一種加熱元件的絕緣層的製作方法

2023-09-19 05:59:30 1

專利名稱：一種加熱元件的絕緣層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加熱元件，其至少包括基體、電絕緣層、和電阻層。此外，本發明還設計一種包括這種加熱元件的家用電器產品，以及製造這種加熱元件的方法。
前面提到的加熱元件，例如，可通過美國專利US-A-5,822,675進行了解。所述專利公開了一種加熱元件，其包括基體，基體的表面上設有矽基電絕緣材料第一層；所述層最好還是可導熱的，可從電阻層傳導大量的熱量。為了實現電絕緣和熱傳導，第一層最好包括填料，如鋁、碳化矽或二氧化鋯，以及矽樹脂。在第一層的表面是第二層，第二層包括矽基導電材料。至少兩個分開的矽基導電材料區域連接到第二層。這兩個分開的區域都可以連接到電源。
上面提到的加熱元件的缺點是用於電絕緣層的矽當吸收水分時出現漏電，因而超過國際電工委員會標準IEC335-1規定的0.75mA最大允許漏電電流。
本發明的目的是提供一種根據前言所述的加熱元件，其具有相對高的擊穿電壓。具體地，本發明的目的是提供一種加熱元件，其基體包括鋁或陽極氧化鋁。應當清楚術語鋁包括了鋁和鋁合金。另外，本發明的目的是提供一種包括這種加熱元件的家用電器產品，還包括製造這種加熱元件的方法。
本發明的這些目的和其他目的的實現是通過一種根據前言所述的加熱元件，其特徵在於，電絕緣層包括通過溶膠-凝膠工藝得到的層。
設置包括所謂溶膠-凝膠層的電絕緣層顯示出許多優點。首先，溶膠-凝膠層具有優良的電絕緣性能。溶膠-凝膠材料的碳含量非常低，在加熱元件出現故障的情況下可防止碳化的導電蹤跡形成。因此，提供了安全的加熱元件。而且，溶膠-凝膠材料具有高導熱性能，其量級為0.5-2W/m/°K。另外溶膠-凝膠材料可在低於400℃的溫度下進行加工，使得這種材料可直接應用於鋁基體。
儘管溶膠-凝膠電絕緣層非常適合應用於鋁基體，也可以應用於其他的傳統上用於加熱元件的基體和能夠與最終效用兼容的基體。所述基體還可包括，比如，不鏽鋼、塗瓷釉鋼或銅。基體可以具有與最終效用兼容的平板、管狀或其他的結構形式。
具體地，溶膠-凝膠工藝至少包括有機矽烷化合物和水混合到一起的步驟。
所述有機矽烷化合物最好包括至少兩個水解縮合取代基。
所述溶膠-凝膠工藝最好包括混合有機矽烷化合物和矽石顆粒的步驟，特別是與膠體氧化矽顆粒混合。
儘管多種有機矽烷可以用於高溫應用的場合，耐熱矽烷為優選。這種矽烷的優選示例是甲基·三甲氧基矽(MTMS)或四乙氧基矽(TEOS)。增加這種層的厚度可以通過增加填料來實現，比如膠體氧化矽。
在某些情況下，有必要使電絕緣層具有最小的厚度，例如，當考慮到該層的電容性功能時。為了得到這樣小的厚度，電絕緣層還要包括樹脂。
特別是在溶膠-凝膠材料不能得到所要厚度時，這是很有利的。
為了得到絲網印刷的電絕緣層，所述層可有利地包括帶有絕緣填料的樹脂。
所述絕緣填料包括二氧化鈦，氧化矽，氧化鋁、雲母或氧化鐵。
樹脂最好包括聚醯亞胺。
所述聚醯亞胺最好用絕緣填料來充填。
聚醯亞胺是一種具有耐高溫性能和很好的電絕緣性能的材料。此材料在350℃以下不會出現漏電。絕緣填料材料可包括上面所提到的任何絕緣填料。
然而，在載荷很高或在壽命末期的情況下，加熱元件可能出現故障。在出現問題的過程中，聚醯亞胺絕緣層可能出現碳化，因此形成了導電蹤跡。應當清楚，這可能導致非常危險的後果。
為了避免這種危險情況的出現，加熱元件的電絕緣層最好至少包括第一層，第一層是通過溶膠-凝膠工藝得到的；還有第二層，第二層包括熱塑樹脂，最好是聚醯亞胺。
在出現聚醯亞胺層擊穿電壓的情況下，溶膠-凝膠層將保持絕緣並保證加熱元件安全。
本發明還涉及一種家用電器產品，其至少包括根據本發明的加熱元件。
根據本發明的加熱元件特別適合用於高溫用途。這些應用包括，比如，(蒸汽)熨鬥、開水壺、咖啡機、深煎鍋、烤架、小暖爐、對開式鐵心、烤麵包片器、爐子、流水加熱器、和類似的器具。
最後，本發明涉及一種製造加熱元件的方法，至少包括步驟提供基體；施加電絕緣層到所述基體；和施加電阻層到電絕緣層的頂面。
所述方法的特徵在於，電絕緣層包括通過溶膠-凝膠工藝形成的層。
本發明通過參考下的實施例、下面的製造示例和所附的附圖來進一步說明。其中

圖1顯示了根據本發明的的加熱元件的實施例的部分視圖；應當注意到，各個元件是示意性的，沒有按照比例繪製。
圖1所示的加熱元件1是基體2、絕緣層3和電阻層6的組合件。
在所示的實施例中，基體2包括用作熨鬥底板的鋁合金。所述基板覆蓋了一電絕緣材料層3。在這種情況下，電絕緣層由通過溶膠-凝膠工藝得到第一層4，以及包括熱塑樹脂的第二層5組成。在這種情況下，熱塑樹脂包括聚醯亞胺。
溶膠-凝膠材料可以在低於400℃的溫度下進行固化，固化可使溶膠-凝膠材料直接連接到鋁合金基體上。由於溶膠-凝膠材料層4具有較低的碳含量，避免了形成導電蹤跡，即使在加熱元件出現故障的情況下。因此，溶膠-凝膠材料層4的絕緣性能仍保持完整。即使在極端的情形下。此外，溶膠-凝膠材料層4的導熱性能非常高，具有0.5-2W/m/°K的量級。
出自對加熱元件的一些要求，電絕緣層的厚度必須在大約30到60微米的範圍。由於通過溶膠-凝膠技術難以組合這樣厚的絕緣層，故將聚醯亞胺層5施加到溶膠-凝膠層的頂部，以便得到要求的厚度。但是，此溶膠-凝膠層儘可能地厚，以便利用上面所述的全部優點。示例根據本發明的製造加熱元件的方法根據本發明的製造加熱元件的方法至少包括下面的步驟提供基體；施加電絕緣層到所述基體上；和施加電阻層到所述電絕緣層頂面。
下面將進一步介紹本製造方法的各個步驟。基體製造方法的第一步是提供基體。在這種情況下，可參考上述實施例和附圖，基體包括可以用作熨鬥底板的陽極氧化鋁板。為了保證所有各層之間的適當粘結，鋁基體必須進行全面清洗。在這種情況下，基體根據下列程序進行清洗基體在含5％的中性皂溶液的去離子水中進行超聲波清洗(大約1分鐘)，使用的清洗機是Unitech Ultrasonic Cleaner；
然後將基體放在水槽中用流動的自來水進行清洗以及用軟化水清洗。
最後基體在80℃進行乾燥。施加電絕緣層到基體上製備溶膠-凝膠絕緣材料用於本示例性實施例的溶膠-凝膠層是基於甲基·三甲氧基矽(MTMS)、矽溶膠AS40(40％重量的膠體氧化矽的水懸浮液)、乙醇和順丁烯二酸的混合物。SiO2溶膠通過一步酸催化合成法進行製備。甲基·三甲氧基矽(MTMS)(美國，Aldrich公司生產)、乙醇(Merck公司生產)、順丁烯二酸和H2O(Ludox生產)以摩爾比例1∶1.37∶0.0166∶4.5進行混合。MTMS、EtOH和順丁烯二酸在室溫下混合2分鐘。添加矽溶膠AS40(DuPont產品)，將溶液混合60分鐘。在混合後，溶膠溶液通過5和2微米的過濾器進行過濾。矽溶膠和MTMS的重量比是0.99。溶膠-凝膠系統所用的配方和製備程序在下面給出。溶膠-凝膠配方第一步MTMS(40g)加乙醇(18.5g)加順丁烯二酸(0.568g)攪拌1到2分鐘(順丁烯二酸必須溶解)第二步添加矽溶膠(AS-40)(39.6g)攪拌60分鐘製備完成後，在使用前，矽溶膠溶液通過5和2微米孔徑的過濾器(美國，新澤西州，Whatman公司產品)，清除可能存在的顆粒。施加第一溶膠-凝膠層到基體上在將鋁基體清洗乾淨後的兩個小時內將溶膠-凝膠層施加到鋁基體表面。
溶膠-凝膠層通過旋塗施加到鋁基體上。或者溶膠-凝膠層也可以通過噴塗來施加。在本示例所使用的程序是以400rpm低轉速旋塗5秒鐘，接著以800rpm高轉速旋塗10秒鐘，一次運作產生的最終溶膠-凝膠層厚度為大約3-4微米。帶有塗層的基體在100℃的溫度下進行熱處理(乾燥)，持續10分鐘以清除溶劑，這是在絕對無塵室內的扁平烤盤上進行的。乾燥步驟之後，帶有溶膠-凝膠材料塗層的基體在馬弗爐中在大氣氣氛中在375℃的溫度下進行固化大約20分鐘。施加下一個溶膠-凝膠層產生的溶膠-凝膠層是不易被水沾溼的，防礙了後面的溶膠-凝膠層和/或聚醯亞胺層的適當粘結。因此有必要對所產生的層用「火焰」或紫外線/臭氧進行預處理使表面親水。要求的溶膠-凝膠絕緣材料最後層厚因此可以通過多次旋塗-固化-火焰處理的循環來得到。聚醯亞胺層的適當粘結不僅要求火焰處理溶膠-凝膠層，還要求使用粘結促進劑，如γ-氨丙基三甲氧基矽烷(APS)，其以去離子水稀釋溶液的形式應用。施加聚醯亞胺絕緣層製備聚醯亞胺層是通過在N-甲基吡咯烷酮(NMP)的聚醯胺酸(PAA)溶液的縮合反應。在示例中使用的材料是Pyre-M.L的RC-5019。該溶液的高粘度使其可旋塗出比較厚的這種材料層。通過在400rpm低轉速下旋塗處理5秒鐘，然後接著以800rpm高轉速旋塗10秒鐘可以得到高達20微米的幹層厚度。
在旋塗後，所形成的塗層在150℃乾燥10分鐘。在冷卻後，可以相同的方式施加第二層，並不需進一步的處理。最後元件在375℃保持30分鐘進行固化。施加電阻層到電絕緣層的頂面電阻或發熱層通過絲網印刷技術來施加。在這種情況下，電阻層包括發熱跡線。發熱跡線是碳和PAA(Pyre-M.L.的RC-5019)的混合物，這個混合物可按照絲網印刷工藝的要求成為糊狀物。得到的層需要在80℃進行乾燥10分鐘以急劇蒸發NMP。
用銀充填PAA製成的如接觸跡線這樣的其他層和頂層材料可以通過與電阻層相同的方式使用絲網印刷進行印刷，其後進行乾燥。
最後整個組合層需要在375℃進行固化30分鐘以便使PAA亞氨基化成為聚醯亞胺。
權利要求
1.一種加熱元件，至少包括基體、電絕緣層和電阻層；其特徵在於，所述電絕緣層包括通過溶膠-凝膠工藝得到的層。
2.根據權利要求1所述的加熱元件，其特徵在於，所述溶膠-凝膠工藝至少包括將有機矽烷化合物和水混合到一起的步驟。
3.根據權利要求1所述的加熱元件，其特徵在於，所述溶膠-凝膠工藝至少包括將有機矽烷化合物和矽石顆粒混合到一起的步驟。
4.根據權利要求2或3所述的加熱元件，其特徵在於，所述有機矽烷化合物包括甲基·三甲氧基矽(MTMS)或四乙氧基矽(TEOS)。
5.根據權利要求1所述的加熱元件，其特徵在於，所述電絕緣層還包括樹脂。
6.根據權利要求5所述的加熱元件，其特徵在於，所述樹脂包括聚醯亞胺。
7.根據權利要求6所述的加熱元件，其特徵在於，所述聚醯亞胺中填充了絕緣填料。
8.根據權利要求1所述的加熱元件，其特徵在於，所述電絕緣層至少包括通過溶膠-凝膠工藝得到的第一層，和包括熱塑樹脂的第二層。
9.根據權利要求6所述的加熱元件，其特徵在於，所述第二層包括聚醯亞胺層。
10.一種家用電器產品至少包括權利要求1到9中任一項所述的加熱元件。
11.一種製造權利要求1到9中任一項所述的加熱元件的方法，其包括步驟提供基體；施加電絕緣層到所述基體上；和施加電阻層到所述電絕緣層頂面；其特徵在於，所述電絕緣層包括通過溶膠-凝膠工藝得到的層。
全文摘要
公開了一種加熱元件，至少包括基體、電絕緣層和電阻層。所述元件的電絕緣層包括通過溶膠－凝膠工藝得到的層，另外還公開了一種至少包括這種加熱元件的家用電器產品，以及製造這種加熱元件的方法。
文檔編號H05B3/32GK1461580SQ02801250
公開日2003年12月10日 申請日期2002年4月9日 優先權日2001年4月17日
發明者Y·維爾斯特拉, J·H·S·溫克爾, R·H·范德沃德 申請人:皇家菲利浦電子有限公司