DE69636473T2

DE69636473T2 - Heizelement, herstellungsverfahren und anwendung

Info

Publication number: DE69636473T2
Application number: DE69636473T
Authority: DE
Inventors: Dominique Petit; Peter Wolki
Original assignee: Saint Gobain Performance Plastics Corp
Current assignee: Saint Gobain Performance Plastics Corp
Priority date: 1995-05-04
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2016-05-01
Also published as: ATE337693T1; JP2007115702A; US6054690A; AU5344596A; EP0824847B1; DE69636473D1; WO1996035317A1; FR2733871A1; CA2220001A1; EP0824847A1; JPH11505060A; FR2733871B1

Description

Die Erfindung betrifft ein neues elektrisches Heizelement in Form eines Films oder einer dünnen Folie mit Verbundstruktur, der/die mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht, ein Bindemittel und mindestens ein Substrat umfasst.
Elektrische Heizelemente, die in Haushaltgeräten wie Bügeleisen und Grills verwendet werden, sind aus Heizwiderstandsdrähten gebildet, die in ein keramisches Isoliermaterial eingebettet sind, das in einer Metallhülle angeordnet ist. Ein Nachteil dieses Typs eines elektrischen Heizelements ist seine thermische Trägheit. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es sich nicht für komplexe Konturen eignet.
Außerdem ist seine Dicke groß und sind daher die Geräte, in welchen es verwendet wird, voluminös.
In dem Dokument GB-A-1 085 784 ist ein Heizelement beschrieben, in welchem ein feiner elektrischer Widerstand sandwichartig zwischen zwei elektrischen Isolierschichten aufgenommen wird, die um den gesamten Widerstand herum hermetisch miteinander verbunden sind.
Weiterhin sind elektrische Heizelemente in Form mehrschichtiger Folien bekannt: Eine aus einem feinen Metallfilm gebildete elektrisch leitfähige Schicht ist über eine Schmelzklebstoffschicht, die der Hitze widerstehen muss, auf ein Substrat geklebt. Geeignete Schmelzklebstoffschichten sind extrudierte Filme mit einer Dicke von im Allgemeinen über 20 μm.
Ein Nachteil dieses Heizelements ist die geringe Leitfähigkeit des Schmelzklebstofffilms. Diese geringe Leitfähigkeit kann außerdem durch den Einbau einer wärmeleitfähigen Füllung in die extrudierte Schicht nicht wesentlich erhöht werden.
Die Erfindung behebt die genannten Nachteile.
Sie schlägt ein Heizelement in Form eines dünnen Films mit geringer thermischer Trägheit vor, dessen Herstellung vereinfacht ist.
Das erfindungsgemäße Heizelement umfasst mindestens ein Substrat und mindestens eine elektrische Heizwiderstandsschicht, die auf dem Substrat über ein Bindemittel haftet, das aus einer Dispersion, einer Lösung oder einem Pulver gebildet ist, die/das direkt auf das Substrat aufgebracht worden ist.
Das erfindungsgemäße Bindemittel kann aus Dispersionen, Lösungen oder Pulvern von mindestens einem Polymer (oder Copolymer), dessen Schmelztemperatur höher als die Betriebstemperatur des Heizelements ist, und welche auf ein Substrat, gegebenenfalls mit einer kleinen Dicke, aufgebracht werden können, ausgewählt werden. Vorzugsweise wird das Polymer aus perfluorierten Polymeren, insbesondere Perfluoralkoxyalkan (PFA), MFA und Polytetrafluorethylen (PTFE), ausgewählt.
Entsprechend einem erfindungsgemäßen Merkmal wird eine Dispersion oder Lösung mindestens eines der zuvor genannten Polymeren, die gegebenenfalls stark mit wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Füllstoffen, beispielsweise Aluminiumoxid, Al₂O₃, Siliciumcarbid, SiC, Glimmer und Glaspulver, versehen ist, ausgewählt.
Das erfindungsgemäße Substrat, das insbesondere eine mechanische Tragfunktion für das Heizelement sowie eine elektrisch isolierende Funktion erfüllt, kann eine beliebige Lage sein, die je nach der für das Heizelement vorgesehenen Verwendung ausgewählt wird. Diese Lage kann auf der Basis eines thermoplastischen, duroplastischen oder Cellulosematerials, eines gegebenenfalls imprägnierten Glasstoffs bzw. Glasvlieses, auf der Basis von Keramikfasern und eine extrudierte oder abgewickelte Folie sein. Das thermoplastische oder duroplastische Material wird insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxyalkan (PFA), MFA, Perfluorethylenperfluorpropylen (FEP), Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Polyvi nylidenfluorid (PVDF), Polyethylenterephthalat (PET) und Polyimid (Kapton) ausgewählt.
Das Substrat besitzt eine Dicke von im Allgemeinen 20 bis 500 μm oder gegebenenfalls darüber, je nach Verwendung.
Entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die elektrische Heizwiderstandsschicht ein Film oder eine dünne Folie aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere auf der Basis eines Metalls wie Kupfer, Nickel, Aluminium oder einer Metalllegierung wie Bronze, Messing und Constantan^®.
Um insbesondere die Haftung der dünnen leitfähigen Metallfolie zu verbessern, kann diese auf mindestens einer Seite eine strukturierte Oberfläche, die beispielsweise durch Walzen in einem Kalander, der mit oberflächenstrukturierten Walzen versehen ist, erhalten worden ist, oder eine aufgeraute Oberfläche, die beispielsweise durch Sandstrahlen bzw. Schleifen erhalten worden ist, aufweisen.
Die leitfähige Metallfolie kann in einer Abwandlung durch ein elektrisch leitfähiges Gewebe oder eine Schicht, die aus einem Band aus elektrisch leitfähigen Fasern gebildet ist, ersetzt werden.
Die Dicke des leitfähigen dünnen Films kann je nach dem Leiter und der für das Heizelement vorgesehenen Verwendung, d.h. entsprechend der gewünschten elektrischen Leistung, berechnet werden.
Je nach Verwendung kann der leitfähige Film die Form eines schlangenförmigen Stromkreises haben. Eine solche Form wird beispielsweise aus einem ununterbrochenen Film erhalten, der an bestimmten Stellen durch Ätzen mittels insbesondere eines Salzsäure-Wasserstoffperoxid-Gemischs behandelt wird.
Entsprechend einer erfindungsgemäßen Abwandlung wird der elektrische Heizwiderstand direkt mit der gewünschten Form durch Aufbringen einer elektrisch leitfä higen Zusammensetzung auf das Substrat erhalten, beispielsweise mittels Siebdruck oder elektrostatischen Sprühens unter Verwendung einer Schablone.
Entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Abwandlung stimmt die elektrische Heizwiderstandsschicht mit der Bindemittelschicht überein, die zu diesem Zweck stark mit Teilchen in Form von Pulver oder Fasern aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Metallteilchen, metallbeschichteten Teilchen oder Graphit, gefüllt ist.
Das erfindungsgemäße Heizelement umfasst im Allgemeinen außerdem eine elektrisch isolierende Beschichtung, welche die elektrische Heizwiderstandsschicht bedeckt. Diese Beschichtung ist beispielsweise ein zweites Substrat vom Typ des weiter oben beschriebenen ersten Substrats, das über eine weitere Haftschicht auf der elektrischen Heizwiderstandsschicht anhaften kann.
Von der Zusammensetzung des Heizelements aus dünnen Schichten wird ihm eine geringe Dicke verliehen, was sich in einer sehr verringerten thermischen Trägheit ausdrückt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Heizelements. In diesem Verfahren werden das Substrat, das Bindemittel und die elektrisch leitfähige Schicht aus den zuvor beschriebenen Produkten ausgewählt.
In dem Verfahren werden folgende Stufen durchgeführt:

– Erzeugen des Substrats, das, wenigstens vorübergehend, als Träger für die Herstellung des Heizelements dienen soll,
– Aufbringen des Bindemittels aus einer Dispersion, einer Lösung oder einem Pulver dieses Bindemittels auf das Substrat,
– Verbinden der elektrischen Heizwiderstandsschicht, die insbesondere in Form eines Metallfilms vorliegt, mit dem mit dem Bindemittel beschichteten Substrat durch Pressen, beispielsweise durch Pressen zwischen den Platten einer Presse oder durch Kalandrieren zwischen Walzen, gegebenenfalls nach Trocknung,
– chemisches Behandeln der elektrischen Heizwiderstandsschicht, insbesondere durch chemisches Ätzen, um ihr die für die elektrische Heizwiderstandsschicht gewünschte Form zu verleihen,
– Erhalten eines Vorverbundelements,
– Verbinden eines zweiten Substrats, das mit einer Bindemittelschicht überzogen ist, mit dem Vorverbundelement durch Pressen, indem die Bindemittelschicht des zweiten Substrats mit der leitfähigen Schicht in Berührung gebracht wird, und
– Erhalten des Heizelements mit Schichtstruktur, kleiner Dicke und geringer thermischer Trägheit.

Die Verwendung einer Bindemittellösung oder -dispersion erlaubt es, feine Schichten und dennoch eine sehr gute Haftung zwischen den Elementen des Verbundes, die im Laufe der Zeit und unter den extremsten Verwendungsbedingungen erhalten bleibt, zu erhalten.
Wenn für das Heizelement als elektrische Heizwiderstandsschicht ein Widerstand verwendet wird, der durch direktes Aufbringen einer leitfähigen Zusammensetzung durch Siebdruck oder Sprühen unter Verwendung einer Schablone erhalten wird, werden in dem Herstellungsverfahren folgende Arbeitsgänge durchgeführt:

– Aufbringen der elektrisch leitfähigen Zusammensetzung auf das vorbereitete Substrat mittels einer Siebdruckgaze oder einer Schablone,
– Trocknen der aufgebrachten Schicht,
– Verbinden eines mit einer Bindemittelschicht überzogenen zweiten Substrats mit dem mit dem Heizwiderstand beschichteten Substrat durch Pressen; schließlich wird der elektrische Widerstand in der Bindemittelschicht des zweiten Substrates umhüllt.

Wenn für das Heizelement als elektrische Heizwiderstandsschicht eine Schicht verwendet wird, die aus in dem Bindemittel dispergierten leitfähigen Teilchen erhalten ist, können in dem Herstellungsverfahren folgende Arbeitsgänge durchgeführt werden:

– Aufbringen einer Dispersion aus dem Bindemittel und elektrisch leitfähigen Teilchen auf das vorbereitete Substrat,
– chemisches Behandeln dieser die Metallteilchen enthaltenden Schicht derart, dass ihr die für den elektrischen Widerstand gewünschte Form verliehen wird, gegebenenfalls nach Trocknung der aufgebrachten Schicht, und
– Verbinden eines mit einer Bindemittelschicht überzogenen zweiten Substrats mit dem zuvor hergestellten mit dem elektrischen Widerstand beschichtetem Substrat durch Pressen.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile werden anhand der folgenden Beispiele unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Figuren näher erläutert, wobei
1 die Stufen der Herstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Heizelements, für welches ein Metallfilm als elektrischer Heizwiderstand verwendet wird, und
2 die Stufen der Herstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Heizelements, für welches eine Schicht auf der Basis von Metallteilchen als elektrischer Heizwiderstand verwendet wird, zeigt und die
3 und 4 ein erfindungsgemäßes Heizelement, das mit einem Thermostaten versehen ist, zeigen und
5 eine Verwendung der erfindungsgemäßen Heizelemente zeigt.
In 1 ist das Substrat 1, das als Träger dient, eine Folie, die aus einem 80 μm dicken mit PTFE imprägnierten Glasgewebe gebildet worden ist. Auf dieses Substrat wird durch Auftragen mittels eines Rakels oder eines Stifts eine Schicht 2 aus in Wasser dispergiertem PFA aufgebracht.
Nach Trocknung bei einer Temperatur von 350°C wird eine etwa 10 μm dicke Schicht erhalten.
Auf diese Schicht 3 wird eine 50 μm dicke Metallfolie 4 aus Constantan^® aufgebracht und werden diese Elemente durch Pressen zwischen den Platten einer Presse mit einem Druck von 40 bar bei 350°C einige Minuten lang miteinander verbunden.
Nachdem die Teile der Metallfolie, die vorgesehen sind, den elektrischen Heizwiderstand zu bilden, mit einem durch Siebdruck aufgebrachten Lack geschützt worden sind, wird der Verbund mit einem Salzsäure-Wasserstoffperoxid-Gemisch behandelt, um die für den Heizwiderstand gewünschte Form durch chemisches Ätzen zu erhalten. Es wird ein Vorverbundelement 5 erhalten. Anschließend wird mit einem mit einer Bindemittelschicht 7 überzogenen zweiten Substrat 6, das wie im Fall des vorhergehenden beschichteten Substrats erhalten worden ist, durch Pressen unter denselben Bedingungen wie zuvor mit dem Vorverbundelement 5 verbunden.
Schließlich wird ein dünnes Heizelement 8 erhalten, das auf die gewünschten Maße zugeschnitten und für verschiedene Zwecke verwendet werden kann. In einer Abwandlung kann das Zuschneiden mit dem vorgefertigten Element durchgeführt werden, wobei dann die Beschichtung mit dem zweiten Substrat auf den zugeschnittenen vorgefertigten Elementen erfolgt.
In 2 kann das Substrat 9, das als Träger dient, dasselbe wie das unter Bezugnahme auf 1 beschriebene sein.
Auf dieses Substrat auf der Basis von PTFE wird durch Auftragen eine Dispersion 10, die PFA und elektrisch leitfähige Metallteilchen enthält, aufgebracht.
Dabei wird der Gehalt an Metallteilchen derart festgelegt, dass ein kontinuierlicher elektrischer Kontakt in der Schicht 11 der Beschichtung, die auf dem Substrat nach Trocknung gebildet worden ist, erhalten wird. Dieser Gehalt ist insbesondere von der Größe und Form der Metallteilchen abhängig.
Anschließend wird das chemische Ätzen der Schicht 11 der leitfähigen Beschichtung durchgeführt und ein Vorverbundelement 12 erhalten.
Danach wird dieses Vorverbundelement 12 mit einem zweiten Substrat 13 verbunden, das in diesem Beispiel mit der Schicht 14 aus dem Bindemittel auf der Basis von PFA beschichtet ist.
Es wird ein dünnes Heizelement 15 erhalten, das auf die gewünschten Maße zugeschnitten werden kann. In einer Abwandlung wird das Zuschneiden mit den vorgefertigten (vorverbundenen) Elementen durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Heizelement kann sowohl in industriellen als auch in Haushaltgeräten, die Heizelemente mit kleiner Dicke und geringer thermischer Trägheit erfordern, verwendet werden. Dabei können mehrere Heizelemente zusammen verwendet werden.
Das Heizelement kann auch vorteilhafterweise in einem aggressiven Medium wie einem Behandlungsbad verwendet werden.
Das Heizelement kann je nach den leitfähigen Schichten und dem vorgesehenen Verwendungszweck mehr oder weniger flexibel sein.
Das Heizelement kann in einer planen oder warmgeformten Gestalt, insbesondere wenn es sich darum handelt, es zu versteifen, verwendet werden. Es kann auch aufgrund seiner geringen Dicke in Form eines, beispielsweise um Rohre, gewickelten Bandes verwendet werden. Es kann weiterhin gegebenenfalls derart mit einer Haftschicht versehen werden, dass die Bindung mit dem zu erwärmenden Gegenstand sichergestellt wird.
Das erfindungsgemäße Heizelement kann auch mit einem Thermostaten in Form eines flachen Thermoelements versehen werden, das in einer an ein Substrat angrenzenden Haftschicht angeordnet wird. Eine Ausführungsform eines solchen Heizelements ist schematisch in den 3 und 4 gezeigt. Das Heizelement 16 umfasst ein erstes Substrat 17, eine den Heizwiderstand 19 enthaltende Haftschicht 18, ein zweites Substrat 20, eine ein Thermoelement 22 enthaltende zweite Haftschicht 21 und ein drittes Substrat 23. Die Nähe des Thermoelements 22 zum Heizwiderstand erlaubt eine sehr schnelle Temperaturregelung.
In 5 ist eine Vorrichtung gezeigt, in welcher mehrere erfindungsgemäße Heizelemente verwendet werden. So sind drei Heizelemente 24, 25 und 26 im Boden 27 eines Bügeleisens angeordnet. Diese drei Heizelemente können denselben spezifischen elektrischen Widerstand oder, in einer Abwandlung, verschiedene konstante oder abhängig von der Temperatur variable spezifische elektrische Widerstände aufweisen. Jedes Heizelement entspricht einer Heizzone, die gegebenenfalls separat von einem Thermostaten oder, in einer Abwandlung, von der Heizwiderstandsschicht selbst geregelt werden kann. Diese kombinatorische Anordnung er laubt eine sehr gute Regelung der Temperatur des Bodens unabhängig von der Einstellung des Bügeleisens.

Claims

Heizelement (8; 15; 16) mit geringer Dicke, das mindestens ein Substrat (1, 6; 9, 13; 17, 20, 23) und mindestens eine elektrische Heizwiderstandsschicht (4; 11; 19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrische Heizwiderstandsschicht (4; 11; 19) auf dem Substrat über ein Bindemittel (3; 11; 18, 21) haftet, das aus einer Dispersion (2, 10), einer Lösung oder einem Pulver von mindestens einem Polymer, dessen Schmelztemperatur über der Betriebstemperatur des Heizelements liegt, gebildet ist, die/das auf das Substrat als dünne Schicht aufgebracht werden kann.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (3, 11) auf der Basis eines perfluorierten Polymers ist.
Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das perfluorierte Polymer aus PFA, MFA und PTFE ausgewählt ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1, 9) ein Vlies oder ein Stoff ist, das/der mit einem perfluorierten Polymer imprägniert ist.
Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das perfluorierte Polymer PTFE ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizwiderstandsschicht (4) auf der Basis eines Metallfilms ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizwiderstandsschicht (11) auf der Basis von elektrisch leitfähigen Teilchen, die in einem Bindemittel dispergiert sind, ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizwiderstandsschicht direkt mit der gewünschten Form durch Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Zusammensetzung, insbesondere mittels Siebdruck, erhalten wird.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Thermostaten (22) versehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem mindestens die elektrische Heizwiderstandsschicht (4; 11; 19) mit mindestens dem Substrat (1, 6; 9, 13; 17, 20, 23) verbunden wird, gekennzeichnet durch folgende Stufen: – Erzeugen des Substrates (1, 9), das als Träger für die Herstellung des Heizelements dienen soll, – Aufbringen des Bindemittels (3) aus der Dispersion (2), der Lösung oder dem Pulver auf dem Substrat (1), – Verbinden der elektrischen Heizwiderstandsschicht (4) mit dem Substrat (1) durch Pressen, gegebenenfalls nach Trocknung, – chemisches Behandeln der elektrischen Heizwiderstandsschicht, um ihr die gewünschte Form für die elektrische Heizwiderstandsschicht (4) zu verleihen, wobei ein Vorverbundelement (5) erhalten wird, – Verbinden eines zweiten Substrates (6), das mit einer Bindemittelschicht (7) überzogen ist, mit dem Vorverbund (5) und – Erhalten des Heizelementes (8) mit Schichtstruktur.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes (15) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat (9) eine Dispersion (10) aus dem Bindemittel und elektrisch leitfähigen Teilchen aufgebracht und die elektrische Heizwiderstandsschicht erhalten wird: – die elektrische Heizwiderstandsschicht (4) derart chemisch behandelt wird, dass ihr die gewünscht Form verliehen wird, und – ein zweites Substrat (13), das mit einer Bindemittelschicht (14) überzogen ist, mit dem vorhergehenden Substrat (9) durch Laminieren verbunden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (9) eine leitfähige Zusammensetzung, insbesondere mittels Siebdruck, aufgebracht und ein zweites mit einer Bindemittelschicht überzogenes Substrat mit dem vorhergehenden Substrat durch Pressen verbunden wird.
Verwendung des Heizelementes (8; 15; 16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Haushaltsgegenstand.
Verwendung des Heizelementes (8; 15; 16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in ihr mehrere Heizelemente (24, 25, 26) zusammen verwendet werden.