專利名稱：高溫纖維復合材料燃燒器表面的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃燒器表面板和用于生產這些板的方法。更具體地，本發明涉及由未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維形成的燃燒器表面板。
背景技術：
許多專利中已公開了由陶瓷纖維形成的穿孔板，如Cooper的美國專利第 3，954，387號、Mihara等人的美國專利第4，504，218號和Abe等人的美國專利第4，673，349號。穿孔陶瓷板的常見用途是作為氣體燃燒器的燃燒器表面。例如，Carswell的美國專利第5，595，816號(“’816”專利)公開了用作燃燒器表面的全陶瓷穿孔板，該專利在此通過引用并入。美國專利第5，595，816號的板通過使短切(chopped)陶瓷纖維在膠體氧化鋁或膠態二氧化硅的水分散體中的懸浮液加壓過濾穿過具有穿孔濾器底座和銷支撐物底座的模具而形成，所述銷支撐物底座具有延伸穿過并超出所述濾器底座的穿孔的銷。形成之后，將穿孔的短切纖維的層轉移到在不超過650° F的溫度下操作的干燥器，以便轉化成堅固的穿孔板。如該專利所描述的，如果用于熱水器的穿孔陶瓷板能夠起無焰紅外線燃燒器的作用而直接向直立的水槽的底部發射輻射能，則這樣的板的優勢最大。Carswell的美國專利第5，326，631號(“’ 631專利”)描述了用金屬纖維、陶瓷纖維和粘結劑制成的燃燒器，其在此通過引用并入。在該專利中，將金屬纖維和陶瓷纖維懸浮于含有通常用于制造多孔陶瓷纖維燃燒器的溶解劑和懸浮劑的水中。這些劑包括粘結或膠接材料，比如膠體氧化鋁的分散體，和成孔的可去除聚合物諸如甲基丙烯酸甲酯的細粒。可以在強度和耐久度特性、性能、每平方英尺每小時燃燒速度的BTU和制造成本方面改良現有技術燃燒器表面的特性。發明概述本發明提供了由未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料制成的改良的燃燒器表面。在本發明的一個實施方案中，提供了燃燒器表面板，其包括具有第一表面的框架和未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料層，該復合材料層被真空鑄造到框架的第一表面并通常具有0. 1至0. 2英寸且優選地不超過0. 5英寸的厚度。優選地在不使用成孔聚合物或高分子粘結劑的情況下將復合材料層真空鑄造到框架。無機粘合劑可以是制造過程的部分，其有助于最終的復合纖維結構的強度。框架和復合材料層包括多個對齊的孔縫，所述孔縫形成穿過燃燒器表面板的孔。在另一個實施方案中，提供了形成燃燒器表面的方法。該方法包括將穿孔的護板連接到固定裝置(fixture)；將多個銷可移除地插入穿過護板中的多個孔縫；將不含大量成孔聚合物或高分子粘結劑的纖維的懸浮液導入到護板上方的空間中；將纖維真空鑄造到護板上以形成纖維的層；從孔縫中移除多個銷以形成穿過纖維的層的對應的多個孔縫；和干燥纖維的層以除去水分。纖維優選地為金屬纖維和陶瓷纖維。此外，方法可包括將無機顆粒物應用到燃燒器表面，使得顆粒物與纖維連接，從而提供了另外的增強劑。在一個實施方案中，通過將膠態二氧化硅應用到金屬纖維和陶瓷纖維的層(例如，通過涂覆、浸漬、滲透、
4浸沒或類似方式)來添加無機顆粒物，然后在足以斷裂膠態二氧化硅的至少一部分羥基鍵但不燒結纖維的溫度下干燥所述層以形成未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維表面。本發明的實施方案可以以下途徑中的一種或多種對現有燃燒器表面進行改良通過將陶瓷纖維和金屬纖維復合材料直接鑄造到穿孔護板，最終產物的結構完整性相對于先前的設計顯著提高。由陶瓷纖維和金屬纖維復合材料(對比僅有陶瓷材料)鑄造“襯墊材料”，產物的光學性質相對于某些現有技術燃燒器的性質顯著提高。例如，在一個實施方案中，燃燒器對于對大多數燃氣表面燃燒器來說感興趣的波長范圍中的光具有較高發射率和較低透射率。 這導致了燃燒器襯墊材料的較慢降解、較長的燃燒器壽命，并允許將薄得多的陶瓷_金屬纖維復合材料層鑄造到支撐物護板上。在一個實施方案中，穿孔于所得的“薄襯墊”表示關于空氣過濾需求方面相對于某些現有技術燃燒器的顯著改良。薄襯墊允許一些彎曲，這導致更耐久的燃燒器表面。穿孔于燃燒器，燃燒器表面還允許其以更高的表面熱量釋放速率(相對于某些現有技術燃燒器) 來運轉而不會遭遇過度的壓降。這些優點還可以比通過某些現有技術燃燒器技術所能實現的每Btu更低的成本來實現。通過參照以下的說明書并通過參照以下的附圖，本發明的這些和其它特征和優點將變得明顯。附圖簡述

圖1顯示了根據本發明的一個實施方案，已鑄造到護板上的金屬陶瓷纖維板的橫截面。圖2顯示了根據本發明的一個實施方案，鑄造固定裝置的橫截面，所述鑄造固定裝置包括銷固定裝置與鑄造到護板上的由未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料形成的層。圖3顯示了根據本發明實施方案的真空框架組件的透視圖。圖4顯示了根據本發明實施方案的裝配的鑄造固定裝置的俯視圖。圖5顯示了在將鑄造固定裝置的銷取出之前，固體沉積形成金屬陶瓷表面的鑄造固定裝置。圖6顯示了在將鑄造固定裝置的銷取出之后的燃燒器表面。圖7顯示了根據本發明的一個實施方案的圓柱形鑄造固定裝置。圖8顯示了根據本發明的一個實施方案的三維的六邊形鑄造固定裝置。圖9是根據本發明實施方案的詳細說明在護板上制造金屬陶瓷纖維板的一種可能的方法的流程圖。優選實施方案的詳述應理解，本發明不限于以上所描述的和本文所示出的實施方案，而是包括落入所附權利要求的范圍內的任何的和所有的變化形式。例如，本文中對于本發明的論述并不意在限制任何權利要求或權利要求術語的范圍，而僅是提及可能被一項或多項權利要求所覆蓋的一個或多個特征。以上所描述的材料、方法和數值實例僅是示例性的，并不應認為其限制權利要求。并且，正如從權利要求和說明書中明顯看出的，所有方法步驟不必以示出的或要求保護的確切順序來進行，而以允許適當地形成本文所描述的板的任何順序來進行。最后，單層材料可以被形成為多層這樣的材料或相似的材料，反之亦然。圖1顯示了燃燒器表面板1的橫截面，所述燃燒器表面板1包括與護板6相連的由未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料形成的真空鑄造層2。真空鑄造層2和護板6 是穿孔的且每一個包括多個對齊的孔縫，所述孔縫形成穿過板1的孔4。護板6優選地為金屬，但在可選的實施方案中，護板6可由任何適宜的材料諸如阻燃的塑料或復合材料來形成。真空鑄造層2包括未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料，該復合材料已從作為溶液中的懸浮成分的狀態被真空鑄造。在一個實施方案中，溶液不包含多孔陶瓷纖維燃燒器的制造中通常存在的任何(或任何大量的)高分子成孔劑或高分子粘結劑和膠接劑。 該混合物可包括無機粘結劑，比如鋁膠體粘結劑。溶液中基本上消除了聚合物降低了燃燒器表面板的總生產成本，并減少了可能造成一些燃燒器表面易碎性的多孔結構。通過對燃燒器表面穿孔而不是使表面更均勻地多孔，可降低制造成本并提高耐久度。所選擇的金屬纖維優選地對燃燒器表面置于使用中時可能暴露于的高溫和氧化條件具有抗性。所選擇的金屬還優選地抗逐步氧化，所述逐步氧化在某些條件下可導致真空鑄造層2中的纖維的崩解或粉碎。 在一個實施方案中，將鐵基和/或鎳基合金用作真空鑄造層2中的纖維。例如，鐵鋁合金或鎳鉻合金可提供對高溫和氧化具有所期望的抗性的纖維。適宜的鐵鋁合金可含有按重量計4%至10 %的鋁、16 %至24%的鉻、0 %至26 %的鎳和通常少量百分比的釔和二氧化硅。適宜的鎳-鉻合金可含有按重量計15%至30%的鉻、0%至5%的鋁、0%至8%的鐵和通常少量百分比的釔和二氧化硅。優選的合金通常含有鉻。在一個實施方案中，金屬纖維直徑小于約50 μ m并通常在約8μπι至25μπι的范圍中，而纖維長度在約0. Imm至3mm的范圍中。金屬纖維可以是直的或卷曲的。在一個實施方案中，陶瓷纖維由無定形鋁硅材料形成。例如，陶瓷纖維可由短切鋁硅纖維形成，其中每個纖維具有小于約1/2”的長度。真空鑄造層2中陶瓷纖維與金屬的比例可在從小于0. 2至大于5的寬泛的范圍變化，通常在每重量份金屬纖維0. 2至2重量份陶瓷纖維的范圍變化。在一個實施方案中，優選的重量比在0.25和1之間。在一個可選的實施方案中，層2由100%金屬纖維鑄造。在另外的實施方案中，懸浮液中金屬纖維與總纖維的質量比在0. 20和1之間。在一個實施方案中，真空鑄造層2的厚度在1/16”-1/4”的范圍中，且在一個實施方案中優選地為約1/8” 厚。相對于某些現有技術燃燒器表面，由于相對高百分比的金屬纖維且由于層2因為沒有由聚合物導致的多孔結構而顯著地更致密，層2可顯著地更薄。這種鑄造較薄的襯墊的能力是有利的。例如，其允許襯墊彎曲更多而不破裂。在一個實施方案中，層2和護板6中的孔縫4具有小于或等于約厚度的一半的直徑，例如，對于具有約1/8”度的層，小于或等于約1/16”。利用較薄的襯墊，可使用約 0. 035-0. 050英寸直徑的孔。優選地，設計孔縫的直徑和長度以使燃燒器逆燃的可能性較小。在一個實施方案中，所選擇的孔縫的直徑盡可能大從而顆粒物不會卡在孔內和堵住孔， 但不會太大以至于導致逆燃。圖1的護板6對真空鑄造層2提供了支撐，此外還對整個燃燒器表面提供了強度和耐久度。護板6可由在金屬陶瓷纖維板1的指定的溫度和操作條件下能夠支撐真空鑄造層6的任何材料制成。在一個實施方案中，護板6由約20-22號的不銹鋼組成。如以下所描述的，在從溶液制造真空鑄造層2的過程中，將真空鑄造層2直接鑄造到護板6上。當用作燃燒器表面時，護板6可以多種方式被螺栓連接或鑄造到增壓室(plenum)，作為金屬陶瓷板1的底面。例如，因為護板是鋼制的，其可包括用于緊固的螺栓或螺母，其可被焊接到增壓室，或如果金屬中有孔的話其可被鉚接。在一個實施方案中，在鑄造之前可將護板連接至增壓室以提供增壓室和燃燒器表面的整體鑄件。這樣的設計可提供成本優點。圖2是根據本發明的一個實施方案的真空鑄造固定裝置10的橫截面。固定裝置 10包括上部貯器或管23和下部貯器或管22，上部貯器或管23接收金屬纖維和陶瓷纖維的懸浮液，穿過固定裝置10的液體通過下部貯器或管22排出。當金屬纖維和陶瓷纖維懸浮液被抽吸穿過固定裝置10時，在護板6之上形成層2以形成燃燒器表面板1。管23提供了圍繞板12和管22的密封。真空泵(未示出)與管22相連接以將液體抽吸穿過鑄造基板12和護板6的孔，以及銷14和基板12的穿孔之間的環狀間隙。在基板12上還可存在另外的穿孔18，或在所述板的側部周圍存在排水孔以使液體到達吸入管所處的鑄造固定裝置的底部。緊固件16可提供兩種功能。第一是將板11固定于板12以協助將銷14固定在合適的位置。第二個功能是起“支座(standoff)”的作用，從而護板6可置于其上以在護板6 和板12之間提供一些間隔。如果完成鑄造時護板6在緊固件16的頂部，則可通過重力將護板6固定在合適的位置。在其它定位中，緊固件16還可用來將護板6緊固于固定裝置的其余部分。在一個實施方案中，銷14的直徑可以為約0.050-0. 078英寸，且護板6的穿孔可以為約0. 065-0. 90英寸。板12中的孔，銷夾持器，為約0. 055-0. 083。板12為約1/4英寸厚，因此孔緊密度容限和板的厚度使銷保持對齊，從而銷與護板6中的0. 065-0. 90英寸孔對直。銷14通過金屬板12被固定在合適的位置，且銷14的頭部被壓在板11和12之間用于另外的支撐。為作為火焰清除器行使作用，由護板6和真空鑄造層2形成的孔深度優選地大于或等于由每個銷在直接圍繞該銷的厚度處所形成的孔的直徑的約兩倍。在另一個可能的實施方案中，銷14可具有不同的直徑且單獨的銷的中心之間的間距可依銷14的類型而不同。當金屬纖維和陶瓷纖維懸浮液被濾過系統時，其在銷14周圍留下金屬纖維和陶瓷纖維的致密的襯墊或層2。當金屬纖維和陶瓷纖維的層2達到所期望的厚度時，停止向貯器23供給懸浮液，且中止真空。可選地，可停止真空以中止懸浮液流體的流動，且然后可從懸浮液流體的池或浴中移除固定裝置。可將護板6與金屬纖維和陶瓷纖維的層2豎直地提升到固定裝置之外，直到銷14 已與金屬纖維和陶瓷纖維的層2和護板6完全脫離接觸。在其中使用緊固件16以將護板 6與固定裝置相連的實施方案中，可在從固定裝置的其余部分移出護板6之前將它們拆開。 且然后可將短切的金屬纖維和陶瓷纖維的穿孔襯墊2和護板6轉移到干燥爐以將濕的可變形纖維襯墊轉化為干燥的剛性的穿孔板。干燥爐處于干燥燃燒器表面板但不會燒結金屬纖維和陶瓷纖維的溫度下以形成與護板6相連的未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料層2。
為真空形成另一個金屬陶瓷纖維襯墊，將另一個護板6置于銷14上并使用緊固件 16將其與固定裝置相連。然后裝置準備就緒，且可將金屬纖維和陶瓷纖維的懸浮液重新導入到管23中，并通過模具10將其真空抽吸。圖3-6顯示了根據本發明的另一個實施方案的鑄造固定裝置組件和過程。圖3顯示了真空框架組件50。真空框架組件50包括用于接收銷固定裝置的貯器部分52。貯器部分52具有大體正方形的底部54，并包括4個側壁56。在圖3中，顯示真空框架組件50與側壁脫離，這允許銷固定裝置的插入和移除。貯器部分52的底部包括與真空源(未示出) 流體連接的孔58。圖4示出了裝配的鑄造固定裝置的俯視圖，所述裝配的鑄造固定裝置包括真空組件50 (與可移除側壁56相連)，和具有連接的穿孔的金屬板6的銷固定裝置60。插入銷固定裝置60并連接可移除側壁后，將真空組件50浸沒到容納漿料混合物的容器中。真空源將漿料抽吸到固定金屬板6的銷固定裝置之上。金屬陶瓷固體保留在金屬板6之上，同時液體穿過固定裝置。圖5顯示了從溶液中移除的固定裝置，而金屬陶瓷固體沉積在金屬板6上。然后可將金屬銷從銷固定裝置60取出，留下燃燒器表面，如圖6中所示。燃燒器表面包括穿孔的護板6和金屬陶瓷纖維的頂層2。可將燃燒器表面從固定裝置中移出并干燥(例如，在180° F下)以除去水。在一個實施方案中，可將諸如膠態二氧化硅的另一種液體添加到燃燒器表面。然后在600° F下將燃燒器表面再次干燥以除去水分而不燒結纖維，且這些步驟之后，其準備用于使用。用膠態二氧化硅進行處理提供了將纖維另外膠接在一起，并使燃燒器表面更堅固和更防水。在另外的實施方案中，可使用膠體氧化鋁或其它添加劑來提供另外的膠接。本領域的技術人員將理解鑄造固定裝置可具有任何所期望的形狀或尺寸。例如， 圖7顯示了鑄造固定裝置80，其具有圓柱形幾何形狀而非平的板。固定裝置80包括圓柱形金屬框架86、可取出的銷88和基底部分84，在基底部分84上可移除地連接有金屬框架 86。圖8示出了真空鑄造過程完成之后并且銷取出之后的三維的六邊形鑄造固定裝置90。 在另外的實施方案中，利用基本上相同的真空鑄造方法可使用不同的二維和三維框架來形成燃燒器表面。圖9描述了根據本發明的一個實施方案用于制造由未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料形成的燃燒器表面的過程。在步驟100中，如以上關于圖2或圖3-6所描述的，將金屬陶瓷纖維真空鑄造到穿孔的金屬板上。在步驟102中，可將將要形成燃燒器表面的金屬陶瓷纖維板1從固定裝置移出。從固定裝置移出金屬陶瓷纖維板1后，將金屬陶瓷纖維板1置于干燥爐中以干燥該板，如步驟107中所示。在一個實施方案中，在180° F下干燥板1。在步驟107中除去水分后，如步驟110中所示，可通過將膠態二氧化硅的堿溶液浸漬、刷涂或噴灑到金屬陶瓷纖維板1而將膠態二氧化硅添加至燃燒器表面。在膠態二氧化硅干燥之后，保護板不受來自與水接觸的損害。在一個實施方案中，燃燒器表面接受膠態二氧化硅的第二次應用以進一步保護該板。在步驟111中，在約600° F至650° F下進行第二次干燥操作以破壞金屬陶瓷纖維板1中所含的羥基而不燒結金屬纖維和陶瓷纖維。這作為硬化步驟行使作用以進一步提高板1的性能。應注意的是，如本文所用的，術語“在......的之上(over)”和“在......上(on) ”包含性地包括“直接地在......上”(之間未置有中間材料、要素或空間)和“間接
地在......上”(之間置有中間材料、要素或空間)。相似地，術語“相鄰的”包括“直接地
相鄰的”(之間未置有中間材料、要素或空間)和“間接地相鄰的”(之間置有中間材料、要素或空間)。
權利要求
1.一種燃燒器表面板，包括 框架，所述框架具有第一表面；未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料層，所述未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的復合材料層被真空鑄造到所述框架的所述第一表面，且具有不大于0. 5英寸的厚度，其中所述復合材料層被真空鑄造到所述框架而無需使用大量的聚合物劑；并且其中所述框架和所述復合材料層包括多個對齊的孔縫，所述孔縫形成穿過燃燒器表面板的孔。
2.如權利要求1所述的燃燒器表面板，其中所述框架是金屬護板。
3.如權利要求1所述的燃燒器表面板，其中所述框架是由框架塑料制成的護板。
4.如權利要求2所述的燃燒器表面板，其中所述框架是大體平的。
5.如權利要求2所述的燃燒器表面板，其中所述框架是三維的。
6.如權利要求1所述的燃燒器表面板，還包括二氧化硅的量。
7.如權利要求1所述的燃燒器表面板，其中所述孔縫具有小于或等于約所述板的厚度的一半的直徑。
8.如權利要求1所述的燃燒器表面板，其中所述陶瓷纖維具有約0.1英寸的最大長度。
9.如權利要求1所述的燃燒器表面板，其中所述金屬纖維包括4%至10%的鋁、16%至 24 %的鉻和0 %至26 %的鎳。
10.如權利要求9所述的燃燒器表面板，其中所述致密層的所述金屬纖維還包括釔和二氧化硅。
11.如權利要求2所述的燃燒器表面板，其中所述金屬護板由約20-22號的不銹鋼形成。
12.—種形成燃燒器表面的方法，包括 將穿孔的護板與固定裝置相連；將多個銷可拆裝地插入穿過所述護板中的多個孔縫；將不含大量聚合物劑的纖維的懸浮液導入到所述護板上方的空間中；將所述纖維真空鑄造到所述護板上以形成纖維的層；將多個銷從孔縫移除以形成穿過所述纖維的層的對應的多個孔縫；干燥所述纖維的層以除去水分；將膠態二氧化硅應用到所述纖維的層；和在足以斷裂所應用的膠態二氧化硅的至少一部分羥基鍵但不燒結所述纖維的溫度下干燥所述纖維的層以形成未燒結的纖維表面。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述纖維包括金屬纖維和陶瓷纖維。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述陶瓷纖維包括無定形鋁硅纖維。
15.如權利要求13所述的方法，其中所述多個銷中的每一個具有小于0.08英寸的直徑和距最近的銷小于0. 13英寸的中心距。
16.如權利要求12所述的方法，其中所述懸浮液中的金屬纖維與總纖維的質量比在 0. 20和1之間。
17.如權利要求13所述的方法，其中陶瓷纖維具有約0.1英寸的最大長度。
18.如權利要求13所述的方法，其中金屬纖維包括4%至10%的鋁、16%至24%的鉻和0%至26%的鎳。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述金屬纖維還包括釔和二氧化硅。
20.如權利要求13所述的方法，其中所述護板由不銹鋼制成。
21.如權利要求13所述的方法，其中所述護板形成二維形狀。
22.如權利要求13所述的方法，其中所述護板形成三維形狀。
23.如權利要求13所述的方法，其中所述護板是金屬。
24.如權利要求13所述的方法，其中所述護板是塑料。
全文摘要
提供了燃燒器表面和制造方法。燃燒器表面包括框架，所述框架具有已真空鑄造到框架的表面的未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的致密層。未燒結的金屬纖維和陶瓷纖維的層不超過0.5英寸，且沒有利用大量高分子成孔劑或粘結劑來制造。框架和致密層還包括多個孔縫，所述孔縫形成穿過燃燒器表面板的孔。燃燒器表面板可通過以下來形成將穿孔的護板連接到固定裝置，將銷插入穿過護板中的孔縫，將金屬纖維和陶瓷纖維的懸浮液導入到護板上方的空間中，將金屬纖維和陶瓷纖維真空鑄造到護板上以形成金屬纖維和陶瓷纖維的層，從孔縫中移除多個銷以形成穿過金屬纖維和陶瓷纖維的層的對應的孔縫組，干燥金屬纖維和陶瓷纖維的層以除去水分，將膠態二氧化硅應用到金屬纖維和陶瓷纖維的層，以及干燥燃燒器表面。
文檔編號B32B3/10GK102458820SQ201080025423
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月8日 優先權日2009年4月15日
發明者約翰·D·沙利文 申請人:阿爾澤塔公司