ПАРОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, СНАБЖЕННОЕ ГИДРОФИЛЬНЫМ ПОКРЫТИЕМ
STEAM-GENERATING DEVICE PROVIDED WITH HYDROPHILIC COATING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к парогенерирующему устройству, содержащему паровую камеру с гидрофильным покрытием. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу изготовления гидрофильного покрытия в паровой камере парогенерирующего устройства. Настоящее изобретение, в частности, относится к паровому утюгу, содержащему паровую камеру с гидрофильным покрытием.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нагревание воды выше 100°C при 1 атмосфере будет превращать ее в пар. В парогенерирующих устройствах, таких как паровые утюги, вода подается на горячую поверхность для генерации пара. Однако пар может образовывать изолирующую пленку между поверхностью и каплями воды, таким образом, практически замедляя испарение воды. Капли воды будут стремиться отскакивать от поверхности вместо испарения. Этот эффект называется эффектом Лейденфроста и обычно возникает при температуре выше 160°C. Этот эффект, например, наблюдается в паровых утюгах.
Были предложены различные способы предотвращения эффекта Лейденфроста, начиная от создания специальных конструкций в паровой камере, подобно ребрам, например, и кончая использованием покрытий на поверхности паровой камеры. Подходящее покрытие, способствующее парообразованию, является гидрофильным и относительно теплоизолирующим. Относительно теплоизолирующее свойство покрытия незначительно понижает температуру поверхности в отсутствие воды и предотвращает контакт воды с алюминиевым нижним слоем. Когда некоторое количество воды контактирует с поверхностью, поверхность немедленно охлаждается, по существу, ниже температур эффекта Лейденфроста. Также предпочтительно, чтобы такие покрытия, способствующие парообразованию, все же имели определенную степень пористости. В силу гидрофильного свойства покрытия, способствующего парообразованию, поданная вода легко распространяется по поверхности паровой камеры. Подходящее покрытие, способствующее парообразованию, обеспечивает сочетание оптимального смачивания, поглощения воды пористой структурой и высокой шероховатости поверхности.
Парогенерирующее устройство типа, описанного в преамбуле, известно из US 3499237. Известное устройство (паровой утюг) содержит композицию для покрытия, способствующего парообразованию, в основном, состоящую из силиката щелочного металла и стеклянного порошка. В частности, используется силикат натрия (жидкое стекло). Жидкое стекло можно сушить для формирования твердого стеклянного слоя. Благодаря своей неорганической природе он является термостойким и может использоваться в качестве покрытия, способствующего парообразованию, в паровом утюге. Благодаря своему высокому pH жидкое стекло вытравливает алюминиевую нижнюю часть подошвы утюга, таким образом, увеличивая сцепление слоя покрытия с алюминием. Основным недостатком жидкого стекла является его растворимость в воде, причем причиной является большое количество щелочи, присутствующей в жидком стекле. Как только воду добавляют в паровую камеру парового утюга, известный материал, способствующий парообразованию, будет, по меньшей мере, частично растворяться и может вымываться из паровой камеры. Этот эффект является более ярко выраженным, когда камеру декальцифицируют посредством промывания ее водой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых проблем. В частности, целью настоящего изобретения является создание парогенерирующего устройства с паровой камерой, содержащей гидрофильное покрытия с пониженной растворимостью в теплой и влажной окружающей среде. Другой целью является изготовление покрытия паровой камеры, которое менее подвержено эффекту Лейденфроста. Другой целью является создание способа нанесения композиции гидрофильного покрытия в паровой камере парового утюга для обеспечения парообразования.
Эти и другие цели достигнуты с помощью парогенерирующего устройства, содержащего паровую камеру, содержащую гидрофильное покрытие, состоящее из силиката щелочного металла, где покрытие дополнительно содержит бор. Предпочтительно, создано парогенерирующее устройство, содержащее паровую камеру, содержащую гидрофильное покрытие, содержащее силикат щелочного металла, где покрытие дополнительно содержит соль бора, даже более предпочтительно, борную кислоту с металлом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 - вид в частичном разрезе и частично сбоку парового утюга в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением создано парогенерирующее устройство, которое включает в себя паровую камеру, содержащую гидрофильное покрытие. Композиция для гидрофильного покрытия содержит силикат щелочного металла, а также бор, предпочтительно, соль бора с металлом. Комбинированное использование силиката щелочного металла и соли бора с металлом дает в результате покрытие после отверждения с отличной паропроизводительностью. В частности, изобретенное покрытие обнаруживает большую часть желаемых свойств покрытия, способствующего парообразованию, оно не только смещает эффект Лейденфроста к более высоким температурам, обнаруживает способность к оптимальному смачиванию и распределение воды в его пористую структуру, но также предотвращает или, по меньшей мере, уменьшает термоизоляцию и отслаивание покрытия. Другое преимущество композиции для покрытия в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что оно легко поддается разбрызгиванию.
3
3
Неожиданно было обнаружено, что добавление бора, предпочтительно, бората, в жидкое стекло и в основном в силикат щелочного металла уменьшает их растворимость. Полагают, что реакция бората со щелочью объясняет (частично) этот благоприятный эффект. Смешивание бората с силикатом щелочного металла и с жидким стеклом, в частности, при определенном соотношении Si:B:щелочи обеспечивает композиции, которые являются, по-прежнему, растворимыми в воде после смешивания, но становятся нерастворимыми после сушки. По-видимому, добавление бората эффективно уменьшило растворимость силиката щелочного металла после сушки, вероятно, в результате реакции со щелочью или ее частью. Полученное в результате покрытие боросиликата щелочного металла обнаруживает оптимальное сцепление с алюминиевой нижней частью, является, по существу, нерастворимым в воде и, кроме того, может обеспечивать оптимальную паропроизводительность. Известно, что борат может существовать в разных структурах, например, в качестве дибората, метабората, пиробората и т.д. Однако, настоящее изобретение не ограничивается любым из этих видов. Для удобства, борат может быть добавлен к силикату щелочного металла в виде борной кислоты и/или в виде соли борной кислоты с щелочным металлом. Также можно использовать эфиры бората, такие как, например, B(OCH).
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения парогенерирующее устройство отличается тем, что металлом является щелочной металл. Любой щелочной металл может быть в принципе использован, но предпочтительные элементы выбирают из группы натрия, лития и калия. Использование лития является особенно предпочтительным, если устойчивость композиции для покрытия, способствующего парообразованию, должна быть повышена. Использование калия является предпочтительным, если паропроизводительность покрытия, способствующего парообразованию, должна быть повышена.
Для создания благоприятного эффекта количество бората в композиции для покрытия, способствующего парообразованию, составляет, предпочтительно, между 1 и 40% масс. от всей композиции сухого покрытия (вода из композиции для покрытия, по существу, удалена). Более предпочтительно, количество бората составляет между 5 и 30% масс., наиболее предпочтительно, между 8 и 20% масс.
Механические свойства, и в частности прочность покрытия, могут быть улучшены посредством добавления в него наполнителей. Любой наполнитель, известный в области техники, может использоваться, включая частицы окисла металла, такие как оксид алюминия и диоксид кремния, минеральные частицы, подобные слюде, каолину и т.д., или их смеси. В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения гидрофильное покрытие парогенерирующего устройства содержит частицы диоксида кремния. Полагают, что эти частицы обеспечивают лучшие покрытия, возможно благодаря тому факту, что они отбирают некоторую часть щелочной фракции покрытия, например, соотношение Si/щелочи увеличивается, уменьшая дополнительно растворимость готового материала. Коллоидальний диоксид кремния (например, из Ludox (Degussa)) может использоваться, но более предпочтительно, используются более крупнодисперсные диоксиды кремния. Примерами являются коллоидальные диоксиды кремния (например, Aerosil (Degussa)) или осажденные диоксиды кремния (Sipernat (Degussa)).
Для получения покрытий с улучшенными механическими свойствами количество наполнителя в композиции для покрытия, способствующего парообразованию, составляет, предпочтительно, между 5 и 60% мас. всей композиции сухого покрытия (термин «сухой» означает, что вода из композиции для покрытия, по существу, удалена). Более предпочтительно, количество наполнителя составляет между 10 и 40% мас., наиболее предпочтительно, между 15 и 25% мас.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления гидрофильного покрытия в паровой камере парогенерирующего устройства. Способ включает в себя приготовление смеси из силиката щелочного металла и соли бора с металлом, подачу смеси в паровую камеру и отверждение смеси при повышенной температуре для формирования гидрофильного покрытия. Подача смеси в паровую камеру, предпочтительно, выполняется посредством распыления.
В частности, способ отличается тем, что бор, предпочтительно борная кислота, растворяется в воде, в которую добавлен гидроксид щелочного металла. Подходящими гидроксидами металлов являются гидроксид натрия, гидроксид лития и гидроксид калия, причем гидроксид калия является наиболее предпочтительным щелочным соединением. Затем, этот раствор вмешивают в раствор силиката щелочного металла. Полученный в результате (прозрачный) раствор, обычно имеющий повышенную вязкость, затем наносят на алюминиевый нижний слой и отверждают при повышенной температуре в гидрофильное покрытие. Получают, по существу, нерастворимое пористое боросиликатное покрытие. Полученное покрытие способствует образованию пара без возникновения отслаивания и/или других неблагоприятных эффектов.
Дополнительное преимущество покрытия в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что подходящие покрытия могут быть получены в широком диапазоне толщин. Благодаря благоприятной реологии композиции для покрытия настоящего изобретения и, в частности, его относительно низкой вязкости, довольно тонкие покрытия можно легко наносить. Толщину слоя покрытия можно, таким образом, регулировать в зависимости от конкретного типа используемого материала, способствующего парообразованию. Толстые непористые слои покрытия будут предотвращать эффект Лейденфроста вплоть до высоких температур. Однако, если слой слишком толстый, теплопроводность через слой сильно ограничивает скорость испарения. Особенно при низких температурах и высоких скоростях подачи воды вода может вытекать из парогенерирующего устройства. Если слой покрытия слишком тонкий, скорости испарения при низких температурах являются более высокими. Однако парогенерирующее устройство будет в этом случае более предрасположено к эффекту Лейденфроста, и вода, контактирующая с поверхностью, может отскакивать, приводя к шипению парогенерирующего устройства при высоких температурах. Для пористых слоев покрытия могут быть достигнуты высокие скорости испарения как при низких температурах (благодаря лучшему распространению), так и при высоких температурах. Толщина слоя, кроме того, может ограничиваться механическими свойствами материала покрытия. Отслаивание может произойти, если слои покрытия превышают определенную критическую толщину. В сущности, предпочтительная толщина слоя покрытия колеблется между 1 и 100 микронами, более предпочтительно, между 20 и 80 микронами, и, наиболее предпочтительно, между 30 и 60 микронами.
Для улучшения сцепления между покрытием и алюминиевым нижним слоем алюминий можно чистить посредством промывания с использованием органического растворителя и/или с помощью механического способа, такого как пескоструйная очистка. Смачивание алюминиевой поверхности также можно улучшить посредством добавления поверхностно-активных веществ в смесь покрытия.
Отверждение композиции для покрытия выполняется при повышенной температуре, причем конкретная температура отверждения (или сушки) зависит от композиции покрытия. Неотвержденная композиция для покрытия может быть доведена до температуры отверждения посредством нагревания в печи или с помощью любого другого источника теплоты, такого как источник инфракрасного излучения, ультразвукового источника и т.д. Однако предпочтительный способ отверждения включает в себя нагревание самой поверхности паровой камеры. Таким образом, покрытие отверждается от его внутренней поверхности к его наружной поверхности, что оказывает благотворный эффект на свойства изготовленного покрытия. Внутренней поверхностью является поверхность, расположенная ближе всего к алюминиевому нижнему слою, причем наружной поверхностью является поверхность, наиболее удаленная от алюминиевого нижнего слоя. Слишком быстрая сушка/отверждение композиции для покрытия может привести к точкам кипения в отвержденном покрытии. Следовательно, необязательно предварительно нагревать поверхность паровой камеры перед нанесением композиции для покрытия.
Настоящее изобретение будет более подробно объяснено с помощью прилагаемого чертежа и с помощью нижеследующих примеров, однако, не ограничиваясь этим.
Паровой утюг, изображенный на фиг.1, состоит из корпуса 1, который закрыт на нижней стороне алюминиевой подошвой 2, которая содержит тонкий слой нержавеющей стали на нижней стороне 3. Подошва содержит вертикальные ребра 4 на внутренней стороне, и на этих ребрах расположена алюминиевая пластина 5 таким образом, что паровая камера 6 образована между внутренней стороной подошвы 2 и пластиной 5. Паровая камера 6 уплотнена упругим силиконовым каучуком 7. Паровой утюг дополнительно содержит емкость 8 для воды. С помощью механизма 9 накачки вода из емкости 8 может разбрызгиваться непосредственно на разглаживаемую одежду. С помощью механизма 9 накачки воды может подаваться из емкости 8 в паровую камеру 5, таким образом, увеличивая паропроизводительность. Эта вода проходит через отверстие в пластине 5 в нижнюю часть паровой камеры 6. Нижняя часть паровой камеры 6 содержит гидрофильное покрытие 11 паровой камеры. Гидрофильное покрытие 11 изготавливается и наносится, как будет описано в нижеследующих примерах.
Во всех примерах водная суспензия была изготовлена из указанных ингредиентов посредством простого смешивания. Суспензии, полученные таким образом, впоследствии наносились на нижнюю часть паровой камеры 6 и, затем, сгущались посредством сушки и/или отверждения. Таким образом, получают гидрофильное покрытие 11 паровой камеры (фиг.1).
Пример I - влияние количества бората
В данном ряде экспериментов было проанализировано влияние количества бората на растворимость отвержденного покрытия. Были использованы разные количества борной кислоты, как указано в таблице 1. 20 граммам жидкого стекла (Aldrich) были смешаны с 0,5, 1, 1,5 и 2 граммами борной кислоты и дополнительной водой для растворения борной кислоты. В случае добавления 2 граммов борной кислоты образовался осадок, который не растворился даже при добавлении 55 грамм воды. Полученный в результате материал был нанесен на алюминиевую подошву и отвержден при 220°C. После отверждения в течение 2 минут вода стекала на нагретый материал в течение короткого времени. За целостностью покрытия наблюдали визуально. Без добавления борной кислоты слой жидкого стекла растворился. С увеличением количества борной кислоты растворимость уменьшилась. Приблизительно при соотношении Si:B от 2,8 до 1 слой покрытия стал нерастворимым.
Таблица 1
Приготовленные растворы и результаты
Жидкое стекло
Борная кислота
вода
Si
Na
B
Растворение
20 г
0 г
-
2,76
2,1
-
да
20 г
0,5 г
10
2,76
2,1
0,25
частично
20 г
1 г
10
2,76
2,1
0,5
частично
20 г
1,5 г
20
2,76
2,1
0,75
частично
20 г
2,0 г
55
2,76
2,1
1
нет
Пример II - влияние количества щелочи
В данном ряде экспериментов было проанализировано влияние количества щелочи на растворимость покрытия. Поскольку растворимость борной кислоты в жидком стекле ограничена, была использована дополнительная щелочь для предварительного растворения борной кислоты и добавления полученного в результате раствора в жидкое стекло. В данных экспериментах 2 грамма борной кислоты были смешаны с определенным количеством гидроксида щелочи (как указано в таблицах 2 и 3) в 8 граммах воды. Борная кислота растворилась. В некоторых случаях полученный в результате борат снова выпал в осадок.
Полученный в результате раствор или суспензия были добавлены к 20 граммам жидкого стекла, приводя к прозрачному раствору. Раствор покрытия был нанесен в паровую камеру парового утюга и отвержден при 220°C. Растворение покрытия было проверено при 220°C с использованием капающей воды и подтверждено визуально.
В случае NaOH (таблица 2) растворимость начала увеличиваться, когда было добавлено более 0,8 граммов NaOH. Нормализуя по отношению к количеству бора, это соответствует соотношению Si:Na:B = 2,76:2,72:1. Меньшие количества Na приводили к неполной растворимости борной кислоты в используемом количестве воды.
Таблица 2
Приготовленные растворы и результаты
Жидкое стекло
Борная кислота
NaOH
Si
Na1
B
Na2
Na1 + Na2
Растворение
20 г
2 г
0,4
2,76
2,1
1
0,33
2,43
нет
20 г
2 г
0,6
2,76
2,1
1
0,46
2,56
нет
20 г
2 г
0,8
2,76
2,1
1
0,62
2,72
нет
2
Для LiOH (Таблица 3) были получены подобные результаты. При добавлении более 1 грамма LiOH.HO наблюдалось частичное растворение в опыте с капанием. Нормализуя по отношению к количеству бора, это соответствует соотношению Si:(Na+Li):B = 2,76:2,84:1. Меньшие количества Li привели к неполной растворимости борной кислоты в используемом количестве воды.
Таблица 3
Приготовленные растворы и результаты
Жидкое стекло
Борная кислота
LiOH
Si
Na
B
Li
Na + Li
Растворение
20 г
2 г
0,5
2,76
2,1
1
0,37
2,47
нет
20 г
2 г
0,6
2,76
2,1
1
0,44
2,54
нет
20 г
2 г
0,8
2,76
2,1
1
0,59
2,69
нет
20 г
2 г
1,0
2,76
2,1
1
0,74
2,84
нет
Для KOH (таблица 4) растворимость увеличилась до некоторой степени, и могло быть добавлено меньше щелочи. Добавление более 1 грамма KOH привело к покрытию, которое частично растворилось в опыте с капанием. Нормализуя по отношению к количеству бора, это соответствует соотношению Si:(Na+K):B = 2,76:2,65:1. Меньшие количества K привели к неполной растворимости борной кислоты в используемом количестве воды.
Таблица 4
Приготовленные растворы и результаты
Жидкое стекло
Борная кислота
KOH
Si
Na
B
Ki
Na + K
Растворение
20 г
2 г
0,99
2,76
2,1
1
0,54
2,65
нет
Опыты, показанные в данном документе, не являются полными, но указывают на то, что при заданном количестве ингредиентов практический рабочий диапазон для добавляемой щелочи увеличивается от K к Li.
Пример III - влияние наполнителей
Дополнительное увеличение механической прочности может быть достигнуто посредством заполнения боросиликатных смесей, например, диоксидом кремния или оксидом алюминия. Также могут быть использованы другие наполнители в соответствии с обычной практикой в промышленности покрытий. Добавление наполнителей также является благоприятным для поведения при парообразовании слоя покрытия, который наносился. В этих опытах, например, могут использоваться частицы диоксида кремния с размером тонкодисперных частиц. Они поставляются в продажу фирмой Degussa (Aerosil) или фирмой Grace (Syloid). Частицы оксида алюминия могут быть получены, например, из фирмы Degussa (например, Alu-C) или фирмы Baikowski (Baikolox).
В примере 2 грамма борной кислоты были растворены в 8 граммах воды с 1,4 грамма KOH. Полученный в результате раствор был добавлен в 20 граммов жидкого стекла, получая прозрачный раствор с низкой вязкостью. В этот раствор была добавлена дисперсия 2,8 грамма Syloid C809 в 15 граммах воды. Полученная в результате суспензия была разбрызгана в паровой камере парового утюга. Покрытие было отверждено посредством прямого нагревания подошвы до 220°C. Беловатый слой обеспечил оптимальную эффективность парообразования и оптимальное сцепление с алюминиевой подошвой. Сопоставимые результаты были получены при использовании Alu-C (оксида алюминия) от фирмы Degussa при одних и тех же количествах.
Также могут быть использованы частицы коллоидального диоксида кремния для обеспечения преимущества. Они имеются в продаже, например, под торговой маркой Ludox или Bindzil. Добавление Ludox As40, например, повышает механическую прочность чистого боросиликатного раствора.
2
В другом примере в соответствии с настоящим изобретением 2 грамма борной кислоты были диспергированы в 8 граммах воды с 0,5 грамма LiOH.HO. Смесь была вмешана в 20 граммов жидкого стекла. После этого, 10,8 грамма дисперсии диоксида кремния от фирмы Degussa (Aerodisp 1226, pH 9<5, размер частицы 0,25 микрона) были добавлены в эту смесь. Полученная в результате композиция для покрытия была нанесена на подошву парового утюга и отверждена при 220°C в течение 2 минут. Стекание воды на покрытие привело к мгновенному образованию пара, показывая, что температура Лейденфроста была более 220°C.
2
В другом примере, 2 грамма борной кислоты были диспергированы в 8 граммах воды с 0,5 грамма LiOH.HO. Смесь была вмешана в 20 граммов жидкого стекла. После этого смесь из 7 граммов Ludox AS40 (pH 9,5, 20 микрон) и 7 граммов воды была добавлена в эту смесь. Композиция для покрытия, полученная таким образом, была разбрызгана на подошву и отверждена при 220°C в течение 2 минут. Стекание воды на покрытие привело к мгновенному образованию пара, показывая, что температура Лейденфроста была более 220°C.
В качестве альтернативы, наполнители могут быть диспергированы непосредственно в растворы бората вместо использования предварительно диспергированных наполнителей.
Например, 2 грамма борной кислоты были растворены в 12 граммах воды с 1,4 граммами KOH. Затем, 2,8 грамма Aerosil OX50 были добавлены при вмешивании, получая вязкий материал с однородной консистенцией. Полученный в результате материал был добавлен к 20 граммам жидкого стекла. Композиция для покрытия, полученная таким образом, была разбрызгана на подошву и отверждена при 220°C в течение 2 минут. Стекание воды на покрытие привело к мгновенному образованию пара, показывая, что температура Лейденфроста была более 220°C.
Необходимо подчеркнуть, что конкретные количества ингредиентов, используемых в примерах, могут изменяться в зависимости от типа жидкого стела, которое используется. Торговые сорта жидкого стекла могут изменяться по содержанию твердого вещества и соотношению Si/Na.
Композиции для покрытия в соответствии с настоящим изобретением могут также использоваться для утюгов, имеющих отдельную паровую камеру, соединенную с утюгом при помощи рукава.
Настоящее изобретение относится к парогенерирующему устройству, содержащему паровую камеру с гидрофильным покрытием. Гидрофильное покрытие содержит силикат щелочного металла и бор, предпочтительно соль бора с металлом. Покрытие способствует парообразованию и устойчиво к отслаиванию. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления гидрофильного покрытия в паровой камере парогенерирующего устройства и к утюгу, содержащему парогенерирующее устройство.