НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ Российский патент 1998 года по МПК A47J39/02 A47J36/02 

Предлагаемое изобретение относится к области конструкции емкостей для технических нужд, например нанесения металлизированных покрытий на различные материалы химическим способом, а также приготовления пищевых продуктов и сохранения их в горячем состоянии. Может быть использовано в технологическом процессе металлизации изделий химическим способом для длительного подогрева металлизируемых деталей, примером может служить химическое никелирование изделий электронной техники. Кроме того, нагревательная емкость может быть использована для приготовления пищи и сохранения ее в горячем состоянии длительное время.

Известна нагревательная емкость, содержащая корпус в виде сосуда Дьюара с рабочей камерой и теплоизолированной крышкой и электронагреватель с термодатчиком и терморегулятором. Крышка может быть изготовлена из теплоизолирующего материала, например пенопласта [1].

Однако указанная емкость имеет следующие недостатки: сложность изготовления сосуда Дьюара и, как следствие, увеличение стоимости емкости, наличие встроенного нагревателя и термодатчика ухудшает надежность конструкции из-за большой протяженности герметизирующего шва и возможности прожога стенок сосуда Дьюара в процессе изготовления емкости и ее эксплуатации. К тому же выполнение варочной камеры заодно с электронагревателем делает невозможным использование электронагревателей различной мощности с одной варочной камерой.

Кроме того, известна нагревательная емкость [2], являющаяся прототипом предлагаемого изобретения и содержащая корпус в виде сосуда Дьюара с рабочей камерой и теплоизолированной крышкой и электронагреватель с термодатчиком и терморегулятором, при этом электронагреватель размещается в рабочей камере с возможностью удаления из нее и выполнен в виде открытой сверху двустенной емкости с ручкой, причем нагревательный элемент и термодатчик установлены в пространстве между стенками в области дна.

Однако указанное устройство имеет следующие недостатки: высокая теплопроводность стенок сосуда Дьюара приводит к дополнительному рассеянию тепла и снижению быстроты нагрева. Использование электронагревателей специальной конструкции, соответствующей форме варочной камеры, трудность использования обычных нагревательных устройств (электроплитка, открытое пламя), усложнение конструкции устройства (сосуд Дьюара, съемный электронагреватель с термодатчиком) ведет к увеличению стоимости изделия.

Анализ проведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание нагревательной емкости, обеспечивающей более быстрое нагревание, имеющей менее сложную конструкцию и обладающей высокой долговечностью. Кроме того, создание нагревательных емкостей, эффективно сохраняющих тепло, приводит к экономии электроэнергии.

Это достигается тем, что в известной нагревательной емкости, содержащей корпус и крышку, выполненную из материала с низкой теплопроводностью, корпус выполнен из материала с низкой теплопроводностью, а дно - из материала с высокой теплопроводностью, причем толщина стенок корпуса больше толщины дна.

На чертеже приведено предлагаемое устройство.

Предлагаемое устройство содержит корпус 1 и крышку 2 из материала с низкой теплопроводностью, например керамического, обеспечивающего его безопасное использование для здоровья человека, а также дно 3, выполненное из материала с высокой теплопроводностью, например металла, которое присоединяется к корпусу емкости посредством связующего 4. Кроме этого, крышка емкости может быть выполнена из, например, пластмассы, что удешевит стоимость нагревательной емкости. В том случае, если нагревательная емкость используется для приготовления пищи, то материалом корпуса и крышки может служить керамика алюмосиликатного состава, поскольку она не представляет вреда для здоровья человека, а для технического использования емкости пригоден керамический материал любого состава.

Керамика алюмосиликатного состава имеет низкую теплопроводность 1 - 2 • 10^-2 кал/см•с•К. Высокая механическая прочность керамики позволяет создать жесткое и герметичное соединение с металлическим дном емкости. Спаи керамики и металла гарантируют работоспособность соединения до 700 - 1000^oC [3]. Кроме этого, из-за высокой прочности керамики, в области спая металл-керамика допустимы значительные механические напряжения, поэтому жесткого согласования температурных коэффициентов линейного расширения керамического корпуса и металлического дна не требуется. Технология изготовления стенок и крышки емкости представляет собой стандартную технологию производства керамических изделий, используемую при производстве металлокерамических электронных ламп. Керамическая заготовка корпуса емкости представляет собой, например, цилиндр с открытыми основаниями. Толщина стенок цилиндра, например, 10 - 15 мм.

Дно емкости изготавливается из металлического сплава, например ковара 29НК (33% Fe, 29% Ni, 18% Co), фени-46, H46 (54% Fe, 46% Ni), фени-42, H42 (58% Fe, 42% Ni) [3].

Коэффициент теплопроводности данных сплавов находится в интервале 3,5 - 4,6 • 10^-2 кал/см•с•К. Толщина дна, например, около 1 мм. Соединение металлического дна с керамическим корпусом происходит посредством предварительной металлизации торцевой части керамического цилиндра, например, пастой следующего состава WC, TiC, Fe, с составом по массе 60%, 10%, 30% и последующей пайки [3]. Металлизация керамики производится согласно технологии, принятой в производстве электронных ламп, согласно которой производится вжигание пасты с последующей химической или гальванической металлизацией слоя. Пайка производится с помощью припоя, например диэлектрика СК-27 (состав по массе 51,5% SiO₂, 20% Al₂O₃, 10% CaO, 4% MgO, 5,5% MnO, 1,5% B₂O₃, 7,5% ZrO₂) при 1200^oC. Возможно также использование эвтектического сплава Ti-Ni при 1100^oC-1300^oC[3].

В результате пайки образуется связующий слой.

Устройство работает следующим образом
Нагревание объема емкости происходит от внешнего источника нагревания (электроплитка, открытый огонь), либо от внутреннего нагревателя, находящегося в донной части устройства, через металлическое дно 3. Благодаря высокой теплопроводности дна 3,5-4,6•10^-2 кал/см•с•К нагревание объема внутри емкости происходит быстро. Низкая теплопроводность корпуса 1 и крышки 2, изготовленных из керамики, 1-2•10^-2 кал/см•с•К, а также существенно большая толщина стенок емкости по сравнению с толщиной дна, позволяет эффективно накапливать теплоту внутри емкости и сохранять ее длительное время.

Использование конструкционных материалов с разной теплопроводностью, сочетание высокой теплопроводности дна 3 и низкой теплопроводности корпуса 1 и крышки 2, значительно большая толщина стенок, чем дна, позволяют накапливать теплоту и сохранять ее длительное время, а также обеспечить более быстрый нагрев объема внутри емкости, чем в устройстве-прототипе.

При этом возможно использование внешних и внутренних нагревательных устройств различной мощности и конструкции. Сокращение числа деталей, составляющих конструкцию емкости, приводит к упрощению конструкции и к уменьшению стоимости изделия.

Кроме того, малое рассеяние тепла емкостью с низкой теплопроводностью корпуса и крышки приводит к эффективному сохранению тепла внутри емкости и, следовательно, к снижению затрат на подводимую электроэнергию. Отказ от сосуда Дьюара в составе устройства приводит к упрощению технологии и конструкции, исключается возможность прожога стенок емкости в процессе сборки емкости и ее эксплуатации, что увеличивает долговечность емкости.

Литература
1. А.С. СССР, N 1007646, кл. A 47 39/02, 1980.

2. А.С. СССР, N 1113087A, кл. A 47 39/02, 1981.

3. Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников А.М. Вакуумплотная керамика и ее сплавы с металлами. М. Энергия. 1972.

Емкость используется в технологических процессах, где требуется длительный подогрев объема внутри емкости. А также для приготовления пищи и сохранения ее в горячем состоянии. Нагревательная емкость содержит корпус, выполненный из материала с низкой теплопроводностью, дно, выполненное из материала с высокой теплопроводностью, и крышку также выполненную из материала с низкой теплопроводностью. Толщина стенок корпуса больше толщины дна. Емкость обеспечивает более быстрый нагрев, простую конструкцию и высокую долговечность. 1 ил.

Нагревательная емкость, содержащая корпус и крышку, выполненную из материала с низкой теплопроводностью, отличающаяся тем, что в ней корпус выполнен из материала с низкой теплопроводностью, а дно из материала с высокой теплопроводностью, причем толщина стенок корпуса больше толщины дна.