WO1996035317A1 - Element chauffant, procede de fabrication et application - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a new electric heating element in the form of a film or thin sheet with a laminated structure comprising at least one electrically conductive layer and at least one substrate.
  • the binder according to the invention can be chosen from dispersions or solutions or powders of at least one polymer (or copolymer), the melting point of which is higher than the operating temperature of the heating element and which can be deposited on a substrate, if necessary under a thin thickness.
  • the polymer is chosen from perfluorinated polymers, in particular perfluoro-alkoxy-alkane (PFA), MFA, polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the substrate according to the invention which has in particular a mechanical support function for the heating element, as well as an electric insulator function, can be any sheet selected according to the application envisaged for the heating element.
  • This sheet may be based on a thermoplastic or thermosetting material or on a cellulosic material, or a fabric or veil of glass impregnated or not, based on ceramic fibers, or an extruded or unwound sheet.
  • the method uses the following steps: - the substrate to be used as a support, at least intermediate, is prepared for the production of the heating element,
  • the manufacturing process can then use the following operations:
  • a dispersion 10 containing PFA and electrically conductive metal particles is deposited on this PTFE-based substrate.

Abstract

L'invention concerne un nouvel élément chauffant (8) de faible épaisseur comprenant au moins un substrat (1) et au moins une couche de résistance électrique (4) adhérant au substrat par un liant (3) formé à partir d'une dispersion, solution ou poudre d'au moins un polymère dont la température de fusion est supérieure à la température de fonctionnement de l'élément chauffant et qui peut être déposé sur le substrat en couche mince.

Description

ELEMENT CHAUFFANT, PROCEDE DE FABRICATION ET APPLICATION
La présente invention concerne un nouvel élément de chauffage électrique en forme de film ou feuille mince à structure feuilletée comprenant au moins une couche conductrice de l'électricité et au moins un substrat.
Des éléments de chauffage électrique utilisés dans les applications ménagères telles que fers à repasser, grils etc.. sont formés de fils de résistance noyés dans un matériau céramique isolant, lui-même placé dans une enveloppe métallique. Un inconvénient de ce type d'élément de chauffage électrique est son inertie thermique. Un autre inconvénient est qu'il ne se prête pas à des contours complexes.
En outre son épaisseur est importante et les ustensiles qui l'utilisent sont volumineux.
On connait aussi des éléments de chauffage électrique en forme de feuilles à plusieurs couches : une couche conductrice de l'électricité formée d'un film métallique fin, collé sur un substrat par l'intermédiaire d'une couche adhésive hot-melt devant résister à la chaleur. Des couches hot-melt convenables sont des films extrudes d'épaisseur généralement supérieure à 20 μm.
Un inconvénient de cet élément chauffant est la faible conductivité du film hot-melt. Cette faible conductivité ne peut en outre être améliorée sensiblement par l'incorporation de charges conductrices de la chaleur dans la couche extrudée.
L'invention obvie aux inconvénients cités. Elle propose un élément chauffant en forme de film mince, à faible inertie thermique et dont la fabrication est simplifiée.
L'élément chauffant selon l'invention comprend au moins un substrat et au moins une couche de résistance électrique adhérant au substrat par un liant formé à partir d'une dispersion ou solution ou poudre déposée directement sur le substrat.
Le liant selon l'invention peut être choisi parmi des dispersions ou des solutions ou des poudres d'au moins un polymère (ou copolymère), dont la température de fusion est supérieure à la température de fonctionnement de l'élément chauffant et qui peuvent être déposés sur un substrat, le cas échéant sous une faible épaisseur. De préférence, le polymère est choisi parmi les polymères perfluorés, notamment le perfluoro-alkoxy-alcane (PFA), le MFA, le polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Sous un aspect de l'invention, on choisit une dispersion ou solution d'au moins un des polymères cités ci-dessus et qui peut être fortement chargée le cas échéant par des charges conductrices de la chaleur et isolant électriquement, par exemple l'oxyde d'aluminium AI2O3, le carbure de silicium SiC, le mica, la poudre de verre.
Le substrat selon l'invention qui a notamment une fonction mécanique de support pour l'élément chauffant, ainsi qu'une fonction d'isolant électrique, peut être toute feuille sélectionnée selon l'application envisagée pour l'élément chauffant. Cette feuille peut être à base d'une matière thermoplastique ou thermodurcissable ou d'une matière cellulosique, ou un tissu ou voile de verre imprégné ou non, à base de fibres céramiques, ou encore une feuille extrudée ou déroulée. La matière thermoplastique ou thermodurcissable est choisie notamment parmi le polytétrafluoroéthylène (PTFE), le perfluoro-alkoxy-alcane (PFA), le MFA, le perfluoro (éthylène-propylène) (FEP), l'éthylène- tétrafluoroéthylène (ETFE), le fluorure de poly(vinylidène) (PVDF), le polyéthylène téréphtalate (PET), le polyimide (KAPTON). Le substrat présente une épaisseur généralement comprise entre 20 //m et 500 μm ou plus le cas échéant, selon l'application. Selon une forme de réalisation de l'invention, la couche de résistance électrique est un film ou une feuille mince d'un matériau conducteur de l'électricité, notamment à base d'un métal tel du cuivre, du nickel, de l'aluminium ou d'un alliage de métaux tel le bronze, le laiton, le Constantan R. En vue notamment d'améliorer l'adhésion de la feuille mince conductrice métallique, celle-ci peut présenter sur au moins une de ses deux faces une surface structurée obtenue par exemple par laminage dans une calandreuse munie de rouleaux à surface structurée ou une surface rugueuse obtenue par exemple par un sablage ou un traitement abrasif. La feuille métallique conductrice peut en variante être remplacée par un tissu conducteur de l'électricité ou par une couche formée d'un tapis de fibres conductrices de l'électricité.
L'épaisseur du film mince conducteur peut être calculée selon le conducteur et l'application envisagée pour l'élément chauffant, c'est-à-dire selon la puissance électrique désirée.
Selon l'application le film conducteur peut avoir la forme d'un circuit en serpentin. Une telle forme s'obtient par exemple à partir d'un film continu que l'on traite par endroits par gravure chimique, à l'aide notamment d'un mélange d'acide chlorhydrique et d'eau oxygénée. Selon une variante de l'invention, la résistance électrique est obtenue directement avec la forme désirée par dépôt sur le substrat d'une composition électriquement conductrice, par exemple par sérigraphie, par pulvérisation électrostatique avec utilisation d'un pochoir, etc..
Selon une autre variante de l'invention, la couche de résistance électrique se confond avec la couche de liant qui à cette fin est chargée fortement en particules sous forme de poudre ou fibres de matériau électriquement conducteur, par exemple des particules métalliques ou des particules revêtues de métal, ou encore en graphite.
L'élément chauffant selon l'invention comprend généralement en outre un revêtement isolant électrique recouvrant la couche de résistance électrique. Ce revêtement est par exemple un second substrat du type du premier substrat décrit précédemment, pouvant adhérer sur la couche de résistance électrique par l'intermédiaire d'une autre couche adhésive.
La composition de l'élément chauffant à partir de couches minces lui procure une épaisseur faible, ce qui se traduit par une inertie thermique très réduite.
L'invention concerne aussi un procédé pour la fabrication de l'élément chauffant. Dans ce procédé, le substrat, le liant et la couche électriquement conductrices utilisés sont choisis parmi les produits décrits précédemment.
Le procédé utilise les étapes suivantes : - on prépare le substrat devant servir de support, au moins intermédiaire, pour la réalisation de l'élément chauffant,
- sur le substrat on dépose le liant à partir d'une dispersion ou solution ou une poudre de ce liant,
- après séchage éventuel, on assemble par pressage par exemple par pressage entre les plateaux d'une presse ou par calandrage entre des rouleaux, la couche conductrice qui se présente notamment sous la forme d'un film métallique, avec le substrat revêtu du liant,
- on traite chimiquement la couche conductrice, notamment par une gravure chimique, afin de donner à cette couche la forme désirée pour la résistance électrique,
- on obtient un élément prélaminé,
- on assemble par pressage un second substrat revêtu d'une couche de liant avec l'élément prélaminé en plaçant la couche de liant du second substrat en contact avec la couche conductrice, - on obtient finalement l'élément chauffant à structure feuilletée, de faible épaisseur et à faible inertie thermique.
L'utilisation d'une solution ou dispersion de liant permet d'obtenir des couches fines et, néanmoins, une très bonne adhésion entre les éléments du feuilleté, et qui se conserve dans le temps et dans les conditions d'usage les plus extrêmes.
Lorsque l'élément chauffant utilise en tant que couche de résistance électrique chauffante une résistance obtenue par dépôt direct d'une composition conductrice par sérigraphie ou pulvérisation utilisant un pochoir, le procédé de fabrication utilise les opérations suivantes :
- on dépose sur le substrat préparé à l'aide d'un écran de sérigraphie ou d'un pochoir la composition conductrice de l'électricité, - on sèche la couche déposée,
- on assemble par pressage un second substrat revêtu d'une couche de liant avec le substrat revêtu de la résistance chauffante. La résistance électrique est finalement enrobée dans la couche de liant du second substrat.
Lorsque l'élément chauffant utilise en tant que couche de résistance électrique chauffante une couche obtenue à partir de particules conductrices dispersées dans le liant, le procédé de fabrication peut alors utiliser les opérations suivantes :
- on dépose sur le substrat préparé une dispersion du liant et des particules conductrices de l'électricité, - après séchage éventuel de la couche déposée, on traite chimiquement cette couche contenant les particules métalliques de manière à lui donner la forme désirée pour la résistance électrique,
- on assemble par pressage un second substrat revêtu d'une couche de liant avec le substrat revêtu de la résistance électrique préparé précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans les exemples suivants décrits en relation avec les figures.
La figure 1 représente les différents stades de la fabrication d'un exemple d'un élément chauffant selon l'invention utilisant un film métallique en tant que résistance électrique chauffante. La figure 2 représente les différents stades de la fabrication d'un exemple d'un élément chauffant selon l'invention utilisant une couche à base de particules métalliques en tant que résistance électrique chauffante.
Les figures 3 et 4 représentent un élément chauffant selon l'invention muni d'un thermostat. La figure 5 représente une application pour des éléments chauffants selon l'invention. Sur la figure 1 , le substrat 1 servant de support est une feuille formée à partir d'un tissu de verre imprégné de PTFE de 80 μm d'épaisseur. Sur ce substrat, on dépose par la technique d'enduction à l'aide d'une racle ou d'un crayon, une couche 2 de PFA en dispersion dans l'eau. Après séchage à une température de 350°C, on obtient une couche de
10 μm d'épaisseur environ.
Sur cette couche 3 on dépose une feuille métallique 4 de 50 μm d'épaisseur en Constantan et on assemble ces éléments par pressage entre les plateaux d'une presse, sous une pression de 40 bars à 350°C durant quelques minutes.
Après avoir protégé par un vernis déposé par sérigraphie les parties de la feuille métallique destinées à former la résistance électrique, on traite l'assemblage avec un mélange d'acide chlorhydrique et d'eau oxygénée afin d'obtenir la forme désirée pour la résistance chauffante par gravure chimique. On obtient un élément prélaminé 5. On assemble ensuite par pressage dans les mêmes conditions que précédemment un second substrat 6 revêtu d'une couche de liant 7, obtenu comme dans le cas du précédent substrat revêtu, avec l'élément prélaminé 5.
On obtient finalement un élément chauffant mince 8 que l'on peut découper aux dimensions désirées et pouvant être utilisé dans diverses applications. En variante, la découpe peut être réalisée au niveau de l'élément préfabriqué, le revêtement par le second substrat s'opérant sur les éléments préfabriqués découpés.
Sur la figure 2, le substrat 9 servant de support peut être le même que celui décrit en relation avec la figure 1 .
Sur ce substrat à base de PTFE, on dépose par enduction une dispersion 10 contenant du PFA et des particules métalliques conductrices de l'électricité.
La teneur en particules métalliques est déterminée de manière à avoir un contact électrique continu dans la couche de revêtement 1 1 formée sur le substrat après séchage. Cette teneur dépend notamment des dimensions et de la forme des particules métalliques. On procède ensuite à la gravure chimique de la couche de revêtement conductrice 1 1 et on obtient un élément prélaminé 1 2.
On assemble ensuite cet élément prélaminé 1 2 avec un second substrat 1 3 revêtu dans cet exemple de la couche 14 de liant à base de PFA. On obtient un élément chauffant mince 1 5 qui peut être découpé aux dimensions désirées. En variante, la découpe s'opère au niveau des éléments préfabriqués (prélaminés).
L'élément chauffant selon l'invention peut être utilisé aussi bien dans des applications ménagères que dans des applications industrielles qui nécessitent l'utilisation d'éléments chauffants de faible épaisseur et de faible inertie thermique. Plusieurs éléments chauffants peuvent être utilisés en combinaison.
L'élément chauffant peut aussi être utilisé avec avantage dans des milieux agressifs tels que des bains de traitement. L'élément chauffant peut être plus ou moins flexible selon les couches conductrices et les applications envisagées.
L'élément chauffant peut être utilisé sous une forme plane ou thermoformée notamment lorsqu'il s'agit de le rigidifier. Il peut encore être utilisé grâce à sa fine épaisseur sous forme de ruban enroulé par exemple autour de tubes. Il peut aussi éventuellement être pourvu d'une couche adhésive de manière à assurer la liaison avec l'objet à chauffer.
L'élément chauffant selon l'invention peut aussi être muni d'un thermostat en forme de thermocouple plat placé dans une couche adhésive adjacente à un substrat. Une réalisation d'un tel élément chauffant est représentée schématiquement sur les figures 3 et 4. Cet élément chauffant 1 6 comprend un premier substrat 1 7, une couche adhésive 1 8 contenant la résistance chauffante 1 9, un second substrat 20, une seconde couche adhésive 21 contenant un thermocouple 22 et un troisième substrat 23. La proximité du thermocouple 22 de la résistance chauffante permet une régulation très rapide de la température.
Sur la figure 5 est représentée une application qui utilise plusieurs éléments chauffants selon l'invention. Ainsi, trois éléments chauffants 24, 25, 26 sont disposés dans la semelle 27 d'un fer à repasser. Ces trois éléments chauffants peuvent présenter la même résistivité électrique ou en variante des résistivités différentes constantes ou variables en fonction de la température. Chaque élément chauffant correspond à une zone de chauffage qui peut le cas échéant être contrôlée séparément par un thermostat ou en variante par la couche résistante elle-même. Cette disposition en combinaison permet un très bon contrôle de la température de la semelle quelque soit finalement la méthode de repassage utilisée.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Elément chauffant (8 ; 1 5 ; 1 6) de faible épaisseur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un substrat (1 , 6 ; 9, 1 3 ; 1 7, 20, 23) et au moins une couche de résistance électrique (4 ; 1 1 ; 1 9) adhérant au substrat par un liant (3 ; 1 1 ; 1 8, 21 ) formé à partir d'une dispersion, solution ou poudre d'au moins un polymère dont la température de fusion est supérieure à la température de fonctionnement de l'élément chauffant et qui peut être déposé sur le substrat en couche mince.
2. Elément chauffant selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le liant est à base d'un polymère perfluoré.
3. Elément chauffant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le polymère perfluoré est choisi parmi le PFA, le MFA, le PTFE.
4. Elément chauffant selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat est un voile ou tissu imprégné d'un polymère perfluoré.
5. Elément chauffant selon la revendication 4, caractérisé en ce que le polymère perfluoré est du PTFE.
6. Elément chauffant selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de résistance électrique est à base d'une feuille métallique.
7. Elément chauffant selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de résistance électrique est à base de particules conductrice de l'électricité dispersée dans un liant.
8. Elément chauffant selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de résistance électrique est obtenue directement avec la forme désirée par dépôt d'une composition électriquement conductrice notamment par sérigraphie.
9. Elément chauffant selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est muni d'un thermostat (22).
1 0. Procédé pour la fabrication d'un élément chauffant selon une des revendications 1 à 6, caractérisé par les étapes suivantes : - on prépare le substrat devant servir de support pour la réalisation de l'élément chauffant, - sur le substrat, on dépose le liant à partir d'une dispersion ou solution ou une poudre,
- après séchage éventuel, on assemble par pressage la couche conductrice avec le substrat, - on traite chimiquement la couche conductrice pour lui procurer la forme désirée pour la résistance électrique,
- on assemble un second substrat revêtu d'une couche de liant avec le prélaminé,
- on obtient l'élément chauffant à structure feuilletée.
1 1 . Procédé pour la fabrication d'un élément chauffant selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on dépose sur un substrat une dispersion du liant et des particules conductrices de l'électricité :
- on traite chimiquement la couche conductrice de manière à lui donner la forme désirée, - on assemble par laminage un second substrat revêtu d'une couche de liant avec le substrat précédent.
12. Procédé pour la fabrication d'un élément chauffant selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on dépose sur un substrat une composition conductrice, notamment par sérigraphie, et on assemble par pressage un second substrat revêtu d'une couche de liant avec le substrat précédent.
1 3. Application de l'élément chauffant selon une des revendications 1 à 9 à un article ménager.
14. Application de l'élément chauffant selon une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle utilise plusieurs éléments chauffants (24, 25, 26) en combinaison.
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