(57)【要約】少なくとも基材、電気絶縁性層及び抵抗性層を有する加熱素子が開示されている。前記素子の前記電気絶縁性層はゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有する。少なくともこのような加熱素子を有する家庭用電気器具及び該加熱素子の製造方法も記載されている。
2004519832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも基材、電気絶縁性層及び抵抗性層を有する加熱素子であって、前記電気絶縁性層が、ゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有することを特徴とする加熱素子。
【請求項２】
前記ゾル・ゲルプロセスが、少なくとも、オルガノシラン化合物と水とを混ぜ合わせるステップを有することを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
【請求項３】
前記ゾル・ゲルプロセスが、少なくとも、オルガノシラン化合物とシリカ粒子とを混ぜ合わせるステップを有することを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
【請求項４】
前記オルガノシラン化合物がメチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）又はテトラエトキシラン（ＴＥＯＳ）を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の加熱素子。
【請求項５】
前記電気絶縁性層が樹脂も含むことを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
【請求項６】
前記樹脂がポリイミドを有含むことを特徴とする請求項５に記載の加熱素子。
【請求項７】
前記ポリイミドに絶縁性充填材が充填されることを特徴とする請求項６に記載の加熱素子。
【請求項８】
前記電気絶縁性層が、少なくとも、ゾル・ゲルプロセスによって得られる第１層及び熱可塑性樹脂を有する第２層を有することを特徴とする請求項１に記載の加熱素子。
【請求項９】
前記第２層がポリイミド層を有することを特徴とする請求項８に記載の加熱素子。
【請求項１０】
少なくとも請求項１乃至９のいずれか一項による加熱素子を有する家庭用電気器具。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか一項による加熱素子の製造方法であり、少なくとも、
−基材を設けるステップ、
−前記基材上に電気絶縁性層を塗布するステップ、及び
−前記電気絶縁性層の上に抵抗性層を塗布するステップを有する方法であって、前記電気絶縁性層がゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有することを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも基材、電気絶縁性層及び抵抗性層を有する加熱素子（ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）に関する。更に、本発明は、このような加熱素子を含む家庭用電気器具、及び該加熱素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前文に記載の加熱素子は例えば米国特許公報第ＵＳ−Ａ−５，８２２，６７５号から既知である。前記特許は、当該基材の表面上にシリコンベースの電気絶縁性材料の第１層を持つ基材を有する加熱素子を開示している。好ましくは、前記層はまた、電気抵抗性層から大量の熱を伝達するために熱伝導性である。電気絶縁性と熱伝導性との両方を達成するため、第１層は、好ましくは、シリコーン樹脂に加えて、例えばアルミナ、炭化ケイ素又はホウ化ジルコニウム（ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ ｄｉｂｏｒｉｄｅ）などの充填材（ｆｉｌｌｅｒ）を含む。第１層の表面上にはシリコンベースの電気抵抗性材料を有する第２層がある。第２層に設けられるのは、シリコンベースの電気伝導性材料から成る少なくとも２つの別々の領域である。これらの別々の領域の各々は電力供給源との接続に適する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記加熱素子の不利な点は、電気絶縁性層に用いられるシリコーンが、水を吸収するので漏電箇所（ｌｅａｋ）となり、それ故、ＩＥＣ３３５−１において指定されているような最大許容漏れ電流の０．７５ｍＡを超えることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、相対的に高い降伏電圧を持つ前文による加熱素子を提供することにある。とりわけ、本発明は、基材がアルミニウム又は陽極酸化アルミニウム（ａｎｏｄｉｚｅｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ）を有する加熱素子を提供することを目的とする。アルミニウムという用語がアルミニウムとアルミニウムの合金との両方を含むことは明らかであろう。更に、本発明は、このような加熱素子を含む家庭用電気器具、及び該加熱素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明のこれら及び他の目的は、電気絶縁性層がゾル・ゲルプロセス（ｓｏｌ−ｇｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって得られる層を有することを特徴とする前文による加熱素子により達成される。
【０００６】
所謂ゾル・ゲル層を有する電気絶縁性層を塗布する（ａｐｐｌｙ）ことにより、幾つかの利点が達成される。まず第１に、前記ゾル・ゲル層は優れた電気絶縁特性を示す。ゾル・ゲル材料の炭素含有量は、加熱の失敗（ｆａｉｌｕｒｅ）の場合に炭化伝導性トラック（ｃａｒｂｏｎｉｚｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｒａｃｋ）の形成を防止するのに十分低く、それによって、安全な加熱素子を提供する。また、ゾル・ゲル材料は高い熱伝導性を持ち、該熱伝導性は略々０．５乃至２Ｗ／ｍ／°Ｋ程度の大きさである。更に、ゾル・ゲル材料は４００℃未満の温度で処理され得る。このことは、この材料をアルミニウム基材に直接的に塗布されるのに適当にする。
【０００７】
アルミニウム基材上への塗布には、ゾル・ゲルの電気絶縁性層がとりわけ適しているが、従来加熱素子に用いられており、最終的効用（ｆｉｎａｌ ｕｔｉｌｉｔｙ）に適合する他の基材もまた用いられ得る。前記基材は、例えば、ステンレス鋼、エナメル塗布鋼（ｅｎａｍｅｌｅｄ ｓｔｅｅｌ）又は銅を含み得る。前記基材は、平板、管又は最終的効用に適する何らかの他の形状構成の形態であっても良い。
【０００８】
とりわけ、ゾル・ゲルプロセスは、少なくとも、オルガノシラン化合物（ｏｒｇａｎｏｓｉｌａｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）を水と混ぜ合わせるステップを有する。
【０００９】
前記オルガノシラン化合物は、有利なことには、少なくとも２つの加水分解的に縮合可能な置換基（ｈｙｄｒｏｌｙｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｅｎｓａｂｌｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｅｎｔ）を含む。
【００１０】
好ましくは、ゾル・ゲルプロセスが、オルガノシラン化合物と、シリカ粒子、とりわけコロイド状のシリカ粒子とを混ぜるステップを有する。
【００１１】
幾つかのオルガノシランが用いられ得るが、高温のアプリケーションに対しては耐熱性シラン（ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｓｉｌａｎｅ）が好ましい。このようなシランの好ましい例は、メチルトリメトキシシラン（ｍｅｔｈｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）（ＭＴＭＳ）及びテトラエトキシラン（ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）（ＴＥＯＳ）である。このような層の層厚の増大は、コロイド状のシリカなどの充填材の付加によって得られ得る。
【００１２】
場合によっては、例えば層のキャパシタンス機能（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ）を考慮して、或る最小限の厚さの電気絶縁性層を持つことが必要である。このような厚さを得るために、前記電気絶縁性層は樹脂も含み得る。
【００１３】
これは、とりわけゾル・ゲル材料が所望の厚さで塗布され得ない場合に有利であり得る。
【００１４】
スクリーン印刷可能な電気絶縁性層を得るために、該層は、有利なことには、絶縁性充填材を備える樹脂を含む。
【００１５】
前記絶縁性充填材は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、マイカ又は酸化鉄を含み得る。
【００１６】
好ましくは、樹脂はポリイミドを含む。
【００１７】
有利なことには、ポリイミドに絶縁性充填材が充填され得る。
【００１８】
ポリイミドは高い温度耐性及び良好な電気絶縁特性を備える材料である。前記材料は３５０℃まで漏電（ｌｅａｋａｇｅ）を示さない。この絶縁性充填材料は上記の如何なる絶縁性充填材も有し得る。
【００１９】
しかしながら、極端な負荷の場合又は寿命末期には、加熱素子は故障し得る。故障の過程においては、ポリイミド絶縁性層が炭化し、それによって電気伝導性トラック（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｔｒａｃｋ）を形成し得る。これが危険な状況をもたらし得ることは明らかであろう。
【００２０】
このような危険な状況を回避するために、加熱素子の電気絶縁性層は、好ましくは、少なくとも、ゾル・ゲルプロセスによって得られる第１層及び熱可塑性樹脂、好ましくはポリイミドを有する第２層を有する。
【００２１】
ポリイミド層の降伏電圧の場合には、ゾル・ゲル層は絶縁性のままであり、加熱素子の防護手段として作用するであろう。
【００２２】
本発明は、更に、少なくとも本発明による加熱素子を有する家庭用電気器具に関する。
【００２３】
本発明による加熱素子は高温が用いられるアプリケーションにおける使用にとりわけ適する。これらのアプリケーションは、例えば、（スチーム）アイロン、やかん（ｋｅｔｔｌｅ）、コーヒーメーカ、深型フライパン（ｄｅｅｐ ｆｒｙｉｎｇ ｐａｎ）、グリル、室内暖房機（ｓｐａｃｅ ｈｅａｔｅｒ）、ワッフル焼き器（ｗａｆｆｌｅ ｉｒｏｎ）、トースタ、オーブン、湯沸し器（ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ｈｅａｔｅｒ）などを有する。
【００２４】
最後に、本発明は、少なくとも、
−基材を設けるステップ、
−前記基材上に電気絶縁性層を塗布するステップ、及び
−前記電気絶縁性層の上に抵抗性層を塗布するステップを有する加熱素子の製造方法に関する。
【００２５】
前記方法は、電気絶縁性層がゾル・ゲルプロセスによって得られる層を有することを特徴とする。
【００２６】
以下の実施例、以下の製造例及び同封の図面を参照して本発明を更に明らかにする。
【００２７】
様々な素子は単に概略的なものであり、縮尺どおりにはかかれていないことに注意されたい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１に示されているような加熱素子１は、基材２、絶縁性層３及び抵抗性層６から構築（ｂｕｉｌｄ ｕｐ）されている。
【００２９】
図示されている実施例において、基材２は、アイロンの底板（ｓｏｌｅ ｐｌａｔｅ）に用いられるアルミニウム合金を有する。前記基材は、電気絶縁性材料の層３で被覆される。本例の場合には、電気絶縁性層３は、ゾル・ゲルプロセスによって得られる第１層４及び熱可塑性樹脂を有する第２層５から成る。この場合には、熱可塑性樹脂はポリイミドを有する。
【００３０】
ゾル・ゲル材料は４００℃未満の温度で硬化し得る。このことはアルミニウム基材上に直接的に前記材料を塗布することを可能にする。ゾル・ゲル層４は炭素含有量が低いので、加熱素子の故障の場合でも伝導性トラックの生成が防止される。斯くして、ゾル・ゲル層４の絶縁特性は、極端な状況においても依然として損なわれない。更に、ゾル・ゲル材料の熱伝導性は非常に高く、略々０．５乃至２Ｗ／ｍ／°Ｋ程度の大きさである。
【００３１】
加熱素子における或る要求のため、電気絶縁性層の厚さは約３０乃至６０μｍでなければならない。ゾル・ゲル技術によってこのような厚い層を構築するのは困難であるので、所望の厚さを与えるためにゾル・ゲル層の上にポリイミド層５が塗布される。しかしながら、上記のゾル・ゲル層の利点の全てを活用するためにゾル・ゲル層は可能な限り厚い。
【００３２】
例：本発明による加熱素子の製造方法
本発明による加熱素子の製造方法は、少なくとも、
−基材を設けるステップ、
−前記基材上に電気絶縁性層を塗布するステップ、及び
−前記電気絶縁性層の上に抵抗性層を塗布するステップを有する。
【００３３】
以下で、製造方法における種々のステップを更に明らかにする。
【００３４】
（基材）：
製造方法における最初のステップは基材を設けんとするものである。上記の実施例及び図面を参照して、本例の場合には、基材は、アイロンの底板として用いられ得る陽極酸化アルミニウム板を有する。全ての層の間の適切な接着（ａｄｈｅｓｉｏｎ）を確実にするために、アルミニウム基材は徹底的に洗浄されなければならない。本例の場合には、基材は、
−前記基材が、中性石鹸（ｎｅｕｔｒａｌ ｓｏａｐ）の５％純水（ｄｅ−ｍｉｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ）溶液において（約１分間）「超音波」洗浄にかけられ（ユニテック超音波洗浄装置（Ｕｎｉｔｅｃｈ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｃｌｅａｎｅｒ））、
−次いで、前記基材が、引き続き、水槽（ｗａｔｅｒ ｂａｔｈ）において、スチーミングタップ水（ｓｔｅａｍｉｎｇ ｔａｐ ｗａｔｅｒ）において、純水（ｄｅｍｉ ｗａｔｅｒ）で水洗され、
−最後に、前記基材が８０℃で乾燥されるという手順に基づいて洗浄される。
【００３５】
（基材上への電気絶縁性層の塗布）：
【００３６】
（ゾル・ゲル絶縁性材料の準備（ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ））
一例として本実施例において用いられたゾル・ゲル皮膜（ｓｏｌ−ｇｅｌ ｃｏａｔｉｎｇ）は、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）、Ｌｕｄｏｘ ＡＳ４０（４０重量％のコロイド状のシリカ懸濁水溶液（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｓｉｌｉｃａ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ））、エタノール及びマレイン酸の混合物をベースとした。ＳｉＯ２ゾルは、単一のステップの酸触媒による合成方法（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｅｐ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ）によって準備された。メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）（Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏ．，ＵＳＡ）、エタノール（Ｍｅｒｃｋ）、（Ｌｕｄｏｘからの）マレイン酸及びＨ２Ｏが、モル比１：１．３７：０．０１６６：４．５で混ぜ合わされた。ＭＴＭＳ、ＥｔＯＨ及びマレイン酸が室温で２分間混ぜられた。Ｌｕｄｏｘ ＡＳ４０（ＤｕＰｏｎｔ）が付加され、溶液は６０分間混ぜられた。混ぜた後、ゾルの溶液は、５μｍのフィルタ及び２μｍのフィルタを介してろ過された。Ｌｕｄｏｘ及びＭＴＭＳの重量比は０．９９だった。用いられた製法（ｒｅｃｉｐｅ）及び塗布されたゾル・ゲル系（ｓｏｌ−ｇｅｌ ｓｙｓｔｅｍ）の準備手順を以下に付与する。
【００３７】
ゾル・ゲルの製法：
ステップ１  ＭＴＭＳ（４０ｇ）＋エタノール（１８．５ｇ）＋マレイン酸（０．５６８ｇ）
１分間乃至２分間撹拌（マレイン酸は溶かされなければならない）
ステップ２  Ｌｕｄｏｘ（ＡＳ−４０）（３９．６ｇ）の付加
６０分間撹拌
【００３８】
準備後、このシリカゾル溶液は、潜在的に存在し得るパーティクルを取り除くために、使用の直前に、５μｍの孔径（ｐｏｒｅ ｓｉｚｅ）のフィルタ及び２μｍの孔径のフィルタ（Ｗｈａｔｍａｎ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ， ＵＳＡ）を介してろ過された。
【００３９】
（基材上への第１のゾル・ゲル層の塗布）
ゾル・ゲル層は、アルミニウム基材の洗浄後２時間以内にアルミニウム表面上に塗布された。
【００４０】
ゾル・ゲル層はスピンコーティングによってアルミニウム基材上に塗布された。他の例においては、ゾル・ゲル層はスプレーコーティングによって塗布され得る。本例において用いられた手順は、４００ｒｐｍ（低速）での５秒間のスピンコーティングに続いて８００ｒｐｍ（高速）での１０秒間のスピンコーティングをするものであり、１回（ｏｎｅ ｒｕｎ）で約３乃至４μｍのゾル・ゲル層の最終的厚みをもたらす。被覆された基材は、溶媒を取り除くために１００℃で１０分間熱的に処理された（乾燥された）。これはクリーンルーム内のホットプレート上でなされた。乾燥段階後、ゾル・ゲル材料で被覆された基材は、２０分間空気雰囲気下のマッフル炉（ｍｕｆｆｌｅ ｆｕｒｎａｃｅ）において３７５℃で硬化した。
【００４１】
（他のゾル・ゲル層の塗布）
結果として生じるゾル・ゲル層は、次のゾル・ゲル層及び／又はポリイミド層の適切な接着を妨げる疎水性である。それ故、表面を親水性にするための「火炎（ｆｌａｍｅ）」又はＵＶ／オゾンによる前記結果として生じる層の前処理が必要である。それ故、ゾル・ゲル絶縁性材料の必要とされる最終的な層厚は、スピンコーティング−硬化−火炎処理の複合サイクルにより得られ得る。ＰＩ層の適切な接着は、ゾル・ゲル層の火炎処理だけでなく、脱イオン水の希釈液から供給される３−アミノプロピルトリメトキシシラン（３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ） （ＡＰＳ）のような接着促進剤（ａｄｈｅｓｉｏｎ ｐｒｏｍｏｔｏｒ）の使用も必要とする。
【００４２】
（ＰＩ絶縁性層の塗布）
ポリイミド層は、ＮＭＰ中のポリアミノ酸（ｐｏｌｙａｍｉｃ ａｃｉｄ）（ＰＡＡ）溶液の縮合反応を介して準備される。この例において用いられる材料は、Ｐｙｒｅ−Ｍ．Ｌ．のＲＣ−５０１９である。この水溶液の高い粘性は、この材料の相対的に厚い層をスピンコートすることを可能にする。２０μｍまでの乾燥層厚は、４００ｒｐｍ（低速）での５秒間のスピンコーティング処理に続く８００ｒｐｍ（高速）での１０秒間のスピンコーティングにより可能である。
【００４３】
スピンコーティング後、この層は１５０℃で１０分間乾燥される。冷却後、第２層が他の処理なしに同様にして塗布され得る。次いで、最後に、これらの素子は３７５℃で３０分間硬化する。
【００４４】
（電気絶縁性層の上への抵抗性層の塗布）
抵抗性層又は熱生成層はスクリーン印刷技術を用いて塗布される。本例の場合には、抵抗性層は熱生成トラック（ｈｅａｔ−ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｔｒａｃｋ）を有する。熱生成トラックは、炭素とＰＡＡ（Ｐｙｒｅ−Ｍ．Ｌ． ＲＣ−５０１９）との混合物である。この混合物は、スクリーン印刷プロセスのために必要とされるようなペースト（ｐａｓｔｅ）として作用する。この層はＮＭＰをフラッシュ・オフ（ｆｌａｓｈ ｏｆｆ）するために８０℃で１０分間乾燥される必要がある。
【００４５】
銀充填ＰＡＡ及びトップコート材料で作成される接触トラック（ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ ｔｒａｃｋ）のような他の層は、後に乾燥させるスクリーン印刷を用いて抵抗性層と同様にして印刷され得る。
【００４６】
最後に、この積み重ね全体は、ＰＡＡをＰＩにイミド化（ｉｍｉｄｉｚｅ）するために３７５℃で３０分間硬化する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による加熱素子の実施例の断面図を示す。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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2004519832.tif 000011
2004519832.tif 000012
2004519832.tif 000013
2004519832.tif 000014
【国際調査報告】
2004519832.tif 000015
2004519832.tif 000016
2004519832.tif 000017