EP1368993A1 - Keramisches kochsystem mit glaskeramikplatte, isolationsschicht und heizelementen - Google Patents

Keramisches kochsystem mit glaskeramikplatte, isolationsschicht und heizelementen

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EP1368993A1
EP1368993A1 EP02722143A EP02722143A EP1368993A1 EP 1368993 A1 EP1368993 A1 EP 1368993A1 EP 02722143 A EP02722143 A EP 02722143A EP 02722143 A EP02722143 A EP 02722143A EP 1368993 A1 EP1368993 A1 EP 1368993A1
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ceramic plate
glass ceramic
cooking system
insulation layer
structural elements
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Karsten Wermbter
Holger Köbrich
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Carl Zeiss AG
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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
    • 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
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    • 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 cooking system with a glass ceramic plate, which carries on its underside an insulation layer with heating elements for direct heating of the glass ceramic plate.
  • These ceramic cooking systems with direct heating of the glass ceramic plate are characterized by high parboiling performance and have advantages over heating by means of radiant heaters in terms of efficiency and design options.
  • Ceramic cooking systems consist of a flat glass ceramic plate, on the top of which the cooking vessel to be heated is placed.
  • the glass ceramic plates include oxidic and non-oxidic ceramics, such as WO
  • an insulation layer for electrical insulation is applied between the glass ceramic plate and the heating elements. Substances with high electrical are suitable as material for this insulation layer
  • Insulation value especially AL 2 O 3 - SiO 2 - MgO material systems with materials such as corundum, mullite, periclase, spinel and cordierite as well as ZrO 2
  • the heating elements are applied to the insulation layer.
  • Thin layers can be provided over the entire surface as heating elements by sputtering or in the CVD process, SnO 2 in particular being used, as WO 00/18189 shows.
  • Another possibility is to apply thick-film conductor tracks made of silver-palladium alloys using the screen printing method, as is known from EP 0 861
  • the underside of the glass ceramic plate has a fine structure with structural elements that have a length between 10 and 250 ⁇ m and a height between 1 and 100 ⁇ m and at least partially undercuts form for interlocking with the insulation layer.
  • the fine structure is superimposed on a grid-shaped knob structure, which is chosen for reasons of better dimensional stability of the glass ceramic plate.
  • the improvement in adhesion can be achieved both in that the structural elements of the fine structure are formed in one piece with the glass ceramic plate and in that the fine structure is formed by separate structural elements applied to the glass ceramic plate. It is provided in the latter case that the structural elements consist of ceramic powder, such as AL 2 O 3 , SiO 2 , MgO, spinel, which is optionally mixed with metal oxide additives, such as Ti0 2 and alkalis, such as Na, and that Structural elements have spheroidal, angular and irregular shapes.
  • the length of the structural elements is preferably chosen between 40 and 100 ⁇ m and the height between 20 and 60 ⁇ m.
  • Fig. 2 shows a cooking system in which the fine structure is formed on the underside of the glass ceramic plate by applied structural elements
  • Fig. 3 shows a cooking system in which the fine structure of a knob structure is superimposed on the underside of the glass ceramic plate.
  • FIG. 1 shows a schematic partial section of a ceramic cooking system, the dimensions of which do not correspond to the actual circumstances but only serve to explain the invention.
  • the glass ceramic plate 10 still has a flat top for setting up the cooking vessel.
  • the underside 11 is, however, provided with a fine structure 12, which is formed by structural elements 13, which are produced by elevations and / or depressions of the surface plane.
  • These structural elements 13 have a length L parallel to the top of the glass ceramic plate 10 and a height H perpendicular thereto.
  • the length L applies in all directions and the height H applies to both depressions and elevations.
  • the structural elements 1 3 have different shapes and at least partially form undercuts so that the applied insulation layer 20 can interlock with the fine structure 12 and thus the glass ceramic plate 10. That facing away from the glass ceramic plate 10
  • the underside of the insulation layer 20 carries the heating element or elements which are formed by applied thick-layer conductor tracks 30.
  • the fine structure 1 2 can also be formed by separate structural elements 13, which are applied to the flat underside 11 of the glass ceramic plate 10.
  • irregular shapes are used for the structural elements 13, which allow partial interlocking between the insulation layer 20 and the fine structure 12 and thus glass-ceramic plate 10.
  • the fine structure 12 can also be superimposed on the underside 11 of a glass ceramic plate 10 provided with a grid-like knob structure 15. Separate structural elements 13 are used in the exemplary embodiment shown.
  • the knob structure 15 is made in one piece with the glass ceramic plate 10.
  • the shapes of the structural elements 13 can be of any type and can be spheroidal, angular and irregular.
  • ceramic powders such as AL 2 O 3 , SiO 2 , MgO and spinel are preferred, which are mixed with metal oxide additives such as TiO 2 and alkalis such as Na.

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Description

Keramisches Kochsγstem mit Glaskeramikplatte, Isolationsschicht und Heizelementen
Die Erfindung betrifft ein keramisches Kochsystem mit einer Glaskeramikplatte, die auf ihrer Unterseite eine Isolationsschicht mit Heizelementen zur direkten Beheizung der Glaskeramikplatte trägt.
Diese keramischen Kochsystem mit einer direkten Beheizung der Glaskeramikplatte zeichnen sich durch hohe Ankochleistung aus und haben gegenüber der Beheizung mittels Strahlungsheizkörper bezüglich Effizienz und Designmöglichkeiten Vorteile.
Keramische Kochsysteme bestehen aus einer ebenen Glaskeramikplatte, auf dessen Oberseite sich das zu beheizende Kochgefäß abgestellt wird. Die Glas- keramikplatten umfassen oxidische und nicht oxidische Keramiken, wie der WO
00/1 5005, der FR 2 744 1 16, der EP 0 861 014 A1 und der US 6,037,572 zu entnehmen ist. Zur elektrischen Isolation wird zwischen der Glaskeramikplatte und den Heizelementen eine Isolationsschicht für die elektrische Isolation aufgebracht. Als Material für diese Isolationsschicht eignen sich Stoffe mit hohen elektrischem
Isolationswert, vor allem Stoffsysteme AL2O3 - SiO2 - MgO mit Werkstoffen wie Korrund, Mullit, Periklas, Spinell und Cordierit sowie ZrO2
Auf der Isolationsschicht werden die Heizelemente aufgebracht. Als Heizelemente können dünne Schichten vollflächig durch Sputtern oder im CVD-Verfahren vorgesehen werden, wobei insbesondere SnO2 verwendet wird, wie die WO 00/18189 zeigt.
Eine weitere Möglichkeit besteht in dem Aufbringen von Dickschicht-Leiterbahnen aus Silber-Palladium-Legierungen im Siebdruckverfahren, wie aus der EP 0 861
014 A1 und der EP 0 069 21 8 A1 zu entnehmen ist.
Bei derartigen keramischen Kochsystemen bereitet die Aufbringung der Isolationsschicht auf der Unterseite der Glaskeramikplatte Schwierigkeiten, denn diese muss nicht nur sehr fest an der Glaskeramikplatte haften, sie muss auch eine hohe elektrische Isolationswirkung bei guter Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dies bedingt in der Regel einen nicht voll befriedigenden Kompromiss.
Es sind als Dickschicht aufgetragene Isolationsschichten nur ein keramisches Kochsystem aus AL2O3, ZrO2, MgO bekannt, die eine hohe Isolationswirkung haben. Da sie einen wesentlich größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Glaskeramikplatte aufweisen, ergeben sich gerade während des Aufheizens große Spannungen in der Isolationsschicht, die zu einem teilweisen Lösen der Haftung an der Glaskeramikplatte führen können. Werden für die Isolationsschicht besser an der Glaskeramikplatte haftende und einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten aufweisende Materialien, wie Mullit, SiO2 oder Cordierit, verwendet, dem muss aus Isolationsgründen eine dickere
Schicht aufgetragen werden, die dann zudem zu höherem Wärmeübertragungsverlust und Festigkeitseinbußen führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein keramisches Kochsystem der eingangs er-wähn- ten Art zu schaffen, bei dem eine als Dickschicht ausgebildete Isolation verwendet werden kann, ohne ein teilweises Lösen derselben von der Unterseite der Glaskeramikplatte befürchten und hohen Wärmeübergangsverlust in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass zum besseren Verbund zwischen der Glaskeramikplatte und der Isolationsschicht die Unterseite der Glaskeramikplatte eine Feinstruktur mit Strukturelementen aufweist, die eine Länge zwischen 10 und 250 μm und eine Höhe zwischen 1 und 100 μm besitzen und zumindest teilweise Hinterschnitte zur Verzahnung mit der Isolationsschicht bilden.
Durch die Feinstruktur auf der Unterseite der Glaskeramikplatte und die Ausbildung der Strukturelemente wird trotz Vergrößerung der Verbindungsfläche zwischen der Glaskeramikplatte und der Isolationsschicht aufgrund der durch die Strukturelemente erreichten Verzahnung die Haftung auch beim Aufheizen und den dabei auftretenden mechanischen Spannungen wesentlich verbessert, so dass das Auftreten von Luftbrücken durch teilweises Lösen der Isolationsschicht sicher vermieden ist. Nach einer Weiterbildung kann dabei vorgesehen sein, dass die Feinstruktur einer rasterförmigen Noppen-Struktur überlagert ist, die aus Gründen besserer Form- Stabilität der Glaskeramikplatte gewählt wird.
Die Verbesserung der Haftung lässt sich dabei sowohl dadurch erreichen, dass die Strukturelemente der Feinstruktur einstückig mit der Glaskeramikplatte ausgebildet ist, als auch dadurch, dass die Feinstruktur durch getrennte, auf die Glaskeramik- platte aufgebrachte Strukturelement gebildet ist. Dabei ist im letzteren Fall vorgesehen, dass die Strukturelemente aus keramischem Pulver, wie AL2O3, SiO2, MgO, Spinell, bestehen, das optional mit metalloxidischen Zusätzen, wie Ti02 und Alkalien, wie Na, versetzt ist, sowie dass die Strukturelemente spharoidisch, kantige und unregelmäßige Formen aufweisen.
Gute Ergebnisse werden mit einer Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die Länge der Strukturelemente vorzugsweise zwischen 40 und 100 μm und die Höhe zwischen 20 und 60 μm gewählt ist.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Kochsystem, bei dem die Glaskeramikplatte auf der Unterseite eine einstückige Feinstruktur aufweist,
Fig. 2 ein Kochsystem, bei dem die Feinstruktur auf der Unterseite der Glaskeramikplatte durch aufgebrachte Strukturelemente gebildet ist, und Fig. 3 ein Kochsystem, bei dem die Feinstruktur einer Noppen-Struktur auf der Unterseite der Glaskeramikplatte überlagert ist.
Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Teilabschnitt eines keramischen Kochsystems, der in den Abmessungen nicht den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht sondern nur zur Erläuterung der Erfindung dient.
Die Glaskeramikplatte 10 hat nach wie vor eine ebene Oberseite zum Aufstellen des Kochgefäßes. Die Unterseite 1 1 ist jedoch mit einer Feinstruktur 12 versehen, die durch Strukturelemente 13 gebildet sind, die durch Erhöhungen und/oder Vertiefungen der Oberflächenebene erzeugt werden. Diese Strukturelemente 13 weisen parallel zur Oberseite der Glaskeramiklatte 10 eine Länge L und senkrecht dazu eine Höhe H auf. Dabei gilt die Länge L in allen Richtungen und die Höhe H sowohl für Vertiefungen als auch für Erhöhungen. Die Strukturelemente 1 3 haben unterschiedliche Formen und bilden zumindest teilweise Hin-terschnitte, damit sich die aufgebrachte Isolationsschicht 20 mit der Feinstruktur 12 und damit der Glaskeramikplatte 10 verzahnen kann. Die der Glaskeramikplatte 10 abgekehrte
Unterseite der Isolationsschicht 20 trägt das oder die Heizelemente, welche durch aufgebrachte Dickschicht-Leiterbahnen 30 ge-bildet sind.
Wie am Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 gezeigt ist, kann die Feinstruktur 1 2 auch durch getrennte Strukturelemente 13 gebildet werden, die auf der ebenen Unterseite 1 1 der Glaskeramikplatte 10 aufgebracht sind. Auch hier werden unregelmäßige Formen für die Strukturelemente 13 verwendet, die eine teilweise Verzahnung zwischen Isolationsschicht 20 und Feinstruktur 12 und damit Glas-keramik- platte 10 zulassen. Wie anhand des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 gezeigt ist, kann die Feinstruktur 12 auch einer mit einer rasterförmigen Noppen-Struktur 1 5 versehenen Unter- seite 1 1 einer Glaskeramikplatte 10 überlagert werden. Dabei sind im gezeigten Ausführungsbeispiel getrennte Strukturelemente 13 verwendet. Die Noppen- Struktur 1 5 ist einstückig mit der Glaskeramikplatte 10 hergestellt.
Für die Länge L haben sich Abmessungen zwischen 10 und 250 μm und für die Höhe H zwischen 10 und 100 μm als geeignet erwiesen, vorzugsweise werden
Längen L zwischen 40 und 100 μm und Höhen H zwischen 20 und 60 μm gewählt.
Die Formen der Strukturelemente 13 können beliebig sein und sphäroidisch, kantig und unregelmäßig sein.
Werden getrennte Sturkturelemente 13 auf die Unterseite 1 1 der Glaskeramikplatte 10 aufgebracht, dann werden keramische Pulver, wie AL2O3, Si02, MgO und Spinell bevorzugt, die mit metalloxidischen Zusätzen, wie TiO2 und Alkalien, wie Na, versetzt sind.

Claims

A n s p r ü c h e
1 . Keramisches Kochsystem mit einer Glaskeramikplatte, die auf ihrer Unterseite eine Isolationsschicht mit Heizelementen zur direkten Beheizung der Glaskeramikplatte trägt, dadurch gekennzeichnet, dass zum besseren Verbund zwischen der Glaskeramikplatte (10) und der Isolationsschicht (20) die Unterseite (1 1 ) der Glaskeramikplatte ( 10) eine Feinstruktur (12) mit Strukturelementen ( 13) aufweist, die eine Länge (L) zwischen 10 und 250 μm und eine Höhe (H) zwischen 1 und 100 μm besitzen und zumindest teilweise Hinterschnitte zur Verzahnung mit der Isolationsschicht (20) bilden.
2. Kochsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur (1 2) einer rasterförmigen Noppen-Struktur (1 5) überlagert ist.
3. Kochsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (1 3) der Feinstruktur (1 2) einstückig mit der Glaskeramikplatte (10) ausgebildet ist.
4. Kochsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstruktur (12) durch getrennte, auf die Glaskeramikplatte ( 10) aufgebrachte Strukturelement (1 3) gebildet ist.
5. Kochsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (13) aus keramischem Pulver, wie AL2O3, SiO2,
MgO, Spinell, bestehen.
6. Kochsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Pulver mit metalloxidischen Zusätzen, wie TiO2 und
Alkalien, wie Na, versetzt ist.
7. Kochsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (1 3) sphäroidische, kantige und unregelmäßige
Formen aufweisen.
8. Kochsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Strukturelemente ( 13) vorzugsweise zwischen 40 und 100 μm und die Höhe (H) zwischen 20 und 60 μm gewählt ist.
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