JP2004519832A - 加熱素子用絶縁性層 - Google Patents

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Abstract

少なくとも基材、電気絶縁性層及び抵抗性層を有する加熱素子が開示されている。前記素子の前記電気絶縁性層はゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有する。少なくともこのような加熱素子を有する家庭用電気器具及び該加熱素子の製造方法も記載されている。

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも基材、電気絶縁性層及び抵抗性層を有する加熱素子(heating element)に関する。更に、本発明は、このような加熱素子を含む家庭用電気器具、及び該加熱素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
前文に記載の加熱素子は例えば米国特許公報第US−A−5,822,675号から既知である。前記特許は、当該基材の表面上にシリコンベースの電気絶縁性材料の第1層を持つ基材を有する加熱素子を開示している。好ましくは、前記層はまた、電気抵抗性層から大量の熱を伝達するために熱伝導性である。電気絶縁性と熱伝導性との両方を達成するため、第1層は、好ましくは、シリコーン樹脂に加えて、例えばアルミナ、炭化ケイ素又はホウ化ジルコニウム(zirconium diboride)などの充填材(filler)を含む。第1層の表面上にはシリコンベースの電気抵抗性材料を有する第2層がある。第2層に設けられるのは、シリコンベースの電気伝導性材料から成る少なくとも2つの別々の領域である。これらの別々の領域の各々は電力供給源との接続に適する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記加熱素子の不利な点は、電気絶縁性層に用いられるシリコーンが、水を吸収するので漏電箇所(leak)となり、それ故、IEC335−1において指定されているような最大許容漏れ電流の0.75mAを超えることにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、相対的に高い降伏電圧を持つ前文による加熱素子を提供することにある。とりわけ、本発明は、基材がアルミニウム又は陽極酸化アルミニウム(anodized aluminum)を有する加熱素子を提供することを目的とする。アルミニウムという用語がアルミニウムとアルミニウムの合金との両方を含むことは明らかであろう。更に、本発明は、このような加熱素子を含む家庭用電気器具、及び該加熱素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
本発明のこれら及び他の目的は、電気絶縁性層がゾル・ゲルプロセス(sol−gel process)によって得られる層を有することを特徴とする前文による加熱素子により達成される。
【0006】
所謂ゾル・ゲル層を有する電気絶縁性層を塗布する(apply)ことにより、幾つかの利点が達成される。まず第1に、前記ゾル・ゲル層は優れた電気絶縁特性を示す。ゾル・ゲル材料の炭素含有量は、加熱の失敗(failure)の場合に炭化伝導性トラック(carbonized conductive track)の形成を防止するのに十分低く、それによって、安全な加熱素子を提供する。また、ゾル・ゲル材料は高い熱伝導性を持ち、該熱伝導性は略々0.5乃至2W/m/°K程度の大きさである。更に、ゾル・ゲル材料は400℃未満の温度で処理され得る。このことは、この材料をアルミニウム基材に直接的に塗布されるのに適当にする。
【0007】
アルミニウム基材上への塗布には、ゾル・ゲルの電気絶縁性層がとりわけ適しているが、従来加熱素子に用いられており、最終的効用(final utility)に適合する他の基材もまた用いられ得る。前記基材は、例えば、ステンレス鋼、エナメル塗布鋼(enameled steel)又は銅を含み得る。前記基材は、平板、管又は最終的効用に適する何らかの他の形状構成の形態であっても良い。
【0008】
とりわけ、ゾル・ゲルプロセスは、少なくとも、オルガノシラン化合物(organosilane compound)を水と混ぜ合わせるステップを有する。
【0009】
前記オルガノシラン化合物は、有利なことには、少なくとも2つの加水分解的に縮合可能な置換基(hydrolytically condensable substituent)を含む。
【0010】
好ましくは、ゾル・ゲルプロセスが、オルガノシラン化合物と、シリカ粒子、とりわけコロイド状のシリカ粒子とを混ぜるステップを有する。
【0011】
幾つかのオルガノシランが用いられ得るが、高温のアプリケーションに対しては耐熱性シラン(heat resistant silane)が好ましい。このようなシランの好ましい例は、メチルトリメトキシシラン(methyltrimethoxysilane)(MTMS)及びテトラエトキシラン(tetraethoxysilane)(TEOS)である。このような層の層厚の増大は、コロイド状のシリカなどの充填材の付加によって得られ得る。
【0012】
場合によっては、例えば層のキャパシタンス機能(capacitive functioning)を考慮して、或る最小限の厚さの電気絶縁性層を持つことが必要である。このような厚さを得るために、前記電気絶縁性層は樹脂も含み得る。
【0013】
これは、とりわけゾル・ゲル材料が所望の厚さで塗布され得ない場合に有利であり得る。
【0014】
スクリーン印刷可能な電気絶縁性層を得るために、該層は、有利なことには、絶縁性充填材を備える樹脂を含む。
【0015】
前記絶縁性充填材は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、マイカ又は酸化鉄を含み得る。
【0016】
好ましくは、樹脂はポリイミドを含む。
【0017】
有利なことには、ポリイミドに絶縁性充填材が充填され得る。
【0018】
ポリイミドは高い温度耐性及び良好な電気絶縁特性を備える材料である。前記材料は350℃まで漏電(leakage)を示さない。この絶縁性充填材料は上記の如何なる絶縁性充填材も有し得る。
【0019】
しかしながら、極端な負荷の場合又は寿命末期には、加熱素子は故障し得る。故障の過程においては、ポリイミド絶縁性層が炭化し、それによって電気伝導性トラック(electrically conducting track)を形成し得る。これが危険な状況をもたらし得ることは明らかであろう。
【0020】
このような危険な状況を回避するために、加熱素子の電気絶縁性層は、好ましくは、少なくとも、ゾル・ゲルプロセスによって得られる第1層及び熱可塑性樹脂、好ましくはポリイミドを有する第2層を有する。
【0021】
ポリイミド層の降伏電圧の場合には、ゾル・ゲル層は絶縁性のままであり、加熱素子の防護手段として作用するであろう。
【0022】
本発明は、更に、少なくとも本発明による加熱素子を有する家庭用電気器具に関する。
【0023】
本発明による加熱素子は高温が用いられるアプリケーションにおける使用にとりわけ適する。これらのアプリケーションは、例えば、(スチーム)アイロン、やかん(kettle)、コーヒーメーカ、深型フライパン(deep frying pan)、グリル、室内暖房機(space heater)、ワッフル焼き器(waffle iron)、トースタ、オーブン、湯沸し器(water flow heater)などを有する。
【0024】
最後に、本発明は、少なくとも、
−基材を設けるステップ、
−前記基材上に電気絶縁性層を塗布するステップ、及び
−前記電気絶縁性層の上に抵抗性層を塗布するステップを有する加熱素子の製造方法に関する。
【0025】
前記方法は、電気絶縁性層がゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有することを特徴とする。
【0026】
以下の実施例、以下の製造例及び同封の図面を参照して本発明を更に明らかにする。
【0027】
様々な素子は単に概略的なものであり、縮尺どおりにはかかれていないことに注意されたい。
【0028】
【発明の実施の形態】
図1に示されているような加熱素子1は、基材2、絶縁性層3及び抵抗性層6から構築(build up)されている。
【0029】
図示されている実施例において、基材2は、アイロンの底板(sole plate)に用いられるアルミニウム合金を有する。前記基材は、電気絶縁性材料の層3で被覆される。本例の場合には、電気絶縁性層3は、ゾル・ゲルプロセスによって得られる第1層4及び熱可塑性樹脂を有する第2層5から成る。この場合には、熱可塑性樹脂はポリイミドを有する。
【0030】
ゾル・ゲル材料は400℃未満の温度で硬化し得る。このことはアルミニウム基材上に直接的に前記材料を塗布することを可能にする。ゾル・ゲル層4は炭素含有量が低いので、加熱素子の故障の場合でも伝導性トラックの生成が防止される。斯くして、ゾル・ゲル層4の絶縁特性は、極端な状況においても依然として損なわれない。更に、ゾル・ゲル材料の熱伝導性は非常に高く、略々0.5乃至2W/m/°K程度の大きさである。
【0031】
加熱素子における或る要求のため、電気絶縁性層の厚さは約30乃至60μmでなければならない。ゾル・ゲル技術によってこのような厚い層を構築するのは困難であるので、所望の厚さを与えるためにゾル・ゲル層の上にポリイミド層5が塗布される。しかしながら、上記のゾル・ゲル層の利点の全てを活用するためにゾル・ゲル層は可能な限り厚い。
【0032】
例:本発明による加熱素子の製造方法
本発明による加熱素子の製造方法は、少なくとも、
−基材を設けるステップ、
−前記基材上に電気絶縁性層を塗布するステップ、及び
−前記電気絶縁性層の上に抵抗性層を塗布するステップを有する。
【0033】
以下で、製造方法における種々のステップを更に明らかにする。
【0034】
(基材):
製造方法における最初のステップは基材を設けんとするものである。上記の実施例及び図面を参照して、本例の場合には、基材は、アイロンの底板として用いられ得る陽極酸化アルミニウム板を有する。全ての層の間の適切な接着(adhesion)を確実にするために、アルミニウム基材は徹底的に洗浄されなければならない。本例の場合には、基材は、
−前記基材が、中性石鹸(neutral soap)の5%純水(de−mineralized water)溶液において(約1分間)「超音波」洗浄にかけられ(ユニテック超音波洗浄装置(Unitech Ultrasonic Cleaner))、
−次いで、前記基材が、引き続き、水槽(water bath)において、スチーミングタップ水(steaming tap water)において、純水(demi water)で水洗され、
−最後に、前記基材が80℃で乾燥されるという手順に基づいて洗浄される。
【0035】
(基材上への電気絶縁性層の塗布):
【0036】
(ゾル・ゲル絶縁性材料の準備(preparation))
一例として本実施例において用いられたゾル・ゲル皮膜(sol−gel coating)は、メチルトリメトキシシラン(MTMS)、Ludox AS40(40重量%のコロイド状のシリカ懸濁水溶液(colloidal silica suspension))、エタノール及びマレイン酸の混合物をベースとした。SiOゾルは、単一のステップの酸触媒による合成方法(single−step catalyzed synthetic method)によって準備された。メチルトリメトキシシラン(MTMS)(Aldrich Co.,USA)、エタノール(Merck)、(Ludoxからの)マレイン酸及びHOが、モル比1:1.37:0.0166:4.5で混ぜ合わされた。MTMS、EtOH及びマレイン酸が室温で2分間混ぜられた。Ludox AS40(DuPont)が付加され、溶液は60分間混ぜられた。混ぜた後、ゾルの溶液は、5μmのフィルタ及び2μmのフィルタを介してろ過された。Ludox及びMTMSの重量比は0.99だった。用いられた製法(recipe)及び塗布されたゾル・ゲル系(sol−gel system)の準備手順を以下に付与する。
【0037】
ゾル・ゲルの製法:
ステップ1 MTMS(40g)+エタノール(18.5g)+マレイン酸(0.568g)
1分間乃至2分間撹拌(マレイン酸は溶かされなければならない)
ステップ2 Ludox(AS−40)(39.6g)の付加
60分間撹拌
【0038】
準備後、このシリカゾル溶液は、潜在的に存在し得るパーティクルを取り除くために、使用の直前に、5μmの孔径(pore size)のフィルタ及び2μmの孔径のフィルタ(Whatman, New Jersey, USA)を介してろ過された。
【0039】
(基材上への第1のゾル・ゲル層の塗布)
ゾル・ゲル層は、アルミニウム基材の洗浄後2時間以内にアルミニウム表面上に塗布された。
【0040】
ゾル・ゲル層はスピンコーティングによってアルミニウム基材上に塗布された。他の例においては、ゾル・ゲル層はスプレーコーティングによって塗布され得る。本例において用いられた手順は、400rpm(低速)での5秒間のスピンコーティングに続いて800rpm(高速)での10秒間のスピンコーティングをするものであり、1回(one run)で約3乃至4μmのゾル・ゲル層の最終的厚みをもたらす。被覆された基材は、溶媒を取り除くために100℃で10分間熱的に処理された(乾燥された)。これはクリーンルーム内のホットプレート上でなされた。乾燥段階後、ゾル・ゲル材料で被覆された基材は、20分間空気雰囲気下のマッフル炉(muffle furnace)において375℃で硬化した。
【0041】
(他のゾル・ゲル層の塗布)
結果として生じるゾル・ゲル層は、次のゾル・ゲル層及び/又はポリイミド層の適切な接着を妨げる疎水性である。それ故、表面を親水性にするための「火炎(flame)」又はUV/オゾンによる前記結果として生じる層の前処理が必要である。それ故、ゾル・ゲル絶縁性材料の必要とされる最終的な層厚は、スピンコーティング−硬化−火炎処理の複合サイクルにより得られ得る。PI層の適切な接着は、ゾル・ゲル層の火炎処理だけでなく、脱イオン水の希釈液から供給される3−アミノプロピルトリメトキシシラン(3−aminopropyltrimethoxysilane) (APS)のような接着促進剤(adhesion promotor)の使用も必要とする。
【0042】
(PI絶縁性層の塗布)
ポリイミド層は、NMP中のポリアミノ酸(polyamic acid)(PAA)溶液の縮合反応を介して準備される。この例において用いられる材料は、Pyre−M.L.のRC−5019である。この水溶液の高い粘性は、この材料の相対的に厚い層をスピンコートすることを可能にする。20μmまでの乾燥層厚は、400rpm(低速)での5秒間のスピンコーティング処理に続く800rpm(高速)での10秒間のスピンコーティングにより可能である。
【0043】
スピンコーティング後、この層は150℃で10分間乾燥される。冷却後、第2層が他の処理なしに同様にして塗布され得る。次いで、最後に、これらの素子は375℃で30分間硬化する。
【0044】
(電気絶縁性層の上への抵抗性層の塗布)
抵抗性層又は熱生成層はスクリーン印刷技術を用いて塗布される。本例の場合には、抵抗性層は熱生成トラック(heat−generating track)を有する。熱生成トラックは、炭素とPAA(Pyre−M.L. RC−5019)との混合物である。この混合物は、スクリーン印刷プロセスのために必要とされるようなペースト(paste)として作用する。この層はNMPをフラッシュ・オフ(flash off)するために80℃で10分間乾燥される必要がある。
【0045】
銀充填PAA及びトップコート材料で作成される接触トラック(contacting track)のような他の層は、後に乾燥させるスクリーン印刷を用いて抵抗性層と同様にして印刷され得る。
【0046】
最後に、この積み重ね全体は、PAAをPIにイミド化(imidize)するために375℃で30分間硬化する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による加熱素子の実施例の断面図を示す。

Claims (11)

  1. 少なくとも基材、電気絶縁性層及び抵抗性層を有する加熱素子であって、前記電気絶縁性層が、ゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有することを特徴とする加熱素子。
  2. 前記ゾル・ゲルプロセスが、少なくとも、オルガノシラン化合物と水とを混ぜ合わせるステップを有することを特徴とする請求項1に記載の加熱素子。
  3. 前記ゾル・ゲルプロセスが、少なくとも、オルガノシラン化合物とシリカ粒子とを混ぜ合わせるステップを有することを特徴とする請求項1に記載の加熱素子。
  4. 前記オルガノシラン化合物がメチルトリメトキシシラン(MTMS)又はテトラエトキシラン(TEOS)を有することを特徴とする請求項2又は3に記載の加熱素子。
  5. 前記電気絶縁性層が樹脂も含むことを特徴とする請求項1に記載の加熱素子。
  6. 前記樹脂がポリイミドを有含むことを特徴とする請求項5に記載の加熱素子。
  7. 前記ポリイミドに絶縁性充填材が充填されることを特徴とする請求項6に記載の加熱素子。
  8. 前記電気絶縁性層が、少なくとも、ゾル・ゲルプロセスによって得られる第1層及び熱可塑性樹脂を有する第2層を有することを特徴とする請求項1に記載の加熱素子。
  9. 前記第2層がポリイミド層を有することを特徴とする請求項8に記載の加熱素子。
  10. 少なくとも請求項1乃至9のいずれか一項による加熱素子を有する家庭用電気器具。
  11. 請求項1乃至9のいずれか一項による加熱素子の製造方法であり、少なくとも、
    −基材を設けるステップ、
    −前記基材上に電気絶縁性層を塗布するステップ、及び
    −前記電気絶縁性層の上に抵抗性層を塗布するステップを有する方法であって、前記電気絶縁性層がゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有することを特徴とする製造方法。
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