CN1883229A - 薄膜加热元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加热元件，其包括铝基材、基于溶胶－凝胶前体的电绝缘层和厚度小于2μm的电阻层。这种加热元件的特征解决了由铝基材和电阻层的热膨胀系数不匹配引起的形成裂缝的问题。还公开了包含本发明的加热元件的家用电器。

Description

薄膜加热元件
本发明涉及一种膜加热元件，其包括铝基材、电绝缘层和电阻层，还涉及包括这样的加热元件的家用电器。
通常，薄膜加热元件由两个施加在基材上的功能层组成，即电绝缘层和电阻层。通过电流流经电阻层产生热。绝缘层的功能是使产生热的电阻层与可以从外部直接达到的金属基材绝缘。
电阻层可以经高传导性迹线与供电电压电连接。这些传导性迹线通常是图案化的。
平板薄膜加热元件通常可以被粗略地分为两大类，即厚膜加热元件和薄膜加热元件。
这两类之间的区别在于电阻层的厚度。在厚膜加热元件中，电阻层的厚度超过2μm。这些膜主要通过丝网印刷技术制备。在薄膜加热元件中，电阻层的厚度小于2μm。
这些膜主要通过蒸发技术或者通过前体溶液热解来制备。
薄膜加热元件由美国专利4889974已知。所述专利公开了借助湿法化学工艺制备的薄膜加热元件。这种薄膜加热元件由直接施加在绝缘基材(例如硬质玻璃基材、石英玻璃基材或者陶瓷基材)上的电阻层构成。描述了作为电阻层用形成电子受体和电子给体的元素掺杂的SnO2膜。该膜通过喷雾热解工艺继之在600℃下固化的方法由溶液制备。
许多专利公开了在导电基材(例如钢)上的薄膜加热器。绝缘层(例如聚合物、搪瓷等)被施加到这些导电基材上，从而使电阻层与基材绝缘。将薄的电阻层施加到这些绝缘层顶上。
然而，直到最近还没有报导在铝或铝合金基材上的薄膜加热器。铝及其合金相对于用于钢基材的绝缘层具有较高的膨胀系数(22-26ppm/K)，其中所述绝缘层在大多数情况下是基于搪瓷的绝缘体。通常用于钢基材的绝缘层不能用于铝(合金)基材。当所述加热元件暴露于温度循环时，热膨胀系数的不匹配导致膜开裂。此外，为了施加这些绝缘体，将前体施加到合适的基材上，随后该前体必须在高于650℃的高温下固化以获得合适的绝缘层。这些高固化温度超过或者接近铝(660℃)和其合金的熔融温度。因此，这些材料不适合作为铝基材的电绝缘层。
EP-A-0891118公开了一种薄膜加热器，其中使用陶瓷层作为铝基材的绝缘层。然而，在该专利中陶瓷绝缘层和铝之间的膨胀系数的差异被衔接起来(bridge)，因为首先将加热元件设置在不锈钢板上，随后将该不锈钢板用例如基于硅氧烷的胶粘合到铝板上。
本发明的目的在于提供一种前序部分的用于铝基材的加热元件，其中在该元件经受温度循环时不形成开裂。当使用术语铝时，其包括铝、阳极化铝和铝合金。此外，本发明的目标在于提供包括这样的加热元件的家用电器以及制造所述加热元件的方法。
本发明的这些和其他的目的通过膜加热元件得以实现，该膜加热元件至少包括铝基材、基于溶胶-凝胶前体的电绝缘层和厚度小于2μm的电阻层。
根据本发明的加热元件具有几个优点。首先是在该加热元件暴露于20-300℃之间的温度循环时完全没有观察到形成开裂。
此外，该加热元件适用于高功率应用，其在300℃的基材温度下的功率密度为20W/cm2或更高。
根据本发明的薄膜加热元件包括厚度小于2μm的电阻层。这种电阻层优选包括金属、金属氧化物或者掺杂的金属氧化物。合适的金属是铝。合适的金属氧化物是氧化锡、铟-锡氧化物(ITO)。合适的掺杂金属氧化物是氟或者铝掺杂的氧化锌，或者用氟或锑掺杂的氧化锡。
令人惊奇地发现，尽管相对于铝约23ppm/K的热膨胀系数，例如ITO具有约4ppm/K的热膨胀系数，在本发明的加热元件暴露于20-300℃的重复温度循环时，没有观察到形成开裂。
可以借助(大气)化学气相沉积((A)CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控管溅射、热喷或者湿法化学技术将电阻层施加到绝缘层上。
电阻层优选由无机材料构成。合适的无机材料是金属、金属氧化物和经掺杂的金属氧化物。合适的金属是铝。合适的金属氧化物是氧化锡、铟-锡氧化物(ITO)。合适的掺杂金属氧化物是氟或铝掺杂的氧化锌，或者用氟或锑掺杂的氧化锡。无机材料的电阻层不会产生形成碳化导电迹线的风险。
本发明的加热元件还包括基于溶胶-凝胶前体的电绝缘层。
采用基于溶胶-凝胶前体的电绝缘层提供了几个优点。首先，基于溶胶-凝胶前体的层显示出优异的电绝缘性。基于溶胶-凝胶前体的材料的碳含量低到足以防止在加热失效的情况下形成碳化导电迹线，由此提供了安全的加热元件。同样，溶胶-凝胶材料具有高的热传导率，其具有0.1-2W/m/°K的数量级。此外，溶胶-凝胶前体可以在低于400℃的温度下进行处理，这使得这种材料适合被直接施加到铝基材上。由于混杂型溶胶-凝胶前体的较低固化温度，将能够保持铝的机械性能。优选将溶胶-凝胶前体施加到阳极化铝基材上，以确保溶胶-凝胶层的良好结合。
尽管溶胶-凝胶绝缘层特别适合于在铝基材上的应用，也可以使用常规用于加热元件和与最终用途相容的其他基材。所述基材可能包括例如不锈钢、上釉钢或者铜。基材可以是平板、管或者任何与最终用途相容的其他构造的形式。
优选地，溶胶-凝胶前体是包括有机硅烷化合物的混杂型溶胶-凝胶前体。
优选的硅烷是形成混杂型溶胶-凝胶前体的硅烷。将包括有机硅烷化合物的混杂型溶胶-凝胶前体理解为包括与至少一个不可水解的有机基团和2或3个可水解的有机基团相键合的硅的化合物。
在一个有利的实施方案中，溶胶-凝胶材料可能还包括二氧化硅微粒，特别是胶体二氧化硅微粒。
特别地，混杂型溶胶-凝胶前体包括来自烷基烷氧基硅烷类的有机硅烷化合物。
优选地，混杂型溶胶-凝胶前体包括甲基-三甲氧基硅烷(MTMS)和/或甲基-三乙氧基硅烷(MTES)。本发明基于混杂型溶胶-凝胶体系的加热元件的优点是相对高的功率密度和铝优化的热膨胀系数值。
已知混杂型溶胶-凝胶前体例如MTMS和MTES在高达至少450℃时都具有优异的温度稳定性。此外，MTMS已经显示出能够有效地防止银的氧化和之后的迁移。这些材料的碳含量仍然很低，使得在失效后不会形成横贯绝缘层的碳化传导性迹线，而制备出安全的加热元件。由混杂型前体制备的涂层的最大层厚相对高于由非混杂型溶胶-凝胶材料制备的涂层的最大层厚。因此，可以在一个或者最多两个步骤中沉积层而无需中间的固化。
有利的是，所述电绝缘层包括非传导性颗粒。
所述非传导性颗粒的-部分优选具有薄片状的形状和最长2-500μm、优选2-150μm和更优选5-60μm的尺寸。这些非传导性的薄片状微粒基于氧化物例如云母或黏土和/或用二氧化钛、氧化铝和/或二氧化硅涂层表面改性的云母或者黏土颗粒。在绝缘层中薄片状的材料含量应当少于20体积％，优选少于15体积％，并更优选少于4-10体积％。这种各向异性微粒的优点在于它们的存在防止了在经常性地加热和冷却元件后在电绝缘层中形成开裂。
在优选实施方案中，所述非传导性微粒以胶体形态存在。其实例是氧化物，例如氧化铝和二氧化硅。优选地，在绝缘层中氧化铝的含量应当低于40vol％，优选低于20vol％和更优选10-15vol％。对于在绝缘层中的二氧化硅含量，其应当有利地低于50vol％，优选低于35vol％，并更优选低于15-25vol％。
如果绝缘层基于用包括各向异性微粒的微粒填充的MTMS或者MTES，则仅50μm的层厚就能承受5000V。相对小的层厚能够使得横贯电阻层厚度的温差非常小，这使得可以加热电阻层的低得多的温度来获得铝基材的特定温度。由于这个原因，有利地使用所述薄层。该层可以通过任何湿法化学施加方法、优选喷涂或者丝网印刷继之以固化步骤来进行施加。
根据本发明的加热元件还可能包括导电层。在本发明的加热元件中的导电层包括相对于电阻层具有较低欧姆阻抗的层，并用作产生热的电阻层和外部电源之间的接触层。
传导性层可能由金属例如铝或者混杂材料例如PI/Ag或者溶胶-凝胶/银浆体构成。该传导性层可能通过(A)CDV、PVD、磁控管溅射、热喷和湿法化学技术或丝网印刷技术施加。
用于施加传导性迹线的优选技术是丝网印刷。商业可获得的金属粉末可以用于该传导性迹线。优选使用银或者银合金微粒。
其他金属和半导体可以用于制备该用途的传导性层，前提是它们在溶胶-凝胶基体中具有足够高的温度稳定性。MTMS或MTES前体的使用降低了在加热元件的高温下银和石墨微粒的氧化速率。在这一方面人们已经注意到，在MTES衍生的基体中石墨在320℃显示出超过600小时的稳定性。
为了制备可丝网印刷的制剂，可以将纤维素衍生物添加到含微粒的水解MTMS或MTES溶液中。优选羟基丙基甲基纤维素用作纤维素材料。最后，加入具有高沸点的溶剂以防止墨水干燥和随后堵塞筛网。已经发现丁氧基乙醇是合适的选择，但是发现其他极性溶剂也是合适的，优选醇。
任选地，所述元件可以用保护性面漆层覆盖。这种面漆层主要用作保护层以防止在操作该元件期间的机械损伤。使用例如二氧化硅填充的混杂型溶胶-凝胶溶液(例如基于MTMS)可以容易地制备可丝网印刷的制剂。所施加的面漆层可以与传导性层和电阻层共同固化。
本发明还涉及一种家用电器，其至少包括本发明的加热元件。本发明的加热元件非常适用于在熨斗、特别是用于可调节蒸汽形成的熨斗中的加热元件，在这种熨斗中要求高的功率密度。但是，该加热元件也非常适用于其他家用电器，例如吹风机、头发造型工具、蒸汽发生器和蒸汽清洁器、外衣清洁器、加热熨斗板、面部蒸汽发生器、壶、用于***熨斗和清洁器的加压蒸煮器、咖啡机、深平底油炸锅、饭锅、消毒器、加热板、热锅、烤架、暖炉、烘蛋奶饼的铁模、烘炉、炉或水流加热器。
本发明还涉及一种制备本发明的加热元件的方法，至少包括下列步骤：提供铝基材；将电绝缘层施加到所述基材上；和在电绝缘层的顶上施加电阻层，其特征在于电绝缘层通过溶胶-凝胶方法获得，该电阻层的厚度小于2μm。特别地，该溶胶-凝胶方法至少包括使有机硅氧烷化合物与水混合的步骤。
本发明将通过下面的制备实施例进一步进行阐明。
实施例
利用Leybold Z650 Batch***(起始压力小于4.0×10-6mBar，沉积速度20nm/min)在氩/氧气氛下采用DC磁控管溅射法将200nm厚的ITO(90wt％In2O3、10wt％纯度大于99.99％的SnO2)薄层(72×64mm)施加到铝基材之上基于溶胶-凝胶前体的50μm厚的绝缘层上。通过丝网印刷施加约10μm厚的传导性层(基于PI/Ag的浆体，Acheson的PM437)。在80℃下干燥30分钟后，将传导性层在空气氛中于375℃下固化30分钟。所得电阻为约36Ω，其表面电阻为0.27Ω/□(对于25.5μm厚的层)。
在施加电压后，所得加热元件以20W/cm2的功率密度在240℃的基材温度设定下运行。

Claims (8)

1.一种膜加热元件，至少包括铝基材、基于溶胶-凝胶前体的电绝缘层和厚度的小于2μm电阻层。
2.权利要求1的膜加热元件，其中所述电阻层包含无机材料。
3.权利要求1或2的膜加热元件，其中所述溶胶-凝胶前体是包括有机硅烷化合物的混杂型溶胶-凝胶前体。
4.权利要求3的加热元件，其特征在于所述有机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.权利要求1的加热元件，其中所述加热元件还包括传导层。
6.至少包括根据权利要求1-5中任一项的加热元件的家用电器。
7.权利要求6的家用电器，其特征在于所述家用电器包括(蒸汽)熨斗、吹风机、头发造型工具、蒸汽发生器和蒸汽清洁器、外衣清洁器、加热熨斗板、面部蒸汽发生器、壶、用于***熨斗和清洁器的加压蒸煮器、咖啡机、深平底油炸锅、饭锅、消毒器、加热板、热锅、烤架、暖炉、烘蛋奶饼的铁模、烘炉、炉或水流加热器。
8.用于制备根据权利要求1-6中任一项的加热元件的方法，至少包括下列步骤：提供铝基材；将电绝缘层施加到所述基材上；和在电绝缘层的顶上施加电阻层，其特征在于电绝缘层通过溶胶-凝胶方法获得且该电阻层的厚度小于2μm。
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