DEKEMA Dental-Keramiköfen GmbH

Brennofen für Zahnersatz oder Zahnteilersatz

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennofen für Zahnersatz oder Zahnteilersatz mit einer Brennkammer, mehreren Heizelementen zur Aufheizung der Brennkammer und einem Netzanschluss zum Anschließen der Heizelemente an ein Stromnetz,

Ein solcher Brennofen ist beispielsweise aus der DE 197 53 837 bekannt. Wichtig ist bei derartigen öfen die Erzeugung einer hohen Temperatur und deren Einhaltung über die Brenndauer. Für die Qualität des Zahnersatzes oder Zahnteilersatzes ist eine genaue Regelung der Temperatur erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennofen der genannten Art anzugeben, der eine erhöhte Funktionalität aufweist und gute Brennergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Mittel vorgesehen sind zur Begrenzung der Leistungsaufnahme des Brennofens.

Durch die Begrenzung der Leistungsaufnahme des Brennofens kann dieser mit unterschiedlichen Netzspannungen betrieben werden. Ein und derselbe Brennofen kann daher für Länder mit unterschiedlichen Netzspannungen gefertigt werden, wodurch sich die Herstellungskosten verringern. Zudem ist die Handhabung vereinfacht, da nicht auf die Netzspannung geachtet werden muss.

Bevorzugt sind Mittel zur überwachung und zur Begrenzung der Stromaufnahme des Brennofens vorgesehen. Dadurch kann verhindert werden, dass dem Netz ein zu hoher Strom entnommen wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel vorgesehen zur überwachung und Begrenzung der an den Heizelementen wirksamen Spannung. Hierdurch kann eine Beschädigung der Heizelemente durch eine zu hohe Spannung verhindert werden.

Weiter bevorzugt ist es, wenn Mittel vorgesehen sind, durch welche die am Brennofen anliegende Spannung ermittelbar ist, insbesondere automatisch. Diese Mittel können bevorzugt dazu dienen, in Abhängigkeit der ermittelten Spannung zwischen Reihen- und Parallelschaltung der Heizelemente umzuschalten, insbesondere automatisch. Auf diese Weise kann eine Anpassung an die Netzspannung erfolgen.

Beispielsweise können die Heizelemente bei einer am Brennofen anliegenden Netzspannung von 115 Volt parallel geschaltet sein. Dadurch fallen an jedem Heizelement 115 Volt ab. Beträgt die Netzspannung dagegen 230 Volt, so ist eine Reihenschaltung bevorzugt. Bei beispielsweise drei Heizelementen fallen an jedem ca. 77 Volt ab. Allgemein wird die Schaltung bevorzugt so vorgenommen, dass an jedem Heizelement in der Größe von ca. 70 bis 120 Volt abfallen. Dies hat sich für den Betrieb der Heizelemente, insbesondere Heizelemente aus Siliziumcarbid, als vorteilhaft heraus- gestellt.

Die Umschaltung zwischen Parallel- und Reihenschaltung kann bevorzugt durch Strombrücken erfolgen. Durch Stecken oder Entfernen der Strombrücken können die Heizelemente in der gewünschten Weise zusammen-

geschaltet werden. Soll die Umschaltung dagegen automatisch erfolgen, so wird hierfür bevorzugt mindestens ein Relais verwendet.

Der von dem Brennofen aufgenommene Strom wird bevorzugt durch einen Hallsensor gemessen. Dies hat den Vorteil, dass die Strommessung potenzialfrei erfolgen kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch welche die Stromaufnahme und /oder die an die Heizelemente ange- legte Spannung in Abhängigkeit von der Festigkeit der Heizelemente bei der gegenwärtig herrschenden oder einer Maximaltemperatur der Heizelemente begrenzbar ist. Durch diese Mittel kann gewährleistet werden, dass die Heizelemente im Betrieb nicht zerstört oder beschädigt werden. Dies ist insbesondere bei Heizelementen aus Siliziumcarbid wichtig, da deren Festigkeit mit steigender Temperatur relativ stark abnimmt. Zudem haben diese Heizelemente einen temperaturabhängigen Widerstand, wobei die Abhängigkeit stark nichtlinear ist. Dadurch besteht ein erhöhtes Risiko, dass die Stromaufnahme der Heizelemente zu groß wird.

Die Festigkeitswerte der Heizelemente können nach einer Ausgestaltung der Erfindung aus einer zuvor erstellten Tabelle entnommen werden, in welcher die Festigkeit von Heizelementen aus dem verwendeten Material in Abhängigkeit von der Temperatur angegeben ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch welche die Leistungsaufnahme des Brennofens in Abhängigkeit von einer zulässigen Leistungsaufnahme, insbesondere zulässigen Stromentnahme aus einem Versorgungsnetz, begrenzt wird. Mit diesen Mitteln kann gewährleistet werden, dass das Versorgungsnetz durch den Brenn- ofen nicht überlastet wird.

Zur Leistungsbegrenzung kann vorteilhafterweise eine Phasenanschnittsteuerung einer an den Brennofen angelegten Wechselspannung vorgesehen sein. Durch die Phasenanschnittsteuerung werden entspre- chend der gewünschten Leistungsaufnahme des Brennofens nur bestimmte Bruchteile der Wechselspannung an die Heizelemente gelegt, während die restlichen Anteile in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden. Das heißt, es werden Bruchteile der vom Versorgungsnetz gelieferten Sinuswellen an die Heizelemente gelegt und die verbleibenden Teile in das Netz zurückgegeben. Um dabei einer Verseuchung des Netzes vorzubeugen, kann ein Netzfilter vorgesehen sein. Aus dem Bruchteil der an die Heizelemente angelegten Wechselspannung ergibt sich die resultierende Spannung und damit Leistungsaufnahme der Brennelemente. In derselben Weise kann auch eine Phasenabschnittsteuerung verwendet werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine sogenannte Halbwellensteue- rung zur Leistungsbegrenzung zu verwenden. Dabei werden die Halbwellen der Wechselspannung zum einen auf die einzelnen Heizelemente aufgeteilt und zum anderen können auch einzelne Halbwellen an kein Heiz- dement angelegt werden, sodass sich insgesamt ebenfalls eine Leistungsreduzierung ergibt. Dasselbe gilt für die Phasenan- oder -abschnitt- steuerung. Auch hier können die Bruchteile der Sinuswelle auf die einzelnen Heizelemente verteilt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung,

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Brennofen,

Fig. 2 einen Schaltplan für eine wahlweise Parallel- oder Reihenschaltung von Heizelementen,

Fig. 3 eine Darstellung der Temperaturabhängigkeit des Nennwiderstandes eines Heizkörpers,

Fig. 4 eine Darstellung der maximalen Leistungen in einem erfindungsgemäßen Brennofen,

Fig. 5 eine Darstellung der Regelung über Halbwellensteue- rung oder Phasenanschnittsteuerung, und

Fig. 6 eine Darstellung der maximalen Spannung in Abhängigkeit von der Heizelementtemperatur.

Der in Fig. 1 dargestellte Brennofen umfasst ein Gehäuse 1 mit einer Brennkammer 2, die über Heizelemente 3 beheizbar und bevorzugt über nicht dargestellte Mittel evakuierbar ist. Die Heizelemente 3 sind als Heizstäbe ausgebildet und über den Umfang der Brennkammer 2 verteilt an- geordnet. Besonders bevorzugt sind drei derartige Heizelemente 3 vorgesehen.

Die Brennkammer 2 weist auf ihrer Unterseite eine öffnung 4 auf und ist allseits bis auf die öffnung 4 von einer Isolationsschicht 5, insbesondere aus Schamott oder Keramikfasern umgeben. Unterhalb der Brennkammer 2 ist ein Gehäuseteil 6 mit einem hier nicht dargestellten Antriebsmechanismus für einen Liftteller 13 vorhanden, der einen Brenntisch 7 trägt und über eine Stange 14 von der Antriebsvorrichtung zum Schließen und öffnen der Brennkammer 2 bewegbar ist. Auf dem Brenntisch 7 ist ein Brenngutträger 8 mit darauf angeordnetem Brennobjekt 9 dargestellt.

Neben dem Brennobjekt 9 ist auf dem Brenngutträger 8 ein Thermosensor 10 vorhanden.

Der Gehäuseteil 6 umfasst Steuermittel und Programmiereinrichtungen für den Brennofen sowie Anzeigemittel 19. Diese Steuermittel umfassen Mittel zur Begrenzung der Leistungsaufnahme des Brennofens, insbesondere Mittel zur überwachung und zur Begrenzung der Stromaufnahme und/ oder der an den Heizelementen 3 wirksamen Spannung. Durch diese Mittel wird außerdem die am Brennofen anliegende Spannung automa- tisch ermittelt. In Abhängigkeit davon werden die Brennelemente 3 des

Brennofens parallel oder in Reihe geschaltet, um bevorzugt eine Spannung im Bereich von 70 bis 120 Volt an den Heizelementen 3 zu erreichen. Bei einer Netzspannung von beispielsweise 230 Volt werden die Heizelemente 3 also bevorzugt in Reihe geschaltet, sodass an jedem Heizelement eine Spannung von ca. 77 Volt abfällt. Beträgt die Netzspannung dagegen beispielsweise 115 Volt, so werden die Heizelemente 3 parallel geschaltet, sodass an jedem Heizelement 115 Volt abfallen.

Für die Umschaltung zwischen Parallel- und Reihenschaltung können nach einer Ausgestaltung der Erfindung Strombrücken vorgesehen sein. Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Die drei Heizelemente 3 ¹ , 3 ² und 3 ³ weisen jeweils zwei Eingangsklemmen 20 ¹ , 20 ² und 20 ³ sowie drei Ausgangsklemmen 21 ¹ , 21 ² und 21 ³ auf. Zwischen den Heizelementen 3 ¹ ^ ² und 3 ³ sind außerdem zwei weitere Klemmenpaare vorhanden, nämlich zwei weitere Eingangsklemmen 20 ⁴ und 20 ⁵ sowie zwei weitere Ausgangsklemmen 21 ⁴ und 21 ⁵ . Schließlich sind den Heizelementen 3 ¹ ^ ² und 3 ³ drei Relais 22 *, 22 ² und 22 ³ zugeordnet.

Wie dargestellt, ist an die Lastzuleitung L des Stromnetzes die Eingangs- klemme 20 ³ des dritten Heizelementes 3 ³ und die Eingangsklemme 20 ⁵

des zweiten weiteren Klemmenpaares angeschlossen, während die Nullleitung N des Stromnetzes an die jeweils eine Seite der drei Relais 22 *, 22 ² und 22 ³ angeschlossen ist. Die andere Seite des ersten und dritten Relais 22 ¹ und 22 ³ ist jeweils an die Ausgangsklemme 21 ¹ , 21 ³ des ersten bzw. dritten Heizelementes 3 ¹ ^ ³ angeschlossen, während die andere Seite des zweiten Relais 22 ² an die Eingangsklemme 20 ² des zweiten Heizelementes 3 ² angeschlossen ist. Schließlich ist das erste weitere Klemmenpaar mit seiner Eingangsklemme 20 ⁴ an den Ausgang 21 ³ des dritten Heizelementes 3 ³ und die Ausgangsklemme 21 ⁴ an den Eingang 20 ² des zweiten Heiz- dementes 3 ² angeschlossen und die Ausgangsklemme 21 ⁵ des zweiten weiteren Klemmenpaares an die Eingangsklemme 20 ¹ des ersten Heizelementes 3 ¹ und die Ausgangsklemme 21 ² des zweiten Heizelementes 3 ² .

Wie man erkennt, kann durch wahlweises Einsetzen einer Strombrücke 23, hier strichliert dargestellt, in das erste weitere Klemmenpaar 20 ⁴ , 21 ⁴ oder in das zweite weitere Klemmenpaar 20 ⁵ , 21 ⁵ eine Reihen- bzw. Parallelschaltung der Heizelemente 3 ¹ ^ ² und 3 ³ realisiert werden. Wie man weiterhin erkennt, sind die drei Heizelemente 3 ¹ ^ ² und 3 ³ bei Reihenschaltung über nur ein Leistungsrelais 22 ¹ , bei Parallelschaltung dagegen über alle drei Leistungsrelais 22 ¹ , 22 ² und 22 ³ betrieben. Bei Reihenschaltung werden alle drei Heizelemente 3 ¹ ^ ² und 3 ³ daher gemeinsam angesteuert, während bei Parallelschaltung eine individuelle Ansteuerung möglich ist.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Brücke 23 durch zwei zusätzliche Relais zu ersetzen. Damit kann eine automatische Umschaltung zwischen Reihen- und Parallelschaltung realisiert werden. In beiden Fällen wird die Reihenschaltung bevorzugt bei einer Netzspannung von 230 Volt und die Parallelschaltung bei einer Netzspannung von 115 Volt eingesetzt. Alternativ kann auch ein Relais mit zwei Wechslern verwendet werden. Da

die Relais nicht unter Last umgeschaltet werden, spielen die maximalen Schaltzyklen keine Rolle.

Wie gesagt, kann mit der Steuerung des erfϊndungsgemäßen Brennofens die Leistungs-, insbesondere Stromaufnahme begrenzt werden. Eine Leistungsbegrenzung ist deshalb erforderlich, weil die Heizelemente, insbesondere Heizelemente aus Siliziumcarbid, einen nichtlinearen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen. Des Weiteren besitzen die Heizelemente auch temperaturabhängige mechanische Belastungsgrenzen. Schließ- lieh darf die netzabhängig abgegebene Maximalleistung nicht überschritten werden. Die maximale Heizrate ist somit auch netzabhängig. Zur Ermittlung der Stromaufnahme durch die Heizelemente dient bevorzugt ein Hallsensor.

Zur Begrenzung der Leistungs- bzw. Stromaufnahme kann eine Halbwel- lensteuerung, alternativ eine Phasenanschnitt oder -abschnittsteuerung dienen.

Fig. 3 zeigt den temperaturabhängigen Nennwiderstand eines beispielhaf- ten Heizkörpers, wie er für den erfindungsgemäßen Brennofen eingesetzt werden kann. Und zwar ist das Verhältnis des Widerstandes zu dem Nennwiderstand in Prozent über der Temperatur in Grad Celsius aufgetragen. Man erkennt, dass der Widerstand ein Minimum bei ca. 900 ⁰ C aufweist.

Fig. 4 zeigt die maximale ohmsche Leistung sowie die maximalen Leistungen der Heizkörper und des Netzes sowie die sich daraus ergebende erlaubte Gesamtmaximalleistung. Als Beispiel wurde eine Netzspannung von 230 Volt gewählt. Die maximale Leistung ist in Watt über der Tempe- ratur in Grad Celsius aufgetragen. Man erkennt, dass die ohmsche Leis-

tung wieder bei 900 ⁰ C ein Maximum hat. Die Leistung der Heizkörper bleibt bis zu einer Temperatur von ca. 1200 ⁰ C konstant und fällt dann stark ab. Die aus dem Netz entnommene Leistung bleibt zunächst bis zu einer Temperatur von ca. 500 ⁰ C konstant, hat dann bei ca. 900 ⁰ C sein Minimum und steigt danach wieder auf das vorhergehende Niveau an.

Entsprechend verhält sich die erlaubte Gesamtmaximalleistung, indem sie zunächst bis auf ca. 500 ⁰ C ansteigt, danach auf ein Minimum bei 900 ⁰ C abfällt, erneut ansteigt bis bei ca. 1200 ⁰ C und dann wieder stark abfällt. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die aus dem Netz ent- nommene Leistung einen Maximalwert nicht übersteigt und dass die mechanische Belastung der Heizkörper im zulässigen Bereich bleibt.

In Fig. 5 ist die Regelung über Halbwellensteuerung beispielhaft dargestellt. Angegeben ist der prozentuale Anteil der an die Heizelemente 3 an- gelegten Halbwellen. Wie man erkennt, ist der Anteil bis zu einer Temperatur von ca. 1200 ⁰ C gleichbleibend etwas über 90 %. Danach wird der Anteil bis zur Endtemperatur von ca. 1600 ⁰ C auf 30 % abgesenkt. Damit wird erreicht, dass die Leistungsaufnahme in der gewünschten Weise begrenzt wird.

Fig. 6 zeigt schließlich den Spannungsverlauf an den Heizelementen 3 bei einer Netzspannung von 230 Volt über die Temperatur. Man erkennt, dass die angelegte Spannung zunächst der Netzspannung entspricht und dann auf ein relatives Minimum bei ca. 900 ⁰ C absinkt. Bis ca. 1200 ⁰ C steigt die Spannung dann wieder auf ca. 200 Volt an, um danach bis zur Endtemperatur von ca. 1600 ⁰ C auf ca. 70 Volt abzufallen. Dieser Spannungsverlauf ergibt sich aus der in Fig. 5 dargestellten Halbwellensteuerung in Verbindung mit dem sich temperaturabhängig ändernden Widerstand der Heizelemente 3.

Alternativ zu einer Halbwellensteuerung kann auch eine Phasenanschnittsteuerung verwendet werden, um die Leistungsaufnahme in der gewünschten Weise zu begrenzen. Dabei kann für die Regelung die Festigkeit der Heizelemente 3 in Abhängigkeit von der Temperatur berücksich- tigt werden. Die Festigkeit kann aus einer zuvor erstellten Tabelle entnommen werden. Die Begrenzung der Leistungsaufnahme durch Halbwellen- oder Phasenanschnittsteuerung kann außerdem so erfolgen, dass die einzelnen Heizelemente nacheinander mit einer Halbwelle oder einem Teil einer Halbwelle beaufschlagt werden. Das heißt, die drei Heizelemente 3 ¹ , 3 ² und 3 ³ werden nacheinander beaufschlagt. Auch ist es möglich, jedes der drei Heizelemente 3 ¹ ^ ² und 3 ³ für sich intermittierend mit einer Halbwelle oder einem Teil einer Halbwelle zu beaufschlagen. Verbleibende Halbwellen oder Teile von Halbwellen können außerdem vollständig ausgeblendet werden, indem sie in das Netz zurückgespeist werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Brennofen und der beschriebenen Steuerung zur Begrenzung der Leistungsaufnahme kann der Brennofen in vielfältiger Weise eingesetzt werden und erzielt hervorragende Brennergebnisse. Insbesondere kann der Brennofen mit verschiedenen Netzspannungen be- trieben werden, wobei die Umschaltung auch automatisch erfolgen kann. Zudem hat der beschriebene Brennofen den großen Vorteil, dass für die Heizelemente Siliziumcarbid verwendet werden kann, da durch die Leistungsbegrenzung sichergestellt werden kann, dass diese nicht wegen zu hoher Leistungsaufnahme beschädigt oder zerstört werden.

Bezugszeichenliste

1 Brennofengehäuse

2 Brennkammer

3 Heizelement

4 Zufuhröffnung

5 Isolierung

6 Gehäuseteil

7 Brenntisch

8 Brenngutträger

9 Brennobjekt

10 Thermosensor

13 Liftteller

14 Stange

19 Anzeigevorrichtung

20 Eingangsklemme

21 Ausgangsklemme

22 Relais

23 Strombrücke