IT201800003544A1 - Resistenze elettriche con isolanti cristallini e processo produttivo innovativo - Google Patents
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Description
TITOLO:
"RESISTENZE ELETTRICHE REALIZZATE CON ISOLANTI A
CRISTALLINA E PROCESSO PRODUTTIVO INNOVATIVO"
DESCRIZIONE:
SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE:
[001] Il presente trovato si riferisce alla costruzione di elementi riscaldanti, resistenze di tipo elettrico, che sono utilizzate in ambito domestico, industriale e commerciale. La soluzione consente l'uso di materiali innovativi e di natura ceramica, non sinterizzati, ma cristallizzati. La novità consiste del trovato consiste in una innovazione di prodotto per la tipologia dei materiali usati, le proprietà meccanico/fisiche nella trasmissione del calore, e in una innovazione di processo che riduce gli scarti produttivi, semplifica le fasi di produzione, riduce il consumo energetico del processo. Il risultato finale è un elemento riscaldante con una maggiore affidabilità, con un costo ridotto sia nei materiali sia nella produzione, e una riduzione degli scafi di produzione.
L'uso di questo trovato per la realizzazione delle resistenze elettriche consente un vantaggio competitivo industriale grazie all'uso di nuovi materiali e in una innovazione di processo che semplifica la realizzazione del prodotto, riduce i tempi e gli scarti di lavorazione e semplifica in modo radiacale le attrezzature e gli impianti. Le fasi del processo produttivo sono ridotte da 6 a 4 e vi è una importante riduzione della energia utilizzata nel processo:
- la soluzione consente di ridurre le temperature del processo da 900-1000°C a 190-200°C, e la conseguente riduzione di emissioni di CO2 nell'ambiente.
Le applicazioni nelle quali sono utilizzate le resistenze elettriche, sia in ambito domestico che in ambito industriale, sono molteplici, largamente diffuse e di notevole interesse.
Grazie alla vastità dei mercati e delle applicazioni, i processi produttivi ed il prodotto si sono evoluti nel tempo specialmente per le tipologie di resistenze elettriche di tipo particolare (resistenze di tipo a superficie), mentre le resistenze elettiche tubolari sono rimaste invariate, senza particolari innovazioni, grazie alla continua crescita dei volumi produttivi nel settore dell'elettrodomestico che garantivano ampi spazi di marginalità.
Il mercato dellelettrodomestico ha subito negli untimi dieci anni una forte flessione, a seguito della crisi economica, che determinato una forte contrazione dei volumi e di conseguenza una forte pressione e competitività su tutta la componentistica, sulla marginalità, sui costi.
Tale situazione ha spinto le aziende leader del settore allo sviluppo di soluzioni innovative per acquisire i vantaggi competitivi (di costo, di prestazione o di miglioramento della qualità), per assecondare le esigenze delle major produttici di elettrodomestici.
Il trovato si riferisce preferibilmente ad una resistenza elettrica di tipo corazzato a filo, o ptc nella quale i tradizionali materiali che garantiscono l'isolamento elettrico (Ossido di Magnesio MgO in polvere compattato per compressione per miglirare il trasferimento termico) sono sostituiti con un materiale ceramico cristallino a base di Solfati di Calcio CaSO4 che, opportunamente trattati, sono usati in un processo che migliora le prestazioni termiche del prodotto, semplifica il processo produttivo eliminando alcune fasi, semplifica le attrezzature, in generale riduce i costi del prodotto e del processo produttivo riducendo la precentuale degli scarti per fuori tolleranza.
Nel trovato, la realizzazione della resistenza elettrica è mediante un nuovo processo produttivo che riduce notevolmente i costi della attrezzature e la quantità di energia necessaria ad ottenerlo.
STATO DELLA TECNICA:
[002] Con riferimento alla Figura 1 , nella tecnica attuale le resistenze elettriche di tipo tubolare a filo è costituita da un filo resistivo 1 inserito all'interno di un elemento tubolare in acciaio che costituisce l'involucro esterno 2. Il filo resistivo è mantenuto nella posizione centrale per mezzo delle polveri di ossido di Magnesio 3, inserite all'interno del tubo 2.
L'ossido è trattato in forma di polveri per le suè caratteristiche di buon isolante elettrico e discreto conduttore termico. L'ossido 2 è inserito all'interno del tubo con un sistema di riempimento per caduta verticale delle polveri.
Con riferimento alla Figura 2, nella tecnica attuale, la costruzione di elementi riscaldanti autoregolanti di tipo a PTC (Positive temperature Coefficient), è realizzata inserendo nell'elemento tubolare 2 non il filo riscaldante, ma un assime di elementi PTC 6 ricaldanti, barre in alluminio 7 per il collegamento elettrico dei componenti PTC. Le barre sono elettricamente collegate all'esterno del tubo per mezzo di cavi elettrici 9. L'assieme così costituito è immerso nella polvere di ossido di magnesio 3 per favorire lo scambio termico e l'isolamento elettrico.
In entrambi le costruzioni, resistenze tubolari e PTC, il processo produttivo prevede le seguenti fasi:
A - inserimento del filo resistivo 1 riscaldante o assieme PTC all'interno dell'elemento tubolare 2; B - inserimento delle polveri di Ossido di Magnesio 3 in verticale con riempimento delle cavità del tubo per gravità;
C - compattazione dell'assieme realizzato con rullatura o martellatura a compressione per sinterizzare e compattare le polveri per aumentare lo scambio termico fra il filo 1 e l'involucro 2.
D - trattamento termico / forno ad alta temperatura, per la eliminazione dell'umidità contenuta nelle polveri d'ossido e l'ottenimento della siterizzazione (melting delle polveri a circa 1050°C);
E - sigillatura 5 delle estremità del tubo per evitare che la umidità possa rientrare nell'assieme causando perdite dell'isolamento elettrico.
Analizzando il processo produttivo e la costruzione del prodotto come in Figura 1, si comprende la funzione delle polveri di ossido che debbono consentire la massima conduzione del calore dal filo scaldante 1 (o elemento ptc che genera il calore) al tubo riscaldante 2.
Migliore è lo scambio termico fra il filo 1 e il tubo 2 e più bassa sarà la temperatura del filo riscaldante, e la diretta conseguenza è la sua durata in vita.
La trasmissione del calore all'intemo dell'Ossido di Magnesio, composto da polveri con porosità, è migliorata dal processo di compattazione mediante la rullatura con la fase C del processo produttivo.
La polvere di ossido, compattata dalla fase C del processo produttivo, diviene una solido amorfo. In riferimento alla figura 3) la struttura amorfa del solido evidenzia le porosità (vuoti 16 e pieni 17), anche a seguito della compattazione.
All'inteno della struttura costituita dalle polveri di ossido di Magnesio compattate, la trasmissione del calore avviene per conduzione termica, ma è "rallentata" dalla porosità del materiale che "devia i percorsi". I vuoti delle porosità di questo "solido amorfo" deviano il percorso della trasmissione del calore. Con riferimento alla figura 4, (dalla letteratura nella trasmissione del calore nei solidi amorfi e solidi ottenuti per sinterizzazione), se consideriamo un tratto infinitesimo del materiale ottenuto, il trasferimento dal lato 12 al lato 13 avviene per conduzione termica attraverso il percorso delle zone piene di materiale. Tale percorso non è il percorso rettilineo ottimale 15, ma bensì il percorso più lungo 14. In questa situazione la conducibilità termica è fortemente influenzata dagli spazi vuoti e dalla assenza di una struttura.
Nel fase B del processo della tecnica classica, il riempimento delle polveri avviene nella posizione verticale del tubo della resistenza. In riferimento alla figura 5), la densità dell'ossido è migliore (più elevata) nella parte bassa 10 della resistenza, mentre è più scarsa nella parte alta della resistenza 11). Durante la fase B del processo di riempimento, la gravità costringe un accumulo delle polveri di ossido con maggiore densità nella zona 10, minore densità nel tratto in alto 11 della resistenza. La resistenza avrà quindi una disomogeneità nella disribuzione della densità della della polvere e anche a seguito della compattazione, tale diversa densità è evidenziata nella distribuzione termica finale delle resistenza. Il fenomeno è amplificato per gli elementi riscaldaldanti di elevata densità di potenza.
La fase C del processo di compattazione dell'ossido per rullatura/martellatura (eseguito con lo scopo di ridurre le porosità dell'ossido) ha come effetto indesiderato l'allungamento delle resistenze. Tale variabilità è calcolata come elemento di progetto. Il processo produttivo è in realtà caratterizzata da una alta variabilità nella distribuzione delle lunghezze, ed il prodotto finito ha un tasso di scarto per fuori tolleranza. In Figura 6) la fase C di rullatura/martellatura del processo produttivo dove il tubo 2) ha diametro iniziale 16 ridotto e allungato 17 a seguito del processo di martellatura C.
La fase D del processo è caratterizzata da un trattamento termico a circa 1050°C che ha lo scopo di eliminare la umidità interna della polvere di ossido di magnesio.Tale processo inotre ha lo scopo di realizzare la sinterizzazione delle polveri, migliorando la conducibilità termica. Il processo produttivo è energivoro, in quanto sono utilizzati forni aperti, a ciclo continuo, ad elevate temperature.
Nella costruzione delle resistenze elettriche è quindi molto importante utilizzare le polveri adeguate, scelte e selezionate per avere le caratteristiche tecniche migliori a garantire l'isolamento elettrico fra il filo riscaldante 1 e il tubo esterno 2. Tali polveri devono essere opportunamente trattate e disidratate prima dell'inserimento nel tubo di contenimento, in quanto devono avere meno impurità possibili per garantire un buon grado di conduzione termica.
A seconda delle temperature raggiunte dagli elementi riscaldanti, devono essere garantiti diversi livelli di purezza, granulomentria, omogeneità dell'ossido di magnesio, ed il costo aumenta di conseguenza.
E’ sentito quindi il bisogno di soluzioni che migliorino lo scambio termico fra elementi riscaldanti e l’ambiente, che portino un vantaggi di costo delle materie prime, che siano sostenibili dal punto di vista ambientale sia per la riciclabilità del prodotto sia per la sostenibilità ed eco-compatibilità del processo, con una riduzione della energia necessaria alla rrealizzazione del processo e una conseguente riduzione delle emissioni.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE:
[003] Il presente trovato realizza un elemento riscaldante elettrico con un utilizzo di materiali innovativi ed un processo produttivo innovativo.
In riferimento alla Figura 7, nella costruzione della resistenza nel trovato, è presente il filo riscaldante 1 inserito all'interno della corazza metallica 2, gli elementi sono immersi in una miscela di un materiale ceramico con struttura reticolare cristallina 18.
L'impasto ceramico è una miscela ottenuta a seguito di un processo di soluzione in acqua di solfato di Calcio emiidrato di tipo alfa, con una percentuale d'acqua compresa fra il 18% e il 30% in peso a seconda delle condizioni ambientali che devono rimanere fra 15 e 25°C per la corretta formazione del reticolo, e affìchè sia colabile nei tempi adeguati alla produzione. In alcuni casi può essere aggiunta una carica di inerte di Carbonato di Calcio in forma di polvere sottile < 1 micron e percentuale non superiore al 20% in peso rispetto al Solfato di Calcio, che ha la funzione di stabilizzare la struttura del reticolo cristallino nella miscela e rendere più flessibile la struttura dopo la solidificazione.
Il terminale 22 che consente il collegamento elettrico del filo 1 resistivo è inserito all'interno della resistenza elettrica con una distanza 23, rispetto all'inizio del tubo, che può essere contenuto in alcuni millimetri. Nella tecnica classica tale dimensione minima è di 30 -35mm, in quanto nella tecnica classica il processo C di rullatura può compromettere la posizione del terminale e quindi l'isolamento della resistenza.
La soluzione del trovato consente di ridurre la distanza 23 a pochi millimetri aumentando la parte attiva della resistenza, rispetto alla parte fredda.
In riferimento alla Figura 8 l'impasto solidificato risulta un composto ceramico con struttura reticolare. Il reticolo cristallino ha una forma romboedrica 19 in cui molecole di Solfato di Calcio e Carbonato di calcio sono disposti ai vertici. Il trasferimento del calore avviene per vibrazione del reticolo cristallino con oscillazione lungo i piani 20 del reticolo, e la intera struttura è coinvolta nella trasmissione del calore. La trasmissione del calore è assimilabile al dualismo oscillazione onda / particella, e per questo motivo si parla di "fononi" 21 quali particelle conivolte nel fenomeno.
Il processo produttivo prevede le seguenti fasi produttive:
A - inserimento del filo resistivo 1 riscaldante all'interno dell'elemento tubolare 2;
B - preparazione dell'impasto fluido mettendo in soluzione con le percentuali a ricetta di Solfato di Calcio emiidrato tipo alfa, acqua e carbonato di calcio; Riempimento dell'assieme tubo 2 e filo riscaldante 1 con l'impasto. Attesa della formazione del reticolo cristallino con struttura reticolare.
C - trattamento termico / forno ad bassa temperatura, per la eliminazione dell'umidità contenuta nel reticolo e riduzione delle correnti disperse ai valori a nonna;
D - sigillatura 5 delle estremità del tubo per evitare che la umidità possa rientrare nell'assieme causando perdite dell'isolamento elettrico.
Il processo produttivo è semplificato, sono ridotte le fasi di produzione rispetto alla tecnica classica:
- la fase di compressione/rullatura non è più necessaria, il trasferimento di calore è garantito dalla struttura cristallina della materia.
- il trattamento termico non ha più lo scopo di completare il processo di sinterizzazione, ma solo di eliminare la umidità superflua interna e aumentare i valori di isolamento dell'elemento riscaldante- La diminuzione delle temperature per il trattamento termico hanno come effetto un importante contenimento dei consumi energetici e la conseguente riduzione delle emissioni nell'ambiente.
Secondo il trovato dell'invenzione, sono evidenziati i seguenti vantaggi rispetto alla tecnica classica:
- la eliminazione della fase di rullatura/ martellatura per la compattazione delle polveri elimina il problema della indeterminazione dellallungamento della resistenza, fonte di possibili scarti di qualità per fuori tolleranza;
- riduzione del costo della materia prima, dato che Solfato di Calcio emiidrato e Carbonato di Calcio hanno un costo decisamente più contenuto rispetto a MgO.
- la densità della amalgama è costante lungo la intera dimensione della resistenza, non sono presenti differenze di disomogeneità della resistenza come mostrato in figura 5 e/o possibili differenze di potenza specifica della resistenza.
- la riduzione della distanza di inserimento del perno 23 consente la riduzione delle parti fredde della resistenza, lasciando più posto per le parti attive ( importante specialmente nelle resistenze di corte dimensioni)
Claims (3)
- TITOLO: "RESISTENZE ELETTRICHE REALIZZATE CON ISOLANTI STRUTTURA CRISTALLINA E PROCESSO PRODUTTIVO " RIVENDICAZIONI: 1. Resistenza elettrica corazzata a filo o ptc con filo riscaldante 1 inserito all'interno della corazza metallica 2, caratterizzato dal fatto che gli elementi sono immersi in una miscela di un materiale ceramico con struttura reticolare cristallina 18, ottenuta a seguito di un processo di soluzione in acqua di Solfato di Calcio emiidrato di tipo alfa, con una percentuale d'acqua compresa fra il 18% e il 30, in peso, una aggiunta una carica di inerte di Carbonato di Calcio in forma di polvere sottile < 1 micron e percentuale non superiore al 20% in peso rispetto al Solfato di Calcio.
- 2. Resistenza elettrica in accordo con la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il processo produttivo prevede le seguenti fasi produttive: A - inserimento del filo resistivo 1 riscaldante all'interno dell'elemento tubolare 2; B - preparazione dell'impasto fluido mettendo in soluzione con le percentuali a ricetta di Solfato di Calcio emiidrato tipo alfa, acqua e carbonato di calcio; Riempimento dell'assieme tubo 2 e filo riscaldante 1 con l'impasto per caduta del fluido. Attesa della formazione del reticolo cristallino con struttura reticolare. C - trattamento termico / forno ad bassa temperatura, per la eliminazione dell'umidità contenuta nel reticolo e riduzione delle correnti disperse ai valori a norma; D - sigillatura 5 delle estremità del tubo per evitare che la umidità possa rientrare nell'assieme causando perdite dell'isolamento elettrico.
- 3. Resistenza elettrica in accordo con la rivendicazione 1 e la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il terminale 22 che consente il collegamento elettrico del filo 1 resistivo è inserito all'interno della resistenza elettrica solo per alcuni millimetri con una distanza 23, rispetto all'inizio del tubo, che riduce la parte fredda della resistenza.
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