CN102458820B - 高温纤维复合材料燃烧器表面 - Google Patents

Abstract

提供了燃烧器表面和制造方法。燃烧器表面包括框架，所述框架具有已真空铸造到框架的表面的未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的致密层。未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的层不超过0.5英寸，且没有利用大量高分子成孔剂或粘结剂来制造。框架和致密层还包括多个孔缝，所述孔缝形成穿过燃烧器表面板的孔。燃烧器表面板可通过以下来形成：将穿孔的护板连接到固定装置，将销插入穿过护板中的孔缝，将金属纤维和陶瓷纤维的悬浮液导入到护板上方的空间中，将金属纤维和陶瓷纤维真空铸造到护板上以形成金属纤维和陶瓷纤维的层，从孔缝中移除多个销以形成穿过金属纤维和陶瓷纤维的层的对应的孔缝组，干燥金属纤维和陶瓷纤维的层以除去水分，将胶态二氧化硅应用到金属纤维和陶瓷纤维的层，以及干燥燃烧器表面。

Description

高温纤维复合材料燃烧器表面

发明领域

本发明涉及燃烧器表面板和用于生产这些板的方法。更具体地，本发明涉及由未烧结的金属纤维和陶瓷纤维形成的燃烧器表面板。

发明背景

许多专利中已公开了由陶瓷纤维形成的穿孔板，如Cooper的美国专利第3,954,387号、Mihara等人的美国专利第4,504,218号和Abe等人的美国专利第4,673,349号。

穿孔陶瓷板的常见用途是作为气体燃烧器的燃烧器表面。例如，Carswell的美国专利第5,595,816号(“’816”专利)公开了用作燃烧器表面的全陶瓷穿孔板，该专利在此通过引用并入。美国专利第5,595,816号的板通过使短切(chopped)陶瓷纤维在胶体氧化铝或胶态二氧化硅的水分散体中的悬浮液加压过滤穿过具有穿孔滤器底座和销支撑物底座的模具而形成，所述销支撑物底座具有延伸穿过并超出所述滤器底座的穿孔的销。形成之后，将穿孔的短切纤维的层转移到在不超过650℉的温度下操作的干燥器，以便转化成坚固的穿孔板。如该专利所描述的，如果用于热水器的穿孔陶瓷板能够起无焰红外线燃烧器的作用而直接向直立的水槽的底部发射辐射能，则这样的板的优势最大。

Carswell的美国专利第5,326,631号(“’631专利”)描述了用金属纤维、陶瓷纤维和粘结剂制成的燃烧器，其在此通过引用并入。在该专利中，将金属纤维和陶瓷纤维悬浮于含有通常用于制造多孔陶瓷纤维燃烧器的溶解剂和悬浮剂的水中。这些剂包括粘结或胶接材料，比如胶体氧化铝的分散体，和成孔的可去除聚合物诸如甲基丙烯酸甲酯的细粒。

可以在强度和耐久度特性、性能、每平方英尺每小时燃烧速度的BTU和制造成本方面改良现有技术燃烧器表面的特性。

发明概述

本发明提供了由未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料制成的改良的燃烧器表面。在本发明的一个实施方案中，提供了燃烧器表面板，其包括具有第一表面的框架和未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料层，该复合材料层被真空铸造到框架的第一表面并通常具有0.1至0.2英寸且优选地不超过0.5英寸的厚度。优选地在不使用成孔聚合物或高分子粘结剂的情况下将复合材料层真空铸造到框架。无机粘合剂可以是制造过程的部分，其有助于最终的复合纤维结构的强度。框架和复合材料层包括多个对齐的孔缝，所述孔缝形成穿过燃烧器表面板的孔。

在另一个实施方案中，提供了形成燃烧器表面的方法。该方法包括将穿孔的护板连接到固定装置(fixture)；将多个销可移除地插入穿过护板中的多个孔缝；将不含大量成孔聚合物或高分子粘结剂的纤维的悬浮液导入到护板上方的空间中；将纤维真空铸造到护板上以形成纤维的层；从孔缝中移除多个销以形成穿过纤维的层的对应的多个孔缝；和干燥纤维的层以除去水分。纤维优选地为金属纤维和陶瓷纤维。此外，方法可包括将无机颗粒物应用到燃烧器表面，使得颗粒物与纤维连接，从而提供了另外的增强剂。在一个实施方案中，通过将胶态二氧化硅应用到金属纤维和陶瓷纤维的层(例如，通过涂覆、浸渍、渗透、浸没或类似方式)来添加无机颗粒物，然后在足以断裂胶态二氧化硅的至少一部分羟基键但不烧结纤维的温度下干燥所述层以形成未烧结的金属纤维和陶瓷纤维表面。

本发明的实施方案可以以下途径中的一种或多种对现有燃烧器表面进行改良：

通过将陶瓷纤维和金属纤维复合材料直接铸造到穿孔护板，最终产物的结构完整性相对于先前的设计显著提高。

由陶瓷纤维和金属纤维复合材料(对比仅有陶瓷材料)铸造“衬垫材料”，产物的光学性质相对于某些现有技术燃烧器的性质显著提高。例如，在一个实施方案中，燃烧器对于对大多数燃气表面燃烧器来说感兴趣的波长范围中的光具有较高发射率和较低透射率。这导致了燃烧器衬垫材料的较慢降解、较长的燃烧器寿命，并允许将薄得多的陶瓷-金属纤维复合材料层铸造到支撑物护板上。

在一个实施方案中，穿孔于所得的“薄衬垫”表示关于空气过滤需求方面相对于某些现有技术燃烧器的显著改良。薄衬垫允许一些弯曲，这导致更耐久的燃烧器表面。穿孔于燃烧器，燃烧器表面还允许其以更高的表面热量释放速率(相对于某些现有技术燃烧器)来运转而不会遭遇过度的压降。

这些优点还可以比通过某些现有技术燃烧器技术所能实现的每Btu更低的成本来实现。

通过参照以下的说明书并通过参照以下的附图，本发明的这些和其它特征和优点将变得明显。

附图简述

图1显示了根据本发明的一个实施方案，已铸造到护板上的金属陶瓷纤维板的横截面。

图2显示了根据本发明的一个实施方案，铸造固定装置的横截面，所述铸造固定装置包括销固定装置与铸造到护板上的由未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料形成的层。

图3显示了根据本发明实施方案的真空框架组件的透视图。

图4显示了根据本发明实施方案的装配的铸造固定装置的俯视图。

图5显示了在将铸造固定装置的销取出之前，固体沉积形成金属陶瓷表面的铸造固定装置。

图6显示了在将铸造固定装置的销取出之后的燃烧器表面。

图7显示了根据本发明的一个实施方案的圆柱形铸造固定装置。

图8显示了根据本发明的一个实施方案的三维的六边形铸造固定装置。

图9是根据本发明实施方案的详细说明在护板上制造金属陶瓷纤维板的一种可能的方法的流程图。

优选实施方案的详述

应理解，本发明不限于以上所描述的和本文所示出的实施方案，而是包括落入所附权利要求的范围内的任何的和所有的变化形式。例如，本文中对于本发明的论述并不意在限制任何权利要求或权利要求术语的范围，而仅是提及可能被一项或多项权利要求所覆盖的一个或多个特征。以上所描述的材料、方法和数值实例仅是示例性的，并不应认为其限制权利要求。并且，正如从权利要求和说明书中明显看出的，所有方法步骤不必以示出的或要求保护的确切顺序来进行，而以允许适当地形成本文所描述的板的任何顺序来进行。最后，单层材料可以被形成为多层这样的材料或相似的材料，反之亦然。

图1显示了燃烧器表面板1的横截面，所述燃烧器表面板1包括与护板6相连的由未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料形成的真空铸造层2。真空铸造层2和护板6是穿孔的且每一个包括多个对齐的孔缝，所述孔缝形成穿过板1的孔4。护板6优选地为金属，但在可选的实施方案中，护板6可由任何适宜的材料诸如阻燃的塑料或复合材料来形成。

真空铸造层2包括未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料，该复合材料已从作为溶液中的悬浮成分的状态被真空铸造。在一个实施方案中，溶液不包含多孔陶瓷纤维燃烧器的制造中通常存在的任何(或任何大量的)高分子成孔剂或高分子粘结剂和胶接剂。该混合物可包括无机粘结剂，比如铝胶体粘结剂。溶液中基本上消除了聚合物降低了燃烧器表面板的总生产成本，并减少了可能造成一些燃烧器表面易碎性的多孔结构。通过对燃烧器表面穿孔而不是使表面更均匀地多孔，可降低制造成本并提高耐久度。

所选择的金属纤维优选地对燃烧器表面置于使用中时可能暴露于的高温和氧化条件具有抗性。所选择的金属还优选地抗逐步氧化，所述逐步氧化在某些条件下可导致真空铸造层2中的纤维的崩解或粉碎。

在一个实施方案中，将铁基和/或镍基合金用作真空铸造层2中的纤维。例如，铁铝合金或镍铬合金可提供对高温和氧化具有所期望的抗性的纤维。适宜的铁铝合金可含有按重量计4％至10％的铝、16％至24％的铬、0％至26％的镍和通常少量百分比的钇和二氧化硅。适宜的镍-铬合金可含有按重量计15％至30％的铬、0％至5％的铝、0％至8％的铁和通常少量百分比的钇和二氧化硅。优选的合金通常含有铬。

在一个实施方案中，金属纤维直径小于约50μm并通常在约8μm至25μm的范围中，而纤维长度在约0.1mm至3mm的范围中。金属纤维可以是直的或卷曲的。

在一个实施方案中，陶瓷纤维由无定形氧化铝二氧化硅材料形成。例如，陶瓷纤维可由短切氧化铝二氧化硅纤维形成，其中每个纤维具有小于约1/2’’的长度。

真空铸造层2中陶瓷纤维与金属的比例可在从小于0.2至大于5的宽泛的范围变化，通常在每重量份金属纤维0.2至2重量份陶瓷纤维的范围变化。在一个实施方案中，优选的重量比在0.25和1之间。在一个可选的实施方案中，层2由100％金属纤维铸造。在另外的实施方案中，悬浮液中金属纤维与总纤维的质量比在0.20和1之间。在一个实施方案中，真空铸造层2的厚度在1/16’’-1/4’’的范围中，且在一个实施方案中优选地为约1/8’’厚。相对于某些现有技术燃烧器表面，由于相对高百分比的金属纤维且由于层2因为没有由聚合物导致的多孔结构而显著地更致密，层2可显著地更薄。这种铸造较薄的衬垫的能力是有利的。例如，其允许衬垫弯曲更多而不破裂。

在一个实施方案中，层2和护板6中的孔缝4具有小于或等于约厚度的一半的直径，例如，对于具有约1/8’’度的层，小于或等于约1/16’’。利用较薄的衬垫，可使用约0.035-0.050英寸直径的孔。优选地，设计孔缝的直径和长度以使燃烧器逆燃的可能性较小。在一个实施方案中，所选择的孔缝的直径尽可能大从而颗粒物不会卡在孔内和堵住孔，但不会太大以至于导致逆燃。

图1的护板6对真空铸造层2提供了支撑，此外还对整个燃烧器表面提供了强度和耐久度。护板6可由在金属陶瓷纤维板1的指定的温度和操作条件下能够支撑真空铸造层6的任何材料制成。在一个实施方案中，护板6由约20-22号的不锈钢组成。如以下所描述的，在从溶液制造真空铸造层2的过程中，将真空铸造层2直接铸造到护板6上。当用作燃烧器表面时，护板6可以多种方式被螺栓连接或铸造到增压室(plenum)，作为金属陶瓷板1的底面。例如，因为护板是钢制的，其可包括用于紧固的螺栓或螺母，其可被焊接到增压室，或如果金属中有孔的话其可被铆接。在一个实施方案中，在铸造之前可将护板连接至增压室以提供增压室和燃烧器表面的整体铸件。这样的设计可提供成本优点。

图2是根据本发明的一个实施方案的真空铸造固定装置10的横截面。固定装置10包括上部贮器或管23和下部贮器或管22，上部贮器或管23接收金属纤维和陶瓷纤维的悬浮液，穿过固定装置10的液体通过下部贮器或管22排出。当金属纤维和陶瓷纤维悬浮液被抽吸穿过固定装置10时，在护板6之上形成层2以形成燃烧器表面板1。管23提供了围绕板12和管22的密封。真空泵(未示出)与管22相连接以将液体抽吸穿过铸造基板12和护板6的孔，以及销14和基板12的穿孔之间的环状间隙。在基板12上还可存在另外的穿孔18，或在所述板的侧部周围存在排水孔以使液体到达吸入管所处的铸造固定装置的底部。

紧固件16可提供两种功能。第一是将板11固定于板12以协助将销14固定在合适的位置。第二个功能是起“支座(standoff)”的作用，从而护板6可置于其上以在护板6和板12之间提供一些间隔。如果完成铸造时护板6在紧固件16的顶部，则可通过重力将护板6固定在合适的位置。在其它定位中，紧固件16还可用来将护板6紧固于固定装置的其余部分。

在一个实施方案中，销14的直径可以为约0.050-0.078英寸，且护板6的穿孔可以为约0.065-0.90英寸。板12、销夹持器中的孔，为约0.055-0.083。板12为约1/4英寸厚，因此孔紧密度公差和板的厚度使销保持对齐，从而销与护板6中的0.065-0.90英寸孔对直。销14通过金属板12被固定在合适的位置，且销14的头部被压在板11和12之间用于另外的支撑。为作为阻焰器行使作用，由护板6和真空铸造层2形成的孔深度优选地大于或等于由每个销在直接围绕该销的厚度处所形成的孔的直径的约两倍。在另一个可能的实施方案中，销14可具有不同的直径且单独的销的中心之间的间距可依销14的类型而不同。

当金属纤维和陶瓷纤维悬浮液被滤过系统时，其在销14周围留下金属纤维和陶瓷纤维的致密的衬垫或层2。当金属纤维和陶瓷纤维的层2达到所期望的厚度时，停止向贮器23供给悬浮液，且中止真空。可选地，可停止真空以中止悬浮液流体的流动，且然后可从悬浮液流体的池或浴中移除固定装置。

可将护板6与金属纤维和陶瓷纤维的层2竖直地提升到固定装置之外，直到销14已与金属纤维和陶瓷纤维的层2和护板6完全脱离接触。在其中使用紧固件16以将护板6与固定装置相连的实施方案中，可在从固定装置的其余部分移出护板6之前将它们拆开。且然后可将短切的金属纤维和陶瓷纤维的穿孔衬垫2和护板6转移到干燥炉以将湿的可变形纤维衬垫转化为干燥的刚性的穿孔板。干燥炉处于干燥燃烧器表面板但不会烧结金属纤维和陶瓷纤维的温度下以形成与护板6相连的未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料层2。

为真空形成另一个金属陶瓷纤维衬垫，将另一个护板6置于销14上并使用紧固件16将其与固定装置相连。然后装置准备就绪，且可将金属纤维和陶瓷纤维的悬浮液重新导入到管23中，并通过模具10将其真空抽吸。

图3-6显示了根据本发明的另一个实施方案的铸造固定装置组件和过程。图3显示了真空框架组件50。真空框架组件50包括用于接收销固定装置的贮器部分52。贮器部分52具有大体正方形的底部54，并包括4个侧壁56。在图3中，显示真空框架组件50与侧壁脱离，这允许销固定装置的插入和移除。贮器部分52的底部包括与真空源(未示出)流体连接的孔58。图4示出了装配的铸造固定装置的俯视图，所述装配的铸造固定装置包括真空组件50(与可移除侧壁56相连)，和具有连接的穿孔的金属板6的销固定装置60。

插入销固定装置60并连接可移除侧壁后，将真空组件50浸没到容纳浆料混合物的容器中。真空源将浆料抽吸到固定金属板6的销固定装置之上。金属陶瓷固体保留在金属板6之上，同时液体穿过固定装置。图5显示了从溶液中移除的固定装置，而金属陶瓷固体沉积在金属板6上。然后可将金属销从销固定装置60取出，留下燃烧器表面，如图6中所示。燃烧器表面包括穿孔的护板6和金属陶瓷纤维的顶层2。可将燃烧器表面从固定装置中移出并干燥(例如，在180℉下)以除去水。在一个实施方案中，可将诸如胶态二氧化硅的另一种液体添加到燃烧器表面。然后在600℉下将燃烧器表面再次干燥以除去水分而不烧结纤维，且这些步骤之后，其准备用于使用。用胶态二氧化硅进行处理提供了将纤维另外胶接在一起，并使燃烧器表面更坚固和更防水。在另外的实施方案中，可使用胶体氧化铝或其它添加剂来提供另外的胶接。

本领域的技术人员将理解铸造固定装置可具有任何所期望的形状或尺寸。例如，图7显示了铸造固定装置80，其具有圆柱形几何形状而非平的板。固定装置80包括圆柱形金属框架86、可取出的销88和基底部分84，在基底部分84上可移除地连接有金属框架86。图8示出了真空铸造过程完成之后并且销取出之后的三维的六边形铸造固定装置90。在另外的实施方案中，利用基本上相同的真空铸造方法可使用不同的二维和三维框架来形成燃烧器表面。

图9描述了根据本发明的一个实施方案用于制造由未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料形成的燃烧器表面的过程。在步骤100中，如以上关于图2或图3-6所描述的，将金属陶瓷纤维真空铸造到穿孔的金属板上。在步骤102中，可将将要形成燃烧器表面的金属陶瓷纤维板1从固定装置移出。从固定装置移出金属陶瓷纤维板1后，将金属陶瓷纤维板1置于干燥炉中以干燥该板，如步骤107中所示。在一个实施方案中，在180℉下干燥板1。

在步骤107中除去水分后，如步骤110中所示，可通过将胶态二氧化硅的碱溶液浸渍、刷涂或喷洒到金属陶瓷纤维板1而将胶态二氧化硅添加至燃烧器表面。在胶态二氧化硅干燥之后，保护板不受来自与水接触的损害。在一个实施方案中，燃烧器表面接受胶态二氧化硅的第二次应用以进一步保护该板。

在步骤111中，在约600℉至650℉下进行第二次干燥操作以破坏金属陶瓷纤维板1中所含的羟基而不烧结金属纤维和陶瓷纤维。这作为硬化步骤行使作用以进一步提高板1的性能。

应注意的是，如本文所用的，术语“在……的之上(over)”和“在……上(on)”包含性地包括“直接地在……上”(之间未置有中间材料、要素或空间)和“间接地在……上”(之间置有中间材料、要素或空间)。相似地，术语“相邻的”包括“直接地相邻的”(之间未置有中间材料、要素或空间)和“间接地相邻的”(之间置有中间材料、要素或空间)。

Claims (19)

1.一种燃烧器表面板，包括：

护板，所述护板具有第一表面；

未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料层，所述未烧结的金属纤维和陶瓷纤维的复合材料层被真空铸造到所述护板的所述第一表面，且具有不大于0.5英寸的厚度，金属纤维和陶瓷纤维彼此不同，其中所述复合材料层被真空铸造到所述护板而无需使用大量的聚合物剂；并且

其中所述第一表面和所述复合材料层包括多个对齐的孔缝，所述孔缝穿过所述第一表面和未烧结的复合材料层，其中所述燃烧器表面板是独立式的、能够弯曲的。

2.如权利要求1所述的燃烧器表面板，其中所述护板是金属护板。

3.如权利要求1所述的燃烧器表面板，其中所述护板是由塑料制成的护板。

4.如权利要求1所述的燃烧器表面板，其中所述孔缝具有小于或等于所述板的厚度的一半的直径。

5.如权利要求1所述的燃烧器表面板，其中所述陶瓷纤维具有0.1英寸的最大长度。

6.如权利要求1所述的燃烧器表面板，其中所述金属纤维包括4％至10％的铝、16％至24％的铬和0％至26％的镍。

7.如权利要求6所述的燃烧器表面板，其中所述复合材料层的所述金属纤维还包括钇和二氧化硅。

8.如权利要求2所述的燃烧器表面板，其中所述金属护板由20-22号的不锈钢形成。

9.一种形成燃烧器表面的方法，包括：

将具有多个孔缝的护板与固定装置相连；

将多个销可拆装地插入穿过所述护板中的多个孔缝；

将不含大量聚合物剂的金属纤维及陶瓷纤维的悬浮液导入到所述护板上方的空间中，其中金属纤维和陶瓷纤维彼此不同；

将所述金属纤维及陶瓷纤维真空铸造到所述护板上以形成纤维的层；

将多个销从孔缝移除以形成穿过所述纤维的层的对应的多个孔缝；

从所述固定装置移除护板以及真空铸造到所述护板上的纤维的层；

干燥所述纤维的层以除去水分；

将胶态二氧化硅应用到所述纤维的层；和

在足以断裂所应用的胶态二氧化硅的至少一部分羟基键但不烧结所述纤维的温度下干燥所述纤维的层以形成独立式的燃烧器表面板，其中所述燃烧器表面板是能够弯曲的。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述纤维包括金属纤维和陶瓷纤维。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述陶瓷纤维包括无定形氧化铝二氧化硅纤维。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述多个销中的每一个具有小于0.08英寸的直径和距最近的销小于0.13英寸的中心距。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述悬浮液中的金属纤维与总纤维的质量比在0.20和1之间。

14.如权利要求10所述的方法，其中陶瓷纤维具有0.1英寸的最大长度。

15.如权利要求10所述的方法，其中金属纤维包括4％至10％的铝、16％至24％的铬和0％至26％的镍。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述金属纤维还包括钇和二氧化硅。

17.如权利要求10所述的方法，其中所述护板由不锈钢制成。

18.如权利要求10所述的方法，其中所述护板是金属。

19.如权利要求10所述的方法，其中所述护板是塑料。