DE2313347A1 - Oberflaechenheizeinrichtung - Google Patents
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Description
übliche elektrische Kochmulden sind gewöhnlich mit einer Vielzanl
Metall-ummantelter elektrischer Wxderstandsheizelemente versehen, die jeweils in Form einer Spirale gewickelt und in
einer öffnung angeordnet sind, welche in der Kochmulde (cooktop) ausgebildet ist. Jedes Heizelement ist in der Lage, darauf
ein Kochgeschirr zu tragen. Die Metall-ummantelten Heizelemente können von dem Nahrungsmittelschmutz durch die hohen Temperaturen
automatisch gereinigt werden, die beim Einschalten der Elemente erreicht werden, während irgendwelche Verschmutzungen
beim überkochen durch das Heizelement hindurch abfließen können und in einer Sammelwanne gesammelt werden, die unterhalb
der Kochmulde angeordnet ist. Diese Sammelwanne muß dann manuell
von den Verunreinigungen gereinigt werden.
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Um den Reinigungsprozeß zu vereinfachen und für ein ästhetischeres
Erscheinungsbild zu sorgen, sind ganze Tisch-Kochflächen (counter cooktops) oder in einigen Fällen einzelne feste Oberflächenheizeinheiten
hergestellt worden, bei denen die freiliegende Oberfläcne von einem Glas-Keramikmaterial gebildet wird, wie es beispielsweise
in der US-Patentschrift 2 920 971 beschrieben ist. Materialien dieser Art stehen kommerziell zur Verfugung unter den
Handelsnamen 11PYROCERAM11, "CER-VIT" und "HERCUVIT". Das opake
Glas-Keramik stellt aufgrund seiner glatten Deckfläche nicht nur ein freundliches Aussehen dar, sondern es ist auch leicht zu reinigen
und verhindert das Abfließen von Verschmutzungen durch überkochen in die unter der Oberfläche liegenden Abschnitte der Einheit
.
Ein zu berücksichtigendes Problem besteht jedoch darin, daß scnnel-Ie
Aufheizgeschwindigkeiten und schnelle Abkühlgeschwindigkeiten erhalten werden, die mit denjenigen entweder eines üblichen Metallummantelten
elektrischen Widefstandsheizelementes oder eines Gasbrenners vergleichbar sind. Der rasche Wärmeübergang durch ein
dickes Glas-Keramikmaterial fehlt wegen der ziemlich schlechten thermischen Leitfähigkeit dieses Materials. Derartige Materialien
werden im großen Umfange benutzt sowohl als thermische als auch elektrische Isolatoren. Als thermische Leiter finden sie praktisch
keine Anwendung. Die Wärme breitet sich nicht leicht in seitlicher Richtung durch die Glas-Keramikplatte hindurch aus, und während
des Kochvorganges wird Wärme auf das Kochgeschirr hauptsächlich durch Wärmeleitung an Berührungspunkten zwischen der erhitzenden
Oberflächeneinheit und dem Kochgeschirr übertragen. Darüber hinaus hat die Glas-Keramikplatte eine vergleichsweise große Wärmekapazität,
die weiterhin zu einer langsamen Abkühlung beiträgt, wenn das Heizelement abgeschaltet ist. Weiterhin wird diese Art einer Glas-Keramikplatte
bei steigender Temperatur elektriscn leitender, so daß ein Sicherheitsrisiko entstehen könnte, wenn ein offen gewikkeltes
Heizelement als das elektrische Heizmittel verwendet wird.
Einige Probleme der bekannten Vorrichtungen sind dadurch üterfunden
worden, daß unterhalb der Glas-Keramikplatte eine Wärmevertei-
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Ierplatte mit hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet wurde,
die durch mechanische Mittel gegen die Unterseite der Glas-Keramikplatte drückt und dadurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung
hervorruft, wie es in der US-Patentschrift 3 622 751J beschrieben
ist. Eine derartige Einheit ist für einen wirksamen Betrieb geeignet, wenn sie mit konventionellen Kochgeschirren verwendet
wird.
Sehr überraschend wurde nun eine verbesserte Oberflächenheizeinneit
gefunden, in der ein Glas-Keramikmaterial direkt wenigstens auf die Deckoberfläche einer Wärmeverteilerplatte aufgebracht ist.
üa der Überzug relativ dünn ist, bleiben die Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten
der Einheit schnell. Der Glas-Keramiküberzug für die Heizeinheit erfüllt die erforderlichen Anforderungen für
diese Applikation, zu denen chemische Korrosionsbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, gute Anhaftung an dem Substrat, hohe
Erweichungstemperatur, gute thermische Schockbeständigkeit und ein thermischer Ausdehnungskoeffizient gehören, der ungefähr zu demjenigen
des Substrates paßt.
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Heizeinrichtung mit glatter Oberfläche geschaffen, die eine Wärmeverteilerplatte mit hoher
thermischer Leitfähigkeit, ein isoliertes elektrisches Widerstands-Heizelement, das an der Unterseite der Platte befestigt ist, ein
Verstärkungsteil, das ebenfalls an der Unterseite der Platte befestigt ist, um ein Verziehen zu verhindern, eine Reflektorwanne
unter dem Heizelement, um die Wärme aufwärts zu lenken, und einen Glas-Keramiküberzug aufweist, der direkt mit wenigstens der oberen
Oberfläche der Wärmeverteilerplatte verbunden ist.
Der Glas-Keramiküberzug besteht im wesentlichen, berechnet aus dem
Gemenge auf der Oxidbasis in Gew.-Si, aus den folgenden Bestandteilen:
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-H-
Bestandteil | Gew.-SS |
Li2O | 6-20 |
Al2O3 | 0-10 |
SiO2 | 70-80 |
P2O5 | 0,5-6,0 |
B2O3 | 0-10 |
K2O | 0-6 |
ZnO | 0-5 |
Der Ausdehnungskoeffizient des Glas-Keramikmaterials liegt tiabei
in dem Bereich von 80 bis 120 χ 10 ' pro °C. Die Dicke des Glas-Keramiküberzuges
sollte ausreichend sein, um einen Schutzüberzug auf der Oberfläcne der Wärmeverteilerplatte zu bilden. Typischerweise
beträgt die Dicke etwa 75 bis 300/um (3 bis 12 mils). Der
Glas-Keramiküberzug wird aus einer kristallinen Phase von vorwiegend Lithiumdisilicat (Li2O'2SiOp) in einer glasförmigen Matrix
gebildet. Um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erhalten, sollte die Menge des Lithiummetasilicats (Li2O-SiO2) auf einem
Minimum gehalten werden. Der Grard der Kristallinität kann in einem
gewissen Maß variieren und beträgt vorzugsweise bis zu etwa 50 %
und kann etwas höher sein, wie er durch Röntgenstrahlen-Beugungstechniken bestimmt wird. Zusätzlich können bis zu etwa 5 Gew.-%
übliche Färbungsmittel, wie sie von Weyl, Coloured Glasses, 1951,
beschrieben sind, also beispielsweise die Oxide von Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen usw., der Glaszusammensetzung zugesetzt
werden, um dieser Farben zu verleihen, die mit der Deckfläche des Ofens kompatibel sind.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand
der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zweier Ausfünrungsbeispiele näher erläutert.
Figur 1 ist eine teilweise aufgebrochen dargestellte Draufsicht von einer die Erfindung ausnutzenden elektrischen Heizeinrichtung
mit glatter Oberfläche.
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Figur 2 ist eine Teilansicht im Querschnitt von der elektrischen Oberflächen-Heizeinheit gemäß Figur 1 nach einem Schnitt
entlang der Linie 2-2, wobei einige Teile abgeschnitten sind, um die verschiedenen Abschnitte der Einrichtung zu
zeigen.
Figur 3 ist eine weitere Teilansicht im Schnitt entlang der Linie 2-2 von einer Modifikation der in Figur 2 gezeigten Heizeinheit
und stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Figur 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Festigkeitseigenschaften der bevorzugten Zusammensetzung als eine
Funktion der überwiegenden Kristallphasen in dem Glas-Keramikmaterial .
Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Figur 2 ein-«
gegangen. Dort ist eine Querschnitts-Teilansicht von einer elektrischen Heizeinheit 10 mit glatter Oberfläche gezeigt, die eine
Wärmeverteilerplatte 12 mit hoher thermischer Leitfähigkeit aufweist, die vorzugsweise aus einem dünnen zusammengesetzten Metallblechmaterial
mit einem dünnen Mittelkern 13 besteht, um die Wärme schnell über die gesamte Platte zu verteilen, um so eine im allgemeinen
gleichförmige Temperaturverteilung zu erhalten. Ein derartiger Kern würde aus Metallen und Legierungen wie Kupfer, Silber
und Aluminium ausgewählt werden. Kupfer hat eine sehr geringe Festigkeit bei Temperaturen in dem Bereich nahe 700 0C und es
oxidiert auch sehr schnell. Da ein Kernblech 13 aus Kupfer eine kleine Dicke aufweist, etwa in der Größenordnung von 1 mm
(0,040 Zoll), würde es dazu neigen, sich unter normalen Benutzungsbedingungen leicht zu verziehen oder zu verformen. Dies liegt an
aen thermischen Beanspruchungen, die durch eine zeitweise ungleichförmige Temperaturverteilung während der Vorheizperiode hervorgerufen
werden, und weiterhin an den hohen Temperaturen, denen es ausgesetzt ist. Demzufolge ist der Kern 13 sandwichartig angeordnet
oder zwischen zwei dünnen, integralen Häuten 15 und 17 abgeschlossen, die jeweils die Dicke von etwa 0,43 mm (0,017 Zoll)
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aufweisen. Derartige Häute würden aus Metallen und Legierungen wie
rostfreiem Stahl, Nickel und Chrom ausgewählt werden. Bei jeder Auswahl der Materialien sollte berücksichtigt werden, daß die
Kern- und Hautmaterialien angepaßte thermische Ausdehnungskoeffizienten
haben sollten oder daß die Hautmaterialien genügend fest sein sollten, um den Beanspruchungen ohne Verformung standzuhalten,
die aus jeder thermischen Pehlanpassung entstehen. Um das Freiliegen des Kupfers auf dem Umfangsrand der Platte zu verhindern,
sind die zwei Häute 15 und 17 aus rostfreiem Stahl über dem Kernrand mit einem Quetschvorgang abgeschlossen, um den Kern gegen
Korrosion und Oxidation zu schützen. Die aus rostfreiem Stahl bestehenden Häute 15 und 17, die sich auf der äußeren Oberfläche der
zusammengesetzten Platte 12 befinden, sorgen für Festigkeit für die Platte und widerstehen einem Verziehen, da die Platte hohe
Festigkeit mit hoher Wärmestreuung kombiniert, die mit keiner Platte aus einem einzigen Material erreicht werden können. Dieses
dünne zusammengesetzte Blechmaterial 12 ist durch einen zentralen Kupferkern 13 und zwei äußere Häute 15 und 17 aus rostfreiem Stahl
dargestellt. Es kann aus einzelnen Blechen gebildet werden, die durch ein Verfahren wie z. B. Explosivschweißen "flächengeschweißt11
werden, das eine Verbindung der Metallbleche entlang ihrer passenden Oberflächen hervorruft.
Ein Metall-ummanteltes Widerstands-Heizelement IH ist an der Unterseite
der Wärmeverteilerplatte 12 angelötet. Verständlicherweise würde ein derartiges Metall-ummanteltes Heizelement 14 einen zentralen
elektrischen Widerstands-Keizdraht aus Chromnickel in Spiralenform aufweisen, der in ein dünnes Metallrohr oder einen Mantel
aus Inconel, rostfreiem Stahl, oder ähnlichem eingesetzt ist. Dann wird die Ummantelung mit einem geeigneten elektrisch isolierenden
und thermisch leitenden Material, wie beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) oder ähnlichem, gefüllt, um den Heizdraht von dem
Metallmantel zu trennen. Die obere Oberfläche des Heizelementes lA
ist abgeflacht, um so einen guten Kontaktbereich des Metallmantels mit der Wärmeverteilerplatte 12 zu erhalten. In Figur l sind zwei
Anschlüsse 19 des Heizelementes gezeigt, die in vertikaler Richtung
nach unten unter das Heizelement 1* führen und geeignet sind,
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ein nicht gezeigtes Steck-Verbindungsglied aufzunehmen, um mit
diesem auf übliche Weise einen elektrischen Kontakt herzustellen.
Um die Wärmeverteilerplatte 12 zu verstärken, ist der Rand der
Platte mit einem nach unten gebogenen Flansch 22 versehen, um dadurch der Wärmeverteilerplatte eine Konfiguration zu geben, die
einer umgekehrten flachen Mulde bzw. Pfanne ähnlich ist. Ein weiteres Mittel zur Verstärkung der Wärmeverteilerplatte 12 besteht
darin, eine Reihe von diagonalen oder radialen Versteifungen bzw. Streben 16 vorzusehen, die hochkant angeordnet und an der Unterseite
der Wärmeverteilerplatte und möglichst an dem Mantel des Heizelementes 14 befestigt sind. Dies kann beispielsweise durch
Löten oder ähnliche Verfahren geschehen. Derartige Verstrebungsteile l6 können viele verschiedene Formen aufweisen, wie es dem
Fachmann allgemein bekannt ist. Der Zweck besteht darin, der Wärmeverteilerplatte
genügend Tiefe oder Trägerwirkung zu geben, so daß sie sich unter thermischen oder mechanischen Beanspruchungen
nicht leicht verbiegt.
Wie in Figur 2 gezeigt ist, ist eine Reflektormulde 18 unter der Heizeinheit 10 vorgesehen und von dieser durch einen ringförmigen
hitzebeständigen Abstandhalter 20 getrennt, um so die Wärme von dem Heizelement I1I in eine Aufwärtsrichtung zu lenken. Dieser Reflektor
kann als ein Niederhaltemittel für die Heizeinheit verwendet werden. Ein einstellbares Zugglied in der Form eines umgekehrten
J-Bolzens 39 ist so angepaßt, daß es zwischen einem Verstärkungsglied 38 und der Reflektormulde l8 verbunden werden kann,
Das Verstärkungsglied 38 ist mit einer öffnung 1H versehen, durch
die der Kopf des J-Bolzens hindurchgesteckt ist. Die Reflektormulde
18 weist eine zentrale öffnung ^3 auf, um das untere Ende
des hindurchfünrenden J-Bolzens aufzunehmen. Das untere Ende des Bolzens weist einen Gewind%bschnitt zur Aufnahme einer Einstellmutter
45 auf.
Es wird nun auf die einzigartige Verbesserung der vorliegenden Erfindung eingegangen. Der vorstehend bereits erläuterte Glas-Keramiküberzug
30 ist direkt mit der Oberfläche der Heizverteiler-
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platte 12 verbunden. In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Glas-Keramiküberzug nur auf die obere Oberfläche aufgebracht und überdeckt denjenigen Abschnitt, der für die Sicht
auf die Oberfläche der Heizeinrichtung freiliegt. Andererseits kann es vorteilhaft sein, sowohl die Deckfläche als auch die Bodenfläche
der Wärmeverteilerplatte 12 zusammen mit der Heizvorrichtung 14 zu überziehen, wie es in Figur 3 dargestellt ist.
Bei der Herstellung des Glas-Keramiküberzuges 30 werden die Gemengebestandteile
zunächst gewogen und gemischt, was beispielsweise durch eine Kugelmühle geschehen kann. Dann wird das Gemenge
bei erhöhten Temperaturen von etwa 1200 bis 1250 0C geschmolzen,
um eine homogene Schmelze zu bilden, in kaltem Wasser abgeschreckt und in einer Kugelmühle auf eine Teilchengröße von weniger als
150 Mikron gemahlen. Die Glasteilchen werden anschließend mit etwa
3 bis 4 Gew.-JS eines suspendierenden Mittels kombiniert, wie beispielsweise
Ton, gebranntem Ton oder kolloidalem Siliciumdioxid und kleineren Mengen von anderen üblichen Zusätzen, wie beispielsweise
Elektrolyten, wie Natriumpyrophosphat, Natriumnitrit, um
eine wäßrige Masse bzw. einen Brei zu bilden. Das Metallsubstrat wird zur Ausbildung eines anhaftenden Überzuges durch Sandblasen
oder Oxidieren der Metalloberfläche vorbereitet und dann wird der wäßrige Brei durch konventionelle Mittel auf das Metallsubstrat
aufgebracht, beispielsweise durch Sprühen, Tauchen oder Streichen. Das überzogene Metallsubstrat wird nun getrocknet, um das Bindemittel
zu entfernen, und die Emaille oder Schmelzglasur wird bei einer ausreichenden Temperatur von etwa 1000 C für etwa 1 bis 3
Minuten gealtert. Zwar wird die exakte Wärmebehandlung zur Kristallkernbildung und zum Kristallwachstum bis zu einem gewissen
Maß mit der Ausgangsglas-Zusammensetzung innerhalb der beschriebenen Bereiche variieren, es wurde aber gefunden, daß die optimalen
Bedingungen zur Kernbildung im allgemeinen bei etwa 500 bis 650 0C für etwa 0,25 bis 1 Stunde liegen, während die Kristallwachstums-Temperaturen
vorzugsweise bei etwa 750 bis 900 C für
etwa 0,5 bis 4 Stunden liegen. Wenn die Wachstumstemperatur unter etwa 75Ο 0C liegt, ist die überwiegende Kristallphase Lithiurnmeta-Silicat,
und wenn die Wachstumstemperatur 95Ο 0C überschrei-
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tet, wird die Kristallphase zusätzlich in das Lithium-meta-Silicat
umgewandelt.
Hinsichtlich der Figuren 4a und 4b war die verwendete Glaszusammensetzung
das bevorzugte Glas gemäß Beispiel I, das in Glasstäbe gegossen und dann einer Kernbildungstemperatur von 645 0C für
1 Stunde ausgesetzt worden war. Wie in Figur 4b gezeigt ist, wurden die kernreichen Glasstäbe anschließend einer Kristallwachstums-Wärmebehandlung
für 4 Stunden bei verschie_denen Temperaturen unterworfen. Die Ergebnisse sind graphisch dargestellt, um aufzuzeigen,
daß bei Temperaturen unter etwa 750 0C die dominierende
Kristallphase Lithium-meta-Silicat ist. Wenn die Temperatur von etwa 750 bis 950 0C erhöht wird, wird die vorherrschende vorhandene
Kristallphase Lithiumdisilicat. Diese kristallinen Phasen wurden durch Röntgenstrahlen-Beugungsverfahren ermittelt. Anschließend
wurden die Wärme-behandelten Stäbe abgeschliffen, indem
die Stäbe für 5 Minuten in Siliconcarbid-Schleifmittel (600 grit) durcheinander geworfen wurden. Die Zugfestigkeiten wurden
durch eine Vierpunktbiegung der abgeschliffenen Stäbe bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Figur 4a graphisch dargestellt,
wo die Festigkeiten in kg/cm dargestellt sind. Die Kristallphasen
entsprechen denjenigen von Figur 4b. Im Vergleich dazu hat das Ausgangsglas, das einer ähnlichen Oberflächenbehandlung ausge-
2 setzt wurde, Dehnungsfestigkeiten von etwa 700 bis IO5O kg/cm
(10 000 bis 15 000 psi). Wie in Figur 4a graphisch dargestellt ist, hat das Vorhandensein von Kristallen aus Lithium-meta-Silicat
in dem Glas-Keramikmaterial keinen signifikanten Einfluß auf die Zugfestigkeit. Wenn jedoch die kristalline Phase zu Lithiumdisilicat
wird, erhöht sich die Zugfestigkeit des Glas-Keramikjnaterials
in bemerkenswerter Weise und wurde als in dem Bereich von 1550
2
bis 4920 kg/cm (22 000 bis 70 000 psi) liegend gefunden.
bis 4920 kg/cm (22 000 bis 70 000 psi) liegend gefunden.
überzüge aus den erfindungsgemäßen Glas-Keramikmaterialien auf
einer Oberflächenheizeinheit, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, hatten exzellente mechanische, thermische und chemische Eigenschaften.
So zeigten die überzüge hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber milden organischen Säuren, wie sie in Zitronen-
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saft, Ketchup, Barbecue-Soße usw. gefunden werden. Die thermischen
Eigenschaften der mit dem erfindungsgemäßen Glas-Keramikmaterial
überzogenen Heizeinheit werden durch die Tatsache dargestellt, daß, wenn Natriumchlorid (Schmelzpunkt 801 0C) auf die
Oberfläche einer eingeschalteten Heizeinheit gestreut wurde, das Salz geschmolzen wurde, während der Glas-Keramiküberzug dennoch
fest blieb, seine Anhaftung an dem Substrat behielt und von dem geschmolzenen Salz nicht angegriffen wurde. Es sei darauf hingewiesen,
daß die in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Glas-Keramiküberzüge von denjenigen, die in der US-Patentschrift
2 920 971 beschrieben sind, dadurch unterschieden werden können, daß die letzteren Materialien einen Ausdehnungskoeffizienten von
etwa 0 χ 10 pro 0C aufweisen, wogegen die erfindungsgemäßen
Materialien wesentlich höher liegen und sich näher an die thermische Ausdehnung der metallischen Substrate anpassen, die in der
Wärmeverteilerplatte verwendet werden. Andere kommerziell zur Verfügung stehende Emaillen erfüllen nicht die mechanischen, thermischen
oder chemischen Anforderungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Hochtemperatur-Oberflächenheizeinheit.
Die vorliegende Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele näher erläutert. Die Zusammensetzungen sind, wenn es nicht anders
angegeben ist, in Gew.-% und MoI-? angegeben, die sich aus dem
Gemenge auf der Oxidbasis errechnen. Zunächst wurden die Gläser durch Schmelzen der Gemengebestandteile unter Standardbedingungen
bei Temperaturen von 1200 bis l600 0C für etwa 4 bis 20 Stunden
in Platintiegeln hergestellt.
Eine bevorzugte Glaszusammensetzung wurde hergestellt und aus Gemengebestandteilen geschmolzen, um die folgende Formulierung
auf der Oxidbasis zu erzielen:
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Bestandteil | Gew.-% | Mo 1-% |
SiO2 | 73,0 | 67,5 |
Li2O | 13,7 | 25,1* |
κ2ο | 5,6 | 3,3 |
Al2O3 | 4,9 | 2,7 |
P2O5 | 2,8 | 1,1 |
Die Gemengebestandteile wurden gewogen und durch Kugelvermahlung gemischt. Das Gemenge wurde dann in einen Platintiegel eingebracht
und bei einer Temperatur von 1200 bis 1250 0C über Nacht
geschmolzen. Die heiße Schmelze wurde in kaltem Wasser gelöscht und in einer Kugelmühle auf eine Teilchengröße von weniger als
150 Mikron gemahlen.
Eine Masse bzw. ein Brei zum Aufbringen auf eine Metallplatte wurde aus der folgenden Formulierung hergestellt:
Bestandteil Gewichtsteile
Glasmasse (<150 .u) | 1000 |
Eisen(55)-ton (gebrannt) | 40 |
Natriumaluminat | 2,1 |
Betonit | 2,1 |
Tragantgummi | 0,2 |
Kaliumcarbonat | 2,5 |
destilliertes Wasser | 460 |
Die Mischung wurde in einer Kugelmühle für etwa 1 Stunde gemahlen,
um eine homogene Dispersion zu bilden. Die Masse wurde dann aufgebracht, um eine gebrannte Dicke von 0,15 mm (0,006 Zoll) auf
der Metallplatte durch das folgende Verfahren zu erzielen. Die Masse wurde durch den Zusatz von Wasser auf einen spezifischen
Extraktgehalt von 1,68 g/cm-5 eingestellt. Elektrolyten, wie
beispielsweise Tetranatriumpyrophosphat oder Natriumnitrit, wurden zugesetzt, um die Konsistenz der Masse auf den Punkt einzustellen,
daß ein in die Masse eingetauchtes Metallblech etwa
2
36 g der Masse pro 0,093 m (1 Quadratfuß) der Metallfläche
36 g der Masse pro 0,093 m (1 Quadratfuß) der Metallfläche
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beim Herausnehmen und Abfließen des Metallteiles festhalten
würde.
Beim Aufbringen der Masse auf das Metallsubstrat wurde die Oberfläche
des Metalles zunächst durch Sandblasen und/oder Oxidieren des Metalles vorbereitet, um einen anhaftenden überzug zu erhalten.
Die Masse wurde in einen Spritzpistolenbehälter eingebracht und auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wurde das besprühte
Substrat bei einer Temperatur von etwa 100 0C getrocknet, Und das
getrocknete überzogene Substrat wurde bei einer Temperatur von 1000 0C für 1 Minute gebrannt und auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das glasartige Material wurde dann bei einer Temperatur von 645 C für 1 Stunde kernreich gemacht und einer Kernwachstumsbehandlung
von 830 0C für 4 Stunden ausgesetzt. Die erhaltene dominierende
kristalline Phase war Lithiumdisilicat (Li20-2Si0„).
Zu den Metallsubstraten, die durch das oben genannte Verfahren oder Modifikationen davon überzogen wurden, gehörten die folgenden:
316L rostfreier Stahl überzug Kupfer
321 rostfreier Stahl (a)
430 rostfreier Stahl v ' Überzug Kupfer
Inconel 600 (International Nickel Co., min. 72 % Ni, 14 bis 17 % Cr, 6 bis 8 % Pe, 1,75 bis 2,75 % Nb, warmgewalzt und
warmbehandelt für Hochtemperaturapplikationen) Inconel 625 (International Nickel Co.)
Rene' 41 (General Electric Co., eine ausscheidungsgehärtete
Nicke lbasis-Hochtemperatur legierung)
Ti-Namel (Inland Steel Co., 0,06 C, 0,30 Mn, max. 0,12 Cu, 0,05 Al, 0,30 Ti, Rest Pe, warmgewalzt, für Bleche zum
Emaillieren, speziell hergestellt) Ti-Namel überzug Kupfer
Emailiierungsstahl
Emailiierungsstahl
Beachte: (a) Diese rostfreien Stähle sind durch AlSI-Zahlen
bezeichnet.
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Nach dem Verfahren gemäß Beispiel I wurden verschiedene Glaszusammensetzungen
geschmolzen, wie es in der folgenden Tabelle I gezeigt ist:
309840/0873
Tabelle I
Zusammensetzungen der Glas-Keramikmaterialien
Bei | Gew. | SiO2 | Li2O | Mol-% | Al2 | °3 | Gew. | K2O | Gew. | P2O5 | Gew | B2°3 |
spiel | -% Mol-% | Gew.-JS | Gew.-% | Mol-56 | -% Mol-% | -% Mol-% | .-% Mol-% | |||||
LLKD} 71,8 67,31 12,6 23,76 5,1 2,82 4,8 2,87 1,65 0,65 3,2 2,59
III(b) 73,41 67,7 13,91 25,8 4,83 2,62 4,66 2,74 2,92 1,14
IV 73,0 67,5 13,7 25,4 4,9 2,7 5,6 3,3 2,8 1,1
V" 79, ti' 69,4 14,5 26,2 - - 5,7 3,3 2,9 1,1
^Vi 79,0 69,3 16,0 28,2 1,8 0,9 2,1 1,2 1,1 0,4
utfll 78,3 69,5 15,5 27,6 1,8 0,9 2,0 1,1 2,2 0,8
M 77,5 69,9 14,5 26,3 5,2 2,8 - - 2,9 1,1
Beucij.bO; (b) Die Zusammensetzungen der Beispiele II und III wurden durch Analyse des
■j C: läses ermittelt.
Die Zusammensetzungen wurden dann in Stäbe geformt, die Wärmebehandlungen
unterworfen wurden, um eine Kristallkernbildung und Kristallwachstum hervorzurufen. Die Temperaturen und Zeiträume
der Wärmebehandlungen sind in der folgenden Tabelle II gezeigt:
II | Tabelle II | Std. | Wachstumszeit | Std. | |
III | 1 1 1 |
O Temperatur C |
4 4 168 |
||
IV | Summe der Wärmebehandlungen | 1 1 |
830 910 830 |
4 4 |
|
Setzung | V | Kristallkernbil- dungszeit |
1 | 725 800 |
4 |
Beispiel | VI | Temperatur 0C | 1 1 1 |
830 | 4 4 4 |
Beispiel | VII | 645 645 645 |
1 1 |
725 830 910 |
4 2 |
Beispiel | VIII | 645 645 |
1 | 910 930 |
4 |
Beispiel | 553-654 | 1 1 |
830 | 4 4 |
|
Beispiel | 645 645 645 |
830 910 |
|||
Beispiel | 645 645 |
||||
Beispiel | 645 | ||||
645 645 |
|||||
Die Zusammensetzung von Beispiel VIII, die im wesentlichen eine
ternäre Zusammensetzung (AIpO -LipO-SiOp) mit einer kleinen Menge von Phosphat war, zeigte nach 1 Stunde bei 645 C nur eine kleine
Menge an Lithium-meta-Silicat, wobei die vorhandene kristalline Hauptphase Lithiumdisilicat war. Bei weiterer Wachstums-Wärmebehandlung
war nur Lithiumdisilicat vorhanden.
Die Zusammensetzung gemäß Beispiel V war ebenfalls im wesentlichen
ein ternäres Glas-Keramikmaterial mit einer kleinen zugesetzten Menge Phosphat, aber anstatt daß sie AIpO-. enthielt, enthielt
sie KpO. Dieses Glas-Keramikmaterial hatte auch nach der
309840/0873
Wärmebehandlung für 1 Stunde bei 6^5 °C mehr Lithiumdisilicat
als Metasilicat. Das Metasilicat verschwand rasch bei weiterer
Wärmebehandlung bei den Wachstumstemperaturen von etwa 750 C.
Die übrigen im wesentlichen quarternären Glas-Keramikmaterialien (AIpO -KpO-LipO-SiOp) mit kleinen Mengen von Ρρ°ς zeigten alle
wesentliches Lithium-meta-Silicat mit .geringer Menge oder gar
keinem Lithiumdisilicat, nachdem das Material für 1 Stunde bei 645 0C gehalten wurde.Eine Transformation zu Lithiumdisilicat
trat während der Wachstumsbehandlung bei Temperaturen oberhalb etwa 750 0C auf. Somit erzielten die Glas-Keramikmaterialien,
die in den Beispielen II, III, IV, VI und VII nach einer 4-stündigen
Wärmebehandlung bei 830 0C erhalten wurden, Lithiumdisilicat
als die überwiegende kristalline Phase mit wenig oder gar keinem Lithium-meta-Silicat.
Im Rahmen der beschriebenen technischen Lehren sind selbstverständlich
verschiedene Modifikationen möglich.
309840/0873
Claims (10)
1. Oberflächenheizeinrichtung mit einer Wärmeverteilerplatte hoher thermischer Leitfähigkeit und einem Glas-Keramiküberzug,
der wenigstens die obere Oberfläche der Platte überdeckt, dadurch gekennzeichnet , dass das
Glas-Keramikmaterial, berechnet von dem Gemenge auf der Oxidbasis in Gew.-JS, aus 6 bis 20 % Li3O, O bis 10 % Al2O5,
70 bis 80 % SiO2, 0,5 bis 6,0 % P3O5, O bis 10 % B3O ,
O bis 6 % K3O und O bis 5 % ZnO besteht, wobei der Ausdehnungskoeffizient
des Glas-Keramikmaterials in dem Bereich von 80 bis 120 χ 10 pro 0C liegt und die grössere kristalline
Phase Lithiumdisilicat ist.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, dass zusätzlich ein isoliertes elektrisches Widerstands-Heizelement (14), das an der Unterseite
der Wärmeverteilerplatte (12) befestigt ist, ein Verstärkungsglied (16), das zum Verhindern von Verziehen an der Unterseite
der Platte (12) befestigt ist, und eine Reflektorwanne (18) unter dem Heizelement (14) vorgesehen sind, derart, dass die
Wärme in Aufwärtsrichtung lenkbar ist.
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, dass der Glas-Keramiküberzug (30) eine Dicke von 75 bis 300 .um aufweist.
4. Heizeinrichtung nach Anspruch" 2, dadurch gekennzeichnet
, dass der überzug (30) beide Seiten der Wärmeverteilerplatte (12) und das Heizelement (14) überdeckt.
5. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Glas-Keramiküberzug bis zu
50 % einer kristallinen Phase enthält.
309840/0873
6. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Glas-Keramiküberzug zusätzlich
bis zu 5 Gew.-? eines üblichen Färbungsmittels enthält.
7. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, dass der Glas-Keramiküberzug, berechnet von dem Gemenge auf der Oxidbasis in Ge\i.-%, aus 73,0 % SiOp,
13,7 % Li2O, 5,6 % K3O, 4,9 % Al3O3 und 2,8 % P2O besteht.
8. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, dass die Wärmeverteilerplatte (12) ein zusammengesetztes Metallblechmaterial mit einem Kern (13)
aus Kupfer, Silber oder Aluminium oder Mischungen davon ist, der zwischen zwei integralen Aussenschichten (15, 17) aus
Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Nickel oder Chrom angeordnet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenheizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet , dass
wenigstens die obere Oberfläche einer eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Wärmeverteilerplatte (12) mit einer
Glaszusammensetzung überzogen wird, die, berechnet von dem Gemenge auf der Oxidbasis in Gew.-%, aus 6 bis 20 % Li^O,
0 bis 10 % Al2O , 70 bis 80 % SiO3, 0,5 bis 6,0 % P3O ,
0 bis 10 % B3O3', 0 bis 6 % K3O und 0 bis 5 % ZnO besteht,
das Glas einer Kernbildungstemperatur von 500 bis 65O0C
für 0,25 bis 1 Stunde ausgesetzt wird und dann das Glas einer Kristallwachstumstemperatur von 750 bis 9000C für
0,5 bis M Stunden unterworfen wird, wodurch ein Glas-Keramikmaterial
mit einem Ausdehnungskoeffizienten in dem Bereich
— 7 ο
von 80 bis 120 χ 10 pro C gebildet wird und die grössere kristalline Phase Lithiumdisilicat ist,
von 80 bis 120 χ 10 pro C gebildet wird und die grössere kristalline Phase Lithiumdisilicat ist,
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Glasüberzug auf die Oberfläche
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der Wärmeverteilerplatte in der Form einer wässrigen Masse aufgebracht wird, die überzogene Platte zur Beseitigung des
wässrigen Bindemittels.getrocknet wird und dann der überzug
bei einer ausreichenden Temperatur und für eine Zeit gealtert wird, um einen Glasüberzug auf dem Substrat zu bilden.
309840/0873
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