专利名称：加热元件及其制造方法具有所述元件的用具及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于放置在金属衬底上的加热元件及其制造方法，所述金属衬底例如由铝或铝合金制成。
本发明还涉及一种具有这种加热元件的用具以及制造该用具的方法。
具体而言，可以期望将根据本发明的这种加热元件用于制造烹饪用具或厨房用具，铁质底板、火锅底座等。
背景技术：
一般而言，本发明的加热元件必须能够传递高输出，其中输出/表面积比率至少为1W/cm2并且可以高达大约40W/cm2的值。如果需要，这种类型的加热元件必须可以在整个表面均匀地分配热并且不管输出高低都能做到。
在高输出领域中，已知的是所谓的“厚膜”加热元件，其具有非常高的均匀度和最佳表面积/输出比率。
由搪瓷构成的这种加热元件是由经受大约850℃固化温度的搪瓷玻璃料得到的。考虑到这种生产局限，将它们放置在能够承受这种温度的金属衬底上，例如钢、不锈钢或甚至矾土类。然而，这种搪瓷不适合放置在铝衬底上。
存在需要的固化温度低于上面指出的温度并因此可以放置在铝衬底上的搪瓷。为此，将融合剂例如铅加入上述搪瓷玻璃料中。然而，观察到以这种方式得到的加热元件的介电性能根本不令人满意，因为融合剂会使搪瓷导电。
发明内容
所以，本发明的目的是消除上述所有缺点，提出了一种用于放置在例如由铝或铝合金或甚至不锈钢制成的金属衬底上的加热元件，其可以传递高输出，具体而言，表面积/输出比率可以高达大约40W/cm2的值，同时保持良好的介电性能水平和/或能够在整个表面传递均匀热度。
此外，所述加热元件必须具有简单的结构和非常高的均匀度。
因此，本发明的目的是一种用于放置在优选由铝或铝合金制成的金属衬底上的加热元件。
根据本发明，这种元件包含，从所述衬底开始，至少一层包含树脂和介电填充物的介电层、至少一层包含树脂和导电填充物的电阻层、至少一层导电层，其用于电连接所述电阻层并且包含树脂和导电填充物，和至少一层包含树脂和介电填充物的最终保护层，所述介电层、电阻层、导电层和最终保护层包含相同的树脂，所述树脂是有机树脂。
因此，通过层合来制造根据本发明的加热元件，各个层的组成特别适合于所述层的期望功能。
各个介电层、电阻层、导电层和最终保护层中有机树脂的用途是可以在各个所述层中得到非常高的均匀度，其中观察不到填充物的迁移现象，不管是介电填充物还是导电填充物。
在所有介电层、电阻层、导电层和最终保护层中使用相同的树脂进一步使得可以得到所述层之间优异的粘着度和内聚度，并且防止一层相对于另一层的任何分层现象。
树脂的选择通过加热元件的制造条件及其最终用途来确定。
优选地，选择专有的有机树脂，其在加热元件的操作条件下可以耐高温，例如至少200-250℃。
根据本发明的尤其优选的实施方案，存在于介电层、电阻层、导电层和最终保护层中的树脂包含至少一种选自下列的化合物聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、硅氧烷和环氧树脂。
本发明的另一目的在于，提出一种制造金属衬底上的这种加热元件的方法，所述金属衬底尤其是由铝或铝合金制成，所述方法便于商业化生产并且可以大量和低成本地生产加热元件。
根据本发明，所述方法包括下列步骤-在衬底上施加至少一层由树脂和介电填充物组成的介电层，-在先前的步骤中沉积的介电层上施加至少一层由树脂和导电填充物组成的电阻层，-在先前的步骤中沉积的电阻层上施加至少一层包含树脂和导电填充物的导电层，和随后-除了先前的步骤中沉积的导电层之外，在整个表面上施加至少一层由树脂和介电填充物组成的最终保护层，-固化所述介电层、电阻层、导电层和最终保护层，-各个所述介电层、电阻层、导电层和最终保护层包含相同的树脂，所述树脂是有机树脂。
采用一种并相同的有机树脂可以使得只有一步固化步骤。
在本发明的一个尤其有利的方案中，通过丝网印刷术进行各个介电层、电阻层、导电层和最终保护层的施加。
通过丝网印刷施加可以使得以最经济的方式制造具有恒定和可控厚度的层。
因此可以得到薄的加热元件，从而可以节约计划配备加热元件的结构中的空间。
事实上，本发明还涉及一种用具，其具有根据本发明沉积在尤其由铝或铝合金制成的金属衬底上的加热元件。
已经观察到，根据本发明的加热元件令人吃惊地具有一定的灵活度，使它可以在加热元件沉积的金属衬底受到压迫时保持运作。
具体而言，本发明涉及包含根据本发明的加热元件的厨房用具或器具，并且在衬底的不包含所述加热元件的表面上包含搪瓷涂层或不粘涂层，尤其是基于氟碳树脂，例如基于PTFE的涂层。
最后，本发明涉及一种制造这种用具的方法，尤其是厨房用具，包括第一步将搪瓷或不粘涂层，尤其是基于氟碳树脂，例如基于PTFE的涂层沉积在尤其由铝或铝合金制成的金属衬底的相对面之一上，和第二步在衬底的另一面上沉积根据本发明的方法制造的加热元件。
因此，由于本发明，完全可以在衬底的面上制造加热元件，而不改变事先沉积在所述衬底的其它面上的搪瓷或不粘涂层。
这在广泛使用电加热不粘表面的厨房用具领域展现了实际的优势。
本发明的其它优点和特征将参考附图在下文中描述-图1显示了根据本发明沉积在衬底上的加热元件结构的横截面示意图，和-图2显示了图1的沉积在衬底上的加热元件，所述衬底自身被涂层覆盖，例如不粘涂层。
图1和2共有的部件表示为相同的附图标记。
具体实施例方式
图1中，已经显示了由铝或铝合金制成的衬底1。同样可以期望衬底1由金属板构成，例如由钢或不锈钢制成，用铝涂布所述板。
通常衬底1是盘形，但是当然也可以是任何其它形状。
将衬底1的面1a用至少一层连续的介电层2涂布，其由树脂和介电填充物组成。
将介电层2用由树脂和导电填充物组成的电阻层3涂布。
电阻层3优选地是轨道形式，其尺寸例如长度和厚度可以相当明显地定制为所需电阻。
形成电阻层3的轨道例如可以是螺旋形，其中图1和2中只显示了各个盘旋结构的横截面。
将至少一层由树脂和导电填充物组成的导电层4沉积在电阻层3上。
只覆盖电阻层3小部分的所述导电层4用来电连接电阻层3。
将至少一层由树脂和介电填充物组成的最终保护层5沉积在除了导电层4之外的整个表面上。
如图1所示，该最终保护层5因此覆盖了电阻层3以及介电层2的特定区域2a，当电阻层3是轨道形式时，所述区域2a位于电阻层3的左侧开口缺口3a的位置。
所述加热元件6由组件组成，所述组件由介电层2、电阻层3、导电层4和最终保护层5构成。
所述介电层2、电阻层3、导电层4和最终保护层5包含相同的有机树脂。
所述树脂优选包含至少一种选自下列的化合物聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、硅氧烷和环氧树脂。
各个介电层2的所述介电填充物可以包含至少一种选自下列的成分云母、矾土、硅石、粘土、石英、滑石、玻璃或氮化硼。
所述介电填充物的颗粒尺寸是决定因素，尤其是在各个介电层2通过丝网印刷施加时，以不堵塞丝网的网孔为宜。
在本发明的一个有利方案中，所述介电填充物的平均尺寸小于25μm，并且优选小于10μm。
优选调节各个介电层2中包含的介电填充物的重量比例，以使得当在所述电阻层3和衬底1之间施加至少1250V的电位差至少1分钟时，在电阻层3和衬底1之间获得电绝缘。
在本发明的一个有利方案中，各个介电层2包含30-70重量％的介电填充物，优选地为40-50重量％，和30-70重量％的纯树脂或树脂溶液，优选地为50-60重量％，所述溶液包含至少10重量％的纯树脂。
这种重量比例可以得到充分流动的组合物，以使得可以通过丝网印刷施加各个介电层2。此外，可以使各个介电层2在固化之后保留一定的挠度，使其可以抵抗在所述用具的最后生产期间施加的外部应力。
各个电阻层3、还有各个导电层4的组成中包含的导电填充物包含至少一种选自下列的成分具有导电性能的无机物、金属、陶瓷或复合物颗粒。
因此，作为导电填充物，可以选择银、铜、石墨、碳、镍、钯、氮化物或碳化物，尤其是锆、铪或钛的氮化物和碳化物颗粒。
在复合物颗粒中，尤其可以提及涂布的颗粒，例如用金属涂布的玻璃颗粒，例如用银涂布。
如前面在介电填充物情况下看到的，导电填充物的颗粒尺寸适合施加各个电阻层3和各个导电层4所使用的期望方法。
各个电阻层3和各个导电层4的导电填充物的平均尺寸优选小于20μm，优选为1-5μm。
各个电阻层3的厚度和所述电阻层3中包含的导电填充物的重量比例优选适合提供5-1000Ω的电阻，相对于电阻层3中由此形成的电阻轨道的宽度和长度。
根据本发明的一个有利方案，各个电阻层3包含50-85重量％的导电填充物，优选地为60-70重量％，和15-50重量％的纯树脂或树脂溶液，优选地为30-40重量％，所述溶液包含至少10重量％纯树脂。
各个导电层4包含至少70％的导电填充物的重量比例，导电填充物和纯树脂的重量比大于或等于9。
在本发明的一个有利方案中，所述最终保护层5与介电层2具有相同的组成。
容易理解，固化介电层2、电阻层3、导电层4和最终保护层5的组件之后得到具有优异均匀度的加热元件6，在所有这些层2、3、4和5中相同树脂的存在产生某种程度的均匀基体。换句话说，将所述相同的树脂加入形成适合于前述期望功能(电阻、连接或绝缘)的层和/或区域的具体区域或位置。
由于在层2、3、4和5中相同有机树脂的存在，加热元件6具有一定的挠度。使用现有技术的由搪瓷组成的加热元件不能得到挠度，后者在甚至少量应力的作用下就会被破坏。
例如，当由衬底1和加热元件6组成的组件受到应力时，直到大约2mm厚的铝衬底1和厚度约500μm的加热元件6的弯曲半径达到大约210mm时，还未观察到加热元件6破裂。
很显然，基于用于衬底1和加热元件6的参数(材料、厚度等)，可以得到的弯曲半径值小于上一段指出的，结果是，在由衬底1和加热元件6组成的组件中弯曲较大，所述加热元件6在应力作用下不受损伤。
因此，这种挠度使得可以使用由衬底1和加热元件6组成的组件制造用具，尤其是凸面厨房用具。
制造所述加热元件6的方法包括下列步骤-将至少一层由树脂和介电填充物组成的介电层2施加到金属衬底，例如由铝或铝合金制成的衬底，-施加至少一层由树脂和导电填充物组成的电阻层3，所述电阻层3被施加到先前步骤中沉积的至少一层介电层2，或者是如图1和2所示实施方案中的介电层2、或者是介电层2中的至少之一，规定最后施加的介电层2必须用至少一层电阻层3涂布，-将至少一层由树脂和导电填充物组成的导电层4施加到先前步骤中沉积的最后电阻层3，然后-将至少一层由树脂和介电填充物组成的最终保护层5施加到整个表面，除了在先前步骤中沉积的最后导电层4的表面之外。
为了能够最佳化第一介电层2对衬底1的粘附，很明显可以进行包括对衬底1的面1a的机械或化学预处理的步骤。
各个介电层2、电阻层3、导电层4和最终保护层5的施加优选地通过丝网印刷术来进行，从而可以很好地控制各个层2、3、4和5的厚度。
随后，为了消除挥发性化合物和能够应用丝网印刷，在施加下一层之前沉积的各个层上进行常规的干燥操作，没有任何损坏最后沉积的层的风险。
已经施加所有的层2、3、4和5之后，为了确保包含在所述层2、3、4、5的组成中的树脂聚合而进行单一的固化步骤。由于这个单一的固化步骤，因此节约了能量、材料处理或甚至空间。
在本发明的一个有利方案中，所有介电层2的厚度为30-300μm，优选地，为90-150μm。
所有电阻层3的厚度为5-50μm，所有导电层4的厚度为10-30μm，所有最终保护层5的厚度为15-35μm。
作为图1和2中显示的包含介电层2、电阻层3、导电层4和最终保护层5的加热元件6的实施方案的替代，为了达到上述厚度，完全可以制造需要施加两层、三层或甚至更多的任意介电层2、电阻层3、导电层4和最终保护层5的加热元件。
该替代方案更尤其可用于制造介电层2。事实上，为了达到上述所有介电层2的厚度而叠加几个介电层2。
在图2中，已经显示了加热元件6，沉积在图1所示衬底1的面1a上。
衬底1的面1b自身用涂层7涂布。这种涂层7可以由搪瓷或不粘材料制成，不粘材料可以基于氟碳树脂，例如基于PTFE。
可以期望根据本发明的加热元件6的多种应用。
作为非限制性实施例，可以提及厨房用具、火锅和铁板。
权利要求
1.一种用于沉积在金属衬底上的加热元件，其包含，从所述衬底(1)开始，至少一层包含树脂和介电填充物的介电层(2)、至少一层包含树脂和导电填充物的电阻层(3)、至少一层导电层(4)，其用于电连接所述至少一层电阻层(3)并且包含树脂和导电填充物、和至少一层包含树脂和介电填充物的最终保护层(5)，所述介电层(2)、电阻层(3)、导电层(4)和最终保护层(5)包含相同的树脂，所述树脂是有机树脂。
2.根据权利要求1的加热元件，其特征在于，所述树脂包含至少一种选自下列的化合物聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、硅氧烷和环氧树脂。
3.根据权利要求1或2的加热元件，其特征在于，调节各个介电层(2)中包含的介电填充物的重量比例，以使得当在所述电阻层(3)和衬底(1)之间施加至少1250V的电位差至少1分钟时，在电阻层(3)和衬底(1)之间获得电绝缘。
4.根据权利要求3的加热元件，其特征在于，各个介电层(2)包含30-70重量％、优选40-50重量％的介电填充物，和30-70重量％、优选50-60重量％的纯树脂或树脂溶液，所述溶液包含至少10重量％的纯树脂。
5.根据权利要求1-4任一项的加热元件，其特征在于，所述介电填充物的平均尺寸小于25μm，并且优选小于10μm。
6.根据权利要求1-5任一项的加热元件，其特征在于，各个介电层(2)的所述介电填充物包含至少一种选自下列的成分云母、矾土、硅石、粘土、石英、滑石、玻璃或氮化硼。
7.根据权利要求1-6任一项的加热元件，其特征在于，各个电阻层(3)的厚度和所述电阻层(3)中包含的导电填充物的重量比例适合提供5-1000Ω的电阻。
8.根据权利要求7的加热元件，其特征在于，各个电阻层(3)包含50-85重量％、优选60-70重量％的导电填充物，和15-50重量％、优选30-40重量％的纯树脂或树脂溶液，所述溶液包含至少10重量％的纯树脂。
9.根据权利要求1-8任一项的加热元件，其特征在于，各个导电层(4)包含至少70重量％的导电填充物，导电填充物和纯树脂的重量比大于或等于9。
10.根据权利要求1-9任一项的加热元件，其特征在于，各个电阻层(3)和各个导电层(4)的导电填充物的平均尺寸小于20μm，优选为1-5μm。
11.根据权利要求1-10任一项的加热元件，其特征在于，各个电阻层(3)和各个导电层(4)的导电填充物包含至少一种选自下列的成分具有导电性能的无机物、金属、陶瓷或复合物颗粒，例如银、铜、石墨、碳、镍、钯、和氮化物或碳化物，尤其是锆、铪或钛的氮化物或碳化物。
12.根据权利要求1-11任一项的加热元件，其特征在于，所述最终保护层(5)具有与介电层(2)相同的组成。
13.具有根据权利要求1-12任一项、并且沉积在金属衬底(1)上的加热元件(6)的用具，尤其是厨房用具。
14.根据权利要求13的厨房用具，其特征在于，在衬底(1)的不包含加热元件(6)的面(1b)上包含搪瓷或不粘涂层(7)，尤其是基于氟碳树脂，例如基于PTFE的涂层。
15.一种制造金属衬底上的加热元件的方法，其包括下列步骤-在金属衬底(1)上施加至少一层包含树脂和介电填充物的介电层(2)，-在先前的步骤中沉积的介电层(2)上施加至少一层包含树脂和导电填充物的电阻层(3)，-在先前的步骤中沉积的最后电阻层(3)上施加至少一层包含树脂和导电填充物的导电层(4)，和随后-除了先前的步骤中沉积的最后导电层(4)之外，在整个表面上施加至少一层包含树脂和介电填充物的最终保护层(5)，-固化所述介电层(2)、电阻层(3)、导电层(4)和最终保护层(5)，-各个所述介电层(2)、电阻层(3)、导电层(4)和最终保护层(5)包含相同的树脂，所述树脂是有机树脂。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述树脂包含至少一种选自下列的化合物聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、硅氧烷和环氧树脂。
17.根据权利要求15或16的方法，其特征在于，通过丝网印刷术施加各个介电层(2)、电阻层(3)、导电层(4)和最终保护层(5)。
18.根据权利要求15-17任一项的方法，其特征在于，所有介电层(2)的厚度为30-300μm，优选地为90-150μm。
19.根据权利要求15-18任一项的方法，其特征在于，所有电阻层(3)的厚度为5-50μm。
20.根据权利要求15-19任一项的方法，其特征在于，所有导电层(4)的厚度为10-30μm。
21.根据权利要求15-20任一项的方法，其特征在于，所有最终保护层(5)的厚度为15-35μm。
22.一种制造用具、尤其是厨房用具的方法，其包括第一步将搪瓷或不粘涂层(7)，尤其是基于氟碳树脂，例如基于PTFE的涂层沉积在金属衬底(1)的相对面之一(1b)上，和第二步在衬底(1)的另一面(1a)上沉积根据权利要求15-21任一项的方法制造的加热元件(6)。
全文摘要
本发明涉及一种可放置在金属衬底上的加热元件(6)，其包含，从所述衬底开始，至少一层包含树脂和介电填充物的介电层、至少一层包含树脂和导电填充物的电阻层(3)、至少一层包含树脂和导电填充物的导电层(4)和至少一层包含树脂和介电填充物的最终保护层(5)，其中各个介电层(2)、电阻层(3)、导电层(4)和最终保护层(5)包含相同类型的树脂。还公开了一种制造本发明的加热元件(6)的方法，一种具有所述加热元件(6)的用具及其制造方法。
文档编号H05B3/26GK1973577SQ200580019028
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月3日 优先权日2004年6月11日
发明者斯特凡·勒伯夫, 拉埃蒂蒂亚·皮盖 申请人:Seb公司