УСТРОЙСТВО С ГИДРОФИЛЬНЫМ ПОКРЫТИЕМ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПАРА

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для генерирования пара, содержащему паровую камеру с гидрофильным покрытием. Изобретение также относится к способу создания гидрофильного покрытия в паровой камере устройства для генерирования пара. Изобретение, в частности, относится к паровому утюгу, содержащему паровую камеру с гидрофильным покрытием.

Уровень техники

Нагревание воды выше 100°С при давлении, равном 1 атмосфере, превращает ее в пар. В устройствах для генерирования пара, таких как паровые утюги, вода подается на горячую поверхность, чтобы генерировать пар. Однако пар может образовать изолирующий слой между поверхностью и каплями воды, таким образом фактически замедляя испарение воды. Капли воды будут иметь тенденцию скакать по поверхности вместо того, чтобы превращаться в пар. Данный эффект называется эффектом Лейденфроста и обычно имеет место при температуре выше 160°С. Данный эффект наблюдается, например, в паровых утюгах.

Для предотвращения эффекта Лейденфроста предлагались различные методы от создания специальных структур в паровой камере, например, наподобие ребер, до использования покрытий на поверхности паровой камеры. Пригодное покрытие, интенсифицирующее образование пара, является гидрофильным и относительно теплоизолирующим. Относительно теплоизолирующий характер покрытия предотвращает контакт воды с горячей алюминиевой подложкой. Когда некоторое количество воды контактирует с поверхностью, данная поверхность сразу же охлаждается фактически до температур ниже температуры эффекта Лейденфроста. Предпочтительно также такие покрытия, интенсифицирующие образование пара, обладают некоторой степенью пористости. Благодаря гидрофильному характеру покрытия, интенсифицирующего образование пара, поданная вода легко разносится по поверхности паровой камеры. Пригодное покрытие, интенсифицирующее образование пара, обеспечивает сочетание хорошего смачивания, впитывания воды в пористую структуру и высокой шероховатости поверхности.

Устройство для генерирования пара данного типа, описанное во вводной части, известно из US 5060406. Известное устройство (паровой утюг) содержит покрытие, интенсифицирующее образование пара, преимущественно состоящее из диоксида кремния, наполнителей и кислого фосфата, в частности, монофосфата алюминия. Благодаря наличию относительно большого количества наполнителей, известные смеси для покрытия являются очень вязкими и не могут легко наноситься методами распыления. Монофосфат алюминия растворим в воде, может просушиваться и отверждаться в по существу нерастворимое неорганическое покрытие, а также действует как кислотный стабилизатор для коллоидных смесей диоксида кремния, используемый в US 5060406. Кроме того, он имеет низкий рН и, следовательно, протравляет алюминиевую подложку, что улучшает сцепление между покрытием и алюминиевой подложкой. Поэтому было бы желательно, если бы покрытие, интенсифицирующее образование пара, основанное преимущественно только на монофосфатах алюминия, можно было наносить на поверхность паровой камеры. Однако такие покрытия являются слишком хрупкими и поэтому могут наноситься только с малыми толщинами, обычно меньше, чем один микрон. Это нежелательно, помимо прочего, поскольку такие малые толщины увеличивают риск возникновения эффекта Лейденфроста.

Таким образом, известное покрытие, интенсифицирующее образование пара, не уменьшает эффекта Лейденфроста до желаемого уровня и является либо слишком вязким, либо слишком хрупким, в частности, в среде с высокой степенью влажности и относительно высокой температурой. Данная хрупкость вызывает отслаивание чешуек от покрытия паровой камеры, и упомянутые чешуйки могут выходить из утюга через отверстия для пара.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых проблем. При этом цель изобретения заключается в том, чтобы создать, в частности, паровой утюг, который содержит покрытие паровой камеры, которое является менее чувствительным к внутренним напряжениям в теплой и влажной среде. Другой целью является создание покрытия паровой камеры, которое является менее чувствительным к эффекту Лейденфроста. Другой целью является создание способа нанесения такого покрытия, интенсифицирующего образование пара, в паровой камере парового утюга.

Эти и другие цели достигаются посредством устройства для генерирования пара, содержащего паровую камеру, снабженную гидрофильным покрытием, содержащим кислый фосфат, причем покрытие также содержит бор и, предпочтительно, соль бора и металла.

На чертеже:

Фиг.1 представляет собой вид частично в разрезе и частично в вертикальной проекции парового утюга в соответствии с изобретением.

Подробное описание вариантов осуществления

В соответствии с изобретением создано устройство для генерирования пара, содержащее паровую камеру, снабженную гидрофильным покрытием. Гидрофильное покрытие содержит кислый фосфат, а также бор. В предпочтительном варианте осуществления гидрофильное покрытие содержит кислый фосфат, а также соль бора и металла. Совместное использование кислого фосфата и бора, и, предпочтительно, соли бора и металла, обеспечивает покрытие, которое, после отверждения, обладает очень высокими свойствами для образования пара. В частности, покрытие настоящего изобретения демонстрирует большую часть желаемых характеристик покрытия, интенсифицирующего образование пара: оно не только смещает эффект Лейденфроста к более высоким температурам, оно также демонстрирует хорошее смачивание и хорошее проникание воды в пористую структуру.

Другое преимущество покрытия в соответствии с изобретением заключается в том, что количество наполнителя в покрытии может быть ниже, чем в покрытии, известном до настоящего времени. Наполнение покрытия частицами может улучшать свойства для образования пара, а также увеличивает вязкость неотвержденного покрытия. Это может приводить к трудному нанесению покрытия, и предпочтительный метод распыления может оказаться неприменимым. Покрытие настоящего изобретения является легко распыляемым.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство для генерирования пара отличается тем, что металлом является щелочной металл. В принципе можно использовать любой щелочной металл, однако предпочтительные элементы выбираются из группы из натрия, лития и калия. Использование лития особенно предпочтительно, если необходимо улучшить стойкость состава покрытия, интенсифицирующего образование пара. Кроме того, установлено, что использование лития также улучшает прочность покрытия, интенсифицирующего образование пара.

В соответствии с изобретением гидрофильное покрытие паровой камеры содержит кислый фосфат. Необходимо понимать, что это означает фосфат металла, в котором фосфат содержит, по меньшей мере, один протон (НРО₄ ²- или Н₂РО₄-). Примерами пригодных соединений являются MgHPO₄ и Zn(H₂PO₄)₂. Кислый фосфат в покрытии паровой камеры обеспечивает хорошее сцепление с алюминиевой подложкой.

Продемонстрировано, что в данном отношении фосфаты алюминия, более конкретно, трифосфат алюминия (Al(H₂PO₄)₃), могут использоваться очень эффективно. Данные соединения можно использовать с дополнительными наполнителями в покрытии паровой камеры, в котором они в данном случае служат в качестве связующих. Было обнаружено, что наличие фосфата алюминия в покрытии паровой камеры гарантирует, что такое покрытие является, в частности, нерастворимым в воде.

Чтобы обеспечить благоприятный эффект, количество бората в покрытии, интенсифицирующем образование пара, предпочтительно, находится в пределах от 1 до 40% вес. относительно общего веса композиции просушенного покрытия (вода в составе покрытия по существу удаляется). Более конкретно, количество бората находится в пределах от 5 до 30% по весу, наиболее предпочтительно, от 8 до 20% по весу.

Механические свойства и, в частности, прочность покрытия, можно улучшить посредством добавления в него наполнителей. Можно использовать любой наполнитель, известный в данной области техники, включая частицы оксидов металлов, таких как оксид алюминия или диоксид кремния, и минеральные частицы, такие как слюда, белая глина и др. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения гидрофильное покрытие устройства для генерирования пара содержит частицы оксида алюминия. Предполагается, что данные частицы обеспечивают более прочные покрытия, поскольку они способны удалять любую избыточную фосфорную кислоту, присутствующую в доступных на коммерческой основе растворах фосфата алюминия.

Чтобы создавать покрытия с улучшенными механическими свойствами, количество наполнителя в покрытии, интенсифицирующем образование пара, предпочтительно, находится в пределах от 5 до 60% вес. относительно общего веса композиции просушенного покрытия (вода в составе покрытия по существу удаляется). Более конкретно, количество наполнителя находится в пределах от 10 до 40% по весу, наиболее предпочтительно, от 15 до 25% по весу. Качество покрытия можно оптимизировать посредством добавления дополнительных оксидов металлов в раствор покрытия.

Данное изобретение также относится к способу создания гидрофильного покрытия в паровой камере устройства для генерирования пара. Данный способ включает приготовление смеси кислого фосфата и соли бора и металла, введение данной смеси в паровую камеру и отверждение смеси при повышенной температуре для образования гидрофильного покрытия. Введение смеси в паровую камеру, предпочтительно, осуществляется посредством распыления.

В частности, данный способ отличается тем, что борную кислоту растворяют в воде, в которую добавлен гидроксид щелочного металла. Пригодными гидроксидами металлов являются гидроксид натрия, гидроксид лития и гидроксид калия, причем гидроксид лития является наиболее предпочтительным соединением щелочного металла. Затем данный раствор (или суспензию) смешивают с раствором кислого фосфата. Образующийся, в результате, (прозрачный) раствор, обычно обладающий повышенной вязкостью, наносят на алюминиевую подложку и отверждают при повышенной температуре до образования гидрофильного покрытия паровой камеры. Получают по существу нерастворимое, пористое покрытие из борофосфата алюминия. Полученное покрытие интенсифицирует образование пара без возникновения шелушения и/или других неблагоприятных эффектов.

Дополнительное преимущество покрытия в соответствии с данным изобретением заключается в том, что можно получать пригодные покрытия в широком диапазоне толщин. Благодаря благоприятной реологии состава покрытия настоящего изобретения и, в частности, его относительно низкой вязкости, можно легко наносить достаточно тонкие покрытия. Таким образом, толщина слоя покрытия может регулироваться в зависимости от конкретного типа используемого материала, интенсифицирующего образование пара. Толстые, непористые слои покрытия будут предотвращать эффект Лейденфроста вплоть до высоких температур. Однако, если слой является слишком толстым, теплопроводность данного слоя слишком сильно ограничивает скорость образования пара. Особенно при более низких температурах и высоких скоростях подачи вода может вытекать из устройства для генерирования пара. Если слой покрытия слишком тонкий, то скорость образования пара при низких температурах будет более высокой. Однако в данном случае устройство для генерирования пара будет более подверженным эффекту Лейденфроста, и вода, контактирующая с поверхностью, может отскакивать, приводя к разбрызгиванию устройства для генерирования пара при высоких температурах. Для пористых слоев покрытия можно достигнуть высоких скоростей образования пара как при низких температурах (благодаря лучшему распределению), так и при высоких температурах. Кроме того, толщина слоя может ограничиваться механическими свойствами материала покрытия. Шелушение может возникать, если слои покрытия превышают определенную критическую толщину. Вообще говоря, предпочтительные толщины слоя покрытия изменяются в пределах от 1 до 100 мкм, более предпочтительно, от 20 до 80 мкм, и наиболее предпочтительно, от 30 до 60 мкм.

Чтобы улучшить сцепление между покрытием и алюминиевой подложкой, алюминий можно очищать посредством промывания органическим раствором и/или механическими средствами, например, пескоструйной очисткой. Смачивание поверхности алюминия можно также улучшать посредством добавления поверхностно-активных веществ в смесь покрытия.

Отверждение смеси осуществляется при повышенной температуре, причем конкретная температура отверждения зависит от состава покрытия. Неотвержденное покрытие может доводиться до температуры отверждения посредством нагревания в печи или при помощи другого нагревающего источника, такого как инфракрасное излучение, ультразвуковое излучение и др. Однако предпочтительный способ отверждения включает нагревание самой поверхности паровой камеры. Таким образом, покрытие отверждается от внутренней поверхности до его наружной поверхности, что оказывает благоприятный эффект на свойства создаваемого покрытия. Внутренней поверхностью является поверхность, расположенная рядом с алюминиевой подложкой, а наружной поверхностью является поверхность, наиболее удаленная от алюминиевой подложки. Слишком быстрое просушивание/отверждение состава покрытия может привести к следам кипения в отвержденном покрытии. Поэтому предпочтительно предварительно нагреть подошву утюга перед нанесением состава покрытия.

Ниже изобретение будет описано более подробно посредством прилагаемого чертежа и посредством приведенных ниже примеров, но не ограниченное ими.

Паровой утюг, показанный на фиг.1, состоит из корпуса 1, который закрыт с нижней стороны алюминиевой подошвой 2, которая содержит тонкий слой нержавеющей стали на нижней стороне 3. На внутренней стороне подошва утюга содержит вертикальные ребра 4, на которых расположена алюминиевая пластина 5 таким образом, что между внутренней стороной подошвы 2 и пластиной 5 образована паровая камера 6. Паровая камера 6 уплотнена эластичной силиконовой резиной 7. Паровой утюг также содержит емкость 8 для воды. Посредством механизма 9 нагнетания вода из емкости 8 может разбрызгиваться прямо на проглаживаемую одежду. Посредством механизма 10 нагнетания вода может перекачиваться из емкости 8 в паровую камеру 5, таким образом увеличивая выход пара. Данная 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 изготовлено и создано, как описано в приведенных ниже примерах.

Во всех примерах водная суспензия была образована из указанных ингредиентов посредством простого смешивания. Затем полученные таким образом суспензии внесли в нижнюю часть паровой камеры 6 и затем нарастили. Таким образом, получено гидрофильное покрытие 11 паровой камеры (фиг.1). Сцепление с алюминиевой нижней частью паровой камеры 6 усиливается, поскольку ионы кислоты Н₂РО₄ ²- взаимодействуют с металлами и оксидами до тех пор, пока не образуются устойчивые нерастворимые соединения, которые уже не взаимодействуют с водой. В монофосфате алюминия (МАР) соотношение Al и Р равно 1:3. Доступный на коммерческой основе МАР может отличаться по количеству имеющейся в наличии фосфорной кислоты и, следовательно, по соотношению Al и Р. В примерах коммерчески доступный МАР от компании Sigma-Aldrich был использован как технический сорт от компании Alfa Aesar.

Пример 1 - влияние количества бора

В данной серии экспериментов было проанализировано влияние количества бора на собственную нерастворимость и стойкость МАР к образованию пара. Как показано в Таблице 1, в МАР растворяли различные количества борной кислоты. С увеличением содержания борной кислоты необходимо было увеличивать количество дополнительной воды, чтобы растворять борную кислоту в МАР. Уже при относительно низких количествах бора наблюдались преимущества в соответствии с изобретением. Чистый МАР, нанесенный на алюминиевую подошву и отвержденный при температуре 220°С, продемонстрировал ухудшение качества слоя покрытия. И наоборот, никакого разрушения или растворения МАР, модифицированного бором, не наблюдалось для всех уровней содержания бора.

Пример II - влияние количества щелочи

В данной серии экспериментов было проанализировано влияние количества щелочи на растворимость покрытия. Поскольку растворимость борной кислоты в МАР ограничена, дополнительная щелочь была использована, чтобы предварительно растворить борную кислоту и добавить полученный, в результате, раствор в МАР, следовательно, количество дополнительной воды для растворения борной кислоты снизилось, и время приготовления сократилось. В экспериментах 2 г борной кислоты смешивали с определенным количеством гидроксида щелочного металла (как показано в Таблицах 2 и 3) в 8 г воды. Борная кислота растворялась. В некоторых случаях, в результате, борат снова выпал в осадок. Полученный, в результате, раствор или суспензию добавляли к 20 г МАР. Наблюдалось, что могут образовываться некоторое количество частиц геля, однако данные частицы снова растворяются при перемешивании. При более высоких количествах щелочи образовался гель. Раствор покрытия вносили в паровую камеру парового утюга и отверждали при температуре 220°С. Растворение покрытия проверяли при температуре 220°С по стекающей каплями воде и контролировали визуально.

В случае LiOH (Таблицы 2 и 3) наблюдался очевидный диапазон, который мог быть добавлен. Эксперименты проводились посредством смешивания 20 г МАР с раствором 2 г борной кислоты и 0,4 г LiOH.H₂O в 8 г воды. Полученная, в результате, смесь была слегка мутной и обладала низкой вязкостью. Введение в паровую камеру и последующее просушивание при температуре 220°С обеспечили хорошее парообразование. Ниже 0,4 г борная кислота не растворялась в воде. Выше 1 г МАР начинал превращаться в гель при добавлении бората. Известно, что МАР является чувствительным к изменениям в рН. Вообще, добавление основания к МАР будет приводить к выпадению в осадок МАР. Количество щелочи, которое может быть добавлено, зависит от количества свободной фосфорной кислоты, присутствующей в МАР. В данном случае наблюдалось, что использованный технический сорт МАР мог принять большее количество LiOH, предположительно, благодаря наличию больших количеств фосфорной кислоты. Вообще, предпочтительно использовать как можно меньше щелочи для предварительного растворения борной кислоты.

При добавлении NaOH вместо LiOH (Таблица 4) были обнаружены подобные результаты, хотя диапазон был более ограниченным. В данных экспериментах 2 г ВОН₃ растворяли в 8 г воды с 0,4 г NaOH. Раствор смешивали с 20 г МАР (50%). Полученную, в результате, смесь (Al:Р:В:Na=1:3:1:0,31) вводили в паровую камеру и просушивали при температуре 220°С посредством прямого нагревания подошвы утюга. Наблюдалось хорошее парообразование при отсутствии шелушения или ухудшения качества покрытия.

В случае добавления в раствор гидроксида калия (таблицы 6 и 7) чувствительность к гелеобразованию была слишком высокой, чтобы получить пригодные для работы растворы. При эквимолярном количестве КОН борат выпадает в осадок. Осажденный борат добавили к МАР, образуя некоторое количество загустевших частиц, которые снова растворялись. Прочность образованного, в результате, слоя была меньше, чем прочность борофосфата алюминия, модифицированного литием. Ниже 1 грамма КОН борная кислота полностью не растворялась. Выше данного количества МАР продемонстрировал гелеобразование при добавлении бората.

В соответствии с изобретением количество борной кислоты, которое можно добавлять, не ограничивается соотношением Al и В, равным 1:1. Возможно добавление больших количеств борной кислоты, однако это приводит к необходимости больших количеств щелочи, чтобы получить практически растворенную борную кислоту.

Пример III - влияние наполнителей

Дополнительное увеличение механической прочности можно достигнуть посредством наполнения борофосфатных смесей, например, диоксидом кремния или оксидом алюминия. Можно также использовать и другие наполнители в соответствии с обычной практикой в отрасли нанесения покрытий. Добавление наполнителей также выгодно для улучшения поведения нанесенного слоя покрытия при образовании пара. В данных экспериментах использовался коллоидный диоксид кремния. Они доступны на коммерческой основе, например, под торговой маркой Ludox или Bindzil. По соображениям совместимости, предпочтительно, чтобы диоксид кремния был положительно заряженным. Примером является Ludox-Cl, диоксид кремния с поверхностью, модифицированной атомами алюминия. Добавление Ludox AS40, который является отрицательно заряженным диоксидом кремния, обычно является менее предпочтительным.

В примере 20 г МАР смешали с раствором 2 г борной кислоты и 0,4 г LiOH.H₂O в 8 г воды. Полученная, в результате, смесь была слегка мутной и обладала низкой вязкостью. 4 г Ludox-Cl медленно добавляли при перемешивании, таким образом, немного увеличивая вязкость. Внесение в паровую камеру и последующее просушивание при температуре 220°С обеспечило покрытие с хорошими свойствами для образования пара и повышенной механической прочностью.

В сравнительном примере 4 г Ludox-Cl были добавлены к 20 г МАР. Прозрачный раствор вводили в паровую камеру и затем отверждали посредством прямого нагревания подошвы утюга. Целостность покрытия оказалась слабой, как и качество при образовании пара.

Можно также с успехом использовать более грубые диоксиды кремния, такие как Syloid C809 (Grace) или оксид алюминия Alu-C от компании Degussa. В примере 20 г МАР смешали с раствором 2 г борной кислоты и 0,4 г LiOH.H₂O в 8 г воды. Полученная, в результате, смесь была слегка мутной и обладала низкой вязкостью. При добавлении дисперсии 2,8 г Syloid C809 в 15 г воды был получен прозрачный раствор. Внесение в паровую камеру и последующее просушивание при температуре 220°С обеспечило покрытие с хорошими свойствами для парообразования и повышенной механической прочностью.

В сравнительном примере 2,8 г Syloid C809 (легкодисперсного диоксида кремния от компании Grace) растворили в 15 г воды. Дисперсию добавили в 20 г 50%-ого раствора МАР в воде. Материал с низкой вязкостью вносили в паровую камеру и отверждали посредством прямого нагревания подошвы утюга. Материал продемонстрировал шелушение во время образования пара.

В другом примере в соответствии с изобретением 20 г МАР смешали с раствором 2 г борной кислоты и 0,4 г LiOH.H₂O в 8 г воды. Полученная, в результате, смесь была слегка мутной и обладала относительно низкой вязкостью. К данной смеси медленно добавили 9,7 г Aerodisp W630 (дисперсию оксида алюминия в воде от компании Degussa) при перемешивании. В результате внесения состава покрытия в паровую камеру и последующего просушивания при температуре 220°С получено покрытие, обладающее хорошими свойствами при образовании пара и высокой механической прочностью.

Для повышения механической прочности можно также использовать добавление гидролизованных силанов. Например, тетраэтоксилан (TEOS) может быть гидролизован водой в кислых условиях, образуя формально Si(OH)₄. Добавление борофосфата алюминия в малых количествах повышает механическую прочность. Большие количества могут вызвать гелеобразование материала покрытия.

В примере 20 г МАР смешали с раствором 2 г борной кислоты и 0,4 г NaOH в 8 г воды. Смешали 1,6 г TEOS, 1,8 г спирта, 0,82 г Н₂О и 0,014 г малеиновой кислоты и оставили на 30 минут для завершения гидролиза. Гидролизованную смесь смешали с борофосфатом, вызывая выпадение осадка (относительные количества Al:Р:В:Na:Si=1:3:1:0,31:0,25). Добавление только половины количества гидролизованного TEOS дало некоторое помутнение в растворе. Таблица 8 показывает влияние количества TEOS (Si) на свойства.

Составы покрытия в соответствии с изобретением могут также использоваться для утюгов с отдельной паровой камерой, соединенной с утюгом шлангом. Изобретение относится к устройству для генерирования пара, содержащему паровую камеру, снабженную гидрофильным покрытием. Гидрофильное покрытие содержит кислый фосфат и бор, предпочтительно, соль бора и металла. Данное покрытие интенсифицирует образование пара и является стойким к шелушению. Изобретение также относится к способу создания гидрофильного покрытия в паровой камере устройства для генерирования пара и к утюгу, содержащему устройство для генерирования пара.