ES2232733T3 - Placa ceramica de coccion. - Google Patents

Abstract

Placa cerámica de cocción que consta de una placa de cocción (12) de vitrocerámica o de vidrio, de una capa de conductor eléctrico de calentamiento (18), de una capa aislante (16) situada entre la placa de cocción (12) y la capa del conductor eléctrico de calentamiento (18), y de una capa intermedia conductora conectada a tierra (14), situada entre la placa de cocción (12) y la capa intermedia (16), caracterizada porque la capa intermedia (14) es una capa proyectada térmicamente de un material cerámico eléctrica mente conductor o de un ¿cermet¿.

Description

Placa cerámica de cocción.

La invención se refiere a una placa cerámica de cocción con consta de una placa de cocción, vitrocerámica o de vidrio, una capa de conductores eléctricos de calentamiento, una capa aislante entre la placa de cocción y la capa de conductores de calentamiento y una capa intermedia eléctricamente conductora entre la placa de cocción y la capa aislante.

Una placa cerámica de cocción de este tipo se conoce p.ej. por los documentos DE-31 05 065 C2 y US-6 037 572.

La placa cerámica de cocción conocida por el documento DE-31 05 065 C2 consta de una placa vitrocerámica de cocción, en cuya cara inferior se ha aplicado por ejemplo por proyección (pistoleado) una capa metálica, sobre esta última capa se ha aplicada de nuevo por proyección una capa aislante cerámica, sobre esta última se coloca finalmente un elemento conductor eléctrico de calentamiento de calentamiento por vaporización o mediante una técnica de proyección.

Como es sabido, las vitrocerámicas empleadas para placas de cocción poseen unas características NTC, es decir, a medida que aumenta la temperatura, aumenta también considerablemente la conductividad eléctrica. Para impedir el flujo de corriente entre una olla metálica o la superficie de la placa de cocción y el conductor eléctrico, es obviamente un requisito indispensable una capa aislante eléctrica para el funcionamiento de tal sistema de cocción. Para cumplir las necesarias exigencias de seguridad, el sistema debe tener en las temperaturas de funcionamiento una resistencia a las descargas disruptivas de 3.750 voltios.

Las placas cerámicas de cocción se diseñan para trabajar a una temperatura en torno a 600ºC, por consiguiente pueden surgir notables problemas por las diferencias de coeficiente de dilatación térmica entre los materiales empleados. El coeficiente de dilatación térmica lineal de una vitrocerámica, por ejemplo una vitrocerámica de la marca Ceran® de Schott, se sitúa en un valor del orden de \pm 0,15 x 10^{-6} K^{-1}, mientras que los coeficientes de dilatación térmica de los materiales cerámicos es mucho mayor. Por ejemplo, el coeficiente de dilatación térmica del Al_{2}O_{3} se sitúa en torno a 8,0 x 10^{-6} K^{-1}, mientras que los coeficientes de dilatación térmica de los metales son todavía mucho mayores.

Como procedimiento de aplicación de las distintas capas se conoce entre otros la proyección térmica, porque con ella se pueden depositar los materiales más diversos en una forma relativamente económica. Gracias a la alta velocidad y la alta temperatura se logra además en la mayoría de casos una adherencia suficientemente buena.

Sin embargo, si es necesario depositar capas de un grosor de más de 100 \mum, entonces surgen normalmente problemas considerables de adherencia debido precisamente a las diferencias en los coeficientes de dilatación térmica entre la vitrocerámica y las demás capas. Por proyección térmica pueden fabricarse por ejemplo sin mayor problema capas de óxido de aluminio, que poseen la resistencia necesaria a las descargas eléctricas disruptivas y por lo tanto presentan un grosor del orden de varios centenares de \mum, pero por lo general surgen fisuras o bien las capas tienden a desconcharse durante el uso, ya que debido a los rápidos cambios de temperatura durante el funcionamiento surgen tensiones térmicas muy considerables.

Las exigencias de resistencia a las descargas disruptivas pueden reducirse cuando se interpone una capa eléctricamente conductora, conectada a tierra, según la norma DE 31 05 065 C2 o según la patente US-6 037 572 entre la capa aislante y la placa de cocción. En tal caso basta para la capa aislante cerámica una resistencia a las descargas disruptivas de 1500 voltios, para poder garantizar la necesaria seguridad de servicio según la norma VDE.

De este modo puede reducirse considerablemente el grosor de la capa aislante cerámica, con lo cual se reducen también los problemas originados por las diferentes dilataciones térmicas.

Por otro lado, el uso de una capa intermedia metálica según los documentos DE-31 05 065 C2 y US-6 037 572 tiene el inconveniente de que hay que intercalar una capa más en el conjunto, dicha capa posee a su vez un coeficiente de dilatación térmica notablemente mayor que la placa de cocción, con lo cual se incide negativamente en la estabilidad del sistema en su conjunto.

Es, pues, objetivo de la invención la mejora de una placa cerámica de cocción del tipo mencionado en la introducción de tal manera que se mejore la seguridad de servicio de dicha placa cerámica de cocción y se garantice una larga vida en servicio durante el duro funcionamiento cotidiano.

Según la presente invención, este objetivo se alcanza con una placa cerámica de cocción del tipo mencionado en la introducción eligiendo como capa intercala una capa proyectada térmicamente de una cerámica eléctricamente conductora de un "cermet".

El objetivo de la invención se alcanza plenamente de este modo.

Con la formación de la capa intermedia en forma de una cerámica eléctricamente conductora se logra una adaptación considerablemente mejor del coeficiente de dilatación térmica de la capa intermedia al coeficiente de dilatación térmica de la placa de cocción, que es prácticamente cero, ya que el coeficiente de dilatación de materiales cerámicos apropiados es netamente menor que el coeficiente de dilatación térmica de los metales. También el uso de capa de "cermet", gracias a las partículas cerámicas empotradas dentro de un esqueleto o estructura metálica, permite una dilatación térmica reducida, con lo cual se reducen también las tensiones térmicas.

Con el uso de una capa de "cermet" se puede lograr una conductividad eléctrica especialmente buena, mientras que en caso de usarse una cerámica eléctricamente conductora debe asumirse que la conductividad será algo menor. Sin embargo, el uso de una cerámica eléctricamente conductora como capa intermedia tiene la ventaja de que la cerámica, desde el punto de vista de la selección de materiales, puede adaptarse mejor a la vitrocerámica de la placa de cocción, y que eligiendo correctamente el material se puede lograr una adherencia especialmente buena y la aparición de menos tensiones térmicas durante el uso.

En una forma ventajosa de ejecución de la invención, la capa intermedia es una capa de óxidos, que es conductora eléctricamente por la pérdida de oxígeno sufrida durante la proyección térmica.

De este modo, la capa intermedia puede fabricarse en especial con TiO_{2}; con una mezcla de Al_{2}O_{3} con una porción de TiO_{2} por lo menos del 50% en peso, con preferencia por lo menos del 90% en peso; con ZrO_{2}; con una mezcla de Al_{2}O_{3} y ZrO_{2} en la que la porción de ZrO_{2} se sitúe por lo menos en el 50% en peso, con preferencia por lo menos en un 90% en peso; con una mezcla de TiO_{2} y ZrO_{2}; o con una mezcla de Al_{2}O_{3} y TiO_{2} y ZrO_{2} en la que la porción de TiO_{2} y ZrO_{2} se sitúe por lo menos en el 50% en peso, con preferencia por lo menos en un 90% en peso.

Estas capas intermedias de TiO_{2-x}, ZrO_{2-x} o de mezclas de Al_{2}O_{3} y TiO_{2-x} y/o ZrO_{2-x} presentan una adherencia especialmente buena sobre la superficie de la vitrocerámica. Con la proyección térmica se reduce la porción de oxígeno, hasta el punto que este material se convierte en eléctricamente conductor.

De este modo se logra por ejemplo para el TiO_{2-x}, en el que x es \geq 0,1, una conductividad volumétrica situada entre 10^{3} ohmios x cm y 5 x 10^{2} ohmios x cm (a temperatura ambiente). Debido a la dilatación térmica relativamente baja del TiO_{2-x} y de la afinidad especialmente buena entre el TiO_{2-x} con la vitrocerámica, se pone de manifiesto que el TiO_{2-x} es especialmente indicado para el uso como capa intermedia conductora.

Por otro lado pueden utilizarse también sin más los demás materiales mencionados, poniéndose también de manifiesto que también otros óxidos químicamente similares pueden ser idóneos, porque durante la proyección térmica sufren una pérdida de oxígeno suficientemente elevada como para lograr una conductividad eléctrica suficiente.

Tal como se ha mencionado antes, la capa intermedia puede fabricarse también con un "cermet" cuya estructura o esqueleto sea metálico. Dicha estructura metálica presenta por lo menos uno de los componentes siguientes: níquel, cobalto y cromo.

En una forma de ejecución ventajosa de la invención, la capa intermedia se fabrica con un "cermet" de esqueleto metálico, que es una aleación de los componentes principales níquel, cobalto y cromo.

En el esqueleto metálico pueden estar también empotrados partículas de carburos, por ejemplo carburo de wolframio, carburo de cromo, etcétera.

Con un "cermet" de este tipo se logra una capa intermedia de buena conductividad eléctrica, que gracias a las partículas cerámicas empotradas presenta al mismo tiempo un coeficiente de dilatación térmica notablemente inferior al de un esqueleto exclusivamente metálico. El esqueleto metálico en cuestión presenta además una buena adherencia sobre una superficie vitrocerámica y gracias a su mayor ductilidad es idóneo para absorber o para eliminar ciertas tensiones térmicas, que surgen durante el funcionamiento.

Otra forma de ejecución de la invención consiste en prever una capa adherente cerámica entre la capa intermedia eléctricamente conductora y la placa de cocción.

Esta capa adherente consta con preferencia de óxido de aluminio, de óxido de titanio o de mezclas de los mismos y se aplica con preferencia por proyección térmica.

En particular en el caso de emplear un material "cermet" como capa intermedia, la capa de adherente proporciona una adherencia todavía mejor sobre la superficie vitrocerámica, con lo cual se logra un conjunto de capas extraordinariamente estable, que posee una excelente resistencia a la temperatura y a los cambios de temperatura.

La capa aislante, que se aplica sobre la capa intermedia, consta con preferencia de cordierita o de mullita y se aplica con preferencia por proyección térmica.

La utilización de estas cerámicas para la fabricación de la capa aislante tiene la ventaja de un coeficiente de dilatación térmica relativamente bajo, que se sitúa en el caso de la mullita entre 4,3 y 5,0 x 10^{-6} K^{-1} y en el caso de la cordierita entre 2,2 y 2,4 x 10^{-6} K^{-1}. Debido al bajo coeficiente de dilatación térmica se generan tensiones reducidas en la zona de contacto con la placa de cocción de vitrocerámica.

En principio pueden utilizarse también, obviamente, otros materiales cerámicos para fabricar la capa aislante cerámica, por ejemplo el Al_{2}O_{3}, pero en los materiales mencionados anteriormente existen las ventajas especiales que emanan de su bajo coeficiente de dilatación térmica y al mismo tiempo de una resistencia de campo suficientemente alta a las descargas disruptivas.

Se entiende que las características de la invención recién mencionadas y las que se describirán a continuación pueden aplicarse no solo en la combinación que se indica en cada caso, sino que pueden utilizarse también en otras combinaciones o a título individual, sin abandonar por ello el marco de la invención.

Otras características y ventajas de la invención se derivan de la siguiente descripción de los ejemplos preferidos de ejecución, referidos a la figura.

En la figura 1 se presenta una sección transversal de una primera forma de ejecución de una placa cerámica de cocción según la invención y

en la figura 2 se presenta una sección transversal de una forma de ejecución de una placa cerámica de cocción de la invención, derivada de la forma de ejecución de la figura 1.

En la figura 1 se presenta una placa cerámica de cocción de la invención que se marca con el número 10.

Se entiende que la figura es meramente ilustrativa y que las proporciones de tamaño no se ajustan a escala.

La placa cerámica de cocción presenta una placa de cocción 12 de vitrocerámica, por ejemplo de la marca Ceran®. Sobre esta placa de cocción 12 pueden apoyarse los recipientes de cocinar. En diversas zonas de la cara inferior de la placa de cocción 12 se genera una zona de cocción. Para el uso doméstico pueden ser por ejemplo cuatro o eventualmente cinco zonas de cocción en una misma placa de cocción vitrocerámica. En las figuras 1 y 2 se representa únicamente una zona de cocción. En la capa inferior de la placa de cocción 12 se aplica también por proyección térmica una capa intermedia de TiO_{2}. Tal aplicación puede realizarse por ejemplo por proyección atmosférica de plasma (APS) con un grosor de capa de 50 a 250 \mum. La aplicación de las capas correspondientes se realiza con preferencia solamente en el área delimitada por las zonas de cocción correspondientes, con el fin de reducir al mínimo las tensiones del conjunto.

Antes de la proyección térmica se limpia la vitrocerámica, p.ej. se quita la grasa con acetona. Antes de la proyección térmica puede omitirse el tratamiento habitual en otros casos, que se realiza por chorreado con arena, ya que tal chorreado podría dañar la vitrocerámica.

Una vez generada la capa intermedia 14, se aplica sobre ella también por proyección atmosférica de plasma una capa aislante 16, que consta con preferencia de cordierita (2MgO\cdot2Al_{2}O_{3}\cdot5SiO_{2}) o de mullita (3Al_{2}O_{3}\cdot2SiO_{2}).

El grosor de la capa aislante 16 depende de la resistencia deseada a las descargas disruptivas y del material empleado y se sitúa entre 100 y 500 \mum, con preferencia entre 150 y 300 \mum.

Sobre la capa aislante se deposita a continuación una capa de conductor eléctrico de calentamiento 18, por ejemplo en forma de conductor eléctrico 20 enlazado que sigue un curso similar al de los meandros. El conductor eléctrico 20 puede aplicarse por métodos ya conocidos, por ejemplo por serigrafía, en ella gracias a una porción de vidrio de más del 5% se pueden reducir las temperaturas de fluidez durante el secado de la capa en el horno, de modo que se obtengan una temperatura de secado al horno comprendida entre 500 y 850ºC, formándose una capa de conductor compacta y cerrada.

Como alternativa, la capa de conductor de calentamiento 18 puede generarse también por proyección térmica. Para ello se enmascara (protege) la zona que no debe recubrirse mediante el procedimiento habitual de enmascaramiento y a continuación se recubren las zonas no protegidas por proyección térmica del material conductor de calentamiento.

Las zonas previamente recubiertas pueden limpiarse seguidamente, de modo que se obtenga un conductor de calentamiento 20 compacto, cuyas pistas conductoras individuales están aisladas o separadas entre sí.

La intermedia 14, que se aplica por proyección térmica del TiO_{2}, se convierte en conductora eléctrica durante el proceso de proyección debido a la gran pérdida de oxígeno que sufre el óxido de titanio. De este modo, la conductividad volumétrica se sitúa entre 10^{3} ohmios x cm y 5 x 10^{2} ohmios x cm (a temperatura ambiente). Esto basta para poder conectar a tierra con eficacia la capa intermedia 14, tal como se indica mediante la conexión a masa 22 de la figura 1. Con ello se puede reducir hasta 1500 voltios la resistencia a las descargas disruptivas necesaria para la capa aislante 16. En caso de fallo, con la descarga del conductor de calentamiento 20 a la placa de cocción 12 se dispara un fusible de seguridad, ya conocido, que no se representa en la figura.

En la figura 2 se representa una variante de la placa de cocción cerámica y se marca en conjunto con el número 10'.

Sobre la cara inferior de la placa de cocción 12, fabricada por ejemplo de vitrocerámica, por ejemplo de la marca Ceran®, se coloca una capa intermedia 14' eléctricamente conductora. Esta capa intermedia 14', que es una capa de "cermet", está separada por una capa adherente 24 proyectada sobre la placa de cocción 12.

La capa adherente 24 consta con preferencia de Al_{2}O_{3}; o de una mezcla de Al_{2}O_{3} y TiO_{2} que tiene p.ej. un 97% en peso de Al_{2}O_{3} y un 3% en peso de TiO_{2}. La capa adherente 24 se proyecta térmicamente con un grosor de capa de 10 a 150 \mum, con preferencia con una técnica APS. El grosor de capa preferido se sitúa entre 30 y 100 \mum. A continuación se aplica por proyección sobre la capa adherente 24 una capa de "cermet" que consta de una aleación de níquel/cobalto/cromo con partículas de carburos (carburo de wolframio, carburo de cromo, etc.) empotradas en el esqueleto de aleación. La capa intermedia 14' se fabrica con un grosor de capa de 50 a 250 \mum, con preferencia de 50 a 100 \mum. Después se aplica sobre ella la capa aislante 16 y la capa de conductor de calentamiento 18 del modo ya descrito anteriormente mediante la figura 1.

Tal como se desprende de las figuras 1 y 2, las distintas capas superpuestas terminan gradualmente en la zona marginal y su transición es continua hacia la capa inmediatamente inferior. Además, la superficie total de las distintas capas disminuye progresivamente en la dirección a la capa del conductor de calentamiento. De este modo se logra que las tensiones en las zonas marginales de las distintas capas sean mínimas, de modo que se contrarresta la delaminación de las capas.

En la figura 1 se representa además una depresión circular (surco) 26, que rodea la zona periférica de la capa intermedia 14 formando un anillo.

Gracias a esta pequeña depresión pueden absorberse y en parte eliminarse las tensiones que se generan entre la placa de cocción 12 y la capa intermedia 14.

Claims (9)

1. Placa cerámica de cocción que consta de una placa de cocción (12) de vitrocerámica o de vidrio, de una capa de conductor eléctrico de calentamiento (18), de una capa aislante (16) situada entre la placa de cocción (12) y la capa del conductor eléctrico de calentamiento (18), y de una capa intermedia conductora conectada a tierra (14), situada entre la placa de cocción (12) y la capa intermedia (16), caracterizada porque la capa intermedia (14) es una capa proyectada térmicamente de un material cerámico eléctricamente conductor o de un "cermet".

2. Placa cerámica de cocción según la reivindicación 1, caracterizada porque la capa intermedia (14) es una capa de óxidos, que es eléctricamente conductora por la pérdida de oxígeno que sufre durante la proyección térmica.

3. Placa cerámica de cocción según la reivindicación 2, caracterizada porque la capa intermedia (14) se fabrica con TiO_{2}; con una mezcla de Al_{2}O_{3} y una porción de TiO_{2} por lo menos del 50% en peso, con preferencia por lo menos del 90% en peso; con ZrO_{2}; con una mezcla de Al_{2}O_{3} y ZrO_{2} en la que la porción de ZrO_{2} se sitúe por lo menos en el 50% en peso, con preferencia por lo menos en un 90% en peso; con una mezcla de TiO_{2} y ZrO_{2}; o con una mezcla de Al_{2}O_{3} y TiO_{2} y ZrO_{2} en la que la porción de TiO_{2} y ZrO_{2} se sitúe por lo menos en el 50% en peso, con preferencia por lo menos en un 90% en peso.

4. Placa cerámica de cocción según la reivindicación 1, caracterizada porque la capa intermedia (14) se fabrica con un "cermet" de estructura (matriz) metálica que contiene por lo menos uno de los componentes siguientes: níquel, cobalto y cromo.

5. Placa cerámica de cocción según la reivindicación 4, caracterizada porque la capa intermedia (14) se fabrica con un "cermet" de estructura metálica, dicha estructura está constituida por una aleación de los componentes principales níquel, cobalto y cromo.

6. Placa cerámica de cocción según la reivindicación 4 ó 5, caracterizada porque en la estructura metálica están empotradas partículas de carburo, por ejemplo carburo de wolframio, carburo de cromo, etcétera.

7. Placa cerámica de cocción según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque entre la capa intermedia (14) eléctricamente conductora y la placa de cocción está intercalada una capa adherente cerámica (24).

8. Placa cerámica de cocción según la reivindicación 7, caracterizada porque la capa adherente (24) se proyecta térmicamente con óxido de aluminio, con óxido de titanio o con mezclas de los mismos.

9. Placa cerámica de cocción según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa aislante (16) es de cordierita o de mullita y se aplica con preferencia por proyección térmica.