Brevet FR2871650A1 — publié le 20051216

La présente invention concerne un élément chauffant destiné à être déposé sur un substrat métallique, par exemple en aluminium ou en alliage d'aluminium, ainsi que son procédé de fabrication. L'invention concerne également un article muni d'un tel élément chauffant ainsi que le procédé de fabrication d'un tel article. En particulier, on peut envisager l'utilisation des éléments chauffants selon l'invention pour la fabrication d'ustensiles de cuisson ou articles culinaires, de semelles de fer, de coupelles de bouilloires,... De manière générale, l'élément chauffant de la présente invention doit être en mesure de délivrer de fortes puissances, avec un rapport puissance/surface d'au moins 1 W/cm2 et pouvant aller jusqu'à des valeurs de l'ordre de 40 W/cm2. Si désiré, ce type d'élément chauffant doit permettre de répartir la chaleur de manière uniforme sur toute une surface et ceci, que la puissance soit forte ou faible. Dans ce domaine des fortes puissances, on connaît des éléments chauffants dits "à couches épaisses" qui présentent une très bonne homogénéité et un rapport surface/puissance qui est optimal. De tels éléments chauffants sont constitués par des émaux qui requièrent Une température de cuisson de l'ordre de 850 C. Compte tenu de cette contrainte de fabrication, ils sont déposés sur un substrat métallique susceptible de supporter de telles températures, par exemple du type acier, acier inoxydable ou encore alumine. De tels émaux ne sont par contre pas appropriés pour un dépôt sur un substrat en aluminium. Il existe des émaux qui nécessitent des températures de cuisson inférieures à celle indiquée ci- dessus et qui sont par conséquent susceptibles d'être déposés sur un substrat en aluminium. Cependant, on constate que les performances diélectriques de tels éléments chauffants ne sont pas du tout satisfaisantes. Le but de la présente invention est donc de remédier à l'ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus, en proposant un élément chauffant destiné à être déposé sur un substrat métallique, par exemple en aluminium ou en alliage d'aluminium, voire en acier inoxydable, susceptible de délivrer de fortes puissances, en particulier avec un rapport surface/puissance pouvant aller jusqu'à des valeurs de l'ordre de 40 W/cm2 tout en conservant de bonnes performances diélectriques et/ou susceptible de délivrer une chaleur homogène sur toute une surface. En outre, l'élément chauffant doit avoir une structure simple et présenter une très bonne homogénéité. La présente invention a ainsi pour objet un élément chauffant destiné à être déposé sur un substrat métallique, de préférence en aluminium ou en alliage d'aluminium. Selon l'invention, cet élément comprend, à partir du substrat, au. moins une couche diélectrique comprenant une résine et des charges diélectriques, au moins une couche résistive comprenant une résine et des charges électriquement conductrices, au moins une couche conductrice qui est destinée au raccordement électrique de ladite au moins une couche résistive et qui comprend une résine et des charges électriquement conductrices et au moins une couche de protection finale comprenant une résine et des charges diélectriques, lesdites couches diélectrique, résistive, conductrice et de protection finale comprenant la même résine. L'élément chauffant selon l'invention est donc réalisé par la superposition de couches, chaque couche présentant une composition spécifiquement adaptée à la fonction recherchée pour ladite couche. L'emploi d'une même résine dans l'ensemble des couches diélectrique, résistive, conductrice et de protection finale permet en outre d'obtenir une excellente adhérence et cohésion entre lesdites couches et d'éviter tout phénomène de délaminage d'une couche par rapport à une autre. Le choix de la résine est déterminé par les 15 conditions de fabrication de l'élément chauffant et d'utilisation finale de ce dernier. On choisira de préférence une résine organique résistant aux températures élevées, par exemple d'au moins 250 C, en régime de fonctionnement de l'élément chauffant. Selon un mode particulièrement préféré de l'invention, la résine présente dans les couches diélectrique, résistive, conductrice et de protection finale comprend au moins un composé choisi parmi un polyamide imide (PAI), un polyimide (PI), une polyéther sulfone (PES), un polyéther imide (PEI), une polyphénylène sulfone (PPS), une silicone et une résine époxy. Un autre but de la présente invention consiste à proposer un procédé de fabrication de tels. éléments chauffants sur un substrat métallique, en particulier en aluminium ou en alliage d'aluminium, ledit procédé étant d'industrialisation aisée et permettant de réaliser ces éléments chauffants en grand nombre et à coût réduit. Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes suivantes: application, sur le substrat métallique, d'au moins une couche diélectrique formée de résine et de charges diélectriques, application, sur la au moins une couche diélectrique déposée en dernier dans l'étape précédente, d'au moins une couche résistive formée de résine et de charges électriquement conductrices, 10. application, sur la dernière couche résistive déposée dans l'étape précédente, d'au moins une couche conductrice formée de résine et de charges électriquement conductrices, puis application, sur l'ensemble de la surface, sauf celle de la dernière couche conductrice déposée dans l'étape précédente, d'au moins une couche de protection finale formée de résine et de'charges diélectriques, chacune desdites couches diélectrique, résistive, conductrice et de protection finale comprenant la même resine. Dans une version particulièrement avantageuse de l'invention, l'application de chacune des couches diélectrique, résistive, conductrice et de protection finale est réalisée par sérigraphie. L'application par sérigraphie permet de réaliser des couches d'épaisseur constante et contrôlée, de la manière la plus économique possible. Il est donc possible d'obtenir des éléments chauffants de faible épaisseur, permettant un gain de place dans la structure de l'article que l'élément chauffant est destiné à pourvoir. En effet, la présente invention concerne également un article doté d'un élément chauffant selon l'invention déposé sur un substrat métallique, en particulier en aluminium ou en alliage d'aluminium. L'invention vise en particulier un article ou ustensile culinaire comportant un élément chauffant selon l'invention et, sur la face. du substrat ne comportant pas ledit élément chauffant, un revêtement d'émail ou un revêtement anti-adhésif, notamment à base de ' résine fluorocarbonée, par exemple à base de PTFE. L'invention se rapporte enfin à un procédé de fabrication d'un article, notamment d'un article culinaire, comprenant une première étape 'de dépôt d'un revêtement d'émail ou anti-adhésif, notamment à base de résine fluorocarbonée, par exemple à base de PTFE, sur l'une des faces mutuellement opposées d'un substrat métallique, en particulier en aluminium ou en alliage d'aluminium, et une seconde étape de dépôt, sur l'autre face du substrat, d'un élément chauffant fabriqué conformément au procédé de la présente invention. Ainsi, grâce à la présente invention, il est tout à fait possible de réaliser un élément chauffant sur une face d'un substrat sans altérer le revêtement d'émail ou anti-adhésif préalablement déposé sur l'autre face du dit substrat. Ceci présente un réel avantage dans le domaine des articles culinaires où l'emploi de surfaces antiadhésives électriquement chauffantes est largement répandu. D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, faite en référence aux figures annexées la figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale de la structure d'un élément chauffant conforme à l'invention déposé sur un substrat, et - la figure 2 représente l'élément chauffant de la figure 1 déposé sur le substrat, lui-même recouvert d'un revêtement, par exemple d'un revêtement anti-adhésif. On identifie par les mêmes références numériques les éléments communs aux figures 1 et 2. Sur la figure 1, on a représenté un substrat 1 réalisé en aluminium ou en alliage d'aluminium. Le substrat 1 est de manière courante un disque mais toute autre forme pourra bien entendu être envisagée. La face la du substrat 1 est recouverte par au moins une couche diélectrique 2 continue et formée de résine et de charges diélectriques. La couche diélectrique 2 est recouverte par une couche résistive 3 formée de résine et de charges électriquement conductrices. De préférence, la couche résistive 3 se présente sous la forme d'une piste dont les dimensions telles que longueur et épaisseur peuvent bien évidemment être adaptées en fonction de la résistance recherchée. La piste formant la couche résistive 3 peut par exemple être sous forme de spirale dont seules les sections de chaque circonvolution sont représentées sur les figures 1 et 2. Sur la couche résistive 3 est déposée au moins une couche conductrice 4 formée de résine et de charges électriquement conductrices. Cette couche conductrice 4, qui ne recouvre qu'une faible portion de la couche résistive 3, est destinée au raccordement électrique de la couche résistive 3. Au moins une couche de protection finale 5, formée de résine et de charges diélectriques, est déposée sur toute la surface sauf sur la couche conductrice 4. Comme représenté sur la figure 1, cette couche de protection finale 5 recouvre donc la couche résistive 3 ainsi que certaines zones 2a de la couche diélectrique 2, lesdites zones 2a étant situées à l'endroit des interstices 3a laissés libres par la couche résistive 3, lorsque celle-ci se présente sous la forme d'une piste. L'élément chauffant 6 est constitué par l'ensemble formé des couches diélectrique 2, résistive 3, conductrice 4 et de protection finale 5. Les couches diélectrique 2, résistive 3, conductrice 4 et de protection finale 5 comprennent la même résine. De préférence, cette résine comprend au moins un composé choisi parmi un polyamide imide (PAI), un polyimide (PI), une polyéther sulfone (PES), un polyéther imide (PEI), une polyphénylène sulfone (PPS), une silicone et une résine époxy. Les charges diélectriques de toute couche diélectrique 2 peuvent comprendre au moins un élément choisi parmi le mica, l'alumine, la silice, l'argile, le quartz, le talc, le verre, le nitrure de bore. La granulométrie des charges diélectriques est déterminante, en particulier dans le cas où chaque couche diélectrique 2 est appliquée par sérigraphie, afin de ne pas obturer les mailles de l'écran sérigraphique. Dans une version avantageuse de l'invention, les charges diélectriques ont une dimension moyenne inférieure à 25 zm, de préférence inférieure à 10 m. Préférentiellement, la proportion pondérale de charges diélectriques comprise dans toute couche diélectrique 2 est ajustée pour obtenir une isolation électrique entre la couche résistive 3 et le substrat 1 lorsqu'une différence de potentiel d'au moins 1250 V est appliquée entre ladite couche résistive 3 et le substrat 1 pendant au moins une minute. Dans une version avantageuse de l'invention, toute couche diélectrique 2 comprend de 30 à 70% en poids, préférentiellement de 40 à 50% en poids, de charges diélectriques et de 30 à 70% en poids, préférentiellement de 50 à 60% en poids, de résine pure ou en solution, ladite solution comprenant au moins 10% en poids de résine pure. De telles proportions pondérales permettent d'obtenir une composition suffisamment fluide pour envisager l'application par sérigraphie de chaque couche diélectrique 2. En outre, il peut être envisagé que chaque couche diélectrique 2 conserve après cuisson une certaine souplesse lui permettant de résister aux contraintes extérieures qui peuvent s'exercer au cours de l'élaboration finale de l'article. Les charges électriquement conductrices comprises dans la composition de toute couche résistive 3, mais également de toute couche conductrice 4, comprennent au moins un élément choisi parmi les particules minérales, métalliques, céramiques ou composites dotées de propriétés de conduction électrique. On peut ainsi choisir, comme charges électriquement conductrices, des particules d'argent, de cuivre, de graphite, de carbone, de nickel, de palladium, des nitrures ou carbures, et notamment des nitrures et des carbures de zirconium, d'hafnium ou de titane. Parmi les particules composites, on peut notamment citer les particules enrobées telles que des particules de verre recouvertes de métal, par exemple recouvertes d'argent. Comme on l'a vu précédemment pour les charges diélectriques, la granulométrie des charges électriquement conductrices est adaptée au mode d'application envisagé pour l'application de chaque couche résistive 3 et de chaque couche conductrice 4. De préférence, les charges électriquement conductrices de chaque couche résistive 3 et de chaque couche conductrice 4 ont une dimension moyenne inférieure à 20 j.m, et de préférence comprise entre 1 et 5 m. L'épaisseur de toute couche résistive 3 et la proportion pondérale de charges électriquement conductrices comprise dans cette couche résistive 3 sont de préférence adaptées pour fournir, en fonction de la largeur et de la longueur de la piste résistive ainsi constituée dans cette couche résistive 3, une résistance de 5 à 1000 Q. Selon une version avantageuse de l'invention, toute couche résistive 3 comprend de 50 à 85% en poids, préférentiellement de 60 à 70% en poids, de charges électriquement conductrices et de 15 à 50% en poids, préférentiellement de 30 à 40% en poids, de résine pure ou en solution, ladite solution comprenant au moins 10% en poids de résine pure. Chaque couche conductrice 4 comporte. une proportion pondérale de charges électriquement conductrices d'au moins 70%, le rapport pondéral charges électriquement conductrices sur résine pure étant supérieur ou égal à 9. Dans une version avantageuse de l'invention, la couche de protection finale 5 présente la même composition que la couche diélectrique 2.. On comprend aisément, qu'après cuisson de l'ensemble des couches diélectrique 2, résistive 3, conductrice 4 et de protection finale 5, on obtient un élément chauffant 6 présentant une excellente homogénéité, la présence de la même résine dans l'ensemble de ces couches 2, 3, 4 et 5 créant en quelque sorte une matrice homogène. En d'autres termes, cette même résine est dopée dans des zones et des endroits bien déterminés constituant les couches et/ou les zones adaptées aux fonctions voulues telles qu'indiquées précédemment (résistance, connexion ou isolation). Le procédé de fabrication de l'élément chauffant 6 comprend les étapes suivantes: on applique, sur le substrat métallique, tel qu'en aluminium ou en alliage d'aluminium, au moins une couche diélectrique 2 formée de résine et de charges diélectriques, on applique au moins une couche résistive 3 formée de résine et de charges électriquement conductrices, cette couche résistive 3 étant appliquée sur la au moins une couche diélectrique 2 déposée dans l'étape précédente, soit sur la couche diélectrique 2 comme dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, soit sur l'une au moins des couches diélectriques 2, étant précisé que la dernière couche diélectrique 2 appliquée est nécessairement revêtue d'au moins une couche résistive 3, 30. on applique, sur la dernière couche résistive 3 déposée dans l'étape précédente, au moins une couche conductrice 4 formée de résine et de charges électriquement conductrices, puis on applique, sur l'ensemble de la surface, sauf sur la surface de la dernière couche conductrice 4 déposée dans l'étape précédente, au moins une couche de protection finale 5 formée de résine et de charges diélectriques. On peut bien évidemment procéder à une étape préalable de traitement, mécanique ou chimique, de la face la du substrat 1 pour permettre un accrochage optimisé de la première couche diélectrique 2 au substrat 1. L'application de chacune des' couches diélectrique 2, résistive 3, conductrice 4 et de protection finale 5 est de préférence réalisée par sérigraphie, permettant ainsi un excellent contrôle de l'épaisseur de chacune des couches 2, 3, 4 et 5. On procède alors à un simple séchage de chacune couche déposée avant application de la suivante, pour éliminer les composés volatils et permettre l'application de l'écran sérigraphique, sans risque de dégradation de la couche déposée en dernier lieu. Après application de l'ensemble des couches 2, 3, 4 et 5, on procède à une unique étape de cuisson pour obtenir la polymérisation de la résine entrant dans la composition des dites couches 2, 3, 4 et 5. Grâce à cette seule étape de cuisson, on obtient une économie d'énergie, un gain de manutention voire un gain de place. Dans une version avantageuse de l'invention, l'épaisseur de l'ensemble des couches diélectriques 2 est comprise entre 30 et 300,cm et, de préférence, entre 90 et 150 m. L'épaisseur de l'ensemble des couchés résistives 3 est comprise entre 5 et 50 m, celle de l'ensemble des couches conductrices 4 est comprise entre 10 et 30 pm et celle de l'ensemble des couches de protection finale 5 est comprise entre 15 et 35 m. En variante de la réalisation de l'élément chauffant 6 représenté aux figures 1 et 2 comportant une couche diélectrique 2, une couche résistive 3, une couche diélectrique 4 et une couche de protection finale 5, on peut tout à fait réaliser un élément chauffant requérant l'application, de deux, de trois, voire plus, de l'une ou l'autre des couches diélectriques 2, résistives 3, conductrices 4 et de protection finale 5 pour obtenir les épaisseurs mentionnées ci-dessus. Cette variante est plus particulièrement applicable pour la réalisation de la couche diélectrique 2. En effet, une superposition de plusieurs couches diélectriques 2 est réalisée pour atteindre l'épaisseur indiquée ci-dessus pour l'ensemble des couches diélectriques 2. Sur la figure 2, on a représenté l'élément chauffant 6 déposé sur la face la du substrat 1 illustré sur 20 la figure 1. La face lb du substrat 1 est quant à elle recouverte d'un revêtement 7. Ce revêtement 7 peut être réalisé en émail ou être anti-adhésif, celui-ci pouvant être à base de résine fluorocarbonée, par exemple à base de PTFE. On peut envisager de multiples applications mettant en oeuvre l'élément chauffant 6 selon l'invention. A titre non limitatif, on citera les articles culinaires, les bouilloires, les fers à repasser. REVENDICATIONS 1. Elément chauffant destiné à être déposé sur un substrat métallique et comprenant, à partir du substrat (1), au moins une couche diélectrique (2) comprenant une résine et des charges diélectriques, au moins une couche résistive (3) comprenant une résine et des charges électriquement conductrices, au moins une couche conductrice (4) qui est destinée au raccordement électrique de ladite au moins une couche résistive (3) et qui comprend une résine et des charges électriquement conductrices et au moins une couche de protection finale (5) comprenant une résine et des charges diélectriques, lesdites couches diélectrique (2), résistive (3), conductrice (4) et de protection finale (5) comprenant la même résine. 2. Elément chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résine comprend au moins un composé choisi parmi un polyamide imide (PAI), un polyimide (PI), une polyéther sulfone (PES), un polyéther imide (PEI), une polyphénylène sulfone (PPS), une silicone et une résine époxy. 3. Elément chauffant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la proportion pondérale de charges diélectriques comprise dans toute couche diélectrique (2) est ajustée pour obtenir une isolation électrique entre la couche résistive (3) et le substrat (1) lorsqu'une différence de potentiel d'au moins 1250 V est appliquée entre ladite couche résistive (3) et le substrat (1) pendant au moins une minute. 4. Elément chauffant selon la revendication 3, caractérisé en ce que toute couche diélectrique (2) comprend de 30 à 70% en poids, préférentiellement de 40 à 50% en poids, de charges diélectriques et de 30 à 70% en poids, préférentiellement de 50 à 60% en poids, de résine pure ou en solution, ladite solution comprenant au moins 10% de résine pure. 5. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les charges diélectriques ont une dimension moyenne inférieure à 25 m, de préférence inférieure à 10 um. 6. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les charges diélectriques de toute couche diélectrique (2) comprennent au moins un élément choisi parmi le mica, l'alumine, la silice, l'argile, le quartz, le talc, le verre, le nitrure de bore. 7. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de toute couche résistive (3) et la proportion pondérale de charges électriquement conductrices comprise dans cette couche résistive (3) est adaptée pour fournir une résistance de 5 à 1000 Q. 8. Elément chauffant selon la revendication 7, caractérisé en ce que toute couche résistive (3) comprend de 50 à 85% en poids, préférentiellement de 60 à 70% en poids, de charges électriquement conductrices et de 15 à 50% en poids, préférentiellement de 30 à 40% en poids, de résine pure ou en solution, ladite solution comprenant au moins 10% de résine pure. 9. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que toute couche conductrice (4) comporte une proportion pondérale de charges électriquement conductrices d'au moins 70%, le rapport pondéral charges électriquement conductrices sur résine pure étant supérieur ou égal à 9. 10. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les charges électriquement conductrices de toute couche résistive (3) et de toute couche conductrice (4) ont une dimension moyenne inférieure à 20 m, et de préférence comprise entre 1 et 5 m. 11. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lès charges électriquement conductrices de toute couche résistive (3) et de toute couche conductrice (4) comprennent au moins un élément choisi parmi les particules minérales, métalliques, céramiques ou composites dotées de propriétés de conduction électrique, telles que l'argent, le cuivre, le graphite, le carbone, le nickel, le palladium, les nitrures ou carbures, notamment de zirconium, d'hafnium ou de titane. 12. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la couche de protection finale (5) présente la même composition que la couche diélectrique (2). 13. Article, notamment article culinaire, doté d'un élément chauffant (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 déposé sur un substrat métallique (1). 14. Article culinaire selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte, sur la face (lb) du substrat (1) ne comportant pas l'élément chauffant (6), un revêtement (7) d'émail ou anti-adhésif, notamment à base de résine fluorocarbonée, par exemple à base de PTFE. 15. Procédé de fabrication d'un élément chauffant sur un substrat métallique comprenant les étapes suivantes: application, sur lé substrat métallique (1), d'au moins une couche diélectrique (2) comprenant une résine et des charges diélectriques, application, sur la au moins une couche diélectrique (2) déposée dans l'étape précédente, d'au moins une couche résistive (3) comprenant une résine et des charges électriquement conductrices, 10. application, sur la dernière couche résistive (3) déposée dans l'étape précédente, d'au moins une couche conductrice (4) comprenant une résine et des charges électriquement conductrices, puis application, sur l'ensemble de la surface, sauf celle de la dernière couche conductrice (4) déposée dans l'étape précédente, d'au moins une couche de protection finale (5) comprenant une résine et des charges diélectriques, chacune desdites couches diélectrique (2), résistive (3), conductrice (4) et de protection finale (5) comprenant la même résine. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la résine comprend au moins un composé choisi parmi un polyamide imide (PAI), un polyimide (PI), une polyéther sulfone (PES), un polyéther imide (PEI), une polyphénylène sulfone (PPS), une silicone et une résine époxy. 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que l'application de chacune des couches diélectrique (2), résistive (3), conductrice (4) et de protection finale (5) est réalisée par sérigraphie. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches diélectriques (2) est comprise entre 30 et 300 m, de préférence entre 90 et 150 m. 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches résistives (3) est comprise entre 5 et 50 m. 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 19, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches conductrices (4) est comprise entre 10 et 30 um. 21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 20, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches de protection finale (5) est comprise entre 15 et 35 m. 22. Procédé de fabrication d'un article, notamment d'un article culinaire, comprenant une première étape de dépôt d'un revêtement (7) d'émail ou anti-adhésif, notamment à base de résine fluorocarbonée, par exemple à base de PTFE, sur l'une des faces (lb) mutuellement opposées d'un substrat métallique (1) et une seconde étape de dépôt, sur l'autre face (la) du substrat (1), d'un élément chauffant (6) conformément au procédé de l'une quelconque des 25'' revendications 15 à 21.