DE2313347A1

DE2313347A1 - Oberflaechenheizeinrichtung

Info

Publication number: DE2313347A1
Application number: DE2313347A
Authority: DE
Inventors: Marcus Preston Borom; Joseph Eldred Burke
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1973-03-17
Publication date: 1973-10-04
Also published as: US3816704A; AU5233773A; FR2176901A1; FR2176901B3

Description

übliche elektrische Kochmulden sind gewöhnlich mit einer Vielzanl Metall-ummantelter elektrischer Wxderstandsheizelemente versehen, die jeweils in Form einer Spirale gewickelt und in einer öffnung angeordnet sind, welche in der Kochmulde (cooktop) ausgebildet ist. Jedes Heizelement ist in der Lage, darauf ein Kochgeschirr zu tragen. Die Metall-ummantelten Heizelemente können von dem Nahrungsmittelschmutz durch die hohen Temperaturen automatisch gereinigt werden, die beim Einschalten der Elemente erreicht werden, während irgendwelche Verschmutzungen beim überkochen durch das Heizelement hindurch abfließen können und in einer Sammelwanne gesammelt werden, die unterhalb der Kochmulde angeordnet ist. Diese Sammelwanne muß dann manuell von den Verunreinigungen gereinigt werden.

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Um den Reinigungsprozeß zu vereinfachen und für ein ästhetischeres Erscheinungsbild zu sorgen, sind ganze Tisch-Kochflächen (counter cooktops) oder in einigen Fällen einzelne feste Oberflächenheizeinheiten hergestellt worden, bei denen die freiliegende Oberfläcne von einem Glas-Keramikmaterial gebildet wird, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 2 920 971 beschrieben ist. Materialien dieser Art stehen kommerziell zur Verfugung unter den Handelsnamen ¹¹PYROCERAM¹¹, "CER-VIT" und "HERCUVIT". Das opake Glas-Keramik stellt aufgrund seiner glatten Deckfläche nicht nur ein freundliches Aussehen dar, sondern es ist auch leicht zu reinigen und verhindert das Abfließen von Verschmutzungen durch überkochen in die unter der Oberfläche liegenden Abschnitte der Einheit .

Ein zu berücksichtigendes Problem besteht jedoch darin, daß scnnel-Ie Aufheizgeschwindigkeiten und schnelle Abkühlgeschwindigkeiten erhalten werden, die mit denjenigen entweder eines üblichen Metallummantelten elektrischen Widefstandsheizelementes oder eines Gasbrenners vergleichbar sind. Der rasche Wärmeübergang durch ein dickes Glas-Keramikmaterial fehlt wegen der ziemlich schlechten thermischen Leitfähigkeit dieses Materials. Derartige Materialien werden im großen Umfange benutzt sowohl als thermische als auch elektrische Isolatoren. Als thermische Leiter finden sie praktisch keine Anwendung. Die Wärme breitet sich nicht leicht in seitlicher Richtung durch die Glas-Keramikplatte hindurch aus, und während des Kochvorganges wird Wärme auf das Kochgeschirr hauptsächlich durch Wärmeleitung an Berührungspunkten zwischen der erhitzenden Oberflächeneinheit und dem Kochgeschirr übertragen. Darüber hinaus hat die Glas-Keramikplatte eine vergleichsweise große Wärmekapazität, die weiterhin zu einer langsamen Abkühlung beiträgt, wenn das Heizelement abgeschaltet ist. Weiterhin wird diese Art einer Glas-Keramikplatte bei steigender Temperatur elektriscn leitender, so daß ein Sicherheitsrisiko entstehen könnte, wenn ein offen gewikkeltes Heizelement als das elektrische Heizmittel verwendet wird.

Einige Probleme der bekannten Vorrichtungen sind dadurch üterfunden worden, daß unterhalb der Glas-Keramikplatte eine Wärmevertei-

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Ierplatte mit hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet wurde, die durch mechanische Mittel gegen die Unterseite der Glas-Keramikplatte drückt und dadurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung hervorruft, wie es in der US-Patentschrift 3 622 75¹J beschrieben ist. Eine derartige Einheit ist für einen wirksamen Betrieb geeignet, wenn sie mit konventionellen Kochgeschirren verwendet wird.

Sehr überraschend wurde nun eine verbesserte Oberflächenheizeinneit gefunden, in der ein Glas-Keramikmaterial direkt wenigstens auf die Deckoberfläche einer Wärmeverteilerplatte aufgebracht ist. üa der Überzug relativ dünn ist, bleiben die Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten der Einheit schnell. Der Glas-Keramiküberzug für die Heizeinheit erfüllt die erforderlichen Anforderungen für diese Applikation, zu denen chemische Korrosionsbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, gute Anhaftung an dem Substrat, hohe Erweichungstemperatur, gute thermische Schockbeständigkeit und ein thermischer Ausdehnungskoeffizient gehören, der ungefähr zu demjenigen des Substrates paßt.

Erfindungsgemäß wird eine elektrische Heizeinrichtung mit glatter Oberfläche geschaffen, die eine Wärmeverteilerplatte mit hoher thermischer Leitfähigkeit, ein isoliertes elektrisches Widerstands-Heizelement, das an der Unterseite der Platte befestigt ist, ein Verstärkungsteil, das ebenfalls an der Unterseite der Platte befestigt ist, um ein Verziehen zu verhindern, eine Reflektorwanne unter dem Heizelement, um die Wärme aufwärts zu lenken, und einen Glas-Keramiküberzug aufweist, der direkt mit wenigstens der oberen Oberfläche der Wärmeverteilerplatte verbunden ist.

Der Glas-Keramiküberzug besteht im wesentlichen, berechnet aus dem Gemenge auf der Oxidbasis in Gew.-Si, aus den folgenden Bestandteilen:

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-H-

Bestandteil	Gew.-SS
Li₂O	6-20
Al₂O₃	0-10
SiO₂	70-80
P₂O₅	0,5-6,0
B₂O₃	0-10
K₂O	0-6
ZnO	0-5

Der Ausdehnungskoeffizient des Glas-Keramikmaterials liegt tiabei in dem Bereich von 80 bis 120 χ 10 ' pro °C. Die Dicke des Glas-Keramiküberzuges sollte ausreichend sein, um einen Schutzüberzug auf der Oberfläcne der Wärmeverteilerplatte zu bilden. Typischerweise beträgt die Dicke etwa 75 bis 300/um (3 bis 12 mils). Der Glas-Keramiküberzug wird aus einer kristallinen Phase von vorwiegend Lithiumdisilicat (Li₂O'2SiOp) in einer glasförmigen Matrix gebildet. Um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erhalten, sollte die Menge des Lithiummetasilicats (Li₂O-SiO₂) auf einem Minimum gehalten werden. Der Grard der Kristallinität kann in einem gewissen Maß variieren und beträgt vorzugsweise bis zu etwa 50 % und kann etwas höher sein, wie er durch Röntgenstrahlen-Beugungstechniken bestimmt wird. Zusätzlich können bis zu etwa 5 Gew.-% übliche Färbungsmittel, wie sie von Weyl, Coloured Glasses, 1951, beschrieben sind, also beispielsweise die Oxide von Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen usw., der Glaszusammensetzung zugesetzt werden, um dieser Farben zu verleihen, die mit der Deckfläche des Ofens kompatibel sind.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zweier Ausfünrungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist eine teilweise aufgebrochen dargestellte Draufsicht von einer die Erfindung ausnutzenden elektrischen Heizeinrichtung mit glatter Oberfläche.

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Figur 2 ist eine Teilansicht im Querschnitt von der elektrischen Oberflächen-Heizeinheit gemäß Figur 1 nach einem Schnitt entlang der Linie 2-2, wobei einige Teile abgeschnitten sind, um die verschiedenen Abschnitte der Einrichtung zu zeigen.

Figur 3 ist eine weitere Teilansicht im Schnitt entlang der Linie 2-2 von einer Modifikation der in Figur 2 gezeigten Heizeinheit und stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

Figur 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Festigkeitseigenschaften der bevorzugten Zusammensetzung als eine Funktion der überwiegenden Kristallphasen in dem Glas-Keramikmaterial .

Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Figur 2 ein-« gegangen. Dort ist eine Querschnitts-Teilansicht von einer elektrischen Heizeinheit 10 mit glatter Oberfläche gezeigt, die eine Wärmeverteilerplatte 12 mit hoher thermischer Leitfähigkeit aufweist, die vorzugsweise aus einem dünnen zusammengesetzten Metallblechmaterial mit einem dünnen Mittelkern 13 besteht, um die Wärme schnell über die gesamte Platte zu verteilen, um so eine im allgemeinen gleichförmige Temperaturverteilung zu erhalten. Ein derartiger Kern würde aus Metallen und Legierungen wie Kupfer, Silber und Aluminium ausgewählt werden. Kupfer hat eine sehr geringe Festigkeit bei Temperaturen in dem Bereich nahe 700 ⁰C und es oxidiert auch sehr schnell. Da ein Kernblech 13 aus Kupfer eine kleine Dicke aufweist, etwa in der Größenordnung von 1 mm (0,040 Zoll), würde es dazu neigen, sich unter normalen Benutzungsbedingungen leicht zu verziehen oder zu verformen. Dies liegt an aen thermischen Beanspruchungen, die durch eine zeitweise ungleichförmige Temperaturverteilung während der Vorheizperiode hervorgerufen werden, und weiterhin an den hohen Temperaturen, denen es ausgesetzt ist. Demzufolge ist der Kern 13 sandwichartig angeordnet oder zwischen zwei dünnen, integralen Häuten 15 und 17 abgeschlossen, die jeweils die Dicke von etwa 0,43 mm (0,017 Zoll)

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aufweisen. Derartige Häute würden aus Metallen und Legierungen wie rostfreiem Stahl, Nickel und Chrom ausgewählt werden. Bei jeder Auswahl der Materialien sollte berücksichtigt werden, daß die Kern- und Hautmaterialien angepaßte thermische Ausdehnungskoeffizienten haben sollten oder daß die Hautmaterialien genügend fest sein sollten, um den Beanspruchungen ohne Verformung standzuhalten, die aus jeder thermischen Pehlanpassung entstehen. Um das Freiliegen des Kupfers auf dem Umfangsrand der Platte zu verhindern, sind die zwei Häute 15 und 17 aus rostfreiem Stahl über dem Kernrand mit einem Quetschvorgang abgeschlossen, um den Kern gegen Korrosion und Oxidation zu schützen. Die aus rostfreiem Stahl bestehenden Häute 15 und 17, die sich auf der äußeren Oberfläche der zusammengesetzten Platte 12 befinden, sorgen für Festigkeit für die Platte und widerstehen einem Verziehen, da die Platte hohe Festigkeit mit hoher Wärmestreuung kombiniert, die mit keiner Platte aus einem einzigen Material erreicht werden können. Dieses dünne zusammengesetzte Blechmaterial 12 ist durch einen zentralen Kupferkern 13 und zwei äußere Häute 15 und 17 aus rostfreiem Stahl dargestellt. Es kann aus einzelnen Blechen gebildet werden, die durch ein Verfahren wie z. B. Explosivschweißen "flächengeschweißt¹¹ werden, das eine Verbindung der Metallbleche entlang ihrer passenden Oberflächen hervorruft.

Ein Metall-ummanteltes Widerstands-Heizelement IH ist an der Unterseite der Wärmeverteilerplatte 12 angelötet. Verständlicherweise würde ein derartiges Metall-ummanteltes Heizelement 14 einen zentralen elektrischen Widerstands-Keizdraht aus Chromnickel in Spiralenform aufweisen, der in ein dünnes Metallrohr oder einen Mantel aus Inconel, rostfreiem Stahl, oder ähnlichem eingesetzt ist. Dann wird die Ummantelung mit einem geeigneten elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material, wie beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) oder ähnlichem, gefüllt, um den Heizdraht von dem Metallmantel zu trennen. Die obere Oberfläche des Heizelementes lA ist abgeflacht, um so einen guten Kontaktbereich des Metallmantels mit der Wärmeverteilerplatte 12 zu erhalten. In Figur l sind zwei Anschlüsse 19 des Heizelementes gezeigt, die in vertikaler Richtung nach unten unter das Heizelement 1* führen und geeignet sind,

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ein nicht gezeigtes Steck-Verbindungsglied aufzunehmen, um mit diesem auf übliche Weise einen elektrischen Kontakt herzustellen.

Um die Wärmeverteilerplatte 12 zu verstärken, ist der Rand der Platte mit einem nach unten gebogenen Flansch 22 versehen, um dadurch der Wärmeverteilerplatte eine Konfiguration zu geben, die einer umgekehrten flachen Mulde bzw. Pfanne ähnlich ist. Ein weiteres Mittel zur Verstärkung der Wärmeverteilerplatte 12 besteht darin, eine Reihe von diagonalen oder radialen Versteifungen bzw. Streben 16 vorzusehen, die hochkant angeordnet und an der Unterseite der Wärmeverteilerplatte und möglichst an dem Mantel des Heizelementes 14 befestigt sind. Dies kann beispielsweise durch Löten oder ähnliche Verfahren geschehen. Derartige Verstrebungsteile l6 können viele verschiedene Formen aufweisen, wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist. Der Zweck besteht darin, der Wärmeverteilerplatte genügend Tiefe oder Trägerwirkung zu geben, so daß sie sich unter thermischen oder mechanischen Beanspruchungen nicht leicht verbiegt.

Wie in Figur 2 gezeigt ist, ist eine Reflektormulde 18 unter der Heizeinheit 10 vorgesehen und von dieser durch einen ringförmigen hitzebeständigen Abstandhalter 20 getrennt, um so die Wärme von dem Heizelement I¹I in eine Aufwärtsrichtung zu lenken. Dieser Reflektor kann als ein Niederhaltemittel für die Heizeinheit verwendet werden. Ein einstellbares Zugglied in der Form eines umgekehrten J-Bolzens 39 ist so angepaßt, daß es zwischen einem Verstärkungsglied 38 und der Reflektormulde l8 verbunden werden kann, Das Verstärkungsglied 38 ist mit einer öffnung ¹H versehen, durch die der Kopf des J-Bolzens hindurchgesteckt ist. Die Reflektormulde 18 weist eine zentrale öffnung ^3 auf, um das untere Ende des hindurchfünrenden J-Bolzens aufzunehmen. Das untere Ende des Bolzens weist einen Gewind%bschnitt zur Aufnahme einer Einstellmutter 45 auf.

Es wird nun auf die einzigartige Verbesserung der vorliegenden Erfindung eingegangen. Der vorstehend bereits erläuterte Glas-Keramiküberzug 30 ist direkt mit der Oberfläche der Heizverteiler-

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platte 12 verbunden. In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Glas-Keramiküberzug nur auf die obere Oberfläche aufgebracht und überdeckt denjenigen Abschnitt, der für die Sicht auf die Oberfläche der Heizeinrichtung freiliegt. Andererseits kann es vorteilhaft sein, sowohl die Deckfläche als auch die Bodenfläche der Wärmeverteilerplatte 12 zusammen mit der Heizvorrichtung 14 zu überziehen, wie es in Figur 3 dargestellt ist.

Bei der Herstellung des Glas-Keramiküberzuges 30 werden die Gemengebestandteile zunächst gewogen und gemischt, was beispielsweise durch eine Kugelmühle geschehen kann. Dann wird das Gemenge bei erhöhten Temperaturen von etwa 1200 bis 1250 ⁰C geschmolzen, um eine homogene Schmelze zu bilden, in kaltem Wasser abgeschreckt und in einer Kugelmühle auf eine Teilchengröße von weniger als 150 Mikron gemahlen. Die Glasteilchen werden anschließend mit etwa 3 bis 4 Gew.-JS eines suspendierenden Mittels kombiniert, wie beispielsweise Ton, gebranntem Ton oder kolloidalem Siliciumdioxid und kleineren Mengen von anderen üblichen Zusätzen, wie beispielsweise Elektrolyten, wie Natriumpyrophosphat, Natriumnitrit, um eine wäßrige Masse bzw. einen Brei zu bilden. Das Metallsubstrat wird zur Ausbildung eines anhaftenden Überzuges durch Sandblasen oder Oxidieren der Metalloberfläche vorbereitet und dann wird der wäßrige Brei durch konventionelle Mittel auf das Metallsubstrat aufgebracht, beispielsweise durch Sprühen, Tauchen oder Streichen. Das überzogene Metallsubstrat wird nun getrocknet, um das Bindemittel zu entfernen, und die Emaille oder Schmelzglasur wird bei einer ausreichenden Temperatur von etwa 1000 C für etwa 1 bis 3 Minuten gealtert. Zwar wird die exakte Wärmebehandlung zur Kristallkernbildung und zum Kristallwachstum bis zu einem gewissen Maß mit der Ausgangsglas-Zusammensetzung innerhalb der beschriebenen Bereiche variieren, es wurde aber gefunden, daß die optimalen Bedingungen zur Kernbildung im allgemeinen bei etwa 500 bis 650 ⁰C für etwa 0,25 bis 1 Stunde liegen, während die Kristallwachstums-Temperaturen vorzugsweise bei etwa 750 bis 900 C für etwa 0,5 bis 4 Stunden liegen. Wenn die Wachstumstemperatur unter etwa 75Ο ⁰C liegt, ist die überwiegende Kristallphase Lithiurnmeta-Silicat, und wenn die Wachstumstemperatur 95Ο ⁰C überschrei-

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tet, wird die Kristallphase zusätzlich in das Lithium-meta-Silicat umgewandelt.

Hinsichtlich der Figuren 4a und 4b war die verwendete Glaszusammensetzung das bevorzugte Glas gemäß Beispiel I, das in Glasstäbe gegossen und dann einer Kernbildungstemperatur von 645 ⁰C für 1 Stunde ausgesetzt worden war. Wie in Figur 4b gezeigt ist, wurden die kernreichen Glasstäbe anschließend einer Kristallwachstums-Wärmebehandlung für 4 Stunden bei verschie_denen Temperaturen unterworfen. Die Ergebnisse sind graphisch dargestellt, um aufzuzeigen, daß bei Temperaturen unter etwa 750 ⁰C die dominierende Kristallphase Lithium-meta-Silicat ist. Wenn die Temperatur von etwa 750 bis 950 ⁰C erhöht wird, wird die vorherrschende vorhandene Kristallphase Lithiumdisilicat. Diese kristallinen Phasen wurden durch Röntgenstrahlen-Beugungsverfahren ermittelt. Anschließend wurden die Wärme-behandelten Stäbe abgeschliffen, indem die Stäbe für 5 Minuten in Siliconcarbid-Schleifmittel (600 grit) durcheinander geworfen wurden. Die Zugfestigkeiten wurden durch eine Vierpunktbiegung der abgeschliffenen Stäbe bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Figur 4a graphisch dargestellt, wo die Festigkeiten in kg/cm dargestellt sind. Die Kristallphasen entsprechen denjenigen von Figur 4b. Im Vergleich dazu hat das Ausgangsglas, das einer ähnlichen Oberflächenbehandlung ausge-

2 setzt wurde, Dehnungsfestigkeiten von etwa 700 bis IO5O kg/cm (10 000 bis 15 000 psi). Wie in Figur 4a graphisch dargestellt ist, hat das Vorhandensein von Kristallen aus Lithium-meta-Silicat in dem Glas-Keramikmaterial keinen signifikanten Einfluß auf die Zugfestigkeit. Wenn jedoch die kristalline Phase zu Lithiumdisilicat wird, erhöht sich die Zugfestigkeit des Glas-Keramikjnaterials in bemerkenswerter Weise und wurde als in dem Bereich von 1550

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bis 4920 kg/cm (22 000 bis 70 000 psi) liegend gefunden.

überzüge aus den erfindungsgemäßen Glas-Keramikmaterialien auf einer Oberflächenheizeinheit, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, hatten exzellente mechanische, thermische und chemische Eigenschaften. So zeigten die überzüge hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber milden organischen Säuren, wie sie in Zitronen-

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saft, Ketchup, Barbecue-Soße usw. gefunden werden. Die thermischen Eigenschaften der mit dem erfindungsgemäßen Glas-Keramikmaterial überzogenen Heizeinheit werden durch die Tatsache dargestellt, daß, wenn Natriumchlorid (Schmelzpunkt 801 ⁰C) auf die Oberfläche einer eingeschalteten Heizeinheit gestreut wurde, das Salz geschmolzen wurde, während der Glas-Keramiküberzug dennoch fest blieb, seine Anhaftung an dem Substrat behielt und von dem geschmolzenen Salz nicht angegriffen wurde. Es sei darauf hingewiesen, daß die in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Glas-Keramiküberzüge von denjenigen, die in der US-Patentschrift 2 920 971 beschrieben sind, dadurch unterschieden werden können, daß die letzteren Materialien einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 0 χ 10 pro ⁰C aufweisen, wogegen die erfindungsgemäßen Materialien wesentlich höher liegen und sich näher an die thermische Ausdehnung der metallischen Substrate anpassen, die in der Wärmeverteilerplatte verwendet werden. Andere kommerziell zur Verfügung stehende Emaillen erfüllen nicht die mechanischen, thermischen oder chemischen Anforderungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Oberflächenheizeinheit.

Die vorliegende Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele näher erläutert. Die Zusammensetzungen sind, wenn es nicht anders angegeben ist, in Gew.-% und MoI-? angegeben, die sich aus dem Gemenge auf der Oxidbasis errechnen. Zunächst wurden die Gläser durch Schmelzen der Gemengebestandteile unter Standardbedingungen bei Temperaturen von 1200 bis l600 ⁰C für etwa 4 bis 20 Stunden in Platintiegeln hergestellt.

Beispiel I

Eine bevorzugte Glaszusammensetzung wurde hergestellt und aus Gemengebestandteilen geschmolzen, um die folgende Formulierung auf der Oxidbasis zu erzielen:

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Bestandteil	Gew.-%	Mo 1-%
SiO₂	73,0	67,5
Li₂O	13,7	25,¹*
κ₂ο	5,6	3,3
Al₂O₃	4,9	2,7
P₂O₅	2,8	1,1

Die Gemengebestandteile wurden gewogen und durch Kugelvermahlung gemischt. Das Gemenge wurde dann in einen Platintiegel eingebracht und bei einer Temperatur von 1200 bis 1250 ⁰C über Nacht geschmolzen. Die heiße Schmelze wurde in kaltem Wasser gelöscht und in einer Kugelmühle auf eine Teilchengröße von weniger als 150 Mikron gemahlen.

Eine Masse bzw. ein Brei zum Aufbringen auf eine Metallplatte wurde aus der folgenden Formulierung hergestellt:

Bestandteil Gewichtsteile

Glasmasse (<150 .u)	1000
Eisen(55)-ton (gebrannt)	40
Natriumaluminat	2,1
Betonit	2,1
Tragantgummi	0,2
Kaliumcarbonat	2,5
destilliertes Wasser	460

Die Mischung wurde in einer Kugelmühle für etwa 1 Stunde gemahlen, um eine homogene Dispersion zu bilden. Die Masse wurde dann aufgebracht, um eine gebrannte Dicke von 0,15 mm (0,006 Zoll) auf der Metallplatte durch das folgende Verfahren zu erzielen. Die Masse wurde durch den Zusatz von Wasser auf einen spezifischen Extraktgehalt von 1,68 g/cm-⁵ eingestellt. Elektrolyten, wie beispielsweise Tetranatriumpyrophosphat oder Natriumnitrit, wurden zugesetzt, um die Konsistenz der Masse auf den Punkt einzustellen, daß ein in die Masse eingetauchtes Metallblech etwa

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36 g der Masse pro 0,093 m (1 Quadratfuß) der Metallfläche

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beim Herausnehmen und Abfließen des Metallteiles festhalten würde.

Beim Aufbringen der Masse auf das Metallsubstrat wurde die Oberfläche des Metalles zunächst durch Sandblasen und/oder Oxidieren des Metalles vorbereitet, um einen anhaftenden überzug zu erhalten. Die Masse wurde in einen Spritzpistolenbehälter eingebracht und auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wurde das besprühte Substrat bei einer Temperatur von etwa 100 ⁰C getrocknet, Und das getrocknete überzogene Substrat wurde bei einer Temperatur von 1000 ⁰C für 1 Minute gebrannt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Das glasartige Material wurde dann bei einer Temperatur von 645 C für 1 Stunde kernreich gemacht und einer Kernwachstumsbehandlung von 830 ⁰C für 4 Stunden ausgesetzt. Die erhaltene dominierende kristalline Phase war Lithiumdisilicat (Li₂0-2Si0„).

Zu den Metallsubstraten, die durch das oben genannte Verfahren oder Modifikationen davon überzogen wurden, gehörten die folgenden:

316L rostfreier Stahl überzug Kupfer

321 rostfreier Stahl ^(a)

430 rostfreier Stahl ^v ' Überzug Kupfer Inconel 600 (International Nickel Co., min. 72 % Ni, 14 bis 17 % Cr, 6 bis 8 % Pe, 1,75 bis 2,75 % Nb, warmgewalzt und

warmbehandelt für Hochtemperaturapplikationen) Inconel 625 (International Nickel Co.) Rene' 41 (General Electric Co., eine ausscheidungsgehärtete

Nicke lbasis-Hochtemperatur legierung) Ti-Namel (Inland Steel Co., 0,06 C, 0,30 Mn, max. 0,12 Cu, 0,05 Al, 0,30 Ti, Rest Pe, warmgewalzt, für Bleche zum

Emaillieren, speziell hergestellt) Ti-Namel überzug Kupfer
Emailiierungsstahl

Beachte: (a) Diese rostfreien Stähle sind durch AlSI-Zahlen bezeichnet.

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Beispiele II bis VIII

Nach dem Verfahren gemäß Beispiel I wurden verschiedene Glaszusammensetzungen geschmolzen, wie es in der folgenden Tabelle I gezeigt ist:

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Tabelle I Zusammensetzungen der Glas-Keramikmaterialien

Bei

Gew.

SiO₂

Li₂O

Mol-%

Al₂

°3

Gew.

K₂O

Gew.

P₂O₅

Gew

^B2°3

spiel

-% Mol-%

Gew.-JS

Gew.-%

Mol-56

-% Mol-%

.-% Mol-%

LL^KD} 71,8 67,31 12,6 23,76 5,1 2,82 4,8 2,87 1,65 0,65 3,2 2,59

III^(b) 73,41 67,7 13,91 25,8 4,83 2,62 4,66 2,74 2,92 1,14

IV 73,0 67,5 13,7 25,4 4,9 2,7 5,6 3,3 2,8 1,1

V" 79, ti' 69,4 14,5 26,2 - - 5,7 3,3 2,9 1,1

^Vi 79,0 69,3 16,0 28,2 1,8 0,9 2,1 1,2 1,1 0,4

utfll 78,3 69,5 15,5 27,6 1,8 0,9 2,0 1,1 2,2 0,8

^M 77,5 69,9 14,5 26,3 5,2 2,8 - - 2,9 1,1

Beucij.bO; (b) Die Zusammensetzungen der Beispiele II und III wurden durch Analyse des ■j C: läses ermittelt.

Die Zusammensetzungen wurden dann in Stäbe geformt, die Wärmebehandlungen unterworfen wurden, um eine Kristallkernbildung und Kristallwachstum hervorzurufen. Die Temperaturen und Zeiträume der Wärmebehandlungen sind in der folgenden Tabelle II gezeigt:

	II	Tabelle II	Std.	Wachstumszeit	Std.
	III		1 1 1	O Temperatur C	4 4 168
	IV	Summe der Wärmebehandlungen	1 1	830 910 830	4 4
Setzung	V	Kristallkernbil- dungszeit	1	725 800	4
Beispiel	VI	Temperatur ⁰C	1 1 1	830	4 4 4
Beispiel	VII	645 645 645	1 1	725 830 910	4 2
Beispiel	VIII	645 645	1	910 930	4
Beispiel	553-654	1 1	830	4 4
Beispiel	645 645 645	830 910
Beispiel	645 645
Beispiel	645
	645 645

Die Zusammensetzung von Beispiel VIII, die im wesentlichen eine ternäre Zusammensetzung (AIpO -LipO-SiOp) mit einer kleinen Menge von Phosphat war, zeigte nach 1 Stunde bei 645 C nur eine kleine Menge an Lithium-meta-Silicat, wobei die vorhandene kristalline Hauptphase Lithiumdisilicat war. Bei weiterer Wachstums-Wärmebehandlung war nur Lithiumdisilicat vorhanden.

Die Zusammensetzung gemäß Beispiel V war ebenfalls im wesentlichen ein ternäres Glas-Keramikmaterial mit einer kleinen zugesetzten Menge Phosphat, aber anstatt daß sie AIpO-. enthielt, enthielt sie KpO. Dieses Glas-Keramikmaterial hatte auch nach der

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Wärmebehandlung für 1 Stunde bei 6^5 °C mehr Lithiumdisilicat als Metasilicat. Das Metasilicat verschwand rasch bei weiterer Wärmebehandlung bei den Wachstumstemperaturen von etwa 750 C.

Die übrigen im wesentlichen quarternären Glas-Keramikmaterialien (AIpO -KpO-LipO-SiOp) mit kleinen Mengen von Ρρ°ς zeigten alle wesentliches Lithium-meta-Silicat mit .geringer Menge oder gar keinem Lithiumdisilicat, nachdem das Material für 1 Stunde bei 645 ⁰C gehalten wurde.Eine Transformation zu Lithiumdisilicat trat während der Wachstumsbehandlung bei Temperaturen oberhalb etwa 750 ⁰C auf. Somit erzielten die Glas-Keramikmaterialien, die in den Beispielen II, III, IV, VI und VII nach einer 4-stündigen Wärmebehandlung bei 830 ⁰C erhalten wurden, Lithiumdisilicat als die überwiegende kristalline Phase mit wenig oder gar keinem Lithium-meta-Silicat.

Im Rahmen der beschriebenen technischen Lehren sind selbstverständlich verschiedene Modifikationen möglich.

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Claims

Ansprüche

1. Oberflächenheizeinrichtung mit einer Wärmeverteilerplatte hoher thermischer Leitfähigkeit und einem Glas-Keramiküberzug, der wenigstens die obere Oberfläche der Platte überdeckt, dadurch gekennzeichnet , dass das Glas-Keramikmaterial, berechnet von dem Gemenge auf der Oxidbasis in Gew.-JS, aus 6 bis 20 % Li₃O, O bis 10 % Al₂O₅,

70 bis 80 % SiO₂, 0,5 bis 6,0 % P₃O₅, O bis 10 % B₃O , O bis 6 % K₃O und O bis 5 % ZnO besteht, wobei der Ausdehnungskoeffizient des Glas-Keramikmaterials in dem Bereich von 80 bis 120 χ 10 pro ⁰C liegt und die grössere kristalline Phase Lithiumdisilicat ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass zusätzlich ein isoliertes elektrisches Widerstands-Heizelement (14), das an der Unterseite der Wärmeverteilerplatte (12) befestigt ist, ein Verstärkungsglied (16), das zum Verhindern von Verziehen an der Unterseite der Platte (12) befestigt ist, und eine Reflektorwanne (18) unter dem Heizelement (14) vorgesehen sind, derart, dass die Wärme in Aufwärtsrichtung lenkbar ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Glas-Keramiküberzug (30) eine Dicke von 75 bis 300 .um aufweist.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch" 2, dadurch gekennzeichnet , dass der überzug (30) beide Seiten der Wärmeverteilerplatte (12) und das Heizelement (14) überdeckt.

5. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Glas-Keramiküberzug bis zu 50 % einer kristallinen Phase enthält.

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6. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Glas-Keramiküberzug zusätzlich bis zu 5 Gew.-? eines üblichen Färbungsmittels enthält.

7. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Glas-Keramiküberzug, berechnet von dem Gemenge auf der Oxidbasis in Ge\i.-%, aus 73,0 % SiOp, 13,7 % Li₂O, 5,6 % K₃O, 4,9 % Al₃O₃ und 2,8 % P₂O besteht.

8. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Wärmeverteilerplatte (12) ein zusammengesetztes Metallblechmaterial mit einem Kern (13) aus Kupfer, Silber oder Aluminium oder Mischungen davon ist, der zwischen zwei integralen Aussenschichten (15, 17) aus Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Nickel oder Chrom angeordnet ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenheizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens die obere Oberfläche einer eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisenden Wärmeverteilerplatte (12) mit einer Glaszusammensetzung überzogen wird, die, berechnet von dem Gemenge auf der Oxidbasis in Gew.-%, aus 6 bis 20 % Li^O, 0 bis 10 % Al₂O , 70 bis 80 % SiO₃, 0,5 bis 6,0 % P₃O , 0 bis 10 % B₃O₃', 0 bis 6 % K₃O und 0 bis 5 % ZnO besteht, das Glas einer Kernbildungstemperatur von 500 bis 65O⁰C für 0,25 bis 1 Stunde ausgesetzt wird und dann das Glas einer Kristallwachstumstemperatur von 750 bis 900⁰C für 0,5 bis M Stunden unterworfen wird, wodurch ein Glas-Keramikmaterial mit einem Ausdehnungskoeffizienten in dem Bereich

— 7 ο
von 80 bis 120 χ 10 pro C gebildet wird und die grössere kristalline Phase Lithiumdisilicat ist,

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Glasüberzug auf die Oberfläche

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der Wärmeverteilerplatte in der Form einer wässrigen Masse aufgebracht wird, die überzogene Platte zur Beseitigung des wässrigen Bindemittels.getrocknet wird und dann der überzug bei einer ausreichenden Temperatur und für eine Zeit gealtert wird, um einen Glasüberzug auf dem Substrat zu bilden.

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