專利名稱：薄膜加熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膜加熱元件，其包括鋁基材、電絕緣層和電阻層，還涉及包括這樣的加熱元件的家用電器。
通常，薄膜加熱元件由兩個施加在基材上的功能層組成，即電絕緣層和電阻層。通過電流流經(jīng)電阻層產(chǎn)生熱。絕緣層的功能是使產(chǎn)生熱的電阻層與可以從外部直接達(dá)到的金屬基材絕緣。
電阻層可以經(jīng)高傳導(dǎo)性跡線與供電電壓電連接。這些傳導(dǎo)性跡線通常是圖案化的。
平板薄膜加熱元件通?？梢员淮致缘胤譃閮纱箢?，即厚膜加熱元件和薄膜加熱元件。
這兩類之間的區(qū)別在于電阻層的厚度。在厚膜加熱元件中，電阻層的厚度超過2μm。這些膜主要通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備。在薄膜加熱元件中，電阻層的厚度小于2μm。
這些膜主要通過蒸發(fā)技術(shù)或者通過前體溶液熱解來制備。
薄膜加熱元件由美國專利4889974已知。所述專利公開了借助濕法化學(xué)工藝制備的薄膜加熱元件。這種薄膜加熱元件由直接施加在絕緣基材(例如硬質(zhì)玻璃基材、石英玻璃基材或者陶瓷基材)上的電阻層構(gòu)成。描述了作為電阻層用形成電子受體和電子給體的元素?fù)诫s的SnO2膜。該膜通過噴霧熱解工藝?yán)^之在600℃下固化的方法由溶液制備。
許多專利公開了在導(dǎo)電基材(例如鋼)上的薄膜加熱器。絕緣層(例如聚合物、搪瓷等)被施加到這些導(dǎo)電基材上，從而使電阻層與基材絕緣。將薄的電阻層施加到這些絕緣層頂上。
然而，直到最近還沒有報導(dǎo)在鋁或鋁合金基材上的薄膜加熱器。鋁及其合金相對于用于鋼基材的絕緣層具有較高的膨脹系數(shù)(22-26ppm/K)，其中所述絕緣層在大多數(shù)情況下是基于搪瓷的絕緣體。通常用于鋼基材的絕緣層不能用于鋁(合金)基材。當(dāng)所述加熱元件暴露于溫度循環(huán)時，熱膨脹系數(shù)的不匹配導(dǎo)致膜開裂。此外，為了施加這些絕緣體，將前體施加到合適的基材上，隨后該前體必須在高于650℃的高溫下固化以獲得合適的絕緣層。這些高固化溫度超過或者接近鋁(660℃)和其合金的熔融溫度。因此，這些材料不適合作為鋁基材的電絕緣層。
EP-A-0891118公開了一種薄膜加熱器，其中使用陶瓷層作為鋁基材的絕緣層。然而，在該專利中陶瓷絕緣層和鋁之間的膨脹系數(shù)的差異被銜接起來(bridge)，因為首先將加熱元件設(shè)置在不銹鋼板上，隨后將該不銹鋼板用例如基于硅氧烷的膠粘合到鋁板上。
本發(fā)明的目的在于提供一種前序部分的用于鋁基材的加熱元件，其中在該元件經(jīng)受溫度循環(huán)時不形成開裂。當(dāng)使用術(shù)語鋁時，其包括鋁、陽極化鋁和鋁合金。此外，本發(fā)明的目標(biāo)在于提供包括這樣的加熱元件的家用電器以及制造所述加熱元件的方法。
本發(fā)明的這些和其他的目的通過膜加熱元件得以實現(xiàn)，該膜加熱元件至少包括鋁基材、基于溶膠-凝膠前體的電絕緣層和厚度小于2μm的電阻層。
根據(jù)本發(fā)明的加熱元件具有幾個優(yōu)點。首先是在該加熱元件暴露于20-300℃之間的溫度循環(huán)時完全沒有觀察到形成開裂。
此外，該加熱元件適用于高功率應(yīng)用，其在300℃的基材溫度下的功率密度為20W/cm2或更高。
根據(jù)本發(fā)明的薄膜加熱元件包括厚度小于2μm的電阻層。這種電阻層優(yōu)選包括金屬、金屬氧化物或者摻雜的金屬氧化物。合適的金屬是鋁。合適的金屬氧化物是氧化錫、銦-錫氧化物(ITO)。合適的摻雜金屬氧化物是氟或者鋁摻雜的氧化鋅，或者用氟或銻摻雜的氧化錫。
令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管相對于鋁約23ppm/K的熱膨脹系數(shù)，例如ITO具有約4ppm/K的熱膨脹系數(shù)，在本發(fā)明的加熱元件暴露于20-300℃的重復(fù)溫度循環(huán)時，沒有觀察到形成開裂。
可以借助(大氣)化學(xué)氣相沉積((A)CVD)、物理氣相沉積(PVD)、磁控管濺射、熱噴或者濕法化學(xué)技術(shù)將電阻層施加到絕緣層上。
電阻層優(yōu)選由無機(jī)材料構(gòu)成。合適的無機(jī)材料是金屬、金屬氧化物和經(jīng)摻雜的金屬氧化物。合適的金屬是鋁。合適的金屬氧化物是氧化錫、銦-錫氧化物(ITO)。合適的摻雜金屬氧化物是氟或鋁摻雜的氧化鋅，或者用氟或銻摻雜的氧化錫。無機(jī)材料的電阻層不會產(chǎn)生形成碳化導(dǎo)電跡線的風(fēng)險。
本發(fā)明的加熱元件還包括基于溶膠-凝膠前體的電絕緣層。
采用基于溶膠-凝膠前體的電絕緣層提供了幾個優(yōu)點。首先，基于溶膠-凝膠前體的層顯示出優(yōu)異的電絕緣性?；谌苣z-凝膠前體的材料的碳含量低到足以防止在加熱失效的情況下形成碳化導(dǎo)電跡線，由此提供了安全的加熱元件。同樣，溶膠-凝膠材料具有高的熱傳導(dǎo)率，其具有0.1-2W/m/°K的數(shù)量級。此外，溶膠-凝膠前體可以在低于400℃的溫度下進(jìn)行處理，這使得這種材料適合被直接施加到鋁基材上。由于混雜型溶膠-凝膠前體的較低固化溫度，將能夠保持鋁的機(jī)械性能。優(yōu)選將溶膠-凝膠前體施加到陽極化鋁基材上，以確保溶膠-凝膠層的良好結(jié)合。
盡管溶膠-凝膠絕緣層特別適合于在鋁基材上的應(yīng)用，也可以使用常規(guī)用于加熱元件和與最終用途相容的其他基材。所述基材可能包括例如不銹鋼、上釉鋼或者銅。基材可以是平板、管或者任何與最終用途相容的其他構(gòu)造的形式。
優(yōu)選地，溶膠-凝膠前體是包括有機(jī)硅烷化合物的混雜型溶膠-凝膠前體。
優(yōu)選的硅烷是形成混雜型溶膠-凝膠前體的硅烷。將包括有機(jī)硅烷化合物的混雜型溶膠-凝膠前體理解為包括與至少一個不可水解的有機(jī)基團(tuán)和2或3個可水解的有機(jī)基團(tuán)相鍵合的硅的化合物。
在一個有利的實施方案中，溶膠-凝膠材料可能還包括二氧化硅微粒，特別是膠體二氧化硅微粒。
特別地，混雜型溶膠-凝膠前體包括來自烷基烷氧基硅烷類的有機(jī)硅烷化合物。
優(yōu)選地，混雜型溶膠-凝膠前體包括甲基-三甲氧基硅烷(MTMS)和/或甲基-三乙氧基硅烷(MTES)。本發(fā)明基于混雜型溶膠-凝膠體系的加熱元件的優(yōu)點是相對高的功率密度和鋁優(yōu)化的熱膨脹系數(shù)值。
已知混雜型溶膠-凝膠前體例如MTMS和MTES在高達(dá)至少450℃時都具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。此外，MTMS已經(jīng)顯示出能夠有效地防止銀的氧化和之后的遷移。這些材料的碳含量仍然很低，使得在失效后不會形成橫貫絕緣層的碳化傳導(dǎo)性跡線，而制備出安全的加熱元件。由混雜型前體制備的涂層的最大層厚相對高于由非混雜型溶膠-凝膠材料制備的涂層的最大層厚。因此，可以在一個或者最多兩個步驟中沉積層而無需中間的固化。
有利的是，所述電絕緣層包括非傳導(dǎo)性顆粒。
所述非傳導(dǎo)性顆粒的-部分優(yōu)選具有薄片狀的形狀和最長2-500μm、優(yōu)選2-150μm和更優(yōu)選5-60μm的尺寸。這些非傳導(dǎo)性的薄片狀微?；谘趸锢缭颇富蝠ね梁?或用二氧化鈦、氧化鋁和/或二氧化硅涂層表面改性的云母或者黏土顆粒。在絕緣層中薄片狀的材料含量應(yīng)當(dāng)少于20體積％，優(yōu)選少于15體積％，并更優(yōu)選少于4-10體積％。這種各向異性微粒的優(yōu)點在于它們的存在防止了在經(jīng)常性地加熱和冷卻元件后在電絕緣層中形成開裂。
在優(yōu)選實施方案中，所述非傳導(dǎo)性微粒以膠體形態(tài)存在。其實例是氧化物，例如氧化鋁和二氧化硅。優(yōu)選地，在絕緣層中氧化鋁的含量應(yīng)當(dāng)?shù)陀?0vol％，優(yōu)選低于20vol％和更優(yōu)選10-15vol％。對于在絕緣層中的二氧化硅含量，其應(yīng)當(dāng)有利地低于50vol％，優(yōu)選低于35vol％，并更優(yōu)選低于15-25vol％。
如果絕緣層基于用包括各向異性微粒的微粒填充的MTMS或者M(jìn)TES，則僅50μm的層厚就能承受5000V。相對小的層厚能夠使得橫貫電阻層厚度的溫差非常小，這使得可以加熱電阻層的低得多的溫度來獲得鋁基材的特定溫度。由于這個原因，有利地使用所述薄層。該層可以通過任何濕法化學(xué)施加方法、優(yōu)選噴涂或者絲網(wǎng)印刷繼之以固化步驟來進(jìn)行施加。
根據(jù)本發(fā)明的加熱元件還可能包括導(dǎo)電層。在本發(fā)明的加熱元件中的導(dǎo)電層包括相對于電阻層具有較低歐姆阻抗的層，并用作產(chǎn)生熱的電阻層和外部電源之間的接觸層。
傳導(dǎo)性層可能由金屬例如鋁或者混雜材料例如PI/Ag或者溶膠-凝膠/銀漿體構(gòu)成。該傳導(dǎo)性層可能通過(A)CDV、PVD、磁控管濺射、熱噴和濕法化學(xué)技術(shù)或絲網(wǎng)印刷技術(shù)施加。
用于施加傳導(dǎo)性跡線的優(yōu)選技術(shù)是絲網(wǎng)印刷。商業(yè)可獲得的金屬粉末可以用于該傳導(dǎo)性跡線。優(yōu)選使用銀或者銀合金微粒。
其他金屬和半導(dǎo)體可以用于制備該用途的傳導(dǎo)性層，前提是它們在溶膠-凝膠基體中具有足夠高的溫度穩(wěn)定性。MTMS或MTES前體的使用降低了在加熱元件的高溫下銀和石墨微粒的氧化速率。在這一方面人們已經(jīng)注意到，在MTES衍生的基體中石墨在320℃顯示出超過600小時的穩(wěn)定性。
為了制備可絲網(wǎng)印刷的制劑，可以將纖維素衍生物添加到含微粒的水解MTMS或MTES溶液中。優(yōu)選羥基丙基甲基纖維素用作纖維素材料。最后，加入具有高沸點的溶劑以防止墨水干燥和隨后堵塞篩網(wǎng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)丁氧基乙醇是合適的選擇，但是發(fā)現(xiàn)其他極性溶劑也是合適的，優(yōu)選醇。
任選地，所述元件可以用保護(hù)性面漆層覆蓋。這種面漆層主要用作保護(hù)層以防止在操作該元件期間的機(jī)械損傷。使用例如二氧化硅填充的混雜型溶膠-凝膠溶液(例如基于MTMS)可以容易地制備可絲網(wǎng)印刷的制劑。所施加的面漆層可以與傳導(dǎo)性層和電阻層共同固化。
本發(fā)明還涉及一種家用電器，其至少包括本發(fā)明的加熱元件。本發(fā)明的加熱元件非常適用于在熨斗、特別是用于可調(diào)節(jié)蒸汽形成的熨斗中的加熱元件，在這種熨斗中要求高的功率密度。但是，該加熱元件也非常適用于其他家用電器，例如吹風(fēng)機(jī)、頭發(fā)造型工具、蒸汽發(fā)生器和蒸汽清潔器、外衣清潔器、加熱熨斗板、面部蒸汽發(fā)生器、壺、用于系統(tǒng)熨斗和清潔器的加壓蒸煮器、咖啡機(jī)、深平底油炸鍋、飯鍋、消毒器、加熱板、熱鍋、烤架、暖爐、烘蛋奶餅的鐵模、烘爐、爐或水流加熱器。
本發(fā)明還涉及一種制備本發(fā)明的加熱元件的方法，至少包括下列步驟提供鋁基材；將電絕緣層施加到所述基材上；和在電絕緣層的頂上施加電阻層，其特征在于電絕緣層通過溶膠-凝膠方法獲得，該電阻層的厚度小于2μm。特別地，該溶膠-凝膠方法至少包括使有機(jī)硅氧烷化合物與水混合的步驟。
本發(fā)明將通過下面的制備實施例進(jìn)一步進(jìn)行闡明。
實施例利用Leybold Z650 Batch系統(tǒng)(起始壓力小于4.0×10-6mBar，沉積速度20nm/min)在氬/氧氣氛下采用DC磁控管濺射法將200nm厚的ITO(90wt％In2O3、10wt％純度大于99.99％的SnO2)薄層(72×64mm)施加到鋁基材之上基于溶膠-凝膠前體的50μm厚的絕緣層上。通過絲網(wǎng)印刷施加約10μm厚的傳導(dǎo)性層(基于PI/Ag的漿體，Acheson的PM437)。在80℃下干燥30分鐘后，將傳導(dǎo)性層在空氣氛中于375℃下固化30分鐘。所得電阻為約36Ω，其表面電阻為0.27Ω/□(對于25.5μm厚的層)。
在施加電壓后，所得加熱元件以20W/cm2的功率密度在240℃的基材溫度設(shè)定下運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種膜加熱元件，至少包括鋁基材、基于溶膠-凝膠前體的電絕緣層和厚度的小于2μm電阻層。
2.權(quán)利要求1的膜加熱元件，其中所述電阻層包含無機(jī)材料。
3.權(quán)利要求1或2的膜加熱元件，其中所述溶膠-凝膠前體是包括有機(jī)硅烷化合物的混雜型溶膠-凝膠前體。
4.權(quán)利要求3的加熱元件，其特征在于所述有機(jī)硅烷化合物包括甲基三甲氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷。
5.權(quán)利要求1的加熱元件，其中所述加熱元件還包括傳導(dǎo)層。
6.至少包括根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項的加熱元件的家用電器。
7.權(quán)利要求6的家用電器，其特征在于所述家用電器包括(蒸汽)熨斗、吹風(fēng)機(jī)、頭發(fā)造型工具、蒸汽發(fā)生器和蒸汽清潔器、外衣清潔器、加熱熨斗板、面部蒸汽發(fā)生器、壺、用于系統(tǒng)熨斗和清潔器的加壓蒸煮器、咖啡機(jī)、深平底油炸鍋、飯鍋、消毒器、加熱板、熱鍋、烤架、暖爐、烘蛋奶餅的鐵模、烘爐、爐或水流加熱器。
8.用于制備根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的加熱元件的方法，至少包括下列步驟提供鋁基材；將電絕緣層施加到所述基材上；和在電絕緣層的頂上施加電阻層，其特征在于電絕緣層通過溶膠-凝膠方法獲得且該電阻層的厚度小于2μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加熱元件，其包括鋁基材、基于溶膠－凝膠前體的電絕緣層和厚度小于2μm的電阻層。這種加熱元件的特征解決了由鋁基材和電阻層的熱膨脹系數(shù)不匹配引起的形成裂縫的問題。還公開了包含本發(fā)明的加熱元件的家用電器。
文檔編號H05B3/16GK1883229SQ200480034053
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者P·J·沃克曼, R·雷西梅爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司