Brennofen

Die Erfindung betrifft ein Heizelement für einen Dental-Keramik Brennofen so- wie einen Dental-Sinter Brennofen mit einem erfindungsgemäßen Heizele- ment.

Zum Sintern von metallfreiem Zahnersatz, wie Zirkoniumoxyd sowie zum Auf- brennen dentalkeramischer Massen auf Dental-Legierungen, insbesondere aus Zirkon und/oder anderen keramischen Werkstoffen, sind Dental-Brennöfen mit unterschiedlichen Heizelementen bekannt.

Für Öfen, die zum Sintern von Verblendkeramik und für Brände zur Fixierung von Bemalungen oder Glanzbehandlungen verwendet werden, sind Wider- standheizungen bekannt, bei denen ein Heizdraht -vorzugsweise aus Kanthal- in einer Quarzglashülle als Heizelement verwendet werden. Materialbedingt sind diese Heizelemente allerdings bis max. ca. 1200°C einsetzbar, was für das Sintern von Verblendkeramik und die Durchführung von Mal-/Fixierbränden ausreichend ist.

In zunehmendem Maße werden dentale Restaurationen seit einigen Jahren aus S1O2 hergestellt. Typischerweise wird dieses Material in einem vorgesinterten Zustand bearbeitet und anschließend in einem Sinterofen endgesintert. Dafür reichen Temperaturen von 1200°C nicht aus, vielmehr werden Temperaturen bis ca. 1650°C benötigt. Für Sinteröfen, die diese Temperaturanforderungen erfüllen, sind beispielsweise Heizelemente aus Molybdändisilizid bekannt. Hier- bei handelt es sich um ein dichtes metallkeramisches Material, das aus Molyb- dänsilizid und einem Oxidanteil, überwiegend einer Glasphase, besteht. Dieser Glasanteil bzw. eine Schutzschicht verändert sich während der Heizphase. Dies kann zu Abplatzungen und somit zu Verunreinigungen im Brennraum und so- mit auch zu Verunreinigungen des zu sinternden Gegenstandes führen. Die Abplatzungen führen als kleine Glassplitter und Glasstaub zu Verunreinigungen des Brennraums und/oder des zu sinternden Objekts.

Die folgende Auflösung der Oxidschicht an einem derartigen Heizelement führt zur Bildung von M0O3 (Molybdän(VI)-oxid). Dies führt zu einer unerwünschten Grün-Gelb-Verfärbung des zu sinternden bzw. zu brennenden Dentalobjekts. Eine derartige Verfärbung kann nur durch den Einsatz von sogenannten Sin- terschalen mit Abdeckung verhindert werden. Dies stellt eine aufwendige Aus- gestaltung der Dental-Brennöfen dar. Ferner ist es erforderlich zur Erneuerung der Oxidschicht an dem Heizelement einen Reinigungsbrand durchzuführen. Dies bringt einen erheblichen Zeit- und Energieaufwand mit sich, da ein derar- tiger Reinigungsbrand mindestens 4 Stunden bei Temperaturen über 1400°C ohne Bestückung des Dental-Brennofens durchgeführt werden muss.

Des Weiteren ist es bekannt Heizelemente aus Siliziumcarbid zu verwenden. Hierbei handelt es sich um einen keramischen Werkstoff, der jedoch stark bruchgefährdet ist. Der Einbau eines derartigen Heizelementes in dem Brenn- raum des Dental-Brennofens ist daher sehr aufwendig und kompliziert. Insbe- sondere darf ein derartiges Heizelement keinen Kräften oder gar Momenten ausgesetzt sein. Andererseits ist es erforderlich, dass die Brennkammer zum Brennen dentalkeramischer Massen evakuierbar ist. Dies erfordert ein Heraus- führen der Enden des Heizelements aus der Brennkammer. Dies erfolgt durch eine vakuumdichte Durchgangsöffnung im Gehäuse der Brennkammer. Hierbei wird auf das Brennelement eine Kraft und ggf. ein Moment aufgebracht. Dies kann bei Heizelementen aus Siliziumcarbid zu Beschädigungen und insbeson- dere zu einer vollständigen Zerstörung des Heizelements führen. Des Weiteren ist es bei Verwendung mehrerer Heizelemente aus Siliziumcarbid wichtig, dass nur Elemente mit dem gleichen elektrischen Wiederstand zusammengeschaltet werden. Insofern müssen stets sämtliche Heizelemente ausgetauscht werden. Ein Austauschen nur einzelner Heizelemente ist zwar möglich, führt aber in- nerhalb kürzester Zeit zum Ausfall weiterer Heizelemente und ist daher nicht praktikabel. Der Austausch aller Heizelemente eines Ofens ist mit erheblichen Kosten verbunden.

Des Weiteren ist es bekannt dentale Objekte durch Induktion zu sintern. Beim Sintern mittels Induktion ist jedoch die Größe des Brennraums stark begrenzt. Ferner muss beim Bestücken des Brennraums sehr präzise darauf geachtet werden, dass dieser nicht beschädigt wird, da ein Beschädigen der Innenwand des Brennraums zu einer Veränderung des Induktionsverhaltens führen würde. Des Weiteren sind die Einsatzmöglichkeiten eines Induktions-Dental- Brennofens sehr begrenzt, da die Eigenschaften des zu behandelnden Materi- als und der Induktor/Suszeptor exakt aufeinander abgestimmt sein müssen, um das richtige Wärmeverhalten zu erzielen. Der Einsatzbereich ist auch auf- grund der Abhängigkeit von Materialparametern bei induktiv arbeitenden Den- tal-Brennöfen sehr begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Heizelement für einen Dental-Brennofen mit verbesserten Einsatzmöglichkeiten zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Er- findung einen Dental-Brennofen mit einem derartigen Heizelement zu schaf- fen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Heizelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Dental-Brennofen mit den Merkmalen des Anspruchs 11.

Das erfindungsgemäße Heizelement für einen Dental-Brennofen weist ein Rohrelement zur Aufnahme einer Heizwendel innerhalb des Rohrelements auf. Das Rohrelement ist zumindest auf einer Seite durch ein Verschlusselement verschlossen. Durch das Verschlusselement erfolgt ein Verschließen eines of- fenen Endes des Rohrelements. Das zweite Ende des Rohrelements kann ver- schlossen sein oder durch ein weiteres Verschlusselement verschlossen wer- den. Das mindestens eine Verschlusselement dient zum Hindurchführen elektrischer Anschlusselemente für die Heizwendel. Beim Vorsehen von zwei Verschlusselementen bei einem Heizelement können die elektrischen An- schlusselemente entweder durch beide Verschlusselemente oder nur durch eines der beiden Verschlusselemente hindurchgeführt werden. Erfindungsge- mäß ist das Rohrelement bevorzugt aus einem keramischen Material herge- stellt. Als Material sind insbesondere Oxidkeramiken geeignet. Vorteilhaft kommen solche Oxidkeramiken zum Einsatz, die eine hohe Wärmebeständig- keit, vorzugsweise oberhalb von 1.700 °C, insbesondere oberhalb von 1.800 °C aufweisen. Insbesondere können keramische Materialien verwendet werden, die unter den erfindungsgemäßen Einsatzbedingungen eine hohe Va- kuumdichtheit bzw. geringe Leckagerate von insbesondere kleiner 10 ⁸ mbar * l/s erreichen (gemäß Helios-Leckagetest).

Besonders bevorzugt umfasst oder besteht das keramische Material aus Oxidkeramiken ausgewählt aus der Gruppe bestehend auf Aluminiumoxid, Ti tanoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Aluminiumtitanat, Bari- umtitanat und Yttriumoxid sowie Mischungen hiervon. Zur Vermeidung von Verunreinigungen während des erfindungsgemäßen Einsatzes der Heizelemen- te beziehungsweise des Dental-Ofens haben sich Oxidkeramiken mit einer ho- hen Reinheit als vorteilhaft herausgestellt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Anteil an Oxidkeramik in dem Rohrelement oberhalb von 90 Gew.-%, vorzugsweise oberhalb von 95 Gew.-%, insbesonde- re oberhalb von 97 Gew.-% und im Speziellen oberhalb von 99 Gew.-%, oder oberhalb von 99,5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Rohrelementmaterials.

Speziell bevorzugt ist Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid oder Yttriumoxid, jeweils mit einem Reinheitsgrad oberhalb von 95 Gew.-%, vorzugsweise ober- halb von 97 Gew.-%, insbesondere oberhalb von 98 Gew.-% oder 99 Gew.-% und im Speziellen oberhalb von 99,5 Gew.-%.

Das Vorsehen eines Rohrelements aus dem vorstehend beschriebenen Material hat insbesondere den Vorteil, dass für das Aufbrennen dentalkeramischer Mas- sen auf Dental-Legierungen wie Zirkon und/oder andere keramische Werkstof- fe bei Temperaturen bis 1100°C gute Ergebnisse erzielt werden können. Dies gilt auch für das Sintern von metallfreiem Zahnersatz, wie Zirconoxid oder ähnlichem Material, insbesondere bis 1600°C. Insbesondere wird durch das Verwenden des vorstehenden Materials bei dem Rohrelement ein Abplatzen von Materialteilen wie z.B. Glassplitter/Glasstaub, wie bei der Verwendung von Molybdändisilizid, vermieden. Auch ist das Rohrelement aus dem vorste- hend beschriebenen Material deutlich weniger empfindlich gegenüber auftre- tenden Kräften und Momenten, sodass insbesondere auch das Hindurchführen eines erfindungsgemäßen Heizelements durch eine Durchgangsöffnung eines Gehäuses einer Brennkammer und einem Fixieren in dieser Durchgangsöff- nung gut und zuverlässig möglich ist.

Das mindestens eine Verschlusselement, das vorzugsweise zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse und zum Herausführen der elektrischen Anschlüsse dient, ist vorzugsweise aus Quarzglas und/oder Borosilikatglas hergestellt.

Das Verbinden des mindestens einen Verschlusselements mit dem Rohrele- ment erfolgt vorzugsweise mittels Gläsern und/oder Glaslot.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Wär- meausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, insbesondere des Rohrelements und des mindestens einen Verschlusselements ähnlich, vor- zugsweise im Wesentlichen identisch.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Heizelements, welches eine unabhängige Erfindung darstellt, liegt der Wäremausdehnungskoeffizient des Rohrelementes im Bereich von

8,8 x 10 ⁶ K ¹ bis 9,2 x 10 ⁶ K T Üblicherweise liegt der Wärmeausdehnungs- koeffizient für das Verschlusselement zur Aufnahme der elektrischen Anschlüs- se und zum Herausführen der elektrischen Anschlüsse aus Quarzglas und/oder Borosilikatglas im Bereich von 0,5 x 10 ⁶ K ¹ bis 3,3 x 10 ⁶ K T Eine direkte Verbindung von Heizelement und Verschlusselement ist daher aus Gründen von thermisch induzierten mechanischen Spannungen während des erfin- dungsgemäßen Einsatzes problematisch.

Um Spannungsrisse und somit Undichtigkeiten im Heizelement zu vermeiden ist es bevorzugt zwischen dem Rohrelement und dem Verschlusselement zu- mindest ein Zwischenelement vorzusehen. Das mindestens eine Zwischenele- ment weist hierbei einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, der zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohrelements und des Verschlus- selements liegt. Besonders bevorzugt ist es, dass mehrere Zwischenelemente vorgesehen werden, die jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffi- zienten aufweisen, sodass der Wärmeausdehnungskoeffizient stufenweise an- gepasst wird. Hierbei ist es bevorzugt, dass als Zwischenelemente Zwischen- gläser bzw. Übergangsgläser verwendet werden, um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszugleichen bzw. anzupassen.

Beim Verwenden von Zwischenelementen aus Quarzglas für die elektrischen Anschlüsse werden vorzugsweise 10-15 Zwischengläser und bei Einsatz von Borosilikatglas 3-10 Zwischengläser zum Rohrelement aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid oder Yttriumoxid notwendig und miteinander verschmolzen.

Mit diesen aus den Zwischengläsern verschmolzenen Verbindungen vom Rohrelement bis zum Anschlusselement werden auf Grund des jeweils ange- passten Wäremausdehnungskoeffizienten der einzelnen Gläser Spannungen und somit Risse zwischen den einzelnen Gläser vermieden und die Vakuum- dichtheit bzw. Leckagerate von insbesondere kleiner als 10 ⁸ mbar * l/s si- chergestellt.

Das Rohrelement ist über das mindestens eine Zwischenelement, insbesonde- re die mehreren Zwischengläser derart miteinander verschmolzen, dass in die- sem Bereich bei Temperaturen von bis zu 500 °C eine Vakuumdichte bzw. Le- ckagerate von insbesondere kleiner 10 ⁸ mbar * l/s sichergestellt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Heizelement im Bereich des Über- gangs zwischen dem Rohrelement und den Verschlusselementen stark zu küh- len und/oder einen langen Übergang vorzusehen, sodass das Auftreten von Spannungen vermieden bzw. die Gefahr der Rissbildung stark verringert ist.

Bei der innerhalb des Rohrelements angeordneten Heizwendel handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um eine Heizwendel aus Wolfram und/oder Molybdän. Insbesondere weist die Heizwendel als Material hochschmelzende Metalle oder Metalllegierungen auf. Vorteilhafterweise liegen die Schmelztem- peraturen der eingesetzten Materialien oberhalb von 2.000 °C, vorzugsweise oberhalb von 2.500 °C, insbesondere oberhalb von 2.600 °C. In einer Ausge- staltung liegen die Schmelztemperaturen der Heizwendel hierbei insbesondere bei mindestens 2.600 °C oder bei mindestens 3.400 °C.

Vorzugsweise ist das Rohrelement, in dem die Heizwendel angeordnet ist, mit einem Schutzgas befüllt. Als Schutzgas oder auch Inertgas haben sich insbe- sondere die Edelgase ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Argon, Neon und Krypton sowie beliebige Mischungen hiervon herausgestellt. Das Rohrele- ment ist hierbei vorzugsweise gasdicht, sodass das Schutzgas nicht in die Brennkammer austreten kann. Eine entsprechende Gasdichtigkeit ist auch ge- geben, wenn innerhalb des Brennraums des Dental-Brennofens ein gegenüber Atmosphärendruck verminderter Druck herrscht. Hierzu können Drücke im Be- reich von 20 mbar bis 1 bar, insbesondere im Bereich von 30 mbar bis 950 mbar zur Anwendung kommen.

Ferner betrifft die Erfindung einen Dental-Brennofen mit einem Heizelement, das vorzugsweise wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist. Der Dental- Brennofen weist ein Gehäuse auf, das einen Brennraum ausbildet. In dem Brennraum wird das zu brennende bzw. zu sinternde Dentalelement angeord- net. Dies erfolgt üblicherweise auf einem Brenntisch, wobei typischerweise zwischen Brenntisch und Brennraum eine Relativbewegung erfolgt um die zu brennenden Objekte in den Brennraum einzuführen und den Brennraum zu verschließen. Innerhalb des Brennraums ist mindestens ein Heizelement ange- ordnet. Hierzu weist das Gehäuse des Dental-Brennofens mindestens eine Durchgangsöffnung auf, wobei durch jeweils eine Durchgangsöffnung ein Heiz- element hindurchgeführt bzw. in den Brennraum eingeführt ist. Das erfin- dungsgemäß, wie vorstehend insbesondere auch anhand bevorzugter Weiter- bildungen beschriebene Heizelement ist hierbei derart angeordnet, dass das Verschlusselement außerhalb des Brennraums und insbesondere auch außer- halb des Gehäuses angeordnet ist. Das Verschlusselement ist somit nicht den hohen im Brennraum herrschenden Temperaturen ausgesetzt.

Die mindestens eine Durchgangsöffnung ist vorzugsweise mit einem Dichtele- ment verschlossen. Das Dichtelement dient insbesondere auch dazu, dass ein ggf. innerhalb des Brennraums herrschendes Vakuum erzeugt werden kann. Ferner kann durch das Dichtelement auch ein Halten bzw. Fixieren des Heiz- elements erfolgen. Das Dichtelement ist hierbei vorzugsweise ringförmig aus- gebildet und umgibt das Heizelement. Hierbei wird das Heizelement insbeson- dere in einem Bereich des Rohrelements gehalten, sodass das Verschlussele- ment, d.h. vorzugsweise die Glaselemente, vollständig außerhalb des Gehäu- ses des Brennraumes angeordnet ist.

Des Weiteren ist es bevorzugt, dass bei jeder Durchgangsöffnung gegenüber- liegend ein Aufnahmeelement für das Heizelement angeordnet ist. Durch die- ses Aufnahmeelement, bei dem es sich um eine nicht durchgehende Öffnung in dem Gehäuse handeln kann, erfolgt ein Aufnehmen des insbesondere freien Endes des Heizelements, d.h. desjenigen Endes des Heizelements an dem kein Verschlusselement vorgesehen ist. Sofern das Heizelement auf beiden Seiten mit einem Verschlusselement verbunden ist, ist es in einer alternativen Aus- führungsform bevorzugt, dass bei jeder Durchgangsöffnung eine weitere Durchgangsöffnung gegenüberliegend angeordnet ist, sodass das zweite Ver- schlusselement auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Gehäuse des Brennraums wieder herausragt. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert:

Es zeigen :

Figur 1 eine stark vereinfachte schematische, perspektivische Ansicht der wesentlichen Bauteile einer Brennkammer eines Dental- Brennofens und

Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen

Heizelements.

Ein Dental-Brennofen weist ein Gehäuse 10 auf, das im dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Querschnitt aufweist und im Innenraum einen Brennraum 12 ausbildet. Die Innenseite des Gehäu- ses 10 ist mit einer Hochtemperaturisolierung 14 versehen. Mit Hilfe eines Brenntisches 16 ist es möglich zu brennende oder zu sinternde Dentalelemen- te, die auf einer Oberseite 18 des Brenntisches 16 angeordnet sind, in die Brennkammer 12 einzuführen. Ferner ist die Brennkammer 12 an ihrer Ober- seite mit einem nicht dargestellten Deckel verschlossen. Über diesen können beispielsweise auch Vakuumanschlüsse zur Erzeugung eines Vakuums im Brennraum angeschlossen sein.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei Heizelemente im Brenn- raum 12 angeordnet, wobei die Heizelemente in der Figur 1 vor der Montage dargestellt sind. Die beiden Heizelemente 20 werden jeweils durch eine Durchgangsöffnung 22, die im Gehäuse 10 vorgesehen ist, in den Brennraum eingeschoben. Zur Fixierung der Heizelemente 20 in den Brennraum sind ei- nerseits den Durchgangsöffnungen 22 gegenüberliegende Aufnahmeelemente 24 vorgesehen, bei denen es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um nicht durchgehende Öffnungen handelt, in die die freien Enden der Heizele- mente 20 eingeführt werden. Andererseits erfolgt ein Fixieren der Heizelemen- te 20 in eingestecktem Zustand mithilfe von Dichtelementen 26. Diese umge- ben im dargestellten Ausführungsbeispiel die Heizelemente ringförmig und können beispielsweise an Stutzen der Durchgangsöffnungen 22 in vorgesehe- ne Gewinde fixiert werden. Die Dichtelemente 26 umgeben im montierten Zu- stand das Rohrelement 30 vor dem Bereich von Verschlusselementen 40.

Die Befestigung bzw. Abdichtung der Heizelemente erfolgt vorzugsweise aus- schließlich im Bereich des Rohrelementes 30.

Im Übergangsbereich ist ferner vorzugsweise ein Verbinden durch Zwischen- elemente, bei denen es sich insbesondere um mehrere Zwischenglä- ser/Übergangsgläser/Glaslot 40 oder einem anderen Verbindungsmaterial handelt vorgesehen, um die Verschlusselemente 28 mit den Rohrelementen 30 zu verbinden. Die einzelnen Zwischenelemente weisen hierbei einen unter- schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodass der Wärmeausdeh- nungskoeffizient ausgehend von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohrelements 30 stufenweise bzw. schrittweise an den Wärmeausdehnungs- koeffizienten des Verschlusselements 28 angeglichen wird.

Die Ausgestaltung der Heizelemente 20 ist insbesondere in Figur 2 dargestellt. Die dargestellte Ausführungsform der Heizelemente 20 weist ein Rohrelement 30 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rohrelement 30 an dem freien Ende 32 verschlossen. Das freie Ende 32 wird in dieser Ausführungsform in die Ausnehmungen 24 eingeführt. Innerhalb des hohlen Rohrelements 30 ist eine Heizwendel 34 angeordnet. Die beiden elektrischen Anschlüsse 36/38 der Heizwendel sind durch das mindestens eine Zwischenelement 40 sowie durch das Verschlusselement 28 hindurchgeführt und verschmolzen. Das Verschlus- selement 28 ist mit dem Rohrelement 30 beispielsweise über ein dem entspre- chenden Wärmeausdehnungskoeffizienten angepasstes Glaslot und mehreren Zwischengläser/Übergangsgläser welche ebenfalls die entsprechend angepass- ten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen verschmolzen. In dem die Heizwendel 34 aufnehmenden Hohlraum 42 des Rohrelements 30 ist ein Schutzgas Argon, Neon, Krypton vorgesehen.

Alternativ zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform kann die Heizwen- del auch derart ausgestaltet sein, dass das Anschlusselement 36/38 auf der in Figur 2 linken Seite des Rohrelements 30 herausgeführt ist. Bei diesem Aus- führungsbeispiel wäre sodann ein zweites Verschlusselement auf der rechten Seite angeordnet, das entsprechend dem Verschlusselement 28/40 ausgebil- det ist und ebenfalls mit angepasstem Glaslot sowie mehreren Zwischenglä- ser/Übergangsgläser zur Anpassung der unterschiedliche Wärmeausdehnungs- koeffizienten mit dem Rohrelement 30 verbunden ist. Mit diesen angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten wird sichergestellt, dass das mit einem Schutzgas/Inertgas, Argon/Krypton gefüllten Rohrelement eine Leckagerate von kleiner 10 ⁸ mbar * l/s sichergestellt wird.