专利名称：具有直接加热的玻璃陶瓷片的烹饪系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于热传导原理且包含由玻璃陶瓷构成的整块烹饪面的烹饪系统，该烹饪面具有至少一个烹饪区并且可以利用设置在玻璃陶瓷片底面上的加热元件独立地直接进行加热。
用于烹饪食物的烹饪系统由一种平面结构的烹饪面构成，且在该面上还存在一个用于烹饪的容器。利用不同的传热功能原理在烹饪面下方实施加热。最理想的烹饪系统中，锅底和烹饪面之间是面接触的，并因此使得接触热的传递损失尽可能的减小。所有处于接触的平面在加热状态中都应该相互平整平行地放置。加热元件和烹饪食物之间的温度梯度必须足够大，以使其能快速的加热过程。通过相应地使加热元件形成的绝热可达到减少热量向周围辐射而造成损失。在遵守用电规章的前提下使加热元件以尽可能小的间距接近烹饪物，例如直接设置在烹饪面的下方。
在传统的具有铸铁做成的烹饪盘的系统中，能量主要是根据热传导原理来进行传递。这里，热源由位于烹饪盘内的电阻线构成的电绝缘的加热螺旋线圈组成。个别的烹饪盘是放在主要是金属的烹饪面内。将铸造的烹饪盘放置于烹饪面上，由于烹饪过程中的热膨胀效应，烹饪盘会在载体盘的表面上滑动。由此就会产生构件的热隔离和机械隔离。这种臃肿的结构就使得该系统在烹饪性和可调性方面是非常缓慢的。
通过改变加热元件的配置和通过烹饪盘材料的改性，就能对这种烹饪系统进行进一步的改良。其中将具有良好导热能力和较高机械强度的薄陶瓷片优选是由非氧化的陶瓷构成的，如Si3N4或SiC用作烹饪盘，EP0853444A2和EP0069298中记载了基于具有良好导热能力和较高平整度(Planitt)的Si3N4基陶瓷烹饪系统。这些已知的烹饪盘可用于优选由预先上紧的平板玻璃制成的烹饪面内，但也可用于石质盘片内或是由聚合物陶瓷复合材料制成的盘内。为了实现对整个烹饪面加热，但是又要克服机械应力，就要使陶瓷片和烹饪面之间存在一个伸缩接缝。利用耐热胶进行粘接。通过使电流流过牢固结合在烹饪盘上的金属层而实现电加热。诸如US6037572文献中使用的是特别由SnO2制成的全面的薄层。也可以使用金属箔作为加热元件，并且将其压制在基材上或是通过传热的耐热胶与陶瓷板相结合。陶瓷片本身就能保证加热器与烹饪容器之间形成符合规定的电绝缘。如果烹饪盘由具有导电能力的材料，如SiC制成，则能在加热器与烹饪盘之间设置一个陶瓷绝热层，用以保障电绝缘。所述结构表明突出的特征在于烹饪区内有着更好的功率，有效并且可调节。由于加热元件、烹饪盘和锅底直接接触并且陶瓷片有高的导热能力，因此开始烹饪(ankoch)时加热器与锅之间的温度梯度就能降低，同时不会减小开始烹饪功率。热量损失减小，于是系统的效率提高。烹饪区上侧面的温度降至约350℃，并且与铸造的烹饪盘相比，该烹饪盘结构的高度也减小。
这些系统的另一方式是市售的辐射加热系统。该烹饪面由具有低的导热性和热膨胀性的材料制成，如玻璃陶瓷片，特别优选含有由Li2O-Al2O3-SiO2体系的成分制成的玻璃陶瓷片，也即已知商品名为Ceran的产品。在整块的烹饪平面下有一个辐射加热体。电流流过而加热的由金属合金制成的电阻线产生热能。能量传递是通过热传递和对流来实施，但是其中还有约40％则通过热辐射。如果使用质量较差的烹饪炊具，则在烹饪操作中，锅底与烹饪面之间会存在一个能降低接触热量传递的空气缝。通过将热辐射与热传导结合就能防止开始烹饪功率剧烈下降。通过空气缝就可实现在加热体与烹饪容器之间形成符合规格(EN60335和UL858)的电绝缘，并且在这种绝缘情况下，必须在230V～3750V的耐压强度和小于0.25mA的漏电流情况下进行。为了获得足够的起始烹饪功率，要将加热体温度调节到约1100℃，这样使得位于烹饪区上表面上的该系统具有约570℃的最大可能的温度。这种系统的优点在于有较高的美学价值，而这是通过过分追求一整块的平坦的烹饪面得到的。而由此衍生出的另一优点是良好的易清洁性，以及可以在表面装饰上进行随意的设计。由于结构加固且玻璃陶瓷薄片的热容较小，因此相对于铸造的烹饪盘，可调节性和初时烹饪时间都有所改善。
基于SiN或SiC的陶瓷烹饪系统的特征首先就在于能获得高的功率数，快速的烹饪时间和大于80％的效率。但是，该技术方案必然引起美观和易清洁性的减少。如果使用有更高热导能力的烹饪盘就能改善烹饪功率。但由于在烹饪区上的局部有限加热，因此在烹饪区和其余烹饪面之间必定形成热障。为此就要在整块的烹饪面上设置一些其中能粘贴陶瓷片的孔洞。另外，陶瓷盘还必须略微伸出烹饪面的平面，由此保证在各种情况下锅底都能置于陶瓷烹饪区上，并且不会与加热面形成空气缝。另外，可用粘结剂填充伸缩缝。由此使得烹饪面触觉性不均匀以及易清洁性下降。如果烹饪区被食品污染，则需要使用机械工具如海绵或刮刀对陶瓷盘和伸缩缝之间的间隙进行颇为繁琐的清洁。陶瓷烹饪区的颜色与烹饪面其余部分的不同，感觉类似于灰色铸铁制成的烹饪区。因此也就不会有兴趣在烹饪面上进行装饰设计。
将辐射加热的玻璃陶瓷烹饪区域设计成单块的，由此能满足较高的视觉要求和得到很好的易清洁性，并且不存在有干扰的边沿和接缝。但其缺点在于，从开始烹饪、效率和可调节性方面考虑，这类烹饪系统的功率不如Si3N4烹饪系统。由于在高于250℃的温度下这些玻璃陶瓷片是导电的，因此在安装加热体时必须要保持与烹饪面的间隔一定的距离，以能得到所需的3750V的耐压强度。由于加热器与烹饪面之间存在着空气缝，因此初始烹饪性能和可调节性都会变差。而为了获得足够的初始烹饪功率，在加热器上必须产生超过1100℃的高温。由于环绕烹饪区的区域都被加热器附带加热了，所以就会带来热量损失且与效率约为80％至60％的陶瓷SiN烹饪系统相比，烹饪系统的效率下降。带有空气缝的结构产生了最小的结构高度，而这种高度又限制了在烹饪槽中安装可能性。带有包括其固定和调节的加热体的烹饪槽的元件数量是非常高的。
通过直接加热玻璃陶瓷烹饪面可使具有外观整块的烹饪面的烹饪系统具有最理想结构，并且还能改善其功率方面的数据。
EP0861014A1中记载了一种烹饪盘，其中通过直接紧压上去的金属导体来加热玻璃陶瓷片。但是文中并没有提及为符合用电规章而必需的位于玻璃陶瓷片和加热元件之间的电绝缘层。
EP0866641A2为解决任务提出了如下一种折中方法，即使用单个整块的玻璃陶瓷片，并且如在Si3N4系统中一样，通过直接安装于底面的加热元件来实施更大功率的加热过程。技术方案的转换是通过紧压或粘贴一个其后将用电进行加热的金属箔来实现的。这种方案的缺点在于最大可能的烹饪温度小。在其自述的试验中已经表明，简单地紧压加热膜元件会明显造成起始烹饪功率的强烈减少。化学连接或至少平面机械衔接是必要的。所有市售的具有良好导热性的粘结剂都不准在大于350℃的温度下使用。但是，在加热元件上测得的温度是约550℃，这样才能在直接加热的玻璃陶瓷基材时获得足以快速煎烤食品的快速烹饪功率。其中的原因在于，与SiN陶瓷烹饪片(20-30W/mK)相比，玻璃陶瓷的导热能力(1-2W/mK)非常小。在陶瓷烹饪系统中，加热元件的温度为约400℃。如果使用玻璃陶瓷片作为烹饪盘，则为了获得相同的功率，必须要达到约550℃的温度。还有一个问题是玻璃陶瓷(约0至1.5×10-6/K)与金属加热元件(大于10×10-5/K)具有不同的热膨胀性。技术上目前还未能提供在550℃下稳定且具有足以抵消热应力的延展性的导热性良好的粘结剂。
加热元件与绝缘的玻璃陶瓷基材之间的牢固连接是通过如下一种结构而实现，即使得在玻璃陶瓷片和作为涂层涂覆的加热体之间具有一个电绝缘层。该层优选由电绝缘性高且选自Al2O3-SiO2-MgO体系(刚玉、石英、堇青石、莫来石)的陶瓷材料构成。WO00/15005中记载了在较低膨胀性的基材上，具有较高热膨胀性的绝缘层可以分离。哪怕层间的结合是机械稳定的，也总还是存在着一个基本问题，即在烹饪系统的加热过程中烹饪区会出现翘曲现象。该现象是由于玻璃陶瓷片与绝缘层或加热层的膨胀性不同而引起的(可参考双金属效应)。锅底与烹饪盘上表面之间形成的空气缝会减小接触面积并显著削弱热传递。初始烹饪的时间性会明显变差。
EP0951202A2中记载了一种具有金属中间层的直接加热的烹饪系统，其中的中间层为了符合用电规程而要接地。由此就会产生出过压或漏电。但是这种结构的系统在技术上是很难实现而且也不能带来经济效益。
本发明的任务在于提供一种如开头所述的可直接电加热的烹饪系统，同时该系统还具备良好的外观和很好的易清洁性。相对于传统的通过辐射加热体进行加热的烹饪系统，该系统的功率有所提高。该烹饪盘应该包含分段独立的加热区用以烹饪活动，并且还应保证在不超过500℃的温度下处于烹饪活动下的锅底和烹饪盘有着平行平面的结构。
该任务可以通过本发明得到解决，即玻璃陶瓷片是具有高度石英混晶或热液石英混晶(keatitmisch)晶型的主晶体相，其主要是由Li2O-Al2O2-SiO2成分构成的，且具有α＝0至1.8×10-6/K、优选α＝0至1.5×10-6/K的膨胀系数和＜3W/mK、优选＜2.7W/mK的导热能力，并且在其底面上具有至少一个烹饪区，烹饪区的加热元件由金属层构成并且在玻璃陶瓷片的底面之间设置有作为电绝缘层的多孔陶瓷层。
在这种结构下，烹饪面根据需要是单独一整块的。在玻璃陶瓷片的底面可以通过涂覆的加热元件而划分出各个烹饪区，这些烹饪区可以在不同的温度下操作。玻璃陶瓷片极小的导热能力必须是经过选择的，因为这样才能避免由于热量的横向传导而对整个烹饪面进行加热。此外，玻璃陶瓷片也必须具有非常小的热膨胀性，这样在温度变化时不致形成能导致玻璃陶瓷片断裂的热应力，或只是形成极小的应力。所有这些都可通过用于玻璃陶瓷片的材料来获得保证。
加热元件和玻璃陶瓷片底面之间的层间接合必须满足在高达500℃的烹饪温度下，玻璃陶瓷片的上表面符合上述规定。如果玻璃陶瓷片是导电的，则要在玻璃陶瓷片的底面与加热元件之间设置用于电绝缘的陶瓷层，其可由Al2O3、莫来石、堇青石、硅酸锆或SiO2/TiO2构成。
材料选择和加热元件的淀积方法可按如下方式实现，即以热喷镀法，特别是气体等离子体喷镀，冷气喷镀法涂覆NiCr基合金(Basislegierung)、NiAl基合金、CrFeAl基合金或耐氧化金属陶瓷，如Cr3C2-NiCr或WC-CoCr的加热元件，或者以筛网印刷法涂覆由含玻璃料的Ag/Pd的膏体的加热元件。
因此在温度变化时的加热操作中层间结合力能保持耐久，但是在材料中要避免出现较高的热应力，必须根据另一种结构进行设计，即利用直径为约50nm至150nm的陶瓷初级粒子构成的桥形接片(Stege)将绝缘层连接在玻璃陶瓷片的底面上。
为了减小热损失，可以另外再进行如下设计，即利用由硅酸盐纤维材料构成的热绝缘层覆盖加热元件。
具有＞106Ω比电阻的玻璃陶瓷片和具有＞3750V击穿强度的整个烹饪系统可以实现所要求的烹饪系统的性能，同时根据60335-1标准，每个烹饪区上的漏电流小于0.25mA。
以下将根据附图描述的实施例来进一步详尽地阐述本发明。
图1由玻璃陶瓷片、陶瓷层、加热元件和热保护层组成的烹饪系统的截面图，和图2是玻璃陶瓷片和作为电绝缘层的陶瓷片之间连接区的局部放大图。
图1表示本发明的烹饪系统。玻璃陶瓷片10以其上表面构成烹饪面。在玻璃陶瓷片底面上设置有一个电绝缘的陶瓷片20，并且该陶瓷片与玻璃陶瓷片10上可设置有多个粒结用以扩大表面积。层厚度在50至350μm之间，特别优选在160至200μm的范围内。绝缘层，即陶瓷片20承载有多个加热元件30，这些加热元件确定了烹饪区并且各自进行加热并且可以进行调节。
加热元件的形成可以有导电线路或平面加热元件。
玻璃陶瓷片材料具有＜3W/mK、特别是＜2.7W/mK的导热能力和α＝0至1.8×10-6/K、特别优选α＝0至1.5×10-6/K的膨胀系数。该材料具有高度石英混晶或热液石英混晶晶型的主晶体相，且其主要是由Li2O-Al2O2-SiO2成分构成的。玻璃陶瓷片10的底面12与陶瓷层20之间的电绝缘由高度绝缘的陶瓷层实现。
其中的材料涉及的是Al2O3、莫来石、堇青石、硅酸锆和SiO2/TiO2合金。但这些材料都有着较高的热膨胀值，其值为α≥3×10-6/K。为使得玻璃陶瓷片10与绝缘层20之间的层间连接在加热操作时能耐久，则除了很好的层间结合力外还同时要避免出现高的热应力。这通过一种基于陶瓷层20和玻璃陶瓷片10和插入陶瓷层材料的多孔结构之间的化学连接作用的机理来保障。通过多孔结构就能降低层的E-模量，使得层是似柔软的。
试验还表明，绝缘层20并不是以平面粘贴在玻璃陶瓷层10的底面上的。在界面内形成有直径为约50至150nm的陶瓷颗粒的薄桥形接片，而该接片承担连接作用，即如图2的局部放大图中标记21所示。在多孔结构22的区域内，玻璃陶瓷与绝缘体之间并没有接触。这种非平面型的连接减少了系统的自应力。由于这种结构机理，就能避免烹饪操作中的层间复合体分层。另外，通过绝缘层20的强烈膨胀，就能将烹饪区内的玻璃陶瓷片10的翘曲现象减到最小，从而使得越过烹饪区对角线的该值达到＜0.2mm。由此就能使烹饪系统具有较高的烹饪性能。
可以通过丝网印刷法或热喷镀法，特别是气体等离子体喷镀或冷气喷镀法涂覆加热元件30。在丝网印刷法中，加热元件30优选由含有玻璃料的Ag/Pd的膏体构成，或者在热喷镀的情况下，该加热元件由NiCr基合金、NiAl基合金、CrFeAl基合金或耐氧化金属陶瓷，如Cr3C2-NiCr或WC-CoCr构成。
在接片区域中，颗粒分散于陶瓷/玻璃陶瓷的界面内，由此形成陶瓷层20的化学连接。令人惊奇的是，一些试验表明，单独使用具有高度石英混晶型主晶体相且由LiO2-Al2O2-SiO2成分的玻璃陶瓷——也即LAS玻璃陶瓷，并且其公知的商品名为Ceran——能实现所述的与陶瓷层20的必要化学连接。其中的原因就在于玻璃陶瓷与绝缘材料之间的化学亲和性。后者主要由化合物SiO2和Al2O3与添加物MgO和TiO2构成。在化学连接过程中会发生界面扩散现象，既可以从玻璃陶瓷侧也可以从陶瓷侧进行这些元素的交换过程。至于其他材料对(Stoffpaarung)在扩散入界面中时会在玻璃陶瓷中形成一个反应层，且该层具有一个更高的热膨胀系数。由诱导的机械应力所形成的微小裂纹会导致整个系统耐冲击强度下降至低于规定的值。同样还能观察到层间连接的降低以及由此所导致的加热时的分层现象。如果使用了具有更高热膨胀系数的玻璃陶瓷，则同样能显示出所述的积极效果。与LAS玻璃陶瓷不同，主晶体相被设计成热液石英混晶型，由此就能另外提高热膨胀系数至约α＝1.5×10-6/K。因此相对于陶瓷层20的膨胀性差异也能减小到最低值。
用作所述烹饪系统的烹饪面的玻璃陶瓷片10使得具有较好外观和易清洁性的整块表面，能适于直接涂覆一种耐久稳定且用于加热的涂层体系。在同时具有烹饪区的平整性情况下，装配具有较高加热功率的设备能使得烹饪功率相对于传统的烹饪系统显著提高。
权利要求
1.基于热传导原理且包含由玻璃陶瓷构成的整块烹饪面的烹饪系统，其具有至少一个烹饪区并且可以利用设置在玻璃陶瓷片底面上的加热元件独立地直接地进行加热，其特征在于，玻璃陶瓷片具有高度石英混晶或热液石英混晶晶型的主晶体相，其主要是由Li2O-Al2O3-SiO2成分构成的，且具有α＝0至1.8×10-6/K的膨胀系数和＜3W/mK的导热能力，并且在其底面上具有至少一个烹饪区，烹饪区的加热元件(30)由金属层构成并且在玻璃陶瓷片(10)的底面(11)之间设置有作为电绝缘层(20)的多孔陶瓷层。
2.如权利要求1的烹饪系统，其特征在于，膨胀系数α＝0至1.5×10-6/K。
3.如权利要求1或2的烹饪系统，其特征在于，导热能力值为＜2.7W/mK。
4.如权利要求1至3的烹饪系统，其特征在于，在在T＝550℃下的烹饪操作时，对角线内的烹饪区具有＜0.2mm的翘曲值。
5.如权利要求1至4的烹饪系统，其特征在于，以热喷镀法，特别是气体等离子体喷镀，冷气喷镀法涂覆由NiCr基合金、NiAl基合金、CrFeAl基合金或耐氧化金属陶瓷，如Cr3C2-NiCr或WC-CoCr构成的加热元件。
6.如权利要求1至4的烹饪系统，其特征在于，以丝网印刷法涂覆由有玻璃料的含Ag/Pd的膏体构成的加热元件(30)。
7.如权利要求1至6之一的烹饪系统，其特征在于，作为电绝缘层(20)是使用由Al2O3、莫来石、堇青石、硅酸锆或SiO2/TiO2构成的陶瓷层。
8.如权利要求1至7之一的烹饪系统，其特征在于，利用直径为约50nm至150nm的陶瓷初级粒子构成的薄桥形接片(21)将绝缘层(20)连接在玻璃陶瓷片(10)的底面(12)上。
9.如权利要求1至8之一的烹饪系统，其特征在于，利用硅酸盐纤维材料制成的热绝缘层(40)覆盖加热元件(30)。
10.如权利要求1至9之一的烹饪系统，其特征在于，根据60335-1规定玻璃陶瓷片具有＞106Ωcm比电阻并且整个烹饪系统具有＞3750V的击穿强度，同时根据60335-1标准，每个烹饪区的漏电流小于0.25mA。
全文摘要
本发明涉及一种基于热传导原理且包含由玻璃陶瓷(10)构成的整块烹饪面的烹饪系统，其中的烹饪面具有至少一个烹饪区并且可以用设置在玻璃陶瓷片底面上的加热元件独立地直接加热。本发明提供的是，玻璃陶瓷片(10)具有高度石英混晶或热液石英混晶晶型的主晶体相，其主要是由Li
文档编号H05B3/74GK1659928SQ03813029
公开日2005年8月24日 申请日期2003年5月26日 优先权日2002年6月6日
发明者卡斯滕·沃伯特, 彼得·纳斯, 卢茨·克利普 申请人:肖特股份公司