Brevet FR2162605A1 — publié le 19730720

Ltinvention a pour objet une méthode de fabrication d'une plaque chauffante pour cuisson électrique, et notamment une plaque chauffante dont la surface chauffante est portée à haute température. On connait, dans l'industrie de la plaque de cuisson électrique, ou de la plaque chauffante de laboratoire, une plaque chauffante constituée d'une plaque de verre cristallin contenant des cristaux bêta-spodumene de Li20-A1203-SiO2 et d'une résistance électrique appliquée à la presse sur la face dorsale de ladite plaque, cette résistance électrique étant formée à partir de lamelles de mica appliquées sur de la laine de verre, et de ruban métallique résistant à la chaleur fixé sur les supports de mica, ces éléments étant reliés en série par leurs extrémités.Dans une plaque chauffante d'une telle construction, la température de surface la plus élavée qui soit obtenue est d'environ 250"C, et l'efficacité du chauffage est médiocre, à moins d'utiliser un récipient de cuisson comportant un fond plat et poli procurant une bonne conductibilité avec la surface chauffante de la plaque de verre cristallin. Aussi, en vue de réaliser le chauffage des divers types de récipients de cuisson, devient-il nécessaire d'élever la température de'surface de ladite plaque chauffante, au-dessus de 400 C. En utilisant une plaque chauffante telle que ci-dessus décrite, il se pose alors divers problèmes. Notamment la densité de charge superficielle de l'élément chauffant électrique étant accrue, la température de l'élément chauffant s'élève, et l'élément chauffant subit une dilatation thermique en fonction de l'accroissement de température de surface de la plaque. De ce fait l'élément chauffant change de forme cycliquement, en passant de la température ambiante à la température de chauffe, et inversement. Ce changement un de forme provoque Jcontact thermique imparfait entre l'élément chauffant et la plaque de verre cristallin, qui n'est que partiellement soumise à de hautes températures, d'où il résulte que l'élément chauffant n'a pas un long usage. De plus, le mica ayant une résistance aux hautes températures limitée, est éventuellement décomposé par la chaleur.Enfin, du fait de la faible dilatation thermique du verre cristallin contenant des ions lithium, sa résistance à l'iso'em électrique est altérée aux hautes températures, et il en résulte un danger d'électrocution dû au courant de fuite, dans le cas d'utilisa tion d'un récipient de cuisson métallique, l'élément chauffant se trouvant directement en contact avec la plaque de verre cristallin. Un objet de l'invention est de réaliser une plaque chauffante ayant une surface chauffante à haute température, qui puisse être utilisée pour des récipients de cuisson de formes diverses. Un autre objet de l'invention est de réaliser une plaque chauffante dont la température s'élève rapidement, en utilisant un matériau en feutre de fibres céramiques durcies comme support pour l'élément chauffant en contact avec la plaque de verre cristallin. Un autre objet de l'invention est de réaliser une plaque chauffante d'une construction telle qu'elle puisse être facilement démontée pour être remplacée et assemblée avec les bornes de l'appareillage, la plaque de verre cristallin et l'élément isolant thermique portantl!élément chauffant, étant séparables l'un de l'autre. Conformément à l'invention il est réalisé une plaquechauffante construite de telle sorte qu'un élément métallique constituant la résistance électrique est partiellement incorporé dans un feutre de fibres céramiques isolantes à la chaleur pour haute température, qui a été durci à l'aide-d'un agent durcisseur résistant à la chaleur, le feutre de fibres étant pressé sur la face dorsale de la plaque de verre cristallin formée de Li20-Al203-Si02- ou de Li20-Mg0-Al203-Si02 de faible dilatation thermique, une couche de fibres céramiques isolantes électriques pour haute température étant interposée entre la plaque de verre cristallin et la résistance métallique électrique. Dans la plaque chauffante conforme l'invention, du fait qu'une fine couche de fibres céramiques résistant aux hautes températures, et habituellement utilisée comme matériau isolant. à la chaleur, est interposée et pressée entre la résistance électrique chauffante.et la plaque de verre cristallin de faible dilatation-thermiquej le contact entre l'élé- ment électrique chauffant e-t la plaque de verre peut être rendu parfait, l'élasticité de la fine couche de fibres céramiques pouvant absorber la dilatation thermique de l'élément chauffant D'autre part, la grande résistance aux hautes températures de l'isolant électrique élimine le risque de courant de fuite, assurant un isolement substantiellement parfait. Enfin, du fait que l'élément chauffant métallique est incorporé dans un feutre de fibres céramiques durcies, la sécurité est garantie en raison de l'excellente propriété d'isolation thermique du feutre, la conduction thermique de la plaque de verre cristallin s'en trouvant accrue; c'est ainsi que la température de surface s'accroit et que la surface chauffante de la plaque peut être réduite, et qu'il peut etre obtenu une plaque chauffante de bonne efficacité thermique.Plus particulièrement, il est possible d'accroitre la température de surface jusqu'à 750"C, et de conserver l'isolement électrique entre la résistance électrique et la surface chauffante, à plus de 1 ML . De plus, il est possible de réduire la dilatation thermique de l'élément chauffant par la construction ci-dessus, en éliminant toute détérioration du contact entre l'élément chauffant et la plaque de verre cristallin, l'efficacité de la conduction thermique étant garantie. Les détails de l'invention apparaitront de la description en référence aux dessins annexés. La fig.1 est une vue perspective, avec arrachement, d'une plaque chauffante conforme à l'invention dans laquelle chaque élément est vu en coupe. Les figs.2 et 3 montrent des exemples de feutre de fibres céramiques résistant à la chaleur, durcis par un agent durcisseur résistant à la chaleur utilisé dans l'invention0 Sur la fig.1, la plaque chauffante conforme à l'invention est constituée d'une plaque de verre cristallin 1 renfermant une combinaison de Li20-Al203-Si02 ou de Li20-MgO-A1203- Si02 li étant la surface chauffante qui viendra en contact avec le récipient à chauffer. Le coefficient de dilatation thermique des plaques de verre cristallin qui sont utilisées dans l'invention est inférieur àS20xi0-7 cm/cmOC, et de préférence inférieur à + 10xi0-7 cm/cm C. 2 est une fine couche de fibres céramiques isolantes électriques convenant pour haute température, appliquée sur la face opposée à la surface il de la plaque de verre cristallin 1 L'élément chauffant 3 est constitué de substance métallique formée en ruban, déposée en forme de grecque et reliée aux bornes terminales 31 et 32 pour l'application du voltage; le ruban métallique est incorporé dans un feutre 4 constitué de fibre céramique isolante à la chaleur pour hautes températures, qui est durcie par un agent durcisseur résistant à la chaleur.Une couche élastique 5 d'un feutre de fibres céramiques réfractaires supportant 500"C, ou de laine de verre pour les températures inférieures à 500"C, est prévue sous la couche de matériau de feutre 4i l'élément métallique 3 est appliqué à la presse au travers de la fine couche de fibres céramiques 2 sur la face inférieure de la plaque de verre cristallin 1, par des moyens mécaniques exerçant leur pression entre la couche réfractaire 5 et la plaque de verre cristallin 1, de manière à déterminer une bonne conduction de la chaleur entre les éléments chauffants 3 et la plaque de verre 1. Sur la fig.2 l'élément métallique est constitué de bobines en galettes 203, forme qui convient particulièrement pour une plaque chauffante devant absorber la dilatation thermique consécutive à un élément chauffant à haute température. Sur la fig.3, l'élément chauffant métallique a une forme ondulée 303, procurant un effet semblable à celui de la bobine en galette. Les exemples suivants illustrent l'invention sans qu'elle soit limitée à ceux-ci. EXEMPLE I Une plaque de verre cristallin transparent, telle que décrite au brevet US 3.241.985, et faisant 270mm2 et 5mm d'épaisseur, est réalisée avec un verre de composition: 70% Si02 - 19,5% A1203 - 2,6% Li20 - 2% Zr02 - 1,5% Ti02 s 3 % Zno, 0,5% As203 - 0,5% Fb203 , par fusion à 16500C, et formation en plaque d'épaisseur 6mm, et polie en la ramenant à l'épaisseur de 5mm, par frottement avec une plaque de verre similaire portée à 8500C.La plaque de verre cristallin a une densité de 2,55, un coefficient de dilatation thermique moyen de 6x0-7 cm/cm0C, entre 20 et 800"C et un bon indice de réfraction; elle présente en outre une résistance de 1013'9 Stem. à 20"C , 104'8 Q cm à 500"C 103,5# cm à 7500C, et a des valeurs inférieures à mesure que la température devient plus élevée. Comme résistance électrique on utilise un alliage fer-chrome-aluminium renfermant 25% de chrome et 5,2% d'aluminium en poids, le reste en fer qui présente une résistance électrique de 142t. Q cm à 20"C. Des bobines en galette sont formées en laminant l'alliage en un ruban de 1,6mm de largeur et 0,14mm d'épaisseur, et en enroulant 2m,50 de ruban autour d'un fragment de papier kraft de 200mm de long, 15mm de largeur et imm d'épaisseur au pas de 2,8mm, l'élément chauffant étant formé en disposant 8 bobines parallèlement les unes aux autres, à égale distance sur une surface de 200mm2, et en connectant 4 bobines en série, les deux paires de 4 bobines étant connectées en parallèle.Un feutre humide de fibres céramiques résistant aux hautes températures, est formé en imprègnant un feutre de 270mm2 et de 12,5mm d'épaisseur,constitué de fibres faisant approximativement 3 microns de diamètre et lOOmm de longueur moyenne, et constitués de 51,9% de Si02 45,1% de A1203 - 1,7% de Ti02 - 1,3 h de Fe203, l'imprégnation étant faite avec un liant inorganique tel par exemple qu'un phosphate primaire d'aluminium, des sels complexes alcanolamine de phosphate primaire d'aluminium pouvant être utilisés avec un égal succès. Les bobines en qalette étant arrangées comme indiqué précédemment, sont interposées entre une paire de plaques résistant a la chialeur, l'ensemble étant séché à 1200C. Les bobines en galette sont alors portées à 600"C pendant 2 h. jusqu'à destruction du papier kraft servant de noyau, puis soumises au refroidissement, après quoi la paire de plaques résistant à la chaleur est enlevée. I1 est ainsi obtenu des bobines d'éléments chauffants résistants électriques de 7mm incorporées dans un feutre de fibres céramiques réalisant une plaque chauffante durcie.Comme couche de matériau isolant à la chaleur 5 on utilise deux feuilles de matériau en fibres céramiques d'épaisseur 25mm superposées. Comme coche isolante électrique 2, constituée de fibres céramiques élastiques résistant aux hautes températures, on utilisa une feuille de 0,5mm d'épaisseur en fibres céramiques courtes de 2 microns de diamètre, dont la composition est 47,6X SiO2 - 51,8% A1203 0,2% B203 - 0,3% Na20 - et 0,1% Fe203 Les matériaux tels que ci-dessus décrits sont mis en place selon la construction indiquée en fig.1, et soumis à compression en disposant une plaque d'acier inoxydable de lmm d'épaisseur sous la couche de matériau isolant à la chaleur 5, et en appliquant une pression mécanique à la plaque d'acier inoxydable et à la plaque de verre cristallin, la compression ramenant l'épaisseur totale à 50mm. Il en résulte que la face supérieure des bobines en galette constituant l'élément chauffant se trouve pressée contre la face inférieure de la plaque de verre cristallin au travers de la fine couche de fibres céramiques. La plaque chauffante ainsi réalisée est susceptible de procurer une puissance de 1,8 kw quand un voltage de 240 volts continu est appliqué aux bornes 31-32, la densité de charge de surface du ruban chauffant étant de 2,64 W/cm2 et par exemple 4,5 W par unité de surface de la surface chauffante. A la température normale, et après application de ce voltage, la tempéra turne de la surface chauffante devient de 2460C au bout de 105 sec. puis de 480"C après 5 minutes, pour atteindre 6260C comme équilibre thermique, ce qui correspond à des caractéristiques d'élévation de température extrêmement rapide. Lorsque la température d'équilibre est atteinte, un témoin d'acier inoxydable de 6,35rem de diamètre est solidarisé avec la surface de la plaque chauffante à l'aide d'une feuille d'atuminium et la résistance à l'isolement électrique entre la borne et la surface est mesurée, celle-ci étant de 20 M EXEMPLE 2 On réalise une plaque chauffante de même construction que dans l'exemple 1, en modifiant la forme du ruban chauffant et la puissance que l'on fait passer à 2,5KW,c'est- à -dire à 6,25 W par unité de surface chauffante, la température de surface d'équilibre atteignant 73O0C et la résistance à l'isolement étant de 15 M a , c'est-à-dire qu'il est obtenu une plaque chauffante de haute puissance. Bien que l'élément chauffant fait de bobines-galette comme il est indiqué sur la fig.2 résulte de l'incorporation des bobines dans un feutre humide, en portant l'ensemble à 6000C pour détruire le noyau de papier kraft, cette dernière opération n'est pas toujours nécessaire, dans le cas par exemple d'élément chauffant tel que montré en fig.3, de tels éléments pouvant être obtenus par un simple sèchage et durcissement. L'invention a été décrite dans des caractéristiques préférées, auxquelles il peut etre apporté des modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Méthode de. fabrication d'une plaque chauffante pour cuisson électrique, comportant l'application dgun élément métallique résistant électrique sur la face opposée à la surface chauffante d'une plaque de verre cristallin ayant un faible coefficient de dilatation thermique, ledit élément métallique résistant électrique étant incorporé dans un matériau céramique isolant à la chaleur pour hautes températures, durci avec un agent liant inorganique, ledit élément métallique résistant électrique étant oressé sur la face dorsale de ladite plaque de terre cristallin, une fine couche élastique d'un matériau fait de fibres céramiques isolantes électriques, étant interposée entre la plaque de verre cristallin et ledit élément métallique resistant électrique. 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ledit élément métallique résistant électrique est incorporé dans des portions dudit matériau céramique isolant à la chaleur pour hautes températures, se trouvant en retrait, les portions en relief dudit matériau céramique isolant à la chaleur entrant en contact avec la face de la plaque de verre cristallin opposée à sa surface de chauffe. 3. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ladite plaque de verre cristallin a un coefficient de dilatation thermique inférieur à + 20 x 10 7 cm/cm C. 4. Elément chauffant électrique, constitué: d'une plaque de verre cristallin de faible coefficient de dilatation thermique, comportant une surface de chauffe et une surface opposée à celle-ci; un élément métallique résistant électrique incorporé dans un matériau céramique isolant à la chaleur pour hautes températures, durci avec un agent liant inorganique, ledit élément métallique résistant électrique faisant face à la face opposée de ladite plaque de verre cristallin; une fine couche élastique de fibres céramiques isolantes électriques interposée entre la face opposée de ladite plaque de verre cristallin et ledit élément métallique résistant électrique, ce dernier étant pressé sur ladite face opposée de la plaque de verre cristallin, ladite fine couche élastique de fibres céramiques isolantes électriques restant interposée entre ladite face opposée de la plaque de verre cristallin et ledit élément métallique résistant électrique.