DE3100919A1 - Gefaess - Google Patents

Description

Anmelder: Intertec Associates Inc., Rochester, New York,USA

Gefäß

Die Erfindung betrifft ein Gefäß mit einem erhitzbaren Boden, das beispielsweise für Laborzwecke, industrielle Zwecke oder Haushaltszwecke zum Erhitzen von Flüssigkeiten verwendbar ist.

Es finden zahlreiche Gefäße aus Glas oder Glaskeramik Verwendung, zum Beispiel um Wasser oder Kaffee zu kochen, oder als Laborgefäße in Form von Bechergläsern oder Kolben. Oft werden derartige Gefäße auf elektrischen Heizplatten erhitzt, deren Heizleistung größenordnungsmäßig 1 Kilowatt beträgt. Da der Wärmeübergang durch den Boden der üblicherweise verwandten Gefäße verhältnismäßig schlecht ist, werden deshalb täglich insgesamt ganz beträchtliche Energiemengen nutzlos verschwendet.

Daß elektrische Heizplatten und dergleichen Heizeinrichtungen eine verhältnismäßig große Leistung aufweisen, ist in erster Linie auf folgende Tatsachen zurückzuführen: 1. Die Eigenschaften des zu erhitzenden Materials, das normalerweise Wasser ist und eine verhältnismäßig große spezifische Wärme hat. 2. Das Material, aus dem das Gefäß hergestellt ist, insbesondere der Boden des Gefäßes, der mit der Heizfläche in Berührung steht. Da viele Gefäße dieser Art aus Glas, Glaskeramik oder dergleichen Material mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit bestehen, ist der Wärmeübergang durch den

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Boden des Gefäßes besonders niedrig. 3. Die Geometrie der Gefäße, insbesondere der mit der Heizfläche in Berührung stehenden Bodenfläche, sowie die Dicke des Bodens sind wichtige Faktoren für den Wärmeübergang. Beispielsweise haben Glasgefäße einen verhältnismäßig dicken und nicht genau ebenen Boden.

Ein weiteres Problem hinsichtlich eines überflüssigen Energieverbrauchs ist in der thermischen Leitfähigkeit der Seitenwände der Gefäße zu sehen. Im Gegensatz zu der Bodenfläche ist für die Seitenwand eine thermische Isolation wünschenswert, um Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung möglichst gering zu halten. Polypropylen und andere Kunststoffe sind in diesem Zusammenhang gut geeignet, da sie gute Isolatoren sind, was auch weitgehend bei Glas der Fall ist.

Ein Vorteil von Kunststoffgefäßen besteht darin, daß sie besonders wirtschaftlich in Massenproduktion herstellbar sind, da sie im allgemeinen unzerbrechlich sind, und für viele Substanzen korrosionsbeständig und nicht verseuchend sind.DiesJist insbesondere bei speziellen Polymeren wie Polyäthylen oder Polypropylen der Fall.

Ein Nachteil von Kunststoffgefäßen besteht jedoch darin, daß sie nicht ohne weiteres auf Heizplatten erhitzt werden können. Dies ist selbst bei Kunststoffen mit einer verhältnismäßig hohen Erweichungstemperatur der Fall, beispielsweise bei PoIytetrafluoräthylen, bei dem diese Temperatur zwischen etwa 200 und 26O°C liegt, also höher als die normalerweise interessierenden Temperaturen ist. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß diese Materialien eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit besitzen und daß die Wände der Gefäße verhältnismäßig dick sein müssen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Gefäß mit einem erhitzbaren Boden unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß ein möglichst geringer Leistungsbedarf und Energieverbrauch bei einem wirtschaftlich herstellbaren Gefäß erzielbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildun-

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gen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein derartiges Gefäß besitzt eine Seitenwand aus einem Material mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit, das insbesondere ein Kunststoff sein kann, sowie einen thermisch gut leitenden Boden. Derartige Gefäße sind für Laborzwecke, gewerbliche Zwekke und für Haushaltszwecke verwendbar, und können insbesondere auf elektrischen Heizplatten und sonstigen üblichen Heizeinrichtungen erhitzt werden. Der Boden der Gefäße besteht aus einer für Flüssigkeiten undurchlässigen inneren Schicht aus einem Material mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit, aus einer äußeren Schicht aus einem steifen Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das in thermisch leitender Berührung mit der inneren Schicht steht und andererseits eine gut erhitzbare Außenfläche aufweist. Ferner ist eine Halterung für die äußere Schicht an der Seitenwand des Gefäßes vorgesehen .

Vorzugsweise besteht die Wand des Gefäßes und die für Flüssigkeit undurchlässige innere Schicht aus Kunststoff, während die mit der Heizeinrichtung in Berührung gelangende Bodenschicht aus einem Graphitmaterial besteht.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Gefäßes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 - 6 im Vergleich zu Fig. 1 abgewandelte Ausführungs-

be^spiele; und
Fig. 7-12 graphische Darstellungen in Abhängigkeit der Temperatur von der Zeit beim Erhitzen von Wasser in Gefäßen gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten Glasgefäßen.

Vorzugsweise besteht der Körper des Gefäßes aus geformtem Kunststoff und einem Bodenelement aus Graphit oder einem Graphit enthaltenden zusammengesetzten Material, welcher mit Halteeinrichtung oder sonstigen Verbindungsmitteln an dem Körper des Gefäßes befestigt ist. Ein derartiges Gefäß kann auch aus einem rohrförmigen Element mit offenen Enden hergestellt werden, an dem ein Bodenteil der genannten Art befestigt

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wird. Die Verbindung kann auch durch Erhitzen, Anformen oder mit Hilfe von Ultraschall-Schweißverfahren erfolgen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine zylindrische Seitenwand 1 aus Kunststoff vorgesehen, ein Bodenteil 2 aus Graphit mit einer dünnen Schicht 4 aus Kunststoff über der Innenfläche des Bodenteils, sowie ein metallischer oder aus einem verstärkten Kunststoffband bestehender Haltering 3, mit dem der Bodenteil an der Seitenwand befestigt ist.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls eine zylindrische Seitenwand 21 vorgesehen, ein Bodenteil aus Graphit, dessen Oberseite mit einer Kunststoffschicht 26 überzogen ist, sowie innere und äußere Dichtungen 24,25,die aus flexiblem Graphit("Grafoil") bestehen, und ein .Metallband 23, das zur Halterung des Bodenteils an der Seitenwand dient.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zylindrische Seitenwand 31 einstückig mit einem verhältnismäßig dünnen Boden 33 über der Innenfläche des Bodenteils 32 aus Graphit angeordnet und angeformt.Zur Halterung ist eine äußere Dichtung 35 aus flexiblem Graphit und ein Metallband 34 vorgesehen.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Seitenwand 41 aus Kunststoff einstückig mit einer verhältnismäßig dünnen Bodenschicht 43 aus Kunststoff hergestellt, auf deren unteren Seite der Bodenteil 42 aus Graphit befestigt ist. Die Seitenwand aus Kunststoff ist entlang dem Umfang des Bodenteils 42 angeformt und wird durch ein Band 44 aus Metall oder verstärktem Kunststoff gehaltert.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine kugelförmige Seitenwand 51 vorgesehen, die einstückig mit einer verhältnismäßig dünnen Bodenschicht 53 ausgeformt ist, unter der ein konvex ausgebildetes scheibenförmiges Element 52 aus Graphit angeordnet ist, an welches das Kunststoffgefäß angeformt ist. Kleine (in der Figur vergrößert dargstellte) öffnungen 54 sind an der Oberseite des Graphitkörpers ausgebildet, die mit dem Material des Kunststoffgefäßes bei dessen Anformen ausgebildet werden, um den Graphitkörper zuverlässig

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auf der Unterseite des Gefäßes zu befestigen. Deshalb ist bei diesem Ausführungsbeispiel kein besonderer Haltering erforderlich .

Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ebenfalls ein kugelförmiges Gefäß, dessen Seitenwand 61 einstückig mit einer verhältnismäßig dünnen Bodenschicht 6 3 ausgebildet ist. Der Bodenteil 62 aus Graphit ist mit dem ihn umgebenden Kunststoffmaterial anhaftend verbunden. Insbesondere bei größeren Gefäßen kann zusätzlich noch ein Verstärkungsring 64 aus Metall oder Kunststoff verwandt werden.

Ein energiesparendes Gefäß dieser Art kann aus vielen im Handel erhältlichen Polymeren und Kunstharzen entsprechend dem beabsichtigten Verwendungszweck hergestellt werden. In Wärmejhärtende oder thermoplastische Polymere und Kunstharze können verwandt werden. Für die meisten Anwendungszwecke sind Polyolefine, Polysulfone und Fluorkohlenstoffharze besondere gut geeignet. Fluorkohlenstoff harze sind besonders gut beständig und besitzen die höchsten Erweichungstemperaturen. Beispiele sind fluorierte Äthylenpropylene, Polytetrafluorathylen , Copolymere von Äthylen-Tetrafluoräthylen, Polychlorotrifluorathylen und Polyvinyliden-Fluoride. Von diesen Kunststoffen kann fluoriertes Äthylenpropylen ohne weiteres in einer Vielfalt von Gefäßformen und Größen hergestellt werden, besitzt eine hohe Benutzungstemperatur von etwa 205 C und ist durchsichtig. Dieses Material ist besonders gut geeignet für starke Säuren, Alkalien,oxydierende Chemikalien und aggressive Lösungsmittel.

Für eine allgemeine Verwendung für die meisten Chemikalien und praktisch alle Nahrungsmittel sind Polyolefine zufriedenstellend, nicht giftig und nicht verseuchend, und können bei Temperaturen bis zu 175 C verwandt werden. Unter den Polyolefinen werden Polypropylen und Polymethylpenten bevorzugt,obwohl lineare Polyäthylene und Polyäthylene mit besonders hohen Molekulargewicht ebenfalls verwandt werden können. Polypropylen ist ein sehr guter nicht verseuchender Kunststoff, der bei Temperaturen bis zu etwa 135°C verwendbar ist, zumal das Material zäh und lichtdurchlässig ist. Polymethylpenten ist ebenfills ein nicht verseuchender Kunststoff für Benutzungs-

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temperaturen bis zu etwa 175 C, und ist außerdem gut lichtdurchlässig.

Gut verwendbar sind auch Polycarbonate, da sie eine sehr gute Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit aufweisen und gut lichtdurchlässig sind. Derartige nicht giftige Materialien sind gegenüber vielen Chemikalien und Nahrungsmitteln gut beständig. Sie sind bei Temperaturen bis zu etwa 135 C verwendbar. Ferner sind Polysulfone gut verwendbar, da sie wie Polykarbonate lichtdurchlässig sind, eine hohe Festigkeit besitzen und Lebensmittel, biologische Materialien und viele Chemikalien nicht verseuchen. Sie sind bei Temperaturen bis zu etwa 200 C verwendbar.

Polyphenylensulfide besitzen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, sind nicht verseuchend und besonders gut für chemische Zwecke verwendbar.

Bei Gefäßen der beschriebenen Art wird die relativ dünne innere Bodenschicht an dem Bodenteil aus starrem Graphitmaterial durch physikalische Berührung oder durch Anformen mechanisch abgestützt. Deshalb ist der Wärmeübergang zwischen dem Graphit und dem Kunststoff sehr gut. Der Wärmeübergang kann ferner dadurch verbessert werden, daß die äußere Bodenfläche relativ eben oder sonst geeignet ausgebildet ist, um einen optimalen thermischen Kontakt mit einer Heizoberfläche zu erzielen. Die Innenfläche des Gefäßes kann deshalb vollständig aus Kunststoff bestehen. Erhitzen der relativ dünnen Kunststoffschicht, die sich in einem guten thermischen Kontakt mit dem wärmeleitenden Bodenteil befindet, ist praktisch gleichwertig mit einer direkten Berührung der Heizfläche, weil die Temperatur der Oberflächenschicht des Bodenteils praktisch dieselbe wie die Temperatur der Heizfläche ist. Die Kunststoffschicht wird deshalb praktisch direkt dieser Temperatur ausgesetzt, so daß sie schmelzen könnte oder sich deformieren könnte, wenn sie nicht durch Flüssigkeit bedeckt ist, welche die Wärme von dem Bodenteil ableitet.

Wie bereits erwähnt wurde, besteht die innere Schicht des zusammengesetzten Bodenteils vorzugsweise aus Kunststoff, obwohl auch andere undurchlässige Materialien verwendbar sind. Andere

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geeignete Materialien sind Glas und keramische Materialien.Derartige Überzüge können ebenso wie Kunststoffschichten sehr dünn ausgebildet werden, so daß dadurch der Wärmeübergang nicht wesentlich verschlechtert wird, weil derartige Materialien durch den wärmeleitenden Bodenteil abgestützt und geschützt werden.

Ein weiterer Vorteil von Gefäßen dieser Art ist darin zu sehen, daß sich die undurchlässige Schicht in einem guten Kontakt mit der Innenfläche des wärmeleitenden Bodenteils befindet, weil diese Schichten angeformt, gegossen, als Überzug aufgetragen oder sonstwie anhaftend verbunden ausgebildet werden können. Dies bedeutet, daß praktisch die gesamte Oberfläcne in einem guten Kontakt mit der Heizfläche über den Bodenteil steht. Es ist ferner verhältnismäßig einfach, ebene oder mit anderen Konturen ausgebildete Bodenflächen des Bodenteils aus Graphitmaterialien mechanisch zu bearbeiten, um einen guten Kontakt mit der Heizfläche zu erzielen. Deshalb kann mit derartigen Gefäßen ein wesentlich besserer Wärmeübergang im Vergleich zu üblichen Gefäßen erzielt werden, deren Bodenfläche relativ ungleichförmig ist, so daß beispielsweise bei Glasgefäßen Erhitzungen in begrenzten Bereichen auftreten können.

Fei dem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem eine zusammengesetzte Bodenstruktur bestehend aus dem Bodenteil 2 und der Kunststoffschicht 4 vorgesehen ist, die in das offene Ende der Seitenwand eingesetzt und daran befestigt ist, kann die dünne Kunststoffschicht 4 auf dem Bodenteil 2 aus Graphit angeformt oder aufgegossen werden oder auch aufgesprüht, eingetaucht, gestrichen oder sonstwie aufgetragen werden. Vorzugsweise findet ein Polyolefin, Polyfluorkohlenstof f, PoIyJc arbonat, Polysulfon, Polyphenylensulf it oder sonsti ge korrosionsbeständige, nicht verseuchende Polymere oder Harze Verwendung einschließlich faserverstärkte mit Graphitfäden umwickelte Strukturen ausgefüllten Kunststoffen. Der Kunststoff für die Bodenschicht kann dasselbe Material sein, das für die Seitenwand verwendet wird. Es kann jedoch ein anderes Material sein, beispielsweise ein Glas als Füllstoff enthaltendes Polymeres, um eine größere Abriebfestigkeit zu erzielen. Die Sch?^ht 4 besitzt vorzugsweise eine Dicke von lediglich

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etwa 0,025 nun bis 0,3 nun, obwohl für gewisse Anwendungszwecke auch größere Schichtstärken vorgesehen werden können. Ferner kann ein Bodenteil 2 verwendet werden, der aus Graphit mit eingebettetem Kunstharz besteht, wobei die Bodenschicht 4 aus demselben Kunstharz besteht. Ein mit fluoriniertem Äthylenpropylen durchsetzter Bodenteil 2 aus Graphit kann bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 eine Bodenschicht 4 •on etwa 0,075 mm Dicke aus demselben Kunststoff aufweisen, wie in Beispiel 1 beschrieben ist. Ein Graphitmaterial kann ferner als zusammengesetzte Bodenstruktur verwendet werden. Unter einem Graphitmaterial ist dabei zu verstehen, daß es als Hauptbestandteil mehr als 50 Volumenprozent Graphit enthält, während der Rest aus Metallen wie Kupfer und Aluminium, oder aus Glas, keramischen Materialien mit oder ohne Kunstharze besteht. Derartige Materialien werden im allgemeinen nach metallurgischen Verfahren aus pulverisierten Materialien und/oder Fasern hergestellt. Diese Materialien werden auf der Oberfläche mit Kunststoffolien oder Harzfolien überzogen.

Vorzugsweise wird die äußerste Schicht der Bodenstruktur durch ein Graphitmaterial gebildet, dessen Auswahl nicht nur von der guten thermischen Leitfähigkeit sondern auch von einer guten Korrosionsbeständigkeit abhängt, welches Material nicht verseucht, nicht giftig ist, gut herstellbar und mechanisch verarbeitbar ist, ein geringes Gewicht aufweist, plötzliche Tem peraturänderungen aushält sowie verhältnismäßig billig und ohne weiteres verfügbar ist. Das Material darf sich ferner nicht verwerfen, wenn es mit einer Heizfläche in Berührung gebracht wird.

Graphit besitzt ferner eine vorteilhafte poröse Struktur. Dadurch wird die anhaftende Verbindung, das überziehen oder Beschichten mit der undurchlässigen Bodenschicht begünstigt. Die poröse Struktur begünstigt ferner die anhaftende Verbindung der zusammengesetzten Bodenstruktur mit der Seitenwand des Gefässes. Beispielsweise wurde ein Kunststoffgefäß mit einem Bodenteil aus Graphit hergestellt. Ein erhitzter Metallring wurde entlang dem Umfang des Bodenteils aufgeschrumpft. Es wurde festgestellt, daß der Metallring entfernt werden konnte,

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und daß dann trotzdem der Bodenteil fest an dem Gefäß gehaltert wurde. Es wird angenommen, daß der erweichte Kunststoff in der Umgebung des heißen Metallrings in das poröse Graphit eindringt und beim Auskühlen eine gut anhaftende Verbindung mit dem porösen Graphit ausgebildet wird.

Da Graphit nach seiner Herstellung gewöhnlich zu porös ist, um unter Überdruck verwendbar zu sein, ausgenommen spezielle Sorten wie pyrolytischer Graphit oder faserförmig gewickelte Strukturen,wird Graphit normalerweise mit einem Kunstharz wie Phenolharz, Epoxyharz, Furanharz oder Fluorkohlenstoffharz imprägniert. Oft verwandte Sorten von undurchlässigem Graphit bestehen aus 85 bis 90 Gewichts-% Graphit, während der Rest ein Phenolharz ist. Bei den meisten Anwendungszwecken von Gefäßen gemäß der Erfindung tritt jedoch praktisch kein wesentlicher Überdruck auf, weshalb Graphit und/oder Graphit-Kohlenstoff ma teri alen mit einer gewissen Porosität verwendbar sind, insbesondere wenn eine Kunststoffschicht als Bodenschicht in der beschriebenen Weise anhaftend verbunden wird. Dem Graphit kann Kohlenstoff zugesetzt werden, um dessen Härte oder Abriebfestigkeit zu erhöhen. Dadurch wird jedoch die thermische Leitfähigkeit von Graphit nicht unbeträchtlich verringert. Es sind zahlreiche Graphitsorten mit unterschiedlicher Festigkeit, Härte, Dichte, Porosität, Permeabilität, thermische Leitfähigkeit und mit unterschiedlichem Abriebv' derstand und thermischen Ausdehnungskoeffizienten bekannt. W^Ληη eine dünne Kunststoffschicht mit der Oberfläche anhaftend verbunden werden soll, ist eine Graphitqualität mit einer relativ feinen bis mittleren Komstruktur und einer Dichte von etwa 1,5 g/cm oder darüber zweckmäßig.

Die Dicke des Bodenteils aus Graphit hängt weitgehend von der Geometrie des Gefässes, insbesondere von dessen Durchmesser nb. Beispielsweise ist ein Bodenteil von etwa 3 mm bis 10 mm Dicke zufriedenstellend für Gefäße mit einem Durchmesser bis zu etwa 100 - 130 mm und entsprechender Kontaktfläche des Bodens. Für Gefäße mit einem Durchmesser zwischen etwa 150 - 300 mm ist eine Dicke von etwa 10 mm bis 19 mm zweckmäßig. Für derartige Gefäße sind im allgemeinen auch metallische

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Stützstrukturen zweckmäßig, die an dem zur Halterung dienenden Metallband befestigt sind.

In gewissen Fällen können anstelle der bevorzugten Graphitmaterialien auch Metalle in der zusammengesetzten Bodenstruktur verwendet werden. Metallische Elemente für derartige zusammengesetzte Bodenstrukturen für im übrigen aus Kunststoff bestehende Gefäße können beträchtlich dünner als Graphitelemente ausgebildet werden. Sie können eine Dicke von etwa 1,5 mm und 6,5 mm für Böden bis zu etwa 300 mm Durchmesser besitzen. Aluminium, rostfreier Stahl, Kupfer, Nickel, Eisen, Titan, Legierungen derartiger Metalle sowie Tantal können als Böden verwendet werden. Wie Graphitmaterialien können Metalle mit Kunststoff, Glas oder dergleichen Materialien überzogen werden, oder es kann eine dünne Kunststoffschicht angeformt oder aufgegossen werden, obwohl andererseits die Metalle durch den Gefäßinhalt angegriffen werden könnten, wenn die Kunststoffschicht irgendwelche Beschädigungen aufweist.

Bei abgewandelten Ausfuhrungsformen kann die Bodenfläche des Gefässes, die auf die Heizfläche aufgesetzt wird, etwas kleiner und von dem unteren Ende des Gefässes vorspringend sein. Dadurch ergibt sich eine abgestufte Unterseite, damit das untere Ende der Seitenwand des Kunststoffgefässes nicht mit der Heizfläche in Berührung gelangt. Dadurch ist gewährleistet, daß derartige Gefäße bei noch höheren Temperaturen ohne Beschädigungsgefahr für die Seitenwand verwendbar sind.

Im folgenden sollen einige spezielle Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Beispiel 1

Dieses Beispiel betrifft ein Gefäß mit einem Bodenteil aus Graphit und einem Überzug aus fluorinierten Äthylenpropylen. Es wurde der Boden eines Becherglases aus Polypropylen mit einem Inhalt -von 250 ml auf einer Drehbank abgedreht, um einen Hohlzylinder herzustellen. An dem Bodenteil wurde eine Graphitscheibe befestigt, die aus einer porösen Graphitstange mit einer Dichte von etwa 1,72 g/cm abgeschnitten wurde. Die Scheibe wurde auf eine Dicke von 6,35 mm und einen Durchmesser entsprechend dem Innendurchmesser des Hohlzylinders

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von 72,4 mm bearbeitet. Die Wandstärke des Gefässes betrug 1,5 mm und der Außendurchmesser 75,4 mm. Der Graphit wurde mit einer Suspension eines Fluorkohlenstoffharzes getränkt, indem die Scheibe in einem Trichter angeordnet wurde, dessen Auslaß mit ^iner Vakuumpumpe verbunden war. Die Suspension wurde auf die freiliegende Oberseite der Scheibe aufgetragen bis die Poren ausgefüllt waren. Das überschüssige Harz auf den Seiten wurde entfernt und die Scheibe wurde bei einer Temperatur von etwa 290° C in einem elektrischen Ofen getrocknet und ausgehärtet. Ein Überzug aus diesem Kunstharz wurde dann auf die Oberseite der Scheibe aufgesprüht und bei einer Temperatur von etwa 450° C während einer Stunde ausgehärtet. Die Kunstharzschicht mit einer Schichtdicke von etwa 0,05 mm wurde dann in das Bodenende des KunststoffZylinders eingedrückt bis in eine in Fig. 1 dargestellte Lage, wobei auf einen guten Sitz ohne erhebliche Kraftausübung geachtet wurde. Danach erfolgte eine Halterung durch Aufschrumpfen eines Bands aus rostfreiem Stahl. Das Band war aus rostfreiem Stahl Typ 420 hergestellt und besaß einen Innendurchmesser von 75,3 mm, also etwa 0,1 mm weniger als der Innendurchmesser des Hohlzylinders von 75,4 mm. Dies ermöglicht eine Ausdehnung des Bonds bei einer Temperaturerhöhung bis zu etwa 177°C, welche Temperatur weit höher ist als diejenige, auf die das Band und der Kunststoff bei einer Temperatur der Heizeinrichtung von etwa 260° C erhitzt wird. Das Band war etwa 10 mm breit und bet iß eine untere Schulter, wie in Fig. 1 dargestellt ist, um den Kunststoff und den größten Teil des ümfangs des Bodenteils aus Graphit zu schützen. Zur Anordnung des Rings und zur Befestigung der Graphitscheibe wurde der Ring auf mehr als 175°C erhitzt, so daß er leicht auf den Hohlzylinder aufgeschoben werden konnte. Danach wurde er in Wasser abgeschreckt. Der Ring saß deshalb so fest, daß er von Hand nicht von dem Kunststoffgefäß abgezogen werden konnte.

Diese Gefäß wurde dann mit 200 ml Wasser mit einer Temperatur von 23° C gefüllt und abgedeckt. Ein übliches Becherglas aus Borsilikat wurde ebenfalls mit 200 ml Wasser von 23° C gefüllt und abgedeckt. Beide Gefäße wurden bei Raumtemperatur von

zplatte mit 750 '

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etwa 2"°C auf einer Heizplatte mit 750 Watt Leistung aufge-

setzt, die eine Temperatur von 204 C besaß. Beide Gefäße besassen etwa den gleichen Durchmesser. Die Temperatur des Wassers in den beiden Gefäßen wurde in Intervallen von 1 Minute gemessen. Die Gefäße wurden auf Siedetemperatur erhitzt. Dieser Versuch wurde dreimal mit jeweils drei in gleicher Weise hergestellten Gefäßen wiederholt. Die Versuchsergebnisse sind die Kurven 1 und 3 in Fig. 7. Die Kurve 1 stellt Versuchsdaten für das Gefäß gemäß der Erfindung dar und die Kurve 3 Versuchsdaten für das beschriebene Becherglas bekannter Art. Die Kurven zeigen, daß mit einem Gefäß gemäß der Erfindung ein beträchtlich besserer Wärmeübergang erzielbar ist. Mit dem Gefäß 1 wurde die Siedetemperatur in 6,5 Minuten erreicht, während für das bekannte Gefäß 3 24 Minuten erforderlich waren. Dies bedeutet, daß für das bekannte Becherglas das 3,7-fache der Wärmeenergie erforderlich war.

Der Versuch wurde mit denselben, aber nicht abgedeckten Gefäßen wiederholt. Die Kurven 2 und 4 in Fig. 7 zeigen die Versuchsergebnisse. Daraus ist ersichtlich, daß ein noch wesentlich höherer Energieverbrauch für das Gefäß bekannter Konstruktion erforderlich war.

Beispiel 2

Entsprechend Beispiel 1 wurde ein Gefäß aus Polymehtylpenten und einem Bodenteil aus Graphit hergestellt, mit der Ausnahme, daß eine ebene, nicht imprägnierte Graphitscheibe auf ihrer Oberseite mit Polychlortrifluorathylen mit einer Schichtstärke von 0,05 mm beschichtet wurde, und daß eine Aluminiumband verwendet wurde. Die Versuchsergebnisse im Vergleich zu einem bekannten Gefäß sind in Fig. 8 dargestellt.

Beispiel 3

Entsprechend Beispiel 1 und 2 wurde ein Gefäß aus Polypropylen und Karbate-Graphit hergestellt. Mit drei derartigen Gefäßen und drei bekannten Gefäßen der beschriebenen Art wurden Vergleichsversuche entsprechend den Beispielen 1 und 2 durchgeführt mit der Ausnahme, daß eine Schicht mit 0,13 mm Dicke aus Propylen auf die undurchlässige Graphitscheibe aufgetragen wurde, und daß ein Aluminiumband verwendet wurde. Die Versuchsergebnisse sind in entsprechender Weise in Fig. 9 dar-

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. AS-

gestellt. Die Gefäße enthielten 200 ml Wasser und wurden abgedeckt. Die Temperatur der Heizplatte betrug zwischen etwa 116 und 127°C. Während bei den Gefäßen gemäß der Erfindung die Siedetemperatur in 20 Minuten erreicht wurde, konnte mit den Gefäßen bekannter Konstruktion die Siedetemperatur auch nicht beliebig langer Heizzeit erreicht werden. Dieser Versuch wurde durchgeführt, um damit erläutern zu können, daß selbst bei einer wünschenswert niedrigen Temperatur einer Heizplatte von etwa 121 C, also bei einer Temperaturdifferenz von etwa 21 C die Siedetemperatur erreicht werden kann. Mit derartig geringen Temperaturen arbeitende Heizplatten würden bei vielen Anwendungszwecken ganz erhebliche Einsparungen von Energie ermöglichen.

Beispiel 4

Es wurden drei Gefäße mit einer Seitenwand aus Borsilikat mit einem beschichteten Bodenteil aus Graphit, sowie drei übliche Bechergläser aus Glas mit 150 ml Wasser gefüllt und abgedeckt, um den beschriebenen Versuch durchzuführen. Bei diesem Versuch betrug die Temperatur der Heizplatte 143 - 154 C. Die Kurven in Fig. 10 zeigen, daß mit Gefäßen gemäß der Erfindung entsprechend Kurve 1 die Siedetemperatur in 5 Minuten erreicht werden kann, während mit üblichen Glasgefäßen die Wassertemperatur nur auf etwa 88°C erhöht werden konnte.

Beispiel 5

Ein G_^cäß aus Polypropylen mit einem Bodenteil aus undurchlässigem Graphit wurde zur Durchführung des beschriebenen Versuchs verwendet. Die Versuchsergebnisse wurden durch die Kurve 1 in Fig. 11 dargestellt. Die abgedeckten Gefäße wurden auf einer Heizplatte mit einer Temperatur von 171 C erhitzt. Das bekannte Glasgefäß (Kurve 2) erforderte den 4,4-fachen Energieverbrauch zur Erreichung der Siedetemperatur.

Beispiel 6

Es wurde ein Gefäß aus Polymethylpenten mit eher Graphitscheibe hergestellt, auf der eine Schicht aus Polychlortrifluoräthylen mit einer Dicke von 0,05 mm angeformt wurde. Die Versuche wurden bei einer Heiztemperatur zwischen 240 uund 260 C durchgeführt. Aus Fig. 12 ist ersichtlich, daß für das bekannte

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Glasgefäß (Kurve 2) der 4-fache Energiebedarf zur Erreichung der Siedetemperatur erforderlich ist.

Beispiel 7

Es wurde ein Gefäß aus Polypropylen mit einem Bodenteil aus einer Aluminiumlegierung (6061) hergestellt, welcher scheibenförmige Bodenteil eine Dicke von 3 mm besaß. Die Scheibe wurde mit einer Schicht aus Polychlortrifluoräthylen mit einer Dicke von 0,075 mm überzogen. Es ergaben sich Versuchsergebnisse, die mit den beschriebenen Versuchsergebnissen der anderen Beispiele vergleichbar sind.

Beispiel 8

Es wurde ein Gefäß mit 250 ml Inhalt aus Polypropylen mit einem Bodenteil aus Graphit hergestellt, der mit Polychlortrifluoräthylen überzogen wurde. Ferner wurde ein Metallband aufgeschrumpft. Ein weiteres Gefäß wurde in gleicher Weise mit der Ausnahme hergestellt, daß eine Schulter ai der Außenkante der Unterseite des Bodenteils ausgebildet wurde. Die Schulter besaß eine Tiefe von 0,8 mm und eine Höhe von 4,8 mm, so daß sich eine Berührungsfläche mit der Heizfläche ergab, die einen Durchmesser von 66 mm besaß, während die beschichtete zum Innenraum weisende Oberfläche einen Durchmesser von 76 mm besaß.

Die beiden Gefäße wurden mit 200 ml Wasser gefüllt und auf eine Heizplatte mit einer Temperatur von 490 C gesetzt. Das Polypropylen zwischen dem Metallband und dem Bodenteil aus Graphit begann bei dem Gefäß ohne dem abgestuften Bodenteil nach 2 Minuten zu schmelzen. Bei dem Becher mit dem abgestuften Bodenteil war kein Einfluß auf das Polypropylen nach 30 Minuten zu erkennen. Mit Hilfe von an den Metallbändern befestigten Thermoelementen wurde festgestellt, daß das Metallband bei dem Gefäß ohne den abgestuften Bodenteil eine Temperatur von 166°C erreichte, während das Band an dem Gefäß mit der Abstufung nur auf eine Temperatur von 138 C gelangte. Die Zeit zum Aufheizen auf Siedetemperatur war bei beiden Gefäßen etwa gleich.

Beispiel 9
Es wurde ein Gefäß aus Polypropylen mit einem Inhalt von 250 ml

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und einem Bodenteil aus mit Porzellan emaillierten Stahl hergestellt. Die Stahlscheibe aus Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt besaß eine Dicke von 6,35 mm und wurde auf beiden Seiten mit einer Schichtstärke von 0,2 mm emailliert. Das Gefäß wurde zur Durchführung der Versuche auf eine Heizplatte mit einer Temperatur zwischen 190 - 204 C aufgesetzt. Es ergaben sich ähnliche Ergebnisse im Vergleich zu üblichen Glasgefäßen, für die eine Aufheizzeit auf Siedetemperatur von 24 Minuten erforderlich war, während bei dem Gefäß mit dem emaillierten Boden eine Aufheizzeit auf Siedetemperatur von lediglich 7,5 Minuten erforderlich war.

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Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Gefäß mit einem erhitzbaren, auf eine Heizfläche aufsetzbaren Boden, dadurch gekennzeichnet, daß es eine zusammengesetzte Bodenstruktur mit einem Bodenteil (2) aufweist, dessen Innenfläche mit einer für Flüssigkeit undurchlässigen nichtmetallischen Materialschicht (4) überzogen ist und dessen untere Schicht aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit besteht, daß die Seitenwand (1) des Gefässes aus einem Material mit einem geringen thermischen Leitvermögen besteht, und daß eine Einrichtung (3) zur Befestigung des Bodenteils (2) an der Seitenwand (1) vorgesehen ist.

   Gefäß nach Anspruch 1 , dadurch gekenn zeich net, daß die Seitenwand aus Kunststoff besteht.

   Gefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand aus einem Polyolefin, Polyfluorkohlenstoffharz, Polykarbonat, Polysulfon, Polyphenilensulfid, Polypropylen, Polymethylpenten oder Polyfluoräthylenpropylen besteht.

   Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Bodenteils (2) mit einer Kunststoffschicht (4) überzogen ist, und daß ^r Bodenteil (2) aus einem Graphitmaterial besteht.

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   Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die innere Schicht (33; 43;53;63) einstückig mit der Seitenwand (31;41;51;61) ausgebildet ist.

   Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil (52) in seiner Oberfläche kleine öffnungen (54) aufweist, die mit Material der inneren Schicht (5 3) ausgefüllt sind, so daß der Bodenteil mit der inneren Schicht anhaftend verbunden ist.

   Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Bodenteils (2) an der Seitenwand (1) ein Haltering (3) vorgesehen ist.

   Gefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Bodenteils (2) im Vergleich zu dem unteren Rand der Seitenwand (1) oder der Halteeinrichtung (3) vorspringt, so daß das Gefäß nur mit der Unterseite des Bodenteils (2) mit einer Heizfläche in Berührung gebracht werden kann.

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