FI87965B - Underlag foer uppbaerning av elektriska komponenter, uppvaermningsenhet foer en spis och foerfarande att framstaella ett underlag - Google Patents

Description

1 87965

Alusta sähkökomponenttien kannattamiseksi, keittimen lämpö-vksikkö ia menetelmä alustan valmistamiseksi Tämä keksintö koskee alustaa sähkökomponenttien kannattamiseksi. Sähkökomponentit voivat olla esimerkiksi paksukalvon re-5 sistiivisiä lämpöelementtejä ja keksintö kohdistuu erityi sesti vaikkei yksinomaan alustoihin, joihin kuuluu metalli-levy, joka on päällystetty yhdeltä tai kummaltakin tasaiselta pinnaltaan keramiikkalasia olevalla materiaalilla. Keksintö koskee myös keittimen lämpöyksikköä. Keksintö koskee lisäksi 10 menetelmää valmistaa alusta sähkökomponenttien kannattamiseksi.

Sellaisia alustoja tunnetaan, eräs on saatavissa KERALLOY -kauppanimisenä Wade Potteries:1ta. Näitä alustoja on esitetty käytettäviksi resistiivisten lämpöelementtien kannattamiseen, jotka on kiinnitetty esim. viirapainon avulla paksukal-15 voina ja tarkoitettu kotikäyttöön esim. keittolevyelementteinä.

Esimerkiksi GB 770023 (Associated Electrical Industries Limited) esittää painetun sähkölämpölaitteen, johon kuuluu metallinen tukielin, lämpöä kestävä sähköä eristävä päällyste, jonka muodostaa esim. keraami ainakin yhdellä metalli-20 pinnalla ja johtava päällyste muodostettuna eristävän ker roksen tai kerrosten päälle materiaalista, jolla on sopiva konduktiivisuus ja muoto muodostaakseen sähkölämpöpiirin tai sähkölämpöpiirejä. Metallinen tukielin, jolla on lämpöä kestävä sähköisesti eristävä päällyste ainakin yhdellä pin-25 nallaan, tarjoaa alustan johtavalle päällysteelle.

Käytännössä syntyy kuitenkin sellaisia alustoja käytettäessä vaikeuksia keittolevy-yksiköihin liittyvissä vaativissa käyttöolosuhteissa. Erityisesti on huomattu, että re-sistiivisen paksukalvolämmittimen ja alustaan sisältyvän me-30 tallisen levyelimen välillä voi tapahtua sähköinen läpilyön ti, jota alustaa yleensä pidetään maan potentiaalissa, kun verkkojännite kytketään vastusrataan. Lisäksi paksukalvo-lämpövastusradasta voi puuttua kykyä kiinnittyä keramiikka-lasimateriaaliin.

.35 Keksijä on todennut, että molempia edellä havaittuja vai keuksia voidaan oleellisesti vähentää tai eliminoida varmistamalla, että keramiikkalasipäällystemateriaalin suhteellinen huokoisuus, kuten myöhemmin määritellään, alennetaan pienemmäksi tai yhtä suureksi kuin 2,5, ja keksintö tarjoaa alustan, 2 87965 jolla on sellainen alhaisen huokoisuuden omaava keramiikka-lasipäällyste ja sellaisen alustan valmistamismenetelmän.

Keksinnön mukaiselle alustalle on tunnusomaista se, että alustaan kuuluu levyelin, jolla on ainakin yhdellä pinnalla 5 keramiikkalasimateriaalia oleva kerros, jonka prosentuaalinen huokoisuus on korkeintaan 2,5, jolloin prosentuaalisella huokoisuudella tarkoitetaan huokoisuutta alustan satunnaisessa, levyelimeen nähden kohtisuorassa poikkileikkaustasossa ilmaistuna tasossa olevien huokosten poikkileikkauspinta-alojen pro- 10 sentuaalisena suhteena saman tason keramiikkalasikerroksen muun osan poikkileikkauspinta-alaan. Keksinnön mukaiselle keittimen lämpöyksikölle on tunnusomaista se, että siihen kuuluu patenttivaatimuksen 1 mukainen alusta ja paksukalvolämpörata, joka on painettu alustalle.

15 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että siihen kuuluu vaiheet: a) järjestetään levyelin; b) kiinnitetään keramiikkalasimateriaalia oleva päällyste levyelimen pintaan; 20 c) kuumennetaan päällyste kaksivaiheisella kuumennusprosessil- la, johon kuuluu: i) ensimmäinen kuumennusvaihe, jossa päällyste kuumennetaan ensimmäiseen lämpötilaan keramiikkalasimateriaalin pehmenemis-lämpötilan yläpuolelle, ja päällystettä pidetään ensimmäisessä 25 lämpötilassa etukäteen määritellyn ajan, joka on riittävä antamaan päällysteessä olevien huokosten olennaisesti sulkeutua; ja ii) toinen kuumennusvaihe, jossa päällyste kuumennetaan toiseen lämpötilaan, joka on korkeampi kuin ensimmäinen lämpötila, 30 päällystekerroksen kiteyttämiseksi; jolloin tuotetun kerroksen prosentuaalinen huokoisuus on korkeintaan 2,5, jolloin prosentuaalisella huokoisuudella tarkoitetaan huokoisuutta alustan satunnaisessa, levyelimeen nähden kohtisuorassa poikkileikkaustasossa ilmaistuna tasossa 35 olevien huokosten poikkileikkauspinta-alojen prosentuaalisena suhteena saman tason keramiikkalasikerroksen muun osan poikkileikkauspinta-alaan.

Jotta keksintöäni ymmärrettäisiin täysin ja jotta siitä saataisiin helposti hyötyä, selostetaan seuraavassa joitakin 3 87965 sen suoritusmuotoja, tosin vain esimerkinomaisesti ja oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa:

Kuvio 1 esittää perspektiivikuvantona keksinnön yhden esimerkin mukaista alustaa.

5 Kuvio 2 esittää poikkileikkauksena ja suurennettuna ku viossa 1 esitettyä alustaa ja kuvaa, kuinka keramiikkalasi-kerroksen huokoisuuden aste spesifioidaan ja

Kuviot 3a ja 3b esittävät päältä nähtynä kuviossa 1 esitetyn alustan kaltaisia alustoja, jotka kannattavat lämpö-10 vastusrataa, joka sopii sähkölevykäyttöön.

Viitaten kuvioon 1, jossa esitetään alusta, johon kuuluu tukilevy 1, joka on valmistettu esim. metallista tai keramiik-kalasimateriaalista, jonka paksuus on sopiva jäykkyyden aikaansaamiseksi. Tukilevy on päällystetty kummaltakin puolelta 15 keramiikkalasimateriaalilla 2, 3, kuten kalsiummagnesiumalu- miinisilikaatilla. Keramiikkalasipäällysteet 2, 3 kiinnitetään viirapainamalla jauhemaista keramiikkalasimateriaalia tukile-vylle tai käyttäen elektroforeesia. Keramiikkalasimateriaa-leille on luonteenomaista, että niiden voidaan antaa kiteytyä 20 lämpökäsittelyn avulla, ja tällä alueella on tavallista amorfi sen lasin jauhemaisille päällysteille, että ne kristallisoituvat, täten ne muutetaan jatkuviksi keramiikkalasikerroksiksi kuumentamalla koko alustaa yksivaiheisessa prosessissa yli 1000 °C lämpötilaan materiaalin pehmenemispisteen yläpuolel-25 le, missä se kiteytyy nopeasti. Sitten materiaalin annetaan jäähtyä.

Tällä tavoin valmistetulla alustoilla pyrkii kuitenkin esiintymään ei-toivotun suuri huokoisuuden aste, suhteellisen huokoisuuden arvon ollessa määritelty esim. kuten ku-30 viossa 2 esitetään tekemällä satunnainen poikkileikkaus alustan kautta kohtisuorassa tukilevyn tasoon nähden. Leikkauksella saatujen kaikkien huokosten kuten 4 pinta-alan suhdetta leikkaustason keramiikkalasikerroksen muuhun pinta-alaan kutsutaan huokoisuussuhteeksi ja se ilmaistaan sopi-35 vasti prosentuaalisena (P). Tälle keksinnölle on luonteen omaista, että P:n arvo on yhtä suuri tai pienempi kuin 2,5. Tätä verrataan tavanomaisin menetelmin saavutettavien P:n arvojen, 4,0, tai enemmän kanssa.

Keksinnön vaatimien tavoiteltavien alhaisten P:n arvojen 4 87965 saavuttamiseksi, keksijä on havainnut, että jauhemainen keramiikkalasipäällyste voidaan muuttaa jatkuvaksi kerrokseksi kaksivaiheisella kuumennusprosessilla, jonka ensimmäisessä vaiheessa alustaa kuumennetaan, ei edellä mainittuun 5 yli 1000 °C lämpötilaan, jossa kiteytyminen tapahtuu nopeas ti, vaan mieluummin keramiikkalasimateriaalin pehmenemis-lämpötilan yläpuolella olevaan lämpötilaan, mutta lämpötilaan, joka on alapuolella sitä lämpötilaa, jossa nopea kiteytyminen tapahtuu, esim. alueelle 800 °C - 900 °C, edulli-10 sesti alueelle 800 °C - 875 °C edellä mainitulle kalsiummag- nesiumalumiinisilikaatille, missä lämpötilassa materiaali on huomattavasti pehmennyt, mutta kiteytyy vain hitaasti kyseisestä lämpötilasta riippuvan ajan, kuitenkin yleensä noin 5 min - 30 min. Tämä aika riippuu kiteytymisnopeudesta ja 15 materiaalin viskositeetista pehmenneessä tilassaan. Tämän alueen alapäässä päällystemateriaalin viskositeetti on korkea, mutta kiteytyminen on hidasta ja voidaan tarvita pitkähkö aika, ennen kuin huokoset sulkeutuvat. Alueen yläpäässä päällyksen viskositeetti on huomattavasti pienentynyt ja 20 vaikkakin kiteytyminen on suhteellisen nopeata, niin suurin osa huokosista sulkeutuu ennen kuin huomattava kidekerros muodostua. Edellä mainitun kalsiummagnesiumalumiinisilikaatin ollessa kyseessä, prosessin ensimmäisessä vaiheessa materiaalia lämmitetään edullisesti 875 °C lämpötilassa 7 minuutin 25 ajan. Huokosen sulkeutumismekanismin uskotaan olevan riippu vainen ensisijassa pintajännityksestä.

Prosessin toinen vaihe, johon sisältyy pysyvän keramiik-kalasitilan tekeminen lämpökäsittelyllä, samalla tavalla kuin tavanomaisesti käytettynä, on päällystelämpötilan nos-30 taminen arvoon (esim. yli 1000 °C edellä mainitulle kalsium- magnesiumalumiinisilikaatille), jossa nopea kiteytyminen tapahtuu, mutta arvoon, joka on alempi kuin se, missä kiteet uudelleen hajoavat, nopean kiteytymisen tuottaessa keramiik-kalasikerroksen. Lopputuloksena saadaan alusta, jossa kera-'35 miikkalasikerroksien suhteelliset huokoisuudet ovat 2,5 tai vähemmän. Tämän on havaittu vähentävän huomattavasti lämpöyk-siköiden vioittumismahdollisuutta sähköisestä läpilyönnistä ja tämä edistää myös paksukalvon lämpövastusradan kiinnittymistä keramiikkalsimateriaaliin.

5 87965

Toisessa menetelmässä alusta valmistetaan kiinnittämällä useita keramiikkalasikerroksia tukilevyyn, joista kukin yksittäinen kerros valmistetaan kaksivaiheisella kuumennuspro-sessilla. Keksijä on havainnut, että alustan sähköisen lä-5 pilyönnin ominaisuudet riippuvat huomattavasti ja ne parane vat käytettyjen keramiikkalasikerrosten lukumäärän myötä, vaikka komposiitin kokonaispaksuus on sama. Syy tähän näyttää olevan siinä, että pieniä reikiä voi syntyä kerroksen muodostuessa, jotka reiät ovat liian suuria sulkeutuakseen täydelli-10 sesti kaksivaiheisen lämpenemisprosessin ensimmäisen vaiheen aikana, mutta että on hyvin pieni mahdollisuus, että peräkkäisten kerrosten pienet reiät sattuvat samalle kohdalle muodostaakseen täydellisen reitin sähkökomponentista metalliseen tukilevyyn.

15 Alustan valmistaminen on mahdollista myös kiinnittämällä useita keramiikkalasikerroksia siten, että jokaista yksityistä kerrosta käsitellään käyttämällä ensimmäisen vaiheen kuumennus-prosessia ennen kuin seuraava kerros kiinnitetään. Komposiitti-kerros voidaan sitten tehdä pysyväksi käyttämällä kaksivai-20 heisen kuumennusprosessin toista vaihetta. Tätä menetelmää käyttäen valmistetut alustat ovat sähköisiltä ominaisuuksiltaan jonkin verran parempia.

Viirapainannan käyttö keramiikkalasipäällysteiden kiinnittämiseksi alustan valmistamiseksi soveltuu erityisesti 25 menetelmille, joita on kuvattu kyseisen keksinnön yhteydes sä Sopivan paksuisen, esim. 100 μτα keramiikkalasikerroksen aikaansaamiseksi, neljä keramiikkalasimateriaalia olevaa päällystettä painetaan tukilevyyn ja sitten kokonaisuus kuumennetaan kaksivaiheista kuumennusprosessia käyttäen. Vaih-. •-30 toehtoisesti käytetään kaksivaiheista kuumennusprosessia en simmäisen keramiikkalasikerroksen tuottamiseksi sen jälkeen, kun kaksi päällystettä on painettu, jonka jälkeen seuraavat kaksi päällystettä painetaan ja kuumennetaan kaksivaiheisella kuumennusprosessilla. Syntyvä lasikeramiikkakerros on 35 samanpaksuinen kuin se, joka valmistettiin edellä mainitulla menetelmällä, mutta sen sähköiset läpilyöntiominaisuudet ovat parantuneet huomattavasti.

Toisessa viirapainantaa käyttävässä menetelmässä painetaan kaksi päällystettä, jotka sitten kuumennetaan kaksivai- 6 87965 heistä kuuinennusprosessia käyttämällä. Tämä toistetaan edelleen kaksi kertaa keramiikkalasikerroksen tuottamiseksi, jonka paksuus on suurempi esim. 150 μια. Tällä menetelmällä aikaansaatujen vielä huomattavasti parantuneiden sähköisten-5 läpilyöntiominaisuuksien aikaansaamisen syynä pidetään usei den kuumennusten kombinaatiota ja keramiikkalasikerroksen suurempaa paksuutta.

Valmistettaessa alustoja viirapainantaa käyttämällä on havaittu, että edellyttäen, että alustalla olevan komposiitti-10 keramiikkalasikerroksen paksuus on sopiva, kaksi on optimaali nen päällysteiden lukumäärä, jotka painetaan ja sitten kuumennetaan samaan aikaan kaksivaiheista kuumennusprosessia käyttämällä. Tämän etu voi olla riittävän paksun keramiikkalasikerroksen valmistuksessa, jonka tila on tehty pysyväksi mukaan 15 lukien kaikkien pienten reikien sijanti, ennen kuin seuraava kerros kiinnitetään. Monista kerroksista saatava hyöty mahdollisesti pienenee, jos yksittäinen keramiikkalasikerros, joka kiinnitetään ja kuumennetaan kaksivaiheista kuumennusprosessia käyttäen, ei ole riittävän paksu.

20 Kuviot 3a ja 3b esittävät tyypillisiä paksukalvo-lämpö- vastusratoja 10 ja 20, jotka on tunnetulla tavalla painettu päällystetylle, kuviossa 1 esitetyn kaltaisen alustan pinnalle 2. Rata voi olla jalometallia tai mitä tahansa muuta sopivaa materiaalia, jotka ovat ammattimiesten tuntemia ja 25 koko yksikkö, kuten kuvioissa 3a ja 3b esitetään, on edulli sesti lasitettu keramiikkalasimateriaalilla.

Kuvioissa 3a tai 3b esitetyn kaltaista yksikköä tai suurempaa alustaa, johon kuuluu esim. neljä erikseen sähköllä syötettävää lämpörataa, voidaan käyttää joko tavanomaisen 30 keramiikkalasiliesitason alapuolella kotitalouden keittolevyn tai lieden lämpöyksikköinä tai sellaisenaan sähkölevy-yksikkönä. Tällaisilla lämpöyksiköillä on pieni lämpömassa ja vastaavasti lämpövaste, joka on huomattavasti nopeampi kuin ta-vanomaisila liesielementeillä ja nämä lämpöyksiköt voivat '35 lähestyä äskettäin kehitettyä tekniikkaa, joka hyödyntää ha- logeenivolframihehkulamppuja lämpölähteenä.

Keksinnön käyttö ei selvästikään rajoitu liesiin ja keit-tolevyihin. Löytyy monia kotitalouden ja teollisuuden lämpöso-vellutuksia, joihin keksintö olisi sopiva. Joitakin esimerk- V 87965 kejä, jotka eivät ole rajoittavia, ovat kattilat, sähkörau-dat, huoneen lämmittimet, rumpukuivaajat ja uunit.

Arvostettavaa on se, että lämpöyksiköitä ei tarvitse muodostaa tai säilyttää litteän levyn muotoisina ja muita alus-5 takonfiguraatioita kuten sylintereitä ja kartioita voidaan käyttää tietyissä sovellutuksissa, jos halutaan. Ilmaa voidaan halutessa pakottaa sopivasti muotoillun lämpöyksikön yli ja/tai läpi lämmitetyn ilman jakamiseksi muihin paikkoihin kuin itse lämpöyksikön välittömään läheisyyteen.

10 Keksintöä voidaan käyttää myös pientehosovellutuksissa, joissa esim. alustalle kerrostettuja resistiivisiä komponentteja tarvitsee virittää laserilla etukäteen määritettyyn resistanssiarvoon. Keksinnön mukaisesti alustalla olevan kera-miikkalasin pienestä huokoisuudesta on etua, koska se vähentää 15 lasersäteellä viritettävän komponentin säätelemätöntä syöpymis tä, jota voi sattua, jos säde tekee reiän komponentin läheisyyteen. Sellainen syöpyminen aiheuttaa tavallisesti sen, että komponentin resistanssiarvo eroaa toleranssista ja siten tekee välttämättömäksi yksikön romuttamisen tai ainakin uudel-20 leenkäsittelyn.

Claims (10)

1. Alusta sähkökomponenttien kannattamiseksi, tunnettu siitä, että alustaan kuuluu levyelin (1), jolla on ainakin yhdellä pinnalla keramiikkalasimateriaalia oleva kerros (2, 3), jonka 5 prosentuaalinen huokoisuus on korkeintaan 2,5, jolloin prosen tuaalisella huokoisuudella tarkoitetaan huokoisuutta alustan satunnaisessa, levyelimeen (1) nähden kohtisuorassa poikkileik-kaustasossa ilmaistuna tasossa olevien huokosten poikkileikkauspinta-alojen prosentuaalisena suhteena saman tason kera-10 miikkalasikerroksen muun osan poikkileikkauspinta-alaan.

2. Keittimen lämpöyksikkö, tunnettu siitä, että siihen kuuluu patenttivaatimuksen 1 mukainen alusta ja paksukalvolämpörata (10, 20), joka on painettu alustalle.

3. Menetelmä valmistaa alusta sähkökomponenttien kannattami- 15 seksi, tunnettu siitä, että siihen kuuluu vaiheet: a) järjestetään levyelin (1); b) kiinnitetään keramiikkalasimateriaalia oleva päällyste (2, 3) levyelimen (1) pintaan; c) kuumennetaan päällyste (2, 3) kaksivaiheisella kuumennus- 20 prosessilla, johon kuuluu: i) ensimmäinen kuumennusvaihe, jossa päällyste kuumennetaan ensimmäiseen lämpötilaan keramiikkalasimateriaalin pehmenemis-lämpötilan yläpuolelle, ja päällystettä pidetään ensimmäisessä lämpötilassa etukäteen määritellyn ajan, joka on riittävä 25 antamaan päällysteessä olevien huokosten olennaisesti sulkeu tua; ja ii) toinen kuumennusvaihe, jossa päällyste kuumennetaan toiseen lämpötilaan, joka on korkeampi kuin ensimmäinen lämpötila, päällystekerroksen kiteyttämiseksi; 30 jolloin tuotetun kerroksen prosentuaalinen huokoisuus on korkeintaan 2,5, jolloin prosentuaalisella huokoisuudella tarkoitetaan huokoisuutta alustan satunnaisessa, levyelimeen (1) nähden kohtisuorassa poikkileikkaustasossa ilmaistuna tasossa olevien huokosten poikkileikkauspinta-alojen prosentu-35 aalisena suhteena saraan tason keramiikkalasikerroksen muun osan poikkileikkauspinta-alaan.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaksivaiheinen kuumennusprosessi kohdistetaan useaan 9 87965 peräkkäisesti kiinnitettyyn keramiikkalasiraateriaalia olevaan kerrokseen.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaksivaiheinen kuumennusprosessi kohdistetaan kuhunkin 5 useista peräkkäisesti kiinnitettyjen keramiikkalasikerrosten ryhmistä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaksivaiheinen kuumennus kohdistetaan kumpaankin peräkkäisesti kiinnitettyjen keramiikkalasikerrosten kahteen ryhmään, 10 jolloin kumpaankin kahdesta ryhmästä kuuluu kaksi kerrosta.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaksivaiheinen kuumennusprosessi kohdistetaan kuhunkin peräkkäisesti kiinnitettyjen keramiikkalasikerrosten kolmeen ryhmään, jolloin kuhunkin kolmesta ryhmästä kuuluu kaksi ker- 15 rosta.

8. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaksivaiheisen kuumennusprosessin ensimmäinen vaihe kohdistetaan kuhunkin peräkkäisesti kiinnitettyjen keramiikkalasikerrosten ryhmistä komposiittikerroksen tuottamiseksi, jolloin 20 kaksivaiheisen kuumennusprosessin toinen vaihe kohdistetaan sen jälkeen komposiittikerrokseen.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 3-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keramiikkalasimateriaali on kalsiummagnesium-alumiinisilikaattia ja ensimmäinen lämpötila on alueella 800°C 25 - 875°C.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen lämpötila on yli 1000°C. 10 87965