(57)【要約】  本発明は、アルミニウム基板、ゾルゲル前駆物質を主材料とした電気絶縁層、及び、２μｍよりも小さい厚さを備えた電気抵抗層を含む加熱素子に関する。この加熱素子の特徴は、アルミニウム基板及び抵抗層の熱膨張係数の不整合による亀裂形成の問題を解決する。また、開示されるのは、本発明の加熱素子を含む家庭電化製品である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、アルミニウムの基体、ゾル−ゲル前駆物質を主材料とする電気絶縁層、及び、２μｍよりも小さい厚さを備えた電気抵抗層を含む、膜の加熱素子
【請求項２】
前記電気抵抗層は、無機材料を含む、請求項１に記載の膜の加熱素子。
【請求項３】
前記ゾル−ゲル前駆物質は、有機シラン化合物を含むハイブリッドゾル−ゲル前駆物質である、請求項１又は２に記載の膜の加熱素子。
【請求項４】
前記有機シラン化合物は、メチル−トリメトキシシラン又はメチル−トリエトキシシランを含むことを特徴とする、請求項３に記載の加熱素子。
【請求項５】
当該加熱素子は、導電性層をさらに含む、請求項１に記載の加熱素子。
【請求項６】
少なくとも請求項１乃至５のいずれか一項に記載の加熱素子を含む家庭電化製品。
【請求項７】
当該家庭電化製品は、（スチーム）アイロン、ヘアドライヤー、ヘアースタイラー、スチーマー及びスチームクリーナー、衣類クリーナー、加熱されるアイロン台、顔用スチーマー、やかん、システムアイロン及びクリーナー用の加圧ボイラー、コーヒーメーカー、フライ器、炊飯器、滅菌器、ホットプレート、ホットポット、網焼き器、室内暖房具、ワッフル焼き器、トースター、オーブン、又は、水流加熱器を含むことを特徴とする、請求項６に記載の家庭電化製品。
【請求項８】
少なくとも、アルミニウムの基体を提供するステップ、該基体に電気絶縁層を設けるステップ、及び該電気絶縁層の上部に抵抗層を設けるステップを含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の加熱素子を製造する方法において、
該電気絶縁層は、ゾル−ゲル工程によって得られ、且つ、
該抵抗層は、２μｍよりも小さい厚さを有する
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムの基体、電気絶縁層、及び電気抵抗層を含む膜の加熱素子に、加えてこのような加熱素子を含む家庭電化製品にも、関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、膜の加熱素子は、基板に設けられた二個の機能層、すなわち、電気絶縁層及び電気抵抗層からなる。熱は、その抵抗層を通じた電流の流れによって発生させられる。その絶縁層の機能は、金属の基板から、熱を発生させる抵抗層を隔離することであり、その基板は、外側から直接アクセス可能なものであってもよい。
【０００３】
その抵抗層を、高度に導電性の導電路を介して供給電圧と電気的に接触させることができる。これらの導電路は、一般にパターン化される。
【０００４】
フラットフィルム加熱素子を、おおまかに、二つの主要なカテゴリー、すなわち、厚膜加熱素子及び薄膜加熱素子に分割することができる。
【０００５】
これらの二つのカテゴリー間の区別は、その抵抗層の厚さに関係する。厚膜加熱素子においては、その抵抗層は、２μｍを超過する厚さを有する。これらの膜は、主として、スクリーン印刷の技術によって、調製される。薄膜加熱素子においては、その抵抗層は、２μｍよりも小さい厚さを有する。
【０００６】
これらの膜は、主として、蒸発の技術によって、又は、前駆物質の溶液の熱分解を介して、調製される。
【０００７】
薄膜加熱素子は、特許文献１から知られている。前記の特許は、湿式の化学工程によって調製された薄膜加熱素子を開示する。この薄膜加熱素子は、硬質のガラス基板、石英ガラス基板、又はセラミック基板のような隔離基板に直接設けられた抵抗層からなる。受容体及び供与体を形成する元素がドープされたＳｎＯ２膜は、抵抗層として記述されている。それら膜は、６００℃での硬化が後に続く噴霧熱分解工程によって、溶液から製造される。
【０００８】
多くの特許が、導電性基板、例えば鋼鉄上の薄膜加熱器を開示する。絶縁層（例えば、重合体、エナメルなど）は、その基板からその抵抗層を絶縁するために、これらの導電性基板に設けられる。薄い抵抗層は、これらの絶縁層の上部に設けられる。
【０００９】
しかしながら、最近まで、アルミニウム基板又はアルミニウム合金基板における薄膜加熱器が報告されてこなかった。アルミニウム及びそれの合金は、ほとんどの場合にエナメルを主材料とした絶縁体である鋼鉄基板に使用される絶縁層に対比して、相対的に高い膨張係数（２２−２６ｐｐｍ／Ｋ）を有する。鋼鉄基板に通常使用される絶縁層を、アルミニウム（合金）基板に使用することはできない。不整合の熱膨張係数は、その加熱素子を温度サイクルに晒すとき、その膜の亀裂に帰着する。さらには、これらの絶縁体を設けるために、それら前駆物質が、適切な基板に塗布され、その後に、適切な絶縁層を得るために、その前駆物質を、６５０℃より上の高い温度で硬化させる必要がある。これらの高い硬化温度は、アルミニウム（６６０℃）及びそれの合金の溶融温度を超過するか又はアルミニウム（６６０℃）及びそれの合金の溶融温度に近いものである。従って、これらの材料は、アルミニウム基板用の電気絶縁層として適切なものではない。
【００１０】
特許文献２は、セラミック層がアルミニウム基板用の絶縁層として使用される薄膜加熱器を開示する。しかしながら、セラミック絶縁体層とアルミニウムとの間の膨張係数における差は、この特許において、その加熱素子がステンレス鋼の板に最初に提供され、その後そのステンレス鋼がアルミニウム板に例えばシリコーンを主材料とした接着剤で接着させられるという点で、克服される。
【特許文献１】米国特許第４，８８９，９７４号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第０８９１１１８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、温度サイクルにさらされるとき亀裂が形成されないアルミニウムの基体に適切な前提部の加熱素子を提供することである。用語アルミニウムが使用される場合には、それは、アルミニウム、陽極酸化されたアルミニウム、及び、アルミニウムの合金を含む。さらには、本発明は、前記の加熱素子を製造する方法のみならず、このような加熱素子を含む家庭電化製品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のこれらの目的及び他の目的は、少なくとも、アルミニウムの基体、ゾル−ゲル前駆物質を主材料とする電気絶縁層、及び、２μｍよりも小さい厚さを備えた電気抵抗層を含む膜の加熱素子によって、達成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による加熱素子は、数個の利点を有する。まず第一に、その加熱素子が、２０℃と３００℃との間の温度サイクルに晒されるとき、亀裂の形成が、観察されない。
【００１４】
さらには、その加熱素子は、３００℃の基体の温度で２０ｍＷ／ｃｍ２以上の出力密度を備えた高出力の電気器具に適切なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明による膜の加熱素子は、２μｍよりも小さい厚さを備えた電気抵抗層を含む。この抵抗層は、好ましくは、金属、金属酸化物、又はドープされた金属酸化物を含む。適切な金属は、アルミニウムである。適切な金属酸化物は、酸化スズ、酸化スズインジウム（ＩＴＯ）である。適切なドープされた金属酸化物は、フッ素若しくはアルミニウムがドープされた酸化亜鉛又はフッ素若しくはアンチモンがドープされた酸化スズである。
【００１６】
驚くべきことに、例えば、ＩＴＯが、アルミニウムについての約２３ｐｐｍ／Ｋに対比して、約４ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を有するとはいえ、本発明の加熱素子を、２０℃と３００℃との間の繰り返された温度サイクルに晒されたとき、亀裂の形成が、観察されなかったことが、見出された。
【００１７】
その抵抗層を、（大気）化学蒸着（（Ａ）ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、マグネトロンスパッタリング、溶射、又は、湿式の化学技術によって、その絶縁層に設けてもよい。
【００１８】
その抵抗層は、好ましくは、無機材料からなる。適切な無機材料は、金属、金属酸化物、及びドープされた金属酸化物である。適切な金属は、アルミニウムである。適切な金属酸化物は、酸化スズ、酸化スズインジウム（ＩＴＯ）である。適切なドープされた金属酸化物は、フッ素若しくはアルミニウムがドープされた酸化亜鉛又はフッ素若しくはアンチモンがドープされた酸化スズである。無機材料の抵抗層は、炭化された導電路の形成の危険を冒さない。
【００１９】
本発明の加熱素子は、ゾル−ゲル前駆物質を主材料とする電気絶縁層をさらに含む。
【００２０】
ゾル−ゲル前駆物質を主材料とした電気絶縁層の適用は、数個の利点を提供する。まず第一に、そのゾル−ゲル前駆物質を主材料とした層は、優れた電気絶縁性を示す。ゾル−ゲル前駆物質を主材料とした材料の炭素含有量は、加熱の失敗の場合に炭化された導電路の形成を予防するためには、十分に低いものであり、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、０．１Ｗ／ｍ／°Ｋ−２Ｗ／ｍ／°Ｋの程度の大きさにある高い熱伝導性を有する。さらには、ゾル−ゲル前駆物質を、４００℃より低い温度で加工することができ、その温度は、この材料を、アルミニウムの基体へ直接塗布されることに適切なものにする。そのハイブリッドゾル−ゲル前駆物質のより低い硬化温度のおかげで、そのアルミニウムの機械的性質は、維持されることになる。そのゾル−ゲル前駆物質は、好ましくは、そのゾル−ゲル層の良好な付着を保証するために、陽極酸化されたアルミニウムの基体に塗布される。
【００２１】
そのゾル−ゲル絶縁層が、アルミニウムの基体への塗布に特に適切なものであるとはいえ、また、加熱素子に従来より使用されると共に最終的な利用に適合したものである他の基体を、使用してもよい。前記の基体は、例えば、ステンレス鋼、エナメル加工した鋼、又は銅を含んでもよい。その基体は、平板、管、又は、最終的な利用に適合したものである他の構成のいずれの形態にあるものであってもよい。
【００２２】
好ましくは、そのゾル−ゲル前駆物質は、有機シラン化合物を含むハイブリッドゾル−ゲル前駆物質である。
【００２３】
好適なシランは、ハイブリッドゾル−ゲル前駆物質を形成するシランである。有機シラン化合物を含むハイブリッドゾル−ゲル前駆物質は、ケイ素を含有する化合物であることが、理解され、そのケイ素は、少なくとも一個の非加水分解性有機基及び２又は３個の加水分解性有機基へ結合させられる。
【００２４】
好都合な実施形態において、そのゾル−ゲル材料は、また、シリカの粒子、特にコロイド状シリカの粒子を含んでもよい。
【００２５】
特に、そのハイブリッドゾル−ゲル前駆物質は、アルキル−アルコキシシラン類の群からの有機シラン化合物を含む。
【００２６】
好ましくは、そのハイブリッドゾル−ゲル前駆物質は、メチル−トリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）及び／又はメチル−トリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）を含む。そのハイブリッドゾル−ゲル系を主材料とした本発明の加熱素子の利点は、相対的に高い出力密度であり、且つ、アルミニウムについて最適化された熱膨張係数である。
【００２７】
ＭＴＭＳ及びＭＴＥＳのようなハイブリッドゾル−ゲル前駆物質は、少なくとも４５０℃までの優れた温度安定性を有することが知られている。さらには、ＭＴＭＳは、銀の酸化及びその後の移動を効果的に予防することが示されてきた。これらの材料の炭素が含有率は、絶縁層にわたる炭化された導電路が、破損の後に生じないことになるように、まだ低いものであり、安全な加熱素子を作る。ハイブリッド前駆物質から作られたコーティングの最大の層の厚さは、非ハイブリッドゾル−ゲル材料から作られたコーティングの最大の層の厚さに対比して、相対的に高いものである。従って、それら層を、中間的な硬化無しに、一つの又はたかだか二つのステップで堆積させることができる。
【００２８】
都合よくは、その電気絶縁層は、非導電性粒子を含む。
【００２９】
前記の非導電性粒子の一部分は、好ましくは、薄片状の形状、並びに２μｍ−５００μｍ、好ましくは２μｍから１５０μｍまで、及びより好ましくは、５μｍから６０μｍまでの最長の寸法を有する。これらの薄片状の非導電性粒子は、例えば、二酸化チタン、酸化アルミニウム、及び／又は、二酸化ケイ素のコーティングを備えた雲母又は粘土、及び／又は、表面が修飾された雲母又は粘土の粒子のような酸化物を主材料とする。その絶縁層における薄片状の材料の含有率は、２０体積％未満、好ましくは１５体積％未満、及び、より好ましくは、４体積％−１０体積％未満であるべきである。このような異方性の粒子の利点は、それらの存在が、その素子の頻繁な加熱及び冷却後における電気絶縁層における亀裂の形成を予防するということである。
【００３０】
好適な実施形態において、それら非導電性粒子は、コロイド状の形態で存在する。その例は、酸化アルミニウム及び二酸化ケイ素と同様の酸化物である。好ましくは、その絶縁層における酸化アルミニウムの含有率は、４０体積％未満、好ましくは２０体積％未満、及び、より好ましくは、１０体積％−１５体積％であるべきである。その絶縁層における二酸化ケイ素の含有率に関しては、それは、都合よくは、５０体積％未満、好ましくは３５体積％未満、及びより好ましくは、１５体積％−２５体積％未満であるべきである。
【００３１】
絶縁層が、異方性粒子を含む、粒子で充填されたＭＴＭＳ又はＭＴＥＳを主材料とするとすれば、ちょうど５０μｍの層の厚さは、５０００Ｖに耐えることができる。この相対的に小さい層の厚さは、その抵抗層の厚さにわたる温度差が、かなり低いものであることを可能にし、その温度差は、そのアルミニウムの基体のある一定の温度を得るための加熱抵抗層のよりはるかに低い温度を許容する。この理由のために、都合よくは、前記の薄い層が、使用される。それら層を、いずれの湿式の化学的な塗布方法、好ましくは、硬化のステップが後に続くスプレーコーティング又はスクリーン印刷によって設けてもよい。
【００３２】
本発明による加熱素子は、導電性層をさらに含んでもよい。本発明の加熱素子における導電性層は、電気抵抗層に関して相対的に低いオーム抵抗を備えた層を含むと共に、その熱を発生させる抵抗層と外部の出力源との間における接触層として作用する。
【００３３】
その導電性層は、金属、例えばアルミニウム、又は、ＰＩ／Ａｇ若しくはゾル−ゲル／Ａｇのペーストのようなハイブリッド材料からなるものであってもよい。その導電性層を、（Ａ）ＣＤＶ、ＰＶＤ、マグネトロンスパッタリング、溶射、及び、湿式の又はスクリーン印刷の技術によって、設けてもよい。
【００３４】
その導電路を設けるための好適な技術は、スクリーン印刷である。商業的に入手可能な金属粉末を、その導電路に使用してもよい。銀又は銀の合金の粒子を使用することは、好適なことである。
【００３５】
他の金属及び半導体を、その用途のための導電層を作る際に、それらがゾル−ゲルマトリックスにおける十分に高い温度安定性を有することを条件として、使用してもよい。ＭＴＭＳ又はＭＴＥＳ前駆物質の使用は、その加熱素子の高い温度で銀及び黒鉛の粒子の酸化の速度を減少させる。その点において、ＭＴＥＳから誘導されたマトリックスにおける黒鉛が、３２０℃での６００時間より多くの安定性を示してきたことは、留意されてきた。
【００３６】
その調合物をスクリーン印刷可能なものにするために、セルロース誘導体を、粒子を含有する加水分解されたＭＴＭＳ又はＭＴＥＳの溶液へ添加してもよい。ヒドロキシ−プロピル−メチルセルロースは、好ましくは、そのセルロースの材料として使用される。最後に、高い沸点を備えた溶媒が、そのインクの乾燥及びそのスクリーンのその後の目詰まりを予防するために、添加される。ブトキシエタノールが、適切な選択であることが見出されたが、他の極性溶媒、好ましくはアルコール類もまた、適切なものであることが見出される。
【００３７】
自由選択で、その素子を、保護上塗り層で覆ってもよい。この上塗り層は、主として、その素子の取り扱い中における機械的な損傷に対する保護層として役立つ。例えば、ＭＴＭＳを主材料とした、例えば、シリカで充填されたハイブリッドゾル−ゲル溶液に使用と共に、スクリーン印刷可能な調合物を、容易に作ることができる。その設けられた上塗り層を、その導電性層及びその抵抗層と共に、共同で硬化させてもよい。
【００３８】
本発明は、さらに、少なくとも本発明の加熱素子を含む家庭電化製品に関する。本発明の加熱素子は、特に、高い出力密度が要求される、蒸気の制御された形成のための、洗濯アイロンにおける加熱素子に、非常に適切なものである。しかしながら、その加熱素子は、また、ヘアドライヤー、ヘアースタイラー、スチーマー及びスチームクリーナー、衣類クリーナー、加熱されるアイロン台、顔用スチーマー、やかん、システムアイロン及びクリーナー用の加圧ボイラー、コーヒーメーカー、フライ器、炊飯器、滅菌器、ホットプレート、ホットポット、網焼き器、室内暖房具、ワッフル焼き器、トースター、オーブン、又は、水流加熱器のような他の家庭の用途に非常に適切なものである。
【００３９】
また、本発明は、少なくとも、アルミニウムの基体を提供するステップ、前記の基体に電気絶縁層を設けるステップ、及びその電気絶縁層の上部に抵抗層を設けるステップを含む、本発明による加熱素子を製造する方法であって、その電気絶縁層は、ゾル−ゲル工程によって得られると共に、その抵抗層は、２μｍよりも小さい厚さを有する点で特徴付けられる方法にも関する。特に、そのゾル−ゲル工程は、少なくとも、水と有機シラン化合物を混合するステップを含む。
【実施例１】
【００４０】
本発明は、以下の製造例でさらに解明されると思われる。
【００４１】
例
ＩＴＯ（９０重量％のＩｎ２Ｏ３、１０重量％のＳｎＯ２、９９．９９％を超える純度）の２００ｎｍの薄い層（７２×６４ｍｍ）を、（４．０×１０−６ミリバールより下の開始の初期の圧力、２０ｎｍ／分の堆積速度）Ｌｅｙｂｏｌｄ  Ｚ６５０  Ｂａｔｃｈ  ｓｙｓｔｅｍで、アルゴン／酸素の雰囲気において、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって、アルミニウムの基体上のゾル−ゲル前駆物質を主材料とした５０μｍの厚さの絶縁層上へ、塗布した。約１０μｍの厚さの導電層（ＰＩ／Ａｇを主材料としたペースト、ＡｃｈｅｓｏｎによるＰＭ４３７）を、スクリーン印刷によって、塗布した。８０℃での３０分間の乾燥後、その導電性層を、空気の雰囲気中で、３７５℃で３０分の間に、硬化させた。結果として生じる抵抗は、（２５．５μｍの厚さの層について）０．２７Ω／□の表面抵抗と共に、約３６Ωである。
【００４２】
電圧の印加の後で、結果として生じる加熱素子は、２４０℃の基板温度設定で２０Ｗ／ｃｍ２の出力密度で動作する。
【国際調査報告】
2007512665.tif 000002
2007512665.tif 000003