DE60207063T2

DE60207063T2 - Heizungsanlage

Info

Publication number: DE60207063T2
Application number: DE60207063T
Authority: DE
Inventors: H. Rene VAN DER WOUDE
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: DE60207063D1; JP4094960B2; US20020158059A1; JP2004519831A; WO2002085071A1; CN1461579A; US7041378B2; EP1382225A1; CN1295942C; ATE308868T1; EP1382225B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Heizsystem mit mindestens einem Keramiksubstrat und einer Widerstandsschicht.
Dickfilmheizelemente, in denen ein keramisches Substrat mit einer Widerstandsschicht versehen ist, sind gut bekannt. Die genannten Dickfilmheizelemente beispielsweise wenn sie in Haushaltskesseln verwendet werden. Das Element wird durch Aufsprühen einer Lösung aus Glasfritte auf ein Stahlsubstrat hergestellt. Anschließend wird das Emaille bei einer Temperatur von etwa 900°C eingebrannt. Durch Siebdruck einer Mischung aus Silber/Palladium und Glaspartikeln werden dann leitende Spuren aufgebracht. Wieder wird ein Einbrennvorgang durchgeführt, um eine richtige Verbindung zwischen den Spuren und dem Emaillesubstrat als Ergebnis einer Zusammensinterung der Materialien zu erreichen.
Die internationale Patentanmeldung WO 96/17496 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Dickfilmwiderstandsheizelements. Die isolierende Schicht umfasst Emaille und die hitzeerzeugende Schicht ist normalerweise eine Glas/Silber-Mischung oder eine Silber/Palladium/Glas-Mischung, die auf das Emaillesubstrat gesintert wird.
Ein wichtiger Nachteil der Anwendung von Silber/Palladium-Spuren ist der hohe Preis der genannten Metalle, wobei dieser Preis auch sehr schwankend ist.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein flaches Heizsystem mit einem Keramiksubstrat und einer Widerstandsschicht zu schaffen, das zu niedrigeren Kosten hergestellt werden kann und gleiche oder sogar bessere Ergebnisse im Vergleich zu den bekannten Heizsystemen schafft.
Zu diesem Zweck schafft die vorliegende Erfindung ein Heizsystem gemäß der Einleitung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Widerstandsschicht ein thermisch stabiles Harz, das mit einem leitfähigem Material gefüllt ist, umfasst.
Durch Verwendung einer Mischung aus thermisch stabilem Harz und einer leitfähigen Materialmischung, um eine hitzeerzeugende Spur zu schaffen, kann eine Widerstandsschicht mit guter Leistung zu niedrigen Kosten hergestellt werden.
Vorzugsweise umfassen die thermisch stabilen Harze ein oder mehr Materialien, die aus der Gruppe von Polyimid, Polyetherimid, Polyethersulfon, aromatischen Polyamiden und Silikonharzen ausgewählt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das thermisch stabile Harz Polyimid.
Vorzugsweise umfasst das leitfähige Material ein oder mehr Materialien, die aus der Gruppe von Kohlenstoff, Grafit, Silber, Nickel und versilbertes Nickel besteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das leifähige Material Kohlenstoff.
Insbesondere umfasst das Keramiksubstrat ein Glasssubstrat.
Durch Aufbringen der Widerstandsschicht – oder Heizspur – auf das Glas wird ein einfaches Heizsystem erzielt. Eine mögliche Anwendung für ein solches System ist eine Heizspur auf der Glaskanne für eine Kaffeemaschine. Ein wichtiger Vorteil des genannten Heizsystems ist dessen niedrige Leistungsdichte und die relativ niedrige Temperatur, die ein Überhitzen des Kaffees verhindert.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Keramiksubstrat ein Substrat aus Stahl, das mit einer Emailleschicht versehen ist.
Ein Beispiel hierfür ist ein Heizelement für einen Haushaltskessel.
Vorzugweise ist die Widerstandsschicht mit dem Keramiksubstrat zusammengefügt und ist zwischen dem Substrat und der Widerstandsschicht ein Haftvermittler eingebracht.
Der genannte Haftvermittler wird verwendet, um das Zusammenfügen von Polyimid mit dem Keramiksubstrat zu unterstützen.
Vorteilhafterweise umfasst der Haftvermittler ein Aminosilan, vorzugsweise γ-Aminopropyl-Trimethoxisilan.
Die Oberflächeneigenschaften von Materialien wie Emaille und Glas werden zu einem großen Teil durch die Menge an Silika in diesen Materialien bestimmt. Um den Grad der Haftung, der auf den genannten Oberflächen erzielt werden kann, zu verbessern, werden Aminosilane als Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Widerstandsschicht verwendet. Die genannten Aminosilane wirken als Agenzien, um die Bildung von chemischen Bindungen zu fördern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein technisches Gerät mit mindestens einem Heizsystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
Obwohl das Heizsystem gemäß der vorliegenden Erfindung für verschiedene Arten von elektrischen(Haus)-Geräten verwendet werden kann, ist es besonders nützlich für Kessel, Kaffeemaschinen und Teemaschinen, entweder als ein flaches Heizelement oder als ein röhrenförmiges Heizelement.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Heizsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das genannte Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:

– Schaffen eines Keramiksubstrats; und
– Aufbringen einer Widerstandsschicht auf das genannte Substrat.

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht ein thermisch stabiles Harz, das mit einem leitfähigem Material gefüllt ist, umfasst.
Um die Haftung zwischen der Polyimidschicht und dem Keramiksubstrat zu fördern, wird auf das Keramiksubstrat vor dem Schritt des Aufbringens einer Widerstandsschicht ein Haftvermittler aufgebracht. Vorzugsweise umfasst der genannte Haftvermittler ein Aminosilan, von denen γ-Aminopropyl-Trimethoxisilan besonders bevorzugt wird.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf das folgende Beispiel weiter erläutert.
Erstellung eines Heizsystems für einen Kessel
Ein Heizsystem für einen Kessel wird durch die folgende Prozedur erstellt. Zuerst wird ein Stahlsubstrat mit einer Emailleisolierschicht versehen. Die Emailleschicht enthält eine relativ große Menge an Silika. Da die Haftung von Polyimid auf der Silikaoberfläche, die mit Hydroxylgruppen bedeckt ist, nicht ausreichend ist, muss der Grad der Haftung von Polyimid verbessert werden. Das wird Modifizieren der Silikaoberfläche mit einem Haftvermittler, besonders einem Aminosilan getan.
Um einen solchen Haftvermittler aufzubringen, wird die Silikaoberfläche der Emailleschicht zuerst einer Reinigungsprozedur ausgesetzt. Dem Beispiel entsprechend umfasst die genannte Prozedur folgende Schritte:

– Waschen der Silikaoberfläche mit 95% Isopropylalkohol (IPA) (Merck-2 Propanol pro Analyse; C₃H₈O; M = 60,1 g/mol; Siedepunkt 82,4°C); und
– Lufttrocknung für 10 Minuten bei 85°C.

Anschließend wird der Haftvermittler, γ-Aminopropyl-Trimethoxisilan (APS), auf die IPA-gereinigte Silikaschicht aufgeschleudert. Zu diesem Zweck wird eine 2%ige Lösung von γ-Aminopropyl-Trimethoxisilan in Wasser verwendet. Nach Trocknung bei Raumtemperatur bedeckt eine extrem dünne Schicht von γ-Aminopropyl-Trimethoxisilan die Emailleoberfläche.
Die γ-Aminopropyl-Trimethoxisilan-Flüssigkeit reagiert mit den Si-OH-Gruppen der Silikagel-Oberfläche, um ein Aminopropyl-Derivat zu bilden. Die resultierende Oberfläche wirkt „klebrig", fördert dabei die Bindung des Polyimidfilms an die Silikagel-Oberfläche. Nur einige wenige Monoschichten dieses Materials müssen aufgebracht werden, um diese verbesserte Haftung zu haben.
Nach dem Aufbringen des Haftvermittlers wird eine Polyamidsäure/Kohlenstoff-Paste (PAA/C) unter Verwendung von Siebdrucktechniken aufgebracht. Da Kohlenstoff eine relativ niedrige Leitfähigkeit (0,1–0,01 Ωcm) hat, können kurze und breite Spuren aufgebracht werden. Das macht das Design der Spur sehr leicht. Nach einem Trocknen bei 80°C für 10 Minuten kann eine andere – kontaktierende – Schicht aus Polyamidsäure/Silber (PAA/Ag) im Siebdruck aufgebracht werden. Diese Schichten werden wieder bei 80°C für 10 Minuten getrocknet, gefolgt von einem abschließenden Ausheilschritt bei 375°C für 30 Minuten. Während des genannten abschließenden Ausheilschritts wird die Polyamidsäure (PAA) in Polyimid umgewandelt.
In dem obigen Beispiel wird ein Verfahren zur Herstellung für einen Kessel erklärt. Trotzdem kann das erfindungsgemäße Heizsystem ähnlich in anderen Arten von Heizelementen, wie beispielsweise einen röhrenförmigen Heizer, eingesetzt werden. Auch kann das Heizsystem bei einer Glaskanne für eine Kaffeemaschine eingesetzt werden, in der die Polyimid/Kohlenstoff-Heizspur direkt auf der genannten Glaskanne aufgebracht wird.

Claims

Heizsystem mit einem Keramiksubstrat, das eine Widerstandsschicht aus einem thermisch stabilen Harz trägt, welches mit einem leitfähigen Material gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat eine Silika enthaltende Oberflächenschicht hat, und das thermisch stabile Harz mit Hilfe eines zwischen dem Substrat und der Harzschicht eingebrachten Aminosilans mit der Silika enthaltenden Oberflächenschicht des Substrats zusammengefügt ist.
Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch stabile Harz ein oder mehr Materialien umfasst, die aus der Gruppe, die aus Polyimid, Polyetherimid, Polyethersulfon, aromatischen Polyamiden und Silikonharzen besteht, ausgewählt sind.
Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch stabile Harz Polyimid umfasst.
Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material ein oder mehr Materialien umfasst, die aus der Gruppe, die aus Kohlenstoff, Grafit, Silber, Nickel und versilbertem Nickel besteht, ausgewählt sind.
Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat ein Glassubstrat umfasst.
Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat ein Substrat aus Stahl umfasst, welches mit einer Emailleschicht versehen ist.
Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aminosilan γ-Aminopropyl-Trimethoxysilan ist.
Glaskanne für eine Kaffee- oder Teemaschine mit einem Heizsystem nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Glaskanne das Substrat für das Heizsystem bildet.
Haushaltskessel mit einem Stahlsubstrat, das mit einer isolierenden Emailleschicht versehen ist, welcher Kessel außerdem ein Heizsystem nach einem der Ansprüche 1–7 umfasst, wobei das Stahlsubstrat mit der isolierenden Emailleschicht das Substrat für das Heizsystem bildet.
Heizsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyimidharzschicht mit einer kontaktierenden Schicht aus Ag umfassendem Polyimid ist.
Verfahren zur Herstellung eines Heizsystems nach Anspruch 3, das folgende Schritte umfasst: – Schaffen eines Keramiksubstrats; und – Aufbringen einer PAA-Schicht auf das genannte Substrat, wobei die PAA-Schicht Kohlenstoff umfasst, und Trocknen und Ausheilen der genannten Schicht, um eine Widerstandsschicht mit Polyimid, das mit Kohlenstoff gefüllt ist, zu bilden, wobei vor dem Schritt des Aufbringens der PAA-Schicht ein Haftvermittler, der ein Aminosilan umfasst, auf das Keramiksubstrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler γ-Aminopropyl-Trimethoxisilan umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, in dem die PAA-Schicht Kohlenstoff und ein oder mehr Materialien aus der Gruppe, die aus Grafit, Silber, Nickel und versilbertes Nickel besteht, umfasst.