CZ246694A3

CZ246694A3 - Radiation heating body, particularly for heating glass-ceramic heating plate

Info

Publication number: CZ246694A3
Application number: CZ942466A
Authority: CZ
Inventors: Gunter Dr Kratel; Thomas Eyhorn; Gunter Dr Stohr; Andreas Rell
Original assignee: Wacker Chemie Gmbh
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 1996-04-17
Also published as: EP0644707A1; KR950010690A; CZ280703B6; SK107194A3; ES2096391T3; HUT71076A; JP2676676B2; SK281814B6; HU215751B; CA2132287A1; JPH0794258A; DE59401255D1; DE4331702A1; EP0644707B1; CA2132287C; KR0159802B1; US5532458A; ATE146329T1; HU9402490D0

Description

Vynález se týká sálavého topného tělesa, zejména pro ohřev sklokeramické topné plotýnky, plochou nesoucí elektrický topný drát, přičemž tato plocha je povrchem izolačního tělesa, tepelně izolující miskovitou obrubou, těleso.

které sestává z ložiskové vrstvy a mikroporézní izolační vrstvy, a s která prstencovitě obklopuje izolační

Dosavadní stav techniky

Z patentového spisu DE 3020326 C2 je známé sálavé topné těleso pro sklokeramické topné plotýnky, u kterého se nachází mezi žhavicí spirálou a dnem úložné misky z kovu tepelně izolační materiál z jednoho kusu, který na straně dna sestává z mikroporézní izolační vrstvy a ve směru k topné spirále z mikroporézní vytvrzené .ložiskové vrstvy. Topná spirála je přilepena na horní straně ložiskové vrstvy. Navíc má ložisková vrstva přídavně utěsněný obvodový okraj, který vyčnívá přes rovinu topné spirály a funguje jako opěra pro sklokeramickou topnou plotýnku. Pro vyztužení obsahuje ložisková vrstva oproti izolační vrstvě mimo tvrdidla také zvýšený podíl křemičitanových vláken.

V patentovém spise DE 2858342 C2 je popsáno sálavé topné těleso pro topné plotýnky, u kterého je elektrická

topná spirála připevněna svorkami v izolační desce, která obsahuje vyztužovací vlákna. Svorky jsou v izolační desce drženy třením. Deska je uložena v ochranné pánvi z kovu. Dále je navržen prstenec z vyztužujících vláken, který přiléhá k okraji izolační desky a vyčnívá přes horní hranu ochranné pánve, takže v provozním stavu podpírá povrch prstence sklokeramické topné plotýnky.

V mezinárodní patentové přihlášce WO-91/06193 je popsána sálavá topná jednotka s keramickým topným prvkem nosičem, který výhodně pokrývá 10 - 20% plochy pod ním uspořádané tepelné izolace. Tepelná izolace sestává z mikroporézní tepelně izolační látky s obsahem vláken 0-50 %hmot.

Je všeobecně známé a z citovaných patentových spisů zjistitelné, že mechanicky namáhané prvky sálavého topného tělesa, především vrstva, určená pro uložení elektrického topného drátu a pro podepření topné plotýnky, musí sestávat z pevného materiálu, který snese mechanické zatížení při smontovávání, zabudovávání sálavého topného tělesa a v průběhu provozu. Nevýhodné je, že tepelně izolační působení dosud používaných, mechanicky žatížitelných materiálů není příznivé buďto z důvodu jejich vysoké hustoty, nebo musí být použit mikroporézní materiál, který je vyztužený vlákny. Protože vedle karcinogenních azbestových vláken jsou doporučována také jiná minerální vlákna, která jsou podezřelá z možného rozkládání krve, zesiluje se tlak veřejnosti na nahrazení materiálů/ obsahujících vlákna, prostřednictvím bezvláknitých analogů. Také ze strany průmyslu jsou stále více vyžadovány bezvláknité substituenty, v neposlední řadě proto, aby se předešlo zákazu materiálů^obsahujících vlákna.

-X3

Jiná nevýhoda je dána tím, že elektrický topný drát je příležitostně. upevňován také pomocí svorek, které zasahují do tepelně izolujícího materiálu, a při poruchách by mohlo dojít ke zkratům, když se svorka nedopatřením dotkne kovové stěny miskovité obruby, která obklopuje tepelně izolační materiál. K podobným problémům s tepelnou izolací může dojít, když je za účelem ukotvení kovový topný drát částečně zatlačen do izolační vrstvy. K tomu je třeba u obruby, vyrobené z kovu_} připočíst tepelné ztráty, způsobené nedostatečnou tepelnou izolací kovu.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je připravit v případě potřeby bezvláknité sálavé topné těleso, které se vyznačuje zvláště dobrou tepelnou izolací, je vyrobítelné snadno a bez větších nákladů a jehož mechanicky namáhané součásti se vyznačují vysokou pevností.

Tato úloha je vyřešena sálavým topným tělesem zejména pro ohřev sklokeramické topné plotýnky s plochou, nesoucí elektrický topný drát, přičemž tato plocha je povrchem izolačního tělesa, tepelně izolující které sestává z ložiskové vrstvy a mikroporézní izolační vrstvy, a s miskovítou obrubou, která prstencovité obklopuje izolační těleso. Podle vynálezu ložisková vrstva a/nebo obruba a/nebo mikroporézní izolační vrstva obsahuje vysoce porézní, bezvláknitý anorganický materiál a dno miskovité obruby má kruhovitý tvar.

Zásadně může být odpovídajícím způsobem vytvořeným tělesem z vysoce porézního anorganického materiálu nahrazena jak dosud z kovu zhotovená miskovitá obruba sálavého topného tělesa, tak také z části používané, z vytvrzené, vlákna obsahující nebo z keramického materiálu sestávající ložiskové vrstvy, které nesou elektrický topný drát. Rovněž je možné, aby byla k tepelně izolující mikroporézní izolační vrstvě při výrobě přimíchána část vysoce porézního materiálu, čímž je zvětšena možnost mechanického zatížení izolační vrstvy. Pokud je použita takto zpevněná izolační vrstva, je účelné na jejím povrchu uložit také elektrický topný drát a vypustit ložiskovou vrstvu. Principiálně je rovněž možné prostřednictvím odpovídajícího prstence z vysoce porézního anorganického materiálu nahradit ve stavu techniky používaný vláknový prstenec pro podepření topné plotýnky.

Protože použití vysoce porézního anorganického materiálu je nutně předepsáno pouze buďto pro miskovitou obrubu nebo ložiskovou vrstvu_} nebo pro teplo izolující izolační vrstvu, a navíc existuje možnost opatřit sálavé topné těleso vedle tepelně izolující izolační vrstvy ložiskovou vrstvou nebo tuto eventuálně vynechat, je získána řada kombinačních možností.

Výhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že anorganickým materiálem je zástupce nebo směs zástupců ze skupin expandovaných vrstvených křemičitanů, vysoce porézních sopečných hornin, prokřemeněných fosilních půd a rostlinných popelů.

Jiné výhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že anorganickým materiálem je vermikulit.

x5

Další vhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že mikroporézní izolační vrstva je bez vláken.

Výhodně je elektrický topný drát na povrchu izolačního tělesa nalepen, sevřen nebo do tohoto povrchu částečně zatlačen.

Přehled obrázků na výkresech

Dále bude vynález popsán na příkladech konkrétních provedení za pomoci výkresů, na kterých představuje obr. 1 polovinu zrcadlově symetrického průřezu jednoho provedení miskovité obruby sálavého topného tělesa podle vynálezu a obr. 2 polovinu zrcadlově symetrického průřezu jiného provedení miskovité obruby sálavého topného tělesa podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Pokud je použito miskovité obruby ý z vysoce porézního materiálu, je účelné zvolit tvar obruby 2 tak, že její boční stěna jL, která v provozním stavu obklopuje izolační těleso 3, vyčnívá přes nejvyšší vyvýšení tepelného vodiče, a to přednostně o 1 až 20 mm. Na povrch 4 boční stěny 2 pak může při provozním stavu přiléhat topná plotýnka. V principu může být takováto miskovitá obruba 2 vytvořena ze dvou nebo více sestavitelných tvarových částí. Další vytvoření mistovité obruby 2 se týká jejího dna 5. To může, ale nemusí být_zvytvořeno úplně ploché. Konstrukční uspořádání podle obr. 2 předpokládá, že ve dně 5 bude ponechán kruhovitý otvor 6, takže se dno 5 v půdorysu podobá kruhovému kotouči. Pokud je dno 5 uspořádáno takto, je účelné/aby izolační těleso 2 bylo vytvořeno tak, že tvarovým stykem vyplňuje otvor 6 ve dnu 5.

Anorganický materiál, použitý podle vynálezu,je vysoce porézní a má vysoký podíl oxidu křemičitého. Zvláště vhodnými jsou zástupci skupin vrstvených křemičitanů (např. vermikulit, slída), vysoce porézních sopečných hornin (např. perlit, pemza), prokřemeněných fosilních půd (např. infuzóriová hlinka, křemelina) a rostlinného popela (např. rýžového popela, kukuřičného popela). Přednostně použitými zástupci těchto skupin jsou perlit a křemelina. Zvláště výhodně je použit expandovaný vermikulit. Vysoce porézní anorganický materiál může obsahovat zástupce z těchto skupin v libovolném směšovacím poměru. U vermikulitu je však výhodné tento materiál použít bez dalšího přimíchání zástupce některé z uvedených skupin. Pro výrobu tvarového tělesa, jako je miskovitá obruba 2 nebo ložiskové vrstvy, je k vysoce poréznímu anorganickému materiálu přimíchán vytvrzující spojovací prostředek. Tyto směsi mají následující složení:

- 99,9 %hmot., zvláště výhodně 70 - 90 %hmot. vysoce porézního anorganického materiálu a

0,1 - 40 %hmot., zvláště výhodně 10 - 30 %hmot.

vytvrzuj ičího spojovacího prostředku.

-x7

Tepelně izolační mikroporézní izolační vrstva má v přednostním bezvláknitém provedení následující složení:

- 100 %hmot., zvláště přednostně 50 - 89 %hmot.

oxidu kovu v jemných částicích,

0-50 %hmot., zvláště přednostně 20 - 40 %hmot.

zakalovacího prostředku a

0-15 %hmot., obzvláště přednostně 0,5 - 2 % anorganického spojovacího prostředku.

Mikroporézní izolační vrstva však může být vytvořena také tak, že obsahuje vlákna, zvláště když jsou použita vlákna, která jsou zdravotně nezávadný nebo která nevstupují do plic. Přednostní složení mikroporézní izolační vrstvy,, obsahující vlákna_zje:

- 100 %hmot., obzvláště přednostně 50 - 89 %hmot. oxidu kovu v jemných částicích,

- 50 %hmot., zvláště přednostně 20 - 49 %hmot.

zakalovacího prostředku,

0,1 - 50 %hmot., zvláště přednostně 5-20 %hmot.

vláknitého materiálu a

0-15 %hmot., obzvláště přednostně 0,5-2 %hmot. anorganického spojovacího prostředku.

Je-li vynechána ložisková vrstva a elektrický topný drát je uložen na tepelně izolující izolační vrstvě z bezvláknité směsi vysoce porézního anorganického materiálu a mikroporézního materiálu, tak má směs, ze které je vyrobena izolační vrstva, následující složení;

- 90 %hmot., zvláště výhodně 25 - 50 %hmot. oxidu kovu v jemných částicích,

- 80 %hmot., zvláště přednostně 50 - 75 %hmot.

vysoce porézního anorganického materiálu,

0-50 i hmot., zvláště přednostně 20—40 Shmot. zakalovacího prostředku,

0-30 Shmot., zvláště přednostně 3-20 Shmot. vytvrzujícího spojovacího prostředku a

- 15 Shmot., obzvláště výhodně 0,5 - 2 Shmot. anorganického spojovacího prostředku.

V jemných částicích použité oxidy kovu mají měrný povrch 50 - 700 m²/g, zejména 70 - 400 m²/g. Přednostně jsou použity pyrogenně vyrobené kyseliny křemičité, včetně obloukových kyselin křemičitých, na zásady chudé srážené kyseliny křemičité, aerogely oxidu křemičitého a oxidu hlinitého, stejně jako směsi uvedených látek. Obzvláště přednostní jsou pyrogenně vytvořené kyseliny křemičité nebo oxid hlinitý_;nebo jejich směsi.

Je výhodné, když má použitý zakalovací prostředek absorpční maximum v oblasti infračerveného záření od 1,5 do 10 μη. Příklady pro vhodný zakalovací prostředek jsou ilmenit, oxid titaničitý, karbid křemíku, oxid železnato železitý, oxid zirkoničitý, oxid manganičitý, oxid železitý, oxid křemičitý, oxid hlinitý a křemičitan zirkoničitý,

-x9 stejně jako jejich směsi. Zvláště přednostně je možno použít ilmenit a křemičitan zirkonu.

Anorganické spojovací prostředky, které jsou přidávány k mikroporéznímu izolačnímu materiálu, jsou známé. Patří k nim například spojovací prostředky, uvedené v patentovém spisu US 4 985 163. Jako přednostně použité spojovací prostředky přicházejí v úvahu boridy hliníku, titanu, vápníku, křemíky, jako např. silicid vápenatý nebo silicid vápenato - hlinitý, karbid boru, oxidy, jako např. oxid hořečnatý, oxid vápenatý, oxid barnatý, nebo směsi uvedených látek.

K vytvrzujícím spojovacím prostředkům, které jsou smíchány s vysoce porézním anorganickým materiálem, patří vodnaté roztoky fosforečnanu^jako např. fosforečnan hlinitý, silikofosfáty, stejně jako alkalická vodní skla a křemenitý sol. Jako vytvrzující spojovací prostředek mohou být použity také směsi uvedených látek. Upřednostňovány jsou sodné vodní sklo, fosforečnan hlinitý, křemičitofosforečnany a jejich směsi.

Pro případ, že v tepelně izolující izolační vrstvě je upraven vláknitý materiál, může být použito skelná vaty, vaty z křemenného skla, minerální vaty, čedičové vaty, struskové vlny, keramických vláken, vláken z oxidu hlinitého nebo oxidu křemičitého, nebo směsí uvedených vláken. Upřednostňována jsou vlákna z oxidu hlinitého a/nebo oxidu křemičitého, získaná z taveniny. Průměr vláken činí přednostně 0,1 - 12 <ým a délka vlákna je 1 - 25 mm.

Výroba mikroporézní izolační vrstvy, i když částečně obsahuje vysoce porézní anorganický materiál, zahrnuje přednostně následující výrobní kroky:

a) předběžné stlačení směsi_z obsahující oxid kovu, při tlacích 100 - 500 kPa;

b) slisování předběžně stlačeného materiálu do požadovaného tvaru při tlacích 800 kPa - 2 MPa;

c) eventuálně zahřátí mikroporézního materiálu na teplotu 100 - 900 °C.

Pro vyrobení miskovité obruby 2 nebo ložiskové vrstvy ze směsi, která obsahuje vysoce porézní materiál, je směs slisována do požadovaného tvaru a stlačena na hustotu 200 700 kg/m³, přednostně na 250 - 500 kg/m³. K vytvrzení potřebuje navazující tepelné zpracování na vzduchu v rozpětí 20 - 250° C.

U konkrétního provedení, které je zvláště přednostní, pokud miskovitá obruba 2 sestává z vysoce porézního anorganického materiálu a její dno má kruhovitý otvor ý, je tepelně' izolující izolační vrstva z mikroporézního materiálu do dokončené miskovité obruby uložena nebo přilepena. Jako lepidla mohou být použity uvedené vytvrzovací spojovací prostředky. Pokud je dále vytvořena ložisková vrstva z vysoce porézního materiálu, je plošně uložena nebo přilepena na povrch mikroporézní izolační vrstvy. V prvním případě tvoří mikroporézní izolační vrstva sama, ve druhém případě společně s ložiskovou vrstvou, izolační těleso 3, které je obklopeno miskovitou obrubou 2. Povrch izolačního tělesa 3, který je přivrácen dnu 5, nese elektrický topný drát sálavého topného tělesa.

Další opatření předpokládá přivedení směsi pro mikroporézní izolační vrstvu do již dokončené miskovíté obruby 2 s uzavřeným dnem 5, přičemž obruba 2 může sestávat z kovu nebo vysoce porézního anorganického materiálu, a to při využiti možnosti slisováni mikroporézní izolační vrstvy do obruby 2 v požadovaném tvaru. Navíc může být mikroporézní izolační hmota v obrubě 2 nejprve předlisována nebo v předlisovaném stavu do obruby uložena nebo přilepena, a potom je dokončená_z nebo rovněž pouze předlísovaná ložisková vrstva z vysoce porézního anorganického materiálu položena nebo přilepena na mikroporézní izolační vrstvu. Na závěr jsou pak izolační vrstva a ložisková vrstva společně v obrubě 2 slisovány na izolační těleso 3. a eventuálně vystaveny tepelnému zpracování. Účelně je v tomto případě ložisková vrstva opatřena perforováním, aby vodní pára, která vzniká při ohřevu, mohla bez překážky uniknout.

U dalšího variantního provedení je nejprve do miskovíté obruby 2 naplněna směs pro mikroporézní izolační vrstvu ve formě volně sypané vrstvy, potom je tato volně sypaná vrstva pokryta vrstvou směsi pro ložiskovou vrstvu z vysoce porézního anorganického materiálu a konečně jsou obě směsi společně slisovány.

Na povrchu izolačního tělesa 21 odvráceném ode dna 5 obruby 2 - podle volby konstrukčního provedení sálavého topného tělesa na povrchu mikroporézní izolační vrstvy, odvrácené ode dna 5_;nebo na povrchu vysoce porézní ložiskové vrstvy/ odvrácené ode dna 5 - je uložen elektrický topný drát. Povrch izolačního tělesa 3 nemusí být úplně rovný.

Eventuálně může být účelné vytvořit prohloubení, například ve tvaru prstencovitých drážek 7 (obr. 2), vylisovaných v průběhu výroby, ve kterých je upraven topný drát. Upevnění topného drátu se dosáhne prostřednictvím přilepení na povrch izolačního tělesa, například anorganickým lepidlem na bázi fosforečnanu nebo křemičitanu a/nebo zatlačením svorek, které obsahují topný drát, do povrchu izolačního tělesa 3, přičemž svorky mohou pronikat také do mikroporézní izolační vrstvy a/nebo přímým zatlačením částí topného drátu do povrchu izolačního tělesa 3. Případně může být topný drát ukotven již v ložiskové vrstvě, zatímco ta, jak bylo popsáno shora, je společně s mikroporézní izolační vrstvou lisována do miskovité Obruby 2.

V tomto popise je výraz elektrický topný drát použit tak, že zahrnuje jak topné spirály, topné dráty, topné pásy, tak také halogenové lampy a kombinace takovýchto topných prvků.

Sálavá topná tělesa podle vynálezu jsou použita přednostně pro ohřev sklo^keramických topných plotýnek. Jejich použití k ohřevu pecí, zejména pecí na pečení, grílovacích přístrojů a v topných nebo halogenových zářičích je však rovněž možné.

Pokud je miskovitá obruba 2 vytvořena z vysoce porézního anorganického materiálu, může být upuštěno od jinak podobného vláknového prstence, který topnou plotýnku pružně podpírá. Obruba 2 elektricky izoluje, nemá tepelně vodivé vlastnosti kovu a je z hlediska výrobních nákladů příznivější_znež dosud používané kovové obruby. Obruby z kovu mohou být nahrazeny v již existujících dokončovacích línkách bez zvláštních nákladů pomocí obrub 2_ z vysoce porézního materiálu.

Je-li izolační těleso 3 vytvořeno z vysoce porézního anorganického materiálu, může být připraveno úplně bezvláknové sálavé topné těleso. Mechanické spojení mezi izolačním tělesem a elektrickým topným drátem, který je jím nesen, zůstává i během provozu sálavého topného tělesa stabilní, protože vysoce porézní anorganický materiál může elasticky přijmout síly/ vzniklé tepelným roztažením topného drátu, které působí na izolační těleso.

Dále je popsáno několik příkladů konkrétního provedení sálavého topného tělesa podle vynálezu.

Příklad 1

Homogenní směs z 80 %hmot. expandovaného vermikulitu s průměrem částeček 0,2 - 8 mm a 20 %hmot. sodného vodního skla bylo při axiálním tlaku slisováno do tvarového tělesa o tvaru miskovité obruby 2 a vytvrzeno při pokojové teplotě. Dno 5 miskovité obruby 2 bylo úplně uzavřeno. Hustota dokončené obruby 2 byla 430 kg/m³.

Do vytvořené obruby 2 byla nejprve zalisována při tlaku 800 kPa - 2 MPa směs 65,0 %hmot. pyrogenně vytvořené kyseliny křemičité a 34,2 %hmot. křemičitanu zirkoničitého Potom byla na volný povrch mikroporézní izolační vrstvy nalepena za pomoci silikofosfátového lepidla ložisková vrstva o složení 62,5 %hmot. pyrogenně vyrobené kyselina křemičité'/ 31,7 %hmot. křemičitanu zirkoničitý^, 5 %hmot. vláken křemičitanu hlinitého a 0,8 %hmot. karbidu boru.

Příklad 2

Homogenní směs^ sestávající z 50 %hmot. perlitu s průměrem částic 0,1 až 5 mm, 35 %hmot. rýžového popela a 15 %hmot. fosforečnanu hlinitého (40%ní vodn^ roztok) byla při axiálním tlaku slisována na miskovitou obrubu 2, přičemž dno _5 mělo kruhovitý otvor. Do této obruby 2 byla vložena předem připravená mikroporézní izolační vrstva o složení podle příkladu 1.

Příklad 3

Směs se 65 %hmot. pyrogenně připravené kyseliny křemičité a 35 %hmot. křemičitanu zirkoničitého je při měrném tlaku 800 kPa - 2 MPa vtlačeno' do miskovité obruby 2 z plechu s celoplošně uzavřeným dnem 5. Průměr obruby 2 obnášel 219 mm.

Na vzniklou mikroporézní izolační vrstvu byl nalisován jako ložisková vrstva 4 mm tlustý předlisovaný tvarový díl, sestávájící z 85 %hmot. expandovaného vermikulitu a 15 / %hmot. fosforečnanu hlinitého (40%ní vodn^ roztok), který byl předtím při 250° C vytvrzen, aby tření se stěnou obruby 2 stačilo k mechanickému udržení ložiskové vrstvy. Do ložiskové vrstvy potom byl$/za pomoci zatlačovacího zařízení vytvořena stopovitá vybrání elektrického topného drátu ve tvaru plochého pásku.

Claims

Sálavé topné těleso, zejména v—aůíaváiu t-epe-n-í pro ohřev sklokeramické topné plotýnky, plochou nesoucí elektrický topný drát, přičemž tato plocha je povrchem izolačního tělesa, tepelně izolující které sestává z ložiskové vrstvy a mikroporézní izolační vrstvy, a s miskovitou obrubou, která prstencovité obklopuje izolační těleso, vyznačující se tím, že ložisková vrstva a/nebo obruba (2) a/nebo mikroporézní izolační vrstva obsahuje vysoce porézní, bezvláknitý anorganický materiál a dno (5) miskovité obruby (2) má kruhovitý otvor (6).
2. Sálavé topné těleso podle nároku 1, vyznačující se 'tmaie.riT tím, že anorganickým materiálem je aás-t-upee nebo směs ma1&rÍell6 z-a-s tupců ze skupin expandovaných vrstvených křemičitanů, vysoce porézních sopečných hornin, prokřemeněných fosilních půd a rostlinných popelů.
3. Sálavé topné těleso podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že anorganickým materiálem je vermikulit.
4. Sálavé topné těleso podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že mikroporézní izolační vrstva je bez vláken.
5. Sálavé topné těleso podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že elektrický topný drát je na povrchu izolačního tělesa (3) nalepen, sevřen nebo do tohoto povrchu částečně zatlačen.