ITUD950053A1

ITUD950053A1 - Combinazione di componenti per piastre elettriche di riscaldamento, dispositivi di accensione, sensori di temperatura o simili

Info

Publication number: ITUD950053A1
Application number: IT000053A
Authority: IT
Inventors: Helmut Nechansky
Original assignee: Electrovac
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1996-09-30
Also published as: FR2718317B1; IT1280150B1; ATA67994A; FR2718317A1; CH689530A5; ITUD950053A0; DE19510989A1; GB2288110B; GB2288110A; GB9506523D0; AT408299B

Description

Descrizione di brevetto per invenzione industriale

Titolo:

COMBINAZIONE DI COMPONENTI PER PIASTRE ELETTRICHE DI RISCALDAMENTO, DISPOSITIVI DI ACCENSIONE, SENSORI DI TEMPERATURA O SIMILI

Descrizione:

Oggetto della presente invenzione è una combinazione di componenti per piastre di riscaldamento elettriche, dispositivi di accensione, sensori di temperatura o simili., disposti l'uno sopra l'altro, la quale comprende un elemento di resistenza elettrico, uno strato elettricamente isolante ed una piastra per il trasferimento del calore .

In linea di massima una combinazione di componenti di questo tipo è realizzata in ogni usuale piastra di riscaldamento o fornello elettrico a piastra, in cui è prevista, al di sotto di una piastra per il trasferimento del calore, una spirale di riscaldamento, la quale è separata dalla piastra per il trasferimento del calore attraverso un intraferro isolante. Il trasferimento di calore dalla spirale di riscaldamento all'aria, nonché dall'aria alla piastra per il trasferimento del calore, è relativamente cattivo, per cui notevoli perdite di calore sono da osservare in queste costruzioni.

É stato pertanto tentato di sostituire l'intraferro con uno strato di un materiale isolante fisso.

I materiali di fusione di metallo utilizzati di regola come piastre per il trasferimento del calore possono essere adattati tuttavia, nelle loro caratteristiche di dilatazione termica, solo in maniera cattiva a materiali di isolamento fissi, in modo che una combinazione di componenti era praticamente impossibile fino a questo momento con uno strato di isolante che consiste in una sostanza solida, a causa dell'insorgere di forti tensioni termiche.

Compito della presente invenzione è quello di migliorare questo tipo di costruzioni nell'aspetto termotecnico.

Per il raggiungimento di questo obiettivo viene proposto, in maniera conforme all'invenzione, che la piastra per il trasferimento del calore sia costituita per lo meno in parte, preferibilmente interamente, da un materiale composto con matrice di metallo (MMC).

Questo materiale, che è noto in altri contesti, tra l'altro per la produzione di alloggiamenti di chip nell'elettronica, è costituito da un materiale di rinforzo impregnato oppure infiltrato con un metallo della matrice. Attraverso la scelta di volta in volta dei componenti di rinforzo e del metallo si possono influenzare volontariamente le caratteristiche di questi materiali composti, per quanto concerne le caratteristiche meccaniche e altrettanto quelle termiche.

Cosi diventa anche possibile ottenere un adattamento delle caratteristiche di dilatazione termica della piastra per il trasferimento del calore a quelle di un materiale isolante.

Secondo una forma di esecuzione preferita dell'invenzione, lo strato elettricamente isolante in combinazioni di componenti del tipo nominato all'inizio è costituito quindi da un materiale solido isolante elettricamente, e non più dall'aria, per cui in maniera particolare il materiale della piastra di MMC ed il materiale dello strato che isola elettricamente presentano coefficienti di dilatazione termica sostanzialmente adattati l'uno all'altro.

Attraverso questa combinazione di componenti diventa possibile utilizzare come elemento di resistenza una struttura con strato sottile, preferibilmente a base di silicio.

In pratica, sulla piastra per il trasferimento del calore o in rientranze della stessa viene applicato un materiale isolante, le cui dimensioni corrispondono sostanzialmente a quelle dell'elemento di resistenza. Così il dispendio di materiale isolante viene tenuto basso, la quale cosa ha una influenza positiva nei costi degli elementi combinati prodotti .

Un'ulteriore forma di esecuzione dell'invenzione può consistere nel fatto che lo strato isolante è formato come piastra isolante integrata fino ad un lato nella piastra per il trasferimento del calore, su cui l'elemento di resistenza viene applicato, per esempio appoggiato o saldato.

Così la piastra per il trasferimento del calore e l'isolamento possono essere prodotti assieme. L'integrazione della piastra di isolamento avviene nel miglior modo tramite un collegamento di metallo, che viene formato nel corso dell'infiltrazione del materiale di rinforzo con il metallo della matrice. L'infiltrazione viene eseguita preferibilmente in un modo tale che abbia luogo una colata, in modo che risulta uno strato superficiale dal metallo della matrice.

Un perfezionamento dell'invenzione può consistere nel fatto che tutti gli elementi di resistenza ed i conduttori in forma di guida (4) sono disposti per l'alimentazione elettrica dello stesso su uno strato di isolamento comune .

Cosi le spese del procedimento possono essere abbassate, e stadi di procedimento possono essere risparmiati .

In un ulteriore perfezionamento dell'invenzione può essere previsto che i conduttori in forma di guida per l'elemento di resistenza siano costituiti da uno strato di metallo versato sullo strato di isolamento.

D'altra parte possono essere però previste, nello strato di isolamento, anche rientranze a forma di solchi, che si riempiono, durante il procedimento di infiltrazione, con il metallo di matrice, e sono utilizzabili come alimentazione e derivazione.

Cosi la superficie del corpo di MMC può essere successivamente asportata, per cui il metallo rimanente nei solchi serve per l'alimentazione e la derivazione elettrica.

Alimentazioni e derivazioni per l'elemento di resistenza possono essere prodotte in un'ulteriore forma di esecuzione dell'invenzione, attraverso la rimozione locale di uno strato di metallo superficiale, che proviene dalla colata che avviene contemporaneamente con l'infiltrazione di metallo del materiale di MMC.

In un perfezionamento dell'invenzione, il materiale di MMC contiene come rinforzo una ceramica di ossido, carburo e/o di nitruro, per esempio carburo di silicio, nitruro di alluminio, ossido di berillio, ossido di alluminio, nitruro di boro o carbonio e/o un metallo, per esempio molibdeno, con un punto di fusione più elevato di quello del metallo della matrice.

La componente metallica del materiale MMC può, in una esecuzione conforme all'invenzione, essere costituita da uno o più metalli dal gruppo alluminio, ferro, nichel, cobalto, silicio, rame, molibdeno o leghe degli stessi.

Il materiale di MMC presenta canali riempiti di metallo, i quali per esempio collegano l'uno all'altro lati di piastre opposti l'uno con l'altro. Durante l’infiltrazione di metallo, questi fori o canali si riempiono con il metallo, e rappresentano allora ponti termoconducenti, con il cui aiuto avviene una derivazione più veloce od una distribuzione più veloce del calore nella direzione desiderata.

Il materiale dello strato isolante elettrico è, secondo un'altra variante dell'invenzione, preferibilmente una ceramica di ossido, carburo e/o di nitruro, come per esempio nitruro di alluminio, ossido di alluminio, od ossido di berillio, od un materiale plastico resistente al calore, elettricamente isolante, come il polibenzimidazolo (PBI).

A prescindere dalle strutture con strato sottile di silicio, secondo un'ulteriore variante, come elemento di resistenza può anche essere impiegato un elemento su base di una ceramica PTC o NTC . Questi tipi di ceramica rappresentano materiali con valori di conduttività dipendenti dalla temperatura, e possono essere impiegati vantaggiosamente in questo contesto .

Un'ulteriore caratteristica dell'invenzione può consistere nel fatto che l'elemento di resistenza è formato come elemento di riscaldamento.

La produzione dei listelli di conduttori può avvenire in questo caso in maniera e modo conosciuti, per esempio attraverso fotolitografia, incisione con acidi, lavorazione con raggio laser o simili.

In una ulteriore formazione dell'invenzione, la piastra per il trasferimento del calore può essere dotata di un anello di tenuta.

In questo modo, la piastra per il trasferimento del calore può essere costruita con isolamento del calore.

Nell'utilizzazione della combinazione, conforme all'invenzione, di componenti come fornello elettrico a piastra, lo strato superficiale della piastra per il trasferimento del calore dispone vantaggiosamente, sul lato rivolto lontano dagli elementi di riscaldamento, di uno strato per l'aumento della consistenza meccanica. Può anche essere previsto uno strato per il miglioramento della levigatura, e per l'intensificazione del contatto con l'oggetto appoggiato da riscaldare.

Per la produzione della combinazione conforme all'invenzione di componenti, le parti componenti possono essere aggiunte l'uno all’altra singolarmente, oppure la combinazione può essere preparata con piastra per il trasferimento del calore e isolante, e l'elemento di resistenza può essere applicato successivamente, per esempio appoggiato o saldato.

Una forma di esecuzione di una piastra di riscaldamento oppure di un fornello elettrico a piastra conforme all'invenzione è rappresentata nei disegni allegati, con il cui aiuto l'invenzione viene illustrata in maniera migliore.

Mostrano:

Figura 1 una combinazione di componenti conforme all'invenzione, dal basso;

Figura 2 una sezione lungo l-l secondo la Figura 1.

Figura 3 una ulteriore forma di esecuzione di una combinazione di componenti conforme all'invenzione, dal basso,

e

Figura 4 una sezione lungo la linea IV-IV nella Figura 3.

La Figura 1 illustra una combinazione di componenti conforme all’invenzione, in forma di una piastra di riscaldamento a forma di disco 7 in una vista dal basso, con riferimento alla sua posizione di uso. La piastra di riscaldamento 7 è costituita da una piastra per il trasferimento del calore 1 e da piastre rettangolari di isolamento 2, disposte sul lato inferiore a forma di stelle, le quali sono inserite in rientranze dei lati inferiori della piastra per il trasferimento del calore 1 , integrate fino ad un lato.

La piastra per il trasferimento del calore 1 è costituita da un materiale composto con matrice di metallo (MMC), mentre gli strati di isolamento sono costituiti da una sostanza solida che isola elettricamente, come per esempio da una ceramica di ossido, di carburo, e/o di nitruro, come per esempio nitruro di alluminio, ossido di alluminio, o ossido di berillio, resistente di o da un materiale plastico resistente al calore, isolante elettricamente, come polibenzimidazolo (PBI), sulle quali superfici che si allontanano dalla piastra dalla piastra per il trasferimento del calore 1 sono applicati elementi di resistenza in forma piatta 3 .

Come rinforzo, il materiale di MMC può ad esempio contenere una ceramica di ossido, di carburo, e/o di nitruro, come per esempio carburo di silicio, nitruro di alluminio, ossido di berillio, ossido di alluminio, nitruro di boro, o carbonio, ed il suo componente metallico può ad esempio essere costituito da uno o più metalli dal gruppo alluminio, ferro, nichel, cobalto, silicio, rame, molibdeno o leghe degli stessi. In questo caso il composto con matrice di metallo della piastra per il trasferimento del calore 1 e le piastre di isolamento 2 presentano sostanzialmente coefficienti di dilatazione termica adattati l'uno all'altro, in modo che possano essere evitate tensioni termiche. Come rinforzo può trovare utilizzo anche un metallo, per esempio molibdeno, il quale possiede un punto di fusione più alto del metallo della matrice.

Il materiale di MMC può essere dotato, prima dell'infiltrazione di metallo, di fori oppure canali 9, come è accennato nelle Figure 2 e 4, che per esempio collegano l'uno con l'altro due o più lati. Durante l'infiltrazione di metallo, questi fori o canali si riempiono con il metallo della matrice, e rappresentano quindi ponti conduttori di calore, con il quale aiuto avviene una distibuzione più veloce o deviazione del calore in direzioni intese attraverso la disposizione dei fori oppure dei canali.

Gli elementi di resistenza 3 sono formati quindi da una struttura di strato sottile su base di silicio, ma possono anche essere impiegati altri materiali idonei di strato sottile. Come si può vedere nella Figura I e 2, le piastre di isolamento 2 e gli elementi di resistenza 3 sono approssimativamente della stessa grandezza nelle loro dimensioni, per cui le piastre di isolamento 2 proseguono in isolanti in forma di guida 8, che si estendono radialmente contro il conduttore in forma di guida 4, sui quali procedono listelli di conduttori 4‘ collegati con ii conduttore circolare e centrale a forma di guida 4. Il tipo di applicazione degli elementi di resistenza 3 sugli strati di isolamento 2 può essere diverso, circa mediante appoggio o mediante saldatura. Sulla superficie di queste piastre di isolamento 2 si trovano gli elementi di resistenza 3, che sono formati come elementi di riscaldamento. Gli elementi di riscaldamento 3 vengono collegati tramite conduttori in forma di guida 4, realizzati tramite alimentazioni e derivazioni, disposti su isolanti in forma di guida, che consistono del metallo del materiale di MMC, alimentati con corrente, in cui gli elementi di riscaldamento 3 sono collegati in parallelo. Gli elementi di resistenza possono però essere formati anche su una base di una ceramica PTC o NTC, tramite cui le loro caratteristiche conosciute possono essere usate per la stabilizzazione della temperatura.

Per una migliore installazione della piastra di riscaldamento 7 in una disposizione portante, come una piastra per forno o simile, e per il migliore isolamento di calore della stessa, la piastra per il trasferimento del calore 1 dispone di un anello di tenuta inserito 5. Questo può essere fabbricato nella produzione della piastra, oppure essere impiegato posteriormente .

La Figura 2 rappresenta una sezione attraverso la piastra 7 della Figura 1 lungo la linea ll-ll. Si riconosce chiaramente che la piastra di isolamento 2 è disposta in una rientranza della piastra per il trasferimento del calore 1 , tramite cui essa è integrata fino ad un lato nella piastra di MMC. L'elemento di riscaldamento 3 si trova in collegamento con le alimentazioni e derivazioni 4 disposte sugli isolanti in forma di guida 8.

Le Figure 3 e 4 illustrano una ulteriore forma di esecuzione, in cui i componenti che coincidono con la Figura 1 e 2 sono dotati dello stesso contrassegno. Diversamente dalle Figure 1 e 2, la piastra per il trasferimento del calore 1 porta uno strato di isolamento continuo 10, sul quale sono disposti conduttori in forma di guida 4 oppure listelli di conduttori 4' e gli elementi di riscaldamento 3.

I conduttori in forma di guida oppure listelli di conduttori 4 per gli elementi di riscaldamento 3 vengono prodotti attraverso rimozione locale, come l'incisione mediante acidi o simili, di uno strato di metallo superficiale, che proviene dalla colata dello stesso, che avviene contemporaneamente con l'infiltrazione metallica del materiale di MMC. Alternativamente a ciò possono essere previste anche rientranze, come per esempio solchi nello strato di isolamento 10, che si riempiono durante il procedimento di infiltrazione con il metallo della matrice, e sono utilizzabili come alimentazioni e derivazioni, poiché secondo questo procedimento la superficie del corpo di MMC può essere asportata, per cui il metallo che rimane nei solchi serve per le alimentazioni e derivazioni elettriche.

La piastra per il trasferimento del calore 2 può o essere costituita interamente dal materiale composto con matrice di metallo, come illustrato nelle Figure 1 e 2, oppure essa può presentare solo un nucleo 1 " di un tale materiale, che è adagiato nel materiale della matrice, la quale cosa e illustrata come esempio nelle Figure 3 e 4.

Per l'utilizzazione casalinga, la piastra per il trasferimento del calore 1 presenta sul lato rivolto lontano dal lato con gli strati isolanti 2, uno strato superficiale 6, il quale serve per l'aumento della consistenza meccanica, per l'aumento della levigatura e per l'intensificazione del contatto, quindi per l'aumento del trasferimento di calore agli oggetti appoggiati, come recipienti da cucina e simili.

Allo stesso modo è riconoscibile l'anello di tenuta 5, che è previsto per l'installazione isolante della piastra di riscaldamento.

La combinazione di componenti conforme all'Invenzione è più compatta degli elementi precedenti, poiché non presenta nessun intraferro, e trova il suo prolungamento con elementi di riscaldamento e di isolamento relativamente piccoli. Mostra perdite di calore estremamente piccole, tramite cui viene garantito un riscaldamento più veloce ed un facile utilizzo per l'utente.

La combinazione conforme all'invenzione può essere utilizzata con gli stessi vantaggi come dispositivo di accensione, ad esempio per air-bags o simili, nonché come sensore di temperatura.

Claims

Rivendicazioni: 1. Combinazione di componenti per piastre di riscaldamento elettriche dispositivi di accensione, sensori di temperatura o simili, comprendente, disposti l'uno sopra all'altro, un elemento di resistenza elettrico, uno strato elettricamente isolante ed una piastra per il trasferimento del calore, caratterizzata dal fatto che la piastra per il trasferimento del calore (1) è costituita per lo meno in parte, preferibilmente interamente, da un materiale composto con matrice di metallo (MMC).
2. Combinazione di componenti secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che lo strato elettricamente isolante (2;10) consiste di una sostanza solida che isola elettricamente.
3. Combinazione di componenti secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che il materiale della piastra di MMC (1) e il materiale dello strato che isola elettricamente (2; 10) presentano coefficienti di dilatazione termica sostanzialmente adattati l'uno all'altro.
4. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 3, caratterizzata dal fatto che l'elemento di resistenza (3) è costituito da una struttura con strato sottile, preferibilmente su base di silicio.
5. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 4, caratterizzata dal fatto che lo strato isolante (2) corrisponde, nelle sue dimensioni, sostanzialmente a quelle dell'elemento di resistenza (3).
6. Combinazione di componenti secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che lo strato isolante (2) è formato come piastra di isolamento integrata fino ad un lato nella piastra per il trasferimento del calore (1), su cui l'elemento di resistenza (3) è applicato, per esempio appoggiato o saldato.
7. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 5, caratterizzata dal fatto che tutti gli elementi di resistenza (3), ed i conduttori in forma di guida (4) sono disposti, per l'alimentazione elettrica degli stessi, su uno strato isolante comune (10) .
8. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 7, caratterizzata dal fatto che nello strato isolante (2; 10) sono previste rientranze a forma di solchi, le quali si riempiono con metallo durante il procedimento di infiltrazione, e che sono utilizzabili come alimentazioni e derivazioni elettriche.
9. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 8, caratterizzata dal fatto che i conduttori in forma di guida (4) per l'elemento di resistenza (3) sono costituiti da uno strato di metallo versato sullo strato di isolamento (2; 10).
10. Combinazione di componenti secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che i conduttori in forma di guida (4) sono prodotti attraverso la rimozione locale di uno strato di metallo superficiale, che proviene dalla colata dello stesso, che avviene contemporaneamente con l'infiltrazione di metallo del materiale di MMC.
11. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 10, caratterizzata dal fatto che il materiale di MMC prevede come rinforzo una ceramica di ossido, di carburo e/o di nitruro, per esempio carburo di silicio, nitruro di alluminio, ossido di berillio, ossido di alluminio, nitruro di boro o carbonio e/o un metallo, per esempio molibdeno, con un punto di fusione più elevato del metallo della matrice.
12. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 11 , caratterizzata dal fatto che la componente metallica del materiale di MMC è costituita da uno o più metalli dal gruppo alluminio, ferro, nichel, cobalto, silicio, rame, molibdeno o leghe degli stessi.
13. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni 1 fino a 12, caratterizzata dal fatto che il materiale di MMC dispone di canali riempiti mediante metallo (9), che collegano l'uno con l'altro per esempio lati di piastre opposti l'uno con l'altro.
14. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 13, caratterizzata dal fatto che il materiale dello strato che isola elettricamente (2; 10) è una ceramica di ossido, di carburo e/o di nitruro, come per esempio nitruro di alluminio, ossido di alluminio o ossido di berillio, od un materiale plastico resistente al calore, isolante elettricamente, come polibenzimidazolo (PBI).
15. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 14, caratterizzata dal fatto che l'elemento di resistenza (3) è un elemento su base di una ceramica PTC o NTC.
16. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 15, caratterizzata dal fatto che l'elemento di resistenza (3) è formato come elemento di riscaldamento.
17. Combinazione di componenti secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 16, caratterizzata dai fatto che la piastra per il trasferimento di calore (1) è dotata di un anello di tenuta (5).
18. Combinazione di componenti secondo una deile rivendicazioni da 1 fino a 17, caratterizzata dal fatto che la piastra per il trasferimento di calore (1) , sul lato rivolto lontano dagli elementi di riscaldamento, è dotata di uno strato (6) per l'aumento della consistenza meccanica oppure per l'aumento della levigatura e l'intensificazione del contatto con un oggetto da appoggiare.