[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Anordnung eines elektrischen Heizelementes
als Kochzone mit einer sehr gut wärmeleitenden Keramik als Träger, in einer Aussparung
einer Fläche aus Glaskeramik, Glas, Keramik, Metall oder Kunststoff.
[0002] Kochgeräte mit Glaskeramikkochflächen sind bekannt. Die Beheizung der Kochzonen erfolgt
bei diesen Geräten in der Regel mittels im Bereich der Kochzonen unterhalb der Glaskeramikkochfläche
angeordneter elektrisch oder gasbetriebener Beheizungseinrichtungen. Dies können z.B.
elektrisch betriebene Kontaktoder Strahlungsheizelemente oder aber auch Gasstrahlungsbrenner
sein. Als nachteilig wird die verzögerte Wärmeabgabe durch die Platte hindurch an
das zu erhitzende Gut mit einer dementsprechend geringeren Energieausnutzung (Wirkungsgrad)
des Heizmediums und daraus resultierend eine längere Ankochdauer empfunden.
[0003] Die Verwendung von elektrischen Heizelementen als Kochzonen bzw. Kochplatten mit
einer elektrisch isolierenden, aber sehr gut wärmeleitenden Keramik als Träger bei
Elektrokochgeräten ist an sich bekannt, beispielsweise aus der EP 0 069 298 B1. In
dieser Schrift wird u.a. auf die aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen
thermischen Ausdehnung sowie gleichzeitig hohen Temperaturwechselbeständigkeit besondere
Eignung von Siliziumnitrid als Kochplattenmaterial hingewiesen. Gemäß dieser Europäischen
Patentschrift besitzt das Material eine hohe mechanische Festigkeit und kann daher
als dünne Platte ausgebildet werden. Hieraus resultiert eine geringe Wärmekapazität
der Platte, so daß auch eine schnelle trägheitslose Regulierbarkeit der Wärmezufuhr
gewährleistet ist.
[0004] Die WO 96/09738 hat ebenfalls ein elektrisches Heizelement zum Gegenstand, das einen
elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Träger aus Keramik, insbesondere aus Siliziumnitrid
und eine darauf angebrachte elektrisch leitende, mit elektrischen Kontakten versehene
Schicht oder Folie aufweist, wobei der Träger plattenförmig und so massiv ausgebildet
ist, daß er als Wärmesenke wirkt.
[0005] Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Keramik ist der Wärmefluß durch die Kochplatten
auf das zu erhitzende Gut besonders groß: Aufheizgeschwindigkeit, Reaktionsgeschwindigkeit
und die Energieausnutzung sind daher hier besonders vorteilhaft.
[0006] Andererseits ist es aufgrund der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit der Keramik nicht,
wie im Falle von Kochgeräten mit Glaskeramikkochflächen möglich, eine einstückige
Kochfläche zu benutzen, da dann die Wärme aus dem Heißbereich abfließen würde. Die
Energieausnutzung würde in einem solchen Falle verschlechtert und die am Rahmen des
Gerätes zulässigen Temperaturen würden überschritten werden. Es ist daher erforderlich,
ein solches Heizelement als Kochzone mit einer sehr gut wärmeleitenden Keramik als
Träger thermisch isoliert in eine Grundplatte einzufügen.
[0007] Die hohe Wärmeleitfähigkeit des keramischen Materials verhindert weiterhin die Ausbildung
von Mehrkreiskochzonen mit an das Kochgeschirr angepaßten Durchmessern oder Bräterzonen
mit unabhängig voneinander schalt- und steuerbaren Zonen, wie sie bei Glaskeramikkochflächen
bereits seit Jahren bekannt und allgemein mit Nutzen im Gebrauch sind. Benachbarte
Zonen würden sich hier nämlich gegenseitig miterhitzen.
[0008] Kochgeräte, deren Kochzonen ausschließlich durch Keramikkochplatten mit sehr hoher
Wärmeleitung gebildet werden, weisen somit trotz der genannten Vorteile gegenüber
Kochgeräten mit Glaskeramikkochflächen oder -zonen eine ganze Reihe von Nachteilen
auf.
[0009] Diese Nachteile berücksichtigt das Deutsche Gebrauchsmuster 297 02 418.3, das ein
Kochgerät mit Glaskeramikkochfläche mit mehreren Kochzonen zum Gegenstand hat, von
denen wenigstens eine als Schnellkochzone ausgebildet ist, wobei die Kochzonen im
wesentlichen mittels elektrisch betriebener Heizeinrichtungen beheizbar sind und die
Schnellkochzone durch eine in die Glaskeramikkochfläche integrierte Keramikkochplatte
gebildet wird, wobei die Keramikkochplatte aus Si
3N
4 oder SiC bestehen kann.
Gemäß dieses Gebrauchsmusters ist die Keramikkochplatte entweder direkt in die Glaskeramikkochfläche
eingefügt, oder mittels eines Silikonklebers in eine entsprechende Aussparung in der
Glaskeramikkochfläche eingeklebt, oder die Keramikkochplatte ist in eine Platte aus
thermisch isolierender Keramik, aus Metall oder vorgespanntem Glas eingefügt und diese
wiederum in eine Aussparung der Glaskeramikkochfläche.
[0010] Alle diese Füge- und Klebeearten haben aber in der Praxis und im Langzeiteinsatz
erhebliche Nachteile.
Keramikplatten besitzen eine nicht zu vernachlässigende Wärmeausdehnung. Da eine Kochplatte
aus Keramik sich somit im Betrieb ausdehnt, dürfen bei Fügung beispielsweise mit spröden
Materialien, wie Glaskeramik, Glas oder Keramik keine hohen Betriebstemperaturen auftreten.
Alternativ kann mit einem dauerhaft elastischen Material geklebt werden. Aber auch
diese dauerhaft elastischen Materialien sind nur bis ca. 300°C beständig.
Weiterhin liegt die Abschreckfestigkeit der Keramikscheiben typisch bei etwa 300 K.
[0011] Die Betriebstemperatur von solchen Keramikkochplatten ist daher auf etwa 250°C bis
maximal 300°C beschränkt. Um die Keramikkochplatte aber bei diesen niedrigeren Temperaturen
nutzen zu können, ist es notwendig, teure spezielle Töpfe mit einem sehr planen und
ebenfalls sehr gut wärmeleitenden Boden zu verwenden.
Dem gegenüber werden bei handelsüblichen Geschirren aufgrund der fehlenden Planizität
der Böden Kochzonentemperaturen bis zu 600°C benötigt, um das zu erhitzende Gut zügig
zum Kochen zu bringen.
Bei Kochgeräten mit Keramikkochplatten sind hierzu also zusätzlich spezielle Temperatursensoren
und Regelvorrichtungen erforderlich.
[0012] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung vorzustellen, bei
der ein elektrisches Heizelement als Kochzone mit einer elektrisch isolierenden, aber
sehr gut wärmeleitenden Keramik als Träger, in einer Aussparung eine Kochfläche aus
Glaskeramik oder einer Fläche aus Glas oder Keramik, Metall oder Kunststoff ohne Verkleben
integriert wird, wobei die Anordnung elektrisch sicher, hoch temperaturbeständig (400
bis 500°C) und dicht gegen Eindringen von Flüssigkeiten in das Innere des Gerätes
ist.
[0013] Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung die jeweiligen, besonderen Eigenschaften der
beteiligten Materialien bei dieser Anordnung zu berücksichtigen und eine deutlich
höhere Betriebstemperatur der keramischen Heizelemente von bis zu 500°C zu ermöglichen.
[0014] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der keramische Träger des Heizelementes auf
Bereichen der Fläche, die von der Hauptebene der plattenförmig ausgebildeten Fläche
unter Ausbildung von kreislinienförmig, oval oder elliptisch verlaufenden Erhöhungen,
wie Kreiskegelstümpfen, Kugelsegmenten und/oder Kreiskegeln abweichen und den Rand
der Aussparung definieren, übergreifend aufliegt, wobei diese erhöhte Auflage des
Heizelementes als Lager und die Unterseite der Fläche als Widerlager, für eine unter
der Hauptebene der Fläche angeordnete, die Aussparung nach unten abschließende Abdeckung
dient, und mittels mit dem Heizelement fest, und der Abdeckung lösbar fest verbundener
Befestigungselemente das Heizelement in der Aussparung der Fläche form- und kraftschlüssig
fixiert ist.
[0015] So wird nach der vorliegenden Erfindung die Halterung der keramischen Heizelemente
durch eine einfache Klemmvorrichtung gewährleistet. Eine spezielle Abdichtung, die
wiederum die Betriebstemperatur begrenzen würde, ist dabei nicht unbedingt erforderlich,
da durch die spezielle Formgebung, in bevorzugter Ausführungsform kegelstumpf- oder
kugelsegmentartige Ausbuchtungen, das Eindringen von Flüssigkeit zwischen keramischem
Heizelement und Formkörper verhindert wird.
[0016] In bevorzugter Ausführungsform handelt es bei dem Formkörper um eine vorgespannte
Glas- oder Glaskeramik-Oberfläche, die rundumlaufend im Randbereich um das keramische
Heizelement nach oben gebogen ist.
[0017] In einer Ausführungsform ist die, die Aussparung in der Fläche nach unten abschließende
und unter der Hauptebene der Fläche angeordnete Abdeckung durch geeignete Formgebung
einteilig aus der Fläche selbst ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist
diese Abdeckung als separates Teil, insbesondere aus Metall oder Kunststoff, ausgebildet.
[0018] Die Abdeckung verfügt dabei entweder über Öffnungen, insbesondere über Rastaufnahmen,
mittels derer die mit dem Heizelement fest verbundenen Befestigungselemente, insbesondere
mittels Rastnasen von Schnapphaken, rastend, lösbar fest verbindbar sind.
[0019] Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Abdeckung über mindestens eine Öffnung
verfügt, mittels derer das/die mit dem Heizelement fest verbundenen Befestigungselement/e,
insbesondere mittels einer Schraubenmutter und einem Schraubenbolzen als Befestigungselement,
lösbar fest verbindbar ist/sind.
[0020] Auch eine Kombination von Rast- und Schraubverbindungen kann bei bestimmten Anordnungen
mit Erfolg vorgesehen werden. Dabei wird die feste Verbindung des Befestigungselementes
mit dem Heizelement vorzugsweise mittels einer Hartlot-Verbindung erreicht.
[0021] Um Beschädigungen und eine nicht wünschenswerte Wärmeableitung auf die Fläche und
die Abdeckung zu vermeiden, ist im Kontaktbereich zwischen dem keramischen Träger
des Heizelementes und der Fläche und/oder der Abdekkung ein weiterer Werkstoff, insbesondere
auch als Dichtung angeordnet.
[0022] Hierfür werden bevorzugt Graphit enthaltende und/oder keramische Faserwerkstoffe
eingesetzt.
[0023] In sehr bevorzugter Anordnung enthält der Raum zwischen der Unterseite des keramischen
Trägers des Heizelementes und der Oberseite der die Aussparung nach unten abschließenden
Abdeckung wärmedämmende und/oder elektrisch isolierende Werkstoffe, wobei in diesem
Raum auch vorteilhafterweise Heizleiter, elektr. Zuleitungen, Kabelzugentlastungen
und Kabeldurchführungen angeordnet sind.
[0024] Es zeigen:
- Fig. 1
- Die Anordnung eines Kochfeldes, schematisch, in Aufsicht
- Fig. 2
- Die bisher übliche Einbauanordnung, im Schnitt (nach dem Stand der Technik)
- Fig. 3
- Eine Anordnungsmöglichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung, im Schnitt
- Fig. 4
- Eine weitere mögliche Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, im Schnitt
- Fig. 5
- Eine weitere Variante der Anordnung gemäß der Erfindung
[0025] Figur 1 zeigt schematisch in Aufsicht die Anordnung eines Kochfeldes 1 mit einem
Formkörper 2 als Kochfläche aus Glaskeramik und den darin integrierten keramischen
Heizelementen 3. Der Formkörper kann aber als Fläche auch aus einem metallischen Werkstoff
oder aus einem speziellen temperaturbeständigen Kunststoff, z. B. aus duroplasitschem
Material (z. B. UP oder MF) oder thermoplastischem Material (z. B: PEI, PPS, PES,
PPA, PET, PBT) bestehen.
[0026] Die keramischen Heizelemente 3 bestehen üblicherweise aus Siliziumnitrid, Si
3N
4, Siliziumcarbid, SiC, seltener aus Aluminiumoxid, Al
2O
3, oder Aluminiumnitrid, AIN, oder entsprechenden Mischkeramiken auf die Heizleiter
4 aufgebracht sind, die elektrisch mit entsprechenden Zuleitungen 12 verbunden sind.
[0027] Figur 2 zeigt die bisher übliche Einbausituation im Schnitt, bei der die keramischen
Heizelemente 3 mittels Silikon 13 in den sie umgebenden Formkörper, in der Regel eine
vorgespannte Glas- oder Glaskeramik-Fläche eingeklebt sind. Der Silikonkleber 13 begrenzt
derzeit die Betriebstemperatur auf max. 250°C. Andere Kleber kommen aufgrund ihrer
ungenügenden dauerelastischen Eigenschaften nicht zum Einsatz. Die oft unterschiedlichen
Wärmedehnung der beteiligten Materialien, auf der einen Seite beispielsweise Glaskeramik,
z. B. CERAN® (α < 0,2 ∗ 10
-6/K) und auf der anderen Seite Si
3N
4 (α ∼ 3,5 · 10
-6/K) verhindern den Einsatz keramischer Klebemassen.
[0028] Figur 3 zeigt im Schnitt eine bevorzugte Ausgestaltungsmöglichkeit gemäß der Erfindung.
Das keramische Heizelement 3 mit den aufgedruckten Heizleitern 4 übergreift dabei
den umlaufend nach oben gebogenen Randbereich 2a der Glas- oder Glaskeramik-Kochfläche
2. Mittels einer oder mehrerer Hartlotverbindungen 7 ist in diesem Beispiel ein Schraubbolzen
8 an dem keramischen Heizelement angebracht, der durch eine Öffnung eines tellerförmigen
Blechoder Kunststoffteils 5 hindurchragt. Die tellerförmige Abdeckung 5 wird mittels
einer U-Scheibe 10 und einer Schraubmutter 11 gehalten. Eine weitere Scheibe aus Wärmedämmstoff
9, beispielsweise Fiberfrax® o. ä., verhindert eine allzu große Wärmeübertragung auf
die Abdeckung 5, was insbesondere von Bedeutung ist, wenn die Abdeckung 5 aus Kunststoff,
beispielsweise aus den gleichen Kunststoffen, aus der die Kochfläche als Formkörper
2 gefertigt werden kann, hergestellt ist.
[0029] Falls die Abdeckung 5 aus Kunststoff gefertigt ist, bietet dies den Vorteil, daß
Kabel-Zugentlastungen 5a sowie Kabeldurchführungen 5b bereits im Herstellprozeß angeformt
werden können. Für den Fall, daß die Abdeckung 5 aus Metall gefertigt ist, ist im
Kontaktbereich 5d eine Zwischenlage erforderlich, um nicht die Unterseite zu beschädigen,
falls der Formkörper 2 aus sprödbrüchigen Materialien, wie Glas, Glaskeramik oder
Keramik, gefertigt ist. Die Zwischenlage 6, beipsielsweise aus graphitenthaltenden
Werkstoffen und/oder aus keramischen Faserwerkstoffen, dient zusätzlich der Wärmedämmung
oder als Dichtung, ist aber aufgrund der Formgebung des Körpers 2 und für den Fall,
daß der Formkörper 2 aus hitzebeständigem Glas oder aus hitzebeständiger Glaskeramik
(Beispiele: vorgespanntes Borosilikatglas; CERAN® oder ROBAX®) gefertigt
[0030] ist, nicht erforderlich. Zwischen Heizelement 3 und Abdeckung 5 ist der Hohlraum
mittels eines Isolierwerkstoffes 14 ausgekleidet.
[0031] Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer derartigen Anordnung, bei der das keramische
Heizelement 3 mit den Heizleitern 4 direkt auf dem Rand des Formkörpers 2 aus hitzebeständigem
Glas oder Glaskeramik aufliegt. Die Verbindung zur Abdeckung 5 ist in diesem Fall
mittels eines oder mehrerer Schnapphaken 15 aus Federstahl ausgeführt, die mittels
einer Hartlotverbindung 7 an der Unterseite am keramischen Heizelement befestigt sind.
Die Rastnase 15a ragt dabei durch die korrespondierende Öffnung 5c, wodurch eine,
gegenüber dem Stand der Technik, sehr kostengünstige Montage erfolgt.
[0032] Fig.5 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit, bei der der Formkörper 2 aus
Kunststoff gefertigt ist und ebenfalls eine rundumlaufende Ausbuchtung 2b an seiner
Oberseite besitzt, auf der das Heizelement 3 aufliegt. Die im Schnitt spitz zulaufende
Auflage verhindert eine allzu gute Wärmeleitung. Zusätzliche Isolierstoffe, z. B.
graphithaltige Schichtwerkstoffe und/oder keramische Faserwerkstoffe setzen die Kontakttemperatur
für den Kunststoff weiter herunter. Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß die keramischen
Heizelemente 3 mit ihren Rasthaken 15 in direkt dafür ausgeformten Trägerplatten 2
als Formkörper eingesetzt werden können. Aufgrund der Herstellprozesse, üblicherweise
Spritzgießen oder Heißpressen, können derartige Trägerplatten 2 bereits mit Verstärkungsrippen
2c, Bodenteil 2d, Kabelöffnungen 2e und Rastaufnahmen 2f in einem Schritt hergestellt
werden.
[0033] Mit der vorliegenden Erfindung wird eine einfache und preiswerte Möglichkeit aufgezeigt,
um keramische Heizelemente in Aussparungen in Formkörper aus Sprödwerkstoffen, wie
Glas, Glaskeramik, Keramik oder aus metallischen Werkstoffen oder Kunststoffe zu integrieren
und zu montieren. Folgende Vorteile sind damit verbunden:
- Eine Optimale Anpassung an die beteiligten Werkstoffe wird gewährleistet.
- Eine Dichtwirkung auch bei sehr unterschiedlichen Materialien ist möglich.
- Eine erhöhte Gebrauchstemperatur, über die bisher üblichen 250°C wird möglich (→ 400°C)
wodurch auch durchschnittliche Geschirrqualität nutzbar ist.
- Im Servicefall ist eine einfache Demontage / Montage möglich.
- Einfaches Recycling durch sortenreine Trennung.
Bezugszeichenliste
[0034]
- 1
- Kochfeld
- 2
- Fläche, Kochfläche (Formkörper)
- 2a
- rundumlaufende Erhöhung (Randbereich)
- 2b
- rundumlaufende Ausbuchtung
- 2c
- Verstärkungsrippen
- 2d
- Bodenteil
- 2e
- Kabelöffnung
- 2f
- Rastaufnahmen
- 3
- keramisches Heizelement
- 4
- Heizleiter
- 5
- Abdeckung (tellerförmiges Blech oder Kunststoffteil)
- 5a
- Kabelzugentlastungen
- 5b
- Kabeldurchführungen
- 5c
- Öffnung
- 5d
- Kontaktbereich
- 6
- Zwischenlage (Isolier- und/oder Dämm- und/oder Dichtwerkstoffe)
- 7
- Hartlotverbindungen
- 8
- Schraubbolzen
- 9
- Wärmedämmwerkstoff
- 10
- U-Scheibe
- 11
- Schraubenmutter
- 12
- elektrische Zuleitungen
- 13
- (Silikon) Kleber
- 14
- Wärmedämmwerkstoff
- 15
- Schnapphaken
- 15a
- Rastnase
1. Anordnung eines elektrischen Heizelementes als Kochzone mit einer sehr gut wärmeleitenden
Keramik als Träger, in einer Aussparung einer Fläche aus Glaskeramik, Glas, Keramik,
Metall oder Kunststoff,
dadurch gekennzeichnet,
daß der keramische Träger des Heizelementes auf Bereichen der Fläche, die von der
Hauptebene der plattenförmig ausgebildeten Fläche unter Ausbildung von linienförmig
verlaufenden Erhöhungen, wie Kegelstümpfen, Kugelsegmenten und/oder Kegeln abweichen
und den Rand der Aussparung definieren, übergreifend aufliegt, wobei diese erhöhte
Auflage des Heizelementes als Lager und die Unterseite der Fläche als Widerlager,
für eine unter der Hauptebene der Fläche angeordnete, die Aussparung nach unten abschließende
Abdeckung dient, und mittels mit dem Heizelement fest, und der Abdeckung lösbar fest
verbundener Befestigungselemente das Heizelement in der Aussparung der Fläche form-
und kraftschlüssig fixiert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die linienförmig verlaufenden Erhöhungen kreisförmig oder oval oder elliptisch,
insbesondere als Kreiskegelstümpfe und/oder Kreiskegel ausgebildet sind.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die, die Aussparung in der Fläche nach unten abschließende und unter der Hauptebene
der Fläche angeordnete Abdeckung durch geeignete Formgebung einteilig aus der Kochfläche
selbst ausgebildet ist.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die, die Aussparung in der Fläche nach unten abschließende und unter der Hauptebene
der Fläche angeordnete Abdeckung als separates Teil, insbesondere aus Metall oder
Kunststoff, ausgebildet ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abdeckung über Öffnungen, insbesondere über Rastaufnahmen verfügt, mittels
derer die mit dem Heizelement fest verbundenen Befestigungselemente, insbesondere
mittels Rastnasen von Schnapphaken, rastend, lösbar fest verbindbar sind.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abdeckung über mindestens eine Öffnung verfügt, mittels derer das/die mit
dem Heizelement fest verbundenen Befestigungselement/e, insbesondere mittels einer
Schraubenmutter und einem Schraubenbolzen als Befestigungselement, lösbar fest verbindbar
ist/sind.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die feste Verbindung des Befestigungselementes mit dem Heizelement eine Hartlot-Verbindung
ist.
8. Anordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Kontaktbereich zwischen dem keramischen Träger des Heizelementes und der Fläche
und/oder der Abdeckung ein weiterer Werkstoff, insbesondere als Dichtung angeordnet
ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtungen aus einem Graphit enthaltenden und/oder einem keramischen Faserwerkstoff
bestehen.
10. Anordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Raum zwischen der Unterseite des keramischen Trägers des Heizelementes und
der Oberseite der die Aussparung nach unten abschließenden Abdeckung wärmedämmende
und/oder elektrisch isolierende Werkstoffe enthält.
11. Anordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Raum zwischen der Unterseite des keramischen Trägers und der Oberseite
der Abdeckung Heizleiter, elektr. Zuleitungen, Kabelzugentlastungen und Kabeldurchführungen
angeordnet sind.