DE2314722A1

DE2314722A1 - Thermochrome oberflaechenheizeinrichtung

Info

Publication number: DE2314722A1
Application number: DE19732314722
Authority: DE
Inventors: Marcus Preston Borom; Robert Charles De Vries
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-03-27
Filing date: 1973-03-24
Publication date: 1973-10-11
Also published as: AU5233573A; FR2177964A2; US3781522A

Description

Thermochrome Oberflächenheizeinrichtung

Konventionelle elektrische Kochplatten sind üblicherweise mit einer Vielzahl elektrischer Widerstandsheizelemente ausgestattet, welche in Metall eingehüllt sind und jeweils in Form einer Spiralspule gewickelt und in einer öffnung in der Herdplatte oder Kochmulde angeordnet sind. Jedes Heizelement ist dabei so eingerichtet, daß es ein Kochgerät tragen kann. Die in Metall eingekleideten Heizelemente können automatisch von Nahrungsmittelverunreinigungen durch die hohen Temperaturen gereinigt werden, welche nach dem Einschalten von den Elementen erreicht werden. Verschüttetes Kochgut kann durch das Heizelement ablaufen und wird in einer Sammelwanne unterhalb der Kochmulde

309841Π072

aufgefangen, aus der es später bei einer Reinigung von Hand entfernt werden kann. .

Um den Säuberungsvorgang zu vereinfachen und ein angenehmeres Aussehen zu erreichen, wurden ganze Kochmulden oder in manchen Fällen einzelne Heizeinheiten mit fester Oberfläche hergestellt, bei denen die freiliegende Oberfläche aus einem Glas-Keramikma?- terial gebildet ist, wie es beispielsweise im US-Patent 2 920 beschrieben ist. Materialien dieser Art sind handelsmäßig erhältlich unter den Handelsnamen "PYROCERAM", "CER-VIT"und "HERCUVIT". Die undurchsichtige Glas-Keramik ergibt- wegen ihrer glatten oberen Fläche nicht nur ein angenehmes Aussehen sondern kann auch· leicht gereinigt werden und vermeidet das Einsickern von verschüttetem Gut in die unter der Oberfläche liegenden Teile der Einheit. Dabei ist jedoch ein Problem zu berücksichtigen, welches darin besteht, daß eine schnelle Erhitzungsgeschwindigkeit und eine schnelle Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht werden muß, welche vergleichbar sind den Werten, wie sie sich für einen Gasflächenbrenner oder ein Widerstandsheizelement mit Metallverkleidung in Standardausführung ergeben. Wegen der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit erfol'gt Jedoch bei einem dicken Glas-Keramikmaterial kein schneller Wärmedurchgang. Solche Materialien werden in weitem Maße angewendet als thermische und elektrische Isolatoren und nicht als Wärmeleiter. Die Wärme pflanzt sich nicht sehr leicht in seitlicher Richtung durch die Glas-Keramikplatte hindurch fort und während des Kochvorgangs wird die. Wärme auf das Kochgerät hauptsächlich mit Hilfe der Wärmeleitung an den Berührungspunkten zwischen der Oberflächenheizeinheit und dem Kochgerät übertragen. Weiterhin besitzt die Glas-Keramikplatte eine vergleichsweise große Wärmekapazität, welche ebenfalls zu der langsamen Abkühlung beim Abschalten des, Heizelementes beiträgt. Ebenso wird mit der Erhöhung der Temperatur bei diesem Typ einer Glas-Keramikplatte die elektrische Leitfähigkeit vergrößert, so daß sich eine Gefährdung der Sicherheit ergeben kann,

309841/1072

wenn ein Heizelement mit offener Spule als elektrische Heizeinrichtung verwendet wird.

Einige der Probleme der vorbekannten Anordnungen sind dadurch überwunden worden, daß unterhalb der Glas-Keramikplatte eine Wärmeverteilungsplatte, mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet wurde, welche dann an der Unterseite der Glas-Keramikplatte durch mechanische Mittel anliegt und dadurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung erzeugt, wie dies im US-Patent 3 622 754 beschrieben ist. Eine solche Einheit kann wirkungsvoll betrieben werden, wenn sie mit konventionellen Kochgeräten verwendet wird. In der

deutschen Patentanmeldung der Anmelderin wird eine

neuartige Oberflächenheizeinrichtung angegeben, welche eine glatte Oberfläche besitzt und eine Wärmeverteilungsplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die mindestens an ihrer oberen Oberfläche mit einem Glas-Keramikmaterial überzogen ist. Dieses enthält eine vorherrschende kristalline Phase von Lithiumdisilicat in einer glasartigen Matrix und besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 80 bis 120 χ 10"' pro ⁰C.

Die handelsmäßig erhältlichen elektrischen Kochmulden besitzen gewöhnlich eine Anzeigeleuchte, welche anzeigt, daß die Heizeinheit zugeschaltet ist. Sogar nach dem Abschalten der Heizeinheit kann jedoch die Kochmulde oder die Kochplatte noch sehr heiß bleiben und es muß daher Sorgfalt ausgeübt werden, um die Gefahr einer Verbrennung zu vermeiden.

Es wurde nunmehr überraschend eine Heizeinheit mit verbesserter Oberfläche aufgefunden, bei welcher der Glas-Keramiküberzug ein thermochromes Material enthält, wodurch der überzug bei Temperaturänderungen eine umkehrbare Parbveränderung erfährt. Daher besitzt dieser Glas-Keramiküberzug nicht nur Beständigkeit gegen chemische Korrosion, hohe mechanische Festigkeit, gute Haftfähigkeit an der Unterlage, eine hohe Erweichungstemperatur, eine gute

309841/1072

Beständigkeit gegen Wärmeschocks und einen etwa an die Unterlage angepaßten Koeffizienten der Warmeausdehnung. Der überzug zeigt vielmehr auch sichtbar an, ob die Heizeinheit heiß oder kalt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde eine elektrische Heizeinheit mit glatter Oberfläche geschaffen, welche eine Wärmeverteilungsplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit, ein isoliertes elektrisches Widerstandsheizelement, das an der Unterseite der Platte befestigt ist, ein ebenfalls an der Unterseite der Platte zur Verhinderung einer Verwerfung befestigtes Verstärkungsteil, eine Reflektorwanne unterhalb des Heizelementes zur Umleitung der Wärme in Richtung nach oben und einen thermochromen Glas-Keramlküberzug besitzt, der unmittelbar mindestens mit der oberen Oberfläche der Wärmeverteilungsplatte verbunden ist.

Das Basisüberzugsmaterial in Form einer Glas-Keramik enthält im wesentlichen die folgenden Bestandteile, welche für einen Materialansatz auf Oxidbasis errechnet und in Gew.-% in der nachstehenden Tabelle aufgeführt sind:

Bestandteil - Gew.-l/Oxide

Li	2	0	0
Al	2	0	°3
SiO	0	2
^P2	5
' ^B2	3
^K2

6-20 ■ 0-10

70-80

0,5-6,0

.0-10

Or-6

ZnO 0-5

Dabei liegt der Ausdehnungskoeffizient der Glas-Keramik im Bereich von 80 bis 120 χ 10~^ pro ⁰C. Die Dicke des thermochromen Glas-Keramiküberzuges sollte ausreichend sein, um einen schützen-

309841/1072

den Überzug auf der Oberfläche der Wärmeverteilungsplatte zu erhalten und beträgt typischerweise etwa 0,075 bis 0,3 mm (3 bis 12 mils). Er besteht aus einer kristallinen Phase mit vorwiegendem Anteil von Lithiumdisilicat (Li-O·2SiO₂) in einer glasartigen Matrix. Um die erwünschten Festigkeitsei genschaften zu

erhalten, sollte der Anteil des Lithiummetasilicats (LipO'SiOp) auf einem Minimum gehalten werden. Die prozentuale Kristallinität kann zu einem gewissen Grade variabel sein und liegt vorzugsweise in einem Bereich bis zu etwa 50 % und kann etwas größer sein und durch Röntgenbeugungsverfahren bestimmt werden.

Das thermochrome Zusatzmittel ist basisches Bleichromat (PbO'PbCrO₂,), welches teilweise im einzelnen unter dem Stichwort "Pigmente (anorganische)" beschrieben ist in "Encyclopedia of Chemical Technology, 2nd Edition, Vol. 15, Seiten 530 - 532". Der Zusatz von basischem Bleichromat zur Grundzusammensetzung kann entweder während des Mischens der Bestandteile des Ansatzes vor dem Schmelzen oder als Zusatz nach dem Schmelzen erfolgen. Die erwünschte thermochrome Farbänderung erfolgt von gelb bei Zimmertemperatur zu rot und rotbraun bei erhöhten Temperaturen. Diese Farbänderung ist umkehrbar. Diese Erscheinung ist noch nicht vollständig erkannt; es wird jedoch angenommen, daß die ursprüngliche gelbe oder manchmal orangefarbene Färbung der Anwesenheit von hexavalentem Chrom zugeschrieben werden kann, welches scheinbar durch Bleioxid stabilisiert ist. Die Menge von basischem Bleichromat, welche in der Lage ist, den erwünschten Effekt zu erzeugen, liegt allgemein im Bereich von 1 bis 10 Gew.-# des Glas-Keramikgrundmaterials, wobei der optimale Anteil bei etwa 5 Gew.-# liegt. Wenn der Anteil des basischen Bleichromats über einem Maximum von etwa 10 Gew.-55 liegt, wird das Glas-Keramikmaterial verschlechtert durch eine Änderung der Phasenbeziehungen, wodurch die Eigenschaften des Überzuges nachteilig beeinflußt werden. Andererseits wird bei Anwesenheit von weniger als 1 Gew.-% kein ausreichend "ausgeprägter thermochromer Effekt

309841/1072

erzeugt. Es ist jedoch zu beachten, daß auch die Art und Weise der Einbringung des basisichen Bleichromates in die Grundzusammen-

ent v;e der

setzung, d.h./durch Zusatz zur Schmelze oder Mühlenzusatz gewisse Variationen in der erhaltenen Anfangsfarbe und den anschließenden thermochromen Eigenschaften verursachen kann. Dies ist teilweise zurückzuführen auf die Auswirkung der erhöhten Temperatur beim Schmelzen und der verlängerten Schmelzzeiten. Solche Paktoren sind jedoch für den Fachmann erkennbar und ihre richtige Beherrschung kann durch einfache routinemäßige Versuche ermittelt werden.

Ein-besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 zeigt eine teilweise weggebrochene Ansicht einer elektrischen Heizeinheit mit glatter Oberfläche als Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Teilschnitt der elektrischen Oberflächenheizeinheit der Fig. 1 längs der Linie 2 - 2, wobei einige Teile weggelassen sind, um die verschiedenen Teile der Anordnung zu zeigen.

Fig. 3 ist ein weiterer Teilschnitt längs der Linie 2-2 für eine Ausführungsform nach Fig. 2. ■

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt einer elektrischen Heizeinheit 10 mit glatter Oberfläche, welche eine Wärmeverteilungsplatte 12 mit hoher Wärmeleitfähigkeit besitzt. Diese besteht vorzugsweise aus einem dünnen zusammengesetzten Metallblechmaterial mit einem dünnen mittleren Kern .13, um die Wärme schnell über die ganze Platte zu verteilen und dadurch eine allgemein gleichförmige Temperaturverteilung zu erhalten. Ein solcher Kern wird ausgewählt aus Metallen und Legierungen wie beispielsweise Kupfer, Silber und Aluminium. Kupfer besitzt bei Temperaturen im Bereich in der Nähe von 700°C eine sehr geringe Festigkeit und oxidiert

309841M072

auch sehr leicht. Da ein Kupferkernblech 13 nur eine geringe Dicke in der Größenordnung von 1,0 mm (0,04 Zoll) besitzt, wird es dazu neigen, sich unter normalen Verhältnissen bei der Benutzung leicht zu verwerfen oder zu verformen infolge der Wärmespannungen, welche durch eine zeitweilig ungleichförmige Temperaturverteilung während der Anheizperiode auftreten und auch infolge der hohen Temperaturen, denen es ausgesetzt ist. Daher wird der Kern 13 zwischen zwei dünne integrale Häute 15 und 17 eingefügt oder eingeschlossen, welche jeweils eine Dicke von etwa 0,4 mm (0,017 Zoll) besitzen. Solche Häute oder dünne Schichten werden dabei aus solchen Metallen und Legierungen wie rostfreier Stahl, Nickel und Chrom ausgewählt. Bei der Materialauswahl ist zu bedenken, daß die Materialien für den Kern und für die Häute zueinander passende Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen sollten oder daß die Materialien für die Häute eine ausreichende Festigkeit besitzen müssen, um die Spannungsbelastungen ohne Verwerfung aufzunehmen, welche sich aus einer thermischen Fehlanpassing ergeben. Um zu vermeiden, daß das Kupfer an der Umfangskante der Platte freiliegt, werden durch einen Quetschvorgang die beiden Häute 15 und 17 > die beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen, über die Kante des Kerns geführt, um diesen gegen KoKö-sion und Oxidation zu schützen. Die Häute 15 und 17 aus rostfreiem Stahl auf der äußeren Oberfläche der zusammengesetzten Platte ergeben eine Festigkeit für die Platte und die Platte widersteht leicht einer Verwerfung, da sie eine hohe Festigkeit mit hoher Wärmeleitfähigkeit verbindet, was durch keine Platte aus einem einzigen Material erreicht werden kann. Dieses dünne zusammengesetzte Blechmaterial 12 ist beispielsweise eine solche Platte mit einem mittleren Kupferkern 13 und zwei- äußeren Häuten 15 und 17 aus rostfreiem Stahl. Sie kann aus einzelnen Blechen gebildet werden, welche eine "Flächenverschweißung" erhalten, beispielsweise durch ein solches Verfahren wie Explosionschweißen, das eine Verbindung der Metallbleche längs ihrer aneinanderliegenden Oberfläche bewirkt.

309841/1072

Ein mit Metall umkleidetes Widerstandsheizelement 14 ist an die Unterseite der Wärmeverteilungsplatte 12 hartgelötet. Der Fachmann wird verstehen, daß ein solches mit Metall verkleidetes Heizelement 14 einen mittleren elektrischen NickeIchrom-Widerstandsheizdraht in Wendelform besitzt, welcher in ein dünnes Metallrohr oder eine Hülse aus Inconel, rostfreiem Stahl oder ähnlichem eingeführt wird. Dann wird die Hülse mit einem geeigneten elektrisch isolierenden thermisch leitenden Material gefüllt, beispielsweise mit Magnesiumoxid (MgO) oder ähnlichen Materialien, um den Heizdraht von der Metallhülse zu isolieren. Die obere Oberfläche des Heizelementes 14 wird abgeplattet, so daß man eine gute Wärmekontaktfläche der Metallhülse mit der Wärmeverteilungsplatte 12 erhält. Die beiden Anschlüsse 19 des Heizelementes sind in Fig. 1 ersichtlich und erstrecken sich in vertikaler Richtung unter das Heizelement 14. Sie sind eingerichtet zur Aufnahme einer aufzuschiebenden Verbindung (nicht gezeigt), um in an sich bekannter Weise eine elektrische Verbindung mit ihnen herzustellen.

Um die Wärmeverteilungsplatte 12 weiter zu verstärken, ist die Kante der Platte mit einem abwärts gewendeten Flansch 22 ausgestattet und dadurch erhält die Wärmeverteilungsplatte 12 eine Form ähnlich einer umgekehrten flachen Schüssel. Eine weitere Möglichkeit zur Verstärkung der Wärmeverteilungsplatte 12 besteht darin, eine Reihe von diagonalen oder radialen Streben 16 vorzusehen, welche an der Unterseite- der .Wärmeverteilungsplatte und gegebenenfalls auch an der Hülse für das Heizelement 14 befestigt sind. Dies kann beispielsweise durch Hartlöten oder ähnliche Verfahren geschehen. Solche Verstrebungsteile 16 können verschiedene Ausgestaltungen besitzen. Ihr Zweck besteht darin, der Wärmeverteilungsplatte eine hinreichende Tiefe oder Trägerwirkung (beam action) (Biegeträgheitsmoment eines Trägers) zu geben, so daß sie sich nicht leicht unter thermischen oder mechanischen Belastungen ausbiegt.

309841/1072

-₉. 23H722

Wie in Pig. 2 dargestellt, ist unterhalb der Heizeinheit 10 eine Reflektorwanne 18 vorgesehen und von ihr durch einen ringförmigen wärmebeständigen Abstandsteil 20 getrennt, so daß sie die Wärme vom Heizelement 14 in eine Richtung nach oben richtet. Dieser Reflektor kann verwendet werden als Halterungseinrichtung für die Heizeinheit. Ein Teil mit einstellbarer Spannung in Form eines Hakenbolzens 39 ist so eingerichtet, daß es zwischen einem Verstärkungsteil 38 und der Reflektorwanne l8 angebracht werden kann. Das Verstärkungsteil 38 ist mit einer öffnung 41 versehen, durch welche das Kopfstück des Hakenbolzens eingeführt wird. Die Reflektorpfanne 18 besitzt eine mittlere öffnung 43 zur Aufnahme des unteren Endes des hakenförmigen Bolzens. Das untere Ende des Bolzens besitzt einen Gewindeteil zur Aufnahme einer Einstellmutter 45.

Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht in dem bereits erörterten thermochromen überzug 30 aus Glas-Keramik, welcher unmittelbar mit der Oberfläche der Wärmeverteilungsplatte 12 verbunden ist. In der Ausfuhrungsform nach Fig. 2 ist der thermochrome Glas-Keramiküberzug 30 nur auf der oberen Oberfläche angebracht und bedeckt denjenigen Teil, der auf der Oberfläche der Heizeinrichtung sichtbar ist. Andererseits kann es vorteilhaft sein, sowohl die obere als auch die untere Oberfläche der Wärmeverteilungsplatte 12 zusammen mit der Heizeinrichtung 14 gemäß der Darstellung in Fig. 3 niit einem überzug auszustatten.

Bei der Herstellung des thermochromen Glas-Keramiküberzuges werden die einzelnen Bestandteile für den Ansatz zunächst ausgewogen und gemischt, beispielsweise durch Behandlung in einer Kugelmühle. Dann wird der gemischte Ansatz bei erhöhten Temperaturen von etwa 1200 bis 125O°C geschmolzen, um eine homogene Schmelze zu erhalten, diese wird in Wasser abgelöscht und der Ansatz wird in der Kugelmühle auf eine Teilchengröße kleiner als ISO Mikron gemahlen. Die Glasteilchen werden danach mit

309841/1072

einer Menge von etwa 3 bis 4 Gew.-% Suspensionsmittel kombiniert, beispielsweise Ton, -kalzinierter Ton, kolloidales Siliciumdioxid und geringe Anteile anderer konventioneller Zusatzstoffe, beispielsweise Elektrolyte, wie Natriumpyrophosphat, Natriumnitrit, um eine wäßrige Schlämmung oder Brei (slip) zu bilden. Das Metallsubstrat wird zur Ausbildung eines haftenden Überzuges vorbereitet durch Behandlung im Sandstrahlgebläse oder durch Oxidieren der Metalloberfläche und dann wird die wäßrige Sehlämmung auf dem Metallsubstrat durch bekannte Mittel aufgebracht, beispielsweise durch Sprühen, Eintauchen oder durch Aufstreichen. Das überzogene Metallsubstrat wird nunmehr getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen und die Emaille wird fertiggestellt (matured) bei einer ausreichenden Temperatur von etwa 1000⁰C während einer Zeit von etwa 1 bis 3 Minuten. Die gewählte Wärmebehandlung für die Kernbildung und das Wachstum der Kristalle ändert sich zu einem gewissen Grade in Abhängigkeit von der ursprünglichen Glaszusammensetzung innerhalb der beschriebenen Bereiche. Es wurde jedoch gefunden, daß allgemein die optimalen Bedingungen für die Kernbildung bei.einer Behandlung im Bereich von 500 bis 65O°C während etwa 1/4/Stunde liegen und die Kristallwachstumstemperaturen vorzugsweise in einem Bereich von etwa 750 bis ,900⁰C bei einer Behandlungsdauer von etwa 1/2 Stunde bis 4 Stunden liegen. Wenn die Kornwachstumste.mperatur unterhalb etwa 75O°C liegt, dann ist die vorherrschende Kristallphase Lithiummetasilicat und wenn die Wachstumstemperatur 95O°C übersteigt, wird die Kristallphase in das Lithiummetasilicat umgewandelt. -

Die Herstellung eines Überzugs mit den neuartigen Glas-Keramikmaterialien auf einer Oberflächenheizelnheit nach Pig. I ergab ausgezeichnete mechanische, thermische und chemische Eigenschaften. So zeigten die überzüge beispielsweise eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Angriff durch milde organische Säuren, wie man sie in Zitronensaft, Ketchup, Fleischsoßen usw.

309841/1072

findet. Die thermischen Eigenschaften der neuartigen mit Glas-Keramik überzogenen Heizeinheit wurden veranschaulicht durch die Tatsache, daß bei Aufstreuen von Kochsalz (Schmelzpunkt etwa 801⁰C) auf die Oberfläche einer eingeschalteten Heizeinheit das Salz geschmolzen wurde und dabei der Glas-Keramiküberzug trotzdem fest blieb, seine Haftung an dem Metallsubstrat beibehielt und nich.t von dem geschmolzenen Salz angegriffen wurde. Es ist zu beachten, daß die für die vorliegende Erfindung brauchbaren Glas-Keramiküberzüge von den im US-Patent 2 920 971 beschriebenen überzügen unterschieden werden können, da diese letzteren Materialien einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 8 χ 10 ' pro ⁰C besitzen während die in dieser Beschreibung erläuterten Materialien einen wesentlich höheren Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen und.besser an die Wärmeausdehnung der metallischen Unterlagen angepaßt sind, welche für die Wärmeverteilungsplatte verwendet werden. Andere handelsmäßig erhältliche Emaillearten erfüllen nicht die mechanischen, thermischen oder chemischen Anforderungen zur Herstellung der Hochtemperatur-Oberflächenheizeinheit gemäß der Erfindung.

Die Erfindung wird weiterhin veranschaulicht durch die nachstehenden Beispiele. Wenn nicht anders angegeben, sind die Zusammensetzungen in Gew.-% angeführt und in Mol-SS und wurden aus dem Ansatz auf Oxidbasis errechnet. Ursprünglich wurden die Gläser dadurch hergestellt, daß die Bestandteile des Ansatzes unter Standardbedingungen bei Temperaturen von 1200 bis l600°C etwa 4 bis 20 Stunden lang in Platintiegeln geschmolzen wurden.

Beispiel I - Darstellung des Basismaterials Eine bevorzugte Glaszusammensetzung wurde vorbereitet und erschmolzen aus dem Ansatz der Bestandteile zur Erzielung der folgenden Zusammensetzungsformel auf Oxidbasis:

309841/1072

Bestandteil Gew.-# Mol-$5

SiO₂	73,0	67,5
Li₂O	13,7	25,4
κ₂ο	5,6 : "	3,3
Al₂O₃	4,9	2,7
^P2°5	2,8	1,1

Die Bestandteile des Ansatzes wurden ausgewogen und durch Mahlen in einer Kugelmühle gemischt. Der Ansatz wurde dann in einen Platintiegel eingebracht und bei einer Temperatur von 1200 bis 125O°C über Nacht geschmolzen. Die heiße Schmelze wurde in kaltem Wasser abgelöscht und in der Kugelmühle auf eine Teilchengröße von weniger als 150 Mikron vermählen.

Ein Brei (oder Schlämmung) zum Aufbringen auf eine Metallplatte wurde gemäß der folgenden Rezeptur hergestellt:

Bestandteil Gewichtsteile

Glas__fritte (<150 ^) 1000

Eisen-Ton No.55 (gebrannt) 40

Natrium-Aluminat 2,1 -

Bentonit 2,1

Tragantgummi 0,2

Kalium Carbonat . 2,5

destilliertes Wasser 460

Die Mischung wurde in einer Kugelmühle zur Bildung einer homogenen Dispersion etwa 1 Stunde lang gemahlen. Die Masse oder Schlämmung wurde dann durch das folgende Verfahren auf eine Metallplatte so aufgebracht, daß sich nach dem Brennen eine Dicke von etwa 0,15 mm (0,006 Zoll) ergab. Durch Zufügung von

309841/1072

Wasser wurde die Schlämmung auf ein spezifisches Gewicht von 1,68 g/cnr gebracht. Dann wurden Elektrolyse, beispielsweise Tetranatriumpyrophosphat oder Natriumnitrit zugesetzt, um die Konsistenz der Masse so weit einzustellen, daß auf einem in die Masse eingetauchten Metallblech nach dem Herausnehmen und Ablaufenlassen des Metallteils etwa 36 g der Masse oder Schlämmung

2
pro 0,093 m (1 Quadratfuß) der Metallfläche zurückblieb.

Beim Aufbringen der Schlämmung auf das Metallsubstrat wurde die Oberfläche des Metalls zunächst für die Erzielung eines haftenden Überzuges vorbereitet, und zwar durch eine Behandlung des Metalls im Sandstrahl und/oder durch Oxidieren des Metalls. Die Masse oder Aufschlämmung wurde in Spritzpistolenbehälter eingebracht und auf das Substrat aufgebracht. Danach wurde das besprühte Substrat bei einer Temperatur von etwa 100⁰C getrocknet, das getrocknete beschichtete Substrat wurde bei einer Temperatur von etwa 1000⁰C 1 Minute lang gebrannt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Dann wurde die Kernbildung des glasartigen Materials bei einer Temperatur von 645⁰C 1 Stunde lang durchgeführt und eine Kristallwachsiumsbehandlung bei 83O⁰C während einer Dauer von 4 Stunden vorgenommen. Die vorherrschende erhaltene kristalline Phase bestand aus Lithiumdisilicat (Li₂O·2SiO₂). Dieser überzug aus dem Grund-Glas-Keramikmaterial war nicht thermochrom und wurde zu Vergleichszwecken verwendet.

Mit dem obigen Verfahren oder Abwandlungen desselben wurden die folgenden Metallsubstrate mit einem überzug versehen: 316I1 mit rostfreiem Stahl umkleidetes Kupfer 321 rostfreier Stahl ^

430 Kupfer umkleidet mit rostfreiem Stahl^ Inconel 600 (International Nickel Co., 72 % min. Ni, 14 bis 17 % Cr, 6 bis 8 % Pe, 1_;75 bis 2,75 % Nb, heißgewalzt und wärmebehandelt für Hochtemperaturanwendung)
Inconel 625 (International Nickel CoO

309841/1072

Rene 41 (General Electric Co., eine ausscheidungsgehärtete Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis) ^;

Ti-Namel (Inland Steel Co,, 0,06 C, 0,30 Mn, 0,12 max. Cu, 0,05 Al, 0,30 Ti, Rest Pe, heißgewalzt, für Bleche zum Emaillieren, besonders vorbereitet)
mit Ti-Namel umkleidetes Kupfer
Emaillierstahl

Anmerkung: (a) Diese rostfreien Stähle sind durch AISI-Typenbe-

zeichnungen bezeichnet.

Beispiel II . ■ ~ ■

Nach dem Verfahren des Beispiels I wurde die bevorzugte Glaszusammensetzung vorbereitet, erschmolzen und dann auf eine Teilchengröße von weniger als 150 Mikron gemahlen. Die Masse zur Aufbringung auf der Metallplatte wurde gemäß der gleichen Rezeptur wie in Beispiel I hergestellt mit Zufügung von 50 Gew.-% PbO-PbCrO₂, (oder 5 Gew.-%) und die Mischung wurde in der Kugelmühle zur Bildung einer homogenen Dispersion etwa 1 Stunde lang gemahlen.

Dann wurde die Mischung auf eine Metallplatte aus einem Material mit der Typenbezeichnung Rene 41 aufgebracht (eine ausscheidungsgehärtete Hochtemperaturlegierung auf NickeIbasis), um eine Dicke nach dem Brennen von etwa 0,15 mm (6 mils) zu erhalten. Nach dem Verfahren des Beispiels I wurde die gesprühte Metallplatte bei einer Temperatur von etwa 10O⁰C getrocknet, der getrocknete überzug wurde bei einer Temperatur von etwa 1000⁰C 1 Minute lang gebrannt und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt. Dann wurde während 1 Stunde eine Kernbildung oder Kernanreicherung des glasartigen Materials bei 645°C vorgenommen und anschließend wurde es einer Kristallwachstumsbehandlung bei 83O°C während 4 Stunden unterzogen.

Nachdem das kristallisierte Material auf Zimmertemperatur abgekühlt wurde, besaß es ein gelbes Aussehen. Die überzogene Metall-

309841/1072

platte wurde dann zahlreichen Erwärmungszyklen bis zu einer Temperatur von etwa 600°C unterzogen. Es wurde dabei eine reversible thermochrome Färbumwandlung beobachtet, wobei sich die Färbung des Überzuges bei der Erhitzung wie folgt änderte:

Färbung Temperatur

blaßgelb Zinunertemperatur senfgelb 19¹I⁰C

gelborange 284°C

rotgelb 373°C

rotorange - 45O°C

rotbraun 532°C

Bei der Abkühlung wurde ein Verlauf der Farbänderung in der umgekehrten Reihenfolge beobachtet.

Beispiel III

Gemäß dem Verfahren des Beispiels II wurden 4 Gew.-% PbO-PbCrO₂. zusammen mit der bevorzugten Glaszusammensetzung des Beispiels I aufgeschmolzen. Nach dem Aufbrennen des Überzuges auf eine Metallplatte gemäß dem Brennprogramm nach Beispiel II wurden ähnliche thermochrome Farbänderungen beobachtet.

309841/1072

Claims

Patentansprüche

1. Oberflächenheizanordnung mit einer Wärmeverteilungsplatte hoher thermischer Leitfähigkeit und einem überzug, welcher mindestens die obere Oberfläche der Platte bedeckt und aus einem Grund-Glas-Keramikmaterial besteht, welches auf Oxidbasis und in Gew.-JS die folgenden errechneten Werte für den Ansatz besitzt: 6 bis 20 % Li₂O, 0 bis 10 % Al₃O₃, 70 bis 80% SIOp, 0,5 bis S₃O % P₂Oc, 0 bis 10 % B₂O^, 0 bis 6 % K₂O, 0 bis 5 % ZnO, g e k e η η ζ e i c h net durch einen Zusatz von 1 bis 10 % PbO-PbCrO^, bezogen auf die gesamte Glas-Keramikmasse, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der den Zusatz enthaltenden Glas-Keramik im Bereich von 70 bis 120 χ .10 "^ pro ⁰C liegt und die kristalline Phase vorwiegend Lithiumdisllicat ist.

2. Oberflächenheizeinrichtung nach Anspruch I₃ dadurch g e k e η η ζ e 1 c h η e t, daß sie zusätzlich noch eine Wärmeverteilungsρlatte mit einem an der Unterseite befestigten isolierten ^elektrischen Widerstandsheizelement besitzt, wobei an der Unterseite der Wärmeverteilungsplatte noch ein Verstärkungsteil zur Verhinderung einer Verwerfung und unter dem Heizelement eine Reflektorpfanne angebracht Ist zur Lenkung der Wärme in einer Richtung nach oben.

3. Oberflächenheizanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug aus der zu-' satzhaltigen Glas-Keramik eine Dicke von etwa 0,075 bis 0,3 mm (3 bis 12 mils) besitzt.

4. Oberflächenheizanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne t₃ daß der zusatzhaltige überzug beide Seiten der Wärmeverteilungsplatte und des Heizelementes bedeckt.

309841/1072

-I₇- 23U722

5. Oberf lächenheizanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug aus zusatzhaltiger Glas-Keramik bis zu 50 % einer kristallinen Phase enthält.

6. Oberflächenheizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas-Keramiküberzug aus 95 Gew.-55 einer Grundzusammensetzung errechnet aus dem Ansatz auf Oxidbasis und in Gew.-% aus 73,0 % SiO₃, 13,7 %, Li₂O, 5,6 % K₂O, 4,9 % Al₂O 2,8 % P₂O₅ und weiterhin 5 Gewichtsteilen PbO-PbCrO₁₁ enthält.

7. Oberflächenheizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverteilungsplatte aus einem zusammengesetzten Metallblechmaterial besteht mit einem Kern aus Kupfer, Silber oder Aluminium oder Gemischen derselben, welcher zwischen zwei integrale äußere Schichten aus Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Nickel oder Chrom eingefügt ist.

309841/1072

Leerseite