ES2281353T3 - Calentador de pelicula gruesa. - Google Patents

Abstract

Calentador de película delgada que tiene un substrato metálico básicamente plano, una capa aislante a la electricidad (6) en dicho substrato, y una pista calefactora resistente (2) aplicada en dicha capa aislante, estando dicha pista calefactora dispuesta tal que existe una distribución de la densidad de energía que comprende una densidad de energía en una zona periférica del calentador mayor que en al menos una zona radialmente intermedia, tal que dicha zona periférica funciona a una temperatura elevada en comparación con dicha zona radialmente intermedia, por lo que se minimiza en funcionamiento la deformación por tracción en al menos las áreas seleccionadas de la capa aislante (6) de dicho calentador.

Description

Calentador de película gruesa.

Esta invención se refiere a calentadores eléctricos del tipo conocido en la materia como calentadores de película delgada y en particular, aunque no de manera exclusiva, a calentadores de película delgada que forman o formando parte de la base de un recipiente calefactor líquido.

Los calentadores de película delgada comprenden habitualmente un substrato metálico, por ejemplo, acero inoxidable sobre el cual se enciende una capa aislante habitualmente de cerámica o cristal. A continuación se aplica una tinta conductora de electricidad en la capa aislante en forma de una pista resistente o de una serie de pistas. Finalmente se aplica un esmaltado excesivo para evitar la oxidación de la pista y también en algunas circunstancias para proporcionar el aislamiento eléctrico con respecto a la pista.

Hoy en día resulta ser cada vez más común utilizar calentadores de película delgada para formar la base o parte de la base de recipientes calefactores líquidos como por ejemplo calderas de jarro. Tales calentadores son preferidos en estas aplicaciones por encima de los más tradicionales elementos cubiertos completamente sumergidos. Esto se debe, en primer lugar, a que los calentadores de película delgada tienen básicamente una cara calefactora líquida plana y son más fáciles de limpiar. En segundo lugar, se obtienen energías mayores y de este modo tiempos de ebullición más rápidos. También, la superficie plana del calentador de película delgada aporta una mayor apariencia agradable desde el punto de vista estético que los elementos cubiertos anteriormente mencionados. La patente US 5793929 describe un calentador de inmersión de película delgada.

Sin embargo, son necesarios el cuidado particular y las precauciones especiales en calentadores de película delgada para garantizar que funcionen de forma segura. Ello se debe a que los calentadores de película delgada habitualmente tienen una baja capacidad de calor en comparación con los elementos cubiertos aunque tienen una alta densidad de energía. Mientras que esto es una ventaja cuando calienta el líquido a ya que permite que el líquido sea calentado rápidamente, significa que un recipiente calefactor con líquido que contiene un calentador de película delgada debería ser conmutado en seco o permitir su ebullición seca, el calentador subirá la temperatura extremadamente rápido y así alcanzar temperaturas muy altas.

Es conocido que, en particular, cuando los calentadores de película delgada son conmutados en seco, puede producirse la microfisuración de la capa aislante. Estas microfisuras comprometen el aislamiento eléctrico entre el substrato y las pistas, provocando que el calentador falle en las pruebas de aislamiento estándar, como por ejemplo una prueba instantánea de aislamiento a 1500V que se requiere actualmente para cumplir con los requerimientos de seguridad europea. Por lo tanto, son necesarios pasos para evitar esta microfisuración.

A fin de evitar los problemas asociados con la microfisuración, se ha propuesto en el documento WO 98/03038 formar un calentador de película delgada durante la fabricación en una configuración cóncava con una concavidad en el lado del calentador que soporta la capa aislante. Se expone que es con el fin de emplazar esta capa bajo un estado permanente de compresión. Mientras que esta solución ha tenido algún éxito en evitar la microfisuración, incrementa los costes de fabricación ya que requiere un paso adicional que debe llevarse a cabo una vez se ha aplicado la pista calefactora ya que con las técnicas actuales la pista debe de aplicarse en una superficie plana.

El solicitante se ha dado cuenta, sin embargo, que la microfisuración es provocada por una excesiva deformación por tracción en la capa aislante debido a la expansión del substrato al cual se adhiere. De acuerdo con la invención se proporciona un calentador como se reivindica en la reivindicación 1.

El solicitante reconoce que, en particular, bajo unas condiciones de interruptor seco, la cara del substrato sobre la cual está montada la pista calefactora (por la capa aislante) sube de temperatura más rápidamente que la temperatura de la cara opuesta - es decir, la cara que estaría habitualmente en contacto con el líquido a ser calentado. Esto presenta una tensión en el substrato ya que sus dos caras intentan expandirse en diferentes grados. En ausencia de ninguna restricción, esta tensión provoca que el substrato se encorve con su cara caliente más exterior, por lo que deforma la capa aislante y provoca la microfisuración.

El solicitante reconoce que la deformación por tracción en la capa aislante depende directamente de la temperatura y por lo tanto que puede reducirse dicha deformación por tracción simplemente reduciendo la temperatura.

El solicitante reconoce además que la microfisuración que sucede en un calentador de película delgada puede reducirse deliberadamente al variar la densidad de energía de la pista calefactora a través del calentador. De acuerdo con la invención, la predisposición de que el calentador de película delgada sufra microfisuración se reduce sin tener que reducir la salida total de energía o incrementar el área de superficie del calentador en comparación con un calentador de película delgada estándar que tiene una distribución uniforme de la densidad de energía.

La distribución óptima de la densidad de energía a través del calentador dependerá de su geometría - más en particular, si hay, aquellas partes del substrato metálico que sean las más rígidas y por lo tanto originarán la menor deformación por tracción durante un cambio dado en la temperatura.

De acuerdo con la invención, la distribución de la densidad de energía está dispuesta de manera que la densidad de energía en la zona periférica del calentador es mayor que al menos en una zona radialmente intermedia. Más preferentemente, la densidad de energía máxima se proporciona en la periferia del área calentada del calentador. Esto resulta ventajoso ya que el tramo del substrato metálico hacia fuera de la periferia de la pista no está directamente calentado por lo que actúa como un disipador de calor para el tramo periférico de la pista. Esto permite que el tramo periférico de la pista tenga la mayor densidad de energía durante una temperatura máxima dada.

En realizaciones preferidas la invención proporciona un calentador de película delgada que tiene un substrato metálico básicamente plano, una capa aislante a la electricidad sobre dicho substrato y una pista calefactora resistente aplicada en dicha capa aislante, estando dicha pista calefactora dispuesta tal que la densidad de energía es más alta en una zona periférica del calentador que en una zona radialmente más interior, por lo que en funcionamiento, la temperatura de dicha zona interior permanece en una temperatura inferior que la zona periférica.

Observando de esta otra manera, al redistribuir la densidad de energía hacia la periferia del calentador (en comparación con una distribución de densidad de energía uniforme estándar), hace que se expanda más la periferia del substrato metálico que el tramo central, introduciendo por ello una tensión circunferencial en el substrato que actúa al menos parcialmente para hacer frente a la tensión arqueada provocada por el gradiente de temperatura a través de su espesor. Las zonas radialmente más interiores del substrato son tensadas de manera efectiva, para minimizar la deformación en aquellas zonas.

Aunque la zona del substrato metálico provista de la pista calefactora es básicamente plana, preferentemente está formada con medios de refuerzo en el borde. Esto permite que la distribución descrita anteriormente sea exagerada ya que en virtud de ser más rígida, se requiere una tensión más grande para producir la misma deformación. Bajo dichas circunstancias es preferido por ello que la distribución de la densidad de energía es tal que el tramo periférico de la pista funciona a la temperatura máxima en comparación con el resto de la pista o al menos una zona radialmente intermedia de ésta. La pista calefactora está dispuesta tal que un tramo periférico de la pista tiene una densidad de energía suficientemente elevada que en el caso que el calentador sea alimentado sin estar en contacto con el líquido, la temperatura en dicho tramo periférico será más alta que en un tramo radialmente intermedio del calentador.

Al desviar la distribución de la densidad de energía hacia la periferia tal que circula a una temperatura elevada en comparación con el tramo radialmente intermedio, los beneficios obtenidos de acuerdo con la invención han mejorado ya que toda la energía del calentador puede incrementarse y además sin microfisuración.

La densidad de energía diferencial a través del calentador podría conseguirse al aplicar tinta eléctricamente conductora en diferentes espesores, es decir, aplicar una capa delgada en la periferia en la periferia y una capa de mayor espesor hacia el interior de la periferia. Alternativamente, podría utilizarse una tinta de resistencia diferente en algunas partes de la pista. Ambos métodos, sin embargo, aportarán un incremento significativo en los costes de fabricación. Preferentemente, por lo tanto, se consigue la variación de la densidad de energía al ajustar las anchuras de los tramos de pista, es decir, estrechando más el tramo de la pista en la periferia que en el tramo radialmente intermedio de modo que la pista periférica tenga una mayor resistencia por unidad de longitud y por ello una mayor densidad de energía.

Numerosas densidades de energía diferentes y por ello perfiles de temperatura son posibles presentando las características ventajosas de la invención. Por ejemplo, la densidad de energía podría decrecer de forma continua desde la periferia del calentador hacia su centro. Alternativamente, la densidad de energía podría decrecer desde la periferia a la zona radialmente intermedia del calentador y a continuación mantenerse en un nivel constante en el centro del calentador.

Preferentemente, sin embargo, la densidad de energía decrece desde la periferia hacia la zona radialmente intermedia y se incrementa de nuevo hacia el centro del calentador. Este segundo máximo local en la densidad de energía resulta ventajoso ya que incrementa la energía total del calentador a modo de conjunto en comparación con un calentador similar con una caída continua de la densidad de energía, aunque puede estar dispuesto de modo que de un incremento en la posibilidad de microfisuración en esta zona. La zona central de la placa puede tolerar una densidad de energía mayor que la zona radialmente intermedia sin microfisuración ya que se enfría por el mismo centro del calentador que no tiene aplicada ninguna pista calefactora.

En esta realización preferida de la invención, la pista comprende una serie de anillos de pista concéntricos cada uno extendiéndose sensiblemente alrededor de la placa, preferentemente con tramos finales de las pistas conectados mediante barras impresas de baja resistencia, por ejemplo de plata.

Más preferentemente, el calentador es circular.

Se describirá una realización solamente a modo de ejemplo de la presente invención con referencia a las figuras que se acompañan en las cuales:

Figura 1 es una vista esquematizada de un calentador de película delgada de acuerdo con la invención;

La figura 1A es una vista en sección a lo largo de un radio del calentador de la figura 1 que muestra el perfil de la placa;

La figura 2 es una tabla que da diversos datos del calentador de la figura 1;

Las figuras 3a y 3b son gráficos de temperatura a través de un diámetro respectivamente de un calentador conocido y otro de acuerdo con la invención en un tiempo fijado después del interruptor seco; y

Figura 4 es un gráfico de deflexión del centro del calentador en función del tiempo desde el interruptor seco de un calentador estándar y un calentador de acuerdo con la invención.

De vuelta a la figura 1, puede verse un calentador plano de película delgada realizado con la presente invención. A partir de esta figura puede verse como la pista calefactora resistente 2 está hecha de una serie de tramos pista arqueados concéntricos 2a-2i. Los tramos individuales de pistas están conectados de manera eléctrica entre sí con tramos de puente de plata 4. La energía total de este calentador es de 750W en 240V de AC. Los tramos de pista 2a-2i se proporcionan sobre una capa aislante 6 de aproximadamente 85 micras de espesor que está depositada de forma convencional sobre una placa 8 de acero inoxidable con un espesor de 0,5 mm.

Como puede verse a partir de la figura 1A, la placa 8 es básicamente plana en su zona central 10, y está provista de un reborde de refuerzo 12 alrededor de su periferia.

Las anchuras de los tramos de pista 2a-2i varían desde el borde del calentador a su centro. En particular, el tramo de pista más externo 2a es el más estrecho, incrementándose la anchura de la pista hacia los tramos de pista 2e y 2f en la zona radialmente intermedia, antes de decrecer de nuevo ligeramente hacia el tramo de pista más interior 2i. Ya que la densidad de energía es inversamente proporcional a la anchura de la pista, la densidad de energía decrece desde un máximo en 2a a un mínimo como 2e-2f y en un segundo máximo local en 2i. Lo anterior se verá con mayor detalle a partir de la tabla de datos para el calentador de la figura 2.

Los ensayos se llevaron a cabo en un calentador realizado con el diseño de las figuras 1 y 2, y también en un calentador estándar - es decir uno en el que la pista tiene una anchura constante a través del calentador - de la misma energía con fines comparativos. Los resultados de estos ensayos se muestran en las figuras 3a, 3b y 4. La figura 3a es un perfil de temperatura a través de la placa "estándar" después de que se ha conmutado en seco durante 6 segundos. La figura 3b muestra los resultados del mismo ensayo aplicados en el calentador de acuerdo con la invención. Se verá que existe una marcada diferencia en los perfiles de temperatura.

Mirando en primer lugar a la figura 3a que muestra el perfil del calentador estándar, se verá que la temperatura en el centro de la placa (es decir, a medio camino a lo largo del eje horizontal de la figura 3a) está en un mínimo en virtud de no tener la pista calefactora. La temperatura alcanza en general un máximo de ancho en la zona radialmente intermedia cercana X, antes de enfriarse hacia el borde la placa. Las temperaturas más altas y por lo tanto las deformaciones por tracción mecánicas mayores se encuentran en la zona radialmente intermedia que daban lugar en esta área a una microfisuración.

Por el contrario, sin embargo, el perfil de temperatura del calentador de acuerdo con la invención mostrado en la figura 3b presenta una temperatura mínima T en la zona radialmente intermedia evitando así la microfisuración al menos durante los 6 segundos en los que los calentadores fueron alimentados. Se eligió una duración de 6 segundos para estos ensayos ya que ese es el límite superior del tiempo tomado para que un calentador de serie sea apagado por un protector térmico. Se verá que la temperatura sube en una dirección a un máximo hacia la periferia del calentador y en la otra dirección a un máximo local hacia el centro del calentador. Se examinó el calentador después de enfriarse de nuevo y no se detectó microfisuración.

Regresando ahora a la figura 4, se muestra un gráfico de la deflexión del centro del calentador en función del tiempo para dos calentadores estándar similares a los utilizados en el ensayo descrito anteriormente (gráficos A y B) y un ensayo repetido para el calentador según la invención realizado en el diseño expuesto en las figuras 1 y 2. Todos estos ensayos se llevaron a cabo bajo condiciones de interruptor seco. Es evidente a partir de los gráficos que la deflexión era realmente superior (aproximadamente un factor o dos) en el caso de los calentadores estándar. Además se verá que ambos calentadores estándar se dañaban, con una peligrosa microfisuración, en aproximadamente 7,5 segundos después del interruptor seco; mientras que el calentador realizado en la invención duraba bien más allá en ambos ensayos.

Se apreciará por aquellos expertos en la materia que mientras se ha descrito en detalle un ejemplo particular de la invención, el concepto es ampliamente aplicable a calentadores de película delgada que tengan una variedad de configuraciones, y no solo aquellos que tengan una pista formada por una serie de anillos concéntricos. En efecto, el calentador no necesita ser circular aunque podría ser oval o cualquier otra forma no circular apropiada. También, mientras que se ha demostrado la invención utilizando un calentador de 750W, calentadores con diferentes energías, especialmente energías elevadas, pueden beneficiarse de la aplicación de los principios de la invención.

También, la deformación del calentador puede ser reducida de forma mecánica, por ejemplo, al aplicar una fuerza elástica en el centro del lado calentado del calentador. En el caso del calentador expuesto anteriormente, se ha observado que una fuerza elástica de aproximadamente 40N aporta una resistencia satisfactoria a la microfisuración.

Claims (8)

1. Calentador de película delgada que tiene un substrato metálico básicamente plano, una capa aislante a la electricidad (6) en dicho substrato, y una pista calefactora resistente (2) aplicada en dicha capa aislante, estando dicha pista calefactora dispuesta tal que existe una distribución de la densidad de energía que comprende una densidad de energía en una zona periférica del calentador mayor que en al menos una zona radialmente intermedia, tal que dicha zona periférica funciona a una temperatura elevada en comparación con dicha zona radialmente intermedia, por lo que se minimiza en funcionamiento la deformación por tracción en al menos las áreas seleccionadas de la capa aislante (6) de dicho calentador.

2. Calentador según la reivindicación 1, en el que la densidad de energía máxima se proporciona en la periferia del área calentada del calentador.

3. Calentador según las reivindicaciones 1 o 2, en el que el calentador comprende medios de refuerzo alrededor de su periferia.

4. Calentador eléctrico de película delgada según la reivindicación 3, estando dicha pista calefactora (2) dispuesta tal que un tramo periférico de la pista tiene una densidad de energía suficientemente elevada que en el caso de que el calentador se alimente sin estar en contacto con líquido, la temperatura de dicho tramo periférico será mayor que la de un tramo radialmente intermedio del calentador.

5. Calentador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la variación de la densidad de energía se consigue al ajustar las anchuras de la pista calefactora (2).

6. Calentador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la densidad de energía de la pista (2) decrece de forma continua desde la periferia del calentador hacia su centro.

7. Calentador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la densidad de energía decrece desde la periferia a una zona radialmente intermedia del calentador y seguidamente permanece a un nivel constante en el centro del calentador.

8. Calentador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la densidad de energía decrece desde la periferia a una zona radialmente intermedia y se incrementa de nuevo hacia el centro del calentador.