invention
  • Fig. 2 shows a cross section of a slightly modified embodiment of a ceramic hob according to the invention compared to the embodiment of FIG. 1.
  • a ceramic hob according to the invention is generally designated by the number 10.
  • the ceramic hob 10 has a hotplate 12 made of glass ceramic, such as Ceran® from Schott, which is flat and is used to hold cooking vessels.
  • the underside of the hotplate 12 is provided at the points at which heating is to be made possible with an insulating layer, designated as a whole by the number 14, on the underside of which a heating conductor layer 22 is applied.
  • such a ceramic hob 10 can have a plurality of hotplates, such as four hotplates for household use. However, only a single hotplate is shown in FIGS. 1 and 2.
  • 1 consists of three sub-layers 16, 18, 20, each of which is applied to the hotplate 12 or the layer underneath by thermal spraying.
  • the individual layers 16, 18, 20 are preferably circular and have a decreasing surface toward the heat conductor layer 22, the individual layers 16, 18, 20 being arranged concentrically with one another.
  • the individual insulating layers 16, 18, 20 can consist, for example, of aluminum oxide and each have a porosity that decreases from the hotplate 12 in the direction of the heating conductor layer 22.
  • the first partial layer which is applied to the surface of the hotplate by thermal spraying, could have a porosity of the order of 15 to 20 percent by volume have, while the subsequent sub-layer 18 could have a porosity of about 5 to 10 percent by volume and the last sub-layer 20 could have the lowest possible porosity, about 1% or less.
  • All of the layers 16, 18, 20 are applied by thermal spraying (preferably atmospheric plasma spraying).
  • the total thickness of the insulating layer 14 when using aluminum oxide is up to about 500 micrometers.
  • the hotplate 12 is not pretreated by the usual roughening, since this would lead to damage to the glass ceramic surface, but only cleaned, e.g. degreased with acetone.
  • a heating conductor layer 22 is produced on the underside of the lowermost partial layer 20 of the insulating layer 14.
  • This heating conductor layer 22 contains a meandering winding heating conductor 24 which can be produced in a conventional manner, for example by a screen printing method.
  • a thermal spraying process in connection with a masking process can be used to produce the heating conductor 24, which has advantages over the conventional production by a screen printing process, since in the screen printing process the metallic conductors usually have a glassy portion of more than 5%, so that the flow temperatures can be reduced in the case of layer penetration. However, this glass portion reduces the metallic, conductive portion of the sub-segments of the respective conductor track.
  • the conductor track which has a locally increased proportion of glass, has an area with a higher resistance, which can possibly lead to overheating and material failure when the current flows through.
  • laser spraying also offers particular advantages, since it can be used to produce webs particularly well.
  • the individual insulating layers 16, 18, 20 preferably consist of aluminum oxide, with which particularly good adhesion can be achieved on the surface of the hotplate 12. At the same time, aluminum oxide has good dielectric strength.
  • the graded structure with the porosities decreasing towards the heating conductor layer 22 eliminates the problems caused by thermally induced stresses, which are caused by differences in the coefficients of thermal expansion of approximately 8.0 at 10 ⁇ 6 K "1 for Al 2 0 3 and of approximately ⁇ 0.15 x 10 "6 K " 1 for Ceran ® , significantly reduced.
  • cordierite (2MgO »2Al 2 0 3 « 5Si0 2 or mullite (3Al 2 0 3 »2Si0 2 ) as ceramic insulating material, since this has a significantly lower coefficient of thermal expansion ⁇ of about 2.2 to 2.4 x Has 10 ⁇ 6 K “1 for cordierite or from about 4.3 to 5.0 10 " 5 K '1 for mullite.
  • a thin adhesion promoter layer in the order of magnitude of approximately 10 to 150 micrometers, preferably approximately 50 to 100 micrometers, would first have to be sprayed onto the surface of the glass ceramic before the subsequent insulating layers are applied.
  • aluminum oxide, titanium oxide or mixtures thereof are suitable as the adhesion promoter layer.
  • annular recess 30 or groove can be seen in FIG. 1, which is located on the underside of the hotplate 12 and surrounds the edge of the insulating layer 16 in a ring. This deepening helps to reduce tension in this area.
  • a modification of the ceramic hob according to the invention is generally designated by the number 10 '.
  • This embodiment differs from the previously described embodiment in that the insulating layer 14 'consists of only two sub-layers 16', 18 ', and in that an intermediate layer 26 of electrically conductive material was produced between the insulating layer 14' and the hotplate 12. This intermediate layer 26 is grounded, as indicated by the number 28.
  • a fuse of the hotplate 12 which is known per se and is not shown, is triggered during the electrical breakdown from the heating conductor 24 to the hotplate 12 as a result of its grounding.
  • the insulating layer 14 'can have a smaller total layer thickness, since its dielectric strength now only has to be 1,500 volts at operating temperature in order to ensure the necessary safety according to VDE.
  • the intermediate layer 26 could theoretically consist of metal, but this would in turn mean disadvantages due to the significantly higher coefficient of thermal expansion of metals. It is therefore preferred to produce the intermediate layer 26 from an electrically conductive ceramic, such as Ti0 2 , which experiences such a strong oxygen depletion during the thermal spraying process that it becomes electrically conductive.
  • a further alternative to producing the intermediate layer 26 is to use a cermet, for example made of a nickel / chrome / cobalt alloy, in which carbides, such as tungsten carbide particles and chrome carbide particles, are embedded.
  • the heating conductor layer 22 is in turn preferably produced by thermal spraying in conjunction with a masking process on the underside of the lowermost partial layer 18 'of the insulating layer 14'.
  • the individual layers 16, 18, 20 according to FIG. 1 or 26, 16 ', 18' according to FIG. 2 gradually run out at their edges to the adjacent layer, so that continuous transitions occur. This counteracts the risk of delamination in the edge area.

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Description

Keramik-Kochfeld
Die Erfindung betrifft ein Keramik-Kochfeld mit einer Kochplatte aus Glaskeramik oder Glas mit einer elektrischen Heizleiterschicht, und mit einer Isolierschicht zwischen der Kochplatte und der Heizleiterschicht.
Ein derartiges Keramik-Kochfeld ist bspw. aus der DE 31 05 065 C2 oder aus der US 6 037 572 bekannt. Das bekannte Keramik-Kochfeld weist eine Kochplatte aus einer Glaskeramik auf, an deren Unterseite eine geerdete Metallschicht aufgespritzt ist, auf die wiederum eine Isolierschicht aus Aluminiumoxid aufgespritzt ist. An der Unterseite der keramischen Isolierschicht ist ein Heizleiter mittels einer Drucktechnik aufgebracht.
Mit einem derartigen Keramik-Kochfeld kann eine energiesparen- dere Heizung erfolgen als bei bisher bekannten Keramik- Kochfeldern, bei denen die Beheizung im wesentlichen mittels Strahlungsenergie erfolgt. Die Ankochleistung steigert sich hierbei erheblich.
Die Isolierschicht zwischen Heizleiterschicht und Kochplatte ist notwendig, da eine Glaskeramik, wie etwa Ceran®, eine NTC- Charakteristik besitzt, das heißt, bei ansteigenden Temperaturen nimmt die elektrische Leitfähigkeit merklich zu.
Die elektrische Isolierschicht muß daher bei Betriebstemperaturen eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 3.750 Volt aufweisen, um die notwendige Betriebssicherheit nach VDE sicherzustellen.
Hierzu ist es notwendig, die keramische Isolierschicht mit einer erheblichen Schichtdicke zu erzeugen, zum Beispiel etwa 200 - 500 Mikrometer bei der Verwendung von Al203 als Isolierschicht .
Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei derart hohen Schichtdicken das Keramikmaterial zur Rißbildung neigt und daß darüber hinaus die thermischen Spannungen, die aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Glaskeramik (+ 0,15 x 10-6 K"1) und Keramik (* 8,0 x 10~6 K"1 bei A1203) erhebliche thermische Spannungen während des Betriebes entstehen, so daß die keramische Isolierschicht zum Abplatzen neigt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Keramik-Kochfeld zu schaffen, bei dem der Schichtenverbund eine hohe Stabilität im Langzeitbetrieb besitzt und gleichzeitig die notwendige elektrische Durchschlagsfestigkeit der Isolierschicht sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Keramik-Kochfeld gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Isolierschicht aus einer Mehrzahl von Schichten besteht, die eine zur Heizleiterschicht hin abnehmende Porosität aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Es hat sich nämlich gezeigt, daß durch die spezielle Verwendung derartiger gradierter Schichten eine allmähliche Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glaskeramik erreicht werden kann. Eine höhere Porosität führt zu einer Verminderung des Elastizitätsmoduls und damit zu einer verbesserten Spannungstoleranz gegenüber thermischen Spannungen. Somit kann durch die Aufteilung der Isolierschicht in mindestens zwei Einzelschichten, von denen die erste mit einer höheren Porosität in Kontakt mit der Kochplatte steht, und die zweite mit einer niedrigeren Porosität der Heizleiterschicht zugewandt ist, eine bessere Toleranz gegenüber Spannungen erreicht werden. Insbesondere wird die Gefahr einer Rißbildung auch bei einer größeren Gesamtdicke der Isolierschicht vermieden. Gleichzeitig ist eine gute Stabilität des gesamten Schichtenverbundes auch gegenüber den stark schwankenden Temperaturbedingungen während des Betriebes eines solchen Keramik-Kochfeldes gewährleistet.
Die einzelnen Schichten der Isolierschicht sind vorzugsweise durch thermisches Spritzen hergestellt.
Dabei können die verschiedenen Porositäten der einzelnen Schichten durch unterschiedliche Pulverqualitäten oder durch den Einsatz unterschiedlicher Brenner, vorzugsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), oder durch Variation der Prozeßparameter während des Beschichtungsprozesses erzeugt werden.
Zusätzlich kann zwischen der Isolierschicht und der Kochplatte eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht vorgesehen sein, die vorzugsweise geerdet wird.
Diese elektrisch leitfähige Zwischenschicht besteht in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung aus einem Cermet oder einer elektrisch leitfähigen Keramik. Während durch ein Cermet eine gute elektrische Leitfähigkeit bei einem gleichzeitig relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sichergestellt ist, bietet die Verwendung einer elektrisch leitfähigen Keramik, wie sie etwa aus Ti02 durch Sauerstoffabreicherung während des thermischen Spritzens entsteht, den besonderen Vorteil einer guten chemischen Verträglichkeit und Haftung auf der Oberfläche der Kochplatte bei einem gleichzeitig noch niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als bei einem Cermet.
Auch die elektrisch leitfähige Zwischenschicht ist vorzugsweise durch thermisches Spritzen hergestellt. Durch die Verwendung einer derartigen elektrisch leitfähigen, geerdeten Zwischenschicht kann die keramische Isolierschicht eine geringere Durchschlagsfestigkeit aufweisen, wobei etwa 1.500 Volt im Kochbetrieb ausreichend sind. Im Fehlerfall wird beim elektrischen Durchschlag vom Heizleiter auf die Kochplatte infolge deren Erdung eine an sich bekannte Sicherung ausgelöst.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung nehmen die Schichten zur Heizleiterschicht hin eine abnehmende Fläche ein.
Dabei sind die Schichten vorzugsweise zueinander zentriert, insbesondere zueinander konzentrisch angeordnet. Durch einen allmählichen, stetigen Übergang im Randbereich zur jeweils benachbarten Schicht werden Spannungen im Randbereich vermieden.
Durch ein derartiges Layout wird so vermieden, daß sich die Randschichten unter dem Einfluß von thermischen Spannungen von den benachbarten Schichten ablösen können.
Ohne ein derartiges Layout besteht eine vergrößerte Gefahr der Schichtablösung insbesondere im Randbereich.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Ausbildung der Schichten als kreisförmige Schichten herausgestellt, da so die thermisch induzierten Spannungen während des Betriebes am geringsten sind. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, je nach Anwendungsfall, anders geformte Schichten, zum Beispiel quadratische oder ovale Schichten, zu verwenden. Weist das Kochfeld mehrere Kochstellen, z.B. 4 Kochstellen auf, so befindet sich die Isolierschicht und die zugehörigen anderen Schichten vorzugsweise nur im Bereich der jeweiligen Kochstelle, um die Gesamtspannungen so niedrig wie möglich zu halten.
Die einzelnen Schichten der Isolierschicht bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxid, das eine besonders gute Haftung und eine besonders gute Durchschlagsfestigkeit aufweist. Daneben sind Schichten aus Mullit, aus Cordierit, aus Aluminiumoxid mit Zusätzen von Titanoxid, aus Zirkonoxid oder Mischungen von Zir- konoxid und Magnesiumoxid denkbar. Mullit und Cordierit weisen den Vorteil eines geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, besitzen jedoch eine nicht so gute Haftung auf einer Glaskeramikoberfläche wie Aluminiumoxid. Außerdem ist es nicht möglich, Schichten aus Mullit oder Cordierit unmittelbar durch thermisches Spritzen auf einer Glaskeramikoberfläche zu erzeugen, da diese hierdurch beschädigt wird.
Hierzu müßte vorzugsweise zunächst eine Haftvermittlerschicht, die etwa aus Aluminiumoxid, aus Titanoxid oder Mischungen hiervon besteht, auf die Oberfläche der Glaskeramik aufgespritzt werden, bevor die Isolierschicht aus Mullit oder Cordierit aufgespritzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Kochplatte an ihrer der Heizleiterschicht zugewandten Seite eine ringförmig geschlossene Vertiefung auf, die in der Nähe des Randbereiches der auf die Kochplatte aufgespritzten Schicht verläuft. Diese Maßnahme trägt zusätzlich zum Abbau von Spannungen im Randbereich bei.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht 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 einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Keramik-Kochfeldes und
Fig. 2 einen Querschnitt einer gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 leicht abgewandelten Ausführung eines erfindungsgemäßen Keramik-Kochfeldes .
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Keramik-Kochfeld insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
Es versteht sich, daß die Darstellung lediglich beispielhaft ist und daß insbesondere die Größenverhältnisse nicht maßstabsgerecht sind.
Das Keramik-Kochfeld 10 weist eine Kochplatte 12 aus Glaskeramik, etwa aus Ceran® von Schott auf, die eben ausgebildet ist und zur Aufnahme von Kochgefäßen dient. Die Unterseite der Kochplatte 12 ist an den Stellen, an denen eine Heizung ermöglicht werden soll, mit einer als Ganzes mit der Ziffer 14 bezeichneten Isolierschicht versehen, auf deren Unterseite eine Heizleiterschicht 22 aufgebracht ist.
Es versteht sich, daß ein derartiges Keramik-Kochfeld 10 eine Mehrzahl von Kochstellen aufweisen kann, wie etwa 4 Kochstellen für den Haushaltsgebrauch. In den Figuren 1 und 2 ist jedoch nur eine einzige Kochstelle dargestellt.
Die Isolierschicht gemäß Fig. 1 besteht aus drei Teilschichten 16, 18, 20, die jeweils durch thermisches Spritzen auf die Kochplatte 12 bzw. die darunter liegende Schicht aufgetragen sind.
Die einzelnen Schichten 16, 18, 20 sind vorzugsweise kreisförmig ausgebildet und weisen zur Heizleiterschicht 22 hin eine abnehmende Oberfläche auf, wobei die einzelnen Schichten 16, 18, 20 zueinander konzentrisch angeordnet sind.
Durch diese Maßnahme würde der Ablösung von Schichten im Randbereich entgegengewirkt.
Die einzelnen Isolierschichten 16, 18, 20 können bspw. aus Aluminiumoxid bestehen und weisen jeweils eine Porosität auf, die von der Kochplatte 12 in Richtung zur Heizleiterschicht 22 hin abnimmt .
So könnte bspw. die erste Teilschicht, die auf die Oberfläche der Kochplatte durch thermisches Spritzen aufgetragen ist, eine Porosität in der Größenordnung von 15 bis 20 Volumenprozent aufweisen, während die nachfolgende Teilschicht 18 eine Porosität von etwa 5 bis 10 Volumenprozent besitzen könnte und die letzte Teilschicht 20 eine möglichst geringe Porosität besitzen könnte, etwa von 1 % oder darunter.
Sämtliche der Schichten 16, 18, 20 sind durch thermisches Spritzen (vorzugsweise atmosphärisches Plasmaspritzen) aufgetragen.
Um eine ausreichend hohe Durchschlagsfestigkeit sicherzustellen, d.h. mindestens 3.750 Volt bei Betriebstemperatur liegt die Gesamtdicke der Isolierschicht 14 bei der Verwendung von Aluminiumoxid bei bis zu etwa 500 Mikrometer.
Vor dem thermischen Spritzen wird die Kochplatte 12 nicht durch das übliche Aufrauhstrahlen vorbehandelt, da dies zu einer Schädigung der Glaskeramikoberfläche führen würde, sondern lediglich gereinigt, z.B. mit Azeton entfettet.
Die genaue Abgrenzung der jeweiligen Schichten 16, 18, 20 von der darunterliegenden Oberfläche kann jeweils durch ein Maskierverfahren sichergestellt werden.
Auf der Unterseite der untersten Teilschiσht 20 der Isolierschicht 14 wird eine Heizleiterschicht 22 erzeugt. Diese Heizleiterschicht 22 enthält einen mäanderförmig gewundenen Heizleiter 24, der bspw. durch ein Siebdruckverfahren in herkömmlicher Weise erzeugt werden kann. Alternativ bietet sich zur Erzeugung des Heizleiters 24 wiederum ein thermisches Spritzverfahren in Verbindung mit einem Maskierverfahren an, was Vorteile gegenüber der herkömmlichen Erzeugung durch ein Siebdruckverfahren hat, da beim Siebdruckverfahren die metallischen Leiter einen glasigen Anteil von meist mehr als 5 % besitzen, damit die Fließtemperaturen bei Schichteneinbrand gesenkt werden können. Dieser Glasanteil reduziert jedoch den metallischen, leitenden Anteil der Teilsegmente der jeweiligen Leiterbahn. Die Leiterbahn, die einen lokal erhöhten Glasanteil hat, besitzt einen Bereich mit höherem Widerstand, was beim Stromdurchfluß gegebenenfalls zur Uberhitzung und zum Materialversagen führen kann.
Diese Probleme werden bei einem thermisch gespritzten Heizleiter 22 vermieden.
Besondere Vorteile bietet hierbei auch die Anwendung des Laser- spritzens, da sich hiermit Bahnen besonders gut erzeugen lassen.
Die einzelnen Isolierschichten 16, 18, 20 bestehen vorzugsweise aus Aluminiumoxid, womit sich eine besonders gute Haftung auf der Oberfläche der Kochplatte 12 erzielen läßt. Gleichzeitig besitzt Aluminiumoxid eine gute Durchschlagsfestigkeit. Durch den gradierten Aufbau mit den zur Heizleiterschicht 22 hin abnehmenden Porositäten werden die Probleme durch thermisch bedingte Spannungen, die durch Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 8,0 bei 10~6 K"1 für Al203 und von etwa ± 0,15 x 10"6 K"1 für Ceran® bestehen, deutlich reduziert. Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Cordierit (2MgO»2Al203«5Si02 oder Mullit ( 3Al203»2Si02) als keramisches Isoliermaterial, da dies einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α von etwa 2,2 bis 2,4 x 10~6 K"1 für Cordierit bzw. von etwa 4,3 bis 5,0 10"5 K'1 für Mullit aufweist.
Es ist jedoch nicht möglich, eine Mullit-Schicht oder eine Cor- dierit-Schicht unmittelbar auf eine Glaskeramik durch thermisches Spritzen aufzutragen, da dies zur Rißbildung und Schädigung der Oberfläche der Glaskeramik führt.
In diesem Fall müßte zunächst eine dünne Haftvermittlerschicht in der Größenordnung von etwa 10 bis 150 Mikrometer, vorzugsweise von etwa 50 bis 100 Mikrometer auf die Oberfläche der Glaskeramik aufgespritzt werden, bevor die nachfolgenden Isolierschichten aufgetragen werden.
Als Haftvermittlerschicht eignet sich bspw. Aluminiumoxid, Titanoxid oder Mischungen hiervon.
Zusätzlich ist in Fig. 1 noch eine ringförmige Vertiefung 30 oder Rille erkennbar, die sich an der Unterseite der Kochplatte 12 befindet und den Rand der Isolierschicht 16 ringförmig umschließt. Diese Vertiefung trägt zum Spannungsabbau in diesem Bereich bei.
In Fig. 2 ist eine Abwandlung des erfingungsgemäßen Keramik- Kochfeldes insgesamt mit der Ziffer 10' bezeichnet. Diese Ausführung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführung dadurch, daß die Isolierschicht 14' lediglich aus zwei Teilschichten 16', 18' besteht, und daß zwischen der Isolierschicht 14' und der Kochplatte 12 eine Zwischenschicht 26 aus elektrisch leitfähigem Material erzeugt wurde. Diese Zwischenschicht 26 wird geerdet, wie durch die Ziffer 28 angedeutet ist.
Im Fehlerfall wird beim elektrischen Durchschlag vom Heizleiter 24 auf die Kochplatte 12 infolge deren Erdung eine an sich bekannte, nicht gezeigte Sicherung der Kochplatte 12 ausgelöst.
Durch diese Maßnahme kann die Isolierschicht 14 ' eine geringere Gesamtschichtdicke aufweisen, da deren Durchschlagsfestigkeit nunmehr lediglich 1.500 Volt bei Betriebstemperatur betragen muß, um die notwendige Sicherheit nach VDE zu gewährleisten.
Dies führt dazu, daß die gesamte Schichtdicke der Isolierschicht 14 ' nur noch etwa halb so groß oder sogar geringer ausgeführt sein kann, wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1.
Während bei der Ausführung gemäß Fig. 1 eine Schichtdicke der Isolierschicht 14 von bis zu etwa 500 Mikrometer notwendig ist, ergibt sich eine entsprechende Reduzierung der Schichtdicke 14 ' bei Verwendung der geerdeten Zwischenschicht 26.
Die Zwischenschicht 26 könnte theoretisch aus Metall bestehen, was jedoch wiederum Nachteile infolge des deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen bedeuten würde . Es ist deshalb bevorzugt, die Zwischenschicht 26 aus einer elektrisch leitfähigen Keramik herzustellen, etwa aus Ti02, das während des thermischen Spritzvorgangs eine so starke Sauerstof abreicherung erfährt, daß es elektrisch leitfähig wird.
Eine weitere Alternative zur Erzeugung der Zwischenschicht 26 besteht in der Verwendung eines Cermets, etwa aus einer Nik- kel/Chrom/Kobalt-Legierung, in der Karbide, wie etwa Wolfram- karbidpartikel und Chromkarbidpartikel eingelagert sind.
Mit einem derartigen Cermet läßt sich eine besonders gute Leitfähigkeit gewährleisten, jedoch ist der thermische Ausdehnungskoeffizient naturgemäß höher als z.B. bei Ti02, aber immer noch geringer als bei üblichen metallischen Schichten.
Die Heizleiterschicht 22 wird wiederum, wie vorstehend bereits erwähnt, vorzugsweise durch thermischen Spritzen in Verbindung mit einem Maskierverfahren auf der Unterseite der untersten Teilschicht 18' der Isolierschicht 14' erzeugt.
Die einzelnen Schichten 16, 18, 20 gemäß Fig. 1 oder 26, 16', 18' gemäß Fig. 2 laufen an ihren Rändern jeweils allmählich zur jeweils benachbarten Schicht aus, so daß stetige Übergänge entstehen. Dadurch wird der Gefahr der Delamination im Randbereich entgegengewirkt .

Claims

Patentansprüche
1. Keramik-Kochfeld mit einer Kochplatte (12) aus Glaskeramik oder Glas, mit einer elektrischen Heizleiterschicht (22), und mit einer Isolierschicht (14; 14') zwischen der Kochplatte (12) und der Heizleiterschicht (22), dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (14; 14') aus einer Mehrzahl von Schichten (16, 18, 20; 16', 18') besteht, die eine zur Heizleiterschicht (22) hin abnehmende Porosität aufweisen.
2. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten (16, 18, 20; 16', 18') der Isolierschicht (14; 14')durch thermisches Spritzen hergestellt sind.
3. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Isolierschicht (14') und der Kochplatte (12) eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht (26) vorgesehen ist.
4. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Zwischenschicht (26) aus einem Cermet oder einer elektrisch leitfähigen Keramik besteht .
5. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Zwischenschicht (26) durch thermisches Spritzen hergestellt ist.
6. Keramik-Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (16, 18, 20; 16', 18") zur Heizleiterschicht (22) hin eine abnehmende Fläche einnehmen.
7. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (16, 18, 20; 16', 18') zueinander zentriert, insbesondere zueinander konzentrisch angeordnet sind.
8. Keramik-Kochfeld nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (16, 18, 20; 16', 18') in ihrem jeweiligen Randbereich allmählich zur jeweils benachbarten Schicht übergehen.
9. Keramik-Kochfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (14; 14') aus Aluminiumoxid, aus Mullit, aus Cordierit, aus Aluminiumoxid mit Zusätzen von Titanoxid, aus Zirkonoxid oder Mischungen von Zirkonoxid und Magnesiumoxid besteht.
10. Keramik-Kochfeld nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kochplatte (12) an ihrer der Heizleiterschicht (22) zugewandten Seite eine ringförmig geschlossene Vertiefung aufweist, die in der Nähe des Randbereiches der auf die Kochplatte (12) au gespritzten Schicht (16, 26) verläuft.
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